JP6653899B1 - 静電容量測定回路及び静電容量変位計 - Google Patents

静電容量測定回路及び静電容量変位計 Download PDF

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Abstract

静電容量測定回路は、交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定する。静電容量測定回路は、入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み増幅器の出力から増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、増幅器の入力が第２導電体に接続されるとともに負帰還部により仮想接地され、静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、信号検知手段の出力に接続され、少なくとも信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段とを備える。

Description

この発明は、微小な静電容量まで測定可能な静電容量測定回路、及びこの静電容量測定回路を備える静電容量変位計に関するものである。
対象物との間の距離などを測定する手段の一つとして、変位計が用いられている。主な非接触変位計として、レーザー変位計、渦電流変位計、静電容量変位計が慣用されているので、まずレーザー変位計、渦電流変位計、静電容量変位計の特徴を比較する。
レーザー変位計は、レーザー光を対象物に照射し、対象物からの反射光を受光することによって対象物との距離を測定するものである。対象物との距離を測定する具体的な方法として、例えば三角測距式、共焦点式、分光干渉式、２次元三角測距式、白色干渉方式などの様々な方法が用いられているが、ここでは詳細を省略する。
レーザー変位計は、対象物からの反射光を受光することが必要であるため、対象物がレーザー光を反射しうる物、例えば表面粗さが小さい物、望ましくは鏡面を有する物であることが要求されるという問題点を有している。また、対象物が既定の状態から傾くと、反射光を受光できなくなってしまうという問題点も有している。さらにレーザー変位計は、消費電力が大きく高価であるという問題点も有している。
一方レーザー変位計は、一例として最大１０００ｍｍという長い測定距離を実現できるという長所を有している。（非特許文献１参照。）
渦電流変位計は、例えば数ＭＨｚの高周波電流をコイルに流して高周波磁界を発生させる。高周波磁界が発生すると、磁界内の対象物（金属）の電磁誘導作用によって、対象物表面に磁束の通過と垂直方向の渦電流が流れる。渦電流の大きさはコイルと対象物との距離で変化するので、コイルのインピーダンス変化を知ることによって、距離を測定するものである。（非特許文献２参照。）
渦電流変位計は、対象物が金属であることが必要であるという問題点を有している上、金属の種類によって感度が異なるという問題点を有している。また、表面粗さによって渦電流の大きさが異なるため、表面粗さによって感度が異なるという問題点も有している。
渦電流変位計の測定可能距離は、一例として最大２５ｍｍ程度である。（非特許文献３参照。）
静電容量変位計は、対象物との間の静電容量によって対象物との間の距離を知るものである。対象物との距離が近ければ静電容量は大きく、対象物との距離が遠ければ静電容量は小さくなる。このように対象物との間の静電容量によって距離を測定することを、以下「距離測定」という。従来技術による静電容量変位計は後に詳述する。
従来技術による静電容量変位計の最大の問題点は、一例として最大８ｍｍという短い測定距離である。（非特許文献４参照。）
一方、従来技術による静電容量変位計は、接地された導電体との間の距離を測定できるだけでなく、接地された導電体との間の静電容量に影響する物体を検知することができ、しかも導電体でない物体も検知できるという大きな長所を有している。例えば、空気よりも誘電率の大きい物体が静電容量変位計と接地された導電体との間に入ると、静電容量が増加するので、誘電体の量や厚さなどを知ることができる。また、一例として人体（不完全に接地された導電体としてふるまう場合が多い）のような物体が静電容量変位計と接地された導電体の間に入ると、静電容量が減少するので、当該物体の状態を知ることができる。このような、静電容量に影響する物体を検知する方法を、以下「物体検知」という。
また、距離測定を行うものも物体検知を行うものも、静電容量によるものは、以下「静電容量変位計」という。さらに静電容量変位計は、対象物の表面粗さの影響を受けないという長所も有している。
レーザー変位計、渦電流変位計、静電容量変位計の長所と短所をまとめると、表１のようになる。表１において、「VG」はvery good、「G」はgood、「A」はaverage、「P」はpoorを表す。
Figure 0006653899
従来技術による静電容量変位計の一例として、特許文献１に示されている計測原理（特許文献１の図１及び段落０００８から段落００１８）や、非特許文献５の測定原理の項が挙げられる。
すなわち、電極を定電流交流源で駆動し、既知の値（空気の誘電率、定電流交流源の周波数と出力電流、電極面積）を勘案すると、電極と接地された対象物（導電体）間の距離を電極に発生する電圧によって知ることができる。（特許文献１の式１から式４や、非特許文献５の式。）
このような従来技術による静電容量変位計の計測原理を、以下「定電流法」という。
しかし定電流法では、浮遊容量が測定誤差要因となるため、一例として測定容量１ｐＦ以下となるような用途に適用することは極めて困難である。（定電流法では電極−対象物間の容量と浮遊容量を分離することができず、定電流交流源の出力電流が浮遊容量に分流してしまうため、特に測定容量が小さいときに大きな測定誤差要因となる。）
このような浮遊容量の影響を低減するために、特許文献１の発明や非特許文献５では、バッファアンプによって中心電極と同電位に駆動されたガード電極（中心電極やガード電極は、非特許文献５の名称）を併用して、中心電極の浮遊容量の影響を低減しようとしている。ガード電極はさらに、非特許文献５の測定原理の図のように、電極−対象物間の電場を整えることができるので、距離と測定電圧の関係の直線性を改善することもできる。
しかし、非特許文献５のバッファアンプや特許文献１の演算増幅器等の入力容量（通常数ｐＦ以上）も、電極の浮遊容量と同じように動作するため測定誤差要因となり、この誤差要因はガード電極等を用いても排除できない。またこのような入力容量は、周囲温度、バッファアンプや演算増幅器の電源電圧などによって変化してしまう。このため、ガード電極などを併用する場合であっても、測定容量１ｐＦを大きく下回るような用途に適用することは極めて困難である。また回路構成によっては、定電流交流源の出力容量も同様に、測定誤差要因となる場合がある。
例えば非特許文献４の最大測定距離８ｍｍは、直径４０ｍｍという大型のディテクタ（電極）を用いることによって実現している。直径４０ｍｍ、電極間距離８ｍｍの平行平板における容量は約１．３９ｐＦであり、従来技術による静電容量変位計において測定容量１ｐＦ以下を実現することが困難であることを示している。
特開平９−２８０８０６号公報
"仕様比較表"、[online]、株式会社キーエンス、［平成３１年２月２８日検索］、インターネット＜和文ＵＲＬ：https://www.keyence.co.jp/ss/measure/selection/spec_select/#2＞ 瀧本 孝治、"渦電流変位センサの原理と特徴 ｖｏｌ．１〜原理と特徴（概要）〜"、[online]、新川電機株式会社、［平成３１年２月２８日検索］、インターネット＜和文ＵＲＬ：http://www.shinkawa.co.jp/magazine/vol.11_column_sst.html＞ "渦電流式非接触 変位・振動計 ＶＣシリーズ"、[online]、新川電機株式会社、［平成３１年２月２８日検索］、インターネット＜和文ＵＲＬ：https://www.shinkawaelectric.com/products/non_contact/vc.html＞＜英文ＵＲＬ：https://www.shinkawaelectric.com/en/products/non_contact/vc.html＞ "静電容量式非接触変位計 ＶＴ−５２００シリーズ"、[online]、株式会社 小野測器、［平成３１年２月２８日検索］、インターネット＜最終更新日２０１６年９月２日、和文ＵＲＬ：https://www.onosokki.co.jp/HP-WK/products/keisoku/thickness/vt5200.html＞＜Revised：２０１０年１２月１日、英文ＵＲＬ：https://www.onosokki.co.jp/English/hp_e/products/keisoku/dimension/vt5200.html＞ "ＰＳ−ＩＡ 静電容量方式非接触変位計"、特に「測定原理」の項、[online]、ユニパルス株式会社、［平成３１年２月２８日検索］、インターネット＜和文ＵＲＬ：http://www.unipulse.com/jp/products/PS-IA.html＞＜英文ＵＲＬ：https://www.unipulse.tokyo/en/product/ps-ia/＞
解決しようとする課題
電極の選択の自由度が高く、小さい静電容量を測定するという課題があった。
一般的開示
本発明の第１の側面は、交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路である。静電容量測定回路は、入力及び出力を有する増幅器を備えてよい。静電容量測定回路は、帰還容量を含み増幅器の出力から増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、増幅器の入力が第２導電体に接続されるとともに負帰還部により仮想接地され、静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段を備えてよい。静電容量測定回路は、信号検知手段の出力に接続され、少なくとも信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段を備えてよい。
信号検知手段は、さらに、直流補償回路を含んでよい。直流補償回路は、増幅器の出力に接続された入力を有する積分回路と、積分回路の出力及び増幅器の入力に接続する帰還抵抗を含み、増幅器の出力中の直流成分及び低周波成分を、増幅器の入力に負帰還をかけることによって増幅器を直流的に安定させてよい。
直流補償回路は、さらに、少なくとも一つのローパスフィルタを含んでよい。該ローパスフィルタは、増幅器の出力と積分回路の入力の間、又は積分回路の出力と帰還抵抗の間の少なくとも一方の間に設置されてよい。
負帰還部は、帰還容量に並列に接続される帰還抵抗を含み、該帰還抵抗の端子間に端子間容量が形成されてよい。
負帰還部は、さらに、帰還抵抗に直列に接続されるキャンセル回路又は減衰器を含んでよい。
負帰還部は、さらに、帰還抵抗とキャンセル回路又は減衰器の間に第１のバッファアンプを含んでよい。
負帰還部は、帰還容量に並列に接続される放電スイッチを含んでよい。
第２導電体と信号検知手段の間に設置され、第１の共振回路、第２の共振回路、又は第１の共振回路及び第２の共振回路を含むノイズ除去回路をさらに備えてよい。第１の共振回路は、第１導電体に入力される交流信号の周波数成分で共振してよい。第２の共振回路は、除去しようとする周波数成分で共振してよい。
第２導電体と信号検知手段の間、第２導電体の近辺、又は第１導電体の近辺の少なくとも１か所に設置されるシールドをさらに備えてよい。シールドが接地されてよい。
静電容量測定回路は、第２導電体と信号検知手段の間、第２導電体の近辺、又は第１導電体の近辺の少なくとも１か所に設置されるシールドを備えてよい。静電容量測定回路は、入力及び出力を含む第２のバッファアンプを備えてよい。第２のバッファアンプの入力が信号検知手段の入力に接続されるとともに、第２のバッファアンプの出力がシールドに接続され、第２のバッファアンプの出力によってシールドを駆動してよい。
第１導電体、第２導電体、又は第１導電体及び第２導電体をプリント基板によって構成してよい。
静電容量測定回路は、第１導電体と第２導電体の間、第１導電体に入力される交流信号を発生する駆動信号発生手段と第１導電体の間、第２導電体と信号検知手段の間、又は駆動信号発生手段と第１導電体の間と第２導電体と信号検知手段の間の両方の間に設置されるインダクタをさらに備えてよい。静電容量とインダクタが共振回路を形成し、静電容量が特定の値であるときに共振回路が第１導電体に入力される交流信号の周波数で共振してよい。
信号検知手段は、増幅器の出力と測定手段の間に設置される増幅回路を含んでよい。該増幅回路は、第１導電体に入力される交流信号の周波数における増幅率の絶対値が１より大きい増幅率を有してよい。
帰還容量は、減衰器と、第３のバッファアンプと、容量素子を含んでよい。増幅器の出力側に減衰器の入力側が接続されてよい。減衰器の出力側に第３のバッファアンプの入力側が接続されてよい。第３のバッファアンプの出力側に容量素子の一端が接続され、容量素子の他端が増幅器の入力側に接続されてよい。記帰還容量が等価的に容量素子の容量と減衰器の減衰率と第３のバッファアンプの利得の積値と同じ容量を備えるように、信号検知手段が動作してよい。
帰還容量は、第１の抵抗と第２の抵抗を含む減衰器と容量素子を含んでよい。増幅器の出力側に減衰器の入力側が接続され、減衰器の出力側に容量素子の一端が接続され、増幅器の入力側に容量素子の他端が接続されてよい。交流信号の周波数における、容量素子のインピーダンスが第１の抵抗と第２の抵抗の並列抵抗値に対して大きいとき、帰還容量が等価的に容量素子の容量と減衰器の減衰率の積値と同じ容量を備えるように、信号検知手段が動作してよい。
増幅器は、ディスクリート素子で構成されてよい。
静電容量測定回路は、第１導電体及び第２導電体に並列に接続された基準容量を備えてよい。静電容量測定回路は、第１導電体に入力される交流信号を発生する駆動信号発生手段と、第１導電体及び基準容量との間に配置され、駆動信号発生手段を第１導電体又は基準容量に切り替え可能に接続するスイッチを備えてよい。
測定手段は、入力側にフィルタを備えてよい。フィルタは、測定手段で測定しようとする周波数以外の周波数成分を減衰させてよい。
測定手段は位相検波手段を備えてよい。位相検波手段は、測定手段で測定しようとする周波数以外の周波数成分の影響を抑制してよい。
静電容量測定回路は、各々異なる周波数の交流信号を出力し、第１導電体に入力される交流信号を発生する駆動信号発生手段を、複数備えてよい。第１導電体は、複数の第１導電体を含み、複数の第１導電体は、各々異なる周波数の交流信号に対応する複数の駆動信号発生手段に一対一で接続してよい。第２導電体は１つであってよい。信号検知手段又は測定手段は、複数の周波数を分離して、各第１導電体と第２導電体間の静電容量を測定してよい。
第１導電体は１つであってよい。第２導電体は複数の第２導電体を有し、複数の第２導電体に一対一で対応する信号検知手段及び測定手段に接続されてよい。信号検知手段又は測定手段は、１つの第１導電体と、複数の第２導電体間の静電容量を各々測定してよい。
第１導電体に入力される交流信号を生成する駆動信号発生手段、第１導電体、第２導電体、信号検知手段、及び測定手段のうちの２つの間の接続を切り替える切替手段をさらに備えてよい。
第１導電体は、位相が９０°異なる２つの交流信号が各々入力される２つの第１導電体を有してよい。第２導電体は１つであってよい。測定手段が２つの交流信号を位相差で分離することによって、１つの第２導電体と各第１導電体間の静電容量を測定してよい。
第１導電体は、位相が１８０°異なる２つの交流信号が各々入力される２つの第１導電体を有してよい。第２導電体は１つであってよい。第２導電体が接続されている信号検知手段の出力が最小になる位置と２つの第１導電体における各々の電圧に基いて第２導電体の位置を測定してよい。
第１導電体及び第２導電体は第１の静電容量を形成してよい。該第１の静電容量は、信号検知手段の入力に接続されてよい。測定手段は、第１の位相検波手段と、該第１の位相検波手段の出力を直流に変換する平均化手段を含み、直流電圧を出力してよい。静電容量測定回路は、さらに、第２の静電容量と、第２の位相検波手段とを備えてよい。直流電圧は、第２の位相検波手段及び第２の静電容量を介して信号検知手段の入力に接続されてよい。第１の静電容量及び第２の静電容量のいずれかが静電容量を形成してよい。直流電圧は、第１の静電容量に比例し、第２の静電容量に反比例してよい。
第１導電体に入力される交流信号は、ディジタル直接合成シンセサイザにより発生されてよい。ディジタル直接合成シンセサイザはルックアップテーブルを含み、該ルックアップテーブルによって位相の異なる信号を得てよい。
第１導電体に入力される交流信号は、ディジタル直接合成シンセサイザにより発生されてよい。ディジタル直接合成シンセサイザは、出力の上位２ビットの論理演算によって９０°単位の位相の異なる信号を得てよい。
測定手段は、さらに、１以上の比較判定手段と、比較判定手段に対応する閾値設定手段を含んでよい。測定手段で測定又は算出した結果の判定を行ってよい。
測定手段はさらに通信手段を備え、測定手段で測定した測定結果を、通信手段を介して送信してよい。
測定手段はさらに通信手段を備え、結果、結果の判定結果の、両方又は一方を、通信手段を介して送信してよい。
静電容量によって、静電容量に影響する物体の接近又は離脱を検知してよい。
第１導電体に入力される交流信号を発生する駆動信号発生手段、第１導電体、第２導電体、信号検知手段、及び測定手段により構成される回路の少なくとも一部を集積回路に実装してよい。
第１導電体に入力される交流信号を発生する駆動信号発生手段と第１導電体の間、第２導電体と信号検知手段の間、又は第１導電体に入力される交流信号を発生する駆動信号発生手段と第１導電体の間及び第２導電体と信号検知手段の間を着脱可能としてよい。
本発明の第２の側面は、静電容量変位計である。静電容量変位計は、上記の静電容量測定回路を備えてよい。第１導電体又は第２導電体は、測定の対象物であってよい。第１導電体及び第２導電体は、別の対象物であってよい。記測定手段は、第１導電体と第２導電体の間の距離を測定してよい。
測定手段は、静電容量と距離の関係を曲線関数で近似し、曲線関数に基いて補正を行うことによって、静電容量と距離の関係を得てよい。
第１導電体、第２導電体のいずれか一以上を移動可能としてよい。
本発明の第３の側面は、静電容量変位計である。静電容量変位計は、上記の静電容量測定回路を備えてよい。測定手段は、第１導電体と第２導電体間の静電容量に影響する物体の状態を検知してよい。
静電容量変位計は、静電容量と、静電容量に影響する物体の状態の関係を曲線関数で近似し、曲線関数に基いて補正を行うことによって、静電容量と物体の状態の関係を得てよい。
第１導電体、第２導電体、又は静電容量に影響する物体のいずれか一以上を移動可能としてよい。
本出願の明細書、図面、又は明細書及び図面に開示（以下、「本開示」という）の静電容量測定回路によれば、次のような効果の一以上が得られる。（本開示の静電容量測定回路を、以下、「容量測定回路」という。）
本開示において「駆動電極」は、第１導電体の一例である。「検知電極」は第２導電体の一例である。本開示の容量測定回路の駆動電極や検知電極は、導電体であればどのような形状や大きさであってもよく、電極の選択の自由度が高い。
検知電極が接続されている信号検知手段の増幅器の入力は仮想接地されるので、交流信号が発生しないため、検知電極対接地間の浮遊容量による影響が生じず、また増幅器の入力容量も同様に測定に影響しない。
容量測定回路は、駆動電極も浮遊容量の影響を受けず、駆動電極に入力される交流信号を発生する駆動信号発生手段自体の出力容量も測定に影響しない。言い換えると、駆動信号発生手段が定電圧出力であれば浮遊容量や出力容量の影響を受けない。定電圧出力でなくても、駆動電極における交流信号の振幅を知る手段があれば影響は生じない。
このため容量測定回路は、従来技術による静電容量変位計よりもはるかに微小な容量を測定可能となる。一例として、１ｆＦ（０．００１ｐＦ）以下の容量を測定できる。
また、大きな電極を使用すると、高感度になる一方、ハムや周囲雑音の影響を受けやすくなる。しかし容量測定回路はさらに、ハムや周囲雑音の影響を排除するための様々な手法が含まれているので、大きな電極を使用することによる高感度化も容易である。
このような容量測定回路を静電容量変位計に適用すると、一例として１０００ｍｍ以上の距離測定ができる。従来技術による静電容量変位計は測定距離が短いことが最大の欠点であった。しかしこのような容量測定回路を含む静電容量変位計によれば、このような欠点を大きく改善できる。
一方、従来技術による静電容量変位計では、対象物の制限を受けない物体検知ができるという特長や、対象物の表面粗さの影響受けないという特長を有していたが、本開示の静電容量変位計でも同様にこの特長を享受可能である。
従来技術による静電容量変位計では最大測定距離が短いため電極と接地された物体の間が近い必要があり、小さい物体の検知しか実現できなかった。しかし本開示の静電容量変位計では駆動電極と検知電極の距離を大きくすることができ、即ちはるかに大きな測定距離を実現できるため、大きい物体の物体検知を実現できる。
具体的な一例として、複数の液体容器が梱包されて外から見えない状態であっても、各容器に充填されている液体の容量を検知するような用途がある。一例として、２リットルのペットボトルの高さは３００ｍｍ強であり、これが複数梱包された状態のままでもペットボトル各々の内容量を検知可能なので、最終出荷検査において特に有効である。このような検査は、レーザー変位計、渦電流変位計、従来技術による静電容量変位計のいずれでも実現不可能であった。
なお、本開示の１ｆＦ（０．００１ｐＦ）以下の容量測定の例や１０００ｍｍ以上の測定距離の例は、出願時点において確認されている一例にすぎず、これらに限定するものではない。
従来技術による静電容量変位計によって複数点の距離測定や物体検知を行う場合は、電極や回路を複数点の数だけ用いる必要がある。これに対して本開示による静電容量変位計では、複数の周波数、９０°単位の位相差、ヘテロダイン検波手段や切り替えによって、電極や回路の一部を簡素化できるという効果も有している。
第１の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第２の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第３の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第３の実施の形態に係る容量測定回路の増幅器Ｕの利得を示す図である。 第３の実施の形態に係る容量測定回路における雑音を示す図である。 容量測定回路の信号検知手段の一例を示す図である。 容量測定回路の信号検知手段の一例を示す図である。 容量測定回路の信号検知手段の一例を示す図である。 容量測定回路の信号検知手段の一例を示す図である。 第４の実施の形態に係る容量測定回路の一例の一例を示す図である。 第４の実施の形態に係る容量測定回路の信号検知手段の一例を示す図である。 第５の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第５の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 信号検知手段の出力の周波数特性のシミュレーション例を示す図である。 第５の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第５の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第５の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第６の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第６の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 プリント基板を用いた検知電極及びシールド電極の一例を示す図である。 プリント基板を用いた検知電極及びシールド電極の一例を示す図である。 プリント基板を用いた検知電極及びシールド電極の一例を示す図である。 第７の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第７の実施の形態に係る容量測定回路の信号検知手段の出力振幅を示すグラフである。 第７の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第７の実施の形態に係る容量測定回路の信号検知手段の出力振幅を示す図である。 第９の実施の形態に係る容量測定回路の一例の一例を示す図である。 第９の実施の形態に係る容量測定回路の信号検知手段の一例を示す図である。 第１０の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第１１の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第１２の実施の形態に係るフィルタを含む測定手段の一例を示す図である。 第１３の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第１３の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第１３の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第１４の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第１４の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第１４の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第１４の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第１４の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第１４の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第１４の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第１４の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第１４の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第１５の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第１６の実施の形態に係る位置検知の例を示す図である。 第１６の実施の形態に係る位置検知の例を示す図である。 第１６の実施の形態に係る位置検知の例を示す図である。 第１６の実施の形態に係る位置検知の例を示す図である。 第１７の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第１８の実施の形態に係るＤＤＳの一例を示す図である。 第１８の実施の形態に係るＤＤＳの一例を示す図である。 第１８の実施の形態に係るＤＤＳの一例を示す図である。 第１８の実施の形態に係るＤＤＳの真理値表の一例を示す図である。 第１９の実施の形態に係る測定手段の一例を示す図である。 第２０の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第２０の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第２０の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第２０の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第２０の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示す図である。 第２１の実施の形態に係る静電容量変位計を距離測定に用いる例を示す図である。 第２１の実施の形態に係る静電容量変位計を距離測定に用いる例を示す図である。 第２１の実施の形態に係る静電容量変位計を距離測定に用いる例を示す図である。 第２１の実施の形態に係る静電容量変位計を物体検知に用いる場合の例を示す図である。 第２１の実施の形態に係る静電容量変位計を物体検知に用いる場合の例を示す図である。 第２２の実施の形態を説明するためのグラフの一例を示す図である。 第２２の実施の形態を説明するためのグラフの一例を示す図である。 距離測定に使用する一組の駆動電極と検知電極の具体例を示す図である。 距離測定に使用する一組の駆動電極と検知電極の具体例を示す図である。 距離測定に使用する一組の駆動電極と検知電極の具体例を示す図である。 距離測定に使用する一組の駆動電極と検知電極の具体例を示す図である。 距離測定に使用する一組の駆動電極と検知電極の具体例を示す図である。 距離測定に使用する一組の駆動電極と検知電極の具体例を示す図である。 ２つの導体の間の距離を測定する例を示す図である。 ２つの導体の間の距離を測定する例を示す図である。 ２つの導体の間の距離を測定する例を示す図である。 ２つの導体の間の距離を測定する例を示す図である。 ２つの導体の間の距離を測定する例を示す図である。 ２つの導体の間の距離を測定する例を示す図である。 ２つの導体の間の距離を測定する例を示す図である。 距離測定によって円筒状金属部品の直角度測定を行う例を示す図である。 距離測定によって円筒状金属部品の直角度測定を行う例を示す図である。 距離測定によって円筒状金属部品の直角度測定を行う例を示す図である。 距離測定によって円筒状金属部品の直角度測定を行う例を示す図である。 ３箇所以上の距離測定を行う具体例を示す図である。 ３箇所以上の距離測定を行う具体例を示す図である。 ３箇所以上の距離測定を行う具体例を示す図である。 ３箇所以上の距離測定を行う具体例を示す図である。 一組の駆動電極と検知電極を物体検知に使用する場合の具体例を示す図である。 一組の駆動電極と検知電極を物体検知に使用する場合の具体例を示す図である。 周波数重畳波形と位相の関係の例を示す図である。 周波数重畳波形と位相の関係の例を示す図である。 一組の駆動電極と検知電極を物体検知に使用する場合の具体例を示す図である。 一組の駆動電極と検知電極を物体検知に使用する場合の具体例を示す図である。 一組の駆動電極と検知電極を物体検知に使用する場合の具体例を示す図である。 一組の駆動電極と検知電極を物体検知に使用する場合の具体例を示す図である。 一組の駆動電極と検知電極を物体検知に使用する場合の具体例を示す図である。 一組の駆動電極と検知電極を物体検知に使用する場合の具体例を示す図である。 物体検知に使用する電極の形状や位置関係の変形例を示す図である。 物体検知に使用する電極の形状や位置関係の変形例を示す図である。 物体検知に使用する電極の形状や位置関係の変形例を示す図である。 物体検知に使用する電極の形状や位置関係の変形例を示す図である。 物体検知に使用する電極の形状や位置関係の変形例を示す図である。 物体検知に使用する電極の形状や位置関係の変形例を示す図である。 物体検知に使用する電極の形状や位置関係の変形例を示す図である。 複数の物体検知を行う例を示す図である。 複数の物体検知を行う例を示す図である。 複数の物体検知を行う例を示す図である。 複数の物体検知を行う例を示す図である。 複数の物体検知を行う例を示す図である。 複数の物体検知を行う例を示す図である。 複数の物体検知を行う例を示す図である。 複数の物体検知を行う例を示す図である。 複数の物体検知を行う例を示す図である。 複数の物体検知を行う例を示す図である。 複数の物体検知を行う例を示す図である。 複数の物体検知を行う例を示す図である。 複数の物体検知を行う例を示す図である。 複数の物体検知を行う例を示す図である。
以下、図面を参照して実施の形態を説明する。実施の形態の説明において「駆動電極」は、第１導電体の一例である。「検知電極」は第２導電体の一例である。また、「駆動信号発生手段」は、第１導電体に入力される交流信号の発生手段の一例である。
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態は、容量測定回路の基本的な構成を示している。この容量測定回路は、本開示の容量測定回路の一例である。図１は第１の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示している。以下、第１の実施の形態について、詳細に説明する。
図１に示す容量測定回路は、駆動信号発生手段２０１と、駆動電極３０１と、検知電極４０１と、信号検知手段５０１と、測定手段６０１を含む。駆動信号発生手段２０１は交流信号を発生して、この交流信号を駆動電極３０１に印加している。この駆動信号発生手段２０１は、例えば信号発生器である。駆動電極３０１は、駆動信号発生手段２０１の出力に接続される。検知電極４０１は、駆動電極３０１との間に電極間容量Ｃｘを形成する。信号検知手段５０１は、例えば信号検知回路であって、入力及び出力を有する増幅器Ｕと、帰還容量Ｃｆを含み増幅器Ｕの出力から入力に負帰還をかける負帰還部７０１を含む。増幅器Ｕの入力は、増幅器Ｕの動作によって仮想接地され、仮想接地点となる増幅器Ｕの入力には検知電極４０１が接続されている。この信号検知手段５０１は、駆動電極３０１と検知電極４０１間の電極間容量Ｃｘを示す振幅の交流信号を出力する。信号検知手段５０１が出力する交流信号の振幅は、駆動電極３０１と検知電極４０１間の容量と関数関係にある。測定手段６０１は、例えば交流電圧測定回路であって、信号検知手段５０１の出力に接続される。測定手段６０１は、信号検知手段５０１の出力の交流信号の振幅などを測定し、駆動電極３０１と検知電極４０１間の電極間容量Ｃｘなどの情報を得る。
以下で使用する電極間容量Ｃｘという表現は、駆動電極と検知電極間に生じる静電容量そのものを指すと共に、その静電容量値も指すこととし、表現の区別なく使用する。他の容量、抵抗や電圧等についても同様に、実体とその値は表現の区別なく使用する。また、駆動電極３０１と検知電極４０１の間の距離を、電極間距離と略記する。
容量測定回路１０１では、電極間容量Ｃｘとほぼ比例する振幅の出力信号が信号検知手段５０１から得られる。（信号検知手段５０１に含まれる増幅器Ｕが理想アンプであり、電極間容量Ｃｘや帰還容量Ｃｆが理想素子であれば、電極間容量Ｃｘと信号検知手段５０１の出力信号の振幅は、完全な比例関係となる。）一方、電極間容量Ｃｘと電極間距離は、駆動電極３０１及び検知電極４０１が平行平板の場合、端効果が小さい領域（平行平板電極の寸法が、平行平板電極間の距離に比べて大きい場合）においては、ほぼ反比例の関係にある。よって、端効果が無視できる領域においては、測定誤差を考えなければ、電極間距離と信号検知手段５０１の出力信号の振幅は、平行平板の場合、反比例する。（端効果の影響等の詳細は、後述の第２２の実施の形態で説明する。）
測定手段６０１は、信号検知手段５０１の出力信号の振幅に基いて電極間容量Ｃｘを得て、それに基いて、電極間距離や電極間容量Ｃｘに影響する物体の状態などの情報を得ている。
容量測定回路１０１の構成要素の一部又は全てはＩＣ（Integrated Circuit：集積回路）に実装してもよい。ＩＣへの実装については、第２０の実施の形態で詳細を説明する。
以下、容量測定回路１０１の各構成要素について説明する。
〔第１の実施の形態−駆動信号発生手段〕
駆動信号発生手段２０１で発生する交流信号のことを、以下「駆動信号」と略記する。駆動電極３０１における駆動信号の振幅を、以下「駆動信号振幅」と略記する。また駆動信号発生手段２０１で発生する交流信号の周波数、波形等を、以下「駆動信号周波数」、「駆動信号波形」等のように略記する。
駆動信号周波数は任意に選択可能であるが、信号検知手段５０１の周波数帯域、周囲雑音の周波数、物体の誘電率の周波数特性や、交流信号を電磁波として放射しにくい駆動電極３０１の形状などを考慮して選択することが好ましい。一例として、物体検知を行う場合の対象物の誘電率が平坦でない周波数特性を有する場合、誘電率が高い周波数を選択すると、高い感度が得られる。
また、位相差を持つ複数の駆動信号を用いることも可能である。９０°位相差については、第１５の実施の形態で説明する。また１８０°位相差については、第１６の実施の形態で説明する。位相差を持つ駆動信号の発生については、第１８の実施の形態で説明する。
駆動信号振幅は、大振幅であるほど高感度の測定が可能となるが、大振幅であるほど駆動信号を電磁波として放射しやすくなり、また大振幅であるほど感電のおそれも生じやすくなるので、これらを考慮して選択することが好ましい。
駆動信号波形も任意に選択可能である。正弦波以外の好適例として、方形波、台形波や周波数帯域を制限した方形波、複数の周波数成分を重畳した波形（以下、「周波数重畳波形」と称する。）などが挙げられる。方形波は、ピーク電圧に対する実効値が大きく、発生が容易である。台形波や周波数帯域を制限した方形波は、方形波よりも過渡状態の影響が小さい。
駆動信号発生手段２０１の具体的な交流信号発生方法は任意に選択可能であり、一例として各種の発振回路などが考えられ、必要に応じて、ＰＬＬ（位相ロックループ）を用いることによって周波数を安定化することも可能である。さらに、ＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer：ディジタル直接合成シンセサイザ）を用いれば、正確な周波数が得られ、任意波形による周波数成重畳波形や位相差を持つ複数の交流信号を発生することなども容易なので、特に好ましい。また、同一のクロックを用いる複数のＤＤＳを用いれば、複数の駆動信号周波数間で相対誤差が生じないような複数の周波数の駆動信号を得ることもできる。
駆動信号の出力インピーダンスも任意である。出力インピーダンスが、駆動信号周波数における電極間容量Ｃｘのインピーダンスよりも十分に小さい定電圧出力であれば、駆動信号発生手段２０１の出力振幅がそのまま駆動信号振幅になる。より出力インピーダンスが高い場合は、駆動電極３０１において駆動信号振幅を測定又は算出する手段を設けることによって、正確な駆動信号振幅を知ることもできる。
さらに、駆動信号発生手段２０１の出力を、図不示のトランス結合や容量結合にすることも可能である。トランス結合によれば、小振幅の駆動信号発生手段２０１を昇圧して大振幅にすることや、出力インピーダンスの高い駆動信号の出力インピーダンスを下げて実用上定電圧として使用することもできる。駆動信号発生手段２０１の出力電圧が直流成分を有することによって感電の恐れが生じる場合などは、容量結合とすることによって直流成分を除去することも可能である。
〔第１の実施の形態−駆動電極、検知電極〕
駆動電極３０１や検知電極４０１は、導電体で構成される。従来技術による静電容量変位計のように、一方を特殊な構造の専用の電極にするという必要はない。
駆動電極３０１や検知電極４０１の面積が大きいほど電極間容量Ｃｘが大きくなり、高感度の容量測定が可能となるので、可能な範囲で面積を大きくすることが望ましい。図１では同じ面積の円形の電極を例示しているが、必要に応じて駆動電極３０１と検知電極４０１の面積や形状を異ならせることも可能である。
駆動電極３０１や検知電極４０１の形状は任意であり、形状の一例として円形、方形、角の丸い方形、多角形などが挙げられる。駆動電極３０１と検知電極４０１の両方が平坦の場合は、平坦な対向面が平行かつ中心が一致している場合と、その他の場合で、電極間容量Ｃｘが異なる場合がある。一例として、駆動電極３０１と検知電極４０１の一方又は両方を球状にすると、駆動電極３０１と検知電極４０１の位置関係による電極間容量Ｃｘへの影響を低減することが可能である。
駆動電極３０１や検知電極４０１の表面状態も任意である。容量測定回路１０１を用いた静電容量変位計は、電極の表面粗さの影響を受けないという特長を有する。駆動電極３０１や検知電極４０１が導電体だけで構成されていてもよいし、例えばメッキや塗装等の表面処理がされていてもよい。
表面処理されていない場合や表面処理が導電体の場合、駆動電極３０１と検知電極４０１が誤って接触すると、信号検知手段５０１の増幅器Ｕの反転入力に駆動信号発生手段２０１の出力が直接接続されることになる。このとき、駆動信号発生手段２０１の出力インピーダンスが低いと、信号検知手段５０１の増幅器Ｕの入力許容電圧を超えてしまい、増幅器Ｕの故障の原因となる可能性がある。これを防止するために、信号検知手段５０１の増幅器Ｕの入力に、図不示の保護素子や適切な保護回路を追加してもよい。保護素子の一例として、駆動信号周波数におけるインピーダンスが電極間容量Ｃｘのインピーダンスよりも十分に小さく、かつ増幅器Ｕの入力を保護しうる程度に十分に大きいインピーダンスを有するような素子（例えば抵抗やコンデンサ）を用いればよい。
距離測定の場合、駆動電極３０１や検知電極４０１の一方又は両方の、対向する表面に誘電体を追加すれば、電極間容量Ｃｘを大きくでき、より高感度の測定を行うことが可能となる。ただしこの場合は原則として、誘電体の厚さの合計を駆動電極３０１と検知電極４０１の取りうる最小距離以下にすることが必要である。誘電体が弾性を有する場合は、誘電体の厚さの合計を駆動電極３０１と検知電極４０１の最小距離よりも大きめにして、衝撃吸収効果を持たせることもできる。物体検知の場合も、電極と物体の間について、上記と同様である。
駆動信号発生手段２０１と駆動電極３０１の間や、検知電極４０１と信号検知手段５０１の間は、使用しないときなどに容易に外すことができるよう、コネクタ等の手段によって着脱可能としてもよい。
検知電極４０１が周囲雑音を拾うことによって影響を受ける場合は、検知電極４０１の駆動電極３０１と反対側にシールドを設けることも可能である。容量測定回路１０１では、検知電極４０１と接地間の浮遊容量の影響をほとんど受けないので、検知電極４０１とシールド間の容量は測定結果にほとんど影響しない。シールド等については、後述の第６の実施の形態で、より詳細を説明する。
〔第１の実施の形態−信号検知手段〕
信号検知手段５０１は、増幅器Ｕと帰還容量Ｃｆにより構成されている。
なお以下の説明では、「増幅器」は、演算増幅器であってもよく、例えばオペアンプＩＣ等のように、外付け部品を追加することによって増幅機能を実現するためのものを指す。また「増幅回路」とは、増幅器に外付け部品を追加することによって、回路全体として増幅機能を有するものを指す。
増幅器Ｕの反転入力には、検知電極４０１と、帰還容量Ｃｆの一端が接続されており、帰還容量Ｃｆの他端は増幅器Ｕの出力に接続されている。増幅器Ｕの非反転入力は接地されている。
増幅器Ｕの非反転入力が接地されているという表現は、増幅器Ｕの非反転入力が交流的に接地されていることを指しており、非反転入力が直流電圧を有していてもよい。（以下、同様。）一例として、増幅器が正負電源ではなく単一極性の電源で動作している場合、非反転入力には例えば電源電圧の半分の直流電圧を与えることがある。（図１の例では、増幅器Ｕは図不示の正負電源によって動作しており、増幅器Ｕの非反転入力が直接基準電位に接続されているので、交流的にも直流的にも接地されている。）
駆動信号振幅をＶｉｎ、駆動信号周波数をｆ、信号検知手段５０１の出力振幅をＶｏｕｔとする。この場合、電極間容量Ｃｘのインピーダンスは１／（２π・ｆ・Ｃｘ）、帰還容量Ｃｆのインピーダンスは１／（２π・ｆ・Ｃｆ）となり、増幅器Ｕは反転増幅器を構成する。増幅器Ｕが反転増幅器のときの入出力の関係から、理想アンプの場合の入出力の関係は式１のようになる。
Figure 0006653899
駆動信号振幅Ｖｉｎと帰還容量Ｃｆは既知の値なので、信号検知手段５０１の出力振幅Ｖｏｕｔによって、電極間容量Ｃｘを知ることができる。
例えば駆動信号振幅Ｖｉｎが１Ｖｒｍｓ、帰還容量Ｃｆが１ｐＦのとき、信号検知手段５０１の出力振幅Ｖｏｕｔが１Ｖｒｍｓなら電極間容量Ｃｘは１ｐＦ、信号検知手段の出力振幅Ｖｏｕｔが０．１Ｖｒｍｓなら電極間容量Ｃｘは０．１ｐＦのように、信号検知手段の出力振幅Ｖｏｕｔによって、電極間容量Ｃｘを知ることができる。
増幅器Ｕがいわゆる理想アンプの場合は、信号検知手段５０１の出力振幅Ｖｏｕｔは電極間容量Ｃｘに比例し、帰還容量Ｃｆに反比例する。現実の増幅器Ｕなどではこの比例・反比例関係に若干の誤差が生じるが、出力振幅Ｖｏｕｔと電極間容量Ｃｘとは「関数関係」にあるといえる。校正等によってこの関数関係を知ることができれば、補正によってより正確に電極間容量Ｃｘを知ることができる。以降ではこのような正確性に関する議論は原則として省略し、式１が成立することを前提に説明する。
検知電極４０１に接続されている増幅器Ｕの反転入力は、非反転入力と同電位になるように動作する結果、いわゆる仮想接地の状態になるので、検知電極４０１は接地電位に保たれる。このため、検知電極４０１と接地間の浮遊容量には駆動信号周波数等の電圧はかからない、あるいは一定の直流電圧になるので、容量測定回路１０１では、浮遊容量の影響が抑制される。
現実の増幅器Ｕの場合は、駆動信号周波数における開ループ利得をＡｖとすると、浮遊容量の影響を１／Ａｖにできる。（増幅器Ｕの働きによって、浮遊容量は実際の容量の１／Ａｖの容量に見える。）すなわち、増幅器Ｕの帯域を考慮して駆動信号周波数を適宜選択することによって必要な浮遊容量の低減効果を得ることができ、駆動信号周波数における開ループ利得Ａｖが大きい増幅器Ｕを用いることができれば浮遊容量の影響をより効果的に低減できる。
ここでは信号検知手段５０１の出力として、低インピーダンスの電圧出力を例示しているが、必要に応じて高インピーダンスの電流出力や、適当なインピーダンスを有する出力とすることも可能である。
信号検知手段５０１のさらなる改良・変形等は、後述の、第８の実施の形態から第１１の実施の形態で説明する。
〔第１の実施の形態−測定手段〕
前述のように、信号検知手段５０１の出力振幅Ｖｏｕｔは電極間容量Ｃｘに比例するので、測定手段６０１は少なくとも信号検知手段５０１の出力振幅Ｖｏｕｔを知ることができるように構成される。
測定手段６０１は、例えば交流電圧測定機能を有するデジタルマルチメータ又は交流電圧計であってもよい。このデジタルマルチメータ又は交流電圧計が信号検知手段５０１の出力に接続されて、測定手段６０１は信号検知手段５０１の出力振幅Ｖｏｕｔを知ることができる。
測定手段６０１は、交流電圧測定手段を含み、信号検知手段５０１の出力を直流に変換して、信号検知手段５０１の出力振幅Ｖｏｕｔをその直流電圧によって知るようにしてもよい。交流電圧測定手段として、下記のような例が挙げられる。
・信号検知手段５０１の出力を整流し平均化して直流に変換する（平均値検波）。（整流手段として用いるダイオードの順方向電圧（ＶＦ）が、無視できない誤差要因になる場合は、慣用されている理想ダイオード回路を使用することもできる。）
・熱変換方式等の実効値検波素子や回路によって直流に変換する（実効値検波）。
・アナログ演算回路によって実効値変換を行い、直流に変換する（実効値検波）。
信号検知手段５０１の出力を直流に変換する場合、信号検知手段５０１の出力に雑音が含まれていると一緒に直流電圧に変換されて誤差となる。したがって、後述の第１２の実施の形態や第１３の実施の形態のような方法によって駆動信号周波数だけを抽出することが望ましい。
信号検知手段５０１の出力に、Ａ／Ｄ変換器（アナログディジタル変換器）を接続して、各種のディジタル処理によって信号検知手段５０１の出力振幅Ｖｏｕｔを知ることもできる。この場合、必要に応じて、信号検知手段５０１の出力とＡ／Ｄ変換器の間にローパスフィルタやバンドパスフィルタを挿入することも可能である。
特にディジタル処理を併用する場合は、信号検知手段５０１の出力振幅Ｖｏｕｔに基いて電極間容量ＣｘをＣＰＵ（Central Processing Unit）によって算出することも容易である。さらに、電極間容量Ｃｘに基いて、電極間距離や物体の状態などの様々なパラメータを測定結果として算出することもできる。
比較判定手段と閾値設定手段を測定手段６０１に備えることによって各種の判定を行うことも可能であり、後述の第１９の実施の形態で詳細を説明する。
測定手段６０１は、出力手段を備え、信号検知手段５０１の出力振幅Ｖｏｕｔ、電極間容量Ｃｘ、電極間距離や物体の状態などの様々な測定結果、及び判定を行った結果などの情報を、適宜出力する。出力手段は、情報の各種の表示、印刷（値の印字やグラフ出力を含む）、判定によって知った異常等の際の警報や接点出力等を広く含み、これらには限定されない。また、測定手段６０１が通信手段を備え、この通信手段によって、必要なところにこれらの情報を伝達してもよい。このような測定手段の詳細も、後述の第１９の実施の形態で説明する。
測定手段６０１を含む組み合わせにおいてはさらに、一例として下記のような改良・変形が考えられるが、これらの詳細は各々の実施の形態で説明する。
・信号検知手段５０１において、帰還容量Ｃｆを等価的により小さい容量とする回路によって、より高感度な測定を行う。（第９の実施の形態。）
・信号検知手段５０１の出力に、さらに増幅回路を追加することによって、より高感度な測定を行う。（第１０の実施の形態。）
・駆動信号周波数以外の周波数成分を減衰するようなフィルタを、信号検知手段５０１との間に追加することによって、雑音等の影響を低減する。（第１２の実施の形態。）
・駆動信号周波数以外の影響を受けにくい交流電圧測定方法（一例として位相検波手段）によって、雑音等の影響を低減する。（第１３の実施の形態。）
・同時に複数点の距離測定や物体検知を行う。（第１４の実施の形態。）
・９０°の位相差を有する２つの駆動信号によって、同時に２点の距離測定や物体検知を行う。（第１５の実施の形態。）
〔第１の実施の形態−静電容量変位計への応用の概要〕
容量測定回路１０１では前述のように、信号検知手段５０１の出力振幅Ｖｏｕｔによって電極間容量Ｃｘを知ることができる。平行平板の場合は、端効果が無視できる領域においては、電極間距離と電極間容量Ｃｘは反比例の関係にあるので、電極間容量Ｃｘを知ることによって電極間距離を知ることができる。端効果が無視できない場合や平行平板でない場合であっても、電極間距離と電極間容量Ｃｘの関係を予め知っておけば、電極間容量Ｃｘから電極間距離を知ることができる。この場合も、電極間距離と電極間容量Ｃｘは、ある関数関係にあるので、電極間容量Ｃｘを知ることによって電極間距離を知ることができる。
駆動電極３０１と検知電極４０１のいずれか一方又は両方が測定対象物となるように容量測定回路１０１を適用すれば、電極と測定対象物の間又は測定対象物同士の間の距離測定が可能な静電容量変位計を実現できる。なお距離測定の場合には、駆動電極３０１や検知電極４０１となる測定対象物が導電体である必要がある。ただし、非導電体の対象物に電極を取り付ければ、距離測定を行うことも可能である。
容量測定回路１０１を用いれば、電極間容量Ｃｘに影響を及ぼす物体に係る物体検知も可能であり、この場合の物体は導電体でなくてもよい。例えば、空気よりも誘電率の大きい物体が駆動電極３０１と検知電極４０１間に入ると、電極間容量Ｃｘが増加するので、その増加の程度によって誘電体の量や厚さなどを知ることができる。また、電気的に浮いた（絶縁された）導電体（このような導電体を、以下、「浮いた導電体」という）が駆動電極３０１と検知電極４０１間に入ると、電極間容量Ｃｘが増加するので、その増加の程度によって浮いた導電体の大きさや厚さなどを知ることができる。一方、接地された導電体などの物体が駆動電極３０１と検知電極４０１間に入ったり近づいたりすると、駆動電極３０１と検知電極４０１間の電気力線を遮ることになるため、電極間容量Ｃｘが減少する。よって、その電極間容量Ｃｘの変化の程度によって物体の状態を知ることができ、容量測定回路１０１によって、物体検知が可能な静電容量変位計も実現できる。
ここで、誘電体、浮いた導電体、及び接地された導電体という分類は一つの例であり、このような分類が一義に適用できない場合もある。例えば人体は、導電体というにはインピーダンスは大きめではあるが、物体検知においては接地された導電体のようにふるまう場合が多い。しかし、接地部（例えば靴）のインピーダンスが大きい場合や、駆動電極３０１や検知電極４０１が人体に対して十分な大きさの場合は、浮いた導電体のようにふるまう可能性がある。また人体の大部分は水であり、水は誘電体なので、誘電体としてふるまう可能性もある。
容量測定回路１０１を静電容量変位計に適用すれば、検知電極等における浮遊容量の影響を受けず、例えば１ｆＦ（０．００１ｐＦ）以下の微小な容量が測定可能である。このため、容量測定回路１０１を用いた静電容量変位計では、例えば１０００ｍｍ以上の電極間距離の測定が実現可能である。
また容量測定回路１０１を用いた静電容量変位計は、大きな距離の距離測定という効果と、物体検知では測定対象物が導電体でなくてもよいという静電容量変位計特有の長所を兼ね備えている。このため、従来の静電容量変位計では検知できなかった大きな物体の物体検知を実現できる。
［第２の実施の形態］
第１の実施の形態の信号検知手段では、入力に直流成分が存在すると、使用している増幅器Ｕの直流における開ループ利得だけ直流成分が増幅されることになる。即ち、直流オフセット電圧、バイアス電流、雑音等に起因して、信号検知手段の出力の直流成分が不定になったり、出力が飽和したりする可能性がある。
第２の実施の形態は、信号検知手段の出力の直流成分の不定及び出力の飽和を抑制する例を示している。図２は、第２の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示している。図１と同一部分には同一の符号を付している。第１の実施の形態と同一部分の説明を省略する。
第２の実施の形態に係る容量測定回路１０２は、信号検知手段５０１に代えて信号検知手段５０２を含む。この信号検知手段５０２は、既述の増幅器Ｕと、負帰還部７０２を含む。負帰還部７０２は、既述の帰還容量Ｃｆを含み、帰還容量Ｃｆに並列に接続される放電スイッチＳｆを含んでいる。放電スイッチＳｆがオンになると、帰還容量Ｃｆが放電されて負帰還部７０２の端子間電圧はゼロになる。この結果、信号検知手段５０２に含まれる増幅器Ｕの出力は反転入力と同電位になる。一方、増幅器Ｕは反転入力と非反転入力が同電位になるように動作しているので、増幅器Ｕの出力は、非反転入力が接続されている基準電位と同電位になる。これにより、信号検知手段５０２の入力に直流成分が存在した場合であっても、増幅器Ｕの直流における開ループ利得により入力の直流成分が増幅されることが抑制される。即ち、直流オフセット電圧、バイアス電流、雑音等に起因して、信号検知手段５０２の出力の直流成分が不定になったり、出力が飽和したりすることが抑制される。
放電スイッチＳｆを一時的にオンするタイミングの例として、増幅器Ｕの出力の直流成分が所定値を越えたとき、交流成分のピークと直流成分の和が増幅器Ｕの出力飽和電圧に近づいたとき、信号検知手段５０２の電源が投入されたとき（パワーオンリセット時）、増幅器Ｕの出力が飽和しないような一定のタイミングや任意のタイミング、などが挙げられる。
放電スイッチＳｆは、例えば半導体スイッチ、半導体リレー、機械的なリレーである。半導体スイッチ、半導体リレーや機械的リレーの端子間容量は一般的に数ｐＦ以上あるので、帰還容量Ｃｆが端子間容量の影響を受けないような容量の場合（一例として帰還容量Ｃｆが１０ｐＦ以上の場合）に使用可能である。
機械的なリレーの一種として、高周波リレーがある。高周波リレーでは、オフ時に接触子を接地するなどの特殊な接点構造によって端子間容量を低減し、アイソレーション性能を大幅に改善している。このような高周波リレーを用いれば、より小さい容量（一例として１ｐＦ）の帰還容量Ｃｆを採用することができる可能性がある。
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態は、信号検知手段の出力の直流成分不定及び出力飽和を抑制する別の例を示している。図３Ａから図３Ｃは、第３の実施の形態に係る容量測定回路、周波数特性、出力雑音特性の一例を示しており、図４Ａから図４Ｄは、第３の実施の形態に係る容量測定回路の信号検知手段の変形例である。図１及び図２と同一部分には同一の符号を付している。第１の実施の形態および第２の実施の形態の何れかと同一部分の説明を省略する。
第３の実施の形態に係る容量測定回路１０３は、信号検知手段５０１、５０２に代えて信号検知手段５０３を備える。この信号検知手段５０３は、既述の増幅器Ｕと、負帰還部７０３を含む。負帰還部７０３は、図３Ａに示すように、既述の帰還容量Ｃｆを含み、帰還容量Ｃｆに並列に接続される帰還抵抗Ｒｆを含んでいる。この帰還抵抗Ｒｆは、第１の帰還抵抗の一例であり、放電のための抵抗である。この帰還抵抗Ｒｆを備えることにより、容量測定回路１０３は、信号検知手段５０３の出力の直流成分不定と出力飽和とを抑制している。
帰還容量Ｃｆと帰還抵抗Ｒｆによる時定数に相当する周波数よりも低い周波数（直流を含む）では、帰還容量Ｃｆのインピーダンスよりも帰還抵抗Ｒｆのインピーダンスが低くなるため増幅器Ｕの利得が低下する。（図３Ｂ参照。なお、帰還容量Ｃｆと帰還抵抗Ｒｆによる時定数に相当する周波数は、１／（２π・Ｃｆ・Ｒｆ）である。）この結果、信号検知手段５０３の出力の直流成分不定及び出力飽和が抑制される。一方、帰還容量Ｃｆと帰還抵抗Ｒｆによる時定数に相当する周波数よりも高い周波数では、帰還容量Ｃｆのインピーダンスが帰還抵抗Ｒｆのインピーダンスよりも低くなるため、周波数が高いほど帰還抵抗Ｒｆの影響が低下し、式１に近づく。即ち、帰還容量Ｃｆと帰還抵抗Ｒｆによる時定数に相当する周波数は、駆動信号周波数よりも十分に低い周波数、一例として、１／１０程度の周波数にするのが好ましい。
ここで、帰還抵抗Ｒｆは一般的に、大きな抵抗値、一例として１００ＭΩの抵抗値を有している。帰還容量Ｃｆと帰還抵抗Ｒｆによる時定数に相当する周波数を、駆動信号周波数よりも低くするためである。また帰還抵抗Ｒｆが大きい方が、帰還抵抗Ｒｆに起因する信号検知手段５０３の雑音を小さくできるためである。この理由を、図３Ｃを参照して説明する。
帰還抵抗Ｒｆには並列に帰還容量Ｃｆが接続されているため、信号検知手段５０３に現れる帰還抵抗Ｒｆに起因する熱雑音は、帰還容量Ｃｆと帰還抵抗Ｒｆによる時定数に相当する周波数以上において、周波数に比例して低下する。一例として１００倍大きい抵抗値の帰還抵抗Ｒｆ'を使用すると、この時定数に相当する周波数は１／１００になる。一方、帰還抵抗Ｒｆを大きくすると、帰還抵抗Ｒｆに生じる熱雑音は大きくなる。一例として１００倍大きい抵抗値の帰還抵抗Ｒｆ'を使用すると、熱雑音は√１００倍（１０倍）になる。時定数に相当する周波数が１／１００になり、熱雑音が１０倍になる結果、駆動信号周波数における熱雑音は１／１０に低減される。すなわち、帰還抵抗Ｒｆが大きい方が、帰還抵抗Ｒｆに起因する信号検知手段５０３の雑音を小さくできる。
容量測定回路１０３によれば、帰還容量Ｃｆと帰還抵抗Ｒｆによる時定数に相当する周波数よりも低い周波数において、継続的に増幅器Ｕの利得が低下するので、信号検知手段５０３の出力の直流成分不定と出力飽和とを抑制され、連続して容量測定を行うことが可能になる。
信号検知手段５０３は、さらに図２に示す放電スイッチＳｆを備えていてもよい。例えば、信号検知手段５０３の電源投入時に放電スイッチＳｆをオンして帰還容量Ｃｆを放電し、放電スイッチＳｆがオフになった後は帰還抵抗Ｒｆの効果によって信号検知手段５０３を直流的に安定させることができる。
帰還抵抗Ｒｆとして用いる実際の抵抗素子には、端子間容量Ｃｆ'が存在しており、帰還抵抗Ｒｆや帰還容量Ｃｆに並列に接続される。一例として、チップ抵抗の端子間容量は０．１ｐＦ程度あるので、帰還容量Ｃｆがこの影響を受けないような容量の場合（一例として帰還容量Ｃｆが１ｐＦ以上の場合）に使用可能である。また、実際の抵抗素子の端子間容量Ｃｆ'は、実際の容量素子よりもＱ値（クオリティファクタ）が低く、容量のばらつきが大きく容量値も保証されないため、信号検知手段５０３の性能劣化の原因となる可能性がある。
信号検知手段５０３は、例えば図４Ａから図４Ｄのいずれかに示す信号検知手段５０３−１、５０３−２、５０３−３、５０３−４であってもよい。図４Ａから図４Ｄは、帰還抵抗Ｒｆの端子間容量による影響をキャンセルし、帰還容量Ｃｆの選択の自由度を向上させるための回路が追加された信号検知手段の例を示している。
図４Ａに示す信号検知手段５０３−１の負帰還部７０３−１は、帰還抵抗Ｒｆに直列に接続されるバッファアンプＢと、キャンセル回路とを備える。キャンセル回路は、抵抗Ｒｃと容量Ｃｃを含み、帰還抵抗Ｒｆの端子間容量、つまり帰還容量Ｃｆ'の影響をキャンセルする。バッファアンプＢは、図４Ａにおいて三角形の記号により表され、利得１のバッファアンプである。帰還抵抗ＲｆとともにバッファアンプＢ及びキャンセル回路は、帰還容量Ｃｆに並列に接続される。このとき、下記の式２のように抵抗Ｒｃ、容量Ｃｃ、帰還抵抗Ｒｆ及び帰還容量Ｃｆ'の値を選択することによって、帰還抵抗Ｒｆの端子間容量の影響をキャンセルできる。
Ｒｃ・Ｃｃ≒Ｒｆ・Ｃｆ' ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
実際に入手できる容量素子は、帰還容量Ｃｆ'よりも大容量である場合がほとんどであるので、Ｃｃ＞Ｃｆ'かつＲｃ＜Ｒｆになる場合が多い。帰還容量Ｃｆ'の容量値のばらつきを補償するために、抵抗Ｒｃと容量Ｃｃのいずれか一方、もしくはその値の一部を可変素子としてもよい。一般的には可変抵抗の方が安価で入手性もよいので、抵抗Ｒｃに可変抵抗を用いるか、固定抵抗と可変抵抗を適宜併用することが好ましい。
帰還容量Ｃｆ'に並列に、この帰還容量Ｃｆ'よりも大容量（一例として１０倍の容量）の図不示の固定容量素子を並列接続し、これらの並列容量をＣｆ'として式２に適用することもできる。固定容量素子を併用する方法によれば、実際の抵抗素子の端子間容量が実際の容量素子よりもＱ値が低く、容量のばらつきが大きく、容量値が保証されない、という問題点を、さらに緩和又は解決できるという効果が得られる。
帰還抵抗Ｒｆの抵抗値が抵抗Ｒｃの抵抗値よりも十分に大きいときは、信号検知手段５０３−１からバッファアンプＢを省略し、図４Ｂに示す信号検知手段５０３−２のような構成としても、図４Ａの信号検知手段５０３−１と同様の効果が得られる。
入手性や部品コストの問題によって帰還抵抗Ｒｆの抵抗値をより小さくする場合は、図４Ｃに示す信号検知手段５０３−３のような構成にすることが可能である。信号検知手段５０３−３の負帰還部７０３−３は、帰還抵抗Ｒｆに直列に接続されるバッファアンプＢと、減衰器（アッテネータ）とを備える。減衰器は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２を含む。この場合は、減衰器の減衰率の分、帰還抵抗Ｒｆの抵抗値を小さくできる。例えば、抵抗Ｒ１が９ｋΩであり、抵抗Ｒ２が１ｋΩであり、減衰器の減衰率が２０ｄＢ（１／１０）である場合、帰還抵抗Ｒｆとして１００ＭΩの抵抗を使用することによって、負帰還部７０３−３が１ＧΩの帰還抵抗Ｒｆと同様の時定数として動作する。ただし、１００ＭΩの抵抗を使用するときの信号検知手段５０３−３の雑音は、帰還抵抗Ｒｆが１ＧΩ時よりも大きくなり、実際に使用する１００ＭΩ相当となる。
図４Ｃの信号検知手段５０３−３においては、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の並列抵抗値を抵抗Ｒｃとして、前述の式２を満たすようにする。
帰還抵抗Ｒｆの抵抗値が抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の並列抵抗値よりも十分に大きいときは、信号検知手段５０３−３のバッファアンプＢを省略し、図４Ｄの信号検知手段５０３−４のような構成としても、図４Ｃの信号検知手段５０３−３と同様の効果が得られる。
図４Ｃにおいて、バッファアンプの利得が１よりも低い場合は、その分、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２による減衰器の減衰率を下げて補償すればよい。バッファアンプの代わりに利得が１よりも大きい非反転増幅回路を使用する場合は、その利得の分だけ減衰器の減衰率を上げればよい。
なお、図３Ａの容量測定回路１０３において、信号検知手段５０３の増幅器Ｕの出力を図不示の別のバッファアンプの入力に接続することにより、増幅器Ｕの出力と帰還抵抗Ｒｆの間に別のバッファアンプを挿入しても、図３Ａの容量測定回路１０３と同様の効果が得られる。この別のバッファアンプの増幅率が１よりも小さい場合は、それに相当する分、帰還抵抗Ｒｆの抵抗値を小さくすればよい。図４Ａと図４Ｂにおいて増幅器Ｕの出力と抵抗Ｒｃの間に図不示の別のバッファアンプを挿入しても、同様であり、図４Ｃと図４Ｄにおいて増幅器Ｕの出力と抵抗Ｒ１の間に、図不示の別のバッファアンプを挿入しても、同様である。
［第４の実施の形態］
第４の実施の形態は、信号検知手段の出力の直流成分不定及び出力飽和を抑制する別の例を示している。図５Ａは、第４の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示しており、図５Ｂは、容量測定回路の信号検知手段の一例を示している。図５Ａにおいて、図１、図２及び図３Ａと同一部分には同一の符号を付している。第１の実施の形態から第３の実施の形態の何れかと同一部分の説明を省略する。
図５Ａに示す容量測定回路１０４は、信号検知手段５０１、５０２、５０３に代えて信号検知手段５０４を備える。この信号検知手段５０４は、増幅器Ｕの入力及び出力に接続された直流補償回路９０４を含み、信号検知手段５０４の出力の直流成分不定及び出力飽和を抑制する。直流補償回路９０４は、増幅器Ｕｉ、積分容量Ｃｉ及び積分抵抗Ｒｉからなる積分回路と、第２の帰還抵抗の一例である帰還抵抗Ｒｆ'とを含み、積分回路を用いて増幅器Ｕの出力信号中の直流成分及び低周波成分を抽出し、負帰還をかけることによって信号検知手段５０４を直流的に安定させ、信号検知手段５０４の直流補償を行う。
図５Ａでは、信号検知手段５０４中の増幅器Ｕの出力と反転入力の間に（即ち、帰還容量Ｃｆと並列に）、積分回路、及び積分回路の増幅器Ｕｉの出力に接続される帰還抵抗Ｒｆ'が接続されている。積分容量Ｃｉ、積分抵抗Ｒｉによって決まる積分回路の時定数は、帰還抵抗Ｒｆ'と帰還容量Ｃｆによって決まる時定数よりも小さくすることが好ましい。
直流や低周波数成分に対して、信号検知手段５０４中の増幅器Ｕの開ループ利得に加えて、増幅器Ｕｉの開ループ利得の分、増幅されて負帰還がかかるので、直流補償回路９０４によれば第３の実施の形態よりも、直流成分をより正確にキャンセルすることができるという効果が得られる。
信号検知手段５０４は、例えば図５Ｂに示す信号検知手段５０４−１であってもよい。図５Ｂの信号検知手段５０４−１は、増幅器Ｕの入力及び出力に接続された直流補償回路９０４−１を含む。直流補償回路９０４−１は、既述の積分回路及び帰還抵抗Ｒｆ'並びに第１のローパスフィルタ及び第２のローパスフィルタを含み、雑音や高周波数成分が、図不示の帰還抵抗Ｒｆ'の電極間容量Ｃｆ'を経由して増幅器Ｕの入力に戻ることを低減する。
第１のローパスフィルタは、抵抗ＲＬＰＦ１と容量ＣＬＰＦ１により形成され、増幅器Ｕの出力と積分回路の入力の間に設置され、増幅器Ｕｉが十分に動作できないような雑音や高周波数成分を低減する。第１のローパスフィルタのカットオフ周波数は、増幅器Ｕｉのユニティゲイン帯域幅よりも十分に低く（一例として１／１０程度に）、かつ、積分抵抗Ｒｉと積分容量Ｃｉからなる時定数に相当する周波数よりも十分に高く（一例として１０倍以上に）選択することが望ましい。
第２のローパスフィルタは、抵抗ＲＬＰＦ２と容量ＣＬＰＦ２により形成され、積分回路の出力と帰還抵抗Ｒｆ'の間に設置され、増幅器Ｕが十分に動作できないような雑音や高周波数成分を低減する。第２のローパスフィルタのカットオフ周波数は、増幅器Ｕのユニティゲイン帯域幅よりも十分に低く（一例として１／１０程度に）選択することが望ましい。
図５Ｂは、第１のローパスフィルタと、第２のローパスフィルタの両方を適用する例を示しているが、必要に応じてどちらか一方でもよく、また雑音や高周波数成分が十分に小さくほとんど影響がない場合は、ローパスフィルタはなくてもよい。
図５Ｂでは抵抗と容量による一次のローパスフィルタを例示しているが、これに限定するものではなく、より高次のローパスフィルタを用いたり、ＬＣフィルタなどを用いたり、自由に選択可能である。
［第５の実施の形態］
第５の実施の形態は、ＬＣ共振回路によって周囲からのノイズを除去する例を示している。図６Ａ、図６Ｂ、図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃは、第５の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示しており、図７は、信号検知手段の出力の周波数特性のシミュレーション例を示している。図１、図２、図３Ａ及び図５Ａと同一部分には同一の符号を付している。第１の実施の形態から第４の実施の形態の何れかと同一部分の説明を省略する。信号検知手段５０５は、第１の実施の形態から第４の実施の形態で既述した信号検知手段の何れであってもよい。
図６Ａの容量測定回路１０５は、検知電極４０１と信号検知手段５０５の間に設置されたノイズ除去回路１００５を備えている。このノイズ除去回路１００５は、並列バンドパスフィルタ（Ｐ−ＢＰＦ）（以下、「並列ＢＰＦ」という）と容量Ｃｄを含んでおり、検知電極４０１と信号検知手段５０５の間に設置される。並列ＢＰＦは、第１の共振回路の一例であり、並列共振回路によるバンドパスフィルタである。並列共振回路は、例えば並列共振コンデンサＣｐｐと並列共振インダクタＬｐｐからなる。この並列ＢＰＦの共振周波数は、駆動信号周波数に一致させる。
並列ＢＰＦにおいては、共振周波数ではインピーダンスが高くなり、理想素子による並列共振回路であればインピーダンスは無限大になるので、駆動信号発生手段２０１で発生した駆動信号周波数の交流信号は減衰しない。一方並列ＢＰＦでは、共振周波数以外の周波数においてインピーダンスが低くなり、例えば商用電源周波数のハムや、電磁波等による外来雑音等を減衰させることができ、バンドパスフィルタとして動作する。
より詳細には、信号検知手段５０５に含まれる増幅器Ｕが理想アンプの場合は、検知電極４０１が接続されている信号検知手段５０５の入力は完全に仮想接地されて電圧が発生しないため、並列ＢＰＦはバンドパスフィルタとして動作しない。しかし現実の増幅器Ｕでは、信号検知手段５０５の入力にわずかな電圧が生じるため、並列ＢＰＦはバンドパスフィルタとして動作する。
並列ＢＰＦに含まれている並列共振インダクタＬｐｐは、直流におけるインピーダンスはゼロになるため、図６Ａに示されている容量Ｃｄがなく直結されている場合、直流では、信号検知手段５０５に含まれる増幅器Ｕの反転入力が接地される。一方、信号検知手段５０５に含まれる増幅器Ｕの非反転入力も接地されている。現実の増幅器Ｕでは直流オフセット電圧がゼロとは限らないので、反転入力と非反転入力が共に接地されると、容量Ｃｄがない場合は、直流オフセット電圧が直流における開ループ利得の分、増幅される。この結果、信号検知手段５０５に含まれる増幅器Ｕの出力に直流成分が生じたり、出力が飽和したりする可能性がある。図６Ａに示されている容量Ｃｄは、このようなことを防止するために追加しているものであり、電極間容量Ｃｘよりも十分に大きな容量を選択する。なおこの容量は、第１の実施の形態の、駆動電極、検知電極の項で述べた保護素子の一種に含めて考えることもできる。
より高感度の測定を行うために、検知電極４０１を大きくすると、その分、ハムの影響や外来雑音を受けやすくなる。しかし、並列ＢＰＦを用いればこれらを除去できるので、検知電極４０１を大きくしてより高感度の測定を行うことができるという効果もある。
駆動信号発生手段２０１が定電圧出力でなければ、駆動信号波形が正弦波以外の場合、例えば信号発生が容易な方形波を用いた場合に、この並列共振回路によって高調波成分が減衰されるので、正弦波（共振回路のＱ値が低い場合は正弦波に近い波形）として扱うこともできる。ただしこの場合は、正弦波の駆動信号電圧を測定又は算出することが望ましい。
図６Ｂの容量測定回路１０５−１は、ノイズ除去回路１００５−１中の並列ＢＰＦにおいて、複数の共振回路を直列接続する例を示している。一例として、後述する第１４の実施の形態のように複数の駆動信号周波数を用いる場合には、直列接続した各並列ＢＰＦの共振周波数を、使用する複数の周波数各々に一致させる。これによって、複数の駆動信号周波数各々は減衰されず、それら以外の周波数成分を減衰させることができる。直列接続した並列ＢＰＦの共振周波数の間には反共振周波数が生じるため、特に急峻な周波数特性で減衰される。この一例として、ノイズ除去回路１００５−１が、４７００ｐＦの並列共振コンデンサＣｐｐと１００μＨの並列共振インダクタＬｐｐを有する第１の並列ＢＰＦと、２２００ｐＦの並列共振コンデンサＣｐｐと１００μＨの並列共振インダクタＬｐｐを有する第２の並列ＢＰＦと、１０００ｐＦの並列共振コンデンサＣｐｐと１００μＨの並列共振インダクタＬｐｐを有する第３の並列ＢＰＦとを含み、この３つの並列ＢＰＦを直列接続した場合の、信号検知手段５０５の出力の周波数特性のシミュレーション例を、図７に示す。なお、第１の並列ＢＰＦの共振周波数は約２３２ｋＨｚであり、第２の並列ＢＰＦの共振周波数は約３３９ｋＨｚであり、第３の並列ＢＰＦの共振周波数は約５０３ｋＨｚである。
第５の実施の形態に係る図８Ａの容量測定回路１０５−２は、ノイズ除去回路１００５に代えて、ノイズ除去回路１００５−２を備える。このノイズ除去回路１００５−２は、直列バンドパスフィルタ（Ｓ−ＢＰＦ）（以下、「直列ＢＰＦ」という）を含んでいる。直列ＢＰＦは、第１の共振回路の一例であり、直列共振回路によるバンドパスフィルタであり、検知電極４０１と信号検知手段５０５の間に設置される。直列共振回路は、例えば直列共振コンデンサＣｓｐと直列共振インダクタＬｓｐからなる。この直列共振回路の共振周波数も、駆動信号周波数に一致させる。
直列ＢＰＦにおいては、共振周波数ではインピーダンスが低くなる（理想素子による直列共振回路であればインピーダンスはゼロになる）ので、駆動信号発生手段２０１で発生した駆動信号周波数の交流信号は減衰せずに信号検知手段５０５に送られる。一方、共振周波数以外の周波数においては、直列ＢＰＦでは共振周波数においてインピーダンスが高くなるので、例えば商用電源周波数のハムや、電磁波等による外来雑音等は信号検知手段５０５に伝わりにくくなる。この結果、ハムや外来雑音を減衰させるためのバンドパスフィルタとして動作する。
直列ＢＰＦの効果や駆動信号波形に対する影響は前述の並列ＢＰＦと同様なので、説明を省略する。また複数の駆動信号周波数を使用する場合、複数の直列ＢＰＦを並列接続すれば、前述の並列ＢＰＦの直列接続と同様、使用する複数の周波数成分を通過させ、それ以外の周波数成分を減衰させることができる。直列ＢＰＦを使用する場合は、直列共振コンデンサＣｓｐが直流成分を通さないため、前述の容量Ｃｄは不要である。
図８Ａにおいて、検知電極４０１と直列ＢＰＦの間や直列ＢＰＦと信号検知手段５０５の入力の間に並列ＢＰＦを追加したり、複数の並列ＢＰＦと複数の直列ＢＰＦを交互に備えたりする等の方法によって、より高次のバンドパスフィルタとすることも可能である。（信号検知手段５０５の入力の直前に並列ＢＰＦを備える場合は、前述の容量Ｃｄが必要である。
第５の実施の形態に係る図８Ｂの容量測定回路１０５−３は、ノイズ除去回路１００５に代えて、ノイズ除去回路１００５−３を備える。このノイズ除去回路１００５−３は、直列バンドエリミネーションフィルタ（Ｓ−ＢＥＦ）（以下、「直列ＢＥＦ」という）を含んでいる。直列ＢＥＦは、第２の共振回路の一例であり、直列共振回路によるバンドエリミネーションフィルタ（帯域除去フィルタ）であり、検知電極４０１と信号検知手段５０５の間に設置される。直列共振回路は、例えば直列共振コンデンサＣｓｅと直列共振インダクタＬｓｅからなる。この直列共振回路の共振周波数は、除去したいハムや外来雑音の周波数に一致させる。
直列ＢＥＦにおいては、共振周波数ではインピーダンスが低くなる（理想素子による直列共振回路であればインピーダンスはゼロになる）ので除去したい周波数成分だけが減衰し、例えば商用電源周波数のハムや、電磁波等による外来雑音のような所定の周波数成分だけを減衰させることができる。一方、共振周波数以外の周波数においては、直列ＢＥＦのインピーダンスが高くなるので、駆動信号周波数の周波数成分は減衰せず、バンドエリミネーションフィルタとして動作する。
第５の実施の形態に係る図８Ｃの容量測定回路１０５−４は、ノイズ除去回路１００５に代えて、ノイズ除去回路１００５−４を備える。このノイズ除去回路１００５−４は、並列バンドエリミネーションフィルタ（Ｐ−ＢＥＦ）（以下、「並列ＢＥＦ」という）を含んでいる。並列ＢＥＦは、第２の共振回路の一例であり、並列共振回路によるバンドエリミネーションフィルタであり、検知電極４０１と信号検知手段５０５の間に設置される。並列共振回路は、例えば並列共振コンデンサＣｐｅと並列共振インダクタＬｐｅからなる。この並列共振回路の共振周波数は、除去したいハムや外来雑音駆動の周波数に一致させる。
並列ＢＥＦにおいては、共振周波数ではインピーダンスが高くなる（理想素子による並列共振回路であればインピーダンスは無限大になる）ので、除去したい周波数成分は信号検知手段５０５に伝わりにくくなる。一方、共振周波数以外の周波数においては、並列ＢＥＦではインピーダンスが低くなるので、駆動信号周波数の周波数成分は減衰せずに信号検知手段５０５に伝わる。この結果、ハムや外来雑音だけを減衰させるためのバンドエリミネーションフィルタとして動作する。
直列ＢＥＦを並列接続したり、並列ＢＥＦを直列接続したりすることによって、複数の周波数成分を減衰させることも可能である。
ノイズ除去回路１００５、１００５−１、１００５−２では、駆動信号周波数の周波数成分のみを通過させる並列ＢＰＦや直列ＢＰＦを使用している。特定の周波数成分を減衰させるだけでよい場合は、ノイズ除去回路１００５−３、１００５−４に示した直列ＢＥＦや並列ＢＥＦを使用することもできる。
また、並列ＢＰＦや直列ＢＰＦだけでは不要周波数成分を除去しきれない場合に、直列ＢＥＦや並列ＢＥＦを併用することもできる。ただしこの場合は、相互影響によって共振周波数や通過・減衰特性が変化する。一例として、並列ＢＰＦと直列ＢＥＦを並列に使用すると、２つの通過周波数とその間の一つの減衰周波数が現れる。このように、並列ＢＰＦ、直列ＢＰＦや直列ＢＥＦや並列ＢＥＦを適宜併用して適切な設計を行えば、所望の通過・減衰特性を得ることができるので、これ以上の組み合わせの例示は省略する。
［第６の実施の形態］
第６の実施の形態は、シールドによってハムや外来雑音の混入を防止する例を示し、さらに、検知電極と接地されたシールドとの間の容量を並列ＢＰＦの並列共振コンデンサＣｐｐとして利用する例を示している。また第６の実施の形態では、駆動電極、検知電極やシールド電極として、プリント基板を用いる例を示している。図９Ａおよび図９Ｂは、第６の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示している。図１、図２、図３Ａ、図５Ａ及び図５Ｂと同一部分には同一の符号を付している。第１の実施の形態から第５の実施の形態の何れかと同一部分の説明を省略する。信号検知手段５０６は、第１の実施の形態から第４の実施の形態で既述した信号検知手段の何れであってもよい。
第６の実施の形態に係る図９Ａの容量測定回路１０６は、接地したシールド電極１１０６を検知電極４０１の付近に備え、また信号検知手段５０６への接続に使用し、外被の導体が接地されたシールド線１２０６を備えることによって、ハムの影響や外来雑音を受けにくいようにしている。シールド電極１１０６とシールド線１２０６は、いずれか一方だけを使用したり、図９Ａのように各々を独立して接地して使用したりすることも可能であり、以下総称して「シールド」と記載する。シールド電極１１０６やシールド線１２０６における接地という表現は、交流的に接地されていることを指しており、直流電圧を有していてもよい。（以下、同様。）
検知電極４０１とシールド電極１１０６の間や、シールド線１２０６の芯線と外被の間には静電容量が存在している。並列ＢＰＦを用いる場合は、これらの容量を並列共振コンデンサＣｐｐの全部又は一部として利用することもできる。（図９Ａでは、検知電極４０１とシールド電極１１０６の間の静電容量Ｃｐｐのみを図示し、シールド線１２０６の芯線と外被の間の静電容量の図示は省略している。）この容量だけでは静電容量が不足する場合は、図不示の容量素子をさらに並列に接続することによって、所望の容量にすることもできる。検知電極４０１とシールド電極１１０６との間に並列共振インダクタＬｐｐを接続すると、並列共振回路が形成され、並列ＢＰＦとして動作する。この並列ＢＰＦの共振周波数は、駆動信号周波数に一致させる。
本開示の技術では前述のように、検知電極４０１と接地の間の浮遊容量の影響を受けないという特長がある。検知電極４０１とシールド電極１１０６間の静電容量やシールド線１２０６の静電容量も、浮遊容量の一種と考えることができるので、第６の実施の形態ではシールドによる静電容量の影響を受けない。さらに、この静電容量を並列ＢＰＦとして利用することによって、駆動信号周波数において高いインピーダンスとなるため、この静電容量による影響はさらに低減される。
第６の実施の形態に係る図９Ｂの容量測定回路１０６−１では、シールド電極１１０６やシールド線１２０６の外被が信号検知手段５０６−１の入力と同電位になるように、バッファアンプＢを介してシールド電極１１０６やシールド線１２０６の外被を駆動している。このようなシールドを、以下、「アクティブシールド」と記載する。ここで、容量測定回路１０６−１に備えられる信号検知手段５０６−１は、バッファアンプＢを含む。バッファアンプＢの入力は増幅器Ｕの入力に接続され、バッファアンプＢの出力はシールド線１２０６やシールド電極１１０６に接続される。
第１の実施の形態でも述べた通り、増幅器Ｕの働きによって、浮遊容量は実際の容量の１／Ａｖの容量に見える。しかしシールドによる浮遊容量が大きく、見かけ上の浮遊容量の影響が無視できないような場合は、アクティブシールドによって、シールドによる浮遊容量を打ち消すことができる。すなわち、シールドの電位を信号検知手段５０６−１の入力（＝検知電極４０１）の電位と同電位になるように駆動することによって、電位差が生じなくなる結果、シールドによる浮遊容量が見かけ上ゼロになる。
なお現実のバッファアンプＢは、利得が１よりもわずかに小さく、また若干の遅延も生じるので、浮遊容量が見かけ上完全にはゼロにはならないが、現実のバッファアンプＢを使用する場合であってもシールドの浮遊容量による影響を大幅に低減できる。
なお、アクティブシールドを使用する場合は、図９Ａのような、検知電極４０１とシールドの間の容量を並列ＢＰＦの並列共振容量Ｃｐｐとして利用する方法は採用できない。この場合は、前述の第５の実施の形態に係る図６Ａのような並列ＢＰＦを用いればよい。検知電極４０１とシールドの間の容量を共振回路に使用しない構成であれば、いずれもアクティブシールドと併用可能である。例えば、前述の第５の実施の形態に係る図６Ｂのような並列ＢＰＦの共振回路の直列接続、図８Ａのような直列ＢＰＦ、図８Ｂのような直列ＢＥＦ、図８Ｃのような並列ＢＥＦは、いずれもアクティブシールドと併用可能である。
検知電極４０１やシールド電極１１０６の、より具体的な実現方法の一例として、プリント基板を用いることができる。図１０Ａから図１０Ｃは、検知電極とシールド電極としてプリント基板を用いる場合の一例を示している。なお図１０Ａから図１０Ｃでは、配線パターン等の図示は省略している。
検知電極４０１はプリント基板１３０６の一方の面の導体パターンとして設ける。シールド電極１１０６を設ける場合は、検知電極４０１とは異なる面の導体パターンとして設けることができる。より効果的なシールド効果を得るためには、図１０Ａから図１０Ｃのように、シールド電極１１０６の導体パターンは検知電極４０１の導体パターンよりも大きくして、検知電極４０１の導体パターンを完全に覆うようにすることが好ましい。検知電極４０１とシールド電極１１０６の間に生じる静電容量は、検知電極４０１やシールド電極１１０６の導体パターンの面積、プリント基板１３０６の絶縁体の厚さや誘電率によって決まり、これを並列共振コンデンサＣｐｐ又はその一部として利用することができる。シールド線１２０６の容量も同様に、並列共振コンデンサＣｐｐ又はその一部として利用できる。
なお、並列共振インダクタＬｐｐや追加する容量素子をこのプリント基板１３０６上に、図１０Ａから図１０Ｃに示すように実装することも可能であり、実装工数の低減や小型化に寄与しうる。
図１０Ａから図１０Ｃの検知電極４０１と同様、駆動電極３０１としてプリント基板１３０６を用いることも可能である。駆動信号発生手段２０１の出力インピーダンスが高い場合は、ハムや外来雑音が駆動電極３０１に入ってくる可能性があるが、プリント基板１３０６の駆動電極３０１とは反対の面にシールド電極１１０６を設けて接地することによって、これを防止することも可能である。
駆動電極３０１、検知電極４０１、又はシールド電極１１０６としてプリント基板１３０６を使用する場合、プリント基板１３０６上に設けたコネクタ１４０６を介してシールド線１２０６とプリント基板１３０６を接続することも容易である。このコネクタ１４０６は、シールドされたコネクタや、図１０Ａから図１０Ｃに例示しているような同軸コネクタを用いることが好ましい。
前述の第５の実施の形態に係る図６Ａの容量測定回路１０５、図６Ｂの容量測定回路１０５−１、図８Ａの容量測定回路１０５−２、図８Ｂの容量測定回路１０５−３及び図８Ｃの容量測定回路１０５−４においても、シールドや、プリント基板１３０６を用いた電極を採用することが可能である。
プリント基板１３０６によって検知電極４０１を実現するときに、信号検知手段５０６などをプリント基板１３０６に実装することも可能であり、さらに測定手段６０１などをプリント基板１３０６に実装することも可能である。また、プリント基板１３０６によって駆動電極３０１を実現するときは、駆動信号発生手段２０１などもプリント基板１３０６に実装することが可能である。
［第７の実施の形態］
第７の実施の形態は、共振回路によって電極間容量Ｃｘが特定の値であることを検知する例を示している。図１１Ａから図１２Ｂは、第７の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示している。図１、図２、図３Ａ、図５Ａ及び図５Ｂと同一部分には同一の符号を付している。第１の実施の形態から第４の実施の形態の何れかと同一部分の説明を省略する。信号検知手段５０７は、第１の実施の形態から第４の実施の形態で既述した信号検知手段の何れであってもよい。
第７の実施の形態に係る図１１Ａの容量測定回路１０７では、駆動電極３０１と検知電極４０１の間に設置された並列共振インダクタＬｐ'を含んでいる。この並列共振インダクタＬｐ'は電極間容量Ｃｘと並列に接続されて、並列共振回路１５０７を構成している。
電極間容量Ｃｘは、距離測定の場合の電極間距離、又は物体検知の場合の、電極間容量Ｃｘに影響を及ぼす物体の状態によって変化するため、並列共振回路１５０７の共振周波数もこれに従って変化する。一方、駆動信号周波数は一定である。
並列共振回路１５０７の共振周波数が変化して駆動信号周波数と一致すると、並列共振回路１５０７のインピーダンスが高くなり、駆動電極３０１から検知電極４０１への交流電流が流れにくくなる。一方、並列共振回路１５０７の共振周波数が駆動信号周波数と一致しない場合は、駆動電極３０１から検知電極４０１への交流電流にはほとんど影響しない。
前述の式１のように、信号検知手段５０７の出力振幅Ｖｏｕｔは、電極間容量Ｃｘに比例する。しかし第７の実施の形態の並列共振回路１５０７を用いた場合、その共振周波数が駆動信号周波数と一致するような特定の電極間容量Ｃｘとなったときに駆動電極３０１から検知電極４０１への交流電流が流れにくくなる。この結果、信号検知手段５０７の出力振幅Ｖｏｕｔが低下するので、図１１Ｂのグラフに示すような"ディップ"が生じる。（図１１Ｂでは、横軸に電極間容量Ｃｘ、縦軸に信号検知手段５０７の出力振幅Ｖｏｕｔを取っている。）
即ち、距離測定の場合において電極間距離が特定の距離になったとき、又は物体検知の場合において電極間容量Ｃｘに影響を及ぼす物体が特定の状態になったときに、信号検知手段５０７の出力振幅Ｖｏｕｔにディップが生じる。これを利用すれば、特定の距離や特定の物体の状態に合わせ込むこと、つまりチューニングが可能となる。静電容量変位計の物体検知に利用する場合の一例として、駆動電極３０１と検知電極４０１間に配置した容器に錠剤を出し入れして信号検知手段５０７の出力振幅Ｖｏｕｔが最小になるようにすれば、容器中の錠剤を特定の数に合わせ込むことが可能となる。
第７の実施の形態に係る図１２Ａの容量測定回路１０７−１では、検知電極４０１と信号検知手段５０７の間に設置された直列共振インダクタＬｓ'を備える。この直列共振インダクタＬｓ'は電極間容量Ｃｘと直列に接続されて、直列共振回路１６０７を構成している。
電極間容量Ｃｘが変化することにより直列共振回路１６０７の共振周波数が変化して、駆動信号周波数と一致すると、直列共振回路１６０７のインピーダンスが低くなり、駆動電極３０１から検知電極４０１への交流電流が流れやすくなる。直列共振回路１６０７の共振周波数が駆動信号周波数と一致しない場合は、駆動電極３０１から検知電極４０１への交流電流にはほとんど影響せず、電極間容量Ｃｘと比例した交流電流が流れる。
第７の実施の形態の直列共振回路１６０７を用いた場合、その共振周波数が駆動信号周波数と一致するような特定の電極間容量Ｃｘとなったときにだけ駆動電極３０１から検知電極４０１への交流電流が流れやすくなって信号検知手段５０７の出力振幅Ｖｏｕｔが上昇するため、図１２Ｂのグラフに示すような"ピーク"が生じる。（図１２Ｂのグラフでも図１１Ｂのグラフと同様、横軸に電極間容量Ｃｘ、縦軸に信号検知手段５０７の出力振幅Ｖｏｕｔを取っている。）
即ち、距離測定の場合における、電極間距離が特定の距離になったとき、又は物体検知の場合における、電極間容量Ｃｘに影響を及ぼす物体が特定の状態になったとき、に信号検知手段５０７の出力振幅Ｖｏｕｔにピークが生じる。これを利用すれば、特定の距離や特定の物体の状態に合わせ込むこと、つまりチューニングが可能となる。静電容量変位計の距離測定に利用する場合の一例として、駆動電極３０１となる対象物と検知電極４０１となる対象物間の距離を調整して信号検知手段５０７の出力振幅Ｖｏｕｔが最大になるようにすれば、対象物の間隔を特定の距離に合わせ込むことが可能となる。
なお、駆動信号発生手段２０１と駆動電極３０１の間、検知電極４０１と直列共振インダクタＬｓ'の間、直列共振インダクタＬｓ'と信号検知手段５０７の間のいずれか一箇所以上に図不示の抵抗を接続すると、ピークの鋭さを和らげる効果を得ることができる。ただしこの場合、共振周波数から離れた周波数における電極間容量Ｃｘと信号検知手段５０７の出力振幅Ｖｏｕｔの関係は、抵抗の影響によって式１からずれるが、補正を行うことは可能である。直列共振インダクタＬｓ'の直流抵抗も、このような抵抗と同様の影響を有する。
図１２Ａでは、検知電極４０１と信号検知手段５０７の間に直列共振インダクタＬｓ'を設ける例を示したが、駆動信号発生手段２０１と駆動電極３０１の間に設けても同様の効果が得られる。また、検知電極４０１と信号検知手段５０７の間及び駆動信号発生手段２０１と駆動電極３０１の間の両方にインダクタを設けると、それらのインダクタンスの合計が直列共振インダクタＬｓ'のインダクタンスとして動作する。
第７の実施の形態の並列共振回路１５０７や直列共振回路１６０７は、前述の第５の実施の形態と、適宜組み合わせて併用できる。ただし、第７の実施の形態の直列共振回路１６０７と第５の実施の形態の直列ＢＰＦのように、一部併用できない組み合わせもある。
［第８の実施の形態］
第８の実施の形態は、信号検知手段に含まれる増幅器Ｕとして、ディスクリート素子で構成した増幅器を用いる例を示している。第８の実施の形態は、増幅器Ｕとして、ディスクリート素子で構成した増幅器を用いる以外は、第１の実施の形態から第７の実施の形態と同様に構成することができる。容量測定回路の図示及びディスクリート素子で構成した増幅器以外に関する説明を省略する。
市販されている演算増幅器ＩＣでは、さまざまな負帰還回路でも発振しないように十分に余裕のある（"深い"）位相補償が施されており、差動入力であるというような特徴を有している。
市販されている演算増幅器ＩＣのような深い位相補償を施すと、それによって帯域幅が狭くなる。しかしディスクリート素子で構成した増幅器によれば、実際に使用する帰還容量Ｃｆに最適となるような（"浅い"）位相補償となるように設計可能であり、これによって増幅器の広帯域化を図ることができる。また、高速のディスクリート素子を用いたり、回路構成や動作点等の設計によって増幅器の広帯域化を図ったりすることもできる。広帯域な増幅器を用いることができれば、駆動信号周波数における増幅器の開ループ利得が大きくなるので、浮遊容量の影響をより確実に低減できる。
ディスクリート素子で構成した増幅器の入力を、差動入力でない単入力の増幅器とすることによって低雑音化を図りＳＮ比の高い増幅器を実現することも可能である。単入力の増幅器とすれば、入力段で発生する雑音は差動入力の場合の１／（√２）に低減できる。一方単入力の増幅器では、入力と出力間の直流電位が異なり、周囲温度や電源電圧によってその電位差が変化する場合がある。しかしこのような場合であっても、第４の実施の形態の直流補償回路９０４、９０４−１によって電位差の影響を補正することができる。
以上の説明のように、ディスクリート素子で構成した適切な増幅器を用いれば、より広帯域や低雑音の、高性能な信号検知手段を実現できる。第８の実施の形態の信号検知手段は、他の実施の形態の信号検知手段にも適用可能である。
［第９の実施の形態］
第９の実施の形態は、信号検知手段の増幅器の帰還容量Ｃｆを等価的小容量とすることによって、高感度化を図る例を示している。図１３Ａは、第９の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示し、図１３Ｂは、容量測定回路の信号検知手段の一例を示す図である。図１、図２、図３Ａ、図５Ａ及び図５Ｂと同一部分には同一の符号を付している。第１の実施の形態から第４の実施の形態の何れかと同一部分の説明を省略する。
式１からわかるように、信号検知手段５０９の増幅器Ｕの帰還容量Ｃｆが小さいほど高感度となる。即ち、ある駆動信号振幅Ｖｉｎのときに、より大きな信号検知手段５０９の出力振幅Ｖｏｕｔが得られる。
しかし、一般的に入手できる実際の容量素子は一例として最小０．１ｐＦまでであり、さらに小容量であればあるほど相対誤差が大きいという問題を有している。０．１ｐＦの実際の容量素子の誤差は、一例として±０．０５ｐＦ、即ち±５０％という大きな相対誤差を有している。一例として数ｐＦ以下であれば同じ±０．０５ｐＦの絶対誤差の素子を入手可能なので、例えば１ｐＦを用いることができれば±５％、５ｐＦなら±１％という小さな相対誤差で済む。
第９の実施の形態では、より容量が大きく相対誤差の小さい容量素子を用いて、等価的に小容量の帰還容量Ｃｆを実現することによって、より高感度な信号検知手段５０９を実現する例を示している。
第９の実施の形態に係る図１３Ａの容量測定回路１０９は、信号検知手段５０９を備え、この信号検知手段５０９に含まれる増幅器Ｕの出力に抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４の直列回路が接続されており、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４の接続点には利得が１のバッファアンプＢの入力が接続されている。バッファアンプＢの出力は、帰還容量Ｃｆ'を介して信号検知手段５０９に含まれる増幅器Ｕの入力に接続されている。
抵抗Ｒ３、抵抗Ｒ４、バッファアンプＢと帰還容量Ｃｆ'で構成される回路は、負帰還部７０９を形成し、他の実施の形態の信号検知手段における帰還容量Ｃｆの代わりとして増幅器Ｕに接続されている。
一般的なバッファアンプの利得は１よりもわずかに小さい程度だが、利得が正のバッファアンプ（非反転増幅回路）であれば、バッファアンプＢとして利用可能である。
抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４は減衰器を構成しており、信号検知手段５０９に含まれる増幅器Ｕの出力信号は減衰器の減衰率で減衰されてバッファアンプＢの入力に与えられる。バッファアンプＢの利得をＡＢとすると、バッファアンプＢの出力は下記の式３のようになる。
Figure 0006653899
このため、バッファアンプＢの出力を経由する帰還容量Ｃｆ'による負帰還の量は、式３のように減衰される結果、等価的な帰還容量Ｃｆは下記の式４のようになる。
Figure 0006653899
ここで、駆動信号周波数における帰還容量Ｃｆ'のインピーダンスが、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４の並列抵抗値よりも十分に大きければ、バッファアンプＢがなくても、利得１のバッファアンプＢが存在するときと同様の動作となる。すなわちこのような場合は、図１３Ｂの信号検知手段５０９−１によって同様の効果が得られる。バッファアンプＢの利得が１よりも小さければその分減衰器の減衰率を減らし、利得が１よりも大きければその分減衰器の減衰率を増やすことによって、同様の効果を得ることができる。
具体的な一例として、帰還容量Ｃｆ'が２．５ｐＦの場合、駆動信号周波数が３１８ｋＨｚのときの帰還容量Ｃｆ'のインピーダンスは約２００ｋΩになる。抵抗Ｒ３を２４ｋΩ、抵抗Ｒ４を１ｋΩとすると、抵抗Ｒ３とＲ４の並列抵抗値は０．９６ｋΩとなり、これを約２００ｋΩよりも十分に小さいと見る。これらの値を式４に適用すると、相対誤差の小さい２．５ｐＦの帰還容量Ｃｆ'によって、相対誤差の小さい等価的な０．１ｐＦの帰還容量Ｃｆを得ることができる。
図１３Ａ及び図１３Ｂでは、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４による減衰器を例示しているが、例えば容量を用いた減衰器などの、他の方式による減衰器であっても同様の効果が得られる。
容量測定回路１０１〜１０７を静電容量変位計に適用する場合、多様な対象物、つまり多様な電極間容量Ｃｘを適切に測定するためには、容量測定回路１０１〜１０７の信号検知手段５０１〜５０７の感度を広範囲に切り替える必要が生じる場合がある。信号検知手段５０１〜５０７の帰還容量Ｃｆを切り替えることによって感度を切り替えようとすると、その切り替え回路の浮遊容量が影響するので、特に小容量の帰還容量Ｃｆの切り替えは困難な場合が多い。これに対して第９の実施の形態によれば、抵抗Ｒ３又は抵抗Ｒ４の少なくとも一方を切り替えればよいので、容易に感度を切り替えることができる。また、小容量の帰還容量Ｃｆでは第９の実施の形態を用い、より大容量の帰還容量Ｃｆでは容量素子をそのまま用いるようにして切り替えることも可能である。
前述の第２の実施の形態では、帰還容量Ｃｆを放電スイッチＳｆの端子間容量の影響を受けないような比較的大容量とする必要があり、帰還容量Ｃｆの容量選択に制限があったが、第９の実施の形態はこのような場合にも有効である。第２の実施の形態の放電スイッチＳｆは帰還容量Ｃｆ'の両端に接続すればよく、第９の実施の形態では必要な帰還容量Ｃｆよりも大きな容量の帰還容量Ｃｆ'を使えるので、容量選択の制限を受けないようにできる。
［第１０の実施の形態］
第１０の実施の形態は、信号検知手段の出力を増幅するための増幅回路を追加することによって、高感度化を図る例を示している。図１４は、第１０の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示している。図１、図２、図３Ａ、図５Ａ及び図５Ｂと同一部分には同一の符号を付している。第１の実施の形態から第４の実施の形態の何れかと同一部分の説明を省略する。
容量測定回路１１０は、増幅回路１７１０を含む信号検知手段５１０を備える。増幅回路１７１０の入力は、信号検知手段５１０に含まれる増幅器Ｕの出力に接続され、増幅回路１７１０の出力は、測定手段６０１に接続される。増幅回路１７１０を追加すれば、より高感度な容量測定回路１１０を実現することができる。追加された増幅回路１７１０の増幅率をＡ、信号検知手段５１０に含まれる増幅器Ｕの出力振幅をＶｏｕｔ'、信号検知手段５１０の出力振幅をＶｏｕｔとすると、Ｖｏｕｔは
Ｖｏｕｔ＝Ａ・Ｖｏｕｔ' ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）
となり、増幅率Ａ倍の高感度な信号検知手段５１０を実現できる。
図１４では、増幅回路１７１０の一例として、演算増幅器による反転増幅回路を示しており、増幅率Ａは負の値｛−（抵抗値Ｒ６／抵抗値Ｒ５）｝になるので、増幅回路１７１０を追加しない場合に対して信号検知手段５１０の出力位相が反転する。しかし測定手段６０１では原則として信号検知手段５１０の出力振幅を知ることができればよいので、位相が反転しても問題は生じない。例えば、後述の第１３の実施の形態などのように位相検波手段を使用する場合は、位相反転によって位相検波手段の出力電圧の極性が反転するので、これを考慮して適用すればよい。
追加する増幅回路１７１０は、信号検知手段５１０に含まれる増幅器Ｕの出力信号中の必要な周波数成分を増幅できる増幅回路であればよく、演算増幅器による非反転増幅回路や、その他の回路形式の増幅回路も広く適用可能である。
信号検知手段５１０に含まれる増幅器Ｕの出力に誤差として直流オフセット電圧が含まれている場合、追加する増幅回路１７１０が直流も増幅可能な増幅回路だと、直流オフセット電圧が増幅率Ａ倍されてしまい、大きな誤差になったり増幅回路１７１０が飽和したりする可能性が生じる。このような場合は一例として、追加する増幅回路１７１０の入力側に容量素子を追加して容量結合とすればよい。
前述の第９の実施の形態でも述べた通り、信号検知手段５０９、５０９−１の帰還容量Ｃｆを直接切り替えることによって感度を切り替えることは困難である。これに対して第１０の実施の形態によれば、追加する増幅回路１７１０の増幅率Ａを切り替えることによって感度を切り替えることができるので、抵抗切り替え等によって容易に感度を切り替えることができる。
なお第１０の実施の形態は、他の実施の形態と自由に組み合わせて使用することができ、同じく高感度化という効果を有する第９の実施の形態とも、自由に組み合わせて適用することが可能である。
［第１１の実施の形態］
第１１の実施の形態は、基準容量Ｃｒと比較することによって容量測定の確度を向上させる例を示している。図１５は、第１１の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示している。図１、図２、図３Ａ、図５Ａ及び図５Ｂと同一部分には同一の符号を付している。第１の実施の形態から第４の実施の形態の何れかと同一部分の説明を省略する。信号検知手段５１１は、第１の実施の形態から第４の実施の形態で既述した信号検知手段の何れであってもよい。
図１５の容量測定回路１１１は、切替スイッチＳＷと基準容量Ｃｒとを含む。切替スイッチＳＷは、切替手段の一例であり、駆動信号発生手段２０１の後に設けられ、駆動信号は切替スイッチＳＷの共通接点に接続されている。切替スイッチＳＷの一方の接点は駆動電極３０１に接続されており、他方の接点は基準容量Ｃｒの一方の端子に接続されている。つまり、切替スイッチＳＷは、駆動信号発生手段２０１と、駆動電極３０１及び基準容量Ｃｒとの間に配置され、駆動信号発生手段２０１を駆動電極３０１又は基準容量Ｃｒに切り替え可能に接続する。当該他方の接点と基準容量Ｃｒの間に、減衰器ＡＴを挿入することも可能である。基準容量Ｃｒの他方の端子は、検知電極４０１及び信号検知手段５１１の入力に接続されている。つまり基準容量Ｃｒは、切替スイッチＳＷの他方の接点と信号検知手段の入力の間に接続されている。
切替スイッチＳＷによって駆動信号発生手段２０１の出力が駆動電極３０１に接続されているときは、他の実施の形態と同様の動作となるので、信号検知手段５１１の出力振幅Ｖｏｕｔは、電極間容量Ｃｘと比例する。切替スイッチＳＷによって駆動信号発生手段２０１の出力が基準容量Ｃｒに接続されているときは、信号検知手段５１１の出力振幅Ｖｏｕｔは基準容量Ｃｒと比例する。前述のように減衰器ＡＴが接続されている場合は、信号検知手段５１１の出力振幅Ｖｏｕｔは、（減衰器ＡＴの減衰率×基準容量Ｃｒ）に比例する。
具体的な一例として、駆動信号振幅Ｖｉｎが１０Ｖｒｍｓ、電極間容量Ｃｘが０．１１ｐＦ、減衰器ＡＴの減衰率が１／１００、基準容量Ｃｒが１０ｐＦであり、信号検知手段５１１には前述の第１０の実施の形態のような増幅回路１７１０は追加されておらず、図不示の帰還容量Ｃｆが１ｐＦであるものとする。この場合、切替スイッチＳＷによって駆動信号発生手段２０１の出力が駆動電極３０１に接続されているときには、式１により、信号検知手段５１１の出力振幅Ｖｏｕｔは１．１Ｖｒｍｓとなる。一方、切替スイッチＳＷによって駆動信号発生手段２０１の出力が減衰器ＡＴを介して基準容量Ｃｒに接続されているときは、式１の電極間容量Ｃｘの代わりに、（減衰器ＡＴの減衰率×基準容量Ｃｒの）０．１ｐＦを式１に適用して、信号検知手段５１１の出力振幅Ｖｏｕｔは１．０Ｖｒｍｓとなる。
誤差や経年変化等によって帰還容量Ｃｆが変化すると、それに従って信号検知手段５１１の出力振幅Ｖｏｕｔが変化することになる。例えば上記の例で帰還容量Ｃｆが０．９ｐＦに変化した場合、信号検知手段５１１の出力振幅Ｖｏｕｔは０．９９Ｖｒｍｓと０．９Ｖｒｍｓに変化してしまう。しかし、減衰器ＡＴの減衰率と基準容量Ｃｒが正確でありさえすれば、１．０Ｖｒｍｓに対する１．１Ｖｒｍｓの比１．１も、０．９Ｖｒｍｓに対する０．９９Ｖｒｍｓの比１．１も一定に保たれる。すなわち、減衰器ＡＴの減衰率と基準容量Ｃｒを選択したときの信号検知手段５１１の出力振幅Ｖｏｕｔを基準として、電極間容量Ｃｘを正確に知ることができる。
減衰器ＡＴの減衰率を切り替えることは比較的容易であり、本開示の信号検知手段に適用する場合の性能劣化等もほとんどないので、より正確な容量測定を行うためには、切替スイッチＳＷを切り替えた時の信号検知手段の出力振幅Ｖｏｕｔの差が小さめになるように減衰器ＡＴの減衰率を選択することが好ましい。
切替スイッチＳＷを基準容量Ｃｒ側に切り替えるタイミングは任意である。例えば距離測定や物体検知のために使用する場合は、対象物が移動している間に切り替えることができる。基準容量による校正が必要と思われるタイミングで切り替えることも可能であり、例えば電源投入の後、回路動作や周囲温度が安定するまでは頻繁に切り替え、安定した後は切り替え頻度を下げることも可能である。また、定期的に切り替えを行ってもよい。
第１１の実施の形態は、他の実施の形態と自由に組み合わせて使用することができる。ただし前述の第７の実施の形態では、電極間容量Ｃｘと信号検知手段の出力振幅Ｖｏｕｔの比例関係が成立しない部分があるので、組み合わせて使用することが不適当な場合がある。
［第１２の実施の形態］
第１２の実施の形態は、測定手段の入力側にフィルタを設けることによって、雑音等の影響を低減させる例を示している。このフィルタは、例えば測定手段に備えられる。図１６は、フィルタを含む測定手段の一例を示している。
単一の周波数（正弦波）によって容量測定を行う場合に、検知電極４０１と信号検知手段５０５の間に共振回路を含むノイズ除去回路１００５、１００５−１、１００５−２、１００５−３、１００５−４を設けることによって雑音等の影響を低減させる例を、前述の第５の実施の形態に示した。これに対して第１２の実施の形態では、測定手段の入力側にフィルタを設けることによって同様の効果を得ている。前述の第５の実施の形態と第１２の実施の形態を併用することによって、雑音等の影響をより確実に低減させることも可能である。
図１６におけるフィルタｆｃは、雑音等の影響を低減させるものであればどのようなものでもよい。一例として、インダクタとコンデンサによる並列共振回路や直列共振回路、抵抗とコンデンサによるＣＲフィルタ、抵抗とインダクタによるＬＲフィルタ、各種のアクティブフィルタ、メカニカルフィルタやクリスタルフィルタなどを自由に用いることができる。また、Ａ／Ｄ変換してディジタルフィルタを用いることなども可能である。アクティブフィルタを使用する場合にはフィルタ回路に利得を持たせて、前述の第１０の実施の形態の増幅回路１７１０と兼用させることも可能である。
減衰特性としては、駆動信号周波数だけを通過させるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）や雑音の周波数を除去するバンドエリミネーションフィルタ（ＢＥＦ）が有用な場合が多いが、雑音等の周波数成分によっては、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）やこれらの組み合わせを適宜選択可能である。
フィルタｆｃによって抽出された必要な周波数成分は、前述の第１の実施の形態の測定回路の項で説明した各種の手法によってその交流振幅を測定する交流振幅測定手段ＡＣに与えられる。交流信号測定手段ＡＣの具体的な実現方法は、第１の実施の形態の測定手段の項で示した各種の方法を用いることができる。
こうして得られた交流振幅情報は、前述の第１の実施の形態の測定回路の項で説明した比較判定手段によって測定結果の判定に用いることもできる。
第１２の実施の形態は、他の実施の形態と自由に組み合わせて使用することができる。
［第１３の実施の形態］
第１３の実施の形態は、測定手段として位相検波手段を使用する例を示している。位相検波手段によれば、駆動信号周波数成分だけを抽出でき、さらに位相を知ることもできる。図１７Ａから図１７Ｃは、第１３の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示している。図１、図２、図３Ａ、図５Ａ及び図５Ｂと同一部分には同一の符号を付している。第１の実施の形態から第４の実施の形態の何れかと同一部分の説明を省略する。駆動電極３０１、検知電極４０１及び信号検知手段５０１は、前述の第１の実施の形態（図１）と同様の例を示しているが、他の実施の形態を適宜使用することもできる。
図１７Ａの容量測定回路１１３は、駆動信号発生手段２１３及び測定手段６１３を含む。駆動信号発生手段２１３は９０°位相の異なる２つの信号、一例としてサイン信号（以下、「ｓｉｎ信号」という）とコサイン信号（以下、「ｃｏｓ信号」という）を出力する。一方の信号（一例としてｓｉｎ信号）が駆動電極３０１に接続されると共に、測定手段６１３に接続される。また、他方の信号（一例としてｃｏｓ信号）が測定手段６１３に接続される。測定手段６１３は、２つの位相検波手段１８１３−１、１８１３−２を含み、各位相検波手段１８１３−１、１８１３−２は２つの入力を有する。位相検波手段１８１３−１の一方の入力に、例えばｓｉｎ信号が参照信号として与えられるとともに、他方の入力には、信号検知手段５０１の出力が接続されている。また、位相検波手段１８１３−２の一方の入力に、例えばｃｏｓ信号が参照信号として与えられるとともに、他方の入力には、信号検知手段５０１の出力が接続されている。位相検波手段１８１３−１、１８１３−２は例えば位相検波器である。
９０°位相の異なる２つの信号を得るためには、アナログ信号の場合は９０°移相回路を併用すればよい。駆動信号発生手段２１３としてＤＤＳ（ディジタル直接合成シンセサイザ）を用いると、より正確な９０°位相差を有する２つの信号を得ることが期待できるので、後述の第１８の実施の形態でその詳細を説明する。
位相検波手段１８１３−１、１８１３−２は、２つの入力の乗算を行う。位相検波手段１８１３−１の出力には、平均化手段１９１３−１が接続され、位相検波手段１８１３−２の出力には、平均化手段１９１３−２が接続されている。
駆動電極３０１に与えられたｓｉｎ信号が、検知電極４０１、信号検知手段５０１における遅れなく信号検知手段５０１の出力に現れた場合、即ち信号検知手段５０１の出力とｓｉｎ信号が同相の場合を考える。位相検波手段１８１３−１、１８１３−２では２つの入力の乗算が行われる。積和の公式により、ｓｉｎ信号が参照信号として与えられている位相検波手段１８１３−１では式６のような出力が得られる。
ｓｉｎαは信号検知手段５０１の出力、ｓｉｎβは参照信号とする。数式の簡素化のために、ｓｉｎαとｓｉｎβの振幅はいずれも１とする。
Figure 0006653899
ここで、α＝βなので、駆動信号周波数の２倍の周波数（ｃｏｓ（α＋β））と直流成分（ｃｏｓ（α−β））が得られるが、平均化手段１９１３−１（ローパスフィルタ）によって２倍の周波数成分は除去される結果、直流成分だけが得られる。このため、位相検波手段では、参照信号周波数の周波数成分だけが抽出され、参照信号周波数以外の周波数成分（例えばハムや雑音）を除去する効果も有している。
参照信号周波数以外の周波数成分（例えばハムや雑音）を除去する効果を向上させるために、位相検波手段１８１３−１、１８１３−２の入力に、前述の第１２の実施の形態のようなフィルタを備えてもよい。
ｃｏｓ（０）＝１なので、この例では１／２、すなわち信号検知手段５０１の出力振幅と参照信号の振幅の積の半分の直流が得られる。これが、図１７Ａの「Ｙ（ｓｉｎ成分）」である。
一方、ｃｏｓ信号が参照信号として与えられている位相検波手段１８１３−２では、式７のような出力が得られる。（ｓｉｎαは信号検知手段５０１の出力、ｃｏｓβは参照信号とする。）
Figure 0006653899
ｓｉｎ（０）＝０なので、こちらでは０の直流が得られる。これが、図１７Ａの「Ｘ（ｃｏｓ成分）」である。
即ち、参照信号としてｓｉｎ信号が与えられた位相検波手段−平均化手段の出力には、信号検知手段５０１の出力信号のうちｓｉｎ成分に比例する直流電圧Ｙが得られ、参照信号としてｃｏｓ信号が与えられた位相検波手段−平均化手段の出力には、信号検知手段５０１の出力信号のうちｃｏｓ成分に比例する直流電圧Ｘが得られる。
信号検知手段５０１等による位相遅れが無視できない場合は、必要に応じて、平均化手段１９１３−２と直流電圧測定手段２０１３−２の間に、式８の演算を行う演算手段２１１３−２を設置し、得られた直流電圧ＸとＹを演算手段２１１３−２に与えて、信号検知手段５０１の出力振幅Ｖｏｕｔを得ることができる。また、必要に応じて、平均化手段１９１３−１と直流電圧測定手段２０１３−１の間に、式９の演算を行う演算手段２１１３−１を設置し、得られた直流電圧ＸとＹを演算手段２１１３−１に与えて、駆動信号発生手段２１３の出力のｓｉｎ信号を基準とした位相を得ることができる。
Figure 0006653899
 Ａｔａｎ（Ｙ，Ｘ） ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（９）
ここで、式９のＡｔａｎ（Ｙ，Ｘ）は、Ｘ、Ｙ座標ＸＹ平面上のベクトルについて、Ｘ軸の正側となす偏角を求める、４象限正接関数である。
演算手段２１１３−１の出力には直流電圧測定手段２０１３−１が接続されており、駆動信号発生手段２１３の出力のｓｉｎ信号を基準とした位相の値を得ることができる。また、演算手段２１１３−２の出力には直流電圧測定手段２０１３−２１が接続されており、信号検知手段５０１の出力振幅Ｖｏｕｔの値を得ることができる。
信号検知手段５０１等による位相遅れが無視できる場合や、駆動信号発生手段２１３による駆動信号と信号検知手段５０１の出力信号の間の位相を知る必要がない場合は、ｃｏｓ信号側の駆動信号、位相検波手段１８１３−２及び平均化手段１９１３−２、並びに演算手段２１１３−１、２１１３−２は不要であり、図１７Ｂの容量測定回路１１３−１のような構成を取ることができる。すなわち、位相検波手段１８１３−１の出力には平均化手段１９１３−１が接続され、平均化手段１９１３−１の出力には直流電圧測定手段２０１３−１が接続される。
平均化手段１９１３−１、１９１３−２をアナログ的に実現する場合は、ローパスフィルタ等で構成する。直流電圧測定手段２０１３−１、２０１３−２は、アナログ的な手段でもよいし、Ａ／Ｄ変換してディジタル的な手段を用いてもよい。平均化手段１９１３−１、１９１３−２と直流電圧測定手段２０１３−１、２０１３−２を共にディジタル的に実現する場合は、各種のディジタルによる平均化手段１９１３−１、１９１３−２と、その結果のディジタル値を直流電圧値として知る適切な手段を、直流電圧測定手段２０１３−１、２０１３−２として用いればよい。
なお、信号検知手段５０１の出力信号と参照信号の両方に直流成分が含まれていると、式６や式７で得られる直流に誤差が生じるので、信号検知手段５０１の出力や参照信号の入力の少なくとも一方を容量結合にする等の適当な手段で直流成分を除去する必要がある。
図１７Ｃの容量測定回路１１３−２は、駆動信号発生手段２０１及び測定手段６１３−２を含む。測定手段６１３−２中の参照信号発生器２２１３は、駆動信号発生手段２０１の周波数ｆから周波数ｆｃだけ異なる周波数ｆｈを出力している。即ち、ｆｃ＝｜ｆ−ｆｈ｜という周波数関係にある。この場合、位相検波手段２３１３の出力には、前述の式６や式７に示すように、ｆ＋ｆｈの周波数成分と、｜ｆ−ｆｈ｜（＝ｆｃ）の周波数成分が現れる。フィルタｆｃによって周波数成分ｆｃを抽出して交流振幅測定手段ＡＣに与えることによって、電極間容量Ｃｘを知ることができる。このような構成を、ヘテロダイン検波手段と称する。本開示において、ヘテロダイン検波手段は、位相検波手段の一例である。
なお、周波数ｆｃを抽出するフィルタｆｃや交流信号測定手段ＡＣの具体的な実現手段は、前述の第１２の実施の形態と同様である。
ここで、駆動信号発生手段２０１の周波数ｆや参照信号発生器２２１３の周波数ｆｈは、ｆやｆｈよりも周波数ｆｃが低くなるように選択することが好ましい。一例としてフィルタｆｃとしてバンドパスフィルタを用いる場合、同じ構成であれば、中心周波数によらず比帯域幅（帯域幅を中心周波数で割った値）が同じになるのが一般的である。すなわち、バンドパスフィルタであるフィルタｆｃの中心周波数ｆｃを低くするほど、帯域幅が狭くなる。このため、周波数ｆｃが低くなるように選択すれば狭帯域幅を実現できるので、雑音等の不要な周波数成分を除去する能力を、より向上させることができる、という効果が生じる。
また、図１７Ｃの容量測定回路１１３−２では、フィルタｆｃによって周波数ｆｃの交流を抽出して使用し、直流は減衰されるので、信号検知手段５０１の出力信号と参照信号の両方に直流成分が含まれていても誤差要因にならないという効果も有している。
位相検波手段１８１３−１、１８１３−２、２３１３、平均化手段１９１３−１、１９１３−２、フィルタｆｃ、交流振幅測定手段ＡＣ、駆動信号発生手段２１３、２０１、及び参照信号発生器２２１３は、アナログ回路、ディジタル回路のいずれも可能であり、またアナログ回路とディジタル回路を適宜混合することも可能である。
位相検波手段１８１３−１、１８１３−２、２３１３をアナログ回路で実現する場合は、例えば参照信号を正弦波とするとともにアナログ乗算器を位相検波手段１８１３−１、１８１３−２、２３１３として用いることが可能である。
駆動信号発生手段２０１、２１３や参照信号発生器２２１３から与える参照信号を方形波とし、それによって利得の正負をスイッチするような、アナログ回路による位相検波手段１８１３−１、１８１３−２、２３１３としてもよい。平均化手段１９１３−１、１９１３−２をアナログ回路で実現する場合は、適当なローパスフィルタを用いて直流成分を抽出して、抽出した直流成分を直流電圧測定手段２０１３−１、２０１３−２に与えればよい。
位相検波手段１８１３−１、１８１３−２、２３１３をディジタル回路で実現する場合は、駆動信号発生手段２０１、２１３や参照信号発生器２２１３から与える参照信号や、信号検知手段５０１の出力信号をＡ／Ｄ変換して、ディジタル乗算などによって位相検波手段を実現すればよい。Ａ／Ｄ変換のアンチエイリアシングフィルタに、前述の第１２の実施の形態のフィルタの機能を備えてもよい。
駆動信号発生手段２０１、２１３や参照信号発生器２２１３としてＤＤＳ（ディジタル直接合成シンセサイザ）を使用すれば、参照信号をディジタル信号として得ることも可能であり、９０°位相の異なる信号を得ることも容易である。平均化手段１９１３−１、１９１３−２をディジタル回路で実現する場合は、移動平均、ディジタル演算による積分や、ディジタルフィルタによるローパスフィルタなどの適当な平均化手法を用いて直流成分を抽出し、そのディジタル値を直流電圧として知ればよい。
式８や式９によって振幅や位相を知るための演算を行う場合も同様に、アナログ演算回路で実現してもよいし、ディジタル回路で演算を行ってもよい。
このようにして得られた測定結果は、前述の第１の実施の形態の測定回路の項で説明した比較判定手段によって測定結果の判定に用いることもできる。
位相検波手段１８１３−１、１８１３−２、２３１３は、駆動信号周波数が変化しても動作するので、電極間容量Ｃｘの周波数特性を測定する用途にも利用可能である。例えば、駆動電極３０１と検知電極４０１の間に誘電体が存在しており、その比誘電率が周波数によって変化するときに、その比誘電率の周波数特性を測定できる。図１７Ａの例では駆動信号発生手段２１３の駆動信号周波数を、図１７Ｂの例では駆動信号発生手段２０１の駆動信号周波数を適宜変化させることによって電極間容量Ｃｘの周波数特性を測定すればよい。図１７Ｃのヘテロダイン検波手段の例では、駆動信号発生手段２０１の駆動信号周波数と参照信号発生器２２１３の参照信号周波数の差を周波数ｆｃに保ちながら、各々の周波数を適宜変化させることによって、電極間容量Ｃｘの周波数特性を測定すればよい。
第１３の実施の形態は、他の実施の形態と自由に組み合わせて実施可能である。
例えば、容量測定回路１１３、１１３−１、１１３−２は、信号検知手段５０１に代えて、第１の実施の形態から第４の実施の形態で既述した信号検知手段を備えていてもよい。
［第１４の実施の形態］
第１４の実施の形態は、複数点の測定を行う例を示している。図１８Ａから図２３Ｂは、第１４の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示している。図１、図２、図３Ａ、図５Ａ及び図５Ｂと同一部分には同一の符号を付している。第１の実施の形態から第４の実施の形態、第１２の実施の形態や、第１３の実施の形態の何れかと同一部分の説明を省略する。
複数点の測定を行う場合、最も単純には、駆動信号発生手段、駆動電極、検知電極、信号検知手段、測定手段を複数組用いればよいが、第１４の実施の形態ではそれらの一部を簡素化する例を示している。
図１８Ａ及び図１８Ｂでは、検知電極と信号検知手段が、各々一つだけで済む例を示している。図１９では、駆動信号発生手段と駆動電極が、各々一つだけで済む。図２０Ａ及び図２０Ｂでは、検知電極と信号検知手段が各々一つだけで済むのに加えて、測定手段も一つだけで済む。なお図２０Ｂでは、切替手段を併用している。
図２１から図２３Ｂでも、切替手段を併用している。図２１では、駆動信号発生手段と駆動電極が各々一つだけで済むのに加えて、測定手段も一つだけで済む。図２２では駆動電極だけを複数使用し、他は一つだけで済む。図２３Ａ及び図２３Ｂでは検知電極だけを複数使用し、他は一つだけで済む。
図１８Ａの容量測定回路１１４及び図１８Ｂの容量測定回路１１４−１は、駆動信号発生手段２１４−１・・・２１４−ｎ、駆動電極３１４−１・・・３１４−ｎ及び検知電極４１４を備える。各駆動信号発生手段２１４−１・・・２１４−ｎは第１の実施の形態で既述した駆動信号発生手段２０１と同様であり、各駆動電極３１４−１・・・３１４−ｎは第１の実施の形態で既述した駆動電極３０１と同様である。駆動信号発生手段２１４−１・・・２１４−ｎは駆動電極３１４−１・・・３１４−ｎに一対一で接続する。検知電極４１４は、各駆動電極３１４−１・・・３１４−ｎとの間に電極間容量Ｃｘ１・・・Ｃｘｎを形成する。また、容量測定回路１１４は、第１２の実施の形態で既述したフィルタｆｃ１・・・ｆｃｎ及び交流電圧測定手段ＡＣ１・・・ＡＣｎを含む測定手段６１４を備え、容量測定回路１１４−１は、第１３の実施の形態で既述した位相検波手段１８１４−１・・・１８１４−ｎ、平均化手段１９１４−１・・・１９１４−ｎ及び直流電圧測定手段ＤＣ１・・・ＤＣｎを含む測定手段６１４−１を備える。
駆動信号発生手段２１４−１で生成された周波数ｆ１の駆動信号は１番目の駆動電極３１４−１に与えられ、図不示の周波数ｆ２の駆動信号は図不示の２番目の駆動電極に与えられ、以下同様に周波数ｆｎの駆動信号はｎ番目の駆動電極３１４−ｎに与えられる。ここでｎは２以上の任意の自然数である。ｆ１からｆｎは各々異なる周波数であり、フィルタｆｃ１・・・ｆｃｎ及び位相検波手段１８１４−１・・・１８１４−ｎで分離可能な程度に離れた周波数を選択する。検知電極４１４と１番目の駆動電極３１４−１の間の電極間容量をＣｘ１とし、以下同様に検知電極４１４とｎ番目の駆動電極３１４−ｎの間の電極間容量をＣｘｎとする。
測定手段６１４の入力には、前述の第１２の実施の形態で説明したフィルタｆｃがｎ個接続されている。周波数ｆ１だけを抽出するフィルタｆｃ１の出力には交流電圧測定手段ＡＣ１が接続されており、図不示の周波数ｆ２だけを抽出するフィルタｆｃ２には図不示の交流電圧測定手段ＡＣ２が接続されており、以下同様に周波数ｆｎだけを抽出するフィルタｆｃｎには交流電圧測定手段ＡＣｎが接続されている。フィルタｆｃ１・・・ｆｃｎ及び交流電圧測定手段ＡＣ１・・・ＡＣｎによって各々、電極間容量Ｃｘ１・・・Ｃｘｎを得ることができる。容量測定回路１１４では、各フィルタに対応する複数の交流電圧測定手段を用いる測定手段を例示したが、一つ（あるいはｎよりも少ない個数）の交流電圧測定手段を用いて、ｎ個のフィルタの出力を切り替えてもよい。また、抽出する周波数を切り替えることが可能な一つ（あるいはｎよりも少ない個数）のフィルタと交流電圧測定手段を用いてもよい。
容量測定回路１１４−１では、前述の第１３の実施の形態信号で説明した位相検波手段１８１３−１を用いる例を示しており、測定手段６１４−１の入力にはｎ個の位相検波手段１８１４−１・・・１８１４−ｎと、各々に対応する平均化手段１９１４−１・・・１９１４−ｎ及び直流電圧測定手段ＤＣ１・・・ＤＣｎが接続されている。前述の第１３の実施の形態で説明したように、位相検波手段では参照信号以外の周波数を除去できるので、位相検波手段１８１４−１・・・１８１４−ｎによってフィルタｆｃ１・・・ｆｃｎと同様の効果を得られる。また、各々の位相検波手段１８１４−１・・・１８１４−ｎに接続される平均化手段１９１４−１・・・１９１４−ｎによって、各々Ｃｘ１・・・Ｃｘｎの容量に比例した直流電圧を得ることができる。
容量測定回路１１４−１では位相検波手段各々に対応する複数の平均化手段と複数の直流電圧測定手段を用いる例を示しているが、一つ（あるいはｎよりも少ない個数）の直流電圧測定手段を切り替えて使用してもよいし、一つ（あるいはｎよりも少ない個数）の平均化手段と直流電圧測定手段を切り替えて使用してもよい。
こうして得られた、複数の駆動電極各々に対応する容量の情報を、静電容量変位計としてどのように活用できるかについては、第２１の実施の形態以降で説明する。
図１９の容量測定回路１１４−２では、周波数ｆの駆動信号波形が駆動信号発生手段２０１で生成されて駆動電極３１４に与えられる。ここでｎは２以上の任意の自然数である。フィルタｆｃ１・・・ｆｃｎや位相検波手段１８１４−１・・・１８１４−ｎは各々、周波数ｆの周波数成分を抽出する。
容量測定回路１１４−２は、駆動電極３１４、検知電極４１４−１・・・４１４−ｎ、信号検知手段５１４及び測定手段６１４−２を備える。駆動電極３１４は、各検知電極４１４−１・・・４１４−ｎとの間に電極間容量Ｃｘ１・・・Ｃｘｎを形成する。信号検知手段５１４は、第１の実施の形態で既述した信号検知手段５０１を複数含み、信号検知手段５０１の入力は、検知電極４１４−１・・・４１４−ｎに一対一で接続する。測定手段６１４−２は、フィルタｆｃ１・・・ｆｃｎ及び交流電圧測定手段ＡＣ１・・・ＡＣｎを含み、フィルタｆｃ１・・・ｆｃｎ及び交流電圧測定手段ＡＣ１・・・ＡＣｎは、複数のフィルタと交流電圧測定手段のセットを形成する。複数のフィルタと交流電圧測定手段のセットは、複数の信号検知手段５０１の出力に一対一で接続する。フィルタと交流電圧測定手段のセットの代わりに、位相検波手段、平均化手段と直流電圧測定手段のセットを用いてもよい。
駆動電極３１４と１番目の検知電極４１４−１の間の電極間容量をＣｘ１とし、１番目の検知電極４１４−１が接続される信号検知手段５１４は、帰還容量Ｃｆ１と増幅器Ｕ１を含んでおり、周波数ｆの周波数成分を抽出するフィルタｆｃ１を介して交流電圧測定手段ＡＣ１に与える構成となっている。以降、ｎ番目まで各々同様の構成となっている。
図１９の容量測定回路１１４−２を図１８Ａの容量測定回路１１４と比較すると、駆動信号発生手段２１４−１・・・２１４−ｎがｎ個から１個に削減できる反面、信号検知手段５０１に含まれる増幅器Ｕや帰還容量Ｃｆが１個からｎ個に増えるという違いがあるので、実際に使用する場合に適する方を選択可能である。
図２０Ａから図２３Ｂは、信号源や切替手段の追加によって、信号検知手段や測定手段を簡素化する変形例を示している。
図２０Ａの容量測定回路１１４−３は、信号源２２１４と乗算器２３１４を追加して、前述の第１３の実施の形態で述べたヘテロダイン検波手段を構成することによって、容量測定回路１１４から信号検知手段５０１と測定手段６１４を簡素化する変形例を示している。
前述の式６や式７で示したように、２つの周波数成分を乗算すると、それらの周波数成分の和と差の周波数成分が得られる。信号源２２１４の周波数がｆｈ、１番目の駆動電極３１４−１に与えられている駆動信号の周波数がｆ１のとき、乗算器２３１４の出力では（ｆ１±ｆｈ）の周波数成分が得られる。
容量測定回路１１４−３において、フィルタｆｃが抽出する周波数ｆｃが、ｆ１±ｆｈのいずれかになるように信号源周波数ｆｈを選択すれば、１番目の駆動電極３１４−１に与えられた周波数ｆ１がフィルタｆｃで抽出される。こうして選択された周波数ｆ１の振幅を、測定手段６１４−３中の交流電圧測定手段ＡＣで測定すれば、１番目の駆動電極３１４−１と検知電極４１４との間の電極間容量Ｃｘ１を知ることができる。信号源周波数ｆｈを切り替えることによって、以下同様にｎ番目の電極間容量Ｃｘｎまでを各々知ることができる。
なお容量測定回路１１４−３の場合は、ｆ１±ｆｈからｆｎ±ｆｈの周波数が各々、フィルタで抽出可能な程度に離れた周波数になるように選択する。（一例として、ｆ１＋ｆｈ≒ｆ２−ｆｈのようにならないように、周波数を選択する。）
図２０Ｂの容量測定回路１１４−４は、切替スイッチ２６１４を追加することによって、容量測定回路１１４−１の測定手段６１４−１を簡素化する例を示している。位相検波手段１８１４は、参照信号の周波数以外を減衰する働きを有しており、一種のバンドパスフィルタとして動作する。容量測定回路１１４−４では、信号検知手段５０１から測定手段６１４−４に、駆動信号周波数ｆ１からｆｎまでの各周波数成分が重畳された波形が与えられる。
位相検波手段１８１４の参照信号として駆動信号周波数ｆ１を選択すると、位相検波手段１８１４では１番目の駆動電極３１４−１から与えられている駆動信号周波数ｆ１の成分だけが抽出される。このため平均化手段１９１４の出力では、検知電極４１４と１番目の駆動電極３１４−１との間の電極間容量Ｃｘ１に比例した直流電圧が得られる。駆動信号周波数の切替スイッチ２６１４の選択により、以下同様に、ｎ番目の電極間容量Ｃｘｎまでを各々知ることができる。
図２１の容量測定回路１１４−５は、切替手段の一例である切替スイッチ２７１４を追加することによって、駆動信号発生手段２０１、駆動電極３１４と測定手段６１４−５を簡素化する例を示している。容量測定回路１１４−５では、検知電極と信号検知手段を複数組使用し、測定手段６１４−５の切替スイッチ２７１４で切り替えることによって、複数点の測定を行っている。
まず容量測定回路１１４−５では、一つの駆動信号発生手段２０１で、一つの周波数を出力するだけとなっている。また容量測定回路１１４−５の測定手段６１４−５では、位相検波手段１８１４と直流電圧測定手段ＤＣが一組だけでよい。検知電極４１４−１・・・４１４−ｎと信号検知手段５０１を複数組使用している点は、容量測定回路１１４−２と同様である。
容量測定回路１１４−５では、位相検波手段１８１４と直流電圧測定手段ＤＣによる測定手段６１４−５を例示しているが、これに限定するものではない。例えば第１２の実施の形態で示した、フィルタｆｃと交流信号測定手段ＡＣによる測定手段６１２であってもよい。
図２２の容量測定回路１１４−６は、切替手段の一例である切替スイッチ２７１５を追加して駆動電極を切り替えることによって、駆動信号発生手段２０１、検知電極４１４、信号検知手段５０１と測定手段６０１を簡素化する例を示している。
容量測定回路１１４−６では駆動電極を複数使用し、駆動電極と駆動信号発生手段２０１の間を切替スイッチ２７１５で切り替えることによって駆動電極のいずれか一つに駆動信号を与えている。駆動電極３１４−１から駆動電極３１４−ｎまでを順次切り替えることによって、電極間容量Ｃｘ１から電極間容量Ｃｘｎを各々知ることができる。
図２２の容量測定回路１１４−６を適用した静電容量変位計の具体例を、後述の第６の実施例や図５６Ａ及び図５６Ｂに示す。
図２３Ａの容量測定回路１１４−７は、切替手段の一例である切替スイッチ２７１６を追加して検知電極を切り替えることによって、駆動信号発生手段２０１、駆動電極３１４、信号検知手段５０１と測定手段６０１を簡素化する例を示している。
容量測定回路１１４−７では、検知電極を複数使用し、検知電極と信号検知手段５０１の間を切替スイッチ２７１６で切り替えることによって、検知電極の一つと信号検知手段５０１を接続している。
検知電極４１４−１から検知電極４１４−ｎまでを順次切り替えることによって、電極間容量Ｃｘ１から電極間容量Ｃｘｎを各々知ることができる。
図２３Ｂの容量測定回路１１４−８は、図２３Ａの容量測定回路１１４−７の変形例を示している。容量測定回路１１４−７や容量測定回路１１４−８において、一つの検知電極と信号検知手段５０１を接続することを、以下「選択」と略記する。
容量測定回路１１４−７では、複数備える検知電極のうち選択された検知電極以外は、電気的に浮いた状態となる。これに対して容量測定回路１１４−８では、選択された検知電極以外を接地している。これによって、選択された検知電極以外の接地された電極を、電気力線を整形させるために用いることができる。（この詳細は、後述の第２の実施例中で、ガード電極として説明する。）
図２３Ｂでは、検知電極４１４−１だけが選択され、切り替えスイッチ２７１７−１によって信号検知手段５０１に接続されている。他の検知電極、４１４−２（図不示）から４１４−ｎは、切り替えスイッチ２７１７−２（図不示）から２７１７−ｎによって基準電位に接続（接地）されている。
図不示の検知電極４１４−２が選択されて図不示の切り替えスイッチ２７１７−２によって信号検知手段５０１に接続されるときは、他の検知電極、４１４−１及び４１４−３（図不示）から４１４−ｎは、切り替えスイッチ２７１７−１及び２７１７−３（図不示）から２７１７−ｎによって接地される。
切り替えスイッチ２７１７−１から切り替えスイッチ２７１７−ｎを同様に切り替えて検知電極４１４−１から４１４−ｎを順次選択することによって、１番目の電極間容量Ｃｘ１からｎ番目の電極間容量Ｃｘｎを各々知ることができる。
図２３Ｂの容量測定回路１１４−８を適用した静電容量変位計の具体例を、後述の第６の実施例の図５７Ａ及び図５７Ｂや図５８に示す。
第１４の実施の形態では、前述の第１２の実施の形態や第１３の実施の形態を適用する例を示したが、必要に応じてさらに他の実施の形態を適用することも可能である。
容量測定回路１１４−３、１１４−４、１１４−５、１１４−６、１１４−７、１１４−８では、信号源や切替手段の追加によって、測定手段を簡素化する変形例を示したが、これらは代表的な一例にすぎず、これらに限定するものではない。前述の実施の形態で例示したように、駆動信号発生手段、駆動電極、検知電極、信号検知手段、測定手段各々の実現手段は様々であり、切替手段や信号源等の追加による信号検知手段や測定手段を簡素化する変形例は、組み合わせによって数多く考えられる。
［第１５の実施の形態］
第１５の実施の形態は、９０°の位相差を有する２つの信号を発生可能な駆動信号発生手段と、それに対応する２つの駆動電極を用いることによって、２点の測定を行う例を示している。第１５の実施の形態では、検知電極、信号検知手段と測定手段は、各々一つだけで済む。図２４は、第１５の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示している。図１、図２、図３Ａ、図５Ａ及び図５Ｂと同一部分には同一の符号を付している。第１の実施の形態から第４の実施の形態、及び第１３の実施の形態の何れかと同一部分の説明を省略する。
第１５の実施の形態に係る容量測定回路１１５では、前述の第１３の実施の形態と同様、９０°の位相差を有する例としてｓｉｎ信号とｃｏｓ信号を例示しているが、９０°の位相差を有する２つの信号であればこれに限定されない。
容量測定回路１１５では、駆動信号発生手段２０１で生成された一方の駆動信号（ｓｉｎ信号）は一方の駆動電極３１５−１に与えられ、他方の駆動信号（ｃｏｓ信号）は他方の駆動電極３１５−２に与えられる。検知電極４１５とｓｉｎ信号側の駆動電極３１５−１の間の電極間容量をＣｘｓとし、ｃｏｓ信号側の駆動電極３１５−２との間の電極間容量をＣｘｃとする。
測定手段６１５は、ｓｉｎ信号が参照信号として与えられる位相検波手段１８１５−１と、ｃｏｓ信号が参照信号として与えられる位相検波手段１８１５−２と、各々に対応する平均化手段１９１５−１、１９１５−２を含んでいる。ｓｉｎ信号を参照信号として与えられる位相検波手段１８１５−１に接続された平均化手段１９１５−１の出力からは、電極間容量Ｃｘｓに比例した直流電圧が得られる。ｃｏｓ信号を参照信号として与えられる位相検波手段１８１５−２に接続された平均化手段１９１５−２の出力からは、電極間容量Ｃｘｃに比例した直流電圧が得られる。容量測定回路１１５では位相検波手段１８１５−１、１８１５−２各々に対応する２つの直流電圧測定手段ＤＣ１、ＤＣ２を用いる例を示しているが、１つの直流電圧測定手段を切り替えて使用してもよい。
第１５の実施の形態では９０°の位相差を有する信号を用いている。直交する９０°の位相差を有する信号はお互いに影響を及ぼさないという性質を有しているため、独立した２点の測定が可能である。
駆動電極３１５−１、３１５−２と検知電極４１５の間に存在する物体によっては、周波数が異なると比誘電率が変化する（周波数特性を有する）場合があるため、前述の第１４の実施の形態に係る図１８Ａ及び図１８Ｂや図２０Ａ及び図２０Ｂのように複数の周波数を使用すると、比誘電率の周波数特性が誤差要因になる場合がある。これに対して第１５の実施の形態では、位相差を利用していることによって単一の周波数で済むので、比誘電率の周波数特性が誤差要因にならないという利点も有している。
また、信号検知手段や測定手段が周波数特性を有している場合も同様に、単一の周波数で済むことによる第１５の実施の形態の利点が得られる。
第１５の実施の形態では、前述の第１３の実施の形態を適用する例を示したが、必要に応じてさらに他の実施の形態を適用することも可能である。
［第１６の実施の形態］
第１６の実施の形態、及び図２５Ａ、図２５Ｂ及び図２５Ｃと図２６は、本開示の容量測定回路を用いた検知電極の位置検出の例を示しており、特定の位置を検出するための物体検知を行う例を示している。図２５Ａ、図２５Ｂ及び図２５Ｃと図２６において、検知電極のリード線の端に付されている丸印は、信号検知手段（図不示）に接続される点を示しており、測定手段も図示を省略している。
図２５Ａの例では、駆動信号発生手段５４２１で１８０°位相差の異なる駆動信号を発生させて２つの駆動電極５４２２−１、５４２２−２に印加しており、検知電極５４２３は２つの駆動電極５４２２−１、５４２２−２の間に移動可能に設けられている。駆動信号の一方を０°とし、その電圧をＶ０、対応する駆動電極５４２２−１と検知電極５４２３の電極間距離をｄ０とする。駆動信号の他方を１８０°とし、その電圧をＶ１８０、対応する駆動電極５４２２−２と検知電極５４２３の電極間距離をｄ１８０とする。
検知電極５４２３を移動させる場合、電圧Ｖ０とＶ１８０が等しいときには、電極間距離ｄ０とｄ１８０が等しいところで２つの駆動信号が打ち消し合う結果、容量測定回路の信号検知手段の出力振幅Ｖｏｕｔがゼロとなる。即ち、検知電極５４２３が２つの駆動電極５４２２−１、５４２２−２の中心に到達したことを知ることができる。
電圧Ｖ０とＶ１８０が異なるときに検知電極５４２３を移動させる場合は、式１０を満たすときに２つの駆動信号が打ち消し合う結果、信号検知手段の出力振幅Ｖｏｕｔがゼロとなる。即ち、２つの駆動信号電圧によって、２つの駆動電極５４２２−１、５４２２−２の間の任意の位置を知ることができる。
Figure 0006653899
図２５Ａでは一次元の位置検知を例示したのに対して、図２５Ｂや図２５Ｃでは二次元の位置検知を例示する。
図２５Ｂでは、図２５Ａの一次元の位置検知を縦と横に２組設けることによって、二次元の位置検知を実現している。縦の位置検知の駆動信号周波数をｆ１とし、横の位置検知の駆動信号周波数をｆ２として異なる周波数とし、第１４の実施の形態に係る図１８Ａ、図１８Ｂ、図２０Ａ、図２０Ｂや図２２のような方法を適用すれば、ｆ１によって縦方向、ｆ２によって横方向の位置検知ができるので、二次元の位置検知を実現できる。図２５Ｂの前後方向にもう一組の一次元の位置検知を追加し、さらに異なる周波数ｆ３を使用すれば、三次元の位置検知も実現可能である。
図２５Ｃも、図２５Ａの一次元の位置検知を縦と横に２組設けることによって、二次元の位置検知を実現している。図２５Ｃでは、縦の位置検知を０°と１８０°、横の位置検知を９０°と２７０°のように、縦横を９０°の位相差としている。この場合は、第１５の実施の形態に係る図２４のような方法によって、縦と横各々の位置検知ができるので、一つの周波数で二次元の位置検知を実現できる。
なお、図２５Ｂや図２５Ｃで円柱状の検知電極を例示しているのは、縦方向、横方向ともに方向性を持たせないためである。また、駆動電極は平板状に限定するものではなく、例えば４つの９０°弱の円弧状の駆動電極によって、円筒に近い電極形状と電極配置とするなど、用途に合わせて自由に変形することが可能である。
図２６の変形例では、図のＸ方向の検知電極の位置と、検知電極の高さ（Ｚ方向の位置）や駆動電極に対する平行度を知る例を示している。
まず、１８０°の位相差を有する２つの駆動信号を、各々、図２６のような直角三角形状の電極２６０１及び電極２６０２に与えている。これら２つの駆動信号の振幅は、等しいものとする。さらに、細長い検知電極が駆動電極面と高さ方向で平行に設けられており、図の左右方向に移動可能の場合を考える。検知電極が図の左側にいる場合は１８０°成分が大きく、右側にいる場合は０°成分が大きくなり、検知電極が中央にいるときには０°成分と１８０°成分が打ち消し合う結果、信号検知手段の出力電圧はゼロになる。
容量測定回路の測定手段として、０°の駆動信号を参照信号とする位相検波手段を使用する場合は、１８０°成分に対しては位相検波手段の出力が負の値となり、０°成分に対しては正の値となる。駆動電極左右方向の検知電極の位置を横軸に取って対応させると、０°の駆動信号を参照信号とする位相検波手段の出力電圧は図２６のグラフ２６０３の実線のようになる。
検知電極が駆動電極面と高さ方向で平行でない場合、すなわち直角三角形状の電極２６０１及び電極２６０２の一方の電極に近く、他方の電極からは遠いように傾いていると、０°の駆動信号を参照信号とする位相検波手段の出力電圧は図２６のグラフ２６０３の実線に対して誤差を持つ。このような誤差を生じないよう、検知電極の平行度を保つために、さらに下記のような方法を併用している。
図２６ではさらに、直角三角形の電極２６０１及び電極２６０２に与えている駆動信号とは９０°の位相差を持つ、９０°と２７０°の駆動信号を、図のように、各々長方形状の電極に与えている。細長い検知電極が駆動電極面と高さ方向で平行を保っている場合、即ち図の高さＺ１とＺ２が等しい場合は、９０°と２７０°の駆動信号が打ち消し合う結果、９０°の駆動信号を参照信号とする信号検知手段の出力電圧はゼロになる。高さ方向の平行が崩れると、９０°の駆動信号を参照信号とする位相検波手段の出力電圧が正又は負の値になるので、これがゼロになるように検知電極の角度を修正する。
なお、高さＺ１とＺ２の平均値、即ち検知電極の平均高さをＺとすると、平均高さＺの高低によって、図２６のグラフ２６０３のように０°の駆動信号を参照信号とする位相検波手段の出力電圧が変化する。
ここでは、９０°単位の位相差を持つ駆動信号を使用し、位相検波手段によって０°・１８０°と９０°・２７０°を分離測定する例を示したが、これに限定するものではない。例えば、図２６の９０°・２７０°側を、０°・１８０°とは周波数の異なる１８０°位相差を有する駆動信号とすることも可能である。さらに、図２６の９０°側と２７０°側の代わりに、各々異なる周波数を用いれば、高さＺ１とＺ２を各々独立して知ることも可能である。検知電極の傾きを知る必要がない場合は、長方形の電極の一方とそれに対応する駆動信号を省略することも可能である。また、検知電極の高さを知る必要がない場合は、長方形の電極の両方とそれらの駆動信号を省略することも可能である。
［第１７の実施の形態］
第１７の実施の形態は、ひとつの容量に比例し、もうひとつの容量には反比例する直流電圧を得る応用例を示している。図２７は、第１７の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示している。図１、図２、図３Ａ、図５Ａ及び図５Ｂと同一部分には同一の符号を付している。第１の実施の形態から第４の実施の形態の何れかと同一部分の説明を省略する。
反比例する側の容量として基準容量を用い、比例する側の容量を駆動電極と検知電極の電極間容量として測定する場合は、前述の実施の形態と同様の効果が得られる。
比例する側の容量として基準容量を用い、反比例する側の容量を電極間容量として測定する場合は、電極間容量と反比例する直流電圧を得ることができる。ここで、平行平板における端効果の影響が小さい場合は、電極間容量は電極間距離とほぼ反比例するので、電極間距離とほぼ比例する直流電圧を得ることが可能となる。
前述の第１の実施の形態において「関数関係」という表現を用いたのは、第１７の実施の形態のように、容量に比例する直流電圧だけでなく、容量と反比例の関係にある直流電圧を得ることもできるためである。
以下、図２７の容量測定回路１１６の構成と動作を詳細に説明する。
駆動信号発生手段２１６は、駆動電極において±Ｖ１の振幅の方形波を発生しており、第１の容量の一例である容量Ｃ１を介して信号検知手段５０１の入力に接続されている。駆動信号発生手段２１６ではさらに、方形波と同期したスイッチ切り替え信号を発生しており、スイッチ２８１６とスイッチ３０１６を切り替え駆動している。
前述の第１３の実施の形態において、アナログ回路で位相検波手段を実現する例として、駆動信号発生手段から与える参照信号を方形波とし、それによって利得の正負をスイッチするような回路について説明した。第１７の実施の形態の測定手段６１６の位相検波手段は、第１の位相検波手段の一例であり、このようなアナログ回路による位相検波手段を例示しており、前述のスイッチ切り替え信号を参照信号として利得の正負を切り替えている。位相検波手段１８１６中の「−１」と記載された三角記号は、利得が１倍の反転増幅回路を示しており、位相検波手段１８１６中のスイッチ２８１６の一方の接点には反転増幅器の出力が与えられている。スイッチ２８１６の他方の接点には位相検波手段１８１６の入力がそのまま与えられているが、必要に応じて利得が１倍の非反転増幅回路を使用してもよい。また、利得の絶対値が１よりも大きい反転増幅回路及び同じ絶対値利得の非反転増幅回路を使用すれば、前述の第１０の実施の形態と同様の高感度化を実現することができる。
位相検波手段１８１６の出力、すなわちスイッチ２８１６の共通接点は、積分回路の入力に接続されている。この積分回路は平均化手段の一例であり、増幅器Ｕｉ'、積分抵抗Ｒｉ'と、積分容量Ｃｉ'で構成されており、位相検波手段１８１６の出力を直流に変換している。この直流電圧をＶ２とする。
この直流電圧Ｖ２は、直流電圧測定手段ＤＣの入力及び位相検波手段１８１６と同様の回路２９１６の入力に接続されている。この回路２９１６は第２の位相検波手段の一例であり、回路２９１６中のスイッチ３０１６の一方の接点には直流電圧Ｖ２がそのまま与えられており、他方の接点には直流電圧Ｖ２を反転した直流電圧−Ｖ２が与えられている。このスイッチ３０１６は、前述のスイッチ切り替え信号によって切り替え駆動されており、駆動電極の電圧が＋Ｖ１のときは直流電圧−Ｖ２側のスイッチの接点と共通接点が接続され、駆動電極の電圧が−Ｖ１のときは直流電圧Ｖ２側のスイッチの接点と共通接点が接続されるように動作している。このスイッチの共通接点は、第２の容量の一例である容量Ｃ２を介して信号検知手段５０１の入力に接続されている。
図２７の回路は、下記の式１１の関係となるように動作する。
Ｖ１・Ｃ１＝Ｖ２・Ｃ２ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１１）
式１１を変形すると、式１２が得られる。
Figure 0006653899
ここで、Ｖ１は既知の値である。式１２は、直流電圧Ｖ２が、容量Ｃ１に比例し、容量Ｃ２に反比例することを示している。
Ｃ２に基準容量となるような容量素子を使用し、Ｃ１を電極間容量として動作させれば、前述の実施の形態と同様、電極間容量Ｃ１に比例した直流電圧Ｖ２が得られる。
一方、Ｃ１に基準容量となるような容量素子を使用し、Ｃ２を電極間容量として動作させれば、電極間容量Ｃ２と反比例する直流電圧Ｖ２を得ることができる。平行平板電極において端効果が無視できる場合は、電極間容量と電極間距離はほぼ反比例するので、直流電圧Ｖ２として電極間距離とほぼ比例する直流電圧を得ることが可能となる。
第１７の実施の形態でも、必要に応じて他の実施の形態を適用することが可能である。
［第１８の実施の形態］
第１８の実施の形態は、駆動信号発生手段としてＤＤＳを使用する例を示している。つまり、ＤＤＳを含む駆動信号発生手段を使用する例である。図２８Ａ及び図２８Ｂは、第１８の実施の形態に係るＤＤＳの一例を示している。
図２８ＡのＤＤＳ３１１７は、位相アキュムレータと、ＬＵＴ（ルックアップテーブル）と、Ｄ／Ａ変換器（Ｄ／Ａ）と、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）を備える。加算器とレジスタ（ラッチ、Ｄ−Ｆ／Ｆ）からなる位相アキュムレータは、クロック毎に周波数設定の値だけ値が増える（即ち位相が進む）動作を行い、周波数設定の値に比例した周波数を出力する。より具体的には、クロック周波数をｆＣＬＫ、加算器とレジスタが各々２進数ｎビット、周波数設定値がｆｓｅｔのとき、ＤＤＳ３１１７の出力周波数ｆｏｕｔは式１３のようになり、周波数設定値ｆｓｅｔに比例した周波数の出力周波数ｆｏｕｔが得られる。
Figure 0006653899
位相アキュムレータの出力をそのままＤ／Ａ変換すると鋸歯状波となる。位相アキュムレータの出力ｎビットのうちｎ'ビット（ｎ≧ｎ'）を、２ｎ'ワードのＬＵＴによって正弦波に相当するディジタルデータに変換して、Ｄ／Ａ変換することにより、正弦波を得ている。ＬＵＴは通常、ＲＯＭ（Read-Only Memory）で構成されているが、ＲＡＭ（Random-Access Memory）を用いることもできる。
また、ＬＵＴのデータ内容によって、正弦波以外の任意の波形データを生成することも可能である。例えば、周波数ｆ１からｆｎの複数の周波数成分を含む波形データをＬＵＴに格納することによって、複数の周波数成分を含む波形を生成することができる。
ｍビットのＤ／Ａ変換器を使用する場合、ＬＵＴの出力のうちｍビットがＤ／Ａ変換器に与えられる。この場合、ＬＵＴの出力ビット数はｍビット以上である必要があり、ｍビット未満のときはＤ／Ａ変換器の分解能の一部が無駄になる。
ディジタル回路の遅延時間等の過渡状態が無視できない場合は、Ｄ／Ａ変換器の前にレジスタを設けてクロック毎に波形データを取り込むことによって良好なＤ／Ａ変換結果を得ることができる。図２８Ａ、図２８Ｂ及び図２９Ａは共に、このようなレジスタを内蔵しているＤ／Ａ変換器を例示している。
Ｄ／Ａ変換器の出力は階段波状のアナログ波形であり、不要な周波数成分を含んでいるので、ＬＰＦによって不要な周波数成分（スプリアス）を除去し、所望の波形を得ている。単一周波数の正弦波を出力する場合は、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）を用いることによって、さらにスプリアス性能を向上させることもできる。
ＤＤＳは周知の技術なので、ＤＤＳについてのこれ以上詳細な説明は、省略する。
図２８Ｂは、ＤＤＳ３１１７−１を示し、同一周波数で位相の異なる波形を得るための方法の一例を示しており、ＬＵＴに位相が異なる波形データを格納することによって、異なる位相の波形を得ている。即ち、０°出力側のＬＵＴには正弦波（ｓｉｎ）データ、９０°出力側のＬＵＴには余弦波（ｃｏｓ）データを格納し、ＬＵＴの入力には同一のＤＤＳ出力を与えている。
前述の第１６の実施の形態では、０°の反転波形の１８０°や、９０°の反転波形の２７０°を使用する場合がある。ＬＵＴ、Ｄ／Ａ変換器、ＬＰＦを各４個使用する場合は、反転した正弦波データをＬＵＴに格納して１８０°波形を得、反転した余弦波データで２７０°波形を得ることができる。また、反転増幅器によって０°波形や９０°波形を反転して、１８０°波形や２７０°波形を得ることもできる。
ここでは、ＬＵＴに９０°単位の位相差データを格納する例を示したが、ＬＵＴによる方法であればこれに限定することなく、自由な位相差データを格納することによって、任意の位相差の波形を得ることができる。
ＬＵＴのデータ内容が固定されている場合、例えば正弦波（ｓｉｎ）データのＬＵＴしか使用できない場合は、ディジタル加算器によって位相を変化させることが可能である。図２９ＡのＤＤＳ３１１７−２に追加されている加算器では、位相アキュムレータの出力に位相設定値を加算して、位相設定値の分、位相が進んだ移相出力を得ている。位相アキュムレータのビット数をｎ、位相設定値のビット数をｐとすると、ｎ≧ｐであることが必要である。（ｎ＜ｐの場合は、加算器による位相分解能の一部が無駄になる。）位相アキュムレータのＭＳＢ（Most Significant Bit：最上位ビット）と加算器のＭＳＢは一致するように接続されており、ｎ＞ｐのときは余分な下位ビットには固定値（一般的には０）が与えられる。このときの位相分解能は、３６０°÷２ｐとなる。
前述の第１３の実施の形態や第１５の実施の形態において、９０°の位相差を有する駆動信号を使用している。また前述の第１６の実施の形態では、０°の反転波形の１８０°や、９０°の反転波形の２７０°を使用する場合もある。位相差が９０°の倍数だけであれば、位相の異なる波形を得るための加算器を簡略化できるので、以下これについて説明する。
ｎビットの位相アキュムレータの出力は０〜２ｎ−１の値を取る。これに対して１８０°位相の異なる出力を得るためには、位相アキュムレータの出力に２ｎ−１を加算すればよいが、これはＭＳＢに１を加える、つまりＭＳＢを反転することに相当する。この場合、ＭＳＢ以外のビットは変化しないので、そのままの値を使用すればよい。
同様に、９０°位相を進ませるためには、位相アキュムレータの出力に２ｎ−２を加算すればよいが、これは位相アキュムレータの上位２ビットの値に１を加えることに相当する。また、９０°位相を遅らせるためには、位相アキュムレータの出力から２ｎ−２を減算すればよいが、これは位相アキュムレータの上位２ビットの値から１を減じることに相当する。この場合、上位２ビット以外は変化しないので、そのままの値を使用すればよい。
図２９Ｂの真理値表は、ＭＳＢを含む上位２ビットの値を示している。例えば、０°の上位２ビットが００のとき、９０°では０１、１８０°では１０、２７０°では１１となっている。
９０°のときにこの真理値表を満たすためには、０°の上位２ビットの排他的論理和（ＸＯＲ）をとって９０°のＭＳＢとし、０°の上から２ビット目の論理否定（ＮＯＴ）をとって９０°の上から２ビット目とすればよい。１８０°のときは、０°のＭＳＢを反転させ、上から２ビット目はそのまま使用すればよい。２７０°のときも同様に、９０°のＭＳＢを反転させ、９０°の上から２ビット目をそのまま使用すればよい。図２９Ｂの真理値表の下の論理演算記号は、このような処理を図示している。
９０°の単位の位相差を有する駆動信号を得るためにこのような方法を用いれば、多ビットの加算器を用いることなく、簡単な論理回路で移相できるので、より低コストでＤＤＳを実現することができる。また、各位相のＤ／Ａ変換器とＬＰＦの特性や、Ｄ／Ａ変換のタイミングが一致していれば、正確な９０°単位の位相差を有する信号を得ることができる。
前述の第１３の実施の形態で説明し、第１７の実施の形態で図示した、アナログ回路で位相検波手段を実現する例では、方形波の参照信号によって利得の正負をスイッチしている。この場合の参照信号は、各位相のＬＵＴに与えている各々のＭＳＢを使用することができる。
［第１９の実施の形態］
第１９の実施の形態は、比較判定手段や閾値設定手段を測定手段中に追加したり、通信手段を測定手段中に追加したりする変形例を示している。図３０は、第１９の実施の形態に係る測定手段の一例を示している。
本開示の容量測定回路の測定手段では、信号検知手段の出力振幅Ｖｏｕｔ、電極間容量Ｃｘや、電極間距離や物体の状態などの様々な測定結果を得ることができる。この様々な測定結果は、必要に応じてさらに比較判定手段に与えることによって、各種の判定を行うこともできる。
このような比較判定手段は、電圧値に対してアナログ的なコンパレータを用いてもよいし、ディジタル処理による場合はディジタル値に基いて比較判定を行ってもよい。比較判定手段のための閾値は、閾値設定手段によって比較判定手段に与える。
最も単純には、単一の比較判定手段によって、測定結果がある値を超えたら正常、ある値以下なら異常（あるいは、ある値を超えたら異常、ある値以下なら正常）のような判定が可能である。２つの比較判定手段を用いれば、一例として、ある範囲以内（例えば、比較判定手段１の閾値よりも高く、比較判定手段２の閾値以下）であれば正常、その範囲よりも下（例えば、比較判定手段１の閾値よりも低い）であれば異常１、その範囲よりも上（例えば、比較判定手段２の閾値よりも高い）なら異常２、のような範囲判定が可能である。必要があれば、さらに多くの比較判定手段を用いて、複数の範囲判定等、任意の比較判定を行えばよい。
また、測定結果の立ち上がり時間、立ち下がり時間、ある値以下で保持している時間、ある値以上で保持している時間などを比較判定手段によって同様に判定することも可能である。さらに、これら各種時間相互の、大小や比などを比較判定手段によって判定することもできる。このような判定の具体的な応用の一例を、後述の実施例４、図５１Ａから図５３Ｂに示す。
本開示の容量測定回路の比較判定手段で得た測定結果や判定結果のような情報は、各種の通信によってコンピュータ等に情報伝達して、データ保管や適切な情報処理を行うことも可能である。例えば、有線又は無線接続によってインターネットに接続し、適当な目的地（遠隔地を含む）に情報を伝達して適切な情報処理を行う、いわゆるＩｏＴ（Internet of Things）に適用することも可能である。もちろん、ＬＡＮ（Local Area Network）や他の通信手段によって、工場内のコンピュータ等に情報を伝達することなども可能である。
このような、比較判定手段、閾値設定手段や通信手段も、測定手段の中に含まれるものとする。図３０に示す測定手段６１８は、比較判定手段、閾値設定手段、通信手段を全て含む測定手段の例である。比較判定手段と閾値設定手段だけを含むこともできるし、通信手段だけを含むことも可能であり、どちらも含まないことも可能である。
具体的な応用の一例として、本開示の容量測定回路を物体検知を行う静電容量変位計として用いる場合に、電極間への物体の接近・離脱を比較判定手段で検出するように用いれば、「近接センサ」として使用することができる。さらにこの場合、比較判定手段によって測定結果が閾値を超えているか否かを判定すれば、ある程度以上に近接しているか否かなどを判定するための「近接スイッチ」として使用することもできる。
［第２０の実施の形態］
第２０の実施の形態は、駆動信号発生手段、駆動電極、検知電極、信号検知手段や測定手段をＩＣに実装する例を示している。図３１Ａから図３２は、第２０の実施の形態に係る容量測定回路の一例を示している。
本開示の容量測定回路における基本的な構成要素、即ち、駆動信号発生手段、駆動電極、検知電極、信号検知手段、測定手段の５つの構成要素の一部をＩＣに実装することも有益である。ここでＩＣは、パッケージの形態を問わず、モノリシックＩＣやハイブリッドＩＣなどを広く含むものとする。
例えば図３１Ａのように、駆動信号発生手段、信号検知手段、測定手段のような電気回路の全て又はその一部をＩＣ３２１９に実装することによって、本開示の容量測定回路やそれを用いる静電容量変位計を、より小型かつ安価に提供できるようになる。
前述の第１４の実施の形態などでは、駆動信号発生手段と駆動電極を対にして複数使用したり、検知電極と信号検知手段を対にして複数使用したりする例が示されている。このような形態で使用する場合は、駆動信号発生手段を備えるＩＣのパッケージの表面に駆動電極などの電極３３１９を一体化した図３１ＢのようなＩＣ３２１９−１や、少なくとも信号検知手段を備えるＩＣのパッケージの表面に検知電極を一体化したＩＣ３２１９−１が、特に有効であろう。電極は、必要に応じてＩＣパッケージの裏面に設けることも可能である。
また、物体検知を行う静電容量変位計のように、駆動電極と検知電極の相対位置関係が固定されていてもよい場合は、ＩＣのパッケージの表面などに駆動電極と検知電極の両方を備え、電気回路と共にＩＣ化することも有効である。このような場合、後述の第５の実施例で説明する並列電極３４１９や同心円電極３５１９を、図３１Ｃや図３１ＤのようにＩＣ３２１９−２、３２１９−３のパッケージ上に設けることができる。
また、ＩＣ３２１９−１、３２１９−２、３２１９−３では円形の電極を例示しているが、電極の形状や寸法は、必要に応じて自由に選択することができる。
本開示の容量測定回路の構成要素の一部をＩＣに実装することも可能である。例えば、駆動信号発生手段として第１８の実施の形態のようなＤＤＳを使用して、９０°単位の位相差を持つ複数の駆動信号を得る場合を考える。図３２は、ＤＤＳによる駆動信号発生手段を２種類のＩＣに分割した一例を示している。
ＩＣ１は、周波数設定手段、加算器と、クロック信号が供給されるレジスタによって構成されており、加算器とレジスタによる位相アキュムレータの出力を、外部に出力している。
ＩＣ２では、ＩＣ１の出力と位相設定手段の値が加算器に与えられることによって移相され、ＬＵＴ、Ｄ／Ａ変換器、ＬＰＦを経由して波形が生成され、さらに増幅回路で必要な電圧に増幅されて駆動電極に与えられる。またＩＣ２では、図３１ＢのようにＩＣパッケージに電極を備えてもよい。
本開示の容量測定回路にＩＣ１及びＩＣ２を適用する場合は、９０°単位の位相差を有していればよいので、加算器の代わりとして、第１８の実施の形態の図２９Ｂのような上位２ビットによる移相手段を用いることもできる。この場合、位相設定手段は、０°／９０°／１８０°／２７０°を選択する位相選択手段とし、図２９Ｂの表の下に示すような回路をセレクタで切り替えればよい。
０°と９０°の２つの信号が必要な場合は、ＩＣ１を１個とＩＣ２を２個使用すればよい。０°、９０°、１８０°、２７０°の４つ信号が必要な場合は、ＩＣ１を１個とＩＣ２を４個使用すればよい。ＩＣ１の出力は、複数ビット幅のディジタル信号であるが、ＩＣ１の出力でパラレル−シリアル変換を行い、ＩＣ２の入力でシリアル−パラレル変換することによって、配線を簡略化することも可能である。
ここでは、駆動信号発生手段のＤＤＳを２種類のＩＣに分割し、各ＩＣが駆動信号発生手段の一部となる例を示した。
第１４の実施の形態の測定手段６１４、６１４−２のように、フィルタｆｃ１・・・ｆｃｎと交流電圧測定手段ＡＣ１・・・ＡＣｎを複数組備える場合には、フィルタと交流電圧測定手段の組み合わせを一つのＩＣとすると有効である。同様に、第１４の実施の形態の測定手段６１４−１のように、位相検波手段１８１４−１・・・１８１４−ｎ、平均化手段１９１４−１・・・１９１４−ｎと直流電圧測定手段ＤＣ１・・・ＤＣｎを複数組備えるような場合には、位相検波手段、平均化手段と直流電圧測定手段の組み合わせの全部又は一部を一つのＩＣにすることが有効である。また第１４の実施の形態では、信号検知手段５０１を複数用いる例も示されているので、信号検知手段５０１をＩＣにすることもできる。この場合は、さらに検知電極を備えるＩＣにすると、より有効であろう。
このように、本開示の容量測定回路の構成要素のどの部分をＩＣに実装するかは、必要に応じて自由に選択することが可能である。
［第２１の実施の形態］
第２１の実施の形態は、前述の実施の形態のような容量測定回路を適用した、静電容量変位計を示している。静電容量変位計の主な用途は、距離測定と、容量に影響する物体の状態を知る物体検知に大別することができる。
図３３Ａから図３３Ｃは、静電容量変位計１２０、１２０−１、１２０−２を距離測定に用いる場合を例示している。図１、図２、図３Ａ、図５Ａ及び図５Ｂと同一部分には同一の符号を付している。第１の実施の形態から第４の実施の形態の何れかと同一部分の説明を省略する。静電容量変位計１２０、１２０−１、１２０−２は、駆動電極３２０と、検知電極４２０と、信号検知手段５２０と、測定手段６２０とを含む。駆動電極３２０は、前述の駆動電極３０１又は対象物であり、検知電極４２０は、前述の検知電極４０１又は対象物である。信号検知手段５２０及び測定手段６２０の組は、第１の実施の形態から第２０の実施の形態で前述した信号検知手段及び測定手段の組の何れであってもよい。
距離測定においては、以下の３通りがある。
(1) 駆動電極３２０を対象物として対象物と検知電極４２０の間の電極間距離ｄを測定する場合（図３３Ａ）、
(2) 検知電極４２０を対象物として駆動電極３２０と対象物の間の電極間距離ｄを測定する場合（図３３Ｂ）、
(3) 駆動電極３２０、検知電極４２０共に対象物として対象物同士の間の電極間距離ｄを測定する場合（図３３Ｃ）
これらの具体例は、後述の第１の実施例から第３の実施例で説明する。
なお、対象物が導電体でない場合は、対象物に電極を取り付ける（例えば貼付する）ことによって、同様に距離測定を行うことが可能である。
図３４Ａと図３４Ｂは、静電容量変位計１２０−３、１２０−４を物体検知に用いる場合を例示している。図１、図２、図３Ａ、図５Ａ及び図５Ｂと同一部分には同一の符号を付している。第１の実施の形態から第４の実施の形態の何れかと同一部分の説明を省略する。静電容量変位計１２０−３、１２０−４は、駆動電極３２０と、検知電極４２０と、信号検知手段５２０と、測定手段６２０とを含む。駆動電極３２０は、前述の駆動電極３０１であり、検知電極４２０は、前述の検知電極４０１である。信号検知手段５２０及び測定手段６２０の組は、第１の実施の形態から第２０の実施の形態で前述した信号検知手段及び測定手段の組の何れであってもよい。
物体検知を行う場合は、駆動電極３２０も検知電極４２０も対象物にはせず、電極間容量Ｃｘ（図１）によって、電極間容量Ｃｘに影響する物体の状態を知る。静電容量変位計１２０−３、１２０−４による物体検知の最も代表的な例は、図３４Ａに示すように、駆動電極３２０と検知電極４２０の間の対象物の状態を知る場合である。例えば対象物が液体容器の場合、容器中の液体（通常、空気よりも比誘電率が大きい）の量によって電極間容量Ｃｘが変化するので、電極間容量Ｃｘによって容器中の液体の量を知ることができる。静電容量変位計１２０−３、１２０−４による物体検知の場合は、駆動電極３２０と検知電極４２０は図３４Ａのように対向している必要はなく、例えば図３４Ｂのように隣接していてもよく、電極の向きや配置等は用途によって自由に選択可能である。物体検知の具体的な例は、後述の第４の実施例から第６の実施例で説明する。
［第２２の実施の形態］
第２２の実施の形態は、例えば静電容量変位計１２０、１２０−１、１２０−２において、電極間距離ｄ（図３３Ａから図３３Ｃ）と、電極間容量Ｃｘの関係を、関数で近似して逆補正することによって、より正確な電極間距離ｄを知る例を示している。
また第２２の実施の形態は、例えば静電容量変位計１２０−３、１２０−４において、対象物（図３４Ａ及び図３４Ｂ）の状態と、電極間容量Ｃｘの関係を、関数で近似して逆補正することによって、より正確な対象物の状態を知る例を示している。
図３５は、第２２の実施の形態の距離測定を説明するためのグラフの一例を示しており、横軸は電極間距離ｄであり、縦軸は電極間容量Ｃｘである。図３５では、駆動電極と検知電極が正方形の平行平板を用いた場合を例示しており、駆動電極と検知電極の面積は各々１．６×１０−３ｍ２（４０ｍｍ×４０ｍｍ）とした。
空気中の平行平板モデルによる平行平板コンデンサの静電容量Ｃ［Ｆ］は、平行平板電極の各々の面積をＳ［ｍ２］、平行平板電極の電極間距離をｄ［ｍ］、空気の誘電率は真空の誘電率ε０［Ｆ／ｍ］と等しいとすると、式１４のように表され、静電容量Ｃは平行平板電極の電極間距離ｄと反比例する。
Figure 0006653899
この関係の一例を、図３５中の「平行平板モデル」に示す。
ただし式１４が成立するのは、端効果が無視できる領域（平行平板電極の寸法が、平行平板の電極間距離に比べて十分大きい場合）である。平行平板電極の寸法に対して平行平板の電極間距離が大きくなり、静電容量Ｃが小さくなると、端効果によって静電容量Ｃは式１４よりもさらに小さくなる。
適切な電磁界シミュレータを用いれば、端効果も考慮した平行平板コンデンサの静電容量と平行平板の電極間距離の関係を得ることができる。振幅：２０Ｖｐ−ｐ、周波数：１ＭＨｚの正弦波の場合の関係の例を、図３５中の「シミュレーション」に示す。なお図３５では、電磁界シミュレータとして、有限会社 ソネット技研製、高周波用電磁界シミュレータ ＳｏｎｎｅｔＬｉｔｅを使用した。
本開示の容量測定回路を用いた静電容量変位計による実測値は、図３５中の「実測値」に示す。なお、実測における測定条件の振幅と周波数は、電磁界シミュレータと同様である。実測時に使用した静電容量変位計の容量測定回路には、前述の実施の形態を適宜適用している。この測定値は、実測した適当な個数の電極間距離における電極間容量Ｃｘを補間することによって得ている。
図３５のグラフによると、電極間容量Ｃｘが数ｐＦ以上となる電極間距離ｄ、すなわち電極間距離ｄが数ｍｍ以下では、平行平板モデル、シミュレーション、実測値は各々、ほとんど一致している。また、電極間容量Ｃｘが数ｐＦ未満となる電極間距離ｄにおいては、端効果によって、平行平板モデルよりもシミュレーションや実測値の方が電極間容量Ｃｘが小さくなっている。さらに、電極間容量Ｃｘが数十ｆＦ未満となる電極間距離ｄ、すなわち電極間距離ｄが数十ｍｍ以上においては、測定値よりもシミュレーションの方が、電極間容量Ｃｘが小さくなっている。
第２２の実施の形態ではまず、図３５に示すような実測値を得て、電極間容量と電極間距離の関係を関数で近似する。近似を行うための関数としては、多項式や指数関数等、周知の様々な関数を用いることができる。また近似手法としては最小二乗法等の周知の様々な手法を用いることができる。これらの周知の関数や手法に関する説明は、省略する。
何種類かの関数で近似してみた結果を図３５に表示しようとしたが、図３５の上では実測値のプロットと重なってしまって差異が見えなかったので、図３５に近似結果を図示することは省略した。
実際の測定時には、静電容量変位計中の容量測定回路で実際に測定された容量値を、採用した近似関数に適用することによって、より正確な電極間距離を知ることができる静電容量変位計を実現できる。
上記では実測値に近似する例を示したが、予め実測することが困難などの場合は、シミュレーション結果に基づいて関数で近似することも可能である。このような簡易的な方法を採用する場合であっても、少なくとも平行平板モデルよりも正確な電極間距離を知ることができる。
なお上記では静電容量変位計の距離測定に適用することによって電極間距離を知る例を示したが、静電容量変位計の物体検知に適用することも可能である。
図３６のグラフ３６０１は、第２２の実施の形態の物体検知を説明するための実測値のグラフの一例を示しており、縦軸はペットボトル３６２１中の液体の水位であり、横軸は電極間容量Ｃｘである。ペットボトル３６２１中の液体の水位は、液体の容量も示している。図３６は更に、駆動電極と検知電極の位置関係や、液体の水位に対応づけて被試験体のペットボトル３６２１の形状を示している。この例では、直径６０ｍｍの円形の駆動電極３２１と、直径３０ｍｍの検知電極４２１と、検知電極４２１の周囲に直径６０ｍｍのガード電極（図不示、後述の第２の実施例を参照）を使用した。また駆動信号として、駆動信号振幅：２０Ｖｐ−ｐ、駆動信号周波数：１ＭＨｚ、駆動信号波形：正弦波を用いた。なお被試験体として使用したペットボトル３６２１は、図３６に示しているように、溝３７２１やくびれ３８２１を有しており、各溝３７２１に対応する水位、及びペットボトル３６２１の定格容量において、電極間容量Ｃｘを測定した。
静電容量変位計の物体検知に適用する場合は、予め、実測値やシミュレーション値に基いて、測定対象物の物体の状態と電極間容量Ｃｘの関係を関数で近似する。実際の測定時には、実際に測定された電極間容量Ｃｘを、採用した近似関数に適用することによって、より正確な物体の状態を知ることができる。一例として、容器中の液体の容量を検出する場合、予め駆動電極と検出電極の電極間容量Ｃｘと容器中の液体の容量や水位の関係を図３６の例のように知って関数で近似し、実際の測定時には、測定された容量をこの近似関数に適用することによって、正確な容器中の液体の容量を知ることができる静電容量変位計を実現できる。
［第２３の実施の形態］
本開示の静電容量変位計では、電極や被測定物を移動可能にすることもできる。ここで「移動」には、回転などの動きも広く含まれる。
前出の第１４の実施の形態では、駆動電極又は検知電極のいずれかを複数設けることによって、複数箇所の距離測定や物体検知を可能としていた。
本開示の静電容量変位計では、電極や被測定物のいずれか一以上（以下「電極等」と記載する）を移動可能とすることによって、複数箇所の距離測定や物体検知を順次行うことが可能である。さらに前出の第１４の実施の形態を併用することも可能であり、より短時間で測定できる等の効果が得られる。
本開示の静電容量変位計における距離測定では、前述のように、駆動電極又は検知電極のいずれか、又は両方を対象物として、電極間の距離を測定する。両方の電極を移動可能とする距離測定の具体例を後述の第１の実施例−２（図３８）に、一方の電極を移動可能とする距離測定の具体例を後述の第１の実施例−４（図４０Ｂ、図４０Ｃ）、第２の実施例−２（図４３Ａから図４３Ｄ）や第３の実施例−３（図４６）に示す。第２の実施例−２（図４３Ａから図４３Ｄ）や第３の実施例−３（図４６）では、第１４の実施の形態を併用する例を示している。
また、本開示の静電容量変位計における物体検知に関し、電極を移動する物体検知の具体例を後述の第６の実施例−５（図６０Ａ）に、電極間容量に影響する物体を移動する具体例を後述の第４の実施例−１（図４８）、第４の実施例−４（図５１Ａ、図５１Ｂ）、第４の実施例−５（図５３Ａ、図５３Ｂ）、第６の実施例−４（図５９）や第６の実施例−５（図６２Ａ及び図６２Ｂ）に示す。
本開示の容量測定回路によれば、微小容量を測定できるので、長い距離の距離測定を実現できる。このため、静電容量変位計を用いた測定用途だけでなく、レーザー変位計や渦電流変位計等で実現していた測定用途にも広く適用可能である。
また、本開示の静電容量変位計によれば、梱包箱内部の外から見ることができないような物体の物体検知や、長距離における物体検知のような用途にも広く適用可能となる。
さらに、本開示の静電容量変位計によって、複数点における距離測定や物体検知を行う場合は、電極や回路の一部を簡素化することができるので、より低コストで実現できるという効果も有しており、この点においても広範囲な用途に適用可能である。
以下に、本開示の静電容量変位計によって距離測定や物体検知を行う場合の、具体的な実施例を示す。
［第１の実施例］
第１の実施例は、静電容量変位計による距離測定の具体的な例のうち、一組の駆動電極と検知電極による一例を示している。
図３７から図４０Ｃは、静電容量変位計による距離測定に使用する一組の駆動電極と検知電極の具体例を示している。図３７から図６３Ｂにおいて、リード線の端に付されている丸印は、本開示の駆動信号発生手段又は信号検知手段が、各図に示されている駆動電極又は検知電極に接続する箇所を示している。一方の電極に駆動信号発生手段との接続が図示されている場合はその電極が駆動電極になり、他方の電極は検知電極になる。
［第１の実施例−１］
図３７は、隔膜真空計５００１を例示している。隔膜真空計５００１の本体５００２は、隔膜５００３によって測定室５００４と基準室５００５に気密分離されており、基準室５００５は真空に保たれている。ゲッター剤５００６は、真空度を保持するためのものである。基準室５００５の隔膜５００３と対向する面には、固定電極５００７が設けられている。測定室５００４に与えられる測定圧力が高い場合は破線のように隔膜５００３が固定電極５００７に近づき、測定圧力が低い場合は実線のように隔膜５００３が固定電極５００７から遠ざかる。この結果、隔膜５００３と固定電極５００７間の容量が、隔膜５００３と固定電極５００７間の電極間距離にほぼ反比例して変化するので、容量によって測定圧力を知ることができる。この例では、隔膜５００３と固定電極５００７と、駆動電極と検知電極の対応は、どちらでもよい。
隔膜５００３（対象物）を駆動電極とし、固定電極５００７を検知電極として、本体５００２を接地し、固定電極５００７を本体５００２に近い位置に設けると、より好ましい結果が得られよう。本開示の容量測定回路を使用する静電容量変位計の場合、信号検知手段によって検知電極が仮想接地される。このため、本体５００２を接地した場合、隔膜５００３の周辺部からの電気力線は主に測定室５００４の側面に広がり、隔膜５００３の中心部からの電気力線は主に基準室５００５の対向面に位置する固定電極５００７に到達する。隔膜５００３の中心部は測定圧力によって最も大きく移動する部分のため、上記のように接続することによって高感度にできる。また、接地された本体５００２がシールドとして動作するため、周囲の雑音等の影響を受けにくいという利点もある。
第２２の実施の形態で説明したように、図３７において、隔膜５００３と固定電極５００７間の容量と測定圧力の関係を予め測定し、その関係を適切な関数で近似することによって、より正確な測定圧力を知ることも可能である。
［第１の実施例−２］
図３８は、自動車等のブレーキ用ディスク（以下、「ディスク」という）５０２１の面振れ、表面の凹凸や平坦度など（以下、「面振れ等」という）の試験を行う例を示している。ディスク５０２１（対象物）は回転可能であり、駆動電極又は検知電極とすることが可能であり、例えば水平に設置されている。移動電極５０２２は、ディスク５０２１から若干離れた位置に設置されており、ディスク５０２１と平行に、ディスク５０２１の直径方向に移動可能とする。全く面振れ等のないディスク５０２１であれば、移動電極５０２２の位置に関わらず、ディスク５０２１を回転させてもディスク５０２１と移動電極５０２２の間の電極間距離は一定となる。面振れ等があればディスク５０２１の回転に伴って電極間距離が変化するので、静電容量変位計によってその距離変化を知ることができる。移動電極５０２２を図中の矢印のように移動させれば、ディスク５０２１の外周面と内周面の面振れ等の違いを知ることができる。なお図３８ではディスク５０２１の一方の面の移動電極５０２２を例示したが、反対の面に移動電極５０２２を設けたり、両面に移動電極５０２２を設けたりすることも可能である。
図３８のディスク５０２１の場合、より大きいディスク５０２１（対象物）を駆動電極とし、より小さい移動電極５０２２を検知電極とすると、検知電極を比較的小さくできるので、ハムや周囲雑音の影響を受けにくいという利点がある。検知電極において、ディスク５０２１とは反対側の面にシールド電極を設けたり、検知電極と信号検知手段との間の配線にシールド線を用いたりすると、ハムや周囲雑音の影響を低減可能である。逆に、ディスク５０２１を検知電極とし、移動電極５０２２を駆動電極にすると、駆動電極が小さいので駆動電極から放射される放射電波を抑制できるという利点がある。
このように、対象物と電極の形状等を考慮して、駆動電極と検知電極を適宜選択することができる。このことは、後述する他の実施例においても同様である。後述する実施例では、より好ましい組み合わせを示している場合があるが、例示している組み合わせに限定するものではない。
［第１の実施例−３］
隔膜真空計５００１や、ディスク５０２１の面振れ等の例では、一方が電極、他方が対象物であり、即ち、図３３Ａ又は図３３Ｂの駆動電極３２０及び検知電極４２０の組に相当していた。図３９のＣＲＴ（cathode-ray tube）５０４１の垂直偏向板５０４２及び水平偏向板５０４３は、それぞれ図３３Ｃの駆動電極３２０及び検知電極４２０の組に相当する、駆動電極と検知電極の両方が対象物となる例を示す。
図３９は、ＣＲＴ５０４１の偏向板間の距離測定を行う例を示している。図３９において、破線は電子ビームの軌跡を示している。電子銃５０４４から発射された電子ビームは、垂直偏向板５０４２の間の電圧によって上下方向に偏向し、水平偏向板５０４３の間の電圧によって左右方向に偏向した上で、蛍光面５０４５に到達する。オシロスコープにおける代表的な応用例として、鋸歯状波を水平偏向板５０４３に印加することによって横軸を時間軸とし、入力電圧波形を増幅して垂直偏向板５０４２に印加することによって縦軸を入力電圧軸とすることができる。オシロスコープにおけるＸＹモードでは、Ｘ入力の電圧波形を増幅して水平偏向板５０４３に印加し、Ｙ入力の電圧波形を増幅して垂直偏向板５０４２に印加することができる。
垂直偏向板５０４２や水平偏向板５０４３の形状は、誤差が小さい既知の値であるのに対して、組み立てによる偏向板間の距離の誤差は大きくなりがちなので、製造の良否判定等の目的で偏向板間の距離を測定する必要が生じる。
なお、２枚の垂直偏向板５０４２（いずれも対象物）は同形状なので、どちらを駆動電極とし、どちらを検知電極にするかは、自由である。２枚の水平偏向板５０４３（いずれも対象物）においても、同様である。
従来技術による静電容量変位計では、一方を専用の電極、他方を接地された導電体とする必要があるため、この実施例のような用途に適用することはできない。２つ以上の対象物を電極としている以降の実施例でも同様である。
［第１の実施例−４］
図４０Ａから図４０Ｃでは、本開示の静電容量変位計による距離測定の具体的な例のうち、一組の駆動電極と検知電極による、その他の具体的な応用例を示している。
図４０Ａは、物体の高さを測定する一例として、乾電池の電極間の距離測定の例を示している。図４０Ａでは、乾電池５０６１を位置決めゲージ５０６２に押し当てて固定し、乾電池５０６１の下側の電極を例えば駆動電極とし、乾電池５０６１の上部から少し離れた位置に固定された電極５０６３を検知電極にして、乾電池５０６１の上側の電極と電極５０６３の間の容量を測定することによって距離測定を行っている。（乾電池５０６１の上側と下側の電極間のインピーダンスは、十分に低いことを前提にしている。）駆動電極と検知電極は上記の逆でもよく、乾電池５０６１の上下の向きも図と逆でもよい。（乾電池５０６１の上下を逆にすると、乾電池５０６１の平坦な電極面との容量を測定することになるので、さらに好ましい結果が得られる可能性がある。）このような高さの測定は、様々な物体に適用可能である。
図４０Ｂは、ベアリングの真円度の測定を行う例を示しており、金属性のベアリング５０８１（対象物）の軸を固定して一方の電極とし、ベアリング５０８１の少し外に他方の電極５０８２を固定している。ベアリング５０８１が完全な真円度を有していればベアリング５０８１を回転させても電極間容量は変化しない。ベアリング５０８１の回転に伴い電極間容量が変化すれば、それによって電極間距離の変化を知ることができる結果、ベアリング５０８１の真円度を知ることができる。
図４０Ｃは、モータ軸の芯振れの測定を行う例を示しており、モータ軸５１０１と導通しているモータ本体５１０２を一方の電極とし、モータ軸５１０１の少し外に他方の電極５１０３を固定している。モータ軸５１０１の回転に伴い電極間容量が変化すれば、それによって電極間距離の変化を知ることができる結果、モータ軸５１０１の芯振れの度合いを知ることができる。
［第１の実施例−その他］
本開示の静電容量変位計において、一組の駆動電極と検知電極を使用する距離測定は、他にも様々な用途に利用可能なので、以下これらを列挙する。
・駆動電極と検知電極で対象物を挟み込むことによるフィルム、紙、ゴム、樹脂等の厚さ測定。（対象物の比誘電率を予め知っておくことによって、測定された電極間容量から電極間距離＝対象物の厚さを知る。）
・アクチュエータなどの位置決め（アクチュエータを一方の電極にしてもよいし、アクチュエータに一方の電極を貼り付けてもよい。）
・２つの物体の隙間測定（各物体を電極としてもよいし、各物体に電極を取り付けてもよい。）
第１の実施例に示した用途において、複数箇所の距離測定を行う場合は、後述の第２の実施例や第３の実施例のような方法を適用することができる。
［第２の実施例］
第２の実施例、及び図４１Ａから図４３Ｄは、本開示の静電容量変位計による距離測定の具体的な例において、駆動電極と検知電極のいずれか一方を２つ使用することによって、２箇所の距離測定を行う、具体的な応用例を示している。
図４１Ａから図４１Ｄは、２つの導体（いずれも対象物）の間に位置する電極と各導体間の電極間距離を測定する例を示している。図４２Ａから図４２Ｃは、１つの導体（対象物）と２つの電極との各電極間距離を測定する例を示している。図４３Ａから図４３Ｄは、円筒状金属部品の直角度測定を行う例を示している。
［第２の実施例−１］
図４１Ａは、２つの導体の一方を駆動電極、他方を検知電極とする例を示しており、第１の実施例に含まれる参照例であり、第２の実施例の対象外である。
図４１Ｂは、前述の第１５の実施の形態で示した９０°の位相差を持つ２つの駆動信号を用いる方法によって、２つの導体の間に位置する電極と各導体間の電極間距離を各々測定している。一方の導体には駆動信号としてｓｉｎ信号を与えており、他方の導体には駆動信号としてｃｏｓ信号を与えており、第１５の実施の形態のように位相検波手段によって２つの導体各々と電極との電極間距離を知ることができる。この結果、（一方の導体と電極との電極間距離＋他方の導体と電極との電極間距離＋電極の厚さ）によって、２つの導体間の距離を知ることができる。
図４１Ｃは、前述の第１４の実施の形態の図１８Ａや図１８Ｂで示した、複数（２つ）の周波数を用いる方法によって、２つの導体の間に位置する電極と各導体の電極間距離を各々測定している。一方の導体には周波数ｆ１の駆動信号を、他方の導体には周波数ｆ２の駆動信号を与えており、２つの駆動電極を有している。これにより、第１４の実施の形態で説明したように、２つの導体各々と電極との電極間距離を知ることができる。この結果、（一方の導体と電極との電極間距離＋他方の導体と電極との電極間距離＋電極の厚さ）によって、２つの導体間の距離を知ることができる。複数の周波数を用いる方法は、後述の第３の実施例で、さらなる具体例を用いて説明する。
図４１Ｄは、前述の第１４の実施の形態における、図１９で示した方法や、図２１、図２３Ａ及び図２３Ｂに示した切り替えを用いる方法によって、２つの導体の間に位置する電極と各導体との電極間距離を各々測定している。（図１９ではフィルタｆｃ１・・・ｆｃｎと交流電圧測定手段ＡＣ１・・・ＡＣｎを用いる例を示しているが、位相検波手段、平均化手段と直流電圧測定手段を測定手段として使用することも可能である。）
図４１Ｄでは、２つの導体５１２１−１、５１２１−２は共通に接続されており、駆動信号が印加されている。この例では、２つの導体５１２１−１、５１２１−２が１つの駆動電極であり、それらの間に２つの検知電極５１２２−１、５１２２−２を有している。一方の検知電極５１２２−１は一方の導体５１２１−１との電極間距離ｄ１を測定し、他方の検知電極５１２２−２は他方の導体５１２１−２との電極間距離ｄ２を測定している。２つの検知電極５１２２−１、５１２２−２の厚さをｄとすると、２つの導体間の距離は、ｄ１＋ｄ＋ｄ２によって知ることができる。
２つの検知電極５１２２−１、５１２２−２の周囲に接地された電極５１２３を追加すると、例えば図４１Ｄに示しているような電気力線が生じ、導体５１２１−１、５１２１−２と検知電極５１２２−１、５１２２−２の間の電気力線は平行になるので、平行平板モデルによる平行平板コンデンサの静電容量の式（前出の式１４）と一致しやすくなることが期待できる。このように、電気力線を適宜整形又は変形させるために設ける電極を総称して、ガード電極と称する。
なお図の電気力線は、理解の容易のための簡易的な図であり、正確な計算に基づく電気力線ではない。（他の電気力線の図においても同様。）
図４１Ｂから図４１Ｄでは、２つの導電体間の距離を測定する例を示したが、これらを応用して、図４２Ａから図４２Ｃのように、１つの導電体の厚さを測定することも可能である。この方法によって、一例として、半導体のシリコンウェーハの厚さを測定することができる。
図４２Ａでは、前述の第１５の実施の形態で示した９０°の位相差を持つ２つの駆動信号を用いる方法によって、１つの導電体５１４１（対象物：検知電極）と２つの駆動電極５１４２−１、５１４２−２との電極間距離を、各々測定している。固定されている２つの駆動電極間の距離をｄ、導電体と一方の検知電極との電極間距離をｄ１、導電体と他方の検知電極との距離をｄ２とすると、導電体の厚さは、ｄ−ｄ１−ｄ２によって知ることができる。（図４２Ｂも同様。）（距離ｄ、ｄ１、ｄ２と導電体の厚さの関係は、図４２Ｃも参照。ただし図４２Ｃでは、駆動電極と検知電極が、図４２Ａや図４２Ｂとは逆になっている。）
図４２Ｂでは、前述の第１４の実施の形態の図１８Ａや図１８Ｂで示した、複数（２つ）の周波数を用いる方法によって、１つの導電体５１４１と２つの駆動電極５１４２−１、５１４２−２との電極間距離を各々測定することによって、導電体５１４１の厚さを測定している。
また図４２Ｃでは、前述の第１４の実施の形態の図１９で示した方法によって、１つの導電体５１６１と２つの検知電極５１６２−１、５１６２−２との電極間距離を各々測定して、導電体５１６１の厚さを測定している。
このように、９０°の位相差を持つ２つの駆動信号を用いる方法、複数（２つ）の周波数を用いる方法や、前述の第１４の実施の形態の図１９で示した方法を適用することによって、例えば図３９のようなＣＲＴ５０４１の垂直偏向板５０４２と水平偏向板５０４３各々の電極間距離を、同時に測定することも可能である。
［第２の実施例−２］
２つの距離測定を同時に行う、さらなる具体例を、図４３Ａから図４３Ｄに示す。図４３Ａから図４３Ｄは、円筒状の金属部品の直角度を検査する例である。ここでは９０°の位相差を持つ２つの駆動信号（ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号）を用いる方法を例示しているが、図４１Ａから図４２Ｃで示した方法と同様、複数（２つ）の周波数を用いる方法や、前述の第１４の実施の形態の図１９で示した方法、図２１、図２３Ａ及び図２３Ｂに示した切り替えを用いる方法などを適用することも可能である。
図４３Ａでは、面振れのない正確なターンテーブル５１８１の上に円筒状の金属部品５１８２が載せられており、金属部品５１８２の近辺に２つの駆動電極５１８３−１、５１８３−２がほぼ垂直の２点に固定されている。ターンテーブル５１８１は金属部品５１８２と接触して電気的に接続されており、金属部品５１８２と一体となって検知電極となっている。金属部品５１８２の直角度が完全でなく（すなわち傾きがあり）、その中心がターンテーブル５１８１の中心と一致しているとき（すなわち芯ずれがないとき）に、ターンテーブル５１８１が回転する状態を側面視すると、金属部品５１８２は、図４３Ｂのように金属部品５１８２の縦の実線と破線のように動く。ｓｉｎ信号側の駆動電極と金属部品５１８２との間の容量をＣｓｉｎ、ｃｏｓ信号側の駆動電極と金属部品５１８２との間の容量をＣｃｏｓとする。
図４３Ａ及び図４３Ｂにおいて、金属部品５１８２の傾きがあり芯ずれがないとき、ターンテーブル５１８１の回転角度を横軸とし、ｓｉｎ信号側の容量Ｃｓｉｎ、及びｃｏｓ信号側の容量Ｃｃｏｓを縦軸に取ると、図４３Ｃのように変化する。この容量Ｃｓｉｎと容量Ｃｃｏｓの容量変化の差によって、金属部品５１８２の直角度を知ることができる。
円筒状の金属部品５１８２の中心がターンテーブル５１８１の中心とずれているが、金属部品５１８２の直角度が完全のときは、図４３Ｄのように、Ｃｓｉｎ、Ｃｃｏｓ各々の容量は同じように変化する。この場合、Ｃｓｉｎ、Ｃｃｏｓ各々の容量変化の差がゼロなので、金属部品の直角度が完全であることを知ることができる。
第２の実施例では、９０°の位相差を持つ２つの駆動信号を用いる方法、複数（２つ）の周波数を用いる方法や、前述の第１４の実施の形態の図１９で示した方法を具体例として説明したが、これらに限定するものではない。例えば第１４の実施の形態で説明した、ヘテロダイン検波手段や切替手段を適宜使用して、用途や要求性能に応じた静電容量変位計を実現してもよい。
［第３の実施例］
第３の実施例、及び図４４から図４７は、本開示の静電容量変位計による距離測定において、３箇所以上の距離測定を行う具体例を示している。
図４４は金属平板５２０１の傾斜角や垂直位置を測定する例を、図４５は自動車ドアの応力ひずみを測定する例を、図４６は３点法によって真円度を測定する例を示している。
３箇所以上の距離測定を行う場合、第１４の実施の形態で示した、複数（２つ）の周波数を用いる方法、前述の第１４の実施の形態の図１９で示した方法、ヘテロダイン検波手段や切替手段を適宜使用可能である。
各具体例においては、３箇所以上の距離測定を行う各種の測定方法についての説明や電極の接続方法の説明は省略しているが、第１４の実施の形態で示した測定方法や電極接続方法のいずれも、適宜使用可能である。
［第３の実施例−１］
図４４は、３箇所の距離測定によって、金属平板５２０１の傾斜角や垂直位置を測定する例を示している。駆動電極・検知電極の一方は金属平板５２０１（対象物）、他方は電極Ａ、Ｂ、Ｃになっている。電極Ａ、Ｂ、Ｃは、各電極が金属平板５２０１との電極間距離を測定している。電極Ａ、Ｂ、Ｃ各々の金属平板５２０１との電極間距離を各々、距離Ａ、Ｂ、Ｃと称する。
電極Ａと電極Ｂの間隔は既知なので、距離Ａと距離Ｂを知れば、傾きαを知ることができる。例えば、距離Ａ＞距離Ｂであれば、図４４のαの下方向の矢印の方向に傾いていることを知ることができる。電極Ｃと、電極Ａと電極Ｂの間の中央の間隔も既知なので、距離Ａ、Ｂ、Ｃを知れば、傾きβを知ることができる。例えば、距離Ａと距離Ｂの平均値＞距離Ｃであれば、図４４のβの上方向の矢印の方向に傾いていることを知ることができる。距離Ａ、Ｂ、Ｃの平均値を知れば、垂直位置Ｚを知ることができる。例えば、距離Ａ、Ｂ、Ｃの平均値が基準値よりも小さければ、金属平板５２０１が図４４のＺの矢印の方向に上昇していることを知ることができる。
ここでは、３箇所の距離測定によって傾きと垂直位置を知る例を示したが、例えば４箇所の距離測定によれば金属平板５２０１のねじれを知ることができ、さらに多数の距離測定によって金属平板５２０１の平面度などを知ることもできる。
［第３の実施例−２］
図４５は、３箇所よりも多点の距離測定によって、自動車ドアの応力ひずみを測定する例を示している。図４５において、自動車ドア５２２１（対象物）は、駆動電極・検知電極の一方となっている。電極位置決めを行う治具５２２２に複数備えている電極５２２３は、駆動電極・検知電極の他方となっている。
まず、自動車ドア５２２１に応力を加えない状態において、各電極５２２３と自動車ドア５２２１との間の電極間距離を測定し、これを基準値とする。自動車ドア５２２１の所定の位置に応力を加えると、応力を加えた付近の電極５２２３を中心として、各電極５２２３の電極間距離が大きくなる。これによって、応力による自動車ドア５２２１の変形・ひずみの度合いや、ひずみがどこまで広がるか、などを知ることができる。応力を加える位置を順次変更して測定したり、変形・ひずみの度合い等を「マスタ」（基準対象物）と比較することによって良否判定を行ったりすることもできる。
［第３の実施例−３］
図４６は、金属円筒（金属円柱でも可）において、３点法によって真円度を測定する例を示している。図４６において、駆動電極・検知電極の一方は回転可能となるように設置された金属円筒５２４１（対象物）そのものであり、他方は金属円筒５２４１の周囲の基準位置に配置された３つの電極５２４２になっている。金属円筒５２４１を回転可能とする方法や駆動電極・検知電極の一方に接続する方法は図示していないが、例えば図４３Ａのようなターンテーブル５１８１を使用すればよい。３点法による真円度測定は、被測定物を回転させ、三箇所で被測定物の変位を測定することによって真円度を測定する手法であるが、既知の手法なのでその詳細の説明は省略する。
［第３の実施例−４］
図４７は、鋼板の直角度、平行度やサイズを測定する例を示している。図４７において、駆動電極・検知電極の一方は四角形の鋼板５２６１（対象物）そのもの、他方は鋼板５２６１の付近に備えている電極５２６２−１、５２６２−２、５２６２−３、５２６２−４、５２６２−５、５２６２−６になっている。鋼板５２６１は、位置決めガイド５２６３によってその位置が決められている。電極５２６２−１、５２６２−２、５２６２−３、５２６２−４、５２６２−５、５２６２−６で測定した鋼板５２６１との電極間距離は、それぞれ第１の距離、第２の距離、第３の距離、第４の距離、第５の距離、第６の距離である。
まず、正確な直角度とサイズを有するマスタ鋼板を用いて、第１の距離から第６の距離を各々測定しておく。この際、各電極５２６２−１、５２６２−２、５２６２−３、５２６２−４、５２６２−５、５２６２−６の電極間距離が同じになるように、電極位置を調整してもよい。次に、被対象物の鋼板５２６１を用いて、第１の距離から第６の距離を各々測定する。
第１の距離と第２の距離の差を知ることによって電極５２６２−１と電極５２６２−２側の鋼板側面の傾き（マスタに対する相対値、以下同様）を知ることができ、第３の距離と第４の距離の差を知ることによって電極５２６２−３と電極５２６２−４側の鋼板側面の傾きを知ることができる。また、第１の距離と第３の距離によって鋼板５２６１の下の方のサイズ（図４７における横幅）を知ることができ、第２の距離と第４の距離によって鋼板５２６１の上の方のサイズを知ることができる。また、（第１の距離と第２の距離の平均値）と（第３の距離と第４の距離の平均値）によって、鋼板５２６１の中心付近のサイズを推定することもできる。
第５の距離と第６の距離の差を知ることによって、鋼板５２６１の下側面と上側面の平行度を知ることができる。第５の距離によって鋼板５２６１の左側面付近のサイズ（図４７における縦幅）を、第６の距離によって右側面付近のサイズを知ることができ、第５の距離と第６の距離の平均値によって鋼板５２６１の左右方向の中心付近のサイズを推定することもできる。
［第４の実施例］
第４の実施例、及び図４８から図５３Ｂは、本開示の静電容量変位計による物体検知において、一組の駆動電極と検知電極を使用する場合の具体例を示している。これらの図に示す具体例は代表的な一例にすぎず、一組の駆動電極と検知電極を使用する場合においても、本開示の静電容量変位計による物体検知は広範囲の用途に応用可能である。
［第４の実施例−１］
図４８は、テープやベルト等のテープ状の対象物（以下、「テープ」という）５２８１の、製造ラインにおける厚さ測定の例を示している。テープ５２８１はローラー５２８２によって矢印方向に送られており、非接触でテープ５２８１を挟むように駆動電極と検知電極の組５２８３が設けられている。テープ５２８１の比誘電率は、空気の比誘電率よりも大きいので、電極間容量Ｃｘはテープ５２８１がない場合よりも大きくなり、テープ５２８１が厚いほど電極間容量Ｃｘが大きくなる。また、電極間距離は一定のため、テープ５２８１が図の上下方向にぶれても電極間容量Ｃｘは変化しないので、電極間容量Ｃｘによってテープ５２８１の厚さを知ることができる。
図４８の例では、テープ５２８１の厚さの上限値（電極間容量Ｃｘの最大値）とテープ５２８１の厚さの下限値（電極間容量Ｃｘの最小値）の２つの比較を行うことによって、テープ５２８１の厚さが正常（電極間容量Ｃｘが最小値と最大値の間にある）、テープ５２８１が厚すぎる（電極間容量Ｃｘが最大値以上）、テープ５２８１が薄すぎる（電極間容量Ｃｘが最小値以下）のような判定を行うことが好ましい。
図４８では、一組の駆動電極と検知電極を使用して幅の狭いテープ状の対象物の厚さを測定する例を示した。しかし、幅の広いシート、紙、布地、フィルムのような対象物であっても、特定の位置の厚さを知れば足りる場合や、幅や面全体の平均的な厚さを知るような場合であれば、一組の駆動電極と検知電極を適用可能である。例えば紙送り機構において、紙が重なって送られていることを特定の位置で検出するような場合は、一組の駆動電極と検知電極を適用可能である。
［第４の実施例−２］
図４９は、液体容器への液体注入量の測定の例を示している。液体容器５３０１の側面には、図のように駆動電極と検知電極の組５３０２が設けられている。液体容器５３０１や容器に入れられる液体の比誘電率は、空気の比誘電率よりも大きい。このため電極間容量Ｃｘは、電極間に液体容器５３０１が存在しない場合に最も小さく、空の液体容器５３０１が存在する場合は少し大きくなり、液体が最大量充填された場合に最も大きくなる。この結果、電極間容量Ｃｘによって液体容器５３０１内の液体の量を知ることができる。
例えばベルトコンベアで運ばれてきた液体容器５３０１が電極間で停止すると、電極間容量が少し増えることによって、液体容器５３０１が所定位置に停止したことを検出できる。さらに容器の上からノズル５３０３が降下してきて液体の注入が始まると、液体の増加に伴って電極間容量Ｃｘが増加していく。所定の液体量に対応する電極間容量Ｃｘに達したら、液体の注入を終了し、ノズル５３０３を上昇させ、次の液体容器５３０１に交代する。
この例の場合は、液体容器５３０１の有無を判定するための閾値と、所定の液体量に対応する閾値の２つを比較することができる。液体容器５３０１自体の厚さの個体差等による静電容量の違いが無視できない場合は、液体容器５３０１が空の状態の静電容量を基準値として、静電容量の増加量によって所定の液体量に達したことを知ることも可能である。
図４９は、液体容器５３０１の両側面に平板状の電極、つまり駆動電極と検知電極の組５３０２を設ける例を示しているが、液体容器５３０１に沿って湾曲した電極を用いることによって、より高感度化を図ることもできる。この場合はさらに、湾曲した電極を動かして液体容器５３０１を挟み込むことによって液体容器５３０１の位置決めを行い、測定のばらつきを低減することも可能である。
また、前述の図３６のように、液体容器の上下に設けた電極を用いることもできる。この場合は、容器の注入口側の電極に開けた穴にノズル５３０３を通せばよい。
［第４の実施例−３］
本開示の静電容量変位計において、一組の駆動電極と検知電極を使用する物体検知によって複数の周波数における各々の電極間容量を得て、これに基づいて対象物の誘電率などの周波数特性を知ることも可能である。
一例として、対象物が混合物であり、その混合比によって誘電率の周波数特性が変化するときに、特徴的な何点かの周波数における周波数特性を知ることによって、対象物の混合比を知ったり、混合物の良否判定を行うことなどが可能である。
第２１の実施の形態に係る図３４Ａや図３４Ｂを参照する。
まず駆動信号発生手段２０１において、複数の周波数成分を含む駆動信号を発生する。このような駆動信号として、周波数重畳波形を用いることができる。また、複数の高調波成分を含有する方形波、鋸歯状波、三角波などの波形も用いることができ、慣用されている技術で容易に生成可能である。（ホワイトノイズやピンクノイズのような、より多くの周波数成分を含む波形を用いることも可能ではあるが、各々の周波数成分が小さいためＳＮ比はあまり期待できない。）
測定手段６２０は、必要となる複数の周波数の各々を知ることができる構成とする。一例として、第１４の実施の形態に係る図１８Ａの測定手段６１４や、図２０Ａの測定手段６１４−３と同様の構成を適用可能である。
駆動信号としてｆ１・・・ｆｎのｎ個の周波数の周波数重畳波形を用いる場合は、ｆ１・・・ｆｎのｎ点の周波数特性を知ることができる。方形波や鋸歯状波を駆動信号として用いる場合は、基本波や高調波のうち必要な周波数成分に対する周波数特性を知ることができる。
周波数重畳波形では、単一周波数の正弦波よりも振幅が大きくなりがちであり、信号検知手段増幅器の出力が飽和する可能性が増える。この可能性を軽減するためには、重畳する各周波数を適宜選択し、重畳する各周波数成分の位相を各々調整して、周波数重畳波形のピーク電圧が、最小あるいは必要なだけ小さくなるようにすればよい。重畳する周波数が予めわかっている場合は、計算やシミュレーションによってピーク電圧が小さくなるような各位相を求めることもできる。
この一例として、１ｋＨｚと３ｋＨｚの正弦波を重畳する場合を、図５０Ａ及び図５０Ｂに示す。図５０Ａでは、１ｋＨｚ（点線）の位相が０°のときに、３ｋＨｚ（細い実線）の位相が１８０°の場合を示している。この場合の重畳波形（太い実線）のピーク値は、１ｋＨｚの正弦波や３ｋＨｚの正弦波のピーク値の２倍である。図５０Ｂでは、１ｋＨｚ（点線）との位相が０°のときに、３ｋＨｚ（細い実線）の位相も０°の場合を示している。この場合の重畳波形（太い実線）のピーク値は、１ｋＨｚと３ｋＨｚの正弦波の約１．５４倍である。即ちこの場合は、重畳する周波数成分の位相を選択することによって、ピーク電圧を８割弱に低減できる。
周波数特性を知るためのもう一つの方法として、駆動信号周波数をスイープさせる方法を用いることも可能であり、この場合は例えば図１７Ａから図１７Ｃの容量測定回路を用いた静電容量変位計とする。
図１７Ａの駆動信号発生手段２１３、もしくは図１７Ｂ又は図１７Ｃの駆動信号発生手段２０１では、測定を行う周波数を順次発生させる（周波数をスイープさせる）。測定手段６２０としては、図１７Ａの測定手段６１３、図１７Ｂの測定手段６１３−１、図１７Ｃの測定手段６１３−２を各々用いる。図１７Ａから図１７Ｃの構成、動作や特徴等は、第１４の実施の形態の説明の該当部を参照し、ここではこれ以上の説明は省略する。
［第４の実施例−４］
図５１Ａから図５２Ｂは、電極間に人体の一部（指を例示）を接近・離脱することによって、何らかの機器の操作指示を行う例を示しており、本開示の静電容量変位計を近接センサとして使用する一例である。
図５１Ａは電極と指ガードの位置関係の例を示す斜視図であり、図５１Ｂは電極と指ガードの位置関係の例を示す正面図を示すと共に、指の接近状態と離脱状態を示している。指ガードは、指の移動範囲を規制すると共に、指が電極に直接触れないようにする機能も有している。
図５２Ａ及び図５２Ｂは、図５１Ａ及び図５１Ｂにおいて指を接近・離脱させたときの本開示の静電容量変位計の出力電圧の例を示している。本開示の静電容量変位計に対して、人体は一般的に接地された導体のようにふるまうため、指が電極に接近すると電極間容量が減少し、指が電極から離脱すると電極間容量が元に戻る。
図５２Ａは、図５１Ａ及び図５１Ｂにおいて指を接近・離脱させるパターンと、各パターンに対応する本開示の静電容量変位計の出力電圧の例を示している。指が離脱状態から接近状態に早く移動した場合は、「早い接近」に示すように出力電圧が急激に下がる。指が離脱状態から接近状態にゆっくりと移動した場合は、「遅い接近」に示すように出力電圧がゆっくりと下がる。指が接近状態から離脱状態に早く移動した場合は、「早い離脱」に示すように出力電圧が急激に上がる。指が接近状態から離脱状態にゆっくりと移動した場合は、「遅い離脱」に示すように出力電圧がゆっくりと上がる。指が接近状態で停止したときは、「近接停止」に示すように出力電圧は下がったままとなり、離脱状態で停止したときは、「離脱停止」に示すように出力電圧は上がったままとなる。
図５２Ｂは、図５２Ａに示した指を接近・離脱させる６つのパターンの組み合わせを示している。上段左端は早い接近と早い離脱が連続して生じたときの出力電圧を示している。上段左中は早い接近の後接近状態で停止し、その後早い離脱が生じたときの出力電圧を示している。上段右中は遅い接近と遅い離脱が連続して生じたとき、上段右端は遅い接近・接近状態で停止・遅い離脱が生じたときの出力電圧を示している。下段左端は早い接近と遅い離脱が連続して生じたとき、下段左中は早い接近・接近状態で停止・遅い離脱が生じたときの出力電圧を示している。下段右中は遅い接近と早い離脱が連続して生じたとき、下段右端は遅い接近・接近状態で停止・早い離脱が生じたときの出力電圧を示している。即ち、図５２Ａの６つのパターンの組み合わせによって、図５２Ｂの８つのパターンが得られることを例示している。
図５２Ｂにおいて、離脱状態時の出力電圧はＶＨ、接近状態時の出力電圧はＶＬである。ＶＨとＶＬの間には図のように、ハイレベル閾値電圧ＶｔｈＨとローレベル閾値電圧ＶｔｈＬを設定する。一例として、ＶＨとＶＬの電圧差の１０％だけＶＨよりも低い電圧をハイレベル閾値電圧ＶｔｈＨとし、ＶＨとＶＬの電圧差の１０％だけＶＬよりも高い電圧をローレベル閾値電圧ＶｔｈＬとすることができる。
離脱状態時の出力電圧ＶＨは、指の太さ等による影響はほとんどないと考えられる。これに対して接近状態時の出力電圧ＶＬは、指の太さ等によって異なる可能性が高い。このような場合、例えば、接近状態において最も低くなったときの出力電圧を接近状態時の出力電圧ＶＬとすることによって、指の太さ等の差異を吸収することができる。
出力電圧がハイレベル閾値電圧ＶｔｈＨからローレベル閾値電圧ＶｔｈＬまで下がる時間を降下時間ｔｆとし、出力電圧がローレベル閾値電圧ＶｔｈＬよりも低い時間を停止時間ｔｈとし、出力電圧がローレベル閾値電圧ＶｔｈＬからハイレベル閾値電圧ＶｔｈＨまで上がる時間を上昇時間ｔｒとする。
降下時間ｔｆが予め定めた降下時間閾値よりも短ければ「早い接近」であり、降下時間閾値以上であれば「遅い接近」であると判定できる。停止時間ｔｈが予め定めた停止時間閾値よりも短ければ接近と停止が連続して発生したと判定し、停止時間閾値以上であれば接近停止があったと判定できる。上昇時間ｔｒが予め定めた上昇時間閾値よりも短ければ「早い離脱」であり、上昇時間閾値以上であれば「遅い離脱」であると判定できる。このような判定を行うために、前述の第１９の実施の形態で説明した比較判定手段を用いることができる。
図５２Ｂの８つのパターンを識別することによって、８種類の操作指示として用いることができる。一例として、自動車において、遅い接近と遅い離脱の連続をドアロック、早い接近と早い離脱の連続をドアロック解除の操作指示としたり、遅い接近と早い離脱の連続を窓を開ける指示、早い接近と遅い離脱の連続を窓を閉じる操作指示としたりすることができる。さらに、接近状態における停止があるときは窓の開閉速度を遅くし、停止がないときは窓の開閉速度を早くすることなども考えられる。
指の太さは個人差があるが、誰でも使えるようにするためには、図５１Ａの指ガードの幅は一例として３０ｍｍ程度にすることになり、電極間距離はさらに広くなる。このため、測定距離の短い従来技術による静電容量変位計をこのような用途に適用することは困難である。
［第４の実施例−５］
図５３Ａ及び図５３Ｂは、電極間を移動する物体の移動方向を知ることができる静電容量変位計の例を示している。
図５３Ａは、物体が左から右に移動する場合の例と、そのときの静電容量変位計の出力電圧波形の例を示している。また図５３Ｂは、物体が右から左に移動する場合の例と、そのときの静電容量変位計の出力電圧波形の例を示している。
図５３Ａや図５３Ｂでは、被測定物の一例である自動車が道路を走行する状態を例示している。例示している自動車は浮いた導電体であり、自動車が電極間に入ると電極間容量が増える。
図５３Ａや図５３Ｂの電極は、図の左方向では電極間の距離が近く、右方向では電極間の距離が離れている。このような場合、図５３Ａに示すように、電極間の距離が近いところでは電気力線の密度が高く、電極間の距離が遠いところでは電気力線の密度が低くなる。
このような電極間を、図５３Ａのように自動車が左から右に通過すると、最初に電気力線の密度が高い部分を通過するときは静電容量変位計の出力電圧が早く上昇し、その後電気力線の密度が低い部分を通過するときは静電容量変位計の出力電圧がゆっくりと下降する。一方、図５３Ｂのように自動車が右から左に通過すると、最初に電気力線の密度が低い部分を通過するときは静電容量変位計の出力電圧がゆっくり上昇し、その後電気力線の密度が高い部分を通過するときは静電容量変位計の出力電圧が早く下降する。
また、自動車の通過速度が早いときは静電容量変位計の出力電圧がより早く上昇／下降し、遅いときは静電容量変位計の出力電圧がより遅く上昇／下降する。
即ち、静電容量変位計の出力電圧の上昇時間と下降時間の間の大小に基づいて自動車が通過方向を知ることができる。また、上昇時間と下降時間の和に基づいて、自動車の通過速度を知ることもできる。
図５３Ａのように自動車が左から右に移動するときの静電容量変位計の出力電圧は図５３Ａのグラフ５３５１のように変化し、図５３Ｂのように自動車が右から左に移動するときは出力電圧が図５３Ｂのグラフ５３５２のように変化する。（図５３Ｂでは自動車が右から左に移動するが、図５３Ｂのグラフ５３５２では時間軸が右向きになっており、出力電圧は図の左から右に向かって変化する。）
［第４の実施例−その他］
本開示の静電容量変位計において、一組の駆動電極と検知電極を使用する物体検知は、他にも様々な用途に利用可能なので、以下これらを列挙する。
・薬品等の混合比や、酒類中のアルコール濃度を、対象物の比誘電率によって知る。
・土、砂、コンクリートブロック等の水分量を、対象物の比誘電率によって知る。
・シュークリーム内のクリームの有無や量などを、対象物の比誘電率によって知る。
・トレイ内の食品充填量などを、対象物の比誘電率によって知る。
・容器の内容物の量や種類を、対象物の比誘電率によって知る。
・容器内の付属品等の数や種類を、非接触検査する。
・タンクやケース中の液量・粉体量や、風呂等の水位を、検出・制御する。
・タイヤ、ゴムや樹脂部品等の中の気泡を、対象物の比誘電率によって知る。
・フィルムなどに付着した金属片を検出する。
・劣化すると膨らむ電池や電解コンデンサなど、物体の形状変化によって対象物の状態を知る。
・静電容量が面積、厚さ及び誘電率の積で決まる銅張り積層板の、厚さや比誘電率を知る。
・プリント基板のパターン間容量を知る。（本開示の容量測定回路によって、微小容量の測定も可能。）
・美術館等、進入禁止エリアへの人や車の侵入を検知する。
・産業用ロボットの動作による、危険領域への侵入を防止する。
・その他、物体の有無や、物体が近接したことの検知等に広く適用可能。
第４の実施例に示した用途では、後述の第５の実施例のような電極の形状や位置関係の変形例を適用することができる。また第４の実施例に示した用途において、複数箇所で物体検知を行う場合は、後述の第６の実施例のような方法を適用することができる。
［第５の実施例］
第５の実施例、及び図５４Ａから図５５Ｃは、本開示の静電容量変位計による物体検知の一組の駆動電極と検知電極において、電極の形状や位置関係の変形例を示している。
例えば第４の実施例に係る図４８と図４９では、駆動電極と検知電極を対向配置する例を示した。これに対して第５の実施例に係る図５４Ａから図５４Ｄでは、駆動電極と検知電極を並列配置する例を示す。また第５の実施例に係る図５５Ａから図５５Ｃでは、駆動電極と検知電極を同心円状に配置する例を示す。
［第５の実施例−１］
図５４Ａには、円形の駆動電極５３２１と円形の検知電極５３２２を、同一平面に横に並べて配置（即ち、並列配置）する例を示している。電極の形状や配置は一例であり、用途に合わせて自由に選択可能である。例えば四角形の電極でもよく、高さを異ならせた配置や、電極を傾けた配置なども可能である。
図５４Ｂには、検知電極５３２２の付近にシールド電極５３２３を設ける例を示している。駆動電極５３２１に対して同様にシールド電極５３２３を設けることも可能である。シールド電極５３２３は、検知電極５３２２や駆動電極５３２１と異なる大きさでも構わないが、少し大きめにすることが好ましい。検知電極５３２２と駆動電極５３２１の付近に、共通の大きなシールド電極５３２３を設けることも可能である。第６の実施の形態で説明したようなプリント基板を用いる電極は、並列配置の電極にも好適である。
図５４Ｃには、並列配置した駆動電極５３２１と検知電極５３２２の間の電気力線のうち、一方の面の電気力線だけを例示している。
図５４Ｄには、並列配置した駆動電極５３２１と検知電極５３２２の付近に、接地された導電体５３２４が接近した場合の電気力線の例を示している。この場合、駆動電極５３２１から発した電気力線の一部が接地された導電体５３２４に到達し、検知電極５３２２に届かなくなるので、電極間容量Ｃｘは減少する。このような電極間容量Ｃｘの減少を検出することによって、例えば接地された導電体が接近したことを検知する物体検知を行うことができる。
一方、並列配置した駆動電極５３２１と検知電極５３２２の付近に、空気よりも誘電率が大きい物体（例えば液体）が近接する場合（図不示）や浮いた導電体が近接する場合（図不示）は、電極間容量Ｃｘが増加する。このような電極間容量Ｃｘの増加を検出することによって、例えば液体容器や自動車などが接近したことを検知する物体検知を行うことができる。
［第５の実施例−２］
図５５Ａには、ドーナツ状の駆動電極５３４１と、ドーナツの穴に相当する部分に位置する円形の検知電極５３４２の例を示している。このような電極の形状・配置を、同心円状の配置と称する。
図５５Ｂには、駆動電極５３４１と検知電極５３４２の間に、さらにドーナツ状のガード電極５３４３を設けた例を示しており、このような場合の電気力線を図５５Ｃに例示している。ガード電極５３４３が存在する場合、電極が配置されている面に近く（低く）駆動電極５３４１から発生した電気力線はガード電極５３４３に到達し、電極が配置されている面から遠く（高く）発生した電気力線だけが検知電極５３４２に到達する。このため、電極面からより遠い物体の検知に適した電極配置として働くことが期待できる。
同心円状の電極配置においても、電極の形状や配置等は自由であり、各電極の直径の比率を変更したり、円形を四角形に変更したり、適宜ガード電極を追加することも可能である。第６の実施の形態で説明したようなプリント基板を用いる電極は、同心円状配置の電極にも好適である。駆動電極と検知電極を入れ替えて使用することも可能である。
接地された導電体の近接による静電容量の減少、又は、空気よりも比誘電率の高い物体や浮いた導電体の近接による静電容量の増加は、前述の並列配置と同様なので、説明を省略する。
このような、電極の並列配置や同心円状の配置等は、物体の近接・離脱の検知（近接スイッチや近接センサ）や、近接した物体の誘電率の増加等の検知（例えば内容物の有無や量の検知）にも適している。このような場合は、適切な閾値を用いることによって、物体検知の判定を行うことも、特に好ましい。このような場合の電極の配置は、並列配置や同心円状の配置に限定するものではない。同様の機能を実現可能な、様々な他の電極配置も考えられ、並列配置や同心円状の配置はこの代表的な一例にすぎない。
［第６の実施例］
第６の実施例、及び図５６Ａから図６３Ｂは、本開示の静電容量変位計による物体検知において、駆動電極と検知電極の一方又は両方を複数用いることによって、複数の物体検知を行う例を示している。
［第６の実施例−１］
図５６Ａ及び図５６Ｂは、複数の物体検知を行う例として、梱包箱５３６１に入った状態のままで、複数のペットボトル５３６２各々の内容量検査を行う例を示している。梱包箱５３６１に入った状態のペットボトル５３６２（対象物）は、外から見ることができず、レーザー光も通さないため、レーザー変位計によって内容量を検査することはできない。またこのような対象物は金属ではないため、渦電流変位計を適用することもできない。ペットボトル５３６２の高さは、５００ミリリットル品でも高さ２００ｍｍ前後、１．５リットル品や２リットル品では３００ｍｍ強もある。このため、梱包箱に入った状態のペットボトルの内容量検査は、本開示の容量測定回路を用いた静電容量変位計によって可能になった。
図５６Ａは梱包状態のペットボトル５３６２を含む梱包箱５３６１の電極の上面図、図５６Ｂは梱包箱５３６１や電極の側面図である。梱包箱５３６１内のペットボトル５３６２は破線で示されている。各ペットボトル５３６２の上部（梱包箱の上部）には、例示している断面が四角形のペットボトル５３６２に合わせて、四角形の駆動電極５３６３を設ける例を示している。また、梱包箱５３６１の下部には、梱包箱５３６１よりも大きいサイズの検知電極５３６４を設ける例を示している。駆動電極５３６３や検知電極５３６４の形状やサイズはこれらに限定するものではない。
また図５６Ａでは、前述の第１４の実施の形態の図２２の方法を用いて駆動電極５３６３を切り替える例を示しているが、この方法に限定するものではない。第１４の実施の形態に示したような、複数箇所の容量測定を行う様々な手法を適宜適用したり、さらにこれらを適宜組み合わせて適用したりすることもできる。
図５６Ｂには、ペットボトル５３６２のうち、左から２番目のペットボトル５３６２の内容量が少ない場合を例示している。また、ペットボトル５３６２のうち１本の上部に設けられた駆動電極５３６３から下部の検知電極５３６４への電気力線の一例を示している。電気力線のほとんどは駆動電極５３６３から検知電極５３６４に向かうため、駆動電極５３６３の直下のペットボトル５３６２の内容量によって、電極間容量Ｃｘが支配的に決まる。若干の電気力線は駆動電極５３６３の周囲のペットボトル５３６２を通過するため、周囲のペットボトル５３６２の一部又は全部の内容量が極端に異なる場合は若干の影響が生じる可能性はある。しかし当該ペットボトル５３６２の上部の駆動電極５３６３を駆動して測定したときに、当該ペットボトル５３６２の内容量が極端に異なることを知ることができるので、周囲への影響を計算によって補正することも可能である。また、梱包箱５３６１中のペットボトル５３６２の一本でも内容量が極端に異なっていることを検知すれば、その梱包箱５３６１単位で検査不合格となり、ペットボトル５３６２の入れ替えを行う必要が生じるため、周囲の状態による測定結果への影響は大きな問題にはならない。
［第６の実施例−２］
図５７Ａ及び図５７Ｂは、複数の物体検知を行う例として、梱包箱５３８１に入った状態のままで、複数の牛乳パック５３８２の内容量検査を行う例を示している。梱包箱５３８１に入った状態の牛乳パック５３８２（対象物）の内容量検査も同様に、本開示の容量測定回路を用いた静電容量変位計によって可能になった。（梱包箱５３８１に入っていなくても、牛乳パック５３８２はレーザー光を通さないので、やはりレーザー変位計を内容量検査に適用することはできない。なお１リットルの牛乳パック５３８２の代表的な高さは、１９４ｍｍである。）
図５６Ａ及び図５６Ｂの例では駆動電極を切り替える例を示したが、図５７Ａ及び図５７Ｂの例では検知電極を切り替える例を示している。図５７Ａは検知電極の配置を示すための上面図の例であり、図５７Ｂは側面図の例である。
図５７Ａに示すように、牛乳パック５３８２（３行×４列＝１２個を例示）の上部には各々、牛乳パック５３８２に近いサイズの四角形の電極５３８３が設けられている。また、梱包箱５３８１の周囲には、接地されたガード電極５３８４が設けられている。梱包箱５３８１の下には、ガード電極５３８４の外形と同程度の大きさの、駆動電極５３８５（図不示）が全面に設けられている。
図５７Ｂでは、ガード電極５３８４や駆動電極５３８５の例や、電極５３８３の切り替えの例を示している。電極５３８３の切り替えは、前述の第１４の実施の形態の図２３Ｂの方法を例示している。図５７Ｂの例では、電極５３８３の切り替えは１行の４個分だけを図示しているが、実際は、３行×４列＝１２個の切替スイッチが設けられている。１２個の切替スイッチのうち１個だけが電極５３８３を信号検知手段と接続しており、他の電極５３８３は接地に接続されている。
信号検知手段と接続された電極１個も、信号検知手段の入力における仮想接地によって接地電位になっているので、梱包箱上部の１２個の電極５３８３とガード電極５３８４は、全面的に接地された一つの大きな平板電極と同様に働く。一方、駆動電極５３８５もこれと同程度の大きさの平板電極であるため、全体として平行平板コンデンサのように働く。この様子を、図５７Ｂの電気力線に例示している。
図５７Ｂに示すように、周辺部分の電気力線は電極の外に膨らもうとするが（端効果）、牛乳パック５３８２が存在している部分ではほぼ平行な電気力線となっている。即ちガード電極５３８４は、牛乳パック５３８２が存在している部分において平行な電気力線となるように、電気力線を整形している。この結果、どの牛乳パック５３８２の内容量を検知測定する場合であっても、周囲の牛乳パック５３８２の内容量の影響をほとんど受けないようにすることができる。
周辺の対象物の影響を受けにくいようにしたい場合は、上記のようにガード電極５３８４を設けて、検知電極を切り替える方が有利である。しかしこの場合は、接地側に接続している切替スイッチの電極間容量が、検知電極への接続に対する浮遊容量となる。しかし本開示の容量測定回路では、検知電極に付加される浮遊容量はあまり問題にはならない。
さらに浮遊容量の影響をより小さくしたい場合は、第１４の実施の形態の図２１のように、信号検知手段を複数用いて測定手段で切り替えることも可能である。この場合も、梱包箱上部の１２個の電極５３８３とガード電極５３８４は、全面的に接地された一つの大きな電極と同様に働き、駆動電極５３８５もこれと同程度の大きさであるため、全体として平行平板コンデンサのように働く。
浮遊容量の影響をより小さくしたい場合の他の対処方法として、図５６Ａ及び図５６Ｂのように駆動電極を切り替える方法を選択するか、もしくは第６の実施の形態で示したアクティブシールドを用いることも可能である。即ち、検知電極と駆動電極のどちらを切り替えるかは、用途に応じて選択可能である。
［第６の実施例−３］
図５８は、複数の物体検知を行う例として、カップラーメンの蓋、別添スープ、麺などの内部の状態を検査する例を示している。図５８で左側に図示されている電極は駆動電極であり、右側に図示されている電極は検知電極５８０２、検知電極５８０３、検知電極５８０４及び検知電極５８０５とガード電極５８０１及びガード電極５８０６である。電極の形状は自由に選択可能であり、平板電極でもよいし、カップラーメンを囲むような円弧状の電極になっていてもよい。
ガード電極５８０１及びガード電極５８０６は接地されている。検知電極５８０２はカップラーメンの蓋の高さに設置されている。検知電極５８０４は麺の上に置かれている別添スープの高さに設置されており、検知電極５８０３は検知電極５８０２と検知電極５８０４の間に設置されている。検知電極５８０５はカップラーメン容器中の麺に相当する部分に設置されている。
前述の第１４の実施の形態の図２３Ｂの方法によって、電極切り替えスイッチは、検知電極５８０２、検知電極５８０３、検知電極５８０４及び検知電極５８０５のうちいずれか一つを信号検知手段に接続し、他は接地するように設けられている。（図５８では、検知電極５８０４が信号検知手段に接続されており、他の検知電極は接地されている状態を例示している。）
カップラーメンの蓋は、プラスチックとアルミ箔が積層されていることを想定する。プラスチックは誘電体であり、アルミ箔は浮いた導電体なので、共に電極間容量を増大させる。このため、検知電極５８０２が信号検知手段に接続されているときにおいて、蓋が装着されていない場合やカップラーメンが電極間に置かれていない場合には、想定している電極間容量よりも小さくなるので、蓋の未装着やカップラーメンの不存在を検知できる。適切な閾値を適用すれば、蓋の未装着とカップラーメンの不存在を区別することも可能であろう。
カップラーメンの麺の上に置かれている別添スープ（粉末や液体）は、プラスチックとアルミ箔が積層された袋に入っていることを想定する。プラスチックやスープは誘電体であり、アルミ箔は浮いた導電体なので、共に電極間容量を増大させる。このため、検知電極５８０４が信号検知手段に接続されているときにおいて、別添スープが入っていないときや別添スープが正常な高さに置かれていないときは、想定している電極間容量よりも小さくなるので、このような事態を検知できる。
電極５８０３が信号検知手段に接続されているときにおいて、想定している電極間容量よりも大きい場合は、別添スープや麺と蓋の間に異物（誘電体や浮いた導電体）が入っている可能性があり、これを検知できる。逆に想定している電極間容量よりも小さいときは、カップラーメンが電極間に置かれていない場合が想定され、これを検知できる。
検知電極５８０５が信号検知手段に接続されているときにおいて、想定している電極間容量よりも大きい場合は、麺（誘電体）が規定量よりも多く高密度であることを検知できる。逆に想定している電極間容量よりも小さいときは、麺（誘電体）が規定量よりも少なく低密度であることを検知できる。電極間容量が大幅に小さいときは、麺が入っていない場合、カップラーメンが電極間に置かれていない場合が想定され、これを検知できる。
図５８では、検知電極５０８２、検知電極５０８３、検知電極５０８４及び検知電極５０８５をスイッチで切り替える例を示したが、信号検知手段や測定手段を複数用いて同時に電極間容量を知ることによって、より短時間でカップラーメンの状態を知ることも可能である。その他にも、第１４の実施の形態で示した様々な方法によって、複数箇所の電極間容量を知ることが可能である。
［第６の実施例−４］
図５９は、複数の電極を用いることによって、被測定物の位置を推定する例を示している。図５９の配置５９０１は、例えば、被測定物（一例としてペットボトルに入った飲料）がベルトコンベアに乗って左から右に移動していくときを例示している。図５９の配置５９０１中のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは各々、被測定物を検出するための近接センサや近接スイッチである。図５９のグラフ５９０２中のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、本開示の静電容量変位計を近接センサとして用いたときの出力電圧の例を示している。図５９のグラフの横軸は、図５９の配置５９０１の被測定物の位置を示す横方向に対応しており、被測定物が左から右に移動していくときの静電容量変位計の出力電圧の例を示している。（被測定物は誘電体であり、被測定物が電極間に入ると電極間容量が増加して静電容量変位計の出力電圧が上がる場合を例示している。）
まず、従来用いられていた近接スイッチとして、図５９の配置５９０１のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとして光電センサ（遮光型や反射型）を用いる場合を考える。光電センサでは、被測定物が所定位置にあるかないかを光電センサの出力のオンオフで知ることはできるが、被測定物が近くにあるか遠いかを知ることはできない。
被測定物が位置Ｐまで移動してきたとき、センサＡの出力は一度オンオフして、センサＡを通過したことを知ることができる。センサＡ出力のオンオフ後、センサＢの出力はまだオンオフしていない。この状態では、被測定物がセンサＡとセンサＢの間にいることは検知できるが、被測定物がセンサＡとセンサＢの間のどこにいるかを知ることはできない。
本開示の静電容量変位計を近接センサとして用いる場合を考える。この場合、図５９の配置５９０１のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは各々、本開示の静電容量変位計の駆動電極と検知電極である。
被測定物が位置Ｐにあるとき、Ａの電極に対応する静電容量変位計の出力電圧は図５９のグラフ５９０２のＡの中に示している上下矢印の電圧である。（図５９グラフ５９０２において、被測定物が離れたときの電圧、即ち電圧の平坦部を基準電圧とする。以下同様。）またこのとき、Ｂの電極に対応する静電容量変位計の出力電圧は図５９のグラフ５９０２のＢの中に示している上下矢印の電圧である。ＣとＤの出力電圧は、共に基準電圧である。
Ａ中の上下矢印の電圧は比較的大きく、Ｂ中の上下矢印の電圧は比較的小さい。このことから、被測定物はＢよりもＡに近い位置にあり、ＣやＤからは離れていることを知ることができる。この場合の一例として、Ａの電圧とＢの電圧の比に基づいて、被測定物の位置を推定することができる。
各電極における被測定物の位置と静電容量変位計の出力電圧の関係を、図５９のグラフ５９０２のように予め知っておけば、各電極に対応する静電容量変位計の出力電圧から、より正確な被測定物の位置を推定することもできる。
なお図５９の配置５９０１で例示している複数の電極において、各々の静電容量を知るためには、第１４の実施の形態の様々な方法を自由に選択して使用することができる。
［第６の実施例−５］
図６０Ａから図６３Ｂには、さらに多数箇所の物体検知を行う一例として、自動車用タイヤ（以下、「タイヤ」という）５４０１の検査を示している。検査対象は自動車用タイヤに限定するものではない。例えば、タイヤ５４０１を構成するゴム等に気泡が含まれていると、強度が劣化したり、摩耗によって気泡部が外に現れると外観を損ねたりするおそれがある。気泡、すなわち空気の比誘電率は、ゴムの比誘電率よりも低いため、気泡が含まれている部分は電極間容量が減少するので、気泡を検知することができる。
図６０Ａから図６１Ｂは、タイヤの断面方向から見た電極の構成を図示しており、図６２Ａから図６３Ｂは、タイヤの側面方向から見た電極の構成を図示している。
図６０Ａは、一対の駆動電極と検知電極によってタイヤの検査を行う例を示している。タイヤ５４０１の内側全体には駆動電極５４０２が設けられており、タイヤ５４０１の外側には小型の検知電極５４０３が設けられている。（駆動電極５４０２と検知電極５４０３の関係は一例であり、逆でもよい。図６０Ａから図６３Ｂの説明において同様。）なお、タイヤ５４０１の内側全体に、図のように駆動電極５４０２を設けるためには、電極を分割してタイヤ５４０１の内部に入れた上で、それら複数の電極を電気的に接続する必要があるが、これは図示を省略している。（以下同様。）
外側の電極は、図の点線矢印のようにタイヤ５４０１の外部を移動可能となっている。必要があればさらに、タイヤ５４０１の溝部分に入り込むことができるようになっていてもよい。外側の電極がタイヤ５４０１の外部を点線矢印のように一周すると、タイヤ５４０１を必要量回転させ、同じように検査を繰り返す。なお、タイヤ５４０１の回転は、一例として後述の図６２Ａや図６２Ｂのようにして実現することができる。図６０Ａは、一対の駆動電極と検知電極だけで済むという利点があるが、外側の電極をタイヤ５４０１に沿って移動させる手段やタイヤ５４０１を回転させる手段が必要となり、また測定時間が長くかかる可能性が高い。
図６０Ａは、タイヤ５４０１の内側の電極を固定する場合を例示しているが、タイヤ５４０１の外側の電極と内側の電極が対をなして、両方の電極を移動可能にすることもできる。（図不示。）
図６０Ｂは、一つの駆動電極と複数の検知電極によってタイヤの検査を行う例を示している。タイヤ５４０１の内側全体には駆動電極５４０２が設けられており、タイヤ５４０１の外側には適宜分割された複数の検知電極５４０３が設けられている。複数の検知電極５４０３の各々に、信号検知手段と測定手段を設けると、測定時間は短くできるがコストが上昇する。前述の第１４の実施の形態やそれらの組み合わせを用いることによって、測定時間とコストを選択できるので、用途に応じて適宜選択すればよい。
図６１Ａは、図６０Ｂとは逆に、タイヤ５４０１の外側全体に検知電極５４０３を設け、タイヤ５４０１の内側には適宜分割された複数の駆動電極５４０２を設けている。タイヤ５４０１の外側全体に、図のように検知電極５４０３を設ける場合は、例えば、接地面と両側面に電極を３分割してタイヤ外部に設けた上で、それら複数の電極を電気的に接続する必要が生じるが、これは図示を省略している。（以下同様。）複数の電極や、測定時間とコストの選択については、図６０Ｂと同様なので、説明を省略する。
図６１Ｂは、図６０Ｂのタイヤの内側の電極を分割した例を示している。測定時間とコストの最適化のために、このようにタイヤ５４０１の内側の電極を適宜分割することも可能である。また、図６１Ａのようなタイヤ５４０１の外側の電極を適宜分割することも可能である。
図６２Ａと図６２Ｂは、タイヤを回転させることによってタイヤの検査を行う例を示している。図６２Ａはタイヤ５４０１の内側に駆動電極５４０２を、外側に検知電極５４０３を設ける例を示しており、図６０Ａ、図６０Ｂの例や、図６１Ｂの例に適用することができる。図６２Ｂは逆にタイヤ５４０１の外側に駆動電極５４０２を、内側に検知電極５４０３を設ける例を示しており、図６１Ａに適用することができる。検知電極５４０３の周囲のガード電極５４０４は、図５７Ｂと同じように、駆動電極５４０２から検知電極５４０３への電気力線を平行にするために設ける例を示しており、必要時に設けることができる任意要素である。
タイヤ５４０１を回転・停止させながら測定を行うと時間がかかりすぎる場合は、図６３Ａや図６３Ｂに例示するように、電極をタイヤ５４０１の円周方向に適宜分割することによって測定の並列化・高速化を図ることも可能である。図６３Ａや図６３Ｂはタイヤ５４０１を回転させないで済むように電極を分割した例を示している。タイヤ５４０１を回転させない場合は、電極をタイヤ５４０１に接触させて測定を行うことができる。
図に示す電極よりも小さい電極にして、タイヤ５４０１を少しだけ（（３６０°÷分割数の角度）以内）回転させることによって、より詳細な検査と測定時間低減を両立させようとすることも可能である。
以上説明したように、本開示の最も好ましい実施の形態や具体的な実施例等について説明したが、本発明は、上記の記載に限定されるものではなく、請求の範囲に記載され、又は明細書に開示された本開示の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能であることは勿論であり、斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
１０１ 容量測定回路
１２０ 静電容量変位計
２０１ 駆動信号発生手段
３０１ 駆動電極
４０１ 検知電極
５０１ 信号検知手段
６０１ 測定手段
７０１ 負帰還部
９０４ 直流補償回路
１００５ ノイズ除去回路
１１０６ シールド電極
１２０６ シールド線
１３０６ プリント基板
１４０６ コネクタ
１５０７ 並列共振回路
１６０７ 直列共振回路
１７１０ 増幅回路
１８１３ 位相検波手段

Claims (41)

  1. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備え、
    前記信号検知手段は、さらに、直流補償回路を含み、
    前記直流補償回路は、前記増幅器の出力に接続された入力を有する積分回路と、前記積分回路の出力及び前記増幅器の入力に接続する帰還抵抗を含み、前記増幅器の出力中の直流成分及び低周波成分を、前記増幅器の入力に負帰還をかけることによって前記増幅器を直流的に安定させる、
    静電容量測定回路。
  2. 前記直流補償回路は、さらに、少なくとも一つのローパスフィルタを含み、該ローパスフィルタは、前記増幅器の出力と前記積分回路の入力の間、又は前記積分回路の出力と前記帰還抵抗の間の少なくとも一方の間に設置される、
    請求項１の静電容量測定回路。
  3. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備え、
    前記負帰還部は、前記帰還容量に並列に接続される帰還抵抗を含み、該帰還抵抗の端子間に端子間容量が形成され、
    前記負帰還部は、さらに、前記帰還抵抗に直列に接続されるキャンセル回路又は減衰器を含む、
    静電容量測定回路。
  4. 前記負帰還部は、さらに、前記帰還抵抗と前記キャンセル回路又は前記減衰器の間に第１のバッファアンプを含む、
    請求項３の静電容量測定回路。
  5. 前記負帰還部は、前記帰還容量に並列に接続される放電スイッチを含む、
    請求項３又は請求項４の静電容量測定回路。
  6. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    前記第２導電体と前記信号検知手段の間に設置され、第１の共振回路、第２の共振回路、又は前記第１の共振回路及び前記第２の共振回路を含むノイズ除去回路と、
    を備え、
    前記第１の共振回路は、前記第１導電体に入力される前記交流信号の周波数成分で共振し、
    前記第２の共振回路は、除去しようとする周波数成分で共振する、
    静電容量測定回路。
  7. 前記第２導電体と前記信号検知手段の間、前記第２導電体の近辺、又は前記第１導電体の近辺の少なくとも１か所に設置されるシールドをさらに備え、
    前記シールドが接地される、
    請求項１から請求項５のいずれか一項の静電容量測定回路。
  8. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    前記第２導電体と前記信号検知手段の間、前記第２導電体の近辺、又は前記第１導電体の近辺の少なくとも１か所に設置されるシールドと、
    入力及び出力を含む第２のバッファアンプと、
    を備え、
    前記第２のバッファアンプの入力が前記信号検知手段の入力に接続されるとともに、前記第２のバッファアンプの出力が前記シールドに接続され、前記第２のバッファアンプの出力によって前記シールドを駆動する、
    静電容量測定回路。
  9. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備え、
    前記第１導電体、前記第２導電体、又は前記第１導電体及び前記第２導電体をプリント基板によって構成する、
    静電容量測定回路。
  10. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    前記第１導電体と前記第２導電体の間、前記第１導電体に入力される前記交流信号を発生する駆動信号発生手段と前記第１導電体の間、前記第２導電体と前記信号検知手段の間、又は前記駆動信号発生手段と前記第１導電体の間と前記第２導電体と前記信号検知手段の間の両方の間に設置されるインダクタと、
    を備え、
    前記静電容量と前記インダクタが共振回路を形成し、前記静電容量が特定の値であるときに前記共振回路が前記第１導電体に入力される交流信号の周波数で共振する、
    静電容量測定回路。
  11. 前記信号検知手段は、前記増幅器の出力と前記測定手段の間に設置される増幅回路を含み、該増幅回路は、前記第１導電体に入力される前記交流信号の周波数における増幅率の絶対値が１より大きい増幅率を有する、
    請求項１から請求項１０のいずれか一項の静電容量測定回路。
  12. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備え、
    前記帰還容量は、減衰器と、第３のバッファアンプと、容量素子を含み、
    前記増幅器の出力側に前記減衰器の入力側が接続され、前記減衰器の出力側に前記第３のバッファアンプの入力側が接続され、前記第３のバッファアンプの出力側に前記容量素子の一端が接続され、前記容量素子の他端が前記増幅器の入力側に接続され、
    前記帰還容量が等価的に前記容量素子の容量と前記減衰器の減衰率と前記第３のバッファアンプの利得の積値と同じ容量を備えるように、前記信号検知手段が動作する、
    静電容量測定回路。
  13. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備え、
    前記帰還容量は、第１の抵抗と第２の抵抗を含む減衰器と、容量素子を含み、
    前記増幅器の出力側に前記減衰器の入力側が接続され、前記減衰器の出力側に前記容量素子の一端が接続され、前記増幅器の入力側に前記容量素子の他端が接続され、
    前記交流信号の周波数における、前記容量素子のインピーダンスが前記第１の抵抗と前記第２の抵抗の並列抵抗値に対して大きいとき、前記帰還容量が等価的に前記容量素子の容量と前記減衰器の減衰率の積値と同じ容量を備えるように、前記信号検知手段が動作する、
    静電容量測定回路。
  14. 前記増幅器は、ディスクリート素子で構成されている、
    請求項１から請求項１３のいずれか一項の静電容量測定回路。
  15. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    前記第１導電体及び前記第２導電体に並列に接続された基準容量と、
    前記第１導電体に入力される前記交流信号を発生する駆動信号発生手段と、前記第１導電体及び前記基準容量との間に配置され、前記駆動信号発生手段を前記第１導電体又は前記基準容量に切り替え可能に接続するスイッチと、
    を備える、
    静電容量測定回路。
  16. 前記測定手段は、入力側にフィルタを備え、
    前記フィルタは、前記測定手段で測定しようとする周波数以外の周波数成分を減衰させる、
    請求項１から請求項１５のいずれか一項の静電容量測定回路。
  17. 前記測定手段は位相検波手段を備え、
    前記位相検波手段は、前記測定手段で測定しようとする周波数以外の周波数成分の影響を抑制する、
    請求項１から請求項１６のいずれか一項の静電容量測定回路。
  18. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備え、
    前記測定手段は、入力側にフィルタを備え、
    前記フィルタは、前記測定手段で測定しようとする周波数以外の周波数成分を減衰させ、
    前記静電容量測定回路は、
    各々異なる周波数の交流信号を出力し、前記第１導電体に入力される交流信号を発生する駆動信号発生手段を、複数さらに備え、
    前記第１導電体は、複数の第１導電体を含み、前記複数の第１導電体は、前記各々異なる周波数の前記交流信号に対応する前記複数の駆動信号発生手段に一対一で接続し、
    前記第２導電体は１つであり、
    前記信号検知手段又は前記測定手段は、前記複数の周波数を分離して、各第１導電体と前記第２導電体間の前記静電容量を測定する、
    静電容量測定回路。
  19. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備え、
    前記測定手段は位相検波手段を備え、
    前記位相検波手段は、前記測定手段で測定しようとする周波数以外の周波数成分の影響を抑制し、
    前記静電容量測定回路は、
    各々異なる周波数の交流信号を出力し、前記第１導電体に入力される交流信号を発生する駆動信号発生手段を、複数さらに備え、
    前記第１導電体は、複数の第１導電体を含み、前記複数の第１導電体は、前記各々異なる周波数の前記交流信号に対応する前記複数の駆動信号発生手段に一対一で接続し、
    前記第２導電体は１つであり、
    前記信号検知手段又は前記測定手段は、前記複数の周波数を分離して、各第１導電体と前記第２導電体間の前記静電容量を測定する、
    静電容量測定回路。
  20. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備え、
    前記測定手段は、入力側にフィルタを備え、
    前記フィルタは、前記測定手段で測定しようとする周波数以外の周波数成分を減衰させ、
    前記第１導電体は１つであり、
    前記第２導電体は複数の第２導電体を有し、前記複数の第２導電体に一対一で対応する前記信号検知手段及び前記測定手段に接続され、
    前記信号検知手段又は前記測定手段は、１つの前記第１導電体と、複数の前記第２導電体間の前記静電容量を各々測定する、
    静電容量測定回路。
  21. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備え、
    前記測定手段は位相検波手段を備え、
    前記位相検波手段は、前記測定手段で測定しようとする周波数以外の周波数成分の影響を抑制し、
    前記第１導電体は１つであり、
    前記第２導電体は複数の第２導電体を有し、前記複数の第２導電体に一対一で対応する前記信号検知手段及び前記測定手段に接続され、
    前記信号検知手段又は前記測定手段は、１つの前記第１導電体と、複数の前記第２導電体間の前記静電容量を各々測定する、
    静電容量測定回路。
  22. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備え、
    前記測定手段は、入力側にフィルタを備え、
    前記フィルタは、前記測定手段で測定しようとする周波数以外の周波数成分を減衰させ、
    前記静電容量測定回路は、
    前記第１導電体に入力される前記交流信号を生成する駆動信号発生手段、前記第１導電体、前記第２導電体、前記信号検知手段、及び前記測定手段のうちの２つの間の接続を切り替える切替手段をさらに備える、
    静電容量測定回路。
  23. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備え、
    前記測定手段は位相検波手段を備え、
    前記位相検波手段は、前記測定手段で測定しようとする周波数以外の周波数成分の影響を抑制し、
    前記静電容量測定回路は、
    前記第１導電体に入力される前記交流信号を生成する駆動信号発生手段、前記第１導電体、前記第２導電体、前記信号検知手段、及び前記測定手段のうちの２つの間の接続を切り替える切替手段をさらに備える、
    静電容量測定回路。
  24. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備え、
    前記測定手段は位相検波手段を備え、
    前記位相検波手段は、前記測定手段で測定しようとする周波数以外の周波数成分の影響を抑制し、
    前記第１導電体は、位相が９０°異なる２つの交流信号が各々入力される２つの第１導電体を有し、
    前記第２導電体は１つであり、
    前記測定手段が前記２つの交流信号を位相差で分離することによって、前記１つの第２導電体と各第１導電体間の前記静電容量を測定する、
    静電容量測定回路。
  25. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備え、
    前記測定手段は、入力側にフィルタを備え、
    前記フィルタは、前記測定手段で測定しようとする周波数以外の周波数成分を減衰させ、
    前記第１導電体は、位相が１８０°異なる２つの交流信号が各々入力される２つの第１導電体を有し、
    前記第２導電体は１つであり、
    前記第２導電体が接続されている前記信号検知手段の出力が最小になる位置と前記２つの前記第１導電体における各々の電圧に基いて前記第２導電体の位置を測定する、
    静電容量測定回路。
  26. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備え、
    前記測定手段は位相検波手段を備え、
    前記位相検波手段は、前記測定手段で測定しようとする周波数以外の周波数成分の影響を抑制し、
    前記第１導電体は、位相が１８０°異なる２つの交流信号が各々入力される２つの第１導電体を有し、
    前記第２導電体は１つであり、
    前記第２導電体が接続されている前記信号検知手段の出力が最小になる位置と前記２つの前記第１導電体における各々の電圧に基いて前記第２導電体の位置を測定する、
    静電容量測定回路。
  27. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備え、
    前記測定手段は位相検波手段を備え、
    前記位相検波手段は、前記測定手段で測定しようとする周波数以外の周波数成分の影響を抑制し、
    前記第１導電体及び前記第２導電体は第１の静電容量を形成し、該第１の静電容量は、前記信号検知手段の入力に接続され、
    前記測定手段は、第１の位相検波手段と、該第１の位相検波手段の出力を直流に変換する平均化手段を含み、直流電圧を出力し、
    前記静電容量測定回路は、さらに、第２の静電容量と、第２の位相検波手段とを備え、
    前記直流電圧は、前記第２の位相検波手段及び前記第２の静電容量を介して前記信号検知手段の入力に接続され、
    前記第１の静電容量及び前記第２の静電容量のいずれかが前記静電容量を形成し、
    前記直流電圧は、前記第１の静電容量に比例し、前記第２の静電容量に反比例する、
    静電容量測定回路。
  28. 前記第１導電体に入力される前記交流信号は、ディジタル直接合成シンセサイザにより発生され、
    前記ディジタル直接合成シンセサイザはルックアップテーブルを含み、該ルックアップテーブルによって位相の異なる信号を得る、
    請求項２４から請求項２６のいずれか一項の静電容量測定回路。
  29. 前記第１導電体に入力される前記交流信号は、ディジタル直接合成シンセサイザにより発生され、
    前記ディジタル直接合成シンセサイザは、出力の上位２ビットの論理演算によって９０°単位の位相の異なる信号を得る、
    請求項２４から請求項２６のいずれか一項の静電容量測定回路。
  30. 前記測定手段は、さらに、１以上の比較判定手段と、前記比較判定手段に対応する閾値設定手段を含み、
    前記測定手段で測定又は算出した結果の判定を行う、
    請求項１から請求項２９のいずれか一項の静電容量測定回路。
  31. 前記測定手段はさらに通信手段を備え、前記測定手段で測定した測定結果を、前記通信手段を介して送信する、
    請求項１から請求項２９のいずれか一項の静電容量測定回路。
  32. 前記測定手段はさらに通信手段を備え、前記結果、前記結果の判定結果の、両方又は一方を、前記通信手段を介して送信する、
    請求項３０の静電容量測定回路。
  33. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備え、
    前記静電容量によって、前記静電容量に影響する物体の接近又は離脱を検知する、
    静電容量測定回路。
  34. 前記第１導電体に入力される前記交流信号を発生する駆動信号発生手段、前記第１導電体、前記第２導電体、前記信号検知手段、及び前記測定手段により構成される回路の少なくとも一部を集積回路に実装する、
    請求項１から請求項３３のいずれか一項の静電容量測定回路。
  35. 前記第１導電体に入力される前記交流信号を発生する駆動信号発生手段と前記第１導電体の間、前記第２導電体と前記信号検知手段の間、又は前記第１導電体に入力される前記交流信号を発生する駆動信号発生手段と前記第１導電体の間及び前記第２導電体と前記信号検知手段の間を着脱可能とした、
    請求項１から請求項３４のいずれか一項の静電容量測定回路。
  36. 請求項１から請求項３５のいずれか一項の静電容量測定回路を備え、
    前記第１導電体又は前記第２導電体は、測定の対象物であり、又は、前記第１導電体及び前記第２導電体は、別の対象物であり、
    前記測定手段は、前記第１導電体と前記第２導電体の間の距離を測定する、
    静電容量変位計。
  37. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備える静電容量測定回路
    を備え、
    前記第１導電体又は前記第２導電体は、測定の対象物であり、又は、前記第１導電体及び前記第２導電体は、別の対象物であり、
    前記測定手段は、前記第１導電体と前記第２導電体の間の距離を測定し、
    前記測定手段は、前記静電容量と前記距離の関係を曲線関数で近似し、
    前記曲線関数に基いて補正を行うことによって、前記静電容量と前記距離の関係を得る、
    静電容量変位計。
  38. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備える静電容量測定回路
    を備え、
    前記第１導電体又は前記第２導電体は、測定の対象物であり、又は、前記第１導電体及び前記第２導電体は、別の対象物であり、
    前記測定手段は、前記第１導電体と前記第２導電体の間の距離を測定し、
    前記第１導電体、前記第２導電体のいずれか一以上を移動可能とした、
    静電容量変位計。
  39. 請求項１から請求項３５のいずれか一項の静電容量測定回路を備え、
    前記測定手段は、前記第１導電体と前記第２導電体間の前記静電容量に影響する物体の状態を検知する、
    静電容量変位計。
  40. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備える静電容量測定回路
    を備え、
    前記測定手段は、前記第１導電体と前記第２導電体間の前記静電容量に影響する物体の状態を検知し、
    前記測定手段は、前記静電容量と、前記静電容量に影響する前記物体の状態の関係を曲線関数で近似し、
    前記曲線関数に基いて補正を行うことによって、前記静電容量と物体の状態の関係を得る、
    静電容量変位計。
  41. 交流信号が入力される第１導電体と第２導電体との間に形成される静電容量を測定するための静電容量測定回路であって、
    入力及び出力を有する増幅器と、帰還容量を含み前記増幅器の出力から前記増幅器の入力に負帰還をかける負帰還部を含み、前記増幅器の入力が前記第２導電体に接続されるとともに前記負帰還部により仮想接地され、前記静電容量と関数関係にある振幅の交流信号を出力する信号検知手段と、
    前記信号検知手段の出力に接続され、少なくとも前記信号検知手段の交流信号出力の振幅を測定する機能を有する測定手段と、
    を備える静電容量測定回路
    を備え、
    前記測定手段は、前記第１導電体と前記第２導電体間の前記静電容量に影響する物体の状態を検知し、
    前記第１導電体、前記第２導電体、又は前記静電容量に影響する物体のいずれか一以上を移動可能とした、
    静電容量変位計。
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