JP2012083338A - Vibrator, and oscillator and gas detector including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、梁部材を備えた振動子並びにそれを備えた発振器及びガス検出装置に関するものである。 The present invention relates to a vibrator including a beam member, and an oscillator and a gas detection device including the vibrator.
従来より、梁部材を有する振動子を備えた装置が知られている。例えば、特許文献1には、片持ち状に支持された梁部材を有する振動子を備えたガスセンサが開示されている。このガスセンサは、梁部材の表面にガスが吸着することによって、梁部材が曲がることを利用してガスを検出している。詳しくは、ガスセンサは、振動子を予め共振周波数で振動させておき、梁部材の曲がりに起因して生じる共振周波数の変化によって、梁部材に吸着したガスを検出している。
Conventionally, an apparatus including a vibrator having a beam member is known. For example,
このように、梁部材が変形することに起因する共振周波数の変化を利用する振動子が知られている。 Thus, a vibrator that utilizes a change in resonance frequency caused by deformation of a beam member is known.
しかしながら、従来の構成では、梁部材の変形に対する共振周波数の変化量が小さいという問題がある。例えば、ガス検出装置のように、梁部材を受動的に変形させて、当該変形に起因する共振周波数の変化を検出する装置であれば、梁部材の変形に対する共振周波数の変化量が小さいと、検出能力が低くなってしまう。 However, the conventional configuration has a problem that the amount of change in the resonance frequency with respect to the deformation of the beam member is small. For example, if the beam member is passively deformed and a change in the resonance frequency due to the deformation is detected like a gas detection device, if the amount of change in the resonance frequency relative to the deformation of the beam member is small, Detection capability will be lowered.
また、このような振動子を、梁部材を能動的に変形させることにより振動子の共振周波数を所望の値に調整することができる発振器として使用することも考えられるが、梁部材の変形に対する共振周波数の変化量が小さいと、振動子の共振周波数を変化させるために必要な梁部材の変形量が大きくなってしまう。 It is also conceivable to use such a vibrator as an oscillator that can adjust the resonance frequency of the vibrator to a desired value by actively deforming the beam member. If the amount of change in frequency is small, the amount of deformation of the beam member required to change the resonance frequency of the vibrator becomes large.
ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、梁部材の変形に対する共振周波数の変化量を大きくすることにある。 The technique disclosed herein has been made in view of such a point, and an object thereof is to increase the amount of change in the resonance frequency with respect to the deformation of the beam member.
ここに開示された技術は、振動子を対象とし、この振動子は、互いに連結されて、振動駆動される第1及び第2梁部材を備え、少なくとも前記第1梁部材には、形状の変化可能な変形部が設けられ、前記第1及び第2梁部材の基端部は、固定端となり、前記第1及び第2梁部材の先端部は、互いに連結されると共に自由端となっており、前記第1及び第2梁部材は、前記変形部の変形によって、互いの間隔が広がるように互いに異なる態様で変形する
ものとする。
The technology disclosed herein is directed to a vibrator, and the vibrator includes first and second beam members that are coupled to each other and driven to vibrate, and at least the first beam member has a shape change. Possible deformable portions are provided, the base end portions of the first and second beam members are fixed ends, and the tip portions of the first and second beam members are connected to each other and are free ends. The first and second beam members are deformed in different manners so that the distance between the first and second beam members is increased by the deformation of the deformation portion.
前記の構成によれば、前記変形部の変形によって変化する第1梁部材は、第2梁部材と連結され且つ該第2梁部材との間隔が広がるように該第2梁部材と異なる態様で変形するため、第1梁部材の変形に対する、第1及び第2梁部材全体としての曲げ剛性(換言すれば、曲げ弾性率)の変化量が、第1梁部材が単独で変形する場合に比べて、大きくなる。その結果、梁部材の変形に対する共振周波数の変化量が大きくなる。 According to the above configuration, the first beam member that changes due to the deformation of the deforming portion is connected to the second beam member and is different from the second beam member so that the interval between the first beam member and the second beam member is widened. Due to the deformation, the amount of change in the bending rigidity (in other words, the bending elastic modulus) of the first and second beam members as a whole with respect to the deformation of the first beam member is larger than that when the first beam member is deformed alone. And get bigger. As a result, the amount of change in the resonance frequency with respect to the deformation of the beam member increases.
また、ここに開示された技術は、発振器を対象としており、この発振器は、前記振動子と、前記振動子を振動駆動する駆動部とを備え、前記変形部は、外部からの信号に応じて変形するように構成されているものとする。 The technique disclosed herein is directed to an oscillator, and the oscillator includes the vibrator and a driving unit that drives the vibrator to vibrate, and the deforming unit responds to a signal from the outside. It shall be comprised so that it may deform | transform.
前記の構成によれば、前記変形部は、外部からの信号に応じて能動的に変形させられ、それに伴い、前記第1梁部材が変形する。第1梁部材が変形すると、第1梁部材に連結された第2梁部材も変形する。こうして、第1及び第2梁部材が変形することで振動子の共振周波数が変化する。つまり、この発振器は、振動子の共振周波数を可変とすることができる。ここで、第1梁部材は、第2梁部材と連結され且つ該第2梁部材と異なる態様で変形するため、第1梁部材の変形に対する、第1及び第2梁部材全体としての曲げ剛性(換言すれば、曲げ弾性率)の変化量が、第1梁部材が単独で変形する場合に比べて、大きくなる。その結果、梁部材を少し変形させるだけで、共振周波数を大きく変化させることができる。 According to said structure, the said deformation | transformation part is actively deformed according to the signal from the outside, and the said 1st beam member deform | transforms in connection with it. When the first beam member is deformed, the second beam member connected to the first beam member is also deformed. Thus, the resonance frequency of the vibrator changes as the first and second beam members are deformed. That is, this oscillator can change the resonance frequency of the vibrator. Here, since the first beam member is connected to the second beam member and deforms in a different manner from the second beam member, the bending rigidity of the first and second beam members as a whole against the deformation of the first beam member. (In other words, the amount of change in the flexural modulus) is greater than when the first beam member is deformed alone. As a result, the resonance frequency can be greatly changed by only slightly deforming the beam member.
さらに、ここに開示された技術は、ガス検出装置を対象としており、このガス検出装置は、振動子と、前記振動子を振動駆動する駆動部とを備え、前記変形部は、ガスが付着することにより変形するガス感応部であるものとする。 Further, the technology disclosed herein is directed to a gas detection device, and the gas detection device includes a vibrator and a drive unit that drives the vibrator to vibrate, and the deformation unit has a gas attached thereto. It is assumed that the gas sensitive part is deformed by the above.
前記の構成によれば、前記変形部は、ガス感応部であり、ガスが付着することによって受動的に変形する。その変形部の変形に伴って、第1梁部材が変形する。第1梁部材が変形すると、第1梁部材に連結された第2梁部材も変形する。こうして、第1及び第2梁部材が変形することで振動子の共振周波数が変化する。こうして、ガス検出装置は、振動子の共振周波数の変化に基づいてガスを検出することができる。ここで、第1梁部材は、第2梁部材と連結され且つ該第2梁部材と異なる態様で変形するため、第1梁部材の変形に対する、第1及び第2梁部材全体としての曲げ剛性(換言すれば、曲げ弾性率)の変化量が、第1梁部材が単独で変形する場合に比べて、大きくなる。その結果、変形部にガスが少し付着しただけでも、共振周波数が大きく変化するようになる。 According to said structure, the said deformation | transformation part is a gas sensitive part, and deform | transforms passively, when gas adheres. The first beam member is deformed along with the deformation of the deforming portion. When the first beam member is deformed, the second beam member connected to the first beam member is also deformed. Thus, the resonance frequency of the vibrator changes as the first and second beam members are deformed. Thus, the gas detection device can detect gas based on the change in the resonance frequency of the vibrator. Here, since the first beam member is connected to the second beam member and deforms in a different manner from the second beam member, the bending rigidity of the first and second beam members as a whole against the deformation of the first beam member. (In other words, the amount of change in the flexural modulus) is greater than when the first beam member is deformed alone. As a result, even if a little gas is attached to the deformed portion, the resonance frequency changes greatly.
前記振動子によれば、梁部材の変形に対する共振周波数の変化量を大きくすることができる。 According to the vibrator, the amount of change in the resonance frequency with respect to the deformation of the beam member can be increased.
また、前記発振器によれば、梁部材を少し変形させるだけで、共振周波数を大きく変化させることができ、ひいては、共振周波数の調整幅を大きくすることができる。 Further, according to the oscillator, the resonance frequency can be greatly changed by slightly deforming the beam member, and thus the adjustment range of the resonance frequency can be increased.
さらに、前記ガス検出装置によれば、変形部にガスが少し付着しただけでも、共振周波数を大きく変化させることができ、ひいては、検出能力を向上させることができる。また、簡単な回路で検出可能なため、コストを下げることができる。 Further, according to the gas detection device, the resonance frequency can be greatly changed even if a little gas is attached to the deformed portion, and the detection capability can be improved. Further, since it can be detected with a simple circuit, the cost can be reduced.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
《発明の実施形態1》
図1は、実施形態1に係る、変形前のガスセンサの斜視図を、図2は、変形後のガスセンサの斜視図を示す。
1 is a perspective view of a gas sensor before deformation according to
ガスセンサ1は、第1梁部材2及び第2梁部材3を備えている。ガスセンサ1は、公知のMEMSプロセス(半導体プロセス)によって作製される。第1及び第2梁部材2,3は、板状に形成されている。第1及び第2梁部材2,3は、互いに線対称な形状をしている。このガスセンサ1が振動子を構成する。
The
詳しくは、第1梁部材2は、シリコンで構成された梁本体20を有している。梁本体20は、直線状に延伸する第1延伸部21と、第1延伸部21の先端部から直角に屈曲する折返し部22と、折返し部22から第1延伸部21と平行に第1延伸部21の基端側へ直線状に延伸する第2延伸部23と、第2延伸部23の先端部から直角に屈曲する連結部24とを有している。これら第1延伸部21、折返し部22、第2延伸部23及び連結部24は、板厚方向が同じ方向を向くようにして同一平面上に位置している。
Specifically, the
一方、第2梁部材3は、シリコンで構成された梁本体30を有している。梁本体30は、直線状に延伸する第1延伸部31と、第1延伸部31の先端部から直角に屈曲する折返し部32と、折返し部32から第1延伸部31と平行に第1延伸部31の基端側へ直線状に延伸する第2延伸部33と、第2延伸部33の先端部から直角に屈曲する連結部34とを有している。これら第1延伸部31、折返し部32、第2延伸部33及び連結部34は、板厚方向が同じ方向を向くようにして同一平面上に位置している。
On the other hand, the
そして、第1梁部材2の連結部24と、第2梁部材3の連結部34とが互いに連結されている。このとき、第1梁部材2と第2梁部材3とは、板厚方向が同じ方向を向くようにして同一平面上に位置している。第1梁部材2の第1及び第2延伸部21,23並びに第2梁部材3の第1及び第2延伸部31,33は、互いに平行に配列されている。こうして、第1及び第2梁部材2,3は、全体として、平面視M字状に形成されている。第1梁部材2の基端部、即ち、第1延伸部21の基端部と、第2梁部材3の基端部、即ち、第1延伸部31の基端部とは、支持部11に連結されている。こうして、第1及び第2梁部材2,3は、第1延伸部21,31の基端部が固定端となる一方、第1延伸部21,31の先端部(即ち、折返し部22,32)と第2延伸部23,33の先端部(即ち、連結部24,34)とが自由端となった片持ち梁を構成する。
And the
尚、本明細書では、説明の便宜上、第1及び第2梁部材2,3の板厚方向をZ方向、第1梁部材2の第1及び第2延伸部21,23並びに第2梁部材3の第1及び第2延伸部31,33の長手方向をY方向、第1梁部材2の第1及び第2延伸部21,23並びに第2梁部材3の第1及び第2延伸部31,33の短手方向(幅方向)をX方向とする。
In this specification, for convenience of explanation, the thickness direction of the first and
第1梁部材2は、パラジウムで構成されたガス感応膜4,4をさらに有している。ガス感応膜4は、梁本体20の一方の表面2aに積層されている。ここで、梁本体20の表面とは、その法線方向が板厚方向を向く面であり、Z方向を向く面である。詳しくは、ガス感応膜4は、第1梁部材2の第1及び第2延伸部21,23の表面2aに設けられている。パラジウムは、水素を吸着して膨張する材質である。このガス感応膜4が、ガス感応部、即ち、変形部を構成する。尚、第2梁部材3には、ガス感応膜4が設けられていない。
The
このように構成されたガスセンサ1は、第1梁部材2のガス感応膜4に水素が吸着すると、ガス感応膜4が膨張変形する。その結果、第1梁部材2は、ガス感応膜4,4がその長手方向に延びて、図2に示すように、第1及び第2延伸部21,23を内側に、ガス感応膜4,4を外側にして湾曲する。ここで、第1延伸部21の基端部は固定端となっているため、第1延伸部21の折返し部22が、湾曲に伴ってZ方向へ変位する。一方、第2梁部材3は、ガス感応膜4が設けられていないため、平坦な形状を維持している。その結果、ガスセンサ1は、第1梁部材2の折返し部22が第2梁部材3の折返し部32から離間するように、即ち、第1梁部材2と第2梁部材3との間隔が広がるように変形する。
In the
このように変形することによって、ガスセンサ1の共振周波数が変化する。以下に、ガスセンサ1を、第1及び第2梁部材2,3の曲げ変形の方向(即ち、板厚方向であり、Z方向)へ振動(以下、「垂直振動」ともいう)させる場合の共振周波数の変化について説明する。
By deforming in this way, the resonance frequency of the
ガスセンサ1を垂直振動させると、ガスセンサ1は、様々な振動モードで共振する。各振動モードを共振周波数の低い順に、1次モード、2次モード、3次モード、…、と称する。図3は、1次モードの垂直振動を行うガスセンサ1の斜視図を、図4は、2次モードの垂直振動を行うガスセンサ1の斜視図を、図5は、3次モードの垂直振動を行うガスセンサ1の斜視図を示す。
When the
1次モードの垂直振動においては、ガスセンサ1は、図3に示すように、第1及び第2梁部材2,3が一体となって、第1梁部材2の折返し部22と第2梁部材3の折返し部32とが振動の腹となるようにZ方向へ振動する。すなわち、第1梁部材2と第2梁部材3とが、同位相でZ方向へ振動している。
In the primary mode vertical vibration, as shown in FIG. 3, the
2次モードの垂直振動においては、ガスセンサ1は、図4に示すように、第1梁部材2の折返し部22及び第2梁部材3の折返し部32が実質的に振動の節となり、第1梁部材2の連結部24と第2梁部材3の連結部34が振動の腹となるようにZ方向へ振動する。すなわち、第1梁部材2の第2延伸部23と第2梁部材3の第2延伸部33とが全体として1本の梁のように振動する。
In the vertical vibration in the secondary mode, as shown in FIG. 4, the
3次モードの垂直振動においては、ガスセンサ1は、図5に示すように、第1梁部材2と第2梁部材3とがそれぞれの折返し部22,32を振動の腹としてZ方向へ振動する。すなわち、第1梁部材2の第1及び第2延伸部21,23が全体として1本の梁のように振動し、それとは逆位相で、第2梁部材3の第1及び第2延伸部31,33が全体として1本の梁のように振動する。
In the tertiary mode vertical vibration, the
ガスセンサ1が前述の如く変形すると、特に2次モードの垂直振動においては、ガスセンサ1の共振周波数が大幅に変化する。詳しくは、ガスセンサ1が前述の如く変形すると、第1梁部材2の折返し部22と第2梁部材3の折返し部32とが離間するため、振動の節に近づくほど、X軸回りの断面二次モーメントが大きくなり、曲げ剛性(換言すれば、曲げ弾性率)が大きくなる。このように、2次モードの垂直振動においては、1本の梁のように振動する第2延伸部23,33の振動の節側の部分の曲げ剛性が大きくなるため、ガスセンサ1の共振周波数は高くなる方向へ大幅に変化する。したがって、変形の前後でのガスセンサ1の共振周波数の変化量が大きくなる。このように、第2梁部材3と連結された第1梁部材2が第2梁部材3と異なる態様で変形すると、振動形態とその振動モードによっては、ガスセンサ1の共振周波数が変形の前後で大幅に変化する。
When the
尚、2次モード以外の振動モードにおいても、変形の前後でガスセンサ1の共振周波数が大幅に変化する振動モードが存在し得る。
Even in vibration modes other than the secondary mode, there may be a vibration mode in which the resonance frequency of the
以下に、ガスセンサ1を曲げ変形させたときの変形量に対する、2次モードの垂直振動の共振周波数の変化特性のシミュレーション結果について説明する。図6は、シミュレーションに用いたガスセンサの寸法を示し、図7は、ガスセンサの変形量に対する、2次モードの垂直振動の共振周波数の変化特性のシミュレーション結果を示す。このシミュレーションに用いたガスセンサは、一例にすぎず、本発明はこれに限定されるものではない。
Below, the simulation result of the change characteristic of the resonant frequency of the secondary mode vertical vibration with respect to the deformation when the
このガスセンサ1は、第1梁部材2及び第2梁部材3が厚さ10μmのシリコンで構成されており、第1梁部材2の第1延伸部21及び第2延伸部23の表面2aには厚さ100nmのパラジウムがガス感応膜4として積層されている。一方、第2梁部材3の第1延伸部31及び第2延伸部33の表面3aには、第1梁部材2とのバランスを取るために、厚さ100nmの銀35が積層されている。
In the
シミュレーションに用いた解析コードは、ANSYS 11.0 Product Launcherであり、使用した要素タイプはsolid185である。メッシュサイズは、一辺が10μmの6面体とした。材料特性としては、シリコンのヤング率を130.8GPa、密度を2.33g/cm3、ポアソン比を0.26とし、パラジウムと銀のヤング率を110GPa、密度を12.02g/cm3、ポアソン比を0.3とした。また、シミュレーションにおいては、パラジウムの水素吸蔵膨張を温度膨張として静的解析を行った。パラジウムの膨張を0〜0.5%で変化させ、ガスセンサ1の形状を更新しながら、ガスセンサ1の2次モードの垂直振動の共振周波数を求めた。また、ガスセンサ1は、第1梁部材2の第1延伸部21の基端部と第2梁部材3の第1延伸部31の基端部とを全自由度を拘束した固定端とした。
The analysis code used for the simulation is ANSYS 11.0 Product Launcher, and the element type used is solid185. The mesh size was a hexahedron with a side of 10 μm. As material properties, the Young's modulus of silicon is 130.8 GPa, the density is 2.33 g / cm 3 , the Poisson ratio is 0.26, the Young's modulus of palladium and silver is 110 GPa, the density is 12.02 g / cm 3 , Poisson. The ratio was 0.3. In the simulation, static analysis was performed with hydrogen storage expansion of palladium as temperature expansion. The resonance frequency of the vertical vibration of the secondary mode of the
尚、比較例として、第1梁部材2の第1延伸部21だけで構成された単純な梁(以下、「単純梁」という)のシミュレーションも行った。第1延伸部21は厚さ10μmのシリコンで構成され、その表面に厚さ100nmのパラジウムが積層されている。その他の寸法、シミュレーション条件は、ガスセンサ1と同様である。パラジウムの膨張を0〜0.5%で変化させることにより単純梁の曲げ変形量を変えながら、単純梁の1次モードの垂直振動の共振周波数を求めた。
As a comparative example, a simple beam composed of only the first extending
図7のシミュレーション結果を見ると、ガスセンサ1の2次モードの垂直振動の共振周波数は、曲げ変形の変形量が大きくなるほど、大きくなることがわかる。尚、変形量とは、図1に示す、第1梁部材2の折返し部22のZ方向への変形量である。一方、単純梁の場合は、曲げ変形の変形量が大きくなっても、共振周波数がほとんど変化しない。つまり、このように構成されたガスセンサ1は、曲げ変形量に対する、2次モードの垂直振動の共振周波数の変化量が大きいことがわかる。
7 shows that the resonance frequency of the secondary mode vertical vibration of the
続いて、ガスセンサ1を、第1及び第2梁部材2,3の曲げ変形の方向及び第1及び第2梁部材2,3の延伸方向と直交する方向(即ち、X方向)へ振動(以下、「水平振動」ともいう)させる場合の共振周波数の変化について説明する。
Subsequently, the
ガスセンサ1を水平振動させると、ガスセンサ1は、様々な振動モードで振動する。各振動モードを共振周波数の低い順に、1次モード、2次モード、3次モード、…、と称する。図8は、1次モードの水平振動を行うガスセンサ1の斜視図を、図9は、2次モードの水平振動を行うガスセンサ1の斜視図を、図10は、3次モードの水平振動を行うガスセンサ1の斜視図を示す。
When the
1次モードの水平振動においては、ガスセンサ1は、図8に示すように、第1及び第2梁部材2,3が一体となって、第1梁部材2の折返し部22と第2梁部材3の折返し部32とが振動の腹となるようにX方向へ振動する。
In the primary mode horizontal vibration, as shown in FIG. 8, the
2次モードの水平振動においては、ガスセンサ1は、図9に示すように、第1梁部材2の折返し部22と第2梁部材3の折返し部32とがそれぞれ振動の腹となり、連結部24,34が振動の節となるようにX方向へ振動する。すなわち、折返し部22と折返し部32とが、逆位相でX方向へ振動している。
In the secondary mode horizontal vibration, as shown in FIG. 9, in the
3次モードの水平振動においては、ガスセンサ1は、図10に示すように、第1梁部材2の折返し部22と第2梁部材3の折返し部32と連結部24,34との3箇所が振動の腹となるようにX方向へ振動する。すなわち、折返し部22と折返し部32とが同位相で、連結部24,34がそれらとは逆位相でX方向へ振動している。
As shown in FIG. 10, in the third mode horizontal vibration, the
ガスセンサ1が前述の如く変形すると、特に3次モードの水平振動においては、ガスセンサ1の共振周波数が大幅に変化する。詳しくは、この振動では、第1梁部材2の第2延伸部23と第2梁部材の第2延伸部33と両者の連結部24,34とで構成されるU字状部分の曲げ剛性が共振周波数に大きな影響を与える。そして、ガスセンサ1が前述の如く変形すると、当該U字状部分の基端側である、第2延伸部23の先端部と第2延伸部33の先端部とがZ方向に離間するように変形するため、曲げ剛性が大きく変化する。その結果、共振周波数も大きく変化する。このように、第2梁部材3と連結された第1梁部材2が第2梁部材3と異なる態様で変形すると、振動形態とその振動モードによっては、ガスセンサ1の共振周波数が変形の前後で大幅に変化する。
When the
また、水平振動の場合、エアダンピングが小さくなるため、垂直振動に比べてQ値を高くすることができる。 Further, in the case of horizontal vibration, air damping is reduced, so that the Q value can be increased compared to vertical vibration.
尚、3次モード以外の振動モードにおいても、変形の前後でガスセンサ1の共振周波数が大幅に変化する振動モードが存在し得る。
Even in vibration modes other than the tertiary mode, there may be a vibration mode in which the resonance frequency of the
以下に、ガスセンサ1を曲げ変形させたときの変形量に対する、3次モードの水平振動の共振周波数の変化特性のシミュレーション結果について説明する。図11は、ガスセンサの変形量に対する、水平振動の共振周波数の変化特性のシミュレーション結果を示す。
Below, the simulation result of the change characteristic of the resonant frequency of the horizontal vibration of the third mode with respect to the deformation when the
尚、シミュレーションに使用したガスセンサ1は、垂直振動のシミュレーションと同様であり、振動方向のみが異なる。
The
図11のシミュレーション結果を見ると、ガスセンサ1の3次モードの水平振動の共振周波数は、曲げ変形の変形量が大きくなるほど、大きくなることがわかる。尚、変形量とは、図1に示す、第1梁部材2の折返し部22のZ方向への変形量である。
From the simulation result of FIG. 11, it can be seen that the resonance frequency of the horizontal vibration of the third-order mode of the
−変形例1−
次に、変形例1に係るガスセンサ201について説明する。図12は、ガスセンサ201の平面図を示す。
-Modification 1-
Next, the
ガスセンサ201は、第2梁部材3にもガス感応膜4が設けられている。詳しくは、第2梁部材3の第1延伸部31及び第2延伸部33の表面3bにそれぞれガス感応膜4,4が積層されている。すなわち、第2梁部材3には、第1梁部材2とは反対側の表面にガス感応膜4,4が設けられている。
In the
この構成により、ガス感応膜4,4,…に水素が吸着すると、第1梁部材2は、第1及び第2延伸部21,23を内側に、ガス感応膜4,4を外側にして湾曲する一方、第2梁部材3は、第1及び第2延伸部31,33を内側に、ガス感応膜4,4を外側に湾曲する。ここで、第1梁部材2と第2梁部材3とで、ガス感応膜4,4,…がそれぞれ異なる表面2a,3bに設けられているため、第1梁部材2と第2梁部材3とは相反する方向へ湾曲していく。その結果、ガスセンサ201は、第1梁部材2の折返し部22と第2梁部材3の折返し部32とが互いに離間するように、即ち、第1梁部材2と第2梁部材3との間隔が広がるように変形する。このように、第1梁部材2と第2梁部材3とにガス感応膜4,4,…を設けることによって、ガス感応膜4,4が第1梁部材2にしか設けられていないガスセンサ1と比べて、曲げ変形量を大きくすることができ、結果として、水素ガスの濃度に対する共振周波数の変化量を大きくすることができる。
With this configuration, when hydrogen is adsorbed to the gas
尚、第1梁部材2の第1延伸部21のガス感応膜4及び第2延伸部23のガス感応膜4の何れか一方と、第2梁部材3の第1延伸部31のガス感応膜4及び第2延伸部33のガス感応膜4の何れか一方とを省略してもよい。かかる構成であっても、ガス感応膜4,4に水素が吸着すると、ガスセンサ201は、第1梁部材2の折返し部22と第2梁部材3の折返し部32とが互いに離間するように、即ち、第1梁部材2と第2梁部材3との間隔が広がるように変形する。
In addition, any one of the gas sensitive film |
−変形例2−
次に、変形例2に係るガスセンサ301について説明する。図13は、ガスセンサ301の斜視図を示す。
-Modification 2-
Next, the
ガスセンサ301は、第1梁部材302と第2梁部材303とが表面302bと表面303bとを向き合わせた状態で連結されている。そして、第1梁部材302の連結部324は、第2延伸部323の先端から板厚方向の表面302b側に屈曲する一方、第2梁部材303の連結部334は、第2延伸部333の先端から板厚方向の表面303b側に屈曲している。そして、第1梁部材302の連結部324と第2梁部材303の連結部334とが互いに連結されている。そして、ガス感応膜4,4は、第1梁部材302の第1延伸部321と第2延伸部323の表面302bに積層されている。つまり、ガス感応膜4,4は、第1梁部材302の、第2梁部材303と向き合う表面302bに設けられている。
In the
かかる構成の場合、ガス感応膜4,4に水素が吸着すると、ガスセンサ301は、第1梁部材302の折返し部322が第2梁部材303の折返し部332から離間するように、即ち、第1梁部材302と第2梁部材303との間隔が広がるように変形する。
In such a configuration, when hydrogen is adsorbed on the gas
このように構成されたガスセンサ301を、第1及び第2梁部材302,303の板厚方向に振動、即ち、垂直振動させる。ガスセンサ301は、様々な振動モードで共振する。1次モードの垂直振動では、ガスセンサ301は、第1梁部材302の折返し部322と第2梁部材303の折返し部332を振動の腹とし、第1及び第2梁部材302,303が全体として1本の梁のように振動する。2次モードの垂直振動では、ガスセンサ301は、第1梁部材302の折返し部322と第2梁部材303の折返し部332を実質的な振動の節とし、第1及び第2梁部材302,303の連結部324,334を振動の腹として振動する。3次モードの垂直振動では、ガスセンサ301は、第1梁部材302が第1延伸部321の基端部及び連結部324を振動の節とし、折返し部322を振動の腹として振動し、それとは逆位相で、第2梁部材303が第1延伸部331の基端部及び連結部334を振動の節とし、折返し部332を振動の腹として振動する。そして、ガスセンサ301が前述の如く変形すると、2次モードの垂直振動の共振周波数が大きく変化する。
The
尚、ガス感応膜4を、さらに、第2梁部材303の表面303bに設けてもよい。
The gas
−変形例3−
次に、変形例3に係るガスセンサ401について説明する。図14は、ガスセンサ401の斜視図を示す。
-Modification 3-
Next, the
ガスセンサ401は、第1梁部材402と第2梁部材403とを有している。第1梁部材402は、互いに平行に延びる第1延伸部421と第2延伸部423と第3延伸部425とを有している。第1延伸部421と第2延伸部423と第3延伸部425は、この順で並設されている。第1延伸部421と第3延伸部425とは同じ長さをしており、第2延伸部423はそれらと比べて短くなっている。第1〜第3延伸部421,423,425は、板厚方向が同じ方向を向いており、同一平面上に形成されている。第1延伸部421の先端部と第3延伸部425の先端部とが折返し部422で連結されている。そして、第2延伸部423の基端部も折返し部422に連結されている。第2延伸部423の先端部には、連結部424が設けられている。連結部424は、第2延伸部423の先端部から板厚方向の表面402b側に屈曲して設けられている。第2梁部材403は、第1梁部材402と同様の形状をしている。そして、第1梁部材402と第2梁部材403とは、表面402bと表面403bとを向かい合わせた状態で、連結部424と連結部434とが連結されている。また、第1梁部材402の第1及び第3延伸部421,425の基端部と、第2梁部材403の第1及び第3延伸部431,435の基端部とは、支持部11に連結され、固定端となっている。そして、第1梁部材402の第1〜第3延伸部421,423,425の表面402bにガス感応膜4,4,4が積層されている。
The
このように構成されたガスセンサ401を、第1及び第2梁部材402,403の板厚方向に振動、即ち、垂直振動させる。ガスセンサ401は、様々な振動モードで共振する。1次モードの垂直振動では、ガスセンサ401は、第1梁部材402の折返し部422と第2梁部材403の折返し部432を振動の腹とし、第1及び第2梁部材402,403が全体として1本の梁のように振動する。2次モードの垂直振動では、ガスセンサ401は、第1梁部材402の折返し部422と第2梁部材403の折返し部432を実質的な振動の節とし、第1及び第2梁部材402,403の連結部424,434を振動の腹として振動する。3次モードの垂直振動では、ガスセンサ401は、第1梁部材402が第1及び第3延伸部421,425の基端部並びに連結部424を振動の節とし、折返し部422を振動の腹として振動し、それとは逆位相で、第2梁部材403が第1及び第3延伸部431,435の基端部並びに連結部434を振動の節とし、折返し部432を振動の腹として振動する。
The thus configured
−変形例4−
次に、変形例4に係るガスセンサ501について説明する。図15は、変形前のガスセンサ501の斜視図を示し、図16は、変形後のガスセンサ501の斜視図を示す。
-Modification 4-
Next, a
ガスセンサ501は、第1梁部材502と第2梁部材503とを有している。第1梁部材502は、直線状に延伸する板状の梁本体521で構成されている。また、第2梁部材503も、第1梁部材502と同様に、直線状に延伸する板状の梁本体531で構成されている。第1梁部材502と第2梁部材503は、1枚の平板を構成するように、同一平面上に配設されている。また、第1梁部材502と第2梁部材503とは、互いに平行に配設されている。第1及び第2梁部材502,503の基端部は、支持部(図示省略)に連結され固定端となる一方、第1及び第2梁部材502,503の先端部は、連結部524を介して互いに連結され自由端となっている。そして、梁本体521の表面502aには、ガス感応膜4が積層されている。
The
このように構成されたガスセンサ501は、第1梁部材502のガス感応膜4に水素が吸着すると、ガス感応膜4が膨張変形する。その結果、第1梁部材502は、図16に示すように、ガス感応膜4がその長手方向に延びるようにして、梁本体521を内側に、ガス感応膜4を外側にして湾曲する。ここで、第2梁部材503は、第1梁部材502に連結されているため、第1梁部材502の変形に伴って変形する。詳しくは、第2梁部材503は、第1梁部材502とは反対側へ湾曲する。すなわち、第2梁部材503は、第1梁部材502のガス感応膜4が設けられている表面502aと同じ側の表面503aが縮み、第1梁部材502のガス感応膜504が設けられていない表面502bと同じ側の表面503bが延びるように湾曲する。その結果、第1及び第2梁部材502,503は、互いの中間部が板厚方向に離間するように湾曲する。
In the
このように変形することによって、ガスセンサ501の共振周波数が変化する。以下に、ガスセンサ501を、第1及び第2梁部材502,503の曲げ変形の方向(即ち、板厚方向であり、Z方向)へ振動(以下、「垂直振動」ともいう)させる場合の共振周波数の変化について説明する。
By deforming in this way, the resonance frequency of the
図17は、1次モードの垂直振動を行う変形前のガスセンサ501の斜視図を示し、図18は、2次モードの垂直振動を行う変形前のガスセンサ501の斜視図を示し、図19は、3次モードの垂直振動を行う変形前のガスセンサ501の斜視図を示す。
FIG. 17 shows a perspective view of the
1次モードの垂直振動においては、ガスセンサ501は、図17に示すように、第1及び第2梁部材502,503の基端部を振動の節とする一方、第1及び第2梁部材502,503の先端部を振動の腹として、第1及び第2梁部材502,503が一体となってZ方向へ振動する。すなわち、第1梁部材502と第2梁部材503とが、同位相でZ方向へ振動している。
In the primary mode vertical vibration, as shown in FIG. 17, the
2次モードの垂直振動においては、ガスセンサ501は、図18に示すように、第1及び第2梁部材502,503の基端部と基端部から全長の略80%くらい離れた部分とを振動の節とする一方、第1及び第2梁部材502,503の先端部と基端部から全長の略45%くらい離れた部分とを振動の腹として、第1及び第2梁部材502,503が一体となってZ方向へ振動する。すなわち、第1梁部材502と第2梁部材503とが、同位相でZ方向へ振動している。
In the secondary mode vertical vibration, as shown in FIG. 18, the
3次モードの垂直振動においては、ガスセンサ501は、図19に示すように、第1及び第2梁部材502,503の基端部及び先端部を振動の節とする一方、第1及び第2梁部材502,503の中間部を振動の腹として、Z方向へ振動する。このとき、第1梁部材502と第2梁部材503とが、逆位相でZ方向へ振動している。
In the vertical vibration of the third mode, the
ガスセンサ501が前述の如く変形すると、特に1,2次モードの垂直振動においては、ガスセンサ501の共振周波数が大幅に変化する。詳しくは、ガスセンサ501が前述の如く変形すると、第1梁部材502と第2梁部材503とがZ方向へ離間することによって、第1及び第2梁部材502,503全体としてのX軸回りの断面二次モーメントが大きくなる。特に、1,2次モードの垂直振動では、第1及び第2梁部材502,503が同位相で一体的に振動するため、曲げ剛性が大きく上昇し、共振周波数が大幅に増大する。
When the
以下に、ガスセンサ501を曲げ変形させたときの変形量に対する、共振周波数の変化特性のシミュレーション結果について説明する。図20は、1次モードの垂直振動を行う変形後のガスセンサ501の斜視図を示し、図21は、2次モードの垂直振動を行う変形後のガスセンサ501の斜視図を示している。
Below, the simulation result of the change characteristic of the resonant frequency with respect to the deformation when the
このガスセンサ501は、第1梁部材502及び第2梁部材503が厚さ10μmのシリコンで構成されている。第1及び第2梁本体502,503のZ方向寸法は、連結部524を除く部分が760μmであって、連結部524を含めると780μmである。第1及び第2梁部材502,503それぞれのX方向幅は、30μmである。第2梁部材503のZ方向寸法も同様である。第1梁部材502と第2梁部材503とのX方向の間隔は10μmである。
In this
シミュレーションに用いた解析コードは、ANSYS 12.0であり、使用した要素タイプはsolid186である。メッシュサイズは、一辺が10μmの6面体とした。材料特性としては、シリコンのヤング率を130.8GPa、密度を2.33g/cm3、ポアソン比を0.26とした。ガスセンサ501は、第1梁部材2の第1延伸部21の基端部と第2梁部材3の第1延伸部31の基端部とを全自由度を拘束した固定端とした。また、シミュレーションにおいては、第1及び第2梁本体502,503の連結部524を除く部分のY方向中間地点における、第1梁部材502と第2梁部材503のZ方向間隔(以下、変形量という)が0の場合と35μmの場合とで、ガスセンサ501の各モードの垂直振動の共振周波数を求めた。
The analysis code used for the simulation is ANSYS 12.0, and the element type used is solid186. The mesh size was a hexahedron with a side of 10 μm. As material properties, the Young's modulus of silicon was 130.8 GPa, the density was 2.33 g / cm 3 , and the Poisson's ratio was 0.26. In the
変形前のガスセンサ501の1次モードの垂直振動の共振周波数は、19743Hzであった。それに対して、変形後のガスセンサ501の1次モードの垂直振動の共振周波数は、26507Hzであった。このように、ガスセンサ501の第1及び第2梁部材502,503を曲げ変形させることによって、1次モードの垂直振動の共振周波数を大幅に変化させることができる。
The resonance frequency of the primary mode vertical vibration of the
さらに、変形前のガスセンサ501の2次モードの垂直振動の共振周波数は、123770Hzであった。それに対して、変形後のガスセンサ501の2次モードの垂直振動の共振周波数は、346550Hzであった。このように、ガスセンサ501の第1及び第2梁部材502,503を曲げ変形させることによって、2次モードの垂直振動の共振周波数を大幅に変化させることができる。
Further, the resonance frequency of the vertical vibration of the secondary mode of the
尚、1,2次モード以外の振動モードにおいても、変形の前後でガスセンサ501の共振周波数が大幅に変化する振動モードが存在し得る。
Even in vibration modes other than the first and second modes, there may be vibration modes in which the resonance frequency of the
続いて、ガスセンサ501を、第1及び第2梁部材502,503の曲げ変形の方向及び第1及び第2梁部材502,503の延伸方向と直交する方向(即ち、X方向)へ振動(以下、「水平振動」ともいう)させる場合の共振周波数の変化について説明する。図22は、1次モードの水平振動を行う変形後のガスセンサ501の平面図を示し、図23は、1次モードの水平振動を行う変形前のガスセンサ501の平面図を示している。
Subsequently, the
ガスセンサ501の水平振動においては、変形前は、第1梁部材502と第2梁部材503とが同一平面上に並んでおり且つ平坦な形状をしているため、図22に示すように、第1及び第2梁部材502,503の一方が縮み、他方が伸びるような曲げ変形は生じ難い。そのため、変形前のガスセンサ501は、水平振動中には、図23に示すように、1つの変曲点を有するような曲げ変形を生じる。それに対して、前述の如く、第1及び第2梁部材502,503が曲げ変形すると、第1及び第2梁部材502,503が長手方向に伸び縮みし易い。つまり、変形前の平坦な第1及び第2梁部材502,503は、長手方向に伸び縮みするためには、第1及び第2梁部材502,503自体にひずみを生じる必要があったが、変形後の湾曲した第1及び第2梁部材502,503は、曲げ変形量を変えることによって、長手方向への寸法を容易に拡大及び縮小することができる。そのため、変形後のガスセンサ501は、図22に示すように、第1及び第2梁部材502の一方が縮み、他方が伸びるような曲げ変形を生じ易い。このように、ガスセンサ501の変形の前後で図23に示す振動形態から図22に示す振動形態に変化することによって、ガスセンサ501の水平振動の共振周波数が小さくなる。
In the horizontal vibration of the
ここで、ガスセンサ501の1次モードの水平振動の共振周波数をシミュレーションにより求めた。
Here, the resonance frequency of the horizontal vibration of the primary mode of the
変形前のガスセンサ501の1次モードの水平振動の共振周波数は、85239Hzであった。それに対して、変形後のガスセンサ501の1次モードの水平振動の共振周波数は、60536Hzであった。このように、ガスセンサ501の第1及び第2梁部材502,503を曲げ変形させることによって、1次モードの水平振動の共振周波数を大幅に変化させることができる。
The resonance frequency of the horizontal vibration of the primary mode of the
このように、2本の単純梁の先端部を連結したガスセンサ501であっても、第1梁部材502と第2梁部材503とを異なるように変形させることによって、共振周波数を大きく変化させることができる。
As described above, even in the
−変形例5−
次に、変形例5に係るガスセンサ601について説明する。図24は、変形前のガスセンサ601の斜視図を示し、図25は、変形後のガスセンサ601の斜視図を示す。
-Modification 5-
Next, a
ガスセンサ601においては、第1及び第2梁部材2,3の構成はガスセンサ1と同じであり、ガス感応膜4が設けられている場所が異なる。詳しくは、ガスセンサ601は、第1梁部材2の第2延伸部23の表面2aと、第2梁部材3の第2延伸部33の表面3aにそれぞれガス感応膜4,4が積層されている。また、ガスセンサ601は、後述する実施形態2とは異なり、圧電素子により駆動されるタイプのガスセンサである。詳しくは、第1梁部材2の第1延伸部21の基端部には、駆動用の圧電素子26が積層されている。第2梁部材3の第1延伸部31の基端部には、検出用の圧電素子36が積層されている。
In the
この構成において、ガス感応膜4,4に水素が吸着すると、第1梁部材2は、第2延伸部23を内側に、ガス感応膜4を外側にして湾曲すると共に、第2梁部材3は、第2延伸部33を内側に、ガス感応膜4を外側にして湾曲する。このとき、第1梁部材2の第1延伸部21及び第2梁部材3の第1延伸部31は、ほとんど変形しない。ガス感応膜4,4は、第1梁部材2と第2梁部材3とで、同じ側の表面2a,3aに設けられているため、第2延伸部23,33は同じ方向へ湾曲する。その結果、ガスセンサ601の第1梁部材2は、第2延伸部23の先端部が第1延伸部21の基端部から離間するように、即ち、第2延伸部23の先端部と第1延伸部21の基端部との間隔が広がるように変形する。同様に、ガスセンサ601の第2梁部材3は、第2延伸部33の先端部が第1延伸部31の基端部から離間するように、即ち、第2延伸部33の先端部と第1延伸部31の基端部との間隔が広がるように変形する。
In this configuration, when hydrogen is adsorbed to the gas
このように変形することによって、ガスセンサ601の共振周波数が変化する。特に、3次モードの垂直振動の共振周波数が大幅に変化する。3次モードの垂直振動においては、第1梁部材2の第1及び第2延伸部21,23が全体として1本の梁のようになって、折返し部22を振動の腹としてZ方向へ振動し、それとは逆位相で、第2梁部材3の第1及び第2延伸部31,33が全体として1本の梁のようになって、折返し部32を振動の腹としてZ方向へ振動する。そのため、前述の如く、第1梁部材2において第2延伸部23の先端部と第1延伸部21の基端部との間隔が広がり、第2梁部材3において、第2延伸部33の先端部と第1延伸部31の基端部との間隔が広がるように変形すると、1本の梁のように振動する第1及び第2延伸部21,23の振動の節側の部分と第1及び第2延伸部31,33の振動の節側の部分との曲げ剛性が大きくなる。それにより、ガスセンサ601の共振周波数は高くなる方向へ大幅に変化する。したがって、変形の前後でのガスセンサ601の共振周波数の変化量が大きくなる。
By deforming in this way, the resonance frequency of the
また、圧電素子により駆動及び検出を行うセンサにおいては、大きな応力が生じる部分に圧電素子を設けることによって、駆動を容易に行うことができると共に検出能力を向上させることができる。ここで、3次モードの垂直振動においては、第1梁部材2の第1延伸部の基端部及び第2梁部材の第2延伸部の基端部は、振動の節となり、大きな応力が生じる。つまり、3次モードの垂直振動が有効なガスセンサ601においては、駆動用及び検出用の圧電素子26,36を第1梁部材2の第1延伸部21の基端部及び第2梁部材の第1延伸部31の基端部に配置することによって、駆動及び検出性能を向上させることができる。こうして、圧電素子26,36を第1梁部材2の第1延伸部21の基端部及び第2梁部材の第1延伸部31の基端部に配設すると、これらの基端部は支持部11に近いため、圧電素子26,36への配線の引き回しを簡素化することができる。例えば、折返し部22,32に圧電素子を配置するような場合には、配線を支持部11から第1延伸部21,31を通って折返し部22,32まで架設する必要があり、配線の引き回しが煩雑になる。それに対して、圧電素子26,36を第1梁部材2の第1延伸部21の基端部及び第2梁部材の第1延伸部31の基端部に配設する構成では、圧電素子26,36までの配線を短くして、配線の引き回しを簡素化することができる。
In addition, in a sensor that performs driving and detection using a piezoelectric element, by providing the piezoelectric element in a portion where a large stress is generated, driving can be easily performed and detection ability can be improved. Here, in the vertical vibration of the third mode, the proximal end portion of the first extending portion of the
さらに、圧電素子により駆動及び検出を行うセンサの場合、空気の粘性抵抗がそれほど問題とならない。すなわち、後述する実施形態2のように静電駆動及び静電容量による検出を行うセンサにおいては、駆動及び検出性能を向上させるために、センサを駆動電極及び検出電極に近接させる場合がある。この場合、センサが、駆動電極及び検出電極が設けられた基板に近接することになり、センサと基板との間の空気による粘性抵抗の影響が大きくなる。その結果、センサの振動が妨げられる場合がある。つまり、静電駆動によるセンサは、空気の粘性抵抗から制約を受ける。それに対して、圧電素子で駆動するセンサにおいては、駆動及び検出性能を向上させるためにセンサを基板に近接させる必要がないため、空気の粘性抵抗の影響が問題となる場合が少ない。 Furthermore, in the case of a sensor that is driven and detected by a piezoelectric element, the viscous resistance of air does not matter so much. That is, in a sensor that performs detection by electrostatic drive and capacitance as in the second embodiment described later, in order to improve drive and detection performance, the sensor may be brought close to the drive electrode and the detection electrode. In this case, the sensor is close to the substrate on which the drive electrode and the detection electrode are provided, and the influence of the viscous resistance due to air between the sensor and the substrate is increased. As a result, the vibration of the sensor may be hindered. That is, the sensor by electrostatic drive is restricted by the viscous resistance of air. On the other hand, in a sensor driven by a piezoelectric element, it is not necessary to bring the sensor close to the substrate in order to improve driving and detection performance, so that the influence of the viscous resistance of air is less likely to be a problem.
したがって、平面視でM字状に形成された第1及び第2梁部材2,3のうち、中央に位置する第2延伸部23,33にガス感応膜4,4を設けることによって、ガスの吸着量に応じて3次モードの垂直振動の共振周波数が大幅に変化するガスセンサを実現することができる。そして、このように構成されたガスセンサ601を、第1延伸部21,31の基端部に設けられた圧電素子26,36により駆動及び検出することによって、駆動及び検出性能を向上させることができると共に、圧電素子26,36への配線の引き回しを簡略化させることができる。さらに、ガスセンサ601を圧電素子26,36によって駆動及び検出することによって、空気の粘性抵抗の影響を小さくすることができる。
Therefore, by providing the gas
ただし、変形の前後で3次モードの垂直振動の共振周波数を大きく変化させるための構成は、前記の構成に限られるものではない。例えば、第1梁部材2の第1延伸部21の表面2bと第2梁部材3の第1延伸部31の表面3bにさらにガス感応膜を設けてもよい。こうすることにより、第1梁部材2は、第2延伸部23の先端部と第1延伸部21の基端部との間隔がさらに広がるように変形し、第2梁部材3は、第2延伸部33の先端部と第1延伸部31の基端部との間隔がさらに広がるように変形する。あるいは、第2延伸部23,33にガス感応膜4,4を設けることなく、第1延伸部21,31にガス感応膜を設けてもよい。この場合であっても、第1梁部材2は、第2延伸部23の先端部と第1延伸部21の基端部との間隔が広がるように変形し、第2梁部材3は、第2延伸部33の先端部と第1延伸部31の基端部との間隔が広がるように変形する。
However, the configuration for greatly changing the resonance frequency of the third-order mode vertical vibration before and after the deformation is not limited to the above-described configuration. For example, a gas sensitive film may be further provided on the
尚、3次モード以外の振動モードにおいても、変形の前後でガスセンサ601の共振周波数が大幅に変化する振動モードが存在し得る。
Even in vibration modes other than the tertiary mode, there may be vibration modes in which the resonance frequency of the
以下に、ガスセンサ601を曲げ変形させたときの変形量に対する、3次モードの垂直振動の共振周波数の変化特性のシミュレーション結果について説明する。図26は、シミュレーションに用いたガスセンサの寸法を示し、図27は、ガスセンサの変形量に対する、垂直振動の共振周波数の変化特性のシミュレーション結果を示す。このシミュレーションに用いたガスセンサは、一例にすぎず、本発明はこれに限定されるものではない。
The simulation result of the change characteristic of the resonant frequency of the third-order mode vertical vibration with respect to the deformation amount when the
このガスセンサ601は、第1梁部材2及び第2梁部材3が厚さ15μmのシリコンで構成されており、第1梁部材2の第1延伸部21及び第2梁部材3の第1延伸部31の表面2a,3aには厚さ3μmのPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)27が積層されている。PZT27は、ガス感応膜4の代わりであって、PZT27に電圧を印加することによって、ガスセンサ601に曲げ変形を生じさせた。
In this
シミュレーションに用いた解析コードは、ANSYS 11.0 Product Launcherであり、使用した要素タイプは、シリコンについてはsolid45であり、PZTについてはsolid5である。メッシュサイズは、一辺が3〜20μmの6面体とした。材料特性としては、シリコンは、線形等方性とし、ヤング率を130.8GPa、密度を2.33g/cm3、ポアソン比を0.28とした。また、PZTは、線形異方性とし、密度を7.534g/cm3とし、弾性スティフネス{cij E}、圧電応力定数{eij}及び比誘電率{εij}は以下のように設定した。 The analysis code used for the simulation is ANSYS 11.0 Product Launcher, and the element type used is solid45 for silicon and solid5 for PZT. The mesh size was a hexahedron with sides of 3 to 20 μm. As the material properties, silicon is linear isotropic, Young's modulus is 130.8 GPa, density is 2.33 g / cm 3 , and Poisson's ratio is 0.28. PZT has linear anisotropy, density of 7.534 g / cm 3 , elastic stiffness {c ij E }, piezoelectric stress constant {e ij }, and relative dielectric constant {ε ij } are set as follows: did.
シミュレーションにおいては、PZT27に電圧を印加することによってガスセンサ601を変形させて静的解析を行った。印加電圧を0〜20Vの間で変化させ、ガスセンサ601の形状を更新した上で、ガスセンサ601の3次モードの垂直振動の共振周波数を求めた。また、ガスセンサ601は、第1梁部材2の第1延伸部21の基端部と第2梁部材3の第1延伸部31の基端部とを全自由度を拘束した固定端とした。図26では、印加電圧に相当する変形量を付記している。
In the simulation, static analysis was performed by deforming the
図27のシミュレーション結果を見ると、ガスセンサ601の3次モードの垂直振動の共振周波数は、印加電圧が大きくなるほど(即ち、曲げ変形の変形量が大きくなるほど)、大きくなることがわかる。尚、変形量とは、図25に示す、連結部24,34のZ方向への変形量である。
From the simulation result of FIG. 27, it can be seen that the resonance frequency of the vertical vibration of the third-order mode of the
《発明の実施形態2》
続いて、前記ガスセンサ1を備えたガス検出装置5について説明する。図28に、ガス検出装置のブロック図を示す。
<<
Next, the
ガス検出装置5は、ガスセンサ1と、ガスセンサ1を制御する制御装置50とを備えている。ガスセンサ1は、シリコン基板(図示省略)上に形成されており、支持部11がシリコン基板に連結されている。第1及び第2梁部材2,3は、シリコン基板と所定の間隔を空けた状態で対向している。シリコン基板のうち、ガスセンサ1の第1梁部材2と第2梁部材3との連結部24,34と対向する部分には、駆動電極12と検出電極13とが設けられている。ガスセンサ1は、適切な電圧が印加されている。
The
制御装置50は、制御回路51と、駆動電極12へパルス電圧を出力する可変周波数発生回路52と、検出電極13からの検出電圧と可変周波数発生回路52からのパルス電圧(駆動電圧)との位相差を検出する位相検出回路53と、検出電極13からの検出電圧の周波数を検出する周波数カウンタ54と、周波数カウンタ54で検出した周波数からガス濃度を算出する周波数−濃度変換回路55とを有している。この制御装置50が駆動部を構成する。
The
可変周波数発生回路52は、任意の周波数のパルス状の駆動電圧を出力することが可能であり、制御回路51からの出力信号に応じた周波数の駆動電圧を出力する。駆動電極12に駆動電圧が印加されると、駆動電極12と、ガスセンサ1の第1梁部材2及び第2梁部材3の連結部24,34との間に静電力が作用し、ガスセンサ1が第1及び第2梁部材2,3の板厚方向へ振動する。ガスセンサ1が振動すると、ガスセンサ1と検出電極13との間隔が変化する。そうすると、ガスセンサ1と検出電極13との間の静電容量が変化する。位相検出回路53には、検出電極13からの検出電圧と可変周波数発生回路52からの駆動電圧が入力されている。そして、位相検出回路53は、検出電圧と駆動電圧との位相差を求め、その結果を制御回路51へ出力する。制御回路51は、該位相差が90°となるように、駆動電圧の周波数を調整する出力信号を可変周波数発生回路52へ出力する。尚、ガスセンサ1が共振しているときには、該位相差が90°となる。
The variable
このように、制御回路51、可変周波数発生回路52及び位相検出回路53は、駆動電圧と検出電圧との位相差をフィードバックしながら、位相差が90°となるように、即ち、ガスセンサ1が共振するように、駆動電圧の周波数を制御している。例えば、ガスセンサ1を2次モードの垂直振動で共振させる。
As described above, the
周波数カウンタ54は、検出電極13からの検出信号の周波数をモニタしている。ガスセンサ1は、前述の如く、制御回路51によって共振させられているため、周波数カウンタ54は、基本的には、ガスセンサ1の共振周波数をモニタしている。周波数−濃度変換回路55は、ガスセンサ1の共振周波数に対する水素ガスのガス濃度の検量線を有している。ガスセンサ1の共振周波数は、前述の如く、第1梁部材2の変形量に応じて変化する。そして、第1梁部材2の変形量は、ガス感応膜4の膨張量、即ち、水素ガスの吸着量に応じて変化する。また、水素ガスの吸着量は、水素ガスのガス濃度に相関している。よって、ガスセンサ1の共振周波数と水素ガスのガス濃度とは相関しており、前記検量線を予め求めておくことができる。周波数−濃度変換回路55は、周波数カウンタ54から入力される、ガスセンサ1の共振周波数を当該検量線に基づいてガス濃度に変換する。これら周波数カウンタ54及び周波数−濃度変換回路55が、ガスセンサ1の共振周波数の変化に基づいてガスを検出するガス検出部を構成する。
The
つまり、ガス感応膜4に水素ガスが吸着すると、ガス感応膜4が膨張して第1梁部材2が変形する。それにより、ガスセンサ1の共振周波数が変化すると、制御回路51のフィードバック制御によって駆動電圧の周波数が当該共振周波数と同じ周波数に調整される。その結果、ガスセンサ1は変化後の共振周波数で共振させられる。このとき、変化後の共振周波数は、周波数カウンタ54で検出され、周波数−濃度変換回路55によりガス濃度に変換される。こうして、ガス濃度が検出される。そして、ガスセンサ1を前記の構成とすることによって、ガス感応膜4の変形に対する共振周波数の変化を大きくすることができるため、ガスの検出能力を向上させることができる。また、簡単な回路で構成できるためコストを下げることができる。
That is, when hydrogen gas is adsorbed to the gas
尚、前記実施形態では、ガスセンサを静電力及び静電容量を用いて駆動及び検出を行っているが、これに限られるものではない。駆動電極12及び検出電極13の代わりに、前記変形例6のようにガスセンサに駆動用及び検出用の圧電素子を設けてもよい。その場合、制御装置50からの駆動電圧が駆動用圧電素子に印可され、検出用圧電素子からの検出電圧が制御装置50に入力される。
In the above embodiment, the gas sensor is driven and detected using electrostatic force and capacitance, but the present invention is not limited to this. Instead of the
《その他の実施形態》
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
<< Other Embodiments >>
The present invention may be configured as follows with respect to the above embodiment.
前記実施形態では、ガスセンサについて説明したが、これに限られるものではない。例えば、発振器及びそれに用いられる振動子であってもよい。かかる場合には、前記ガス感応膜4に代えて、圧電体層を設けるとよい。そして、圧電体層に外部、例えば、制御回路51から電圧が印加され、これにより、振動子を曲げ変形させるように構成してもよい。振動子の形状や圧電体層の設置場所は、前記実施形態を参考にして適宜に設定することができる。かかる構成によれば、圧電体層に印加する電圧を調整することによって振動子の変形を調整し、それによって、振動子の共振周波数を調整することができる。このとき、制御回路51に周波数カウンタ54からの出力信号が入力され、制御回路51が共振周波数に応じて圧電体層へ印加する電圧をフィードバック制御するように構成してもよい。こうして、共振周波数を所望の値に変更できる振動子及び発振器を構成することができる。尚、周波数−濃度変換回路55は不要である。また、制御回路51が圧電体層に印加する電圧と、その電圧に対応する振動子の共振周波数との関係を既知の場合には、周波数カウンタ54も省略してよい。
Although the gas sensor has been described in the above embodiment, the present invention is not limited to this. For example, an oscillator and a vibrator used therefor may be used. In such a case, a piezoelectric layer may be provided in place of the gas
また、前記実施形態では、ガス感応膜4として、水素を吸着するパラジウムを採用しているが、これに限られるものではない。ガスを付着(吸着又は吸蔵に限られない。)させることによって形状が変化(膨張や収縮)する物質であれば、任意の物質をガス感応膜4として採用することができる。尚、前記実施形態では、変形部としてガス感応膜4を用いたが、これに限られるものではない。例えば、第1梁部材とは線膨張係数が異なる材料で構成された変形部を採用してもよい。かかる振動子によれば、周囲の温度に応じて、第1梁部材と変形部とが異なるひずみ量で熱変形し、第1梁部材及び変形部とが曲げ変形を生じる。その結果、第1梁部材と第2梁部材とが異なる態様で変形し、第1及び第2梁部材全体としての曲げ剛性が変化し、共振周波数が変化する。この共振周波数の変化を検出することによって、周囲の温度を検出することができる。つまり、温度センサを構成することができる。
Moreover, in the said embodiment, although the palladium which adsorb | sucks hydrogen is employ | adopted as the gas sensitive film |
さらに、ガスセンサの形状や振動形態や振動モードも前記実施形態に限られるものではない。第1梁部材と第2梁部材とを異なる態様で変形させることによって、変形の前後で共振周波数を大きく変化させることができる限りは、任意の形状、振動形態及び振動モードを採用することができる。 Further, the shape, vibration mode and vibration mode of the gas sensor are not limited to the above embodiment. As long as the first beam member and the second beam member are deformed differently, and the resonance frequency can be changed greatly before and after the deformation, any shape, vibration mode and vibration mode can be adopted. .
また、前記実施形態では、梁本体は変形前は平坦な形状、具体的には、平板状をしているが、これに限られるものではない。梁本体は変形前から予め湾曲した形状であってもよい。例えば、ガスセンサ501は、変形時には、第1梁部材502と第2梁部材503とを反対側に湾曲させる必要がある。第1梁部材502はガス感応膜4が存在するため、変形時の湾曲方向(第1梁部材502のどちらの表面が内側でどちらの表面が外側になるか)は決まっている。しかし、第2梁部材503はガス感応膜4が設けられていないため、第1梁部材502が曲げ変形したときに、第2梁部材503がどちらに湾曲するかがわからない。そのため、第2梁部材503を予め所望の方向へ、少し湾曲した状態に形成してもよい。尚、第2梁部材503の、第1梁部材502のガス感応膜4が設けられた表面とは反対側の表面にガス感応膜4を設けてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the beam main body is flat shape before a deformation | transformation, specifically, it is flat form, it is not restricted to this. The beam main body may have a shape curved in advance before deformation. For example, when the
また、前記ガス検出装置5では、ガスセンサ1をフィードバック制御により共振させて、そのときの共振周波数を検出することによって、ガス濃度を検出しているが、これに限られるものではない。例えば、振動子(即ち、ガスセンサ1)が変形しても、振動子の駆動周波数を変化させない構成であってもよい。この場合、振動子の共振周波数が駆動周波数から離れていくため、振動子の振幅が小さくなる。そのため、振動子の振幅を監視することによって、共振周波数の変化、ひいては、振動子の変形を検出し得る。つまり、振動子の共振周波数の変化を検出できる方法であれば、任意の方法を採用することができる。
In the
尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。 In addition, the above embodiment is an essentially preferable illustration, Comprising: It does not intend restrict | limiting the range of this invention, its application thing, or its use.
以上説明したように、本発明は、梁部材を備えた振動子並びにそれを備えた発振器及びガス検出装置について有用である。 As described above, the present invention is useful for a vibrator including a beam member, an oscillator including the same, and a gas detection device.
1 ガスセンサ(振動子)
2 第1梁部材
21 第1延伸部
22 折返し部
23 第2延伸部
3 第2梁部材
31 第1延伸部
32 折返し部
33 第2延伸部
4 ガス感応膜(変形部、ガス感応部)
5 ガス検出装置
50 制御装置(駆動部)
1 Gas sensor (vibrator)
2
5
Claims (17)
少なくとも前記第1梁部材には、形状の変化可能な変形部が設けられ、
前記第1及び第2梁部材の基端部は、固定端となり、
前記第1及び第2梁部材の先端部は、互いに連結されると共に自由端となっており、
前記第1及び第2梁部材は、前記変形部の変形によって、互いの間隔が広がるように互いに異なる態様で変形する振動子。 First and second beam members connected to each other and driven to vibrate,
At least the first beam member is provided with a deformable portion whose shape can be changed,
The base ends of the first and second beam members are fixed ends,
The tip portions of the first and second beam members are connected to each other and are free ends,
The first and second beam members are transducers that are deformed in different manners so that a distance between the first and second beam members is increased by deformation of the deformable portion.
前記変形部の変形によって、曲げ弾性率が変化する振動子。 The vibrator according to claim 1,
A vibrator whose bending elastic modulus is changed by deformation of the deforming portion.
前記第1及び第2梁部材はそれぞれ、基端側から延伸した第1延伸部と、該第1延伸部の先端部を折返し部として折り返して、基端側へ延伸する第2延伸部とを有し、該第2延伸部の先端部同士が連結されており、
前記第1及び第2梁部材の前記第1延伸部の基端部は、固定端となり、
前記第1及び第2梁部材の前記第2延伸部の先端部は、自由端となっており、
前記第1及び第2梁部材は、前記変形部の変形によって、互いの前記折返し部の間隔が広がるように変形する振動子。 The vibrator according to claim 1,
Each of the first and second beam members includes a first extending portion extending from the proximal end side, and a second extending portion extending from the distal end portion of the first extending portion as a folded portion and extending toward the proximal end side. And the ends of the second extending portion are connected to each other,
The base end portion of the first extending portion of the first and second beam members is a fixed end,
The tip end portions of the second extending portions of the first and second beam members are free ends,
The first beam member and the second beam member are deformed so that a space between the folded portions is widened by deformation of the deformation portion.
前記変形部は、前記第1及び第2梁部材の両方に設けられており、
前記第2梁部材は、前記変形部の変形によって、前記第1梁部材とは反対側に変形する振動子。 The vibrator according to any one of claims 1 to 3,
The deforming portion is provided on both the first and second beam members,
The second beam member is a vibrator that is deformed to the opposite side to the first beam member by deformation of the deformation portion.
前記第1及び第2梁部材はそれぞれ、基端側から延伸した第1延伸部と、該第1延伸部の先端部を折返し部として折り返して、基端側へ延伸する第2延伸部とを有し、該第2延伸部の先端部同士が連結されており、
前記第1及び第2梁部材の前記第1延伸部の基端部は、固定端となり、
前記第1及び第2梁部材の前記第2延伸部の先端部は、自由端となっており、
前記第1及び第2梁部材は、前記変形部の変形によって、前記第1延伸部の基端部と前記第2延伸部の先端部との間隔が広がるように変形する振動子。 The vibrator according to claim 1,
Each of the first and second beam members includes a first extending portion extending from the proximal end side, and a second extending portion extending from the distal end portion of the first extending portion as a folded portion and extending toward the proximal end side. And the ends of the second extending portion are connected to each other,
The base end portion of the first extending portion of the first and second beam members is a fixed end,
The tip end portions of the second extending portions of the first and second beam members are free ends,
The first and second beam members are deformed so that a distance between a base end portion of the first extending portion and a distal end portion of the second extending portion is widened by deformation of the deforming portion.
前記変形部は、外部からの信号に応じて変形するように構成されている振動子。 The vibrator according to any one of claims 1 to 5,
The transducer is configured to be deformed in accordance with an external signal.
前記変形部は、ガスが付着することにより変形するガス感応部である振動子。 The vibrator according to any one of claims 1 to 5,
The deforming portion is a vibrator that is a gas sensitive portion that is deformed by the attachment of gas.
前記振動子を振動駆動する駆動部とを備え、
前記変形部は、外部からの信号に応じて変形するように構成されており、
前記駆動部は、前記第1及び第2梁部材を、前記第2延伸部の先端部が振動の腹となるように振動させる発振器。 A vibrator according to claim 3;
A drive unit that vibrates and drives the vibrator,
The deformation portion is configured to be deformed according to an external signal,
The drive unit is an oscillator that vibrates the first and second beam members so that a tip end portion of the second extending portion becomes a vibration antinode.
前記振動子を振動駆動する駆動部とを備え、
前記変形部は、外部からの信号に応じて変形するように構成されており、
前記駆動部は、前記第1梁部材を前記折返し部が振動の腹となるように振動させる一方、前記第2梁部材を前記折返し部が振動の腹となるように該第1梁部材とは逆位相で振動させる発振器。 A vibrator according to claim 5;
A drive unit that vibrates and drives the vibrator,
The deformation portion is configured to be deformed according to an external signal,
The drive unit vibrates the first beam member so that the folded portion becomes an antinode of vibration, and the second beam member is different from the first beam member so that the folded portion becomes an antinode of vibration. An oscillator that vibrates in opposite phase.
前記振動子を振動駆動する駆動部とを備えた発振器。 A vibrator according to claim 6;
An oscillator comprising: a drive unit that vibrates and drives the vibrator.
前記駆動部は、前記第1梁部材の変形方向と平行な方向に前記振動子を振動させる発振器。 The oscillator according to claim 10, wherein
The drive unit is an oscillator that vibrates the vibrator in a direction parallel to a deformation direction of the first beam member.
前記駆動部は、前記第1梁部材の変形方向と直交する方向に前記振動子を振動させる発振器。 The oscillator according to claim 10, wherein
The drive unit is an oscillator that vibrates the vibrator in a direction orthogonal to a deformation direction of the first beam member.
前記振動子を振動駆動する駆動部とを備え、
前記変形部は、ガスが付着することにより変形するガス感応部であり、
前記駆動部は、前記第1及び第2梁部材を、前記第2延伸部の先端部が振動の腹となるように振動させるガス検出装置。 A vibrator according to claim 3;
A drive unit that vibrates and drives the vibrator,
The deformation part is a gas sensitive part that is deformed by the adhesion of gas,
The drive unit is a gas detection device that vibrates the first and second beam members so that a tip end portion of the second extending portion becomes an antinode of vibration.
前記振動子を振動駆動する駆動部とを備え、
前記変形部は、ガスが付着することにより変形するガス感応部であり、
前記駆動部は、前記第1梁部材を前記折返し部が振動の腹となるように振動させる一方、前記第2梁部材を前記折返し部が振動の腹となるように該第1梁部材とは逆位相で振動させるガス検出装置。 A vibrator according to claim 5;
A drive unit that vibrates and drives the vibrator,
The deformation part is a gas sensitive part that is deformed by the adhesion of gas,
The driving unit vibrates the first beam member so that the folded portion becomes an antinode of vibration, and the second beam member is different from the first beam member so that the folded portion becomes an antinode of vibration. Gas detector that vibrates in reverse phase.
前記振動子を振動駆動する駆動部とを備えたガス検出装置。 A vibrator according to claim 7;
A gas detection apparatus comprising: a drive unit that vibrates and drives the vibrator.
前記駆動部は、前記第1梁部材の変形方向と平行な方向に前記振動子を振動させるガス検出装置。 The gas detection device according to claim 15, wherein
The drive unit is a gas detection device that vibrates the vibrator in a direction parallel to a deformation direction of the first beam member.
前記駆動部は、前記第1梁部材の変形方向と直交する方向に前記振動子を振動させるガス検出装置。 The gas detection device according to claim 15, wherein
The drive unit is a gas detection device that vibrates the vibrator in a direction orthogonal to a deformation direction of the first beam member.
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