JPS6122887B2 - - Google Patents
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- JPS6122887B2 JPS6122887B2 JP54101371A JP10137179A JPS6122887B2 JP S6122887 B2 JPS6122887 B2 JP S6122887B2 JP 54101371 A JP54101371 A JP 54101371A JP 10137179 A JP10137179 A JP 10137179A JP S6122887 B2 JPS6122887 B2 JP S6122887B2
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-
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は２つかそれ以上のセンサ素子の間の相
対運動に応じて電気信号を発生するために用いら
れる種類のセンサに関するものである。
対運動に応じて電気信号を発生するために用いら
れる種類のセンサに関するものである。
２つかそれ以上のセンサ素子の間の相対運動に
応じて電気信号を発生することができる検出器は
多くの種類が知られている。そのような検出器の
例としては、導電コイルと磁石との間の相対運動
により電流信号を発生する電磁トランスデユーサ
と、エレクトレツト部材と別の部材との間の相対
運動により電流を発生するエレクトレツト・トラ
ンスデユーサと、圧電トランスデユーサと、摩擦
電気トランスデユーサと、歪み計とがある。全て
の電磁トランスデユーサは周知のマツクスウエル
の電磁方程式 ｃ・dl＝μ０（ε０ｄφＥ／ｄｔ＋１） の形で表される原理に従つて機能する。ここに、
μ０は空気の透磁率、ε０は空気の誘電率、βは
磁界、ｌは閉ループのオーム性導体の長さであ
る。量ｉは導体ｌを流れる伝導電流、量（ε０
ｄφＥ／ｄｔ）は変位電流と名づけられているものであ る。この電磁方程式は磁界と２つの電気量、すな
わち、伝導電流および変位電流との間の相互関係
を示すとともに、オーム性の導体に沿つて実際に
動く電荷に対応する伝導電流と全く同じように磁
界発生源として機能する変化する電界を示す。変
位電流は、実際の電荷がオーム性の導体に沿つて
送られて生ずるものではないが、実際の電流と同
じ元を有する。したがつて、磁界はふた通りの方
法で発生できる。第１の方法は変化する電界（変
位電流項）によるものであり、第２の方法は伝導
電流（伝導電流項）によるものである。電流信号
を発生するために変化する磁界を用いる全ての電
磁センサでは、変位電流の大きさが伝導電流の大
きさにくらべて無視できるから、伝導電流だけが
検出される。前記した種類の全ての他の種類のト
ランスデユーサにおいても、発生される電流は伝
導電流である。
応じて電気信号を発生することができる検出器は
多くの種類が知られている。そのような検出器の
例としては、導電コイルと磁石との間の相対運動
により電流信号を発生する電磁トランスデユーサ
と、エレクトレツト部材と別の部材との間の相対
運動により電流を発生するエレクトレツト・トラ
ンスデユーサと、圧電トランスデユーサと、摩擦
電気トランスデユーサと、歪み計とがある。全て
の電磁トランスデユーサは周知のマツクスウエル
の電磁方程式 ｃ・dl＝μ０（ε０ｄφＥ／ｄｔ＋１） の形で表される原理に従つて機能する。ここに、
μ０は空気の透磁率、ε０は空気の誘電率、βは
磁界、ｌは閉ループのオーム性導体の長さであ
る。量ｉは導体ｌを流れる伝導電流、量（ε０
ｄφＥ／ｄｔ）は変位電流と名づけられているものであ る。この電磁方程式は磁界と２つの電気量、すな
わち、伝導電流および変位電流との間の相互関係
を示すとともに、オーム性の導体に沿つて実際に
動く電荷に対応する伝導電流と全く同じように磁
界発生源として機能する変化する電界を示す。変
位電流は、実際の電荷がオーム性の導体に沿つて
送られて生ずるものではないが、実際の電流と同
じ元を有する。したがつて、磁界はふた通りの方
法で発生できる。第１の方法は変化する電界（変
位電流項）によるものであり、第２の方法は伝導
電流（伝導電流項）によるものである。電流信号
を発生するために変化する磁界を用いる全ての電
磁センサでは、変位電流の大きさが伝導電流の大
きさにくらべて無視できるから、伝導電流だけが
検出される。前記した種類の全ての他の種類のト
ランスデユーサにおいても、発生される電流は伝
導電流である。
伝導電流を用いるトランスデユーサは一般に全
く有用であるが、この種のトランスデユーサには
いずれも固有の限界がある。それらのトランスデ
ユーサは伝導電流を流すために閉じられたオーム
性の回路を必要とするから、閉じた導電路（この
導電路は通常は増幅および測定回路に結合され
る）の附近に変化する電磁波が存在するとスプリ
アス伝導電流信号が生ずる。それらの伝導電流は
トランスデユーサにより発生される伝導電流信号
により伝えられる情報を覆いかくすことがある。
したがつて、そのようなセンサの導電性ループ部
分を漂遊電磁波からしやへいするために非常に注
意する必要がある。そのようなしやへいによつて
トランスデユーサ自体の構造が複雑となり、かつ
トランスデユーサを増幅・測定回路に結合するた
めに用いられる導電路の構造が複雑になる。ま
た、上記の電磁トランスデユーサを除いて、伝導
電流センサは動作するために回路の閉ループ部分
に電力を供給する必要がある。多くの用途では電
力を供給する必要は何ら制約要因でないが、これ
が非常な重荷になる用途もある。たとえば、構造
体の振動をモニタする目的で多くのセンサを設け
ることを必要とする用途では、各センサの設けら
れている所に個々の電源を設けるか、中央の電源
から個々のセンサへ電力を供給するために配線し
なければならない。たとえば、各階に震動情報を
得るために何個かのセンサをとりつけることが望
ましい高層の建物においては、最もよい場合でも
費用がかかりすぎ、最悪の場合には既存の建物に
は設置が不可能である。航空機を検出する用途で
はこの要求は同様に極めて望ましくない。
く有用であるが、この種のトランスデユーサには
いずれも固有の限界がある。それらのトランスデ
ユーサは伝導電流を流すために閉じられたオーム
性の回路を必要とするから、閉じた導電路（この
導電路は通常は増幅および測定回路に結合され
る）の附近に変化する電磁波が存在するとスプリ
アス伝導電流信号が生ずる。それらの伝導電流は
トランスデユーサにより発生される伝導電流信号
により伝えられる情報を覆いかくすことがある。
したがつて、そのようなセンサの導電性ループ部
分を漂遊電磁波からしやへいするために非常に注
意する必要がある。そのようなしやへいによつて
トランスデユーサ自体の構造が複雑となり、かつ
トランスデユーサを増幅・測定回路に結合するた
めに用いられる導電路の構造が複雑になる。ま
た、上記の電磁トランスデユーサを除いて、伝導
電流センサは動作するために回路の閉ループ部分
に電力を供給する必要がある。多くの用途では電
力を供給する必要は何ら制約要因でないが、これ
が非常な重荷になる用途もある。たとえば、構造
体の振動をモニタする目的で多くのセンサを設け
ることを必要とする用途では、各センサの設けら
れている所に個々の電源を設けるか、中央の電源
から個々のセンサへ電力を供給するために配線し
なければならない。たとえば、各階に震動情報を
得るために何個かのセンサをとりつけることが望
ましい高層の建物においては、最もよい場合でも
費用がかかりすぎ、最悪の場合には既存の建物に
は設置が不可能である。航空機を検出する用途で
はこの要求は同様に極めて望ましくない。
これらの諸欠点に加えて、永久磁石を用いる伝
導電流センサには別の欠点もある。たとえば、永
久磁石の磁化に必要なエネルギーは、エレクトレ
ツトを分極させるのに必要なエネルギーよりも大
きい。また、運動あるいは震動を検出すべき構造
部材の形状にセンサの形を合わすことを必要とす
る用途では、永久磁石を必要な形状にすることは
非常に困難で、かつ費用のかかることである。更
に、永久磁石は経時変化して、その磁力は次第に
小さくなるから、永久磁石を用いている装置は所
定の時間が経過するたびに再較正する必要があ
り、最後には永久磁石を交換せねばならなくな
る。
導電流センサには別の欠点もある。たとえば、永
久磁石の磁化に必要なエネルギーは、エレクトレ
ツトを分極させるのに必要なエネルギーよりも大
きい。また、運動あるいは震動を検出すべき構造
部材の形状にセンサの形を合わすことを必要とす
る用途では、永久磁石を必要な形状にすることは
非常に困難で、かつ費用のかかることである。更
に、永久磁石は経時変化して、その磁力は次第に
小さくなるから、永久磁石を用いている装置は所
定の時間が経過するたびに再較正する必要があ
り、最後には永久磁石を交換せねばならなくな
る。
本発明は、電荷により発生される電界の時間的
変化率を検出するために導電性ガウス面を用いる
変位電流センサ、すなわち、変化する電流により
ガウス面に誘起される変位電流を検出するセンサ
であつて、電磁波には感応せず、電力を必要とし
ない変位電流センサを提供するものである。
変化率を検出するために導電性ガウス面を用いる
変位電流センサ、すなわち、変化する電流により
ガウス面に誘起される変位電流を検出するセンサ
であつて、電磁波には感応せず、電力を必要とし
ない変位電流センサを提供するものである。
広くいえば、電界発生要素と、発生された電界
と相互作用するように位置させられる導電性要素
とを含み、導電性要素が受ける電界の変化によ
り、伝導電流とは逆の変位電流を誘起させるよう
に、電界発生要素と導電性要素を相対的に動かす
ことができるようになつている、導電体と電界発
生源との間の相対運動を表す電気信号を発生する
変位電流センサを本発明を提供するものである。
なるべくなら、電界発生要素は、平面状、円筒状
または特殊な幾何学的形状のような多様な形状に
作ることができるエレクトレツトで構成し、導電
性要素は平面状、棒状、線状あるいはその他の特
殊な形状とする。
と相互作用するように位置させられる導電性要素
とを含み、導電性要素が受ける電界の変化によ
り、伝導電流とは逆の変位電流を誘起させるよう
に、電界発生要素と導電性要素を相対的に動かす
ことができるようになつている、導電体と電界発
生源との間の相対運動を表す電気信号を発生する
変位電流センサを本発明を提供するものである。
なるべくなら、電界発生要素は、平面状、円筒状
または特殊な幾何学的形状のような多様な形状に
作ることができるエレクトレツトで構成し、導電
性要素は平面状、棒状、線状あるいはその他の特
殊な形状とする。
最も簡単な平面形状の場合には、電界発生要素
は平らな形のエレクトレツトで構成され、導電性
要素はエレクトレツトの面に全体として平行な表
面を有する導電板で構成される。この場合にはエ
レクトレツトと導電板とは離れている。別の実施
例では、導電性要素はエレクトレツトの面から離
れてその面に全体として平行な平らならせんコイ
ルで構成される。更に別の実施例では、多くのエ
レクトレツト板がその平らな面に垂直な方向に互
いに隔てられて配置され、隣り合うエレクトレツ
ト板の間に複数の導電線または導電板が配置され
る。また別の実施例では、互いに逆の極性に分極
されている第１と第２の平らなエレクトレツト部
材が各部材の面に垂直な方向に互いに隔てられ、
それらのエレクトレツト部材の間に線状、棒状ま
たは板状の導電性部材が配置される。本発明の更
に別の実施例では、互いに逆の極性の分極されて
いる第１と第２の全体として平らなエレクトレツ
ト部材が各部材の面に垂直な方向に互いに隔てて
配置され、誘電体または別のエレクトレツトから
作られた非導電性部材が第１と第２のエレクトレ
ツト部材の間のスペースの中に受けられ、第１と
第２のエレクトレツト部材のうちの一方の部材の
スペースとは反対側の表面に導電性要素が結合さ
れ、この導電性要素は、第１と第２のエレクトレ
ツト部材と非導電性の介在部材との間の相対運動
によりひき起される第１と第２のエレクトレツト
部材の間の電界の変化に応じて、変位電流を発生
するガウス面を構成する。
は平らな形のエレクトレツトで構成され、導電性
要素はエレクトレツトの面に全体として平行な表
面を有する導電板で構成される。この場合にはエ
レクトレツトと導電板とは離れている。別の実施
例では、導電性要素はエレクトレツトの面から離
れてその面に全体として平行な平らならせんコイ
ルで構成される。更に別の実施例では、多くのエ
レクトレツト板がその平らな面に垂直な方向に互
いに隔てられて配置され、隣り合うエレクトレツ
ト板の間に複数の導電線または導電板が配置され
る。また別の実施例では、互いに逆の極性に分極
されている第１と第２の平らなエレクトレツト部
材が各部材の面に垂直な方向に互いに隔てられ、
それらのエレクトレツト部材の間に線状、棒状ま
たは板状の導電性部材が配置される。本発明の更
に別の実施例では、互いに逆の極性の分極されて
いる第１と第２の全体として平らなエレクトレツ
ト部材が各部材の面に垂直な方向に互いに隔てて
配置され、誘電体または別のエレクトレツトから
作られた非導電性部材が第１と第２のエレクトレ
ツト部材の間のスペースの中に受けられ、第１と
第２のエレクトレツト部材のうちの一方の部材の
スペースとは反対側の表面に導電性要素が結合さ
れ、この導電性要素は、第１と第２のエレクトレ
ツト部材と非導電性の介在部材との間の相対運動
によりひき起される第１と第２のエレクトレツト
部材の間の電界の変化に応じて、変位電流を発生
するガウス面を構成する。
円筒形状を用いる本発明の最も簡単な実施例に
おいては、電界発生要素は中空円筒形のエレクト
レツト部材で構成され、導電性要素はエレクトレ
ツトの中空部分の中に受けられる導電性の棒で構
成される。あるいは、導電性要素はコイルを含み
電界発生要素は棒状のエレクトレツト部材で構成
され、このエレクトレツト部材はコイルの中に挿
入される。
おいては、電界発生要素は中空円筒形のエレクト
レツト部材で構成され、導電性要素はエレクトレ
ツトの中空部分の中に受けられる導電性の棒で構
成される。あるいは、導電性要素はコイルを含み
電界発生要素は棒状のエレクトレツト部材で構成
され、このエレクトレツト部材はコイルの中に挿
入される。
各実施例には、電界発生要素により発生された
電界と漂遊電界との相互作用を防ぐために、静電
しやへいを設けることができる。また、全ての実
施例は電位計のような適当な測定器に直結させる
こともできれば、入力インピーダンスが比較的高
くて、ドリフトが無視できるほど小さい増幅器の
入力端子へ結合させることもできる。その増幅器
はセンサの近くに設けることもあれば、センサか
ら離れた所に設けることもできる。
電界と漂遊電界との相互作用を防ぐために、静電
しやへいを設けることができる。また、全ての実
施例は電位計のような適当な測定器に直結させる
こともできれば、入力インピーダンスが比較的高
くて、ドリフトが無視できるほど小さい増幅器の
入力端子へ結合させることもできる。その増幅器
はセンサの近くに設けることもあれば、センサか
ら離れた所に設けることもできる。
本発明の全ての実施例は極めて低いコストで作
ることができるにもかかわらず信頼は高く、しか
も軽量であるから各種の用途に広く使用できる。
ることができるにもかかわらず信頼は高く、しか
も軽量であるから各種の用途に広く使用できる。
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。
る。
本発明の全ての実施例は、電界が時間とともに
変化した時に常に発生されるマツクスウエルの変
位電流を測定することにより機能する。第１図を
参照して、導電板１１は電界発生源１２から通常
は距離ｄだけ隔てられている。電界発生源１２は
帯電板、平らなエレクトレツト部材あるいはその
他の適切な要素で構成できる。導電板１１と、電
流計または変位計などのような測定器１５の間に
導電体１３が結合される。導電板１１と電界発生
源１２との間の距離ｄが変化するたびに、導電板
１１に加えられる電界の大きさが変化し、そのた
めに次式で与えられる変位電流が生ずる。
変化した時に常に発生されるマツクスウエルの変
位電流を測定することにより機能する。第１図を
参照して、導電板１１は電界発生源１２から通常
は距離ｄだけ隔てられている。電界発生源１２は
帯電板、平らなエレクトレツト部材あるいはその
他の適切な要素で構成できる。導電板１１と、電
流計または変位計などのような測定器１５の間に
導電体１３が結合される。導電板１１と電界発生
源１２との間の距離ｄが変化するたびに、導電板
１１に加えられる電界の大きさが変化し、そのた
めに次式で与えられる変位電流が生ずる。
ｉd＝ε０ｄφＥ／ｄｔ
ガウスの法則から
Ｅ＝ｑ／ε０Ａ
が知られている。ここに、Ａは電界発生源１２の
表面積、ｑは電界発生源１２に存在する電荷であ
る。上のＥの式を微分すると、 ｄＥ／ｄｔ＝１／ε０Ａ ｄｑ／ｄｔ＝１／ε０Ａ
ｉ となる。この式をマツクスウエルの変位電流の式
と比較すると、 ｉd＝ε０ｄφＥ／ｄｔ＝ε０ｄ（ＥＡ）／ｄｔ＝ε0A
ｄＥ／ｄｔ＝ε0A・ １／ε０Ａｉ すなわち、ｉd＝ｉ となる。すなわち、全電流が単に変位電流とな
る。導電板１１とエレクトレツト部材１２との間
の空間の電界の強さはその空間の幅ｄに逆比例す
るから、ｄが変化すると変位電流が発生し、その
変位電流は測定器１５で直接に測定できる。ある
いは、変位電流は、導電板１１の面積Ａを変える
ことにより、電界発生源１２に含まれる電荷ｑの
量を変えることにより、あるいは導電板１１と電
界発生源１２との間に、空気の誘電率とは異なる
誘電率を有する誘電体を挿入することにより導電
板１１と電界発生源１２との間の誘電率ε０を変
えることにより、発生させることができる。直径
がそれぞれ10cmの円形導電板１１と円形のエレク
トレツト部材１２の場合に、両者間の空間におけ
る電界が１秒間に1012V／ｍ変化した時に生ずる
変位電流の大きさは0.070Aで、これはまつたく
検出できる大きさである。
表面積、ｑは電界発生源１２に存在する電荷であ
る。上のＥの式を微分すると、 ｄＥ／ｄｔ＝１／ε０Ａ ｄｑ／ｄｔ＝１／ε０Ａ
ｉ となる。この式をマツクスウエルの変位電流の式
と比較すると、 ｉd＝ε０ｄφＥ／ｄｔ＝ε０ｄ（ＥＡ）／ｄｔ＝ε0A
ｄＥ／ｄｔ＝ε0A・ １／ε０Ａｉ すなわち、ｉd＝ｉ となる。すなわち、全電流が単に変位電流とな
る。導電板１１とエレクトレツト部材１２との間
の空間の電界の強さはその空間の幅ｄに逆比例す
るから、ｄが変化すると変位電流が発生し、その
変位電流は測定器１５で直接に測定できる。ある
いは、変位電流は、導電板１１の面積Ａを変える
ことにより、電界発生源１２に含まれる電荷ｑの
量を変えることにより、あるいは導電板１１と電
界発生源１２との間に、空気の誘電率とは異なる
誘電率を有する誘電体を挿入することにより導電
板１１と電界発生源１２との間の誘電率ε０を変
えることにより、発生させることができる。直径
がそれぞれ10cmの円形導電板１１と円形のエレク
トレツト部材１２の場合に、両者間の空間におけ
る電界が１秒間に1012V／ｍ変化した時に生ずる
変位電流の大きさは0.070Aで、これはまつたく
検出できる大きさである。
変位電流の大きさは第２図に示すセンサを用い
て増加させることができる。第２図に示すセンサ
では、複数の平行な電界発生源１２の隣り合う板
１２の間に複数の導電板１１を挿入し、それらの
導電板１１をリード１３に並列に結合してから測
定器１５に接続するようになつている。あるいは
第１０図に示すように、リード１３を増幅器の入
端子に結合することもできる。
て増加させることができる。第２図に示すセンサ
では、複数の平行な電界発生源１２の隣り合う板
１２の間に複数の導電板１１を挿入し、それらの
導電板１１をリード１３に並列に結合してから測
定器１５に接続するようになつている。あるいは
第１０図に示すように、リード１３を増幅器の入
端子に結合することもできる。
導電板１１と電界発生源１２との形は、センサ
の用途に応じて円形、長方形、正方形その他の任
意の形状にできることに注意すべきである。第１
図に示す実施例では、距離ｄを変えることにより
変位電流を発生できるが、導電板１１と電界発生
源１２との間の実効対向面積を変えるために導電
板１１または電界発生源１２を導電板１１の面に
平行な方向に移動させて変位電流を発生すること
もできる。第２図に示す実施例では、部材１１と
１２の相対運動は図示のように水平運動に限定さ
れる。
の用途に応じて円形、長方形、正方形その他の任
意の形状にできることに注意すべきである。第１
図に示す実施例では、距離ｄを変えることにより
変位電流を発生できるが、導電板１１と電界発生
源１２との間の実効対向面積を変えるために導電
板１１または電界発生源１２を導電板１１の面に
平行な方向に移動させて変位電流を発生すること
もできる。第２図に示す実施例では、部材１１と
１２の相対運動は図示のように水平運動に限定さ
れる。
第３図は中空円筒形のエレクトレツト部材３１
で電界発生要素を構成し、部材３１の内径よりも
小さな外径の導電棒３２をエレクトレツト部材３
１の中に挿入して構成した本発明の実施例を示
す。この実施例では、アルミニウム箔のような適
当な材料で作られた静電しやへい３３がエレクト
レツト部材３１の周囲に設けられ、センサを漂遊
電界の作用からしやへいするために、アースのよ
うな基準変位源３４へ結合される。本発明のセン
サの主な利点は、導電部材１１と３２が開ループ
状に接続されているためにセンサが電磁波に全く
感じないことである。
で電界発生要素を構成し、部材３１の内径よりも
小さな外径の導電棒３２をエレクトレツト部材３
１の中に挿入して構成した本発明の実施例を示
す。この実施例では、アルミニウム箔のような適
当な材料で作られた静電しやへい３３がエレクト
レツト部材３１の周囲に設けられ、センサを漂遊
電界の作用からしやへいするために、アースのよ
うな基準変位源３４へ結合される。本発明のセン
サの主な利点は、導電部材１１と３２が開ループ
状に接続されているためにセンサが電磁波に全く
感じないことである。
第４図は、エレクトレツトが中実の円筒棒４１
を構成し、導電性部材が円筒棒４１の外径より大
きな内径のらせんコイル４２で構成されている別
の円筒形実施例を示す。
を構成し、導電性部材が円筒棒４１の外径より大
きな内径のらせんコイル４２で構成されている別
の円筒形実施例を示す。
第３，４図に示す実施例では、いずれかの要素
が軸線方向に動き、またはねじれ運動することに
よつて変位電流が発生される。
が軸線方向に動き、またはねじれ運動することに
よつて変位電流が発生される。
第５図は導電性部材がうず巻きコイル５１で構
成されている実施例を示す。この実施例では、コ
イル５１または電界発生板５２の面に平行な平面
内の運動、またはそれらの面に垂直な運動により
変位電流を発生できる。
成されている実施例を示す。この実施例では、コ
イル５１または電界発生板５２の面に平行な平面
内の運動、またはそれらの面に垂直な運動により
変位電流を発生できる。
第６図は電界発生源が逆極性の電荷を有する一
対の隔てられている板６１，６２で構成され、導
電性部材が矢印６４で示す向きに動くように板６
１と６２の間に配置される導電板６３で構成され
た実施例を示す。
対の隔てられている板６１，６２で構成され、導
電性部材が矢印６４で示す向きに動くように板６
１と６２の間に配置される導電板６３で構成され
た実施例を示す。
第７図は第６図に示す実施例の変形例で、導電
部材が帯電板６１と６２の間を矢印７２で示すよ
うに水平方向に動く導線または導電棒７１で構成
されている。
部材が帯電板６１と６２の間を矢印７２で示すよ
うに水平方向に動く導線または導電棒７１で構成
されている。
第８図は、逆極性に帯電させられている平らな
電界発生板８１，８２が、部材８３と相互作用す
るようにした別の実施例を示す。この部材８３は
中間に導電板８６をサンドイツチ状にはさんで、
互いに逆極性に分極された誘電体層８４，８５で
構成され、電界発生板８１，８２にそれぞれ向い
合う誘電体層８４，８５の帯電極性は、電界発生
板８１，８２の帯電極性とは逆である。
電界発生板８１，８２が、部材８３と相互作用す
るようにした別の実施例を示す。この部材８３は
中間に導電板８６をサンドイツチ状にはさんで、
互いに逆極性に分極された誘電体層８４，８５で
構成され、電界発生板８１，８２にそれぞれ向い
合う誘電体層８４，８５の帯電極性は、電界発生
板８１，８２の帯電極性とは逆である。
第９図は向い合つて隔てられている逆極性のエ
レクトレツト板９１，９２が、誘電体またはエレ
クトレツトから作られてエレクトレツト板９１と
９２の間に挿入されている非導電板９３と相互作
用するようにした更に別の実施例を示す。この実
施例では、導電性部材はエレクトレツト板９１の
非導電板９３に向い合つている面とは反対側の面
に付着されている導電層９４で構成されている。
レクトレツト板９１，９２が、誘電体またはエレ
クトレツトから作られてエレクトレツト板９１と
９２の間に挿入されている非導電板９３と相互作
用するようにした更に別の実施例を示す。この実
施例では、導電性部材はエレクトレツト板９１の
非導電板９３に向い合つている面とは反対側の面
に付着されている導電層９４で構成されている。
電界発生要素１２，３１，４１，５２，６１，
６２，８１，８２，９１，９２は、帯電している
導電板のような所要の電界を発生できるいくつか
の要素のうちの任意の１つで構成できるが、それ
らの要素は永久に分極する適当ないくつかのエレ
クトレツト物質のうちの任意の１つの物質からな
るべく作るようにするとよい。それらのエレクト
レツトの例は無定形マトリツクスの中に数％から
90％までの組成で埋め込まれた微細結晶より成る
ポリマー・エレクトレツト群から得ることができ
る。そのようなポリマー・エレクトレツトの例と
してはアクリリツク、エチルセルローズ、ポリス
チレン、ビニル重合体、ポリウレタン、および
「マイラー」または「テフロン」という商標名で
販売されている物質がある。エレクトレツトの製
造は、エレクトレツト物質を電界中で融点の直前
の温度まで加熱してから、その電界中で冷却させ
るという周知の方法で行われる。
６２，８１，８２，９１，９２は、帯電している
導電板のような所要の電界を発生できるいくつか
の要素のうちの任意の１つで構成できるが、それ
らの要素は永久に分極する適当ないくつかのエレ
クトレツト物質のうちの任意の１つの物質からな
るべく作るようにするとよい。それらのエレクト
レツトの例は無定形マトリツクスの中に数％から
90％までの組成で埋め込まれた微細結晶より成る
ポリマー・エレクトレツト群から得ることができ
る。そのようなポリマー・エレクトレツトの例と
してはアクリリツク、エチルセルローズ、ポリス
チレン、ビニル重合体、ポリウレタン、および
「マイラー」または「テフロン」という商標名で
販売されている物質がある。エレクトレツトの製
造は、エレクトレツト物質を電界中で融点の直前
の温度まで加熱してから、その電界中で冷却させ
るという周知の方法で行われる。
いわゆる単一電荷エレクトレツトは本発明のセ
ンサの製造に用いるのに極めて適する。それらの
エレクトレツトは正または負の電荷を１つだけ有
する薄膜エレクトレツトである。テフロン（登録
商標）から作られるこの種のエレクトレツトの厚
さは12〜25ミクロンで、１平方メートル当り約10
〜20ナノクーロンの電荷密度に帯電させられる。
そのようなエレクトレツトは約10-3〜２×108Hz
という極めて広い帯域の震動数に応答できる。ま
た、そのようなエレクトレツトは再結合損失がな
く、かつ同一電束数でも他の種類のエレクトレツ
トよりも広い間隔をとることができるから、電荷
の寿命は非常に長い。
ンサの製造に用いるのに極めて適する。それらの
エレクトレツトは正または負の電荷を１つだけ有
する薄膜エレクトレツトである。テフロン（登録
商標）から作られるこの種のエレクトレツトの厚
さは12〜25ミクロンで、１平方メートル当り約10
〜20ナノクーロンの電荷密度に帯電させられる。
そのようなエレクトレツトは約10-3〜２×108Hz
という極めて広い帯域の震動数に応答できる。ま
た、そのようなエレクトレツトは再結合損失がな
く、かつ同一電束数でも他の種類のエレクトレツ
トよりも広い間隔をとることができるから、電荷
の寿命は非常に長い。
前記したように、本発明のある用途では、セン
サにより発生された変位電流信号を増幅したい場
合がある。第１０図はそのような場合に使用する
のに適当な増幅回路を示す。演算増幅器１０１
（なるべくバー・ブラウン（Burr−Brown）社の
3430型増幅器を用いる）の第１入力端子は入力線
１３を介して導電板１１に結合され、第２入力端
子はアースのような基準変位源へ結合される。こ
の増幅器１０１は抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３により電
流帰還電流−電圧変換モード増幅器として構成さ
れ、１ピコアンペア（10-12A）台の微小電流を
測定できる。前記したバー・ブラウン社の増幅器
を用いた場合のこの増幅回路の動作特性は次の通
りである。
サにより発生された変位電流信号を増幅したい場
合がある。第１０図はそのような場合に使用する
のに適当な増幅回路を示す。演算増幅器１０１
（なるべくバー・ブラウン（Burr−Brown）社の
3430型増幅器を用いる）の第１入力端子は入力線
１３を介して導電板１１に結合され、第２入力端
子はアースのような基準変位源へ結合される。こ
の増幅器１０１は抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３により電
流帰還電流−電圧変換モード増幅器として構成さ
れ、１ピコアンペア（10-12A）台の微小電流を
測定できる。前記したバー・ブラウン社の増幅器
を用いた場合のこの増幅回路の動作特性は次の通
りである。
開ループ利得（Ａ） 100dp
入力バイアス電流（Ib） 10×10-15A
入力電流ノイズ（In） １×10-15A
入力オフセツト電圧（Vos） 30×10-6V／℃
入力ノイズ電圧（En） 10×10-6V／℃
入力抵抗値 １×10-14オーム
帰還抵抗値が1012オームの時は、１ピコアンペ
アの変位電流によつてこの増幅回路の出力端子に
1Vの信号が生ずる。１ミリボルトの分解能で
10-15Aの入力電流分解能が可能である。（Ｒ２＋
Ｒ３）／Ｒ３の値はなるべく100以下にしてノイ
ズ誤差電圧を制限すべきである。抵抗値Rfとセ
ンサの等価内部インピーダンス値との比に零ドリ
フトが依存することにより、Rfの値がセンサの
インピーダンス値よりも大きくない値に制限され
ることになる。しかし、センサの内部インピーダ
ンス値は開ループ回路のインピーダンス値である
から、ドリフトの問題をひき起すことなしに非常
に大きなRfの値を使用できる。比較的高い開ル
ープ利得Ａを用いることの利点は、等価演算増幅
器入力インピーダンスを１／Ａにできることであ
る。小電流測定に用いられるこの比較的低いイン
ピーダンスにより、測定確度が高くなるととも
に、部品の絶縁要求が小さくなる。入力容量も
１／Ａとなるから、測定の立上り時間はもはや入
力RC時定数の関係ではなく、Rfの並列容量であ
るCfとRfとの積Rf×Cfの関数となる。したがつ
て、非常に小さい変位電流でも第１０図の回路に
より実用的な電圧へ容易に変換できる。また、こ
の増幅回路はセンサのすぐそば、またはセンサか
ら離れた場所のいずれにも置くことができる。そ
の理由は、電流連続の原理、すなわち、変位電流
の値は回路の各点で同一であるという原理のため
である。
アの変位電流によつてこの増幅回路の出力端子に
1Vの信号が生ずる。１ミリボルトの分解能で
10-15Aの入力電流分解能が可能である。（Ｒ２＋
Ｒ３）／Ｒ３の値はなるべく100以下にしてノイ
ズ誤差電圧を制限すべきである。抵抗値Rfとセ
ンサの等価内部インピーダンス値との比に零ドリ
フトが依存することにより、Rfの値がセンサの
インピーダンス値よりも大きくない値に制限され
ることになる。しかし、センサの内部インピーダ
ンス値は開ループ回路のインピーダンス値である
から、ドリフトの問題をひき起すことなしに非常
に大きなRfの値を使用できる。比較的高い開ル
ープ利得Ａを用いることの利点は、等価演算増幅
器入力インピーダンスを１／Ａにできることであ
る。小電流測定に用いられるこの比較的低いイン
ピーダンスにより、測定確度が高くなるととも
に、部品の絶縁要求が小さくなる。入力容量も
１／Ａとなるから、測定の立上り時間はもはや入
力RC時定数の関係ではなく、Rfの並列容量であ
るCfとRfとの積Rf×Cfの関数となる。したがつ
て、非常に小さい変位電流でも第１０図の回路に
より実用的な電圧へ容易に変換できる。また、こ
の増幅回路はセンサのすぐそば、またはセンサか
ら離れた場所のいずれにも置くことができる。そ
の理由は、電流連続の原理、すなわち、変位電流
の値は回路の各点で同一であるという原理のため
である。
本発明のセンサは低コスト、軽量、ノイズに強
い、構造が簡単、各種の形状にすることが容易で
あることなどの理由で多様な用途に理想的なもの
である。たとえば、本発明のセンサは建物の支持
はり、航空機の支柱などのような構造部材の直線
変位またはねじれ変位の測定、液体および固体中
での超音波震動の測定、応力・ひずみ・結晶成
長・へき開などの測定（結晶字において）、バイ
オニクスの分野における人の中枢神径系または脳
のような生体器官からの変化する電界の測定、大
気物理学における大気の流れの測定、音響ホログ
ラフイーにおける誘電体中と導電体中における信
号伝送モードの測定およびその他の用途に使用で
きる。
い、構造が簡単、各種の形状にすることが容易で
あることなどの理由で多様な用途に理想的なもの
である。たとえば、本発明のセンサは建物の支持
はり、航空機の支柱などのような構造部材の直線
変位またはねじれ変位の測定、液体および固体中
での超音波震動の測定、応力・ひずみ・結晶成
長・へき開などの測定（結晶字において）、バイ
オニクスの分野における人の中枢神径系または脳
のような生体器官からの変化する電界の測定、大
気物理学における大気の流れの測定、音響ホログ
ラフイーにおける誘電体中と導電体中における信
号伝送モードの測定およびその他の用途に使用で
きる。
エレクトレツト物質で作られた場合の本発明の
センサは、エレクトレツトを偏極させるために必
要な一様な電界を発生させるエネルギーが、永久
磁石を着磁するのに要する同等の一様な磁界を発
生するのに必要なエネルギーよりも十分に小さそ
から、エネルギーの効率も高い。
センサは、エレクトレツトを偏極させるために必
要な一様な電界を発生させるエネルギーが、永久
磁石を着磁するのに要する同等の一様な磁界を発
生するのに必要なエネルギーよりも十分に小さそ
から、エネルギーの効率も高い。
第１図は平らな形を用い本発明の一実施例の略
図、第２図は多重板を用いた実施例の略図、第３
図は円筒形を用いた別の実施例の略図、第４図も
円筒形を用いた別の実施例の略図、第５〜９図は
本発明の更に別の略図、第１０図は本発明に用い
る増幅回路の回路図である。 １１，３２，４２，５１，６３，７１，８６，
９３……導電性要素、１２，３１，４１，５２，
６１，６２，８１，８２，９１，９２……電界発
生要素。
図、第２図は多重板を用いた実施例の略図、第３
図は円筒形を用いた別の実施例の略図、第４図も
円筒形を用いた別の実施例の略図、第５〜９図は
本発明の更に別の略図、第１０図は本発明に用い
る増幅回路の回路図である。 １１，３２，４２，５１，６３，７１，８６，
９３……導電性要素、１２，３１，４１，５２，
６１，６２，８１，８２，９１，９２……電界発
生要素。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 電界を発生する電界発生要素と、前記電界と
相互作用するための導電性要素であつて、この導
電性要素が受ける前記電界の変化によつてこの導
電性要素内に変位電流が誘起されるように、前記
電界発生要素に対して相対的に動くことができる
ように配置された導電性要素と、この導電性要素
に接続されて前記変位電流を取り出す単一の出力
端子要素とを備え、導電体と電界発生源の間の相
対運動を表す電気信号を発生することを特徴とす
る変位電流センサ。 ２ 特許請求の範囲の第１項に記載のセンサにお
いて、前記電界発生要素はエレクトレツトを備え
ることを特徴とするセンサ。 ３ 特許請求の範囲の第２項に記載のセンサにお
いて、前記エレクトレツトは平らな形をしてお
り、前記導電性要素は線状であることを特徴とす
るセンサ。 ４ 特許請求の範囲の第３項に記載のセンサにお
いて、前記線状の導電性要素は前記エレクトレツ
トの面に全体として平行な平らならせんコイルを
備えることを特徴とするセンサ。 ５ 特許請求の範囲の第２項に記載のセンサにお
いて、前記エレクトレツトは平らな形をしてお
り、前記導電性要素は前記エレクトレツトの面に
全体として平行な表面を有する導電板を備えるこ
とを特徴とするセンサ。 ６ 特許請求の範囲の第２項に記載のセンサにお
いて、前記エレクトレツトは円筒形としており、
前記導電性要素は前記導電性要素は前記エレクト
レツトの内部にエレクトレツトに接触せずに挿入
される導電棒を備えることを特徴とするセンサ。 ７ 特許請求の範囲の第６項に記載のセンサにお
いて、前記エレクトレツトは導電性シールドによ
り囲まれることを特徴とするセンサ。 ８ 特許請求の範囲の第２項に記載のセンサにお
いて、前記導電性要素はコイルを備え、前記エレ
クトレツトの形は棒状であり、この棒は前記コイ
ルの中にそのコイルに接触しないように挿入され
ることを特徴とするセンサ。 ９ 特許請求の範囲の第１項に記載のセンサにお
いて、前記電界発生要素は複数の全体として平ら
なエレクトレツト部材を備え、それらの部材は各
部材の面に垂直な方向に互いに隔てられ、前記導
電性要素は複数の導電性部材を備え、各導電性部
材は隣り合うエレクトレツト部材の間の異なるス
ペースの中に受けられ、それらの導電性部材は前
記エレクトレツト部には接触しないことを特徴と
するセンサ。 １０ 特許請求の範囲の第９項に記載のセンサに
おいて、前記導電性部材は線状であることを特徴
とするセンサ。 １１ 特許請求の範囲の第９項に記載のセンサに
おいて、前記導電性部材は板状であることを特徴
とするセンサ。 １２ 特許請求の範囲の第１項に記載のセンサに
おいて、前記電界発生要素は逆極性に帯電された
一対の全体として平らなエレクトレツト部材を備
え、各エレクトレツト部材はその面に垂直な方向
に互いに隔てられ、前記導電性要素は前記エレク
トレツト部材の間のスペースにエレクトレツト部
材に接触することなしに受けられる導電性部材を
備えることを特徴とするセンサ。 １３ 特許請求の範囲の第１２項に記載のセンサ
において、前記導電性部材は線状であることを特
徴とするセンサ。 １４ 特許請求の範囲の第１２項に記載のセンサ
において、前記導電性部材は板状であることを特
徴とするセンサ。 １５ 逆極性に分極されかつ互いの面に垂直な方
向に互いに隔てられる全体として平らな第１およ
び第２のエレクトレツト部材と、第１および第２
のエレクトレツト部材の間のスペースにそれらの
エレクトレツト部材に接触することなしに、かつ
それらのエレクトレツト部材と相対運動するよう
にして受けられる非導電性部材と、前記第１と第
２のエレクトレツト部材の一方の前記スペースと
は反対側の表面に接続され、前記第１と第２のエ
レクトレツト部材の間の電界の変化に応じて誘起
される変位電流を発生させるためのガウス表面を
構成する導電性要素と、この導電性要素に接続さ
れ変位電流を取り出す単一の出力端子要素とを備
え、導電体と電界発生源との間の相対運動を表す
電気信号を発生することを特徴とする変位電流セ
ンサ。 １６ 特許請求の範囲の第１５項に記載のセンサ
において、前記非導電性部材は誘導体であること
を特徴とするセンサ。 １７ 特許請求の範囲の第１５項に記載のセンサ
において、前記非導電性部材はエレクトレツトで
あることを特徴とするセンサ。 １８ 特許請求の範囲の第１５項に記載のセンサ
において、前記導電性要素は前記反対側の表面に
接着される平らな部材であることを特徴とするセ
ンサ。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US05/932,582 US4224540A (en) | 1978-08-10 | 1978-08-10 | Displacement current sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5524699A JPS5524699A (en) | 1980-02-21 |
| JPS6122887B2 true JPS6122887B2 (ja) | 1986-06-03 |
Family
ID=25462539
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10137179A Granted JPS5524699A (en) | 1978-08-10 | 1979-08-10 | Electrical current sensor for displacement |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4224540A (ja) |
| EP (1) | EP0008237B1 (ja) |
| JP (1) | JPS5524699A (ja) |
| CA (1) | CA1113580A (ja) |
| DE (1) | DE2967065D1 (ja) |
Families Citing this family (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4344004A (en) * | 1980-09-22 | 1982-08-10 | Design Professionals Financial Corp. | Dual function transducer utilizing displacement currents |
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- 1978-08-10 US US05/932,582 patent/US4224540A/en not_active Expired - Lifetime
-
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- 1979-08-10 JP JP10137179A patent/JPS5524699A/ja active Granted
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| US4224540A (en) | 1980-09-23 |
| DE2967065D1 (en) | 1984-07-26 |
| CA1113580A (en) | 1981-12-01 |
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| EP0008237A1 (en) | 1980-02-20 |
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