JPH0125285Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は例えば静電容量式差圧検出器或は静
電容量式圧力検出器のように差圧又は圧力の変化
により可変容量素子のような可変インピーダンス
素子のインピーダンスを変化させ、そののインピ
ーダンス変化により電気信号を得るようにしたイ
ンピーダンス変化を電気信号に変換する変換器に
関する。

一般に差圧検出器或は圧力検出器は受圧素子の
変形量を可動電極板に伝達し、可動電極板の変位
により固定電極板との間の静電容量を変化させ、
静電容量の変化により被測定圧力の値に対応した
電気信号を得るようにしている。この外の例とし
ては可変インダクタを用いたり、またはストレン
ゲージのように抵抗変化素子を利用したりする場
合もある。このような可変インピーダンス素子を
利用した検出器には第１図に示すように一対の可
変インピーダンス素子（この例では静電容量の場
合を示す）１ａ，１ｂが差動的にその値が変化す
る差動インピーダンス形と、第２図に示すように
一つのインピーダンス素子１ａだけが変化する単
一可変インピーダンス形のものとがある。差圧検
出器は差動インピーダンス形、圧力検出器は単一
可変インピーダンス形の構造が採られる場合が多
い。

従来は検出器におけるインピーダンスの変化を
電気信号に変換する変換器は第３図に示す差動イ
ンピーダンス形に適合する形式のものと、第４図
に示す単一可変インピーダンス形に適合する形式
のものに分けて作られている。即ち第３図は差動
可変インピーダンス形検出器に適合する変換器の
例を示す第３図において１は検出器である。検出
器１には一対の可変インピーダンス素子１ａ，１
ｂが内蔵され端子T₁に可変インピーダンス素子
１ａ，１ｂの共通接続点が接続され、端子T₂と
T₃に可変インピーダンス素子１ａ，１ｂの他端
が接続される。可変インピーダンス素子１ａ，１
ｂと抵抗器２及び３によつてブリツジが構成さ
れ、このブリツジに発振器４から交流電圧が与え
られる。ダイオードD₁〜D₄は整流用ダイオード
であり、D₁，D₂により抵抗器２と３に正の半波
を流し、D₃とD₄により負の半波を抵抗器５に流
すようにしている。

差動インピーダンス形の検出器に適合する変換
器においてはブリツジを流れる電流の和を抵抗器
６によつて検出し、その検出値と一定電圧値との
偏差値を差動増幅器７によつて取出し、その偏差
値によつて発振器４の出力振幅を制御してブリツ
ジを流れる電流の和が常に一定値を保持するよう
にしている。可変インピーダンス素子１ａ，１ｂ
を流れる電流に比例した電圧を抵抗器２及び３に
発生させ、その電圧信号を差動増幅器８に入力
し、その出力に可変インピーダンス素子１ａ，１
ｂを流れる電流の差に対応した電圧信号を得る。
この電圧信号は被測定圧力に対応し、その電圧信
号はトランジスタ９に入力され、トランジスタ９
により電流信号に変換される。この電流信号は検
出器１に与えられた変位Δdに比例して変化する
電流信号I₀とされる。この電流信号I₀は線式伝送
路１１−１２を通じて受信器１３に伝送される。
尚電流信号I₀は一般に４〜20mAに規格化されて
伝送される。可変バイアス源１４は検出器１が初
期状態にあるとき伝送路１１−１２を流れる電流
が4mAとなるように調整するためのゼロ調手段
であり、ポテンシヨメータ１５は抵抗器１６に発
生する負帰還電圧の適当量を取出して演算増幅器
８に負帰還し、検出器１にスパンの100％に相当
する差圧又は圧力が与えられたとき伝送路１１−
１２を流れる電流I₀が20mAとなるように調整す
るためのスパン調整手段である。

一方第４図は単一可変インピーダンス形の検出
器の場合を示す。この場合検出器１は可変インピ
ーダンス素子１ａと固定インピーダンス素子１ｃ
とにより構成され、これらインピーダンス素子１
ａ，１ｃと抵抗器２及び３によつてブリツジを構
成する点は第３図の場合と同様である。第４図に
おいて第３図の場合と異なる構成は固定インピー
ダンス素子１ｃを流れる電流が常に一定となるよ
うに差動増幅器７により発振器４の発振振幅を制
御するようにした点である。従つて抵抗器２には
常に一定の電圧e₁が発生し、この一定電圧e₁と抵
抗器３に発生する可変電圧e₂とを演算増幅器８に
入力し、その出力に電圧e₁−e₂に対応した電圧信
号を得る。結局この電圧信号は可変インピーダン
ス素子Laのインピーダンス変化に対応し、被測
定圧力と対応付けされる。演算増幅器８の出力側
に得られた電気信号は第３図の場合と同様にトラ
ンジスタ９によつて電流信号に変換され、２線式
伝送路１１−１２を通じて受信器１３に伝送され
る。

このように差動インピーダンス形の検出器を用
いる場合と、単一可変インピーダンス形の検出器
を用いる場合とで変換器の構成が異なるものであ
るから製造者側では製品の種類が多くなり製造管
理が面倒である。またコストが高くなる不都合も
ある。更に需用者側では差動インピーダンス形の
ものと単一可変インピーダンス形の双方を使方を
使う場合にはそれぞれについて予備の変換器を用
意しなければならないため少なくとも二種類の変
換器を予備に用意しなければならず経済的な負担
が大きい。結局差動インピーダンス形に適用する
変換器と単一可変インピーダンス形に適合する変
換器に互換性が附加されると都合がよい。

このような点より少なくとも一方が変化する２
個のインピーダンス素子を含むブリツジ回路網か
らインピーダンス素子のインピーダンス変化に対
応した電気信号を取出す手段において、一方のイ
ンピーダンス相当電気信号と、２つのインピーダ
ンス相当電気信号の和との何れかを得る手段を設
けるものを考えた。

すなわち第５図において第３図及び第４図と対
応する部分には同一符号を附してその重複する部
分の説明は省略するが、この例では抵抗器２及び
３と直列に抵抗器１７及び１８を接続し、これら
抵抗器２−１７及び３−１８によつて検出器１内
のインピーダンス素子１ａ，１ｂとブリツジを構
成するようにし、抵抗器２と１７及び３と１８の
接続点Ａ，Ｂ間にこの間を必要に応じて容易に接
続し、または切離すことができる電気的開閉設定
手段Ｊを設けるものである。

この電気的開閉設定手段Ｊとしては例えば第６
図に示すようにプリント配線基板１９において抵
抗器２と１７及び３と１８の接続点Ａ，Ｂに相当
する導電薄２１，２２を互に近接させて形成し、
この間を必要に応じて半田付けにより接続できる
ように構成するか、又は第７図に示すように導電
薄２１，２２の間にスイツチ２３を接続して構成
することもできる。

また第８図に示すように変換器収納ケースの外
側に設けた外部端子板２４に抵抗器２と１７及び
３と１８の各接続点Ａ，Ｂを導出し、その端子部
２５ａ，２５ｂ間を必要に応じてシヨート板２６
によつて接続できるように構成することもでき
る。また第９図に示すように端子板２４に切換シ
ヨート板２７を設け、この切換シヨート板２７を
一方の端子２７ａを中心に回動することにより端
子２７ｂと２７ｃに適宜に切換接続できるように
構成し、その一方の状態で抵抗器２と１７及び３
と１８の各接続点Ａ，Ｂを接続した状態に、他方
の状態で接続点Ａ，Ｂ間を切離した状態に切換る
ことができるように構成することができる。

このように抵抗器２と１７及び３と１８の両接
続点Ａ，Ｂ間を適宜接続した状態と切離した状態
に切換ることができる開閉設定手段Ｊを設けるこ
とにより、接続点Ａ，Ｂを接続した場合には抵抗
器１７と１８が並列接続され等価的に１本の抵抗
器とみなすことができる。よつてこの状態では抵
抗器１７と１８で構成される１本の抵抗器に検出
器１内の２つのインピーダンス素子を流れる電流
の和の値に対応した電圧を取出すことができる。
従つて接続点Ａ，Ｂを短絡した場合には第３図で
説明した変換回路の構成と同一となり差動インピ
ーダンス形の検出器に適合する変換回路を構成で
きる。

また接続点Ａ，Ｂを切離した場合には抵抗器２
−１７，３−１８と変換器１内のインピーダンス
素子とによりブリツジが構成され。差動増幅器７
には抵抗器１７に発生する電圧が与えられる。こ
の電圧は検出器１内の固定インピーダンス素子１
ｃを流れる電流値に相当し、その電流値が一定と
なるように発振器４の発振振幅を制御する。よつ
て抵抗器２と１７の直列回路には一定電圧e₁が発
生し、抵抗器３と１８には可変インピーダンス素
子のインピーダンス変化に対応した電圧e₂が発生
する。この一定電圧e₁と可変電圧e₂は差動増幅器
８に入力され差動増幅器８の出力側にe₁−e₂に対
応した電圧信号を得ることができる。従つてこの
場合には第４図で説明した単一可変インピーダン
ス形の検出器に適合して動作する変換器を得るこ
とができる。

尚第５図に示した変換器によれば発振器４の振
幅を制御する差動増幅器７のループと、インピー
ダンス変化を出力電流I₀の変化に変換する差動増
幅器８のループが各別に構成され、それぞれが独
立して動作する回路方式となつている。この回路
方式によれば差動増幅器８の入力側に外部から雑
音が混入し、何等かの外乱が生じたときにはこの
外乱が加算されて出力され、計測結果に誤差が発
生する欠点がある。

これに対し出力電流I₀によつて発生する電圧を
発振器４の出力振幅を制御するループに負帰還さ
せ、全体を一つの負帰還ループとすることにより
外乱の影響を受けない変換器を得ることができ
る。この考案はこのように外乱の影響を受けない
ようにしたものである。

第１０図はこの考案の一実施例を示す。この例
では検出器１内のインピーダンス素子を流れる電
流を抵抗器２と３に発生する電圧e₁，e₂によつて
検出する。この検出電圧e₁，e₂を抵抗器２８，２
９を通じて端子Ａ，Ｂに導出する。端子Ａ，Ｂ間
には第６図乃至第９図で説明した電気的に接続、
離脱が容易に行なえる開閉設定手段Ｊを設ける。
端子Ａ又はＢの一方、図の例では端子Ａを差動増
幅器８の反転入力端子に接続する。差動増幅器８
の非反転入力端子には基準電圧源３１を接続し、
基準電圧e₀を差動増幅器８の非反転入力端子に供
給する。

一方抵抗器２と３に発生した電圧e₁，e₂は抵抗
器３２，３３を通じて差動増幅器７の両入力端子
に供給する。これと共に差動増幅器７の非反転入
力端子に抵抗器３４を通じてゼロ調用バイアス電
源１４を接続し、反転入力端子に抵抗器３５を通
じてポテンシヨメータ１５からスパン調整用負帰
還信号を与える。

このように構成した場合には端子Ａ，Ｂ間に接
続した開閉設定手段Ｊにより端子Ａ，Ｂ間を短絡
させた場合は差動インピーダンス形検出器に適合
する変換器として動作し、Ａ，Ｂ間を切離した場
合は単一可変インピーダンス形検出器に適合する
変換器として動作する。

即ち端子Ａ，Ｂ間を接続した場合には端子T₁，
T₂，T₃に差動インピーダンス形検出器を接続す
る。検出器１内の可変インピーダンス素子の値が
差動的に変化し抵抗器２と３に発生する電圧e₁，
e₂が差動的に変化する。その変化は差動増幅器７
に入力される。今e₁が減少し、e₂が増加したとす
ると差動増幅器７の出力電圧は減少する。よつて
発振器４の制御電圧が減少したこととなり発振器
４の出力振巾が減少する。この振巾の減少が検出
器１内の可変インピーダンス素子１ａ，１ｂと抵
抗器２及び３の各直列回路に与えられ、抵抗器２
と３を流れる電流値は減少する。この電流の減少
により抵抗器２８と２９を通じて演算増幅器８の
反転入力端子に供給される電流和に相当する電圧
信号e₁＋e₂が低下する。演算増幅器８の非反転入
力端子には基準電圧e₀が与えられているから反転
入力端子の入力電圧e₁＋e₂が低下するとその出力
電圧は正極性の方向に上昇する。このためトラン
ジスタ９を流れる出力電流は増加し、抵抗器１６
に発生する帰還電圧が負方向に増加する。この帰
還電圧はポテンシヨメータ１５によりその適当量
が取出されて差動増幅器７の反転入力端子に負帰
還される。こゝで差動増幅器７の増幅率μ₁、演算
増幅器８の増幅率μ₂が非常に大きいものとすると
この負帰還により差動増幅器７の反転入力端子の
電位は非反転入力端子の電位と等しい状態で平衡
するように動作し発振器４の出力の振巾は元の振
巾に戻される。この結果抵抗器２と３を流れる電
流は元の電流に戻され、抵抗器２と３に発生する
電圧e₁，e₂の和成分e₁＋e₂は常にe₁＋e₂＝e₀とな
るように動作する。結局出力電流I₀は検出器１内
の可動電極の変位Δdに対し比例関係を保つて変
化し受信器１３に被測定圧力に対応した信号を伝
送することができる。

その理由を数式を用いて以下に説明する。こゝ
では差動インピーダンス形に適合する場合を説明
する。検出器１内の可変インピーダンス素子、つ
まりこゝでは可変容量素子は１枚の可動電極極の
両側に一対の固定電極が対向して配置されて構成
されるもものとする。そのそれぞれの対向間隙が
初期状態のときd₀であり、これが検出すべき差圧
又は圧力等の物理量にしたがつて変位する受圧ダ
イヤフラム等の受圧素子によつてΔdだけ変位す
るものとすれば、可変容量素子の容量値C₁，C₂
はそれぞれ C₁＝C₀d₀／d₀−Δd，C₂＝C₀d₀／d₀＋Δd 又はC₁＝C₀d₀／d₀＋Δd，C₂＝C₀d₀／d₀−Δd (1) たゞしC₀は容量素子C₁，C₂の初期状態におけ
る値である。

こゝで便宜上抵抗器３２，３３，３４，３５の
各抵抗値が等しく、抵抗器２８と２９の抵抗値も
等しいものとする。

e₁＝BωC₁R (2) e₂＝EωC₂R (3) こゝでＥは発振器４の出力電圧、ωはその角周
波数、Ｒは抵抗器２と３の抵抗値である。

出力トランジスタ９を流れる電流をI₁とする
と、 （e₁＋e₂／２−e₀）μ₂＝I₁ (4) I₀＝I₁＋I₂ (5) 抵抗器１６の抵抗値をRf、ゼロ調整用バイア
ス源１４の電圧をe₃とすると、 ｛（e₁−Rf・I₀）−（e₂−e₃）｝ μ₁＝Ｅ (6) ｛（e₁−e₂）−（Rf・I₀−e₃）｝ μ₁＝Ｅ (7) (4)，(5)式から I₀＝（e₁＋e₂／２−e₀）μ₂＋I₂ e₁＋e₂＝2e₀＋２I₀−I₂／μ₂ (8) また(2)，(3)，(8)から EωR（C₁＋C₂）＝2e₀＋２I₀−I₂／μ₂ Ｅ＝2e₀／ωR（C₁＋C₂）＋２I₀−I₂／ωR（C₁＋C₂）μ₂
(9) 更に(2)，(3)，(7)，(9)式から ｛（2e₀／ωR（C₁＋C₂）＋２・I₀−I₂／ωR（C₁＋C₂）
μ₂）・ωR（C₁−C₂）−（RfI₀−e₃）｝μ₁ ＝2e₀／ωR（C₁＋C₂）＋２・I₀−I₂／ωR（C₁＋C₂）
μ₂(10) （2e₀／C₁＋C₂＋２・I₀−I₂／（C₁＋C₂）μ₂）・（C₁
−C₂）− （RfI₀−e₃）＝2e₀／ωR（C₁＋C₂）μ₁＋２I₀−I₂／
ωR（C₁＋C₂）μ₂(11) こゝでμ₁，μ₂が非常に大きいものとすれば、 2e₀／（C₁＋C₂）・（C₁−C₂） −（RrI₀−e₃）＝０ RfI₀＝e₃＋C₁−C₂／C₁＋C₂・2e₀ (12) こゝに(1)式の関係を導入すれば I₀＝１／Rf（e₃＋２Δd／d₀・e₀） （13） となり、出力電流I₀は変位Δdに比例することが
解る。

一方、端子Ａ，Ｂ間を切離した場合には、第１
０図に示す回路は単一可変インピーダンス形検出
器に適合する変感器として動作する。即ち検出器
接続端子T₂に固定インピーダンス素子Icが接続
されているものとし、他方の端子T₃に可変イン
ピーダンス素子１ａが接続されているものとする
と、検出器１に物理量が与えられて可変インピー
ダンス素子１ａの値が例えば大きくなると、抵抗
器３に発生する電圧e₂が増加する。この電圧変化
が差動増幅器７の反転入力端子に与えられ差動増
幅器７の出力電圧を低下させる。このため発振器
４の出力振巾は小さくなる方向に制御される。こ
れと共に電圧e₂のの増加分は演算増幅器８の反転
入力端子にも与えられる。これにより演算増幅器
８の出力電圧は低下し、トランジスタ９を流れる
電流I₁を減少させる。電流I₁が減少したことによ
り抵抗器１６に発生する帰還電圧が減少しポテン
シヨメータ１５から差動増幅器７の反転入力端子
に供給される負帰還電圧が減少する。よつて差動
増幅器７の反転入力端子に与えられる入力電圧は
更に増加する方向に変化し発振器４の出力振巾を
更に一層減少させる。これにより電圧e₂は減少し
e₂＝e₀の状態で安定する。このとき抵抗器１６を
通る電流I₀の変化は与えられた変位Δdと比例関
係を保つて変化する。

以上により第１０に示した回路において端子
Ａ，Ｂ間を短絡した場合には差動インピーダンス
形検出器に適合する変換回路として動作し、端子
Ａ，Ｂ間を切離した場合には単一可変インピーダ
ンス形検出器に適合する変換回路として動作する
ことが理解されよう。

第１０図の実施例より第１１図に示すような回
路も考えられる。この例では第５図の例と同様に
抵抗器２と３にそれぞれ抵抗器１７，１８を直列
接続し、この接続点から抵抗器２８と２９を通じ
て端子Ａ，Ｂを導出し、この端子Ａ，Ｂ間に電気
的開閉設定手段Ｊを接続した場合を示す。この場
合も第１０図の実施例と同様に動作するのでこれ
以上の詳細説明は省略する。

第１２図は更に他の実施例を示す。この例では
抵抗器２と３のそれぞれに抵抗器１７，１８を直
列接続しこの接続点Ａ，Ｂ間に電気的開閉設定手
段Ｊを設け、抵抗器３と１８の接続点Ｂに発生す
る電圧を演算増幅器８の反転入力端子に供給する
ように構成した場合を示す。この場合にも抵抗器
２−１７及び３−１８の各直列回路に発生する電
圧e₁，e₂を差動増幅器７に与え、ポテンシヨメー
タ１５から帰還電圧を差動増幅器７の反転入力端
子に帰還させるように構成した点は第１０図の場
合と同様である。

この第１２図の実施例においても接続点Ａ，Ｂ
間を短絡した場合は差動インピーダンス形検出器
に適合する変換器として動作し、接続点Ａ，Ｂ間
を切離したときは単一一可変インピーダンス形検
出器に適合する変換器として動作する。その理由
は第１０図の動作説明から容易に理解できよう。

以上説明したようにこの考案によれば、電気的
開閉設定手段Ｊを設けたことにより、この開閉設
定手段Ｊを開及び閉の状態に設定することにより
少なくとも一方が変化する２個のインピーダンス
素子を含むブリツジ回路網からインピーダンス変
化に対応した電気信号を取出す手段において一方
のインピーダンス相当電気信号と、２つのインピ
ーダンス相当電気信号の和成分の何れかを得るこ
とができる。これにより差動インピーダンス形検
出器と単一可変インピーダンス形検出器の双方に
適合する交換器を共通の回路によつて構成するこ
とができる。よつて変換器に互換性を持たせるこ
とができ製造管理が容易となる。また使用する部
品の種類を少なくすることができるためコストダ
ウンが期待できる。また需要者側では同一変換器
を差動形及び単一可変形の検出器に利用できるた
め予備として用意する変換器を検出器の種類別に
用意しなくても済む利点も得られ、その効果は実
用に供して頗る大である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は差動インピーダンス形及び
単一可変インピーダンス形検出器の一例を説明す
るための接続図、第３図は差動インピーダンス形
検出器に適合する従来の変換器の一例を説明する
ための接続図、第４図は単一可変インピーダンス
形検出器に適合する従来の変換器の一例を説明す
るための接続図、第５図は電気的開閉設定手段を
設けた例を説明するための接続図、第６図、第７
図、第９図はこの考案の要部の一例を示す平面
図、第８図はこの考案の要部の一例を示す斜視
図、第１０図はこの考案の一実施例を示す接続
図、第１１図、第１２図はこの考案の他の実施例
を示す接続図である。 １：検出器、１ａ，１ｂ：可変インピーダンス
素子、１ｃ：固定インピーダンス素子、２，３，
１７，１８：ブリツジ回路網を構成する抵抗器、
Ｊ：一方のインピーダンス相当信号又は２つのイ
ンピーダンス相当信号を選択して得る手段を構成
する電気的開閉設定手段。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 少なくとも一方が変化する２個のインピーダン
   ス素子を含むブリツジ回路網からインピーダンス
   変化に対応した電気信号を取出す手段において、
   上記両方のインピーダンス相当電気信号が差動増
   幅器の反転入力側及び非反転入力側に入力され、
   上記両方のインピーダンス相当電気信号の一方は
   直接、他方は電気的開閉設定手段を介して演算増
   幅器に供給され、演算増幅器の出力はトランジス
   タにより電流信号に変換され、その電流信号が供
   給される抵抗器より帰還信号が取出されて上記差
   動増幅器の反転入力側へ供給され、その差動増幅
   器の出力で上記ブリツジ回路網へ供給する電流、
   電圧の発振器の振幅が制御されてなるインピーダ
   ンス変化を電気信号に変換する変換器。