JPH04184130A - 圧力計 - 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〕 本発明は圧力計、特に大気圧〜Ｉ　Ｔｏｒｒ程度の真空
度を精度よく測定可能な圧力計に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、圧力計としては種々のものがあり、例えば静電容
量式圧力計やブルドン管等が公知である。

このうち、静電容量式圧力計は高価である欠点があり、
ブルドン管は安価であるか大型で高真空領域に対応でき
ない欠点がある。

このような欠点を解決するものとして、音叉型水晶振動
子圧力計が提案されている。音叉型水晶振動子圧力計は
真空度に依存して変化する水晶振動子の共振抵抗または
反共振抵抗を測定することにより、真空度を知るもので
あり、小型でかつ高精度に測定できる利点がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、音叉型水晶振動子の問題点は、真空度に
よって共振周波数が変化してしまうことである。そのた
め、音叉型水晶振動子を圧力計として利用するには、 ■発振回路に音叉型水晶振動子を組み込んで実際に発振
させ、その発振特性の変化により真空度を知る、 ■真空度に応じて変化する共振周波数と同じ周波数の信
号を入れ、共振抵抗の変化を測定する、といった方法を
採用しなければならない。そのため、■では振動子自体
に固育インピーダンスが小さく感度が高いものが要求さ
れるという問題があり、■では測定が複雑で周波数を変
化させる装置が別途必要になるという問題があった。

ところで、本出願人は既に、恒弾性金属板の周縁部を枠
部とし、その内側に幅狭な連結部を介して振動部を一体
に設け、この振動部の上面に圧電薄膜を形成するととも
に、圧電薄膜上に電極を形成してなる圧電共振子を提案
している（例えば特公昭１−１９６５０号公報）。この
圧電共振子のインピーダンス特性について種々検討した
ところ、気圧に応じて圧電共振子の共振抵抗および反共
振抵抗がほぼリニアに変化し、しかもこのとき共振周波
数および反共振周波数が全く変化しないことを発見した
。

そこで、本発明の目的は、圧電薄膜を用いた圧電共振子
を利用して、簡単かつ高精度に圧力を測定できる圧力計
を得ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の圧力計は、１枚の
恒弾性金属板の周縁部を枠部とし、その内側に幅狭な連
結部を介して振動部を一体に設け、この振動部の上面に
圧電薄膜を形成するとともに、圧電薄膜上に電極を形成
してなる圧電共振子と、圧電共振子の電極と恒弾性金属
板との間に共振周波数または反共振周波数に相当する一
定周波数信号を入力することにより、真空度に依存して
変化する圧電共振子の共振抵抗または反共振抵抗を測定
する測定装置と、を具備したものである。

〔作用〕

圧電共振子を大気圧中に露出させて配置し、これに高周
波信号を入力すると、圧電共振子のインピーダンス特性
は第１図実線のようになる。これに対し、気圧を下げて
ゆくと、真空度が上昇するに連れて第１図破線のように
インピーダンス特性が変化する。つまり、共振抵抗Ｒ１
が低下するとともに反共振抵抗Ｒ１が上昇する。ただし
、共振周波数ｆ、および反共振周波数ｆ、は全く変化し
ない。

圧電薄膜を用いた圧電共振子の場合、共振抵抗。

反共振抵抗が真空度に依存してリニアに変化するため、
共振抵抗または反共振抵抗と真空度との関係を予め求め
ておけば、この圧電共振子を真空度を測定すべき環境下
に設置し、共振周波数または反共振周波数の信号を入力
してそのときの共振抵抗または反共振抵抗を測定するだ
けで、真空度を簡単に知ることができる。そのため、音
叉型水晶振動子のように、発振回路に実際に組み込んで
発振させる必要がなく、共振子自体に感度が高いものか
要求されることがなく、また真空度に関係なく一定周波
数信号を入力すればよいので、測定が簡単である。

〔実施例〕

第２図〜第４図は本発明で用いられる圧電共振子の一例
を示す。

図において、ｌは矩形状の恒弾性金属薄板であり、その
周縁部を枠部２とし、その内側に２個のコ字形溝３，３
を隔てて矩形状の振動部４を形成しである。そして、枠
部２と振動部４は幅狭な連結部５を介して連結され、連
結部５は振動部４に生起されるひろがり振動の節点を支
持している。

なお、この実施例では連結部５の形状を周縁部側から中
心部に向かって漸次幅狭となるテーパ形状としである。

恒弾性金属は温度の変化に対してその弾性係数が殆ど変
化しない合金であり、エリンバ−（商品名）は代表的な
恒弾性金属（Ｆｅ−Ｎｉ　−Ｃｒ系）である。上記枠部
２．振動部４および連結部５は一枚の恒弾性金属板１か
らフォトリソグラフィ等の手法により一体に形成される
。

上記振動部４上、片方の連結部５上および枠部２の一部
の上面には、連続的に圧電薄膜６ａ、　６ｂ、　６ｃが
スパッタリング法、真空蒸着法、イオンブレーティング
法、気相蒸着法等の公知の手法で形成されている。圧電
薄膜の素材としては、酸化亜鉛、チタン酸バリウム系、
チタン酸ジルコン酸鉛系、チタン酸鉛系の他、硫化カド
ミウム、セレン化カドミウム、酸化ベリリウム、ウルツ
鉱硫化亜鉛の中から選ばれる何れかあるいはこれらの固
溶体（この中には酸化亜鉛も含む）、さらにＡｌ１Ｎ（
窒化アルミニウム）等も使用可能である。

圧電薄膜６ａ〜６Ｃ上には電極７がスパッタリング法、
真空蒸着法等の公知の方法で形成されている。

電極材料としては例えばＮｉ、Ａｉ！、Ａｎ等が使用さ
れる。電極７は、振動部４上の圧電薄膜６ａ上の振動電
極７ａと、枠部２上の圧電薄膜６ｃ上の端子電極７ｃと
、連結部５上の圧電薄膜６ｂ上の引出電極７ｂとで構成
され、振動電極７ａと端子電極７ｃは引出電極７ｂによ
って接続されている。なお、引出電極７ｂおよび端子電
極７ｃと、連結部５および枠部２との間に介在する圧電
薄膜６ｂ、　６ｃは絶縁体として機能している。

上記のように、恒弾性金属板ｌの振動部４と、その上に
形成された圧電薄膜６ａと、圧電薄膜６ａ上に形成され
た振動電極７ａとによって圧電共振子Ａが構成される。

この圧電共振子Ａは、端子電極７ｃと恒弾性金属板１の
枠部２との間に高周波信号を入力することにより、圧電
薄膜６ａの作用により恒弾性金属板ｌの振動部４にひろ
がり振動が励振される。そして、圧電共振子Ａのインピ
ーダンスは真空度に依存してリニアに変化する。

第５図は第３図に示された形状および寸法の圧電共振子
Ａを用いて得られた共振抵抗（Ω）と真空度（Ｔｏｒｒ
）との特性図である。なお、恒弾性金属板（エリンバ−
）、圧電薄１　（ＺｎＯ）および電極（Ｎｉ）の各厚み
を０．１ｍｍ　、　２０μｍ、　　ｌ　ａｍとした。図
から明らかなように、ｌ　Ｔｏｒｒ〜大気圧（７６０Ｔ
ｏｒｒ）まで共振抵抗がほぼ直線的に増大していること
がわかる。

！６図は上記形状の圧電共振子Ａを用いて得られた真空
度と反共振抵抗との特性図を示す。この場合には、共振
抵抗とは逆に真空度が大気圧に近づくに従い反共振抵抗
が減少する傾向を示す。なお、１００Ｔｏｒｒ未滴の領
域における反共振抵抗のばらつきは測定誤差によるもの
である。

上記圧電共振子Ａを用いて実際に真空度を測定する方法
について説明する。

まず、第７図のように圧電共振子へを密閉された空気室
！θ内に露出状態で設置する。空気室ＩＯの排気管１１
は図示しない真空ポンプと接続されている。そして、圧
電共振子Ａの端子電極７ｃと枠部２の一部とにリード線
１２．１３の一端を接続し、リード線１２．１３の他端
を空気室ｌＯの外部に設けたインピーダンスアナライザ
１４に接続する。

いま、インピーダンスアナライザ１４から圧電共振子Ａ
に共振周波数ｆ、または反共振周波数ｆ。

に相当する一定周波数信号を入力すると、圧電共振子Ａ
の共振抵抗Ｒ１または反共振抵抗Ｒ６が真空度に応じて
変化する。この共振抵抗Ｒ７または反共振抵抗Ｒ１を測
定すれば、第５図または第６図から簡単に真空度を求め
ることができる。

なお、本発明における測定装置としては、実施例のよう
なインピーダンスアナライザに限らず、例えば共振周波
数または反共振周波数に相当する一定周波数信号を出力
する高周波電源と、共振抵抗または反共振抵抗を測定す
るインピーダンスメータ等で構成してもよい。

また、圧電共振子Ａの形状や構造は実施例に限定するも
のではない。

さらに、本発明の圧力計は真空度の測定だけでなく、正
圧測定にも使用できる。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、本発明の圧電薄膜型圧電
共振子は、その共振周波数が真空度によって変化しない
ため、一定の周波数信号を入力することにより、真空度
の関数として共振抵抗または反共振抵抗を直接測定でき
る。この際、圧電共振子の感度は多少低くても支障はな
く、しかも測定に際して周波数を変化させる装置も不要
であり、極めて簡単に真空度を測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のかかる圧電薄膜型圧電共振子のインピ
ーダンス特性図、第２図は圧電共振子の斜視図、第３図
は圧電共振子の平面図、第４ｖ１は第３図のＩＶ−■線
断面図、第５図は共振抵抗の真空度依存特性図、第６図
は反共振抵抗の真空度依存特性図、第７図は圧力計の一
構成図である。 Ａ・・・圧電共振子、ｌ・・・恒弾性金属板、２・・・
枠部、４・・・振動部、５・・・連結部、６ａ〜６Ｃ・
・・圧電薄膜、７゜７ａ〜７Ｃ・・・電極、１４・・・
インピーダンスアナライザ。 特許出願人　　株式会社　村田製作所 代　理　人　　弁理士　筒井　秀隆 第１図 第２図 第７図　　　　　　　　　　５・・・連結部アナライザ 第３ｒ！！１ 第４図 第５図 第６図 真空度（ＴＯＲＲ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）１枚の恒弾性金属板の周縁部を枠部とし、その内
   側に幅狭な連結部を介して振動部を一体に設け、この振
   動部の上面に圧電薄膜を形成するとともに、圧電薄膜上
   に電極を形成してなる圧電共振子と、 圧電共振子の電極と恒弾性金属板との間に共振周波数ま
   たは反共振周波数に相当する一定周波数信号を入力する
   ことにより、真空度に依存して変化する圧電共振子の共
   振抵抗または反共振抵抗を測定する測定装置と、 を具備したことを特徴とする圧力計。