JPS6140047B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は例えば圧力計等に応用して好適な変
位変換器に関し、特に構造が簡素化された変位検
出器の出力を変位に対応した電気信号に変換する
ことができる変位変換器を提供しようとするもの
である。

従来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
を挾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型変位検
出器の構造となつている。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型構造の変位
検出器を用いなければならない。差圧型構造の容
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ヤツプが双方において一致
するように調整するのが難しいためコスト高とな
つている。よつ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。

このため第１図に示すように受圧要素を一つだ
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た変位検出器が考えら
れている。この簡素化された構造の変位検出器に
よれば移動電極と固定電極間の初期ギヤツプの設
定も容易に行なうことができ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。

以下にその変位検出器の一例を第１図及び第２
図を用いて詳細に説明する。

この例では圧力計に応用した例を示す。図中１
は金属ボデイを示す。この金属ボデイ１は非受圧
部１ａ、受圧部１ｂとに２分割されて作られる。
非受圧部１ａは有底筒状体にて構成され、その開
口端面を受圧部１ａにて閉塞する構造とされる。
受圧部１ａ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によつて閉塞されボ
デイ１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としてベローズを用いた場合
を示す。このため貫通孔２の開口両側は開口面に
向つ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としてのベローズの一端
が取付けられる。ベローズ３の他端の内面には連
結軸４の一端が取付けられる。連結軸４はボデイ
１の中央に延長され、ボデイ１のほゞ中央部にお
いて板バネ５によつて軸芯方向に対してのみ移動
できるように支持される。連結軸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をボデイ１から
電気的に絶縁して連結軸４に取付けるものであ
る。このためこの例では連結軸４にフランジ部と
ネジ部を形成し、フランジ部と及びネジ部に螺合
したナツト７との間に絶縁ワツシヤ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
によつて移動電極６と板バネ５との間に間隙を形
成し、この間隙によつて板バネ５が自由に変形で
きるようにしている。板バネ５の周縁には金属リ
ング９が取付けられる。金属リング９は絶縁材１
０及び１１によつて挾まれてボデイ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１
ａ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９ａを絶
縁材１１に対接させる。この突起９ａの突出量に
よつて金属リング９と第１及び第２固定電極１
２，１３との間のギヤツプを設定するようにして
いる。絶縁材１０は受圧部１ｂ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はボデイ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１１の表面に被着形成される。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、その周縁は金属リング９と対向す
る位置まで延長される。第２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を通じてボデイ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。従つて気
密端子１４と１５の間には第３図に示すように移
動電極６と第１固定電極１２の間で形成される第
２可変容量部C₂が接続され、気密端子１４と１
６の間には移動電極６及び金属リング９と第２固
定電極１３の間で形成される第１可変容量部C₁
が接続される。第１可変容量部C₁は可変容量Ｃ_X
と固定容量Ｃ_Sとの並列接続によつて構成され
る。

尚ボデイ１の非受圧部１ａの閉塞端面１ｃには
貫通孔１ｄが形成され、またこの貫通孔１ｄと連
通して絶縁材１１にも貫通孔が形成され、更に非
受圧部１ａの閉塞端面１ｃの外側面にダイヤフラ
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
ような封液を封入し、受圧要素３の伸縮に伴なう
ボデイ１内の容積変化をダイヤフラム１７の膨縮
によつて吸収するようにしている。また温度変化
に伴なう封液の体積変化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。

上述したように簡素化された変位検出器の構造
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との間の初期ギヤツプの設定を一
義的に設定することができ、その設定を容易に行
なうことができる。従つ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。

更にこの構造の変位検出器によれば移動電極６
及び金属リング９がボデイ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
ボデイ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
器では発振器によつ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イに
接続された構造になつていることにより移動電極
が電気的に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。

従つてこの簡素化された変位検出器によれば移
動電極６及び金属リング９を金属ボデイ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。

以下にこの発明の一実施例を第４図以下を用い
て詳細に説明する。

第４図にこの発明の一実施例を示す。図中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１４−１６及び１４−１５間に第３
図で説明したように第１可変容量部C₁と第２可
変容量部C₂が接続される。変位検出器１８の端
子１６と共通電位点１９との間にはダイオード
D₁と抵抗器R₁の直列回路を接続し、端子１５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
力端子を接続し第１可変容量部C₁−ダイオード
D₁−抵抗器R₁とから成る直列回路と、第２可変
容量部C₂−ダイオード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電圧を印加す
る。従つて第１可変容量部C₁と第２可変容量部
C₂を流れる交流電圧はダイオードD₁とD₂によつ
てそれぞれ半波整流され抵抗器R₁とR₂には第１
可変容量部C₁と第２可変容量部C₂の容量値に比
例した電圧が発生する。尚変位検出器１８の端子
１５と１６にはダイオードD₁，D₂とは逆向のダ
イオードD₃，D₄の一端が接続され、これらダイ
オードD₃，D₄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
つて第１可変容量部C₁及び第２可変容量部C₂に
充電された電荷を放電させる回路を構成し、抵抗
器R₁とR₂に例えば正の半サイクルの半波整流電
流が流れるように構成している。また抵抗器
R₁，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R₁〜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第１可変容量部C₁と第
２可変容量部C₂の容量の差に対応た電気信号を
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。この制御手段２１にはこの例では抵抗
器R₁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E₀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R₂に発生する電圧
は抵抗器R₄を通じて演算増幅器２２の例えば非
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
反転入力端子に供給する。非反転入力端子は抵抗
器R₅を通じて共通電位点１９に接続し、演算増
幅器２２の出力は抵抗器R₇を介して反転入力端
子に負帰還される。このように構成することによ
り演算増幅器２２は減算回路として動作し、その
出力に抵抗器R₁とR₂に発生している電圧の差の
電圧が出力される。この差信号を増幅器２３を構
成する演算増幅器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E₀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。

上述の構成において変位検出器１８の電極面積
及び初期ギヤツプをS₀，d₀とし、移動電極６がΔ
ｄ変位したとすると、第１可変容量部C₁と第２
可変容量部C₂の各容量値は C₁＝C₀＋C₀ｄ_０／ｄ_０−Δｄ C₂＝C₀ｄ_０／ｄ_０−Δｄ となる。第１可変容量部C₁と第２可変容量部C₂
には発振器２０から角周波数ω、最大振幅E₀正
弦波が印加されており、その発振振幅は比較器２
３の出力電圧で制御される。第１及び第２可変容
量部C₁及びC₂を流れる電流はダイオードD₁とD₂
によつて半波整流されコンデンサC₃とC₄によつ
て平滑され、 i₁＝ａ・Ｅ・ω・C₁，i₂＝ａ・Ｅ・ω・C₂ (1) の直流電流に変換され抵抗器R₁とR₂の両端にe₁
とe₂なる直流電圧を発生する。尚第１式において
ａは常数である。

e₁＝R₁i₁，e₂＝R₂i₂ (2) この直流電圧e₁とe₂は演算増幅器２２と抵抗器
R₄，R₅，R₆，R₇とによつて構成される減算回路
によつて減算されe₁−e₂に対応した出力電圧e₃を
得る。減算回路の出力電圧e₃は基準電圧源２４の
基準電圧E₀と等しくなるように増幅器２３の反
転入力端子に供給される。今、抵抗器R₄，R₆，
R₅，R₇の抵抗値を例えばR₄＝R₆＝kR₅＝kR₇とす
ると、（ｋは定数） e₃＝１／ｋ（e₁−e₂）＝E₀ (3) となる。こゝで説明の便宜上抵抗器R₁とR₂の抵
抗値をそれぞれR₀とすると、この状態で抵抗器
R₁とR₂に発生する電圧e₁及びe₂は ｅ_２／ｅ_１−ｅ_２＝Ｒ_０・ａ・Ｅ・ω・Ｃ_２／Ｒ_０・ａ
・Ｅ・ω（Ｃ_１−Ｃ_２） ＝Ｃ_２／Ｃ_１−Ｃ_２＝ｄ_０／ｄ_０−Δｄ (5) よつて、 e₁＝ｋ・E₀（１＋ｄ_０／ｄ_０−Δｄ） (4)′ e₂＝ｋ・E₀（ｄ_０／ｄ_０−Δｄ） (5)′ 従つて抵抗器R₁，R₂に発生する電圧e₁とe₂より
移動電極６の変位量Δｄに対応した出力信号を得
ることができる。

第４図の実施例では抵抗器R₁に発生した電圧
信号e₁を電流信号I₀に変換した例を示す。つまり
抵抗器R₁に発生した電圧e₁は抵抗器R₈，R₉，
R₁₀，R₁₁、スパン設定用ポテンシヨメータVR₁、
演算増幅器２５、トランジスタ２６、電流検出用
抵抗器R₀とにより構成される電圧−電流変換回
路２７に供給する。

電圧−電流変換器２７の電位の基準を共通電位
点１９の電位に採ると、 e₁−E₂＝−αＥ_f (6) となる。但し抵抗器R₈，R₉，R₁₀，R₁₁の抵抗値
は全て等しいものとする。こゝでαはスパン設定
用ポテンシヨメータVR₁の分圧比、Ｒ_fはポテン
シヨメータVR₁の両端に掛る電圧である。従つて
Ｅ_fは Ｅ_f＝−R₀・I₀＋E₁ (7) で表わされる。E₁は変位量Δｄ＝０、E₂＝e₂に
したとき、最小出力（4mA）用バイアス電源で
ある。

(4)，(6)，(7)式より （１＋ｄ_０／ｄ_０−Δｄ）kE₀−E₂＝−αＥ_f つまり、 −Ｅ_f＝１／α（１＋ｄ_０／ｄ_０−Δｄ）ｋ・E₀−１
／αE₂とな り、出力電流I₀はI₀∝ｄ_０／ｄ_０−Δｄとなる。

このようにして移動電極６の変位量Δｄを電流
信号I₀に変換することができる。電流信号I₀は２
線式伝送路２８−２８を通じて受信器２９に送出
される。受信器２９では受信抵抗器Ｒ_Lの両端よ
り変換器から出力される電流信号I₀に対応した電
圧信号を得るように構成される。

上述したこの発明による変換器によれば変位検
出器１８の移動電極６、金属リング９、第１、第
２固定電極１２，１３を金属ボデイ１から電気的
に絶縁したことから発振器２０と変位検出器１８
の移動電極６の端子１４との間に直流絶縁用トラ
ンスを介挿しなくとも済み変換器の回路構成を簡
単にすることができる。然も第１、第２可変容量
部C₁とC₂の容量の差が一定となるように発振器
２０の振幅を制御したから、例えば温度変化によ
り第１及び第２可変容量部C₁，C₂の容量値が変
動しても、その影響を除去することができる。ま
た電源電圧の変動によつて発振器２０の振幅及び
周波数が変動しても、その場合でも振幅制御端子
２０ａに帰還される制御電圧が変化し、e₁−e₂＝
e₃の関係が保持されるように制御されるから電源
電圧の変動に伴なう発振振幅の変動による影響も
除去することができる。

ところで第４図の例では出力電流I₀は移動電極
６の変位量Δｄに対し比例関係となつていない例
を説明した。出力電流I₀と変位量Δｄとの関係が
比例関係にあると例えば表示目盛を等分目盛とす
ることができるため便利である。

第５図に出力電流I₀と変位量Δｄとの関係が比
例関係となるようにした変換器の例を示す。

この例では出力電流I₀に比例する信号の一部又
は全部をポテンシヨメータVR₂を通じて取出し、
その信号を抵抗器R₁₃を通じて発振器２０の振幅
制御回路に帰還するように構成したものである。
このため抵抗器R₁に発生した電圧e₁は電圧−電流
変換器２７を構成する演算増幅器２５の反転入力
端子に供給し、非反転入力端子には抵抗器R₁₀と
R₁₁を通じてバイアス電源E₃Cからバイアス電圧
を供給するように構成する。また増幅器２３では
基準電圧源２４と非反転入力端子との間に抵抗器
R₁₂を接続し、この非反転入力端子にポテンシヨ
メータVR₂の可動子からの帰還電圧を供給する。

この回路構成によれば演算増幅器２２の出力電
圧e₃が e₃＝Ｒ_１３／Ｒ_１２＋Ｒ_１３E₀＋Ｒ_１２／Ｒ_１２＋Ｒ
_１３β・Ｅ_f(8) となるように動作する。こゝでβはポテンシヨメ
ータVR₂の分圧比である。

一方、E₃−e₁＝−αＥ_f (9) である。但し抵抗器R₈，R₉，R₁₀，R₁₁の抵抗値
は全て等しいとする。

(3)，(4)，(8)，(9)式より E₃−ｋ（Ｒ_１３／Ｒ_１２＋Ｒ_１３E₀＋Ｒ_１２／Ｒ_１２
＋Ｒ_１３β・Ｅ_f） （１＋ｄ_０／ｄ_０−Δｄ）＝−αＥ_f の関係が得られる。

従つて、 −Ｅ_f＝｛（Ｒ_１２＋Ｒ_１３）Ｅ_３−２ｋ・Ｒ_１３・Ｅ_０｝ｄ_０−｛（Ｒ_１２＋Ｒ_１３）Ｅ_３−ｋ・Ｒ_１３・Ｅ_０｝
Δｄ／｛α（Ｒ_１２＋Ｒ_１３）−２ｋβＲ_１２｝ｄ_０−｛α（Ｒ_１２＋Ｒ_１３）−ｋ・β・Ｒ_１２｝Δｄ こゝで α（R₁₂＋R₁₃）＝ｋ・β・R₁₂となるようにα，
β，ｋ，R₁₂，R₁₃を選定すると、 −Ｅ_f＝｛２ｋＲ_１３Ｅ_０−（Ｒ_１２＋Ｒ_１３）Ｅ_３｝ｄ_０＋｛（Ｒ_１２＋Ｒ_１３）Ｅ_３−ｋＲ_１３Ｅ_０｝Δｄ／ｋ
・β・Ｒ_１２・ｄ_０ となり、 −Ｅ_f∝Δｄとなる。

従つて(7)式よりI₀∝Δｄとなり出力電流I₀は変
位量Δｄに比例することが解る。

以上説明したようにこの発明によれば簡素化さ
れた構造の変位検出器を用いて変位量Δｄに対応
した電気信号を得ることができる。特に第５図の
実施例で説明した変換器を用いることにより変位
量Δｄに比例した電気信号を得ることができる。
よつて第５図で説明した変換器を用いることによ
り簡素化され安価に作ることができる変位検出器
によつて変位量Δｄに対し比例関係にある電気信
号を得ることができ、安価で且つ表示が見易い例
えば圧力計を提供できる利点がある。

尚上述の第４図の実施例では制御回路２１とし
て減算回路を構成する演算増幅器２２と増幅器２
３の２個用いたが、第６図に示すように１つの演
算増幅器２２と抵抗器R₁₄，R₁₅，R₁₆，R₁₇及び基
準電圧源２４によつて演算回路と電圧較回路を構
成することもできる。

尚上述ではこの発明の変位変換器を圧力計に応
用した例を説明したが、その他の応用例として例
えば重量計等にも応用でき、その応用は上述の実
施例に限定されないことは容易に理解できよう。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による変位変換器と組合せて
好適な変位検出器の一例を示す断面図、第２図は
その変位検出器に用いられる固定電極の形状を説
明するための正面図、第３図はその変位検出器の
電気的な構成を説明するための接続図、第４図は
この発明による変位変換器の一実施例を示す接続
図、第５図はこの発明による変位変換器の他の実
施例を示す接続図、第６図は第４図で説明した実
施例の制御回路の部分の他の例を示す接続図であ
る。 C₁：第１可変容量部、C₂：第２可変容量部、
２０：発振器、R₁，R₂：第１、第２可変容量部
の容量値に対応した電気信号を検出する回路、２
１：制御回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ボデイ内にこれと絶縁して、変位に応じて移
   動できるように移動電極が取付けられ、その移動
   電極の一面と対向して第１固定電極がボデイと絶
   縁して取付けられ、その第１固定電極の外側に配
   されて上記移動電極の上記一面の周縁部と内周縁
   部が対向して、第２固定電極が上記ボデイと絶縁
   して配され、その第２固定電極の外周縁部と上記
   移動電極側において対向し、かつこの移動電極と
   電気的に接続されて金属リングが上記ボデイに絶
   縁されて固定され、上記移動電極及び上記第２固
   定電極間に形成され、変位量に対応して容量値が
   変化する可変容量と、上記第２固定電極及び上記
   金属リング間に形成され、変位量に関係なく一定
   の容量値を保持する固定容量とから第１可変容量
   部が構成され、上記移動電極及び上記第１固定電
   極間に形成され変位に対応して容量値が変化する
   第２可変容量部が構成された検出器に対する変位
   変換器であつて、上記第１及び第２可変容量部の
   各一端に直接接続され、これらに出力を印加する
   発振器と、上記第１及び第２可変容量部の各他端
   と上記発振器との間に接続され、第１、第２可変
   容量部の各容量値に対応した電気信号をそれぞれ
   検出する検出回路と、この検出回路によつて検出
   された電気信号が供給され、これらの差が常に一
   定値を保持するように上記発振器の出力の振幅を
   制御する制御回路と、上記検出回路によつて検出
   された電気信号の一方を変位量に対応した信号と
   して取り出す手段とを具備して成る変位変換器。