JP2021060281A

JP2021060281A - 電圧センサ

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Publication number: JP2021060281A
Application number: JP2019184576A
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】測定対象となる電圧の値の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、機械的な支持手段１０によって支持された振動子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、固定電極３０と異なる位置に配置され、振動子２０を振動させるために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、当該振動子２０の共振周波数が変化することで、測定対象となる電圧Ｖｍを測定する。振動子２０は、少なくとも一部が、温度が高まるに従って共振周波数が減少傾向にある物質と、温度が高まるに従って共振周波数が増加傾向にある物質との２層構造とされている。【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とな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、測定対象とな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

しかし、特許文献１に記載の電圧センサでは、温度によっても共振周波数が変化してしまう。図９は、印加電圧と共振周波数との相関を示すグラフである。図９に示すように、周囲温度が−４０℃である場合、印加電圧が０Ｖのとき、共振周波数は約７２．３ｋＨｚであり、印加電圧が４００Ｖのとき、共振周波数は約７２．２９ｋＨｚである。また、印加電圧が８００Ｖのとき、共振周波数は約７２．２５ｋＨｚであり、印加電圧が１０００Ｖのとき、共振周波数は約７２．２２ｋＨｚである。

これに対して、周囲温度が２０℃である場合、印加電圧が０Ｖのとき、共振周波数は約７２．１５ｋＨｚであり、印加電圧が４００Ｖのとき、共振周波数は約７２．１４ｋＨｚである。また、印加電圧が８００Ｖのとき、共振周波数は約７２．０９ｋＨｚであり、印加電圧が１０００Ｖのとき、共振周波数は約７２．０５ｋＨｚである。

また、周囲温度が１００℃である場合、印加電圧が０Ｖのとき、共振周波数は約７１．９５ｋＨｚであり、印加電圧が４００Ｖのとき、共振周波数は約７１．９４ｋＨｚである。また、印加電圧が８００Ｖのとき、共振周波数は約７１．９ｋＨｚであり、印加電圧が１０００Ｖのとき、共振周波数は約７１．８５ｋＨｚである。

このように、特許文献１に記載の電圧センサは、温度によっても共振周波数が変化してしまうことから、温度環境の変化によって測定対象となる電圧の値が不正確に測定されてしまう可能性もあり、測定精度について向上の余地を残すものであった。

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、測定対象となる電圧の値の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、前記振動子を振動させるために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、当該振動子の共振周波数が変化することで、測定対象となる電圧を測定する電圧センサであって、前記振動子は、少なくとも一部が、温度が高まるに従って共振周波数が減少傾向にある物質と、温度が高まるに従って共振周波数が増加傾向にある物質とを含んで構成されている。

本発明によれば、振動子は、少なくとも一部が、温度が高まるに従って共振周波数が減少傾向にある物質と、温度が高まるに従って共振周波数が増加傾向にある物質とを含んで構成されているため、温度変化に対する共振周波数の変化を相殺することとなり、温度環境による測定精度の低下を抑えることができる。従って、測定対象となる電圧の値の測定精度をより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振動の様子を示す概念図である。リング部を示す斜視図である。図４に示したリング部の一部切り欠き拡大斜視図である。シリコンの温度特性を示す理論グラフであり、温度と共振周波数との相関を示している。二酸化ケイ素の温度特性を示す理論グラフであり、温度と共振周波数との相関を示している。振動子の全体に対する二酸化ケイ素の割合を示すグラフであって、二酸化ケイ素の割合と共振周波数の差（−４０℃と１００℃との差）との相関を示している。印加電圧と共振周波数との相関を示すグラフである。

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る。このサスペンションＶＳ１のバネ定数をｋとする。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り、サスペンションＶＳ１の弾性力により振動可能となっている。この振動子ＶＳ２の質量をｍとする。

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、振動子ＶＳ２と固定電極ＶＳ３との向かい合った面積をＳとする。また、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において振動子ＶＳ２に交流電圧が印加されると、振動子ＶＳ２はサスペンションＶＳ１の弾性力により固定電極ＶＳ３との距離が増減する方向（図中左右方向）に振動する。このとき、振動子ＶＳ２は、

なる関係式（１）に基づく共振周波数ｆ_ｒで振動することとなる。

さらに、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距離ｘだけ変位する。静電引力は、式（２）に示す等価バネ定数ｋ_ｅとして表わすことができる。

なお、式（２）においてε_０はギャップｇ間の誘電率であり、Ｖは測定対象となる電圧である。

これにより、振動子ＶＳ２は式（３）に示す共振周波数ｆ_ｒ’で振動することとなる。

ここで、式（２）の等価バネ定数ｋ_ｅは、固定電極ＶＳ３に印加される電圧Ｖの大きさに応じて変化することから、式（３）に示す共振周波数ｆ_ｒ’についても電圧Ｖの大きさを反映したものとなる。

よって、演算部ＶＳ４は、振動子ＶＳ２の共振周波数ｆ_ｒ’から測定対象となる電圧を算出することができる。

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。本実施形態に係る振動子２０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振動子２０は円形状（真円）であるものとして説明する。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。これらの固定電極３０は、円形状の振動子２０を挟むように配置されている。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、円形状の振動子２０を挟むように、且つ、２つの固定電極３０とは異なる位置に配置されており、振動子２０を振動させるために同位相の交流の駆動電圧が印加されるものである。より詳細に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、平面視して（すなわち図２に示す上面からみた場合に）直角となる方向にそれぞれ配置されている。また、振動子２０は、円形状のリング部２１と、リング部２１から側方（上記直角となる方向）に突出する２つの櫛歯部２２を備えている。２つの駆動電極４０は、これら２つの櫛歯部２２が有する櫛歯とかみ合うように櫛歯形状の櫛歯部４１を備え、振動子２０を効率的に振動させるようになっている。なお、図２に示す例において櫛歯部２２及び駆動電極４０はリング部２１の外側に設けられているが、これに限らず、双方がリング部２１の内側に設けられていてもよい。

図３は、図２に示したリング部２１の振動の様子を示す概念図である。図３に示すように、２つの駆動電極４０に対して同位相の交流の駆動電圧が印加されると、２つの駆動電極４０を結ぶ直線上において、円内側方向にリング部２１を縮めるように力が作用し、その後、円外側方向にリング部２１を拡げるように力が作用し、これが繰り返されることとなる。このため、円内側方向に力が作用した場合には、リング部２１は図３において縦長の楕円形状となり、円外側方向に力が作用した場合には、リング部２１は図３において横長の楕円形状となる。このようにリング部２１は、縦長の楕円形状と横長の楕円形状とを交互に繰り返すようなワイングラスモードの振動をすることとなる。なお、リング部２１が円形状であるためその剛性が高く、ここでの振動によるリング部２１の形状変化量は１ｎｍ程度であり、特許文献１等に記載の並進型の振動子の振動（変位量３μｍ）よりも小さい振動をすることとなる。

さらに、本実施形態において上記支持手段１０は４つであり、４つの支持手段１０は、振動子２０のうち振動振幅が最小となる４つの節ＱＰに接続されている。このため、４つの支持手段１０は、円形状の振動子２０の振動を阻害し難くなっている。なお、支持手段１０は、振動子２０を支持できれば、４つに限らず、１つ、２つ又は３つであってもよい。

ここで、振動子２０の共振周波数ｆ_０は、以下の式となる。

ｉは、振動モードによって決まるパラメータ（ワイングラスモード共振ではｉ＝２）であり、Ｒは、リング部２１の半径であり、Ｅはヤング率であり、Ｉは断面二次モーメントである。また、ｍはリング円周の単位長さあたりの質量であり、ｈはリング高さであり、ｗはリング幅である。

図４はリング部２１を示す斜視図である。図４に示すように、詳細には、ｗがリング部２１の径方向の厚みを示し、ｈが径方向を含む平面に対して垂直となる長さを示し、リング部２１の半径を示すＲは、リング部２１の中心点から、リング部２１の幅中央までの距離を示す。

上記のような共振周波数ｆ_０は、図１を参照して説明した例と同様に、２つの固定電極３０に測定対象となる電圧Ｖｍが印加されると、この電圧Ｖｍの大きさに応じて変化する。演算部５０は、この変化から測定対象となる電圧Ｖｍを演算により求めることとなる。

さらに、本実施形態に係るリング部２１は２つの物質（図５に示す符号２１ａ，２１ｂ）で構成されている。図５は、図４に示したリング部２１の一部切り欠き拡大斜視図である。なお、図５では、図４に示した破線部分を拡大している。

図５に示すように、リング部２１は、物質２１ａと物質２１ｂとを含んで構成されている。物質２１ａは、温度が高まるに従って共振周波数ｆ_０が減少傾向にあるものであって、例えばシリコンである。物質２１ｂは、温度が高まるに従って共振周波数ｆ_０が増加傾向にあるものであって、例えば二酸化ケイ素である。本実施形態においては、物質２１ａの周囲を物質２１ｂで覆った２層構造となっている。なお、可能であれば、リング部２１は、３種以上の物質で構成されていてもよい。

図６は、シリコンの温度特性を示す理論グラフであり、温度と共振周波数ｆ_０との相関を示している。図６に示すように、シリコンのみで振動子２０を構成した場合には、温度が高くなるに従って、共振周波数ｆ_０が単調減少するようになっており、その近似式はｙ（共振周波数）＝−０．００３４ｘ（温度）＋１０１．５６となる。

図７は、二酸化ケイ素の温度特性を示す理論グラフであり、温度と共振周波数ｆ_０との相関を示している。図７に示すように、二酸化ケイ素のみで振動子２０を構成した場合には、温度が高くなるに従って、共振周波数ｆ_０が単調増加するようになっており、その近似式はｙ（共振周波数）＝０．００６２ｘ（温度）＋６７．２６２となる。

本実施形態に係る振動子２０は、物質２１ａと物質２１ｂとの２層構造とすることで、温度上昇に対する共振周波数ｆ_０の変化を相殺することとなり、温度環境による測定精度の低下を抑えるようになっている。

なお、振動子２０は、その全体が２層構造となっている場合に限らず、少なくとも一部が２層構造となっていればよい。例えばリング部２１のみが２層構造となっていてもよいし、櫛歯部２２のみが２層構造となっていてもよい。

図８は、振動子２０の全体に対する二酸化ケイ素の割合を示すグラフであって、二酸化ケイ素の割合と共振周波数ｆ_０の差（−４０℃と１００℃との差）との相関を示している。図６に示したシリコンの温度特性と図７に示した二酸化ケイ素の温度特性からすると、両者は丁度良いバランスで使用されることが好ましい。

図８に示すように、振動子２０の全体に対する二酸化ケイ素の割合が約１３％である場合、−４０℃と１００℃との共振周波数ｆ_０の差は約−０．２４となる。また、振動子２０の全体に対する二酸化ケイ素の割合が約２５％である場合、−４０℃と１００℃との共振周波数ｆ_０の差は約−０．０７となり、振動子２０の全体に対する二酸化ケイ素の割合が約３０％である場合、−４０℃と１００℃との共振周波数ｆ_０の差は約−０．０２となる。

さらに、振動子２０の全体に対する二酸化ケイ素の割合が約３５％である場合、−４０℃と１００℃との共振周波数ｆ_０の差は約０．０５となり、振動子２０の全体に対する二酸化ケイ素の割合が約４７％である場合、−４０℃と１００℃との共振周波数ｆ_０の差は約０．１４となる。

このような結果からすると、温度が−４０℃から１００℃まで変化した場合であっても共振周波数の変化を±０．１ｋＨｚに収めるためには、二酸化ケイ素の体積が振動子２０の全体の体積の２０％以上４０％以下とされていることが好ましいといえる。

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。これにより、駆動電極４０の電圧により静電引力が発生し、電圧が交流であることから振動子２０は所定の共振周波数ｆ_０を持ち振動することとなる。

このとき、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、式（２）に示した静電引力が発生して共振周波数ｆ_０が変化し、振動子２０は変化した共振周波数ｆ_０で振動することとなる。

演算部５０は、この変化後の共振周波数ｆ_０から測定対象となる電圧Ｖｍの大きさを演算することとなる。なお、演算部５０は、共振周波数ｆ_０を測定するために振動子２０の変位量を測定する必要がある。この際、電圧センサ１は振動子２０にレーザ光を照射し、反射光の振れ幅から振動子２０の変位量を求めることとなる。また、電圧センサ１は、電極ギャップｇが変化することによる静電容量の変化から振動子２０の変位量を計測するようにしてもよい。なお、静電容量から変位量を求める場合、固定電極３０をそのまま利用してもよいし、別途変位量を測定するための平行平板電極を設置してもよい。

また、上記のような電圧センサ１が使用される環境において温度変化があったとしても、この温度変化は物質２１ａ，２１ｂによって相殺されることから、温度変化による共振周波数ｆ_０の変化を抑えることとなる。

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、振動子２０は、少なくとも一部が、温度が高まるに従って共振周波数が減少傾向にある物質２１ａと、温度が高まるに従って共振周波数が増加傾向にある物質２１ｂとを含んで構成されているため、温度変化に対する共振周波数ｆ_０の変化を相殺することとなり、温度環境による測定精度の低下を抑えることができる。従って、測定対象となる電圧Ｖｍの値の測定精度をより向上させることができる。

また、振動子２０は、シリコン上に二酸化ケイ素が設けられた２層構造であって、二酸化ケイ素の体積は、振動子２０全体の体積の２０％以上４０％以下とされているため、温度が−４０℃から１００℃まで変化した場合であっても共振周波数ｆ_０の変化を±０．１ｋＨｚに収めることができ、測定対象となる電圧Ｖｍの値の測定精度をより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振動子２０と駆動電極４０とは、櫛歯部２２，４１を備えているが、これに限らず、充分に静電引力を発生させて振動子２０を振動させることができれば、特に櫛歯部２２，４１を備えていなくともよい。

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つの固定電極３０とリング部２１の節ＱＰとが対向しないように、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。

さらに、上記実施形態において駆動電極４０は、２つである例を説明したが、例えば駆動電極４０は、１つだけ設けられていてもよいし、互いに９０°離間するように４つ設けられていてもよい。すなわち、駆動電極４０の個数は２つに限られるものではない。

加えて、上記実施形態において駆動電極４０は、振動子２０を挟んで対向する位置に２つ設けられている関係上、同位相の交流電圧が印加されているが、これに限らず、例えば２つの駆動電極４０が９０°離間して配置されている場合には、逆位相となる交流電圧が印加されてもよい。これによっても、円形状等の振動子２０を押しつぶしたり押し広げたりするワイングラスモードの振動を実現できるからである。また、２つの駆動電極４０は９０°離間する形態に限られず、配置角度によって交流電圧の位相を適切に調整すれば、円形状等の振動子２０を押しつぶしたり押し広げたりするワイングラスモードの振動を実現することができる。

なお、円形状等の振動子２０を押しつぶしたり押し広げたりするワイングラスモードの振動については、２つ以上の駆動電極４０が必須ではなく、例えば１つの駆動電極４０と、４つの支持手段とによっても可能である。この場合、４つの支持手段は、９０°間隔でそれぞれ離間しており、１つの駆動電極４０は、いずれかの隣接する２つの支持手段によって支持される箇所の中間地点あたりに対して静電引力を付与すれば、ワイングラスモードの振動が可能となる。

さらに、本実施形態において振動子２０は、円形状又は略円形状の部分を有して構成されているが、これに限らず、振動子は一方向に延びて形成された平板電極に櫛歯部２２が形成されたものであってもよい。また、可能であれば、他の形状であってもよい。

１：電圧センサ
１０：支持手段
２０：振動子
２１：リング部
２１ａ，２１ｂ：物質
３０：固定電極
４０：駆動電極
ｆ_０：共振周波数

Claims

機械的な支持手段によって支持された振動子と、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、前記振動子を振動させるために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、当該振動子の共振周波数が変化することで、測定対象となる電圧を測定する電圧センサであって、
前記振動子は、少なくとも一部が、温度が高まるに従って共振周波数が減少傾向にある物質と、温度が高まるに従って共振周波数が増加傾向にある物質とを含んで構成されている
ことを特徴とする電圧センサ。
温度が高まるに従って共振周波数が減少傾向にある物質は、シリコンであり、
温度が高まるに従って共振周波数が増加傾向にある物質は、二酸化ケイ素であり、
前記振動子は、シリコン上に二酸化ケイ素が設けられた２層構造であって、
二酸化ケイ素の体積は、前記振動子全体の体積の２０％以上４０％以下とされている
ことを特徴とする請求項１に記載の電圧センサ。