JP2012141282A - 気圧推定方法及び気圧推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気圧測定用発振器を用いた新たな気圧推定手法の提案。
【解決手段】水晶振動子型気圧センサー１において、処理部１０は、基準発振器３０の発振周波数を気圧測定用の水晶発振器２０の発振周波数に合わせるように制御する。そして、処理部１０は、基準発振器３０の基準発振信号と水晶発振器２０の水晶発振信号との位相差をコスタスループを用いて検出する。そして、処理部１０は、基準発振器３０の発振周波数と位相差とを用いて気圧を推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、気圧推定方法及び気圧推定装置に関する。

大気の圧力を測定するセンサーとして、水晶振動子を利用した気圧センサー（水晶振動子型気圧センサー）が考案されている。この水晶振動子型気圧センサーは、水晶振動子（発振器）の発振周波数が圧力によって変化する現象を利用して、気圧を推定するものである（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−１９７３７９号公報

圧力によって発振周波数が変化する発振器を用いて気圧を推定する場合には、その発振器の発振周波数を正しく測定する必要がある。しかし、発振周波数を正しく測定するためには、高精度のクロックや内部タイムベース等、周波数を高精度に測定するための機構が必要になるという問題があった。

本発明は上述した課題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、気圧測定用発振器を用いた新たな気圧推定手法を提案することにある。

以上の課題を解決するための第１の形態は、所定の発振器の発振周波数を気圧測定用発振器の発振周波数に合わせるように制御することと、前記発振器の発振信号と前記気圧測定用発振器の発振信号との位相差を検出することと、前記発振器の発振周波数と前記位相差とを用いて気圧を推定することと、を含む気圧推定方法である。

また、他の形態として、気圧に応じて発振周波数が変化する気圧測定用発振器と、発振周波数を変更可能な発振器と、前記発振器の発振周波数を前記気圧測定用発振器の発振周波数に合わせるように制御する周波数制御部と、前記発振器の発振信号と前記気圧測定用発振器の発振信号との位相差を検出する位相差検出部と、前記発振器の発振周波数と前記位相差とを用いて気圧を推定する気圧推定部と、を備えた気圧推定装置を構成してもよい。

この第１の形態等によれば、所定の発振器の発振周波数を気圧測定用発振器の発振周波数に合わせるように制御する。そして、これらの発振器の発振信号の位相差を検出し、発振器の発振周波数と位相差とを用いて気圧を推定する。これにより、気圧測定用発振器の発振周波数を直接正確に測定することなく、気圧を推定することができる。

また、第２の形態として、第１の形態の気圧推定方法であって、前記発振器の発振周波数を制御することは、前記位相差に基づいて制御することを含む、気圧推定方法を構成してもよい。

この第２の形態によれば、例えば、発振器の発振信号と気圧測定用発振器の発振信号との位相差に基づく位相同期手法により、発振器の発振周波数を適切に制御することができる。

また、第３の形態として、第１又は第２の形態の気圧推定方法であって、前記位相差を検出することは、コスタスループを用いて前記位相差を検出することを含む、気圧推定方法を構成してもよい。

この第３の形態によれば、コスタスループを用いて位相差の検出を簡単に行うことができる。

また、第４の形態として、第１〜第３の何れかの形態の気圧推定方法であって、前記気圧を推定することは、前記発振器の発振周波数を用いて第１の分解能で気圧を推定することと、前記位相差を用いて前記発振器の１Ｈｚ以下に相当する気圧を前記第１の分解能より高い第２の分解能で推定することと、を含む、気圧推定方法を構成してもよい。

この第４の形態によれば、発振器の発振周波数を用いて第１の分解能で気圧を推定するとともに、検出した位相差を用いて発振器の１Ｈｚ以下に相当する気圧を第１の分解能より高い第２の分解能で推定する。かかる手法により、精細な気圧推定を実現することができる。

また、第５の形態として、第１〜第４の何れかの形態の気圧推定方法であって、前記気圧を推定することは、所定時間の間に検出された前記位相差を用いて前記気圧を推定することを含み、前記気圧測定用発振器の発振周波数の安定度を判定することと、前記安定度に基づいて前記所定時間を設定することと、を更に含む、気圧推定方法を構成してもよい。

この第５の形態によれば、所定時間の間に検出された位相差を用いて気圧を推定する。そして、気圧測定用発振器の発振周波数の安定度を判定し、当該安定度に基づいて上記所定時間を設定する。気圧測定用発振器の発振周波数の安定度が高くなる時間を所定時間として設定することで、気圧推定のタイミングを適正化することができる。

また、第６の形態として、第５の形態の気圧推定方法であって、前記安定度を判定することは、前記気圧測定用発振器の発振周波数のアラン分散を求めることを含む、気圧推定方法を構成してもよい。

この第６の形態によれば、気圧測定用発振器の発振周波数のアラン分散を求めることで、気圧測定用発振器の発振周波数の安定度を適切に判定することができる。

また、第７の形態として、第１〜第６の何れかの形態の気圧推定方法であって、前記気圧を推定することは、環境温度に基づいて前記気圧を温度補償することを含む、気圧推定方法を構成してもよい。

この第７の形態によれば、環境温度に基づいて気圧を温度補償することで、環境温度に依らずに気圧推定を適切に行うことができる。

水晶振動子型気圧センサーの機能構成の一例を示す図。 気圧推定の原理の説明図。 推定時間間隔較正の原理の説明図。 推定時間間隔較正の原理の説明図 気圧推定処理の流れを示すフローチャート。 推定時間間隔較正処理の流れを示すフローチャート。 ＧＰＳ位置算出装置の機能構成の一例を示す図。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態の一例について説明する。本実施形態は、気圧推定装置を具備した水晶振動子型気圧センサーの実施形態である。但し、本発明を適用可能な実施形態が以下説明する実施形態に限定されるわけでないことは勿論である。

１．機能構成
図１は、本実施形態における水晶振動子型気圧センサー１の機能構成の一例を示す図である。水晶振動子型気圧センサー１は、処理部１０と、水晶発振器２０と、基準発振器３０と、第１の乗算器４０と、遅延回路５０と、第２の乗算器６０と、記憶部８０とを備えて構成される。

処理部１０は、水晶振動子型気圧センサー１の各部を統括的に制御する制御装置及び演算装置であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサーを有して構成される。処理部１０は、主要な機能部として、位相比較部１１と、ループフィルター処理部１３と、気圧推定部１５と、推定時間間隔較正部１７と、カウンタ部１９とを有する。

基準発振器３０から出力される基準発振信号は、そのままの信号をＩ相の基準発振信号とし、遅延回路５０を通過させることによってＱ相の基準発振信号とされる。そして、水晶発振器２０から出力される水晶発振信号と、Ｉ相及びＱ相の基準発振信号とが第１の乗算器４０及び第２の乗算器６０で乗算されてＩ相の乗算結果信号及びＱ相の乗算結果信号となり、位相比較部１１にそれぞれ入力される。

位相比較部１１は、水晶発振器２０の水晶発振信号の位相と、基準発振器３０の基準発振信号の位相とを比較する。具体的には、第１の乗算器４０から出力されるＩ相の乗算結果信号と、第２の乗算器６０から出力されるＱ相の乗算結果信号とを乗算し、その乗算結果をループフィルター処理部１３に出力する。位相比較部１１は、位相同期回路として知られるＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路における位相比較器に相当する機能ブロックである。

ループフィルター処理部１３は、位相比較部１１の比較結果に対する平均化処理を行い、比較結果を安定的な値（信号）に変換する。位相比較部１１とループフィルター処理部１３とで、基準発振器３０の基準発振信号と水晶発振器２０の水晶発振信号との位相差を検出する位相差検出部が構成される。

また、検出された位相差でもって基準発振器３０の発振周波数が制御される。具体的には、基準発振器３０の発振周波数と水晶発振器２０の発振周波数との差が位相差として検出され、水晶発振器２０の発振周波数に合わせるように基準発振器３０の発振周波数が制御される。つまり、位相比較部１１及びループフィルター処理部１３は周波数制御部でもある。以下の説明では、水晶発振器２０の発振周波数を「水晶発振周波数」と称し、基準発振器３０の発振周波数を「基準発振周波数」と称する。

気圧推定部１５は、記憶部８０に記憶された気圧推定プログラム８１に従って気圧を推定する。具体的には、位相比較部１１の比較結果、或いは、ループフィルター処理部１３により平均化された後の値に基づいて、水晶発振周波数の基準発振周波数からのずれの大きさを、１Ｈｚ以下の所定の精度で算出する。随時検出される位相差の所定の単位時間分の時間変化に基づいて、水晶発振周波数と基準発振周波数との周波数ずれの大きさを見積もるのである。

そして、所定の推定タイミングにおいて、基準発振周波数と算出した周波数ずれとを用いて水晶発振周波数を推定する。水晶発振周波数を推定したならば、水晶発振周波数と気圧とを対応付ける関係式或いは参照テーブルを用いて、水晶発振周波数の推定値を気圧に換算する。

本実施形態では、周波数ずれを算出する時間間隔のことを「単位時間間隔」と定義し、単位時間間隔に相当する時間のことを「単位時間」と定義する。また、水晶発振周波数及び気圧の推定を行う時間間隔のことを「推定時間間隔」と定義し、推定時間間隔に相当する時間のことを「推定時間」と定義する。単位時間間隔は、例えば「１ミリ秒」とされる。この場合は、１ミリ秒毎に周波数ずれが算出される。また、推定時間間隔は、推定時間間隔較正部１７により、単位時間間隔よりも長い時間が設定される。

推定時間間隔較正部１７は、記憶部８０に記憶された推定時間間隔較正プログラム８１１に従って推定時間間隔を較正する。より具体的には、水晶発振周波数の安定度をアラン分散を利用して判定し、その判定結果に基づいて推定時間間隔を較正・設定する。

カウンタ部１９は、外部入力されるクロック信号に基づいて水晶発振周波数の初期値を測定する。具体的には、電源投入後の初期設定時に、水晶発振器２０の水晶発振信号を入力して、水晶発振周波数の概測値を測定する。概測値は、水晶発振信号の周波数の大まかな値（例えば周波数の整数部分）であればよい。そして、測定した概測値で基準発振器３０の発振周波数を初期設定する。

水晶発振器２０は、気圧に応じて発振周波数が変化する気圧測定用発振器であり、例えば水晶振動子と水晶発振回路とを搭載した水晶デバイスとして構成される。水晶振動子と水晶発振回路とをパッケージ化して１チップとして製造することも可能である。水晶振動子としては、例えば双音叉型水晶振動子を用いることができる。

基準発振器３０は、水晶発振信号に対する同期用の発振器であり、水晶発振周波数に合わせるように基準発振周波数が制御される。基準発振器３０は、発振周波数を変更可能に構成された可変周波数発振器であり、例えばＮＣＯ（Numerical Controlled Oscillator）により構成される。

第１の乗算器４０は、水晶発振器２０の水晶発振信号と、基準発振器３０の基準発振信号とを乗算する乗算器である。水晶発振信号と基準発振信号とが乗算されることで、水晶発振周波数と基準発振周波数との周波数差の信号（Ｉ相乗算結果信号）に変換される。Ｉ相乗算結果信号は位相比較部１１に出力される。

遅延回路５０は、基準発振器３０の基準発振信号を９０度（＝π／２）だけ時間的に遅延させる遅延回路であり、遅延させた基準発振信号を直交基準発振信号として第２の乗算器６０に出力する。

第２の乗算器６０は、水晶発振器２０の水晶発振信号と直交基準発振信号とを乗算する乗算器である。水晶発振信号と直交基準発振信号とが乗算されることで、水晶発振周波数と直交基準発振周波数との周波数差の信号（Ｑ相乗算結果信号）に変換される。Ｑ相乗算結果信号は位相比較部１１に出力される。

第１の乗算器４０→位相比較部１１→ループフィルター処理部１３→基準発振器３０→第１の乗算器４０の第１のループと、第２の乗算器６０→位相比較部１１→ループフィルター処理部１３→基準発振器３０→遅延回路５０→第２の乗算器６０の第２のループとでコスタスループが形成される。本実施形態では、このコスタスループにより位相差を検出する。

記憶部８０は、処理部１０が水晶振動子型気圧センサー１の各部を統括的に制御するためのシステムプログラムや、気圧推定処理、推定時間間隔較正処理といった各種の処理を実行するための各種プログラムやデータ等を記憶した記憶装置である。記憶部８０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリーを有して構成される。

２．原理
図２は、本実施形態における気圧推定の原理の説明図である。図２において、横軸は気圧“Ｐ”を示し、縦軸は水晶発振周波数“ｆ”を示す。また、温度“Ｔ１〜Ｔ４”（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４）それぞれにおける気圧対水晶発振周波数を、黒四角形、黒三角形、バツ印及び黒丸でそれぞれプロットしている。

このグラフを見ると、温度に関わらず、気圧“Ｐ”と水晶発振周波数“ｆ”とは、ほぼ線形の関係にあることがわかる。また、温度が高くなるほど、水晶発振周波数“ｆ”の総体的な大きさは小さくなる傾向がある。かかる気圧対水晶発振周波数の関係から、環境温度と水晶発振周波数の推定値とを用いて気圧を推定することができる。

処理部１０は、コスタスループを用いて検出した位相差“Δθ”の単位時間分の時間変化に基づいて、動作条件の変化等に起因する水晶発振周波数の基準発振周波数からの“ずれ”を算出する。この水晶発振周波数の基準発振周波数からのずれ“Δｆ”を「周波数ずれ」と定義する。また、周波数ずれ“Δｆ”を基準発振周波数“ｆ_b”で除算した値“Δｆ／ｆ_b”のことを「周波数偏差」と定義する。

位相差“Δθ”と周波数ずれ“Δｆ”との間には、次式（１）の関係が成立する。

式（１）から、１周期（３６０°）に相当する位相差“Δθ”の時間変化が“１［Ｈｚ］”の周波数ずれ“Δｆ”に相当するものとして計算する。そして、単位時間分の位相差“Δθ”の時間変化量“ｄΔθ／ｄｔ”から、周波数ずれ“Δｆ”を算出する。この周波数ずれ“Δｆ”の算出を単位時間毎に行う。そして、所定の推定時間が経過する毎に、当該推定時間の間に算出された周波数ずれ“Δｆ”を用いて水晶発振周波数“ｆ”を推定する。

例えば、単位時間が“１ミリ秒”であり、推定時間が“１０ミリ秒”であるとすると、推定タイミングが到来するまでの間に、１０個の周波数ずれ“Δｆ”の算出データが得られる。これらの算出データのうち、例えば、周波数ずれ“Δｆ”の最大値や中央値、平均値といった値を代表値として用いて水晶発振周波数“ｆ”を推定する。つまり、基準発振周波数“ｆ_b”に周波数ずれ“Δｆ”の代表値を加算した値を水晶発振周波数“ｆ”と推定する（ｆ＝ｆ_b＋Δｆ）。水晶発振周波数“ｆ”を推定したならば、図２の気圧対水晶発振周波数の関係から気圧を推定する。

基準発振周波数“ｆ_b”を用いて気圧を推定した場合、気圧の値は大まかにしか求まらない。しかし、上記のように位相差“Δθ”を用いて１Ｈｚ以下の周波数ずれ“Δｆ”を算出し、この周波数ずれ“Δｆ”を加味して気圧を推定することで、高い分解能で気圧を推定することができる。つまり、本実施形態の手法は、基準発振周波数“ｆ_b”を用いて第１の分解能で気圧を推定するとともに、位相差“Δθ”を用いて基準発振器３０の１Ｈｚ以下に相当する気圧を第１の分解能より高い第２の分解能で推定することに相当する。

本願発明者が行った実験によれば、位相差“Δθ”が１周期分（３６０°）変化したとした場合の周波数ずれ“Δｆ”は５７パスカル［Ｐａ］程度である。従って、位相差“Δθ”が１°変化したとすれば、周波数ずれ“Δｆ”は約０．１６［Ｐａ］となる。１００［ｍ］の高度変化で気圧が１０００［Ｐａ］変化するとして換算すると、位相差“Δθ”の１°の変化は、約１．６［ｃｍ］の高度変化となる。誤差を見て位相差“Δθ”の変化を３０°単位で求めるとしても、約４８［ｃｍ］の高度変化を検出することができる。このことから、本実施形態の気圧推定方法では、１Ｈｚ以下の周波数ずれを用いて高精度な気圧推定を実現可能であることがわかる。

図３及び図４は、本実施形態における推定時間間隔較正の原理の説明図である。本実施形態では、水晶発振周波数の安定度（周波数安定度）を判定し、この周波数安定度に基づいて推定時間間隔を較正する。周波数安定度の判定は、水晶発振周波数のアラン分散を求めることで行う。

アラン分散は、ある発振器が、安定した周波数の信号をどの程度の期間に亘って発振することができるかを示す指標値である。時間領域における周波数安定度の尺度であると言える。アラン分散は、周波数偏差を所定の平均化時間に亘って平均化し、サンプル数を２個として分散を計算する２標本分散として定義される。

最初に、周波数偏差“ｙ（ｔ）”を、次式（２）で定義する。

但し、周波数ずれ“Δｆ（ｔ）”は、単位時間間隔で算出された時系列データであり、時間の関数で表記している。

今、推定時間間隔を“τ”と表記する。このとき、上記の周波数偏差“ｙ（ｔ）”を、ある推定時間間隔“τ_n”の区間毎に平均化することで周波数偏差平均値“ｙ_k（τ_n）”を算出する。推定時間間隔“τ”は、周波数偏差“ｙ（ｔ）”を平均化する平均化時間に相当する。

具体的には、周波数偏差平均値“ｙ_k（τ_n）”を、次式（３）に従って算出する。

但し、添え字の“ｋ”は周波数偏差平均値の番号を示し、“ｙ_k（τ_n）”は、推定時間間隔“τ_n”の区間毎で平均した周波数偏差平均値のうちのｋ番目の値であることを示す。

このとき、推定時間間隔“τ_n”での水晶発振周波数“ｆ”のアラン分散“σ_y（τ_n）”を、次式（４）に従って算出する。

なお、“σ_y（τ_n）”は正確にはアラン標準偏差であるが、本明細書ではアラン標準偏差はアラン分散と同義であるものとして説明する。

上記のアラン分散“σ_y（τ_n）”を、推定時間間隔“τ_n”を変化させながら算出する。例えば、図３に示すように、Ｎ種類の推定時間間隔“τ_n＝｛τ₁，τ₂，τ₃，・・・, τ_N｝”を設定する。図３において、横軸は時間軸であり、最上段のラインの下向きの矢印が周波数ずれ“Δｆ”の算出タイミングを示している。また、２段目以降の横方向の帯は、各推定時間間隔“τ_n”での周波数偏差平均値“ｙ_k（τ_n）”のデータを示しており、１つの矩形が１つのデータに相当する。推定時間間隔“τ_n”は、例えば１０ミリ秒〜１００秒までの時間範囲に含まれる離散的な値として設定する。

図４は、推定時間間隔とアラン分散との対応関係を示すグラフの一例である。横軸は推定時間間隔“τ_n”を示し、縦軸はアラン分散“σ_y（τ_n）”を示す。このグラフを見ると、アラン分散“σ_y（τ_n）”は、推定時間間隔“τ_n”が増加するにつれて徐々に減少することがわかる。そして、ある推定時間間隔において最小となった後、再び増加する傾向があることがわかる。

アラン分散“σ_y（τ_n）”は、推定時間間隔“τ_n”に相当する期間において、水晶発振周波数がどの程度の誤差の広がりを持つかを示す値である。そのため、アラン分散“σ_y（τ_n）”が小さいほど、水晶発振周波数“ｆ”は安定であると言える。

例えば、図４のグラフでは、推定時間間隔“τ₅”でのアラン分散“σ_y（τ₅）”が最小となっている。つまり、水晶発振周波数が最も安定するのは推定時間間隔“τ₅”の場合であり、推定時間間隔“τ₅”に相当する期間であれば、水晶発振周波数“ｆ”の誤差が限りなく小さくなると判断できる。そこで、本実施形態では、アラン分散“σ_y（τ_n）”が最小となる推定時間間隔を推定時間間隔の適正値として設定する。これにより、気圧推定のタイミングを適正化することができる。

３．データ構成
図１に示すように、記憶部８０には、処理部１０により読み出され、気圧推定処理（図５参照）として実行される気圧推定プログラム８１が記憶されている。また、気圧推定プログラム８１には、推定時間間隔較正処理（図６参照）として実行される推定時間間隔較正プログラム８１１がサブルーチンとして含まれる。これらの処理については、フローチャートを用いて詳細に後述する。

また、記憶部８０には、温度依存オフセット値テーブル８２と、基準発振周波数８３と、推定時間間隔較正用データ８４と、推定時間間隔適正値８５と、位相差検出データ８６と、周波数ずれ算出データ８７と、周波数推定値８８と、気圧推定値８９とが記憶される。

温度依存オフセット値テーブル８２は、水晶発振周波数のオフセット値が温度と対応付けて記憶されたテーブルである。温度依存オフセット値テーブル８２は、環境温度に基づいて気圧を温度補償するために用いられる。

基準発振周波数８３は、基準発振器３０の発振周波数である。電源投入後の初期設定時には、水晶発振周波数の概測値が測定され、基準発振周波数８３として初期設定される。その後、ループフィルター処理により位相差が無くなるように基準発振周波数が制御され、基準発振周波数８３は随時更新される。

推定時間間隔較正用データ８４は、推定時間間隔の較正に用いられるデータである。原理で説明した周波数偏差や、周波数偏差平均値、水晶発振周波数のアラン分散といったデータがこれに含まれる。

推定時間間隔適正値８５は、推定時間間隔の適正値のデータである。推定時間間隔較正処理が行われる毎に、推定時間間隔適正値８５が設定・更新される。

位相差検出データ８６は、ループフィルター処理により随時検出される位相差のデータである。また、周波数ずれ算出データ８７は、単位時間間隔で算出される周波数ずれのデータである。

４．処理の流れ
図５は、記憶部８０に記憶されている気圧推定プログラム８１が処理部１０により読み出されて実行されることで、水晶振動子型気圧センサー１において実行される気圧推定処理の流れを示すフローチャートである。

先ず、カウンタ部１９は、水晶発振周波数の概測値を測定する（ステップＡ１）。つまり、水晶発振器２０から出力される水晶発振信号の周波数の整数部分を、所定のクロック信号に基づいて測定する。そして、測定した概測値を基準発振周波数８３として、基準発振器３０を初期設定する（ステップＡ３）。

次いで、ループフィルター処理部１３はループフィルター処理を開始し、検出した位相差を位相差検出データ８６として記憶部８０に随時記憶させる（ステップＡ５）。そして、処理部１０は、電源投入後の初回推定であるか否かを判定し（ステップＡ７）、初回推定であると判定した場合は（ステップＡ７；Ｙｅｓ）、記憶部８０に記憶されている推定時間間隔較正プログラム８１１に従って推定時間間隔較正処理を行う（ステップＡ９）。

図６は、推定時間間隔較正処理の流れを示すフローチャートである。
先ず、推定時間間隔較正部１７は、推定時間間隔の複数の候補値それぞれについて、水晶発振周波数のアラン分散を算出する（ステップＢ１）。

次いで、推定時間間隔較正部１７は、ステップＢ１で算出したアラン分散が最小となる推定時間間隔の候補値を選択する（ステップＢ３）。そして、推定時間間隔較正部１７は、選択した候補値を推定時間間隔適正値８５として記憶部８０に記憶させた後（ステップＢ５）、推定時間間隔較正処理を終了する。

図５の気圧推定処理に戻って、ステップＡ７において初回推定ではないと判定した場合は（ステップＡ７；Ｎｏ）、気圧推定部１５は、推定時間間隔の較正タイミングであるか否かを判定する（ステップＡ１１）。較正タイミングとしては、種々のタイミングを設定可能である。例えば、所定時間が経過したタイミングとしてもよいし、環境温度が所定温度以上変化したタイミングとしてもよい。また、ユーザーにより較正が指示されたタイミングとしてもよい。

較正タイミングであると判定した場合は（ステップＡ１１；Ｙｅｓ）、気圧推定部１５は、記憶部８０に記憶されている推定時間間隔適正値８５をリセットする（ステップＡ１３）。そして、ステップＡ９へと処理を移行し、推定時間間隔較正部１７が再び推定時間間隔較正処理を実行する。

ステップＡ９において推定時間間隔較正処理を行った後、又は、ステップＡ１１において較正タイミングではないと判定した場合は（ステップＡ１１；Ｎｏ）、気圧推定部１５は、位相差検出データ８６に記憶されている位相差の単位時間分の時間変化に基づいて周波数ずれを算出し、周波数ずれ算出データ８７として記憶部８０に記憶させる（ステップＡ１５）。

気圧推定部１５は、推定タイミングが到来するまでの間（ステップＡ１７；Ｎｏ）、ステップＡ１５の処理を繰り返し行う。そして、推定タイミングが到来したならば（ステップＡ１７；Ｙｅｓ）、気圧推定部１５は、記憶部８０に記憶されている基準発振周波数８３と、周波数ずれ算出データ８７に格納されている周波数ずれとを用いて水晶発振周波数を推定し、周波数推定値８８として記憶部８０に記憶させる（ステップＡ１９）。

次いで、気圧推定部１５は、環境温度に基づいて周波数推定値８８を補正する（ステップＡ２１）。具体的には、記憶部８０に記憶されている温度依存オフセット値テーブル８２を参照し、温度センサー等から取得した環境温度に対応する発振周波数のオフセット値を読み出す。そして、周波数推定値８８からオフセット値を減算する。

次いで、気圧推定部１５は、周波数推定値８８を気圧に換算し、気圧推定値８９として記憶部８０に記憶させる（ステップＡ２３）。そして、気圧推定部１５は、処理を終了するか否かを判定し（ステップＡ２５）、まだ終了しないと判定した場合は（ステップＡ２５；Ｎｏ）、ステップＡ７に戻る。また、処理を終了すると判定した場合は（ステップＡ２５；Ｙｅｓ）、気圧推定処理を終了する。

５．作用効果
水晶振動子型気圧センサー１において、処理部１０は、基準発振器３０の発振周波数を気圧測定用の水晶発振器２０の発振周波数に合わせるように制御する。そして、基準発振器３０の発振信号と水晶発振器２０の発振信号との位相差を検出し、基準発振器３０の発振周波数と位相差とを用いて気圧を推定する。

具体的には、基準発振信号を用いて水晶発振信号をＩＱ分離し、コスタスループを用いて基準発振信号と水晶発振信号との位相差を検出する。そして、単位時間分の位相差の時間変化に基づいて周波数ずれを算出し、基準発振周波数に周波数ずれを加算することで、水晶発振周波数を推定する。かかる構成により、水晶発振器２０の発振信号から直接正確に発振周波数を測定せずとも、水晶発振信号と基準発振信号との位相差に基づいて、水晶発振器２０の発振周波数を推定することができる。

また、推定時間間隔較正部１７は、初回推定時及び所定の較正タイミングにおいて、水晶発振周波数及び気圧の推定を行う時間間隔を較正する。具体的には、水晶発振周波数のアラン分散を求めることで水晶発振器２０の周波数安定度を判定し、周波数安定度が最も高くなる時間間隔を推定時間間隔の適正値として設定する。これにより、周波数安定度に基づく適切なタイミングで気圧を推定することが可能となる。

６．変形例
６−１．適用例
上記の実施形態の水晶振動子型気圧センサー１は、例えば高度計に搭載して利用することができる。具体的には、水晶振動子型気圧センサー１を搭載した高度計において、処理部は、水晶振動子型気圧センサー１から出力される気圧推定値を高度に換算・推定する。そして、推定した高度を表示部に表示させる。

６−２．位相差の検出
上記の実施形態では、水晶発振信号と基準発振信号との位相差の検出を、処理部がデジタル信号処理としてソフトウェア的に行うものとして説明した。しかし、位相比較器、ループフィルター及びＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）を有して構成されるＰＬＬ回路によりコスタスループを形成し、位相差の検出をハードウェア的に行うこととしてもよいのは勿論である。

６−３．気圧の推定
水晶発振周波数の推定を次のように行ってもよい。すなわち、基準発振器の発振周波数（基準発振周波数）を気圧に換算し、気圧基準値とする。また、位相差に基づいて算出した周波数ずれを用いて、気圧基準値からの気圧変化分を推定する。そして、気圧基準値に気圧変化分を加算することで気圧を推定する。

６−４．周波数安定度の判定
上記の実施形態では、アラン分散を用いて水晶発振周波数の安定度を判定したが、周波数安定度の判定方法はこれに限られない。アラン分散は２標本分散であるが、例えば、周波数偏差のサンプル数を２個よりも多くして分散値を計算し、その分散値に基づいて周波数安定度を判定することとしてもよい。推定時間間隔の較正に適用可能な周波数安定度の判定方法であれば、任意の手法を適用可能である。

６−５．他の適用例
上記の実施形態では、第１の乗算器４０→位相比較部１１→ループフィルター処理部１３→基準発振器３０→第１の乗算器４０の第１のループと、第２の乗算器６０→位相比較部１１→ループフィルター処理部１３→基準発振器３０→遅延回路５０→第２の乗算器６０の第２のループとで形成されるコスタスループを、気圧推定装置の一種である水晶振動子型気圧センサー１に適用する場合の実施形態について説明した。

しかし、上記のコスタスループを適用可能な装置は何も気圧推定装置に限られるわけでないことは勿論である。例えば、衛星測位システムを利用して位置算出を行う位置算出装置に適用することも可能である。そこで、衛星測位システムの一種であるＧＰＳ（Global Positioning System）を利用して位置算出を行うＧＰＳ位置算出装置にコスタスループを適用する場合の適用例について説明する。なお、図１で説明した水晶振動子型気圧センサー１と同一の構成要素については同一の符号を付して、再度の説明を省略する。

図７は、ＧＰＳ位置算出装置３の機能構成の一例を示す図である。ＧＰＳ位置算出装置３は、ＲＦ（Radio Frequency）受信回路部２１０と、ベースバンド処理回路部２２０とを備えて構成される。なお、ＲＦ受信回路部２１０とベースバンド処理回路部２２０とは、それぞれ別のＬＳＩ（Large Scale Integration）として製造することも、１チップとして製造することも可能である。

ＲＦ受信回路部２１０は、不図示のＧＰＳアンテナで受信されたＲＦ信号を処理する受信回路である。ＲＦ受信回路部２１０の構成としては、受信したＲＦ信号をＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換し、デジタル信号を処理する受信回路を構成してもよい。また、ＧＰＳアンテナで受信されたＲＦ信号をアナログ信号のまま信号処理し、最終的にＡ／Ｄ変換することで、デジタル信号をベースバンド処理回路部２２０に出力する構成としてもよい。

ベースバンド処理回路部２２０は、ＲＦ受信回路部２１０から出力された受信信号に基づいて、ＧＰＳ衛星から送出されているＧＰＳ衛星信号を捕捉する回路部である。ＧＰＳ衛星信号は、拡散符号の一種であるＣ／Ａ（Coarse and Acquisition）コードによって、スペクトラム拡散方式として知られるＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）方式によって変調された１．５７５４２［ＧＨｚ］の信号である。Ｃ／Ａコードは、コード長１０２３チップを１ＰＮフレームとする繰返し周期１ｍｓの擬似ランダム雑音符号であり、各ＧＰＳ衛星に固有のコードである。

ベースバンド処理回路部２２０は、受信信号に対してキャリア（搬送波）の除去や相関演算を、専用の回路によってハードウェア的に、或いは、デジタル信号処理としてソフトウェア的に行うことで、ＧＰＳ衛星信号を捕捉する。そして、捕捉したＧＰＳ衛星信号から抽出した衛星軌道情報や時刻情報等を利用して、ＧＰＳ位置算出装置３の位置（位置座標）や時計誤差（クロックバイアス）を算出する。

ベースバンド処理回路部２２０は、例えば、水晶発振器２０と、基準発振器３０と、第１の乗算器４０と、遅延回路５０と、第２の乗算器６０と、処理部１００と、記憶部８００とを備えて構成される。

処理部１００は、ベースバンド処理回路部２２０の各機能部を統括的に制御する制御装置及び演算装置であり、ＣＰＵ等のプロセッサーを有して構成される。処理部１００は、例えば、気圧推定部１５と、推定時間間隔較正部１７と、カウンタ部１９と、衛星捕捉部１１０と、位置算出部１２０とを機能部として有する。

衛星捕捉部１１０は、ＲＦ受信回路部２１０から出力されるデジタル化された受信信号に対して、キャリア除去や相関演算等のデジタル信号処理を実行する。そして、そのデジタル信号処理の結果に基づいて、捕捉対象とするＧＰＳ衛星に係るメジャメント情報８３０（コード位相、ドップラー周波数、擬似距離、擬似距離変化率等）を演算する。

位置算出部１２０は、衛星捕捉部１１０によって演算されたメジャメント情報８３０と、気圧推定部１５によって推定された気圧推定値８９とを用いて、所定の位置算出計算を行ってＧＰＳ位置算出装置３の位置及び時計誤差を算出する。

具体的には、位置算出部１２０は、例えば、メジャメント情報８３０を利用した３次元の位置算出計算を行って、緯度、経度及び高度で表される３次元の位置を算出する。そして、気圧推定値８９を用いて高度方向の位置成分を補正することで、最終的な位置を求める。或いは、メジャメント情報８３０を利用した２次元の位置算出計算を行って、緯度及び経度で表される２次元の位置を算出する。そして、気圧推定値８９から求まる高度を含めた３次元の位置をＧＰＳ位置算出装置３の位置として算出することとしてもよい。

記憶部８００には、プログラムとして、例えば、位置算出部１２０によって位置算出処理として実行される位置算出プログラム８２０が記憶される。位置算出プログラム８２０は、気圧推定処理（図５参照）として実行される気圧推定プログラム８１をサブルーチンとして含む。また、気圧推定プログラム８１は、推定時間間隔較正処理（図６参照）として実行される推定時間間隔較正プログラム８１１をサブルーチンとして含む。

また、記憶部８００には、データとして、例えば、温度依存オフセット値テーブル８２と、基準発振周波数８３と、推定時間間隔較正用データ８４と、推定時間間隔適正値８５と、位相差検出データ８６と、周波数ずれ算出データ８７と、周波数推定値８８と、気圧推定値８９と、メジャメント情報８３０と、算出位置データ８４０とが記憶される。

図７のＧＰＳ位置算出装置３は、携帯型電話機やカーナビゲーション装置、携帯型ナビゲーション装置、パソコン、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、デジタルカメラ、腕時計といった各種の電子機器に搭載して利用することが可能である。

また、この場合に適用可能な衛星測位システムはＧＰＳに限らず、ＷＡＡＳ（Wide Area Augmentation System）やＱＺＳＳ（Quasi Zenith Satellite System）、ＧＬＯＮＡＳＳ（GLObal NAvigation Satellite System）、ＧＡＬＩＬＥＯ等の衛星測位システムであってもよい。

１ 水晶振動子型気圧センサー、 ３ ＧＰＳ位置算出装置、 １０ 処理部、 １１ 位相比較部、 １３ ループフィルター処理部、 １５ 気圧推定部、 １７ 推定時間間隔較正部、 １９ カウンタ部、 ２０ 水晶発振器、 ３０ 基準発振器、 ４０ 第１の乗算器、 ５０ 遅延回路、 ６０ 第２の乗算器、 ８０ 記憶部

Claims (8)

1. 所定の発振器の発振周波数を気圧測定用発振器の発振周波数に合わせるように制御することと、
   前記発振器の発振信号と前記気圧測定用発振器の発振信号との位相差を検出することと、
   前記発振器の発振周波数と前記位相差とを用いて気圧を推定することと、
   を含む気圧推定方法。
2. 前記発振器の発振周波数を制御することは、前記位相差に基づいて制御することを含む、
   請求項１に記載の気圧推定方法。
3. 前記位相差を検出することは、コスタスループを用いて前記位相差を検出することを含む、
   請求項１又は２に記載の気圧推定方法。
4. 前記気圧を推定することは、
   前記発振器の発振周波数を用いて第１の分解能で気圧を推定することと、
   前記位相差を用いて前記発振器の１Ｈｚ以下に相当する気圧を前記第１の分解能より高い第２の分解能で推定することと、
   を含む、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の気圧推定方法。
5. 前記気圧を推定することは、所定時間の間に検出された前記位相差を用いて前記気圧を推定することを含み、
   前記気圧測定用発振器の発振周波数の安定度を判定することと、
   前記安定度に基づいて前記所定時間を設定することと、
   を更に含む、
   請求項１〜４の何れか一項に記載の気圧推定方法。
6. 前記安定度を判定することは、前記気圧測定用発振器の発振周波数のアラン分散を求めることを含む、
   請求項５に記載の気圧推定方法。
7. 前記気圧を推定することは、環境温度に基づいて前記気圧を温度補償することを含む、
   請求項１〜６の何れか一項に記載の気圧推定方法。
8. 気圧に応じて発振周波数が変化する気圧測定用発振器と、
   発振周波数を変更可能な発振器と、
   前記発振器の発振周波数を前記気圧測定用発振器の発振周波数に合わせるように制御する周波数制御部と、
   前記発振器の発振信号と前記気圧測定用発振器の発振信号との位相差を検出する位相差検出部と、
   前記発振器の発振周波数と前記位相差とを用いて気圧を推定する気圧推定部と、
   を備えた気圧推定装置。

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