(57)【要約】【課題】捩り振動モードの振動片を用いることで、温度安定性に優れ、低消費電力で動作するガスを検出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】基部１１と、基部上に並んで同一方向に延設された複数の振動脚１２、１３とを有し、各振動脚が捩り振動モードで振動する振動片１０と、複数の振動脚の少なくとも一つにガス感応膜２０を形成する環境センサ素子１の構成とした。これにより、振動片は捩り振動モードで振動するので温度依存性が少なく、温度安定性に優れた環境センサ素子及び環境センサを実現できる。また、捩り振動モードは漏れ振動が少ないためにＣＩ値が小さいので、低消費電力の環境センサを提供できる。【選択図】図１
2013156042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、前記基部上に並んで同一方向に延設された複数の振動脚とを有し、前記各振動脚が捩り振動モードで振動する振動片と、
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】
前記振動片は前記振動脚を２つ有し、
２つの前記振動脚の少なくとも一方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２に記載の環境センサ素子。
【請求項４】
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２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４に記載の環境センサ素子。
【請求項６】
前記振動片は、前記振動脚を３つ有し、
３つの前記振動脚の少なくとも１つ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７】
３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６に記載の環境センサ素子。
【請求項８】
３つの前記振動脚のうち中央に位置する前記振動脚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６に記載の環境センサ素子。
【請求項９】
３つの前記振動脚のうち両端に位置する前記振動脚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６に記載の環境センサ素子。
【請求項１０】
３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８又は９に記載の環境センサ素子。
【請求項１１】
請求項１から１０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、水晶振動片を用いたガスを検出する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、屈曲振動する音叉型水晶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重くなるので、振動脚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ことが示されている。
【０００５】
また、基準信号源として温度特性が良好な特徴を備えた捩り振動による水晶振動片が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
この水晶振動片は、一つの基部とこの基部から同一の方向に伸びる３本の脚を有する３脚音叉型振動片であり、捩り振動モードによって振動し、両端の脚の振動は同相であり、中央の脚の振動は両端の脚に対して逆相に振動する。
【０００６】
以下、本発明の理解を助けるために、特許文献２の捩り振動モードによる水晶振動片の動作と特徴を、従来の屈曲振動による水晶振動片と比較して図面を用いて説明する。
図１０は、従来の屈曲振動による２脚音叉型水晶振動片（以下、２脚振動片と略す）を模式的に示している。図１０において、２脚振動片１００は一般的な基準信号源として用いられる水晶振動片であり、基部１０１から延出する２本の振動脚１０２、１０３を備えている。基部１０１の付け根部分には、図示しないパッケージに固着するための二つの接着部１０４、１０５を有している。
【０００７】
２脚振動片１００が振動すると、振動脚１０２、１０３は、基部１０１を支点として矢印Ｄの方向に屈曲振動を行い、図示しない電極から基準周波数信号が出力する。ここで、２脚振動片１００が屈曲運動を行うと、基部１０１には２脚振動片１００の長手方向（矢印Ｅ）に漏れ振動が発生し、この漏れ振動による振動エネルギーが、接着部１０４、１０５からパッケージ側に逃げることになる。
このため、振動片としてのエネルギー損失が大きいので、２脚振動片１００の直列等価抵抗値（以下、ＣＩ値と略す）は比較的大きく、通常で５０ＫΩ〜１００ＫΩとなる。なお、この２脚振動片１００は、前述の特許文献１のガスセンサ素子に用いられている音叉型振動片と同じタイプの振動片である。
【０００８】
次に図１１は、特許文献２の３脚音叉型の捩り振動片を模試的に示している。
図１１において、捩り振動片１１０は、基部１１１から延出する３本の振動脚１１２、１１３、１１４を備えている。基部１１１の付け根部分には、図示しないパッケージに固着するための二つの接着部１１５、１１６を有している。捩り振動片１１０が振動すると、各振動脚は捩れるように振動するが、両端の振動脚１１２と１１４は同相で振動し（矢印Ａ）、中央の振動脚１１３は、両端の振動脚１１２、１１４の振動に対して逆相で振動する（矢印Ｂ）。
【０００９】
この３脚音叉型の捩り振動片１１０は、同相で振動する両端の振動脚１１２、１１４と、逆相で振動する中央の振動脚１１３が、互いに振動をキャンセルするので、漏れ振動の発生が少なく、接着部１１５、１１６からパッケージ側に逃げる振動エネルギーが少ない特徴を備えている。このため、捩り振動片１１０は振動片としてのエネルギー損失が少ないのでＣＩ値が小さく、一例としてＣＩ値は５ＫΩ〜１０ＫΩ程度であって、前述の屈曲振動の２脚振動片１００の約１／１０となる。
【００１０】
また、屈曲振動の２脚振動片１００と捩り振動片１１０の振動周波数は、共に温度変化に対して二次曲線となって変動するが、捩り振動片１１０の二次温度係数は、２脚振動片１００の１／３程度であって温度特性が良好である。図１２は、従来の屈曲振動の２脚振動片の温度特性の一例と、３脚音叉型の捩り振動片の温度特性の一例を示している。図１２において、ｘ軸は周囲温度（単位℃）であり、ｙ軸は周波数変化率（単位ｐｐｍ）である。
【００１１】
図１２のｆ１（破線で示す曲線）は従来の屈曲振動の２脚振動片の周波数温度特性であり、ｆ２（実線で示す曲線）は３脚音叉型の捩り振動片の周波数温度特性である。ここで、従来の屈曲振動の２脚振動片の周波数温度特性ｆ１は周波数変化率が大きく、温度変化に対して振動周波数の変動が激しいが、３脚音叉型の捩り振動片の周波数温度特性ｆ２は周波数変化率が小さく、温度変化に対して振動周波数の変動が少ないことが理解できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−８２８４２号公報（５頁、図１）
【特許文献２】特開２００２−１１８４４１号公報（３−４頁、図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、特許文献１のガスセンサ素子は、振動片として一般的な基準信号源として用いられる屈曲振動の２脚振動片（図１０参照）を用いているので、振動片の周波数温度特性（図１２のｆ１参照）が影響して、温度に対して安定したガス検出が出来ない問題がある。
【００１４】
すなわち、ガスセンサ素子はガス感応膜にガスが吸着することで振動片の振動周波数が変化し、その周波数変化量からガスの有無や濃度などを検出するが、温度変化によって振動周波数が変動すると、ガスによる振動周波数の変化なのか、温度変化による振動周波数の変化なのかの区別が出来ず、ガスの検出精度が低下する。
また、屈曲振動の２脚振動片は、前述したようにＣＩ値が比較的高いので、センサとしての消費電力が大きくなり、特に電池駆動の携帯機器などにガスセンサを組み込む場合、電池寿命が短くなる問題がある。
【００１５】
また、特許文献２の３脚音叉型の捩り振動片は、前述したように周波数温度特性に優れており、ＣＩ値が小さいので発振回路の消費電力も少ないが、従来はガスセンサの振動片
として利用されていなかった。
【００１６】
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、周波数温度特性に優れているので、この振動片をガスセンサ素子に応用することも考えられるが、ＡＴカット型の水晶振動片の振動周波数はＭＨｚ帯で周波数が高く、高速動作の発振回路が必要であると共に、消費電力が大きくなる問題がある。
【００１７】
そこで本発明は、上記課題を解決し、捩り振動の振動片を用いることで、温度安定性に優れ、低消費電力で動作するガスを検出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】
【００１８】
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。
【００１９】
本発明の環境センサ素子は、基部と、基部上に並んで同一方向に延設された複数の振動脚とを有し、各振動脚が捩り振動モードで振動する振動片と、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。
【００２０】
また、振動片は振動脚を２つ有し、２つの振動脚の少なくとも一方にガス感応膜が形成されたようにしてもよい。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
また、振動片は、振動脚を３つ有し、３つの振動脚の少なくとも１つにガス感応膜が形成されたようにしてもよい。
【００２５】
また、３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。
【００２６】
また、３つの振動脚のうち中央に位置する振動脚にのみガス感応膜が形成されたようにしてもよい。
【００２７】
また、３つの振動脚のうち両端に位置する振動脚にのみガス感応膜が形成されたようにしてもよい。
【００２８】
また、３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。
【００２９】
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】
【００３０】
本発明の環境センサ素子は、捩り振動モードで振動する振動片と、この振動片の振動脚に形成されたガス感応膜とによって構成するので、振動周波数の温度変化が少なく、温度
に対して安定した環境センサ素子を提供できる。また、捩り振動モードは、もれ振動が少なく振動エネルギーが外部に逃げにくいために、振動片としてのエネルギー損失が少ないのでＣＩ値が小さい特徴を有している。これにより、低消費電力で動作する環境センサ素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施形態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の実施形態の変形例の環境センサ素子の部分正面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の環境センサ素子の正面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の環境センサ素子の背面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の変形例の環境センサ素子の部分正面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態とその変形例１の環境センサのブロック図である。
【図８】本発明の第３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９】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１０】従来の屈曲振動による２脚振動片とその振動モードを模式的に示す正面図である。
【図１１】従来の捩り振動による３脚振動片とその振動モードを模式的に示す正面図である。
【図１２】従来の屈曲振動による２脚振動片と捩り振動による３脚振動片の周波数温度特性の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下図面に基づいて本発明の第１から第３の実施形態を詳述する。第１の実施形態の特徴は、２つの振動脚を有する捩り振動モードで振動する振動片にガス感応膜を形成する環境センサ素子である。第２の実施形態の特徴は、３つの振動脚を有する捩り振動モードで振動する振動片にガス感応膜を形成する環境センサ素子である。第３の実施形態の特徴は、捩りモードの振動片を有する環境センサ素子と、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る。
【実施例１】
【００３３】
［第１の実施形態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、基部１１と、この基部１１上に並んで同一方向に延設された２つの振動脚１２、１３とを有する振動片１０によって構成される。この振動片１０は２脚ではあるが、前述の３脚音叉型の捩り振動片１１０（図１１参照）と同様に、捩り振動モードで振動する水晶振動片である。
【００３４】
振動片１０の振動脚１２、１３の正面の先端部１２ａ、１３ａのほぼ全域には、それぞれガス感応膜２０が形成されている。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。
【００３５】
このガス感応膜２０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重くなり、振動片１０の振動周波数が変化してガスを検出するが、ガス感応膜２０を支点となる基部１１から最も離れた振動脚１２、１３の先端部１２ａ、１３ａ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１２、１３の先端部１２ａ、１３ａに形成することで、ガス検出の感度を高くすることが可能となる。
【００３６】
また、符号１４、１５は振動片１０を覆う金（Ａｕ）でなる一対の電極であり、この電極１４、１５によって振動脚１２、１３に電界を与えて変位させ、捩り振動を起こさせる。なお、電極１４、１５は、図示するように振動片１０の正面と背面、及び、図示しないが側面にも所定の形状で形成される。なお、基部１１の電極１４、１５の位置が、環境センサ素子１を覆うパッケージ（図示せず）と電気的機械的に接続する接続部となる。
【００３７】
また、振動片１０の背面の符号１６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１２、１３の背面の先端部１２ａ、１３ａに形成される。この調整膜１６にレーザ光を照射して銀を飛ばすことで、振動脚１２、１３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１６は無くてもよい。
【００３８】
この第１の実施形態の環境センサ素子１の振動片１０は、捩り振動モードで振動するので、前述の捩り振動片の周波数温度特性（図１２のｆ２参照）と同様に、優れた周波数温度特性を備えており、温度に対して安定した環境センサ素子を実現できる。
【００３９】
また、振動片１０が捩り振動モードで振動すると、前述の捩り振動片１１０（図１１参照）と同様に、２つの振動脚は捩れるように振動し、振動脚１２と１３は互いに逆相で振動する（図１の矢印Ａ、矢印Ｂ）。これにより、逆相で振動する２つの振動脚１２と１３は互いに振動をキャンセルするため、漏れ振動の発生が少なく、振動片としてのエネルギー損失が少ないのでＣＩ値が小さくなり、低消費電力で動作する環境センサ素子を実現できる。
【００４０】
また、第１の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１２、１３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１２、１３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。
【００４１】
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１２、１３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振動片１０のＣＩ値が増加することがなく、ＣＩ値が小さくてＱ値が高い特徴を有している。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。
【００４２】
この本実施形態の環境センサ素子１の振動片１０の電極１４、１５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。
【００４３】
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１２、１３に形成する調整膜１６は不要となるが、その場合、振動片１０の振動脚１２、１３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１２、１３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１２、１３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更に大きくなるので、ガスの検出感度を更に向上させることが可能となる。
【００４４】
［第１の実施形態の変形例１の構成説明：図３（ａ）］
次に、第１の実施形態の変形例１の構成を図３（ａ）を用いて説明する。
図３（ａ）は、第１の実施形態の変形例１の環境センサ素子２の先端部分の正面図である。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、重複する説明は省略する。
【００４５】
図３（ａ）において、環境センサ素子２は、基部１１と、この基部１１上に並んで同一方向に延設された２つの振動脚１２、１３とを有する振動片１０によって構成されるが、環境センサ素子２の先端部分以外は、図１で示す環境センサ素子１と同様であるので、ここでは環境センサ素子２の先端部のみを示して説明する。
【００４６】
この第１の実施形態の変形例１の環境センサ素子２は、振動片１０の振動脚１２、１３のいずれか一方にのみガス感応膜２０が形成されていることが特徴である。
図３（ａ）では、一方の振動脚１２にガス感応膜２０が形成されているが、他方の振動脚１３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１２、１３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。
【００４７】
ここで、振動脚１２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１２の質量が重くなるが、一方の振動脚１３はガス感応膜２０が形成されていないので、振動脚１３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。
【００４８】
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、その消費電力の変化の検出手段については後述する。
【００４９】
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。
【００５０】
［第１の実施形態の変形例２の構成説明：図３（ｂ）］
次に、第１の実施形態の変形例２の構成を図３（ｂ）を用いて説明する。
図３（ｂ）は、第１の実施形態の変形例２の環境センサ素子３の先端部分の正面図である。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、重複する説明は省略する。
【００５１】
図３（ｂ）において、環境センサ素子３は、基部１１と、この基部１１上に並んで同一方向に延設された２つの振動脚１２、１３とを有する振動片１０によって構成されるが、環境センサ素子３の先端部分以外は、図１で示す環境センサ素子１と同様であるので、ここでは環境センサ素子３の先端部のみを示して説明する。
【００５２】
この第１の実施形態の変形例２の環境センサ素子３は、振動片１０の振動脚１２、１３のいずれか一方の先端部にガスを吸着するガス感応膜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が形成されていることが特徴である。図３（ｂ）では、一方の振動脚１２にガス感応膜２０が形成され、他方の振動脚１３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１３にガス感応膜２０が形成され、振動脚１２にガス付着防止膜２５が形成されてもよい。
【００５３】
ここで、振動脚１２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１２の質量が重くなる。一方、振動脚１３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１３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。
【００５４】
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とを比較すると、環境センサ素子２の振動脚１３の先端部の表面は、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１３の先端部の質量は、わずかに増加する。
【００５５】
しかし、本実施形態の環境センサ素子３の振動脚１３の先端部には、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１３の先端部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、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、漏れ振動が発生し、ＣＩ値の増加率が大きくなる。すなわち、第１の実施形態の変形例２の環境センサ素子３のほうが、ガスの検出感度がすぐれている。従って、第１の実施形態の変形例２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。
【００５６】
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。
【００５７】
［第１の実施形態の変形例３の構成説明：図３（ｃ）］
次に、第１の実施形態の変形例３の構成を図３（ｃ）を用いて説明する。
図３（ｃ）は、第１の実施形態の変形例３の環境センサ素子４の先端部分の正面図である。なお、環境センサ素子４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、重複する説明は省略する。
【００５８】
図３（ｃ）において、環境センサ素子４は、基部１１と、この基部１１上に並んで同一方向に延設された２つの振動脚１２、１３とを有する振動片１０によって構成されるが、環境センサ素子４の先端部分以外は、図１で示す環境センサ素子１と同様であるので、ここでは環境センサ素子４の先端部のみを示して説明する。
【００５９】
この第１の実施形態の変形例３の環境センサ素子４は、振動片１０の振動脚１２、１３の先端部の両方の端部近傍にのみ、ガス感応膜２２を形成し、振動脚１２、１３の先端部
の中央付近には、ガス感応膜を形成しないことが特徴である。
すなわち、ガス感応膜２２は、図示するように振動脚１２、１３の長手方向に沿って、振動脚１２、１３の主軸Ｃから図面上左右に離れた場所である端部近傍に対となって略平行に細長く形成される。
【００６０】
この第１の実施形態の変形例３の環境センサ素子４は、ガス感応膜２２の面積が小さいためにガスの吸着による質量の増加が少ないが、振動脚１２、１３の主軸Ｃから離れた場所の質量が増加するために、振動脚１２、１３の振動に効率よく影響を与えて、振動周波数を低くすることが出来る。
【００６１】
また、ガス感応膜２２が２つの振動脚１２、１３の両方に形成されているために、ガスの吸着によって振動脚１２、１３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。
【００６２】
すなわち、第１の実施形態の変形例３の環境センサ素子４は、形成するガス感応膜の面積が小さくても、効率よくガスの検出が可能となるので、ガス感応膜が高価な材料である場合にコストを抑えて、高感度のガス検出を可能とする環境センサ素子を提供することが出来る。
【００６３】
なお、振動脚の端部近傍にのみ形成するガス感応膜２２を第１の実施形態の変形例１または変形例２のように、振動脚のいずれか一方にのみ形成してもよい。これにより、ガスの吸着によって振動片１０の振動バランスが崩れるので、ＣＩ値の変化によって効率よくガスを検出することが出来る。
【００６４】
以上のように、第１の実施形態の環境センサ素子は、２つの振動脚を有する捩り振動モードで振動する水晶振動片にガス感応膜を形成する環境センサ素子であり、温度特性に優れているので、温度変化が激しい車載用ガスセンサなどに好適である。また、低消費電力で動作すると共に、２つの振動脚のみを有する音叉型であるため小型化が可能であり、小型化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。
【実施例２】
【００６５】
［第２の実施形態の環境センサ素子の構成説明：図４、図５］
次に、第２の実施形態の環境センサ素子の構成を図４と図５を用いて説明する。
図４は第２の実施形態の環境センサ素子の正面図であり、図５は環境センサ素子の背面図である。図４と図５において、符号５は第２の実施形態の環境センサ素子である。環境センサ素子５は、基部３１と、この基部３１上に並んで同一方向に延設された３つの振動脚３２、３３、３４とを有する振動片３０によって構成される。この振動片３０は、前述の３脚音叉型の捩り振動片１１０（図１１参照）と同様に、捩り振動モードで振動する水晶振動片である。
【００６６】
振動片３０の振動脚３２、３３、３４の正面のそれぞれの先端部のほぼ全域には、ガス感応膜４０が形成されている。このガス感応膜４０は、第１の実施形態と同様な水素吸蔵合金などで形成され、ガスを吸着すると質量が重くなり、振動片３０の振動周波数を低くすることが出来る。
【００６７】
また、符号３５、３６は振動片３０を覆う金（Ａｕ）でなる一対の電極であり、この電極３５、３６によって振動脚３２〜３４に電界を与えて変位させ、捩り振動を起こさせる。なお、電極３５、３６は、図示するように振動片３０の正面と背面、及び、図示しないが側面にも所定の形状で形成される。なお、基部３１の電極３５、３６の位置が、環境セ
ンサ素子５を覆うパッケージ（図示せず）と電気的機械的に接続する接続部となる。
【００６８】
また、振動片３０の背面の符号３７は、振動周波数調整用の銀（Ａｇ）でなる調整膜であり、振動片３０の振動脚３２〜３４の背面の先端部にそれぞれ形成される。この調整膜３７にレーザ光を照射して銀を飛ばすことで、振動脚３２〜３４の質量を減らして振動片３０の振動周波数を調整することができるが、第１の実施形態と同様に振動周波数を調整する必要がない場合は無くてもよい。
【００６９】
この第２の実施形態の環境センサ素子５の振動片３０は、捩り振動モードで振動するので、前述の捩り振動片の周波数温度特性（図１２のｆ２参照）と同様に、優れた周波数温度特性を備えており、温度に対して安定した環境センサ素子を実現できる。
【００７０】
また、振動片３０が捩り振動モードで振動すると、前述の捩り振動片１１０（図１１参照）と同様に、各振動脚は捩れるように振動し、両端の振動脚３２と３４は同相で振動し（図４矢印Ａ）、中央の振動脚３３は、両端の振動脚３２、３４の振動に対して逆相に振動する（図４矢印Ｂ）。
【００７１】
これにより、同相で振動する両端の振動脚３２、３４と、逆相で振動する中央の振動脚３３が、互いに振動をキャンセルするため、漏れ振動の発生が少なく、振動片としてのエネルギー損失が少ないのでＣＩ値が小さくなり、低消費電力で動作する環境センサ素子を実現できる。
【００７２】
また、第２の実施形態の環境センサ素子５は、ガス感応膜４０が３つの振動脚３２〜３４のすべてに形成されているので、ガスの吸着によって振動脚３２〜３４のすべての質量がバランスよく同じように重くなる。このため、各ガス感応膜４０のガスの吸着がわずかでも、振動片３０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。
【００７３】
また、本実施形態の環境センサ素子５は、ガス感応膜４０がすべての振動脚３２〜３４に形成されているため、ガスの吸着によって振動片３０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４０にガスが吸着しても振動片３０のＣＩ値が増加することがない。これにより、外部からの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。
【００７４】
この本実施形態の環境センサ素子５の振動片３０の電極３５、３６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５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。
【００７５】
［第２の実施形態の変形例１の構成説明：図６（ａ）］
次に、第２の実施形態の変形例１の構成を図６（ａ）を用いて説明する。
図６（ａ）は、第２の実施形態の変形例１の環境センサ素子６の先端部分の正面図である。なお、環境センサ素子６の振動片は、第２の実施形態の振動片３０（図４参照）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、重複する説明は省略する。
【００７６】
図６（ａ）において、環境センサ素子６は、基部３１と、この基部３１上に並んで同一方向に延設された３つの振動脚３２〜３４とを有する振動片３０によって構成されるが、環境センサ素子６の先端部分以外は、図４で示す環境センサ素子５と同様であるので、ここでは環境センサ素子６の先端部のみを示して説明する。
【００７７】
この第２の実施形態の変形例１の環境センサ素子６は、振動片３０の両端に位置して同相で振動する振動脚３２と３４のみにガス感応膜４０が形成されることが特徴である。
【００７８】
この環境センサ素子６は、ガス感応膜４０が両端の振動脚３２、３４のみに形成されているために、ガス感応膜４０にガスが吸着すると、同相で振動する振動脚３２、３４の質量が重くなるが、逆相で振動する中央に位置する振動脚３３はガス感応膜が形成されていないので、質量はほとんど変化しない。これにより、振動片３０の振動のバランスが崩れて漏れ振動が発生し、振動エネルギーが外部に逃げることになる。このため、振動片３０としてのエネルギー損失が大きくなるので、ガス感応膜４０へのガスの吸着量が増えるに応じて、振動片３０のＣＩ値が増加する。
【００７９】
この振動片３０のＣＩ値が増加すると、振動片３０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６を駆動する発振回路と、その消費電力の変化の検出手段については後述する。
【００８０】
また、本実施形態の環境センサ素子６は、ガスの吸着によって両端の振動脚３２、３４の質量が重くなるので、振動片３０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２の実施形態の変形例１は、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。
【００８１】
［第２の実施形態の変形例２の構成説明：図６（ｂ）］
次に、第２の実施形態の変形例２の構成を図６（ｂ）を用いて説明する。
図６（ｂ）は、第２の実施形態の変形例２の環境センサ素子７の先端部分の正面図である。なお、環境センサ素子７の振動片は、第２の実施形態の振動片３０（図４参照）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、重複する説明は省略する。
【００８２】
図６（ｂ）において、環境センサ素子７は、基部３１と、この基部３１上に並んで同一方向に延設された３つの振動脚３２〜３４とを有する振動片３０によって構成されるが、環境センサ素子７の先端部分以外は、図４で示す環境センサ素子５と同様であるので、ここでは環境センサ素子７の先端部のみを示して説明する。
【００８３】
この第２の実施形態の変形例２の環境センサ素子７は、振動片３０の中央に位置する振動脚３３のみにガス感応膜４０が形成され、振動脚３３と逆相に振動する振動片３０の両端に位置する振動脚３２、３４には、ガス感応膜は形成されないことが特徴である。
【００８４】
この環境センサ素子７は、ガス感応膜４０が中央の振動脚３３のみに形成されているために、ガス感応膜４０にガスが吸着すると、中央の振動脚３３の質量が重くなるが、逆相で振動する両端に位置する振動脚３２、３４の質量はほとんど変化しない。これにより、振動片３０の振動のバランスが崩れて漏れ振動が発生し、振動エネルギーが外部に逃げることになる。このため、振動片３０としてのエネルギー損失が大きくなるので、ガス感応膜４０へのガスの吸着量が増えるに応じて、振動片３０のＣＩ値が増加する。
【００８５】
この振動片３０のＣＩ値が増加すると、振動片３０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。
【００８６】
また、振動片３０の中央の振動脚３３の振動変位が両端の振動脚３２、３４の振動変位
よりも大きいので、振動変位の大きい中央の振動脚３３にガス感応膜４０を形成すると、ガス感応膜４０の質量の変化が、効率よく振動片３０に影響を与えてＣＩ値が増加する。このため、環境センサ素子７のガス感応膜４０は、中央の振動脚３３のみに形成されているが、ガス感応膜４０を２つの振動脚３２、３４に形成した第２の実施形態の変形例１の環境センサ素子６とほぼ同等な感度でガスを検出することが可能である。従って、ガス感応膜が高価な材料である場合にコストを抑えて、高感度のガス検出を可能とする環境センサ素子を実現できる。
【００８７】
また、本実施形態の環境センサ素子７は、ガスの吸着によって中央の振動脚３３の質量が重くなるので、振動片３０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。
【００８８】
［第２の実施形態の変形例３の構成説明：図６（ｃ）］
次に、第２の実施形態の変形例３の構成を図６（ｃ）を用いて説明する。
図６（ｃ）は、第２の実施形態の変形例３の環境センサ素子８の先端部分の正面図である。なお、環境センサ素子８の振動片は、第２の実施形態の振動片３０（図４参照）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、重複する説明は省略する。
【００８９】
図６（ｃ）において、環境センサ素子８は、基部３１と、この基部３１上に並んで同一方向に延設された３つの振動脚３２〜３４とを有する振動片３０によって構成されるが、環境センサ素子８の先端部分以外は、図４で示す環境センサ素子５と同様であるので、ここでは環境センサ素子８の先端部のみを示して説明する。
【００９０】
この第２の実施形態の変形例３の環境センサ素子８は、振動片３０の中央に位置する振動脚３３の先端部にガスを吸着するガス感応膜４０が形成され、このガス感応膜４０が形成された振動脚以外の振動片３０の両端に位置する振動脚３２、３４の先端部には、ガスの吸着を防ぐガス付着防止膜４１がそれぞれ形成されることが特徴である。
【００９１】
この環境センサ素子８は、中央の振動脚３３のガス感応膜４０にガスが吸着すると、振動脚３３の先端部の質量が重くなる。一方、振動脚３２、３４にはガス付着防止膜４１が形成されているので、ガスの吸着が妨げられて、振動脚３２、３４の先端部の質量は変化しない。これにより、振動片３０の振動のバランスが崩れて漏れ振動が発生し、振動エネルギーが外部に逃げることになる。このため、振動片３０としてのエネルギー損失が大きくなるので、ガス感応膜４０へのガスの吸着量が増えるに応じて、振動片３０のＣＩ値が増加する。
【００９２】
この振動片３０のＣＩ値が増加すると、振動片３０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検出することで、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２の実施形態の変形例２（図６（ｂ）参照）の環境センサ素子７と、本実施形態の環境センサ素子８を比較すると、環境センサ素子７の両端の振動脚３２、３４の先端部の表面は、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３２、３４の先端部の質量も、わずかに増加する。
【００９３】
しかし、本実施形態の環境センサ素子８の両端の振動脚３２、３４の先端部には、ガス付着防止膜４１が形成されているのでガスの吸着がなく、振動脚３２、３４の先端部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、環境センサ素子７よりも本実施形態の環境センサ素子８のほうが、振動のバランスが大きく崩れて、漏れ振動が発生し、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８のほうが、ガスの検出感度がすぐれている。
【００９４】
従って、本実施形態の環境センサ素子８は、ガス感応膜４０とガス付着防止膜４１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。また、本実施形態の環境センサ素子８は、ガスの吸着によって中央の振動脚３３の質量が重くなるので、振動片３０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、本実施形態の環境センサ素子８は、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。
【００９５】
また、本実施形態においては、振動片３０の中央の振動脚３３にガス感応膜４０が形成され、振動片３０の両端の振動脚３２、３４にガス付着防止膜４１が形成されているが、この構成に限定されず、中央の振動脚３３にガス付着防止膜４１が形成され、両端の振動脚３２、３４にガス感応膜４０が形成されてもよい。この構成においても、ガスの吸着によって漏れ振動が増えてＣＩ値が増加するので、ガスの検出を高感度で行うことが出来る。
【００９６】
以上のように、第２の実施形態の環境センサ素子は、３つの振動脚を有する捩り振動モードで振動する振動片にガス感応膜を形成する環境センサ素子であり、温度特性に優れているので、温度変化が激しい車載用ガスセンサなどに好適である。また、同相で振動する両端の振動脚と逆相で振動する中央の振動脚が、互いに振動をキャンセルし合うので漏れ振動が少なく、エネルギー損失の少ない低消費電力の環境センサ素子を提供することが出来る。
【００９７】
なお、第２の実施形態の振動片３０に形成されるガス感応膜４０の形状は、前述の第１の実施形態の変形例３のガス感応膜２２のように、振動脚の先端部の両方の端部近傍にのみガス感応膜を形成し、振動脚の先端部の中央付近には、ガス感応膜を形成しないようにしてもよい。これにより、ガス感応膜の面積を小さくできるので、ガス感応膜が高価な材料である場合にコストを抑えることが可能となる。
【００９８】
また、本発明の環境センサ素子のガス感応膜にガスが吸着することで、振動片の振動バランスを崩してＣＩ値を増加させてガスの検出を行う場合、ＣＩ値の増加はわずかであるので、消費電力が大きく増加したり、発振の安定性が低下するようなことはなく、ＣＩ値の変化によってガスを検出する形態であっても、低消費電力で信頼性に優れた環境センサ素子を提供することが出来る。
【実施例３】
【００９９】
［第３の実施形態の環境センサの構成及び動作説明：図７（ａ）］
次に第３の実施形態として、本発明の捩り振動モードの振動片を有する環境センサ素子を用いた環境センサの構成を図７（ａ）のブロック図を用いて説明する。
図７（ａ）において、符号５０は、第３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２の実施形態の環境センサ素子５（図４参照）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５は、これに限定されず、第１及び第２の実施形態で提示したどの環境センサ素子でもよい。
【０１００】
発振回路５１は、環境センサ素子５の一対の電極３５と３６（図４参照）に接続して、環境センサ素子５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。
【０１０１】
次に、環境センサ５０の動作を説明する。図７（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５からの微小な振動信号を増幅して環境センサ素子５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５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。
【０１０２】
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５の振動周波数を現しており、環境センサ素子５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。
【０１０３】
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５のガス感応膜４０（図４参照）に時間の経過と共にガスが吸着する。ガス感応膜４０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５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。
【０１０４】
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５のガス感応膜４０へのガスの吸着量の変化を現すことになる。
【０１０５】
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５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。
【０１０６】
［第３の実施形態の環境センサの変形例１の構成及び動作説明：図７（ｂ）］
次に、第３の実施形態の環境センサの変形例１の構成を図７（ｂ）のブロック図を用いて説明する。
図７（ｂ）において、符号６０は、第３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２の実施形態の環境センサ素子６（図６（ａ）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６は、これに限定されず、第１の実施形態の環境センサ素子２または３、及び、第２の実施形態の環境センサ素子７または８でもよい。
【０１０７】
発振回路６１は、環境センサ素子６の一対の電極３５と３６に接続して、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。
【０１０８】
次に、環境センサ６０の動作を説明する。図７（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６の振動周波数で発振を開始して、環境センサ素子６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。
【０１０９】
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６のガス感応膜４０（図６（ａ）参照）に時間の経過と共にガスが吸着する。ガス感応膜４０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６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６のエネルギー損失が大きくなってＣＩ値が増加する。
【０１１０】
発振回路６１は、環境センサ素子６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６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６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６のＣＩ値の変化を知ることができる。
【０１１１】
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６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の変化は、環境センサ素子６のＣＩ値の変化、すなわち、環境センサ素子６のガス感応膜４０へのガスの吸着量の変化を現すことになる。
【０１１２】
このようにして、環境センサ６０は、環境センサ素子６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。
【０１１３】
［第３の実施形態の環境センサの変形例２の構成及び動作説明：図８］
次に、第３の実施形態の変形例２の環境センサの構成を図８のブロック図を用いて説明する。
図８において、符号７０は、第３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２の実施形態の環境センサ素子６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。環境センサ素子６は、これに限定されず、第１の実施形態の環境センサ素子２または３、及び、第２の実施形態の環境センサ素子７または８でもよい。
【０１１４】
発振回路７１は、環境センサ素子６の一対の電極３５と３６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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
次に、環境センサ７０の動作を説明する。図８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６からの微小な振動信号を増幅して環境センサ素子６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６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６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。
【０１１７】
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６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。
【０１１８】
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６のＣＩ値に相当するＣＩ値データＯＵＴ２を出力する。
【０１１９】
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６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値変化とから環境センサ素子６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３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つのデータ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。
【０１２０】
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とが出力され、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。
【０１２１】
［ガス検出例の説明：図９］
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９のグラフを用いて説明する。図９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。ガス検出の条件として使用した環境センサは、本発明の第３の実施形態で示した環境センサ５０であり、従って、環境センサ素子は、本発明の第２の実施形態で示した３脚音叉型の捩り振動片３０を有する環境センサ素子５（図４参照）である。
【０１２２】
図９において、Ｆ１０は環境センサ素子５の先端部のほぼ全域に形成したガス感応膜４０（図４参照）に吸着するガスの吸着量による環境センサ素子５の振動周波数の周波数変化を示しており、ガスの吸着量が０．４ｎｇに達すると、振動周波数は約５０ｐｐｍ低下することが理解できる。
【０１２３】
また、図９のＦ１１は参考として記載したデータであり、環境センサ素子５の振動脚の各先端部に、第１の実施形態の変形例３で示したガス感応膜２２（図３（ｃ）参照）と同様に、振動脚の先端部の両方の端部近傍にのみにガス感応膜を形成し、振動脚の中央付近にはガス感応膜を形成しない形態のガス感応膜を形成した場合の振動周波数の変化を示しており、ガスの吸着量が０．４ｎｇに達すると、振動周波数は約４０ｐｐｍ低下することが理解できる。
【０１２４】
この周波数変化Ｆ１０とＦ１１との特性から、振動脚の先端部のほぼ全域にガス感応膜４０を形成した方（Ｆ１０）が、振動脚の先端部の両方の端部近傍にのみにガス感応膜を形成する（Ｆ１１）より、振動周波数の変化量は大きいが、その差はそれほど大きくはないので、ガス感応膜が高価な材料である場合には、ガス感応膜２２の形態がコストを抑える手段として有効であること理解できる。
【０１２５】
また、環境センサ素子の温度特性の観点から考察すると、前述の図１２のグラフで示した３脚音叉型の捩り振動片の周波数温度特性ｆ２において、一例として温度が常温（２５℃）を中心に０℃〜４０℃変化した場合の振動周波数変化幅は、約５ｐｐｍであることがグラフ（図１２）から読み取ることが出来る。この捩り振動片の振動周波数変化幅は、本発明の捩り振動片による環境センサ素子と同等である。
【０１２６】
そして、前述したように、本発明の環境センサ素子のＦ１０のデータ（図９）では、ガスの吸着量が０．４ｎｇでは振動周波数は約５０ｐｐｍ低下するので、温度変化によるガスの検出データに与える影響は１０％程度であり、本発明の環境センサ素子は、温度変化に対して安定したガスの検出が可能であることが理解できる。
【０１２７】
一方、図１２で示した従来の屈曲振動の２脚振動片の周波数温度特性ｆ１をグラフから読み取ると、温度が０℃〜４０℃変化した場合の振動周波数変化幅は、約２０ｐｐｍである。従って、ガスの吸着量が０．４ｎｇでは振動周波数が約５０ｐｐｍ低下する特性に対して、温度変化によって約４０％もの影響を与えることになり、従来の屈曲振動の２脚振動片を用いた環境センサ素子では、温度変化に対して安定したガスの検出が出来ないことが理解できる。
【０１２８】
以上のように、本発明の環境センサ素子は、捩り振動モードで振動する音叉型振動片によって構成するので、振動周波数の温度依存性が少なく、温度に対して安定した環境センサ素子を提供することができる。また、捩り振動モードは、もれ振動が少なく振動エネルギーが外部に逃げにくいために、振動片としてのエネルギー損失が少ないのでＣＩ値が小さく、Ｑ値が高い特徴を有している。これにより、外部からの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。
【０１２９】
また、本発明の環境センサ素子を用いた環境センサは、振動周波数の温度変化が少ないために、温度に対して安定したガス検出が可能であり、温度変化が激しい環境でのガスの濃度をリアルタイムで検出する高性能な環境センサを提供することが出来る。また、使用する環境センサ素子のＣＩ値が低いために、少ない電力で環境センサ素子の発振を継続できるので、低消費電力の環境センサを実現できる。
【０１３０】
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。
【０１３１】
なお、本発明の実施形態において、環境センサ素子の振動脚を２本または３本として記載したが、振動脚の本数はこれに限定されず、振動脚が４本以上の振動片を用いた環境センサ素子であってもよい。また、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。
【産業上の利用可能性】
【０１３２】
本発明の環境センサ素子及び環境センサは、温度に対して安定したガス検出が出来ると共に、低消費電力での動作が可能であるので、温度変化が激しい環境でのガスセンサや、電池駆動によるガスセンサとして好適である。
【符号の説明】
【０１３３】
１、２、３、４、５、６、７、８  環境センサ素子
１０、３０  振動片
１１、３１  基部
１２、１３、３２、３３、３４  振動脚
１２ａ、１３ａ  先端部
１４、１５、３５、３６  電極
１６、３７  調整膜
２０、２２、４０  ガス感応膜
２５、４１  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】
2013156042.tif 000003
【図２】
2013156042.tif 000004
【図３】
2013156042.tif 000005
【図４】
2013156042.tif 000006
【図５】
2013156042.tif 000007
【図６】
2013156042.tif 000008
【図７】
2013156042.tif 000009
【図８】
2013156042.tif 000010
【図９】
2013156042.tif 000011
【図１０】
2013156042.tif 000012
【図１１】
2013156042.tif 000013
【図１２】
2013156042.tif 000014