JP5884960B2 - 位置検出システム - Google Patents

Description

本発明は、位置検出システム、位置検出センサー等に関する。

崖崩れ、地震、構造物の崩落等の予兆検出を行うために、発信器を測定の対象物（例えば崖崩れが発生し得る地面）に設置する監視システムが用いられることがある。受信器側では、発信器からの信号の変化に基づいてこれらの災害の予兆を検知し、防災に役立たせることが可能である。例えば、特許文献１の発明は、超音波を発する発信器と受信器からなるシステムを開示している。

特開平９−２４３４１２号公報

ここで、崖などに発信器を設置する場合を考慮するとケーブルなどの有線でなく、無線での送受信が望ましい。すると、特許文献１の発明のシステムでは音波を用いており、その周波数は人の可聴域より上である必要がある。そして、位相差分別分解能により定まる上限周波数は現実的には５０ｋＨｚとしている（特許文献１の００３６段落）。従って、２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの非常に狭い周波数帯域しか使用できず使い勝手に問題がある。また、超音波回路と無線回路の両方を備える必要があるためシステム構成が複雑でコストが高くなるとの問題がある。

また、避難などの時間を確保するために、崖崩れ、地震、構造物の崩落等の予兆はできるだけ早期に検知されることが重要である。例えば、崩落直前の急激な変化のみならず、崩落の数日前に生じ得る非常に緩やかな地滑りなども検知できることが望ましい。ここで、このような監視システムの中には、発信器が加速度センサー等のモーションセンサーを含み、その出力が送信されるものもある。しかし、非常に緩やかな地滑りでは、動きを検出することができずに予兆を見逃す恐れがある。そのため、高い精度で対象物の位置検出が可能なシステムが望ましい。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。本発明のいくつかの態様によれば、低コストで設置が容易であり、高い検出感度を有する位置検出システム、位置検出センサー等を提供する。

（１）本発明は、第１の原子発振器とセンサー側送信手段とを含みセンサー出力信号を出力する位置検出センサーと、前記センサー出力信号を無線受信する基地局側受信手段と第２の原子発振器とを含む基地局装置と、前記第１の原子発振器からの出力信号の位相と前記第２の原子発振器からの出力信号の位相とを比較して位相比較信号を出力する比較手段と、前記位相比較信号の規定値を記憶する記憶手段と、前記位相比較信号と前記規定値とを比較して前記位置検出センサーの変位を検出する変位検出手段と、を含む位置検出システムである。

（２）この位置検出システムにおいて、前記基地局装置は、前記比較手段と、前記記憶手段と、前記変位検出手段と、を含んでもよい。

（３）この位置検出システムにおいて、前記位置検出センサーは、前記基地局装置からの基準信号を無線受信するセンサー側受信手段と、前記基準信号と前記第１の原子発振器からの出力信号を比較して前記位相比較信号を出力する前記比較手段と、前記変位検出手段と、前記記憶手段と、前記センサー出力信号として前記変位検出手段の出力信号を無線送信するセンサー側送信手段と、を含み、前記基地局装置は、前記センサー出力信号を無線受信する基地局側受信手段と、前記第２の原子発振器からの出力に基づいて前記基準信号を生成して無線送信する基地局側送信手段と、を含んでもよい。

（４）この位置検出システムにおいて、前記位置検出センサーは、前記比較手段と、前記センサー出力信号として前記位相比較信号を無線送信する前記センサー側送信手段とを、含み、前記基地局装置は、前記記憶手段と、前記センサー側送信手段から無線送信された前記位相比較信号を無線受信する前記基地局側受信手段と、前記基地局側受信手段により無線受信された前記位相比較信号と前記位相比較信号の規定値を比較して前記位置検出センサーの変位を検出する変位検出手段と、を含んでもよい。

これらの発明によれば、高精度な原子発振器を用いることで位相比較の精度を高め、微小な変位を測定可能な高い検出感度の位置検出システムを実現することができる。また、送受信は無線で行われるので設置が容易である。そして、無線に用いられる周波数帯域の信号を例えば比較手段を実現する回路等でそのまま扱うことが可能である。特許文献１の発明のように別途超音波回路を必要とすることはないため、低コストの位置検出システムを提供できる。

原子発振器は特にＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式が好ましい。小型、低コストで消費電力は小さく、太陽電池駆動も可能である。原子発振器は精度が高く安定しているため、これらの発明においては基地局装置と位置検出センサーのそれぞれで独立した周波数源として用いられ、これらの出力の位相比較により対象物の変位が測定される。原子発振器以外の発振器（例えば水晶、セラミック、ＲＣ等）では、特に周波数安定度が劣るために、微小な変位を正確に測定することが難しい。

前記の位相比較の結果である信号（位相比較信号）を位相比較信号の規定値と比較することで、変位を正確に測定することができる。位相比較信号の規定値とは、計算で求められた、又は過去に測定した位相比較信号に基づくデータを指す。例えば、製造ばらつきにより位置検出センサーと基地局装置の原子発振器の周波数にずれが存在する場合には、そのずれを表すデータを位相比較信号の規定値として記憶手段に保存しておくことができる。

ここで、基地局装置が、比較手段と、記憶手段と、変位検出手段と、を含んでいてもよい。

このとき、位置検出センサーは第１の原子発振器とセンサー側送信手段の比較的小規模の回路で構成されているため、位置検出センサーの小型化や低コストでの製造が可能になる。

また、基地局装置が、センサー出力信号を無線受信する基地局側受信手段と、第２の原子発振器からの出力に基づいて基準信号を生成して無線送信する基地局側送信手段と、を含んでいてもよい。

このとき、第１の原子発振器からの出力信号と第２の原子発振器からの出力に基づく基準信号との位相比較を位置検出センサーで行うために、基地局装置の処理負担を低減することができる。従って、将来的に位置検出センサーの数が増えるような用途においてこのシステムを用いれば、基地局装置に処理が集中することで全体の処理が滞るような事態を回避することができる。

そして、位置検出センサーが、比較手段と、センサー出力信号として位相比較信号を無線送信するセンサー側送信手段とを、含み、基地局装置は、記憶手段と、センサー側送信手段から無線送信された位相比較信号を無線受信する基地局側受信手段と、基地局側受信手段により無線受信された位相比較信号と位相比較信号の規定値を比較して位置検出センサーの変位を検出する変位検出手段と、を含んでいてもよい。

前記の位相比較の結果を表す位相比較信号と位相比較信号の規定値とを比較する処理は、位置検出センサー側で行なわれてもよいし、基地局装置で行われてもよい。位置検出センサー側で同処理を行う場合には、基地局装置の処理負担を低減できる。

なお、基地局装置で同処理を行う場合には、位置検出センサーは位相比較信号の規定値を保存する記憶手段が不要になる。そのため、位置検出センサー側で同処理を行う場合に比べて、位置検出センサーの小型化や低コストでの製造が可能になる。

（５）この位置検出システムにおいて、前記位置検出センサーを複数備えていてもよい。

本発明によれば、位置検出センサーを複数設置することにより、広い範囲で崖崩れ、地震、構造物の崩落等の予兆検出が可能になる。位置検出センサーを複数設置することで、これらの災害の予兆を見逃すことを防ぎ、防災に役立たせることができる。

（６）この位置検出システムにおいて、前記センサー側送信手段は、前記センサー出力信号を位置検出センサーごとに異なる周波数に変調する変調手段を含み、前記基地局側受信手段は、変調された前記センサー出力信号を復調する復調手段を含んでもよい。

本発明によれば、周波数変調により位置検出センサーごとに異なる周波数で送信することにより、基地局装置は複数の位置検出センサーをそれぞれ区別することが可能になる。

（７）この位置検出システムにおいて、前記位置検出センサーは、前記第１の原子発振器からの出力に基づいて計時を行うタイマーを含み、前記センサー側送信手段のそれぞれは、前記タイマーの出力に基づいて、互いに異なるタイミングで前記センサー出力信号を無線送信させるように送信タイミングを制御する送信タイミング制御部を含んでもよい。

本発明によれば、時分割された送信タイミングを各位置検出センサーに割り当てることにより、基地局装置は複数の位置検出センサーをそれぞれ区別することが可能になる。ここで、位置検出センサーと基地局装置はそれぞれ原子発振器を含み、原子発振器の出力に基づいて計時を行うタイマーを持つ。原子発振器は高精度で安定しているため、例えば出荷時にタイマーに時刻を設定すれば、その後も正確な時刻を計時し続ける。よって、複数の位置検出センサーからの出力信号が衝突することなく基地局装置に送信される。

（８）この位置検出システムにおいて、前記基地局装置は、前記位置検出センサーに前記センサー出力信号の送信の許可を与える送信開始信号を無線送信する基地局側送信手段を含み、前記各位置検出センサーは、前記送信開始信号を無線受信するセンサー側受信手段を含み、前記各センサー側送信手段は、前記各センサー側受信手段から前記送信開始信号を受け取り、前記送信開始信号に基づいて、他の位置検出センサーとは異なるタイミングで前記センサー出力信号を無線送信させるように送信タイミングを制御する送信タイミング制御部を含んでもよい。

これらの発明によれば、基地局装置は、指定するタイミングで位置検出センサーからの出力信号を受信することができる。基地局装置は、基地局側送信手段を有しており、位置検出センサーに送信許可を与える送信開始信号を送信する。一方、位置検出センサーは、それぞれセンサー側送信手段を有しており、送信開始信号を受け取って所与の時間の経過後にセンサー出力信号を無線送信する。各位置検出センサーは、固有のタイミング情報（送信可能時間）を例えば不揮発性メモリーに保持しており、送信開始信号を受け取ったと判断した場合にはそのタイミング情報で指定された時間の経過後に無線送信を開始してもよい。基地局装置は、センサー出力信号が送信されたタイミングから、複数の位置検出センサーをそれぞれ区別することができる。

（９）本発明は、前記の位置検出システムで使用される位置検出センサーであってもよい。

本発明によれば、位置検出の対象物に固定されて、その対象物の位置検出に用いられるセンサー出力信号を送信する。このセンサー出力信号によって対象物の位置検出を行い、例えば崖崩れ、地震、構造物の崩落等の予兆検出を行うことができる。

第１実施形態の位置検出システムのブロック図。 図２（Ａ）はＣＰＴ方式の原子発振器のブロック図、図２（Ｂ）は二重共鳴方式の原子発振器のブロック図。 第１実施形態の比較手段のブロック図。 第１実施形態の位置検出システムにおける処理のフローチャート。 第２実施形態の位置検出システムのブロック図。 第２実施形態の位置検出システムにおける処理のフローチャート。 第３実施形態の位置検出システムのブロック図。 第１変形例のブロック図。 第２変形例のブロック図。 第３変形例のブロック図。 図１１（Ａ）は位置検出システムの使用例を示す図、図１１（Ｂ）は位置検出センサーと基地局装置との間の信号の位相変化の例を示す図。

１．第１実施形態
本発明の第１実施形態について図１〜図４、図１１（Ａ）〜図１１（Ｂ）を参照して説明する。

１．１．第１実施形態の位置検出システムの使用例
本実施形態の位置検出システムの使用例を図１１（Ａ）〜図１１（Ｂ）を参照して説明する。図１１（Ａ）は位置検出システムを崖崩れの予兆検出に用いた例を示す図である。位置検出センサー２０は、崖の一部（地面）に杭などで固定され、基地局装置３０にセンサー出力信号を無線送信している。崖崩れの予兆があると、点線のように位置検出センサー２０は地面と共に移動するため基地局装置３０との距離が変化する。

図１１（Ｂ）は、センサー出力信号の変化を示す図である。崖崩れの予兆がある前は、図１１（Ａ）の実線の位置に位置検出センサー２０があり、図１１（Ｂ）の「移動前」と書かれたセンサー出力信号を基地局装置３０は受信する。しかし、位置検出センサー２０が地面と共に移動した後は、図１１（Ｂ）の「移動後」と書かれたセンサー出力信号を受信することになる。基地局装置３０は、例えば移動前と移動後のセンサー出力信号の位相差Δθを検出することによって位置検出センサー２０がどれだけ移動したかを知ることができ、結果に基づいて崖崩れへの対応をとることが可能である。このような位置検出システムには、例えば、センサー出力信号の安定性や、位相の変化を検出する高い精度、予兆の見逃しや誤検出を行わないための対策が求められる。本実施形態の位置検出システムは、原子発振器を用いることによって信号の安定性、高い精度を実現する。また、加速度等でなく位置を検出することで予兆の見逃しをなくし、規定値との比較を行うことで検出精度を高める。

１．２．第１実施形態の位置検出システムの構成
図１は本実施形態の位置検出システム１０のブロック図である。位置検出システム１０は、位置検出センサー２０、基地局装置３０を含む。

位置検出センサー２０は、センサー側送信手段２１と、第１の原子発振器２２を含む。センサー側送信手段２１は、センサー出力信号を無線送信する。本実施形態では、センサー出力信号は第１の原子発振器の出力２００であってもよい。第１の原子発振器の出力２００は所定の周波数のクロック信号である。第１の原子発振器２２は、ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式の原子発振器であり、小型、低コストで消費電力が小さいため、位置検出センサー２０を構成するのに適している。第１の原子発振器２２の詳細については後述する。

基地局装置３０は、基地局側受信手段３１と、第２の原子発振器３２と、比較手段３３と、記憶手段３４と、変位検出手段３５を含む。

基地局側受信手段３１は、位置検出センサー２０からのセンサー出力信号を無線受信する。第２の原子発振器３２は第１の原子発振器２２と同じ原子発振器であり、小型、低コストで消費電力が小さい。本実施形態では、第２の原子発振器の出力２３２は、第１の原子発振器の出力２００と同じ周波数のクロック信号であるが、必ずしも周波数が同じである必要はない。比較手段３３は、基地局側受信手段３１からセンサー出力信号２３０を受け取り、第２の原子発振器の出力２３２と位相を比較して、その結果である位相比較信号２３４を出力する。比較手段３３の処理の具体例については後述する。

ここで、位相比較信号２３４は、位置検出センサー２０の移動距離に応じた位相差を与えるが、位置検出センサー２０の個体差やエージングなどのセンサー固有の情報を考慮すると、さらに検出精度を向上させる手段を有することが望ましい。変位検出手段３５は、位相比較信号２３４をさらに記憶手段３４に保存された位相比較信号の規定値２３６と比較することで、正確な対象物の変位を表す信号２３８を出力する。位相比較信号の規定値２３６については後述する。

１．３．原子発振器
ここで、ＣＰＴ方式の原子発振器について比較例の二重共鳴方式の原子発振器と対比しながら説明する。図２（Ａ）は、第１の原子発振器２２、すなわちＣＰＴ方式の原子発振器のブロック図である。第１の原子発振器２２は、半導体レーザー４０、ガスセル４１、光検出器４２、電圧制御水晶発振器４３、周波数制御回路４４を含み、例えば第１の原子発振器の出力２００は電圧制御水晶発振器４３の出力であってもよい。

ガスセル４１には、ルビジウム原子やセシウム原子といった量子吸収体となるアルカリ金属原子が封入されている。半導体レーザー４０は周波数の異なる２種類のレーザー光を生成しガスセル４１に入射する。第１の原子発振器２２は、ガスセル４１に入射された入射光２６０がアルカリ金属原子のガスによりどれだけ吸収されたかを、反対側に設けられた光検出器４２で透過光２６１を検出することで知ることができる。光検出器４２は、透過光２６１の検出量に応じて制御電圧２６２を変化させることにより電圧制御水晶発振器４３の発振周波数を調整する。周波数制御回路４４は、電圧制御水晶発振器４３の発振周波数に基づいて変調信号２６３を出力し、半導体レーザー４０に変調がかかったレーザー光を出力させる。

ガスセル４１の量子吸収体は入射されたレーザー光を吸収するが、２種類のレーザー光の周波数差に応じて光吸収特性（透過率）が変化する。２種類のレーザー光の周波数差が特定の値のときに、２種類の光のいずれも吸収されず透過するＥＩＴ（Electromagnetically Induced Transparency）現象が知られている。ＣＰＴはこのＥＩＴ現象を利用して、２種類のレーザー光の一方或いは両方の周波数を変化させたときに、ガスセル４１での光吸収が停止する状態を検出して発振器として利用するものである。

一方、図２（Ｂ）は、比較例である二重共鳴方式の原子発振器のブロック図を示す。比較例の原子発振器５２２は、ルビジウム（Ｒｂ）ランプ５４０、共鳴セル５４１、光検出器５４２、電圧制御水晶発振器５４３、周波数合成器５４４を含み、例えば原子発振器の出力５００は電圧制御水晶発振器５４３の出力であってもよい。

光検出器５４２は透過光５６１を検出し、検出量に応じて制御電圧５６２を変化させ電圧制御水晶発振器５４３の発振周波数を調整することは、第１の原子発振器２２と同じである。しかし、入射光５６０はルビジウム原子を用いたルビジウム（Ｒｂ）ランプ５４０から発せられ、共鳴セル５４１にはルビジウム原子が封入されている。入射光５６０がない状態では、ルビジウムの基底準位はＦ＝１、Ｆ＝２の２つがほぼ均等の確率で存在する。例えばフィルター（図外）を用いて、Ｆ＝１準位と励起準位間のエネルギー差に等しい中心波長が７９５ｎｍの光のみをポンピング光として照射すると、Ｆ＝１準位に存在していたルビジウム原子のみが励起準位に遷移する。その後、励起準位のルビジウム原子は、光を放出してほぼ均等の確率でＦ＝１、Ｆ＝２の基底準位に遷移する。ポンピング光の照射を繰り返すと、ルビジウム原子はＦ＝２の状態だけになり、入射光５６０が吸収されなくなる。このとき、最大の透過光５６１が検出されることになる。この状態で、周波数合成器５４４が電圧制御水晶発振器５４３の出力に基づいて生成した６．８ＧＨｚのマイクロ波５６３を照射すると、多数のルビジウム原子がＦ＝１の状態に遷移して透過光５６１が減少する。比較例の原子発振器５２２は、この変化を発振器として利用するものである。

ここで、比較例の原子発振器５２２の共鳴セル５４１は、ルビジウム原子が封入されたガスセルであると共に、原子を励起するのに適切なマイクロ波を発生させるためのマイクロ波共振器である必要がある。共振器の中に定常波が生じるためには、マイクロ波の波長をλとして最低でもλ／２の大きさが必要となる。具体的には、共鳴セル５４１は、２ｃｍ程度の大きさが最低でも必要になる。

一方、第１の原子発振器２２、すなわちＣＰＴ方式の原子発振器では、マイクロ波を使う必要がないため前記のような小型化の限界はない。また、ルビジウムランプの代わりに半導体レーザーを用いており電池による駆動が可能である。よって、ＣＰＴ方式の原子発振器は小型で低消費電力である。従って、地面などに杭で固定される位置検出センサーにも内蔵可能であり、その精度の高さから本願発明のような位置検出システムに適している。

なお、ここでは第１の原子発振器２２として説明したが、第２の原子発振器３２についても同様にＣＰＴ方式の原子発振器を採用する。

１．４．比較手段
図３は、第１実施形態の比較手段３３のブロック図である。第１実施形態では、基地局装置３０が比較手段３３によって、センサー出力信号２３０と第２の原子発振器の出力２３２と位相を比較して、その結果である位相比較信号２３４を出力する。比較手段３３は、ミキサー（混合器）５０とローパスフィルター（ＬＰＦ）５１を含む。

例えば、第１の原子発振器の出力２００（すなわち、センサー出力信号２３０）と第２の原子発振器の出力２３２の周波数が同じであるとすると、出力信号２３０（Ｖ_１）と第２の原子発振器の出力２３２（Ｖ_２）は例えば下記の式（１）、式（２）のように表記できる。ここで、Ａ、Ｂはそれぞれの振幅を表し、ｄは位相差を示す。

ミキサー５０によって、下記の式（３）に示される信号（Ｖ_ｍ）が得られる。

ローパスフィルター５１によって、高周波成分は除去されるため、位相比較信号２３４（Ｖ_ｐ）は下記の式（４）のような直流成分の式で表される。

ここで、位置検出センサー２０が設置された場所から変位した場合には、位置検出センサー２０と基地局装置３０との距離が変化することによりセンサー出力信号２３０の位相が変化する（図１１（Ｂ）の位相差Δθ参照）。つまり、式（４）のｄが変化することになる。この変化を変位検出手段３５が検出することで、位置検出センサー２０の移動があったことを判断することが可能である。

１．５．記憶手段と変位検出手段
再び図１を用いて説明する。第１実施形態の記憶手段３４には、対象物の移動量を正確に測定するためのデータが記憶されており、位相比較信号の規定値２３６として変位検出手段３５に入力される。例えば、変位検出手段３５は、得られた位相比較信号２３４と位相比較信号の規定値２３６とを比較して、これらの差が閾値以上ある場合には対象物が移動したと判断して変位の計算を行い、閾値未満であれば移動はないと判断してもよい。記憶手段と変位検出手段により、対象物の移動について正確な判断が可能になり、後述するようにエージング等の補正を行うこともできる。

記憶手段３４に記憶されるデータとは、例えば式（４）で求められる期待値であってもよいし、位置検出センサー２０を最初に設置したときの位相比較信号２３４に基づく値であってもよい。また、一定の時間毎に位相比較信号２３４の実測値によって記憶手段３４のデータを上書きしてもよい。これらのデータが複数保存されていて、その一部が選択されて位相比較信号の規定値２３６として変位検出手段３５に入力されてもよい。

第１実施形態の変位検出手段３５は、位相比較信号の規定値２３６と位相比較信号２３４とを比較して、対象物の変位を表す信号２３８を出力する。対象物の変位を表す信号２３８は、変位量に対応する値をもつ信号であってもよいし、対象物の変位の有無を示す２値の信号であってもよい。そして、対象物の変位を表す信号２３８は、基地局装置３０の外部に出力されてもよいし、基地局装置３０の内外の記憶装置等に保存されてもよいし、さらに閾値と比較するなどの処理結果に基づいて基地局装置３０が災害の警報を出したり、所定の機関に連絡をしたりしてもよい。

１．６．エージング補正
記憶手段３４と変位検出手段３５を備えることにより、エージング（経年変化）等による周波数のずれに対応することも可能である。例えば、エージングにより、又は製造ばらつきにより周波数のずれが存在する場合には、式（１）の代わりに出力信号２３０（Ｖ_１）を下記の式（５）のように表記できる。

すると、位相比較信号２３４（Ｖ_ｐ）は式（４）においてｄをｐｔ＋ｄで置き換えたものになるから、下記の式（６）のようなコサイン波になる。

本実施形態の位置検出システム１０では、位相比較信号２３４の変化だけで対象物の変位を判断するのではなく、変位検出手段３５において位相比較信号２３４の規定値との比較を行う。そのため、出力信号２３０（Ｖ_１）と第２の原子発振器の出力２３２（Ｖ_２）との間で周波数のずれが存在する場合でも正しく対象物の変位を判断することができる。この例においては位相比較信号２３４が式（６）のコサイン波となることを記憶手段３４にデータとして保存しておくことで、変位検出手段３５は正しい判断を行うことが可能である。

この例において、記憶手段３４に記憶されるデータは、例えば式（６）において波形が正の傾きをもって０Ｖを横切るような時間ｔの集合であってもよい。例えば、下記の式（７）のデータＤである。ただし、Ｎは自然数である。

具体例として、第１の原子発振器の出力２００（すなわち、センサー出力信号２３０）と第２の原子発振器の出力２３２の周波数が相対的に１０^−１０のずれを有する場合、Ｖ_ｐは６６秒周期の信号となり、式（７）の要素（データ）は６６秒の間隔を有する。ここで、対象物が移動すると位相比較信号２３４の位相がずれるために、位相比較信号２３４が正の傾きをもって０Ｖを横切る間隔が変化する。例えば、変位検出手段３５は、前記０Ｖを横切る時刻毎に位相比較信号２３４の電圧を測定し、この電圧の０Ｖからの変化を測定することにより、対象物の変位を測定できる。

このように本実施形態では、エージングや製造ばらつきにより第１の原子発振器の出力２００と第２の原子発振器の出力２３２の周波数に差がある場合でも、対象物の変位について正確な判断を行うことができる。

１．７．第１実施形態のフローチャート
図４は、第１実施形態におけるフローチャートを示す。第１実施形態の位置検出システムは図４に従って例えば崖崩れの予兆検出を行う。

まず、位置検出センサー２０を例えば崖などに設置する（Ｓ２）。そして、基地局装置３０は位置検出センサー２０から設置時におけるセンサー出力信号を無線受信して、その位相比較信号２３４から位相比較信号の規定値２３６を取得して記憶手段３４に記憶する（Ｓ４）。

システムによる監視が開始され、位置検出センサー２０はセンサー出力信号を送信し（Ｓ６）、それを基地局装置３０が受信する（Ｓ８）。基地局装置３０は、センサー出力信号２３０と第２の原子発振器の出力２３２とを比較して位相比較信号２３４を生成する（Ｓ１０）。そして、基地局装置３０は、位相比較信号２３４と位相比較信号の規定値２３６を比較することで対象物の変位の有無を判断し、変位の大きさを測る（Ｓ１２）。

もし、測定の対象物が移動していないと判断した場合には、再びＳ６に戻り監視を継続する（Ｓ１４Ｎ）。測定の対象物が移動したと判断した場合には（Ｓ１４Ｙ）、基地局装置３０は避難のための警報を行ったり、所定の防災機関などに連絡を行ったりしてもよい（Ｓ１６）。そして、監視の終了指示があった場合には一連の処理を終了し（Ｓ１８Ｙ）、そうでなければ再びＳ６に戻り監視を継続する（Ｓ１８Ｎ）。本実施形態の位置検出システムは、原子発振器を用いることによって信号の安定性、高い精度を実現する。また、加速度等でなく位置を検出することで予兆の見逃しをなくし、規定値との比較を行うことで検出精度を高める。そして、特にＣＰＴ方式の原子発振器を用いることにより、小型で低消費電力のシステムを実現する。

２．第２実施形態
本発明の第２実施形態について図５〜図６、図１１（Ａ）〜図１１（Ｂ）を参照して説明する。

２．１．第２実施形態の位置検出システムの使用例
本実施形態の位置検出システムの使用例を図１１（Ａ）〜図１１（Ｂ）を参照して説明する。なお、第１実施形態と重複する説明は省略する。図１１（Ａ）は位置検出システムを崖崩れの予兆検出に用いた例を示す図である。崖崩れの予兆があると、点線のように位置検出センサー２０は地面と共に移動するため基地局装置３０との距離が変化する。

図１１（Ｂ）は、基地局装置からの基準信号の変化を示す図である。崖崩れの予兆がある前は、図１１（Ａ）の実線の位置に位置検出センサー２０があり、図１１（Ｂ）の「移動前」と書かれた基準信号を位置検出センサー２０は受信する。しかし、位置検出センサー２０が地面と共に移動した後は、図１１（Ｂ）の「移動後」と書かれた基準信号を受信することになる。第１実施形態と異なり、位置検出センサー２０側で図１１（Ｂ）の移動前と移動後のセンサー出力信号の位相差Δθを検出することによって位置検出センサー２０がどれだけ移動したかを知ることができる。

２．２．第２実施形態の位置検出システムの構成
図５は本実施形態の位置検出システム１０Ａのブロック図である。なお、図１〜図３と同じ要素については同じ番号を付しており、説明は省略する。

第２実施形態の位置検出システム１０Ａは、位置検出センサー２０Ａ、基地局装置３０Ａを含む。第１実施形態と異なり、位置検出センサー２０Ａは基地局装置３０Ａから基準信号２１０を無線受信するセンサー側受信手段２６を含む。また、第１実施形態では基地局装置が含む比較手段２３、記憶手段２４、変位検出手段２５も位置検出センサー２０Ａに含まれる。一方、第２実施形態の基地局装置３０Ａは、第１実施形態と異なり、基準信号を無線送信する基地局側送信手段３６を含む。このように、第２実施形態では、第１実施形態では基地局装置が行っていた信号の比較や変位検出を位置検出センサー２０Ａが行うので、基地局装置に処理が集中することがない。例えば将来的に位置検出センサーの数が増えるような用途で位置検出システム１０Ａを用いた場合、基地局装置に処理が集中することで全体の処理が滞るような事態を回避することができる。

位置検出センサー２０Ａは、センサー側受信手段２６、比較手段２３、記憶手段２４、変位検出手段２５、センサー側送信手段２１、第１の原子発振器２２を含む。センサー側受信手段２６は、基準信号２１０を無線受信する。そして、比較手段２３は基準信号２１０と第１の原子発振器の出力２００の位相を比較して、その結果である位相比較信号２０４を出力する。ここで、第２実施形態における基準信号２１０は、基地局装置３０Ａの第２の原子発振器の出力２３２である。よって、比較手段２３は第１実施形態における比較手段３３と同じであり、位相比較信号２０４も第１実施形態における位相比較信号２３４と同じである。

そして、記憶手段２４、変位検出手段２５、位相比較信号の規定値２０６、対象物の変位を表す信号２０８は、それぞれ第１実施形態における記憶手段３４、変位検出手段３５、位相比較信号の規定値２３６、対象物の変位を表す信号２３８と同じである。第２実施形態では、位置検出センサー２０Ａは、対象物の変位を表す信号２０８をセンサー側送信手段２１で基地局装置３０Ａに無線送信する。

基地局装置３０Ａは、基地局側受信手段３１、第２の原子発振器３２、基地局側送信手段３６を含む。基地局側受信手段３１はセンサー出力信号を無線受信する。本実施形態では、センサー出力信号２３０は、第１実施形態とは異なり、対象物の変位を表す信号２０８である。つまり、対象物の変位の有無を判定した最終結果が基地局装置３０Ａに無線送信されるので、基地局装置３０Ａは、例えば災害警報や所定の機関への連絡などの対応を直ちに行うことが可能である。そして、基地局側送信手段３６は、前記の通り第２の原子発振器の出力２３２を基準信号として無線送信する。

２．３．第２実施形態のフローチャート
図６は、第２実施形態におけるフローチャートを示す。第２実施形態の位置検出システムは図６に従って例えば崖崩れの予兆検出を行う。なお、図４と同じステップについては同じ記号を付しており、説明は省略する。

第２実施形態では、位置検出センサー２０Ａが基地局装置３０Ａから設置時に基準信号を無線受信して、その時の位相比較信号２０４から位相比較信号の規定値２０６を取得して記憶手段２４に記憶する（Ｓ４Ａ）。

システムによる監視が開始され、基地局装置３０Ａは基準信号を無線送信し（Ｓ２０）、それを位置検出センサー２０Ａが受信する（Ｓ２２）。第２実施形態では、位置検出センサー２０Ａが、基準信号２１０と第１の原子発振器の出力２００とを比較して位相比較信号２０４を生成する（Ｓ１０Ａ）。そして、位置検出センサー２０Ａが、位相比較信号２０４と位相比較信号の規定値２０６を比較することで対象物の変位の有無を判断し、変位の大きさを測る（Ｓ１２Ａ）。そして、位置検出センサー２０Ａはその結果をセンサー出力信号として送信し（Ｓ６）、基地局装置３０Ａが受信する（Ｓ８）。

基地局装置３０Ａは、測定の対象物が移動していないと判断した場合には再びＳ２０に戻り監視を継続する（Ｓ１４Ｎ）。測定の対象物が移動したと判断した場合には（Ｓ１４Ｙ）、基地局装置３０Ａは警報、連絡を行う（Ｓ１６）。そして、監視の終了指示があった場合には一連の処理を終了し（Ｓ１８Ｙ）、そうでなければ再びＳ２０に戻り監視を継続する（Ｓ１８Ｎ）。第２実施形態では、信号の比較や変位検出を位置検出センサーが行うので、基地局装置に処理を集中させない分散処理が可能になる。

３．第３実施形態
本発明の第３実施形態について図７を参照して説明する。なお、第３実施形態の位置検出システムの使用方法は第２実施形態と同じである（図１１（Ａ）〜図１１（Ｂ）参照）。

３．１．第３実施形態の位置検出システムの構成
図７は本実施形態の位置検出システム１０Ｂのブロック図である。なお、図１〜図３、図５と同じ要素については同じ番号を付しており、説明は省略する。

第３実施形態の位置検出システム１０Ｂは、位置検出センサー２０Ｂ、基地局装置３０Ｂを含む。第２実施形態と異なり、位置検出センサー２０Ｂは変位検出手段や記憶手段を持たず、これらの機能は第１実施形態のように基地局装置３０Ｂが有している。

本実施形態では、比較手段２３は位置検出センサー２０Ｂに含まれており、第１実施形態のように基地局装置３０Ｂに処理の負担が集中することはない。また位置検出センサー２０Ｂは記憶手段３４を含まないので回路規模と消費電力を小さくすることができる。また、位置検出センサー２０Ｂはメモリーなどの記憶手段を含まないので、第２実施形態に比べると位置検出センサー２０Ｂのコストを低くできる。

本実施形態の位置検出センサー２０Ｂは、位相比較信号２０４をセンサー側送信手段２１で基地局装置３０Ｂに無線送信する。本実施形態の基地局装置３０Ｂでは、基地局側受信手段３１が位相比較信号２０４であるセンサー出力信号２３０を受信する。そして、変位検出手段３５は、センサー出力信号２３０と記憶手段３４に保存された位相比較信号の規定値２３６と比較して、正確な対象物の変位を表す信号２３８を出力する。

４．変形例
第１実施形態から第３実施形態の説明では、位置検出センサーが１つである場合について例示したが、これらの実施形態において位置検出センサーが複数であってもよい。このとき、基地局側ではどの位置検出センサーからの送信であるかを判断する必要が生じる。以下に述べる変形例は、基地局側が位置検出センサーを区別するための手段を付加した位置検出システム、位置検出センサーに関するものである。なお、説明の都合上、第１実施形態をベースとして変形例の説明を行うが、第１実施形態から第３実施形態の全てについて後述する全ての変形例を適用することができる。このとき、位相比較信号の規定値は各位置検出センサーについて取得されることになる。また、図に示されている位置検出センサーは２つであるが、位置検出センサーの数は２つに限られるものではない。

４．１．第１変形例
本発明の第１変形例について図８を参照して説明する。なお、図１〜図７と同じ要素には同じ番号を付しており説明は省略する。第１変形例の位置検出システム１０は、変調手段６０、復調手段６１を備えることで、基地局装置３０が位置検出センサー２０−１、２０−２を区別できるようにする。例えば振幅変調や周波数変調などを用いることが可能であるが、特定の方式に限られるものではない。この例では周波数変調であるとして説明する。なお、位置検出センサー２０−２は内部の図示を省略しているが位置検出センサー２０−１と構成は同じである。

複数の位置検出センサー２０−１、２０−２は、センサー側送信手段２１に変調手段６０をそれぞれ含む。変調手段６０によって、センサー出力信号はそれぞれの位置検出センサーに固有の周波数で送信される。基地局装置３０では、基地局側受信手段３１に復調手段６１を含む。例えば、基地局装置３０は第２の原子発振器の出力２３２に基づいて時間を計時する基地局側タイマー３７をもっていてもよい。復調手段６１は、基地局側タイマー３７からの時刻信号２４０に応じて受信可能な周波数を切り換え、時分割で位置検出センサー２０−１、２０−２からのセンサー出力信号を受け取ってもよい。この変形例では、少しの回路を追加するだけで基地局装置３０が複数の位置検出センサーを区別することが可能になる。

４．２．第２変形例
本発明の第２変形例について図９を参照して説明する。なお、図１〜図８と同じ要素には同じ番号を付しており説明は省略する。第２変形例の位置検出システム１０は、位置検出センサー２０−１、２０−２と基地局装置３０とが共通の時刻情報に基づいて時分割で送受信を行う。なお、位置検出センサー２０−２は内部の図示を省略しているが位置検出センサー２０−１と構成は同じである。

位置検出センサー２０−１、２０−２と基地局装置３０は、精度が高くて安定しているそれぞれの原子発振器の出力に基づいて計時を行う、センサー側タイマー２７、基地局側タイマー３７を含む。例えば、これらのタイマーから現在時刻情報が出力されてもよい。原子発振器を用いているため、例えば製造時、又は出荷時に、一度これらのタイマーの時刻を合わせるだけで長期にわたって狂いのない現在時刻情報を得ることが可能である。

位置検出センサー２０−１、２０−２は、不揮発性メモリー２８を含んでいてもよい。不揮発性メモリー２８には各位置検出センサーに固有に割り当てられた送信可能時間が記録されていてもよい。例えば、位置検出センサー２０−１の送信可能時間は秒桁が０〜４秒の間で、位置検出センサー２０−２の送信可能時間は秒桁が５〜９秒の間であると記録されていてもよい。

位置検出センサー２０−１、２０−２は、センサー側タイマー２７の現在時刻情報と、不揮発性メモリー２８の送信可能時間に基づいて、送信のタイミングを制御する送信タイミング制御部６３を、それぞれセンサー側送信手段２１に含む。そして、時分割でセンサー出力信号を無線送信する。

基地局装置３０の基地局側受信手段３１は、どの位置検出センサーからのセンサー出力信号かを識別するセンサー識別手段６４を含む。センサー識別手段６４は、基地局側タイマー３７の現在時刻情報２４０と、各位置検出センサーの送信可能時間とを照合することで、位置検出センサーを区別する。なお、センサー識別手段６４は、例えば不揮発性メモリー（図外）を含み、不揮発性メモリーに各位置検出センサーの送信可能時間の情報を記憶していてもよい。

この変形例は、位置検出センサーも基地局装置も高精度の原子発振器を含むことから、正確な共通の現在時刻情報を容易に得ることができるというシステムの特徴を利用したものである。また、不揮発性メモリー２８で送信可能時間を設定可能であることは、位置検出センサーの増減に容易に対応できる柔軟なシステムを可能にする。

４．３．第３変形例
本発明の第３変形例について図１０を参照して説明する。なお、図１〜図９と同じ要素には同じ番号を付しており説明は省略する。第３変形例の位置検出システム１０は、位置検出センサー２０−１、２０−２が基地局装置３０から送信開始信号を受け取り、各位置検出センサーに固有の時間の経過後に送信を行うことで、位置検出センサーの区別を可能にする。なお、位置検出センサー２０−２は内部の図示を省略しているが位置検出センサー２０−１と構成は同じである。

基地局装置３０の送信開始信号生成部３８は、図１０のように基地局側タイマー３７の時刻信号２４２に基づいて、または手動のボタン操作等の外部からの指示（図外）により、送信開始信号２４４を生成する。基地局側送信手段３６は、位置検出センサー２０−１、２０−２にセンサー出力信号の送信を開始させるために、送信開始信号２４４を無線送信する。

位置検出センサー２０−１、２０−２は、送信開始信号２４４を受信するセンサー側受信手段２６を含む。なお、センサー側受信手段２６は送信開始信号２４４を他の信号から分離するための分離手段を含んでいてもよい。そして、位置検出センサー２０−１、２０−２は不揮発性メモリー２８を含み、不揮発性メモリー２８には第２変形例のように各位置検出センサーに固有に割り当てられた送信可能時間が記録されていてもよい。第３変形例での送信可能時間は、例えば送信開始信号を受け取った時刻から０〜４秒後、のように定義されていてもよい。送信タイミング制御部６３は、センサー側受信手段から送信開始信号を受信したタイミング信号を受け取り、また、不揮発性メモリー２８から送信可能時間を受け取って、センサー出力データの送信のタイミングを制御する。

受信局３０も、例えば時刻情報２４０に基づいて送信開始信号の送信からの経過時間を計時して、位置検出センサー２０−１、２０−２から送信された信号を区別することが可能である。

この変形例では、基地局装置３０が都合のよいタイミングで、位置検出センサーからのデータ送信を要求することできる。また、不揮発性メモリー２８で送信可能時間を設定可能であることは、位置検出センサーの増減に容易に対応できる柔軟なシステムを可能にする。なお、位置検出センサーは、送信開始信号を受け取るまでは不要な回路の動作を停止して消費電力を低減させてもよい。

なお、前記の各実施形態や各変形例において、センサー出力信号には各位置検出センサーに固有のヘッダー情報が含まれていてもよい。固有のヘッダー情報とは、例えばＩＤや送信時の時刻情報であってもよい。基地局装置は、ヘッダー情報に基づいて各位置検出センサーを区別したり、ヘッダー情報を受信時のエラーチェックに用いたりしてもよい。また、第３変形例では、基地局装置３０が位置検出センサーを個別に指定するためのヘッダー情報を含む送信開始信号を送信してもよい。このとき、各位置検出センサーはヘッダー情報に基づいてセンサー出力信号を送信するか否かを判断できる。

これらの例示に限らず、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１０、１０Ａ、１０Ｂ…位置検出システム、２０、２０−１、２０−２、２０Ａ、２０Ｂ…位置検出センサー、２１…センサー側送信手段、２２…第１の原子発振器、２３、３３…比較手段、２４、３４…記憶手段、２５、３５…変位検出手段、２６…センサー側受信手段、２７…センサー側タイマー、２８…不揮発性メモリー、３０、３０Ａ、３０Ｂ…基地局装置、３１…基地局側受信手段、３２…第２の原子発振器、３６…基地局側送信手段、３７…基地局側タイマー、３８…送信開始信号生成部、４０…半導体レーザー、４１…ガスセル、４２、５４２…光検出器、４３、５４３…電圧制御水晶発振器、４４…周波数制御回路、５０…ミキサー（混合器）、５１…ローパスフィルター（ＬＰＦ）、６０…変調手段、６１…復調手段、６３…送信タイミング制御部、６４…センサー識別手段、２００…第１の原子発振器の出力、２０４、２３４…位相比較信号、２０６、２３６…位相比較信号の規定値、２０８、２３８…対象物の変位を表す信号、２１０…基準信号、２３０…センサー出力信号、２３２…第２の原子発振器の出力、２４０、２４２…（現在）時刻信号、２４４…送信開始信号、２６０…入射光、２６１…透過光、２６２…制御電圧、２６３…変調信号、５００…原子発振器の出力、５２２…比較例の原子発振器、５４０…ルビジウム（Ｒｂ）ランプ、５４１…共鳴セル、５４４…周波数合成器、５６０…入射光、５６１…透過光、５６２…制御電圧、５６３…マイクロ波

Claims (5)

1. 第１の原子発振器、およびセンサー出力信号を出力するセンサー側送信手段を有する位置検出センサーと、
   第２の原子発振器、および前記センサー出力信号を受信する基地局側受信手段を有する基地局装置と、を備え、
   前記位置検出センサーは、
   前記基地局装置からの基準信号を受信するセンサー側受信手段と、
   前記基準信号の位相と前記第１の原子発振器からの出力信号の位相とを比較して位相比較信号を出力する比較手段と、をさらに有し、
   前記センサー側送信手段は、
   前記センサー出力信号として前記位相比較信号を送信し、
   前記基地局装置は、
   位相比較信号の規定値を記憶する記憶手段と、
   前記基地局側受信手段により受信された前記センサー出力信号である前記位相比較信号と前記規定値とを比較して前記位置検出センサーの変位を検出する変位検出手段と、
   前記第２の原子発振器からの出力に基づいて前記基準信号を生成して送信する基地局側送信手段と、をさらに有し、
   前記規定値は、一定時間毎に前記位相比較信号の実測値に基づいて更新される、位置検出システム。
2. 前記位置検出センサーを複数備えている請求項１に記載の位置検出システム。
3. 前記センサー側送信手段は、
   前記センサー出力信号を位置検出センサーごとに異なる周波数に変調する変調手段を含み、
   前記基地局側受信手段は、
   変調された前記センサー出力信号を復調する復調手段を含む請求項２に記載の位置検出システム。
4. 前記位置検出センサーは、
   前記第１の原子発振器からの出力に基づいて計時を行うタイマーを備え、
   前記複数の位置検出センサーのそれぞれは、
   前記タイマーの出力に基づいて、互いに異なるタイミングで前記センサー出力信号を送信させるように送信タイミングを制御する送信タイミング制御部を備えている請求項２または３に記載の位置検出システム。
5. 前記基地局装置は、
   前記位置検出センサーに前記センサー出力信号の送信の許可を与える送信開始信号を送信する手段を含み、
   前記各位置検出センサーは、
   前記送信開始信号を受信する手段と、
   前記送信開始信号に基づいて、他の位置検出センサーとは異なるタイミングで前記センサー出力信号を送信させるように送信タイミングを制御する送信タイミング制御部を備えている請求項２または３に記載の位置検出システム。

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