JPS6026444B2 - 変位検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は例えば圧力計等として利用して好適な変位検
出器に関し、特に構造が簡単で安価に作ることができる
変位検出器を提供しようとするものである。

従釆より圧力計には容量式変位検出器が用いられている
。

従来の容量式変位検出器は筒状容器の両端に受圧要素と
して例えばダイヤフラムが設けられこの受圧ダイヤフラ
ム間に連結軸が渡され、連結軸の中央に移動電極が取付
けられ移動電極を挟んでその両側に固定電極が容器から
絶縁されて保持され、移動電極と一方の固定電極間の容
量値及び移動電極と他方の固定電極間の容量値の差に対
応する電気信号を取出して一方の受圧ダイヤフラムと他
方の受圧ダイヤフラムとに掛る圧力の差を測定するよう
にしている。つまり従来の容量式変位検出器は差圧等の
構造となっている。

このため単に気体、液体等の圧力を測定する場合にも差
圧計構造の変位検出器を用いなければならない。差圧計
構造の容量式変位検出器は構造が複雑であり、且つ移動
電極と固定電極の初期ギャップが双方において一致する
ように調整するのがむずかしいためコスト高となってい
る。よって単に圧力を測定するだけの目的に使用するに
は不経済である。この発明の目的は簡単な構造によって
安価に作ることができる変位検出器を提供するにある。

この発明では受圧要素を一つだけにすると共に移動電極
の一方の面だけに固定電極を設けるだけの構造とし構造
を簡素化すると共に移動電極と固定電極間の初期ギャッ
プの設定も容易に行うことができるように構成したもの
である。以下にこの発明の一実施例を図面を用いて詳細
に説明する。

第１図にこの発明の一実施例における検出器部分を示す
。

この例では圧力計にこの発明を応用した例を示す。図中
１は金属ボディを示す。この金属ボディ１は非受圧部ｌ
ａと受圧部ｌｂとの２つの部分から構成される。非受圧
部ｌａは有底筒状体にて構成され、その閉口端面を受圧
部ｌｂにて閉塞する構造とされる。受圧部ｌｂにはその
軸芯位置に貫通孔２が形成される。貫通孔２は受圧要素
３によって閉塞されボディーの内部と被測定対象側とが
遮蔽される。この例では受圧要素３としてべローズを用
いた場合を示す。このため貫通孔２はその関口面側は閉
口面に向って漸次直径が大となるテーパが附されたテー
パ孔とされこのテーパ孔の直径が最も小さく絞られた部
分に受圧要素３としてのべローズの一端が取付けられる
。べローズ３の池端の内面には連結軸４の一端が取付け
られる。連結軸４はボディ１の中央に延長され、ボディ
１のほぼ中央部において板バネ５によって鞠芯方向に対
してのみ移動できるように支持される。連続軸４には移
動電極６が取付けられる。この発明においては移動電極
６をボディ１から電気的に絶縁して取付けるものである
。このためには移動電極６は連結軸４に対して絶縁して
取付けなければならない。このためこの例では連結軸４
にフランジ部４ａとネジ４ｂを形成し、フランジ部４ａ
と及びネジ４ｂに螺合したナット７との間に絶縁ワッシ
ャ８−８を介して移動電極６と板バネ５を締付け、連結
軸４に対し電気的に絶縁した状態で板バネ５と移動電極
６を固定するように構成した場合を示す。移動電極６の
連結軸４を貫通させる孔の周縁には板バネ５側に突出す
るボス６ａを形成し、このボス６ａによって移動電極６
と板バネ５との間に間隙を形成し、この間隙によって板
バネ５が自由に変形できるようにしている。板バネ５の
周緑には金属リング９が取付けられる。金属リング９は
絶縁材１０及び１１によって挟まれてボディ１内におい
て絶縁されて固定される。絶縁材１１は非受圧部ｌａの
底面に密着して固定される。金属リング９には環状の突
起９ａが形成され、この突起ｇａを絶縁材１！に対援さ
せる。この突起９ａの突出量によって金属リング９と第
１及び第２固定電極１２，１３との間のギャップを設定
するようにしている。絶縁材１０は受圧部ｌｂに形成し
た環状の切欠に収納されバネ１０ａを介して金属リング
９に圧接される。このようにして板バネ５、移動電極６
、金属リング９はボディ１内に絶縁して支持される。こ
の発明においては更に移動電極６の一方の面と対向して
第１と第２固定電極１２と１３を設けるものである。こ
れら第１、第２固定電極１２と１３は絶縁材１ １の表
面に形成される。第１固定電極１２は円板状とされその
大部分は移動電極６と対向し、その周緑は金属リング９
と対向する位鷹まで延長される。第２固定電極１３はリ
ング状とされ金属リング９とのみ対向する。移動電極６
と第１、第２固定電極１２及び１３はそれぞれ気密端子
１４，１５，１６を通じてボディ１の外部に導出される
。第１、第２固定電極１２及び１３は例えば第２図に示
すように絶縁材１１のこれら第１、第２固定電極１２，
１３の形成面と同一面上に形成した導電パターン１２ａ
と１３ａを通じて気密端子１５及び１６に接続される。
尚ボディ１の非受任部ｌａの閉塞端面ｌｃには貫通孔ｌ
ｄが形成され、またこの貫通孔１ｄと蓮通して絶縁材１
１にも貫通孔が形成され、更に非受圧部ｌａの閉塞端面
ｌｃの外面側にダイヤフラム１７が張られ受圧要素３と
ダイヤフラム１７との間に形成される空室内に例えばシ
リコン油のような非圧縮性封液を封入し、受圧要素３の
伸縮に伴うボディ１内の容積変化をダイヤフラム１７の
膨縮によって吸収するようにしている。

また温度変化に伴う封液の膨張収縮に対してもダイヤフ
ラム１７がこれを吸収するようにしている。上述したよ
うにこの発明による変位検出器の検出器部分の構造によ
れば受圧要素３を片側だけに設ければよいためそれだけ
部品点数が少なくて済み安価に作ることができる。

然も移動電極６に対しその片側の面にだけ固定電極１２
と１３を設けたから移動電極６と固定電極１２との間の
初期ギャップの設定を一義的に設定することができきそ
の設定を容易に行うことができる。従って構造が簡単な
上に調整が容易なことから全体として従来の差圧型圧力
計と比較して安価に作ることができる利点がある。更に
この発明によれば移動電極６及び金属リング９がボディ
１から絶縁されていることから移動電極６の移動量に対
応する電気信号に変換する変換器の構成を簡単にするこ
とができる。

つまり従来の差圧型変位検出器では移動電極はボディに
導通した状態で取付けられている。

一方移動電極の移動量を電気信号に変換する変位変換器
では発振器によって交流信号を発生させ、その交流信号
を移動電極と固定電極間に印加し移動電極と固定電極間
の容量差を電流の変化により検出し、その差の電流値か
ら移動電極の移動量を知るようにしている。このため移
動電極がボディに電気的に接続された構造になっている
ことにより移動電極が共通電位点に強制的に接続されて
しまうため発振器の出力を移動電極に直接接続すること
ができない。このため発振器と移動電極との間にトラン
ス等を介挿し直流的に絶縁しなければならなくなり変換
器の回路構成が複雑になる欠点がある。従ってこの検出
器によれば移動電極６及び金属リング９を金属ボディ１
から絶縁して取付けたから発振器と移動電極６との間に
トランス等を介挿する必要がなく、それだけ変位変換器
の回路構成を簡素化できる。

第３図にこの発明の変位検出器中の変換器部分の一例を
示す。

この変換器によれば変位検出器に与えられる圧力の変化
に比例した電気信号を得ることができる。つまりこの発
明による変位検出器によれば移動電極６及び金属リング
９と固定電極１２一１３との間で形成される容量部は先
に説明したように第４図に示すように表わすことができ
る。第４図においてＣ，は金属リング９と固定電極１３
との間で形成される固定容量部を示し、Ｃ２は移動電極
６及び金属リング９と固定電極１２との間で形成される
可変容量部を示す。可変容量部Ｃ２は移動電極６と固定
電極１２との間で形成される可変容量Ｃｘ及び金属リン
グ９と固定電極１２との間で形成される固定容量Ｃ母と
の並列回路によって構成される。ここで各電極間の対向
面積が互に等しいとし移動電極６と固定電極１２との間
の初期ギャップをム、圧力の変化△Ｐで移動電極６が△
ｄ変位したとするとＣ．＝Ｃ。

…………【１１Ｃ２＝Ｃ
。十ＣＭ；き； ………■となる。

よって園容量部Ｃ，の容量値Ｃｏと可変容量部Ｃ２の容
量Ｃ。十Ｃｗ；きこの差を電気信号で取出すとその電気
信号はＣ。布三；に従って変化する。このため圧力Ｐと
電気出力との関係は非直線の関係となり表示が論取り驚
くなる欠点が生じる。第３図に示す変位変換器によれば
第１図で説明したような変位検出器を用いて圧力の変化
に対し直線的に変化する電気出力を得ることができる。

この例では固定容量部Ｃ，と可変容量部Ｃ２に交流信号
を印加する発振器を設けると共に固定容量部と可変容量
部を流れる信号の差を取出し、その差信号が常に一定に
なるように発振器の出力振幅を制御する制御手段を設け
るものである。このように固定容量部Ｃ，と可変容量部
Ｃ２に交流信号を与える発振器の出力振幅を制御するこ
とにより可変容量部Ｃ２を流れる信号量は圧力変化△Ｐ
に比例して変化するように補正され、よって与えられた
圧力に対し直線的に変化する電気出力を得ることができ
る。

以下にこの変位変換器の一例を第３図以下を用いて更に
詳細に説明する。

第３図において１８は第１図で説明した変位検出器を示
す。

変位検出器１８の端子１４一１５及び１４−１６間には
第３図で説明したように固定容量部Ｃ，と可変容量部Ｃ
２が接続される。変位検出器１８の端子１５と共通電位
点１９との間にはダイオードＤ，と抵抗器Ｒ，の直列回
路を接続し、端子１６と共通電位点１９との間にはダイ
オードＤ２と抵抗器Ｒ２の直列回路を接続する。変位検
出器１８の端子１４と共通電位点１９の間に発振器２０
の出力端子を接続し、固定容量部Ｃ，ーダィオードＤ，
一抵抗器Ｒ，とから成る直列回路と可変容量部Ｃ２ーダ
ィオードＤ２−抵抗器Ｒ２とから成る直列回路のそれぞ
れの両端間に交流信号を印加する。従って固定容量部Ｃ
，と可変容量部Ｃ２を流れる交流信号はダイオードＤ，
とＤ２によってそれぞれ半波整流され抵抗器Ｒ，とＲ２
には固定容量部Ｃ，と可変容量部Ｃ２の容量値に比例し
た直流電圧が発生する。尚変位検出器１８の端子１５と
１６にはダイオードＤ，，○２とは逆向のダイオードＤ
３，Ｄ４の一端が接続され、これらダイオードＤ３，Ｄ
４の他端が共通接続されて抵抗器Ｒ３を通じて共通電位
点１９に接続される。これらダイオードＤ３，Ｄ４と抵
抗器Ｒ３とから成る回路によって固定容量部Ｃ，及び可
変容量部Ｃ２に正の半サイクルに充電された電荷を放電
させる回路を構成し、抵抗器Ｒ．とＲ２に例えば正の半
サイクルの半波整流電流が流れるようにしている。また
抵抗器Ｒ，，Ｒ２，Ｒ３にはそれぞれにコンデンサＣ３
，Ｃ４，Ｃ５を並列接続し抵抗器Ｒ，〜Ｒ３に発生する
半波整流電圧を平滑するようにしている。この変換器に
おいては固定容量部Ｃ，と可変容量部Ｃ２の容量の差に
対応した電気信号を検出し、その検出信号が常に一定の
値となるように発振器２０の出力の振幅を制御する制御
手段２１を設ける。

制御手段２１はこの例では抵抗器Ｒ，とＲ２に発生する
直流電圧の差を演算する演算増幅器２２とこの演算増幅
器２２の出力と基準電圧Ｅｏとを比較する増幅器２３と
により構成した場合を示す。つまり抵抗器Ｒ，に発生す
る電圧は抵抗器Ｒ４を通じて演算増幅器２２の例えば反
転入力端子に供給する。また抵抗器Ｒ２に発生する電圧
は抵抗器Ｒ６を通じて演算増幅器２２の非反転入力端子
に供給する。この非反転入力端子は抵抗器Ｒ７を通じて
共通電位点１９に俵続し演算増幅器２２の出力は抵抗器
Ｒ５を介して反転入力端子に負帰還される。ここで抵抗
器Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７のそれぞれの抵抗値を等しく
選べばこの演算増幅器２２は利得が１の減算回路として
動作し増幅器２２の出力には抵抗器Ｒ，とＲ２の差電圧
が与えられる。この差電圧を増幅器２３の例えば反転入
力端子に供給し基準電圧源２４の基準電圧Ｅｏと比較し
、その比較出力を発振器２０の振幅制御端子２０ａに供
給する。この構成において初期状態、つまり圧力Ｐ＝０
のとき抵抗器Ｒ，とＲ２に発生する電圧ｅ，とｅ２の差
がｅ２一ｅ，＝ｅ３となりｅ３＝Ｅｏとなるように固定
容量部Ｃ，と可変容量部Ｃ２の容量値、または抵抗器Ｒ
，，Ｒ２の値を選定する。

この初期状態において圧力Ｐが受圧膜３に掛ると可変容
量部Ｃ２の可変容量Ｃｘの容量値が大となる。よって抵
抗器Ｒ２を流れる電流値が大となり抵抗器Ｒ２に生じる
電圧ｅ２が上昇する。この結果演算増幅器２２の出力電
位はこの例では正極性の方向に偏移する。つまり演算増
幅器２２の出力電圧ｅ３はｅ３十△ｅだけ正方向に上昇
する。このため増幅器２３の出力は−Ａ△ｅ（Ａは増幅
器２３の利得）となり負方向に偏俺する。よって発振器
２０の出力振幅は小となる方向に制御され端子１２と共
通電位点１９との間に掛る交流信号の振幅が低下する。
この結果抵抗器Ｒ，とＲ２に発生する電圧ｅ，とｅ２は
共に低下しその差ｅ２−ｅ，＝ｅ３がｅ３＝Ｅｏとなる
状態で安定する。この動作を第５図を用いて更に詳細に
説明する。第５図に示す直線Ａは抵抗器Ｒ，に発生する
電圧ｅ，の発振器２０の出力電圧Ｅに対する変化特性を
示す。つまり抵抗器Ｒ，に発生する電圧ｅ，は発振器２
０の出力電圧Ｅの変化に対し一定の傾斜を保持し直線的
に変化する。一方直線Ｂ，は圧力Ｐがゼロのときの抵抗
器Ｒ２に発生する電圧ｅ２の発振器２０の出力亀圧Ｅに
対する変化特性、＆は受圧膜３に圧力が加えられたとき
に抵抗器Ｒ２に発生する電圧ｅ２の発振器２０の出力電
圧Ｅに対する特性を示す。即ち変位検出器１８に圧力が
加えられると可変容量部Ｃ２の可変容量Ｃｘの容量が増
加するから抵抗器Ｒ２に発生する電圧ｅ２は発振器２０
の出力電圧Ｅが同じであっても圧力がゼロのときより高
くなり懐斜が急になる。このため圧力がゼロのときｅ２
−ｅ，＝ｅ３＝Ｅｏが得られる発振器２０の出力電圧が
Ｅ，であったとすると圧力が加わったときはその出力電
圧Ｅ，より低いＥ２においてｅ２一ｅ，＝ｅ３＝Ｅｏが
得られる。このように固定容量部Ｃ，と可変容量部Ｃ２
の差ｅ２一ｅ，が常に基準電圧Ｅｏと一致するように発
振器２０の出力電圧を制御することにより抵抗器Ｒ，と
Ｒ２に発生する直流電圧ｅ，とｅ２は変位検出器１８に
与えられる圧力に比例して変化する。その理由を以下に
説明する。ここでは説明を簡略化するために抵抗器Ｒ，
とＲ２の抵抗値は等しくＲ，二Ｒ２＝Ｒｏとする。抵抗
器Ｒ．とＲ２に発生する電圧をそれぞれｅ，及びｅ２と
すると固定容量Ｃ，と可変容量Ｃ２の容量リアクタンス
がそれぞれ抵抗Ｒ，とＲ２に対して大きい場合にはｅ，
とｅ２とはそれぞれＣ，，Ｃ２の容量値及び発振器の出
力電圧Ｅと角周波数のとの積に比例するので次の｛３｝
■式が成り立つ。ｅｌニのＥＣＩＲ６・ｅ２ニのＢＣ２
Ｒ〇 ，．．，．，｛３１」９−− のＥ
ＣＩＲＯ −一９− ，．．｛４，ｅ２一ｅｌ
のＥＲ。（Ｃ２−ＣＩ）一Ｃ２一ＣＩ‘１’、■式の関
係を‘州こ代入するとここでｅ２−ｅ，‘ま一定値Ｅｏ
に制御されていることを利用すると‘５〕はｅ，＝Ｅ。

（・−鍔） …．・棚また ｅ２ より ｅ２＝Ｅ。

（２−全） ．・・．・・（７’‘６｝、‘７’式
よりｅ，またはｅ２は移動電極６の変位量△ｄに正比例
する。尚上述ひま説明の便宜上士；、Ｊこう》Ｒ。

の条件を使用したが、実際回路上はこの条件を滴すこと
はできない。厳密には次のようになりｅ，は△ｄに直線
的に完全に比例しないとなる。

今ｆ『５皿Ｈｚ Ｒ＝４皿○ Ｃ，＝１０肥ＥＣ２＝１
ｏｏ（１十；竺；）ＰＦ叱ニ０，３肋 △ｄニ０〜〇，Ｉ帆 の場合０．８５％のノンニリアとなる。

このノンリニアを補正するには次のようにする。今Ｃ，
＝Ｃ。

Ｃ２＝Ｃ。※十Ｃ。４−４△ｄ＝Ｃ。

（１十大畠；）としたがＣ２に含む固定容量値Ｃ。※を
次のようにする。つまりＣ２＝（Ｑ十１）Ｃ。

十Ｃ竹；≦；にする。Ｑの値を任意に決めることにより
ノンリニアの値を変えることができる。上の定数による
Ｑとノンリニアの関係は次のようになる。

例えばノンリニア Ｑ＝０ ０．８５％ Ｑニ０．１ ０．１０％ Ｑ＝０．２ 一０．５５％ 第３図に示す実施例では抵抗器Ｒ２に発生する電圧ｅ２
を抵抗器Ｒ６を通じて演算増幅器２５の反転入力端子に
与え演算増幅器２５の出力側に接続したトランジスタ２
６を制御し、二線式伝送路２７一２７の電流Ｌを変化さ
せ遠隔地点に設置した受信器２８の受信抵抗ＲＬに圧力
に比例した電圧を発生させるように構成した場合を示す
。

演算増幅器２５の非反転入力端子側には抵抗器Ｒ，。と
Ｒ，．によって一定のバイアス電圧を与えている。また
抵抗器Ｒ，．の他端側は摺動抵抗器ＶＲ，の可動子に接
続し電流出力のスパンを設定できるように構成している
。尚第３図の実施例では制御回路２１を演算増幅器２２
と抵抗器Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７によって減算器を構成
し、更にその出力側に増幅器２３を設けたが、その他の
例として第６図に示すように抵抗器Ｒ４，Ｒ６，Ｒ７と
演算増幅器２２によって減算回路を構成し、この減算回
路の減算基準値を基準電圧源２４から抵抗器Ｒ，２を通
じて供給することにより制御回路２１を構成することが
できる。

その他の構成は第３図と全く同様であるからこれ以上の
重複説明は省略する。以上説明したところより明らかな
如く、この発明によれば変位検出器の構造を簡単にする
ことができ変位検出器を安価に提供することができる。

然も第３図及び第６図で説明した変換器を用いれば変位
と電気出力の関係を比例関係として得ることができる。
よって従来の圧力計と同機に表示目盛が等分割された見
易い表示を行うことができる。尚上述の実施例では変位
検出器の一例として圧力計の場合を説明したが、その他
の計器例えば重量計等にも応用できることが容易に理解
できよつｏ

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による変位変換器の一実施例を示す断
面図、第２図はこの発明に用いた固定電極の形状を説明
するための正面図、第３図はこの発明の変イｑ庚出器中
の変換器部分の一例を示す懐競図、第４図はこの発明に
よる変位検出器の電気的な構成を説明するための接続図
、第５図はその動作の説明に供するグラフ、第６図はこ
の発明の変位検出器中の変換器部分の他の実施例を示す
接続図である。 １：金属ボディ、３：受圧要素、４：連結軸、５：板バ
ネ、６：移動電極、９：金属リング、１０，１ １：絶
縁材、１２：第１固定電極、１３：第２固定電極。 オー図 氷２図 氷３図 氷４図 光５図 氷６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 検出すべき変位に対応して移動する移動電極と、前
   記移動電極をボデイに対して移動自在に支持し前記移動
   電極と電気的に接続された板バネと、前記板バネの周縁
   部が固定された金属リングと、前記金属リングを前記ボ
   デイに絶縁して支持する絶縁材と、前記移動電極と対向
   しさらに周縁部が前記金属リングの一部と対向して前記
   ボデイに絶縁して取付けられた第１固定電極と、前記第
   １固定電極と同一側において前記金属リングのみと対向
   して前記ボデイに絶縁して取付けられた第２固定電極と
   、前記移動電極および第１固定電極間に形成され前記変
   位に対応して容量値が変化する可変容量と前記金属リン
   グおよび第１固定電極間に形成され前記変位に関係なく
   一定の容量値を保持する固定容量部とで構成された検出
   器と、前記可変容量部および前記固定容量部の各一端に
   直接接続されこれ等に出力を印加する発振器と、前記可
   変容量部および前記固定容量部の各他端と前記発振器と
   の間に接続され前記可変容量部と前記固定容量部の各容
   量に対応した電気信号をそれぞれ検出する検出回路と、
   前記検出回路によつて検出された電気信号が供給されこ
   れ等の差が常に一定値を保持するような前記発振器の出
   力の振幅を制御する制御回路と、前記検出回路によつて
   検出された電気信号の一方を前記変位に対応した信号と
   して取り出す手段とを具備して成る変位検出器。