JP2008164541A - Quartz type gas pressure gage, and vacuum unit using the same - Google Patents
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Abstract
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、音叉型水晶振動子(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 has been known a method of mainly measuring a pressure below atmospheric pressure using a tuning fork type 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Z0(高真空における値)との差ΔZ(=Z−Z0)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Z0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Z0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 Z0 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、音叉型水晶振動子の共振周波数fを測定し、その共振周波数fから音叉型水晶振動子の温度Tを求め、温度Tにおける固有共振周波数(Z0+Zt)と共振抵抗Zとの差ΔZ=Z−(Z0+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)。 The applicant of the present application measures the resonance frequency f of the tuning fork crystal resonator, obtains the temperature T of the tuning fork crystal resonator from the resonance frequency f, and obtains the natural resonance frequency (Z 0 + Zt) and the resonance resistance Z at the temperature T. A method for measuring the pressure of gas from the difference ΔZ = Z− (Z 0 + Zt) is proposed and patented (Patent Document 2).
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(Z0+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.
ここで、上述の測定方法とは異なり、水晶温度センサを用いた熱伝導型真空計(水晶式熱伝導型真空計)が知られている(特許文献3)。 Here, unlike the above-described measuring method, a heat conduction type vacuum gauge (quartz type heat conduction type vacuum gauge) using a crystal temperature sensor is known (Patent Document 3).
しかし、この測定原理は、真空チャンバー内が減圧されると、気体の密度が小さくなり、熱源から水晶温度センサ(感温型水晶振動子)に伝わる熱量が減少し、結果として水晶温度センサの温度が下がって発振周波数が増加するというものである。逆に、真空チャンバー内が増圧されると、気体の密度が大きくなり、熱源から水晶温度センサに伝わる熱量が増加し、結果として水晶温度センサの温度が上がって発振周波数が減少する。こうして、圧力に依存した気体密度によって熱源からの熱量が増減し、その温度変化に起因した周波数変化に基づいて圧力を測定している。よって、この水晶振動子の熱源は、水晶振動子を一定温度に維持するというものではなく、測定原理として水晶振動子に熱量を与えるために設けられたものである。
本発明の目的は、音叉型水晶振動子の温度を極めて効率よく一定に制御することで、温度校正のための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る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 a tuning fork crystal unit very efficiently and uniformly, thereby eliminating the data collection man-hours and the arithmetic circuit for temperature calibration, and reducing the cost. It is to provide a meter and a vacuum apparatus using the meter.
本発明の一態様は、それぞれ矩形断面の2つの腕部と、前記2つの腕部を連結する矩形断面の基部とを有する音叉型水晶振動子を含み、前記音叉型水晶振動子の固有共振抵抗と、測定された共振抵抗との差から、気体の圧力を測定する水晶式気体圧力計において、
前記音叉型水晶振動子の前記2つの腕部及び前記基部の表面に互いに絶縁して形成された第1,第2の電極パターンと、
前記2つの腕部及び前記基部の4面のうちの少なくとも一つの表面に形成され、かつ、前記少なくとも一つの表面に形成された前記第1,第2の電極パターンの一方または双方と互いに絶縁して形成された発熱抵抗体パターンと、
を有し、
前記発熱抵抗体パターンにより前記音叉型水晶振動子を一定温度に保持することを特徴とする。
One aspect of the present invention includes a tuning fork crystal resonator having two arm portions each having a rectangular cross section and a base portion having a rectangular cross section that connects the two arm portions, and a natural resonance resistance of the tuning fork crystal resonator. From the difference between the measured resonance resistance and the quartz gas pressure gauge that measures the gas pressure,
First and second electrode patterns formed on the surfaces of the two arm portions and the base portion of the tuning-fork type crystal resonator so as to be insulated from each other;
It is formed on at least one surface of the four surfaces of the two arm portions and the base portion, and is insulated from one or both of the first and second electrode patterns formed on the at least one surface. A heating resistor pattern formed by
Have
The tuning fork type crystal resonator is held at a constant temperature by the heating resistor pattern.
本発明の一態様によれば、音叉型水晶振動子の少なくとも一面には、この振動子を発信させるための第1,第2の電極パターンの他、この振動子の温度を一定にするための発熱抵抗体パターンが形成されている。このため、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。 According to one aspect of the present invention, on at least one surface of a tuning fork type crystal resonator, in addition to the first and second electrode patterns for transmitting the resonator, the temperature of the resonator is made constant. A heating resistor pattern is formed. For this reason, since the resonance resistance value of the crystal resonator having temperature dependence can be made substantially constant, it is not necessary to calibrate the gas pressure detected using this resonance resistance value from the atmosphere to high vacuum. . Therefore, the device can be manufactured at a low cost.
本発明の一態様では、前記気体の雰囲気と連通する部屋を形成するケース本体と、
前記音叉型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し、かつ、前記電極に接続された前記水晶振動子を前記部屋内に配置して、前記ケース本体に対して気密シールされて支持される気密シール体と、
前記気密シール体と共に前記電極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フィルタ部材と、
をさらに有し、
前記電極は、前記第1,第2の電極パターンに接続された第1,第2の電極と、前記発熱抵抗体パターンに接続された第3,第4の電極と、を含むことができる。
In one aspect of the present invention, a case main body forming a room communicating with the gas atmosphere;
An electrode connected to the tuning fork type crystal resonator;
The electrode is hermetically sealed and held, and the quartz crystal resonator connected to the electrode is disposed in the chamber, and is hermetically sealed and supported with respect to the case body, and
A filter member that surrounds the crystal resonator connected to the electrode together with the hermetic seal body to form a measurement chamber, and communicates with the measurement chamber and the gas atmosphere;
Further comprising
The electrodes may include first and second electrodes connected to the first and second electrode patterns, and third and fourth electrodes connected to the heating resistor patterns.
フィルタ部材は必ずしも必要はないが、フィルタ部材を設けることで音叉型水晶振動子を保護することができる。 The filter member is not always necessary, but the tuning fork type crystal resonator can be protected by providing the filter member.
上記の構造に代えて、本発明の一態様では、
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、
をさらに有し、
前記電極は、前記第1,第2の電極パターンに接続された第1,第2の電極と、前記発熱抵抗体パターンに接続された第3,第4の電極と、を含むことができる。
Instead of the above structure, in one embodiment of the present invention,
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;
Further comprising
The electrodes may include first and second electrodes connected to the first and second electrode patterns, and third and fourth electrodes connected to the heating resistor patterns.
特に、ケース本体及び筒体が接地され、ケース本体と筒体とを第2シール体にて電気的に絶縁する場合には、以下の効果を奏することができる。 In particular, when the case main body and the cylinder are grounded and the case main body and the cylinder are electrically insulated by the second seal body, the following effects can be obtained.
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、前記音叉型水晶振動子は、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ができる。 In one aspect of the present invention, the tuning fork type crystal resonator is a temperature-sensitive resonator in which an oscillation frequency changes linearly with respect to temperature. From the frequency measurement unit that measures the oscillation frequency, and the frequency measurement unit And a heater power control circuit for controlling the heater to a constant temperature based on the output of.
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.
これに代えて、本発明の一態様では、前記発熱抵抗体パターンは、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)発熱抵抗体パターンとすることができる。 Instead, in one aspect of the present invention, the heating resistor pattern is a PTC (Positive Temperature Coefficien) heating resistor pattern in which the resistance value suddenly increases with a temperature rise exceeding the Curie temperature. Can do.
こうすると、PTC発熱抵抗体パターンヒータに電源さえ接続すれば、正温度特性の発熱抵抗体パターンは、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って電流が減少して発熱量が低下し、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 PTC heating resistor pattern heater, the heating resistor pattern with a positive temperature characteristic will suddenly increase in resistance value due to a temperature rise exceeding the Curie temperature, and the current will decrease and the amount of heat generation will decrease. On the other hand, the resistance value decreases as the temperature 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、前記音叉型水晶振動子の一端に接続され、前記音叉型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、
前記音叉型水晶振動子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 tuning fork crystal resonator and converts a current flowing through the tuning fork crystal resonator into a voltage;
An attenuator connected to the other end of the tuning fork crystal 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Z0と、測定された共振抵抗Zの差ΔZ(=Z−Z0)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、前記音叉型水晶振動子は、共振抵抗が温度によって変化し、
前記PTC発熱抵抗体パターンは、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、
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。
In one aspect of the present invention, the tuning fork type crystal resonator has a resonance resistance that varies with temperature,
The PTC heating resistor pattern is set to a temperature in a positive temperature characteristic region where the resonance resistance increases as the temperature increases,
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
1.1.圧力計の構造
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。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. 1. First embodiment 1.1. Structure of Pressure Gauge FIG. 1 is a cross-sectional view of a quartz gas pressure gauge according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the
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
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
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
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
フィルタ部材60は、部屋12と測定室62とを連通させ、かつ、音叉型水晶振動子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
なお、図1において、筒体54を削除してもよい。この場合、第2シール体58も不要であり、第1シール体(広義には気密シール体)52がケース本体20に支持されていればよい。また、この場合、フィルタ部材60は筒体54に支持されずに、ケース本体20に支持されればよい。測定室62は、フィルタ部材60と第1シール体52とで区画される。真空室10にてRFプラズマを生成しない場合には、RFノイズ対策が不要であるからである。また、この場合はフィルタ部材60も削除してもよいが、フィルタ部材60を設けることで音叉型水晶振動子30を保護できる効果がある。
In FIG. 1, the
1.2.音叉型水晶振動子の構造
音叉型水晶振動子30は、図2に示すように、2つの腕部32A,32Bと、この2つの腕部32A,32Bの一端を連結した基部34と、を有する。2つの腕部32A,32Bの断面幅W、断面厚t及び長さLは、共振抵抗Zの圧力依存性が大きくなるように設計される。
1.2. Tuning Fork Type Crystal Resonator Structure As shown in FIG. 2, the tuning fork
図3は、図2に示す音叉型水晶振動子30の2つの腕部32A,32Bの断面を模式的に示す。図3に示すように、2つの腕部32A,32Bには、図1に示す電極40のうちの2本の第1,第2の電極40A,40Bに接続される第1,第2の電極パターン70A,70Bが形成される。
FIG. 3 schematically shows a cross section of the two
図3では、腕部32Aの2つの表面であって、相対向する幅Wの第1,第3の面32A1,32A3には、第1の電極パターン70Aが形成されている。腕部32Aの他の2つの表面であって、相対向する幅tの第2,第4の面32A2,32A4には、第2の電極パターン70Bが形成されている。
In FIG. 3, the
一方、腕部32Bの2つの表面であって、相対向する幅Wの第1,第3の面32B1,32B13には、第2電極パターン70Bが形成されている。腕部32Bの他の2つの表面であって、相対向する幅tの第2,第4の面32B2,32B4には、第1の電極パターン70Aが形成されている。
On the other hand, the
ただし、図3は第1,第2の電極パターン70A,70Bと電極40A,40Bとの接続を模式的に示したもので、実際には図4及び図5に示すように、2つの腕32A,32Bの各4つの面にて、第1及び第2の電極パターン70A,70Bの一方または双方が、互いに絶縁された異なる領域に形成されている。
However, FIG. 3 schematically shows the connection between the first and
図4は、2つの腕部32A,32Bのうち第1の面32A1,32B1を有する面から見た音叉型水晶振動子30の正面図である。図4において、第1,第2の電極パターン70A,70Bは互いに逆向きのハッチング領域として区別して示されている。第1,第2の電極パターン70A,70Bは、音叉型水晶振動子30の縦中心線に対してなるべく線対称となるようにパターン付けされている。なお、第1の面32A1,32B1以外の他の3面(第2〜第4面)にも、パターン形状は異なるけれども、各面に第1,第2の電極パターン面70A,70Bの一方または双方が形成され、第1〜第4の面にて第1,第2の電極パターン70A,70Bがそれぞれ連続して形成される。これにより、第1,第2の電極パターン70A,70Bは第1〜第4面にて連続するパターンとなり、いずれか各1箇所にて電極40A,40Bと接続される。
FIG. 4 is a front view of the tuning fork
図5は、2つの腕部32A,32Bのうち第3の面32A3,32B3を有する面から見た音叉型水晶振動子30の裏面図である。図5では、腕部32Aの第3面32A3に第1の電極パターン70Aが、腕部32Bの第3面32B3には第2の電極パターン70Bが形成されている。この第3面32A3,32B3には、第1,第2の電極パターン70A,70の他に、これらパターン70A,70Bとは絶縁された異なるクロスハッチングにて示す領域に、発熱抵抗体パターン72が形成されている。
FIG. 5 is a back view of the tuning-fork
発熱抵抗体パターン72は、2つの腕部32A,32Bの第3面32A3,32B3上で連続するパターンとされ、基部34上に形成されたパターン両端部に電極部72A,72Bを有する。また、発熱抵抗体パターン72は、2つの腕部32A,32Bの第3面32A3,32B3上にて、実質的に面積が等しくなるように形成されている。なお、本実施形態では、第3面32A,32Bに発熱抵抗体パターン72を形成しているが、他の面にも形成してもよいし、第1〜第4面のうちの2面以上の面に発熱抵抗体パターン72を形成してもよい。
The
第1,第2の電極パターン70A,70及び発熱抵抗体パターン72は、フォトリソグラフィ技術により音叉型水晶振動子30に形成することができる。第1,第2の電極パターン70A,70Bは例えばクロム(Cr)にて形成することができ、発熱抵抗体パターン72は例えばクロム(Cr)または白金(Pt)にて形成することができるが、材質はこれらに限定されない。発熱抵抗体パターン72を二層構造とし、一層目をクロムの発熱用パターンとし、二層目に耐食性の高い白金(Pt)等を用いて一層目を被覆してもよい。
The first and
なお、図4の第1面32A1,32B1に対する第3面32A3,32B3に形成されるパターンとしては、図6または図7とすることもできる。図6及び図7は、2つの腕部32A,32Bのうち第3の面32A3,32B3を有する面から見た音叉型水晶振動子30の裏面図である。
In addition, as a pattern formed in 3rd surface 32A3, 32B3 with respect to 1st surface 32A1, 32B1 of FIG. 4, it can also be made into FIG. 6 or FIG. 6 and 7 are rear views of the tuning fork
図6および図7では、図5とは異なり、第3面32A3,32B3の各面にそれぞれ第1及び第2の電極パターン70A,70Bが形成されている。図6では、図5とは異なり、基部34の最端部に第1,第2の電極パターン70A,70Bが形成されているので、これらを避けた位置に、発熱抵抗体パターン72の電極72A,72Bを配置している。図7では、基部34の最端部に発熱抵抗体パターン72の電極72A,72Bを配置している。ただし、発熱抵抗体パターン72の一方の電極72Bが、第2の電極パターン70Bによって発熱抵抗体パターン72と連続形成できない。この場合、発熱抵抗体パターン72に連続形成された他の電極72Cを設け、電極72B,72Cをパターン以外の他の配線手段によって配線することができる。
6 and 7, unlike FIG. 5, first and
1.3.圧力計の全体ブロック図
図8は、水晶式気体圧力計1の測定部200のブロック図である。なお、図8では発熱抵抗体パターン72が音叉型水晶振動子30とは別体として図示されているが、実際には図5に示すように一体化されている。
1.3. FIG. 8 is a block diagram of the measuring
図8において、水晶振動子30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8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。これに代えて、A/D変換器280、CPU290及び表示部300を削除し、第2の全波整流器270にアナログメータを接続してもよい。
In FIG. 8, a current-
図8では、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と、その出力に基づいて発熱抵抗体パターン72への供給電力を制御するヒータ電力制御回路330とをさらに設けている。
In FIG. 8, frequency measuring means for measuring the oscillation frequency of the
ここで、水晶振動子30の発振周波数と温度の関係は図9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
図8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9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
図8に示すヒータ電力制御回路330は、図9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が制御すべき温度よりも高ければ供給電力を少なくし、温度Tが制御すべき温度よりも高ければ供給電力を多くして、発熱抵抗体パターン72を制御すべき温度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。例えば、水晶振動子30の設定温度を45℃とした場合、図5に示すように水晶振動子30に直付けした発熱抵抗体パターン72での加熱により、水晶振動子30を45℃±0.03℃というきわめて高い精度にて温度制御することができた。なお、水晶振動子30の設定温度としては、常温である例えば25℃などであってもよいが、常温よりも高い例えば45℃等の温度に水晶振動子30を温度制御することで、周囲温度の変化の影響がより少なくなる。
The heater
ここで、上述のようにして一点温度に制御された発熱抵抗体パターン72により水晶振動子30を駆動すると、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Z0との差ΔZ(=Z−Z0)は、気体の粘性(濃度)に依存した気体の圧力に相当する。よって、水晶振動子30の設定温度における固有共振周波数Z0と、一定温度にて測定された水晶振動子30の共振抵抗とから、高精度にて気体の圧力を測定できる。
Here, when the
本実施形態の水晶式気体圧力計は、感温振動子に直接ヒータ(発熱体抵抗パターン)を設置し、測定される水晶振動子の共振周波数が、基準温度における水晶振動子の共振周波数が一定となるように、ヒータ電力を制御している。そして、そのヒータ電力制御によって水晶振動子の温度を一定に保持し、水晶振動子の固有共振抵抗Z0の温度による誤差をなくしたものである。水晶振動子に直接ヒータを設置しているため、振動子を例えば45℃に保持するヒータ電力は200μW以下と小さくて良い。振動子の温度は、振動子の共振周波数から温度を検出できるため、45℃±0.03℃以下の高精度で制御できる。この温度精度は、圧力に換算すると±1.5×10−5Torrに相当する。 In the crystal type gas pressure gauge of the present embodiment, a heater (heating element resistance pattern) is directly installed on the temperature sensitive oscillator, and the resonance frequency of the crystal oscillator to be measured is constant at the reference temperature. The heater power is controlled so that Then, maintaining the temperature of the crystal unit constant by the heater power control, in which lost errors due to temperature of the natural resonance resistance Z 0 of the crystal oscillator. Since the heater is directly installed in the crystal resonator, the heater power for holding the resonator at 45 ° C. may be as small as 200 μW or less. Since the temperature of the vibrator can be detected from the resonance frequency of the vibrator, it can be controlled with high accuracy of 45 ° C. ± 0.03 ° C. or less. This temperature accuracy corresponds to ± 1.5 × 10 −5 Torr in terms of pressure.
図8の構成では、特許文献2の図7及び図8に示す演算回路及びD/Aコンバータを削除できる。図8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5に示す発熱抵抗体パターン72とヒータ電力制御回路330だけである。加えて、個々の振動子の固有共振抵抗(Z0)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。
In the configuration of FIG. 8, the arithmetic circuit and the D / A converter shown in FIGS. 7 and 8 of Patent Document 2 can be deleted. In FIG. 8, only the
なお、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。
In addition, the
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
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、その際の環境温度例えば45℃に発熱抵抗体パターン72を制御すれば良い。
When the
2.第2実施形態
図10は、本発明の第2実施形態に係る水晶式圧力計のブロック図である。図10に示す圧力計400のうち、図8と同一機能を有する部材について、図8と同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
2. Second Embodiment FIG. 10 is a block diagram of a crystal type pressure gauge according to a second embodiment of the present invention. In the
図10に示す圧力計400が、図8に示す圧力計1と異なる点は、第1実施形態の発熱抵抗体パターン72に代えて、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発熱抵抗体にて形成されたPTC(正温度特性)発熱抵抗体パターン410を設けた点である。つまり、図5に示すクロッスハッチング領域は、発熱抵抗体パターン72でなくPTC発熱抵抗体パターン410である。なお、図10でも、PTC発熱抵抗体パターン410が音叉型水晶振動子30とは別体として図示されているが、実際には図5に示すように一体化されている。
The
そして、このPTC発熱抵抗体パターン410の2つの端子には、図8とは異なり、図10に示すように電源420のみが接続されている。つまり、PTC発熱抵抗体パターン410を外部から温度制御する必要はない。PTC発熱抵抗体パターン410自体の自己制御により、キュリー温度を超える温度上昇ではPTC発熱抵抗体パターン410の抵抗値が急激に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PTC発熱抵抗体パターン410の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。
Unlike the case shown in FIG. 8, only the
このようなPTC発熱抵抗体パターン410も、図5に示す例えば第3の面32A3,32B3上にてフォトリソグラフィ技術を用いて形成できる。
Such a PTC
ここで、PTC発熱抵抗体パターン410を一定温度例えば45℃に制御する精度としては、45℃±1℃程度である。
Here, the accuracy of controlling the PTC
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 understood easily by those skilled in the art that many modifications 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、第1実施形態では図9の特性を有する感温振動子に限定されるが、第2実施形態のように温度測定を要しない場合には、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。 Further, the crystal resonator used in the present invention is limited to the temperature-sensitive resonator having the characteristics shown in FIG. 9 in the first embodiment. However, if the temperature measurement is not required as in the second embodiment, the crystal resonator is used. Not only a temperature oscillator but also a non-temperature-sensitive oscillator may be used. 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.
1,400 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、70A
第1の電極パターン、70B 第2の電極パターン、72 発熱抵抗体パターン、72A,72B 電極、87 アンプ、88 ペルチェ素子、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、320 周波数カウンタ、330 ヒータ電力制御回路、410 PTC発熱抵抗体パターン、420 電源
1,400 Pressure gauge, 10 Vacuum chamber, 12 rooms, 14 Wall part, 20 Case body, 22 Flange, 30 Quartz vibrator, 40 Electrode, 50 Airtight seal body, 52 First seal body, 54 Tube body, 56 Screw part , 58 Second seal body, 60 filter member, 70A
First electrode pattern, 70B Second electrode pattern, 72 Heating resistor pattern, 72A, 72B electrode, 87 amplifier, 88 Peltier element, 210 Current-voltage converter, 220 Attenuator (1/10 attenuator), 230 First 1 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 display, 320 frequency Counter, 330 Heater power control circuit, 410 PTC heating resistor pattern, 420 Power supply
Claims (6)
前記音叉型水晶振動子の前記2つの腕部及び前記基部の表面に互いに絶縁して形成された第1,第2の電極パターンと、
前記2つの腕部及び前記基部の4面のうちの少なくとも一つの表面に形成され、かつ、前記少なくとも一つの表面に形成された前記第1,第2の電極パターンの一方または双方と互いに絶縁して形成された発熱抵抗体パターンと、
を有し、
前記発熱抵抗体パターンにより前記音叉型水晶振動子を一定温度に保持することを特徴とする水晶式気体圧力計。 Each including a tuning fork crystal resonator having two arms each having a rectangular cross section and a base having a rectangular cross section connecting the two arms, and the resonance resonance resistance and the measured resonance resistance of the tuning fork crystal resonator In the quartz gas pressure gauge that measures the gas pressure from the difference between
First and second electrode patterns formed on the surfaces of the two arm portions and the base portion of the tuning-fork type crystal resonator so as to be insulated from each other;
It is formed on at least one surface of the four surfaces of the two arm portions and the base portion, and is insulated from one or both of the first and second electrode patterns formed on the at least one surface. A heating resistor pattern formed by
Have
A quartz-type gas pressure gauge, wherein the tuning-fork type quartz vibrator is held at a constant temperature by the heating resistor pattern.
前記気体の雰囲気と連通する部屋を形成するケース本体と、
前記音叉型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し、かつ、前記電極に接続された前記水晶振動子を前記部屋内に配置して、前記ケース本体に対して気密シールされて支持される気密シール体と、
前記気密シール体と共に前記電極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フィルタ部材と、
をさらに有し、
前記電極は、前記第1,第2の電極パターンに接続された第1,第2の電極と、前記発熱抵抗体パターンに接続された第3,第4の電極と、を含むことを特徴とする水晶式気体圧力計。 In claim 1,
A case main body forming a room communicating with the gas atmosphere;
An electrode connected to the tuning fork type crystal resonator;
The electrode is hermetically sealed and held, and the quartz crystal resonator connected to the electrode is disposed in the chamber, and is hermetically sealed and supported with respect to the case body, and
A filter member that surrounds the crystal resonator connected to the electrode together with the hermetic seal body to form a measurement chamber, and communicates with the measurement chamber and the gas atmosphere;
Further comprising
The electrode includes first and second electrodes connected to the first and second electrode patterns, and third and fourth electrodes connected to the heating resistor pattern. Crystal type gas pressure gauge.
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、
をさらに有し、
前記電極は、前記第1,第2の電極パターンに接続された第1,第2の電極と、前記発熱抵抗体パターンに接続された第3,第4の電極と、を含むことを特徴とする水晶式気体圧力計。 In claim 1,
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;
Further comprising
The electrode includes first and second electrodes connected to the first and second electrode patterns, and third and fourth electrodes connected to the heating resistor pattern. Crystal type gas pressure gauge.
前記音叉型水晶振動子は、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 3,
The tuning fork type 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:
前記音叉型水晶振動子の一端に接続され、前記音叉型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、
前記音叉型水晶振動子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 any one of Claims 1 thru | or 4,
A current-voltage converter connected to one end of the tuning-fork crystal resonator and converting a current flowing through the tuning-fork crystal resonator into a voltage;
An attenuator connected to the other end of the tuning fork crystal 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:
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RU2665753C2 (en) * | 2016-09-22 | 2018-09-04 | Валерий Владимирович Коваленко | Gas pressure measurement device |
-
2006
- 2006-12-29 JP JP2006356760A patent/JP2008164541A/en active Pending
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