JP3713028B2 - 電子論理ブロック - Google Patents

Description

この発明は論理回路を構築するためのブロック型要素に関し、特に、互いに接続して機能回路を形成可能なブロック型論理回路要素に関する。

電子玩具の人気が高くなっている。このような玩具の典型は、電子ブロックセットである。電子ブロックセットは、ペグボードと多数のブロックとを含む。ブロックの各々は一つ以上の入力と、電子的アナログ回路とを含み、回路から信号を出力する端子が含まれることもある。場合によっては、アナログ回路はスピーカ、ダイオード、モータ、電源等の機能要素を含んでもよい。

後掲の特許文献１は立方体形状の先行技術の玩具ブロックを開示している。このブロックは、端子又はコネクタを介して他のブロックに接続できる。このコネクタは立方体ブロックの６面の各々の中心にある円形突起上に形成されおり、それによって、ブロックは隣接するいずれのブロックにも接続可能である。

特開平11-128547

先行技術の電子玩具は、予め選択された機能を実現する様に設計されたアナログ回路を含む。主に若年層であるユーザは、予め定められたアナログ回路設計に従ってブロックを配置するだけでよい。最終的な結果は精神を刺激するものかも知れないが、取付ける作業そのものは実質的に精神的な活動を必要としない。回路は、すべての要素がそれぞれの定位置に置かれないかぎり、完全には動作しない。さらに、これらはブール論理の教育又は論理合成の調査研究には不向きである。なぜなら、これは論理動作の結果を示さないからである。

伝統的な電子玩具の別の例は、配線と従来からのチップの使用を必要とする、ブレッドボードキットである。このようなキットはユーザの精神的活動を必要とするが、チップに関してある程度の知識が必要とされ、さらに配線に長時間を要する。

従って、広範な種類の論理回路を構築するのに適し、論理動作を容易に理解できる様に回路の動作を示すようなブロック型電子要素が必要である。

この発明の別の目的は、広範な種類の論理回路を構築するのに適し、論理動作を容易に理解できる様に回路の動作を示し、さらに精神的な刺激のある、ブロック型電子要素を提供することである。

この発明のさらに他の目的は、回路を仮構築するのに適し、さらに仮構築した論理回路の動作を示すことができる、ブロック型電子要素を提供することである。

この発明の一局面に従った電子論理ブロックは、複数の側壁を有するブロックハウジングと、ブロックハウジングの下部に設けられ、外部からクロック信号を受信するための一組の端子と、複数個の側壁のうち最初のものに設けられた入力コンタクトと、ブロックハウジング内に設けられ、外部入力論理信号を受信する様に入力コンタクトに接続された論理機能回路と、ブロックハウジング内に設けられ、論理機能回路の出力に接続されたフリップフロップ回路とを含む。このフリップフロップ回路は上記した一組の端子を介して受信したクロック信号によって駆動される。電子論理ブロックはさらに、フリップフロップ回路の状態を示す表示器を含む。

この電子論理ブロックはさらに、ブロックハウジングの上部に設けられ、ユーザの操作に応じてトグル信号を発生するスイッチを含んでも良く、前記フリップフロップ回路はトグル信号に応じてその状態が変化する。

好ましくは、表示器は発光ダイオードを含む。

ブロックハウジングは、４つの側壁と上部水平壁とを備えた立方体形状を有してもよい。

より好ましくは、発光ダイオードが上部水平壁上に設けられる。

電子論理ブロックはさらに、他の側壁の一つ以上に設けられた一つ以上の出力コンタクトを含んでも良い。出力コンタクトはフリップフロップ回路の出力に接続されてもよい。

好ましくは、複数個の側壁が入力コンタクト又は出力コンタクトのいずれかを有する。

この電子論理ブロックは、入力コンタクト及び複数個の出力コンタクトを複数個含んでも良い。

好ましくは、電子論理ブロックはさらに、入力コンタクトが設けられた側壁を示すマーカを含んでも良い。

この発明の一実施の形態は一組の「論理ブロック」に関する。「論理ブロック」は遅延を含むブール関数をあらわすプラスチックでできた要素である。これらブロックはペグボードのペグに押し込まれる。どのブロックも、隣接するブロックにパルスを送り、又は隣接するブロックからパルスを受け、ペグボードから電圧とクロックパルスを得て、ユーザにより定義された状態をとるためのコンタクト点を有する。連続したクロックに伴うブロックの論理状態を示す発光ダイオード（ＬＥＤ）があるため、回路の挙動を容易に観察できる。デバイスを追加して、特定の入力点に特定のスパイク信号列を与え、特定の点での状態の経過を表示することもできる。

この発明の一実施の形態に従った論理ブロックは、遊戯用ブロックの思想を論理合成と組み合わせたものである。これは、ブレッドボードキットに替わるものである。どの論理ブロックについても、その役割と入出力点は即座に理解可能である。ブレッドボードの設計と異なり、論理ブロックは、たとえ所与の回路が完成する前であっても、現在の状態についての、連続的な情報を提供する。

図１はこの発明の一実施の形態に従った論理ブロックキット２０の全体を示す。図１を参照して、キット２０は、コンソール３０及びペグボード３２を有するメインフレーム２２を含む。ペグボード３２にはペグ３８、４０が設けられ、ここに論理ブロック４２が取付けられる。ペグボード３２は電源線、接地線、及びクロック信号線を有し、ペグ３８及び４０に取付けられた論理ブロック４２に電力と駆動クロック信号を供給する。これらの線はコンソール３０に接続される。

コンソール３０は、論理ブロック４２に電力を供給する図示しない電源回路と、電源をオン／オフするメインスイッチ３４とを含む。コンソール３０はさらに、二つの動作モード、すなわち手動モードと自動モードとのいずれかで動作可能な、図示しないクロック発生回路を含む。手動モードでは、クロック発生回路は単一のクロックパルスを発生してこれをペグボード３２に与える。自動モードでは、クロック発生回路は連続したクロック信号を発生してこれをペグボード３２に与える。

さらに、コンソール３０はクロック発生回路の動作モードの切替に用いられる自動／手動切替ボタンを含む。手動モードでは、クロック発生回路はこのボタンが押下されるとクロックパルスを一つ発生する。

キット２０はさらに、いくつかのブロック４２を含む。各ブロック４２は実質的に立法体形状であるが、その構成により、互いにわずかに異なっていても良い。図２にさまざまなブロック５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃを示す。

図３は論理ブロック５０Ａの外観を示す。図３を参照して、一個の論理ブロック５０Ａは、４個の側壁６０、６２、６４、６６と上部水平壁６８とを有する、下部水平壁が取除かれた立方体形状のハウジング５２を有する。壁６２の下部に入力コンタクト９２が設けられる。他の壁６０、６４、６６にはそれぞれ、下部に出力コンタクトが設けられる。例えば、壁６０には出力コンタクト９０がある。壁６６及び６４にはそれぞれ出力コンタクトがあるが、図３には示されていない。つまり、論理ブロック５０Ａは１個の入力と３個の出力とを有する。論理ブロック５０Ａは所与のブール関数を表す電子部品と、フリップフロップとを有するが、これらは図３には示されない。

上部水平壁６８の中央に、ＬＥＤ（発光ダイオード）１００が設けられる。上部壁６８とＬＥＤ１００との表面上にはメンブレインスイッチが設けられる。壁６８の表面上の、壁６２に隣接する側には三角形のマークが形成され、その壁６２に入力コンタクトが設けられていることを示す。

他のブロックも同様の構成を有する。再び図２を参照して、ブロック５０Ｂは２個の入力と２個の出力とを有する。ブロック５０Ｃは３個の入力と１個の出力とを有する。他の構成も可能である。ブロックは全て、それぞれ所定数の入力を持つ所与のブール関数を表す電子部品と、このブール関数の出力を受ける様に接続されたフリップフロップとを含む。

図４は図３に示す論理ブロック５０Ａを図３の線ＩＶ−ＩＶに沿って切断した断面を示す。図４を参照して、ブロック５０Ａはハウジング５２内の下部位置に固定されたベース１１４を含む。ベース１１４は中央が凹んだ円筒形突起部１２０を有し、ここにペグ４０（図１）を挿入することができる。凹みの内側には、電源端子１１６、接地端子１１８及びクロック入力端子１２２が設けられている。

ベース１１４の上面には回路基板１３０が設けられている。上記したブール関数及びフリップフロップを実現する電子回路１３２が回路基板１３０上に設けられる。端子９２及び９４は回路基板１３０を介して電子回路１３２に接続されている。電子回路１３２と回路基板１３０とはベース１１４の上表面に取付けられたプラスチックケース１３４に覆われている。

論理ブロック５０Ａの上部水平壁６８の中央には円形開口部１１２があり、ここにＬＥＤ１００が挿入される。ケース１３４上のバネ１３６とシャフト１３８とがＬＥＤ１００を支持する。メンブレインスイッチ８０は図示しない配線により電子回路１３２に接続される。メンブレインスイッチ８０に触れると、スイッチ８０はトグル信号を発生させ、このトグル信号に応答して回路１３２がそのフリップフロップをトグルする。ＬＥＤ１００はフリップフロップの状態を反映するので、そのオン／オフもまた、ユーザがメンブレインスイッチ８０に触れるたびにトグルされる。

ここで、すでに述べた通り、各論理ブロック内の電子部品は入力を受け、機能に応じた結果を出力する。フリップフロップは駆動クロックパルスの立上がり縁のタイミングで出力を取込み、入力の信号値を保持するが、これはその状態を示すものである。従って、ＬＥＤ１００はまた、論理動作の結果をも反映する。

ブロックを適正に使用するためには以下の手順に従う。

１．キット２０を適切な電池に接続する。

２．ブロックをとり、ペグボード３２に押込む。

３．別のブロックをとり、先のブロックのすぐ隣になる様にペグボードに押込む。ここで、あるブロックの入力点を別のブロックの入力点と接触させてはならない。

４．ユーザが設計のテストをしたいと思うまで、３の動作を繰返す。この様にして接続されたブロックは、設計が完成する前でもテストすることができる。

５．クロックのモードを所望のものに設定する。

６．所望のブロックの状態を、上部水平壁の適当なコンタクト点に触れることによって「１」に変更する。ブロックのＬＥＤがオンになるはずである。

７．ステップモードで連続してクロックを与えるか、又は自動ステッピングを実行して、この設計において状態「１」がどの様に伝搬するかを観察する。

８．クロック供給をオフにスイッチすることなく、設計を修正する。どのような部分的な設計であっても、同時に設計とテストとを行なうことができる。

図５に論理ブロック設計のサンプルを示す。図５を参照して、この設計は７個のブロック２００、２０２、２０４、２０６、２０８、２１０及び２１２を含む。ブロック２００、２０２、２０４、２０６、２０８、２１０及び２１２は全て１クロック遅延ブロックであってそれぞれフリップフロップを備える。ブロック２０４は１クロック遅延のＸＯＲブロックである。ブロック２０２及び２０６の上部壁の接続点に触れると、これらブロックのＬＥＤが図６に示す様に点灯する。これは、ブロック２０２及び２０６のフリップフロップの状態が「１」であり、他のブロックの状態が「０」であることを示す。

これらブロックに１クロックパルスが与えられると、ブロック２０４の状態は、ブロック２１０からの「０」入力とブロック２０２からの「１」入力のＸＯＲ機能の結果、「１」となる。ブロック２０８および２１２の状態は「１」となる。他のブロックの状態は「０」となる。これを図７に示す。

別のクロックパルスが与えられると、図８に示す様に、ブロック２０６及び２１０の状態は「１」となり、他のブロックの状態は「０」となる。こうして、連続したパルスが与えられると、ブロックの状態がブロック間で伝搬していくのを見ることができる。

図９および図１０に示す様に、クロック信号をオフにすることなくブロック２００をブロック２１２の隣まで移動することができる。次のクロック信号で、ブロック２１２の状態がブロック２００に伝搬する。

ブロックの別の設計を図１１に示す。このブロック２４０は、図３に示すブロック５０と異なり、入力点が設けられる壁の各々に突起壁部があり、出力点が設けられる壁の各々には溝がある。突起壁部を溝に嵌合させることができるので、突起壁部頂点の入力点が、溝底部の出力点と適切に接触することになる。

出力点は溝の底部に設けられているので、隣接するブロックの出力点同士が互いに接触することはない。さらに、隣接するブロックの入力点同士が互いに接触することもない。ブロックが互いに嵌合しないからである。

この実施の形態の論理ブロックは、側壁全てにコンタクト点を有する。コンタクト点のない側壁があっても良い。図１１に例を示す。図１１はブロック２４０Ａから２４０Ｆを示し、このうち全ての側壁にコンタクト点があるのはブロック２４０Ｅと２４０Ｆだけである。ブロック２４０Ａと２４０Ｂは各々、１入力、１出力を有する。ブロック２４０Ｃは１入力、２出力を有する。ブロック２４０Ｄは２入力、１出力である。

図１１のブロックでは、入力コンタクトのある側壁には突起があり、出力コンタクトのある側壁には溝があることが注目される。この構成により、出力点同士、又は入力点同士の接触が起こるのを防止できる。

この発明の実施の形態を立法形の論理ブロックに関連して説明したが、ブロックは必ずしも立法形状でなくても良い。隣接するブロックの入力コンタクトと出力コンタクトとが互いに接触できるのであれば、どのような形状であっても良い。さらに、キットはいくつかのブロックを組合わせたブロックを含んでも良く、こうすることで、組合わされたブロックはマルチプレクサ、セレクタ、乗算器、加算器、又は他の複雑な論理機能等の予め定められた機能を有する。このような組合せブロックの形状は、ペグボードに嵌合させることができ、適当な位置にコンタクト点と端子がありさえすれば、普通のブロックより大きくても良い。

この実施の形態のブロックはブロックの状態を示すＬＥＤを有する。各ブロックは、交互に点灯してブロックの２つの状態のいずれかを示す２個のＬＥＤを有しても良い。ブロックは３以上の状態をとることも有りうる。この場合、ブロックは、ブロックの種々の状態を示すために、さらなるＬＥＤを有しても良い。

ＬＥＤに代えて、ブロックの状態を示すことができる何らかの他の装置を用いても良い。例えば、小型のＬＣＤ（液晶表示装置）、又はＥＬＤ（エレクトロルミネセント表示装置）を用いても良い。

今回開示された実施の形態は単に例示であって、本発明が上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含む。

この発明の論理ブロックはブール関数及びスパイク信号処理の教育、次世代ハードウェアのための論理合成の調査研究、及び精神的な刺激を与える玩具に用いることができる。

論理ブロックキット全体を示す図である。 この発明の一実施の形態によるさまざまな論理ブロックを示す図である。 この発明の一実施の形態の１個の論理ブロックの外観図である。 図３に示す論理ブロックの断面図である。 論理ブロック配列の一例とその動作を示す概略図である。 論理ブロック配列の一例とその動作を示す概略図である。 論理ブロック配列の一例とその動作を示す概略図である。 論理ブロック配列の一例とその動作を示す概略図である。 論理ブロック配列の一例とその動作を示す概略図である。 論理ブロック配列の一例とその動作を示す概略図である。 この発明の別の実施の形態の論理ブロックを示す図である。

符号の説明

２０ 論理ブロックキット、２２ メインフレーム、３０ コンソール、３２ ペグボード、３４ メインスイッチ、３６ 自動／手動切替ボタン、４２，５０Ａ−５０Ｃ，２００−２１２，２４０Ａ−２４０Ｆ 論理ブロック、８０ メンブレインスイッチ、１００ ＬＥＤ、６０、６２、６４、６６ 側壁、９０、９４ 出力コンタクト、１３２ 回路

Claims (9)

1. 複数の側壁を有するブロックハウジングと、
   前記ブロックハウジングの下部に設けられ、外部からクロック信号を受信するための一組の端子と、
   前記複数個の側壁のうち最初のものに設けられた入力コンタクトと、
   ブロックハウジング内に設けられ、前記入力コンタクトに外部入力論理信号を受信する様に接続された論理機能回路と、
   ブロックハウジング内に設けられ、論理機能回路の出力に接続されたフリップフロップ回路とを含み、前記フリップフロップ回路は前記一組の端子を介して受信したクロック信号によって駆動され、さらに、
   前記フリップフロップ回路の状態を示す表示器を含む、電子論理ブロック。
2. 前記ブロックハウジングの上部に設けられ、ユーザの操作に応じてトグル信号を発生するスイッチをさらに含み、
   前記フリップフロップ回路は前記トグル信号に応じてその状態を変える、請求項１に記載の電子論理ブロック。
3. 前記表示器が発光ダイオードを含む、請求項２に記載の電子論理ブロック。
4. 前記ブロックハウジングが、４つの側壁と上部水平壁とを備えた立方体形状を有する、請求項３に記載の電子論理ブロック。
5. 前記発光ダイオードが前記上部水平壁上に設けられる、請求項４に記載の電子論理ブロック。
6. 一以上の他の側壁に設けられた一以上の出力コンタクトをさらに含み、当該出力コンタクトが前記フリップフロップ回路の出力に接続されている、請求項１に記載の電子論理ブロック。
7. 前記複数個の側壁の各々が、入力コンタクト又は出力コンタクトのいずれかを有する、請求項１に記載の電子論理ブロック。
8. 入力コンタクト及び出力コンタクトを複数個含む、請求項６又は請求項７に記載の電子論理ブロック。
9. 前記入力コンタクトが設けられた側壁を示すマーカをさらに含む、請求項１に記載の電子論理ブロック。
   

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