(57)【要約】      （修正有）【課題】携帯端末等の信号処理装置にセンサ等から得られるアナログ信号の信号処理を行わせる際に、より簡略な信号処理によってアナログ信号を信号処理装置に受け付けさせる信号処理システム、これに用いるセンサ装置、及びコンピュータプログラムを提供する。【解決手段】信号処理システム１は、アナログ入力インターフェースであるマイク入力部１５を有する端末装置２と、センサ部３０が出力する出力電圧Ｖｏｕｔについてパルス変調の一種であるΔΣ変調を行うΔΣ変調回路２２と、を備えている。ΔΣ変調回路２２は、マイク入力部１５が処理可能な周波数のサンプリングクロックを用いたオーバサンプリングによって、出力電圧ＶｏｕｔをΔΣ変調してパルス信号を生成するとともに、生成したパルス信号をマイク端子２ｂ３へ与え、端末装置２は、マイク入力部１５に与えられた前記パルス信号を復調する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アナログ入力インターフェースを有する信号処理装置と、
アナログ信号をパルス変調する変調器と、を備え、
前記変調器は、前記アナログ入力インターフェースが処理可能な周波数のサンプリングクロックを用いたオーバサンプリングによって、前記アナログ信号をパルス変調してパルス信号を生成するとともに、生成した前記パルス信号を前記アナログ入力インターフェースへ与え、
前記信号処理装置は、前記アナログ入力インターフェースに与えられた前記パルス信号を復調する
信号処理システム。
【請求項２】
前記アナログ入力インターフェースが処理可能な周波数は、オーディオ周波数帯域の周波数である請求項１に記載の信号処理システム。
【請求項３】
前記アナログ信号は、１ｋＨｚ未満の周波数の信号を含む請求項２に記載の信号処理システム。
【請求項４】
前記パルス変調は、パルス密度変調である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の信号処理システム。
【請求項５】
前記パルス密度変調は、ΔΣ変調である請求項４に記載の信号処理システム。
【請求項６】
前記信号処理装置は、前記パルス信号における所定周期毎のパルス数をカウントしたカウント値に基づいて前記パルス信号を復調する請求項４又は請求項５に記載の信号処理システム。
【請求項７】
前記変調器に前記アナログ信号を与えるセンサをさらに備えている請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の信号処理システム。
【請求項８】
前記センサは、電気化学測定結果を前記アナログ信号として前記変調器に与える電気化学測定用のセンサである請求項７に記載の信号処理システム。
【請求項９】
前記信号処理装置は、前記パルス信号を復調して得た前記アナログ信号に基づいて得られる前記電気化学測定結果を示す情報を表示するための表示部を備えている請求項７又は８に記載の信号処理システム。
【請求項１０】
前記信号処理装置は、無線通信用の端末装置である請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の信号処理システム。
【請求項１１】
アナログ信号を出力するセンサと、
前記アナログ信号をパルス変調したパルス信号を生成する変調器と、を備え、
前記変調器は、前記パルス信号を復調する信号処理装置が有するアナログ入力インターフェースであって当該アナログ入力インターフェースが処理可能な周波数のサンプリングクロックを用いたオーバサンプリングによって、前記アナログ信号をパルス変調して前記パルス信号を生成するとともに、生成した前記パルス信号を前記アナログ入力インターフェースへ与える
センサ装置。
【請求項１２】
アナログ入力インターフェースを有し、前記アナログ入力インターフェースに、当該アナログ入力インターフェースが処理可能な周波数のサンプリングクロックを用いたオーバサンプリングによって前記アナログ信号をパルス変調したパルス信号が与えられる信号処理装置のコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムであって、
コンピュータに
前記入力インターフェースに与えられた前記パルス信号を復調するステップを実行させるためのコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ等から得られるアナログ信号を処理するための信号処理システム、これに用いるセンサ装置、及びコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スマートフォン等の携帯端末の高性能化、高機能化に伴い、当該携帯端末のマイク入力部を信号入出力のためのインターフェースとして利用し、携帯端末に種々の信号を与えて信号処理を行わせる試みがなされている。
例えば、非特許文献１には、アナログ信号をデジタル信号に変換した上で、そのデジタル信号を携帯端末のマイク入力部に与える変換装置が開示されている。
（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ye-Sheng Kuo、Sonal Verma、Thomas Schmid、Prabal Dutta、「Hijacking power and bandwidth from the mobile phone’s audio interface」、Proceedings of the First ACM Symposium on Computing for Development、Association for Computing Machinery、２０１０年１２月、Article No. 24
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
携帯端末のマイク入力部は、可聴周波数帯域の信号については処理可能であるが、可聴周波数帯域外の信号については処理することができない場合がある。
【０００５】
上記非特許文献１の変換装置は、アナログ信号をデジタル信号に変換するためのＡＤ変換器と、シリアル信号デバイスであるＵＡＲＴ（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）とを備えている。ＡＤ変換器は、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。ＵＡＲＴは、前記デジタル信号をＵＡＲＴ方式の通信フォーマットに従った時系列データに変換し、さらに前記時系列データを構成するＨｉレベル及びＬｏレベルに応じて可聴周波数帯域内の２つの周波数を切り替えるＦＳＫ（Fequency Shift Keying）信号に変調し、この変調信号を携帯端末のマイク入力部に与える。
これによって、変換装置は、マイク入力部に当該マイク入力部が処理可能な可聴周波数帯域内の信号を与えることで、携帯端末に信号を受け付けさせるように構成されている。
【０００６】
しかし、上記変換装置では、入力されたアナログ信号をＡＤ変換した後、さらにＵＡＲＴ方式の信号に変調する必要があり、信号処理が煩雑である。このため、必要な回路要素が増加し、変換装置において必要な電力量も増加するおそれがある。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、携帯端末等の信号処理装置にアナログ信号の信号処理を行わせる際に、より簡略な信号処理によってアナログ信号を信号処理装置に受け付けさせることを可能にする技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明に係る信号処理システムは、アナログ入力インターフェースを有する信号処理装置と、アナログ信号をパルス変調する変調器と、を備え、前記変調器は、前記アナログ入力インターフェースが処理可能な周波数のサンプリングクロックを用いたオーバサンプリングによって、前記アナログ信号をパルス変調してパルス信号を生成するとともに、生成した前記パルス信号を前記アナログ入力インターフェースへ与え、前記信号処理装置は、前記アナログ入力インターフェースに与えられた前記パルス信号を復調する。
【０００９】
上記のように構成された信号処理システムによれば、変調器が、アナログ入力インターフェースが処理可能な周波数のサンプリングクロックを用いたオーバサンプリングによって、アナログ信号をパルス変調してパルス信号を生成する。よって、アナログ信号が、アナログ入力インターフェースが処理可能な周波数ではない周波数の信号であったとしても（アナログ入力インターフェースが処理することができない周波数のアナログ信号であったとしても）、変調器によって生成されるパルス信号はアナログ入力インターフェースが処理可能な周波数の信号となる。これにより、変調器は、アナログ信号を変調することで得たパルス信号を、アナログ入力インターフェースが処理可能な周波数の信号として当該アナログ入力インターフェースに与えることができ、信号処理装置にパルス信号を受け付けさせることができる。
以上のように、変調器は、アナログ信号をパルス変調すれば、このパルス変調によって得たパルス信号を信号処理装置に受け付けさせることができるので、上記従来例のように、アナログ信号に対してＡＤ変換した後、さらに変調を行うといったように複数の変換処理を行う必要がなく、より簡略な信号処理によってアナログ信号を信号処理装置に受け付けさせることができる。
【００１０】
（２）例えば、携帯端末等の場合、マイク端子には、音声信号が入力されるため、アナログのオーディオ信号が与えられ、これを受け付けることができるように構成されている。
よって、上記信号処理システムにおいて、前記アナログ入力インターフェースが処理可能な周波数は、オーディオ周波数帯域の周波数であることが好ましい。
この場合、変調器は、オーディオ周波数帯域内の周波数のサンプリングクロックを用いたオーバサンプリングによってアナログ信号をパルス変調するので、生成されるパルス信号はオーディオ周波数帯域の周波数の信号となる。よって、携帯端末等を信号処理装置として用いた場合、当該携帯端末等のマイク端子をアナログ入力インターフェースとしてパルス信号を与えることができ、これにより信号処理装置に信号を受け付けさせることができる。
【００１１】
（３）また、前記アナログ信号は、１ｋＨｚ未満の周波数の信号を含むものであることが好ましい。
（４）（５）また、前記パルス変調は、パルス密度変調であることが好ましく、この場合、前記パルス密度変調は、ΔΣ変調であることがさらに好ましく、この場合、アナログ信号に対するパルス変調を好適に行うことができる。
【００１２】
（６）前記信号処理装置は、前記パルス信号における所定周期毎のパルス数をカウントしたカウント値に基づいて前記パルス信号を復調するものであってもよく、この場合、簡易な処理によって、パルス信号を復調することができる。
【００１３】
（７）上記信号処理システムにおいて、前記変調器に前記アナログ信号を与えるセンサをさらに備えていてもよい。
（８）また、前記センサは、電気化学測定結果を前記アナログ信号として前記変調器に与える電気化学測定用のセンサであってもよく、この場合、上記信号処理システムを電気化学測定用の装置として用いることができる。
【００１４】
（９）また、前記信号処理装置は、前記パルス信号を復調して得た前記アナログ信号に基づいて得られる前記電気化学測定結果を示す情報を表示するための表示部を備えていることが好ましく、この場合、上記信号処理システムは、表示部を通じて電気化学測定結果を出力することができる。
【００１５】
（１０）また、前記信号処理装置は、無線通信用の端末装置であってもよい。この場合、電気化学測定結果を示す情報を無線通信によって外部の装置に出力することができ、外部の装置によって電気化学測定結果を示す情報を管理することができる。
【００１６】
（１１）また、本発明に係るセンサ装置は、アナログ信号を出力するセンサと、前記アナログ信号をパルス変調したパルス信号を生成する変調器と、を備え、前記変調器は、前記パルス信号を復調する信号処理装置が有するアナログ入力インターフェースであって当該アナログ入力インターフェースが処理可能な周波数のサンプリングクロックを用いたオーバサンプリングによって、前記アナログ信号をパルス変調して前記パルス信号を生成するとともに、生成した前記パルス信号を前記アナログ入力インターフェースへ与える。
【００１７】
（１２）また、本発明に係るコンピュータプログラムは、アナログ入力インターフェースを有し、前記アナログ入力インターフェースに、当該アナログ入力インターフェースが処理可能な周波数のサンプリングクロックを用いたオーバサンプリングによって前記アナログ信号をパルス変調したパルス信号が与えられる信号処理装置のコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムであって、コンピュータに前記アナログ入力インターフェースに与えられた前記パルス信号を復調するステップを実行させるためのコンピュータプログラムである。
【００１８】
上記構成のセンサ装置及びコンピュータプログラムによれば、信号処理装置にアナログ信号の信号処理を行わせる際に、より簡略な信号処理によってアナログ信号を信号処理装置に受け付けさせることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、携帯端末等の信号処理装置にアナログ信号の信号処理を行わせる際に、より簡略な信号処理によってアナログ信号を信号処理装置に受け付けさせることを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】一実施形態に係る信号処理システムの全体構成を示す図である。
【図２】信号処理システムの機能ブロック図である。
【図３】センサ部を示すブロック図である。
【図４】本システムによる信号処理を模式的に示した図である。
【図５】（ａ）は、端末装置の解析部に与えられるパルス信号を模式的に示した図、（ｂ）は、解析部が所定期間ごとにセンサ出力値を求める際の態様を示す図である。
【図６】本実施形態の信号処理システムを用いて電気化学測定を行った結果の出力例を示す図である。
【図７】本実施形態の信号処理システムを用いて電気化学測定を行った結果の他の出力例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、好ましい実施形態について図面を参照しつつ説明する。
〔システムの全体構成について〕
図１は、一実施形態に係る信号処理システムの全体構成を示す図である。図中、信号処理システム１は、端末装置２と、センサ装置３とを備えている。
端末装置２は、操作入力が可能なタッチパネル等からなる表示部２ａと、マイクロフォンジャックとヘッドフォンジャックとが一体とされたジャック部２ｂとを備えており、無線ＬＡＮ機能や携帯電話通信機能等の無線通信機能を有している携帯端末であるスマートフォンによって構成されている。
【００２２】
センサ装置３は、溶液等の電気化学測定を行うための機能を有しており、端末装置２に接続されたセンサ処理部４と、センサ電極５とを備えている。
センサ処理部４は、端末装置２のジャック部２ｂに挿入接続されたプラグ４ａと、半導体チップ４ｂと、トランス４ｃと、チップコンデンサ４ｆと、これらが実装されている回路基板４ｄとを備えている。
プラグ４ａは、端末装置２のジャック部２ｂに挿入されることで、センサ処理部４を端末装置２のヘッドフォン端子に接続するとともに、センサ処理部４を端末装置２のマイク端子に接続する。
トランス４ｃは、後述するように、端末装置２のヘッドフォン端子からプラグ４ａを介してセンサ処理部４に与えられる電圧を昇圧し、半導体チップ４ｂの駆動用の電力として当該半導体チップ４ｂに与える。
【００２３】
半導体チップ４ｂは、後述するセンサ部の一部を構成するポテンショスタット回路や、ΔΣ変調回路等を有しており、アナログ信号を出力するセンサとしての機能や、測定結果を示すアナログ信号に関する処理を行う機能を有している。半導体チップ４ｂは、プラグ４ａを通じてセンサ処理部４に供給される電力によって駆動され、センサとしてアナログ信号を生成するとともに、アナログ信号に関する処理を行う。
【００２４】
センサ電極５は、回路基板４ｄに実装されている接続端子４ｅに接続された接続線６によって回路基板４ｄに接続されている。
センサ電極５は、接続線６及び接続端子４ｅを介して半導体チップ４ｂに接続されており、後述するセンサ部の一部を構成している。センサ電極５は、対極５ａ（ＣＥ：Counter Electrode）、参照電極５ｂ（ＲＥ：Reference Electrode）、及び作用電極５ｃ（ＷＥ：Working Electrode）の３つの電極により構成されている。
センサ電極５は、電気化学測定の測定対象となる対象溶液に接触して、各電極５ａ、５ｂ、及び５ｃが互いに対象溶液を介して電気的に接続されるとともに、半導体チップ４ｂ（のポテンショスタット回路）と、対象溶液とを電気的に接続する。これによって、半導体チップ４ｂは、対象溶液の電気化学測定を行うことが可能となる。
【００２５】
センサ電極５は、各電極５ａ、５ｂ、及び５ｃが同一平面上で露出するように実装されたチップとして構成することができる。この場合、各電極５ａ、５ｂ、及び５ｃに対して対象溶液を測定可能に接触させることができるように当該対象溶液を適切に調製し、各電極５ａ、５ｂ、及び５ｃに接触させる。これにより、各電極５ａ、５ｂ、及び５ｃが互いに対象溶液を介して電気的に接続されるとともに、半導体チップ４ｂと、対象溶液とを電気的に接続する。
【００２６】
〔各部の機能的構成について〕
図２は、信号処理システムの機能ブロック図である。
端末装置２は、表示部２ａ及びジャック部２ｂの他、当該端末装置２が有する通信機能や情報処理機能等の各種機能を実現するための処理部１０と、マイク入力部１５と、ヘッドフォン出力部１６とを備えている。
【００２７】
ヘッドフォン出力部１６は、ジャック部２ｂに含まれている右ヘッドフォン端子２ｂ１と、左ヘッドフォン端子２ｂ２とに接続されている。
ヘッドフォン出力部１６は、処理部１０等から与えられるデジタル信号に対してデジタル／アナログ変換処理や、増幅処理、フィルタリング処理等を行って、両ヘッドフォン端子２ｂ１、２ｂ２からオーディオ周波数帯域内（可聴周波数帯域内）の周波数のアナログ信号を出力する機能を有している。つまり、このヘッドフォン出力部１６は、アナログ信号を端末装置２の外部に出力するアナログ出力インターフェースを構成している。
【００２８】
マイク入力部１５は、ジャック部２ｂに含まれているマイク端子２ｂ３に接続されている。
マイク入力部１５は、マイク端子２ｂ３を通じて当該マイク入力部１５に与えられるアナログ信号に対してアナログ／デジタル変換や、増幅処理、フィルタリング処理等を行って、処理部１０等に与える機能を有している。つまり、マイク入力部１５は、アナログ信号が外部から入力されるアナログ入力インターフェースを構成している。
このマイク入力部１５は、マイク端子２ｂ３に接続されるマイク等によって外部から入力されるアナログの音声信号に対して必要な処理を行った上で処理部１０等に処理後の信号を与えるように構成されている。よって、マイク入力部１５は、少なくとも可聴周波数帯域内の周波数の信号については処理可能とされている。なお、マイク入力部１５によって必要な処理が行われなかった信号は、処理部１０に受け付けられない。
【００２９】
右ヘッドフォン端子２ｂ１及び左ヘッドフォン端子２ｂ２は、ジャック部２ｂにセンサ処理部４のプラグ４ａが挿入されると、当該プラグ４ａが有している第１入力端子４ａ１及び第２入力端子４ａ２に接続される。
また、マイク端子２ｂ３は、ジャック部２ｂにセンサ処理部４のプラグ４ａが挿入されると、当該プラグ４ａが有している出力端子４ａ３に接続される。
【００３０】
センサ処理部４のプラグ４ａの各端子４ａ１、４ａ２、及び４ａ３は、それぞれ半導体チップ４ｂに接続されている。
このようにして、端末装置２と、センサ処理部４とは、ジャック部２ｂ及びプラグ４ａを介して接続されている。
【００３１】
また、ジャック部２ｂにセンサ処理部４のプラグ４ａが挿入されると、端末装置２が有しているグランド端子２ｂ４と、センサ処理部４が有しているグランド端子４ａ４とが互いに接続される。
【００３２】
処理部１０は、プロセッサや記憶部等を含むコンピュータによって構成されている。処理部１０は、記憶部に記憶されたプログラムを読み出して以下に説明する当該処理部１０が有する各機能部を実現するとともに、各種機能を実行する機能を有している。
【００３３】
図２に示すように、処理部１０は、電力供給部１１と、クロック供給部１２と、解析部１３とを機能的に有している。
電力供給部１１は、センサ処理部４に対して電力を供給する機能を有している。電力供給部１１は、２０ｋＨｚの正弦波を音声信号として生成するとともに、生成した電力としての音声信号を、ヘッドフォン出力部１６を通じて右ヘッドフォン端子２ｂ１から出力し、センサ処理部４に与える機能を有している。電力供給部１１が与える正弦波の振幅は、ヘッドフォン端子２ｂ１、２ｂ２から信号を出力する際の端末装置２によるボリューム調整に依存しており、例えば、振幅３００ｍＶ程度の電圧となるように調整される。
【００３４】
クロック供給部１２は、半導体チップ４ｂがアナログ信号処理を行う際に必要となるクロック信号を供給する機能を有している。クロック供給部１２は、２０ｋＨｚの正弦波を音声信号として生成するとともに、生成したクロック信号としての音声信号を、ヘッドフォン出力部１６を通じて左ヘッドフォン端子２ｂ２から出力し、センサ処理部４の半導体チップ４ｂに与える。クロック供給部１２は、電力供給部１１が電力として生成した音声信号と同じ信号をそのままクロック信号として供給してもよいし、異なる周波数の音声信号を生成し、それをクロック信号として供給してもよい。
【００３５】
解析部１３は、マイク端子２ｂ３を通じてセンサ処理部４から与えられるセンサ処理部４が測定した測定結果を示す信号を解析し復調する機能を有している。また、解析部１３は、解析し復調した結果を表示部２ａに表示させる機能も有している。
センサ処理部４が測定した測定結果を示す信号は、マイク端子２ｂ３を通じてマイク入力部１５に与えられ、マイク入力部１５によって処理された後、解析部１３に与えられる。
【００３６】
センサ処理部４は、図１で示したように、半導体チップ４ｂと、トランス４ｃと、チップコンデンサ４ｆとを備えている。
トランス４ｃは、端末装置２と、半導体チップ４ｂとの間に介在して接続されている。トランス４ｃは、端末装置２の右ヘッドフォン端子２ｂ１に接続される第１入力端子４ａ１に接続されている。
トランス４ｃには、上述したように、端末装置２の右ヘッドフォン端子２ｂ１から出力される電力としての音声信号が与えられる。トランス４ｃは、センサ処理部４に与えられる電力としての音声信号を昇圧し、半導体チップ４ｂの駆動用の電力として当該半導体チップ４ｂに与える。
【００３７】
半導体チップ４ｂは、電源回路２０と、ポテンショスタット回路２１と、ΔΣ変調回路２２とを備えている。
電源回路２０は、半導体チップ４ｂ内の各部で用いる電源電圧を供給する機能を有している。電源回路２０には、トランス４ｃが昇圧した電圧が与えられる。トランス４ｃが電源回路２０に与える電圧は、端末装置２が生成した正弦波であり、電源回路２０は、この正弦波として与えられた電圧から電源電圧ＶＤＤを生成する。
電源回路２０は、チップコンデンサ４ｆと接続されている。電源回路２０は、正弦波として与えられた電圧を整流し、チップコンデンサ４ｆによって電圧を平滑化することによって、電源電圧ＶＤＤを生成する。生成された電源電圧ＶＤＤは、半導体チップ４ｂの各部に与えられる。
電源電圧ＶＤＤは、端末装置２からの音声信号の電圧に依存している。つまり、ヘッドフォン端子２ｂ１、２ｂ２から信号を出力する際の端末装置２によるボリューム調整に依存している。本実施形態において、電源電圧ＶＤＤは、端末装置２のボリューム調整によって、例えば、２．０〜３．４Ｖに設定される。
【００３８】
ポテンショスタット回路２１は、溶液等の電気化学測定を行うための回路であり、電気化学測定の測定対象となる対象溶液に対して一定電圧を加えたときに当該対象溶液に流れる電流を測定する機能を有している。
ポテンショスタット回路２１には、センサ電極５が接続されている。ポテンショスタット回路２１と、センサ電極５とは、溶液等の電気化学測定を行う機能を有しているセンサ部３０を構成している。
【００３９】
図３は、センサ部３０を示すブロック図である。
図３中、センサ電極５を構成する対極５ａ、参照電極５ｂ、及び作用電極５ｃは、電気化学測定時には、対象溶液に接触した状態で保持され、各電極５ａ、５ｂ、及び５ｃが互いに対象溶液を介して電気的に接続されるとともに、ポテンショスタット回路２１と、対象溶液とを電気的に接続する。
【００４０】
ポテンショスタット回路２１は、第１オペアンプ３１と、第２オペアンプ３２とを備えている。
第１オペアンプ３１の出力端子には、対極５ａが接続されている。また、第１オペアンプ３１の反転入力端子には、参照電極５ｂが接続されている。また、第１オペアンプ３１の非反転入力端子には、入力電圧Ｖｉｎが与えられる。
【００４１】
第１オペアンプ３１は、参照電極５ｂと、作用電極５ｃとの間で電位差を生じさせて対象溶液に電圧を印可する。このとき、第１オペアンプ３１は、参照電極５ｂの電位と、入力電圧Ｖｉｎとを比較し、その結果に基づいて、対極５ａに印可する電圧を調整する。つまり、第１オペアンプ３１は、対象溶液に印可される電圧がＶｉｎで一定となるようにフィードバック制御する。
【００４２】
第２オペアンプ３２の反転入力端子には、作用電極５ｃが接続されている。また、第２オペアンプ３２の非反転入力端子には、参照電圧Ｖｒｅｆが与えられる。また、第２オペアンプ３２の出力端子と反転入力端子との間には帰還抵抗３３が接続されている。
対極５ａと作用電極５ｃとの間を流れる電流は、作用電極５ｃを通じて第２オペアンプ３２の反転入力端子に与えられる。
作用電極５ｃに接続されている第２オペアンプ３２を含む回路は、作用電極５ｃを通じて与えられる電流を電圧に変換し、出力端子から出力電圧Ｖｏｕｔとして出力している。
【００４３】
つまり、作用電極５ｃに接続されている第２オペアンプ３２を含む回路は、入力電圧Ｖｉｎで一定電圧が印可されている対象溶液において、対極５ａと作用電極５ｃとの間を流れる電流を検知し、検知した電流を電圧に変換し出力電圧Ｖｏｕｔとして出力している。
【００４４】
ポテンショスタット回路２１は、電気化学測定において、対象溶液に入力電圧Ｖｉｎを所定時間印可し、その所定時間の間、出力電圧Ｖｏｕｔを連続的に出力する。つまり、ポテンショスタット回路２１は、測定結果である出力電圧Ｖｏｕｔをアナログ信号として出力する。なお、センサ部３０が行う電気化学測定によって得られる出力電圧Ｖｏｕｔは、対象溶液に電圧を印可したときの化学反応に基づく変化を示しており、その変化は極めて緩やかであり、その周波数帯域は、おおよそ１〜１０Ｈｚ程度となる。
ポテンショスタット回路２１は、このアナログ信号である出力電圧ＶｏｕｔをΔΣ変調回路２２に与える。
【００４５】
図２に戻って、ΔΣ変調回路２２は、アナログ信号である出力電圧ＶｏｕｔをΔΣ変調する機能を有している。
ΔΣ変調回路２２は、ΔΣ変調に必要なサンプリングクロックを、半導体チップ４ｂに設けられたＡＣカップラ２３から取得する。
【００４６】
ＡＣカップラ２３は、端末装置２の左ヘッドフォン端子２ｂ２に接続される第２入力端子４ａ２に接続されている。ＡＣカップラ２３には、端末装置２のクロック供給部１２が音声信号として生成するクロック信号が与えられる。
ＡＣカップラ２３は、クロック供給部１２から与えられたクロック信号の基準レベルを電源電圧ＶＤＤの１／２となるように調整し、これをサンプリングクロックとしてΔΣ変調回路２２に与える。
【００４７】
なお、クロック供給部１２によるクロック信号は、２０ｋＨｚの正弦波の音声信号として生成されるので、ΔΣ変調回路２２には２０ｋＨｚのサンプリングクロックがＡＣカップラ２３から与えられる。
本実施形態のΔΣ変調回路２２は、２０ｋＨｚのサンプリングクロックをさらに１／８の周波数である２．５ｋＨｚに変換し、ΔΣ変調に用いる。
【００４８】
クロック供給部１２によるクロック信号は、端末装置２が音声信号として生成可能な可聴周波数帯域内の周波数の信号であり、ΔΣ変調に用いられるサンプリングクロックの周波数（２．５ｋＨｚ）も同様に可聴周波数帯域内の周波数の信号である。また、このΔΣ変調に用いられるサンプリングクロックの周波数は、マイク入力部１５が処理可能な周波数である。
【００４９】
ここで、ΔΣ変調では、変調対象の信号に対してナイキスト周波数以上のサンプリング周波数で変調を行ういわゆるオーバサンプリングによって処理を行う必要がある。
本実施形態の出力電圧Ｖｏｕｔは、上述のように、おおよそ１〜１０Ｈｚであるのに対し、ΔΣ変調回路２２がΔΣ変調に用いるサンクリングクロックは２．５ｋＨｚであり、２００倍以上のサンプリング周波数となっている。よって、ΔΣ変調回路２２は、出力電圧ＶｏｕｔをＡＣカップラ２３から与えられたサンプリングクロックを用いてサンプリングを行えば、十分にオーバサンプリングとなる。
【００５０】
ΔΣ変調回路２２は、マイク入力部１５が処理可能な周波数である可聴周波数帯域内の周波数のサンプリングクロックを用いたオーバサンプリングによって、アナログ信号である出力電圧ＶｏｕｔをΔΣ変調してパルス信号を生成する。
ΔΣ変調回路２２は、生成したパルス信号を半導体チップ４ｂに設けられたマイク端子切替回路２４に与える。
マイク端子切替回路２４は、端末装置２のマイク端子２ｂ３に接続される出力端子４ａ３に接続されている。マイク端子切替回路２４は、出力端子４ａ３が端末装置２のマイク端子２ｂ３に接続されたときに、端末装置２側に抵抗負荷を与えマイク端子２ｂ３に出力端子４ａ３が接続されていることを端末装置２側に認識させ、マイク端子２ｂ３を通じてマイク入力部１５に与えられるアナログ信号が当該マイク入力部１５に処理されるように切り替えさせるための機能を有している。
【００５１】
よって、ΔΣ変調回路２２は、生成したパルス信号をマイク端子切替回路２４を通じて、端末装置２のマイク入力部１５へ与える。
【００５２】
図４は、本システムによる信号処理を模式的に示した図である。
図４に示すように、ΔΣ変調回路２２は、ポテンショスタット回路２１からアナログ信号である出力電圧Ｖｏｕｔが与えられると、出力電圧ＶｏｕｔをΔΣ変調してパルス信号を生成する。
このとき、ΔΣ変調回路２２は、マイク入力部１５が処理可能な周波数である可聴周波数帯域内の周波数のサンプリングクロックを用いたオーバサンプリングによってパルス信号を生成するので、生成されるパルス信号は、マイク入力部１５が処理可能な周波数である可聴周波数帯域内の周波数となる。
【００５３】
ポテンショスタット回路２１から与えられるアナログ信号である出力電圧Ｖｏｕｔは、上述したように、１〜１０Ｈｚ程度の周波数帯域であり、マイク入力部１５が処理可能な周波数である可聴周波数帯域から外れた部分を含む非常に低い周波数帯域の信号である。よって、この出力電圧Ｖｏｕｔを例えばそのまま端末装置２のマイク入力部１５に与えたとしても、マイク入力部１５は、この出力電圧Ｖｏｕｔに対して必要な処理を行うことができないおそれがある。マイク入力部１５は、少なくとも可聴周波数帯域内の周波数の信号については処理可能であるからである。
上述したように、マイク入力部１５によって必要な処理が行われなかった信号は、端末装置２の処理部１０に受け付けられない。
【００５４】
これに対して、本実施形態の信号処理システム１によれば、ΔΣ変調回路２２が、マイク入力部１５が処理可能な周波数である可聴周波数帯域内の周波数のサンプリングクロックを用いたオーバサンプリングによって、アナログ信号である出力電圧ＶｏｕｔをΔΣ変調してパルス信号を生成する。よって、出力電圧Ｖｏｕｔが、マイク入力部１５が処理可能な周波数ではないより低い周波数の信号であったとしても、生成されるパルス信号はマイク入力部１５が処理可能な可聴周波数帯域内の周波数の信号となる。これにより、ΔΣ変調回路２２は、出力電圧Ｖｏｕｔを変調することで得たパルス信号を、マイク入力部１５が処理可能な周波数の信号としてマイク入力部１５に与えることができ、端末装置２に当該パルス信号を受け付けさせることができる。
【００５５】
また、本実施形態では、半導体チップ４ｂに、アナログ信号である出力電圧Ｖｏｕｔを出力するポテンショスタット回路２１と、出力電圧Ｖｏｕｔを示す情報を端末装置２に与えるための信号処理を行うΔΣ変調回路２２とを集約して設けたので、センサ装置３（センサ処理部４）の小型化、省電力化を図ることができるとともに、低価格化が可能となる。
【００５６】
図２及び図４を参照して、マイク端子２ｂ３を通じてΔΣ変調回路２２が生成したパルス信号が与えられた端末装置２は、与えられたパルス信号の復調を解析部１３に実行させる。
解析部１３は、与えられたパルス信号について、所定期間ごとに含まれるパルス数をカウントし、このカウント値に基づいて出力電圧Ｖｏｕｔが示す値を復元することでパルス信号の復調を行う。
【００５７】
図５（ａ）は、端末装置２の解析部１３に与えられるパルス信号を模式的に示した図である。図中、横軸は時間を示しており、縦軸はパルス高さ（Ｈｉ又はＬｏ）を示している。
なお、端末装置２のマイク入力部１５は、可聴周波数帯域内の周波数の信号については処理が可能であるが可聴周波数帯域よりもより高い信号については処理することができない場合がある。このため、図５（ａ）では、パルスを矩形状に示しているが、実際には、より各パルスのエッジ部分は緩やかに現れることがある。
【００５８】
但し、パルス信号は、ほぼΔΣ変調によるサンプリング周波数で現れるので、解析部１３はマイク端子２ｂ３を通じて各パルスを受け付けることができ、各パルスの有無を判断することができる。
解析部１３は、各パルスの有無を例えば、予めパルスのＨｉとＬｏとの間で閾値を設定しておき、この閾値よりも大きければＨｉ（パルスが有る）と判断し、閾値よりも小さければＬｏ（パルスが無い）と判断することができる。
【００５９】
ΔΣ変調は、パルス密度変調の一種であり、ΔΣ変調によって生成されるパルス信号は、そのパルスの密度によって波形（数値の変化）を表している。
ΔΣ変調回路２２が生成するパルス信号は、そのパルスの密度によって出力電圧Ｖｏｕｔの変化を表している。
【００６０】
そこで、解析部１３は、パルス信号において所定期間Ｔｓごとに含まれるＨｉの出現数（パルス数）をカウントし、下記式（１）に示す、Ｈｉ出現比率αを求める。
Ｈｉ出現比率α  ＝
所定期間ＴｓにおけるＨｉの出現数／所定期間Ｔｓの総サンプリング回数
・・・（１）
【００６１】
さらに、解析部１３は、下記式（２）に基づいて、センサ出力値ＶＡを求める。
センサ出力値ＶＡ  ＝  ＶＤＤ  ×  α      ・・・（２）
【００６２】
つまり、センサ出力値ＶＡは、０Ｖから電源電圧ＶＤＤまでの範囲の値を採るとともに、センサ出力値ＶＡの変化と、Ｈｉ出現比率αの変化とが対応している。よって、解析部１３はこれに基づいてセンサ出力値ＶＡを求める。
なお、実際の対象溶液の電流値と、センサ出力値ＶＡとの関係については、別途、校正することによって求められる。
【００６３】
また仮に、下記式（３）に示すように所定期間Ｔｓを設定したとする。
所定期間Ｔｓ  ＝  ２１０／ｆＤＳＭ    ・・・（３）
【００６４】
上記式（３）中、ｆＤＳＭはΔΣ変調におけるサンプリング周波数を示しており、本実施形態では、上述のように２．５ｋＨｚである。よって、この場合、所定期間Ｔｓは、０．４０９６ｓとなる。また、このとき、本システムの分解能を表している、取得可能な最小電圧は、ＶＤＤ／２１０（Ｖ）となる。
【００６５】
ΔΣ変調回路２２からは、連続的に図５（ａ）に示すようなパルス信号が与えられる。よって、解析部１３は、所定期間Ｔｓごとに、パルス信号におけるＨｉの数をカウントし、センサ出力値ＶＡを求める。
【００６６】
図５（ｂ）は、解析部１３が所定期間Ｔｓごとにセンサ出力値ＶＡを求める際の態様を示す図である。
図に示すように、解析部１３は、所定期間Ｔｓ１においてセンサ出力値ＶＡ１を求めると、所定期間Ｔｓ１に隣接する次の期間である所定期間Ｔｓ２においてセンサ出力値ＶＡ２を求める。同様に、解析部１３は、次の期間である所定期間Ｔｓ３においてセンサ出力値ＶＡ３を求める。
【００６７】
解析部１３は、センサ出力値ＶＡを経時的に求めることで、センサ部３０のポテンショスタット回路２１が出力した出力電圧Ｖｏｕｔが示す値を復元する。
このように、解析部１３は、パルス信号において所定期間Ｔｓごとに含まれるＨｉの出現数（パルス数）をカウントし、このカウント値に基づいて出力電圧Ｖｏｕｔが示す値を復元するので、簡易な処理によってパルス信号を復調することができる。
【００６８】
端末装置２の解析部１３は、出力電圧Ｖｏｕｔが示す値を復元しパルス信号を復調すると、表示部２ａに数値又はグラフとして出力する。つまり、表示部２ａは、パルス信号を復調して得た出力電圧Ｖｏｕｔが示す値を電気化学測定結果を示す情報として表示する。
【００６９】
図６は、本実施形態の信号処理システム１を用いて電気化学測定を行った結果の出力例を示す図である。
図６に示す測定では、本実施形態の信号処理システム１のセンサ電極５をグルコースオキシターゼを用いた酵素電極によって構成し、当該信号処理システム１を電気化学測定によるグルコース濃度測定を行う装置として構成したものを用いた。
図６は、上記システム１を用いてグルコースを含む溶液を対象溶液とした電気化学測定を行い、対象溶液中のグルコース濃度を測定した結果を示している。図中、横軸は時間、縦軸は対極５ａと作用電極５ｃとの間を流れる電流値である。この電流値に基づいて、対象溶液中のグルコース濃度を求めることができる。
【００７０】
なお、センサ出力値ＶＡは、ポテンショスタット回路２１が対象溶液について電気化学測定を行ったときに測定される対極５ａと作用電極５ｃとの間を流れる電流値を示す出力電圧Ｖｏｕｔを復元したものである。ポテンショスタット回路２１（図３参照）において、対極５ａと作用電極５ｃとの間を流れる電流と、帰還抵抗３３に流れる電流とが等しくなる。
よって、解析部１３は、出力電圧Ｖｏｕｔを表しているセンサ出力値ＶＡと参照電圧Ｖｒｅｆとの差と、帰還抵抗３３の抵抗値とから帰還抵抗３３に流れる電流値を求めることで、対極５ａと作用電極５ｃとの間を流れる電流値を求めることができる。
【００７１】
図６に示すように、信号処理システム１は、対象溶液中のグルコース濃度を測定するための電気化学測定における、経時的に緩やかに変化する電流値の変化を測定できることが判る。
解析部１３は、電気化学測定の結果を図６に示すようなグラフとして表示部２ａに出力することができる。
【００７２】
なお、予め、センサ出力値ＶＡもしくは電流値と、グルコース濃度との相関を把握しておけば、解析部１３は、求めたセンサ出力値ＶＡもしくは電流値をそのままグルコース濃度として出力することができる。この場合、本システム１をグルコース濃度測定センサとして機能させることができる。
【００７３】
図７は、本実施形態の信号処理システム１を用いて電気化学測定を行った結果の他の出力例を示す図である。
図７に示す測定では、本実施形態の信号処理システム１のセンサ電極５をアルコールオキシターゼを用いた酵素電極によって構成し、当該信号処理システム１を電気化学測定によるアルコール濃度測定を行う装置として構成したものを用いた。
図７は、上記システム１を用いてビール、及びノンアルコールビールについてそれぞれ電気化学測定を行い、両者に含まれているアルコールの有無を判定した結果を示している。図中、横軸は時間、縦軸は対極５ａと作用電極５ｃとの間を流れる電流値である。この電流値に基づいて、対象溶液中のアルコール濃度を求めることができる。
【００７４】
図７に示すように、通常のビールでは、測定期間内において終止電流が流れているのに対して、ノンアルコールビールでは、１００ｓまでの範囲では電流が流れていることが認められるが、それ以降ほとんど流れていない。
この結果から、通常のビールはアルコールを含んでおり、ノンアルコールビールはアルコールをほとんど含んでいないことが判る。
【００７５】
以上のように、本実施形態の信号処理システム１によれば、対象溶液について電気化学測定を行い、その結果を出力することができる。
【００７６】
なお、図６や図７で示したグルコース濃度やアルコールの測定は、血液や食品中の成分測定を想定している。つまり、本実施形態の信号処理システム１では、血液や食品中の成分測定をスマートフォン等の無線通信用の端末装置を用いて容易に行うことができる。
さらに、端末装置を利用して対象溶液について電気化学測定を行えば、電気化学測定結果を示す情報であるこれら測定データを端末装置が有する通信機能によって外部の装置に出力することができる。
これによって、測定データを、例えば、ネットワークを通じて外部に設けられたデータ管理サーバ等に送信して、データ管理サーバで集約管理し、測定データから得られる情報に基づいてユーザに種々のサービスを提供することができる。
【００７７】
〔効果について〕
本実施形態の信号処理システム１は、アナログ入力インターフェースであるマイク入力部１５を有する端末装置２（信号処理装置）と、センサ部３０が出力する出力電圧Ｖｏｕｔ（アナログ信号）についてパルス変調の一種であるΔΣ変調を行うΔΣ変調回路２２（変調器）と、を備え、ΔΣ変調回路２２は、マイク入力部１５が処理可能な周波数のサンプリングクロックを用いたオーバサンプリングによって、出力電圧ＶｏｕｔをΔΣ変調してパルス信号を生成するとともに、生成したパルス信号をマイク端子２ｂ３へ与え、端末装置２は、マイク入力部１５に与えられた前記パルス信号を復調する。
【００７８】
上記のように構成された信号処理システム１によれば、上述したように出力電圧Ｖｏｕｔが、マイク入力部１５が処理可能な周波数ではないより低い周波数の信号であったとしても、生成されるパルス信号はマイク入力部１５が処理可能な可聴周波数帯域内の周波数の信号となるので、このパルス信号をマイク入力部１５に与えることで、端末装置２に当該パルス信号を受け付けさせることができる。
【００７９】
このように、ΔΣ変調回路２２は、出力電圧ＶｏｕｔをΔΣ変調すれば、このΔΣ変調によって得たパルス信号を端末装置２に受け付けさせることができるので、上記従来例のように、アナログ信号に対してＡＤ変換した後、さらに変調を行うといったように複数の変換処理を行う必要がなく、より簡略な信号処理によって出力電圧Ｖｏｕｔを信号処理装置に受け付けさせることができる。
【００８０】
〔その他〕
本発明は、上記実施形態に限定されない。
例えば、上記実施形態では、アナログ信号である出力電圧Ｖｏｕｔをパルス変調するために、パルス密度変調の一種であるΔΣ変調を行うΔΣ変調回路２２を用いた場合を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、他のパルス変調である、パルス幅変調や、パルス振幅変調、パルス位置変調、パルス符号変調等を行う変調回路を用いてもよい。
【００８１】
例えば、パルス幅変調では、解析部１３は、パルス信号に含まれる各パルスの立ち上がり部分が予め定めた閾値を通過してから、パルス信号の立ち下がり部分が前記閾値を通過するまでの期間を求めれば、出力電圧Ｖｏｕｔが示す値を復元でき、パルス信号の復調を行うことができる。
【００８２】
また、上記実施形態では、ΔΣ変調回路２２にアナログ信号を与えるセンサ部３０が、ポテンショスタット回路２１を含むことで溶液等の電気化学測定を行い得られた測定結果を示すアナログ信号としての出力電圧ＶｏｕｔをΔΣ変調回路２２に与えるように構成した場合を例示したが、ポテンショスタット回路２１が出力する出力電圧Ｖｏｕｔのように、経時的に大きな数値変化を伴わない値を出力する測定デバイスであれば、センサ部３０に代えて用いることができる。
【００８３】
例えば、センサ部３０に代えて、測定対象の物体に設けられた歪ゲージと、この歪ゲージに電力を与えるブリッジ回路とを備えたセンサ部を採用してもよい。この場合センサ部は、物体の微小な歪変化に応じて変化する電圧値をアナログ信号としてΔΣ変調回路２２に与える。これによって、本システムは、物体の経時的な歪変化を測定することができる。
また、センサ部３０に代えて、測定対象に設けられた熱電対と、この熱電対の起電力を測定するための回路とを備えたセンサ部を採用してもよい。この場合、本システムは、測定対象の経時的な温度変化を測定することができる。
【００８４】
また、上記実施形態では、ポテンショスタット回路２１が、周波数帯域が１〜１０Ｈｚ程度の出力電圧ＶｏｕｔをΔΣ変調回路２２に与える場合を例示したが、ΔΣ変調回路２２に与えるアナログ信号の周波数帯域は、１ｋＨｚ未満であればよい。１ｋＨｚ未満のアナログ信号であれば、十分にオーバサンプリングとなるようにサンプリングクロックを設定したとしても、当該サンプリングクロックが可聴周波数帯域内の周波数に設定が可能であるからである。
【００８５】
また、上記実施形態では、端末装置２をスマートフォンによって構成した場合を例示したが、パソコンや、タブレット端末によって端末装置２を構成してもよい。
【符号の説明】
【００８６】
１  信号処理システム
２  端末装置
２ａ  表示部
２ｂ  ジャック部
２ｂ１  右ヘッドフォン端子
２ｂ２  左ヘッドフォン端子
２ｂ３  マイク端子
３  センサ装置
４  センサ処理部
４ａ  プラグ
４ｂ  半導体チップ
４ｃ  トランス
４ｄ  回路基板
４ｅ  接続端子
４ａ１  第１入力端子
４ａ２  第２入力端子
４ａ３  出力端子
５  センサ電極
５ａ  対極
５ｂ  参照電極
５ｃ  作用電極
６  接続線
１０  処理部
１１  電力供給部
１２  クロック供給部
１３  解析部
１５  マイク入力部
１６  ヘッドフォン出力部
２０  電源回路
２１  ポテンショスタット回路
２２  変調回路
２３  ＡＣカップラ
２４  マイク端子切替回路
３０  センサ部
３１  第１オペアンプ
３２  第２オペアンプ
３３  帰還抵抗
【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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