特許 7575333 センサ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-21

(45)【発行日】2024-10-29

(54)【発明の名称】センサ装置

(51)【国際特許分類】

   G01L 19/14 20060101AFI20241022BHJP

【ＦＩ】

G01L19/14

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021057855

(22)【出願日】2021-03-30

(65)【公開番号】P2022154699

(43)【公開日】2022-10-13

【審査請求日】2023-12-26

(73)【特許権者】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】森 雷太

(72)【発明者】

【氏名】神谷 聡

【審査官】平野 真樹

(56)【参考文献】

【文献】特表２００８－５４１０４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１００７６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第３１００９８６（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ ７／００－２３／３２，２７／００－２７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ヒータにより加熱されるセンサを含むセンサ部と、
前記センサ部の上方に間隔をあけて配置された回路基板と、
前記センサ部と前記回路基板とを繋ぐ配線と、
前記センサ部、前記回路基板、及び、前記配線を収容するケースと、を備え、
前記ケースは、当該ケース内の空間を前記回路基板を収容する第１空間と当該第１空間の下かつ前記センサ部の上の第２空間とに仕切る天井板と、前記第２空間を区画する内壁面を構成する筒状の側壁と、を備え、
前記配線は、前記センサ部から前記第２空間を上下方向に縦断して、前記天井板に形成された孔を通って前記回路基板に至っており、
前記側壁には、前記ケースの外部の空気が前記第２空間内に流入する流入口と、前記第２空間に流入した前記空気が前記ケースの外部に流出する、前記流入口よりも上方の位置に配置された流出口と、が設けられている、
センサ装置。

【請求項2】

前記センサ部は、前記ヒータと前記センサの温度を測定する温度センサとを備え、
前記配線は、前記センサ、前記ヒータ、又は、前記温度センサと前記回路基板とを繋いでいる、
請求項１に記載のセンサ装置。

【請求項3】

前記配線は、前記流入口から流入した空気が前記配線を横切る位置を通っている、
請求項１又は２に記載のセンサ装置。

【請求項4】

前記配線は、前記流入口から流入した空気が前記配線に直接当たる位置を通っている、
請求項３に記載のセンサ装置。

【請求項5】

前記ケースは、前記流入口から前記第２空間に流入した空気が、前記流入口側に逆流することを防止する、前記天井板の前記流入口側の端部から下方向に延びた逆流防止板を備える、
請求項１～４のいずれか１項に記載のセンサ装置。

【請求項6】

前記第２空間と前記センサ部との間に断熱材をさらに備える、
請求項１～５のいずれか１項に記載のセンサ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、隔膜真空計などの各種のセンサ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、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、センサ部の上方に間隔をあけて配置された回路基板（基板３１）と、センサ部と回路基板とを繋ぐ配線（コネクタ５又はその中の信号線）と、センサ部、回路基板、及び、配線を収容するケース（外側ケース４１）と、を備えるセンサ装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００７－１５５５００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記のセンサ装置では、ヒータによるセンサ加熱時の熱が、配線と断熱材との隙間から上方に移動して回路基板を加熱してしまう。

【0005】

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、ヒータによるセンサ加熱時の熱により回路基板が加熱されることを抑制することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するため、本発明に係るセンサ装置は、ヒータにより加熱されるセンサを含むセンサ部と、前記センサ部の上方に間隔をあけて配置された回路基板と、前記センサ部と前記回路基板とを繋ぐ配線と、前記センサ部、前記回路基板、及び、前記配線を収容するケースと、を備え、前記ケースは、当該ケース内の空間を前記回路基板を収容する第１空間と当該第１空間の下かつ前記センサ部の上の第２空間とに仕切る天井板と、前記第２空間を区画する内壁面を構成する筒状の側壁と、を備え、前記配線は、前記センサ部から前記第２空間を上下方向に縦断して、前記天井板に形成された孔を通って前記回路基板に至っており、前記側壁には、前記ケースの外部の空気が前記第２空間内に流入する流入口と、前記第２空間に流入した前記空気が前記ケースの外部に流出する、前記流入口よりも上方の位置に配置された流出口と、が設けられている。

【0007】

前記センサ部は、前記ヒータと前記センサの温度を測定する温度センサとを備え、前記配線は、前記センサ、前記ヒータ、又は、前記温度センサと前記回路基板とを繋いでいる、ようにしてもよい。

【0008】

前記配線は、前記流入口から流入した空気が前記配線を横切る位置を通っている、ようにしてもよい。

【0009】

前記配線は、前記流入口から流入した空気が前記配線に直接当たる位置を通っている、ようにしてもよい。

【0010】

前記ケースは、前記流入口から前記第２空間に流入した空気が、前記流入口側に逆流することを防止する、前記天井板の前記流入口側の端部から下方向に延びた逆流防止板を備える、ようにしてもよい。

【0011】

前記第２空間と前記センサ部との間に断熱材をさらに備える、ようにしてもよい。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、ヒータによるセンサ加熱時の熱により回路基板が加熱されることが抑制される。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】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】図２は、側壁に設けられた流入口及び流出口の位置関係を示す模式図である。

【図3】図３は、センサ装置内の空気の流れを説明するための断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

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。

【0015】

図１に示すように、本実施の形態に係るセンサ装置１０は、半導体制御装置等の真空チャンバＴに接続された配管Ｈ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。

【0016】

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とを繋ぐ配線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。

【0017】

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。

【0018】

圧力センサ２１は、そのケース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。圧力センサ２１は、上記プロセスガスの気圧を検出するように構成されている。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、ケース２１Ａを貫通しており、センサ素子２１Ｂが出力する電気信号をケース２１Ａ外部に伝送する。

【0019】

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の金属製のケース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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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、ヒータ２５の熱乃至圧力センサ２１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（合成樹脂など）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。

【0023】

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、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。この所定形式のデータは、例えば、センサ装置１０の上位装置（例えば、半導体製造装置等のコントローラ）が扱える形式のデータであり、当該上位装置に出力される。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。

【0024】

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。

【0025】

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の内周壁に嵌め込まれている。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の内周壁に押し付ける。配線Ｌ１～Ｌ３は、断熱材３２の外周部が周囲に回り込む態様で、断熱材３２と上内ケース５２Ａの内周壁とにより挟まれ保持される。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。一方、外ケース５３は、金属で形成されている。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。

【0026】

基板ケース５６は、金属製又は合成樹脂製でセンサケース５１に上方から被さっている。基板ケース５６は、回路基板４０を収容する第１空間Ｒ１１と、第１空間の下かつ断熱材３２の上の第２空間Ｒ１２とを構成している。第２空間Ｒ１２は、センサケース５１の上部、基板ケース５６、及び、断熱材３２により区画されている。断熱材３２は、第２空間Ｒ１２とセンサ部２０との間に配置され、ヒータ２５による圧力センサ２１加熱時の熱が第２空間Ｒ１２に伝わらないよう断熱する。

【0027】

基板ケース５６は、ケース５０内の空間、より詳細には基板ケース５６により囲まれた空間を、第１空間Ｒ１１と第２空間Ｒ１２とに仕切り、かつ、第２空間Ｒ１２を区画する天井を構成する天井板５６Ａを備える。さらに、基板ケース５６は、第２空間Ｒ１２を囲み、第２空間Ｒ１２を区画する内壁面を構成する筒状の側壁５６Ｂと、を備える。側壁５６Ｂは、ここでは、四角筒形状であるが、円筒形状などであってもよい。

【0028】

天井板５６Ａには、右側の側壁５６Ｂの近傍に、上下に貫通孔する貫通孔Ｈ１（切り欠きを含む）が設けられている。貫通孔Ｈ１には、配線Ｌ１～Ｌ３が通っている。配線Ｌ１は、端子板２２から左側に延び、その後、上方に向かい断熱材３２の外周を通過し、その後、右に延びたあと、上方に向かい貫通孔Ｈ１を通過して回路基板４０に至っている。配線Ｌ２及びＬ３は、センサ部２０から断熱材３２の外周を通過し、第２空間Ｒ１２を上下方向に縦断して回路基板４０に至る配線Ｌ２及びＬ３が通っている。なお、配線Ｌ１も配線Ｌ２及びＬ３と同様に、第２空間Ｒ１２を上下方向に縦断して回路基板４０に至るようにしてもよい。この場合、配線Ｌ１が端子板２２から右方向に延びるようにする。

【0029】

図１及び図２に示すように、側壁５６Ｂは、貫通孔からなる流入口５６ＢＡと複数の流出口５６ＢＢが設けられている。流入口５６ＢＡは、流出口５６ＢＢよりも配線Ｌ２及びＬ３の近傍に設けられている。複数の流出口５６ＢＢは、側壁５６Ｂの、流入口５６ＢＡよりも上方の位置かつ上下方向と直交する左右方向において配線Ｌ１～Ｌ３を挟んで流入口５６ＢＡと対向する。

【0030】

ここで、流入口５６ＢＡ及び流出口５６ＢＢについて、図３を参照してより詳細に説明する。ヒータ２５により圧力センサ２１を加熱したとき、圧力センサ２１周囲の空気も加熱される。加熱された空気は、例えば、図３の矢印Ｘ１のように、配線Ｌ２又はＬ３と断熱材３２又は上内ケース５２Ａとの隙間を通って配線Ｌ２又はＬ３に沿うように上方に移動する。側壁５６Ｂに流入口５６ＢＡ及び流出口５６ＢＢを設けていない場合、この空気は、貫通孔Ｈ１を通って回路基板４０に至り、回路基板４０を加熱してしまう。本実施の形態では、側壁５６Ｂに、流出口５６ＢＢよりも配線Ｌ２又はＬ３の近傍に位置する流入口５６ＢＡと、流入口５６ＢＡよりも上方の位置かつ上下方向と直交する左右方向において配線Ｌ２及びＬ３を挟んで流入口５６ＢＡと対向する流出口５６ＢＢと、を設けたので、この加熱を抑制すること（より具体的には無くす又は軽減すること）ができる。具体的に、まず、ヒータ２５により圧力センサ２１を加熱したとき、断熱部３０による断熱効果はあるものの、第２空間Ｒ１２内の下側の空気がある程度温められる。その結果、当該空気は、上方に移動し、上方に位置する流出口５６ＢＢからケース５０外部に流出する。これにより、第２空間Ｒ１２の上部の気圧が下がり、流入口５６ＢＡからケース５０外部の空気が第２空間Ｒ１２に流入する（右から左に流入する）。流入した空気は、図３の矢印Ｘ２に示すように、配線Ｌ２及びＬ３を横切り、上方に向かって移動する上記の加熱された空気を巻き込み、加熱された空気の熱により斜め上方に向かい、最終的には、流出口５６ＢＢからケース５０外部に流出する。このような空気の流れつまり自然対流により、前記隙間を通って上方に向かって移動する前記加熱された空気、つまり、ヒータ２５によるセンサ２１加熱時の熱は、流出口５６ＢＢからケース５０の外部に排出されるので、回路基板４０が加熱されてしまうことが抑制される。さらに、この実施の形態では、流入口５６ＢＡから流入する空気が配線Ｌ１～Ｌ３を横切る（右から左に横切る）ので、当該空気で配線Ｌ１～Ｌ３を冷却できる。従って、ヒータ２５によるセンサ２１加熱時の熱（ヒータ２５の熱、温度センサ２７の熱、センサ２１の熱、又は、ヒータ２５により加熱された周囲の空気の熱）が配線Ｌ１～Ｌ３を伝って回路基板４０に到達する量も低下させ、圧力センサ２１の加熱時の熱により回路基板４０が加熱されることも抑制される。

【0031】

流入口５６ＢＡ及び流出口５６ＢＢの各位置は、上記で説明した位置には限定されず、流入口５６ＢＡから第２空間Ｒ１２内に流入した空気が配線Ｌ２及びＬ３を横切って流出口５６ＢＢから流出できる位置とするとよい。これにより、ヒータ２５による圧力センサ２１の加熱時の熱により回路基板４０が加熱されることが抑制される。流入口５６ＢＡの数、及び、流出口５６ＢＢの数は、任意であるが、流入口５６ＢＡの合計開口面積は、流出口５６ＢＢの合計開口面積未満であると、前記の自然対流が生じやすい。各開口面積の関係は任意であり、流入口５６ＢＡの開口面積の方が大きくてもよい。なお、流出口５６ＢＢが設けられている側壁５６Ｂには、流入口５６ＢＡと同じ高さ又はそれより下の位置に貫通孔が設けられていない方が良い。これにより、上記の自然対流が生じやすく、加熱された空気が第２空間Ｒ１２の天井付近でこもることが抑制される。なお、流入口５６ＢＡを通った空気が上方に向かわないよう、基板ケース５６は、流入口５６ＢＡの天井を構成する部材として、当該空気を左右方向に進ませるよう左右方向に延びた板材５６Ｃを備えるとよい。

【0032】

流入口５６ＢＡは、図１及び図３に示すように、流入口５６ＢＡを通った空気が配線Ｌ２及びＬ３に直接当たる位置に配置されているとよい。「直接当たる」とは、流入口５６ＢＡを通ったあとの空気の進行方向が変わらないうちに当該空気が配線Ｌ２及びＬ３に当たることをいう。これにより、前記隙間を通って上方に移動する前記の加熱された空気をより効果的に流出口５６ＢＢ側に移動させることができる。さらに、図１及び図３に示すように、流入口５６ＢＡを通った空気が配線Ｌ１～Ｌ３に直接当たる位置に配置されていることで、配線Ｌ１～Ｌ３を効果的に冷却でき、配線Ｌ１～Ｌ３を伝わる熱を効果的に減少させて、回路基板４０が加熱されることを効果的に抑制できる。

【0033】

また、図２に示すように、基板ケース５６は、流入口５６ＢＡから流路に流入した空気が、流入口５６ＢＡ側に逆流することを防止する、天井板５６Ａの流入口５６ＢＡ側の端部から下方向に延びた逆流防止板５６Ｄを備えるとよい。これにより、加熱された空気が回路基板４０側に流入することが抑制される。

【0034】

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。また、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。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。配線Ｌ１～Ｌ３は、上記のように断熱材３２の外周（周縁部）を通過するほか、断熱材３２の任意の箇所を貫通して通過してもよい。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。断熱材３２などを省略してもよい。このような場合であっても、センサ部２０から上方に移動する、ヒータ２５によるセンサ２１の加熱時の熱（例えば、熱によって加熱された空気など）を流入口５６ＢＡから流出口５６ＢＢに流れる空気により、ケース５０外部に排出でき、回路基板４０の加熱が抑制される。

【0035】

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。

【符号の説明】

【0036】

１０…センサ装置、２０…センサ部、２１…圧力センサ、２１Ａ…ケース、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、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、５６Ａ…天井板、５６Ｂ…側壁、５６ＢＡ…流入口、５６ＢＢ…流出口、５６Ｃ…板材、５６Ｄ…逆流防止板、Ｈ１…貫通孔、Ｌ１～Ｌ３…配線、Ｒ１…真空室、Ｒ２…流入室、Ｒ１１…第１空間、Ｒ１２…第２空間。

【図1】

【図2】

【図3】