JPS5947698A - 二線式電流伝送装置 - 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】 この発明は圧力、変位等の物理量を検出する検出器の出
力信号を対応する電流に変換し、二線処送線を介して僚
隔の受信部へ伝達する二線式電流伝送装置に関する。

二線式電流伝送装置は周知のように検出器の出力信号を
これに対応する電流に変換した後、二線伝送線に出力す
るものであり、伝送線が２本で済むこと等から工柴計測
の分野で広く利用されている。この二線式電流伝送装置
は従来から種々のものが開発されているが、回路構成が
複雑であったり、動作の不安定から測定誤差が発生した
り、あるいは集積化に不向きな大容量のキャパシタを用
いなければならないなどの問題があった。

この発明は上述した事情に鐵み構成が簡単で動作の安定
性に優れ、しかも、極めて集積化に適した二線式電流伝
送装置を提供するもので、７１１！Ｉ定する物理量に対
応して２１１°（の検出容量が相補的に変化する差動容
量式センチと、前記差動容量式センサの出力信号に基づ
き伝送電流を制御する伝送電流制御部と１．前、記伝送
電流を一定比率で分流して帰Ｍ電流を作成する帰還電流
作成部と、一定電流を出力する定電流回路とを具（’ｊ
ｌ　Ｌ／　、前記検出容量の一方には前記定電流回路の
出力電流に前記帰還電流を加えた電流を供給し、前記検
出容量の他方には前記定電流回路の出力電流から前記ｙ
ｍ　ｉ＜電流を引いた電流を供給するようにしたもので
ある。

以下図面を参照してこの発明の実施例について説明する
。

第１図はこの発明の一実施例の原理的＋１￥成を示すブ
ロック図である。この図においてＬ２は各々定電８工０
を出力する第１、第２の定電流回路であり、４け測定す
る変位（物理量）に対応して２個の検出界ｆ１０．、ａ
ｔが相補的に変化する差動容量式センサである。この差
動容量式センサ４は周知のように２枚の固定電極の間に
設けられた可動電極が測定対象に対応して移動し、この
可動電極の変位に対応して検出容量Ｏｓ　、０２が相補
的に変化するものであり、この実施例においては可動電
極の正方向変位により検出容量０１が増大し、検出界ｆ
ｉｋａ□が減少するように構成されている。５は伝送電
流工を制御する伝送電流制御部であり、偏差検出点６に
得られるｆｒｉ差（例えば検出界ｆ１１０１．０　！の
充電電圧の差）を０とするように、伝送電流工を制御す
る。６は帰還電流作成部であり、′伝送電流工を所定比
率β（β〈１）倍して帰還電流を作成する。この帰還電
流β工は、偏差検出点ａに減算信号として、加算点０に
加算信号として各々供給される。したがって、検出容量
Ｃ１にはくＩＣ＋β工）なる電流が、検出界［０゜には
（工０−β工）なる電流が各々供給される。

なお、第１・第２の定電流回路は同一電流値ＩＣを出力
とするものなので１原理的には単一の回路でよい。

このような構成によれば伝送電流工は次式で示され、差
動容量式センサ４の可動電極の変位に比例する。

あるが、参考のために以下に説明する。可動電極の変位
を△Ｐ１ΔＰ＝Ｏのときの検出界［０，、したがって、 第２図はこの実施例の基本的構成を示す回路図であり、
第１図の各部と対応する部分には同一の符号が付しであ
る。この図において伝送電流制御部５は演算増幅器８と
この演算増幅器８の出方電圧によって制御される出力用
のＩＰＥＴ（’［界効果トランジスタ）９とから構成さ
れており、帰還電流作成ｆｆ１ｓ６はゲートおよびソー
スが各々共通接続された同一特性のＦＥＴＱ、〜ｑｎが
ら構成されている。この場合、ＦＥＴＱ、〜ｑｎのドレ
インがコモンラインＯＯＭに接続され、ＦＦ：ＴＱｌの
ドレインが演算増幅器８の非反転入力端子および検出界
［０□の一方の端子に接続されている。したがって、’
Ｉｔ’ｌｌ！ＴＱ、〜Ｑｎを流れる電流が全て等しくな
り、ＦＥ！ＴＱ、、を流れる電流は伝送電流工のｌ　／
　ｎとなる。すなわち、前述したβは］７ｎとなる。ま
た、検出容量Ｃ１には定電流回路１の出力電流が供給さ
れているから、この検出容量０□には（ＩＣ−４−工’
ｆ　ｎ　）なる電流が流れ、この電流により検出容量Ｃ
１が充電される。一方、定電流回路２は定電圧回路１０
（出力電圧Ｖｏｃ）の出力端子間と、検出界′Ｉ＆０１
．０□の他方の端子間に接続されているから、検出容量
０□には（工０−工／ｎ）なる電流が流れ、この電流に
より検出界ｆ！ｋＣ２が充電される。また、検出界ｆｆ
１（７２の一方の端子とコモシラ４２００Ｍ間に介挿さ
れた抵抗Ｒ□は演算増幅器８の反転入力端子に入力電位
を与える抵抗である。

次に上述した回路の動作を伝達関数を用いて説明する。

第２図に示す回路を定氾流工０を入力、伝送電流工を出
力とみなして、伝達関数を用いて表わすと第３図に示す
プリツク図となるが、これは第１図に示す原理的ブロッ
ク図および第２図に示す回路の構成から容易に理解でき
よう。なお、この図においてＳは微分演算子、Ｇｍ（８
）は伝送電流制御部５の変換コンダクタンスである。

この第３図に示−４ブロック図を整理すると、最終的に
第４図に示すプリツク図となる。この図のブロック内の
関数が定電８工０を入力と見た場合の第２図に示す回路
の伝達関数である。したがって、次式が成立する。

ところで、実際の回路における入力信号は検出容量路の
伝達関数Ｇ　（ｅ）は（４）式よりとなる。そして、こ
の（５）式から伝送電流制御部５の変換コンダクタンス
Ｇｍ（ｓ）が定数である場合と、微分要素である場合の
定常状態では前述した（１）式が成り立つことが解る。

以下にこの２つの場合について説明するＯ ａ）　変換コンダクタンスＧｍ（ｓ）が定数である場合
０ この場合は、演算増幅器８と出力用ＦＥＴ９との縦続接
続から成る伝送電流制御部５を周波数に無関係な比例増
幅回路とした場合であり、（５）式におけるＧｍ（ｓ）
を定数とおけば、伝達関数Ｇ　（ｅ）は−吹遅れ伝達関
数となる。そして、この場合の回路の時定数Ｔは（５）
式におけるＳの係数であるから、とし、（７）式を（６
）式に代入すると、・・・・・・（８） の場合回路中に２０ｎｓより大きな時定数を持つ遅れ要
素がないという前提があるのは勿論であムｂ）　変換コ
ンダクタンスＧｍ（ｓ）が微分要素である場合。

この場合は、演算増幅器８と出力用Ｆ］１ｉＴ９ととの
縦続接続から成る伝送電流制御部５を入力信号の微分値
を増幅する微分増幅回路とした場合であり、（５）式に
おけるＧｍ（ｓ）を 。。（８）　＝　Ｋ　ｓ　　　　　　　　　　　　・・
・・・・（９）（ただしＫは定数） とおけば、伝達関数Ｇ（，０は比例要素となることが（
５）式から解る。さらに、 なる条件を満たせば、伝達関数Ｇ（８）は検出容ｆｆ１
０゜０□の値に無関係な定数になることが前記（５）式
および（９）式から解る。

ここで、−例として前記（７）式を００）式に代入する
と、 Ｋ＞　　　　　　　　　　　　　　　　　−ｚ×１ｏ−
Ｊ・・・０Φ憤運顔＝）＋］阪買→・０゜００１） となり、”非常に大きい１という意味を実用上差し支え
のなしＮ”１ＯＯＯ倍以上”とすると、Ｋ＞２ＸＩＯ−
５〔ｖ’−８：＋　　　−−−−・・ｅｙ＊となる。こ
のαう式は例えば、入力電圧の変化速度が１０μＶ／１
μｓの時に０．２　ｍ　Ａ以上の出力電流を生ずるよう
に、伝送電流制御部５（この場合は微分増幅回路）を設
計しておけばよいことを示している。

このように、前述した（、）、　（ｂ）いずれの場合も
、実施が容易であり、しかも、積分要素が閉回路内に存
在するときに有りがちな不安定性がない。

さて、前述した基本回路例においては、検出容量Ｃ１、
Ｃ２に常に一方向に電流が供給されているが、実際には
検出容Ｆｊ＞　Ｏ□、Ｃ２の充放電切換え手段が設けら
れる。この充放電切換手段の一例を第５図に示す。

Ｃ５図においてキャパシタｏ３が出力用ＦＦ１Ｔ９のゲ
ートとＦ　１！ｉ　Ｔ　ｑ１〜Ｑ、ｎの共通ソース間に
介挿され、スイッチ素子ｓｗ！ｌが演算増幅器８の出力
端子と出力用ＦＥＴ９のゲートとの間に接続されている
。また、直列接続されたスイッチ素子ＳＷ、％　ＳＷ２
が検出容ｆｉｏ、の一方の端子と検出客ｆＩ４ｃｏ、の
一方の端子との間に介挿されており、スイッチ素子ＳＷ
１とＳＷ２との接続点が抵抗値の小さい抵抗Ｒ３を介し
て定電流回路２の出力端子に接続されている。上述した
スイッチ素子ＳＷ。

〜ＳＷ、は周期的にパルスを発生するパルスジェネレー
タ１５により０Ｎ−ＯＦＦ制御される。

次にこの回路の動作を説明する。パルスジェネレータ１
５がパルスを発生していない時はスイッチ素子Ｓ　Ｗ　
１　、Ｓ　Ｗ　２がＯＦＦ状態スイッチ素子ＳＷ、がＯ
Ｎ状態に躯。すなわち、スイッチ素子ＳＷ、〜ＳＷ、が
各々図に示す状態になり、前述した基本回路例と同様の
回路となる。一方、パルスジェネレータ１５がパルスを
発生している時はスイッチ素子ＳＷ□、ＳＷ２がＯＮ状
態、スイッチ素子ＳＷｓがＯ’？？状態になる。この結
果、検出容量０１ＳＧ２が同電位まで放電し、また、こ
の期間はキャパシタ０．に蓄えられた電荷（保持電圧）
により出力用Ｆ１［！Ｔ９が駆動され、伝送電流工を略
パルス発生前の値に保つ。このように、この回路におい
ては検出容ｆｉｏ、　、ｏ、の充電、放電を交互にくり
返すが、伝送電流工は検出容量０１．０２の充電時に決
定される。

ところで１キャパシタ０．の保持電圧が変化しなくとも
、パルスジェネレータ１５からパルスが発生する際の過
渡期やパルス存続期間中において、伝送電流工がわずか
ではあるが間化する場合が考えられるので、その変化量
について説明する。まず、出力用ＩＰＥＴ９のドレイン
・ソース間を流れる電流を工１、出力用Ｆｌ！！Ｔ９を
流れずにＦｌｌ！’Ｌ’Ｑ１〜Ｑｎへ流れ込む全電流を
工２、出力用ＦＫＴ９の変換コンダクタンスをＧｍｌ、
帰還電流作成部６の変換コンダクタンスをＧｍ２、キャ
ノぐシタＣの両端電圧をｖ１コモンラインＯＯＭから見
た出力用ＦＥＴ９のゲート電位をＶ工、コモンライン０
０Ｍから見たＦ’Ｅ’Ｉ’ＱＸＮＱｎの共通ソースの電
位をｖ２とすると、以下に示す各式が成り立つ。なお、
各式におけるΔは変化量を表わしている。

６１−６１１＋Δ工２　　　　曲・・Ｃ３）△工　＝、
Ｇｒ！１２　　、△ｖ、　　　　　　　−・−−−−（
１４）△工ｓ　””　Ｇ　ｍ　１　　・△ｖ１　　　　
　　　・・・・・・Ｃ５）△工、十△Ｖ＝Ｏ・・・・・
・０６） 次に、伝送電流工が変化する要因を２つの場合に分けて
説明する。

１）　　工２は変化せず、工、が変化する場合。

この場合はσ時代から △工＝△工、　　　　　　　　　　　・・・・・・０が
成り立つ。そしてＣ４）〜αつ式からＧｍ１　とＧ　ｍ
　２の関係を求めると、 Ｇ　ｍ　！＝Ｇ　ｍ　２　　　　　　　　　”’　”’
α８）となる。ところで、このσｅ式は出力用ＦＥＴ９
と帰還電流作成部６　（’ｆ’　Ｐｌｉ　Ｔ　Ｑ　ｔ　
〜Ｑ　ｎ　）とに、同一伝導形チヤンネルのＦＥ’ｌ”
を用いれば成り立ち得ない。このことは出力用ＦＥＴ９
および％Ｓ　還電流作成部６を共にＰヂャンネルＦＩｌ
’［’もしくはＮチャンネルＦＥ！’Ｉ’を用いて構成
すれば、工、のみが変化することはあり得ないことを意
味しているＯ ｉｉ　）　　工２が変化する場合。

０〜（φ式から△工と△工２の関係を求めると・　　　
　　Ｇｍ。

て伝送電流工の変化になることがわがる。そこで、とな
るように回路を設計しておく。このに）式をαの式に代
入すると、 となり、この（２１）式から工２が１０％変化した場合
でも伝送電流工の変化は０．１％以下となり、極めて小
さいことがわかる。

第６図は充放電切換手段の他の例である。第６図におい
て、１ｇ　、Ｒ４は電圧分割用の抵抗であり、２０は抵
抗Ｒ３〜Ｒ６とともにヒステリンス特性を有するコンパ
レータを構成する演算増幅器である。この演′Ｏ，増幅
器２０の出力電圧によりスイッチ素子ｓｗ、〜ｓｗ３力
ｔＮ　−ＯＦ　Ｆ制御される。なお、この回路の他の部
分は第５図に示ず回路と同様なので図示省略する。この
回路の１ｌｉｉｌＪ作は以下の通りである。

検出界５１０１％Ｃ２に充電が始まる前において、スイ
ッチ素子ＳＷ□、ｓｗ、けＯＦ１！状態、ｓｗ３はＯＮ
状態にある。次に、検出界３’ｆ、０１．０２に充７１
．（が開始されると、演算増幅器２０の反転入力端子の
電位が上昇する。そして、反転入力端子の電位が非反転
入力端子の電位を上回ると、演算増幅器２０の出力電圧
が急激に下降し、スイッチ素子ＳＷ、％ＳＷ、がＯＮ状
態、スイッチ素子ｓｗ。

がＯＦＦ状態になる。この結果、検出容量■８．０、が
放電を開始するとともに、前述した場合同様、キャパシ
タ０３の保持電圧により伝送電流工が保持される。検出
界ｆｆ１０１％　０２の放電の結果演算増幅器２０の反
転入力端子の電位が非反転入力端子の電位を下回ると、
演算増幅器２０の出力電圧が急激に上昇し、これにより
、スイッチ素子ＳＷ、〜ＳＷ、は以前の状態に戻る。以
後は上述した動作をくり返す。

なお、上述した実施例においては（１）式が成り立つ場
合を例にとって説明したが、一般に二線式電流伝送装置
はその伝送電流を４〜２０ｍＡに設定するので、測定変
位がＯの場合でも４ｍＡのバイアス電流を出力する必要
がある。このためのバイアス回路を第２図中に点線で示
した。この点線で示す定電流回路２５はα工０（αは定
数）なる定電流を出力する回路である。この場合、前述
した（１）式は次式に置き代えられる。

また、前述した定電流回路１．２の具体的構成例を第７
図に示す。なお、この図に示す回路は第う図に示す回路
に対応する回路である。定電流回路１はこの図に示すよ
うに抵抗Ｒ１２Ｂ７’　Ｒ１６および演算増幅器３０と
から構成される固定電位タイプの定電流回路であり、定
電流回路２はダイオードＤ１、Ｄ２、抵抗Ｒ１０’　Ｒ
１１およびトランジスタ２６とから４’：ｌＪ成され、
トランジスタ２６のコレクタ電位が固定されないフルー
ティングタイプ　毛の定電流回路である。また、前述し
た定電流回路２５（第２図参照）は図示しないが、定電
流回路２と同様の構成でできる〇 以上説明したように、この発明によれば、測定する物理
量に対応して２個の検出界す、ｔが相捕的に変化する差
動容量式センサと、前記差動容量式センサの出力信号に
基づき伝送電流を制御する伝送電流制御部と、前記伝送
電流を一定比率で分流して帰還電流を作成する帰還電流
作成部と、一定電流を出力する定電流回路とを具備し、
前記検出容量の一方には前記定電流回路の出力電流に前
記帰１ｔｉｕ流を加えた電流を供給し、前記検出容量の
他方には前記定電流回路の出力電流から前記帰還電流を
引いた電流を供給するようにしたので、回路構成を簡単
にすることができ、しかも、インダクタンスや大容量の
キャパシタ検出容量も含む）を必要としないので集積化
に極めて適する利点が得られる。また、回路動作の安定
性が高い利点も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の原理的構成を示すブロッ
ク図、第２図は同実施例の基本的構成を示す回路図、第
３図は第２図に示す回路を定電８工Ｃを入力とみなし、
伝達関数を用いて表わしたブロック図、第４図は第３図
に示す伝達関数のブロック図を整理したブロック図、第
５図、第６図は各々充放電切換手段の描戒例を示す回路
図、第７図は第２図、第５図に示す定電流回路１．２の
具体的な構成の一例を示す回路図である。 １・・・・・定電流回路（第１の定電流回路）、２・・
・・・定電流回路（第２の定電流回路）、４・・・・・
差動容置火センサ、５・・・・・伝送電流制御部、６・
・・・・帰還電流作成部、８・曲演算増幅器（伝送電流
制御部、９・・−・・用力用ＦＥＴ　（伝送電流制御部
）、Ｏ，、ａ。 ・・・・・　検出容量。 出願人　株式会社　北辰１？、機製作所Ｆ′□−１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 測定する物ア１（量に対応して２個の検出器量が相補的
   に変化する差動容量式センサと、前記差動容量式センサ
   の出力信号に基づき伝送電流を制御する伝送電流制御部
   と、前記伝送電流を一定比率で分流してすｆ＋１還電流
   を作成する帰還電流作成部と、一定１［Ｌ流を出力する
   定電流回路とを具備し、前記検出容量の一方には前記定
   電流回路の出力電流に１１１ｆ記帰ｊ頌電流を加えた電
   流を供給し、前記検出器１ルの他方には前記定電流回路
   の出力電流から前記帰１ζ１電流を引いた電流を供給す
   ることを特徴とする二線式電流伝送装置。