JPH05223667A - 振動式センサ - Google Patents
振動式センサInfo
- Publication number
- JPH05223667A JPH05223667A JP2675192A JP2675192A JPH05223667A JP H05223667 A JPH05223667 A JP H05223667A JP 2675192 A JP2675192 A JP 2675192A JP 2675192 A JP2675192 A JP 2675192A JP H05223667 A JPH05223667 A JP H05223667A
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- JP
- Japan
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- vibrator
- electrode surface
- bias voltage
- electrode
- vibration
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 安定に振動を継続することができるように改
良された振動式センサを提供するにある。 【構成】 少なくとも一端が絶縁性の固定部材を介して
電極面に所定の初期間隔で対向して固定された振動子
と、この振動子の少なくとも先の電極面に対向する側に
形成された所定厚みの絶縁膜と、この振動子と先の電極
面との間に印加される直流のバイアス電圧とを有し、先
の絶縁膜の厚さと先の初期間隔と先の振動子の電極面へ
の吸着最小電圧との関係で決定される制限電圧以下に先
のバイアス電圧の大きさを保持するように選定した振動
式センサである。
良された振動式センサを提供するにある。 【構成】 少なくとも一端が絶縁性の固定部材を介して
電極面に所定の初期間隔で対向して固定された振動子
と、この振動子の少なくとも先の電極面に対向する側に
形成された所定厚みの絶縁膜と、この振動子と先の電極
面との間に印加される直流のバイアス電圧とを有し、先
の絶縁膜の厚さと先の初期間隔と先の振動子の電極面へ
の吸着最小電圧との関係で決定される制限電圧以下に先
のバイアス電圧の大きさを保持するように選定した振動
式センサである。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、静電気力を用いて励振
を行なう振動式センサに係り、特に安定に振動を継続す
ることができるように改良された振動式センサに関す
る。
を行なう振動式センサに係り、特に安定に振動を継続す
ることができるように改良された振動式センサに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】図７は静電駆動を利用する従来の振動式
センサの構成を示す構成図である。１０は導体又は半導
体で形成された電極であり，この電極１０の左右に絶縁
性の物質で形成された固定部材１１、１２が固定されて
いる。
センサの構成を示す構成図である。１０は導体又は半導
体で形成された電極であり，この電極１０の左右に絶縁
性の物質で形成された固定部材１１、１２が固定されて
いる。
【０００３】これらの固定部材１１、１２の上には導体
又は半導体で形成された板状の振動子１３が固定されて
いる。この振動子１３の固定部材１１に固定される近傍
には例えばピエゾ抵抗式の歪ゲージ１４側に拡散などに
より形成されている。
又は半導体で形成された板状の振動子１３が固定されて
いる。この振動子１３の固定部材１１に固定される近傍
には例えばピエゾ抵抗式の歪ゲージ１４側に拡散などに
より形成されている。
【０００４】この歪ゲージ１４の一端は共通電位点ＣＯ
Ｍに接続され、その他端と共通電位点ＣＯＭとの間には
抵抗Ｒ1を介して定電圧電源１５から定電圧Ｅ0が印加さ
れている。
Ｍに接続され、その他端と共通電位点ＣＯＭとの間には
抵抗Ｒ1を介して定電圧電源１５から定電圧Ｅ0が印加さ
れている。
【０００５】また、電極１０と振動子１３との間には抵
抗Ｒ2を介してバイアス電源１６からバイアス電圧Ｖbが
印加されている。抵抗Ｒ1と歪ゲージ１４との接続点は
コンデンサＣ1を介して増幅器Ａの入力端に接続され、
その出力端はコンデンサＣ2を介して抵抗Ｒ2と振動子１
３との接続点に接続されている。
抗Ｒ2を介してバイアス電源１６からバイアス電圧Ｖbが
印加されている。抵抗Ｒ1と歪ゲージ１４との接続点は
コンデンサＣ1を介して増幅器Ａの入力端に接続され、
その出力端はコンデンサＣ2を介して抵抗Ｒ2と振動子１
３との接続点に接続されている。
【０００６】以上の構成において、適当なバイアス電圧
Ｖbが振動子１３に印加された状態で振動子１０に歪が
印加されたとするとこの歪により歪ゲージ１４の抵抗値
が変化し、この変化はコンデンサＣ1を介して増幅器Ａ
で増幅されコンデンサＣ2を介して振動子１０に正帰還
され、これが振動系の構成によって決定される固有振動
数ｆ01で自励振動をする。
Ｖbが振動子１３に印加された状態で振動子１０に歪が
印加されたとするとこの歪により歪ゲージ１４の抵抗値
が変化し、この変化はコンデンサＣ1を介して増幅器Ａ
で増幅されコンデンサＣ2を介して振動子１０に正帰還
され、これが振動系の構成によって決定される固有振動
数ｆ01で自励振動をする。
【０００７】ここで、例えば図示しないシリコン基板な
どに測定歪が印加され、これに伴って電極１０が歪む
と、これが振動子１３に伝達され固有振動数ｆ01が変化
して測定歪みに対応する固有振動数ｆ01の変化が例えば
増幅器Ａの出力端などに得られる。
どに測定歪が印加され、これに伴って電極１０が歪む
と、これが振動子１３に伝達され固有振動数ｆ01が変化
して測定歪みに対応する固有振動数ｆ01の変化が例えば
増幅器Ａの出力端などに得られる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような振動式センサは振動子１３が電極１０に外乱など
により接触するとここに大電流が流れて振動子が損傷を
受ける場合があり、また振動子１３の周囲に薄い酸化膜
などの絶縁層が形成されている場合は、大きな吸引力が
かかり付着され、この状態になるとバイアス電圧を切ら
ない限り発振が停止するという問題がある。
ような振動式センサは振動子１３が電極１０に外乱など
により接触するとここに大電流が流れて振動子が損傷を
受ける場合があり、また振動子１３の周囲に薄い酸化膜
などの絶縁層が形成されている場合は、大きな吸引力が
かかり付着され、この状態になるとバイアス電圧を切ら
ない限り発振が停止するという問題がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するための構成として、少なくとも一端が絶縁性の
固定部材を介して電極面に所定の初期間隔で対向して固
定された振動子と、この振動子の少なくとも先の電極面
に対向する側に形成された所定厚みの絶縁膜と、この振
動子と先の電極面との間に印加される直流のバイアス電
圧とを有し、先の絶縁膜の厚さと先の初期間隔と先の振
動子の電極面への吸着最小電圧との関係で決定される制
限電圧以下に先のバイアス電圧の大きさに選定したもの
である。
解決するための構成として、少なくとも一端が絶縁性の
固定部材を介して電極面に所定の初期間隔で対向して固
定された振動子と、この振動子の少なくとも先の電極面
に対向する側に形成された所定厚みの絶縁膜と、この振
動子と先の電極面との間に印加される直流のバイアス電
圧とを有し、先の絶縁膜の厚さと先の初期間隔と先の振
動子の電極面への吸着最小電圧との関係で決定される制
限電圧以下に先のバイアス電圧の大きさに選定したもの
である。
【００１０】
【作 用】振動子は少なくとも一端が絶縁性の固定部材
を介して電極面に所定の初期間隔で対向して固定されて
いる。そして、絶縁膜がこの振動子の少なくとも先の電
極面に対向する側に所定厚みで形成されている。直流の
バイアス電圧はこの振動子と先の電極面との間に印加さ
れており、先の振動子に形成された歪検出素子は先の振
動子に生じる測定歪を検出して歪信号として出力する。
を介して電極面に所定の初期間隔で対向して固定されて
いる。そして、絶縁膜がこの振動子の少なくとも先の電
極面に対向する側に所定厚みで形成されている。直流の
バイアス電圧はこの振動子と先の電極面との間に印加さ
れており、先の振動子に形成された歪検出素子は先の振
動子に生じる測定歪を検出して歪信号として出力する。
【００１１】先の絶縁膜の厚さと先の初期間隔と先の振
動子の電極面への吸着最小電圧との関係で決定される制
限電圧以下に先のバイアス電圧の大きさを保持するよう
に選定してこの発振を安定に維持する。
動子の電極面への吸着最小電圧との関係で決定される制
限電圧以下に先のバイアス電圧の大きさを保持するよう
に選定してこの発振を安定に維持する。
【００１２】
【実施例】以下、本発明の実施例について図を用いて説
明する。図１は本発明の１実施例の構成を示す構成図で
ある。なお、図７に示す従来の振動式センサと同一の機
能を有する部分には同一の符号を付して適宜にその説明
を省略する。
明する。図１は本発明の１実施例の構成を示す構成図で
ある。なお、図７に示す従来の振動式センサと同一の機
能を有する部分には同一の符号を付して適宜にその説明
を省略する。
【００１３】２０は振動子である。この振動子２０の電
極１０と対向する面には厚さｔの絶縁膜２１が形成され
ている。この振動子２０の外側を含む周囲にも絶縁膜２
１が形成されている。そして、この振動子２０と電極２
０の対向面である電極面との距離はｄとされている。
極１０と対向する面には厚さｔの絶縁膜２１が形成され
ている。この振動子２０の外側を含む周囲にも絶縁膜２
１が形成されている。そして、この振動子２０と電極２
０の対向面である電極面との距離はｄとされている。
【００１４】振動子２０にはバイアス電源１６からバイ
アス電圧Ｖbが抵抗Ｒ2を介して印加されている。このバ
イアス電圧Ｖbが印加された状態で振動子２０、歪ゲー
ジ１４、コンデンサＣ1、増幅器Ａ、コンデンサＣ２、
振動子２０を結ぶルートで自励発振されている。
アス電圧Ｖbが抵抗Ｒ2を介して印加されている。このバ
イアス電圧Ｖbが印加された状態で振動子２０、歪ゲー
ジ１４、コンデンサＣ1、増幅器Ａ、コンデンサＣ２、
振動子２０を結ぶルートで自励発振されている。
【００１５】このような構成で自励発振されている場合
は、図２（ａ）に示すように振動子２０と電極１０との
初期間隔がｄのときに何らかの原因で外乱が印加されて
図２（ｂ）に示すように振動子２０が電極１０に接触し
たとしても、絶縁膜１４は所定の厚みｔを有しているの
で、この接触によりここに大電流が流れるということは
なく、また無限大の吸引力が働いて付着されたままにな
るということもない。
は、図２（ａ）に示すように振動子２０と電極１０との
初期間隔がｄのときに何らかの原因で外乱が印加されて
図２（ｂ）に示すように振動子２０が電極１０に接触し
たとしても、絶縁膜１４は所定の厚みｔを有しているの
で、この接触によりここに大電流が流れるということは
なく、また無限大の吸引力が働いて付着されたままにな
るということもない。
【００１６】次に、以上の点についてさらに数式を用い
て詳細に説明する。いま、真空中の誘電率をε、振動子
２０の面積をＳ、振動子２０の復元力のバネ定数をｋ、
電極１０から振動子２０までの距離をｘ（ｔ≦ｘ≦２
ｄ）とすれば、振動子２０が受ける場のポテンシャルΦ
（ｘ）は、 Φ（ｘ）＝−（εＳＶb 2／２ｘ）＋ｋ（ｄ−ｘ）2／２ （１） で表わすことができる。この第１項はバイアス電圧Ｖb
による静電ポテンシャルを、第２項は振動子２０による
弾性エネルギーをそれぞれ表わしている。
て詳細に説明する。いま、真空中の誘電率をε、振動子
２０の面積をＳ、振動子２０の復元力のバネ定数をｋ、
電極１０から振動子２０までの距離をｘ（ｔ≦ｘ≦２
ｄ）とすれば、振動子２０が受ける場のポテンシャルΦ
（ｘ）は、 Φ（ｘ）＝−（εＳＶb 2／２ｘ）＋ｋ（ｄ−ｘ）2／２ （１） で表わすことができる。この第１項はバイアス電圧Ｖb
による静電ポテンシャルを、第２項は振動子２０による
弾性エネルギーをそれぞれ表わしている。
【００１７】一方、振動子２０が受ける力Ｆ（ｘ）は， Ｆ（ｘ）＝（εＳＶb 2／２ｘ2）−ｋ（ｄ−ｘ） （２） で表わすことができる。この第１項は静電吸引力Ｆ
1（ｘ）を、第２項は復元力Ｆ2（ｘ）をそれぞれ表わし
ている。
1（ｘ）を、第２項は復元力Ｆ2（ｘ）をそれぞれ表わし
ている。
【００１８】図３に場のポテンシャルΦ（ｘ）を、図４
に振動子が受ける力Ｆ（ｘ）をそれぞれ図示する。ｘ＝
０のとき、つまり振動子２０が電極１０の表面に接触し
ているときは、式（２）の第１項に示す静電吸引力Ｆ1
（ｘ）は第２項に示す復元力Ｆ2（ｘ）を上回るが、振
動子２０の回りには厚さｔの絶縁膜２１があるので、ｔ
≦ｘの範囲しか動くことができない。
に振動子が受ける力Ｆ（ｘ）をそれぞれ図示する。ｘ＝
０のとき、つまり振動子２０が電極１０の表面に接触し
ているときは、式（２）の第１項に示す静電吸引力Ｆ1
（ｘ）は第２項に示す復元力Ｆ2（ｘ）を上回るが、振
動子２０の回りには厚さｔの絶縁膜２１があるので、ｔ
≦ｘの範囲しか動くことができない。
【００１９】このため、復元力Ｆ2（ｘ）が静電吸引力
Ｆ1（ｘ）に打ち勝つ条件が存在する。そこで、距離ｘ
に対する（１）式の極値を求めるために式（３）に示す
ように微分する。 ｄΦ（ｘ）／ｄｘ＝Ｆ（ｘ）＝０ （３）
Ｆ1（ｘ）に打ち勝つ条件が存在する。そこで、距離ｘ
に対する（１）式の極値を求めるために式（３）に示す
ように微分する。 ｄΦ（ｘ）／ｄｘ＝Ｆ（ｘ）＝０ （３）
【００２０】この条件を満たす安定点αと準安定点βの
位置から系の安定性について調べることとなるが、図３
からｔとβの位置関係により、（イ）βが存在しない、
（ロ）ｔ≦β、（ハ）β≦ｔの３つの場合に分けて考え
ることができる。
位置から系の安定性について調べることとなるが、図３
からｔとβの位置関係により、（イ）βが存在しない、
（ロ）ｔ≦β、（ハ）β≦ｔの３つの場合に分けて考え
ることができる。
【００２１】このためには、（３）式を解きβを直接求
めればよいが、計算が繁雑になるので、図５に示す曲線
を用いてｔとβの位置関係を検討する。（３）式で示す
ように ｄΦ（ｘ）／ｄｘ＝（εＳＶb 2／２ｘ2）−ｋ（ｄ−
ｘ） を得るが、これを変形して、 （ｄｘ2−ｘ3）−（εＳＶb 2／２ｋ）＝０ となる。
めればよいが、計算が繁雑になるので、図５に示す曲線
を用いてｔとβの位置関係を検討する。（３）式で示す
ように ｄΦ（ｘ）／ｄｘ＝（εＳＶb 2／２ｘ2）−ｋ（ｄ−
ｘ） を得るが、これを変形して、 （ｄｘ2−ｘ3）−（εＳＶb 2／２ｋ）＝０ となる。
【００２２】これは、 ３次曲線 ｙ1＝（ｄｘ2−ｘ3） と 直線 ｙ2＝（εＳＶb 2／２ｋ） との交点を求めることに相当する。
【００２３】図５はこれらの関係を示す図である。図５
に示す関係から （イ）βが存在しない場合 この場合は、 （４ｄ3／２７）≦（εＳＶb 2／２ｋ） （４） の条件の場合であり、これは静的動作範囲である。
（４）式は変形して、 Ｖb≧（２／９）（６ｄ3ｋ／εＳ）1/2＝ＶMIM （５） となる。
に示す関係から （イ）βが存在しない場合 この場合は、 （４ｄ3／２７）≦（εＳＶb 2／２ｋ） （４） の条件の場合であり、これは静的動作範囲である。
（４）式は変形して、 Ｖb≧（２／９）（６ｄ3ｋ／εＳ）1/2＝ＶMIM （５） となる。
【００２４】この静的動作範囲においては、図６（ａ）
に示すように安定点は存在せず、振動子２０は電極１０
に付着し、バイアス電圧Ｖbを除かない限り付着し続け
る。共振点以外でもバイアス電圧Ｖbのオン／オフにし
たがって振動子２０が動くので、高周波での連続的な振
動はできず、静的な動作範囲といえる。なお、ＶMIMは
振動子２０が電極１０に付着するに必要な最小電圧であ
り、測定可能な量である。
に示すように安定点は存在せず、振動子２０は電極１０
に付着し、バイアス電圧Ｖbを除かない限り付着し続け
る。共振点以外でもバイアス電圧Ｖbのオン／オフにし
たがって振動子２０が動くので、高周波での連続的な振
動はできず、静的な動作範囲といえる。なお、ＶMIMは
振動子２０が電極１０に付着するに必要な最小電圧であ
り、測定可能な量である。
【００２５】（ロ）ｔ≦βの場合 この場合は、 （ｄｔ2−ｔ3）＜（εＳＶb 2／２ｋ）≦（４ｄ3／２７） （６） の条件の場合であり、これは準安定動作範囲である。
【００２６】この場合は、高周波で動作するが、強く振
動させると振動子２０と電極１０との距離が近すぎ、静
電吸引力が復元力を凌ぎ振動子２０は電極１０に付着
し、バイアス電圧Ｖbを除かない限り付着し続ける。し
たがって、常に安定に動作するすることができない。
動させると振動子２０と電極１０との距離が近すぎ、静
電吸引力が復元力を凌ぎ振動子２０は電極１０に付着
し、バイアス電圧Ｖbを除かない限り付着し続ける。し
たがって、常に安定に動作するすることができない。
【００２７】（ハ）β≦ｔの場合 この場合は、 （εＳＶb 2／２ｋ）＜（ｄｔ2−ｔ3） の条件、つまり Ｖb＜［２ｋ（ｄｔ2−ｔ3）／εＳ］1/2 ＝（３ｔ／２ｄ）（３−３ｔ／ｄ）1/2ＶMIM （７） の場合であり、これはｔ≦ｘ≦２ｄの範囲で復元力が常
に吸引力に勝り安定に動作する安定動作範囲となる。
に吸引力に勝り安定に動作する安定動作範囲となる。
【００２８】この場合の最小電圧ＶMIMは、振動子２０
のゼロ点の位置から電極１０までの距離ｄと絶縁膜２１
の厚さｔをそれぞれｄ＝１μｍ、ｔ＝０．１μｍとすれ
ば、 Ｖb＜０．２４６ＶMIM となる。バイアス電圧Ｖbが５ボルト程度の場合、最小
電圧ＶMIMは２０．３ボルト以上であればよいことにな
る。なお、今までの説明ではピエゾ抵抗式で説明した
が、これは振動変位、速度、或いは加速度に対応する物
理量を検出しても良い。また、振動の形式として振動系
をクローズドループとした自励発振をベースとして説明
したが，これに限らず発振器から振動子に振動電圧を供
給するようにして振動系をオープンループとした構成で
も同様に動作する。
のゼロ点の位置から電極１０までの距離ｄと絶縁膜２１
の厚さｔをそれぞれｄ＝１μｍ、ｔ＝０．１μｍとすれ
ば、 Ｖb＜０．２４６ＶMIM となる。バイアス電圧Ｖbが５ボルト程度の場合、最小
電圧ＶMIMは２０．３ボルト以上であればよいことにな
る。なお、今までの説明ではピエゾ抵抗式で説明した
が、これは振動変位、速度、或いは加速度に対応する物
理量を検出しても良い。また、振動の形式として振動系
をクローズドループとした自励発振をベースとして説明
したが，これに限らず発振器から振動子に振動電圧を供
給するようにして振動系をオープンループとした構成で
も同様に動作する。
【００２９】図1に示す両端固定の振動子に基づいて説
明したが、これは片持梁状に固定しても同様に動作す
る。片持梁状に構成する場合は、周波数標準器などに応
用でき、また両端固定の場合は歪ゲージとして圧力セン
サなどに応用できる。
明したが、これは片持梁状に固定しても同様に動作す
る。片持梁状に構成する場合は、周波数標準器などに応
用でき、また両端固定の場合は歪ゲージとして圧力セン
サなどに応用できる。
【００３０】
【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに本発明によれば、振動子としてこれに対向する電極
との間に絶縁層を介在させて振動子の可動範囲を制限す
る構成としたので、振動子とこれに対向する電極が有限
の距離以下に接近することがなくなり無限大の吸引力を
回避することができる。また、振動子と対向する電極と
の間に印加する直流のバイアス電圧を一定値以下にする
ことにより振動子の復元力が静電吸引力を常に上回る状
態を作ることができ、これによって外乱に強い安定な動
作をする振動式センサを実現することができる。
うに本発明によれば、振動子としてこれに対向する電極
との間に絶縁層を介在させて振動子の可動範囲を制限す
る構成としたので、振動子とこれに対向する電極が有限
の距離以下に接近することがなくなり無限大の吸引力を
回避することができる。また、振動子と対向する電極と
の間に印加する直流のバイアス電圧を一定値以下にする
ことにより振動子の復元力が静電吸引力を常に上回る状
態を作ることができ、これによって外乱に強い安定な動
作をする振動式センサを実現することができる。
【図１】本発明の１実施例の構成を示す構成図である。
【図２】図１に示す振動子の動作を説明する説明図であ
る。
る。
【図３】図１に示す振動子と電極との間のバイアスの場
のポテンシャル関数を示す特性図である。
のポテンシャル関数を示す特性図である。
【図４】図１に示す振動子と電極との間に働く力の関数
を示す特性図である。
を示す特性図である。
【図５】図１に示す振動子と電極との間に働く力を解析
するための解析図である。
するための解析図である。
【図６】図５を用いて解析した結果を示す特性図であ
る。
る。
【図７】静電駆動を利用する従来の振動式センサの構成
を示す構成図である。
を示す構成図である。
１０ 電極 １１、１２ 固定部材 １３、２０ 振動子 １４ 歪ゲージ １６ バイアス電源 Ｖb バイアス電圧 Ａ 増幅器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福原 聡 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内
Claims (1)
- 【請求項１】少なくとも一端が絶縁性の固定部材を介し
て電極面に所定の初期間隔で対向して固定された振動子
と、この振動子の少なくとも前記電極面に対向する側に
形成された所定厚みの絶縁膜と、この振動子と前記電極
面との間に印加される直流のバイアス電圧とを有し、前
記絶縁膜の厚さと前記初期間隔と前記振動子の電極面へ
の吸着最小電圧との関係で決定される制限電圧以下に前
記バイアス電圧の大きさを選定したことを特徴とする振
動式センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2675192A JPH05223667A (ja) | 1992-02-13 | 1992-02-13 | 振動式センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2675192A JPH05223667A (ja) | 1992-02-13 | 1992-02-13 | 振動式センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05223667A true JPH05223667A (ja) | 1993-08-31 |
Family
ID=12201997
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2675192A Pending JPH05223667A (ja) | 1992-02-13 | 1992-02-13 | 振動式センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05223667A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008232886A (ja) * | 2007-03-22 | 2008-10-02 | Epson Toyocom Corp | 圧力センサ |
-
1992
- 1992-02-13 JP JP2675192A patent/JPH05223667A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008232886A (ja) * | 2007-03-22 | 2008-10-02 | Epson Toyocom Corp | 圧力センサ |
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