JPS61292012A

JPS61292012A - 容量式変換装置

Info

Publication number: JPS61292012A
Application number: JP13374485A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Azegami; 畔上　忠
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1985-06-19
Filing date: 1985-06-19
Publication date: 1986-12-22
Also published as: JPH0431329B2

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】〈産業上の利用分野〉本発明は、変位などの物理量を静電容量を介して電気信
号に変換する容量式変換器に係り、特に変換部内の要素
の浮遊容量の影響を除去し耐環境性を改良した容量式変
換器に関する。

〈従来技術〉変位などを静電容量の変化として検出する容量式変換器
には各種のものが提案されている。これ等のうち、本発
明の改良のベースとなる従来の容量式変換器を第４図に
示し、とれについて説明する。

ＣＩ、Ｃ２は変位などによりその容量値を差動的に変え
るセンサ容量である。センサ容量Ｃ１とＣ２の各一端は
接続され、更にバッフアゲ−）ＧｌＯ入カ端に接続され
ている。バッファゲートＧ１の出力端はインバータＧ２
および双方向定電流回路ＣＣを介してパワファゲートＧ
１の入力端に負帰還接続されている。

インバータＧ２の出力端はカウンタＣＴの入力端ＣＩＶ
Ｃ接続され、そのｎビ、トの出力端Ｑｎはナントゲート
Ｇ３の入力の一端に接続されている。ナントゲートＧ３
の入力の他端はインバータＧ２の出力端と接続されてい
る。ナントゲートＧ３の出力端はセンサ容量Ｃ１の他端
に接続されている。

一方、カウンタＣＴの反転出力端ＱｎはナントゲートＧ
４の入力の一端に接続され、その他端はインバータＧ２
の出力端と接続されている。ナンドゲー）Ｇ４の出力端
はセンサ容量Ｃ２の他端に接続されている。

また、カウンタＣＴの出力端Ｑｎはデユティ・アナログ
変換器ＤＡの入力端と接続され、その出力端に可変電圧
■を得る。

なお、インバータ０２の出力端とバッファゲートＧ１の
入力端との間には、センサ容量Ｃ□、ｃ２Ｖｃ含まれる
固定容量を除去するためのコンデンサＣ３が接続されて
いる。

バッファゲートＧ１、インバータＧ２、ナンドゲー）Ｇ
３．Ｇ４、カウンタＣＴおよびデユティ・アナログ変換
器ＤＡは、すべて正電源十Ｅと負電源−Ｅで付勢されて
いる。なお、バッファゲートＧ１およびインバータＧ２
は例えば第５図に示す如＜　ｃ−Ｍｏｓで構成されてい
る。

以上の如く構成された容量式変換装置の動作につき、第
６図に示す波形図を用いて説明する。

カウンタＣＴの出力端Ｑｎがハイレベル１Ｈ１になる（
第６図（ロ））とナントゲートＧ３とセンサ容量Ｃ１を
介してバッファゲートＧ１の入力端にインバータＧ２の
出力レベル例えば−Ｅが正帰還される。この結果、第６
図（イ）に示す様にバッファゲートＧ１の入力端の電圧
がｅｌだけその閾値ｖＴＨよシ大きく々るが、この場合
には定値定電流回路ＣＣより一定電流値Ｉで放電を開始
するので直線的にバッフアゲ）Ｇ１の入力端の電位が低
下する。閾値ＶＴＨに達するとパ、ファゲー）Ｇ１の出
力が反転し、ナンドゲー）Ｇ３とセンサ容量Ｃ１を介し
て今度はインバータＧ２の出力レベル＋Ｅがバッファゲ
ートＧ１の入力端に正帰還“されその電位が閾値ＶＴＨ
よりｅｉ　（＝−ｅｌ）だけ小さくなる（第６図（イ）
）が、この場合にも双方向定電流回路ＣＣにより一定電
流値ｉで逆方向に放電を開始するので直線的にバッフア
ゲ−）Ｇｌの入力端の電位が上昇する。閾値ＶＴ）（に
達するとパ、ファゲー）Ｇ１の出力が反転し、最初の状
態に戻る。以上の動作を繰抄返すごとにカウンタＣＴの
カウント値は増加し、所定ビット数ｎを計数するとカウ
ンタＣＴの出力端Ｑｎのレベルが反転しτ。

がＩＨＷレベルになり、今度はセンサＣ１側と同じよう
にしてセンサＣ２側での発振が継続される。この場合の
パ、７アゲー）Ｇ１の入力端での電位変動はＣ２（＝−
ｅｌ）となる。

以上の動作においてセンサ容量ｃ１、コンデンサＣ３で
の電位変動は２Ｅであるので、電荷の変動量を考慮する
と次式が成立する。

センサ容量Ｃ２側も同様の計算をして、となる。双方７
流回路ＣＣでの放電によるセンサＣ１側およびＣ２側で
の放電時間ｔ１（＝　ｔｌ　　）　、　ｔ２（＝ｔニ）
は、一定電流値Ｉでの放電であることを考慮して、次式
の様に友る。

ｔｌ　＝　（ｃｌ　＋　Ｃ２＋　Ｃ３）　Ｃ１／ｉ　　
　　　　　（３）ｔ２　＝　（Ｃ１＋　Ｃ２＋　Ｃ３）
　Ｃ２／ｉ　　　　　　　　（４）一方、可変電圧■は
カウンタＣＴの出力の高レベル期間Ｔ１と低レベル期間
Ｔ２を考慮した平均電圧として与えられ、るが、高レベ
ル期間Ｔ１と低レベル期間Ｔ２が放電時間ｔ１　　ｔ２
のてい倍値であるので、結局次式が成立する。

（１）〜（４）式を用いてとなる。ところで、センサ容量Ｃ１，Ｃ２には変位等に
より変化する容量成分ＣＩ、Ｃ２と変化しない容量成分
Ｃ１とがあ＃）、これ等の合成値はＣ１−Ｃｌ　＋　Ｃ
，。

Ｃ２＝　Ｃ二＋　Ｃｐとして与えられるので、これ等を
（６）式に代入すると。

として可変電圧Ｖが得られる。従って、コンデンサＣ３
をＣ３に等しくとることにより、可変電圧Ｖはセンサ容
量の和分の差の形で得られる。

〈発明が解決しようとする問題点〉しかしながら、この様な容量式変換装置では双方向定電
流回路ＣＣの両端に浮遊容量が存在するので、コンデン
サＣ３と同様の効果を持つ。従って、この浮遊容量が周
囲温度などにより変化するとコンデンサＣ３とＣ９とが
うまく相殺しないことがある。

〈問題点を解決するための手段〉この発明は５以上の問題点を解決するため、物理量に応
じて変化する第１および第２センサ容量と、第１および
第２センサ容量の各一端と接続され所定の閾値を越えた
電圧の変化に応答して出力レベルを変えるゲート手段と
このゲート手段の入力端へその出力端から反転電流を供
給する負帰還手段とゲート手段の入力端へその出力端か
ら同相電圧を正帰還するための第１固定容量とを有する
発振回路と、この発振回路の出力の変化周期を計数する
カウント手段と、このカウント手段の出力レベルに応動
して出力電圧を変更する電圧可変手段と、カウント手段
の第１出力レベルを有する第１期間に発振回路の出力レ
ベルに応じて第１センサ容量を介して第１励振電圧をゲ
ート手段の入力端に負帰還する第１励振ゲートと、カウ
ント手段の第２出力レベルを有する第２期間に発振回路
の出力レベルに応じて第２センサ容量を介して第２励振
電圧をゲート手段の入力端に負帰還する第２励振ゲート
と、発振回路の出力レベルに応じて第２固定容量を介し
て第３励振電圧をゲート手段の入力端に帰還する第３励
振ゲートとを具備し、第１、第２．第３励振ゲートは電
圧可変手段の電圧を第１．第２．第３励振電圧の１つと
して出力し、第１期間と第２期間が等しくなるように制
御する構成としたものである。

〈実施例〉以下５本発明の実施例について図面に基づき説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す回路図である。々お、
従来技術と同一の機能を有する部分には同一の符号を付
して適宜説明を省略する。

バッフアゲ−）Ｇｌの入出力端には第１固定容量として
コンデンサＣ４が接続され正帰還がなされている。一方
、バッファゲートＧ１の出力端に接続されたインバータ
Ｇ２の出力端とバッファゲートＧ１の入力端との間には
双方向定電流回路ＣＣが接続され負帰還がなされている
。これ等のバッフアゲ−）Ｇｌ、インバータＧ２．　コ
ンデンサＣ４および双方向定電流回路ＣＣにより非安定
発振回路を構成する。

また、Ｇ３は第１励振ゲートとして機能するナントゲー
ト、Ｇ４は第２励振ゲートとして機能するナントゲート
であり、ナントゲートＧ３の負電源端とナントゲートＧ
４の正電源端は共に可変電圧Ｖで付勢されている。ナン
ドゲー）Ｇ３と０４の入力の一端はカウンタＣＴの出力
端Ｑｎと反転出力端Ｑｎにそれぞれ接続され、それ等の
他端はいずれもバッファゲートＧ１の出力端と接続され
ている。

Ｃ３は第２固定容量としてセンサ容量Ｃ１，Ｃ２の容量
成分Ｃ３を除去するためのコンデンサであり、その一端
はバッフアゲ−）Ｇ１の入力端に接続され、他端は第３
励振ゲートとして機能するナンドゲー）Ｇ５の出力端に
接続されている。

ナンドゲー）Ｇ５はその入力の一端がインバータＧ２の
出力端と接続され、入力の他端はカウンタＣＴの反転出
力端一と接続されてお沙、その正電源端には可変電圧■
が、負電源端はゼロ電圧がそれぞれ印加されている。

なお、双方向定電流回路ＣＣの両端には浮遊容量Ｃ３が
存在しているものとしである。

次に、以上の如く構成された第１図に示す実施例の動作
について説明する。

カウンタＣＴの出力端ＱｎのレベルがＷＨルベルの期間
ＴＩＡでは、ナントゲートＧ３とセンサ容量ＣＩを介し
てパ、７アゲー）Ｇｌの入力端へ負帰還がかかる。カウ
ンタ：′Ｔの出力端ＱｎがｌＬルベルの期間Ｔ２Ａでは
、互。は１Ｈルベルであり、ナンドゲー）Ｇ４とセンサ
容量Ｃ２を介してのバッファゲートＧ１の入力端への負
帰還とナントゲートＧ５とコンデンサＣ３を介しての正
帰還がかかる。この場合に、Ｃ１＜（Ｃ２−Ｃ３）の関
係にあれば、センサ容量Ｃ工側に切替えられたときのバ
ッファゲートＧ１の入力端の電圧変化ｅＩＡとセンサ容
量Ｃ２側に切替えられたときのパワファゲートＧ１の入
力端の電圧変化ｅ２Ａとの関係は、ｅｌＡ　＞　”２Ａ
となり、期間ＴＩＡとＴ２Ａとの関係はＴＩＡ＞７２人
となる。従って、この場合は第６図に示す動作波形に対
応する波形となる。

以上の動作においてセンサ容量Ｃ工での電位変動は（Ｅ
−Ｖ）、センサ容量Ｃ２での電位変動は（Ｅ＋Ｖ）、コ
ンデンサＣ３では（Ｖ−Ｏ）、コンデンサＣ４では２Ｂ
。

浮遊容量Ｃ８では一２Ｅのそれぞれの電位変動があるの
で、これ等の電位変動による電荷の変動を考慮すると次
式が得られる。

また、センサ容量Ｃ１に対応する放電期間ｔｌＡ’セン
サ容量Ｃ２に対応する放電期間ｔ２Ａは、第６図の場合
と同様罠して、ｔＩ人＝　（Ｃ１＋Ｃ２＋　Ｃ３＋　Ｃ４＋　Ｃ５）ｅ
ｌ　７１　　　　Ｑ［１ｔ２Ａ＝（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋
Ｃ４＋Ｃ５）ｅ２Ａ／／ｉ　　　　　　α力となる。

ＴＩＡ　＞　Ｔ２Ａの場合は、第１図においてデユティ
・−アナログ変換器ＤＡの出力でおる可変電圧■は減少
状態にちり、従って（８）式におけるｅｌＡの減少をも
たらす。この様にしてＴＩＡ　＝Ｔ２Ａ　（ｔｌＡ　”
’　ｔ２Ａ、　）になると顛αカ式よりｅｌＡ　””　
ｅ２Ａになるので、（８）。

（９）式から２Ｂ（Ｃ４＋　Ｃｓ）　−（Ｅ−Ｖ）ＣＩ＝２Ｅ（Ｃ４
＋０５）−（Ｖ＋Ｂ）Ｃ２＋（Ｖ−０）Ｃ３６２となる
。ここでＣＩ＝ＣＩ＋雫Ｃ２＝　Ｃ４＋　Ｃ−関係を用
い、更にＣ３＝　２０．　Ｋ選定するとを得る。

この式はセンサ容量Ｃ１，Ｃ２の容量成分Ｃ，にも、双
方向定電流回路ＣＣの両端の浮遊容量Ｃ，にも影響を受
けかいことを示している。しかも容量成分Ｃ９はＣ３＝
　２Ｃ，と選定することで消去され、浮遊容量Ｃ５とけ
独立に消去されるので、従来の如き問題点は解消してい
る。

第２図は、第１図に示す実施例の第３励振ゲートとして
機能するナントゲートＧ５の入力端の一方をバッファゲ
ートＧ１の出力端に、他方をカウンタＣＴの出力Ｑｎに
接続したナンドゲー）Ｇ６として構成した変形実施例を
示している。

との場合のセンサ容量Ｃ１側に切替えられたときのバッ
ファゲートＧ１の入力端の電圧変化ｅｌＢとセンサ容量
Ｃ２側に切替えられたときのバッフアゲ−）Ｇ１の入力
端の電圧変化ｅ２Ｂとは、式（８）、　（９）を導出し
たときと同様にして次式で示される。

この場合も、第１図におけると同様な千頴により０３式
と同じ結果に至る。

力お、第１図に示す構成に第２図に示す構成を付加し、
第２固定容量Ｃ３を２個にしてナントゲートＧ６の出力
をその一方に印加し、各第２固定容量の容量値を容量成
分Ｃ６と等しく選定しても０ｊ式と同じ結果が得られる
。

第１．第２．第３励振ゲートを構成するナントゲートＧ
３　、　Ｇ４　、０５などは、例えば第３図に示すよう
に、任意の付勢電圧＋１．−Ｅで付勢される論理ゲート
Ｇ７．ＧＢの出力で操作されるアナログスイッチＳＷ１
　、　、ＳＷ２を用いて１例えば十Ｅ、Ｖ＆どの所要電
圧をセンサ容量Ｃ１，Ｃ２やコンデンサＣ３へ励振電圧
としてスイッチングして出力しても良い。

また、第１．第２．第３励振ゲートを構成するナンドゲ
ー）Ｇ３．　Ｇ４．０５の出力の極性を全て反転室せる
とき２例えばナントゲートをアンドゲートに変えるとき
にはセンサ容量ＣｌＣ２，コンデンサＣ３を介して起る
帰還モードが逆転するが、この場合でも０１式に到達す
る。ただし、この場合は１例えば電位変化ＣＩＡなどが
大きな値となり、バッフアゲ−）０１へ過大入カカＳ印
加されるおそれは生じる。

〈発明の効果〉以上、実施例と共に具体的に説明した様に本発明によれ
ば、センナ容量中に含まれる変位に応動しない容量成分
と、非安定発振回路を構成する負帰還手段に含まれる浮
遊容量とを分離して互に独立して消去する構成としたの
で、環境などの影響によシ浮遊容量が変動しても変位に
応動しない容量成分を確実に消去でき、真の変化成分に
基く電気信号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を示す回路図、第２図は第１
図における第３励振ゲートの接続構成を変えた部分構成
図、第３図は第１図における各励振ゲートの変形例を示
す回路構成図、第４図は従来の容量式変換器の構成を示
す回路図、第５図は第４図におけるゲートの具体的構成
を示す部分構成図、第６図は第４図における各部の動作
波形を示す波形図でおる。Ｃ１，Ｃ２・・・センサ容量、　Ｇ１・・・バッファゲ
ート、Ｇ２・・・インバータ、　Ｇ３．’Ｇ４．　Ｇ６
・・・ナントゲート、ＣＢ・・・浮遊容量、ＣＴ・・・
カウンタ、ＤＡ・・・デ瓢ティ・アナログ変換器、ＣＣ
・・・双方向定電流回路。

Claims

【特許請求の範囲】

物理量に応じて変化する第１および第２センサ容量と、
前記第１および第２センサ容量の各一端と接続され所定
の閾値を越えた電圧の変化に応答して出力レベルを変え
るゲート手段とこのゲート手段の入力端へその出力端か
ら反転電流を供給する負帰還手段と前記ゲート手段の入
力端へその出力端から同相電圧を正帰還するための第１
固定容量とを有する発振回路と、との発振回路の出力の
変化周期を計数するカウント手段と、このカウント手段
の出力レベルに応動して出力電圧を変更する電圧可変手
段と、前記カウント手段の第１出力レベルを有する第１
期間に前記発振回路の出力レベルに応じて前記第１セン
サ容量を介して第１励振電圧を前記ゲート手段の入力端
に負帰還する第１励振ゲートと、前記カウント手段の第
２出力レベルを有する第２期間に前記発振回路の出力レ
ベルに応じて前記第２センサ容量を介して第２励振電圧
を前記ゲート手段の入力端に負帰還する第２励振ゲート
と、前記発振回路の出力レベルに応じて第２固定容量を
介して第３励振電圧を前記ゲート手段の入力端に帰還す
る第３励振ゲートとを具備し、前記第１、第２、第３励
振ゲートは前記電圧可変手段の電圧を前記第１、第２、
第３励振電圧の１つとして出力し、前記第１期間と前記
第２期間が等しくなるように制御することを特徴とする
容量式変換装置。