JPS6182103A - 帰還増幅型静電容量計 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、帰還増幅型静電容量針の改良に関する。

〔発明の技術的背景〕

静電容量の変化を検出する技術は計測技術分野で広く応
用されており、例えは搬送鋼板までの距離を計測する距
離針、塗膜の厚さを＃Ｆ纏ｊする厚さ針、溶融金属液体
のレベル計等である。

従来、この備の計測技術に使用する静電容量変化の検出
技術としては既に公知になっており、その１つとしては
チャージ増幅器を用いたものがあり、他の１つはダミー
のコンデンサとＳｔ容ｉｔ型センサのコンデンサとを用
いてブリッジ回路ｔ−構成し、静電容量型センサの静電
容量の微小変化をブリッジ回路で電圧信号に変換して取
出し、センサコンデンサの微少変化容量を検知するもの
である。

第５図は従来の帰還増幅型静電容量計の構成図であって
、この静電容量計は静電容を型センサの；ンデンサＣｓ
の静電容量変化を、この静電容量変化に応じて得られる
電圧と発振器ｌから出力される一定振幅の交流電圧との
差電圧から検出するものである。具体的に説明すると、
靜亀容ｔｍセンサのコンデンサＣｓが演算項＠器２の負
入力端子に接続され、ま次発振器ｌが演算増幅器２の正
入力端子に接続され、さらに演算増幅器２の出力熾が負
帰還用コンデンサＣＮ　を介して増幅器２の負入力端子
に接続されている、・。

しかして、以上のような静電容量計においては、演算増
幅器２に発振器ｌから固定周波数でかつ一定振幅の交流
電圧ｅｉｔ−加え、この状態でコンデンサＣＢの静電容
量が被測定体（不図示）との距離に応じて変化すると、
演算増幅器２からはＣＮ／Ｃａ比の値に応じた電圧ｅＫ
が出力されるＯこの出力電圧ｅｐ、は次式により表わさ
れる。すなわち である。この叱（１）式から明らかなように発振器１の
出力電圧Ｊおよび負帰還用コンデンサＣＮの値をそれぞ
れ固定にすると、帰還が加わったときの出力電圧ＣＫは
コンデンサＣＢの静電容量変化に対応した値となる。従
って、増幅器２の出力電圧ｅＫｔ−計測することにより
、間接的にコンデンサＣ８の静電容量の値を検知するこ
とができる。なお、第６図は発振器ｌの出力ｌｉｌ、［
ｅ。

ｔ−ＩＶに設定したとき、ＣＮ／Ｃ８の比に対する出力
特性である。

ところで、静電容量型センサと被測定体との相対距離に
対する靜電容ｊｌ型センサのコンデンサＣ８の静電容蓋
値は、 ｃ　　、、　Ｓ　−ｔ Ｓ　　　Ｄ　　　　　　　・・・・・・・・・　（２）
なる式により表わされる。ここで８は静電容量型センサ
の断面積、Ｉは静電容を温センサと被測定体との間の誘
電率、Ｄは靜電容電型センサと被測定体との相対距離で
ある。したがって、コンデンサＣ８の静電容量変化は、
相対距離に対して非ａｍとなり、かつ相対距離りが長く
なるに従って微小となる。

〔背景技術の問題点〕

しかしながら、従来の＃還増幅型静電容蓋計では次のよ
うな問題がある。すなわち、■　演算増幅器２の出力電
圧ｅｘは第６因に示すように非＋ｓｍであるため、この
出力電圧６Ｋをリニアライブに通して線型化しなげれば
ならない。このため回路構成が複雑となり、誤差か生じ
やすくなってしまう。

■　一般に靜電答ｔｈＬ型センチの断面積と測定スパン
との比率は約１が限度であって、例えば断面積約３２ｘ
ｍφ　の静電容量型センサでの測定スパンは約３０關と
なり、測定スパンｔ−拡大したい要求がある。

■　第（１）式から判るように静電容量型センサの静竜
容蓋の微小変化を拡大して検出するためＫ１幅度を高く
（ＣＮの値を大きく設定）すると、出力電圧ｃＫｆ）絶
対値が大きくなりすぎて飽和してしまい、測定が不可能
となりてしまう。

〔発明の目的〕

本発明は上記実情に基づいてなされたもので、その目的
とするところは、高感度でノイズの影響ｔ−受けず、か
つ線型の出力特性が得られる高精度の＃還増幅型静電容
重訂ｔ−提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、インピーダンスなどの基準辺側回路とインピ
ーダンスおよび静電容１に型センサよりなる〜測定辺側
回路とでブリッジｒｇＪｊｉ！を構成するとともに、こ
のブリッジ回路に発振器から信号増幅回路を介して所定
周波数の交流信号を供給し、このときブリッジ回路の各
基準辺側および被測定辺側から得られた各出力電圧を帰
還用差動増幅回路で差電圧として取出して＃配信号増幅
回路に正帰還することＫより、センサで検出される靜亀
容斌を債号増１回路の出力から計測する帰還増幅製静電
容量計である。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の第ｌの実施例について篤１図を参照して
説明する０ｌｈｈ図においてＣｓ　　は被測定体との距
離に応じて静電容量が変化する静電容量型センサの舒電
容ｔｔ−示している。この静電容′ｘＣｓすなわち靜亀
容ｊｉｍセンサは、予め設定された値の基準辺側インピ
ーダンスＺｌ。

ｚ２および予め設定された静電容量値の颯測定辺１１１
１コンデンサＣ１とでブリッジ回路ｌＯを構成している
。このブリッジ回路１０には、発振器１１から出力され
る所定周波数、一定振幅の交流電圧ｅｉ　が信号増幅器
１２を介して供給され、この結果、接続点ａには出力電
圧ｅ　　接Ｓ８％ 続点すには静電容量Ｃｓ　の変化に応じた出力電圧ｅ５
．が現われるようになっている。

このブリッジ回路１０の谷接続点ａ、ｂは、それぞれ帰
還用差動増幅器１３の各入力端子に接続されており、こ
の帰還用差動増幅器１３０出力塙は信号増幅器１２の正
入力端子に接続されてブリッジ回路１ｏの接続点ａ、ｂ
間の差電圧が信号増幅器１２に正帰還されるように構成
されている。

次に上記の如く構成された静電容量計の動作について説
明する。発振器ＩＩから出力される所定８波数、一定振
幅の又流亀圧ｅｔ　　が信号増幅器１２を介し【ブリッ
ジ回路１０に供給されると、ブリッジ回路１ｏの接続点
ａには電圧ｅＢ、１接続点すには靜亀容を型センサの静
電容ｌｃｓに応じた電圧ｅＢ、が現われる。これら電圧
ｅ　Ｂｌ＊　ｅ　５．　　はそれぞれ帰還用差動増幅器
Ｉ３に加えられ、ここで差電圧ｅ　　＝（ｅ、−ｅｓ、
　）・Ｇ１．が得られる。なお、Ｇｉ、は帰還用差動増
幅器１３の増幅度である。そうして、この差電圧ｅＢは
信号増幅器１２に正帰還され、この信号増幅器１２から
静電容量型センサの静電容量ＣＩ３の被測定体Ｓとの距
離に応じ比電圧ｅ　が出力される。

ここで、上記各出力電圧を式を用いて表わすと次のよう
になる。ブリッジ回路１ｏの各接続点ａ、ｂｌｃ％われ
る電圧ｅ　Ｂ、　、　ｅ５．は、ｅ８１”　ｆＡＯ（Ｚ
２／（Ｚｌ＋Ｚ２））　　　・・・・・・（３）ｅ、、
　＝＝　ｅｏｉ　Ｚｃｘ／（Ｚａ＋ＺＣＸ）　）　　・
’−（４）である。なお”ＩＺＣＸは靜蒐容を型センサ
のリアクタンス（ｌ／ｊωＣｘ）であり、ｚＣｌはコン
デンサＣｔのリアクタンス（１／ｊωＣｔ）である６そ
して、これら電圧ｅ　ｓ、　ｓ　ｅ　ｓ！　　が帰還用
差動増幅器１３に送られ、ここで上式で述べた差電圧６
Ｂを得て信号増幅器１２に正帰還するので、信号増幅器
１２の出力電圧ｅ０　　は次式により表わすことかでき
る。すなわち である。ここで、Ｇ１！は信号増幅器１２のオープン増
幅度であり、Ｋ　ｌ＝ｅ　ａ、／ｅｏ　Ｉ　Ｋ　２　＝
ｅｓ、／ｅ。

である。したがって、第（５）式から判るように発振器
１１の交流電圧ｅ１、信号増幅器１２のオープン増幅度
Ｇ１１、帰還用差動増幅器１３の増幅度Ｇ１．およびに
１の値を固定にすれは、信号増幅器１２の出力電圧ｅ０
はに２＝Ｚｃｘ／（Ｚ０＋Ｚｃｘ）の値に対応して変化
することになる。そこで、信号増幅器１２の出力電圧ｅ
□　　を測定子れば、間接的に静亀容鴬拒センサの静電
容ｋ　Ｃｓの変化を測定し次ことになり、ひいては例え
は靜を温センサと被測定体との距離を求めることができ
る。

第２図は第１図に示す距離計の出力特性図であって、静
電容量型センサとしては５ＱｍｌＲφの径のものを用い
、発振器ＩＩの出力周肢数５ＱｆＧ−１ｚ、被測定体Ｓ
として鋼板を用いている。この図から明らかなように出
力％性は線型となり、また測定スパンは従来のものより
も拡大されていることが判る。

このように本発明の静電容量計においては、靜翫容ｉＪ
ｋ型センサＣｓ　　ｔ−一辺に接続したりブリッジ回路
１０を構成し、このブリッジ回路１０の出力電圧ｅｓ１
．　ｅＢ２　　の差電圧ｅＢ　　を帰還用差動増幅器１
３から信号増幅回路１２に正帰還するので、得られる出
力特性は第２図に示すように線型となり、かつ測定スパ
ンか拡大したものとなっている。これにより、出力電圧
ｃｏを従来のように別途設けたりニア２イザにより線型
化する必要はない。またブリクジ回ｊ！構成により高Ｓ
／Ｎ比でもって靜電容１ｍセンサの静電容量Ｃ６の変化
が検出できる。したがって、靜ｍｕセンサと被測定体と
の距離を精度高く測定できる。

また、信号増＠器１２および帰還用差動増幅器１３の各
増幅度Ｇｌ！　、Ｇｔｓ　ｔ−調祭することにより、出
力特性を所望の特性に変化させることができる。

次に１本発明の謝２の実施例について第３図を参照して
説明する。なお、第１図と同一部分には同一符号を付し
である。この静電容量針は、静電容に製センサを接続す
るラインすなわち同軸ケーブルの温度変化による分布容
量の変化を補償する手段を設けたものである。すなわち
、第１図に示すインピーダンスＺｚ　、ＺＪに代ってコ
ンデ／すＣＪ　、Ｃ４が接続され、さらに静電容量型セ
ンサ２Ｑが同軸ケーブル２１により接続されている。ま
た、コンデンサＣ３とＣ４の接続点Ｃには同軸ケーブル
２１と同一条件で補償用同軸ケーブル２２が設置され℃
いる。この同軸ケーブル２２のシールド線および被測定
体Ｓはアース線２３ｆｔ介して接続されている。

次に上記の如く麹酸された靜寛容ｉｔ針の動作について
説明する。発振器１１から信号増幅器１２ｔ−介してブ
リッジ回路３０に交流信号が供給されると、ブリッジ回
路３０の各接線点Ｃ９ｄにはそれぞれ電圧ｅ８１　ｓ　
Ｃ８４が現われる。これら電圧ｅＢ、、ｅ８６　　は帰
還用差動増幅器１３に送られ、ここで差電圧ｅｓａが求
められて信号増＠器１２に正帰還される。そして、信号
増幅器１２から静電容ｉｔｓセンサ２０と被測定体Ｓと
の距ｐＩＪｉｔｏに応じた電圧ｅｏａが出力される。

ここで前記電圧ｅＢ、、ｅＢ、　　は次式により表わさ
れる。すなわち、 ’　ａｓ　＝ｅｏａ　＠Ｚａ／　（Ｚ　３　＋　Ｚ　４
　）　　　・”　・”　・”　（６）ｅｓ４　　＝　　
ｅｏａ　　−”ｃ、／　（Ｚｃｍ＋Ｚｃｓｊ　）　　　
−・”−（７’である。ここで、ｚ４はコンデンサＣ３
と同軸ケーブル２２０分布容蓋Ｃｂ　との合成リアクタ
ンスすなわち（ｌ／ｊω（Ｃ４＋Ｃｂ））テアリ、Ｚｓ
）ｉコンデンサｃ、のりアクタンス（１／ｊωＣ，）、
ｚｃｌはコンデンサＣ１のりアクタンス（１／ｊωＣ１
）。

Ｚｃｓ’　は静電センサ２０の静電容量Ｃ８と同軸ケー
プに２１の分布容量Ｃａ　との合成リアクタンス（ｉ／
ｊω（Ｃ５＋Ｃａ））である°。

そこで、コンデンサＣ１，Ｃｓの靜ｔ　答ｉｔ値を等し
く（Ｃ７＝ＣＪ）　　設定すると、各電圧ｅＳｇ＋ｅｓ
、１次式のようになる。すなわち、ｅ８３＝ｅ！ｏａ”
Ｚ＋／（Ｚｃ、＋Ｚ＋）　　　、−”（８）ｅｓ、”　
ｅｏａ　’　Ｚｃ、／（Ｚｃ１＋Ｚｃｓ’ン　・・・・
・・（９）である。

そこで、測定中に同軸ケーブル２１，２；！の周囲温度
が変動するとこれら同軸ケーブル２１゜２２の分布容ｉ
ｋ　Ｃｂ　＋　Ｃａは変化するが、その変化は同じよう
に変化する。よって、第（８）式および第（９）式から
判るように、各電圧’　８＠　＃　Ｃ８４の絶対値すな
わＳ振幅は変化するが、差電圧ｅａａは変動せずに靜を
容量型セ／す２０と被ｍ＋＋定体Ｓとの距離に応じた値
となる。第４図は脂３図に示す距離計の出力特性図であ
って、温度２０°Ｃおよび５α℃における各出力特性を
示している。

この出力特性図から明らかなように温度５０℃において
補償が行なわれないと出力％性は温度２０℃における出
力特性と異なったものとなるが、補償用同軸ケーブル２
２〒設けて補償を行なうと、温度２０℃における出力特
性と同一の出力特性を示すようになる。

このように第３図に示す本発明の静電容量計においては
、静電容量型上／す２０を接続してブリッジ回路を画成
するための同軸ケーブル２１と同一の補償用同軸ケーブ
ル２２を同軸ケーブル２ノと一対にして接続したので、
周囲温度が変化して同軸ケーブル２１０分布容量が変化
しても、この分布容量の変化により出力特性が変動する
ことはない。したがって、第３図に示す静電容量計にお
いても、第１図に示すものと同様の効果を奏するととも
に、温度が変化しても同一の出力特性を保つことができ
る。

さらに、上記第１および第２の冥施例においては、共に
次のような効果ｔ−賽することができる。

■　従来の静電容量針と比較して３〜５倍の微小な容量
変化を検出することができる。

■　静電容量戯センサの静電容量変化に対する出力特性
は、信号増幅器又は帰還用差動増幅器の増幅度ｔ−１１
ｇｋすることによって、任意に勇整することができる。

■　本発明の静電容量計を距離計として用いると、測定
距離に対する出力特性を線型化することかできる。

■　さらに、測定スパンｔ−３〜５倍に拡大することが
できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、基準辺側インピーダンス。

れたブリッジ回路に信号増幅回路金片して所定周牧畝の
交流信号を供給し、このときブリッジ回路の基準辺側お
よび振測定辺側から得られる各出力電圧ｔ−帰還用差動
増幅回路で前記信号増幅回路に正帰還して静を容量変化
を出力するので、高感度でノイズの′＃響を５２：けす
、かつ練製の出力特性が得られる高精度の帰還増幅型ｈ
！亀容麓計を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る帰還増幅型静電容量計の絽ｌの冥
施例を示す構成図、＃；２図は第１図に示す静電容量計
の出力特性図、第３因は本発明に係る帰還増幅型静電容
量計の第２の実施例を示す構成図、第４図は第３図に示
す靜１！谷量計の出力特性図、第５図は従来の帰還増幅
型静電容量計の構成図、第６図は第５図に示す静電容量
計の出力特性図である。 １０・・・プリクジ回路、１１・・・発振器、１２・・
・信号増幅器、１３・・・帰還用差動増幅器、Ｚ７゜Ｚ
２・・・インピーダンス、ＣＩ・・・コンデンサ、Ｃ８
・・・静電容１型センサの静電容量、Ｓ・・・被測定体
、２０・・・静電容ｉｉ型七／す、２１・・・同軸ケー
゛プル、２２・・・補償用同軸ケーブル、３Ｑ・・・７
゛リツジ路。 出願人代理人　弁理士　　鈴　江　武　２箒１　ニー 第２：。 周友距＄８１　　ｈｍ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の基準辺側インピーダンスと測定辺側インピ
   ーダンス、静電容量の変化を検出する測定辺側センサと
   で構成されたブリッジ 回路と、このブリッジ回路に発振器から出力される所定
   周波数の交流信号を供給する信号増幅回路と、前記ブリ
   ッジ回路の基準辺側および測定辺側の各出力電圧を受け
   、これら の出力電圧の差に比例する信号を前記信号増幅回路に正
   帰還する帰還用差動増幅回路とを備え、前記信号増幅回
   路の出力から前記センサで検出される静電容量を測定す
   ることを特徴とする帰還増幅型静電容量計。
2. （２）測定辺側センサが測定辺側インピーダンスに同軸
   ケーブルを介して接続されている場合、複数の基準辺側
   インピーダンスの間に前記同軸ケーブルと同一条件下で
   補償用同軸ケーブルを設けるものである特許請求の範囲
   第（１）項記載の帰還増幅型静電容量計。