JPS6351250B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は変位に応じてインピーダンスが変化
する可変インピーダンス素子及び上記変位に応動
しない固定インピーダンス素子をもつ変位変換器
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なうこと
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第１図に示すように
筒状容器１０１の両端に受圧要素として例えばダ
イヤフラム１０２，１０３が設けられ、この受圧
ダイヤフラム１０２，１０３間を連結軸１０４で
結合し、連結軸１０４の中央に移動電極１０５を
取付け、移動電極１０５を挾んでその両側に固定
電極１０６，１０７が容器１０１から絶縁されて
保持され、移動電極１０５と一方の固定電極１０
６との間の容量値及び移動電極１０５と他方の固
定電極１０７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１０２と
他方の受圧ダイヤフラム１０３とに掛る圧力の差
を測定するようにしている。容器１０１の一方の
端板の内面に固定電極１０６が形成された絶縁部
材１０８が対接され、その絶縁部材１０８の固定
電極１０６側の面の周縁部に、リング１０９、移
動電極１０５を保持した板バネ１１１、リング１
１２が重ねられ、更に固定電極１０７が形成され
た絶縁部材１１３が重ねられ、この絶縁部材１１
３と容器１０１の他方の端板を構成する蓋１１５
との間に抑えバネ１１４が介在されて容器１０１
内の各部材が固定される。

このように従来の容量式差圧検出器は中央の移
動電極１０５に対し左右対称の構造となつてい
る。移動電極１０５及び一方の固定電極間を調整
すると、移動電極１０５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。
ま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。

このような点より変位に応じて静電容量が変化
する可変容量部と、変位に応動しない固定容量部
とをもつ変位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
式検出器は変位に対する出力が非直線的になる欠
点があり、また出力が比較的小さいものとなる。

従つてこの発明の目的は、対称構造ではなく、
比較的製造し易く、しかも変位に対する出力が直
線的であり、かつ比較的大きな出力が得られる変
位変換器を提供することにある。

この発明によれば、変位に応じて変化する可変
インピーダンス素子及び前記変位に応動しない固
定インピーダンス素子をもつ変位変換器におい
て、前記可変インピーダンス素子及び固定インピ
ーダンス素子に電源の出力が供給され、可変イン
ピーダンス素子及び固定インピーダンス素子にそ
れぞれ得られる電気信号の差が差検出回路で検出
され、また上記可変インピーダンス素子にそれぞ
れ得られる電気信号の和が和検出回路でとり出さ
れ、この和検出回路の出力の前記差検出回路の出
力に対する比を演算して変換器の出力とされる。
後で詳細に説明することから理解されるが、上記
構成により変位に直線的に比例した出力が得ら
れ、また比較的大きな出力が得られる。

次にこの発明による変位変換器の実施例につい
て図面を参照して説明しよう。先ずこの変位変換
器に用いられる単一容量式検出器の例を第２図に
ついて説明する。

この変位検出器は容器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。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は絶縁材８及び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と対向する絶縁材９の面に
は固定電極１０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１
１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１
０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に接
続される。絶縁材９及び容器１の他端側の閉塞面
１５には貫通孔１６が形成され、閉塞面１５の外
側にダイヤフラム１７が張られる。つまり移動電
極５及び金属リング７と固定電極１０，１１が形
成された面で囲まれる空間に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
面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をダイヤ
フラム１７の膨縮によつて吸収する。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。

変位検出器をこのように構成することにより移
動電極と固定電極との間の初期ギヤツプは単に移
動電極５と固定電極１０との間のギヤツプを調整
するだけで済み調整が容易である。換言すれば従
来の差動容量式変位検出器によれば第１図に示し
たように移動電極の両側に固定電極が配置される
ため一方のギヤツプを調整すると、他方のギヤツ
プも変化するので調整が面倒であつた。このため
差動容量式変位検出器は各部品を精度よく作り移
動電極が固定電極間の中心に取付けられるように
しなければならない。このために製造コストが高
くなり全体として高価なものとなつている。

然るにこの第２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
めに安価に作ることができる。

ところで第２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素子は第３図に示すように表
わすことができる。第３図においてC₁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
量素子を示し、C₂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素
子を示す。可変容量素子C₂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C_X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C_S2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である
とし、固定容量素子C₁の容量をC₁、可変容量素
子C₂の容量をC₂、移動電極５の変位がゼロの状
態においてC₁＝C_X＝C_G2＝C₀とし、移動電極５と
固定電極１０との間の初期ギヤツプを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、 C₁＝C₀ (1) C₂＝C₀＋C₀d₀／d₀−Δd (2) となる。よつて固定容量素子C₁の容量C₀と可変
容量素子C₂の容量C₀＋C₀d₀／d₀−Δdとの差を電気信 号としてとり出すと、その電気信号はC₀d₀／d₀−Δd 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との関係は非
直線となり、表示が読取り難くなる欠点が生じ
る。

この発明ではこのような場合、２つの容量の差
C₁−C₂に対応した電気信号で、２つの容量の和
C₁＋C₂に対応した電気信号を除算することによ
り、測定圧力Ｐ、従つて変位に対して直線的に変
化する電気出力が得られるようにされる。第４図
はこの発明の一実施例を示し、変位検出器１８は
第２図で説明した変位検出器を用いた場合であ
る。変位検出器１８の端子１２−１３間及び１２
−１４間には第３図で説明した固定容量素子C₁
と可変容量素子C₂と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の間に電
源としての高周波発振器２０の出力端子を接続
し、固定容量素子C₁−ダイオードD₁−抵抗器R₁
とから成る直列回路と、可変容量素子C₂−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
定容量素子C₁と可変容量素子C₂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、固定容量素子C₁及び可変容量素子C₂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
は固定容量素子C₁と可変容量素子C₂の各容量値
にそれぞれ比例した直流電圧e₁とe₂とが発生す
る。尚変位検出器１８の端子１３，１４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固定容量素
子C₁及び可変容量素子C₂に正の半サイクルに充
填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〜R₃に発生する半波整流電圧
を平滑するようにしている。

この実施例においては固定容量素子C₁の容量
値に比例した電気信号e₁と可変容量素子C₂の容量
値に比例した電気信号e₂との差の電気信号e₂−e₁
を差検出回路２１でとり出し、また和検出回路２
２で前記電気信号e₁とe₂の和をとり出す。演算回
路２３においてこの和電気信号e₂＋e₁を差電気信
号e₂−e₁で割算して変換器出力を得る。

第４図における差検出回路２１、和検出回路２
２及び演算回路２３は例えば第５図に示すように
構成される。抵抗器R₁，R₂の両端に得られた電
気信号e₁，e₂はそれぞれ抵抗器R₄，R₅を通じて
演算増幅器２５の反転入力側及び非反転入力側に
それぞれ供給され、その非反転入力側は抵抗器
R₆を通じて共通電位点１９に接続され、反転入
力側は抵抗器R₇を通じて演算増幅器２５の出力
側に接続されて演算増幅器２５の出力側に差電気
信号e₃＝e₂−e₁が得られる。また電気信号e₁，e₂
はそれぞれ抵抗器R₈，R₉を通じてヒステリシス
特性をもつ比較器２６の非反転入力側に接続され
る。従つてこの非反転入力側に和電気信号e₄＝e₂
＋e₁が得られる。これら差電気信号e₈及び和電気
信号e₄が電圧デユテイサイクル変換回路２７で
e₄／e₈に比例したデユテイサイクルＤのパルス列
に変換される。即ち演算増幅器２５の出e₈はコン
デンサe₆を通じて比較器２６の反転入力側に供給
され、コンデンサC₆と並列にスイツチ２８及び
抵抗器R₁₀の直列回路が接続される。また比較器
２６の反転入力側はスイツチ２９、抵抗器R₁₁の
直列回路を通じて共通電位点１９に接続される。
スイツチ２８，２９は比較器２６の出力パルスに
より逆にオン、オフ制御される。

発振器２０は角周波数ω、最大振幅Ｅの正弦波
発振器とし、容量素子C₁，C₂の各インピーダン
スと比較して抵抗器R₁，R₂の各抵抗値が充分小
さいとすると、容量素子C₁，C₂にそれぞれ流れ
る電流はダイオードD₁，D₂で整流され、更にコ
ンデンサC₃，C₄で平滑されそれぞれ i₁＝aEωC₁ i₂＝aEωC₂ (3) の直流電流に変換される。ａは整流平滑定数であ
る。抵抗器R₁，R₂の抵抗値をR₁、R₂とするとこ
れらの抵抗器R₁，R₂の両端にそれぞれ直流電圧
e₁，e₂が発生する。

e₁＝R₁i₁ e₂＝R₂i₂ (4) 抵抗器R₄，R₅，R₆，R₇の各抵抗値R₄、R₅、
R₆、R₇をR₄＝R₅＝kR₆＝kR₇とすると（ｋは定
数） e₃＝１／ｋ（e₂−e₁） (5) となり、また抵抗器R₈，R₉の抵抗値が互に等し
いとすると、 e₄＝１／２（e₂＋e₁） (6) となる。変換回路２７は比較器２６の両入力が等
しくなるように動作するため、比較器２６の出力
パルスのデユテイサイクルをＤとすると、コンデ
ンサC₆に充電される電圧の平均値De₃はe₄と平衡
する。従つてDe₃＝e₄ Ｄ＝e₄／e₃ (7) となる。(7)式に(3)、(4)、(5)、(6)の各式を代入し、
その際にR₁＝R₂＝Ｒとすると、 Ｄ＝e₄／e₃＝ｋ／２・e₂＋e₁／e₂−e₁＝ｋ／２・RaEω
（C₂＋C₁）／RaEω（C₂−C₁） 更にこの式に(1)、(2)式を代入すると、 ∴Ｄ＝ｋ／２・2C₀＋C₀d₀／d₀−Δd／C₀d₀／d₀−Δd ＝ｋ／２（３−2Δd／d₀） (8) となり、比較器２６の出力パルスのデユテイサイ
クルＤは検出器１８の受圧膜の変位Δdの２倍で
直線的に比例する。この比較器２６の出力パルス
は次段のデユテイサイクル電圧変換回路３１でそ
のデユテイサイクルに応じた直流電圧に変換さ
れ、更に必要に応じて電圧電流回路３２をへて出
力電流に変換される。

デユテイサイクル電圧変換回路３１は比較器２
６の出力パルスで駆動されるスイツチ３３とその
スイツチ３３でチヨツピングされる一定電圧E₁
の電圧源３４と、抵抗器R₁₂及びコンデンサC₇の
低域通過波器３５とにより構成される。波器
３５の平滑出力e₅はデユテイサイクルＤに比例す
る値となり、更にこの平滑出力e₅は電圧電流変換
回路３２で出力電流I₀に変換される。

電圧電流変換回路３２では平滑出力e₅は抵抗器
R₁₃を通じて演算増幅器３６の非反転入力側に供
給され、演算増幅器３６の反転入力側は抵抗器
R₁₅を通じて共通電位点１９に接続され、出力側
はトランジスタ３７のベースに接続される。トラ
ンジスタ３７のコレクタは端子３８に接続され、
エミツタに抵抗器R₁₅を通じて共通電位点１９に
接続され、共通電位点１９は電流検出用抵抗器
R₀を通じて端子３９に接続される。この端子３
９は抵抗器R₁₄を通じて演算増幅器３６の非反転
入力側に接続されて抵抗器R₀の両端電圧が演算
増幅器３６の非反転入力側に帰還されて、トラン
ジスタ３７のエミツタに電圧e₅に比例した電流が
流れる。端子３８，３９は２線式伝送路を構成す
る線路４１，４２を通じて電源４３、負荷４４の
各一端に接続され、電源４３及び負荷４４の各他
端は互に接続される。端子３９には電源回路４５
が接続されて電源回路４５で得られた電圧が各演
算増幅器、比較器などに動作電圧として印加され
る。

和電圧e₄＝e₂＋e₁を得るには例えば第６図に示
すように、抵抗器R₁，R₂のダイオードと反対側
を共通の抵抗器R₁₇を通じて共通電位点１９に接
続し、この接続点に得られた電圧をバツフア回路
４６を通じて比較器２６へ供給するようにしても
よい。

以上述べたようにこの発明の実施例によれば単
一容量式変位検出器を用いて変位に直線的に比例
した出力が得られる。なお第７図に示すように差
検出回路２１の出力e₃＝e₂−e₁を差動増幅器４７
で電源４８の一定電圧との差を検出し、その出力
に応じて発振器２０の出力振幅を制御し、e₂−e₁
が一定値になるようにし、その時の抵抗器R₁又
はR₂の電圧e₂又はe₂を取出せば変位に比例した出
力が得られる。この場合は出力e₁又はe₂は（３−
Δd／d₀）となり、(8)式に示したこの発明の実施例の 場合よりも出力が小さなものになる。つまりこの
発明によれば第７図に示すものよりも大きな出力
が得られ、つまり感度がよく、かつ同一感度の場
合はそれだけ変位Δd及び容量変化量を小さくで
き、従つて小形に構成できる。しかも第７図の場
合は電源４８の電圧を一定にしなければ出力が変
動する欠点もある。

この発明の容量式検出器に対するのみならずス
トレインゲージ式検出器にも適用できる。その例
を第８図に示す。即ち変位により抵抗値が変化す
るストレインゲージR₁₈の一端は抵抗器R₂を通じ
て共通電位点１９に接続され、変位に応動しない
固定の低抗値をもつ抵抗器R₁₉の一端が抵抗器R₁
を通じて共通電位点１９に接続される。ストレイ
ンゲージR₁₈及び抵抗器R₁₉の他端は定電圧源４
９の出力側に接続されてストレインゲージR₁₈及
び抵抗器R₁₉が駆動される。ストレインゲージ
R₁₈と並列に抵抗器R₂₀が接続される。抵抗器R₁
及びR₁₉の接続点に抵抗器R₁₉の抵抗値と対応し
た電圧e₁が得られ、抵抗器R₂及びストレインゲ
ージR₁₈の接続点にストレインゲージR₁₈の抵抗
値R_Sと対応した電圧e₂が得られるようにする。こ
れら電圧e₁，e₂は第５図に示した場合と同様に処
理される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の差動容量式変位検出器を示す断
面図、第２図は単一容量式変位検出器の一例を示
す断面図、第３図はその電気的構成を説明するた
めの回路図、第４図はこの発明による変位変換器
の原理を示す図、第５図はその具体例を示す接続
図、第６図はこの発明の他の例を示す接続図、第
７図は改良前の変位変換器を示す接続図、第８図
はこの発明をストレインゲージ式検出器に適用し
た例を示す接続図である。 C₁：固定容量素子、C₂：可変容量素子、１
８：変位検出器、２０：発振器、２１：差検出回
路、２２：和検出回路、２３：演算回路、２７：
電圧デユテイサイクル変換回路、３１：デユテイ
サイクル電圧変換回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 変位に応じて変化する可変インピーダンス素
   子及び上記変位に応動しない固定インピーダンス
   素子をもつ変位変換器において、上記可変インピ
   ーダンス素子及び固定インピーダンス素子に出力
   を供給する電源と、上記可変インピーダンス素子
   及び上記固定インピーダンス素子の各インピーダ
   ンスに応じた電気信号をそれぞれ検出する回路
   と、これら検出された両電気信号の差に対応した
   差電気信号を検出する差検出回路と、上記両電気
   信号の和に対応した和電気信号を検出する和検出
   回路と、上記和電気信号の上記差電気信号に対す
   る比を演算して変換出力とする演算回路とを具備
   する変位変換器。