JP2015040793A - Gas sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】吸着部材を別途設ける必要がないガスセンサを提供すること。【解決手段】少なくとも一端が固定されて、振動源に共振して振動する梁部材と、梁部材を支持する支持部と、梁部材に固定されて梁部材の振動を検出する振動検出素子とからなるガスセンサであって、梁部材を高分子材料で形成し、梁部材の表面の少なくとも一部を、揮発性有機化合物を吸着する吸着領域とすることを特徴とするガスセンサである。また、振動源はガスセンサが有している場合と、ガスセンサとは別に設けられている場合とのいずれの場合も含む。【選択図】図1A gas sensor that does not require a separate adsorbing member is provided. A beam member having at least one end fixed to resonate and vibrate with a vibration source, a support portion that supports the beam member, and a vibration detection element that is fixed to the beam member and detects vibration of the beam member. In this gas sensor, the beam member is formed of a polymer material, and at least a part of the surface of the beam member is an adsorption region that adsorbs a volatile organic compound. The vibration source includes both the case where the gas sensor is provided and the case where the vibration source is provided separately from the gas sensor. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、ガスセンサに関するものである。 The present invention relates to a gas sensor.
揮発性有機化合物を検出するセンサとして、揮発性有機化合物の分子を含む気体中で振動子を振動させ、分子が振動子の表面に吸着された際の振動子の質量変化を振動子のたわみ量又は共振周波数の変化として検出する振動式センサが用いられている。 As a sensor for detecting volatile organic compounds, the vibrator is vibrated in a gas containing molecules of volatile organic compounds, and the mass change of the vibrator when the molecules are adsorbed on the surface of the vibrator is measured. Alternatively, a vibration type sensor that detects a change in resonance frequency is used.
振動式センサは、低消費電力化や小型化の面において優れているので、幅広く使用されている。振動子の材料としては、シリコンや水晶等のヤング率の高い材料が用いられる。 例えば、そのようなセンサとして、下記の特許文献1に開示された構成が知られている。この構成では、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振動子が用いられている。そして、ガスセンサは、互いに連結されて、振動駆動される第1梁部材及び第2梁部材を備えている。第1梁部材には、形状の変化が可能であるガス感応膜が設けられている。第1梁部材は、ガス感応膜の変形によって、第2梁部材とは異なる態様で変形する。特許文献1に記載の構成では、第1梁部材及び第2梁部材の梁本体の材料として、シリコンが用いられる(例えば、特許文献1の段落[0021]−[0022]参照) Vibration sensors are widely used because they are excellent in terms of low power consumption and miniaturization. As a material of the vibrator, a material having a high Young's modulus such as silicon or quartz is used. For example, a configuration disclosed in Patent Document 1 below is known as such a sensor. In this configuration, a vibrator that increases the amount of change in the resonance frequency with respect to the deformation of the beam member is used. The gas sensor includes a first beam member and a second beam member that are coupled to each other and driven to vibrate. The first beam member is provided with a gas sensitive film whose shape can be changed. The first beam member is deformed in a different manner from the second beam member due to the deformation of the gas sensitive film. In the configuration described in Patent Document 1, silicon is used as the material of the beam body of the first beam member and the second beam member (see, for example, paragraphs [0021]-[0022] of Patent Document 1).
上記特許文献1では、揮発性有機化合物を吸着しないシリコンを梁部材に用いている。このため、梁部材(シリコン)の他に吸着部材を必ず設ける必要がある。 In the said patent document 1, the silicon | silicone which does not adsorb | suck a volatile organic compound is used for a beam member. For this reason, an adsorbing member must be provided in addition to the beam member (silicon).
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、吸着部材を別途設ける必要がないガスセンサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a gas sensor that does not require a separate adsorbing member.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のガスセンサは、少なくとも一端が固定されて、振動源に共振して振動する梁部材と、梁部材を支持する支持部と、梁部材に固定されて梁部材の振動を検出する振動検出素子とからなるガスセンサであって、梁部材を高分子材料で形成し、梁部材の表面の少なくとも一部を、揮発性有機化合物を吸着する吸着領域とすることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a gas sensor according to the present invention includes a beam member that is fixed at least at one end and resonates and vibrates with a vibration source, a support portion that supports the beam member, and a beam member. A gas sensor comprising a vibration detection element that is fixed to a beam and detects a vibration of a beam member, wherein the beam member is formed of a polymer material, and at least a part of the surface of the beam member is adsorbed to adsorb a volatile organic compound. It is a region.
また、本発明の他の側面に従うガスセンサは、少なくとも一端が固定されている梁部材と、梁部材を支持する支持部と、梁部材が共振するように振動を印加する駆動部と、梁部材に固定されて梁部材の振動を検出する振動検出素子とからなるガスセンサであって、梁部材を高分子材料で形成し、梁部材の表面の少なくとも一部を、揮発性有機化合物を吸着する吸着領域とすることを特徴とする。 A gas sensor according to another aspect of the present invention includes a beam member having at least one end fixed thereto, a support unit that supports the beam member, a drive unit that applies vibration so that the beam member resonates, and a beam member. A gas sensor comprising a vibration detection element that is fixed and detects vibration of a beam member, wherein the beam member is formed of a polymer material, and at least a part of the surface of the beam member adsorbs a volatile organic compound It is characterized by.
また、本発明の他の側面に従うガスセンサは、少なくとも一端が固定されて、外部の振動源に共振して振動する梁部材と、梁部材を支持する支持部と、梁部材に固定されて梁部材の振動を検出する振動検出素子とからなるガスセンサであって、梁部材を高分子材料で形成し、梁部材の表面の少なくとも一部を、揮発性有機化合物を吸着する吸着領域とすることを特徴とする。 A gas sensor according to another aspect of the present invention includes a beam member having at least one end fixed, resonating and vibrating with an external vibration source, a support portion supporting the beam member, and a beam member fixed to the beam member. A gas sensor comprising a vibration detecting element for detecting vibration of a beam, wherein the beam member is formed of a polymer material, and at least a part of the surface of the beam member is an adsorption region that adsorbs a volatile organic compound. And
本発明は、吸着部材を別途設ける必要がないガスセンサを提供できるという効果を奏する。 The present invention has an effect of providing a gas sensor that does not require a separate adsorbing member.
本実施形態のガスセンサの構成による作用効果を説明する。なお、この実施形態によって本発明は限定されるものではない。すなわち、実施形態の説明に当たって、例示のために特定の詳細な内容が多く含まれるが、これらの詳細な内容に色々なバリエーションや変更を加えても、本発明の範囲を超えない。従って、以下で説明する本発明の例示的な実施形態は、権利請求された発明に対して、一般性を失わせることなく、また、何ら限定をすることもなく、述べられたものである。 The effect by the structure of the gas sensor of this embodiment is demonstrated. In addition, this invention is not limited by this embodiment. That is, in describing the embodiment, a lot of specific details are included for the purpose of illustration, but various variations and modifications may be added to these details without exceeding the scope of the present invention. Accordingly, the exemplary embodiments of the present invention described below are set forth without loss of generality or limitation to the claimed invention.
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態のガスセンサ100の斜視構成を示す図である。まず、構成について説明する。
本実施形態のガスセンサ100は、少なくとも一端が固定されて、振動源に共振して振動する梁部材11と、梁部材11を支持する支持部13と、梁部材11に固定されて梁部材11の振動を検出する振動検出素子12とからなるガスセンサ100であって、梁部材11を高分子材料で形成し、梁部材11の表面の少なくとも一部を、揮発性有機化合物を吸着する吸着領域10とする構成である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating a perspective configuration of a
The
さらに、具体的に構成を説明する。梁部材11は、その一端が支持部13に支持されている。梁部材11と支持部13とにわたって振動検出素子12とが設けられている。振動検出素子12は梁部材11の上面に、例えばPZT、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の圧電性を有する材料を積層することで設けられている。
Further, the configuration will be specifically described. One end of the
揮発性有機化合物を吸着する高分子材料からなる梁部材11は、上述したように一端が支持部13に固定されている。支持部13は駆動部14に接続されている。したがって、本実施形態のガスセンサ100は、梁部材11が駆動部14により印加される振動に共振して振動するように構成されている。
One end of the
さらに、本実施形態のガスセンサ100は、振動検出素子12が梁部材11に積層されているため、梁部材11の振動が振動検出素子12によって検出される構成となっている。なお、図示していないが、振動検出素子12から電気信号を検出するための配線は信号処理部に電気的に接続されている。
Furthermore, since the
次に、本実施形態の駆動方法について説明する。図1に示すように、梁部材11は一端が支持部13に固定されている。支持部13は駆動部14に接続されている。駆動部14が振動すると、梁部材11は共振周波数で振動する。
Next, the driving method of this embodiment will be described. As shown in FIG. 1, one end of the
梁部材11が揮発性有機化合物に暴露されると、梁部材11の一部に揮発性有機化合物が吸着される。このため、梁部材11の質量が増える。従って、梁部材11に吸着された揮発性有機化合物の質量の影響により、梁部材11の共振周波数が低下する。
When the
また、図1に示すように、梁部材11の上面に振動検出素子12が形成されている。梁部材11が振動すると、振動検出素子12に応力が伝わる。振動検出素子12は圧電性を有する材料のため、印加された応力によって電圧を発生する。従って、振動検出素子12の電圧を測定することにより、梁部材11の共振周波数を検出できる。
Further, as shown in FIG. 1, a
例えば、梁部材11の長さは1000μm〜2500μm、幅は200μm〜500μm、高さは20μm〜250μmである。
For example, the length of the
次に、本実施形態の作用について説明する。本実施形態のガスセンサ100の梁部材11は、駆動部14によって印加される振動に共振して振動する。振動検出素子12は、梁部材11の振動を検出する。駆動部14が梁部材11を共振周波数で振動させている際に、梁部材11が揮発性有機化合物を吸着すると、梁部材11の質量が増加する。このため、梁部材11の共振周波数が低下する。共振周波数の変化を振動検出素子12により検出することで、揮発性有機化合物の濃度を測定することができる。
Next, the operation of this embodiment will be described. The
また、本実施形態のガスセンサ100の梁部材11は、ヤング率が低い高分子材料で形成されている。本実施形態において、好ましくは、高分子材料のヤング率は、1GPa以上で、10GPa以下であることが望ましい。一般に、揮発性有機化合物を検出するガスセンサにおいては、感度と共振周波数とは比例関係にある。また、梁部材11の共振周波数は、ヤング率の平方根に比例し、梁部材11の長さの2乗に反比例する。
高分子材料のヤング率は、従来例のシリコンのヤング率よりも低い。このため、本実施形態では上述のヤング率の範囲に設定することで、同じ共振周波数の梁部材と比較して、小型化することができる。
Further, the
The Young's modulus of the polymer material is lower than the Young's modulus of the conventional silicon. For this reason, in this embodiment, by setting in the range of the above-mentioned Young's modulus, it can reduce in size compared with the beam member of the same resonance frequency.
参考として、シリコンのヤング率は、結晶方位により異なるが、おおよそ70GPa〜170GPa程度である。 As a reference, the Young's modulus of silicon is approximately 70 GPa to 170 GPa although it varies depending on the crystal orientation.
さらに、説明すると、片持ち梁においては振動モードが高次になるに従い共振周波数が高くなる。また、振動式のガスセンサにおいては、共振周波数が高い方が、検出感度が高くなる、即ち、感度は共振周波数に比例することが知られている。
従って、片持ち梁の振動式のガスセンサにおいて高いセンサ性能を得るためには高次の振動モードに対応したセンシングが望ましい。
To explain further, in the cantilever beam, the resonance frequency increases as the vibration mode becomes higher. Further, it is known that in a vibration type gas sensor, the detection sensitivity is higher when the resonance frequency is higher, that is, the sensitivity is proportional to the resonance frequency.
Therefore, in order to obtain high sensor performance in a cantilever vibration type gas sensor, sensing corresponding to a higher-order vibration mode is desirable.
本実施形態では、高分子材料として、例えば、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル樹脂(PMMA)を用いることが望ましい。 In this embodiment, it is desirable to use, for example, polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate, or polymethyl methacrylate resin (PMMA) as the polymer material.
以上の説明したように、本実施形態のガスセンサ100は振動子における梁部材11の材料として、シリコンではなく高分子材料を用いている。高分子材料の梁部材11は、梁部材11そのものが揮発性有機化合物を吸着する。このため、吸着部材を別途設ける必要がある従来の構成に比較して、梁部材11を有効に活用することができる。この結果、ガスセンサ100の検出機能の更なる向上につなげることが可能となるという格別の効果を奏する。
As described above, the
また、梁部材11の材料をヤング率の低い材料にすることにより、ガスセンサ100を小型化できるという効果を奏する。
Further, by using a material having a low Young's modulus for the
次に変型例について説明する。図1に示すように、本実施形態においては、支持部13は駆動部14に接続されている。しかしながら、これに限られず、例えば機械装置など、振動している装置に取り付けられる構成でも良い。この構成に関しては後述する。また、梁部材11の一部の領域に、複数の微細孔を形成しても良い。あるいは、梁部材の一部の領域に、微細な凹凸を形成しても良い。
Next, a modified example will be described. As shown in FIG. 1, in the present embodiment, the
(第2実施形態)
次に、第2実施形態のガスセンサについて説明する。
図2は、本実施形態のガスセンサ200を示す斜視図である。図2に示すように、梁部材21の一部に固定され、揮発性有機化合物を吸着する吸着部材25を具備している。さらに、具体的には、ガスセンサ200は、梁部材21と、振動検出素子22と、支持部23と、吸着部材25を備えている。振動検出素子22は、梁部材21の上面に、例えばPZT、PVDF等の圧電性を有する材料を積層することで設けられている。
(Second Embodiment)
Next, the gas sensor of 2nd Embodiment is demonstrated.
FIG. 2 is a perspective view showing the
揮発性有機化合物を吸着する吸着部材25は、梁部材21の上面に例えばポリブタジエン(PBD)、酸化チタン、酸化亜鉛等の揮発性有機化合物を吸着する材料を成膜することで設けられている。吸着部材25と梁部材21は異なる材料で形成されている。揮発性有機化合物を吸着する高分子材料からなる梁部材21は、一端が支持部23に固定されている。
The adsorbing
支持部23は駆動部24に接続されている。これにより、ガスセンサ200は、吸着部材25が成膜された梁部材21が駆動部24により印加される振動に共振して振動する構成となっている。さらに、本実施形態のガスセンサ200は、振動検出素子22が梁部材21に積層されている。このため、梁部材21の振動が振動検出素子22によって検出される構成となっている。なお、図示していないが、振動検出素子22から電気信号を検出するための配線は信号処理部に電気的に接続されている。
The
次に、本実施形態の駆動方法について説明する。
図2に示すように、梁部材21は一端が支持部23に固定されている。支持部23は駆動部24に接続されている。駆動部24が振動すると、梁部材21は共振周波数で振動する。梁部材21が揮発性有機化合物に暴露されると、梁部材21の一部に揮発性有機化合物が吸着される。このため、梁部材21の質量が増える。
Next, the driving method of this embodiment will be described.
As shown in FIG. 2, one end of the
さらに、吸着部材25が揮発性有機化合物に暴露されると、吸着部材25の一部に揮発性有機化合物が吸着される。これにより、梁部材21の質量が増える。この結果、梁部材21もしくは吸着部材25に吸着された揮発性有機化合物の質量により、梁部材21の共振周波数が低下する。
Further, when the adsorbing
また、図2に示すように、梁部材21の上面に振動検出素子22が形成されている。梁部材21が振動すると、振動検出素子22に応力が伝わる。振動検出素子22は圧電性を有する材料のため、印加された応力によって電圧を発生する。したがって、振動検出素子22の電圧を測定することにより、梁部材21の共振周波数を検出できる。
Further, as shown in FIG. 2, a
次に、本実施形態の作用を説明する。本実施形態のガスセンサ200の梁部材21は、駆動部24によって印加される振動に共振して振動する。振動検出素子22は、梁部材21の振動を検出する。駆動部24が梁部材21を共振周波数で振動させている際に、梁部材21と吸着部材25の少なくとも一つが揮発性有機化合物を吸着すると、梁部材21の質量が増加する。これにより、梁部材21の共振周波数が低下する。共振周波数の変化を振動検出素子22で検出することにより、揮発性有機化合物の濃度を測定することができる。
Next, the operation of this embodiment will be described. The
また、本実施形態のガスセンサ200の梁部材21は、ヤング率が低い高分子材料で形成されている。一般に、揮発性有機化合物を検出するガスセンサにおいては、感度と共振周波数とは比例関係にある。また、梁部材21の共振周波数はヤング率の平方根に比例し、梁部材の長さの2乗に反比例する。高分子材料のヤング率は従来例のシリコンのヤング率よりも低い。これにより、同じ共振周波数の梁部材を小型化することができる。
Further, the
以上の説明したように、本実施形態のガスセンサ200は、振動子における梁部材21の材料として、シリコンではなく高分子材料が用いられている。高分子材料の梁部材21は、梁部材21そのものが揮発性有機化合物を吸着する。なお且つ梁部材21に固定された吸着部材25は、梁部材21とは異なる揮発性有機化合物を吸着する。これにより、1つのセンサで2種類の揮発性有機化合物を検出できるという効果を奏する。
As described above, the
また、梁部材21の材料をヤング率の低い材料、例えば1GPa以上で、10GPa以下に設定することにより、ガスセンサ200の小型化ができるという効果を奏する。
なお、図2に示すように、本実施形態においては、支持部23は、駆動部24に接続されている。しかしながら、これに限られず、後述するように、例えば機械装置など、振動している装置に取り付けられる構成でも良い。
Further, by setting the material of the
As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the
(第3実施形態)
次に、第3実施形態のガスセンサ300について説明する。図3は、ガスセンサ300の斜視図である。図3に示すように、ガスセンサ300は、梁部材31の一部に固定され、揮発性有機化合物を吸着する少なくとも2つ以上の吸着部材を具備する。さらに、具体的に説明すると、ガスセンサ300は、梁部材31と、振動検出素子32と、支持部33と、第1の吸着部材35と、第2の吸着部材36とを備えている。
(Third embodiment)
Next, the
振動検出素子32は、梁部材31の上面に、例えばPZT、PVDF等の圧電性を有する材料を積層することで設けられている。揮発性有機化合物を吸着する第1の吸着部材35と第2の吸着部材36は、梁部材31の上面に、例えばポリブタジエン(PBD)等の揮発性有機化合物を吸着する材料を成膜することで設けられている。
The
第1の吸着部材35と、第2の吸着部材36と、梁部材31とは異なる材料で形成されている。揮発性有機化合物を吸着する高分子材料からなる梁部材31は、一端が支持部33に固定されている。支持部33は、駆動部34に接続されている。これにより、ガスセンサ300は、第1の吸着部材35と第2の吸着部材36とが成膜された梁部材31が、駆動部34により印加される振動に共振して振動するように構成されている。
The
さらに、ガスセンサ300は、振動検出素子32が梁部材31に積層されている。これにより、梁部材31の振動が振動検出素子32によって検出される構成となっている。なお、図示していないが、振動検出素子32から電気信号を検出するための配線は信号処理部に電気的に接続されている。
Further, in the
次に、ガスセンサ300の駆動原理を説明する。図3に示すように、梁部材31は一端が支持部33に固定されている。支持部33は駆動部34に接続されている。駆動部34が振動すると、梁部材31は共振周波数で振動する。
Next, the driving principle of the
梁部材31が揮発性有機化合物に暴露されると、梁部材31の一部に揮発性有機化合物が吸着される。これにより、梁部材31の質量が増える。さらに、第1の吸着部材35が揮発性有機化合物に暴露されると、第1の吸着部材35の一部に揮発性有機化合物が吸着される。これにより、梁部材31の質量が増える。
When the
また、第2の吸着部材36が揮発性有機化合物に暴露されると、第2の吸着部材36の一部に揮発性有機化合物が吸着される。これにより、梁部材31の質量が増える。この結果、梁部材31と第1の吸着部材35と第2の吸着部材36の少なくとも一つに吸着された揮発性有機化合物の質量により、梁部材31の共振周波数が低下する。
Further, when the second adsorbing
また、図3に示すように、梁部材31の上面に振動検出素子32が形成されている。梁部材31が振動すると、振動検出素子32に応力が伝わる。振動検出素子32は圧電性を有する材料である。このため、振動検出素子32は印加された応力によって電圧を発生する。この結果、振動検出素子32の電圧を測定することにより、梁部材31の共振周波数が検出される。
As shown in FIG. 3, a
次に、本実施形態の作用を説明する。ガスセンサ300の梁部材31は、駆動部34によって印加される振動に共振して振動する。振動検出素子32は、梁部材31の振動を検出する。駆動部34が梁部材31を共振周波数で振動させている際に、梁部材31と第1の吸着部材35と第2の吸着部材36の少なくとも一つが揮発性有機化合物を吸着すると、梁部材31の質量が増加する。これにより、梁部材31の共振周波数が低下する。共振周波数の変化を振動検出素子32で検出する。この結果、揮発性有機化合物の濃度を測定することができる。
Next, the operation of this embodiment will be described. The
また、本実施形態のガスセンサ300の梁部材31は、ヤング率が低い高分子材料で形成されている。一般に、揮発性有機化合物を検出するガスセンサにおいては、上述したように、感度と共振周波数とは比例関係にある。また、梁部材31の共振周波数はヤング率の平方根に比例し、梁部材の長さの2乗に反比例する。本実施形態の梁部材31の高分子材料のヤング率、例えば1GPa以上で、10GPa以下は、従来例のシリコンのヤング率よりも低い。これにより、同じ共振周波数の梁部材を小型化することができる。
Further, the
以上の説明したように、本実施形態のセンサは振動子における梁部材31の材料として、シリコンではなく高分子材料が用いられる。高分子材料の梁部材31は、梁部材31そのものが揮発性有機化合物を吸着する。また、梁部材31に固定された第1の吸着部材35は、梁部材31とは異なる揮発性有機化合物を吸着する。
As described above, the sensor of this embodiment uses a polymer material instead of silicon as the material of the
なお且つ、第2の吸着部材36は梁部材31と第1の吸着部材35とは異なる揮発性有機化合物を吸着する。これにより、1つのガスセンサで3種類の揮発性有機化合物を検出できるという効果を奏する。
また、梁部材31の材料をヤング率の低い材料(例えば1GPa以上で、10GPa以下が望ましい。)にすることにより、ガスセンサの小型化ができるという効果を奏する。
なお、図3に示すように、本実施形態においては、支持部33が駆動部34に接続されているが、後述するように、例えば機械装置など、振動している装置に取り付けられる構成でも良い。
The
Further, by making the material of the beam member 31 a material having a low Young's modulus (for example, 1 GPa or more and preferably 10 GPa or less), the gas sensor can be reduced in size.
As shown in FIG. 3, in the present embodiment, the
(第4実施形態)
次に、第4実施形態のガスセンサ400について説明する。図4は、ガスセンサ400を示す斜視図である。図4に示すように、ガスセンサ400は、第1の梁部材411と第1の振動検出素子412とを有する第1のセンサ部410と、第2の梁部材421と第2の振動検出素子422とを有する第2のセンサ部420と、第1のセンサ部410からの第1の振動検出素子412の出力信号と、第2のセンサ部420からの第2の振動検出素子422の出力信号とが入力され、印加される振動に共振して振動する第1の梁部材411と第2の梁部材421との第1のセンサ部410の第1の共振周波数及び第2のセンサ部420の第2の共振周波数を抽出して、第1の共振周波数と第2の共振周波数との差分を算出する信号処理部47と有している。
(Fourth embodiment)
Next, the
さらに、具体的に説明を続ける。ガスセンサ400は、第1のセンサ部410と、第2のセンサ部420と、信号処理部47を備えている。第1のセンサ部410は、第1の梁部材411と、第1の振動検出素子412と、支持部43と、吸着部材45を有する。第1の振動検出素子412は、第1の梁部材411の上面に、例えばPZT、PVDF等の圧電性を有する材料を積層することで設けられている。
Furthermore, the explanation will be continued specifically. The
揮発性有機化合物を吸着する吸着部材45は第1の梁部材411の上面に例えばポリブタジエン(PBD)等の揮発性有機化合物を吸着する材料を成膜することで設けられている。吸着部材45と第1の梁部材411は異なる材料で形成されている。
The adsorbing
揮発性有機化合物を吸着する高分子材料からなる第1の梁部材411は、一端が支持部43に固定されている。支持部43は駆動部44に接続されている。これにより、本実施形態の第1のセンサ部410は、吸着部材45の成膜された第1の梁部材411が駆動部44により印加される振動に共振して振動する。
One end of the
さらに、本実施形態の第1のセンサ部410は、第1の振動検出素子412が第1の梁部材411に積層されている。これにより、第1の梁部材411の振動が第1の振動検出素子412によって検出される。
Further, in the
一方、第2のセンサ部420は、第2の梁部材421と、第2の振動検出素子422と、支持部43を備えている。第2の梁部材421と第1の梁部材411は、同一の材料で形成されている。第2の振動検出素子422は第2の梁部材421の上面に、例えばPZT、PVDF等の圧電性を有する材料を積層することで設けられている。
On the other hand, the
揮発性有機化合物を吸着する高分子材料からなる第2の梁部材421は、一端が支持部43に固定されている。支持部43は駆動部44に接続されている。これにより、本実施形態の第2のセンサ部420は、第2の梁部材421が駆動部44により印加される振動に共振して振動する構成となっている。
One end of the
さらに、第2のセンサ部420は、第2の振動検出素子422が第2の梁部材421に積層されている。これにより、第2の梁部材421の振動が第2の振動検出素子422によって検出される。本実施形態では、第1のセンサ部410と第2のセンサ部420との間隔は500μm以上程度である。
Further, in the
また、信号処理部47は、第1のセンサ部410の第1の振動検出素子412と、第2のセンサ部420の第2の振動検出素子422とに接続される。これにより、第1の振動検出素子412によって検出された第1の梁部材411の振動と、第2の振動検出素子422によって検出された第2の梁部材421の振動とが信号処理部47に入力される。
The
次に、駆動原理を説明する。図4に示すように、第1のセンサ部410の第1の梁部材411は、一端が支持部43に固定されている。支持部43は駆動部44に接続されている。駆動部44が振動すると、第1の梁部材411は共振周波数で振動する。
Next, the driving principle will be described. As shown in FIG. 4, one end of the
第1の梁部材411が揮発性有機化合物に暴露されると、第1の梁部材411の一部に揮発性有機化合物が吸着される。これにより、第1の梁部材411の質量が増える。さらに、吸着部材45が揮発性有機化合物に暴露されると、吸着部材45の一部に揮発性有機化合物が吸着される。これにより、第1の梁部材411の質量が増える。
When the
この結果、第1の梁部材411もしくは吸着部材45に吸着された揮発性有機化合物の質量により、第1の梁部材411の第1の共振周波数が低下する。また、図4に示すように、第1の梁部材411の上面に第1の振動検出素子412が形成されている。第1の梁部材411が振動すると、第1の振動検出素子412に応力が伝わる。第1の振動検出素子412は圧電性を有する材料のため、印加された応力によって電圧を発生する。
As a result, the first resonance frequency of the
一方、第2のセンサ部420の第2の梁部材421は一端が支持部43に固定されている。支持部43は、駆動部44に接続されている。駆動部44が振動すると、第2の梁部材421は、共振周波数で振動する。第2の梁部材421が揮発性有機化合物に暴露されると、第2の梁部材421の一部に揮発性有機化合物が吸着される。
On the other hand, one end of the
従って、第2の梁部材421の質量が増える。この結果、第2の梁部材421に吸着された揮発性有機化合物の質量により、第2の梁部材421の第2の共振周波数が低下する。また、図4に示すように、第2の梁部材421の上面に、第2の振動検出素子422が形成されている。第2の梁部材421が振動すると、第2の振動検出素子422に応力が伝わる。第2の振動検出素子422は圧電性を有する材料のため、印加された応力によって電圧を発生する。
Accordingly, the mass of the
また、信号処理部47は、駆動部44によって印加される振動に共振して振動する第1の梁部材411と、第2の梁部材421の振動を第1の振動検出素子412及び第2の振動検出素子422の出力電圧として抽出する。さらに、信号処理部47は第1の振動検出素子412及び第2の振動検出素子422の出力電圧を第1の梁部材411の第1の共振周波数及び第2の梁部材421の第2の共振周波数に変換する。また、信号処理部47は第1の共振周波数と第2の共振周波数との差分を算出する。
Further, the
ガスセンサ400は、第1の梁部材411の第1の共振周波数と、第2の梁部材421の第2の共振周波数を抽出して差分を算出する。これにより、第1のセンサ部410の第1の共振周波数と、第2のセンサ部420の第2の共振周波数との変化量の相違が測定できる。
The
次に、本実施形態の作用を説明する。第1のセンサ部410の第1の梁部材411と、第2のセンサ部420の第2の梁部材421とは、駆動部44によって印加される振動に共振して振動する。第1の振動検出素子412は、第1の梁部材411の振動を検出する。第2の振動検出素子422は、第2の梁部材421の振動を検出する。第1の梁部材411と吸着部材45は異なる材料で形成されている。
Next, the operation of this embodiment will be described. The
第1の梁部材411と第2の梁部材421は同一の高分子材料で形成されている。揮発性有機化合物は材料により吸着種と吸着量が異なる。例えば、吸着部材45のみに吸着する揮発性有機化合物の雰囲気中において、駆動部44が第1の梁部材411と第2の梁部材421を共振周波数で振動させている際に、第1のセンサ部410の吸着部材45が揮発性有機化合物を吸着すると第1のセンサ部410の第1の梁部材411の質量が増加するので、第1のセンサ部410の第1の梁部材411の共振周波数が低下する。一方、第2のセンサ部420の第2の梁部材421は揮発性有機化合物を吸着しないため、第2のセンサ部420の第2の梁部材421の共振周波数は変化しない。
The
さらに、第1の梁部材411と第2の梁部材421は同一の高分子材料で形成されていると、同一部材の温度変化による共振周波数のふらつきを相殺することができる。
Further, if the
本実施形態のガスセンサ400は、第1のセンサ部410と第2のセンサ部420との高分子材料で形成された梁部材は揮発性有機化合物を吸着する。また、第1のセンサ部410の第1の梁部材411に固定された吸着部材45は、第1の梁部材411とは異なる揮発性有機化合物を吸着する。
In the
信号処理部47は、吸着する揮発性有機化合物の異なる第1のセンサ部410と第2のセンサ部420の共振周波数を抽出して差分を算出する。これにより、第1の梁部材411と第2の梁部材421とを有効に活用することにより、揮発性有機化合物の種類を特定できるという効果を奏する。
The
なお、図4に示すように、第1のセンサ部410と第2のセンサ部420の梁部材は同一の材料でもよい。あるいは、第1のセンサ部410と第2のセンサ部420の梁部材を異なる材料とすることにより、別途吸着部材を形成する必要がなくなる。さらに、第3のセンサ部、第4のセンサ部を加えてもよい。また、図4に示すように、本実施形態においては支持部が駆動部に接続されているが、後述するように、例えば機械装置など、振動している装置に取り付けられる構成でも良い。
In addition, as shown in FIG. 4, the beam member of the
上述した第1実施形態〜第4実施形態は、駆動部14、24、34、44を有している。即ち、少なくとも一端が固定されている梁部材と、梁部材を支持する支持部と、梁部材が共振するように振動を印加する駆動部と、梁部材に固定されて梁部材の振動を検出する振動検出素子とからなるガスセンサであって、梁部材を高分子材料で形成し、その表面の少なくとも一部を、揮発性有機化合物を吸着する吸着領域としている。
The first to fourth embodiments described above have the
(第5実施形態)
第1実施形態〜第4実施形態のガスセンサの構成は、これに限られない。すでに、上述しているように、外部に駆動部(振動源)が存在しても良い。
(Fifth embodiment)
The structure of the gas sensor of 1st Embodiment-4th Embodiment is not restricted to this. As described above, a drive unit (vibration source) may exist outside.
図5は、第5実施形態のガスセンサ500の斜視構成を示す図である。梁部材511と、振動検出素子512と、支持部513とは、例えば、第1実施形態と同じ構成であるため、重複する説明は、省略する。
FIG. 5 is a diagram illustrating a perspective configuration of a
本実施形態のガスセンサ500は、少なくとも一端が固定されて、外部の駆動部(振動源)514(図中、点線で示す)に共振して振動する梁部材511と、梁部材511を支持する支持部513と、梁部材511に固定されて梁部材511の振動を検出する振動検出素子512とからなるガスセンサであって、梁部材511を高分子材料で形成し、梁部材511の表面の少なくとも一部を、揮発性有機化合物を吸着する吸着領域510とするガスセンサでも良い。外部の駆動部(振動源)514としては、例えば、工場内の振動源、自動車内の振動源を用いることができる。梁部材511は、その振動源より共振する形状にすることが望ましい。
The
このように、本実施形態は、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形例をとることができる。 As described above, the present embodiment can take various modifications without departing from the spirit of the present embodiment.
以上のように、本発明にかかるガスセンサは、小型なセンサに適している。 As described above, the gas sensor according to the present invention is suitable for a small sensor.
100 ガスセンサ
10 吸着領域
11 梁部材
12 振動検出素子
13 支持部
14 駆動部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記梁部材を支持する支持部と、
前記梁部材に固定されて前記梁部材の振動を検出する振動検出素子とからなるガスセンサであって、
前記梁部材を高分子材料で形成し、
前記梁部材の表面の少なくとも一部を、揮発性有機化合物を吸着する吸着領域とすることを特徴とするガスセンサ。 A beam member having at least one end fixed and resonating with a vibration source to vibrate;
A support portion for supporting the beam member;
A gas sensor comprising a vibration detecting element fixed to the beam member and detecting the vibration of the beam member;
The beam member is formed of a polymer material;
A gas sensor, wherein at least a part of a surface of the beam member is an adsorption region that adsorbs a volatile organic compound.
第2の前記梁部材と第2の前記振動検出素子とを有する第2のセンサ部と、
前記第1のセンサ部からの第1の前記振動検出素子の出力信号と、前記第2のセンサ部からの第2の前記振動検出素子の出力信号とが入力され、印加される振動に共振して振動する第1の前記梁部材と第2の前記梁部材との前記第1のセンサ部の第1の共振周波数及び前記第2のセンサ部の第2の共振周波数を抽出して、前記第1の共振周波数と前記第2の共振周波数との差分を算出する信号処理部とを有することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のガスセンサ。 A first sensor unit having the first beam member and the first vibration detection element;
A second sensor unit having the second beam member and the second vibration detection element;
The output signal of the first vibration detection element from the first sensor unit and the output signal of the second vibration detection element from the second sensor unit are input and resonate with the applied vibration. Extracting the first resonance frequency of the first sensor portion and the second resonance frequency of the second sensor portion of the first beam member and the second beam member that vibrate in response to the second beam member; The gas sensor according to claim 1, further comprising a signal processing unit that calculates a difference between the resonance frequency of 1 and the second resonance frequency.
前記梁部材を支持する支持部と、
前記梁部材が共振するように振動を印加する駆動部と、
前記梁部材に固定されて前記梁部材の振動を検出する振動検出素子とからなるガスセンサであって、
前記梁部材を高分子材料で形成し、
前記梁部材の表面の少なくとも一部を、揮発性有機化合物を吸着する吸着領域とすることを特徴とするガスセンサ。 A beam member having at least one end fixed thereto;
A support portion for supporting the beam member;
A drive unit that applies vibration so that the beam member resonates;
A gas sensor comprising a vibration detecting element fixed to the beam member and detecting the vibration of the beam member;
The beam member is formed of a polymer material;
A gas sensor, wherein at least a part of a surface of the beam member is an adsorption region that adsorbs a volatile organic compound.
前記梁部材を支持する支持部と、
前記梁部材に固定されて前記梁部材の振動を検出する振動検出素子とからなるガスセンサであって、
前記梁部材を高分子材料で形成し、
前記梁部材の表面の少なくとも一部を、揮発性有機化合物を吸着する吸着領域とすることを特徴とするガスセンサ。 A beam member having at least one end fixed and resonating with an external vibration source;
A support portion for supporting the beam member;
A gas sensor comprising a vibration detecting element fixed to the beam member and detecting the vibration of the beam member;
The beam member is formed of a polymer material;
A gas sensor, wherein at least a part of a surface of the beam member is an adsorption region that adsorbs a volatile organic compound.
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