JPS6236087Y2

JPS6236087Y2 -

Info

Publication number: JPS6236087Y2
Application number: JP1980052947U
Authority: JP
Priority date: 1980-04-17
Filing date: 1980-04-17
Publication date: 1987-09-14
Also published as: JPS56153815U

Description

【考案の詳細な説明】この考案は例えば被検出圧力に応じて変位を発
生させ、その変位を静電容量の変化として検出す
る変位検出器、特に上記変位に応動して静電容量
が変化する単一の可変容量部及び変位に応動しな
い比較用の固定容量部を具備する単一可変容量式
検出器に関する。

工業計測の分野においては、圧力、温度、流量
が主たる測定要素であり、流量測定にも差圧式流
量計のように圧力差を利用して流量を検出するも
のがあり、全体として差圧検出器は非常に多く用
いられていた。この差圧検出器として、従来の力
平衡方式と異なつて、入力変位に対して帰還を掛
けないオープンループ方式の電子式差圧検出器
は、構造が比較的簡単でかつ高精度が得られるた
め、主流になりつつある。この電子式差圧検出器
としては、差動容量式、差動ストレインゲージ式
のものがある。先に述べたように、圧力測定を行
うことが多く、いわゆるゲージ圧は大気圧を基準
とした圧力であつて、その測定は大気圧と被測定
圧との差圧を差圧検出器で検出することにより行
なわれている。

従来の容量式差圧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
れら受圧ダイヤフラムが連結軸で結合され、その
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との間の
容量値、及び移動電極と他方の固定電極との間の
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。

このように従来の容量式差圧検出器は中央の移
動電極に対し左右対称の構造となつている。移動
電極及び一方の固定電極間を調整すると、移動電
極と他方の固定電極との間が変化するため、調整
がやりにくいものであつた。このように対称構造
のものを高い寸法精度で作ることは高度な工作技
術を必要とした。

このような点より圧力と対応した変位に応じて
静電容量が変化する可変容量部と、その変位に応
動しない静電容量をもつ比較用の固定容量部とを
備えた圧力検出器が提案されている（これを単一
容量式検出器と呼ぶ）。この単一容量式検出器は
移動電極に対して対称構造にする必要がなく、製
造が比較的簡単となる。しかし、この単一容量式
検出器はその可変容量部及び固定容量部が同一面
に、同心的に構成されていた。このためその容量
形成部の面積が大きくなる。同一変位に対して容
量の変化が大きい程、検出器に接続される変換器
に対して有利となる。大きい容量変化とするため
には移動電極及び固定電極との対向面積を大きく
することが考えられるが、この点からも従来のも
のは大型になる欠点があつた。

この考案の目的は比較的小型にして、しかも比
較的大きい容量をもつようにすることができる単
一容量式変位検出器を提供することにある。

この考案によれば移動電極の移動方向において
電極と対向する固定電極を設けるのみならず、前
記移動方向とほゞ直角な方向においてもその移動
電極と対向して固定電極を設ける。移動方向と直
角な方向において設けられた固定電極及び移動電
極間の容量は移動電極の変位に拘らず一定容量と
なる固定容量部を構成し、この固定容量部は比較
用に用いられ、又は可変容量部と並列に接続され
て非直線補償用とされる。

次に図面を参照して説明する。先ず従来の単一
容量式変位検出器を第１図について述べる。

本体を構成する容器１の一端側に孔２が形成さ
れ、孔２に受圧膜３が張られる。容器１内におい
て受圧膜３には連結軸４を介して移動電極５が取
付けられる。移動電極５の周縁はバネ材６を介し
て金属リング７に支持される。金属リング７はリ
ング状絶縁体８及び板状絶縁体９によつて容器１
内に絶縁されて保持される。移動電極５及び金属
リング７と対向する絶縁体９の面には固定電極１
０と１１が被着形成される。固定電極１０は円板
形状とされ、その周縁は金属リング７と対向する
位置にまで延長される。固定電極１１はリング状
に形成され、円板状固定電極１０の外側に同心的
に形成される。このリング状固定電極１１は金属
リング７とだけ対向する。金属リング７とリング
状固定電極１１及び円板状固定電極１０とにはリ
ード線が接続され、このリード線が容器１の外に
導出され、端子１２，１３，１４にそれぞれ接続
される。絶縁体９及び容器１の他端側の閉塞板１
５には貫通孔１６が形成され、閉塞板１５の外側
にダイヤフラム１７が対向して配され、その周縁
が容器１に固定される。貫通孔１６と対向して絶
縁体９にも貫通孔が形成される。容器１内には例
えばシリコン油のような非圧縮性液体を封入す
る。この封液は貫通孔１６を通じて、ダイヤフラ
ム１７と容器１の閉塞板１５で囲まれる空室に連
通され、移動電極５が移動したときの容器１内の
空間の容積変化がダイヤフラム１７の膨張収縮に
よつて吸収される。また温度変化による封液の膨
縮に対しても応動するように構成したものであ
る。

この第１図で説明した変位検出器によれば構造
が簡単であり製造及び調整も容易であるため安価
に作ることができる。

ところで第１図で説明した変位検出器の移動電
極５及び金属リング７と固定電極１０，１１との
間で形成される容量部は第２図に示すように表わ
すことができる。第２図において３１は金属リン
グ７と固定電極１１との間で形成される固定容量
部を示し、３２は移動電極５及び金属リング７と
固定電極１０との間で形成される可変容量部を示
す。可変容量部３２は移動電極５と固定電極１０
との間で形成される可変容量部３３及び金属リン
グ７と固定電極１０との間で形成される固定容量
部３４との並列回路によつて構成される。こゝで
各電極間の対向面積が互に等しくS₀であり、固定
容量部３１の容量をC₁、可変容量部３２の容量
をC₂、可変容量部３３及び固定容量部３４の各
容量部をそれぞれCx及びCs₂、移動電極５の変位
がゼロの状態においてC₁＝Cx＝Cs₂＝C₀とし、
移動電極５と固定電極１０との間の初期空隙を
d₀、受圧膜３に圧力Ｐが与えられたとき移動電極
５がΔｄ変位したとすると、 C₀＝C₀ (1) C₂＝C₀＋C₀ｄ_０／ｄ_０−Δｄ (2) となる。よつて固定容量部３１の容量値C₀と可
変容量部３２の容量C₀＋C₀ｄ_０／ｄ_０−Δｄの差を電気
信号としてとり出すと、その電気信号はC₀ｄ_０／ｄ_０−Δ
ｄに従つて変化する。このように圧力Ｐによる変位
Δｄが、出力電気信号を表わす前記式の分母に来
るため圧力Ｐに対する前記電気出力の関係は非直
線となり、表示が読取り難くなる。

しかし、この問題は第３図に示すように回路的
に解決できる。

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１２−１３間
及び１２−１４間には第２図で説明した固定容量
部３１と可変容量部３２がそれぞれ接続される。
変位検出器１８の端子１３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１４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１２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３１
−ダイオードD₁−抵抗器R₁とから成る直列回路
と、可変容量部３２−ダイオードD₂−抵抗器R₂
とから成る直列回路とのそれぞれの両端間に交流
信号を印加する。従つて固定容量部３１と可変容
量部３２を流れる交流信号はダイオードD₁とD₂
によつてそれぞれ半波整流される。固定容量部３
１及び可変容量部３２の各インピーダンスがそれ
ぞれ抵抗器R₁及びR₂の各抵抗値より充分大きけ
れば、抵抗器R₁とR₂には固定容量部３１と可変
容量部３２の各容量値にそれぞれ比例した直流電
圧が発生する。変位検出器１８の端子１３と１４
にはダイオードD₁，D₂とは逆向きのダイオード
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R₈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R₈とから成る回路によつて固
定容量部３１及び可変容量部３２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〜R₈に発生する半波
整流電圧を平滑するようにしている。

固定容量部３１と可変容量部３２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２
３とにより構成される。つまり抵抗器R₁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に接
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。こゝで抵抗器
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の出力側には抵抗器R₁
とR₂にそれぞれ発生した直流電圧の差電圧が得
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。

固定容量部３１及び可変容量部３２の各容量に
応じて得られた各電気信号の和を取り出す。即ち
抵抗器R₁及びR₂に得られた直流電圧e₁及びe₂は抵
抗器R₈及びR₈′をそれぞれ通じて演算増幅器２５
の反転入力端子へ供給される。直流電圧e₁及びe₂
の和に比例した和電圧が演算増幅器２５の出力側
に得られ、これによりトランジスタ２６が制御さ
れる。トランジスタ２６のコレクタエミツタは二
線式伝送路２７−２７を通じて遠隔地点にて設け
られた受信器２８に接続される。演算増幅器２５
の非反転入力端子側には抵抗器R₁₀及びR₁₁により
一定のバイアス電圧が与えられ、抵抗器１１の抵
抗器１０と反対側は摺動抵抗器VR₁の可動子に接
続される。共通電位点１９及び伝送路２７との間
に直列に挿入された電流検出用抵抗器R₁₈と並例
に摺動抵抗器VR₁が接続される。

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R₁とR₂に発生する電圧e₁とe₂の差が
e₂−e₁＝e₃となりe₃＝E₀となるように固定容量部
３１と可変容量部３２の各容量値、または抵抗器
R₁，R₂の抵抗値を選定する。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３２の
可変容量値Cxが大となる。よつて抵抗器R₂に流
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変位する。つまり演
算増幅器２２の出力電圧e₃はe₃＋Δｅだけ正方向
に上昇する。このため増幅器２３の出力は−ＡΔ
ｅ（Ａは増幅器２３の利得）となり負方向に偏倚
し発振器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R₁とR₂
に発生する電圧e₁とe₂は共に低下しその差e₂−e₁
＝e₃がe₃＝E₀となる状態で安定する。

こゝでは説明を簡略化するために抵抗器R₁と
R₂の抵抗値は等しくR₀とする。抵抗器R₁とR₂に
発生する電圧をそれぞれe₁及びe₂とする固定容量
部３１と可変容量部３２の容量リアクタンスがそ
れぞれ抵抗器R₁とR₂の抵抗値R₀に対して大きい
場合には、発振器２０の出力電圧をＥ、角周波数
をωとすると次の(3)式が成り立つ。

e₁＝ωEC₁R₀，e₂＝ωEC₂R₀ (3) こゝで次の(4)式を演算して見る。

ｅ_１＋ｅ_２／ｅ_２−ｅ_１＝ωＥＲ_０（Ｃ_１＋Ｃ_２）／
ωＥＲ_０（Ｃ_１＋Ｃ_２）＝Ｃ_１＋Ｃ_２／Ｃ_２−Ｃ_１(4) (4)式にC₂＝C₀＋Cx、及び(1)，(2)式の関係を代
入すると次のようになる。

e₂−e₁は一定値E₀に制御されているから(5)式は
次のようになる。

e₁＋e₂＝E₀（３−２Δｄ／ｄ_０） (6) この(6)式に示す出力が演算増幅器２５の出力と
して得られる。この出力は２Δｄに比例したもの
となり、つまり、変位Δｄの２倍に直線的に比例
した出力となる。この出力は、トランジスタ２６
及び電流検出用抵抗器R₁₃の演算増幅器２５に対
する帰還作用により電流に変換され、つまり二線
式伝送路２７を流れる電流I₀がe₁＋e₂により制御
されることになる。

以上述べたように１個の可変容量部３２と、比
較用の固定容量部３１とを設ければ圧力Ｐに直線
的に比例した出力を取出すことができ、しかもそ
の構造が第１図に示したように、対称形でないた
め製造し易い。しかし可変容量部３２の固定電極
１０と、固定容量部３２の固定電極１１とは同一
平面で同心的に設けられていた。このためこれら
固定容量部３１、可変容量部３２の容量C₁，C₂
を大きくするには、電極間間隔を狭くすることに
限度があるため固定電極１０，１１の面積を大き
くすることになり、大型になる欠点があつた。

第４図はこの考案による変位検出器の一例を示
し、第１図と対応する部分には同一符号を付けて
ある。この実施例においてはリング状固定電極１
１は移動電極５の周面と対向して配置され、つま
り移動電極５の移動方向と直角方向において移動
電極５と対向するように配置される。このため絶
縁体９に移動電極５と対向して凹部２９が形成さ
れ、その凹部２９の内周面に固定電極１１が形成
される。凹部２９に移動電極５の一部が位置さ
れ、移動電極５の周面と固定電極１１とが近接対
向される。第４図ではこの固定電極１１と移動電
極５との対向面積を大にするため移動電極５には
軸方向のフランジ部５ａを形成し、そのフランジ
部５ａの外周面に固定電極１１が形成された場合
である。

なおこの例では受圧要素としてダイヤフラムで
はなくベローズ３６を用いたが、第１図に示した
場合と同様にダイヤフラムとしてもよい。またば
ね材６を連結軸４の近くまで延長し、ばね材６及
び移動電極５を重ねて、連結軸４にナツト３７で
締付けて固定している。その際に絶縁リング３
８，３９及び８により移動電極５及びばね材６は
連結軸４から電気的に絶縁される。ばね材６も第
１図に示した構造としてもよい。更に容器１の受
圧側の端板４１は別体に構成され、絶縁体９、金
属リング７、絶縁体８を順次、容器１内に収容し
た後、端板４１が蓋され溶接される。絶縁体８及
び端板４１間に押えばね４２が介在されて絶縁体
８は閉塞板１５側に偏倚される。端板４１の内面
中央部は移動電極５側に突出し、その突部はリン
グ状絶縁体８内に位置してリング状絶縁体８の内
周面と接するようにされる。

第５図はこの考案による圧力検出器の他の例を
示し、この場合は固定電極１０の外周縁部が凹部
２９の内周面にまで折曲げ延長される。この凹部
２９の内周面の固定電極と移動電極５との間に、
移動電極５の変位に無関係な第２図中の固定容量
３４と対応する容量が構成され、これが固定電極
１０及び移動電極５間の可変容量３３と並列に接
続されることになる。金属リング７の絶縁体８側
の外周縁にリング状突状４４が一体に形成され、
その突条４４の内側においてこれと接触すること
なく、絶縁体８にリング状固定電極１１が金属リ
ング７と対向して形成される。この固定電極１１
及飯金属リング７間の容量が比較用固定容量を構
成する。

以上述べたようにこの考案による変位検出器に
おいては、移動電極５の変位に無関係な固定容量
が移動電極５の周面と対向して形成されるため、
その分だけ第１図に示したものと比較して可変容
量用の固定電極１０の面積を広くすることがで
き、それだけ変換器におけるSN比を大きくする
ことができる。また可変容量部の面積を大きくす
る必要がない場合は、検出器の半径方向の大きさ
を小さくすることができる。なお変位方向におけ
る寸法は第１図に示したものよりも大きくなる
が、この方向の寸法は変位と直角方向の寸法より
も小さいため設計の余裕度が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の変位検出器を示す断面図、第２
図はその固定容量部３１及び可変容量部３２の電
気的接続を示す図、第３図は第１図に示した検出
器を用いて変位に直線的に比例した出力を得る例
を示す接続図、第４図はこの考案による変位検出
器の一例を示す断面図、第５図はその他の例を示
す断面図である。１：本体としての容器、３：受圧ダイヤフラ
ム、５：移動電極、１０，１１：固定電極、３
１：固定容量部、３２：可変容量部、３６：受圧
ベローズ。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

検出すべき変位に応じて移動する移動電極と、
その移動電極と対向した固定電極とをもつ単一容
量式変位検出器において、上記移動電極の移動方
向及びこれとほゞ直角な方向においてその移動電
極とそれぞれ対向して上記固定電極が設けられて
いることを特徴とする単一容量式変位検出器。