JPS587534A - 線形容量性圧力変換装置 - Google Patents

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】 本発明は、容量性圧力変換装［Ｋ関し、特に、圧力に対
する出力域ＥＥ＃性の直線性に秀れた変換装置に関する
。

本発明の譲受人に譲渡された、キヨング．パーク（　Ｋ
ｙｏｎｇ　Ｐａｒｋ　）　Ｑ：）米国特許第４，２２７
，４１９号（　１９８０年ｌＯ月１４日公布）の明細書
に開示されている容量性圧力変換装置は、ｔ１！ほ一定
か、あるいはゆっくりと変化する基準コンデンサ、およ
び気密空間を間に設けて、近接的に離間され、かつ対向
的に配置された、２９の導電金属プレートを有する可変
コンデンサを備えており、かつこのうち少くともｌりの
導電プレートが、可とり性の振動板上に取付けられてい
ることにより、この可変コンデンサのキャパシタは、圧
力が変化するにつれて、プレート間隔の変化に応じて、
変化するようになりている。

上記特許に開示されているような装置では、双安定マル
チパイブレータ，あるいはフリップ・アロツブは、基準
コンデンサおよび可変コンデンサの充電時間によって制
御される２つの状態のそれぞれにおける時間とともに、
先ず基準コンデンサの充電、次に可変コンデンサの充電
に応答して作動スる。マルチバイブレータが発生する方
形波型の出力は、検出されて、出方電圧が可変コンデン
サのキャパシタンスが増加するのに従って、圧力増加に
伴って増加するように、積分される。

また、上記特許にみられる型の圧力変換装置の直線性は
、相当に秀れているが、補償しないと、広範の圧力範囲
における直線性に、わずかな屈曲、すなわちずれが生じ
る。

本発明の主な目的は、上記の型の宮量性圧力変換装置の
直線性、すなわち圧力対出力電圧特性を改良することに
ある。

本発明によると、上記の直線性からのずれを軽減するた
め、出方電圧を出す電子回路部品から出力を帰還させて
、充電電流レベルを増分的に変化させたシ、ある％／−
ｈｒｉ、コンデンサ回路部品の切換基準レベルを増分的
κ変更することができる。

このため、例えば、圧力に対する出カ電ＥＥ４＄性に、
わずかに上向き、すなわちなか高の曲線かわる場合は、
出力側から抵抗性の帰還路を接続して、Ｍｔｊｌｈコン
ｆンサの充電を助けるようにする。

この帰還路がもたらす増分関数は、指数、すなワチ、可
変コンデンサのキャパシタンスで割った、基準コンデン
サのキャパシタンスの比率の平方根であることが、数学
的分析かられかっている。そのため、帰還抵抗器の極性
と大きさとを適切にすることによって、屈曲した指数特
性で、補償されていない出力電圧のわずかに対向的に屈
曲した特性を補償することができる。

同様に、抵抗型帰還回路を、出力回路部品から、充電さ
れる２つのコンデンサのいずれかと関連する比較回路の
、基準電圧点に接続すると、連続的なそりを有する電圧
因子が発生するため、帰還抵抗器の極性と大きさとを適
切にすれは、直線性を修正することができる。

本発明による修正回路部品は、先ず出力特性の連続的な
曲がりを認識し、抵抗型帰還回路網が打力電圧助成の連
続的曲がりが、未補正特性の直線性からの基本的ずれに
対してオフセットしているか否かを判定し、それにより
、簡単な抵抗型帰還回路を用いて、直線的な出力を得る
ことがで色る。

本発明のその他の目的、特徴および利点は、以下の詳細
な説明、および添付図面から明らかとなろう。

第１図および第２図は、それぞれ、上記米国特許第４．
＊ｚ７，１ｈ１９号の縞４図および第８図に類似してい
る。

特に第１図に示すように、コンデンサ（Ｃ−Ｐ）嫁、圧
力変化に応じてキャパシタンスが変化スる圧力可変コン
デンサである。このコンテンｔｎ、例えば上記の米１ｊ
Ｊ特許に記載されている型のものでよい。

コンデンサ（Ｃ−Ｒ８）と（Ｃ−ＲＥ）とを並列的に組
合せたものとして、第１図に示されている基準コンデン
サ（第２図では単一のコンデンサ（Ｃ−Ｒ）として°示
しである）のキャパシタンスは、一定か、あるいはコン
デンサ（Ｃ−Ｐ）の変化と比較して、ごく少量だけ変化
する。

基準コンデンサは、実除は、コンデンサ（Ｃ−Ｐ）と同
じ構成体内に装着されるが、そのキャパシタンスが圧力
変化によって相当程羅変見られない位置に装着されてい
る。このため、例えば、可変コンデンサと同じ構成体上
に取付けられているが、可変キャパシタンスの一部を形
成する導電被覆が取付けられている振動板の周囲、また
は法線周囲を越えた位置に取付けられている、対向的に
離間した導電被覆によって、基準コンデンサを形成する
ことができる。

なお、印刷およびワードプロセス作業の便宜上、例えば
、圧力可変コンデンサ等のある種の部品については、ｒ
ＰＪ　を下げて書く代りＫ、ｒｃＪ　とｒＰＪとの間に
ダッシュを入れて示しである０１個またはそれ以上の基
準コンデンサと関連する周波数発生＠四、周波数発生器
■、位相検出器兼周波数・電圧変換器（至）、演算増幅
器（至）、およびリード線翰上の可変出力電圧を、周波
数変化するリード線−上の信号に変換する回路（財）を
、概略的に第１図に示す。

可変抵抗器（Ｒ−Ｆ）を有する抵抗型帰還回路■は、ス
イッチμｓｉｔ介して一方の極性と結合されるか、ある
鱒はスイッチ−を介して、童−増幅器（ト）の片側から
得られる他の極性と結合されるものとして、第１図に概
略的に示されている。

第２図に詳細を示すように、帰還回路を用いることによ
り、一方のコンデンサの充電電流を変更したり、あるい
は、一方のコンデンサ回路がスイッチ作用を開始する基
準レベルを変化させることができる。

なお、第１図および第２図のダッシュ線ブロック０４は
、基準コンデンサと圧力可変コンデンサとを、単一の位
置、または単一の基板上に装着して、圧力可変コンデン
サ（Ｃ−Ｐ）に対する基準コンデンサ（Ｃ−Ｒ）の比率
を外部で釣合わせるめんどうな１揚、および熱変化によ
って生じるキャパシタンスの狂いを肪止することを示し
て−る０第２図に示す一流源一は、スイッチ（至）の制
御下において、可変コンデンサ（ｃ−ｐ）または基準コ
ンデンサ（：Ｃ−Ｒ）のいずれかに、充電電流を供給す
る。スイッチ０８）は、フリップ・フロップ、すなわち
双安定マルチ・バイブレータ顛の制御下で作動される。

基準コンデンサ（Ｃ−Ｒ）が充電されていると仮定する
と、比較検出器（４４）に至るリード線（４２上に形成
されるような、予定の電圧レベルに達する時に、信号が
リード線（４６）に伝達されて、フリップ・フロッグ（
４０）の状態を変える。このため、電流源（３６）から
の電流が、基準コンデンサ（Ｃ−Ｒ）ではなく、圧力可
変コンデンサｃｃ−ｐ）を充電するべく流れるように、
スイッチ（至）の状態が変わる。

可変コンデンサｃｃ−ｐ）が、比較検出器５０）に至る
リード線（梠で決定されるような、予定の基準レベルま
で充電されると、スリップ・フロップ（４０）に至るリ
ード線ｔ５２上に、出力信号が送られて、フリップ・フ
ロップ顛の状態を変える。この作用によって、スイッチ
弼の状態が逆転し、電流は、再度基準コンデンサ（Ｃ−
Ｒ）　’ｌｅ充電するように流れる。

フリップ・フロップ（４ｆ）から、リード線６４）を通
って渡れる出力の波形は、５６）で示すように方形また
は矩形であるが、パルス列に含まれている正および負の
パルスの長さまたは持続時間は、コンデンサ（Ｃ−Ｐ）
および（Ｃ−Ｒ）のキャパシタンスに左右される。すな
わち、圧力および可変コンデンサｃｃ−ｐ）のキャパシ
タンスが増加するのに従って、コンデンサ（ｃ−ｐ）の
′電圧をプリセットレベルにするための、基準電圧レベ
ルにするまでの充電時間が長びき、また可変コンデンサ
（ｃ−ｐ）の充電作用に左右される、フリップ・フロッ
プ（４０１のサイクルが部分的に長くなる。

は、ここからの出力を、ゆつくシ変化する直流レベルに
変換する。その結果、演算増幅器（財）に至るリード線
ＬｆＪ２１にある信号の振幅は、コンデンサ（ｃ−ｐ）
のキャパシタンスの変動に応じて変化する。

従って、第３図の特性線−で示すように、最後の演算増
幅器（６６）の出力は、圧力変化に応じて、はぼ直線的
に変化する正の電圧となる。この特性線（６８）は、い
く仕上刃に曲がっているが、この曲が９は、第３図の圧
力に対する電圧特性線關上の２点（′７２１（７４）間
に引いた、真直ぐなダッシュ線（７０と比較すると、よ
く分かる。

この直線性からのずれは、かなり小遣いとは云え、萬精
度の用途に対しては、所望のものよりはるかに大きいた
め、以下に説明する帰還回路部品で、このずれを相当程
度まで補償するようにする。

次に、使用し得る帰還回路について説明する。、最初の
回路は、帰還抵抗器間であるが、これは、スイッチ（７
滲によって、出力端子σｅおよび端子（′？勅の間に接
続されているため、スイッチ（３８１ヲ介して、電流源
（３６）から流れる電流と並列的に、基準コンデンサ（
Ｃ−Ｒ）を充電する。

帰還抵抗器σりがない場合の出力電圧（Ｖ。）の数式は
、上記の米国特許第４，２２７，４１９号の明細書の第
４欄に見られる式（１）と、いく分似かよっている次式
（１）で表わされる０ 式中、ｂｌおよびす、は定数であり、またＶｅｃは、回
路への供給電圧である。

また式（１）ヲ少し修正すると、次のようになる。

式中、工ｐおよびＩＲは、それぞれ可変コンデンサｃｃ
−ｐ）および（Ｃ−Ｒ）の充電電流である。

基準コンデンサ（Ｃ−Ｒ）の充電を助けるべく、ＲＦＢ
Ｉで示す帰還抵抗器０２を出力側から設置すると、電流
ＩＲは次の式で表わされる。

式中、ＲＩは帰還抵抗器の抵抗を表わす。

式（３）を式（４）Ｋ加えて、■を解くと、付加的な帰
還電流が行う助成度を示す伝達式は、次のように式（４
）は指数式であり、圧力可変コンデンサに対する基準コ
ンデンサの比率の平方根を意味している。平方根関数は
、直線に対して下方に湾曲し工いるが、これは、第３図
の未補償特性線が、わずかに上方に湾曲していることと
対照的である。

従って、適切量の補償電流を出し得る適切な値を持つよ
うに、帰還コンデンサ（ＲＦＢＩ）（第２図参照）の値
を選択すると、式（４）と式（２）とを組合せれば、は
ぼ真直ぐな特性線が得られる。実際は、数多くの帰還コ
ンデンサを使用し、また特性線を直線化する適切な抵抗
値を選択したとはいえ、上記のような直線特性が得られ
ることは、第２図の可変帰還コンデンサ（７２が示して
いる。

キャパシタンスが、６０乃至９０ピコフアラツド範囲内
において、１５あるいは２０ピコフアラツドまで変化す
る可変コンデンサ、これと同程度の性能を有する基準コ
ンデンサ、および例えば米国モトローラ（Ｍｏｔｏｒｏ
ｌａ）社の部品番号ＣＣＦ７４１６のよ’）な集積回路
チップを用いたところ、４メグオ一ム程度の帰還抵抗値
で、直線化が相当向上することが判った。

第４図のプロット＠りは、直線性からのずれ、すなわち
「最適」な直線からのずれを示すが、これは、未補償変
換器の特性である。しかし、抵抗器σのを加えて補償す
ると、特性線ｆ８４）で示すように、直線性からのずれ
は非常に小さくなる。

百分率で表わすと、補償済みの特性線（財）の直線誤差
は０．０７６％であるのに比べ、未補償特性線の直線誤
差は、１．０９４％であった。これは、直線性かけた違
いに大幅に改善されたこと、すなわち１５倍以上まで改
善されたことになる。

抵抗器＠６）およびスイッチ（ハ）を含む、上記に代る
帰還路は、演算権幅器（財）の出力側にある端子（９０
）から、比較検出器（４４）に接続されたリード線（４
２）に基準入力電圧を与える端子（９２１まで、延びて
いる。ちなみに、演算増幅器（６４１からの出力と、演
算増幅器（６６）からの出力との間で、極性が逆になっ
ていることに留意されたい。このため、帰還を１極性に
したい場合には、端子□□□を使用し、一方、他の極性
にしたい場合には、端子（７６）を使用することができ
る。

この代りに、別ｏｍ増幅器を端子（９０）に接続して、
帰還回路と出力回路との間で起こｐうる相互作用を防ぐ
ことができるが、これらは、正常な回路条件下では、は
ぼ等価とみなされる。

次に、抵抗器（８６）ヲ介する帰還効果を考えてみると
、数学的分析から、得られる式は次のようになることが
判かる。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）こ
の式を見ると、帰還抵抗器（ＲＦＢ−）が存在しないか
、あるいは抵抗値が無限大に等しいとする場合、分母に
おける抵抗器（ＲＦＢ−）の項がなくなって、式が式（
１）に示す形に戻ることが判かる。

しかし抵抗器（ＲＦＢ−）が有限値を持つとすると、項
は圧力可変コンデンサの逆数を２乗したものに々る。そ
のため、出力端子（７６）から正帰還させるとすると、
なか高の特性線を表わすようになる。端子（７６）に対
して逆の極性を有する端子（９０）から帰還させると、
下方に曲った成分が導入されて、曲がりが補正される。

補正の規模に関し、例えば、帰還抵抗器（８６）として
、５キロオーム抵抗器を用いたところ、第４図に示すよ
うな補正特性線（１０２）が得られた。この特性線の直
線からの最大ずれは、０．１６３％であり、これは、未
補償装置の１．０９４％の最大ずれ率より、約６．７倍
改善されたことになる。

念のため、表１および表Ｈに、一定基準コンデンサ、お
よび上記の米国特許に見られる型の、振動板型圧力可変
コンデンサ（但し、小型の二次可変コンデンサを除く）
を用いた場合の、種々の王カレペルにおける、出力電圧
の読みを示す。

表１は、抵抗器（７２）を含む一流帰還装置に関し、表
■は、帰還抵抗器（８６）を用いる電圧帰還回路に関す
る。さらに、２．３の場合における実電圧値の下側のか
っこ内に、「最適」直線からの電圧偏差値を示す。

上記のように、帰還抵抗器（７２１を使用して、端子（
７８）に電流を帰還させること、および抵抗益田な使用
して、基準電圧レベルを変えて、端子嬶に帰還させるこ
とについて説明したが、これらの場合においては、未補
償出力特性線が、圧力変化と共に上方に曲がるものとし
、また所望量下方に湾曲して、所望の大きさを持つよう
に、帰還助成度を選択して、この上方へのそりを補正す
るものとした。

ある型の圧力変換器の特性線は、未補償時において、上
記のように上方に湾曲する代りに、下方に湾曲すること
が考えられる。

このような場合は、例えば、スイッチ（１ｏａ）によっ
て、出力端子ｆｆ［９から端子（１０８）に至る回路に
接続されて、可変コシデンサ（Ｃ−Ｐ）を充電するため
の追加の電流を送る、帰還抵抗器（１０４）等の、異な
る補償手段が必要となる。

同様に、帰還抵抗器およびスイッチ（１１２）　ｔ−介
して、出力端子σｅから端子６１’ａ（比較検出器（財
）への切換レベルが得られる）へ、電圧を供給すること
によって、未補償状態にある時は下降、すなわち下方に
湾曲している特性線に、上方に湾４曲する補償因子を与
えるようにする。

第２図には、帰還抵抗器を可変抵抗器として示し、ま九
スイッチによって回路接続されるものとして示しである
。

同じ効果を有するこれら２つの回路を、組合わる所望の
抵抗レベルを決定し、また単一の固定抵抗器を常設的に
接続して、所望の補償を行うようにする。

好ましい補償用帰還抵抗回路配置は、端子−および６１
１４の間に接続された抵抗器−によって示されるもので
ある。

以上、本発明の詳細な説明したが、これらの説明および
関連図面は、単に本発明の特定実施例を例示するものに
すぎない。

本発明の一例として、２個の帰還回路を組合わせて用い
ることも可能であるが、これに限定され可変コンデンサ
と組合わせて用いることにょ〕、圧力応答コンデンサの
キャパシタンス変化に応じて、変イヒする直流電圧を発
生させることができ、さらに他の変形回路を用いること
もできる。

従って本発明は、ここに例示され、かつ記載されている
事項に一定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理を示す概略的ブロック線図であ
る。 第２図は、本発明により装置を直線化する種々の帰還路
を示す詳細な回路図である。 第３図は、未補償の容量性圧力変換装置の圧力に対する
出力電圧特性を示すプロットである。 第４図は、未補償の容量性圧力変換装置及び補償済変換
装置の直線からのずれの程度を比較して示すプロットで
ある。 ｃｃ−ｐ）圧力可変コンデンサ （Ｒ−Ｆ）可変抵抗器 （Ｃ−Ｒ）（Ｃ−Ｒ８）（Ｃ−ＲＥ）基準コンデンサ（
支）Ｃ１萄周波数発生器　　（ロ）位相検出・周波数側
Ｂ漬器（至）演算増幅器　　　　■電圧信号変換回路−
−リード線　　　　（至）抵抗性帰還回路μｓ）−スイ
ッチ　　　　（財）ブロック（至）電流源　　　　　　
弼スイッチ ー双安定マルチ・バイブレータ（クリップ・フロップ）
（４３人カリード線　　　（財）比較検出器〒リードｓ
　　　　　鏝比較検出器 Ｉクリート線　　　　　Ｉ４１鏝演算増幅器關特性曲線
　　　　　σｅ一点ダッシュ線σり帰還抵抗器　　　　
＠点 σａスイッチ　　　　　Ｃ４）点 σｅ出力端子　　　　　σ樽端子 ＩＢａ（財）特性線　　　　　弼抵抗器（ハ）スイッチ
　　　　　ａＩａ′ｉ５端子（１０２）　！性腺　　　
　　（１０４）帰還抵抗器（ｌＯ６）スイッチ　　　　
（ｔｏｓ）端子（１ｔｏ）抵抗器　　　　　（１１２）
スイッチ（ｖ＠＠）供給電圧　　　　（Ｖ・）出力電圧
（Ｉｐ）（Ｉｉ＋）充電電流 Ｆｉ＋１　（ｋＰ久） Ｊｉす、４ 斤−ｆＩ（トＰ久） 手続補正書（自発） 昭和５７年８月１０日 特許庁長官　若杉和夫殿 １、事件の表示 昭和５７年特　許願第１０９６７３　　号２、発明の名
称　　線形容量性圧力変換装置３、　補正をする者 事件との関係　特許用１１Ａ人 ４、代理人 ５　補正命令の日付　自発 ６、補正により増加する発明の数−ｍ：＼りｍ−７、補
正の対象 明細書全文 ８　補正の内容 別紙の通り ｉ］　　正　明　　　　細　　　　書 １発明の名称 線形容量性圧力変換装置 ２特許請求の範囲 （１）印加圧力に応じて変化するキャパシタンスを有す
る主要可変コンデンサと、 はぼ一定のキャパシタンス、あるいは圧力変化に応じて
、相対的に少量だけ変化するキャパシタンスを有する基
準コンデンサと、 可変および基準コンデンサを充放電し、かつ可変コンデ
ンサのキャパシタンスが変化ｆる時に、可変信号を出丁
べく、コンデンサと連動する回路と、 コンデンサ連リリ回路に結合されて、圧力変化に応じて
ほぼ直線状に変化するが、補償されていない場合ＶＣハ
連沈的に曲がって、直線かられずかにずれるようになる
山力醸圧を発生する出力回路 とを具・画する頻形谷亘性圧力変換装置で夕って、出力
信号の一部をコンデンサ連動回路に帰環させることによ
って、直線性からのわずかなずれをほぼ補償するような
極性と大きさとを有する増分出力を与えるようにした手
段を備えていることを特徴とする変換装置。 （２）コンデンサ連動回路が、 可変コンデンサに予定電流を充電して、予定の基準電圧
レベルにし、また予定の基準電圧レベルに達した時に、
第１タイミング信号を出す可変コンデンサ連動型第１回
路と、 基準コンデンサに予定電流を充電して、予定の基準電圧
レベルにし、また予定の基準電圧レベルに達した時に、
第２タイミング信号を出す、基準コンデンサ連動型第２
回路と、 電流源と、 電流源からの電流を、可変コンデンサおよび基準コンデ
ンサに交互に導くスイッチと、第１および第２タイミン
グ信号に応答して、スイッチの状態を変え、かつこれを
反転させて電流の流れを変える双安定回路を有し、−か
つ帰還手段か、出力端から、コンデンサと連動する第１
および第２回路のうちの少くとも一力に接続されて、少
くとも一方のコンデンサの充電時間を、増分的に変化さ
せるようにしであることを特徴とする特許請求の範囲第
（１）項に記載の線形容量性圧力変換装置。 （８）出力回路が、双安定回路からパルス出力を受取っ
て、これを直流の電気信号に変換する検出・積分回路、
およびこの直流電気信号を増幅して、圧力変化に応じて
ほぼ直線状に変化するが、補償されない場合は、はぼ連
続的に曲がって、直線かられずかにずれるようになる、
出力信号を出す手段を有することを特徴とする特許請求
の範囲第（２）項に記載の線形容量性圧力変換装置。 （４）帰還手段が、装置の出力電圧の変化に従って、少
くとも一方のコンデンサの充電電流を増分変化させる手
段を有することを特徴とする特許請求の範囲第（１）項
に記載の線形容量性圧力変換装置。 （６）帰還手段が、装置の出力電圧の変化に従って、少
くとも一力のコンデンサが充電される基準レベルを増分
的に変化させる手段を有することを特徴とする特許請求
の範囲第（１）項に記載の線形容量性圧力変換装置。 （６）帰還手段が、純粋に抵抗性の帰還路を有すること
を特徴とする特許請求の範囲第（１）項に記載の線形容
量性圧力変換装置。 （７）基準コンデンサおよび可変コンデンサを、同一の
支持体上に装着することによって、熱変動を最小にする
ようにしであることを特徴とする特許請求の範囲第（１
）項に記載の線形容量性圧力変換装置。 （８）帰還手段が、装置の出力電圧の変化に従って、少
くとも一力のコンデンサへの充電電流を、増分的に変化
させる手段を有することを特徴とする特許請求の範囲第
（２）項に記載の線形容量性圧力変換装置。 （９）帰還手段が、装置の出力電圧の変化に従って、少
くとも一力のコンデンサが充′ｄされる基準電圧レベル
を変化させる手段を有することを特徴とする特許請求の
範囲第（２）項に記載の線形容量性圧力変換装置。 ３、発明の詳細な説明 本発明は、線形容量性圧力変換装置に関し、特に、圧力
に対する出力電圧特性の直線性に秀れた変換装置に関す
る。 本発明の譲受人に譲渡された、キヨング、パーク（Ｋｙ
ｏｎｇ　Ｐａｒｋ）の米国特許第４，２２７，４１９号
（１９８０年１０月１４日公布）の明細二錠に開示され
ている容量性圧力変換装置は、はぼ一定か、あるいはゆ
っくりと変化する基準コンデンサ、および気密空間を介
して、近接的に離間され、かつ対向的に配置された、２
つの導電金属プレートに有する可変コンデンサを伽えて
おり、かつこのうち、少くとも１つの導′嶋プレートが
、可悦性の振動板上に取付けられていることにより、こ
の可変コンデンサのキャパシタンスが、圧力の変化に伴
なうプレート間隔の友化に応じて、変化するようになっ
ている。 上記特許に開示されているような装置でに、双安定マル
チバイブレータ、すなわちフリラグ・フ−ラグ回路は、
先ず基準コンデンサの充電、次に可変コンデンサの充電
に応答して作動し、その隙、マルチバイブレータの２つ
の状態の時間が、基準コンデンサおよび可変コンデンサ
の充一時間によって制御される。 マルチバイ、プレーグが発生する方形波型の出力は、検
出され積分されて、圧力の増大とともに可変コンデンサ
のキャパシタンスが増加するのに従って、出力電圧が増
大する。 また、上記特許にみられる聾の圧力変換装置の直線性は
、相当に秀れているが、広範の圧力範囲における直線性
に、わずかな屈曲、すなわちずれが生じるので、補償を
する必豐がある。 本発明の主な目的は、上記の型の容量性圧力変換装置の
直線性、すなわち圧力射出カッ電圧特性を改良すること
にある。 本発明によると、上記の直線性からのずれを軽淑するた
め、出力電圧を発生する電子回路から出力１に帰還させ
て、充電電流レベルを増分的に変化させたり、あるいに
、コンデンサ回路部品の切換基準レベルを、増分的に震
災することができる。 このため、゛例えば、圧力に対する出力電圧特性に、わ
ずかに上向き、すなわち高の曲線がある場合は、出力側
から抵抗性の帰還路を接続して、基準コンデンサの充電
を助けるようにする。 この帰還路がもたらす増分関数は、可変コンデンサのキ
ャパシタンスで害Ｕりた、基準コンデンサのキャパシタ
ンスの比率の平方根を含む指数関数であることが、数学
的分析かられかっている。そこで、帰還抵抗器の極性と
大きさとｔ適切にすることによって、湾曲した指数特性
をもって、補償されていない出力・−圧のわずかに反対
向きに湾曲した特性を補償することができる。 同様に、抵抗型帰還回路を、出力回路から、充電中の２
つのコンデンサのいずれかと関連する比較回路の基準電
圧点に接続すると、連続的な曲率含有する電圧因子が発
生するため、帰還抵抗器の極性と大きさとを適切にすれ
ば、直線性を、修正することかで龜る。 本発明による修正回路部品は、先ず出力特性の連続的な
曲率を把握し、抵抗型帰還回路網が行う出力電圧への影
響を分析し、次に、これら出方電圧助成の連続的な曲率
が、未補正特性の直線性からの基本的ずれに対してオフ
セットしているが否かを判定し、それにより、簡単な抵
抗型帰還回路を用いて、直線的な出力を得ることができ
る〇本発明のその他の目的、特徴および利点は、以下の
詳細な説明、および添付図面から明らかとなろう。 ＝１図および第２図は、それぞれ、上記米国特許第４，
２２７，４１９号の第４図および第８図に類似している
。 特に第１図により分か°るように、コンデンサ（ＣＰ）
は、圧力変化に応じてキャパシタンスが変化する圧力可
変コンデンサである。このコンデンーサは、例えは上記
の米国特許に記載されている型式のものでよい。 コンデンサ（ＣＲ８）と（Ｃｉｇ）と全並列的に組合せ
たものとして、第１図に示されている基準コンデンサ（
縞２図では単一のコンデンサ（ＣＲ）として示しである
）のキャパシタンスは、圧力の変化に対して一定か、あ
るいはコンデンサ（ＣＰ　）の変化と比較して、ごく少
蓋だけ変化する。 基準コンデンサは、実際は、コンデンサ（Ｃ，）とと同
じ構成体内に装置されるが、そのキャパシタンスが圧力
変化によってあまり変化することのないような位置に装
着されている。そのため、例えば、可変コンデンサと同
じ構成体上に取付けてもよいが、可変コンデンサの一部
を形成する等″＃Ｌ被覆がなされている振動板の周囲、
またはその外側の位置に取付けられた、離間する導電被
板によって、基準コンデンサを形成することができる。 １個またはそれ以上の基準コンデンサと関連する周波数
発生器（転）、周波数発生器Ｑ荀、位相検出器兼周波数
・電圧変換器α６）、演算増幅器（ト）、およびリード
線−上の可変出力・−圧な、周波数変化するリード線−
上の信号に変換する回路−を、概略的に第１図に示す。 可変抵抗器（Ｒｒ）’ｆｅ　＊する抵抗型帰還回路−は
、極性の向きに応じて、スイッチ■又はスイツチーを介
して、反転増１−器（四の入出力のいずれがの側に接続
されている様子が、第１図に概略的に示されている。 第２図に詳細に示すように、帰還回路を用いることによ
り、一方のコンデンサの充電電流を変更したり、あるい
は、−力のコンデンサ回路がスイッチ作用を開始する基
準レベルを変化させることができる。 なお、第１図および第２図の破線で示すブロック（３４
）は、基準コンデンサと圧力に応じて変化する可変コン
デンサとｔ１単一の位置、または単一の基板上に装着し
て、圧力可変コンデンサ（ＣＰ）に対する基準コンデン
サ（ＣＲ）の比率を外部から調整する面倒な工程、およ
び熱変化によって生じるキャパシタンスの狂いを、防止
することを示している。 第２図に示す電流源０６）は、スイッチμｓ）の制御下
におい１、可変コンデンサ（ＣＰ）または基準コンデン
サ（ＣＲ）のいずれかに、充′ＩＩＩＬ電流を供給する
。スイッチ關は、フリップ・フロップ回路、すなわち双
安定マルチ・バイブレータ（４０１の制御下で作動さ基
準コンデンサ（ＣＲ）が充・離されていると仮定すると
、比較検出器（４４）に至るリード線（４２１上に現わ
れる予定の電圧レベルに達する時に、信号がリード＃！
　（４６）に伝達されて、フリップ・フロップ回路θ〔
の状態を変える。そのため、′亀Ｍ＋を源關からの電流
が、基準コンデンサ（Ｃａ）ではなく、圧力可変コンデ
／ｆ　（Ｃ，）を充電するべく流れるように、スイッチ
鏝の状態が変わる。 可変コンデンサ（Ｃｐ）が比較検出器（５Ｇに至るリー
ド線（４ネの′−電圧レベル決定されるような、予定の
基準レベルまで充電されると、フリップ・フロップ回路
部に至るリード線（５４上に、出力信号が送られて、ク
リップ・フロップ回路（旬の状態を変える。 この作用によって、スイッチ□□□）の状態が反転し、
′直流は、再度基準コンデンサ（ＣＲ）を充電するよう
に流れる。 フリップ・フロップ回路ｔ４ｆ）から、リード線（財）
１通って流れる出力の波形は、す６）で示すように、方
形または矩ノｔであるが、パルス列に含まれている正お
よび負のパルスの長さ、すなわち持続時間は、コンデン
サ（Ｃｐ）および（ＣＲ）のキャパシタンスに左右され
る。 すなわち、圧力および可変コンデンサ（Ｃｐ　）のキャ
パシタンスが増加するのに従って、コンデンサ（Ｃｐ）
の゛藏田を基準電圧レベルにするまでの充電時間が長び
き、また可変コンデンサ（ＣＰ）の充電作用に左右され
る、フリップ・フロップ回路部のサイクル部分が長くな
る。 リード線６４）は、フリップ・フロップ回路（４０から
の出力を、デユーティサイクル検出器（至）に送り、次
に積分回路−は、ここからの出力を、ゆっくり変化する
直流レベルに変裸する。その結果、演算増幅器６４）に
至るリード線鍮における信号の振幅は、コンデンサ（Ｃ
ｒ）のキャパシタンスの変動に応じて変化することとな
る。 従って、第３図の特性線−で示すように、最後の演算増
幅器−の出力は、圧力変化に応じて、はぼ直線的に変化
する正の電圧となる。この特性線Ｑ！９は、いく分上刃
に曲がっているが、この曲がりは、第３図の圧力に対す
る電圧特性線關上の２点σつ６間に引いた、真直ぐなダ
ッシュ線側と比較すると、よく分かる。 この直線性からのずれは、かなり小さいとは云え、高精
度の用途に対しては、要求されるところに比してはるか
に大きいため、以下に説明する帰還回路部品で、このず
れを相当程度まで補償する。 次に、使用し得る帰還回路について説明する。 最初の回路は、帰還抵抗器σりであるが、これは、スイ
ッチσ４によって、出力端子（７６）および端子（喝の
間に接続されているため、スイッチ（３８１を介して、
電流源（ト）から流れる電流と並列的に、基準コンデン
サ（ＣＲ）な充電する。 帰還抵抗器σ４がない場合の出力電力（ｖｏ）の数式は
、上記の米国特許第４，２２７，４１９号の明細書の第
４欄に見られる式（１）と、いく分似かよっている次式
（１）で表わされる。 式中、ｂｌおよびｂｌは定数であり、またＶｃｃは、回
路への供給電圧である０ また式（１）ヲ少し修正すると、次のようになる。 式中、ＩＰおよびＩＲは、それぞれ可変コンデンサ（Ｃ
Ｐ）および（ＣＲ）の充・鴫電流である。 基準コンデンサ（ＣＲ）の充１１ｔ、を助けるべく　、
ＲＦｌｕで示す帰還抵抗器σ２１ヲ出力側から設置する
と、型式中、Ｒｆは帰還抵抗器の抵抗を表わす。 式（８）を式（４）に加えて、ｖｏを解くと、付加的な
帰還電流が行う助成塵を示す伝達式は、次のようになる
。 式（４）は指数式であり、圧力可変コンデンサに対する
基準コンデンサの比率の平方根を意味している。平方根
関数は、直線に対して下方に湾曲しているが、これは、
第３図の未補償特性線が、わずかに上方に湾曲している
ことと対照的である。 従って、適切量の補償電流を出し得る適切な値を持つよ
うに、帰還抵抗器（ＲＦＢｌ）（第２図参照）の値を選
択すると、式（４）と式（２）とを組合せれば、はぼ真
直ぐな特性線が得られる。 第２図の回路図においては、この帰還抵抗器が、可変抵
抗器からなるものと示されているが、実際は、数多くの
帰還抵抗器セ使用した上で、特性線を上記のように直線
化する適切な抵抗値を選択した０ キャパシタンスが、６０乃至９０ピコフアラツドの範囲
内であって、その変化量が１５あるいは２０ピコフアラ
ツドである可−変コンデンサと、これと同様の性能を有
する基準コンデンサと、例えば米国モ）　ｏ　−ラ（Ｍ
ｏｔｏｒｏｌａ）社の部品番号ＣＣＦ７４１６のような
集積回路チップを用いたところ、４メグオ一ム程度の帰
還抵抗値で、かなり秀れた直線性が得られることがわか
った。 第４図のプロット鵠は、直線性からのずれ、すなわち「
最適」な直線からのずれを示すが、これは未補償変換器
の特性である。しかし、抵抗器σ２を加えて補償すると
、特性線例）で示すように、直線性からのずれは非常に
小さくなる。 百分率で表わすと、補償済みの特性線＠４）の直線誤差
は０．０７６％であるのに比べ、未補償特性線の直線誤
差は、１．０９４％であった。これは、直線性かけた違
いに大幅に改善されたこと、すなわち１５倍以上まで改
善されたことを意味する。 抵抗器（イ）およびスイッチ（８１：含む、上記に代る
帰還路は、演算増幅器（財）の出力側にある端子側から
、比較検出器（４４）に接続されたリード＆！（４７Ｊ
に基準入力電圧を与える端子（９のまで延び１いる。ち
なみに、演算増幅器（財）からの出力と、演算増幅器０
３６）からの出力との間で、極性が逆になっていること
に留意されたい。このため、帰還を一方の極性にしたい
場合には、端子６１）Ｏ）を使用し、−力、他力の極性
にしたい場合には、端子（７６１を使用することができ
る。 この代りに、別の反転型増幅器を端子（９１に接続して
、帰還回路と出力回路との間で起こりうる相互作用を防
ぐことができるが、これちは、正常な回路条件下では、
はぼ等価とみなされる。 次に、抵抗器ｉｇ６＋　ｙｔ介する帰還効果を考えてみ
ると、数学的分析から得られる式は、次のようになるこ
とが分かる。 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）この式を
見ると、帰還抵抗器（ＲＦＢ−）が存在しないか、ある
いは抵抗（ｍが無限大に等しいとする場合、分母におけ
る抵抗器（ＲＦＢ−）の項がなくなって、式が式（１）
に示す形に戻ることが分かる。 しかし、抵抗器（ＲＦＢ−）が有限値を持つとすると、
その項は、圧力可変コンデンサの逆数を２乗したものに
なる。そのため、出力端子σｅから正帰還させるとする
と、なか高の特性線を表わすようになる。端子（７６）
に対して逆の極性を有する端子１ｕｌｌから帰還させや
と、Ｔ力に曲った成分が導入されて、それに応じた補正
特性が得られる。 補正の規模に関し、例えば、帰還抵抗器（８６）として
、５キロオーム抵抗器を用いたところ、第４図に示すよ
うな補正特性線（１０２）が得られた。この特性線の直
線からの最大ずれは、０．１６３％であるこれは、未補
償装置の１．０９４％の最大ずれ率より、約６．７倍改
善されたことを意味している。 念のため、表１および表■に、一定基準コンデンサ、お
よび上記の米国特許に見られる型の振動板型圧力可変コ
ンデンサ（但し、小型の二次可変コンデンサを除く）ヲ
用いた場合の、種々の圧力レベルにおける、出力電圧の
読みを示す。 表１は、抵抗器面を含む電流帰還装置に関し、表■は、
帰還抵抗器（８６）を用いる電圧帰還回路に関する。さ
らに、２．３の場合における実電圧値の下側のかっこ内
に、「最遠」直線からの電圧偏差値を示す。 上記のように、帰還抵抗器σのを使用して、端子（７樽
に電流を帰還させること、および抵抗器□□□を使用し
て、基準電圧レベルを変えて、端子（９邊に帰還させる
ことについて説明したが、これらの場合においては、未
補償出力特性線が、圧力変化と共に上ｙ３ｖＩ−曲がる
ものとし、また所望量下刃に湾曲して、所望の大きさを
持つように、帰還助成度を選択して、この上刃へのそり
を補正するものとした。 ある型の圧力変換器の特性線は、未補償時において、上
記のように上方に湾曲する代シに、下方に湾曲すること
が考えられる。 このような場合は、例えば、スイッチ（１０６）によっ
て、出力端子σ０から端子（１０８）に至る回路に接続
されて、可変コンデンサ（ＣＰ）　＋充電するための追
加の電流を送る帰還抵抗器（１０４）等の、異なる補償
手段が必要となる。 同様に、帰還抵抗器およびスイッチ（ｕ２）　ｆ介して
、出力端子（７０から端子（９２１（比較検出器（４４
）への切換レベルが得られる）へ、′−田を供給するこ
とによって、未補償状態にある時は下降、すなわ′ち下
刃に湾曲している特゛性腺に、上方に湾曲する補償因子
を与えるようにする。 第２図には、帰還抵抗器を可変抵抗器として示し、また
スイッチによって回路接続されるものとし℃示しである
。 同じ効果を有するこれら２つの回路を、組合わせて使用
できるが、実際は、単一の帰還路に対する所望の抵抗レ
ベルを決定し、また単一の固定抵抗器を常設的に接続し
て、所望の補償を行うようにする。 好ましい補償用帰還抵抗回路配置は、端子（ト）および
（９邊の間に接続された抵抗器−）によって示されるも
のである。 以上、本発明の詳細な説明したが、これらの説明および
関連図面は、単に本発明の特定実施例を例示するものに
すぎない。 本発明の一例として、２個の帰還回路を組合わせて用い
ることも可能であるが、これに限ボされるものではない
。また、共通の電流源を持たない別々の緩和振動回路を
、基準コンデンサおよび圧力可変コンデンサと組合わせ
て用いることにより、圧力応答コンデンサのキャパシタ
ンス変化に応じて、変化する直流電圧を発生させること
ができ、さらに他の変形回路を用いることもできる。 従って本発明は、この明細書中に例示され、かつ記載さ
れている躯項に限定されるものではない０４、図面の簡
単な説明 第１図は、本発明の原理を示す概略的ブロック線図であ
る。 第２図は、本発明により装置を直線化する種々の帰還路
を示す詳細な回路図である。 第３図は、未補償の容量性圧力変換装置の圧力に対する
出力電圧特性を示すプロットである。 第４図は、未補償の容量性圧力変換装置及び補償済変換
装置の直線からのずれの程度を比較して示すプロットで
ある。 （１匂α→周波数発生器　　α６）位相検出・周波数電
圧変換器（ト）演算増幅器　　　　（イ）電圧信号変換
回路−（財）リード線　　　　に）抵抗性帰還回路μ５
）（２））スイッチ　　　　０４）ブロック（ト）電流
源　　　　　　（至）スイッチ（４Ｇ双安定マルチ・バ
イブレータＣフリップ・フロッグ回路）（４り入力リー
ド線　　　（４４）比較検出器０ω（４８リード線　　
　　印比較検出器１５り６４リード線　　　　（４）波
形５１１ｇデユーティ−サイクル検出器 −積分回路　　　　　（６２１リード線（財）□□□演
算増幅器　　　Ｇ８１特性曲線σ〔ダッシュ線　　　　
σカ帰還抵抗器σ４点　　　　　　　　（７４１スイッ
チ０４１点　　　　　　　　ＣＩｅ　出力ｉ　子（７８
端子　　　　　　　姉（８４）特性線（財）抵抗器　　
　　　　※スイッチ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）印加圧力に応じて変化するキャパシタンスを有す
   る主要可変コンデンサと、 はぼ一定のキャパシタンス、おるいは圧力変化に応じて
   、相対的に少量だけ変化するキャパシタンスを有する基
   準コンデンサと、 可変および基準コンデンサを充放電し、かつ可変コンデ
   ンサのキャパシタンスが変化する時に、可賀信号を出す
   べく、コンデンサと連動する回路と、 コンデンサ連動回路に結合されて、圧力変化に応じてほ
   ぼ直線状に変化するが、補償されていない場合には連続
   的に曲がって、直線かられずかにずれるようになる出力
   電圧を発生する出力回路 と會具備する線形容量性圧力変換装置であって、出力信
   号の一部をコンデンサ連動回路に帰還させることによっ
   て、直線性からのわずかなずれをほぼ補償する、極性と
   大きさとを有する増分出力を与えるようにした手段を備
   えていることな特徴とする変換装置。 （２）コンデンサ連動回路が、 可変コンデンサに予定電流ケ充電して、予定の基準電圧
   レベルにし、また予定の基準電圧レベルに達した時に、
   第１タイミング信号を出す可変コンデンサ連動型第１回
   路と、 基準コンデンサに予定電流を充電して、予定の基準電圧
   レベルにし、また予定の基準−圧レベルに達した時に、
   第２タイミング信号を出す、基準コンデンサ連動型第２
   回路と、 電流源と、 ’ｔＰ源からの′−流を、可変コンデンサおよび基準コ
   ンデンサに父互に導くスイッチと、第１および第２タイ
   ミング信号に応答して、スイッチの状態を変え、かつこ
   れを反転させて電流の流れヲ賢える双安定回路を有し、
   かつ帰還手段が、出力端から、コンデンサと連動する第
   １および嬉２回路のうちの少くとも一方に接続されて、
   少くとも一力のコンデンサの充電時間を増分的に変化さ
   せるようにしであることを特徴とする特許請求の範囲第
   （１）項に記載の線形容量性圧力変換装置。 （８）　　出力回路が、双安定回路からパルス出力を受
   取って、これを直流の電気信号に変換する検出・積分回
   路、およびこの直流−気信号を増幅して、圧力変化に応
   じて＃ｔは直線状に変化するが、補償されない場合框、
   はぼ連続的に曲がって、直線かられずかにずれるように
   なる、出力信号を出す手Ｒｔ有することｔ４Ｉ徴とする
   特許請求の範囲第体）項に記載の線形容量性圧力変換装
   置。 （４）帰還手段が、装置の出力電圧の変化に従って、少
   くとも一方のコンデンサの充電電流を増分変化させる手
   段を有することを特徴とする特許請求の範囲第（１）項
   に記載の線形容量性圧力変換装置。 （６）　　帰還手段が、装置の出力電圧の変化に従って
   、少くとも一方のコンデンサが充電される基準レベルを
   増分的に変化させる手段を有することを特徴とする請求 容量性圧力変換装置。 （６）帰還手段が、抵抗性の小さい帰還路を有すること
   を特徴とする特許請求の範８ｔｓ（１）項に記載の線形
   容量性圧力変換装置。 （テ》基準コンデンサおよび可変コンデンサを，同一の
   支持体上に鍼１することによって、熱変動を最少にする
   ようにしてあることｔ４Ｉ徴とする特許請求の範囲第（
   １）項に記載の線形容量性圧力変換装置。 （８）帰還手段が、装置の出力電圧の変化に従って、少
   くとも一方のコンデンサへの充電電流を１増分的に変化
   させる手段を有することを特徴とする特許請求の範囲第
   （２）項に記載の線形容量性圧力変換装置。 （９）帰還手段が、装置の出力電圧の変化に従って、少
   くとも一方のコンデンサが充電される基準電圧レベルを
   変化させる手段を有することを特徴とする特許請求の範
   囲第（２）項に記載の線形容量性圧力変換装置０