JP2021089149A

JP2021089149A - 電圧センサ

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Publication number: JP2021089149A
Application number: JP2019217834A
Authority: JP
Inventors: 洋貴杉山; Hiroki Sugiyama
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2021-06-10

Abstract

【課題】感度低下及び大型化を抑えつつも、高電圧の測定を行うことが可能な電圧センサを提供する。【解決手段】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に対して所定のギャップを介して対向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を測定する電圧センサ１であって、固定電極３０と振動子２０とは、少なくとも互いの対向面が絶縁膜Ｉによって覆われている。【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、この振動子に対して所定のギャップ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。

特許第６３７０８３２号公報

しかし、特許文献１に記載のような電圧センサは、振動子と固定電極とのギャップが例えばマイクロメートルオーダーに小さいことから、固定電極に高電圧が印加された場合には振動子への放電が発生して素子破壊を招き得ることから、高電圧の測定が困難となっている。そこで、放電が発生し難いように、振動子と固定電極とのギャップを広げることが考えられるが、この場合には、電圧センサの感度低下及び大型化を招いてしまう。

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、感度低下及び大型化を抑えつつも、高電圧の測定を行うことが可能な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ギャップを介して対向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、前記固定電極と前記振動子とは、少なくとも互いの対向面が絶縁膜によって覆われている。

本発明によれば、固定電極と振動子とは少なくとも互いの対向面が絶縁膜によって覆われているため、対向面同士での放電を防止することができる。これにより、両者のギャップを広げなくとも放電が発生し得る箇所同士の距離（空間距離や沿面距離）を広げることとなり、感度低下及び大型化を抑えつつも、高電圧の測定を行うことができる。

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平面図である。図２に示した振動子のリング部と固定電極との一部拡大図である。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。図２に示したリング部を示す斜視図である。本実施形態に係る電圧センサの第１変形例を示す断面図である。本実施形態に係る電圧センサの第２変形例を示す断面図である。本実施形態に係る電圧センサの第３変形例を示す断面図である。

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ｋ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例えば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（図示せず）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を示す平面図である。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、及び、測定電極５０を備えている。

支持手段１０は、振動子２０を支持するものである。なお、支持手段１０のうち１つは共振周波数を測定するための測定電極５０につながっている。本実施形態に係る振動子２０は、リング部２１と、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設けられた電極である。２つの電極部２２は、一側及び他側のそれぞれにおいて２段に形成されており、各段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（第１方向に１つ、第２方向に１つ）配置されている。

図３は、図２に示した振動子２０のリング部２１と固定電極３０との一部拡大図である。図３に示すように、固定電極３０は、円形状のリング部２１の外形に合わせて、リング部２１側が円弧形状となっており、円弧内側部位３１が振動子２０のリング部２１と所定のギャップを有して対向配置されている。

再度図２を参照する。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を挟むように設けられている。これら２つの駆動電極４０はそれぞれが電極部４１を備えている。それぞれの電極部４１は、振動子２０の電極部２２と対向配置されている。より詳細に各電極部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。さらに、本実施形態に係る電圧センサ１は、２つの駆動電極４０を接続する接続部４２を第２方向側端部に有しており、実質上２つの駆動電極４０は１つの部材となっている。

図４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４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（正負が変化する駆動電圧）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４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４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。

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５はリング部２１を示す斜視図である。図５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が印加されると、この電圧の大きさに応じて変化する。電圧センサ１に接続される演算部（図示せず）は、この変化から測定対象となる電圧を演算により求めることとなる。

ここで、上記のような電圧センサ１は、振動子２０のリング部２１と固定電極３０とのギャップが例えばマイクロメートルオーダーに小さい。このため、固定電極３０に高電圧が印加された場合には振動子２０側に放電してしまう可能性がある。一方で、放電を防止するためにリング部２１と固定電極３０とのギャップを広げるとすると、感度低下を招くと共に、電圧センサ１の大型化を招いてしまう。

そこで、本実施形態に係る電圧センサ１は、略全体が絶縁膜Ｉによって覆われており（図２に示す破線矩形箇所以外が絶縁膜Ｉによって覆われており）、固定電極３０の一部及び測定電極５０の一部のみが露出した状態となっている。固定電極３０及び測定電極５０の露出部は絶縁膜Ｉが設けられていない導通窓ＣＷ１，ＣＷ２となっている。固定電極３０の導通窓ＣＷ１は測定電圧を印加するための電気接続部となる。測定電極５０の導通窓ＣＷ２は共振周波数を測定するための電気接続部となる。

このように構成することにより、放電については導通窓ＣＷ１と導通窓ＣＷ２との間のみで発生し得ることとなる。特に、導通窓ＣＷ１，ＣＷ２の距離は、リング部２１と固定電極３０との距離よりも大きくなることから、リング部２１と固定電極３０との距離を広げることなく、放電を抑えて高電圧の測定を可能とすることができる。

なお、絶縁膜Ｉについては金属蒸着のように樹脂の粒子を散布することで形成することができる。この場合において導通窓ＣＷ１，ＣＷ２は、導通窓ＣＷ１，ＣＷ２となる部分にマスクが施されて形成されることとなるが、特にこれに限らず、絶縁膜Ｉの形成後に、樹脂が削り取られて形成されてもよい。また、絶縁層Ｉとなる樹脂は、半導体プロセス中に成膜される二酸化ケイ素や窒化ケイ素のほか、後工程で製膜されるパレリン等であってもよい。

ここで、導通窓ＣＷ１，ＣＷ２同士は極力離れていることが好ましい。図２に示す例において測定電極５０は、電圧センサ１の第１方向寄りに設けられている。このため、固定電極３０の導通窓ＣＷ１は、第２方向側の固定電極３０に設けられることが好ましい。このように、電圧センサ１を第１方向側と、その反対側の第２方向側とに均等面積で２分した場合、導通窓ＣＷ１，ＣＷ２は、２分した一方と他方とにそれぞれ設けられることが好ましい。これにより、一層放電を抑えて高電圧の測定を可能とすることができるからである。

図６は、本実施形態に係る電圧センサ１の第１変形例を示す断面図である。図６に示すように、電圧センサ１の基板Ｂはいわゆるハンドル層であって、ハンドル層上に犠牲層ＳＣが設けられ、犠牲層ＳＣ上にデバイス層ＤＬが設けられ、デバイス層ＤＬ上に、薄膜（金属層）ＴＦが設けられ、この薄膜ＴＦとデバイス層ＤＬとによって固定電極３０等の電極が形成されることとなる。

このような電圧センサ１において、絶縁膜Ｉは、電圧センサ１の略全体を覆う構成に限らず、リング部２１及び円弧内側部位３１の互いの対向面２０ａ，３０ａのみを覆う構成であってもよい。これによっても、放電が発生し得る最短距離部分を絶縁膜Ｉによって覆うことができるからである。

図７は、本実施形態に係る電圧センサ１の第２変形例を示す断面図である。図７に示すように、絶縁膜Ｉは、対向面２０ａ，３０ａのみならず、リング部２１及び固定電極３０の対向面２０ａ，３０ａと交差する面のうち、対向面２０ａ，３０ａ側の部位を覆う構成であってもよい。これによっても、放電が発生し得る最短距離部分を、確実に絶縁膜Ｉによって覆うことができるからである。

図８は、本実施形態に係る電圧センサ１による電圧測定結果を示すグラフである。なお、図８に示す例において電圧センサ１の導通窓ＣＷ１，ＣＷ２間の空間距離については３ｍｍとし、沿面距離（凹凸面に沿った距離）については３．２ｍｍとした。駆動電極４０に印加する駆動電圧については、株式会社エフエヌ回路ブロック社の高速バイポーラ電源（ＢＡ４８２５）を用いて０〜２０Ｖの正弦波とした。また、測定に関しては、株式会社エフエヌ回路ブロック社の周波数特定分析機（ＦＲＡ５０９７）を用いた。

図８に示すように、測定電圧が１００Ｖ（破線参照）、３００Ｖ（一点鎖線参照）、９００Ｖ（実線参照）のそれぞれで共振周波数が変化していることがわかる。特に、高電圧となる９００Ｖについても放電が発生することなく共振周波数を測定できることもわかった。なお、図示を省略したが、１０００Ｖ以下では放電が発生することなく共振周波数を測定することができた。

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と振動子２０とは少なくとも互いの対向面２０ａ，３０ａが絶縁膜Ｉによって覆われているため、対向面２０ａ，３０ａ同士での放電を防止することができる。これにより、両者のギャップを広げなくとも放電が発生し得る箇所同士の距離（空間距離や沿面距離）を広げることとなり、感度低下及び大型化を抑えつつも、高電圧の測定を行うことができる。

また、絶縁膜Ｉが、固定電極３０の一部（導通窓ＣＷ１）及び測定電極５０の一部（導通窓ＣＷ２）のみを露出させた状態で、振動子２０、固定電極３０の残部、及び測定電極５０の残部（更には基板Ｂや駆動電極４０）を覆う場合には、放電発生箇所を、導通窓ＣＷ１，ＣＷ２の間に限定することができ、一層放電が発生し得る箇所同士の距離を広げて、より一層高電圧の測定を行うことができる。

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し、可能な範囲で公知又は周知の技術を組み合わせてもよい。

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。また、振動子２０は円形状のリング部２１を備えるが、これに限らず、円形状のリング部２１ではなく直線的形状の振動子によって構成されていてもよいし、形状を問うものではない。

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、本実施形態に係る電圧センサ１は、固定電極３０、駆動電極４０、及び測定電極５０に接続されるワイヤについても導体露出部がないように絶縁体や、上記絶縁膜Ｉによって覆うようにしてもよい。

１：電圧センサ
１０：支持手段
２０：振動子
２０ａ：対向面
３０：固定電極
３０ａ：対向面
４０：駆動電極
５０：測定電極
ＣＷ１：導通窓
ＣＷ２：導通窓
Ｉ：絶縁膜

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ギャップを介して対向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、
前記固定電極と前記振動子とは、少なくとも互いの対向面が絶縁膜によって覆われている
ことを特徴とする電圧センサ。
共振周波数を測定するための前記振動子に接続された測定電極をさらに備え、
前記絶縁膜は、前記固定電極の一部及び前記測定電極の一部のみが露出した状態で、前記振動子、前記固定電極の残部、及び前記測定電極の残部を覆っている
ことを特徴とする請求項１に記載の電圧センサ。