(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗及びコンデンサを含んで構成され、アナログセンサが組込まれた積分回路及び微分回路を構築可能なセンサ回路部と、
前記センサ回路部を前記積分回路及び前記微分回路のいずれか一方に切替える回路切替手段と、
前記回路切替手段によって切替えられ、構築された前記積分回路及び前記微分回路に入力されるパルス電圧を発振するパルス発振手段と、
前記パルス発振手段によって発振された前記パルス電圧を、前記センサ回路部に入力し、前記アナログセンサを駆動するセンサ駆動手段と、
入力された前記パルス電圧に応じ、前記センサ回路部を構成する前記抵抗及び前記コンデンサのいずれか一方の端子間から出力される出力電圧値を測定する電圧測定手段と、
前記パルス電圧の前記センサ回路部への入力開始から、前記パルス電圧に応答し、前記電圧測定手段によって測定される前記出力電圧値が予め設定された閾値に到達するまでの時定数を計測する時定数計測手段と、
計測された前記時定数に基づいて、前記アナログセンサによって検出されるアナログ量の検出値を推定し、デジタル量に変換する変換手段と
を具備することを特徴とする時定数計測によるＡ／Ｄコンバータ。
【請求項２】
前記センサ回路部の回路定数、及び前記時定数計測手段におけるクロック周期を含む回路パラメータを変更可能なパラメータ変更手段をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の時定数計測によるＡ／Ｄコンバータ。
【請求項３】
前記センサ回路部は、
静電容量の異なる複数の前記コンデンサを並列に接続し、前記積分回路及び前記微分回路を構築可能な並列コンデンサ部、及び抵抗値の異なる複数の前記抵抗を並列に接続し、前記積分回路及び前記微分回路を構築可能な並列抵抗部の少なくともいずれか一方をさらに有し、
前記並列コンデンサ部の中から選択された前記コンデンサの前記静電容量、及び前記並列抵抗部の中から選択された前記抵抗の前記抵抗値の少なくともいずれか一方に応じ、前記出力電圧値及び前記時定数に係る分解能及び計測対象範囲を変更可能なレンジ変更手段をさらに具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の時定数計測によるＡ／Ｄコンバータ。
【請求項４】
前記電圧測定手段及び前記時定数計測手段に基づいて、前記出力電圧値が前記閾値に到達したことを検知すると、前記センサ回路部に入力する前記パルス電圧の印加を反転させるパルス電圧反転手段をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の時定数計測によるＡ／Ｄコンバータ。
【請求項５】
前記回路切替手段、前記センサ駆動手段、前記電圧測定手段、前記時定数計測手段、前記変換手段、前記パラメータ変更手段、前記レンジ変更手段、及び前記パルス電圧反転手段の少なくともいずれか一つを、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ上にソフトウェアとして構成したことを特徴とする請求項４に記載の時定数計測によるＡ／Ｄコンバータ。
【請求項６】
前記アナログセンサは、
多点計測可能なマトリックス状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一つに記載の時定数計測によるＡ／Ｄコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、時定数計測によるＡ／Ｄコンバータに関するものであり、積分回路及び微分回路において、閾値に到達するまでの出力電圧値に係る時定数を計測し、アナログセンサで検出される検出値を時定数に基づいてデジタル量に変換可能な時定数計測によるＡ／Ｄコンバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、温度センサ、圧電センサ（ピエゾセンサ）、及び加速度センサなどの種々のセンサは、検出されたアナログ量の検出値（例えば、抵抗値、圧力値、荷重値、及び電圧値など）を、増幅回路で増幅し、さらにＡ／Ｄ変換器（「Ａ／Ｄコンバータ」）を通すことにより、デジタル量に変換処理することが行われている。そして、デジタル量に変換された検出値は、コンピュータ等の各種制御機器に取込まれ、制御機器のフィードバック制御に利用されたり、あるいは解析及び分析処理のために利用が行われている。
【０００３】
ここで、一般的なＡ／Ｄコンバータについて説明すると、Ａ／Ｄコンバータは、アナログセンサによって検出されたアナログ量の検出値（アナログ信号）を、一定の周期で抽出し、その抽出された値を量子化した後、さらに２進符号などに変換することにより、デジタル量（デジタル信号）として出力されるものである。ここで、Ａ／Ｄコンバータの主な変換形式には、積分形式、逐次比較形式、及びフラッシュ形式などが例示される。
【０００４】
特に、近年の情報通信技術及びコンピュータ技術の発展に伴い、日常生活のあらゆる場面において、コンピュータによる制御が行われることがあり、アナログ量をコンピュータにおいて読込み可能なデジタル量に変換するＡ／Ｄコンバータに係る技術の重要性も増し、Ａ／Ｄコンバータに求められる性能及び品質なども、徐々に難しくなっている。
【０００５】
以上の従来技術は、当業者として当然に実施されているものであり、出願人はこの従来技術が記載された文献等を本願出願時における現段階では特に知見するものではない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、現在利用されている多くのＡ／Ｄコンバータは、下記に示すような課題を有することがあった。すなわち、既存のＡ／Ｄコンバータは、アナログ量の信号の入力を受付ける入力部と、入力されたアナログ量を受付け、増幅回路で増幅処理を行うための増幅部と、アナログ量の情報をデジタル量のものに変換する変換部と、変換されたデジタル量の信号に、コンピュータ等の外部機器が読取り可能なインターフェイスから主になる出力部とから主に構成されることが多く、Ａ／Ｄコンバータの各種回路を構築するためには、多くのトランジスタ、ＩＣ、抵抗、及びコンデンサなどの電気素子が必要であった。その結果、上述の電気素子等によって、特に高機能及び高性能のＡ／Ｄコンバータを製作する場合、Ａ／Ｄコンバータの大きさが肥大化する傾向が強かった。その結果、各種装置等に係るＡ／Ｄコンバータを取付けようとする場合、多くのスペースを占有することとなり、装置全体が大型化する要因の一つとなっていた。
【０００７】
ところが、近年の技術開発の進歩に伴って、日常生活のあらゆる場面、身近な各種家電製品、メーカーなどで利用される産業機械製品、及び輸送機器などの多くの製品は、小型化、かつ省エネルギー化をさらに進める開発が求められていた。そのため、各種製品において重要な位置を占める上述のＡ／Ｄコンバータにおいても、小型化及び省エネルギー化を進めることが、メーカー等にとっても重要であった。特に、近年のロボット関連技術の発展により、アナログセンサによって得られたセンサ値を、小型化したＡ／Ｄコンバータによって速やかにデジタル量に変換し、さらにコンピュータに内蔵されたＣＰＵ等の制御部分が読取り可能なものにする技術において、Ａ／Ｄコンバータの小型化及び高性能化が強く求められていた。さらに、複数のアナログセンサによって検出された検出値を、一括してデジタル量に変換可能な処理が行える多チャンネル化の可能なＡ／Ｄコンバータを望む声も強かった。
【０００８】
そこで、上記実情に鑑み、アナログセンサの検出値をデジタル量に速やかに変換し、さらに多チャンネル化に対応可能な小型化、及び省スペース化を図った時定数計測によるＡ／Ｄコンバータを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る時定数計測によるＡ／Ｄコンバータは、「抵抗及びコンデンサを含んで構成され、アナログセンサが組込まれた積分回路及び微分回路を構築可能なセンサ回路部と、前記センサ回路部を前記積分回路及び前記微分回路のいずれか一方に切替える回路切替手段と、前記回路切替手段によって切替えられ、構築された前記積分回路及び前記微分回路に入力されるパルス電圧を発振するパルス発振手段と、前記パルス発振手段によって発振された前記パルス電圧を、前記センサ回路部に入力し、前記アナログセンサを駆動するセンサ駆動手段と、入力された前記パルス電圧に応じ、前記センサ回路部を構成する前記抵抗及び前記コンデンサのいずれか一方の端子間から出力される出力電圧値を測定する電圧測定手段と、前記パルス電圧の前記センサ回路部への入力開始から前記パルス電圧に応答し、前記電圧測定手段によって測定される前記出力電圧値が予め設定された閾値に到達するまでの時定数を計測する時定数計測手段と、計測された前記時定数に基づいて、前記アナログセンサによって検出されるアナログ量の検出値を推定し、デジタル量に変換する変換手段と」を具備して主に構成されている。
【００１０】
ここで、アナログセンサとは、例えば、温度を抵抗値の変化によって検出可能なサーミスタ、圧力の変化を検出可能なピエゾ圧電素子、加速度を検出可能な加速度センサ、及び感圧性素材（感圧ゴムなど）を利用した面接触検知センサなどが挙げられる。
【００１１】
また、積分回路とは、入力した信号波形を時間について積分した信号波形に変換可能な回路であり、主に三角波を形成する際などに利用されている。積分回路は、一般に抵抗及びコンデンサの直列回路の両端を入力側とし、コンデンサの端子間を出力側とした回路で構成されている。このとき、係る積分回路に方形波の入力信号を与えると、充放電特性によってコンデンサの端子間から出力される出力電圧値の波形は、三角状波形の積分波となる。このとき、積分波の形成条件は、時定数がパルス幅に比べ、非常に大きい値であることが必要である。一方、微分回路とは、入力した信号波形を時間について微分した信号波形に変換可能な回路であり、例えば、マルチバイブレータ回路のトリガ用、或いは細かいパルスを作成するためによく用いられている。微分回路は、一般にコンデンサ及び抵抗の直列回路の両端を入力側とし、抵抗の端子間を出力側とした回路で構成されている。ここで、微分回路に方形波の入力信号を与えると、充放電特性によって抵抗間での電圧は、スパイク形パルスの微分波になる。このとき、微分波の形成条件は、時定数がパルス周期に比べて非常に小さい値であることが必要である。
【００１２】
したがって、本発明の時定数計測によるＡ／Ｄコンバータによれば、積分回路及び微分回路の双方が構成されたセンサ回路部に対し、パルス発振手段によって発振されたパルス電圧が入力される。このとき、パルス電圧が積分回路に入力され、アナログセンサの駆動が行われると、積分回路の抵抗の端子間から電圧が出力される。一方、パルス電圧が微分回路に入力され、アナログセンサの駆動が行われると、微分回路のコンデンサの端子間から電圧が出力される。そして、出力される電圧の値（出力電圧値）を測定する。このとき、出力される出力電圧値に対して、予め閾値が設けられている。そして、パルス電圧の入力開始時刻から、出力電圧値が該閾値に到達するまでの応答時間に相当する時定数の計測が行われる。
【００１３】
ここで、時定数は、アナログセンサの検出値に依存し、出力電圧値は、時間の関数として表される。そのため、例えば、予め基準条件（例えば、所定温度における抵抗値及び時定数の各々の値など）を決定し、計測された時定数との差に基づいて、アナログセンサによって検出される検出値を推定し、さらにデジタル量に変換することが可能となる。
【００１４】
また、本発明に係る時定数計測によるＡ／Ｄコンバータは、上記構成に加え、「前記センサ回路部の回路定数、及び前記時定数計測手段におけるクロック周期を含む回路パラメータを変更可能なパラメータ変更手段を」さらに具備するものであっても構わない。
【００１５】
したがって、本発明の時定数計測によるＡ／Ｄコンバータは、回路定数等の回路パラメータが変更可能な回路パラメータ変更手段を有して構成されている。ここで、時定数計測手段によって計測される時定数は、積分回路若しくは微分回路を構築可能なセンサ回路部の回路定数、及び時定数を計測する場合のクロック周期などによって、計測の精度（分解能）及び計測時間等が大きく変化する。そこで、これらの回路パラメータを変更可能とすることにより、アナログセンサによる測定対象の計測レンジやその精度等を動的に変更することが可能となる。これにより、個々の測定対象に適するレンジ内での時定数計測に基づくアナログ／デジタル変換が行えるようになる。なお、前述したように、積分回路においては、パルス幅に対し時定数が非常に大きい値となる必要があり、一方、微分回路においては、パルス周期に対して時定数が非常に小さい値となる必要があるため、回路パラメータの変更は、上記の条件に則って行うことになる。
【００１６】
さらに、本発明に係る時定数計測によるＡ／Ｄコンバータは、上記構成に加え、「前記センサ回路部は、静電容量の異なる複数の前記コンデンサを並列に接続し、前記積分回路及び前記微分回路を構築可能な並列コンデンサ部、及び抵抗値の異なる複数の前記抵抗を並列に接続し、前記積分回路及び前記微分回路を構築可能な並列抵抗部の少なくともいずれか一方をさらに有し、前記並列コンデンサ部の中から選択された前記コンデンサの前記静電容量、及び前記並列抵抗部の中から選択された前記抵抗の前記抵抗値の少なくともいずれか一方に応じ、前記出力電圧値及び前記時定数に係る分解能及び計測対象範囲を変更可能なレンジ変更手段を」さらに具備するものであっても構わない。
【００１７】
したがって、本発明の時定数計測によるＡ／Ｄコンバータによれば、積分回路及び微分回路を構成するための複数のコンデンサまたは複数の抵抗がそれぞれ並列に接続されている。前述したように、計測される時定数は、センサ回路部の回路定数に大きく依存することが知られている。そこで、回路定数を決定するコンデンサの静電容量または抵抗の抵抗値が、それぞれ異なるものを複数設け、これらを回路上で並列に接続することにより、測定の際に適当なコンデンサまたは抵抗を一つ選択することで、計測レンジを容易に変更することが可能となる。その結果、計測対象範囲をさらに拡げられる。なお、前述したように、積分回路においては、パルス幅に対し時定数が非常に大きい値となる必要があり、一方、微分回路においては、パルス周期に対して時定数が非常に小さい値となる必要がある。
【００１８】
さらに、本発明に係る時定数計測によるＡ／Ｄコンバータは、上記構成に加え、「前記電圧測定手段及び前記時定数計測手段に基づいて、前記出力電圧値が前記閾値に到達したことを検知すると、前記センサ回路部に入力する前記パルス電圧の印加を反転させるパルス電圧反転手段を」さらに具備するものであっても構わない。
【００１９】
したがって、本発明の時定数計測によるＡ／Ｄコンバータによれば、出力電圧値が閾値に到達した後に、パルス電圧によって印加される印加電圧を反転することが行われる。これにより、アナログセンサのスイッチング駆動を、センサ回路部のインピーダンス変化に応じて切替えることが可能となる。
【００２０】
さらに、本発明に係る時定数計測によるＡ／Ｄコンバータは、上記構成に加え、「前記回路切替手段、前記センサ駆動手段、前記電圧測定手段、前記時定数計測手段、前記変換手段、前記パラメータ変更手段、前記レンジ変更手段、及び前記パルス電圧反転手段の少なくともいずれか一つを、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ上にソフトウェアとして構成した」ものであっても構わない。
【００２１】
したがって、本発明の時定数計測によるＡ／Ｄコンバータは、前述した回路切替手段等の主要な構成をフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ：以下、「ＦＰＧＡ」と称す）上にソフトウェア的に構成することが可能となる。計測に求められる分解能及び計測時間、及び計測レンジの切替え等をソフトウェアとしてプログラムすることが可能となる。その結果、ＦＰＧＡの使用ゲート数を抑え、一つのＩＣによって複数（例えば、数十チャンネル）のＡ／Ｄコンバータを多チャンネル化して構成することが可能となる。これにより、従来に比べ、Ａ／Ｄコンバータの占有するスペースを狭小化し、各種装置等の小型化に寄与することが可能となる。加えて、プログラムを変更することにより、容易に計測対象や計測レンジを変更することが可能となる。なお、係るＦＰＧＡには、デジタル量に変換された情報を、コンピュータ等に送出可能であるとともに、さらにコンピュータ等からの指示及び命令を電気的に受付けるためのインターフェイス、及び必要な情報を一時的に蓄えることが可能なバッファなどの機能を備えている。
【００２２】
さらに、本発明に係る時定数計測によるＡ／Ｄコンバータは、上記構成に加え、「前記アナログセンサは、多点計測可能なマトリックス状に形成されている」ものであっても構わない。
【００２３】
したがって、本発明の時定数計測によるＡ／Ｄコンバータによれば、積分回路及び微分回路に組込まれるアナログセンサが、マトリックス状に形成された多点計測可能なものとして構成されている。これにより、例えば、感圧ゴム等を利用した面接触型のアナログセンサ等に適用することが可能となる。係る場合、例えば、横１個×縦ｍ個のアナログセンサをマトリックス状（＝行列状）に配し、計測対象となるアナログセンサを適宜切替えることにより、１個×ｍ個の複数の点（多点）での検出値の推定が行われ、デジタル量に変化されることになる。なお、マトリックス状に配された複数のアナログセンサは、一種類に限定されるものではなく、複数種類のアナログセンサを組合わせ、一つの回路に構成するものであってもよい。そして、一つの行（横側）のアナログセンサにパルス電圧が加えられた場合、求められる値は合成インピーダンスとなるため、キルヒホッフの法則に従って、一点に流れ込む電流値の総和は”０”となる。そのため、各節点（交点に相当）における連立方程式を、節点解析法・ノーダル解析などによって解法することにより、検出値から与えられた物理量を計算することが可能となる。その結果、個々の節点において変化するアナログ量をデジタル量に変換することが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態である時定数計測によるＡ／Ｄコンバータ１（以下、単に「Ａ／Ｄコンバータ１」と称す）について、図１乃至図５に基づいて説明する。なお、本実施形態のＡ／Ｄコンバータ１は、サーミスタ２を利用した温度センサＴＳのアナログ量の検出値（抵抗値）をデジタル量に変換するものについて示している。ここで、図１は温度センサＴＳが組込まれたＡ／Ｄコンバータ１の構成及びその機能を模式的に示す説明図であり、図２はセンサ回路部３に構築される積分回路ＩＣを示す回路図であり、図３は積分回路ＩＣにおける時定数ＴＣに対する出力電圧値Ｖ’Ｉの特性を示す出力特性図であり、図４はセンサ回路部３に構築される微分回路ＤＣを示す回路図であり、図５は微分回路ＤＣにおける時定数ＴＣに対する出力電圧値Ｖ’Ｄの特性を示す出力特性図である。
【００２５】
さらに、詳細に説明すると、本実施形態のＡ／Ｄコンバータ１は、図１に示すように、温度センサＴＳとして機能するサーミスタ２、及びコンデンサ９ａ，９ｂによって直列回路が形成され、積分回路ＩＣ及び微分回路ＤＣを構築可能なセンサ回路部３と、センサ回路部３に入力されるパルス電圧ＰＶを発振するオシレータを含んでなるパルス発振部４と、発振されたパルス電圧ＰＶの入力端及び出力電圧値Ｖ’Ｉ，Ｖ’Ｄ（詳細は後述する）の測定端を切替え、センサ回路部３を積分回路ＩＣ及び微分回路ＤＣのいずれか一方に構築するための回路切替部５と、パルス電圧ＰＶをセンサ回路部３に入力し、サーミスタ２（温度センサＴＳ）をスイッチング駆動させるセンサ駆動部６と、入力されたパルス電圧ＰＶに応答し、センサ回路部３から出力される出力電圧値Ｖ’Ｉ，Ｖ’Ｄを測定する電圧測定部７と、パルス電圧ＰＶをセンサ回路部３に入力してから電圧測定部７によって測定される出力電圧値Ｖ’Ｉ，Ｖ’Ｄが、予め設定された閾値Ｖｔｈに到達するまでの応答時間に相当する時定数ＴＣをナノセカンド単位で測定する時定数計測部８と、計測された時定数ＴＣに基づいて、予め作成された校正行列に基づいて、サーミスタ２の抵抗値Ｒ’を推定し、対応する温度の値をデジタル量に変換処理する変換処理部１０とを具備して主に構成されている。なお、センサ回路部３を構成する上述の二つのコンデンサ９ａ、及びコンデンサ９ｂは、互いに異なる静電容量Ｃを有し、並列となるように接続されており、さらに回路上に複数の抵抗ＲＥが接続されている。
【００２６】
ここで、図１に示すように、前述したパルス発振部４、回路切替部５、センサ駆動部６、電圧測定部７、時定数計測部８、及び変換処理部１０は、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ１１（以下、「ＦＰＧＡ１１」とする）の中にソフトウェアがモジュール化してプログラムされた状態で形成されている。さらに、ＦＰＧＡ１１には、センサ回路部３の回路定数、時定数計測部８のクロック周期等の、時定数ＴＣ及び出力電圧値Ｖ’Ｉ，Ｖ’Ｄが大きく依存する回路パラメータ（図示しない）の値を変更、及びセンサ回路部３に配された静電容量Ｃの異なる二つのコンデンサ９ａ，９ｂのいずれか一方を利用して、積分回路ＩＣ及び微分回路ＤＣを構築するかを決定（選択）が可能であり、測定におけるレンジを変更するレンジ変更部１２と、パルス電圧ＰＶが上述の閾値Ｖｔｈに到達すると、センサ回路部３に与えられるパルス電圧ＰＶの印加を反転させるパルス反転部１３と、デジタル量に変換された温度等の出力情報を、一時的に記憶するバッファ１４と、該バッファ１４に記憶された出力情報を、外部の制御機器１５（コンピュータ及びサーバなど）に対して送出し、さらに制御機器１５からの命令等を受取ることが可能なインターフェース１６とを具備している。また、ＦＰＧＡ１１に対して、電力を供給可能な電源１７が接続されている。
【００２７】
ここで、パルス発振部４が本発明におけるパルス発振手段に相当し、以下、同様に回路切替部５が回路切替手段に相当し、センサ駆動部６がセンサ駆動手段に相当し、電圧測定部７が電圧測定手段に相当し、時定数計測部８が時定数計測手段に相当し、変換処理部１０が変換手段に相当する。さらに、レンジ変更部１２がパラメータ変更手段及びレンジ変更手段に相当し、パルス反転部１３がパルス電圧反転手段に相当する。また、ＦＰＧＡ１１において、センサ駆動部６、バッファ１４、及びインターフェース１６以外の構成は、センサ制御部１８として構成されている。
【００２８】
次に、本実施形態のＡ／Ｄコンバータ１を使用したＡ／Ｄ変換処理の例について図２及び図３を参照にして説明をする。はじめに、センサ回路部３に積分回路ＩＣを構築したケースについて説明を行うものとする。ここで、ＦＰＧＡ１１の回路切替部５によって、センサ回路部３に対してパルス電圧ＰＶがサーミスタ２に対して入力される（図２における矢印参照）ように設定される。さらに、電圧測定部７は、コンデンサ９ａ（若しくはコンデンサ９ｂ）の両端Ｃ１，Ｃ２において出力電圧値Ｖ’Ｉを測定するように設定される。ここで、サーミスタ２は周囲の温度変化に応じて、抵抗値Ｒ’が可変するものであるため、可変抵抗素子として回路上では見なすことができる。また、選択されたコンデンサ９ａ若しくはコンデンサ９ｂは、静電容量Ｃは一定の値を有している。
【００２９】
そして、パルス発振部４によって発振されたパルス電圧ＰＶが、センサ駆動部６によるスイッチング駆動によって、センサ回路部３に入力される。これにより、温度センサＴＳの一部として機能するサーミスタ２が駆動される。このとき、コンデンサ９ａ，９ｂの両端子Ｃ１，Ｃ２間では、センサ回路部３の積分回路ＩＣを経て、積分波形の出力が行われる。このとき、出力される電圧の値（出力電圧値Ｖ’Ｉ）を電圧測定部７によって行う。加えて、パルス電圧ＰＶをセンサ回路部３に入力開始し時刻（図３における時定数ＴＣ＝０に相当する箇所）から、出力電圧値Ｖ’Ｉが予め設定した閾値Ｖｔｈに到達するまでの時定数が計測される。
【００３０】
このとき、パルス電圧ＰＶの電圧をＶｉｎ、基準温度における出力電圧値を「ＶＩ」、基準温度におけるサーミスタ２の抵抗値を「Ｒ」、コンデンサ９の静電容量を「Ｃ」とすると、出力電圧値ＶＩは、時間の関数として下記の式によって表される。
【００３１】
【数１】
0003682454.tif 000002
【００３２】
一方、温度センサＴＳに温度変化が生じたときのサーミスタ２の抵抗値を「Ｒ’」とすると、出力電圧値Ｖ’Ｉは、同様に時間の関数として下記の式によって表される。
【００３３】
【数２】
0003682454.tif 000003
【００３４】
これにより、出力電圧値ＶＩ，Ｖ’Ｉが閾値Ｖｔｈまでに到達するそれぞれの応答時間を、それぞれ応答時間ＴＩ，及び応答時間Ｔ’Ｉとすると、抵抗値Ｒ’は下記の式によって求められる。
【００３５】
【数３】
0003682454.tif 000004
【００３６】
その結果、温度センサＴＳの校正時等に、予め基準温度に対するサーミスタ２の抵抗Ｒと、閾値Ｖｔｈに到達するまでの応答時間に相当する出力電圧値ＶＩとの関係を示す校正行列表などを作成しておくことにより、推定される抵抗値Ｒ’に基づいて、温度を算出することが可能となる。
【００３７】
これにより、本実施形態のＡ／Ｄコンバータ１を利用することにより、センサ回路部３に積分回路ＩＣを構築することにより、一般にアナログ量として検出されるサーミスタ２の抵抗値Ｒ’を、計測された時定数ＴＣ（応答時間Ｔ’Ｉに相当）に基づいて推定し、算出することができる。その結果、算出された抵抗値Ｒ’は、そのままデジタル量の出力情報として、コンピュータ等の制御機器１５は、容易に係る情報を内部に取込むことができる。さらに、サーミスタ２、コンデンサ９ａ，９ｂ、及び抵抗ＲＥ等によってセンサ回路部３を比較的簡易な素子及び構成で形成することが可能であるため、低コストでの製造が可能となる。さらにＦＰＧＡ１１を利用することにより、簡易に積分回路ＩＣ等を構築することが可能で、かつ増幅回路等にスペースを占有されることがないため、Ａ／Ｄコンバータ１の全体のサイズを小型化することができる。
【００３８】
加えて、本実施形態のＡ／Ｄコンバータ１は、温度センサＴＳによる計測時において、センサ回路部３の回路定数や時定数計測部８におけるクロック周期などの回路パラメータを、ＦＰＧＡ１１を利用して、ソフトウェア的に変更することができる。その結果、計測における分解能の向上や計測時間の短縮等を随時行うことが可能となる。加えて、ＦＰＧＡ１１内のパルス反転部１３によって、パルス電圧ＰＶの印加方向を変更することができる。すなわち、センサ回路部３において、温度センサＴＳのスイッチングの周期をインピーダンス変化に基づいて行うことができる。
【００３９】
次に、センサ回路部３に微分回路ＤＣを構築したケースについて、図４及び図５に基づいて説明する。ここで、ＦＰＧＡ１１の回路切替部５によって、センサ回路部３に対してパルス電圧ＰＶがコンデンサ９ａに対して入力される（図４における矢印参照）ように設定される。さらに、電圧測定部７は、サーミスタ２の端子間Ｒ１，Ｒ２で出力される出力電圧値Ｖ’Ｄを測定するように設定される。ここで、サーミスタ２は、周囲の温度変化に応じて、抵抗値Ｒ’が可変するものであるため、前述と同様に可変抵抗素子として回路上ではみなすことができる。また、選択されたコンデンサ９ａ（若しくはコンデンサ９ｂ）は、一定の静電容量Ｃの値を有している。
【００４０】
そして、パルス発振部４によって発振されたパルス電圧ＰＶが、センサ駆動部６によるスイッチング駆動によって、センサ回路部３に入力される。これにより、温度センサＴＳの一部として機能するサーミスタ２が駆動される。このとき、サーミスタ２の両端子Ｒ１，Ｒ２間では、センサ回路部３の微分回路ＤＣを経て、微分波形の出力が行われる。このとき、出力される電圧の値（出力電圧値Ｖ’Ｄ）を電圧測定部７によって測定する。加えて、パルス電圧ＰＶをセンサ回路部３に入力開始し時刻（図５における時定数ＴＣ＝０に相当する箇所）から、出力電圧値Ｖ’Ｉが予め設定した閾値Ｖｔｈに到達するまでの時定数ＴＣが計測される。
【００４１】
このとき、パルス電圧ＰＶの電圧をＶｉｎ、基準温度における出力電圧値を”ＶＤ”、基準温度におけるサーミスタ２の抵抗値を”Ｒ”、コンデンサ９の静電容量を”Ｃ”とすると、出力電圧値ＶＤは、時間の関数として下記の式によって表される。
【００４２】
【数４】
0003682454.tif 000005
【００４３】
一方、温度センサＴＳに温度変化が生じたときのサーミスタ２の抵抗値を「Ｒ’」とすると、出力電圧値Ｖ’Ｄは、同様に時間の関数として下記の式によって表される。
【００４４】
【数５】
0003682454.tif 000006
【００４５】
これにより、出力電圧値ＶＤ，Ｖ’Ｄの閾値Ｖｔｈまでに到達する応答時間（＝時定数ＴＣ）を、基準状態の出力電圧値ＶＤ及び抵抗変化時の出力電圧値Ｖ’Ｄをそれそれ応答時間ＴＤ及び応答時間Ｔ’Ｄとすると、抵抗値Ｒ’は、下記の式によって表される。
【００４６】
【数６】
0003682454.tif 000007
【００４７】
これにより、温度センサＴＳの構成時に予め基準温度におけるサーミスタ２の抵抗値Ｒ及び閾値Ｖｔｈに到達するまでの応答時間ＴＤを計測し、さらに実際の温度における閾値Ｖｔｈまでの応答時間Ｔ’Ｄを時定数計測部８によって計測することにより、サーミスタ２の抵抗値Ｒ’を推定することができる。そのため、事前に抵抗値Ｒ’に対する温度の校正行列を作成しておくことにより、推定された抵抗値Ｒ’に基づいて、温度を算出することが可能となる。
【００４８】
その結果、本実施形態のＡ／Ｄコンバータ１において、センサ回路部３を微分回路ＤＣに構築することにより、アナログ量として検出されるサーミスタ２の抵抗値Ｒ’を、出力電圧値Ｖ’Ｄの閾値Ｖｔｈまでの応答時間Ｔ’Ｄに基づいて推定して算出することができる。これにより、算出された抵抗値Ｒ’をデジタル量として得ることが可能となり、その後の制御機器１５が読込み可能な信号にすることができる。そのため、前述した積分回路ＩＣと同様の効果を得ることができる。さらに、ＦＰＧＡ１１を利用し、一つのセンサ回路部３のみで、積分回路ＩＣ及び微分回路ＤＣの双方を構築可能であり、両回路ＩＣ，ＤＣを切替えることにより、双方の回路でアナログ量の検出値（抵抗値Ｒ’）のデジタル量への変換が可能となる。すなわち、一つのＡ／Ｄコンバータ１によって二つの手法を用いてＡ／Ｄ変換を行うことが可能となり、高精度の変換が可能となる。さらに、ＦＰＧＡ１１を使用することにより、一つのチップ上で複数のＡ／Ｄコンバータ１を構築することが可能となり、前述したＡ／Ｄコンバータ１の小型化をさらに促進することができる。さらに、簡易な構成で形成されることにより、故障や不具合を発生する可能性が低く、所謂「メンテナンス・フリー」のＡ／Ｄコンバータを構築することができる。
【００４９】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
【００５０】
すなわち、本実施形態において、アナログセンサとして、サーミスタ２を利用した温度センサＴＳを採用し、サーミスタ２の抵抗値Ｒ’の変化に基づいてデジタル量に変換するものを示したが、これに限定されるものではない。例えば、図６に模式的に示すように、圧力によってインピーダンスが変化する特性を有するピエゾ圧電素子３０を、積分回路ＩＣ及び微分回路ＤＣに組込んで形成したピエゾ・トルク・センサＰＳを適用したＡ／Ｄコンバータ３１を構成することも可能である。この場合、積分回路ＩＣ及び微分回路ＤＣ中の抵抗ＲＥは一定の値を示し、ピエゾ圧電素子３０のインピーダンス変化による時定数ＴＣの変位に基づいて、ピエゾ圧電素子３０に加わる荷重量がデジタル量に変換されることとなる。なお、図６において、ＦＰＧＡ３３中の構成は、前述したアナログセンサ１と略同一の構成を示すため、同一構成及び同一機能については、同一番号を付し、ここでは詳細な図示を省略している。
【００５１】
さらに、本発明の別例として、アナログセンサにタッチパッド４０を組込んで形成した面接触圧センサＭＳを適用したＡ／Ｄコンバータ４１を構成することも可能である（図７参照）。さらに、具体的に示すと、図８（ａ）に示すように、タッチパッド４０の構成は、導電性塗料が印刷された導電部４２と、導電部４２の上に被覆された感圧性を有する感圧ゴム４３とを具備して主に構成されている。さらに、導電部４２及び感圧ゴム４３の界面には、１個×ｍ個のセンサ４４ａ，４４ｂがマトリックス状に配置されている（図８（ｂ）参照）。そして、センサ４４ａ，４４ｂの各交点ＣＰの近傍に架渡された状態で抵抗ＲＥがそれぞれ取付けられている。これにより、感圧ゴム４３に取付けられた所定箇所のボタン４６を押圧し、各センサ４４ａ，４４ｂの駆動をスイッチングすることにより、タッチパッド４０によって多点計測を行うことが可能となる。なお、係る場合、積分回路ＩＣ及び微分回路ＤＣの浮遊容量が異なるため、係る値（インピーダンス）の変化を解析することにより、接触前の感知センサとして応用することも可能である。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように、本発明の時定数計測によるＡ／Ｄコンバータによれば、アナログセンサ、抵抗コンデンサ等の受動素子と、アナログセンサを駆動するセンサ駆動部を含むＦＰＧＡ等に比較的簡易な回路構成により、アナログ量からデジタル量への変換が容易に可能なＡ／Ｄコンバータを構成することが可能となる。特に、ＦＰＧＡの膨大なロジック回路を利用することが可能であるため、１チップで複数のＡ／Ｄコンバータを構築することが可能となり、Ａ／Ｄコンバータの小型化及び多チャンネル化を進めることができる。加えて、ＦＰＧＡ上に構成された各手段により、計測時間及び分解能を回路パラメータ等の変更により容易に行うことができるため、種々のアナログセンサ及び広範な計測レンジに柔軟に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】温度センサが組込まれたＡ／Ｄコンバータの構成及びその機能を模式的に示す説明図である。
【図２】センサ回路部に構築される積分回路を示す回路図である。
【図３】積分回路における時定数に対する出力電圧値の特性を示す出力特性図である。
【図４】センサ回路部に構築される微分回路を示す回路図である。
【図５】微分回路における時定数に対する出力電圧値の特性を示す出力特性図である。
【図６】本発明のＡ／Ｄコンバータをピエゾ・トルク・センサに適用した例を示す説明図である。
【図７】本発明のＡ／Ｄコンバータを面接触圧センサに適用した例を示す説明図である。
【図８】（ａ）タッチバッドの構成、及び（ｂ）多点計測可能なセンサの構成を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１，３１，４１  Ａ／Ｄコンバータ（時定数計測によるＡ／Ｄコンバータ）
２  サーミスタ（抵抗）
３  センサ回路部
４  パルス発振部（パルス発振手段）
５  回路切替部（回路切替手段）
６  センサ駆動部（センサ駆動手段）
７  電圧測定部（電圧測定手段）
８  時定数計測部（時定数計測手段）
９，９ａ，９ｂ  コンデンサ
１０  変換処理部（変換処理手段）
１１  ＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）
１２  レンジ変更部（レンジ変更手段）
１３  パルス反転部（パルス電圧反転手段）
Ｃ  静電容量
ＤＣ  微分回路
ＩＣ  積分回路
ＭＳ  面接触圧センサ（アナログセンサ）
ＰＳ  ピエゾ・トルク・センサ（アナログセンサ）
ＰＶ  パルス電圧
Ｒ，Ｒ’  抵抗値
ＲＥ  抵抗
ＴＤ，ＴＩ，Ｔ’Ｄ，Ｔ’Ｉ  応答時間
ＴＣ  時定数
ＴＳ  温度センサ（アナログセンサ）
ＶＤ，ＶＩ，Ｖ’Ｄ，Ｖ’Ｉ  出力電圧値
Ｖｔｈ  閾値
【図１】
0003682454.tif 000008
【図２】
0003682454.tif 000009
【図３】
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【図４】
0003682454.tif 000011
【図５】
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【図６】
0003682454.tif 000013
【図７】
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【図８】
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