DE102017218039A1

DE102017218039A1 - Spannungssensor

Info

Publication number: DE102017218039A1
Application number: DE102017218039.0A
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: 2016-10-11
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2018-04-12
Also published as: JP6546576B2; US10422820B2; JP2018063117A; US20180100880A1

Abstract

Ein Spannungssensor enthält einen Vibrator, der konfiguriert ist, um durch einen mechanischen Halteteil gehalten zu werden und mit einem Schwebepotential versehen zu werden, eine Treiberelektrode, die konfiguriert ist, um in Nachbarschaft zu dem Vibrator angeordnet zu werden und den Vibrator mit einer angelegten Wechselspanung resonieren zu lassen, einen Treiber, der konfiguriert ist, um eine Wechselspannung, die 0 V kreuzt, an der Treiberelektrode anzulegen, eine fixe Elektrode, die konfiguriert ist, um in Nachbarschaft zu dem Vibrator mit einem Zwischenraum zwischen der fixen Elektrode und dem Vibrator angeordnet zu werden, und einen Berechner, der konfiguriert ist, um eine Größe einer Messzielspannung basierend auf einer Änderung einer Resonanzfrequenz des Vibrators zu erfassen, wenn die Messzielspannung an der fixen Elektrode angelegt wird.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beruht auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2016-199722 vom 11. Oktober 2016, deren Inhalt hier unter Bezugnahme eingeschlossen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Erfindungsfeld
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungssensor.
2. Stand der Technik
Es ist ein Spannungssensor bekannt, der ein Pockels-Element, eine Viertelwellenplatte, einen Polarisierer, einen Analysierer usw. enthält (siehe zum Beispiel JP-A-3-146875 ). In diesem Spannungssensor wird ein von einer Lichtquelle ausgegebenes optisches Signal durch den Polarisierer polarisiert und tritt in das Pockels-Element ein, wo das optische Signal optisch in Entsprechung zu der Größe einer Spannung moduliert wird. Das modulierte optische Signal wird zu dem Analysierer über die Viertelwellenplatte übertragen. Das von dem Analysierer ausgegebene optische Signal wird durch einen vorbestimmten optischen Empfänger empfangen und erfasst. Auf diese Weise kann die an dem Pockels-Element angelegte Spannung erfasst werden.
Der in JP-A-3-146875 angegebene Spannungssensor weist jedoch das Problem auf, dass eine große Anzahl von Komponenten erforderlich ist, nämlich das Pockels-Element, die Viertelwellenplatte, der Polarisierer, der Analysierer und andere Komponenten. Weiterhin ist eine komplizierte Montagearbeit erforderlich, weil eine Ausrichtung der optischen Achse usw. durchgeführt werden muss.
Angesichts der vorstehend geschilderten Umstände wurde ein anderer Typ von Spannungssensor vorgeschlagen, der einen an einer mechanischen Aufhängung gehaltenen Vibrator und eine dem Vibrator mit dazwischen einem vorbestimmten Abstand gegenüberliegende fixe Elektrode umfasst (siehe JP-A-2013-228367 ). Wenn eine zu messende Spannung an der fixen Elektrode angelegt wird, wirkt eine elektrostatische Anziehungskraft auf den Vibrator und ändert dessen Resonanzfrequenz. Auf diese Weise kann die Messzielspannung berechnet werden.
Wenn in diesem Spannungssensor eine zu messende Spannung an der fixierten Elektrode angelegt wird, ändert eine resultierende elektrostatische Anziehungskraft die Federkonstante der Aufhängung wesentlich, wodurch die Resonanzfrequenz des Vibrators geändert wird. Weil diese Änderung eine bestimmte Korrelation zu der Größe der Messzielspannung aufweist, kann die Messzielspannung basierend auf der derart geänderten Resonanzfrequenz gemessen werden. Weil die oben genannten optischen Komponenten nicht erforderlich sind, weist der in JP-A-2013-228367 angegebene Spannungssensor eine kleine Anzahl von Komponenten auf. Und weil keine Ausrichtung der optischen Achse usw. erforderlich ist, ist die Montagearbeit nicht sehr komplex.
In dem Spannungssensor von JP-A-2013-228367 wird eine an einer Treiberelektrode für das Vibrieren des Vibrators angelegte Wechselspannung mit einer gegebenen positiven Gleichsvorspannung versehen. Diese Maßnahme berücksichtigt die Vibrationseffizienz für den Fall, dass der Vibrator als ein Vibrationsstellglied betrachtet wird, weil der Vibrator mit einem Schwebepotential versehen ist.
Weil jedoch in dem Spannungssensor von JP-A-2013-228367 die an der Treiberelektrode angelegte Wechselspannung mit der positiven Gleichvorspannung versehen ist, sodass die Gesamtspannung auch dann positiv gehalten wird, wenn die Wechselspannung einen Tiefstwert annimmt, wird der Vibrator aufgeladen und in einem elektrischen Feld platziert, das stets eine einzige Polarität in einer Richtung aufweist, wodurch das auf den Vibrator angewendete effektive elektrische Feld variiert wird. Dies wirkt sich auf die Resonanzfrequenz aus und verstärkt eine Fluktuation oder eine Tendenz der Messergebnisse.
Dieses Problem ist nicht auf den Fall beschränkt, in dem eine Wechselspannung mit einer positiven Gleichvorspannung versehen wird, damit die Gesamtspannung auch dann positiv gehalten wird, wenn die Wechselspannung einen Tiefstwert annimmt, sondern tritt auch dann auf, wenn eine Wechselspannung mit einer negativen Gleichvorspannung versehen wird, damit die Gesamtspannung auch dann negativ gehalten wird, wenn die Wechselspannung einen Höchstwert annimmt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung nimmt auf das oben geschilderte Problem aus dem Stand der Technik Bezug, wobei es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Spannungssensor anzugeben, der die Fluktuation oder die Tendenz von Messergebnissen reduzieren kann und gleichzeitig eine Vergrößerung der Anzahl von Komponenten oder eine Verkomplizierung der Montagearbeit verhindern kann.
Die Erfindung sieht einen Spannungssensor vor, der umfasst:
einen Vibrator, der konfiguriert ist, um durch einen mechanischen Halteteil gehalten zu werden und mit einem Schwebepotential versehen zu werden,
eine Treiberelektrode, die konfiguriert ist, um in Nachbarschaft zu dem Vibrator angeordnet zu werden und den Vibrator mit einer angelegten Wechselspanung resonieren zu lassen,
einen Treiber, der konfiguriert ist, um eine Wechselspannung, die 0 V kreuzt, an der Treiberelektrode anzulegen,
eine fixe Elektrode, die konfiguriert ist, um in Nachbarschaft zu dem Vibrator mit einem Zwischenraum zwischen der fixen Elektrode und dem Vibrator angeordnet zu werden, und
einen Rechner, der konfiguriert ist, um die Größe einer Messzielspannung basierend auf einer Änderung der Resonanzfrequenz des Vibrators zu erfassen, wenn die Messzielspannung an der fixen Elektrode angelegt wird.
Weil gemäß dem Spannungssensor die Wechselspannung, die 0 V kreuzt, an der Treiberelektrode angelegt wird, wird der Vibrator nicht in einem elektrischen Feld platziert, das stets eine einzelne Polarität in einer Richtung aufweist. Dadurch kann unterdrückt werden, dass das an dem Vibrator angelegte effektive Feld durch das Aufladen des Vibrators variiert wird, sodass ein Einfluss auf die Resonanzfrequenz verhindert werden kann. Und weil kein Pockels-Element, keine Viertelwellenplatte, kein Polarisierer, kein Analysierer und keine anderen Komponenten erforderlich sind und weiterhin keine Ausrichtung der optischen Achse usw. als Komponenten des Spannungssensors benötigt werden, können eine Vergrößerung der Anzahl von Komponenten und eine Verkomplizierung der Montagearbeit verhindert werden. Es ist also möglich, eine Fluktuation oder eine Tendenz der Messergebnisse zu reduzieren und gleichzeitig eine Vergrößerung der Anzahl von Komponenten und eine Verkomplizierung der Montagearbeit zu verhindern.
In dem oben genannten Spannungssensor legt zum Beispiel der Treiber an der Treiberelektrode eine bei 0 V gehaltene Wechselspannung jedesmal, wenn die Wechselspannung 0 V erreicht, für eine vorgeschriebene Zeitdauer ab dem Zeitpunkt, zu dem die Wechselspannung 0 V erreicht, an.
Weil in dem Spannungssensor die Wechselspannung, jedesmal wenn sie 0 V erreicht, für eine vorbestimmte Zeitdauer ab dem Zeitpunkt, zu dem sie 0 V erreicht, bei 0 V gehalten wird, wird der Aufladungsgrad des Vibrators weiter vermindert und kann entsprechend eine Fluktuation oder Tendenz der Messergebnisse weiter reduziert werden.
In dem oben beschriebenen Spannungssensor legt zum Beispiel der Treiber an der Treiberelektrode eine Wechselspannung an, deren Durchschnitt in der Zeit über einen Zyklus bei ungefähr 0 V liegt.
Weil in diesem Spannungssensor die Wechselspannung, deren Durchschnitt in der Zeit bei ungefähr 0 V liegt, an der Treiberelektrode angelegt wird, können eine Variation des effektiven an dem Vibrator angelegten elektrischen Felds aufgrund des Aufladens des Vibrators und damit ein Einfluss auf die Resonanzfrequenz weiter unterdrückt werden. Daraus resultiert, dass eine Fluktuation oder eine Tendenz der Messergebnisse weiter reduziert werden kann.
Die Erfindung kann einen Spannungssensor vorsehen, der eine Fluktuation oder eine Tendenz von Messergebnissen reduzieren kann und gleichzeitig eine Vergrößerung in der Anzahl von Komponenten und eine Verkomplizierung der Montagearbeit verhindert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Basiskonfiguration und das Betriebsprinzip eines Spannungssensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht des Spannungssensors gemäß der Ausführungsform.
3 ist eine vergrößerte Ansicht des Teils A von 2,
4 ist eine vergrößerte Draufsicht auf einen Teil des Spannungssensors 1 von 2.
5A–5D zeigen jeweils erste bis vierte Beispiele der Wechselspannung, die eine Treiberschaltung an einer Treiberelektrode anlegt.
6 ist ein Kurvendiagramm, das zeigt, wie ein Signal in Bezug auf die Frequenz in dem Spannungssensor von 2 variiert.
7 ist ein Kurvendiagram, das eine Korrelation zwischen der an einer fixen Elektrode angelegten Spannung und der Resonanzfrequenz für den Fall zeigt, dass eine Wechselspannung (0 bis 60 V), die mit einer positiven Gleichvorspannung versehen wurde, an einer Treiberelektrode angelegt wurde.
8 ist ein Kurvendiagramm, das eine Korrelation zwischen der an der fixen Elektrode angelegten Spannung und der Resonanzfrequenz für den Fall zeigt, dass eine Wechselspannung (–30 V bis 30 V) mit positiven Teilen und negativen Teilen mit der gleichen Amplitude (d. h. der Durchschnitt in der Zeit war gleich 0 V) an der Treiberelektrode angelegt wurde.
9 ist ein Kurvendiagramm, das eine Korrelation zwischen der an der fixen Elektrode und der Standardabweichung der Resonanzfrequenz für den Fall zeigt, dass die Wechselspannung mit einer Versatzspannung von 30 V an der Treiberelektrode 50 angelegt wurde, und für den Fall, dass die Wechselspannung mit einer Versatzspannung von 0 V an der Treiberelektrode angelegt wurde.
10 ist eine Tabelle, die Standardabweichungen der Resonanzfrequenz für die Fälle der Wechselspannungen (mit einer Amplitude von 30 V) mit einer Versatzspannung von 10 V oder 20 V und auch die Standardabweichungen für die Fälle der Wechselspannungen (mit einer Amplitude von 30 V) mit einer Versatzspannung von 0 V oder 30 V angibt.
11A–11D zeigen ein Verfahren zum Berechnen von Standardabweichungen für die Fälle der Versatzspannungen von 10 V und 20 V und zeigen Wellenformen der Wechselspannungen mit jeweils den Versatzspannungen von 30 V, 20 V, 10 V und 0 V.
12 ist ein Kurvendiagramm, das eine Korrelation zwischen der an der fixen Elektrode angelegten Spannung und der Resonanzfrequenz für einen Fall zeigt, in dem eine Wechselspannung mit einer Versatzspannung von 0 V und einer bestimmten 0 V-Halteperiode an der Treiberelektrode angelegt wurde.
13 ist ein Kurvendiagramm, das eine Korrelation zwischen der an der fixen Elektrode angelegten Spannung und der Standardabweichung der Resonanzfrequenz für den Fall zeigt, dass die Wechselspannung mit einer Versatzspannung von 0 V (keine Halteperiode) an der Treiberelektrode angelegt wurde, und für den Fall, dass die Wechselspannung mit einer Versatzspannung von 0 V und einer bestimmten 0 V-Halteperiode an der Treiberelektrode angelegt wurde.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei die Erfindung jedoch nicht auf die hier beschriebene Ausführungsform beschränkt ist.
1 zeigt eine Basiskonfiguration und das Betriebsprinzip eines Spannungssensors 1 gemäß der Ausführungsform der Erfindung. Wie in 1 gezeigt, umfasst der Spannungssensor gemäß der Ausführungsform eine mechanische Aufhängung (Halteteil) 10, einen Vibrator 20, eine fixe Elektrode 30 und einen Berechnungsteil 40.
Die Aufhängung 10 hält den Vibrator 20. Der Federkoeffizient der Aufhängung 10 wird durch k wiedergegeben. Der Vibrator 20 ist eine Flachplattenelektrode, die durch die Aufhängung 10 gehalten wird und aufgrund der elastischen Kraft der Aufhängung 10 vibrieren kann. Die Masse des Vibrators 20 wird durch m wiedergegeben.
Die fixe Elektrode 30 ist eine Flachplattenelektrode, die dem Vibrator 20 mit dazwischen einem vorgeschriebenen Abstand gegenüberliegt, wobei die fixe Elektrode 30 und der Vibrator 20 Parallelplattenelektroden bilden. Die Flächengröße der gegenüberliegenden Flächen des Vibrators 20 und der fixen Elektrode 30 wird durch S wiedergegeben, und der anfängliche Abstand wird durch g wiedergegeben.
Wenn eine Wechselspannung an einer Treiberelektrode 50 (nachfolgend beschrieben) des Spannungssensors 1 angelegt wird, wird der durch die Aufhängung 10 aufgehängte Vibrator 20 in der Richtung vibriert, in der die Distanz zwischen dem Vibrator 20 und der fixen Elektrode 30 vergrößert und verkleinert wird (in der Links-Rechts-Richtung von 1). Der Vibrator 20 vibriert mit der verstärkten Verschiebung mit einer Resonanzfrequenz f_r, die durch die folgende Gleichung (1) erhalten wird: [Formel 1]
Weiterhin wird eine Messzielspannung V_m an der fixen Elektrode 30 angelegt. In Reaktion darauf, wirkt eine elektrostatische Anziehungskraft auf den Vibrator 20 von der fixen Elektrode 30, wodurch die Position des Vibrators 20 um x geändert wird. Die elektrostatische Anziehungskraft kann als eine äquivalente Federkonstante k_e ausgedrückt werden, die durch die folgende Gleichung (2) erhalten wird: [Formel 2]
wobei ε₀ die Durchlässigkeit des Zwischenraums g ist und V_m die Messzielspannung ist.
Daraus resultiert, dass der Vibrator 20 mit einer Resonanzfrequenz f_r' vibriert, die durch die folgende Gleichung (3) erhalten wird. [Formel 3]
Weil die äquivalente Federkonstante k_e, die durch die Gleichung (2) erhalten wird, in Abhängigkeit von der Größe der an der fixen Elektrode 30 angelegten Spannung V_m vibriert, entspricht die Resonanzfrequenz f_r' in der Gleichung (3) der Größe der Spannung V_m.
Der Berechnungsteil 40 kann also die Größe der Messzielspannung V_m aus der Resonanzfrequenz f_r' des Vibrators 20 berechnen.
2 ist eine perspektivische Ansicht des Spannungssensors 1 gemäß der Ausführungsform. Wie in 2 gezeigt, ist der Spannungssensor 1 ein Mikrospannungssensor, der unter Verwendung einer Mikroelektromechanisches System(MEMS)-Verarbeitungstechnik hergestellt wird.
Um in dem Spannungssensor 1 von 2 die Resonanzfrequenz des Vibrators 20 durch eine Verminderung von dessen Masse zu erhöhen, weist der Vibrator 20 eine lange und schmale Form auf. Die Aufhängungen 10 sind an den zwei entsprechenden Enden des langen und schmalen Vibrators 20 befestigt und halten also den Vibrator 20 von den Seiten der zwei Enden. Jede Aufhängung 10 ist zu einer U-Form zurückgebogen. Indem er durch diese zwei Aufhängungen 10 gehalten wird, wird der Vibrator 20 mit einem Schwebepotential versehen.
Wie in 2 gezeigt umfasst der Spannungssensor 1 nicht nur die in 1 gezeigten Komponenten, sondern auch die Treiberelektrode 50, eine erste Elektrode 61 und eine zweite Elektrode 62, die mit den Enden gegenüber den mit dem Vibrator 20 verbundenen Enden der Aufhängungen 10 verbunden sind, sowie Stopper 70. Der in 1 gezeigte Berechnungsteil 40 ist mit der ersten Elektrode 61 und/oder der zweiten Elektrode 62 verbunden.
Die Treiberelektrode 50 ist in Nachbarschaft zu dem Vibrator 20 angeordnet. Wenn eine Wechselspannung an der Treiberelektrode 50 angelegt wird, erregt und vibriert die Treiberelektrode 50 den Vibrator 20, um zu veranlassen, dass dieser resoniert. 3 ist eine vergrößerte Ansicht des Teils A von 2. Wie in 3 gezeigt, weist die Treiberelektrode 50 Kammzahnelektroden 51 auf, die sich zu dem Vibrator 20 erstrecken. Entsprechend weist der in 2 gezeigte Vibrator 20 Kammzahnelektroden 21 auf, die sich zu der Treiberelektrode 50 erstrecken. Die Kammzahnelektroden 21 und 51 sind alternierend derart angeordnet, dass sie einander nicht kontaktieren.
Der in 2 gezeigte Spannungssensor 1 kann zum Beispiel hergestellt werden, indem ein SOI(Silicon-On-Isolator)-Wafer verarbeitet wird. Insbesondere werden eine Einzelmaskenmusterung und ein reaktives Ionentiefätzen durchgeführt. Der Vibrator 20, der eine bewegliche Komponente ist, wird durch ein Ätzen einer Opferschicht unter Verwendung eines HF-Dampfs freigesetzt.
Damit er vibrieren kann, schwebt der Vibrator 20, indem er wie oben beschrieben durch die Aufhängungen 10 gehalten wird. In einem tatsächlichen Produkt, in dem die Dimensionen x, y und z einer Vorrichtungsschicht jeweils 1,125 μm, 1,585 μm und 25 μm betragen, sinkt der Vibrator 20 in Bezug auf die anderen Elektroden 30 und 50 um maximal 66 nm. Weil jedoch die Sinkdistanz nur 1/30 der Dicke 2 μm einer Opferschicht ausmacht, kommt der Vibrator 20 nicht in Kontakt mit einer Handhabungsschicht. In 2 kann es so aussehen, als ob die Kammzahnelektroden 51 und die fixe Elektrode 30 ebenfalls schweben würden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Ätzen der Opferschicht in Teilbereichen fortschreitet. Tatsächlich sind sie an der Handhabungsschicht fixiert.
4 ist eine vergrößerte Draufsicht auf einen Teil des Spannungssensors 1 von 2. Wie in 2 und 4 gezeigt, sind die vier Stopper 70 neben dem Vibrator 20 ausgebildet, d. h. auf einer Seite der fixen Elektrode 30 (in 4 sind nur zwei Stopper 70 gezeigt). Die Stopper 70 sind schwebende Elektroden, die mit keinem Glied elektrisch verbunden sind. Jeder Stopper 70 weist einen Hauptkörper 71, einen Federkörper 72 und einen Kontaktteil 73 auf.
Der Hauptkörper 71 ist in einer Draufsicht annähernd quadratisch ausgebildet, wobei sich der Federteil 72, der lang und schmal ist, von einem Scheitel des annähernd quadratischen Hauptkörpers 71 erstreckt. Ein Endteil des Federteils 72 steht etwas zu der Seite des Vibrators 20 über den Rand der fixen Elektrode 30 hinaus vor. Der Federteil 72 ist derart geformt, dass er zu der Seite des Vibrators 20 von dem Scheitel des annähernd quadratischen Hauptkörpers 71 vorsteht, dann um ungefähr 90° gebogen ist, um sich entlang des Rands des Hauptkörpers 71 zu erstrecken, und wiederum um 90° zu der Seite des Vibrators 20 gebogen ist. Der Federteil 72 ist also zweimal um 90° gebogen und dadurch mit einer Elastizität versehen.
Weil die Stopper 70 mit dem oben beschriebenen Aufbau vorhanden sind, kommt der Vibrator 20 auch dann, wenn der Vibrator 20 übermäßig durch eine elektrostatische Anziehungskraft zu der Seite der fixen Elektrode 30 gezogen wird, in Kontakt mit den Kontaktteilen 73, wodurch ein Kurzschluss mit der fixen Elektrode 30 verhindert wird. Und wenn der Vibrator 20 in Kontakt mit den Stoppern 70 kommt, wird der resultierende Aufprall durch die Elastizität der Federteile 72 reduziert, sodass die Biegungsgrade der Kontaktteile 73 reduziert werden oder eine Biegung derselben vollständig verhindert wird.
Im Folgenden wird beschrieben, wie der Spannungssensor 1 gemäß der Ausführungsform betrieben wird. Zuerst wird in dem Spannungssensor 1 eine Wechselspannung an der Treiberelektrode 50 angelegt, wodurch eine elektrostatische Anziehungskraft erzeugt wird. Wenn die Wechselspannung zu der Treiberelektrode 50 zugeführt wird, vibriert der Vibrator 20 mit der vorgeschriebenen Resonanzfrequenz f_r.
In diesem Zustand wird eine Messzielspannung Vm an der fixen Elektrode 30 angelegt. Daraus resultiert, dass eine durch die Gleichung (2) erhaltene elektrostatische Anziehungskraft erzeugt wird und der Vibrator 20 mit einer durch die Gleichung (3) erhaltenen Resonanzfrequenz f_r' vibriert.
Der Berechnungsteil 40 berechnet die Größe der Messzielspannung V_m aus der Resonanzfrequenz f_r'. Um die Resonanzfrequenz f_r' zu messen, muss der Berechnungsteil 40 eine Verschiebung des Vibrators 20 messen. Insbesondere scheint in dem Spannungssensor 1 ein Laserlicht auf den Vibrator 20 und wird eine Verschiebung des Vibrators 20 aus einer Ablenkungsbreite des Reflexionslichts bestimmt (optische Messung).
Alternativ dazu kann in dem Spannungssensor 1 eine Verschiebung des Vibrators 20 aus einer Kapazitätsvariation gemessen werden, die durch eine Variation eines Elektrodenabstands g verursacht wird (elektrische Messung). Eine Verschiebung des Vibrators 20 kann aus einer Kapazitätsvariation entweder unter Verwendung der fixen Elektrode 30 so wie sie gegeben ist oder durch die Anordnung einer anderen parallelen Plattenelektrode eigens für die Verschiebungsmessung gemessen werden.
In dem Spannungssensor 1 gemäß der Ausführungsform ist eine Treiberschaltung (Treiber) 80 mit der Treiberelektrode 50 verbunden. Die Treiberschaltung 80 legt an der Treiberelektrode 50 eine Wechselspannung an, um ein Resonieren des Vibrators 20 zu veranlassen. Insbesondere legt in dieser Ausführungsform die Treiberschaltung 80 an der Treiberelektrode 50 eine Wechselspannung an, die 0 V kreuzt, und vorzugsweise eine Wechselspannung, deren Durchschnitt in der Zeit Zeit (über einen Zyklus) ungefähr gleich 0 V ist.
5A–5D zeigen jeweils erste bis vierte Beispiele der Wechselspannung, die die Treiberschaltung 80 an der Treiberelektrode 50 anlegt. Wie in 5A gezeigt, kreuzt die beispielhafte Wechselspannung 0 V und wird mit einer vorbestimmten positiven (oder negativen) Gleichvorspannung versehen. Deshalb ist der Durchschnitt in der Zeit dieser beispielhaften Wechselspannung nicht ungefähr gleich 0 V.
Wie in 5B gezeigt, ist die zweite beispielhafte Wechselspannung derart, dass sie jedesmal, wenn sie 0 V erreicht, für eine vorbestimmte Zeitdauer ab dem Erreichen von 0 V bei 0 V gehalten wird. Diese beispielhafte Wechselspannung weist also 0 V-Halteperioden auf.
Wie in 5C gezeigt, weist die dritte beispielhafte Wechselspannung positive Teile und negative Teile mit der gleichen Amplitude auf, anstatt mit einer positiven oder negativen Gleichvorspannung versehen zu werden.
Wie in 5D gezeigt, weist die Wechselspannung in einem vierten Beispiel nicht nur positive Teile und negative Teile mit der gleichen Amplitude, sondern auch 0 V-Halteperioden auf, in diesem Beispiel ist die Wechselspannung eine Kombination aus dem zweiten Beispiel (5B) und dem dritten Beispiel (5C).
Indem eine derartige Wechselspannung an der Treiberelektrode 50 angelegt wird, kann eine Variation des auf den Vibrator 20 angelegten effektiven elektrischen Felds aufgrund des Aufladens des Vibrators 20 und des daraus resultierenden Einflusses auf die Resonanzfrequenz unterdrückt werden.
6 ist ein Kurvendiagramm, das zeigt, wie ein Signal in Bezug auf die Frequenz in dem Spannungssensor 1 von 2 variiert. Zum Beispiel wurde eine Wechselspannung wie in 5C gezeigt an der Treiberelektrode 50 angelegt und wurde ein in Reaktion darauf durch den Vibrator 20 erzeugtes Signal erfasst. Wenn die Frequenz variierte, trat wie in 6 gezeigt eine steile Signalvariation mit 22,73 kHz (Resonanzfrequenz) auf.
Wie weiter unten mit Bezug auf 8 beschrieben, wurde die Frequenz (Resonanzfrequenz), mit der eine Signalvariation wie oben genannt auftrat, monoton vermindert, wenn die an der fixen Elektrode 30 angelegte Spannung V_m erhöht wurde. Dies deutet darauf hin, dass der Spannungssensor 1 ausreichend als ein Spannungssensor verwendet werden kann.
7 ist ein Kurvendiagramm, das eine Korrelation zwischen der an der fixen Elektrode 30 angelegten Spannung V_m und der Resonanzfrequenz für den Fall zeigt, dass eine Wechselspannung (0 bis 60 V), die mit einer positiven Gleichvorspannung versehen wurde, an der Treiberelektrode 50 angelegt wurde. Die Wechselspannung wird als eine „Wechselspannung mit einer Versatzspannung von 30 V” bezeichnet.
Entsprechend ist 8 ein Kurvendiagramm, das eine Korrelation zwischen der an der fixen Elektrode 30 angelegten Spannung V_m und der Resonanzfrequenz für den Fall zeigt, dass eine Wechselspannung (–30 bis 30 V), die positive Teile und negative Teile mit der gleichen Amplitude (d. h. mit einem Durchschnitt über die Zeit von 0 V) aufweist, an der Treiberelektrode 50 angelegt wurde. Diese Wechselspannung wird als eine „Wechselspannung mit einer Versatzspannung von 0 V” bezeichnet.
In den Kurvendiagrammen von 7 und 8 wurde eine Resonanzfrequenz 10 mal für jede der an der fixen Elektrode 30 angelegten Spannungen V_m von jeweils 0 V, 20 V, 40 V, 50 V, 60 V und 80 V gemessen. Die Resonanzfrequenzen wurden durch das oben beschriebene elektrische Messverfahren gemessen.
Wenn wie in 7 gezeigt die Wechselspannung mit einer Versatzspannung von 30 V an der Treiberelektrode 50 angelegt wurde, trat eine Messergebnisvariation von ungefähr 0,005 bis 0,013 kHz in jedem der Fälle auf, in denen die an der fixen Elektrode 30 angelegte Spannung V_m jeweils 0 V, 20 V, 40 V, 50 V, 60 V und 80 V betrug.
Wenn im Gegensatz dazu wie in 8 gezeigt die Wechselspannung mit einer Versatzspannung von 0 V an der Treiberelektrode 50 angelegt wurde, trat eine Messergebnisvariation von ungefähr 0,003 kHz auf, wenn die an der fixen Elektrode 30 angelegte Spannung V_m bei 40 V lag. Es wurde jedoch beinahe keine Messergebnisvariation in jedem der anderen Fälle, in denen die Spannung Vm 0 V, 20 V, 50 V, 60 V und 80 V betrug, gefunden.
9 ist ein Kurvendiagramm, das eine Korrelation zwischen der an der fixen Elektrode 30 angelegten Spannung V_m und der Standardabweichung der Resonanzfrequenz jeweils für den Fall, dass die Wechselspannung mit einer Versatzspannung von 30 V an der Treiberelektrode 50 angelegt wurde, und für den Fall, dass die Wechselspannung mit einer Versatzspannung von 0 V an der Treiberelektrode 50 angelegt wurde, zeigt.
Aus 9 geht hervor, dass in dem Fall, in dem die Wechselspannung mit einer Versatzspannung von 30 V an der Treiberelektrode 50 angelegt wurde, die Standardabweichung größer oder gleich 0,0015 kHz war jeweils für den Fall, dass die an der fixen Elektrode 30 angelegte Spannung V_m jeweils 0 V, 20 V, 40 V, 50 V, 60 V und 80 V betrug. Insbesondere wenn die Spannung V_m 80 V betrug, war die Standardabweichung gleich oder etwas niedriger als 0,0035 kHz. Der Durchschnitt der Standardabweichungen, die für den Fall, dass die Wechselspannung mit einer positiven Gleichvorspannung an der Treiberelektrode 50 angelegt wurde, erhalten wurden, war gleich 0,00233 kHz.
Wenn dagegen die Wechselspannung mit einer Versatzspannung von 0 V an der Treiberelektrode 50 angelegt wurde, war die Standardabweichung etwas niedriger als 0,0010 kHz, wenn die an der fixen Elektrode 30 angelegte Spannung V_m bei 40 V lag. Die Standardabweichung war jedoch niedriger als 0,0002 kHz in jedem der anderen Fälle, in denen die Spannung V_m bei jeweils 0 V, 20 V, 50 V, 60 V und 80 V lag. Der Durchschnitt der Standardabweichungen, die für den Fall erhalten wurden, in dem die Wechselspannung mit positiven und negativen Teilen und einem Durchschnitt über die Zeit von 0 V an der Treiberelektrode 50 angelegt wurde, war gleich 0,00019 kHz.
Wie oben beschrieben, wurde der Durchschnitt der Standardabweichungen, die in dem Fall, in dem die Wechselspannung mit einer Versatzspannung von 0 V an der Treiberelektrode 50 angelegt wurde, erhalten wurden, kleiner als 1/10 des Durchschnitts der Standardabweichungen, die in dem Fall, in dem die Wechselspannung mit einer Versatzspannung von 30 V an der Treiberelektrode 50 angelegt wurde, erhalten wurden, sodass also in diesem Fall die Messergebnisvariationen kleiner als in dem ersten Fall waren.
Es ist zu erwarten, dass auch in den Fällen der Wechselspannungen (mit einer Amplitude von 30 V) mit einer Versatzspannung von 10 V oder 20 V die Standardabweichung und damit die Messergebnisvariation kleiner sein würde als in dem Fall der Wechselspannung mit einer Versatzspannung von 30 V.
10 ist eine Tabelle, die Standardabweichungen in den Fällen der Wechselspannungen (mit einer Amplitude von 30 V) mit einer Versatzspannung von 10 V oder 20 V und auch Standardabweichungen in den Fällen der Wechselspannungen (mit einer Amplitude von 30 V) mit einer Versatzspannung von 0 V oder 30 V angibt. 11A–11D zeigen ein Verfahren zum Berechnen von Standardabweichungen in den Fällen der Versatzspannungen von 10 V und 20 V und zeigen weiterhin Wellenformen der Wechselspannungen (mit einer Amplitude von 30 V) mit jeweils den Versatzspannungen von 30 V, 20 V, 10 V und 0 V.
Zuerst wird wie in 11A gezeigt eine Fläche, die durch das Subtrahieren der Fläche eines Teils, in dem die Spannung niedriger als 0 V ist (in dieser Wellenform ist kein derartiger Teil vorhanden), von der Fläche eines Teils (durch das Symbol „+” in 11A angegeben), in dem die Spannung höher als 0 V ist, erhalten wird, als „1” angenommen. In diesem Fall ist wie in 10 gezeigt die Standardabweichung der Resonanzfrequenz gleich 0,00233 kHz.
Wie in 11D gezeigt, ist eine durch das Subtrahieren der Fläche eines Teils (durch das Symbol „–” in 11D angegeben), in dem die Spannung niedriger als 0 V ist, von der Fläche eines Teils (durch das Symbol „+” in 11D angegeben), in dem die Spannung höher als 0 V ist, erhaltene Fläche gleich „0”. In diesem Fall ist wie in 10 gezeigt die Standardabweichung der Resonanzfrequenz gleich 0,00019 kHz.
Standardabweichungen in den Fällen der Versatzspannungen von 10 V und 20 V werden wie weiter unten beschrieben basierend auf den oben genannten Daten in Entsprechung zu den Flächenverhältnissen berechnet. In dem Fall der Versatzspannung von 20 V ist eine Fläche, die durch das Subtrahieren der Fläche eines Teils (durch das Symbol „–” in 11B angegeben), in dem die Spannung niedriger als 0 V ist, von der Fläche eines Teils (durch das Symbol „+” in 11B angegeben), in dem die Spannung höher als 0 V ist, erhalten wird, gleich „0,66”, weil das in dem Fall der Versatzspannung von 30 V (11A) erhaltene Flächensubtraktionsergebnis als „1” angenommen wird. Es kann also gesagt werden, dass die Standardabweichung der Resonanzfrequenz in diesem Fall bei 0,00162 kHz (dieser Wert ist in 10 angegeben) in Entsprechung zu diesem Flächenverhältnis liegt.
In dem Fall der Versatzspannung von 10 V ist eine Fläche, die durch das Subtrahieren der Fläche eines Teils (durch das Symbol „–” in 11C angegeben), in dem die Spannung niedriger als 0 V ist, von der Fläche eines Teils (durch das Symbol „+” in 11C angegeben), in dem die Spannung höher als 0 V ist, erhalten wird, gleich „0,33”, weil das in dem Fall der Versatzspannung von 30 V (11A) erhaltene Flächensubtraktionsergebnis mit „1” angenommen wird. Es kann also gesagt werden, dass die Standardabweichung der Resonanzfrequenz in diesem Fall gleich 0,00090 kHz (dieser Wert ist in 10 angegeben) in Entsprechung zu diesem Flächenverhältnis ist.
Wie hier beschrieben, kann gesagt werden, dass auch in den Fällen von 11B und 11C die Resonanzfrequenzvariation kleiner vorgesehen werden kann als in dem Fall von 11A. Während es also vorteilhaft ist, wenn eine Wechselspannung mit einem Durchschnitt in der Zeit von 0 V an der Treiberelektrode 50 angelegt wird, kann auch gesagt werden, dass bestimmte Vorteile auch dann erhalten werden können, wenn eine Wechselspannung, die 0 V kreuzt, an der Treiberelektrode 50 angelegt wird.
12 ist ein Kurvendiagramm, das eine Korrelation zwischen der an der fixen Elektrode 30 angelegten Spannung V_m und der Resonanzfrequenz für den Fall zeigt, dass eine Wechselspannung mit einer Versatzspannung von 0 V und einer bestimmten 0 V-Halteperiode an der Treiberelektrode 50 angelegt wurde.
Wenn wie in 12 gezeigt eine Wechselspannung, die eine bestimmte 0 V-Halteperiode hatte und deren Durchschnitt über die Zeit bei 0 V lag, an der Treiberelektrode 50 angelegt wurde, wurden keine Messergebnisvariationen jeweils in den Fällen gefunden, in denen die an der fixen Elektrode 30 angelegte Spannung V_m bei 0 V, 20 V, 40 V, 50 V, 60 V und 80 V lag.
13 ist ein Kurvendiagramm, das eine Korrelation zwischen der an der fixen Elektrode 30 angelegten Spannung V_m und der Standardabweichung der Resonanzfrequenz für den Fall, dass die Wechselspannung mit einer Versatzspannung von 0 V (keine Halteperiode) an der Treiberelektrode 50 angelegt wurde, und für den Fall, dass die Wechselspannung mit einer Versatzspannung von 0 V und einer bestimmten 0 V-Halteperiode an der Treiberelektrode 50 angelegt wurde, zeigt.
Wie oben beschrieben war in dem Fall der Wechselspannung ohne eine Halteperiode die Standardabweichung der Resonanzfrequenz etwas niedriger als 0,0010 kHz, wenn die an der fixen Elektrode 30 angelegte Spannung V_m bei 40 V lag und niedriger als 0,0002 kHz (Durchschnitt: 0,00019 kHz) war in jedem der anderen Fälle, in denen die Spannung V_m bei 0 V, 20 V, 50 V, 60 V und 80 V lag.
Dagegen war in dem Fall der Wechselspannung mit einer Halteperiode die Standardabweichung der Resonanzfrequenz niedriger als ungefähr 0,0001 kHz (Durchschnitt: 0,00007 kHz) in allen Fällen, in denen die Spannung V_m bei 0 V, 20 V, 40 V, 50 V, 60 V und 80 V lag.
Wie oben beschrieben war der Durchschnitt der Standardabweichungen der Resonanzfrequenz in dem Fall der Wechselspannung mit einer Halteperiode kleiner als in dem Fall der Wechselspannung ohne eine Halteperiode, sodass also die Messergebnisvariationen in dem ersten Fall viel kleiner waren.
Weil wie oben beschrieben in dem Spannungssensor 1 gemäß der Ausführungsform eine Wechselspannung mit einem Durchschnitt über die Zeit von ungefähr gleich 0 V an der Treiberelektrode 50 angelegt wird, wird der Vibrator 20 nicht in einem elektrischen Feld platziert, das stets eine einzelne Polarität in einer Richtung aufweist. Dadurch kann unterdrückt werden, dass das an dem Vibrator 20 angelegte effektive elektrische Feld aufgrund des Aufladens des Vibrators 20 variiert wird, sodass also ein Einfluss der Resonanzfrequenz verhindert werden kann. Daraus resultiert, dass eine Fluktuation oder eine Tendenz der Messergebnisse reduziert werden kann. Und weil kein Pockels-Element, keine Viertelwellenplatte, kein Polarisierer, kein Analysierer und keine anderen Komponenten erforderlich sind und außerdem keine Ausrichtung der optischen Achse durchgeführt werden muss, können eine Vergrößerung der Anzahl von Komponenten und eine Verkomplizierung der Montagearbeit verhindert werden. Es kann also eine Fluktuation oder eine Tendenz der Messergebnisse reduziert werden und es können außerdem eine Vergrößerung der Anzahl von Komponenten und eine Verkomplizierung der Montagearbeit verhindert werden.
Die Wechselspanung kann derart sein, dass sie bei jedem Erreichen von 0 V für eine beim Erreichen von 0 V beginnende Zeitdauer bei 0 V gehalten wird. Dadurch wird der Aufladegrad des Vibrators 20 vermindert und kann entsprechend eine Fluktuation oder Tendenz von Messergebnissen weiter reduziert werden.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand einer Ausführungsform beschrieben, wobei die Erfindung jedoch nicht auf die hier beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, an der verschiedene Modifikationen durchgeführt werden können, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.
Zum Beispiel weist der Vibrator 20 in der Ausführungsform eine lange und schmale Form auf, wobei die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist und der Vibrator 20 auch andere Formen wie etwa eine Ringform aufweisen kann. Der Vibrator 20 kann eine beliebige Form aufweisen, solange dabei eine Spannnungsmessung gemäß dem Betriebsprinzip von 1 möglich ist. Zum Beispiel kann ein ringförmiger Vibrator verwendet werden, der in einem Weinglasmodus vibriert wird.
In der Ausführungsform weisen der Vibrator 20 und die Treiberelektrode 50 jeweils die Kammzahnelektroden 21 und die Kammzahnelektroden 51 auf, wobei die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist. Der Vibrator 20 und die Treiberelektrode 50 müssen nicht die Kammzahnelektroden 21 und die Kammzahnelektroden 51 aufweisen, wenn der Vibrator 20 vibriert werden kann, indem eine ausreichend starke elektrostatische Anziehungskraft erzeugt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016-199722 [0001]
JP 3-146875 A [0003, 0004]
JP 2013-228367 A [0005, 0006, 0007, 0008]

Claims

Spannungssensor, der umfasst: einen Vibrator, der konfiguriert ist, um durch einen mechanischen Halteteil gehalten zu werden und mit einem Schwebepotential versehen zu werden, eine Treiberelektrode, die konfiguriert ist, um in Nachbarschaft zu dem Vibrator angeordnet zu werden und den Vibrator mit einer angelegten Wechselspanung resonieren zu lassen, einen Treiber, der konfiguriert ist, um eine Wechselspannung, die 0 V kreuzt, an der Treiberelektrode anzulegen, eine fixe Elektrode, die konfiguriert ist, um in Nachbarschaft zu dem Vibrator mit einem Zwischenraum zwischen der fixen Elektrode und dem Vibrator angeordnet zu werden, und einen Berechner, der konfiguriert ist, um eine Größe einer Messzielspannung basierend auf einer Änderung einer Resonanzfrequenz des Vibrators zu erfassen, wenn die Messzielspannung an der fixen Elektrode angelegt wird.
Spannungssensor nach Anspruch 1, wobei der Treiber an der Treiberelektrode eine bei 0 V gehaltene Wechselspannung jedesmal, wenn die Wechselspannung 0 V erreicht, für eine vorgeschriebene Zeitdauer ab dem Zeitpunkt, zu dem die Wechselspannung 0 V erreicht, anlegt.
Spannungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Treiber an der Treiberelektrode eine Wechselspannung anlegt, deren Durchschnitt in der Zeit über einen Zyklus bei ungefähr 0 V liegt.