JP2001502427A - 物理量の測定方法および測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、物理量の測定方法であって、構造体を共振振動させ、測定すべき物理量の変化によって発生した、構造体振動周波数の変化を検出し、周波数アナログ信号を作成する、物理量の測定方法に関する。共振周波数（ｆ）により振動する構造体（１２）に静電力（Ｆ_E）を印加するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】 物理量の測定方法および測定装置 本発明は、請求項１の上位概念による物理量の測定方法、および請求項７の上 位概念による物理量の測定装置に関する。 従来の技術 このような方法および装置は公知である。これらでは、共振振動する構造体が 設けられており、その振動周波数は測定すべき物理量の変化によって変化する。 構造体の振動周波数の変化は評価手段によって検出され、周波数アナログ信号が 出力される。この信号から、作用した、測定すべき物理量の大きさを推定するこ とができる。共振状態で振動する構造体はここではバネ質量系により形成される 。感度は共振状態で振動する構造体の幾何的寸法に依存する。振動する構造体の 固有周波数シフトを評価するために、評価手段は電子発振回路の周波数検出素子 として接続されている。分解能は実質的に、発振器回路のＳＮ比と、使用される 周波数測定方法に依存している。しかし安価に製造しながら、この種の測定装置 を小型化する流れの中では、このことにより感度ないし分解能の悪化が発生して 不利である。 発明の利点 請求項１の構成を有する本発明の方法および請求項７に記載された構成を有す る本発明の装置は、測定装置が小型であっても測定感度を向上させることができ るという利点を有する。共振周波数で振動する構造体に有利には振動方向で作用 する静電力を印加することによって、有利には、静電力を定める量を介して、測 定装置の感度への影響を取り出すことができる。従って有利には、共振振動する 構造体とこれに配属された対向構造体との間に印加される、静電力を定める電圧 を介して、測定装置の動作点を調整することができる。電圧を高く選択すればす るほど、動作点は測定装置の機械的不安定性点に近付いてしまう。 測定過程中は一定に留まる電圧の高さを介して非常に有利には、測定装置の感 度を調整することができる。電圧により調整された感度に相応して、非常に有利 には可動に支承された対向構造体を介して、共振状態で振動する構造体に作用す る静電力を変化させることができる。従って静電力は、電圧を一定にすることに よって専ら間隔変化に依存する。 構造体と対向構造体との間隔を相互に変化することによって、振動する構造体 の固有周波数をずらすことができる。対向構造体は有利には、測定すべき物理量 と直接つながっている。固有周波数シフトは、測定すべき物理量の大きさが同じ である場合に、測定装置の動作点が機械的不安定点に、定電圧の大きさを介して 近付けば近付くほど大きくなる。従って、測定すべき物理量の変化が非常に小さ い場合でもすでに比較的に大きな固有周波数シフト（共振周波数シフト）が生じ 、このシフトを評価手段によって相応に評価することができる。この場合、非常 に小さな幾何的なずれ、すなわち構造体と対向構造体との非常に小さな間隔変化 で、関連する周波数差を惹起するのに十分である。 本発明の有利な実施例では、静電力を惹起する対向構造体が、力センサ、とり わけ加速度センサの可動に支承された構成部材である。ここで有利には構造体と 対向構造体とは、加速度センサのセンシング方向に対して角度を為して配置され ている。このことにより有利には、静電力の対向構造体に対する反作用を低減す ることができ、全体として本発明の測定装置の測定精度を高めることができる。 さらに非常に有利には、角度をずらすことによって、加速度センサの振動質量の 検知すべき振れを分割することができる。これにより正確な測定が可能である。 別の有利な構成は従属請求項に記載されている。 図面 本発明を以下、図面に示された実施例に基づき説明する。 図１は、本発明の測定装置の基本構造を示す概略的平面図、 図２は、図１の装置の周波数電圧特性曲線を示す線 図、 図３は、図１の装置の周波数間隔特性曲線を示す線図、 図４は、本発明の測定装置を有する加速度センサの概略的平面図である。 実施例の説明 図１は、測定装置１０を示す。この測定装置１０は単に概略的に平面図で示さ れており、本発明の測定方法を明らかにするものである。測定装置１０は構造体 １２を有し、この構造体は撓みバーにより形成される。この撓みバーは２つの支 承部１６の間を可動に懸架されている。支承部１６はフレーム１８の構成部材と することができ、フレームはここに図示しない基板２０の構成部材である。撓み バー１４はここでは、フレーム１８により形成された窓２２に張られている。構 造体１２には駆動装置２４が配属されており、駆動装置は例えば静電性の櫛形駆 動部２６により形成される。駆動装置２４はさらにここに詳細に図示しない電子 発振回路を有する。構造体１２にはさらに対向構造体２８が配属されている。対 向構造体は、撓みバー１４の、駆動装置２４に対向する側に配置されている。対 向構造体２８は、ここで二重矢印３０で示した撓みバー３０の振動方向に可動に 支承されている。構造体１２も対向構造体２８も、図１に図示しない手段で直流 電源に接続されており、構造体１２は直流電源のマイ ナス極ないしアースに、対向構造体２８は直流電源のプラス極に接続されている 。またはその反対の接続でも良い（極性は重要でない）。 図１に示された測定装置１０は次の機能を有する。 駆動装置２４を介して構造体１２は振動方向３０で共振周波数ｆ０（外部負荷 なし）により共振振動される。次に、この共振周波数ｆ０で振動している構造体 １２（撓みバー１４）に外部物理量、例えば加速度または圧力が作用すると、構 造体１２に機械的ストレスが入力結合される。この機械的ストレスにより、構造 体１２の振動する共振周波数ｆに固有周波数シフトが生じる。共振周波数ｆと共 振周波数ｆ０との間の周波数ずれを検出することにより、作用する物理量の大き さを周波数アナログ測定方法で推定することができる。ここで測定方法の精度は 、構造体１２の幾何的寸法に実質的に依存している。撓みバー１４の純粋な撓み 振動に対しては次式が当てはまる。 ここで共振周波数ｆ０は、に従って計算される。共振周波数ｆ０は、構造体１２の無負荷状態に対して成立 する。Ｆは構造体１２に掛かる力、Ｅは電気単位、ζは撓みバー１４の使用され る材料密度（材料定数）である。１により長さ、ｂにより振動方向３０の幅、ｈ により撓みバー１４の高さが示される。 構造体１２と対向構造体２８を直流電源に接続することにより、対向構造体２ ８によって静電力Ｆ_Eが、静止状態で共振周波数ｆ０により振動する構造体１２ に及ぼされる。静電力Ｆ_Eを構造体１２に作用させることにより、振動特性を所 望のように制御することができる。ここで静電力ＦＥは次式により計算される。 ここでεは電気定数、ＩＥは対向構造体２８の長さ、ｈＥは対向構造体２８の高 さを示す。対向構造体は構造体１２に直接対向している。構造体１２と対向構造 体２８に印加される電圧はＵにより示されている。一方、構造体１２と対向構造 体２８と間隔はｄにより示されている。 共振周波数ｆを定める構造体１２（撓みバー１４）の機械的バネ力は静電力Ｆ Ｅに重畳される。これにより構造体１２の有効バネ剛性ｃ_effが変化する。この 有効バネ剛性の変化は共振周波数ｆにフィードバックされる。ここでは次式が成 立する。 有効バネ剛性ｃ_effは電圧Ｕ＝０のときｃ０により表される。 従って全体として、静電力Ｆと従って構造体１２の共振周波数ｆとを、電圧Ｕ の大きさと間隔ｄの大きさにより制御することができる。構造体１２と対向構造 体２８とはここで擬似的コンデンサを形成し、構造体１２と対向構造体２８はコ ンデンサ板である。構造体１２の長さｌ、幅ｂおよび高さｈ、対向構造体の長さ Ｉ_Eおよび高さｈ_E等の別のパラメータは測定装置の設計により定めることができ 、一定である。 図２は、構造体１２と対向構造体２８との間隔ｄが一定であるときの、測定装 置１０の共振周波数／電圧特性曲線を示す。電圧Ｕの上昇と共に、共振周波数ｆ が低下することがわかる。電圧Ｕを介して測定装置の動作点、とりわけ測定装置 １０の構造体１２の機械的不安定性点からの間隔を調整することができる。動作 点が機械的不安定性点に近付けば近付くほど、測定装置１０の感度は上昇する。 なぜなら、外部から加えられる測定すべき物理量による共振周波数ｆの僅かな変 化が大きな信号偏差を引き起こすからである。 図３には、測定装置１０の共振周波数／間隔特性曲線が示されている。ここで は構造体１２と対向構造体２８との間隔ｄの減少と共に共振周波数ｆの低下する ことが明らかである。ここで共振周波数ｆは、構造体１２の無負荷状態での振動 周波数に相応する共振周波数ｆ０と値ゼロに制限される。共振周波数ｆは、静電 力Ｆ_Eが撓みバー１４の戻り駆動力に正確に相応する ときに値ゼロを取る。従って撓みバーでの力の和は０である。共振周波数ｆが値 ０を取る点には、測定装置１０の機械的不安定性点Ｐ０がある。 本来の測定過程のために、構造体１２と対向構造体２８との間に定電圧Ｕが印 加される。この電圧Ｕを大きく選択すればするほど、測定装置１０の動作点は機 械的不安定点Ｐ０に近付き、構造体１２と対向構造体２８相互間の間隔ｄの変化 が一定の場合に、共振周波数ｆのシフトが大きくなる。電圧Ｕが一定であるため 、静電力ＦＥは間隔ｄにだけ依存する。間隔ｄの変化はここで図３に示した曲線 の運動に相応する。機械的不安定点Ｐ０に近付けば近付くほど、構造体１２は柔 らかくなり、共振周波数ｆは低くなる。同時に曲線の勾配は急峻になり、間隔で の幾何的変化に対する感度も上昇する。ここでは最少の幾何的シフトですでに共 振周波数ｆの関連する差を惹起するのに十分である。測定装置１０の感度上昇は ここでは単に、構造体１２自体が共振周波数ｆの変化を検出するため振動しなけ ればならないことによってだけ制限される。 構造体１２の振動は、構造体１２と対向構造体２８との間隔ｄの付加的変動に つながる。実質的に駆動装置２４の効率に依存する振動の振幅を小さくできれば 、動作点を機械的不安定点Ｐ０に近づけることができ、ひいては感度を高めるこ とができる。構造体１２の振動とこれによる生じる間隔ｄの変動によって特性曲 線は非線形である。この非線形性は、詳細に図示しないが評価回路において補償 される。 全体として、共振周波数ｆの変化は構造体１２（撓みバー１４）の機械的スト レスの変化を越えて作用するものではない。従って構造体１２の機械的影響によ って生じる交代ストレスは測定結果に何の影響も及ぼさない。なぜならこのスト レスは単に静止周波数シフト（ゼロ点シフト）を惹起するだけだからである。 具体的実施例によれば、定電圧が１８Ｖ、構造体１２の長さｌが３００μｍの とき、共振周波数ｆおよび構造体と対向構造体２８との間隔ｄとに次のような依 存関係が得られる。ここで間隔ｄは理論的板間隔とする。なぜなら静電力Ｆ_Eに よって、静止位置の間隔、すなわち構造体１２とと対向構造体２８の振動３０の 中点の間隔は小さくなるからである。 間隔ｄ 1.4μｍ 1.5μｍ 1.6μｍ 共振周波数ｆ 125.4kHz 141.7kHz 149.7kHz 具体的数値に基づき、間隔ｄが小さくなると、共振周波数ｆははっきりと低下 し、従って外部から影響する、測定すべき物理量により惹起される共振周波数ｆ の変化は共振周波数ｆを比較的に高くシフトする。 図４には、測定装置１０の可能な適用例が概略的平面図に示されている。ここ では３２により加速度センサが示されている。図１と同じ部材には同じ参照番号 が付してあり、再度説明しない。加速度センサ３２は 振動質量３４を有し、この振動質量はバネ３６を介して平坦な振動平面３８に柔 らかく懸架されている。バネ３６は脚部４０により基板４２と振動質量３４に接 合されている。バネ３６はさらに対向構造体２８との結合している。対向構造体 ２８はさらに測定装置（図１）の構成部材であり、測定装置はさらに構造体２４ と駆動装置２４を有する。対向構造体２８はバネ３６を介して振動質量３４と結 合されている。バネ３６と脚部４０を介して対向構造体２８は直流電源４４のプ ラス極と接続されている。構造体１２はフレーム１８ないし基板４２を介して直 流電源４４のマイナス極ないしアースと接続されている。直流電源４４が投入接 続されているときは電圧Ｕが対向構造体２８と構造体１２との間に印加される。 測定装置１０はここでは角度αで加速度センサ３２の検知方向４６に配置されて いる。 図４に示した加速度センサ３２は以下の機能を実行する。 規定通りの使用の際には、振動質量３４が外部から影響する加速度に基づいて 、平坦な振動平面の検知方向４６にずらされる。加速度は振動質量３４に力を及 ぼし、この力は振動質量３４が懸架されているバネ３６のバネ定数に応じて所定 の振幅の撓みを引き起こす。バネ３６の構成によってこの偏向はバネ３６の上昇 作用に分割され、対向構造体２８は相応に緩和された 偏向（間隔ｄの変化）を受ける。 構造体１２が加速度センサ３２の検知方向４６に対して配置されている角度α に依存して、変更は再度分割される。これにより最終的に、振動質量４６の偏向 は、間隔ｄの非常に小さな変化になる。 すでに図１〜図３で説明したように、間隔ｄの変化は、印加される電圧Ｕが一 定の場合、構造体１２が駆動装置２４により励起される共振周波数ｆの変動につ ながる。共振周波数ｆの変化は、ここに図示しない評価手段によって検出され、 周波数アナログ信号が検出される。この周波数アナログ信号は影響する加速度の 大きさに相応する。 構造体１２が角度αで斜め位置にあることによって、振動質量３４に対する過 負荷ストッパが実現される。振動質量３４は次のような振幅でその検知方向で振 動する。すなわち、図示しない過負荷ストッパにより制限される振幅で振動する 。最大振幅のときでも、偏向の分割によって、一方ではバネ３６を介して、他方 では角度αの斜め位置を介して、対向構造体２８が構造体１２に当接することが 阻止される。 構造体１２および角度αの構成の別の利点は、静電力ＦＥが対向構造体２８に 及ぼす反作用を緩和できることである。ここでは角度αのサインに相応する静電 力Ｆ_Eの一部だけが対向構造体２８の運動方向に作用する。 例に基づいて説明したように、構造体１２に作用する力ＦＥによる共振周波数 ｆの影響は、専ら間隔ｄの変化につながる。このことにより、容量性測定方法が 周波数アナログ評価によって行われる。この方法により、感度が高く、同時に簡 単で丈夫に構成された測定装置１０が得られる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年９月１６日（１９９８．９．１６） 【補正内容】 請求の範囲 １． 物理量の測定方法であって、 構造体を共振振動させ、 測定すべき物理量の変化によって発生した、構造体振動周波数の変化を検出し 、 周波数アナログ信号を作成する、物理用の測定方法において、 共振周波数（ｆ）で振動する構造体（１２）に、構造体（１２）を共振振動さ せるための駆動装置から分離した静電力（Ｆ_E）を付加的に印加する、 ことを特徴とする、物理量の測定方法。 ７． 物理量の測定装置であって、共振振動する構造体と、構造体を共振振動 させるための駆動装置と、構造体の振動周波数を検出するための評価手段とを有 する装置において、 構造体（１２）には対向構造体（２８）が配属されており、 前記構造体と対向構造体（２８）とは電圧源（４４）に接続されており、 対向構造体（２８）は付加的に、共振振動を発生させる駆動装置から分離され た静電力（ＦＥ）を構造体（１２）に惹起する、 ことを特徴とする、物理量の測定装置。

───────────────────────────────────────────────────── 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 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． 物理量の測定方法であって、 構造体を共振振動させ、 測定すべき物理量の変化によって発生した、構造体振動周波数の変化を検出し 、 周波数アナログ信号を作成する、物理量の測定方法において、 共振周波数（ｆ）により振動する構造体（１２）に静電力（Ｆ_E）を印加する 、 ことを特徴とする、物理量の測定方法。 ２． 静電力（Ｆ_E）は可変である、請求項１記載の方法。 ３． 構造体（１２）には対向構造体（２８）が配属されており、構造体（１ ２）と対向構造体（２８）との間には定電圧（Ｕ）が印加され、 構造体（１２）の対向構造体（２８）に対する間隔が変化される、請求項１ま たは２記載の方法。 ４． 定電圧（Ｕ）の高さを介して、動作点と機械的不安定性点（ＰＯ）との 間隔を調整する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。 ５． 構造体（１２）の共振振動によって発生する、構造体（１２）と対向構 造体（２８）との間隔（ｄ）の変化を電子的に補償する、請求項１から４までの いずれか１項記載の方法。 ６． 構造体（１２）と対向構造体（２８）との間の間隔（ｄ）は、測定すべ き物理的量の作用によって変化する、請求項１から５までのいずれか１項記載の 方法。 ７． 物理量の測定装置であって、共振振動する構造体と、構造体を共振振動 させるための駆動装置と、構造体の振動周波数を検出するための評価手段とを有 する装置において、 構造体（１２）には対向構造体（２８）が配属されており、 前記構造体と対向構造体（２８）とは電圧源（４４）に接続されており、 対向構造体（２８）は静電力（ＦＥ）を構造体（ｌ２）に惹起する、 ことを特徴とする、物理量の測定装置。 ８． 対向構造体（２８）は可動に支承されている、請求項７記載の測定装置 。 ９． 電圧（Ｕ）は一定である、請求項７または８記載の装置。 １０． 対向構造体（２８）により惹起される静電力（ＦＥ）は、構造体（１ ２）の振動方向（３０）に作用する、請求項７から９までのいずれか１項記載の 装置。 １１． 対向構造体（２８）は、力センサ、例えば加速度センサ（３２）の、 可動に支承された構成部材 である、請求項７から１０までのいずれか１項記載の装置。 １２． 構造体（１２）および対向構造体（２８）は、加速度センサ（３２） の検知方向（４６）に対して角度（α）を以て配置されている、請求項７から１ １までのいずれか１項記載の装置。