JPH01311241A - 水晶式熱伝導型真空計 - 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、水晶振動子（以下水晶温度センサと記す）を
利用し、気体の熱伝導率がその圧力によって変化する性
質を応用し、気体の圧力（真空度）を計測する熱伝導型
真空計（気体圧力計）に関するものである。

［発明の概要］ 本発明は、空気の密度と熱伝導が比例することを利用す
るいわゆる熱伝導型真空計で、一対をなす熱源から供給
される熱のセンサに水晶振動子を用い、かつその周波数
変化をデジタル信号として読取るものであり、このセン
サの熱感知部と振動子の支持部との間に熱絶縁部を設け
ることにより感知精度を高め、安定した動作の真空計を
得るものである。

【従来の技術］ 中低圧領域（１’０−”〜１ｔｏｒｒ）の圧力測定には
ビラ二式真空計で代表される熱伝導型真空計が一般に使
われる。第３図は、従来のデジタル表示の熱伝導型真空
計の構成例をブロック線図で示している。ブリッジ回路
を構成する素子１１は、真空チャンバー内に設置され圧
力センサとして機能するフィラメントである。ｌｌａ、
ｌｌｂ、１１ｃは真空チャンバ外に設置されるブリッジ
用抵抗であり、前記ブリッジにはブリッジ用直流電源１
２により一定の直流電圧が印加される。前記ブリッジの
平衡電圧はＤＣアンプ１３によって増幅され、Ａ／Ｄ変
換器１４で直流電圧がデジタル信号に変換される。カウ
ンター１５は、前記Ａ／Ｄ変換器の出力信号を計数し、
ＲＯＭ１６のアドレス信号となる。前記ＲＯＭは、前記
カウンタの出力信号（即ち、圧力情報）に対応する表示
用信号（即ち、圧力値信号）をデコーダ１７に与え、前
記デコーダは前記表示用信号を解読し、表示器１８（例
えば７デジツトＬＥＤ表示器）によって圧力値を表示す
る。前記Ａ／Ｄコンバークから前記デコーダまでのロジ
ック系のクロック信号は、水晶振動子２０を源信とする
クロックジェネレータ１９によって供給される。

ここで、例＾ば、真空チャンバー内の圧力が下がると、
前記フィラメント１１から失なわれる熱量は少な（なる
ので、フィラメントの温度は上昇し、その結果フィラメ
ントの抵抗は高くなり、ブリッジの平衡電位は増加する
。このようにブリッジの平衡電位は真空チャンバ内の圧
力の関数になるので、平衡電位を測ることにより、真空
チャンバー内の圧力を知ることができる。

従来の熱伝導率型真空計は、手軽に中低圧領域の気体圧
力を測定できるので、広く使用されているが１次のよう
な欠くがある。

■直流増幅器１３のドリフトが即測定誤差になるので、
高安定（高価）な増幅器が必要である。

■デジタル表示には高価なＡ／Ｄ変換器１４が必要であ
る。

■フィラメント１１が加熱源と圧力センサを兼ねている
ので、センサとしての劣化が大きい。

〔発明が解決しようとする問題点１ 以上で述べたように、従来技術による熱伝導型真空計は
、高級な直流増幅器や、デジタル表示の場合には高価な
Ａ／Ｄ変換器が必要で、装置が高価となり、しかも、セ
ンサの劣化が大きいという欠点があった。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、上記、従来技術の熱伝導型真空計の欠点を改
良するために、温度により周波数が敏感に変化する感温
水晶振動子を用いた水晶熱伝導型真空計、および前記水
晶熱伝導型真空計に用いる高感度でかつ、高安定の感圧
水晶センサを実現する手段を提供するものである。

［実施例１ 以下、本発明を図によって説明する。第１図は本発明の
実施例を示すブロック線図である。ｌは周囲温度によっ
て周波数が第４図の様に変化する水晶温度センサである
。２は前記水晶温度センサの振動を維持する（自励式）
発振回路で、通常は、ＣＭＯＳインバータによるコルピ
ッツ回路程度の簡易的な無調整発振回路を用いる。３は
前記水晶温度センサを加熱するための手段つまりｐ８源
（たとえばフィラメント）であり、前記水晶温度センサ
と適当な距離に設置される。４は前記熱源３に電力を供
給する加熱電源である。ここで、前記水晶温度センサ１
と前記熱源３は対になって、真空チャンバ内に設置され
る。真空チャンバ内の圧力が減圧されると、気体の密度
が小さくなり、前記熱源３から前記水晶温度センサｌに
伝わる熱量が減少し、前記水晶温度センサ１の温度が下
がり、その周波数は増加する。

逆に、前記真空チャンバ内の気体の圧力が上昇すると、
気体の密度が増加し、伝わる熱量が増加し、前記水晶温
度センサ１の温度が上昇するので、第４図に示すように
その周波数は減少する。

この様に、前記熱源３の温度、前記水晶温度センサ１の
寸法、それらの相互位置を正確に管理すると、真空チャ
ンバ内の気体圧力は前記水晶温度センサｌの周波数変化
として正確に測定できる。

本実施例では、水晶１３度センサ１として、３３ＫＨｚ
の音叉型水晶振動子が用いられた。ロジック系の動作原
理は従来技術と変る所は無い、第１図の実施例において
前記発振回路の出力信号の周期をカウンタ５で計測し、
前記カウンタ５の出力信号はＲＯＭ６のアドレスを指定
する。前記ＲＯＭ６の出力信号は、具体的な圧力値を表
わす２値信号であり、デコーダ７は前記圧力２値信号を
、７デジツト素子より成る表示器８に印加し、具体的な
圧力値を表示する。９は、前記カウンタ５、ＲＯＭ６、
デコーダ７にクロック信号を供給するためのクロックジ
ェネレータであり、１０は前記クロックジェネレータ用
水晶振動子で、本実施例には４．１９ＭＨｚのＡ　Ｔ水
晶振動子が用いられた。

このように、温度変化を検出する手段として、水晶振動
子の発振周波数の変化を利用することにより極めて単純
な構成によって、圧力値に関するデジタル信号が得られ
る。従って本発明においては、従来技術の熱伝導型真空
計のように、高価な直流増幅器やＡ／Ｄコンバータが不
要で、極めて安価に、従来技術によるものと全く同等の
熱伝導型真空計を実現することができる。

第２図は、本発明の水晶温度センサの実施例を示す平面
図である。音叉形状を有し、その周波数は約３３ＫＨｚ
である。ｌａ、ｌｂは振動部、１ｃ、１ｄは前記振動部
を駆動する電界を形成するための電極であり、図示する
ように前記振動部の平面部と側面部に配置される。この
種の電極配置により前記振動部から屈曲振動を行なう原
理は公知であるので説明は省略する。前記電極１ｃおよ
び１ｄは支持部ＩＩ２上に配置された電極パッドｌｈと
１１を介して、電極リード１ｊと１ｋに接続する。前記
電極リードｌｊ、１ｋによって前記水晶温度センサは空
間的に支えられる。１ｅは、音叉形状の前記水晶温度セ
ンサの基部であり、通常の音叉形水晶振動子は前記基部
上に、前記電極パッド１ｈとｌｉとが配置される１本発
明による水晶温度センサ１は、細い脚部１ｆ、１ｇを介
して、前記基部１ｅと前記支持部ｌρとが機械的に結合
していることを特徴とする。前記脚部Ｉｆ、Ｉｇはエツ
チングにより形成される。３は、熱源であり、具体的に
はフィラメントである。前記熱源は支持具３ａ、３ｂに
より、前記水晶温度センサから一定の距離に固定され、
前記水晶温度センサに熱を与える。

ここで、前記熱源が前記水晶温度センサに与える熱量を
Ｑ　ｉ　ｎ　（Ｐ）　　（ｃｅＰ　：気体圧力）トシ、
前記電極リードから流出する熱量をＱｏｕｔとすると前
記水晶温度センサ１に蓄積する熱量ΔＱはΔＱ＝Ｑｉｎ
　（Ｐ）　−Ｑｏｕｔ　　　　（１）となる、前記水晶
温度センサ１の比熱をＣ１質量なｍとし、前記蓄積熱量
△Ｑによる、前記水晶温度センサｌの温度変化量を△Ｔ
とすると△Ｔ＝△Ｑ／　（ｍｃ）　　　　　　　　　（
２）となる。前記水晶温度センサの△Ｔによる周波数変
化は、前記水晶温度センサの温度係数をαとすると、 △ｆ　ａ＝　−（２△Ｔｃｃ−ａ△Ｑ／　（ｍｃ）　　
（３）となる、感度を上げる、即わち、Δｆを大きくす
るには、（３）式において、α、Ｃは水晶で固有の値を
有するので、△αを大きくし、ｍを小さくする（小形に
する）ことである。△Ｑを大きくするには、（１）式が
ら、Ｑｉｎを大きくするが、又はＱｏｕｔを小さくする
か、である、Ｑｉｎは前記フィラメント３から、気体の
熱伝導により流入する熱量で、気体の圧力が低くなるに
つれ少なくなるものである。一方、Ｑｏｕｔは前記水晶
温度センサｌと、前記電極リードｌｊ、１ｋを伝わって
系外に流出する熱量で、周囲気体の圧力には何ら関係な
いものである。従がって、前記水晶温度センサｌの低圧
領域での圧力感度を高くするには、流出熱量Ｑｏｕｔを
極力小さくしなければならない、すなわち、本発明の水
晶温度センサｌにおける脚部１ｆ、１ｇは、前記熱源３
がら流入する熱を可能な限り、前記電極リードｌｊ、１
ｋに伝導しないようにするために設けられたものである
。前記脚部を伝わる熱量は、径路の断面積に比例し、長
さに反比例するので、前記脚部１ｊ、ｌｋの幅を出来る
だけ細（、且つ長さを長くすることにより、前記流出熱
量Ｑｏｕｔを極力小さくすることができ、低圧領域にお
ける圧力感度を高くすることができ、前記脚部１ｆ、１
ｇを設けることにより、１ＸＩＯ−”Ｔｏｒｒ領域の圧
力測定が容易に行なうことができる。

【本発明の効果１ 以上述べてきたように、本発明によれば、非常に単純な
構成で、圧力値に関するデジタル信号が得られるので、
極めて安価な、デジタル表示式熱伝導型真空計を実現す
ることができる。

さらに、本発明では、水晶温度センサの振動部と、支持
部との間に、可能な限り細く、かつ長い脚部を設けるこ
とにより、前記振動部から前記支持部に伝わる熱量を著
るしく低減することができ、前記熱源と対に使用するこ
とによって、低圧領域において高い感度を有する気体圧
力検出手段を容易に実現することができる。更に、記脚
部は、フォトエツチング技術により、前記水晶温度セン
サの形状成形時に、同時に形成されるので、追加工程な
しで容易に実現できる。

又、一般に水晶振動子の周波数の経時変化は微かで、且
つ、振動子に微量の堆積物があっても圧力と周波数変化
の関係は大きく変化することがなく、安定な圧力の検出
が可能となり優れた真空計が得られる等、の効果を本発
明は有している。

なお、本実施例では、デジタル表示式についてのみ言及
したが、アナログ表示式においても、本発明になる水晶
温度センサによる気体圧力検出手段は、同様の効果を有
することは明白である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロック線図、第２図は
本発明の感圧水晶振動子の実施例を示す平面図、第３図
は従来技術によるデジタル表示式熱伝導型真空計の構成
を示すブロック線図、第４図は本発明になる感圧水晶振
動子の発振周波数と温度の関係を示す図である。 １・・・・・・・・・・水晶温度センサ２・・・・・・
・・・・発振回路 ３．１１・・・・・・・フィラメント ４・・・・・・・・・・加熱電源 ５．１５・・・・・・・カウンタ ６、　ｌ　６　・　・　・　・　・　・　・　ＲＯＭ７
．１７・・・・・・・デコーダ ８．１８・・・・・・・表示器 ９．１９・・・・・・・クロックジェネレータ １Ｏ１２０・・・・・・・水晶振動子 １１ａ、１１ｂ、１１ｃ・ブリッジ用抵抗１２・・・・
・・・・・・ブリッジ用直流電源１ａ、ｌｂ・・・・・
・振動部 １ｃ、１ｄ・・・・・・電極 １ｆ、１ｇ・・・・・・脚部 １ｈ、ｌｋ・・・・・・電極パッド １ｊ、１ｋ・・・・・・電極リード 以上 出願人　セイコー電子部品株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）温度により発振周波数が変化する水晶振動子とこ
   の水晶振動子を加熱する手段を設け、前記水晶振動子の
   振動を維持する発振回路を備えたものにおいて、前記水
   晶振動子と前記加熱する手段は気体の圧力に感応して変
   化し、該変化を前記発振回路の発振周波数の変化として
   読取ることを特徴とする水晶式熱伝導型真空計。
2. （２）前記水晶振動子において、その振動子の基部と支
   持部とが一体的に形成された１個又は複数個の脚部によ
   って機械的に結合されていることを特徴とする（１）項
   記載の水晶式熱伝導型真空計。