JP2007046967A - 振動式センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 ダイアフラムと振動子の共振による出力電圧の低下及び振動子を小さくした場合の出力電圧の低下を改善することが可能な振動式センサを実現する。
【解決手段】 振動子に直交する磁界と駆動電流により生じるローレンツ力により振動子が励振される振動式センサにおいて、シリコン基板の一部に形成されたダイアフラムと、このダイアフラムの表面上に設けられ、平行に配置された第１の梁と第２の梁及びこの第１の梁と第２の梁を連結する連結部から成る振動子と、振動子の第１の梁の一端及び第２の梁の一端にそれぞれ接続された駆動端子と、振動子の第１の梁の他端及び第２の梁の他端にそれぞれ接続された検出端子とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動式センサに関し、特に出力電圧の改善が可能な振動式センサに関する。

従来の振動式センサに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開２００２−２９６１３０号公報 特開２００５−１４０６１４号公報 特開２００５−１４０７３５号公報

図６はこのような従来の振動式センサの一例を示す部分断面斜視図である。図６において、１はシリコン基板の一部に形成された圧力が加わる板であるダイアフラム、２はダイアフラム１の表面上に形成された振動子、３は振動子２を保護するシェル、４は駆動端子、５は検出端子、１００は印加される磁界、１０１はダイアフラム１に加わる圧力である。

ここで、図６に示す従来例の動作を図７、図８及び図９を用いて説明する。図７は振動子の駆動原理を説明する説明図、図８及び図９は振動子の振動の様子を説明する斜視図である。図７において２，４，５及び１００は図６と同一符号を付してある。

振動子２は２本の平行梁とこれら平行梁と直交するように連結する連結辺とで”Ｈ字型”に形成されていて、一方の梁には駆動端子４が接続され、他方の梁には検出端子５が接続される。

振動子２には磁界１００が直交するように印加され、駆動端子４には振動子２の一方の梁を流れるように交流の駆動電流”ｉ０”が印加される。

このような状況下において、梁にはローレンツ力が発生し、振動子２は図８及び図９に示すように垂直方向に振動を開始する。

一方、”Ｈ字型”の振動子２の他方の梁は印加されている磁界１００を上記振動により横切ることになるので誘導起電力である出力電圧が発生する。そして、この出力電圧を検出端子５で検出して駆動側に正帰還させることにより、振動子２はその固有振動数で自励振動する。

この結果、振動子２に磁界１００を印加すると共に駆動端子４に駆動電流を印加して振動子２を自励振動させ、この振動数を検出端子５で検出することにより、ダイアフラム１に加わった圧力を検出することが可能になる。

しかし、図６に示す従来例では、ダイアフラム１と振動子２の固有振動数が接近した場合、固定部を介してダイアフラム１と振動子２が共振し、振動子２の振動エネルギーがダイアフラム１に奪われてしまうため、振動子２の振幅が小さくなり、検出端子５に現れる出力電圧が小さくなるという問題点があった。

また、検出端子５に現れる出力電圧は振動子２の長さにほぼ比例する。すなわち、振動子２が長い場合には検出端子５に現れる出力電圧は大きくなり、振動子２が短い場合には検出端子５に現れる出力電圧は小さくなる。

振動子２を長くすることにより振動子２の振幅は大きくなり、検出端子５に現れる出力電圧を大きくすることができるが、振動子２の振幅が大きくなると振動周波数がハードスプリング効果により非線形的に大きくなり、振動式センサの性能が劣化するという問題点があった。

また、振動式センサを小型化するために振動子２の長さを短くした場合、検出端子５に現れる出力電圧が小さくなるため、Ｓ／Ｎ比が低下するという問題点もあった。

従って本発明が解決しようとする課題は、ダイアフラムと振動子の共振による出力電圧の低下及び振動子を小さくした場合の出力電圧の低下を改善することが可能な振動式センサを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
振動子に直交する磁界と駆動電流により生じるローレンツ力により前記振動子が励振される振動式センサにおいて、
シリコン基板の一部に形成されたダイアフラムと、このダイアフラムの表面上に設けられ、平行に配置された第１の梁及び第２の梁とこの第１の梁と第２の梁を連結する連結部から成る前記振動子と、前記振動子の前記第１の梁の一端及び前記第２の梁の一端にそれぞれ接続された駆動端子と、前記振動子の前記第１の梁の他端及び前記第２の梁の他端にそれぞれ接続された検出端子とを備えたことにより、ダイアフラムと振動子の共振による出力電圧の低下を改善することが可能になる。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である振動式センサにおいて、
前記連結部が、
前記第１の梁及び前記第２の梁の長手方向のそれぞれの中央部より前記駆動端子側に設けられたことにより、振動子を小さくした場合の出力電圧の低下を改善することが可能になる。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１の発明によれば、振動子の一方の梁と他方の梁が逆相で振動することにより、振動子及びダイアフラムが固定部を介して共振することがなくなり、出力電圧の低下を改善することが可能となる。

請求項２の発明によれば、梁の長手方向の中央部より駆動端子側に連結部が設けられたことにより、振動子の出力電圧が大きくなり、振動子を小さくした場合でも出力電圧の低下を改善することが可能となる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る振動式センサの一実施例を示す説明図、図２及び図３は振動子の振動の様子を説明する斜視図である。

図１において６は振動子、７は検出端子、８は駆動端子、９は連結部、１００ａは振動子６に直交するように印加される磁界である。

振動子６は”Ｈ字型”、すなわち、平行に配置された２本の梁が連結部９により連結された形をしており、２本の梁の同一方向のそれぞれの一端には駆動端子８が接続され、他端には検出端子７が接続される。

振動子６には磁界１００ａが直交するように印加され、駆動端子８には一方の梁の一端−連結部９−他方の梁の一端に流れるように交流の駆動電流”ｉ１”が印加される。

このような状況下において、梁にはローレンツ力が発生し、振動子６は図２及び図３に示すように垂直方向に振動を開始する。このとき、振動子６に流れる電流”ｉ１”の向きが一方の梁と他方の梁で逆になるので、図２及び図３に示すように一方の梁と他方の梁は逆相で振動する。

一方、振動子６の２本の梁の同一方向のそれぞれの他端の部分は印加されている磁界１００ａを上記振動により横切ることになるので誘導起電力である出力電圧が発生する。

この結果、振動子６の一方の梁と他方の梁が逆相で振動することにより、振動子６及びダイアフラムが固定部を介して共振することがなくなり、出力電圧の低下を改善することが可能になる。

図４は本発明に係る振動式センサの他の実施例を示す説明図である。図４において１０は振動子、１１は検出端子、１２は駆動端子、１３は連結部、１００ｂは振動子１０に直交するように印加される磁界である。

振動子１０は”Ｈ字型”、すなわち、平行に配置された２本の梁が連結部１３により連結された形をしており、２本の梁の同一方向のそれぞれの一端には駆動端子１２が接続され、他端には検出端子１１が接続される。

振動子１０には磁界１００ｂが直交するように印加され、駆動端子１２には一方の梁の一端−連結部１３−他方の梁の一端に流れるように交流の駆動電流”ｉ２”が印加される。

このような状況下において、梁にはローレンツ力が発生し、振動子１０は図１に示す振動子６と同様に一方の梁と他方の梁が逆相となる振動を開始する。

一方、振動子１０の２本の梁の同一方向のそれぞれの他端の部分は印加されている磁界１００ｂを上記振動により横切ることになるので誘導起電力である出力電圧が発生する。

ここで、計算式及び図５を用いて連結部１３の位置に対する出力電圧の変化について説明する。図５は振動子の連結部の位置に対する出力電圧の特性曲線図である。

材料をシリコン、振動子１０の長さを”Ｌ”及び振動子１０の振動数を”１００ｋＨｚ”として計算を行う。

基礎データとしてシリコンの 密度”ρ”及びヤング率”Ｅ”はそれぞれ、
ρ＝２．３２８×１０^−３ｋｇｃｍ^−３ （１）
Ｅ＝１８７×１０^９Ｐａ （２）
となる。

振動子１０のデータとして振動子１０の幅”ｗ”、厚さ”ｔ”、長さ”ｌ”及び断面積”Ｓ”はそれぞれ、
ｗ＝３５×１０^−４ｃｍ （３）
ｔ＝１．８×１０^−４ｃｍ （４）
ｌ＝０．１ｃｍ （５）
Ｓ＝ｗｔ （６）
とする。

また、断面２次モーメント”Ｉ”、実測値としてのＱ値”Ｑ”及び減衰係数”ζ”はそれぞれ、
Ｉ＝ｗｔ^３／１２ （７）
Ｑ＝８００００ （８）
ζ＝１／２Ｑ （９）
とする。

また、実測値としての円振動数”ω_０”及び磁束密度”Ｂ”はそれぞれ、
ω_０＝１０００００×２π／Ｓ （１０）
Ｂ＝１×１０^４Ｇ （１１）
とする。

振動子１０の振動時の形状を両端固定(張力なし)の梁と同じ形状になると仮定すると、１次振動の固有値”λ”及び固有円振動数”ω”はそれぞれ、
λ＝４．７３ （１２）

となる。

出力電圧が”５０ｕＶ_ｐｐ”になるように調整された振動子１０の振幅”Ｄ”及び係数”β”はそれぞれ、
Ｄ＝−８．５×１０^−８ｍ （１４）

となる。

また、振動子１０の振幅”Ｙ（ｘ）”は梁の駆動端子側からの距離を”ｘ”とすると
Y(x)=D[(-sin(λ)+sinh(λ))(cos(βx)-cosh(βx))+(-cos(λ)+cosh(λ))(-sin(βx)+sinh(βx))] （１６）
となる。

上記各式よりピーク値の出力電圧”Ｖ_ｏ（ｙ）”、振動のエネルギー”Ｐ”及び振幅の減衰”Ｙ（ｔ）”はそれぞれ、

となる。

また、エネルギーは振幅の２乗に比例するのでエネルギーの減衰率”ｄ／ｄｔ・Ｐ（ｔ）”は

となる。

単位時間当たりの入力に必要なエネルギー”Ｐ_ｉｎ”はエネルギーの減衰率を励振電流で補えばよいので
Ｐ_in＝２ζω_０Ｐ （２１）
となる。

入力エネルギー”Ｐ_ｉｎ”はピーク電流による力”ＢＩ_ｉｎ”と振幅”Ｙ（ｘ）”の積で求めることができ、共振時には、力に対して変位は９０°位相が遅れているので、

より、

となる。

したがって、入力電流”Ｉ_ｉｎ（ｙ）”は

となる。

以上より、振動子１０の振幅が一定の時、出力電圧が最大になるように連結部１３の位置を計算する。

連結部１３の抵抗”ＲＣＴ”は、振動子のシート抵抗を５．４Ω／□とすると、１ａの連結部が４．７シートであるから、２５Ωとなる。１ａ振動用のパターンはねじれに対応するために、クランク状にしたため４．７シートとなっている。通常の形では、１．３シートなので、７Ωとなる。

入力電流”Ｉ_ｉｎ（ｙ）”に連結部の抵抗”Ｒ_ＣＴ”を掛けたものが出力電圧へのクロストークとなる。入力と出力の位相は１８０°ずれているので、クロストーク分を出力電圧”Ｖ_ｏ（ｙ）”から引けばよい。
Ｒ_ＣＴ＝２５ｏｈｍ （２５）
Ｖ_ｏＣＴ（ｙ）＝Ｖ_ｏ（ｙ）−Ｉ_ｉｎ（ｙ）Ｒ_ＣＴ （２６）

したがって、クロストーク分を差し引いた出力電圧”Ｖ_ｏＣＴ（ｙ）”が最大になる連結部１３の位置は式（２５）より
Maximize（Ｖ_ｏＣＴ，ｘ_ｃｍ）＝２．５２２×１０^−４ｍ （２７）
となる。

つまり、連結部１３の位置が振動子１０の長さの０．２５倍の位置の時に出力電圧”Ｖ_ｏＣＴ（ｙ）”が最大となる。

また、図５より連結部１３の位置”ｘ_ｃ”と振動子１０の長さ”Ｌ”の関係が
０．１１≦ｘｃ／Ｌ＜０．５
となる時、出力電圧”Ｖ_ｏＣＴ（ｘｃ）”は”ｘ_ｃ／Ｌ＝０．５”の時より大きくなる。

この結果、梁の長手方向の中央部より駆動端子側に連結部が設けられたことにより、振動子の出力電圧が大きくなり、振動子を小さくした場合でも出力電圧の低下を改善することが可能になる。

なお、振動子を用いて歪みを周波数の変化として検出する方式のセンサにおいて、振動子とその固定部の共振による出力低下対策として本発明を適用しても構わない。

また、センサが検出する対象（歪みの発生源）は、圧力だけでなく、温度、湿度、荷重などの様々な物理量を対象としてもよい。

本発明に係る振動式センサの一実施例を示す説明図である。 振動子の振動の様子を説明する斜視図である。 振動子の振動の様子を説明する斜視図である。 本発明に係る振動式センサの他の実施例を示す説明図である。 振動子の連結部の位置に対する出力電圧の特性曲線図である。 従来の振動式センサの一例を示す部分断面斜視図である。 振動子の駆動原理を説明する説明図である。 振動子の振動の様子を説明する斜視図である。 振動子の振動の様子を説明する斜視図である。

符号の説明

１ ダイアフラム
２，６，１０ 振動子
３ シェル
４，８，１２ 駆動端子
５，７，１１ 検出端子
９，１３ 連結部
１００，１００ａ，１００ｂ 磁界
１０１ 圧力

Claims (2)

1. 振動子に直交する磁界と駆動電流により生じるローレンツ力により前記振動子が励振される振動式センサにおいて、
   シリコン基板の一部に形成されたダイアフラムと、
   このダイアフラムの表面上に設けられ、平行に配置された第１の梁と第２の梁及びこの第１の梁と第２の梁を連結する連結部から成る前記振動子と、
   前記振動子の第１の梁の一端及び第２の梁の一端にそれぞれ接続された駆動端子と、
   前記振動子の第１の梁の他端及び第２の梁の他端にそれぞれ接続された検出端子とを備えたことを特徴とする振動式センサ。
2. 前記連結部が、
   前記振動子の第１の梁及び第２の梁の長手方向のそれぞれの中央部より前記駆動端子側に設けられたことを特徴とする
   請求項１記載の振動式センサ。
   

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