JP2008026100A - 真空度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成簡易で、小型化と圧力測定精度の高度化が容易であり、しかも外部振動に対し強く、センサ部とドライバ部との配線が不要で、センサ部に電源を必要とせず、設置が容易で、また圧力変化に対する反応が素早い、真空度測定装置を提供する。
【解決手段】円環状の弾性表面波周回経路１２ａが表面に沿い設けられ、弾性表面波を励起し受信する弾性表面波励起／受信手段１４が周回経路に対応して設けられている弾性表面波素子１０を備え、上記周回経路を周回する弾性表面波の強度を検出し周回に伴う上記強度の減衰量を基に真空度を測定するか、又は、周回経路を周回する弾性表面波の周回速度を検出し周回に伴う上記周回速度の変化を基に真空度を測定するか、又は、上記強度の減衰量及び／或いは上記周回速度の変化を基に真空度を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体の圧力を測定する真空度測定装置に関係しており、より詳細には、弾性表面波が周回する少なくとも円環状の周回経路が表面に沿い設けられ弾性表面波を励起し受信する弾性表面波励起／受信手段が周回経路に対応して設けられている弾性表面波素子を使用して真空度を測定する真空度測定装置に関する。

容器内真空度の定義は、容器内圧力と大気圧との差圧であり、容器内圧力が大気圧に比べより低いほど容器内真空度は高いことになる。
ここでいう大気圧は、標準大気圧101.3ｋＰａ＝1.033ｋｇｆ／ｃｍ²を指す。標準大気圧は高さ76ｃｍの水銀柱と力がつり合うので、水銀柱表示では76ｃｍＨｇと言う。
真空とは工業的立場では大気圧より低い圧力状態をいい、程度に応じて低真空，中真空，高真空，超高真空，極高真空と分類されている。
低真空は大気圧からその1,000分の1気圧までを指し、10兆分の1気圧以下を極高真空といい、この辺りが人工的に作れる真空の限界とされている。

真空度計として、例えば、ブルドン管圧力計やピラニ真空計や振動型全圧計などの種々の構造のものが知られている。
しかしながら、ブルドン管圧力計はその構造上、小型化及び圧力測定精度の高度化が難しく、また外部から加えられる振動に対しても弱いという欠点がある。
ピラニ真空計は、その構造上、圧力変化に対する反応が遅いという欠点がある。
振動型全圧計は、共振振動させた音叉形状の水晶振動子と周囲の気体との摩擦を音叉形状の水晶の交流インピーダンスを測定することにより測定し、ひいては周囲の気体の圧力を測定するが、水晶振動子の精密な加工を必要としており、製造コストが高いという欠点がある。

また、１０^-10Ｔｏｒｒ以下の超高真空度を精度よく測定するための真空度測定方法として、容器内の気体を圧縮し、圧縮された気体の真空度を測定し、該真空度測定値を圧縮比で割ることにより、真空度を求めることを特徴とする真空度測定方法に係る提案も知られている。（特許文献１参照）
特開平１１−３２６１０３号公報

上記各種の従来型真空計に共通して、測定端であるセンサ部とそのドライバ部を結線する必要があるが、そのためには真空容器に配線用のポートを設置する必要があり、また、測定する真空容器が回転するような場合には配線がねじれて測定が不可能なため、上記各種の従来技術においては、駆動用の電池を厳重な圧力容器に格納した無線機構を、真空中に設置する必要があった。

上記事情の下でなされた本発明の目的は、構成が簡易であって小型化及び圧力測定精度の高度化が容易であり、しかも外部から加えられる振動に対して強く、低コストで製造が容易であって、センサ部とドライバ部との配線が不要で、センサ部に電池を必要とせず、設置が容易で、真空に対する悪影響が少なく、センサが回転する場合にも測定可能で、また圧力変化に対する反応が素早い、真空度測定装置を提供することである。

上述した目的を達成するために、本発明による真空度測定装置は、
弾性表面波が周回する少なくとも円環状の周回経路が表面に沿い設けられ、弾性表面波を励起および／または受信する弾性表面波励起／受信手段が周回経路に対応して設けられている弾性表面波素子を備えており、
上記周回経路を周回する上記弾性表面波の強度および／または位相を検出し、
周回に伴う弾性表面波の強度の減衰量および／または弾性表面波の伝搬速度を基に真空度を測定する、
ことを特徴とする。

また、本発明による真空度測定装置では、
上記周回経路を周回する上記弾性表面波の周回速度を検出し、周回に伴う弾性表面波の上記周回速度の変化を基に真空度を測定すること。
上記周回経路を周回する上記弾性表面波の強度を検出するとともに上記周回経路を周回する上記弾性表面波の周回速度を検出し、周回に伴う弾性表面波の強度の減衰量及び／或いは周回に伴う弾性表面波の上記周回速度の変化を基に真空度を測定すること。
上記弾性表面波素子を密閉した内部空間と、外部空間の圧力の変化を内部空間に伝達する圧力変化伝達手段と、を含む弾性表面波素子密閉容器を備えること。
上記弾性表面波素子の上記表面は球形状であること。
上記弾性表面波素子の上記弾性表面波励起／受信手段はすだれ状電極を含んでおり、上記表面において上記すだれ状電極に対応した部分は圧電性を有していること。
の何れも有効である。

さらには、
上記弾性表面波励起／受信手段は電磁波送受信手段に接続されていて、上記電磁波送受信手段を介して受信した電磁波に従い上記表面の上記周回経路に弾性表面波を励起させ、また上記弾性表面波励起／受信手段が上記周回経路を周回する弾性表面波に対応した電磁波を上記電磁波送受信手段から発信させることによって、真空容器中に設置したセンサを駆動するための電源が不要であること
が、一層好適である。

本発明による真空度測定装置では、弾性表面波が周回する少なくとも円環状の周回経路が表面に沿い設けられ、弾性表面波を励起し受信する弾性表面波励起／受信手段が周回経路に対応して設けられている弾性表面波素子を使用して、弾性表面波の伝播に周囲の気体の圧力が影響することを利用し、上記表面に励起し伝播する弾性表面波の周回に伴う伝播状況を検出し、検出された伝播状況を基に上記周回経路に接する気体の圧力（真空度）を測定することが可能である。

例えば、上記周回経路を周回する上記弾性表面波の強度を検出し、周回に伴う弾性表面波の強度の減衰量を基に上記周回経路に接する気体の圧力を測定するか、
上記周回経路を周回する上記弾性表面波の周回速度を検出し、周回に伴う弾性表面波の上記周回速度の変化を基に上記周回経路に接する気体の圧力を測定するか、又は、
上記周回経路を周回する上記弾性表面波の強度を検出するとともに上記周回経路を周回する上記弾性表面波の周回速度を検出し、周回に伴う弾性表面波の強度の減衰量及び／あるいは周回に伴う弾性表面波の上記周回速度の変化を基に上記周回経路に接する気体の圧力を測定する、
かつ弾性表面波を励起または受信するための配線また電源が不要であり、真空槽内部に設置が必要な機器の表面積が小さい、
ので、構成が簡易であって小型化及び圧力測定精度の高度化が容易であり、しかも外部から加えられる振動に対して強く、低コストで製造が容易であって、また圧力変化に対する反応が素早く、真空に与える悪影響が小さく、センサ部とドライバ部が相対的に回転することができ、長期連続使用が可能である。

以下、この発明に従った種々の実施の形態を添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
この発明の種々の実施の形態に従った真空度測定装置は、弾性表面波素子を使用する。

より詳細には、ここで使用される弾性表面波素子は、弾性表面波が周回する少なくとも円環状の周回経路が表面に沿い設けられ、弾性表面波を励起し受信する弾性表面波励起／受信手段が周回経路に対応して設けられている。そして、上記表面が球形状の場合には、周回経路は少なくとも円環状の表面の最大外周線または最大内周線に沿っている。

図１には、そのような弾性表面波素子１０の一例が示されている。
弾性表面波素子１０は、弾性表面波Ａが周回する少なくとも円環状の周回経路１２ａが表面に沿い設けられている基体１２を含んでいる。周回経路１２ａ中には、周回経路１２ａに対して弾性表面波Ａを励起させ、また周回経路１２ａ中を伝播してくる弾性表面波Ａを受信する弾性表面波励起／受信手段１４が設けられている。

基体１２は、それ自身が弾性表面波Ａをその表面に沿い励起周回可能な圧電性結晶材料によってのみ形成されることが出来る。励起周回可能な圧電性結晶材料には、基材に弾性表面波伝播膜が形成されているものも含む。弾性表面波励起／受信手段１４が周回経路１２ａに電界を印加することにより弾性表面波を励起させる場合には、非圧電材料の基礎部分の表面の少なくとも円環状の周回経路１２ａとなる部分に圧電材料の膜を形成することにより基体１２を作成することが出来るし、圧電材料の基礎部分のみで基体１２を作成することが出来る。

なお、図１では説明の簡略化の為に周回経路１２ａは直線状の帯形状として描かれているが、基体１２の全表面において周回経路１２ａとなる少なくとも円環状の表面に沿い実際に弾性表面波Ａが伝播する際には、その伝播方向に対し直交する方向である幅方向Ｗに拡散と収縮とを繰り返すのが普通であるが、弾性表面波励起／受信手段１４において弾性表面波を励起させるのに有効な幅を適切に選択することにより、周回経路１２ａの幅方向Ｗにおける寸法を最小にすることが出来、多くの実用上の利点を生じさせる。

また本発明で言う、弾性表面波とは、擬セザワ波等の擬似弾性表面波、周囲の気体や液体のような気体中にエネルギーの漏れをもたらす漏洩弾性表面波、板波、ラブ波、そして回廊波を含み、表面近傍にエネルギーを集中して伝播する弾性波を総称して指すものとする。

図１の基体１２の全表面は球形状をしているが、弾性表面波Ａが伝播する周回経路１２ａを含む円環状の表面以外の部分（即ち、弾性表面波Ａが伝播しない部分）はいかなる形状をしていても良く、周回経路１２ａを含む円環状の表面の両側を相互に平行に切断したいわゆる樽形状としても良い。

そして、図１の基体１２は周回経路１２ａを伝播する弾性表面波Ａが例えば固体物に接触して実質的に外部撹乱を受けるのを防止する為に、周回経路１２ａを含む円環状の表面の少なくとも一側をブラケット１９と、接点９３を基体１２に適当な圧力で押し付ける効果を持つアンテナ９１とで保持している。

図１の弾性表面波励起／受信手段１４は、弾性表面波励起／受信手段１４に電磁波、例えば電気信号、を負荷し上記電気信号に対応して弾性表面波励起／受信手段１４により上記円環状の表面の周回経路１２ａ上に弾性表面波を励起する為や周回経路１２ａ上を伝播し弾性表面波励起／受信手段１４に受信された弾性表面波を対応する電磁波、例えば電気信号、を励起させる為の弾性表面波素子制御ユニット２０に接続されている。より詳細には、図１の弾性表面波励起／受信手段１４は上記円環状の表面の周回経路１２ａ上に圧電材料膜を介して形成されたすだれ状電極２２を含んでおり、すだれ状電極２２の一対の入出力端子から基体１２の全表面において周回経路１２ａを含む円環状の表面の両側に延びたリード線２３により基体１２上に設けられた電極パッド２４に接続され、基体１２を保持しかつ良導体であるブラケット１９と接点９３を電磁波導体として利用することによってアンテナ９１に接続され、弾性表面波素子制御ユニット２０にリード線２３で接続されたアンテナ９２と電磁波によって結合し、弾性表面波素子制御ユニット２０に接続されている。

図１の例において弾性表面波素子制御ユニット２０は、インピーダンスマッチング回路２０ａ、サーキュレーター２０ｂ、高周波電源を含む発信機２０ｃ、アンプ２０ｄ、そしてディジタルオシロスコープ２０ｅ等を備えている。なお、発信機２０ｃに代わり高周波受信アンテナを使用することも出来る。

また、弾性表面波励起／受信手段１４により基体１２の周回経路１２ａに弾性表面波の周回を行なわせるには、周回経路１２ａが規定される材料や周回経路１２ａの直径に応じて高周波信号を断続的に弾性表面波励起／受信手段１４に負荷し、その周波数応答を観測しても良いが、代わりに、ＲＦバースト信号をＲＦバースト信号が周回経路１２ａを１周する時間間隔で繰り返し印加し、その結果としてどのような出力を弾性表面波励起／受信手段１４が得ることが出来るかを観測するようにしても良い。さらには、円環状の周回経路１２Ａを弾性表面波が所望の回数周回するのに必要な時間を直接的にでも、或いは間接的にでも、観測することであっても良い。

図２には、図１に示されている弾性表面波素子１０に代わる、弾性表面波素子３０が示されている。この弾性表面波素子３０の構成において図１に示されている弾性表面波素子１０の構成と同じものは、弾性表面波素子３０の対応する構成をしている参照符号と同じ参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

この弾性表面波素子３０が、図１に示されている弾性表面波素子１０と異なっているのは、基体１２に形成されている空洞１２ｃの内表面に少なくとも円環状の周回経路１２ａが設けられていることである。そして、この弾性表面波素子３０の外表面の一部が台座１８に直接取り付けられている。

図３及び４にも、図１に示されている弾性表面波素子１０に代わる、弾性表面波素子４０が示されている。この弾性表面波素子４０の構成において図１に示されている弾性表面波素子１０の構成と同じものは、弾性表面波素子４０の対応する構成をしている参照符号と同じ参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

この弾性表面波素子４０が、図１に示されている弾性表面波素子１０と異なっているのは、基体１２の少なくとも円環状の表面に設けられている周回経路１２ａ上にではなく、図４中に良く示されているように周回経路１２ａに対して隙間Ｓを介して弾性表面波励起／受信手段１４が配置されていることである。より詳細には、弾性表面波素子４０の基体１２の外表面において周回経路１２ａを含む少なくとも円環状の表面以外の部分が台座４２により支持されていて、台座４２は周回経路１２ａに所定の距離の隙間Ｓを介して対向している凹所４２ａを有しており、凹所４２ａの表面に弾性表面波励起／受信手段１４が配置されている。

図１、２、そして３及び４に示されている弾性表面波素子１０、３０、そして４０の夫々において、基体１２がそれ自身が弾性表面波Ａをその表面に沿い励起周回可能な圧電性結晶材料によってのみ形成されている場合には、その材料の種類によっては所定の数の相互に異なる複数の周回経路１２ａを少なくとも円環状の表面に設けることが出来る。

或いは基体１２が、少なくとも円環状の表面を含みそれ自身が圧電性を有しない場合でも、基礎部分において少なくとも円環状の周回経路１２ａとする表面に、またこのような少なくとも円環状の周回経路１２ａとする表面を含む全表面に被着させた、弾性表面Ａをその表面に沿い励起周回可能な圧電性結晶材料の層又は膜と、の組み合わせにより形成されている場合には、任意の数の相互に異なる周回経路１２ａを少なくとも円環状の表面に設けることが出来る。さらに、前記表面において何かしかの膜を形成して初めて弾性表面波が多数回周回出来る経路が生じる事もあり、本発明はこのような基材の表面への膜や層構造の形成によって弾性表面波の周回を可能にする素子を除外しない。

図５は、基体１２の球形状の外表面の少なくとも円環状の表面に２つの相互に異なる周回経路１２ａを設けた弾性表面波素子５０が示されている。この場合には、２つの相互に異なる周回経路１２ａに対応して相互に重複しない２つの位置に相互に独立して弾性表面波励起／受信手段１４が設けられる。

なお、図１、２、そして３及び４に中に示されている弾性表面波素子１０、３０、そして４０の夫々において、また図５中に示されている弾性表面波素子５０において、個々の周回経路１２ａに対応して設けられる弾性表面波励起／受信手段１４は、弾性表面波励起部分と弾性表面波受信部分とを相互に独立して、例えば相互に独立したすだれ状電極２２により、構成することが出来る。この場合には、当然のことながら、弾性表面波素子制御ユニット２０も、弾性表面波励起／受信手段１４の弾性表面波励起部分に接続されて弾性表面波励起部分に電磁波、例えば電気信号、を送り、弾性表面波励起部分に電磁波、例えば電気信号、に対応した弾性表面波を対応する周回経路１２ａに励起させる弾性表面波励起回路と、対応する周回経路１２ａを伝播する弾性表面波を弾性表面波励起／受信手段１４の弾性表面波受信部分を介して受信し受信した弾性表面波に対応した電磁波、例えば電気信号、を励起させる弾性表面波受信回路と、を夫々に専用に備えるよう変更される。相互に独立した専用の弾性表面波励起回路と専用の弾性表面波受信回路とを備えた弾性表面波素子制御ユニットは、図１中に示されている如く弾性表面波励起回路と弾性表面波受信回路とが一部重複している弾性表面波素子制御ユニット２０に比べ、回路設計が遥かに容易になる。

なお、前述した種々の例において、基体１２の周回経路１２ａに対応して設けられている弾性表面波励起／受信手段１４と基体１２から離れている弾性表面波素子制御ユニット２０とは、リード線２３を介してアンテナ９１・９２により相互に電界結合または磁界結合または容量性結合によって接続されており、弾性表面波励起／受信手段１４が上記手段を介して弾性表面波素子制御ユニット２０から受信した電磁波に従い周回経路１２ａに弾性表面波を励起させ、また弾性表面波励起／受信手段１４が周回経路１２ａを周回する弾性表面波に対応した電磁波を上記電磁波送受信手段を介して弾性表面波素子制御ユニット２０に発信させることができる。そして、このような場合には、上記電磁波のバースト信号の継続時間を、対応する弾性表面波素子の基体１２の周回経路１２ａを弾性表面波が一周するのに要する時間よりも長くすると、より大きな出力で弾性表面波を励起及び受信可能にになり、前述した測定をより高精度に行なうことが可能になる。

図１の例では基体１２上に形成された電極パッド２４を良導体であるブラケット１９と同じく良導体である接点９３によって挟み込み、接点９３と接続したアンテナ９１をブラケット１９に固定することで基体１２を保持し、弾性表面波素子１０、接点９３、アンテナ９１、ブラケット１９を含んだセンサ部を真空中に、弾性表面波素子制御ユニット２０、リード線２３、アンテナ９２を含んだドライバ部を真空容器外に設置し、真空容器に設けたガラス製フランジを介してセンサ部アンテナ９１とドライバ部アンテナ９２を正対させる。センサ部は外的要因から弾性表面波素子１０を保護するために何らかの非気密ケースに収納することも可能であり、その場合開口を例えばセラミックフィルターのような高密度フィルターまたはピストンや例えばフィルムのような気密材料を使用した気密膜体により閉塞することも可能である。アンテナ９１とアンテナ９２は同一または異なったアンテナ形状であり、電界または磁界結合による通信を行う場合にはその周波数に応じた巻き数となる。アンテナの外形が大きいほど弾性表面波励起／受信可能な距離が長くなるが、真空容器内に設置するためには巨大なアンテナは現実的ではなく、発明者らの実験において数十MHz程度のバースト信号を送受信した際、アンテナ直径数センチで弾性表面波励起／受信可能距離は数センチから数十センチであることが確認され、真空装置内外をガラス製フランジを介して弾性表面波励起／受信することができた。センサ部とドライバ部が無線で弾性表面波を励起または受信するため、たとえセンサ部とドライバ部が相対的に回転または移動していたとしても、アンテナ９１とアンテナ９２が相対して弾性表面波励起／受信するのに十分な時間がある限り真空度測定が可能である。またアンテナ９１とアンテナ９２との間は電界性または磁界性または容量性の結合がなされているから、ドライバ部とセンサ部間で弾性表面波励起／受信するためにセンサ部に電池をはじめとした電源を設置する必要がないため電池交換等のメンテナンスが不要で長期間連続使用可能で、また真空容器中に電池をはじめとした電源を格納する容器を設置する必要がないためセンサ部の構成が簡易になり、より小さな筐体になることから表面積を抑えることができるため真空への悪影響を小さくできる。

図６にアンテナ９１またはアンテナ９２の概要の一例を示す。図６のアンテナ配線９６は送受信する周波数に応じた配線長・配線幅・配線厚を持つ円渦巻状もしくは角渦巻状の、プリント配線または銅線配線であり、配線端点９５は図６に示すアンテナ９１・９２の表面から図７に示すアンテナ９１・９２の裏面の接点９３に貫通して接続され、同じくパッド９４は図６の表面と図７の裏面とが接続されていて、図７の接点９３とパッド９４の間にコンデンサ９７が接続されて弾性表面波素子１０とアンテナ９１との電気的特性を整合していて、パッド９４はブラケット９１を通して弾性表面波素子１０の電極パッド２４と電気的に接続され、配線端点９５も接点９３を通して弾性表面波素子１０の電極パッド２４と電気的に接続されている。

この発明の真空度測定装置において使用される弾性表面波素子の第１例の構成を概略的に示す図。 この発明の真空度測定装置において使用される弾性表面波素子の第２例の構成を概略的に示す図。 この発明の真空度測定装置において使用される弾性表面波素子の第３例の構成を概略的に示す図。 図３の弾性表面波素子の基体の外表面の周回経路とそれに隙間Ｓを介して対向して配置された弾性表面波励起／受信手段とを拡大し断面にして示す図。 この発明の真空度測定装置において使用される弾性表面波素子の第４例の構成を概略的に示す図。 この発明の真空度測定装置において弾性表面波励起／受信するために使用されるアンテナ表側の構成例を概略的に示す図。 この発明の真空度測定装置において弾性表面波励起／受信するために使用されるアンテナ裏側の構成例を概略的に示す図。

符号の説明

Ａ…弾性表面波、１０…弾性表面波素子、１２ａ…周回経路、１４…弾性表面波励起／受信手段、２０…弾性表面波素子制御ユニット、３０…弾性表面波素子、４０…弾性表面波素子、５０…弾性表面波素子、９１…アンテナ

Claims (7)

1. 弾性表面波が周回する少なくとも円環状の周回経路が表面に沿い設けられ、弾性表面波を励起および／または受信する弾性表面波励起／受信手段が周回経路に対応して設けられている弾性表面波素子を備えており、
   上記周回経路を周回する上記弾性表面波の強度および／または位相を検出し、
   周回に伴う弾性表面波の強度の減衰量および／または弾性表面波の伝搬速度を基に真空度を測定する、
   ことを特徴とする真空度測定装置。
2. 弾性表面波が周回する少なくとも円環状の周回経路が表面に沿い設けられ、弾性表面波を励起および／または受信する弾性表面波励起／受信手段が周回経路に対応して設けられている弾性表面波素子を備えており、
   上記周回経路を周回する上記弾性表面波の周回速度を検出し、周回に伴う弾性表面波の上記周回速度の変化を基に真空度を測定する、
   ことを特徴とする請求項１記載の真空度測定装置。
3. 弾性表面波が周回する少なくとも円環状の周回経路が表面に沿い設けられ、弾性表面波を励起および／または受信する弾性表面波励起／受信手段が周回経路に対応して設けられている弾性表面波素子を備えており、
   上記周回経路を周回する上記弾性表面波の強度を検出するとともに上記周回経路を周回する上記弾性表面波の周回速度を検出し、周回に伴う弾性表面波の強度の減衰量及び／或いは周回に伴う弾性表面波の上記周回速度の変化を基に真空度を測定する、
   ことを特徴とする請求項１記載の真空度測定装置。
4. 上記弾性表面波素子を密閉した内部空間と、外部空間の圧力の変化を内部空間に伝達する圧力変化伝達手段と、を含む弾性表面波素子密閉容器を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の真空度測定装置。
5. 上記弾性表面波素子の上記表面は球形状である、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の真空度測定装置。
6. 上記弾性表面波素子の上記弾性表面波励起／受信手段はすだれ状電極を含んでおり、上記表面において上記すだれ状電極に対応した部分は圧電性を有している、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の真空度測定装置。
7. 上記弾性表面波励起／受信手段は電磁波送受信手段に接続されていて、上記電磁波送受信手段を介して受信した電磁波に従い上記表面の上記周回経路に弾性表面波を励起させ、また上記弾性表面波励起／受信手段が上記周回経路を周回する弾性表面波に対応した電磁波を上記電磁波送受信手段から発信させることによって、真空容器中に設置したセンサを駆動するための電源が不要である、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の真空度測定装置。