(57)【要約】  本発明に係る物理量センサ１００は、支持部材９に支持された第１振動子１及び第２振動子２と、第１振動子１の振動を検出する第１検出手段４と、第２振動子２の振動を検出する第２検出手段５と、第１振動子１又は第２振動子２に設けられ、測定対象物を吸着及び／又は脱離可能な性質を有する感応体６と、第１振動子１と第２振動子２とを連結する弾性手段７と、加振手段３が第１振動子１を加振する所定の周波数を決定する演算手段８とを備える。演算手段８は、第２振動子２の振幅が最大となるように所定の周波数を決定し、加振手段３が第１振動子１を加振しているときに、第２振動子２の振幅と、第１振動子１の振幅との比に基づき測定対象物の質量又は濃度を算出することを特徴とする。
2013146732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部材と、
前記支持部材に支持された第１振動子と、
前記第１振動子を所定の周波数で加振する加振手段と、
前記第１振動子の振動を検出する第１検出手段と、
前記支持部材に支持された第２振動子と、
前記第２振動子の振動を検出する第２検出手段と、
前記第１振動子又は前記第２振動子に設けられ、測定対象物を吸着及び／又は脱離可能な性質を有する感応体と、
前記第１振動子と前記第２振動子とを連結する弾性手段と、
前記所定の周波数を決定すると共に、前記測定対象物の質量又は濃度を算出する演算手段とを備え、
前記演算手段は、前記第２検出手段により検出される前記第２振動子の振幅ＵＯ２が最大となるように前記所定の周波数を決定し、前記加振手段が該決定された周波数で前記第１振動子を加振しているときに、前記第２検出手段により検出される前記第２振動子の振幅ＵＯ２と、前記第１検出手段により検出される前記第１振動子の振幅ＵＯ１との比ＵＯ２／ＵＯ１に基づき前記測定対象物の質量又は濃度を算出することを特徴とする物理量センサ。
【請求項２】
支持部材と、
前記支持部材に支持された第１振動子と、
前記第１振動子を所定の周波数で加振する加振手段と、
前記第１振動子の振動を検出する第１検出手段と、
前記支持部材に支持された第２振動子と、
前記第２振動子の振動を検出する第２検出手段と、
前記第１振動子又は前記第２振動子に設けられ、測定対象物を吸着及び／又は脱離可能な性質を有する感応体と、
前記第１振動子と前記第２振動子とを連結する弾性手段と、
前記所定の周波数を決定すると共に、前記測定対象物の質量又は濃度を算出する演算手段とを備え、
前記演算手段は、前記加振手段が前記第１振動子を加振する周波数を、１次の共振周波数近傍又は２次の共振周波数近傍で増減させて、前記第１検出手段により検出される前記第１振動子の振動の位相と前記加振手段の振動の位相との位相差が９０°となるように前記所定の周波数を決定し、前記加振手段が該所定の周波数で前記第１振動子を加振しているときに、前記第２検出手段により検出される前記第２振動子の振幅ＵＯ２と、前記第１検出手段により検出される前記第１振動子の振幅ＵＯ１との比ＵＯ２／ＵＯ１に基づき前記測定対象物の質量又は濃度を算出することを特徴とする物理量センサ。
【請求項３】
前記加振手段及び前記第１検出手段は、前記第１振動子に設けられた圧電効果を有する圧電膜であり、
前記第２検出手段は、前記第２振動子に設けられた圧電効果を有する圧電膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の物理量センサ。
【請求項４】
前記感応体が前記測定対象物を吸着可能な性質を有するものである場合、前記感応体が前記測定対象物を吸着する前は、前記振幅ＵＯ１と、前記振幅ＵＯ２とが略同一であり、
前記感応体が前記測定対象物を脱離のみ可能な性質を有するものである場合、前記感応体が前記測定対象物を脱離する前は、前記振幅ＵＯ１と、前記振幅ＵＯ２とが略同一であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の物理量センサ。
【請求項５】
前記感応体は、前記測定対象物を吸着することができる吸着膜であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の物理量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの振動子を備えた振動型の物理量センサに関する。特に、本発明は、Ｑ値の影響を受けることなく、測定対象物の質量又は濃度を高精度に測定できる物理量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、雰囲気中に存在する測定対象物の質量又は濃度を検出するセンサが種々提案されている。その中で、微小な測定対象物の質量又は濃度を検出する物理量センサとして、カンチレバー型の振動子を利用した振動型の物理量センサが存在する。振動型の物理量センサは、通常、測定対象物を含む雰囲気中で振動子を振動させる。振動型の物理量センサは、測定対象物が振動子に付着することに起因する質量変化に伴って振動子の共振周波数が変化することを利用して測定対象物の質量又は濃度を測定する。【０００３】
非特許文献１では、弾性手段により２つのカンチレバー型の振動子が連結された物理量センサの構成が提案されており、前記弾性手段のばね定数を小さくすることにより、微小質量を測定する場合の測定分解能が更に高まることが示唆されている。【０００４】
一般的に、カンチレバー型の振動子を利用した振動型の物理量センサでは、信号の鋭さを示す特性値であるＱ値が低下することにより、測定精度が低下するという問題が生じることが知られている。なお、Ｑ値は、雰囲気による抵抗や温度変化等の要因によって変動する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Spletzer et al.，"Ultrasensitive mass sensing using mode localization in coupled microcantilevers"，Applied Physics Letters，American Institute of Physics，２００６年，第８８巻，２５４１０２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、Ｑ値の影響を受けることなく、測定対象物の質量又は濃度を高精度に測定できる物理量センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため、本発明は、支持部材と、前記支持部材に支持された第１振動子と、前記第１振動子を所定の周波数で加振する加振手段と、前記第１振動子の振動を検出する第１検出手段と、前記支持部材に支持された第２振動子と、前記第２振動子の振動を検出する第２検出手段と、前記第１振動子又は前記第２振動子に設けられ、測定対象物を吸着及び／又は脱離可能な性質を有する感応体と、前記第１振動子と前記第２振動子とを連結する弾性手段と、前記所定の周波数を決定すると共に、前記測定対象物の質量又は濃度を算出する演算手段とを備え、前記演算手段は、前記第２検出手段により検出される前記第２振動子の振幅ＵＯ２が最大となるように前記所定の周波数を決定し、前記加振手段が該決定された周波数で前記第１振動子を加振しているときに、前記第２検出手段により検出される前記第２振動子の振幅ＵＯ２と、前記第１検出手段により検出される前記第１振動子の振幅ＵＯ１との比ＵＯ２／ＵＯ１に基づき前記測定対象物の質量又は濃度を算出することを特徴とする物理量センサを提供する。【０００８】
本発明に係る物理量センサによれば、第１振動子は支持部材に支持されているため、支持された部分が支点となって第１振動子が振動する。また、第１振動子は、加振手段によって所定の周波数で加振され、第１検出手段は、第１振動子の振動（例えば振動の振幅、位相及び周波数等）を検出する。また、第２振動子も支持部材に支持されているため、支持された部分が支点となって第２振動子が振動する。第２検出手段は、第２振動子の振動（例えば振動の振幅、位相及び周波数等）を検出する。【０００９】
本発明における感応体は、測定対象物を吸着及び／又は脱離可能な性質を有する。このため、雰囲気中の測定対象物を吸着することによって感応体の質量は増加し、雰囲気中に測定対象物を脱離することによって感応体の質量は減少する。また、感応体は、第１振動子又は第２振動子に設けられるため、感応体の質量は、第１振動子又は第２振動子の振動に影響を与える。換言すれば、感応体の質量の変化によって、振動子の共振周波数は変化する。
弾性手段は、弾性を有しており、第１振動子と第２振動子とを連結している。このため、第１振動子の振動と第２振動子の振動とが弾性手段を介して相互に伝搬する。【００１０】
本発明者らは、第２検出手段により検出される第２振動子の振幅ＵＯ２が最大となるように、加振手段が所定の周波数で第１振動子を加振すれば、該振幅ＵＯ２と第１検出手段により検出される第１振動子の振幅ＵＯ１との振幅比がＱ値の影響を受けることなく変化しないことを見出した。そして、本発明者らは、加振手段が前記所定の周波数で第１振動子を加振すれば、同相の振動の振幅と逆相の振動の振幅との重なり及びＱ値の影響を受けることなく質量又は濃度を測定できる可能性があるという推察の下、鋭意研究を行った。その結果、ＵＯ２／ＵＯ１の変化量に基づき測定対象物の質量又は濃度を算出することができるという知見を得た。
上記の知見に基づき、演算手段は、加振手段が第１振動子を加振する所定の周波数を決定すると共に、測定対象物の質量又は濃度を算出する構成とされている。具体的には、演算手段は、振幅ＵＯ２が最大となるように所定の周波数を決定する。そして、加振手段が演算手段により決定された周波数で第１振動子を加振しているときに、演算手段は、第２検出手段により検出される第２振動子の振幅ＵＯ２と、第１検出手段により検出される第１振動子の振幅ＵＯ１との比ＵＯ２／ＵＯ１に基づき測定対象物の質量又は濃度を算出する。
この結果、本発明に係る物理量センサは、測定対象物の質量又は濃度を測定するにあたり、Ｑ値の影響を受けることなく、測定対象物の質量又は濃度を高精度に測定できるという効果を奏する。【００１１】
ここで、物理量センサが微小質量を測定する場合の測定分解能を高めるために弾性手段のばね定数を小さくすれば、同相の振動の共振周波数（一方の振動子の振動の位相と他方の振動子の振動の位相とが同一となる場合の共振周波数）と逆相の振動の共振周波数（一方の振動子の振動の位相と他方の振動子の振動の位相との位相差が１８０°となる場合の共振周波数）とにおけるそれぞれの振動による振幅の重なりが顕著に発生するため、共振周波数の測定においてＱ値の影響をより受けやすい。本発明に係る物理量センサは、Ｑ値の影響を受けないため、前記振幅の重なりが顕著に発生したとしても高精度に測定対象物の質量又は濃度を測定することができる。【００１２】
なお、第１振動子が支持部材によって支持される部分は、例えば、第１振動子の一端でもよく、両端でもよく、端部に限らず任意の一点であってもよい。また、第２振動子が支持部材によって支持される部分も、例えば、第２振動子の一端でもよく、両端でもよく、端部に限らず任意の一点であってもよい。加振手段が第１振動子を加振する力は、例えば圧電効果、電磁気力又は静電引力を利用することによって得られる。第１振動子の振幅を検出する第１検出手段は、第１振動子に設けられ圧電効果を利用するものであってもよく、電磁気力又は静電引力を利用するものの他、第１振動子の外部に設けられたレーザー変位計等であってもよい。第２振動子の振幅を検出する第２検出手段も、第２振動子に設けられ圧電効果を利用するものであってもよく、電磁気力又は静電引力を利用するものの他、第２振動子の外部に設けられたレーザー変位計等であってもよい。【００１３】
演算手段により決定される所定の周波数は、振幅ＵＯ２が最大となるように決定される他、振幅ＵＯ２と加振手段の振幅（以下、振幅ＵＩＮという）との比ＵＯ２／ＵＩＮが最大となるように決定されてもよい。【００１４】
本発明における演算手段において、ＵＯ２／ＵＯ１に基づき測定対象物の質量又は濃度を算出するとは、ＵＯ２／ＵＯ１そのものを用いて測定対象物の質量又は濃度を算出することの他、例えば、ＵＯ１／ＵＯ２を用いて測定対象物の質量又は濃度を算出することも含む概念である。【００１５】
ここで、本発明者らは、鋭意検討した結果、加振する周波数の変化に伴って、第１振動子の振動の位相と加振手段の振動の位相との位相差は変化し、加振手段が第１振動子を振幅ＵＯ２が最大となる周波数で加振すると、第１振動子の振動の位相と加振手段の振動の位相との位相差が９０°となることを見出した。本発明は、斯かる知見に基づく構成を有することも可能である。【００１６】
すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、支持部材と、前記支持部材に支持された第１振動子と、前記第１振動子を所定の周波数で加振する加振手段と、前記第１振動子の振動を検出する第１検出手段と、前記支持部材に支持された第２振動子と、前記第２振動子の振動を検出する第２検出手段と、前記第１振動子又は前記第２振動子に設けられ、測定対象物を吸着及び／又は脱離可能な性質を有する感応体と、前記第１振動子と前記第２振動子とを連結する弾性手段と、前記所定の周波数を決定すると共に、前記測定対象物の質量又は濃度を算出する演算手段とを備え、前記演算手段は、前記加振手段が前記第１振動子を加振する周波数を、１次の共振周波数近傍又は２次の共振周波数近傍で増減させて、前記第１検出手段により検出される前記第１振動子の振動の位相と前記加振手段の振動の位相との位相差が９０°となるように前記所定の周波数を決定し、前記加振手段が該所定の周波数で前記第１振動子を加振しているときに、前記第２検出手段により検出される前記第２振動子の振幅ＵＯ２と、前記第１検出手段により検出される前記第１振動子の振幅ＵＯ１との比ＵＯ２／ＵＯ１に基づき前記測定対象物の質量又は濃度を算出することを特徴とする物理量センサとしても提供される。【００１７】
斯かる発明によれば、正確に所定の周波数を決定することができる。換言すれば、振幅ＵＯ２が最大となる所定の周波数を容易に求めることができる。位相差は、振幅の最大値のように瞬時的に測定されるものではなく、連続的な振幅変化の測定によって求まるため、位相差の測定においてはノイズ等による影響を受け難いからである。【００１８】
前記加振手段及び前記第１検出手段は、前記第１振動子に設けられた圧電効果を有する圧電膜であり、前記第２検出手段は、前記第２振動子に設けられた圧電効果を有する圧電膜であることが好ましい。【００１９】
斯かる好ましい構成によれば、加振手段及び第１検出手段は、第１振動子に設けられ、第２検出手段は、第２振動子に設けられるため、物理量センサ全体を小型化できる。【００２０】
前記感応体が前記測定対象物を吸着可能な性質を有するものである場合、前記感応体が前記測定対象物を吸着する前は、前記振幅ＵＯ１と、前記振幅ＵＯ２とが略同一であり、前記感応体が前記測定対象物を脱離のみ可能な性質を有するものである場合、前記感応体が前記測定対象物を脱離する前は、前記振幅ＵＯ１と、前記振幅ＵＯ２とが略同一であることが好ましい。【００２１】
斯かる好ましい構成によれば、感応体の質量変化に伴う振幅ＵＯ２と振幅ＵＯ１との比ＵＯ２／ＵＯ１の変化率が大きくなるため、質量変化を検出し易くなる。つまり、物理量センサの測定精度を向上させることができる。【００２２】
前記感応体は、前記測定対象物を吸着することができる吸着膜であることが好ましい。【００２３】
斯かる好ましい構成によれば、第１振動子又は第２振動子が振動する際に、雰囲気による抵抗を低減することができるため、より正確な振動の振幅、位相及び周波数を測定することができる。つまり、物理量センサの測定精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように本発明によると、Ｑ値の影響を受けることなく、測定対象物の質量又は濃度を高精度に測定できる物理量センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る物理量センサの概略図である。
【図２】図２は、２自由度ばね・質点系の振動モデルである。
【図３】図３は、質点の質量の微小変化に対する同相の振動の振幅比の変化を示すグラフである。
【図４】図４は、質点の質量の微小変化に対する逆相の振動の振幅比の変化を示すグラフである。
【図５】図５は、質点の質量の微小変化に対する同相の振動の振幅比の変化を示すグラフである。
【図６】図６は、質点の質量の微小変化に対する同相の振動の振幅比の変化を示すグラフである。
【図７】図７は、加振する角周波数の変化に対する振動の振幅と加振の振幅との比の変化を示すグラフである。
【図８】図８は、加振する角周波数の変化に対する振動の振幅と加振の振幅との比の変化を示すグラフである。
【図９】図９は、加振する角周波数の変化に対する同相及び逆相の振動が重ね合された振幅と加振の振幅との振幅比の変化を示すグラフである。
【図１０】図１０は、加振する角周波数の変化に対する位相差の変化を示すグラフである。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態に係る物理量センサの変形例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
（本実施形態の振動モデル）
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態に係る物理量センサについて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る物理量センサの概略図である。また、図２は、２自由度ばね・質点系の振動モデルである。図１に示すように、本実施形態に係る物理量センサ１００は、第1振動子１と、第２振動子２と、これらを連結する弾性を有する弾性手段７とを備える。このため、第１振動子１及び第２振動子２の振動を、図２に示すような２自由度ばね・質点系の運動に置き換えることができる。具体的には、第１振動子１のばね定数をｋ１とし、第２振動子２のばね定数をｋ２とし、弾性手段７のばね定数をｋｃとし、第１振動子１及び該第１振動子１と一体的に振動する部材の質量をｍ１とし、第２振動子２及び該第２振動子２と一体的に振動する部材の質量をｍ２とし、第１振動子１の振動の変位量をｘ１とし、第２振動子２の振動の変化量をｘ２とすることができる。
【００２７】
図２において、非減衰系であるとした場合、運動方程式は下記式（１）のように表現される。
【数１】
2013146732.tif 000003
【００２８】
ここで、第１振動子１が角周波数ωで、振幅ｕ１で振動し、第２振動子２が第１振動子と同じ角周波数ωで、振幅ｕ２で振動するとした場合、第１振動子１の振動の変位量ｘ１及び第２振動子２の振動の変位量ｘ２は、時間をｔ、位相をφとして、下記式（２）のように表現される。
【数２】
2013146732.tif 000004
【００２９】
従って、上記式（１）及び（２）を満たす角周波数ωは、下記式（３）を満足する。
【数３】
2013146732.tif 000005
【００３０】
上記式（３）より、１次の共振周波数をω１とし、２次の共振周波数をω２として、下記式（４）を導出できる。
【数４】
2013146732.tif 000006
【００３１】
また、上記式（１）及び（２）より、第１振動子１の１次の固有振動の振幅をｕ１（１）、第１振動子１の２次の固有振動の振幅をｕ１（２）、第２振動子２の１次の固有振動の振幅をｕ２（１）、第２振動子２の２次の固有振動の振幅をｕ２（２）とすると、第２振動子２の振幅と第１振動子１の振幅との振幅比について、下記式（５）を導出できる。
【数５】
2013146732.tif 000007
上記式（５）より、振幅比、ばね定数、質量及び共振周波数は、相関関係にあることがわかる。
【００３２】
ここで、ｍ１＝ｍ２＝ｍ、ｋ１＝ｋ２＝ｋとすると、上記式（４）より、共振周波数ω１及びω２について、下記式（６）を導出できる。
【数６】
2013146732.tif 000008
上記式（６）より、１次の共振周波数ω１と２次の共振周波数ω２との差は、ｋｃによって決定されることがわかる。
【００３３】
また、上記式（５）より、振幅比について、下記式（７）を導出できる。
【数７】
2013146732.tif 000009
上記式（７）より、１次の共振周波数では、振幅が同じで同相の振動となり、２次の共振周波数では、振幅が同じで逆相（位相差が１８０°）の振動となることがわかる。
【００３４】
図３は、質量ｍ１の微小変化に対する同相の振動の振幅比の変化を示すグラフである。具体的には、ｍ１＝１＋Δｍ、ｍ２＝１、ｋ１＝ｋ２＝１、ｋｃ＝０．０１とする場合、ｍ１の変化率に対する同相の振動の振幅比の変化を示している。
【００３５】
図３に示すように、ｍ１が１０％増加したとき（ｍ１＝１．１のとき）、同相の振動の振幅比は約９０％減少する（振幅比は約０．１となる）。また、ｍ１が１に近い値の方が振幅比の変化率が高いため、ｍ１が微小に変化する領域において測定精度が高いと考えられる。
【００３６】
図４は、質量ｍ１の微小変化に対する逆相の振動の振幅比の変化を示すグラフである。具体的には、前述した条件ｍ１＝１＋Δｍ、ｍ２＝１、ｋ１＝ｋ２＝１、ｋｃ＝０．０１において、ｍ１の変化率に対する逆相の振動の振幅比の変化を示している。
【００３７】
図４に示すように、前述した同相の振動の振幅比と同様に、ｍ１が１０％増加したとき（ｍ１＝１．１のとき）、逆相の振動の振幅比は約９０％減少する（振幅比は約０．１となる）。また、ｍ１が１に近い値の方が振幅比の変化率が高いため、ｍ１が微小に変化する領域において測定精度が高いと考えられる。ただし、実際にはｍ１が増加する場合は、ｕ１（２）及びｕ２（２）が減少するため、ｕ１（２）／ｕ２（２）ではなくｕ２（１）／ｕ１（１）を測定することが好ましい。一方、ｍ２が増加する場合は、ｕ１（１）及びｕ２（１）が減少するため、ｕ２（１）／ｕ１（１）ではなくｕ１（２）／ｕ２（２）を測定することが好ましい。
【００３８】
図５は、質量ｍ１の微小変化に対する同相の振動の振幅比の変化を示すグラフである。具体的には、ｍ１＝１＋Δｍ、ｍ２＝１、ｋ１＝ｋ２＝１、ｋｃ＝０．１とする場合、ｍ１の変化率に対する同相の振動の振幅比の変化を示している。
【００３９】
図５に示すように、ｍ１が１０％増加したとき（ｍ１＝１．１のとき）、同相の振動の振幅比は約４０％減少する（振幅比は約０．６となる）に止まる。このため、前述したｋｃ＝０．０１とする場合に比して、測定精度は低くなる。また、逆相の振動の振幅比についても同様に測定精度は低くなる（図示せず）。
【００４０】
図６は、質量ｍ１の微小変化に対する同相の振動の振幅比の変化を示すグラフである。具体的には、ｍ１＝１＋Δｍ、ｍ２＝１、ｋ１＝ｋ２＝１、ｋｃ＝０．００１とする場合、ｍ１の変化率に対する同相の振動の振幅比の変化を示している。
【００４１】
図６に示すように、前述した同相の振動の振幅比と同様に、ｍ１が１０％増加したとき（ｍ１＝１．１のとき）、同相の振動の振幅比は約９９％減少する（振幅比は約０．０１となる）。また、ｍ１が１に近い値における振幅比の変化率は、ｋｃ＝０．０１とする場合に比してさらに高くなるため、ｍ１が微小に変化する領域において、さらに測定精度が高くなると考えられる。また、逆相の振動の振幅比についても同様に測定精度は高くなる（図示せず）。
【００４２】
以上のように、第１振動子１及び該第１振動子１と一体的に振動する部材の質量ｍ１が微小に変化する領域において、弾性手段７のばね定数ｋｃを小さくするに伴い、第２振動子２の振幅と第１振動子１の振幅との振幅比が大きく変化する。換言すれば、弾性手段７のばね定数ｋｃが小さいほど測定精度は高くなる。
【００４３】
ここまで、２自由度における非減衰振動の振幅比について説明したが、減衰を考慮して加振を行った場合におけるそれぞれの振動の振幅について、１次及び２次の振動を１自由度の独立した振動モードの重ねあわせとして説明する。図１に示すように、本実施形態に係る物理量センサ１００では、加振手段３は、第１振動子１を加振する。加振手段３が第１振動子１を加振する周波数を角周波数ω、力を力Ｆとする。加振手段３が第１振動子１を角周波数ω、力Ｆで加振すると、１自由度における振動方程式は、下記式（８）のように表現される。
【数８】
2013146732.tif 000010
【００４４】
上記式（８）の一般的な解は、位相差を位相差φiとすると、下記式（９）のように表現される。
【数９】
2013146732.tif 000011
【００４５】
従って、上記式（８）及び（９）より、振動の振幅と加振の振幅との比であるゲイン（以下、ゲインＧiとし、同相である１次振動のゲインをゲインＧ１、逆相である２次振動のゲインをゲインＧ２とする）及び位相差φiについて、下記式（１０）を導出できる。
【数１０】
2013146732.tif 000012
【００４６】
図７は、ω１＝１、ω２＝１．０１、Ｑ＝２０００、ｋｃ＝０．０１とする場合、角周波数ωの変化に対する同相である１次振動のゲインＧ１及び逆相である２次振動のゲインＧ２の変化を示している。
【００４７】
図７に示すように、ゲインＧ１及びＧ２の重なりは、約数％に止まっている。このため、ゲインＧ１及びＧ２が重ね合されたゲイン（以下、ゲインＷという）を測定したとしても、ゲインＷのピークにおける角周波数は、ゲインＧ１及びＧ２のピークにおける角周波数と略一致する。
【００４８】
図８は、ω１＝１、ω２＝１．００１、Ｑ＝２０００、ｋｃ＝０．００１とする場合、角周波数ωの変化に対する同相である１次振動のゲインＧ１及び逆相である２次振動のゲインＧ２の変化を示している。
【００４９】
図８に示すように、ゲインＧ１及びＧ２の重なりは、顕著に発生している。このため、ゲインＷのピークにおける角周波数は、ゲインＧ１及びＧ２のピークにおける角周波数と略一致するとはいえなくなると考えられる。
【００５０】
加振側の振動において、ゲインＧ１及びＧ２が重ね合されたゲインＷ１は、１次振動及び２次振動の位相による影響を受け、上記式（７）より同相の振動となるため、ゲインＷ１は、下記式（１１）で表現される。
【数１１】
2013146732.tif 000013
【００５１】
加振側の反対側の振動において、ゲインＧ１及びＧ２が重ね合されたゲインＷ２は、１次振動及び２次振動の位相による影響を受け、上記式（７）より逆相の振動となるため、ゲインＷ２は、下記式（１２）で表現される。
【数１２】
2013146732.tif 000014
【００５２】
図９は、加振手段３が第１振動子１を加振する周波数の変化に対する同相及び逆相の振動が重ね合された振幅と加振の振幅との振幅比の変化を示すグラフである。具体的には、前述した図８における条件であるω１＝１、ω２＝１．００１、Ｑ＝２０００、ｋｃ＝０．００１とする場合、加振側の振動及び加振側の反対側の振動において、角周波数ωの変化に対する同相及び逆相の振動が重ね合された第１振動子１のゲインＷ１及び第２振動子２のゲインＷ２の変化を示している。
【００５３】
図９に示すように、ゲインＷ１及びＷ２のピークにおける角周波数は、ゲインＧ１及びＧ２が重なり合わされた結果、共振周波数（ω１＝１、ω２＝１．００１）からずれていることがわかる。このため、ばね定数ｋｃを小さくすると（ｋｃ＝０．００１）、正確な共振周波数を求めることができなくなる。
【００５４】
また、ばね定数ｋｃを大きくしたとしても、Ｑ値が小さい場合では、ゲインＧ１及びＧ２の信号の鋭さが低下することになるため、ゲインＧ１及びＧ２の重なりが発生する。その結果、上述と同様に、正確な共振周波数を求めることができなくなる。特に、ばね定数ｋｃが小さく、Ｑ値が小さい場合には、ゲインＧ１及びＧ２の重なりが顕著に発生する。
【００５５】
本発明者らは、Ｑ値が変化したとしても、ゲインＷ２がピークとなる角周波数（以下、角周波数ωＰ１、ωＰ２という）において、ゲインＷ２とＷ１との比Ｗ２／Ｗ１は、Ｑ値の影響を受けない値となることを見出した。
【００５６】
従って、図２に示した概略図において、ｍ１＝ｍ２＝ｍ、ｋ１＝ｋ２＝ｋである場合には、ゲインＷ２がピークとなる角周波数ωＰ１、ωＰ２で加振すれば、ゲインＷ２とＷ１との比Ｗ２／Ｗ１は、１となる。そして、ｍ１又はｍ２の質量が変化すれば、Ｗ２／Ｗ１は１から変化する。ここで、Ｗ２／Ｗ１は、Ｑ値の影響を受けないため、図３〜図６に示されている振幅比と一致する関係にあると考えられる。このため、Ｗ２／Ｗ１の変化量に基づいて、変化した質量を算出することができる。具体的には、後述するように、変化した質量を算出することができる。
【００５７】
また、本発明者らは、Ｑ値が変化したとしても、ゲインＷ２がピークとなる角周波数で加振すると、加振の振幅と加振側の振動の振幅との位相差φ１が９０°となることを見出した。
【００５８】
図１０は、加振手段３が第１振動子１を加振する周波数の変化に対する位相差の変化を示すグラフである。具体的には、前述した図９における条件であるω１＝１、ω２＝１．００１、Ｑ＝２０００、ｋｃ＝０．００１とする場合、角周波数ωの変化に対する加振手段３の振幅と第１振動子１の振幅との位相差φ１及び加振手段３の振幅と第２振動子２の振幅との位相差φ２の変化を示すグラフである。
【００５９】
図１０に示すように、ゲインＷ２がピークとなる角周波数において、位相差φ１が９０°となっていることがわかる。
【００６０】
（本実施形態の具体的な構成）
本実施形態の物理量センサ１００は、上記振動モデルにより得られた知見に基づいて構成されたものである。具体的には、図１に示すように、本実施形態に係る物理量センサ１００は、第１振動子１と、第２振動子２と、支持部材９とを備える。第１振動子１と第２振動子２とは、支持部材９によって支持されている。本実施形態では、第１振動子１の一端と第２振動子２の一端とが支持部材９によって支持されている。このため、第１振動子１及び第２振動子２は、支持部材９によって支持された部分が支点となって振動する。
【００６１】
ただし、本発明はこれに限られるものではなく、第１振動子１が支持部材９によって支持される部分は、第１振動子１の両端であってもよく、端部に限らず任意の一点であってもよい。また、第２振動子２が支持部材９によって支持される部分も、第２振動子２の両端であってもよく、端部に限らず任意の一点であってもよい。さらに、第１振動子１及び第２振動子２の両方の両端がそれぞれ支持部材９に支持されていてもよく、第１振動子１及び第２振動子２の端部でないそれぞれの一点もしくはそれぞれ任意の複数点が支持部材９に支持されていてもよい。
【００６２】
物理量センサ１００は、例えば、ハンドル層となるＳiとデバイス層となるＳiとの間にＢＯＸ層となるＳiＯ２が介在するＳＯＩウエハ（シリコン）に圧電体膜を設け、周知のフォトリソグラフィ、エッチングによって作成することができる。より具体的には、ＳＯＩウエハの表面を酸化してＳiＯ２を形成し、該ＳiＯ２上に下部電極（Ｐｔ/Ｔi）、圧電体膜、上部電極（Ａｕ/Ｔi）の順番でこれらをスパッタにより成膜する。そして、周知のフォトリソグラフィ、エッチングにより上部電極、圧電体膜、下部電極及びデバイス層を加工し、加振手段３、第１検出手段４、第２検出手段５を作成すると共に同時に第１振動子１、第２振動子２及び弾性手段７を形成する。
【００６３】
次に、ＳＯＩウエハの裏面から周知のフォトリソグラフィ、エッチングによりハンドル層であるＳｉ及びＢＯＸ層であるＳｉＯ２を部分的にエッチングすることで、支持部材９に第１振動子１及び第２振動子２が支持された部分が固定端となる状態とする。そして、第２振動子２の主面にステンシルマスク等を用いて感応体６である吸着膜を成膜する。最後に、感応体６の初期状態（感応体６が測定対象物を吸着することができる場合では、感応体６が測定対象物を吸着する前の状態。感応体６が測定対象物を脱離のみすることができる場合では、感応体６が測定対象物を脱離する前の状態。）で第１振動子１を加振し、第１検出手段４と第２検出手段５とが検出する振動の信号が一致するように第１振動子１又は第２振動子２の一部を適宜レーザー等でトリミングする。換言すれば、第１振動子１及び該第１振動子１と一体的に振動する部材の振幅と、第２振動子２及び該第２振動子２と一体的に振動する部材の振幅とが略同一となるように第１振動子１又は第２振動子２の一部を適宜レーザー等でトリミングする。
【００６４】
第１振動子１及び該第１振動子１と一体的に振動する部材と、第２振動子２及び該第２振動子２と一体的に振動する部材と、弾性手段７とについて、それぞれ形状及び材料が決まっていれば、それらの質量や弾性率を算出することが可能である。本実施形態では、第１振動子１及び第２振動子２はそれぞれ、同様の形状及び材料となるように設計されている。また、第１振動子１と一体的に振動する部材及び第２振動子２と一体的に振動する部材もそれぞれ、同様の形状及び材料となるように設計されている。しかし、これらを作成するにあたっては、作成誤差が生じ得るため、第１振動子１及び該第１振動子１と一体的に振動する部材の質量の和と、第２振動子２及び該第２振動子２と一体的に振動する部材の質量の和とが略同一とならない場合がある。この場合、前記両者の質量の和を略同一とするため、上述のようにレーザー等によるトリミングを行う。
【００６５】
本実施形態に係る物理量センサ１００において、振幅比ＵＯ２／ＵＯ１に基づいて雰囲気中の測定対象物の濃度を測定する際には、予め作成された濃度と振幅比との関係を用いる。具体的には、雰囲気中の測定対象物の濃度を既知の濃度に設定した後、物理量センサ１００を動作させ、振幅比ＵＯ２／ＵＯ１を確認することにより、予め濃度と振幅比ＵＯ２／ＵＯ１との関係を求める。そして、濃度が不明である雰囲気中で、物理量センサ１００を動作させ、予め求めた濃度と振幅比ＵＯ２／ＵＯ１との関係を用いることによって、物理量センサ１００は、検出された振幅比ＵＯ２／ＵＯ１に基づいて雰囲気中の測定対象物の濃度を測定することができる。また、雰囲気中の測定対象物の濃度を既知の濃度に設定した後、例えば感応体６に吸着される単位表面積当たりの測定対象物の質量を測定することにより、予め質量と振幅比ＵＯ２／ＵＯ１との関係を求める。そして、上述したように、予め求めた質量と振幅比ＵＯ２／ＵＯ１との関係を用いることによって、物理量センサ１００は、検出された振幅比ＵＯ２／ＵＯ１に基づいて測定対象物の質量を測定することができる。また、質量と振幅比ＵＯ２／ＵＯ１との関係を求めるにあたっては、既知の質量の物質を振動子に付着させた後、振幅比ＵＯ２／ＵＯ１を確認してもよい。本実施形態では、振幅比ＵＯ２／ＵＯ１を用いて測定対象物の質量又は濃度を測定しているが、これに限られず、振幅比ＵＯ１／ＵＯ２を用いて測定対象物の質量又は濃度を測定してもよい。
【００６６】
図１に示すように、第１振動子１及び第２振動子２の形状は、矩形状であり、図には示されていないが、薄板状に形成されている。感応体６の面積をできるだけ広くするために、本発明の実施形態に係る物理量センサ１００の変形例として、図１１に示すように、第１振動子１Ａ及び第２振動子２Ａのように感応体を設ける箇所を拡大しても良い。また、第１振動子１と第２振動子２とは、それぞれ同一の形状且つ同一の材料であることが好ましく、さらには、質量や、弾性成分が同一であることが好ましい。
【００６７】
物理量センサ１００は、更に、加振手段３を備える。具体的には、図１に示すように、加振手段３は、支持部材９と第１振動子１とに跨るように設けられている。第１振動子１は、加振手段３によって所定の周波数で加振されるため、加振された周波数で振動する。本実施形態では、加振手段３は、第１振動子１に設けられている。ただし、本発明では、本実施形態の他、加振手段３は、第１振動子１に設けられるのではなく、第１振動子１の外部に設けられ、電磁気力又は静電引力によって第１振動子１を加振してもよい。本実施形態では、第１振動子１に加振手段３を設けているが、第１振動子１及び該第１振動子１と一体的に振動する他の部材の振幅と、第２振動子２及び該第２振動子２と一体的に振動する他の部材の振幅とを同一に近づける目的で、加振手段３が設けられていない他方側の第２振動子２に加振手段３と同等の材料で且つ同等の形状を有するダミーパタンＤを設けてもよい。
【００６８】
加振手段３は、第１振動子１を効率的に振動させるため、第１振動子１における支持部材９側に設けられていることが好ましい。本実施形態では加振手段３が圧電効果を有する圧電膜であり、第１振動子１の主面の幅方向の中心位置からずれた位置において第１振動子１の長手方向に設けられている。このため、加振手段３に電圧を印加すれば加振手段３が圧電効果により伸縮することによって第１振動子１がその主面と平行方向に振動し、その振動が第２振動子２に伝搬し、第１振動子１と第２振動子２とが振動する。第１振動子１と第２振動子２とは薄板状に形成されているため、これらの主面に対して平行方向に振動することで雰囲気による抵抗を低減することができる。
【００６９】
また、加振手段３は第１振動子１の側面に設けられていてもよく、この場合でも第１振動子１をその主面に対して平行方向に振動させることができる。さらに、図１に示すような加振手段３の配置であっても、加振手段３が第１振動子１を加振する周波数を適宜設定することによって、第１振動子１の主面に対して垂直方向に第１振動子１を振動させることができる。
【００７０】
物理量センサ１００は、更に、第１検出手段４と、第２検出手段５とを備える。具体的には、第１検出手段４は、第１振動子１と支持部材９とに跨って設けられており、第２検出手段５は、第２振動子２と支持部材９とに跨って設けられている。第１検出手段４は、第１振動子１の振動、具体的には、振幅、位相及び周波数等を検出し、第２検出手段５は、第２振動子２の振動、具体的には、振幅、位相及び周波数等を検出する。本実施形態では、第１検出手段４及び第２検出手段５は、圧電効果を有する圧電膜であり、第１検出手段４は、第１振動子１に設けられており、第２検出手段５は、第２振動子２に設けられている。ただし、本発明では、本実施形態の他、第１検出手段４は、電磁気力又は静電引力を利用するものの他、第１振動子１の外部に設けられたレーザー変位計であってもよい。また、第２検出手段５も、電磁気力又は静電引力を利用するものの他、第２振動子２の外部に設けられたレーザー変位計であってもよい。
【００７１】
第１検出手段４及び第２検出手段５は、それぞれ第１振動子１及び第２振動子２の振動を効率的に検出することができるように、それぞれ振動子の主面の幅方向の中心位置からずれた位置において第１振動子１の長手方向に設けられている。このため、第１振動子１及び第２振動子２がその主面に対して平行方向に振動すれば第１検出手段４及び第２検出手段５が伸縮し、圧電効果により電圧が生じる。その結果、第１検出手段４及び第２検出手段５により検出された電圧から第２振動子２の振幅と第１振動子１の振幅との振幅比が演算手段８によって算出される。
【００７２】
また、第１検出手段４及び第２検出手段５の主面は同一形状であり、さらに第１検出手段４及び第２検出手段５の厚みも同一であることが好ましい。そして、第１検出手段４及び第２検出手段５とは、同一形状に形成された第１振動子１と第２振動子２において、それぞれの幅方向に同一の距離が離れた位置に設けられている、すなわち同位置に設けられていることが好ましい。斯かる好ましい構成では、第１検出手段４及び第２検出手段５は、同一強度の振動に対して同一の電圧を検出することができる。本実施形態では、第１検出手段４及び第２検出手段５は、第１振動子１及び第２振動子２の主面にそれぞれ設けられているが、第１振動子１及び第２振動子２の側面に設けられていてもよく、さらには、主面と側面との両方に設けられていてもよい。
【００７３】
物理量センサ１００は、更に、感応体６を備える。感応体６は、第１振動子１又は第２振動子２に設けられ、感応体６が測定対象物を吸着することにより感応体６の質量が増加し、感応体６から測定対象物が脱離することにより感応体６の質量が減少する。なお、測定対象物を吸着した感応体６を加熱等し測定対象物を気化させることによって、感応体６は測定対象物を脱離できるものであってもよい。また、感応体６が測定対象物を不可逆的に吸収するものの他、可逆的に吸着又は脱離できるものであってもよい。感応体６は、第１振動子１又は第２振動子２に設けられるため、感応体６の質量の変化により、第１振動子１又は第２振動子２の振動に影響を与える。感応体６の材料については、特開２００４-１１７３４９号公報、特開２００５−１３４３９２号公報、特開２００７−１０１３１６号公報、特開２００８−２６８１７９号公報、特開２０１０−１３２５５９号公報等に開示されている周知の物を適宜選択して使用することができる。
【００７４】
第１振動子１及び該第１振動子１と一体的に振動する部材の振幅と、第２振動子２及び該第２振動子２と一体的に振動する部材の振幅とを略同一とする目的で、感応体６が設けられていない振動子に感応体６と同等の材料で且つ同等の形状を有するダミーパタンを設けてもよい。
【００７５】
感応体６は第１振動子１又は第２振動子２に設けられており、より具体的には、薄板状に形成されている第１振動子１又は第２振動子２の主面に薄膜状に設けられている。感応体６は第１振動子１又は第２振動子２の側面のみに設けられていてもよい。感応体６が測定対象物を吸着又は脱離する場合には、感応体６の面積をできるだけ広くしておくことが好ましい。そのため、薄板状に形成された第１振動子１又は第２振動子２の主面に感応体６が設けられることが好ましい。なお、主面及び主面に対向する面に感応体６が設けていてもよいし、主面、主面に対向する面及び両側面に感応体６が設けられていてもよい。
【００７６】
感応体６は、感応体６が設けられる振動子において、支持部材９から離れた位置、すなわち固定端（感応体６が設けられた振動子が支持部材９に支持された部分）から離れた位置に設けられていることが好ましい。斯かる構成によれば、僅かな質量変化であっても振動子の振幅比により大きな影響を及ぼすため、測定精度を高めることができる。
【００７７】
物理量センサ１００は、更に、弾性手段７を備える。弾性手段７は、第１振動子１と第２振動子２とを連結し、加振手段３により加振された第１振動子１の振動を第２振動子２に伝搬させる。具体的には、図１に示すように、弾性手段７は、第１振動子１の側面と第２振動子２の側面とを連結している。このため、弾性手段７は、各振動子の振動を他方の振動子に伝達することができる。また、本実施形態では弾性手段７が１つ設けられているが、弾性手段７が複数設けられていてもよい。
【００７８】
本実施形態では図１に示すように、弾性手段７は、矩形状に形成されているが、これ以外にも振動子の延出する方向もしくはこれに垂直な方向に山部と谷部とを有するようにジグザグ状に複数折り返されていてもよい。また、図１に示すような物理量センサにおいて、弾性手段７が支持部材９の近くに設けられるほど、弾性手段７のばね定数ｋｃが小さくなる。
【００７９】
本実施形態では、図１に示すように、薄板状に形成された第１振動子１の側面と第２振動子２の側面とが対向して設けられている他、第１振動振の主面と第２振動子２の主面とが対向して設けられ、それぞれの主面同士が弾性手段７により連結されていてもよい。
【００８０】
物理量センサ１００は、更に、演算手段８を備える。演算手段８は、加振手段３が第１振動子１を加振する所定の周波数を決定すると共に、測定対象物の質量又は濃度を算出する。具体的には、第２検出手段５により検出される第２振動子２の振幅ＵＯ２が最大となるように所定の周波数を決定する。そして、加振手段３が決定された周波数で第１振動子１を加振しているときに、演算手段８は、振幅ＵＯ２と、第１検出手段４により検出される第１振動子１の振幅ＵＯ１との比ＵＯ２／ＵＯ１を演算し、該演算されたＵＯ２／ＵＯ１に基づき測定対象物の質量又は濃度を算出する。具体的には、第１振動子１及び該第１振動子１と一体的に振動する部材と、第２振動子２及び該第２振動子２と一体的に振動する部材とを同一の材料で且つ同一の形状となるように設計すれば、振幅ＵＯ２と、振幅ＵＯ１との比ＵＯ２／ＵＯ１は、略１となる。そして、測定対象物を吸着することによる感応体６の質量の変化に伴い、換言すれば、感応体６による測定対象物の吸着量に伴い、ＵＯ２／ＵＯ１は、１から変化する。また、作成誤差等により、第１振動子１及び該第１振動子１と一体的に振動する部材の振幅と、第２振動子２及び該第２振動子２と一体的に振動する部材の振幅とが同一でない場合であっても、感応体６による測定対象物の吸着量に伴い、ＵＯ２／ＵＯ１は変化する。ここで、本実施形態では、演算手段８は、振幅ＵＯ２が最大となるように所定の周波数を決定するが、振幅ＵＯ２と加振手段の振幅ＵＩＮとの比ＵＯ２／ＵＩＮが最大となるように所定の周波数を決定してもよい。
【００８１】
ゲインＷ２は、第２振動子２における１次振動のゲインＧ１と２次振動のゲインＧ２との重ね合せである。また、ゲインＧ１は、１次振動の振幅と加振手段３の振幅との比であり、ゲインＧ２は、２次振動の振幅と加振手段３の振幅との比である。つまり、ゲインＷ２は、第２振動子２の振幅ＵＯ２と加振手段３の振幅ＵＩＮとの比であるといえる。振幅ＵＩＮは定数であるため、振幅ＵＯ２は、図９に示されているゲインＷ２と一致する関係にある。つまり、振幅ＵＯ２が最大となる角周波数は、ゲインＷ２が最大となる角周波数に相当する。具体的には、振幅ＵＯ２が最大となる角周波数は、角周波数ωＰ１、ωＰ２であることがわかる。
【００８２】
上述したように、演算手段８は、振幅ＵＯ２が最大となるように所定の角周波数を決定する。具体的には、加振手段３が第１振動子１を加振する角周波数ωを演算手段８が変動させることによって、第２検出手段５により検出される第２振動子２の振幅ＵＯ２が変動する。演算手段８は、変動する振幅ＵＯ２を所定のサンプリング間隔で検知し、検知された振幅ＵＯ２が最大となる角周波数を決定する。そして、演算手段８は、決定された角周波数を加振手段３が第１振動子１を加振する所定の角周波数に決定する。
【００８３】
本実施形態に係る物理量センサ１００によれば、上述したように、振幅比ＵＯ２／ＵＯ１がＱ値によらず変化しないため、Ｑ値の影響を受けることなく、測定対象物の質量又は濃度を高精度に測定することができる。
【００８４】
本発明の実施形態に係る物理量センサ１００の変形例として、演算手段８Ａは、第１検出手段４により検出される第１振動子１の振動の位相と加振手段３の振動の位相との位相差φ１が９０°となる第１の角周波数又は第２の角周波数を決定する。本実施形態では、第１の角周波数とは、加振手段３が第１振動子１を加振する角周波数を、演算手段８Ａが１次の共振角周波数近傍で増減させたときに、位相差φ１が９０°となる角周波数である。また、第２の角周波数とは、加振手段３が第１振動子１を加振する角周波数を、演算手段８Ａが２次の共振角周波数近傍で増減させたときに、位相差φ１が９０°となる角周波数である。ここで、１次の共振周波数近傍とは、例えば、２次の共振周波数から１次の共振周波数を引いた値をαとして、「１次の共振周波数−α／４」〜「１次の共振周波数＋α／４」の範囲とすることを例示できる。また、２次の共振周波数近傍とは、例えば、「２次の共振周波数−α／４」〜「２次の共振周波数＋α／４」の範囲とすることを例示できる。なお、共振角周波数は、感応体６の初期状態（感応体６が測定対象物を吸着することができる場合では、感応体６が測定対象物を吸着する前の状態。感応体６が測定対象物を脱離のみすることができる場合では、感応体６が測定対象物を脱離する前の状態。）での質量に基づいて算出すればよい。そして、演算手段８Ａは、決定された第１の角周波数又は第２の角周波数を、加振手段３が第１振動子１を加振する所定の角周波数とする。
【００８５】
本実施形態の構成に限られず、第１の角周波数とは、例えば、加振手段３が第１振動子１を加振する角周波数を、演算手段８Ａが１次の共振角周波数より低い角周波数から増加させたときに、位相差φ１が初めて９０°となる角周波数としてもよい。また、第２の角周波数とは、例えば、加振手段３が第１振動子１を加振する角周波数を、演算手段８Ａが２次の共振角周波数より高い角周波数から減少させたときに、位相差φ１が初めて９０°となる角周波数としてもよい。
【００８６】
図９、１０に示すように、角周波数ωＰ１は、第１振動子１の共振角周波数ω１（ω１＝１）よりも高く、角周波数ωＰ２は、第２振動子２の共振角周波数ω２（ω２＝１．００１）よりも低い。また、図９、１０に示すように、ゲインＷ２がピークとなる角周波数ωＰ１又はωＰ２（振幅ＵＯ２が最大となる角周波数）で加振手段３が第１振動子１を加振すれば、加振手段３の振幅と第１振動子１の振幅との位相差φ１が９０°になる。ただし、位相差φ１が９０°となる角周波数は、振幅ＵＯ２が最大となる角周波数であるとは限らない。具体的には、角周波数ωＰ１と角周波数ωＰ２との間に、位相差φ１が９０°となる角周波数が存在する。このため、演算手段８Ａは、第１の角周波数又は第２の角周波数を所定の角周波数とする必要がある。第１の角周波数と第２の角周波数とはいずれも、振幅ＵＯ２が最大となる角周波数である。このため、演算手段８Ａが第１の角周波数又は第２の角周波数の何れか一方を所定の角周波数とすれば、加振手段３は、振幅ＵＯ２が最大となる角周波数で、第１振動子１を加振することができる。
【００８７】
位相差φ１は、振幅の最大値のように瞬時的に測定されるものではなく、連続的な振幅変化の測定によって求まるため、位相差の測定においてはノイズ等による影響を受け難い。このため、演算手段８Ａは、ノイズ等による影響を抑制して第２の角周波数を決定することができる。従って、演算手段８Ａは、振幅ＵＯ２が最大となる所定の角周波数を容易に決定することができる。
【００８８】
好ましくは、加振手段３及び第１検出手段４は、第１振動子１に設けられた圧電効果を有する圧電膜であり、第２検出手段５は、第２振動子２の上に設けられた圧電効果を有する圧電膜である。
【００８９】
斯かる好ましい構成では、加振手段３及び第１検出手段４は、第１振動子１に設けられ、第２検出手段５は、第２振動子２に設けられるため、物理量センサ１００全体を小型化できる。
【００９０】
好ましくは、感応体６が測定対象物を吸着可能な性質を有するものである場合、感応体６が測定対象物を吸着する前は、振幅ＵＯ１と、振幅ＵＯ２とが略同一であり、感応体６が測定対象物を脱離のみ可能な性質を有するものである場合、感応体６が測定対象物を脱離する前は、振幅ＵＯ１と、振幅ＵＯ２とが略同一である。
【００９１】
本実施形態の物理量センサ１００において、第１振動子１及び該第１振動子１と一体的に振動する部材の振幅と、第２振動子２及び該第２振動子２と一体的に振動する部材の振幅とが略同一となるように設計される。しかしながら、作成誤差等により、両者の振幅が略同一とならない場合も考えられる。この場合、両者の質量が同一であれば両者の振幅が同一となるため、両者の振幅が略同一となるように、第１振動子１又は第２振動子２に対しレーザーによるトリミング等を行う。つまり、前記両者の振幅が略同一となるように第１振動子１又は第２振動子２の質量を調整する。その結果、第１振動子１及び該第１振動子１と一体的に振動する部材の振幅と、第２振動子２及び該第２振動子２と一体的に振動する部材の振幅とが略同一である物理量センサ１００が形成される。
【００９２】
本実施形態では、第１振動子１に加振手段３及び第１検出手段４が設けられており、第２振動子２に第２検出手段５及び感応体６が設けられているため、感応体６が測定対象物を吸着する前は、第１振動子１、加振手段３及び第１検出手段４の質量の和と、第２振動子２、第２検出手段５及び感応体６の質量の和とが略同一である。すなわち、物理量センサ１００を作成した後、第１振動子１及び該第１振動子１と一体的に振動する部材と、第２振動子２及び該第２振動子２と一体的に振動する部材とを振動させ、第２振動子２の振幅と第１振動子１の振幅との振幅比が略１となるように調整している。
【００９３】
上記好ましい構成では、図６等に示すように、感応体６の質量変化に伴う振幅ＵＯ２と振幅ＵＯ１との比ＵＯ２／ＵＯ１の変化率が大きくなるため、質量変化を検出し易くなる。つまり、物理量センサ１００の測定精度を向上させることができる。
【００９４】
好ましくは、感応体６は、測定対象物を吸着することができる吸着膜である。
【００９５】
斯かる好ましい構成では、第１振動子１又は第２振動子２が振動する際に、雰囲気による空気抵抗を小さくすることができるため、より正確な振動の振幅及び位相を測定することができる。
【００９６】
また、本発明は、上記実施形態の構成に限られるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００９７】
１、１Ａ・・・第１振動子
２、２Ａ・・・第２振動子
３・・・加振手段
４・・・第１検出手段
５・・・第２検出手段
６、６Ａ・・・感応体
７・・・弾性手段
８・・・演算手段
９・・・支持部材
１００、１００Ａ・・・物理量センサ
Ｄ・・・ダミーパタン
【図１】
2013146732.tif 000015
【図２】
2013146732.tif 000016
【図１１】
2013146732.tif 000017
【図３】
2013146732.tif 000018
【図４】
2013146732.tif 000019
【図５】
2013146732.tif 000020
【図６】
2013146732.tif 000021
【図７】
2013146732.tif 000022
【図８】
2013146732.tif 000023
【図９】
2013146732.tif 000024
【図１０】
2013146732.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成26年9月16日(2014.9.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
支持部材と、
前記支持部材に支持された第１振動子と、
前記第１振動子を所定の周波数で加振する加振手段と、
前記第１振動子の振動を検出する第１検出手段と、
前記支持部材に支持された第２振動子と、
前記第２振動子の振動を検出する第２検出手段と、
前記第１振動子又は前記第２振動子に設けられ、測定対象物を吸着及び／又は脱離可能な性質を有する感応体と、
前記第１振動子と前記第２振動子とを連結する弾性手段と、
前記所定の周波数を決定すると共に、前記測定対象物の質量又は濃度を算出する演算手段とを備え、
前記演算手段は、前記加振手段が前記第１振動子を加振する周波数を、１次の共振周波数近傍又は２次の共振周波数近傍で増減させて、前記第１検出手段により検出される前記第１振動子の振動の位相と前記加振手段の振動の位相との位相差が９０°となるように前記所定の周波数を決定し、前記加振手段が該決定された周波数で前記第１振動子を加振しているときに、前記第２検出手段により検出される前記第２振動子の振幅ＵＯ２と、前記第１検出手段により検出される前記第１振動子の振幅ＵＯ１との比ＵＯ２／ＵＯ１に基づき前記測定対象物の質量又は濃度を算出することを特徴とする物理量センサ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、支持部材と、前記支持部材に支持された第１振動子と、前記第１振動子を所定の周波数で加振する加振手段と、前記第１振動子の振動を検出する第１検出手段と、前記支持部材に支持された第２振動子と、前記第２振動子の振動を検出する第２検出手段と、前記第１振動子又は前記第２振動子に設けられ、測定対象物を吸着及び／又は脱離可能な性質を有する感応体と、前記第１振動子と前記第２振動子とを連結する弾性手段と、前記所定の周波数を決定すると共に、前記測定対象物の質量又は濃度を算出する演算手段とを備え、前記演算手段は、前記加振手段が前記第１振動子を加振する周波数を、１次の共振周波数近傍又は２次の共振周波数近傍で増減させて、前記第１検出手段により検出される前記第１振動子の振動の位相と前記加振手段の振動の位相との位相差が９０°となるように前記所定の周波数を決定し、前記加振手段が該決定された周波数で前記第１振動子を加振しているときに、前記第２検出手段により検出される前記第２振動子の振幅ＵＯ２と、前記第１検出手段により検出される前記第１振動子の振幅ＵＯ１との比ＵＯ２／ＵＯ１に基づき前記測定対象物の質量又は濃度を算出することを特徴とする物理量センサとしても提供される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
（本実施形態の振動モデル）
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態に係る物理量センサについて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る物理量センサの概略図である。また、図２は、２自由度ばね・質点系の振動モデルである。図１に示すように、本実施形態に係る物理量センサ１００は、第1振動子１と、第２振動子２と、これらを連結する弾性を有する弾性手段７とを備える。このため、第１振動子１及び第２振動子２の振動を、図２に示すような２自由度ばね・質点系の運動に置き換えることができる。具体的には、第１振動子１のばね定数をｋ１とし、第２振動子２のばね定数をｋ２とし、弾性手段７のばね定数をｋｃとし、第１振動子１及び該第１振動子１と一体的に振動する部材の質量をｍ１とし、第２振動子２及び該第２振動子２と一体的に振動する部材の質量をｍ２とし、第１振動子１の振動の変位量をｘ１とし、第２振動子２の振動の変位量をｘ２とすることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７３】
物理量センサ１００は、更に、感応体６を備える。感応体６は、第１振動子１又は第２振動子２に設けられ、感応体６が測定対象物を吸着することにより感応体６の質量が増加し、感応体６から測定対象物が脱離することにより感応体６の質量が減少する。なお、測定対象物を吸着した感応体６を加熱等し測定対象物を気化させることによって、感応体６は測定対象物を脱離できるものであってもよい。また、感応体６が測定対象物を不可逆的に吸着するものの他、可逆的に吸着又は脱離できるものであってもよい。感応体６は、第１振動子１又は第２振動子２に設けられるため、感応体６の質量の変化により、第１振動子１又は第２振動子２の振動に影響を与える。感応体６の材料については、特開２００４-１１７３４９号公報、特開２００５−１３４３９２号公報、特開２００７−１０１３１６号公報、特開２００８−２６８１７９号公報、特開２０１０−１３２５５９号公報等に開示されている周知の物を適宜選択して使用することができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７９】
本実施形態では、図１に示すように、薄板状に形成された第１振動子１の側面と第２振動子２の側面とが対向して設けられている他、第１振動子の主面と第２振動子２の主面とが対向して設けられ、それぞれの主面同士が弾性手段７により連結されていてもよい。
【国際調査報告】
2013146732.tif 000026
2013146732.tif 000027