JP6199574B2 - Voltage sensor - Google Patents

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Description

本発明は、電圧センサに関する。   The present invention relates to a voltage sensor.

従来、電圧を計測する方法として種々の方法がある。例えば、分圧抵抗で電圧を分圧し、電圧計で分圧を測定する方法や、電圧に比例した電流を取り出し、いわゆるホール効果を利用して電圧を測定する方法などがある。   Conventionally, there are various methods for measuring voltage. For example, there are a method of dividing a voltage with a voltage dividing resistor and measuring the divided voltage with a voltmeter, and a method of taking out a current proportional to the voltage and measuring the voltage using a so-called Hall effect.

また、電気光電効果を利用した電圧の測定方法も存在する。この測定方法における電流センサは、例えばポッケルス素子、1/4波長板、偏光子、検光子等を備えている。この電圧センサにおいて、光源より出力された光信号は偏光子により偏光されてポッケルス素子に入射し、ポッケルス素子にて電圧の大きさに応じた光変調を受ける。光変調を受けた光信号は1/4波長板を経て検光子へ伝達される。検光子から出力された光信号は所定の光受信器により受信及び検出され、ポッケルス素子に印加された電圧を測定することができる(例えば特許文献1参照)。   There is also a voltage measurement method using the electric photoelectric effect. The current sensor in this measurement method includes, for example, a Pockels element, a quarter wavelength plate, a polarizer, an analyzer, and the like. In this voltage sensor, the optical signal output from the light source is polarized by the polarizer and enters the Pockels element, and is subjected to light modulation corresponding to the magnitude of the voltage in the Pockels element. The optical signal subjected to the optical modulation is transmitted to the analyzer through the quarter wavelength plate. The optical signal output from the analyzer is received and detected by a predetermined optical receiver, and the voltage applied to the Pockels element can be measured (see, for example, Patent Document 1).

特開平3−146875号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-146875

しかし、上記3つの電圧センサでは以下の問題があった。まず、分圧を測定する電圧センサでは、各抵抗に高精度のものを用いなければ精度良く電圧を測定できなくなってしまう。特に、抵抗は温度により抵抗値が変化するため、精度良く電圧を測定する面で支障があった。加えて、抵抗故障時には測定対象の高電圧が測定側の低電圧にかかる可能性があり、安全性を確保する点で絶縁手段等を別途設けなければならず部品点数が増加してしまう。   However, the above three voltage sensors have the following problems. First, in a voltage sensor that measures a divided voltage, a voltage cannot be measured accurately unless a high-precision resistor is used. In particular, since the resistance value of the resistance varies depending on the temperature, there is a problem in measuring the voltage with high accuracy. In addition, there is a possibility that a high voltage to be measured is applied to a low voltage on the measurement side at the time of a resistance failure, so that an insulating means or the like must be separately provided in order to ensure safety, and the number of parts increases.

また、ホール効果を利用して電圧を測定する電圧センサでは、集磁のための磁気コアが必要となり、部品点数が多くなったり大型化を招いたりしてしまう。特に、このタイプのセンサでは出力のリニアリティを実現するために負帰還式が用いられることがあるが、発生した磁場を打ち消すための電流が必要となるため、消費電力が大きくなってしまう。   In addition, a voltage sensor that measures voltage using the Hall effect requires a magnetic core for collecting magnetism, resulting in an increase in the number of components and an increase in size. In particular, in this type of sensor, a negative feedback type may be used to achieve output linearity, but current consumption is required to cancel the generated magnetic field, resulting in an increase in power consumption.

さらに上記の2方式では、計測時に測定対象から電流を取り出す必要があるため、バッテリなどの常時電圧監視には不利である。   Furthermore, the above two methods are disadvantageous for constant voltage monitoring of a battery or the like because it is necessary to take out a current from a measurement target during measurement.

さらに、特許文献1に記載の電圧センサは、ポッケルス素子、1/4波長板、偏光子、検光子等の部品が必要となり、部品点数の増加を招いてしまう他、光軸のアライメント等が必要となり、組み立てが煩雑化してしまう。   Furthermore, the voltage sensor described in Patent Document 1 requires components such as a Pockels element, a quarter-wave plate, a polarizer, and an analyzer, which increases the number of components and requires alignment of the optical axis. As a result, the assembly becomes complicated.

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、電圧測定の精度の向上を図ると共に、測定対象から電流をほとんど取り出さずに、消費電力の増加及び部品点数の増加を抑え、組み立ての煩雑化についても抑制することが可能な電圧センサを提供することにある。   The present invention has been made to solve such a conventional problem. The object of the present invention is to improve the accuracy of voltage measurement and reduce power consumption without taking out a current from a measurement target. An object of the present invention is to provide a voltage sensor capable of suppressing an increase in the number of parts and an increase in the number of parts, and also suppressing the complexity of assembly.

本発明の電圧センサは、機械的なサスペンションによって支持された振動子と、前記振動子を振動させるための駆動用電極と、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、前記固定電極に測定対象である電圧を印加することで、静電引力を前記振動子に作用させ、当該静電引力が作用したことにより変化した前記振動子の共振周波数から、測定対象である電圧を算出する電圧センサであって、前記固定電極はシリコン等の基板上において絶縁層を介して設けられ、前記振動子は、前記基板上に形成され前記固定電極及び駆動用電極と異なる電極に一端が接続されるサスペンションの他端に接続されて、宙に浮いた構造で前記基板上に固定されており、前記駆動用電極は、前記振動子と向かい合うように前記基板上に配置されて、前記固定電極及び前記振動子と共に前記基板に対して平行に配置されていることを特徴とする。 The voltage sensor of the present invention includes a vibrator supported by a mechanical suspension, a drive electrode for vibrating the vibrator, and a fixed electrode arranged to face each other through a gap in the vibrator. The measurement target is applied to the fixed electrode by applying a voltage to be measured to the vibrator, and an electrostatic attraction is applied to the vibrator, and the resonance frequency of the vibrator is changed by the action of the electrostatic attraction. The fixed electrode is provided on an insulating layer on a substrate such as silicon, and the vibrator is formed on the substrate and is different from the fixed electrode and the driving electrode. is connected to the other end of the suspension at one end to the electrode is connected, by floating structure in the air is fixed on the substrate, the driving electrode, on the substrate so as to face with said vibrator Is location, characterized in that it is arranged parallel to the substrate together with the fixed electrode and the vibrator.

本発明の電圧センサによれば、機械的なサスペンションによって支持された振動子にある隙間を介して対向配置された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、これにより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。ここで、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一定の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。このように、本発明では、高精度の抵抗を用いる必要がなく、電圧測定の精度の向上を図ることができると共に絶縁手段等も必要がなく、部品点数の増加を抑えることができる。さらに、測定対象の電圧が生じる静電引力を利用して計測するため、測定対象からほとんど電流を流すことなく、電圧を計測することができる。加えて、集磁コア等や光学部品を用いる必要もなく、消費電力の増加及び部品点数の増加を抑えることができ、組み立ての煩雑化についても抑制することができる。   According to the voltage sensor of the present invention, the electrostatic attraction force is applied to the vibrator by applying the voltage to be measured to the fixed electrode disposed opposite to the vibrator supported by the mechanical suspension via the gap. The voltage to be measured is calculated by changing the resonance frequency of the vibrator. Here, when a voltage to be measured is applied to the fixed electrode, the electrostatic attraction caused by this voltage substantially changes the spring constant of the suspension, and the resonance frequency of the vibrator changes. Since this change has a certain correlation with the magnitude of the voltage to be measured, the value of the voltage to be measured can be measured from the changed resonance frequency. As described above, in the present invention, it is not necessary to use a high-precision resistor, the accuracy of voltage measurement can be improved, and an insulating means or the like is not necessary, and an increase in the number of parts can be suppressed. Further, since the measurement is performed by using the electrostatic attractive force that generates the voltage to be measured, the voltage can be measured with almost no current flowing from the measurement target. In addition, it is not necessary to use a magnetic collecting core or the like, optical components can be suppressed, an increase in power consumption and an increase in the number of components can be suppressed, and complicated assembly can also be suppressed.

また、上記に記載された電圧センサにおいて、振動子と測定対象である電圧が印加される固定電極とが短絡しないように機械的なストッパ又は絶縁体を有することが好ましい。   The voltage sensor described above preferably includes a mechanical stopper or an insulator so that the vibrator and the fixed electrode to which the voltage to be measured is applied are not short-circuited.

この電圧センサによれば、振動子と固定電極とが短絡しないように機械的なストッパ又は絶縁体を有するため、振動子と固定電極との短絡が防止され、安全性を高めることができる。   According to this voltage sensor, since the mechanical stopper or the insulator is provided so that the vibrator and the fixed electrode are not short-circuited, a short-circuit between the vibrator and the fixed electrode is prevented, and safety can be improved.

また、上記のいずれかに記載された電圧センサにおいて、振動子と測定対象である電圧が印加される固定電極との関係が平行平板電極であることが好ましい。   In any of the voltage sensors described above, the relationship between the vibrator and the fixed electrode to which the voltage to be measured is applied is preferably a parallel plate electrode.

この電圧センサによれば、振動子と固定電極との関係が平行平板電極であるため、電極間に働く力のギャップ依存性が高い。加えて、静電引力のギャップ変化に対する傾きが、静電引力分の等価的なバネ定数となる。測定対象となる電圧の印加によってサスペンション分も含めた全体の等価的なバネ定数が変化し、共振周波数が変化する、周波数は正確に測定できる量であるので、測定分解能の向上につなげることができる。   According to this voltage sensor, since the relationship between the vibrator and the fixed electrode is a parallel plate electrode, the gap dependency of the force acting between the electrodes is high. In addition, the slope of the electrostatic attraction with respect to the gap change becomes an equivalent spring constant for the electrostatic attraction. By applying the voltage to be measured, the total equivalent spring constant including the suspension changes, and the resonance frequency changes. The frequency is an amount that can be measured accurately, which can improve the measurement resolution. .

また、上記のいずれか1つに記載された電圧センサにおいて、振動子を励振させるために静電引力を利用することが好ましい。   Moreover, in the voltage sensor described in any one of the above, it is preferable to use electrostatic attraction to excite the vibrator.

この電圧センサによれば、振動子を励振させるために静電引力を利用する。振動振幅は僅かでも共振周波数が測定できるため、電子回路が動作するような低電圧が利用できる。よって、電圧センサの電子化に適している。   According to this voltage sensor, electrostatic attraction is used to excite the vibrator. Since the resonance frequency can be measured even with a small vibration amplitude, a low voltage at which the electronic circuit operates can be used. Therefore, it is suitable for digitizing a voltage sensor.

また、上記に記載された電圧センサにおいて、振動子を励振するための電極が櫛歯電極であることが好ましい。   In the voltage sensor described above, the electrode for exciting the vibrator is preferably a comb electrode.

この電圧センサによれば、振動子を励振するための電極が櫛歯電極であるため、静電引力により振動子が移動したとしても櫛歯電極であればギャップの依存性が小さく交流電圧の印加による共振周波数への影響を少なくすることができる。   According to this voltage sensor, since the electrode for exciting the vibrator is a comb-teeth electrode, even if the vibrator is moved by electrostatic attraction, if the comb-teeth electrode is used, the dependency of the gap is small and an AC voltage is applied. The influence on the resonance frequency due to can be reduced.

また、上記に記載された電圧センサにおいて、振動子と電気的に接続されて振動子の振幅を検出する振幅検出手段と、固定電極に印加される測定対象となる電圧が振幅検出手段に印加されることを防止する絶縁手段と、を備えることが好ましい。   In the voltage sensor described above, an amplitude detection unit that is electrically connected to the vibrator and detects the amplitude of the vibrator, and a voltage to be measured applied to the fixed electrode are applied to the amplitude detection unit. It is preferable to provide an insulating means for preventing the above.

この電圧センサによれば、測定対象となる電圧が振幅検出手段に印加されることを防止する絶縁手段を備えるため、振幅検出手段を測定対象となる高電圧系統の直流成分とを電気的に絶縁してさらに安全性を高めることができる。   According to this voltage sensor, since the insulating means for preventing the voltage to be measured from being applied to the amplitude detecting means is provided, the amplitude detecting means is electrically insulated from the DC component of the high voltage system to be measured. Thus, safety can be further improved.

また、上記に記載された電圧センサにおいて、前記振動子は、前記振動子に対して電気的に接続されて前記振動子に対して交流電圧を印加する交流発生回路と接続される第1の電極部位と、前記固定電極に対して電気的に接続される第2の電極部位と、前記第1の電極部位と前記第2の電極部位とを絶縁する絶縁手段と、を有し、前記絶縁手段により前記固定電極に印加される測定対象となる電圧が前記交流発生回路に印加されることを防止することが好ましい。 Further, in the voltage sensor described above, the vibrator, a first electrode connected to the AC generating circuit to apply an AC voltage to the vibrator is electrically connected to said transducer A portion, a second electrode portion electrically connected to the fixed electrode , and an insulating means for insulating the first electrode portion and the second electrode portion , the insulating means It is preferable to prevent the voltage to be measured applied to the fixed electrode from being applied to the AC generation circuit .

この電圧センサによれば、測定対象となる電圧が交流発生回路に印加されることを防止する絶縁手段を備えるため、交流発生回路を測定対象となる高電圧系統の直流成分とを電気的に絶縁してさらに安全性を高めることができる。   According to this voltage sensor, since the insulation means for preventing the voltage to be measured from being applied to the AC generation circuit is provided, the AC generation circuit is electrically insulated from the DC component of the high voltage system to be measured. Thus, safety can be further improved.

本発明によれば、電圧測定の精度の向上を図ると共に、測定対象から電流をほとんど取り出さずに、消費電力の増加及び部品点数の増加を抑え、組み立ての煩雑化についても抑制することが可能な電圧センサを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to improve the accuracy of voltage measurement, suppress an increase in power consumption and an increase in the number of components without taking out a current from a measurement target, and suppress an increase in assembly complexity. A voltage sensor can be provided.

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。It is a basic lineblock diagram showing the principle of the voltage sensor concerning the embodiment of the present invention. 本実施形態に係る電圧センサを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the voltage sensor which concerns on this embodiment. 図2に示したA部の拡大図である。It is an enlarged view of the A section shown in FIG. 図2に示した電圧センサの上面拡大図である。FIG. 3 is an enlarged top view of the voltage sensor shown in FIG. 2. 変化前の共振周波数及び変化後の共振周波数を示す図である。It is a figure which shows the resonant frequency before a change, and the resonant frequency after a change. 測定対象となる電圧と共振周波数との相関の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the correlation with the voltage used as a measuring object, and the resonance frequency. 測定対象となる電圧と共振周波数との相関の一例を示すグラフであって、実測値を示している。It is a graph which shows an example of the correlation with the voltage used as a measuring object, and the resonant frequency, Comprising: The measured value is shown. 櫛歯電極の詳細を示す斜視図であって、解析モデルを示している。It is a perspective view which shows the detail of a comb-tooth electrode, Comprising: The analysis model is shown. 図2に示したストッパの接触部及びその周辺を示す拡大図であり、(a)は測定対象となる電圧が0Vである場合を示し、(b)は測定対象となる電圧が100Vである場合を示し、(c)は測定対象となる電圧が147Vである場合を示し、(d)は測定対象となる電圧が150Vである場合を示している。It is an enlarged view which shows the contact part of the stopper shown in FIG. 2, and its periphery, (a) shows the case where the voltage used as a measuring object is 0V, (b) shows the case where the voltage used as a measuring object is 100V (C) shows the case where the voltage to be measured is 147V, and (d) shows the case where the voltage to be measured is 150V. 測定対象となる電圧と、振動子及び固定電極のギャップとの相関を示すグラフである。It is a graph which shows the correlation with the voltage used as a measuring object, and the gap of a vibrator and a fixed electrode. 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。It is sectional drawing which shows the 1st modification of the voltage sensor which concerns on this embodiment. 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。It is sectional drawing which shows the 2nd modification of the voltage sensor which concerns on this embodiment. 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。It is sectional drawing which shows the 3rd modification of the voltage sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る電圧センサの第4変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 4th modification of the voltage sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る電圧センサの第5変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 5th modification of the voltage sensor which concerns on this embodiment.

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。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、本実施形態に係る電圧センサ1は、機械的なサスペンション10と、振動子20と、固定電極30と、演算部40とから構成されている。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a basic configuration diagram showing the principle of a voltage sensor according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the voltage sensor 1 according to the present embodiment includes a mechanical suspension 10, a vibrator 20, a fixed electrode 30, and a calculation unit 40.

サスペンション10は、振動子20を支持するものである。このサスペンション10のバネ定数をkとする。振動子20は、サスペンション10により支持された平板電極であり、サスペンション10の弾性力により振動可能となっている。この振動子20の質量をmとする。   The suspension 10 supports the vibrator 20. Let the spring constant of the suspension 10 be k. The vibrator 20 is a flat plate electrode supported by the suspension 10, and can be vibrated by the elastic force of the suspension 10. The mass of the vibrator 20 is m.

固定電極30は、振動子20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20とは平行平板電極の関係を有している。なお、振動子20と固定電極30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。   The fixed electrode 30 is a flat plate electrode disposed so as to face the gap in the vibrator 20, and has a parallel plate electrode relationship with the vibrator 20. Note that S is an area where the vibrator 20 and the fixed electrode 30 face each other. Also, let g be the initial gap between the two.

このような電圧センサ1において振動子20に交流電圧が印加されると、振動子20はサスペンション10の弾性力により固定電極30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20は、

Figure 0006199574
なる関係式(1)に基づく共振周波数fで振動することとなる。 When an AC voltage is applied to the vibrator 20 in such a voltage sensor 1, the vibrator 20 vibrates in the direction in which the distance from the fixed electrode 30 increases or decreases (the left-right direction in the figure) due to the elastic force of the suspension 10. At this time, the vibrator 20
Figure 0006199574
Made based on equation (1) it becomes to vibrate at the resonance frequency f r.

さらに、固定電極30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30から振動子20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として表わすことができる。

Figure 0006199574
なお、式(2)においてε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。 Furthermore, it is assumed that a voltage to be measured is applied to the fixed electrode 30. At this time, an electrostatic attractive force is applied from the fixed electrode 30 to the vibrator 20 and is displaced by a distance x. Electrostatic attraction can be represented as an equivalent spring constant k e shown in equation (2).
Figure 0006199574
In Equation (2), ε 0 is a dielectric constant between the gaps g, and V is a voltage to be measured.

これにより、振動子20は式(3)に示す共振周波数f’で振動することとなる。

Figure 0006199574
As a result, the vibrator 20 vibrates at the resonance frequency f r ′ shown in Expression (3).
Figure 0006199574

ここで、式(2)の等価バネ定数kは、固定電極30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’についても電圧Vの大きさを反映したものとなる。 Here, the equivalent spring constant k e of the formula (2), since the changes in accordance with the magnitude of the voltage V applied to the fixed electrode 30, voltage for formula (3) to indicate the resonant frequency f r 'V It reflects the size of.

よって、演算部40は、振動子20の共振周波数f’から測定対象となる電圧を算出することができる。 Therefore, the calculation unit 40 can calculate the voltage to be measured from the resonance frequency f r ′ of the vibrator 20.

図2は、本実施形態に係る電圧センサ1を示す斜視図である。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る。   FIG. 2 is a perspective view showing the voltage sensor 1 according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the voltage sensor 1 is a micro voltage sensor created using a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) processing technique.

図2に示すように、この電圧センサ1において振動子20は共振周波数を高めるために、質量が小さくなる細長形状とされている。また、サスペンション10は、細長形状となる振動子20の両端部それぞれに設けられており、両端側から振動子20を支持する構成となっている。さらに、サスペンション10は、それぞれがコの字状に折り返された形状となっている。   As shown in FIG. 2, in the voltage sensor 1, the vibrator 20 has an elongated shape that reduces the mass in order to increase the resonance frequency. In addition, the suspension 10 is provided at each of both ends of the elongated vibrator 20 and is configured to support the vibrator 20 from both ends. Furthermore, each suspension 10 has a shape that is folded in a U-shape.

また、この電圧センサ1は、図1に示す構成に加えて、駆動用電極50と、各サスペンション10の振動子20の接続側と反対側の端部につながる第1及び第2電極61,62と、ストッパ70とを備えている。   In addition to the configuration shown in FIG. 1, the voltage sensor 1 includes a driving electrode 50 and first and second electrodes 61 and 62 connected to ends of the suspensions 10 opposite to the connection side of the vibrator 20. And a stopper 70.

駆動用電極50は、交流電圧の印加により振動子20を励起振動させるものである。図3は、図2に示したA部の拡大図である。図3に示すように、駆動用電極50は、振動子20の方向に伸びる櫛歯電極51を備えている。同様に図2に示す振動子20は、駆動用電極50の方向に伸びる櫛歯電極21を備えている。互いの櫛歯電極21,51は接触することなく噛み合うように配置されている。   The driving electrode 50 excites and vibrates the vibrator 20 by applying an alternating voltage. FIG. 3 is an enlarged view of a portion A shown in FIG. As shown in FIG. 3, the driving electrode 50 includes a comb electrode 51 extending in the direction of the vibrator 20. Similarly, the vibrator 20 shown in FIG. 2 includes a comb electrode 21 extending in the direction of the driving electrode 50. The comb electrodes 21 and 51 are arranged so as to mesh with each other without contact.

このような電圧センサ1は、例えばSOIウェハを加工することにより作成することができる。具体的には、シングルマスクでパターニングを行い、Deep−RIEにてエッチングを行う。可動部である振動子20のリリースは、気相HFを用いて犠牲層エッチングを行う。   Such a voltage sensor 1 can be produced, for example, by processing an SOI wafer. Specifically, patterning is performed using a single mask, and etching is performed using Deep-RIE. In order to release the vibrator 20 which is a movable part, sacrificial layer etching is performed using vapor phase HF.

上記したように振動子20は、振動のためサスペンション10に支持された状態で宙に浮いた構造となっている。なお、実際の製品(デバイス層x:1125μm、y:1585μm、z:25μm)において振動子20は、他の電極30,50に対して最大66nm沈むが、犠牲層は2μmであるため、沈み量は犠牲層の1/30と僅かであり、ハンドル層とは接触しない。また、図示の関係上、櫛歯電極51及び固定電極30についても宙に浮いた構造に見えるかもしれないが、これは犠牲層エッチングが一部進行したためであり、実際にはハンドル層に固定されている。   As described above, the vibrator 20 has a structure that floats in the air while being supported by the suspension 10 for vibration. In the actual product (device layer x: 1125 μm, y: 1585 μm, z: 25 μm), the vibrator 20 sinks up to 66 nm with respect to the other electrodes 30 and 50, but the sacrificial layer is 2 μm, so the sinking amount Is as small as 1/30 of the sacrificial layer and does not contact the handle layer. In addition, the comb-tooth electrode 51 and the fixed electrode 30 may appear to be floating in the air due to the illustrated relationship, but this is because the sacrificial layer etching has partially progressed and is actually fixed to the handle layer. ing.

図4は、図2に示した電圧センサ2の上面拡大図である。図2及び図4に示すように、ストッパ70は、振動子20に対して固定電極30側に4つ配置されている(図4では2つのみを図示)。このストッパ70は、電気的にどこにも接続されていない構造となっている。このようなストッパ70は、本体部71と、バネ部72と、接触部73とを備えている。   FIG. 4 is an enlarged top view of the voltage sensor 2 shown in FIG. As shown in FIGS. 2 and 4, four stoppers 70 are arranged on the fixed electrode 30 side with respect to the vibrator 20 (only two are shown in FIG. 4). This stopper 70 has a structure that is not electrically connected anywhere. Such a stopper 70 includes a main body portion 71, a spring portion 72, and a contact portion 73.

本体部71は、上面視した場合に略正方形状となっており、この正方形の1つの頂点部から細長のバネ部72が形成されている。バネ部72の先端は、固定電極30よりも振動子20側にやや突き出ている。また、バネ部72は、頂点部から振動子20側に伸びると共に90度に折り返されて正方形の辺に沿って伸び、且つ、再度振動子20側に90度折り返されている。すなわち、バネ部72は、途中で2回90度に折られた形状となっており、この90度の折り返しにより弾性力を有する構成となっている。このようなストッパ70が存在することで、振動子20が静電引力により固定電極30側に過剰に引っ張られたとしても振動子20は接触部73に接触することとなり、振動子20と固定電極30との短絡が防止されることとなる。また、振動子20がストッパ70に接触した場合においても、バネ部72の弾性力が接触時の力を緩和する働きを有するため、接触部73の折れ曲がりや折れ自体が防止されることとなる。   The main body 71 has a substantially square shape when viewed from above, and an elongated spring portion 72 is formed from one apex of the square. The tip of the spring portion 72 protrudes slightly toward the vibrator 20 side than the fixed electrode 30. Further, the spring portion 72 extends from the apex portion toward the vibrator 20 side, is folded back at 90 degrees, extends along a square side, and is folded back again toward the vibrator 20 side by 90 degrees. That is, the spring portion 72 has a shape that is bent at 90 degrees twice in the middle, and has a configuration having an elastic force by turning back at 90 degrees. Due to the presence of such a stopper 70, even if the vibrator 20 is excessively pulled toward the fixed electrode 30 by electrostatic attraction, the vibrator 20 comes into contact with the contact portion 73, and the vibrator 20 and the fixed electrode are contacted. A short circuit with 30 will be prevented. Even when the vibrator 20 comes into contact with the stopper 70, the elastic force of the spring portion 72 has a function of relaxing the force at the time of contact, so that the contact portion 73 is prevented from being bent or bent.

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において駆動用電極50は交流電圧を発生させる。これにより、駆動用電極50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を持ち振動することとなる。 Next, the operation of the voltage sensor 1 according to this embodiment will be described. First, in the voltage sensor 1 of the present embodiment, the driving electrode 50 generates an alternating voltage. Thereby, the electrostatic attraction is generated by the voltage of the driving electrodes 50, the vibrator 20 because the voltage is AC becomes possible to vibrate having a predetermined resonant frequency f r.

このとき、固定電極30に測定対象となる電圧V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、式(3)に示すように振動子20は共振周波数f’を持ち振動することとなる。 At this time, it is assumed that the voltage V to be measured is applied to the fixed electrode 30. As a result, the electrostatic attractive force shown in Expression (2) is generated, and the vibrator 20 vibrates with the resonance frequency f r ′ as shown in Expression (3).

図5は、変化前の共振周波数f及び変化後の共振周波数f’を示す図である。図5に示すように、測定対象となる電圧Vが印加された場合、共振周波数は減少してfからf’に変化する。 Figure 5 is a diagram showing a resonance frequency f r 'after the resonance frequency f r and the change before the change. As shown in FIG. 5, when the voltage V to be measured is applied, the resonance frequency varies decreases from f r to f r '.

演算器40は、この共振周波数f’から測定対象となる電圧Vの大きさを演算することとなる。なお、演算器40は、共振周波数f’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。 The computing unit 40 computes the magnitude of the voltage V to be measured from the resonance frequency f r ′. Note that the computing unit 40 needs to measure the amount of displacement of the vibrator 20 in order to measure the resonance frequency f r ′. At this time, the voltage sensor 1 irradiates the vibrator 20 with laser light, and obtains the displacement amount of the vibrator 20 from the fluctuation width of the reflected light. Further, the voltage sensor 1 may measure the displacement amount of the vibrator 20 from the change in capacitance due to the change in the electrode gap g. In addition, when calculating | requiring a displacement amount from an electrostatic capacitance, you may utilize the fixed electrode 30 as it is, and may install the parallel plate electrode for measuring a displacement amount separately.

図6は、測定対象となる電圧Vと共振周波数との相関の一例を示すグラフである。測定対象となる電圧を0V、50V、100V、120V、145V、及び147Vとして各共振周波数を測定した場合、図6に示すように、共振周波数は、それぞれ5810Hz、5750Hz、5380Hz、4980Hz、3440Hz、3090Hzとなった。このように、測定対象となる電圧Vによって共振周波数が変化することが明らかとなった。なお、共振周波数は、振動子20の変位量(振動振幅)が3μm弱となるときの周波数とした。   FIG. 6 is a graph showing an example of the correlation between the voltage V to be measured and the resonance frequency. When each resonance frequency is measured with the voltage to be measured as 0V, 50V, 100V, 120V, 145V, and 147V, as shown in FIG. It became. Thus, it became clear that the resonance frequency changes with the voltage V to be measured. The resonance frequency was the frequency at which the displacement amount (vibration amplitude) of the vibrator 20 was less than 3 μm.

図7は、測定対象となる電圧Vと共振周波数との相関の一例を示すグラフであって、実測値を示している。図7において、実測値は図6を参照して説明したものと同じである。   FIG. 7 is a graph showing an example of the correlation between the voltage V to be measured and the resonance frequency, and shows measured values. In FIG. 7, the actual measurement values are the same as those described with reference to FIG.

上記した演算器40は、図7に示すような相関データを記憶している。このため、共振周波数f’を測定すると、図7に示すような相関データに基づいて測定対象となる電圧Vを算出することとなる。なお、記憶する相関データは、実測値であることが望ましい。 The computing unit 40 described above stores correlation data as shown in FIG. Therefore, when the resonance frequency f r ′ is measured, the voltage V to be measured is calculated based on the correlation data as shown in FIG. The correlation data to be stored is preferably an actual measurement value.

以上、本実施形態では、従来のように高精度の抵抗を用いる必要がなく、電圧測定の精度の向上を図ることができると共に絶縁手段等も必要がなく、部品点数の増加を抑えることができる。さらに、測定対象の電圧が生じる静電引力を利用して計測するため、測定対象からほとんど電流を流すことなく、電圧を計測することができる。加えて、集磁コア等や光学部品を用いる必要もなく、消費電力の増加及び部品点数の増加を抑えることができ、組み立ての煩雑化についても抑制することができる。   As described above, in this embodiment, it is not necessary to use a high-precision resistor as in the prior art, it is possible to improve the accuracy of voltage measurement, and there is no need for an insulating means, and an increase in the number of parts can be suppressed. . Further, since the measurement is performed by using the electrostatic attractive force that generates the voltage to be measured, the voltage can be measured with almost no current flowing from the measurement target. In addition, it is not necessary to use a magnetic collecting core or the like, optical components can be suppressed, an increase in power consumption and an increase in the number of components can be suppressed, and complicated assembly can also be suppressed.

なお、本実施形態では櫛歯電極21,51により振動子20を励起振動させていため、以下のような利点もある。図8は、櫛歯電極21,51の詳細を示す斜視図であって、解析モデルを示している。図8において、櫛歯長さをl,幅をw,櫛歯先端と対向電極までの距離をsとする。初期の櫛歯の重なりはl・sとなる。櫛歯の側壁間距離をg,櫛歯の厚みをhとする。櫛歯対からなる単位ユニットには、2個の先端容量C//と側壁容量Cが含まれる。これらの合計である

Figure 0006199574
が単位ユニットあたりの静電容量である。櫛歯対の数をNとすると、全体の発生力は以下のように表せる。
Figure 0006199574
In the present embodiment, the vibrator 20 is excited and oscillated by the comb-tooth electrodes 21 and 51. Therefore, there are the following advantages. FIG. 8 is a perspective view showing details of the comb electrodes 21 and 51, and shows an analysis model. In FIG. 8, the comb tooth length is l, the width is w, and the distance between the tip of the comb tooth and the counter electrode is s. The initial comb tooth overlap is l · s. The distance between the side walls of the comb teeth is g, and the thickness of the comb teeth is h. The unitary unit comprising a comb pair includes two tip capacitance C // and sidewall capacitance C ⊥. Is the sum of these
Figure 0006199574
Is the capacitance per unit. If the number of comb teeth pairs is N, the total generated force can be expressed as follows.
Figure 0006199574

そして、電圧一定の場合、x方向の力は以下のように表せる。

Figure 0006199574
When the voltage is constant, the force in the x direction can be expressed as follows.
Figure 0006199574

櫛歯は通常、細長く側壁間ギャップは狭くデザインするので

Figure 0006199574
を満たし、以下の近似が得られる。
Figure 0006199574
Since the comb teeth are usually long and narrow, the gap between the side walls is designed to be narrow.
Figure 0006199574
And the following approximation is obtained.
Figure 0006199574

以上のように、式(8)から、櫛歯に働く力は可動電極の位置xに依存しない。すなわち、微小変位Δxに対する等価的なバネ定数kは、式(8)をxで微分した値から、0となることが分かる。すなわち、振動子20を励振するために加える交流電圧は共振周波数を変化することはほとんど無い。このため、測定対象である電圧の測定に支障を与えない。 As described above, from the formula (8), the force acting on the comb teeth does not depend on the position x of the movable electrode. That is, the equivalent spring constant k e for the small displacement Δx from the value of equation (8) obtained by differentiating at x, it can be seen that zero. That is, the AC voltage applied for exciting the vibrator 20 hardly changes the resonance frequency. For this reason, it does not hinder measurement of the voltage which is a measuring object.

次に、ストッパ70について、より詳細に説明する。図9は、図2に示したストッパ70の接触部73及びその周辺を示す拡大図であり、(a)は測定対象となる電圧Vが0Vである場合を示し、(b)は測定対象となる電圧Vが100Vである場合を示し、(c)は測定対象となる電圧Vが147Vである場合を示し、(d)は測定対象となる電圧Vが150Vである場合を示している。   Next, the stopper 70 will be described in more detail. FIG. 9 is an enlarged view showing the contact portion 73 of the stopper 70 shown in FIG. 2 and its periphery. FIG. 9A shows a case where the voltage V to be measured is 0 V, and FIG. (C) shows the case where the voltage V to be measured is 147V, and (d) shows the case where the voltage V to be measured is 150V.

図9(a)に示すように、測定対象となる電圧が0Vである場合、接触部73と振動子20との距離はL1だけ離れている。これに対して、図9(b)及び(c)に示すように、測定対象となる電圧が高くなると、振動子20が静電引力により固定電極30側に引っ張られるため、接触部73と振動子20と距離は、L2、L3と次第に短くなる。そして、図9(d)に示すように、測定対象となる電圧が150Vに達すると、接触部73は振動子20に当接する。なお、上記したようにストッパ70は、電気的にどこにも接続されておらず、且つ、接触部73が固定電極30よりも振動子20側に突き出ているため、振動子20と固定電極30との接触を防ぎ、短絡が防止されることとなる。   As shown in FIG. 9A, when the voltage to be measured is 0 V, the distance between the contact portion 73 and the vibrator 20 is separated by L1. On the other hand, as shown in FIGS. 9B and 9C, when the voltage to be measured is increased, the vibrator 20 is pulled to the fixed electrode 30 side by electrostatic attraction, so that the contact portion 73 and the vibration are vibrated. The distance from the child 20 is gradually shortened to L2 and L3. Then, as shown in FIG. 9D, when the voltage to be measured reaches 150 V, the contact portion 73 comes into contact with the vibrator 20. Note that, as described above, the stopper 70 is not electrically connected anywhere, and the contact portion 73 protrudes toward the vibrator 20 from the fixed electrode 30, so that the vibrator 20 and the fixed electrode 30 Will be prevented and a short circuit will be prevented.

図10は、測定対象となる電圧Vと、振動子20及び固定電極30のギャップgとの相関を示すグラフである。図10に示すように、ギャップgは、測定対象となる電圧Vが高くなるほど小さくなる。そして、測定対象となる電圧Vが150Vに達すると、ギャップgは10μm強となり、振動子20はストッパ70の接触部73に接触する。故に、本例における電圧センサ1では測定対象となる電圧Vが147V以下のときに測定可能となる。なお、本例では測定対象となる電圧Vが150V以上となると、測定不可能となるが、ギャップgを予め大きくするなど種々の方法により150V以上の電圧についても測定可能である。   FIG. 10 is a graph showing the correlation between the voltage V to be measured and the gap g between the vibrator 20 and the fixed electrode 30. As shown in FIG. 10, the gap g decreases as the voltage V to be measured increases. When the voltage V to be measured reaches 150 V, the gap g becomes a little over 10 μm, and the vibrator 20 comes into contact with the contact portion 73 of the stopper 70. Therefore, the voltage sensor 1 in this example can be measured when the voltage V to be measured is 147 V or less. In this example, when the voltage V to be measured is 150 V or higher, measurement is impossible, but a voltage of 150 V or higher can also be measured by various methods such as increasing the gap g in advance.

次に、本実施形態に係る電圧センサ1の変形例を説明する。図11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。なお、図11においては電気的接続関係を模式的に示すものとする。   Next, a modification of the voltage sensor 1 according to this embodiment will be described. FIG. 11 is a cross-sectional view showing a first modification of the voltage sensor 1 according to this embodiment. FIG. 11 schematically shows the electrical connection relationship.

図11に示すように、第1変形例に係る電圧センサ1の固定電極30と駆動用電極50とは、シリコン基板上において絶縁層31,52に包まれた構成となっている。   As shown in FIG. 11, the fixed electrode 30 and the driving electrode 50 of the voltage sensor 1 according to the first modification are configured to be surrounded by insulating layers 31 and 52 on a silicon substrate.

さらに、第1変形例に係る電圧センサ1の振動子20についても、その周囲が絶縁層22により覆われた構造となっている。このため、ストッパ70に代えて上記構成を採用することにより、仮にこれら電極20,30,50が接触したとしてもショートを防ぎ安全性を高めることができる。   Further, the vibrator 20 of the voltage sensor 1 according to the first modification also has a structure in which the periphery thereof is covered with the insulating layer 22. For this reason, by adopting the above configuration instead of the stopper 70, even if these electrodes 20, 30, 50 come into contact with each other, a short circuit can be prevented and safety can be improved.

図12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。なお、図12においても電気的接続関係を模式的に示すものとする。   FIG. 12 is a cross-sectional view showing a second modification of the voltage sensor 1 according to this embodiment. FIG. 12 also schematically shows the electrical connection relationship.

図12に示すように、第2変形例に係る電圧センサ1は、図11に示すものと同様であるが、振動子20の内部に絶縁層20aを有する点で異なる。すなわち、第2変形例に係る振動子20は、絶縁層20aにより隔てられた2つの電極部位20b、20cを有しており、第1の電極部位20bは駆動用電極50側に配置され、第2の電極部位20cは固定電極30側に配置されている。   As shown in FIG. 12, the voltage sensor 1 according to the second modification is the same as that shown in FIG. 11, but is different in that an insulating layer 20 a is provided inside the vibrator 20. That is, the vibrator 20 according to the second modification has two electrode portions 20b and 20c separated by the insulating layer 20a, and the first electrode portion 20b is disposed on the drive electrode 50 side, The second electrode portion 20c is disposed on the fixed electrode 30 side.

このため、交流電圧側の第1の電極部位20bと測定対象となる直流電圧側の第2の電極部位20cとを絶縁することとなり、測定対象となる高電圧系統を駆動側と電気的に絶縁して安全性を高めることができる。   For this reason, the first electrode part 20b on the AC voltage side is insulated from the second electrode part 20c on the DC voltage side to be measured, and the high voltage system to be measured is electrically insulated from the drive side. To increase safety.

図13は、本実施形態に係る電圧センサ1の第3変形例を示す断面図である。なお、図13においても電気的接続関係を模式的に示すものとする。   FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a third modification of the voltage sensor 1 according to the present embodiment. Note that FIG. 13 also schematically shows the electrical connection relationship.

図13に示すように、第3変形例に係る電圧センサ1は、図12に示すものと同様に振動子20の内部に絶縁層20aを有するが、シリコン基板の表裏に第一と第二の電極部位を形成し、絶縁層20aで上下に隔てた構造としても良い。すなわち、第3変形例に係る振動子20は、絶縁層20aにより上下に隔てられた2つの電極部位20b、20cを有しており、第1の電極部位20bは駆動用電極50側に配置され、第2の電極部位20cは固定電極30側に配置されている。   As shown in FIG. 13, the voltage sensor 1 according to the third modification has an insulating layer 20a inside the vibrator 20 similar to that shown in FIG. An electrode part may be formed and may be separated vertically by the insulating layer 20a. That is, the vibrator 20 according to the third modification has two electrode parts 20b and 20c that are vertically separated by the insulating layer 20a, and the first electrode part 20b is disposed on the driving electrode 50 side. The second electrode portion 20c is disposed on the fixed electrode 30 side.

このため、交流電圧側の第1の電極部位20bと測定対象となる直流電圧側の第2の電極部位20cとを絶縁することとなり、測定対象となる高電圧系統を駆動側と電気的に絶縁して安全性を高めることができる。   For this reason, the first electrode part 20b on the AC voltage side is insulated from the second electrode part 20c on the DC voltage side to be measured, and the high voltage system to be measured is electrically insulated from the drive side. To increase safety.

図14は、本実施形態に係る電圧センサ1の第4変形例を示す断面図である。なお、図14においては電気的接続関係を模式的に示すものとする。振動子20の振幅を測定するため、振動子20から電気信号を取り出す場合も考えられる。このため、図14に示すように、第4変形例に係る電圧センサ1は、振動子20と電気的に接続されて振動子20の振幅を検出する振幅検出手段80を備えている。   FIG. 14 is a cross-sectional view showing a fourth modification of the voltage sensor 1 according to this embodiment. FIG. 14 schematically shows the electrical connection relationship. In order to measure the amplitude of the vibrator 20, an electric signal may be taken out from the vibrator 20. For this reason, as shown in FIG. 14, the voltage sensor 1 according to the fourth modification includes an amplitude detection unit 80 that is electrically connected to the vibrator 20 and detects the amplitude of the vibrator 20.

ここで、一般に振動子20に印加される交流電圧は低電圧側に分類されており、振幅検出手段80についても低電圧側に分類されることとなる。一方、測定対象となる電圧は高電圧側に分類される。このため、上記低電圧側と高電圧側とは電気的に分離されることが好ましい。   Here, the AC voltage applied to the vibrator 20 is generally classified on the low voltage side, and the amplitude detecting means 80 is also classified on the low voltage side. On the other hand, the voltage to be measured is classified on the high voltage side. For this reason, it is preferable that the low voltage side and the high voltage side are electrically separated.

そこで、第4変形例に係る電圧センサ1は、振幅検出手段80の前段に絶縁手段81を備えている。すなわち、図14に示す振動電極20と振幅検出手段80との間に絶縁手段81を介在させ、測定対象となる直流電圧が印加される固定電極30に例え振動電極20が接触しても振幅検出手段80に高電圧が印加されることを防止するようにしている。これにより、振幅を検出するための交流信号のみを通過させつつ、直流成分を遮断することができ、振幅検出手段80を測定対象となる高電圧系統の直流成分と絶縁してさらに安全性を高めることができる。なお、絶縁手段81は静電結合によるコンデンサ、誘導結合によるコイル、光結合によるLED(Light Emitting Diode)などが用いられ、外付けであっても良いし、センサ内部に組み込まれていても良い。   Therefore, the voltage sensor 1 according to the fourth modification includes an insulating unit 81 in front of the amplitude detecting unit 80. That is, an insulating means 81 is interposed between the vibration electrode 20 and the amplitude detection means 80 shown in FIG. 14, and the amplitude detection is performed even if the vibration electrode 20 contacts the fixed electrode 30 to which the DC voltage to be measured is applied. A high voltage is prevented from being applied to the means 80. As a result, the DC component can be cut off while passing only the AC signal for detecting the amplitude, and the amplitude detecting means 80 is insulated from the DC component of the high voltage system to be measured to further increase the safety. be able to. The insulating means 81 may be a capacitor by electrostatic coupling, a coil by inductive coupling, an LED (Light Emitting Diode) by optical coupling, or the like, and may be externally attached or incorporated in the sensor.

図15は、本実施形態に係る電圧センサ1の第5変形例を示す断面図である。なお、図15においては電気的接続関係を模式的に示すものとする。図14を参照して説明したように、一般に駆動用電極50に印加される交流電圧は低電圧側に分類されており、測定対象となる電圧は高電圧側とは電気的に分離されることが好ましい。   FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating a fifth modification of the voltage sensor 1 according to the present embodiment. FIG. 15 schematically shows the electrical connection relationship. As described with reference to FIG. 14, the AC voltage applied to the drive electrode 50 is generally classified into the low voltage side, and the voltage to be measured is electrically separated from the high voltage side. Is preferred.

そこで、第5変形例に係る電圧センサ1は、第4変形例と同様に絶縁手段81を備えている。絶縁手段81は、図15に示す駆動用電極50と交流発生回路との間に介在されており、測定対象となる直流電圧が印加される固定電極30に例え振動電極20が接触しても交流発生回路に高電圧が印加されることを防止するようにしている。これにより、振動子20を励起するための交流信号のみを通過させつつ、直流成分を遮断することができ、交流発生回路を測定対象となる高電圧系統の直流成分と絶縁してさらに安全性を高めることができる。なお、絶縁手段81は静電結合によるコンデンサ、誘導結合によるコイル、光結合によるLED(Light Emitting Diode)などが用いられ、外付けであっても良いし、センサ内部に組み込まれていても良い。   Therefore, the voltage sensor 1 according to the fifth modification includes an insulating unit 81 as in the fourth modification. The insulating means 81 is interposed between the driving electrode 50 and the AC generating circuit shown in FIG. 15, and even if the vibrating electrode 20 contacts the fixed electrode 30 to which the DC voltage to be measured is applied. A high voltage is prevented from being applied to the generation circuit. As a result, the DC component can be cut off while passing only the AC signal for exciting the vibrator 20, and the AC generator circuit is insulated from the DC component of the high voltage system to be measured for further safety. Can be increased. The insulating means 81 may be a capacitor by electrostatic coupling, a coil by inductive coupling, an LED (Light Emitting Diode) by optical coupling, or the like, and may be externally attached or incorporated in the sensor.

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、機械的なサスペンション10によって支持された振動子20にある隙間を介して対向配置された固定電極30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20に作用させ、これにより振動子20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。ここで、測定対象となる電圧が固定電極30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10のバネ定数が変化することとなり、振動子20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一定の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。このように、本発明では、高精度の抵抗を用いる必要がなく、電圧測定の精度の向上を図ることができると共に絶縁手段等も必要がなく、部品点数の増加を抑えることができる。さらに、測定対象の電圧が生じる静電引力を利用して計測するため、測定対象からほとんど電流を流すことなく、電圧を計測することができる。加えて、集磁コア等や光学部品を用いる必要もなく、消費電力の増加及び部品点数の増加を抑えることができ、組み立ての煩雑化についても抑制することができる。   In this way, according to the voltage sensor 1 according to the present embodiment, the voltage to be measured is applied to the fixed electrode 30 that is disposed to face the gap 20 in the vibrator 20 that is supported by the mechanical suspension 10. As a result, an electrostatic attractive force is applied to the vibrator 20 and the resonance frequency of the vibrator 20 is thereby changed, whereby the voltage to be measured is calculated. Here, when a voltage to be measured is applied to the fixed electrode 30, the spring constant of the suspension 10 substantially changes due to the electrostatic attractive force caused by this voltage, and the resonance frequency of the vibrator 20 changes. It becomes. Since this change has a certain correlation with the magnitude of the voltage to be measured, the value of the voltage to be measured can be measured from the changed resonance frequency. As described above, in the present invention, it is not necessary to use a high-precision resistor, the accuracy of voltage measurement can be improved, and an insulating means or the like is not necessary, and an increase in the number of parts can be suppressed. Further, since the measurement is performed by using the electrostatic attractive force that generates the voltage to be measured, the voltage can be measured with almost no current flowing from the measurement target. In addition, it is not necessary to use a magnetic collecting core or the like, optical components can be suppressed, an increase in power consumption and an increase in the number of components can be suppressed, and complicated assembly can also be suppressed.

また、振動子20と固定電極30とが短絡しないように機械的なストッパ70又は絶縁体22,31を有するため、振動子20と固定電極30との短絡が防止され、安全性を高めることができる。   Further, since the mechanical stopper 70 or the insulators 22 and 31 are provided so that the vibrator 20 and the fixed electrode 30 are not short-circuited, a short-circuit between the vibrator 20 and the fixed electrode 30 is prevented, and safety can be improved. it can.

また、振動子20と固定電極30との関係が平行平板電極であるため、電極間に働く力のギャップ依存性が高い。加えて、静電引力のギャップ変化に対する傾きが、静電引力分の等価的なバネ定数となる。測定対象となる電圧の印加によってサスペンション分も含めた全体の等価的なバネ定数が変化し、共振周波数が変化する、周波数は正確に測定できる量であるので、測定分解能の向上につなげることができる。   Further, since the relationship between the vibrator 20 and the fixed electrode 30 is a parallel plate electrode, the gap dependency of the force acting between the electrodes is high. In addition, the slope of the electrostatic attraction with respect to the gap change becomes an equivalent spring constant for the electrostatic attraction. By applying the voltage to be measured, the total equivalent spring constant including the suspension changes, and the resonance frequency changes. The frequency is an amount that can be measured accurately, which can improve the measurement resolution. .

また、振動子20を励振させるために静電引力を利用する。振動振幅は僅かでも共振周波数が測定できるため、電子回路が動作するような低電圧が利用できる。よって、電圧センサの電子化に適している。   In addition, electrostatic attraction is used to excite the vibrator 20. Since the resonance frequency can be measured even with a small vibration amplitude, a low voltage at which the electronic circuit operates can be used. Therefore, it is suitable for digitizing a voltage sensor.

また、振動子20を励振するための電極が櫛歯電極21,51であるため、静電引力により振動子20が移動したとしても櫛歯電極21,51であればギャップの依存性が小さく交流電圧の印加による共振周波数への影響を少なくすることができる。   Further, since the electrodes for exciting the vibrator 20 are the comb-tooth electrodes 21 and 51, even if the vibrator 20 is moved by electrostatic attraction, the comb-tooth electrodes 21 and 51 have a small gap dependency and an alternating current. The influence on the resonance frequency due to the application of voltage can be reduced.

また、測定対象となる直流電圧が振幅検出手段80に印加されることを防止する絶縁手段81を備えるため、振幅検出手段80を測定対象となる高電圧系統の直流成分とを電気的に絶縁してさらに安全性を高めることができる。   Further, since the insulation means 81 for preventing the DC voltage to be measured from being applied to the amplitude detection means 80 is provided, the amplitude detection means 80 is electrically insulated from the DC component of the high voltage system to be measured. Safety can be further improved.

また、測定対象となる直流電圧が交流発生回路に印加されることを防止する絶縁手段81を備えるため、交流発生回路を測定対象となる高電圧系統の直流成分とを電気的に絶縁してさらに安全性を高めることができる。   In addition, since the insulation means 81 for preventing the DC voltage to be measured from being applied to the AC generation circuit is provided, the AC generation circuit is further electrically insulated from the DC component of the high voltage system to be measured. Safety can be increased.

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。   As described above, the present invention has been described based on the embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment, and may be modified without departing from the gist of the present invention.

例えば、本実施形態において駆動用電極50と振動子20は、櫛歯電極21,51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、特に櫛歯電極21,51を備えていなくともよい。   For example, in the present embodiment, the driving electrode 50 and the vibrator 20 include the comb electrodes 21 and 51. However, the present invention is not limited thereto, and the vibrator 20 can be vibrated by sufficiently generating an electrostatic attractive force. If possible, the comb electrodes 21 and 51 may not be particularly provided.

また、本実施形態においてサスペンション10は、コの字状に折り返された形状となっているが、特にこれに限らず、直線状など他の形状に構成されていてもよい。   Further, in the present embodiment, the suspension 10 has a shape folded back in a U-shape, but is not limited to this, and may be configured in other shapes such as a straight line.

1…電圧センサ
10…サスペンション
11…第1のサスペンション
11a…第1サスペンション部
11b…第2サスペンション部
11c…平板
12…第2サスペンション
12a…第1サスペンション部
12b…第2サスペンション部
12c…平板
20…振動電極
20a…絶縁層
20b…第1の電極部位
20c…第2の電極部位
21…櫛歯電極
22…絶縁層
30…固定電極
31…絶縁層
40…演算部
50…駆動用電極
51…櫛歯電極
52…絶縁層
61…第1電極
62…第2電極
70…ストッパ
71…本体部
72…バネ部
73…接触部
80…振幅検出手段
81…絶縁手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Voltage sensor 10 ... Suspension 11 ... 1st suspension 11a ... 1st suspension part 11b ... 2nd suspension part 11c ... Flat plate 12 ... 2nd suspension 12a ... 1st suspension part 12b ... 2nd suspension part 12c ... Flat plate 20 ... Vibration electrode 20a ... insulating layer 20b ... first electrode part 20c ... second electrode part 21 ... comb electrode 22 ... insulating layer 30 ... fixed electrode 31 ... insulating layer 40 ... calculation unit 50 ... driving electrode 51 ... comb teeth Electrode 52 ... Insulating layer 61 ... First electrode 62 ... Second electrode 70 ... Stopper 71 ... Main part 72 ... Spring part 73 ... Contact part 80 ... Amplitude detecting means 81 ... Insulating means

Claims (9)

機械的なサスペンションによって支持された振動子と、
前記振動子を振動させるための駆動用電極と、
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、
前記固定電極に測定対象である電圧を印加することで、静電引力を前記振動子に作用させ、当該静電引力が作用したことにより変化した前記振動子の共振周波数から、測定対象である電圧を算出する電圧センサであって、
前記固定電極はシリコン等の基板上において絶縁層を介して設けられ、
前記振動子は、前記基板上に形成され前記固定電極及び駆動用電極と異なる電極に一端が接続されるサスペンションの他端に接続されて、宙に浮いた構造で前記基板上に固定されており、
前記駆動用電極は、前記振動子と向かい合うように前記基板上に配置されて、前記固定電極及び前記振動子と共に前記基板に対して平行に配置されている
ことを特徴とする電圧センサ。
A vibrator supported by a mechanical suspension;
A driving electrode for vibrating the vibrator;
A fixed electrode disposed oppositely through a gap in the vibrator,
By applying a voltage to be measured to the fixed electrode, an electrostatic attraction is applied to the vibrator, and the voltage to be measured is determined from the resonance frequency of the vibrator that is changed by the action of the electrostatic attraction. A voltage sensor for calculating
The fixed electrode is provided on an insulating layer on a substrate such as silicon,
The vibrator is fixed on the substrate in a floating structure , connected to the other end of a suspension formed on the substrate and having one end connected to an electrode different from the fixed electrode and the driving electrode. ,
The drive electrode is disposed on the substrate so as to face the vibrator, and is disposed in parallel to the substrate together with the fixed electrode and the vibrator.
請求項1に記載された電圧センサにおいて、
前記振動子は細長形状とされている
ことを特徴とする電圧センサ。
The voltage sensor according to claim 1,
The voltage sensor, wherein the vibrator has an elongated shape.
請求項1又は請求項2のいずれかに記載された電圧センサにおいて、
前記サスペンションは、それぞれがコの字状に折り返された形状となっている
ことを特徴とする電圧センサ。
In the voltage sensor according to claim 1 or 2,
Each of the suspensions has a shape that is folded in a U-shape.
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載された電圧センサにおいて、
前記振動子と測定対象である電圧が印加される固定電極とが短絡しないように機械的なストッパ又は絶縁体を有する
ことを特徴とする電圧センサ。
The voltage sensor according to any one of claims 1 to 3,
A voltage sensor comprising a mechanical stopper or an insulator so that the vibrator and a fixed electrode to which a voltage to be measured is applied are not short-circuited.
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載された電圧センサにおいて、
前記振動子と測定対象である電圧が印加される前記固定電極との関係が平行平板電極である
ことを特徴とする電圧センサ。
The voltage sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein:
A voltage sensor, wherein a relationship between the vibrator and the fixed electrode to which a voltage to be measured is applied is a parallel plate electrode.
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載された電圧センサにおいて、
前記振動子を励振させるために静電引力を利用する
ことを特徴とする電圧センサ。
The voltage sensor according to any one of claims 1 to 5,
A voltage sensor using electrostatic attraction to excite the vibrator.
請求項6に記載された電圧センサにおいて、
前記振動子を励振するための電極が櫛歯電極である
ことを特徴とする電圧センサ。
The voltage sensor according to claim 6, wherein
An electrode for exciting the vibrator is a comb-teeth electrode.
請求項1から請求項7のいずれか1項に記載された電圧センサにおいて、
前記振動子と電気的に接続されて前記振動子の振幅を検出する振幅検出手段と、
前記固定電極に印加される測定対象となる電圧が前記振幅検出手段に印加されることを防止する絶縁手段と、
を備えることを特徴とする電圧センサ。
The voltage sensor according to any one of claims 1 to 7,
Amplitude detection means for detecting the amplitude of the vibrator electrically connected to the vibrator;
Insulating means for preventing a voltage to be measured applied to the fixed electrode from being applied to the amplitude detecting means;
A voltage sensor comprising:
請求項1から請求項8のいずれか1項に記載された電圧センサにおいて、
前記振動子は、
前記振動子に対して電気的に接続されて前記振動子に対して交流電圧を印加する交流発生回路と接続される第1の電極部位と、
前記固定電極に対して電気的に接続される第2の電極部位と、
前記第1の電極部位と前記第2の電極部位とを絶縁する絶縁手段と、を有し、
前記絶縁手段により前記固定電極に印加される測定対象となる電圧が前記交流発生回路に印加されることを防止する、
ことを特徴とする電圧センサ。
The voltage sensor according to any one of claims 1 to 8,
The vibrator is
A first electrode portion connected to an alternating current generating circuit electrically connected to the vibrator and applying an alternating voltage to the vibrator;
A second electrode portion electrically connected to the fixed electrode;
Insulating means for insulating the first electrode portion and the second electrode portion;
Preventing the voltage to be measured applied to the fixed electrode by the insulating means from being applied to the AC generating circuit;
A voltage sensor characterized by that.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6486644B2 (en) * 2014-10-17 2019-03-20 日置電機株式会社 Voltage detection method
JP6370832B2 (en) * 2016-05-06 2018-08-08 矢崎総業株式会社 Voltage sensor
JP6775347B2 (en) * 2016-07-29 2020-10-28 株式会社日立製作所 Voltage detector and voltage detection method
JP6750530B2 (en) * 2016-08-02 2020-09-02 株式会社リコー Ion filter, ion detection device, and method for manufacturing ion filter
JP6546576B2 (en) * 2016-10-11 2019-07-17 矢崎総業株式会社 Voltage sensor

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH063397A (en) * 1992-06-22 1994-01-11 Dainippon Printing Co Ltd Potential distribution measuring device
JPH09211046A (en) * 1996-02-02 1997-08-15 Hitachi Ltd Method and apparatus for non-contact detection of potential
JP3368744B2 (en) * 1996-03-27 2003-01-20 株式会社豊田中央研究所 Vibration acceleration sensor
FI981457A0 (en) * 1998-06-24 1998-06-24 Valtion Teknillinen Micromechanical AC and DC reference device
JP4378532B2 (en) * 2005-09-27 2009-12-09 アオイ電子株式会社 Comb-shaped probe driving apparatus, atomic force microscope apparatus, and displacement measuring method
JP2008252854A (en) * 2007-03-30 2008-10-16 Matsushita Electric Works Ltd Electrostatic transducer and manufacturing method thereof

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