JP2017125850A - 真空計 - Google Patents
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Abstract
【課題】 圧電素子の一端の変位を許容し他端の変位を低減することで、正確に圧力測定することができる真空計を提供すること。【解決手段】 真空計は、外圧により変位するダイヤフラム40と、軸方向Aの一端に開口部21を有する第1筒状体20と、軸方向で第1筒状体20Aと連結され、第1筒状体22と連結されない側の端部が閉鎖された第2筒状体30と、を含み、ダイヤフラム40により開口部21が封止される気密容器と、軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、可動端部がダイヤフラム40と一体で変位するように固定され、気密容器内にて軸方向に沿って配置される圧電素子50と、を有する。第1筒状体20Aは、圧電素子50の固定端部が固定される固定部22Aを一体的に有する。【選択図】 図1
Description
本発明は、真空計等に関する。
圧電素子を用いた物理量検出器が知られている。特許文献1は、両端に基部を設けた圧電素子と、この圧電素子を収納する気密容器(ハウジング)とを有する物理量検出器を開示している。ハウジングは、ダイヤフラムを固定するリング部と、リング部より突出して設けられた突出部と、突出部から垂直方向に延びる2つの柱部材と、2つの柱部材の自由端部を結ぶ梁部材と、を有する。圧電素子の一方の基部がダイヤフラムに固定され、圧電素子の他方の基部が梁部材に固定される。ダイヤフラムに外圧が作用すると、外圧に応じて圧電素子が圧縮又は伸長される。それにより、ダイヤフラムが受けた圧力に応じて圧電素子の共振周波数が変化し、共振周波数に基づいて圧力を高精度に検出することができる。
しかし、上記のような構造の物理量検出器では、特にダイヤフラムに作用する正または負の圧力が大きい場合や、外部温度変化が大きい場合には、測定精度が悪化するという課題があった。
本発明の幾つかの態様は、圧電素子の一端の変位を許容し他端の変位を低減することで、正確に真空度を測定することができる真空計を提供することを目的とする。
本発明の他の幾つかの態様は、外部温度変化の影響を抑制して、正確に真空度を測定することができる真空計を提供することを目的とする。
(1)本発明の一態様は、
外圧により変位するダイヤフラムと、
軸方向の一端に開口部を有する第1筒状体と、前記軸方向で前記第1筒状体と連結され、前記第1筒状体と連結されない側の端部が閉鎖された第2筒状体と、を含み、前記ダイヤフラムにより前記開口部が封止される気密容器と、
前記軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記気密容器内にて前記軸方向に沿って配置される圧電素子と、
を有し、
前記第1筒状体は、前記圧電素子の前記固定端部が固定される固定部を一体的に有する真空計に関する。
外圧により変位するダイヤフラムと、
軸方向の一端に開口部を有する第1筒状体と、前記軸方向で前記第1筒状体と連結され、前記第1筒状体と連結されない側の端部が閉鎖された第2筒状体と、を含み、前記ダイヤフラムにより前記開口部が封止される気密容器と、
前記軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記気密容器内にて前記軸方向に沿って配置される圧電素子と、
を有し、
前記第1筒状体は、前記圧電素子の前記固定端部が固定される固定部を一体的に有する真空計に関する。
本発明の一態様によれば、圧電素子が封入される気密容器は、組み立て上の必要から第1,第2筒状体の連結構造から成る。つまり、第1筒状体の状態で圧電素子を取り付けた後に、第1筒状体と第2筒状体とを連結して容器を形成することで、真空計の組立作業性が高まる。ダイヤフラムにより封止される開口部を有する第1筒状体に固定部が一体的に形成される。こうすると、圧電素子の可動端部はダイヤフラムと共に変位する一方で、圧電素子の固定端部は第1筒状体と一体の固定部に固定されて変位しない。そのため、圧電素子はダイヤフラムの変位に基づいてダイヤフラムに作用する圧力を精度よく検出することができる。従来、2つの柱部材の自由端部に固定された梁部材がダイヤフラムと共に変位し易く、ダイヤフラム及び梁部材にそれぞれ固定される圧電素子の両端部が変位してしまう結果、圧力測定精度が悪化していた。本発明の一態様により、固定部の自由端部が変位してしまうという問題が解消される。
(2)本発明の他の態様は、
外圧により変位するダイヤフラムと、
軸方向の一端に開口部を有する第1筒状体と、前記軸方向で前記第1筒状体と連結され、前記第1筒状体と連結されない側の端部が閉鎖された第2筒状体と、を含み、前記ダイヤフラムにより前記開口部が封止される気密容器と、
前記軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記気密容器内にて前記軸方向に沿って配置される圧電素子と、
前記第1筒状体に連結される基端部より前記軸方向に沿って前記気密容器の内方の自由端部まで延びる補強部を含み、前記圧電素子の前記固定端部が前記自由端部に固定される固定部と、
を有し、
前記軸方向と直交する前記固定部の横断面では、前記圧電素子が配置される中空部の周囲に、前記補強部が(360/N)°の範囲(1<N≦2)に亘って配置され、前記補強部は前記中空部と連通する切り欠き部を有することができる。
外圧により変位するダイヤフラムと、
軸方向の一端に開口部を有する第1筒状体と、前記軸方向で前記第1筒状体と連結され、前記第1筒状体と連結されない側の端部が閉鎖された第2筒状体と、を含み、前記ダイヤフラムにより前記開口部が封止される気密容器と、
前記軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記気密容器内にて前記軸方向に沿って配置される圧電素子と、
前記第1筒状体に連結される基端部より前記軸方向に沿って前記気密容器の内方の自由端部まで延びる補強部を含み、前記圧電素子の前記固定端部が前記自由端部に固定される固定部と、
を有し、
前記軸方向と直交する前記固定部の横断面では、前記圧電素子が配置される中空部の周囲に、前記補強部が(360/N)°の範囲(1<N≦2)に亘って配置され、前記補強部は前記中空部と連通する切り欠き部を有することができる。
本発明の他の態様においても、圧電素子が封入される気密容器は、組み立て上の必要から第1,第2筒状体の連結構造から成る。第1筒状体と一体又は別体の固定部は、第1筒状体に連結される基端部より軸方向に沿って気密容器の内方の自由端部まで延びる補強部を有する。この補強部は、圧電素子が配置される中空部の周囲に、(360/N)°の範囲(1<N≦2)に亘って形成される。つまり、固定部は、圧電素子の周囲の180°以上で360°より狭い角度範囲に亘って補強部を有するので、本発明の一態様のように固定部を必ずしも第1筒状体と一体で形成せずに別体として第1筒状体に連結させる場合でも、補強部が変形することを抑制できる。そのため、ダイヤフラムに作用する正または負の圧力が大きい場合でも、圧電素子の固定端部は第1筒状体に対して変位しない。こうして、圧電素子はダイヤフラムの変位に基づいてダイヤフラムに作用する圧力を精度よく検出することができる。また、第1筒状体とは別体の固定部とする場合には、第1筒状体と連結される基端部の面積を十分に確保できるので、連結強度も高めることができる。また、固定部は中空部と連通する切り欠き部を有することから、圧電素子を固定部に固定させるために切り欠き部を利用することができ、組み立て作業性も確保される。なお、上述した固定部の形状は、容器と一体で形成される本発明の一態様の固定部に適用しても良い。
(3)本発明の一態様及び他の態様では、
前記圧電素子の前記可動端部と前記ダイヤフラムとを接合する接合部をさらに有し、
前記固定部及び前記接合部の各々は、前記軸方向に延びる少なくとも一つの孔をさらに有し、前記固定部に設けられた前記少なくとも一つの孔と、前記接合部に設けられた前記少なくとも一つの孔とは、前記軸方向から見た平面視で重ならせることができる。
前記圧電素子の前記可動端部と前記ダイヤフラムとを接合する接合部をさらに有し、
前記固定部及び前記接合部の各々は、前記軸方向に延びる少なくとも一つの孔をさらに有し、前記固定部に設けられた前記少なくとも一つの孔と、前記接合部に設けられた前記少なくとも一つの孔とは、前記軸方向から見た平面視で重ならせることができる。
こうすると、固定部及び接合部は平面視で各孔が重なることで組み立て精度が高くなる結果、ダイヤフラムに対する圧電素子の取付精度(例えばダイヤフラムの主面に対して圧電素子が垂直)が高まる。組み立て時には、各孔に位置決め軸を通すことで、各孔が平面視で重なる状態で固定部及び接合部は位置決めされる。なお、本発明の一態様では第1筒状体と一体の固定部に対して、孔を用いて接合部を位置決めすることができる。本発明の他の態様では、予めダイヤフラムに位置決め固定される接合部に対して、孔を用いて固定部を位置決めすることができる。
(4)この場合において、前記接合部に設けられた前記少なくとも一つの孔は、前記ダイヤフラムが位置する側に底部を有する非貫通の孔とすることができる。非貫通の孔に位置決め軸を挿入すると、接合部をダイヤフラムに固定する際に位置決め軸の自重を錘として利用することができる。
(5)本発明の一態様及び他の態様では、
前記圧電素子の前記可動端部と前記ダイヤフラムとを接合する接合部をさらに有し、
前記圧電素子の前記固定端部は前記軸方向と平行な第1平面を含み、
前記固定部は、前記切り欠き部と対向する位置に、前記第1平面と接合される第2平面を含み、
前記圧電素子の前記可動端部は前記軸方向と平行な第3平面を含み、
前記接合部は、前記切り欠き部と対向する位置に、前記第3平面と接合される第4平面を含むことができる。
前記圧電素子の前記可動端部と前記ダイヤフラムとを接合する接合部をさらに有し、
前記圧電素子の前記固定端部は前記軸方向と平行な第1平面を含み、
前記固定部は、前記切り欠き部と対向する位置に、前記第1平面と接合される第2平面を含み、
前記圧電素子の前記可動端部は前記軸方向と平行な第3平面を含み、
前記接合部は、前記切り欠き部と対向する位置に、前記第3平面と接合される第4平面を含むことができる。
こうすると、切り欠き部を介して圧電素子を固定部の中空部に配置させることができる。あるいは、圧電素子の可動端部及び固定端部を接合部及び固定部に固定する時に、切り欠き部を介して圧電素子に錘の荷重を作用させることができる。こうして、真空計の組み立て性を向上させることができる。
(6)本発明のさらに他の態様は、
外圧により変位するダイヤフラムと、
軸方向の一端に開口部を有する第1筒状体と、前記軸方向で前記第1筒状体と連結され、前記第1筒状体と連結されない側の端部が閉鎖された第2筒状体と、を含み、前記ダイヤフラムにより前記開口部が封止される第1気密容器と、
前記軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記固定端部が前記第1筒状体側に固定されて、前記第1気密容器内にて前記軸方向に沿って配置される圧電素子と、
前記第1気密容器のうち少なくとも前記圧電素子が配置される領域の周囲に配置される第2気密容器と、
前記第1気密容器と前記第2気密容器との間に形成される真空断熱部と、
を有する真空計に関する。
外圧により変位するダイヤフラムと、
軸方向の一端に開口部を有する第1筒状体と、前記軸方向で前記第1筒状体と連結され、前記第1筒状体と連結されない側の端部が閉鎖された第2筒状体と、を含み、前記ダイヤフラムにより前記開口部が封止される第1気密容器と、
前記軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記固定端部が前記第1筒状体側に固定されて、前記第1気密容器内にて前記軸方向に沿って配置される圧電素子と、
前記第1気密容器のうち少なくとも前記圧電素子が配置される領域の周囲に配置される第2気密容器と、
前記第1気密容器と前記第2気密容器との間に形成される真空断熱部と、
を有する真空計に関する。
本発明のさらに他の態様によれば、圧電素子が配置される第1気密容器と、圧電素子が配置される領域を囲う第1気密容器の周囲に配置される第2気密容器との間に真空断熱部を設けることで、圧電素子が受ける外部温度変化の影響を抑制して、正確に圧力測定することができる。この場合、第1気密容器は本発明の一態様または他の態様の構造に限定される必要はなく、圧電素子の固定端部が固定される固定部は、第1筒状体と一体または別体であるかは問わず、圧電素子の固定端部が結果として第1筒状体側に固定されていれば良い。また、固定部の構造も、本発明の他の態様に定義された補強部を有するものに限定されない。
(7)本発明のさらに他の態様は、
外圧により変位する第1ダイヤフラムと、
前記外圧により変位する第2ダイヤフラムと、
第1軸方向の一端に第1開口部を有する第1筒状体と、第2軸方向の一端に第2開口部を有する第2筒状体と、前記第1筒状体及び前記第2筒状体と連結される第3筒状体と、を含み、前記第1ダイヤフラムにより前記第1開口部が封止され、前記第2ダイヤフラムにより前記第2開口部が封止される第1気密容器と、
前記第1軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記第1ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記第1気密容器内にて前記第1軸方向に沿って配置される第1圧電素子と、
前記第2軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記第2ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記第1気密容器内にて前記第2軸方向に沿って配置される第2圧電素子と、
前記第1気密容器のうち少なくとも前記第1,第2圧電素子が配置される領域の周囲に配置される第2気密容器と、
前記第1気密容器と前記第2気密容器との間に形成される真空断熱部と、
を有し、
前記第1ダイヤフラムは第1圧力範囲の圧力に応答して変位し、
前記第2ダイヤフラムは、前記第1圧力範囲よりも低圧側を含む第2圧力範囲の圧力に、前記第1ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位する真空計に関する。
外圧により変位する第1ダイヤフラムと、
前記外圧により変位する第2ダイヤフラムと、
第1軸方向の一端に第1開口部を有する第1筒状体と、第2軸方向の一端に第2開口部を有する第2筒状体と、前記第1筒状体及び前記第2筒状体と連結される第3筒状体と、を含み、前記第1ダイヤフラムにより前記第1開口部が封止され、前記第2ダイヤフラムにより前記第2開口部が封止される第1気密容器と、
前記第1軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記第1ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記第1気密容器内にて前記第1軸方向に沿って配置される第1圧電素子と、
前記第2軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記第2ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記第1気密容器内にて前記第2軸方向に沿って配置される第2圧電素子と、
前記第1気密容器のうち少なくとも前記第1,第2圧電素子が配置される領域の周囲に配置される第2気密容器と、
前記第1気密容器と前記第2気密容器との間に形成される真空断熱部と、
を有し、
前記第1ダイヤフラムは第1圧力範囲の圧力に応答して変位し、
前記第2ダイヤフラムは、前記第1圧力範囲よりも低圧側を含む第2圧力範囲の圧力に、前記第1ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位する真空計に関する。
本発明のさらに他の態様によれば、第1,第2圧電素子により検出可能な圧力範囲が第1,第2圧力範囲に拡大される。その際、第1,第2圧電素子が配置される第1気密容器と、第1,第2圧電素子が配置される領域を囲う第1気密容器の周囲に配置される第2気密容器との間に真空断熱部を設けることで、第1,第2圧電素子が受ける外部温度変化の影響を抑制して、正確に圧力測定することができる。
(8)本発明のさらに他の態様では、前記真空断熱部は、前記真空計の検出対象である真空部と連通されてもよい。これにより、真空断熱部を検出対象により真空状態とすることができる。
(9)本発明の一態様、他の態様及びさらに他の態様では、前記ダイヤフラムが、前記第1筒状体の内方に過度に移動することを規制するストッパーをさらに有することができる。気密容器内が検出対象圧力よりも低い圧力とされる場合、この真空計で測定される圧力の上限(例えば計測可能な真空度の上限である低真空度や大気圧)をストッパーにより設定することができる。この場合、ストッパーは、ダイヤフラムの移動を規制しても良いし、圧電素子の移動(可動端部の移動)を規制しても良い。また、ストッパーは、容器(第1筒状体)、固定部または接合部のいずれかに設けることができる。
(10)本発明のさらに他の態様は、
外圧により変位する第1ダイヤフラムと、
前記外圧により変位する第2ダイヤフラムと、
第1軸方向の一端に第1開口部を有する第1筒状体と、第2軸方向の一端に第2開口部を有する第2筒状体と、前記第1筒状体及び前記第2筒状体と連結される第3筒状体と、を含み、前記第1ダイヤフラムにより前記第1開口部が封止され、前記第2ダイヤフラムにより前記第2開口部が封止される気密容器と、
前記第1軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記第1ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記気密容器内にて前記第1軸方向に沿って配置される第1圧電素子と、
前記第2軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記第2ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記気密容器内にて前記第2軸方向に沿って配置される第2圧電素子と、
を有し、
前記第1筒状体は、前記第1圧電素子の前記固定端部が固定される第1固定部を一体的に有し
前記第2筒状体は、前記第2圧電素子の前記固定端部が固定される第2固定部を一体的に有し、
前記第1ダイヤフラムは第1圧力範囲の圧力に応答して変位し、
前記第2ダイヤフラムは、前記第1圧力範囲よりも低圧側を含む第2圧力範囲の圧力に、前記第1ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位する真空計に関する。
外圧により変位する第1ダイヤフラムと、
前記外圧により変位する第2ダイヤフラムと、
第1軸方向の一端に第1開口部を有する第1筒状体と、第2軸方向の一端に第2開口部を有する第2筒状体と、前記第1筒状体及び前記第2筒状体と連結される第3筒状体と、を含み、前記第1ダイヤフラムにより前記第1開口部が封止され、前記第2ダイヤフラムにより前記第2開口部が封止される気密容器と、
前記第1軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記第1ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記気密容器内にて前記第1軸方向に沿って配置される第1圧電素子と、
前記第2軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記第2ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記気密容器内にて前記第2軸方向に沿って配置される第2圧電素子と、
を有し、
前記第1筒状体は、前記第1圧電素子の前記固定端部が固定される第1固定部を一体的に有し
前記第2筒状体は、前記第2圧電素子の前記固定端部が固定される第2固定部を一体的に有し、
前記第1ダイヤフラムは第1圧力範囲の圧力に応答して変位し、
前記第2ダイヤフラムは、前記第1圧力範囲よりも低圧側を含む第2圧力範囲の圧力に、前記第1ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位する真空計に関する。
本発明のさらに他の態様によれば、第1,第2圧電素子の各々が本発明の一態様に従って固定されるので、第1,第2圧力範囲の圧力を精度よく検出することができる。
(11)本発明のさらに他の態様は、
外圧により変位する第1ダイヤフラムと、
前記外圧により変位する第2ダイヤフラムと、
第1軸方向の一端に第1開口部を有する第1筒状体と、第2軸方向の一端に第2開口部を有する第2筒状体と、前記第1筒状体及び前記第2筒状体と連結される第3筒状体と、を含み、前記第1ダイヤフラムにより前記第1開口部が封止され、前記第2ダイヤフラムにより前記第2開口部が封止される気密容器と、
前記第1軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記第1ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記気密容器内にて前記第1軸方向に沿って配置される第1圧電素子と、
前記第2軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記第2ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記気密容器内にて前記第2軸方向に沿って配置される第2圧電素子と、
前記第1筒状体に連結される第1基端部より前記第1軸方向に沿って前記気密容器の内方の第1自由端部まで延びる第1補強部を含み、前記第1圧電素子の前記固定端部が前記第1自由端部に固定される第1固定部と、
前記第2筒状体に連結される第2基端部より前記第2軸方向に沿って前記気密容器の内方の第2自由端部まで延びる第2補強部を含み、前記第2圧電素子の前記固定端部が前記第2自由端部に固定される第2固定部と、
を有し、
前記第1軸方向と直交する前記第1固定部の横断面では、前記第1圧電素子が配置される第1中空部の周囲に、前記第1補強部が(360/N)°の範囲(1<N≦2)に亘って配置され、前記第1補強部は前記第1中空部と連通する第1切り欠き部を有し、
前記第2軸方向と直交する前記第2固定部の横断面では、前記第2圧電素子が配置される第2中空部の周囲に、前記第2補強部が(360/N)°の範囲に亘って配置され、前記第2補強部は前記第2中空部と連通する第2切り欠き部を有し、
前記第1ダイヤフラムは第1圧力範囲の圧力に応答して変位し、
前記第2ダイヤフラムは、前記第1圧力範囲よりも低圧側を含む第2圧力範囲の圧力に、前記第1ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位する真空計に関する。
外圧により変位する第1ダイヤフラムと、
前記外圧により変位する第2ダイヤフラムと、
第1軸方向の一端に第1開口部を有する第1筒状体と、第2軸方向の一端に第2開口部を有する第2筒状体と、前記第1筒状体及び前記第2筒状体と連結される第3筒状体と、を含み、前記第1ダイヤフラムにより前記第1開口部が封止され、前記第2ダイヤフラムにより前記第2開口部が封止される気密容器と、
前記第1軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記第1ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記気密容器内にて前記第1軸方向に沿って配置される第1圧電素子と、
前記第2軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記第2ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記気密容器内にて前記第2軸方向に沿って配置される第2圧電素子と、
前記第1筒状体に連結される第1基端部より前記第1軸方向に沿って前記気密容器の内方の第1自由端部まで延びる第1補強部を含み、前記第1圧電素子の前記固定端部が前記第1自由端部に固定される第1固定部と、
前記第2筒状体に連結される第2基端部より前記第2軸方向に沿って前記気密容器の内方の第2自由端部まで延びる第2補強部を含み、前記第2圧電素子の前記固定端部が前記第2自由端部に固定される第2固定部と、
を有し、
前記第1軸方向と直交する前記第1固定部の横断面では、前記第1圧電素子が配置される第1中空部の周囲に、前記第1補強部が(360/N)°の範囲(1<N≦2)に亘って配置され、前記第1補強部は前記第1中空部と連通する第1切り欠き部を有し、
前記第2軸方向と直交する前記第2固定部の横断面では、前記第2圧電素子が配置される第2中空部の周囲に、前記第2補強部が(360/N)°の範囲に亘って配置され、前記第2補強部は前記第2中空部と連通する第2切り欠き部を有し、
前記第1ダイヤフラムは第1圧力範囲の圧力に応答して変位し、
前記第2ダイヤフラムは、前記第1圧力範囲よりも低圧側を含む第2圧力範囲の圧力に、前記第1ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位する真空計に関する。
本発明のさらに他の態様によれば、第1,第2圧電素子の各々が本発明の他の態様に従って固定されるので、第1,第2圧力範囲の圧力を精度よく検出することができる。
(12)上述した(10)または(11)の態様では、前記第2圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第2ダイヤフラムの変位を規制するストッパー部をさらに有することができる。
同一圧力下では第1ダイヤフラムよりも高い分解能で応答して変位する第2ダイヤフラムは、過度に変位量が大きくなる場合には、ストッパー部にて第2ダイヤフラムの変位を規制できる。よって、ストッパー部により第2圧力範囲の上限を機械的に設定でき、第2ダイヤフラムを第2圧力範囲内にて的確に動作させることができる。また、第2ダイヤフラムに過度に高い圧力が作用しても、第2ダイヤフラムが破損することを防止できる。
(13)本発明のさらに他の態様は、
外圧導入管と、
前記外圧導入管により導入される外圧により変位するダイヤフラムと、
一端が前記ダイヤフラムに接続される圧電素子と、
前記圧電素子の他端及び前記ダイヤフラムの周縁が固定支持され、前記外圧導入管と連結される内部構造体と、
前記外圧導入管の自由端側の一部を外部に露出させて前記外圧導入管と連結され、前記外圧導入管の他の一部及び前記内部構造体を包囲する気密容器と、
を有し、
前記気密容器の内側は真空引きされた真空断熱部であり、
外部熱を前記内部構造体に伝達する前記外圧導入管の少なくとも一部は、2〜10W/m・Kの熱伝導率を有する材質にて形成されている真空計に関する。
外圧導入管と、
前記外圧導入管により導入される外圧により変位するダイヤフラムと、
一端が前記ダイヤフラムに接続される圧電素子と、
前記圧電素子の他端及び前記ダイヤフラムの周縁が固定支持され、前記外圧導入管と連結される内部構造体と、
前記外圧導入管の自由端側の一部を外部に露出させて前記外圧導入管と連結され、前記外圧導入管の他の一部及び前記内部構造体を包囲する気密容器と、
を有し、
前記気密容器の内側は真空引きされた真空断熱部であり、
外部熱を前記内部構造体に伝達する前記外圧導入管の少なくとも一部は、2〜10W/m・Kの熱伝導率を有する材質にて形成されている真空計に関する。
本発明の他の態様によれば、真空断熱部を区画する気密容器の内外に延びる外圧導入管を有する場合、真空断熱部より対流伝熱を抑制すると共に、少なくとも一部が2〜10W/m・Kの低熱伝導率を有する材質で形成された外圧導入管により固体熱伝達を抑制することで、圧電素子が受ける外部温度変化の影響を抑制して、正確に圧力測定することができる。こうすると、周囲温度を20秒間に25℃から30℃に昇温させた時の圧電素子付近の温度上昇速度を5×10−3(℃/sec)以下とすることができる。それにより、少なくとも0.01℃の温度精度で約2秒に1回の温度補正が可能となり、リアルタイムで温度補正に追従させることができる。
以下、本発明の好適な実施の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。
1.第1実施形態
図1は、本発明の一実施形態に係る真空計の断面図である。真空計は気密容器10を有する。気密容器10は、第1筒状体20Aと第2筒状体30とを軸方向Aで連結して構成される。第1筒状体20Aは、軸方向Aの一端に開口部21を有する。第2筒状体30は、第1筒状体20Aと連結されない側の端部が隔壁31により閉鎖される。そして、第1筒状体20Aの開口部21がダイヤフラム40により封止されることで、第1筒状体20Aと第2筒状体30との連結構造が気密容器10となる。この気密容器10内には圧電素子50が配置される。
図1は、本発明の一実施形態に係る真空計の断面図である。真空計は気密容器10を有する。気密容器10は、第1筒状体20Aと第2筒状体30とを軸方向Aで連結して構成される。第1筒状体20Aは、軸方向Aの一端に開口部21を有する。第2筒状体30は、第1筒状体20Aと連結されない側の端部が隔壁31により閉鎖される。そして、第1筒状体20Aの開口部21がダイヤフラム40により封止されることで、第1筒状体20Aと第2筒状体30との連結構造が気密容器10となる。この気密容器10内には圧電素子50が配置される。
以下、図2〜図をも参照して、真空計の構造を組み立て順に従って説明する。図2(A)(B)は第1筒状体20Aの平面図及び断面図である。第1筒状体20Aの開口部21を封止するダイヤフラム40は、例えばレーザー溶接等によって第1筒状体20Aに固定される。第1筒状体20Aは、圧電素子50の固定端部(図1に示す軸方向Aの上端部)が固定される固定部22Aを一体的に有する。
固定部22Aは、第1筒状体20Aに一体固定される基端部23より軸方向Aに沿って気密容器10の内方の自由端部24まで延びる補強部25を含むことができる。自由端部24を除く補強部25は肉厚tの筒状体であり、自由端部24はその筒状体の一端に配置される天井壁に相当する。自由端部24に、圧電素子50の固定端部を接合する接合面(第2平面)26を有する。基端部23及び自由端部24を含む補強部25は、圧電素子50が配置される中空部(補強部25の内部空間)の周囲に、θ=(360/N)°の範囲(1<N≦2)に亘って配置される。つまり、補強部25は、圧電素子50の周囲にて180°以上で360°より狭い角度範囲に亘って配置される。換言すれば、固定部22Aは、平面視で(360°−θ)の角度範囲の切り欠き部27を有し、この切り欠き部27は中空部(補強部25の内部空間)に連通している。本実施形態では、例えばθ=270°とし、切り欠き部27は平面視で(360°−θ)=90°の角度範囲に形成される。また、自由端部24には、図1の軸方向Aに沿って貫通する少なくとも一つ例えば2つの孔28A,28Bが形成される。
図3(A)(B)は、治具200に保持された第1筒状体20Aに接合部60を固定する状態を示す平面図及び断面図である。図3(B)に示すように、第1筒状体20Aの自由端部24に形成された2つの孔28A,28Bにはそれぞれ位置決め軸201が挿入されている。接合部60にも、第1筒状体20Aの自由端部24と同様に2つの孔(図示しないが、平面視にて図3(A)の2つの孔28A,28Bと重なる2つの孔で、図8(A)に示す2つの孔62a,62bと同じ)が設けられ、これら2つの孔にも図3(B)に示す状態で位置決め軸201の下端部が挿入される。こうして、接合部60は第1筒状体20Aに対して位置決めされる。図3(B)に示す状態で、接合部60はダイヤフラム40と例えば接着される。その際、接合部60に設けられた2つの孔は、ダイヤフラム40が位置する側に底部を有する非貫通の孔とすることができる。非貫通の孔に位置決め軸201を挿入すると、接合部60をダイヤフラム40に固定する際に位置決め軸201の自重を錘として利用することができる。2本の位置決め軸201の自重に加えて、2本の位置決め軸201に追加の錘を連結しても良い。接合部60は、圧電素子50の可動端部(図1に示す軸方向Aの下端部)が接合される接合面(第4平面)61を有し、上述した組み立てにより接合部60の接合面61と第1筒状体20Aの接合面26とは、同一線上で平行に配置される。
図4は、圧電素子50の取り付け工程を示している。ここで、圧電素子50は単結晶の水晶板から成り、図5に示すように一対の振動アーム51a,51bの両端に一対の基部52a,52bを有する双音叉振動子とすることができる。図4では、一方の基部52aの第1平面が可動端部として接合部60の接合面(第2平面)61と接着され、他方の基部52bの第3平面が固定端部として固定部22Aの接合面(第4平面)26と接着される。このとき、第1筒状体20Aには図2(A)に示すように90°(=360°−θ)に亘って切り欠き部27が設けられているので、圧電素子50の配置や、接着時の圧電素子50への錘の作用を、切り欠き部27を介して行うことができ、作業性が良い。
図6は、第2筒状体30と第3筒状体70とを、溶接治具202により第1筒状体20Aに溶接する状態を示している。第2筒状体30は第1筒状体20Aの上部に溶接固定され、第3筒状体70は第2筒状体30の下部であって第1筒状体20Aを包囲する位置に溶接固定される。第3筒状体70には、筒部の内外を連通させる複数の孔71が形成される。
図7は、第1筒状体20Aと第2筒状体30とにより気密容器10を形成する状態を示す図である。図7に示すように、第2筒状体30に隔壁31が例えば溶接固定される。隔壁31の一つの機能は、第1筒状体20Aと第2筒状体30とにより区画される空間を気密に封止し、かつ、圧力測定範囲の下限の圧力よりも好ましくは二桁以上低い圧力に維持することである。このため、第1筒状体20Aと第2筒状体30とにより区画される気密空間は、隔壁31を介して真空排気されると共に、気密空間内に配置されるゲッター剤により所定の真空度に設定される。隔壁31の他の一つの機能は、圧電素子50からの配線を気密状態で取り出すことである。ここで、図5に示す圧電素子50には図示しない一対の励振電極が設けられており、図7ではこの一対の励振電極に接続される配線32a,32bが隔壁31を介して気密状態で取り出される。また、図7に示すように、第1〜第3筒状体20A,30,70の周囲に、空間を隔てて第4筒状体80が配置され、その上端部が第2筒状体30と溶接される。
図2〜図7に示す工程を経て組み立てられる真空計は、図1に示すように、2本の配線32a,32bが接続される回路基板90,91と、この回路基板90,91を囲んで隔壁31に固定される第5筒状体100と、第4筒状体80に固定されるフランジ110と、を有することができる。フランジ110が、この真空計の検出対象である圧力が作用するチャンバーまたは配管に連結されることで、ダイヤフラム40に検出対象の圧力が作用される。
ここで、回路基板90,91及び配線32a,32bを介して圧電素子50の一対の励振電極間に電圧を印加することにより、図5に示す一対の振動アーム51a,51bを固有の共振周波数で励振させることができる。
そして、一対の基部52a、52bのうち一方の基部52bが気密容器10に固定部22Aを介して固定される一方で、他方の基部52aが外圧が作用するダイヤフラム40と共に変位する。それにより、圧電素子50が圧縮応力(一対の基部52a、52bが接近する方向の応力)を受けると、共振周波数が小さくなる。逆に、圧電素子50が引張応力(一対の基部52a、52bが離間する方向の応力)を受けると、共振周波数が大きくなる。そのため、このような共振周波数に基づいて、圧力を高精度に検出することができる。
本実施形態によれば、ダイヤフラム40により封止される開口部21を有する第1筒状体20Aに固定部22Aが一体的に形成される。こうすると、圧電素子50の可動端部52aはダイヤフラム40と共に変位する一方で、圧電素子50の固定端部52bは第1筒状体20Aと一体の固定部22Aに固定されて変位しない。そのため、圧電素子50はダイヤフラム40の変位に基づいてダイヤフラム40に作用する圧力を精度よく検出することができる。
加えて、第1筒状体20Aと一体の固定部22Aは、第1筒状体20Aに連結される基端部23より軸方向Aに沿って気密容器10の内方の自由端部24まで延びる補強部25を有する。この補強部25は、圧電素子50が配置される中空部の周囲に、(360/N)°の範囲(1<N≦2)に亘って形成される。つまり、固定部22Aは、圧電素子50の周囲の180°以上で360°より狭い角度範囲に亘って補強部25を有するので、補強部25が変形することを抑制できる。そのため、ダイヤフラム40に作用する正または負の圧力が大きい場合でも、圧電素子50の固定端部52bは第1筒状体20Aに対して変位しない。こうして、圧電素子50はダイヤフラム40の変位に基づいてダイヤフラム40に作用する圧力を精度よく検出することができる。
2.第2実施形態
本発明の第2実施形態は、第1筒状体と固定部とを別体としたものである。この場合、図8(A)(B)に示すように、固定部を備えない第1筒状体20Bの開口部21を封止するダイヤフラム40上に、接合部60を載置する。次に、図9(A)(B)に示すように、位置出し治具203により接合部60を第1筒状体20Bに対して位置決めした状態で、接合部60をダイヤフラム40に接着固定する。接着剤が固化したら、図10(A)(B)に示すように、位置出し治具203を取り外し、図3(B)と同様にして接合部60の2つの有底孔62a,62bに2本の位置決め軸201を挿入する。その後、図11(A)(B)に示すように、2本の位置決め軸201により固定部22Bを位置決めした状態で、固定部22Bを第1筒状体20Bに溶接する。これにより、第1実施形態の図3(B)と同じ構造が得られるので、以降は図4〜図7の工程を経ることで図1に示す真空計を組み立てることができる。
本発明の第2実施形態は、第1筒状体と固定部とを別体としたものである。この場合、図8(A)(B)に示すように、固定部を備えない第1筒状体20Bの開口部21を封止するダイヤフラム40上に、接合部60を載置する。次に、図9(A)(B)に示すように、位置出し治具203により接合部60を第1筒状体20Bに対して位置決めした状態で、接合部60をダイヤフラム40に接着固定する。接着剤が固化したら、図10(A)(B)に示すように、位置出し治具203を取り外し、図3(B)と同様にして接合部60の2つの有底孔62a,62bに2本の位置決め軸201を挿入する。その後、図11(A)(B)に示すように、2本の位置決め軸201により固定部22Bを位置決めした状態で、固定部22Bを第1筒状体20Bに溶接する。これにより、第1実施形態の図3(B)と同じ構造が得られるので、以降は図4〜図7の工程を経ることで図1に示す真空計を組み立てることができる。
この第2実施形態では、第1筒状体20Bと固定部22Bとは別体であるが、固定部22Bは、第1筒状体20Bに溶接固定される基端部23より軸方向Aに沿って気密容器10の内方の自由端部24まで延びる補強部25を有する点で、第1実施形態の第1筒状体20Aと共通する。自由端部24は、圧電素子50の固定端部を接合する接合面(第2平面)26を有する。この補強部25は、圧電素子50が配置される中空部の周囲に、(360/N)°の範囲(1<N≦2)に亘って形成される。つまり、固定部22Bは、圧電素子50の周囲の180°より広く360°より狭い角度範囲に亘って補強部25を有するので、補強部25が変形することを抑制できる。そのため、ダイヤフラム40に作用する正または負の圧力が大きい場合でも、圧電素子50の固定端部52bは第1筒状体20Bに対して変位しない。こうして、圧電素子50はダイヤフラム40の変位に基づいてダイヤフラム40に作用する圧力を精度よく検出することができる。
3.第3実施形態
第1,第2実施形態の真空計は、図1に示すように、第4筒状体80に取り付けられたフランジ110が、検出対象の圧力雰囲気を区画しているチャンバーまたは配管に固定される。そうすると、図1に示す第4筒状体80と、第1〜第3筒状体20A(20B),30,40との間の空間もまた、検査対象の圧力と同一圧力に設定される。つまり、検出対象の圧力雰囲気が真空であれば、図1に示す第4筒状体80と、第1〜第3筒状体20A(20B),30,40との間の空間もまた、真空となる。
第1,第2実施形態の真空計は、図1に示すように、第4筒状体80に取り付けられたフランジ110が、検出対象の圧力雰囲気を区画しているチャンバーまたは配管に固定される。そうすると、図1に示す第4筒状体80と、第1〜第3筒状体20A(20B),30,40との間の空間もまた、検査対象の圧力と同一圧力に設定される。つまり、検出対象の圧力雰囲気が真空であれば、図1に示す第4筒状体80と、第1〜第3筒状体20A(20B),30,40との間の空間もまた、真空となる。
図12は、図1に示す真空計を模式的に示し、かつ、図1に示す第4筒状体80と、第1〜第3筒状体20A(20B),30,70との間の空間が、真空断熱部120となることを示している。つまり、圧電素子50が配置される第1気密容器(第1〜第3筒状体20A(20B),30,70)と、第1気密容器の周囲に配置される第2気密容器(第4筒状体80)との間に真空断熱部120を設けることで、圧電素子50が受ける外部温度変化の影響を抑制して、正確に圧力測定することができる。なお、高真空の測定ほど温度の影響がある一方で、大気圧の測定では温度の影響は低い。よって、測定対象の圧力を第1,第2気密容器間の空間に導入する場合には、測定対象が真空の場合にのみ真空断熱部120によって断熱され、測定対象が大気圧側であれば断熱の必要性が乏しいので真空断熱は不要である。
ここで、真空断熱部120に代えて、第1,第2気密容器の間の空間を大気圧とし、かつ、その空間を断熱材(例えば発泡ウレタン)等で断熱することも考えられる。しかし、断熱材で大気空間を断熱しようとすると、その空間の厚さは真空断熱部120よりも10倍以上となり、真空計が大型化してしまう。
なお、本発明の第3実施形態に係る真空計では、第1,第2気密空間を真空断熱するものであれば、圧電素子50が配置される第1気密容器が上述した本発明の第1実施形態または第2実施形態の構造に限定されない。つまり、第1筒状体20と固定部22とは一体でも別対でもよく、固定部22の補強部25の構造も第1実施形態または第2実施形態の構造に限定されない。
4.第4実施形態
図13は、図12に示す真空計とは構造が同じあるが少なくともダイヤフラムが異なることで、図12に示す真空計とは圧力測定範囲が異なる真空計を示している。図12に示すダイヤフラム40Aと図13に示すダイヤフラム40Bとは、例えば厚さが等しく(例えば共に100μm厚)、直径が異なる。図13に示すダイヤフラム40Bの直径は図12に示すダイヤフラム40Aの直径の2倍である。従って、開口部21の大きさも異なる。なお、ダイヤフラム40A,40Bは直径が同じで厚さが異なるものでも良い。
図13は、図12に示す真空計とは構造が同じあるが少なくともダイヤフラムが異なることで、図12に示す真空計とは圧力測定範囲が異なる真空計を示している。図12に示すダイヤフラム40Aと図13に示すダイヤフラム40Bとは、例えば厚さが等しく(例えば共に100μm厚)、直径が異なる。図13に示すダイヤフラム40Bの直径は図12に示すダイヤフラム40Aの直径の2倍である。従って、開口部21の大きさも異なる。なお、ダイヤフラム40A,40Bは直径が同じで厚さが異なるものでも良い。
図12に示す真空計の測定範囲は例えば大気圧(1.33×105Pa)〜中真空領域(10−1Pa)であるのに対して、図13に示す真空計の測定範囲は例えば103Pa〜高真空領域(10−3Pa)である。
図14に示す真空計は、図12に示す真空計と図13に示す真空計とを一つの容器に収容して、大気圧(1.33×105Pa)〜高真空領域(10−3Pa)を測定範囲とするものである。
ここで、図14に示す真空計に本発明の第1実施形態を適用すると、次の通り定義される。つまり、図14に示す真空計は、外圧により変位する第1ダイヤフラム40Aと、外圧により変位する第2ダイヤフラム40Bと、気密容器(20A−1,20A−2,33)と、第1軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、可動端部が第1ダイヤフラム40Aと一体で変位するように固定され、気密容器内にて第1軸方向に沿って配置される第1圧電素子50−1と、第2軸方向(図14では第1軸方向と同軸だが、異軸でも良い)の両端側に可動端部と固定端部とを有し、可動端部が第2ダイヤフラム40Bと一体で変位するように固定され、気密容器(20A−1,20A−2,33)内にて第2軸方向に沿って配置される第2圧電素子50−2と、を有する。気密容器(20A−1,20A−2,33)は、第1軸方向の一端に第1開口部21−1を有する第1筒状体20A−1と、第2軸方向の一端に第2開口部21−2を有する第2筒状体20A−2と、第1筒状体20A−1及び第2筒状体20A−2と連結される第3筒状体33と、を含み、第1ダイヤフラム40Aにより第1開口部21−1が封止され、第2ダイヤフラム40Bにより第2開口部21−2が封止される。第1筒状体20A−1は、第1圧電素子50−1の定端部が固定される第1固定部22A−1を一体的に有し、第2筒状体20A−2は、第2圧電素子50Bの固定端部が固定される第2固定部22A−1を一体的に有し、第1ダイヤフラム40Aは第1圧力範囲(例えば大気圧から中真空領域)の圧力に応答して変位し、第2ダイヤフラム40Bは、第1圧力範囲よりも低圧側(高真空領域)を含む第2圧力範囲の圧力に、第1ダイヤフラム40Aよりも高い分解能にて応答して変位する。なお、図14において、第1気密容器(20A−1,20A−2,33)の最外壁20Cと第2気密容器80との間には、フランジ110と連通された検出対象の真空部により真空断熱部120を形成することができる。最外壁20Cのうち第1,第2ダイヤフラム40A,40Bと対向する位置には孔28A,28Cが形成され、検出対象の真空部の圧力が第1,第2ダイヤフラム40A,40Bに作用する。
次に、図14に示す真空計に本発明の第2実施形態を適用すると、次の通り定義される。つまり、図14に示す真空計は、外圧により変位する第1ダイヤフラム40Aと、外圧により変位する第2ダイヤフラム40Bと、気密容器(20B−1,20B−2,33)と、第1軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、可動端部が第1ダイヤフラム40Aと一体で変位するように固定され、気密容器(20B−1,20B−2,33)内にて第1軸方向に沿って配置される第1圧電素子50−1と、第2軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、可動端部が第2ダイヤフラム40Bと一体で変位するように固定され、気密容器(20B−1,20B−2,33)内にて第2軸方向に沿って配置される第2圧電素子50−2と、を有する。気密容器(20B−1,20B−2,33)は、第1軸方向の一端に第1開口部21−1を有する第1筒状体20B−1と、第2軸方向の一端に第2開口部21−2を有する第2筒状体20B−2と、第1筒状体20B−1及び第2筒状体20B−2と連結される第3筒状体33と、を含み、第1ダイヤフラム40Aにより第1開口部21−1が封止され、第2ダイヤフラム40Bにより第2開口部21−2が封止される。第1筒状体20B−1には第1固定部22B−1が固定され、第2筒状体20B−2には第2固定部22B−2が固定される。第1,第2固定部22B−1,22B−2の各々は、本発明の第2実施形態に定義される補強部25、切り欠き部27を有する。第1ダイヤフラム40Aは第1圧力範囲(例えば大気圧から中真空領域)の圧力に応答して変位し、第2ダイヤフラム40Bは、第1圧力範囲よりも低圧側(高真空領域)を含む第2圧力範囲の圧力に、第1ダイヤフラム40Aよりも高い分解能にて応答して変位する。この場合も、図14において、第1気密容器(20A−1,20A−2,33)の最外壁20Cと第2気密容器80との間には、フランジ110と連通された検出対象の真空部により真空断熱部120を形成することができる。
5.第5実施形態
本発明の第1〜第4実施形態では、ダイヤフラム40,40A,40Bが、気密容器(第1筒状体)の内方に過度に移動することを規制するストッパーをさらに有することができる。このストッパーは、容器、固定部または接合部のいずれかに設けることができる。図15〜図18は、ダイヤフラム40(40A,40B)に同じ外圧が作用しているものとする。図15に示すように、接合部60に固定されるストッパー130Aと固定部22A(22B)との間にギャップSが設けられる。図16に示すように、第1筒状体20A(20B)に固定されるストッパー130Bとダイヤフラム40(40A,40B)との間にはギャップSが設けられる。図17に示すように、固定部22A(22B)に固定されるストッパー130Cとダイヤフラム40(40A,40B)との間にはギャップSが設けられる。図18に示すように、固定部22A(22B)に固定されるストッパー130Dと接合部60との間にはギャップSが設けられる。いずれの場合も、ストッパー130A〜130Dのいずれかがダイヤフラム40(40A,40B)または接合部60の移動を規制して、真空計で測定される真空度の上限(低真空度)を設定することができる。
本発明の第1〜第4実施形態では、ダイヤフラム40,40A,40Bが、気密容器(第1筒状体)の内方に過度に移動することを規制するストッパーをさらに有することができる。このストッパーは、容器、固定部または接合部のいずれかに設けることができる。図15〜図18は、ダイヤフラム40(40A,40B)に同じ外圧が作用しているものとする。図15に示すように、接合部60に固定されるストッパー130Aと固定部22A(22B)との間にギャップSが設けられる。図16に示すように、第1筒状体20A(20B)に固定されるストッパー130Bとダイヤフラム40(40A,40B)との間にはギャップSが設けられる。図17に示すように、固定部22A(22B)に固定されるストッパー130Cとダイヤフラム40(40A,40B)との間にはギャップSが設けられる。図18に示すように、固定部22A(22B)に固定されるストッパー130Dと接合部60との間にはギャップSが設けられる。いずれの場合も、ストッパー130A〜130Dのいずれかがダイヤフラム40(40A,40B)または接合部60の移動を規制して、真空計で測定される真空度の上限(低真空度)を設定することができる。
図14に示す実施形態では、第2ダイヤフラム40Bに第2圧力範囲の上限(103Pa)よりも高い圧力が作用した時に、第2ダイヤフラム40Bの変位を規制するストッパー部を設けることができる。この場合、同一圧力下では第1ダイヤフラム40Aよりも高い分解能で応答して変位する第2ダイヤフラム40Bは、過度に変位量が大きくなる場合には、ストッパー部にて第2ダイヤフラム40の変位を規制できる。よって、ストッパー部により第2圧力範囲の上限を機械的に設定でき、第2ダイヤフラム40Bを第2圧力範囲内にて的確に動作させることができる。また、第2ダイヤフラム40Bに過度に高い圧力が作用しても、第2ダイヤフラム40Bが破損することを防止できる。
6.第6実施形態
図19は、本発明の第6実施形態に係る真空計の概略断面図である。図19に示す真空計は、気密容器300と、気密容器300内に配置される内部構造体310と、外圧導入管320と、を有する構造を含んでいる。外圧導入管320は、自由端側の一部が気密容器300の外部に露出され、内部構造体310と連結される側の他の一部が気密容器300内に配置される。外圧導入管320の自由端部にはフランジ110が固定される。フランジ110は、検出対象の圧力雰囲気を区画しているチャンバーまたは配管に固定される。内部構造体310は、ダイヤフラム40の周縁部と、ダイヤフラム40に一端が接続された圧電素子50の他端とが固定される。ダイヤフラム40は、フランジ110及び外圧導入管320を介して導入される外圧により変位する。
図19は、本発明の第6実施形態に係る真空計の概略断面図である。図19に示す真空計は、気密容器300と、気密容器300内に配置される内部構造体310と、外圧導入管320と、を有する構造を含んでいる。外圧導入管320は、自由端側の一部が気密容器300の外部に露出され、内部構造体310と連結される側の他の一部が気密容器300内に配置される。外圧導入管320の自由端部にはフランジ110が固定される。フランジ110は、検出対象の圧力雰囲気を区画しているチャンバーまたは配管に固定される。内部構造体310は、ダイヤフラム40の周縁部と、ダイヤフラム40に一端が接続された圧電素子50の他端とが固定される。ダイヤフラム40は、フランジ110及び外圧導入管320を介して導入される外圧により変位する。
気密容器300の内側は真空引きされた真空断熱部120である。本実施形態では、ダダイヤフラム40と、内部構造体310と、外圧導入管320とで囲まれた領域を外圧導入領域とし、気密容器300の内側領域のうち外圧導入領域を除いた領域が真空断熱部120となる。つまり、圧電素子50が配置される空間も、真空断熱部120に含まれている。
真空断熱部120より対流伝熱が抑制されるため、対流により圧電素子50が受ける外部温度変化の影響は十分に低減される。その一方で、本実施形態では図12〜図18の構造とは異なり、真空断熱部120を区画する気密容器300の内外に延び、気密容器300の内側で内部構造体310と連結される外圧導入管320を有する。よって、外圧導入管320は、外部熱を固体熱伝導により内部構造体に伝達してしまう。
そこで、本実施形態では、少なくとも一部が低熱伝達材質の外圧導入管320により固体熱伝達を抑制することで、圧電素子50が受ける外部温度変化の影響を低減している。本実施形態では、図19に示す外圧導入管320のうち、気密容器300内に配置される内側管320Aを低熱伝達材質、例えば金属酸化物の一例であるジルコニア(ZnO2)で形成し、それを除く外側管320Bは金属例えばステンレス(SUS)で形成している。これに代えて、外側管320Bを低熱伝達材質で形成しても良く、あるいは外圧導入管320全体を低熱伝達材質で形成しても良い。外圧導入管320の少なくとも一部に設けられる低熱伝達材質は、外部熱の伝達部分と内部構造体310との間で熱伝達を抑制するものであればよい。
図20は、外気温TAを20秒間に25℃から30℃に昇温させた時の3種類の真空計の圧電素子50付近の温度TB,TC,TDの実験データを示している。温度TDが図19に示す第6実施形態の真空計の温度であり、温度TB,TCは比較例1,2である真空計の温度を示す。比較例1は、図19の真空計のうち真空断熱部120を形成せず、かつ、外圧導入管320を金属(SUS)で形成した真空計であり、その温度がTBである。比較例2は、図19の真空計の外圧導入管320を金属(SUS)で形成した真空計(真空断熱部120はあり)であり、その温度がTBである。図20から明らかなように、真空断熱部120を有する比較例2と第6実施形態との温度TC,TDは、真空断熱部120が形成されない比較例1の温度TBよりも格段に低い温度に維持されており、真空断熱部120の効果が明らかである。
図20からは第6実施形態と比較例2との差異が明確でないので、さらに図21に別の実験データを示す。図21では、図20に示す温度TAと温度TDとに加えて、温度TC1と温度TC2が示されている。温度TC1,TC2は同じ図20に示す比較例2と同様に真空断熱部120を有するが外圧導入管320がSUSで形成された真空計の温度を示すが、外圧導入管320のサイズのみが異なっている。温度TC1が検出された比較例2−1は、図19に示す外圧導入管320の寸法は、外径d1=5mm、内径d2=4mm、L=13.5cmである。これに対して、温度TC2が検出された比較例2−2は、外径d1=3mm、内径d2=2mmと比較例2−1よりも小径とし、長さLは比較例2−1と同じとした。第6実施形態の真空計は比較例2−1と同じサイズの外圧導入管320を用いた。
図20と同じく外気温TAを20秒間に25℃から30℃に昇温させた時に、図21から分かるように、一部がジルコニウムで形成された外圧導入管320を用いた第6実施形態の温度TDは、SUS304で形成された外圧導入管320を用いた比較例2−1,2−2の温度TC1,TC2よりも低く維持されることが分かる。比較例2−1よりも外圧導入管320の断面積が小さい比較例2−2の方が温度上昇は抑制されるが、比較例2−1と同じサイズである第6実施形態は比較例2−2よりもさらに温度上昇が抑制されることが分かった。外圧導入管320の断面積を小さくしたり、長さLを長くすることで固体熱伝達量を抑制できるが、外圧導入管として一般的なサイズである外径d1=5mm、内径d2=4mm、L=13.5cmを維持した上で固体熱伝達量を抑制するために、第6実施形態のように材質変更が効果的である。
上述した結果は、SUS304の熱伝導率[16.3W/m・K]とジルコニアの熱伝導率[3W/m・K]の違いに起因している。そこで、第6実施形態に用いられる外圧導入管320の少なくとも一部の材質は、一般の金属よりも十分に低くなる2〜10W/m・K、好ましくは2〜7W/m・K、さらに好ましくは2〜5W/m・Kの熱伝導率を有する材質とすることができる。
第6実施形態の温度TDの温度上昇率を計算すると、最大で1×10−4℃/secであった。外気温を20秒間に25℃から30℃に昇温させた時の真空計(圧電素子付近)の温度上昇率が5×10−3(℃/sec)以下であれば、少なくとも0.01℃の温度精度で約2秒に1回の温度補正が可能となり、リアルタイムで温度補正に追従させることができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能であることは言うまでもない。例えば、上述した実施形態の構造は、真空以外の圧力を計測する計器にも適用できる。また、補強部が形成される範囲を示す(360/N)°の定義に用いられるNは、上述の通り1<N≦2が最も好ましいが、1<N≦4としても所定精度の圧力計側が可能となる。また、第6実施形態では内部構造体310の内部も真空断熱部120としたが、図12,13と同様にダイヤフラム40と内部構造体310とで仕切られる空間を密閉して、圧電素子50が配置される空間自体は必ずしも真空断熱部としなくても良い。
10 気密容器、20A,20A−1,20B,20B−1 第1筒状体、20A−2,20B−2 第2筒状体、21 開口部、21−1 第1開口部、21−2 第2開口部、22A,22B 固定部、22A−1,22B−1 第1固定部、22A−2,22B−2 第2固定部、23 基端部、24 自由端部、25 補強部、26 第2平面、27 切り欠き部、28A,28B 孔、30 第2筒状体、31 隔壁、32a,32b 孔、33 第3筒状体、 配線、40 ダイヤフラム、40A 第1ダイヤフラム、40B 第2ダイヤフラム、50 圧電素子、50−1 第1圧電素子、50−2 第2圧電素子、60 接合部、62a,62b 孔(底有孔)、70 第3筒状体、80 第4筒状体、90,91 回路基板、100 第5筒状体、110 フランジ、120 真空断熱部、130A〜130D ストッパー部、200 治具、201 位置決め軸、202 溶接治具、203 位置出し治具、300 密閉容器、310 内部構造体、320 外圧導入管、320A 内側管、320B 外側管
Claims (14)
- 外圧により変位するダイヤフラムと、
軸方向の一端に開口部を有する第1筒状体と、前記軸方向で前記第1筒状体と連結され、前記第1筒状体と連結されない側の端部が閉鎖された第2筒状体と、を含み、前記ダイヤフラムにより前記開口部が封止される気密容器と、
前記軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記気密容器内にて前記軸方向に沿って配置される圧電素子と、
を有し、
前記第1筒状体は、前記圧電素子の前記固定端部が固定される固定部を一体的に有することを特徴とする真空計。 - 請求項1に記載の真空計において、
前記固定部は、前記第1筒状体に一体固定される基端部より前記軸方向に沿って前記気密容器の内方の自由端部まで延びる補強部を含み、前記圧電素子の前記固定端部が前記自由端部に固定され、
前記軸方向と直交する前記固定部の横断面では、前記圧電素子が配置される中空部の周囲に、を満たすとき前記補強部が(360/N)°の範囲(1<N≦2)に亘って配置され、前記補強部は前記中空部と連通する切り欠き部を有することを特徴とする真空計。 - 外圧により変位するダイヤフラムと、
軸方向の一端に開口部を有する第1筒状体と、前記軸方向で前記第1筒状体と連結され、前記第1筒状体と連結されない側の端部が閉鎖された第2筒状体と、を含み、前記ダイヤフラムにより前記開口部が封止される気密容器と、
前記軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記気密容器内にて前記軸方向に沿って配置される圧電素子と、
前記第1筒状体に連結される基端部より前記軸方向に沿って前記気密容器の内方の自由端部まで延びる補強部を含み、前記圧電素子の前記固定端部が前記自由端部に固定される固定部と、
を有し、
前記軸方向と直交する前記固定部の横断面では、前記圧電素子が配置される中空部の周囲に、前記補強部が(360/N)°の範囲(1<N≦2)に亘って配置され、前記補強部は前記中空部と連通する切り欠き部を有することを特徴とする真空計。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の真空計において、
前記圧電素子の前記可動端部と前記ダイヤフラムとを接合する接合部をさらに有し、
前記固定部及び前記接合部の各々は、前記軸方向に延びる少なくとも一つの孔をさらに有し、前記固定部に設けられた前記少なくとも一つの孔と、前記接合部に設けられた前記少なくとも一つの孔とは、前記軸方向から見た平面視で重なることを特徴とする真空計。 - 請求項4に記載の真空計において、
前記接合部に設けられた前記少なくとも一つの孔は、前記ダイヤフラムが位置する側に底部を有する非貫通の孔であることを特徴とする真空計。 - 請求項2または3に記載の真空計において、
前記圧電素子の前記可動端部と前記ダイヤフラムとを接合する接合部をさらに有し、
前記圧電素子の前記固定端部は前記軸方向と平行な第1平面を含み、
前記固定部は、前記切り欠き部と対向する位置に、前記第1平面と接合される第2平面を含み、
前記圧電素子の前記可動端部は前記軸方向と平行な第3平面を含み、
前記接合部は、前記切り欠き部と対向する位置に、前記第3平面と接合される第4平面を含むことを特徴とする真空計。 - 外圧により変位するダイヤフラムと、
軸方向の一端に開口部を有する第1筒状体と、前記軸方向で前記第1筒状体と連結され、前記第1筒状体と連結されない側の端部が閉鎖された第2筒状体と、を含み、前記ダイヤフラムにより前記開口部が封止される第1気密容器と、
前記軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記固定端部が前記第1筒状体側に固定されて、前記第1気密容器内にて前記軸方向に沿って配置される圧電素子と、
前記第1気密容器のうち少なくとも前記圧電素子が配置される領域の周囲に配置される第2気密容器と、
前記第1気密容器と前記第2気密容器との間に形成される真空断熱部と、
を有することを特徴とする真空計。 - 外圧により変位する第1ダイヤフラムと、
前記外圧により変位する第2ダイヤフラムと、
第1軸方向の一端に第1開口部を有する第1筒状体と、第2軸方向の一端に第2開口部を有する第2筒状体と、前記第1筒状体及び前記第2筒状体と連結される第3筒状体と、を含み、前記第1ダイヤフラムにより前記第1開口部が封止され、前記第2ダイヤフラムにより前記第2開口部が封止される第1気密容器と、
前記第1軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記第1ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記第1気密容器内にて前記第1軸方向に沿って配置される第1圧電素子と、
前記第2軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記第2ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記第1気密容器内にて前記第2軸方向に沿って配置される第2圧電素子と、
前記第1気密容器のうち少なくとも前記第1,第2圧電素子が配置される領域の周囲に配置される第2気密容器と、
前記第1気密容器と前記第2気密容器との間に形成される真空断熱部と、
を有し、
前記第1ダイヤフラムは第1圧力範囲の圧力に応答して変位し、
前記第2ダイヤフラムは、前記第1圧力範囲よりも低圧側を含む第2圧力範囲の圧力に、前記第1ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位することを特徴とする真空計。 - 請求項7または8に記載の真空計において、
前記真空断熱部は、前記真空計の検出対象である真空部と連通されることを特徴とする真空計。 - 請求項1乃至9のいずれか一項において、
前記ダイヤフラムが、前記第1筒状体の内方に過度に移動することを規制するストッパーをさらに有することを特徴とする真空計。 - 外圧により変位する第1ダイヤフラムと、
前記外圧により変位する第2ダイヤフラムと、
第1軸方向の一端に第1開口部を有する第1筒状体と、第2軸方向の一端に第2開口部を有する第2筒状体と、前記第1筒状体及び前記第2筒状体と連結される第3筒状体と、
を含み、前記第1ダイヤフラムにより前記第1開口部が封止され、前記第2ダイヤフラムにより前記第2開口部が封止される気密容器と、
前記第1軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記第1ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記気密容器内にて前記第1軸方向に沿って配置される第1圧電素子と、
前記第2軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記第2ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記気密容器内にて前記第2軸方向に沿って配置される第2圧電素子と、
を有し、
前記第1筒状体は、前記第1圧電素子の前記固定端部が固定される第1固定部を一体的に有し
前記第2筒状体は、前記第2圧電素子の前記固定端部が固定される第2固定部を一体的に有し、
前記第1ダイヤフラムは第1圧力範囲の圧力に応答して変位し、
前記第2ダイヤフラムは、前記第1圧力範囲よりも低圧側を含む第2圧力範囲の圧力に、前記第1ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位することを特徴とする真空計。 - 外圧により変位する第1ダイヤフラムと、
前記外圧により変位する第2ダイヤフラムと、
第1軸方向の一端に第1開口部を有する第1筒状体と、第2軸方向の一端に第2開口部を有する第2筒状体と、前記第1筒状体及び前記第2筒状体と連結される第3筒状体と、を含み、前記第1ダイヤフラムにより前記第1開口部が封止され、前記第2ダイヤフラムにより前記第2開口部が封止される気密容器と、
前記第1軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記第1ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記気密容器内にて前記第1軸方向に沿って配置される第1圧電素子と、
前記第2軸方向の両端側に可動端部と固定端部とを有し、前記可動端部が前記第2ダイヤフラムと一体で変位するように固定され、前記気密容器内にて前記第2軸方向に沿って配置される第2圧電素子と、
前記第1筒状体に連結される第1基端部より前記第1軸方向に沿って前記気密容器の内方の第1自由端部まで延びる第1補強部を含み、前記第1圧電素子の前記固定端部が前記第1自由端部に固定される第1固定部と、
前記第2筒状体に連結される第2基端部より前記第2軸方向に沿って前記気密容器の内方の第2自由端部まで延びる第2補強部を含み、前記第2圧電素子の前記固定端部が前記第2自由端部に固定される第2固定部と、
を有し、
前記第1軸方向と直交する前記第1固定部の横断面では、前記第1圧電素子が配置される第1中空部の周囲に、前記第1補強部が(360/N)°の範囲(1<N≦2)に亘って配置され、前記第1補強部は前記第1中空部と連通する第1切り欠き部を有し、
前記第2軸方向と直交する前記第2固定部の横断面では、前記第2圧電素子が配置される第2中空部の周囲に、前記第2補強部が(360/N)°の範囲に亘って配置され、前記第2補強部は前記第2中空部と連通する第2切り欠き部を有し、
前記第1ダイヤフラムは第1圧力範囲の圧力に応答して変位し、
前記第2ダイヤフラムは、前記第1圧力範囲よりも低圧側を含む第2圧力範囲の圧力に、前記第1ダイヤフラムよりも高い分解能にて応答して変位することを特徴とする真空計。 - 請求項11または12記載の真空計において、
前記第2圧力範囲の上限よりも高い圧力が作用した時に、前記第2ダイヤフラムの変位を規制するストッパー部をさらに有することを特徴とする真空計。 - 外圧導入管と、
前記外圧導入管により導入される外圧により変位するダイヤフラムと、
一端が前記ダイヤフラムに接続される圧電素子と、
前記圧電素子の他端及び前記ダイヤフラムの周縁が固定支持され、前記外圧導入管と連結される内部構造体と、
前記外圧導入管の自由端側の一部を外部に露出させて前記外圧導入管と連結され、前記外圧導入管の他の一部及び前記内部構造体を包囲する気密容器と、
を有し、
前記気密容器の内側は真空引きされた真空断熱部であり、
外部熱を前記内部構造体に伝達する前記外圧導入管の少なくとも一部は、2〜10W/m・Kの熱伝導率を有する材質にて形成されていることを特徴とする真空計。
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