JP5997771B2 - 改良された電極構造体を有する静電容量型圧力センサ - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１１年９月２９日に出願された米国特許出願第１３／２４８５２１号の権利を主張するものである。米国特許出願第１３／２４８５２１号は、スティーヴン・ディー・ブランケンシップ（Ｓｔｅｖｅｎ Ｄ．Ｂｌａｎｋｅｎｓｈｉｐ）名義で２０１１年２月１日に出願された、「静電容量型圧力センサ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ）」（代理人整理番号０８６４００−００５６（ＭＫＳ−２１７））という名称の米国特許出願第１３／０１８，９４１号の一部継続出願であり、同様にこの特許出願は、スティーヴン・ディー・ブランケンシップ（Ｓｔｅｖｅｎ Ｄ．Ｂｌａｎｋｅｎｓｈｉｐ）名義で２０１０年２月２日に出願され現譲受人に譲渡された、「静電容量型圧力センサ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ）」（代理人整理番号０５６２３１−０９８４（ＭＫＳ−２１７ＰＲ））という名称の米国特許仮出願第６１／３００，６２０号に基づき、また、これに対する優先権を主張している。前述の特許出願は、参照として全体が本明細書に組み入れられる。

本開示は、概して静電容量型圧力センサに関し、さらに詳細には、特に非常に低い（真空）圧力下で非常に正確かつ精密な測定を行う改良されたセンサに関する。

圧力変換器は数えきれないほどの適用例で用いられてきた。このような変換器のひとつとして、ガスや蒸気などの流体の圧力を非常に正確かつ精密に測定する静電容量型圧力計がある。適用例には、真空下における処理の精密制御および半導体処理制御が含まれる。例えば、半導体エッチング処理および物理蒸着が含まれる。

静電容量型圧力計には、典型的には、（ａ）電極構造体を形成するまたは有する可撓性のダイヤフラムと、（ｂ）ダイヤフラムとの間に静電容量を確立するように、ダイヤフラムから間隔を空けて配置された固定電極構造体とが使用される。ダイヤフラムの片側に対する圧力が、ダイヤフラムの反対側に対する圧力に対して変化すると、ダイヤフラムが湾曲し、この差圧に応じて、ダイヤフラムの電極構造体と固定電極構造体との間の静電容量が変化する。通常、ダイヤフラムの片側のガスまたは蒸気が測定されている圧力（Ｐｘ）であり、ダイヤフラムの反対側のガスまたは蒸気が既知の基準圧力（Ｐｒ）である。後者は、大気圧、または所定の高圧もしくは低圧（真空）であり、よって、ダイヤフラムの測定側に対する圧力を、静電容量測定値に応じて決めることができる。

極低圧（高真空）を必要とする多くの適用例が以前から現在に引き続き開発されており、その結果、このような低圧を測定することのできる静電容量型圧力計の必要性が生じている。しかし、低圧下で圧力を非常に正確かつ精密に測定するために静電容量型圧力計の感度を高めることは、設計上の課題を伴う。極低圧（高真空）を測定するために、小さな圧力の変化を検出するよう、静電容量型圧力計の可撓性のダイヤフラムと固定電極構造体の間のギャップを、非常に狭くする必要がある。

ギャップを非常に狭くすることの欠点は、ダイヤフラム両端の差圧の測定とは無関係な、電極ギャップ形状のより小さな変化も検出されることである。このような好ましくない電極ギャップ形状の変化のひとつとして、電極ギャップ間隔の変化がある。当業者においては、２重電極の設計手法を用いて電極ギャップ間隔の変化の影響を減少させるのが一般的なやり方であるが、電極ギャップ間隔をうまく制御することで、センサ出力の安定性がさらに高まる。このことは、狭い電極ギャップを利用することで可能となる極低圧（極めて小さなダイヤフラムのたわみ）を測定する場合に、特に重要である。

静電容量測定は、平行板静電容量Ｃに関する以下の周知の式に基づく。
Ｃ＝ｅ_ｒｅ_ｏＡ／ｓ
式中、Ｃは２つの平行板の間の静電容量であり、
ｅ_ｏは自由空間の誘電率であり、
ｅ_ｒは平行板の間の物質の比誘電率（真空では、ｅ_ｒ＝１）であり、
Ａは平行板の間の共通面積であり、
ｓは平行板の間の間隔である。

この式に基づくと、静電容量のわずかな変化が各測定電極の電極ギャップ間隔のわずかな変化の負数に等しいという関係を、導き出すことができる（ΔＣ／Ｃ＝−ΔＳ／Ｓ）。

つまり、各測定電極の静電容量を安定して制御するためには、電極ギャップ間隔をうまく制御した状態を維持することが重要である、ということが容易に分かる。単純な２重電極の設計では、これらの影響は、任意の数のブリッジ回路やその他の電気的測定方法を用いた所定の電気測定技術における平坦なダイヤフラムおよび電極構造体（それぞれが実平面からの平面度偏差および傾斜偏差の異なる実際の値を有する）において、ゼロ差圧下で１次まで平衡を保たれている。センサは極低圧（極めて小さなダイヤフラムたわみ）を測定するように構成されるので、最小圧力の安定した検出を達成するために圧力測定の不確実性を適切な低いレベルにまで下げるには、安定した電極ギャップを作らずに電極の平衡を維持するだけでは十分ではない。

静電容量測定は、固定電極構造体とダイヤフラム耐圧要素の間の変位の変化を検出することを目的とするので、１つの誤差原因が、固定電極構造体の形状および位置のあらゆる変化につながり、そのような変化により、圧力とは無関係なセンサ出力の変化が生じる。

圧力測定システムの良好な精度を維持するためには、システムの所望精度の範囲内において、センサの静電容量レベルの変化の一因となり得るセンサ形状の重要な側面を制御することが必要である。

再現性および安定性に関して、電極支持体が固定される従来の静電容量型圧力センサでは、電極支持体とセンサハウジングの間の伸張差の影響が考慮されていない。温度変化や時には周囲圧力の変化の作用によってこれらの構成要素の間で起こるずれは、いずれも、大きな蓄積したせん断力の結果である。その大きな蓄積したせん断力は、クランプされた接合部のいずれかにおいて摩擦結合力を上回ると、続いて放出される。これら非保存力の変化は、嵌合している構成要素の相対的な横方向の位置が概して再現されず、また予測することも補うこともできないというような、機械的ヒステリシスをもたらす。

例示的な静電容量型圧力センサの構成が、米国特許第６，１０５，４３６号明細書に記載されている。これらの装置は、独立型または一体型のどちらかの「適合リング」を利用して、電極ディスクアセンブリとセンサハウジングの間に発生するあらゆる機械的ひずみを除去または減少させる。

上述の「一体化型」の適合リングは、電極ディスクとダイヤフラムの間の良好な位置決めを行い、電極構造体の機械的ひずみを減少させるという効果的な役目を果たすが、その厚みを単に減少させるだけでも、半径方向のばね定数が実際上最小になる可能性があり、依然として制限される。

米国特許第７，７５７，５６３号 米国特許第７，７０６，９９５号 米国特許第７，６２４，６４３号 米国特許第７，４５１，６５４号 米国特許第７，３８９，６９７号 米国特許第７，３１６，１６３号 米国特許第７，２８４，４３９号 米国特許第７，２０１，０５７号 米国特許第７，１５５，８０３号 米国特許第７，１３７，３０１号 米国特許第７，０００，４７９号 米国特許第６，９９３，９７３号 米国特許第６，９０９，９７５号 米国特許第６，７３５，８４５号 米国特許第６，６７２，１７１号 米国特許第６，５６８，２７４号 米国特許第６，１０５，４３６号 米国特許第６，０２９，５２５号 米国特許第５，９６５，８２１号 米国特許第５，９４２，６９２号 米国特許第５，９３２，３３２号 米国特許第５，９１１，１６２号 米国特許第５，８０８，２０６号 米国特許第５，６２５，１５２号 米国特許第５，２７１，２７７号 米国特許第４，８２３，６０３号 米国特許第４，７８５，６６９号 米国特許第４，４９９，７７３号 米国特許出願公開第２００９／０２５５３４２号 米国特許出願公開第２００７／００２３１４０号 米国特許出願公開第２００６／００７０４４７号 米国特許出願公開第２００６／００００２８９号 米国特許出願公開第２００５／０２６２９４６号 米国特許出願公開第２００４／０２１１２６２号 米国特許出願公開第２００４／００９９０６１号

低圧での圧力計の測定性能を改良するために、低圧での測定において電極ギャップの形状制御を改良することができる静電容量型圧力センサが必要とされている。

改良された静電容量型圧力計の一態様によれば、圧力計は、
（ａ）共通電極を有するダイヤフラムと、（ｂ）中心電極およびリング電極を有する電極構造体と、
前記ダイヤフラムが前記電極構造体に対して拘束され、前記共通電極が、前記中心電極および前記リング電極から間隔を空けて配置されるとともに、前記圧力計の整列軸に対して前記中心電極および前記リング電極と軸方向に整列されるように、前記ダイヤフラムを支持するように配置されるダイヤフラム支持構造体と、
前記電極構造体を支持するように配置され、前記整列軸の周りに角度間隔を空けて配置される少なくとも３つの湾曲部が一体的に形成される適合リングを有する電極支持構造体と、
を備え、
前記ダイヤフラムは、（ｉ）前記ダイヤフラムの両側にかかる圧力が同じ場合のゼロ位置と、（ｉｉ）前記ダイヤフラムに最大測定可能差圧が加えられた場合の最大差動位置との間で、電極構造体に対して可動であり、
前記固定電極構造体は、前記適合リングの湾曲部の位置で前記ダイヤフラムに対して所定の位置に軸方向に固定され、有効な測定静電容量を形成する。

これらの構成要素、ならびに他の構成要素、ステップ、特徴、目的、利点、および効果は、以下の例示的な実施の形態の詳細な説明、添付の図面、および特許請求の範囲を考察することによって明らかになるだろう。

図１は、本発明の実施の形態に係る、本明細書で説明されている改良を組み入れたセンサの軸に沿った断面図である。 図２は、改良の幾何学的詳細を表す、図１に示す実施の形態の一部をより詳細に示す断面図である。 図３は、図１に示す実施の形態の幾何学的な特徴の一部を示す幾何学的図である。 図４は、センサに使用されるスペーサの上面図である。 図５は、センサの一部を通る、より詳細な軸方向断面図である。 図６は、図７で詳細に示される改良に使用されるスペーサの上面図である。 図７は、追加の改良の詳細を示す、図１に示す実施の形態の一部をより詳細に示す断面図である。 図８は、本発明の別の実施の形態に係る、適合リングを備える静電容量型圧力計の部分的に切り取られた軸方向断面図である。 図９は、図８に示す実施の形態に係る適合リングの斜視図である。

図面は例示的な実施の形態を開示している。図面は全ての実施の形態を説明しているわけではない。他の実施の形態が追加でまたは代わりに使用されてもよい。明白または不要であり得る詳細は、スペース節約のため、またはさらに効果的な図示のため、省略される場合がある。反対に、実施の形態によっては、開示されている詳細が全てなくても実施されてもよい。異なる図面に同じ符号が出てくる場合、同じであるか同様の構成要素またはステップを参照している。

以下に、例示的な実施の形態を検討する。他の実施の形態が追加でまたは代わりに使用されてもよい。明白または不要であり得る詳細は、スペース節約のため、またはさらに効果的な図示のため、省略される場合がある。反対に、実施の形態によっては、開示されている詳細が全てなくても実施されてもよい。

本発明の一態様によれば、フープ応力を取り除くために、一連のスロットが一体化タイプの適合リングに導入され、これにより、（半径方向の）厚みをさらに減少させる必要なく、電極ディスク支持体の箇所で半径方向のばね定数を低減させることができる独立した一連の湾曲部が形成される。この構成により、この要素の実用可能な厚みを維持しつつ、半径方向のばね定数と、電極ディスクとセンサハウジングの間の半径方向の最大可能せん断負荷とを効果的に減少させる。

最低圧力を精密に測定するためには、重要なセンサ形状に対する制御の改良が必要とされる。本明細書に記載の改良を用いると、温度および気圧に対する電極構造体形状の最大可能変化を減少させることができる。これらの環境影響は全て、電極ディスクとセンサハウジングの間の半径方向のせん断負荷の一因となる。

典型的には電極ディスクはセラミック材料であり、典型的にはセンサハウジングは金属製であるので、熱膨張係数の差によって、電極ディスクとセンサハウジングは温度変化に応じて異なる速度で伸縮する。熱膨張係数が厳密に一致した材料を用いたとしても、温度勾配によって、電極ディスクとセンサハウジングとに伸張差が生じる可能性がある。

周囲圧力とセンサ作動圧力の差圧により、センサハウジングにおいて機械負荷および変形が生じる。その一部は、測定電極構造体の局所的な寸法変化という点ではかなり弱められるとはいえ、内部アセンブリへと伝えられる。これらの負荷は、何らかの形で低減されるか分離されない限り、電極構造体において、低範囲のセンサ出力において観察可能な低レベルの機械的ひずみおよび変形を誘発する可能性がある。

本明細書に記載の改良の一態様によれば、電極構造体に存在し得る機械的ひずみおよびせん断力を低減しやすくする構造が提供される。

温度および気圧の変化に応じて弾力的に動作する適合部材を設計し、また、半径方向のばね定数を低くして半径方向のコンプライアンスを高めることにより、電極支持構造体にかかるこのような熱負荷および機械負荷の影響に対し、より有利な作動状況が実現される。これにより、システム作動中に生じる電極構造体の変形が低減され、結果として、環境要因に対して起こり得る電極構造体形状への非保存性変化が低減されるだけでなく、圧力測定システムの正確性および安定性が高まる。このように、較正されたシステムの精度が保たれる。

電極ディスクとセンサハウジングの間に生じる最大可能せん断力に対して、このような環境要因の影響を減少させることが重要であるのは、せん断力が電極ディスクとセンサハウジングの間の摩擦結合力を上回ると、このようなせん断力の変化とそれに続く電極構造体形状の変化は一般に再現ができず補正することができないからである。せん断力が摩擦結合力を上回ると、電極ディスクと、センサハウジングと一体化した適合リングの湾曲部との間にずれが生じ得る。

本明細書に記載の改良の別の態様によれば、電極ディスクとセンサハウジングの間の最大可能せん断負荷が減少し、また、上述の影響に関係するあらゆるセンサ出力のずれが減少する。そのことにより、上述の非保存的影響を原因とする機械的ヒステリシスの大きさが減少する。電極構造体形状の最大可能変化量が減少し、最小の電極ギャップを有する最低圧力範囲のためのシステム精度の維持を改善することができる。

電極構造体およびダイヤフラムの形状の起こり得る変化には、電極ディスクの屈曲、電極ディスクの横方向のポアソン収縮、電極支持体近傍のダイヤフラム境界の位置の変化と、それに続く、機器の作動圧力範囲内におけるゼロ差圧から任意の圧力までのダイヤフラム形状の変化が含まれる。

静電容量測定は、電極ギャップ領域のあらゆる点におけるダイヤフラムに対する電極ディスクの導体と誘電体とのギャップの大きさに直接基づくため、電極ディクスとセンサハウジングの間のせん断力の大きさおよび変化によって生じる、このような個々の静電容量の変化は、圧力の変化による静電容量の変化と区別できない。本発明は、このようなせん断力、機械的ひずみとそれに付随する電極ギャップ形状の変化を低減するため、これらの静電容量をより安定に測定でき、したがって、圧力測定の安定性および精度が改善される。

向上する点として、作動温度範囲の増大、較正された精度の維持の改善、温度および気圧に対する圧力測定の良好な精度および改良された安定性を有する、より低範囲の機器を製作する能力があり、また超過圧力に対するしっかりとした性能が維持される。

図面を参照すると、図１に示された静電容量型圧力計１０は、固定電極構造体１４および可撓性のダイヤフラム１６を支持するハウジング１２を有する。ハウジング１２は、処理ハウジング部１８および基準ハウジング部２０を有することができ、２つのハウジング部は可撓性ダイヤフラム１６により分割されている。処理ハウジング部１８は、Ｐｘカバー２２を有する。基準ハウジング部２０は、リング２４およびＰｒカバー２６を有する。図示された実施の形態において、基準ハウジング部２０のリング２４は、固定電極構造体１４および可撓性ダイヤフラム１６が、所定サイズのギャップ３０により分離されて、安定して間隔を空けて配置された関係に維持されるように、それらを所定の関係において収容し支持する空洞２８を有する。図示されるように、固定電極構造体１４は、セラミック材料などの電気絶縁材料から成る、剛性で非可撓性の構造体として形成された基板３２を有する。基板３２の周縁には、ハウジング１２に設けられるスペーサリング３６の肩部を係合する突出部３４を設けることができ、突出部３４を、固定リング３８および波形ばね４０によって所定の位置に固定することができる。電極ギャップ間隔を所定値にちょうどいい具合に設定するために、１以上の薄いスペーサ４１を用いてもよい。さらに、波形ばねの空洞の高さを既定値に設定するために１つ以上の薄いスペーサ４３を用い、超過圧力に対する性能を設計する目的と、共通電極ダイヤフラム１６、ハウジングリング２４、および半径方向の適合スペーサリング３６との安定した幾何学的関係において電極ディスク構造体を固定するのに必要な摩擦結合力とに一致する既定値に、固定力を設定してもよい。一実施の形態において、基板３２とハウジングリング２４およびスペーサリング３６とが半径方向に適切な間隔を空けて配置された状態で、固定電極構造体１４の中心が中心軸４２の中心に置かれるように、基板３２のサイズおよび形状を、スペーサリング３６とロック用リング３８の間に位置付けられた場合に基板がハウジング１２内に正確に位置付けられるようなものとすることができる。この構成により、電極と金属ハウジング２４の間の浮遊静電容量と、電極ディスクの半径方向の位置の小さな変化に対する浮遊静電容量の変化とが、効果的に減少する。波形ばね４０は、軸４２の周りに１２０°に等角に間隔を空けて配置された少なくとも３つの位置で、半径方向に可撓性を有するロック用リング３８および薄いスペーサ４３を通じて、固定電極構造体１４の突出部３４に接触して軸方向の力を及ぼすように設計されている。同様に、波形ばね４０は、軸４２の周りを１２０°変位し、圧力計１０が完全に組み立てられたときに固定電極構造体１４の突出部３４との接触位置から６０°変位する少なくとも３つの位置で、Ｐｒカバー２６に接触して逆の力を及ぼすように設計されている。また、固定電極構造体１４は、中心軸４２に対して同心円状に位置付けられる中心電極４４と、好ましくは中心電極４４および中心軸４２と同心円状のリング状の外側電極４６を有する。

可撓性のダイヤフラム１６は、共通電極を形成するように、適切な導電性材料の層もしくはコーティングから形成されるか、適切な導電性材料の層もしくはコーティングを有する。ダイヤフラム１６は、その片側に処理圧力（Ｐｘ）チャンバ５０、反対側にギャップ３０を有する基準圧力（Ｐｒ）チャンバが形成されるように、ハウジングに固定される。なお、ギャップ３０とハウジングのＰｒ部の残りの部分との間で圧力を均一にする経路を、可撓性ダイヤフラムと基準ハウジング部２０の間に（例えば、エッチングされたスペーサの薄くなった部分を通じて）設けることができる。ダイヤフラムは、処理圧力チャンバ５０を基準圧力チャンバのギャップ３０から封止するようにハウジングに固定され、これによって２つのチャンバを異なる圧力に維持することができる。測定されるガスまたは蒸気は、Ｐｘカバー２２の一部に画定されるガス流入口５２を通じて、処理チャンバ５０に導入することができる。正常作動下では、絶対圧力センサとして機能する静電容量圧力計１０および基準空洞２８（および電極ギャップ３０）は真空下で密封され、また、一実施の形態では、基準空洞２８および電極ギャップ３０において非常に低い圧力（機器の最小分解能よりもかなり低い）を与えるために、基準ハウジング部２０に非蒸発性ゲッター真空ポンプ５４が設けられる。これは絶対真空基準であり、これに対して処理圧力が比較される。この形態において、ダイヤフラム両側の差圧が絶対圧力測定値である。別の構成方法では、供給源から基準圧力下のガスを、または周囲の外気から周囲圧力下のガスを基準チャンバに導入するために、基準ハウジング部２０のゲッターアセンブリ５４の代わりに第２のガス流入口を用いる。したがって、ギャップ３０を有する基準チャンバは、既定の基準圧力下のガスまたは蒸気を含有する。なお、基準圧力チャンバが処理圧力チャンバとして機能し、処理圧力チャンバが基準圧力チャンバとして機能するように、２つのチャンバを入れ替えることができ、その場合、例えばその処理ガスは、ギャップ３０を有するチャンバに設けられる電極および他の材料に関して不活性である。

中心電極４４および外側電極４６は、好ましくは均一の厚みを有し全体が同じ平面にあるように、好ましくは基板３２の表面に配置される平面電極である。中心電極４４およびリング電極４６に対して、適切な導線（図示せず）がそれぞれ設けられる。一実施の形態において、共通電極ダイヤフラム１６はハウジング部２０と一体的に形成されており、これは電気的接続である。別の構成では、ダイヤフラム１６の共通電極に対して導線（図示せず）を設けることができる。好ましい実施の形態において、電極フリンジの静電容量を制御し、ハウジング２０への浮遊静電容量を最小限に抑え、ゼロ差圧下の２重電極静電容量バランスを調整するために、測定電極に対して電気的ガード４５が基板３２に設けられる。導線は、静電容量測定装置（図示せず）に適切に接続される。

圧力がダイヤフラム両側で同じ場合、すなわちゼロ差圧の場合、共通電極により画定される面が、中心電極４４および外側電極４６ならびに電気的ガード４５の面に実質的に平行であるように、ダイヤフラム１６がハウジング内に固定されることが好ましい。流入口５２を通じて処理圧力チャンバ５０に導入されるガスまたは蒸気が基準チャンバの基準圧力とは異なる圧力下にある場合、ダイヤフラムは湾曲し、ダイヤフラム１６の共通電極と中心電極４４の間の静電容量は、ダイヤフラム１６の共通電極と外側電極４６の間の静電容量とは異なる、ある静電容量に定まる。電気的ガード４５は、この領域で浮遊静電容量のための経路を遮断することで、電極と金属製ハウジングの間の寄生浮遊静電容量を減少させる。図１に示されるように、基板３２の外径とハウジングリング２４との間の大きく均一なギャップを利用することにより、また、図１に示されるように、電極ディスクの周辺に電気的ガード４５を配置することにより、電極ディスクがほんのわずかに横方向へ変位することにより生じるこれら浮遊静電容量のいかなる変化も、センサ静電容量の変動幅よりもかなり小さくなり、したがって、圧力測定に無関係なセンサ出力の変化が発生することなく、はるかに正確に差圧を測定することが可能となる。したがって、処理圧力チャンバ５０における圧力は、ダイヤフラム１６の共通電極と中心電極４４の間の測定静電容量と、ダイヤフラム１６の共通電極と外部電極４６の間の測定された静電容量との相関関係である。

このように、ダイヤフラムの共通電極構造体と中心電極４４および外側電極４６各々との間に既定の静電容量が確立され、よって、ダイヤフラムにかかる差圧がゼロの場合に、構造体によって測定可能な「基本」静電容量が定義される。実際には、基本静電容量は、電極ギャップにおける有効静電容量とハウジングへの浮遊静電容量の合計である。また、ダイヤフラムが最大測定可能差圧にさらされた場合、センサの「変動幅」を定義するように、ダイヤフラムの共通電極構造体が電極４４および４６に対してたわむ。センサの変動幅の基準のひとつは「静電容量」の変動幅であり、ゼロ差圧とフルスケール差圧の間の、ダイヤフラム１６の共通電極に対する中心電極４４の静電容量から、ダイヤフラム１６の共通電極に対する外側電極４６の静電容量を引いた差に等しい。ゼロ差圧からフルスケール値までのダイヤフラムのたわみの最大変化量は、ダイヤフラムの長さである。

センサの範囲を定義する主要なパラメータのひとつは電極ギャップ間隔であり、電極ギャップ間隔は、（ギャップ３０を有する）ハウジング部２０の基準チャンバが非常に低い圧力（真空基準圧力）下であり、処理チャンバ５０の機器の分解能より低い圧力下にある状態で、ギャップ３０で示された、（たわみのないゼロ位置での）ダイヤフラム１６の共通電極構造体の面と中心電極４４および外側電極４６の面との間の距離と等しい。所与のセンサ構成について、「基本」静電容量は電極ギャップ間隔により確立される。非常に低い圧力（高真空）を測定するよう設計された静電容量型圧力計は、圧力の非常に小さな変化を非常に高感度で測定することができなければならない。結果として、ダイヤフラム１６の共通電極の面と中心電極４４および外側電極４６の面との間隔は、差圧の小さな変化に応じてダイヤフラムたわみの小さな変化を検出することができるよう、非常に小さくなければならない。

ギャップ３０をより小さくして、より小さな差圧を測定するために圧力計１０をより高感度なものにすると、ダイヤフラム両側の差圧の測定に無関係な電極ギャップの形状変化に対する感度が高くなる。このような好ましくない電極ギャップ形状の変化のひとつとして、電極ギャップ間隔の変化がある。当業者においては、２重電極の設計手法を用いて電極ギャップ間隔の変化の影響を減少させるのが一般的なやり方であるが、電極ギャップ間隔をうまく制御することで、センサ出力の安定性がさらに高まる。このことは、狭い電極ギャップを利用することで可能となる極低圧を測定する場合に、特に重要である。

現在、ますます小さな圧力の測定が必要とされているが、現在の静電容量型圧力センサは、もともと、極低圧を安定して測定するために必要な電極ギャップの安定性を有していない。

本開示に記載の静電容量型圧力計では、装置の構造によってダイヤフラムと電極の間の安定性が高まり、ギャップをより小さくでき、また、より低い差圧を測定できる。そのような構造を設けることで、センサの電極ギャップの寸法安定性が改善され、特に、正常作動条件下でのダイヤフラムに対する電極ディスクの位置決めが改善され、また、特に、温度、気圧、超過圧力、機械的衝撃、振動などの外部からの影響に対して、寸法安定性が改善される。新しい構造が扱う主なセンサパラメータには、電極ギャップ間隔、電極傾斜、および電極ひずみがある。改良によって性能が向上し、同等のフルスケール圧力範囲を測定する従来技術のセンサと比較した場合、変換器（すなわち、センサおよび高レベルの直流出力を供給することができる信号調整電子機器（図示せず））が要する電気的利得をより低くして、（より低い電気的利得の結果として）電気的雑音をより小さくすること、及び、より優れたゼロ安定性能を有することが可能となる。上述した様に、当該センサにより、例えば（ゼロ圧力下での、または、圧力下での）気圧感度が低く、温度係数が小さく、ゼロ点変動が小さいというような、電気的雑音がより小さく、より優れた総合的なゼロ安定性能を有する低圧範囲の機器が得られる。

電極とダイヤフラムの間に、安定した小さなギャップを実現するための従来の努力には、電極ディスクの突出部を、ダイヤフラム支持体のより近くでＰｒリングの段と接触させる目的で、Ｐｒリングハウジング壁を若干薄くすることがある。しかし、ダイヤフラム支持体に段をより近づけるためにＰｒハウジング壁を薄くすると、センサハウジング（Ｐｒリング壁）が弱くなり、製造過程により大きなひずみが生じる。さらに、熱膨張差により誘発される力により生じるひずみや、気圧および外部からの機械的負荷によりセンサに対する面負荷が変化することで生じるひずみに対し、Ｐｒリングの段が弱くなる。

図２に、新しい改良された圧力計と比較した従来技術の圧力計の詳細を示す。従来技術において、ダイヤフラム７４は、１つを６２で示す点の軌跡で、その外縁をリング６０に固定される。同じような方法で、固定電極構造体６４は、その周辺縁部に当てられた環状ディスク（ロックディスク）（図示せず）により所定の位置に保持され、また、１つを７０で示す少なくとも３つの点で、波形ばね（図２に図示せず）により加えられる軸方向の力６８により所定の位置に保持することができる。このように、当該構成により、ダイヤフラムがリング６０に取り付けられる軌跡点６２と電極支持体を所定の位置に保持するために軸方向の力６８が加わる軌跡点７０の間に、立体角が形成される。この角度は４５°として示される。ダイヤフラムが取り付けられる軌跡点（点６２など）の、センサの軸（図１の軸４２など）からの半径方向の距離は、軸周り３６０°で同じである。

本手法の効果は、カンチレバー型の（間接的な）支持とは対照的に、より直接的な支持を行うために、加えられるクランプ負荷のより直下にダイヤフラム境界（および支持体）７２を位置付けるように、圧力計内にダイヤフラムおよび電極構造体を構成し固定することにより達成される。結果としてもたらされる改良された形状は、ダイヤフラム境界支持体７２から電極ディスクのためのＰｒハウジング支持体の交点へと、Ｐｒハウジングとスペーサ６６の境界面７０にも引かれた線の、ダイヤフラム７４の平面に対する角度α（図２および図３を参照）を定義することにより、より解析的な観点から説明することもできる。この形状の利点は２つある。第１に、最も重要なことに、気圧またはＰｘカバーの表面へ外部から加えられる他の負荷に変化が生じた場合、カバーはこの負荷によってたわみ、ダイヤフラム境界のカバーの外径は、外面に対する正圧のため拡張する（サイズが大きくなる）。この拡張によりＰｒハウジングがゆがみ、基本的には、Ｐｒハウジングの下側部分がわずかに回転する。この回転は、８２で示す角度αの変化により近似することができる（図２を参照）。先に述べたように、少なくとも１つの従来技術の圧力計におけるこの角度は、約４５°である。改良された圧力計は、約６０°〜９０°の範囲の値にまでこの角度を大きくするように設計される。図３から分かるように、従来技術例におけるような小さな角度（約４５°）については、この角度の変化量に関し、支持部の高さの比較的大きな変化量ΔＹ_１がある。本設計の一実施の形態の一構成におけるような大きな角度（約７５°）については、支持角度の同じ変化量に関し、固定電極構造体の支持部の高さの比較的小さな変化ΔＹ_２がある。ダイヤフラムに対する電極ディスクの支持部の高さにおけるこの変化量を減少させることで、電極ギャップ間隔の安定性が改善される。第２に、新しい形状の利点では、電極ディスクの上部に加えられる軸方向の負荷がどのように変化しても、支持部の高さの変化がより小さくなり、続いて電極ギャップの安定性が改善されるように、より堅い支持部が得られる。

図２の６８で示されているような波形ばね４０（図１）により加えられる力などの波形ばね力は、温度変化、機械的衝撃および振動により誘発され得るセンサの空洞における波形ばねの取り付けおよび設置の変化、気圧変化によるＰｒカバー２６（図１に示される）のたわみから生じる波形ばねの空洞の高さの変化によって、変化してもよい。本明細書に開示の改良された構造により、電極ディスク支持体（図１のハウジングリング２４およびスペーサリング３６）は、その寸法安定性が改善され軸方向により堅くなり、また、波形ばね４０により及ぼされる力の変動による電極ギャップ間隔の変化が低減される。

このように、改良されたセンサでは、カンチレバー型の（間接的な）支持とは対照的に、より直接的な支持を行うために、加えられるクランプ負荷（６８で示される）のより直下にダイヤフラム境界（図２の７２）を位置付けるように、ダイヤフラムが構成され固定される。これには、２組の軌道点の間の角度を、４５°から、ダイヤフラムと電極ディスク支持体（図１のハウジングリング２４およびスペーサリング３６）の間の軸方向の移動量を大幅に減少させる角度範囲内の角度へと大きくする、という効果がある。最良の結果をもたらす角度範囲は、約６０°〜９０°までの間である。実際には、電極ギャップの安定性を最大にすることと、簡単に高品質の伸張ダイヤフラムを製造することとの設計上の妥協点が、この範囲から選択される。妥協点のひとつとして、８２で示す角度α（図２および図３）が約７５°である場合がある。

角度を大きくするための製造技術のひとつとして、図１に示されるように、リングを２つの部品、つまり、ダイヤフラムの近くの小さな直径を有するもの（Ｐｒリング２４）ともう１つ（スペーサリング３６）にすることである。２つの部品は、溶接などの適切な手段により一緒に固定することができる。この構成により、本発明に必要な形状が得られ、センサハウジング（Ｐｒリング２４およびＰｘカバー２２）に対するダイヤフラム１６の組み立てが容易になる。

さらなる改良は、半径方向の適合スペーサに関する。図５に示す従来の手法では、内部センサ部分が所定の位置に下げられ、持ち上げられたパッド（クランプ負荷が加えられる）１１６は、中心軸１００に対して半径方向にではなく、単に円周方向に並べられる。圧力計は、図５に示される条件下などで組み立てることができ、その場合、スペーサ１０２は、（持ち上げられたパッドにおける）（３つの）クランプ負荷のうちの１つが波形ばね（図示せず）から伝えられる位置１０８で、Ｐｒリング１０６の内部壁１０４に接触するだけである。このように、電極構造体の位置１０８の部分が壁１０４から間隔を空けて配置される一方、位置１０８に対して１８０°反対の位置にある電極構造体は、位置１１０でＰｒリング１０６の内部壁１０４に接触している。

従来技術のセンサではこのような位置合わせ不良があるため、温度が下がり、Ｐｒリング１０６が電極構造体１１２より速く大きく収縮した場合、Ｐｒリングの熱膨張係数は電極ディスクの熱膨張係数よりも大きいため、センサに機械的ひずみを誘発する。収縮差により、クランプ負荷１０７（図５の右側に示される）の位置で半径方向の大きなせん断力が発生し、電極構造体１１２とスペーサ１０２の間の摩擦固定力を上回り、電極ディスクが新たな位置へとずれる。この新たな組み立て位置において以前の温度に戻ると、電極ディスク１１２は、点１０７において反対方向にかかる半径方向の大きな力を受ける。この力の組み合わせにより、電極ギャップを含めてセンサがゆがみ、ダイヤフラムの張力が変化する。これらの変化は、圧力計の精度に好ましくない影響を及ぼす。

上述の改良されたセンサでは、半径方向の位置決めタブ１２０のみがＰｒリングの穴に接触し得るように、そして、持ち上げられたパッド（クランプ負荷が加えられる）１２２が常にＰｒリングの穴に対し半径方向のギャップを有するように設計された、半径方向の適合スペーサリング（図６および図７に示される１１８）が利用される。そのため、温度が下がった時に、半径方向の位置決めタブ１２０がＰｒリングの壁に触れていると、図７の断面図右側に示されるように電極ディスクを支持する持ち上げられたパッドから６０°動かされた位置で、Ｐｒリングが、半径方向内側へスペーサの位置決めタブを駆動する。薄い適合スペーサの６０°部分は可撓性であり、横方向の小さな力のみが固定された接合部（図６の右側の１４０に示される）へと加えられるように、比較的容易に変形する。この構成により、偶発的な力の組み合わせによりセンサがひずみ、続いて圧力計の精度が変化する可能性がなくなる。

図６に示されるように、半径方向の適合スペーサ１１８は、圧力計に配置された時にスペーサを中心に置くように位置付けられた半径方向のタブ１２０を有する。図中、３つのタブが、１２０°の角度間隔を空けて配置されている。タブ１２０は、クランプ負荷が電極構造体に加えられる位置１２２（実施例では３つ）の間（実施例では６０°）で変位する。

図７に示されるように、半径方向の適合スペーサ１１８は、Ｐｒリング１３０の壁１３２とクランプ力が加えられるパッドとの間に常に隙間があるように、Ｐｒリング１３０に取り付けられる。スペーサは、依然として、（図７に示されている断面図から６０°動かされた）半径方向の位置決めタブ（図７に示される断面図から６０°動かされた）において、Ｐｒリング壁に時折触れる場合がある。しかし、固定されていない自由に移動する、薄いスペーサ材料から成る位置決めタブの両側に、可撓性の６０°部分があるため、取り付けパッドの箇所で電極ディスクに加えられるせん断力は大きく減少する。

図８および図９を参照すると、示される実施の形態は、ダイヤフラム１６０を備える静電容量型圧力計１５０である。ダイヤフラム１６０は、その１つの表面１６２に設けられる共通電極（完全には図示せず）を有する。また、圧力計１５０は電極支持構造体１７０を有し、電極支持構造体１７０は、共通電極が設けられるダイヤフラムの表面１６２に向かい合う表面１７２に設けられる中心電極およびリング電極を支持する。ダイヤフラム１６０は、（ｉ）ダイヤフラムの両側にかかる圧力が同じ場合のゼロ位置と（ｉｉ）ダイヤフラムに最大測定可能差圧が加えられた場合の最大差動位置との間で、電極構造体に対して可動である。図８に示される実施の形態の電極支持体は、突出部１７４を有するディスクを有する。突出部１７４は、ディスク外縁の周りで円周方向に形成され、突出部の上面１７６および下面１７８と共に示されている。ダイヤフラム支持構造体は、ダイヤフラムが固定電極構造体に対して拘束されるように、また、共通電極が、中心電極およびリング電極から間隔を空けて配置され、圧力計の整列軸に対して中心電極およびリング電極と軸方向に整列されるように、ダイヤフラムを支持するように配置される。図８の実施の形態に示されるように、ダイヤフラム支持構造体はＰｒリング１８２およびＰｘカバー１８４を有し、１８６のところで示されているように、ダイヤフラム１６０はその外縁の周りでこれら２つの部品の間に固定される。

電極構造体１７０は、（好ましくは波形ばねという形の）ばね１８８、リング１９０、パッド１９２および１９４、ならびに適合リング２００を有する電極支持構造体により、Ｐｒリング１８２内で支持される。リング２００は、少なくとも３つの湾曲部２０４がリングに一体的に形成され、好ましくは整列軸２０８に対してリングの周りに等角に間隔を空けて配置されるように、軸方向のスロット２０２を有する。軸方向のスロットは、湾曲部２０４が互いに独立するようにリングにおけるフープ応力を取り除き、これにより、（半径方向の）厚みをさらに減少させる必要なく、電極ディスク支持体の箇所で半径方向のばね定数を低減させることができる。この構成により、この要素の実用可能な厚みを維持しつつ、半径方向のばね定数と、電極ディスクとセンサハウジングの間の半径方向の最大可能せん断負荷とを効果的に減少させる。突出部１７４の上面１７６および下面１７８は、クランプ力を受けるそれぞれの位置で、パッド１９２および１９４を丁寧に受ける。具体的には、リング１９０、パッド１７６、突出部１７４、パッド１７８、およびリング２００の各湾曲部２０４を通じてクランプ力２０６を均一に加えるように、波形ばね１８８が構成され位置付けられる。電極支持体１７０は、２つのパッドの間に固定されるように位置付けられ、適合リング２００は、リング１８２内に固定され、好ましくは、溶接、または接着など技術により固定される。このように、電極支持体１７０は、湾曲部２０４各々の位置でダイヤフラム１６０に対して所定の位置に固定される。

弾力的に機能する適合リング２００を設計し、半径方向のばね定数を低くすることにより半径方向の適合性を高めることにより、電極ディスク支持構造体にかかる熱負荷および機械負荷の影響に対し、より有利な作動状況が実現される。これにより、システム作動中に生じる電極構造体の変形が低減され、結果として、環境要因に対して起こり得る電極構造体の形状への変化が低減されるだけでなく、圧力測定システムの正確性および安定性が高まる。このように、較正されたシステムの精度が保たれる。

せん断力が電極ディスクとセンサハウジングの間の摩擦結合力を上回ると、このようなせん断力の変化とそれに続く電極構造体形状の変化は一般に再現ができない（また、補正することができない）ので、適合リング２００により、電極ディスクとセンサハウジングの間に生じる最大可能せん断力に対して、このような環境要因の影響を減少させる。せん断力が摩擦結合力を上回ると、電極ディスク１７０の突出部下面１７８と、センサハウジングおよびダイヤフラムに対して動かないように固定された適合リング２００の支持面２１０の間にずれが生じ得る。

図８および図９において構成されているように、電極ディスク１７０とリング１８２を有するセンサハウジングとの間の最大可能せん断負荷が達成され、また、上述の影響に関係するあらゆるセンサ出力のずれが減少する。そのことにより、上述の非保存的影響を原因とする機械的ヒステリシスの大きさが減少する。電極構造体形状の最大可能変化量が減少し、最小の電極ギャップを有する最低圧力範囲のためのシステム精度の維持を改善することができる。

電極構造体およびダイヤフラムの形状の起こり得る変化には、電極ディスク１７０の屈曲、電極ディスク１７０の横方向のポアソン収縮、電極支持体近傍のダイヤフラム境界１８６の位置の変化と、それに付随する、機器の作動圧力範囲内におけるゼロ差圧から任意の圧力までのダイヤフラム１６０の形状（および張力）の変化が含まれる。

特許請求の範囲から逸脱せずに、上述の実施の形態に種々の変更が可能なことは自明である。例えば、上述の実施の形態ではガードを有する２重電極を利用するが、単一電極構造や、３つ以上の電極を用いるマルチ電極構造など、他の電極構成が可能である。上述の実施の形態は例示であり、あらゆる数の導体および導体パターンが電極ディスクに適用されてもよい。また、電気的ガードおよび追加の導体を、シグナルグラウンド、または他の何らかの固定された電位に維持することができる。さらに、ガードを能動的に駆動することができる。能動的に駆動される場合、ガードの電圧および位相が、物理的に隣接する電極の瞬間的な電圧および位相と一致することが好ましい。

上述の構成要素、ステップ、特徴、目的、利点、および効果は単なる例示である。そのいずれも、またそれらに関連するいずれの検討も、決して保護の範囲を限定するものではない。他にも多くの実施の形態が想定される。そのような実施の形態には、構成要素、ステップ、特徴、目的、利点、および効果が少なかったり多かったり、異なったりする実施の形態が含まれる。また、構成要素やステップが異なる方法で配置されたり順序付けられたりする実施の形態も含まれる。

特に明記されていない限り、添付の特許請求の範囲を含め、本明細書に記載する全ての測定値、値、定格、位置、大きさ、サイズなどの仕様はおおよそのものであり、厳密なものではない。これらの仕様は、それらが関連する機能に適合し、また、それらが関連する技術分野において慣例的なものと適合する、妥当な範囲を有するものとする。

本開示で引用された全ての論文、特許、特許出願などの出版物は、本願で参照することにより援用される。

「〜の手段」という表現は、請求項で使用される場合、記載された対応する構造および材料、ならびにそれらと均等なものを包含するものとし、また、そのように解釈されるべきである。同様に、「〜のステップ」という表現は、請求項で使用される場合、記載された対応する行為、およびそれらと均等なものを包含するものとし、また、そのように解釈されるべきである。これらの表現が請求項にない場合、その請求項は、対応する構造、材料、もしくは行為のいずれか、またはそれらと均等なものに限定されないものとし、また、限定されるように解釈されるべきではない。

記載または図示された内容は、特許請求の範囲特許請求の範囲に記載されているかどうかに関わらず、いかなる構成要素、ステップ、特徴、目的、利点、効果、またはそれと均等なものを公共の用に供するものではなく、また、供するものと解釈されるべきではない。

保護の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。その範囲は、本明細書および付随する出願経過に鑑みて解釈された場合、特許請求の範囲において使用される文言の通常の意味と一致する限り広く、かつ構造的および機能的に均等なもの全てを包含するものとし、また、そのように解釈されるべきである。

Claims (9)

1. （ａ）共通電極を有するダイヤフラムと、
   （ｂ）中心電極およびリング電極を有する電極構造体と、
   前記ダイヤフラムが前記電極構造体に対して拘束され、前記共通電極が、前記中心電極および前記リング電極から間隔を空けて配置されるとともに、前記圧力計の整列軸に対して前記中心電極および前記リング電極と軸方向に整列されるように、前記ダイヤフラムを支持するように配置されるダイヤフラム支持構造体と、
   前記電極構造体を支持するように配置され、前記整列軸の周りに角度間隔を空けて配置される少なくとも３つの湾曲部が一体的に形成される適合リングを有する電極支持構造体と、
   を備え、
   前記ダイヤフラムは、（ｉ）前記ダイヤフラムの両側にかかる圧力が同じ場合のゼロ位置と、（ｉｉ）前記ダイヤフラムに最大測定可能差圧が加えられた場合の最大差動位置との間で、前記電極構造体に対して可動であり、
   前記電極支持体は、前記適合リングの前記湾曲部の位置で前記ダイヤフラムに対して所定の位置に固定されることを特徴とする静電容量型圧力計。
2. 前記湾曲部は、前記適合リングの周りに等角に間隔を空けて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧力計。
3. 前記適合リングには、複数のスロットが形成され、隣接する２つのスロット間に前記湾曲部が形成されることを特徴とする請求項２に記載の静電容量型圧力計。
4. 前記複数のスロットは、等しい長さを有することを特徴とする請求項３に記載の静電容量型圧力計。
5. 前記電極支持構造体は、前記湾曲部各々の位置で前記適合リングに軸方向の力を加えるように構成されたばねを有することを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧力計。
6. 前記ばねは波形ばねであることを特徴とする請求項５に記載の静電容量型圧力計。
7. 前記波形ばねは、前記湾曲部各々の位置で前記電極構造体を通じて軸方向の力を加えるように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の静電容量型圧力計。
8. 前記電極支持構造体は、前記電極支持構造体内に前記電極支持体を支持する１対の支持パッドをさらに有し、前記波形ばねは、前記湾曲部各々の位置で前記支持パッドおよび前記電極構造体を通じて軸方向の力を加えることを特徴とする請求項７に記載の静電容量型圧力計。
9. 前記電極支持構造体は、前記リング電極および前記中心電極を支持するように配置された支持基板を有することを特徴とする請求項６に記載の静電容量型圧力計。

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