JP4129060B2 - 物理量の測定方法および測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念による物理量の測定方法、および請求項８の上位概念による物理量の測定装置に関する。
従来の技術
このような方法および装置は公知である。これらでは、共振振動する構造体が設けられており、その振動周波数は測定すべき物理量の変化によって変化する。構造体の振動周波数の変化は評価手段によって検出され、周波数アナログ信号が出力される。この信号から、作用した、測定すべき物理量の大きさを推定することができる。共振状態で振動する構造体はここではバネ質量系により形成される。感度は共振状態で振動する構造体の幾何的寸法に依存する。振動する構造体の固有周波数シフトを評価するために、評価手段は電子発振回路の周波数検出素子として接続されている。分解能は実質的に、発振器回路のＳＮ比と、使用される周波数測定方法に依存している。しかし安価に製造しながら、この種の測定装置を小型化する流れの中では、このことにより感度ないし分解能の悪化が発生して不利である。
発明の利点
請求項１の構成を有する本発明の方法および請求項７に記載された構成を有する本発明の装置は、測定装置が小型であっても測定感度を向上させることができるという利点を有する。共振周波数で振動する構造体に有利には振動方向で作用する静電力を印加することによって、有利には、静電力を定める量を介して、測定装置の感度への影響を取り出すことができる。従って有利には、共振振動する構造体とこれに配属された対向構造体との間に印加される、静電力を定める電圧を介して、測定装置の動作点を調整することができる。電圧を高く選択すればするほど、動作点は測定装置の機械的不安定性点に近付いてしまう。
測定過程中は一定に留まる電圧の高さを介して非常に有利には、測定装置の感度を調整することができる。電圧により調整された感度に相応して、非常に有利には可動に支承された対向構造体を介して、共振状態で振動する構造体に作用する静電力を変化させることができる。従って静電力は、電圧を一定にすることによって専ら間隔変化に依存する。
構造体と対向構造体との間隔を相互に変化することによって、振動する構造体の固有周波数をずらすことができる。対向構造体は有利には、測定すべき物理量と直接つながっている。固有周波数シフトは、測定すべき物理量の大きさが同じである場合に、測定装置の動作点が機械的不安定点に、定電圧の大きさを介して近付けば近付くほど大きくなる。従って、測定すべき物理量の変化が非常に小さい場合でもすでに比較的に大きな固有周波数シフト（共振周波数シフト）が生じ、このシフトを評価手段によって相応に評価することができる。この場合、非常に小さな幾何的なずれ、すなわち構造体と対向構造体との非常に小さな間隔変化で、関連する周波数差を惹起するのに十分である。
本発明の有利な実施例では、静電力を惹起する対向構造体が、力センサ、とりわけ加速度センサの可動に支承された構成部材である。ここで有利には構造体と対向構造体とは、加速度センサのセンシング方向に対して角度を為して配置されている。このことにより有利には、静電力の対向構造体に対する反作用を低減することができ、全体として本発明の測定装置の測定精度を高めることができる。さらに非常に有利には、角度をずらすことによって、加速度センサの振動質量の検知すべき振れを分割することができる。これにより正確な測定が可能である。
別の有利な構成は従属請求項に記載されている。
図面
本発明を以下、図面に示された実施例に基づき説明する。
図１は、本発明の測定装置の基本構造を示す概略的平面図、
図２は、図１の装置の周波数電圧特性曲線を示す線図、
図３は、図１の装置の周波数間隔特性曲線を示す線図、
図４は、本発明の測定装置を有する加速度センサの概略的平面図である。
実施例の説明
図１は、測定装置１０を示す。この測定装置１０は単に概略的に平面図で示されており、本発明の測定方法を明らかにするものである。測定装置１０は構造体１２を有し、この構造体は撓みバーにより形成される。この撓みバーは２つの支承部１６の間を可動に懸架されている。支承部１６はフレーム１８の構成部材とすることができ、フレームはここに図示しない基板２０の構成部材である。撓みバー１４はここでは、フレーム１８により形成された窓２２に張られている。構造体１２には駆動装置２４が配属されており、駆動装置は例えば静電性の櫛形駆動部２６により形成される。駆動装置２４はさらにここに詳細に図示しない電子発振回路を有する。構造体１２にはさらに対向構造体２８が配属されている。対向構造体は、撓みバー１４の、駆動装置２４に対向する側に配置されている。対向構造体２８は、ここで二重矢印３０で示した撓みバー３０の振動方向に可動に支承されている。構造体１２も対向構造体２８も、図１に図示しない手段で直流電源に接続されており、構造体１２は直流電源のマイナス極ないしアースに、対向構造体２８は直流電源のプラス極に接続されている。またはその反対の接続でも良い（極性は重要でない）。
図１に示された測定装置１０は次の機能を有する。
駆動装置２４を介して構造体１２は振動方向３０で共振周波数ｆ０（外部負荷なし）により共振振動される。次に、この共振周波数ｆ０で振動している構造体１２（撓みバー１４）に外部物理量、例えば加速度または圧力が作用すると、構造体１２に機械的ストレスが入力結合される。この機械的ストレスにより、構造体１２の振動する共振周波数ｆに固有周波数シフトが生じる。共振周波数ｆと共振周波数ｆ０との間の周波数ずれを検出することにより、作用する物理量の大きさを周波数アナログ測定方法で推定することができる。ここで測定方法の精度は、構造体１２の幾何的寸法に実質的に依存している。撓みバー１４の純粋な撓み振動に対しては次式が当てはまる。

ここで共振周波数ｆ０は、

に従って計算される。共振周波数ｆ０は、構造体１２の無負荷状態に対して成立する。Ｆは構造体１２に掛かる力、Ｅは電気単位、ζは撓みバー１４の使用される材料密度（材料定数）である。１により長さ、ｂにより振動方向３０の幅、ｈにより撓みバー１４の高さが示される。
構造体１２と対向構造体２８を直流電源に接続することにより、対向構造体２８によって静電力Ｆ_Ｅが、静止状態で共振周波数ｆ０により振動する構造体１２に及ぼされる。静電力Ｆ_Ｅを構造体１２に作用させることにより、振動特性を所望のように制御することができる。ここで静電力ＦＥは次式により計算される。

ここでεは電気定数、ｌ_Ｅは対向構造体２８の長さ、ｈ_Ｅは対向構造体２８の高さを示す。対向構造体は構造体１２に直接対向している。構造体１２と対向構造体２８に印加される電圧はＵにより示されている。一方、構造体１２と対向構造体２８と間隔はｄにより示されている。
共振周波数ｆを定める構造体１２（撓みバー１４）の機械的バネ力は静電力Ｆ_Ｅに重畳される。これにより構造体１２の有効バネ剛性ｃ_ｅｆｆが変化する。この有効バネ剛性の変化は共振周波数ｆにフィードバックされる。ここでは次式が成立する。

有効バネ剛性ｃ_ｅｆｆは電圧Ｕ＝０のときｃ０により表される。
従って全体として、静電力Ｆと従って構造体１２の共振周波数ｆとを、電圧Ｕの大きさと間隔ｄの大きさにより制御することができる。構造体１２と対向構造体２８とはここで擬似的コンデンサを形成し、構造体１２と対向構造体２８はコンデンサ板である。構造体１２の長さｌ、幅ｂおよび高さｈ、対向構造体の長さｌ_Ｅおよび高さｈ_Ｅ等の別のパラメータは測定装置の設計により定めることができ、一定である。
図２は、構造体１２と対向構造体２８との間隔ｄが一定であるときの、測定装置１０の共振周波数／電圧特性曲線を示す。電圧Ｕの上昇と共に、共振周波数ｆが低下することがわかる。電圧Ｕを介して測定装置の動作点、とりわけ測定装置１０の構造体１２の機械的不安定性点からの間隔を調整することができる。動作点が機械的不安定性点に近付けば近付くほど、測定装置１０の感度は上昇する。なぜなら、外部から加えられる測定すべき物理量による共振周波数ｆの僅かな変化が大きな信号偏差を引き起こすからである。
図３には、測定装置１０の共振周波数／間隔特性曲線が示されている。ここでは構造体１２と対向構造体２８との間隔ｄの減少と共に共振周波数ｆの低下することが明らかである。ここで共振周波数ｆは、構造体１２の無負荷状態での振動周波数に相応する共振周波数ｆ０と値ゼロに制限される。共振周波数ｆは、静電力Ｆ_Ｅが撓みバー１４の戻り駆動力に正確に相応するときに値ゼロを取る。従って撓みバーでの力の和は０である。共振周波数ｆが値０を取る点には、測定装置１０の機械的不安定性点Ｐ０がある。
本来の測定過程のために、構造体１２と対向構造体２８との間に定電圧Ｕが印加される。この電圧Ｕを大きく選択すればするほど、測定装置１０の動作点は機械的不安定点Ｐ０に近付き、構造体１２と対向構造体２８相互間の間隔ｄの変化が一定の場合に、共振周波数ｆのシフトが大きくなる。電圧Ｕが一定であるため、静電力ＦＥは間隔ｄにだけ依存する。間隔ｄの変化はここで図３に示した曲線の運動に相応する。機械的不安定点Ｐ０に近付けば近付くほど、構造体１２は柔らかくなり、共振周波数ｆは低くなる。同時に曲線の勾配は急峻になり、間隔での幾何的変化に対する感度も上昇する。ここでは最少の幾何的シフトですでに共振周波数ｆの関連する差を惹起するのに十分である。測定装置１０の感度上昇はここでは単に、構造体１２自体が共振周波数ｆの変化を検出するため振動しなければならないことによってだけ制限される。
構造体１２の振動は、構造体１２と対向構造体２８との間隔ｄの付加的変動につながる。実質的に駆動装置２４の効率に依存する振動の振幅を小さくできれば、動作点を機械的不安定点Ｐ０に近づけることができ、ひいては感度を高めることができる。構造体１２の振動とこれによる生じる間隔ｄの変動によって特性曲線は非線形である。この非線形性は、詳細に図示しないが評価回路において補償される。
全体として、共振周波数ｆの変化は構造体１２（撓みバー１４）の機械的ストレスの変化を越えて作用するものではない。従って構造体１２の機械的影響によって生じる交代ストレスは測定結果に何の影響も及ぼさない。なぜならこのストレスは単に静止周波数シフト（ゼロ点シフト）を惹起するだけだからである。
具体的実施例によれば、定電圧が１８Ｖ、構造体１２の長さｌが３００μｍのとき、共振周波数ｆおよび構造体と対向構造体２８との間隔ｄとに次のような依存関係が得られる。ここで間隔ｄは理論的板間隔とする。なぜなら静電力Ｆ_Ｅによって、静止位置の間隔、すなわち構造体１２とと対向構造体２８の振動３０の中点の間隔は小さくなるからである。
間隔ｄ 1.4μｍ 1.5μｍ 1.6μｍ
共振周波数ｆ 125.4kHz 141.7kHz 149.7kHz
具体的数値に基づき、間隔ｄが小さくなると、共振周波数ｆははっきりと低下し、従って外部から影響する、測定すべき物理量により惹起される共振周波数ｆの変化は共振周波数ｆを比較的に高くシフトする。
図４には、測定装置１０の可能な適用例が概略的平面図に示されている。ここでは３２により加速度センサが示されている。図１と同じ部材には同じ参照番号が付してあり、再度説明しない。加速度センサ３２は振動質量３４を有し、この振動質量はバネ３６を介して平坦な振動平面３８に柔らかく懸架されている。バネ３６は脚部４０により基板４２と振動質量３４に接合されている。バネ３６はさらに対向構造体２８との結合している。対向構造体２８はさらに測定装置（図１）の構成部材であり、測定装置はさらに構造体２４と駆動装置２４を有する。対向構造体２８はバネ３６を介して振動質量３４と結合されている。バネ３６と脚部４０を介して対向構造体２８は直流電源４４のプラス極と接続されている。構造体１２はフレーム１８ないし基板４２を介して直流電源４４のマイナス極ないしアースと接続されている。直流電源４４が投入接続されているときは電圧Ｕが対向構造体２８と構造体１２との間に印加される。測定装置１０はここでは角度αで加速度センサ３２の検知方向４６に配置されている。
図４に示した加速度センサ３２は以下の機能を実行する。
規定通りの使用の際には、振動質量３４が外部から影響する加速度に基づいて、平坦な振動平面の検知方向４６にずらされる。加速度は振動質量３４に力を及ぼし、この力は振動質量３４が懸架されているバネ３６のバネ定数に応じて所定の振幅の撓みを引き起こす。バネ３６の構成によってこの偏向はバネ３６の上昇作用に分割され、対向構造体２８は相応に緩和された偏向（間隔ｄの変化）を受ける。
構造体１２が加速度センサ３２の検知方向４６に対して配置されている角度αに依存して、変更は再度分割される。これにより最終的に、振動質量４６の偏向は、間隔ｄの非常に小さな変化になる。
すでに図１〜図３で説明したように、間隔ｄの変化は、印加される電圧Ｕが一定の場合、構造体１２が駆動装置２４により励起される共振周波数ｆの変動につながる。共振周波数ｆの変化は、ここに図示しない評価手段によって検出され、周波数アナログ信号が検出される。この周波数アナログ信号は影響する加速度の大きさに相応する。
構造体１２が角度αで斜め位置にあることによって、振動質量３４に対する過負荷ストッパが実現される。振動質量３４は次のような振幅でその検知方向で振動する。すなわち、図示しない過負荷ストッパにより制限される振幅で振動する。最大振幅のときでも、偏向の分割によって、一方ではバネ３６を介して、他方では角度αの斜め位置を介して、対向構造体２８が構造体１２に当接することが阻止される。
構造体１２および角度αの構成の別の利点は、静電力ＦＥが対向構造体２８に及ぼす反作用を緩和できることである。ここでは角度αのサインに相応する静電力Ｆ_Ｅの一部だけが対向構造体２８の運動方向に作用する。
例に基づいて説明したように、構造体１２に作用する力ＦＥによる共振周波数ｆの影響は、専ら間隔ｄの変化につながる。このことにより、容量性測定方法が周波数アナログ評価によって行われる。この方法により、感度が高く、同時に簡単で丈夫に構成された測定装置１０が得られる。

Claims (11)

1. 物理量の測定方法において、
   ２つの支承部（１６）の間に可動に懸架されている構造体（１２）を駆動装置（２４）により共振振動させ、
   前記構造体（１２）に作用する測定すべき物理量の変化によって発生した、前記構造体（１２）の振動周波数の変化を評価手段により検出し、周波数アナログ信号を出力し、出力された前記周波数アナログ信号を評価することにより、前記測定すべき物理量を推定し、
   電圧源（４４）を用いて、前記構造体（１２）と、該構造体（１２）に対向して配置されており、且つ前記支承部（１６）とは異なる個所において可動に支承されている対向構造体（２８）との間に電圧を印加し、前記対向構造体（２８）を介して、前記駆動装置（２４）から分離した静電力（Ｆ _E ）を前記構造体（１２）に印加し、前記構造体（１２）と前記対向構造体（２８）との間隔（ｄ）を変化させ、振動する前記構造体（１２）の共振周波数（ｆ）を調整する、
   ことを特徴とする、物理量の測定方法。
2. 前記静電力（Ｆ_E）は可変である、請求項１記載の方法。
3. 前記構造体（１２）と前記対向構造体（２８）との間には定電圧（Ｕ）が印加される、請求項１または２記載の方法。
4. 前記定電圧（Ｕ）の高さを介して、動作点と機械的不安定点（Ｐ₀）との間隔を調整する、請求項３記載の方法。
5. 前記構造体（１２）と前記対向構造体（２８）との間の間隔（ｄ）は、測定すべき物理量の作用によって変化する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記構造体（１２）および前記対向構造体（２８）は検知方向（４６）に対して角度（α）を以て配置されており、前記対向構造体（２８）に作用する前記静電力（Ｆ _E ）を低減する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 物理量の測定装置であって、共振振動し、且つ２つの支承部（１６）の間に可動に懸架されている構造体（１２）と、前記構造体（１２）を共振振動させるための駆動装置（２４）と、前記構造体（１２）に作用する測定すべき物理量の変化によって発生した、前記構造体（１２）の振動周波数の変化を検出し、周波数アナログ信号を出力し、出力された前記周波数アナログ信号を評価することにより、前記測定すべき物理量を推定するための評価手段とを有する装置において、
   前記構造体（１２）には、前記支承部（１６）とは異なる個所において可動に支承されている対向構造体（２８）が対向して配置されており、
   前記構造体（１２）と前記対向構造体（２８）とは電圧源（４４）に接続されており、且つ前記構造体（１２）と前記対向構造体（２８）には前記電圧源（４４）により電圧（Ｕ）が印加され、
   前記対向構造体（２８）を介して、前記駆動装置（２４）から分離した静電力（Ｆ_E）を前記構造体（１２）に印加し、前記構造体（１２）と前記対向構造体（２８）との間隔（ｄ）の変化を惹起させ、振動する前記構造体（１２）の共振周波数（ｆ）が調整される、
   ことを特徴とする、物理量の測定装置。
8. 前記対向構造体（２８）により惹起される静電力（Ｆ_E）は、前記構造体（１２）の振動方向（３０）に作用する、請求項７記載の測定装置。
9. 前記対向構造体（２８）は、力センサの可動に支承された構成部材である、請求項７または８記載の測定装置。
10. 前記対向構造体（２８）は、加速度センサ（３２）の可動に支承された構成部材である、請求項７または８記載の測定装置。
11. 前記構造体（１２）および前記対向構造体（２８）は、前記加速度センサ（３２）の検知方向（４６）に対して角度（α）を以て配置されている、請求項１０記載の測定装置。

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