JP4082907B2

JP4082907B2 - 振動形圧力センサ

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Publication number: JP4082907B2
Application number: JP2002011528A
Authority: JP
Inventors: 正喜江刺; 薫平田
Original assignee: Fujikin Inc
Current assignee: Fujikin Inc
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2022-01-21
Also published as: US6938489B2; DE60323728D1; EP1471340A4; US20040231424A1; WO2003062778A1; EP1471340B1; JP2003214966A; EP1471340A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主として半導体製造設備や化学プラント等で使用される振動形圧力センサに関し、更に詳細には、腐食性流体に対しても使用でき、電気的なノイズが発生しない耐熱性を有した高感度・高精度の振動形圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造設備や化学プラントなどでは、原料となる複数のガスを所定の流量で供給し、原料ガスを反応炉の中で化学反応させて高純度の目的ガスを生成する場合が多い。このような場合に、原料ガスの圧力を検出調整してガス流量を目的値に自動制御することが通常に行なわれている。従って、ガス流量を高精度に制御するにはガス圧力を高感度に検出できることが前提となる。
【０００３】
このガス圧力を測定するために圧力トランスデューサが用いられるが、この中でも高精度測定を行なうために、振動形圧力センサが使用されることがある。従来、この種振動形圧力センサとしては、特公平４−６８５７４号に開示されるシリコン半導体製の振動形圧力センサが知られている。
【０００４】
このシリコン半導体製の振動形圧力センサは、ガス圧力を感受するダイアフラムにシリコン基板を使用し、このシリコン基板に半導体プレーナ技術を使用してＨ形の振動子を埋め込み形成し、この振動子を半導体からなるカプセルより包囲して、カプセル内を真空に形成したものである。この振動形圧力センサは、半導体技術により極めて小型に成形できるため、微小領域の圧力測定用としてマイクロ圧力センサとも呼ばれている。
【０００５】
この圧力測定の原理は、振動子を所定の振動数で強制振動させながらダイアフラムが圧力を受けると、ダイアフラムに組み込まれた振動子が変形して、その共振周波数が変化することである。共振周波数の変化量と圧力が特定の関係を有するため、共振周波数の変化量を測定して圧力を導出することができる。
【０００６】
前記したＨ形の振動子を強制振動させるために、磁界中に交流電流を流したときに電流に交流電磁力が生起する方式が利用されている。即ち、シリコン基板及びそのカプセル内に通電用の導線をプレーナ技術により形成する。外部に配置された永久磁石の磁界を振動子に加えながら、前記導線に交流電流を通電すると、交流電磁力の作用で振動子が強制振動する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この振動形圧力センサは重大な弱点を有している。一般に、シリコンは腐食性ガスにより腐食される性質を有するため、シリコン基板から形成されるダイアフラムを直接腐食性ガスに曝すことはできない。このダイアフラムをガスに対し直接使用できるのは非腐食性ガスに限定される。
【０００８】
従って、腐食性ガスの圧力測定に使用するには少し工夫が必要となる。つまり、この振動形圧力センサをシリコンオイルが充填されたケース内に配置し、このケースの開口部に腐食性ガスと接触するステンレススチール製のダイアフラムを密閉状に配置した構造を採用する。ステンレスは耐食性を有するから、このダイアフラムが腐食性ガスの圧力を受けて変形し、この圧力がシリコンオイルに伝達して、シリコンオイルの液圧を振動形圧力センサでが検出する。換言すれば、ガス圧力をオイル圧力として間接的に検出する方式である。
【０００９】
このように、間接的にガス圧力を検出する方式では、ガス圧力がオイル圧力に変換される際に圧力の散逸が生じ、センサの感度や精度が大幅に減衰する。また、シリコンオイルを使用しているため高熱のガスを検出すると発火などの危険があり、耐熱性においても制限を受けることが多い。
【００１０】
また、振動子はシリコン基板の中に埋設状に配置されているから、振動外力に対して振動子の感度が少し鈍いという欠点もある。振動子はシリコン基板に密着するのではなく、できるだけ結合部位が小さい方が感度が高いはずである。
【００１１】
更に、この振動形圧力センサの振動子は電磁力で強制振動されるため、電気的なノイズが生じやすい。つまり、導線がシリコン基板から振動子の間を走っているから外部誘導を拾いやすく、強制振動を生起させる周波数に誤差を誘導するだけでなく、ガス圧力による共振周波数の変化の検出にも電気ノイズの混入は避けがたく、誤差を誘引する原因となっている。
【００１２】
従って、本発明は、圧力センサが有するダイアフラムにより腐食性ガスを直接受圧する構造にすることにより測定精度を向上でき、シリコンオイルを使用しない構造にして耐熱性を発現でき、しかも振動子に対する電気回路を除去することにより電気的ノイズが混入することのない高感度・高精度の振動形圧力センサを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内部を受圧用空間部６とするステンレス鋼製の環状枠体２と、環状枠体２の上方開口を閉鎖するようこれと一体に形成されて裏面側から流体圧力を受ける受圧用ダイヤフラム４と、受圧用ダイヤフラム４の表面側に間隔を置いて突設された左右一対の脚部１４、１４とこの脚部１４、１４の間に架橋された金属製の振動板１６とから成るブリッジ構造を有する振動子１２と、振動子１２の周囲を取り囲むように前記環状枠体２の上面側に気密状に固定した環状壁体８と、環状壁体８の上方開口部を密閉して前記振動子１２の存在する内部空間を真空室１０とする光透過用の透光部２０と、前記真空室１０の外方に位置して設けられ、受圧用ダイヤフラムの振動子１２を共振させるピエゾアクチェータ５５と、前記透光部２０を介して真空室１０に光ビームを入射させ、ピエゾアクチェータ５５の振動外力により共振する振動子１２によって反射された光ビームを透光部２０から外側に射出させ、この反射ビームを検出して振動子の共振周波数を検出する測定用光学手段２２とから構成され、前記測定用光学手段２２により検出した共振周波数から受圧用ダイアフラム４が感受する流体圧力Ｐを検出することを発明の基本構成とするものである。
【００１４】
請求項２の発明は、内部を受圧用空間部６とするステンレス鋼製の環状枠体２と、環状枠体２と一体に形成されて裏面側から流体圧力を受ける受圧用ダイヤフラム４と、受圧用ダイヤフラム４の表面側に間隔を置いて突設された左右一対の脚部１４、１４とこの脚部１４、１４の間に架橋された金属製の振動板１６とから成るブリッジ構造を有する振動子１２と、振動子１２の周囲を取り囲むように前記環状枠体２の上面側に気密状に固定した環状壁体８と、環状壁体８の上方開口部を密閉して前記振動子１２の存在する内部空間を真空室１０とする光透過用の透光部２０と、前記透光部２０の外側に配置され、受圧用ダイヤフラム４を静電力により強制振動させて振動子１２を共振させる電極部７６と、前記透光部２０を介して真空室１０に光ビームを入射させ、ピエゾアクチェータ５５の振動外力により共振する振動子１２によって反射された光ビームを透光部２０から外側に射出させ、この反射ビームを検出して振動子の共振周波数を検出する測定用光学手段２２とから構成され、前記測定用光学手段２２により検出した共振周波数から受圧用ダイアフラム４が感受する流体圧力Ｐを検出することを発明の基本構成とするものである。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、測定用光学手段２２は、光ビームを入射させる入射用光ファイバ２８と、入射ビームを振動子１２の表面に集中させる入射用レンズ２４と、振動子１２による反射ビームを集束させる反射用レンズ２６と、反射ビームを誘導する反射用光ファイバ３０とから構成するようにしたものである。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、測定用光学手段２２は、振動子１２による反射ビームを受光するレーザドップラ振動計７４から構成するようにしたものである。
【００１７】
請求項５の発明は、測定用光学手段２２は、反射ビームを受光する二分割受光素子８４から構成され、反射ビームの変動を二分割受光素子８４の差動出力により検出して振動子１２の共振周波数を導出するようにしたものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る振動形圧力センサの実施形態を添付する図面に従って詳細に説明する。
【００２２】
図１は本発明に係る振動形圧力センサの実施形態の縦断面図である。この振動形圧力センサ１は、ガス等の流体が流入する受圧用空間部６を有した環状の枠体２と、枠体２の上面に流体圧力を直接受けるように形成された受圧用ダイアフラム４と、更にその上面に配置された環状の壁体８と、壁体８の上方開口部を密閉する透光部２０から構成されている。
【００２３】
枠体２と受圧用ダイアフラム４は腐食性流体と接触する場合を考慮して高耐食性ステンレススチールで構成され、例えばＳＵＳ３１６Ｌのステンレスが好適である。受圧用ダイアフラム４と壁体８と透光部２０で画成された空間は真空に設定されて真空室１０となっている。
【００２４】
真空室１０の中において、受圧用ダイアフラム４の表面には振動子１２が配置されている。この振動子１２は、受圧用ダイアフラム４に突設された左右一対の脚部１４・１４と、その上に架橋された振動板１６から構成されている。
【００２５】
脚部１４・１４は雑音である空間誘導を遮断するためにＳｉＯ₂などの絶縁体で形成されることが好ましく、振動板１６は真空室外から印加される振動外力に良く追従して共振しやすい金属で形成されている。しかも、振動板１６は両端を脚部１４・１４で支持されるだけであるから、振動板１６は共振性が高く、高感度である。
【００２６】
この実施形態では、壁体８はＦｅ−４２％Ｎｉ合金で形成されているが、材質は特に問わない。透光部２０は光ビームを外側から入射させるため透光性材料で形成されており、例えば高耐熱性のパイレックスガラスが利用できる。また、真空室１０にはゲッター１８が配置されており、その吸着性により真空室を高真空に保持している。ゲッター１８としては非蒸発型ゲッターＮＥＧ（Non Evaporable Getter）が好ましく、具体的にはＦｅ−Ｖ−Ｚｒ系材料などが利用できる。
【００２７】
透光部２０の上方には測定用光学手段２２が配置されている。この測定用光学手段２２の構成には種々の方式が有り、この実施形態では、レーザビームを自在に誘導する入射用光ファイバ２８と、レーザビームを集光して振動板１６の表面で焦点を結ぶようにする入射光用レンズ２４と、共振する振動板１６から反射された反射ビームを集光する反射光用レンズ２６と、集光された反射ビームを自在に誘導する反射用光ファイバ３０から構成されている。反射用光ファイバ３０により誘導された反射ビームは分析器（図示せず）に接続され、共振周波数の測定を通して受圧用ダイアフラム４への流体圧力が検出される。
【００２８】
図２は受圧用ダイアフラムと振動子の取付構造を示す斜視図である。受圧用ダイアフラム４の形状は円板で、その中央上面に脚部１４・１４により両端を支持された振動板１６が配置されている。従って、脚部１４・１４と振動板１６からなる振動子は架橋構造のブリッジ体を形成する。
【００２９】
このブリッジ体を構成する振動子１６の共振周波数ｆ_nは理論的に次式で表される。
ｆ_n＝[ｂ/(２π)](Ｅ/ρ)^1/2(ｈ/Ｌ²)[１＋γ(Ｌ/ｈ)²(ε₀＋ε_P)]^1/2
ここで、ｂ・γは各共振モードにおける固有値、Ｅ・ρ・ｈ・Ｌはブリッジ体のヤング率・密度・厚さ・長さであり、ε₀・ε_Pはブリッジ体の初期歪及び印加歪である。
【００３０】
受圧用ダイアフラム４に適当な流体圧力Ｐが印加されると、ブリッジ体の印加歪ε_Pは理論的に次式で与えられる。
ε_P＝３Ｐ(１−ν²)[１−[Ｌ/(２ｒ)]²]×ｒ²/(８ＥＨ²)
ここで、ν・Ｅは受圧用ダイアフラム４のポアソン比・ヤング率であり、ｒ・Ｈは受圧用ダイアフラム４の半径・厚さである。
【００３１】
このように、図２で示されるブリッジ体の振動子１２の共振周波数ｆ_nは流体圧力Ｐから理論的に演算できる。即ち、流体圧力Ｐから印加歪ε_Pを計算し、この印加歪ε_Pを用いて共振周波数ｆを計算する。但し、初期歪ε０は実測によって得られる。しかし、この共振周波数ｆ_nは理論値であり、実際に出現する共振周波数の概算値を与えるに過ぎない。この実施形態では、反射ビームの方向振動や強度振動や周波数振動などをフーリエ変換して直接共振周波数ｆ_nを実測する方式を採用する。
【００３２】
図３は振動板の共振状態を示す説明図である。前述したように、受圧用ダイアフラム４の表面には、脚部１４、１４を介して振動板１６が架橋されたブリッジ構造の振動子１２が配置されている。（Ａ）に示されるように、この振動子１２に対して振動外力を加えると、振動板１６は矢印ｃ方向に共振周波数ｆ₀で共振する。
【００３３】
次に、（Ｂ）に示されるように、受圧用ダイアフラム４の裏面に流体圧力Ｐが直接加わると、ダイアフラム４は上方に撓み、振動板１６は左右方向に引張力Ｆを受けて変形する。振動板１６の変形はその共振周波数をｆ₀からｆ₀＋Δｆへとシフトさせる。このｆ₀＋Δｆが測定すべき共振周波数ｆ_nである。
【００３４】
図４は振動板の共振周波数が流体圧力により変化する状態の説明図である。横軸は周波数で縦軸は共振強度を示している。流体圧力Ｐがゼロのとき、共振周波数はｆ₀であり、流体圧力Ｐ（＞０）が印加されると共振周波数がｆ₀＋Δｆ＝ｆ_nへと増大方向にシフトすることが示されている。この共振周波数ｆ_nから流体圧力Ｐを一意的に導出する事ができる。共振ピークはシャープなほど共振性能が高いことを意味する。本発明の振動子はブリッジ構造を採用しているから振動板１６の外力応答性が極めて高く、共振ピークのシャープ性が極めて先鋭であると言える。
【００３５】
図５は本発明のブリッジ構造の振動子の製造工程図である。（Ａ）では、ＳＵＳ３１６Ｌステンレス製の円形の受圧用ダイアフラム４が配置される。（Ｂ）では、受圧用ダイアフラム４の表面と裏面に、ＴＥＯＳ−ＰＬＡＳＭＡ−ＣＶＤ法（Tetra-Ethoxy-Silan Plasma Chemical Vapor Deposition）により、５μｍ厚のＳｉＯ２膜３２と裏面側ＳｉＯ₂膜３２ａが形成される。
【００３６】
（Ｃ）では、ＴＥＯＳ−ＰＬＡＳＭＡ−ＣＶＤ法により受圧用ダイアフラム４の裏面側に廻り込んで成膜された裏面側ＳｉＯ₂膜３２ａが、ＣＦ₄プラズマにより全面エッチングされて除去される。
【００３７】
（Ｄ）では、ＳｉＯ₂膜３２の表面に、電子ビーム蒸着によりＡｕ／Ｃｒ膜３４が３０ｎｍ／１０ｎｍだけ積層形成される。（Ｅ）では、このＡｕ／Ｃｒ膜３４の表面にポジレジストであるＰＭＥＲＰ−ＡＲ９００（高精度厚膜メッキ用ポジタイプフォトレジスト東京応化工業株式会社製）のフォトレジスト膜３６が塗着形成される。
【００３８】
（Ｆ）では、フォトマスクを介してフォトレジスト膜３６の所要部に紫外線を照射し、現像処理により照射領域のフォトレジストを除去してフォトレジスト膜３６に除去領域３８を形成する。
【００３９】
（Ｇ）では、この除去領域３８にＮｉを電界メッキしてＮｉ膜４０を形成する。使用したＮｉ電解メッキ液は硫酸ニッケル９６ｇ、塩化ニッケル１８ｇ、ホウ酸１２ｇをＤＩ水（Deionized Water）４００ｍＬに溶解して形成されている。電解メッキの条件は浴温度６０℃、電流値５ｍＡ、デューティサイクル１０ｍｓｅｃである。Ｎｉ膜４０はＩ字状に形成される。
【００４０】
（Ｈ）では、ポジレジスト剥離液によりフォトレジスト膜３６を全面的に剥離し、同時にフォトレジスト膜３６の下面にあるＡｕ／Ｃｒ膜３４も専用のウェットエッチング液により除去する。
【００４１】
（Ｉ）では、フッ酸（Buffered ＨＦ）によりＳｉＯ₂膜３４をエッチングする。このとき、Ｎｉ膜４０の下側にあるＳｉＯ₂膜３２もフッ酸の廻り込みによりエッチングされ、ＳｉＯ₂膜３４の一部が脚部１４・１４として残留する。
【００４２】
最後に、ＤＩ水により洗浄される。製作されたＮｉブリッジ構造の振動子と下部のステンレス製ダイアフラム４のスティッキングを防止するため、ＤＩ水からメタノール→ジエチルエーテル→フロリナートに置換されながら洗浄される。最終的に、１４５℃のベーク炉でフロリナートと共に乾燥される。
【００４３】
図６は本発明に係る振動式圧力センサの組立工程図である。（Ａ）では、削り出しにより製作されたＦｅ−４２％Ｎｉの環状の壁体８をステンレス製の枠体２の上に載置し、レーザ溶接により接合される。
【００４４】
次に（Ｂ）では、パイレックスガラス製の円板状の透光部２０を壁体８の上に載置して開口部８ａを直流電源Ｅを用いて陽極接合により密閉する。この密閉作業は真空中で行なわれ、封止内部には非蒸発型ゲッター（ＮＥＧ）であるゲッター１８を設置する。真空中で密閉されるから、真空室１０が簡単に形成される。
【００４５】
（Ｃ）では、透光部２０の外側上方に測定用光学手段２２が配置される。この光学手段２２は、入射用光ファイバ２８、入射用レンズ２４、反射用レンズ２６及び反射用光ファイバ３０から構成されている。
【００４６】
図７はピエゾアクチュエータ駆動によるブリッジ型振動子の性能測定図である。チャンバ５０の中は真空室６６であり、前述した真空室１０に対応している。この真空室６６は排気パイプ６８を介してドライポンプ（図示せず）により矢印ｅ方向に排気されて適度の真空に設定される。この真空室６６の圧力は基礎圧力（Base Pressure）Ｐ_bと称する。
【００４７】
真空室６６の中には模擬圧力センサ５２が配置されている。この模擬圧力センサ５２は、容器５４の上面を受圧用ダイアフラム４で密閉し、ダイアフラム４の上に振動板１６の両端を脚部１４・１４で支持したブリッジ型振動子１２を配置して構成されている。
【００４８】
容器５４の内部空間は圧力室５６になり、注入パイプ５８及び挿入パイプ６０を介してＮ₂ガスを矢印ｄ方向に供給し、Ｎ₂ガスにより所要の圧力に調節される。従って、この圧力室５６は前述した流体を流入させる受圧用空間部６に相当する。この圧力室５６の圧力は印加圧力（Applied Pressure）Ｐと称する。
【００４９】
容器５４の外周面には、強制振動手段５７の一つとしてピエゾアクチュエータ５５が固定され、ネットワークアナライザ７０からパワーアンプ７２を介して電圧駆動される。その結果、ピエゾアクチュエータ５７は振動し、この振動外力により振動板１６は共振状態に入る。
【００５０】
チャンバ５０の上面はＯリング６２を介してガラス窓６４により密閉されている。このガラス窓６４は透光部２０に相当している。ガラス窓６４の上方にはレーザドップラ振動計７４が配置され、ネットワークアナライザ７０によって制御される。このレーザドップラ振動計７４は測定用光学手段２２として配置されている。
【００５１】
レーザドップラ振動計７４から特定周波数のレーザビームを矢印ａ方向に入射させると、レーザビームはガラス窓６４を透過して振動板１６の表面により反射される。矢印ｂ方向の反射ビームは再びガラス窓６４を透過してレーザドップラ振動計７４に入射する。
【００５２】
振動板１６は上下に振動しており、この振動により光ドップラー効果により反射ビームの周波数が変化し、この周波数変動から振動板の共振周波数が測定される。この共振周波数の導出はレーザドップラ振動計７４の内部回路で行なってもよいが、ネットワークアナライザ７０で分析してもよい。
【００５３】
図８は印加圧力Ｐに対する振動板の共振周波数ｆ_nの関係図である。印加圧力ＰはＮ₂ガスの供給量によって自在に制御され、５０〜１００（ｋＰａ）の間で変化された。そのとき、共振周波数ｆ_nは１７１〜１８０．５（ｋＨｚ）まで直線的に変化することが分った。
【００５４】
共振周波数ｆ_nと印加圧力Ｐとが極めて高い直線性を示すことから、共振周波数ｆ_nから印加圧力Ｐの導出が極めて簡単になり、特別な電子回路構成が不要であるという利点がある。
【００５５】
つまり、本発明では、振動子を外界から全く分離して構成しており、外界のノイズが振動子に影響しない構成を採用している。しかも、振動子と非接触状態で振動子を共振させ、同時に振動子と非接触状態で光学的に検出を行なっているから、全てのプロセスにおいて振動子が外乱を受ける事は全くないのである。この外乱遮断構成が本発明に係る振動形圧力センサの高性能性を保証しているのである。
【００５６】
前述した理論式を用いて、共振周波数ｆｎと印加歪εＰの関係を図８に破線で示す。この破線の直線性も極めて高いが、その勾配は実験直線と多少異なっていることが分る。実験条件が理論条件と多少ずれるために勾配のずれが生じることは理解できるが、実験的直線性の高さはこの振動形圧力センサの構造的単純性と高ノイズ遮断性の結果であると考えられる。
【００５７】
図９は真空室内の基礎圧力Ｐ_bとＱ値の関係図である。真空室６６の真空度はゼロである事が好ましいが、実験的には不純物ガスが混入することは避けられない。そこで、その真空度を基礎圧力Ｐ_bで表現している。
【００５８】
基礎圧力Ｐｂが小さくなるに従ってＱ値は大きくなっており、Ｑ値が大きいほど共振性能が高いことを示すから、基礎圧力Ｐ_bが高いほど振動子の共振性能がよくなる事が分る。
【００５９】
この理由はスクイズドフィルム効果で説明できる。スクイズドフィルム効果とは、狭い空間にある流体が押し出される際に大きな粘性抵抗が生じる事である。つまり、基礎圧力Ｐ_bを低下させると、分子の平均自由行程が大きくなり、粘性係数が小さくなって、ブリッジ構造の振動板１６の振幅が減衰し難くなると考えられ、このことによりＱ値が上昇するのである。
【００６０】
従って、本発明の振動形圧力センサでは振動子を真空室内に配置しているから、共振性能が極めて高く保持されることになる。そして、この真空室の真空度を出来るだけ高真空値に設定する事が重要になる。図８及び図９が本発明の振動形圧力センサの高共振特性を実証している。
【００６１】
図１０は静電駆動による振動形圧力センサの性能測定図である。この方式では、強制振動手段５７として交流静電誘導を利用する。ステンレス製の受圧用ダイアフラム４をアースに接続し、このアースとガラス窓６４の表面に配置された電極部７６の間に交流電圧を印加する。電極部７６としては例えば銅箔テープが利用できる。
【００６２】
交流電圧はネットワークアナライザ７０からパワーアンプ７８を介して電極部７６に印加される。図１１は静電駆動に用いられる交流電圧の一例の波形図である。交流電圧の印加によって、電極部７６に静電誘導される誘導電荷が正負に変化し、電極部７６と受圧用ダイアフラム４の間に静電引力と機械的復元力が交互に作用する。この現象を本発明では交流静電誘導と称している。その結果、振動板１６が間接的に強制振動され、共振状態になる。
【００６３】
脚部１４・１４は絶縁性のＳｉＯ₂によって形成されるから、振動板１６がＮｉ金属から形成されていても、振動板１６に電荷が静電誘導される事はない。しかし、脚部１４・１４をＮｉなどの導体から形成した場合には、振動板１６自体に静電誘導が生じ、電極部７６との間に交流静電誘導が生じて強制振動される事になる。
【００６４】
このように、振動板１６を強制振動させるためには、脚部１４・１４を導体および絶縁体のどちらで形成しても構わない。但し、ＳｉＯ₂などの絶縁体で形成した場合には、振動板１６が外部空間に存在する電磁波の誘導を受けないから、ノイズ信号が振動板１６に混入することはない。この点において、脚部１４・１４が絶縁性であるほうが導電性であるよりも好ましい。
【００６５】
図１０の装置の構成は、強制振動手段５７が静電駆動である点を除いて図７と同一であるから、同一部分の説明はここでは省略する。
【００６６】
図１２は静電駆動による振動板の周波数特性の一例図である。反射ビームをレーザドップラ振動計７４に入力し、その信号を高速フーリエ変換してパワースペクトルに変換する。図に示す曲線はこのパワースペクトルに相当する。このパワースペクトルのピーク周波数は１７２．７ｋＨｚであり、このピーク周波数が共振周波数に相当し、これから流体圧力Ｐを導出することができる。
【００６７】
図１３は２分割受光素子を用いた測定用光学手段の説明図である。２分割受光素子には２分割フォトダイオードや２分割フォトトランジスタなど各種の素子が知られているが、ここでは２分割フォトダイオードを用いて説明する。
【００６８】
レーザ光源８０からレーザビーム８２を矢印方向に射出し、入射用光ファイバ２８を用いてレーザビームを自在に誘導しながら、入射用レンズ２４から矢印ａ方向に振動板１６に入射させる。振動板１６は共振状態に有り、反射ビームは反射方向に振動しながら矢印ｂ方向に反射する。
【００６９】
２分割フォトダイオード８４は、２個のフォトダイオードが並設されて構成されており、振動板１６が圧力を印加されない状態で共振するときに、２個のフォトダイオードは等しい強度の反射ビームを受けるように構成されている。
【００７０】
振動板１６が振動すると、反射ビームの反射方向が振動するから、２個のフォトダイオードが受ける受光量が変化し、受光量の差を前述したネットワークアナライザ７０に出力する。この差動出力は振動板１６の共振周波数に等しい周波数で振動するから、ネットワークアナライザ７０で高速フーリエ変換などを利用して周波数分析すると、その共振周波数を測定できる。
【００７１】
図１４は２分割受光素子を用いた測定用光学手段の変形例の説明図である。本変形例では、入射用光ファイバや入射用レンズを用いずに、レーザダイオード等のレーザ光源８０から透光部２０を介して直接レーザビームを振動板１６に入射させるものである。この方式でも図１３と同様の作用効果を生じるので、その詳細は省略する。また、レーザ光源などの発光素子と２分割受光素子などの受光素子を集積化してもよいことは勿論である。
【００７２】
以上のように、本発明では、測定用光学手段２２として光ファイバとレンズを組み合わせる方式、レーザドップラ振動計を用いる方式、２分割受光素子を用いる方式を例示したが、その他の公知の方式も採用できる。また、振動子の強制振動手段として、ピエゾアクチュエータ駆動方式と交流静電駆動方式を使用したが、外部から振動外力を与える他の公知の方式も当然使用する事ができる。
【００７３】
このように、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例・設計変更などをその技術的範囲内に包含することは云うまでもない。
【００７４】
【発明の効果】
本願請求項１又は請求項２の発明によれば、ステンレス製の受圧用ダイヤフラム流体圧力を受けるから、腐食性流体の圧力測定に使用しても高耐久性を実現できる。また、振動子の周囲を取り囲むように配置された壁体と、この壁体の開口部を密閉して振動子の存在する内部空間を真空室とする光透過用の透光部を設けたから、透光部を介した光ビームにより振動子の共振周波数を非接触で高精度に検出できる特性がある。しかも、振動板が真空中に存在するから、振動板の振幅が減衰し難く、高感度に共振することができる特徴を有する。
また、振動子が左右一対の脚部に振動板を架橋したブリッジ構造をとるから、振動板が共振しやすい構造であり、振動外力に対し高感度に応答共振できる。従って、共振周波数の測定精度が向上し、その結果流体圧力の測定精度を向上させることができる。
更に、真空室外から振動外力を印加する構造にしているから、振動子に対する配線が不要となり、外部空間に散在する電磁波ノイズの誘導混入を遮断できる。また、光透過用の透光部を介して振動子に対し非接触に光ビームを入射且つ反射させることができるから、振動子に外乱が作用する事がなく、非接触の光学手段により共振周波数の高精度測定が可能になる。
ことに、請求項１の発明では、受圧用ダイアフラム、壁体又は透光部にピエゾアクチュエータと当接させ、ピエゾアクチュエータを振動させて受圧用ダイアフラムの振動子を強制振動させる構造を採用するから、受圧用ダイアフラムや振動子から回路配線を排除でき、電気的ノイズの混入を遮断できる。
同様に、請求項２の発明では、透光部の外側に配置された電極とステンレス製の受圧用ダイアフラムを静電気力により強制振動させるから、ダイアフラムや振動子から回路配線を除去でき、電気的ノイズを遮断して共振周波数を正確に測定することを可能にする。
【００７７】
請求項３の発明では、測定用光学手段を、光ビームを入射させる入射用光ファイバと、入射ビームを振動子の表面に集中させる入射用レンズと、振動子による反射ビームを集束させる反射用レンズと、反射ビームを誘導する反射用光ファイバから構成するから、入射ビームと反射ビームの誘導が自在になり、しかもレンズによりビームを集束させて振動子に入射させるから、振動子の共振が反射ビームの方向振動（揺らぎ）に正確に変換され、反射用光ファイバに入射する反射ビームの光強度の変化が確実に得られる。
【００７８】
請求項４の発明によれば、測定用光学手段を反射ビームを受光するレーザドップラ振動計から構成するから、振動子の共振周波数をレーザドップラ法により正確に検出でき、高速且つ高精度測定を実現する。
【００７９】
請求項５の発明によれば、測定用光学手段を、二分割受光素子から構成するから、反射ビームの方向振動を二分割受光素子の差動出力の振動に即座に変換でき、この振動に対し高速フーリエ変換などの周波数分析を行う事により、共振周波数を単純且つ正確に導出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る振動形圧力センサの実施形態の縦断面図である。
【図２】受圧用ダイアフラムと振動子の取付構造を示す斜視図である。
【図３】振動板の共振状態を示す説明図である。
【図４】振動板の共振周波数が流体圧力により変化する状態の説明図である。
【図５】本発明のブリッジ構造の振動子の製造工程図である。
【図６】本発明に係る振動式圧力センサの組立工程図である。
【図７】ピエゾアクチュエータ駆動によるブリッジ型振動子の性能測定図である。
【図８】印加圧力Ｐに対する振動板の共振周波数ｆ_nの関係図である。
【図９】真空室内の基礎圧力Ｐ_bとＱ値の関係図である。
【図１０】静電駆動による振動形圧力センサの性能測定図である。
【図１１】静電駆動に用いられる交流電圧の一例の波形図である。
【図１２】静電駆動による振動板の周波数特性の一例図である。
【図１３】２分割受光素子を用いた測定用光学手段の説明図である。
【図１４】２分割受光素子を用いた測定用光学手段の変形例の説明図である。
【符号の説明】
１は振動形圧力センサ、２は枠体、４は受圧用ダイアフラム、６は受圧用空間部、８は壁体、１０は真空室、１２は振動子、１４は脚部、１６は振動板、１８はゲッター、２０は透光部、２２は測定用光学手段、２４は入射用レンズ、２６は反射用レンズ、２８は入射用光ファイバ、３０は反射用光ファイバ、３２はＳｉＯ₂膜、３２ａは裏面ＳｉＯ₂膜、３４はＡｕ／Ｃｒ膜、３６はフォトレジスト膜、３８は除去領域、４０はＮｉ膜、５０はチャンバ、５２は模擬圧力センサ、５４は容器、５５はピエゾアクチュエータ、５６は圧力室、５７は強制振動手段、５８は注入パイプ、６０は挿入パイプ、６２はＯリング、６４はガラス窓、６６は真空室、６８は排気パイプ、７０はネットワークアナライザ、７２はパワーアンプ、７４はレーザドップラ振動計、７６は電極部、７８はパワーアンプ、８０はレーザ光源、８２はレーザビーム、８４は２分割フォトダイオード、Ｅは直流電源、ｆ₀は共振周波数、Δｆは共振周波数の変化量、ｆ_nは共振周波数、ｈは厚さ、Ｈは厚さ、Ｌは長さ、Ｐは流体圧力（印加圧力）、Ｐ_bは基礎圧力、ｒは半径。

Claims

内部を受圧用空間部とするステンレス鋼製の環状枠体と、環状枠体と一体に形成されて裏面側から流体圧力を受ける受圧用ダイヤフラムと、受圧用ダイヤフラムの表面側に間隔を置いて突設された左右一対の脚部とこの脚部の間に架橋された金属製の振動板とから成るブリッジ構造を有する振動子と、振動子の周囲を取り囲むように前記環状枠体の上面側に気密状に固定した環状壁体と、環状壁体の上方開口部を密閉して前記振動子の存在する内部空間を真空室とする光透過用の透光部と、前記真空室の外方に位置して設けられ、受圧用ダイヤフラムの振動子を共振させるピエゾアクチェータと、前記透光部を介して真空室に光ビームを入射させ、ピエゾアクチェータの振動外力により共振する振動子によって反射された光ビームを透光部から外側に射出させ、この反射ビームを検出して振動子の共振周波数を検出する測定用光学手段とから構成され、前記測定用光学手段により検出した共振周波数から受圧用ダイアフラムが感受する流体圧力を検出することを特徴とする振動形圧力センサ。
内部を受圧用空間部とするステンレス鋼製の環状枠体と、環状枠体と一体に形成されて裏面側から流体圧力を受ける受圧用ダイヤフラム４、受圧用ダイヤフラムの表面側に間隔を置いて突設された左右一対の脚部とこの脚部の間に架橋された金属製の振動板とから成るブリッジ構造を有する振動子と、振動子の周囲を取り囲むように前記環状枠体の上面側に気密状に固定した環状壁体と、環状壁体の上方開口部を密閉して前記振動子の存在する内部空間を真空室とする光透過用の透光部と、前記透光部の外側に配置され、受圧用ダイヤフラムを静電力により強制振動させて振動子を共振させる電極部と、前記透光部を介して真空室に光ビームを入射させ、ピエゾアクチェータの振動外力により共振する振動子によって反射された光ビームを透光部から外側に射出させ、この反射ビームを検出して振動子の共振周波数を検出する測定用光学手段とから構成され、前記測定用光学手段により検出した共振周波数から受圧用ダイアフラムが感受する流体圧力を検出することを特徴とする振動形圧力センサ。
前記測定用光学手段は、光ビームを入射させる入射用光ファイバと、入射ビームを振動子の表面に集中させる入射用レンズと、振動子による反射ビームを集束させる反射用レンズと、反射ビームを誘導する反射用光ファイバとから構成される請求項１又は請求項２に記載の振動形圧力センサ。
前記測定用光学手段は、振動子による反射ビームを受光するレーザドップラ振動計から構成される請求項１又は請求項２に記載の振動形圧力センサ。
前記測定用光学手段は、反射ビームを受光する二分割受光素子から構成され、反射ビームの変動を二分割受光素子の差動出力により検出して振動子の共振周波数を導出する請求項１又は請求項２に記載の振動形圧力センサ。