(57)【要約】【課題】小型化薄型化が可能であり、低消費電力で動作する環境センサ素子及び環境センサを提供する。【解決手段】２つの振動脚１１、１２と、この２つの振動脚の間に配置される中央脚１３と、中央脚１３の一方の端部と２つの振動脚１１、１２の一方の端部とをそれぞれ結合する結合部１４と、中央脚１３の他方の端部に結合する支持部１５とを有する振動片１０と、２つの振動脚１１、１２にガス感応膜２０を形成する環境センサ素子１の構成とした。また、振動片１０の支持を中央脚１３の１箇所と支持部１５の２箇所による計３箇所で支持する構成とした。これにより、環境センサ素子の小型化薄型化を実現し、ＣＩ値が小さいので低消費電力で動作する環境センサを提供出来る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの振動脚と、
２つの前記振動脚の間に配置される中央脚と、
前記中央脚の一方の端部と２つの前記振動脚の一方の端部とをそれぞれ結合する結合部と、
前記中央脚の他方の端部に結合する支持部と、を有する振動片と、
前記振動脚に形成されたガス感応膜と、を備える
ことを特徴とする環境センサ素子。
【請求項２】
２つの前記振動脚のそれぞれに前記ガス感応膜が形成された
ことを特徴とする請求項１に記載の環境センサ素子。
【請求項３】
２つの前記振動脚のいずれか一方にのみ前記ガス感応膜が形成された
ことを特徴とする請求項１に記載の環境センサ素子。
【請求項４】
前記ガス感応膜は、２つの前記振動脚の少なくとも１つの先端の幅広部に形成された
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の環境センサ素子。
【請求項５】
２つの前記振動脚のうち前記ガス感応膜が形成された振動脚以外の振動脚には、ガス付着防止膜が形成された
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の環境センサ素子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の環境センサ素子と、
前記振動片を振動させる発振回路と、
前記振動片の振動周波数と前記振動片の直列等価抵抗との少なくとも一方を検出する検出回路と、を備える
ことを特徴とする環境センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動片にガス感応膜を形成した環境センサ素子及び環境センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスを検出するガスセンサの応用分野は非常に幅広く、保安用（ガス漏れ警報、火災検知、毒性ガス検知等）、自動車用（エンジン制御、触媒機能監視、車内空気換気等）、大気環境用（大気監視、汚染ガス監視、気象観測等）、室内アメニティ用（室内空気換気、エアコン制御等）、産業生産用（燃焼制御、反応監視、発酵工程監視等）、医療用（呼気チェック、運動生理評価、疾病発見等）などが挙げられる。
【０００３】
また、ガスセンサをその検出原理によって分類すると、半導体型（酸化物、高分子）、固体電解質型（平衡電位、混成電位、電流、インピーダンス）、電界効果式（ダイオード、ＦＥＴ、キャパシタ）、光学式（化学発光、蛍光、光ファイバ）、圧電式（水晶振動片、ＳＡＷ）、電気化学式（定電流、定電位）などに分けることができるが、小型のガスセンサとして、音叉型圧電振動片によるガスセンサ素子が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
この特許文献１のガスセンサ素子は、屈曲振動する振動脚を備えた音叉型振動片を有し、振動脚の先端部にガス感応膜を設けた構造である。このガスセンサ素子は、ガス感応膜が被検出ガスを吸着すると質量が増え、振動片の振動周波数が変化することでガスを検出できることが示されている。
【０００５】
図９は、特許文献１などで知られている音叉型圧電振動片を用いたガスセンサ素子の一例を示した模式図である。
図９において、ガスセンサ素子１００は、基部１０１と、この基部１０１上に並んで同一方向に延設された２つの振動脚１０２、１０３とを有する構成である。基部１０１は、振動脚１０２、１０３を結合する結合部１０１ａと、ガスセンサ素子１００を図示しないパッケージに支持するための支持部１０１ｂとを有している。この支持部１０１ｂには、金（Ａｕ）でなる一対の電極１０５が形成され、この電極１０５はパッケージと電気的機械的に接続する接続部となる。なお、一対の電極１０５は、振動脚１０２、１０３に延びて電界を与えて屈曲振動を起こさせるが、振動脚１０２、１０３上の電極パターンの図示は省略している。
【０００６】
このガスセンサ素子１００の振動脚１０２、１０３の先端部には、それぞれガス感応膜１１０が形成されている。このガス感応膜１１０は、ガス（たとえば水素など）を吸着すると、ガスの成分によって質量が増え、これにより、振動脚１０２、１０３の先端部が重くなり屈曲振動の周波数が変化することでガスを検出できる。
【０００７】
また、棒状の２つの振動脚と、この２つの振動脚の間に配置される中央脚と、２つの振動脚の一方の端部と中央脚の一方の端部とをそれぞれ結合する結合部と、中央脚の他方の端部と結合される支持部とを備え、中央脚上の支持点でパッケージに支持固定し、支持部上の２つの導電点でパッケージと電気的機械的に結合するＴ型振動片を用いた圧電デバイスが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
このＴ型振動片を用いた圧電デバイスは、中央脚上の１つの支持点と支持部上の２つの導電点の計３箇所でパッケージに支持固定されるので、静的に安定して支持できると共に、振動片がパッケージ内で傾いたりする心配がないために、パッケージの薄型化が可能で
ある。また、振動脚を結合する結合部と、振動片を支持する支持部が分離している構造であるので、振動片としての性能が低下することなく小型化出来る特徴を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−８２８４２号公報（５頁、図１）
【特許文献２】国際公開第ＷＯ２００９／１１６５２３号公報（１１頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１のガスセンサ素子は、図９で示すように、振動脚１０２、１０３と基部１０１の結合部１０１ａと支持部１０１ｂとが、振動片の長手方向に直線的に並んだ構成であるので、ガスセンサ素子を小型化すると、結合部１０１ａと支持部１０１ｂにスペースを取られて振動脚１０２、１０３の長さを短くしなければならず、振動片としてのエネルギー損失が増加して直列等価抵抗値（以下、ＣＩ値と略す）が上昇する。このため、ガスセンサとしての消費電力が大きくなり、また、発振の安定性が低下する問題がある。
【００１１】
また、特許文献２のＴ型振動片を用いた圧電デバイスは、前述したように、小型化、薄型化が可能であり、従来は基準信号源の振動片として用いられている例があるが、ガスセンサの振動片として利用されていなかった。
【００１２】
また、厚みすべり振動を用いたＡＴカット型の水晶振動片は、小型化が可能であると共に、周波数温度特性に優れているが、ＡＴカット型の水晶振動片の振動周波数はＭＨｚ帯であって周波数が高く、駆動するには高速動作の発振回路が必要であると共に、振動周波数が高いので消費電力が大きくなる問題がある。
【００１３】
また、ダブルＴ型構造と呼ばれる振動片も知られているが、６本の振動脚が伸びた複雑な形状であるので、振動片の小型化が困難であり、また、振動片の製造、及び、パッケージへの取り付けが難しく生産性に問題があるので、小型の環境センサ素子には適さない。
【００１４】
そこで本発明は、上記課題を解決し、小型化薄型化が可能であり、低消費電力で動作する環境センサ素子及び環境センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の環境センサ素子及び環境センサは、下記記載の構成を採用する。
【００１６】
本発明の環境センサ素子は、２つの振動脚と、２つの振動脚の間に配置される中央脚と、  中央脚の一方の端部と２つの振動脚の一方の端部とをそれぞれ結合する結合部と、中央脚の他方の端部に結合する支持部と、を有する振動片と、振動脚に形成されたガス感応膜と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
また、２つの振動脚のそれぞれにガス感応膜が形成されたようにしてもよい。
【００１８】
また、２つの振動脚のいずれか一方にのみガス感応膜が形成されたようにしてもよい。
【００１９】
また、ガス感応膜は、２つの振動脚の少なくとも１つの先端の幅広部に形成されたようにしてもよい。
【００２０】
また、２つの振動脚のうちガス感応膜が形成された振動脚以外の振動脚には、ガス付着防止膜が形成されたようにしてもよい。
【００２１】
また、本発明の環境センサは、本発明の環境センサ素子と、振動片を振動させる発振回路と、振動片の振動周波数と振動片の直列等価抵抗との少なくとも一方を検出する検出回路と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の環境センサ素子は、２つの振動脚を結合する結合部と、振動片を支持する支持部が分離している構造であるので、振動片を小型化してもＣＩ値の上昇を抑制でき、小型で低消費電力の環境センサ素子を提供できる。また、２つの振動脚の間に中央脚を有するので、支持部と共に中央脚によって振動片を支持することが出来、静的に安定した支持を実現し、振動片がパッケージ内で傾いたりする心配がないために、振動片とパッケージとの隙間を少なくしてパッケージの薄型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態の基本形の環境センサ素子の正面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の基本形の環境センサ素子の背面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の環境センサ素子をパッケージに搭載した状態を示す上面図と断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の変形例１の環境センサ素子の正面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の変形例２の環境センサ素子の正面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の基本形の環境センサのブロック図と、その変形例１の環境センサのブロック図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の変形例２の環境センサのブロック図である。
【図８】本発明の環境センサによるガス検出例のグラフである。
【図９】従来の音叉型振動片によるガスセンサ素子の一例を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下図面に基づいて本発明の第１と第２の実施形態を詳述する。
第１の実施形態は、Ｔ型振動片にガス感応膜を形成した小型の環境センサ素子であり、基本形は２つの振動脚のそれぞれにガス感応膜が形成され、振動周波数の変化でガスを検出する特徴を有し、変形例１は振動脚のいずれか一方にのみガス感応膜が形成され、ＣＩ値の変化でガスを検出する特徴を有し、変形例２は振動脚のうちガス感応膜が形成された振動脚以外の振動脚にはガス付着防止膜が形成され、ＣＩ値の変化でガスを検出する特徴
を有している。
【００２５】
また、ガス感応膜は、振動脚の先端の幅広部に形成してもよい。幅広部とは、振動脚の先端の幅が広い部分を言う。この構成であれば、錘機能と感応部を兼用することができ、安定な振動とガス反応を可能とすることができる。
【００２６】
また、第２の実施形態は、Ｔ型振動片の環境センサ素子と、振動片を振動させる発振回路と、振動片の振動周波数と振動片のＣＩ値との少なくとも一方を検出する検出回路とを備えた環境センサであり、基本形は振動片の振動周波数を検出する検出回路を備えた特徴を有し、変形例１は振動片のＣＩ値を検出する検出回路を備えた特徴を有し、変形例２は振動片の振動周波数とＣＩ値との両方をそれぞれ検出する検出回路を備えた特徴を有している。
【実施例１】
【００２７】
［第１の実施形態の基本形の環境センサ素子の構成説明：図１、図２］
第１の実施形態の基本形の環境センサ素子の構成を図１と図２を用いて説明する。
図１は第１の実施形態の環境センサ素子の正面図であり、図２は環境センサ素子の背面図である。図１と図２において、符号１は第１の実施形態の環境センサ素子である。環境センサ素子１は、２つの振動脚１１、１２と、この２つの振動脚１１、１２の間に配置される中央脚１３と、中央脚１３の一方の端部と２つの振動脚１１、１２の一方の端部とをそれぞれ結合する結合部１４と、中央脚１３の他方の端部に結合し、中央脚１３の長手方向に対して所定の角度で延びる支持部１５とを有する振動片１０と、この振動片１０の２つの振動脚１１、１２のそれぞれにガス感応膜２０が形成されている。
【００２８】
環境センサ素子１の振動片１０は、カット角０〜１０°のＺ板でなる水晶振動片であり、振動脚１１、１２は屈曲振動によって振動する。また、ガス感応膜２０は、振動脚１１、１２の正面の先端部１１ａ、１２ａに形成されている。このガス感応膜２０は、水素吸蔵合金と呼ばれるチタン、ジルコニウム、バナジウム、マグネシウムなどの合金をスパッタ等の成膜法によって形成するとよい。
【００２９】
このガス感応膜２０が、ガス（たとえば水素など）を吸着すると、ガスの成分によって質量が増して振動片１０の振動周波数が変化してガスを検出できるが、ガス感応膜２０を振動脚１１、１２の支点となる結合部１４から最も離れた振動脚１１、１２の先端部１１ａ、１２ａに形成することで、ガス感応膜２０のわずかな質量の変化が振動片１０に効率よく作用して、振動片１０の振動周波数を敏感に変化させることが出来る。このため、ガス感応膜２０を振動脚１１、１２の先端部１１ａ、１２ａに形成することで、ガスの検出感度を高くすることが出来る。
【００３０】
また、振動脚１１、１２の先端部１１ａ、１２ａは幅が広い構造、いわゆる幅広部となっている。これによって先端部１１ａ、１２ａの質量を増やして振動周波数を低くでき、また、ガス感応膜２０の面積を増やせるのでガスの検出感度を向上出来る。
【００３１】
また、支持部１５の背面上の符号１６、１７は、金（Ａｕ）でなる一対の電極である。この電極１６、１７は、一部分図示しないが、振動片１０の正面と背面及び側面の所定の領域に形成されて、振動脚１１、１２の正面及び背面を覆い、振動脚１１、１２に電界を与えて変位させ、屈曲振動を起こさせる。また、この支持部１５の背面上の電極１６、１７は、環境センサ素子１を搭載するパッケージのマウント台（後述する）と、電気的機械的に結合する導電点１６ａ、１７ａ（円形の破線で示す）を有している。
【００３２】
また、中央脚１３の背面には、電極１８が所定の範囲に形成され、この電極１８上には、パッケージのマウント台（後述する）に支持固定するための支持点１８ａ（円形の破線で示す）を有している。すなわち、本実施形態の環境センサ素子１の振動片１０は、２つの振動脚１１、１２の間に中央脚１３を有しているので、この中央脚１３上に支持点１８ａを設けることが出来る。これにより、振動片１０は、支持部１５の２つの導電点１６ａ、１７ａと、中央脚１３の支持点１８ａの計３箇所で支持される。この導電点１６ａ、１７ａと支持点１８ａは、二等辺三角形の頂点に位置するように配置されて振動片１０の全体を支持するので、振動片１０がパッケージに対して傾いたりせず、安定した支持を実現できる。
【００３３】
また、振動片１０の背面の符号１９は、振動周波数調整用の銀（Ａｇ）でなる調整膜であり、振動片１０の振動脚１１、１２の背面の先端部１１ａ、１２ａに形成される。この調整膜１９にレーザ光を照射して銀を飛ばすことで、振動脚１１、１２の質量を減らして振動片１０の振動周波数を所定の周波数に調整することができるが、振動周波数を特に調整する必要がない場合は、調整膜１９は無くてもよい。
【００３４】
このように、本実施形態の環境センサ素子１は、２つの振動脚１１、１２を結合する結合部１４と、振動片１０を支持する支持部１５とが分離している構造であり、且つ、それぞれの結合部１４と支持部１５とを振動片１０の長手方向に対して短く出来るので、振動片１０を小型化しても、振動脚１１、１２の長さＬを比較的長く設定することが可能である。これにより、振動片１０を小型化してもエネルギー損失が少ないので、ＣＩ値の上昇を抑えることができ、低消費電力で駆動できる極めて小型の環境センサ素子を実現することが出来る。
【００３５】
また、本実施形態の環境センサ素子１は、ガス感応膜２０が２つの振動脚１１、１２の両方にそれぞれ形成されているので、ガスの吸着によって振動脚１１、１２の両方の質量がバランスよく同じように重くなる。このため、ガスの吸着がわずかでも振動片１０の振動に影響して振動周波数が敏感に変化するので、高感度のガス検出が可能となる。
【００３６】
また、本実施形態の環境センサ素子１は、ガス感応膜２０が振動脚１１、１２の両方に形成されているため、ガスの吸着によって振動片１０のバランスが崩れることがほとんどないので、漏れ振動の発生を防ぐことが出来る。このため、ガス感応膜２０にガスが吸着しても、漏れ振動の発生によって振動片１０のエネルギー損失が増加してＣＩ値が上昇することがないので、高いＱ値を維持できる。これにより、外部から振動や衝撃に影響されにくく、また、経時変化の少ない信頼性に優れた環境センサ素子を実現できる。
【００３７】
この本実施形態の環境センサ素子１の電極１６、１７に発振回路を接続して発振させ、振動周波数の変化を測定することによって、雰囲気中のガスの検出を実施するが、環境センサ素子１を駆動する発振回路と振動周波数の検出手段については後述する。
【００３８】
なお、前述したように、環境センサ素子１の振動周波数を調整する必要がない場合は、振動片１０の背面の振動脚１１、１２に形成する調整膜１９は不要となるが、その場合、振動片１０の振動脚１１、１２の先端部の背面にもガス感応膜を形成してよい。また、ガス感応膜は、振動脚１１、１２の側面にも形成してよい。このように、ガス感応膜が振動脚１１、１２の背面や側面に形成されると、ガスの吸着による質量の増加が大きくなるので、ガスの検出感度を更に向上させることが可能となる。
【００３９】
［第１の実施形態の環境センサ素子のパッケージへの搭載説明：図３］
次に、本実施形態の環境センサ素子をパッケージに搭載する場合の構成を図３を用いて説明する。
図３は、本実施形態の環境センサ素子１をパッケージに搭載する一例を示している。図３（ａ）は、環境センサ素子１をパッケージに搭載した状態を示す上面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の切断線Ａ−Ａ´で切断した断面図である。なお、図３（ａ）の上面図は、図３（ｂ）に示す蓋体３５を取り除いた状態で図示している。
【００４０】
図３（ａ）、（ｂ）において、パッケージ３０は、内部がくり抜かれた薄い箱形状の絶縁性部材で成り、環境センサ素子１を搭載するための凸状の３つのマウント台３１〜３３を有している。マウント台３１〜３３はパッケージ３０と一体形成されている。環境センサ素子１は、支持部１５の２つの導電点１６ａ、１７ａと、中央脚１３の支持点１８ａとが、導電性接着剤３４によってマウント台３１〜３３にそれぞれ固着され、パッケージ３０に搭載される。
【００４１】
ここで、環境センサ素子１の背面の電極１６、１７（図２参照）は、図示しないが、マウント台３１、３２上の導電パターンを介してパッケージ３０の裏面の電極に接続され、外部の回路と電気的に接続する構成となっている。なお、環境センサ素子１がパッケージ３０の内部に搭載された後、パッケージ３０は蓋体３５によって密閉される。
【００４２】
このように、本実施形態の環境センサ素子１は、支持部１５の２つの導電点１６ａ、１７ａと、中央脚１３の支持点１８ａの計３箇所でパッケージ３０に支持固着されるので、環境センサ素子１は、パッケージ３０に対して静的に安定した状態で取り付けられ、外部からの振動や衝撃に対して影響されにくい構造である。また、環境センサ素子１が３箇所で支持されて安定しているので、環境センサ素子１がパッケージ３０に対して傾く心配がなく、環境センサ素子１の結合部１４側が、パッケージ３０の底面や蓋体３５に接触することがない。このため、環境センサ素子１の下面側と上面側の隙間を狭く出来るので、パッケージ３０の厚みを薄くすることが可能となり、薄型の環境センサを実現できる。
【００４３】
［第１の実施形態の変形例１の構成説明：図４］
次に、第１の実施形態の変形例１の環境センサ素子の構成を図４を用いて説明する。
図４は、第１の実施形態の変形例１の環境センサ素子２の正面図である。なお、環境センサ素子２の振動片は、第１の実施形態の振動片１０（図１参照）と同様であるので、振動片の同一要素には同一番号を付し、重複する説明は一部省略する。
【００４４】
図４において、環境センサ素子２は、２つの振動脚１１、１２と、この２つの振動脚１１、１２の間に配置される中央脚１３と、  中央脚１３の一方の端部と２つの振動脚１１、１２の一方の端部とをそれぞれ結合する結合部１４と、中央脚１３の他方の端部に結合する支持部１５とを有する振動片１０を備え、２つの振動脚１１、１２の先端部のいずれか一方にのみガス感応膜２０が形成されている。
【００４５】
図４では、一方の振動脚１１にガス感応膜２０が形成されているが、他方の振動脚１２にガス感応膜２０が形成されてもよい。すなわち、第１の実施形態の変形例１は、振動片１０の２つの振動脚１１、１２のいずれか一方にのみガス感応膜２０が形成されるのである。
【００４６】
ここで、振動脚１１に形成されるガス感応膜２０にガスが吸着すると、吸着したガスの成分によって振動脚１１の質量が重くなるが、一方の振動脚１２はガス感応膜２０が形成されていないので、振動脚１２の質量はほとんど変化しない。これにより、振動片１０の振動のバランスが崩れて漏れ振動が発生し、振動エネルギーが支持部１５から外部に逃げることになる。このため、振動片１０としてのエネルギー損失が大きくなるので、ガス感応膜２０へのガスの吸着量が増えるに応じて、振動片１０のＣＩ値が増加する。
【００４７】
この振動片１０のＣＩ値が増加すると、振動片１０を駆動する発振回路の消費電力が増加するので、この消費電力の変化を測定することでＣＩ値の変化を把握して、ガスを検出することが出来る。なお、環境センサ素子２を駆動する発振回路と、消費電力からＣＩ値の変化を検出する検出手段については後述する。
【００４８】
また、第１の実施形態の変形例１の環境センサ素子２は、ガスの吸着によって一方の振動脚の質量が重くなるので、当然のことであるが振動片１０の振動周波数も変化して低くなり、この振動周波数の変化を測定することによってガスの検出を行うことも出来る。従って、第１の実施形態の変形例１の環境センサ素子２は、消費電力の変化からＣＩ値の変化を把握して雰囲気中のガスを容易に検出できることに優れているが、同時に振動片１０の振動周波数の変化によってガスの検出を行うことも出来るので、２つの要素からガスの検出が可能となる。
【００４９】
［第１の実施形態の変形例２の構成説明：図５］
次に、第１の実施形態の変形例２の環境センサ素子の構成を図５を用いて説明する。
図５は、第１の実施形態の変形例２の環境センサ素子３の正面図である。なお、環境セ
ンサ素子３の振動片は、第１の実施形態の振動片１０（図１参照）と同様であるので、振動片の同一要素には同一番号を付し、重複する説明は一部省略する。
【００５０】
図５において、環境センサ素子３は、２つの振動脚１１、１２と、この２つの振動脚１１、１２の間に配置される中央脚１３と、中央脚１３の一方の端部と２つの振動脚１１、１２の一方の端部とをそれぞれ結合する結合部１４と、中央脚１３の他方の端部に結合する支持部１５とを有する振動片１０を備え、２つの振動脚１１、１２の先端部のいずれか一方にガス感応膜２０が形成され、このガス感応膜２０が形成された振動脚以外の振動脚の先端部には、ガスの吸着を防ぐガス付着防止膜２５が形成されている。
【００５１】
図５では、一方の振動脚１１にガス感応膜２０が形成され、他方の振動脚１２にガス付着防止膜２５が形成されているが、これに限定されず、振動脚１２にガス感応膜２０が形成され、振動脚１１にガス付着防止膜２５が形成されてもよい。
【００５２】
ここで、振動脚１１のガス感応膜２０にガスが吸着すると、吸着したガスの成分によって振動脚１１の質量が重くなる。一方、振動脚１２にはガス付着防止膜２５が形成されているので、ガスの吸着が妨げられて、振動脚１２の質量は変化しない。これにより、振動片１０の振動のバランスが崩れて漏れ振動が発生し、振動エネルギーが支持部１５から外部に逃げることになる。このため、振動片１０としてのエネルギー損失が大きくなるので、ガス感応膜２０へのガスの吸着量が増えるに応じて、振動片１０のＣＩ値が増加する。
【００５３】
この振動片１０のＣＩ値が増加すると、振動片１０を駆動する発振回路の消費電力が増加するので、この消費電力の変化を測定することでＣＩ値の変化を把握して、ガスを検出することが出来る。ここで、前述の第１の実施形態の変形例１の環境センサ素子２と本実施形態の環境センサ素子３を比較すると、環境センサ素子２の振動脚１２の先端部１２ａ（図４参照）の表面は何も処理されていないので、表面の状態に応じて僅かにガスが吸着して、振動脚１２の先端部の質量は、わずかに増加することが想定される。
【００５４】
しかし、本実施形態の環境センサ素子３の振動脚１２の先端部１２ａには、ガス付着防止膜２５が形成されているのでガスの吸着がなく、振動脚１２の先端部１２ａの質量はほとんど増えない。このため、同じガス濃度の雰囲気中では、前述の環境センサ素子２よりも本実施形態の環境センサ素子３のほうが、質量のバランスが大きく崩れて、漏れ振動の発生が大きいので、ＣＩ値の増加率が大きくなる。すなわち、本実施形態の環境センサ素子３のほうが、ガスの検出感度にすぐれている。従って、本実施形態の環境センサ素子３は、ガス感応膜２０とガス付着防止膜２５の２種類の膜を形成する必要があるが、高感度の環境センサ素子を実現できる利点がある。
【００５５】
また、本実施形態の環境センサ素子３は、ガスの吸着によって一方の振動脚の質量が重くなるので、当然のことであるが振動片１０の振動周波数も変化して低くなり、この振動周波数の変化を測定することによってガスの検出を行うことも出来る。従って、本実施形態においても、ＣＩ値の変化と振動周波数の変化の２つの要素によってガスの検出を行うことが出来る。
【００５６】
以上のように、本発明の第１の実施形態の環境センサ素子は、Ｔ型振動片を用いることによって、振動片を小型化しても振動脚の長さを比較的長く出来るので、振動片としてのエネルギー損失が少なく、ＣＩ値の上昇を抑えることが出来る。このため、従来の２脚音叉型振動片やダブルＴ型と呼ばれる６本の振動脚を有する振動片と比較して小型化を容易に行うことが出来る。
【００５７】
また、本発明の第１の実施形態の環境センサ素子はＣＩ値が小さいと共に、振動周波数
も比較的低く設定できるので、特に従来の厚みすべり振動を用いたＡＴカット型の水晶振動片と比較して格段に少ない消費電力で駆動することが出来る。このため、本発明の環境センサ素子は、小型化と低消費電力の２つの優れた特徴を備えており、小型化と低消費電力の要求が強い携帯型のガスセンサなどに幅広く利用することができる。
【００５８】
また、ガス感応膜を２つの振動脚の両方に形成する、またはガス感応膜を振動脚の一方にのみ形成する、または振動脚の一方にガス感応膜を形成し、ガス感応膜が形成された振動脚以外の振動脚にはガス付着防止膜を形成するなど、ガス感応膜とガス付着防止膜の形成方法を変えることによって、ガスの検出手段の選択と検出感度の選択などを任意に行うことが出来るので、環境センサ素子として様々な用途に幅広く利用出来る優れた特徴を備えている。
【実施例２】
【００５９】
［第２の実施形態の基本形の環境センサの構成及び動作説明：図６（ａ）］
次に第２の実施形態の基本形の環境センサとして、第１の実施形態の基本形の環境センサ素子を用いた環境センサの構成を図６（ａ）のブロック図を用いて説明する。
図６（ａ）において、符号５０は、第２の実施形態の環境センサである。環境センサ５０は、本発明の第１の実施形態の基本形の環境センサ素子１（図１参照）と発振回路５１と周波数検出回路５２とを有している。なお、環境センサ５０で用いられる環境センサ素子１は、これに限定されず、第１の実施形態の変形例で提示した環境センサ素子２または環境センサ素子３でもよい。
【００６０】
発振回路５１は、環境センサ素子１の一対の電極１６と１７（図２参照）に接続して、環境センサ素子１の振動周波数である発振信号Ｐ１を出力する。周波数検出回路５２はカウンタ回路であり、発振回路５１からの発振信号Ｐ１を入力してカウントし、周波数データＯＵＴ１を出力する。
【００６１】
次に、環境センサ５０の動作を説明する。図６（ａ）において、環境センサ５０の発振回路５１に図示しない手段によって電源が供給されると、発振回路５１は、環境センサ素子１からの微小な振動信号を増幅して環境センサ素子１の振動片を振動させ、振動片の振動周波数で安定した発振を継続する。また、発振回路５１は、環境センサ素子１の振動信号を増幅して波形成形したパルス状の発振信号Ｐ１を出力する。
【００６２】
周波数検出回路５２は、内部のカウンタ回路（図示せず）によって発振信号Ｐ１をカウントし、そのカウント値を周波数データＯＵＴ１として出力する。すなわち、周波数データＯＵＴ１は、環境センサ素子１の振動周波数を現しており、環境センサ素子１の振動周波数が変化すると、周波数データＯＵＴ１はリアルタイムで振動周波数の変化を出力することが出来る。
【００６３】
ここで、環境センサ５０をガスが発生している雰囲気中に置くと、環境センサ素子１のガス感応膜２０（図１参照）に時間の経過と共にガスが吸着する。ガス感応膜２０は、ガスの吸着に応じて質量が増加するので、環境センサ素子１はガスの吸着に応じて振動周波数が少しずつ低下し、発振回路５１からの発振信号Ｐ１の周波数が低下する。
【００６４】
周波数検出回路５２は、発振信号Ｐ１の周波数をカウントし、周波数の低下を検出してデジタルデータである周波数データＯＵＴ１を出力する。これにより、周波数検出回路５２からの周波数データＯＵＴ１の変化は、環境センサ素子１のガス感応膜２０へのガスの吸着量の変化を現すことになる。
【００６５】
このようにして、環境センサ５０は、内蔵する環境センサ素子１の振動周波数の変化に
よって、雰囲気中のガスの濃度の時間変化をリアルタイムで検出することが出来る。なお、周波数検出回路５２は、発振信号Ｐ１の周波数の変化（周波数の低下）から、環境センサ５０が置かれた雰囲気中のガスの濃度に換算する演算回路（図示せず）を付加して、ガス濃度データとして出力してもよい。
【００６６】
［第２の実施形態の変形例１の環境センサの構成及び動作説明：図６（ｂ）］
次に、第２の実施形態の変形例１の環境センサの構成を図６（ｂ）のブロック図を用いて説明する。
図６（ｂ）において、符号６０は、第２の実施形態の変形例１の環境センサである。環境センサ６０は、第１の実施形態の変形例１の環境センサ素子２（図４参照）と発振回路６１とＣＩ値検出回路６２とを有している。なお、環境センサ素子２は、これに限定されず、後述する第１の実施形態の変形例２の環境センサ素子３でもよい。
【００６７】
発振回路６１は、環境センサ素子２の一対の電極１６と１７に接続して、環境センサ素子２を駆動する消費電力に比例した消費信号Ｐ２を出力する。ＣＩ値検出回路６２は、消費信号Ｐ２を入力してＣＩ値データＯＵＴ２を出力する。
【００６８】
次に、環境センサ６０の動作を説明する。図６（ｂ）において、環境センサ６０の発振回路６１に図示しない手段によって電源が供給されると、発振回路６１は、環境センサ素子２の振動周波数で発振を開始して、環境センサ素子２を駆動するための消費電力に比例した消費信号Ｐ２を出力する。ＣＩ値検出回路６２は消費信号Ｐ２を入力し、消費信号Ｐ２からデジタルデータのＣＩ値データＯＵＴ２を出力する。
【００６９】
ここで、環境センサ６０をガスが発生している雰囲気中に置くと、環境センサ素子２のガス感応膜２０（図４）に時間の経過と共にガスが吸着する。ガス感応膜２０は、ガスの吸着に応じて質量が増加するので、環境センサ素子２はガスの吸着に応じて振動のバランスが崩れて漏れ振動が発生し、振動エネルギーが外部に逃げることになる。この結果、環境センサ素子２はエネルギー損失が大きくなってＣＩ値が増加する。
【００７０】
発振回路６１は、環境センサ素子２のＣＩ値が増加すると、それに応じて駆動電力を増やさなければ発振を維持できないため、環境センサ素子２のＣＩ値の増加に応じて駆動電力を増やすように動作し、安定して発振が継続するように機能する。この動作によって、発振回路６１からの消費信号Ｐ２は、環境センサ素子２のＣＩ値の増加に略比例して増えることになる。従って、消費信号Ｐ２の変化から環境センサ素子２のＣＩ値の変化を知ることができる。
【００７１】
ＣＩ値検出回路６２は、アナログ信号である消費信号Ｐ２を入力してデジタル変換を行い、必要に応じて係数を乗せて、環境センサ素子２のＣＩ値に相当するＣＩ値データＯＵＴ２を出力する。これにより、ＣＩ値検出回路６２からのＣＩ値データＯＵＴ２は、環境センサ素子２のＣＩ値の変化、すなわち、環境センサ素子２のガス感応膜２０へのガスの吸着量の変化を現すことになる。
【００７２】
このようにして、環境センサ６０は、環境センサ素子２のＣＩ値の変化によって、雰囲気中のガスの濃度の時間変化をリアルタイムで検出することが出来る。なお、ＣＩ値検出回路６２は、消費信号Ｐ２の変化から、環境センサ６０が置かれた雰囲気中のガスの濃度に換算する演算回路（図示せず）を付加して、ガス濃度データとして出力してもよい。
【００７３】
［第２の実施形態の変形例２の環境センサの構成及び動作説明：図７］
次に、第２の実施形態の変形例２の環境センサの構成を図７のブロック図を用いて説明する。
図７において、符号７０は、第２の実施形態の変形例２の環境センサである。環境センサ７０は、第１の実施形態の変形例２の環境センサ素子３（図５参照）と発振回路７１と周波数検出回路７２とＣＩ値検出回路７３と演算回路７４とを有している。なお、環境センサ素子３は、これに限定されず、第１の実施形態の変形例１の環境センサ素子２でもよい。
【００７４】
発振回路７１は、環境センサ素子３の一対の電極１６と１７に接続して、発振信号Ｐ１と、環境センサ素子６を駆動する消費電力に比例した消費信号Ｐ２とを出力する。周波数検出回路７２は、前述の周波数検出回路５２と同様のカウンタ回路であり、発振回路７１からの発振信号Ｐ１を入力してカウントし、周波数データＯＵＴ１を出力する。
【００７５】
ＣＩ値検出回路７３は、前述のＣＩ値検出回路６２と同様であり、発振回路７１からの消費信号Ｐ２を入力してＣＩ値データＯＵＴ２を出力する。演算回路７４は、周波数データＯＵＴ１とＣＩ値データＯＵＴ２とを入力し、環境センサ７０が置かれた雰囲気中のガスの濃度に換算したガス濃度データＯＵＴ３を出力する。
【００７６】
次に、環境センサ７０の動作を説明する。図７において、環境センサ７０の発振回路７１に図示しない手段によって電源が供給されると、発振回路７１は、環境センサ素子３からの微小な振動信号を増幅して環境センサ素子３の振動片を振動させ、振動片の振動周波数で安定した発振を継続する。また、発振回路７１は、環境センサ素子３の振動信号を増幅して波形成形したパルス状の発振信号Ｐ１と、環境センサ素子３を駆動するための消費電力に比例した消費信号Ｐ２を出力する。
【００７７】
周波数検出回路７２は、内部のカウンタ回路（図示せず）によって発振信号Ｐ１をカウントし、環境センサ素子３の振動周波数の変化を周波数データＯＵＴ１としてリアルタイムで出力する。
【００７８】
また、ＣＩ値検出回路７３は、アナログ信号である消費信号Ｐ２を入力してデジタル変換を行い、必要に応じて係数を乗せて、環境センサ素子３のＣＩ値に相当するＣＩ値データＯＵＴ２を出力する。
【００７９】
演算回路７４は、周波数データＯＵＴ１とＣＩ値データＯＵＴ２とを入力し、２つのデータから環境センサ素子３の周波数変化とＣＩ値変化を取得して、取得した周波数変化とＣＩ値変化から環境センサ素子３に吸着したガスの吸着量を算出し、雰囲気中のガスの濃度の時間変化をガス濃度データＯＵＴ３としてリアルタイムで出力する。このように、第２の実施形態の変形例２は、環境センサ素子の周波数変化とＣＩ値変化という異なる２つの要素を補完してガスの検出を算出できるので、雰囲気中のガスの検出精度と検出感度を向上させることが出来る。
【００８０】
なお、演算によってガス濃度データＯＵＴ３を出力する演算回路７４は、環境センサ７０に内蔵せずに、外部装置（図示せず）として配置してもよい。この場合、環境センサ７０からは、周波数データＯＵＴ１とＣＩ値データＯＵＴ２が出力され、外部装置は周波数データＯＵＴ１とＣＩ値データＯＵＴ２とを入力して検出したガス濃度を算出し、必要に応じてガス濃度等を表示器（図示せず）によって表示することが出来る。
【００８１】
［ガス検出例の説明：図８］
次に、本発明による環境センサによって実施した雰囲気中のガスの検出の一例を図８のグラフを用いて説明する。
ガスの検出で使用した環境センサは、本発明の第２の実施形態で示した環境センサ５０（図６（ａ）参照）であり、環境センサ素子は、第１の実施形態で示した環境センサ素子
１（図１参照）である。すなわち、環境センサ素子１の振動周波数の変化によって雰囲気中のガスの濃度を検出する環境センサを例として提示する。図８のＸ軸はガス感応膜に吸着したガスの吸着量であり、単位はｎｇである。Ｙ軸は振動片の振動周波数の変化量であり、単位はｐｐｍである。
【００８２】
図８において、ｆ１は環境センサ素子１の振動脚１１、１２の先端部１１ａ、１２ａに形成したガス感応膜２０（図１参照）に吸着するガスの吸着量による環境センサ素子１の振動周波数の周波数変化の一例を示している。ここで、ガスの吸着量の増加に伴って振動周波数が低下し、ガスの吸着量が０．４ｎｇに達すると、振動周波数は約５０ｐｐｍ低下する。環境センサ素子１のこのような特性から、振動周波数の変化を検出することで、ガス感応膜２０へのガスの吸着量を取得でき、この吸着量から雰囲気中のガスの濃度の時間変化をリアルタイムで検出することが可能となる。
【００８３】
また、第２の実施形態の変形例１の環境センサ６０によってガスを検出する場合は、図８のグラフのＹ軸が消費電力から換算したＣＩ値の変化となり、ＣＩ値の変化からガス感応膜２０へのガスの吸着量を取得して、雰囲気中のガスの濃度の時間変化をリアルタイムで検出することが可能となる。
【００８４】
また、第２の実施形態の変形例２の環境センサ７０によってガスを検出する場合は、図８のグラフのＹ軸が振動周波数変化とＣＩ値変化との２つの要素から成り、２つの要素を補完してガス感応膜２０へのガスの吸着量を取得し、雰囲気中のガスの濃度の時間変化をリアルタイムで検出することが可能となる。
【００８５】
以上のように、本発明の環境センサ素子は、２つの振動脚と、この２つの振動脚の間に配置される中央脚と、中央脚の一方の端部と２つの振動脚の一方の端部とをそれぞれ結合する結合部と、中央脚の他方の端部に結合する支持部と、を有するＴ型構造の振動片によって構成され、中央脚上の１つの支持点と支持部上の２つの導電点の計３箇所でパッケージに支持固定されるので、静的に安定した支持を実現し、振動片がパッケージ内で傾いたりする心配がないために、パッケージの薄型化が可能となる。また、振動片を小型化してもＣＩ値の上昇を抑制できるので、音叉型振動片やＡＴカット型振動片を用いた環境センサ素子と比較して、小型で消費電力の少ない環境センサ素子を提供できる。
【００８６】
また、本発明の環境センサは、ガスの吸着によって振動周波数とＣＩ値との２つの特性の変化を検出データとして得ることが出来るので、物理量が異なる２つの検出データを補完して用いることが可能となり、ガスの検出精度を向上出来ると共に、高感度で信頼性の高い環境センサを提供できる。
【００８７】
なお、実施形態に記述した環境センサ素子の形状や環境センサのブロック図などは、限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意に変更できる。
例えば、ガス感応膜は、振動脚の先端の幅広部に形成する例で説明したが、もちろん幅広部を設けない振動脚に設けてもよいことは無論である。そのような場合は、若干錘機能が減るが、安定な振動を損なうものではないため、何ら問題はない。
【００８８】
また、図示しないが、第２の実施形態で示した発振回路や検出回路を集積化して、環境センサ素子を搭載するパッケージ（図３参照）の内部に組み込むならば、発振回路や検出回路を含んだ小型の環境センサを提供することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明の環境センサ素子及び環境センサは、小型で低消費電力での動作が可能であると共に、振動や衝撃に強い構造であるので、電池駆動によるガスセンサや、振動や衝撃が加
わる携帯型や車載用ガスセンサなどに好適である。
【符号の説明】
【００９０】
１、２、３  環境センサ素子
１０  振動片
１１、１２、振動脚
１１ａ、１２ａ  先端部
１３  中央脚
１４  結合部
１５  支持部
１６、１７、１８  電極
１６ａ、１７ａ  導電点
１８ａ  支持点
１９  調整膜
２０  ガス感応膜
２５  ガス付着防止膜
５０、６０、７０  環境センサ
５１、６１、７１  発振回路
５２、７２  周波数検出回路
６２、７３  ＣＩ値検出回路
７４  演算回路
Ｐ１  発振信号
Ｐ２  消費信号
ＯＵＴ１  周波数データ
ＯＵＴ２  ＣＩ値データ
ＯＵＴ３  ガス濃度データ
【図１】
2013156041.tif 000003
【図２】
2013156041.tif 000004
【図３】
2013156041.tif 000005
【図４】
2013156041.tif 000006
【図５】
2013156041.tif 000007
【図６】
2013156041.tif 000008
【図７】
2013156041.tif 000009
【図８】
2013156041.tif 000010
【図９】
2013156041.tif 000011