(57)【要約】【課題】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。【解決手段】起震車１０１に接続されたデータセンタ１００と、データセンタ１００に接続された中継器１０２と、中継器１０２に接続されたセンサ１０３と有する。データセンタ１００は、起震情報とセンサ１０３の位置情報に基づいてセンサ１０３に設定するダイナミックレンジを求めて中継器１０２を介してセンサ１０３に送信する。【選択図】図１
2019002808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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地下探査システム。
【請求項２】
前記第１及び第２のセンサは、サーボ型センサであり、
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。
【請求項３】
前記第１及び第２のセンサと前記起震装置は、それぞれＧＰＳ機能を有し、
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。
【請求項４】
前記データセンタは、
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。
【請求項５】
前記第１のセンサは、前記起震装置と前記第２のセンサとの間に配置され、
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。
【請求項６】
前記制御部は、
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。
【請求項７】
前記データセンタは、起震情報送信部を更に有し、
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。
【請求項８】
前記サーボ型センサは、
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。
【請求項９】
前記ＣＶ変換回路は、第１のオペアンプ及び第２のオペアンプを備える擬似差動型ＣＶ変換アンプであり、
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。
【請求項１０】
前記高圧回路は、
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。
【請求項１１】
前記ＣＶ変換回路は、
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。
【請求項１２】
前記高圧回路は、
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。
【請求項１３】
前記第１の帰還容量および前記第２の帰還容量は、容量値が実質的に等しく、
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。
【請求項１４】
第１及び第２の帰還抵抗を更に有し、
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。
【請求項１５】
第１及び第２のスイッチを更に有し、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地下探査システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平４−３３７４６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【発明の効果】
【００１２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１の地下探査システムを示すブロック図である。
【図２】実施例１のセンサの回路図である。
【図３】実施例１のセンサの回路図である。
【図４】実施例１のセンサの回路図である。
【図５】実施例１のセンサの動作タイミング図である。
【図６】実施例２のセンサの回路図である。
【図７】実施例２のセンサの回路図である。
【図８】データセンタのブロック図である。
【図９】データセンタのテーブルの詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【実施例１】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【実施例２】
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【符号の説明】
【００６３】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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