JPH0113066B2

JPH0113066B2 -

Info

Publication number: JPH0113066B2
Application number: JP8763180A
Authority: JP
Inventors: Masao Kasahara; Ritsuo Inaba; Kyotaka Wasa
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1980-06-26
Filing date: 1980-06-26
Publication date: 1989-03-03
Also published as: JPS5712368A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は電圧測定装置に関し、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、熱雑音が少なく、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Ｖ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。

本発明は、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を利用した電圧計を用
いたものであつて、これにより従来の上記電圧計
にあつた問題点を解決したものである。

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。以下に示す実施例では、特に
圧電体に伝搬する弾性表面波の共振特性を利用し
ている。すなわち、弾性表面波の伝搬速度、伝搬
損失、伝搬長が、圧電体に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、本発明にかかる電圧測定装置に用い
る電圧計の構成の一例を示す。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
媒体１の一方の主面上に形成されている。４は増
幅器で、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、電極２と増幅器４の出力
端との接続点と出力端子６との間に挿入されてい
る。７は外部電界印加電極で、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
は測定すべき外部電界電圧を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
は増幅器４によつて増幅されて電極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
幅器４により帰還型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に測定すべき電圧を印加すると、圧
電体材料から成る弾性表面波伝搬媒体１の電極
７，８間にそ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間の電界に応じて弾
性表面波伝搬媒体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
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。この電界に応じて弾性表面波航路長が
変化するため、前記位相条件が変化し、出力端子
６に得られる出力周波数は前記電界に応じて変化
する。したがつて、前記出力周波数が前記入力端
子９に印加される電圧に応じて変化する。

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。

第２図に入力電圧と出力周波数の変化分との関
係の一例を示す。弾性表面波伝搬媒体１として
は、マグネシウムニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛
系磁器からなる厚さ0.7mm、長さ10mmの圧電体基
板を使用した。そして、弾性表面波の波長が
300μｍとなるよう交差指形電極２，３を構成し
た。基本発振周波数は、室温（25℃）で
7.21948MHzとした。外部電界印加電極７に対す
る入力電圧を変化させると、発振周波数の変化分
は図のとおりに変化した。これから、発振周波数
の変化分で、電圧を精度よく測定できることがわ
かる。

第３図Ａ，Ｂにそれぞれ上記電圧計の変形例を
示す。第３図Ａは、外部電界印加電極７を弾性表
面波伝搬媒体１の表面と一定の間隔を置いて平行
に配置した構造を示している。この場合、電極７
をステンレス鋼板などの板材で構成する。同図Ｂ
は弾性表面波伝搬媒体１を薄膜とし、それを他の
非圧電材料からなる支持基板１０で支持した構造
を示している。このような構造の素子を用いて
も、第１図に示した例と同様に、端子９に対する
入力電圧に応じた出力周波数が得られる。無論、
第３図Ｂの構造の素子において、外部電界印加電
極７を薄膜状の弾性表面波伝搬媒体１の表面と一
定の間隔をもたせて配置してもよい。

弾性表面波伝搬媒体１を構成するための代表的
な材料として、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電磁
器、ニオブ酸マグネシウム−チタン酸鉛−ジルコ
ン酸鉛系圧電磁器、チタン酸鉛系圧電磁器、ジル
コン酸鉛系圧電磁器、チタン酸バリウム系磁器、
ナトリウムリチウムニオベイト系磁器などの磁
器、あるいはビスマスジヤーマネイト、ビスマス
シリケイト、鉛−タイタネイト−ジルコネイト、
リシウムニオベイト、リシウムタンタレイト、水
晶、ロツシエル塩、酸化亜鉛、硫化亜鉛、硫化カ
ドミウム、アルミナイトライトなどの圧電単結晶
をあげることができる。

また、弾性表面波伝搬体１として圧電薄膜を使
用する場合、その支持基板１０を構成するための
代表的な材料としては、石英ガラス、硼珪酸ガラ
ス、鉛ガラスなどの非圧電物質をあげることがで
きる。

非電圧物質からなる支持基板１０上に、圧電薄
膜からなる弾性表面波伝搬媒体１を積層した構造
の素子は、周囲温度の変化に対しても安定に動作
させることができるものである。すなわち、圧電
薄膜からなる弾性表面波伝搬媒体１を非圧電物質
からなる支持基板１０上に、互いに弾性温度定数
の温度変化が反対の材料の組合わせを選んで積層
することによつて、両者の温度変化を相殺させ
て、温度特性の安定な素子を実現することができ
る。一例をあげると、石英ガラス基板上に、厚さ
が弾性表面波の波長の40〜50％である酸化亜鉛薄
膜をスパツタ蒸着法で形成した素子では、発振周
波数の温度変化が10ppm／℃以下である。なお、
検出最低電圧は10Vであり、電圧の検出誤差
1000Vで１％以下であつた。

上述の例では、弾性表面波伝搬媒体表面の送波
用の電極と受波用の電極との間の部分に、測定す
べき電圧に対応した電界を印加する構造について
述べたが、交差指形電極部分に電界を印加して歪
を発生させ、それによる共振周波数の変化を利用
しても同様の効果が得られる。

第４図は本発明にかかる電圧測定装置の一実施
例を示しており、周囲温度の変化に対する装置の
動作の安定性をより改善することができるもので
ある。

これは、第１図に示した構成の電圧計に補償用
の装置を付加したものである。この補償用装置
は、弾性表面波伝搬媒体１′、その一方の表面に
設けられている二組の交差指形電極２′，３′、こ
れら電極２′，３′間に挿入されている増幅器４′、
この増幅器４′の出力端ならびに交差指形電極
３′の一方に接続されているコンデンサ５′で構成
されている。１１は減算回路で、コンデンサ５を
通して得られる出力周波数f₁と、コンデンサ５′
を通して得られる出力周波数f₂との差をとるため
のミキサー（減算回路）である。１２は出力端子
である。

補償用装置を構成する弾性表面伝搬媒体１′、
交差指形電極２′，３′、増幅器４′は、それぞれ
弾性表面波伝搬媒体１、交差指形電極２，３、増
幅器４と同じ構成とする。そして、弾性表面波伝
搬媒体１′には、電極７，８に相当する電極７′，
８′を設け、電極７′は電極８と同様に接地し、電
極８′は電極７と同様に外部電界が弾性表面波伝
搬媒体１′に印加されるように入力端子９′を設け
る。

上記構成の電圧測定装置によれば、弾性表面波
伝搬媒体１および１′は、電極７，８，７′，８′
により互いに逆方向に外部電界が印加され、出力
端子１２には、補償用装置を設けない場合と比較
して、２倍の周波数変化量が得られる。また周波
数の温度安定性が、第１図、第３図に示した構造
のものに比べて２桁ないし１桁向上し、実験によ
れば−20℃から＋80℃の温度範囲で1ppm以下で
あつた。さらに、これらを恒温槽に入れると、そ
れが0.01ppmまで改善される。

なお上記実施例においては、弾性表面波伝搬媒
体１，１′として、同方向の外部電界に対して互
いに同方向の歪を発生する（すなわち互いに同方
向に分極軸を有する）ものを用いた例について説
明したが、これの代わりに、同方向の外部電界に
対して互いに逆方向の歪を発生する（すなわち互
いに逆方向に分極軸を有する）ものを用いてもよ
い。この場合、電極７′に入力端子９′を接続し、
電極８′を接地電極とする。

また上記実施例においては、弾性表面波を用い
た例について説明したが、これの代わりにバルク
波を用いてもよい。

以上説明したように、本発明にかかる電圧測定
装置によれば、測定すべき電圧に対応する電界を
圧電体に印加し、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く、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、圧電体の絶縁
耐圧によつて決まるので、10³Vオーダー以上で
ある。また、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、読取り誤差
がない。また、出力信号のデイジタル信号化がき
わめて容易であるので、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。また、測定すべき電圧に対応する電界
を１対の圧電体に印加し、その周波数の差で電圧
を測定するよう構成されているので、温度安定性
が極めて優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる電圧測定装置に用いる
電圧計の一例を示す全体構成図、第２図はその特
性の説明図、第３図Ａ，Ｂはそれぞれ電圧計の変
形例を示す要部の構成図、第４図は本発明にかか
る電圧測定装置の一実施例を示す全体構成図であ
る。１，１′……弾性表面波伝搬媒体（圧電体）、
２，２′，３，３′……交差指形電極（送受波用電
極）、４，４′……増幅器、７，８′……外部電界
印加電極。

Claims

【特許請求の範囲】１音波の伝搬媒体としての１対の圧電体を設
け、該各圧電体上に音波の送受のための送受波用
電極を取付け、該送受波用電極に入出力端が接続
されて帰還型発振器を構成する増幅器と、前記１
対の圧電体に互いに逆方向に歪が生じるように外
部電界を導く外部電界印加電極とを前記各圧電体
に対してそれぞれ設け、前記各圧電体に対してそ
れぞれ設けられた増幅器の出力周波数の差から前
記外部電界印加電極により印加された電界の強さ
を検出するように構成したことを特徴とする電圧
測定装置。２送受波用電極は、交差指形電極から成り、弾
性表面波を送受するように構成されていることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電圧測定
装置。３圧電体は、外部電界印加電極により印加され
る電界の方向と同一方向もしくはそれとは逆方向
に分極軸を有することを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の電圧測定装置。４圧電体は、非圧電物質の支持基板上に形成さ
れた圧電薄膜であることを特徴とする特許請求の
範囲第２項記載の電圧測定装置。５圧電体に対して、その表面上に形成された外
部電界印加電極もしくはその表面と平行に配置さ
れた外部電界印加電極に測定すべき電圧を加え、
電界を印加することを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の電圧測定装置。