(57)【要約】【課題】梁部材の変形に対する共振周波数の変化量を大きくする。【解決手段】ガスセンサ１は、互いに連結されて、振動駆動される第１及び第２梁部材２，３を備えている。第１梁部材２には、形状の変化可能なガス感応膜４が設けられている。第１梁部材２は、ガス感応膜４の変形によって、第２梁部材３とは異なる態様で変形する。【選択図】図１
2012083338.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに連結されて、振動駆動される第１及び第２梁部材を備え、
少なくとも前記第１梁部材には、形状の変化可能な変形部が設けられ、
前記第１及び第２梁部材の基端部は、固定端となり、
前記第１及び第２梁部材の先端部は、互いに連結されると共に自由端となっており、
前記第１及び第２梁部材は、前記変形部の変形によって、互いの間隔が広がるように互いに異なる態様で変形する振動子。
【請求項２】
請求項１に記載の振動子において、
前記変形部の変形によって、曲げ弾性率が変化する振動子。
【請求項３】
請求項１に記載の振動子において、
前記第１及び第２梁部材はそれぞれ、基端側から延伸した第１延伸部と、該第１延伸部の先端部を折返し部として折り返して、基端側へ延伸する第２延伸部とを有し、該第２延伸部の先端部同士が連結されており、
前記第１及び第２梁部材の前記第１延伸部の基端部は、固定端となり、
前記第１及び第２梁部材の前記第２延伸部の先端部は、自由端となっており、
前記第１及び第２梁部材は、前記変形部の変形によって、互いの前記折返し部の間隔が広がるように変形する振動子。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１つに記載の振動子において、
前記変形部は、前記第１及び第２梁部材の両方に設けられており、
前記第２梁部材は、前記変形部の変形によって、前記第１梁部材とは反対側に変形する振動子。
【請求項５】
請求項１に記載の振動子において、
前記第１及び第２梁部材はそれぞれ、基端側から延伸した第１延伸部と、該第１延伸部の先端部を折返し部として折り返して、基端側へ延伸する第２延伸部とを有し、該第２延伸部の先端部同士が連結されており、
前記第１及び第２梁部材の前記第１延伸部の基端部は、固定端となり、
前記第１及び第２梁部材の前記第２延伸部の先端部は、自由端となっており、
前記第１及び第２梁部材は、前記変形部の変形によって、前記第１延伸部の基端部と前記第２延伸部の先端部との間隔が広がるように変形する振動子。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１つの記載の振動子において、
前記変形部は、外部からの信号に応じて変形するように構成されている振動子。
【請求項７】
請求項１乃至５の何れか１つに記載の振動子において、
前記変形部は、ガスが付着することにより変形するガス感応部である振動子。
【請求項８】
請求項３に記載の振動子と、
前記振動子を振動駆動する駆動部とを備え、
前記変形部は、外部からの信号に応じて変形するように構成されており、
前記駆動部は、前記第１及び第２梁部材を、前記第２延伸部の先端部が振動の腹となるように振動させる発振器。
【請求項９】
請求項５に記載の振動子と、
前記振動子を振動駆動する駆動部とを備え、
前記変形部は、外部からの信号に応じて変形するように構成されており、
前記駆動部は、前記第１梁部材を前記折返し部が振動の腹となるように振動させる一方、前記第２梁部材を前記折返し部が振動の腹となるように該第１梁部材とは逆位相で振動させる発振器。
【請求項１０】
請求項６に記載の振動子と、
前記振動子を振動駆動する駆動部とを備えた発振器。
【請求項１１】
請求項１０に記載の発振器において、
前記駆動部は、前記第１梁部材の変形方向と平行な方向に前記振動子を振動させる発振器。
【請求項１２】
請求項１０に記載の発振器において、
前記駆動部は、前記第１梁部材の変形方向と直交する方向に前記振動子を振動させる発振器。
【請求項１３】
請求項３に記載の振動子と、
前記振動子を振動駆動する駆動部とを備え、
前記変形部は、ガスが付着することにより変形するガス感応部であり、
前記駆動部は、前記第１及び第２梁部材を、前記第２延伸部の先端部が振動の腹となるように振動させるガス検出装置。
【請求項１４】
請求項５に記載の振動子と、
前記振動子を振動駆動する駆動部とを備え、
前記変形部は、ガスが付着することにより変形するガス感応部であり、
前記駆動部は、前記第１梁部材を前記折返し部が振動の腹となるように振動させる一方、前記第２梁部材を前記折返し部が振動の腹となるように該第１梁部材とは逆位相で振動させるガス検出装置。
【請求項１５】
請求項７に記載の振動子と、
前記振動子を振動駆動する駆動部とを備えたガス検出装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載のガス検出装置において、
前記駆動部は、前記第１梁部材の変形方向と平行な方向に前記振動子を振動させるガス検出装置。
【請求項１７】
請求項１５に記載のガス検出装置において、
前記駆動部は、前記第１梁部材の変形方向と直交する方向に前記振動子を振動させるガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、梁部材を備えた振動子並びにそれを備えた発振器及びガス検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、梁部材を有する振動子を備えた装置が知られている。例えば、特許文献１には、片持ち状に支持された梁部材を有する振動子を備えたガスセンサが開示されている。このガスセンサは、梁部材の表面にガスが吸着することによって、梁部材が曲がることを利用してガスを検出している。詳しくは、ガスセンサは、振動子を予め共振周波数で振動させておき、梁部材の曲がりに起因して生じる共振周波数の変化によって、梁部材に吸着したガスを検出している。
【０００３】
このように、梁部材が変形することに起因する共振周波数の変化を利用する振動子が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２１４０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の構成では、梁部材の変形に対する共振周波数の変化量が小さいという問題がある。例えば、ガス検出装置のように、梁部材を受動的に変形させて、当該変形に起因する共振周波数の変化を検出する装置であれば、梁部材の変形に対する共振周波数の変化量が小さいと、検出能力が低くなってしまう。
【０００６】
また、このような振動子を、梁部材を能動的に変形させることにより振動子の共振周波数を所望の値に調整することができる発振器として使用することも考えられるが、梁部材の変形に対する共振周波数の変化量が小さいと、振動子の共振周波数を変化させるために必要な梁部材の変形量が大きくなってしまう。
【０００７】
ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、梁部材の変形に対する共振周波数の変化量を大きくすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ここに開示された技術は、振動子を対象とし、この振動子は、互いに連結されて、振動駆動される第１及び第２梁部材を備え、少なくとも前記第１梁部材には、形状の変化可能な変形部が設けられ、前記第１及び第２梁部材の基端部は、固定端となり、前記第１及び第２梁部材の先端部は、互いに連結されると共に自由端となっており、前記第１及び第２梁部材は、前記変形部の変形によって、互いの間隔が広がるように互いに異なる態様で変形する
ものとする。
【０００９】
前記の構成によれば、前記変形部の変形によって変化する第１梁部材は、第２梁部材と連結され且つ該第２梁部材との間隔が広がるように該第２梁部材と異なる態様で変形するため、第１梁部材の変形に対する、第１及び第２梁部材全体としての曲げ剛性（換言すれば、曲げ弾性率）の変化量が、第１梁部材が単独で変形する場合に比べて、大きくなる。その結果、梁部材の変形に対する共振周波数の変化量が大きくなる。
【００１０】
また、ここに開示された技術は、発振器を対象としており、この発振器は、前記振動子と、前記振動子を振動駆動する駆動部とを備え、前記変形部は、外部からの信号に応じて変形するように構成されているものとする。
【００１１】
前記の構成によれば、前記変形部は、外部からの信号に応じて能動的に変形させられ、それに伴い、前記第１梁部材が変形する。第１梁部材が変形すると、第１梁部材に連結された第２梁部材も変形する。こうして、第１及び第２梁部材が変形することで振動子の共振周波数が変化する。つまり、この発振器は、振動子の共振周波数を可変とすることができる。ここで、第１梁部材は、第２梁部材と連結され且つ該第２梁部材と異なる態様で変形するため、第１梁部材の変形に対する、第１及び第２梁部材全体としての曲げ剛性（換言すれば、曲げ弾性率）の変化量が、第１梁部材が単独で変形する場合に比べて、大きくなる。その結果、梁部材を少し変形させるだけで、共振周波数を大きく変化させることができる。
【００１２】
さらに、ここに開示された技術は、ガス検出装置を対象としており、このガス検出装置は、振動子と、前記振動子を振動駆動する駆動部とを備え、前記変形部は、ガスが付着することにより変形するガス感応部であるものとする。
【００１３】
前記の構成によれば、前記変形部は、ガス感応部であり、ガスが付着することによって受動的に変形する。その変形部の変形に伴って、第１梁部材が変形する。第１梁部材が変形すると、第１梁部材に連結された第２梁部材も変形する。こうして、第１及び第２梁部材が変形することで振動子の共振周波数が変化する。こうして、ガス検出装置は、振動子の共振周波数の変化に基づいてガスを検出することができる。ここで、第１梁部材は、第２梁部材と連結され且つ該第２梁部材と異なる態様で変形するため、第１梁部材の変形に対する、第１及び第２梁部材全体としての曲げ剛性（換言すれば、曲げ弾性率）の変化量が、第１梁部材が単独で変形する場合に比べて、大きくなる。その結果、変形部にガスが少し付着しただけでも、共振周波数が大きく変化するようになる。
【発明の効果】
【００１４】
前記振動子によれば、梁部材の変形に対する共振周波数の変化量を大きくすることができる。
【００１５】
また、前記発振器によれば、梁部材を少し変形させるだけで、共振周波数を大きく変化させることができ、ひいては、共振周波数の調整幅を大きくすることができる。
【００１６】
さらに、前記ガス検出装置によれば、変形部にガスが少し付着しただけでも、共振周波数を大きく変化させることができ、ひいては、検出能力を向上させることができる。また、簡単な回路で検出可能なため、コストを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態１に係る変形前のガスセンサの斜視図である。
【図２】変形後のガスセンサの斜視図である。
【図３】１次モードの垂直振動を行うガスセンサの斜視図である。
【図４】２次モードの垂直振動を行うガスセンサの斜視図である。
【図５】３次モードの垂直振動を行うガスセンサの斜視図である。
【図６】シミュレーションに用いたガスセンサの平面図である。
【図７】ガスセンサの変形量に対する、２次モードの垂直振動の共振周波数の変化特性の一例である。
【図８】１次モードの水平振動を行うガスセンサの斜視図である。
【図９】２次モードの水平振動を行うガスセンサの斜視図である。
【図１０】３次モードの水平振動を行うガスセンサの斜視図である。
【図１１】ガスセンサの変形量に対する、水平振動の共振周波数の変化特性の一例である。
【図１２】変形例１に係るガスセンサの平面図である。
【図１３】変形例２に係るガスセンサの平面図である。
【図１４】変形例３に係るガスセンサの平面図である。
【図１５】変形例４に係る変形前のガスセンサの斜視図である。
【図１６】変形例４に係る変形後のガスセンサの平面図である。
【図１７】１次モードの垂直振動を行う変形前のガスセンサの斜視図である。
【図１８】２次モードの垂直振動を行う変形前のガスセンサの斜視図である。
【図１９】３次モードの垂直振動を行う変形前のガスセンサの斜視図である。
【図２０】１次モードの垂直振動を行う変形後のガスセンサの斜視図である。
【図２１】２次モードの垂直振動を行う変形後のガスセンサの斜視図である。
【図２２】水平振動を行う変形後のガスセンサの平面図である。
【図２３】水平振動を行う変形前のガスセンサの平面図である。
【図２４】変形例５に係る変形前のガスセンサの斜視図である。
【図２５】変形例５に係る変形後のガスセンサの斜視図である。
【図２６】シミュレーションに用いたガスセンサの平面図である。
【図２７】ガスセンサの変形量に対する、３次モードの垂直振動の共振周波数の変化特性の一例である。
【図２８】ガス検出装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
《発明の実施形態１》
図１は、実施形態１に係る、変形前のガスセンサの斜視図を、図２は、変形後のガスセンサの斜視図を示す。
【００２０】
ガスセンサ１は、第１梁部材２及び第２梁部材３を備えている。ガスセンサ１は、公知のＭＥＭＳプロセス（半導体プロセス）によって作製される。第１及び第２梁部材２，３は、板状に形成されている。第１及び第２梁部材２，３は、互いに線対称な形状をしている。このガスセンサ１が振動子を構成する。
【００２１】
詳しくは、第１梁部材２は、シリコンで構成された梁本体２０を有している。梁本体２０は、直線状に延伸する第１延伸部２１と、第１延伸部２１の先端部から直角に屈曲する折返し部２２と、折返し部２２から第１延伸部２１と平行に第１延伸部２１の基端側へ直線状に延伸する第２延伸部２３と、第２延伸部２３の先端部から直角に屈曲する連結部２４とを有している。これら第１延伸部２１、折返し部２２、第２延伸部２３及び連結部２４は、板厚方向が同じ方向を向くようにして同一平面上に位置している。
【００２２】
一方、第２梁部材３は、シリコンで構成された梁本体３０を有している。梁本体３０は、直線状に延伸する第１延伸部３１と、第１延伸部３１の先端部から直角に屈曲する折返し部３２と、折返し部３２から第１延伸部３１と平行に第１延伸部３１の基端側へ直線状に延伸する第２延伸部３３と、第２延伸部３３の先端部から直角に屈曲する連結部３４とを有している。これら第１延伸部３１、折返し部３２、第２延伸部３３及び連結部３４は、板厚方向が同じ方向を向くようにして同一平面上に位置している。
【００２３】
そして、第１梁部材２の連結部２４と、第２梁部材３の連結部３４とが互いに連結されている。このとき、第１梁部材２と第２梁部材３とは、板厚方向が同じ方向を向くようにして同一平面上に位置している。第１梁部材２の第１及び第２延伸部２１，２３並びに第２梁部材３の第１及び第２延伸部３１，３３は、互いに平行に配列されている。こうして、第１及び第２梁部材２，３は、全体として、平面視Ｍ字状に形成されている。第１梁部材２の基端部、即ち、第１延伸部２１の基端部と、第２梁部材３の基端部、即ち、第１延伸部３１の基端部とは、支持部１１に連結されている。こうして、第１及び第２梁部材２，３は、第１延伸部２１，３１の基端部が固定端となる一方、第１延伸部２１，３１の先端部（即ち、折返し部２２，３２）と第２延伸部２３，３３の先端部（即ち、連結部２４，３４）とが自由端となった片持ち梁を構成する。
【００２４】
尚、本明細書では、説明の便宜上、第１及び第２梁部材２，３の板厚方向をＺ方向、第１梁部材２の第１及び第２延伸部２１，２３並びに第２梁部材３の第１及び第２延伸部３１，３３の長手方向をＹ方向、第１梁部材２の第１及び第２延伸部２１，２３並びに第２梁部材３の第１及び第２延伸部３１，３３の短手方向（幅方向）をＸ方向とする。
【００２５】
第１梁部材２は、パラジウムで構成されたガス感応膜４，４をさらに有している。ガス感応膜４は、梁本体２０の一方の表面２ａに積層されている。ここで、梁本体２０の表面とは、その法線方向が板厚方向を向く面であり、Ｚ方向を向く面である。詳しくは、ガス感応膜４は、第１梁部材２の第１及び第２延伸部２１，２３の表面２ａに設けられている。パラジウムは、水素を吸着して膨張する材質である。このガス感応膜４が、ガス感応部、即ち、変形部を構成する。尚、第２梁部材３には、ガス感応膜４が設けられていない。
【００２６】
このように構成されたガスセンサ１は、第１梁部材２のガス感応膜４に水素が吸着すると、ガス感応膜４が膨張変形する。その結果、第１梁部材２は、ガス感応膜４，４がその長手方向に延びて、図２に示すように、第１及び第２延伸部２１，２３を内側に、ガス感応膜４，４を外側にして湾曲する。ここで、第１延伸部２１の基端部は固定端となっているため、第１延伸部２１の折返し部２２が、湾曲に伴ってＺ方向へ変位する。一方、第２梁部材３は、ガス感応膜４が設けられていないため、平坦な形状を維持している。その結果、ガスセンサ１は、第１梁部材２の折返し部２２が第２梁部材３の折返し部３２から離間するように、即ち、第１梁部材２と第２梁部材３との間隔が広がるように変形する。
【００２７】
このように変形することによって、ガスセンサ１の共振周波数が変化する。以下に、ガスセンサ１を、第１及び第２梁部材２，３の曲げ変形の方向（即ち、板厚方向であり、Ｚ方向）へ振動（以下、「垂直振動」ともいう）させる場合の共振周波数の変化について説明する。
【００２８】
ガスセンサ１を垂直振動させると、ガスセンサ１は、様々な振動モードで共振する。各振動モードを共振周波数の低い順に、１次モード、２次モード、３次モード、…、と称する。図３は、１次モードの垂直振動を行うガスセンサ１の斜視図を、図４は、２次モードの垂直振動を行うガスセンサ１の斜視図を、図５は、３次モードの垂直振動を行うガスセンサ１の斜視図を示す。
【００２９】
１次モードの垂直振動においては、ガスセンサ１は、図３に示すように、第１及び第２梁部材２，３が一体となって、第１梁部材２の折返し部２２と第２梁部材３の折返し部３２とが振動の腹となるようにＺ方向へ振動する。すなわち、第１梁部材２と第２梁部材３とが、同位相でＺ方向へ振動している。
【００３０】
２次モードの垂直振動においては、ガスセンサ１は、図４に示すように、第１梁部材２の折返し部２２及び第２梁部材３の折返し部３２が実質的に振動の節となり、第１梁部材２の連結部２４と第２梁部材３の連結部３４が振動の腹となるようにＺ方向へ振動する。すなわち、第１梁部材２の第２延伸部２３と第２梁部材３の第２延伸部３３とが全体として１本の梁のように振動する。
【００３１】
３次モードの垂直振動においては、ガスセンサ１は、図５に示すように、第１梁部材２と第２梁部材３とがそれぞれの折返し部２２，３２を振動の腹としてＺ方向へ振動する。すなわち、第１梁部材２の第１及び第２延伸部２１，２３が全体として１本の梁のように振動し、それとは逆位相で、第２梁部材３の第１及び第２延伸部３１，３３が全体として１本の梁のように振動する。
【００３２】
ガスセンサ１が前述の如く変形すると、特に２次モードの垂直振動においては、ガスセンサ１の共振周波数が大幅に変化する。詳しくは、ガスセンサ１が前述の如く変形すると、第１梁部材２の折返し部２２と第２梁部材３の折返し部３２とが離間するため、振動の節に近づくほど、Ｘ軸回りの断面二次モーメントが大きくなり、曲げ剛性（換言すれば、曲げ弾性率）が大きくなる。このように、２次モードの垂直振動においては、１本の梁のように振動する第２延伸部２３，３３の振動の節側の部分の曲げ剛性が大きくなるため、ガスセンサ１の共振周波数は高くなる方向へ大幅に変化する。したがって、変形の前後でのガスセンサ１の共振周波数の変化量が大きくなる。このように、第２梁部材３と連結された第１梁部材２が第２梁部材３と異なる態様で変形すると、振動形態とその振動モードによっては、ガスセンサ１の共振周波数が変形の前後で大幅に変化する。
【００３３】
尚、２次モード以外の振動モードにおいても、変形の前後でガスセンサ１の共振周波数が大幅に変化する振動モードが存在し得る。
【００３４】
以下に、ガスセンサ１を曲げ変形させたときの変形量に対する、２次モードの垂直振動の共振周波数の変化特性のシミュレーション結果について説明する。図６は、シミュレーションに用いたガスセンサの寸法を示し、図７は、ガスセンサの変形量に対する、２次モードの垂直振動の共振周波数の変化特性のシミュレーション結果を示す。このシミュレーションに用いたガスセンサは、一例にすぎず、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３５】
このガスセンサ１は、第１梁部材２及び第２梁部材３が厚さ１０μｍのシリコンで構成されており、第１梁部材２の第１延伸部２１及び第２延伸部２３の表面２ａには厚さ１００ｎｍのパラジウムがガス感応膜４として積層されている。一方、第２梁部材３の第１延伸部３１及び第２延伸部３３の表面３ａには、第１梁部材２とのバランスを取るために、厚さ１００ｎｍの銀３５が積層されている。
【００３６】
シミュレーションに用いた解析コードは、ANSYS 11.0 Product Launcherであり、使用した要素タイプはsolid185である。メッシュサイズは、一辺が１０μmの６面体とした。材料特性としては、シリコンのヤング率を１３０．８ＧＰａ、密度を２．３３ｇ／ｃｍ３、ポアソン比を０．２６とし、パラジウムと銀のヤング率を１１０ＧＰａ、密度を１２．０２ｇ／ｃｍ３、ポアソン比を０．３とした。また、シミュレーションにおいては、パラジウムの水素吸蔵膨張を温度膨張として静的解析を行った。パラジウムの膨張を０〜０．５％で変化させ、ガスセンサ１の形状を更新しながら、ガスセンサ１の２次モードの垂直振動の共振周波数を求めた。また、ガスセンサ１は、第１梁部材２の第１延伸部２１の基端部と第２梁部材３の第１延伸部３１の基端部とを全自由度を拘束した固定端とした。
【００３７】
尚、比較例として、第１梁部材２の第１延伸部２１だけで構成された単純な梁（以下、「単純梁」という）のシミュレーションも行った。第１延伸部２１は厚さ１０μmのシリコンで構成され、その表面に厚さ１００ｎｍのパラジウムが積層されている。その他の寸法、シミュレーション条件は、ガスセンサ１と同様である。パラジウムの膨張を０〜０．５％で変化させることにより単純梁の曲げ変形量を変えながら、単純梁の１次モードの垂直振動の共振周波数を求めた。
【００３８】
図７のシミュレーション結果を見ると、ガスセンサ１の２次モードの垂直振動の共振周波数は、曲げ変形の変形量が大きくなるほど、大きくなることがわかる。尚、変形量とは、図１に示す、第１梁部材２の折返し部２２のＺ方向への変形量である。一方、単純梁の場合は、曲げ変形の変形量が大きくなっても、共振周波数がほとんど変化しない。つまり、このように構成されたガスセンサ１は、曲げ変形量に対する、２次モードの垂直振動の共振周波数の変化量が大きいことがわかる。
【００３９】
続いて、ガスセンサ１を、第１及び第２梁部材２，３の曲げ変形の方向及び第１及び第２梁部材２，３の延伸方向と直交する方向（即ち、Ｘ方向）へ振動（以下、「水平振動」ともいう）させる場合の共振周波数の変化について説明する。
【００４０】
ガスセンサ１を水平振動させると、ガスセンサ１は、様々な振動モードで振動する。各振動モードを共振周波数の低い順に、１次モード、２次モード、３次モード、…、と称する。図８は、１次モードの水平振動を行うガスセンサ１の斜視図を、図９は、２次モードの水平振動を行うガスセンサ１の斜視図を、図１０は、３次モードの水平振動を行うガスセンサ１の斜視図を示す。
【００４１】
１次モードの水平振動においては、ガスセンサ１は、図８に示すように、第１及び第２梁部材２，３が一体となって、第１梁部材２の折返し部２２と第２梁部材３の折返し部３２とが振動の腹となるようにＸ方向へ振動する。
【００４２】
２次モードの水平振動においては、ガスセンサ１は、図９に示すように、第１梁部材２の折返し部２２と第２梁部材３の折返し部３２とがそれぞれ振動の腹となり、連結部２４，３４が振動の節となるようにＸ方向へ振動する。すなわち、折返し部２２と折返し部３２とが、逆位相でＸ方向へ振動している。
【００４３】
３次モードの水平振動においては、ガスセンサ１は、図１０に示すように、第１梁部材２の折返し部２２と第２梁部材３の折返し部３２と連結部２４，３４との３箇所が振動の腹となるようにＸ方向へ振動する。すなわち、折返し部２２と折返し部３２とが同位相で、連結部２４，３４がそれらとは逆位相でＸ方向へ振動している。
【００４４】
ガスセンサ１が前述の如く変形すると、特に３次モードの水平振動においては、ガスセンサ１の共振周波数が大幅に変化する。詳しくは、この振動では、第１梁部材２の第２延伸部２３と第２梁部材の第２延伸部３３と両者の連結部２４，３４とで構成されるＵ字状部分の曲げ剛性が共振周波数に大きな影響を与える。そして、ガスセンサ１が前述の如く変形すると、当該Ｕ字状部分の基端側である、第２延伸部２３の先端部と第２延伸部３３の先端部とがＺ方向に離間するように変形するため、曲げ剛性が大きく変化する。その結果、共振周波数も大きく変化する。このように、第２梁部材３と連結された第１梁部材２が第２梁部材３と異なる態様で変形すると、振動形態とその振動モードによっては、ガスセンサ１の共振周波数が変形の前後で大幅に変化する。
【００４５】
また、水平振動の場合、エアダンピングが小さくなるため、垂直振動に比べてＱ値を高くすることができる。
【００４６】
尚、３次モード以外の振動モードにおいても、変形の前後でガスセンサ１の共振周波数が大幅に変化する振動モードが存在し得る。
【００４７】
以下に、ガスセンサ１を曲げ変形させたときの変形量に対する、３次モードの水平振動の共振周波数の変化特性のシミュレーション結果について説明する。図１１は、ガスセンサの変形量に対する、水平振動の共振周波数の変化特性のシミュレーション結果を示す。
【００４８】
尚、シミュレーションに使用したガスセンサ１は、垂直振動のシミュレーションと同様であり、振動方向のみが異なる。
【００４９】
図１１のシミュレーション結果を見ると、ガスセンサ１の３次モードの水平振動の共振周波数は、曲げ変形の変形量が大きくなるほど、大きくなることがわかる。尚、変形量とは、図１に示す、第１梁部材２の折返し部２２のＺ方向への変形量である。
【００５０】
−変形例１−
次に、変形例１に係るガスセンサ２０１について説明する。図１２は、ガスセンサ２０１の平面図を示す。
【００５１】
ガスセンサ２０１は、第２梁部材３にもガス感応膜４が設けられている。詳しくは、第２梁部材３の第１延伸部３１及び第２延伸部３３の表面３ｂにそれぞれガス感応膜４，４が積層されている。すなわち、第２梁部材３には、第１梁部材２とは反対側の表面にガス感応膜４，４が設けられている。
【００５２】
この構成により、ガス感応膜４，４，…に水素が吸着すると、第１梁部材２は、第１及び第２延伸部２１，２３を内側に、ガス感応膜４，４を外側にして湾曲する一方、第２梁部材３は、第１及び第２延伸部３１，３３を内側に、ガス感応膜４，４を外側に湾曲する。ここで、第１梁部材２と第２梁部材３とで、ガス感応膜４，４，…がそれぞれ異なる表面２ａ，３ｂに設けられているため、第１梁部材２と第２梁部材３とは相反する方向へ湾曲していく。その結果、ガスセンサ２０１は、第１梁部材２の折返し部２２と第２梁部材３の折返し部３２とが互いに離間するように、即ち、第１梁部材２と第２梁部材３との間隔が広がるように変形する。このように、第１梁部材２と第２梁部材３とにガス感応膜４，４，…を設けることによって、ガス感応膜４，４が第１梁部材２にしか設けられていないガスセンサ１と比べて、曲げ変形量を大きくすることができ、結果として、水素ガスの濃度に対する共振周波数の変化量を大きくすることができる。
【００５３】
尚、第１梁部材２の第１延伸部２１のガス感応膜４及び第２延伸部２３のガス感応膜４の何れか一方と、第２梁部材３の第１延伸部３１のガス感応膜４及び第２延伸部３３のガス感応膜４の何れか一方とを省略してもよい。かかる構成であっても、ガス感応膜４，４に水素が吸着すると、ガスセンサ２０１は、第１梁部材２の折返し部２２と第２梁部材３の折返し部３２とが互いに離間するように、即ち、第１梁部材２と第２梁部材３との間隔が広がるように変形する。
【００５４】
−変形例２−
次に、変形例２に係るガスセンサ３０１について説明する。図１３は、ガスセンサ３０１の斜視図を示す。
【００５５】
ガスセンサ３０１は、第１梁部材３０２と第２梁部材３０３とが表面３０２ｂと表面３０３ｂとを向き合わせた状態で連結されている。そして、第１梁部材３０２の連結部３２４は、第２延伸部３２３の先端から板厚方向の表面３０２ｂ側に屈曲する一方、第２梁部材３０３の連結部３３４は、第２延伸部３３３の先端から板厚方向の表面３０３ｂ側に屈曲している。そして、第１梁部材３０２の連結部３２４と第２梁部材３０３の連結部３３４とが互いに連結されている。そして、ガス感応膜４，４は、第１梁部材３０２の第１延伸部３２１と第２延伸部３２３の表面３０２ｂに積層されている。つまり、ガス感応膜４，４は、第１梁部材３０２の、第２梁部材３０３と向き合う表面３０２ｂに設けられている。
【００５６】
かかる構成の場合、ガス感応膜４，４に水素が吸着すると、ガスセンサ３０１は、第１梁部材３０２の折返し部３２２が第２梁部材３０３の折返し部３３２から離間するように、即ち、第１梁部材３０２と第２梁部材３０３との間隔が広がるように変形する。
【００５７】
このように構成されたガスセンサ３０１を、第１及び第２梁部材３０２，３０３の板厚方向に振動、即ち、垂直振動させる。ガスセンサ３０１は、様々な振動モードで共振する。１次モードの垂直振動では、ガスセンサ３０１は、第１梁部材３０２の折返し部３２２と第２梁部材３０３の折返し部３３２を振動の腹とし、第１及び第２梁部材３０２，３０３が全体として１本の梁のように振動する。２次モードの垂直振動では、ガスセンサ３０１は、第１梁部材３０２の折返し部３２２と第２梁部材３０３の折返し部３３２を実質的な振動の節とし、第１及び第２梁部材３０２，３０３の連結部３２４，３３４を振動の腹として振動する。３次モードの垂直振動では、ガスセンサ３０１は、第１梁部材３０２が第１延伸部３２１の基端部及び連結部３２４を振動の節とし、折返し部３２２を振動の腹として振動し、それとは逆位相で、第２梁部材３０３が第１延伸部３３１の基端部及び連結部３３４を振動の節とし、折返し部３３２を振動の腹として振動する。そして、ガスセンサ３０１が前述の如く変形すると、２次モードの垂直振動の共振周波数が大きく変化する。
【００５８】
尚、ガス感応膜４を、さらに、第２梁部材３０３の表面３０３ｂに設けてもよい。
【００５９】
−変形例３−
次に、変形例３に係るガスセンサ４０１について説明する。図１４は、ガスセンサ４０１の斜視図を示す。
【００６０】
ガスセンサ４０１は、第１梁部材４０２と第２梁部材４０３とを有している。第１梁部材４０２は、互いに平行に延びる第１延伸部４２１と第２延伸部４２３と第３延伸部４２５とを有している。第１延伸部４２１と第２延伸部４２３と第３延伸部４２５は、この順で並設されている。第１延伸部４２１と第３延伸部４２５とは同じ長さをしており、第２延伸部４２３はそれらと比べて短くなっている。第１〜第３延伸部４２１，４２３，４２５は、板厚方向が同じ方向を向いており、同一平面上に形成されている。第１延伸部４２１の先端部と第３延伸部４２５の先端部とが折返し部４２２で連結されている。そして、第２延伸部４２３の基端部も折返し部４２２に連結されている。第２延伸部４２３の先端部には、連結部４２４が設けられている。連結部４２４は、第２延伸部４２３の先端部から板厚方向の表面４０２ｂ側に屈曲して設けられている。第２梁部材４０３は、第１梁部材４０２と同様の形状をしている。そして、第１梁部材４０２と第２梁部材４０３とは、表面４０２ｂと表面４０３ｂとを向かい合わせた状態で、連結部４２４と連結部４３４とが連結されている。また、第１梁部材４０２の第１及び第３延伸部４２１，４２５の基端部と、第２梁部材４０３の第１及び第３延伸部４３１，４３５の基端部とは、支持部１１に連結され、固定端となっている。そして、第１梁部材４０２の第１〜第３延伸部４２１，４２３，４２５の表面４０２ｂにガス感応膜４，４，４が積層されている。
【００６１】
このように構成されたガスセンサ４０１を、第１及び第２梁部材４０２，４０３の板厚方向に振動、即ち、垂直振動させる。ガスセンサ４０１は、様々な振動モードで共振する。１次モードの垂直振動では、ガスセンサ４０１は、第１梁部材４０２の折返し部４２２と第２梁部材４０３の折返し部４３２を振動の腹とし、第１及び第２梁部材４０２，４０３が全体として１本の梁のように振動する。２次モードの垂直振動では、ガスセンサ４０１は、第１梁部材４０２の折返し部４２２と第２梁部材４０３の折返し部４３２を実質的な振動の節とし、第１及び第２梁部材４０２，４０３の連結部４２４，４３４を振動の腹として振動する。３次モードの垂直振動では、ガスセンサ４０１は、第１梁部材４０２が第１及び第３延伸部４２１，４２５の基端部並びに連結部４２４を振動の節とし、折返し部４２２を振動の腹として振動し、それとは逆位相で、第２梁部材４０３が第１及び第３延伸部４３１，４３５の基端部並びに連結部４３４を振動の節とし、折返し部４３２を振動の腹として振動する。
【００６２】
−変形例４−
次に、変形例４に係るガスセンサ５０１について説明する。図１５は、変形前のガスセンサ５０１の斜視図を示し、図１６は、変形後のガスセンサ５０１の斜視図を示す。
【００６３】
ガスセンサ５０１は、第１梁部材５０２と第２梁部材５０３とを有している。第１梁部材５０２は、直線状に延伸する板状の梁本体５２１で構成されている。また、第２梁部材５０３も、第１梁部材５０２と同様に、直線状に延伸する板状の梁本体５３１で構成されている。第１梁部材５０２と第２梁部材５０３は、１枚の平板を構成するように、同一平面上に配設されている。また、第１梁部材５０２と第２梁部材５０３とは、互いに平行に配設されている。第１及び第２梁部材５０２，５０３の基端部は、支持部（図示省略）に連結され固定端となる一方、第１及び第２梁部材５０２，５０３の先端部は、連結部５２４を介して互いに連結され自由端となっている。そして、梁本体５２１の表面５０２ａには、ガス感応膜４が積層されている。
【００６４】
このように構成されたガスセンサ５０１は、第１梁部材５０２のガス感応膜４に水素が吸着すると、ガス感応膜４が膨張変形する。その結果、第１梁部材５０２は、図１６に示すように、ガス感応膜４がその長手方向に延びるようにして、梁本体５２１を内側に、ガス感応膜４を外側にして湾曲する。ここで、第２梁部材５０３は、第１梁部材５０２に連結されているため、第１梁部材５０２の変形に伴って変形する。詳しくは、第２梁部材５０３は、第１梁部材５０２とは反対側へ湾曲する。すなわち、第２梁部材５０３は、第１梁部材５０２のガス感応膜４が設けられている表面５０２ａと同じ側の表面５０３ａが縮み、第１梁部材５０２のガス感応膜５０４が設けられていない表面５０２ｂと同じ側の表面５０３ｂが延びるように湾曲する。その結果、第１及び第２梁部材５０２，５０３は、互いの中間部が板厚方向に離間するように湾曲する。
【００６５】
このように変形することによって、ガスセンサ５０１の共振周波数が変化する。以下に、ガスセンサ５０１を、第１及び第２梁部材５０２，５０３の曲げ変形の方向（即ち、板厚方向であり、Ｚ方向）へ振動（以下、「垂直振動」ともいう）させる場合の共振周波数の変化について説明する。
【００６６】
図１７は、１次モードの垂直振動を行う変形前のガスセンサ５０１の斜視図を示し、図１８は、２次モードの垂直振動を行う変形前のガスセンサ５０１の斜視図を示し、図１９は、３次モードの垂直振動を行う変形前のガスセンサ５０１の斜視図を示す。
【００６７】
１次モードの垂直振動においては、ガスセンサ５０１は、図１７に示すように、第１及び第２梁部材５０２，５０３の基端部を振動の節とする一方、第１及び第２梁部材５０２，５０３の先端部を振動の腹として、第１及び第２梁部材５０２，５０３が一体となってＺ方向へ振動する。すなわち、第１梁部材５０２と第２梁部材５０３とが、同位相でＺ方向へ振動している。
【００６８】
２次モードの垂直振動においては、ガスセンサ５０１は、図１８に示すように、第１及び第２梁部材５０２，５０３の基端部と基端部から全長の略８０％くらい離れた部分とを振動の節とする一方、第１及び第２梁部材５０２，５０３の先端部と基端部から全長の略４５％くらい離れた部分とを振動の腹として、第１及び第２梁部材５０２，５０３が一体となってＺ方向へ振動する。すなわち、第１梁部材５０２と第２梁部材５０３とが、同位相でＺ方向へ振動している。
【００６９】
３次モードの垂直振動においては、ガスセンサ５０１は、図１９に示すように、第１及び第２梁部材５０２，５０３の基端部及び先端部を振動の節とする一方、第１及び第２梁部材５０２，５０３の中間部を振動の腹として、Ｚ方向へ振動する。このとき、第１梁部材５０２と第２梁部材５０３とが、逆位相でＺ方向へ振動している。
【００７０】
ガスセンサ５０１が前述の如く変形すると、特に１，２次モードの垂直振動においては、ガスセンサ５０１の共振周波数が大幅に変化する。詳しくは、ガスセンサ５０１が前述の如く変形すると、第１梁部材５０２と第２梁部材５０３とがＺ方向へ離間することによって、第１及び第２梁部材５０２，５０３全体としてのＸ軸回りの断面二次モーメントが大きくなる。特に、１，２次モードの垂直振動では、第１及び第２梁部材５０２，５０３が同位相で一体的に振動するため、曲げ剛性が大きく上昇し、共振周波数が大幅に増大する。
【００７１】
以下に、ガスセンサ５０１を曲げ変形させたときの変形量に対する、共振周波数の変化特性のシミュレーション結果について説明する。図２０は、１次モードの垂直振動を行う変形後のガスセンサ５０１の斜視図を示し、図２１は、２次モードの垂直振動を行う変形後のガスセンサ５０１の斜視図を示している。
【００７２】
このガスセンサ５０１は、第１梁部材５０２及び第２梁部材５０３が厚さ１０μｍのシリコンで構成されている。第１及び第２梁本体５０２，５０３のＺ方向寸法は、連結部５２４を除く部分が７６０μｍであって、連結部５２４を含めると７８０μｍである。第１及び第２梁部材５０２，５０３それぞれのＸ方向幅は、３０μｍである。第２梁部材５０３のＺ方向寸法も同様である。第１梁部材５０２と第２梁部材５０３とのＸ方向の間隔は１０μｍである。
【００７３】
シミュレーションに用いた解析コードは、ANSYS 12.0であり、使用した要素タイプはsolid186である。メッシュサイズは、一辺が１０μmの６面体とした。材料特性としては、シリコンのヤング率を１３０．８ＧＰａ、密度を２．３３ｇ／ｃｍ３、ポアソン比を０．２６とした。ガスセンサ５０１は、第１梁部材２の第１延伸部２１の基端部と第２梁部材３の第１延伸部３１の基端部とを全自由度を拘束した固定端とした。また、シミュレーションにおいては、第１及び第２梁本体５０２，５０３の連結部５２４を除く部分のＹ方向中間地点における、第１梁部材５０２と第２梁部材５０３のＺ方向間隔（以下、変形量という）が０の場合と３５μｍの場合とで、ガスセンサ５０１の各モードの垂直振動の共振周波数を求めた。
【００７４】
変形前のガスセンサ５０１の１次モードの垂直振動の共振周波数は、１９７４３Ｈｚであった。それに対して、変形後のガスセンサ５０１の１次モードの垂直振動の共振周波数は、２６５０７Ｈｚであった。このように、ガスセンサ５０１の第１及び第２梁部材５０２，５０３を曲げ変形させることによって、１次モードの垂直振動の共振周波数を大幅に変化させることができる。
【００７５】
さらに、変形前のガスセンサ５０１の２次モードの垂直振動の共振周波数は、１２３７７０Ｈｚであった。それに対して、変形後のガスセンサ５０１の２次モードの垂直振動の共振周波数は、３４６５５０Ｈｚであった。このように、ガスセンサ５０１の第１及び第２梁部材５０２，５０３を曲げ変形させることによって、２次モードの垂直振動の共振周波数を大幅に変化させることができる。
【００７６】
尚、１，２次モード以外の振動モードにおいても、変形の前後でガスセンサ５０１の共振周波数が大幅に変化する振動モードが存在し得る。
【００７７】
続いて、ガスセンサ５０１を、第１及び第２梁部材５０２，５０３の曲げ変形の方向及び第１及び第２梁部材５０２，５０３の延伸方向と直交する方向（即ち、Ｘ方向）へ振動（以下、「水平振動」ともいう）させる場合の共振周波数の変化について説明する。図２２は、１次モードの水平振動を行う変形後のガスセンサ５０１の平面図を示し、図２３は、１次モードの水平振動を行う変形前のガスセンサ５０１の平面図を示している。
【００７８】
ガスセンサ５０１の水平振動においては、変形前は、第１梁部材５０２と第２梁部材５０３とが同一平面上に並んでおり且つ平坦な形状をしているため、図２２に示すように、第１及び第２梁部材５０２，５０３の一方が縮み、他方が伸びるような曲げ変形は生じ難い。そのため、変形前のガスセンサ５０１は、水平振動中には、図２３に示すように、１つの変曲点を有するような曲げ変形を生じる。それに対して、前述の如く、第１及び第２梁部材５０２，５０３が曲げ変形すると、第１及び第２梁部材５０２，５０３が長手方向に伸び縮みし易い。つまり、変形前の平坦な第１及び第２梁部材５０２，５０３は、長手方向に伸び縮みするためには、第１及び第２梁部材５０２，５０３自体にひずみを生じる必要があったが、変形後の湾曲した第１及び第２梁部材５０２，５０３は、曲げ変形量を変えることによって、長手方向への寸法を容易に拡大及び縮小することができる。そのため、変形後のガスセンサ５０１は、図２２に示すように、第１及び第２梁部材５０２の一方が縮み、他方が伸びるような曲げ変形を生じ易い。このように、ガスセンサ５０１の変形の前後で図２３に示す振動形態から図２２に示す振動形態に変化することによって、ガスセンサ５０１の水平振動の共振周波数が小さくなる。
【００７９】
ここで、ガスセンサ５０１の１次モードの水平振動の共振周波数をシミュレーションにより求めた。
【００８０】
変形前のガスセンサ５０１の１次モードの水平振動の共振周波数は、８５２３９Ｈｚであった。それに対して、変形後のガスセンサ５０１の１次モードの水平振動の共振周波数は、６０５３６Ｈｚであった。このように、ガスセンサ５０１の第１及び第２梁部材５０２，５０３を曲げ変形させることによって、１次モードの水平振動の共振周波数を大幅に変化させることができる。
【００８１】
このように、２本の単純梁の先端部を連結したガスセンサ５０１であっても、第１梁部材５０２と第２梁部材５０３とを異なるように変形させることによって、共振周波数を大きく変化させることができる。
【００８２】
−変形例５−
次に、変形例５に係るガスセンサ６０１について説明する。図２４は、変形前のガスセンサ６０１の斜視図を示し、図２５は、変形後のガスセンサ６０１の斜視図を示す。
【００８３】
ガスセンサ６０１においては、第１及び第２梁部材２，３の構成はガスセンサ１と同じであり、ガス感応膜４が設けられている場所が異なる。詳しくは、ガスセンサ６０１は、第１梁部材２の第２延伸部２３の表面２ａと、第２梁部材３の第２延伸部３３の表面３ａにそれぞれガス感応膜４，４が積層されている。また、ガスセンサ６０１は、後述する実施形態２とは異なり、圧電素子により駆動されるタイプのガスセンサである。詳しくは、第１梁部材２の第１延伸部２１の基端部には、駆動用の圧電素子２６が積層されている。第２梁部材３の第１延伸部３１の基端部には、検出用の圧電素子３６が積層されている。
【００８４】
この構成において、ガス感応膜４，４に水素が吸着すると、第１梁部材２は、第２延伸部２３を内側に、ガス感応膜４を外側にして湾曲すると共に、第２梁部材３は、第２延伸部３３を内側に、ガス感応膜４を外側にして湾曲する。このとき、第１梁部材２の第１延伸部２１及び第２梁部材３の第１延伸部３１は、ほとんど変形しない。ガス感応膜４，４は、第１梁部材２と第２梁部材３とで、同じ側の表面２ａ，３ａに設けられているため、第２延伸部２３，３３は同じ方向へ湾曲する。その結果、ガスセンサ６０１の第１梁部材２は、第２延伸部２３の先端部が第１延伸部２１の基端部から離間するように、即ち、第２延伸部２３の先端部と第１延伸部２１の基端部との間隔が広がるように変形する。同様に、ガスセンサ６０１の第２梁部材３は、第２延伸部３３の先端部が第１延伸部３１の基端部から離間するように、即ち、第２延伸部３３の先端部と第１延伸部３１の基端部との間隔が広がるように変形する。
【００８５】
このように変形することによって、ガスセンサ６０１の共振周波数が変化する。特に、３次モードの垂直振動の共振周波数が大幅に変化する。３次モードの垂直振動においては、第１梁部材２の第１及び第２延伸部２１，２３が全体として１本の梁のようになって、折返し部２２を振動の腹としてＺ方向へ振動し、それとは逆位相で、第２梁部材３の第１及び第２延伸部３１，３３が全体として１本の梁のようになって、折返し部３２を振動の腹としてＺ方向へ振動する。そのため、前述の如く、第１梁部材２において第２延伸部２３の先端部と第１延伸部２１の基端部との間隔が広がり、第２梁部材３において、第２延伸部３３の先端部と第１延伸部３１の基端部との間隔が広がるように変形すると、１本の梁のように振動する第１及び第２延伸部２１，２３の振動の節側の部分と第１及び第２延伸部３１，３３の振動の節側の部分との曲げ剛性が大きくなる。それにより、ガスセンサ６０１の共振周波数は高くなる方向へ大幅に変化する。したがって、変形の前後でのガスセンサ６０１の共振周波数の変化量が大きくなる。
【００８６】
また、圧電素子により駆動及び検出を行うセンサにおいては、大きな応力が生じる部分に圧電素子を設けることによって、駆動を容易に行うことができると共に検出能力を向上させることができる。ここで、３次モードの垂直振動においては、第１梁部材２の第１延伸部の基端部及び第２梁部材の第２延伸部の基端部は、振動の節となり、大きな応力が生じる。つまり、３次モードの垂直振動が有効なガスセンサ６０１においては、駆動用及び検出用の圧電素子２６，３６を第１梁部材２の第１延伸部２１の基端部及び第２梁部材の第１延伸部３１の基端部に配置することによって、駆動及び検出性能を向上させることができる。こうして、圧電素子２６，３６を第１梁部材２の第１延伸部２１の基端部及び第２梁部材の第１延伸部３１の基端部に配設すると、これらの基端部は支持部１１に近いため、圧電素子２６，３６への配線の引き回しを簡素化することができる。例えば、折返し部２２，３２に圧電素子を配置するような場合には、配線を支持部１１から第１延伸部２１，３１を通って折返し部２２，３２まで架設する必要があり、配線の引き回しが煩雑になる。それに対して、圧電素子２６，３６を第１梁部材２の第１延伸部２１の基端部及び第２梁部材の第１延伸部３１の基端部に配設する構成では、圧電素子２６，３６までの配線を短くして、配線の引き回しを簡素化することができる。
【００８７】
さらに、圧電素子により駆動及び検出を行うセンサの場合、空気の粘性抵抗がそれほど問題とならない。すなわち、後述する実施形態２のように静電駆動及び静電容量による検出を行うセンサにおいては、駆動及び検出性能を向上させるために、センサを駆動電極及び検出電極に近接させる場合がある。この場合、センサが、駆動電極及び検出電極が設けられた基板に近接することになり、センサと基板との間の空気による粘性抵抗の影響が大きくなる。その結果、センサの振動が妨げられる場合がある。つまり、静電駆動によるセンサは、空気の粘性抵抗から制約を受ける。それに対して、圧電素子で駆動するセンサにおいては、駆動及び検出性能を向上させるためにセンサを基板に近接させる必要がないため、空気の粘性抵抗の影響が問題となる場合が少ない。
【００８８】
したがって、平面視でＭ字状に形成された第１及び第２梁部材２，３のうち、中央に位置する第２延伸部２３，３３にガス感応膜４，４を設けることによって、ガスの吸着量に応じて３次モードの垂直振動の共振周波数が大幅に変化するガスセンサを実現することができる。そして、このように構成されたガスセンサ６０１を、第１延伸部２１，３１の基端部に設けられた圧電素子２６，３６により駆動及び検出することによって、駆動及び検出性能を向上させることができると共に、圧電素子２６，３６への配線の引き回しを簡略化させることができる。さらに、ガスセンサ６０１を圧電素子２６，３６によって駆動及び検出することによって、空気の粘性抵抗の影響を小さくすることができる。
【００８９】
ただし、変形の前後で３次モードの垂直振動の共振周波数を大きく変化させるための構成は、前記の構成に限られるものではない。例えば、第１梁部材２の第１延伸部２１の表面２ｂと第２梁部材３の第１延伸部３１の表面３ｂにさらにガス感応膜を設けてもよい。こうすることにより、第１梁部材２は、第２延伸部２３の先端部と第１延伸部２１の基端部との間隔がさらに広がるように変形し、第２梁部材３は、第２延伸部３３の先端部と第１延伸部３１の基端部との間隔がさらに広がるように変形する。あるいは、第２延伸部２３，３３にガス感応膜４，４を設けることなく、第１延伸部２１，３１にガス感応膜を設けてもよい。この場合であっても、第１梁部材２は、第２延伸部２３の先端部と第１延伸部２１の基端部との間隔が広がるように変形し、第２梁部材３は、第２延伸部３３の先端部と第１延伸部３１の基端部との間隔が広がるように変形する。
【００９０】
尚、３次モード以外の振動モードにおいても、変形の前後でガスセンサ６０１の共振周波数が大幅に変化する振動モードが存在し得る。
【００９１】
以下に、ガスセンサ６０１を曲げ変形させたときの変形量に対する、３次モードの垂直振動の共振周波数の変化特性のシミュレーション結果について説明する。図２６は、シミュレーションに用いたガスセンサの寸法を示し、図２７は、ガスセンサの変形量に対する、垂直振動の共振周波数の変化特性のシミュレーション結果を示す。このシミュレーションに用いたガスセンサは、一例にすぎず、本発明はこれに限定されるものではない。
【００９２】
このガスセンサ６０１は、第１梁部材２及び第２梁部材３が厚さ１５μｍのシリコンで構成されており、第１梁部材２の第１延伸部２１及び第２梁部材３の第１延伸部３１の表面２ａ，３ａには厚さ３μｍのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）２７が積層されている。ＰＺＴ２７は、ガス感応膜４の代わりであって、ＰＺＴ２７に電圧を印加することによって、ガスセンサ６０１に曲げ変形を生じさせた。
【００９３】
シミュレーションに用いた解析コードは、ANSYS 11.0 Product Launcherであり、使用した要素タイプは、シリコンについてはsolid45であり、ＰＺＴについてはsolid5である。メッシュサイズは、一辺が３〜２０μmの６面体とした。材料特性としては、シリコンは、線形等方性とし、ヤング率を１３０．８ＧＰａ、密度を２．３３ｇ／ｃｍ３、ポアソン比を０．２８とした。また、ＰＺＴは、線形異方性とし、密度を７．５３４ｇ／ｃｍ３とし、弾性スティフネス｛ｃｉｊＥ｝、圧電応力定数｛ｅｉｊ｝及び比誘電率｛εｉｊ｝は以下のように設定した。
【００９４】
【数１】
2012083338.tif 000003
【００９５】
【数２】
2012083338.tif 000004
【００９６】
【数３】
2012083338.tif 000005
【００９７】
シミュレーションにおいては、ＰＺＴ２７に電圧を印加することによってガスセンサ６０１を変形させて静的解析を行った。印加電圧を０〜２０Ｖの間で変化させ、ガスセンサ６０１の形状を更新した上で、ガスセンサ６０１の３次モードの垂直振動の共振周波数を求めた。また、ガスセンサ６０１は、第１梁部材２の第１延伸部２１の基端部と第２梁部材３の第１延伸部３１の基端部とを全自由度を拘束した固定端とした。図２６では、印加電圧に相当する変形量を付記している。
【００９８】
図２７のシミュレーション結果を見ると、ガスセンサ６０１の３次モードの垂直振動の共振周波数は、印加電圧が大きくなるほど（即ち、曲げ変形の変形量が大きくなるほど）、大きくなることがわかる。尚、変形量とは、図２５に示す、連結部２４，３４のＺ方向への変形量である。
【００９９】
《発明の実施形態２》
続いて、前記ガスセンサ１を備えたガス検出装置５について説明する。図２８に、ガス検出装置のブロック図を示す。
【０１００】
ガス検出装置５は、ガスセンサ１と、ガスセンサ１を制御する制御装置５０とを備えている。ガスセンサ１は、シリコン基板（図示省略）上に形成されており、支持部１１がシリコン基板に連結されている。第１及び第２梁部材２，３は、シリコン基板と所定の間隔を空けた状態で対向している。シリコン基板のうち、ガスセンサ１の第１梁部材２と第２梁部材３との連結部２４，３４と対向する部分には、駆動電極１２と検出電極１３とが設けられている。ガスセンサ１は、適切な電圧が印加されている。
【０１０１】
制御装置５０は、制御回路５１と、駆動電極１２へパルス電圧を出力する可変周波数発生回路５２と、検出電極１３からの検出電圧と可変周波数発生回路５２からのパルス電圧（駆動電圧）との位相差を検出する位相検出回路５３と、検出電極１３からの検出電圧の周波数を検出する周波数カウンタ５４と、周波数カウンタ５４で検出した周波数からガス濃度を算出する周波数−濃度変換回路５５とを有している。この制御装置５０が駆動部を構成する。
【０１０２】
可変周波数発生回路５２は、任意の周波数のパルス状の駆動電圧を出力することが可能であり、制御回路５１からの出力信号に応じた周波数の駆動電圧を出力する。駆動電極１２に駆動電圧が印加されると、駆動電極１２と、ガスセンサ１の第１梁部材２及び第２梁部材３の連結部２４，３４との間に静電力が作用し、ガスセンサ１が第１及び第２梁部材２，３の板厚方向へ振動する。ガスセンサ１が振動すると、ガスセンサ１と検出電極１３との間隔が変化する。そうすると、ガスセンサ１と検出電極１３との間の静電容量が変化する。位相検出回路５３には、検出電極１３からの検出電圧と可変周波数発生回路５２からの駆動電圧が入力されている。そして、位相検出回路５３は、検出電圧と駆動電圧との位相差を求め、その結果を制御回路５１へ出力する。制御回路５１は、該位相差が９０°となるように、駆動電圧の周波数を調整する出力信号を可変周波数発生回路５２へ出力する。尚、ガスセンサ１が共振しているときには、該位相差が９０°となる。
【０１０３】
このように、制御回路５１、可変周波数発生回路５２及び位相検出回路５３は、駆動電圧と検出電圧との位相差をフィードバックしながら、位相差が９０°となるように、即ち、ガスセンサ１が共振するように、駆動電圧の周波数を制御している。例えば、ガスセンサ１を２次モードの垂直振動で共振させる。
【０１０４】
周波数カウンタ５４は、検出電極１３からの検出信号の周波数をモニタしている。ガスセンサ１は、前述の如く、制御回路５１によって共振させられているため、周波数カウンタ５４は、基本的には、ガスセンサ１の共振周波数をモニタしている。周波数−濃度変換回路５５は、ガスセンサ１の共振周波数に対する水素ガスのガス濃度の検量線を有している。ガスセンサ１の共振周波数は、前述の如く、第１梁部材２の変形量に応じて変化する。そして、第１梁部材２の変形量は、ガス感応膜４の膨張量、即ち、水素ガスの吸着量に応じて変化する。また、水素ガスの吸着量は、水素ガスのガス濃度に相関している。よって、ガスセンサ１の共振周波数と水素ガスのガス濃度とは相関しており、前記検量線を予め求めておくことができる。周波数−濃度変換回路５５は、周波数カウンタ５４から入力される、ガスセンサ１の共振周波数を当該検量線に基づいてガス濃度に変換する。これら周波数カウンタ５４及び周波数−濃度変換回路５５が、ガスセンサ１の共振周波数の変化に基づいてガスを検出するガス検出部を構成する。
【０１０５】
つまり、ガス感応膜４に水素ガスが吸着すると、ガス感応膜４が膨張して第１梁部材２が変形する。それにより、ガスセンサ１の共振周波数が変化すると、制御回路５１のフィードバック制御によって駆動電圧の周波数が当該共振周波数と同じ周波数に調整される。その結果、ガスセンサ１は変化後の共振周波数で共振させられる。このとき、変化後の共振周波数は、周波数カウンタ５４で検出され、周波数−濃度変換回路５５によりガス濃度に変換される。こうして、ガス濃度が検出される。そして、ガスセンサ１を前記の構成とすることによって、ガス感応膜４の変形に対する共振周波数の変化を大きくすることができるため、ガスの検出能力を向上させることができる。また、簡単な回路で構成できるためコストを下げることができる。
【０１０６】
尚、前記実施形態では、ガスセンサを静電力及び静電容量を用いて駆動及び検出を行っているが、これに限られるものではない。駆動電極１２及び検出電極１３の代わりに、前記変形例６のようにガスセンサに駆動用及び検出用の圧電素子を設けてもよい。その場合、制御装置５０からの駆動電圧が駆動用圧電素子に印可され、検出用圧電素子からの検出電圧が制御装置５０に入力される。
【０１０７】
《その他の実施形態》
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
【０１０８】
前記実施形態では、ガスセンサについて説明したが、これに限られるものではない。例えば、発振器及びそれに用いられる振動子であってもよい。かかる場合には、前記ガス感応膜４に代えて、圧電体層を設けるとよい。そして、圧電体層に外部、例えば、制御回路５１から電圧が印加され、これにより、振動子を曲げ変形させるように構成してもよい。振動子の形状や圧電体層の設置場所は、前記実施形態を参考にして適宜に設定することができる。かかる構成によれば、圧電体層に印加する電圧を調整することによって振動子の変形を調整し、それによって、振動子の共振周波数を調整することができる。このとき、制御回路５１に周波数カウンタ５４からの出力信号が入力され、制御回路５１が共振周波数に応じて圧電体層へ印加する電圧をフィードバック制御するように構成してもよい。こうして、共振周波数を所望の値に変更できる振動子及び発振器を構成することができる。尚、周波数−濃度変換回路５５は不要である。また、制御回路５１が圧電体層に印加する電圧と、その電圧に対応する振動子の共振周波数との関係を既知の場合には、周波数カウンタ５４も省略してよい。
【０１０９】
また、前記実施形態では、ガス感応膜４として、水素を吸着するパラジウムを採用しているが、これに限られるものではない。ガスを付着（吸着又は吸蔵に限られない。）させることによって形状が変化（膨張や収縮）する物質であれば、任意の物質をガス感応膜４として採用することができる。尚、前記実施形態では、変形部としてガス感応膜４を用いたが、これに限られるものではない。例えば、第１梁部材とは線膨張係数が異なる材料で構成された変形部を採用してもよい。かかる振動子によれば、周囲の温度に応じて、第１梁部材と変形部とが異なるひずみ量で熱変形し、第１梁部材及び変形部とが曲げ変形を生じる。その結果、第１梁部材と第２梁部材とが異なる態様で変形し、第１及び第２梁部材全体としての曲げ剛性が変化し、共振周波数が変化する。この共振周波数の変化を検出することによって、周囲の温度を検出することができる。つまり、温度センサを構成することができる。
【０１１０】
さらに、ガスセンサの形状や振動形態や振動モードも前記実施形態に限られるものではない。第１梁部材と第２梁部材とを異なる態様で変形させることによって、変形の前後で共振周波数を大きく変化させることができる限りは、任意の形状、振動形態及び振動モードを採用することができる。
【０１１１】
また、前記実施形態では、梁本体は変形前は平坦な形状、具体的には、平板状をしているが、これに限られるものではない。梁本体は変形前から予め湾曲した形状であってもよい。例えば、ガスセンサ５０１は、変形時には、第１梁部材５０２と第２梁部材５０３とを反対側に湾曲させる必要がある。第１梁部材５０２はガス感応膜４が存在するため、変形時の湾曲方向（第１梁部材５０２のどちらの表面が内側でどちらの表面が外側になるか）は決まっている。しかし、第２梁部材５０３はガス感応膜４が設けられていないため、第１梁部材５０２が曲げ変形したときに、第２梁部材５０３がどちらに湾曲するかがわからない。そのため、第２梁部材５０３を予め所望の方向へ、少し湾曲した状態に形成してもよい。尚、第２梁部材５０３の、第１梁部材５０２のガス感応膜４が設けられた表面とは反対側の表面にガス感応膜４を設けてもよい。
【０１１２】
また、前記ガス検出装置５では、ガスセンサ１をフィードバック制御により共振させて、そのときの共振周波数を検出することによって、ガス濃度を検出しているが、これに限られるものではない。例えば、振動子（即ち、ガスセンサ１）が変形しても、振動子の駆動周波数を変化させない構成であってもよい。この場合、振動子の共振周波数が駆動周波数から離れていくため、振動子の振幅が小さくなる。そのため、振動子の振幅を監視することによって、共振周波数の変化、ひいては、振動子の変形を検出し得る。つまり、振動子の共振周波数の変化を検出できる方法であれば、任意の方法を採用することができる。
【０１１３】
尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
以上説明したように、本発明は、梁部材を備えた振動子並びにそれを備えた発振器及びガス検出装置について有用である。
【符号の説明】
【０１１５】
１      ガスセンサ（振動子）
２      第１梁部材
２１    第１延伸部
２２    折返し部
２３    第２延伸部
３      第２梁部材
３１    第１延伸部
３２    折返し部
３３    第２延伸部
４      ガス感応膜（変形部、ガス感応部）
５      ガス検出装置
５０    制御装置（駆動部）
【図１】
2012083338.tif 000006
【図２】
2012083338.tif 000007
【図３】
2012083338.tif 000008
【図４】
2012083338.tif 000009
【図５】
2012083338.tif 000010
【図６】
2012083338.tif 000011
【図７】
2012083338.tif 000012
【図８】
2012083338.tif 000013
【図９】
2012083338.tif 000014
【図１０】
2012083338.tif 000015
【図１１】
2012083338.tif 000016
【図１２】
2012083338.tif 000017
【図１３】
2012083338.tif 000018
【図１４】
2012083338.tif 000019
【図１５】
2012083338.tif 000020
【図１６】
2012083338.tif 000021
【図１７】
2012083338.tif 000022
【図１８】
2012083338.tif 000023
【図１９】
2012083338.tif 000024
【図２０】
2012083338.tif 000025
【図２１】
2012083338.tif 000026
【図２２】
2012083338.tif 000027
【図２３】
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【図２４】
2012083338.tif 000029
【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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