JP2008164540A - Quartz type gas pressure gage, and vacuum unit using the same - Google Patents

Quartz type gas pressure gage, and vacuum unit using the same Download PDF

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Hisao Hojo
久男 北條
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a quartz type GAS pressure gage capable of eliminating collection man-hours and a computing circuit for a correlation characteristic data between a natural resonance resistance and a temperature of a quartz oscillator to reduce a cost, by controlling the temperature of the quartz oscillator to be kept constant, free from an influence onto a gas to be measured, and capable of facilitating maintenance, and a vacuum unit using the same. <P>SOLUTION: A heater 70 is arranged in an atmospheric air side while contacting with an outer wall of a metal cylindrical body 54, and heat is transferred using the metal cylindrical body 54 and a filter member 60 as heat transfer members, to heat the quartz oscillator 30. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、水晶式気体圧力計及びそれを用いた真空装置に関する。   The present invention relates to a quartz gas pressure gauge and a vacuum apparatus using the same.

従来、水晶振動子(以下、振動子ともいう)を用いて主として大気圧以下の圧力を測定する方法が知られている(特許文献1)。これは、振動子の共振抵抗が、分子流領域では圧力に比例して増加し、粘性流領域では圧力の1/2乗に比例して増加するという、振動子の持つ優れた特徴を利用したものである。   2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a method of measuring mainly a pressure below atmospheric pressure using a crystal resonator (hereinafter also referred to as a resonator) (Patent Document 1). This is because the resonance resistance of the vibrator increases in proportion to the pressure in the molecular flow region and increases in proportion to the 1/2 power of the pressure in the viscous flow region. Is.

大気圧から10−2〜10−3Torr台までの広い圧力範囲での測定が可能なことから、有力な圧力測定手段として認められている。 Since it is possible to measure in a wide pressure range from atmospheric pressure to 10 −2 to 10 −3 Torr, it is recognized as an effective pressure measuring means.

この振動子を用いた測定方法では、圧力を測定すべき空間に振動子を配置し、発振回路を介して振動子を振動させ、その共振抵抗Zを求める。この測定された共振抵抗Zと、固有共振抵抗Z(高真空における値)との差ΔZ(=Z−Z)から、気体の圧力を測定するようにしている。 In this measurement method using a vibrator, the vibrator is arranged in a space where pressure is to be measured, the vibrator is vibrated through an oscillation circuit, and the resonance resistance Z is obtained. The gas pressure is measured from the difference ΔZ (= Z−Z 0 ) between the measured resonance resistance Z and the natural resonance resistance Z 0 (value in high vacuum).

この測定方法では、一般に測定中の振動子の温度が不定であるので、低い圧力側で測定誤差が大きくなり、正確な圧力測定ができないという問題があった。   In this measuring method, since the temperature of the vibrator during measurement is generally indefinite, there is a problem that a measurement error becomes large on the low pressure side and accurate pressure measurement cannot be performed.

固有共振抵抗Zは、広い温度範囲(−20〜+60℃)において数kΩしか変化しない。これに対して、差ΔZは10−1〜10−2Torrの領域では数kΩ程度、10−2〜10−3Torr領域では数10Ω程度と、圧力が低くなるに従って差ΔZが小さくなる。つまり、温度によって変化する振動子の固有共振抵抗Zの変化が無視できなくなる。そして、このことが、振動子を用いて圧力測定する際の圧力範囲の測定限界となっていた。 The intrinsic resonance resistance Z 0 changes only a few kΩ over a wide temperature range (−20 to + 60 ° C.). On the other hand, the difference ΔZ is about several kΩ in the region of 10 −1 to 10 −2 Torr, and about several tens of Ω in the region of 10 −2 to 10 −3 Torr, and the difference ΔZ decreases as the pressure decreases. In other words, the change in the natural resonance resistance Z 0 of the oscillator varies with the temperature can not be ignored. This is the measurement limit of the pressure range when measuring pressure using a vibrator.

本願出願人は、水晶振動子の共振周波数fを測定し、その共振周波数fから水晶振動子の温度Tを求め、温度Tにおける固有共振周波数(Z+Zt)と共振抵抗Zとの差ΔZ=Z−(Z+Zt)から、気体の圧力を測定する方法を提案し、特許を得ている(特許文献2)。
実開昭64−38547号公報 特公平7−97060号公報
The applicant of the present application measures the resonance frequency f of the crystal resonator, obtains the temperature T of the crystal resonator from the resonance frequency f, and the difference ΔZ = the natural resonance frequency (Z 0 + Zt) at the temperature T and the resonance resistance Z = A method for measuring the pressure of gas from Z- (Z 0 + Zt) is proposed and patented (Patent Document 2).
Japanese Utility Model Publication No. 64-38547 Japanese Patent Publication No. 7-97060

上記の方法は、測定中の振動子の温度に基づく誤差をなくし、正確な圧力を測定できるという効果がある。   The above method has an effect of eliminating an error based on the temperature of the vibrator during measurement and measuring an accurate pressure.

ただし、共振周波数fと温度Tとの相関データや、温度Tと固有共振周波数(Z+Zt)との相関に基づいて圧力を演算することから、個々の水晶振動子についての相関データのデータ収集工数と演算回路の分だけコストアップするという課題を有していた。 However, since the pressure is calculated based on the correlation data between the resonance frequency f and the temperature T and the correlation between the temperature T and the natural resonance frequency (Z 0 + Zt), data collection of correlation data for each crystal resonator is performed. There was a problem of increasing the cost by the number of man-hours and the arithmetic circuit.

振動子の固有共振抵抗Zが温度によって変化することを防止するために、振動子、ヒータおよび温度センサをアルミブロック内に埋め込み、ヒータにより振動子を一定温度に維持することも提案されている。 In order to prevent the natural resonance resistance Z 0 of the vibrator varies with temperature, the vibrator, the heater and temperature sensor embedded in the aluminum block, has also been proposed to maintain the transducer at a constant temperature by a heater .

特許文献2の技術は、真空系にて水晶振動子と隣接させてヒータを配置して水晶振動子を一定温度に制御しなくても、気体の圧力を雰囲気温度に拘わらず正確に測定できる点で優れている。   The technique of Patent Document 2 can accurately measure the gas pressure regardless of the ambient temperature without arranging a heater adjacent to the crystal unit in a vacuum system and controlling the crystal unit at a constant temperature. Is excellent.

ここで、真空系にて水晶振動子と隣接してヒータを設けるとすれば、例えば可燃性の気体の圧力測定には用いることができないなど、被測定気体に制限が設けられてしまう。また、ヒータが断線すると、真空計から測定部を取り外して交換することになり、メインテナンスが煩雑となる。   Here, if a heater is provided adjacent to the quartz crystal resonator in a vacuum system, there is a restriction on the gas to be measured, for example, it cannot be used for pressure measurement of combustible gas. Further, if the heater is disconnected, the measuring unit is removed from the vacuum gauge and replaced, and maintenance becomes complicated.

特に、水晶振動子は極めて小型であって、消費電力が約10μWオーダーであるため熱を持たないので、被測定系に影響を与えないという大きな利点があるのに、その利点が相殺されてしまう。   In particular, the quartz resonator is extremely small and consumes no heat because it consumes power of the order of about 10 μW. Therefore, the advantage is not offset, but the advantage is offset. .

本発明の目的は、水晶振動子の温度を一定に制御すること、データ収集工数や演算回路をなくしてコストダウンを図ることができ、しかも被測定気体にも影響を与えずにメインテナンスも容易な水晶式気体圧力計及びそれを用いた真空装置を提供することにある。   The object of the present invention is to control the temperature of the crystal unit to be constant, to reduce the cost by eliminating the data collection man-hours and the arithmetic circuit, and to maintain the gas easily without affecting the gas to be measured. To provide a quartz gas pressure gauge and a vacuum apparatus using the same.

本発明の一態様は、
水晶振動子の固有共振抵抗と測定された共振抵抗の差から気体の圧力を測定する水晶式気体圧力計において、
前記気体の雰囲気と連通する部屋を形成する金属製のケース本体と、
前記水晶振動子に接続される電極と、
前記電極を気密シールして保持する、絶縁体にて形成された第1のシール体と、
前記第1のシール体を気密に内挿支持して、前記ケース本体内に配置される金属製の筒体と、
前記金属製筒体と前記ケース本体とを気密シールする第2のシール体と、
前記金属製筒体に保持され、前記電極及びそれに接続された前記水晶振動子を包囲して測定室を形成し、かつ、前記測定室と前記気体の雰囲気と連通させる金属製のフィルタ部材と、
前記筒体の外壁に接して大気側に配置され、前記筒体及び前記フィルタ部材を熱伝達部材として熱伝達して、前記水晶振動子を加熱するヒータと、
を有することを特徴とする。
One embodiment of the present invention provides:
In a quartz gas pressure gauge that measures the gas pressure from the difference between the natural resonance resistance of the quartz crystal resonator and the measured resonance resistance,
A metal case body forming a chamber communicating with the gas atmosphere;
An electrode connected to the crystal unit;
A first seal body formed of an insulator for hermetically sealing and holding the electrode;
A cylindrical body made of metal, which is inserted into the case main body, and supports the first seal body in an airtight manner;
A second sealing body for hermetically sealing the metal cylinder and the case body;
A metal filter member that is held by the metal cylinder, surrounds the electrode and the crystal resonator connected thereto, forms a measurement chamber, and communicates with the measurement chamber and the gas atmosphere;
A heater that is disposed on the atmosphere side in contact with the outer wall of the cylindrical body, heats the cylindrical body and the filter member as a heat transfer member, and heats the crystal unit;
It is characterized by having.

本発明の一態様によれば、金属製の筒体の外壁に接して大気側に配置されたヒータにより、その筒体及びフィルタ部材を熱伝達部材として熱伝達して、水晶振動子を加熱することができる。従って、周囲温度が変化しても水晶振動子をほぼ一定温度に制御でき、温度依存性を有する水晶振動子の共振抵抗値をほぼ一定にできるので、この共振抵抗値を利用して検出される気体圧力を、大気から高真空に亘って温度校正する必要がなくなる。従って、装置を安価に製造できる。しかも、ヒータは大気側に配置されているので、ヒータが被測定気体に直接接触することがなく、例えば可燃性気体が除かれるなどの被測定気体が制限されることもない。また、ヒータの断線等が生じても、大気側にてメインテナンスが実施でき、迅速に復帰させることができる。   According to an aspect of the present invention, the quartz vibrator is heated by transferring heat using the cylinder and the filter member as a heat transfer member by the heater disposed on the atmosphere side in contact with the outer wall of the metal cylinder. be able to. Therefore, even if the ambient temperature changes, the crystal resonator can be controlled to a substantially constant temperature, and the resonance resistance value of the crystal resonator having temperature dependency can be made substantially constant. Therefore, the resonance resistance value is detected. It is not necessary to calibrate the gas pressure from the atmosphere to a high vacuum. Therefore, the device can be manufactured at a low cost. In addition, since the heater is arranged on the atmosphere side, the heater does not directly contact the gas to be measured, and the gas to be measured such as that the combustible gas is removed is not limited. Even if the heater breaks or the like, maintenance can be performed on the atmosphere side, and the heater can be quickly restored.

また、本発明の一態様では、測定室に水晶振動子を配置するための筒体と、測定室を形成するためのフィルタ部材とを、共に金属にて形成することで、ヒータ−水晶振動子間の熱伝達経路として兼用できる効果もある。   In one embodiment of the present invention, the cylindrical body for disposing the crystal resonator in the measurement chamber and the filter member for forming the measurement chamber are both formed of metal, so that the heater-crystal resonator There is also an effect that can be used as a heat transfer path.

本発明の一態様では、前記ケース本体及び筒体が接地され、前記ケース本体と前記筒体とを第2シール体にて電気的に絶縁することができる。   In one aspect of the present invention, the case main body and the cylindrical body are grounded, and the case main body and the cylindrical body can be electrically insulated by the second seal body.

ケース本体が装着されるチャンバー内にてRF電力を供給してプラズマを生成する真空装置にあっては、RFノイズによって水晶振動子が悪影響を受ける可能性がある。第2シール体により電気的に絶縁されたケース本体及び筒体を接地すると、フィルタ部材も接地されるので、ケース本体に仮にRFノイズが重畳されたとしても、筒体及びフィルタ部材にはRFノイズが重畳されないので、RFノイズの悪影響を防止できる。   In a vacuum apparatus that generates plasma by supplying RF power in a chamber in which the case body is mounted, there is a possibility that the quartz crystal unit is adversely affected by RF noise. When the case main body and the cylinder electrically insulated by the second seal body are grounded, the filter member is also grounded. Therefore, even if RF noise is superimposed on the case main body, the RF noise is not generated in the cylinder and the filter member. Is not superimposed, the adverse effect of RF noise can be prevented.

本発明の一態様では、前記水晶振動子は、共振抵抗が温度によって変化するものであって、前記ヒータは、温度が上昇するに従い共振抵抗も上昇する正温度特性領域にある温度に設定され、前記水晶振動子に、温度が上昇するに従い抵抗値が低下する負温度特性の抵抗体を直列接続することができる。   In one aspect of the present invention, the crystal resonator has a resonance resistance that varies with temperature, and the heater is set to a temperature in a positive temperature characteristic region in which the resonance resistance increases as the temperature increases, A negative temperature characteristic resistor whose resistance value decreases as the temperature rises can be connected in series to the crystal resonator.

こうすると、水晶振動子の共振抵抗値と抵抗体の抵抗値とによる合成抵抗値は、所定温度にて極小値をとる温度特性となる。この合成抵抗値が極小となる所定温度にて水晶振動子を温度制御すれば、温度に依存した共振抵抗値の変動は最小となり、ヒータによる温度制御の精度が悪くても、測定圧力値の精度を保障できる。   In this case, the combined resistance value of the resonance resistance value of the crystal resonator and the resistance value of the resistor has a temperature characteristic that takes a minimum value at a predetermined temperature. If the crystal resonator is temperature controlled at a predetermined temperature at which this combined resistance value is minimized, the fluctuation of the resonance resistance value depending on the temperature is minimized, and the accuracy of the measured pressure value is reduced even if the accuracy of temperature control by the heater is poor. Can ensure.

本発明の一態様では、前記抵抗体は、温度の上昇により抵抗値が低下する負温度特性の第1のサーミスタと、それに並列接続された抵抗器とで構成することができる。この場合、前記水晶振動子、前記第1のサーミスタ及び前記抵抗器にて圧力測定部が構成され、前記圧力測定部の合成抵抗値が、所定温度にて極小値をとる温度特性を有し、前記ヒータにて制御される前記水晶振動子の温度を、実質的に前記所定温度に設定することができる。   In one aspect of the present invention, the resistor can be composed of a first thermistor having a negative temperature characteristic in which a resistance value decreases with an increase in temperature, and a resistor connected in parallel thereto. In this case, the crystal resonator, the first thermistor, and the resistor constitute a pressure measurement unit, and the combined resistance value of the pressure measurement unit has a temperature characteristic that takes a minimum value at a predetermined temperature, The temperature of the crystal resonator controlled by the heater can be substantially set to the predetermined temperature.

本発明の一態様では、前記圧力測定部の一端に接続され、前記水晶振動子を流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換器と、
前記圧力測定部の他端に接続された減衰器と、
前記減衰器からの電流を整流する第1の全波整流器と、
前記第1の全波整流器からの電圧と基準電圧とを比較する比較器と、
前記比較器の出力電圧に基づいて、前記減衰器の出力をさらに減衰する電圧制御減衰器と、
前記電圧制御減衰器及び前記電流電圧変換器の加算出力を整流する第2の全波整流器と、
をさらに有することができる。
In one aspect of the present invention, a current-voltage converter that is connected to one end of the pressure measurement unit and converts a current flowing through the crystal resonator into a voltage;
An attenuator connected to the other end of the pressure measuring unit;
A first full-wave rectifier that rectifies current from the attenuator;
A comparator that compares a voltage from the first full-wave rectifier with a reference voltage;
A voltage controlled attenuator that further attenuates the output of the attenuator based on the output voltage of the comparator;
A second full-wave rectifier that rectifies the summed output of the voltage controlled attenuator and the current-voltage converter;
Can further be included.

こうすると、水晶振動子の共振抵抗をZとすると、第2の全波整流器の出力として(1/Z)が出力され、既知である水晶振動子の固有共振抵抗Zと、測定された共振抵抗Zの差ΔZ(=Z−Z)から気体の圧力を測定できる。 Then, if the resonance resistance of the crystal resonator is Z, (1 / Z) is output as the output of the second full-wave rectifier, and the known resonance resistance Z 0 of the crystal resonator and the measured resonance The pressure of the gas can be measured from the difference ΔZ (= Z−Z 0 ) of the resistance Z.

本発明の一態様では、前記ヒータは、キュリー温度を超える温度上昇により急激に抵抗値が大きくなるPTC(Positive Temperature Coefficien:正温度特性)発熱体とすることができる。   In one aspect of the present invention, the heater can be a PTC (Positive Temperature Coefficien) heating element whose resistance value increases rapidly due to a temperature rise exceeding the Curie temperature.

こうすると、ヒータに電源さえ接続すれば、正温度特性の発熱体は、キュリー温度を超える温度の上昇により抵抗値が急激に大きくなって電流が少なくなって発熱量が低下し、逆に、温度の下降により抵抗値が小さくなって電流が増大して発熱量も増大するので、水晶振動子をほぼ一定温度に自己制御できる。   In this way, as long as the power supply is connected to the heater, the heating element with a positive temperature characteristic has a resistance value that suddenly increases due to a rise in temperature exceeding the Curie temperature, the current decreases, and the heating value decreases. As the resistance decreases, the resistance value decreases, the current increases, and the amount of heat generation also increases, so that the crystal resonator can be self-controlled at a substantially constant temperature.

本発明の一態様では、前記ヒータの温度を測定する熱電対と、前記熱電対からの出力に基づいて前記ヒータを一定温度に制御するヒータ電力制御回路とをさらに有することができる。この場合は、熱電対で測定される温度に基づいて、水晶振動子はほぼ一定温度に制御される。   In one aspect of the present invention, the apparatus may further include a thermocouple that measures the temperature of the heater, and a heater power control circuit that controls the heater to a constant temperature based on an output from the thermocouple. In this case, the crystal resonator is controlled to a substantially constant temperature based on the temperature measured by the thermocouple.

本発明の一態様では、前記ヒータの温度を測定する第2のサーミスタと、前記第2のサーミスタからの出力に基づいて前記ヒータを一定温度に制御するヒータ電力制御回路とをさらに有することができる。この場合は、第2のサーミスタを温度センサとして用いることで、水晶振動子の温度をほぼ一定に制御できる。   In one aspect of the present invention, the apparatus may further include a second thermistor that measures the temperature of the heater, and a heater power control circuit that controls the heater to a constant temperature based on an output from the second thermistor. . In this case, the temperature of the crystal resonator can be controlled to be substantially constant by using the second thermistor as a temperature sensor.

本発明の一態様では、前記水晶振動子は、発振周波数が温度に対して直線的に変化する感温振動子であり、前記水晶式気体圧力計は、前記発振周波数を測定する周波数測定手段と、前記周波数測定手段からの出力に基づいて前記ヒータを一定温度に制御するヒータ電力制御回路とをさらに有することができる。   In one aspect of the present invention, the crystal resonator is a temperature-sensitive resonator in which an oscillation frequency changes linearly with respect to temperature, and the crystal type gas pressure gauge includes frequency measuring means for measuring the oscillation frequency; And a heater power control circuit for controlling the heater to a constant temperature based on an output from the frequency measuring means.

感温振動子では、発振周波数が温度に対して直線的に変化するため、水晶振動子の発振周波数を周波数測定手段にて測定すれば、水晶振動子の温度を測定できる。この測定された温度に基づいて、水晶振動子の温度をほぼ一定に制御できる。   In the temperature sensitive oscillator, the oscillation frequency changes linearly with respect to the temperature. Therefore, if the oscillation frequency of the crystal oscillator is measured by the frequency measuring means, the temperature of the crystal oscillator can be measured. Based on the measured temperature, the temperature of the crystal unit can be controlled to be substantially constant.

本発明の他の態様は、上述した水晶式気体圧力計が、大気−真空に設定される領域の圧力を測定する真空装置を定義している。   Another aspect of the present invention defines a vacuum apparatus in which the above-described quartz gas pressure gauge measures the pressure in a region where the atmosphere-vacuum is set.

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. The present embodiment described below does not unduly limit the contents of the present invention described in the claims, and all the configurations described in the present embodiment are indispensable as means for solving the present invention. Not always.

1.第1実施形態
図1は、本発明の第1実施形態に係る水晶式気体圧力計の断面図である。図1において、この圧力計1は、真空室10と連通する部屋12を形成するケース本体20を有する。水晶振動子例えば音叉型水晶振動子30は、電極40に接続されている。電極40を気密シールして保持し、かつ、電極40に接続された水晶振動子30を部屋12内に配置して、ケース本体20に対して気密シールされて支持される気密シール構造50が設けられている。さらに、気密シール構造50に保持され、電極40に接続された水晶振動子30を包囲して測定室62を形成し、かつ、測定室62と真空室10とを連通させるフィルタ部材60が設けられている。そして、気密シール体50よりも大気側に配置され、水晶振動子30を加熱するヒータ70が設けられている。
1. First Embodiment FIG. 1 is a cross-sectional view of a crystal type gas pressure gauge according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the pressure gauge 1 has a case body 20 that forms a chamber 12 that communicates with a vacuum chamber 10. A crystal resonator, for example, a tuning fork crystal resonator 30 is connected to the electrode 40. The electrode 40 is hermetically sealed and held, and the quartz crystal resonator 30 connected to the electrode 40 is disposed in the chamber 12 to provide an airtight seal structure 50 that is hermetically sealed and supported with respect to the case body 20. It has been. Furthermore, a filter member 60 that is held by the hermetic seal structure 50 and surrounds the crystal resonator 30 connected to the electrode 40 to form the measurement chamber 62 and that allows the measurement chamber 62 and the vacuum chamber 10 to communicate with each other is provided. ing. A heater 70 is provided that is disposed on the atmosphere side of the hermetic seal body 50 and heats the crystal unit 30.

ケース本体20は筒状に形成され、下端フランジ22が真空室10の壁部14に固定される。   The case body 20 is formed in a cylindrical shape, and the lower end flange 22 is fixed to the wall portion 14 of the vacuum chamber 10.

気密シール構造50は、例えば第1シール体52、金属製筒体54及び第2シール体58に3分割されている。第1シール体52は、電極40を気密シールして保持し、かつ電極40を電気的に絶縁する碍子として機能する。筒体54は、その内部に第1シール体52を気密シールにして保持している。この筒体54の下端にはネジ部56が形成され、フィルタ部材60と螺合している。第2シール体58はリング状に形成され、筒体をケース本体20内にて気密シールして保持している。この第2シール体58は、ケース本体20と筒体54とがそれぞれ接地される場合に、両者を電気的に絶縁する碍子としても機能する。   The hermetic seal structure 50 is divided into, for example, a first seal body 52, a metal cylinder 54, and a second seal body 58. The first seal body 52 functions as an insulator that hermetically seals and holds the electrode 40 and electrically insulates the electrode 40. The cylindrical body 54 holds the first seal body 52 as an airtight seal therein. A threaded portion 56 is formed at the lower end of the cylindrical body 54 and is screwed into the filter member 60. The second seal body 58 is formed in a ring shape, and the cylinder is hermetically sealed in the case body 20 and held. The second seal body 58 also functions as an insulator that electrically insulates the case main body 20 and the cylindrical body 54 from each other when they are grounded.

真空室10内にてRFプラズマが生成される場合には、ケース本体20と筒体54とが接地され、第2シール体58を絶縁体として、ケース本体20と筒体54とを電気的に絶縁することが好ましい。こうすると、フィルタ部材60も接地される。RFノイズがケース本体20に重畳したとしても、ケース本体20と電気的に絶縁された筒体54及びフィルタ部材60にRFノイズが重畳されることを防止できるからである。これにより、RFノイズから水晶振動子30をシールドすることができる。   When RF plasma is generated in the vacuum chamber 10, the case body 20 and the cylinder body 54 are grounded, and the case body 20 and the cylinder body 54 are electrically connected using the second seal body 58 as an insulator. It is preferable to insulate. As a result, the filter member 60 is also grounded. This is because even if the RF noise is superimposed on the case body 20, it is possible to prevent the RF noise from being superimposed on the cylindrical body 54 and the filter member 60 that are electrically insulated from the case body 20. Thereby, the crystal unit 30 can be shielded from RF noise.

また、金属製の筒体54及びフィルタ部材60は、ヒータ70と水晶振動子30との間の固体熱伝導経路として兼用される。   Further, the metallic cylinder 54 and the filter member 60 are also used as a solid heat conduction path between the heater 70 and the crystal unit 30.

ここで、気密シールの関係から、金属であるケース本体20及び筒体54の熱膨張係数と、絶縁体である第1,第2シール体52,58の熱膨張係数は、実質的に等しいことが好ましい。熱膨張差により気密シールが破損することを防止できるからである。本実施形態では、ケース本体20及び筒体54はコバール金属にて形成され、第1,第2シール体52,58はコバールガラス(硼珪酸ガラス)にて形成することで、互いに接触する部材同士の熱膨張係数を同程度にしている。なお、ケース本体20の下部フランジ22は異質の材料、例えばフランジとして信頼性の高いステンレスにて形成することができる。   Here, from the relationship of the hermetic seal, the thermal expansion coefficients of the case body 20 and the cylindrical body 54 that are metals and the thermal expansion coefficients of the first and second seal bodies 52 and 58 that are insulators are substantially equal. Is preferred. This is because the hermetic seal can be prevented from being damaged due to the difference in thermal expansion. In the present embodiment, the case main body 20 and the cylindrical body 54 are formed of Kovar metal, and the first and second seal bodies 52 and 58 are formed of Kovar glass (borosilicate glass), so that members that are in contact with each other are formed. The coefficient of thermal expansion of is made the same level. The lower flange 22 of the case body 20 can be formed of a different material, for example, a highly reliable stainless steel as a flange.

フィルタ部材60は、部屋12と測定室62とを連通させ、かつ、水晶振動子30を保護するために、例えばSUS(ステンレス)焼結体にて形成されている。   The filter member 60 is formed of, for example, a SUS (stainless steel) sintered body in order to communicate the chamber 12 and the measurement chamber 62 and to protect the crystal unit 30.

ヒータ70は、水晶振動子40を所定温度、例えば常温(25℃)よりも高い45℃に加熱するものである。ヒータ70は、筒体54および第3シール体58よりも大気側にて、筒体54に接触してリング状に形成されている。ヒータ70から水晶振動子40までの熱伝達経路は、筒体54→フィルタ部材70→測定室72→水晶振動子30のルートである。   The heater 70 heats the crystal unit 40 to a predetermined temperature, for example, 45 ° C. higher than normal temperature (25 ° C.). The heater 70 is formed in a ring shape in contact with the cylindrical body 54 on the atmosphere side of the cylindrical body 54 and the third seal body 58. The heat transfer path from the heater 70 to the crystal unit 40 is the route of the cylindrical body 54 → the filter member 70 → the measurement chamber 72 → the crystal unit 30.

図1の構造によれば、ヒータ30を大気側に設けても水晶振動子30を効率的に温度制御することができる。よって、ヒータを水晶振動子と併設して真空雰囲気に設けなくて済むので、可燃性ガスが排除されるなど、被測定気体に制限が生ずることはない。また、仮にヒータ70が断線しても、大気側にてヒータ70のみを容易に交換できるので、メインテナンスも容易である。   According to the structure of FIG. 1, the temperature of the crystal unit 30 can be efficiently controlled even if the heater 30 is provided on the atmosphere side. Therefore, since it is not necessary to provide a heater in the vacuum atmosphere together with the crystal resonator, there is no limitation on the gas to be measured, such as elimination of combustible gas. Further, even if the heater 70 is disconnected, maintenance is easy because only the heater 70 can be easily replaced on the atmosphere side.

ヒータ70の駆動回路の例を、図2(A)及び図2(B)に示す。図2(A)は、ヒータ70の温度を熱電対80にて計測している。熱電対80の出力は、冷接点温度補償回路82を介してヒータ電力制御回路84に帰還され、ヒータ70の温度を一定温度に制御している。熱電対での熱起電力はヒータ70の被測定点(温接点)と冷接点との間の温度差に応じて生じ、冷接点での温度変化による熱起電力を補償するために、冷接点温度補償回路82が設けられている。   An example of a drive circuit for the heater 70 is shown in FIGS. In FIG. 2A, the temperature of the heater 70 is measured by the thermocouple 80. The output of the thermocouple 80 is fed back to the heater power control circuit 84 via the cold junction temperature compensation circuit 82, and the temperature of the heater 70 is controlled to a constant temperature. The thermoelectromotive force in the thermocouple is generated according to the temperature difference between the measurement point (hot junction) of the heater 70 and the cold junction, and in order to compensate for the thermoelectromotive force due to the temperature change at the cold junction, A temperature compensation circuit 82 is provided.

図2(B)は、ヒータ70の温度を、温度センサとして機能するNTC(Negative Temperature Coefficien:負温度特性)サーミスタ(第2のサーミスタ)86にて計測している。NTCサーミスタ86の出力をアンプ87で増幅してヒータ電力制御回路84に帰還させれば、ヒータ70を一定温度に制御できる。   2B, the temperature of the heater 70 is measured by an NTC (Negative Temperature Coefficien) thermistor (second thermistor) 86 that functions as a temperature sensor. If the output of the NTC thermistor 86 is amplified by the amplifier 87 and fed back to the heater power control circuit 84, the heater 70 can be controlled to a constant temperature.

ここで、水晶振動子30の共振抵抗Zは、図3に示すように温度Tによって変化する。この際、共振抵抗Zの変化が少ない温度領域は、共振抵抗Zの最小値と対応する温度Tsは常温よりかなり低く例えば15℃である。   Here, the resonance resistance Z of the crystal unit 30 varies with the temperature T as shown in FIG. At this time, in the temperature region where the change in the resonance resistance Z is small, the temperature Ts corresponding to the minimum value of the resonance resistance Z is considerably lower than room temperature, for example, 15 ° C.

本実施形態では、ヒータ70は、温度が上昇するに従い共振抵抗も上昇する正温度特性領域にある温度Tに設定され、例えばT=45℃である。 In the present embodiment, the heater 70 is set to a temperature T P in the positive temperature characteristic region where the resonance resistance increases as the temperature rises, for example, T P = 45 ° C.

このように、共振抵抗Zの最小値と対応する温度Tsとは異なる温度Tにてヒータ70を制御すると、水晶振動子30も温度Tに温度制御されることになる。このとき、水晶振動子30が温度T付近では、正温度特性の傾きが急であるので、水晶振動子30の温度が少し変化しただけで、共振抵抗Zが比較的大きく変化してしまう。これでは、気体圧力の測定精度が劣化する。 Thus, by controlling the heater 70 at a different temperature T P of the temperature Ts and the corresponding minimum value of the resonance resistance Z, so that the crystal oscillator 30 is also temperature controlled to a temperature T P. In this case, in crystal oscillator 30 is near the temperature T P is the inclination of the positive temperature characteristic is steep, only the temperature of the crystal resonator 30 is slightly changed, the resonance resistance Z is changed relatively significantly. This degrades the measurement accuracy of the gas pressure.

これを防止するためには、図3の破線で示すように、水晶振動子30を含む圧力測定部の合成抵抗の極小値Rが、ヒータ70の制御温度Tにて極小となるように補正する。このためには、図3の一点鎖線で示すように、温度上昇と共に抵抗値が小さくなる負温度特性の抵抗体90を、図4に示すように水晶振動子30に直列に接続すればよい。図4に示すように、水晶振動子30及びそれに直列接続された抵抗体90により、圧力測定部100が形成される。この圧力測定部100での合成抵抗が、図3に示すように温度Tにて極小値を持つ。このような抵抗体90としては、NTC(負温度特性)サーミスタ(第1のサーミスタ)92に抵抗器94を並列接続して構成することができる。なお、抵抗器94は制御温度Tの調整用抵抗器である。この抵抗体90は必ずしも真空内に配置する必要はなく、大気側にて水晶振動子30に接続することができる。 In order to prevent this, as shown by the broken line in FIG. 3, the minimum value R P of the combined resistance of the pressure measuring unit including the crystal unit 30 is minimized at the control temperature T P of the heater 70. to correct. For this purpose, as shown by the alternate long and short dash line in FIG. 3, a resistor 90 having a negative temperature characteristic whose resistance value decreases as the temperature rises may be connected in series to the crystal unit 30 as shown in FIG. As shown in FIG. 4, the pressure measuring unit 100 is formed by the crystal resonator 30 and the resistor 90 connected in series thereto. The combined resistance in the pressure measuring portion 100, has a minimum value at a temperature T P, as shown in FIG. Such a resistor 90 can be configured by connecting a resistor 94 in parallel to an NTC (negative temperature characteristic) thermistor (first thermistor) 92. Incidentally, the resistor 94 is an adjustment resistor for controlling the temperature T P. The resistor 90 is not necessarily arranged in a vacuum, and can be connected to the crystal unit 30 on the atmosphere side.

本実施形態では、NTCサーミスタ92として、ビード素子をガラス封止した小型で信頼性の高いビードサーミスタを1個または複数個直列接続して用いた。これと並列接続される抵抗器94の抵抗値は、数kΩ程度でよい。   In this embodiment, as the NTC thermistor 92, one or a plurality of small and highly reliable bead thermistors in which bead elements are glass-sealed are used in series. The resistance value of the resistor 94 connected in parallel with this may be about several kΩ.

=25℃に設定し、水晶振動子30を温度制御しない場合、大気温度が25℃±10℃で変化した時では、水晶振動子30の共振抵抗Zは−250Ω〜+250Ωに変化する。この共振抵抗Zの変化は、圧力にして最大で5×10−3Torrにも相当する大きな誤差となる。 When T P = 25 ° C. is set and the crystal resonator 30 is not temperature-controlled, when the atmospheric temperature changes at 25 ° C. ± 10 ° C., the resonance resistance Z of the crystal resonator 30 changes from −250Ω to + 250Ω. This change in the resonance resistance Z becomes a large error corresponding to a maximum of 5 × 10 −3 Torr in terms of pressure.

一方、図4に示す圧力測定部100を用いてT=45℃に設定し、ヒータ70を45℃±1℃に制御した場合には、水晶振動子30の共振抵抗Zは±40Ω以下で、その共振抵抗Zの変化は、圧力にして±6×10−6Torrもの小さな誤差となった。 On the other hand, when T P = 45 ° C. is set using the pressure measuring unit 100 shown in FIG. 4 and the heater 70 is controlled to 45 ° C. ± 1 ° C., the resonance resistance Z of the crystal unit 30 is ± 40Ω or less. The change in the resonance resistance Z was an error as small as ± 6 × 10 −6 Torr in terms of pressure.

図5は、図4に示した圧力測定部100を用いた水晶式気体圧力計200のブロック図である。図5において、圧力測定部100の一端に接続され、水晶振動子30を流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換器210と、圧力測定部100の他端に接続された減衰器例えば1/10減衰器220と、1/10減衰器220からの電流を整流する第1の全波整流器230と、第1の全波整流器230からの電圧と、基準電圧源240からの基準電圧とを比較する比較器250と、比較器250の出力電圧に基づいて1/10減衰器220の出力をさらに減衰する電圧制御減衰器260と、電圧制御減衰器260及び電流電圧変換器210の加算出力を整流する第2の全波整流器270と、を有する。図5では、圧力をデジタル表示するために、第2の全波整流器270に接続されたアナログ/デジタル(A/D)変換器280と、その出力に基づいて表示部300を表示制御するCPU290とを有する。   FIG. 5 is a block diagram of a quartz-type gas pressure gauge 200 using the pressure measuring unit 100 shown in FIG. In FIG. 5, a current / voltage converter 210 connected to one end of the pressure measuring unit 100 and converting a current flowing through the crystal resonator 30 into a voltage, and an attenuator connected to the other end of the pressure measuring unit 100, for example, 1/10. The attenuator 220, the first full-wave rectifier 230 that rectifies the current from the 1/10 attenuator 220, the voltage from the first full-wave rectifier 230, and the reference voltage from the reference voltage source 240 are compared. Comparator 250, voltage-controlled attenuator 260 that further attenuates the output of 1/10 attenuator 220 based on the output voltage of comparator 250, and the summed output of voltage-controlled attenuator 260 and current-voltage converter 210 are rectified. A second full-wave rectifier 270. In FIG. 5, in order to digitally display the pressure, an analog / digital (A / D) converter 280 connected to the second full-wave rectifier 270, and a CPU 290 that controls display of the display unit 300 based on the output thereof. Have

図6では、圧力をアナログ出力するために、第2の全波整流器270にアナログメータ310を接続している。図6に示す他の部材は、図5に示す符号が付された部材と同一である。   In FIG. 6, an analog meter 310 is connected to the second full-wave rectifier 270 in order to output the pressure in an analog manner. The other members shown in FIG. 6 are the same as the members given the reference numerals shown in FIG.

図5及び図6では、図2(A)または図2(B)のいずれかの方式で帰還制御されたヒータ70により水晶振動子30の温度を、図3に示す合成抵抗の極小値Tに制御する。これにより、何ら温度補正することなく、水晶振動子30の共振抵抗Zを反映した値(1/Z)が第2の全波整流器270の出力として得られる。測定された水晶振動子30の共振抵抗Zと、水晶振動子30の固有共有抵抗Zとの差ΔZ(=Z−Z)は、気体の粘性(濃度)に依存した気体の圧力に相当する。ここで、固有共振周波数Zは、広い温度範囲(−20〜+60℃)にてほぼ一定である。よって、図5の表示部290または図6のメータ310にて、気体の圧力を出力できる。 5 and 6, the temperature of the crystal unit 30 is set to the minimum value T P of the combined resistance shown in FIG. 3 by the heater 70 that is feedback-controlled by the method of FIG. 2A or 2B. To control. As a result, a value (1 / Z) reflecting the resonance resistance Z of the crystal resonator 30 is obtained as the output of the second full-wave rectifier 270 without any temperature correction. The difference ΔZ (= Z−Z 0 ) between the measured resonance resistance Z of the crystal unit 30 and the intrinsic shared resistance Z 0 of the crystal unit 30 corresponds to the gas pressure depending on the gas viscosity (concentration). To do. Here, the natural resonance frequency Z 0 is substantially constant over a wide temperature range (−20 to + 60 ° C.). Therefore, the gas pressure can be output from the display unit 290 of FIG. 5 or the meter 310 of FIG.

図5の構成では、特許文献2の図3及び図4に示す演算回路、周波数カウンタ及びD/Aコンバータを削除できる。図6の構成では、特許文献2のCPUにて実施されていた温度補正演算を削除できる。図5及び図6では、特許文献2の図3及び図5と比較して追加される部材は、図1に示すヒータ70、図2(A)または図2(B)に示すヒータ電力制御系、加えて図4に示す抵抗体90(NTCサーミスタ92+抵抗器92)だけである。加えて、個々の振動子の固有共振抵抗(Z)と温度(T)との相関特性データの収集の必要がなくなる。従って、特許文献2の構成よりも大幅なコストダウンが可能となる。しかも、図4の構成の追加により、仮にヒータ70の温度(T)制御精度が悪くても、測定される水晶振動子30の共振抵抗Zの誤差を少なくできるので、圧力測定精度の劣化がほとんどない。 In the configuration of FIG. 5, the arithmetic circuit, frequency counter, and D / A converter shown in FIGS. 3 and 4 of Patent Document 2 can be deleted. In the configuration of FIG. 6, the temperature correction calculation performed by the CPU of Patent Document 2 can be deleted. 5 and FIG. 6, the members added in comparison with FIGS. 3 and 5 of Patent Document 2 are the heater 70 shown in FIG. 1 and the heater power control system shown in FIG. 2A or 2B. In addition, only the resistor 90 (NTC thermistor 92 + resistor 92) shown in FIG. In addition, it is not necessary to collect correlation characteristic data between the specific resonance resistance (Z 0 ) and temperature (T) of each vibrator. Therefore, the cost can be significantly reduced as compared with the configuration of Patent Document 2. In addition, the addition of the configuration of FIG. 4 can reduce the error of the resonance resistance Z of the crystal resonator 30 to be measured even if the temperature (T P ) control accuracy of the heater 70 is poor. rare.

本実施形態に係る圧力計1を、圧力検出原理の異なるセンサと組み合わせて、測定圧力範囲を拡大した複合型真空計とすることができる。水晶式気体圧力計1と組み合わされる他の真空計とし、電離真空計やペニング放電を利用したペニング真空計を挙げることができる。   The pressure gauge 1 according to the present embodiment can be combined with sensors having different pressure detection principles to form a combined vacuum gauge with an expanded measurement pressure range. Examples of other vacuum gauges combined with the quartz gas pressure gauge 1 include an ionization vacuum gauge and a Penning vacuum gauge using Penning discharge.

例えば電離真空計は、電子を放出するためのフィラメントが高温となる。一方、ペニング真空計では、圧力の高い領域では自己発熱する。さらに、いずれの真空計でも、上述した発熱のために水晶振動子30の温度は40〜50℃にも達する。   For example, in an ionization vacuum gauge, a filament for emitting electrons becomes hot. On the other hand, in the Penning vacuum gauge, self-heating occurs in a high pressure region. Further, in any vacuum gauge, the temperature of the crystal unit 30 reaches 40 to 50 ° C. due to the heat generation described above.

このように他のセンサと組み合わされて水晶振動子30が用いられる場合には、図3に示す極小の合成抵抗値Rに対応する制御温度T=45℃となるように、抵抗体90を構成して、ヒータ70により水晶振動子30を45℃に制御すれば良い。 When the crystal resonator 30 is used in combination with other sensors as described above, the resistor 90 is set so that the control temperature T P = 45 ° C. corresponding to the minimum combined resistance value R P shown in FIG. And the crystal unit 30 may be controlled to 45 ° C. by the heater 70.

ここで、図7に示すように、ケース本体20の周囲に例えばペルチェ素子88を配置して、ペルチェ素子88により種々の環境温度を設定した時の水晶振動子30の温度を測定してみた。その結果を図10に示す。   Here, as shown in FIG. 7, for example, a Peltier element 88 is arranged around the case body 20, and the temperature of the crystal unit 30 when various environmental temperatures are set by the Peltier element 88 was measured. The result is shown in FIG.

図8は、ペルチェ素子88の温度を、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃と7段階に変化させ、図2(A)及びは図2(B)の双方の制御によってヒータ70を45℃に制御した時の、水晶振動子30の温度を測定した結果を示している。図2(A)及びは図2(B)のいずれの制御においても、水晶振動子30をほぼ45℃±1℃に制御することができた。   8A and 8B, the temperature of the Peltier element 88 is changed in seven stages of 15 ° C., 20 ° C., 25 ° C., 30 ° C., 35 ° C., 40 ° C., and 45 ° C., and FIG. 2A and FIG. The result of having measured the temperature of the crystal oscillator 30 when the heater 70 is controlled to 45 degreeC by both control of these is shown. 2A and 2B, the crystal resonator 30 could be controlled to approximately 45 ° C. ± 1 ° C.

2.第2実施形態
図9は、図5のヒータ電力制御のために、図2(A)または図2(B)に示す方式を採用せず、水晶振動子30の発振周波数を測定する周波数測定手段例えば周波数カウンタ320を設けたものである。
2. Second Embodiment FIG. 9 shows frequency measuring means for measuring the oscillation frequency of the crystal resonator 30 without adopting the method shown in FIG. 2A or FIG. 2B for the heater power control of FIG. For example, a frequency counter 320 is provided.

ここで、水晶振動子30の発振周波数と温度の関係は図10に示す通りであり、水晶振動子30の発振周波数fは実温度Tと直線的な相関を有する。このように、発振周波数が温度に対して直線的に変化する水晶振動子30を感温振動子と称する。このような感温振動子は、水晶のカット角に依存して形成することができる。   Here, the relationship between the oscillation frequency of the crystal unit 30 and the temperature is as shown in FIG. 10, and the oscillation frequency f of the crystal unit 30 has a linear correlation with the actual temperature T. In this way, the crystal resonator 30 whose oscillation frequency changes linearly with respect to temperature is referred to as a temperature-sensitive resonator. Such a temperature sensitive oscillator can be formed depending on the cut angle of the crystal.

図9の1/10減衰器220の出力は、水晶振動子30の発振周波数fと相関のある矩形波出力である。よって、周波数カウンタ320は1/10減衰器220の出力周波数をカウントすることで、水晶振動子30の発振周波数fを検出できる。水晶振動子30が、図7に示す特性を有する感温振動子であれば、検出された発振周波数fから、水晶振動子30の温度Tを求めることができる。   The output of the 1/10 attenuator 220 in FIG. 9 is a rectangular wave output correlated with the oscillation frequency f of the crystal resonator 30. Therefore, the frequency counter 320 can detect the oscillation frequency f of the crystal unit 30 by counting the output frequency of the 1/10 attenuator 220. If the crystal unit 30 is a temperature-sensitive unit having the characteristics shown in FIG. 7, the temperature T of the crystal unit 30 can be obtained from the detected oscillation frequency f.

図9に示すヒータ電力制御回路330は、図10に示す特性に基づき、周波数カウンタ320の出力に応じて、測定された温度Tが制御温度Tよりも高ければ供給電力を少なくし、温度Tが制御温度Tよりも高ければ供給電力を多くして、ヒータ70を制御温度Tになるように制御する。こうして、水晶振動子30の温度を一定に維持して、圧力測定を行なうことができる。 Heater power control circuit 330 shown in FIG. 9, based on the characteristic shown in FIG. 10, in accordance with the output of the frequency counter 320, the measured temperature T is less power supplied is higher than the control temperature T P, the temperature T There was a lot of supply power is higher than the control temperature T P, is controlled to be the heater 70 to control temperature T P. In this way, pressure measurement can be performed while keeping the temperature of the crystal unit 30 constant.

このように、本発明の第2実施形態においても、第1実施形態と同等の効果を奏することができる。   Thus, also in 2nd Embodiment of this invention, there can exist an effect equivalent to 1st Embodiment.

3.第3実施形態
図11は、本発明の第3実施形態に係る水晶式圧力計の断面図であり、図12は平面図である。図11に示す圧力計400のうち、図1と同一機能を有する部材について、図1と同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
3. Third Embodiment FIG. 11 is a sectional view of a crystal type pressure gauge according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a plan view. In the pressure gauge 400 shown in FIG. 11, members having the same functions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.

図11及び図12に示す圧力計400が、図1に示す圧力計1と異なる点は、図1のヒータ70に代えて、温度上昇により抵抗値が大きくなる発熱体にて形成されたPTC(正温度特性)発熱体410を設けた点である。   The pressure gauge 400 shown in FIGS. 11 and 12 is different from the pressure gauge 1 shown in FIG. 1 in that a PTC (formed by a heating element whose resistance value increases as the temperature rises, instead of the heater 70 shown in FIG. (Positive temperature characteristic) This is the point that a heating element 410 is provided.

このPTC発熱体410を取り付けるために、ケース本体20と第2シール体54との間に密に挿入されるリング形状を呈し、ケース本体20にネジ止めされる例えばAl製の伝熱ブロック420が設けられている。   In order to attach the PTC heating element 410, a heat transfer block 420 made of, for example, Al, which has a ring shape that is closely inserted between the case body 20 and the second seal body 54 and is screwed to the case body 20 is provided. Is provided.

PTC発熱体410は、伝熱ブロック420の上面に密着され、周方向にて両端を有するリング状のシート発熱体412と、シート発熱体422の両端部より延長されて半径方向外側に引き出された2つの端子414,416とを有する(図12参照)。   The PTC heating element 410 is in close contact with the upper surface of the heat transfer block 420 and extends from both ends of the ring-shaped sheet heating element 412 having both ends in the circumferential direction and the sheet heating element 422 and is drawn outward in the radial direction. Two terminals 414 and 416 are provided (see FIG. 12).

そして、この2つの端子414,416には、図2(A)、図2(B)や図9とは異なり、図12に示すように電源440が接続されている。つまり、PTC発熱体410を外部から温度制御する必要はない。PTC発熱体410自体の自己制御により、温度上昇ではシート発熱体422のシート抵抗値が大きくなって電流を抑えるため、発熱温度が低くなるからである。一方、温度降下ではシート発熱体412のシート抵抗値が小さくなって電流が増加し、発熱温度が高くなるからである。   And unlike these FIG.2 (A), FIG.2 (B), and FIG. 9, the power supply 440 is connected to these two terminals 414,416 as shown in FIG. That is, it is not necessary to control the temperature of the PTC heating element 410 from the outside. This is because, due to self-control of the PTC heating element 410 itself, when the temperature rises, the sheet resistance value of the sheet heating element 422 increases and the current is suppressed, so the heating temperature decreases. On the other hand, when the temperature drops, the sheet resistance value of the sheet heating element 412 decreases, the current increases, and the heating temperature increases.

PTC発熱体410から水晶振動子30までの伝熱経路は、金属製により伝熱効果の高い伝熱ブロック420が介在する点だけが異なり、伝熱ブロック420以降の伝熱経路は第1実施形態と同じである。よって、図4に示す均一温度制御以上の特性で、水晶振動子30を温度制御できる。しかも、PTC発熱体410はシート状に形成できるので、圧力計400を小型に維持できる。   The heat transfer path from the PTC heating element 410 to the crystal unit 30 is different only in that a heat transfer block 420 having a high heat transfer effect is made of metal, and the heat transfer path after the heat transfer block 420 is the first embodiment. Is the same. Therefore, it is possible to control the temperature of the crystal unit 30 with characteristics more than the uniform temperature control shown in FIG. Moreover, since the PTC heating element 410 can be formed in a sheet shape, the pressure gauge 400 can be kept small.

図13は、図11に示す圧力計400とはさらに異なる圧力計500を示している。図13に示す圧力計500が図11に示す圧力計400と異なる点は、PTC発熱体510の形状である。このPTC発熱体510は、図14にて展開図で示すように、帯状の発熱シート512の両端部にて突出する電極514,516を有する。   FIG. 13 shows a pressure gauge 500 further different from the pressure gauge 400 shown in FIG. The pressure gauge 500 shown in FIG. 13 is different from the pressure gauge 400 shown in FIG. 11 in the shape of the PTC heating element 510. The PTC heating element 510 has electrodes 514 and 516 protruding at both ends of a belt-like heating sheet 512 as shown in a development view in FIG.

このPTC発熱体510は、第2シール体54にネジ止めされるリング状の伝熱ブロック520と、ケース本体20との間にて、リング状に巻回されて挟持され、例えばケース本体20にネジ止めされている。なお、このようにして固定されたPTC発熱体510の2つの電極には、図12と同様にして電源440が接続される。   The PTC heating element 510 is wound in a ring shape and sandwiched between a ring-shaped heat transfer block 520 screwed to the second seal body 54 and the case body 20. Screwed. Note that a power source 440 is connected to the two electrodes of the PTC heating element 510 thus fixed in the same manner as in FIG.

図13の圧力計500は、PTC発熱体510の表面積を広く確保される分だけ、水晶振動子30の温調効果は高まる。   In the pressure gauge 500 of FIG. 13, the temperature adjustment effect of the crystal unit 30 is enhanced by the amount of ensuring a large surface area of the PTC heating element 510.

なお、本発明の実施形態について説明したが、本発明の発明特定事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形例が可能であることは当業者には容易に理解できる。従って、このような変形例は全て本発明の範囲内に含まれるものである。例えば、本明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な用語と共に記載された異なる用語は、本明細書又は図面のいかなる箇所においても、その広義または同義の用語に置き換えることができる。   In addition, although embodiment of this invention was described, it can be easily understood by those skilled in the art that many modified examples which do not deviate substantially from the invention specific matter and effect of this invention are possible. Accordingly, all such modifications are included in the scope of the present invention. For example, a different term described at least once together with a broader or synonymous term in this specification or the drawings can be replaced with the broader or synonymous term in any part of the present specification or the drawings.

本発明の圧力計は、ヒータにて水晶振動子を一定温度に保持できるので、大気圧から10−2〜10−3Torr台までの広い圧力範囲での測定が可能なことから、大気−真空で変化する気体経路での圧力測定に用いることができる。このため、大気−真空で圧力変化する部屋を備えた真空装置の圧力計として最適である。この他、例えば大気時に開放され、真空時に閉鎖されるゲートバルブの開閉タイミングを決定するセンサとして利用したり、クライオポンプの制御タイミングを決定するセンサなどとしても利用できる。これらの使用時に、上述した通り、水晶振動子を用いない他のセンサとの複合型センサとして構成しても良い。 Since the pressure gauge of the present invention can hold the crystal resonator at a constant temperature with a heater, measurement in a wide pressure range from atmospheric pressure to 10 −2 to 10 −3 Torr is possible. It can be used for pressure measurement in a gas path that changes in For this reason, it is most suitable as a pressure gauge of a vacuum apparatus provided with a chamber whose pressure changes in the atmosphere-vacuum. In addition, for example, it can be used as a sensor that determines the opening / closing timing of a gate valve that is opened in the atmosphere and closed in a vacuum, or as a sensor that determines the control timing of a cryopump. At the time of use, as described above, it may be configured as a composite sensor with another sensor that does not use a crystal resonator.

また、本発明に用いられる水晶振動子は、図9の実施形態を除いて、図10の特性を有する感温振動子だけでなく、非感温振動子であってもよい。非感温振動子とは、温度に対して発振周波数の変化が直線でなく曲線となり、発振周波数によって一義的に温度を求めることができないタイプである。図9の実施形態では、水晶振動子の発振周波数から温度を求めているため、感温振動子だけが用いられる。その他の実施形態は、水晶振動子の発振周波数から温度を求めていないため、感温振動子及び非感温振動子の双方を用いることができる。   Further, the crystal resonator used in the present invention may be not only a temperature-sensitive resonator having the characteristics of FIG. 10 but also a non-temperature-sensitive resonator, except for the embodiment of FIG. A non-temperature-sensitive vibrator is a type in which the change in oscillation frequency with respect to temperature is not a straight line but a curve, and the temperature cannot be uniquely determined by the oscillation frequency. In the embodiment of FIG. 9, since the temperature is obtained from the oscillation frequency of the crystal resonator, only the temperature sensitive resonator is used. In other embodiments, since the temperature is not obtained from the oscillation frequency of the crystal resonator, both a temperature-sensitive resonator and a non-temperature-sensitive resonator can be used.

本発明の第1実施形態に係る水晶式気体圧力計の断面図である。It is sectional drawing of the crystal-type gas pressure gauge which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図2(A)は熱伝対を用いたヒータ電力制御部を、図2(B)はNTC(負温度特性)サーミスタを用いたヒータ電力制御部をそれぞれ示している。2A shows a heater power control unit using a thermocouple, and FIG. 2B shows a heater power control unit using an NTC (negative temperature characteristic) thermistor. 水晶振動子の共振抵抗と負温度特性を持つ抵抗体の抵抗値とを合成した、常温にて極小値を持つ合成抵抗の特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram of a combined resistance having a minimum value at room temperature, in which a resonance resistance of a crystal resonator and a resistance value of a resistor having negative temperature characteristics are combined. 図3の特性を有する圧力測定部の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the pressure measurement part which has the characteristic of FIG. 本発明の第1実施形態に係る圧力計の全体ブロック図である。1 is an overall block diagram of a pressure gauge according to a first embodiment of the present invention. 図5とは異なるアナログ出力形態の圧力計の全体ブロック図である。FIG. 6 is an overall block diagram of a pressure gauge having an analog output form different from that of FIG. 5. 温度測定のための実験用にペルチェ素子を配置した圧力計を示す図である。It is a figure which shows the pressure gauge which has arrange | positioned the Peltier device for experiment for temperature measurement. 図7に示す圧力計を用いて、環境温度を種々変更して測定した水晶振動子の実測温度を示す図である。It is a figure which shows the actual temperature of the quartz oscillator measured by changing environmental temperature variously using the pressure gauge shown in FIG. 本発明の第2実施形態に係る圧力計の全体ブロック図である。It is a whole block diagram of the pressure gauge which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に用いられる感温振動子の温度−発振周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the temperature-oscillation frequency characteristic of the thermosensitive oscillator used for 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係るPTC発熱体をヒータとして圧力計の断面図である。It is sectional drawing of a pressure gauge by using the PTC heat generating body which concerns on 3rd Embodiment of this invention as a heater. 図11に示す圧力計の平面図である。It is a top view of the pressure gauge shown in FIG. 図11とはさらに異なる圧力計の断面図である。It is sectional drawing of the pressure gauge further different from FIG. 図13の圧力計に用いられるPTC発熱体の展開図である。It is an expanded view of the PTC heat generating body used for the pressure gauge of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1,200,400,500 圧力計、10 真空室、12 部屋、14 壁部、20 ケース本体、22 フランジ、30 水晶振動子、40 電極、50 気密シール体、52 第1シール体、54 筒体、56 ネジ部、58 第2シール体、60 フィルタ部材、70 ヒータ、80 熱電対、82 冷接点温度補償回路、84,330 ヒータ電力制御回路、86 第2のサーミスタ、87 アンプ、88 ペルチェ素子、90 第1のCサーミスタ、92 抵抗器、100 圧力測定部、210 電流電圧変換器、220 減衰器(1/10減衰器)、230 第1の全波整流器、240 基準電圧源、250 比較器、260 電圧制御減衰器、270 第2の全波整流器、280 アナログ/デジタル(A/D)変換器、290 CPU、300 表示部、310 アナログメータ、320 周波数カウンタ、410,510 PTC発熱体、412,512 シート発熱体、412,414,512,514 電極、420,520 伝熱ブロック、440 電源   1,200,400,500 Pressure gauge, 10 Vacuum chamber, 12 rooms, 14 Wall, 20 Case body, 22 Flange, 30 Quartz vibrator, 40 Electrode, 50 Airtight seal body, 52 First seal body, 54 Cylindrical body , 56 screw part, 58 second seal body, 60 filter member, 70 heater, 80 thermocouple, 82 cold junction temperature compensation circuit, 84, 330 heater power control circuit, 86 second thermistor, 87 amplifier, 88 Peltier element, 90 first C thermistor, 92 resistor, 100 pressure measurement unit, 210 current voltage converter, 220 attenuator (1/10 attenuator), 230 first full wave rectifier, 240 reference voltage source, 250 comparator, 260 voltage controlled attenuator, 270 second full wave rectifier, 280 analog / digital (A / D) converter, 290 CPU, 300 Radical 113, 310 analog meter, 320 frequency counter, 410, 510 PTC heating elements, 412,512 sheet heating element, 412,414,512,514 electrodes, 420 and 520 heat transfer block, 440 power supply

Claims (10)

水晶振動子の固有共振抵抗と測定された共振抵抗の差から気体の圧力を測定する水晶式気体圧力計において、
前記気体の雰囲気と連通する部屋を形成する金属製のケース本体と、
前記水晶振動子に接続される電極と、
前記電極を気密シールして保持する、絶縁体にて形成された第1シール体と、
前記第1のシール体を気密に内挿支持して、前記ケース本体内に配置される金属製の筒体と、
前記金属製筒体と前記ケース本体とを気密シールする第2シール体と、
前記金属製筒体に保持され、前記電極及びそれに接続された前記水晶振動子を包囲して測定室を形成し、かつ、前記測定室と前記気体の雰囲気と連通させる金属製のフィルタ部材と、
前記筒体の外壁に接して大気側に配置され、前記筒体及び前記フィルタ部材を熱伝達部材として熱伝達して、前記水晶振動子を加熱するヒータと、
を有することを特徴とする水晶式気体圧力計。
In a quartz gas pressure gauge that measures the gas pressure from the difference between the natural resonance resistance of the quartz crystal resonator and the measured resonance resistance,
A metal case body forming a chamber communicating with the gas atmosphere;
An electrode connected to the crystal unit;
A first seal body formed of an insulator for hermetically sealing and holding the electrode;
A cylindrical body made of metal, which is inserted into the case main body, and supports the first seal body in an airtight manner;
A second seal body that hermetically seals the metal cylinder and the case body;
A metal filter member that is held by the metal cylinder, surrounds the electrode and the quartz crystal resonator connected thereto, forms a measurement chamber, and communicates with the measurement chamber and the gas atmosphere;
A heater that is disposed on the atmosphere side in contact with the outer wall of the cylindrical body, heats the cylindrical body and the filter member as a heat transfer member, and heats the crystal unit;
A quartz-type gas pressure gauge characterized by comprising:
請求項1において、
前記ケース本体及び筒体は接地され、前記ケース本体と前記筒体とを第2シール体にて電気的に絶縁したことを特徴とする水晶式気体圧力計。
In claim 1,
The case main body and the cylinder are grounded, and the case main body and the cylinder are electrically insulated by a second sealing body.
請求項1または2において、
前記水晶振動子は、共振抵抗が温度によって変化し、
前記ヒータは、温度が上昇するに従い共振抵抗も上昇する正温度特性領域にある温度に設定され、
前記水晶振動子には、温度が上昇するに従い抵抗値が低下する負温度特性の抵抗体が直列接続されていることを特徴とする水晶式気体圧力計。
In claim 1 or 2,
In the crystal resonator, the resonance resistance changes with temperature,
The heater is set to a temperature in a positive temperature characteristic region where the resonance resistance increases as the temperature rises,
A quartz-type gas pressure gauge, wherein a negative temperature characteristic resistor whose resistance value decreases as the temperature rises is connected in series to the crystal resonator.
請求項3において、
前記抵抗体は、温度の上昇により抵抗値が低下する負温度特性の第1のサーミスタと、それに並列接続された抵抗器とで構成され、前記水晶振動子、前記第1のサーミスタ及び前記抵抗器にて圧力測定部が構成され、
前記圧力測定部の合成抵抗値が、所定温度にて極小値をとる温度特性を有し、
前記ヒータにて制御される前記水晶振動子の温度が、実質的に前記所定温度に設定されることを特徴とする水晶式気体圧力計。
In claim 3,
The resistor is composed of a first thermistor having a negative temperature characteristic in which a resistance value decreases as the temperature rises, and a resistor connected in parallel thereto, and the crystal resonator, the first thermistor, and the resistor The pressure measurement unit is configured with
The combined resistance value of the pressure measuring unit has a temperature characteristic that takes a minimum value at a predetermined temperature,
A quartz-type gas pressure gauge, wherein the temperature of the crystal resonator controlled by the heater is substantially set to the predetermined temperature.
請求項4において、
前記圧力測定部の一端に接続され、前記水晶振動子を流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換器と、
前記圧力測定部の他端に接続された減衰器と、
前記減衰器からの電流を整流する第1の全波整流器と、
前記第1の全波整流器からの電圧と基準電圧とを比較する比較器と、
前記比較器の出力電圧に基づいて、前記減衰器の出力をさらに減衰する電圧制御減衰器と、
前記電圧制御減衰器及び前記電流電圧変換器の加算出力を整流する第2の全波整流器と、
をさらに有することを特徴とする水晶式気体圧力計。
In claim 4,
A current-voltage converter that is connected to one end of the pressure measuring unit and converts a current flowing through the crystal resonator into a voltage;
An attenuator connected to the other end of the pressure measuring unit;
A first full-wave rectifier that rectifies current from the attenuator;
A comparator that compares a voltage from the first full-wave rectifier with a reference voltage;
A voltage controlled attenuator that further attenuates the output of the attenuator based on the output voltage of the comparator;
A second full-wave rectifier that rectifies the summed output of the voltage controlled attenuator and the current-voltage converter;
A crystal type gas pressure gauge further comprising:
請求項1乃至5のいずれかににおいて、
前記ヒータは、キュリー温度を超える温度上昇により急激に抵抗値が大きくなるPTC(正温度特性)発熱体であることを特徴とする水晶式気体圧力計。
In any of claims 1 to 5,
The quartz-type gas pressure gauge, wherein the heater is a PTC (positive temperature characteristic) heating element whose resistance value suddenly increases with a temperature rise exceeding the Curie temperature.
請求項1乃至5のいずれかにおいて、
前記ヒータの温度を測定する熱電対と、
前記熱電対からの出力に基づいて前記ヒータを一定温度に制御するヒータ電力制御回路と、
をさらに有することを特徴とする水晶式気体圧力計。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
A thermocouple for measuring the temperature of the heater;
A heater power control circuit for controlling the heater to a constant temperature based on an output from the thermocouple;
A crystal type gas pressure gauge further comprising:
請求項1乃至5のいずれかにおいて、
前記ヒータの温度を測定する第2のサーミスタと、
前記第2のサーミスタからの出力に基づいて前記ヒータを一定温度に制御するヒータ電力制御回路と、
をさらに有することを特徴とする水晶式気体圧力計。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
A second thermistor for measuring the temperature of the heater;
A heater power control circuit for controlling the heater to a constant temperature based on an output from the second thermistor;
A crystal type gas pressure gauge further comprising:
請求項1乃至5のいずれかにおいて、
前記水晶振動子は、発振周波数が温度に対して直線的に変化する感温振動子であり、
前記発振周波数を測定する周波数測定手段と、
前記周波数測定手段からの出力に基づいて前記ヒータを一定温度に制御するヒータ電力制御回路と、
をさらに有することを特徴とする水晶式気体圧力計。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
The crystal resonator is a temperature-sensitive resonator whose oscillation frequency changes linearly with respect to temperature,
Frequency measuring means for measuring the oscillation frequency;
A heater power control circuit for controlling the heater to a constant temperature based on an output from the frequency measuring means;
A crystal type gas pressure gauge further comprising:
請求項1乃至9のいずれかに記載の水晶式気体圧力計が、大気−真空に設定される領域の圧力を測定することを特徴とする真空装置。   10. A vacuum apparatus, wherein the quartz gas pressure gauge according to claim 1 measures a pressure in a region set to atmosphere-vacuum.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011133108A (en) * 2009-12-23 2011-07-07 General Electric Co <Ge> Device for measuring fluid properties in caustic environment
JP2017215007A (en) * 2016-06-01 2017-12-07 Abb日本ベーレー株式会社 Flow regulating valve

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