JP2024024522A - 位相同期回路及びセンシング装置 - Google Patents

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哲朗 板倉
Tetsuro Itakura
大騎 小野
Daiki Ono
桂 増西
Katsura Masunishi
明秀 崔
Akihide Sai
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Abstract

【課題】温度等の環境条件の変化により共振周波数が時間変化しても、追従性よく発振周波数を変化させることができる。【解決手段】位相同期回路は、第１制御信号に応じて周波数を可変させる第１発振器と、所定の共振周波数で共振するとともに、前記共振周波数では前記第１発振器の出力信号の位相を９０度ずらした信号を出力する共振素子と、第２制御信号に応じて周波数を可変させる第２発振器と、前記共振素子の出力信号と前記第２発振器の出力信号との第１位相誤差を検出する第１位相検出器と、前記第１位相誤差の少なくとも比例成分を含む第１信号を生成する制御部と、前記第１位相誤差の少なくとも微分成分に比例した第２信号を生成する第１補助信号生成器と、を備え、前記第１制御信号は、前記第１信号に応じた信号であり、前記第２制御信号は、前記第１信号と前記第２信号に応じた信号である。【選択図】図１

Description

本実施形態は、位相同期回路及びセンシング装置に関する。
温度等の環境条件により共振素子の共振周波数が変化しても、周波数可変発振器の発振周波数が変化しないように帰還制御を行う位相同期回路が知られている。
しかしながら、温度などの環境条件による共振周波数の変化に追従させて、発振周波数を精度よく変化させるのは現実には困難であり、発振周波数と共振周波数の周波数誤差が生じてしまう。このため、この種の位相同期回路を用いた物理量検出センサでは、発振周波数と共振周波数との周波数誤差により、物理量の検出精度が低下してしまう。
特開２０２１－９７３５４号公報 米国特許第４９５１５０８号公報
そこで、本実施形態では、温度等の環境条件の変化により共振周波数が時間変化しても、追従性よく発振周波数を変化させることができる位相同期回路及びセンシング装置を提供するものである。
本実施形態に係る位相同期回路は、第１制御信号に応じて周波数を可変させる第１発振器と、所定の共振周波数で共振するとともに、前記共振周波数では前記第１発振器の出力信号の位相を９０度ずらした信号を出力する共振素子と、第２制御信号に応じて周波数を可変させる第２発振器と、前記共振素子の出力信号と前記第２発振器の出力信号との第１位相誤差を検出する第１位相検出器と、前記第１位相誤差の少なくとも比例成分を含む第１信号を生成する制御部と、前記第１位相誤差の少なくとも微分成分に比例した第２信号を生成する第１補助信号生成器と、を備え、前記第１制御信号は、前記第１信号に応じた信号であり、前記第２制御信号は、前記第１信号と前記第２信号に応じた信号である。
第１の実施形態に係る位相同期回路のブロック図である。 一比較例に係る位相同期回路のブロック図である。 第２の実施形態における位相同期回路のブロック図である。 第２の実施形態において、制御部が比例制御及び積分制御する場合の、位相同期回路のブロック図である。 第３の実施形態における位相同期回路のブロック図である。 第４の実施形態における位相同期回路のブロック図である。 第５の実施形態における位相同期回路のブロック図である。 第６の実施形態における位相同期回路のブロック図である。 第７の実施形態における位相同期回路のブロック図である。 第７の実施形態において、第１位相検出器を乗算器と低域通過フィルタで構成した位相同期回路のブロック図である。 第８の実施形態におけるセンシング装置のブロック図である。 第８の実施形態における第２位相検出器の構成例を示すブロック図である。 第９の実施形態におけるセンシング装置のブロック図である。 第１０の実施形態におけるセンシング装置のブロック図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る位相同期回路１のブロック図、図２は一比較例に係る位相同期回路１００のブロック図である。まず、図２の一比較例に係る位相同期回路１００を用いて、位相同期回路の動作原理を説明する。
図２の位相同期回路１００は、発振器２００と、共振素子３００と、位相検出器４００と、制御部５００とを備えている。
発振器２００は、周波数を可変可能な発振信号を生成する。より具体的には、発振器２００は、制御部５００から出力された第１制御信号に基づいて、発振信号の周波数を制御する。発振器２００は、第１制御信号に周波数変換係数Ｋを乗じた周波数の発振信号を生成する。
発振器２００の出力信号（発振信号）は共振素子３００に入力される。共振素子３００は、所定の共振周波数で共振する。共振素子は、共振周波数で急峻なＱ値（Quality Factor）を有し、共振周波数では発振信号から９０度位相が遅れた信号を出力する。
発振器２００の出力信号の周波数（発振周波数）が共振素子３００の共振周波数からずれていると、共振素子３００での位相遅れが９０度からずれる。本明細書では、このずれ成分を位相誤差と呼び、この位相誤差をラプラス変換した位相誤差信号をθe(ｓ)とする。発振器２００の、出力信号の位相をラプラス変換した信号（以下、位相信号）をθ(ｓ)とすると、共振素子３００の出力信号の位相をラプラス変換した位相信号は、θ(ｓ)－90°／ｓ＋θe(ｓ)となる。
位相検出器４００は、発振器２００の出力信号の位相と、共振素子３００の出力信号の位相との位相差を検出する。発振器２００の位相信号θ(ｓ)と、共振素子３００の位相信号θ(ｓ)－90°／ｓ＋θe(ｓ)との差分を取ると、位相差は、－90°／ｓ＋θe(ｓ)となる。発振器２００から予め９０度位相のずれた発振信号を生成して位相検出器４００に入力すると、位相差は、θe(ｓ)となる。
制御部５００は、例えば位相検出器４００で検出された位相差に応じた比例制御（Ｐ制御）及び積分制御（Ｉ制御）を行って５００第１制御信号を生成する。制御部５００は、比例項Ｐと積分項Ｉを有するフィルタで構成可能である。制御部５００のフィルタは、ラプラス表記ではＰ＋Ｉ／ｓと表すことができる。
発振器２００は、制御部５００の出力から生成された第１制御信号に周波数変換係数Ｋを乗じた周波数の発振信号を生成する。周波数変換係数Ｋは、発振器２００に固有の係数である。図２等では、発振器２００の出力信号を位相で表現しており、周波数を積分して位相とするために、発振器２００をＫ／ｓと表現している。
図２より、発振器２００の出力信号θ(ｓ)は、位相誤差信号θe(ｓ)、制御部５００のフィルタＰ＋Ｉ／ｓ、発振器２００のＫ／ｓを乗じて算出できる。すなわち、発振器２００の出力信号θ(ｓ)は、以下の式(１)で表される。
Figure 2024024522000002
発振器２００の発振周波数は、位相θ(ｓ)を微分すればよいので、ラプラス表記ではｓを乗じてｓθ(ｓ)と表すことができる。共振素子の共振周波数ωr(ｔ)は環境の時間変化に応じて変化する。共振周波数ωr(ｔ)は、ラプラス表記ではωr(ｓ)と表すことができる。
発振器２００の発振周波数が共振素子３００の共振周波数に近い場合、共振素子３００の共振周波数付近での位相特性は線形近似することができる。共振素子３００の共振周波数での位相の傾きをａとすると、位相誤差θe(ｓ)は、発振器２００の発振周波数と共振素子３００の共振周波数の差ｓθ(ｓ)－ωr(ｓ)に、係数ａを乗じた値で表すことができる。すなわち、位相誤差θe(ｓ)は、以下の式(２)で表される。
Figure 2024024522000003
式(１)、(２)より、発振器２００の出力信号θ(ｓ)は、以下の式(３)で表される。
Figure 2024024522000004
式(３)より、発振器２００の発振周波数と共振素子３００の共振周波数の周波数誤差ｓθ(ｓ)－ωr(ｓ)は、以下の式(４)で表される。
Figure 2024024522000005
このように、共振素子３００の共振周波数が時間に応じて変化すると、発振器２００の発振周波数は、共振周波数の変化に追随できず、式（４）に示す周波数誤差が生じることがわかる。
そこで、図１の位相同期回路１は、式(４)に示す周波数誤差をゼロにすることを特徴とする。位相同期回路１は、第１発振器２１と、第２発振器２２と、共振素子３と、第１位相検出器４１と、制御部５と、第１補助信号生成器６１とを備えている。
第１発振器２１は、図２の発振器２００と同様に、制御部５の出力から生成された第１制御信号に応じて周波数を可変させる。具体的には、第１発振器２１は、第１制御信号に固有の周波数変換係数（第１変換係数）Ｋ1を乗じた周波数の発振信号を生成する。
第２発振器２２は、後述の第２制御信号に応じて周波数を可変させる。具体的には、第２発振器２２は、第２制御信号に固有の周波数変換係数（第２変換係数）Ｋ2を乗じた周波数の発振信号を生成する。
共振素子３は、図２の共振素子３００と同様に、所定の共振周波数で共振するとともに、共振周波数では第１発振器２１の出力信号の位相を９０度ずらした信号を出力する。
第１位相検出器４１は、例えば加算器から構成される。第１位相検出器４１は、共振素子３の出力信号の位相と、第２発振器２２の出力信号の位相との位相差（第１位相誤差）を検出する。第１位相検出器４１は、制御部５及び第１補助信号生成器６１に第１位相誤差信号を入力する。
制御部５は、第１位相誤差信号の少なくとも比例成分を含む第１信号を生成する。第１制御信号は、第１信号に応じた信号である。
第１補助信号生成器６１は、第１位相誤差信号の少なくとも微分成分に比例した第２信号を生成する。
第２制御信号は、第１信号と第２信号に応じた信号である。第２制御信号は、例えば第１位相補正器７１で生成される。第１位相補正器７１は、第２発振器２２の入力ノードと、制御部５の出力ノード及び第１補助信号生成器６１の出力ノードとの間に挿入される。第１位相補正器７１は、第１信号と第２信号とを合成して第２制御信号を生成する。
第１発振器２１及び第２発振器２２の出力信号は、理想的には共振素子３の出力信号から９０度位相のずれた発振信号である。第１発振器２１の出力信号の位相をθ1(ｓ)とすると、式(２)と同様に、第１発振器２１と共振素子３の位相差は、－90°／ｓ+ａ(ｓθ1(ｓ)－ωr(ｓ))と表現できる。すなわち、共振素子３の位相信号は、θ1(ｓ)－90°／ｓ+ａ(ｓθ1(ｓ)－ωr(ｓ))となる。なお、係数ａは、共振素子３の共振周波数での位相の傾きを示している。
第１位相検出器４１の出力である第１位相誤差θe1(ｓ)は、共振素子３の位相信号と第２発振器２２の位相信号の位相差である。第２発振器２２の位相信号をθ2(ｓ)とし、第２発振器２２から予め９０度位相のずれた発振信号を生成して第１位相検出器４１に入力すると、第１位相検出器４１の出力である第１位相誤差θe1(ｓ)は、以下の式(５)で表される。
Figure 2024024522000006
制御部５の伝達関数をＦ(ｓ)とすると、第１発振器２１の位相信号θ1(ｓ)は以下の式(６)で表される。
Figure 2024024522000007
第１補助信号生成器６１の伝達関数をＡ(ｓ)で表すと、第１位相補正器７１から出力される第２制御信号はＦ(ｓ)＋Ａ(ｓ)で表すことができる。これにより、第２発振器２２の位相信号θ2(ｓ)は以下の式(７)で表される。
Figure 2024024522000008
式(５)、(６)、(７)より第１発振器２１の発振周波数ｓθ1(ｓ)は以下の式(８)で表される。
Figure 2024024522000009
ここで、Ｆ(ｓ)(Ｋ2―Ｋ1)＋Ａ(ｓ)Ｋ2＝－ｓの関係が成り立つように第１補助信号生成器６１の伝達関数Ａ(ｓ)を式(９)のように設定する。式(９)の伝達関数Ａ(ｓ)を式(８)に適用すると、式(１０)の結果が得られる。式(１０)からわかるように、第１発振器２１の発振周波数ｓθ1(ｓ)を共振素子３の共振周波数ωr(ｓ)に追従させることができる。
Figure 2024024522000010
Figure 2024024522000011
このように、図１に示す位相同期回路１は、第２発振器２２と第１補助信号生成器６１を設けることにより、温度等の環境によって共振素子３の共振周波数が変動しても、その変動に追従性よく第１発振器２１の発振周波数を変化させることができる。特に、本実施形態によれば、環境情報などを外部から入力することなく、発振周波数を共振周波数に精度よく追従させることができる。具体的には、第１補助信号生成器６１の伝達関数Ａ(ｓ)を式(９)のように設定することで、第１発振器２１の発振周波数を、共振周波数に追従させることができる。
また、式(９)に示す通り、第１補助信号生成器６１の特性は、制御部５の伝達関数Ｆ(ｓ)と、第１発振器２１及び第２発振器２２の周波数変換係数Ｋ1、Ｋ2から決定される。このため、第１補助信号生成器６１の特性は、共振素子３の特性、又は温度特性などの環境情報によらず、設定することができる。
（第２の実施形態）
第１発振器２１の周波数変換係数Ｋ1と、第２発振器２２の周波数変換係数Ｋ2を略一致させてもよい。図３は、第２の実施形態における位相同期回路１ａのブロック図である。図３においては、Ｋ1＝Ｋ2＝Ｋ0としている。これにより、式(９)に示した第１補助信号生成器６１の伝達関数Ａ(ｓ)は、式(１１)のように表すことができる。
Figure 2024024522000012
式(１１)に示すように、第１補助信号生成器６１の伝達関数Ａ(ｓ)は、制御部５の伝達関数Ｆ(ｓ)によらず、微分特性のみに簡略化することができる。
第２の実施形態において、制御部５の伝達関数Ｆ(ｓ)は、任意に設定できる。図４は、第２の実施形態において、制御部５が比例制御及び積分制御する場合の、位相同期回路１ｂのブロック図である。例えば、制御部５の伝達関数Ｆ(ｓ)は、図４に示すように第１位相検出器４１で検出された第１位相誤差に応じた比例制御（Ｐ制御とも呼ぶ）及び積分制御（Ｉ制御とも呼ぶ）で実現できる。よって、制御部５は、比例項Ｐと積分項Ｉを有するフィルタで構成可能である。
このように、第２の実施形態では、第１発振器２１及び第２発振器２２の周波数変換係数Ｋ1、Ｋ2を略一致させている。これにより、第１補助信号生成器６１の伝達関数Ａ(ｓ)は、式(１１)に示すように、制御部５の伝達関数Ｆ(ｓ)に依存しなくなる。よって、位相同期回路１ａ、１ｂは、制御部５の伝達関数Ｆ(ｓ)に依存せず、第１発振器２１の発振周波数を共振周波数に追従させることができる。
（第３の実施形態）
第１補助信号生成器６１以外に１つ以上の補助信号生成器を設けてもよい。例えば、第１位相検出器４１で検出された第１位相誤差信号を入力する第２補助信号生成器をさらに備え、第２補助信号生成器の出力と制御部５の出力の和から第１発振器２１の第１制御信号を生成するようにしても良い。
図５は、第３の実施形態における位相同期回路１ｃのブロック図である。位相同期回路１ｃは、図１の位相同期回路１の構成に加え、第２補助信号生成器６２及び第２位相補正器７２を備えている。
第２補助信号生成器６２は、第１位相検出器４１に第１位相誤差信号を入力される。第２補助信号生成器６２は、第１位相誤差信号の少なくとも微分成分に比例した第３信号を生成する。
第２位相補正器７２は、第１発振器２１と、制御部５及び第２補助信号生成器６２との間に挿入される。第２位相補正器７２は、第１信号と第３信号とを合成して第１制御信号を生成する。
第２補助信号生成器６２の伝達関数をＢ(ｓ)とすると、第３の実施形態における第１発振器２１の位相信号θ1(ｓ)は、以下の式(１２)で表される。
Figure 2024024522000013
式(５)、(７)、(１２)よりｓθ1(ｓ)は以下の式(１３)で表される。
Figure 2024024522000014
式(１３)より、Ａ(ｓ)Ｋ2－Ｂ(ｓ)Ｋ1＝－ｓ＋Ｆ(ｓ)（Ｋ1－Ｋ2）の関係が成り立つように、第１補助信号生成器６１の伝達関数Ａ(ｓ)及び第２補助信号生成器６２の伝達関数Ｂ(ｓ)を設定することができる。これにより、位相同期回路１ｃにおいても式(１０)の関係が成立し、第１発振器２１の発振周波数を共振周波数に追従させることができる。
第１発振器２１の周波数変換係数Ｋ1と、第２発振器２２の周波変換係数Ｋ2を、Ｋ1＝Ｋ2＝Ｋ0とすることができる。これにより、制御部５の伝達関数Ｆ(ｓ)によらず、第１補助信号生成器６１の伝達関数Ａ(ｓ)と第２補助信号生成器６２の伝達関数Ｂ(ｓ)の差を、式(１４)に示すように簡略化できる。
Figure 2024024522000015
このように、第１補助信号生成器６１以外に１つ以上の補助信号生成器は設けた場合においても、第１の実施形態と同様に、第１発振器２１の発振周波数を共振周波数に追従させることができる。また、第２の実施形態と同様に、第１発振器２１及び第２発振器２２の周波数変換係数Ｋ1、Ｋ2を略一致させることで、第１補助信号生成器６１の伝達関数Ａ(ｓ)及び第２補助信号生成器６２の伝達関数Ｂ(ｓ)が制御部５の伝達関数Ｆ(ｓ)に依存しなくなる。
（第４の実施形態）
第１の実施形態において、第１位相検出器４１は加算器で構成されているが、第１位相検出器４１の構成は、加算器に限定されない。例えば、第１位相検出器４１は、乗算器と、低域通過フィルタとで構成されていてもよい。
図６は、第４の実施形態における位相同期回路１ｄのブロック図である。図６の第１位相検出器４１ａは、乗算器４２と、低域通過フィルタ４３とを有する。
乗算器４２は、共振素子３の出力信号と第２発振器２２の出力信号の乗算結果を出力する。低域通過フィルタ４３は、乗算器４２の出力信号のうち、所定の遮断周波数より低い周波数成分を抽出する。
第１発振器２１の位相は、共振周波数で共振している共振素子３の位相に対して、９０度の位相遅れと、位相誤差θE(ｔ)が生じる。位相誤差θE(ｔ)は、共振素子３の共振周波数付近では線形近似できる。すなわち、係数ａ、第１発振器２１の出力周波数θ1 (ｔ)、及び共振素子３の共振周波数ωr(ｔ)を用いて以下の式(１５)で表すことができる。
Figure 2024024522000016
第１発振器２１の出力信号がcosθ１(ｔ)の場合、共振素子３の出力信号ωは、以下の式(１６)で表される。
Figure 2024024522000017
第２発振器２２の出力信号cosθ２(ｔ)と共振素子３ωの出力信号とを乗算器４２で乗じると、以下の式(１７)で表される信号が生成される。
Figure 2024024522000018
Figure 2024024522000019
乗算器４２の出力信号を低域通過フィルタ４３に入力すると、以下の式(１８)に示す第１位相検出器４１ａの出力信号θe1(ｔ)が得られる。
Figure 2024024522000020
式(１８)に示す第１位相検出器４１ａの出力信号θe1(ｓ)を２倍し、ラプラス変換したものが、式(５)に示す第１位相誤差θe1(ｓ)に対応する。
このように、第４の実施形態では、第１位相検出器４１ａを乗算器４２と低域通過フィルタ４３とで構成する。この場合においても、加算器で構成した第１位相検出器４１を用いる場合と同様に、環境情報などを外部から入力することなく、発振周波数を共振周波数に精度よく追従させることができる。
（第５の実施形態）
第５の実施形態では、第１位相検出器４１に、互いに９０度位相の異なる、第１発振信号及び第２発振信号と共振素子３の出力信号との位相差を検出させてもよい。
図７は第５の実施形態における位相同期回路１ｅのブロック図である。図７の第１位相検出器４１ｂは、乗算器４２と、低域通過フィルタ４３と、位相差演算部４４とを有する。
第２発振器２２は、互いに位相の異なる第１発振信号及び第２発振信号を生成する。乗算器４２は、第１発振信号と共振素子３の出力信号とを乗算した第１乗算信号Ｉを生成するとともに、第２発振信号と共振素子３の出力信号とを乗算した第２乗算信号Ｑを生成する。位相差演算部４４は、低域通過フィルタ４３の出力信号のうち、上記第１乗算信号Ｉの低域成分信号と、第２乗算信号Ｑの低域成分信号との位相差を検出する。
図７の第１発振器２１はcosθ1(ｔ)で表される発振信号を共振素子３に供給する。また、第１位相検出器４１ｂ内の乗算器４２は、共振素子３の出力信号に、第２発振器２２から供給される第１発振信号及び第２発振信号(2sinθ2(ｔ), －2cosθ2(ｔ))のそれぞれを乗じて、第１乗算信号Ｉと第２乗算信号Ｑを生成する。第１乗算信号Ｉと第２乗算信号Ｑは、共振素子３の出力信号ωを用いて、以下の式(１９)、(２０)で表すことができる。なお、共振素子３の出力信号ωは第４の実施形態と同様に、式(１６)で表すことができる。
Figure 2024024522000021
Figure 2024024522000022
第１位相検出器４１ｂ内の低域通過フィルタ４３は、第１乗算信号Ｉに含まれる低域成分信号ＩLと、第２乗算信号Ｑに含まれる低域成分信号ＱLを抽出する。低域成分信号ＩL、ＱLは、式(１８)のθe1(ｔ)を用いて、以下の式(２１)、（２２）で表すことができる。
Figure 2024024522000023
Figure 2024024522000024
位相差演算部４４は、式(２３)に示すように、ＩＱ平面における低域成分信号ＩLと低域成分信号ＱLの為す角度∠ＩLＱLにより位相差を演算する。
Figure 2024024522000025
式(２３)に示すように、位相差演算部４４から、第１位相検出器４１ｂの出力信号θe1(ｔ)を出力することができる。
このように、第２発振器２２が互いに９０度位相の異なる第１発振信号及び第２発振信号を第１位相検出器４１ｂに供給する場合においても、乗算器４２、低域通過フィルタ４３、及び位相差演算部４４を用いることにより、第１位相検出器４１ｂから第１～第４の実施形態と同様に、環境情報などを外部から入力することなく、発振周波数を共振周波数に精度よく追従させることができる。
（第６の実施形態）
第１～５の実施形態における位相同期回路１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅでは、各回路素子をアナログ回路で構成している。第６の実施形態においては、回路素子の一部をデジタル回路で構成する。制御に用いる各信号をデジタル信号とすることにより、温度等の環境による影響に対する耐性を高めることができる。
図８は第６の実施形態における位相同期回路１ｆのブロック図である。位相同期回路１ｆは、ＤＡ（Digital to Analog）変換器８１とＡＤ（Analog to Digital）変換器８２を備えている。図８の第１発振器２１、第２発振器２２、第１位相検出器４１、制御部５、及び第１補助信号生成器６１は、デジタル回路で構成され、共振素子３はアナログ回路で構成される。
ＤＡ変換器８１は、第１発振器２１の出力ノードと共振素子３の入力ノードの間に挿入されている。ＤＡ変換器８１は、第１発振器２１の出力信号をアナログ信号に変換し、共振素子３に入力する。
ＡＤ変換器８２は、共振素子３の出力ノードと第１位相検出器４１の入力ノードの間に挿入されている。ＤＡ変換器８１は、共振素子３の出力信号をデジタル信号に変換し、第１位相検出器４１に入力する。
位相同期回路１ｆは、第１発振器２１、第２発振器２２をデジタル回路で構成するため、温度や電源電圧などの環境情報により周波数変換係数Ｋ1、Ｋ2が変動しなくなる。よって、環境の変化により共振素子３の共振周波数が時間とともに変化しても、第１発振器２１の発振周波数を共振周波数に追従性よく変化させることができる。
このように、第６の実施形態における位相同期回路１ｆは、ＤＡ変換器８１とＡＤ変換器８２を備え、第１発振器２１、第２発振器２２、第１位相検出器４１、制御部５、及び第１補助信号生成器６１をデジタル回路としている。これにより、温度等の環境によって共振素子３の共振周波数が変動しても、その変動に追従性よく第１発振器２１の発振周波数を変化させることができる。
（第７の実施形態）
第１補助信号生成器６１は、様々な構成をとることができる。例えば、第１補助信号生成器６１の微分特性は、高域通過フィルタ又は帯域通過フィルタで模擬してもよい。
図９Ａは、第７の実施形態における位相同期回路１ｇのブロック図である。図９Ａの第１補助信号生成器６１ａは、フィルタ６３を含む。
フィルタ６３は、例えば高域通過フィルタである。フィルタ６３は、第１位相検出器４１により、第１位相誤差信号を入力される。フィルタ６３は、第１位相誤差θe1(ｓ)のうち、所定の遮断周波数よりも低い周波数では、周波数に対して出力が増加する特性を示す。フィルタ６３は、遮断周波数より低い周波数では微分特性を示すため、高域通過フィルタで微分特性を模擬することができる。フィルタ６３の高域通過特性の遮断周波数より低い特性を使うことにより、第１補助信号生成器６１ａにおいても第１補助信号生成器６１の微分特性を実現できる。これにより、温度等の環境によって共振素子３の共振周波数が変動しても、その変動に追従性よく第１発振器２１の発振周波数を変化させることができる。フィルタ６３には、帯域通過フィルタを用いてもよい。帯域通過フィルタの場合も、低域側の遮断周波数より低い周波数では微分特性を模擬できる。
図９Ｂは、第７の実施形態における位相同期回路１ｈにおいて、第４の実施形態と同様に、乗算器４２と、低域通過フィルタ４３とで構成する第１位相検出器４１ａを用いた例である。この場合において、フィルタ６３は、低域通過フィルタ４３よりも高い遮断周波数を有する。
このように、第７の実施形態では、フィルタ６３を高域通過フィルタ又は帯域通過フィルタで構成することにより、第１位相検出器４１で検出された第１位相誤差θe1(ｓ)に含まれる高域の雑音成分が第１補助信号生成器６１ａにおいて増幅されることを防ぐことができる。
（第８の実施形態）
第１～第７の実施形態による位相同期回路１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈは、物理量を検出するセンシング装置に内蔵することができる。物理量とは、例えば、角度、加速度、ガス濃度などの種々のセンサの検知対象信号である。センシング装置は、共振素子３の出力信号に基づいて物理量を検出してもよいし、第１発振器２１の出力信号、又は第１制御信号に基づいて物理量を検出してもよい。
図１０Ａは、第８の実施形態におけるセンシング装置１０のブロック図である。図１０Ａのセンシング装置１０は、位相同期回路１ｆと、物理量演算部９を備えている。物理量演算部９は、第２位相検出器９１と、演算部９２を有する。
図１０Ａのセンシング装置１０は、例えば角度センサであってもよい。例えば、位相同期回路１内の共振素子３がＭＥＭＳ共振素子の場合には、角度センサに適用可能である。
第８の実施形態における共振素子３は、二次元方向に所定の共振周波数で振動して、ｘ方向（第１方向）の変位信号と、ｙ方向（第２方向）の変位信号とを出力する。
図１０Ｂは、第２位相検出器９１の構成例を示すブロック図である。第２位相検出器９１は、乗算器９３と、低域通過フィルタ９４を有する。
第２位相検出器９１は、第１発振器２１の出力信号と、共振素子３の出力信号の位相差を検出するために用いられる。具体的には、第２位相検出器９１は、第１発振器２１の出力信号と共振素子３のｘ方向の変位信号とを乗じた信号の低周波成分及び、第１発振器２１の出力信号と共振素子３のｙ方向の変位信号とを乗じた信号の低周波成分を、第２位相誤差として検出する。
演算部９２は、第２位相検出器９１で検出された第２位相誤差に基づいて物理量の演算を行う。第８の実施形態においては、物理量として、例えば角度の演算を行う。
ＭＥＭＳ共振素子は、マス（錘）を楕円形状に振動させるものであり、楕円の長軸をｄ、短軸をｑとしている。ＭＥＭＳ共振素子のｘ方向の変位信号は式(２４)で表され、ｙ方向の変位信号は式(２５)で表される。
Figure 2024024522000026
Figure 2024024522000027
Figure 2024024522000028
Figure 2024024522000029
ここで、θe2(ｔ)は第２位相検出器９１の出力θe2(ｔ)である。第２位相検出器９１の出力θe2(ｔ)をラプラス変換したものがθe2(ｓ)であり、以下の様に求まる。
Figure 2024024522000030
第２位相検出器９１内の乗算器９３は、共振素子３から入力されるｘ方向の変位信号及びｙ方向の変位信号と、第１発振器２１から入力される発振信号(2sinθ1(ｔ), －2cosθ1(ｔ))とを乗じて、以下の式(２６)、(２７)に示すＩx信号及びＱx信号と、式(２８)、(２９)に示すＩy信号及びＱy信号とを生成する。
Figure 2024024522000031
Figure 2024024522000032
Figure 2024024522000033
Figure 2024024522000034
第２位相検出器９１内の低域通過フィルタ９４は、Ｉx信号、Ｑx信号、Ｉy信号、Ｑy信号の低周波成分ＩxL、ＱxL、ＩyL、ＱyLを抽出する。低域通過フィルタ９４の出力信号ＩxL、ＱxL、ＩyL、ＱyLは、演算部９２に入力される。演算部９２は、以下の式(３０)に基づいて角度θA(ｔ)を求める。
Figure 2024024522000035
図１０Ａでは、第５の実施形態で示した位相同期回路１ｆを、センシング装置１０に適用する例を示している。位相同期回路１ｆは、ＤＡ変換器８１とＡＤ変換器８２を備える。これにより、第１発振器２１、第２発振器２２、第１位相検出器４１、制御部５、第１補助信号生成器６１、第１位相補正器７１、物理量演算部９は、いずれもデジタル回路で構成できる。一方、共振素子３はアナログ回路で構成される。
ＤＡ変換器８１は、物理量演算部９と共振素子３の間に挿入され、第１発振器２１の出力信号をアナログ信号に変換する。ＡＤ変換器８２は、共振素子３と物理量演算部９の間に挿入され、共振素子３の出力信号をデジタル信号に変換する。
第１発振器２１、第２発振器２２、第１位相検出器４１、制御部５、第１補助信号生成器６１、第１位相補正器７１をデジタル回路で構成することにより、温度や電源電圧などによる第１発振器２１、第２発振器２２の周波数変換係数Ｋ1、Ｋ2の変動を抑制できる。よって、温度や電源電圧等の環境の変化により共振素子３の共振周波数が時間変化しても、共振素子３の共振周波数に精度よく追従させて第１発振器２１の発振周波数を可変させることができる。
また、物理量演算部９をデジタル回路で構成できるため、アナログ回路で構成する場合と比べて、温度や電源電圧等の環境の影響を受けなくなり、より正確に物理量を検出できる。
なお、ＤＡ変換器８１とＡＤ変換器８２は、センシング装置１０から配置を省略することもできる。また、センシング装置１０には、位相同期回路１ｆのほか、位相同期回路１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｇ、１ｈのいずれかを適用してもよく、あるいはこれらの位相同期回路の回路素子を適宜組み合わせて適用してもよい。
このように、センシング装置１０に位相同期回路１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈを適用できる。位相同期回路１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈは、環境情報の時間変化により共振素子３の共振周波数が時間とともに変化しても、第１発振器２１の発振周波数を共振素子３の共振周波数に精度よく追従させることができる。これにより、センシング装置１０の物理量（例えば、角度）の検出精度の低下を抑制することができる。
（第９の実施形態）
センシング装置１０は、様々な構成をとることができる。例えば、センシング装置１０の構成を変更し、異なるセンサに適用してもよい。
図１１は、第９の実施形態におけるセンシング装置１０ａのブロック図である。センシング装置１０ａは、位相同期回路１と、物理量演算部９ａを備えている。物理量演算部９ａは、周波数検出器９６と、周波数誤差検出器９７と、演算部９２を有する。第８の実施形態と同様に、図１１のＤＡ変換器８１とＡＤ変換器８２は、配置を省略してもよい。
センシング装置１０ａは、例えば加速度センサであってもよい。例えば、位相同期回路１内の共振素子３がＭＥＭＳ共振素子の場合には、加速度センサに適用可能である。
周波数検出器９６は、第１発振器２１の発振周波数を検出する。周波数誤差検出器９７は、周波数検出器９６で検出された発振周波数と所定の基準周波数との周波数誤差を演算する。基準周波数は、例えば共振素子３の加速度をゼロとしたときの第１発振器２１の発振周波数である。
演算部９２は、周波数誤差検出器９７で演算された周波数誤差に基づいて、物理量を検出する。具体的には、演算部９２は、周波数誤差検出器９７で演算された周波数誤差を共振素子３の加速度係数ＫAで割ることにより、加速度を求める。加速度係数ＫAは、ＭＥＭＳ共振素子に固有の値である。
センシング装置１０ａは、例えばガスセンサであってもよい。すなわち、共振素子３が、ガスに反応する膜がついているＭＥＭＳ共振素子では、ガスに反応して共振素子３の質量や応力が変わり共振周波数が変化する。よって、ガスセンサに適用可能である。
周波数誤差検出器９７は、周波数検出器９６で検出された共振周波数に追従している第１発振器２１の発振周波数と基準周波数との周波数誤差を演算する。基準周波数は、所定のガス濃度時の共振素子３の共振周波数である。演算部９２は、周波数誤差検出器９７で演算された周波数誤差を共振素子３のガス濃度係数ＫGで割ることにより、ガス濃度を求める。ガス濃度係数ＫGは、ＭＥＭＳ共振素子に固有の値である。
このように、第９の実施形態におけるセンシング装置１０ａは、例えば加速度センサ又はガスセンサに適用できる。センシング装置１０ａは、環境変化により共振素子３の共振周波数が時間により変化しても、第１発振器２１の発振周波数が共振周波数に精度よく追随して変化するため、より正確に加速度（ガス濃度）を検出することができる。
（第１０の実施形態）
第９の実施形態におけるセンシング装置１０ａは、第１発振器２１の出力信号を、物理量演算部９ａに入力して、第１発振器２１の発振周波数と共振素子３の共振周波数との周波数誤差を演算している。周波数誤差の演算には、第１発振器２１の第１制御信号を用いてもよい。
図１２は第１０の実施形態におけるセンシング装置１０ｂのブロック図である。センシング装置１０ｂは、位相同期回路１と、物理量演算部９ｂを備えている。物理量演算部９ｂは、周波数倍数器９８と、周波数誤差検出器９７と、演算部９２を有する。第８の実施形態と同様に、図１２のＤＡ変換器８１とＡＤ変換器８２は、配置を省略してもよい。
周波数倍数器９８は、第１制御信号に周波数変換係数Ｋ1を乗じる。これにより、周波数倍数器９８は、第１発振器２１と同じ発振周波数の周波数を表す周波数信号を生成できる。つまり、周波数倍数器９８は、図１１の周波数検出器９６の機能を有しており、第１制御信号に周波数変換係数Ｋ1を乗じて得られる第１発振器２１の発振信号の周波数を出力する。
周波数誤差検出器９７は、周波数倍数器９８の出力信号と所定の基準周波数との周波数誤差を演算する。演算部９２は、周波数誤差検出器９７で演算された周波数誤差に基づいて、物理量を検出する。
センシング装置１０ｂは、例えば加速度センサであってもよい。その場合、加速度を演算する物理量演算部９ｂ内の周波数誤差検出器９７及び演算部９２の処理動作は、物理量演算部９ａ内の周波数誤差検出器９７及び演算部９２の処理動作と同様である。また、センシング装置１０ｂは、センシング装置１０ａと同様にガスセンサとして用いることもできる。
このように、センシング装置１０ａ、１０ｂは、第１発振器２１の出力信号に基づいて、加速度（ガス濃度）を検出することができるし、第１発振器２１の第１制御信号に基づいて、加速度（ガス濃度）を検出することもできる。
どちらの場合においても、温度等の環境条件の変化により共振素子３の共振周波数が時間変化しても、追従性よく第１発振器２１の発振周波数を変化させることができるため、より正確に加速度（ガス濃度）を検出することができる。
なお、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、各実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。
［付記］
［項目１］
第１制御信号に応じて周波数を可変させる第１発振器と、
所定の共振周波数で共振するとともに、前記共振周波数では前記第１発振器の出力信号の位相を９０度ずらした信号を出力する共振素子と、
第２制御信号に応じて周波数を可変させる第２発振器と、
前記共振素子の出力信号と前記第２発振器の出力信号との第１位相誤差を検出する第１位相検出器と、
前記第１位相誤差の少なくとも比例成分を含む第１信号を生成する制御部と、
前記第１位相誤差の少なくとも微分成分に比例した第２信号を生成する第１補助信号生成器と、を備え、
前記第１制御信号は、前記第１信号に応じた信号であり、
前記第２制御信号は、前記第１信号と前記第２信号に応じた信号である、
位相同期回路。
［項目２］
前記第１信号と前記第２信号とを合成して前記第２制御信号を生成する第１位相補正器をさらに備える、
項目１に記載の位相同期回路。
［項目３］
前記第１発振器が前記第１制御信号から前記第１発振器の出力信号に変換する第１変換係数は、前記第２発振器が前記第２制御信号から前記第２発振器の出力信号に変換する第２変換係数に等しい、
項目１又は２に記載の位相同期回路。
［項目４］
前記第１位相検出器は、前記第１位相誤差を検出する加算器を有する、
項目１～３のいずれか一項に記載の位相同期回路。
［項目５］
前記第１位相検出器は、前記共振素子の出力信号と前記第２発振器の出力信号との乗算を行う乗算器と、
前記乗算器の出力信号の低域周波数成分を前記第１位相誤差として抽出する低域通過フィルタと、を有する、
項目１～３のいずれか一項に記載の位相同期回路。
［項目６］
前記第２発振器は、互いに位相の異なる第１発振信号及び第２発振信号を出力し、
前記乗算器は、前記共振素子の出力信号と前記第１発振信号とを乗算した第１乗算信号を生成するとともに、前記共振素子の出力信号と前記第２発振信号とを乗算した第２乗算信号を生成し、
前記低域通過フィルタは、前記第１乗算信号の低域成分信号と前記第２乗算信号の低域成分信号とを抽出し、
前記第１位相検出器は、前記第１乗算信号の低域成分信号と前記第２乗算信号の低域成分信号との位相差を検出する位相差演算部をさらに有する、
項目５に記載の位相同期回路。
［項目７］
前記第１補助信号生成器は、高域通過フィルタ又は帯域通過フィルタを有する、
項目１～６のいずれか一項に記載の位相同期回路。
［項目８］
前記第１位相誤差の少なくとも微分成分に比例した第３信号を生成する第２補助信号生成器と、
前記第１信号と前記第３信号とを合成して前記第１制御信号を生成する第２位相補正器と、をさらに備える、
項目１～４のいずれか一項に記載の位相同期回路。
［項目９］
前記第１発振器と前記共振素子との間に挿入され、前記第１発振器の出力信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換器と、
前記共振素子と前記第１位相検出器の間に挿入され、前記共振素子の出力信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、をさらに備える、
項目１～８のいずれか一項に記載の位相同期回路。
［項目１０］
前記共振素子は、前記共振周波数で振動するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）共振素子である、
項目１～９のいずれか一項に記載の位相同期回路。
［項目１１］
項目１～１０のいずれか一項に記載の位相同期回路と、
前記共振素子の出力信号、前記第１発振器の出力信号、又は前記第１制御信号の少なくとも一つに基づいて物理量を演算する物理量演算部と、を備える、
センシング装置。
［項目１２］
前記共振素子は、二次元方向に前記共振周波数で振動して、第１方向の変位信号と、第２方向の変位信号とを出力し、
前記物理量演算部は、
前記第１発振器の出力信号と前記第１方向の変位信号とを乗じた信号の低周波成分及び、前記第１発振器の出力信号と前記第２方向の変位信号とを乗じた信号の低周波成分を、第２位相誤差として検出する第２位相検出器と、
前記第２位相検出器で検出された前記第２位相誤差に基づいて前記物理量の演算を行う演算部と、を備え、
前記物理量は、角度を含む、
項目１１に記載のセンシング装置。
［項目１３］
前記物理量演算部は、前記第１発振器の出力信号の周波数を検出する周波数検出器と、
前記周波数検出器で検出された周波数と、所定の基準周波数との周波数誤差を検出する周波数誤差検出器と、
前記周波数誤差に基づいて、前記物理量を検出する演算部と、を備える、
項目１１に記載のセンシング装置。
［項目１４］
前記第１発振器は、前記第１制御信号を、前記第１発振器の出力信号に変換する第１変換係数を有し、
前記物理量演算部は、
前記第１発振器の前記第１変換係数を前記第１制御信号に乗じる周波数倍数器と、
前記周波数倍数器の出力信号と、所定の基準周波数との周波数誤差を検出する周波数誤差検出器と、前記周波数誤差に基づいて、前記物理量を検出する演算部と、を有する、
項目１１に記載のセンシング装置。
［項目１５］
前記共振素子は、固有の加速度係数を有し、
前記演算部は、前記周波数誤差を前記加速度係数で割ることにより、加速度を検出する、
項目１３又は１４に記載のセンシング装置。
［項目１６］
前記共振素子は、固有のガス濃度係数を有し、
前記演算部は、前記周波数誤差を前記ガス濃度係数で割ることにより、ガス濃度を検出する、
項目１３又は１４に記載のセンシング装置。
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ、１００ 位相同期回路、２００ 発振器、３、３００ 共振素子、４００ 位相検出器、５、５００ 制御部、９、９ａ、９ｂ 物理量演算部、１０、１０ａ、１０ｂ センシング装置、２１ 第１発振器、２２ 第２発振器、４１、４１ａ、４１ｂ 第１位相検出器、４２、９３ 乗算器、４３、９４ 低域通過フィルタ、４４ 位相差演算部、６１、６１ａ 第１補助信号生成器、６２ 第２補助信号生成器、６３ フィルタ、７１ 第１位相補正器、７２ 第２位相補正器、８１ ＤＡ変換器、８２ ＡＤ変換器、９１ 第２位相検出器、９２ 演算部、９６ 周波数検出器、９７ 周波数誤差検出器、９８ 周波数倍数器

Claims (16)

  1. 第１制御信号に応じて周波数を可変させる第１発振器と、
    所定の共振周波数で共振するとともに、前記共振周波数では前記第１発振器の出力信号の位相を９０度ずらした信号を出力する共振素子と、
    第２制御信号に応じて周波数を可変させる第２発振器と、
    前記共振素子の出力信号と前記第２発振器の出力信号との第１位相誤差を検出する第１位相検出器と、
    前記第１位相誤差の少なくとも比例成分を含む第１信号を生成する制御部と、
    前記第１位相誤差の少なくとも微分成分に比例した第２信号を生成する第１補助信号生成器と、を備え、
    前記第１制御信号は、前記第１信号に応じた信号であり、
    前記第２制御信号は、前記第１信号と前記第２信号に応じた信号である、
    位相同期回路。
  2. 前記第１信号と前記第２信号とを合成して前記第２制御信号を生成する第１位相補正器をさらに備える、
    請求項１に記載の位相同期回路。
  3. 前記第１発振器が前記第１制御信号から前記第１発振器の出力信号に変換する第１変換係数は、前記第２発振器が前記第２制御信号から前記第２発振器の出力信号に変換する第２変換係数に等しい、
    請求項１に記載の位相同期回路。
  4. 前記第１位相検出器は、前記第１位相誤差を検出する加算器を有する、
    請求項１に記載の位相同期回路。
  5. 前記第１位相検出器は、前記共振素子の出力信号と前記第２発振器の出力信号との乗算を行う乗算器と、
    前記乗算器の出力信号の低域周波数成分を前記第１位相誤差として抽出する低域通過フィルタと、を有する、
    請求項１に記載の位相同期回路。
  6. 前記第２発振器は、互いに位相の異なる第１発振信号及び第２発振信号を出力し、
    前記乗算器は、前記共振素子の出力信号と前記第１発振信号とを乗算した第１乗算信号を生成するとともに、前記共振素子の出力信号と前記第２発振信号とを乗算した第２乗算信号を生成し、
    前記低域通過フィルタは、前記第１乗算信号の低域成分信号と前記第２乗算信号の低域成分信号とを抽出し、
    前記第１位相検出器は、前記第１乗算信号の低域成分信号と前記第２乗算信号の低域成分信号との位相差を検出する位相差演算部をさらに有する、
    請求項５に記載の位相同期回路。
  7. 前記第１補助信号生成器は、高域通過フィルタ又は帯域通過フィルタを有する、
    請求項１に記載の位相同期回路。
  8. 前記第１位相誤差の少なくとも微分成分に比例した第３信号を生成する第２補助信号生成器と、
    前記第１信号と前記第３信号とを合成して前記第１制御信号を生成する第２位相補正器と、をさらに備える、
    請求項１に記載の位相同期回路。
  9. 前記第１発振器と前記共振素子との間に挿入され、前記第１発振器の出力信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換器と、
    前記共振素子と前記第１位相検出器の間に挿入され、前記共振素子の出力信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、をさらに備える、
    請求項１に記載の位相同期回路。
  10. 前記共振素子は、前記共振周波数で振動するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）共振素子である、
    請求項１に記載の位相同期回路。
  11. 請求項１に記載の位相同期回路と、
    前記共振素子の出力信号、前記第１発振器の出力信号、又は前記第１制御信号の少なくとも一つに基づいて物理量を演算する物理量演算部と、を備える、
    センシング装置。
  12. 前記共振素子は、二次元方向に前記共振周波数で振動して、第１方向の変位信号と、第２方向の変位信号とを出力し、
    前記物理量演算部は、
    前記第１発振器の出力信号と前記第１方向の変位信号とを乗じた信号の低周波成分及び、前記第１発振器の出力信号と前記第２方向の変位信号とを乗じた信号の低周波成分を、第２位相誤差として検出する第２位相検出器と、
    前記第２位相検出器で検出された前記第２位相誤差に基づいて前記物理量の演算を行う演算部と、を備え、
    前記物理量は、角度を含む、
    請求項１１に記載のセンシング装置。
  13. 前記物理量演算部は、前記第１発振器の出力信号の周波数を検出する周波数検出器と、
    前記周波数検出器で検出された周波数と、所定の基準周波数との周波数誤差を検出する周波数誤差検出器と、
    前記周波数誤差に基づいて、前記物理量を検出する演算部と、を備える、
    請求項１１に記載のセンシング装置。
  14. 前記第１発振器は、前記第１制御信号を、前記第１発振器の出力信号に変換する第１変換係数を有し、
    前記物理量演算部は、
    前記第１発振器の前記第１変換係数を前記第１制御信号に乗じる周波数倍数器と、
    前記周波数倍数器の出力信号と、所定の基準周波数との周波数誤差を検出する周波数誤差検出器と、前記周波数誤差に基づいて、前記物理量を検出する演算部と、を有する、
    請求項１１に記載のセンシング装置。
  15. 前記共振素子は、固有の加速度係数を有し、
    前記演算部は、前記周波数誤差を前記加速度係数で割ることにより、加速度を検出する、
    請求項１４に記載のセンシング装置。
  16. 前記共振素子は、固有のガス濃度係数を有し、
    前記演算部は、前記周波数誤差を前記ガス濃度係数で割ることにより、ガス濃度を検出する、
    請求項１４に記載のセンシング装置。
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