JPH033184B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電圧測定装置にかかり、測定電圧領域
が広く、小型で精度の高い電圧測定装置を提供し
ようとするものである。

電圧計に要求される条件としては、入力インピ
ーダンスが高いこと、温度安定性がよいこと、耐
雑音性に優れ、安定していること、耐電圧性がよ
いこと、読取り精度が高いことなどをあげること
ができる。

従来、入力インピーダンスの高い電圧計とし
て、真空管電圧計が広く使用されていた。これ
は、真空管を利用しているために、特性がかなり
不安定であり、また、熱雑音が大きいだけでな
く、小型化の困難なものであつた。そのため、近
年になつて、電界効果型トランジスタ（FET）
を用いた電圧計に次第にとつてかわられている。
FETを用いた電圧計は、真空管電圧計と同等の
入力インピーダンスをもち、雑音熱が少なく、小
型化できるという利点をもつている。しかし、
FETの耐電圧性がよくなく、そのためこの電圧
計は通常数10V程度の電圧にしか耐えられず、過
大電圧にきわめて弱いものであつた。

一方、現在の電子機器において、数百Ｖから数
千程度の電圧が使用されることは、それほど珍し
いことではない。このような電子機器の回路電圧
の測定には、FETを用いた電圧計は不適当であ
つた。

発明者らは、圧電体に電界を印加すると、その
弾性的な特性が変化することに注目し、これを利
用した電圧計を開発した。この電圧計によれば従
来の上記電圧計にあつた問題点を解決することが
できる。

圧電体に電界を印加すると、この圧電体に歪が
発生し、その弾性的な特性が変化する。かかる特
性の変化は、たとえば圧電体の共振周波数の変化
として観測される。すなわち、弾性表面波の伝搬
速度、伝搬損失、伝搬長が、圧電体を印加される
電界に応じて変化する。それにより、弾性表面波
発振器の発振周波数が変化する。弾性表面波発振
器の構造や寸法、それを構成する圧電体の材質等
が決まれば、その発振周波数の変化から印加電圧
を知ることができる。

第１図に、発明者らが先に提案した電圧測定装
置の構成を示す。図において、１は板状の弾性表
面波伝搬媒体で、圧電体材料で構成されている。
２，３は交差指形電極で、公知の弾性表面波を利
用する装置と同様に弾性表面波伝搬媒質１の一方
の主面上に形成されている。４は増巾器で、その
入力端は一方の電極３に、またその出力端は他方
の電極２にそれぞれ接続されている。５はコンデ
ンサで、出力端子６と電極２、増巾器４の出力端
との間に挿入されている。７は外部電界検出用電
極で、弾性表面波伝搬媒体１の一方の主面上で電
極２，３間に位置するよう形成されている。８は
対向電極で、弾性表面波伝搬媒体１の他方の主面
上に、電極７と対向するよう設けられている。電
極２，３，７，８はアルミニウムや金などの金属
材料をスパツタ法や蒸着法などの公知の方法で形
成することができる。９，９′は測定すべき電圧
を電極７，８に印加するための入力端子である。

このような構成において、電極２により弾性表
面波伝搬媒体１に表面弾性波を発生させる。弾性
表面波伝搬媒体１の表面を伝搬して来た表面波は
電極３の部分で交番電圧に変換される。この電圧
は増巾器４によつて増巾されて電極２に印加さ
れ、電極２より弾性表面波として再放射される。

上述のようにして一巡したときの位相条件が合
致した周波数成分のみが選択的に増大し、一定の
電圧値で飽和して、発振状態となる。すなわち、
増巾器４による帰還形の発振形の発振器が構成さ
れる。出力周波数は端子６より得られる。

入力端子９，９′に測定すべき電圧を印加する
と、電圧体材料からなる弾性表面波伝搬媒体１の
電極７，８間にそれぞれに応じた電界が印加され
ることになる。したがつて、電極７，８間の電界
に応じ、上記媒体１は歪を生じ、電極２，３間に
生じた弾性表面波航路長が変化する。入力端子
９，９′に対する印加電圧が変化すると、弾性表
面波伝搬媒体１の電極７，８間の部分に加えられ
る電界も変化する。この電界に応じて上記弾性表
面波航路長が変化するため、位相条件が変化し、
出力周波数が変化する。したがつて、前記出力周
波数が前記入力端子９，９′に印加される電圧に
応じて変化する。

すなわち圧電体である弾性表面波伝搬媒体１に
電界が印加されると、圧電体結晶に歪が生じ、電
極２，３間の弾性表面波の実効伝搬路長が変化す
る。そして、弾性表面波伝搬媒体１上における電
界の有無で、弾性表面波の伝搬速度が異なつて来
る。これらの要因によつて、入力端子９，９′へ
の入力電圧に対応する周波数の出力が端子６に得
られる。

ところで、圧電体に外部電界あるいは外部応力
を加えると、その内部に歪が生じるが、外部電界
または応部応力を印加し続けると、クリープ現象
が生じる。このクリープ現象は、一般に単結晶圧
電体に比べて焼結体圧電体の方が顕著に認められ
る。そのため、コンデンサなどを介して被測定電
圧を圧電体素子を印加し、この圧電体素子に実質
的に印加される電圧を低下させてやることが望ま
しい。しかしながら、このような方法を第１図に
示したような装置に単に適用した場合、圧電体１
に実際に印加される電圧は直接印加する電圧の数
分の１ないし数10分の１程度となり、その結果、
圧電体素子１には小さな電圧が印加されることに
なるため、内部歪も小さく、出力６から得られる
発振出力信号の周波数の変化も小さくなる。した
がつて雑音との比Ｓ／Ｎ比も小さくなる。その
上、圧電体素子は温度、湿度、気圧、保持状態
（機械的歪）などの諸条件に対して、ドリフトを
持つため、上記出力端子６から得られる発振出力
信号の周波数もドリフトする。

そのため、これらのクリープ現象や、諸条件に
よるドリフトの影響を少なくすることが、精度の
よい電圧検出測定装置を実現するための必要条件
となる。

本発明においては、弾性表面波遅延媒体に電圧
もしくは電界を印加するための電極とは別体の集
電体を設け、この集電体に得られる電圧を一定の
周波数で変化させて前記電極に印加して、この発
振周波数の変化分により外部電圧を検出するよう
構成することによつて、上述のクリープ現象や諸
条件のドリフトの影響を軽減することができたも
のである。すなわち、上記のように構成すること
により、弾性表面波遅延媒体に印可される電圧
は、従来のような直流電圧ではなく交番的とな
る。従つて電圧印加時間が短くなり、クリープ現
象の影響を小さくすることができるとともに、直
流的なバイアスによるドリフトの影響をなくすこ
とが可能となる。さらに、焼結体圧電体のような
クリープ現象の大きいものを使用する場合には、
集電体の振動を制御することによつて、その影響
を効果的に軽減することができたものである。

第２図に本発明になる電圧検出装置の一実施例
の構成を示す。この実施例において、第１図に示
した装置の構成要素と対応するものには同じ符号
を付している。圧電体材料で構成された弾性表面
波伝搬媒体１の表面に、交差指形電極２，３と電
極７，８が形成されている。この電極７，８は弾
性表面波伝搬媒体１の表面に密着して形成されて
いても、あるいはその少なくともいずれか一方が
一定の間隙をおいて破置されていてもよい。電極
７，８間には増巾器４が接続され、コンデンサ５
を介して出力が端子６より取り出される。電極
７，８のリード線端子９，９′はそれぞれ板状の
集電体１０、アースに接続されている。集電体１
０上と端子９とは伸縮が可能なようにたとえば細
いリード線１１で接続されている。無論、このリ
ード線１１は絶縁性のよい状態に保持されている
ことが必要である。集電体１０は、コア１３を有
するコイル１２の端子１４，１５に印加されるコ
イル駆動電圧に応じて上下に振動するような機構
に作られている。このとき必らずしもコイル（コ
アを含む）によつて集電体１０を振動させてやる
必要はなく、他の手段によつて振動させてもかま
わない。また、集電体１０の振動方向も上下に限
定されず、前後左右あるいは回転であつてもよ
い。集電体１０は、測定すべき荷電板１６（静電
複写機の場合であれば帯電ドラムなどに相当す
る）に相対向させて配置する。荷電板（帯電ドラ
ム）１６には、電圧Ｖが図にすように印加されて
いる。

これを模式的に示したものが第３図の電圧測定
部１７である。荷電板１６、集電体１０、圧電体
からなる弾性表面波伝搬媒体１は、それぞれ第３
図のように配置されている。ここで、荷電板１６
と集電体１０との間に形成されるコンデンサの静
電容量をC₂、弾性表面波伝搬媒体１の電極７，
８間に形成されるコンデンサの静電容量をC₁と
すると、荷電板１６に印加された電圧Ｖにより、
弾性表面波伝搬媒体１の電極７に生ずる電圧V₁
は集電体１０の電位と等しく、電位ＶをV₁、C₂
の比に分割した値、すなわちV₁＝C₂・Ｖ／（C₁
＋C₂）となる。今ここで、第２図に示すように
集電体１０を周波数₁で振動させると、荷電板１
６と集電体１０の間の静電容量C₂は、周波数₁で
変化する。しがたつて上式によつて、電極７の電
位V₁は同様に周波数₁で変化する。これはとり
もなおさず、弾性表面波伝搬媒体１の外部電界検
出用電極７に印加される電圧が周波数₁で変化し
ていることに相当し、したがつて第３図における
出力端子６から出力される発振信号の周波数
は、集電体１０の振動周波数₁で周波数変調
（FM変調）された信号（FM信号）として取り出
される。

第３図は本発明の装置の他の実施例の構成を示
したものである。電圧測定部１７によつて得られ
たFM信号出力は、混合回路２１に導かれる。混
合回路２１では、局部発振器２２から導かれた信
号との混合が行なわれ、FM検波回路２３により
RA検波される。検波出力は増巾器２５により増
巾されて出力端子２６から出力される。上述の弾
性表面波伝搬媒体１のクリープ現象や諸条件によ
る電圧測定部１７の出力周波数のドリフトの時定
数は実験により、0.1〜10秒であることがわかつ
た。このためこのドリフトにより出力は必ずしも
正しい値を示さなくなる。本発明では、FM検波
回路２３の出力を自動周波数制御回路（AFC回
路）２４を通して、局部発振器２２に帰還させ、
電圧測定部１７の出力信号の周波数ドリフトを打
ち消し、混合回路２１の出力周波数を常に一定と
なるようにした。このときのAFC回路２４を帰
還電圧の変化の時定数を10秒以下とした。

このようにして構成した回路の出力波形を第４
図に示す。第４図Ａは荷電板１６の印加電圧Ｖが
＋1000ボルトのときの出力波形図であり、同Ｂは
同じく＋800ボルト、同図Ｃは＋600ボルト、同図
Ｄは＋400ボルト、同図Ｅは＋200ボルトのときの
それぞれ出力波形を示している。なお、集電体１
０の振動周波数は約140ヘルツである。

同様に負の印加電圧による結果を示したものが
第５図である。この図は第４図のように得られた
結果を検出して直流電圧としそれをプロツトして
得たものである。集電体１０の振動周波数は、上
記の電圧測定部１７の出力周波数ドリフト時定数
の逆数以上の周波数であればよい結果が得られ
た。

上述の実施例では、弾性表面波伝搬媒体に印加
される電界を、集電体を周期的に移動させること
によつて変化させる場合について述べて来たが、
この印加電界を変化させる方法としては上述の方
法に限られるものではない。たとえば帯電体の実
用上支障のない部分に、帯電領域と非帯電領域と
を交互に配置しておき、この部分に集電体を対向
させて、集電体を固定した状態で帯電体を移動さ
せても、印加電界を周期的に変化させることがで
きる。帯電領域と非帯電領域は、誘電体と導電体
を交互に配することによつて構成できる。

以上のように、本発明にかかる電圧検出装置
は、測定すべき電圧に対応する電界を弾性表面波
発振装置の弾性表面波伝搬媒体に印加し、その周
波数変化で電圧を測定するよう構成されているの
で、その測定電圧の入力インピーダンスが非常に
高い。すなわち、弾性表面波遅延媒体は圧電材料
で構成されているので、現用の真空管電圧計等と
同等以上の入力インピーダンスを示す。そして、
測定可能な電圧の上限値は、弾性表面波遅延媒体
の絶縁耐圧によつて決まるので、10³Vオーダー
以上である。温度安定性についても、その構造や
構成材料の組合わせを選ぶことによつて、あるい
は温度補償手段を付加することによつて、容易に
10ppm／℃以下とすることができる。そして、電
圧を周波数に変換して読取る構成であるため、雑
音に対しても安定で読取誤差がない。また、出力
信号のデイジタル信号化がきわめて容易に行なう
ことができるので、単に電圧を測定し、その値を
読取るための電圧計としてだけでなく、電圧を検
出し、制御するための用途、たとえば電子複写機
のトナーの帯電度合の検出にも使用することがで
きるものである。

また、弾性表面波遅延媒体に電界もしくは電圧
を印加するための電極には、それと別体に設けら
れている集電体の電圧を特定の周波数で変化させ
て印加しているので、得られる出力信号は周波数
変調信号となる。この周波数変調信号の周波数変
化分を検出することによつて、被測定電圧値を検
出することができる。さらに、弾性表面波遅延媒
体の構成材料によつてクリープ現象やその他の周
波数のドリフト要因による影響を無視することが
できないとき、あるいはより高い測定精度が必要
とされるときには、出力端に混合回路と局部発振
器、FM検波回路、自動周波数制御回路とを接続
し、FM検波回路の出力に応じて自動周波数制御
回路により局部発振器の発振周波数を変化させる
ことによつて、出力信号の周波数ドリフトを相殺
することができる。実際に使用するにあたつて
は、この自動周波数制御回路の帰還電圧変化の時
定数を10秒以下で、集電体より電極に供給される
電圧の周波数の逆数値以上とすればよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電圧検出装置の一例を示す図、
第２図は本発明にかかる電圧検出装置の一実施例
の要部の構成を示す図、第３図は同じく他の実施
例の構成を示す図、第４図および第５図はそれぞ
れこの装置による電圧測定結果を示す図である。 １……弾性表面波伝搬媒体、２，３……交差指
形電極、４……増巾器、７……電極、８……対向
電極、１０……集電体、１６……荷電板、１７…
…電圧測定部、２１……混合回路、２２……局部
発振器、２３……FM検波回路、２４……自動周
波数回路、２５……増巾器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも、圧電体で構成された弾性表面波
   伝搬媒体と、この弾性表面波伝搬媒体上に設けら
   れている弾性表面波送受波用電極と、前記受波用
   電極に入力端が接続され、かつ前記送波用電極に
   出力端が接続されている増巾器とで構成された発
   振器、前記弾性表面波伝搬媒体に電界を印可する
   ための電極、および、電圧を検出すべき測定対象
   の近傍に配置されていて、前記電極のいずれか一
   方と接続されている集電体を有し、前記集電体よ
   り前記電極の一方に印可される電圧により、前記
   発振器の出力周波数を変化させ、この周波数の変
   化分により前記測定対象の電圧を検出するよう構
   成されるとともに、前記電極の一方に印可される
   電圧は、前記測定対象に起因して前記集電体に発
   生する電圧を一定の周波数の交番電圧に変換した
   ものであることを特徴とする電圧検出装置。 ２ 集電体を測定対象に対して周期的に変位させ
   ることにより集電体に発生する電圧を交番電圧に
   変換することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の電圧検出装置。 ３ 少なくとも、圧電体で構成された弾性表面波
   伝搬媒体と、この弾性表面波伝搬媒体上に設けら
   れている弾性表面波送受波用電極と、前記受波用
   電極に入力端が接続され、かつ前記送波用電極に
   出力端が接続されている増巾器とで構成された発
   振器、前記弾性表面波伝搬媒体に電界を印可する
   ための電極、電圧を検出すべき測定対象の近傍に
   配置されていて、前記電極のいずれか一方と接続
   されている集電体、前記受波用電極に出力端が接
   続されている混合回路、この混合回路の出力端に
   接続されている周波数変調検波回路、この周波数
   変調検波回路の検波出力を入力とし、周波数制御
   電圧変化時定数が10秒以下である自動周波数制御
   回路、および、この自動周波数制御回路によつて
   発振周波数が制御され、発振出力を前記混合回路
   に供給する局部発振器を有し、前記測定対象に起
   因して前記集電体に発生する電圧を一定の周波数
   の交番電圧に変換した電圧を前記電極の一方に印
   可するとともに、前記自動周波数制御回路により
   前記周波数変調検波回路の検波出力に応じて前記
   局部発振器の発振周波数を変化させ、前記検波出
   力によつて前記測定対象の電圧を検出することを
   特徴とする電圧検出装置。