JPS6140048B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は圧力のような物理量に対応した変位
により静電容量が変化する可変容量コンデンサと
上記変位に応答しない固定容量コンデンサとを備
える変位検出器を用い、変位に直線的に比例した
出力を得るようにした変位変換器に関する。

変位に応答して静電容量が変化する可変容量コ
ンデンサと変位に応答しない固定容量コンデンサ
とを各一個ずつ設けて変位検出器を構成すること
により、その検出器の構造が簡単で安価に作るこ
とができる。しかしこのような検出器により、特
に小型に構成する場合はその可変容量コンデンサ
と固定容量コンデンサとが互に干渉し、つまり固
定容量コンデンサも変位の影響を受けて容量が僅
か変化し、又可変容量コンデンサもその変位に応
答しない固定容量を持つようになる。このため変
位に直線的に比例した出力を変換器より取り出す
ことが困難であつた。

この発明の目的は検出器を安価に簡単に構成す
ることができ、しかも変位に対し直線的に比例し
た出力を得ることができる変位変換器を提供する
ことにある。

この発明によれば変位に応じて容量が変化する
可変容量コンデンサに変位に応答しない固定容量
部を付加し、その固定容量付加可変容量コンデン
サと、変位に応答しない固定容量コンデンサとに
対して交流信号が供給され、これ等コンデンサの
各容量値と対応した第１、第２電気信号が検出さ
れる。これ等第１、第２電気信号の差の第３電気
信号が差回路でとられ、この第３電気信号で前記
第１電気信号又は第２信号を割算することによつ
て変位に比例した信号を得る。

この場合その可変容量コンデンサ中の固定容量
成分と固定容量コンデンサの固定容量との比に対
応して第１電気信号又は第２信号に一定数を掛け
てこれ等信号の差を取るようにする。即ち例えば
固定容量を示す第１電気信号を分割し、その分割
された信号と可変容量コンデンサ中の固定容量成
分の信号とが等しくなるようにし、或いは逆に可
変容量コンデンサに対応した電気信号を増幅し、
その固定容量の成分の信号と固定容量コンデンサ
の信号とが等しくなるようにする。前記割算回路
としてはデユーテイサイクルがその割算値と比例
したパルス列に変換し、その変換出力パルス列を
そのデユーテイサイクルに対応したアナログ信号
に変換するように構成することができる。

次にこの発明による変位変換器を図面を参照し
て説明しよう。この変位変換器に用いられる検出
器は例えば第１図に示す構造をしている。軸が短
かい円筒状のボデイ１１の一方の端板１２の中心
部に開口１３が開けられ、この開口１３はダイヤ
フラム１４で塞がれる。ダイヤフラム１４はボデ
イ１１の外部より被測定物量、例えば圧力Ｐを受
ける受圧要素として作用するものである。

ボデイ１１内においてダイヤフラム１４と対向
した移動電極１５が配され、移動電極１５の中心
及びダイヤフラム１４の中心は連結軸１６で互に
連結され、ダイヤフラム１４の変位に応じて移動
電極１５が変位するようにされている。連結軸１
６と移動電極１５とは電気的に互に絶縁されてい
る。移動電極１５と同心的にその外側に金属リン
グ１７が配される。金属リング１７はボデイ１１
内に固定された絶縁部材１８と端板１２側に固定
されたリング状絶縁部材１９とにより挾まれて保
持される。金属リング１７に移動電極１５が板ば
ね２１により連結されて移動電極１５は金属リン
グ１７に対し、その軸方向に変位できるように保
持されている。

絶縁部材１８の移動電極１５と対向する面に、
その移動電極１５と対向して固定電極２２が形成
され、更に固定電極２２と同心的にその外側にリ
ング状固定電極２３が形成されている。固定電極
２２は金属リング１７の一部とも対向している。
従つてこれ等間には固定の静電容量が存在してい
る。固定電極２３は金属リング１７のみと対向し
て固定容量コンデンサを構成している。金属リン
グ１７の外周縁部は絶縁部材１８側に突出してリ
ング状突条２４が一体に形成され、固定電極２
２，２３と移動電極１５及び金属リング１２との
間に間隙が構成される。

ボデイ１１の他方の端板２６の外側にダイヤフ
ラム２７が配され、この周縁部はボデイ１１に固
定される。端板２６の中心部に孔２８が貫通され
この孔２８と連結された孔が絶縁部材１８に貫通
されており、ボデイ１１には例えばシリコン油の
ような非圧縮性液が封入され、ダイヤフラム１４
の変位によるボデイ１１内の容積の変化がダイヤ
フラム２７により吸収され、又封入液２９の温度
変化にともなう膨張収縮がダイヤフラム２７によ
り吸収されるように構成されている。移動電極１
５に対する端子３１、固定電極２２，２３に対す
る端子３２，３３がそれぞボデイ１１よりこれと
電気的に絶縁されて気密端子として外部に導出さ
れている。金属リング１７と固定電極２３とが構
成する固定容量コンデンサの静電容量を C₁＝C₀ (1) とし、移動電極１５及び金属リング１７と固定電
極２２との間で構成される可変容量コンデンサの
静電容量をC₂とし、その場合金属リング１７及
び固定電極２２の間の静電容量をC₀とし、かつ
移動電極１５の変位Δｄが０の状態における移動
電極１５及び固定電極２２間の容量をC₀とし、
その変位０における移動電極１５及び固定電極２
２間の間隔をd₀とすると、次の関係式が成り立
つ。

C₁＝C₀ (1) C₂＝C₀＋C₀ｄ_０／ｄ_０−Δｄ (2) これ等(1)式及び(2)式、つまり固定容量コンデン
サの静電容量C₁と可変容量コンデンサの静電容
量C₂との差に対応した電気信号を取り出すと、
その電気信号はｄ_０Ｃ_０／ｄ_０−Δｄと比例する。この
信号は 変位Δｄの成分が分母にあるためその出力は変位
に対して非直線特性となる。

従つてこの発明の変位変換器においては出力は
変位に対して直線的に比例する出力を取り出す。
第２図はこの発明による変位変換器の一例を示
す。第１図に示した検出器３４の金属リング１７
及び固定電極２３間の固定容量コンデンサ３５
と、移動電極１５及び固定電極２２間の固定容量
部３６及び金属リング１７と固定電極２２間の固
定容量部３７よりなる可変容量コンデンサ３８が
存在している。固定容量コンデンサ３５及び可変
容量コンデンサ３８に対して発振回路３９よりの
交流信号が印加され、固定容量コンデンサ３５の
静電容量C₁及び可変容量コンデンサ３８の静電
容量C₂に対応した電気信号が取り出される。

例えば固定容量コンデンサ３５及び可変容量コ
ンデンサ３８の一端は発振回路３９の一端に接続
され、固定容量コンデンサ３５の他端はダイオー
ド４１を通じ、更にコンデンサ４２及び抵抗器４
３の並列回路を通じて発振回路３９の他端に接続
され、又ダイオード４１と逆極性のダイオード４
４を通じ、更にコンデンサ４５、抵抗器４６の並
列回路を通じて発振回路３９の他端に接続され
る。可変容量コンデンサ３８の他端はダイオード
４７を通じ、更にコンデンサ４８、抵抗器４９の
並列回路を通じて発振回路３９の他端に接続さ
れ、又ダイオード４７と逆極性のダイオード５１
を通じ更にコンデンサ４５及び抵抗器４６の並列
回路を通じて発振回路３９の他端に接続される。
ダイオード４４及び５１は同一極性とされてい
る。

従つて発振回路３９の交流信号はコンデンサ３
５，３８に印加され、固定容量コンデンサ３５を
流れる電流はダイオード４１で半波整流され、コ
ンデンサ４２にて平滑される。可変容量コンデン
サ３８を流れる電流はダイオード４７で半波整流
され、コンデンサ４８にて平滑される。今固定容
量コンデンサ３５及び可変容量コンデンサ３８の
各リアクタンスは抵抗器４３，４９の各抵抗値に
対して十分大きいとすると、発振回路３９の振幅
をＶ、角周波数をωとすると、ダイオード４１流
れる電流i₁及びダイオード４７を流れる電流i₂は
それぞれ次の式となる。

i₁＝aVωC₁ (3) i₂＝aVωC₂ (4) ａは定数であつて半波整流の場合１／ｎである。抵 抗器４３，４９の各抵抗値をそれぞれR₁，R₂と
すると、これ等抵抗器４３，４９の各両端に得ら
れる直流電圧e₁及びe₂は次の(5)式及び(6)式とな
る。

e₁＝R₁i₁ (5) e₂＝R₂i₂ (6) このようにして固定容量コンデンサ３５の静電容
量C₁に比例した信号e₁と、可変容量コンデンサ３
８の静電容量C₂に比例した信号e₂とが得られる。
これ等信号e₁及びe₂の差が差回路５２より検出さ
れる。差回路５２においては例えば抵抗器４３の
両端間に得られた信号e₁及び抵抗器４９の両端間
に得られた信号e₂はそれぞれ抵抗器５３及び５４
を通じて演算増幅器５５の反転入力端及び非反転
入力端にそれぞれ供給される。演算増幅器５５の
非反転入力側は抵抗器５６を通じて共通電位点５
７即ち発振回路３９及び抵抗器４３，４９の接続
点に接続される。演算増幅器５５の反転入力端及
び出力端は帰還抵抗器５８を通じて互に接続され
る。抵抗器５３，５８，５４，５６の抵抗値をそ
れぞれR₄，R₅，R₆，R₇とし、R₄＝R₆＝kR₅＝kR₇
（ｋ乗数）とする差回路５２の出力e₃は e₃＝１／ｋ（e₂−e₁） (7) となる。この差信号e₃によつて信号e₁，e₂の一方
例えばe₁を割算回路５９により割算する。割算回
路５９は例えば電圧デユーテイサイクル変換回路
６１でｅ_１／ｅ_２にデユーテイサイクルが比例したパル
ス が作られ、そのパルスを平滑回路６２で平滑する
ように構成することができる。電圧デユーテイサ
イクル変換回路６１は例えば信号e₁が演算増幅器
６３の非反転入力側に供給され、差回路５２より
の信号e₃は抵抗器６４、スイツチ６５を通じて演
算増幅器６３の反転入力側に供給される。抵抗器
６４、スイツチ６５の直列回路と並列にコンデン
サ６６が接続される。演算増幅器６３の反転入力
側はスイツチ６５と逆に制御されるスイツチ６７
を通じ、更に抵抗器６８を通じて共通電位点５７
に接続される。スイツチ６５及び６７は演算増幅
器６３の出力により互に逆に制御される。演算増
幅器６３はヒステリシスを持つように構成され
る。

差回路５２の出力信号e₃はスイツチ６７がオン
の時コンデンサ６６を充電し、スイツチ６５がオ
ンの時、そのスイツチ６５及び抵抗器６４を通じ
てコンデンサ６６が放電される。演算増幅器６３
の出力パルスのデユーテイサイクルをＤとすると
コンデンサ６６に充電される電圧の平均値はDe₃
となり、これと演算増幅器６３の他方の入力e₁と
が平衝するように動作する。

De₃＝e₁即ちＤ＝ｅ_１／ｅ_３ (8) となる。(8)式に(3)〜(7)式の関係を代入すると次の
ようになる。

Ｄ＝ｅ_１／〓（ｅ_２−ｅ_１）＝ｋＲ_１ａＶωＣ_１／Ｒ_２
ａＶω（Ｃ_２−Ｃ_１） ＝ｋ×K₁Ｃ_１／Ｃ_２−Ｃ_１ (9) この(9)式に(1)式及び(2)式を代入すると、 こゝでK₁＝Ｒ_１／Ｒ_２、Ｋ＝ｋ×K₁である。

この(10)式より分かるように演算増幅器６３の出
力パルスのデユーテイサイクルＤは変位検出器３
４の移動電極の変位Δｄに比例したものとなる。
演算増幅器６３の出力パルス列はデユーテイサイ
クル電圧変換回路６２により電圧信号に変換され
る。即ち電圧E₁の固定電源６９の一端は共通電
位点に接続され、他端は演算増幅器６３の出力パ
ルスによつて制御されるスイツチ７１を通じて抵
抗器７２の一端に接続され、抵抗器７２の他端は
コンデンサ７３を通じて共通電位点に接続され
る。つまり演算増幅器６３の出力パルスによつて
電源６９の一定電圧E₁がそのデユーテイサイク
ルによつて断続され、これが抵抗器７２及びコン
デンサ７３によつて平滑され、コンデンサ７３の
両端には演算増幅器６３の出力パルスのデユーテ
イサイクルＤに比例した電圧e₄が得られる。

このように電圧に変換された信号e₄は必要に応
じて電圧電流変換回路７４で電流に変換され、２
線式伝送路に送出される。例えば抵抗器７２及び
コンデンサ７３の接続点は抵抗器７５を通じて演
算増幅器７６の非反転入力端に接続され、演算増
幅器７６の反転入力端は抵抗器８０を通じて共通
電位点５７に接続され、出力側はトランジスタ７
７のペースに接続される。トランジスタ７７のコ
レクタは２線式伝送路の一方の伝送路の一端７８
に接続され、エミツタは抵抗器７９を通じて共通
電位点５７に接続され、更に共通電位点５７は電
流検出抵抗器８１を通じて２線式伝送路の他方の
伝送線の一端８２に接続される。この接続点は抵
抗器８３を通じて演算増幅器７６の非反転入力側
に接続される。２線式伝送路の各一端７８，８２
はそれぞれ伝送線８４，８５を通じ電源８６及び
負荷８７の一端に接続され、電源８６及び負荷８
７の各他端は互に接続される。トランジスタ７７
のコレクタ及び伝送線の一端７８の接続点は電源
回路８８に接続されて、これにより必要な定電圧
が得られ、各回路の動作電圧として与えられる。
抵抗器８１を流れる電流をI₀、その抵抗器の抵抗
値をR₀とすると、演算増幅器７６の作用によつ
てR₀I₀＝e₄となるように動作する。但し抵抗器７
５及び８３の抵抗値は互に等しく選ばれている。

C₄＝（１−Ｄ）E₁であるから、 I₀＝１／Ｒ_０（１−Ｄ）E₁ ＝１／Ｒ_０〔KE₁Δｄ／ｄ_０＋（１−Ｋ）E₁〕 となる。このようにして最終出力電流I₀が演算増
幅器５５，６３，７６等やその他回路部分に対す
る電流値も含むがそれ等の電流値の変動に無関係
に変位Δｄにのみ比例した電流となる。

先の説明においては第１図及び第２図の固定容
量コンデンサ３５の容量と、可変容量コンデンサ
３８の固定容量部３７の容量とが等しいとした。
しかしこれ等を等しいように設計しても実際に組
込んだ場合においては等しくならない場合があ
る。このようなずれを正しく補正するには次のよ
うにすればよい。例えば固定容量コンデンサ３５
の容量値C₁と可変容量コンデンサの固定容量部
３７の容量C₂₀とがC₁＝C₂₀＝nC₀でｎ＞１の場
合、第３図に示すように固定容量コンデンサ３５
の容量に対応した電圧e₁を分圧回路８９により分
圧してｅ_１／ｎとして演算増幅器５５に供給すれば良 い。この場合は Ｄ＝ｋｅ_１／ｅ_２−〓＝ｋＲ_１ａＶωＣ_１／Ｒ_２ａＶ
ω（Ｃ_２０＋Ｃ_Ｘ−Ｃ_２０） ＝kKＣ_１／Ｃ_Ｘ＝kKn（１−Δｄ／ｄ_０） となる。こゝでＣ_Xは可変容量コンデンサ３８の
可変容量部３６の容量である。このようにして変
位に比例したデユーテイサイクルのパルスが得ら
れ、従つてこれを変位に応じた電圧、電流を得る
ことができる。

このように信号e₁を分圧する代わりに信号e₂を
増幅してne₂としても良い。例えば第４図に示す
ように信号e₂を増幅器９１でｎ倍してne₂として
演算増幅器５５に供給しても良い。この場合は次
のようになる。

Ｄ＝ｋｅ_１／ｎｅ_ｅ−ｅ_１＝ｋＲ_１ａＶωＣ_１／Ｒ_２
ａＶω（Ｃ_１＋ｎＣ_Ｘ−Ｃ_１） ＝kKｎＣ_０／ｎＣ_Ｘ＝kK（１−Δｄ／ｄ_０） 従つて変位Δｄに比例した出力を得ることがで
きる。尚これ等の場合においてｎ＜１場合は先の
e₁，e₂の関係を逆にしてe₂を分圧し、或いはe₁を
増幅するようにすれば良い。

或いは第５図に示すように電流検出用抵抗器８
１及び伝送線の一端８２の接続点と共通電位点５
７との間に分圧抵抗器９２を接続してその分圧出
力を帰還抵抗器９３を通じて演算増幅器５５の反
転入力側に抵抗器５４を通じて帰還してその帰還
量を選定することにより非直線性を補正すること
もできる。何れにしても演算増幅器５５において
その固定容量コンデンサ３５の容量と可変容量コ
ンデンサ３８の固定容量３７の容量とが互に差し
引かれるようにされる。

以上述べたようにこの発明による変位変換器に
よれば変位検出器として第１図に示すように積極
的に可変容量コンデンサ部分に固定容量成分を加
えることにより、その移動電極１５の移動にもと
ずき固定容量コンデンサ３５の容量が影響されな
いようにすることができ、それだけ製造が簡単と
なり、しかも小型に作ることができる。このよう
に構成されたものに対して固定容量コンデンサと
可変容量コンデンサとの容量差と、固定容量コン
デンサ或いは可変容量コンデンサの容量との比に
対応した出力を得ることによつて変位に比例した
出力が得られる。

尚上述においては差信号e₃によつて固定容量コ
ンデンサ３５の変換信号e₁を割算したが、差信号
e₃によつて可変容量コンデンサの変換信号e₂を割
算しても変位Δｄに比例した出力を得ることがで
きる。

又第３図〜第５図について説明したように固定
容量コンデンサの容量と可変容量コンデンサの固
定容量成分とが一致しない場合には第３図〜第５
図に示したようにして補償することができる。こ
の考えより明らかなように第１図において固定電
極２２を移動電極１５のみと対向させて構成し、
その場合移動電極と固定電極２２との間の可変容
量とリング１７及び固定電極２３間の固定容量と
の間に相互干渉が起きて、その可変容量コンデン
サに固定容量成分が付加された場合に、第３図〜
第５図のようにしてそれに影響されることなく変
位に比例した出力を得るようにすることもでき
る。つまりこの発明は第１図に示すように固定電
極の一部２２をリングと対向させて可変容量コン
デンサに積極的に固定容量を付ける場合に限ら
ず、可変容量コンデンサに自動的に固定容量が付
加される場合にも適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による変位変換器に用いられ
る変位検出器の一例を示す断面図、第２図はこの
発明による変位変換器の一例を示す接続図、第３
図〜第５図はそれぞれ一部変形例を示す接続図で
ある。 ３４：変位検出器、３５：固定容量コンデン
サ、３８：可変容量コンデンサ、３９：発振回
路、４３：固定容量コンデンサの容量に対応した
信号が得られる抵抗器、４９：可変容量コンデン
サの容量に対応した信号が得られる抵抗器、５
２：差回路、５９：割算回路、６１：電圧デユー
テイサイクル変換回路、６２：デユーテイサイク
ル電圧変換回路、７４：電圧電流変換回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 変位に応じて静電容量が変化する可変容量コ
   ンデンサ及び上記変位に応答しない固定容量コン
   デンサを持つ変位変換器において、上記可変容量
   コンデンサに付加した、変位に応答しない固定容
   量部と、上記可変容量コンデンサ及び固定容量コ
   ンデンサを励振する発振回路と、上記可変容量コ
   ンデンサ及び固定容量コンデンサの各容量に応じ
   た第１及び第２電気信号を検出する検出回路と、
   これ等検出された第１電気信号及び第２電気信号
   の差をとつて上記両コンデンサの相互干渉を除去
   した第３電気信号を得る差回路と、上記第１信号
   及び第２信号の一方を上記第３信号で割算する割
   算回路とを具備する変位変換器。