CN110388907A - 物理量传感器组件、倾斜仪以及构造物监视装置 - Google Patents

物理量传感器组件、倾斜仪以及构造物监视装置 Download PDF

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Abstract

一种物理量传感器组件、倾斜仪以及构造物监视装置，提供够校正物理量传感器的输出信号的非线性的技术，而不使物理量传感器组件大型化。物理量传感器组件(1)具备：频率变化式物理量传感器(3)，频率根据物理量的变化而变化；基准信号振荡部(5)，输出基准信号；频率Δ‑Σ调制部(10)，使用基于作为频率变化式物理量传感器(3)的输出的被测量信号的动作信号，通过对基准信号进行频率Δ‑Σ调制，生成频率Δ‑Σ调制信号；第一低通滤波器(20)，设置于频率Δ‑Σ调制部(10)的输出侧，与作为频率变化式物理量传感器(3)的输出的被测量信号同步动作；第二低通滤波器(60)，设置于第一低通滤波器(20)的输出侧，与基准信号同步动作。

Description

物理量传感器组件、倾斜仪以及构造物监视装置
技术领域
本发明涉及物理量传感器组件等。
背景技术
在构成检测加速度等物理量的物理量传感器组件的物理量传感器中，存在输出值相对于物理量的关系不为线性的非线性的问题。为了校正该非线性，例如，已知一种结构：在物理量传感器的一种即用于检测加速度的静电容量型物理量传感器中，设置用于切换输出的放大率的非线性校正电路(例如，参考专利文献1)。
专利文献1：日本特开平9-33563号公报
但是，当设置设置有非线性校正电路这样的专用电路或专用机构时，存在物理量传感器组件的电路规模变大、成本增大的技术问题。
发明内容
本发明是为了解决上述课题的至少一部分而提出的，能够作为以下的方式或者应用例实现。
用于解决上述课题的第一方式是物理量传感器组件，包括：频率变化式物理量传感器，频率根据物理量的变化而变化；基准信号振荡部，输出基准信号；频率Δ-Σ调制部，使用基于从所述频率变化式物理量传感器输出的被测量信号的动作信号，对所述基准信号进行频率Δ-Σ调制，生成频率Δ-Σ调制信号；第一滤波器，设置于所述频率Δ-Σ调制部的输出侧，与所述被测量信号同步动作；第二滤波器，设置于所述第一滤波器的输出侧，与所述基准信号同步动作；以及锁存器，设置于所述第一滤波器和所述第二滤波器之间，与所述基准信号同步动作，所述频率变化式物理量传感器对所述物理量的输出信号特性具有非线性。
根据第一方式，通过组合使设置于频率Δ-Σ调制部的输出侧的滤波器与被测量信号同步动作的第一滤波器，以及与基准信号同步动作的第二滤波器，能够校正所述被测量信号的非线性，所述被测量信号为频率变化式物理量传感器的输出。因此，不需要设置设置有非线性校正电路这样的专用电路或专用机构，能够低成本地校正从物理量传感器输出的被测量信号的非线性而不使物理量传感器组件大型化。
第二方式的物理量传感器组件，在第一方式中，通过所述第一滤波器和所述第二滤波器的组成而实现的作为滤波器特性的截止频率低于所述频率变化式物理量传感器的结构谐振频率。
根据第二方式，通过第一滤波器以及第二滤波器，能够降低显著地出现振动整流误差的结构谐振频率导致的噪声成分。
第三方式的物理量传感器组件，在第二方式中，所述结构谐振频率是根据所述频率变化式物理量传感器的结构确定的频率。
根据第三方式，能够通过频率变化式物理量传感器的结构确定结构谐振频率。
第四方式的物理量传感器组件，所述第一滤波器的输入输出特性被设定为用于使所述被测量信号的非线性接近线性的特性。
根据第四方式，通过使作为频率变化式物理量传感器的输出的被测量信号通过第一滤波器，以使所述被测量信号具有的非线性被校正为接近线性，并作为物理量传感器组件的输出。
第五方式的物理量传感器组件，在第四方式中，所述第一滤波器是能够通过滤波器抽头数来改变平滑化定时的平滑滤波器，所述滤波器抽头数设定在使由于所述非线性而出现的所述被测量信号的振动整流误差降低的平滑化定时。
根据第五方式，通过根据滤波器抽头数来改变作为平滑化滤波器的第一滤波器的平滑化定时，降低作为频率变化式物理量传感器的输出的被测量信号的振动整流误差，因此能够校正所述被测量信号具有的非线性。
第六方式的物理量传感器组件，在第五方式中，所述滤波器抽头数能够从外部进行设定变更。
根据第六方式，由于能够从外部设定变更第一滤波器的滤波器抽头数，因此，针对每个物理量传感器组件，能够根据频率变化式物理量传感器的特性适当地设定或者重新设定第一滤波器的滤波器抽头数。
第七方式的物理量传感器组件，在第五或第六方式中，所述第一滤波器能够通过所述平滑化定时的变更量的疏密不同的多个滤波器抽头数来改变所述平滑化定时。
根据第七方式，根据平滑化定时的变更量的疏密不同的多个滤波器抽头数，对作为频率变化式物理量传感器的输出的被测量信号的非线性的校正程度的调整变得容易。
第八方式的物理量传感器组件，在第一至第五方式中的任一个，所述物理量是加速度。
根据第八方式，在检测加速度的物理量传感器组件中，能够具有上述第一至第五方式的效果。
第九方式的倾斜仪，具备：第八方式的物理量传感器组件；以及计算部，根据所述物理量传感器组件的输出计算倾斜角度。
根据第九方式，能够实现倾斜角度的计算精度比以往提高的倾斜仪。
第十方式的惯性测量装置，是安装于移动体的惯性测量装置，具备：第八方式的物理量传感器组件；角速度物理量传感器组件；以及电路部，根据所述物理量传感器组件的输出和所述角速度物理量传感器组件的输出来计算所述移动体的姿势。
根据第十方式，能够实现移动体的姿势的计算精度比以往提高的惯性测量装置。
第十一方式的构造物监视装置，具备：安装于构造物的第八方式的物理量传感器组件；发送部，安装于所述构造物，发送所述物理量传感器组件的输出；接收部，接收来自所述发送部的发送信号；以及计算部，根据所述接收部的接收信号计算所述构造物的倾斜角度。
根据第十一方式，能够实现构造物的倾斜角度的计算精度比以往提高的构造物监视装置。
第十二方式的移动体，具备：第八方式的物理量传感器组件；以及控制部，根据所述物理量传感器组件的输出信号，控制加速、制动以及转向中的至少一个，根据所述物理量传感器组件的输出而切换自动运行的实施或不实施。
根据第十二方式，能够实现自动运行的品质相比于以往提高的移动体。
附图说明
图1是第一实施方式的物理量传感器组件的方框结构图。
图2是振动整流误差的说明图。
图3是结构谐振频率的说明图。
图4是第一实施方式的第一低通滤波器的方框结构图。
图5是第一实施方式的第二低通滤波器的方框结构图。
图6是第一实施方式的非线性的说明图。
图7是第一实施方式的实验结果的一个例子。
图8是第二实施方式的物理量检测器的剖面示意图。
图9是第二实施方式的物理量检测设备的立体示意图。
图10是第二实施方式的物理量检测设备的立体示意图。
图11是第二实施方式的物理量检测设备的俯视图。
图12是第三实施方式的加速度物理量传感器的结构图。
图13是第四实施方式的倾斜仪的剖面示意图。
图14是第五实施方式的惯性测量装置的剖面示意图。
图15是第六实施方式的构造物监视装置的概要结构图。
图16是第七实施方式的移动体的概要结构图。
附图标记说明
1…物理量传感器组件；3…频率变化式物理量传感器；5…基准信号振荡部；7…频率比测量装置；10…频率Δ-Σ调制部；20…第一低通滤波器；50…第三锁存器；60…第二低通滤波器；100…物理量检测器；200…物理量检测设备；300…加速度物理量传感器；400…倾斜仪；500…惯性导航装置；600…构造物监视装置；700…移动体。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。此外，并不通过以下说明的实施方式限定本发明，能够应用本发明的方式也并不限定于以下的实施方式。
[第一实施方式]
＜构成＞
图1是第一实施方式的物理量传感器组件1的方框结构图。根据图1，物理量传感器组件1具备频率变化式物理量传感器3、基准信号振荡部5、频率比测量装置7。频率变化式物理量传感器3是频率根据检测对象的物理量的变化而变化的物理量传感器，将对应于频率的周期信号作为被测量信号输出。频率变化式物理量传感器3可以是例如测量作为物理量的加速度的石英加速度物理量传感器，也可以是测量作为物理量的角速度的石英角速度物理量传感器。基准信号振荡部5输出基于预定的频率的基准信号。该基准信号的频率高于被测量信号的频率。
频率比测量装置7是根据被测量信号和基准信号来测量被测量信号和基准信号的频率比的装置。另外，频率比测量装置7通过倒数计数方式测量频率比。此外，也可以是作为基于被测量信号的动作信号，而非被测量信号。基于被测量信号的动作信号是与被测量信号有相关的信号，还包含被测量信号自身。频率比测量装置7具备频率Δ-Σ调制部10、第一低通滤波器20、第三锁存器50、第二低通滤波器60。
频率Δ-Σ调制部10使用作为频率变化式物理量传感器3的输出的被测量信号，对从基准信号振荡部5输出的基准信号进行频率Δ-Σ调制，生成频率Δ-Σ调制信号。频率Δ-Σ调制部10具备计数器12、第一锁存器14、第二锁存器16、减法器18。计数器12对基准信号的上升沿计数，输出表示计数值的计数数据。第一锁存器14与被测量信号的上升沿同步，锁存计数数据输出第一数据。第二锁存器16与被测量信号的上升沿同步，锁存第一数据输出第二数据。减法器18从第一数据减去第二数据生成输出数据。该输出是频率Δ-Σ调制部10生成的频率Δ-Σ调制信号。
该频率Δ-Σ调制部10也被称为一阶频率Δ-Σ调制器，通过被测量信号两次锁存基准信号的计数值，将被测量信号的上升沿作为触发，依次保持基准信号的计数值。虽然在该例子中设想在上升沿进行锁存动作的情况，但也可以在下降沿或者上升沿以及下降沿双方进行锁存动作。另外，减法器18通过运算被保持的两个计数值的差，随着时间经过而没有不灵敏期间地输出在被测量信号推移一个周期的过程中观测到的基准信号的计数值的增量。将被测量信号的频率设为fx，将基准信号的频率设为fc时，频率比为fc/fx。频率Δ-Σ调制部10将表示频率比的频率Δ-Σ调制信号作为数字信号列输出。
第一低通滤波器20是第一滤波器的一个例子，设置于频率Δ-Σ调制部10的输出侧，与作为频率变化式物理量传感器3的输出的被测量信号同步动作，并除去或降低频率比测量装置7输出的频率Δ-Σ调制信号所包含的噪声成分。
第三锁存器50与基准信号的上升沿同步，锁存并输出第一低通滤波器20的输出。
第二低通滤波器60是第二滤波器的一个例子，设置于作为第一滤波器的一个例子的第一低通滤波器20的输出侧，与基准信号同步动作，除去或降低频率比测量装置7输出的频率Δ-Σ调制信号所包含的噪声成分。
＜原理＞
本实施方式的频率比测量装置7具有校正被测量信号的非线性的特征，所述被测量信号为频率变化式物理量传感器3的输出。例如若以石英加速度物理量传感器为例，则频率变化式物理量传感器3是晶体振子的振荡频率(振动频率)根据向检测轴方向作用的力的变化而变化的物理量传感器，并输出与该振荡频率对应的呈脉冲状变化的信号。所作用的加速度和晶体振子的振荡频率的关系不是完全的线性关系(非线性)，另外，该关系性存在个体差。
图2是用于说明若向输入输出关系中具有非线性的系统输入振动成分，则在输出值的直流成分中产生漂移的状态的示意图。若向输入输出关系为线性的系统输入正弦波状的信号，则得到用图2的实曲线表示的输出值。通过对该输出值进行整流而得到的直流成分(实直线)不会产生漂移。另一方面，若向输入输出关系为非线性的系统输入正弦波状的信号，则得到用图2的点曲线示出的输出值。通过对该输出值进行整流而得到的直流成分(虚直线)产生输出波形的变形而导致的漂移。将向在上述输入输出关系中具有非线性的系统输入振动成分时在输出中产生漂移的成分称为振动整流误差(VRE：vibrationrectification error，振动校正误差)。通常，VRE是输入的振动成分的频率的函数，已知：若输入的振动成分的频率一定，则VRE的大小与输入的振动成分的振幅的平方成比例。
图3是在构成为检测加速度的调整前的物理量传感器组件1中，作为施加振动整流误差常数(VRC：Vibration Rectification error Constant)的加速度的施加频率的函数而标绘的。VRE的大小与输入的振动成分的振幅的平方成比例，检测加速度的物理量传感器组件的VRC的单位以[G/G^2]提供。820Hz附近观察到的VRC的峰值表示相比于其他频率区域大4～5位的程度的值，这在由物理量传感器组件的结构决定的结构谐振中，其结构谐振频率为820Hz左右，若所输入的振动成分中包含820Hz左右的频率，则引起物理量传感器组件的结构谐振，在表现上，起因于与结构谐振频率对应的频率成分被放大并输出。其结果，结构谐振导致的漂移成为影响VRE最大的因素，需要特别的对策。
频率比测量装置7对被测量信号进行校正，该被测量信号为具有非线性的频率变化式物理量传感器3的输出，特别地，通过降低结构谐振导致的VRE，能够降低作用于频率变化式物理量传感器3的加速度与频率比测量装置7的输出的非线性。
图4是第一低通滤波器20的方框结构图。根据图4，第一低通滤波器20具有第一加法器22、第一延迟元件24、第一减法器26、第二加法器28、第三加法器30、抽取滤波器32、第二延迟元件34、第二减法器36、第三延迟元件38、第三减法器40。第一低通滤波器20的各部分与被测量信号同步动作。作为滤波器抽头数的第一延迟元件24、第二延迟元件34、第三延迟元件38每个的延迟数n1～n3均能够从物理量传感器组件1的外部进行变更来设定。第一低通滤波器20的构成要素中，第一加法器22、第一延迟元件24以及第一减法器26形成的前段部分作为移动平均滤波器发挥功能。另外，第一低通滤波器20的构成要素中，第二加法器28、第三加法器30、抽取滤波器32、第二延迟元件34、第二减法器36、第三延迟元件38以及第三减法器40形成的后段部分作为CIC(Cascaded Integrator Comb：级联积分梳状)滤波器发挥功能。
图5是第二低通滤波器60的方框结构图。根据图4，第二低通滤波器60具有第四加法器62、第四延迟元件64、第四减法器66。第二低通滤波器60的各部分与基准信号同步动作。作为滤波器抽头数的第四延迟元件64的延迟数n4能够从物理量传感器组件1的外部进行设定变更。另外，第二低通滤波器60作为移动平均滤波器发挥功能。
通过对这样构成的第一低通滤波器20的滤波器抽头数n1～n3以及第二低通滤波器60的滤波器抽头数n4的设定，实现频率比测量装置7具有的输入输出特性的非线性。具体而言，在将CIC滤波器的抽样比设为R时，实现输出的相位对应根据被测量信号而动作的第一低通滤波器20的输入而延迟(n1-1+R·(n2+n3-1))/2时钟量的特性，以及通过根据基准信号而动作的第二低通滤波器60仅取出采样数n4的第一低通滤波器20的输出并平滑化来实现输入输出特性的非线性。第一低通滤波器20作为多段移动平均滤波器发挥功能，第二低通滤波器60作为移动平均滤波器发挥功能，对输入信号平滑化处理并输出。在该第一低通滤波器20以及第二低通滤波器60中，能够通过改变各延迟元件的延迟数n1～n4，来调整截止频率(截断频率)以及平滑化定时。另外，通过频率变化式物理量传感器3的第一低通滤波器以及第二低通滤波器60的组成而实现的截止频率被固定为比频率变化式物理量传感器3的结构谐振频率低，因此能够降低结构谐振致使的输出调制的影响。
图6是说明通过第一低通滤波器20以及第二低通滤波器60的输入输出特性，频率比测量装置7相对于振动输入发现非线性(振动整流误差)的原理的概要图。涉及频率的图6的(1)～(3)都将面向纸面向右方向作为经过时间，从上开始依次示出基准信号、被测量信号、采样信号。基准信号以及被测量信号用短竖线表示上升沿的定时。关于被测量信号，进一步在各上升沿的定时之间，一起记录表示在被测量信号的上升沿的定时动作的第一低通滤波器20的输出信号的数值。为了方便定性地说明，以成为简单的比率的方式图示出基准信号、被测量信号、采样信号各个的频率(周期)，需要注意的是，虽然图示出只有相位差不对的输入值作为第一低通滤波器输出值，但在下文中能够在任意的频率比中使用任意的第一低通滤波器输出值进行相同的说明。
采样信号是从第二低通滤波器60输出的信号。第二低通滤波器60在基准信号的上升沿的定时，通过与相同基准信号同步动作的第三锁存器50取入第一低通滤波器20的输出信号，并输出平滑化处理的结果。在图6中，关注某一次的动作定时t1，用短竖线表示平滑化期间的开始时刻以及结束时刻，随着平滑化处理的经过期间，示出表示输出信号的数值。此外，该平滑化期间的长度通过基于基准信号的时钟周期和第二低通滤波器60的第四延迟元件64的延迟数n4来决定。
第一低通滤波器20在被测量信号的上升沿的定时，取入频率Δ-Σ调制部10的输出信号，并输出平滑化处理的结果。作为频率Δ-Σ调制部10的输出信号的频率Δ-Σ调制信号，被测量信号的频率fx和基准信号的频率fc的频率比为fc/fx。也就是说，第一低通滤波器20进行对该被测量信号和基准信号的频率比fc/fx的平滑化处理。此外，该平滑化期间的长度和延迟量由基于被测量信号的时钟周期、第一低通滤波器20的第一延迟元件24、第二延迟元件34以及第三延迟元件38的延迟数n1、n2以及n3来决定。
图6的(1)示出频率比测量装置7中输入的基准信号的频率fc与被测量信号的频率fx之比(倒数计数值)为一定的整数值的例子。如果fc和fx之比为一定的整数值，则第一低通滤波器20的平滑化处理的结果也一定，成为与被测量信号的频率fx对应的值。为了说明方便，在图6的(1)中，示出被测量信号的上升沿的定时的之间包含的基准信号的上升沿的数量的“4”作为表示输出信号的数值。
而且，第二低通滤波器60在基准信号的上升定时，取入第一低通滤波器20的输出信号，并输出平滑化处理的结果。在图6中，作为第二低通滤波器60的平滑化处理的结果，示出简单地将在平滑化期间取入的值乘积的值，该例子中的采样信号为“64”。
图6的(2)相对于图6的(1)，示出在保持被测量信号的重复区间的倒数计数值的总和的状态下进行FM(Frequency Modulation：调频)调制的基础上，以输入相位和输出相位为同相的方式调整第一低通滤波器20的第一延迟元件24、第二延迟元件34以及第三延迟元件38的延迟数n1、n2以及n3的例子。通过FM调制，被测量信号的上升沿的定时周期性地变动，作为平滑化处理的结果的第一低通滤波器20的输出值也周期性变化。在图6的(2)中，倒数计数值也变化为“5”或“3”。由于第二低通滤波器60根据基准信号乘以“5”或“3”，从而根据定时对倒数计数值进行加权。由于在图6的(2)中调整成输入的相位和输出的相位为同相，因此倒数计数值越大，进行的加权越大。在该例子中的采样信号为“68”。
图6的(3)示出在对被测量信号如图6的(2)所示进行FM调制的情况下，以输入的相位和输出的相位为相逆相位的方式调整第一低通滤波器20的第一延迟元件24、第二延迟元件34以及第三延迟元件38的延迟数n1、n2以及n3的例子。
通过FM调制，被测量信号的上升沿的定时周期性变动，作为平滑化处理的结果的第一低通滤波器20的输出值也周期性地变化，与图6的(2)的情况相同，在图6的(3)中，倒数计数值也变化为“5”或“3”，但成为与图6的(2)相逆的相位。第二低通滤波器60根据基准信号乘以“5”或“3”，因此根据定时对倒数计数值加权也同样，但在图6的(3)中调整成输入的相位和输出的相位为相逆相位，因此倒数计数值越小，进行的加权越大。该例子中的采样信号为“60”。
通常，在对被测量信号进行FM(Frequency Modulation：频率调制)调制的基础上，通过调整输入相位和输出相位，能够控制作为第二低通滤波器的输出的采样信号所具有的直流成分的漂移量。在图6的例子中，能够对没有漂移时的采样信号“64”进行调整，通过将与第一低通滤波器的输入输出关系设为同相来调整为采样信号“68”(漂移量最大为“+4”)，并通过将第一低通滤波器的输入输出关系设为逆相位来调整为采样信号“60”(漂移量最小为“-4”)，另外，通过调整第一低通滤波器的相位关系还能够控制这些中间值的漂移量。
另外，通过上述机构，即使设置调整第一低通滤波器的输出定时的机构，第二低通滤波器60的输出信号也能够变化，因此能够不改变截止频率而控制漂移量。
此外，在如图6的(1)所示的被测量信号的频率(也可称为周期)没有变动的情况下，即便第一低通滤波器20的输出定时延迟，第一低通滤波器20的平滑化期间的长度或其处理结果也不因输出定时而变动，因此第二低通滤波器60的输出没有变动。
以这样的方式，通过对第一低通滤波器20的第二延迟元件34，以及第二延迟元件34的延迟数n2、n3进行设定变更，能够使第一低通滤波器20的输出定时延迟，其结果，能够使输入到频率比测量装置7的输出信号的频率相对于被测量信号的频率的关系的输入输出特性表现出非线性，并控制漂移量。
在上述的例子中，讨论了在保持被测量信号的重复区间的倒数计数值的总和的状态下进行FM(Frequency Modulation：调频)调制(倒数计数值：4、4、4、4→5、5、3、3)的基础上的漂移量(0→±4)，但如果考虑到FM调制量为2倍的情况(倒数计数值：4、4、4、4→6、6、2、2)，则可知漂移量为0→±16，漂移量与FM调制量的平方成比例。另一方面，在频率变化式物理量传感器3的输出中，如果输入的振动成分的频率一定，则振动整流误差的大小与输入的振动成分的振幅的平方成比例，由此通过以消除振动整流误差的方式调整漂移量，能够使物理量传感器组件1的输入输出关系接近线性。
＜实验结果＞
接着，说明物理量传感器组件1的实验结果。图7是实验结果的一个例子。在图7中，将横轴设为时间，将纵轴设为加速度，示出通过对频率变化式物理量传感器3进行励振来瞬间施加加速度时的频率比测量装置7的输出。若向频率变化式物理量传感器3施加加速度，则频率变化式物理量传感器3的振荡频率变动，从频率比测量装置7输出表示该振荡频率的信号。该输出相当于物理量传感器组件1的加速度的检测值。
另外，在图7中示出频率比测量装置7的输入输出特性不同的两种情况。在图7的上侧示出调整第一低通滤波器输入输出特性前的物理量传感器组件1的输出测量结果，在下侧示出调整第一低通滤波器输入输出特性后的物理量传感器组件1的输出测量结果。
每个都是以大约“0.05秒”的定时以脉冲状施加加速度的方式施加冲击。若向频率变化式物理量传感器3施加加速度，则作为物理量传感器组件1的检测值的加速度产生变动。在任一情况下，作为该加速度(检测值)的变动的方式，在振幅产生大的变动后，虽然逐渐安定是相同的，但脉冲波形中包含宽范围的频率成分，因此激发结构谐振。施加加速度的定时后(励振后)的振动的中央值不同。也就是说，在图7的上侧示出的调整第一低通滤波器输入输出特性前的物理量传感器组件1的输出中，励振后振动的中央值自初始值漂移。该漂移部分Δ(在图7中，约200mG)为振动整流误差。根据时间经过而振动的中央值接近初始值，漂移得到缓和，但观察到在作为图表的右端的0.4秒时刻，还未回到初始值。
另一方面，在图7的下侧示出的调整第一低通滤波器输入输出特性后的物理量传感器组件1的输出中，励振后的振动的中央值立即收敛至初始值，漂移成分减少。也就是说，输出信号的频率相对于输入频率比测量装置7的被测量信号的频率的关系的输入输出特性中表现为非线性，通过控制漂移量，校正振动整流误差。
＜作用效果＞
根据第一实施方式，通过对第一低通滤波器20以及第二低通滤波器60的滤波器抽头数的延迟数n1～n4进行设定变更，能够使频率比测量装置7的输入输出特性相对于频率变化式物理量传感器3所具有的施加加速度和振荡频率具有所谓的“逆(轴对称)”的非线性。由此，以通过作为频率比测量装置7的输入输出特性的“逆”的非线性抵消的方式来校正作为频率变化式物理量传感器3的输出的被测量信号的非线性，作为物理量传感器组件1整体，能够使作用于频率变化式物理量传感器3的加速度和输出的关系接近线性。
第一低通滤波器20以及第二低通滤波器60是设置于频率Δ-Σ调制部10的输出侧的滤波器，并不是用于校正非线性的专用电路或专用机构。因此，不用使物理量传感器组件1大型化，就能够校正物理量传感器的非线性。
＜变形例＞
此外，在第一实施方式中，说明了对作为第一低通滤波器20的滤波器抽头数的延迟数n2、n3进行设定变更的情况，但也能够对延迟数n1、作为第二低通滤波器60的滤波器抽头数的延迟数n4进行设定变更。在第一低通滤波器20中，由抽取滤波器32对输入信号进行降采样，因此与抽取滤波器32后段的第二延迟元件34、第三延迟元件38的延迟数n2、n3的调整相比较，前段的第一延迟元件24的延迟数n1的调整，即便为相同延迟数，平滑化定时的延迟量(延迟时间)变小。即，第一低通滤波器20具备以能够较小地(细致地)调整平滑化定时的变更量的滤波器抽头数的方式形成的第一延迟元件24、以能够较大地(粗糙地)调整滤波器抽头数的方式形成的第二延迟元件34以及第三延迟元件38，从而能够以疏密不同的多个滤波器抽头数改变平滑化定时。由此，能够简单地对作为频率变化式物理量传感器3的输出的被测量信号进行校正程度的调整。
[第二实施方式]
接着，说明第二实施方式。在后文中，主要针对与第一实施方式的差异进行叙述，针对与第一实施方式相同的构成要素，标注相同的符号并省略重复的说明。第二实施方式是作为第一实施方式的物理量传感器组件1的物理量检测器的实施方式。
图8是示意性示出第二实施方式的物理量检测器100的内部结构的剖视图。物理量检测器100具有作为第一实施方式的频率变化式物理量传感器3的物理量检测设备200、电子电路140、容纳物理量检测设备200以及电子电路140的封装件102。
封装件102具有封装基座104和盖板106。封装件102以覆盖具有凹部的封装基座104的上方的方式，通过板状的盖板106经由盖板接合材料108连接于封装基座104来划分内部空间，并在该内部空间支持固定物理量检测设备200以及电子电路140。封装基座104例如能够使用陶瓷、石英、玻璃、硅等的材料。盖板106例如能够使用与封装基座104相同材料，或者铁(Fe)和镍(Ni)的合金、不锈钢等的金属。盖板接合材料108例如能够使用焊缝环、低熔点玻璃、无机类粘合剂。
在封装基座104的内部，沿着内壁设置有用于在其上表面支持固定物理量检测设备200的阶梯部110。另外，在阶梯部110的上表面，设置有与物理量检测设备200的固定部连接端子电连接的内部端子114。
在封装基座104的外底表面设置有安装于外部部件时使用的外部端子116。外部端子116经由未图示的内部布线电连接于内部端子114。内部端子114以及外部端子116由例如在钨(W)等的金属化膜层通过电镀等的方法层叠镍(Ni)、金(Au)等的皮膜的金属膜构成。
在封装基座104的底部，形成有从外底面贯通至内底面的贯通孔120。在图8示出的例子中，贯通孔120形成为外侧的孔径比内侧的孔径大的台阶的形状。在该贯通孔120内，设置有用于气密性地密封封装件102内部(模腔)的密封部122。密封部122在贯通孔120配置例如金(Au)和锗(Ge)的合金、焊料等形成的密封材料，在加热熔融后，通过固化来设置。在将盖板106接合于封装基座104后，在封装件102的内部减压的状态(真空度高的状态)下在贯通孔120内配置密封材料，在加热熔融后，使其固化来设置密封部122，从而能够气密地密封封装件102内。封装件102的内部可以填充氮气、氦气、氩气等的惰性气体。
电子电路140经由内部端子114等，向物理量检测设备200提供驱动信号，放大根据施加的加速度等的物理量而变化的从物理量检测设备200输出的供给频率，并从外部端子116输出至物理量检测器100的外部。另外，在该电子电路140安装第一实施方式的频率比测量装置7或基准信号振荡部5等。
图9、图10是示意性示出物理量检测设备200的立体图。图10为了说明的简化而省略质量部210的图示。另外，图11是物理量检测设备200的俯视图。物理量检测设备200具有通过支持部支持四角的基部202、通过从基部202延伸设置的接头部204而连结并由于检测方向的加速度而弯曲的可动部206、物理量检测元件208。
物理量检测元件208是例如通过光刻技术以及蚀刻技术，通过对将从水晶原石等以预定的角度切割出的水晶基板图案化而形成的双音叉型的振动元件。当然，该元件的素材并不限定于水晶，还能够使用钽酸锂、四硼酸锂、铌酸锂、锆钛酸铅、氧化锌、氮化铝等的压电材料。另外，还能够使用具备氧化锌、氮化铝等的压电材料皮膜的硅等的半导体材料。
物理量检测元件208形成为跨越接头部204的梁状，该梁部的一端侧固定于基部202，另一端侧固定于可动部206。以在物理量检测元件208的两端部连接有信号线(省略图示)并施加有预定的电流电压且物理量检测元件208以预定频率振动的方式构成。而且，若通过在测量方向上产生的加速度而可动部206弯曲，从而向物理量检测元件208的梁部作用应力，则物理量检测元件208的振动频率变化。根据该振动频率的变化生成与加速度对应的信号，并作为物理量检测元件208的输出信号输出。
[第三实施方式]
接着，说明第三实施方式。在后文中，主要针对与第一以及第二实施方式的差异进行叙述，针对与第一以及第二实施方式相同的构成要素，标注相同的符号并省略重复的说明。第三实施方式是使用第二实施方式的物理量检测器100的加速度物理量传感器的实施方式。
图12是示意性示出第三实施方式的加速度物理量传感器300的内部结构的剖视图。加速度物理量传感器300具有电子电路基板310、容纳电子电路基板310的容纳部320。
容纳部320通过在下部外壳体322的上方覆盖向下方开口的上部外壳体324并密封来划分内部空间。而且，容纳部320在该内部空间中经由内壳体326或衬垫328支持固定电子电路基板310。
电子电路基板310安装相同规格的三个第二实施方式的物理量检测器100(100x、100y、100z)，或用于放大各物理量检测器100(100x、100y、100z)的输出信号的放大电路等。
安装在电子电路基板310的三个物理量检测器100x、100y、100z是检测作为物理量的加速度的物理量传感器，输出与在检测方向上检测到的加速度对应的信号。另外，三个物理量检测器100x、100y、100z被安装成彼此的检测方向正交，加速度物理量传感器300检测正交三轴方向的加速度，成为所谓的三轴加速度物理量传感器。
[第四实施方式]
接着，说明第四实施方式。在后文中，主要针对与第一至第三实施方式的差异进行叙述，针对与第一至第三实施方式相同的构成要素，标注相同的符号并省略重复的说明。第四实施方式是使用第三实施方式的加速度物理量传感器300的倾斜仪的实施方式。
图13是示出第四实施方式的倾斜仪400的构成例的图，且是显示局部剖面的侧视图。倾斜仪400是输出与所设置的位置的倾斜角度相对应的信号的装置。倾斜仪400在由底壳体402和上部壳体404划分的内部空间中具有：第三实施方式的加速度物理量传感器300；计算部410，根据加速度物理量传感器300的输出信号计算倾斜角度；以及外部输出端子412，将与在计算部410计算的倾斜角度对应的信号输出至外部。当然，还能够适当包含其以外的要素。例如，能够包含内置电池、电源电路、无线装置等。
计算部410是由加速度物理量传感器300的输出信号运算倾斜角度，输出对应于倾斜角度的信号的电路。例如，能够通过常用IC(Integrated Circuit：集成电路)或FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)等实现。
根据第四实施方式的倾斜仪400，采用使用第一实施方式的物理量传感器组件1的加速度物理量传感器300，能够相比现有的倾斜仪提高倾斜的测量精度。
[第五实施方式]
接着，说明第五实施方式。在后文中，主要针对与第一至第四实施方式的差异进行叙述，针对与第一至第四实施方式相同的构成要素，标注相同的符号并省略重复的说明。第五实施方式是使用第三实施方式的加速度物理量传感器300的惯性测量装置的实施方式。
图14是示出第五实施方式的惯性测量装置500的构成例的图，且是显示局部剖视的侧视图。惯性测量装置500是安装于移动体的装置，在由底壳体502和上部壳体504划分的内部空间在具有：第三实施方式的加速度物理量传感器300；角速度物理量传感器510；电路部512，基于加速度物理量传感器300的输出信号以及角速度物理量传感器510的输出信号计算移动体的姿势；以及外部输出端子514，将与由电路部512计算的姿势对应的信号输出至外部。当然，能够适当地包含其以外的要素。例如，能够包含内置电池、电源电路、无线装置等。
角速度物理量传感器510基本上具有与加速度物理量传感器300相同的构成，是检测X轴、Y轴以及Z轴的绕各轴的角速度的所谓的三轴角速度物理量传感器。
电路部512例如通过常用IC(Integrated Circuit：集成电路)或FPGA(FieldProgrammable Gate Array：现场可编程门阵列)实现，由加速度物理量传感器300的输出信号、角速度物理量传感器510的输出信号，计算安装有惯性测量装置500的移动体的姿势，并输出与姿势对应的信号。
[第六实施方式]
接着，说明第六实施方式。在后文中，主要针对与第一至第五实施方式的差异进行叙述，针对与第一至第五实施方式相同的构成要素，标注相同的符号并省略重复的说明。第六实施方式是使用第三实施方式的加速度物理量传感器300的构造物监视装置的实施方式。
图15是示出第六实施方式的构造物监视装置600的构成例的图。构造物监视装置600具有：安装于作为监测对象的构造物690的第三实施方式的加速度物理量传感器300；发送部620，发送加速度物理量传感器300的检测信号；接收部636，经由通信网650接收来自发送部620的发送信号计算部632，根据接收部636的接收信号计算构造物690的倾斜角度。通信网650可以是有线和无线中的任一种。
加速度物理量传感器单元610构成为在由底壳体612和上部壳体614划分的内部空间中搭载第三实施方式的加速度物理量传感器300、实现作为小型通信终端的功能的包含通信组件622以及天线644的发送部620。当然，发送部620也可以作为与加速度物理量传感器300分开的通信组件以及天线实现。
在本实施方式中，计算部632设为通过搭载于监视计算机630的ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit：专用集成电路)或FPGA(Field Programmable GateArray：现场可编程门阵列)等实现。但是，也可以构成为将计算部632作为CPU(CentralProcessing Unit：中央处理器)等的处理器，该处理器也可以构成为通过对IC存储器634所存储的程序进行运算处理来以软件的方式实现。监视计算机630通过键盘638受理操作者的各种操作输入，并能够在触摸面板640显示运算处理的结果。
接收部636通过连接于通信网650的有线通信装置或者无线通信装置实现。在本实施方式中，通过与发送部620无线通信的通信组件以及天线实现，但也可以作为与监视计算机630分开的通信组件以及天线实现。
[第七实施方式]
接着，说明第七实施方式。在后文中，主要针对与第一至第六实施方式的差异进行叙述，针对与第一至第六实施方式相同的构成要素，标注相同符号并省略重复的说明。第七实施方式是使用第三实施方式的加速度物理量传感器300的移动体的实施方式。
图16是示出第七实施方式的移动体700的构成例的图。在本实施方式中，例示出将移动体700作为乘用车，但车辆种类能够适当地变更。另外，移动体700也可以是小型船舶、自动搬运装置、场内用的搬运车、叉车等。
移动体700具有：第三实施方式的加速度物理量传感器300；以及控制部710，根据加速度物理量传感器300的检测信号，控制加速、制动以及转向中至少一个，并能够根据加速度物理量传感器300的检测信号切换自动运行的实施或不实施。
控制部710通过车载用的计算机实现。控制部710通过车内LAN(Local AreaNetwork：局域网)等的通信网与加速度物理量传感器300、节气门控制器712、制动控制器716、方向盘控制器720等各种物理量传感器以及控制器以能够接收或发送信号的方式连接。在此，节气门控制器712是控制引擎714的输出的装置。制动控制器716是控制制动器718的动作的装置。方向盘控制器720是控制动力转向盘722的动作的装置。此外，连接于控制部710的物理量传感器控制器的种类能够适当设定，而并不限定于此。
而且，控制部710用内置的运算装置，根据加速度物理量传感器300的检测信号进行运算处理，来判断自动运行的实施或者不实施，在实施自动运行的情况下，向节气门控制器712、制动控制器716、方向盘控制器720的至少任一个发送控制指令信号，控制加速、制动以及转向中的至少一个。
自动控制的内容能够适当设定。例如，在转弯中进行如下控制，以在通过加速度物理量传感器300检测到的加速度到达产生打滑或冲出弯道(corner out)的风险高的阈值时，能够防止打滑或冲出弯道。另外，在停止中进行如下控制，以在通过加速度物理量传感器300检测到的加速度到达误操作而发生急剧的前进或后退的风险高的阈值时，能够强制完全闭合节气门从而强制启动紧急制动。
此外，能够应用本发明的实施方式并不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内当然能够适当变更。

Claims (10)

1.一种物理量传感器组件，其特征在于，包括：
频率变化式物理量传感器，频率根据物理量的变化而变化；
基准信号振荡部，输出基准信号；
频率Δ-Σ调制部，使用基于从所述频率变化式物理量传感器输出的被测量信号的动作信号，对所述基准信号进行频率Δ-Σ调制，生成频率Δ-Σ调制信号；
第一滤波器，设置于所述频率Δ-Σ调制部的输出侧，与所述被测量信号同步动作；
第二滤波器，设置于所述第一滤波器的输出侧，与所述基准信号同步动作；以及
锁存器，设置于所述第一滤波器和所述第二滤波器之间，与所述基准信号同步动作，
所述频率变化式物理量传感器对所述物理量的输出信号特性具有非线性。
2.根据权利要求1所述的物理量传感器组件，其特征在于，
通过所述第一滤波器和所述第二滤波器的组成而实现的作为滤波器特性的截止频率低于所述频率变化式物理量传感器的结构谐振频率。
3.根据权利要求2所述的物理量传感器组件，其特征在于，
所述结构谐振频率是根据所述频率变化式物理量传感器的结构确定的频率。
4.根据权利要求1所述的物理量传感器组件，其特征在于，
所述第一滤波器的输入输出特性设定为用于使所述被测量信号的非线性接近线性的特性。
5.根据权利要求4所述的物理量传感器组件，其特征在于，
所述第一滤波器是能够通过滤波器抽头数来改变平滑化定时的平滑滤波器，所述滤波器抽头数设定在使由于所述非线性而出现的所述被测量信号的振动整流误差降低的平滑化定时。
6.根据权利要求5所述的物理量传感器组件，其特征在于，
所述滤波器抽头数能够从外部进行设定变更。
7.根据权利要求5所述的物理量传感器组件，其特征在于，
所述第一滤波器能够通过所述平滑化定时的变更量的疏密不同的多个滤波器抽头数来改变所述平滑化定时。
8.根据权利要求1所述的物理量传感器组件，其特征在于，
所述物理量是加速度。
9.一种倾斜仪，其特征在于，具备：
权利要求1至8中任一项所述的物理量传感器组件；以及
计算部，根据所述物理量传感器组件的输出信号计算倾斜角度。
10.一种构造物监视装置，其特征在于，具备：
安装于构造物的权利要求1至8中任一项所述的物理量传感器组件；
发送部，安装于所述构造物，发送所述物理量传感器组件的输出；
接收部，接收来自所述发送部的发送信号；以及
计算部，根据所述接收部的接收信号计算所述构造物的倾斜角度。
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