JPS5953509B2

JPS5953509B2 - 静電容量−直流電圧変換装置

Info

Publication number: JPS5953509B2
Application number: JP4972576A
Authority: JP
Inventors: 優見竹
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1976-04-30
Filing date: 1976-04-30
Publication date: 1984-12-25
Also published as: JPS52133263A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は測定量の変化を、可動電極が移動するような
可変コンデンサの容量変化に変換し、それを直流電圧変
化に変換する静電容量−直流電圧変換装置に関するもの
である。

本発明者は、静電容量の変化をパルスのデューティレシ
オに変換し、それをさらに平滑して直流電圧に変換する
静電容量−直流電圧変換装置を発明し、これについては
すでに出願している（特願昭４９−１３６００５）が、
この装置によれば、第１図に示すような３枚の平板平行
電極１１、１２、１３を用い、その両端を固定とし、中
央を可変とし、この中央電極１２を、その両面にかかる
圧力Ｐ、、Ｐ。

の差に応じて変位させ、コンデンサ３、４の静電容量を
変化させることにより、差圧変換・伝送器として利用で
きるなど、その他の機械量、物理量の微小変位を計測、
変換伝送にも適用できるものである。ところが、この変
換装置では、浮遊容量が出力電圧の直線性に与える影響
を無視できない。

したがつて本発明は浮遊容量による影響を除去し、直線
性を改善した静電容量−直流電圧変換装置を提供するこ
とを目的とする。静電容量−直流電圧変換装置は、第２
図に示すように構成されており、抵抗１、２を介してコ
ンデンサ３、４に直流電源３１から充電を行なうように
している。

コンデンサ３、４の充電電圧が所定の電圧に達すると、
比較器７、８がこれを検出してパルスを生じる。このパ
ルスによりフＩＶツプフロツプ９がセットまたはリセッ
トされる。このフリップフロップ９の出力により、コン
デンサ３、４をそれぞれ短絡し放電させるスイッチ５、
６の開閉が制御される。フリップフロップ９の矩形波出
力は、平滑回路１０により、それぞれ平滑フされるよう
になつている。ここでコンデンサ３、４の容量をＣ、、
Ｃ。

とし、開放状態のスイッチ５、６に存在する浮遊容量も
含めた回路全体の浮遊容量をＣＳ、、ＣＳ２とする。ま
た抵抗１、２の値をＲ、、Ｒ。とする。する５とまずス
イッチ５がＯＦＦ、スイッチ６がＯＮであるとして、Ａ
点の電位が第３図Ａに示すように時定数Ｒ１（Ｃ、＋
Ｃｓ、）で立ち上がつてゆく。比較器７で定められる所
定の電位ＶＳｌに達すると、Ｃ点に第３図Ｃに示すよう
にパルスが生じ、フリツプフロツプ９がセツトされる。
したがつてその出力Ｅ（第３図Ｅ参照）により、スイツ
チ５が０Ｎとなり、コンデンサ３の電荷は直ちに放電す
る。こ．のとき同時にフリツプフロツプ９の他の出力Ｆ
が反転し（第３図Ｆ参照）、それまで０Ｎであつたスイ
ツチ６が０ＦＦとなる。したがつてＢ点の電位が時定数
Ｒ２（Ｃ２＋ＣＳ２）で立ち上がり、比較器８で定めら
れる所定の電位ＶＳ２に達したときパルｌスを生じる（
第３図Ｂ，Ｄ参照）。こうしてフリツプフロツプ９はり
セツトされ、これをくり返して矩形波出力Ｅ，Ｆを得る
（第３図Ｅ，Ｆ参照）。これを平滑回路１０で平滑して
、それぞれＥＯｌ，ＥＯ２の直流電圧を得る。ところで
容量Ｃ１＋ＣＳｌ，Ｃ２＋ＣＳ２にそれぞれ充電される
電圧が、比較器７，８の設定電圧Ｓｌ，ＶＳ２に達する
までの時間ｔ１＋Ｔｓｌ、Ｔ２＋Ｔｓ２は、ｔ１＋ノＥ
は直流電源３１の電圧で表わされる。

ここでＳ１＝ＶＳ２＝ＶＳとすると、したがつて、νＺ
− νυｚ轟島υ ＼ｖ≦ Ｔｖｖ≦／＾Ｔ４
パルスの周期をＴとし、Ｒ１と、Ｒ２〜Ｒとするフリツプフロツプ９の電源電圧をＥｓとすると、平滑さ
れた出力電圧Ｅ。

ｌ，ＥＯ２は、となり、この差電圧Ｅ。

は、ところで第１図に示す可変コンデンサの電極面積を
Ａ、電極間物質の誘電率をε、各電極間の距離をｄ＋Δ
Ｄ．ｄ−Δｄとすると、コンデンサ３，４の容量Ｃｌ，
Ｃ２は、となる。

いま仮りに、ＣＳｌ＝ＣＳ２＝Ｃとしても、出力電圧Ｅ
。は、となり、Δｄに対して直線的な変化ではない。

つまり浮遊容量Ｃｓが非直線性の要素となつている。こ
れを改善し、完全な直線化を図るためには、理想的には
第４図に示すように、時間Ｔｓｌ，ｔｓ２の間に容量Ｃ
１＋ＣＳｌ、Ｃ２＋ＣＳ２にそれぞれ充電される電圧が
、スイツチ５，６が０ＦＦとなつて充電が開始される瞬
間に充電されていて、その充電電位がスタート点になり
、電圧Ｖｓになるまで充電されるようにすればよい。

その充電時間をＴｌ，ｔ２とすると、ｔ１＝ＫＯＲＣｌ
、Ｔ２＝ＫＯＲＣ２となる。したがつてパルスの周期Ｔ
は、このとき出力電圧５は、となつて、Δｄに対し完全に直線となる。

本発明は上記を近似的に実現し、直線性を改善するもの
である。

すなわち第６図に示すように、第２図の回路に抵抗２１
，２２でそれぞれ成る急速充電回路を追加し、この急速
充電回路をワンシヨツトマルチパイプレータ２５，２６
およびスイツチ２３，２４により制御しようとするもの
である。フリツプフロツプ９の出力Ｅが生じて、スイツ
チ５゛が０Ｎし、このときスイツチ６が０ＦＦし、容量
Ｃ２＋ＣＳ２に抵抗２を通じて充電が始まろうとする。
このとき出力Ｅによりワンシヨツトマルチパイプレータ
２５が動作し、短かいパルス（時間巾Ｔｒｌ）を出力す
る（第７図Ｇ）。そのためスイツチ２４は、この時間Ｔ
ｒｌ内で０Ｎし、この間抵抗２２、スイツチ２４を経て
容量ｑ＋ＣＳ２に急速充電が行なわれる。一方フリツプ
フロツプ９の出力Ｆが生じた場合には、ワンシヨツトマ
ルチパイプレータ２６より時間巾Ｔｒ２の短かいパルス
が生じ（第７図Ｈ）、この時間Ｔｒ２内でスイッチ２３
が０Ｎして、抵抗２１．スイツチ２３を経て、容量Ｃ１
＋ＣＳｌに急速充電がなされる。ここでパルス巾Ｔｒｌ
，ｔｒ２はＴｌ，ｔ２に比し非常に小さい時間巾とし、
抵抗２１，２２の抵抗値ＲＳｌ，ＲＳ２は、抵抗２３，
２４が０Ｎしているときの抵抗をも含めて、抵抗１，２
の抵抗値Ｒｌ，Ｒ２より非常に小さい値とする。

またＴｒｌ，ＲｓｌおよびＴｒ２，ＲＳ２の間に、ただ
しＴＳｌ＝ＫＯＲＣＳｌ、Ｔ３２＝ＫＯＲＣＳ２の関係
をもたせることにより、点Ａ，Ｂに生じる充電電圧の波
形を第５図の如き波形とすることができる。

したがつて第４図の波形と比較してみればわかるように
、近似的に第４図の充電波形を実現している。それゆえ
浮遊容量ＣＳｌ，ＣＳ２の影響を除去し、出力電圧Ｅ。
と変位量Δｄとの関係を第◎式に示すようにすることが
でき、直線性の改善が図ることができる。急速充電回路
としては第８図に示すように、１個の抵抗２７で構成す
ることも可能である。

また上記の各スイツチ５，６，２３，２４は、電界効果
トランジスタやＣ−ＭＯＳアナログスイツチなどの半導
体スイツチを用いることが好ましい。比較器７，８、フ
リツプフロツプ９、平滑回路］０、ワンシヨツトマルチ
パイプレータ２５，２６は、それぞれ同様の機能をはた
す種々の回路を用いることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は可変コンデンサの構造を示す概略斜視図、第２
図は静電容量一直流電圧変換装置のプロツク図、第３図
Ａ−Ｆは第２図Ａ−Ｆ点における波形を示すタイムチヤ
ート、第４図、第５図は充電電圧を拡大して示す波形図
、第６図は本発明の一実施例のプロツク図、第７図Ａ−
Ｈは第６図Ａ〜Ｈ点における各信号波形を表わすタイム
チヤート、第８図は変形例を示す一部プロツク図である
。１，２，２１，２２・・・・・・抵抗、３，４・・・・
・・可変コンデンサ、５，６，２３，２４・・・・・・
スイツチ、７，８・・・・・・比較器、９・・・・・・
フリツプフロツプ、１０・・・・・・平滑回路、１１，
１３・・・・・・固定電極、１２・・・・・・可動電極
、２５，２６・・・・・・ワンシヨツトマルチパイプレ
ータ、３１・・・・・・直流電源。

Claims

【特許請求の範囲】

１固定電極と被測定物理量に応じて変位する可動電極
とを有し、この可動電極の変位によつてその容量値が一
方が増加する際他方が減少するごとく構成された２組の
静電容量と、この各静電容量に対して同一抵抗値を有す
る抵抗を介して充電を行なう充電回路と、各静電容量に
対して設けられ交互に動作する放電回路と、各静電容量
の充電電圧値が、一定電圧値に達したときに各々タイミ
ングパルスを発生するパルス発生回路と、このタイミン
グパルスをうけて交互に矩形波電圧パルスを発生すると
ともに前記の放電回路を駆動する二安定回路と、この二
安定回路の出力電圧パルスを平滑化するための平滑回路
と、前記二安定回路により駆動され、前記２組の静電容
量の各充電開始時の所定の短かい時間に各静電容量を急
速に充電する急速充電回路とを有する静電容量−直流電
圧変換装置。