JP3102320B2

JP3102320B2 - センサ装置

Info

Publication number: JP3102320B2
Application number: JP07275046A
Authority: JP
Inventors: 博史後藤; 稔坂田
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 2000-10-23
Anticipated expiration: 2015-09-29
Also published as: JPH0996552A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】この発明は，温度，湿度，気圧（圧力），
加速度等の複数種類の環境情報を検知するセンサ装置に
関する。

【０００２】

【背景技術】温度，湿度，圧力，加速度等を検出するセ
ンサ装置として次のようなものが知られている。

【０００３】(1) 温度センサ熱電対やサーミスタを用いたものが主である。水晶振動
子の温度変化による発振周波数変化に基づいて温度を検
知するものもある。

【０００４】(2) 温度センサ多孔質セラミックや高分子ポリマで構成された電気抵抗
式のものや，アルミニウム陽極酸化膜を用いた電気容量
式のものなどがある。最近ではＦＥＴ型湿度センサも開
発されている。

【０００５】(3) 圧力センサ基準圧力と被検出圧力の差圧によってダイアフラムを変
形させ，その変形量を静電容量の変化として，または歪
みゲージで検出するものが主である。

【０００６】(4) 加速度センサ重りに加わった加速度によって力を発生させ，その力を
電圧素子で検出するもの，発生した力によって弾性体を
変形させ，弾性体の変形を静電容量の変化として，また
は歪みゲージで検出するもの等がある。

【０００７】いずれにしても従来のセンサ装置は，一種
類の情報（一種類の物理量）しか得ることはできない。
センサ装置は，加工技術等の進展によって高精度化，小
型化が図られている。他方，複数種類の環境情報を複合
的に処理して感覚にマッチした情報に変換することが考
えられている（たとえば温度と湿度とを検出し，これら
に基づいて不快指数を求める）。このような試みのため
には各種の情報を検出するセンサ装置を測定装置に組込
む必要がある。上述したように各センサ装置の検出原理
がそれぞれ異なっており，一つのセンサ装置では一種類
の情報しか得られないので，検出すべき環境情報の種類
数と同じ数のセンサ装置が必要となる。このため，測定
装置全体としては大型化してしまう。

【０００８】

【発明の開示】この発明は，一つで複数種類の物理量を
検出することができるセンサ装置を提供することを目的
とする。

【０００９】この発明によるセンサ装置は，少なくとも
一つの周波数において共振振動する振動子，上記振動子
を加振する加振手段，上記加振手段によって加振された
上記振動子の振動を，その振動を表わす電気信号に変換
する振動検出手段，上記振動検出手段から得られる電気
信号に基づいて，上記振動子の少なくとも二種類の別個
の共振特性をそれぞれ表わす少なくとも二つの特性信号
をつくる特性抽出手段，および上記特性抽出手段から得
られる少なくとも二つの上記特性信号に基づいて少なく
とも二つの物理量を表わす出力信号をつくる処理手段を
備えている。

【００１０】上記加振手段は，一実施態様では圧電素子
である。他の実施態様においては上記加振手段は，上記
振動子に設けられた第１の電極と，上記第１の電極に間
隙をおいて対向する位置に設けられた第２の電極とから
構成され，両極間に生じる静電気力によって振動子を加
振するものである。

【００１１】加振方法の観点からいうと，一実施態様に
おいては，上記加振手段は上記振動子を振動子のもつ共
振周波数を含む振動周波数で加振するものである。

【００１２】他の実施態様においては，上記加振手段
は，上記振動子を振動子のもつ共振周波数を含む周波数
範囲で，周波数を掃引しながら一定振幅で加振するもの
である。

【００１３】さらに他の実施態様においては，上記加振
手段は上記振動子に矩形波振幅を与えるものである。

【００１４】この発明において共振特性とは共振周波数
や減衰特性（共振振幅）などを指す。

【００１５】一般に温度変化によって振動子が熱膨脹ま
たは熱収縮するので振動子の共振周波数が変化する。湿
度変化によって振動子に吸着するまたは吸収される水分
の量が変化し，共振周波数が変化する。振動子に加えら
れる圧力，すなわち気圧は振動子の減衰特性に強く影響
を及ぼす。この発明はこのような現象を利用して一つの
振動子で少なくとも二種類以上の物理量を検出してい
る。

【００１６】たとえば，振動子の共振周波数の変化に基
づいて温度が検知される。振動子の減衰特性の変化に基
づいて気圧が検出される。振動子の異なる２つの共振周
波数に基づいて温度と湿度とが検出される。

【００１７】このようにして，この発明によると，一つ
のセンサ装置で複数種類の物理量の検知が可能となる。

【００１８】好ましくは，上記振動子の振動部がこの振
動部を弾性的に支持する弾性変形部の中心軸に対して非
対称に形成される。これによって，振動子は中心軸に直
交する方向に曲げ変形する曲げ変形モードと，中心軸の
回りにねじれ変形するねじれ変形モードの少なくとも２
つの共振振動モードをもつことになる。

【００１９】このような振動子を用いることによって，
振動子の熱膨脹による一つの共振周波数の変化から温度
が検出される。検出された温度を考慮して，他の共振周
波数の変化に基づいて湿度が検出される。この振動子の
振動振幅（減衰特性）の変化に基づいて気圧が検知され
る。

【００２０】好ましくは上記吸湿性部材が，上記振動部
の上記中心軸の延長線上に設けられる。これにより湿度
変化による共振周波数の変化を曲げ変形モードで顕著に
起こさせることができ，かつねじれ変形モードの共振周
波数は湿度によってほとんど変化しないので，温度と湿
度とを分離して，湿度を高精度に検出できるようにな
る。

【００２１】好ましくは，上記振動部の上記吸湿性部材
が設けられた付近に，吸着した水分が蒸発する時間を短
縮させるための発熱源が設けられる。

【００２２】上記振動部の一部または全体に複数の穴を
設けてもよい。複数の穴を形成することによって振動部
の表面積が増加するので，吸湿性部材を設けた場合と同
様に湿度に対して高感度の検知が可能となる。

【００２３】他の実施態様においては，上記振動部の一
部または全体に凹凸が設けられる。表面に形成された凹
凸によって空気流が乱流化されるため，より大きな空気
抵抗を受けることとなり，気圧変化に対して感度を高め
ることができる。またこの凹凸によって表面積が増加す
るので吸湿面積が増え，湿度変化に対しても感度を高め
ることができる。

【００２４】さらに他の実施態様においては，少なくと
も振動子の一部が熱膨脹係数の異なる複数種類の材料に
よって形成される。温度変化が生ずると，材料の熱膨脹
係数の違いから弾性変形部に応力（そり）が発生し，こ
の応力によって弾性変形部の剛性が変化するため，温度
に対する検知感度の向上を図ることができる。

【００２５】振動部の振動状態の検出は，一実施態様に
おいては，上記弾性変形部に少なくとも１つの歪み検出
素子を設け，上記歪み検出素子の抵抗値の変化に基づい
て行う。好ましくは，この歪み検出素子はシリコン基板
上にｐ型またはｎ型不純物の拡散によって形成されたピ
エゾ抵抗素子である。さらに好ましくは，少なくとも１
つのピエゾ抵抗素子が弾性変形部の軸方向に対して45度
傾いて形成される。弾性変形部の軸方向に対して45度傾
いた方向にピエゾ抵抗素子を配置すると，弾性変形部の
ねじり振動に対して最も感度が高くなるので，高精度の
ねじり振動の検知が可能となる。

【００２６】他の実施態様においては，上記振動部の少
なくとも一面が鏡面とされ，この鏡面に光ビームが投射
され，鏡面によって反射された光ビームの位置を検出す
ることに基づいて振動部の振動状態が検出される。

【００２７】さらに他の実施態様においては，上記振動
部に圧電素子と重りが設けられ，上記圧電素子が上記重
りから受ける応力の大きさに基づいて振動部の振動状態
が検出される。

【００２８】さらに他の実施態様においては，上記振動
部に可動電極が設けられ，上記可動電極に対向する位置
に固定電極が設けられ，上記可動電極と上記固定電極と
の間の静電容量変化に基づいて振動部の振動状態が検出
される。

【００２９】この発明によるセンサ装置は，光ビームの
スキャニングに応用できる上記振動部の一面が鏡面とさ
れる。この鏡面に光ビームが投射される。振動部の振動
によって鏡面から反射される光ビームが走査される。走
査された光が被検出物に当る。被検出物によって反射さ
れた光を受光する受光素子を設けることにより，物体検
知も可能となる。

【００３０】

【実施例】

第１実施例図１は第１実施例によるセンサ装置を示す斜視図，図２
は図１に示すセンサ装置の弾性変形部付近の拡大斜視
図，図３は振動子の曲げ変形モードを示す斜視図，図４
は振動子のねじれ変形モードを示す斜視図である。

【００３１】このセンサ装置は，温度，湿度および気圧
（圧力）を検出するものである。

【００３２】センサ装置は，単結晶シリコン等から形成
される振動子１と，振動子１に高周波振動を印加するた
めの加振装置２とを含む。振動子１は，振動部11と，加
振装置２に固定された固定部12と，これらを連結する細
長い弾性変形部（トーションばね）13とから構成され，
好ましくはアルカリ系エッチング液による高精度な垂直
エッチングによって一体的に形成される。

【００３３】加振装置２による振動方向をＸ方向とす
る。振動子１の弾性変形部13はＸ方向と直交する方向に
のびている。この弾性変形部13の長手方向をＺ方向とす
る。ＸおよびＺ方向にそれぞれ直交する方向をＹ方向と
する。

【００３４】振動部11は弾性変形部13の中心線（Ｚ軸）
に関して非対称な形状をしている。したがって振動部11
の重心はＺ軸からＹ方向に外れた位置にある。振動部11
の表面には，高分子膜等の吸湿性に優れた薄膜14が，Ｚ
軸に沿って形成されている。

【００３５】加振装置２によって振動が加えられること
により，弾性変形部13はＸ方向に曲がるとともに，振動
部11がＺ軸に関して非対称となっているのでＺ軸を中心
にねじれる。すなわち，弾性変形部13はＹ軸（第１の回
転軸）回りに曲がる曲げ変形モード（θ_B方向）（図３
参照）と，Ｚ軸（第２の回転軸）回りにねじれるねじれ
変形モード（θ_T方向）（図４参照）の２つの共振振動
モードを有している。曲げ変形モードにおける共振周波
数をｆ_B，ねじれ変形モードにおける共振周波数をｆ_T
とする。

【００３６】固定部12との接続部分付近において，弾性
変形部13上に，振動子１の振動状態を検知するために２
個の歪み検出素子（歪みゲージ）16ａ，16ｂが設けられ
ている。歪み検出素子16ａ，16ｂは，好ましくはｐ型ま
たはｎ型不純物の拡散によって形成されたピエゾ抵抗素
子である。歪み検出素子16ａが，Ｚ軸に沿って配置さ
れ，弾性変形部13のＹ軸回りの曲げ変形の検出に用いら
れる。歪み検出素子16ｂは，Ｚ軸に対して45度傾いて配
置され，Ｚ軸回りのねじれ変形の検出に用いられる。歪
み検出素子16ａ，16ｂは配線パターン15によって，固定
部12上に形成された外部接続電極17にそれぞれ接続され
ている。歪み検出素子16ａ，16ｂが出力する振動子１の
振動を表す電気信号は，外部接続電極17を介して解析装
置３に与えられる。解析装置３は後述するように入力す
る信号から共振周波数，および振幅を表すデータを検出
する。これらのデータに基づいて処理装置４において温
度，湿度，気圧（圧力）を表す環境情報量が得られ，外
部へ出力される。

【００３７】加振装置２は振動子１をあらかじめ定めら
れた一方向（Ｘ方向）に加振するものであり，好ましく
は積層型の圧電素子（圧電アクチュエータ）が用いられ
る。加振装置２は駆動装置５によって駆動される。

【００３８】上述したように，弾性変形部13はＹ軸回り
に曲がる曲げ変形モード（θ_B方向）とＺ軸回りにねじ
れるねじれ変形モード（θ_T方向）の２つの共振振動モ
ードを有しているので，これらの共振振動モードの共振
周波数ｆ_B，ｆ_Tの両方の成分を含む振動を加振装置２
で発生させることにより（後に詳述する），弾性変形部
13がこれらの共振周波数に共振する。

【００３９】図５は，振動子１の共振特性を表すグラフ
であり，横軸は周波数ｆを，縦軸は弾性変形部13の共振
振幅Ａをそれぞれ示している。

【００４０】振動子１は曲げ変形モード（θ_B 方向）の
振動の共振周波数ｆ_B と，ねじれ変形モード（θ_T 方
向）の振動の共振周波数ｆ_T の２つの共振点（振動振幅
Ａが最大となる点）を有している。共振周波数ｆ_T は周
囲温度の変化に応じてシフトする。共振周波数ｆ_B は周
囲温度の変化および周囲の湿度の変化に応じてシフトす
る。共振周波数ｆ_T とｆ_B における振幅Ａは周囲圧力
（気圧）の変化によって増減する（図５では共振周波数
ｆ_B における振幅変化のみが図示されている）。このよ
うな共振周波数ｆ_T ，ｆ_B の変化，および振幅の変化に
基づいて温度，湿度および気圧が，以下に詳述するよう
にして検知される。

【００４１】この振動子１において，弾性変形部13のば
ね剛性をｋ，回転軸（Ｙ軸またはＺ軸）のまわりの回転
慣性モーメントをＩ，振動子１の周囲の気体（空気）の
粘性係数をｃとすると，振動子１の共振周波数ｆと減衰
比ζは次式で表される。

【００４２】ｆ＝１／２π・（ｋ／Ｉ）^1/2 …式１

【００４３】 ζ＝ｃ／（Ｉ／ｋ）^1/2 …式２

【００４４】ここで回転慣性モーメントＩは，一般に質
量をｍ，回転半径をｒとすると，Ｉ＝ｍｒ² …式３と表される。

【００４５】振動子１の周囲の温度が変化した場合，振
動子１は熱膨脹（または熱収縮）する。これにより振動
子１の振動部11，固定部12および弾性支持部13の相対的
な位置関係が変化し，共振振動の回転半径ｒが変化す
る。式３により回転慣性モーメントＩが変化し，式１に
より共振周波数ｆ（ｆ_B，ｆ_T）が変化する。

【００４６】図６は振動子１の周囲の温度と振動子１の
共振周波数ｆ_Tとの関係を表すグラフである。グラフに
示すように，温度が上昇すると共振周波数ｆ_Tは低下す
る傾向がある。振動子１の共振周波数ｆ_Tを計測するこ
とによって，このグラフから振動子１の周囲の温度を検
知することが可能となる。

【００４７】振動子１の周囲の湿度が変化した場合，振
動部11上にＺ軸（第２の回転軸）に沿って設けられた吸
湿性薄膜14に水分が吸着する，または吸湿性薄膜14に吸
着していた水分が離脱すことによって，この薄膜14の質
量が変化する。この質量変化によって式３から回転慣性
モーメントＩが変化し，式１に基づき共振周波数ｆの変
化が引き起こされる（湿度が変化することによって空気
の粘性係数ｃが変化し，これによって慣性モーメントＩ
が変化することによる影響は無視できるものとする）。
ここで質量の変化量（これは微小量である）をΔｍ，回
転軸から質量が変化した後の振動子１の重心までの距離
をＬとすると，回転慣性モーメントの変化量ΔＩは次式
で表される。

【００４８】 ΔＩ＝Δｍ・Ｌ² …式４

【００４９】回転軸から重心までの距離Ｌが回転慣性モ
ーメントＩの変化ΔＩに与える影響が大きいことが式４
から分る。吸湿性薄膜14はその中心をＺ軸（第２の回転
軸）上に一致させて設けられているので，Ｚ軸回りの振
動（ねじれ変形モード）の共振周波数ｆ_Tは湿度変化に
ほとんど影響を受けない。他方，吸湿性薄膜14はＹ軸
（第１の回転軸）から遠く離れているので，Ｙ軸回りの
振動（曲げ変形モード）の共振周波数ｆ_Bは湿度変化に
よって大きく変化する。

【００５０】共振周波数ｆ_T は湿度の影響を受けないと
考えてよいので，上述したように，この共振周波数ｆ_T
に基いて温度の検知が可能である。共振周波数ｆ_B は温
度変化と湿度変化の両方の影響を受けて変化する。共振
周波数ｆ_B の変化分から温度に起因する変化分を差引け
ば，その差は湿度の変化によるものである。図７は共振
周波数ｆ_B の湿度に起因する変化を示すものである。共
振周波数ｆ_B を計測し，計測した共振周波数を温度に応
じて補正すれば，補正した後の共振周波数に基づいて湿
度を検知することができる。

【００５１】振動子１の周囲の気圧が変化した場合，振
動子１の周囲の気体（空気）粘性係数ｃが変化し，式２
より減衰比ζが変化する。したがって，振動子１の減衰
比ζの変化を検知することによって，振動子１の周囲の
気圧変化を検知することができる。

【００５２】振動子１の振動振幅をＡ，加振振幅を
Ａ_O，振動周波数をω_n，加振周波数をωとすると，次
式が成立つ。

【００５３】Ａ＝Ａ_O／〔｛１−（ω／ω_n）²｝²＋｛２ζ（ω／ω_n）²｝²〕^1/2 …式５

【００５４】ω＝ω_nとすると，Ａ＝Ａ_O／２ζ …式６を得る。

【００５５】減衰比ζは振動振幅Ａおよび加振振幅Ａ_O
から求めることができる。すなわち，振動振幅Ａを計測
することによって減衰比ζを求めることができる。

【００５６】図８は振動子１の周囲の気圧と振動子１の
振動振幅Ａとの関係を表すグラフである。グラフに示す
ように，気圧が上昇するにつれて振動振幅Ａは低下する
ので，振動振幅Ａの変化を計測することによって，振動
子１の周囲の気圧変化を検知することができる。

【００５７】図９は解析装置３および駆動装置５の具体
的構成例を示すものである。

【００５８】振動子１の２つの共振周波数ｆ_Bとｆ_Tと
を含む一定振幅の駆動信号によって加振装置２は連続的
に駆動される。そして，次に示すような駆動信号の周波
数制御が行なわれる。

【００５９】図10は加振装置２に与えられる駆動信号の
波形と，振動子１の振動を表わす振動波形の関係を示し
ている（共振周波数ｆ_B，ｆ_Tのいずれか一方の成分の
みを示す）。振動子１の振動波形をモニタしておき，こ
の波形が駆動信号の波形よりも常に位相がπ／２遅れる
ように加振制御が行なわれる。このような制御が行なわ
れている状態において加振装置２に与えられる駆動信号
の周波数から，振動子１の共振周波数を間接的に求める
ことができる。

【００６０】駆動装置５は２つの電圧制御発振器31ａお
よび31ｂを備えている。電圧制御発振器31ａは曲げ変形
モードの共振周波数ｆ_Bをもつ信号を発生するものであ
り，電圧制御発振器31ｂはねじれ変形モードの共振周波
数ｆ_Tをもつ信号を発生するものである。これらの発振
器31ａ，31ｂの発振周波数は振動子１の現実の共振周波
数ｆ_B，ｆ_Tに一致するように解析装置３によって制御
される。

【００６１】これらの発振器31ａと31ｂの出力信号は加
算器32で加算され（単に重畳すればよい），増幅器33に
与えられる。増幅器33は入力信号を増幅するとともに，
その出力信号の振幅が常に一定になるようにフィードバ
ック制御するものである。増幅器33の出力信号は駆動信
号として加振装置２に与えられる。このようにして，振
動子１の現実に生起している２つの共振周波数を含みか
つ一定振幅の駆動信号によって加振装置２が連続的に駆
動されることになる。

【００６２】振動子１を連続して加振することは，振動
子１の疲労破壊，加振装置２の寿命および消費電力の浪
費につながるので，必要最小限の使用頻度になるよう間
欠的に駆動することが好ましい。

【００６３】電圧制御発振器31ａおよび31ｂの発振出力
はまた周波数／電圧（ｆ／Ｖ）変換回路26ａおよび26ｂ
に与えられ，その周波数を表わす電圧信号に変換され
る。これらの電圧信号は共振周波数ｆ_B，ｆ_Tを表わす
ものとして処理装置４に入力する。発振周波数の検出は
発振出力を２値化し，この２値信号をカウンタで計数す
ることによっても行うことができる。

【００６４】振動子１の振動によって歪み検出素子16ａ
および16ｂの抵抗が変化する。これらの抵抗変化は電圧
信号として取出され，それぞれ増幅器21ａおよび21ｂに
与えられる。増幅器21ａに入力する電圧信号は曲げ変形
共振周波数ｆ_Bの成分を含んでいる。増幅器21ｂに入力
する電圧信号はねじれ変形共振周波数ｆ_Tの成分を含ん
でいる。

【００６５】これらの共振周波数ｆ_B，ｆ_Tは上述した
ように温度または湿度の変化によって変化する。温度お
よび湿度の測定レンジ内において共振周波数ｆ_Bが変化
する範囲を充分にカバーする範囲の通過帯域をもつバン
ドパス・フィルタ（ＢＰＦ）22ａと，温度の測定レンジ
内において共振周波数ｆ_Tが変化する範囲を充分にカバ
ーする範囲の通過帯域をもつバンドパス・フィルタ（Ｂ
ＰＦ）22ｂとが設けられている。増幅器21ａおよび21ｂ
の出力信号はそれぞれこれらのＢＰＦ22ａおよび22ｂを
経て位相遅延回路23ａおよび23ｂに与えられる。位相遅
延回路23ａは入力する共振周波数ｆ_Bをもつ信号の位相
を３π／２遅らせるものである。位相遅延回路23ｂは入
力する共振周波数ｆ_Tをもつ信号の位相を３π／２遅ら
せるものである。

【００６６】遅延回路23ａの出力信号および電圧制御発
振器31ａの発振出力は位相比較器24ａに与えられる。位
相比較器24ａの出力電圧はこれらの入力する２つの信号
の位相差を表わしており，ローパス・フィルタ（ＬＰ
Ｆ）25ａを経て電圧制御発振器31ａに与えられる。電圧
制御発振器31ａは，この電圧信号によって，位相比較器
24ａに入力する遅延回路23ａの出力信号と位相が一致し
た（周波数も一致している）信号を発振するように制御
される。このようにして，電圧制御発振器31ａの発振出
力は，振動子１の実際の曲げ変形共振周波数ｆ_Bの信号
よりも位相がπ／２進んだものとなる。

【００６７】同じように，遅延回路23ｂの出力信号およ
び電圧制御発振器31ｂの発振出力が位相比較器24ｂに与
えられる。位相比較器24ｂの出力電圧はローパスフィル
タ（ＬＰＦ）25ｂを経て電圧制御発振器31ｂにフィード
バックされる。これによって，電圧制御発振器31ｂの発
振出力は，振動子１の現実のねじれ変形共振周波数ｆ_T
の信号よりも位相がπ／２進んだものとなる。

【００６８】曲げ変形共振周波数ｆ_Bを含むＢＰＦ22ａ
の出力信号はピーク検出回路27に与えられる。ピーク検
出回路27はこの信号のピーク・レベル（振幅の最大値）
を検出し，検出したピーク・レベルを表わす信号を出力
する。ピーク・レベル検出信号は処理装置４に与えられ
る。ピーク検出回路によってＢＰＦ22ｂの出力信号のピ
ーク・レベルを検出してもよい。

【００６９】処理装置４は好ましくはマイクロプロセッ
サまたはコンピュータ・システム（以下，ディジタル処
理装置という）を含む。ｆ／Ｖ変換回路26ａ，26ｂおよ
びピーク検出回路27から出力されるアナログ信号はディ
ジタル信号に変換されたのちディジタル処理装置に与え
られる。

【００７０】ディジタル処理装置は，図６に示すよう
な，温度と共振周波数ｆ_Tとの関係を示すテーブルを記
憶している。このテーブルは振動子１を加振しながら温
度を変えて共振周波数ｆ_Tを測定することによりあらか
じめ作成される。ディジタル処理装置において，このテ
ーブルを参照して，ｆ／Ｖ変換回路26ｂから得られる共
振周波数ｆ_Tに対応する温度が導き出される。

【００７１】図７に示すような湿度と補正共振周波数と
の関係を示すテーブルがあらかじめ作成され，ディジタ
ル処理装置に設定されている。ディジタル処理装置はｆ
／Ｖ変換回路26ａによって検出された共振周波数ｆ_Bか
ら，既に得られた温度における周波数変化分を差引き，
補正共振周波数を得る。この補正共振周波数に基づいて
上記のテーブルを参照して湿度が導き出されることにな
る。

【００７２】図８に示すような気圧と振幅との関係を示
すテーブル（共振周波数ｆ_B，ｆ_Tのうちの少なくとも
いずれか一方についてあればよい；図９にあわせるなら
ば共振周波数ｆ_Bについてあればよい）があらかじめ作
成され，ディジタル処理装置に設定されている。ピーク
検出回路27から得られる振幅に基づいて，上記テーブル
を参照して気圧が得られる。

【００７３】解析装置３，処理装置４および駆動装置５
を次のように構成することもできる。

【００７４】図11(A) に示すように，加振装置に与える
駆動信号の周波数を段階的に変化させる。各周波数をｆ
₁ ，ｆ₂ ，…，ｆ_n によって駆動信号の振幅は一定に保
たれる。周波数の掃引範囲ｆ₁ 〜ｆ_n は，共振周波数ｆ
_B とｆ_T が温度および湿度によって変化する範囲を含
む。駆動装置５はこのような駆動信号を周期的に，また
は間欠的に発生する。

【００７５】解析装置３においては，歪み検出素子16ａ
および16ｂから得られる電圧信号の振幅が各周波数
ｆ₁，ｆ₂，…，ｆ_nごとに検出される。検出された振
幅をプロットしたものが図11(B) に示されている。最大
の振動振幅が得られる周波数が共振周波数である。この
ようにして，ねじれ変形共振周波数ｆ_T，曲げ変形共振
周波数ｆ_Bおよびその振幅が得られる。

【００７６】処理装置４は，得られたこれらの共振周波
数ｆ_T，ｆ_Bおよび振幅に基づいて上述したようなあら
かじめ作成されたテーブルを参照して，温度，湿度およ
び気圧を表わす値を得る。

【００７７】解析装置３，処理装置４および駆動装置５
をさらに次のように構成してもよい。

【００７８】駆動装置５によって図12に示すような方形
波状の駆動信号を間欠的に発生し，加振装置２に与え
る。

【００７９】振動子１は減衰振動する（この振動波形も
図12に示されている）。歪み検出素子16ａおよび16ｂか
ら得られる信号が解析装置３において周波数解析（たと
えばフーリエ変換）される。この周波数解析において共
振周波数ｆ_T，ｆ_Bが求められる。また，減衰振動の包
絡線から減衰比ζが直接に求められる。解析装置３はデ
ィジタル・プロセッサにより構成されよう。

【００８０】得られた共振周波数ｆ_T，ｆ_Bを用いて，
上述したテーブルを参照して，処理装置４において，温
度および湿度が求められる。また，気圧と減衰比との関
係を表わすテーブルがあらかじめ作成され，処理装置４
に設定される。このテーブルを参照して，求められた減
衰比ζから気圧が得られる。

【００８１】第２実施例以下に示すすべての実施例の説明のための図において，
図１に示すものと同一物（同一部分）には同一符号を付
して重複説明を避ける。上述した第１実施例と異なる点
に焦点をあてて説明する。

【００８２】第２実施例から第４実施例は振動検知手段
の他の例を示す。

【００８３】図13は第２実施例によるセンサ装置を示す
斜視図である。

【００８４】振動子１の振動部11の表面は鏡面となって
いる。レーザ光源60からのレーザ光がこの振動部11の鏡
面に斜めに照射される。鏡面からの反射光は位置検出素
子61によって受けられる。位置検出素子61は反射光の入
射位置を表わす２次元の位置信号を出力する。振動部11
が振動すると反射光の入射位置が変化する。したがっ
て，位置検出素子61の位置検出信号を周波数解析するこ
とにより共振周波数および振幅を得ることができる。振
動部11の鏡面は，たとえば金属を振動部表面に蒸着また
はスパッタすることによって形成される。吸湿性薄膜14
はミラーが形成されていない面（裏面）に設けられてい
る。

【００８５】第３実施例図14(A) は第３実施例によるセンサ装置を示す斜視図，
図14(B) は図14(A) のXIV −XIV 線にそう拡大断面図で
ある。

【００８６】振動部11の一面の隅に，平板状の圧電素子
62が設けられ，さらにその上に重り63が設けられてい
る。振動部11が振動すると，重り63に振動加速度が加わ
るため，圧電素子62はその振動加速度に対応した応力を
重り63から受ける。この応力に対応した電気信号が圧電
素子62から，弾性変形部13および固定部12上に形成され
た配線パターン81および外部接続電極82を通じて外部に
取出される。この電気信号の周波数解析によって共振周
波数およびその振幅が検知される。要すれば，圧電素子
と重りの対を，Ｚ軸上およびＺ軸から離れた２箇所に設
ける。

【００８７】第４実施例図15(A) は第４実施例によるセンサ装置を示す斜視図，
図15(B) は図15(A) のXV−XV線にそう拡大断面図であ
る。

【００８８】加振装置２がガラスその他の絶縁体により
形成された固定基板64上に固定されている。振動子１の
振動部11の一面のＺ軸から離れた場所に可動電極65が設
けられている。固定基板64上の可動電極65に対向する場
所には固定電極66が設けられている。これらの電極65，
66は金属（たとえばＰｔ）を蒸着等することによって形
成される。可動電極65は弾性変形部13，固定部12上に形
成された配線パターン83を経て外部接続電極84に接続さ
れ，固定電極66は固定基板64上に形成された配線パター
ン67を経て外部接続電極68に形成される。

【００８９】振動部11の振動によって可動電極65と固定
電極66との間隙が変化することにより，これらの電極6
5，66間の静電容量が変化する。この静電容量の変化か
ら振動子１の共振周波数および振幅が検知される。

【００９０】振動部11の両面に可動電極65を設け，振動
部11を挟むようにして２枚の固定基板64を設け，両固定
基板64の内面に固定電極66を形成してもよい。

【００９１】第５実施例第５実施例から第９実施例は振動部11の種々の例を示
す。これらの実施例において，振動を検出する素子，装
置の図示が省略されている。

【００９２】図16は第５実施例によるセンサ装置を示す
斜視図である。

【００９３】振動部11の表面に，高分子膜等の吸湿性に
優れた薄膜14がＺ軸に沿って形成され，その周囲を電気
抵抗素子等による発熱部材69が取り囲んでいる。発熱部
材69は振動子１上に形成された配線パターン85および外
部接続電極86を介して外部の電流源70に接続されてい
る。定期的に発熱部材69に電流を流して発熱促進させ
る。これにより吸湿性薄膜14に吸着した水分の蒸発時間
を短縮させることができる。

【００９４】第６実施例図17は第６実施例によるセンサ装置を示す斜視図であ
る。

【００９５】振動部11のＺ軸付近に複数個の穴71が形成
されている。穴71を設けることによって振動部11のＺ軸
付近の表面積が増加し，吸湿面積が増えるので，吸湿性
薄膜14は必ずしも設けなくても，湿度変化に対して感度
がよいセンサ装置が得られる。穴71の形状は円形に限ら
ず，他の形状であってもよい。また形成された穴71の個
数や振動部11上の位置は必要に応じて定められる。振動
部11表面上に吸湿性薄膜14を設けてもよいのはいうまで
もない。

【００９６】第７実施例図18(A) は第７実施例によるセンサ装置を示す斜視図，
図18(B) は図18(A) のXVIII −XVIII 線にそう拡大断面
図である。

【００９７】振動部11の表面に，Ｚ軸に平行な方向に延
びる複数本の微細な溝72が形成されている。振動する
と，振動部11は周囲の空気からの抵抗を受ける。表面に
形成された溝72によって乱気流が生じるため，振動部11
はより大きな空気抵抗を受けることになる。上述したよ
うに，空気抵抗成分の変化（粘性係数ｃの変化）による
減衰比ζの変化に基づいて気圧（圧力）が検知されるの
で，振動部11を空気抵抗の影響を大きく受ける表面形状
とすることにより高精度の気圧検知が可能となる。また
この溝72により表面積が増加するので吸湿面積が増え，
湿度変化に対しても感度を高めることができるようにな
る。溝72の断面形状は矩形に限らず，楔形，半円形等で
もよい。また溝72は振動部11表面の空気抵抗を高めるも
のであればよく，たとえば互いに直角に交叉する複数本
の溝を形成したり，振動部11の両面に溝を形成するよう
にしてもよい。

【００９８】第８実施例図19(A) は第８実施例によるセンサ装置を示す斜視図，
図19(B) は図19(A) のXIX −XIX 線にそう拡大断面図で
ある。

【００９９】振動子１が，熱膨脹係数の異なる３種類の
部材１ａ，１ｂ，１ｃを三層に接合することによって形
成されている。このように振動子１を異種の材料で構成
した場合，温度変化によって熱膨脹係数の違いから応力
（そり）が発生するようになる。この応力によって弾性
変形部13の剛性が変化するため，共振周波数が大きく変
化する。これにより温度に対する検知感度の向上を図る
ことができる。

【０１００】第９実施例図20は第９実施例によるセンサ装置を示す斜視図であ
る。

【０１０１】加振装置２によって加振される一つの固定
部12に複数個の振動部11が弾性変形部13を介して一体的
に形成されている。振動子１を形態を変えることにより
（Ｚ軸に関して対称とする，非対称とする，吸湿性薄膜
を設ける，または設けない）温度，湿度，気圧（圧力）
等の各項目の検知のために各振動子１を用いることがで
きる。また，同じ形態の振動子を複数個設け，それらか
ら得られるデータの平均をとることにより，精度の高い
検出が可能となる。

【０１０２】第10実施例第10実施例および第11実施例は加振装置の他の例であ
る。これらの実施例においても振動を検出する素子，装
置の図示が省略されている。

【０１０３】図21は第10実施例によるセンサ装置を示す
斜視図である。

【０１０４】振動子１の固定部12と弾性変形部13との接
続部付近上面に，２枚の電極74によって挟まれた圧電薄
膜素子73が設けられている。固定部12は基板その他の固
定部材に固定される。圧電薄膜素子73の圧電効果によっ
て弾性変形部13を加振することができる。振動子１と加
振装置の一体化が可能となり，センサの小型化，薄型
化，駆動電源の低消費電力化等を図ることができる。

【０１０５】第11実施例図22(A) は第11実施例によるセンサ装置を示す一部切欠
き斜視図，図22(B) は図22(A) のXXII−XXII線にそう拡
大断面図である。

【０１０６】このセンサ装置では，振動子１が，その固
定部12において，フレーム部76に梁部（弾性変形部）75
によって支持されている。フレーム部76はスペーサ77を
介して基板78に固定されている。振動子１，フレーム部
76および梁部75は，好ましくはアルカリ系エッチング液
による高精度な垂直エッチングによって一体的に形成さ
れる。

【０１０７】梁部75はフレーム部76に比べてかなり薄く
形成されており，弾性を有している。この実施例におい
ては，梁部75は左右計４本設けられているが，２本また
は６本以上でもよい。固定部12を梁部75で支持する代わ
りに，固定部12を片持ち状に支持する片持ち梁や，フレ
ーム部76の内周にわたって連続的に（または適当な間隔
で）支持するダイアフラム（薄膜部）を設けてもよい。

【０１０８】スペーサ77は枠状であり，その上下の面に
おいてフレーム部76および固定基板78と接合され，これ
によって固定電極79，80を収める空間（間隙）が形成さ
れている。

【０１０９】固定部12の下面（内面）に電極79が形成さ
れている。固定基板78にも，この電極79に対向する位置
に電極80が設けられている。これらの電極79，80は，好
ましくは固定部12および固定基板78上にアルミニウム等
を蒸着することによって形成され，配線パターンを通じ
て外部の駆動装置に接続されている。電極79と80との間
に高周波電圧を印加することにより電極79，80間に生じ
る静電気力によって固定部12は振動する。その振動が弾
性変形部13を介して振動部11に与えられる。

【０１１０】第12実施例図23は第12実施例によるセンサ装置を示す斜視図であ
る。第12実施例はセンサ装置の振動子と光スキャナの振
動子とを兼用したものである。

【０１１１】このセンサ装置は，振動子１と，振動子１
に高周波振動を印加するための加振装置２と，光ビーム
を出射するレーザ光源82とを含む。振動子１の振動部11
の表面はレーザ光源82からの光ビームを反射させるため
に鏡面となっている。この鏡面は，たとえば金属を蒸着
またはスパッタすることによって形成される。吸湿性薄
膜14は鏡面の反対面（裏面）に形成されている。

【０１１２】上述したように，弾性変形部13はＹ軸回り
に曲がる曲げ変形モード（θ_B方向）とＺ軸回りにねじ
れるねじれ変形モード（θ_T方向）の２つの共振振動モ
ードを有している。これらの共振振動モードの共振周波
数ｆ_B，ｆ_Tを含む振動を加振装置２で発生させること
により，弾性変形部13が共振し，振動部11がθ_B方向お
よびθ_T方向に増幅されて振動する。レーザ光源82から
振動部11の鏡面に向けて投射された光ビームは，鏡面に
よって反射される。振動部11が直交する２方向に振動し
ているので，反射光は二次元的に走査されることにな
る。加振装置２の加振周波数（駆動周波数）を上記の２
つの共振周波数のいずれか一方のみとすれば，または振
動部11の形状をＺ軸に関して対称とすれば，振動部11は
一方向にのみ（一軸のまわりでのみ）振動する。これに
より，光ビームの一次元走査が達成される。加振装置２
の振動の強さを調整し，振動部11の振幅を変化させるこ
とにより，光ビームの走査角の調整も可能である。

【０１１３】第13実施例図24に示す第13実施例では，図23に示す構成にさらに，
振動子１の固定部12上に，被測定物83からの反射光を受
光するフォトダイオード，太陽電池等の受光素子84が設
けられている。この構成により光ビームの被測定物83か
らの反射光を検出することが可能となり，物体検知もで
きるようになる。また受光素子84をセンサ装置に設ける
ことによって，光センシング・システムの小型化が可能
となる。

【０１１４】受光素子84を固定部12へのｎ型またはｐ型
不純物のドーピングによって形成してもよい。この場
合，振動子１はｐ型またはｎ型シリコン基板で形成され
る。受光素子形成プロセスと振動子作製プロセスをとも
に半導体プロセスで実現することによって，センサ装置
全体の製作プロセスを単純化することができる。

【０１１５】受光素子84に代えて位置検出素子を設ける
ことにより被測定物83の形状認識も可能となる。

【０１１６】第14実施例上述したセンサ装置は，温度，湿度，気圧（圧力）等の
環境情報を同時に検知する機能をもっており，さらにス
キャナ機能，物体検知機能等を付加することができるの
で，様々な応用が可能である。

【０１１７】図25は異常判定システムのブロック図であ
る。解析装置３から出力される振動子１の振動状態を表
す電気信号は，処理装置101 内の信号処理部102 に与え
られ，上述したように温度，湿度，気圧（圧力）等の複
数種類の環境情報が得られる。信号処理部102 はまた，
これらの個々の環境情報を所定のアルゴリズムにしたが
って複合し，総合情報を算出する。

【０１１８】判定部103 はこの総合情報とあらかじめ設
定されている基準値とを比較して，センサ周辺の環境状
況が正常が異常かを判定し，判定結果を出力する。１個
のセンサ装置と処理装置だけで周囲の環境を総合的，複
合的に判定することができる。また，機器の小型化，コ
ストの削減を図ることができる。異常時に加振装置２を
可聴領域の周波数で加振し，振動子１をスピーカーとし
て用いることにより外部に異常を知らせるように構成し
てもよい。

【０１１９】温度，湿度，気圧等の個々との情報を信号
処理部102 から判定部103 に与えてもよい。判定部103
はこれらの個々の情報とそれに対応する基準値とをそれ
ぞれ比較する。

【０１２０】また，この処理装置の記憶装置に，異常に
至るまでの共振特性の変化の傾向をあらかじめ記憶させ
ておき，その変化傾向に沿った特性変化がみられた場合
に，異常発生の予知信号を出力させるようにしてもよ
い。

【０１２１】このような複数種類の物理量の検知，光ス
キャン，物体検知，異常検知等の機能をもった小型のセ
ンサ装置は，人間が入って行けない作業空間，たとえば
原子力発電施設，高電圧環境下，細管内の検査のための
自走ロボットの認識センサとして適用できる。光スキャ
ン型のセンサ装置はロボットの視覚機能として働き，同
時にそのセンサ装置で温度，湿度，圧力等を検知する。
これらの情報に基づいて危険な状態かどうかが総合的に
判断される。

【０１２２】また，室内等の閉空間内の環境について
も，総合的な検出が小型のセンサ装置でできるようにな
るので，室内環境モニタや自動車内の環境モニタ等への
応用が可能である。さらに各種機器の内部にこのセンサ
装置を設置しておくことにより，機器の異常を早期に発
見でき，大きなダメージを与える可能性を低減すること
ができる。

【０１２３】他の実施例上記実施例では基本的に温度，湿度，気圧の３種類の物
理量を検出しているが，このうちの２種類だけでもよ
い。したがって，振動子のねじれ変形または曲げ変形の
いずれか一方のみの共振周波数とその振幅を検知するだ
けでもよい。２つの共振周波数のみを検知し，その振幅
を検知しなくてもよい。ねじれ変形共振周波数が不要の
場合には振動部をＺ軸に関して対称とすることもでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例によるセンサ装置を示す斜視図であ
る。

【図２】図１に示すセンサ装置の弾性変形部付近の拡大
斜視図である。

【図３】振動子の曲げ変形モードを示す斜視図である。

【図４】振動子のねじれ変形モードを示す斜視図であ
る。

【図５】振動子１の共振特性を表すグラフである。

【図６】振動子の周囲の温度と振動子の共振周波数との
関係を表すグラフである。

【図７】振動子の周囲の湿度と振動子の共振周波数との
関係を表すグラフである。

【図８】振動子の周囲の気圧と振動子の振動振幅との関
係を表すグラフである。

【図９】解析装置および駆動装置の具体的構成例を示
す。

【図１０】加振装置に与えられる駆動信号の波形と，振
動子の振動を表わす振動波形との関係を表すグラフであ
る。

【図１１】(A) は加振装置に与える駆動信号の周波数，
(B) は各駆動周波数における振動子の振動振幅を示して
いる。

【図１２】加振装置に与えられる駆動信号の波形と，振
動子による振動波形との関係を表すグラフである。

【図１３】第２実施例によるセンサ装置を示す斜視図で
ある。

【図１４】(A) は第３実施例によるセンサ装置を示す斜
視図，(B) は(A) のXIV −XIV 線にそう拡大断面図であ
る。

【図１５】(A) は第４実施例によるセンサ装置を示す斜
視図，(B) は(A) のXV−XV線にそう拡大断面図である。

【図１６】第５実施例によるセンサ装置を示す斜視図で
ある。

【図１７】第６実施例によるセンサ装置を示す斜視図で
ある。

【図１８】(A) は第７実施例によるセンサ装置を示す斜
視図，(B) は(A) のXVIII −XVIII 線にそう拡大断面図
である。

【図１９】(A) は第８実施例によるセンサ装置を示す斜
視図，(B) は(A) のXIX −XIX 線にそう拡大断面図であ
る。

【図２０】第９実施例によるセンサ装置を示す斜視図で
ある。

【図２１】第10実施例によるセンサ装置を示す斜視図で
ある。

【図２２】(A) は第11実施例によるセンサ装置を示す一
部切欠き斜視図，(B) は(A) のXXII−XXII線にそう拡大
断面図である。

【図２３】第12実施例によるセンサ装置を示す斜視図で
ある。

【図２４】第13実施例によるセンサ装置を示す斜視図で
ある。

【図２５】異常判定システムのブロック図である。

【符号の説明】

１振動子２加振装置 11 振動部 12 固定部 13 弾性変形部 14 吸湿性薄膜 16ａ，16ｂ歪み検出素子（ピエゾ抵抗素子）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 29/84 Ｈ０１Ｌ 29/84 Ｚ 41/08 41/08 Ｚ (56)参考文献特開平３−282349（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−105917（ＪＰ，Ａ) 特開平４−336521（ＪＰ，Ａ) 特開平８−75475（ＪＰ，Ａ) 特公昭60−611（ＪＰ，Ｂ２) 特公平４−9451（ＪＰ，Ｂ２) 特公平５−87248（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 21/02 G01K 11/26 G01L 9/00 G01N 27/22 G01P 15/09 H01L 29/84 H01L 41/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】振動部を弾性的に支持する弾性変形部を
備え，曲げ方向とねじれ方向とに共振振動する振動子，上記振動子を加振する加振手段，上記加振手段によって加振された上記振動子の曲げ方向
とねじれ方向の振動を，それぞれそれらの振動を表わす
電気信号に変換する振動検出手段，上記振動検出手段から得られる電気信号に基づいて，上
記振動子の曲げ方向振動およびねじれ方向振動の共振特
性をそれぞれ表わす少なくとも二つの特性信号をつくる
特性抽出手段，および上記特性抽出手段から得られる少
なくとも二つの上記特性信号に基づいて少なくとも二つ
の物理量を表わす出力信号をつくる処理手段，を備えたセンサ装置。
【請求項２】上記加振手段は上記振動子を振動子のも
つ共振周波数を含む振動周波数で加振するものである，
請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】上記加振手段は上記振動子を振動子のも
つ共振周波数を含む周波数範囲で，周波数を掃引しなが
ら一定振幅で加振するものである，請求項１に記載のセ
ンサ装置。
【請求項４】上記加振手段は上記振動子に矩形波振動
を与えるものである，請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項５】少なくとも一つの周波数において共振振
動する振動子，上記振動子を加振する加振手段，上記加振手段によって加振された上記振動子の振動を，
その振動を表わす電気信号に変換する振動検出手段，上記振動検出手段から得られる電気信号に基づいて，上
記振動子の少なくとも二種類の別個の共振特性をそれぞ
れ表わす少なくとも二つの特性信号をつくる特性抽出手
段，および上記特性抽出手段から得られる少なくとも二
つの上記特性信号に基づいて少なくとも二つの物理量を
表わす出力信号をつくる処理手段を備え，上記共振特性の一つが上記共振振動の共振周波数であ
り，上記処理手段は共振周波数に基づいて温度を検出す
る，センサ装置。
【請求項６】少なくとも一つの周波数において共振振
動する振動子，上記振動子を加振する加振手段，上記加振手段によって加振された上記振動子の振動を，
その振動を表わす電気信号に変換する振動検出手段，上記振動検出手段から得られる電気信号に基づいて，上
記振動子の少なくとも二種類の別個の共振特性をそれぞ
れ表わす少なくとも二つの特性信号をつくる特性抽出手
段，および上記特性抽出手段から得られる少なくとも二
つの上記特性信号に基づいて少なくとも二つの物理量を
表わす出力信号をつくる処理手段を備え，上記共振特性の一つが上記共振振動の減衰特性であり，
上記処理手段は減衰特性に基づいて気圧を検出する，セ
ンサ装置。
【請求項７】少なくとも一つの周波数において共振振
動する振動子，上記振動子を加振する加振手段，上記加振手段によって加振された上記振動子の振動を，
その振動を表わす電気信号に変換する振動検出手段，上記振動検出手段から得られる電気信号に基づいて，上
記振動子の少なくとも二種類の別個の共振特性をそれぞ
れ表わす少なくとも二つの特性信号をつくる特性抽出手
段，および上記特性抽出手段から得られる少なくとも二
つの上記特性信号に基づいて少なくとも二つの物理量を
表わす出力信号をつくる処理手段を備え，上記の２つの共振特性が異なる２つの共振周波数であ
り，上記処理手段は２つの共振周波数に基づいて温度と
湿度を検出する，センサ装置。