JP2000501840A - 力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、振動周波数が、検出すべき力作用に応じて変化する、共振時に振動する構造体を有する力センサ、例えば、加速度センサ、又は圧力センサに関する°電圧（Ｕ）の印加によって、力センサ（１０）の作動点（Ｐ_SA）と当該力センサの機械的不安定点との間隔を調整することができるようにすることが提案されている。

Description

【発明の詳細な説明】 力センサ 本発明は、振動周波数が、検出すべき力作用に応じて変化する、共振時に振動 する構造体を有する力／圧力センサに関する。 従来技術 冒頭に記載した力センサは公知である。この力センサは、周波数アナログ共振 型機械的センサとして構成されており、そのセンサの場合、共振時に振動する構 造体が設けられており、この構造の振動周波数は、検出すべき力作用、例えば、 加速度又は圧力によって変化する。外部からの力作用に起因して、共振時に振動 する構造体が変位され、その結果、その振動周波数が変わる。共振時に振動する 構造体は、この場合、ばね−質量体−系として構成されており、その際、力セン サの感度は、サイズモ系の質量体を大きくしたり、ばねのスティフネスを下げた り、この両方の対策を組み合わせたりして高めることができる。 しかし、こうすることによって、構造体が共振時に振動する基本周波数が低減 し、その結果、センサの動特性が劣化してしまうという欠点がある。他方、サイ ズモ系の質量体を大きくすることによって、センサの寸法が大きくなってしまう 。 比較的以前の特許出願であるドイツ連邦共和国特許出願第４４２６１６３号か らは、共振時に振動する構造体が機械的にプレストレスを加えて取り付けられて いて、その結果、この力センサが当該力センサの機械的不安定点の近くで作動さ れるようにした加速度センサが公知である。こうすることによって、力センサの センサ感度は上昇する。と言うのは、この力センサの作動点は、機械的不安定点 の近くに位置しているからである。この作動点と機械的不安定性との間隔は、こ の際、加えられた機械的プレストレスの大きさによって決められる。この際、し かし、欠点は、作動点と機械的不安定性との間隔を正確に調整することが、例え ば、センサのレイアウトの幾何学的な許容偏差によつて、機械的なプレストレス から生じる制御し難い層面状の張力と温度依存性によって損なわれることがある ということである。力センサを、センサ感度を高めるために、その機械的な不安 定点の近くで作動する必要がある場合には、作動点と、極めて大きな信号変化点 、つまり、信号誤差点とのずれは、既に最小である。 発明の効果 それに対して、本発明の力センサ、つまり、振動周波数が、検出すべき力作用 に応じて変化する、共振時に振動する構造体を有する力／圧力センサにおいて、 電圧の印加によって、力センサの作動点と当該力センサの機械的不安定点との間 隔を調整することができる ことを特徴とする力／圧力センサによると、機械的不安定点からの選択可能な所 定作動点間隔を正確に調整することができるという効果を奏する。力センサの作 動点と、この力センサの機械的不安定点との間隔を調整することができることに より、有利には、この間隔の正確な調整の他に、力センサの製造乃至作動中生じ る偏差、例えば、層面状の張力、温度依存性、製造時の許容偏差によって生じた 偏差を補償することができ、その結果、力センサの作動期間に亘って、作動点を 非常に正確に均一に調整乃至再調整することができ、例えば、力センサの作動点 と機械的不安定点との間隔をできる限り小さく調整することができる。 更に、有利には、力センサの作動点と機械的不安定点との間隔を調整すること ができることにより、同一の力センサを種々の測定領域に調整することができる 。作動点の調整により、力センサの作動点と、この力センサの幾何学的形状によ って生じた、この力センサの機械的不安定点との間隔を変えることができる。作 動点と機械的不安定点との間隔に応じて、種々のセンサ感度が得られ、このセン サ感度は、外部から作用する、検出すべき力作用に対して、相応に変化して応動 するようになる。更に、極めて有利にも、力センサの作動点は、その所定の使用 の際、正確な境界内で変化させることができる。こうすることによって、極めて 有利にも、力センサを、例えば、一方の測定領域から 他方の測定領域に切り換えることができ、その結果、種々の、選択可能な信号検 出乃至信号処理を行うことができるようになる。 本発明の有利な実施例では、共振時に振動する構造体がプレストレスを加えて 取り付けられており、付加的な外部力が加えられており、その際、付加的な外部 力は、有利には、静電気力である。こうすることによって、簡単に、共振時に振 動する構造体に対して間隔を置いて配設された電極を用いて電圧を印加すること により、振動構造体の機械的なプレストレスに対して、付加的に静電気によって プレストレスを加えることができ、その結果、力センサの幾何学的構造を変えず に、固有周波数を下げることができ、こうすることにより、センサ感度を高める ことができる。 本発明の有利な別の実施例は、従属請求項の、その他の要件から得られる。 図面 本発明について、以下、図示の実施例を用いて詳細に説明する。その際： 図１は、圧力センサ（ダイアフラム＋電圧検出器）を上から見た略図を示し、 図２は、圧力センサの断面略図であって、偏位状態（ａ）と非偏位状態（ｂ）を 示し、 図３ａ−３ｃは、ｙ−方向で振動する共振器での固有周波数−力関係の略図を示 し、 図４は、機械的、静電気及び電気機械的特性の関係を示し、 図５は、制御電圧Ｕの上昇時の電気機械的共振器の作動点のシフト状態を示す。 実施例の説明 図１及び２には、一般的に１０によって示された圧力センサが略示されており 、例えば、ドイツ連邦共和国特許公開第４３３３０９９号公報から公知のもので ある。圧力センサ１０は、全部で４つの構造体１２を有しており、４つの構造体 は、それぞれ２つの支承部１４間に取り付けられた１つの横ビーム１６を有して いる。この際、構造体１２は、ダイアフラム１８（偏位状態で示されている）乃 至２０（非偏位状態で示されている）上に配設されており、このダイアフラムは 、検出すべき外部圧力の作用の影響下で曲げられている。外部からの力の作用は 、圧力によるもの以外に、例えば、加速度又は測定すべき、それ以外の物理量に よって生じることがある。 横ビーム１６は、ここには詳細に図示していない装置によって、共振する。つ まり、横ビーム１６は、所定の固有周波数ｆ₀の出力状態で振動する。外部の力 作用によって、ダイアフラムは、外部からの力作用に比例して所定のように曲げ られ、その際、構造体１２の横ビーム１６は、ダイアフラム１６上での、横ビー ム１６の配置構成に応じて、圧力乃至引っ張り力に応 動する。図２に示された外側の横ビーム１６は、圧力に応動し、内側の横ビーム １６は、引っ張り力に応動する。この応動によって、横ビーム１６は、その振動 周波数を変え、この振動周波数は、ここでは詳細に考察しない適切な検出器を介 して、公知のようにして検出することができる。振動周波数を変えることによっ て、振動する力／圧力の大きさを推定することができ、その結果、圧力センサ１ ０を用いて、全体として、力／圧力の影響に比例する信号を形成することができ る。 図３ａ−３ｃには、それぞれ、力センサ１０の構造体１２が略示されている。 同じ部分には、図１と同じ参照番号を付して示し、再度説明することはしない。 図３ａには、周波数ｆ₀で振動する横ビーム１６が示されている。図３ｂには 、機械的にプレトストスが加えられた横ビーム１６（これは、比較的以前のドイ ツ連邦共和国特許出願第４４２６１６３号に記載されているように）が示されて おり、その際、横ビーム１６は、ここでは周波数ｆ₁で振動する。この場合、周 波数ｆ₁は、固有周波数ｆ₀よりも小さく、その結果、構造体１２は、この構造体 の、更に説明すべき作動点が、機械的不安定点の近くで作動する。 図３ｃによると、横ビーム１６の下側に電極２２が設けられており、その際、 この電極は、所定の電位Ｕが印加されている。電位Ｕの結果、公知のように、静 電気力Ｆが発生し、この静電気力は、横ビーム１６の静電気によるプレストレス を生じる。この横ビームは、今度は、振動周波数ｆ₂で振動し、この振動周波数 は、同様に固有周波数ｆ₀よりも小さい。横ビーム１６は、ここには詳細に示し ていない手段、例えば、静電気櫛型作動部によって励起されて振動する。この手 段によって、横ビームは、周波数ｆで共振振動する。図３ａ〜３ｃの変形実施例 に応じて、共振周波数ｆは、固有周波数ｆ₀又は機械的又は静電気によるプレス トレスによって調整された周波数ｆ₁又はｆ₂であるとする。 図４を用いて、機械的なばねのこわさ（スティフネス）と静電気によるプレス トレスの所定のスティフネス−バネ定数の場合に得られる、種々の特性曲線が示 されている。この特性曲線の上行には、機械的なばねのポテンシャルの経過特性 が示されており、真ん中の行には、静電気ポテンシャルの経過特性が示されてお り、下行には、機械的なばねと静電気ポテンシャルを重畳した場合のポテンシャ ル曲線が示されている。左側の列には、それぞれポテンシャルエネルギＶ（ｘ） の経過特性が示されており、真ん中の列には、全ポテンシャルＶ（ｘ）の第１次 導関数、つまり、有効な力Ｆ＝−ｇｒａｄＶが示されており、右側の列には、ポ テンシャルＶ（ｘ）の第２次導関数、つまり、構造体１２の横ビーム１６の実効 ばね定数が示されている。 更に説明すると、一番下の行には、機械的プレストレスと静電気によるプレス トレスとが重畳した場合の特性曲線が示 されている。下の行の左側の特性曲線には、横ビーム１６のリニアな力−経路− 依存関係のばねポテンシャルと、静電気力の重畳された１／（ｘ−ｘ₀）ポテン シャルとから合成された全ポテンシャルＶ（ｘ）の経過特性が示されている。こ こでは、ｘ₀で、電極２２と横ビーム１６（横ビーム１６は休止位置である）と の間隔が示されている。 全ポテンシャル曲線Ｖ（ｘ）では、構造体１２のセンサ作動点Ｐ_SAが、全ポテ ンシャル曲線の最小値として示されている（調和した発振器の作動点は、常にポ テンシャル最小値である）。 有効な全力Ｆと実効ばね定数の特性曲線には、値ｘ_uが記載されており、この 値は、全ポテンシャル関数の反転点を示し、この点の第１次導関数、つまり、有 効な全力Ｆは、最大値を有しており、第２次導関数、つまり、実効ばね定数は、 そのゼロ点を有している。このことから分かることは、横ビーム１６の振動の振 幅ｘ_maxが作動点の付近である場合には、ｘ_maxを値ｘ_uよりも非常に小さくしな ければならない筈であるということである。この際、ポテンシャル関数の反転点 は、実質的に、構造体１２、殊に、横ビーム１６と電極２２（この電極の前に静 電気による引っ張り力が拡がっている）の幾何学的形状及び制御電圧Ｕによって 決められる。右側の図を用いると、全ポテンシャル関数の第２次導関数から得ら れる実効ばね定数は、ｘ−値の増大につれて次第に小さくなり、ｘ＝ｘ₄で値ゼ ロに達することが分かる。全ポテンシャル関数の第１次導関数から得られた有効 な全力は、 ここでは、その最大値に達し、更に大きくなるにつれて、ｘ−値は低減する。 値ｘ_uの超過後、静電気による引っ張り力に拠る力は、横ビーム１６の復帰力 よりも大きい。従って、横ビーム１６の力の総和は、ｘ_uでゼロであり、即ち、 横ビーム１６は、その機械的な不安定点に達する。 センサ作動点Ｐ_SAが、機械的不安定点の方向にシフトすることによって、即ち 、間隔が変わることによって、ここでは、間隔が小さくなることによって、セン サ感度は、比較的高くなる。と言うのは、（検出すべき外部力が加わることによ る）横ビーム１６の振動周波数の変化によって、比較的大きな信号変化を生じる からである。 図５に示した特性曲線によると、センサ作動点Ｐ_SAを機械的不安定点の方向に シフトすることができることが分かる。ここに示した、電極２２の印加電圧Ｕに 関する全ポテンシャル経過特性Ｖ（ｘ）の曲線によると、電圧の上昇につれて、 ポテンシャル経過特性Ｖ（ｘ）の最小値のセンサ作動点Ｐ_SAは、比較的大きなｘ −値の方にシフトすることが分かる。ｘ−値が比較的大きくなると、既に説明し たように、機械的なプレストレス及び静電気によるプレストレスから合成された 実効ばね定数、従って、構造体の共振周波数ｆは、益々小さくなり、つまり、セ ンサの検出効率は増大する。 図５には、電圧Ｕ₁の場合の第１の特性曲線２６と、電圧Ｕ₁の３倍の値に相応 する電圧Ｕ₂の場合の第２の特性曲線２８が示されている。電圧Ｕの上昇につ れて、センサの作動点Ｐ_SAはシフトすることは明らかである。電圧Ｕの上昇につ れて、静電気力Ｆ、従って、横ビーム１６の静電気によるプレストレスは増大す るので、電圧Ｕの調整を介して、センサ作動点Ｐ_SAを調整することができ、乃至 、殊にセンサ作動点Ｐ_SAと構造体１２の機械的不安定点との間隔を調整すること ができる。式Ｕ²＝８×Ｋ×ｘ₀ ³／（２７ε₀Ａ）から得られる所定電圧に達した 場合、全ポテンシャル経過特性の最小値は最早存在せず、その結果、システムは 、その時点で不安定になっている。ここでは、Ｋで、構造体１２の機械的なばね −質量体−系のばね定数を示し、Ａで、電極２２と横ビーム１６とから構成され たコンデンサの有効面積を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フランツ レルマー ドイツ連邦共和国 Ｄ―70437 シュツツ トガルト ヴィティコヴェーク ９ (72)発明者 ヴェルナー ウーラー ドイツ連邦共和国 Ｄ―76646 ブルーフ ザール アウクシュタインシュトラーセ 11 (72)発明者 アンドレア シルプ ドイツ連邦共和国 Ｄ―73525 シュヴェ ービッシュ グミュント ゼーレンバッハ ヴェーク 15

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 振動周波数が、検出すべき力作用に応じて変化する、共振時に振動する構 造体を有する力／圧力センサにおいて、電圧（Ｕ）の印加によって、力センサ（ １０）の作動点（Ｐ_SA）と当該力センサの機械的不安定点との間隔を調整するこ とができることを特徴とする力／圧力センサ。 ２． 共振時に振動する構造体（１２）がプレストレスを加えて取り付けられて おり、付加的な外部力が加えられている請求項１記載の力／圧力センサ。 ３． 機械的なプレストレスは、静電気力によって生じる請求項１又は２記載の 力／圧力センサ。 ４． 静電気力（Ｆ）は、構造体（１２）の振動部と該振動部に対して所定間隔 を置いて配設された電極（２２）との間に形成されている請求項１〜３までのい ずれか１記載の力／圧力センサ。 ５． 構造体（１２）の振動部は、２つの支承部（１４）間に取り付けられた横 ビーム（１６）である請求項４記載の力／圧力センサ。 ６． 作動点（Ｐ_SA）と機械的な不安定点との間隔は、電極（２２）に印加され た電圧（Ｕ）の大きさを介して調節することができる請求項１〜５までのいずれ か１記載の力／圧力センサ。