(57)【要約】【課題】アナログ情報処理を可能にするディジタルシステム技術は、相反性質を止揚する技術であり未だ実現されていない。また、従来のニューロン素子では連続変化の大きさに重み値を付加するだけのスカラー処理を基本としており、多次元情報の一括処理はできない問題があった。【解決手段】  入力パルスのパルス幅とパルスの発生時間（基準時刻からの遅れ時間）で表されるアナログ情報にそれぞれ重み値をかけて指定された割合で縮める。そして、重み付けされた二次元情報をそれぞれ結合して合成パルス幅および合成発生遅れ時間を演算し、更にそれぞれに重み値を与え、一連のディジタル信号である出力パルスとして出力する。【選択図】    図４
2007115116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１情報と第２情報が１つの入力信号として入力される入力端子と、
前記入力端子に対応して設けられ、前記第１および第２情報にそれぞれ重み値を与えて多次元重み付け情報を生成するシナプスと、
前記多次元重み付け情報と、他の多次元重み付け情報を合成した多次元合成情報を生成するニューロンと、
前記多次元合成情報に対応した出力信号を出力する出力端子とを備えることを特徴とするニューロン素子。
【請求項２】
前記出力信号は、前記多次元合成情報にそれぞれ重み値を与えた重み付き線形関数であることを特徴とする請求項１に記載のニューロン素子。
【請求項３】
前記第１情報および前記第２情報は共にアナログ情報であることを特徴とする請求項１に記載のニューロン素子。
【請求項４】
第１情報と第２情報が１つの入力パルスにより入力される入力端子と、
前記入力端子に対応して設けられ、前記第１情報および前記第２情報に二次元の重み値ベクトルによりそれぞれ重み値を与えて二次元重み付け情報を生成するシナプスと、
前記二次元重み付け情報と、他の二次元重み付け情報を合成し、合成第１情報および合成第２情報よりなる二次元合成情報を生成するニューロンと、
前記二次元合成情報に対応した出力パルスを出力する出力端子とを備えることを特徴とするニューロン素子。
【請求項５】
前記第１情報および前記第２情報は共にアナログ情報であることを特徴とする請求項１に記載のニューロン素子。
【請求項６】
前記第１情報は、前記入力パルスのパルス幅であり、前記第２情報は前記入力パルスの発生遅れ時間であることを特徴とする請求項５に記載のニューロン素子。
【請求項７】
前記シナプスは重み付け回路により、前記第１情報および前記第２情報のそれぞれに重み値を与えることを特徴とする請求項４に記載のニューロン素子。
【請求項８】
前記二次元合成情報は、合成パルス幅および合成発生遅れ時間であることを特徴とする請求項４に記載のニューロン素子。
【請求項９】
前記出力パルスは、前記合成パルス幅および合成発生遅れ時間にそれぞれ重み値を与えたパルス幅および発生時刻を有することを特徴とする請求項８に記載のニューロン素子。
【請求項１０】
入力端子と、シナプスと、ニューロンと、出力端子を有するニューロン素子を用いた情報処理方法であって、
前記入力端子に、第１情報と第２情報を有する１つの入力パルスを入力するステップと、
前記シナプスにより、前記第１情報および前記第２情報に二次元の重み値ベクトルに基づく重み値をそれぞれ与える第１の重み付け処理および第２の重み付け処理を行い、二次元重み付け情報を生成するステップと、
前記ニューロンにより前記二次元重み付け情報と、他の二次元重み付け情報を合成し、合成第１情報および合成第２情報よりなる二次元合成情報を生成するステップと、
前記出力端子より前記二次元合成情報に対応した出力パルスを出力するステップと、を具備することを特徴とするニューロン素子を用いた情報処理方法。
【請求項１１】
前記第１情報は、前記入力パルスのパルス幅であり、前記第２情報は前記入力パルスの発生遅れ時間であることを特徴とする請求項１０に記載のニューロン素子を用いた情報処理方法。
【請求項１２】
前記二次元合成情報にそれぞれ重み値を与える第３の重み付け処理および第４の重み付け処理を行い、出力パルスを出力することを特徴とする請求項１０に記載のニューロン素子を用いた情報処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ニューロン素子およびそれを用いた情報処理方法に係り、特に多重情報のベクトル処理を可能にするニューロン素子およびそれを用いた情報処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体で行われている情報処理をモデル化したニューロン素子では、入力されるアナログ信号の大きさに重み値を掛け、全ての入力の総和を非線形閾値関数で変換後出力する信号処理を行っている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
これらを実現する構成としては、ディジタルコンピュータでシミュレーションしたものが実装の主流である。また稀ではあるがアナログデバイスによるハードウェアも知られている。
【特許文献１】特開２００４−１１０４２１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ニューロン素子を用いた情報処理技術において、生物に似た柔軟な制御やパターン認識をリアルタイム処理するために、ハードウェア化が求められる。特に、ハードウェアと、ソフトウェアによる情報処理で実装技術となっているディジタルシステムとの整合性をもつシステム化が強く求められている。
【０００５】
すなわち、生物的な柔軟な情報処理が求められる装置では、情報処理の柔軟さが連続変化するアナログ情報の処理に基づくことから、アナログ情報処理が望まれる。一方で、広く情報処理の基本となっている非連続の二値情報を基本とするディジタルシステムとの整合性も可能にすることが望ましい。
【０００６】
このようなアナログ情報処理を可能にするディジタルシステム技術は、相反性質を止揚する技術であり未だ実現されていない。
【０００７】
また、ニューロン素子に入力される情報としては、研究レベルではパルス個数を処理する事例はあるが、基本的には大きさのみの単一スカラー処理である。すなわち、従来のニューロン素子では連続変化の大きさに重み値を付加するだけのスカラー処理を基本としており、多次元情報の一括処理はできない問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、係る課題に鑑みてなされ、第１に、第１情報と第２情報が１つの入力信号として入力される入力端子と、前記入力端子に対応して設けられ、前記第１および第２情報にそれぞれ重み値を与えて多次元重み付け情報を生成するシナプスと、前記多次元重み付け情報と、他の多次元重み付け情報を合成した多次元合成情報を生成するニューロンと、前記多次元合成情報に対応した出力信号を出力する出力端子とを備えることにより解決するものである。
【０００９】
また、前記出力信号は、前記多次元合成情報にそれぞれ重み値を与えた重み付き線形関数であることを特徴とするものである。
【００１０】
また、前記第１情報および前記第２情報は共にアナログ情報であることを特徴とするものである。
【００１１】
第２に、第１情報と第２情報が１つの入力パルスにより入力される入力端子と、前記入力端子に対応して設けられ、前記第１情報および前記第２情報に二次元の重み値ベクトルによりそれぞれ重み値を与えて二次元重み付け情報を生成するシナプスと、前記二次元重み付け情報と、他の二次元重み付け情報を合成し、合成第１情報および合成第２情報よりなる二次元合成情報を生成するニューロンと、前記二次元合成情報に対応した出力パルスを出力する出力端子とを備えることにより解決するものである。
【００１２】
また、前記第１情報および前記第２情報は共にアナログ情報であることを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記第１情報は、前記入力パルスのパルス幅であり、前記第２情報は前記入力パルスの発生遅れ時間であることを特徴とするものである。
【００１４】
また、前記シナプスは重み付け回路により、前記第１情報および前記第２情報のそれぞれに重み値を与えることを特徴とするものである。
【００１５】
また、前記二次元合成情報は、合成パルス幅および合成発生遅れ時間であることを特徴とするものである。
【００１６】
また、前記出力パルスは、前記合成パルス幅および合成発生遅れ時間にそれぞれ重み値を与えたパルス幅および発生時刻を有することを特徴とするものである。
【００１７】
第３に、入力端子と、シナプスと、ニューロンと、出力端子を有するニューロン素子を用いた情報処理方法であって、前記入力端子に、第１情報と第２情報を有する１つの入力パルスを入力するステップと、前記シナプスにより、前記第１情報および前記第２情報に二次元の重み値ベクトルに基づく重み値をそれぞれ与える第１の重み付け処理および第２の重み付け処理を行い、二次元重み付け情報を生成するステップと、前記ニューロンにより前記二次元重み付け情報と、他の二次元重み付け情報を合成し、合成第１情報および合成第２情報よりなる二次元合成情報を生成するステップと、前記出力端子より前記二次元合成情報に対応した出力パルスを出力するステップと、を具備することにより解決するものである。
【００１８】
また、前記第１情報は、前記入力パルスのパルス幅であり、前記第２情報は前記入力パルスの発生遅れ時間であることを特徴とするものである。
【００１９】
また、前記二次元合成情報にそれぞれ重み値を与える第３の重み付け処理および第４の重み付け処理を行い、出力パルスを出力することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によりニューロン素子において、多次元情報の一括処理が可能となる。従って、このニューロン素子を用いることにより、いわゆるソフトコンピューティングと呼ばれるフレキシブルで、条件変動にも強い頑健性を有し、さらにどのような条件にも追従できる適応性のある情報処理装置を実現できる。
【００２１】
例えば、このニューロン素子を用いてニューラルネットワークを構成することにより、最適で頑健な機械の制御、音声信号の欠損情報の復元、パターン認識などに対してより多次元、多様処理に適応させることができる。
【００２２】
また、広く情報処理の基本となっているディジタルＩＣやディジタルコンピュータ、またインタフェースシステムとの高い整合性を持ち、しかも連続変化特性を持つアナログ情報処理を可能にできる。従って、リアルタイム処理を可能にし、高精度、高機能を求められる機械装置の自動制御やセキュリティ維持に高い有用性をもって応えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の実施形態を図１から図７を参照して詳細に説明する。
【００２４】
まず、図１から図５を参照し、本発明の第１の実施形態を説明する。図１は、本実施形態のニューロン素子を示す概念図である。本実施形態のニューロン素子１は入力端子２と、シナプス３と、ニューロン４と、出力端子５を備える。
【００２５】
ニューロン素子１は、複数の入力端子２(２１、２２、・・２ｎ)とそれに対応する複数のシナプス３（３１、３２、・・３ｎ）を有する。複数の入力端子２には、それぞれ入力パルス６（６１、６２、・・６ｎ）が入力される。
【００２６】
入力端子２ｉには、ｉ番目の情報である入力パルス６ｉが入力される。たとえば、入力端子２１には、１番目の情報である入力パルス６１が入力される。入力パルス６１は、電源電圧と接地電位の二値で表されるディジタルのパルス信号である。一方、入力パルス６１はアナログ情報の第１情報、および第１情報とは異なるアナログ情報の第２情報を有する。すなわち第１情報は、入力パルス６１のパルス幅Ｔｓ１であり、第２情報は入力パルス６１の発生時間である。発生時間とはより詳細には、ある基準時刻から当該入力パルス６１が発生するまでの発生遅れ時間Ｔｄ１である。
【００２７】
シナプス３ｉは、入力端子２ｉと個々に対応して設けられ、二次元の信号（発生遅れ時間Ｔｄｉとパルス幅Ｔｓｉ）にそれぞれ異なった重み値を付与する二次元シナプスである。すなわち、１つの入力端子２１に対して１つのシナプス３１が対応するが、シナプス３１は二次元の重み値ベクトル（ｗｄ１，ｗｓ１）と重み付け回路によって、発生遅れ時間Ｔｄ１とパルス幅Ｔｓ１にそれぞれ異なった重み値を与える。
【００２８】
具体的にはシナプス３１は、１番目の入力端子２１から入力された入力パルス６１の発生遅れ時間Ｔｄ１およびパルス幅Ｔｓ１に、重み値ベクトル（ｗｄ１，ｗｓ１）で表わされる重み値をそれぞれ与えて、二次元重み付け情報（Ｔｄ１ｗｄ１，Ｔｓ１ｗｓ１）を生成する。
【００２９】
入力端子２２から入力された２番目の情報である入力パルス６２についても同様に、シナプス３２により二次元重み付け情報が生成される。以下同様に二次元重み付け情報が生成され、入力端子２ｎから入力されたｎ番目の情報である入力パルス６ｎについて、シナプス３ｎにより二次元重み付け情報が生成される。
【００３０】
ニューロン４は、各シナプス３に基づく二次元重み付け情報を合成し、二次元合成情報を生成する。すなわち、１番目からｎ番目までの重み付けされたパルス幅Ｔｓ１ｗｓ１〜Ｔｓｎｗｓｎを合成し、合成パルス幅Ｔｓｓを生成する。また、１番目からｎ番目までの重み付けされた発生遅れ時間Ｔｄ１ｗｄ１〜Ｔｄｎｗｄｎを合成し、合成発生時間（合成発生遅れ時間：Ｔｄｓ）を生成する。
【００３１】
またニューロン４は、更に合成パルス幅Ｔｓｓと合成発生遅れ時間Ｔｄｓにそれぞれ重み値を与え、パルス幅Ｔｏｓと基準時刻からの発生遅れ時間Ｔｏｄを情報として有する出力パルス７を出力端子５より出力する。
【００３２】
本実施形態の入力信号は電圧の有無で表されるディジタル信号（パルス信号）であるが、入力情報としては連続変化を表現可能なパルス幅を用いる。そして、入力パルス６ｉの時間幅（パルス幅Ｔｓｉ）で表されるアナログ情報をそれぞれ指定された割合で縮め、アナログ情報に重み値を掛ける。具体的にはパルス幅Ｔｓｉに、コンデンサと抵抗による積分動作を実現する過渡電気回路を適用して重み値けする。
【００３３】
そしてこれにより一つのニューロン４に入力された重み付けされたパルス幅Ｔｓｉｗｓｉの総和で結合する（Ｔｓｓ）。更に上記の過渡電気回路を適用して重みを与え、一連のディジタル信号である出力パルス７のパルス幅Ｔｏｓとして出力するものである。
【００３４】
また、同時に、電源電圧と接地電位の二値で表されるディジタル信号の入力パルス６ｉは、その信号の始まり時刻も時間幅と同様に入力のアナログ情報として用いることができる。つまり、システム全体で統一して定めている時刻（基準時刻）から入力パルス６ｉの発生までの時刻の時間幅（発生遅れ時間Ｔｄｉ）で表わされるアナログ情報をとして指定された割合で縮める。すなわちアナログ情報に重み値を掛けた複数の入力パルス６の発生遅れ時間Ｔｄｉｗｄｉを結合し（Ｔｄｓ）、更に重みを与えて一連のディジタル信号である出力パルス７の発生遅れ時間Ｔｏｄとする。そして基準時刻から発生遅れ時間Ｔｏｄの時間幅だけ遅らせて、パルス幅Ｔｏｓの出力パルス７を発生させる。これにより、パルス発生時刻とパルス幅の二つの情報を同時処理できる多次元ニューロン素子を実現できる。
【００３５】
以下、具体的に説明する。
【００３６】
まず、ニューロン４において生成される二次元合成情報は、以下の式１の演算結果をｕ、ｖのベクトル要素として得ることにより求められる。
【００３７】
【数１】
2007115116.tif 000003
ここで、ｕ：合成発生遅れ時間Ｔｄｓ、ｖ：合成パルス幅Ｔｓｓ、ｘｄｉ：ｉ番目の入力端子６ｉに入力された入力パルスの基準時刻からの発生遅れ時間Ｔｄｉ、ｘｓｉ：ｉ番目の入力端子６ｉに入力された入力パルス幅Ｔｓｉである。
【００３８】
また、ｗｄｉ：ｉ番目の入力パルスの発生遅れ時間Ｔｄｉへの重み値、ｗｓｉ：ｉ番目の入力パルスＴｓｉへの重み値である。
【００３９】
重み値は、シナプス３によって重み値ベクトル（ｗｄｉ，ｗｓｉ）として与えられる。この重み値ベクトル（ｗｄｉ，ｗｓｉ）を式１の如くＮ個の入力パルスに演算して、二次元合成情報としてベクトル（ｕ，ｖ）を得る。
【００４０】
さらにベクトル（ｕ，ｖ）を以下の式２により演算し、その演算結果をｆ、ｇの二次元ベクトル要素として得る。
【００４１】
【数２】
2007115116.tif 000004
ここで、ｆ：出力パルス幅の基準時刻からの発生遅れ時間Ｔｏｄ、ｇ：出力パルス幅Ｔｏｓ、ｗｏｄ：合成発生遅れ時間ｕへの重み値、ｗｏｓ：合成パルス幅ｖへの重み値である。すなわち、式２はいわゆるニューロンの出力関数を重み付き線形関数で表現したものである。
【００４２】
ニューロン４は、式２の処理後、基準時刻から発生遅れ時間Ｔｏｄ（＝ｆ）経過後に、出力端子５からパルス幅Ｔｏｓ（＝ｇ）の出力パルス７を発生させる。これにより、多重情報のベクトル処理が可能となる。
【００４３】
シナプス３による重み付け処理は、重み値を付加する電気回路により行う。
【００４４】
図２は、重み値（ｗｄｉ、ｗｓｉ、ｗｏｄ、ｗｏｓ）を付加する電気回路の一例を示す回路図である。図を参照して入力パルス６ｉとしてパルス幅ＴｓｉがＴ［ｓ］であり、パルスの大きさが電源電圧Ｖｃｃ［Ｖ］の場合を例に、回路の動作原理を説明する。
【００４５】
重み付け回路１０は、入力端子１１、逆流防止用ダイオードスイッチ１３、第１電気抵抗１４、コンデンサ１５、スイッチ１６、第２電気抵抗１７、重み付け外部電源電圧１８、出力端子１９から構成される。本実施形態では図示の電気回路を用いて、発生遅れ時間Ｔｄｉ、パルス幅Ｔｓｉ、合成発生遅れ時間Ｔｄｓ、合成パルス幅Ｔｓｓのそれぞれに重み値を付加することができる。
【００４６】
入力端子１１は、ニューロン素子１の入力端子２ｉを介して、例えば外部ＩＣ（不図示）の出力端子に接続する。回路の入力端子１１および出力端子１９間には逆流防止用ダイオードスイッチ１３、抵抗値Ｒ［Ω］の第１電気抵抗４、スイッチ１６が直列接続する。スイッチ１６は例えばＦＥＴなどのトランジスタであり、入力パルス６ｉが終了すると同時に導通する。
【００４７】
また、これらとＧＮＤライン間には静電容量Ｃ［Ｆ］のコンデンサ１５が接続する。第２電気抵抗１７は、第１電気抵抗１４と同じＲ［Ω］の抵抗値を有する。第２電気抵抗１７の一端は、重み付け外部電源電圧１８（−ｅｓ［Ｖ］）に接続する。
【００４８】
入力パルス６ｉのパルス幅Ｔ［ｓ］の期間、スイッチ１６はオフである。従って、この間入力パルス６ｉの信号が逆流防止用ダイオードスイッチ１３、および第１電気抵抗１４を介してコンデンサ１５に蓄えられる。このときコンデンサ１５の第１電気抵抗１４側の端子（ノードｎ１）の電圧値はＶｃｃ・Ｔ／（ＣＲ）である。
【００４９】
パルス幅Ｔ［ｓ］の期間経過後、スイッチ１６がオンすると、コンデンサ１５に蓄えられた電荷が第２電気抵抗１７に流れる。このとき逆流防止用ダイオードスイッチ１３は、電荷が入力端子１１側へ流れることを阻止する。第２電気抵抗１７の一端は、重み付け外部電源電圧１８に接続されている。
【００５０】
従ってスイッチ１６がオンすると、第２電気抵抗１７のスイッチ１６に接続する端子側（ノードｎ２）の電圧は、ノードｎ１の電圧（Ｖｃｃ・Ｔ／（ＣＲ））の値から減少しはじめ、やがて０［Ｖ］を通過し、負電圧に変化する。スイッチ１６がオンになった時から、ノードｎ２が０［Ｖ］になるまでの経過時間をＴ’とすると、コンデンサ１５の蓄積電荷の放電に基づく降下電圧値は、（Ｖｃｃ＋ｅｓ）・Ｔ’／（ＣＲ）になる。降下電圧値はコンデンサ１５の電荷蓄積による電圧値Ｖｃｃ・Ｔ／（ＣＲ）に等しいので、Ｖｃｃ・Ｔ／（ＣＲ）＝（Ｖｃｃ＋ｅｓ）・Ｔ’／（ＣＲ）の等式が成り立つ。
【００５１】
これよりＴ’=｛Ｖｃｃ／（Ｖｃｃ＋ｅｓ）｝Ｔとなり、Ｔの値にＶｃｃ／（Ｖｃｃ＋ｅｓ）で表される重み値を付与された値として表される。
【００５２】
尚、出力端子１９からの出力は、ノードｎ２の出力波形（図３のＴ’参照）を整形してディジタル信号化し、出力端子１９から出力パルス７として出力する。このため、ノードｎ２には、その電圧が０［Ｖ］以上の場合には出力をディジタル信号に変換するコンパレータ１２が接続する。
【００５３】
このように、図２の回路を利用することにより、パルス幅Ｔに対して、重み付け外部電源電圧１８の電圧値ｅｓの値に応じて、重みを与えることができる。
【００５４】
以上、入力パルスのパルス幅Ｔｓｉについて説明したが、前述の如く入力パルス６ｉの基準時刻からの発生遅れ時間Ｔｄｉも、二次元のベクトル情報の要素として図２の回路を用いて重み値を付加できる。発生遅れ時間Ｔｄｉは、入力パルス６ｉの信号を反転操作するＩＣ（例えばインバータ）に通すことで、時間間隔（パルス幅）Ｔｄｉのパルスに変換できる。従って、図２の逆流防止用ダイオードスイッチ３の前段にインバータを付加した回路で、上記と同様の操作で発生遅れ時間Ｔｄｉに重み値を付加できる。
【００５５】
すなわち本実施形態では、重み付け回路１０によって式１で表されるｕ、ｖの発生遅れ時間と時間幅をもつパルス信号を、それぞれ分けて重み付け回路１０の入力端子１１に入力することで、ｕ、ｖの値へ重み値を付与し、式２のｆ、ｇの時間遅れと時間幅をもつ出力パルス信号を形成できる。
【００５６】
図３は、図２の回路により二次元情報の重み付けを行ったシミュレーション結果を示す。シミュレーションは、Ｖｃｃ＝５［Ｖ］、ＣＲ＝１０［ｓ］の下で外部電源電圧ｅｓの電圧値を変化させ、重み付けされたパルス幅Ｔ’を測定したものである。図３（Ａ）がｅｓ＝１０［Ｖ］、Ｔ＝３［ｓ］の場合であり図３（Ｂ）がｅｓ＝１５［Ｖ］、Ｔ＝２［ｓ］の場合である。また、それぞれ実線が入力波形であり、破線が出力波形である。
【００５７】
各図において破線の出力波形が実線の入力波形とゼロクロスするまでの時間（スイッチ１６がオンになった時から、ノードｎ２が０［Ｖ］になるまでの経過時間）が重み付けされたパルス幅Ｔ’である。図３（Ａ）の場合ではシミュレーション結果のパルス幅Ｔ’は１．０［ｓ］であり、図３（Ｂ）ではパルス幅Ｔ’は０．５［ｓ］である。これは何れも、式１による理論値と実際の電圧波形が一致したことを示す。
【００５８】
尚、シミュレーションとしては入力パルス幅Ｔのみについての結果であるが、前述の如く発生遅れ時間の重み付けは、図２の回路の入力端子に、入力パルスを反転させた信号を入力すればよい。従って、この回路を用いて発生遅れ時間の重み付けが行えることは、図３の結果からも明らかであり、入力パルス６ｉのパルス幅Ｔｓｉと発生遅れ時間Ｔｄｉを併行して重み付けすることができる。
【００５９】
また、図２の回路は、ＦＰＧＡ（Field  Programming  Gate  Array）やマイコン回路にコンデンサと抵抗を外付けすることで集積化が可能である。  
【００６０】
次に、図４および図５を参照して、ニューロン素子１の動作を説明する。図４は、ニューロン素子１を示すブロック図であり、図５は、図４の構成における各信号のタイミングチャートである。尚、図４および図５においては、各信号はそれに対応するアナログ情報と同一の符号で示し、実際のアナログ情報の値はハッチングで示した。また図５においては、発生遅れ時刻を合成するタイミングチャートｄを上段に示し、パルス幅を合成するタイミングチャートｓを下段に示した。
【００６１】
一例として、入力端子２が２つ（２１、２２）の場合のニューロン素子１を示す。
【００６２】
まず、発生遅れ時刻の合成について説明する。基準時刻信号ＳＴＤが発生し、第１の時間が経過後、入力端子２１に１番目の入力パルス６１が入力される。入力パルス６１はパルス幅Ｔｓ１のディジタル信号である。入力パルス６１は、信号反転回路（ディジタルインバータ素子）１０８に入力され、反転信号Ｔｓ１（ｒ）が生成される。信号反転回路１０８の出力Ｔｓ１（ｒ）は基準時刻信号ＳＴＤと共にディジタルＡＮＤ回路１１１に入力される。このＡＮＤ回路１１１は、基準時刻信号ＳＴＤと、反転信号Ｔｓ１（ｒ）が同時に発生している時間だけで表わされるパルス信号を取出す。これにより、入力パルス６１が基準時刻信号ＳＴＤの発生からの遅れ時間に基づく時間幅を有するパルスになるように、信号を生成する。これにより、発生遅れ時間信号Ｔｄ１が得られる。
【００６３】
発生遅れ時間信号Ｔｄ１は、発生遅れ時間の重み付け回路１１２に入力され、入力端子２１に対応した１つの二次元シナプス３１により第１の重み付け処理が行われる。第１の重み付け処理では、シナプス３１の二次元の重み値ベクトルのうち、発生遅れ時間信号Ｔｄ１に対する重み値と重み付け回路１１２によって、発生遅れ時間信号Ｔｄ１に重み値を付与する。重み付け回路は、図２に示す回路である。重み値を制御する重み付け外部電源電圧ｅｓ［Ｖ］は、この回路に含まれており、重み付け外部電源電圧ｅｓ［Ｖ］に応じた重み値（ｗｄ１）が発生遅れ時間信号Ｔｄ１に付与され、重み付けされた発生遅れ信号Ｔｄ１ｗｄ１が出力される。また、この信号（パルス）は、発生遅れ時間信号Ｔｄ１の立ち下がり時刻で発生する。すなわち、発生遅れ時間信号Ｔｄ１の立ち下がり（パルスの終了）により、図２の回路図に示すスイッチ１６がオンする。これにより、発生遅れ時間信号Ｔｄ１の直後に、重み付けされた発生遅れ信号Ｔｄ１ｗｄ１が発生する。
【００６４】
２番目の入力パルス６２は、図５のタイミングチャートでの図示は省略するが基準時刻信号ＳＴＤの発生から第２の時間が経過後、入力端子２２に入力される。入力パルス６２は、パルス幅Ｔｓ２のディジタル信号であり、入力パルス６１と同様に処理される。すなわち、入力パルス６２は信号反転回路に入力され、生成された反転信号Ｔｓ２（ｒ）と、基準時刻信号ＳＴＤがディジタルＡＮＤ回路１１１に入力される。これにより、発生遅れ時間信号Ｔｄ２が得られる。
【００６５】
発生遅れ時間信号Ｔｄ２は、発生遅れ時間の重み付け回路１１７に入力され、入力端子２２に対応した１つの二次元シナプス３２により第１の重み付け処理が行われる。第１の重み付け処理では、シナプス３２の二次元の重み値ベクトルのうち、発生遅れ時間信号Ｔｄ２に対する重み値と重み付け回路１１７によって、発生遅れ時間信号Ｔｄ２に重み値を付与する。重み付け回路１１７は図２に示す回路である。重み付け外部電源電圧ｅｓ［Ｖ］に応じた重み値（ｗｄ２）が発生遅れ時間信号Ｔｄ２に付与され、重み付けされた発生遅れ信号Ｔｄ２ｗｄ２が出力される。
【００６６】
また、この信号（パルス）は図５の如く、１番目の重み付けされた発生遅れ信号Ｔｄ１ｗｄ１の立ち下がり時刻で発生する。すなわち、重み付けされた発生遅れ信号Ｔｄ１ｗｄ１の立ち下がり（パルスの終了）により、図２の回路図に示すスイッチ１６がオンする。これにより、発生遅れ信号Ｔｄ１ｗｄ１の直後に、重み付けされた発生遅れ信号Ｔｄ２ｗｄ２が発生する。
【００６７】
ニューロン４は、重み付けされた発生遅れ信号Ｔｄ１ｗｄ１およびＴｄ２ｗｄ２を一連の連続したパルス信号に結合する。すなわちこれらの発生遅れ信号は、合成発生遅れ時間信号を生成するために、ディジタルＯＲ回路１２１に入力される。これにより、合成発生遅れ信号Ｔｄｓ（式１のｕ）が生成される。
【００６８】
次にパルス幅の合成について説明する。１番目の入力パルス６１は、基準時刻信号ＳＴＤが発生し、第１の時間が経過後、入力端子２１に入力される。パルス幅の合成であるので、入力パルス６１（パルス幅Ｔｓ１の信号）がそのまま重み付け回路１１３に入力され、入力端子に対応した１つの二次元シナプス３１により第２の重み付け処理が行われる。第２の重み付け処理では、シナプス３１の二次元の重み値ベクトルのうち、パルス幅Ｔｓ１に対する重み値と重み付け回路１１３によって、パルス幅（信号）Ｔｓ１に重み値を付与する。重み付け回路１１３は図２に示す回路である。重み付け外部電源電圧ｅｓ［Ｖ］に応じた重み値（ｗｓ１）がパルス幅信号Ｔｓ１に付与され、重み付けされたパルス幅信号Ｔｓ１ｗｓ１が出力される。重み付けされたパルス幅信号Ｔｓ１ｗｓ１は、入力パルス６１（Ｔｓ１）の立ち下がり時刻で発生する。
【００６９】
同様に、２番目の入力パルス６２は、図５では省略するが、基準時刻信号ＳＴＤが発生し、第２の時間が経過後、入力端子２２に入力される。入力パルス６２（パルス幅Ｔｓ２の信号）がそのまま重み付け回路１２３に入力され、２番目の入力パルス６２に対して第２の重み付け処理が行われる。第２の重み付け処理は、シナプス３２の二次元の重み値ベクトルのうち、パルス幅Ｔｓ２に対する重み値と重み付け回路１２３によって、パルス幅（信号）Ｔｓ２に重み値を付与する。重み付け回路１２３は図２に示す回路である。重み付け外部電源電圧ｅｓ［Ｖ］に応じた重み値（ｗｓ２）がパルス幅信号Ｔｓ２に付与され、重み付けされたパルス幅信号Ｔｓ２ｗｓ２が出力される。
【００７０】
また、この信号（パルス）は図５の如く、１番目の重み付けされたパルス幅信号Ｔｓ１ｗｓ１の立ち下がり時刻で発生する。すなわち、重み付けされたパルス幅信号Ｔｓ１ｗｓ１の立ち下がり（パルスの終了）により、図２の回路図に示すスイッチ１６がオンする。これにより、パルス幅信号Ｔｓ１ｗｓ１の直後に、パルス幅信号Ｔｓ２ｗｓ２が発生する。
【００７１】
ニューロン４は、重み付けされたパルス幅信号Ｔｓ１ｗｓ１およびＴｓ２ｗｓ２を一連の連続したパルス信号に結合する。すなわちこれらのパルス幅信号は、合成パルス幅を生成するために、ディジタルＯＲ回路１２６に入力される。これにより、合成パルス幅信号Ｔｓｓ（式１のｖ）が生成される。
【００７２】
次に、合成発生遅れ時間信号Ｔｄｓ、および合成パルス幅信号Ｔｓｓに対して、それぞれ第３の重み付け処理および第４の重み付け処理を行う。
【００７３】
ニューロン素子１の出力端子５は、重み付けした一連のパルスを合成して１つのパルスとして出力する。また本実施形態では、一連のパルスの発生遅れ時間についても重み付けし、それらを合成して出力する。
【００７４】
すなわち出力パルスに遅れ時間を与えるために、合成発生遅れ信号Ｔｄｓに重み付け回路１２２により第３の重み付け処理を行う。この重み付け回路１２２も図２に示す回路であり、重み付け外部電源電圧ｅｓ［Ｖ］に応じた重み値（ｗｏｄ）が合成発生遅れ時間信号Ｔｄｓに付与され、重み付けされた合成発生遅れ信号Ｔｏｄ（式２のｆ）が出力される。
【００７５】
ニューロン４は、所定の遅れ時間（Ｔｏｄ）経過後、出力パルス７を出力端子５より出力する。すなわち、ニューロン４は基準時刻信号ＳＴＤの立ち下がり時刻を出力パルス７発生の基準時刻とし、その時刻から重み付けされた合成発生遅れ信号Ｔｏｄを発生させる。そして、合成発生遅れ信号Ｔｏｄの立ち下がり時刻で、第４の重み付け処理を行う重み付け回路１２７の動作を開始させる。つまり、この重み付け回路１２７も図２に示す回路であり、合成発生遅れ信号Ｔｏｄの立ち下がりによって図２に示すスイッチ１６がオンとなり、重み付け外部電源電圧ｅｓ［Ｖ］に応じた重み値（ｗｏｓ）が合成パルス幅信号Ｔｓｓに付与され、重み付けされた合成パルス幅信号Ｔｏｓ（式２のｇ）が出力される。
【００７６】
尚、ブロック図は一例であり、図においてそれぞれのシナプス３１、３２に信号反転回路１０８およびＡＮＤ回路１１１が含まれても良い。
【００７７】
このように、本実施形態では、１つの入力パルスの基準時刻からの発生遅れ時間とパルス幅のそれぞれについて、対応する１つの二次元シナプスによって第１の重み付け処理および第２の重み付け処理を行う。そして、重み付けされたＮ個の入力パルスの発生遅れ時間を結合して第３の重み付け処理を行い、重み付けされた合成発生遅れ時間（Ｔｏｄ）を得る。更に重み付けされたＮ個の入力パルスのパルス幅を結合して第４の重み付け処理を行い、重み付けされた合成パルス幅（Ｔｏｓ）を得る。その後、出力端子５より、パルス幅Ｔｏｓの出力パルス７を基準時刻からの発生遅れ時間Ｔｏｄで出力する。
【００７８】
パルス発生時刻とパルス幅の二つの情報で表されるベクトル情報を同時処理できるニューロン素子は、互いに独立した情報でありながらも、制御目標や判定目標に相互に関係している多次元情報を一括処理できる。これらの二つの情報は、たとえばロボットアームの位置と速度の同時制御、また自動車の速度と加速度の同時制御、さらに目と口の形状変化から表情を判定することなどであり、今後の産業やセキュリティ進展へ多大に貢献できるものである。
【００７９】
図６から図８を参照し、第２の実施形態としてニューロン素子１の適用例を示す。
【００８０】
第２の実施形態は、自動車のステアリングドライビングシステム５０に第１の実施形態と同様のニューロン素子１を適用した場合である。具体的には、自動車スリップ時の４輪の回転ずれをもとにニューロン素子１によってステアリングを自動操作し、安全性向上のための制御を行うものである。以下、第１の実施形態と同一の構成要素については同一符号を用い、また、第１の実施形態と重複する箇所についての詳細な説明は省略する。
【００８１】
図６および図７は、第２の実施形態のシステムを示す概要図であり、図６がこのシステムを適用するための自動車の主な構成であり、図７がニューロン素子１のブロック図である。
【００８２】
このステアリングドライビングシステム５０は、例えばアイスバーンでスリップした場合に４つのホイールがそれぞれ異なった回転をすることを信号としてニューロン素子１に入力し、最適なステアリング操作量を取出すシステムとする。
【００８３】
図６の如く、自動車５１の４輪の車軸にはそれぞれホイールの回転速度検出用円盤５２が設けられる。回転速度検出用円盤５２には、スリット５４が設けられ、ホイールの回転に伴い所定の時間で発光ランプ５３からの光をスリット５４から透過させる。また、発光ランプ５３と対向してスリット５４を透過した光を検出するフォトセンサ５５を配置する。
【００８４】
図７を参照し、ニューロン素子１は、Ｎ個の入力がある場合、全て異なる情報を用いてそれらを基に１つの出力を得る。すなわちここでのニューロン素子１は４つのホイールからの情報の入力に対応し、４つの入力端子２１〜２４を有する。
【００８５】
そしてそれぞれの入力端子２１〜２４には、ホイールの回転速度に応じてフォトセンサ５５で検知した光の有無（光がスリット５４を透過した時間と遮蔽された時間）をディジタル信号とした入力パルス６１〜６４が入力される。
【００８６】
すなわち、右後輪７１のフォトセンサ５５の検出結果が入力パルス６１として１番目の入力端子２１に入力され、左後輪７２のフォトセンサ５５の検出結果が入力パルス６２として２番目の入力端子２２に入力され、右前輪７３のフォトセンサ５５の検出結果が入力パルス６３として３番目の入力端子２３に入力され、左前輪７４のフォトセンサ５５の検出結果が入力パルス６４として４番目の入力端子２４に入力される。すなわち、入力パルス６１〜６４は各ホイールの回転速度信号である。
【００８７】
また、例えばエンジンの回転を検出するエンジン回転速度検出用円盤５６を設ける。エンジン回転速度検出用円盤５６にもスリット５４が設けられ、フォトセンサ５７によってスリット５４を透過した光を検出する。この検出結果は、システム全体のタイミング信号となり、すなわちニューロン素子１の基準時刻信号ＳＴＤとなる。
【００８８】
図８も参照して、更に説明する。
【００８９】
１番目の入力パルス６１（パルス幅Ｔｓ１）は、信号反転回路１０８で反転され、基準時刻信号ＳＴＤとともにディジタルＡＮＤ回路１１１に入力される。これにより、入力パルス６１の、基準時刻からの発生遅れ時間信号Ｔｄ１が得られる。発生遅れ時間信号Ｔｄ１は、右後輪７１の回転速度信号が、システム全体のタイミング信号（基準時刻）からのどの程度遅れているかを示す。
【００９０】
発生遅れ時間信号Ｔｄ１は、シナプス３１の二次元の重み値ベクトルのうち発生遅れ時間信号Ｔｄ１に対する重み値と発生遅れ時間の重み付け回路１１２によって、第１の重み付け処理が行われる。これにより、重み付けされた発生遅れ信号Ｔｄ１ｗｄ１が出力される。また、この信号（パルス）は、発生遅れ時間信号Ｔｄ１の立ち下がり時刻で発生する。
【００９１】
２番目の入力パルス６２（パルス幅Ｔｓ２）は、図８のタイミングチャートにおける図示は省略するが、信号反転回路１０８で反転され、基準時刻信号ＳＴＤとともにディジタルＡＮＤ回路１１１に入力される。これにより、入力パルス６２の、基準時刻からの発生遅れ時間信号Ｔｄ２が得られる。発生遅れ時間信号Ｔｄ２は、シナプス３２の二次元の重み値ベクトルのうち発生遅れ時間信号Ｔｄ２に対する重み値と発生遅れ時間の重み付け回路１１７によって、第１の重み付け処理が行われる。
【００９２】
これにより、重み付けされた発生遅れ信号Ｔｄ２ｗｄ２が出力される。また、この信号（パルス）は、重み付けされた発生遅れ時間信号Ｔｄ１ｗｄ１の立ち下がり時刻で発生する（図８）。
【００９３】
３番目の入力パルス６３（パルス幅Ｔｓ３）は、図８での図示は省略するが、信号反転回路１０８で反転され、基準時刻信号ＳＴＤとともにディジタルＡＮＤ回路１１１に入力される。これにより、入力パルス６３の、基準時刻からの発生遅れ時間信号Ｔｄ３が得られる。発生遅れ時間信号Ｔｄ３は、シナプス３３の二次元の重み値ベクトルのうち発生遅れ時間信号Ｔｄ３に対する重み値と発生遅れ時間の重み付け回路１１９によって第１の重み付け処理が行われ、重み付けされた発生遅れ信号Ｔｄ３ｗｄ３が出力される。
【００９４】
また、この信号（パルス）は、重み付けされた発生遅れ時間信号Ｔｄ２ｗｄ２の立ち下がり時刻で発生する（図８）。
【００９５】
４番目の入力パルス６４（パルス幅Ｔｓ４）は、図８での図示は省略するが、信号反転回路１０８で反転され、基準時刻信号ＳＴＤとともにディジタルＡＮＤ回路１１１に入力される。これにより、入力パルス６３の、基準時刻からの発生遅れ時間信号Ｔｄ４が得られる。発生遅れ時間信号Ｔｄ４は、シナプス３４の二次元の重み値ベクトルのうち発生遅れ時間信号Ｔｄ４に対する重み値と発生遅れ時間の重み付け回路１２０によって第１の重み付け処理が行われ、重み付けされた発生遅れ信号Ｔｄ４ｗｄ４が出力される。
【００９６】
また、この信号（パルス）は、重み付けされた発生遅れ時間信号Ｔｄ３ｗｄ３の立ち下がり時刻で発生する。
【００９７】
ニューロン４は、４つの重み付けされた発生遅れ信号をディジタルＯＲ回路１２１に入力し、合成発生遅れ信号Ｔｄｓ（式１のｕ）を生成する。
【００９８】
また、１番目の入力パルス６１（パルス幅Ｔｓ１の信号）は、基準時刻信号ＳＴＤの発生後、第１の時間が経過後入力端子２１に入力され、シナプス３１の二次元の重み値ベクトルのうちパルス幅Ｔｓ１信号に対する重み値と重み付け回路１１３によって第２の重み付け処理が行われる。これにより、重み付けされたパルス幅信号Ｔｓ１ｗｓ１が入力パルス６１（Ｔｓ１）の立ち下がり時刻で発生する。
【００９９】
２番目の入力パルス６２（パルス幅Ｔｓ２の信号）は、基準時刻信号ＳＴＤの発生後、第２の時間が経過後入力端子２２に入力され、シナプス３２の二次元の重み値ベクトルのうちパルス幅Ｔｓ２信号に対する重み値と重み付け回路１２３によって第２の重み付け処理が行われる。これにより、図８の如く重み付けされたパルス幅信号Ｔｓ２ｗｓ２が、パルス幅信号Ｔｓ１ｗｓ１の直後に発生する。
【０１００】
３番目の入力パルス６３（パルス幅Ｔｓ３の信号）は、基準時刻信号ＳＴＤの発生後、第３の時間が経過後入力端子２３に入力され、シナプス３３の二次元の重み値ベクトルのうちパルス幅Ｔｓ３信号に対する重み値と重み付け回路１２４によって第２の重み付け処理が行われる。これにより、図８の如く重み付けされたパルス幅信号Ｔｓ３ｗｓ３が、パルス幅信号Ｔｓ２ｗｓ２の直後に発生する。
【０１０１】
４番目の入力パルス６４（パルス幅Ｔｓ４の信号）は、基準時刻信号ＳＴＤの発生後、第４の時間が経過後入力端子２４に入力され、シナプス３４の二次元の重み値ベクトルのうちパルス幅Ｔｓ４信号に対する重み値と重み付け回路１２５によって第２の重み付け処理が行われる。これにより、図８の如く重み付けされたパルス幅信号Ｔｓ４ｗｓ４が、パルス幅信号Ｔｓ３ｗｓ３の直後に発生する。
【０１０２】
ニューロン４は、４つの重み付けされたパルス幅信号をディジタルＯＲ回路１２６に入力し、合成パルス幅信号Ｔｓｓ（式１のｖ）を生成する。
【０１０３】
その後、出力パルスに遅れ時間を与えるために、合成発生遅れ信号Ｔｄｓに重み付け回路１２２により第３の重み付け処理を行う。これにより、重み付けされた合成発生遅れ信号Ｔｏｄ（式２のｆ）が出力される。
【０１０４】
ニューロン４は、所定の遅れ時間（Ｔｏｄ）経過後、出力パルス７を出力端子５より出力する。すなわち、合成発生遅れ信号Ｔｏｄの立ち下がり時刻で、第４の重み付け処理を行う重み付け回路１２７の動作を開始させる。これにより、重み付けされた合成パルス幅信号Ｔｏｓ（式２のｇ）が出力される。
【０１０５】
出力端子５から出力された出力パルス（発生遅れ時間：Ｔｏｄ、パルス幅：Ｔｏｓ）７をステアリングドライビングシステムの制御部５８の制御信号とする。すなわちこの出力パルス７により自動車のステアリングの回転操作を、適度に時間遅れを与えて回転させ、スリップ時のドリフトを安全に止めるように制御する。
【０１０６】
尚、本実施形態のニューロン素子１の複数を、多段にまた併行して互いに結合させてネットワークを構成することにより、多次元ニューラルネットワークが得られる。すなわち、二次元表現ベクトル情報を処理する本実施形態のニューロン素子１を複数個、階層構造や再帰結合、あるいはこれらの複合で構成することにより、多重情報のベクトル処理を可能にするニューラルネットワークが実現する。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明は、たとえば機械の最適で頑健な制御、音声信号の欠損情報の復元、パターン認識など信号を処理する様々な装置に適用できる。特に生物的な処理が求められる装置に組み込まれることにより、ディジタル信号処理装置でありながら連続変化特性を持つアナログ情報処理を可能にできる。これにより、リアルタイム処理でき、しかも広く情報処理の基本となっているディジタルＩＣやディジタルコンピュータ、またインタフェースシステムとの整合性が高い信号処理が実現する。更にパルス発生時刻とパルス幅の二つの情報を同時処理できるため、多次元ニューロンと、それの多段並列結合で構成されるニューラルネットワークに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明のニューロン素子の概念図である。
【図２】本発明の重み付け回路を示す回路図である。
【図３】本発明の重み付け回路によるシミュレーション結果を示す図である。
【図４】本発明のニューロン素子の動作を説明するブロック図である。
【図５】本発明のニューロン素子の動作を説明するタイミングチャートである。
【図６】本発明のニューロン素子を適用した実施例を示す図である。
【図７】本発明のニューロン素子の動作を説明するブロック図である。
【図８】本発明のニューロン素子の動作を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
【０１０９】
１    ニューロン素子
２、２１、２２・・２ｉ、２ｎ    入力端子
３、３１、３２・・３ｉ、３ｎ    シナプス
４    ニューロン
５    出力端子
６、６１、６２・・６ｉ、６ｎ    入力パルス
７    出力パルス
１０    重み付け回路
１１    入力端子
１２    コンパレータ
１３    逆流防止ダイオードスイッチ
１４    第１電気抵抗
１５    コンデンサ
１６    スイッチ
１７    第２電気抵抗
１８    重み付け外部電源電圧
１９    出力端子
５０    ステアリングドライビングシステム
５１    自動車
５２    ホイール回転速度検出用円盤
５３    発光ランプ
５４    スリット
５５、５７    フォトセンサ
５６    エンジン回転速度検出用円盤
５８    制御部
７１    右後輪
７２    左後輪
７３    右前輪
７４    左前輪
１０８    信号反転回路
１１１    ＡＮＤ回路
１１２、１１７、１１９、１２０、１２１、１２２    重み付け回路
１１３、１２３、１２４、１２５、１２６、１２７    重み付け回路
ＳＴＤ    基準時刻発生信号
Ｔｄ１、Ｔｄ２・・Ｔｄｉ    発生遅れ時間（信号）
Ｔｓ１、Ｔｓ２・・Ｔｓｉ    パルス幅（信号）
ｗｄ１・・ｗｄｉ、ｗｓ１・・ｗｓｉ、ｗｏｄ、ｗｏｓ    重み値
Ｔｄ１ｗｄ１・・Ｔｄｉｗｄｉ    重み付けされた発生遅れ時間（信号）
Ｔｓ１ｗｓ１・・Ｔｓｉｗｓｉ    重み付けされたパルス幅（信号）
Ｔｄｓ    合成発生遅れ時間（信号）
Ｔｓｓ    合成パルス幅（信号）
Ｔｏｄ    出力パルス発生遅れ時間（信号）
Ｔｏｓ    出力パルス幅（信号）
【図１】
2007115116.tif 000005
【図２】
2007115116.tif 000006
【図３】
2007115116.tif 000007
【図４】
2007115116.tif 000008
【図５】
2007115116.tif 000009
【図６】
2007115116.tif 000010
【図７】
2007115116.tif 000011
【図８】
2007115116.tif 000012