JPH11258286A - 微少容量検出回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 静電容量センサ部１の静電容量Ｃを感度良く
検出する。 【解決手段】 電界効果トランジスタ素子１５のソース
電圧Ｖｓをゲート・ソース抵抗器Ｒgsを介して静電容量
センサ部１の電極面２，３間に印加すると共に、ソース
電圧Ｖｓと逆極性の電圧を持つパルス信号をパルス信号
発信回路１６から電極面２，３間に加える。電界効果ト
ランジスタ素子１５は電極面２，３間の静電容量の大き
さに応じた電圧Ｖｏを出力し、パルス信号のオン期間に
スイッチ回路２０はオン状態となり上記出力電圧Ｖｏが
コンデンサ２１に印加し、スイッチ回路２０のオフ期間
コンデンサ２１はその電圧を保持する。サンプル・ホー
ルド回路１８はコンデンサ２１の保持電圧に応じた電圧
を出力する。電極面２，３間の短絡故障発生が防止さ
れ、かつ、静電容量Ｃの変化に対応する出力電圧Ｖout
の変化が大きく静電容量検出感度が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、角速度や加速度や
変位や圧力等の物理変化に応じて静電容量が変化する静
電容量センサ部の静電容量を検出する微少容量検出回路
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４には微少容量検出回路の一例が示さ
れている。この微少容量検出回路は静電容量センサ部１
の静電容量Ｃの大きさに応じた電圧を検出出力する回路
であり、上記静電容量センサ部１は、互いに間隙を介し
て対向する電極面２，３を有し該電極面２，３間の静電
容量Ｃが測定対象物理変化（例えば、角速度や加速度や
変位や圧力等の変化）に応じて可変する構成を備えたも
のである。

【０００３】図５には上記静電容量センサ部１の一構造
例が模式的に示されている。この静電容量センサ部１は
角速度を検出するジャイロである。同図に示すように、
例えば、固定部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが互いに間隙を
介して基板（図示せず）に固定形成され、それら各固定
部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄにはそれぞれコ字形状に曲折
形成された支持梁５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの一端側が接
続され、各支持梁５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの他端側は共
通の振動体６に連通接続されている。

【０００４】上記各支持梁５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄと振
動体６は上記基板と間隙を介して形成され、また、上記
の如く各支持梁５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄはコ字形状に曲
折形成されているので、振動体６は、図５に示すｘ方向
とｙ方向の２方向に振動することが可能な構成と成して
いる。

【０００５】また、上記振動体６には電極面７，８が形
成されており、上記電極面７に間隙を介して対向する検
出電極面１０を備えた固定部１１と、上記電極面８に間
隙を介して対向する駆動電極面１２を備えた固定部１３
とが上記基板に固定形成されている。

【０００６】上記電極面８と駆動電極面１２間に交流電
圧を印加する駆動回路（図示せず）が上記駆動電極面１
２に導通接続され、上記駆動回路から電極面８と駆動電
極面１２間に交流電圧が印加されると、電極面８と駆動
電極面１２間の静電力によって上記振動体６が予め定め
た周波数（例えば、１０ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ程度の周波
数）で図５に示すｙ方向に駆動振動する。

【０００７】このように振動体６が駆動振動している状
態で、図５に示すｚ方向を中心として回転すると、この
回転軸方向（ｚ方向）と駆動方向（ｙ方向）の２方向に
直交する方向（図５ではｘ方向）のコリオリ力が発生
し、このコリオリ力によって振動体６がｘ方向に上記駆
動振動の周波数とほぼ同じ周波数で検出振動する。

【０００８】この検出振動によって前記電極面７と検出
電極面１１間の間隔が変動して電極面７と検出電極面１
１間の静電容量が上記回転角速度の大きさに応じて変化
する。この電極面７と検出電極面１１間の静電容量を前
記図４に示すような微少容量検出回路により電圧に変換
して検出し、該検出電圧に基づき前記回転の角速度の大
きさ等を検出することができる。

【０００９】上記図５に示す静電容量センサ部１を図４
に示す微少容量検出回路に組み込む場合には、図５に示
す検出電極面１０を図４に示す電極面２に対応させ、図
５に示す電極面７を図４に示す電極面３に対応させて組
み込まれる。

【００１０】図４に示すように、電極面３は接地されて
おり、電極面２は電界効果トランジスタ素子（ＦＥＴト
ランジスタ素子）１５のゲート（Ｇ）に接続されてい
る。この電界効果トランジスタ素子１５のドレイン
（Ｄ）には電源Ｖccが接続され、電界効果トランジスタ
素子１５のソース（Ｓ）にはソース抵抗器Ｒｓの一端側
が接続され、このソース抵抗器Ｒｓの他端側は接地され
ている。また、上記電界効果トランジスタ素子１５のゲ
ートとソース間にはゲート・ソース抵抗器Ｒgsが設けら
れている。

【００１１】上記図４に示す回路では、電界効果トラン
ジスタ素子１５のソース側の電圧Ｖｓを電圧源とし、該
直流の電圧Ｖｓがゲート・ソース抵抗器Ｒgsを通り静電
容量センサ部１の電極面２と電極面３間に印加され電荷
が電極面２，３間に充電される。この充電動作により下
式（１）により定まる電荷Ｑが電極面２，３間に充電さ
れる。

【００１２】Ｑ＝Ｃｘ×Ｖｓ・・・・・（１）

【００１３】ただし、上式（１）に示すＣｘは静電容量
センサ部１に測定対象の物理変化による力が加えられて
いない状態での電極面２，３間の静電容量を表し、Ｖｓ
は電極面２，３間の印加電圧を表している。

【００１４】なお、上記充電動作により電極面２，３間
に上記電荷Ｑが充電された後に引き続き電圧Ｖｓが電極
面２，３間に印加されている状態で、電極面２，３間の
充電電荷が上記電荷Ｑから変動しないように、ゲート・
ソース抵抗器Ｒgsの抵抗値が設定されている。

【００１５】また、電極面２，３間の静電容量Ｃが変動
しているときには、上記静電容量Ｃｘに対する静電容量
の変動分をΔＣｘと表した場合、下式（２）によって電
圧Ｖｏを表すことができる。

【００１６】 Ｖｏ＝Ｑ／（Ｃｘ±ΔＣｘ）＝Ｃｘ×Ｖｓ／（Ｃｘ±ΔＣｘ）・・・・（２）

【００１７】以上、述べたように、図４に示す回路は静
電容量センサ部１の静電容量Ｃの大きさに応じた電圧Ｖ
ｏを検出出力することから、この検出電圧Ｖｏに基づき
測定対象の物理変化の大きさ等を検知することができ
る。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記静電容
量センサ部１の電極面２，３間に印加される電圧Ｖｓの
大きさが大きい程、上記電極面２，３間の静電容量Ｃの
変化に対する上記微少容量検出回路の出力電圧Ｖｏの変
化が大きくなり、静電容量センサ部１の静電容量変化を
感度良く検出することができる。このことから、静電容
量センサ部１の電極面２，３間に印加する電圧Ｖｓの大
きさを大きくして静電容量変化の検出感度を向上させる
ことが考えられる。

【００１９】しかしながら、電極面２，３間に直流の大
きな電圧Ｖｓが印加されると、例えば、図５に示す静電
容量センサ部１では、電極面７（３）と検出電極面１０
（２）間に非常に大きな静電力が発生し、振動体６が検
出電極面１０側に引き寄せられ、電極面７が検出電極面
１０にくっ付き電極面７と検出電力面１０が短絡すると
いう短絡故障が発生し易くなるという問題がある。この
問題発生を回避するために電極面２，３間には大きな電
圧Ｖｓを印加することができず、図４に示す回路構成で
は、静電容量変化の検出感度の向上に限界があった。

【００２０】この発明は上記課題を解決するために成さ
れたものであり、その目的は、静電容量センサ部の静電
容量変化を感度良く検出することができる微少容量検出
回路を提供することである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は次のような構成をもって前記課題を解決
する手段としている。すなわち、第１の発明は、互いに
間隙を介して対向する電極面を有し該電極面間の静電容
量が測定対象物理変化に応じて可変する構成を備えた静
電容量センサ部と；該静電容量センサ部の上記電極面間
に直流電圧を印加する直流電圧印加回路と；該直流電圧
印加回路から上記静電容量センサ部に印加される直流電
圧と逆極性の電圧を持つパルス信号を上記静電容量セン
サ部の電極面間に印加するパルス信号発振回路と；上記
直流電圧印加回路から静電容量センサ部への直流電圧印
加動作と上記パルス信号発振回路から静電容量センサ部
へのパルス信号の印加動作とによって上記静電容量セン
サ部の電極面間の静電容量に応じた電圧を検出出力する
電圧検出回路と；上記パルス信号発振回路から出力され
るパルス信号のオン・オフに同期してスイッチオン・オ
フ動作するスイッチ回路が備えられ該スイッチ回路がス
イッチオン状態であるときに上記電圧検出回路から出力
される電圧を上記スイッチ回路を通して取り込んで保持
するサンプル・ホールド回路と；が設けられている構成
をもって前記課題を解決する手段としている。

【００２２】第２の発明は、上記第１の発明を構成する
電圧検出回路は電界効果トランジスタ素子により構成さ
れ、直流電圧印加回路は上記電界効果トランジスタ素子
のゲートとソース間に設けられたゲート・ソース抵抗器
と、上記電界効果トランジスタ素子のソースに接続され
たソース抵抗器とにより構成されており、上記電界効果
トランジスタ素子のゲートは静電容量センサ部の互いに
対向する電極面の一方の電極面に接続され他方側の電極
面はパルス信号発振回路に接続され、電界効果トランジ
スタ素子のソースはサンプル・ホールド回路に接続され
ている構成をもって前記課題を解決する手段としてい
る。

【００２３】第３の発明は、上記第１の発明を構成する
電圧検出回路はバイポーラトランジスタ素子により構成
され、直流電圧印加回路は上記バイポーラトランジスタ
素子のベースとエミッタ間に設けられたベース・エミッ
タ抵抗器と、上記バイポーラトランジスタ素子のエミッ
タに接続されたエミッタ抵抗器とにより構成されてお
り、上記バイポーラトランジスタ素子のベースは静電容
量センサ部の互いに対向する電極面の一方の電極面に接
続され他方側の電極面はパルス信号発振回路に接続さ
れ、バイポーラトランジスタ素子のエミッタはサンプル
・ホールド回路に接続されている構成をもって前記課題
を解決する手段としている。

【００２４】第４の発明は、上記第１又は第２又は第３
の発明の構成を備え、パルス信号発振回路は静電容量セ
ンサ部の機械的な動作周波数よりも高い周波数でパルス
信号を発振する構成をもって前記課題を解決する手段と
している。

【００２５】上記構成の発明において、静電容量センサ
部の電極面間には直流電圧印加回路から直流電圧が印加
されると共に、上記直流電圧と逆極性の電圧を持つパル
ス信号がパルス信号発振回路から加えられる。一方、サ
ンプル・ホールド回路のスイッチ回路は上記パルス信号
のオン・オフに同期してスイッチオン・オフ動作する。

【００２６】電圧検出回路は上記直流電圧印加およびパ
ルス信号印加によって電極面間の静電容量に応じた電圧
を検出出力し、サンプル・ホールド回路は上記スイッチ
回路がスイッチオン状態であるときに上記電圧検出回路
の検出電圧を取り込み保持する。このサンプル・ホール
ド回路の保持電圧に基づき、測定対象物理変化を検出す
ることが可能である。

【００２７】上記のように、直流電圧と逆極性のパルス
信号を静電容量センサ部の電極面間に加えることによっ
て、上記直流電圧による上記電極面間の短絡が確実に阻
止され、前記したような電極面間の短絡故障の発生が防
止される。このことから、電極面間に大きな直流電圧を
印加することが可能となる。

【００２８】その上、電圧検出回路は、上記直流電圧に
パルス信号の電圧を加えた電圧に基づき、上記静電容量
大きさに応じた電圧を出力することから、この電圧検出
回路の出力電圧をかなり大きくすることができ、静電容
量の変化に対する上記電圧検出回路の出力電圧の変化が
大きくなり、静電容量センサ部の静電容量変化の検出感
度が格段に向上する。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下に、この発明に係る実施形態
例を図面に基づき説明する。

【００３０】図１にはこの実施形態例の微少容量検出回
路の要部構成が示されている。なお、この実施形態例の
説明において、前記図４に示す回路と同一構成部分には
同一符号を付し、その重複説明は省略する。

【００３１】図１に示すように、この実施形態例に示す
微少容量検出回路は、前記図４に示す回路構成に、パル
ス信号発振回路１６とサンプル・ホールド回路１８が加
えられたものである。

【００３２】上記パルス信号発振回路１６は静電容量セ
ンサ部１の電極面３に接続され、電界効果トランジスタ
素子１５のソースＳ側から静電容量センサ部１の電極面
２，３間に印加される電圧Ｖｓと逆極性の電圧を持つ図
２の（ａ）に示すようなパルス信号を予め定めた周波数
で発振し電極面２，３間に印加する構成を有している。

【００３３】この実施形態例では、正の電圧Ｖｓが電極
面２，３間に印加されるように構成されていることか
ら、パルス信号発振回路１６は負の電圧を持つパルス信
号を予め定めた周波数で発振する回路構成を有してい
る。上記パルス信号の発振周波数は適宜に設定されるも
のであるが、静電容量センサ部１の静電容量Ｃが測定対
象の物理変化によって機械的な周波数で変動する場合に
は、パルス信号の発振周波数が上記機械的な動作周波数
の約１０倍以上の周波数となるようにパルス信号発振回
路１６が構成される。

【００３４】例えば、図５に示すような静電容量センサ
部１では、回転により生じたコリオリ力によって、振動
体６がｘ方向に予め定まる機械的な動作周波数（例え
ば、１０〜２０ｋＨｚ程度）で検出振動し電極面７
（３）と検出電極面１０（２）間の静電容量Ｃが上記動
作周波数で変動することから、図５に示す静電容量セン
サ部１が図１に示す回路に組み込まれるときには、この
実施形態例では、パルス信号発振回路１６は、静電容量
センサ部１の機械的な動作周波数の約１０倍の１００〜
２００ｋＨｚ程度の高い周波数でパルス信号を発振する
回路構成を有する。

【００３５】上記サンプル・ホールド回路１８はスイッ
チ回路２０とホールドコンデンサ２１とアンプ２２とを
有して構成され、上記スイッチ回路２０の入力側は電界
効果トランジスタ素子１５のソースに接続され、このス
イッチ回路２０の出側はホールドコンデンサ２１の入力
側とアンプ２２の非反転入力端子部とにそれぞれ接続さ
れ、また、ホールドコンデンサ２１の他端側は接地さ
れ、アンプ２２の反転入力端子部はアンプ２２の出力端
子部に短絡接続されている。

【００３６】また、上記スイッチ回路２０は前記パルス
信号発振回路１６と導通接続されており、パルス信号発
振回路１６からパルス信号が出力されている間、スイッ
チオン状態となり、電界効果トランジスタ素子１５のソ
ースとホールドコンデンサ２１との間を導通状態にする
回路構成を有している。

【００３７】図１に示す回路では、ソース抵抗器Ｒｓと
ゲート・ソース抵抗器Ｒgsとにより直流電圧印加回路が
構成されており、この直流電圧印加回路は、前記したよ
うに、ソース抵抗器Ｒｓとゲート・ソース抵抗器Ｒgsと
の接続部の電圧（つまり、電界効果トランジスタ素子１
５のソース電圧）Ｖｓをゲート・ソース抵抗器Ｒgsを通
して静電容量センサ部１の電極面２，３間に印加する構
成を有し、この実施形態例では、前記の如く上記直流電
圧印加回路によって正の電圧を持つ電圧Ｖｓが電極面
２，３間に印加される。

【００３８】また、電界効果トランジスタ素子１５は電
圧検出回路を構成しており、この電界効果トランジスタ
素子１５はソース・ホロワ出力であることから、ゲート
に印加される電圧Ｖｇ（つまり、静電容量センサ部１の
電極面２，３間の静電容量Ｃに応じた電圧Ｖｇ）とほぼ
等しい電圧を持つ電圧Ｖｏをソースから出力するもので
ある。

【００３９】図１に示す回路は上記のように構成されて
おり、次に、この回路の動作例を簡単に説明する。例え
ば、静電容量センサ部１の電極面２，３間には電界効果
トランジスタ素子１５のソースＳから正の直流電圧Ｖｓ
がゲート・ソース抵抗器Ｒgsを通して印加されると共
に、パルス信号発振回路１６から図２の（ａ）に示すよ
うな負のパルス信号が印加される。

【００４０】この状態で、電極面２，３間の静電容量Ｃ
が前記静電容量センサ部１の機械的な動作周波数でもっ
て変化すると、電界効果トランジスタ素子１５のソース
から上記電極面２，３間の静電容量Ｃの大きさに応じた
図２の（ｂ）に示すような電圧Ｖｏが出力される。この
電界効果トランジスタ素子１５の出力電圧Ｖｏは下式
（３）により表すことができる。

【００４１】 Ｖｏ＝Ｑ／（Ｃｘ±ΔＣｘ）＝Ｃｘ×（Ｖｓ＋Ｖｐ）／（Ｃｘ±ΔＣｘ）・・ ・・・（３）

【００４２】ただし、上式（３）に示すＱ，Ｃｘ，ΔＣ
ｘ，Ｖｓはそれぞれ前式（１），（２）に示したＱ，Ｃ
ｘ，ΔＣｘ，Ｖｓに対応するものであり、また、Ｖｐは
パルス信号発振回路１６から出力されるパルス信号の電
圧を表している。

【００４３】上記電界効果トランジスタ素子１５の出力
電圧Ｖｏは、上式（３）に示されるように、電極面２，
３間の静電容量Ｃ（Ｃ＝Ｃｘ±ΔＣｘ）と直流電圧Ｖｓ
だけでなくパルス信号の電圧Ｖｐも関与して決定される
ことから、図２の（ｂ）に示すように、パルス信号のオ
ン・オフに同期したパルス状の電圧波形を形成する。

【００４４】一方、スイッチ回路２０はパルス信号発振
回路１６のパルス信号の発振動作に同期してスイッチン
グ動作しており、スイッチ回路２０がスイッチオン状態
であるときに、上記電圧Ｖｏが電界効果トランジスタ素
子１５のソースからスイッチ回路２０を通してホールド
コンデンサ２１に印加され、ホールドコンデンサ２１に
電圧Ｖｏに応じた電荷が充電され、スイッチ回路２０が
オフしている期間には上記充電電圧を保持している。こ
のホールドコンデンサ２１の充電電圧に応じた電圧Ｖou
tがアンプ２２から出力する。

【００４５】このアンプ２２から出力される電圧Ｖout
は、前記パルス信号印加による影響が取り除かれた図２
の（ｃ）に示すような電圧となる。この段階的に経時的
変動する出力電圧Ｖoutを例えばＬＰＦ（ローパスフィ
ルター）等により波形整形することによって、図２の
（ｄ）に示すような連続波形の電圧を得ることができ
る。

【００４６】上記アンプ２２から出力される電圧Ｖout
は、電極面２，３間の静電容量Ｃの大きさに応じた電圧
値を示すことから、この出力電圧Ｖoutに基づき測定対
象の物理変化を検知することができる。

【００４７】ところで、図５に示すジャイロでは、測定
対象の物理変化が発生していない状態（つまり、回転に
よるコリオリ力が発生していない状態）でも、振動体６
のｙ方向の駆動振動によって電極面２と電極面３の対向
面積が変動し静電容量Ｃが静電容量センサ部１の機械的
な動作周波数で変動することから、上記図１に示す微少
容量検出回路に図５に示すようなジャイロが組み込まれ
る場合には、測定対象の物理変化が発生していない状態
でも、上記駆動振動に起因した静電容量Ｃの変化による
電圧（以下、モニタ信号と記す）が微少容量検出回路か
ら出力され、測定対象の物理変化が発生して振動体６が
検出振動しているときには該検出振動による静電容量Ｃ
の変化に応じた電圧（以下、角速度検出信号と記す）が
上記モニタ信号に重畳されて微少容量検出回路から出力
されることになる。

【００４８】このことから、ジャイロの静電容量を上記
図１に示す微少容量検出回路によって検出出力する場合
には、上記モニタ信号と角速度検出信号の分離処理を行
う信号処理回路を微少容量検出回路の出力側に接続し、
その信号処理回路により信号処理が施され取り出された
角速度検出信号に基づき、角速度の大きさ等を検出する
ことになる。

【００４９】図３には図５に示すようなジャイロが組み
込まれた本実施形態例の微少容量検出回路と、該微少容
量検出回路の出力電圧Ｖoutの信号処理を行う信号処理
回路の一構成例とが示されている。なお、図３では前記
図１および図４に示す回路構成部分と同一構成部分には
同一符号を付してある。

【００５０】図３に示す信号処理回路２５は、波形整形
器２８と位相シフタ３０と位相検波器３１とＬＰＦ３２
とアンプ３３とを有して構成されている。波形整形器２
８は振動体６を駆動振動させるために電極面８と駆動電
極面１２間に電圧を印加するための駆動回路２６に接続
されており、この駆動回路２６から出力される電圧を取
り込み該取り込んだ電圧の波形を例えば矩形状の波形に
整形し出力する回路構成を有し、位相シフタ３０は上記
波形整形器２８の出力電圧の位相を例えば９０°シフト
させて出力する回路構成を有している。

【００５１】また、位相検波器３１は微少容量検出回路
の出力電圧Ｖoutと上記位相シフタ３０の出力電圧に基
づき、前記モニタ信号と角速度検出信号とから成る微少
容量検出回路の出力電圧Ｖoutから角速度検出信号を取
り出す構成を有し、ＬＰＦ３２はその位相検波器３１の
出力電圧を直流変換して出力する構成を有し、アンプ３
３は上記ＬＰＦ３２の出力直流電圧を増幅して出力する
構成を有する。上記アンプ３３から出力される電圧の大
きさが予め定めた適宜の電圧となるようにアンプ３３の
増幅率を設定することによって所望の電圧の大きさを持
つ角速度検出信号を得ることができる。

【００５２】上記のように信号処理回路２５は構成され
ており、この信号処理回路２５によって、微少容量検出
回路の出力電圧信号から角速度検出信号を取り出すこと
ができ、該信号処理回路２５の出力電圧信号に基づき、
角速度の大きさ等を検出することができる。

【００５３】この実施形態例によれば、静電容量センサ
部１の電極面２，３間に直流電圧Ｖｓを印加すると共
に、その直流電圧Ｖｓとは逆極性の電圧を持つパルス信
号を上記電極面２，３間に印加する構成を備えたので、
上記直流電圧Ｖｓによって電極面２，３間を短絡させよ
うとする静電力が発生しても、その静電力による電極面
２，３間の短絡動作が上記パルス信号印加によって阻止
されることから、直流電圧Ｖｓの印加に起因した電極面
２，３間の短絡故障の発生を防止することができる。

【００５４】特に、この実施形態例では、パルス信号の
発振周波数を静電容量センサ部１の機械的な動作周波数
よりも高くしたので、上記電極面２，３間の短絡故障発
生を確実に防止することができる。

【００５５】上記のように、電極面２，３間の短絡故障
発生を防止することができることから、電極面２，３間
に印加する直流電圧Ｖｓを大きくすることができる。ま
た、上記パルス信号印加によって、上記直流電圧Ｖｓに
パルス信号電圧Ｖｐを上乗せした電圧に基づいた電圧Ｖ
ｏが電界効果トランジスタ素子１５のソースから出力さ
れるので、上記直流電圧Ｖｓの増加可能効果と相俟っ
て、電界効果トランジスタ素子１５の出力電圧を格段に
大きくすることができる。すなわち、電極面２，３間の
静電容量Ｃの変化に対する電界効果トランジスタ素子１
５のソースの出力電圧Ｖｏの変化を大きくすることがで
き、静電容量Ｃの変化の検出感度を向上させることがで
きる。

【００５６】静電容量の検出感度は、電界効果トランジ
スタ素子１５のソースの出力電圧Ｖｏの大きさに応じた
ものであることから、図４に示すような従来の回路での
静電容量検出感度をＰ１＝Ｃｘ×Ｖｓ／（Ｃｘ±ΔＣ
ｘ）とした場合、これに対して、図１に示す本実施形態
例の微少容量検出回路の静電容量検出感度はＰ２＝Ｃｘ
×（Ｖｓ＋Ｖｐ）／（Ｃｘ±ΔＣｘ）と表すことがで
き、本実施形態例の微少容量検出回路では、図４に示す
回路の検出感度のＰ２／Ｐ１＝（Ｖｓ＋Ｖｐ）／Ｖｓ倍
の感度を得ることができる。

【００５７】上記パルス信号の電圧Ｖｐは、上記直流電
圧Ｖｓの数倍〜十数倍の電圧を容易に設定可能であり、
従来と同様の大きさを持つ電圧Ｖｓを電極面２，３に印
加するように設定しても、従来の検出感度の数倍〜十数
倍の静電容量検出感度を得ることができる。この実施形
態例では、上記の如く、直流電圧Ｖｓを従来よりも格段
に大きくすることができることから、静電容量検出感度
を飛躍的に向上させることが可能であるという画期的な
効果を得ることができる。

【００５８】さらに、電界効果トランジスタ素子１５の
出力電圧を保持して該保持電圧に応じた電圧を出力する
サンプル・ホールド回路１８を設けたので、前記パルス
信号印加の影響が取り除かれた電圧信号を出力すること
ができ、この出力電圧信号に基づき従来の信号処理と同
様な信号処理によって測定対象の物理変化を容易に検出
することが可能である。

【００５９】さらに、上記の如く、静電容量センサ部１
の機械的な動作周波数よりも高い周波数でパルス信号を
発振していることから、電界効果トランジスタ素子１５
の出力電圧Ｖｏがパルス信号の発振に同期して変動して
も、該出力電圧Ｖｏをサンプル・ホールド回路１８を通
して電圧波形整形することによって、静電容量の変化と
ほぼ合致して変化する電圧を微少容量検出回路から出力
することができる。

【００６０】さらに、この実施形態例では、電界効果ト
ランジスタ素子１５を用いたので、ゲートに加えられる
電圧とほぼ同様の大きさの電圧をソースから出力するこ
とができ、このことから、静電容量検出感度の向上が図
れる。

【００６１】なお、この発明は上記実施形態例に限定さ
れるものではなく、様々な実施の形態を採り得る。例え
ば、上記実施形態例では、電界効果トランジスタ素子１
５を用いていたが、例えば、電界効果トランジスタ素子
１５の代わりに、バイポーラトランジスタ素子を用いて
もよい。この場合には、バイポーラトランジスタ素子の
コレクタ、ベース、エミッタのそれぞれを電界効果トラ
ンジスタ素子１５のドレイン、ゲート、ソースに対応さ
せて回路に組み込まれることになり、また、ゲート・ソ
ース抵抗器Ｒgsがベース・エミッタ抵抗器に対応し、ソ
ース抵抗器Ｒｓがエミッタ抵抗器に対応することにな
る。このように、電界効果トランジスタ素子１５の代わ
りにバイポーラトランジスタ素子を用いても上記実施形
態例と同様の効果を奏することができる。また、電圧検
出回路は静電容量センサ部１の電極面２，３間の静電容
量Ｃに応じた電圧を検出出力する構成を有していればよ
く、トランジスタ素子を用いずに構成してもよい。

【００６２】さらに、上記実施形態例では、電極面２，
３間には正の直流電圧Ｖｓが印加されていたが、負の電
圧Ｖｓを印加してもよく、この場合には、パルス信号発
振回路１６は直流電圧Ｖｓと逆極性の正の電圧を持つパ
ルス信号を発振出力するように構成される。

【００６３】さらに、上記実施形態例では、パルス信号
の発振周波数は静電容量センサ部１の機械的な動作周波
数Ｆｃの約１０倍の周波数１０Ｆｃに設定されていた
が、パルス信号の発振周波数はその周波数１０Ｆｃに限
定されるものではなく、周波数１０Ｆｃよりも低くても
よいし、高くてもよい。また、パルス信号の発振周波数
は静電容量センサ部１の機械的な動作周波数Ｆｃとほぼ
等しくてもよいし、動作周波数Ｆｃよりも低くてもよ
く、適宜に設定されるものである。

【００６４】さらに、上記実施形態例では、角速度を検
出するジャイロを組み込む例を示したが、この発明の微
少容量検出回路は、加速度や変位や圧力等の測定対象物
理変化に応じて静電容量が変動する静電容量センサ部を
組み込んで、該静電容量センサ部の静電容量を検出する
こともできるものである。

【００６５】

【発明の効果】この発明によれば、静電容量センサ部の
電極面間に直流電圧を印加すると共に、上記直流電圧と
逆極性の電圧を持つパルス信号を上記電極面間に印加す
る構成を備えたので、パルス信号印加によって、直流電
圧印加による電極面間の短絡動作が阻止され、上記直流
電圧に起因した電極面間の短絡故障発生を防止すること
が可能である。

【００６６】このように、短絡故障発生を防止すること
ができることから、直流電圧を大きくすることが可能で
あり、直流電圧を大きくすることによって、電極面間の
静電容量に応じた電圧値、つまり、電圧検出回路の出力
電圧を大きくすることができる。

【００６７】特に、本発明は、前記の如く電極面間にパ
ルス信号が印加されているので、上記直流電圧に上記パ
ルス信号の電圧を上乗せした電圧に基づき、上記静電容
量に応じた電圧が上記電圧検出回路から出力されること
になり、上記直流電圧の数倍〜十数倍以上の電圧を持つ
パルス信号を発振させることができることから、上記直
流電圧の増加可能効果と相俟って電圧検出回路の出力電
圧を飛躍的に向上させることができる。すなわち、静電
容量変化に対する上記電圧検出回路の出力電圧の変化が
大きくなり、静電容量変化の検出感度を大幅に向上させ
ることができ、このことによって測定対象の物理変化を
感度良く検出することができる。

【００６８】また、上記電圧検出回路の出力電圧は前記
パルス信号印加に同期して変動するが、本発明では、サ
ンプル・ホールド回路を設けたので、前記パルス信号印
加の影響が取り除かれた電圧信号をサンプル・ホールド
回路から出力することができ、このサンプル・ホールド
回路の出力電圧に基づいて、従来の信号処理と同様の信
号処理によって、測定対象の物理変化を容易に検出する
ことができる。

【００６９】電圧検出回路が電界効果トランジスタ素子
により構成されているもの、又は、バイポーラトランジ
スタ素子によって構成されているものにあっては、静電
容量センサ部からトランジスタ素子に加えられる電圧と
ほぼ同様の大きさを持つ電圧をトランジスタ素子から出
力することができるので、静電容量変化の検出感度のよ
り一層の向上が容易となる。

【００７０】静電容量センサ部の機械的な動作周波数よ
りも高い周波数でパルス信号を発振する構成を備えたも
のにあっては、前記直流電圧印加による静電容量センサ
部の電極面間の短絡故障発生をより一層確実に防止する
ことができる上に、静電容量センサ部の静電容量変化に
合致して変化する電圧を微少容量検出回路から出力させ
ることが容易となり、上記静電容量変化をより精度良く
検出することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る実施形態例の要部構成を示す回
路図である。

【図２】図１に示す回路の各構成部分から出力される経
時的な電圧変化を示す波形図である。

【図３】図１に示す回路にジャイロを組み込んだ場合の
微少容量検出回路と該回路から出力される信号を処理す
る信号処理回路との一例を示す回路図である。

【図４】従来の微少容量検出回路の一例を示す回路図で
ある。

【図５】ジャイロの構造例を示すモデル図である。

【符号の説明】

１ 静電容量センサ部 ２，３，７ 電極面 １０ 検出電極面 １５ 電界効果トランジスタ素子 １６ パルス信号発振回路 １８ サンプル・ホールド回路 ２０ スイッチ回路 Ｒｓ ソース抵抗器 Ｒgs ゲート・ソース抵抗器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｇ０１Ｐ 15/125 Ｇ０１Ｄ 5/24 Ｌ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに間隙を介して対向する電極面を有
   し該電極面間の静電容量が測定対象物理変化に応じて可
   変する構成を備えた静電容量センサ部と；該静電容量セ
   ンサ部の上記電極面間に直流電圧を印加する直流電圧印
   加回路と；該直流電圧印加回路から上記静電容量センサ
   部に印加される直流電圧と逆極性の電圧を持つパルス信
   号を上記静電容量センサ部の電極面間に印加するパルス
   信号発振回路と；上記直流電圧印加回路から静電容量セ
   ンサ部への直流電圧印加動作と上記パルス信号発振回路
   から静電容量センサ部へのパルス信号の印加動作とによ
   って上記静電容量センサ部の電極面間の静電容量に応じ
   た電圧を検出出力する電圧検出回路と；上記パルス信号
   発振回路から出力されるパルス信号のオン・オフに同期
   してスイッチオン・オフ動作するスイッチ回路が備えら
   れ該スイッチ回路がスイッチオン状態であるときに上記
   電圧検出回路から出力される電圧を上記スイッチ回路を
   通して取り込んで保持するサンプル・ホールド回路と；
   が設けられていることを特徴とする微少容量検出回路。
2. 【請求項２】 電圧検出回路は電界効果トランジスタ素
   子により構成され、直流電圧印加回路は上記電界効果ト
   ランジスタ素子のゲートとソース間に設けられたゲート
   ・ソース抵抗器と、上記電界効果トランジスタ素子のソ
   ースに接続されたソース抵抗器とにより構成されてお
   り、上記電界効果トランジスタ素子のゲートは静電容量
   センサ部の互いに対向する電極面の一方の電極面に接続
   され他方側の電極面はパルス信号発振回路に接続され、
   電界効果トランジスタ素子のソースはサンプル・ホール
   ド回路に接続されている構成としたことを特徴とする請
   求項１記載の微少容量検出回路。
3. 【請求項３】 電圧検出回路はバイポーラトランジスタ
   素子により構成され、直流電圧印加回路は上記バイポー
   ラトランジスタ素子のベースとエミッタ間に設けられた
   ベース・エミッタ抵抗器と、上記バイポーラトランジス
   タ素子のエミッタに接続されたエミッタ抵抗器とにより
   構成されており、上記バイポーラトランジスタ素子のベ
   ースは静電容量センサ部の互いに対向する電極面の一方
   の電極面に接続され他方側の電極面はパルス信号発振回
   路に接続され、バイポーラトランジスタ素子のエミッタ
   はサンプル・ホールド回路に接続されている構成とした
   ことを特徴とする請求項１記載の微少容量検出回路。
4. 【請求項４】 パルス信号発振回路は静電容量センサ部
   の機械的な動作周波数よりも高い周波数でパルス信号を
   発振する構成としたことを特徴とする請求項１又は請求
   項２又は請求項３記載の微少容量検出回路。