JP2013231600A

JP2013231600A - 振動型物理量センサ

Info

Publication number: JP2013231600A
Application number: JP2012102218A
Authority: JP
Inventors: Komei Fujita; 孔明藤田; Tsutomu Nakanishi; 努中西; Yuichi Mizuno; 悠市水野
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-11-14

Abstract

【課題】本発明は、簡単な回路構成で温度特性を良好にする振動型物理量センサを得ることを目的とする。
【解決手段】本発明の振動型物理量センサは、固有振動数に応じた周波数信号の出力を行う第１の振動センサ素子１と、固有振動数に応じた周波数信号の出力を行う第２の振動センサ素子２と、第１の振動センサ素子１からの周波数信号がクロック入力端子６ａに接続され、第２の振動センサ素子２からの周波数信号が信号入力端子６ｂに接続された周波数カウンタ６と、を備えた振動型物理量センサ。
【選択図】図１

Description

本発明は、力、応力、歪などの物理量を検知することができる振動型物理量センサに関する。

力、応力、歪などの物理量を検知するセンサとして、梁を振動させ、その梁に加わった力等の物理量により梁の固有振動数が変化する特性を利用する方法は知られている。このような測定方法のセンサにおいても、温度変化によって測定値が変動してしまうという課題が存在している。

上記の課題を解決する手段として、応力が変化したときに周波数が変化する応力センサと、温度が変化したときに周波数が変化する温度センサを備え、それぞれのセンサからの出力をそれぞれに対応した周波数カウンタに入力し、温度センサと接続された周波数カウンタからの周波数カウント信号に基づき、応力センサに接続された周波数カウンタからの周波数カウント信号を補正する方法が知られている（特許文献１参照。）。

一方、測定感度の向上のために、物理量の変化に対し、互いに逆方向に変化するセンサを２つ設け、その周波数の差を取ることで、物理量の変化に対する周波数変動を大きく取る方法は知られている。そのような方式のセンサの中で、一方のセンサの検知方向と他方のセンサの検知方向を直角にして、ポアソン効果を利用して差動を取る検出方法も知られている（特許文献２参照。）。

特開２０１０−１６９５５０号公報特開２０１１−１６４０４２号公報

上記特許文献１に記載された技術においては、周波数カウンタを２つ備え、さらにそれぞれのカウンタからの値を元に温度変化による影響を排除するための処理回路が必要であり、回路が大掛かりで複雑になるという課題を有している。

また、特許文献２に記載された技術においては、一方の振動子の周波数から他方の振動子の周波数を減じるための処理回路が必要となり、やはり回路が複雑になるという課題を有している。

本発明は上記従来課題を解決するもので、簡単な回路構成で温度特性を良好にする振動型物理量センサを得ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を有している。

請求項１に記載の発明は、固有振動数に応じた周波数信号の出力を行う第１の振動センサ素子と、固有振動数に応じた周波数信号の出力を行う第２の振動センサ素子と、前記第１の振動センサ素子からの周波数信号がクロック入力端子に接続され、前記第２の振動センサ素子からの周波数信号が信号入力端子に接続された周波数カウンタと、を備えた振動型物理量センサである。

請求項１に記載の発明は、第１の振動センサ素子からの周波数信号を周波数カウンタのクロック入力端子へ、第２の振動センサ素子からの周波数信号を周波数カウンタの信号入力端子へ送ることにより、周波数カウンタからの周波数信号に対する温度変化の影響を低減することができるので、簡単な構成で、温度変化による特性を良好にすることができるという作用効果を有する。

請求項２に記載の発明は、特に、測定する物理量の変化によって、第１の振動センサ素子からの周波数信号の周波数の変化の方向と第２の振動センサ素子からの周波数信号の周波数の変化の方向が逆となる振動型物理量センサである。この発明は、物理量の変化に対する周波数カウンタによる周波数変化を大きくすることができ、測定の分解能を向上させることができる。

請求項３に記載の発明は、特に、前記第１の振動センサ素子と前記周波数カウンタのクロック入力端子との間に前記第１の振動センサ素子からの周波数信号の周波数を逓倍する逓倍回路を備えた振動型物理量センサである。この構成により、周波数カウンタの分解能が向上し、これにより物理量の測定精度も向上するという作用効果を有する。

請求項４に記載の発明は、前記第２の振動センサ素子と前記周波数カウンタの信号入力端子との間に前記第２の振動センサ素子からの周波数信号の周波数を分周する分周回路を備えた振動型物理量センサである。この構成により、相対的に周波数カウンタの分解能が向上し、これにより物理量の測定精度も向上するという作用効果を有する。

本発明の振動型物理量センサは、簡単な回路構成で温度特性を良好にする振動型物理量センサを得ることができるという優れた効果を有するものである。

本発明の一実施の形態における振動型物理量センサのブロック図同振動型物理量センサの平面断面図同振動型物理量センサの正面断面図

以下、一実施の形態を用いて、本発明について説明する。

図１は本発明の一実施の形態における振動型物理量センサのブロック図である。

第１の振動センサ素子１と、第２の振動センサ素子２とは共にパッケージ３内に配置されている。第１の振動センサ素子１は第１の発振回路４と電気的に接続されている。第２の振動センサ素子２は第２の発振回路５と電気的に接続されている。第１の発振回路４の出力は周波数カウンタ６のクロック入力端子６ａに入力され、第２の発振回路５の出力は周波数カウンタ６の信号入力端子６ｂに入力される。

図２は本発明の一実施の形態における振動型物理量センサの平面断面図、図３は同正面断面図である。

第１の振動センサ素子１は、第１の振動梁１１と第１の圧電薄膜１２とを有している。同様に、第２の振動センサ素子２は、第２の振動梁１３と第２の圧電薄膜１４とを有している。第１の振動梁１１および第２の振動梁１３は振動可能な梁であり、その両端は固定されている。第１の振動梁１１および第２の振動梁１３はシリコンウエハを加工することにより得られるもので、一体的に形成されている。第１の圧電薄膜１２および第２の圧電薄膜１４は、共に圧電薄膜であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）薄膜である。第１の圧電薄膜１２は第１の振動梁１１の撓みによって起電力を生じる。従って、第１の振動梁１１の振動により第１の圧電薄膜１２からはその振動数に応じた周波数信号が出力される。よって、第１の圧電薄膜１２からの周波数信号を測定することで第１の振動梁１１の振動数を検出することができる。同様に第２の圧電薄膜１４からの周波数信号を測定することで第２の振動梁１３の振動数を検出することができる。

第１の圧電薄膜１２からの周波数信号は第１の振動センサ素子１からの周波数信号として第１の発振回路４へ送られる。同様に、第２の圧電薄膜１４からの周波数信号は第２の振動センサ素子２からの周波数信号として第２の発振回路５へ送られる。

図２、図３において、第１の発振回路４および第２の発振回路５は、電気回路１６内に位置している。パッケージ３は上パッケージ３ａおよび下パッケージ３ｂからなる。下パッケージ３ｂの底面は被測定部材１７に固定されている。従って、被測定部材１７に加わる外力や応力および被測定部材１７に発生した歪は下パッケージ３ｂを介して第１の振動センサ素子１および第２の振動センサ素子２に伝わる。

以上のように構成された振動型物理量センサの動作について、以下に説明する。

第１の振動梁１１は、第１の振動梁１１上に形成された振動用の圧電薄膜（図示せず）を用いて振動する。このときには、第１の発振回路４から振動用の圧電薄膜に第１の振動センサ素子１の固有振動数または、固有振動数に近い振動数となる周波数の信号を送る。こうして、第１の振動センサ素子１は固有振動数で振動を行う。そして、第１の振動センサ素子１が振動することにより第１の圧電薄膜１２からその振動数に応じた信号が第１の発振回路４へ送られる。このときの振動数は、当然ながら第１の振動センサ素子１の固有振動数である。そして、第１の発振回路４は、第１の圧電薄膜１２からの固有振動数に応じた信号を第１の振動梁１１に形成された圧電薄膜に送ることで、第１の振動センサ素子１は固有振動数で振動を続ける。第２の振動センサ素子２の振動においても同様である。

第１の発振回路４は、第１の振動梁１１に形成された振動用の圧電薄膜だけでなく、周波数カウンタ６のクロック入力端子６ａにも周波数信号を送る。一方、第２の発振回路５は、第２の振動センサ素子２の振動による周波数信号を周波数カウンタ６の信号入力端子６ｂにも信号を送る。従って、周波数カウンタ６は第１の振動センサ素子１の固有振動数を元にした周波数信号を基準周波数として、第２の振動センサ素子２の固有振動数を測定することになる。即ち、第１の振動センサ素子１からの周波数信号の周波数をｆ₁、第２の振動センサ素子２からの周波数信号の周波数をｆ₂とすると、周波数カウンタ６により計測される周波数ｆは、ｆ＝ｆ₁／ｆ₂となる。

次に、被測定部材１７に力が加わった場合について説明する。例えば、被測定部材１７に図２、図３における紙面左右方向に引張力が加わると、その引張力は第２の振動梁１３にも伝達し、第２の振動梁１３にも引張力が加わる。一般に、物体に引張力が生じるとその物体の固有振動数は上昇するものであることは、弦の場合などのようによく知られているものである。従って、第２の振動センサ素子２の固有振動数においても、外力が加わっていない無負荷の場合に比べて高くなる。一方、被測定部材１７に加わる引張力と直角の方向に配置されている第１の振動梁１１には圧縮力が加わるので、第１の振動センサ素子１の固有振動数は低くなる。そうすると、第１の振動センサ素子１からの周波数信号の周波数ｆ₁が低くなり、第２の振動センサ素子２の固有振動数ｆ₂が高くなるので、周波数カウンタ６で計測する周波数ｆも高くなる。また、被測定部材１７の図２、図３における紙面左右方向に圧縮力が加わると、周波数カウンタ６で計測する周波数ｆは低くなる。この周波数カウンタ６で計測する周波数ｆと被測定部材１７に加わる物理量との関係をあらかじめ求めておくことによって、周波数カウンタ６で計測する周波数により被測定部材１７に加わる物理量を検出することができる。

次に、温度変化があった場合について考える。温度が変化すると第１の振動梁１１および第２の振動梁１３は熱膨張または熱収縮をする。このとき、パッケージ３や被測定部材１７と第１の振動センサ素子１および第２の振動センサ素子２の間で熱膨張係数の違いから熱応力が第１の振動梁１１および第２の振動梁１３に発生し、固有振動数が変化する。このときの温度変化による固有振動数の変化の方向は、第１の振動センサ素子１および第２の振動センサ素子２ともに同一の方向になるので、周波数カウンタ６で計測する周波数は、温度変化の影響を低減することができる。

なお、本実施の形態においては、第１の振動センサ素子１をシリコンからなる第１の振動梁１１と圧電薄膜からなる第１の圧電薄膜１２で構成したが、第１の振動センサ素子１を水晶で形成することにより、第１の振動梁１１に第１の圧電薄膜１２の機能を持たせ、一つの構成要素にすることができる。第２の振動センサ素子２についても同様である。

また、本実施の形態においては、一つのシリコン基板を加工して、第１の振動センサ素子１と第２の振動センサ素子２とを一体的に形成しているが、分離した構成にすることもできる。一体的に形成すると、第１の振動センサ素子１と第２の振動センサ素子２間におけるシリコン基板の材料自身のばらつき、加工時におけるばらつきの影響を低減することができ、弾性係数等の物性値のばらつきを同じ方向とすることにより、測定精度の向上を図ることができる。

また、本実施の形態においては、第１の振動梁１１の方向と第２の振動梁１３の方向を直角にしているので、ポアソン効果により第１の振動センサ素子１および第２の振動センサ素子２の一方の固有振動数が高くなった場合には、他方の固有振動数が低くなる。即ち、変化の方向が逆である。これにより、外力等による周波数カウンタ６で計測する周波数変化を大きくすることができる。この場合において、周波数カウンタ６の信号入力端子６ｂと接続させる第２の振動センサ素子２の物理量の検知方向である第２の振動梁１３の長さ方向を振動型物理量センサの検知方向にしている。これは、応力が加わることによる梁の周波数変化の方が、その応力のポアソン効果による周波数変化よりも大きいからである。

一方、第１の振動梁１１の方向と第２の振動梁１３の方向を平行にして、同一の方向変化をするようにしても、直角にする場合に比べて周波数変化は小さくなるが、温度変化の影響を低減することはできる。

また、第１の振動センサ素子１からの周波数信号と第２の振動センサ素子２からの周波数信号とのそれぞれの周波数の差が大きい方が周波数カウンタ６における周波数計測の分解能を向上させ精度が向上するので好ましい。その大小関係は周波数カウンタ６のクロック入力端子６ａへ接続する第１の振動センサ素子１からの周波数信号の周波数を高く、周波数カウンタ６の信号入力端子６ｂへ接続する第２の振動センサ素子２からの周波数信号の周波数を低くすることになる。具体的にはクロック入力端子６ａに入力される周波数信号の周波数を、信号入力端子６ｂに入力される周波数信号の周波数の１０００倍以上にすることが好ましい。そのための一つの方法として、第１の振動センサ素子１の固有振動数を第２の振動センサ素子２より大きくすることがある。別の方法としては、第１の振動センサ素子１と周波数カウンタ６との間に逓倍回路を入れることがある。即ち、逓倍回路により第１の振動センサ素子１からの周波数信号の周波数を上昇させるもので、この方法は、第１の振動センサ素子１からの周波数信号の周波数を格段に上昇させることができるので非常に有用である。さらに別の方法としては、第２の振動センサ素子２と周波数カウンタ６との間に分周回路を入れることがある。即ち、分周回路により第２の振動センサ素子２からの周波数信号の周波数を低下させるもので、この方法は、第２の振動センサ素子２からの周波数信号の周波数を格段に低下させることができるので有用である。なお、これらの２以上の方法を組み合わせてもよい。

また、パッケージ３内に第１の振動センサ素子１と第２の振動センサ素子２とを配置させることで、両者の雰囲気温度を同じになるようにした。このように一つのパッケージ内に第１の振動センサ素子１と第２の振動センサ素子２の両方を配置させることは好ましいが、雰囲気温度が同じになるのであれば、別のパッケージ内に配置してもよい。

本発明に係る振動型物理量センサは、荷重センサや応力センサ、歪センサなどの物理量センサに使用され有用である。

１第１の振動センサ素子
２第２の振動センサ素子
３パッケージ
３ａ上パッケージ
３ｂ下パッケージ
４第１の発振回路
５第２の発振回路
６周波数カウンタ
１１第１の振動梁
１２第１の圧電薄膜
１３第２の振動梁
１４第２の圧電薄膜
１６電気回路
１７被測定部材

Claims

固有振動数に応じた周波数信号の出力を行う第１の振動センサ素子と、
固有振動数に応じた周波数信号の出力を行う第２の振動センサ素子と、
前記第１の振動センサ素子からの周波数信号がクロック入力端子に接続され、前記第２の振動センサ素子からの周波数信号が信号入力端子に接続された周波数カウンタと、
を備えた振動型物理量センサ。
測定する物理量の変化によって、第１の振動センサ素子からの周波数信号の周波数の変化の方向と第２の振動センサ素子からの周波数信号の周波数の変化の方向が逆となる請求項１記載の振動型物理量センサ。
前記第１の振動センサ素子と前記周波数カウンタのクロック入力端子との間に前記第１の振動センサ素子からの周波数信号の周波数を逓倍する逓倍回路を備えた、
請求項１に記載の振動型物理量センサ。
前記第２の振動センサ素子と前記周波数カウンタの信号入力端子との間に前記第２の振動センサ素子からの周波数信号の周波数を分周する分周回路を備えた、
請求項１に記載の振動型物理量センサ。