JP3069544B2

JP3069544B2 - 熱陰極電離真空計

Info

Publication number: JP3069544B2
Application number: JP9364379A
Authority: JP
Inventors: 進一郎山本
Original assignee: 有限会社山本真空研究所
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 2000-07-24
Anticipated expiration: 2017-12-19
Also published as: JPH11183296A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱陰極電離真空計
に関し、特に熱陰極電離真空計内が大気圧にあるか否か
を測定子自身で判定可能な熱陰極電離真空計用判定回路
及びその制御方法を提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧力領域に応じ多くの真空計が使
用されてきた。本発明ではいわゆる高真空領域で好適な
熱陰極電離真空計、別名でイオンゲージと呼ばれる真空
計に関する。また、この真空計は高真空での使用に際し
中真空領域で使用されているピラニ真空計との併用使用
も行われていた。

【０００３】また、実用されているものでは、三極管型
電離真空計、Ｂ−Ａ真空計、シュルツ真空計などが知ら
れている。通常使用される圧力領域はこれら種類により
異なり、例えば、Ｂ−Ａ真空計では圧力の上限が１０の
マイナス８乗パスカル(Pa)程度までの使用が可能であ
る。このため、後で述べる欠点を補うため大気圧付近で
は中真空領域で使用されているピラニ真空計を併用使用
する必要があった。

【０００４】真空測定は真空容器内の気体分子の挙動か
ら圧力測定の原理が導かれることが知られている。詳細
は省略するが気体分子密度を計ることで圧力を測定する
熱陰極電離真空計、気体の熱伝導度が圧力に依存するこ
とを用いたピラニ真空計等がある。

【０００５】熱陰極電離真空計はいわゆる分圧測定用真
空計とは異なり、全圧測定用真空計である。図４はこの
真空計の１つであるいわゆるＢ−Ａ真空計の原理を理解
するための外観図である。熱陰極電離真空計は測定子１
０と一般に呼ばれる管球のなかに各電極から形成されて
いる。フィラメント２と呼ばれるカソード、アノード
（陽極）３、イオンコレクタ４の各電極が管球内に入っ
ている。この測定子１０の一端は開口されて真空装置の
ゲージポートに装着される。電極への電気的な接続は各
々の電極端子から取り出される。

【０００６】熱電子を取り出すフィラメント２にはタン
グステンの細線が用いられている。このフィラメント２
には制御回路からフィラメント電流により加熱される。
フィラメントはいずれか一方を用いる。

【０００７】アノード３はフィラメント２より正の電位
としてイオン化に十分なエネルギーが与えられるように
すべきである。イオンコレクタ４はフィラメント２より
負の電位またはアース電位とし生成イオンを集める。動
作はフィラメントからの熱電子はアノードにより加速さ
れ、イオン化に十分なエネルギーを得た電子が気体と衝
突すると正イオンを発生する。このイオンはイオンコレ
クタに流入し、これをイオン電流として測定する。一方
電子はアノードに集められる。

【０００８】このイオン電流は広い圧力範囲で気体分子
密度と比例関係があることが知られている。また、エミ
ッション電流にも比例関係にある。したがって、圧力は
前記のエミッション電流、イオン電流との双方から予め
与えられた定数を用いることにより求めることができ
る。

【０００９】しかしながら、タングステン等を用いたフ
ィラメントは大気中で加熱されると急激に酸化し測定子
は破壊される。これを防止するためには測定子を動作す
るときに予め動作可能な真空状態まで減圧しておく必要
があった。また、真空用ポンプ、例えば油回転ポンプ、
油拡散ポンプ等では排気に従って経験的にポンプの音の
変化を聞くことで圧力のおおよその状態を判定できる。
これによりフィラメントへのエミッション電流流入開始
を判定する必要があった。この課題として、経験者の必
要、測定者の待機、場合によっては人為的ミスが発生す
ることもあり測定子を破損することが少なくなかった。

【００１０】さらに、装置を自動運転するためにはピラ
ニ真空計等の補助真空計を使用し大気圧から動作可能な
圧力領域までの判定用手段を必要としていた。また、そ
の監視と真空計始動を判定する作業を回避し得なかっ
た。

【００１１】熱陰極電離真空計のフィラメントをピラニ
真空計のフィラメントと見なして大気圧判定を試みた。
ピラニ真空計の動作を行うためフィラメント両端はブリ
ッジ回路の１辺を形成するよう接続される。ブリッジは
他の３辺との間に電源回路及び差動電圧出力回路が設け
られている。この回路はフィラメントの抵抗変化により
差動出力が生ずることから、フィラメントの抵抗変化と
圧力の関係を予め校正しておくことで圧力が測定できる
ものである。

【００１２】具体的には、フィラメントを被測定部位が
真空中にあるときにそれに低電流を流し加熱しておく。
圧力の変化に対応して熱伝導の変化、すなわち、気体分
子が運び去る熱量の変化から、フィラメントの温度が変
化する。この結果、フィラメントの電気抵抗が変化す
る。これをブリッジの１辺に置くことで差動出力により
圧力を求めるものである。

【００１３】しかしながら、このようなピラニ真空計の
原理を利用した場合には、熱陰極電離真空計のフィラメ
ントは使用により消耗し、特性が変化してしまうこと及
びフィラメントに接続する電線の抵抗が無視できないと
いった基本的な欠陥が見いだされた。このため、ピラニ
真空計方式で大気圧判定を行うためには、前記欠点の是
正とともに頻繁に校正を実施しなければならないためピ
ラニ真空計方式の実用化は困難であった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記欠点を
解消し、補助真空計等を用いることなしに、測定子自身
を用いて熱陰極電離真空計の動作判定を可能とした熱陰
極電離真空計を実現しようとするものである。特に、測
定子は従来のものがそのまま利用でき、それに使用しう
る新規なフィラメント加熱用電流制御回路装置を簡単、
低コストで提供しようとするものである。

【００１５】本発明は、熱陰極電離真空計用測定子と、
該測定子を管球内に形成させ前記管球の開口端を圧力測
定に際し被圧力測定容器のゲージポートに接続させると
ともに、前記測定子のフィラメント電流制御回路におい
て、前記フィラメント電流値を大気中で破損しない程度
に流入させ、該流入開始から時間経過後の電流変化率値
を測定し、その変化率値と大気圧判定値との間で比較す
る手段と、前記フィラメント電流制御回路から圧力測定
回路への切換手段とからなることを特徴とする熱陰極電
離真空計により提供される。

【００１６】また、本発明は、熱陰極電離真空計用測定
子と、該測定子を管球内に形成させ前記管球の開口端を
圧力測定に際し被圧力測定容器のゲージポートに接続さ
せるとともに、前記測定子のフィラメント電流制御回路
において、フィラメント電流流入回路と、前記フィラメ
ント電流制限用抵抗と、前記流入開始から時間経過後の
電流変化率値の測定手段と、その変化率値と大気圧判定
値との間で比較する手段と、前記フィラメント電流制御
回路から圧力測定回路への切換手段とからなることを特
徴とする熱陰極電離真空計により提供される。

【００１７】さらに、前記測定子のフィラメント電流制
御回路において、前記フィラメント電流流入回路と、前
記切換手段をリレー手段としたことを特徴とする前記の
熱陰極電離真空計により提供される。さらにまた、熱陰
極電離真空計用測定子と、該測定子のフィラメント電流
制御回路において、前記フィラメント電流流入回路と、
前記フィラメント電流制限用抵抗と、前記電流変化率値
を測定する手段及びその変化率値と大気圧判定値との間
で比較判定する手段をマイクロコンピュータ手段とした
ことを特徴とする前記の熱陰極電離真空計により提供さ
れる。

【００１８】より具体的には、

【請求項５】前記測定子のフィラメント電流制御回路
において、前記フィラメント電流値を大気中で破損しな
い程度に流入させ、該流入開始から時間経過後の前記電
流変化率値測定手段によるその変化率値が１ないし３
％、かつ、前記流入開始から時間経過後の前記電流変化
率を比較する時間帯を１ないし３秒程度の範囲内で、大
気圧と真空であるかの判定線Ｂと比較し、該判定線Ｂに
対し前記電流変化率の推移が上または下かにより前記大
気圧と真空であるかを判定する比較判定する手段をマイ
クロコンピュータ手段としたことを特徴とする前記記載
の熱陰極電離真空計により効果的に提供される。

【００１９】また、本発明の方法としては、熱陰極電離
真空計用測定子を管球内に形成させ前記管球の開口端を
圧力測定に際し被圧力測定容器のゲージポートに接続さ
せた前記測定子のフィラメント電流制御回路において、
前記フィラメント電流流入開始から時間経過後の前記電
流変化率値を測定し、その変化率値と大気圧判定値との
間で比較し、前記フィラメント電流制御回路から圧力測
定回路へ切り換えさせることを特徴とする熱陰極電離真
空計用測定子フィラメント電流制御方法により提供され
るものである。

【００２０】さらに、前記測定子のフィラメント電流制
御回路において、前記フィラメント電流流入開始から時
間経過後の前記電流変化率値を測定し、その変化率値と
大気圧判定値との間で比較するとともに、大気圧であれ
ば、前記フィラメント電流制御回路から圧力測定回路へ
切り換えを停止させることを特徴とする請求項６記載の
熱陰極電離真空計用測定子フィラメント電流制御方法に
より効果的に提供されるものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下具体的に発明の実施の形態に
ついて説明する。図面を参照して説明すると、図１は本
発明の熱陰極電離真空計の測定子１０内のフィラメント
電流制御回路の要部回路図である。測定子１０は管球
１、フィラメント２、アノード３、イオンコレクタ４が
主たる部材で形成され、これらの各電極は図示しない管
球端部の各端子に接続され熱陰極電離真空計として作動
する。また、被圧力測定容器５のゲージポート９に測定
子１０の開口端が圧力測定に際し接続される。

【００２２】本発明のフィラメント電流制御回路により
フィラメント２の加熱用電流は大気圧、真空状態に対応
した制御がなされる。この回路は直流電圧Ｖａからなる
直流電源６にスイッチＳ、フィラメント２、抵抗Ｒが接
続形成され、電流を供給しフィラメントを加熱する。抵
抗Ｒは大気圧下等の高真空でない状態での使用を目的と
し、フィラメント２に流入する電流制限用抵抗として用
いられ、リレーでこれを選択し圧力測定時には抵抗Ｒを
短絡する。

【００２３】図２はリレーが能動状態ａのときの理解を
助けるための回路図である。フィラメント２に直列に抵
抗Ｒが接続された状態で直流電源により電流が供給され
た状態を示す。フィラメント２に流れるフィラメント電
流は電源側の一端がアースされることで抵抗Ｒの端子電
圧Ｖｂから求められる。

【００２４】リレーがｂ側に倒れたときは圧力測定回路
が動作可能状態となる。この通常動作時には抵抗Ｒは不
要となりリレーにより短絡される。また、フィラメント
２はアースから浮いた状態で使用されている。フィラメ
ント２に流れる電流は直流電源から供給され圧力測定の
際にフィラメント加熱用に用いられる。このときのフィ
ラメント電流を加減することによりエミッションを一定
値に保つことが必要である。フィラメント電流は例え
ば、ＢＡゲージでは２．２Ａ程度となる。

【００２５】測定子の動作可否判定について説明する
と、この制御回路はまずリレーをａ側の能動状態に倒し
てスタートする。この際に加熱によりタングステンが酸
化しない程度の弱い電流を流すための電圧Ｖａ及び抵抗
値Ｒを選択すべきである。抵抗Ｒはフィラメント２、ラ
イン７、８の抵抗値及び直流電圧源におけるインピーダ
ンスよりも十分大きな抵抗値を選択すべきである。

【００２６】実施例では抵抗Ｒ＝５Ω、Ｖａ＝３．４１
Ｖ、Ｉ＝０．５８Ａとした。フィラメント２は直径０．
１８ｍｍ、長さ６０ｍｍのタングステンをコイル状に成
形したものを用いた。また、このときのフィラメント抵
抗値は常温で抵抗Ｒ＝０．２２Ω、加熱後の状態で０．
７Ωのものを使用した。ライン７、８は真空容器への距
離により異なるが１５．４Ω／ｋｍ程度の銅線を用い
た。

【００２７】リレーをａ側の能動状態で、スイッチＳを
閉じるとフィラメント２が加熱される。測定子内が真空
であれば加熱によりフィラメントの温度が上昇する。測
定子内が大気圧であれば気体の冷却効果のため温度上昇
は微少となる。この温度上昇によりフィラメント２の抵
抗値が大きくなり電流が減少する。これらの状態を示し
たのが図３である。

【００２８】図３はフィラメント電流の時間的変化の一
例を電流変化率値測定として示した図である。横軸はス
イッチＳを閉じたときを時間０としその後のフィラメン
ト電流の変化を約４秒程観察した。また、縦軸はスイッ
チ投入時の初期電流値に対する変化後の電流変化率を対
比した値で示した。このときの初期電流値は０．５８Ａ
であった。なお、この場合のフィラメント電流値は大気
中で破損しない程度に流入させるべきである。実施例で
使用したフィラメントでは１．２Ａで破損することが確
認された。したがって、１．０Ａ程度を最大に、望まし
くは０．５ないし０．８Ａ程度で使用すべきである。

【００２９】カーブＡは大気中での測定、カーブＢは圧
力が約１０のマイナス５乗パスカル(Pa)の真空中での測
定、直線Ｃは判定線を示したものである。この判定線に
対比してカーブＡは大気圧判定値Ｋである判定線より常
に上のままとなった。カーブＢは約１秒を越えると判定
線より下になり、下がってそのまま推移する。したがっ
て、この判定線の上または下のままになっているかを判
定することで被測定対象物が大気中か否かが判明する。

【００３０】また、この大気圧判定値Ｋは予め実験的に
測定しておくことが必要である。実施例では、測定子内
の圧力をピラニ真空計で測定した。この結果、大気圧判
定値Ｋとしては０．９９ないし０．９５、望ましくは
０．９８３程度に選定しておくと効果的である。実用的
には真空中で大気圧チェックをし、真空中での電流変化
率i2／i0を測定し、後述する数１から求めた大気圧判定
値Ｋをメモリに記憶することができる。

【００３１】本発明の具体的実施例では、前記電流変化
率値測定手段によるその変化率値が１ないし３％で、大
気圧と真空との比較判定値Ｋが１ないし２％、比較する
時間帯が１ないし３秒程度の範囲で比較判定した。直接
電流値を電流計等で測定してもよいが、その手段をマイ
クロコンピュータ手段としてもよい。大気圧判定値Ｋと
して実施例では、判定線が０．９８３、時間で約１．１
秒の位置で動作可否判定を行い、フィラメントの焼損が
なく、精度の良い圧力測定回路への切換が行えた。

【００３２】図５はマイクロコンピュータ手段を用いた
場合の一実施例である。ＣＰＵはいわゆるメモリ、クロ
ックジェネレータ、コントローラ、Ｉ／０コントローラ
等ＣＰＵ周辺その他入出力機能をオンチップ化したマイ
クロコンピュータ１１、ＡＤＣはアナログ・ディジタル
・コンバータ１２である。ＣＰＵによりＡＤＣを動作さ
せ図２と同様に抵抗Ｒの端子電圧Ｖｂを計測する。測定
は時間間隔０．２秒で計測を繰り返しＣＰＵに記録す
る。計測開始直後の初期電流値i0と時間経過後の電流値
i2との比i2／i0を計算し、判定値Ｋと比較し、i2／i0が
Ｋより小ならば大気圧でないと判定する。

【００３３】ピラニ方式に比べ熱陰極電離真空計フィラ
メントの特性変動については次の点から確認された。図
１の回路で、実施例では抵抗Ｒ＝５Ω、フィラメント電
流Ｉ＝０．５８Ａとした。本発明ではこの数値に限定さ
れない。電流を大きくするとフィラメントの温度上昇が
大きくなるので、図３における真空中における曲線Ｃが
さらに下方にずれる。この結果、大気圧の判定が容易と
なる。フィラメント電流の上限を決定する要因はフィラ
メントの酸化である。フィラメントの表面が酸化により
変色し始めることで上限が決定される。

【００３４】また、抵抗Ｒを小にすると曲線Ｃは下方に
ずれる。しかしながら、測定機器等の環境、測定条件か
ら使用する真空計はいろいろな測定子及び異なった長さ
のケーブルに対応しなければならない。このため抵抗Ｒ
が小さいことにより図３の曲線Ｃは測定子及びケーブル
の組合せにより大きくずれることが生じてしまう。本発
明の目的からはこれは望ましくない。したがって、抵抗
値はフィラメントとケーブルの抵抗値の合計値より充分
大きくとることが望ましい。また、逆に抵抗値が大きく
なると図３の曲線Ｃは大気中の曲線Ａに近づき判定が難
しくなる。

【００３５】このため、曲線Ｃが安定したところのi2／
i0をＬとして、これに数１の式から求めた値Ｋとして判
定線Ｂを選択することにした。具体的には判定線Ｂは約
５０Ｐａに相当する。したがって、電流変化率値がこの
判定線Ｂより下になると圧力が５０Ｐａ以下であること
を意味する。

【数１】このように、フィラメント自体の特性変動の許容値を大
きくとれることが確認された。

【００３６】なお、このカーブの安定する時間はフィラ
メントの熱容量により左右される。また、時間差による
電流変化率の差異はわずかである。また、図５のマイク
ロコンピュータ手段を用いて容易に判定可能であった。
さらに、判定回路以外のリレー手段を含め制御回路全体
として公知のマイクロコンピュータを用いることもまた
当業者であれば容易に理解されるべきであろう。

【００３７】制御回路にリレー手段を用いて説明したが
必ずしもこれを必須としていない。また、半導体、集積
回路による手段も使用可能である。コスト面、安全面等
から必要に応じて選択すべきである。同様にアナログ回
路で説明したが必ずしもこれに限定されないディジタル
回路手段の適用も可能である。

【００３８】さらに、熱陰極電離真空計に適用される制
御回路面で説明してきたが、単に熱陰極電離真空計用の
一部品に止まらない。完成品としてのこれら制御回路を
使用した熱陰極電離真空計としても提供される。個々に
熱陰極電離真空計に適用した場合は当然であり、さら
に、多数個について一括で判定手段を可能とした前記熱
陰極電離真空計としても提供可能である。

【００３９】

【発明の効果】以上述べた本発明の効果はこれに限定さ
れない。さらに、多数の熱陰極電離真空計への拡張した
適用が可能であり。回路構成も洗練された熱陰極電離真
空計制御システムとして提供できる。

【００４０】ピラニ方式に比べ熱陰極電離真空計フィラ
メントの特性変動があっても十分本発明の回路は対応可
能であった。これは、いわゆる時間差測定による大気圧
との差異を測定するためで、この点でも本発明による動
作可否判定方式は効果的といえる。

【００４１】さらに、高真空における測定値を記憶さ
せ、それと比較し動作可否判定を行うことができる効果
が期待できる。このように、フィラメント自体の特性変
動の許容値を大きくとれる。この結果低コスト、構造が
簡単、取付容易、フィラメント電流制御回路自体も簡単
となり容易に熱陰極電離真空計の動作可否の判定が可能
となった。さらには、高真空における測定値をメモリす
ることで簡易に比較演算すること等動作可否判定の精度
向上が期待できる。

【００４２】このほか、一般の熱陰極電離真空計におけ
るいくつかの欠点の解消にもこの制御回路利用による動
作可否判定の実施は効果的である。すなわち、これまで
述べてきた、誤った操作によるフィラメントの焼損回避
である。

【００４３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のフィラメント電流制御回路の要部回路
図。

【図２】リレーが能動状態ａのときの理解を助けるため
の回路図。

【図３】フィラメント電流の時間的変化の一例を示した
図。

【図４】従来の熱陰極電離真空計の測定子の概要を示し
た要部概要図

【図５】本発明の他の実施例であるマイクロコンピュー
タを用いたフィラメント電流制御回路の要部回路図。

【符号の説明】

１管球２フィラメント３アノード４イオンコレクタ５被圧力測定容器６直流電源９ゲージポート１０測定子１１ＣＰＵ１２ＡＤＣＡ大気中電流変化Ｂ真空中電流変化Ｃ判定線

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】熱陰極電離真空計用測定子と、該測定子
を管球内に形成させ前記管球の開口端を圧力測定に際し
被圧力測定容器のゲージポートに接続させるとともに、
前記測定子のフィラメント電流制御回路において、前記
フィラメント電流値を大気中で破損しない程度に流入さ
せ、該流入開始から時間経過後の電流変化率値を測定
し、その変化率値と大気圧判定値との間で比較する手段
と、前記フィラメント電流制御回路から圧力測定回路へ
の切換手段とからなることを特徴とする熱陰極電離真空
計。
【請求項２】熱陰極電離真空計用測定子と、該測定子
を管球内に形成させ前記管球の開口端を圧力測定に際し
被圧力測定容器のゲージポートに接続させるとともに、
前記測定子のフィラメント電流制御回路において、フィ
ラメント電流流入回路と、前記フィラメント電流制限用
抵抗と、前記流入開始から時間経過後の電流変化率値の
測定手段と、その変化率値と大気圧判定値との間で比較
する手段と、前記フィラメント電流制御回路から圧力測
定回路への切換手段とからなることを特徴とする熱陰極
電離真空計。
【請求項３】前記測定子のフィラメント電流制御回路
において、前記フィラメント電流流入回路と、前記切換
手段をリレー手段としたことを特徴とする請求項１また
は２記載の熱陰極電離真空計。
【請求項４】熱陰極電離真空計用測定子と、該測定子
のフィラメント電流制御回路において、前記フィラメン
ト電流流入回路と、前記フィラメント電流制限用抵抗
と、前記電流変化率値を測定する手段及びその変化率値
と大気圧判定値との間で比較判定する手段をマイクロコ
ンピュータ手段としたことを特徴とする請求項１及び３
のいずれか記載の熱陰極電離真空計。
【請求項５】前記測定子のフィラメント電流制御回路
において、前記フィラメント電流値を大気中で破損しな
い程度に流入させ、該流入開始から時間経過後の前記電
流変化率値測定手段によるその変化率値が１ないし３
％、かつ、前記流入開始から時間経過後の前記電流変化
率を比較する時間帯を１ないし３秒程度の範囲内で、大
気圧と真空であるかの判定線Ｂと比較し、該判定線Ｂに
対し前記電流変化率の推移が上または下かにより前記大
気圧と真空であるかを判定する比較判定する手段をマイ
クロコンピュータ手段としたことを特徴とする請求項４
記載の熱陰極電離真空計。
【請求項６】熱陰極電離真空計用測定子を管球内に形
成させ前記管球の開口端を圧力測定に際し被圧力測定容
器のゲージポートに接続させた前記測定子のフィラメン
ト電流制御回路において、前記フィラメント電流流入開
始から時間経過後の前記電流変化率値を測定し、その変
化率値と大気圧判定値との間で比較し、前記フィラメン
ト電流制御回路から圧力測定回路へ切り換えさせること
を特徴とする熱陰極電離真空計用測定子フィラメント電
流制御方法。
【請求項７】前記測定子のフィラメント電流制御回路
において、前記フィラメント電流流入開始から時間経過
後の前記電流変化率値を測定し、その変化率値と大気圧
判定値との間で比較するとともに、大気圧であれば、前
記フィラメント電流制御回路から圧力測定回路へ切り換
えを停止させることを特徴とする請求項６記載の熱陰極
電離真空計用測定子フィラメント電流制御方法。