JPS6029045B2 - 変位変換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は例えば差圧計或は圧力計等に利用して好適な
変位変換器に関し、特に構成が簡単で且つ温度特性に優
れた変位変換器を提供しようとするものである。

差圧計或は圧力計等では一般に圧力又は圧力差に応じて
移動電極を変位させ、その変位量によりこの移動電極と
固定電極間で形成される一対のキャパシタＣ，，Ｃ２の
容量値を互に差動的に変化させ高周波発振器からこの差
動キャパシタＣ，，Ｃ２に高周波電流を供給し、その容
量和Ｃ，十Ｃ２に比例した電流が一定となるように制御
して、容量差Ｃ，一Ｃ２に比例した電流信号を検出し、
これを出力することにより（Ｃ，一Ｃ２）／（Ｃ，十Ｃ
２）に比例した電気的出力を得るようにしている。

従って従来の変位変換器は高周波発振器を内蔵し、この
高周波発振器の発振信号を移動電極と固定電極との間で
形成される差動キャパシタに与えその差動容量を流れる
高周波電流を整流し高周波電流の変化を直流電圧の変化
として取出し差圧値又は圧力値に対応した直流電気信号
を得てこの直流信号を差演算及び和演算することにより
（Ｃ，−Ｃ２）／（Ｃ，十Ｃ２）に対応した電気信号を
得るようにしている。

高周波電流を整流するダイオードは移動電極と固定電極
間で形成される差動キャパシタの近傍に取付けられ、そ
の間の配線がなるべく短かく済むようにし浮遊容量等の
影響を小さくするようにしている。ところで圧力或は差
圧等を測定する被測定体は常温のものばかりとは限らず
高温の場合もある。

被測定体の温度が高い場合には受圧部の温度もほぼ被測
定体の温度に近い値となる。よって先に説明した整流ダ
イオードの温度も上昇し変換器全体の温度特性に影響を
与える。また整流ダイオードは差動キャパシタの部分の
温度と同一温度に保った方がよく、また高周波回路のリ
ード線の長さを短か〈した方がよいため、整流ダイオー
ドを圧力検出部或は差圧検出部内に収納する必要がある
。このため収納部の構造が複雑になる欠点もある。更に
周波数変動が少なく、また振幅変動が少ない安定性の高
い高周波発振器を得るには各種の安定化回路を付加しな
ければならないためコスト高となる欠点もある。更に差
圧検出器又は圧力検出器として先にも説明したように移
動電極の両面と対向して固定電極を設け移動電極と固定
電極との間に互に差動的に変化する差動キャパシタを構
成し、この差動キャパシタの容量変化により圧力又は差
圧に比例した電気信号を得るような構造の変位検出器は
移動電極と固定電極との間の対向間隙が初期状態、つま
り圧力又は差圧がゼロのとき相互に等しく、また移動電
極と固定電極との間の相互の関係が全く対称に作られて
いなければならない。従って差動的に容量値が変化する
型式の変位検出器はその組立に高度の精度を必要とし、
これがためにコスト高となる欠点もある。この発明の目
的は構造を簡素化した変位検出器を用いることができ、
然も高周波発振器及び整流ダイオードを用いる必要がな
く、よって安価で且つ安定な温度特性をもつ変位変換器
を提供するにある。

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図はこの発明の一実施例を示す。

図中Ｃｘは被測定変位に応じて変化する可変容量を示し
、Ｃｓは入力の変位とは無関係に一定値を保持する基準
容量を示す。これら可変容量Ｃｘ及び基準容量Ｃｓは例
えば第２図に示すような変位検出器の構造によって形成
することができる。即ちこの例では圧力検出器の場合を
示しボディ１の開口面に受圧ダイヤフラム２が取付けら
れ、この受圧ダイヤフラム２に移動電極３が連結される
。移動電極３の周縁は板バネ４を介して固定リング５に
支持される。固定リング５は絶縁材６及び７によって挟
み付けられてボディー内に絶縁して支持される。絶縁材
６の移動電極３と対向する面には第１固定電極８が取付
けられ「固定リング５と対向する面に第２固定電極９が
取付けられる。これら第１、第２固定電極８及び９と固
定リング５より端子１０，１１，１２を導出することに
より端子１０と１２間に可変容量Ｃｘを得ることができ
、端子１１と１２間に基準容量Ｃｓが得られる。従って
受圧ダイヤフラム２に被測定圧力を与えることによりそ
の圧力に対応した量だけ移動電極３が変位し、その変化
量に比例して可変容量Ｃｘの容量値が変化する。このよ
うな構造の圧力検出器によれば移動電極３と対向してそ
の一方の面にだけ固定電極８を設ければよいから、その
間の対向間隔を所定値になるように設定すればよく、組
立が容易であるだけでなく構造が簡単なことから安価に
作ることができる。

然も可変容量Ｃｘ及び基準容量Ｃｓを互に近接して設け
たから温度変化が与えられても相互の容量変化は同一の
比率で変化し、よってその容量値の比をとるように検出
信号を処理することにより温度変動による容量変化の影
響を除去することができる等の利点がある。この発明で
は例えば第２図に示す検出器によって形成された可変容
量Ｃｘと基準容量Ｃｓを直列接続し、その接続点を演算
増幅器１３の一方の入力端子に接続するものである。

つまりこの例では演算増幅器１３の反転入力端子に接続
した例を示し、その接続点Ａと共通電位１４の間に基準
容量Ｃｓを接続し、接続点Ａと演算増幅器１３の出力端
子Ｂの間に可変容量Ｃｘを接続する。演算増幅器１３の
他方の入力端子、つまり非反転入力端子には一定の基準
電圧Ｖｓを発生する基準電圧源１５を接続する。演算増
幅器１３の出力端子Ｂと共通電位１４の間には可変容量
Ｃｘ及び基準容量Ｃｓに充電された電荷を周期的に放電
させるスイッチ手段１６を接続する。つまりスイッチ手
段１６は例えばＦＥＴを用いることができ、このスイッ
チ手段１６をパルス発生器１７によって一定のオン、オ
フ比で開閉制御する。パルス発生器１７は抵抗器Ｒ，と
コンデンサＣ，とから成る時定数回路とバイアス電源１
８と、時定数回路を構成するコンデンサＣ，の充電電圧
とバイアス電源１８の電圧の偏差値を増幅しヒステリシ
スを持つ演算増幅器１９により構成することができる。
コンデンサＣ，の充電電圧がバイアス電源１８の電圧よ
り小さい間は演算増幅器１９の出力は正電圧を出力し、
このときスイッチ手段１６はオフの状態に保持されるも
のとする。コンデンサＣ，の充電電圧がバイアス電源１
８の電圧より正側に或る値だけ越えると、この値は増幅
器１９のヒステリシス特性により決まるが増幅器１９の
出力は零電圧に反転する。

よってこのときスイッチ手段１６はオンに制御される。
スィッチ手段１６がオンに制御されるとコンデンサＣ，
に充電された電荷は抵抗器Ｒ，を通じて放電される。コ
ンデンサＣ，の電圧がバイアス電源１８の電圧よりヒス
テリシス特性により決まる或る値だけ低下すると増幅器
１９の出力は再び正極性に反転しスイッチ手段１６はオ
フに戻される。このようにしてパルス発生器１７から一
定のオン、オフ比を持つパルスが出力され、スイッチ手
段１６はそのオン、オフ比に応じて開閉制御される。こ
の例ではコンデンサＣ，に対し同一の抵抗器Ｒ，を通じ
て充電及び放電を行うからオン、オフ比はほぼ０．５と
なる。スイッチ手段１６が短絡より開放されると基準コ
ンデンサＣｓには基準電圧源１５の電圧Ｖｓと同じ電圧
が充電されＡ点の電圧Ｖｏは基準電圧源１５の電圧Ｖｓ
と等しくなる。

よって次式が成立する。ＶＣ＝｛さ八よ十字）｝‐Ｖ。

＝ＶＳ．・・‐．・‘１１よってスイッチ手段１６がオ
フのときの増幅器１３の出力電圧ＶｏはＶ。

＝（・十隻）ＶＳ ‐‐・‐‐‐‘２’ここで可変
容量Ｃｘ、基準容量Ｃｓ、圧力がゼロのときの固定電極
と移動電極間距離４、加圧時の移動電極の移動量△ｄの
関係はＣｘ＝ＣＳ・４／（ムー△ｄ） よつて ＣＳ／Ｃｘ＝１−△ｄ …・・・｛３
１【２）”糊式よりＶｏ＝△ｄ・Ｖｓ
……【４１第４式においてＶｓは基準電圧源１
５の基準電圧であるため増幅器１３の出力電圧Ｖｏは圧
力に正比例する。

スイッチ手段１６がオンとなると基準容量Ｃｓと可変容
量Ｃｘの電荷はスイッチ手段１６を通じて放電され電荷
はゼロとなる。

スイッチ手段１６は周期的に開閉制御されるから増幅器
１３の出力電圧Ｖｏは矩形状となる。よって抵抗器Ｒ２
コンデンサＣ２とから成る平滑回路２０にて平滑するこ
とにより平滑回路２０の出力には移動電極３の移動量△
ｄに正比例した直流電圧Ｅｏを得ることができる。この
直流電圧Ｅ。は必要に応じて電圧−電流変換器２１によ
って電流信号に変換することにより出力端子２２から電
流信号で出力することができる。第３図にその具体的な
実施例を示す。

この例では２線式伝送器にこの発明を適用した場合を示
し受信器２３に設けられた直流電源２４の電圧が２線式
伝送路２５，２６を通じて電圧−電流変換器２１に与え
られ、このとき伝送路２５，２６を流れる電流ｌｏが平
滑回路２０の出力電圧に比例するように電圧−電流変換
される。出力電流１。は受信抵抗２７の両端に発生する
電圧から読取られて受信器２３において検出器の移動電
極３の移動量を知り、例えば圧力値を指示させることが
できる。またこの例では基準容量Ｃｓにも並列にスイッ
チ手段１６′を接続し、可変容量Ｃｘと基準容量Ｃｓの
充電電荷を確実に放電させるようにしている。

尚２８は定電圧回路を示しこの定電圧回路２８によって
安定化した電圧を回路に供給するようにしている。以上
説明したところより明らかなようにこの発明によれば高
周波発振器を用いる必要がなく、これに伴なつて整流ダ
イオードも必要としないから安定な温度特性を持つ変位
変換器を得ることができる。

然も第４式に示したように出力電圧は移動電極３の移動
量に正比例して得られるため補正演算する必要がなく変
換器の構成が簡素化できる。換言すれば移動電極の移動
量と可変容量との関係は非直線となっている。このため
従来は非直線特性を直線化するために補正回路を必要と
するが、この発明によればその補正回路も不要となり全
体として極めて簡単な変換器を得ることができる。また
可変容量Ｃｘの充放電周期を適当に選定することにより
、従来のように高周波を印加する場合のようにリード線
の浮遊容量による影響を大きく受けることがなく、それ
だけ配線の自由度が増し製造が容易となる。また安定性
の高い高周波発振器及び整流ダイオードを必要としない
からこれによっても構成が簡素化されコストの低減も期
待できる。尚上述ではパルス発生器１７として抵抗器Ｒ
，とコンデンサＣ，と演算増幅器１９とバイアス電源１
８とにより構成したが、必らずしもこの構成に限られる
ものではなくその他の形式のパルス発生器を用いること
もできる。

またデューティ比を０．５とした場合を説明したが必ら
ずしもその必要はなく、要は一定のデューティ比に保持
されればよいこと容易に理解できよう。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す接続図、第２図はこ
の発明に適用して好適な変位検出器の一例を示す断面図
、第３図はこの発明の具体的な実施例を示す接続図であ
る。 Ｃｘ：可変容量、Ｃｓ：基準容量、１３：演算増幅器、
１６，１６′：スイッチ手段、２０：平滑回路。 ＊ｌ図 林２図 氷３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被測定変位に応じて変化する可変容量と、入力の変
   位とは無関係に一定値を保持する基準容量とを持つ変位
   変換器において、 上記可変容量と基準容量とが直列に
   接続され、その一端は共通電位点に接続され、その可変
   容量と、基準容量との接続点が一方の入力端子に接続さ
   れ、他方の入力端子には一定電圧が加えられ、上記直列
   接続の他端は出力端子に接続された演算増幅器と、 そ
   の演算増幅器の出力側と共通電位点との間に接続され、
   一定のオン・オフ比で開閉制御され、上記可変容量と基
   準容量の電荷を充放電させるスイツチ手段と、上記演算
   増幅器の出力を平滑する平滑回路とを具備して成る変位
   変換器。