Technology

リークディテクタ「HELIOT 900シリーズ」の開発

heliot900_eyecatch.jpg

1.はじめに

アルバックが1967年に初めてヘリウムリークディテクタ(helium leak detector, HLD)「DLMS」を販売開始し、その後、1995年にセレクトフリーという独自排気系の技術を用いて、世界で初めて完全自動化でグロスリークからファインリークまでのテストを可能とした「HELIOT 300シリーズ」1)を販売開始してから約20年が経過した。
(※この記事は、2015年6月発行のテクニカルジャーナルMo.79に掲載されたもので、内容は取材時のものです。)

「HELIOT 300シリーズ」の販売開始以降は、今までHLDを使用していなかったお客様向けの小型軽量化された「HELIOT 100シリーズ」2)や自動ヘリウムリークテスト装置専用の「HELIOT ZERO」3)など用途に合わせたシリーズ、及び汎用機の「HELIOT 700シリーズ」4)を開発してきた。

HLDの市場は、真空、自動車、冷凍、原子力業界から食品・医療品梱包業界等へと広がってきており、試験体、使用方法も多種多様になりつつある。そのような市場環境において、より早く、より微小な漏れを測定するという基本性能の向上と使いやすさの向上を目指した「HELIOT 900シリーズ」を開発したので紹介する。

リークディテクタHELIOT900の3つの特長
Figure1-300x204.jpg
Figure 1 Appearance of a portable type.

Figure2-197x300.jpg
Figure 2 Appearance of a mobile type.

2.ラインアップ

「HELIOT 900シリーズ」の外観をFigure 1と2に、仕様一覧をTable 1に示す。従来の「HELIOT 700シリーズ」と同様に油回転ポンプ(W1タイプ:30L/min、W2タイプ:135L/min)とスクロール型ドライポンプ(D2タイプ:90L/min、D3タイプ:250L/min)を用意している。今回新たに、半導体製造装置・FPD製造装置向けに排気速度500L/minのスクロール型ドライポンプを搭載したD4タイプを追加した。排気速度が大きいW2、D3、D4タイプは、移動し易いモバイルカートを標準としている。

スニッファー法で使用する場合は、オプションのスニッファーユニットを接続すると使用できるようになり、真空法とスニッファー法の両方の使い分け可能な2 in 1構成となっている。

Table1: HELIOT900 Specification list

3.製品の特長

3.1 排気系及び分析管
早い時間でヘリウム漏れ試験を開始、または真空装置の漏れ試験や自動リーク試験機において高感度で検出するためには、HLDのテストポート排気速度を大きくする必要がある。しかし、複合分子ポンプの排気速度を大きくすると、分析管に到達するヘリウムの量が少なくなり、感度が下がってしまうという問題がある。

Figure3.jpg
Figure 3 Pumping curves compared to the existing models.

「HELIOT 900シリーズ」では、複合分子ポンプの気体導入ポートでの排気速度とテストバルブのコンダクタンスを大きくすることによって5L/sec(Ultraフロー)という排気速度を実現し、後述の微小電流検出能力の向上によって、高感度での検出を可能にした。約30L容積の試験体を1×10-11Pa・m3/sec台のバックグランドレベルまで表示するのに必要な圧力までの時間は、Figure 3に示すように従来機種に比べて5分以上短縮されているのが分かる。

また、真空装置の漏れ試験を行う場合のように、チャンバに疑似的に漏れを発生させて、真空ポンプで排気しながら、HLDを接続して試験すると、従来機種と比較して漏れ量が、約1/5まで検出可能になった。「HELIOT 900シリーズ」の排気系統図をFigure 4に示す。

従来から採用しているセレクトフリー排気系を搭載しているが、従来からの標準・高感度モードの切り替えはなく、Grossフロー(接続圧力:1200Pa)、Fineフロー(接続圧力:100Pa)、Ultraフロー(接続圧力:2Pa)の3つのフローで大きな漏れから微小リークまでの測定を実現している。起動時間も起動時のフローを見直すことにより、校正動作を含めて5分以下、校正を行わない場合は2分以下となった。

ベントラインは、従来の位置から校正リークバルブと校正リークの間に変更することで、連続運転時のバックグランドの上昇を抑制している。また、今回新しく追加したD4タイプは、粗引きバルブを搭載しており、試験体内の排気時間をさらに短縮可能になっている。

使用しているコンポーネントについても従来から使用しているものから見直しを行った。圧力監視用のピラニ真空計は新しく開発された「SPU」5)を採用しており、デジタル通信でメイン基板に圧力信号が送られる。W1タイプのフォアポンプには、マグネットカップリング構造により、軸シールからの油漏れが無く、長寿命化を実現しているアルバック機工製の「GHD-031」を採用した。

また、オイルミストトラップを標準付属とした。分析管には、分析管内が汚れた場合や高い圧力の場合に発生する2次電子がイオンコレクタにあたるのを抑制する電極を設置し、信頼性のある測定を可能にした。
また、従来機種と同様にトレーサーガスとして水素を使用できる「水素測定モード」も用意している。

Figure4.jpg
Figure 4 Vacuum system diagrams.

3.2 微小電流検出回路
より微小な漏れを測定するためには、微小なイオン電流を正確に測定しなければならず、電離真空計5)や残留ガス分析計6)と同様にHLDの性能を決める重要な要素の一つである。

今回の開発では微小電流検出回路基板に、マイコンを搭載し、サンプリング、フィルタリング、レンジ切り替え、出力値の算出など信号の測定に直接かかわる大部分をメイン基板に頼らず行うようにし、従来のアナログ電圧による伝送方法を改め、デジタル通信でメイン基板にデータを送るようにした。

オペアンプ、AD変換器は従来機種から性能が大きく向上した物を使用し、オペアンプの出力を直接AD変換することによって高いS/N比で信号を取り込めるようになり、最小可検リーク量5×10-13Pa・m3/secという微小な漏れを検出することを可能にした。

さらに、測定する電流値によって移動平均回数(フィルタリング)を設定することによって、漏れ量に対する応答速度とノイズ低減を両立させている。フィルタリングのモードとしては、FAST、NORMAL、SLOWを用意しており、用途に合わせた設定が可能になっている。

また、回路を単純化して部品点数を減らし、従来2枚のプリント基板で製作されていたものを1枚にし、コストダウンと小型化することに成功した。

3.3 電気系及びソフトウエア
「HELIOT 900シリーズ」では,アンドロイドOSを搭載した産業用7inchタブレットを表示器として採用し、有線及び無線リモコンとして使用可能な構成とした。また、付属のスタンドは向きと角度が自在に設定出来るので、スタンド型、リモコン型、吊り下げ型の設置方法が可能となった。

その結果、真空装置やスニッファー法による漏れ試験を行なう場合、表示・操作するコントローラは、本体と離れ、自由な場所に置くことが出来き、ケーブルの取り回しや長さの制約などを受けずに配置できるようになり、試験者の利便性が向上した。

タブレットに表示される画面は、シンプルで判り易いデザインとした。テスト画面のグラフ、メーター、数値表示では、セットポイントの設定によりグラフの色や数値の色をかえることにより視覚で測定値の判定が可能となっている。

また、グラフ部をピンチイン、ピンチアウトにてレンジの幅や測定時間の幅を変更することが出来るようになっている(Figure 5)。

Figure5-1-470x151.jpg
Figure 5 Software screens.

表示言語としては従来通り、7言語対応(日本語、英語、韓国語、中国語(簡体字)、中国語(繁体字)、ドイツ語、スペイン語)としている。代表的な新しい機能として以下の4点を紹介する。

①内蔵校正リークによるスニッファー流量校正スニッファー用の外部校正リークを別途用意しなくても、HELIOT内部に搭載した校正リークを使用し感度校正を行うことにより、流量表示を行うようにした。

また、起動後に、真空法⇔スニッファー法の切り替えが可能になったことにより、真空容器法にてNGとなった試験体の場所特定を行う際に、機器の再起動を行わずに場所特定が可能となった。

②ベント設定
テスト終了後のベントの制御方法を新しくした。設定としては、自動、マニュアル、無効の3種類を用意した。

自動の場合:テスト終了時にベント。

マニュアルの場合:テスト終了時にはベントを行わず、テスト画面のテスト開始/終了ボタン部がベントボタンに切り替わり、ベントのタイミングは任意。

無効の場合:ベントは一切行わない。また、ベントしている時間を設定できる機能を追加した。設定時間経過後にベントを止める機能で、ベントラインにN2等を接続しベントを行う際に、一定時間のパージを行う時など便利な機能となる。

③データロギング機能
従来は漏れ量などの測定データを保存する場合、オプションのPC専用通信ソフトを使用する必要があった。
今回は表示器に付属しているmicro SDカード内に、テスト開始から終了までの測定データが1ファイル構成としてcsv形式で保存さる。保存データは、年月日、漏れ量、内部ピラニ真空計圧力値を記録しているので、ユーザーでのデータ管理等が容易にできるようなる。

④サイクルテスト
従来から搭載していたサイクルテスト機能をより使いやすいものに改良した。この機能を使用することにより、外部PLC等を使用しないで、真空吹付け法、真空フード法、真空容器法、浸せき法のテストが自動化できる機能となっている。

真空フード法を使用した動作工程としては、

(1)真空排気開始(圧力判定)
(2)ヘリウム検出開始(バックグラウンド監視)
(3)ヘリウム吹付開始(合否判定)

の順なっており、これらの制御を自動化している。設定画面で、各時間設定、判定値等の設定が容易にできるようになっている。

また、サイクルテスト専用テスト画面を用意し、現在のテスト工程、異常が発生した際に、どのテスト工程で発生しているか確認できるようにした。

外部入出力信号の接続は、RS232Cコネクタを除き、「HELIOT 700シリーズ」と互換性のある設計とした。さらに前の「HELIOT 300シリーズ」で製作した漏れ試験システムにおいても、信号変換機(オプション)を使用する事で、互換性を保てるので、置き換えが容易にできる設計になっている。

従来機種と同じようにヘリウム混合ガスを使用する場合、濃度から係数を算出し、ユーザーが係数を入力することによって、100%ガスを使用した場合の換算値を表示する機能も用意している。

3.4 スニッファー

「HELIOT 900シリーズ」のスニッファー仕様は、

Aユニット: 先端にキャピラリーチューブを搭載したプローブ型
Bユニット: 小型ポンプを内蔵したブースターポンプ
ユニットを本体テストポートにマイクロセパレータと共に取り付けて使用するものの2種類のタイプがある(Figure 6)。

これらのスニッファーユニットの開発では、主に以下の点について考慮した。

①耐久性
多様な漏れ試験現場において、漏れ試験対象周辺からの異物吸い込みにより生じるキャピラリーチューブの詰まりや、ひいては、本体内構成機器(複合分子ポンプや各テストバルブのシール部)への異物混入による機器動作不良、また、試験者のハンドリングによるスニッファープローブの物理的な破損への対策を考慮する必要がある。

今回のスニッファープローブでは、対象ガスを吸い込む要所となるキャピラリーチューブの上流部に、焼結金属エレメントを配置して保護することにより、キャピラリーチューブ内径を上回る異物吸い込み要因を物理的に排除した。また、同エレメントは、プローブ内部に固定されているため、外れてしまうリスクも軽減されている。
そして、試験者が握るハンドル部を従来のプラスチック製から金属製にしたため、リークテスト中のプローブの落下などに対しても、強度を増した構造とした。

②応答性
キャピラリーチューブは、プローブ先端に配置することにより、サンプリング対象に可能な限り近づいた構造となったため、従来機種に対して10~20%の応答性が向上した(Aユニット)。

また、Bユニットで使用するブースターポンプも従来機種に対して、到達圧力が低く、流量特性が優れたものを使用している。

③その他
スニファープローブ及びホースは軽量化を行い、取り回しがしやすくなっている。また、ブースターポンプユニットは、本体のコネクタに接続することで自動的に動作し、本体もブースターポンプユニットを認識したリークテストモードで起動するようになっている。

Figure6-470x163.jpg
Figure 6 Appearance of a sniffer unit.

3.5 筺体、モバイルカート

筺体及びデザインは当社規格品事業部統一デザインを採用し、W1タイプで従来比10kgの軽量化を行った。

コネクタパネルには、従来お客様にご用意して頂いたベントポート用継手を取り付けた。空冷ファンにはフィルタが取り付けられており、内部に細かい塵や埃が入らないようにしている。

また、従来よりも内部冷却能力を高めており、東南アジアなど比較的気温が高い地域においても十分な性能と信頼性を確保している。
モバイルカートは、大型のキャスター、段差を超える時に前輪を上げるための足をかけるスペース、足踏み式ストッパブレーキ、凹凸のないパネルカバーを採用することによって、移動し易くなっている。また、移動時にタブレットを収納するスペースを用意している。

3.6 メンテナンス
HLDは複合分子ポンプ、フォアポンプを使用しており、そのポンプを含め定期的なメンテナンスと消耗品の交換、校正リークの再校正を行う必要がある。その際に外装パネルを外す必要があるが、「HELIOT 900シリーズ」では、工具を必要とせずに、簡単に外せる構造とした。イオンソースは従来通りユニット交換式になっており、ピラニ真空計測定子、校正リークについても作業がし易いように配置した。

W1タイプのロータリーポンプのオイル交換は、オイルドレーン口をホース形状にすることで、簡単にオイル交換ができるようになっている(Figure 7)。
Figure7-297x300.jpg
Figure 7 Photograph of the inside of a portable type.

また、メンテナンスと消耗品の交換作業手順をタブレット内に動画を用意しているので、初めて作業する場合でも安心して作業が行えるようになっている。メンテナンス案内画面はユーザーで任意な時間の設定可能になっている。

4.おわりに

お客様から今まで頂いた貴重なご要望・ご意見を反映した「HELIOT 900シリーズ」の開発を報告した。しかし、ヘリウムを利用した漏れ試験をとりまく環境はここ数年で大きく変わってきている7)。

国内規格に関しては、日本工業標準規格JIS Z 2330:1992は「ヘリウム漏れ試験方法の種類及びその選択」であり試験がヘリウムガスを利用した漏れ試験に限定していた。

しかし、新規格のJIS Z 2330:2012は「非破壊試験―漏れ試験方法の種類及びその選択」となり、規格の対象が漏れ試験全体に広げられている。技量認証に関しては、一般社団法人 日本非破壊検査協会が、技術者の技量認証試験を実施し、技術者の技量認証を2012年に開始している。

背景には、漏れ試験の試験結果の精度は、非破壊試験技術者の技量に大きく左右されることがあり、試験者の技術レベルを一定にしておく必要があるためである。漏れ試験に使用するヘリウムガスに関しては、大気中にわずかしか含まれておらず、また限られた地域でしか算出されていない貴重な資源である。そのため、今後少ない使用量で大切に利用することが必要になってくる。

このような環境の中で、今後も継続的に基本性能・使い易さの改善・改良、校正技術の向上、最適な試験方法の提示、ヘリウムガス使用量の削減提案を行い、より早く、より微小な漏れをより正確に測定出来るようにしていく予定である。

(※この記事は、2015年6月発行のテクニカルジャーナルMo.79に掲載されたもので、内容は取材時のものです。)

リークディテクタHELIOT900の3つの特長

文 献
1) 落合英二郎,梅澤明雄:特公平8-15708
2) 落合英二郎:ULVAC TECHNICAL JOURNAL 50(1999)19.
3) 前平隆行:ULVAC TECHNICAL JOURNAL 74(2011)25.
4) 株式会社アルバック:J. Vac. Soc. Jpn. 54(2011)64.
5) 中島豊昭,宮下剛,永田寧,福原万沙洋,内田康文,大橋靖知,西巻武輝:ULVAC TECHNICAL JOUR-NAL 76(2012)8.
6) 中島豊昭,田中領太,由利努,黒川裕次郎,青柳秀勝,高橋直樹:ULVAC TECHNICAL JOURNAL 71(2009)14.
7) 田村芳一:J. Vac. Soc. Jpn. 54(2011)56.

Technology

ソリューション

このサイトでは、お客様の利便性や利用状況の把握などのためにCookieを使用してアクセスデータを取得・利用しています。Cookieの使用に同意する場合は、
「同意しました」をクリックしてください。「個人情報保護方針」「Cookie Policy」をご確認ください。

同意しました