特許 7620533 位相同期回路及びセンシング装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-15

(45)【発行日】2025-01-23

(54)【発明の名称】位相同期回路及びセンシング装置

(51)【国際特許分類】

   H03L 7/081 20060101AFI20250116BHJP

   H03L 7/06 20060101ALI20250116BHJP

【ＦＩ】

H03L7/081

H03L7/06 210

【請求項の数】 20

(21)【出願番号】P 2021172484

(22)【出願日】2021-10-21

(65)【公開番号】P2023062480

(43)【公開日】2023-05-08

【審査請求日】2024-02-27

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100118876

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 順生

(74)【代理人】

【識別番号】100103263

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎 康

(72)【発明者】

【氏名】板倉 哲朗

(72)【発明者】

【氏名】丸藤 竜之介

(72)【発明者】

【氏名】小野 大騎

(72)【発明者】

【氏名】崔 明秀

【審査官】石田 昌敏

(56)【参考文献】

【文献】特開平０６－２８１６６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２２０１５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２５６５８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００９／０３７４９９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｌ ７／００－ ７／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

制御信号に応じて周波数を可変させる発振器と、
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、
前記共振素子の出力信号と前記発振器の出力信号との位相誤差を検出する位相検出器と、
前記位相誤差に応じた比例制御及び積分制御により、前記発振器の出力信号の周波数を制御する帰還制御部と、
環境情報を取得する環境情報取得部と、
前記環境情報に応じた補正項を前記帰還制御部の出力信号に加算して前記制御信号を補正する制御信号補正部と、を備え、
前記共振素子は、前記環境情報に応じた環境情報係数により前記共振周波数が変化し、
前記発振器は、前記発振器に固有の周波数変換係数に前記制御信号を乗じることにより、出力信号の周波数を設定し、
前記制御信号補正部は、時間に応じて変化する前記環境情報と、前記環境情報係数とを乗じた値を前記周波数変換係数で割った値に基づく前記補正項を前記帰還制御部の出力信号に加算して前記制御信号を補正する、
位相同期回路。

【請求項2】

制御信号に応じて周波数を可変させる発振器と、
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、
前記共振素子の出力信号と前記発振器の出力信号との位相誤差を検出する位相検出器と、
前記位相誤差に応じた比例制御及び積分制御により、前記発振器の出力信号の周波数を制御する帰還制御部と、
環境情報を取得する環境情報取得部と、
前記環境情報に応じた補正項を前記帰還制御部の出力信号に加算して前記制御信号を補正する制御信号補正部と、を備え、
前記発振器は、第１発振信号と、前記第１発振信号の位相を９０度ずらした第２発振信号と、前記第２発振信号の位相を９０度ずらした第３発振信号とを出力し、
前記共振素子は、前記第１発振信号の位相を９０度ずらした信号を出力し、
前記位相検出器は、
前記第２発振信号と前記共振素子の出力信号とを乗算するとともに、前記第３発振信号と前記共振素子の出力信号とを乗算する乗算器と、
前記第２発振信号と前記共振素子の出力信号とを乗算した信号に含まれる低周波成分の第１信号と、前記第３発振信号と前記共振素子の出力信号とを乗算した信号に含まれる低周波成分の第２信号と、を抽出するフィルタと、
前記第１信号と前記第２信号とに基づいて前記位相誤差を計算する位相差演算部と、を有する、
位相同期回路。

【請求項3】

前記共振素子は、前記環境情報に応じた環境情報係数により前記共振周波数が変化し、 前記制御信号補正部は、時間に応じて変化する前記環境情報と、前記環境情報係数とを乗じた値に基づく前記補正項を前記帰還制御部の出力信号に加算して前記制御信号を補正する、
請求項２に記載の位相同期回路。

【請求項4】

前記環境情報は、時間に応じて変化する温度情報を含み、
前記環境情報係数は、前記共振素子に固有の温度係数を含み、
前記共振素子は、前記温度情報及び前記温度係数により前記共振周波数が変化し、
前記制御信号補正部は、前記温度情報と前記温度情報に固有の前記環境情報係数とを乗じた値に基づく前記補正項を前記帰還制御部の出力信号に加算して前記制御信号を補正する、
請求項１又は３に記載の位相同期回路。

【請求項5】

制御信号に応じて周波数を可変させる発振器と、
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、
前記共振素子の出力信号と前記発振器の出力信号との位相誤差を検出する位相検出器と、
前記位相誤差に応じた比例制御及び積分制御により、前記発振器の出力信号の周波数を制御する帰還制御部と、
環境情報を取得する環境情報取得部と、
前記環境情報に応じた補正項を前記帰還制御部の出力信号に加算して前記制御信号を補正する制御信号補正部と、を備え、
前記共振素子は、前記環境情報に応じた環境情報係数により前記共振周波数が変化し、 前記制御信号補正部は、時間に応じて変化する前記環境情報と、前記環境情報係数とを乗じた値に基づく前記補正項を前記帰還制御部の出力信号に加算して前記制御信号を補正し、
前記環境情報は、加速度情報を含み、
前記環境情報係数は、前記共振素子に固有の加速度係数を含み、
前記共振素子は、前記加速度係数により前記共振周波数が変化し、
前記制御信号補正部は、前記加速度情報と前記加速度情報に固有の前記環境情報係数とを乗じた値に基づく前記補正項を前記帰還制御部の出力信号に加算して前記制御信号を補正する、
位相同期回路。

【請求項6】

前記発振器は、前記発振器に固有の周波数変換係数に前記制御信号を乗じることにより、出力信号の周波数を設定し、
前記制御信号補正部は、時間に応じて変化する前記環境情報と、前記環境情報係数とを乗じた値を前記周波数変換係数で割った値に基づく前記補正項を前記帰還制御部の出力信号に加算して前記制御信号を補正する、
請求項３乃至５のいずれか一項に記載の位相同期回路。

【請求項7】

前記発振器は、第１発振信号と、前記第１発振信号と同じ周波数を持ち前記第１発振信号とは９０度位相がずれた第２発振信号とを出力し、
前記共振素子は、前記第１発振信号の位相を９０度ずらした信号を出力し、
前記位相検出器は、前記共振素子の出力信号と前記第２発振信号との前記位相誤差を検出する、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の位相同期回路。

【請求項8】

前記発振器は、前記制御信号に応じた周波数を持つ発振信号を出力し、
前記共振素子は、前記発振信号の位相を９０度ずらした信号を出力し、
前記位相検出器は、
前記発振信号と前記共振素子の出力信号とを乗算する乗算器と、
前記乗算器の乗算結果信号に含まれる低周波成分の信号を前記位相誤差として抽出するフィルタと、を有する、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の位相同期回路。

【請求項9】

前記共振素子は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）共振素子であり、
前記ＭＥＭＳ共振素子は、二次元方向に前記共振周波数で振動する、
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の位相同期回路。

【請求項10】

前記ＭＥＭＳ共振素子は、第１方向の変位信号と、第２方向の変位信号とを出力し、
前記位相検出器は、前記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を前記位相誤差として検出するとともに、前記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前記位相誤差として検出する、
請求項９に記載の位相同期回路。

【請求項11】

前記発振器、前記位相検出器、前記帰還制御部、及び前記制御信号補正部は、デジタル回路であり、
前記共振素子は、アナログ回路であり、
前記発振器の出力信号、前記帰還制御部の出力信号、前記環境情報取得部が取得する前記環境情報、及び前記制御信号補正部が生成する前記制御信号は、デジタル信号である、
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の位相同期回路。

【請求項12】

前記発振器から出力された第１デジタル信号を、前記共振素子に入力するためのアナログの発振信号に変換するＤＡ変換器と、
前記共振素子の出力信号を第２デジタル信号に変換するＡＤ変換器と、をさらに備え、 前記位相検出器は、前記第１デジタル信号と前記第２デジタル信号とに基づいて、前記位相誤差を表す第３デジタル信号を生成し、
前記帰還制御部は、前記第３デジタル信号に応じた比例制御及び積分制御を行って第４デジタル信号を生成し、
前記制御信号補正部は、前記補正項に対応する第５デジタル信号と、前記第４デジタル信号とを加算して、前記制御信号に対応する第６デジタル信号を生成し、
前記発振器は、前記第６デジタル信号に応じて前記第１デジタル信号の周波数を可変させる、
請求項１１に記載の位相同期回路。

【請求項13】

前記発振器は、環境情報に依存せずに、前記第６デジタル信号に応じて前記第１デジタル信号の周波数を可変させる、
請求項１２に記載の位相同期回路。

【請求項14】

請求項１乃至８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、前記発振器の出力信号、及び前記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。

【請求項15】

前記共振素子は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）共振素子であり、
前記ＭＥＭＳ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、
前記位相検出器は、前記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を前記位相誤差として検出するとともに、前記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前記位相誤差として検出し、
前記物理量演算部は、前記位相検出器で検出された前記位相誤差に基づいて前記物理量を演算する、
請求項１４に記載のセンシング装置。

【請求項16】

制御信号に応じて周波数を可変させる発振器と、
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、
前記共振素子の出力信号と前記発振器の出力信号との位相誤差を検出する位相検出器と、
前記位相誤差に応じた比例制御及び積分制御により、前記発振器の出力信号の周波数を制御する帰還制御部と、
環境情報を取得する環境情報取得部と、
前記環境情報に応じた補正項を前記帰還制御部の出力信号に加算して前記制御信号を補正する制御信号補正部と、を有する位相同期回路と、
前記共振素子の出力信号、前記発振器の出力信号、及び前記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、
前記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、加速度がゼロのとき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、を備え、
前記物理量演算部は、前記周波数誤差検出器で検出された周波数誤差に基づいて、加速度を含む前記物理量を検出する、
センシング装置。

【請求項17】

制御信号に応じて周波数を可変させる発振器と、
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、
前記共振素子の出力信号と前記発振器の出力信号との位相誤差を検出する位相検出器と、
前記位相誤差に応じた比例制御及び積分制御により、前記発振器の出力信号の周波数を制御する帰還制御部と、
環境情報を取得する環境情報取得部と、
前記環境情報に応じた補正項を前記帰還制御部の出力信号に加算して前記制御信号を補正する制御信号補正部と、を有する位相同期回路と、
前記共振素子の出力信号、前記発振器の出力信号、及び前記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、
前記発振器に固有の周波数変換係数を前記制御信号に乗じる乗算器と、
前記乗算器の出力信号の周波数と、加速度がゼロのとき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、を備え、
前記物理量演算部は、前記周波数誤差検出器で検出された周波数誤差に基づいて、加速度を含む前記物理量を検出する、
センシング装置。

【請求項18】

前記物理量演算部は、前記周波数誤差検出器で検出された周波数誤差を、前記共振素子に固有の加速度係数で割ることにより、前記加速度を求める、
請求項１６又は１７に記載のセンシング装置。

【請求項19】

前記発振器、前記位相検出器、前記帰還制御部、前記制御信号補正部、及び前記物理量演算部は、デジタル回路であり、
前記共振素子は、アナログ回路であり、
前記発振器の出力信号、前記帰還制御部の出力信号、前記環境情報取得部が取得する前記環境情報、前記制御信号補正部が生成する前記制御信号、及び前記物理量演算部が演算する前記物理量は、デジタル信号である、
請求項１４乃至１８のいずれか一項に記載のセンシング装置。

【請求項20】

前記発振器から出力された第１デジタル信号を、前記共振素子に入力するためのアナログの発振信号に変換するＤＡ変換器と、
前記共振素子の出力信号を第２デジタル信号に変換するＡＤ変換器と、をさらに備え、 前記位相検出器は、前記第１デジタル信号と前記第２デジタル信号とに基づいて、前記位相誤差を表す第３デジタル信号を生成し、
前記帰還制御部は、前記第３デジタル信号に応じた比例制御及び積分制御を行って第４デジタル信号を生成し、
前記制御信号補正部は、前記補正項に対応する第５デジタル信号と、前記第４デジタル信号とを加算して、前記制御信号に対応する第６デジタル信号を生成し、
前記発振器は、前記第６デジタル信号に応じて前記第１デジタル信号の周波数を可変させ、
前記物理量演算部は、前記第１デジタル信号、前記第２デジタル信号、及び前記第６デジタル信号の少なくとも一つに基づいて前記物理量を演算する、
請求項１９に記載のセンシング装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の一実施形態は、位相同期回路及びセンシング装置に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開2019-193052号公報

【文献】米国特許 4,951,508

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

そこで、本発明の一実施形態では、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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態によれば、制御信号に応じて周波数を可変させる発振器と、
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、
前記共振素子の出力信号と前記発振器の出力信号との位相誤差を検出する位相検出器と、
前記位相誤差に応じた比例制御及び積分制御により、前記発振器の出力信号の周波数を制御する帰還制御部と、
環境情報を取得する環境情報取得部と、
前記環境情報に応じた補正項を前記帰還制御部の出力信号に加算して前記制御信号を補正する制御信号補正部と、を備える、位相同期回路が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１の実施形態に係る位相同期回路のブロック図。

【図2】一比較例に係る位相同期回路のブロック図。

【図3】図１の第１変形例による位相同期回路のブロック図。

【図4】図１の第２変形例による位相同期回路のブロック図。

【図5】図１の第３変形例による位相同期回路のブロック図。

【図6】図１の第４変形例による位相同期回路のブロック図。

【図7】図１の第５変形例による位相同期回路のブロック図。

【図8】第２の実施形態による位相同期回路を備えたセンシング装置のブロック図。

【図9】図８の一具体例による位相同期回路を有する角度センサのブロック図。

【図10】加速度センサのブロック図。

【図11】図１０の一変形例による加速度センサのブロック図。

【図12】図８の一変形例によるセンシング装置のブロック図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照して、位相同期回路及びセンシング装置の実施形態について説明する。以下では、位相同期回路及びセンシング装置の主要な構成部分を中心に説明するが、位相同期回路及びセンシング装置には、図示又は説明されていない構成部分や機能が存在しうる。以下の説明は、図示又は説明されていない構成部分や機能を除外するものではない。

【0009】

（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１の動作原理を説明する。

【0010】

図２の位相同期回路１００は、周波数可変発振器２と、共振素子３と、位相検出器４と、帰還制御部５とを備えている。

【0011】

周波数可変発振器２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、周波数可変発振器２は、帰還制御部５から出力された制御信号に基づいて、発振信号の周波数を制御する。周波数可変発振器２は、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。

【0012】

図２では、周波数可変発振器２の出力信号（発振信号）の位相をラプラス変換した位相信号をθ(ｓ)と表記している。周波数可変発振器２の出力信号は共振素子３に入力される。共振素子３は、共振周波数で急峻なＱを有し、共振周波数で９０度位相が遅れる。より詳細には、共振素子３は、所定の共振周波数で共振するとともに、共振周波数では周波数可変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。

【0013】

周波数可変発振器２の出力信号の周波数が共振素子３の共振周波数からずれていると、共振素子３での位相遅れが９０度からずれる。このずれ成分である位相誤差をラプラス変換した位相誤差信号をθe(ｓ)とし、周波数可変発振器２の出力信号の位相をラプラス変換した信号をθ(ｓ)とすると、共振素子３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。

【0014】

位相検出器４は、周波数可変発振器２の出力信号の位相と、共振素子３の出力信号の位相との位相誤差を検出する。周波数可変発振器２の出力信号の位相をラプラス変換した位相信号θ(ｓ)と、共振素子３の出力信号の位相をラプラス変換した位相信号θ(ｓ)－90°／ｓ－θe(ｓ)との差分を取ると、位相誤差は、90°／ｓ＋θe(ｓ)となる。周波数可変発振器２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４に入力すると、位相検出器４で検出される位相誤差は、θe(ｓ)となる。

【0015】

帰還制御部５は、位相検出器４で検出された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）を行うことにより制御信号を生成する。帰還制御部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。

【0016】

周波数可変発振器２は、帰還制御部５から出力された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、周波数可変発振器２に固有の係数である。図２等では、周波数可変発振器２の出力信号を位相で表現しているため、周波数を積分して位相とするために、周波数可変発振器２をＫ／ｓと表現している。

【0017】

周波数可変発振器２の発振周波数が共振素子３の共振周波数に近い場合、共振素子３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、位相誤差θe(ｓ)は式(１)に示すように、周波数可変発振器２の発振周波数と共振素子３の共振周波数の差に係数ａを乗じた値で表すことができる。
θe(ｓ)＝－ａ(ｓθ(ｓ)－ωr(ｓ)) …(１)

【0018】

ここで、周波数可変発振器２の出力周波数は、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。ω_r(ｓ)は環境の時間変化に応じて時間とともに変わる共振素子３の共振周波数ω_r(ｔ)をラプラス変換したものである。よって、周波数可変発振器２の発振周波数と共振素子３の共振周波数の周波数誤差をラプラス変換すると、ｓθ(ｓ)－ω_r(ｓ)で表される。図２より、周波数可変発振器２の出力信号θ(ｓ)は、以下の式(２)で表される。

【数1】

【0019】

式(１)、(２)より、周波数可変発振器２の出力信号θ(ｓ)は、以下の式(３)で表される。

【数2】

【0020】

式(３)より、周波数可変発振器２の発振周波数と共振素子３の共振周波数の周波数誤差ｓθ(ｓ)－ω_r(ｓ)は、以下の式(４)で表される。

【数3】

【0021】

共振素子３の共振周波数は、環境情報Ｅ(ｔ)に応じて変化し、ω_r(ｔ)＝ω_r (Ｅ(ｔ))と表すことができる。例えば、環境情報Ｅ(ｔ)を温度Ｔ(ｔ)とすると、共振周波数ω_r(ｔ)は、ω_r(ｔ)＝ω_r(Ｔ(ｔ))と表される。所定の温度Ｔ₀における共振周波数をω_r0、共振周波数の温度係数をＫ_Tとすると、共振周波数ω_r(ｔ)は、以下の式(５)で表される。
ω_r(ｔ)＝ω_r(Ｔ(t))＝ω_r0＋Ｋ_T(Ｔ(ｔ)－Ｔ₀) …(５)

【0022】

式(５)をラプラス変換すると、式(６)のようになる。
ω_r(ｓ)＝ω_r(Ｔ(ｓ))＝ω_r0／ｓ＋Ｋ_T(Ｔ(ｓ)－Ｔ₀／ｓ) …(６)

【0023】

Ｋ_TＴ₀＝ω_r0なので、これを式(６)に代入すると、ω_r(ｓ)＝Ｋ_TＴ(ｓ)となる。これを式(４)に代入すると、式(７)が求まる。

【数4】

【0024】

式(７)より、温度が時間に応じて変化すると、周波数可変発振器２の発振周波数は、共振周波数の変化に追随できず、温度に応じた位相誤差が生じることがわかる。

【0025】

そこで、図１の位相同期回路１は、式(７)に示す位相誤差をゼロにすることを特徴とする。図１の位相同期回路１は、図２の位相同期回路１００の構成に加えて、環境情報取得部６と、制御信号補正部７を備えている。

【0026】

環境情報取得部６は、環境情報Ｅ(ｔ)を取得する。上述したように、環境情報Ｅ(ｔ)は、時間により変化する温度や電源電圧等であり、温度センサや電圧センサ等により検出できる。環境情報Ｅ(ｔ)を検出するセンサ等が位相同期回路１に内蔵されていてもよい。この場合、環境情報取得部６は、環境情報検出部を兼ねてもよい。あるいは、位相同期回路１とは別個に設けられるセンサ等で検出された環境情報を、環境情報取得部６で取得してもよい。

【0027】

図１の制御信号補正部７は、温度等の環境情報に応じた補正項を帰還制御部５から出力された制御信号に加算して制御信号を補正する。制御信号補正部７で補正された制御信号は、周波数可変発振器２に入力される。

【0028】

制御信号補正部７に入力される補正項は、環境情報Ｅ(ｔ)をラプラス変換したＥ(ｓ)に所定の係数（本明細書では、環境依存係数と呼ぶ）Ｃ_Eを乗じた値Ｃ_E・Ｅ(ｓ)である。環境依存係数Ｃ_Eは、環境情報Ｅ(ｔ)に応じた固定値を持つ。制御信号補正部７は、帰還制御部５から出力された制御信号に補正項Ｃ_E・Ｅ(ｓ)を乗じることにより制御信号を補正する。補正項Ｃ_E・Ｅ(ｓ)の演算は、環境情報取得部６で行ってもよいし、制御信号補正部７で行ってもよい。

【0029】

周波数可変発振器２は、制御信号補正部７から出力された制御信号に周波数変換係数Ｋ／ｓを乗じることにより、周波数可変発振器２の出力信号の周波数を制御する。

【0030】

図１の共振素子３の共振周波数の環境情報係数をＫ_Eとすると、周波数可変発振器２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ｓθ(ｓ)－ω_r(ｓ)は、以下の式(８)で表される。

【数5】

【0031】

式(８)の右辺の分子がゼロになれば、図１の位相検出器４で検出される位相誤差はゼロになり、環境情報Ｅ(ｔ)に依存しなくなる。式(8)の右辺の分子がゼロになるのは、以下の式(９)が成り立つ場合である。

【数6】

【0032】

式(９)に示すように、環境依存係数Ｃ_Eが環境情報係数Ｋ_Eと周波数可変発振器２の周波数変換係数Ｋとの比で表されるとき、式(８)の分子がゼロになり、環境情報Ｅ(ｔ)の時間変化があっても、本実施形態による位相同期回路１の周波数可変発振器２の周波数を共振素子３の共振周波数に追従させることができる。

【0033】

なお、環境依存係数Ｃ_Eは、式(９)で規定される値から多少ずれても、周波数可変発振器２の発振周波数と共振素子３の共振周波数の周波数誤差を低減する効果が得られる。

【0034】

環境情報は温度情報であってもよい。図３は図１の第１変形例による位相同期回路１ａのブロック図であり、温度情報に基づく補正項が制御信号補正部７に入力される例を示している。図３の位相同期回路１ａは、制御信号補正部７に入力される補正項が異なる以外は、図１の位相同期回路１と同様のブロック構成を備えている。

【0035】

図３の制御信号補正部７に入力される補正項は、温度情報Ｔ(ｔ)をラプラス変換したＴ(ｓ)に所定の環境依存係数Ｃ_Tを乗じた値Ｃ_T・Ｔ(ｓ)である。この補正項Ｃ_T・Ｔ(ｓ)を帰還制御部５から出力された制御信号に加算することにより、制御信号を補正する。図３の共振素子３の共振周波数の温度情報係数をＫ_Tとすると、周波数可変発振器２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ｓθ(ｓ)－ωr(ｓ)は、以下の式(１０)で表される。

【数7】

【0036】

式(１０)の右辺の分子がゼロになれば、図３の位相検出器４で検出される位相誤差はゼロになり、温度情報に依存しなくなる。式(１０)の右辺の分子がゼロになるのは、以下の式(１１)が成り立つ場合である。

【数8】

【0037】

一方、共振素子３がＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）共振素子の場合、共振素子３の共振周波数は加速度により変化するため、環境情報は加速度であってもよい。図４は図１の第２変形例による位相同期回路１ｂのブロック図であり、加速度に基づく補正項が制御信号補正部７に入力される例を示している。図４の位相同期回路１ｂは、制御信号補正部７に入力される補正項が異なる以外は、図１の位相同期回路１と共通したブロック構成を備えている。

【0038】

図４の制御信号補正部７に入力される補正項は、加速度Ａ(ｔ)をラプラス変換したＡ(ｓ)に所定の環境依存係数Ｃ_Aを乗じた値Ｃ_A・Ａ(ｓ)を乗じることにより制御信号を補正する。図４の共振素子３の共振周波数の加速度係数をＫ_Aとすると、周波数可変発振器２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ｓθ(ｓ)－ω_r(ｓ)は、以下の式(１２)で表される。

【数9】

【0039】

式(１２)の右辺の分子がゼロになれば、図３の位相検出器４で検出される位相誤差はゼロになり、加速度に依存しなくなる。式(１２)の右辺の分子がゼロになるのは、以下の式(１３)が成り立つ場合である。

【数10】

【0040】

図１、図３及び図４では、位相同期回路１、１ａ、１ｂ内の位相検出器４が、制御信号補正部７を用いて、周波数可変発振器２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検出する例を示した。位相検出器４は、乗算器と低域通過フィルタを用いて構成することも可能である。

【0041】

図５は図１の第３変形例による位相同期回路１ｃのブロック図である。図５の位相同期回路１ｃは、位相検出器４の内部構成が図１の位相同期回路１とは異なっている。図５の位相検出器４は、乗算器１１と、低域通過フィルタ１２とを有する。

【0042】

周波数可変発振器２の出力信号がcosθ(ｔ)の場合、共振素子３の出力信号は、以下の式(１４)で表される。

【数11】

【0043】

周波数可変発振器２の出力信号と共振素子３の出力信号とを乗算器１１で乗じると、以下の式(１５)で表される信号が生成される。

【数12】

【0044】

乗算器１１の出力信号を低域通過フィルタ１２に入力すると、以下の式(１６)に示す位相誤差θe(ｔ)が得られる。

【数13】

【0045】

周波数可変発振器２は、共振素子３に供給される発振信号とは別個に、互いに９０度位相の異なる２つの発振信号を位相検出器４に供給し、これら２つの発振信号のそれぞれと共振素子３の出力信号とを乗じて、Ｉ信号とＱ信号を生成してもよい。

【0046】

図６は図１の第４変形例による位相同期回路１ｄのブロック図である。図６の位相同期回路１ｄ内の位相検出器４は、乗算器１１と、低域通過フィルタ１２と、位相差演算部１３とを有する。

【0047】

図６の周波数可変発振器２は、それぞれ９０度位相の異なる複数の発振信号のうちcosθ(ｔ)を共振素子３に供給する。共振素子３の出力信号ｘは、以下の式(１７)で表される。

【数14】

【0048】

また、位相検出器４内の乗算器１１は、式(１７)の信号ｘに、互いに９０度位相の異なる２つの発振信号(2sinθ(ｔ), -2cosθ(ｔ))のそれぞれを乗じて、以下の式(１８)に示すＩ信号とＱ信号を生成する。
Ｉ＝ｘ(2sinθ(ｔ))、Ｑ＝ｘ(-2cosθ(ｔ)) …(１８)

【0049】

位相検出器４内の低域通過フィルタ１２は、式(１９)に示すように、乗算器１１の出力信号に含まれる低域成分Ｉ_L、Ｑ_Lを抽出する。
Ｉ_L＝cosθ_e(ｔ)、Ｑ_L＝sinθ_e(ｔ) …(１９)

【0050】

位相差演算部１３は、式(２０)に示すように、ＩＱ平面におけるＩ_LとＱ_Lの為す角度により位相誤差θ_eを演算する。

【数15】

【0051】

上述した図１～図６による位相同期回路１は、アナログ信号による帰還制御を行っている。アナログ信号は、温度等の環境による影響を受けやすい。そこで、デジタル信号による帰還制御を行ってもよい。図７は図１の第５変形例による位相同期回路１ｅのブロック図である。

【0052】

図７の周波数可変発振器２ａ、位相検出器４ａ、帰還制御部５ａ、環境情報取得部６ａ、及び制御信号補正部７ａはいずれも、デジタル回路で構成されている。図７の共振素子３だけはアナログ回路である。周波数可変発振器２ａの出力信号、帰還制御部５ａの出力信号、制御信号補正部７ａに入力される補正項、制御信号補正部７ａが生成する制御信号はいずれもデジタル信号である。

【0053】

図７の位相同期回路１ｅは、図１の構成に加えて、ＤＡ変換器１４とＡＤ変換器１５を備えている。以下では、周波数可変発振器２ａの出力信号をデジタル発振信号と呼ぶ。

【0054】

ＤＡ変換器１４は、周波数可変発振器２ａから出力されたデジタル発振信号をアナログの発振信号に変換する。共振素子３は、図１と同様にアナログの共振動作を行い、アナログの信号を出力する。ＡＤ変換器１５は、共振素子３の出力信号をデジタル信号に変換する。以下では、ＡＤ変換器１５の出力をデジタル共振信号と呼ぶ。

【0055】

位相検出器４ａは、周波数可変発振器２ａから出力されたデジタル発振信号と、ＡＤ変換器１５から出力されたデジタル共振信号との位相誤差を検出し、位相誤差を示すデジタル信号を出力する。

【0056】

帰還制御部５ａは、位相検出器４ａから出力されたデジタル信号に応じた比例制御及び積分制御を行ってデジタル信号からなる制御信号を生成する。

【0057】

制御信号補正部７ａは、デジタル信号からなる環境情報と、デジタル信号からなる環境依存係数とを乗じて、デジタル信号からなる補正項を生成する。また、制御信号補正部７ａは、帰還制御から出力されたデジタル信号からなる制御信号に、デジタル信号からなる補正項を加算して、デジタル信号からなる制御信号を補正する。周波数可変発振器２ａは、制御信号補正部７ａで生成されたデジタル信号からなる制御信号とデジタル信号からなる周波数変換係数とを乗じることにより、デジタル発振信号の周波数を制御する。

【0058】

図７の位相同期回路１ｅは、周波数可変発振器２ａ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Ｋ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、周波数可変発振器２ａ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。

【0059】

このように、第１の実施形態による位相同期回路１～１ｅは、共振素子３の共振周波数が温度等の環境によって変動することを念頭に置いて、帰還制御部５から出力された制御信号に環境情報に応じた補正項を加算して制御信号を補正し、補正された制御信号にて周波数可変発振器２の発振周波数を制御する。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周波数可変発振器２の発振周波数を変化させることができる。

【0060】

（第２の実施形態）
上述した図１～図７による位相同期回路１～１ｅ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、速度などの種々のセンサの検知対象信号である。

【0061】

図８は第２の実施形態による位相同期回路１を備えたセンシング装置１０のブロック図である。図８のセンシング装置１０は、例えば図１の位相同期回路１と、物理量演算部１６とを備えている。なお、図８のセンシング装置１０は、図３～図７のいずれかによる位相同期回路１ａ～１ｅを内蔵していてもよい。すなわち、図８のセンシング装置１０は、第１の実施形態で説明した位相同期回路１～１ｅのいずれかを備えている。以下では、代表して、位相同期回路１と表記する。

【0062】

図８のセンシング装置１０内の共振素子３は、例えばＭＥＭＳ共振素子３ａである。物理量演算部１６は、共振素子３の出力信号に基づいて物理量を検出する。なお、物理量演算部１６は、図８に破線で示したように、周波数可変発振器２の出力信号に基づいて物理量を検出してもよいし、あるいは、制御信号補正部７から出力された制御信号に基づいて物理量を検出してもよい。

【0063】

図８のセンシング装置１０内の位相同期回路１は、温度等の環境情報により共振素子３の共振周波数が変化しても、周波数可変発振器２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ため、環境情報に依存することなく、物理量をより正確に検出できる。

【0064】

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３ａの場合には、角度センサに適用可能である。図９は図８の一具体例による位相同期回路１を有する角度センサ１７のブロック図である。図９の角度センサ１７は、位相同期回路１を備える他に、物理量演算部１６として角度演算部１８を備えている。図９の位相同期回路１は、図６の位相同期回路１に類似する構成を備えており、共振素子３はＭＥＭＳ共振素子３ａである。

【0065】

ＭＥＭＳ共振素子３ａ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３ａのｘ方向の変位信号は式(２１)で表され、ｙ方向の変位信号は式(２２)で表される。

【数16】

【0066】

位相検出器４内の乗算器１１は、ＭＥＭＳ共振素子３ａから出力されるｘ方向の変位信号及びｙ方向の変位信号と、周波数可変発振器２から位相検出器４に入力される発振信号(2sinθ(ｔ), -2cosθ(ｔ))とを乗じて、以下の式(２３)式に示すＩ_x信号及びＱ_x信号と、式(２４)式に示すＩ_y信号及びＱ_y信号とを生成する。
Ｉ_x＝ｘ(2sinθ(ｔ))、Ｑ_x＝ｘ(-2cos(θ(ｔ)) …(２３)
Ｉ_y＝ｙ(2sinθ(ｔ))、Ｑ_y＝ｙ(-2cos(θ(ｔ)) …(２４)

【0067】

位相検出器４内の低域通過フィルタ１２は、Ｉ_x信号、Ｑ_x信号、Ｉ_y信号、Ｑ_y信号の低周波成分Ｉ_xL、Ｑ_xL、Ｉ_yL、Ｑ_yLを抽出する。

【0068】

位相検出器４内の位相差演算部１３は、以下の式(２５)に基づいて、位相誤差θ_e(ｔ)を演算する。

【数17】

【0069】

図９の角度演算部１８は、位相検出器４内の乗算器１１及び低域通過フィルタ１２を共有するとともに、演算部２１を有する。低域通過フィルタ１２の出力信号Ｉ_xL、Ｑ_xL、Ｉ_yL、Ｑ_yLは、演算部２１にも入力される。演算部２１は、以下の式(２６)に基づいて角度θ_A(ｔ)を求める。

【数18】

【0070】

図９の角度センサ１７では、環境情報の時間変化によりＭＥＭＳ共振素子３ａの共振周波数が時間とともに変化しても、周波数可変発振器２の発振周波数は共振周波数に精度よく追従するため、より正確に角度を検出することができる。

【0071】

図８のセンシング装置１０は、加速度センサであってもよい。すなわち、位相同期回路１内の共振素子３がＭＥＭＳ共振素子３ａの場合には、加速度センサに適用可能である。図１０は加速度センサ２２のブロック図である。図１０の加速度センサ２２は、位相同期回路１と、加速度演算部２３とを備えている。図１０の位相同期回路１は、図９の位相同期回路１に類似する構成を備えているが、制御信号補正部７は、共振素子３の共振周波数の温度情報T(ｔ)をラプラス変換したT(ｓ)に所定の環境依存係数Ｃ_Tを乗じた値Ｃ_T・T(ｓ)を、帰還制御部５から出力された制御信号に加算することで、制御信号を補正する。このように、本実施形態による位相同期回路１は、求めたい物理量とは異なる環境情報により生じる位相誤差を低減するものであり、位相同期回路１を内蔵する加速度センサでは、加速度以外の環境情報（例えば温度情報）により生じた位相誤差を低減する。

【0072】

図１０の加速度演算部２３は、周波数検出器２４と、周波数誤差検出器２５と、演算部２６とを有する。周波数検出器２４は、周波数可変発振器２の出力信号の発振周波数を検出する。周波数誤差検出器２５は、周波数検出器２４で検出された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、共振素子３の加速度をゼロとしたときの周波数可変発振器２の発振周波数である。演算部２６は、周波数誤差検出器２５で演算された周波数誤差を共振素子３の加速度係数Ｋ_Aで割ることにより、加速度Ａを求める。加速度係数Ｋ_Aは、ＭＥＭＳ共振素子３ａに固有の値である。

【0073】

図１０の加速度センサ２２では、環境の時間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、周波数可変発振器２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、周波数誤差検出器２５で演算される周波数誤差が環境の影響を受けなくなり、精度よく加速度を検出できる。

【0074】

図１０の加速度センサ２２では、周波数可変発振器２の出力信号を加速度演算部２３に入力して、発振周波数と共振周波数との周波数誤差を演算しているが、制御信号補正部７から出力された制御信号を加速度演算部２３に入力して周波数誤差を演算してもよい。

【0075】

図１１は図１０の一変形例による加速度センサ２２ａのブロック図である。図１１の加速度センサ２２ａは、位相同期回路１と、加速度演算部２３とを備えている。図１１の位相同期回路１の内部構成は、図１０の位相同期回路１と同一である。

【0076】

図１１の加速度演算部２３は、周波数倍数器２７と、周波数誤差検出器２５と、演算部２６とを有する。周波数倍数器２７は、制御信号補正部７から出力された制御信号に周波数変換係数Ｋを乗じる。これにより、周波数倍数器２７は、周波数可変発振器２と同じ周波数の発振信号を生成できる。周波数倍数器２７は、図１０の周波数検出器２４の機能を有しており、制御信号に周波数変換係数Ｋを乗じて得られる発振信号の周波数を出力する。

【0077】

図１１の加速度演算部２３内の周波数誤差検出器２５及び演算部２６の処理動作は、図１０の周波数誤差検出器２５及び演算部２６の処理動作と同様である。

【0078】

このように、図１１のセンシング装置１０においても、共振素子３の共振周波数が環境により時間変化しても、共振周波数に合わせて周波数可変発振器２の発振周波数を変化させることができるため、環境に依存せずに加速度を検出できる。

【0079】

上述した図８～図１１に示すセンシング装置１０は、アナログ信号で帰還制御及び物理量の検出を行っているが、デジタル信号で帰還制御及び物理量の検出を行ってもよい。

【0080】

図１２は図８の一変形例によるセンシング装置１０ａのブロック図である。図１２のセンシング装置１０ａは、図８の構成に加えて、ＤＡ変換器１４と、ＡＤ変換器１５とを備えている。また、図１２の周波数可変発振器２ａ、位相検出器４ａ、帰還制御部５ａ、制御信号補正部７ａ、及び物理量演算部１６ａのそれぞれはデジタル回路である。よって、周波数可変発振器２ａ、位相検出器４ａ、帰還制御部５ａ、及び制御信号補正部７ａは、温度等の環境に依存することなく、処理動作を行うことができる。

【0081】

ＤＡ変換器１４は、周波数可変発振器２ａから出力されたデジタル発振信号をアナログの発振信号に変換する。共振素子３は、図８の共振素子３と同様にアナログ回路であり、発振信号の発振周波数が共振周波数のときに共振動作を行う。共振素子３は、例えばＭＥＭＳ共振素子３ａである。

【0082】

ＡＤ変換器１５は、共振素子３の出力信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換器１５の出力信号は、位相検出器４ａと物理量演算部１６ａに供給される。

【0083】

このように、センシング装置１０、１０ａ内の共振素子３以外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周波数可変発振器２の周波数変換係数Ｋ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、共振周波数に精度よく追従させて周波数可変発振器２の発振周波数を可変させることができる。

【0084】

また、物理量演算部１６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。

【0085】

本開示の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本開示の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本開示の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

【符号の説明】

【0086】

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１００ 位相同期回路、２、２ａ 周波数可変発振器、３ 共振素子、３ａ ＭＥＭＳ共振素子、４、４ａ 位相検出器、５、５ａ 帰還制御部、６、６ａ 環境情報取得部、７、７ａ 制御信号補正部、１０、１０ａ センシング装置、１１ 乗算器、１２ 低域通過フィルタ、１３ 位相差演算部、１４ ＤＡ変換器、１５ ＡＤ変換器、１６、１６ａ 物理量演算部、１７ 角度センサ、１８ 角度演算部、２１ 演算部、２２、２２ａ 加速度センサ、２３ 加速度演算部、２４ 周波数検出器、２５ 周波数誤差検出器、２６ 演算部、２７ 周波数倍数器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】