JP2019002808A - Underground survey system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、地下探査システムに関する。 The present invention relates to an underground exploration system.
加速度センサを用いて対象の加速度信号を検出し、そのデータを分析することで有価情報を取得する加速度センサシステムが存在する。加速度センサシステムは、多岐の用途に利用され、例えば、地震計測、石油や天然ガス等の資源探査、水道やガス管等の埋設物の状態検知等が挙げられる。 There is an acceleration sensor system that acquires valuable information by detecting an acceleration signal of an object using an acceleration sensor and analyzing the data. The acceleration sensor system is used for various purposes, and includes, for example, seismic measurement, resource exploration such as oil and natural gas, state detection of buried objects such as water supply and gas pipes, and the like.
例えば、資源探査の場合、加速度センサシステムは、起震装置で起こした振動の地下構造からの反射波を加速度センサで受信して受信データを分析する。これにより、有価情報として資源が存在する位置を推定するために利用可能な地下構造情報を出力する。 For example, in the case of resource exploration, the acceleration sensor system analyzes the received data by receiving the reflected wave from the underground structure of the vibration caused by the seismic device by the acceleration sensor. Thereby, the underground structure information that can be used for estimating the position where the resource exists as valuable information is output.
加速度センサシステムとして、高感度、即ち高精度な加速度の検出を実現するための構成としては、サーボ型静電容量式センサを用いたシステムがある。 As an acceleration sensor system, there is a system using a servo-type capacitive sensor as a configuration for realizing high-sensitivity, that is, high-accuracy acceleration detection.
サーボ型静電容量式加速度センサシステムに係わる先行技術として、例えば、特許文献1が挙げられる。特許文献1では、加速度センサは、可動電極及び固定電極を持つ加速度検出素子と、電極間の静電容量差を検出する容量検出手段と、検出に基づいて可動電極が基準位置に戻れるような静電気力を電極聞に発生させる静電気力発生手段とを備える。静電気力発生手段は、所定の繰り返し周期で電極にパルス幅変調(PWM: Pulse Width Modulation)による矩形波電圧を印加し、静電容量差に応じて電圧印加時間の割合及び繰り返し周期を変化させる。
As a prior art related to a servo-type capacitive acceleration sensor system, for example,
加速度センサシステムでは、サーボ制御のために最大印加できる静電気力、つまりサーボ力は電極間に印加するサーボ電圧で一意に決定される。サーボ系では、サーボ力を超える入力加速度を受信すると、サーボ制御が不可能となり、センサの出力信号が入力加速度信号と一致しなくなる。データの連続性を確保するためには、サーボ電圧を大きくして、サーボ制御可能な加速度レンジを拡大する必要があるが、サーボ電圧の2乗に比例して消費電力が増加してしまう。 In the acceleration sensor system, the maximum electrostatic force that can be applied for servo control, that is, the servo force, is uniquely determined by the servo voltage applied between the electrodes. In the servo system, when the input acceleration exceeding the servo force is received, the servo control becomes impossible and the output signal of the sensor does not coincide with the input acceleration signal. In order to ensure the continuity of data, it is necessary to increase the servo voltage and expand the acceleration range in which servo control is possible. However, power consumption increases in proportion to the square of the servo voltage.
このため、特許文献1の加速度センサシステムを各種の用途に適用する場合、消費電力の点で効率的ではない場合がある。例えば、資源探査の場合、加速度の時間変化の典型例として、平常時には加速度が定常的で微小であり、起震装置の近くにあるセンサで受信する振動や起震直後の直達波は加速度が大きく、時間が経過すると共に加速度が小さくなる。
For this reason, when applying the acceleration sensor system of
この場合、起震直後には大きなサーボ力が必要となるが、平常時や時間経過後には、加速度が小さく必要な静電気力が小さい。即ち、加速度が小さい時間が長い用途ほど、消費電力を過剰に必要とする期間が多い。 In this case, a large servo force is required immediately after the earthquake, but the acceleration is small and the necessary electrostatic force is small after normal or after a lapse of time. In other words, the longer the time during which the acceleration is low, the longer the time period that requires excessive power consumption.
本発明の目的は、低消費電力で高感度検知が可能な地下探査システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an underground exploration system capable of high sensitivity detection with low power consumption.
本発明の一態様の地下探査システムは、起震装置と、前記起震装置に接続されたデータセンタと、前記データセンタに接続された中継器と、前記中継器に接続された第1及び第2のセンサと、有し、前記データセンタは、前記起震装置の起震情報と前記第1及び第2のセンサの位置情報に基づいて、前記第1のセンサに設定する第1のダイナミックレンジと、前記第2のセンサに設定する前記第1のダイナミックレンジとは異なる第2のダイナミックレンジとを求めて、前記中継器を介して前記第1及び第2のセンサにそれぞれ送信することを特徴とする。 An underground exploration system according to one aspect of the present invention includes a seismic device, a data center connected to the seismic device, a repeater connected to the data center, and first and first connected to the repeater. And the data center has a first dynamic range set in the first sensor based on the earthquake information of the earthquake device and the position information of the first and second sensors. And a second dynamic range that is different from the first dynamic range set in the second sensor is transmitted to the first and second sensors via the repeater, respectively. And
本発明の一態様によれば、低消費電力で高感度検知が可能な地下探査システムを実現できる。 According to one embodiment of the present invention, an underground exploration system capable of high sensitivity detection with low power consumption can be realized.
まず、実施の形態について説明する。
実施の形態は、起震装置と、起震制御情報を通信するデータセンタと、データセンタから起震制御情報を双方向通信する中継器と、中継器から起震制御情報を双方向通信するサーボ型センサを備える地下探査システムである。データセンタは、起震装置の起震制御情報とサーボ型センサの位置情報から、各センサに設定するダイナミックレンジを求めて中継器を介して各サーボ型センサに分配する。サーボ型センサはその情報を元にサーボ電圧値を制御し、サーボ型センサのダイナミックレンジを制御する。実施の形態によれば、起震制御情報に基づき適切なダイナミックレンジを設定できるため、各センサの消費電力を低減することができる。
以下、図面を用いて実施例について詳細に説明する。
First, an embodiment will be described.
The embodiment includes a seismic device, a data center that communicates seismic control information, a repeater that communicates seismic control information from the data center, and a servo that bidirectionally communicates seismic control information from the repeater. It is an underground exploration system with a type sensor. The data center obtains a dynamic range to be set for each sensor from the earthquake control information of the earthquake generator and the position information of the servo sensor, and distributes it to each servo sensor via a repeater. The servo type sensor controls the servo voltage value based on the information, and controls the dynamic range of the servo type sensor. According to the embodiment, since an appropriate dynamic range can be set based on the earthquake control information, the power consumption of each sensor can be reduced.
Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings.
図1を参照して、実施例1の地下探査システムについて説明する。
起震装置に起震車(バイブロサイス)を用いる場合の一例である。ここで、起震装置は、ダイナマイトを有しても良い。実施例1では、センサから送信されるセンサの位置情報とデータセンタが持つ起震制御情報を組み合わせて解析し、センサのダイナミックレンジを調整するものである。
With reference to FIG. 1, the underground exploration system of Example 1 is demonstrated.
It is an example in the case of using a seismic vehicle (vibrose) for a seismic device. Here, the seismic device may have dynamite. In the first embodiment, the sensor position information transmitted from the sensor and the seismic control information of the data center are combined and analyzed, and the dynamic range of the sensor is adjusted.
図1に示すように、地下探査システムは、起震車101a、101bと、起震車101a、102bに接続されたデータセンタ100と、データセンタ100と接続された中継器102と、中継器102に接続されたセンサ103a、103b、103c、103d、103e、103fを有する。
As shown in FIG. 1, the underground exploration system includes
データセンタ100は、起震車101a、102bの起震制御情報とセンサ103a、103b、103c、103d、103e、103fの位置情報を取得し、起震車101a、102bの起震制御情報とセンサ103a、103b、103c、103d、103e、103fの位置情報に基づいて、各センサ103a、103b、103c、103d、103e、103fに設定するダイナミックレンジを求めて、中継器102を介して各センサ103a、103b、103c、103d、103e、103fにそれぞれ送る。各センサセンサ103a、103b、103c、103d、103e、103fは、中継器102を介して送られてきたダイナミックレンジに基づいてサーボ電圧値をそれぞれ設定する。
The
このように、データセンタ100は、起震車101a、102bの起震制御情報を制御すると共に、起震車101a、102bとセンサ103a、103b、103c、103d、103e、103fのそれぞれの位置、故障及び電源管理等の情報を集約し解析する。センサ103a、103b、103c、103d、103e、103f及び起震車101a、102bは、それぞれGPS機能を有しそれぞれの位置情報を把握可能である。ここで、位置情報は、緯度、経度、高度の情報を含む。
In this way, the
データセンタ100は、図8に示すように、センサ情報受信部1001、起震車情報受信部1001、制御部1000、テーブル1003、センサ情報送信部1004及び起震車情報送信部1005を有する。センサ情報受信部1001と起震車情報受信部1002は、それぞれセンサ103a、103b、103c、103d、103e、103fと起震車101a、102bの各種情報(位置、故障、電源管理等)を受信する。制御部1000は、センサ103a、103b、103c、103d、103e、103fと起震車101a、102bの位置をテーブル1003に格納する。
As shown in FIG. 8, the
制御部1000は、テーブル1003に格納した位置情報を用いてセンサ103a、103b、103c、103d、103e、103fと起震車101a、102bの位置関係を計算する。これにより、起震設定(振幅、スイープ周波数、起震時間)とセンサ103a、103b、103c、103d、103e、103fの動作モード(ダイナミックレンジ設定値と、その設定値を適用する時間)をテーブルに格納する。
The
例えば、起震車101a、101bの位置に近いセンサ103a、103b、103cはダイナミックレンジを大きくし、遠いセンサ103d、103e、103fはダイナミックレンジを小さくする。また、起震動作による直達波の到来が予想される期間は、ダイナミックレンジを大きくし、到来後はダイナミックレンジを小さくする。
For example, the
図9に示すように、2種類の動作モードを時間で切り替える場合は、動作モードAと動作モードBにそれぞれダイナミックレンジ設定値と、その設定値を適用する時間情報を格納する。テーブル1003に格納された動作モード設定と起震設定は、それぞれセンサ情報送信部1004と起震車情報送信部1005を用いて、それぞれのセンサ103a、103b、103c、103d、103e、103fと起震車101a、102bに送信される。起震車101a、101bは、データセンタ100から受け取った情報を元に規定の設定で底面に取り付けられた錘を地面に押し付ける。
As shown in FIG. 9, when switching between two types of operation modes by time, dynamic range setting values and time information for applying the setting values are stored in operation mode A and operation mode B, respectively. The operation mode setting and the earthquake setting stored in the table 1003 are obtained by using the sensor
センサ103a、103b、103c、103d、103e、103fは、起震車101a、101bが起こした振動による地下構造の境界面から反射波を検出する。中継器102は、データセンタ100とセンサ103a、103b、103c、103d、103e、103fと間でやり取りされる情報を仲介する。特に、資源探査分野では100万台規模のセンサが展開されるため、データセンタ100と各センサ103a、103b、103c、103d、103e、103fの間では中継器102が必要となる。
The
次に、図2を参照して、実施例1のセンサの構成について説明する。
静電容量式MEMS1は4つの検出用MEMS容量素子1a、1b、1c、1dを備えている。また、サーボ制御を行うために、さらに2つのサーボ制御用のMEMS容量素子1e、1fを備えている。ここで、MEMS(メムス、Micro Electro Mechanical Systems)とは、機械要素部品、センサ、アクチュエータ、電子回路を一つのシリコン基板、ガラス基板、有機材料などの上に微細加工技術によって集積化したデバイスを指す。
Next, the configuration of the sensor of the first embodiment will be described with reference to FIG.
The
検出用MEMS容量素子1a、1bからなる第一のペアの構造と、検出用MEMS容量素子のペア1c、1dからなる第二のペアの構造、及びはサーボ制御用のMEMS容量素子1e、1fからなる第三のペアの構造は、それぞれ、できる限り同一になるように設計されている。
From the first pair of detection MEMS
また、前記検出用MEMS容量素子1a、1b、1c、1dの可動電極は、これらの容量素子のオペアンプ側の電極である。一方、検出用MEMS容量素子1a、1b、1c、1dの固定電極はそれぞれ、高圧回路9で生成されるキャリアクロックφCP、反転キャリアクロックφCPB、反転キャリアクロックφCHB、キャリアクロックφCPに接続されている。
The movable electrodes of the detection MEMS
また、前記サーボ制御用のMEMS容量素子1e、1fの可動電極は、固定電圧VSVBが印加される。一方、サーボ制御用のMEMS容量素子1e、1fの固定電極はそれぞれ、高圧回路9で生成されるサーボクロックφSV、反転サーボクロックφSVBに接続されている。
A fixed voltage V SVB is applied to the movable electrodes of the servo control MEMS capacitive
静電容量式MEMS1の検出用MEMS容量素子1a、1b、1c、1dの他方の電極(固定電極)はそれぞれ、オペアンプ3a、3bの反転入力端子に接続される。またオペアンプ3a、3bの反転入力端子と出力端子の間にはそれぞれ帰還容量素子4a(容量値CF)、4b(容量値CF)および抵抗素子5a(抵抗値RF)、5b(抵抗値RF)が設けられている。帰還容量素子4a、4bとオペアンプ3a、3bの間にはスイッチを備えていても良い。また、オペアンプ3a、3bの非反転入力端子は電圧VBに接続される。ここでは、VB=VDD/2としている。
The other electrodes (fixed electrodes) of the detection MEMS
図4の構成では図2の構成と異なり、オペアンプ3a、3bの反転入力端子と出力端子の間には抵抗素子5a、5bの代わりにスイッチ20a、20bがある。このため、スイッチを駆動する信号が必要となる。図2の構成が容量変化を電圧の変化として連続的に検出するのに対して、図4の構成は容量変化を電圧の変化としてサンプルホールドする点が異なる。
In the configuration of FIG. 4, unlike the configuration of FIG. 2, switches 20a and 20b are provided between the inverting input terminals and the output terminals of the
CV変換アンプのオペアンプ3a、3bの出力はフィルタ6a、6bを介してA/D変換器7の差動入力端子に接続されている。A/D変換器7は差動入力を使用して、同相ノイズと干渉を除去する。
Outputs of the
次に、図2の回路の動作を説明する。
検出用MEMS容量素子1aの可動電極と検出用MEMS容量素子1bの可動電極と検出用MEMS容量素子1cの可動電極と検出用MEMS容量素子1dの可動電極は、一体となって動くように機械的に結合しており、機械的には一つの錘(質量体)として機能する。センサに加速度などの信号が印加されていない時は、錘に慣性力などの力が働かないため、錘、つまり、検出用MEMS容量素子1aの可動電極と検出用MEMS容量素子1bの可動電極と検出用MEMS容量素子1cの可動電極と検出用MEMS容量素子1dの可動電極は初期の場所に位置する。
Next, the operation of the circuit of FIG. 2 will be described.
The movable electrode of the detection MEMS capacitive element 1a, the movable electrode of the detection
センサに加速度などの信号が印加されると、前記錘が、加速度などの信号に比例した慣性力などの力を受けることにより、錘、つまり、検出用MEMS容量素子1aの可動電極と検出用MEMS容量素子1bの可動電極と検出用MEMS容量素子1cの可動電極と検出用MEMS容量素子1dの可動電極の位置が加速度などの信号に比例して一体となって変位する。これにより、検出用MEMS容量素子1aの可動電極が検出用MEMS容量素子1aの固定電極に近づくように変位すると、逆に、検出用MEMS容量素子1bの可動電極は検出用MEMS容量素子1bの固定電極から同じ変位量だけ遠ざかる。
When a signal such as acceleration is applied to the sensor, the weight receives a force such as an inertial force proportional to the signal such as acceleration, whereby the weight, that is, the movable electrode of the detection MEMS capacitive element 1a and the detection MEMS. The positions of the movable electrode of the
また、検出用MEMS容量素子1aの可動電極が検出用MEMS容量素子1aの固定電極に遠ざかるように変位すると、逆に、検出用MEMS容量素子1bの可動電極は検出用MEMS容量素子1bの固定電極から同じ変位量だけ近づく。同様に、検出用MEMS容量素子1cの可動電極が検出用MEMS容量素子1cの固定電極に近づくように変位すると、逆に、検出用MEMS容量素子1dの可動電極は検出用MEMS容量素子1dの固定電極から同じ変位量だけ遠ざかる。
When the movable electrode of the detection MEMS capacitive element 1a is displaced away from the fixed electrode of the detection MEMS capacitive element 1a, on the contrary, the movable electrode of the detection
また、検出用MEMS容量素子1cの可動電極が検出用MEMS容量素子1cの固定電極に遠ざかるように変位すると、逆に、検出用MEMS容量素子1dの可動電極は検出用MEMS容量素子1dの固定電極から同じ変位量だけ近づく。
When the movable electrode of the detection
前記変位量、すなわち極板間隔の変化量による容量値変化をΔCとすると、検出用MEMS容量素子1a及び1cの容量値はC+ΔC、検出用MEMS容量素子1b及び1dの容量値はC−ΔCとなる。
If the change in capacitance value due to the amount of displacement, that is, the change in electrode plate spacing is ΔC, the capacitance values of the detection MEMS
図5にキャリアクロック40、反転キャリアクロック41及びクロック信号42の波形を示す。各クロックは、高圧回路9で生成される。なお、クロック信号42において、スイッチ20aおよびスイッチ20bが高電位信号(例えばVDD)入力時にONし、低電位信号(例えばGND)入力時にOFFする場合を示している。
FIG. 5 shows waveforms of the
センサの動作時、CV変換アンプは、センサに印加された加速度などの信号により生じたMEMS容量変化ΔCを電圧信号ΔVに変換する。電圧信号ΔVはCV変換アンプの出力差動電圧となっている。CV変換アンプのオペアンプ3aの出力はフィルタ6aを介してA/D変換器7の正相入力端子に、オペアンプ3bの出力がフィルタ6bを介してA/D変換器7の逆相入力端子に接続される。これによりCV変換アンプの出力差動電圧がA/D変換器7によりデジタル値に変換される。
During the operation of the sensor, the CV conversion amplifier converts a MEMS capacitance change ΔC caused by a signal such as acceleration applied to the sensor into a voltage signal ΔV. The voltage signal ΔV is an output differential voltage of the CV conversion amplifier. The output of the
A/D変換器7の出力はデジタル制御部8において、キャリアクロック40に基づいた復調処理及びPID制御を実施され、1bitのデジタル信号DCTRLを出力する。高圧回路9は、デジタル信号DCTRLをアナログ電圧に変換する1bitD/A変換器で構成される。高圧回路9で生成されたサーボクロックφSV、反転サーボクロックφSVBが、サーボ制御用のMEMS容量素子1e、1fの固定電極に印加されることで、錘は検出用MEMS容量素子1a、1b、1c、1dで検出した加速度と逆方向のサーボ力(静電気力)でもって実質的に初期位置に制御される。
The output of the A /
起震情報送受信部2は中継器102から起震情報を受け取る。また、起震情報送受信部2は不図示のGPS部から各センサの位置情報を送信する。マイコン10は、高圧回路9に備わる抵抗D/A変換器の設定を変更するためのデジタル信号DRDACを出力する。抵抗D/A変換器の一例を図3に示す。抵抗D/A変換器は、抵抗素子200a、200b、200c、200d、200eと、スイッチ210a、210b、210c、210d、210e及びスイッチ211a、211b、211c、211d、211eで構成される。
The earthquake information transmitting / receiving
ハイ側出力端子220は、VHまたはVHとVLを抵抗分圧した値がデジタル信号DRDACに基づき選択される。同様に、ロー側出力端子221は、VLまたはVHとVLを抵抗分圧した値がデジタル信号DRDACに基づき選択される。その結果として、V’Hを1bitD/A変換器222のハイ側の基準電圧、V’Lをロー側の基準電圧として用いて、サーボ力のダイナミックレンジを調整する。結果として、起震情報に基づいて各センサに適切なダイナミックレンジを設定でき、消費電力を低減する事が可能となる。
The high-
次に、図6を参照して、実施例2のセンサの構成について説明する。
実施例2では、実施例1の擬似差動CV変換アンプに用いられていたオペアンプ3a、3bは、完全差動型オペアンプ30に置換される。この場合、完全差動型オペアンプ30の出力同相電圧レベルVCMO(=(VOUTP+VOUTN)/2、ただし、VOUTP、VOUTNはそれぞれ、完全差動型オペアンプ30の正相出力電圧、逆相出力電圧)を所望の電圧レベル(例えば、VDD/2)に制御するコモンモードフィードバック回路(CMFB)も備えていることが多い。そのため、完全差動型オペアンプを用いる場合は、出力同相電圧レベルVCMOはVDD/2付近に設定できる。
Next, the configuration of the sensor of Example 2 will be described with reference to FIG.
In the second embodiment, the
実施例2では、センサは完全差動型CV変換アンプを備え、センサから送信されるセンサの位置情報とデータセンタが持つ起震制御情報を組み合わせて解析し、センサのダイナミックレンジを調整するものである。図6の構成はセンサが完全差動型CV変換アンプを含む構成となる事以外は実施例1と共通である。 In the second embodiment, the sensor includes a fully differential CV conversion amplifier, which analyzes and combines the sensor position information transmitted from the sensor and the earthquake control information held by the data center to adjust the dynamic range of the sensor. is there. The configuration of FIG. 6 is the same as that of the first embodiment except that the sensor includes a fully differential CV conversion amplifier.
次に、図6の構成について説明する。
静電容量式MEMS1は4つの検出用MEMS容量素子1a、1b、1c、1dを備えている。また、サーボ制御を行うために、さらに2つのサーボ制御用のMEMS容量素子1e、1fを備えている。
Next, the configuration of FIG. 6 will be described.
The
検出用MEMS容量素子1a、1bからなる第一のペアの構造と、検出用MEMS容量素子のペア1c、1dからなる第二のペアの構造、及びはサーボ制御用のMEMS容量素子1e、1fからなる第三のペアの構造は、それぞれ、できる限り同一になるように設計されている。
From the first pair of detection MEMS
また、前記検出用MEMS容量素子1a、1b、1c、1dの可動電極は、完全差動型オペアンプ30の第1および第2の入力端子に接続される。一方、検出用MEMS容量素子1a、1b、1c、1dの固定電極はそれぞれ、高圧回路9で生成されるキャリアクロックφCP、反転キャリアクロックφCPB、反転キャリアクロックφCHB、キャリアクロックφCPに接続されている。
The movable electrodes of the detection MEMS
また、前記サーボ制御用のMEMS容量素子1e、1fの可動電極は、固定電圧VSVBが印加される。一方、サーボ制御用のMEMS容量素子1e、1fの固定電極はそれぞれ、高圧回路9で生成されるサーボクロックφSV、反転サーボクロックφSVBに接続されている。
A fixed voltage V SVB is applied to the movable electrodes of the servo control MEMS capacitive
完全差動型オペアンプ30の第1および第2の入力端子と出力端子の間にはそれぞれ帰還容量素子4a(容量値CF)、4b(容量値CF)および抵抗素子5a(抵抗値RF)、5b(抵抗値RF)が設けられている。
Between the first and second input terminals and the output terminal of the fully differential
完全差動型オペアンプ30の第1および第2の出力は、同相検出回路31の第1および第2の入力に接続される。同相検出回路31は、完全差動型オペアンプ30の2つの出力電圧の平均電圧値を出力する回路である。同相検出回路31の出力はオペアンプ32の非反転入力端子に接続される。この同相検出回路31とオペアンプ32からなる帰還回路が、先に述べたコモンモードフィードバック回路(CMFB)を構成している。
The first and second outputs of the fully differential
図7の構成では図6の構成と異なり、完全差動型オペアンプ30の第1および第2の入力端子と出力端子の間には抵抗素子5a、5bの代わりにスイッチ20a、20bがある。このため、スイッチを駆動する信号が必要となる。図6の構成が容量変化を電圧の変化として連続的に検出するのに対して、図7の構成は容量変化を電圧の変化としてサンプルホールドする点が異なる。
In the configuration of FIG. 7, unlike the configuration of FIG. 6, switches 20a and 20b are provided between the first and second input terminals and the output terminal of the fully differential
完全差動オペアンプでは、素子ミスマッチなどにより平均出力電圧の変動が増幅動作の問題となるために、上述のCMFBを備える必要がある。CMFBは抵抗分圧などの同相検出回路31で平均出力電圧を検出し、平均出力電圧と基準電圧V’Bとの差電圧をオペアンプ32を用いて増幅する。この差電圧VCMを完全差動型オペアンプ30のテイル電流源のゲートへ入力することで負帰還をつくり、完全差動型オペアンプ30の出力同相電圧レベルVCMOを一定に保つように制御する。
In the fully differential operational amplifier, since the fluctuation of the average output voltage becomes a problem of the amplification operation due to element mismatch or the like, it is necessary to include the CMFB described above. CMFB detects an average output voltage in
また、CV変換アンプの完全差動型オペアンプ30の第1および第2の出力は、VCMOを基準に平衡な差動出力を生じる。差動出力はフィルタ6a、6bを介してA/D変換器7の差動入力端子に接続されている。A/D変換器7は差動入力を使用して、同相ノイズと干渉を除去する。
Further, the first and second outputs of the fully differential
次に、図6の回路の動作について説明する。
検出用MEMS容量素子1aの可動電極と検出用MEMS容量素子1bの可動電極と検出用MEMS容量素子1cの可動電極と検出用MEMS容量素子1dの可動電極は、一体となって動くように機械的に結合しており、機械的には一つの錘(質量体)として機能する。センサに加速度などの信号が印加されていない時は、錘に慣性力などの力が働かないため、錘、つまり、検出用MEMS容量素子1aの可動電極と検出用MEMS容量素子1bの可動電極と検出用MEMS容量素子1cの可動電極と検出用MEMS容量素子1dの可動電極は初期の場所に位置する。
Next, the operation of the circuit of FIG. 6 will be described.
The movable electrode of the detection MEMS capacitive element 1a, the movable electrode of the detection
センサに加速度などの信号が印加されると、前記錘が、加速度などの信号に比例した慣性力などの力を受けることにより、錘、つまり、検出用MEMS容量素子1aの可動電極と検出用MEMS容量素子1bの可動電極と検出用MEMS容量素子1cの可動電極と検出用MEMS容量素子1dの可動電極の位置が加速度などの信号に比例して一体となって変位する。これにより、検出用MEMS容量素子1aの可動電極が検出用MEMS容量素子1aの固定電極に近づくように変位すると、逆に、検出用MEMS容量素子1bの可動電極は検出用MEMS容量素子1bの固定電極から同じ変位量だけ遠ざかる。
When a signal such as acceleration is applied to the sensor, the weight receives a force such as an inertial force proportional to the signal such as acceleration, whereby the weight, that is, the movable electrode of the detection MEMS capacitive element 1a and the detection MEMS. The positions of the movable electrode of the
また、検出用MEMS容量素子1aの可動電極が検出用MEMS容量素子1aの固定電極に遠ざかるように変位すると、逆に、検出用MEMS容量素子1bの可動電極は検出用MEMS容量素子1bの固定電極から同じ変位量だけ近づく。同様に、検出用MEMS容量素子1cの可動電極が検出用MEMS容量素子1cの固定電極に近づくように変位すると、逆に、検出用MEMS容量素子1dの可動電極は検出用MEMS容量素子1dの固定電極から同じ変位量だけ遠ざかる。
When the movable electrode of the detection MEMS capacitive element 1a is displaced away from the fixed electrode of the detection MEMS capacitive element 1a, on the contrary, the movable electrode of the detection
また、検出用MEMS容量素子1cの可動電極が検出用MEMS容量素子1cの固定電極に遠ざかるように変位すると、逆に、検出用MEMS容量素子1dの可動電極は検出用MEMS容量素子1dの固定電極から同じ変位量だけ近づく。前記変位量、すなわち極板間隔の変化量による容量値変化をΔCとすると、検出用MEMS容量素子1a及び1cの容量値はC+ΔC、検出用MEMS容量素子1b及び1dの容量値はC−ΔCとなる。
When the movable electrode of the detection
図5に実施例2で用いられるキャリアクロック40、反転キャリアクロック41及びクロック信号42の波形を示す。各クロックは、高圧回路9で生成される。なお、クロック信号42において、スイッチ20aおよびスイッチ20bが高電位信号(例えばVDD)入力時にONし、低電位信号(例えばGND)入力時にOFFする場合を示している。
FIG. 5 shows waveforms of the
センサの動作時、CV変換アンプは、センサに印加された加速度などの信号により生じたMEMS容量変化ΔCを電圧信号ΔVに変換する。電圧信号ΔVはCV変換アンプの出力差動電圧となっている。CV変換アンプの完全差動オペアンプ30の第1の出力はフィルタ6aを介してA/D変換器7の正相入力端子に、完全差動オペアンプ30の第2の出力がフィルタ6bを介してA/D変換器7の逆相入力端子に接続される。これによりCV変換アンプの出力差動電圧がA/D変換器7によりデジタル値に変換される。
During the operation of the sensor, the CV conversion amplifier converts a MEMS capacitance change ΔC caused by a signal such as acceleration applied to the sensor into a voltage signal ΔV. The voltage signal ΔV is an output differential voltage of the CV conversion amplifier. The first output of the fully differential
A/D変換器7の出力はデジタル制御部8において、キャリアクロック40に基づいた復調処理及びPID制御を実施され、1bitのデジタル信号DCTRLを出力する。ここで、PID制御(Proportional−Integral−Differential Controller、PID Controller)は、フィードバック制御の一種であり、入力値の制御を出力値と目標値との偏差、その積分、および微分の3つの要素によって行う方法のことである。
The output of the A /
高圧回路9は、デジタル信号DCTRLをアナログ電圧に変換する1bitD/A変換器で構成される。高圧回路9で生成されたサーボクロックφSV、反転サーボクロックφSVBが、サーボ制御用のMEMS容量素子1e、1fの固定電極に印加されることで、錘は検出用MEMS容量素子1a、1b、1c、1dで検出した加速度と逆方向のサーボ力(静電気力)でもって実質的に初期位置に制御される。
The
起震情報送受信部2は中継器102から起震情報を受け取る。また、起震情報送受信部2は不図示のGPS部から各センサの位置情報を送信する。マイコン10は、高圧回路9に備わる抵抗D/A変換器の設定を変更するためのデジタル信号DRDACを出力する。抵抗D/A変換器の一例を図3に示す。抵抗D/A変換器は、抵抗素子200a、200b、200c、200d、200eと、スイッチ210a、210b、210c、210d、210e及びスイッチ211a、211b、211c、211d、211eで構成される。ハイ側出力端子220は、VH またはVH とVLを抵抗分圧した値がデジタル信号DRDACに基づき選択される。
The earthquake information transmitting / receiving
同様に、ロー側出力端子221は、VLまたはVHとVLを抵抗分圧した値がデジタル信号DRDACに基づき選択される。その結果として、V’Hを1bitD/A変換器のハイ側の基準電圧、V’Lを1bitD/A変換器のロー側の基準電圧として用いて、サーボ力のダイナミックレンジを調整する。結果として、起震情報に基づいて各センサに適切なダイナミックレンジを設定でき、消費電力を低減することができる。
Similarly, the low-
上記実施例に示したCV変換アンプおよび静電容量式センサは、例えば加速度や角速度などを検知し、それらに対応したセンサ出力信号を出力する。このセンサ出力信号を、自動車や二輪車や農耕機などの姿勢制御や走行安定性確保や横滑り防止などを行うシステム、例えばESC(Electronic Stability Control)や、資源探査向けセンサシステムなどに用いることも可能である。 The CV conversion amplifier and the capacitive sensor shown in the above embodiment detect, for example, acceleration and angular velocity, and output sensor output signals corresponding to them. This sensor output signal can also be used in systems such as automobiles, motorcycles, and agricultural machines that control attitude, ensure running stability, prevent skidding, etc., such as ESC (Electronic Stability Control) and sensor systems for resource exploration. is there.
1 静電容量式MEMS
2 起震情報送受信部
3 オペアンプ
4 帰還容量素子
5 抵抗素子
6 フィルタ
7 A/D変換器
8 デジタル制御部
9 高圧回路
10 マイコン
20 スイッチ
30 完全差動型オペアンプ
31 同相検出回路
32 オペアンプ
40 キャリアクロック
41 反転キャリアクロック
42 クロック信号
100 データセンタ
101 起震車
102 中継器
103 センサ
200 抵抗
210 スイッチ
211 スイッチ
222 1bitD/A変換器
1000 制御部
1001 センサ情報受信部
1002 起震車情報受信部
1003 テーブル
1004 センサ情報送信部
1005 起震車情報送信部
1 Capacitive MEMS
2 seismic information transmission / reception unit 3 operational amplifier 4 feedback capacitive element 5 resistance element 6 filter 7 A /
Claims (15)
前記起震装置に接続されたデータセンタと、
前記データセンタに接続された中継器と、
前記中継器に接続された第1及び第2のセンサと、有し、
前記データセンタは、
前記起震装置の起震情報と前記第1及び第2のセンサの位置情報に基づいて、前記第1のセンサに設定する第1のダイナミックレンジと、前記第2のセンサに設定する前記第1のダイナミックレンジとは異なる第2のダイナミックレンジとを求めて、前記中継器を介して前記第1及び第2のセンサにそれぞれ送信することを特徴とする地下探査システム。 A seismic device;
A data center connected to the seismic device;
A repeater connected to the data center;
First and second sensors connected to the repeater;
The data center is
Based on the seismic information of the seismic device and the position information of the first and second sensors, the first dynamic range set for the first sensor and the first set for the second sensor. A subsurface exploration system characterized in that a second dynamic range different from the dynamic range is obtained and transmitted to each of the first and second sensors via the repeater.
前記第1のセンサは、前記中継器を介して送信された前記第1のダイナミックレンジに基づいて第1のサーボ電圧値を設定し、
前記第2のセンサは、前記中継器を介して送信された前記第2のダイナミックレンジに基づいて第2のサーボ電圧値を設定することを特徴とする請求項1に記載の地下探査システム。 The first and second sensors are servo sensors.
The first sensor sets a first servo voltage value based on the first dynamic range transmitted via the repeater,
2. The underground exploration system according to claim 1, wherein the second sensor sets a second servo voltage value based on the second dynamic range transmitted via the repeater.
前記起震装置は、起震車又はダイナマイトを有することを特徴とする請求項1に記載の地下探査システム。 The first and second sensors and the seismic device each have a GPS function,
2. The underground exploration system according to claim 1, wherein the seismic device includes a seismic vehicle or a dynamite.
センサ情報受信部、起震情報受信部及び制御部を有し、
前記センサ情報受信部は、前記第1及び第2のセンサから前記中継器を介して前記位置情報を受信し、
前記起震情報受信部は、前記起震装置から前記起震装置の位置情報を受信し、
前記制御部は、
前記起震装置の位置情報と前記第1及び第2のセンサの位置情報との間の位置関係を求め、前記位置関係に基づいて、前記第1のセンサに設定する前記第1のダイナミックレンジと、前記第2のセンサに設定する前記第2のダイナミックレンジを求めることを特徴とする請求項1に記載の地下探査システム。 The data center is
It has a sensor information receiver, a seismic information receiver, and a controller.
The sensor information receiving unit receives the position information from the first and second sensors via the repeater,
The earthquake information receiving unit receives position information of the earthquake device from the earthquake device,
The controller is
The positional relationship between the position information of the seismic device and the positional information of the first and second sensors is obtained, and the first dynamic range set in the first sensor based on the positional relationship; 2. The underground exploration system according to claim 1, wherein the second dynamic range set in the second sensor is obtained.
前記制御部は、前記第1のセンサの前記第1のダイナミックレンジを、前記第2のセンサの前記第2のダイナミックレンジよりも大きい値に設定することを特徴とする請求項4に記載の地下探査システム。 The first sensor is disposed between the seismic device and the second sensor;
5. The underground according to claim 4, wherein the control unit sets the first dynamic range of the first sensor to a value larger than the second dynamic range of the second sensor. Exploration system.
前記起震装置の起震動作による直達波の到来が予想される期間は、前記第1のダイナミックレンジの値を大きくし、前記直達波の到来後は前記第1のダイナミックレンジの値を小さくするように制御することを特徴とする請求項5に記載の地下探査システム。 The controller is
The first dynamic range value is increased during the period when the direct wave due to the seismic operation of the seismic device is expected, and the first dynamic range value is decreased after the direct wave arrives. 6. The underground exploration system according to claim 5, wherein control is performed as follows.
前記起震装置は、前記起震情報送信部から送信された前記起震情報に基づいて地下構造に振動を起こし、
前記第1及び第2のセンサは、前記起震装置が起こした前記振動による前記地下構造の境界面から反射波を検出することを特徴とする請求項4に記載の地下探査システム。 The data center further includes a seismic information transmission unit,
The earthquake device causes vibration in an underground structure based on the earthquake information transmitted from the earthquake information transmitter.
5. The underground exploration system according to claim 4, wherein the first sensor and the second sensor detect a reflected wave from a boundary surface of the underground structure due to the vibration generated by the seismic device.
第1、第2、第3及び第4の検出容量と、
第1及び第2のサーボ容量と、
第1及び第2の帰還容量と、
前記第1の帰還容量及び前記第2帰還容量の容量値に基づく電圧を得るCV変換回路と、
前記CV変換回路の出力信号のうち低域を除去する第1及び第2フィルタと、
入力電圧をアナログデジタル変換してデジタル信号を得るAD変換器と、
前記デジタル信号を入力としてPID制御を行うデジタル制御部と、
前記デジタル制御部の出力信号を高電圧化する高圧回路と、
前記中継器からの前記起震制御情報を受信する起震情報送受信部と、
前記起震情報送受信部から出力信号を受け取り、前記高圧回路の基準電圧を制御して、前記第1のセンサに前記第1のサーボ電圧値を設定し、前記第2のセンサに第2のサーボ電圧値を設定するマイコンと、を有することを特徴とする請求項2に記載の地下探査システム。 The servo type sensor is
First, second, third and fourth detection capacitors;
First and second servo capacities;
First and second feedback capacitors;
A CV conversion circuit for obtaining a voltage based on capacitance values of the first feedback capacitor and the second feedback capacitor;
First and second filters for removing a low-frequency band from the output signal of the CV conversion circuit;
An AD converter that obtains a digital signal by converting the input voltage from analog to digital;
A digital control unit for performing PID control using the digital signal as an input;
A high voltage circuit for increasing the voltage of the output signal of the digital control unit;
An earthquake information transmitting and receiving unit for receiving the earthquake control information from the repeater;
An output signal is received from the earthquake information transmitter / receiver, a reference voltage of the high voltage circuit is controlled, the first servo voltage value is set in the first sensor, and a second servo is set in the second sensor. The underground exploration system according to claim 2, further comprising a microcomputer that sets a voltage value.
前記第1のオペアンプの反転入力端子には、前記第1の検出容量及び前記第2の検出容量の容量値を反映した信号が入力され、
前記第2のオペアンプの反転入力端子には、前記第3の検出容量及び前記第4の検出容量の容量値を反映した信号が入力され、
前記第1及び第2のオペアンプの非反転入力端子には固定電圧が入力され、
前記第1のオペアンプの出力は前記第1のフィルタに入力されており、
前記第1のフィルタの出力は前記AD変換器の第1の入力端子に入力されており
前記第2のオペアンプの出力は前記第2のフィルタに入力されており、
前記第2のフィルタの出力は前記AD変換器の第2の入力端子に入力されており、
前記AD変換器は前記第1及び第2のフィルタの出力を入力としてデジタルデータを出力し、
前記デジタル信号は前記デジタル制御部に入力され、
前記デジタル制御部は、前記デジタル信号に基づいてPID制御を行い、
前記デジタル制御部の第1及び第2の出力は互いに反転する信号として前記高圧回路に接続されることを特徴とする請求項8に記載の地下探査システム。 The CV conversion circuit is a pseudo-differential CV conversion amplifier including a first operational amplifier and a second operational amplifier,
A signal reflecting capacitance values of the first detection capacitor and the second detection capacitor is input to the inverting input terminal of the first operational amplifier,
A signal reflecting the capacitance values of the third detection capacitor and the fourth detection capacitor is input to the inverting input terminal of the second operational amplifier,
A fixed voltage is input to the non-inverting input terminals of the first and second operational amplifiers,
The output of the first operational amplifier is input to the first filter,
The output of the first filter is input to a first input terminal of the AD converter, and the output of the second operational amplifier is input to the second filter,
The output of the second filter is input to a second input terminal of the AD converter,
The AD converter outputs digital data with the outputs of the first and second filters as inputs,
The digital signal is input to the digital control unit,
The digital control unit performs PID control based on the digital signal,
9. The underground exploration system according to claim 8, wherein the first and second outputs of the digital control unit are connected to the high voltage circuit as signals that are inverted from each other.
抵抗型DA変換器と1bitDA変換器を有し、
前記マイコンからの制御信号に基づき前記DA変換器の第1及び第2の出力電圧値を制御し、
前記1bitDA変換器は、前記第1及び第2の出力電圧値を第1及び第2の基準電圧とし、
前記1bitDA変換器は、前記デジタル制御部の出力信号を基に、前記第1の基準電圧をハイ側の電圧とし、前記第2の基準電圧をロー側の電圧としてスイッチング動作を行うことを特徴とする請求項9に記載の地下探査システム。 The high voltage circuit is:
It has a resistance type DA converter and a 1-bit DA converter,
Controlling the first and second output voltage values of the DA converter based on a control signal from the microcomputer;
The 1-bit DA converter uses the first and second output voltage values as first and second reference voltages,
The 1-bit DA converter performs a switching operation based on an output signal of the digital control unit with the first reference voltage as a high-side voltage and the second reference voltage as a low-side voltage. The underground exploration system according to claim 9.
完全差動型CV変換アンプであり、
前記完全差動型CV変換アンプの第1の入力端子には、前記第1の検出容量及び前記第2の検出容量の容量値を反映した信号が入力され、
前記完全差動型CV変換アンプの第2の入力端子には、前記第3の検出容量及び前記第4の検出容量の容量値を反映した信号が入力され、
同相検出回路を備えるコモンモードフィードバック回路を更に有し、
前記コモンモードフィードバック回路は、前記完全差動型CV変換アンプの第1および第2の出力の平均電圧値を、前記完全差動型CV変換アンプにフィードバック制御し、
前記完全差動型CV変換アンプの第1の出力は前記第1のフィルタに入力されており、
前記第1のフィルタの出力は前記AD変換器の第1の入力端子に入力されており
前記完全差動型CV変換アンプの第2の出力は前記第2のフィルタに入力されており、
前記第2のフィルタの出力は前記AD変換器の第2の入力端子に入力されており、
前記AD変換器は前記第1及び第2のフィルタの出力を入力としてデジタルデータを出力し、
前記デジタル信号は前記デジタル制御部に入力され、
前記デジタル制御部は、前記デジタル信号に基づいてPID制御を行い、
前記デジタル制御部の第1及び第2の出力は互いに反転する信号として前記高圧回路に接続されることを特徴とする請求項8に記載の地下探査システム。 The CV conversion circuit includes:
A fully differential CV conversion amplifier,
A signal reflecting the capacitance values of the first detection capacitor and the second detection capacitor is input to the first input terminal of the fully differential CV conversion amplifier,
A signal reflecting the capacitance values of the third detection capacitor and the fourth detection capacitor is input to the second input terminal of the fully differential CV conversion amplifier,
A common mode feedback circuit including a common-mode detection circuit;
The common mode feedback circuit feedback-controls the average voltage value of the first and second outputs of the fully differential CV conversion amplifier to the fully differential CV conversion amplifier,
A first output of the fully differential CV conversion amplifier is input to the first filter;
The output of the first filter is input to a first input terminal of the AD converter, and the second output of the fully differential CV conversion amplifier is input to the second filter,
The output of the second filter is input to a second input terminal of the AD converter,
The AD converter outputs digital data with the outputs of the first and second filters as inputs,
The digital signal is input to the digital control unit,
The digital control unit performs PID control based on the digital signal,
9. The underground exploration system according to claim 8, wherein the first and second outputs of the digital control unit are connected to the high voltage circuit as signals that are inverted from each other.
抵抗型DA変換器と1bitDA変換器を有し、
前記マイコンからの制御信号に基づき前記DA変換器の第1及び第2の出力電圧値を制御し、
前記1bitDA変換器は前記第1及び第2の出力電圧値を第1及び第2の基準電圧とし、
前記1bitDA変換器は前記デジタル制御部の出力信号を基に、前記第1の基準電圧をハイ側の電圧とし、前記第2の基準電圧をロー側の電圧としてスイッチング動作を行うことを特徴とする請求項11に記載の地下探査システム。 The high voltage circuit is:
It has a resistance type DA converter and a 1-bit DA converter,
Controlling the first and second output voltage values of the DA converter based on a control signal from the microcomputer;
The 1-bit DA converter uses the first and second output voltage values as first and second reference voltages,
The 1-bit DA converter performs a switching operation based on an output signal of the digital control unit with the first reference voltage as a high-side voltage and the second reference voltage as a low-side voltage. The underground exploration system according to claim 11.
前記第1帰還容量の第1及び第2の電極は、それぞれ前記CV変換回路の第1の入力及び第1の出力に直接又はスイッチを介して接続しており、
前記第2帰還容量の第1及び第2の電極は、それぞれ前記CV変換回路の第2の入力及び第2の出力に、直接又はスイッチを介して接続していることを特徴とする請求項8に記載の地下探査システム。 The first feedback capacitor and the second feedback capacitor have substantially the same capacitance value,
The first and second electrodes of the first feedback capacitor are respectively connected to the first input and the first output of the CV conversion circuit directly or through a switch,
9. The first and second electrodes of the second feedback capacitor are respectively connected to a second input and a second output of the CV conversion circuit directly or through a switch. The underground exploration system described in 1.
前記第1の帰還抵抗と前記第2の帰還抵抗は実質的に等しい抵抗値を有する抵抗素子対であり、
前記第1の帰還抵抗の第1及び第2の端子は、それぞれ前記CV変換回路の第1の入力端子及び第1の出力端子に接続しており、
前記第2の抵抗素子の第1及び第2の端子は、それぞれ前記CV変換回路の第2の入力端子および第2の出力端子に接続していることを特徴とする請求項13に記載の地下探査システム。 Further comprising first and second feedback resistors;
The first feedback resistor and the second feedback resistor are resistor element pairs having substantially equal resistance values,
The first and second terminals of the first feedback resistor are connected to the first input terminal and the first output terminal of the CV conversion circuit, respectively.
The basement according to claim 13, wherein the first and second terminals of the second resistance element are connected to a second input terminal and a second output terminal of the CV conversion circuit, respectively. Exploration system.
前記第1のスイッチの第1及び第2の端子は、それぞれ前記CV変換回路の第1の入力端子及び第1の出力端子に接続しており、
前記第2のスイッチの第1及び第2の端子は、それぞれ前記CV変換回路の第2の入力端子及び第2の出力端子に接続していることを特徴とする請求項13に記載の地下探査システム。 A first switch and a second switch;
The first and second terminals of the first switch are connected to a first input terminal and a first output terminal of the CV conversion circuit, respectively.
The underground exploration according to claim 13, wherein the first and second terminals of the second switch are respectively connected to a second input terminal and a second output terminal of the CV conversion circuit. system.
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