CN109618558A

CN109618558A - 真空计

Info

Publication number: CN109618558A
Application number: CN201780050129.5A
Authority: CN
Inventors: 北條久男
Original assignee: Q`z Co
Current assignee: Q`z Co
Priority date: 2016-01-07
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2019-04-12
Anticipated expiration: 2037-06-30
Also published as: EP3567355B1; EP3567355A1; WO2018127987A1; CN109618558B; KR102210827B1; US10852207B2; EP3567355A4; JP2017125850A; US20190107458A1; JP6744636B2; JPWO2018127987A1; KR20190053817A

Abstract

提供一种真空计，其能够抑制外部温度变化的影响从而准确地测定真空度。真空计具有：导入管(320)；隔膜(40)，其因被导入管所导入的被测定气体而移位；压电元件(50)，该压电元件(50)的一端与隔膜连接并与隔膜一起移位；内部结构体(310)，其固定有隔膜的周缘与压电元件的另一端，并与导入管连结；以及气密容器(300)，其气密性地包围导入管和内部结构体。气密容器内被内部结构体、导入管和隔膜气密地划分为在隔膜的一面侧处导入被测定气体的压力导入室(130)、和隔膜的另一面侧的基准压力室(120)，基准压力室被设定为比被测定气体的压力下限低的高真空。

Description

真空计

技术领域

本发明涉及真空计等。

背景技术

已知有使用压电元件的物理量检测器。专利文献1公开了如下的物理量检测器：压电元件，其在两端设置有基部；以及气密容器(外壳)，其收纳该压电元件。外壳具有：环部，其对隔膜进行固定；突出部，其设置成从环部起突出；2个柱部件，它们从突出部起在垂直方向上延伸；以及梁部件，其将2个柱部件的自由端部连接。压电元件的一个基部被固定于隔膜，压电元件的另一个基部被固定于梁部件。当外压作用于隔膜时，压电元件对应于外压而被压缩或者伸长。由此，压电元件的谐振频率按照隔膜所受到的压力而发生变化，从而能够根据谐振频率高精度地检测压力。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-104753号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在如上所述的结构的物理量检测器中，存在如下课题：特别是在作用于隔膜的正或负的压力较大的情况或外部温度变化较大的情况下，测定精度恶化。

本发明的几个方式的目的在于提供一种能够抑制外部温度变化的影响从而准确地测定真空度的真空计。

本发明的几个方式的目的在于提供一种能够通过允许压电元件的一端的移位并抑制另一端的移位而准确地测定真空度的真空计。

用于解决课题的手段

(1)本发明的一个方式涉及一种真空计，其具有：

导入管；

隔膜，其因被所述导入管所导入的被测定气体而移位；

压电元件，该压电元件的一端与所述隔膜连接，并且与所述隔膜一起进行移位；

内部结构体，其固定有所述隔膜的周缘与所述压电元件的另一端，并与所述导入管连结；以及

气密容器，其气密性地包围所述导入管和所述内部结构体，

所述气密容器内被所述内部结构体、所述导入管和所述隔膜气密性地划分为在所述隔膜的一面侧导入所述被测定气体的压力导入室、和所述隔膜的另一面侧的基准压力室，

所述基准压力室被设定为比所述被测定气体的压力下限低的高真空。

真空计的误差的最大要因在于虽然压力不变化，但会由于周围温度的变化而使隔膜、压电元件或支承压电元件的内部结构体发生变形，产生由于压电元件的移位引起的误差。为了避免该误差，除了覆盖与被测定气体接触的隔膜的一面侧以外，还用基准压力室覆盖了隔膜的另一面侧及压电元件、和内部结构体，该内部结构体支承隔膜及压电元件。基准压力室原本用于设定相对于被导入到压力导入室中的被测定气体的压力的基准压力。在本发明的一个方式中，通过将基准压力室的高真空兼用作真空隔热部从而利用真空隔热部抑制对流传热，减少了因真空计的误差的最大要因即温度变化引起的影响。

(2)在本发明的一个方式中，所述基准压力室被设定为所述被测定气体的压力下限的1/1000以下，更优选被设定为1/10000以下的高真空。这样，能够在不受基准压力室的压力的影响的情况下，以0.1％以下的高精度进行计测，并且能够进一步提高作为基准压力室的真空隔热部的功能。

(3)在本发明的一个方式中，也可以是，所述导入管包含第1部分和第2部分，所述第1部分与所述内部结构体连结，并且被所述气密容器包围，所述第2部分向所述气密容器的外侧突出，使所述第1部分和所述第2部分中的一方的导热率比所述第1部分和所述第2部分中的另一方小。这样，能够抑制气密容器的外部的热经由导入管、通过固体导热而传递到内部结构体的情况，该导入管向划分出真空隔热部的气密容器的内外延伸。

(4)在本发明的一个方式中，也可以是，所述第1部分的第1管容积成为所述第2部分的第2管容积的1/2～1/6。管容积以管的开口截面积与长度之积表示。如果导入管的第1部分的管容积减小到1/2～1/6，则导热率也与管容积成比例地减小。

(5)在本发明的一个方式中，也可以是，所述导入管包含第1部分和第2部分，所述第1部分与所述内部结构体连结，并且被所述气密容器包围，所述第2部分向所述气密容器的外侧突出，所述第1部分和所述第2部分中的至少一方由具有2～10W/m·K的导热率的材质形成。

根据本发明的一个方式，在具有向划分出真空隔热部的气密容器的内外延伸的导入管的情况下，利用由具有2～10W/m·K的低导热率的材质形成第1部分和第2部分中的至少一方的导入管来抑制固体导热，能够抑制压电元件受到的外部温度变化的影响，从而准确地测定压力。这样，可以使周围温度在20秒内从25℃升温至30℃时的压电元件附近的温度上升速度为5×10-3(℃/sec)以下。由此，能够以至少0.01℃的温度精度进行大约2秒1次的温度校正，能够实时地、追踪式地进行温度校正。

(6)在本发明的一个方式中，也可以是，

所述内部结构体包含：

基端部，其固定有所述隔膜的周缘；

固定部，其固定有所述压电元件的所述另一端；以及

加强部，其从所述基端部起沿着所述压电元件的长度方向延伸至所述固定部，

在所述加强部的与所述长度方向垂直的横截面中，能够将所述加强部遍及(360°/N)的范围而配置在配置有所述压电元件的区域的周围，1<N≦2。

这样，能够利用加强部牢固地支承固定部，该固定部对压电元件的另一端进行固定。由此，通过将一端与隔膜一起移位的压电元件的另一端固定并支承于固定部，能够使压电元件产生仅取决于压力的应力。

(7)在本发明的一个方式中，也可以是，所述内部结构体具有止动件，该止动件对所述隔膜向所述气密容器的内侧过度地移位进行限制。这样，能够使止动件抑制隔膜的移动，并且能够设定真空计所容许的上限压力。

附图说明

图1是示出将真空隔热部与低导热材质的导入管组合而成的本发明实施方式的剖视图。

图2是示出使外部气体温度在20秒内从25℃升温至30℃时的、本实施方式和比较例的真空计的温度变化的特性图。

图3是示出使外部气体温度在20秒内从25℃升温至30℃时的、本实施方式和另一比较例的真空计的温度变化的特性图。

图4的(A)(B)是示出在内部结构体上组装有隔膜的状态的俯视图和剖视图。

图5的(A)(B)是示出将接合部定位并固定于内部结构体的状态的俯视图和剖视图。

图6的(A)(B)是示出在内部结构体上安装有隔膜的状态的俯视图和剖视图。

具体实施方式

下面，详细说明本发明的优选实施方式。另外，以下说明的本实施方式不会对权利要求所记载的本发明内容做出不当限定，在本实施方式中说明的结构并不一定全都是本发明的解決手段所必需的。

1.具有真空隔热部的真空计

图1是本发明实施方式的真空计的概略剖视图。图1所示的真空计具有气密容器300、配置在气密容器300内的内部结构体310和导入被测定气体的导入管320。导入管320具有第1部分320A，该第1部分320A与内部结构体310连结，并且被气密容器300包围。导入管320还可以包含第2部分320B，该第2部分320B与第1部分320A连结，并向气密容器300的外侧突出。在导入管320的第2部分320B的自由端部处固定有凸缘110。凸缘110以与收纳被测定气体的腔室或配管连通的方式被固定。

压电元件50的一端与隔膜40连接。在本实施方式中，与压电元件50的一端接合的接合部60被粘接固定于隔膜40的中心部。压电元件50的另一端被固定于内部结构体310。

与隔膜40一起进行移位的压电元件50可以使用晶体振荡器，优选使用双音叉型晶体振荡器。这里，气密容器300例如通过对筒状体30与隔壁31进行气密结合而形成。如图1所示，在保持着气密性的同时，将与压电元件50连接的2根布线32a、32b从隔壁31取出。在设置有对压电元件50的附近的温度进行计测的温度传感器的情况下，还经由隔壁31将与温度传感器连接的2根布线取出。在隔壁31的外侧还固定有筒状体100，在该筒状体100内配置有与2根布线32a、32b等连接的电路基板90、91。然后，通过经由电路基板90、91和布线32a、32b而对压电元件50的一对激励电极之间施加电压，能够以固有的谐振频率激励压电元件50。在与因被测定气体而进行移位的隔膜40直接连结的压电元件50受到压缩应力时，谐振频率变小。相反，在压电元件50受到拉伸应力时，谐振频率增大。因此，能够根据这样的谐振频率来高精度地检测压力。

导入管320的第1部分320A和内部结构体310被气密容器300气密性地包围，导入管320的第2部分320B从气密容器300起向外侧突出。

气密容器300内由内部结构体310、导入管320的第1部分320A和隔膜40气密性地划分为在隔膜40的一面侧处导入被测定气体的压力导入室130、和隔膜40的另一面侧的基准压力室120。这里，基准压力室120被设定为比被测定气体的压力下限低的高真空。

为了在不受基准压力室120的压力的影响的前提下高精度地进行计测，基准压力室120的压力可以设为最小测定压力(压力下限)的1/1000以下，更优选为万分之一以下。例如，在使压力导入室130内的最小测定压力(压力下限)为0.1Pa的情况下，为了在不受基准压力室120的压力的影响的前提下以0.1％以下的高精度进行计测，优选为基准压力室120的压力为最小测定压力的千分之一以下、即1x10^-4Pa以下。可以采用如下方法：在基准压力室120中，在以高真空对体吸气材料进行激活之后，进行切口(chipping-off)，用体吸气泵对基准压力室120进行排气，可以长期间(例如，30年)地保持为1x10^-4Pa以下。

压力导入室130在初始状态下被设定为大气压或净化气体的压力，因此，隔膜40位于向基准压力室120的内侧移位后的位置(或者，隔膜40位于被后述的止动件29限制的位置)。然后，当真空室内的被测定气体经由凸缘110和导入管320而被导入到压力导入室130并对压力导入室130进行真空排气时，位于基准压力室120的内侧的隔膜40朝向基准压力室120的外侧移位。由于一端与隔膜40连结的压电元件50的另一端被固定于内部结构体310，因此，会对压电元件50施加应力。压电元件50与振荡电路连接，因由于压力所导致的隔膜40的移位而受到应力，使得频率发生变化。该频率被分频器分频为例如1/64，然后由频率计数器进行计数，从而计测压力。在具有上述的温度传感器的情况下，能够根据测定温度对由于温度引起的误差进行校正而计测更准确的压力。

真空计的误差的最大要因在于虽然压力不变化，但由于周围温度的变化而使隔膜和支承压电元件的结构体发生变形，产生压电元件的移位的误差。为了避免该误差，在本实施方式中，除了覆盖与被测定气体接触的隔膜40的一面侧以外，还利用基准压力室120覆盖了隔膜40的另一面侧和压电元件50、以及内部结构体310，该内部结构体310支承隔膜40和压电元件50。基准压力室120原本用于设定相对于导入到压力导入室130的被测定气体的压力的基准压力。在本实施方式中，通过将基准压力室120的高真空兼用作真空隔热部，抑制了真空计的误差的最大要因、即温度变化引起的影响。

由于利用真空隔热部120抑制了对流传热，因此可充分地减少压电元件50因对流受到的外部温度变化的影响。

2.导入管的低导热率

在本实施方式中，具有导入管320，该导入管320向划分出真空隔热部120的气密容器300的内外延伸，在气密容器300的内侧处与内部结构体310连结。因此，导入管320会因固体导热将外部热传递到内部结构体310。

因此，在本实施方式中，通过利用至少一部分为低导热材质的导入管320抑制固体导热，抑制了压电元件50受到的外部温度变化的影响。在本实施方式中，由低导热材质、例如作为金属氧化物的一例的氧化锆(ZnO₂)形成图1所示的导入管320中的、配置于气密容器300内的内侧管(第1部分)320A，除此以外的外侧管(第2部分)320B由金属、例如不锈钢(SUS)形成。也可以代替于此利用低导热材质形成外侧管(第2部分)320B或导入管320整体。设置于导入管320的内侧管(第1部分)320A和外侧管(第2部分)320B中的至少一方的低导热材质只要是在外部导热部分与内部结构体310之间抑制导热的材质即可。

图2示出了在使外部气体温度T_A在20秒内从25℃升温至30℃的情况下，3种真空计的压电元件50附近的温度T_B、T_C、T_D的实验数据。温度T_D为图1所示的实施方式的真空计的温度，温度T_B、T_C表示比较例1、2的真空计的温度。在比较例1中，没有形成图1的真空计中的真空隔热部120，并且是由金属(SUS)形成了导入管320的真空计，其温度为T_B。比较例2是由金属(SUS)形成了图1的真空计的导入管320的真空计(存在真空隔热部120)，其温度为T_B。根据图2明确可知，具有真空隔热部120的比较例2和本实施方式的温度T_C、T_D被维持为与没有形成真空隔热部120的比较例1的温度T_B相比非常低的温度，真空隔热部120的效果较明显。

根据图2，本实施方式与比较例2的差异并不明确，因此，进一步在图3中示出另一实验数据。在图3中，除了图2所示的温度T_A和温度T_D以外，还示出了温度T_C1和温度T_C2。温度T_C1、T_C2与图2所示的比较例2同样具有真空隔热部120，并示出了利用SUS形成了外压导入管320的真空计的温度，但仅导入管320的尺寸不同。在检测出温度T_C1的比较例2-1中，图1所示的导入管320的尺寸为外径d1＝d3＝5mm、内径d2＝d4＝4mm、L1＝L2＝13.5cm。与此相对，在检测出温度T_C2的比较例2-2中，外径为d1＝3mm、内径为d2＝2mm，直径小于比较例2-1，长度L与比较例2-1相同。本实施方式的真空计使用了与比较例2-1相同尺寸的导入管320。

在与图2同样，使外部气体温度T_A在20秒内从25℃升温至30℃时，根据图3可知，使用了一部分由氧化锆形成的导入管320的本实施方式的温度T_D被维持为比使用了由SUS304形成的导入管320的比较例2-1、2-2的温度T_C1、T_C2低。可知虽然导入管320的截面积比比较例2-1小的比较例2-2一方更加抑制了温度的上升，但与比较例2-1尺寸相同的本实施方式比比较例2-2进一步抑制了温度上升。虽然能够通过减小导入管320的截面积或者增长长度L来抑制固体导热量，但为了在将导入管维持为一般尺寸：即外径d1＝d3＝5mm、内径d2＝d4＝4mm、L1＝L2＝13.5cm的前提下抑制固体导热量，如本实施方式那样进行材质变更是有效的。

上述的结果由于SUS304的导热率[16.3W/m·K]和氧化锆的导热率[3W/m·K]的不同而引起。因此，使本实施方式中所使用的导入管320的内侧管(第1部分)320A和外侧管(第2部分)320B中的至少一方的材质具有充分低于普通金属的2～10W/m·K的导热率、优选为具有2～7W/m·K的导热率、更优选为具有2～5W/m·K的导热率。

当计算本实施方式的温度T_D的温度上升率时，最大为1×10^-4℃/sec。如果外部气体温度在20秒内从25℃升温至30℃时的真空计(压电元件附近)的温度上升率为(℃/sec)以下，则能够以至少0.01℃的温度精度进行大约2秒1次的温度校正，能够实时地、追踪式地进行温度校正。

为了在维持着与凸缘110连结的第2部分320B的强度的状态下使导入管320的第1部分320A的导热率小于第2部分320B，可以将第1部分320A的尺寸变更得比第2部分320B小(d1<d3、d2<d4)。例如，可以使导入管320的第1部分320A的第1管容积(π·(d2/2)²×L1)为第2部分320B的第2管容积(π·(d4/2)²×L2)的1/2～1/6。但是，假设第1部分320A的壁厚[(d1-d2)/2]与第2部分320B的壁厚[(d3-d4)/2]实质上相等。如果导入管的320的第1部分320A的管容积减小到1/2～1/6，则导热率也与管容积成比例地减小。另外，一般而言，当减小管容积时，导入管320的电导下降，真空计的响应速度变低。但是，如果减小压力导入室130的容积中的、导入管320的容积以外的压力测定室的容积，则响应速度方面几乎不存在问题。

在本实施方式中，可以在内部结构体310中设置止动件29，该止动件29限制隔膜40向气密容器300的内侧过度地移动。该止动件29可以设置于基端部23、加强部25或接合部60中的任意一个上。如图1所示，在设置于内部结构体310的基端部23的止动件29与隔膜40之间设置有间隙S。止动件29能够限制隔膜40的移动，从而避免由真空计测定的压力的上限(高压力)导致的压电元件50的损坏、和隔膜40的塑性变形。也可以代替于此，利用设置于内部结构体310的基端部23或加强部25上的止动件29来限制隔膜40或接合部60的移动。

3.内部结构体的详细结构

以下，参照图4的(A)(B)和图5的(A)(B)，按照组装顺序说明真空计的内部结构体310。图4的(A)(B)是内部结构体310的俯视图和剖视图。内部结构体310包含：基端部23，其与隔膜40的周缘部、和导入管320的第1部分320A连结；固定部24，其对压电元件50的另一端(图1的上端)进行固定；以及加强部25，其对基端部23和固定部24进行连结。对基端部23的第1开口部21进行密封的隔膜40和与基端部23的第2开口21B连结的导入管320例如通过激光焊接等被气密性地固定。

加强部25为壁厚t的筒状体，固定部24相当于配置于该筒状体的一端的顶板壁。固定部24具有对压电元件50的固定端部进行接合的接合面26。加强部25遍及θ＝(360/N)°的范围(1<N≦2)而被配置在，配置有压电元件50的中空部(加强部25的内部空间)的周围。即，加强部25在压电元件50的周围遍及180°以上且小于360°的角度范围而配置。能够利用该加强部25牢固地支承固定部24，该固定部24对压电元件50的另一端进行固定。由此，一端与隔膜40一起进行移位的压电元件50的另一端固定支承于固定部24，由此，能够使压电元件50产生仅取决于压力的应力。换言之，内部结构体310在俯视观察时具有(360°-θ)的角度范围的缺口部27，该缺口部27与中空部(加强部25的内部空间)连通。在本实施方式中，例如，设θ＝270°，缺口部27在俯视观察时形成于(360°-θ)＝90°的角度范围。此外，在固定部24上形成有沿着图1的轴向A而贯穿的至少一个的、例如2个孔28A、28B。

图5的(A)(B)是示出将接合部60固定到被保持于夹具200的内部结构体310上的状态的俯视图和剖视图。如图5的(B)所示，在2个孔28A、28B中分别插入有定位轴201，该2个孔28A、28B形成于内部结构体310的固定部24。在接合部60处也与内部结构体310的固定部24同样，设置有2个孔(虽然未图示，是在俯视观察时与图5的(A)的2个孔28A、28B重叠的2个孔、与图6的(A)所示的2个孔62a、62b相同)，这2个孔也同样，在图5的(B)所示的状态下插入有定位轴201的下端部。这样，接合部60相对于内部结构体310而被定位。在图5的(B)所示的状态下，接合部60与隔膜40例如被粘接。此时，可以使设置在接合部60上的2个孔为在隔膜40所处的一侧具有底部的非贯穿的孔。如果将定位轴201插入到非贯穿的孔中，能够在将接合部60固定于隔膜40时，将定位轴201的自重用作重物。除了2根定位轴201的自重以外，还可以向2根定位轴201追加连结重物。接合部60具有与压电元件50的可动端部(图1所示的下端部)接合的接合面(第4平面)61，通过上述的组装，接合部60的接合面61与固定部24的接合面26平行地配置在同一直线上。

压电元件50由单晶的晶体板构成，其一端与接合部60的接合面(第2平面)61粘接，另一端与固定部24的接合面(第4平面)26粘接。这时，如图4的(A)所示，在内部结构体310上，遍及90°(＝360°-θ)而设置有缺口部27，因此，能够经由缺口部27而进行压电元件50的配置、并在粘接时使重物对压电元件50发生作用，操作性较好。

根据本实施方式，在具有被隔膜40密封的第1开口部21的内部结构体310上一体地形成有固定部24。这样，压电元件50的可动端部与隔膜40一起移位，另一方面，压电元件50的固定端部被固定于与内部结构体310一体的固定部24而不发生移位。因此，压电元件50能够根据隔膜40的移位高精度地检测作用于隔膜40的压力。

除此以外，固定部22A经由加强部25而与基端部23连结。该加强部25遍及(360/N)°的范围(1<N≦2)而形成在配置有压电元件50的中空部的周围。即，由于按照压电元件50的周围的180°以上且小于360°的角度范围具有加强部25，所以能够抑制加强部25发生变形。因此，即使在作用于隔膜40的正或负的压力较大的情况下，压电元件50的固定端部也不会相对于内部结构体310发生移位。这样，压电元件50能够根据隔膜40的移位高精度地检测作用于隔膜40的压力。

另外，本发明不限于上述实施方式，当然可以在本发明的主旨范围内实施各种变形。例如，上述的实施方式的结构还能够应用于对真空以外的压力进行计测的计量仪器。此外，在表示形成有加强部的范围的(360/N)°的定义中所使用的N如上所述，最优选1<N≦2，但即使设为1<N≦4，也能够进行规定精度的压力计侧。

标号说明

21A、21B：开口部；23：基端部；24：固定部；25：加强部；29：止动件；30：筒状体；31：隔壁；32a、32b：布线；40：隔膜；50：压电元件；60：接合部；90、91：电路基板；100：筒状体；110：凸缘；120：基准压力室(真空隔热部)；130：压力导入室；200：夹具；201：定位轴；300：密闭容器；310：内部结构体；320：导入管；320A：第1部分(内侧管)；320B：第2部分(外侧管)。

Claims

1.一种真空计，其特征在于，具有：

导入管；

隔膜，其因通过所述导入管所导入的被测定气体而移位；

压电元件，该压电元件的一端与所述隔膜连接从而与所述隔膜一起进行移位；

气密容器，其气密性地包围所述导入管和所述内部结构体，

2.根据权利要求1所述的真空计，其特征在于，

所述基准压力室被设定为所述被测定气体的压力下限的1/1000以下的高真空。

3.根据权利要求1或2所述的真空计，其特征在于，

所述导入管包含第1部分和第2部分，所述第1部分与所述内部结构体连结并且被所述气密容器包围，所述第2部分向所述气密容器的外侧突出，

所述第1部分和所述第2部分中的一方的导热率比所述第1部分和所述第2部分中的另一方小。

4.根据权利要求3所述的真空计，其特征在于，

所述导入管的所述第1部分的第1管容积为所述导入管的所述第2部分的第2管容积的1/2～1/6。

5.根据权利要求1或2所述的真空计，其特征在于，

所述第1部分和所述第2部分中的至少一方由具有2～10W/m·K的导热率的材质形成。

6.根据权利要求1～5中的任意一项所述的真空计，其特征在于，

所述内部结构体包含：

基端部，其固定有所述隔膜的周缘；

固定部，其固定有所述压电元件的所述另一端；以及

在所述加强部的与所述长度方向垂直的横截面中，所述加强部遍及(360°/N)的范围而配置在配置有所述压电元件的区域的周围，1<N≦2。

7.根据权利要求1～6中的任意一项所述的真空计，其特征在于，

所述内部结构体具有止动件，该止动件对所述隔膜向所述气密容器的内侧过度地移位进行限制。