JPS6125016A - 容量式変換装置 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、圧力、差圧等の被測定量に応じてダイアフラ
ム等が変位し、この変位により電極間隔が変化して、こ
られ電極間の容量が変化する可変コンデンサを有する検
出器を用いた容量式変換装置に関する。

〈従来の技術〉 第４図は、従来の容量式変換装置における検出器の断面
図である。検出器１０は、ガラス等の絶縁体１１と対向
して、一部にダイアフラム部１２ａが形成されたシリコ
ン基板１２が配置され、接合面１３で絶縁体１１に接着
固定された構造になっている。絶縁体１１には固定電極
１４ａ。

１５ａが同心円状に設けられ、また、シリコン基板１２
にも固定電極１４ａ、１５ａと対向して、ダイアフラム
部１３ａに可動電極１４ｂが、固定部に固定電極１５ｂ
が設けられている。これら電極間にはシリコンオイルが
満されており、このシリコンオイルは開口１１ａの外側
でシールダイアフラム（図示せず）によって測定流体か
らシールされている。シリコン基板１２の外側は大気圧
（または真空）とされている。

従って、絶縁体１１の開口１１ａを介して与えらる被測
定圧力Ｐに応じてダイアフラム部１２ａが変位し、その
変位に応じて可動電極１４ｂと固定電極１４８間に構成
される可変コンデンサ１４の容量Ｃ１が変化する。一方
固定電極１５ａと１５ｂ間に構成される固定コンデンサ
１５の容量Ｃ２はダイアフラム部１２ａの変位に無関係
に一定である。そして、可変コンデンサ１４の容量Ｃ１
は可動電極１４ｂの変位量Ｘに対し、ｘ−０のときの初
期容量をＣＯ１固定電極１４ａと可動電極１４ｂ闇の初
ｍ間隔をｄとすると次式で与えられる。

ＣＩ　＝　（ｄ／　（ｄ＋ｘ　）１・ＣＯ・・・（１）
また、固定コンデンサ１５の容量Ｃ２は可変コンデンサ
１４の初期容量ＣＯと等しくなるように構成されている
。

第５図は、例えば実公昭５７−２８０８８号公報に示さ
れているような、本検出器に好適な変換回路の具体例を
示す。可変コンデンサ１４及び固定コンデンサ１５には
、発振器２ｏがら与えられる発振出力により、それぞれ
の容量値に応じた交流電流＋１．＋２がこれらコンデン
サに流れる。

交流電流１１は整流用ダイオードＤ１．Ｄ２と平滑用コ
ンデンサＣｆｌ及び抵抗Ｒ１からなる検波回路３１で整
流平滑され、抵抗Ｒ１の両端に次式で示ずような、容Ｍ
ＣＩに対応した直流電圧Ｅ１が生ずる。

Ｅ１＝ｆ−ｅｂ−Ｒ１−ｃｌ　　　・　＋２）但し、ｆ
：発振器２０の発振周波数、ｅｂ：発振器２０の発振出
力の振幅。

また、交流電流１２は整流用ダイオードＤ３゜Ｄ４と平
滑用コンデンサＣｆ２および抵抗Ｒ２からなる検波回路
３２で平滑され、抵抗Ｒ２の両端には次式で示すような
容量ｃ２に対応した直流電圧Ｅ２が生ずる。

Ｅ２−ｆ　−ｅｂ−Ｒ２・Ｃ２・・・（３）そして、差
動増幅器へを用いた制御回路４ｏで直流電圧Ｅ１が基準
電圧Ｅｓと等しくなるように発振器２０の発振出力を制
御することによって、発振出力の振幅ｅｂ１並びに発振
周波数ｆの影響を除去し、抵抗Ｒ２の両端に生ずる直流
電圧Ｅ２が次式の関係を満足するようにしている。

Ｅ２＝　（（Ｒ２−０２−ＥＳ）／ （Ｒ１・Ｃ１））　・・・（４） この式に（１）式を代入し、ｃ２＝ｃｏとすると、次式
が得られ、 Ｅ２＝（Ｒ２／Ｒ１） ・（１＋（ｘ／ｄ））・Ｅｓ・・・（５）出力端子Ｅｏ
ｕｔに電極間の間隔に比例した直流電圧Ｅ２が得られる
。

しかしながら、このような構成の検出器１ｏを用いた場
合、接合面１３の接着工程等の影響を受は初期間隔を設
計通りに作ることが難しく、また、接合面が温度による
影響を受け、初期間隔ｄが変化すると、（５）式より明
らかなように、スパン誤差を生じ、被測定量に応じた出
力信号を得ることが出来なくなる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 本発明の解決しようとする技術的課題は、前記検出器の
初期間隔の変化によってスパン誤差が発生しないように
することにある。

〈問題点を解決するための手段〉 本発明における第１の発明の構成は、被測定量に応じて
可動電極が変位し容量が変化する可変コンデンサとこの
可変コンデンサの初期容量と等しい容量の第１の固定コ
ンデンサ及び前記可動電極が最大に変位したときの可変
コンデンサの容量に対応した容量の第２の固定コンデン
サを有する検出器と、前記可変コンデンサの容量を０１
、前記第１の固定コンデンサの容量を０２、前記第２の
固定コンデンサの容量をＣ３とし、これらに、Ｅｏ＝Ｋ
・（（１／ＣＩ　）−（１／Ｃ２））／（（１／Ｃ３）
−（１／Ｃ２）） ・・・（６） （但し、Ｋ：定数） なる演算を施す変換回路とを具備し、出力に前記可変コ
ンデンサにおける初期間隔の影響をうけない出力信号Ｅ
ｏを得るようにしたことにある。

本発明にお【プる第２の発明の構成は、被測定量に応じ
て可動電極が変位し容量が変化する可変コンデンサとこ
の可変コンデンサの初期容量と等しい容量の第１の固定
コンデンサ及び前記可動電極が最大に変位したときの可
変コンデンサの容量に対応した容量の第２の固定コンデ
ンサを有する検出器と、前記可変コンデンサが帰還回路
に接続された第１のセンサアンプと、前記第１の固定コ
ンデンサが帰還回路に接続された第２のセンサアンプと
、前記第２の固定コンデンサが帰還回路に接続された第
３のセンサアンプと、これら第１、第２、第３のセンサ
アンプにそれぞれコンデンサを介して発振出力を共通に
印加する発振器と、前記第３のセンサアンプの出力を整
流した電圧と前記第２のセンサアンプの出力を整流した
分圧との差が一定になるように前記発振器を制御する制
御回路と、前記第１のセンサアンプの出力を整流した電
圧と前記第２のセンサアンプの出力との差を演算して出
力電圧を得る回路とを具備したことにある。

く作用〉 前記の技術手段は次のように作用する。即ち、前記可変
コンデンサの容量Ｃ１は、前記可動電極の変位量Ｘに対
し、ｘ＝Ｏのときの初期容量をＣＯ１初期間隔をｄとす
ると、 ＣＩ　＝　（ｄ／　（ｄ＋ｘ））−ＧＯで表わされ、前
記第２の固定コンデンサの容量Ｃ３は、前記可動電極が
最大変位したときの前記可変コンデンサの容量に対応し
ている為、前記可動電極の最大変位量をＸＳとすると、 ｃ３＝　（ｄ／　（ｄ＋ｘｓ））　・ＣＯ・・・（７） で表される。

前記第１の固定コンデンサの容量Ｃ２は前記可変コンデ
ンサの初期容量ＣＯと等しく、これらに（６）式で示す
演算を施せば、 Ｅｏ＝　（Ｘ／ＸＳ）・Ｋ　　・・・（８）なる出力電
圧Ｅｏが得られ、初期間隔ｄ項を含まない、即ち、初期
間隔ｄが変化して起こるスパン誤差が発生しない出力信
号が得られる。

〈実施例〉 以下図面に従い本発明の実施例について説明する。第１
図は本発明実施例装置に用いる検出器の具体例示す断面
図である。検出器１０は、被測定圧力Ｐに応じて可動電
極１４ｂが変位し電極１４８．１４ｂ間の容量Ｃ１が変
化する可変コンデンサ１４と、被測定圧力Ｐに無関係に
電極１５ａ、１５ｂ間の間隔が一定で、可変コンデンサ
１４の初期容量と等しい容ＩＣ２の第１の固定コンデン
サ１５と、絶縁体１１に固定電極１４８゜１５ａと同心
円状に一定深さ深ざＸＳなる凹部１７を設け、四部１７
の底面に固定電極１６ａを、固定電極１６ａに対向して
シリコン基板１２の固定部に固定電極１６ｂを設けて、
電極１６ａ。

１６ｂ間の容量Ｃ３が可動電極１４ｂの最大変位したと
きの可変コンデンサ１４の容量と等しく、（７）式で示
すように、 Ｃ３＝　（ｄ／　（ｄ＋ｘｓ）１　・Ｃ０で表わされる
第２の固定コンデンサ１６とで構成されている。

第２図は、検出器１０において検出された容量Ｃ１，Ｃ
２，Ｃ３に対し、（６）式で表わされる演算を施す変換
回路の具体例を示す。６１，６２゜６３は各々センサア
ンプで、センサアンプ６１の帰還回路に検出器１０の可
変コンデンサ１４と抵抗ＲＩＯの並列回路が、センサア
ンプ６２の帰還回路には検出器１０の第１の固定コンデ
ン１Ｊ１５と抵抗Ｒ２０の並列回路が、センサアンプ６
３の帰還回路には検出器１０の第２の固定コンデンサ１
６と抵抗Ｒ３０の並列回路がそれぞれ接続されている。

発振器２０からの発振出力ｅｂは一定容量Ｃａ１．Ｃａ
２．Ｃａ３に固定コンデンサ５１゜５２．５３をそれぞ
れ介してセンサアンプ６１゜６２．６３の入力に加えら
れている。７１．７２゜７３は各々整流回路で、それぞ
れセンサアンプ６１．６２．６３の出力ｅ１．ｅ２．ｅ
３を整流する。８１．８２は各々減算回路で、減算回路
８１は整流回路７３の出力Ｅ３０と整流回路７２の出力
Ｅ２０の差を演算し、減算回路８２は整流回路７１の出
力Ｅ１０と整流回路７２の出力Ｅ２０の差を演算して出
力電圧Ｅｏを出力する。

９０は制御回路で、演算増幅器９０ａとその帰還回路に
積分コンデンサ９０ｂを有する積分器から構成され、演
算増幅器９０ａの反転入力端子に抵抗９０Ｃを介して加
えられる減算回路８１の出力Ｅ４０が、非反転入力端子
に加えられる基準電圧Ｅ３０と等しくなるように、その
出力で発振器２０を制御する。

このように構成した変換回路において、センサアンプ６
１．６２．６３の帰還回路の時定数Ｃ１・Ｒ１０，Ｃ２
・Ｒ２０，Ｃ３・Ｒ３０を発振器２０の発振周期１／ｆ
より充分に大きく選べば、センサアンプ２１，２２．２
３の出力ｅ１゜Ｃ２，Ｃ３は、 Ｃ１＝（Ｃａｌ／ＣＩ）−ｅｂｐｐ・　（９）Ｃ２＝（
Ｃａ２／Ｃ２）−ｅｂｐｐ・１１０）Ｃ３＝　（Ｃａ３
／Ｃ３）−ｅｂｐｐ・　（１１）となり、ｅｌは可変コ
ンデンサ１４の容量Ｃ１の逆数に、Ｃ２は第１の固定コ
ンデンサ１５の容量Ｃ２の逆数に、Ｃ３は第２の固定コ
ンデンサ１６の容１１Ｃ３の逆数に応じた値となる。こ
の出力ｅｌ、ｅ２．ｅ３がそれぞれ整流回路７１．７２
゜７３で整流された後、減算回路８１．８２に与えられ
る。整流回路７１．７２．７３のゲインをに１とすると
減算回路８１．８２の出力Ｅ４０゜Ｅｏはそれぞれ次式
で与えられる。

Ｅ４０＝Ｅ３０−Ｅ２０＝に１　（（Ｃａ３／Ｃ３）−
（Ｃａ２／Ｃ２））−ｅｂｐｐ ・・・（１２） Ｅｏ＝Ｅ１０−Ｅ２０＝に１　（（Ｃａｌ／ＣＩ）−（
Ｃａ２／Ｃ２）１−ｅｂｐｐ ・・・（１３） 制御回路９０は減算回路８１の出力Ｅ４０が基準電圧Ｅ
Ｓと等しくなるように発振器２０の発振出力ｅｂを制御
するので次式の関係が成立する。

Ｅｓ＝に１−　ｅｂｐｌ）（（Ｃａ３／Ｃ３）−（Ｃａ
２／Ｃ２））　　　・　（１４）（１３）式に（１４）
式を代入し、かツｃａ　１　＝Ｃａ２＝Ｃａ３＝Ｃａと
すルト、出力電圧Ｅｏは、Ｅｏ＝Ｅｓ　（（１／ＣＩ　
）−（１／Ｃ２））／（（１／Ｃ３）−（１／Ｃ２）） ・・・　（１５） となる。そして、 ＣＩ＝−（ｄ／（ｄ＋ｘ））　・Ｃ０ Ｃ２＝Ｃ０ Ｃ３＝　（ｄ／　（ｄ＋ｘｓ））　・Ｃ０であるから、
出力電圧Ｅｏは、 Ｅｏ＝　（Ｘ／Ｘ５）−Ｅｓ　　　・・・（１６）とな
り、初期間隔ｄの項を含まないので、ｄの変化によるゼ
ロシフト、スパンシフトは起らない。

尚、×Ｓの寸法は絶縁体１１の四部により形成され、こ
の部分は凹部形成のためのエツチング時間をコントロー
ルすることにより高精度に形成することが出来る。

第３図は、本発明装置における検出器の他の具体例示す
断面図である。本具体例の検出器１０は、前記可変コン
デンサ、並びに前記第１、第２の固定コンデンサに相当
する部分が三つの独立したコンデンサにより構成されて
いる。１１０はガラス等の絶縁体で、独立した凹部１４
１．１５１゜１６１が設けられている。１４２，１５２
゜１６２はこれら凹部にそれぞれ連通する開口で、被測
定圧力Ｐが与えられている。１２０は、凹部１４１．１
５１．１６１と対向する部分にダイアフラム部１２１，
１２２．１２３がそれぞれ形成されたシリコン基板で、
接合面１３０で絶縁体１１０に接着固定され、接合面１
７０で絶縁体１８０に接着固定されいる。絶縁体１８０
にはダイアフラム部１２１，１２２．１２３の一方側に
連通ずる開口１３１，１３２．１３３が設けられ、間口
１３１からは大気圧（または真空）が与えられ、開口１
３２．１３３から被測定圧力Ｐが与えられている。

絶縁体１１の四部１４１，１５１．１６１の底部には固
定電極１４．３，１５３．１６３が設けられ、これら固
定電極に対向してダイアフラム部１２１．１２２，１２
３の他方側に電極１４４゜１５４．１６４が段けられて
いる。

ダイアフラム部１２１の一方側には被測定圧力Ｐが、他
方側には大気圧が加えられ、ダイアフラム部１２１はこ
れらよって変位する為、固定電極１４３と電極１４４間
に構成されるコンデンサ１４０は可変コンデンサとして
作用する。

ダイアフラム部１２２の両側には被測定圧力Ｐが加えら
れ、ダイアフラム部１２２は変位しない為、固定電極１
５′３と電極１５４間に構成されるコンデンサ１５０は
固定コンデンサとして作用する。そして固定ｉｔ極１５
３と電極１５４の間隔は可変コンデンサ１４０の初期間
隔ｄと等しくされ、この間の容量が可変コンデンサ１４
０の初期容量と等しくなるように構成されており、これ
により前記第１の固定コンデンサを構成する。

また、ダイアフラム部１２３の両側には被測定圧力Ｐが
加えられ、ダイアフラム部１２３は変位しない為、固定
電極１６３と電極１４４間に構成されるコンデンサ１６
０は固定コンデンサとして作用する。そして固定電極１
６３と電極１６４の間隔は可変コンデンサ１４０の可動
電極が最大変位したときの間隔（ｄ　十Ｘ　Ｓ　）と等
しくされ、この間に形成される容量が可変コンデンサ１
４０の可動電極の最大変位したときの容量と等しくなる
ように構成されており、これにより前記第２の固定コン
デンサを構成する。

このような構成による検出器１ｏの動作は第１図に示し
たものと実質的に変らない為詳細な作用の説明は省略す
るが、本具体例の場合には、可変コンデンサ１４０、並
びに第１、第２の固定コンデンサ１５０．１６０が同一
構造となっている為、これらのコンデンサの温度特性を
揃えることが出来る。

尚、これまでの本発明の詳細な説明では、容量ＣＩ、Ｃ
２，Ｃ３に対しく６）式の演算を施ず変換回路はアナロ
グ回路によって構成されたものであったが、これに限ら
ず、検出器１０からの信号をＡＩＤ変換器を介してコン
ピュータに導入し、デジタル演算によって前記出力信号
を得るようなデジタル回路構成としても良い。

〈発明の効果〉 本発明によれば、検出器の初期間隔の変化によるスパン
誤差が生じない。また、従来装置では検出器の感度をア
ップするため、電極間の間隔を小さくすると、前記初期
間隔の変化が誤差分として信号中に大きく現れる為、電
極間隔を限度以上に小さくすることが出来なかったが、
本発明によれば、前記出力信号は前記初期間隔の項と無
関係となる為、前記初期間隔を充分小さく出来、感度の
向上がはかれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置で用いられる検出器の具体例を示す
断面図、第２図は本発明装置で用いられる変換回路の具
体例を示す回路図、第３図は本発明装置で用いられる検
出器の他の具体例示す断面図、第４図は従来装置で用い
られる検出器の断面図、第５図は従来装置で用いられる
変換回路の回路図である。 １０・・・検出器、１４・・・可変コンデンサ、１５・
・・第１の固定コンデンサ、１６・・・第２の固定コン
デンサ、１４ｂ−ｍ動電極、１４ａ、１５ａ。 １５ｂ、１６ａ、１６ｂ・、・固定電極、２０−・・発
振器、５１．５２．５３・・・コンデンサ、６１，６２
゜６３・・・センサアンプ、７１，７２．７３・・・整
流回路、８１．８２・・・減韓回路、９０・・・制御回
路、１４０・・・可変コンデンサ、１５０・・・第１の
固定コンデンサ、１６０・・・第２の固定コンデンサ、
１４４・・・可動電極、１４３，１５３，１５４゜１６
３．１６４・・・固定電極、Ｒ１０，Ｒ２０゜Ｒ３０・
・・抵抗

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定量に応じて可動電極が変位し容量が変化す
   る可変コンデンサとこの可変コンデンサの初期容量と等
   しい容量の第１の固定コンデンサ及び前記可動電極が最
   大に変位したときの可変コンデンサの容量に対応した容
   量の第２の固定コンデンサを有する検出器と、前記可変
   コンデンサの容量をＣ１、前記第１の固定コンデンサの
   容量をＣ２、前記第２の固定コンデンサの容量をＣ３と
   し、これらに、 Ｅｏ＝Ｋ・｛（１／Ｃ１）−（１／Ｃ２）｝／｛（１／
   Ｃ３）−（１／Ｃ２）｝ （但し、Ｋ：定数） なる演算を施す変換回路とを具備し、出力に前記可変コ
   ンデンサにおける初期間隔の影響を受けない出力信号Ｅ
   ｏを得るようにしたことを特徴とする容量式変換装置。
2. （２）被測定量に応じて可動電極が変位し容量が変化す
   る可変コンデンサとこの可変コンデンサの初期容量と等
   しい容量の第１の固定コンデンサ及び前記可動電極が最
   大に変位したときの可変コンデンサの容量に対応した容
   量の第２の固定コンデンサを有する検出器と、前記可変
   コンデンサが帰還回路に接続された第１のセンサアンプ
   と、前記第１の固定コンデンサが帰還回路に接続された
   第２のセンサアンプと、前記第２の固定コンデンサが帰
   還回路に接続された第３のセンサアンプと、これら第１
   、第２、第３のセンサアンプにそれぞれコンデンサを介
   して発振出力を共通に印加する発振器と、前記第３のセ
   ンサアンプの出力を整流した電圧と前記第２のセンサア
   ンプの出力を整流した分圧との差が一定になるように前
   記発振器を制御する制御回路と、前記第１のセンサアン
   プの出力を整流した電圧と前記第２のセンサアンプの出
   力との差を演算して出力電圧を得る回路とを具備したこ
   とを特徴とする容量式変換装置。