JP5000386B2 - 冷陰極電離真空計 - Google Patents

Description

本発明は、長寿命かつメンテナンス作業性に優れた冷陰極電離真空計に関する。

近年、熱フィラメントからの熱電子を用いた熱陰極電離真空計に代わって、冷陰極放電を利用した冷陰極電離真空計（コールドカソードゲージ）が広く用いられている。冷陰極電離真空計のタイプとしては、ペニング真空計、マグネトロン型真空計および逆マグネトロン型真空計が知られている。以下、逆マグネトロン型真空計を例に挙げて、特許文献１に記載された従来の冷陰極電離真空計の構成について図５を参照して説明する。

図５に示す冷陰極電離真空計１は、一端が開口し他端が閉塞する真空計本体（カソード電極）２と、この真空計本体２の周囲に設置されたリング状のマグネット３とを有している。真空計本体２の内部には、第１，第２の金属ブロック４，５と、これら金属ブロック４，５を貫通する軸状電極（アノード電極）６がそれぞれ設置されている。真空計本体２は円筒形状を有し、接地電位に接続されている。真空計本体２の開口端は、図示しない真空槽の真空計取付用フランジ７に接続されている。マグネット３は、上部がＮ極、下部がＳ極の永久磁石であり、真空計本体２の内部に区画された放電空間８に対して図中矢印で示すように磁界を形成する。

第１，第２の金属ブロック４，５は、マグネット３によって発生する磁界で磁化される鉄等の高透磁率磁性材料からなる。これら金属ブロック４，５は真空計本体２の内部に一定の間隙を介して設置されている。放電空間８は、第１，第２の金属ブロック４，５のそれぞれが対向している面と真空計本体２の内周面とによって区画されている。軸状電極６は、真空計本体２の軸心部に位置しており、その一端が真空計本体２の底部２ｂに固定された高電圧端子９に接続されている。第１，第２の金属ブロック４，５には、軸状電極６が貫通する貫通孔４ａ，５ａが形成されている。貫通孔４ａ，５ａは軸状電極６の軸径よりも大きな内径を有しており、軸状電極６は第１，第２の金属ブロック４，５に対して接触することなく放電空間８の内部に設置されている。

放電空間８は、真空計本体２の開口２ａ及び第１の金属ブロック４の貫通孔４ａを介して、真空槽の内部と連通している。すなわち、放電空間８は、真空槽の内部と同一の雰囲気となっている。そして、軸状電極６と真空計本体２との間に電圧を印加すると、真空計本体２の径方向に電界が発生し、電子が径方向に加速される。放電空間８には、電界とほぼ直交する方向にマグネット３で発生した磁界が形成される。この磁界を受けて放電空間８内で螺旋運動に似た運動を行う電子が気体分子を電離し、放電空間８にプラズマを発生させる。そして、このプラズマで流れる電流に基づいて圧力測定を行う。

一般に、電界とほぼ直角に交わる磁界によって電子が螺旋運動に似た運動を行うときには、磁界が強いほど電子が大きく偏向され、運動の回転半径は小さくなる。したがって、電子は放電空間の壁面に衝突しにくくなり、また、消滅しにくくなる。その結果、プラズマの発生効率が高くなり、低い圧力でもプラズマが安定し、また流れる電流が多くなるので、圧力測定が容易になる。このため、従来の冷陰極電離真空計１においては、放電空間８を高透磁率材料からなる金属ブロック４，５で区画することによって、放電空間８に形成される磁界の方向を電界方向に対して直交させるようにしている。

特開平９−５１９８号公報

しかしながら、従来の冷陰極電離真空計１においては、第１，第２の金属ブロック４，５の各々の対向面が、放電空間８で形成されたプラズマ中のイオンのスパッタ作用により消耗する、あるいは、プラズマ生成物が付着して汚染される。このため、定期的に真空計を分解して部品のクリーニングあるいは交換を行っているが、作業時間が長く、また、部品交換に伴う作業コストの増大が問題となっている。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、メンテナンス作業性に優れ、作業コストの低減を図ることができる冷陰極電離真空計を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明の冷陰極電離真空計は、真空計本体と、真空計本体の内部に互いに対向して配置され放電空間を形成する第１，第２の金属ブロックと、第１，第２の金属ブロックを貫通する電極とを備えた冷陰極電離真空計であって、第１の金属ブロックと第２の金属ブロックの各々の対向面には、上記電極が貫通する貫通孔を備えた板部材がそれぞれ設置されていることを特徴とする。

本発明の冷陰極電離真空計においては、第１，第２の金属ブロックの各々の対向面に上記板部材がそれぞれ設置されているので、放電空間で形成されたプラズマによるイオンのスパッタ作用およびプラズマ生成物の付着から、これら金属ブロックを保護することができる。これにより、金属ブロックの長寿命化を図ることができるとともに、クリーニング作業の簡素化を図ることができる。そして、板部材の交換も容易であるので、メンテナンス作業性の向上と、部品交換に伴う作業コストの低減を図ることができる。

また、本発明においては、第１の金属ブロック側に設置された板部材と、第２の金属ブロック側に設置された板部材の間には、放電空間から真空計本体の内面を遮蔽する筒状のスペーサが設置されている。これにより、放電空間で形成されたプラズマによるイオンのスパッタ作用およびプラズマ生成物の付着から、真空計本体の内面を保護することができる。そして、真空計本体の長寿命化と、クリーニング作用の簡素化を図ることができる。

更に、本発明においては、板部材の貫通孔の内周面には、上記電極に向かって突出する複数の突起部が形成されているとともに、当該突起部は、第１，第２の金属ブロックの各々の貫通孔よりも径内方側に突出している。この構成により、突起部に電界が集中することで、放電を安定かつ速やかに発生しやすくなる。更に、突起部で金属ブロックの貫通孔を部分的に閉塞するため、当該貫通孔を介してのプラズマ生成物の放電空間からの漏出を抑制することが可能となる。

以上述べたように、本発明の冷陰極電離真空計によれば、放電空間を区画する金属ブロックの消耗あるいはプラズマ生成物の付着を抑制できるので、メンテナンス作業性の向上と、部品交換に伴う作業コストの低減を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態による冷陰極電離真空計２１の側断面図であり、図２はその分解側断面図である。本実施形態の冷陰極電離真空計２１は、逆マグネトロン型冷陰極電離真空計として構成されている。

冷陰極電離真空計２１は、段付きの円筒形状からなる真空計本体２２を備えている。真空計本体２２は接地電位に接続されており、カソード電極として機能する。真空計本体２２の内部には断面円形の段付孔３２が形成されており、その一端側（図中下端側）に小径の開口部２２ａが、その他端側に大径の開口部２２ｂがそれぞれ形成されている。真空計２１は、開口部２２ａ側の端部を図示しない真空槽に気密に接続され、開口部２２ａを介して真空計本体２２の内部と真空槽の内部とが連通される。

段付孔３２の大径孔部には、第１の金属ブロック２５Ａ、第１の点火補助具（板部材）２４Ａ、スペーサ２７、第２の点火補助具（板部材）２４Ｂ、第２の金属ブロック２５Ｂ、シールリング３０および高電圧端子ユニット２９がそれぞれ順に組み込まれている。開口部２２ｂの外周側にはネジ溝が形成されており、これに蓋部材３１が螺着固定されることによって、段付孔３２の段部３２Ｓと蓋部材３１との間に、金属ブロック２５Ａ，２５Ｂ、点火補助具２４Ａ，２４Ｂ、スペーサ２７および高電圧端子ユニット２９が固定されている。

真空計本体２２の外周側には、環状（リング状）のマグネット２３が配置されている。このマグネット２３は、上面がＳ極、下面がＮ極の永久磁石材料であって、例えば複数の環状マグネットの結合体で構成されている。マグネット２３は、ヨーク３３Ａ，３３Ｂの間に支持されている。これらヨーク３３Ａ，３３Ｂおよびマグネット２３の結合体は、真空計本体２２の外周部に一体的に固定されている。

第１の金属ブロック２５Ａおよび第２の金属ブロック２５Ｂは、点火補助具２４Ａ，２４Ｂ、スペーサ２７を介して軸状電極２６の軸方向に沿って互いに対向しており、これら金属ブロック２５Ａ，２５Ｂの間に放電空間２８を形成している。金属ブロック２５Ａ，２５Ｂは、鉄や磁性ステンレス鋼等の磁性材料からなり、マグネット２３の周りに発生した磁界で磁化することで、放電空間２８内に真空計２１の軸方向に沿った平行磁場を形成する。

スペーサ２７は円筒形状を有しており、その外周面が真空計本体２２の内周面と接触または近接している。スペーサ２７は、真空計本体２３の内面を放電空間２８から遮蔽することにより、放電空間２８で発生するプラズマによるスパッタ作用やプラズマ生成物の付着から真空計本体２２の内面を保護する。スペーサ２７はステンレス鋼等の金属材料からなり、磁性の有無は問われない。

高電圧端子ユニット２９は、軸状電極２６と、この軸状電極２６を支持する絶縁支持体３６を有している。軸状電極２６はアノード電極として構成され、図示しない電圧源から所定の正の高電圧が印加される。軸状電極２６は真空計本体２２の軸心部に位置しており、第１，第２の金属ブロック２５Ａ，２５Ｂに形成された貫通孔３５ａ，３５ｂを貫通している。貫通孔３５ａ，３５ｂは、軸状電極２６の軸径よりも十分に大きな径で形成されている。放電空間２８は、貫通孔３５ａを介して開口部２２ａ側に位置する真空槽の内部と連通し、また、貫通孔３５ｂを介して開口部２２ｂ側に位置する高電圧端子ユニット２９の収容空間３６に連通している。

点火補助具２４Ａ，２４Ｂは、本発明に係る「板部材」に対応し、金属ブロック２５Ａ，２５Ｂを保護する機能と、放電空間２８にプラズマを形成する点火装置（イグナイタ）としての機能を有している。点火補助具２４Ａ，２４Ｂは、放電空間２８を挟んで一対設置されている。一方の第１の点火補助具２４Ａは第１の金属ブロック２５Ａとスペーサ２７の間に挟持され、他方の第２の点火補助具２４Ｂは第２の金属ブロック２５Ｂとスペーサ２７の間に挟持されている。

第１，第２の点火補助具２４Ａ，２４Ｂはそれぞれ同一の構成を有している。図３は点火補助具２４Ａ（２４Ｂ）の構成を示す平面図である。点火補助具２４Ａ（２４Ｂ）は、ベース部４１と、ベース部４１に形成された貫通孔４２と、貫通孔４２の内周面に形成された突起部４３とを備えている。

点火補助具２４Ａ（２４Ｂ）の主要部を占めるベース部４１は、金属材料で形成されている。構成材料は、磁性材料でもよいし、非磁性材料でもよい。例えば、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）が挙げられる。また、突起部４３を含むベース部４１には高温が作用するので、モリブデンやタングステン等の高融点材料を用いることも好適である。

ベース部４１は、金属ブロック２５Ａ（２５Ｂ）とスペーサ２７との間に挟持されることで、真空計本体２２に対して支持されていると同時に、真空計本体２２と電気的に接続されている。特に本実施形態では、ベース部４１は、厚さが０．２ｍｍの円板状部品からなり、その外径は真空計本体２２の内径（段付孔３２の大径部の内径）と同等の大きさに形成されている。なお、ベース部４１の厚さは上記の例に限定されない。

貫通孔４２は、ベース部４１の中心部に形成されている。軸状電極２６は、この貫通孔４２を介して点火補助具２４Ａ（２４Ｂ）を貫通する。貫通孔４２の孔径は、軸状電極２６の軸径よりも大きく形成されている。貫通孔４２の孔径と、金属ブロック２５Ａ（２５Ｂ）の貫通孔３５ａ（３５ｂ）の孔径の間との大小関係は特に制限はない。

本実施形態では、貫通孔４２の孔径を金属ブロック２５Ａ（３５Ａ）の孔径と同等の大きさとすることで、金属ブロック２５Ａ，２５Ｂの各々の対向面のほとんどの領域を点火補助具２４Ａ，２４Ｂのベース部４２で遮蔽している。これにより、プラズマによるスパッタ作用やプラズマ生成物の付着から金属ブロック２５Ａ，２５Ｂを保護することが可能となる。

突起部４３は、貫通孔４２の内周面から軸状電極２６に向かって突出している。突起部４３は、貫通孔４２の内周面に沿って等角度間隔で複数設けられているが、単数でも構わない。突起部４３の形状は先細り形状とされ、例えば図示するような三角形状や円弧形状に形成されている。

突起部４３と軸状電極２６との関係を図４Ａに示す。突起部４３は、貫通孔４２の内周面から、軸状電極２６の軸方向と直交する方向に突出している。貫通孔４２内周面からの突起部４３の突出長は、金属ブロック２５Ａ，２５Ｂの貫通孔３５ａ，３５ｂよりも径内方側に突出する長さとされる。突起部４３の先端と軸状電極２６との間の距離Ｇは、貫通孔４２の内径や軸状電極２６の軸径に応じて適宜変更可能であり、本実施形態では、例えば１０^-4Ｐａ以下の高真空下においてプラズマを安定に発生させることができる程度の大きさとされる。

また、図４Ｂに示すように、突起部４３を貫通孔４２の内周面から斜め方向に突出させる構成としてもよい。突出方向は特に制限されないが、貫通孔４２の対する軸状電極２６の挿通方向に傾斜して形成することで、軸状電極２６の組付け性向上を図れるようになる。

貫通孔４２およびその内周面に形成される突起部４３は、打抜きプレス成形やエッチング技術を用いて作製することができる。貫通孔４２および突起部４３の作製は、ベース部４１の成形と同時に行ってもよいし、ベース部４１の成形後に行ってもよい。

以上のように構成される本実施形態の冷陰極電離真空計２１においては、図２に示すように、真空計本体２２の内部および外周部に対して、種々の構成部品を組み付けることによって作製される。特に、真空計本体２２の内部部品に関しては、開口部２２ｂ側から段付孔３２の内部に第１の金属ブロック２５Ａ、第１の点火補助具２４Ａ、スペーサ２７、第２の点火補助具２４Ｂ、第２の金属ブロック２５Ｂおよび高電圧端子ユニット２９が順に組み込まれる。開口部２２ｂは、シールリング３０を介して装着される高電圧端子ユニット２９によって閉塞された後、蓋部材３１に締結される。軸状電極２６は、真空計本体２２、点火補助具２４Ａ，２４Ｂ、金属ブロック２５Ａ，２５Ｂのいずれにも接触することなく、真空計本体２２の軸心部に設置される。

本実施形態においては、真空計本体２２に対して高電圧端子ユニット２９を組み付けるに際し、軸状電極２６は、金属ブロック２５Ａ，２５Ｂの貫通孔３５ａ，３５ｂおよび点火補助具２４Ａ，２４Ｂの貫通孔４２にそれぞれ挿通される。このとき、点火補助具２４Ａ，２４Ｂの突起部４３は、スペーサ２７と金属ブロック２５Ａ，２５Ｂにそれぞれ挟持された状態で真空計本体２２に支持されたベース部４１と一体的に形成されているため、リジッド性が高く、耐変形能に優れる。したがって、軸状電極２６との接触による突起部４３の不用意な変形を抑制することができる。また、突起４３の変形を抑制できることにより、組付け作業性の改善と、組付け精度の向上を図れるようになる。

本実施形態の冷陰極電離真空計２１は、図示しない真空槽に取り付けられて真空槽内部の圧力を測定する。この真空計２１の放電空間２８は、真空計本体２２の開口部２２ａ、段付孔３２、第１の金属ブロック２５Ａの貫通孔３５ａおよび第１の点火補助具２４Ａの貫通孔４２を介して、真空槽内部と連通している。したがって、真空計本体２２の内部空間は、真空槽の排気動作によって同時に排気される。

このとき、高電圧端子ユニット２９を収容するための収容空間３７は、第２の金属ブロック２５Ｂの貫通孔３５ｂおよび第２の点火補助具２４Ｂの貫通孔４２を介して排気される。本実施形態においては、点火補助具２４Ａ，２４Ｂの突起部４３が軸状電極２６に対して最も近接して形成されているが、突起部４３は貫通孔４２の周方向に間隔をあけて設けられているために、真空計本体２２の内部は一定の排気コンダクタンスが確保される。したがって、真空計内部の排気遅れを原因する真空プロセスへの種々の影響を排除することができる。

真空槽の圧力は、放電空間２８が真空槽内部と同一雰囲気であるとみなし、放電空間２８に発生させたプラズマによって検出されるアノードとカソード間のプラズマ電流に基づいて測定される。軸状電極２６はアノード電極に対応し、真空計本体２２およびこれに接触する点火補助具２４Ａ，２４Ｂ、金属ブロック２５Ａ，２５Ｂ、スペーサ２７はカソード電極に対応する。高電圧端子ユニット２９へ所定の正の高電圧（例えば２．７ｋＶ）を印加すると、軸状電極２６と、これに最も近接する点火補助具２４Ａ，２４Ｂの突起部４３との間の放電が起点となって、放電空間２８に存在する気体分子のプラズマが形成される。

本実施形態の冷陰極電離真空計２１によれば、軸状電極２６に近接して対向する突起部４３が形成された点火補助具２４Ａ，２４Ｂを備えているので、突起部４３に電界が集中し、放電を安定かつ速やかに発生しやすくなる。これにより、例えば１０^-4Ｐａ以下の高真空下においても安定した圧力測定動作を実現することができる。また、点火補助具２４Ａ，２４Ｂを一対備えていること、突起部４３が複数形成されていること、突起部４３が先細り形状であることによって、プラズマの発生の確実性を高めることが可能となる。

また、第１，第２の金属ブロック２５Ａ，２５Ｂの各々の対向面がそれぞれ第１，第２の点火補助具２４Ａ，２４Ｂによって遮蔽されているので、放電空間２８で形成されたプラズマによるイオンのスパッタ作用およびプラズマ生成物の付着から、これら金属ブロック２５Ａ，２５Ｂを保護することができる。これにより、金属ブロック２５Ａ，２５Ｂの長寿命化を図ることができるとともに、クリーニング作業の簡素化を図ることができる。あるいは、点火補助具２４Ａ，２４Ｂの製作およびその交換も容易であるので、メンテナンス作業性の向上と、部品交換に伴う作業コストの低減を図ることができる。

このとき、第２の点火補助具２４Ｂの突起部４３が、第２の金属ブロック２５Ｂの貫通孔３５ｂを部分的に閉塞する機能を発揮することで、この貫通孔３５ｂを介しての放電空間２８から高電圧端子ユニット２９の収容空間３７へのプラズマ生成物の進入を抑制できる。これにより、例えば絶縁支持体３６への導電性物質の付着等による軸状電極２６の絶縁不良を回避することができる。

更に、放電空間２８を区画する真空計本体２２の内周面がスペーサ２７によって遮蔽されているので、放電空間２８で形成されたプラズマによるイオンのスパッタ作用およびプラズマ生成物の付着から、真空計本体２２の内面を保護することができる。これにより、真空計本体２２の長寿命化を図ることができるとともに、クリーニング作業の簡素化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることはなく、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。

例えば以上の実施形態では、いわゆる逆マグネトロン型の冷陰極電離真空計に本発明を適用した例について説明したが、これに限られず、マグネトロン型あるいはペニング型の冷陰極電離真空計として本発明を構成することも可能である。また、真空計本体２２の外周部に配置されるマグネット２３は、必要に応じて省略することも可能である。

本発明の実施形態による冷陰極電離真空計の構成を示す側断面図である。 本発明の実施形態による冷陰極電離真空計の構成を示す分解側断面図である。 本発明の実施形態による点火補助具の構成を示す平面図である。 図１の要部拡大図であり、点火補助具と軸状電極の関係を示す側断面図である。 従来の冷陰極電離真空計の構成を示す側断面図である。

符号の説明

２１ 冷陰極電離真空計
２２ 真空計本体
２３ マグネット
２４Ａ 第１の点火補助具（板部材）
２４Ｂ 第２の点火補助具（板部材）
２５Ａ 第１の金属ブロック
２５Ｂ 第２の金属ブロック
２６ 軸状電極
２７ スペーサ
２８ 放電空間
２９ 高電圧端子ユニット
３０ シールリング
３１ 蓋部材
３５ａ，３５ｂ 貫通孔
３６ 絶縁支持体
３７ 収容空間

Claims (3)

1. 真空槽に接続される第１の開口端部と、反対側の第２の開口端部とを有し、内部に段付孔が形成された真空計本体と、
   第１の貫通孔を有し、前記真空計本体の内部に配置された第１の金属ブロックと、
   第２の貫通孔を有し、前記真空計本体の内部に前記第１の金属ブロックと対向して配置され、前記第１の金属ブロックとの間に放電空間を形成する第２の金属ブロックと、
   前記第１，第２の貫通孔を貫通する軸状電極を有し、前記真空計本体の内部に配置された端子ユニットと、
   前記第１の金属ブロックと前記第２の金属ブロックとの間に配置され、前記放電空間から前記真空計本体の内面を遮蔽する筒状のスペーサと、
   前記第１の金属ブロックと前記スペーサとの間に挟持され、前記軸状電極が貫通する第１の孔を有する第１の板部材と、
   前記第２の金属ブロックと前記スペーサとの間に挟持され、前記軸状電極が貫通する第２の孔を有する第２の板部材と、
   前記第２の開口端部に螺着固定される蓋部材とを具備し、
   前記段付孔の段部と前記蓋部材との間に、前記第１，第２の金属ブロック、前記第１，第２の板部材、前記スペーサ及び前記端子ユニットが固定される冷陰極型電離真空計。
2. 請求項１に記載の冷陰極型電離真空計であって、
   前記真空計本体の外周部に固定され、前記放電空間に磁場を形成するマグネットをさらに具備する
   冷陰極型電離真空計。
3. 請求項１に記載の冷陰極型電離真空計であって、
   前記第１，第２の孔の内周面には、複数の突起部が形成されているとともに、
   前記複数の突起部は、前記第１，第２の貫通孔よりも径内方側に突出している
   冷陰極型電離真空計。

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