JP4522143B2

JP4522143B2 - 真空計

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Publication number: JP4522143B2
Application number: JP2004149910A
Authority: JP
Inventors: 真人根岸
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2024-05-20
Also published as: JP2005331362A

Description

本発明は、減圧チャンバや真空チャンバ等の雰囲気圧力を計測する真空計に関し、特に高、中真空領域の真空度を高精度で測定するのに適した真空計に関するものである。

従来の真空計は、特許文献１に開示されているように、振動体と支持体をエッチングにより一体形成した構造および制御回路を備える。

例えば図１２に示すように、一枚の板１０３をくりぬいて形成されるトーションバー１０１と振動体１０２を有する構造体と、加振用の電極１０５と回路１０８、検出用の電極１０６と回路１０９、および制御回路１１０を支持する基板１０４を有し、トーションバー１０１に弾性支持された振動体１０２を振動させ、そのときの振動振幅が最大になる周波数、すなわち共振周波数を測定することにより、真空度を測定する装置が開発されている。

このように、真空内で振動体を振動させると共振周波数が真空度によって変化する現象や、中真空度以上の分子流領域において、雰囲気の粘性が真空度によって変化するため、運動する物体が雰囲気から受ける力が真空度に対応して変化することは知られている。
特許第２５１８８１４号公報

上記従来の装置では以下のような未解決の課題があった。

（１）高真空側の感度が悪い。

雰囲気の真空度が上がると、関与する分子の数も減るので振動体が受ける力が極端に小さくなる。その結果振動体の共振周波数の変化も小さくなる。従来方式では共振周波数の変化を測定しているため、感度が悪い。

そして、高真空側の感度が低いので、圧力測定レンジの広い真空計を実現することができない。

（２）加振力の誤差に弱い。

加振用の電極に電圧を供給する制御回路の電気的なノイズは振動体の振動振幅を変化させる。振動振幅の最大値を探索する従来方法では、この電気的なノイズによる振動体の振幅変動の影響を直接受けてしまう。従って真空度の測定結果も加振力の誤差に直接影響されてしまう。

（３）外乱振動に弱い。

外乱振動が加わると振動体が振動する。この振動は電気的なノイズによる加振力の誤差と同様に、真空度の測定結果に影響を及ぼす。特に真空チャンバにおいては、真空ポンプなど、振動源になりやすい機械装置が周辺に配置される機会が多く、真空計が用いられる場所の外乱振動も無視できない。

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、高真空でも感度が高く、しかも加振力の誤差や外乱振動があっても安定して測定できる真空計を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明の真空計は、重心を通る第１軸に対して非対称な形状を有する振動体と、前記振動体を前記第１軸に沿って水平支持する弾性体を有するハウジングと、前記重心に作用する駆動力により、前記第１軸に直交する第２軸に沿って前記振動体に並進振動を発生させる加振手段と、前記並進振動に伴って発生する前記振動体の前記第１軸まわりの慣性回転振動を検出する検出手段とを備え、前記検出手段の出力に基づいて前記振動体の周囲の雰囲気圧力を求めることを特徴とする。

加振手段による振動体の並進振動に伴って発生する慣性回転振動は、振動体の周囲の雰囲気から受ける力によって増大する。真空または減圧雰囲気から受ける力は小さいが、振動体の並進振動によって繰り返し力を受けるため、慣性回転振動は確実に増幅され、高真空でも検知することができる。また、外乱はハウジングおよび弾性体を介して振動体の重心へ一時的に作用するのみであるから、振動体の慣性回転振動には影響しない。

検出手段は、振動体が慣性回転振動を始めてから所定の振幅（回転角）に達するまでの時間、あるいは所定の時間が経過するまで加振したときの最大振幅を計測することで、慣性回転振動の振幅が増大する速さを検出するように構成する。

このようにして検出手段の加振力に含まれる誤差を平均化し、その影響を低減することにより、ノイズの少ない高感度な真空計を実現できる。

また、加振手段による振動体の並進振動の共振周波数と慣性回転振動の共振周波数が等しくなるように構成することで、慣性回転振動を拡大し、より一層高感度な真空計を実現できる。

ハウジング、弾性体、振動体を一体の平板構造とすることで、主要部品を一枚の平板から切り出すことが可能となり、検出手段や加振電極等とともに半導体リソグラフィ技術によって簡便かつ低コストに製造できる。

図１に示すように、振動体１は、弾性体である２本の梁２を介してハウジング３に支持される。２本の梁２は振動体１の重心４に対して対称位置に配置され、梁２によって水平支持された振動体１は、重心４を通る第１軸であるＹ軸のまわりの回転振動が自在である。ハウジング３は、スペーサ５を介してベース基盤６上に支持され、ベース基盤６は、振動体１を加振する加振手段である加振電極７を有し、その加振力（駆動力）の作用線が振動体１の重心４を貫く第２軸であるＺ軸に一致するように構成される。振動体１の形状は、回転振動の中心となるＹ軸に対して非対称であり、加振電極７によって振動体１の重心４をＺ方向に往復移動させ、Ｚ方向の振動体１の並進振動に伴う振動体１の慣性回転振動の振幅の変化を検出手段である検出用電極８、９によって検出し、その検出値を、予め用意された参照値と比較することで、真空度を求める。

図２は図１の真空計の測定原理を示す模式図である。振動体１ａがトーションバーなどの弾性体２ａで支持され、弾性体２ａは振動体１ａの重心４ａを通るＹ軸上に配置される。振動体１ａを剛体とみなすと、一般に振動の運動方程式は重心４ａを中心に６つの振動モードに分けて独立に考えることができる。すなわち、図２におけるＸ、Ｙ、Ｚ軸に沿った並進方向の振動、そして３つの慣性主軸まわりの回転振動である。慣性主軸は振動体１ａの重量や形で決まるが、図２のような矩形の形では、ほぼＸ、Ｙ、Ｚ軸と一致する。以後、方位などの説明のために、原点が重心位置にあり、静止している直交Ｘ、Ｙ、Ｚ座標を用いる。

本実施の形態では、上記６つの振動モードのうち、２つの振動モードを使用する。第１の振動モードは図３の（ａ）に示すように重心４ａを含む垂直軸方向の往復振動、すなわちＺ方向の並進振動である。

第２の振動モードは上記の並進振動によって発生する図３の（ｂ）に示す水平方向の軸回りの振動、すなわちＹ軸まわりの慣性回転振動である。振動体１ａの形は、回転振動の回転軸であるＹ軸に対して非対称である。例えば、振動体１ａの一部の厚さを厚くすることによって重心位置の左右で非対称な形状となっている。振動体１ａに対して、作用線がちょうど重心４ａを通るようにＺ軸方向の加振力を加える。加振力は、電磁力や静電気の吸引、反発を利用して直接振動体１ａに作用させてもよいし、あるいは、弾性体２ａを支持しているハウジング全体を上下振動させることも可能である。この時の加振周波数ｆは、第２の振動モードの固有振動周波数とほぼ同じ周波数とする。この２つの振動は、前述したように第１の振動モードと、第２の振動モードとで、独立して考えることができる。

第１の振動モードである往復変位ｚによる並進振動だけを考えると、重心４ａに作用する加振周波数ｆの力によって加振され、従来からよく知られているように、このときの固有周波数が雰囲気圧力によって変化する。しかし、この並進振動を利用する真空計では従来技術の未解決の課題を解決できない。なお、加振力のベクトルが重心４ａを通るので、この力だけでは第２の振動モードである回転振動が励振されることはない。

第２の振動モードである回転振動は、作用線が重心４ａを通る第１の振動モードを加振する力ではなく、第１の振動モードによる並進振動に伴って非対称な形状の振動体１ａが雰囲気から受ける力によって加振される慣性回転振動である。

まず雰囲気が超高真空であり、空気の分子がほとんど無い場合を考える。この場合、雰囲気から受ける力が無いため、回転角θによる第２の振動モードが励振されることはない。この時の振動波形を図４の（ａ）に示す。第１の振動モードで加振すると次第に並進振動の振幅Ａが大きくなるが、その振幅は加振するエネルギーと構造材料がもつ減衰がバランスするところで一定になり、それ以上には大きくならない。これに対して第２の振動モードである回転振動は雰囲気から受ける加振力が無いため振動しない。

一方、高、中真空、つまり不完全な真空の場合、振動体１ａは雰囲気の中を運動しているので、雰囲気の粘性などの作用により、振動体１ａは力を受ける。この力は雰囲気に接している面積によって変わる力なので、外形が非対称な振動体１ａは重心４ａを挟んで非対称な力を受ける。その結果、第２の振動モードの回転振動が雰囲気からの力で励振される。つまり、第２の振動モードは重心４ａの並進振動などには影響されず、雰囲気との相互作用があって初めて励振される振動モードである。

この様子を図４の（ｂ）に示す。雰囲気から受ける力がたとえわずかであっても、繰り返し加振されることによって、少しずつ第２の振動モードの振幅Ｂが大きくなる。そして、最終的には雰囲気から受けるエネルギーと構造材料がもつ減衰がバランスするところで一定になり、それ以上には大きくならない。

このとき、振幅Ｂが次第に大きくなっていく速さは雰囲気の粘性によって変化する。雰囲気の粘性が高い場合、雰囲気から受ける力も大きくなるので振幅Ｂは早く増大し、粘性が低いとゆっくりと大きくなる。雰囲気の粘性は圧力によって変化することが知られているので、振幅Ｂの大きくなる速さを測定すれば、真空度を求めることができる。

なお、第２の振動モードを加振する力が最大になるのは、第１の振動モードの速度が最大になるところなので、図４の（ｂ）に示すように第１の振動モードである往復振動と、第２の振動モードである回転振動で位相がずれている。

高真空の場合、雰囲気の分子の数が少ないので振動体１ａが受ける力は小さいが、たとえわずかな力であっても繰り返し力を受けるため、第２の振動モードである回転振動の振幅Ｂは図４の（ｂ）に示すように次第に大きくなっていく。しかもこの第２の振動モードを加振する力は、雰囲気から受ける力だけで、外から加える加振力には影響されない。従って微弱な加振力に対しても感度があり、従来例のように高真空領域において測定感度が落ちるおそれはない。

また、第１の振動モードの加振力に誤差があると、第１の振動モードの並進振動が変化するが、この変化が重心４ａまわりの回転振動である第２の振動モードに直接影響することはない。静止座標系において、並進方向の運動と、慣性主軸まわりの回転振動では運動を独立に考えてよいからである。

ただし、第１の振動モードの変化によって第２の振動モードを加振する雰囲気からの力が変化する。しかし、雰囲気からの力はもともと小さいので影響も小さい。そして、第２の振動モードの振幅Ｂが大きくなる速度を測定するのにかかる測定時間の間に小さな変化は積分され、平均される。従って、加振力の誤差に影響されにくい真空度測定が可能である。

外乱振動がこの振動体１ａに加わると、その外乱による加振力は弾性体２ａを伝わって振動体１ａに作用するが、弾性体２ａは振動体１ａの重心４ａを通るＹ軸上に配置してあるので、結局振動体１ａの重心４ａに作用する加振力に誤差がある場合と同様に第２の振動モードに直接影響することはない。従って外乱振動に影響されにくい真空度測定が可能である。

また、第１の振動モードと第２の振動モードが同じ共振周波数を持つように形状等を設計することで、より一層感度を上げることができる。加振周波数ｆを第１の振動モードの共振周波数と同じにすることで振幅を大きくすれば、雰囲気から受ける力も増大するからである。

図１に示すように、振動体１は２つの梁２で両端を支えられ、ハウジング３に支持されている。この構造は例えばリソグラフィおよびエッチング技術を用いて製作する。原点を振動体１の重心４とし、図示上下方向をＺ方向、梁２が支える水平方向をＹ方向とする。振動体１の重心４を通るＹ軸上に各梁２が配設され、振動体１はＹ軸に対して非対称な外形を有する。すなわち、Ｙ軸の両側で、振動体１の片側の厚さが厚くて面積が小さく、反対側の厚さが薄くて面積が広い。

この構造がもつ２つの振動モードのうちの、第１の振動モードは、図５の（ａ）に示すように、重心４が上下するＺ方向の変位ｚによる往復振動モードである。振動体１を支える梁２は重心４に対して対称位置に配置してあるので、図示するように上下に振動する。

第２の振動モードは、重心４を通るＹ軸のまわりの回転角θによる回転振動モードである。物体の運動は一般に、重心の並進運動と、重心まわりの回転運動とに分けて考えることができるので、第１の振動モードが振動していても、第２の振動モードを独立して考えられる。第２の振動モードを加振するのは雰囲気から受ける力である。特に上下方向に振動している振動体は雰囲気の粘性に応じた力を受ける。その結果、振動の振幅は次第に大きくなる。

図１に示すように、振動体１、梁２、ハウジング３は導電性材料で製作し電気的に導通させておく。このような材料として例えば導電性を上げるために不純物をドープしたシリコンが使用可能である。ハウジング３は、絶縁体のスペーサ５を介してベース基盤６に接合される。絶縁体材料として、例えばシリコンと陽極接合により簡単に接合できるガラスが使用可能である。

ベース基盤６には、振動体１を加振するための加振電極７が配設される。加振電極７は、振動体１の重心位置に対して対称な形状を有し、発生する力のＺ方向の合力ベクトルが重心４を通るように配置する。すなわち、重心４の真下に配置する。このとき、スペーサ５をベース基盤６とハウジング３の間に挟んでいるので加振電極７と振動体１は接触しない。

ベース基盤６には振動体１の位置、姿勢を検出するための第１の検出用電極８と第２の検出用電極９を設ける。スペーサ５をベース基盤６とハウジング３の間に挟んでいるので検出用電極８、９と振動体１は接触しない。

加振回路１０をベース基盤６上に設け、ハウジング３と加振電極７に接続する。これはハウジング３と加振電極７の間に電圧をかける電圧源であり、その電圧を制御することにより、振動体１と加振電極７の間で両者が引き合う静電力を発生する。この力により振動体１を加振する。第１の検出回路１１をベース基盤６上に設け、ハウジング３と第１の検出用電極８に接続する。これはハウジング３と第１の検出用電極８の間の静電容量を検出する電気回路であり、その出力は振動体１と第１の検出用電極８の間の距離を表す。

第２の検出回路１２をベース基盤６上に設け、ハウジング３と第２の検出用電極９に接続する。これはハウジング３と第２の検出用電極９の間の静電容量を検出する電気回路であり、その出力は振動体１と第２の検出用電極９の間の距離を表す。

制御回路１３をベース基盤６上に設け、加振回路１０、第１の検出回路１１、第２の検出回路１２を接続する。制御回路１３の中ではこの検出回路１１、１２からの信号を次のように加工する。振動体１の重心４と第１の検出用電極８とのベース基盤６上に投影した距離をＬ_aとし、振動体１の重心４と第２の検出用電極９とのベース基盤６に投影した距離をＬ_bとする。第１の検出回路１１の出力をＳ_a、第２の検出回路１２の出力をＳ_bとすると、振動体１の第１の振動モードの振幅信号Ｓ₁、すなわち、上下振動は重心位置の上下運動なので次式で計算する。

Ｓ₁＝（Ｌ_bＳ_a＋Ｌ_aＳ_b）／（Ｌ_a＋Ｌ_b）

また、振動体１の第２の振動モードの振幅信号Ｓ₂、すなわち、Ｙ軸まわりの回転振動は次式で回転角を計算する。

Ｓ₂＝Ｓ_b／Ｌ_b−Ｓ_a／Ｌ_a

以上の構成において、真空度の測定動作を図６のフローチャートを用いて説明する。この測定シーケンスは制御回路１３によって、発生させるものである。ステップ１００で、振幅信号Ｓ₁、Ｓ₂が充分小さいか判断する。つまり振動体１が振動していないことを確認する。ステップ１０１でもしも振動していたら時間待ちし、それでも振動していたらエラー停止する。ステップ１０２でコントローラ内部にタイマーを設け、そのタイマーをゼロにリセットする。

ステップ１０３でタイマーを起動させ、さらに、加振回路１０を用い、加振電極７と振動体１の間に加振周波数ｆの交流電圧をかける。このとき、加振電極７で発生する静電力ベクトルが振動体１の重心４を通るように、加振電極７を配置してあるので、振動体１の第１の振動モードは加振されるが、第２の振動モードは加振されることなく、振動体１の第１の振動モードのみが加振周波数ｆで振動しはじめる。

この時の第１および第２の振動モードの振幅は前述した振幅信号Ｓ₁、Ｓ₂で表わされる。この加振力は、作用線が重心４を貫いているので第２の振動モードを加振することはない。つまり振幅信号Ｓ₁はこの加振力によって出力されるが、振幅信号Ｓ₂はこの加振力のみによっては出力されない。

ステップ１０４で第２の振動モードによる回転振動が生じ、雰囲気から受ける力によって、次第に振幅が大きくなる。第２の振動モードの振幅信号Ｓ₂が所定の振幅に達するか、タイマーが所定の時間に達するまで待つ。ここで所定の振幅とは第１の検出回路１１、または第２の検出回路１２がオーバーフローしない範囲で決める。また、所定の振幅は振動体１と各電極７、８、９とが接触しない範囲で決める。例えば１０μｍといった値である。また、所定の時間とは、真空計が測定を開始してから測定結果を出力するまでの時間であり、例えば１０秒といった値である。

ステップ１０５で振幅信号Ｓ₂をタイマーの値で割ったもの、すなわち、振幅信号Ｓ₂が大きくなる速さを計算し、予め用意した、振動振幅が大きくなる速さと真空度との対応表から、参照値と比較して真空度を求める。この表は、真空容器に高精度真空計と本真空計を取り付け、両者を比較することにより容易に求めることができる。

本実施例の真空計によれば、真空度が高くなると、雰囲気から受ける力も小さくなるが、第２の振動モードは繰り返し力を受けるので振幅が次第に大きくなる。すなわち、フローチャートのステップ１０４で説明したように、時間がたつにつれ、振幅が大きくなる。従って高真空領域の雰囲気から受けるわずかな力でもその効果を累積することにより、高感度な真空計を実現できる。

また、加振力に誤差があると、振動体が上下動する並進振動の振幅や周波数が変わるが、それが直接測定誤差にはならない。静止座標系において並進方向の運動と、慣性主軸まわりの回転振動では運動を独立に考えてよいからである。ただし、第１の振動モードの変化によって第２の振動モードを加振する雰囲気からの力が変化する。しかし、雰囲気からの力はもともと小さいので影響も小さい。しかも、フローチャートのステップ１０４で説明したように、第２の振動モードの振幅が大きくなるまでの時間は誤差が平均化されると考えてよい。従って加振する力の誤差に影響されにくい真空度測定が可能である。

この真空計を設置する環境が振動していた場合、ハウジングが振動することになる。その振動は梁を伝わり振動体に伝達されるが、梁が重心に対して対称な位置に配置してあるので第１の振動モードは加振されても第２の振動モードを加振することはない。そして、第２の振動モードの振幅の変化を測定するので、設置環境の外乱振動の影響を受けにくい真空計を実現できる。

本実施例では振動体の形を矩形としたが、重心を通る回転軸に対して非対称な形ならば、雰囲気から受ける力も非対称なので、例えば振動体の角が丸まっていても同じ効果がある。

また、本実施例において第１の振動モードと、第２の振動モードの共振周波数が同じになるように設計すると、振動体は共振により第１の振動モードで非常に大きな振幅で振動することになる。従って雰囲気から受ける力も大きくすることができ、真空計の感度を向上させることができる。

この時の設計は梁の形状を変えることにより実現可能である。例えば梁の厚さ、幅、長さを変えることにより、第１の振動モードの共振周波数を支配する梁の曲げ剛性と、第２の振動モードの共振周波数を支配する梁のねじれ剛性とを調節することができる。その結果、第１、第２の振動モードの共振周波数が同じになるように設計することが可能となる。

図７は実施例２を示す。実施例１では、振動体１を支える梁２は振動体１を両端で支えていたが、その一方をカットし、振動体１を１本の梁２で支える構造である。第１の振動モードは、片持ち梁となるので支点が梁２の根元付近にある往復振動であり、第２の振動モードはＹ軸回りの回転振動である。その他の構成と作用は実施例と同様であるから説明を省略する。

本実施例によれば、実施例１に比べて、片持ち梁の構造なので第１の振動モードの共振周波数を容易に下げることができる。共振周波数を下げると並進振動の振幅を大きくしやすいため、雰囲気から受ける力を大きくできる。

また、実施例１の場合と同様に、第１の振動モードの共振周波数と第２の振動モードの共振周波数を一致させることにより、真空計の感度を向上できる。このとき、片持ち梁の構成が両持ち梁の構成に加わったことで設計の自由度を向上することができ、設計がより簡単になるという利点が付加される。

図８は実施例３を示す。実施例１、２では振動体の厚さを変化させることによって非対称な振動体を構成していたが、本実施例は同じ厚さで非対称な振動体２１を構成するものである。振動体２１、梁２２およびハウジング２３は１枚の、一様な厚さの薄板構造である。２つの梁２２はＹ軸上に配設され、振動体２１はＹ軸上に重心２４を有する。振動体２１の厚さが一定なため、Ｙ軸の左右で面積が等しくなるように外形を設計する。すなわち、左側はＹ軸である回転軸に近い範囲とし、右側は回転軸から遠い範囲まで伸ばすことによって、左右で非対称な形状とする。

本実施例では、実施例１、２に比べて、厚さが一定なのでフォトリソグラフィ技術で容易に製作できるという長所がある。

また、厚さが一定であるため、寸法誤差になるのは水平方向の寸法ずれだけである。従って、厚さと寸法ずれの両方から誤差の影響を受ける実施例１、２に比べて、本実施例ではより高精度に振動体を形成できる。その結果、誤差要因のひとつである、重心位置のずれが少なくなり、より高精度な真空計を作成することができる。

図９は実施例４を示す。実施例１では加振電極を振動体の重心位置に対応して１個、重心位置の真下に配置したが、本実施例では２つの加振電極３７ａ、３７ｂを用いる。そして配置する位置を振動体３１の重心位置の真下から両側へ等距離とし、各加振電極３７ａ、３７ｂを第１、第２の加振回路４０ａ、４０ｂに接続する。加振回路４０ａ、４０ｂは電圧分配回路４４に接続し、電圧分配回路４４を制御回路１３に接続する。電圧分配回路４４は制御回路１３からの電圧信号を一定の比で電圧分配し、第１および第２の加振回路４０ａ、４０ｂに出力する。その結果、加振電極３７ａおよび３７ｂに発生する電圧は一定の比となる。

実施例１と同じように、図６のフローチャートに従い振動体３１を加振する。このとき、２つの加振電極３７ａ、３７ｂにかける電圧の比を調節することにより、加振力の合力ベクトルがちょうど重心位置を通るように調節することができる。つまり、実施例１では加振電極を形成する位置誤差と寸法誤差によって、加振力と重心位置がずれる懸念があったが、本実施例ではこのずれを、電圧分配する電圧の比で調節することができる。

従って、加振電極や振動体の寸法誤差を許容することができ、真空計の製作を容易にできる。また、この調節により、加振力と重心とを精密に調整できるようになるため、より精度の高い真空計を構成することができる。

電圧分配回路の電圧分配の比は、超高真空チャンバにこの真空計を取り付け、支持値がゼロ、すなわち第２の振動モードの信号が出力されないように電圧分配比を調節すれば、容易に決定できる。

図１０は実施例５を示す。実施例１では加振電極と振動体の間に発生する静電力を利用して振動体を加振していたが、本実施例ではベース基盤５６を支持するピエゾ素子５７によって加振する。振動体５１は２本の梁５２で両端を支えられ、ハウジング５３に支持されている。この構造は例えばリソグラフィおよびエッチング技術を用いて製作する。原点を振動体５１の重心５３とし、図示上下方向をＺ方向、梁５２が支える方向をＹ方向とする。振動体５１の重心５４を通るＹ軸上に梁５２が配設され、振動体５１はＹ軸に対して非対称になっている。すなわち、片側の厚さが厚くて面積が小さく、反対側の厚さが薄くて面積が広い。

この構造がもつ第１の振動モードは、重心５４が上下する往復振動モードである。振動体５１を支える２本の梁５２は重心５４に対して対称位置に配置してあるので、図示するように上下に振動する。

第２の振動モードは、重心５４を通るＹ軸まわりの回転振動である。物体の運動は一般に、重心の並進運動と、重心回りの回転運動とに分けて考えることができるので、第１の振動モードが振動していても、第２の振動モードを独立して考えられる。第２の振動モードを加振するのは雰囲気から受ける力である。特に上下方向に振動している振動体５１は雰囲気の粘性に応じた力を受ける。その結果、振動振幅は次第に大きくなる。

振動体５１、梁５２、ハウジング５３は導電性材料で製作し電気的に導通させておく。このような材料として例えば導電性を上げるために不純物をドープしたシリコンが使用可能である。ハウジング５３は、絶縁体のスペーサ５５を介してベース基盤５６に接合される。絶縁体材料として、例えばシリコンと陽極接合により簡単に接合できるガラスが使用可能である。

ベース基盤５６にピエゾ素子５７を固定し、ピエゾ素子５７はベース板６６上に支持される。加振回路６０をベース基盤５６上に設け、加振回路６０からの電圧信号をアンプ６７を設けてこれに接続し、アンプ６７の出力をピエゾ素子５７に接続する。

第１の検出回路６１をベース基盤５６上に設け、ハウジング５３と第１の検出用電極５８に接続する。これはハウジング５３と第１の検出用電極５８の間の静電容量を検出する電気回路であり、その出力は振動体５１と第１の検出用電極５８の間の距離を表す。第２の検出回路６２をベース基盤５６上に設け、ハウジング５３と第２の検出用電極５９に接続する。これはハウジング５３と第２の検出用電極５９の間の静電容量を検出する電気回路であり、その出力は振動体５１と第２の検出用電極５９の間の距離を表す。

制御回路６３をベース基盤５６上に設け、加振回路６０、第１の検出回路６１、第２の検出回路６２を接続する。制御回路６３の中では検出回路６１、６２からの信号を次のように加工する。振動体５１の重心５４と第１の検出用電極５８とのベース基盤５６に投影した距離をＬ_aとし、振動体５１の重心５４と第２の検出用電極５９とのベース基盤５６に投影した距離をＬ_bとする。第１の検出回路６１の出力をＳ_a、第２の検出回路６２の出力をＳ_bとすると、振動体５１の第１の振動モードの振幅信号Ｓ₁、すなわち、上下振動は重心位置の上下運動なので次式で計算する。

Ｓ₁＝（Ｌ_bＳ_a＋Ｌ_aＳ_b）／（Ｌ_a＋Ｌ_b）

また、振動体５１の第２の振動モードの振幅信号Ｓ₂、すなわち、Ｙ軸まわりの回転振動は次式で回転角を計算する。

Ｓ₂＝Ｓ_b／Ｌ_b−Ｓ_a／Ｌ_a

以上の構成において、真空度の測定動作は図６のフローチャートと同様のフローで行われる。この測定シーケンスは制御回路６３によって、発生させるものである。ステップ２００で、振幅信号Ｓ₁、Ｓ₂が充分小さいか判断する。つまり振動体５１が振動していないことを確認する。ステップ２０１でもしも振動していたら時間待ちし、それでも振動していたらエラー停止する。ステップ２０２でコントローラ内部にタイマーを設け、そのタイマーをゼロにリセットする。

ステップ２０３でタイマーを起動させ、さらに、加振回路６０を用い、アンプ６７に加振周波数ｆの交流電圧を出力する。アンプ６７はこの電圧を増幅した電圧をピエゾ素子５７にかける。ピエゾ素子５７は印加された電圧に応じて伸縮するので、ベース基板５６全体を振動させる。ベース基板５６全体が振動すると、その振動は、スペーサ５５、ハウジング５３、梁５２と伝わり、振動体５１を振動させる。このとき、梁５２が重心５４に対して対称な位置に配置してあるので第１の振動モードは加振されるが、第２の振動モードは加振されない。その結果、振動体５１の第１の振動モードが加振周波数ｆで振動しはじめる。

この時の第１および第２の振動モードの振幅は前述した振幅信号Ｓ₁、Ｓ₂である。この加振力は、作用線が重心５４を貫いているので第２の振動モードの振幅を加振することはない。つまり振幅信号Ｓ₁はこの加振力によって出力するが、振幅信号Ｓ₂はこの加振力のみによっては出力されない。

ステップ２０４で第２の振動モードの振幅は雰囲気から受ける力によって、次第に振幅が大きくなる。振幅信号Ｓ₂が所定の振幅に達するか、タイマーが所定の時間に達するまで待つ。ここで所定の振幅とは第１の検出回路６１、または第２の検出回路６２がオーバーフローしない範囲で決める。また、所定の振幅は振動体５１と各電極５７、５８、５９とが接触しない範囲で決める。例えば１０μｍといった値である。また、所定の時間とは、本真空計が測定を開始してから測定結果を出力するまでの時間であり、例えば１０秒といった値である。

ステップ２０５で振幅信号Ｓ₂をタイマーの値で割ったもの、すなわち、振幅信号Ｓ₂が大きくなる速さを計算する。予め用意した、振動振幅が大きくなる速さと真空度との対応表から、真空度を求める。この表は真空容器に高精度真空計と本真空計とを取り付け、両者を比較することにより容易に求めることができる。

以上のように真空計を構成すれば、加振をピエゾ素子で行うので大きな力で加振できる。従ってより周波数が高く、振幅が大きい振動が可能となる。振動体の振動が大きくなるにつれて、雰囲気から振動体が受ける力も大きくなる。雰囲気から振動体が受ける力が大きくなるので、第２の振動モードを加振する力も大きくなり、その振幅が大きくなる。このようにして、より一層感度の高い真空計を実現することができる。

図１１は実施例６を示す。実施例５ではベース基盤を支持するピエゾ素子を１個用いたが、本実施例では複数のピエゾ素子７７ａ、７７ｂを用いる。そして配置する位置を振動体５１の重心位置の真下から両側へ等距離とし、各ピエゾ素子７７ａ、７７ｂを電圧分配回路８４に接続する。電圧分配回路８４は制御回路６３からアンプ６７を経て送信される電圧信号を一定の比で電圧分配し、ピエゾ素子７７ａ、７７ｂを駆動する。

振動体５１を加振するとき、２つのピエゾ素子７７ａ、７７ｂにかける電圧の比を調節することにより、加振力の合力ベクトルの作用位置を調節することができる。つまり、加振力と振動体５１の重心位置がずれる懸念があっても、電圧分配する電圧の比で調節することができる。

従って、振動体等の寸法誤差を許容することができ、真空計の製作を容易にできる。また、この調節により、加振力と重心とを精密に調整できるようになるため、より精度の高い真空計を構成することができる。

実施例１による真空計を分解して示す分解斜視図である。実施例１の基本構造を説明する模式図である。図２の装置の第１および第２の振動モードを説明する図である。第１および第２の振動モードの振動波形を示すものである。実施例１における第１および第２の振動モードを説明する図である。実施例１の測定動作を説明するフローチャートである。実施例２による真空計を分解して示す分解斜視図である。実施例３の主要部を示す部分平面図である。実施例４による真空計を分解して示す分解斜視図である。実施例５による真空計を分解して示す分解斜視図である。実施例６による真空計を分解して示す分解斜視図である。一従来例を示す図である。

符号の説明

１、１ａ、２１、３１、５１振動体
２、２２、５２梁
２ａ弾性体
３、２３、５３ハウジング
４、４ａ、２４、５４重心
５、５５スペーサ
６、５６ベース基盤
７、３７ａ、３７ｂ加振電極
８、５８第１の検出用電極
９、５９第２の検出用電極
１０、４０ａ、４０ｂ、６０加振回路
１１、６１第１の検出回路
１２、６２第２の検出回路
１３、６３制御回路
４４、８４電圧分配回路
５７、７７ａ、７７ｂピエゾ素子
６６ベース板
６７アンプ

Claims

重心を通る第１軸に対して非対称な形状を有する振動体と、前記振動体を前記第１軸に沿って水平支持する弾性体を有するハウジングと、前記重心に作用する駆動力により、前記第１軸に直交する第２軸に沿って前記振動体に並進振動を発生させる加振手段と、前記並進振動に伴って発生する前記振動体の前記第１軸まわりの慣性回転振動を検出する検出手段とを備え、前記検出手段の出力に基づいて前記振動体の周囲の雰囲気圧力を求めることを特徴とする真空計。
検出手段が、振動体の慣性回転振動の振幅が増大する速さを検出するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の真空計。
第２軸に沿った振動体の並進振動の共振周波数と第１軸まわりの慣性回転振動の共振周波数が等しいことを特徴とする請求項１または２記載の真空計。
ハウジングと弾性体と振動体が一体である平板構造を有し、前記弾性体が、前記振動体の重心を通る第１軸上に配設された少なくとも１本の梁を備えていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の真空計。
スペーサを介してハウジングを支持するベース基盤が設けられており、加振手段が、振動体に対向するように前記ベース基盤上に配設された加振電極を有することを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の真空計。
加振手段が、ハウジングと弾性体と振動体とを一体的に往復移動させるピエゾ素子を有することを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の真空計。
加振手段が、個別に制御自在である複数の加振電極または複数のピエゾ素子を有することを特徴とする請求項１ないし６いずれか１項記載の真空計。