10 ( 57) 【要約】
【課題】電圧測定の精度の向上を図ると共に、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。 【解決手段】電圧センサ１は、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と、この振動子２０ にある隙間を介して対向配置された固定電極３０と、を 具備し、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、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。
10
20
30
40
50 【 特 許 請 求 の 範 囲 】
【 請 求 項 １ 】
機 械 的 な サ ス ペ ン シ ョ ン に よ っ て 支 持 さ れ た 振 動 子 と 、
こ の 振 動 子 に 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 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 と を 特 徴 と す る 電 圧 セ ン サ 。 【 請 求 項 ２ 】
請 求 項 １ 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 。 【 請 求 項 ３ 】
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 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 を 特 徴 と す る 電 圧 セ ン サ 。
【 請 求 項 ４ 】
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 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 。 【 請 求 項 ５ 】
請 求 項 ４ 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 。
【 請 求 項 ６ 】
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 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 。 【 請 求 項 ７ 】
請 求 項 １ か ら 請 求 項 ６ 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 に 対 し て 交 流 電 圧 を 印 加 す る 交 流 発 生 回 路 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 交 流 発 生 回 路 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 。 【 発 明 の 詳 細 な 説 明 】
【 技 術 分 野 】 【 ０ ０ ０ １ 】
本 発 明 は 、 電 圧 セ ン サ に 関 す る 。 【 背 景 技 術 】
【 ０ ０ ０ ２ 】
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 。
【 ０ ０ ０ ３ 】
10
20
30
40
50 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 ） 。
【 先 行 技 術 文 献 】 【 特 許 文 献 】 【 ０ ０ ０ ４ 】
【 特 許 文 献 １ 】 特 開 平 ３ − １ ４ ６ ８ ７ ５ 号 公 報 【 発 明 の 概 要 】
【 発 明 が 解 決 し よ う と す る 課 題 】 【 ０ ０ ０ ５ 】
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 。
【 ０ ０ ０ ６ 】
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 。 【 ０ ０ ０ ７ 】
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 。
【 ０ ０ ０ ８ 】
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 。
【 ０ ０ ０ ９ 】
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 。
【 課 題 を 解 決 す る た め の 手 段 】 【 ０ ０ １ ０ 】
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 、 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 、 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 、 当 該 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 と を 特 徴 と す る 。
【 ０ ０ １ １ 】
10
20
30
40
50 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 。
【 ０ ０ １ ２ 】
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 。 【 ０ ０ １ ３ 】
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 。
【 ０ ０ １ ４ 】
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 。
【 ０ ０ １ ５ 】
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 。
【 ０ ０ １ ６ 】
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 。
【 ０ ０ １ ７ 】
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 。
【 ０ ０ １ ８ 】
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 。
【 ０ ０ １ ９ 】
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 。
【 ０ ０ ２ ０ 】
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 。
【 ０ ０ ２ １ 】
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 。
【 ０ ０ ２ ２ 】
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 に 対 し て 交 流 電 圧 を 印 加 す る 交 流 発 生 回 路 と 、 固 定 電 極 に 印 加 さ れ る 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 と 、 を 備 え る こ と が 好 ま し い 。
【 ０ ０ ２ ３ 】
10
20
30
40 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 。 【 発 明 の 効 果 】
【 ０ ０ ２ ４ 】
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 。
【 図 面 の 簡 単 な 説 明 】 【 ０ ０ ２ ５ 】
【 図 １ 】 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 ２ 】 本 実 施 形 態 に 係 る 電 圧 セ ン サ を 示 す 斜 視 図 で あ る 。
【 図 ３ 】 図 ２ に 示 し た Ａ 部 の 拡 大 図 で あ る 。
【 図 ４ 】 図 ２ に 示 し た 電 圧 セ ン サ の 上 面 拡 大 図 で あ る 。
【 図 ５ 】 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 。
【 図 ６ 】 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 。
【 図 ７ 】 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 。
【 図 ８ 】 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 。
【 図 ９ 】 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 ０ Ｖ で あ る 場 合 を 示 し 、 （ ｂ ） は 測 定 対 象 と な る 電 圧 が １ ０ ０ Ｖ で あ る 場 合 を 示 し 、 （ ｃ ） は 測 定 対 象 と な る 電 圧 が １ ４ ７ Ｖ で あ る 場 合 を 示 し 、 （ ｄ ） は 測 定 対 象 と な る 電 圧 が １ ５ ０ Ｖ で あ る 場 合 を 示 し て い る 。
【 図 １ ０ 】 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 。
【 図 １ １ 】 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 。 【 図 １ ２ 】 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 。 【 図 １ ３ 】 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 。 【 図 １ ４ 】 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 。 【 図 １ ５ 】 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 。 【 発 明 を 実 施 す る た め の 形 態 】
【 ０ ０ ２ ６ 】
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 １ ０ と 、 振 動 子 ２ ０ と 、 固 定 電 極 ３ ０ と 、 演 算 部 ４ ０ と か ら 構 成 さ れ て い る 。
【 ０ ０ ２ ７ 】
サ ス ペ ン シ ョ ン １ ０ は 、 振 動 子 ２ ０ を 支 持 す る も の で あ る 。 こ の サ ス ペ ン シ ョ ン １ ０ の バ ネ 定 数 を ｋ と す る 。 振 動 子 ２ ０ は 、 サ ス ペ ン シ ョ ン １ ０ に よ り 支 持 さ れ た 平 板 電 極 で あ り 、 サ ス ペ ン シ ョ ン １ ０ の 弾 性 力 に よ り 振 動 可 能 と な っ て い る 。 こ の 振 動 子 ２ ０ の 質 量 を ｍ と す る 。
【 ０ ０ ２ ８ 】
固 定 電 極 ３ ０ は 、 振 動 子 ２ ０ 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 ２ ０ と は 平 行 平 板 電 極 の 関 係 を 有 し て い る 。 な お 、 振 動 子 ２ ０ と 固 定 電 極 ３ ０ 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 。
【 ０ ０ ２ ９ 】
10
20
30
40
50 【 数 １ 】
な る 関 係 式 （ １ ） に 基 づ く 共 振 周 波 数 ｆ
ｒ で 振 動 す る こ と と な る 。
【 ０ ０ ３ ０ 】
さ ら に 、 固 定 電 極 ３ ０ 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 ３ ０ か ら 振 動 子 ２ ０ 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
ｅ と し て 表 わ す こ と が で き る 。
【 数 ２ 】
な お 、 式 （ ２ ） に お い て ε
０ 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 。
【 ０ ０ ３ １ 】
こ れ に よ り 、 振 動 子 ２ ０ は 式 （ ３ ） に 示 す 共 振 周 波 数 ｆ
ｒ ’ で 振 動 す る こ と と な る 。
【 数 ３ 】
【 ０ ０ ３ ２ 】
こ こ で 、 式 （ ２ ） の 等 価 バ ネ 定 数 ｋｅ は 、 固 定 電 極 ３ ０ 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
ｒ ’ に つ い て も 電 圧 Ｖ の 大 き さ を
反 映 し た も の と な る 。 【 ０ ０ ３ ３ 】
よ っ て 、 演 算 部 ４ ０ は 、 振 動 子 ２ ０ の 共 振 周 波 数 ｆ
ｒ ’ か ら 測 定 対 象 と な る 電 圧 を 算 出
す る こ と が で き る 。 【 ０ ０ ３ ４ 】
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 、 Ｍ Ｅ Ｍ Ｓ （ Mic r o E le c t r o Me c h a n ic a l S y s t e ms ） 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 。
【 ０ ０ ３ ５ 】
図 ２ に 示 す よ う に 、 こ の 電 圧 セ ン サ １ に お い て 振 動 子 ２ ０ 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 １ ０ は 、 細 長 形 状 と な る 振 動 子 ２ ０ の 両 端 部 そ れ ぞ れ に 設 け ら れ て お り 、 両 端 側 か ら 振 動 子 ２ ０ を 支 持 す る 構 成 と な っ て い る 。 さ ら に 、 サ ス ペ ン シ ョ ン １ ０ 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 。
【 ０ ０ ３ ６ 】
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 ５ ０ と 、 各 サ ス ペ ン シ ョ ン １ ０ の 振 動 子 ２ ０ の 接 続 側 と 反 対 側 の 端 部 に つ な が る 第 １ 及 び 第 ２ 電 極 ６ １ ， ６ ２ と 、 ス ト ッ パ ７ ０ と を 備 え て い る 。
【 ０ ０ ３ ７ 】
10
20
30
40
50 る こ と な く 噛 み 合 う よ う に 配 置 さ れ て い る 。
【 ０ ０ ３ ８ 】
こ の よ う な 電 圧 セ ン サ １ は 、 例 え ば Ｓ Ｏ Ｉ 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 、 Ｄ ｅ ｅ ｐ − Ｒ Ｉ Ｅ に て エ ッ チ ン グ を 行 う 。 可 動 部 で あ る 振 動 子 ２ ０ の リ リ ー ス は 、 気 相 Ｈ Ｆ を 用 い て 犠 牲 層 エ ッ チ ン グ を 行 う 。
【 ０ ０ ３ ９ 】
上 記 し た よ う に 振 動 子 ２ ０ は 、 振 動 の た め サ ス ペ ン シ ョ ン １ ０ 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 ： １ １ ２ ５ μ ｍ 、 ｙ ： １ ５ ８ ５ μ ｍ 、 ｚ ： ２ ５ μ ｍ ） に お い て 振 動 子 ２ ０ は 、 他 の 電 極 ３ ０ ， ５ ０ に 対 し て 最 大 ６ ６ ｎ ｍ 沈 む が 、 犠 牲 層 は ２ μ ｍ で あ る た め 、 沈 み 量 は 犠 牲 層 の １ ／ ３ ０ 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 ５ １ 及 び 固 定 電 極 ３ ０ 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 。
【 ０ ０ ４ ０ 】
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 ７ ０ は 、 振 動 子 ２ ０ に 対 し て 固 定 電 極 ３ ０ 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 ７ ０ 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 ７ ０ は 、 本 体 部 ７ １ と 、 バ ネ 部 ７ ２ と 、 接 触 部 ７ ３ と を 備 え て い る 。
【 ０ ０ ４ １ 】
本 体 部 ７ １ 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 ７ ２ が 形 成 さ れ て い る 。 バ ネ 部 ７ ２ の 先 端 は 、 固 定 電 極 ３ ０ よ り も 振 動 子 ２ ０ 側 に や や 突 き 出 て い る 。 ま た 、 バ ネ 部 ７ ２ は 、 頂 点 部 か ら 振 動 子 ２ ０ 側 に 伸 び る と 共 に ９ ０ 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 ２ ０ 側 に ９ ０ 度 折 り 返 さ れ て い る 。 す な わ ち 、 バ ネ 部 ７ ２ は 、 途 中 で ２ 回 ９ ０ 度 に 折 ら れ た 形 状 と な っ て お り 、 こ の ９ ０ 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 ７ ０ が 存 在 す る こ と で 、 振 動 子 ２ ０ が 静 電 引 力 に よ り 固 定 電 極 ３ ０ 側 に 過 剰 に 引 っ 張 ら れ た と し て も 振 動 子 ２ ０ は 接 触 部 ７ ３ に 接 触 す る こ と と な り 、 振 動 子 ２ ０ と 固 定 電 極 ３ ０ と の 短 絡 が 防 止 さ れ る こ と と な る 。 ま た 、 振 動 子 ２ ０ が ス ト ッ パ ７ ０ に 接 触 し た 場 合 に お い て も 、 バ ネ 部 ７ ２ 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 ７ ３ の 折 れ 曲 が り や 折 れ 自 体 が 防 止 さ れ る こ と と な る 。
【 ０ ０ ４ ２ 】
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 ５ ０ は 交 流 電 圧 を 発 生 さ せ る 。 こ れ に よ り 、 駆 動 用 電 極 ５ ０ 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 ２ ０ は 所 定 の 共 振 周 波 数 ｆ
ｒ を 持 ち 振 動 す る こ と と な る 。
【 ０ ０ ４ ３ 】
こ の と き 、 固 定 電 極 ３ ０ 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 ２ ０ は 共 振 周 波 数 ｆ
ｒ ’
を 持 ち 振 動 す る こ と と な る 。 【 ０ ０ ４ ４ 】
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 ｆ
ｒ か ら
ｆ
ｒ ’ に 変 化 す る 。
【 ０ ０ ４ ５ 】
演 算 器 ４ ０ は 、 こ の 共 振 周 波 数 ｆ
ｒ ’ 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 ４ ０ は 、 共 振 周 波 数 ｆ
ｒ ’ を 測 定 す る た め に 振 動 子 ２ ０ の 変 位 量
10
20
30
40
50 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 ２ ０ 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 ３ ０ 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 。
【 ０ ０ ４ ６ 】
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 ０ Ｖ 、 ５ ０ Ｖ 、 １ ０ ０ Ｖ 、 １ ２ ０ Ｖ 、 １ ４ ５ Ｖ 、 及 び １ ４ ７ Ｖ 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 ５ ８ １ ０ Ｈ ｚ 、 ５ ７ ５ ０ Ｈ ｚ 、 ５ ３ ８ ０ Ｈ ｚ 、 ４ ９ ８ ０ Ｈ ｚ 、 ３ ４ ４ ０ Ｈ ｚ 、 ３ ０ ９ ０ Ｈ ｚ 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 ２ ０ の 変 位 量 （ 振 動 振 幅 ） が ３ μ ｍ 弱 と な る と き の 周 波 数 と し た 。
【 ０ ０ ４ ７ 】
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 。 【 ０ ０ ４ ８ 】
上 記 し た 演 算 器 ４ ０ 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
ｒ ’ 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 。 【 ０ ０ ４ ９ 】
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 。
【 ０ ０ ５ ０ 】
な お 、 本 実 施 形 態 で は 櫛 歯 電 極 ２ １ ， ５ １ に よ り 振 動 子 ２ ０ 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 ２ １ ， ５ １ 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
【 数 ４ 】
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 。
【 数 ５ 】
【 ０ ０ ５ １ 】
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 。 【 数 ６ 】
【 ０ ０ ５ ２ 】
10
20
30
40
50 【 数 ７ 】
を 満 た し 、 以 下 の 近 似 が 得 ら れ る 。 【 数 ８ 】
【 ０ ０ ５ ３ 】
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 Δ ｘ に 対 す る 等 価 的 な バ ネ 定 数 ｋ
ｅ 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 ２ ０ 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 。
【 ０ ０ ５ ４ 】
次 に 、 ス ト ッ パ ７ ０ 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 ７ ０ の 接 触 部 ７ ３ 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 ０ Ｖ で あ る 場 合 を 示 し 、 （ ｂ ） は 測 定 対 象 と な る 電 圧 Ｖ が １ ０ ０ Ｖ で あ る 場 合 を 示 し 、 （ ｃ ） は 測 定 対 象 と な る 電 圧 Ｖ が １ ４ ７ Ｖ で あ る 場 合 を 示 し 、 （ ｄ ） は 測 定 対 象 と な る 電 圧 Ｖ が １ ５ ０ Ｖ で あ る 場 合 を 示 し て い る 。
【 ０ ０ ５ ５ 】
図 ９ （ ａ ） に 示 す よ う に 、 測 定 対 象 と な る 電 圧 が ０ Ｖ で あ る 場 合 、 接 触 部 ７ ３ と 振 動 子 ２ ０ と の 距 離 は Ｌ １ 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 ２ ０ が 静 電 引 力 に よ り 固 定 電 極 ３ ０ 側 に 引 っ 張 ら れ る た め 、 接 触 部 ７ ３ と 振 動 子 ２ ０ と 距 離 は 、 Ｌ ２ 、 Ｌ ３ 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 １ ５ ０ Ｖ に 達 す る と 、 接 触 部 ７ ３ は 振 動 子 ２ ０ に 当 接 す る 。 な お 、 上 記 し た よ う に ス ト ッ パ ７ ０ は 、 電 気 的 に ど こ に も 接 続 さ れ て お ら ず 、 且 つ 、 接 触 部 ７ ３ が 固 定 電 極 ３ ０ よ り も 振 動 子 ２ ０ 側 に 突 き 出 て い る た め 、 振 動 子 ２ ０ と 固 定 電 極 ３ ０ と の 接 触 を 防 ぎ 、 短 絡 が 防 止 さ れ る こ と と な る 。
【 ０ ０ ５ ６ 】
図 １ ０ は 、 測 定 対 象 と な る 電 圧 Ｖ と 、 振 動 子 ２ ０ 及 び 固 定 電 極 ３ ０ の ギ ャ ッ プ ｇ と の 相 関 を 示 す グ ラ フ で あ る 。 図 １ ０ 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 １ ５ ０ Ｖ に 達 す る と 、 ギ ャ ッ プ ｇ は １ ０ μ ｍ 強 と な り 、 振 動 子 ２ ０ は ス ト ッ パ ７ ０ の 接 触 部 ７ ３ 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 １ ４ ７ Ｖ 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 １ ５ ０ Ｖ 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 １ ５ ０ Ｖ 以 上 の 電 圧 に つ い て も 測 定 可 能 で あ る 。
【 ０ ０ ５ ７ 】
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 １ １ 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 １ １ に お い て は 電 気 的 接 続 関 係 を 模 式 的 に 示 す も の と す る 。
【 ０ ０ ５ ８ 】
図 １ １ 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 ３ ０ と 駆 動 用 電 極 ５ ０ と は 、 シ リ コ ン 基 板 上 に お い て 絶 縁 層 ３ １ ， ５ ２ に 包 ま れ た 構 成 と な っ て い る 。
【 ０ ０ ５ ９ 】
10
20
30
40
50 性 を 高 め る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ６ ０ 】
図 １ ２ 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 １ ２ に お い て も 電 気 的 接 続 関 係 を 模 式 的 に 示 す も の と す る 。
【 ０ ０ ６ １ 】
図 １ ２ に 示 す よ う に 、 第 ２ 変 形 例 に 係 る 電 圧 セ ン サ １ は 、 図 １ １ に 示 す も の と 同 様 で あ る が 、 振 動 子 ２ ０ の 内 部 に 絶 縁 層 ２ ０ ａ を 有 す る 点 で 異 な る 。 す な わ ち 、 第 ２ 変 形 例 に 係 る 振 動 子 ２ ０ は 、 絶 縁 層 ２ ０ ａ に よ り 隔 て ら れ た ２ つ の 電 極 部 位 ２ ０ ｂ 、 ２ ０ ｃ を 有 し て お り 、 第 １ の 電 極 部 位 ２ ０ ｂ は 駆 動 用 電 極 ５ ０ 側 に 配 置 さ れ 、 第 ２ の 電 極 部 位 ２ ０ ｃ は 固 定 電 極 ３ ０ 側 に 配 置 さ れ て い る 。
【 ０ ０ ６ ２ 】
こ の た め 、 交 流 電 圧 側 の 第 １ の 電 極 部 位 ２ ０ ｂ と 測 定 対 象 と な る 直 流 電 圧 側 の 第 ２ の 電 極 部 位 ２ ０ ｃ 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 。
【 ０ ０ ６ ３ 】
図 １ ３ 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 １ ３ に お い て も 電 気 的 接 続 関 係 を 模 式 的 に 示 す も の と す る 。
【 ０ ０ ６ ４ 】
図 １ ３ に 示 す よ う に 、 第 ３ 変 形 例 に 係 る 電 圧 セ ン サ １ は 、 図 １ ２ に 示 す も の と 同 様 に 振 動 子 ２ ０ の 内 部 に 絶 縁 層 ２ ０ ａ 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 ２ ０ ａ 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 ２ ０ は 、 絶 縁 層 ２ ０ ａ に よ り 上 下 に 隔 て ら れ た ２ つ の 電 極 部 位 ２ ０ ｂ 、 ２ ０ ｃ を 有 し て お り 、 第 １ の 電 極 部 位 ２ ０ ｂ は 駆 動 用 電 極 ５ ０ 側 に 配 置 さ れ 、 第 ２ の 電 極 部 位 ２ ０ ｃ は 固 定 電 極 ３ ０ 側 に 配 置 さ れ て い る 。
【 ０ ０ ６ ５ 】
こ の た め 、 交 流 電 圧 側 の 第 １ の 電 極 部 位 ２ ０ ｂ と 測 定 対 象 と な る 直 流 電 圧 側 の 第 ２ の 電 極 部 位 ２ ０ ｃ 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 。
【 ０ ０ ６ ６ 】
図 １ ４ 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 １ ４ 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 ２ ０ の 振 幅 を 測 定 す る た め 、 振 動 子 ２ ０ か ら 電 気 信 号 を 取 り 出 す 場 合 も 考 え ら れ る 。 こ の た め 、 図 １ ４ に 示 す よ う に 、 第 ４ 変 形 例 に 係 る 電 圧 セ ン サ １ は 、 振 動 子 ２ ０ と 電 気 的 に 接 続 さ れ て 振 動 子 ２ ０ の 振 幅 を 検 出 す る 振 幅 検 出 手 段 ８ ０ を 備 え て い る 。
【 ０ ０ ６ ７ 】
こ こ で 、 一 般 に 振 動 子 ２ ０ 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 ８ ０ 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 。
【 ０ ０ ６ ８ 】
そ こ で 、 第 ４ 変 形 例 に 係 る 電 圧 セ ン サ １ は 、 振 幅 検 出 手 段 ８ ０ の 前 段 に 絶 縁 手 段 ８ １ を 備 え て い る 。 す な わ ち 、 図 １ ４ に 示 す 振 動 電 極 ２ ０ と 振 幅 検 出 手 段 ８ ０ と の 間 に 絶 縁 手 段 ８ １ 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 ３ ０ に 例 え 振 動 電 極 ２ ０ が 接 触 し て も 振 幅 検 出 手 段 ８ ０ 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 ８ ０ 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 ８ １ 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 Ｌ Ｅ Ｄ （ L ig h t E mit t i n g Dio d e ） 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 。
10
20
30
40
50 図 １ ５ 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
１ ５ 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 １ ４ を 参 照 し て 説 明 し た よ う に 、 一 般 に 駆 動 用 電 極 ５ ０ 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 。
【 ０ ０ ７ ０ 】
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 ８ １ を 備 え て い る 。 絶 縁 手 段 ８ １ は 、 図 １ ５ に 示 す 駆 動 用 電 極 ５ ０ 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 ３ ０ に 例 え 振 動 電 極 ２ ０ 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 ２ ０ 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 ８ １ 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 Ｌ Ｅ Ｄ （ L ig h t E mit t i n g Dio d e ） 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 。
【 ０ ０ ７ １ 】
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 １ ０ に よ っ て 支 持 さ れ た 振 動 子 ２ ０ に あ る 隙 間 を 介 し て 対 向 配 置 さ れ た 固 定 電 極 ３ ０ 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 ２ ０ に 作 用 さ せ 、 こ れ に よ り 振 動 子 ２ ０ 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 ３ ０ 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 １ ０ の バ ネ 定 数 が 変 化 す る こ と と な り 、 振 動 子 ２ ０ 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 。
【 ０ ０ ７ ２ 】
ま た 、 振 動 子 ２ ０ と 固 定 電 極 ３ ０ と が 短 絡 し な い よ う に 機 械 的 な ス ト ッ パ ７ ０ 又 は 絶 縁 体 ２ ２ ， ３ １ を 有 す る た め 、 振 動 子 ２ ０ と 固 定 電 極 ３ ０ と の 短 絡 が 防 止 さ れ 、 安 全 性 を 高 め る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ７ ３ 】
ま た 、 振 動 子 ２ ０ と 固 定 電 極 ３ ０ 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 。
【 ０ ０ ７ ４ 】
ま た 、 振 動 子 ２ ０ 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 。
【 ０ ０ ７ ５ 】
ま た 、 振 動 子 ２ ０ を 励 振 す る た め の 電 極 が 櫛 歯 電 極 ２ １ ， ５ １ で あ る た め 、 静 電 引 力 に よ り 振 動 子 ２ ０ が 移 動 し た と し て も 櫛 歯 電 極 ２ １ ， ５ １ 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 。
【 ０ ０ ７ ６ 】
10
20
30
40 的 に 絶 縁 し て さ ら に 安 全 性 を 高 め る こ と が で き る 。
【 ０ ０ ７ ７ 】
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 ８ １ 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 。
【 ０ ０ ７ ８ 】
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 。
【 ０ ０ ７ ９ 】
例 え ば 、 本 実 施 形 態 に お い て 駆 動 用 電 極 ５ ０ と 振 動 子 ２ ０ は 、 櫛 歯 電 極 ２ １ ， ５ １ 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 ２ ０ を 振 動 さ せ る こ と が で き れ ば 、 特 に 櫛 歯 電 極 ２ １ ， ５ １ を 備 え て い な く と も よ い 。
【 ０ ０ ８ ０ 】
ま た 、 本 実 施 形 態 に お い て サ ス ペ ン シ ョ ン １ ０ 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 。
【 符 号 の 説 明 】 【 ０ ０ ８ １ 】 １ … 電 圧 セ ン サ
１ ０ … サ ス ペ ン シ ョ ン
１ １ … 第 １ の サ ス ペ ン シ ョ ン １ １ ａ … 第 １ サ ス ペ ン シ ョ ン 部 １ １ ｂ … 第 ２ サ ス ペ ン シ ョ ン 部 １ １ ｃ … 平 板
１ ２ … 第 ２ サ ス ペ ン シ ョ ン １ ２ ａ … 第 １ サ ス ペ ン シ ョ ン 部 １ ２ ｂ … 第 ２ サ ス ペ ン シ ョ ン 部 １ ２ ｃ … 平 板
２ ０ … 振 動 電 極 ２ ０ ａ … 絶 縁 層
２ ０ ｂ … 第 １ の 電 極 部 位 ２ ０ ｃ … 第 ２ の 電 極 部 位 ２ １ … 櫛 歯 電 極
２ ２ … 絶 縁 層 ３ ０ … 固 定 電 極 ３ １ … 絶 縁 層 ４ ０ … 演 算 部 ５ ０ … 駆 動 用 電 極 ５ １ … 櫛 歯 電 極 ５ ２ … 絶 縁 層 ６ １ … 第 １ 電 極 ６ ２ … 第 ２ 電 極 ７ ０ … ス ト ッ パ ７ １ … 本 体 部 ７ ２ … バ ネ 部 ７ ３ … 接 触 部
【 図 １ 】 【 図 ２ 】
【 図 ３ 】
【 図 ４ 】
【 図 ５ 】
【 図 ６ 】
【 図 ８ 】 【 図 ９ 】
【 図 １ ０ 】
【 図 １ １ 】
【 図 １ ２ 】
【 図 １ ４ 】
10 フロントページの続き
Ｆターム( 参考) 2G025 AB00 AC01
