JPH0672901B2 - 静電容量−電圧変換回路 - Google Patents

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−電圧変換回路に関するものであ
り、特に静電容量の広範囲に亘る変化を、正確に電圧ま
たは電流の変化に変換することのできる静電容量−電圧
変換回路に関するものである。

（従来の技術） 周知のように、各種センサ、計測装置においては、長
さ、温度、圧力等の変化を、抵抗Ｒ、静電容量Ｃ、ある
いはインダクタンスＬの変化に変換し、さらにこれらの
変化を電圧、電流等の電気量の変化に変換するトランス
デューサが広く用いられている。

第７図は、従来の静電容量−電圧変換回路の一例を示す
概略ブロック図である。

図において、発振回路33は並列に接続された可変同調用
コンデンサ31および同調用コイル32を含み、その発振周
波数は、静電容量ＣおよびインダクタンスＬにより決定
される。それ故に、可変同調用コンデンサ31の静電容量
の変化を発振周波数の変化に変換することができる。

そして、FM検波器34は前記発振周波数、すなわち、可変
同調用コンデンサ31の静電容量に応じた電圧を出力す
る。

また、従来の静電容量−電圧変換回路の他の例として、
可変コンデンサを備えた積分回路とシュミット回路とに
よりマルチバイブレータをトリガし、該マルチバイブレ
ータの発振周波数を電圧値に変換する方式がある。

前記マルチバイブレータの発振周波数は、前記可変コン
デンサの静電容量により決定されるので、この例におい
ても静電容量の変化を電圧に変換することができる。

（発明が解決しようとする問題点） 上記した従来の技術は、次のような問題点を有してい
た。

（１） 前述した従来の静電容量−電圧変換回路におい
ては、いずれも静電容量の変化量と出力電圧との関係が
線形でないために、該回路を単独に使用するのは不便で
あり、種々の補償回路や計算回路と組合せて用いる必要
がある。

この結果、当該静電容量−電圧変換回路を用いた計測機
器等の構成要素が増加し、その製作費が増大するばかり
でなく、信頼性が低下する。

（２） 前述したように、静電容量−電圧変換回路を種
々の補償回路や計算回路と組合せて使用する場合、可変
コンデンサの全静電容量Ｃに対するその変化量△Ｃが小
さい割合で変化するとき、すなわち、△C/Cが小さい範
囲内で変化するときには、近似的に静電容量の変化△Ｃ
と出力電圧との関係を線形に保つことができるが、△C/
Cが大きな範囲内で変化するとき、例えば△C/Cが零から
１の範囲内で変化するときは、静電容量の変化量△Ｃと
出力電圧との関係を線形に保つことは実質上不可能であ
る。

（３） 近年、デジタル技術の発展に伴い高分解能のデ
ータ処理・伝達が可能となっており、各種変換の高精度
化の一環として、前記静電容量の、正確かつ安定なデジ
タル量への変換が要求されている。

しかしながら、前述したように種々の補償回路等との併
用を必要とする従来の静電容量−電圧変換回路において
は、静電容量の、正確かつ安定なデジタル量への変換
は、極めてむずかしい。

本発明は、前述の問題点を解決するためになされたもの
である。

（問題点を解決するための手段および作用） 前記の問題点を解決するために、本発明は、第１の可変
コンデンサと、前記第１の可変コンデンサに直列に接続
され、前記第１の可変コンデンサの静電容量の増加また
は減少に応じて、該増加または減少と同一量だけその静
電容量が減少または増加する第２の可変コンデンサと、
前記第１および第２の可変コンデンサの接続部にその入
力端子が接続された差動増幅器と、前記差動増幅器の入
力端子および出力端子を接続する帰還用コンデンサとを
備え、また、これらに前記差動増幅器の出力信号をA/D
変換するA/Dコンバータを備え、前記第１および２の可
変コンデンサの開放端に、周期的に波高値が変る電圧を
印加するという手段を講じて、これにより前記第１およ
び第２の可変コンデンサの静電容量の変化と前記差動増
幅器の出力電圧との関係を線形に保つようにし、さらに
は、電源電圧が変動してもA/D変換動作に影響が生じな
いようにし、正確なデジタル出力が得られるようにした
点に特徴がある。

（実施例） 以下に図面を参照して、本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例の概略ブロック図である。

第１図において、第１および第２の可変コンデンサ1,2
は、その一方の静電容量が△Ｃだけ増加した場合には、
他方の静電容量が△Ｃだけ減少するように連動して動く
ように構成されている。前記第１および第２の可変コン
デンサ1,2は直列に接続されている。

第２図は、前記第１および第２の可変コンデンサ1,2の
一構成例を示す概略斜視図である。

第２図において、第１の固定電極1Aおよび第２の固定電
極2Aは、それぞれ同一平面内に隣接して配置されてい
る。移動電極20は、前記第１および第２の固定電極1A、
2Aと所定の間隔をおいて、これらと平行移動できるよう
に配置されている。

前記移動電極20は、例えば当該静電容量−電圧変換回路
を圧力計測に適用する場合においては、ベローズ、ダイ
ヤフラム等の動きにより、第１および第２の固定電極1
A、2Aとの間隔を保ちながら、矢印Ａ方向に摺動するよ
うに、また、例えば当該静電容量−電圧変換回路をレベ
ル計測に適用する場合においては、液体等の表面の移動
に応じて矢印Ａ方向に摺動するように構成されている。

第２図から明らかなように、第１の可変コンデンサ１は
第１の固定電極1Aおよび移動電極20により構成され、ま
た第２の可変コンデンサ２は第２の固定電極2Aおよび移
動電極20により構成されている。

前記第１の可変コンデンサ１の静電容量をC1、第２の可
変コンデンサ２の静電容量をC2とし、また、移動電極20
の中央部が第１の固定電極1Aおよび第２の固定電極2Aの
ほぼ中心部に配置されている場合の、前記第１および第
２の可変コンデンサ1,2の静電容量をＣ、移動電極20が
平行移動した場合の静電容量の変化量を△Ｃとすると、
前記C1およびC2は、例えば次式により定義される。

C1＝Ｃ＋△Ｃ ……（１） C2＝Ｃ−△Ｃ ……（２） 第１図に戻り、直流電源８および９は、各々の同一の電
圧（Vs/2）を出力する。前記直流電源８および９は直列
に接続され、その接続点（中点）は接地されている。

第１の高速スイッチ４は、２組の切換器を備えていて、
該切換器は、クロックパルス発生器10から出力されるク
ロックパルスCLKにより、切換られる。

前記直流電８および９、ならびに第１および第２の可変
コンデンサ1,2は、直列に接続された第１および第２の
可変コンデンサ1,2に対して、クロックパルスCLKに応じ
て極性が変化する電圧（交番電圧）Vsを印加することが
できるように、前記第１の高速スイッチ４に接続されて
いる。

この実施例においては、前記第１の可変コンデンサ１の
第１の固定電極1A（第２図）は一方の切換器の可動接点
4Aに、前記第２の可変コンデンサ２の第２の固定電極2A
（第２図）は他方の切換器の可動接点4Dに、そして、前
記直流電源８の正極は固定接点4Bおよび4Fに、前記直流
電源９の負極は固定接点4Cおよび4Eに接続されている。

前記第１および第２の可変コンデンサ1,2の接続点、す
なわち移動電極20（第２図）は、高増幅度および高入力
インピーダンスを有する第１の差動増幅器６の反転入力
端子6A、および静電容量Cfの帰還用コンデンサ３の一方
の端子に接続されている。

前記帰還用コンデンサ３の他方の端子は、第１の差動増
幅器６の出力端子6cに接続されている。また、前記第１
の差動増幅器６の非反転入力端子6Bは接地されている。

第２の高速スイッチ５は、前記第１の高速スイッチ４と
同様に、２組の切換器を備えていて、該切換器は、クロ
ックパルス発生器10から出力されるクロックパルスCLK
により、切換えられる。

第１の差動増幅器６の出力端子6Cは、前記第２の高速ス
イッチ５の一方の切換器の可動接点5Aに接続されてい
る。また、前記第２の高速スイッチ５の他方の切換器の
可動接点5Dは接地されている。

前記第２の高速スイッチ５の固定接点5Bおよび5Fは、第
２の差動増幅器７の非反転入力端子7Bに接続されてい
る。また、前記第２の高速スイッチ５の固定接点5Cおよ
び5Eは、前記第２の差動増幅器７の反転入力端子7Aに接
続されている。

前記第２の差動増幅器７の出力端子7Cは低域濾波器11の
入力端子に接続され、その出力端子はA/Dコンバータ12
に接続されている。

前記直流電源８の正極および前記直流電源９の負極も、
前記A/Dコンバータ12の、基準電圧Vrefの入力端子に接
続されている。すなわち、直流電源８および９の直列接
続により発生する電圧Vsが、A/Dコンバータ12の基準電
圧Vrefとして使用される。

さて、以上の構成を有する本発明の一実施例のうち、直
流電源８および９、第１の高速スイッチ４、第１および
第２の可変コンデンサ1,2、第１の差動増幅器６ならび
に帰還用コンデンサ３により構成される回路を簡略化し
て第３図に示す。第３図において、第１図と同一の符号
は、同一または同等部分をあらわしている。

第３図においては、第１図において示された直流電源８
および９、ならびにクロックパルスCLKにより切換えら
れる第１の高速スイッチ４が、等価的に、直列に接続さ
れた方形波電源8Aおよび9Aとして示されている。

第３図の回路を、第１の可変コンデンサ１および第２の
可変コンデンサ２の共通線上の点Ｐで切断し、左方を見
ると、点Ｐにおける開放電圧Viiは、次の第３式により
表される。

Vii＝（△C/C）×（Vss/2） ……（３） したがって、鳳・テブナンの定理より、第３図に示され
た回路のうち点Ｐよりも左側の部分は、第４図に示され
た回路と等価である。第４図において、符号18は、Vii
なる波高値を有する方形波電源である。

第４図における第１の可変コンデンサ１および第２の可
変コンデンサ２の並列接続による静電容量は、第１、２
式から2Cであることは明らかである。したがつて、第３
図に示された回路は、第５図のように示すことができ
る。同図において、符号21は、静電容量2Cのコンデンサ
である。

第５図において、第１の差動増幅器６は、第１図に関し
て前述したように、高増幅度および高入力インピーダン
スを有しているので、該第１の差動増幅器６の出力電圧
V01は、次の式で表される。

V01＝−（2C/Cf）×Vii ……（４） 前記第３式を第４式に代入して、 V01＝−（△C/Cf）×Vss ……（５） ここで|Vss|≡Vsであるから、 V01＝−（△C/Cf）×Vs ……（６） ＝−（△C/Cf）×Vref……（７） 第６式から明らかなように、第１図において、第１およ
び第２の可変コンデンサ1,の静電容量の変化△Ｃがいか
なる量であっても、VsおよびCfが一定であるならば、第
１の差動増幅器６の出力電圧V01は△Ｃに比例する。

さて、第１図に示した本発明の一実施例の動作を、第６
図に示されたタイムチャートを参照しながら、さらに詳
細に説明する。

第６図の曲線51は、クロックパルス発生器10の出力（ク
ロックパルスCLK）波形、曲線52は、第１および第２の
可変コンデンサ1,2の移動電極20（第２図）の移動量、
すなわち△Ｃの値である。

第６式に関して前述したように、第１の差動増幅器６の
出力電圧V01は、CfおよびVsが一定であるならば△Ｃに
比例するが、第１および第２の可変コンデンサ1,2の両
端に印加される電圧Vsは、クロックパルスCLKの出力に
応じて、その極性が変るので、該第１の差動増幅器６の
出力電圧V01は、曲線53に示されたように変化する。な
お、第１の差動増幅器６の反転入力端子6Aに印加される
電圧Viiも前記V01と比例関係にある。

つぎに、第２の高速スイッチ５は、前記第１の高速スイ
ッチ４と同様に、クロックパルスCLKの出力に応じて切
換わるので、第１の差動増幅器６の出力電圧V01は、同
期整流され、その後、第２の差動増幅器７によって増幅
される。したがって、前記第２の差動増幅器７の出力電
圧V02は、曲線54に示されたように変化する。

出力電圧V02には、前記第２の高速スイッチ５の切換器
が切換られる毎に、ノイズ（符号64で示す）が発生する
おそれがある。したがって、前記電圧V02のノイズを低
域濾波器11を用いて除去することにより、曲線55で示さ
れるように、△Ｃに比例する電圧Vaaを取出すことがで
きる。

前記電圧VaaはA/Dコンバータ12によりA/D変換され、△
Ｃに応じたデジタル信号D0がA/Dコンバータ12から出力
される。前記デジタル信号D0は、図示されない制御装
置、あるいはデジタル表示装置13に出力される。

さて、この実施例においては、低域濾波器11の出力電圧
VaaをA/Dコンバータ12を用いてA/D変換する際に、直流
電源８および９の電源電圧Vsを準備電圧Vrefとして用い
るので、該電源電圧Vsが変動しても、A/D変換動作は何
ら影響を受けることがなく、△Ｃの変化はデジタル信号
D0の変化として正確に検出されることができる。

また、接地から点Ｐに至る線路のインピーダンスが低い
ので、該点Ｐの電位は、接地電位に近い低電位である。
したがって、点Ｐにおける電圧Viiは、誘導、その他の
ノイズを受けにくく、安定している。

帰還用コンデンサ３の静電容量Cfは、第６式から明らか
なように、該帰還用コンデンサ３および第１の差動増幅
器６により構成される増幅回路の増幅度を決定するもの
であるが、該帰還用コンデンサ３として、第１および第
２の可変コンデンサ1,2と同一の温度特性を有するもの
を使用すれば、周囲温度の変化に対して出力電圧Vaaが
変化することがない。すなわち、温度補償を行なうこと
ができる。

なお、前述の説明においては、第１および第２の可変コ
ンデンサ1,2の静電容量C1およびC2は、各々（Ｃ＋△
Ｃ）および（Ｃ−△Ｃ）であるものとしたが、本発明は
特にこれのみに限定されることはなく、前記C1およびC2
を各々 （C01×△Ｃ）および（C02−△Ｃ）とおき、 C01≠C02という条件の下であっても、△Ｃと出力電圧Va
aあるいはデジタル信号D0との線形性は保たれる。

また、電源としては方形波電源を用いるものとして説明
したが、商用交流電源を使用することもできる。さらに
前記電源として、単に周期的に波高値が変わる電源を用
いても良い。

さらに、第２の高速スイッチ５および第２の差動増幅器
７を用いて、第１の差動増幅器６の出力電圧を整流する
ものとして説明したが、該第２の高速スイッチ５および
第２の差動増幅器７は、必ずしも用いる必要はない。

さらにまた、本発明の技術的思想を応用することによ
り、容量変化△Ｃの測定だけでなく、容量Ｃの測定も行
なうことができる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、つぎ
のような効果が達成される。

（１） 第１および第２の可変コンデンサの静電容量の
変化と、差動増幅器の出力電圧との関係が線形となるの
で、 （イ） 静電容量の大きな変化率に対しても、正確な比
例的出力電圧を得ることができ、 （ロ） 前記第１および第２の可変コンデンサの静電容
量を、広範囲な値に亘って選択することができ、 （ハ） さらに、補償回路等を用いる必要がないので、
当該静電容量−電圧変換回路あるいは該静電容量−電圧
変換回路を用いた計測器等を簡単な構成で、かつ安価に
製作することができる。

（２） 第１および第２の可変コンデンサ、ならびに帰
還用コンデンサとして、各々同一の温度特性を有するも
のを用いれば、周囲温度の変化に影響されず、正確な出
力電圧を得ることができる。

（３） 第１の差動増幅器が低入力インピーダンスとな
るので、ノイズ、誘導妨害等の影響を受けることなく、
正確な出力電圧を得ることができる。

（４） A/Dコンバータの基準電圧用電源を、第１およ
び第２の可変コンデンサへの印加電圧用電源と共用する
ので、電源電圧変動によりA/D変換動作が影響を受け
ず、正確なデジタル出力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概略ブロック図、第２図は
第１および第２の可変コデンサの一構成例を示す概略斜
視図、第３図は、第１図に示された回路のうちの、直流
電源、第１の高速スイッチ、第１および第２の可変コン
デンサ、帰還用コンデンサならびに第１の差動増幅器に
より構成された部分の等価回路図、第４図は第３図の方
形波電源ならびに第１および第２の可変コンデンサによ
り構成される部分の等価回路図、第５図は第３図の等価
回路図、第６図は第１図の主要部における出力電圧の変
化を示すタイムチャート、第７図は従来の静電容量−電
圧変換回路の一例を示す概略ブロック図である。 １……第１の可変コンデンサ、1A……第１の固定電極、
２……第２の可変コンデンサ、2A……第２の固定電極、
３……帰還用コンデンサ、４……第１の高速スイッチ、
５……第２の高速スイッチ、６……第１の差動増幅器、
７……第２の差動増幅器、8,9……直流電源、8A,9A……
方形波電源、10……クロックパルス発生器、11……低域
濾波器、12……A/Dコンバータ、13……デジタル表示装
置、18……方形波電源、20……移動電極、21……コンデ
ンサ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の可変コンデンサと、 前記第１の可変コンデンサに直列に接続され、 前記第１の可変コンデンサの静電容量の増加または減少
   に応じて、該増加または減少と同一量だけその静電容量
   が減少または増加する第２の可変コンデンサと、 前記第１および第２の可変コンデンサの接続部にその反
   転入力端子が接続され、非反転入力端子が接地された差
   動増幅器と、 前記差動増幅器の反転入力端子および出力端子間に接続
   された帰還用コンデンサと、 前記第１および第２の可変コンデンサの開放端に接続さ
   れ、周期と振幅の絶対値が等しく、相互の位相が反転し
   ている２つの交流電源とを具備したことを特徴とする静
   電容量−電圧変換回路。
2. 【請求項２】さらに、前記差動増幅器の出力信号を整流
   する手段を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の静電容量−電圧変換回路。
3. 【請求項３】前記２つの交流電源は、電圧が等しく極性
   の異なる２つの直流電源と、２つの直流電源の出力を所
   定の周期でかつ逆位相で交互に切り換え出力する２つの
   切換手段とから成ることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項あるいは２項のいずれかに記載の静電容量−電圧変
   換回路。
4. 【請求項４】さらに、出力信号をA/D変換するA/Dコンバ
   ータを具備し、前記A/Dコンバータには、前記２つの直
   流電源の電圧がA/D変換用基準電圧として供給されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の静電容量−
   電圧変換回路。