(57)【要約】【課題】  被測定物の変位に応じて静電容量が変化する２つのコンデンサを直流で充電すると、それら２つのコンデンサの電荷量差分を電圧に変換する工程が必要になるので、変位量の検出結果が不連続になってしまう。【解決手段】固定電極側に２つの１次電極２，４と、１つの２次電極６を設ける。これら固定電極２，４，６と一定の間隔を空けて移動電極８を移動させる。１次電極２，４には交流電圧を印加しておき、２次電極６に生じる交流電圧を検出することにより移動電極８の位置を求める。【選択図】図１
2009222654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の交流電源に接続された第１の電極および第２の交流電源に接続された第２の電極を含む複数の固定電極を所定位置に配置した第１の電極保持部材と、
前記複数の固定電極との対向間隔を一定に維持したまま、前記複数の固定電極に対する相対的位置を変化させる可動電極を有する第２の電極保持部材とを備え、
前記第１の電極および前記可動電極により形成される第１の可変静電容量と、前記第２の電極および前記可動電極により形成される第２の可変静電容量との和が一定値であり、且つ前記第１の可変静電容量と前記第２の可変静電容量との差が前記可動電極の相対的位置に比例しているとき、
前記第１の交流電源および／または前記第２の交流電源から発生される交流電圧の最大振幅値と、前記可動電極の相対的位置とに関連した最大振幅値を有する交流電圧を所定の電極から検出する、
ことを特徴とする静電容量式変位計。
【請求項２】
請求項１に記載の静電容量式変位計において、
前記第１の交流電源および前記第２の交流電源からは、任意に設定した振幅の交流電圧が発生されることを特徴とする静電容量式変位計。
【請求項３】
請求項１または２に記載の変位計において、
前記第１の電極保持部材は、前記可動電極の位置に拘わりなく前記可動電極との間に一定の静電容量を生じさせる第３の電極を、前記固定電極の一つとして備えており、
前記複数の固定電極に対する前記可動電極の相対的位置に比例した可変振幅交流電圧を、前記第３の電極から検出することを特徴とする静電容量式変位計。
【請求項４】
請求項１または２に記載の変位計において、
前記複数の固定電極に対する前記可動電極の相対的位置に比例した可変振幅交流電圧を、前記可動電極から検出することを特徴とする静電容量式変位計。
【請求項５】
請求項３または４に記載の変位計において、
前記可変振幅交流電圧の振幅成分は、前記複数の固定電極に対する前記可動電極の相対的位置に関連していることを特徴とする静電容量式変位計。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の変位計において、
前記第１の電極保持部材を中空円筒状に形成し、前記中空円筒の内部に、前記第２の電極保持部材が摺動自在となるよう配置したことを特徴とする静電容量式変位計。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか一項に記載の静電容量式変位計と、前記静電容量式変位計を接続した試験片に対して負荷を作用させる負荷機構とを備えることを特徴とする材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の変位を非接触の形態で検出する静電容量式変位計、および、静電容量式変位計を用いた材料試験機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被測定物の変位を非接触にて正確に測定する手法として、被測定物の変位に対応して静電容量を変化させる静電容量式変位計が広く知られている。
この種の静電容量式変位計の一つとして、被測定物の変位に応じて相補的に静電容量が変化する２つのコンデンサを用い、それら２つのコンデンサに対して直流電源から充電される電荷量の差分を検出し、その差分電荷量を電圧に変換して変位量を検出する技術が知られている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平１０−３００５１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、相補的に静電容量が変化する２つのコンデンサを被測定物の変位に応じて充電する工程と、それら２つのコンデンサの電荷量差分を電圧に変換する工程とを順次実施していくことに起因して、変位量の検出結果が不連続かつ不正確になってしまうという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１による静電容量式変位計は、第１の交流電源に接続された第１の電極および第２の交流電源に接続された第２の電極を含む複数の固定電極を所定位置に配置した第１の電極保持部材と、前記複数の固定電極との対向間隔を一定に維持したまま、前記複数の固定電極に対する相対的位置を変化させる可動電極を有する第２の電極保持部材とを備え、前記第１の電極および前記可動電極により形成される第１の可変静電容量と、前記第２の電極および前記可動電極により形成される第２の可変静電容量との和が一定値であり、且つ前記第１の可変静電容量と前記第２の可変静電容量との差が前記可動電極の相対的位置に比例しているとき、前記第１の交流電源および／または前記第２の交流電源から発生される交流電圧の最大振幅値と、前記可動電極の相対的位置とに関連した最大振幅値を有する交流電圧を所定の電極から検出する。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の静電容量式変位計において、前記第１の交流電源および前記第２の交流電源からは、任意に設定した振幅の交流電圧が発生される。
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の変位計において、前記第１の電極保持部材は、前記可動電極の位置に拘わりなく前記可動電極との間に一定の静電容量を生じさせる第３の電極を、前記固定電極の一つとして備えており、前記複数の固定電極に対する前記可動電極の相対的位置に比例した可変振幅交流電圧を、前記第３の電極から検出する。
請求項４に係る発明は、請求項１または２に記載の変位計において、前記複数の固定電極に対する前記可動電極の相対的位置に比例した可変振幅交流電圧を、前記可動電極から検出する。
請求項５に係る発明は、請求項３または４に記載の変位計において、前記可変振幅交流電圧の振幅成分は、前記複数の固定電極に対する前記可動電極の相対的位置に関連している。
請求項６に係る発明は、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の変位計において、前記第１の電極保持部材を中空円筒状に形成し、前記中空円筒の内部に、前記第２の電極保持部材が摺動自在となるよう配置したものである。
請求項７による材料試験機は、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の静電容量式変位計と、前記静電容量式変位計を接続した試験片に対して負荷を作用させる負荷機構とを備えている。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、被測定物の変位に応じて相補的に静電容量が変化する２つのコンデンサを交流駆動することにより、電極の大きさに依存することなく変位量を連続かつ正確に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【０００７】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明を適用した静電容量式変位計の主要部を模式的に示す図である。
【０００８】
図１（Ａ）は、プリント基板上に形成した３つの固定電極を示す平面図である。図中の２は１次電極Ａ、４は１次電極Ｂ、６は２次電極Ｃである。１次電極Ａを１８０°回転させると、１次電極Ｂと同じ形になる。２次電極Ｃは平行四辺形である。本図では、横方向をＸ軸、縦方向をＹ軸として説明する。したがって、Ｙ軸方向に着目すると、（１次電極Ａの縦幅）＋（１次電極Ｂの縦幅）は常に一定である。また、２次電極Ｃの縦幅も一定である。
【０００９】
図１（Ｂ）は、上述した固定電極（すなわち、１次電極Ａ，１次電極Ｂ，２次電極Ｃ）の表面上を一定間隔に保ったままＸ軸方向に移動する移動電極Ｄを示している。本図中の８が移動電極Ｄである。移動電極Ｄの横幅（Ｘ軸方向の幅）は、１次電極Ａ，１次電極Ｂ，２次電極Ｃとの間にそれぞれ静電容量ＣＡ，ＣＢ，ＣＣを生じさせ得る程度の幅であればよい。また、移動電極Ｄの縦幅（Ｙ軸方向の幅）は、固定電極の縦幅とほぼ一致していればよい。移動電極Ｄはどこにも接続されておらず、電気的にはフローティングの状態に置かれている。したがって、周囲の環境から移動電極Ｄを保護するために、実際にはアースされたシールドケース内に置かれている（後に図３を参照して詳述する）。
【００１０】
図１（Ｂ）は、固定電極に接続されている交流電源および交流電圧測定回路も示している。１次電極Ａ（２）には交流電源ＶＡが、１次電極Ｂ（４）には交流電源ＶＢがそれぞれ接続されている。他方、２次電極Ｃ（６）には交流電圧測定回路ＶＭが接続されている。交流電源ＶＡおよび交流電源ＶＢの他端は零電位（アース電位）に接続されている。交流電圧測定回路ＶＭの他方の入力端はアース電位に接続されており、２次電極Ｃの交流電位を測定する。
【００１１】
図２は、図１（Ｂ）の等価回路図である。本図において、ＣＡは１次電極Ａと移動電極Ｄとの間に形成される静電容量、ＣＢは１次電極Ｂと移動電極Ｄとの間に形成される静電容量、ＣＣは２次電極Ｃと移動電極Ｄとの間に形成される静電容量である。ＶＡは交流電圧源Ａにより１次電極Ａに印加される電圧、ＶＢは交流電圧源Ｂにより１次電極Ｂに印加される電圧である。ＶＣは２次電極Ｃとアース電位との間に生じる電圧、すなわち２次電極Ｃの電位である。
【００１２】
いま、
【数１】
2009222654.tif 000003
とすると、
【数２】
2009222654.tif 000004
となる。
【００１３】
ここで、１次電極Ａおよび１次電極Ｂは図１（Ａ）に示す形状であるので、
【数３】
2009222654.tif 000005
となる。
【００１４】
そこで、図１に示すように、固定電極のＸ軸中央をＸ軸の原点０とし、且つ、固定電極の左端座標をＸ＝−１とし、固定電極の右端座標をＸ＝＋１とすると、移動電極Ｄの任意な位置ｘにおけるＣＡおよびＣＢは次式で表すことができる。
【数４】
2009222654.tif 000006
【００１５】
したがって、
【数５】
2009222654.tif 000007
となることから、
数式２は、
【数６】
2009222654.tif 000008
となる。
【００１６】
この数式６から明らかなように、２次電極Ｃの電位ＶＣは、移動電極Ｄの位置ｘと、交流電圧源Ａの瞬時値Ｖ０sinωtの関数となる。換言すると、２次電極Ｃの電位ＶＣは、移動電極Ｄの位置ｘと、交流電圧源ＡおよびＢの最大振幅値Ｖ０と、sinωtの関数となる。
【００１７】
数式６において重要なことは、２次電極Ｃの電位ＶＣが、１次電極Ａ，Ｂおよび２次電極Ｃの縦方向（Ｙ軸方向）長さに対応するＣＡ，ＣＢ，ＣＣに依存していないことである。したがって、図１に示した各電極Ａ，Ｂ，Ｃを形成するためのプリント基板の大きさは自由に選択できるばかりでなく、移動電極Ｄとの間隔も自由に設定することができる。その結果として、たとえば材料試験機を用いて微小な変位を測定する際にも、あるいは、機械的制御を行う際における長い変位を測定する際にも、２次電極Ｃの電位ＶＣは電極Ａ，Ｂ，Ｃの大きさに依存しないので、共通の交流電圧測定回路を用いて変位量を測定することができる。実際には、配線自体に寄生容量が存在し、且つ交流電圧測定回路ＶＭの入力インピーダンスが無限大でないことから、図１に示した各電極Ａ，Ｂ，Ｃの面積を大きくすると共に、移動電極Ｄと電極Ａ，Ｂ，Ｃとの間の距離を短く設定する（たとえば、５０μｍ〜０．５ｍｍ）のが好適である。
【００１８】
図３は、図１（Ｂ）に示した静電式変位計の断面構成図である。本図に示すように、基板ＳＵＢ−１の上面に１次電極Ａ，Ｂおよび２次電極Ｃを形成してある。そして、移動電極Ｄが図の左右方向に摺動可能なように、移動電極Ｄの下面に誘電体を付着してある。なお、１次電極Ａ，Ｂおよび２次電極Ｃの上面全部に均一厚さの絶縁膜を張り付けてもよい。
上記の摺動とは、実際に物理的接触を行いながら移動するばかりでなく、非接触のまま移動することを含む概念である。本図以外に関連して摺動という場合も、非接触のまま移動することを含んでいる。
【００１９】
基板ＳＵＢ−１の上面には２次電極Ｃが形成されているので、不要な電気力線・ノイズ等を遮断するために、基板ＳＵＢ−１の下面にガード電極ＧＤを設ける。ガード電極ＧＤの電位は、公知のボルテージフォロア（図示せず）等を用いて２次電極Ｃと同電位にしておく。さらに、ガード電極ＧＤの下側には基板ＳＵＢ−２を介してアース電極ＧＮＤを設けておく。アース電極ＧＮＤは、この静電式変位計を格納するための筐体であるシールドケースと電気的に接続しておく。
【００２０】
図４は、２次電極Ｃの電位ＶＣ（＝−ｘＶ０sinωt）から交番成分sinωtに同期する成分のみを検出し、変位量ｘのみを取り出すと同時に、１次電極Ａを駆動するための交流電圧Ｖ０sinωtと、１次電極Ｂを駆動するための交流電圧−Ｖ０sinωtを発生する回路を示す。本実施の形態では、図４に示す回路全体を交流電源／電圧測定回路３０と呼ぶ。
【００２１】
図４の左下に示す２つの端子Ｔ１およびＴ２は、図２に示した交流電圧測定回路ＶＭの入力端子である。従って、２つの端子Ｔ１とＴ２との間にはＶＣ（＝−ｘＶ０sinωt）が入力される。１０はプリアンプ、１２はアンチ・エリアシング・フィルタ、１４はＡ／Ｄ変換器である。ここまでがアナログ信号処理系であり、後段の信号処理を安定化し且つ小型回路化するために、これ以降はデジタル信号処理系を用いる。本実施の形態では、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）を用いてデジタル信号処理系を構成する。
【００２２】
次に、このデジタル信号処理系について説明する。１６は、サイン波sinωtおよびコサイン波cosωtを発生させる正弦波発生器である。１８および２０は、サイン波sinωtおよびコサイン波cosωtと、Ａ／Ｄ変換器１４で量子化されたＶＣとをそれぞれ掛け合わせる乗算器である。
【００２３】
２２は位相検波器であり、各乗算器１８，２０から出力された乗算結果を正弦波１周期分だけ積算する。すなわち、コサイン波cosωtと量子化されたＶＣとを乗算した結果を１周期分積算した値をｘ座標値として算出し、且つ、サイン波sinωtと量子化されたＶＣとを乗算した結果を１周期分積算した値をｙ座標値として算出する。所謂、畳込み積分（コンボリューション）処理を実行する。ここで、移動電極Ｄの位置（図１参照）が変位すると、ｘ座標値およびｙ座標値も共に変化することになる。すなわち、ｘ座標値およびｙ座標値により特定される座標は、ある範囲内で一定の軌跡を描くことになる。いま、２次元座標（ｘ，ｙ）に対応した極座標（ｒ，θ）を想定すると、この（ｒ，θ）をある角度だけ回転させてから移動電極Ｄを変位させた場合には、位相検波器２２から移動電極Ｄの位置を示す信号のみを出力することができる。
【００２４】
換言すると、２次元座標（ｘ，ｙ）では、ｒ＝（ｘ２＋ｙ２）１／２であり、位相θ＝tan−１（ｙ／ｘ）である。そこで、アナログ信号処理系での信号位相遅れ、および、デジタル信号処理系のクロック遅延などに起因して生じる遅れを補償するために、２次元座標（ｘ，ｙ）を所定の回転行列に入力し、変位計で必要とされるｘ座標値を演算する。このようにして位相検波器２２の出力端からは、移動電極Ｄの位置に対応した信号成分のみを出力する。
【００２５】
２４はゲイン調整器である。位相検波器２２から出力される信号は移動電極の位置に対応した信号ではあるが、長さの次元を持っていない。そこで、位相検波器２２から出力される信号の大きさを「ミリメートル」などの長さ単位に変換するために、所定の定数（＝ゲイン）を乗算する。したがって、ゲイン調整器２４からは、移動電極Ｄの位置（座標）を長さとして表すデジタル検出結果ｘが出力される。上記のデジタル検出結果ｘはそれ自体で意味のある検出結果であり、既に広く知られている通り、種々の用途に供することができる。
【００２６】
デジタル信号処理系の正弦波発生器１６から出力されたサイン波sinωtは、Ｄ／Ａ変換器２６を介して、出力増幅器２８にも入力される。出力増幅器２８の２つの出力端からは、１次電極Ａを駆動するための交流電圧Ｖ０sinωtと、１次電極Ｂを駆動するための交流電圧−Ｖ０sinωtが出力される。
【００２７】
本実施の形態では、材料試験片の標点間距離を測定する用途について説明する。図５は、試験片ＴＰ上における２つの標点と各電極との対応関係を示した説明図である。本図の例では、標点１に移動電極Ｄを対応させている。具体的には、図示しないレバーを標点１に把持させることにより、標点１の変位を移動電極Ｄの変位に変換する。標点２には図示しないレバーを把持させ、固定電極（１次電極Ａ，１次電極Ｂ，２次電極）が形成されているプリント基板と連結させておく。
【００２８】
図６は、図４に示した交流電源／電圧測定回路３０を用いた材料試験機を示す全体構成図である。本図において、３１Ａおよび３１Ｂは一対の支柱であり、その内部にはモータ（図示せず）により回転されるボールねじ（図示せず）が内装されている。３２はクロスヘッドであり、上記ボールねじの回転に応じて上下に移動する。３４は基台、３６はクロスヨークである。３８は上つかみ具であり、図示しないロードセルを介してクロスヘッド３２に接続されている。４０は下つかみ具であり、基台３４に接続されている。４２は制御盤であり、図示しない負荷機構の制御のみならず、表示機・各種インタフェース回路ならびに各種データ処理を行うための演算回路（いずれも図示せず）を備えている。ＫＫは、図５で説明した電極部分である。以上の各構成要素により、本実施の形態による材料試験機４４を構成する。
【００２９】
図６では、試験片ＴＰを上つかみ具３８および下つかみ具４０で把持し、２次電極Ｄの電位ＶＣを交流電源／電圧測定回路３０に入力している。そして、交流電源／電圧測定回路３０から出力されたデジタル検出結果ｘを制御盤４２に帰還入力している。この帰還入力により、試験片ＴＰに作用させる引張力（または圧縮力）を所定のシーケンスに従って制御する。より具体的に述べるならば、標点間距離が目標値になるよう帰還制御すること、あるいは、試験力が目標値になるよう帰還制御することを行う。さらに制御盤は、制御盤に接続されているモニタ類の表示制御を行う。
【００３０】
−実施の形態１による作用・効果−
実施の形態１によれば、以下に列挙する作用・効果を得ることができる。
（１）固定電極である１次電極Ａ，１次電極Ｂ，２次電極Ｃの大きさに拘わりなく、移動電極Ｄの位置に対応した交流電圧ＶＣを得ることができるので、広範な用途に適用することができる。
（２）１次電極Ａおよび１次電極Ｂにより形成される静電容量の和（ＣＡ＋ＣＢ）は、移動電極Ｄの位置に拘わらず一定となるので、直線性のよい測定結果が得られる。
（３）移動電極Ｄには配線を接続する必要がないので、配線を敷設することが困難な被測定物の変位を測定することもできる。その結果として、摺動自在に配置されたシャフト・プローブ・レバー等の変位測定など、極めて広い用途に適用することが可能となる。
（４）固定側の電極である１次電極Ａ，１次電極Ｂ，２次電極Ｃはプリント技術を用いて形成することができるので、基板の材質を適宜選択することにより柔軟な構造を採ることができる。たとえば、フレキシブルプリント基板上に１次電極Ａ，１次電極Ｂ，２次電極Ｃをプリントすることにより、円筒状の変位計なども構成可能である（後に、図８を用いて詳述する）。
（５）１次電極Ａおよび１次電極Ｂには交流電圧を印加しており、直流電源から充電する必要がないので、被測定物が連続して変位する場合にも、その変位位置を連続して測定することが可能となる。しかも、静電容量に直流電圧を印加することにより電荷を蓄積させる回路構成を採っていないので、後段側の検出回路で生じるＤＣオフセット成分の補正処理が不要になる。同様に、静電容量の充電および放電に際して生じる測定誤差あるいはノイズに対する対策が不要となる。さらに、直流で充放電する際の時定数を考慮して設計する手間を省くことができる。
【００３１】
−変形例−
実施の形態１における各構成要素は、以下に列挙するよう変形することができる。
（１）固定側の１次電極Ａ，１次電極Ｂ，２次電極Ｃは、図１（Ａ）に示した形状に限定されない。例えば、図７（Ａ）に示す形状の電極を、図７（Ｂ）あるいは図７（Ｃ）などに示すような形状の電極に変更することも可能である。さらに、移動電極Ｄの形状に応じて、１次電極Ａ，１次電極Ｂ，２次電極Ｃの配置を自由に変更することも可能である。
（２）図８に示すように、固定電極である１次電極Ａ，１次電極Ｂ，２次電極Ｃをフレキシブル基板上に形成し、これら電極が内側になるよう円筒状に丸め、その円筒内に移動電極Ｄが摺動するよう構成することもできる。
本図において、５０は移動電極Ｄを円筒内で移動させるためのシャフトである。シャフト５０の両端には直線案内部材ＬＢ１およびＬＢ２を設けてあるので、図の左右方向にシャフト５０を摺動させることができる。
図８に示した変形例では、固定側の１次電極Ａ，１次電極Ｂ，２次電極Ｃが円筒状になっているので、この円筒の外周部にガード電極ＧＤ（ガード電位＝２次電極電位とする）およびアース電極を形成すればよい。これにより、コンパクトな遮蔽機構を容易に実現することができる。
（３）これまで説明してきた交流電圧駆動では、１次電極Ａに交流電圧Ｖ０sinωtを印加し、１次電極Ｂに交流電圧−Ｖ０sinωtを印加した。しかし、これらの交流電圧に限定されることなく、様々な組み合わせが可能である。以下に、その一例を述べる。
§ケース１・・・一方の交流電源電圧が零の場合。
ＶＡ＝０
ＶＢ＝−Ｖ０ｓｉｎωｔ
としたとき、図１のＸ軸上の左端を“原点”とすると、
ＶＣ＝−ｘ／２・Ｖ０ｓｉｎωｔ（ここで、０≦ｘ≦２）
となる。
したがって、移動する電極が上記“原点”上にあるときには、
ＶＣ＝０
である。
また、移動する電極が図１のＸ軸中央（＝電極中央部）にあるときには、
ＶＣ＝−１／２・Ｖ０ｓｉｎωｔである。
§ケース２・・・他方の交流電源電圧が零の場合。
ＶＡ＝Ｖ０ｓｉｎωｔ
ＶＢ＝０
としたとき、図１のＸ軸上の右端を“原点”とすると、
ＶＣ＝−ｘ／２・Ｖ０ｓｉｎωｔ（ここで、−２≦ｘ≦０）となる。
したがって、移動する電極が上記“原点”上にあるときには、
ＶＣ＝０である。
また、移動する電極が図１のＸ軸中央（＝電極中央部）にあるときには、
ＶＣ＝１／２・Ｖ０ｓｉｎωｔである。
§ケース３・・・２つの交流電源電圧の振幅が異なる場合。
ＶＡ＝αｓｉｎωｔ
ＶＢ＝βｓｉｎωｔ
としたとき、図１のＸ軸上のｘ＝（α＋β）／（α−β）の点を“原点”とすると、
ＶＣ＝（１−ｘ−（α＋β）／（α−β））／２・αｓｉｎωｔ＋（１＋ｘ−（α＋β）／（α−β））／２・βｓｉｎωｔ
（ここで、−１≦ｘ≦１）
となる。
したがって、移動する電極が上記“原点”上にあるときには、
ＶＣ＝０
である。
また、移動する電極が図１のＸ軸中央（＝電極中央部）にあるときには、
ＶＣ＝（１＋（α＋β）／２）・ｓｉｎωｔである。
【００３２】
＜実施の形態２＞
図９（Ａ）は、プリント基板上に形成した２つの固定電極を示す平面図である。
ここで述べる実施の形態２では、図１（Ａ）に示した固定側の電極構成と異なり、２次電極Ｃをプリント基板上に形成していない。本図においても、実施の形態１と同じく、図の横方向をＸ軸、縦方向をＹ軸として説明する。したがって、Ｙ軸方向に着目すると、（１次電極Ａの縦幅）＋（１次電極Ｂの縦幅）は常に一定である。
【００３３】
図９（Ｂ）は、固定電極である１次電極Ａおよび１次電極Ｂの表面上を一定間隔に保ったままＸ軸方向に移動する２次電極Ｃを示している。先に述べた実施の形態１では、移動する電極としてフローティング電極（＝図１（Ｂ）に示す移動電極Ｄ）を用いていたが、ここで説明する実施の形態２では交流電圧測定回路ＶＭを接続した２次電極Ｃそのものを移動させている。２次電極Ｃの横幅（Ｘ軸方向の幅）は、１次電極Ａ，１次電極Ｂとの間にそれぞれ静電容量ＣＡ，ＣＢを生じさせ得る程度の幅であればよい。また、２次電極Ｃの縦幅（Ｙ軸方向の幅）は、固定電極の縦幅とほぼ一致していればよい。
【００３４】
図９（Ｂ）は、固定電極である１次電極Ａおよび１次電極Ｂに接続されている交流電源も示している。１次電極Ａには交流電源ＶＡが、１次電極Ｂには交流電源ＶＢがそれぞれ接続されている。交流電源ＶＡおよび交流電源ＶＢの他端は零電位（アース電位）に接続されている。交流電圧測定回路ＶＭの他方の入力端はアース電位に接続されており、２次電極Ｃの交流電位を測定する。
【００３５】
図１０は、図９（Ｂ）の等価回路図である。先に述べた実施の形態１（図２参照）と異なり、２次電極Ｃ自体により形成される静電容量ＣＣは存在しない。すなわち本図において、ＣＡは１次電極Ａと２次電極Ｃとの間に形成される静電容量、ＣＢは１次電極Ｂと２次電極Ｃとの間に形成される静電容量である。ＶＡは交流電圧源Ａにより１次電極Ａに印加される電圧、ＶＢは交流電圧源Ｂにより１次電極Ｂに印加される電圧である。ＶＣは２次電極Ｃとアース電位との間に生じる電圧、すなわち２次電極Ｃの電位である。
【００３６】
いま、
【数７】
2009222654.tif 000009
とすると、
【数８】
2009222654.tif 000010
となる。
【００３７】
ここで、１次電極Ａおよび１次電極Ｂは図９（Ａ）に示す形状であるので、
【数９】
2009222654.tif 000011
となる。
【００３８】
そこで、図９に示すように、固定電極のＸ軸中央をＸ軸の原点０とし、且つ、固定電極の左端座標をＸ＝−１とし、固定電極の右端座標をＸ＝＋１とすると、２次電極Ｃの任意な位置ｘにおけるＣＡおよびＣＢは次式で表すことができる。
【数１０】
2009222654.tif 000012
【００３９】
したがって、
【数１１】
2009222654.tif 000013
となることから、
数式８は、
【数１２】
2009222654.tif 000014
となる。
【００４０】
この数式１２から明らかなように、２次電極Ｃの電位ＶＣは、２次電極Ｃの位置ｘと、交流電圧源Ａの瞬時値Ｖ０sinωtの関数となる。換言すると、２次電極Ｃの電位ＶＣは、２次電極Ｃの位置ｘと、交流電圧源ＡおよびＢの最大振幅値Ｖ０と、sinωtの関数となる。
【００４１】
数式１２において重要なことは、２次電極Ｃの電位ＶＣが、１次電極ＡおよびＢの縦方向（Ｙ軸方向）長さに対応するＣＡおよびＣＢに依存していないことである。したがって、図９に示した１次電極Ａ，Ｂを形成するためのプリント基板の大きさは自由に選択できるばかりでなく、２次電極Ｃとの間隔も自由に設定することができる。その結果として、たとえば材料試験機により微小な変位を測定する際にも、あるいは、機械的制御を行う際における長い変位を測定する際にも、２次電極Ｃの電位ＶＣは電極Ａ，Ｂの大きさに依存しないので、共通の交流電圧測定回路を用いて変位量を測定することができる。実際には、配線自体に寄生容量が存在し、且つ交流電圧測定回路ＶＭの入力インピーダンスが無限大でないことから、図９に示した１次電極Ａ，Ｂの面積を大きくすると共に、２次電極Ｃと１次電極Ａ，Ｂとの間の距離を短く設定する（たとえば、５０μｍ〜０．５ｍｍ）のが好適である。
【００４２】
図１１は、図９（Ｂ）に示した静電式変位計の断面構成図である。本図に示すように、基板ＳＵＢの上面に１次電極ＡおよびＢを形成してある。そして、２次電極Ｃが図の左右方向に摺動可能なように、２次電極Ｃの下面に誘電体を付着してある。なお、１次電極Ａ，Ｂの上面全部に均一厚さの絶縁膜を張り付けてもよい。さらに本図には、図９（Ｂ）では省略してあるガード電極ＧＤを描いてある。ガード電極ＧＤの電位は、図３の場合と同様、不要な電界の影響を無くすために公知のボルテージフォロア（図示せず）等を用いて２次電極Ｃと同電位にしておく。
【００４３】
基板ＳＵＢの上面には１次電極Ａ，Ｂが形成されているが、先に述べた実施の形態１と異なり（図３参照）、２次電極Ｃは同一平面上に形成されていない。従って、基板ＳＵＢの下面にはガード電極ＧＤを設けることなく、アース電極ＧＮＤを設けるだけでよい。アース電極ＧＮＤは、この静電式変位計を格納するための筐体であるシールドケースと電気的に接続しておく。
【００４４】
実施の形態１で説明した図４の回路は、この実施の形態２でもそのまま使用することができる。すなわち、２次電極Ｃの電位ＶＣ（＝−ｘＶ０sinωt）から交番成分sinωtに同期する成分のみを検出することにより変位量ｘのみを取り出すと同時に、１次電極Ａを駆動するための交流電圧Ｖ０sinωtと、１次電極Ｂを駆動するための交流電圧−Ｖ０sinωtを発生することができる。回路動作については図４に関して既に説明した通りであるので、ここでの説明は省略する。
【００４５】
実施の形態２においても、実施の形態１と同様、材料試験片の標点間距離を測定する用途について説明する。図１２は、試験片ＴＰ上における２つの標点と各電極との対応関係を示した説明図である。本図の例では、標点１に２次電極Ｃを対応させている。具体的には、図示しないレバーを標点１に把持させることにより、標点１の変位を２次電極Ｃの変位に変換する。標点２には図示しないレバーを把持させ、固定電極（１次電極Ａ，１次電極Ｂ）が形成されているプリント基板と連結させておく。
【００４６】
実施の形態１で説明した図６の材料試験機は、この実施の形態２でもそのまま使用することができる。その動作についても図６に関して既に説明した通りであるので、ここでの説明は省略する。
【００４７】
−実施の形態２による作用・効果−
実施の形態２によれば、以下に列挙する作用・効果を得ることができる。
（１）固定電極である１次電極Ａ，１次電極Ｂの大きさに拘わりなく、２次電極Ｃの位置に対応した交流電圧ＶＣを得ることができるので、広範な用途に適用することができる。
（２）１次電極Ａおよび１次電極Ｂにより形成される静電容量の和（ＣＡ＋ＣＢ）は、２次電極の位置に拘わらず一定となるので、直線性のよい測定結果が得られる。
（３）固定電極（プリント基板）側に２次電極Ｃを備えていないので、実施の形態１における図２とは異なり、等価回路中に静電容量ＣＣが含まれていない。その結果として、感度を上げることが可能となる。
（４）固定側の電極である１次電極Ａ，１次電極Ｂはプリント技術を用いて形成することができるので、基板の材質を適宜選択することにより柔軟な構造を採ることができる。たとえば、フレキシブルプリント基板上に１次電極Ａ，１次電極Ｂをプリントすることにより、円筒状の変位計なども構成可能である（後に、図１３を用いて詳述する）。
（５）１次電極Ａおよび１次電極Ｂに交流電圧を印加している点は、先に述べた実施の形態１と同じである。すなわち、直流電源から充電する必要がないので、被測定物が連続して変位する場合にも、その変位位置を連続して測定することが可能となる。しかも、静電容量に直流電圧を印加することにより電荷を蓄積させる回路構成を採っていないので、後段側の検出回路で生じるＤＣオフセット成分の補正処理が不要になる。同様に、静電容量の充電および放電に際して生じる測定誤差あるいはノイズに対する対策が不要となる。さらに、直流で充放電する際の時定数を考慮して設計する手間を省くことができる。
【００４８】
−変形例−
実施の形態２における各構成要素は、以下に列挙するよう変形することができる。
（１）固定側の１次電極Ａ，１次電極Ｂは、図９（Ａ）に示した形状に限定されない。図１０の等価回路および数式９から明らかなように、ＣＡ＋ＣＢが一定値になる電極形状であればよい（図９（Ｃ）参照）。
（２）図１３に示すように、固定電極である１次電極Ａ，１次電極Ｂをフレキシブル基板上に形成し、これら電極が内側になるよう円筒状に丸め、その円筒内に２次電極Ｃが摺動（もしくは、筒内面を非接触のまま移動）するよう構成することもできる。本図において、５０は２次電極Ｃを円筒内で移動させるためのシャフトである。シャフト５０の両端には直線案内部材ＬＢ１およびＬＢ２を設けてあるので、図の左右方向にシャフト５０を摺動させることができる。
図１３に示した変形例では、円筒状固定電極（１次電極Ａ，１次電極Ｂ）の内側に２次電極Ｃが収納されているが、２次電極Ｃを摺動させるためのシャフト５０や２次電極Ｃそのものを支える部分から受ける電界の影響をなくすために、ガード電極ＧＤが必要となる。また、２次電極Ｃに接続されるシールドケーブルのシールド部分（外部被覆部）も、２次電極Ｃと同じ電位にしてガード電極ＧＤとして作用させている。
（３）これまで説明してきた交流電圧駆動では、１次電極Ａに交流電圧Ｖ０sinωtを印加し、１次電極Ｂに交流電圧−Ｖ０sinωtを印加した。先に述べた実施の形態１と同様、これらの交流電圧に限定されることなく、様々な組み合わせが可能である。詳細な説明は既述の通りであるので、省略する。
【００４９】
以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上述した実施の形態および変形例に限定されるものではない。また、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。
【００５０】
請求項１に記載した構成要素と、実施の形態との対応関係は次にカッコ書きで例示する通りである。
第１の交流電源（ＶＡ）に接続された第１の電極（１次電極Ａ）および第２の交流電源（ＶＢ）に接続された第２の電極（１次電極Ｂ）を含む複数の固定電極（Ｋ１０７０７８６には２次電極を含んでいる）を所定位置に配置した第１の電極保持部材（固定された電極側）と、
前記複数の固定電極との対向間隔を一定に維持したまま、前記複数の固定電極に対する相対的位置（ｘ）を変化させる可動電極（Ｋ１０７０７８６のフローティング移動電極、Ｋ１０７０７８７の２次電極）を有する第２の電極保持部材とを備え、
前記第１の電極および前記可動電極により形成される第１の可変静電容量（ＣＡ）と、前記第２の電極および前記可動電極により形成される第２の可変静電容量（ＣＢ）との和が一定値（ＣＡ＋ＣＢ＝Ｃconst ）であり、且つ前記第１の可変静電容量（ＣＡ）と前記第２の可変静電容量（ＣＢ）との差が前記可動電極の相対的位置（ｘ）に比例しているとき、
前記第１の交流電源および／または前記第２の交流電源から発生される交流電圧の最大振幅値（Ｖ０，α，β）と、前記可動電極の相対的位置（ｘ）とに関連した最大振幅値を有する交流電圧（ＶＣ）を所定の電極（Ｋ１０７０７８６の固定側２次電極， Ｋ１０７０７８７の移動側２次電極）から検出する、
ことを特徴とする静電容量式変位計。
なお、本発明を解釈する上で上記の対応関係は何ら限定とならない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１の実施の形態による静電容量式変位計の主要部を模式的に示す図である。
【図２】第１の実施の形態による静電容量式変位計の等価回路図である。
【図３】図１（Ｂ）に示した静電式変位計の断面構成図である。
【図４】２次電極Ｃの電位から変位量を取り出すと同時に、１次電極Ａおよび１次電極Ｂを駆動するための交流電圧を発生する回路図である。
【図５】第１の実施の形態において、試験片ＴＰ上における２つの標点と各電極との対応関係を示した説明図である。
【図６】図４に示した交流電源／電圧測定回路３０を用いた材料試験機を示す全体構成図である。
【図７】第１の実施の形態による固定電極の変形例を示す説明図である。
【図８】第１の実施の形態による静電容量式変位計を円筒状に変形した状態を示す説明図である。
【図９】第２の実施の形態による静電容量式変位計の主要部を模式的に示す図である。
【図１０】第２の実施の形態による静電容量式変位計の等価回路図である。
【図１１】図９（Ｂ）に示した静電式変位計の断面構成図である。
【図１２】第２の実施の形態において、試験片ＴＰ上における２つの標点と各電極との対応関係を示した説明図である。
【図１３】第２の実施の形態による静電容量式変位計を円筒状に変形した状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５２】
２  １次電極Ａ
４  １次電極Ｂ
６  ２次電極Ｃ
８  移動電極Ｄ
３０  交流電源／電圧測定回路
３８  上つかみ具
４０  下つかみ具
ＶＭ  交流電圧測定回路
ＴＰ  試験片
【図１】
2009222654.tif 000015
【図２】
2009222654.tif 000016
【図３】
2009222654.tif 000017
【図４】
2009222654.tif 000018
【図５】
2009222654.tif 000019
【図６】
2009222654.tif 000020
【図７】
2009222654.tif 000021
【図８】
2009222654.tif 000022
【図９】
2009222654.tif 000023
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2009222654.tif 000027