JP2014153136A - 物理量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】物理量センサによって計測できる周波数帯域を構造体の共振周波数に近づけることができる物理量センサを提供する。
【解決手段】物理量センサは、センサ部１と信号処理部２とを含み、センサ部１により計測された物理量に所定の信号処理を施す選択回路２１、信号変換回路２２、デジタル信号補正回路２３、物理量の変化を周波数成分に変換するフーリエ変換回路２５とを含み、サーボ制御回路２６は、フーリエ変換回路２５により変換された周波数成分にセンサ部１の共振周波数付近の周波数が含まれていた時に、サーボ電圧印加電極にサーボ電圧を印加して、センサ部１の動きを抑制する。
【選択図】図６

Description

本発明は、物理量を検出する物理量センサに関する。

下記の特許文献１に記載されたＭＥＭＳデバイスが知られている。このＭＥＭＳデバイスは、可動電極と固定電極との間の距離が所定の距離未満である場合に、静電力を最小化することが記載されている。

特表２０１１−５２３９０６号公報

しかしながら、ＭＥＭＳデバイスとしての圧力センサ、加速度センサ、角加速度センサにおいて、ＭＥＭＳデバイスの構造体における共振周波数付近で構造体が振動すると、振動幅が大きくなる。したがって、安定して出力を得ることができない。このため、上述したＭＥＭＳデバイスでは、仮に構造体の共振周波数に近くなるとフィルター処理によってセンサ出力をしないようにしている。

また、既存のＭＥＭＳデバイスは、構造体の共振周波数付近とは大きく異なる周波数帯域で構造体を振動させるよう設計されている。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、物理量センサによって計測できる周波数帯域を構造体の共振周波数に近づけることができる物理量センサを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る物理量センサは、構造体の変位に基づく物理量を計測する計測手段と、前記計測手段により計測された物理量に所定の信号処理を施して、当該物理量の時間変化を表す物理量データを生成する信号処理手段と、前記信号処理手段により生成された物理量データの周波数成分に前記構造体の共振周波数付近の周波数が含まれた場合における前記構造体の動きを抑制するように、前記計測された物理量の変化とは逆位相のサーボ電圧をサーボ電圧印加電極に印加するサーボ制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る物理量センサは、上記第１の態様の物理量センサであって、前記信号処理手段により生成された物理量データを周波数成分データに変換する変換手段を備え、前記サーボ制御手段は、前記変換手段により変換された周波数成分データに前記構造体の共振周波数に近い所定の周波数が含まれていた時に、前記サーボ電圧印加電極に前記サーボ電圧を印加して、前記構造体の動きを抑制することを特徴とする。

本発明の第３の態様に係る物理量センサは、上記第１の態様の物理量センサであって、前記サーボ制御手段は、前記信号処理手段により生成された物理量データが表す物理量の時間変化に対し、当該変化とは逆位相のサーボ電圧を前記サーボ電圧印加電極に印加しているときに、当該サーボ電圧が所定の閾値よりも大きくなった場合に、前記構造体の動きを抑制するような大きなサーボ電圧を前記サーボ電圧印加電極に印加することを特徴とする。

本発明の第４の態様に係る物理量センサは、上記第１乃至第３の態様の何れかの物理量センサであって、前記計測手段は、圧力の変化に応じて前記構造体が変位するものであることを特徴とする。

本発明の第５の態様に係る物理量センサは、上記第４の態様の物理量センサであって、前記計測手段は、圧電素子から検出された電圧の変化、ピエゾ素子の抵抗の変化、又は、静電容量の変化の何れか又はその組み合わせによって圧力を検出することを特徴とする。

本発明の第６の態様に係る物理量センサは、上記第１乃至第３の態様の何れかの物理量センサであって、前記計測手段は、加速度の変化に応じて前記構造体が変位するものであることを特徴とする。

本発明の第７の態様に係る物理量センサは、上記第６の態様の物理量センサであって、前記計測手段は、圧電素子から検出された電圧の変化、ピエゾ素子の抵抗の変化、又は、静電容量の変化の何れか又はその組み合わせによって加速度を検出することを特徴とする。

本発明の第８の態様に係る物理量センサは、上記第１乃至第３の態様の何れかの物理量センサであって、前記計測手段は、角加速度の変化に応じて前記構造体が変位するものであることを特徴とする。

本発明の第９の態様に係る物理量センサは、上記第８の態様の物理量センサであって、前記計測手段は、圧電素子から検出された電圧の変化、ピエゾ素子の抵抗の変化、又は、静電容量の変化の何れか又はその組み合わせによって角加速度を検出することを特徴とする。

本発明によれば、物理量データの周波数成分に構造体の共振周波数付近の周波数が含まれた場合における構造体の動きを抑制するようサーボ制御するので、物理量センサによって計測できる周波数帯域を構造体の共振周波数に近づけることができる。

本発明の実施形態として示す物理量センサの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態として示す物理量センサにおけるセンサ部の概略構成を示す上面図及び側面図である。 センサ部における構造体の空洞内圧力、構造体が振動する周波数に対する出力ゲインの変化を表す図である。 可動部の振動に応じた波形を表す図であり、（ａ）は２Ｈｚの振動波形、（ｂ）は６Ｈｚの振動波形、（ｃ）は合成された振動波形、（ｄ）は（ｃ）の波形をフーリエ変換した周波数スペクトルを示す。 （ａ）はサーボ制御がされたときの信号処理部の出力であり、（ｂ）はサーボ制御がされていないときの信号処理部の出力である。 （ａ）は振動を表す波形の時間的な変化、（ｂ）はサーボ電圧の時間的な変化、（ｃ）はサーボ制御が実施されたときの振動を表す波形の時間的な変化、である。 圧電薄膜型（ダイヤフラム型）のセンサ部の上面図及び断面図を示し、当該センサ部に対する信号処理部の接続関係を示す図である。 ピエゾ抵抗型（片持ち梁型）のセンサ部の上面図及び断面図を示し、当該センサ部に対する信号処理部の接続関係を示す図である。 静電容量型（トーション型）のセンサ部の上面図及び断面図を示し、当該センサ部に対する信号処理部の接続関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本発明の実施形態として示す物理量センサは、例えば図１に示すように構成されている。この物理量センサは、センサ部１に、当該センサ部１の動作を出力するための信号処理部２（物理量センサの信号処理回路）が接続されている。

センサ部１は、物理量に応じて変位する構造体を有する各種のセンサである。このセンサ部１は、構造体の変位に基づく物理量を計測する計測手段として機能する。センサ部１は、例えば図２に示すように、可動部１１、アンカー部１２、及び、バネ部１３を有する。バネ部１３は、一方端がアンカー部１２に接続され、他方端が可動部１１に接続されている。アンカー部１２は、バネ部１３の一方端を固定するよう構成されている。一方、可動部１１は、バネ部１３が両端部に接続される。これにより可動部１１はバネ部１３によって揺動自在に支持されている。このセンサ部１は、上下方向に可動部１１が振動するよう構成されている。

センサ部１における可動部１１は、後述するようにサーボ制御の対象となる。センサ部１は、可動部１１の近傍に、サーボ制御のためのサーボ電圧印加電極を配設している（図示せず）。物理量センサは、当該サーボ電圧印加電極に電圧を印加することによって、可動部１１の振動を抑制するフィードバック制御を行うことができる。

この可動部１１は、例えば圧力の変化、加速度の変化、角加速度の変化に応じて変位する。センサ部１は、静電容量検出方式、圧電検出方式、ピエゾ抵抗検出方式といった方式によって物理量を計測するよう構成されている。なお、この構造体の具体的な構成については後述する。

センサ部１は、例えば、可動部１１を含む構造体の空洞内圧力及び振動周波数に対して図３に示すように出力ゲインが変化する。

可動部１１は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術によって製造される小さなサイズである。よって、可動部１１が小さすぎるために周辺の空気の影響を受けやすい（エアダンピング効果）。つまり、高速に加速度を可動部１１に印加した場合、可動部１１の変位が加速度に対して遅れてしまう。高速な加速度の印加を繰り返した場合、加速度が可動部１１に印加されているのに、可動部１１が変位しない。これに対し、構造体周辺における空気密度を小さくすることで、可動部１１を動きやすくすることができる。すると、図３に示すように、特定の周波数（共振周波数）で可動部１１が共振してしまい、可動部１１が大きく変位してしまう。

本実施形態の物理量センサは、センサ部１における空洞内圧力を低くして可動部１１を振動しやすくする。また、物理量センサは、可動部１１の共振周波数に近い周波数まで可動部１１を振動させるよう設定されている。これに対し、本実施形態の物理量センサは、後述するようにサーボ制御を行うことによって、広い周波数帯域で安定した出力結果を得るようにする。

信号処理部２は、選択回路２１、信号変換回路２２、デジタル信号補正回路２３、信号出力回路２４、フーリエ変換回路２５（変換手段）、及び、サーボ制御回路２６を含む。信号処理部２は、例えばＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）によって実現できる。信号処理部２は、センサ部１により計測された物理量に所定の信号処理を施す。これにより信号処理部２は、物理量の時間変化を表す物理量データを生成する（信号処理手段）。

選択回路２１は、センサ部１における各部の物理量を検出するための複数の端子を含む。任意の端子間には、センサ部１の物理量の変化に応じた値のアナログ電圧が印加される。選択回路２１は、何れかの端子間に印加されたアナログ電圧値が信号変換回路２２によって読み取られる。

信号変換回路２２は、アンプ回路２２ａとＡ／Ｄ変換回路２２ｂ（ＡＤＣ）とを含む。選択回路２１の端子部間に印加された物理量の変化に応じたアナログ電圧値は、アンプ回路２２ａによって増幅される。増幅されたアナログ電圧値は、Ａ／Ｄ変換回路２２ｂによってデジタル値に変換される。このデジタル値は、センサ部１における物理量の変化に応じた物理量データである。この物理量データは、デジタル信号補正回路２３に供給される。

デジタル信号補正回路２３は、信号変換回路２２から供給された物理量データを補正する。例えば、デジタル信号補正回路２３は、個々のセンサ部１によって異なるオフセット値によって物理量データを補正する。センサ部１の感度が個体によって異なる場合、当該センサ部１の感度に応じたオフセット値が設定されている。補正された物理量データは、信号出力回路２４に供給される。

信号出力回路２４は、デジタル信号補正回路２３から供給された物理量データの形式を変換して、出力データにする。信号出力回路２４は、予め設定された形式（プロトコル）が設定されている。これにより、信号出力回路２４は、物理量データを、圧力、加速度、角加速度といった値として出力できる。

フーリエ変換回路２５は、信号出力回路２４から物理量データが供給される。フーリエ変換回路２５は、供給された物理量データに対してフーリエ変換を施す。これにより、フーリエ変換回路２５は、物理量データに含まれる周波数成分及び当該周波数成分ごとの強度を表す周波数成分データを取得する。この周波数成分データはサーボ制御回路２６に供給される。

サーボ制御回路２６は、フーリエ変換回路２５から周波数成分データが供給される。サーボ制御回路２６は、周波数成分データに基づいて、センサ部１における可動部１１を制御対象としてサーボ制御を行うサーボ制御手段として機能する。サーボ制御回路２６は、計測された物理量の変化とは逆位相のサーボ電圧を、センサ部１内のサーボ電圧印加電極に印加する。このとき、サーボ制御回路２６は、物理量の変化の周波数成分に可動部１１の共振周波数付近の周波数が含まれた場合における可動部１１の動きを抑制するようサーボ制御を行う。すなわち、サーボ制御回路２６は、センサ部１における可動部１１が当該可動部１１の共振周波数に近い周波数で振動している状態において、当該振動を抑制するようサーボ制御を行う。

例えば図４（ａ）に示す２Ｈｚの振動波形と図４（ｂ）に示す６Ｈｚの振動波形とを合成して図４（ｃ）に示す振動波形の物理量データがフーリエ変換回路２５に供給されたとする。この場合、フーリエ変換回路２５は、図４（ｄ）に示すように、２Ｈｚと６Ｈｚに出力値Ｐｓを含む周波数成分データを生成する。サーボ制御回路２６は、予め設定された周波数成分が２Ｈｚと６Ｈｚであり、図４（ｄ）に示す周波数成分データが供給されたことを検知した場合に、サーボ電圧印加電極に電圧を印加する。

サーボ制御回路２６は、可動部１１の振動を抑制するとき、可動部１１が振動している周波数とは逆位相となる電圧を各サーボ電圧印加電極に印加する。これにより、サーボ制御回路２６は、可動部１１の振動を抑制する。なお、このサーボ制御を行うことを判定する周波数は、可動部１１の共振周波数に近い周波数が予め設定されている。例えば図３に示したような出力ゲイン特性を有する場合、６３０Ｈｚに近い所定周波数が設定される。サーボ制御回路２６は、所定周波数以上となる成分が周波数成分データに含まれている場合に、可動部１１の振動に対して逆位相のフィードバック制御を実施する。

このように可動部１１の振動に対してサーボ制御を実施することによって可動部１１の振動は抑制される。これにより、図５（ａ）に示すように、信号処理部２の出力は略０となる。一方で、サーボ制御を実施しない場合（フィルタ無し）には、可動部１１が大きく振動することによって、図５（ｂ）に示すように、信号処理部２の出力上限及び出力下限を超えたために断続的に一定値となっている。

したがって、可動部１１の共振周波数に近い周波数で可動部１１が振動すると、例えば図６（ａ）に示すように大きな振幅の加速度変位が生ずる。これに対し、物理量センサは、所定の検知時間に亘って共振周波数に近い所定周波数を含む周波数成分データがフーリエ変換回路２５によって生成されたことを、サーボ制御回路２６によって判定する。この場合、サーボ制御回路２６は、図６（ｂ）に示すように、検知時間後に、加速度変位とは逆位相のサーボ電圧Ｖｆｂをサーボ電圧印加電極に印加する。これによりサーボ制御回路２６は、サーボ制御を実施する。このサーボ制御を実施すると、可動部１１は、振動を抑制するような応力が印加される。これにより、加速度変位は、図６（ｃ）に示すように、次第に減衰する。なお、図６（ｂ）は加速度変位が負方向になるタイミングで、逆位相の正方向にサーボ電圧を印加した例を示している。

以上のように、本実施形態として示す物理量センサによれば、センサ部１により計測された物理量の変化の周波数成分に可動部１１の共振周波数付近の周波数が含まれた場合における可動部１１の動きを抑制する。このために、物理量センサは、計測された物理量の変化とは逆位相のサーボ電圧をサーボ電圧印加電極に印加する。これにより、この物理量センサによれば、計測できる周波数帯域を可動部１１の共振周波数に近づけることができる。

より具体的には、物理量センサは、フーリエ変換回路２５によって得た周波数成分データに可動部１１の共振周波数付近の周波数が含まれていた時に、サーボ電圧印加電極にサーボ電圧を印加して、可動部１１の動きを抑制する。これによって、計測できる周波数帯域を可動部１１の共振周波数に近づいたことを検知して、可動部１１の振動が大きくなることを抑制できる。また、この物理量センサによれば、可動部１１が振動する周波数が共振周波数に近くなった時のみにサーボ制御を実施するので、常時サーボ制御を実施する必要なく消費電力を抑制できる。

また、上述した物理量センサにおいて、可動部１１が振動している周波数に拘わらず、常にサーボ制御を実施してもよい。この物理量センサは、信号出力回路２４から供給された物理量データによって可動部１１が動いたことを検出すると、当該可動部１１の動きを停止させる。このとき、物理量センサは、可動部１１の動きに対して逆位相のサーボ電圧をサーボ電圧印加電極に印加する。これにより、物理量センサは、常に可動部１１が振動しないようフィードバック制御する。

このようなフィードバック制御を実施しているときに、可動部１１が共振周波数付近の周波数で振動すると、可動部１１が振動する力が大きくなる。これに対し、サーボ制御回路２６は、フィードバック制御によってサーボ電圧を大きくすると、当該サーボ電圧が所定の閾値よりも大きくなる。このサーボ電圧が所定の閾値を超えたことを検出すると、サーボ制御回路２６は、可動部１１の動きを抑制するような大きなサーボ電圧をサーボ電圧印加電極に印加する。この大きなサーボ電圧は、常時印加しているサーボ電圧よりも段階的に大きな値である。これによって、センサ部１は、センサ部１により計測された物理量の変化の周波数成分に可動部１１の共振周波数付近の周波数が含まれた場合のように、可動部１１が大きく振動する際に、当該可動部１１の動きを抑制できる。

したがって、このような物理量センサは、計測できる周波数帯域を構造体の共振周波数に近づけることによって可動部１１の振動が大きくなっても、可動部１１の衝撃を抑制し、センサ部１の破壊や損傷等を抑制できる。

また、この物理量センサによれば、センサ部１の空洞内圧力を低く調整して、低周波数帯域から数百といった高周波数帯域に亘って可動部１１を振動させて、物理量を計測することができる。例えばセンサ部１の空洞内圧力を０．１Ｔｏｒｒ付近に調整した場合、可動部１１の共振周波数は６３０Ｈｚ付近である。この物理量センサは、数Ｈｚといった低周波数帯域から数百Ｈｚといった高周波数帯域まで計測範囲を広げる。物理量センサは、可動部１１の振動周波数が共振周波数に近い所定の周波数以上となることを検知すると、大きなサーボ電圧をサーボ電圧印加電極に印加して、可動部１１の振動を抑制できる。

また、物理量センサは、低周波数帯域から数百といった高周波数帯域まで計測範囲を広げ、可動部１１の振動を抑制するよう常時サーボ制御をする。そして、可動部１１の振動している周波数が共振周波数付近となって可動部１１の振動が大きくなると、段階的に大きなサーボ電圧をサーボ電圧印加電極に印加して、可動部１１の振動を停止させることができる。

以上より、本実施形態によれば、数Ｈｚといった低周波数帯域から数百Ｈｚといった高周波数帯域に亘って使用可能な物理量センサを実現できる。

つぎに、上述した物理量センサにおいてセンサ部１の具体的な構成例について説明する。

図７に示すセンサ部１は、圧電素子を有する圧電薄膜型のものである。この圧電薄膜型の物理量センサは、圧力、加速度又は角加速度の変化に応じて可動部１１が変位するものである。

このセンサ部１は、可動部１１、アンカー部１２、及び、バネ部１３によってダイヤフラム型センサを構成している。可動部１１に対して圧力、加速度、角加速度が印加されると、可動部１１と接続したバネ部１３が変形する。アンカー部１２、及び、バネ部１３を含む構造体上には、圧電薄膜１８（１８ａ、１８ｂ、１８ｃ）が形成されている。

圧電薄膜１８ａは、リファレンス用の圧電薄膜である。この圧電薄膜１８ａは、貫通配線ガラス１４を貫通した導体１６ａを介して端子１５ａに導通している。圧電薄膜１８ｂ、１８ｃは、物理量計測用の圧電薄膜である。圧電薄膜１８ｂは、バネ部１３上に円周状に形成されている。圧電薄膜１８ｃは、圧電薄膜１８ｂと接続され、バネ部１３からアンカー部１２に亘って形成されている。圧電薄膜１８ｃは、端部が導体１６ｃを介して端子１５ｃに導通している。この構成により、可動部１１の振動に応じたバネ部１３の変位を圧電薄膜１８ｃから検出した電圧によって検知可能である。

貫通配線ガラス１４の可動部１１側にはサーボ電圧印加電極１７が配設されている。このサーボ電圧印加電極１７は、可動部１１の表面全体に対向するような形状となっている。サーボ電圧印加電極１７は、貫通配線ガラス１４を貫通した導体１６ｂを介して端子１５ｂに導通している。サーボ電圧印加電極１７は、信号処理部２によって印加されたサーボ電圧に応じて可動部１１の振動を抑制するような応力を可動部１１に与える。

信号処理部２は、リファレンス用端子Ｖｒｅｆ、フィードバック用端子Ｖｆｂ、計測用端子Ｖｓｅｎｓ、接地端子ＧＮＤを備えている。センサ部１の端子１５ａはリファレンス用端子Ｖｒｅｆに接続されている。センサ部１の端子１５ｃは計測用端子Ｖｓｅｎｓに接続されている。センサ部１の端子１５ｂはフィードバック用端子Ｖｆｂに接続されている。貫通配線ガラス１４上の端子１５ｄは接地端子ＧＮＤに接続されている。

これにより、信号処理部２は、リファレンス用端子Ｖｒｅｆと接地端子ＧＮＤとの間のリファレンス電圧を検出する。信号処理部２は、計測用端子Ｖｓｅｎｓと接地端子ＧＮＤとの間の計測電圧を検出する。これにより信号処理部２は、圧電薄膜１８ｃにより検出された電圧の変化を検出する。信号処理部２は、センサ部１が計測している物理量を取得し、上述した処理によって物理量データを出力できる。また、信号処理部２は、フィードバック用端子Ｖｆｂと接地端子ＧＮＤとの間に電圧を印加することによって、サーボ電圧印加電極１７にサーボ電圧を印加できる。これにより、信号処理部２は、可動部１１の振動を抑制するようなフィードバック制御を行うことができる。

なお、この圧電薄膜型のセンサ部１は、圧電薄膜１８から検出された電圧の変化のみならず、ピエゾ素子の抵抗の変化又は静電容量の変化の何れかと組み合わせたものであってもよい。また、この圧電薄膜型のセンサ部１は、圧電薄膜１８から検出した電圧の変化に加え、ピエゾ素子の抵抗の変化、静電容量の変化の双方の組み合わせによって物理量を検出するものであってもよい。

図８に示す物理量センサは、ピエゾ抵抗素子を有するピエゾ抵抗型のものである。このピエゾ抵抗型の物理量センサは、圧力、加速度又は角加速度の変化に応じて可動部１１が変位するものである。

この物理量センサは、可動部１１の片方をバネ部１３によって支持した片持ち梁型のものである。可動部１１は、可動部１１の上下方向に揺動可能となっている。これにより、可動部１１は、圧力、加速度、角加速度に応じて変位する。アンカー部１２及びバネ部１３上には、ピエゾ抵抗素子１９（１９ａ、１９ｂ）が形成されている。

ピエゾ抵抗素子１９ａは、リファレンス用である。このピエゾ抵抗素子１９ａは、導体１６ａを介して端子１５ａに導通している。ピエゾ抵抗素子１９ｂは、可動部１１の振動に応じた物理量計測用のピエゾ抵抗である。ピエゾ抵抗素子１９ｂは、バネ部１３上の一部のみに形成されている。ピエゾ抵抗素子１９ｂは、端部が導体１６ｃを介して端子１５ｃに導通している。この構成により、可動部１１の振動に応じたバネ部１３の変位をピエゾ抵抗素子１９ｂの抵抗変化によって検知可能である。また、貫通配線ガラス１４上には、計測用の端子１５ｄ、リファレンス用の端子１５ｅが設けられている。

サーボ電圧印加電極１７は、図７のセンサ部１と同様に、貫通配線ガラス１４の可動部１１側に配設されている。

信号処理部２は、リファレンス用端子Ｖｒｅｆ−、フィードバック用端子Ｖｆｂ、計測用端子Ｖｓｅｎｓ−、計測用端子Ｖｓｅｎｓ＋、リファレンス用端子Ｖｒｅｆ＋を備えている。センサ部１の端子１５ａはリファレンス用端子Ｖｒｅｆ−に接続されている。センサ部１の端子１５ｅはリファレンス用端子Ｖｒｅｆ＋に接続されている。信号処理部２は、リファレンス用端子Ｖｒｅｆ＋とリファレンス用端子Ｖｒｅｆ−との間の電圧を検知できる。この電圧はリファレンス電圧となる。センサ部１の端子１５ｃは計測用端子Ｖｓｅｎｓ−に接続されている。センサ部１の端子１５ｄは計測用端子Ｖｓｅｎｓ＋に接続されている。信号処理部２は、計測用端子Ｖｓｅｎｓ＋と計測用端子Ｖｓｅｎｓ−との間の電圧を検知できる。この電圧はセンサ部１により検知されるピエゾ抵抗素子１９ｂの抵抗値に応じた値となる。したがって、この電圧は物理量に応じた値となる。信号処理部２は、リファレンス電圧と物理量に応じた電圧とから、物理量データを生成できる。

信号処理部２は、フィードバック用端子Ｖｆｂと接地端子（Ｖｓｅｎｓ＋又はＶｒｅｆ＋）との間に電圧を印加することによって、サーボ電圧印加電極１７にサーボ電圧を印加できる。これにより、信号処理部２は、可動部１１の振動を抑制するようなフィードバック制御を行うことができる。

このように、信号処理部２は、ピエゾ抵抗素子１９ｂの抵抗値変化に応じた物理量の変化を検出して物理量データを出力できる。また、信号処理部２は、サーボ電圧印加電極１７にサーボ電圧を印加して可動部１１の振動を抑制するようなフィードバック制御を行うことができる。

なお、このピエゾ抵抗型のセンサ部１は、ピエゾ抵抗素子１９における抵抗の変化のみならず、圧電薄膜から検出された電圧の変化又は静電容量の変化の何れかと組み合わせたものであってもよい。また、このピエゾ抵抗型のセンサ部１は、ピエゾ抵抗素子１９における抵抗の変化に加え、圧電薄膜から検出された電圧の変化、静電容量の変化の双方の組み合わせによって物理量を検出するものであってもよい。

図９に示す物理量センサは、静電容量を検出する静電容量型（トーション型）のものである。この静電容量型の物理量センサは、圧力、加速度又は角加速度の変化に応じて可動部１１が変位するものである。

この物理量センサは、可動部１１の中央をビーム部１３’によって支持したものである。図中のＡ−Ａ’を軸としてビーム部１３’が捻れ、可動部１１が図中のＢ−Ｂ’方向に揺動可能となっている。これにより、可動部１１は、圧力、加速度、角加速度に応じ、貫通配線ガラス１４に対して傾く。

貫通配線ガラス１４の可動部１１側には、Ｂ−Ｂ’方向にビーム部１３’を挟んで２つの測定電極２０ａ、２０ｂが形成されている。可動部１１がＢ−Ｂ’方向に傾くことによって、測定電極２０ａと可動部１１との間の静電容量及び測定電極２０ｂと可動部１１との間の静電容量が変化する。測定電極２０ａ、２０ｂは、貫通配線ガラス１４を貫通する導体１６ｄ、１６ｅを介して端子１５ｄ、１５ｅと接続されている。

サーボ電圧印加電極１７（１７ａ、１７ｂ、１７ｃ）は可動部１１の下部に配置された回路基板３０上に形成されている。サーボ電圧印加電極１７ａ、１７ｂは、可動部１１を介して測定電極２０ａ、２０ｂに対向して配置されている。サーボ電圧印加電極１７ａ、１７ｂは、フィードバック制御時に、サーボ電圧が印加される。サーボ電圧印加電極１７ｃは、端子１５a、１５cと電極１７a、１７bを接続する配線である。これらのサーボ電圧印加電極１７は、回路基板３０、貫通配線ガラス１４を介して端子１５ａ、１５ｃと接続されている。

信号処理部２は、計測用端子Ｃ１、Ｃ２、比較用端子Ｃｃｏｍ、フィードバック用端子Ｖｆｂ１、ｆｂ２を備えている。センサ部１の端子１５ｄ、１５ｅは計測用端子Ｃ１、Ｃ２と接続されている。比較用端子Ｃｃｏｍは端子１５ｂと接続されている。フィードバック用端子Ｖｆｂ１、Ｖｆｂ２は端子１５ｃ、１５ａと接続されている。

信号処理部２は、端子１５ｄと計測用端子Ｃ１間に印加されている電圧によって測定電極２０ａと可動部１１との間の静電容量を計測する。信号処理部２は、端子１５ｅと計測用端子Ｃ２間に印加されている電圧によって測定電極２０ｂと可動部１１との間の静電容量を計測する。信号処理部２は、端子１５ｂと比較用端子Ｃｃｏｍとの間の比較用静電容量を計測する。信号処理部２は、それぞれの計測した静電容量と、比較用静電容量とに基づいて、可動部１１の傾きに応じた物理量データを取得する。

信号処理部２は、サーボ制御時に、フィードバック用端子Ｖｆｂ１、Ｖｆｂ２を介して端子１５ａ、１５ｃに電圧印加を実施する。これにより、信号処理部２は、サーボ電圧印加電極１７（１７ａ、１７ｂ、１７ｃ）にサーボ電圧を印加する。サーボ電圧が印加されたサーボ電圧印加電極１７ａ、１７ｂは、可動部１１の揺動を抑制するような応力を可動部１１に与える。これによって、信号処理部２は、可動部１１の振動を抑制するフィードバック制御を行うことができる。

このように、信号処理部２は、静電容量の変化に応じた物理量の変化を検出して物理量データを出力できる。また、信号処理部２は、サーボ電圧印加電極１７にサーボ電圧を印加して可動部１１の振動を抑制するようなフィードバック制御を行うことができる。

なお、この静電容量型のセンサ部１は、静電容量の変化のみならず、圧電薄膜から検出された電圧の変化又はピエゾ抵抗における抵抗の変化の何れかと組み合わせたものであってもよい。また、この静電容量型のセンサ部１は、静電容量の変化に加え、圧電薄膜から検出された電圧の変化、ピエゾ抵抗における抵抗の変化の双方の組み合わせによって物理量を検出するものであってもよい。

上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

１ センサ部（計測手段）
２ 信号処理部（信号処理手段、サーボ制御手段）
１１ 可動部（構造体）
１２ アンカー部（構造体）
１３ バネ部（構造体）
１３’ ビーム部（構造体）
１７（１７ａ、１７ｂ、１７ｃ） サーボ電圧印加電極（サーボ制御手段）
１８（１８ａ、１８ｂ、１８ｃ） 圧電薄膜
１９（１９ａ、１９ｂ） ピエゾ抵抗素子
２０ａ、２０ｂ 測定電極
２２ 信号変換回路（信号処理手段）
２３ デジタル信号補正回路（信号処理手段）
２５ フーリエ変換回路（変換手段）
２６ サーボ制御回路（サーボ制御手段）

Claims (9)

1. 構造体の変位に基づく物理量を計測する計測手段と、
   前記計測手段により計測された物理量に所定の信号処理を施して、当該物理量の時間変化を表す物理量データを生成する信号処理手段と、
   前記信号処理手段により生成された物理量データの周波数成分に前記構造体の共振周波数付近の周波数が含まれた場合における前記構造体の動きを抑制するように、前記計測された物理量の変化とは逆位相のサーボ電圧をサーボ電圧印加電極に印加するサーボ制御手段と
   を備えることを特徴とする物理量センサ。
2. 前記信号処理手段により生成された物理量データを周波数成分データに変換する変換手段を備え、
   前記サーボ制御手段は、前記変換手段により変換された周波数成分データに前記構造体の共振周波数に近い所定の周波数が含まれていた時に、前記サーボ電圧印加電極に前記サーボ電圧を印加して、前記構造体の動きを抑制すること
   を特徴とする請求項１に記載された物理量センサ。
3. 前記サーボ制御手段は、前記信号処理手段により生成された物理量データが表す物理量の時間変化に対し、当該変化とは逆位相のサーボ電圧を前記サーボ電圧印加電極に印加しているときに、当該サーボ電圧が所定の閾値よりも大きくなった場合に、前記構造体の動きを抑制するような大きなサーボ電圧を前記サーボ電圧印加電極に印加すること
   を特徴とする請求項１に記載された物理量センサ。
4. 前記計測手段は、圧力の変化に応じて前記構造体が変位するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の物理量センサ。
5. 前記計測手段は、圧電素子から検出された電圧の変化、ピエゾ素子の抵抗の変化、又は、静電容量の変化の何れか又はその組み合わせによって圧力を検出することを特徴とする請求項４に記載の物理量センサ。
6. 前記計測手段は、加速度の変化に応じて前記構造体が変位するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の物理量センサ。
7. 前記計測手段は、圧電素子から検出された電圧の変化、ピエゾ素子の抵抗の変化、又は、静電容量の変化の何れか又はその組み合わせによって加速度を検出することを特徴とする請求項６に記載の物理量センサ。
8. 前記計測手段は、角加速度の変化に応じて前記構造体が変位するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の物理量センサ。
9. 前記計測手段は、圧電素子から検出された電圧の変化、ピエゾ素子の抵抗の変化、又は、静電容量の変化の何れか又はその組み合わせによって角加速度を検出することを特徴とする請求項８に記載の物理量センサ。

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