JP2022154700A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板ケースを合成樹脂製としつつ、コネクタに取付対象の電位を供給する。
【解決手段】センサ装置１０では、基板ケース５６が合成樹脂で形成されている。センサケースは、回路基板４０と電気的に接続されかつセンサの筐体２１Ａと接触した金属製の外ケース５３を備える。回路基板４０は、配線Ｌ１１により、外ケース５３を介してセンサの筐体２１Ａから供給される電位をコネクタ４１に供給するように配線されている。これにより、基板ケース５６を合成樹脂製としつつ、コネクタ４１にセンサ装置１０の取付対象の電位を供給することができる。なお、外ケース５３と回路基板４０とは、直接溶接等により接続されてもよいが、接続部材９０により両者を電気的に接続する方が、接続が容易である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、隔膜真空計などのセンサ装置に関する。

特許文献１には、金属製の筐体を備えヒータにより加熱されるセンサを含むセンサ部（センサ２及びヒータＨ）と、センサ部を収容するセンサケース（内側ケース４２及び外側ケース４１の下部）と、ケーブルが接続されるコネクタ（コネクタ４ｐ）が実装された回路基板（基板３１ａ～３１ｃ）と、回路基板を収容する基板ケース（内側ケース４２及び外側ケース４１の上部）と、を備えるセンサ装置が開示されている。

特開２００７－１５５５００号公報

上記特許文献１に記載のセンサ装置では、センサ装置が取り付けられる取付対象（半導体製造装置の配管など）の電位（例えば基準電位）をコネクタに供給する必要がある場合、基板ケースとセンサケースとを金属により形成し、コネクタを、これらケースを介して取付対象に電気的に接続する必要がある。しかし、この場合、ケース全体が金属製となるので、製造コストがかさむ。

本発明は、基板ケースを合成樹脂製としつつ、コネクタに取付対象の電位を供給することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るセンサ装置は、取付対象に取り付けられて使用されるセンサ装置であって、前記取付対象に取り付けられる金属製の筐体を備えヒータにより加熱されるセンサを含むセンサ部と、前記センサ部を収容するセンサケースと、ケーブルが接続されるコネクタが実装された回路基板と、前記回路基板を収容する基板ケースと、を備え、前記基板ケースは、合成樹脂製であり、前記センサケースは、前記回路基板と電気的に接続されかつ前記筐体と接触した金属ケースを備え、前記回路基板は、前記金属ケースを介して前記センサの筐体から供給される電位を前記コネクタに供給するように配線されている。

前記金属ケースは、前記筐体との接触部分から前記回路基板との電気的な接続部分に至る前記筐体からの熱の伝導路が長くなるように、第１方向に前記熱を伝導する第１伝導路と、前記第１方向とは異なる第２方向に前記熱を伝導する第２伝導路と、を有する形状に構成されている、ようにしてもよい。

前記金属ケースは、網目状に形成されている、ようにしてもよい。

前記金属ケースと前記回路基板とを電気的に接続する接続部材をさらに備え、前記接続部材に、前記基板ケースと接続されている、ようにしてもよい。

本発明によれば、基板ケースを合成樹脂製としつつ、コネクタに取付対象の電位を供給する。

図１は、本発明の実施の形態に係るセンサ装置の要部断面図である。 図２は、基板ケースの一部を除いたセンサ装置の斜視図及び一部拡大図である。 図３は、接続部材などの拡大断面図である。 図４は、基準電位の供給経路を示す斜視図である。 図５は、外ケースの斜視図である。 図６（Ａ）～（Ｃ）は、変形例に係る外ケースの形状パターンの例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係るセンサ装置を、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態では上下左右の方向を設定しているが、上下方向は、センサ装置の設置方向に応じて天地方向と一致しなくてもよい。

図１に示すように、本実施の形態に係るセンサ装置１０は、半導体制御装置等における真空チャンバＴに接続された配管Ｈ（取付対象）に不図示の継手を介して接続され、真空チャンバＴから配管Ｈに導入されるプロセスガスの気圧を測定する隔膜真空計として構成されている。

センサ装置１０は、センサ部２０と、断熱部３０と、回路基板４０と、ケース５０と、を備える。センサ装置１０は、センサ部２０と回路基板４０とを電気的に接続する配線Ｌ１～Ｌ３も備える。なお、図１において、配線Ｌ１～Ｌ３は断面図ではなく立面図として描かれている。

センサ部２０は、圧力センサ２１と、端子板２２と、ヒータ２５と、ヒータ支持部材２６と、温度センサ２７と、を備える。

圧力センサ２１は、その筐体２１Ａの内部に、真空室Ｒ１と、配管Ｈ内のプロセスガスが流入する流入室Ｒ２と、を備える。筐体２１Ａは、金属製であり、その下部が配管Ｈに継手を介して接続されるように構成されている。圧力センサ２１は、上記プロセスガスの気圧を検出する。具体的に、圧力センサ２１は、真空室Ｒ１と流入室Ｒ２との境界に配置されたセンサ素子２１Ｂ（図１等では、模式的にブロックで描いている）と、センサ素子２１Ｂに接続された導電ピン２１Ｃと、を備える。センサ素子２１Ｂは、真空室Ｒ１及び流入室Ｒ２の各気圧の差圧に応じて変形するダイアフラム（隔膜）を有する。センサ素子２１Ｂは、ダイアフラムの変形度に応じた抵抗値又は静電容量値を示す電気信号を出力することで、真空室Ｒ１の気圧を基準としたプロセスガスの気圧を検出する。導電ピン２１Ｃは、筐体２１Ａを貫通しており、センサ素子２１Ｂが出力する電気信号を筐体２１Ａ外部に伝送する。

導電ピン２１Ｃは、導電性を有する端子板２２を介して、同軸ケーブルである配線Ｌ１に電気的に接続されている。端子板２２と導電ピン２１Ｃとの接続、及び、端子板２２と配線Ｌ１との接続は、溶接等により行われる。なお、導電ピン２１Ｃを囲むように円筒状のシールドを設け、このシールドと同軸ケーブルの外部導体とを接続し、導電ピン２１Ｃなどの信号電位が圧力センサ２１の金属製の筐体２１Ａの電位の影響を受けないようにしてもよい。また、導電ピン２１Ｃ及び配線Ｌ１の数は、図１においては１つであるが、２以上であってもよい。

ヒータ２５は、プロセスガスが圧力センサ２１内で析出することを防止するために圧力センサ２１を加熱する。ヒータ２５は、円筒状のバンドヒータであり（図１において内部構造は省略）、円筒状のヒータ支持部材２６に締め付け固定されている。この締め付け固定により、ヒータ支持部材２６はヒータ２５を支持している。ヒータ２５には、回路基板４０から配線Ｌ２を介して電力が供給される。この供給によりヒータ２５は発熱する。ヒータ支持部材２６は、内周方向に突出した円環状の突出部２６Ａを備える。突出部２６Ａは、圧力センサ２１の外周部の段差に係合している。この係合により、ヒータ支持部材２６は、ヒータ２５とともに圧力センサ２１により支持される。

温度センサ２７は、圧力センサ２１に接触し、ヒータ２５により加熱される圧力センサ２１の温度を検出する。図１において温度センサ２７の内部構造は省略されている。温度センサ２７は、検出した温度を、配線Ｌ３を介して回路基板４０に出力する。

断熱部３０は、センサ部２０を囲む円筒状の断熱材３１と、センサ部２０の上方に配置された円板形状の断熱材３２と、を備える。断熱部３０は、全体として、センサ部２０を上方から覆い、圧力センサ２１の熱乃至ヒータ２５の熱が回路基板４０などに悪影響を与えないように、当該熱を断熱する。断熱材３１及び３２は、断熱効果のある任意の材料により構成される。断熱材３２は、圧力センサ２１などの熱が上方に移動することを抑制している。

回路基板４０は、複数の基板が組み立てられて構成されている。回路基板４０には、各種の処理を行う回路（マイコンなどを含む）が実装されている。回路基板４０は、センサ装置１０が上位装置（例えば、半導体製造装置等のコントローラ）等の外部装置と通信するときに使用されるケーブル（不図示）が接続されるコネクタ４１を備える。回路基板４０は、このコネクタ４１に、センサ装置１０の取付対象である配管Ｈの電位を供給するように構成されている。ここでは、配管Ｈの電位を基準電位として説明する。コネクタ４１に供給された基準電位は、例えば、当該コネクタ４１に供給されるコネクタに導通される。

回路基板４０には、配線Ｌ１～Ｌ３が接続されている。例えば、センサ素子２１Ｂが容量式の場合、回路基板４０は、複数の配線Ｌ１のいずれかを介してセンサ素子２１Ｂに交流電圧を印加する。さらに、回路基板４０は、複数の配線Ｌ１のいずれかを介して、センサ素子２１Ｂにより構成されるコンデンサの容量値に応じて変化する電圧信号を取得する。これらにより、センサ素子２１Ｂにより出力され導電ピン２１Ｃにより取り出された電気信号が、配線Ｌ１により伝送されて回路基板４０に供給される。回路基板４０は、取得した電気信号に基づいて処理を行う。例えば、回路基板４０は、電気信号を増幅、アナログデジタル変換等して、当該電気信号が示すプロセスガスの気圧を表す所定形式のデータを得る。得られたデータは、外部装置にコネクタ４１及びケーブルを介して出力される。回路基板４０は、温度センサ２７から出力された温度を配線Ｌ３を介して受信し、当該温度をフィードバック値として、圧力センサ２１が所望の温度（例えば、２００℃）となるように、配線Ｌ２を介してヒータ２５に供給する電力を制御する。以上のように、回路基板４０は、配線Ｌ１～Ｌ３を介してセンサ部２０を制御等する。

ケース５０は、センサ部２０、断熱部３０、回路基板４０、及び、配線Ｌ１～Ｌ３を収容する。ケース５０は、センサ部２０及び断熱部３０を収容するセンサケース５１と、回路基板４０を収容する基板ケース５６と、を備える。

センサケース５１は、全体として径方向に厚みを有する円筒形状の内ケース５２と、内ケース５２を外側から覆うカップ状の外ケース５３と、を備える。内ケース５２は、断面が逆Ｕ字形状の円環状の上内ケース５２Ａと、中央が貫通孔となっているカップ状の下内ケース５２Ｂとを含んで構成されている。内ケース５２は、内部に円筒状の断熱材３１を収容している。円板状の断熱材３２は、上内ケース５２Ａに収容されている。断熱材３２は、柔軟性を有しており、上内ケース５２Ａの中を通る配線Ｌ１～Ｌ３を上内ケース５２Ａの内周面５２ＡＡに押し付ける。内ケース５２は、断熱材３１の断熱効果を阻害しないよう合成樹脂で形成されている。外ケース５３は、金属で形成されており、下部が圧力センサ２１の筐体２１Ａに接触している。外ケース５３の詳細については後述する。センサケース５１は、全体として底の中央に貫通孔を備えるカップ形状を有し、上部の開口は、断熱材３２によりふたされている。

基板ケース５６は、合成樹脂（エンプラ、スーパーエンプラ等）により形成されている。基板ケース５６は、コネクタ４１を外部に露出可能にセンサケース５１に被さる。基板ケース５６には、回路基板４０の冷却のための貫通孔が形成されてもよい。

ここで、回路基板４０、外ケース（金属ケース）５３、及び、基板ケース５６の関係等について説明する。図２に示すように、センサ装置１０は、回路基板４０と外ケース５３とを接続する円筒状の接続部材９０をさらに備えている。接続部材９０は、円筒部９１、ネジ９２及び９３を含んで構成されている。円筒部９１には、基板ケース５６の固定部５６Ｆ（図２の破線で囲んだ拡大図では省略されている）が、円筒部９１が固定部５６Ｆを貫通した状態で固定されている。これにより、基板ケース５６には、接続部材９０を介して、外ケース５３が、外ケース５３に収容されている内ケース５２及びセンサ部２０とともに固定され、さらに回路基板４０も固定される。なお、接続部材９０は、センサ装置１０の四隅に１つずつ配置され、前記の接続乃至固定は、当該四隅それぞれで行われている。

図３に示すように、円筒部９１は、金属製の内筒９１Ａと、合成樹脂製の外筒９１Ｂとを有する。内筒９１Ａと外筒９１Ｂとは、インサート成形等により一体的に形成されている。ネジ９２及び９３は、金属製である。ネジ９２は、回路基板４０に形成された孔を通って円筒部９１の内筒９１Ａと螺合することで、回路基板４０を円筒部９１に締め付け固定する。ネジ９３は、外ケース５３（筒状部分の上端部から外周方向に張り出した箇所）に形成された切り欠きを通って円筒部９１の内筒９１Ａと螺合することで、外ケース５３を円筒部９１に締め付け固定する。回路基板４０のネジ９２と接触する部分には、コネクタ４１に接続されている配線Ｌ１１（図２も参照）が引き回されている。配線Ｌ１１は、回路基板４０にプリントなどされている。以上のように、コネクタ４１は、回路基板４０（配線Ｌ１１）及び接続部材９０（内筒９１Ａ、ネジ９２及びネジ９３）を介して外ケース５３と導通している（図２及び図３）。図１に示すように、外ケース５３は、圧力センサ２１の金属製の筐体２１Ａに接触している。上述のように、筐体２１Ａは、配管Ｈに接続される。従って、図４の太線に示すように、配管Ｈ→筐体２１Ａ→外ケース５３→接続部材９０→回路基板４０→コネクタ４１といった経路で、配管Ｈの基準電位がコネクタ４１に供給される。

以上のように、本実施形態によれば、基板ケース５６をコスト低減等のため合成樹脂で形成しているが、センサケース５が、回路基板４０と電気的に接続されかつ圧力センサ２１の筐体２１Ａと接触した金属製の外ケース５３を備え、回路基板４０は、配線Ｌ１１により、外ケース５３を介して圧力センサ２１の筐体２１Ａから供給される電位をコネクタ４１に供給するように配線されているので、基板ケース５６を合成樹脂製としつつ、コネクタ４１にセンサ装置１０の取付対象（ここでは、配管Ｈ）の電位を供給することができる。なお、外ケース５３と回路基板４０とは、直接溶接等により接続されてもよいが、接続部材９０のような部品により両者を電気的に接続する方が、接続が容易である。

外ケース５３は、圧力センサ２１の筐体２１Ａに接触するが、上述のように圧力センサ２１は、ヒータ２５により加熱される（例えば、２００℃に加熱される）。この加熱により筐体２１Ａも加熱され、筐体２１Ａの熱は、外ケース５３に伝わる。外ケース５３は、上記電位のコネクタ４１への供給のため金属製なので、形状によっては筐体２１Ａから伝わった熱を接続部材９０などに伝えやすい。そこで、この実施の形態では、外ケース５３を、図２に示すように網目形状として、外ケース５３の筐体２１Ａとの接触部分から接続部材９０（回路基板４０との電気的な接続部分）に至る熱の伝導経路を長くしている。具体的に、熱の伝導経路が長くなるよう、外ケース５３は、図５に示すように、熱を伝導する部分が、細い棒形状を曲げ及び分岐させた形状に形成され、特に、第１方向に熱を伝導する第１伝導路Ｍ１と、第１方向とは異なる第２方向に熱を伝導する第２伝導路Ｍ２と、を有する形状に形成されている。このように、熱の伝導経路を長くすることで、熱は、外ケース５３を伝わっていく過程で徐々に冷却され、接続部材９０、及び、接続部材９０に接続された回路基板４０及び基板ケース５６への悪影響（変形など）が抑制される。

なお、網目形状は、例えば、図６（Ａ）及び（Ｂ）のパターンの１又は複数の繰り返しを有するものであってもよい。これらによっても、熱の伝導経路を長くできる。また、外ケース５３は、図６（Ｃ）のパターンの１又は複数の繰り返しを有するものであってもよい。このパターンでは、熱は、下から斜め上方に一直線で伝わることができるが、熱の伝導経路の始点及び終点の配置次第では、熱の伝導経路を長くとることができる。

さらに、上記実施の形態では、コネクタ４１への基準電位の供給と、外ケース５３と回路基板４０と基板ケース５６とのお互いの固定との両者を接続部材９０により行うので、センサ装置１０の部品点数削減、コスト削減などの効果も得られる。

上記実施の形態については、種々の変形が可能である。例えば、上記で説明した各部材の形状は、任意である。上記で説明した円筒、円板などは、それぞれ、多角筒、多角板などに変更可能である。ヒータ２５は、センサ装置１０とは別体に設けられ、センサ装置１０の外部から取り付けられて圧力センサ２１を加熱するものであってもよい。センサ部２０と回路基板４０とを繋ぐ配線のセンサ部２０側の接続先は、センサ部２０がどのような部品を備えるかで変更可能であり、上記実施の形態に限られない。本発明は、隔膜真空計以外のセンサ装置に適用可能である。本発明が適用されるセンサ装置は、圧力以外の物理量を計測する装置であってもよい。

以上、実施の形態及び変形例を参照して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではない。例えば、本発明には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る、上記の実施の形態及び変形例に対する様々な変更が含まれる。上記実施の形態及び変形例に挙げた各構成は、矛盾の無い範囲で適宜組み合わせることができる。

１０…センサ装置、２０…センサ部、２１…圧力センサ、２１Ａ…筐体、２１Ｂ…センサ素子、２１Ｃ…導電ピン、２２…端子板、２５…ヒータ、２７…温度センサ、３０…断熱部、３１…断熱材、３２…断熱材、４０…回路基板、４１…コネクタ、５０…ケース、５１…センサケース、５２…内ケース、５２Ａ…上内ケース、５２Ｂ…下内ケース、５３…外ケース、５６…基板ケース、５６Ｆ…固定部、９０…接続部材、９１…円筒部、９１Ａ…内筒、９１Ｂ…外筒、９２，９３…ネジ、Ｍ１…第１伝導路、Ｍ２…第２伝導路、Ｈ…配管。

Claims (4)

1. 取付対象に取り付けられて使用されるセンサ装置であって、
   前記取付対象に取り付けられる金属製の筐体を備えヒータにより加熱されるセンサを含むセンサ部と、
   前記センサ部を収容するセンサケースと、
   ケーブルが接続されるコネクタが実装された回路基板と、
   前記回路基板を収容する基板ケースと、を備え、
   前記基板ケースは、合成樹脂製であり、
   前記センサケースは、前記回路基板と電気的に接続されかつ前記筐体と接触した金属ケースを備え、
   前記回路基板は、前記金属ケースを介して前記センサの筐体から供給される電位を前記コネクタに供給するように配線されている、
   センサ装置。
2. 前記金属ケースは、前記筐体との接触部分から前記回路基板との電気的な接続部分に至る前記筐体からの熱の伝導路が長くなるように、第１方向に前記熱を伝導する第１伝導路と、前記第１方向とは異なる第２方向に前記熱を伝導する第２伝導路と、を有する形状に構成されている、
   請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記金属ケースは、網目状に形成されている、
   請求項２に記載のセンサ装置。
4. 前記金属ケースと前記回路基板とを電気的に接続する接続部材をさらに備え、
   前記接続部材に、前記基板ケースと接続されている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ装置。

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