JPH0390817A - 変位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、容量式変位計の非線形性の改善に関するもの
である。

〈従来の技術〉 従来−数的に使われている変位計として、キャパシタを
構成する平行な２枚の電極間距離の変化を容Ｉの変化に
変換する方式がある。電極の面積をＡ（ｒｎ”）、ｔｆ
ｉ間の距離をｔ（ｍ）、電極間の誘電率をεとすると、
静電容量Ｃは、Ｃ＝εＡ／ｌ　　（Ｆ’）　　　　　　
　　・・・〈１）で表される。この容量の変化を検出す
るための方式の一つとして周波数に変換する方式がある
。

＄４図はそのような方式の従来の容量式変位計の原理構
成図を示す、ＬＣ発振８１の発振周波数を周波数検出器
２で検出し、周波数計３に表示する。ＬＣ発振器１のキ
ャパシタＣに可変容量を用いており、インダクタンスを
Ｌとすると、発振周波数は、 一１／２ ｆ＝（ＬＣ）　　　／２π 一１／２ ＝　（Ｌ　ｃ　Ａ　／　ｔ　）　　　／　２　ｙｒ　　
（Ｈｚ　）・・・　（２） となる。

〈発明が解決しようとする課題〉 上記のような変位計において、感度を求めると、５＝ｄ
ｆ／ｄｔ １７２ ＝　　　（Ｌ　　ｔ　　Ａ　　ｔ　　）　　　　　　　
　／　　４　　π　　　　　　　　（Ｈｚ　　／　　ｍ
　　）・・・　（３） となり、電極開路Ｍｔに対する感度Ｓの関係は第５図の
ようになる。すなわち、電極間距離ｔによって感度Ｓが
非線形に変化してしまうので、大きな変位の測定時に問
題が生じる。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、大きな測定レンジを得ることのできる容量式
の変位計を実現することを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 本発明は電極間の距離の変化を容量変化に変換する方式
の変位計に係るもので、その特徴とするところは変位検
出用の容量を用いて構成される発振器と、バラクタダイ
オードを用いた電圧制御発振器と、この電圧制御発振器
の出力に基づく＠号と前記発振器の出力とを比較しその
出力が前記バラクタダイオードを制御する位相比較器と
を備え、位相比較器の出力に基づいて変位量を測定する
ように構成した点にある。

く作用〉 発振器における変位による容量の変化の非線形性が電圧
制御発振器中のバラクタダイオードの制ｔＸＩ電圧対容
量の非線形特性により補償される。

〈実施例〉 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明に係る変位計の一実施例を示した構成
ブロック図である。この変位計は変位検出用のＬＣ発振
器の周波数をＰ　Ｌ　Ｌ　（位相同期ループ）回路を用
いて検出する。１は変位検出用のＬＣ発振器で変位によ
り容量値が変り発振周波数が変化するものである。４は
容量素子としてバラクタダイオードを用いた電圧制御Ｌ
Ｃ発振器、５は電圧制御ＬＣ発振器４の出力周波数をＵ
振器１の出力周波数と位相比較する位相比較器である。

位相比較器５の出力はループフィルタ６で電圧制御Ｌ　
Ｃ発振器４の制御電圧を生じ、Ｐ　Ｌ　Ｌがかけられる
。７は位相比較器５の出力からＰＬＬがかかったことを
検出する公知のロック検出器、８はループフィルタ６の
出力を読取る電圧計である。

ロック検出器７は例えば位相比較器の出力電圧を検出す
る方式のものを用いる。

上記のような構成の変位計の動作を次に説明する。第２
図に動作のフローチャートを示す、ＬＣ発振器１中に変
位を検出するための容量Ｃ３があり、これが変化すると
発振周波数が変化する。電圧制御発振器４にはＰＬＬが
かかっているため、バラクタダイオードの容量Ｃを変化
させるため■ に制御電圧が変化する。ＰＬＬがロックした状態では電
圧制御ＬＣ発振器４の出力周波数は発振器１の出力周波
数と等しくなり、このときの制御電圧は発振器１の出力
周波数に対応した電圧となる。

ＰＬＬがロックしたことをロック検出器７で検出し、そ
の指令により電圧計８が電圧制御発振器４への制御電圧
を読取る。すなわち変位を制御電圧の変化に変換して検
出する。

次に上記の動作を式で説明する。

第１図でＬＣ発振器１の発振周波数は次式で表される。

一１／２ ｆｏ＝　（Ｌ１Ｃ５）　　　／２π　　　＝・（４）こ
こでＬｌはＬＣＱＧ器１のインダクタンス（Ｈ）、Ｃ５
は同じく変位検出用の容量（Ｆ）である。

ＰＬＬがロックされると、電圧制御発振器４の発振周波
数もｆ。に一致するので、 １７２ ｆ＝（ＬＣ）／２π　　　　・・・（５）０　　　　　
　２ｖ が成立つ、ここでＬ２は電圧制御発振器４のインダクタ
ンス（Ｈ）、Ｃ，は同じくバラクタダイオードの容量（
Ｆ）である、（４）（５）式より、Ｌ１Ｃｓ＝Ｌ２Ｃ７ ｃ　　＝（Ｌ１／Ｌ２）Ｃ８ ■ ＝ＫＣ８・・・（６） となる。ここでに＝Ｌ１／Ｌ２とする。また（１）式よ
り、 Ｃｓ　＝ｃ　Ａ　／　ｔ　　　（ｒ　）　　　　　　　
　・・・（７）である、またバラクタダイオードの容量
Ｃｖ　（Ｆ）はその逆バイアス電圧ＶＲ（Ｖ〉によって
変化し、一般に次式で表される。

一１／（１−１２） ｃ　　＝　ｃ　、ｏ　（１＋ｖ　ｎ　／φ０）■ （Ｆ）　　　　　　　　　　　　　　　・・・（８）こ
こでＣｖＯは■Ｒ＝０（■）のときの容量＆（（Ｆ’　
＞、φ０はＰＮ接合の拡散電位（Ｖ）である。ｍの値は
ＰＮ接合での不純物濃度分布により種々の値に設計する
ことができ、ここではｍ＝−１のバラクタダイオードを
使用する。このとき（８）式は”　　　（Ｆ） Ｃ＝Ｃ（１＋−Ｖ　　／φ０〉 ｖ　　　　　ｖＯＲ ・・・（９） となる、（７）、（９）式を（６）式に代入すると Ｃ（１＋Ｖ　　／φ　）−１＝にεＡ／ｌｖＯＩＩ　　
　　　　　Ｏ となり、これを変形すると ｖ　　＝ｃ　　φ　ｔ／にεＡ−φｏ　　　（Ｖ）ｌｖ
ｏ。

・・・　（１０） このＶＲが制御電圧に相当し、その電極間路ａｔに対す
る感度Ｓは ５−ｄＶ　　／ｄｔ＝Ｃ，ｏφｏ／にεＡ（Ｖ／ｍ）　
　　　　　　　　　　・・・（１］〉ここでＣ７ｏ、φ
ｏ、に、εおよびＡはいずれも一定であるので、感度Ｓ
は変位ｔによらず一定となる。またＶ８＝０のときのＣ
ｓをＣ５ｏ（Ｆ）とすると、（６）式よりＣ３ｏ＝Ｃｖ
ｏ／にであるから、（１１）式は ｓ　＝　ＣｓＯφ０／εＡ ＝（εＡ／ｌ　　）・　（φ０／εＡ）＝φｏ／ｌｏ　
　　（Ｖ／ｍ）　　”’　＜１２）ただしｔ。は■、＝
０のときの電極間［？［ｉｉｌｔ（ｍ）である、電圧計
６の精度をＡ、（Ｖ）とすると、変位の測定確度Ａ　ｔ
　　（ｍ　）は Ａ　　＝Ａ　　／Ｓ　　　　（ｍ）　　　　　　　・−
（１３）ｖ 制御電圧の可変範囲をΔＶｎとすると、変位の測定レン
ジΔｔ　（ｍ）は Δｔ＝ΔＶＲ／Ｓ　　（ｍ＞　　　　　・＝（１４）で
ある。

一関として、φｏ＝０．５　（Ｖ）　、ＡＶ＝　１　ｘ
５ １０　　（Ｖ）、ＡＶＩｌ＝２０（Ｖ）とした場合のｔ
　に対するＳ、Ａｔ、Ａｔの値をそれぞれ第３図（Ａ）
〜（Ｃ）の特性曲線図に示す。

このような構成の変位計によれば、変位検出用発振器に
おける容量変化の非線形性を電圧制御発振器内のバラク
タダイオードの特性を利用して補償することにより、広
い測定レンジにわたって感度を一定にすることができる
０例えば、第３図（Ｃ）よりｔｏ　＝５ｘｌ　Ｏ−０−
３（のとき、Δｔ＝０．２　（ｍ）の測定レンジがある
が、従来例でこの測定レンジを考えると、感度の変化は
（３）式より ｓ（ｔ　　十Δｔ）／Ｓ　（ｔｏ’） 幻（５Ｘ１０”３１０．２）”” 幻０．１６ となり、非常に大きくなってしまう、すなわち従来例に
比べ、上記装置では飛躍ｎケな測定レンジの拡大が可能
となる。

なお上記の実施例において、Ｌ　Ｃ発振器１および電圧
制御ＬＣ発振器４は、容量の変化で発振周波数が変化す
るものであればＬＣ発振器に限らず、ＣＲ発振器を用い
て構成することもできる。

また第１図装置において、Ｃ８とＣｖの値が大きく異な
り、設計上発振器１と電圧制御発振器４の発振周波数を
一致させることが困難な場合には、電圧制御発振器４の
出力側と位相比較器５の入力側の間に１／Ｎ分周器また
はＮ逓倍器を挿入して電圧制御発Ｊｉ器４の発振周波数
を発振器１の発振周波数のＮ倍または１／Ｎ倍とするこ
とにより、Ｐ　Ｌ　Ｉ−をロックさせることができる〈
Ｎは整数）。

〈発明の効果〉 以上述べたように、本発明によれば、大きな測定レンジ
を得ることのできる容量式の変位計を実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る変位計の一実施例を示す構成ブロ
ック図、第２図は第１図装置の動作を示すフローチャー
ト、第３図は第１図装置の特性曲線図、第４図は容量式
変位計の従来間を示す構成ブロック図、第５図は第４図
装置の特性曲線図である。 １・・・発振器、４・・・電圧制御発振器、５・・・位
相比ス ノ 「−ア レシ メ７２− 第 区 第　５図 電ＥＪＥ間１巨馳ム （Ａ） （Ｃ） Ｌ　ε　　ＩＱ ωＸ　１０−３　ｒ／７１Ｊ 図 （Ｂ） ｔｏ　ｘ　１０−Ｊ（ｍ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電極間の距離の変化を容量変化に変換する方式の変位計
   において、変位検出用の容量を用いて構成される発振器
   と、バラクタダイオードを用いた電圧制御発振器と、こ
   の電圧制御発振器の出力に基づく信号と前記発振器の出
   力とを比較しその出力が前記バラクタダイオードを制御
   する位相比較器とを備え、位相比較器の出力に基づいて
   変位量を測定するように構成したことを特徴とする変位
   計。