JP6199574B2 - Voltage sensor - Google Patents
Voltage sensor Download PDFInfo
- Publication number
- JP6199574B2 JP6199574B2 JP2013028759A JP2013028759A JP6199574B2 JP 6199574 B2 JP6199574 B2 JP 6199574B2 JP 2013028759 A JP2013028759 A JP 2013028759A JP 2013028759 A JP2013028759 A JP 2013028759A JP 6199574 B2 JP6199574 B2 JP 6199574B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- vibrator
- voltage
- electrode
- voltage sensor
- measured
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
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).
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
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.
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
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
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
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、
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keとして表わすことができる。
これにより、振動子20は式(3)に示す共振周波数fr’で振動することとなる。
ここで、式(2)の等価バネ定数ke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fr’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
よって、演算部40は、振動子20の共振周波数fr’から測定対象となる電圧を算出することができる。
Therefore, the
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
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
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
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
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
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
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
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
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frを持ち振動することとなる。
Next, the operation of the
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fr’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
図5は、変化前の共振周波数fr及び変化後の共振周波数fr’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frからfr’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fr’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fr’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
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
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fr’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
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
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。
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
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ke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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Claims (9)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013028759A JP6199574B2 (en) | 2012-03-30 | 2013-02-18 | Voltage sensor |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012080207 | 2012-03-30 | ||
JP2012080207 | 2012-03-30 | ||
JP2013028759A JP6199574B2 (en) | 2012-03-30 | 2013-02-18 | Voltage sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013228367A JP2013228367A (en) | 2013-11-07 |
JP6199574B2 true JP6199574B2 (en) | 2017-09-20 |
Family
ID=49676113
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013028759A Active JP6199574B2 (en) | 2012-03-30 | 2013-02-18 | Voltage sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6199574B2 (en) |
Families Citing this family (5)
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)
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 |
-
2013
- 2013-02-18 JP JP2013028759A patent/JP6199574B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2013228367A (en) | 2013-11-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6199574B2 (en) | Voltage sensor | |
US8826742B2 (en) | Pressure sensor using MEMS resonator | |
JP4993349B2 (en) | Potential measuring apparatus and image forming apparatus | |
JP5024803B2 (en) | Detection sensor | |
TWI512268B (en) | A gyroscope and method for inertial sensing using a time-domain,tuning-fork gyroscope | |
JP5875844B2 (en) | MEMS vibration beam accelerometer with piezoelectric drive | |
US9293686B2 (en) | In-plane actuated resonant device and method of manufacturing the device | |
KR20150071428A (en) | Magnetic field sensor and sensing apparatus using thereof | |
JP2005526227A (en) | Sensor for non-contact electrostatic detector | |
WO2013094208A1 (en) | Vibration-type angular velocity sensor | |
JP4378532B2 (en) | Comb-shaped probe driving apparatus, atomic force microscope apparatus, and displacement measuring method | |
JP5559122B2 (en) | Micromechanical vibrator and method for controlling micromechanical vibrator | |
JP4758405B2 (en) | Sensor element and physical sensor device | |
JP4696244B2 (en) | Pressure detection device | |
KR101624638B1 (en) | Nano-wire resonator having side gate | |
JP2017509878A (en) | Micromechanical component having split motion structure with galvanic isolation and driving method thereof | |
JP6546576B2 (en) | Voltage sensor | |
JP2009097951A (en) | Temperature sensor | |
JP5193541B2 (en) | Angular velocity detector | |
JP4913467B2 (en) | Potential sensor | |
TWI526703B (en) | Resonant based magnetic field sensor | |
CN103245579A (en) | Structure for testing Young modulus of top silicon layer of silicon-on-insulator | |
JP6370832B2 (en) | Voltage sensor | |
JP2007163326A (en) | Potential measuring device and method for manufacturing potential measuring device | |
RU2506549C1 (en) | Resonant pressure sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20160119 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20161116 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20161122 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170120 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20170509 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170606 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20170815 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20170824 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6199574 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |