「真空計」と言っても、さまざまな種類の機器があります。
本記事では、真空計を取り扱うものの原理がいまいち分からない、新しく導入を検討しているがどれが適しているかわからないなど、そういったお困りごとをお持ちの方に向けて、真空計の種類と原理、製品例をいくつか紹介します。
目次
真空計とは？
真空計とは、真空ポンプなどによって減圧された空間の圧力を数値（絶対圧力）として測定する圧力計のことです。
その測定方法にはさまざまな手法があり、大まかに分けると「全圧真空計」と「分圧真空計」の2種類があります。
一般的に「全圧真空計」を真空計、「分圧真空計」を質量分析計と呼んだりもします
全圧真空計は、真空の空間内の分子や原子を対象として圧力を測定する方法で、分圧真空計は空間に存在する気体の組成を利用した方法です。
真空度合いは、低真空（10⁵Pa～10²Pa）、中真空（10²Pa～10⁻¹Pa）、高真空（10⁻¹Pa～10⁻⁵Pa）、超高真空（10⁻⁵Pa以下）、極高真空（10⁻⁹Pa以下）の5つに分類され、真空計によって測定できる度合いも違っています。2つの真空計について、それぞれ詳しく説明します。
全圧真空計とは
全圧真空計とは、測定する空間内の原子や分子の全てを対象としており、「圧力」が知りたい場合に使用する方法です。
その中でも、以下の3つの現象を測る方法で分けられます。
| 全圧真空計の分類 | 概要 |
|---|---|
| 機械的現象（絶対真空計） | 気体の機械的な動きである、物や面を押す力を利用した方法。絶対真空計とは、測定する気体の種類に関係なく圧力が測定できること |
| 気体の輸送現象 | 気体の熱の移動や対流する動きを利用した方法 |
| 気体中の電離現象 | 気体を電離させた際に生じる電流を利用する方法 |
3つの現象に分類される代表的な真空計と圧力範囲を紹介します。
機械的現象
機械的現象による、代表的な真空計4つとその測定可能な圧力範囲を紹介します。油回転ポンプや圧力ボンベなどで変化している圧力を、ざっくりと確認するための真空計です。
| 真空計の名称 | 代表的な真空計 | 圧力範囲（Pa） |
|---|---|---|
| 液柱差真空計 | U字管真空計 | 約10⁵～10² |
| 弾性真空計 | 隔膜真空計（ダイヤフラム真空計） | 約10⁵～10⁻³ |
| ブルドン管真空計 | 約10⁵～10³ | |
| 圧縮真空計 | マクラウド真空計 | 約10²～10⁻² |
気体の輸送現象
気体の輸送現象による、代表的な真空計6つとその測定可能な圧力範囲を紹介します。
真空計の中で「ピラニ真空計」が、一般的に使用されています。
| 真空計の名称 | 代表的な真空計 | 圧力範囲（Pa） |
|---|---|---|
| 粘性真空計 | スピニングロータ真空計 | 約1～10⁻⁵ |
| クリスタルゲージ | 約10⁵～10⁻² | |
| 熱伝導真空計 | ピラニ真空計 | 約10⁵～10⁻¹ |
| 熱電対真空計 | 約10²～10⁻¹ | |
| サーミスタ真空計 | 約10²～10⁻² | |
| クヌーセン真空計 | クヌーセン真空計 | 約10⁻¹～10⁻⁵ |
気体中の電離現象
気体中の電離現象による、代表的な真空計2つとその測定可能な圧力範囲を紹介します。
高真空領域の圧力を正確に測定できる真空計として重宝されています。
| 真空計の名称 | 代表的な真空計 | 圧力範囲（Pa） |
|---|---|---|
| 電離真空計 | 冷陰極電離真空計 | 約10⁻⁴～1 |
| 熱陰極電離真空計 | 約10⁻¹⁰～10⁻¹ |
分圧真空計とは
分圧真空計とは、測定する空間内の気体の種類ごとの分圧を測定し、気体の総圧力でなくどの気体がどれだけ存在するか知りたい場合に使用する方法です。
分圧真空計は、電離真空計の原理に加えて磁場や電場などを利用して、イオンの質量分離が可能なことから「質量分析計」とも呼ばれます。
質量分析計の基本原理は、以下の3つから構成されます。
- 気体をイオン化する（イオン化部）
- イオンを質量電荷比（ｍ/q）の違いで選別する（質量分離部）
- 選別したイオンを検出する（検出部）
3つの部分は、さまざまな方式の違いから異なる特性を生み出すため、知りたい情報に応じて使い分けることが必要です。
真空計の用途・できること
真空計は、真空空間の確認や数値化をするだけでなく、ガス成分や組成を分析して真空の質を評価することもできます。
空間を真空にすると、空気や水分などの不純物が少なくなります。
この特性を真空計で管理することで、以下のことに活用できるでしょう。
- 吸引
- 吸着
- ガスの収集
- 成形
- 液体の充填
- ガスの置換
- 酸化防止
- 凍結乾燥
- 乾燥
- 蒸留
- 濃縮
- 脱気
- 蒸着
- スパッタリング
- 断熱
- 冷却
利用先には、半導体製造装置のプラズマエッチング空間や冶金、有機合成の実験などの設備に設置されることもあります。他には、イオンビーム装置や蒸着装置など、高い表面清浄度が求められる場面でも使用されます。
真空計と圧力計の違い
真空計とよく似た機器に「圧力計」がありますが、圧力計は気体や液体の圧力を測定する計器であり、主に大気圧より高い圧力（タイヤの空気圧や配管内の圧力など）を測定するのに対し、真空計は大気圧より低い圧力、つまり真空の度合いを測定するための計器です。| 圧力計 | 真空計 | |
|---|---|---|
| 測定対象 | 気体・液体の圧力 | 主に真空領域の圧力 |
| 測定圧力 | 大気圧以上が中心 | 大気圧以下が中心 |
| 主な用途 | タイヤ空気圧、配管内圧など | 真空装置・真空ポンプの圧力管理 |
真空計の選び方
真空計を用いて、真空を測定する方法にはさまざまな種類があり、必要に応じて選択できます。
しかし、ひとつの手法だけでは、全範囲の真空を測定できないため、測定方法を合わせて使ったり、測定条件を合わせたりする必要があります。
特に、機械的現象を用いた圧力測定は気体の種類に依存しませんが、方式によって測定可能な圧力範囲が異なるため、必要に応じて他の方法の利用も検討する必要があります。
一方、熱伝導真空計や電離真空計は広い真空領域の測定に利用できるが、気体の種類による影響を受けることがあります。また、複数の方法を組み合わせて、測定できる真空度範囲を広げた製品も販売されています。
以下の条件を確認し、真空計の種類を選ぶことができます。
- 検出圧力範囲
- 気体の種類
- 必要な精度と再現性
- 温度や放射線などの周囲の環境条件
- 保守性、コスト
圧力単位の換算表
| Pa | Torr（約） | mmHg（約） | atm（約） |
|---|---|---|---|
| 101325 | 760 | 760 | 1 |
| 1000 | 7.5 | 7.5 | 0.01 |
| 1 | 0.0075 | 0.0075 | 0.00001 |
※ 表中の数値は理解しやすいよう四捨五入した概算値です。
真空計の種類
実務でよく用いられる代表的な7種類を主な測定圧力範囲で比較すると、以下のようになります。
上記の中でも、現在実務での選定候補として中心となるのは以下の4方式です。
| 測れる真空度の範囲 |
メンテナンス性 | 向いている用途 | |
|---|---|---|---|
| ピラニ真空計 | 低～中真空 | 可動部が少なく比較的頑丈 | 真空ポンプや真空装置の点検・圧力確認など全般 |
| 隔膜真空計（ダイヤフラム真空計） | 低～高真空 | 隔膜の劣化に注意が必要。腐食に強いタイプもあり | 腐食性ガスを扱うプロセス、成膜装置の監視、精密な圧力測定 |
| 熱陰極電離真空計 | 超高真空～高真空 | フィラメントが消耗するため定期交換が必要 | 半導体製造、研究開発、超高真空測定 |
| 冷陰極電離真空計（ペニング式） | 高真空 | フィラメントがなく長寿命 | 高真空環境で、メンテナンス頻度を抑えたい現場 |
その他のマクラウド真空計やロータ真空計は主に他の真空計の校正用途に使われることが多く、U字管真空計は簡易モニタリング用途が中心となります。これらは一般的な装置組み込みや日常的な自動計測の選定候補からは外れるため、今回は解説を省略しています。
＼ 多様なメーカーをお取り扱いしています ／
真空計の製品情報を見る
ここでは、弊社で取り扱う真空計を3つご紹介いたします。それぞれの真空計の特徴を確認し、必要な条件を満たせるかどうか、ご検討ください。
| 製品名 | 真空計の種類 | 測定圧力範囲 |
|---|---|---|
| SWU10-U（アルバック社製） | ピラニ真空計 | 5×10⁻²～1×10⁵Pa |
| APG200シリーズ（エドワーズ社製） | ピラニ真空計 | 5×10⁻²～1×10⁵Pa |
| セラミックキャパシタンスマノメータ CCMT-Dシリーズ（アルバック社製） | 隔膜真空計（ダイヤフラム真空計） | 中、低真空 |
3つの製品を詳しく紹介します。
SWU10-U│アルバック社製
アルバック社製の「SWU10-U」はピラニ真空計で、主に真空ポンプや真空装置メンテナンス時の圧力確認に使用します。
2020年度日本真空工業会「イノベーション賞」を受賞した製品です。
USBケーブルを使い、スマートフォンへ接続し測定結果を手軽に確認でき、専用電源やディスプレイが必要ありません。
本体はAC電源も不要で、アルバック社製ピラニ真空計の中で最小・最軽量なため、持ち運びも簡単でどの場所でも測定が可能です。
スマートフォン対応ピラニ真空計│アルバック社製（SWU10-U）
APG200シリーズ│エドワーズ社製
エドワーズ社製の「APG200シリーズ」は、APG100シリーズから性能は落とさず、25%小型化を実現したピラニ真空計です。
製品上部のLEDライトリングの点灯方法の違いで、測定圧力を分かりやすく表示し、半導体分野でのメンテナンスや研究開発分野での実験管理を可能にします。
Mシリーズ、LCシリーズ、MPシリーズの3つがあります。
Mシリーズは、標準のタングステン/レニウムフィラメントが取り付けられ、大気圧～約5×10⁻²Paまでの圧力測定ができ、一般的な用途に使用できます。
LCシリーズは、耐食性の高いプラチナ/イリジウムフィラメントが取り付けられ、大気圧～1×10⁻¹Paまでの圧力測定ができ、腐食性のある用途でも使用できます。
MPシリーズは、プラチナ/イリジウムフィラメントが取り付けられ、大気圧～約5×10⁻²Paまでの圧力測定ができ、一般的な用途に使用できます。
コンパクトピラニゲージ│エドワーズ社製（APG200シリーズ）
セラミックキャパシタンスマノメータCCMT-Dシリーズ│アルバック社製
アルバック社製のセラミックキャパシタンスマノメータCCMT-Dシリーズは、セラミックの隔膜を利用した隔膜真空計です。
成膜装置のプロセス中や真空排気系の装置、各種製造装置などの圧力モニタとして、ガスの種類に関係なく精度よく測定可能です。
セラミックの隔膜を使用しているため耐腐食性に優れ、再現性の高さから正確な圧力測定ができます。1000D、100D、10D、1Dの4つのシリーズがあり、これらは測定フルスケールの違いがあり、シリーズの数字が大きくなるほど、測定フルスケールも大きくなります。
真空計│アルバック社製（セラミックキャパシタンスマノメータ CCMT-Dシリーズ）
真空計に関するよくある質問
Q1.真空計の数値はどう読めばいいですか？
A.多くの真空計はPa（パスカル）単位で数値を表示します。数値が小さいほど真空度が高い（空気が少ない）ことを意味します。
-
デジタル表示（指数表記）の場合 画面に 1.0E-03 や 1.0×10⁻³と表示されている場合、これは 0.001 Paを意味します（E-03は小数点を左に3つ移動させる意味です）。
-
ピラニゲージ・ピラニコンビゲージ等の場合 測定方式（ピラニ・電離など）が自動で切り替わるタイプでは、現在どの測定帯域を表示しているか（例：P1、P2などの表示灯）を確認して数値を読み取ります。
Q2.真空度を測定するにはどうすればいいですか？
A.測定したい圧力範囲に応じて、適した真空計を選定し、真空チャンバーや真空ポンプの配管などに取り付けて測定します。1つの方式で全範囲をカバーできないことが多いため、低真空・高真空それぞれに適した真空計を組み合わせて使用するのが一般的です。
Q3.1つの真空計だけで全ての圧力範囲を測定できますか？
A.真空計はそれぞれ得意な圧力範囲が異なるため、基本的には困難です。
広い範囲を測定したい場合は複数の方式を組み合わせた製品や、用途に応じて真空計を使い分ける必要があります。
Q4.真空計はどのくらいの頻度で校正が必要ですか？
使用頻度や環境、方式によって異なりますが、精度が求められる用途では定期的な校正が推奨されており、目安として年１回程度の校正が行われることが一般的です。具体的な校正頻度や方法については、お使いの機種に応じて三弘エマテックまでご相談ください。
真空計の基礎知識と選び方のまとめ
本記事では、真空計の原理や用途、選び方、種類などを紹介しました。
真空空間を作る時に必要な真空計は、さまざまな種類があります。真空計は測定原理によって「機械的現象」「気体の輸送現象」「気体中の電離現象」の3つに大別されます。
測定したい圧力範囲や必要な精度、対象となる気体の種類によって適した方式が異なります。
正確な真空測定を行うためには、測定条件を満たす真空計の選定が必要です。
真空計の選定や真空技術に関して、ご不明点やご質問があれば、お気軽に三弘エマテックまでご相談ください。
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