JPS61240135A - 真空計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は真空計に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、大気圧から１０−′ＩＴｏｒｒ程度のまでの真空
度を単一の測定装置によって測定することはできなかっ
た。そのため、大気圧からＩ　Ｔｏｒｒまでの低真空領
域では圧力測定の基本である液柱差真空計を用い、ｌ　
Ｔｏｒｒから１０−’Ｔｏｒｒまでの中真空領域ではピ
ラニ真空計を用いることで大気圧から１Ｏ−３Ｔｏｒｒ
程度のまでの真空度を測定していた。

ビラニ真空計は、被測定雰囲気内の気体の熱伝導現象を
利用する真空計である。すなわち、被測定雰囲気中の気
体の圧力変化に伴って、ピラニ真空計のセンサエレメン
トである白金フィラメントに対して衝突する気体分子の
数が変化し、気体分子が白金フィラメントから取り去る
熱量が変化するいう現象を利用するものであり、この白
金フィラメントにおける放熱量の変化を検出することに
よって逆に真空度を測定するものである。このように、
ピラニ真空計はセンサエレメントとしては管球ステム中
に固定された白金フィラメントだけで良いという極めて
単純な構成であるため、最も良く利用される真空計の一
つである。

しかし、真空度が低くなると、気体分子の平均自由工程
が短くなるため、１個の分子がフィラメントから運び去
る熱のエネルギの量は減少し熱伝導率は増加しなくなる
。すなわち、ピラニ真空計では原理的にみて１００Ｔｏ
ｒｒから大気圧までの中真空領域の測定は不可能となる
。したがって、ＩＴｏｒｒから大気圧までは液柱兼真空
計といつた他の真空計を使うことで大気圧から１０−’
Ｔｏｒｒ程度のまでの真空度の測定をカバーしてきた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、２つの真空計を用意しなければならないという
ことは、価格的に高くなるという不利益ばかりでなく、
低真空領域で使われる液柱兼真空計では真空度を電気信
号として取り出すことができず極めて実用性に乏しいと
いう欠点を有していた。

１　　　　　　　　　〔問題点を解決するための手段〕
本発明の真空計は上記問題点に鑑みてなされたものであ
り、熱伝導を利用した真空計と対流真空計とを一体にし
たものである。すなわち、薄膜状プレートの上に発熱抵
抗エレメントおよび測温抵抗エレメントを隣接して形成
しこの発熱抵抗エレメントおよび測温抵抗エレメント表
面を保護膜で覆った真空センサと、前記発熱抵抗エレメ
ントを一辺とするブリッジ回路と、前記ブリフジ回路が
平衡を保つように電圧あるいは電流を供給する電源と、
前記電源の出力電流を検出する第１の検出手段と、測温
抵抗エレメントの抵抗値変化を検出する第２の検出手段
と、前記第１の検出手段および第２の検出手段から予め
定められた関係に基づいて真空度を算出する手段とを具
備するものである。

〔作用〕

中真空領域では熱伝導を利用した真空計として機能し、
低真空領域では対流真空計として機能する。

〔実施例〕

以下、実施例と共に本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図である。

真空センサ素子１には、発熱抵抗エレメント２、測温抵
抗エレメント３および測温抵抗体からなる室温センサ４
，５が形成されている。第２図は真空センサ素子ｌの具
体的構成を示す平面図である。

シリコン基板２１の中央部には窓２２および２３が互い
に連通ずるようにトンネル状の空間スペースが形成され
ている。換言すれば窓２２および２３に挟まれてプリフ
ジ部２４が形成されている。

なお、この空間スペースはシリコンの異方性エツチング
技術により形成することができる。ブリッジ部２４の上
にはパーマロイ等からなる発熱抵抗エレメジト２および
測温抵抗エレメント３が薄膜生成技術により形成されて
いる。また、測温抵抗体からなる室温センサ４，５がシ
リコン基板２１の上面周辺部に同じく薄膜生成技術によ
り形成されている。この室温センサ４．５は発熱抵抗エ
レメント２と同じくパーマロイ等で形成することができ
る。そしてこれら各エレメントは薄い窒化シリコン膜で
保護されている。なお、発熱抵抗エレメント２および測
温抵抗エレメント３が形成されている部分の厚さはプリ
フジ部２４と窒化シリコンの保護膜を合わせても数μｍ
程度以下と極めて薄く、しかもトンネル状空間スペース
でこのブリッジ部２４はシリコン基板２１と熱的に絶縁
されていることから、この部分の熱容量は極めて小さい
ものとなる。したがって、発熱抵抗エレメント２は極め
て微少な電流で発熱することができ、周囲温度の変化に
伴う熱エネルギ損失に敏感に反応することができる。ま
た、測温抵抗エレメント３は発熱抵抗エレメント２から
の小さな対流による熱の移動を検出できる。

ブリッジ回路６は発熱抵抗エレメント２および室温セン
サ４を構成要素として含むものである。

このブリフジ回路６およびブリッジ回路６に接続される
電源７および電流検出手段８を含む具体的構成を第３図
に示す。第３図における作動増幅器７ａは第１図の電源
７に対応し、ブリッジ回路６の電圧バランスのくずれを
作動増幅し、ブリッジ回路６に印加する電圧を制御する
ものである。この回路構成により発熱抵抗エレメント２
と室温センサ４との抵抗値の差が一定になるように制御
されることになる。そして、この制御に基づいて変化す
る作動増幅器７ａからブリッジ回路６に供給される電流
ｉは第１図の電流検出手段８に対応する電流計８８によ
って検出される。

ブリッジ回路９は室温センサ５と測温抵抗エレメント３
を構成要素として含むものであり、ブリフジ回路９に接
続される電圧検出手段１０を含めた具体的構成を第４図
に示す。第４図に示す作動増幅器１０ａは第１図の電圧
検出手段１０に対応し、ブリッジ回路９の電圧バランス
のくずれを検出するものである。すなわち、作動増幅器
１０ａの電圧出力Ｖは、測温抵抗エレメント３と室温セ
ンサ５の抵抗値の差を示すものである。

信号処理手段１１はマイクロコンピュータで構成されて
おり、電流検出手段８が検出する電流ｉと電圧検出手段
１０が検出する電圧Ｖとを読み込く んで後述する演算を行ない真空度を算出し表示する。

つぎに、このように構成される本実施例の動作について
説明する。

発熱抵抗エレメント２の抵抗値は前述したように室温セ
ンサ４の抵抗値との差が一定になるように制御されてい
る。発熱抵抗エレメント２と室温センサ４との抵抗値の
差が一定になるように保たれるということは発熱抵抗エ
レメント２と室温センサ４との温度差が一定に保たれる
ことに他ならない。本実施例ではその温度差が２００℃
に保たれるようにブリッジ回路６および作動増幅器７ａ
が調整されている。

いま、第２図に示す真空センサ素子１を第５図の概略側
面図に示すように、発熱抵抗エレメント２が測温抵抗エ
レメント３に対して下方に配置されるように被測定雰囲
気中に設置する。

真空センサ素子１が被測定雰囲気中に置かれると、雰囲
気中の空気分子が発熱抵抗エレメント２から熱を奪う。

発熱抵抗エレメント２がら空気分子に運び去られる熱の
エネルギＱは、空気分子数の少ない高真空になる程減少
し、 ＱＣＣＰ　Ｘ　（Ｔ−ＴＯ）　　　　　・・−（１）と
いう関係が成立する。ここでＰは被測定雰囲気の圧力、
Ｔは発熱抵抗エレメント２の発熱温度、Ｔｏは被測定雰
囲気の温度である。ただし、この関係式は被測定雰囲気
の真空度が大気圧領域に近づくと成立しなくなる。真空
度が大気圧領域に近づくに従って発熱抵抗エレメント２
から熱を運び去る分子数は比例的に増加してゆくが、同
時にそのエネルギを運ぶ分子の平均自由工程も短くなる
ことからＱの値が飽和してしまうのである。

一方、上述したように発熱抵抗エレメント２の温度Ｔと
被測定雰囲気の温度Ｔ０　（室温センサ４の温度）との
差は常に２００℃を保つように制御されている。したが
って、Ｑがが小さくなればブリッジ回路６に供給される
電流ｉは減少する。このことから、真空度と電、流ｉと
の間には第６図に示すような関係が成立する。なお、第
６図においては横軸に真空度すなわち被測定雰囲気の圧
力値、縦軸に電流ｉを採っている。

したがって、電流計８３によって電流ｉを検出すれば第
６図に示す関係に基づいて信号処理手段１１により演算
を行ない、被測定雰囲気の圧力すなわち真空度を求め表
示することができる。

ところで、第６図から明らかなように、真空度が測定限
界値ＰＬ　　（具体的にはｌ　Ｔｏｒｒ前後）を越えて
低真空領域に入ると、電流ｉが飽和値ｉＬに近づくので
精度良く測定することができなる。したがって、信号処
理手段１１では、電流ｉに基づく真空度の測定は電流ｉ
が飽和値ｉＬ以下の場合にのみ行なう。

被測定雰囲気の真空度が低真空領域に入ると、本実施例
の真空計は発熱抵抗エレメント２、測温抵抗エレメント
３および室温センサ５の組合せからなる対流真空計とし
て動作することになる。すなわち、（雰囲気温度＋２０
０℃）に熱せられた発熱抵抗エレメント２の近傍の空気
は熱せられて上昇し、発熱抵抗エレメント２の上方に位
置付けられた測温抵抗エレメント３が加熱される。この
対流による熱の移動は被測定雰囲気内の気体分子数が多
くなることで顕著になるため、真空度が低下して大気圧
に近づくに従って測温抵抗エレメント３の抵抗値が増加
する。なお、被測定雰囲気自体の温度変化も測温抵抗エ
レメント３の抵抗値に影響を与えることから該影響を除
去する必要があるが、これは室温センサ５の抵抗変化分
を除去することで達成できる。本実施例における電圧検
出手段１０の電圧出力Ｖは、測温抵抗エレメント３と室
温センサ５の抵抗値の差を示すものであるため、電圧Ｖ
から真空度を検出することができる。

第７図は電圧検出手段１０の出力電圧Ｖと真空度との関
係を示したグラフである。ここで測定限界値Ｐｔ、　　
（ＩＴｏｒｒ程度）以下の中真空領域では電圧Ｖに変化
が見られなくなるのは、対流に関与する気体分子数がほ
とんどなくなってしまうからである。逆に低真空領域で
は真空度の変化が電圧Ｖの変化に良く対応していること
が判る。

信号処理手段１１では予め記憶しておいた第７、　　　
　　　図の関係に基づいて電圧Ｖから真空度を算出し、
その値を表示する。

なお、本実施例では、真空センサ素子１を発熱抵抗エレ
メント２が測温抵抗エレメント３の下方になるように配
置したが、別途強制的に対流を起こさせる手段を用いれ
ば必ずしもそのような配置でなくともよい。

また、被測定雰囲気の温度が一定であることを前提とす
れば、ブリッジ回路６の構成要素の一つである室温セン
サ４に代えて単なる抵抗を挿入してもよい。

第８図は真空センサ素子ｌの他の実施例を示す平面図で
ある。この真空センサ素子１の特徴は、発熱抵抗エレメ
ント２が測温抵抗エレメント３に両側から取り囲まれる
ように形成されていることにある。この種の真空センサ
素子１の場合は、第９図の概略側面図に示すように各セ
ンサエレメントが水平かつ下向きになるように真空セン
サ素子１を設置する。この構成と配置により矢印のよう
な対流が生じ、測温抵抗エレメント３を加熱することに
なる。

第１０図は本発明の他の実施例を示すブロック図であり
、第１図に示す実施例と同一もしくは相当部分には同一
の符号を付しである。

発熱抵抗エレメント２、室温センサ４、ブリフジ回路６
および電流検出手段８による中真空領域の真空度の検出
は第１実施例と全く同じである。

第１実施例との相違点は対流真空計として機能する部分
にある。

本実施例の真空センサ素子３１は、第１１図の平面図に
示すようにブリッジ部２４の上に発熱抵抗エレメント２
と２つの測温抵抗エレメント３ａ。

３ｂが形成されており、発熱抵抗エレメント２が両側か
ら測温抵抗ニレメン）３ａ、３ｂに挟まれるように配置
されている。測温抵抗エレメント３ａおよび３ｂの抵抗
変化はそれぞれブリッジ回路３２および３３により検出
し、両者の差を作動増幅器３４により電圧Ｖ”として取
り出す。なお、ブリッジ回路３２．３３に代えて直列の
抵抗分割回路を用いてもよい。

この実施例では、真空センサ素子３１を第１２図の概略
側面図に示すように測温抵抗エレメント３ａ、３ｂが上
下になるように配置する。発熱抵抗エレメント２によっ
て暖められた気体が上昇することによって矢印のような
対流が生じる。この対流により測温抵抗エレメント３ａ
は熱せられ、測温抵抗エレメント３ｂは冷却される。こ
のときの測温抵抗ニレメン）３ａ、３ｂの温度変化は真
空度により相違することはすでに述べた通りである。本
実施例においては、下側の測温抵抗エレメント３ｂが第
１実施例で用いた室温センサ５に相当する機能を持つこ
とになり、室温変動の影響をキャンセルできる。

なお、上記の全ての実施例において、発熱抵抗エレメン
ト２および測温抵抗エレメント３．３ａ、　　　　　　
−３ｂが形成される部分は、シリコン基板２１から離隔
した薄膜プレートであれば必ずしもブリッジ状を形成し
ていなくともよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の真空計によれば、熱伝導を
利用した真空計と対流真空計とを一体にしたものである
ので、大気圧から中真空領域までの広範囲の真空度測定
が１台の真空計で測定可能である。また、熱伝導を利用
した真空計として機能する場合、従来のピラニ真空針と
異なり真空センサとして極めて熱容量の小さい発熱抵抗
エレメントを用いることから、消費電力が小さく応答速
度が速い。さらに、発熱抵抗エレメントは窒化シリコン
等の保護膜で被覆されているので発熱抵抗エレメント自
体の酸化を防ぐことができ、したがって長期的なドリフ
トによる測定誤差をなくすことができる。その上、発熱
抵抗エレメントは高価な白金でなくパーマロイ等で構成
することができるため、安価に構成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
第１図の実施例における真空センサ素子を示す平面図、
第３図は第１図の実施例におけるブリッジ回路６等の具
体的な回路図、第４図は第１図の実施例におけるブリッ
ジ回路９等の具体的な回路図、第５図は第２図の真空セ
ンサ素子の概く 略側面図、第６図は電流ｉと真空度の関係を示すグラフ
、第７図は電圧Ｖと真空度の関係を示すグラフ、第８図
は第１図の実施例における他の真空センサ素子を示す平
面図、第９図は第８図の真空センサ素子の概略側面図、
第１０図は本発明の他の実施例を示すブロック図、第１
１図は第１０図の実施例における真空センサ素子を示す
平面図、第１２図は第１１図の真空センサ素子の概略側
面図である。 １．３１・・・真空センサ素子、２・・・発熱抵抗エレ
メント、３．３ａ、３ｂ・・・測温抵抗エレメント、４
，５・・・室温センサ、６・・・ブリッジ回路、７・・
・電源、８・・・電流検出手段、９・・・ブリッジ回路
、１０・・・電圧検出手段、１１・・・信号処理手段、
２４・・・ブリッジ部。３４・・・作動増幅器。 特許出願人　山武ハネウェル株式会社 代　理　人　山川　政権（ほか２名） １！１図 第２図 １［３図 ５Ｇ 第４図 Ｓ ｌＩ６図 第７図 （）呻−一′［駈／Ｌ−−他） ＷＥｓ図 一一一ノーーーー １！　１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 薄膜状プレートの上に発熱抵抗エレメントおよび測温抵
   抗エレメントを隣接して形成しこの発熱抵抗エレメント
   および測温抵抗エレメント表面を保護膜で覆った真空セ
   ンサと、前記発熱抵抗エレメントを一辺とするブリッジ
   回路と、前記ブリッジ回路が平衡を保つように電圧ある
   いは電流を供給する電源と、前記電源の出力電流を検出
   する第１の検出手段と、測温抵抗エレメントの抵抗値変
   化を検出する第２の検出手段と、前記第１の検出手段お
   よび第２の検出手段から予め定められた関係に基づいて
   真空度を算出する手段とを具備する真空計。