JP2021060280A

JP2021060280A - 電圧センサ

Info

Publication number: JP2021060280A
Application number: JP2019184575A
Authority: JP
Inventors: 和義加々美; Kazuyoshi Kagami
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2019-10-07
Filing date: 2019-10-07
Publication date: 2021-04-15

Abstract

【課題】静電容量の変化量に基づいて電圧を測定するにあたり測定精度をより向上させることができる電圧センサを提供する。【解決手段】電圧センサ１は、円形状のリング部２１とリング部２１の一側及び他側に設けられた２つの第１電極部２２とを有する振動子２０と、振動子２０に対して所定の隙間を介して配置された固定電極３０と、２つの第１電極部２２と対向配置された２つの第２電極部４１を有し、交流の駆動電圧が印加される駆動電極４０と、を備え、固定電極３０に測定対象となる電圧Ｖｍを印加することで静電引力を振動子２０に作用させ、対向配置される第１及び第２電極部２２，４１の容量成分の変化に基づいて、測定対象である電圧Ｖｍを測定するものであって、対向配置される２つの第１及び第２電極部２２，４１のうち、一方は、第１電極部２２のリング外側方向に第２電極部４１が配置され、他方は、第１電極部２２のリング内側方向に第２電極部４１が配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、電圧センサに関する。

従来、機械的なサスペンションによって支持された振動子と、この振動子にある隙間を介して対向配置された固定電極と、を具備し、固定電極に測定対象である電圧を印加することで、静電引力を振動子に作用させ、振動子の共振周波数が変化することで、測定対象である電圧を算出する電圧センサが提案されている（特許文献１参照）。

この電圧センサでは、測定対象となる電圧が固定電極に印加されると、この電圧による静電引力により、実質的にサスペンションのバネ定数が変化することとなり、振動子の共振周波数が変化することとなる。この変化は、測定対象となる電圧の大きさに相関があることから、変化した共振周波数から測定対象となる電圧の値を測定することができる。

特開２０１３−２２８３６７号公報

ここで、本件発明者は、共振周波数の変化ではなく、静電容量の変化に基づいて測定対象となる電圧を測定することを研究している。静電容量の変化に基づいて測定を行う場合、測定対象となる電圧が固定電極に印加されていない状態を基準とし、基準に対してどれだけ静電容量が変化したかを測定することとなる。

しかし、静電容量の変化量については非常に小さいことから、電圧の測定精度についても低くなり易い傾向がある。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、静電容量の変化量に基づいて電圧を測定するにあたり測定精度をより向上させることができる電圧センサを提供することにある。

本発明の電圧センサは、機械的な支持手段によって支持された円形状又は略円形状のリング部と前記リング部の一側及び他側に設けられた２つの第１電極部とを有する振動子と、前記振動子に対して所定の隙間を介して配置された固定電極と、前記固定電極と異なる位置に配置されると共に、前記２つの第１電極部と対向配置された２つの第２電極部を有し、交流の駆動電圧が印加される駆動電極と、を備え、前記固定電極に測定対象となる電圧を印加することで静電引力を前記振動子に作用させ、対向配置される前記第１及び第２電極部の容量成分の変化に基づいて、測定対象である電圧を測定する電圧センサであって、対向配置される前記２つの第１及び第２電極部のうち、一方は、前記第１電極部のリング外側方向に前記第２電極部が配置され、他方は、前記第１電極部のリング内側方向に前記第２電極部が配置されている。

本発明によれば、固定電極に測定対象である電圧が印加されると、リング部に撓みが生じて第１及び第２電極部間の静電容量が変化する。特に、対向配置される２つの第１及び第２電極部のうち、一方は、第１電極部のリング外側方向に第２電極部が配置され、他方は、第１電極部のリング内側方向に第２電極部が配置されている。このため、リング部の撓みによって一方側の静電容量が大きくなるときには、他方側の静電容量が小さくなり、両者の差等を利用することで、静電容量の変化量を大きく捉えることができる。従って、測定対象である電圧の測定精度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る電圧センサの原理を示す基本構成図である。本実施形態に係る電圧センサを示す概略構成図である。図２に示したリング部の撓みの様子を示す概念図である。比較例に係る電圧センサを示す概略構成図である。本実施形態に係る電圧センサの検出回路の一例を示す回路図である。

以下、本発明を好適な実施形態に沿って説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態においては、一部構成の図示や説明を省略している箇所があるが、省略された技術の詳細については、以下に説明する内容と矛盾が発生しない範囲内において、適宜公知又は周知の技術が適用されていることはいうまでもない。

図１は、本発明の実施形態に係る電圧センサの原理を示す基本構成図である。図１に示すように、基本原理に係る電圧センサＶＳは、機械的なサスペンションＶＳ１と、振動子ＶＳ２と、固定電極ＶＳ３と、演算部ＶＳ４とから構成されている。

サスペンションＶＳ１は、振動子ＶＳ２を支持するものであって、所定のバネ定数を有するものである。振動子ＶＳ２は、サスペンションＶＳ１により支持された平板電極である。

固定電極ＶＳ３は、振動子ＶＳ２にある隙間を介して対向配置された平板電極であり、振動子ＶＳ２とは平行平板電極の関係を有している。なお、両者間の初期ギャップをｇとする。

このような電圧センサＶＳにおいて固定電極ＶＳ３に測定対象となる電圧が印加されたとする。このとき、固定電極ＶＳ３から振動子ＶＳ２に対して静電引力が付与されて両者間のギャップが距離ｘだけ変位する。これにより、振動子ＶＳ２と固定電極ＶＳ３との間の静電容量も変化する。

演算部ＶＳ４は、このような静電容量の変化から測定対象となる電圧を算出することができる。

なお、演算部ＶＳ４が静電容量の変化を信号として捉えるために、振動子ＶＳ２には交流電圧が印加される。この結果、振動子ＶＳ２は、サスペンションＶＳ１の弾性力により振動することとなる。

図２は、本実施形態に係る電圧センサ１を示す概略構成図である。図２に示すように、電圧センサ１は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）加工技術を利用して作成されるマイクロ電圧センサであって、基板Ｂに対して、支持手段１０、振動子２０、２つの固定電極３０、２つの駆動電極４０を備えている。さらに、電圧センサ１は、演算部５０についても備えている。

支持手段１０は、振動子２０を支持するものである。なお、後述するように支持手段１０のうち１つは検出用電極ＤＥとして機能する。本実施形態に係る振動子２０は、リング部２１と、２つの電極部（第１電極部）２２とを備えている。リング部２１は、円形状（例えば真円若しくは楕円）又は略円形状（例えば真円や楕円に近い多角形）の部材であって、支持手段１０によって支持されることで浮いた状態となっている。なお、以下の説明においてリング部２１は円形状（真円）であるものとして説明する。２つの電極部２２は、リング部２１を挟むように、リング部２１の一側と他側とのそれぞれに１つずつ設けられた電極である。この２つの電極部２２は、それぞれが多数の歯を有する櫛歯形状となっている。

２つの固定電極３０は、測定対象となる電圧Ｖｍが印加される被測定電極である。これら２つの固定電極３０は、電圧センサ１を平面視して、一側と他側とを結ぶ方向に対して直角方向にそれぞれ１つずつ配置されている。また、固定電極３０は、円形状の振動子２０の外形に併せて、円弧形状となっており、円弧内側部位３１が振動子２０と所定の隙間を空けて対向配置されている。

２つの駆動電極４０は、２つの固定電極３０とは異なる位置に配置されており、具体的にはリング部２１を挟むように、リング部２１の一側と他側とのそれぞれに１つずつ設けられている。これらの駆動電極４０は、それぞれ電極部（第２電極部）４１を備えている。電極部４１は、振動子２０の電極部２２と対向配置されている。より詳細に２つの電極部４１は、それぞれが多数の歯を有する櫛歯形状となっており、電極部２２の櫛歯と噛み合うように配置されている。

図３は、図２に示したリング部２１の撓みの様子を示す概念図である。図３に示すように、２つの固定電極３０に対して測定対象となる電圧Ｖｍが印加されると、固定電極３０からリング部２１に対して静電引力が付与されてリング部２１の形状が変化する。これにより、リング部２１は例えば縦長の楕円形状となる。

このようなリング部２１の形状変化によって、駆動電極４０の電極部４１と、振動子２０の電極部２２との対向面積が変化して静電容量も変化することとなる。なお、リング部２１は、このような形状変化時において位置が変化し難い部分（節）ＱＰに指示手段１０が接続されている。

図４は、比較例に係る電圧センサを示す概略構成図である。図４に示すように、比較例に係る電圧センサ１００は、リング部１２１の一側と他側とで対称構造となっていた。ここで、固定電極１３０に対して測定対象となる電圧Ｖｍが印加されていない場合における電極部１２２，１４１同士の静電容量をＣ１と仮定する。

固定電極１３０に対して測定対象となる電圧Ｖｍが印加されると、例えば図３に示したリング部２１が縦長となる。この場合、一側と他側との双方において、電極部１２２，１４１の櫛歯同士の噛み合いが浅くなり、電極部１２２，１４１同士の対向面積が小さくなる。この結果、静電容量はＣ１−αとなり、静電容量の変化量はαだけとなる。

比較例に係る電圧センサ１００は、演算部１５０が静電容量の変化量であるαに基づいて測定対象となる電圧Ｖｍを算出することとなる。ここで、電圧の測定精度（算出精度）を向上させるためには、変化量を大きくとらえることが好ましい。

そこで、本実施形態に係る電圧センサ１は、図２に示すように、リング部２１の一側と他側とにおいて電極部２２，４１の配置が非対称となっている。すなわち。リング部２１の一側においては、電極部２２のリング外側方向に電極部４１が配置されている。一方、リング部２１の他側においては、電極部２２のリング内側方向に電極部４１が配置されている。

図５は、本実施形態に係る電圧センサ１の検出回路の一例を示す回路図である。なお、図５においては検出回路の構成上、図２に示す一側の駆動電極４０ａと他側の駆動電極４０ｂとにはそれぞれ逆位相の交流電圧が印加されるものとする。

図２及び図５に示すように、一側の駆動電極４０ａには、交流電圧Ｖ１が印加される。交流信号は、第１センサ（一側の電極部２２，４１）Ｓ１を介して、検出用電極ＤＥに至る。また、他側の駆動電極４０ｂには、交流電圧Ｖ１と逆位相の交流電圧Ｖ２が印加される。逆位相の交流信号は、第２センサ（他側の電極部２２，４１）Ｓ２を介して、検出用電極ＤＥに至る。検出用電極ＤＥは、図５に示すローパスフィルタ回路ＬＦＣに接続されており、ノイズ成分がカットされたうえで演算部５０に入力される。

ここで、図３に示すようにリング部２１が変形した場合、第１センサＳ１は櫛歯同士の噛み合いが浅くなり、電極部２２，４１同士の対向面積が小さくなる。よって、静電容量も小さくなる（例えばＣｌ−αとなる）。一方、図３に示すようにリング部２１が変形した場合、第２センサＳ２は櫛歯同士の噛み合いが深くなり、電極部２２，４１同士の対向面積が大きくなる。よって、静電容量も大きくなる（例えばＣｌ＋αとなる）。

図５に示す検出回路において、ローパスフィルタ回路ＬＦＣの入力部には、上記の第１センサＳ１と第２センサＳ２との差分に相当する信号が入力される。よって、静電容量の変化量を大きな値（２α）としてとらえることができ、測定精度の向上を図ることができる。

次に、本実施形態に係る電圧センサ１の動作を説明する。まず、本実施形態の電圧センサ１において駆動電極４０には交流電圧が印加される。この交流電圧は第１及び第２センサＳ１，Ｓ２の静電容量を捉えるために印加される。この時点において、静電容量の変化量はゼロとなる。なお、交流電圧によって振動子２０は振動することとなる。

次いで、固定電極３０に測定対象となる電圧Ｖｍが印加されたとする。これにより、静電引力が発生してリング部２１は形状変化を起こす。さらに、この形状変化に伴って第１センサＳ１と第２センサＳ２との静電容量が変化する。特に、静電容量は、第１センサＳ１と第２センサＳ２とで異なる変化（増減逆方向となる変化）を起こすことから、両者のセンサＳ１，Ｓ２によって静電容量の変化量を大きく捉えることができる。

演算部５０は、このような大きく捉えられた静電容量の変化量に基づいて、測定対象となる電圧Ｖｍの大きさを演算することとなる。

このようにして、本実施形態に係る電圧センサ１によれば、固定電極３０に測定対象である電圧Ｖｍが印加されると、リング部２１に撓みが生じて第１及び第２電極部２２，４１間の静電容量が変化する。特に、対向配置される２つの第１及び第２電極部２２，４１のうち、一方は、第１電極部２２のリング外側方向に第２電極部４１が配置され、他方は、第１電極部２２のリング内側方向に第２電極部４１が配置されている。このため、リング部２１の撓みによって一方側の静電容量が大きくなるときには、他方側の静電容量が小さくなり、両者の差等を利用することで、静電容量の変化量を大きく捉えることができる。従って、測定対象である電圧Ｖｍの測定精度を向上させることができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。

例えば、本実施形態において電極部２２，４１は櫛歯形状となっているが、特に櫛歯形状に限らず、平板電極であってもよい。

加えて、上記実施形態において２つの駆動電極４０は、２つの固定電極３０を結ぶ方向に対して直角となる位置にそれぞれ配置されているが、特に直角に限らず、やや傾いた位置に配置されていてもよい。この場合、２つの駆動電極４０はリング部２１の節ＱＰと対向しないように、配置することが好ましい。

さらに、上記実施形態において固定電極３０は、２つである例を説明したが、特に個数は２つに限られるものではない。さらに、固定電極３０は、円形状又は略円形状の振動子２０の外側に設けられる場合に限らず、内側に設けられていてもよい。

加えて、図５に示す例において駆動電極４０には逆位相の交流電圧が印加されているが、これに限らず、検出回路の構成によっては同位相の交流電圧が印加されるものであってもよい。この場合、例えば第１センサＳ１の信号を差動増幅回路の一方の端子に入力させ、第２センサＳ２の信号を差動増幅回路の他方の端子に入力させる等すればよい。さらには、第１センサＳ１及び第２センサＳ２の信号を直接マイコンが入力して演算等を行うようにしてもよい。

１：電圧センサ
１０：支持手段
２０：振動子
２１：リング部
２２：電極部（第１電極部）
３０：固定電極
４０：駆動電極
４１：電極部（第２電極部）
５０：演算部
ＤＥ：検出用電極
ＬＦＣ：ローパスフィルタ回路

Claims

機械的な支持手段によって支持された円形状又は略円形状のリング部と前記リング部の一側及び他側に設けられた２つの第１電極部とを有する振動子と、前記振動子に対して所定の隙間を介して配置された固定電極と、前記固定電極と異なる位置に配置されると共に、前記２つの第１電極部と対向配置された２つの第２電極部を有し、交流の駆動電圧が印加される駆動電極と、を備え、前記固定電極に測定対象となる電圧を印加することで静電引力を前記振動子に作用させ、対向配置される前記第１及び第２電極部の容量成分の変化に基づいて、測定対象である電圧を測定する電圧センサであって、
対向配置される前記２つの第１及び第２電極部のうち、一方は、前記第１電極部のリング外側方向に前記第２電極部が配置され、他方は、前記第１電極部のリング内側方向に前記第２電極部が配置されている
ことを特徴とする電圧センサ。