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JP2005331362A - Vacuum gauge - Google Patents

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JP2005331362A JP2004149910A JP2004149910A JP2005331362A JP 2005331362 A JP2005331362 A JP 2005331362A JP 2004149910 A JP2004149910 A JP 2004149910A JP 2004149910 A JP2004149910 A JP 2004149910A JP 2005331362 A JP2005331362 A JP 2005331362A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a vacuum gage robust against disturbance and capable of detecting precisely a degree of vacuum. <P>SOLUTION: A vibration body 1, a beam 2 and a housing 3 cut out of one sheet are fixed onto a base panel 6 via a spacer 5. The vibration body 1 has an asymmetric outer shape with respect to a Y-axis passing through the gravity center 4, and generates inertia rotation vibration around the beam 2 of an elastic body, in accompaniment to translational vibration of the vibration body 1, when exciting force is applied in the gravity center position of the vibration body 1 by an excitation electrode 7 on the base panel 6. A speed increase in an amplitude (rotation angle) of the inertia rotation vibration is detected since the inertia rotation vibration is increased by force received from an atmosphere, and a detected value is compared with a reference data to find atmospheric pressure. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

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。   The present invention relates to a vacuum gauge that measures atmospheric pressure in a decompression chamber, a vacuum chamber, and the like, and more particularly, to a vacuum gauge that is suitable for measuring the degree of vacuum in a high and medium vacuum region with high accuracy.

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。   As disclosed in Patent Document 1, a conventional vacuum gauge includes a structure in which a vibrating body and a support are integrally formed by etching and a control circuit.

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。   For example, as shown in FIG. 12, a structure having a torsion bar 101 and a vibrating body 102 formed by hollowing out a single plate 103, an excitation electrode 105 and a circuit 108, a detection electrode 106 and a circuit 109 And the substrate 104 that supports the control circuit 110, and the vibrating body 102 elastically supported by the torsion bar 101 is vibrated, and the frequency at which the vibration amplitude at that time is maximized, that is, the resonance frequency is measured. Devices for measuring degrees have been developed.

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
In this way, when the vibrating body is vibrated in a vacuum, the resonance frequency changes depending on the degree of vacuum, or the viscosity of the atmosphere changes depending on the degree of vacuum in the molecular flow region of medium vacuum or higher. It is known that the force received from the air changes according to the degree of vacuum.
Japanese Patent No. 2518814

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。   The above conventional apparatus has the following unsolved problems.

(1)高真空側の感度が悪い。   (1) The sensitivity on the high vacuum side is poor.

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。   As the degree of vacuum in the atmosphere increases, the number of molecules involved decreases, so the force that the vibrating body receives becomes extremely small. As a result, the change in the resonance frequency of the vibrating body is also reduced. In the conventional method, since the change of the resonance frequency is measured, the sensitivity is poor.

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。   And since the sensitivity on the high vacuum side is low, a vacuum gauge with a wide pressure measurement range cannot be realized.

(2)加振力の誤差に弱い。   (2) Sensitive to errors in excitation force.

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。   The electrical noise of the control circuit that supplies voltage to the excitation electrode changes the vibration amplitude of the vibrating body. The conventional method for searching for the maximum value of the vibration amplitude is directly affected by the amplitude fluctuation of the vibrating body due to this electrical noise. Therefore, the measurement result of the degree of vacuum is also directly affected by the error of the excitation force.

(3)外乱振動に弱い。   (3) Weak against disturbance vibration.

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。   When disturbance vibration is applied, the vibrating body vibrates. This vibration affects the measurement result of the degree of vacuum as well as the error of the excitation force due to electrical noise. Particularly in the vacuum chamber, there are many opportunities to arrange mechanical devices such as vacuum pumps that are likely to be vibration sources in the vicinity, and disturbance vibrations in places where vacuum gauges are used cannot be ignored.

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。   The present invention has been made in view of the above-mentioned unsolved problems of the prior art, and is a vacuum gauge that has high sensitivity even in a high vacuum, and can stably measure even if there is an error in excitation force or disturbance vibration. Is intended to provide.

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。   In order to achieve the above object, a vacuum gauge according to the present invention includes a vibrating body having an asymmetric shape with respect to a first axis passing through the center of gravity, and an elastic body that horizontally supports the vibrating body along the first axis. A housing having a vibration means for generating a translational vibration in the vibrating body along a second axis perpendicular to the first axis by a driving force acting on the center of gravity, and the vibration generated in association with the translational vibration. Detecting means for detecting inertial rotational vibration around the first axis of the body, and determining an ambient pressure around the vibrating body based on an output of the detecting means.

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。   Inertial rotational vibration generated along with the translational vibration of the vibrating body by the vibrating means is increased by the force received from the atmosphere around the vibrating body. Although the force received from the vacuum or the reduced-pressure atmosphere is small, since the force is repeatedly received by the translational vibration of the vibrating body, the inertial rotation vibration is reliably amplified and can be detected even in a high vacuum. Further, since the disturbance only temporarily acts on the center of gravity of the vibrating body via the housing and the elastic body, it does not affect the inertial rotational vibration of the vibrating body.

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。   The detecting means measures the time from when the vibrating body starts inertial rotation vibration until it reaches a predetermined amplitude (rotation angle), or the maximum amplitude when vibration is applied until the predetermined time elapses. It is configured to detect the speed at which the amplitude increases.

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。   In this way, by averaging the errors included in the excitation force of the detection means and reducing the influence thereof, a highly sensitive vacuum gauge with less noise can be realized.

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。   Further, by configuring the resonance frequency of the translational vibration of the vibrating body by the vibration means to be equal to the resonance frequency of the inertial rotation vibration, the inertial rotation vibration can be expanded and a vacuum gauge with higher sensitivity can be realized.

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。   By making the housing, elastic body, and vibration body into an integrated flat plate structure, it becomes possible to cut out the main components from a single flat plate, and it can be manufactured easily and at low cost by semiconductor lithography technology together with detection means and excitation electrodes. .

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。   As shown in FIG. 1, the vibrating body 1 is supported by the housing 3 via two beams 2 that are elastic bodies. The two beams 2 are arranged at symmetrical positions with respect to the center of gravity 4 of the vibrating body 1, and the vibrating body 1 horizontally supported by the beam 2 has rotational vibration around the Y axis that is the first axis passing through the center of gravity 4. It is free. The housing 3 is supported on the base substrate 6 via the spacer 5, and the base substrate 6 has a vibration electrode 7 that is a vibration means for vibrating the vibrating body 1, and the vibration force (driving force) thereof. Is configured to coincide with the Z axis that is the second axis that penetrates the center of gravity 4 of the vibrator 1. The shape of the vibrating body 1 is asymmetric with respect to the Y axis, which is the center of rotational vibration. The vibration electrode 1 reciprocates the center of gravity 4 of the vibrating body 1 in the Z direction, and the vibration of the vibrating body 1 in the Z direction is translated. A change in the amplitude of the inertial rotational vibration of the vibrating body 1 due to the detection is detected by the detection electrodes 8 and 9 as detection means, and the detected value is compared with a reference value prepared in advance to obtain the degree of vacuum.

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。   FIG. 2 is a schematic diagram showing the measurement principle of the vacuum gauge of FIG. The vibrating body 1a is supported by an elastic body 2a such as a torsion bar, and the elastic body 2a is disposed on the Y axis passing through the center of gravity 4a of the vibrating body 1a. Assuming that the vibrating body 1a is a rigid body, generally, the equation of motion of vibration can be considered independently by dividing it into six vibration modes around the center of gravity 4a. That is, the vibration in the translation direction along the X, Y, and Z axes in FIG. 2 and the rotational vibration around the three inertia main axes. The inertial main axis is determined by the weight and shape of the vibrating body 1a, but in the rectangular shape as shown in FIG. 2, it almost coincides with the X, Y, and Z axes. Hereinafter, in order to explain the direction and the like, the orthogonal X, Y, and Z coordinates where the origin is at the center of gravity and is stationary are used.

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。   In the present embodiment, two vibration modes are used among the six vibration modes. As shown in FIG. 3A, the first vibration mode is a reciprocating vibration in the vertical axis direction including the center of gravity 4a, that is, a translational vibration in the Z direction.

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。   The second vibration mode is a vibration around the horizontal axis shown in FIG. 3B generated by the translational vibration, that is, an inertial rotation vibration around the Y axis. The shape of the vibrating body 1a is asymmetric with respect to the Y axis, which is the rotational axis of rotational vibration. For example, by increasing the thickness of a part of the vibrating body 1a, the shape is asymmetrical on the left and right of the center of gravity. An excitation force in the Z-axis direction is applied to the vibrating body 1a so that the line of action just passes through the center of gravity 4a. The exciting force may be applied directly to the vibrating body 1a using electromagnetic force or electrostatic attraction and repulsion, or the entire housing supporting the elastic body 2a may be vibrated up and down. . The excitation frequency f at this time is substantially the same as the natural vibration frequency of the second vibration mode. These two vibrations can be considered independently in the first vibration mode and the second vibration mode as described above.

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。   Considering only the translational vibration caused by the reciprocating displacement z which is the first vibration mode, the vibration is vibrated by the force of the vibration frequency f acting on the center of gravity 4a. As is well known, the natural frequency at this time is Varies with atmospheric pressure. However, the vacuum gauge using this translational vibration cannot solve the unsolved problems of the prior art. Since the vector of the exciting force passes through the center of gravity 4a, the rotational vibration that is the second vibration mode is not excited by this force alone.

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。   Rotational vibration, which is the second vibration mode, is not a force that excites the first vibration mode in which the action line passes through the center of gravity 4a, but the vibration body 1a having an asymmetric shape with translational vibration in the first vibration mode. It is inertial rotation vibration that is vibrated by the force received from the atmosphere.

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。   First, consider the case where the atmosphere is ultra-high vacuum and there are almost no air molecules. In this case, since there is no force received from the atmosphere, the second vibration mode by the rotation angle θ is not excited. The vibration waveform at this time is shown in FIG. When vibration is applied in the first vibration mode, the amplitude A of the translational vibration gradually increases, but the amplitude becomes constant where the vibration energy and the damping of the structural material are balanced, and does not increase beyond that. On the other hand, the rotational vibration which is the second vibration mode does not vibrate because there is no excitation force received from the atmosphere.

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。   On the other hand, in the case of high, medium vacuum, that is, incomplete vacuum, the vibrating body 1a moves in the atmosphere, so that the vibrating body 1a receives force due to the action of the viscosity of the atmosphere. Since this force changes depending on the area in contact with the atmosphere, the vibrating body 1a having an asymmetric outer shape receives an asymmetric force across the center of gravity 4a. As a result, the rotational vibration in the second vibration mode is excited by the force from the atmosphere. That is, the second vibration mode is a vibration mode that is not affected by the translational vibration of the center of gravity 4a and the like, and is excited only when there is interaction with the atmosphere.

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。   This is shown in FIG. Even if the force received from the atmosphere is slight, the amplitude B of the second vibration mode gradually increases by repeatedly applying vibration. Eventually, the energy received from the atmosphere and the attenuation of the structural material are balanced and do not increase beyond that.

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。   At this time, the speed at which the amplitude B gradually increases varies depending on the viscosity of the atmosphere. When the atmosphere has a high viscosity, the force received from the atmosphere also increases, so the amplitude B increases quickly, and when the viscosity is low, it increases slowly. Since it is known that the viscosity of the atmosphere changes with pressure, the degree of vacuum can be obtained by measuring the speed at which the amplitude B increases.

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。   Note that the force for exciting the second vibration mode is maximized because the speed of the first vibration mode is maximized. Therefore, as shown in FIG. 4B, the first vibration mode is the first vibration mode. The phase is shifted between the reciprocating vibration and the rotational vibration that is the second vibration mode.

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。   In the case of high vacuum, since the number of molecules in the atmosphere is small, the force received by the vibrating body 1a is small. However, even if it is a slight force, the force is repeatedly applied. As shown in FIG. 4B, it gradually increases. Moreover, the force for exciting the second vibration mode is only the force received from the atmosphere and is not affected by the excitation force applied from the outside. Therefore, there is sensitivity even to a weak excitation force, and there is no possibility that the measurement sensitivity is lowered in a high vacuum region unlike the conventional example.

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。   Also, if there is an error in the excitation force in the first vibration mode, the translational vibration in the first vibration mode changes, but this change directly affects the second vibration mode, which is rotational vibration around the center of gravity 4a. There is nothing. This is because, in the stationary coordinate system, the motion may be considered independently in the translational motion and the rotational vibration around the inertial main axis.

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。   However, the force from the atmosphere that vibrates the second vibration mode changes due to the change in the first vibration mode. However, the influence from the atmosphere is small because it is originally small. Then, small changes are integrated and averaged during the measurement time taken to measure the speed at which the amplitude B of the second vibration mode increases. Therefore, it is possible to measure the degree of vacuum which is not easily affected by the error of the excitation force.

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。   When disturbance vibration is applied to the vibrating body 1a, the excitation force due to the disturbance is transmitted to the elastic body 2a and acts on the vibrating body 1a. The elastic body 2a is disposed on the Y axis passing through the center of gravity 4a of the vibrating body 1a. Therefore, the second vibration mode is not directly affected as in the case where there is an error in the excitation force acting on the center of gravity 4a of the vibrating body 1a after all. Therefore, it is possible to measure the degree of vacuum which is not easily affected by disturbance vibration.

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。   Further, the sensitivity can be further improved by designing the shape or the like so that the first vibration mode and the second vibration mode have the same resonance frequency. This is because if the amplitude is increased by making the excitation frequency f the same as the resonance frequency of the first vibration mode, the force received from the atmosphere also increases.

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。   As shown in FIG. 1, the vibrating body 1 is supported at both ends by two beams 2 and supported by a housing 3. This structure is fabricated using, for example, lithography and etching techniques. The origin is the center of gravity 4 of the vibrating body 1, the vertical direction in the figure is the Z direction, and the horizontal direction supported by the beam 2 is the Y direction. Each beam 2 is disposed on the Y axis passing through the center of gravity 4 of the vibrating body 1, and the vibrating body 1 has an asymmetric outer shape with respect to the Y axis. That is, on both sides of the Y axis, the thickness of one side of the vibrating body 1 is thick and the area is small, and the thickness of the opposite side is thin and the area is wide.

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。   Of the two vibration modes possessed by this structure, the first vibration mode is a reciprocal vibration mode based on a displacement z in the Z direction in which the center of gravity 4 moves up and down, as shown in FIG. Since the beam 2 supporting the vibrating body 1 is arranged at a symmetrical position with respect to the center of gravity 4, it vibrates up and down as shown.

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。   The second vibration mode is a rotational vibration mode with a rotation angle θ about the Y axis passing through the center of gravity 4. In general, the motion of an object can be considered by dividing it into a translational motion of the center of gravity and a rotational motion around the center of gravity. Therefore, even if the first vibration mode vibrates, the second vibration mode can be considered independently. . It is a force received from the atmosphere that vibrates the second vibration mode. In particular, a vibrating body vibrating in the vertical direction receives a force corresponding to the viscosity of the atmosphere. As a result, the amplitude of vibration gradually increases.

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。   As shown in FIG. 1, the vibrating body 1, the beam 2, and the housing 3 are made of a conductive material and are electrically connected. As such a material, for example, silicon doped with impurities to increase conductivity can be used. The housing 3 is joined to the base substrate 6 via an insulating spacer 5. As the insulator material, for example, glass that can be easily bonded to silicon by anodic bonding can be used.

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。   An excitation electrode 7 for exciting the vibrating body 1 is disposed on the base substrate 6. The excitation electrode 7 has a symmetrical shape with respect to the position of the center of gravity of the vibrating body 1 and is arranged so that the resultant force vector in the Z direction of the generated force passes through the center of gravity 4. That is, it is arranged directly below the center of gravity 4. At this time, since the spacer 5 is sandwiched between the base substrate 6 and the housing 3, the excitation electrode 7 and the vibrating body 1 do not contact each other.

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。   The base substrate 6 is provided with a first detection electrode 8 and a second detection electrode 9 for detecting the position and orientation of the vibrating body 1. Since the spacer 5 is sandwiched between the base substrate 6 and the housing 3, the detection electrodes 8 and 9 do not contact the vibrating body 1.

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。   An excitation circuit 10 is provided on the base substrate 6 and connected to the housing 3 and the excitation electrode 7. This is a voltage source that applies a voltage between the housing 3 and the excitation electrode 7. By controlling the voltage, an electrostatic force is generated between the vibrating body 1 and the excitation electrode 7. The vibrating body 1 is vibrated by this force. A first detection circuit 11 is provided on the base substrate 6 and connected to the housing 3 and the first detection electrode 8. This is an electric circuit that detects the electrostatic capacitance between the housing 3 and the first detection electrode 8, and its output represents the distance between the vibrating body 1 and the first detection electrode 8.

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。   A second detection circuit 12 is provided on the base substrate 6 and connected to the housing 3 and the second detection electrode 9. This is an electric circuit that detects the electrostatic capacitance between the housing 3 and the second detection electrode 9, and its output represents the distance between the vibrating body 1 and the second detection electrode 9.

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La 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Lb とする。第1の検出回路11の出力をSa 、第2の検出回路12の出力をSb 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。 A control circuit 13 is provided on the base substrate 6 to connect the vibration circuit 10, the first detection circuit 11, and the second detection circuit 12. In the control circuit 13, the signals from the detection circuits 11 and 12 are processed as follows. The distance projected on the base foundation 6 of the centroid 4 of the vibration member 1 and the first detecting electrode 8 and L a, the projection on the base foundation 6 of the centroid 4 of the vibration member 1 and the second detecting electrode 9 the distances and L b. Assuming that the output of the first detection circuit 11 is S a and the output of the second detection circuit 12 is S b , the amplitude signal S 1 of the first vibration mode of the vibrating body 1 , that is, the vertical vibration is higher or lower than the center of gravity position. Since it is a motion, the following formula is used.

1 =(Lb a +La b )/(La +Lb S 1 = (L b S a + L a S 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。 In addition, the amplitude signal S 2 of the second vibration mode of the vibrating body 1, that is, the rotational vibration around the Y axis is calculated by the following equation.

2 =Sb /Lb −Sa /La S 2 = 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。 In the above configuration, the measurement operation of the degree of vacuum will be described using the flowchart of FIG. This measurement sequence is generated by the control circuit 13. In step 100, it is determined whether the amplitude signals S 1 and S 2 are sufficiently small. That is, it is confirmed that the vibrating body 1 is not vibrating. In step 101, if it vibrates, wait for time, and if it still vibrates, stop the error. In step 102, a timer is provided in the controller, and the timer is reset to zero.

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。   In step 103, a timer is started, and an AC voltage having an excitation frequency f is applied between the excitation electrode 7 and the vibrating body 1 using the excitation circuit 10. At this time, since the excitation electrode 7 is arranged so that the electrostatic force vector generated in the excitation electrode 7 passes through the center of gravity 4 of the vibration body 1, the first vibration mode of the vibration body 1 is vibrated. However, the second vibration mode is not excited, and only the first vibration mode of the vibrating body 1 starts to vibrate at the excitation frequency f.

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。 The amplitudes of the first and second vibration modes at this time are represented by the amplitude signals S 1 and S 2 described above. This excitation force does not excite the second vibration mode because the line of action passes through the center of gravity 4. That is, the amplitude signal S 1 is output by this excitation force, but the amplitude signal S 2 is not output only by this excitation force.

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。 In step 104, rotational vibration is generated in the second vibration mode, and the amplitude gradually increases due to the force received from the atmosphere. Wait until the amplitude signal S2 of the second vibration mode reaches a predetermined amplitude or the timer reaches a predetermined time. Here, the predetermined amplitude is determined within a range in which the first detection circuit 11 or the second detection circuit 12 does not overflow. The predetermined amplitude is determined within a range where the vibrating body 1 and the electrodes 7, 8, 9 do not contact each other. For example, the value is 10 μm. The predetermined time is the time from when the vacuum gauge starts measurement until the measurement result is output, and is a value such as 10 seconds.

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。 Step 105 divided by the amplitude signal S 2 at the value of timer, i.e., to calculate how fast the amplitude signal S 2 becomes large, previously prepared from the corresponding table between the speed and degree of vacuum vibration amplitude is large, The degree of vacuum is obtained by comparison with a reference value. This table can be easily obtained by attaching a high-precision vacuum gauge and the present vacuum gauge to a vacuum vessel and comparing the two.

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。   According to the vacuum gauge of the present embodiment, when the degree of vacuum increases, the force received from the atmosphere also decreases, but the second vibration mode receives a repeated force, so that the amplitude gradually increases. That is, as described in step 104 of the flowchart, the amplitude increases with time. Therefore, a highly sensitive vacuum gauge can be realized by accumulating the effect even with a slight force received from the atmosphere in the high vacuum region.

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。   In addition, if there is an error in the excitation force, the amplitude and frequency of translational vibration in which the vibrating body moves up and down change, but this does not directly cause a measurement error. This is because the motion can be considered independently in the motion in the translational direction and the rotational vibration around the principal axis of inertia in the stationary coordinate system. However, the force from the atmosphere that vibrates the second vibration mode changes due to the change in the first vibration mode. However, the influence from the atmosphere is small because it is originally small. Moreover, as described in step 104 of the flowchart, it may be considered that the error is averaged until the amplitude of the second vibration mode increases. Accordingly, it is possible to measure the degree of vacuum which is not easily affected by an error in the force applied.

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。   When the environment where this vacuum gauge is installed vibrates, the housing vibrates. The vibration is transmitted to the vibrating body through the beam. However, since the beam is arranged symmetrically with respect to the center of gravity, the second vibration mode is vibrated even if the first vibration mode is vibrated. There is no. And since the change of the amplitude of a 2nd vibration mode is measured, the vacuum gauge which is hard to receive to the influence of the disturbance vibration of an installation environment is realizable.

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。   In this embodiment, the shape of the vibrating body is rectangular. However, if the shape is asymmetric with respect to the rotation axis passing through the center of gravity, the force received from the atmosphere is also asymmetrical, so the same effect can be obtained even when the corners of the vibrating body are rounded.

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。   In the present embodiment, if the first vibration mode and the second vibration mode are designed to have the same resonance frequency, the vibrating body vibrates with a very large amplitude in the first vibration mode due to resonance. Become. Therefore, the force received from the atmosphere can be increased, and the sensitivity of the vacuum gauge can be improved.

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。   The design at this time can be realized by changing the shape of the beam. For example, by changing the thickness, width, and length of the beam, the bending stiffness of the beam governing the resonance frequency of the first vibration mode and the torsional stiffness of the beam governing the resonance frequency of the second vibration mode are adjusted. can do. As a result, the first and second vibration modes can be designed to have the same resonance frequency.

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。   FIG. 7 shows a second embodiment. In the first embodiment, the beam 2 that supports the vibrating body 1 supports the vibrating body 1 at both ends. However, one of the beams 2 is cut and the vibrating body 1 is supported by the single beam 2. Since the first vibration mode is a cantilever beam, the first vibration mode is a reciprocating vibration whose fulcrum is near the root of the beam 2, and the second vibration mode is a rotational vibration around the Y axis. Since other configurations and operations are the same as those in the embodiment, description thereof is omitted.

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。   According to the present embodiment, compared with the first embodiment, since the structure is a cantilever, the resonance frequency of the first vibration mode can be easily lowered. Lowering the resonance frequency makes it easier to increase the amplitude of the translational vibration, so the force received from the atmosphere can be increased.

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。   As in the case of the first embodiment, the sensitivity of the vacuum gauge can be improved by matching the resonance frequency of the first vibration mode with the resonance frequency of the second vibration mode. At this time, since the configuration of the cantilever is added to the configuration of the cantilever, the degree of freedom in design can be improved, and an advantage that the design becomes simpler is added.

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。   FIG. 8 shows a third embodiment. In the first and second embodiments, the asymmetric vibrating body is configured by changing the thickness of the vibrating body. However, in the present embodiment, the asymmetric vibrating body 21 is configured with the same thickness. The vibrating body 21, the beam 22, and the housing 23 have a single thin plate structure with a uniform thickness. The two beams 22 are disposed on the Y axis, and the vibrating body 21 has a center of gravity 24 on the Y axis. Since the thickness of the vibrating body 21 is constant, the outer shape is designed so that the areas are equal on the left and right sides of the Y axis. That is, the left side is a range close to the rotation axis, which is the Y axis, and the right side is extended to a range far from the rotation axis, thereby forming an asymmetric shape on the left and right.

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。   This embodiment has an advantage that it can be easily manufactured by photolithography because the thickness is constant as compared with the first and second embodiments.

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。   Further, since the thickness is constant, the only dimension error is a horizontal dimension shift. Therefore, compared to the first and second embodiments that are affected by the error due to both the thickness and the dimensional deviation, the present embodiment can form the vibrating body with higher accuracy. As a result, the displacement of the center of gravity, which is one of the error factors, is reduced, and a highly accurate vacuum gauge can be created.

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。   FIG. 9 shows a fourth embodiment. In the first embodiment, one excitation electrode is arranged corresponding to the position of the center of gravity of the vibrating body and directly below the position of the center of gravity, but in this embodiment, two excitation electrodes 37a and 37b are used. And the position to arrange | position is made into equal distance from right under from the gravity center position of the vibrating body 31, and each excitation electrode 37a, 37b is connected to the 1st, 2nd excitation circuit 40a, 40b. The vibration circuits 40 a and 40 b are connected to the voltage distribution circuit 44, and the voltage distribution circuit 44 is connected to the control circuit 13. The voltage distribution circuit 44 distributes the voltage signal from the control circuit 13 at a constant ratio and outputs the voltage signal to the first and second vibration circuits 40a and 40b. As a result, the voltage generated in the excitation electrodes 37a and 37b has a constant ratio.

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。   As in the first embodiment, the vibrating body 31 is vibrated according to the flowchart of FIG. At this time, by adjusting the ratio of the voltages applied to the two excitation electrodes 37a and 37b, the resultant force vector of the excitation force can be adjusted so as to pass through the position of the center of gravity. That is, in the first embodiment, there is a concern that the excitation force and the position of the center of gravity may be shifted due to the position error and the dimension error in forming the excitation electrode. In this embodiment, this deviation is adjusted by the ratio of the voltage to be distributed. be able to.

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。   Therefore, dimensional errors of the excitation electrode and the vibrating body can be allowed, and the vacuum gauge can be easily manufactured. In addition, this adjustment makes it possible to precisely adjust the excitation force and the center of gravity, so that a more accurate vacuum gauge can be configured.

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。   The voltage distribution ratio of the voltage distribution circuit can be easily determined by installing this vacuum gauge in an ultra-high vacuum chamber and adjusting the voltage distribution ratio so that the support value is zero, that is, the second vibration mode signal is not output. it can.

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。   FIG. 10 shows a fifth embodiment. In the first embodiment, the vibrating body is vibrated using the electrostatic force generated between the vibrating electrode and the vibrating body. However, in this embodiment, the vibration is performed by the piezoelectric element 57 that supports the base substrate 56. The vibrating body 51 is supported at both ends by two beams 52 and supported by a housing 53. This structure is fabricated using, for example, lithography and etching techniques. The origin is the center of gravity 53 of the vibrating body 51, the vertical direction in the figure is the Z direction, and the direction supported by the beam 52 is the Y direction. A beam 52 is disposed on the Y axis passing through the center of gravity 54 of the vibrating body 51, and the vibrating body 51 is asymmetric with respect to the Y axis. That is, the thickness on one side is thick and the area is small, and the thickness on the opposite side is thin and the area is wide.

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。   The first vibration mode of this structure is a reciprocating vibration mode in which the center of gravity 54 moves up and down. Since the two beams 52 that support the vibrating body 51 are arranged symmetrically with respect to the center of gravity 54, they vibrate up and down as shown.

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。   The second vibration mode is rotational vibration about the Y axis that passes through the center of gravity 54. In general, the motion of an object can be considered by dividing it into a translational motion of the center of gravity and a rotational motion around the center of gravity. Therefore, even if the first vibration mode vibrates, the second vibration mode can be considered independently. . It is a force received from the atmosphere that vibrates the second vibration mode. In particular, the vibrating body 51 vibrating in the vertical direction receives a force according to the viscosity of the atmosphere. As a result, the vibration amplitude gradually increases.

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。   The vibrating body 51, the beam 52, and the housing 53 are made of a conductive material and are electrically connected. As such a material, for example, silicon doped with impurities to increase conductivity can be used. The housing 53 is joined to the base substrate 56 via an insulating spacer 55. As the insulator material, for example, glass that can be easily bonded to silicon by anodic bonding can be used.

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。   A piezo element 57 is fixed to the base substrate 56, and the piezo element 57 is supported on a base plate 66. The vibration circuit 60 is provided on the base substrate 56, the voltage signal from the vibration circuit 60 is provided with an amplifier 67 and connected to the amplifier 67, and the output of the amplifier 67 is connected to the piezo element 57.

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。   A first detection circuit 61 is provided on the base substrate 56 and connected to the housing 53 and the first detection electrode 58. This is an electric circuit that detects the electrostatic capacitance between the housing 53 and the first detection electrode 58, and the output represents the distance between the vibrating body 51 and the first detection electrode 58. A second detection circuit 62 is provided on the base substrate 56 and is connected to the housing 53 and the second detection electrode 59. This is an electric circuit that detects the electrostatic capacitance between the housing 53 and the second detection electrode 59, and the output represents the distance between the vibrating body 51 and the second detection electrode 59.

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La 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Lb とする。第1の検出回路61の出力をSa 、第2の検出回路62の出力をSb 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。 A control circuit 63 is provided on the base substrate 56, and the vibration circuit 60, the first detection circuit 61, and the second detection circuit 62 are connected. In the control circuit 63, signals from the detection circuits 61 and 62 are processed as follows. The distance projected onto the base platform 56 between the center of gravity 54 of the vibrator 51 and the first detection electrode 58 and L a, projected in the base foundation 56 between the center of gravity 54 of the vibrator 51 and the second detection electrode 59 Let L b be the distance. Assuming that the output of the first detection circuit 61 is S a and the output of the second detection circuit 62 is S b , the amplitude signal S 1 of the first vibration mode of the vibrating body 51, that is, the vertical vibration is higher or lower than the center of gravity position. Since it is a motion, the following formula is used.

1 =(Lb a +La b )/(La +Lb S 1 = (L b S a + L a S 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。 In addition, the amplitude signal S 2 of the second vibration mode of the vibrating body 51, that is, the rotational vibration around the Y axis is calculated by the following equation.

2 =Sb /Lb −Sa /La S 2 = 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。 In the above configuration, the measurement operation of the degree of vacuum is performed according to the same flow as the flowchart of FIG. This measurement sequence is generated by the control circuit 63. In step 200, it is determined whether the amplitude signals S 1 and S 2 are sufficiently small. That is, it is confirmed that the vibrating body 51 is not vibrating. In step 201, if it vibrates, wait for a time, and if it still vibrates, stop the error. In step 202, a timer is provided in the controller, and the timer is reset to zero.

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。   In step 203, a timer is started, and an AC voltage having an excitation frequency f is output to the amplifier 67 using the excitation circuit 60. The amplifier 67 applies a voltage obtained by amplifying this voltage to the piezo element 57. Since the piezo element 57 expands and contracts according to the applied voltage, the entire base substrate 56 is vibrated. When the entire base substrate 56 vibrates, the vibration is transmitted to the spacer 55, the housing 53, and the beam 52 to vibrate the vibrating body 51. At this time, since the beam 52 is arranged at a symmetrical position with respect to the center of gravity 54, the first vibration mode is vibrated, but the second vibration mode is not vibrated. As a result, the first vibration mode of the vibrating body 51 starts to vibrate at the excitation frequency f.

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。 The amplitudes of the first and second vibration modes at this time are the amplitude signals S 1 and S 2 described above. This excitation force does not excite the amplitude of the second vibration mode because the line of action passes through the center of gravity 54. That is, the amplitude signal S 1 is output by this excitation force, but the amplitude signal S 2 is not output only by this excitation force.

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。 In step 204, the amplitude of the second vibration mode gradually increases depending on the force received from the atmosphere. Wait until the amplitude signal S 2 reaches a predetermined amplitude or the timer reaches a predetermined time. Here, the predetermined amplitude is determined within a range in which the first detection circuit 61 or the second detection circuit 62 does not overflow. The predetermined amplitude is determined in a range where the vibrating body 51 and the electrodes 57, 58, 59 are not in contact with each other. For example, the value is 10 μm. The predetermined time is the time from when the vacuum gauge starts measurement until the measurement result is output, and is a value such as 10 seconds.

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。 Divided by the amplitude signal S 2 with a value of the timer in step 205, i.e., to calculate how fast the amplitude signal S 2 becomes large. The degree of vacuum is obtained from a correspondence table prepared in advance between the speed at which the vibration amplitude increases and the degree of vacuum. This table can be easily obtained by attaching a high-precision vacuum gauge and the present vacuum gauge to a vacuum vessel and comparing the two.

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。   If the vacuum gauge is configured as described above, vibration can be performed with a large force because vibration is performed by a piezoelectric element. Therefore, vibration with a higher frequency and a larger amplitude is possible. As the vibration of the vibrating body increases, the force that the vibrating body receives from the atmosphere also increases. Since the force received by the vibrating body from the atmosphere increases, the force for exciting the second vibration mode also increases and the amplitude increases. In this way, a more sensitive vacuum gauge can be realized.

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。   FIG. 11 shows a sixth embodiment. In the fifth embodiment, one piezo element that supports the base substrate is used. However, in this embodiment, a plurality of piezo elements 77a and 77b are used. The positions to be arranged are equidistant from right below the center of gravity of the vibrating body 51 to both sides, and the piezo elements 77 a and 77 b are connected to the voltage distribution circuit 84. The voltage distribution circuit 84 distributes the voltage signal transmitted from the control circuit 63 via the amplifier 67 at a constant ratio, and drives the piezo elements 77a and 77b.

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。   When the vibrating body 51 is vibrated, the applied position of the resultant force vector of the exciting force can be adjusted by adjusting the ratio of the voltages applied to the two piezoelectric elements 77a and 77b. That is, even if there is a concern that the excitation force and the position of the center of gravity of the vibrating body 51 are shifted, the adjustment can be made by the ratio of the voltage to be distributed.

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。   Therefore, a dimensional error of the vibrating body or the like can be allowed, and a vacuum gauge can be easily manufactured. In addition, this adjustment makes it possible to precisely adjust the excitation force and the center of gravity, so that a more accurate vacuum gauge can be configured.

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。   The voltage distribution ratio of the voltage distribution circuit can be easily determined by installing this vacuum gauge in an ultra-high vacuum chamber and adjusting the voltage distribution ratio so that the support value is zero, that is, the second vibration mode signal is not output. it can.

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。It is a disassembled perspective view which decomposes | disassembles and shows the vacuum gauge by Example 1. FIG. 実施例1の基本構造を説明する模式図である。2 is a schematic diagram illustrating a basic structure of Example 1. FIG. 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。It is a figure explaining the 1st and 2nd vibration mode of the apparatus of FIG. 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。The vibration waveforms of the first and second vibration modes are shown. 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。It is a figure explaining the 1st and 2nd vibration mode in Example 1. FIG. 実施例1の測定動作を説明するフローチャートである。3 is a flowchart illustrating a measurement operation according to the first embodiment. 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。It is a disassembled perspective view which decomposes | disassembles and shows the vacuum gauge by Example 2. FIG. 実施例3の主要部を示す部分平面図である。FIG. 10 is a partial plan view showing a main part of Example 3. 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。It is a disassembled perspective view which decomposes | disassembles and shows the vacuum gauge by Example 4. FIG. 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。It is a disassembled perspective view which decomposes | disassembles and shows the vacuum gauge by Example 5. FIG. 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。It is a disassembled perspective view which decomposes | disassembles and shows the vacuum gauge by Example 6. FIG. 一従来例を示す図である。It is a figure which shows one prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

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
1, 1a, 21, 31, 51 Vibrating body 2, 22, 52 Beam 2a Elastic body 3, 23, 53 Housing 4, 4a, 24, 54 Center of gravity 5, 55 Spacer 6, 56 Base base 7, 37a, 37b Excitation Electrode 8, 58 First detection electrode 9, 59 Second detection electrode 10, 40a, 40b, 60 Excitation circuit 11, 61 First detection circuit 12, 62 Second detection circuit 13, 63 Control circuit 44, 84 Voltage distribution circuit 57, 77a, 77b Piezo element 66 Base plate 67 Amplifier

Claims (7)

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。   A vibrating body having an asymmetric shape with respect to a first axis passing through the center of gravity, a housing having an elastic body that horizontally supports the vibrating body along the first axis, and a driving force acting on the center of gravity, the first Excitation means for generating translational vibrations in the vibrating body along a second axis orthogonal to one axis, and detection for detecting inertial rotational vibrations around the first axis of the vibrating body generated along with the translational vibrations And a vacuum gauge for obtaining an atmospheric pressure around the vibrating body based on an output of the detecting means. 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。   2. The vacuum gauge according to claim 1, wherein the detecting means is configured to detect a speed at which an amplitude of an inertial rotational vibration of the vibrating body increases. 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。   3. The vacuum gauge according to claim 1, wherein the resonance frequency of the translational vibration of the vibrating body along the second axis is equal to the resonance frequency of the inertial rotation vibration around the first axis. 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。   A housing, an elastic body, and a vibrating body have a flat plate structure, and the elastic body includes at least one beam disposed on a first axis passing through the center of gravity of the vibrating body. The vacuum gauge according to any one of claims 1 to 3. 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。   2. A base substrate for supporting the housing via a spacer is provided, and the excitation means has an excitation electrode disposed on the base substrate so as to face the vibrating body. The vacuum gauge of any one of thru | or 4. 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。   The vacuum gauge according to any one of claims 1 to 4, wherein the vibration means includes a piezoelectric element that integrally reciprocates the housing, the elastic body, and the vibration body. 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。   The vacuum gauge according to any one of claims 1 to 6, wherein the excitation means includes a plurality of excitation electrodes or a plurality of piezoelectric elements that are individually controllable.
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