JP5260155B2 - 静電容量型圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、静電容量型圧力センサ及びその製造方法に関するものである。

従来、静電容量型圧力センサとしては、特許文献１に示すものがある。この静電容量型圧力センサは、圧力により変位するダイアフラムと固定電極との間の静電容量の変化を検出して圧力を測定するものである。

そして、その構成は、固定電極とダイアフラムとを所定距離離間させてコンデンサを構成して静電容量を得るために、シム部材（環状の薄い金属板）を固定電極が固定される支持構造体とダイアフラムとの間に介在させている。この構造では、支持構造体とシム部材とを溶接する必要があり、また、シム部材とダイアフラムとを溶接する必要がある。

しかしながら、各部分を溶接する際に、溶接による熱応力によりダイアフラムを固定する部分が歪んでしまうという問題がある。

また、支持構造体とダイアフラムとの間にシム部材を介在させるものであると、支持構造体とシム部材との溶接面積が小さいので、ダイアフラムを安定して固定することが難しい。さらに、溶接時の応力により、固定電極及びダイアフラム間の距離が設計値に対して変化してしまう。

その上、このように構成した圧力計を応用製品（例えば半導体製造装置、蒸着装置等）に取り付ける際、フランジによりその真空チャンバに取り付けることになるが、フランジを締め付けることにより応力が発生してしまう。そうすると、シム部材を介して支持構造体にダイアフラムを固定したものでは、剛性が小さく、固定電極及びダイアフラム間の距離の変化が増大してしまう。その結果、圧力計の出力値にドリフトが生じてしまい、測定精度に悪影響を及ぼしてしまう。
特表２００６−５２１５５３号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、支持構造体とダイアフラムとの溶接時における熱応力による歪みを可及的に小さくするとともに、支持構造体とダイアフラム間の剛性を大きくして、固定電極及びダイアフラム間の距離の変化を可及的に小さくして、圧力センサの出力を安定させることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る静電容量型圧力センサは、圧力により変位するダイアフラムと固定電極との間の静電容量の変化を検出して圧力を測定する静電容量型圧力センサであって、前記固定電極と前記ダイアフラムとの対向面の距離を規定する凹部を有し、前記固定電極の対向面が、前記凹部の底面と略同一平面上に設けられ、前記ダイアフラムが、前記凹部を覆うように前記凹部の開口周縁部に溶接される一体成型された支持構造体を具備することを特徴とする。

このようなものであれば、支持構造体とダイアフラムとの溶接時における熱応力による歪みを可及的に小さくするとともに、支持構造体とダイアフラム間の剛性を大きくして、固定電極及びダイアフラム間の距離の変化を可及的に小さくして、圧力センサの出力を安定させることができる。

固定電極の対向面と凹部の底面とを略同一平面上に構成するための具体的な実施の態様としては、前記支持構造体が、前記固定電極を固定するための電極固定孔を有し、前記固定電極が、前記固定電極の対向面が前記凹部の底面と略同一平面上になるように、前記電極固定孔に固定されることが望ましい。

また、本発明に係る静電容量型圧力センサの製造方法は、圧力により変位するダイアフラムと固定電極との間の静電容量の変化を検出して圧力を測定する静電容量型圧力センサの製造方法であって、基材に、前記固定電極と前記ダイアフラムとの対向面の距離を規定する凹部、及び当該凹部の底面に開口し、前記固定電極を固定するための電極固定孔を形成して、支持構造体を形成する構造体形成ステップと、前記固定電極とともにガラス材を前記電極固定孔に入れ、前記凹部底面に対して前記固定電極の対向面の位置決めを行う位置決め構造を有する治具により、前記支持構造体、前記固定電極及び前記ガラス材を仮固定する仮固定ステップと、仮固定された前記支持構造体、前記固定電極及び前記ガラス材を炉内で加熱し、前記ガラス材を融解させて、前記支持構造体に前記固定電極をガラス融着する融着ステップと、前記融着ステップにより前記固定電極がガラス融着された前記支持構造体の前記凹部を覆うように、前記凹部の開口周縁部に前記ダイアフラムを溶接する溶接ステップと、を具備することを特徴とする。

さらに、本発明に係る静電容量型圧力センサの製造方法は、圧力により変位するダイアフラムと固定電極との間の静電容量の変化を検出して圧力を測定する静電容量型圧力センサの製造方法であって、基材に、前記固定電極を固定するための電極固定孔を形成する固定孔形成ステップと、前記固定電極とともにガラス材を前記電極固定孔に入れ、前記基材、固定電極及びガラス材を治具により仮固定する仮固定ステップと、仮固定された前記基材、固定電極及びガラス材を炉内で加熱し、前記ガラス材を融解させて、前記基材に前記固定電極をガラス融着する融着ステップと、前記融着ステップにより固定電極がガラス融着された基材において、前記電極固定孔が開口する端面に凹部を形成するとともに、当該凹部底面と前記固定電極の端面とが同一平面上となるように研磨する研磨ステップと、前記研磨ステップにより形成された凹部を覆うように、前記凹部の開口周縁部に前記ダイアフラムを溶接する溶接ステップと、を具備することを特徴とする。

このように構成した本発明によれば、支持構造体とダイアフラムとの溶接時における熱応力による歪みを可及的に小さくするとともに、支持構造体とダイアフラム間の剛性を大きくして、固定電極及びダイアフラム間の距離の変化を可及的に小さくして、圧力センサの出力を安定させることができる。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、図１は本実施形態に係る静電容量型圧力センサ１を示す模式的構成図であり、図２は静電容量型圧力センサ１の製造方法の説明図である。

＜装置構成＞

本実施形態に係る静電容量型圧力センサ１は、全圧真空計の絶対圧計測型に該当する静電容量型ダイアフラム真空計であり、圧力により変位するダイアフラム３と固定電極２との間の静電容量の変化量を検出して、その変化量を圧力に換算して圧力を測定するものである。なお、圧力に換算される静電容量は、固定電極２とダイアフラム３との距離に反比例する。

具体的にこのものは、固定電極２と、当該固定電極２に対向して設けられたダイアフラム３と、固定電極２及びダイアフラム３を支持する支持構造体４と、を備えている。

固定電極２は、金又は白金等の簡単に腐食しない金属の導体から形成されるものである。本実施形態の固定電極２は、後述する電極固定孔４２に挿入され固定されるために、概略円柱形状をなす。また、固定電極２の後端部には、静電容量の変化を検出するためのリード線（図示しない）が接続されている。このリード線は、静電容量の変化量を圧力信号に変換する演算部（図示しない）に接続されている。

ダイアフラム３は、固定電極２のダイアフラム側面である一端面（対向面）２０１とともに、コンデンサを構成するものである。このダイアフラム３は、外部の微少な圧力変化により弾性変形するものであり、本実施形態では、耐食及び耐熱性に優れた金属膜である。具体的にはダイアフラム３は、インコネルから形成された薄膜である。膜の厚みは、外部の圧力変化に対する感度を上げるために数十μｍである。なお、金属膜を薄くし過ぎると、膜が塑性変形を起こしてしまう可能性があるため、各測定レンジ別に適切な膜を選定する必要がある。

支持構造体４は、固定電極２及びダイアフラム３を一体的に固定するものであり、本実施形態では、ステンレス鋼により一体成型された概略円柱形状をなすものである。

支持構造体４の一端面４０１には、支持構造体４の中心軸Ｃと同軸上に平面視概略円形状をなす凹部４１が形成されている。この凹部４１は、固定電極２及びダイアフラム３間に圧力センサとして機能するための所定の静電容量が形成されるように、固定電極２とダイアフラム３との対向面２０１、３０１間の距離（ギャップ）を規定するものである。具体的には凹部４１の深さにより、固定電極２とダイアフラム３との対向面２０１、３０１間の距離が決まり、その深さは、例えば２５μｍ〜２００μｍである。凹部４１の開口周縁部には、ダイアフラム３が溶接される。ここで、開口周縁部とは、支持構造体４の一端面４０１において、凹部４１が形成されていない部分である。これにより、ダイアフラム３の電極側面である対向面３０１の固定電極２に対する位置は、凹部４１の開口周縁部４０１と同一平面上になる。

そして、その支持構造体４には、その中心軸Ｃと同軸上に電極固定孔４２が形成されている。この電極固定孔４２は、支持構造体４の両端部に開口するものであり、一端開口部は、前記凹部４１の中央部において、凹部４１と同心円上に開口する。また、電極固定孔４２には、固定電極２が固定される。詳細には、固定電極２の一端面２０１が、凹部４１の底面４１１と略同一平面上となるように、固定電極２が、電極固定孔４２内にガラス融着される。

なお、固定電極２の一端面２０１と凹部４１の底面４１１との位置関係を変更することにより、静電容量型圧力センサ１の測定精度を微調節することができる。つまり、固定電極２の一端面２０１を凹部４１底面４１１よりも、実質的に同一平面と見なせる程度において、若干出っ張らせたり、若干引っ込めたりすることにより、所望の測定精度を実現することができる。

＜静電容量型圧力センサの製造方法＞

以下、本実施形態に係る静電容量型圧力センサ１の製造方法について図２を参照して説明する。

まず、ステンレス製の基材１００を準備する（図２（Ａ））。この基材１００の形状は特に限定されないが、例えば回転体形状、より具体的には円柱形状をなすものである。

そして、基材１００に切削などの機械加工により、固定電極２とダイアフラム３との対向面２０１、３０１の距離を規定する凹部４１、及び当該凹部４１の底面４１１に開口し、固定電極２を固定するための電極固定孔４２を形成して、支持構造体４を形成する（構造体形成ステップ、図２（Ｂ））。なお、基材１００が円柱形状でない場合には、このステップにおいて、円柱形状に機械加工する。

次に、構造体形成ステップにより形成された支持構造体４の電極固定孔４２に固定電極２及びガラス材５を入れる（図２（Ｃ））。本実施形態では、電極固定孔４２内での固定電極２の位置決めを容易にする観点、及びガラス材５の取り扱い容易の観点から、ガラス材５としてガラス管を用いている。このガラス管の外径は、電極固定孔４２の内径よりも若干小さく、ガラス管の内径は、固定電極２の外径よりも若干大きい。これにより、ガラス管に固定電極２を挿入し、その固定電極２が挿入されたガラス管を電極固定孔４２内に挿入することにより、固定電極２は、電極固定孔４２と略同軸上に位置することになる。

そして、凹部４１の底面４１１に対して固定電極２の対向面（一端面）２０１の位置決めを行う位置決め構造６１を有する治具６により、支持構造体４、固定電極２及びガラス材５を仮固定する（仮固定ステップ、図２（Ｄ））。この治具６は、固定電極２の一端面２０１と、凹部４１の底面４１１とが略同一平面上（面一）となるように、支持構造体４、固定電極２及びガラス材５を固定するものである。位置決め構造６１は、電極固定孔４２の開口を覆うとともに、凹部４１の底面４１１に面接触する平面部である。この平面部は、凹部に入る支持構造体４の凸部の頂面に形成されている。

そして、仮固定ステップにおいて、治具６により仮固定された支持構造体４、固定電極２及びガラス材５を炉内で加熱し、ガラス材５を溶解させて、前記支持構造体４に固定電極２をガラス融着により固定する（融着ステップ）。

その後、支持構造体４の凹部４１を覆うように、凹部４１の開口周縁部４０１にダイアフラム３を溶接する（溶接ステップ、図２（Ｅ））。

以上の工程により、本実施形態の静電容量型圧力センサ１が製造される。このように、支持構造体４を形成した後に、固定電極２をガラス融着させて固定させているので、各部品の加工を極めて簡単に行うことができる。

＜本実施形態の効果＞

このように構成した本実施形態に係る静電容量型圧力センサ１によれば、支持構造体４を一体成型することにより、シム部材を不要にして溶接箇所を少なくすることができ、支持構造体４とダイアフラム３との溶接時における熱応力による歪みを可及的に小さくすることができる。また、一体成型によりシム部材を用いない構造にすることができ、支持構造体４とダイアフラム３間の剛性を大きくして、固定電極２及びダイアフラム３間の距離の変化を可及的に小さくすることができ、当該距離を安定させることができる。したがって、例え半導体製造装置、蒸着装置等の応用製品に取り付けた場合であっても、静電容量型圧力センサ１の経時的な出力を安定させることができる。

＜その他の変形実施形態＞

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

例えば、静電容量型圧力センサ１の製造方法は、前記実施形態の他に、図３に示す製造方法も考えられる。以下、この製造方法について説明する。

まず、ステンレス製の基材１００を準備する（図３（Ｆ））。この基材１００の形状は特に限定されないが、例えば回転体形状、より具体的には円柱形状をなすものである。

そして、基材１００に機械加工により、固定電極２を固定するための電極固定孔４２を、基材１００の中心軸と同心軸上に形成する（固定孔形成ステップ、図３（Ｇ））。なお、基材１００が円柱形状でない場合には、このステップにおいて、円柱形状に機械加工する。

次に、固定電極２とともに、ガラス材５を電極固定孔４２に入れ、基材１００、固定電極２及びガラス材５を治具により仮固定する（仮固定ステップ、図３（Ｈ））。この変形実施形態では、基材１００、固定電極２及びガラス材５（ガラス管）の長さがほぼ同一であり、治具６により上下方向から両端面を狭持することにより、それらを仮固定する。また、ガラス材５としてガラス管を用いることは、前記実施形態と同様である。

そして、仮固定された基材１００、固定電極２及びガラス材５を炉内で加熱し、ガラス材５を溶解させて、基材１００に固定電極２をガラス融着する（融着ステップ）。治具６を取り外した後、凹部４１を形成する一端面を平坦に研磨する。

融着ステップにより固定電極２がガラス融着された基材１００において、電極固定孔４２が開口する端面に凹部４１を研磨により形成するとともに、当該凹部４１の底面４１１と固定電極２の端面とが同一平面上となるように研磨する（研磨ステップ、図３（Ｉ））。

その後、研磨ステップにより形成された凹部４１を覆うように、凹部４１の開口周縁部４０１にダイアフラム３を構成する金属膜を溶接する（溶接ステップ、図３（Ｊ））。

以上の工程により、本実施形態の静電容量型圧力センサ１が製造される。なお、図５に示すように、固定孔形成ステップ（図５（Ｇ））において、電極固定孔４２と同時に凹溝４３を設けておくと、研磨ステップ（図５（Ｉ））における研磨が容易になる。

なお、溶接ステップの前に、支持構造体の開口周縁部をラッピングフィルム等により研磨しても良い。これにより、固定電極とダイアフラムとの対向面の距離を精度良く一定に調整することができる。

また、ガラス材５としては、ガラス管の他に、粒状のガラス材５や、部分円環状のガラス材５などを用いても良い。

さらに、前記実施形態では、支持構造体４の一端面４０１に凹部４１を設けたものであったが、図４に示すように、支持構造体４の一端面４０１に平面視概略円形状をなす突条部４３を設けるようにしても良い。この場合、突条部４３の内側が凹部４１であり、凹部４１の開口周縁部は、突条部４３の頂面４３１である。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係る静電容量型圧力センサの模式的断面図。 同実施形態における静電容量型圧力センサの製造方法の説明図。 静電容量型圧力センサのその他の製造方法の説明図。 変形実施形態に係る静電容量型圧力センサの模式的断面図。 変形実施形態に係るその他の製造方法の説明図。

符号の説明

１ ・・・静電容量型圧力センサ
２ ・・・固定電極
２０１・・・固定電極の対向面（一端面、ダイアフラム側面）
３ ・・・ダイアフラム
３０１・・・ダイアフラムの対向面（電極側面）
４ ・・・支持構造体
４１ ・・・凹部
４１１・・・凹部の底面
４２ ・・・電極固定孔
４３ ・・・凹溝
５ ・・・ガラス材
６ ・・・治具
６１ ・・・位置決め構造

Claims (4)

1. 圧力により変位するダイアフラムと固定電極との間の静電容量の変化を検出して圧力を測定する静電容量型圧力センサであって、
   前記固定電極と前記ダイアフラムとの対向面の距離を規定する凹部を有し、前記固定電極の対向面が、前記凹部の底面と略同一平面上に設けられ、前記ダイアフラムが、前記凹部を覆うように前記凹部の開口周縁部に溶接される一体成型された支持構造体を具備する静電容量型圧力センサ。
2. 前記支持構造体が、前記固定電極を固定するための電極固定孔を有し、
   前記固定電極が、前記固定電極の対向面が前記凹部の底面と略同一平面上になるように、前記電極固定孔に固定される請求項１記載の静電容量型圧力センサ。
3. 圧力により変位するダイアフラムと固定電極との間の静電容量の変化を検出して圧力を測定する静電容量型圧力センサの製造方法であって、
   基材に、前記固定電極と前記ダイアフラムとの対向面の距離を規定する凹部、及び当該凹部の底面に開口し、前記固定電極を固定するための電極固定孔を形成して、支持構造体を形成する構造体形成ステップと、
   前記固定電極とともにガラス材を前記電極固定孔に入れ、前記凹部の底面に対して前記固定電極の対向面の位置決めを行う位置決め構造を有する治具により、前記支持構造体、前記固定電極及び前記ガラス材を仮固定する仮固定ステップと、
   仮固定された前記支持構造体、前記固定電極及び前記ガラス材を炉内で加熱し、前記ガラス材を融解させて、前記支持構造体に前記固定電極をガラス融着する融着ステップと、
   前記融着ステップにより前記固定電極がガラス融着された前記支持構造体の凹部を覆うように、前記凹部の開口周縁部に前記ダイアフラムを溶接する溶接ステップと、を具備する静電容量型圧力計の製造方法。
4. 圧力により変位するダイアフラムと固定電極との間の静電容量の変化を検出して圧力を測定する静電容量型圧力センサの製造方法であって、
   基材に、前記固定電極を固定するための電極固定孔を形成する固定孔形成ステップと、
   前記固定電極とともにガラス材を前記電極固定孔に入れ、前記基材、固定電極及びガラス材を治具により仮固定する仮固定ステップと、
   仮固定された前記基材、固定電極及びガラス材を炉内で加熱し、前記ガラス材を融解させて、前記基材に前記固定電極をガラス融着する融着ステップと、
   前記融着ステップにより固定電極がガラス融着された基材において、前記電極固定孔が開口する一端面に凹部を形成するとともに、当該凹部の底面と前記固定電極の端面とが同一平面上となるように研磨する研磨ステップと、
   前記研磨ステップにより形成された凹部を覆うように、前記凹部の開口周縁部に前記ダイアフラムを溶接する溶接ステップと、を具備する静電容量型圧力センサの製造方法。