今回のテーマは、
「真空の中の圧力は、どうやって測るのか」
答え：圧力の測り方には、気体が運ぶ熱を使う方法、薄い膜のたわみを使う方法、気体に電気を帯びさせて電流を測る方法があり、それぞれ測れる範囲が違います。そこで、圧力の範囲に合わせて真空計を使い分け、範囲が重なるところでは、読みを見比べます。
第2講では、粗引きから高真空へポンプを受け渡して、圧力を下げることを学びました。受け渡しは真空計の値を見て行うので、この講では、その真空計を取り上げます。
この講の流れ：① 真空計が複数ある理由 → ② 熱で測る → ③ 膜のたわみで測る → ④ イオンで測る → ⑤ 読み方と現場の注意。
※各節の『くわしく見る』は、計算で確かめたい人向けです。
① 真空計が受け持つ範囲：なぜ1種類では足りないのか
大事なポイント：圧力は十数桁も変わるので、1つの方式では測りきれません。方式ごとに得意な範囲があり、使い分けます。
体温計は体温を測るには便利ですが、揚げ物の油の温度は測れません。逆に、料理用の温度計では、体温の細かい違いが分かりません。測るものの大きさに合わせて、道具を替えるのです。
真空計は、圧力を測る測定器で、第1講で学んだ三要素の1つです。大気圧（約105Pa）から、超高真空（10-9Pa以下）まで、圧力は14桁以上も変わります。桁とは、10倍ごとの区切りのことです。この全部を、1つの方式で測ることはできません。
真空計は、圧力をそのまま測るのではなく、圧力で変わる別のもの（熱の逃げ方、膜の変形、電流など）に置き換えて測ります。置き換え方は大きく3つで、順に学びます。
- 熱：熱した線から気体へ逃げる熱を使う（ピラニ真空計）
- 膜のたわみ：圧力で金属の薄い膜が変形する量を使う（隔膜式真空計）
- イオン：気体を電気を帯びた粒（イオン）にして、電流を使う（電離真空計）
図のように、方式の範囲は少しずつ重なっています。装置では、圧力の下がり具合に応じて複数の真空計を使い分け、重なる範囲では、2つの読みを見比べることもできます。
ここだけ覚える：圧力の範囲が広すぎるので、熱・膜のたわみ・イオン電流の3つの方式を、範囲に合わせて使い分けます。
確認クイズ：真空計は、圧力を何に置き換えて測りますか。本文から2つ挙げてください。
答え：熱の逃げ方、膜の変形、イオンによる電流、のうちの2つです。
くわしく見る：何台の真空計が必要か、桁数で考える
大気圧（約105Pa）から10-9Paまでは、5−(−9)＝14桁です。ある大学の講義資料は、隔膜式の1台が読める範囲を、3〜4桁としています。
14÷3.5 ＝ 4 なので、隔膜式だけで全範囲を測ろうとすると、約4台が必要です。実際は、膜の硬さを変えた種類を、範囲に合わせて使います。ただし、低い圧力では膜のたわみが小さすぎて測れないので、この方法は、約10-3Paまでが限度です。
※数値は、1つの資料にある一例です。
② 熱で測る：ピラニ真空計
大事なポイント：ピラニ真空計は、熱した線から気体へ逃げる熱の量で、圧力を知ります。粗引きから中真空の様子を見るのに使います。
熱いコーヒーに息を吹きかけると冷めます。熱いものの周りに気体が多いほど、熱は気体に持ち去られるからです。逆に、魔法瓶は、二重の壁の間が真空なので、熱が逃げにくくなっています。
ピラニ真空計は、この性質を使います。細い線を電気で熱し、その線から気体へ逃げる熱の量で、圧力を知ります。気体の分子が多い（圧力が高い）と、分子が熱を持ち去るので、線の温度は下がります。分子が少ない（圧力が低い）と、熱が逃げにくく、線の温度は高くなります。線の温度は、電気抵抗の変化として読みとります。
CERNの講義資料によると、ピラニ真空計は、大気圧から10-4mbar（0.01Pa）までの範囲で、粗引きの様子を見るのに使われます。丈夫で扱いやすい反面、正確に読めるのは、1mbar（100Pa）以下、10-3mbar（0.1Pa）以上の範囲で、それより外では不正確になります。
もう1つの特徴は、気体の種類で表示がずれることです。気体ごとに、熱の伝わりやすさ（熱伝導率）が違うためです。同じ圧力でも、窒素と別の気体とでは、表示が変わります。この資料は、精度を10〜100%の幅で示しています。
現場では、ピラニ真空計を、排気が順調に進んでいるかを見る目として使います。たとえば、粗引きの途中で数字が下がらず止まったら、漏れやポンプの不調を疑います（第4講）。
ここだけ覚える：ピラニ真空計は、熱の逃げ方を使い、粗引きの様子を見るのに向きますが、気体の種類で表示がずれます。
確認クイズ：ピラニ真空計の表示が、気体の種類で変わるのは、なぜですか。
答え：気体の種類によって、熱の伝わりやすさ（熱伝導率）が違うからです。
くわしく見る：誤差の幅を読んでみる
表示が0.5Paのとき、実際の圧力の幅を考えます。誤差が±10%なら、0.5×(1±0.1) ＝ 0.45〜0.55Pa です。誤差が±100%なら、0.5×(1±1) ＝ 0〜1.0Pa です。
つまり、ピラニ真空計では、数字を「1桁の中の目安」として使い、小数点以下の細かい違いにこだわらないのが安全です。
※誤差の幅は、資料にある精度の例を、そのまま当てはめた計算です。
くわしい読み方は、半導体装置の真空計とは？圧力の測り方と読み方も参考になります。
③ 膜のたわみで測る：隔膜式真空計
大事なポイント：隔膜式真空計は、圧力による金属の膜のたわみを、電気の量で測ります。気体の種類の影響が小さく、処理中の圧力管理に使います。
太鼓の皮は、強く押すほど大きくへこみます。圧力で薄い金属の膜がたわむ量を使うのが、隔膜式真空計（キャパシタンスマノメータ）です。たわみは、静電容量に置き換えて測ります。静電容量とは、向かい合う2枚の金属板がためられる電気の量のことで、板の間隔が変わると、値が変わります。この真空計では、膜と固定された電極の間のすき間が、圧力で変わります。
ある大学の講義資料によると、隔膜式は、非常に直線的で、精度はフルスケール（測定範囲の最大値。体重計なら、いちばん大きい目盛り）の1%以内、気体の種類に影響されません。1台で測れるのは3〜4桁ですが、膜の硬さを変えると、大気圧から約10-5Torr（約10-3Pa）まで、範囲を広げられます。この資料は、処理を行う反応室の圧力を正確に測り、制御に使う例も挙げています。
半導体の工程では、圧力が少しずれるだけで、膜の厚さやエッチングの出来が変わることがあります。そのため、処理中の圧力を、気体の種類に左右されずに測れる隔膜式は、圧力の管理に向いています。一方、より低い圧力では、膜のたわみが小さくなりすぎます。そこで、次の電離真空計の出番です。
ここだけ覚える：隔膜式真空計は、膜のたわみを使い、気体の種類に左右されず精度が高いので、処理中の圧力管理に向きます。
確認クイズ：隔膜式真空計の長所を、本文から2つ挙げてください。
答え：気体の種類に影響されない、精度が高い（フルスケールの1%以内の例）、のうちの2つです。
くわしく見る：「フルスケールの1%」の意味
フルスケールとは、その真空計の測定範囲の最大値です。フルスケール1,000Paの真空計で、精度が「フルスケールの1%」なら、誤差は 1,000×0.01 ＝ ±10Pa です。
読みが500Paなら、10÷500 ＝ 2%ですが、読みが50Paなら、10÷50 ＝ 20%の誤差になります。同じ真空計でも、測定範囲の下のほうで使うと、誤差の割合が大きくなります。
※精度の表し方は、製品によって違います（読み値に対する割合で示すものもあります）。ここでは、ある講義資料の表し方を使った計算です。
④ イオンで測る：電離真空計
大事なポイント：電離真空計は、気体をイオンにして、電流で圧力を知ります。熱陰極式と冷陰極式があり、高真空から超高真空に使います。
駅の改札を通る人を数えれば、混雑の度合いが分かります。電離真空計は、気体の分子の数を、流れる電流の大きさで数える真空計です。高真空より低い圧力では、分子が少なすぎて、熱でも膜でも測れません。そこで、気体をイオン（電気を帯びた粒）にして、電流を測る電離真空計を使います。
代表的な熱陰極式の仕組みは、次のとおりです。熱した線から、電子が飛び出します。電子は、網状の電極（格子）で加速されて、真空の中を飛びます。この電子が気体の分子にぶつかると、分子がイオンになります。イオンは、中央の細い電極（コレクタ）に集まり、電流が流れます。分子が多いほどイオンも多く、電流も大きくなるので、電流の大きさから圧力が分かります。
CERNの講義資料では、熱陰極式（バヤード・アルパート型）は、10-5〜10-12mbar（10-3〜10-10Pa）に使われます。ただし、校正が必要で、超高真空では、電流が0.1〜10pA（ピコアンペア。1兆分の1アンペア）と非常に小さいため、ケーブルをシールドする必要があります。
もう1つの冷陰極式は、熱した線を使わず、高い電圧と磁石で放電を起こし、その電流を測ります。熱陰極式より丈夫ですが、精度は低く（大学の資料で測定範囲の約50%）、同じ資料は、熱陰極式の精度を、校正後で約10%と書いています。
使い方で、2つの注意があります。1つ目は、熱陰極式のフィラメント（熱する線）は、圧力が高い所（10-3Torr、約0.13Paを超える圧力）にさらすと、焼き切れることです。だから、ピラニ真空計などで圧力を確かめてから使います（一般的な運用です）。2つ目は、冷陰極式は、圧力が低すぎると放電が止まり、表示が「0」になることがある点です（CERNの講義資料）。表示が低い＝真空がよい、とは限りません。
ここだけ覚える：電離真空計は、気体をイオンにして電流で圧力を知り、高真空から超高真空に使います。
確認クイズ：熱陰極式電離真空計を、高い圧力で使うと、何が起きますか。
答え：フィラメントが焼き切れるおそれがあります（10-3Torr、約0.13Paを超える圧力の例）。
くわしく見る：範囲の換算と、電流の比
10-5mbar ＝ 10-5×100 ＝ 10-3Pa、10-12mbar ＝ 10-12×100 ＝ 10-10Pa です（1mbar＝100Pa）。
イオン電流は、圧力にほぼ比例します（ある大学の資料の式は I＝IE×S×P。IEは電子の電流、Sは感度）。電流が5nAから0.5nAに下がったら、圧力は10分の1です。
※感度Sは、気体の種類で変わります。
⑤ 読み方と現場の注意：気体・場所・校正
大事なポイント：真空計の数字は、どの気体で、どこで、いつ校正した値かで意味が変わります。範囲が重なるところで見比べることが大切です。
体重計は、平らな床に置き、基準と合わせてから日が浅いときに、頼れる数字を出します。置き場所が傾いていたり、長く合わせていなかったりすると、数字はずれます。真空計も同じで、「どの気体で」「どこで」「いつ校正した」数字かを考える必要があります。
- 気体の種類：ここまでに見たように、ピラニや電離真空計の表示は、気体で変わります。表示は、窒素を基準に換算した値（窒素換算、NE）で示すことがあります。ある研究施設の要求書も、圧力を窒素換算で示しています。
- 取り付けた場所：真空計は、測りたい容器の近くに付けるのが基本です（アメリカの大学の安全資料）。配管の途中やポンプの近くで測ると、容器の中と違う圧力を見ることがあります（第4講）。
- 校正の新しさ：校正とは、基準と比べて、真空計の表示のずれを確かめ、合わせることです。真空計は、時間がたつと、わずかにずれます。NISTの調査では、同じ型の電離真空計9本を、15年にわたって繰り返し校正し、ずれの大きさ（標準偏差）を約2%（電子電流4mAのとき1.9%）と見積もっています。
装置の現場サービスや保全では、真空計の数字を「そのまま信じる」ことも「疑う」こともしません。ほかの真空計と、範囲が重なるところで見比べ、食い違うときは、気体の種類・取り付け位置・校正を順に疑います。圧力が下がっていく「動き方」を記録しておくと、異常に気づきやすくなります。
▶ 2級でくわしく：残っている気体の種類を調べる分圧計（残留ガス分析計）と、校正の不確かさの考え方は、2級で学びます。
ここだけ覚える：真空計の数字が食い違うときは、気体の種類・取り付け位置・校正の順に疑います。
確認クイズ：2つの真空計の表示が食い違ったとき、何を順に疑いますか。
答え：気体の種類、取り付け位置、校正の新しさ、を順に疑います。
くわしく見る：NISTの校正の考え方
NISTは、既知の量の気体を、大きさが分かっている穴（オリフィス）に流して、基準の圧力をつくります。穴の気体の流れやすさ（コンダクタンス C）は、穴の直径から計算できます。圧力の差は、流量を Q として、ΔP ＝ Q÷C です。
たとえば、Q ＝ 1×10-6 Pa・m³/s、C ＝ 1×10-3 m³/s なら、ΔP ＝ 1×10-6÷1×10-3 ＝ 1×10-3Pa です（数値は仮の例です）。
※NISTの高真空の標準は、電離真空計を10-7Pa程度まで校正できます。
安全のひとこと
電離真空計や冷陰極式の真空計には、高い電圧がかかっているものがあり、熱陰極式は高温になる部品を含みます。熱した線や放電は、可燃性のガスの着火源になるおそれもあります。取り付け・取り外しや、使ってよい条件は、職場の決まりと手順書に従い、許可を受けた人が行ってください。
この講のまとめ
今回の問いの答えは、圧力を熱・膜のたわみ・イオン電流に置き換えて測ることです。圧力は14桁以上も変わるので、方式ごとに範囲が違う真空計を使い分けます。
ピラニは粗引きの様子を見るのに向き、隔膜式は気体の種類に左右されず精度が高く、電離真空計は高真空から超高真空を測ります。表示は、気体の種類で変わるものがあります。
数字は、気体・取り付け位置・校正で意味が変わります。範囲が重なるところで見比べ、食い違うときは、この3つを順に疑います。
次の講では、配管・バルブ・漏れ（リーク）と、圧力が下がらない原因を学びます。
ことばのおさらい
- 真空計：圧力を測る測定器です。真空技術の三要素の1つです。
- 桁：10倍ごとの区切りです。105から10-9までは14桁です。
- ピラニ真空計：熱した線から気体へ逃げる熱で、圧力を測る真空計です。
- 隔膜式真空計：圧力による金属の膜のたわみを、静電容量で測る真空計です。キャパシタンスマノメータともいいます。
- 静電容量：向かい合う2枚の金属板がためられる電気の量です。
- 電離真空計：気体をイオンにして、電流で圧力を測る真空計です。熱陰極式と冷陰極式があります。
- イオン：電気を帯びた粒です。
- フルスケール：その真空計の測定範囲の最大値です。
- 校正：基準と比べて、真空計の表示のずれを確かめ、合わせることです。
よくある誤解
Q. 真空計の表示は、どれも同じように正確ですか。
いいえ。ピラニ真空計は精度が10〜100%の幅の目安で、隔膜式はフルスケールの1%以内の例があります。真空計ごとに、精度も範囲も違います。
Q. 表示の数字が小さければ、必ず真空がよいのですか。
そうとは限りません。冷陰極式では、圧力が低すぎると放電が止まり、表示が0になることがあります。ほかの真空計と見比べて判断します。
参考にした公式情報
- University of Utah, Fundamentals of Micromachining, Lecture 3: Vacuum Systems（米国の大学の講義資料。隔膜式（精度1%、気体に依存しない、3〜4桁）、ピラニ、電離真空計の範囲・精度・フィラメント・着火源）
- V. Baglin, Vacuum in Accelerators for Mechanical & Materials Engineering（CERN Accelerator School 2024）（CERN。ピラニ、冷陰極（ペニング）、熱陰極（バヤード・アルパート）の範囲・精度・気体依存・注意点）
- NIST, Vacuum Gauges（米国NIST。真空計の校正（既知の流量とオリフィスによる高真空の標準））
- Fedchak and Defibaugh, Long-term stability of metal-envelope enclosed ionization gauges（NIST、2012）（米国NIST。電離真空計の長期の校正のずれ（要旨のみ読了））
- Caltech EHS, Vacuum System Safety（米国の大学の安全資料。真空計は容器の近くに置く）
- ESS Vacuum Handbook Part 1（2025）（欧州の研究施設の要求書。圧力を窒素換算（NE）で示す例）
- 吉田 肇「JIS Z 8126-1:2021 真空技術―用語―第1部：一般用語の改正」表面と真空 65(8), 2022（産業技術総合研究所。真空技術の三要素（真空計の位置づけ））
桁数の計算、誤差の幅の計算、フルスケールの考え方、NISTの校正の数値例（Q・C・ΔP）は、理解のための仮の例です。窒素基準の表示の説明は一般的な説明です（ESSの要求書は窒素換算を使う一例）。熱陰極式を高い圧力で使わない運用、ピラニ・隔膜式・電離真空計を使い分ける考え方の一部は、一般的な説明です。範囲は、資料や製品で異なります。図は記事用に描いた簡易の模式図です。
