特許 6199574 電圧センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6199574

(24)【登録日】2017年9月1日

(45)【発行日】2017年9月20日

(54)【発明の名称】電圧センサ

(51)【国際特許分類】

   G01R 15/14 20060101AFI20170911BHJP

   G01R 19/00 20060101ALI20170911BHJP

【ＦＩ】

   G01R15/14 B

   G01R19/00 B

【請求項の数】9

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-28759(P2013-28759)

(22)【出願日】2013年2月18日

(65)【公開番号】特開2013-228367(P2013-228367A)

(43)【公開日】2013年11月7日

【審査請求日】2016年1月19日

(31)【優先権主張番号】特願2012-80207(P2012-80207)

(32)【優先日】2012年3月30日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006895

【氏名又は名称】矢崎総業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】592032636

【氏名又は名称】学校法人トヨタ学園

(74)【代理人】

【識別番号】100145908

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 信雄

(74)【代理人】

【識別番号】100136711

【弁理士】

【氏名又は名称】益頭 正一

(72)【発明者】

【氏名】桝野 雄矢

(72)【発明者】

【氏名】谷川 純也

(72)【発明者】

【氏名】石居 真

(72)【発明者】

【氏名】植松 彰一

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 実

【審査官】 荒井 誠

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−００３３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２１１０４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２５２８５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０９３２３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２５７８３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６６５７４４２（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ １５／１４−１５／２６

Ｇ０１Ｒ １９／００−１９／３２

Ｇ０１Ｒ ２９／１２−２９／１４

Ｇ０１Ｒ ２９／２４

Ｇ０１Ｎ １３／００−１３／０４

(57)【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、
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。

【請求項2】

請求項１に記載された電圧センサにおいて、
前記振動子は細長形状とされている
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。

【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5】

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。

【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7】

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。

【請求項8】

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。

【請求項9】

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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電圧センサに関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平３−１４６８７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

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。

【0006】

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。

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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】

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【発明の効果】

【0024】

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】

【0025】

【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。

【図10】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11】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12】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13】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14】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15】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】

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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、

【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。

【0030】

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_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。

【0031】

これにより、振動子２０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】

【0032】

ここで、式（２）の等価バネ定数ｋ_ｅ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_ｒ’についても電圧Ｖの大きさを反映したものとなる。

【0033】

よって、演算部４０は、振動子２０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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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_ｒを持ち振動することとなる。

【0043】

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_ｒ’を持ち振動することとなる。

【0044】

図５は、変化前の共振周波数ｆ_ｒ及び変化後の共振周波数ｆ_ｒ’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。

【0045】

演算器４０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４０は、共振周波数ｆ_ｒ’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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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_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。

【0049】

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。

【0050】

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

【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】

【0051】

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】

【0052】

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

【数7】

を満たし、以下の近似が得られる。

【数8】

【0053】

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_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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

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。

【0075】

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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

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。

【0080】

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。

【符号の説明】

【0081】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】