JP4878289B2 - ピラニ真空計 - Google Patents

Description

本発明は、気体圧力の測定を行うピラニ真空計に関し、詳しくは被測定空間に臨まされる測定子部分の構造を工夫したピラニ真空計に関する。

ピラニ真空計は、被測定空間に設けられたフィラメントに電流を流すことによってそのフィラメントを加熱し、このときフィラメントから奪われる熱量が、フィラメント周囲の気体の圧力により変化することを利用して気体の圧力を測定するものである。フィラメントとしてはコイル状のものが用いられることもある。例えば特許文献１参照。

特開平７−１２０３３９号公報

図７に従来のピラニ真空計の概略構造を示す。フィラメント１はエンベロップ２の内部に収容されている。エンベロップ２は一端が開口され、他端が絶縁部材４によって気密に封止された円筒状を呈する。エンベロップ２の開口端側は真空槽１１の内部の被測定空間ｓ内に入れられ、エンベロップ２の内部は被測定空間ｓと連通され、フィラメント１は被測定空間ｓ内の気体と接した状態とされる。エンベロップ２は被測定空間ｓと、真空槽１１外部の大気との隔壁の役割を担っている。

フィラメント１の一端は、絶縁部材４を気密に貫通しエンベロップ２の内部に位置する導電端子５ｂの一端に接続されている。フィラメント１の他端はエンベロップ２の内部に位置する導電性のフィラメントサポート６の一端に接続されている。フィラメントサポート６の他端は、絶縁部材４を気密に貫通しエンベロップ２の内部に位置する導電端子５ａの一端に接続されている。したがって、フィラメント１は導電端子５ａ、５ｂと電気的に接続されている。導電端子５ａ、５ｂは、エンベロップ２の外部の大気圧下に配設された図示しない制御回路に接続され、それら導電端子５ａ、５ｂを介してフィラメント１に電力が供給される。

フィラメント１は図示しないブリッジ回路の一部に組み込まれ、フィラメント１の温度変化に伴う抵抗変化が検出される。現在市販されているピラニ真空計では、定電流型（あるいは定電圧型）と定温度型と呼ばれる２種の動作モードが使われている。定電流型（定電圧型）ピラニ真空計は、ブリッジ回路に一定の電流（電圧）を加えておき、気体圧力変化に伴うフィラメントの温度変化すなわち抵抗変化をブリッジ回路の非平衡電圧により検出する。定温度型ピラニ真空計は、ブリッジ回路の非平衡電圧を検出すると、フィラメントの抵抗（温度）が所定の値に保たれるようにブリッジ回路への電流にフィードバックをかけてブリッジ回路の平衡を維持する。すなわち、気体によって奪われた熱量を補うように加える電力を自動制御してフィラメント温度が常に一定になるように動作させる。したがって、その加えた電力から気体圧力を知ることができる。ピラニ真空計において通常用いられる圧力範囲（３×１０³Ｐａ以下）での一般的な測定精度は±３０％程度である。

従来のピラニ真空計では、１０⁴Ｐａ付近以上から大気圧までの気体圧力領域において、取付姿勢、すなわちフィラメント１が垂直（鉛直方向に平行）か水平（鉛直方向に垂直）かによって、測定圧力値に大きな違いが生じる（同じ圧力の気体を測定しているにもかかわらず、フィラメント１の姿勢の違いによって測定圧力値が５０％以上異なる）という問題があった。フィラメント１が水平姿勢にある場合の方が、垂直姿勢の場合に比べて、エンベロップ２内部の気体の対流による熱伝達の影響を強く受け、フィラメント１から熱が多く奪われやすい傾向にあり、例えば定温度型ピラニ真空計ではフィラメント１に投入する電力がより大となり、その結果測定圧力値が実際の気体圧力より高くなりやすい。

また、エンベロップ２内部の気体温度はエンベロップ２の温度とほぼ等しくなるが、エンベロップ２は真空槽１１の外部の環境温度の変動に影響されるため、これに伴ってエンベロップ２内部の気体温度も変動する。フィラメント１の温度は、フィラメント周囲の気体圧力の他にも、フィラメント温度とその周囲の気体温度との差にも依存する。したがって、気体温度の変動が生じると気体圧力の変化に起因したフィラメント温度の変化の他にも、フィラメント温度と気体温度との差に起因するフィラメント温度の変化も生じ、測定圧力の精度が悪くなってしまう。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、その目的とするところは、フィラメント温度の、気体圧力変動に対する依存度を高めて気体圧力を精度良く測定できるピラニ真空計を提供することにある。

本発明は前記課題を解決するため以下の構成を採用した。
すなわち、本発明のピラニ真空計は、内部が被測定空間に臨まされるエンベロップと、エンベロップの内部に収容され、エンベロップの軸方向に平行に配設されたフィラメントと、エンベロップの内部でフィラメントを囲んで設けられ、フィラメントが通る軸中心を内部に有し、フィラメントを挟んで対向する内壁間の代表長さが６ｍｍ以内で、かつフィラメントの長さの８０％以上を覆うことで、１×１０ ⁴ Ｐａから大気圧までの圧力領域において前記フィラメントの取付姿勢の違いによる前記エンベロップ内部での対流熱伝達の差を抑える筒と、エンベロップの内部に収容され、フィラメントの一端を支持するフィラメントサポートとを備える。

上記寸法の筒でフィラメントを囲むことでフィラメント周囲の空間を制限して、姿勢の違いによる対流熱伝達の影響の仕方に大きな差が生じにくくできる。これにより、姿勢の違いによる測定圧力値のばらつきを小さくして測定精度を向上できる。また、上記筒があることで、筒内部の気体温度がエンベロップの温度変動の影響を受けにくくなり、よって気体温度の変動に起因するフィラメント温度の変化を抑制できる。このことも、気体圧力の測定精度向上に寄与する。

また、筒に温度センサを取り付け、この温度センサの出力に基づいて圧力指示値を補正する温度補正を行えば、フィラメント周囲の気体温度の変動の影響をより抑えて測定精度のよりいっそうの向上を図れる。この場合、特に１０⁴Ｐａ以上の圧力において、気体圧力の変動に対する圧力指示値の応答性を向上させることができる。

本発明のピラニ真空計によれば、取付姿勢の違いや、フィラメント周囲の気体温度変動といった気体圧力の変動以外でフィラメント温度を変化させる要因の影響を抑えて、フィラメント温度の、気体圧力に対する依存度を大きくして正確な圧力測定を行える。

本発明の第１の実施形態に係るピラニ真空計の概略図である。 本発明の第２の実施形態に係るピラニ真空計の概略図である。 ピラニ真空計の取付姿勢の違い（水平か垂直か）による測定圧力差と、筒内径との関係を示す図である。 取付姿勢の違いによる測定圧力差が、筒内径や、筒／フィラメント長さ比率によってどのように変わるかを示す図である。 取付姿勢の違いによる測定圧力差と、筒／フィラメント長さ比率との関係を示す図である。 真空から大気圧への圧力移行時の圧力指示値の経時変化を示す図である。 従来のピラニ真空計の概略図である。

符号の説明

１ フィラメント
２ エンベロップ
４ 絶縁部材
６ フィラメントサポート
７ 筒
８ 筒サポート
９ 温度センサ
１１ 真空槽
ｓ 被測定空間

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は以下の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に基づいて種々の変形が可能である。

［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態に係るピラニ真空計の概略構成を示す。エンベロップ２の内部にはフィラメント１が収容されている。フィラメント１は白金線などの金属細線からなり、その形状は図１に示すような直線状のものに限らずコイル状のものであってもよい。エンベロップ２は一端が開口され、他端が絶縁部材４によって気密に封止された円筒状を呈する。フィラメント１は、エンベロップ２の軸中心またはその近傍位置にエンベロップ２の軸方向に略平行に配設されている。

エンベロップ２の開口端側は真空槽１１の内部の被測定空間ｓ内に入れられてエンベロップ２の内部は被測定空間ｓに臨まされ、フィラメント１が被測定空間ｓ内の気体と接した状態とされる。エンベロップ２は被測定空間ｓと、真空槽１１外部の大気との隔壁の役割を担っている。

フィラメント１の一端は、絶縁部材４を気密に貫通しエンベロップ２の内部に位置する導電端子５ｂの一端に接続されている。フィラメント１の他端はエンベロップ２の内部に位置する導電性のフィラメントサポート６の一端に接続されている。フィラメントサポート６の他端は、絶縁部材４を気密に貫通しエンベロップ２の内部に位置する導電端子５ａの一端に接続されている。したがって、フィラメント１の両端はそれぞれ導電端子５ａ、５ｂと電気的に接続されている。導電端子５ａ、５ｂは、エンベロップ２の外部で大気圧下に設置された図示しない制御回路に接続され、それら導電端子５ａ、５ｂを介してフィラメント１に電力が供給される。

フィラメント１の周囲にはフィラメント１を囲むように、両端が開口された筒７が配設され、フィラメント１はその筒７内部の軸中心位置またはこの近傍位置を通されている。筒７とフィラメント１とは接触していない。筒７の内部は、筒７の両端の開口を通じて、エンベロップ２の内部及び被測定空間ｓに連通される。

筒７において絶縁部材４に近い一端側の外壁面は筒サポート８に固定され、筒７は軸方向をフィラメント１の延在方向及びエンベロップ２の軸方向に略平行にした状態で筒サポート８に支持されている。筒サポート８は、絶縁部材４を貫通する端子５ｃのエンベロップ２内部に位置する部分に取り付けられている。筒７はフィラメントサポート６には接触していない。

筒７は円筒であり、その内径は６ｍｍ以内である。また、筒７はフィラメントの長さの８０％以上を覆っている。加熱されたフィラメント１からの熱が筒７の内部にこもることによる筒７内の気体温度の上昇が、フィラメント１の温度変動に影響してしまうことを防ぐため、筒７は熱伝導性に優れた例えば金属材料から構成することが好ましい。

フィラメント１は図示しないブリッジ回路の一部に組み込まれ、フィラメント１の温度変化に伴う抵抗変化が検出される。例えば定温度型ピラニ真空計で説明すると、気体によって奪われた熱量を補うように加える電力を自動制御してフィラメント温度が常に一定になるように動作され、その加えた電力から気体圧力を知ることができる。

この第１の実施形態に基づいてピラニ真空計を製作し、各種性能の評価を行った。

フィラメント１としては、直径２５μｍ、長さ５６ｍｍの白金線を用いた。筒７は、円筒形状で、厚さ６０μｍのステンレス製のものを用い、内径と長さは様々に変えたものを用意した。エンベロップ２、サポート６、８はステンレス製とした。

図４は、横軸に示す筒７の内径と、縦軸に示す筒／フィラメント長さ比率（フィラメント１の長さに対する筒７の長さの比率）とを様々に変えて、１×１０⁵Ｐａの気体（窒素）圧力を測定した場合の、フィラメント１の取付姿勢（水平か垂直か）の違いによる圧力指示値（表示部に表示される値）の差を示す。

図４から明らかなように、筒７の内径を６ｍｍ以内、かつ、筒／フィラメント長さ比率を８０％以上とすれば（すなわち筒７がフィラメント１の長さの８０％以上を覆えば）、フィラメント１の取付姿勢の違いによる圧力指示値の差を４０％以下に抑えることができ、従来の筒７を設けない場合は５０％以上であったので、取付姿勢の違いによる測定ばらつきの低減が達成できている。

さらに、筒７の内径を５ｍｍ以内、かつ、筒／フィラメント長さ比率を８０％以上とすれば、取付姿勢の違いによる圧力指示値の差は３０％以下となり、ピラニ真空計として通常許容される測定精度が確保できる。

図３は、フィラメント１と筒７の長さを同じ（５６ｍｍ）にした場合において、筒７の内径（横軸）と、フィラメント１の取付姿勢の違いによる圧力指示値の差（縦軸）との関係を示す。被測定空間ｓ内の気体（窒素）圧力を、６×１０³Ｐａ、１×１０⁴Ｐａ、１×１０⁵Ｐａとしたそれぞれの場合について示す。

この図３の結果からも、筒７の内径を６ｍｍ以内、かつ、筒／フィラメント長さ比率を８０％以上（図３では筒／フィラメント長さ比率＝１００％）とすることにより、気体圧力１×１０⁵Ｐａ以下において、取付姿勢の違いによる圧力指示値の差をおよそ３０％以下に抑えることができているのがわかる。さらに、筒７の内径を４ｍｍ以内とすることにより、気体圧力１×１０⁵Ｐａ以下での取付姿勢の違いによる圧力指示値の差をおよそ１０％以下に抑えることができ、さらに筒７の内径を３ｍｍ以内とすることにより、気体圧力１×１０⁵Ｐａ以下での取付姿勢の違いによる圧力指示値の差を数％以下に抑えることができる。

図５は、筒／フィラメント長さ比率の、取付姿勢の違いによる圧力指示値の差への影響を示すため、図４での取得データより、横軸を筒／フィラメント長さ比率、縦軸を取付姿勢の違いによる圧力指示値の差として表したものである。筒７の内径は３ｍｍとした。この図５より、筒７がフィラメント１の長さの８０％以上を覆えば、取付姿勢の違いによる圧力指示値の差は１０％以下に抑えられて、非常に優れていることがわかる。

以上の結果より、本実施形態によれば、従来は取付姿勢の違いによる圧力指示値の差が大きくなりがちであった大気圧（１×１０⁵Ｐａ）付近の比較的高い圧力領域において、取付姿勢の違いによる影響を大きく受けることなく気体圧力を精度良く測定できる。本実施形態によれば、従来のピラニ真空計に比べ、精度良く測定できる圧力測定範囲を１桁以上向上させることができる。

なお、筒７の材料はステンレスに限らない。しかし、筒７内の熱のこもりに起因するフィラメント温度の変化を回避する点から断熱性材料の使用は避け、熱伝導性の良い材料を用いる方が好ましい。

また、筒７の厚さは６０μｍに限らない。筒７の厚さは、筒材料の熱伝導性に応じて、筒７の良好な熱伝導性を損なわないように設計すればよい。例えば、ステンレスとアルミ合金では、アルミ合金の方が熱伝導率が大きいため、アルミ合金の方が厚さの範囲としてより大きな厚さまで許容できる。その他、筒７の材料に適した熱伝導率の高い材料として、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉなどが挙げられる。

また、筒７の横断面形状は円に限らず、三角形や四角形、その他多角形、さらには長円状であってもよい。その場合、上述した内径寸法を、フィラメント１を挟んで対向する内壁間の代表長さに置き換えて実施すればよい。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、上記第１の実施形態と同じ構成部分には同一の符号を付しその詳細な説明は省略する。

上述した筒７がない従来の場合において、特に１０⁴Ｐａ以上の気体圧力下では、フィラメント１からの熱によりエンベロップ２が加熱され、エンベロップ２の温度が定まらない。したがって、エンベロップ２内部の気体温度が変動して、これに起因するフィラメント１の温度変化が生じやすく、気体圧力の変化に対する圧力指示値の応答性が悪くなるという問題がある。

そこで、第２の実施形態では、図２に示すように、筒７の外壁面に温度センサ９を取り付けて、この温度センサ９の出力（すなわち検出温度）に基づいて圧力指示値の補正を行っている。温度センサ９は、配線１０及び導電端子５ａ、５ｅを介して図示しない温度補償回路に接続され、その温度補償回路は、温度センサ９の検出温度に基づいて、筒７内の気体温度の変動によるフィラメント温度の変動分をキャンセルして圧力指示値として出力する。

この第２の実施形態に基づいてピラニ真空計を製作し、応答性に関する評価を行った。温度センサ９としては白金測温抵抗体を用いた。筒７の内径は３ｍｍとし、筒／フィラメント長さ比率は１００％とした。その他条件は第１の実施形態と同じである。なお、温度センサ９としてはダイオードなどを使用してもよい。

図６は、圧力１Ｐａ以下の状態から大気圧まで被測定空間ｓ内に気体（窒素）を導入したときの、圧力指示値の経時変化を示す。実線は上記温度センサ９の検出温度に基づいて圧力指示値の補正を行った場合を、破線は温度センサ９を設けずに圧力指示値の温度補正を行わなかった場合を示す。温度補正を行わない場合には２００秒以上経過後に圧力指示値が安定するのに対して、温度補正を行った場合には約３０秒経過時に圧力指示値が安定し応答性が良い。

例えば半導体プロセスにおいては、圧力指示値をモニタしながら処理室内へのプロセスガスの導入バルブの開閉制御を行うことがあり、圧力指示値の応答性が良いということは、処理室内の気体圧力の変動に対してバルブの開閉制御の遅れを抑えて、処理室内の気体圧力を正確に制御できる。

Claims (5)

1. 内部が被測定空間に臨まされるエンベロップと、
   前記エンベロップの内部に収容され、前記エンベロップの軸方向に平行に配設されたフィラメントと、
   前記エンベロップの内部で前記フィラメントを囲んで設けられ、前記フィラメントが通る軸中心を内部に有し、前記フィラメントを挟んで対向する内壁間の代表長さが６ｍｍ以内で、かつ前記フィラメントの長さの８０％以上を覆うことで、１×１０ ⁴ Ｐａから大気圧までの圧力領域において前記フィラメントの取付姿勢の違いによる前記エンベロップ内部での対流熱伝達の差を抑える筒と、
   前記エンベロップの内部に収容され、前記フィラメントの一端を支持するフィラメントサポートと
   を備えることを特徴とするピラニ真空計。
2. 前記筒は熱伝導性を有することを特徴とする請求項１に記載のピラニ真空計。
3. 前記筒に温度センサが取り付けられ、この温度センサの出力に基づいて圧力指示値が補正されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のピラニ真空計。
4. 前記フィラメントが白金線からなり、かつ前記筒がステンレス製であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のピラニ真空計。
5. 前記フィラメントが白金線からなり、かつ前記筒がニッケル製であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のピラニ真空計。

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