DE102017207333A1

DE102017207333A1 - Spannungssensor

Info

Publication number: DE102017207333A1
Application number: DE102017207333.0A
Authority: DE
Inventors: Hiroki Ishihara; Makoto Ishii; Minoru Sasaki
Original assignee: Toyota School Foundation; Yazaki Corp
Current assignee: Toyota School Foundation; Yazaki Corp
Priority date: 2016-05-06
Filing date: 2017-05-02
Publication date: 2017-11-09
Also published as: US20170322238A1; JP6370832B2; US10401394B2; JP2017201273A

Abstract

Ein Spannungssensor umfasst einen Oszillator, der eine kreisförmige oder etwa kreisförmige Form aufweist und von einem mechanischen Stützelement gehalten wird, eine befestigte Elektrode, die einen vorbestimmten Spalt zwischen dem Oszillator und der befestigten Elektrode aufweist, und eine Antriebselektrode, die an einer sich von der befestigten Elektrode unterscheidenden Position über dem Oszillator vorgesehen und an eine Antriebswechselspannung angelegt ist, um den Oszillator in Schwingung zu versetzen. In dem Spannungssensor wirkt durch Anlegen einer Spannung an die befestigte Elektrode eine elektrostatische Anziehungskraft auf den Oszillator, wodurch sich eine Resonanzfrequenz des Oszillators ändert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungssensor.
2. Stand der Technik
Herkömmlicherweise wird ein Spannungssensor vorgeschlagen, der ein Pockels-Element, eine Lambda-Viertelplättchen, einen Polarisator, einen Analysator und dergleichen enthält. Bei diesem Spannungssensor wird ein von einer Lichtquelle ausgegebenes optisches Signal durch den Polarisator polarisiert und trifft auf das Pockels-Element, und es wird eine optische Modulation, die auf die Höhe einer Spannung anspricht, mit dem Pockels-Element empfangen. Das optische Signal, das die optische Modulation empfängt, wird durch das Lambda-Viertelplättchen an den Analysator übertragen. Das durch den Analysator ausgegebene optische Signal wird durch einen vorbestimmten optischen Empfänger empfangen und erfasst, wodurch die an das Pockels-Element angelegte Spannung gemessen werden kann (siehe beispielsweise JP-A-H3-146875 ).
Jedoch verwendet der in der JP-A-H3-146875 beschriebene Spannungssensor das Pockels-Element, das Lambda-Viertelplättchen, den Polarisator, den Analysator etc. und weist somit eine hohe Anzahl an Komponenten auf. Ferner ist eine Ausrichtung der optischen Achse erforderlich. Folglich erweist sich der Zusammenbau als schwierig.
Es wird somit ein Spannungssensor vorgeschlagen, der einen Oszillator, der durch eine mechanische Aufhängung gehalten wird, und befestigte Elektroden, die gegenüberliegend zueinander durch Spalten in diesem Oszillator angeordnet sind, aufweist, wobei durch Anlegen einer zu messenden Spannung an die befestigten Elektroden zur Ausübung einer elektrostatischen Anziehungskraft auf den Oszillator zur Änderung der Resonanzfrequenz des Oszillators die zu messende Spannung berechnet werden kann. (siehe JP-A-2013-228367 ).
Wird für den Spannungssensor die zu messende Spannung an die befestigten Elektroden angelegt, ändert sich durch die elektrostatische Anziehungskraft aufgrund dieser Spannung eine Federkonstante der Aufhängung wesentlich, wodurch sich die Resonanzfrequenz des Oszillators ändert. Da diese Änderung eine konstante Beziehung zur Höhe der zu messenden Spannung aufweist, kann der Wert der zu messenden Spannung aus der geänderten Resonanzfrequenz gemessen werden.
Schwierigkeit beim Zusammenbau können in dem in der JP-A-2013-228367 beschriebenen Spannungssensor verhindert werden, da keine optischen Teile erforderlich sind, eine Erhöhung der Anzahl der Komponenten gesteuert werden kann und keine Ausrichtung der optischen Achse notwendig ist.
Da jedoch in dem in der JP-A-2013-228367 beschriebenen Spannungssensor ein durch optische Messung erhaltener Q-Faktor des Signals (Gütefaktor) und eine durch elektrische Messung erhaltene Signaländerung nicht groß sind, sollte die Spannungsmessgenauigkeit noch weiter verbessert werden können.
Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung des obigen Problems konzipiert, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spannungssensor bereitzustellen, in dem eine Erhöhung der Anzahl der Komponenten und des Schwierigkeitsgrads beim Zusammenbau verhindert werden, und gleichzeitig der durch die optische Messung erhaltene Q-Faktor (Gütefaktor) und die durch die elektrische Messung erhaltene Signaländerung erhöht werden, wodurch die Spannungsmessgenauigkeit verbessert werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG

(1) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Spannungssensor einen Oszillator, der eine kreisförmige oder etwa kreisförmige Form aufweist und von einem mechanischen Stützelement gehalten wird, eine befestigte Elektrode, die einen vorbestimmten Spalt zwischen dem Oszillator und der befestigten Elektrode aufweist, und eine Antriebselektrode, die an einer sich von der befestigten Elektrode unterscheidenden Position quer über dem Oszillator vorgesehen und an die eine Antriebswechselspannung angelegt ist, um den Oszillator in Schwingung zu versetzen. In dem Spannungssensor wirkt eine elektrostatische Anziehungskraft auf den Oszillator, in dem eine Spannung an der befestigten Elektrode angelegt und sich eine Resonanzfrequenz des Oszillators ändert.

Da gemäß dem Spannungssensor (1) der vorliegenden Erfindung die befestigten Elektroden neben dem kreisförmigen oder etwa kreisförmigen Oszillator vorgesehen sind und da an Positionen, die sich von jenen der befestigten Elektroden unterscheiden, die Antriebselektroden, an die eine Antriebswechselspannung angelegt werden, vorgesehen sind, oszilliert der kreisförmige oder etwa kreisförmige Oszillator, um durch die Antriebselektroden zusammengedrückt oder auseinander gedrückt zu werden, und die Amplitude kann im Vergleich zu dem gleich fortschreitenden Oszillator verringert werden. Da somit der Einfluss der Gasdämpfung verringert werden kann und der Oszillator stabil arbeitet, werden ein Rauschen unterdrückt und der Q-Faktor des Signals (optische Messung) zum Zeitpunkt der Resonanz und die Signaländerung (elektrische Messung) erhöht. Da die Komponenten, wie beispielsweise das Pockels-Element, das Lambda-Viertelplättchen, der Polarisator, der Analysator und dergleichen nicht erforderlich sind, und auch keine Ausrichtung der optischen Achse notwendig ist, kann eine Erhöhung der Anzahl der Komponenten und eine Zunahme des Schwierigkeitsgrads beim Zusammenbau verhindert werden. Während somit eine Erhöhung der Anzahl der Komponenten und des Schwierigkeitsgrads beim Zusammenbau verhindert werden, werden der durch die optische Messung erhaltene Q-Faktor des Signals und die durch die elektrische Messung erhaltene Signaländerung erhöht und die Spannungsmessgenauigkeit verbessert.

(2) In dem Spannungssensor gemäß Punkt (1) ist das Stützelement mit mindestens einem von vier Knöpfen verbunden, an denen eine Oszillationsamplitude im Oszillator verringert ist.

Gemäß dem Spannungssensor gemäß Punkt (2), kann, da das Halteelement mit wenigstens einem der vier Knöpfe verbunden ist, an denen die Oszillationsamplitude im Oszillator verringert ist, ein Energieverlust der Oszillation geringer als im Falle einer Verbindung an anderen Punkten sein.

(3) In dem Spannungssensor gemäß Punkt (1) oder (2) ist die befestigte Elektrode mit kammartigen Nuten entlang der Oszillationsrichtung des Oszillators ausgebildet.

Gemäß dem Spannungssensor kann, da die befestigten Elektroden mit kammartigen Nuten entlang der Oszillationsrichtung des Oszillators ausgebildet sind, Gas parallel mit der Schwingung entweichen und der Einfluss der Gasdämpfung besser gesteuert werden.

(4) Gemäß dem Spannungssensor gemäß einem der Punkte (1) bis (3) sind die befestige Elektrode und die Antriebselektrode auf einem Substrat vorgesehen, und der Oszillator ist unmittelbar oberhalb des Substrats angeordnet, wobei das Substrat in Draufsicht mit einer Öffnung in einem Bereich, in dem der Oszillator gebildet ist, versehen ist.

Gemäß diesem Spannungssensor gemäß Punkt (4) kann, da das Substrat in Draufsicht mit der Öffnung in dem Bereich, in dem der Oszillator, die befestigten Elektroden und die Antriebselektroden gebildet sind, versehen ist, Gas zum Zeitpunkt der Oszillation aus der Öffnung des Substrats entweichen und dadurch der Einfluss der Gasdämpfung besser gesteuert werden.
Gemäß dem Spannungssensor gemäß einem der Punkte (1) bis (4) umfasst die befestigte Elektrode eine erste befestigte Elektrode und eine zweite befestigte Elektrode, umfasst die Antriebselektrode eine erste Antriebselektrode und eine zweite Antriebselektrode, wobei die erste und die zweite Antriebselektrode, bezogen auf die Mitte des Oszillators, an gegenüberliegenden Positionen zueinander angeordnet sind, Wechselspannungen mit der gleichen Phase an die erste und die zweite Antriebselektrode angelegt sind, und eine virtuelle Linie, die die erste und zweite befestigte Elektrode durchläuft, senkrecht zu einer virtuellen Linie, die die erste und die zweite Antriebselektrode durchläuft, verläuft.
Gemäß diesem Spannungssensor kann, da die zwei Antriebselektroden bezogen auf den Mittelpunkt des Oszillators an gegenüberliegenden Positionen zueinander angeordnet sind, und Wechselspannungen der gleichen Phase angelegt werden, der kreisförmige oder etwa kreisförmige Oszillator wirksam oszillieren, um zusammengedrückt oder auseinander gedrückt zu werden. Da ferner durch Anordnen der zwei befestigten Elektroden an gegenüberliegenden Abschnitten des Oszillators, an denen die Oszillationsstärke am höchsten ist, die zwei befestigten Elektroden an Positionen senkrecht zu der Richtung, die die zwei Antriebselektroden verbindet, angeordnet sind, kann beim Anlegen der zu messenden Spannung an die zwei befestigten Elektroden eine Änderung der Resonanzfrequenz des Oszillators noch stärker sein und die Messgenauigkeit verbessert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Spannungssensor bereitgestellt, der eine Verbesserung der Spannungsmessgenauigkeit ermöglicht, da der durch die optische Messung erhaltene Q-Faktor (Gütefaktor) und durch die elektrische Messung erhaltene Signaländerung erhöht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Konfigurationsdiagramm, das das Grundprinzip eines Spannungssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 zeigt ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das den Spannungssensor gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
3 zeigt ein konzeptionelles Diagramm, das die Oszillation eines Ringelements, das in 2 dargestellt ist, zeigt.
4 zeigt ein perspektivisches Diagramm des Ringelements.
5 zeigt eine teilweise vergrößerte Ansicht des Spannungssensors gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
6 zeigt eine Schnittansicht des Spannungssensors gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
7 zeigt eine Draufsicht des gesamten Spannungssensors, der in einem Experiment verwendet wird.
8 zeigt eine teilweise vergrößerte Ansicht des in 7 gezeigten Spannungssensors.
9 zeigt eine grafische Darstellung, die eine Signaländerung der Frequenz des Spannungssensors, der in 7 und 8 gezeigt ist, und eine Signaländerung, wenn eine Spannung Vm von 0 V, 100 V, 200 V und 300 V an die befestigten Elektroden angelegt wird, darstellt.
10 zeigt eine grafische Darstellung, die die Korrelation der Spannung Vm, die an die zwei befestigten Elektroden des in 7 und 8 gezeigten Spannungssensors angelegt wird, und der Resonanzfrequenz darstellt.
11 zeigt eine grafische Darstellung, die das Ergebnis der optischen und elektrischen Messungen des Spannungssensors gemäß einem Vergleichsbeispiel darstellt.
12 zeigt eine grafische Darstellung, die das Ergebnis der optischen und elektrischen Messungen des Spannungssensors 1 der 7 und 8 darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Nachfolgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf der Grundlage der Figuren beschrieben, wobei jedoch die vorliegende Erfindung nicht auf die nachfolgende Ausführungsform beschränkt ist.
1 zeigt ein einfaches Konfigurationsdiagramm, das die Arbeitsweise eines Spannungssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie in 1 gezeigt, umfasst ein Spannungssensor VS gemäß dem Grundprinzip eine mechanische Aufhängung VS1, einen Oszillator VS2, eine befestigte Elektrode VS3 und eine Berechnungseinheit VS4.
Die Aufhängung VS1 hält den Oszillator VS2. Eine Federkonstante dieser Aufhängung VS1 wird als k bezeichnet. Der Oszillator VS2 ist eine Plattenelektrode, die durch die Aufhängung VS1 gehalten wird, und der Oszillator VS2 kann aufgrund der Elastizität der Aufhängung VS1 oszillieren. Es wird angenommen, dass die Masse dieses Oszillators VS2 m ist.
Die befestigte Elektrode VS3 ist eine Plattenelektrode, die mit einem Spalt gegenüber dem Oszillator VS2 angeordnet ist, und wird als parallele Plattenelektrode in Verbindung mit dem Oszillator VS2 angeordnet. Der Bereich, in dem der Oszillator VS2 und die befestigte Elektrode VS3 einander zugewandt sind, wird als S bezeichnet. Der anfängliche Spalt zwischen dem Oszillator VS2 und der befestigten Elektrode VS3 wird als g bezeichnet.
Wird in einem solchen Spannungssensor VS eine Wechselspannung an den Oszillator VS2 angelegt, oszilliert der Oszillator VS2 in einer Richtung (Richtung nach links/rechts in der Figur), in der der Abstand durch die Elastizität der Aufhängung VS1 von der befestigten Elektrode VS3 zunimmt und abnimmt. Zu diesem Zeitpunkt oszilliert der Oszillator VS2 mit einer Resonanzfrequenz fr auf der Grundlage einer Beziehung (1).
[GLEICHUNG 1]
Ferner wird angenommen, dass eine zu messende Spannung an die befestigte Elektrode VS3 angelegt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird eine elektrostatische Anziehungskraft von der befestigten Elektrode VS3 auf den Oszillator VS2 übertragen und der Abstand x verändert. Die elektrostatische Anziehungskraft kann als eine äquivalente Federkonstante ke, die in Formel (2) gezeigt ist, ausgedrückt werden.
[GLEICHUNG 2]
In der Formel (2) ist ε0 eine dielektrische Konstante des Spalts g, und V ist die zu messende Spannung.
Somit oszilliert der Oszillator VS2 mit der Resonanzfrequenz fr', die in Formel (3) gezeigt ist.
[GLEICHUNG 3]
Da sich die äquivalente Federkonstante ke in der Formel (2) in Abhängigkeit von der Höhe der Spannung V, die an die befestigte Elektrode VS3 angelegt wird, ändert, spiegelt die Resonanzfrequenz fr', die in Formel (3) gezeigt ist, die Höhe der Spannung V wider.
Somit kann die Berechnungseinheit VS4 die zu messende Spannung aus der Resonanzfrequenz fr' des Oszillators VS2 berechnen.
Wie zuvor beschrieben, misst der Spannungssensor gemäß der vorliegenden Ausführungsform die zu messende Spannung unter Verwendung der Änderung der Resonanzfrequenz durch die elektrostatische Anziehungskraft. Da der Spannungssensor VS der 1 einen gleich fortschreitenden Oszillator VS2 enthält, der in einer Richtung senkrecht zu der Plattenoberfläche des Oszillators VS2 oszilliert, kann die Dämpfung (Oszillationsdämpfung) durch Umgebungsgas auf einfache Weise erfolgen. Dadurch nehmen der durch die optische Messung erhaltene Q-Faktor des Signals (Gütefaktor) und die durch die elektrische Messung erhaltene Signaländerung keine großen Werte an, wodurch die Spannungsmessgenauigkeit weiter verbessert werden kann.
2 zeigt ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das einen Spannungssensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Wie in 2 gezeigt, ist der Spannungssensor 1 ein Mikrospannungssensor, der unter Verwendung ein MEMS(mikroelektromechanische Systeme)-Verarbeitungsverfahren hergestellt wird, und umfasst ein Stützelement 10, einen Oszillator 20, zwei befestigte Elektroden 30 und zwei Antriebselektroden 40 auf dem Substrat B. Ferner umfasst der Spannungssensor 1 eine Berechnungseinheit 50.
Das Halteelement 10 hält den Oszillator 20. Der Oszillator 20 ist ein kreisförmiges (beispielsweise ein perfekter Kreis oder ein Oval) oder ein etwa kreisförmiges (beispielsweise ein Polygon, das nahezu ein perfekter Kreis oder ein Oval ist) Element, und wird beim Halten durch das Halteelement 10 zu einem potenzialfreien Oszillator (engl. floating oscillator). In der nachfolgenden Beschreibung wird der Oszillator 20 als ein kreisförmiger Oszillator (perfekter Kreis) beschrieben. Die zwei befestigen Elektroden 30 sind gemessene Elektroden, an die die zu messende Spannung angelegt wird. Diese befestigten Elektroden sind derart angeordnet, dass sie den kreisförmigen Oszillator 20 sandwichartig aufnehmen. Die befestigte Elektrode 30 weist eine Bogenform auf, um mit der Außenform des kreisförmigen Oszillators 20 übereinzustimmen, und umfasst einen Bogeninnenabschnitt 31, der so angeordnet ist, dass er in einem vorbestimmten Abstand dem Oszillator 20 zugewandt ist.
Die zwei Antriebselektroden 40 sind an Positionen, die sich von den zwei befestigten Elektroden 30 unterscheiden, angeordnet, um den kreisförmigen Oszillator 20 sandwichartig aufzunehmen. Die Antriebswechselspannungen mit der gleichen Phase werden an die zwei Antriebselektroden 40 angelegt, um den Oszillator 20 in Schwingung zu versetzen. Genauer gesagt, werden die zwei Antriebselektroden 40 jeweils in einer Richtung senkrecht zu der Richtung, die die zwei befestigten Elektroden 30 in einer Draufsicht miteinander verbindet, angeordnet (d. h. aus Sicht einer oberen Fläche in 2). Der Oszillator 20 umfasst ein kreisförmiges Ringelement 21 und zwei Kammabschnitte 22, die sich lateral (die Richtung, in der die zwei Antriebselektroden 40 angeordnet sind) von dem Ringelement 21 erstrecken. Die zwei Antriebselektroden 40 umfassen zwei Kammabschnitte 41 in der Form eines Kamms, um mit den Zähnen der zwei Kammabschnitte 22 übereinstimmen, und die geeignet sind, um den Oszillator 20 effektiv in Schwingung zu versetzen. Die Kammabschnitte 22 und die Antriebselektroden 40 sind in dem Beispiel der 2 an der Außenseite des Ringelements 21 vorgesehen, wobei die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist, und die Kammabschnitte 22 und die Antriebselektroden 40 auch an der Innenseite des Ringelements 21 vorgesehen sein können.
3 zeigt ein Konzeptdiagramm, das die Oszillation des Ringelements 21 der 2 darstellt. Wie in 3 gezeigt, wirkt beim Anlegen von Wechselspannungen der gleichen Phase an die zwei Antriebselektroden eine Kraft, um das Ringelement 21 in die nach innen gerichtete Richtung des Kreises auf einer geraden Linie, die die zwei Antriebselektroden 40 miteinander verbindet, zusammenzudrücken, und anschließend wirkt die Kraft, um das Ringelement 21 in die nach auswärts gerichtete Richtung des Kreises auseinander zu drücken, wobei diese Bewegungen wiederholt durchgeführt werden. Wie in 3 gezeigt, wird das Ringelement 21 bei der Ausübung der Kraft in die nach innen gerichtete Richtung des Kreises zu einer vertikalen Ellipse, und wenn die Kraft in die nach außen gerichtete Richtung des Kreises wirkt, wird das Ringelement 21 zu einer horizontalen Ellipse. Auf diese Weise oszilliert das Ringelement 21 in einem sogenannten „Weinglas”-Modus, in dem die vertikale Ellipsenform und die horizontale Ellipsenform abwechselnd wiederholt gebildet werden. Da das Ringelement 21 kreisförmig ist und eine hohe Steifheit aufweist, beträgt die Höhe der Formänderung des Ringelements 21 durch die Oszillation etwa 1 nm. Die Oszillation des Ringelements 21 ist kleiner als die Oszillation des gleich fortschreitenden Oszillators, der in der JP-A-2013-228367 beschrieben wird, bei dem das Ausmaß der Verformung 3 μm beträgt.
Ferner umfasst die vorliegenden Erfindung vier Halteelemente 10, wobei die vier Halteelemente 10 mit vier Knöpfen QP verbunden sind, an denen die Oszillationsamplitude im Oszillator 20 gering gehalten wird. Somit sind die Halteelemente 10 derart ausgebildet, dass sie die Oszillation des kreisförmigen Oszillators 20 nicht behindern. Das Halteelement 10 kann neben den vier Elementen, eins, zwei oder drei Elemente zur Stützung des Oszillators 20 umfassen.
Hierin wird die Resonanzfrequenz f0 des Oszillators 20 durch die folgende Formel (4) dargestellt.
Hierin ist i ein Parameter, der durch den Oszillationsmodus bestimmt wird (für den Weinglas-Resonanzmodus i = 2), R ist der Radius des Ringelements 21, E ist das Elastizitätsmodul und I ist ein zweites Abschnittsmoment, das wie folgt erhalten wird.
Ferner bezeichnet m eine Masse pro Längeneinheit des Ringumfangs, h bezeichnet eine Ringhöhe und w eine Ringbreite.
4 zeigt ein perspektivisches Diagramm, das das Ringelement 21 darstellt. Wie in 4 gezeigt, bezeichnen insbesondere w die radiale Dicke des Ringelements 21, h eine Länge senkrecht zur Ebene, die die radiale Richtung umfasst, und R, das den Radius des Ringelements 21 angibt, einen Abstand von dem Mittelpunkt des Ringelements 21 zu dem Breitenmittelpunkt des Ringelements 21.
Wie in dem mit Bezug auf 1 beschriebenen Beispiel gezeigt, ändert sich beim Anlegen einer zu messenden Spannung Vm an die zwei befestigten Elektroden 30 die Resonanzfrequenz f0, wie zuvor beschrieben, entsprechend der Stärke der Spannung Vm. Die Berechnungseinheit 50 berechnet die zu messende Spannung Vm aus dieser Änderung.
In der vorliegenden Ausführungsform wird eine der Elektroden, die auf der Fußseite (der Seite gegenüber der Verbindungsseite des Oszillators 20) der vier Halteelemente 10 gebildet sind, zu jener Elektrode, die für die elektrische Messung verwendet wird.
5 zeigt eine teilweise vergrößerte Ansicht des Spannungssensors 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, und 6 zeigt eine Schnittansicht des Spannungssensors 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Wie in 5 gezeigt, sind die zwei befestigten Elektroden 30 mit kammartigen Nuten 32 an den Bogeninnenabschnitten 31 entlang der Oszillationsrichtung des Oszillators 20 ausgebildet. Auf diese Weise entweicht zum Zeitpunkt der Oszillation Gas durch die kammartigen Nuten 32 (entweicht in die gleiche Richtung wie die Oszillationsrichtung (die in 5 gezeigte Pfeilrichtung)), wodurch sich der Dämpfungswiderstand verringert.
Wird, wie in 5 gezeigt, darüber hinaus eine kreisförmige Struktur 60 (beispielsweise ein Teil des Substrats B) auf der Innenseite des Ringelements 21 angeordnet, kann diese Struktur 60 ebenfalls mit kammartigen Nuten 61 versehen sein, die sich in der Ringradialrichtung um den Umfang erstrecken.
Wie in 6 gezeigt, ist das Substrat B mit einer Öffnung B1 an einer Position (d. h. der unteren Seite) vorgesehen, die in einer Draufsicht einem Bereich entspricht, in dem der Oszillator 20 gebildet wird. Somit entweicht das Gas zum Zeitpunkt der Oszillation durch die Öffnung B1 (entweicht in einer Richtung (Bezugszeichen β in 6) senkrecht zur Oszillationsrichtung (Bezugszeichen α in 6)), wodurch sich der Dämpfungswiderstand verringert.
Das zuvor beschriebene Substrat B betrifft eine sogenannte Anwenderschicht (Englisch: handle layer). Wie in 6 gezeigt, ist auf der Anwenderschicht eine Opferschicht SC vorgesehen, auf der Opferschicht SC ist eine Geräteschicht DL vorgesehen und auf der Geräteschicht DL ist ein Film (Metallschicht) TF vorgesehen, wobei die Elektroden und die befestigten Elektroden 30 und dergleichen durch diesen Film TF und die Geräteschicht DL gebildet werden.
In einem derartigen Spannungssensor 1 werden Antriebswechselspannungen der gleichen Phase an die zwei Antriebselektroden 40 angelegt. Da die Spannungen Wechselspannungen sind, oszilliert der Oszillator 20, wie in 3 gezeigt, mit einer vorbestimmten Resonanzfrequenz f0.
Zu diesem Zeitpunkt wird die zu messende Spannung Vm an die zwei befestigten Elektroden 30 angelegt. Aufgrund dieser Spannung Vm entsteht eine elektrostatische Anziehungskraft, und der Oszillator 20 oszilliert mit der Resonanzfrequenz f0'.
Die Berechnungseinheit 50 berechnet die Höhe der zu messenden Spannung Vm aus der geänderten Resonanzfrequenz f0'. Die Berechnungseinheit 50 speichert die entsprechenden Daten, die die Korrelation der Resonanzfrequenz f0' und der Höhe der zu messenden Spannung Vm angeben, und berechnet die zu messende Spannung V auf der Grundlage der gespeicherten Bezugsdaten. Zu diesem Zeitpunkt muss die Berechnungseinheit 50 das Ausmaß der Verformung (Verformungshöhe) des Oszillators 20 messen, um die Resonanzfrequenz f0' messen zu können. Dazu strahlt der Spannungssensor 1 einen Laserstrahl auf den Oszillator 20 und erhält das Ausmaß der Verformung des Oszillators 20 aus dem reflektierten Licht (optische Messung). Der Spannungssensor 1 kann das Ausmaß der Verformung des Oszillators 20 aus einer Kapazitätsänderung (elektrische Messung) messen. Wird die Höhe der Verformung aus der Kapazität erhalten, können die befestigten Elektroden 30, so wie sie sind, verwendet werden, oder es kann eine Elektrode zur getrennten Messung des Ausmaßes der Verformung bereitgestellt werden.
Im Nachfolgenden wird ein Laborergebnis des Spannungssensors 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Die im Nachfolgenden gezeigte grafische Darstellung zeigt ein Analyseergebnis durch einen Frequenzeigenschaftsanalysator.
7 zeigt eine Draufsicht, die den gesamten Spannungssensor 1, der in einem Experiment verwendet wird, darstellt, und 8 zeigt eine teilweise vergrößerte Ansicht des Spannungssensors 1 der 7. In 7 wurden die Bezugszeichen eines Elements oder der Elemente, die jenen der 2 entsprechen, ausgelassen.
Zunächst wird ein Spannungssensor 1, wie in 7 und 8 gezeigt, unter Verwendung eines MEMS-Verfahrens hergestellt. Die Größe des Spannungssensors 1 (Substrat B) beträgt 2,312 × 2,530 μm, und der Radius R des Ringelements 21 beträgt 320 μm. Eine Breite w des Ringelements 21 beträgt 10 μm. Während keine Spannung an sowohl die zwei befestigten Elektroden 30 als auch die zwei Antriebselektroden 40 angelegt wird, beträgt der Spalt zwischen dem Ringelement 21 und den zwei befestigten Elektroden 30 10 μm.
Der in 7 gezeigte Spannungssensor 1 weist einen Verbindungsabschnitt 42 auf, um die zwei Antriebselektroden 40 miteinander zu verbinden, sodass die zwei Antriebselektroden 40 im Wesentlichen ein Element bilden. Ferner werden die Halteelemente 10, wie in 8 gezeigt, zu elastischen Strukturen. Das heißt, die Halteelemente 10 weisen zwei Halteabschnitte 10a auf, die mit den Knöpfen QP des Ringelements 21 verbunden sind, und erstrecken sich in der Fußrichtung von den Knöpfen QP und verzweigen sich. Die Halteelemente 10 sind elastische Strukturen, die einen T-förmigen Hohlraum G aufweisen, wobei ein T-förmiger vertikaler Balkenabschnitt zwischen den zwei Halteabschnitten 10a angeordnet ist.
Der Oszillator 20 oszilliert beim Anlegen von Wechselspannungen an die zwei Antriebselektroden 40 des Spannungssensors 1. Zu diesem Zeitpunkt wird eine aus dem Oszillator 20 ausgegebene Signaländerung durch die elektrische Messung erfasst, und die Resonanzfrequenz wird durch Änderung der Frequenz erhalten. Die Messung der Resonanzfrequenz wird durchgeführt, während die an die beiden befestigten Elektroden 30 angelegte Spannung Vm von 0 bis 350 V verändert wird.
Wie in den 7 und 8 gezeigt, hat der Oszillator 20 eine Struktur, die die beiden Kammabschnitte 22 enthält, und die zwei Antriebselektroden 40 weisen Formen zur Aufnahme der zwei Kammabschnitte 41 auf, um mit jenen Kammabschnitten 22 zusammenzuwirken.
9 zeigt ein Diagramm, das eine Signaländerung für die Frequenz des Spannungssensors 1, der in 7 und 8 gezeigt ist, darstellt und zeigt insbesondere eine Signaländerung, wenn die Spannung Vm von 0 V, 100 V, 200 V und 300 V an die befestigten Elektroden 30 angelegt werden.
Wie in 9 gezeigt, nimmt die Resonanzfrequenz den höchsten Wert an, wenn eine Spannung Vm von 0 V an die zwei befestigten Elektroden 30 angelegt wird, und je höher die angelegte Spannung Vm wird, d. h. 100 V, 200 V und 300 V, desto starker nimmt die Resonanzfrequenz ab.
10 zeigt ein Diagramm, das die Korrelation der Spannung Vm, die an die zwei befestigten Elektroden 30 des Spannungssensors 1 in 7 und 8 angelegt wird, und der Resonanzfrequenz darstellt. Wie in 10 gezeigt, nimmt für die zu messende Spannung Vm, die an die zwei befestigten Elektroden 30 angelegt wird, die Resonanzfrequenz monoton ab, wodurch die Funktionsweise des Spannungssensors 1 erklärt wird.
11 zeigt ein Diagramm, das das Ergebnis der optischen und elektrischen Messung des Spannungssensors gemäß einem Vergleichsbeispiel darstellt, und 12 zeigt ein Diagramm, das das Ergebnis der optischen und elektrischen Messung des Spannungssensors 1 in 7 und 8 darstellt.
Wie in 11 gezeigt, wird in dem Spannungssensor (der in JP-A-2013-228367 gezeigt ist) gemäß dem Vergleichsbeispiel die Signaländerungshöhe bei der elektrischen Messung in etwa 0,0029 [V_QMW] und der Q-Faktor des Signals (Gütefaktor) bei der optischen Messung wird 150. Im Gegensatz dazu beträgt im Hinblick auf den Spannungssensor 1 in 7 und 8, wie in 12 gezeigt, der Signaländerungswert bei der elektrischen Messung in etwa 0,027 [V_QMW], d. h., in etwa das 10-fache im Vergleich zu vorher. Ferner beträgt im Hinblick auf den Spannungssensor 1 in 7 und 8 der Q-Faktor des Signals (Gütefaktor) bei der optischen Messung 320, d. h. in etwa das 2-fache im Vergleich zu vorher. Somit zeigt sich, dass die Spannungsmessgenauigkeit gemäß der vorliegenden Ausführungsform verbessert werden kann.
Obwohl auf eine Darstellung verzichtet wird, steigt ferner durch Verwenden der in 5 gezeigten Struktur der Q-Faktor des Signals (Gütefaktor) bei der optischen Messung von 320 auf 460, d. h. in etwa weitere 1,4-mal. Somit wird gezeigt, dass die Spannungsmessgenauigkeit weiter verbessert werden kann.
Da auf diese Weise, gemäß dem Spannungssensor 1 der vorliegenden Ausführungsform, die befestigtem Elektroden 30 im kreisförmigen oder etwa kreisförmigen Oszillator 20 vorgesehen sind, und die Antriebselektroden 40, an die Antriebswechselspannungen angelegt werden, an sich von den befestigten Elektrode 30 unterscheidenden Positionen vorgesehen sind, oszilliert der kreisförmige oder etwa kreisförmige Oszillator 20 derart, dass er durch die Antriebselektroden 40 zusammengedrückt oder auseinander gedrückt wird, und die Amplitude kann im Vergleich zu dem gleich fortschreitenden Oszillator verringert werden. Da somit der Einfluss der Gasdämpfung verringert wird und der Oszillator 20 stabil arbeitet, kann ein Rauschen gesteuert und der Q-Faktor des Signals (optische Messung) zum Zeitpunkt der Resonanz und die Signaländerung (elektrische Messung) erhöht werden. Da Komponenten, wie beispielsweise das Pockels-Element, das Lambda-Viertelplättchen, der Polarisator, der Analysator und dergleichen nicht erforderlich sind, und zudem keine Ausrichtung der optischen Achse notwendig ist, kann eine Erhöhung der Anzahl der Komponenten und des Schwierigkeitsgrades beim Zusammenbau verhindert werden. Während somit die Erhöhung der Anzahl der Komponenten und des Schwierigkeitsgrades beim Zusammenbau verhindert werden, werden der durch die optische Messung erhaltene Q-Faktor des Signals und die durch die elektrische Messung erhaltene Signaländerung erhöht und die Spannungsmessgenauigkeit verbessert.
Da das Halteelement 10 mit wenigstens einem der vier Knöpfe QP verbunden ist, an denen die Oszillationsamplitude im Oszillator 20 verringert ist, kann ein Energieverlust bei der Oszillation niedriger als beim Verbinden an anderen Punkten sein.
Da die befestigten Elektroden 30 mit kammartigen Nuten 32 entlang der Oszillationsrichtung des Oszillators 20 ausgebildet sind, entweicht das Gas zusammen mit der Schwingung, wodurch der Einfluss der Gasdämpfung besser gesteuert werden kann.
Da das Substrat B in einer Draufsicht mit der Öffnung B1 in einem Bereich ausgebildet ist, in dem der Oszillator 20, die befestigten Elektroden 30 und die Antriebselektroden 40 gebildet sind, kann das Gas zum Zeitpunkt der Oszillation aus der Öffnung B1 des Substrats B entweichen, wodurch der Einfluss der Gasdämpfung besser gesteuert werden kann.
Da die zwei Antriebselektroden 40, bezogen auf den Mittelpunkt des Oszillators 20 an gegenüberliegenden Positionen zueinander angeordnet sind und Wechselspannungen der gleichen Phase angelegt werden, kann der kreisförmige oder etwa kreisförmige Oszillator 20 wirksam oszillieren, um zusammengedrückt oder auseinander gedrückt zu werden. Da ferner die zwei befestigten Elektroden 30 an Positionen senkrecht zu der Richtung, die die zwei Antriebselektroden 40 verbindet, angeordnet sind, indem die zwei befestigten Elektroden 30 an gegenüberliegenden Abschnitten des Oszillators 20, an denen das Ausmaß der Oszillation am höchsten ist, angeordnet werden, kann beim Anlegen der zu messenden Spannung an die zwei befestigten Elektroden 30 die Änderung der Resonanzfrequenz des Oszillators 20 noch stärker sein, wodurch sich die Messgenauigkeit verbessert.
Obwohl die vorliegende Erfindung auf der Grundlage der Ausführungsform beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt, und es können Modifikationen durchgeführt werden, ohne vom Umfang und Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise umfassen in der vorliegenden Ausführungsform der Oszillator 20 und die Antriebselektroden 40 die Kammabschnitte 22, 41, wobei die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist, und solange es möglich ist, dass eine ausreichend elektrostatische Anziehungskraft erzeugt wird, um den Oszillator 20 in Schwingung zu versetzen, müssen die Kammabschnitte 22, 41 nicht notwendigerweise vorgesehen werden.
Wie in 8 gezeigt, kann das Substrat B ein Stopperelement S1 zur Steuerung einer übermäßigen Oszillation der Kammabschnitt 22 von der Rückseite (die Seite des Ringelements 21) der Kammabschnitte 22 und ein Stopperelement S2 zur Steuerung einer übermäßigen Oszillation des Ringelements 21 von außerhalb des Ringelements 21 umfassen. Vorzugsweise sind die Stopperelemente S1, S2 aus protenzialfreien Elektroden (Englisch: floating electrodes) gebildet, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf diese potenzialfreien Elektroden eingeschränkt ist.
Darüber hinaus sind in der obigen Ausführungsform die zwei Antriebselektroden 40 jeweils an Positionen senkrecht zu der Richtung, die die zwei befestigten Elektroden 30 verbindet, angeordnet, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf diese rechtwinklige Anordnung beschränkt ist, und die zwei Antriebselektroden 40 an leicht geneigten Positionen angeordnet sein können. In diesem Fall sind die zwei befestigten Elektroden 30 und die Knöpfe QP des Ringelements 21 vorzugsweise nicht einander gegenüberliegend angeordnet.
Ferner werden gemäß der obigen Ausführungsform zwei befestigte Elektroden 30 verwendet, wobei jedoch die Anzahl nicht auf zwei beschränkt ist. Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, dass die zwei befestigten Elektroden 30 an der Außenseite des kreisförmigen oder etwa kreisförmigen Oszillators 20 angeordnet sein müssen, sondern die befestigten Elektroden 30 können auch an der Innenseite des Oszillators 20 vorgesehen sein.
Ferner wurden in der zuvor beschriebenen Ausführungsform zwei Antriebselektroden 40 verwendet, wobei jedoch lediglich eine Antriebselektrode 40 vorgesehen sein kann, oder es können vier Antriebselektroden 40 um den Oszillator 20 mit einer Winkeldifferenz von 90 Grad zu der jeweils benachbarten Elektrode vorgesehen sein. Das heißt, die Anzahl der Antriebselektroden 40 ist nicht auf zwei begrenzt.
Zusätzlich werden bei der obigen Ausführungsform angesichts der Tatsache, dass die beiden Antriebselektroden 40 an Positionen vorgesehen sind, die quer über dem Oszillator 20 einander gegenüberliegen, Wechselspannungen der gleichen Phase angelegt, wobei jedoch die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Werden beispielsweise zwei Antriebselektroden 40 mit einer Winkeldifferenz von 90 Grad um den Oszillator 20 herum angeordnet, können Wechselspannungen mit unterschiedlichen Phasen angelegt werden. Somit ist es auch auf diese Weise möglich, die Schwingung gemäß einem Weinglas-Modus zu realisieren, bei dem der Oszillator 20 mit der Kreisform oder dergleichen zusammengedrückt oder auseinander gedrückt wird. Die zwei Antriebselektroden 40 sind nicht auf die Winkeldifferenz von 90 Grad beschränkt, und wenn die Phase der Wechselspannung entsprechend dem Anordnungswinkel in geeigneter Weise eingestellt wird, ist es möglich, die Schwingung gemäß einem Weinglas-Modus zu realisieren, bei dem Oszillator 20 mit der Kreisform oder dergleichen zusammengedrückt oder auseinander gedrückt wird.
Für die Schwingung in einem Weinglas-Modus, in dem der Oszillator 20 mit der Kreisform oder dergleichen zusammengedrückt oder auseinander gedrückt wird, sind die zwei oder mehr Antriebselektroden 40 nicht erforderlich. Beispielsweise ist es möglich, eine Antriebselektrode 40 und vier Halteelemente vorzusehen. In diesem Fall werden die vier Halteelemente jeweils in einem Abstand von 90 Grad angeordnet, und wenn eine elektrostatische Anziehungskraft auf die eine Antriebselektrode 40 um den Mittelpunkt eines Abschnitts, der von jeweils zwei benachbarten Stützelementen gehalten wird, angelegt wird, ist eine Schwingung im Weinglas-Modus möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 3-146875 A [0002, 0003]
JP 2013-228367 A [0004, 0006, 0007, 0042, 0067]

Claims

Spannungssensor, umfassend: einen Oszillator, der eine kreisförmige oder etwa kreisförmige Form aufweist und von einem mechanischen Stützelement gehalten wird, eine befestigte Elektrode, die einen vorbestimmten Spalt zwischen dem Oszillator und der befestigten Elektrode aufweist, und eine Antriebselektrode, die an einer sich von der befestigten Elektrode unterscheidenden Position quer über dem Oszillator vorgesehen und an eine Antriebswechselspannung angelegt ist, um den Oszillator in Schwingung zu versetzen, wobei eine elektrostatische Anziehungskraft durch Anlegen einer Spannung an die befestigte Elektrode auf den Oszillator wirkt, wodurch sich eine Resonanzfrequenz des Oszillators ändert.
Spannungssensor nach Anspruch 1, wobei das Stützelement mit mindestens einem von vier Knöpfen verbunden ist, an denen eine Oszillationsamplitude im Oszillator verringert ist.
Spannungssensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die befestigte Elektrode mit kammartigen Nuten entlang der Oszillationsrichtung des Oszillators ausgebildet ist.
Spannungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die befestigte Elektrode und die Antriebselektrode auf einem Substrat vorgesehen sind, und der Oszillator unmittelbar oberhalb des Substrats angeordnet ist, und das Substrat in Draufsicht mit einer Öffnung in einem Bereich, in dem der Oszillator gebildet ist, versehen ist.
Spannungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die befestigte Elektrode eine erste befestigte Elektrode und eine zweite befestigte Elektrode umfasst, die Antriebselektrode eine erste Antriebselektrode und eine zweite Antriebselektrode umfasst, die erste und die zweite Antriebselektrode bezogen auf die Mitte des Oszillators an gegenüberliegenden Positionen zueinander angeordnet sind, Wechselspannungen mit der gleichen Phase an die erste und die zweite Antriebselektrode angelegt sind, und eine virtuelle Linie, die die erste und zweite befestigte Elektrode durchläuft, senkrecht zu einer virtuellen Linie, die die erste und die zweite Antriebselektrode durchläuft, verläuft.