JPH04501311A - キャパシタンスとそれに関係するパラメータの測定 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 キャパシタンスの測定と、キャパシタンスによる変位の測定の方法と装置 本発明は、蓄電器のキャパシタンスおよびそれに関係するパラメータの測定のた めの装置と方法に関し、特に、一方の電極システムが可動物体によって他方の電 極システムに対して動かされるような、２つの電極システムの間の電気的キャパ シタンスを測定することによって、その可動物体の変位を測定するための装置と 方法に関する。

従来、この種の装置においては、１つの電極システムの板状電極が第２の電極シ ステムの板状電極に間隔をおいて対向配置されており、それら２つのシステムの 電極が、それら２つの電極システムの横断方向の間隔を変えることなしに、それ ぞれの面内においてそれら電極システムの位置を変えるように相対的に可動とさ れ、なお、それら２つの電極システムの変位が変ったときにそれら電極システム の間の電気的キャパシタンスの変化を検出するための手段が設けられてしする。

米国特許明細書第４．４３７．０５５号（マイヤー）が、そのような、キャパシ タンスによる変位測定装置を開示しており、そのものにおいて、変位センサは、 （ａ）同一平面内にあって均等に間隔をおいている複数の比較的に小さい平板状 の第２の電極に、一定の空間間隔なおいて相対している１枚の平板状の第１の電 極と、ｔｂ＋第１の電極の第２の電極に関する中央の位置からの変位を、中央の 第２の電極のどちらかの側にある第２の電極が所定の周期で反対に充電されると き、第１の電極に出入する充電電流の分布の変化として検出するように作られた 電子回路手段を含んでいる。このことは、各測定サイクルにおいて第１の電極へ の正味の電流がゼロまで落ちたとき中央の第２の電極に付与されるバランシング 電圧を、順に、かつ１周期的に、隣接する第２の電極に現在付与されているそれ ぞれの電圧の間に変化させ、バランシング電圧の大きさやその位相はそのままと することによって達せられる。

変位測定の範囲を大きくするためには、第２の電極システムの数が繰り返して増 やされ、その第２の電極の列に沿って第１の電極が進行するにつれて、第２の電 極の列に順にそれぞれの充電電圧およびバランシング電圧を伝達させるための電 子スイッチング手段が設けられる６ 本発明は、何よりも先ず、より少ない電極とより複雑でない電気回路を用いて、 物体の変位を高い精度で測定できるような有利な代案を提供することを目的とし ている。

本発明の第１の局面によれば、キャパシタンスによる変位測定装置は、 ｌａｌ　一方の電極システムが他方の電極システムに対してそれら電極システム の横断方向の間隔を変えることなしに動き得るような、２つの横断方向の間隔を おいて互いに相対している電極システムであり、ただし、その一方の電極システ ム（第１のシステム）は１つの第１の電極板で成り、他方の電極システム（第２ のシステム）は接近して間をおいている２つの同様の２つの電極板で成っていて 、それら第２の電極板は、全体としては第１の電極板の全体に（完全に、または 実質的に）わたるものであって、２つの電極システムが相対的に変位するとき、 第１の電極とのオーバーラツプの減少が順に、先ずは１つの第２の電極で１次に ２つ目の第２の電極で起る、という２つの電極システムと、 ｆｂ１次々に続く等しい時間の増分を定めているクロックパルス列を出力するた めのクロック手段と、ｆｃｌ第１のモードで作動するときは、第２の電極の１つ 目のものを経て第１の電極に、選定された第１のクロック周期の間に第１の所定 のパケット量の電荷を第１の電極上の電荷を増大させるように供給し、第２のモ ードで作動するときは、第２の電極の２つ目のものを経て第１の電極から、選定 された第２のクロック周期の間に第２の所定のパケット量の電荷を第１の電極上 の電荷を減少させるように取り出すように備えられている電荷移送手段と、 （ｄｌ第１の電極上にある電荷のレベルを監視すると共に、電荷移送手段を、前 記第２のクロック周期の終りまたはその近くにおいて第１の電極上にある電荷が 所定のデータレベルよりも下に落ちるたびに第１のモードで働くようにし、前記 第１のクロック周期の終りまたはその近くにおいて第１の電極上にある電荷が前 記データレベル以上に上るたびに第２のモードで働（ようにするための電荷監視 手段と。

ｔｅｌ各所定の変位測定サイクルの間に、　（ａｌ　１つ目の第２の電極を経て 第１の電極に供給された電荷と、（ｂ）２つ目の第２の電極を経て第１の電極か ら取出された電荷とを積算すると共に、各測定サイクルの終りには、第１の電極 に供給された電荷とそれから取出された電荷それぞれの積算値を表わす電気信号 （Ｎ、およびＮ、）を出力するための電荷積算手段と、（ｆｌ信号Ｎ＋ｉ５よび Ｎ、を、２つの電極システムの一方のものの他方のものに対する変位を直接的に 示す変位信号に変換するための信号変換手段と、を含んでいる。

望ましい１つの実施態様においては、前記第１の所定のパケット量の電荷と、前 記第２の所定のパケット量の電荷は、すべて一定の均一な大きさのものであり、 前記電荷積算手段は各所定の変位測定サイクルの間に第１の電極に供給された電 荷パケットとそこから取出された電荷パケットのそれぞれをカウントし、それに より、各測定サイクルの終りに前記電気信号（Ｎ。

およびＮ、）を出力するように設置された電荷パケットカウント手段で成ってい る。

さらに、このような装置には、２つの信号Ｎ、とＮ、のどちらが大きいかによっ て、つまり、比Ｎ、／Ｎ、がｌより大きいか小さいかによって方向信号を出力す るため、変位方向判別器が設置されている。

本発明の望ましい１つの実施態様においては、積算手段は、２つの信号Ｎ＋とＮ ２のどちらかが最初に所定のデータ値に達したならば必ず、積算をストップし、 測定サイクルを終了とするようにアレンジされている。この場合、データ値に達 したカウント値によって方向信号が出力される一方、他方のカウント値（小さい 方のカウント値）は、測定された変位の大きさを示しているので、それから変位 信号が作られるように、信号変換手段によって変換される。

本発明の別の特徴によれば、第２の電極システムが、それのどちらかの側におい て他の同様の第２の電極を含んでおり、それらは、＋１１接する第２の電極から 、１つ目と２つ目の第２の電極におけると同様に間隔をおいており、なお、第１ の電極が、相−る第２の電極の別の対の近くを動くにつれて、電荷移送手段を次 々に、第２の電極の異なった対に接続するように、電極スイッチング手段が設置 されている。

電極スイッチング手段は、カウント信号Ｎ、とＮ、ｌの比が、第２の電極のピッ チの約半分の変位に対応している所定のデータ値を通るたびに、電荷移送手段を 第２の電極の１つの対から次の対へと切替えるように設置されているのが望まし い。

本発明の他の特徴によれば、どの測定サイクルにおいても、（ＩＩＮ、およびＮ ２に向って順に増大している信号の比が、監視されている変位の急速な変化を示 す３または４のオーダーの所定の値を超えるごとに、変位を示す出力信号を、第 ２の電極の１ピッチ分だけ増大させる手段が設けられている。

本発明の第２の局面によれば１本発明の第１の局面において上述した２つの電極 システムを用いて物体の変位を測定する方法は、多数のクロック周期を含む１つ の測定サイクルにおいて、 （ａ）充電のクロック周期の間に、１つ目の第２の電極を経て第１の電極に電荷 を供給し、 （ｂ１選定された次に続く放電のクロック周期の間に、２つ目の第２の電極を経 て第１の電極から電荷を取出し、 （Ｃ１第１の電極上の電荷の符号（電位）が変ったとブを多数のクロック周期の 後に測定サイクルが終りになるまで繰返し行わせ、 ｆｄｌ測定サイクルの間に、ステップ（ａｌで占められたクロック周期の間に供 給された電荷を積算して、その積算された電荷を表わす信号Ｎ３を出力し、ｔｅ ｌ測定サイクルの間に、ステップ（ｂｌで占められたクロック周期の間に供給さ れた電荷を積算して、その積算された電荷を表わす信号Ｎ１を出力し。

（ｆ）各測定サイクルが終りに、比（Ｎ、−Ｎオ）／Ｎ１から第２の電極の、そ れらの中央のスタート位置すなわちそれらが第１の電極に（完全にまたは実質的 に）またがる位置からの変位の値を得る、 ことから成る。

望ましい１つの方法においては、電荷は、所定の均一な電圧の下で、ステップｆ ａｔ　では供給、ステップｆｂｌ　では取出され、前記ステップｌｄｌは、測定 サイクルの間にステップ（ａｌ　で占められたクロック周期の数をカウントする ことで成り、前記ステップ（ｅ）は、測定サイクルの間にステップｆｂｌ　で占 められたクロック周期の数をカウントすることで成っている。

本発明のこの第２の局面の他の特徴によれば、この方法が、第１の電極に供給さ れた電荷とそこから取出された電荷の大きい方（したがって、それらと組合う信 号Ｎ、とＮ１の大きい方）が所定のデータレベルに達したときに測定サイクルを 停止し、そのデータレベルに達した信号（Ｎ、またはＮ、）から、第２の電極の 中央位置からの変位の方向を示す第１の出力信号を出力し、小さい方の信号の値 から、変位の大きさを示す第２の出力信号を出力する、というステップを含んで いる。

本発明のこの第２の局面のさらにある特徴によると、この方法はまた、第２の局 面の数が２より大きい場合に、数Ｎ１とＮ２の比が、第２の電極のピッチの約半 分の変位を示す所定のしきい値を通過したときに、隣り合う第２の電極の別の対 へと切替える、というステップを含んでいる。

本発明のこの第２の局面のさらにある特徴によると、この方法はまた、物体が急 速に変位する状況下では、どの測定サイクルにおいても、値Ｎ、およびＮ１に向 って順に近づいている２つの信号の比が、３または４のオーダーの所定の高い値 を超えるごとに、変位を示す出力信号を第２の電極の１ピッチ分だけ変化させる 、というステップを含んでいる。

本発明のさらにある局面によれば２本発明の他の局面に関して前述および後述さ れている測定技術を用いて測定を行う目的で、各々が第１と第２の電極を有して いる２つの蓄電器のキャパシタンスを、それぞれの第１の電極を一時的に１つの 第１の電極になるように接続して測定するための装置と方法が提供される。

本発明の他の特徴は、以降の説明と、説明の最後に添付されている請求の範囲か ら知られよう。

本発明の実施例である１つのキャリバー測定システムを１つの例として、添付の 概略図を参照して説明する。それら図面において、 図１は、測定システムの機械的および電気的の画部分を、側面が示されている構 成要素の電極システムとともに示す概略ダイアグラムである。

図２（ａ）は、このシステムを構成している互に対向する第１と第２の電極と、 それらの寸法関係をより明瞭に示す電極システムの拡大された側面図で、図２　 ｆｂ）は、第１の電極と各第２の電極との間のキャパシタンスが、それら電極シ ステムの相対的変位とともに変化する状況を示すグラフである。

図３は、図１のシステムの一部を形成している電荷移送回路の変形の概略電電ダ イアグラムである。

図４は、図１に示したシステムの１つの変形の概略ダイアグラムであるに こで図面を参照して、図１は、物体１６の内側寸法を測定するための、固定のア ンビル１２と相対的に可動のアンビル１４を含む内側キャリバーシステム１０を 示している。可動のアンビルは、例えば手廻しねじとナツトの駆動機構１７によ り移動可能で、平板状電極１８（第１の電極）と結合され、それを、一様な間隔 をおいて並んでいるより小さい平板状電極２０（第２の電極）と平行な直線経路 に沿って動かす。

第２の電極２０は、図２で最もよく示されているように幅“ａ”が相等しく、相 互間の離隔距離“ｈ”を有している。第１の電極１８は幅が“ｂ″′で５それは ２つの第２の電極に完全にまたがっており、したがってｂ＝　（２ａ＋ｈ）であ る、第１の電極は第２の電極システムから距離“ｄ”だけ離隔しており、この距 離は寸法“ａ”および“ｂ”に比べて小さい、第１と第２の電極は、図の紙面に 垂直の方向で同じ寸法を有している。

パラメータ“ａ”、°°ｂ“、“ｈ″および“ｄ”の典型的なｍｓ＋値は、 ａ　＝　２．３８１２５（１５／　１６０−　）　、　ｂ　＝　４−９２ｈ　＝ ０．１５８７５（１／１６０”）、Ｄ＝０．２　である。

パラメータ“ａ”、ｂ”および“ｈ”の間の関係が上記のとおりであれば、いず れかの第２の電極が、それが完全に第１の電極にまたがっている位置から順に、 部分的にのみ第１の電極と重畳している他の位置へと動（につれて、第２の電極 と第１の電極の間のキャパシタンスの、重畳の減少にしたがっての減少は、図２ において実４１１２２で示されているように、変位“Ｘ”が電極の幅“ａ”に等 しくなるまでの範囲にわたって実質的に直線的である。それより後は、第２の電 極のピッチ“Ｐ”つまりｐ＝（ａ＋ｈ）の残りの距離“ｈ”については、キャパ シタンスはゼロの値であり続ける１図２において鎖＃１２４は、第２の電極のピ ッチＰ全体にわたってのキャパシタンスと変位“Ｘ”との間の所望の直線的関係 を示している。

もし第２の電極と第１の電極の間のキャパシタンスが、それら電極が完全に重畳 する関係にあるときにＣ！で、部分的に重畳する関係にあるときに６１であると きは、Ｃ１の値は式 ％式％ 以降に説明する本発明の実施例は、そのように電極が構成されているならば、第 ２の電極のそれが第１の電極と完全に重量する位置からの変位は、下記のことを 根拠にしてめられるという事実の評価に基づいている。

もし、ある測定周期の中で、ある数（Ｎ２）のバケ・ントの電荷が、第１の電極 と完全に重畳している第２の電極を経て（つまりキャパシタンスＣ２を通して） 、所定の印加電圧の条件下で第１の電極に供給されたならば、それに関係あるよ り多い数（Ｎ、）のパケットの電荷が、隣接していて部分的に重畳している第２ の電極を経て（つまりキャパシタンスＣ１を通して）、同じ印加電圧の条件下で 第１の電極から取出された後には、第１の電極上に残る電荷はゼロになるはずで ある。

蓄電器上の電荷の全量は式Ｑ＝ＣＶ　（ここでＣはキャパシタンス、■は蓄電器 に印加されている電圧である）で与えられる故に、同じ電圧条件では、すべての 電荷が取出されたときに（Ｎ、・ｃ、）　＝　（Ｎ、・ｃｍ）となる。したがっ て、Ｎ、／Ｎ、＝　Ｃ，／Ｃ，であることとなる。

さきに述べたＣ３とＣ２の間にある関係からＮ、／　Ｎｌ　＝（１−ｘ　／　ａ 　）が導出され、したがって、ｘ／ａ＝（Ｎ、−Ｎ、）　／Ｎｌとなる。

このことから、第２の電極の、第１の電極に対する完全重畳の位置から部分的重 畳の位置への変位“Ｘ”は、“ａ”が一定であるから比（Ｎ、−Ｎ、）　／Ｎ、 で示される。

さらになお、第２の電極の幅“ａ″′にわたっての直線的関係から（すなわち図 ２の実線２２から）得られた変位の数値“Ｘ”を、第２の電極のピッチ（ａ＋ｈ ）にわたっての直線的関係によってめられる値に（つまり図２の鎖線２４に）増 大させるためには、値”ａ”と“ｈ″′に基づ（１つの乗算器を用いることがで き、それにより、第２の電極のピッチＰに関係して測定された変位に真に比例す る所望の変位出力信号が出力される。

しかし、変位が”ａ”を超えた範囲においては、乗算のために使われ得るそのよ うな信号は得られない。

これにより、そのような変位範囲に入る前に、第１の電極との重畳が減少しつつ ある第２の電極から、そのときに第１の電極との重畳が増加している他の第２の 電極への切替えが行われる。そのような切替えは、数値“Ｘ”が中間範囲の値を もつときに行われる。望ましい構成では、切替えは、検出された比Ｎ＋／Ｎｉの 値２・　（ａ＋ｈ）／ａを超えたとき、すなわち値Ｎ、が２・（ａ＋ｈ）／ａ− Ｎ、を超えたときに行われる。

値“Ｘ”をめることは、もし、数Ｎ、とＮ２のカウントが、それらの数の一方が 所定のデータレベルに達したときに自動的に止まるように構成されているならば 、簡単化される。どちらの数がそのデータレベルに達したかが第１の電極の変位 が起った方向を示し、一方、そのときの他方の数が、変位“ｘ”がゼロである完 全に重畳した状態からの変位の大きさを示す。

変位を測定する普通の方法では、利用される時間内に十分に速く応答できないよ うな、変位の極端に急速な変化の場合に対処するためには、どの測定サイクルま たはその部分サイクルの間でも、（ＩＮ、、Ｎ、に向って順に増大する２つの数 の比を監視し、その比が３または４のしきい値を超えるごとに、１つの出力信号 を出力するために、高速運動検出器が設置される。この出力信号は、物体の変位 を表わす出力信号に、第２の電極のｌと・ソチに相当する大きさを、場合により 、加え、またはそれから差引くために用いられる。

再び図１にもどると、第１と第２の電極１８および２０は、電極スイッチング手 段２８と電荷発生（移送）回路３０とをそれらの電極と直列の関係で含むセンサ 付勢回路２６中に接続されている。スイッチング手段２８は、電荷が個々の第２ の電極２０に出入りさせられるときに通過する個々のスイッチ３２−３８と、所 与の時点でスイッチのどの対（３２，３４；３４．３６；３６，３８：または３ ８．３２）が用いられるべきかとその時点で使われているスイッチの対のどちら のものが閉じられるべきかとを定めるセレクタ手段４０とを含んでいる。

このセレクタ手段は、用いられるスイッチの対を定めるために、アップ・ダウン （Ｎビット）カウンタ４４の２つの下位桁の出力から入力信号を受けるツー・オ ブ・フォア・デコーダ４２と、電荷発生手段３０の出力の符号による要求にした がって、選定されている対の一方のスイッチ（例えば左側のもの）から他方のス イッチ（例えば右側のもの）に切替えるため、電荷発生手段３０の出力回路から 入力信号を受ける左右切替え手段４６を含んでいる。

電荷発生手段３０は、（ａｌ電荷モジュレータ５２で相互に接続されている第１ および第２の演算増幅器４８．５０、ｆｂｌ　コンパレータ５４、および（ｃｌ 遅延フリップフロップ５５を直列に含んでいる。

・　第１の増幅器４８は、（ａｌ実質接地線５６と、電極セレクタ手段２８を介 して第２の電ｔｉ１８と組合されるセンサ付勢ターミナル５８との間に接続され ている入力信号回路、（ｂｌ電源ターミナル６０　（＋）　、　６２（−）の間 に接続されている供給回路、（Ｃ）フィードバック蓄電器６４、およびｌｄｌ蓄 電器６４と並列に接続されているオフセット低減スイッチ６５を有している。

第２の増幅器５０は、ｔａ＋実質接地綿５６と電荷モジュレータ５２の出力回路 との間に接続されている入力回路、（ｂｌ　同様に電源ターミナル６０．６’２ の間に接続されている供給回路、および（ｃ）電荷蓄積蓄電器６６を含んでいる 。

電荷モジュレータ５２は、ｆａ）蓄電器６８、（ｂｌ蓄電器６８を、増幅器４８ の出力回路と実質接地線５６の間で一方向または他の方向に接続するための２対 の切替えスイッチ７０．７２および７４，７６、およびｆｃ）蓄電器６８を、電 荷モジュレータの出力ターミナルに、さらにそこから増幅器５０の人力に接続す るスイッチ７８を含んでいる。スイッチ７２はまた、スイッチ７８と組になって 蓄電器６８をコンパレータの入力回路に接続する役をする。

コンパレータは、（ａｌ実質接地線５６と第２の増幅器５０の出力の間に接続さ れている入力回路、（ｂ）同様に電源ターミナル６０．６２の間に接続されてい る供給回路、および（Ｃ１遅延フリップフロップ５５を経て、第１の電極１８と 接続されている第２のセンサ付勢ターミナル８０に接続されている出力回路を有 している。

実質接地線５６は、（ａ）電源ターミナル６０．６２の間に接続されている抵抗 分割器８４の中央タラピンクに接続されている入力回路、ｊ５よび（ｂ）同様に 電源ターミナル６０．６２の間に接続されている供給回路を有する演算増幅器８ ２から入力される。

クロックパルス発生器８６は、クロック回路８８上に正と負の位相の持続時間が 等しいクロックパルスを出力する。

電荷発生回路３０はまた、クロック線８Ｂを経てクロックパルスを受けるように 接続され、パルスへの応答として、１つの正のクロック位相の間に、さぎの負の クロック周期の間における電荷発生回路３０の出力の極性に応じてスイッチ７０ と７２、または７４と７６を閉じることによって、まず、蓄電器６８がある方向 または他の方向に充電され、そこから、次の負のクロック位相の間には、スイッ チ７２と７８を閉じることによって蓄電器６８は第２の増幅器５０の入力ターミ ナル間に直列に接続され、それにより、第２の増幅器の入力回路と蓄電器６６に 電荷を供給するか、または、それらから電荷を取出す、というスイッチ操作のシ ーケンスを実行するように設置されているスイッチコントロール手段９０を含む ６ ２つのカウンタ９２と９４は、（ａｌ電荷発生回路３０によってセンサ付勢ター ミナル８０に印加された電圧パルス、および［ｂｌ　クロック線８８上に供給さ れたクロックパルスを受けるように接続されている。カウンタ９２は、クロック 周期の間にターミナル８０に印加された正の電圧パルスにだけ応答し、それをカ ウントするように設置されており、一方、カウンタ９４は、クロック周期の間に ターミナル８０に印加された負の電圧パルスにだけ応答し、それをカウントする ように設置されている。

これら２つのカウンタの出力はセレクタ９６に接続されており、そのユニットの 出力は乗算ユニット９８、に供給され、その乗算ユニットは１つの静定化デバイ ス（ラッチ）１００に出力する。このデバイスは、１つの測定周期の間にそれに 供給された信号の１組を。

次の測定周期の間に次の信号の組が受入れられるまで記憶し、保持するように設 置されている。デバイス１００の出力は表示デバイス１０２に供給され、そのデ バイスで表示される変位の値の下位桁ビットを決定する。

各カウンタは、（ａ）そのカウンタ値が所定のデータレベルに達するごとに１つ の制御信号を制御ロジックユニット１０６に送るため、制御ロジックユニットに 接続されている出力回路１０４．およびｌｂ）ロジックユニットが他方のカウン タから“データカウント到達”という信号を受けるごとに、ロジックユニットか らの゛カウント停止°の信号を受けるための入力制御回路１０８を有している。

ロジックユニット１０６はまた、クロック入力回路１１０を有するほか、セレク タ９６および静定化デバイス１００に制御信号を供給するための出力回路１１２ ．１１４を有している。

２個のカウンタ９２，９４の出力回路はまた、第２の電極の対のセレクタ１１６ に接続されていて、このセレクタは、各クロック周期の間に両カウンタのカウン ト（！ＩＮ、、Ｎ、の比を監視し、比Ｌ／　Ｎヨまたは比Ｍ、／Ｎ。

が、［２・　（ａ＋ｈ）／ａ］に等しい所定のデータ値を超えるごとに、ロジッ クユニット１０６に代りの”左゛または“右−の出力信号を供給するように設置 されている。それに対する応答として、ロジックユニットは、出力回路１１８を 経てアップ・ダウンカウンタ４４に、増分信号または減分信号を出力し、それに より、第２の電極の１つの対から適切な方向にある次の対への切替えをやらせる 。

”急速運動”回路１２０は、センサ付勢ターミナル８０に印加された出力電圧の パルスとクロック線８８からのクロックパルスを受けるために接続された２つの 同期形リセット付２ビットカウンタ１２２，１２４を含み、各カウンタは、自ら のカウント値が１だけ増えるごとに、それら２つのカウンタ１２２，１２４のう ちの他方のものにリセット信号を供給し、なお、そのカウント値が４に到達する ごとに、それの出力回路１２６．１２８で１つの出力信号（キャリー）を出力す るように設定されている。出力回路はロジックユニット１０６に接続されており 、ロジックユニットは、回路１２６を経て受けた信号に応答してアップ・ダウン カウンタ４４に増分信号を伝送し、また、回路１２８を経て受けた信号に応答し てこのアップ・ダウンカウンタに減分信号を伝送し、それにより、第２の電極の １つの対から適切な方向にある次の対への切替えをやらせる。

電荷発生回路３０において、 ｉｌｌ第１の演算増幅器４８は、この回路の入力インピーダンスを減らす働きを しており、十分に高い電荷転送効率を実現するのに十分なだけ大きいゲインを有 していて、そのフィードバック蓄電器６４は、第２の電極の、それが第１の電極 と完全な重畳関係にあるときのキャパシタンスＣ２よりも大きく、増幅器の入力 回路は、それと電源供給線６０．６２の間に接続されたゲート保護ダイオード１ ３０を有しており、蓄電器６４に並列に接続されているオフセット低減スイッチ ６５は、各測定サイクルの開始時に一時的に閉じられる。この増幅器とそれに組 合されている蓄電器６８とが一緒になって、電荷移送手段として機能する。

（２）第２の演算増幅器５０は、電荷蓄積器としての働きをする。各クロック周 期において、その正の位相の期間中、スイッチ７０と７２、または７４と７６が 閉じられて、蓄電器６８はそのとき使われている第２の電極と同じ電荷で充電さ れており、負の位相の期間中、スイッチ７２と７８が閉じられて、蓄電器６８上 の電荷は電荷蓄積蓄電器６６に転送される。蓄電器６８のキャパシタンスはでき るだけ小さくあるべきであり、蓄電器６６のキャパシタンスは、増幅器５０の過 度の電圧スイッチングを避けるために、少なくとも蓄電器６８のキャパシタンス と同じ大きさであるべきである。この増幅器のゲインは同様に、所望の電荷転送 効率を実現するのに十分なだけ高くあるべきである。

（３）スイッチ７０．７２．７４．７６は電荷モジュレータを構成していて、蓄 電器６８の電荷が、もし、正のクロック位相の間にスイッチ７０と７２が閉じら れていたならば蓄電器６６の電荷は付加され、もし、その正のクロック位相の間 にスイッチ７４と７６が代りに閉じられていたならば蓄電器６６の電荷から差引 かれるように動作する。

（４）コンパレータ５４は、そのとき集められている電荷を、接地線５６で供給 されている実質ゼロと対比して測定し、それに応じて遅延フリップフロップ５５ を付勢することにより、ターミナル８０にある極性または他の極性の電圧を供給 する。

使われている２つの第２の電極に順に、同じ電圧が印加されることを確実にする ために、電極選択スイッチ３２−３８は、オフセット問題が避けられるようにｃ ｕｏｓ技術を用いて構成されるのが望ましい。

カウンタ９２と９４は、１０２４、もしより大きい分解能が必要なら２０４８と いうデータレベルまでカウントするように設置されているのが望ましい、（代案 の構成では、それらカウンタは、１０２４または２０４８のベースレベルからゼ ロのデータレベルに向けて下向きにカウントするようにされてよい、） 小さい方のカウント値Ｎ２は常に、完全に重畳している第２の電極Ｃ２に関係す るものであり、一方、大きい方のカウント値Ｎ、は、部分的に重畳している第２ の電極ＣＩに関係するものである。

したがって、式ｘ　／ａ　＝　（Ｎｌ　ｓｉ）　／　Ｎｌを評価する場合、デー タ値に対して小さい方のカウント（ＩＮ、を逆にすれば値Ｎ、−Ｎ、が得られ、 その値をデータ値で割れば“ｘ　／　ａ　”の値がまる。

セレクタ９６は、データ値の各ビットに１つずつの簡単な２人力ＯＲゲートの列 として構成されていて、各ＯＲゲートの第１の入力はカウンタ９２の各ビットを 受け入れるように接続され、各ＯＲゲートの第２の入力は他方のカウンタ９４の 各ビットを受け入れるように接続されているのが有利である。先にデータ値（１ ０２４または２０４８）に達したカウンタのビットはすべてゼロになるから、Ｏ Ｒゲートの出力ビットは、他方のカウンタによって供給されたビットであるはず であり、したがって、上述のように式ｘ／ａ＝（Ｎｌ−Ｎオ）／Ｎ、を評価する ときに用いられる小さい方のカウント値を与えることとなる。先にデータ値に達 したカウンタがどちらのカウンタかを示す信号が、変位の方向の信号を出力する 。

乗算器９８は、セレクタ９６によって送出された出力を図２の鎖線で示す直線特 性に対応する値に変換するように設置されている。このこととの関係で、電極の パラメータの値を決めるについては、第２の電極の幅“ａ”と離隔距離“ｈ”を “ａ＝１５ｈ″′の関係になるように選定するのが有利である。何故ならば、そ うすれば乗数“ａ　／　ａ　＋　ｈ”は“１５／　１６”となり、それは、“（ １６−１）　／１６”として、負の数（−１）に数１６を加え、その結果を４つ のビット位置にわたって゛シフトさせることによって評価され得るからである。

これにより、最小の装置で簡単な乗算ができる。

装置が作動しているときには、ｆａｌ各測各層定周期’０２４から２０４８まで の範囲（より大きい分解能が要求されているときには２０４８から４０９６まで の範囲）の多数のクロック周期を含み、（ｂ）各クロック周期に、アップ・ダウ ンカウンタ４４の状況が使われるべき第２の電極の対を決定し、さらに（ｃ）　 １つのクロック周期の終りにおける電極付勢ターミナル５８と８０の間にかかっ ている電位の符号が、選定された対のうち、次のクロック周期において付勢され る第２の電極（左または右）を決定するということが理解されよう。

１つの測定サイクルの最初のクロック周期の間、第１の電極１８と完全に重畳し ている第２の電極２゜（例えば１選定された対のうち左側の電極）が、その電極 の組合せのキャパシタンスｃ２を通して第１の電極に電荷が供給されるように先 ず付勢される（のが望ましいが、必ずしも必要ではない）。

そのクロック周期の終りにおいては、付勢ターミナル８０にある電位は、左右切 替回路４６に、次のクロック周期の間の逆の付勢のために、第１の電極とより大 きく重畳している隣接の（例えば右側の）第２の電極を選択させ、また、次のク ロック周期の正の位相の間に、電荷モジュレータ５２の蓄電器６８の増幅器４８ の出力に対しての接続を逆転させるような電位となる。

したがって、次のクロック周期の間には、正のクロック位相の間に蓄電器６８に 供給された電荷が逆転した結果、負のクロック位相の間に、電荷が第１の電極１ ８から、その右側の第２の電１ｆｉ２０を経て、電極の組合せにおける小さい方 のキャパシタンスＣＩを通して取出される。

電圧が同じならば、そのようにして取出された電荷は最初に第１の電極に供給さ れた電荷よりも小さい故に、第２のクロック周期の終りには、ターミナル８０に ある電位の符号は逆転せず、したがって、切替え回路４６は１次のクロック周期 の間の付勢のために、右側の第２の電極を維持する。

したがって、この第３のクロック周期の間には、さらに電荷が第１の電極から右 側の第２の電極（キャパシタンスＣ５）を経て取出される。もし第３のクロック 周期の終りに同様な状態であるならば、第４のクロック周期のために右側の第２ の電極が維持され、そのときには、さらに電荷が第１の電極から右側の第２の電 極を経て取出されることになる。

しかし、もし第３のクロック周期の終りに、ターミナル８０にある電位の符号が 逆転したならば、左右切替え回路４６が、第１の電極の付勢を再度左側の第２の 電極へと切替え、なお、蓄電器６８が１次の負のクロック周期の間に電荷が再び 第１の電極にキャパシタンスＣ２を通して供給されるような形で付勢されるよう にするという働きをする。

第１の電極に電荷が供給されるごとに、カウンタ９２が自らのカウント値を１だ け増大させ、第１の電極から電荷が放出されるごとにカウンタ９４が自らのカウ ント値を１だけ増大させる。この動作がカウント値の高い方のカウンタがデータ 値１０２４に達してそこで他方のカウンタのカウントが止められるに至るまで繰 返し行われ、装置は、重連したように、２つのカウンタのうちのどちらが先にデ ータカウント値に達したかによって変位の方向の信号を、また、小さい方のカウ ント値の大きさにしたがう変位の大きさの信号を出力すべく動作する。

もし所望ならば、第２の電極システムは、図１１図２に示されている４つの第２ の電極のうちの３つだけで構成されていてもよく、その場合には電極選択手段２ ８は３２かも３８までの４つのスイッチのうちの対応する３つだけを有すること になる。

第２の電極システムは、第１および第２の電極システムの相対的変位の増大／減 少によって要求が生じた場合には、どちらの側でも１つ以上の同様の第２の電極 の組をさらに追加し、電極スイッチング手段２８については、延長された第２の 電極の並びの長さに沿って順にスイッチングされるように設定することにより、 所望のように延長され得る。

代案として、第１の電極の数を増し、スイッチング手段については、変位の大き さが変化すると共に１つの第１の電極から次のものへと適当にスイッチングする ように設置してもよい。

電荷発生回路３０の１つの変形例においては、オフセット低減スイッチ６５とス イッチ７６をそれぞれ含んだ接続は取り去られ、フィードバック蓄電器６４は直 接接続により置き代えられ、増幅器４８の出力は、直接接続の代りにスイッチ１ ３２を経てスイッチ７゜に接続されている。そのような変形された電荷発生回路 が図３に示されている。

この変形回路では、先ず正のクロック位相でスイッチ１３２．７８および７２が 一緒に閉じられ、次にそれらのスイッチが開になった後に、負のクロック位相で スイッチ７０と７４が閉じられる。

正のクロック位相では、スイッチ１３２が閉じることは、接地線５６の実質ゼロ である増幅器４８の出力を動揺させることなしに、第１の電極上の電圧を、電源 線６０．６２のうちの一方のものの電圧に設定するために用いられる。スイッチ １３２，７８１３よび７２のすべてが閉じられている間に、蓄電器６８上の電荷 が蓄電器６６に転送されるが、増幅器５０のオフセットに相当する電荷は蓄電器 ６８上に残る。

負のクロック位相では、スイッチ７０と７４が閉じられて、関係する第２の電極 から得られた増幅器４８への入力は、蓄電器６６に蓄積された電荷の電流極性に したがって、電源電圧６０−６２だけ正には、または同じ大きさだけ負に動＜、 シたがって、蓄電器６８にかかる電荷は、正の電源電圧（＋Ｖ）とキャパシタン スＣＩとの積、または、逆の電源電圧（−■）とキャパシタンスＣ２との積だけ 変化させられることになる。

上記の例においては、使用された電極システムは、それぞれの間隔をおいた面内 で動くように設置された平面電極であったが、本発明による別の変位測定システ ムにおいては、回転変位が測定され得るように、電極システムは円筒形の経路の 回りで相互に間隔をおき、そのような円筒形の経路の回りで相対的に動くように 設置されている。

図１の電気システムのさらにある１つの変形においては、第１の電極１８が、代 りに付勢ターミナル５８に接続されている一方、スイッチ３２−３８の代りに、 選択された第２の電極に、ある極性または他の極性の電源電圧を印加し得るドラ イバが置きかえられていて、それらのドライバは、セレクタ４０によって、遅延 フリップフロップ５５の出力の極性と、アップ・ダウンカウンタ４４から受入れ た信号とに応じて制御される。

第１および第２の電極システムは、印刷配線技術で作られ、各電極システムは、 電極システムの不揃い（それは、電極システム相互間の離隔距離″′ｄ“を変化 させる）に起因する誤差の可能性を最小にするために、公知の方法で並列接続さ れた複数の同様の電極で構成されているのが望ましい。

本発明の技術は、第１と第２の電極を有する２つの蓄電器のキャパシタンスの比 の測定を、２つの第１の電極を実質上１つの第１の電極になるように相互に接続 したうえで、１つの第２の電極を経て第１の電極に電荷を移送し、その後に、前 述した方法で他の第２の電極を経て第１の電極から電荷を取出して比（Ｎ、−Ｎ 、）　／Ｎ、をめ、それから２つの蓄電器のキャパシタンスの比をめる、という ことによって行うために用いられ得る。

本発明による技術は、蓄電器システムのキャパシタンスの変化に、ある所定の方 式で関係づけられ得るすべてのパラメータを測定するために用いることができる ６例えば、このシステムは圧力（直接的または間接的に）または回転を測定し得 る。

前述したシステムにおいては、理想的な高分解能での測定の周期は、より大きい 一定のキャパシタンスｃ１を有する第２の電極を経て第１の電極に供給された電 荷のパケット数（したがって全電荷）に等しい電荷のパケット数（したがって全 電荷）を、第１の電極から、より小さい変化するキャパシタンスｃ１を有する第 ２の電極を経て取出すために要する時間によって決まる。

その測定周期は、実際上、かなりの長さになり、また変動するであろうから、与 えられたある時間間隔の中で行われ得る測定の回数はひどく制限され、また不確 定となる０例えば、第２の電極の寸法のｌ／４０００の分解能の場合には、１２ ビツトの分解能（すなわち２１！＝　４０９６）が必要とされる。このことは、 １つの測定サイクルの終りにはカウント値の合計（Ｎｌ＋Ｎりが６１４４と８１ ９２の間で変わり得ることを意味する。クロックの周波数が３０　ｋＨｚならば 、１秒の間に僅かに４〜６回くらいの測定しか行われ得す、それは明らかに、あ る種の工業的利用面に対して不十分である。

それ故に、図１で開示された実際的システムに右いては、比較的に高い繰返し率 をもって測定を行うことを可能にするような値にまで、測定周期が短縮される。

そのような繰返し率は、第１の電極から取出された電荷のパケット（Ｎ、）のカ ウントを、ある所定のレベル（例えば２”＝２５６）に制限することによって可 能になる。しかし、そのようなカウントの周期を切りつめることの欠点として、 システムの分解能および測定の精度が、上述したような理想的な場合はどに高く はならない。

そのような短縮の結果として、測定周期の終りには、供給され取出された電荷の ある有限のネット量が存在し、その残留電荷は、値（Ｖ’Ｃｍ）よりは少く、所 望の測定の下位桁ビット（２進数）に関係している。

本発明の他の特徴によれば、そのネット量の電荷が、次々に続くクロック周期の 間、より大きい一定のキャパシタンス（Ｃ１）を有する第２の電極に、順に大き さが低減する次々に続く電圧パルスを印加することにより測定され、その電圧パ ルスのそれぞれは、第１の電極上になお残っているネット量の電荷の符号にした がう符合を有し、そのネット量の電荷をなお一層ゼロ値に減少させるように仕向 けられており、また、それら次々に続く電圧パルスは、“Ｘ”を次々の値ｌ。

２．３，４，５．６などとするとき２”（つまりビット式の数列）の逆数にした がって低減することによって行われる６ つまり、図１のシステムにおいては、第１の電極１８に供給され、また、そこか ら取出された電荷のパケットは遅延フリップフロップ５５の出力電圧“Ｖ”によ って測定されたが、その電圧は、次々に続く電圧・パルスのために、次々の乗数 １／２．１／４．　ｌ／８．１／１６゜ｌ／３２などによって低減させられるこ ととなる。そのような電圧は、適当なディジタル入力信号が駆動されるディジタ ル・アナログ変換器（ＤＡＣ）によって容易に得られる。

図１のシステムのそのように変形バージョンが図４の概略ダイヤグラムに示され ている。

ここで図４を参照すると、遅延フリップフロップ５５の出力は、ＤＡＣ２００の 入力と接続されていて、ＤＡＣの出力電圧の符号を決める。ＤＡＣの出力回路は 第１の電極１８に接続されていて、その電極に、ロジックユニット１０６とクロ ックパルス発生器８６とから入力信号を受けているＤＡＣ制御デバイス２０２に よりＤＡＣに供給されたディジタル入力信号によって定まる電位の電圧を供給す る。

ＤＡＣ制御デバイス２０２は、さらに２つの出力回路を有していて、それら回路 は、左右切替え手段４６とロジックユニット１０６それぞれにさらにある入力回 路にそれぞれ接続されている。

この追加された回路網は、図１の装置で行われた測定の分解能を改善するために 、以下に述べるように機能する。

全体の測定シーケンスの初めの位相の間（すなわち、図１について説明した測定 サイクルの間）には。

ＤＡＣは、第１の電極に、大きさが“■”で一定の電圧パルスを、遅延フリップ フロップ５５の出力の符号によって決まる符号をもって供給する。

測定シーケンスのうちの上記の初めの位相の間に、カウンタ９２，９４のどちら かが、予め設定されたデータ値に達して、そのことを、関係するカウンタ出力回 路１０４を経てロジックユニット１０６に知らせたとき、ロジックユニット１０ ６は、ＤＡＣ制御デバイス２０２に各制御信号を供給し、これらの信号は、（ａ ）カウンタ９２，９４のどちらがデータ値に達したかを認定し、（ｂ）次々に続 くクロック周期における順に低減するディジタル信号の自動的生成を開始させる ために用いられる。

ＤＡＣ制御デバイス２０２は、どちらのカウンタかを示す信号に対する応答とし て、左右切替え手段４６に、第１の電極１８と完全に重畳して、そのためそれと 最大のキャパシタンス（Ｃ２）を有している第２の電極を選定するための信号を 供給する。

ＤＡＣ２００は。次々に来るディジタル入力信号に対する応答して、次々に続く クロック周期に、第１の電極１８に、大きさが、測定シーケンスのさきの位相（ デュアルスロープ）の間にＤＡＣ２００によって出力された出力電圧をＶとする とき、（Ｖ−１７２）、（Ｖ・１／４）、（Ｖ−１／８　）　、（Ｖ・１／１６ ）　、（Ｖ−１／３２）、（Ｖ　−１／６４）　、（Ｖ　−１／１２８　）　、 および（Ｖ　−１／１２５６）であるような次々に続く電圧を供給する。

ＤＡＣの出力電圧の符号はフリップフロップ５５の出力電圧の符号によって決定 され、このフリップフロップは、測定シーケンスのうちのこの第２の位相の間も 、シーケンスのうちのさきの位相におけると同様に、つまり、２つの第２の電極 を経て第１の電極１８に供給され、そこから取出された電荷のネット量の値の符 号によって符号が決められる信号を出力するように作動する。

したがって、カウンタ９２．９４のどちらかがデータ値に達した後には、一定で 最大のキャパシタンスＣｍを有している第２の電極２０が、それのスイッチ３２ −３８を介して電荷移送回路３０の入力ターミナル５８に接続されて、ＤＡＣ２ ００が、大きさが（Ｖ・ｌ／２）である電圧を第１の電ｔｉｔ１８に印加する。

フリップフロップ５５の出力によって決まるその電圧の符号は、第１の電極にあ るネット量の電荷の大きさをゼロ値に向けて減らすような符号になっている。も しその電圧パルスが、フリップフロップ５５の出力電圧の符号を変えさせなけれ ば、ＤＡＣは、次のクロック周期の間、第１の電極１８に符号は同一で大きさは （Ｖ・１／４）の電圧パルスを印加する。

同様に、もしその新しい電圧パルスが、フリップフロップの出力電圧の符号を変 えさせなければ、ＤＡＣは、次のクロック周期の間、第１の電極１８に符号は同 じで大きさが（Ｖ・１７８）の電圧パルスを印加する。

しかし、もしその電圧パルスが、フリップフロップの出力の符号を逆転させるな らば（それは、第１の電極に供給されそこから取出された電荷のネット値に符号 が変ったことを示す）、次のＤＡＣの（Ｖ　−１／１６）の大きさの電圧パルス の符号は逆転され、したがって、第１の電極上のネット量の電荷は逆方向にゼロ 値に向って、再び減少される。

同様にシーケンスが続いて、第１の電極に大きさが（Ｖ、ｌ／３２）　、（Ｖ− １／６４）　、（Ｖ−１／１２８　）および（Ｖ　−１／２５６　）と順に減少 する次々に続く電圧パルスが印加され、それら電圧の符号はフリップフロップ５ ５の出力の符号に応じて変わる。

監視ユニット２０４が、ＤＡＣ２００への制御信号（ＤＡＣ制御デバイス２０２ によって供給される）と、遅延フリップフロップ５５の出力信号とを入力信号と して受入れ、（ａ）それら制御信号の額を、クロック周期の間にフリップフロッ プの出力によって決定されたそれぞれの符号（＋／−）と共に維持し、（ｂ）そ れらに関して、使われた個々の値１／２．１／４．１／８・・・・・１／２５６ を、つけられた符号にしたがって積算する。したがって、結局は、測定シーケン スの間に第１の電極１８に電荷が供給された周期の全体（したがって、測定され た大きさ）は、（Ｎ２＋符号を考慮しての数列１／２．１／４・・・・１／２５ ６の和）という表現で示される。

図４のシステムにおいては、もし値Ｎ３が、８ビツトを有するカウンタ９２．９ ４によって、小数点の前の８つの２進数の範囲で測定されるのであれば、デバイ ス２００，２０２などを追加することは、小数点の前の８つの数が小数点に続く ８つの数によって合わせられて、監視ユニット２０４によって供給される、とい う意味で、システムの制度が２倍になることを可能にする。

その監視ユニット２０４の出力は、小数点の後に現われる少数の表示を行うため 、表示ユニット１０２に供給される。

本発明の上述の実施例においては、値Ｎ、を測定している間には、第１の電極１ ８へ、また、そこからの電荷の移送は、所定の一定の印加電圧の下での所定の均 一なパケットで行われており、各カウンタ手段９２゜９３は、監視された各電荷 のパケットごとにカウント１を加える働きをしている。すなわち、各カウンタは １の目盛り要素を備えている。

しかし、本発明の基本的前提は、測定サイクルの終りにおいて、より小さい容量 Ｃ＋を有する第２の電極を通して取出された電荷の全体が、最大の容量Ｃ２を有 する第２の電極を通して供給された電荷の全体と等しくなったときに測定が達成 される、ということである。

すなわち、 （■・Ｎ１−Ｃ＋）　＝　（Ｖ−Ｎ諺・Ｃａ）、これは別の形で表わせば、 （ｖ−Ｎｌ）　−（Ｃ＋）　＝　（ｖ−Ｎｔ）　−（ｃｉ）　テある。

そのことから察知されるであろうように、電荷を供　給したり取出したりするた めに相異る電圧を用いることが、もし、電荷を供給し、また取出すために用いら れた電圧の変化を補償するように、使用されるカウンタの目盛りファクタで適切 な変化を与えられるならば、可能になる。

例えば、第１の電極１８から電荷が、その電極の電荷を供給するために用いられ た電圧の１７３でしかない印加電圧の下で取出されるならば、カウンタ９４の目 盛りファクタ１と比較してカウンタ９２は３の目盛りファクタを有する。したが って、第１の電極１８に供給される各電荷パケットに対して、カウンタ９２はそ れのカウントで増分３を登録するが、カウンタ９４は、その電極から取出された 各電荷パケットに対してそのカウントで１だけの増分を登録する。

さらになお、第１の電極１８に次々に電荷パケットを供給するために相異る大き さの電圧を、そしてその電極から電荷パケットを取出すためにも相異る大きさの 電圧を用いるということは、もし、カウンタがそれぞれに、その電極に供給され た電荷の全量と、その電極から取出された電荷の全量だけを登録するように、そ れぞれのカウンタ９２，９４の目盛りファクタで適切な変化を与えられるならば 可能になる。

同様に、電荷を供給したり取出したりするために相異る時間の周期を用いること が、もし、カウンタが供給され取出された電荷の全量だけを積算するように、そ れぞれのカウンタ９２，９４の目盛りファクタにおいて適切な補償が行われるな らば可能になる。

上述した特定の実施例においては、キャリパ−アンビル１２．１４の開きがねじ 式デバイスによって調節されるが、このねじ式デバイスは、他のどんな手段でで も置きかえられ得る。例えば、それらアンビルは、単に指で押すだけで相互に自 由に動かされてもよい。

図１を参照して記載されたシステムについては、カウンタ９２，９４の一方のも のがデータレベルに達したときに測定シーケンスが終り、次の測定シーケンスが 始まることが知られよう、しかし、図４を参照して記載されたシステムについて は、順に電圧を低下させるＤＡＣのシーケンスが終ったときに測定シーケンスが 終り、次の測定シーケンスが始まる。

この明細書の後の部分に記載された拡張された測定システムと方法が、同様にし て、機械的な変位の測定とは関係のない２つの蓄電器の測定に応用され得ること も理解されよう。

特表平４−５０１３１１　（１４） 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成３年３月１４日

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. １．静電容量式の変位測定装置であって、（ａ）一方の電極システムが他方の電 極システムに対してそれら電極システムの横断方向の間隔を変えることなしに動 き得るような、２つの横断方向の間隔をおいて互いに相対している電極システム であり、ただし、その一方の電極システム（第１のシステム）は１つの第１の電 極板で成り、他方の電極システム（第２のシステム）は接近して間をおいている ２つの同様の２つの電極板で成っていて、それら第２の電極板は、全体としては 第１の電極板の全体に（完全に、または実質的に）わたるものであって、２つの 電極システムが相対的に変位するとき、第１の電極との重量の減少が順に、先ず は１つの第２の電極で、次に２つ目の第２の電極で起る、という２つの電極シス テムと、（ｂ）次々に続く等しいクロック周期を定めているクロックパルス列を 出力するためのクロック手段と，（ｃ）第１のモードで作動するときは、第２の 電極の１つ自のものを経て第１の電極に、選定された第１のクロック周期の間に 第１の所定のバケット量の電荷を第１の電極上の電荷を増大させるように供給し 、第２のモードで作動するときは、第２の電極の２つ目のものを経て第１の電極 から、選定された第２のクロック周期の間に第２の所定のバケット量の電荷を第 １の電極上の電荷を減少させるように取り出すように設置されている電荷移送手 段と、 （ｄ）第１の電極上にある電荷のレベルを監視すると共に、電荷移送手段を、前 記第２のクロック周期の終りにおいて第１の電極上にある電荷が所定のデータレ ベル以下に落ちるごとに第１のモードで作動するようにし、前記第１のクロック 周期の終りにおいて第１の電極上にある電荷が前記データレベル以上に上るごと に第２のモードで作動するようにするための電荷監視手段と、 （ｅ）各所定の変位測定サイクルの間に、（ａ）１つ目の第２の電極を経て第１ の電極に供給された電荷と、（ｂ）２つ目の第２の電極を経て第１の電極から取 出された電荷とを積算すると共に、各測定サイクルの終りには、第１の電極に供 給された電荷とそれから取出された電荷それぞれの積算値を表わす電気信号（Ｎ ２およびＮｌ）を出力するための電荷積算手段と、（ｆ）信号Ｎ１およびＮ２を 、２つの電極システムの一方のものの他方のものに対する変位を直接的に示す変 位信号に変換するための信号変換手段と、を有する静電容量式の変位測定装置。
2. ２．前記第１の所定のパケット量の電荷と、前記第２の所定のパケット量の電荷 は、すべて一定の均一な大きさのものであり、前記電荷積算手段は各所定の変位 測定サイクルの間に第１の電極に供給された電荷パケットとそこから取出された 電荷パケットのそれぞれをカウントし、それにより、各測定サイクルの終りに前 記電気信号（Ｎ１およびＮ２）を出力するように設置された請求項１に記載の装 置。
3. ３．変位方向判別器が、２つの信号Ｎ１およびＮ２に応答して、２つの信号Ｎ１ とＮ２のどちらが大きいかによって、すなわち、比Ｎｔ／Ｎ２が１より大きいか 小さいかによって方向信号を出力する請求項１または２に記載の装置。
4. ４．積算手段が、２つの信号ＮｌとＮ２のどちらかが最初に所定のデータ値に達 するごとに、第１の電極に供給され、第１の電極から取出された電荷の積算を停 止して測定サイクルを終了とし、どちらのカウント値が最初にデータ値に到達し たかにしたがって方向信号を、また、より小さい他のカウント値の大きさにした がう変位信号を出力するように設置された請求項１ないし３のいずれか１項に記 載の装置。
5. ５．第２の電極システムが、それのどちらかの側において他の同様の第２の電極 を含んでおり、それらは１つ目と２つ目の第２の電極におけると同様に間隔をお いており、なお、第１の電極が、相隣る第２の電極の別の対の近くを動くにつれ て、電荷移送手段を次々に、第２の電極の異なった対に接続するように、電極ス イッチング手段が設置されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の装置 。
6. ６．電極スイッチング手段が、カウント信号Ｎ１とＮ２の比が、第２の電極のピ ッチの約半分の変位に対応している所定のデータ値を通るたびに、電荷移送手段 を第２の電極の１つの対から次の対へと切替えるように設置されている請求項５ 記載の装置。
7. ７．どの測定サイクルにおいても、値Ｎ１およびＮ２に向って順に増大している ２つの信号に応答する手段が、それら２つの信号の比が、監視されている変位の 急速な変化を示す３または４のオーダーの所定の値を超えるごとに、急速運動の 信号を発生するように設置されており、なお、その場合、それら２つの信号の比 が所定のしきい値を超えるごとに、その急速運動の信号が、監視されている変位 を示す出力信号を、第２の電極の１ピッチ分だけ、場合に応じて増大または減少 させられる請求項５または６に記載の装置。
8. ８．それぞれの前記測定サイクルの終りの後に、（ａ）前記電荷移送手段が、次 々に続くクロック周期で順に低くなる電荷移送率をもって電荷を移送（供給また は取出し）し， （ｂ）前記電荷移送手段が、第３のモードまたは第４のモードのいずれかで動作 し、第３のモードでは、前記電荷移送手段は、選定された第３のクロック周期に おいて前記の１つ目の第２の電極（第１の電極と組んで最大のキャパシタンスを 有している）を経て第１の電極に電荷を供給し、第４のモードでは、前記電荷移 送手段は、選定された第４のクロック周期において前記の１つ目の第２の電極を 経て第１の電極から電荷を取出し、 （ｃ）前記電荷監視手段が電荷移送手段に、前記第４のクロック周期の終りに第 １の電極上にある電荷が所定のデータレベル以下に落ちるごとに、前記第３のモ ードで作動させ、前記第３のクロック周期の終りに第１の電極上にある電荷がそ のデータレベル以上へと上るごとに、前記第４のモードで作動させ、（ｄ）前記 電荷積算手段が、前記１つ目の第２の電極を経て第１の電極に供給された電荷と そこから取出された電荷とを積算し、さらに、モードの変化と、前記第３と第４ のモードにおいて前記電荷移送手段が第１の電極に電荷を供給し、そこから電荷 を取出す移送率に応答し、前回の測定サイクルの終りにおける第１の電極上の残 留電荷を表わす積算値信号を出力する追加の信号発生手段を含んでいる、請求項 ４または請求項４にしたがう場合の請求項５，６または７に記載の装置。
9. ９．請求項１または５に記載の２つの電極システムを用いて物体の変位を測定す る方法であって、多数のクロック周期を含む１測定サイクル中に、（ａ）選定さ れた第１のクロック周期の間に、１つ目の第２の電極を経て第１の電極に電荷を 供給し、それにより第１の電極上の電荷を増大させ、（ｂ）選定された次に続く 第２のクロック周期の間に、２つ目の第２の電極を経て第１の電極から電荷を取 出し、それにより第１の電極上の電荷を減少させ、（ｃ）第１の電極上の電荷の 符号が変ったときにそれを検出し、そこで、上記（ａ）と（ｂ）のステップを、 多数のクロック周期の後に測定サイクルが終りになるまで操返し行わせ、 （ｄ）測定サイクルの間に、ステップ（ａ）で占められたクロック周期の間に取 出された電荷を積算して、その積算された電荷を表わす信号Ｎ２を出力し、（ｅ ）測定サイクルの間に、ステップ（ｂ）で占められたクロック周期の間に取出さ れた電荷を積算して、その積算された電荷を表わす信号Ｎ１を出力し、（ｆ）各 測定サイクルが終りに、比（Ｎ１、−Ｎ２）／Ｎ１から第２の電極の、それらの 中央のスタート位置すなわちそれらが第１の電極に（完全にまたは実質的に）ま たがる位置からの変位の値を得る、各ステップを含む物体の変位を測定する方法 。
10. １０．電荷は、所定の均一な電圧の下で、ステップ（ａ）では供給され、ステッ プ（ｂ）では取出され、前記ステップ（ｄ）は，測定サイクルの間にステップ（ ａ）で占められたクロック周期の数をカウントすることで成り、前記ステップ（ ｅ）は，測定サイクルの間にステップ（ｂ）で占められたクロック周期の数をカ ウントする請求項９に記載の方法。
11. １１．第１の電極に供給された電荷の積算と、そこから取出された電荷の積算の 大きい方（したがって、それらと組合う信号Ｎ２とＮ１の大きい方）が所定のデ ータレベルに達したときに測定サイクルを停止し、そのデータレベルに達した信 号（ＮｌまたはＮ２）から、第２の電極の中央位置からの変位の方向を示す第１ の出力信号を出力し、小さい方の信号の値から変位の大きさを示す第２の出力信 号を出力するステップを含む請求項９または１０に記載の方法。
12. １２．第２の電極の数が２より大きい場合は、数ＮｌとＮ２の比が、第２の電極 のピッチの約半分の変位を示す所定のしきい値を通過したときに、前記１つ目と ２つ自の第２の電極から隣り合う第２の電極の別の対へと切替えるステップを含 む請求項９ないし１１のいずれか１項に記載の方法。
13. １３．電極システムが急速に変位する状況下では、どの測定サイクルにおいても 、値Ｎ１およびＮ２に向って順に近づいている２つの信号の比が、３または４の オーダーの所定の高い値を超えるごとに、監視されている変位を示す出力信号を 、第２の電極の１ピッチ分だけ変化させるステップを含む請求項９ないし１１の いずれか１項に記載の方法。
14. １４．各前記測定サイクルの終りの後に、追加的ステップとして、 （ａ）第３のモードまたは第４のモードのいずれかにおいて、次々に続くクロッ ク周期で、順に低減する電荷移送率で電荷を移送し、第３のモードでは、前記電 荷移送手段は、選定された第３のクロック周期において前記１つ目の第２の電極 （第１の電極と組んで量大のキャパシタンスを有している）を経て第１の電極に 電荷を供給し、第４のモードでは、前記電荷移送手段は、選定された第４のクロ ック周期において前記１つ目の第２の電極を経て第１の電極から電荷を取出し、 （ｂ）第１の電極上の電荷の符号が変ったときにそれを検出して、そこで前記第 ３と第４のモードの一方のモードから他方のモードヘの変換を行い、それによっ て、第１の電極上にある電荷を次第にゼロに向って減少させ、 （ｃ）前記モードの変換と、前記の順に低減する電荷移送率に応答して、前回の 測定サイクルの終りに第１の電極上に残っている残留電荷を表わす信号を発生す るステップを含む請求項１１、または、請求項１１に関係する場合の請求項１２ または１３に記載の方法。
15. １５．以上において、添付のダイヤグラム図を参照して記載され、それら図面で 示されたものと実質的に同様な装置。
16. １６．以上において、添付のダイヤグラム図を参照して記載され、それら図面で 示されたものと実質的に同様な方法。
17. １７．請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の組合せ以外の、本明細書にお いて記載された特徴の何らかの新規で発明的な組合せを含も装置。
18. １８．請求項１ないし１７のいずれか１項に記載の組合せ以外の、本明細書にお いて記載されたステップの何らかの新規で発明的な組合せを含む方法。
19. １９．（ａ）キャパシタンスを測定すべき２つの蓄電器であって、それぞれが第 １と第２の電極を有していて、２つの第１の電極が１つの第１の電極を形成する ように、一時的に相互間に接続されている２つの蓄電器と、 （ｂ）次々に続く等しいクロック周期を定めているクロックパルス列を出力する ためのクロック手段と、（ｃ）第１のモードで作動するときは、第２の電極の１ つ目のものを経て第１の電極に、選定された第１のクロック周期の間に第１の所 定のパケット量の電荷を第１の量極上の電荷を増大させるように供給し、第２の モードで作動するときは、第２の電極の２つ目のものを経て第１の電極から、選 定された第２のクロック周期の間に第２の所定のパケット量の電荷を第１の電極 上の電荷を減少させるように取出すように設置されている電荷移送手段と、 （ｄ）第１の電極上にある電荷のレベルを監視すると共に、電荷移送手段を、前 記第２のクロック周期の終りにおいて第１の電極上にある電荷が所定のデータレ ベル以下に落ちるごとに第１のモードで作動するようにし、前記第１のクロック 周期の終りにおいて第１の電極上にある電荷が前記データレベル以上に上るごと に第２のモードで作動するようにするための電荷監視手段と、 （ｅ）各所定の測定サイクルの間に、（ａ）１つ目の第２の電極を経て第１の電 極に供給された電荷と、（ｂ）２つ目の第２の電極を経て第１の電極から取出さ れた電荷とを積算すると共に、各測定サイクルの終りには、第１の電極に供給さ れた電荷とそれから取出された電荷それぞれの積算値を表わす電気信号（Ｎ２と Ｎ１）を出力するための電荷積算手段と、 （ｆ）信号Ｎ１およびＮ２を、２つの蓄電器のキャパシタンスの比を直接的に示 す信号に転換するための信号変換手段と、 を含むキャパシタンスを測定する装置。
20. ２０．前記第１の所定のパケット量の電荷と、前記第２の所定のバケット量の電 荷は、すべて一定の均一な大きさのものであり、前記電荷積算手段は各所定の変 位測定サイクルの間に第１の電極に供給された電荷パケットとそこから取出され た電荷パケットのそれぞれをカウントし、それにより、各測定サイクルの終りに 前記の電気信号（Ｎ１およびＮ２）を出力するように設置されている請求項１９ に記載の方法。
21. ２１．それぞれが第１と第２の電極を有していて、各第１の電極が１つの第１の 電極を形成するように、一時的に相互間で接続されている２つの蓄電器のキャパ シタンスの比を測定する方法であって、該方法は多数のクロック周期を含む１測 定サイクル中に、（ａ）選定された第１のクロック周期の間に、１つ目の第２の 電極を経て第１の電極に電荷を供給し、それにより第１の電極上の電荷を増大さ せ、（ｂ）選定された次に焼く第２のクロック周期の間に、２つ目の第２の電極 を経て第１の重極から電荷を取出し、それにより第１の電極上の電荷を減少させ 、（ｃ）第１の電極上の電荷の符号が変つたときにそれを検出し、そこで、上記 （ａ）と（ｂ）のステップを、多数のクロック周期の後に測定サイクルが終りに なるまで繰返して行わせ、 （ｄ）測定サイクルの間に、ステップ（ａ）で占められたクロック周期の間に供 給された電荷を積算して、その積算された電荷を表わす信号Ｎ２を出力し、（ｅ ）測定サイクルの間に、ステップ（ｂ）で占められたクロック周期の間に取出さ れた電荷を積算し、その積算された電荷を表わす信号Ｎ１を出力し、（ｆ）各測 定サイクルの終りに、比（ＮＩ−Ｎ２）／Ｎ１から、２つの蓄電器のキャパシタ ンスの比の値を得る各ステップを含む２つの蓄電器のキャパシタンスの比を測定 する方法。
22. ２２．電荷は、所定の均一な電圧の下で、ステップ（ａ）では供給、ステップ（ ｂ）では取出され、前記ステップ（ｄ）は、測定サイクルの間にステップ（ａ） で占められたクロック周期の数をカウントすることで成り、前記ステップ（ｅ） は、測定サイクルの間にステップ（ｂ）で占められたクロック周期の数をカウン トする請求項２１に記載の方法。