JP2010062867A - 周波数分割多重伝送方法及び物理量検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力信号を所定周期で移動平均し、その移動平均結果を搬送波の周期に応じて加減算することにより、周波数の異なる複数の搬送波を同期検波する同期検波装置において、レベルが低い信号があっても正常に同期検波できるようにする。
【解決手段】時間Ａ／Ｄ変換器（ＴＡＤ）からなる移動平均回路２４が設けられ、この移動平均回路２４で順次算出される移動平均値ＤＴを加減算することで、入力信号Ｖｉｎに含まれる複数の搬送波を同期検波する復調装置２０では、検波対象となる複数の搬送波のうち、周波数が低い搬送波程、信号の復調精度が高くなる。そこで、複数の搬送波を使って周波数分割多重伝送を行う変調装置１０では、低レベルの信号が周波数の低い搬送波で伝送されるように、各信号を搬送波に割り当てる。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力信号を所定周期で順次移動平均し、その移動平均結果を加減算することにより、周波数の異なる複数の搬送波を同期検波する同期検波装置に対し、複数の搬送波の変調信号を周波数分割多重伝送するのに好適な周波数分割多重伝送方法、及び、この方法を利用して物理量を検出する物理量検出装置に関する。

従来、ＦＤＭ（周波数分割多重）やＯＤＦＭ（直交周波数分割多重）で複数の信号を多重伝送する場合、端末側には、受信信号から周波数の異なる搬送波をそれぞれ同期検波する同期検波装置が設けられる。

また、この同期検波装置の一つとして、同期検波の対象となる複数の搬送波の内、周波数が最も高い搬送波の周期の２分の１（若しくは４分の１）の周期で受信信号を順次移動平均し、その移動平均結果を、各搬送波毎に、当該搬送波の一周期の前半では加算し、後半では減算することで、各搬送波の同期検波を行う同期検波装置が提案されている（例えば、特許文献１等、参照）。

そして、この提案の同期検波装置によれば、多重伝送する複数の搬送波の周波数を、それぞれ、基準周波数に対し２ⁿ 分の１（ｎは、０，１，２…の正の整数）の周波数に設定する必要があるが、受信信号の移動平均に、遅延ユニットを複数段縦続接続してなるパルス遅延回路を備えた時間Ａ／Ｄ変換器を用いることで、オペアンプやアナログフィルタ等のアナログ回路を用いることなく構成することができ、しかも、複数の搬送波を同時に同期検波できる。
特開２００５−１０２１２９号公報

しかしながら、上記同期検波装置においては、複数の搬送波の内、周波数が低い搬送波については、検波結果に、移動平均１回毎に生じる誤差を復調処理により小さくできるので、同期検波を精度よく実行できるものの、周波数が高い搬送波については、移動平均１回毎に生じる誤差を復調処理により小さくする効果が薄いので、同期検波の精度が悪くなるという問題があった。

つまり、上記同期検波装置では、時間Ａ／Ｄ変換器を構成している各遅延ユニットの遅延時間を制御する信号として、受信信号を使用し、周波数が最も高い搬送波の周期の２分の１（若しくは４分の１）の周期を移動平均時間として、その移動平均時間内に前記パルス遅延回路内でパルス信号が通過した遅延ユニットの段数をカウントすることにより、受信信号の移動平均処理を行う。

従って、この移動平均処理では、一回の移動平均で生じた誤差（遅延ユニット１段当たりの時間（換言すればカウント値１ビット当たりの時間）よりも短い時間）は、次の移動平均結果に加算されることになる。

一方、上記同期検波装置では、各搬送波の同期検波が、移動平均処理により得られたカウント値を、対象となる搬送波の一周期の前半部分で加算し、後半部分で減算する、といった手順で実行されることから、搬送波の周波数が低い時には、移動平均結果（カウント値）の連続加算期間及び連続減算期間が長くなる。

このため、搬送波の周波数が低い時には、移動平均処理にて順次算出される複数のカウント値が連続的に加算及び減算されることによって、移動平均一回当たりに生じる誤差が順次相殺されることになり、同期検波を高精度に実行できることになる。

これに対し、搬送波の周波数が高い時には、移動平均結果（カウント値）の加算・減算が短期間で交互に切り替えられることになる。このため、搬送波の周波数が高い時には、移動平均一回当たりに生じる誤差を移動平均結果の加減算によって相殺することができず、同期検波結果に、１回の移動平均で生じた誤差が順次蓄積されて、同期検波の精度が低下することになる。

従って、上記同期検波装置を用いて周波数の異なる搬送波を同期検波する場合、送信時に周波数が高い搬送波を変調するのに用いた信号のレベルが低いと（換言すればその信号のＳ／Ｎ（信号対雑音比）が小さいと）、同期検波により復調される信号のＳ／Ｎがより悪くなり、同期検波装置側でその信号を正常に復調することができなくなる、という問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、入力信号を所定周期で順次移動平均処理し、その移動平均結果を搬送波の周期に応じて加減算することにより、周波数の異なる複数の搬送波を同期検波する同期検波装置に対し、レベルが低い信号であっても復調できるように複数の信号を周波数分割多重伝送する方法、及び、この方法を利用して物理量を検出する物理量検出装置、を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、伝送路からの入力信号を、基準周波数の周期の２分の１又は４分の１の周期毎に順次移動平均処理し、その移動平均結果を、各搬送波毎に、当該搬送波の周期に応じて加減算することにより、各搬送波を同期検波する同期検波装置に対し、複数の信号を周波数分割多重伝送する方法に関するものである。

そして、この周波数分割多重伝送方法では、基準周波数に対し２ⁿ 分の１（ｎは、０，１，２…の正の整数）の周波数を有する複数の搬送波を、それぞれ、信号レベルが低い程搬送波の周波数が低くなるよう各搬送波に割り当てられた信号で変調し、その変調した複数の変調信号を各信号共通の伝送路上に送出する。

このため、本発明の周波数分割多重伝送方法によれば、周波数が異なる複数の搬送波を使って、上記同期検波装置に複数の信号を伝送できるだけでなく、低レベルの信号が、周波数が高い搬送波を変調するのに用いられて、同期検波装置側で、その信号の復調精度が低下するのを防止できる。

ここで、本発明の周波数分割多重伝送方法において、多重伝送した各信号を復調するのに用いられる同期検波装置は、請求項２に記載のように、遅延ユニットを複数段縦続接続してなるパルス遅延回路を備え、このパルス遅延回路に対し、各遅延ユニットの遅延時間を制御する信号として入力信号を入力すると共に、このパルス遅延回路にパルス信号を入力してパルス信号を各遅延ユニットの遅延時間にて順次遅延しながら伝送させ、基準周波数の周期の２分の１又は４分の１の周期毎に、パルス遅延回路内でパルス信号が通過した遅延ユニットの段数をカウントすることにより、移動平均処理を実行するよう構成されていることが望ましい。

つまり、このように構成された同期検波装置によれば、搬送波の周波数が高いほど同期検波の精度が低くなり、搬送波の周波数が低いほど同期検波の精度が高くなるという問題が顕著に現れるので、本発明の効果をより有効に発揮することができる。

また、本発明において、複数の信号を周波数分割多重伝送するのに使用する複数の搬送波には、請求項３に記載のように、一つの周波数に一つの割で設定された、互いに周波数の異なる複数の搬送波を用いるようにしてもよく、あるいは、請求項４に記載のように、同一周波数で位相が９０度異なる２種類の搬送波を複数組用いるようにしてもよい。

次に、請求項５に記載の発明は、物理量として加速度及び角速度を同時に検出可能な物理量検出装置に関するものである。
そして、この物理量検出装置には、物体を静電浮上可能に内蔵したケースが備えられ、そのケースには、物体を静電支持するための複数の静電支持用電極と、物体から信号を取り出すための共通電極とが設けられている。

また、物理量（加速度及び角速度）の検出時には、制御電圧印加回路が、複数の静電支持用電極に、それぞれ、物体の位置制御用の制御電圧を印加することで、静電力によりケース内に物体を位置決めし、更に、搬送波供給手段が、各静電支持用電極毎に周波数が設定された位置検出用搬送波を、各静電支持用電極にそれぞれ印加する。

このように各静電支持用電極に印加された位置検出用搬送波は、容量結合によって静電支持用電極から物体にも印加され、その印加された位置検出用搬送波の振幅は、ケース内での物体の移動によって変化する。

そこで、本発明の物理量検出装置においては、同期検波回路が、物体に印加された信号を共通電極を介して取り込み、その取り込んだ信号から各位置検出用搬送波を同期検波し、制御演算回路が、同期検波回路による各位置検出用搬送波の同期検波結果に応じて制御電圧印加回路が各静電支持用電極に印加する制御電圧を制御することで、物体を所定位置に制御し、更に、その同期検波結果からケースに加わった加速度及び角速度を検出する。

このように、本発明の物理量検出装置においては、ケースに設けられた静電支持用電極を介して物体に印加された複数の位置検出用搬送波が、ケース内での物体の変位に応じて変調され、その変調された複数の位置検出用搬送波が、共通電極を介して、同期検波回路に周波数分割多重伝送される。

ところで、この同期検波回路を、オペアンプやアナログフィルタ等のアナログ回路を用いて構成すると、アナログ回路は、ノイズの影響を受け易く、また、検波対象となる搬送波毎に構成する必要があるので、物理量検出装置の耐環境性が低下し、その小型化が難しいという問題が生じる。

そこで、更に、本発明では、各静電支持用電極に印加する複数の位置検出用搬送波の周波数を、それぞれ、基準周波数に対し２ⁿ 分の１（ｎは、０，１，２…の正の整数）の周波数に設定し、同期検波回路には、遅延ユニットを複数段縦続接続してなるパルス遅延回路を備えた上述の同期検波装置を使用するようにされている。

また、この同期検波回路においては、複数の搬送波のうち、周波数の高い搬送波を、レベルの低い信号（ここでは制御演算回路が角速度の検出に用いる信号）の伝送に利用すると、その搬送波の同期検波を良好に行うことができず、角速度の検出精度が加速度に比べて著しく低下することが考えられる。

このため、搬送波供給回路は、制御演算回路が角速度を検出するのに用いる位置検出用搬送波の周波数が、制御演算回路が加速度を検出するのに用いる位置検出用搬送波よりも低くなるよう、各静電支持用電極に印加する位置検出用搬送波を設定することで、角速度の検出精度が低下するのを防止している。

従って、本発明の物理量検出装置によれば、同期検波回路に上述した同期検波装置を用いることにより、装置の耐環境性を向上すると共に、装置の小型化を図ることができ、しかも、加速度及び角速度を精度よく検出できるようになる。

ところで、本発明の物理量検出装置としては、静電支持用電極を、物体を挟んで互いに直交する３軸方向に配置された３種類の電極にて構成し、そのうち、特定の１軸方向に配置される電極を、特定の１軸の周囲に配置された複数の電極にて構成することで、３種類の電極にて各３軸方向の加速度を検出し、特定の１軸の周囲に配置された複数の電極にて他の２軸の軸周りに生じた角速度を検出するようにした、静電浮上型ジャイロ装置が知られている（例えば、特開２００５−１４０７０９号公報、特開２００５−２１４９４８号公報等参照）。

そして、このように構成された物理量検出装置に本発明を適用する場合には、請求項６に記載のように、搬送波供給回路を、特定の１軸の周囲に配置された角速度検出用の電極に対し、他の軸方向に配置された加速度検出用の電極に印加する位置検出用搬送波よりも周波数が低い位置検出用搬送波を印加するよう構成すればよい。

また、搬送波供給回路は、請求項７に記載のように、各静電支持用電極に印加する位置検出用搬送波の周波数を定期的に変化させるように構成してもよい。そして、このようにすれば、角速度の検出に用いられる静電支持用電極間、或いは、加速度の検出に用いられる静電支持用電極間で生じる信号検出精度のばらつきを抑えることができ、延いては、角速度及び加速度を、それぞれ、精度よく安定して検出することができるようになる。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明が適用された第１実施形態の周波数分割多重伝送システムの概略構成を表す説明図である。

図１に示すように、本実施形態の周波数分割多重伝送システムは、変調装置１０と、復調装置２０とから構成されている。
変調装置１０は、同一周波数で位相が９０度異なる２種類の搬送波を、異なる周波数毎に複数組生成し、その生成したＷ個の搬送波Ｓ１〜Ｓｗを、多重伝送すべき複数の信号１〜Ｗでそれぞれ振幅変調する変調回路１２と、変調回路１２で振幅変調された複数の変調信号を混合して、各信号共通の伝送路上に送出する混合回路１４と、から構成されている。

また、搬送波Ｓ１〜Ｓｗの周波数は、各組毎に、基準周波数の２ⁿ 分の１（本実施形態では、ｎ：０，１，２）の周波数に設定されており、変調装置１０から復調装置２０には、周波数が最も高い２つの搬送波Ｓｗ、Ｓ(w-1) の一方に位相同期した基準クロックＣＫｒｅｆが出力される。

次に、復調装置２０は、変調装置１０から入力される基準クロックＣＫｒｅｆを４逓倍することで、基準クロックＣＫｒｅｆ（換言すれば基準周波数）の周期の４分の１の周期を有するサンプリング信号ＣＫＳを生成する逓倍回路２２と、この逓倍回路２２にて生成されたサンプリング信号ＣＫＳの一周期毎に、変調装置１０からの入力信号Ｖｉｎを移動平均する移動平均回路２４と、この移動平均回路２４にてサンプリング信号ＣＫＳの一周期毎に求められる移動平均値ＤＴｘを、予め設定された復調対象期間の間順次ラッチし、そのラッチした移動平均値ＤＴｘを上記各搬送波Ｓ１〜Ｓｗの周期及び位相に応じてそれぞれ加減算することで、上記各搬送波Ｓ１〜Ｓｗを同期検波する復調回路２６とを備える。

ここで、復調対象期間は、搬送波Ｓ１〜Ｓｗのうち、周波数が最も低い搬送波Ｓ１、Ｓ２の一周期分の期間に設定されており、復調回路２６内では、その復調対象期間中に得られた複数の移動平均値ＤＴｘを、各搬送波毎に、図２（ａ）に例示する計算式に従い加減算し、各搬送波Ｓ１〜Ｓｗの振幅を算出する。

つまり、多重伝送する信号が６個（Ｗ＝６）である場合、復調回路２６は、各信号１〜６毎に、図２（ａ）に示す復調処理を行う。そして、各復調処理では、復調対象期間内に移動平均回路２４で算出された１６個の移動平均値ＤＴ１〜ＤＴ１６のうち、検波対象となる搬送波が変動中心に対し正極側になる位相領域で得られた移動平均値ＤＴｘについては加算し、搬送波が変動中心に対し負極側になる位相領域で得られた移動平均値ＤＴｘについては減算する。この結果、各復調処理では、図２（ｂ）に示すように、検波対象となる信号成分を除去し、検波対象となる信号の振幅のみに対応したデジタルデータＤ１〜Ｄｗが算出され、その算出結果が、同期検波結果（復調結果）として出力される。

次に、移動平均回路２４は、所謂、時間Ａ／Ｄ変換器（ＴＡＤ）から構成されている。
図３（ａ）に示すように、移動平均回路２４は、パルス信号Ｐｉｎを所定の遅延時間だけ遅延させて出力する遅延ユニット３１を複数段リング状に接続することにより、パルス信号Ｐｉｎを周回させるパルス遅延回路（リングディレイライン：ＲＤＬ）３０と、パルス遅延回路３０内でのパルス信号Ｐｉｎの周回回数をカウントするカウンタ３２と、サンプリング信号ＣＫＳの立上がり（又は立下がり）タイミングで、パルス遅延回路３０内でのパルス信号Ｐｉｎの到達位置を検出（ラッチ）し、その検出結果を、パルス信号Ｐｉｎが通過した遅延ユニット３１が先頭から何段目にあるかを表す所定ビットのデジタルデータに変換して出力するラッチ＆エンコーダ３４と、同じく、サンプリング信号ＣＫＳの立上がり（又は立下がり）タイミングでカウンタ３２によるカウント値をラッチするラッチ回路３６と、このラッチ回路３６からの出力を上位ビットデータｂ、ラッチ＆エンコーダ３４からの出力を下位ビットデータａとするデジタルデータＤｔを取り込み、そのデジタルデータＤｔの前回値と最新値との偏差を求めることにより、サンプリング信号ＣＫＳの一周期内にパルス信号Ｐｉｎが通過した遅延ユニット３１の個数を表すデジタルデータＤＴを算出する減算部３８と、を備える。

そして、パルス遅延回路３０を構成する各遅延ユニット３１は、インバータ等からなるゲート回路にて構成されており、各遅延ユニット３１には、バッファ３９を介して、変調装置１０からの入力信号Ｖｉｎが駆動電圧として印加される。

このため、各遅延ユニット３１の遅延時間は、入力信号Ｖｉｎの電圧レベルに対応した時間となり、サンプリング信号ＣＫＳの一周期内にパルス遅延回路３０内でパルス信号Ｐｉｎが通過する遅延ユニット３１の個数（つまり、移動平均回路２４からの出力データＤＴ）は、その周期内に入力信号Ｖｉｎの電圧レベルを平均化した移動平均値となる。

なお、パルス遅延回路３０において、初段の遅延ユニット３１ａは、２つの入力端子を有し、一方の入力端子を起動用端子とするゲート回路にて構成されており、この初段の遅延ユニット３１ａのもう一つの入力端子は、最終段の遅延ユニット３１ｂの出力端子と接続されている。この結果、遅延ユニット３１ｂの起動用端子にパルス信号Ｐｉｎを入力すれば、出力端子からパルス信号Ｐｉｎが出力され、その後、パルス信号Ｐｉｎがパルス遅延回路３０内で周回することになる。

このように、本実施形態では、受信側の復調装置２０に、パルス遅延回路３０を備えた時間Ａ／Ｄ変換器（ＴＡＤ）からなる移動平均回路２４が設けられており、復調回路２６が、この移動平均回路２４で順次算出される移動平均値ＤＴを加減算することで、入力信号Ｖｉｎに含まれる複数の搬送波を同期検波することから、同期検波の精度は、複数の搬送波のうち、周波数が低い搬送波程、高くなる。

これは、周波数が低い搬送波は、移動平均値ＤＴを連続的に加算（或いは減算）する位相領域が長くなり、その連続加算（或いは減算）によって移動平均１回毎に生じる誤差が相殺されるのに対し、周波数が高い搬送波は、移動平均値ＤＴを連続的に加算（或いは減算）する位相領域が短くなるので、その連続加算（或いは減算）によって相殺される誤差が少なくなり、更に、復調対象期間内で移動平均値ＤＴの加算・減算が切り替えられる回数が多くなるので、一回の連続加算（或いは減算）で生じる誤差が蓄積されるためである。

そこで、本実施形態では、図１に示すように、変調装置１０が復調装置２０に多重伝送する複数の信号１〜Ｗのうち、信号レベルが高い（換言すれば変調後の搬送波の振幅が大きくなる）信号を周波数の高い搬送波に割り当て、信号レベルが低い（換言すれば変調後の搬送波の振幅が小さくなる）信号を周波数の低い搬送波に割り当てるようにしている。

この結果、変調装置１０から復調装置２０へ多重伝送される変調信号のうち、周波数が高い搬送波Ｓｗの振幅は大きく、周波数が低い搬送波Ｓ１の振幅は小さくなり、復調装置２０で周波数が高い搬送波Ｓｗを同期検波する際に検波結果に誤差が生じても、同期検波によって得られる信号は、元々信号レベルが高い信号であるので、問題なく復調することができるようになる。

また、信号レベルが低い信号は、周波数の低い搬送波で伝送されるので、復調装置２０側では、その信号を精度よく復調することができ、その復調動作（同期検波）によって、その信号が劣化するのを防止できる。

よって、本実施形態の周波数分割多重伝送システムによれば、変調装置１０から復調装置２０へ多重伝送した複数の信号が、復調装置２０側で全て良好に復調されることになり、複数の信号の伝送品質を確保することができる。
［変形例１］
ここで、上記実施形態では、変調装置１０は、同一周波数で位相が９０度異なる２種類の搬送波を複数組生成し、その生成した搬送波Ｓ１〜Ｓｗを用いて複数の信号１〜Ｗを多重伝送するものとして説明したが、たとえば、図４（ａ）に示すように、変調装置１０は、基準周波数の２ⁿ 分の１（ｎ：０，１，２，３）の周波数を有し、互いに周波数が異なる搬送波Ｓ１、Ｓ３、…Ｓ１１を用いて、複数（ここでは６個）の信号１、３、…１１を多重伝送するようにしてもよい。

そしてこの場合、変調装置１０から復調装置２０には、最も周波数が高い搬送波Ｓ１１に同期した基準クロックＣＫｒｅｆを出力し、復調装置２０側では、その基準クロックＣＫｒｅｆを逓倍回路２２で２逓倍することで、基準クロックＣＫｒｅｆの周期の２分の１の周期を有するサンプリング信号ＣＫＳを生成し、上記実施形態と同様、そのサンプリング信号ＣＫＳの一周期毎に入力信号Ｖｉｎを移動平均して、その移動平均結果（移動平均値ＤＴｘ）を、各搬送波Ｓ１、Ｓ３、…Ｓ１１の周期及び位相に応じてそれぞれ加減算することで、各搬送波Ｓ１、Ｓ３、…Ｓ１１を同期検波するようにすればよい。

なお、この場合、各搬送波Ｓ１、Ｓ３、…Ｓ１１の復調処理は、図４（ｂ）に示すように、最も周波数が低い搬送波の一周期を復調対象期間として算出された６４個の移動平均値ＤＴ１〜ＤＴ６４を、各搬送波毎に、その搬送波が変動中心に対し正極側になる位相領域で得られた移動平均値ＤＴｘについては加算し、搬送波が変動中心に対し負極側になる位相領域で得られた移動平均値ＤＴｘについては減算することにより実行すればよい。そして、このようにすれば、図４（ｃ）に示すように、各復調処理で、検波対象となる信号成分を除去し、検波対象となる信号の振幅のみに対応したデジタルデータＤｗが得られることになる。
［変形例２］
また次に、上記実施形態では、変調装置１０から復調装置２０には、最も周波数が高い搬送波に同期した基準クロックＣＫｒｅｆが出力されるものとして説明したが、変調装置１０から復調装置２０に基準クロックＣＫｒｅｆを伝送できない場合には、復調装置２０側で、発振器等を用いてサンプリング信号ＣＫＳは生成できても、そのサンプリング信号ＣＫＳを搬送波と位相同期させることができない。

そこで、このような場合には、変調装置１０から復調装置２０には、図５（ａ）に示すように、上記変形例１と同様、互いに周波数が異なる搬送波Ｓ１、Ｓ３、…Ｓ１１を用いて、複数（ここでは６個）の信号１、３、…１１を多重伝送するようにし、復調装置２０側では、所謂直交検波によって、各搬送波に重畳された信号（つまり振幅）を復調するようにすればよい。

具体的には、復調装置２０において、まず、図５（ａ）に示すように、最も周波数が高い搬送波Ｓ１１の周期の４分の１の周期で、任意の位相ｐを有するサンプリング信号ＣＫＳを生成し、そのサンプリング信号ＣＫＳに従い入力信号Ｖｉｎを順次移動平均する。そして、図５（ｂ）に示すように、最も周波数が低い搬送波Ｓ１の一周期分に対応した復調対象期間内に得られた１２８個の移動平均値を加減算することにより、各搬送波毎に、９０度位相のずれたＩ成分及びＱ成分を算出し、その算出結果Ｉ、Ｑから、図５（ｃ）に示す演算式に従い、各搬送波の振幅を算出する。

そして、このようにすれば、変調装置１０から復調装置２０に基準クロックＣＫｒｅｆを伝送できない場合でも、復調装置２０側で、変調装置１０から周波数分割多重伝送された複数の信号を復調できることになる。

なお、上記実施形態や変形例１、２で説明した復調装置２０（換言すれば同期検波装置）の構成については、特許文献１等に詳細に説明されているので、ここではより詳しい説明は省略する。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態として、物理量検出装置について説明する。

図６に示すように、本実施形態の物理量検出装置は、筒状の側壁４２と、その両端開口部を密閉する一対の蓋体４３、４４とで構成されるケース４５内（図はケース４５を分解した状態を表す）に、円板状の浮上物体４０を静電浮上可能に収納したセンサ本体を備える。

ケース４５は、ガラス等の絶縁物にて構成されており、内部は真空空間となっている。また、浮上物体４０は、シリコン等の導電体にて構成されている。そして、ケース４５の側壁には、浮上物体４０の中心軸（Ｚ軸）に直交し且つ互いに直交するＸ軸及びＹ軸に沿って、浮上物体４０を挟むように周囲電極５０、５２、５４、５６が設けられ、ケース４５の上方の蓋体４３には、周囲電極と同様、Ｘ軸及びＹ軸に沿って、Ｚ軸を挟むように上部電極７１、７３、７５、７７が設けられ、ケース４５の下方の蓋体４４には、浮上物体４０を挟んで各上部電極７１、７３、７５、７７と対向する位置に下部電極７２、７４、７６、７８が設けられている。

これら各電極５０〜５６、７１〜７８は、それぞれ、隣接する２つの電極ａ、ｂからなり、図７に示す制御電圧印加回路９２を介して、各電極ａ、ｂに極性が異なる制御電圧（図７に示すＶ１１、Ｖ１２等）が印加されることによって、浮上物体４０を静電支持する静電支持用電極である。また、これら各電極５０〜５６、７１〜７８の間には、制御電圧や後述の位置検出用搬送波が印加されない共通電極８０が設けられている。

次に、図７は、上記のように構成されたセンサ本体を含む物理量検出装置全体の構成を表すブロック図である。
図７に示すように、物理量検出装置には、上述した静電支持用電極５０〜５６、７１〜７８を構成する一対の電極ａ、ｂに、それぞれ、浮上物体４０の位置制御用の制御電圧を印加する制御電圧印加回路９２と、各静電支持用電極５０〜５６、７１〜７８に、それぞれ、位置検出用搬送波を印加する位置検出用搬送波供給回路９４と、各静電支持用電極５０〜５６、７１〜７８から浮上物体４０に印加された信号を、共通電極８０を介して取り込み、その取り込んだ信号から位置検出用搬送波を同期検波することにより、各静電支持用電極５０〜５６、７１〜７８と浮上物体４０との相対位置を検出する位置検出回路９６と、この位置検出回路９６による検出結果に基づき、制御電圧印加回路９２が各静電支持用電極５０〜５６、７１〜７８に印加する制御電圧を制御することで、浮上物体４０をケース４５内の所定位置に制御すると共に、位置検出回路９６による検出結果に基づき外部からケース４５に加わったＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の加速度、及び、Ｘ軸及びＹ軸周りの角速度を算出する制御演算回路９０と、が備えられている。

ここで、位置検出用搬送波供給回路９４は、浮上物体４０を挟んで対向配置された電極、たとえば、電極７１ａ、７１ｂと、電極７２ａ、７２ｂとに、それぞれ、同一周波数で位相が１８０度異なる位置検出用搬送波を印加するよう構成されている。

また、図８に示すように、この位置検出用搬送波には、第１実施形態と同様、周波数及び位相が異なる６種類の搬送波Ｓ１〜Ｓ６が設定されており、これら各位置検出用搬送波は、対となる電極毎に割り当てられる。

具体的には、ケース４５の側壁４２に設けられたＹ軸方向の静電支持用電極５０、５２と、Ｘ軸方向の静電支持用電極５４、５６とに、最も周波数が高く位相が９０度異なる搬送波Ｓ６、Ｓ５が割り当てられ、ケース４５の蓋体４３、４４に設けられたＺ軸方向の静電支持用電極７１、７２と、７３、７４とに、次に周波数が高く位相が９０度異なる搬送波Ｓ４、Ｓ３が割り当てられ、同じくケース４５の蓋体４３、４４に設けられたＺ軸方向の静電支持用電極７５、７６と、７７、７８とに、最も周波数が低く位相が９０度異なる搬送波Ｓ２、Ｓ１が割り当てられている。

次に、位置検出回路９６は、図７に示すように、共通電極８０からの入力電流Ｉｐを電圧値に変換する電流電圧変換回路９７と、この電流電圧変換回路９７からの出力（図９参照）を増幅するアンプ９８と、このアンプ９８で増幅された電圧信号から上記各搬送波Ｓ１〜Ｓ６を同期検波することで、各搬送波Ｓ１〜Ｓ６に対応した電極位置での浮上物体４０の位置を表す位置信号を検出する復調装置２０とから構成されている。なお、この復調装置２０は、図１に示した第１実施形態の復調装置と同様、パルス遅延回路を備えた時間Ａ／Ｄ変換器（ＴＡＤ）にて構成されている。

そして、制御演算回路９０は、位置検出回路９６にて上記各搬送波Ｓ１〜Ｓ６を同期検波することにより得られた位置信号からＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の加速度を算出すると共に、Ｚ軸方向の静電支持用電極７１〜７８を介して得られた４つの位置信号から、Ｘ軸周り及びＹ軸周りの回転加速度を算出し、その算出結果を積分することで、Ｘ軸周り及びＹ軸周りの角速度を算出する。

このように本実施形態では、Ｚ軸方向の静電支持用電極７１〜７８を介して得られた４つの位置信号から、Ｘ軸周り及びＹ軸周りの角速度を算出するが、演算により角速度を導出するには、演算に用いる位置信号の精度が要求され、このためには、位置検出回路９６の復調装置２０で実行される同期検波の精度を高める必要がある。

そこで、本実施形態では、上記のように、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の静電支持用電極５０〜５６に印加する位置検出用搬送波に比べ、Ｚ軸方向の静電支持用電極７１〜７８に印加する位置検出用搬送波の方が、周波数が低くなるように、各位置検出用搬送波を各電極に割り当てている。

この結果、本実施形態によれば、Ｚ軸方向の静電支持用電極７１〜７８を介して得られる位置信号の精度を高め、Ｘ軸周り及びＹ軸周りの角速度を良好に算出することができるようになる。

なお、本実施形態では、浮上物体４０は、単にケース４５内に収納されるものとして説明したが、角速度の検出精度を高めるために、蓋体４３、４４に、浮上物体４０をＺ軸周りに回転させるための駆動電極を設け、この駆動電極に回転駆動用の駆動信号を印加することで、浮上物体４０を回転させるようにしてもよい。また、浮上物体４０を変位可能に支持する支持部材をケース内４５に設けることで、角速度等の検出精度を向上するようにしてもよい。

一方、Ｚ軸方向の静電支持用電極７１〜７８には、４種類の位置検出用搬送波が印加されるが、この搬送波の周波数は、２種類（場合によっては４種類）になるので、この周波数の違いによって、Ｚ軸方向の加速度やＸ軸周り及びＹ軸周りの角速度の検出精度が低下することも考えられる。

このため、位置検出用搬送波供給回路９４は、図１０に示すように、Ｚ軸方向の静電支持用電極７１〜７８に印加する４種類の位置検出用搬送波を、これら各電極７１〜７８間で、定期的（図では復調対象期間毎）にローテーションさせるようにしてもよい。また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の静電支持用電極５０〜５６に印加する２種類の位置検出用搬送波についても、同様に変化させるようにしてもよい。

そして、このように、各電極に印加する位置検出用搬送波を定期的に変化させれば、加速度や角速度の検出精度を平均化させ、検出精度がばらつくのを防止できる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内にて、種々の態様をとることができる。

たとえば、上記実施形態では、本発明の周波数分割多重伝送方法を、物理量検出装置に適用した場合について説明したが、本発明の周波数分割多重伝送方法は、受信側で同期検波を行う伝送システムであれば、どのようなシステムでも適用することができる。

また、物理量検出装置に適用する場合、物理量検出装置の構成は上実施形態に限定されるものではなく、たとえば、上述した公報に開示された静電浮上型ジャイロ装置のようにリング状の物体を用いる等、センサ本体の構成を変更してもよい。

第１実施形態の周波数分割多重伝送システムの概略構成を表す説明図である。 復調装置で実行される同期検波用の演算処理を説明する説明図である。 移動平均回路の構成を表すブロック図である。 搬送波を全て異なる周波数に設定したときの同期検波の手順を説明する説明図である。 変調装置側から基準クロックを提供しないときの同期検波の手順を説明する説明図である。 第２実施形態の物理量検出装置で用いられるセンサ本体の構成を表す説明図である。 物理量検出装置の全体構成を表すブロック図である。 物理量検出装置の各電極と搬送波との関係を表す説明図である。 共通電極から得られる位置信号とその同期検波結果を表す説明図である。 搬送波を定期的に変化する際の動作を説明する説明図である。

符号の説明

１０…変調装置、１２…変調回路、１４…混合回路、２０…復調装置、２２…逓倍回路、２４…移動平均回路、２６…復調回路、３０…パルス遅延回路、３１，３１ａ，３１ｂ…遅延ユニット、３２…カウンタ、３４…エンコーダ、３６…ラッチ回路、３８…減算部、３９…バッファ、４０…浮上物体、４２…側壁、４３，４４…蓋体、４５…ケース、５０〜５６，７１〜７８…静電支持用電極、８０…共通電極、９０…制御演算回路、９２…制御電圧印加回路、９４…位置検出用搬送波供給回路、９６…位置検出回路、９７…電流電圧変換回路、９８…アンプ。

Claims (7)

1. 基準周波数に対し２ⁿ 分の１（ｎは、０，１，２…の正の整数）の周波数を有する複数の搬送波をそれぞれ異なる信号で変調し、その変調した複数の変調信号を各信号共通の伝送路上に送出することで、
   前記伝送路からの入力信号を、基準周波数の周期の２分の１又は４分の１の周期毎に順次移動平均処理し、その移動平均結果を、前記各搬送波毎に、当該搬送波の周期に応じて加減算することにより、前記各搬送波を同期検波する同期検波装置、
   へ周波数分割多重伝送する方法であって、
   前記各搬送波を変調する信号は、信号レベルが低い程、搬送波の周波数が低くなるよう、前記各搬送波に割り当てることを特徴とする周波数分割多重伝送方法。
2. 前記伝送路の端末側に設けられる同期検波装置は、遅延ユニットを複数段縦続接続してなるパルス遅延回路を備え、該パルス遅延回路に対し、前記各遅延ユニットの遅延時間を制御する信号として前記入力信号を入力すると共に、該パルス遅延回路にパルス信号を入力して該パルス信号を前記各遅延ユニットの遅延時間にて順次遅延しながら伝送させ、前記基準周波数の周期の２分の１又は４分の１の周期毎に、前記パルス遅延回路内で前記パルス信号が通過した遅延ユニットの段数をカウントすることにより、前記移動平均処理を実行することを特徴とする請求項１に記載の周波数分割多重伝送方法。
3. 前記複数の搬送波には、周波数がそれぞれ異なる搬送波を用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の周波数分割多重伝送方法。
4. 前記複数の搬送波には、同一周波数で位相が９０度異なる２種類の搬送波を複数組用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の周波数分割多重伝送方法。
5. 物体を静電浮上可能に内蔵すると共に、前記物体を静電支持するための複数の静電支持用電極及び前記物体から信号を取り出すための共通電極が設けられたケースと、
   前記複数の静電支持用電極に、それぞれ、前記物体の位置制御用の制御電圧を印加する制御電圧印加回路と、
   前記各静電支持用電極毎に周波数が設定され、前記物体の位置を検出するための複数の位置検出用搬送波を、前記各静電支持用電極にそれぞれ印加する搬送波供給回路と、
   前記各静電支持用電極から前記物体に印加された信号を、前記共通電極を介して取り込み、その取り込んだ信号から前記各位置検出用搬送波を同期検波する同期検波回路と、
   前記同期検波回路による前記各位置検出用搬送波の同期検波結果に応じて前記制御電圧印加回路が前記各静電支持用電極に印加する制御電圧を制御することで、前記物体を所定位置に制御すると共に、前記同期検波結果から前記ケースに加わった加速度及び角速度を検出する制御演算回路と、
   を備えた物理量検出装置において、
   前記各位置検出用搬送波の周波数は、それぞれ、基準周波数に対し２ⁿ 分の１（ｎは、０，１，２…の正の整数）の周波数に設定されており、
   前記同期検波回路は、遅延ユニットを複数段縦続接続してなるパルス遅延回路を備え、該パルス遅延回路に対し、前記共通電極からの信号を前記各遅延ユニットの遅延時間を制御する信号として入力すると共に、該パルス遅延回路にパルス信号を入力して該パルス信号を前記各遅延ユニットの遅延時間にて順次遅延しながら伝送させ、前記基準周波数の周期の２分の１又は４分の１の周期毎に、前記パルス遅延回路内で前記パルス信号が通過した遅延ユニットの段数をカウントすることにより、前記共通電極からの信号を順次移動平均し、更に、その移動平均結果を、前記位置検出用搬送波毎に当該位置検出用搬送波の周期に応じて加減算することにより、前記各位置検出用搬送波を同期検波するよう構成され、
   前記搬送波供給回路は、前記制御演算回路が角速度を検出するのに用いる位置検出用搬送波の周波数が、前記制御演算回路が加速度を検出するのに用いる位置検出用搬送波よりも低くなるよう、前記各静電支持用電極に印加する位置検出用搬送波を設定することを特徴とする物理量検出装置。
6. 前記静電支持用電極は、前記物体を挟んで互いに直交する３軸方向に配置された３種類の電極にて構成されており、そのうち、特定の１軸方向に配置された電極は、他の２軸の軸周りに生じた角速度を検出できるように、特定の１軸の周囲に配置された複数の電極からなり、
   前記搬送波供給回路は、前記特定の１軸の周囲に配置された角速度検出用の電極に、他の軸方向に配置された加速度検出用の電極に印加する位置検出用搬送波よりも周波数が低い位置検出用搬送波を印加することを特徴とする請求項５に記載の物理量検出装置。
7. 前記搬送波供給回路は、前記各静電支持用電極に印加する位置検出用搬送波の周波数を定期的に変化させることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の物理量検出装置。