JPH0464067A - 変位検出回路 - 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、静電容量式センサにより物理量の変化を静電
容量の変化に交換し、該静電容量の変化を電気量として
取り出して、加速度、１！度、厚さ等を測定する各種の
装置に用いられる変位検出回路に関する。

（従来の技術） 静電容量式センサによる変位計では、対象物にセンサを
接触することなくその対象物の変位が測定できる。そこ
で、測定対象物が導体または半導体であればその対象物
の材質や表面の状態がその変位計の入出力特性に与える
影響は小さい、従って、その変位計によれば対象物の厚
み等の物理量が高い精度で測定できる。このような理由
で静電容量式センサによる変位計は、加速度、速度、厚
さその他の物理量を測定する各種の装置に広く利用され
ている。変位検出回路は、静電容量式センサを備え、該
センサで対象物の物理量の変化を静電容量の変化に変換
し、さらにその静電容量を電圧等の電気量で出力する回
路である。

第５図に従来の静電容量式の変位検出回路の一例を示す
、この従来の変位検出回路は、止弦波を発生する発振器
２１と、第１および第２の入力端に入力する信号をそれ
ぞれ増幅して第１および第２の出力端に出力する差動増
幅バッファ２７と、発振器２１の出力端と差動増幅バッ
ファ２７の第１の入力端との間に接続してある抵抗器２
３と、発振器２１の出力端と差動増幅バッファ２７の第
２の入力端との間に接続してある抵抗器２４と、差動増
幅バッファ２７の第１の入力端と接地との間に接続して
あるビックオフ容量器５と、差動増幅バッファ２７の第
２の入力端と接地との間に接続してあるビックオフ容量
器６と、アノードが差動増幅バッファ２７の第１の出力
端に接続してある検波ダイオード２８と、アノードが差
動増幅バッファ２７の第２の出力端に接続してある検波
ダイオード２９と、入力端が検波ダイオード２８のカソ
ードに接続してある平滑回路３０と、入力端が検波ダイ
オード２９のカソードに接続してある平滑回路３１と、
第１の入力端が平滑口８！３０の出力端に接続してあり
第２の入力端が平滑回路３１の出力端に接続してある差
動増幅回路３２とで構成されている。抵抗値が互いに等
しい抵抗器２３．２４とビックオフ容量器５，６とでキ
ャパシタンスビックオフブリッジ２２をなしている。キ
ャパシタンスビックオフブリッジ２２は、抵抗器２３と
ビックオフ容量器５および抵抗器２４とビックオフ容量
器６の積分作用により発振器２１がら入力した止弦波を
２つの電圧信号に変換して差動増幅バッファ２７の第１
および第２の入力端に出力する。キャパシタンスビック
オフブリッジ２２から出力される２つの電圧信号はビッ
クオフ容量器５，６のそれぞれの静電容量の値により差
を生じ、それらの静電容量が等しい時には２つの電圧信
号も等しくなる。また、このキャバシタンスビックオフ
プＶツジ２２の感度は、抵抗器２３゜２４の抵抗値をビ
ックオフ容量器５，６のバランス点におけるリアクタン
ス値と等しくすると最大となる。差動増幅バッファ２７
は、キャパシタンスビックオフブリッジ２２から出力さ
れる２つの電圧信号を第１および第２の入力端子にそれ
ぞれ入力し、差電圧増幅して第１および第２の出力端に
出力する。検波ダイオード２８．２９は、差動増幅バッ
ファ２７から出力される第１および第２の電圧信号をそ
れぞれ直流に整流する。平滑回路３０．３１は検波ダイ
オード２８．２９でＷ流に整流された第１および第２の
電圧信号をそれぞれ平滑化する。差動増幅回路３２は、
平滑回路３０３１のそれぞれの出力信号の差を取って該
差信号を増幅して出力端子３３に出力する。この変位検
出回路は、ビックオフ容量器５，６の静電容量の変化か
ら加速度を測定する加速度計に用いられる回路である。

以下に、この変位検出回路の動作について説明する。

ビックオフ容量器５．６は、静電容量式センサであり、
第７図に示す櫟に、２つの金属板４１と４２の中間部に
、一端が固定されていて振り子と同様に動く金属板でな
るペンデュラム（ｐｅｎｄｕｌｃ＋ｎ＋）４３を設けて
なる。第７図に示す櫟に、金属板４１とペンデュラム４
３とで容量器４４をなし、金属板４２とペンデュラム４
３とで容量器４５をなしている。容量器４４．４５の静
電容量は、ペンデュラム４３の位置によりそれぞれ変化
し、ペンデュラム４３が金属板４１と４２との中央にあ
る場合（変位角Δθ＝０）の容量４４．４５の静電容量
ＣＩ、Ｃ２は互いに等しく（第７図（ａ））、ペンデュ
ラム４３が金属板４２寄りに傾いている場合は容量器４
５の静電容量Ｃ２が容量器４４の静電容量Ｃ１よりも大
きく（第７図（ｂ））、ペンデュラム４３が金属板４１
寄りに傾いている場合は容量器４４の静電容量Ｃ１が容
量器４５の静電容量Ｃ２よりも大きい（第７図（ｃ））
、ペンデュラム４３が金属板４１と４２との中央にある
ときは（変位角Δθ＝０）、ペンデュラム４３に加速度
が加えられていない。ペンデュラム４３が金属板４２寄
りにあるときは、ペンデュラム４３に金属板４１から金
属板４２への方向の加速度が加えられている。ペンデュ
ラム４３が金属板４１寄りにあるときは、ペンデュラム
４３に金属板４２から金属板４１への方向の加速度が加
えられている。ここで、容量器４４．４５の静電容量Ｃ
３Ｃ２は、ペンデュラム４３の変位角Δθによりその値
が変化するが、一般に静電容量Ｃ，，Ｃ２とペンデュラ
ム４３の変位角Δθとの関係は変位角Δθが大きくなる
につれて非直線的な特性となる。

第８図にペンデュラム４３の変位角Δθと静電容ｌｃ、
、ｃ、との関係の一例を示す。

ここで、第５図のビックオフ容量器５が第７図の容量器
４４に対応し、第７図のピックオフ容量器６が第７図の
容量器４５に対応するとする。すると、第７図のペンデ
ュラム４３の変位角Δθに対する差動増幅バッファ２７
の２つの出力電圧２０１．２０２と、差動増幅回路３２
の出力電圧２０３とは、第６図に示す様な特性となる。

ここで、出力電圧２０３は、出力電圧２０１と２０２と
の差である５第６図（ａ）は差動増幅バッファ２７の利
得が１の場合の特性図であり、第６図（ｂ）は差動増幅
バッファ２７の利得が２．５の場合の特性図であり、第
６図（ｃ）は差動増幅バッファ２７の利得が５の場合の
特性図である。第５図に示す従来の変位検出回路は、差
動増幅回路３２の出力電圧２０３からペンデュラム４３
の変位角Δθを求め、該ペンデュラム４３の変位角Δθ
から加速度を検出してその値を測定する。この従来の変
位検出回路では、第６図から明らかな様に差動増幅バッ
ファ２７の利得が大きくなる程差動増幅回路３２の出力
電圧２０３の傾斜が大きくなって、その感度が良くなっ
ている。差動増幅バッファ２７の利得を大きくする程、
変位検出回路の感度は良くなるが、その利得を大きくし
過ぎると第６図（Ｃ）の様に出力電圧２０１，２０２が
ＯＶを下回ってしまう、出力電圧２０１，２０２がＯＶ
を下回る程その電圧値が低くなるということは、出力零
１：ｒ２０１，２０２が検波ダイオード２８２９の立上
がり電圧を下回るということであり、この様に出力電圧
２０１，２０２が検波ダイオード２８．２９の立上がり
電圧を下回ると（第６図（ｃ）の２１１，２１２＞、差
動増幅回路３２の出力電圧２０３が正しい値とならず出
力電圧２０３の連続性が損なわれてしまう、また、出力
電圧２０３の特性線には非直線性がみちれ、高加速度の
大きな変位の検出においてはペンデュラム４３の変位角
Δθが大きくなって正確な測定が行なえない。

（発明が解決しようとする課題） 前述した従来の変位検出回路においては、差動増幅バッ
ファ２７の利得を大きくする程変位検出の感度を上げる
ことができるが、差動増幅バッファ２７の利得を大きく
し過ぎると出力電圧２０１゜２０２が検波ダイオード２
８．２９の立上がり電圧を下回ってしまい、差動増幅回
路３２の出力電圧２０３の特性が第６図（ｃ）の様に連
続性を失なって正しい変位を求められなくなってしまう
。

これを解決する方法として、抵抗器２３．２４の抵抗値
を小さくする方法、発振器２１の発振電圧を高くする方
法がある。抵抗器２３．２４の抵抗値を小さくすると出
力電圧２０１，２０２が全体的に上昇してＯＶ以下にな
らなくなるが、出力電圧２０３の傾きが緩やかになって
変位検出の感度が悪くなるから、再び差動増幅バッファ
２７の利得を大きくする必要があるがその利得はそれ程
大きくすることはできない、また、発振器２１の発転回
波数は、この従来の変位検出回路の回路Ｗ性から高いも
のとなっており、その発ｆ２電圧を高くすることは容易
ではない、従って、従来の変位検出回路では、変位検出
の感度を良くすることは非常に困非であった。さらに、
出力電圧２０３が十分な直線性を有していないから、大
きい変位程正確に測定できず大きい加速度の測定には不
向きであった。

（課題を解決するための手段） 本発明の変位検出回路は、 静電容量式センサにより物理量の変化を静電容１の変化
に変換し、該静電容量の変化を電気量として取り出す変
位検出回路であって、 定常状態の静電容量は互いに等しく前記物理量の変化に
応じて静電容量を互いに逆の方向に変化させる第１およ
び第２のビックオフ容量器と、止弦波を発生する発振器
と、該発振器の出力端に一端が接続してある第１の抵抗
器と、正入力端が接地してあり負入力端が前記第１の抵
抗器の他端に接続してある演算増幅器と、該演算増幅器
の出力端にアノードが接続してある第１の検波ダイオー
ドと、前記演算増幅器の出力端にカソードが接続してあ
る第２の検波ダイオードと、前記演算増幅器の負入力端
と前記第１の検波ダイオードのカソードとの間に接続し
てある第２の抵抗器と、前記演算増幅器の負入力端と前
記第２の検波ダイオードのアノードとの間に接続してあ
る第３の抵抗器と、前記第１の検波ダイオードのカソー
ドに入力端が接続してあり入力する信号を平滑する第１
の平滑回路と、前記第２の検波ダイオードのアノードに
入力端が接続してあり入力する信号を平滑する第２の平
滑回路と、前記第１および第２の平滑回路のそれぞれの
出力信号を加算して増幅する加算増幅回路とを備えてお
り、前記第１のビックオフ容量器は前記演算増幅器の負
入力端と前記第１の検波ダイオードのカソードとの開に
接続してあり、前記第２のビックオフ容量器は前記演算
増幅器の負入力端と前記第２の検波ダイオードのアノー
ドとの開に接続してあることを特徴とする。

（作用） 本発明の変位検出回路は、第１の抵抗器を介して発振器
から供給される止弦波を反転増幅する演算増幅器の負入
力端と出力端との間に、第１の検波ダイオードと第２の
抵抗器でなる第１の直列回路および第２の検波ダイオー
ドと第３の抵抗器でなる第２の直列回路を接続し、第１
および第２のビックオフ容量器をそれぞれ前記第２およ
び第３の抵抗器の両端に並列に接続し、前記第１の検波
ダイオードと前記第２の抵抗器との接続点および前記第
２の検波ダイオードと前記第３の抵抗器との接続点のそ
れぞれの電圧信号を第１および第２の平滑回路で平滑化
し、当該第１および第２の平滑回路の出力電圧を加算増
幅器で加算増幅して出力する回路構成となっており、前
記第１および第２のビックオフ容量器の静電容量の変化
に比例した電圧信号を前記加算増器から出力している。

この変位検出回路の感度の調整は、前記第２および第３
の抵抗器の抵抗値の調整で行なえ、容易である。また、
前記第１および第２の検波ダイオードはそれぞれ前記演
算増幅器のフィードバックループ内に設けてあり、その
立上がり電圧を考慮しなくても良い。さらに、この変位
検出回路は前記発振器の発振周波数を限定せず、前記発
振器に適した発振周波数および発振電圧を設定できる。

（実施例） 次に、図面を参照して本発明について詳しく説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す回路図である。

本実施例は、止弦波を発生する発振器１と、その一端が
発振器１の出力端に接続してある抵抗器２と、正入力端
が接地してあり負入力端が抵抗器２の他端に接続してあ
る演算増幅器７と、アノードが演算増幅器７の出力端に
接続してある検波ダイオード８と、カソードが演算増幅
器７の出力端に接続してある検波ダイオード９と、演算
増幅器７の負入力端と検波ダイオード８のカソードとの
間に接続してあるビックオフ容量器５と、演算増幅器７
の負入力端と検波ダイオード９のアノードとの間に接続
してあるビックオフ容量器６と、演算増幅器７の負入力
端と検波ダイオード８のカンードとの間に接続してある
抵抗器３と、演算増＠器７の負入力端と検波ダイオード
９のアノードとの間に接続してある抵抗器４と、入力端
が検波ダイオード８のカソードに接続してある平滑回路
１０と、入力端が検波ダイオード９のアノードに接続し
てある平滑回路１１と、入力端が平滑回路１０の出力端
と平滑回路１１の出力端とに接続してある加算増幅器１
２とで構成される。ビックオフ容量器５および６は、第
７図に示す金属板４１と４２とペンデュラム４３とでな
り、静電容量式センサをなしている。ビックオフ容量器
５は容量器４４に対応し、ビックオフ容量器６は容量器
４５に対応する６また、抵抗器３と４との抵抗値は等し
い、演算増幅器７は、発振器１から出力される止弦波を
反転増幅して出力する。演算増幅器７の出力信号は、検
波ダイオード８および９で整流され、演算増幅器７の出
力信号の正の成分は平滑回路１０に供給され、負の成分
は平滑回路１１に供給される。平滑回路１０に入力する
信号のレベルは、ビックオフ容量器５の静電容量に応じ
て抵抗器３とビックオフ容量器５による積分作用で変化
する。

また、平滑回路１１に入力する信号のレベルは、ビック
オフ容量器６の静電容量に応じて抵抗器４とビックオフ
容量器６による積分作用で変化する。

平滑回路１０と１１は、それぞれ入力する信号を平滑化
する。加算増幅器１２は、平滑回路１０の出力信号と平
滑口Ｈ１１１の出力信号とを加算増幅して出力端子１３
に出力する。この出力端子１３に現われる信号がビック
オフ容量器５および６の静電容量の変化を表わしており
、本実施例はこの出力端子１３に現われる信号から変位
を検出する。

ここで、抵抗器２，３．４およびビックオフ容量器５，
６は、本実施例の周波数特性を決定する要因であり、本
実施例の感度に大きく影響する。

第２図は本実施例の周波数特性を示す図である。

第２図において、ｆ。は発振器１の発振周波数であり、
ｆ、は抵抗器３の抵抗値とビックオフ容量器５の静電容
量で定まり、ｆ、は抵抗器２の抵抗値とビックオフ容量
器６の静電容量で定まる。抵抗器２の抵抗値を調整して
で、をｆ、より高い周波数に固定し、さらに抵抗器３の
抵抗値を調整してで、がｆ、に一致する様にすると、本
実施例は最大感度を得ることができる。これを以下に説
明する６発振器１の出力電圧をＶ　１１１、出力端子１
３の出力電圧をＶｅｎｔ、抵抗器２の抵抗値をＲ１、抵
抗値３および４の抵抗値をＲｆ、ビックオフ容量器５お
よび６の静電容量をそれぞれＣｔおよびＣ２とすると、
Ｖｌ、とＶ　＊　ｔ　ｔ　どの間には、の関係式が成り
立つ、第３図に回路利得Ａを２゜５とした時のペンデュ
ラム４３の変位角Δθと゛ｒ滑回路１０．１１の出力電
圧および加算増幅器１２の出力電圧との関係を示す、第
３図において、１０１は平滑回路１０の出力電圧であり
、１０２は平滑口ＦＮ１１１の出力電圧であり、１０３
は加算増＠回路１２の出力電圧である。第３図（ａ）は
ｆ、＞ｆ。のときの特性図であり、第３図（ｂ）はｆ、
＝ｆ。のときの特性図であり、第３図（Ｃ）はｆ、＜ｆ
。のときの特性図である。第３図から本実施例の感度は
、ｆ、とｆ、とが等しい時に最も良いことがわかる。

第４図にｆ、とｆ。とを等しくして回路利得Ａを変化さ
せた時のペンデュラム４３の変位角Δθと平滑回路１０
．１１の出力電圧および加算増幅器１２の出力電圧との
特性を示す。第４図において、１０１は平滑口′＃１１
０の出力電圧であり、１０２は平滑回路１１の出力電圧
であり、１０３は加算増幅器１２の出力電圧である。第
４図（ａ）は回路利得が５の場合の特性図であり、第４
図（ｂ）は回路利得が２．５の場合の特性図であり、第
４図（Ｃ）は回路利得が１の場合の特性図である。第４
図から明らかな様に、本実施例は回路利得が大きい程変
位検出の感度が良く、その回路利得は抵抗器２．３．４
のそれぞれの抵抗値を変ることにより容易に調整するこ
とができ、本実施例は第５図の従来の変位検出回路より
、その感度が優れている。また、本実施例は、第４図に
示すペンデュラム４３の変位角Δθと加算増幅器１２の
出力電圧３０３との特性線の直線性が第６図に示す従来
の変位検出回路の特性線より優れており、大きな変位に
対しても正確に測定できるから、高加速度の測定に十分
に適応できる。

本実施例は、発振器１が発生する止弦波の周波数を何ら
限定しないから発振器１の発振周波数および発＠電圧は
発振器１に最も適したものに設定でき、検波ダイオード
８，９は演算増幅器のフィードバックルーズに設けてあ
って検波ダイオード８．９の立上がり電圧が変位検出の
特性に何ら影響を与えないから、その立上がり電圧を考
慮する必要はない。

（発明の効果） 以上に詳しく説明した様に本発明によれば、抵抗器２．
３．４の抵抗値を適当に選ぶことにより変位検出の感度
を容易に調整することができ、十分な感度を得ることが
できる。また、出力電圧１０３が直線性に優れているか
ら、本発明の回路により、大加速度等の大きな変位が正
確に検出できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回路図、第２図は本実施例
の周波数特性を示す図、第３図はペンデュラム４３の変
位角と平滑回路１０．１１および加算増幅器１２の出力
電圧との関係を示す図、第４図はペンデュラム４３の変
位角と平滑回！ｉｌ！１０１１および加算増幅器１２の
出力電圧との関係を示す図、第５図は従来の変位検出回
路の回路図、第６図はペンデュラム４３の変位角と差動
増幅バッファ２７の２つの出力電圧および差動増幅回路
３２の出力電圧との関係を示す図、第７図はビックオフ
容量器５．６の原理を示す図、第８図はペンデュラム４
３の変位角と容量器４４．４５の静電容量との関係を示
す図である。 １．２１・・・発振器、２，３，４．２３．２４・・・
抵抗器、５，６・・・ビックオフ容量器、７・・・演算
増幅器、８，９，２８．２９・・・検波ダイオード、１
０　１１．３０．３１・・・平滑回路、１２・・・加ｙ
Ｌ＃！！幅器、１３．３３・・・出力端子、２２・・・
キャパシタンスビックオフブリッジ、２７・・・差動増
幅バッファ、３２・・・差動増幅回路、４１．４２・・
・金属板、４３・・・ペンデュラム、４４．４５・・・
容量器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　静電容量式センサにより物理量の変化を静電容量の変
   化に変換し、該静電容量の変化を電気量として取り出す
   変位検出回路において、 定常状態の静電容量は互いに等しく前記物理量の変化に
   応じて静電容量を互いに逆の方向に変化させる第１およ
   び第２のピックオフ容量器と、止弦波を発生する発振器
   と、該発振器の出力端に端が接続してある第１の抵抗器
   と、正入力端が接地してあり負入力端が前記第１の抵抗
   器の他端に接続してある演算増幅器と、該演算増幅器の
   出力端にアノードが接続してある第１の検波ダイオード
   と、前記演算増幅器の出力端にカソードが接続してある
   第２の検波ダイオードと、前記演算増幅器の負入力端と
   前記第１の検波ダイオードのカソードとの間に接続して
   ある第２の抵抗器と、前記演算増幅器の負入力端と前記
   第２の検波ダイオードのアノードとの間に接続してある
   第３の抵抗器と、前記第１の検波ダイオードのカソード
   に入力端が接続してあり入力する信号を平滑する第１の
   平滑回路と、前記第２の検波ダイオードのアノードに入
   力端が接続してあり入力する信号を平滑する第２の平滑
   回路と、前記第１および第２の平滑回路のそれぞれの出
   力信号を加算して増幅する加算増幅回路とを備えており
   、前記第１のピックオフ容量器は前記演算増幅器の負入
   力端と前記第１の検波ダイオードのカソードとの間に接
   続してあり、前記第２のピックオフ容量器は前記演算増
   幅器の負入力端と前記第２の検波ダイオードのアノード
   との間に接続してあることを特徴とする変位検出回路。