JP3162127B2 - 最大電圧測定装置 - Google Patents

最大電圧測定装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は最大電圧測定装置、特に
光センサや熱センサ、圧力センサ等の電位を発生させる
装置の最大電圧を無電源で測定する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】光センサや熱センサ、圧力センサや風力
センサ等は測定すべき光や熱あるいは圧力の量に応じた
電位を発生するが、これらの電位が所定値以上になった
か否かを検出するためには、例えば図10に示されるよ
うなコンパレータ10が用いられる。コンパレータ10
は通常カレントミラー回路10a及び差動回路10bを
含んで構成され、非反転入力端子と反転入力端子との差
に応じた電圧が出力として取り出される。そして、非反
転入力端子に光センサや熱センサ等の電位を発生する装
置を接続し、反転入力端子に基準電圧を印加することに
より、光センサや熱センサ等の外部電圧が基準電圧以上
になったか否かが検出される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
コンパレータ等の電圧測定装置は外部から電源10cが
供給されないと動作できない問題があり、また、常時最
大電圧をモニタするためには、コンパレータの出力に更
に外部メモリ等を接続して記憶しなければならない問題
があった。
【0004】本発明は上記従来技術の有する課題に鑑み
なされたものであり、その目的は、無電源かつ不揮発で
最高到達電圧を測定することが可能な最大電圧測定装置
を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る最大電圧測定装置は、厚さの異なる複
数の強誘電体素子を並列に接続して成る強誘電体ユニッ
トと、この強誘電体ユニットに所定電圧を印加して強誘
電体ユニット内の前記複数の強誘電体素子に最大自発分
極を生じさせるリセット回路と、前記強誘電体ユニット
に前記所定電圧と逆極性で測定すべき外部電圧を印加す
ることにより前記複数の強誘電体素子に生じた残留分極
を測定する分極測定回路とを有し、前記複数の強誘電体
素子の前記残留分極が反転分極であるか否かにより前記
外部電圧の最大電圧を得ることを特徴とする。また、本
発明の最大電圧測定方法は、厚さの異なる複数の強誘電
体素子を並列に接続してなる強誘電体ユニットに所定電
圧を印加して最大自発分極を生じさせるステップと、前
記強誘電体ユニットに前記所定電圧と逆極性で測定すべ
き外部電圧を印加するステップと、前記強誘電体ユニッ
ト内の各強誘電体素子に生じた残留分極を測定するステ
ップと、前記残留分極が反転分極であるか否かにより前
記外部電圧の最大電圧を得るステップとを有することを
特徴とする。
【0006】
【作用】本発明の最大電圧測定装置はこのような構成を
有しており、強誘電体素子の自発分極を利用して最大電
圧を測定するものである。
【0007】周知の如く、強誘電体は永久双極子モーメ
ントに基づく自発分極を有する誘電体のうち、電界を加
えることにより分極方向の反転可能なものであり、強磁
性体のB−H曲線と極めて類似した特性を示すことが知
られている(強誘電体のP−Eヒステリシスループ)。
【0008】そこで、本発明の最大電圧測定装置では、
強誘電体素子を一方向に自発分極させ、この自発分極を
外部電圧により反転させて残留分極を生ぜしめ、最大電
圧を測定するものである。
【0009】ここで、強誘電体素子の厚さが異なる場
合、最大自発分極はほぼ等しい値となるが、自発分極を
反転させるために必要な抗電界の値は厚さに比例して増
大することが知られている。従って、厚さの異なる複数
の強誘電体素子を並列に接続し、これらの複数の強誘電
体素子に電圧を印加すると、外部印加電圧が各強誘電体
素子の有する抗電界以上の場合には自発分極が反転し、
そうでない場合には反転しないこととなる。
【0010】そこで、各強誘電体素子が反転したか否か
を検出することにより、印加外部電圧の最大値が測定で
きることになる。
【0011】
【実施例】以下、図面を用いながら本発明に係る最大電
圧測定装置の一実施例を説明する。
【0012】図1には本実施例の全体構成図が示されて
いる。複数の強誘電体素子F1 ,F2 ,F3 ,…,Fn
が並列に接続され、強誘電体ユニット20を構成してい
る。各強誘電体素子は図2に示されるようにPZT(ジ
ルコン酸チタン酸鉛)強誘電体をPt電極で挟んだ構成
を有しており、各強誘電体素子によってPZT強誘電体
の厚さが異なっている。本実施例において、強誘電体素
子F1 が最も薄く、F2 ,F3 の順にPZT強誘電体の
厚さが増加してゆき、Fn で最も厚くなっている。すな
わち、強誘電体素子F1 〜Fn のPZT強誘電体の厚さ
をそれぞれd1 〜dn とした場合、d1 <d2 <d3
…<dn である。そして、各強誘電体素子F1 〜Fn
は直列にスイッチS1 〜Sn が接続されている。
【0013】また、この強誘電体ユニット20を自発分
極させるためのリセット回路22が設けられている。こ
のリセット回路22は直流電源22aを有しており、強
誘電体素子F1 〜Fn のPt電極を介してPZT強誘電
体に直流電圧を印加し、最大自発分極Prを生じさせ
る。各強誘電体素子F1 〜Fn のPZT強誘電体の厚さ
は異なっているが、その最大自発分極Prの値は前述し
たようにほとんど同じ値となる。なお、直流電源22a
の電圧はPZTの膜厚に応じて変化させる必要があり、
本実施例では最もPZTが厚いFn 強誘電体素子に最大
自発分極を生じさせるに十分な電界を印加する直流電圧
を用いている。図5には、各強誘電体素子F1 〜Fn
P−Eヒステリシスループが示されている。図から理解
されるように、PZT強誘電体の厚さが増大するほど分
極を反転させるに必要な電界、すなわち抗電界の値が増
大するものの、最大自発分極Prの値はほぼ一定である
ことがわかる。
【0014】このように、リセット回路22により強誘
電体ユニット20内の各強誘電体素子F1 〜Fn に最大
自発分極Prを生じさせた後、測定すべき外部電圧をこ
の強誘電体ユニットに逆極性となるように接続し、外部
電圧の最大値を測定する。以下、この最大電圧値算出プ
ロセスを風力センサからの電圧を測定する場合を例にと
り説明する。
【0015】図3には本実施例の測定プロセスのフロー
チャートが示されている。まず、S101にて前述した
リセット回路22を用いて強誘電体ユニット20内の各
強誘電体素子F1 〜Fn に前述したように最大自発分極
Prを生じさせる。次に、風力センサから出力された電
圧をリセット回路22の極性と逆極性になるように強誘
電体ユニット20に接続する。このとき、スイッチS1
〜Sn は全てONとする。図4には風力センサからの出
力電圧特性の一例が示されており、横軸は時間、縦軸は
出力電圧を表している。本実施例における風力センサか
らの出力電圧は時間t1 ,t2 ,t3 でそれぞれピーク
値d,e,fを出力する。このような特性を有する外部
電圧が強誘電体ユニット20内の各強誘電体素子F1
n に印加されると、各強誘電体素子F1 〜Fn はその
P−Eヒステリシスループに沿ってその自発分極が変化
してゆく。ここで、図6に示されるように、PZT強誘
電体の膜厚が増加するに従い、反転分極が生じる抗電界
も膜厚にほぼ比例して増大してゆくため、風力センサか
らの出力電圧が最大値fとなったときに、このfに相当
する電界が抗電界以上であるときには、分極反転が生じ
ることとなる。例えば、強誘電体素子F1 ,F2
3 ,F4 のそれぞれのPZT強誘電体の膜厚を調整し
てその抗電界に対応する電圧をそれぞれ1V,2V,3
V,4Vに設定した場合、2.5Vの電圧が印加された
場合には、1V,2Vの抗電界を有する強誘電体素子F
1 ,F2 は分極反転され、3V,4Vの抗電界を有する
強誘電体素子F3 ,F4 はその分極方向が維持されるこ
ととなる。
【0016】そこで、次に強誘電体ユニットの出力端を
分極測定回路24に接続し、スイッチF1 〜Fn を順次
ONさせてゆき、分極が反転しているか否かを調べるこ
とにより風力センサの最大出力電圧値を検出することが
できる。そして、前述した場合には強誘電体素子F1
2が分極反転し、F3 ,F4 が分極反転していないの
で、最大出力電圧は2Vと3Vとの間にあることが検出
される。
【0017】図9には本実施例における分極測定回路2
4の回路図及び分極測定原理説明図が示されている。分
極測定回路24は強誘電体ユニット20に最大自発分極
を生じさせる直流電源24a(リセット回路22の直流
電源22aと同様の電圧でよい)及び抵抗24bから構
成され、BC間の電圧ないし電流をモニタすることによ
り残留分極が検出される。
【0018】すなわち、強誘電体ユニット20内の強誘
電体素子F1 〜Fn を最大自発分極させるべくAB間に
電圧を印加し、そのときのBC間の電圧変動を測定する
と、強誘電体素子20が分極反転してすでに最大自発分
極Prを有している場合には図9(B)においてイのよ
うな変化となるが、強誘電体素子の残留分極がそうでな
い場合にはロのような変化を示すことになる。これは強
誘電体素子20がすでに最大自発分極を有している場合
にはP−Eヒステリシスループ上で変化を示し、そうで
ない場合、すなわち最大自発分極以外の残留分極を生じ
ている場合にはP−Eヒステリシスループに沿わずに変
化するからである。
【0019】従って、最大自発分極以外の残留分極が生
じている場合にはロのような電圧(あるいは電流)変化
を示すので、AB間に2回所定の電圧を印加し、その2
回の電圧(あるいは電流)変化の差(図中斜線部分)を
求めることにより、残留分極の値を測定することができ
る(すでに最大自発分極Prのときは差は0となり、そ
うでない場合は残留分極に応じた差を示すことにな
る)。
【0020】このように、強誘電体の膜厚が異なると抗
電界も異なることを利用し、分極反転したか否かを検出
することにより出力電圧の範囲を特定することが可能と
なるが、より正確に出力電圧を測定するためには以下の
方法を用いることができる。図7には図5に示された各
強誘電体素子のP−Eヒステリシスループの一部が示さ
れている。リセット回路22により最大自発分極Prに
設定された各強誘電体素子に出力電圧fが印加された場
合、強誘電体素子F1 は図に示されるように最大まで分
極し、この出力電圧fが0となった場合には、残留分極
1 (=Pr)となる。また、出力電圧fが印加された
場合、強誘電体素子F2 は強誘電体素子F1 と同様に分
極反転を生じるが、最大まで分極されることはなく、部
分分極にとどまる。そして、出力電圧fが0となったと
きには、図に示されるようにP2 の残留分極が生じるこ
ととなる。一方、強誘電体素子F3 の場合には、出力電
圧fが印加されても反転分極を生じることなく、出力電
圧fが0となった場合にも同一方向の残留分極P3 の値
を示すことになる。
【0021】そこで、このように印加電圧によって残留
分極が異なる値を示すことを利用し、予め図8に示され
るように、印加電圧と残留分極との関係を各強誘電体素
子毎に求めておき、前述の分極測定回路24にて得られ
た各強誘電体素子F1 〜Fn の残留分極を調べることに
より、最大電圧をより正確に決定することが可能とな
る。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る最大
電圧測定装置によれば、光センサや熱センサ、風力セン
サ等の電圧を発生させる装置と連動させ、無電源で最大
電圧を精密に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の全体構成図である。
【図2】同実施例の強誘電体素子の構成図である。
【図3】同実施例の測定フローチャート図である。
【図4】同実施例の風力センサの出力特性図である。
【図5】同実施例の各強誘電体素子のP−Eヒステリシ
スループ図である。
【図6】同実施例の強誘電体の厚さと抗電界との関係を
示すグラフ図である。
【図7】同実施例のP−Eヒステリシスループの一部拡
大説明図である。
【図8】同実施例の印加電圧と残留分極との関係を示す
グラフ図である。
【図9】同実施例の残留分極測定の説明図である。
【図10】従来装置の回路図である。
【符号の説明】
20 強誘電体ユニット 22 リセット回路 24 分極測定回路

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 厚さの異なる複数の強誘電体素子を並列
    に接続して成る強誘電体ユニットと、 この強誘電体ユニットに所定電圧を印加して強誘電体ユ
    ニット内の前記複数の強誘電体素子に最大自発分極を生
    じさせるリセット回路と、 前記強誘電体ユニットに前記所定電圧と逆極性で測定す
    べき外部電圧を印加することにより前記複数の強誘電体
    素子に生じた残留分極を測定する分極測定回路と、 を有し、前記複数の強誘電体素子の前記残留分極が反転
    分極であるか否かにより前記外部電圧の最大電圧を得る
    ことを特徴とする最大電圧測定装置。
  2. 【請求項2】 厚さの異なる複数の強誘電体素子を並列
    に接続してなる強誘電体ユニットに所定電圧を印加して
    最大自発分極を生じさせるステップと、 前記強誘電体ユニットに前記所定電圧と逆極性で測定す
    べき外部電圧を印加するステップと、 前記強誘電体ユニット内の各強誘電体素子に生じた残留
    分極を測定するステップと、 前記残留分極が反転分極であるか否かにより前記外部電
    圧の最大電圧を得るステップと、 を有することを特徴とする最大電圧測定装置。
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