JPWO2016162986A1 - 高感度センサシステム、検出回路、及び、検出方法 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、センサシステム用検出回路の低ノイズ化を図ることにある。本発明の一側面は、加速度センサと、加速度センサからの出力を検出する検出回路系と、検出回路系の出力を基に、加速度センサに帰還する帰還信号を生成するための基準電圧電源を有する帰還回路系と、補正回路系を備える高感度センサシステムである。補正回路系は、基準電圧電源の基準電圧からの変動成分を検出する基準電源変動検出回路と、基準電源変動検出回路の出力を入力とし、変動成分の加速度センサを経て検出回路系の出力に至るまでの変化を算出する出力信号誤差算出回路と、出力信号誤差算出回路の出力を検出回路系の出力から差し引く演算回路を備える。

Description

本発明は信号検出技術、特に、振動センサを用いて石油やガスなどの資源探査を行う技術に関する。

振動センサを用いて石油、ガス、あるいは鉱脈などの資源探査を行う技術がある。これは、複数の振動センサを準備し、加振機や発破により振動波を生じさせ、地下に埋蔵される石油等の資源にあたって反射してくる振動波を振動センサにより検知し、資源の有無や位置を特定するものである。

振動センサとしては、例えば加速度センサであるＭＥＭＳセンサが用いられる。資源は地中深くにあり、また、加振機等による振動波のエネルギーには制約があるため、高精度の探査を可能とするためには、センサの高感度化が必要である。

従来のセンサ検出回路を示す文献としては、特許文献１（ＵＳ６４９７１４９）、特許文献２（ＵＳ５８５２２４２）がある。

ＵＳ６４９７１４９ ＵＳ５８５２２４２

振動センサとしては、例えば加速度センサであるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサが用いられる。資源は地中深くにあり、また、加振機等による振動波のエネルギーには制約があるため、ＭＥＭＳで検出できる信号は微弱である。よって、高精度の探査を可能とするためには、検出回路の高感度化が必要である。このとき、センサの出力を検出する回路の雑音についても配慮する必要がある。また、広範囲な資源探索を目的としたとき、多数のセンサを配置する必要があり、低消費電力化も重要な課題である。

本発明は、資源探査システムなどに好適な、超高感度で低消費電力のＭＥＭＳセンサシステムに用いる検出回路の検討を経てなされたものである。

図１で、発明が解決しようとする課題について具体的に説明する。図１は、本発明の前提を説明するために発明者が作成した、デルタシグマ回路方式を用いた、サーボ制御システムで構成されるＭＥＭＳセンサシステムの例である。デルタシグマ回路方式を用いた、サーボ制御システム自体は公知であり、特許文献１にも開示がある。

このシステムでは、調査対象物（例えば石油資源）から反射してくる信号波ＸをＭＥＭＳセンサ１０２で検出する。ＭＥＭＳセンサでは、物理的な信号波を電気容量の変化として検知する。このためにＭＥＭＳは、例えば固定電極と、加速度の作用により固定電極に対して相対移動して、コンデンサの静電容量の変化を引き起こす可動電極を内蔵している。ＭＥＭＳセンサ１０２からの電気容量変化の信号から、信号検出回路１０３で電圧に変換された検出信号を生成する。

検出信号は、ノイズシェイピングフィルタ１０４で波形整形される。公知のように、デルタシグマ回路方式では、アナログ信号をデジタル符号に変換する際に、高速で標本化した量子化雑音のパワースペクトル密度分布の形状を整形し、通過帯域のダイナミックレンジを向上させる。デルタシグマ回路方式によって、より小さな量子化語長数で符号化することができる。ノイズシェイピングフィルタ１０４は、量子化後の量子化雑音を整形するために、入力を整形する回路である。

ノイズシェイピングフィルタ１０４を通過したアナログ信号は、例えば、振動源とセンサの相対的位置に応じて、必要に応じて位相補正器１０５で位相補正される。その後、アナログ信号は、１ビット量子化器１０６によってデジタル化される。デジタル化された出力信号Ｙはローパスフィルタ１０７を通過して、出力信号ＯＵＴとして検出される。資源探査の場合、探査に意味のある信号は低周波領域である。Ａ（Ｓ），Ｂ（Ｓ）は図示する範囲の伝達関数とする。

図２に、図１のローパスフィルタ１０７の通過特性と雑音成分の関係を示す。横軸が周波数であり、縦軸が雑音レベルである（任意単位）。低周波領域ＦＢが検出したい周波数領域であり、例えば１ｋＨｚ以下の帯域である。本実施例ではおおよそ数百Ｈｚ以下の領域とした。低周波領域ＦＢにおいて、雑音成分が含まれることが分かる。

一般に、高感度の検出を目的とする場合、Ｑ値を高くする必要があるが、共振しやすくなるため、フィードバックにより安定化を図る必要がある。そのため、１ビット量子化器１０６の出力を帰還させ、サーボ制御用電圧源１１０で生成される基準電圧Vrefを入力とする１ビットデジタル-アナログ変換回路１０９で、アナログ電圧信号とし、変換回路１０８で電圧信号を力の信号Ｆｓに変換して、合成器１０１で信号波Ｘ（力の信号）から減算する。すなわち、フィードバック制御により安定化する回路構成となる。

力の信号を減算する方法としては、例えば特許文献１に記載されるように、ＭＥＭＳ１０２の電極間隔を、信号Ｆｓに応じた電荷で補正すればよい。

この回路構成では、系が安定する条件は数１に示す条件となる。

ここで、
Y：量子化器の出力信号
X：入力信号の真の値
Vref：サーボ制御用基準電圧
K：変換回路によって定まる定数
Xmeas：測定された入力信号
図３に本発明が着目する、基準電圧の低周波ノイズについて説明する。

１ビットデジタル-アナログ変換回路１０９に用いるサーボ制御用基準電圧Vrefには、10V程度のDC電圧が必要である。但し、DC電圧によるサーボ制御用基準電圧Vrefには、通常、低周波数ノイズ（1/fノイズ)ΔVrefが存在する。図３に理想的な基準電圧Vref *に対するΔVref波形の例を示している。従って、サーボ制御用基準電圧Vrefを式で表すと、
Vref = Vref* + ΔVref
Vref*：理想的なサーボ制御用基準電圧
ΔVref：低周波ノイズ成分
となる。ΔVrefは、例えば数十〜数百ｎＶである。

従って、この低周波ノイズ成分を考慮した場合、実際に測定されるXmeasは、数２のようになる。

すなわち、測定されるXmeasは
Y*K*ΔVref
で示される、電圧源の低周波ノイズに起因する測定誤差を含むことになる。しかし、低周波ノイズ成分をサーボ制御用電圧源１１０から完全に除くことは困難である。

図４に図２の低周波領域部分（ＦＢ）の拡大図を示す。横軸が周波数であり、縦軸がノイズ成分である（任意単位）。ノイズを低減するために、バイアス電流を大きくする手法がある。図４では、４０１にバイアス電流が小さい場合（例えば0.5ｍＡ）、４０２にバイアス電流が大きい場合（例えば4ｍＡ）のノイズレベルの例を示している。図に見られるように、低周波ノイズをある程度まで低減する場合でも、バイアス電流をかなり大きくする必要がある。また、その場合でも所定以上のノイズ低減は困難である。バイアス電流を大きくするには、回路規模を大きくする必要がある。このため、高価な電圧源を使用する必要があり、消費電力も大きくなる。価格や消費電力は、センサを広い面積に、２次元あるいは３次元的に多数配置しようとする場合には、大きな問題となる。

先に示した特許文献１および２は、このような問題について考慮されていなかった。
（本発明の目的）

本発明の目的は、センサシステム用検出回路の低ノイズ化を図ることにある。上記した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

上記目的を達成するための本発明の一側面は、加速度センサと、加速度センサからの出力を検出する検出回路系と、検出回路系の出力を基に、加速度センサに帰還する帰還信号を生成するための基準電圧電源を有する帰還回路系と、補正回路系を備える高感度センサシステムである。補正回路系は、基準電圧電源の基準電圧からの変動成分を検出する基準電源変動検出回路と、基準電源変動検出回路の出力を入力とし、変動成分の加速度センサを経て検出回路系の出力に至るまでの変化を算出する出力信号誤差算出回路と、出力信号誤差算出回路の出力を検出回路系の出力から差し引く演算回路を備える。

上記目的を達成するための本発明の一側面は、加速度センサからの信号を検出する検出回路系と、検出回路系の出力を基に、加速度センサに帰還する帰還信号を生成するための基準電圧電源を有する帰還回路系と、補正回路系を備える検出回路である。補正回路系は、基準電圧電源の基準電圧からの変動成分を検出する基準電源変動検出回路と、基準電源変動検出回路の出力を入力とし、変動成分の加速度センサを経て検出回路系の出力に至るまでの変化を算出する出力信号誤差算出回路と、出力信号誤差算出回路の出力を検出回路系の出力から差し引く演算回路を備える。

上記目的を達成するための本発明の一側面は、加速度センサからの出力を電気的に検出する検出処理と、検出処理で検出された検出信号を基に、加速度センサに帰還する帰還信号を、基準電圧を用いて生成する帰還処理と、補正処理を備える検出方法である。補正処理は、基準電圧の変動成分を検出する基準電源変動検出処理と、変動成分が検出信号に与える変化分を算出する出力信号誤差算出処理と、変化分を検出処理で検出された検出信号から差し引く演算処理を行う。

具体的な例を挙げると、加速度センサの例としてはＭＥＭＳデバイスを用いることができる。また、検出と帰還構成には、デルタシグマ回路方式を適用することができる。デルタシグマ回路方式における量子化には、１ビットおよび多ビットの構成を適用することができる。

また、本発明は、高感度検出方法を実施するための上記高感度センサシステムまたは回路を複数準備し、広範囲に地中資源探査を行う方法を含む。

比較例の構成を示すブロック図。 比較例の動作を示すグラフ図。 本発明の課題を説明するブロック図。 高精度基準電源の電圧変動（ノイズ）レベルを示すグラフ図。 本発明の実施例１を説明するブロック図。 本発明の実施例２を説明するブロック図。 本発明の実施例３を説明するブロック図。 本実施例のシミュレーション結果を示すグラフ図。

以下、実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。

以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。

本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数または順序を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。

図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

以下、基準電源電圧変動に起因する検出信号誤差を補正することで、加速度センサの信号検出感度向上を図る例を説明する。

図５は、本発明の一実施例を説明するブロック図である。図１と同様の構成は同じ符号で示している。この実施例では、サーボ制御用電圧源１１０からの基準電圧Vrefの低周波数電圧変動ΔVrefを別経路で検出して、電圧変動に起因する出力の誤差を算出し、その誤差分を出力信号Ｙから打ち消すように構成されている。

図５に示されるように、サーボ制御用電圧源１１０の出力は、基準電源変動検出回路５１０により、理想値Vref*からの変動分（低周波ノイズ）ΔVrefが検出される。基準電源変動検出回路５１０は、入力信号を高周波に変調し、検出した後に元の周波数に復調し、フィルター等を通してノイズ成分を取り出すものが知られている。このような検出回路としては、公知あるいは市場で提供されている、1/fノイズ検出回路を適用すればよい。

検出された低周波ノイズ成分は出力信号誤差算出回路５２０に入力され、出力Ｙに含まれる出力信号誤差分が算出される。出力信号誤差算出回路５２０は、一種のシミュレータであり、１ビットデジタル-アナログ変換回路１０９から１ビット量子化器１０６までの回路特性を、シミュレートしている。シミュレーションモデルは、回路設計値を基にして、公知の回路理論によりモデル化を行い、マイクロコンピュータ等を用いて演算を行えばよい。具体例としては、図５に示す検出回路系の伝達関数Ａ（ｓ）と、帰還回路系の伝達関数Ｂ（ｓ）によって、モデル化を行えばよい。

以上の構成により、出力信号誤差算出回路５２０の出力は、出力Ｙに含まれる、低周波ノイズΔVrefに起因する誤差成分を表している。この誤差成分は、数２に現れる、Y × K × ΔVrefの項である。よって、ローパスフィルタ１０７の出力から、出力信号誤差算出回路５２０の出力を、演算回路５３０で差し引くことにより、低周波ノイズΔVrefの出力信号Ｙへの影響をキャンセルし、入力Xを正確に反映した値を得ることができる。

なお、図５では出力信号誤差算出回路５２０の出力を差し引く演算回路（差分回路）５３０は、ローパスフィルタ１０７の後段にあるが、低周波ノイズ成分は、ローパスフィルタを通過する低周波領域であるため、問題はない。

図６は、本発明の他の一実施例を説明するブロック図である。図５と同様の構成は同じ符号で示している。この例では、１ビット量子化器１０６と１ビットデジタル-アナログ変換回路１０９の代わりに、ｎビット量子化器５０６とｎビットデジタル-アナログ変換回路５０９を用いた例である。すなわち、本発明は、マルチビット量子化器とマルチビットＤＡＣにも対応する。

図６の例でも、基準電圧電源の低周波数電圧変動を別経路で検出して、電圧変動に起因する出力の誤差を算出し、その誤差分を出力信号からうち消す点は、実施例１と同様である。

図７は、本発明の一実施例を説明するブロック図である。図５と同様の構成は同じ符号で示している。この例では、基準電源変動検出回路５１０の構成の具体例を示す。サーボ制御用電圧源１１０の出力のうち、着目している低周波ノイズ成分を精度よく取り出し、出力信号誤差算出回路５２０に入力する構成となっている。

図７の回路では、サーボ制御用電圧源１１０の出力をコンデンサＣに入力し、不要な高周波成分をカットする。一般に、低周波より高周波のほうが検出は容易であるため、低周波ノイズ成分を含むコンデンサＣの出力は、変調器７０１で高周波に変調される。

変調器７０１の後段の検出回路（例えば図示しないプリアンプ類）も低周波ノイズ成分を持っている場合があるため、低周波ノイズ成分を一度高周波に変調することにより、検出回路系の低周波ノイズ成分との分離検出が可能となる。例えば、数〜数百ヘルツの信号を数百〜数Ｍヘルツの信号に変調することにより、回路が持っている低周波ノイズ成分と分離することができる。その後、バンドパスフィルタ７０２に入力し、着目する周波数成分を抽出する。

バンドパスフィルタ７０２の出力は、アナログ・デジタル変換器７０３によりデジタル信号に変換され、復調器７０４で元の周波数（低周波）に復調される。復調器７０４の信号から、ローパスフィルタ７０５により着目する低周波ノイズ成分を抽出する。ローパスフィルタ７０４では、例えばアナログ・デジタル変換器７０３で高周波領域に混入する、スイッチングノイズなどを除去する。ローパスフィルタ７０４出力は、出力信号誤差算出回路５２０に入力され、出力信号Ｙの誤差成分が算出される。

図８は、本発明の実施例３によるノイズ低減効果を示すグラフ図であって、シミュレーション結果を示す。横軸に周波数帯域、縦軸にノイズレベルを示す。

矩形８０１に示す領域が、資源探査などに有用な有効信号帯域（例えば１〜５００Ｈｚ）である。本実施例を使用しない場合の特性８０２では、基準電源電圧変動に起因する検出信号ノイズが、有効信号帯域に現れる。本実施例を使用した特性は８０３に示すように、検出信号ノイズの低減効果を確認することができる。

以上説明したように、上記の実施例では、超高感度ＭＥＭＳセンサシステム用検出回路の低ノイズ化が可能となる。これにより、サーボ制御用基準電圧ノイズに起因する検出精度低下の回避が可能となる。また、このような効果をサーボ電圧電源回路の高価格化を回避しつつ実現することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

本発明は、種々の高精度振動検出センサに利用することができる。

１０１：加算器
１０２：ＭＥＭＳ
１０３：信号検出回路
１０４：ノイズシェイピングイピングフィルタ
１０５：位相補正器
１０６：１ビット量子化回路
１０７：ローパスフィルタ
１０８：変換回路
１０９：１ビットＤ／Ａコンバータ
１１０：サーボ制御用電圧源
５１０：基準電源変動検出回路
５２０：出力信号誤差算出回路
５３０：演算回路

Claims (16)

1. 加速度センサと、
   前記加速度センサからの出力を検出する検出回路系と、
   前記検出回路系の出力を基に、前記加速度センサに帰還する帰還信号を生成するための基準電圧電源を有する帰還回路系と、
   補正回路系を備え、
   前記補正回路系は、
   前記基準電圧電源の基準電圧からの変動成分を検出する基準電源変動検出回路と、
   前記基準電源変動検出回路の出力を入力とし、前記変動成分の前記加速度センサを経て前記検出回路系の出力に至るまでの変化を算出する出力信号誤差算出回路と、
   前記出力信号誤差算出回路の出力を前記検出回路系の出力から差し引く演算回路を備える高感度センサシステム。
2. 前記検出回路系は、
   加速度センサであるＭＥＭＳからの出力を電圧信号に変換する信号検出回路と、
   前記信号検出回路からの出力を入力とするノイズシェイピングイピングフィルタと、
   前記ノイズシェイピングイピングフィルタの出力の位相を補正する位相補正器と、
   前記位相補正器の出力を量子化する量子化回路と、
   を備える請求項１記載の高感度センサシステム。
3. 前記帰還回路系は、
   前記基準電圧電源からの基準電圧を入力とするＤ／Ａコンバータと、
   前記Ｄ／Ａコンバータの出力を前記加速度センサへの入力とするための変換回路と、
   を備える請求項１記載の高感度センサシステム。
4. 前記補正回路系は、
   前記基準電源変動検出回路として、
   前記基準電圧電源の出力を入力とする容量素子と、
   前記容量素子の出力を入力とする変調器と、
   前記変調器の出力を入力とするバンドパスフィルタと、
   前記バンドパスフィルタの出力を入力とするアナログ・デジタル変換器と、
   前記アナログ・デジタル変換器の出力を入力とする復調器と、
   前記復調器の出力を入力とするローパスフィルタと、
   を備える請求項１記載の高感度センサシステム。
5. 前記検出回路系の出力から１ｋＨｚ以下の周波数帯を取り出すための、出力側ローパスフィルタを備える、請求項１記載のセンサシステム。
6. 加速度センサからの信号を検出する検出回路系と、
   前記検出回路系の出力を基に、前記加速度センサに帰還する帰還信号を生成するための基準電圧電源を有する帰還回路系と、
   補正回路系を備え、
   前記補正回路系は、
   前記基準電圧電源の基準電圧からの変動成分を検出する基準電源変動検出回路と、
   前記基準電源変動検出回路の出力を入力とし、前記変動成分の前記加速度センサを経て前記検出回路系の出力に至るまでの変化を算出する出力信号誤差算出回路と、
   前記出力信号誤差算出回路の出力を前記検出回路系の出力から差し引く演算回路を備える高感度検出回路。
7. 前記検出回路系は、
   加速度センサであるＭＥＭＳからの出力を電圧信号に変換する信号検出回路と、
   前記信号検出回路からの出力を入力とするノイズシェイピングイピングフィルタと、
   前記ノイズシェイピングイピングフィルタの出力の位相を補正する位相補正器と、
   前記位相補正器の出力を量子化する量子化回路と、
   を備える請求項６記載の高感度検出回路。
8. 前記帰還回路系は、
   前記基準電圧電源からの基準電圧を入力とするＤ／Ａコンバータと、
   前記Ｄ／Ａコンバータの出力を前記加速度センサへの入力とするための変換回路と、
   を備える請求項６記載の高感度検出回路。
9. 前記補正回路系は、
   前記基準電源変動検出回路として、
   前記基準電圧電源の出力を入力とする容量素子と、
   前記容量素子の出力を入力とする変調器と、
   前記変調器の出力を入力とするバンドパスフィルタと、
   前記バンドパスフィルタの出力を入力とするアナログ・デジタル変換器と、
   前記アナログ・デジタル変換器の出力を入力とする復調器と、
   前記復調器の出力を入力とするローパスフィルタと、
   を備える請求項６記載の高感度検出回路。
10. 前記検出回路系の出力から１ｋＨｚ以下の周波数帯を取り出すための、出力側ローパスフィルタを備える、請求項６記載の高感度検出回路。
11. 加速度センサからの出力を電気的に検出する検出処理と、
    前記検出処理で検出された検出信号を基に、前記加速度センサに帰還する帰還信号を、基準電圧を用いて生成する帰還処理と、
    補正処理を備え、
    前記補正処理は、
    前記基準電圧の変動成分を検出する基準電源変動検出処理と、
    前記変動成分が前記検出信号に与える変化分を算出する出力信号誤差算出処理と、
    前記変化分を前記検出処理で検出された検出信号から差し引く演算処理を行う高感度検出方法。
12. 前記検出処理には、
    加速度センサであるＭＥＭＳからの出力を電圧信号に変換する信号検出回路と、
    前記信号検出回路からの出力を入力とするノイズシェイピングイピングフィルタと、
    前記ノイズシェイピングイピングフィルタの出力の位相を補正する位相補正器と、
    前記位相補正器の出力を量子化する量子化回路と、
    を用いる請求項１１記載の高感度検出方法。
13. 前記帰還処理には、
    前記基準電圧を入力とするＤ／Ａコンバータと、
    前記Ｄ／Ａコンバータの出力を前記加速度センサへの入力とするための変換回路と、
    を用いる請求項１１記載の高感度検出方法。
14. 前記補正処理には、
    前記基準電圧を入力とする容量素子と、
    前記容量素子の出力を入力とする変調器と、
    前記変調器の出力を入力とするバンドパスフィルタと、
    前記バンドパスフィルタの出力を入力とするアナログ・デジタル変換器と、
    前記アナログ・デジタル変換器の出力を入力とする復調器と、
    前記復調器の出力を入力とするローパスフィルタと、
    を用いる請求項１１記載の高感度検出方法。
15. 前記検出処理の出力から１ｋＨｚ以下の周波数帯を取り出すための、出力側ローパスフィルタを用いる、請求項１１記載の高感度検出方法。
16. 前記高感度検出方法を実施するための高感度センサシステムを複数準備し、
    地中資源探査を行う、請求項１１記載の高感度検出方法。

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