JP3839081B2 - 発振装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発振装置に関し、特に生命のリズムに適合した信号を生成することのできる発振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、広範な分野で種々の構成の発振装置が使用されている。
従来の発振装置における発振信号の周波数を安定化させるための手法としては、例えばＰＬＬ法など、基準となる外部同期信号を入力し、その外部周期信号に対するずれを検出し、外乱等によりずれが生じたときそのずれができるだけすみやかに消失するよう調整がとられる。
【０００３】
ところで、例えば人間の生活のリズムを考えた場合、何らかの原因によりある朝いつもより早く目をさましてしまったとき、その日はいつもより早めに眠くなり、早めに眠ると翌朝も早めに目が覚めるなど、ある朝いつもより早く目覚めたという外乱の影響は、急激に回復せず、何日間かかけて徐々に元のリズムに復帰する。
【０００４】
また、毎日の起床、就寝のリズムに関しても、毎晩機械的に同一の時刻に就寝し、また毎朝機械的に同一の時刻に起床するのでは、ロボット的であって人間味がなく、毎日の起床、就寝の時刻もいろいろにばらつくのが通常である。
近年、コンピュータ内に擬似生命体を構築し、その擬似生命体が、コンピュータ内で、あたかも自分の意思や感情をもっているかのように動作するシステムが考えられており、その擬似生命体の生活のリズムを、ロボット的ではなく、より実際の生命体に近づけるための努力が払われている。その擬似生命体の生活のリズムを作り出すためにも、一種の発振装置が使用されるが、このような用途においては、上述のように、外乱の影響がたちどころに修復されるのではなく、所定の時間をかけてゆっくりと元に戻ったり、他の場面では、特別な外乱がなくてもある程度変動する周波数で発振する発振装置を用いることが好ましい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術を用いてこのような発振装置を構成しようとすると、例えば外乱による発振信号の周波数の乱れを検知して外部周期信号の周波数を変化させ、所望の時間をかけて発振周波数を元に戻すべく、その所望の時間をかけて外部周期信号の周波数をゆっくりと元にもどしたり、あるいはランダム信号を生成し、一方では発振器からの発信パルスをカウントし、そのカウント数がランダム信号の値に達したときにカウントアップ信号を出力し、そのカウントアップ信号をもって周波数が変動する発振信号とする等の構成が考えられるが、いずれも発振器自身はできるだけ忠実に発振しようとし、外部で、例えば外部周期信号の周波数やカウント数をコントロールするものであり、構成が複雑となってしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑み、構成が簡単であって、しかも外部で種々手を加えるのではなく、内部で自己完結的に、例えば発振周波数がゆっくりと元に回復したり、ある程度乱れた周波数で発振させることができる発振装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の発振装置は、
（１）時間経過に伴って単調増加もしくは単調減少する現在値を生成する現在値生成手段
（２）値が周期的に変化する閾値を生成する閾値生成手段
（３）上記現在値生成手段で生成された現在値と上記閾値生成手段で生成された閾値との大小を比較判定する比較判定手段
（４）上記比較判定手段において上記現在値が上記閾値に達したことが検出される毎に上記現在値を所定の初期値にリセットする現在値リセット手段
（５）順次連続する、上記比較判定手段において上記現在値が上記閾値に達したことが検出されるタイミングどうしの時間間隔を周期とする信号を生成する信号生成手段
を備えたことを特徴とする。
【０００８】
ここで、上記本発明の発振装置は、上記現在値生成手段が、時間経過に伴う単調減少もしくは単調増加の速度が自在に調整された現在値を生成するものであることが好ましい。
また、上記本発明の発振装置は、上記閾値生成手段が、時間経過に伴う変化分の振幅が自在に調整された閾値を生成するものであることが好ましい。その場合に、上記信号生成手段で生成された信号の周期変動をモニタするモニタ手段を備え、上記閾値生成手段が、上記モニタ手段によるモニタ結果に基づいて上記振幅を調整するものであってもよい。
【０００９】
また、上記本発明の発振装置において、上記現在値生成手段は、例えば、時間経過に伴って、所定の傾きで直線的に値が変化する現在値を生成するものであってもよい。また、上記閾値生成手段は、例えば、時間経過に伴う変化分の値が正弦波的に変化する閾値を生成するものであってもよい。
上記現在値生成手段が、時間経過に伴って、所定の傾きで直線的に値が変化する現在値を生成するものであって、上記閾値生成手段が、時間経過に伴う変化分の値が正弦波的に変化する閾値を生成するものである場合に、
上記傾きをγ、上記閾値を１＋Ｋ・ｓｉｎ（２πｔ）（但し、Ｋは定数ｔは時刻を表す）、任意の正の整数をｐ，ｑとしたとき、
γ／（２π）≧Ｋ≧｜１−（ｐ／ｑ）γ｜
を満足するように調整すると、発振周波数が変動したとき、時間をかけてもとの発振周波数に復帰する。
【００１０】
また、上記本発明の第２の発振装置は、
（２−１）時間経過に伴って単調増加もしくは単調減少する現在値を生成する現在値生成手段
（２−２）値が周期的に変化する閾値を生成する閾値生成手段
（２−３）上記現在値生成手段で生成された現在値と上記周期値生成手段で生成された周期値とが重畳された重畳値を生成する重畳値生成手段
（２−４）上記重畳値生成手段で生成された重畳値と所定の閾値との大小を比較する比較判定手段
（２−５）上記比較判定手段において上記重畳値が前記閾値に達したことが検出される毎に上記現在値を所定の初期値にリセットする現在値リセット手段
（２−６）順次連続する、上記比較判定手段において上記重畳値が上記閾値に達したことが検出されるタイミングどうしの時間間隔を周期とする信号を生成する信号生成手段
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態は、蓄積／発火型を基本とした発振装置である。蓄積／発火型の発振装置とは、図１のように、ある活動値、たとえば電圧などが時間の経過と共に蓄積され、これがある閾値に達したときに発火してパルスを発するものである。発火した時点で活動値は０に戻り、以後同様に蓄積／発火が繰り返されて、一定の周波数のパルスを発生する。この発振装置の周波数Ｔは活動値ｘの蓄積の速度γによって規定される。
【００１２】
ここで、図２のように、閾値を周期Ｔ’＝１の周期関数で変調することを考える。変調された閾値の変化分の振幅はＫである。適当な振幅Ｋを与えれば、はじめは図２のように周波数が揺らぐが、数回の発振の後に図３のように新たな周期Ｔ’（閾値の周期）に同調する。これは、閾値が周期的に変調されたことによって、発火のタイミングが、その周期的に変調された閾値のある定まった位相に近づこうとする力が働くことによる。したがって、閾値を変調する周期関数を外部周期信号して入力とすれば、発振装置はそれに同期することになる。
【００１３】
ここで、発振装置の外部周期に対する適応力の大きさは、閾値の振幅Ｋによって規定される。Ｋが大きければ同期し、小さくなるほど適応力は下がっていき、やがて同期せずに自己の周波数の影響の強い周波数で発振するようになる。もし素早く外部周期に同期させたければＫを大きくし、ゆっくりと同期させたければＫを小さくすればよい。また外部振動の影響を受けながらも自己の周波数にしたがって発振させたければ、Ｋをさらに小さくする。そしてまったく独自に発振させたいときにはＫを０にすればよい。このように、このパラメータＫの意味は極めて直感的であって、外部周期に対応する適応力の調整には特別な装置もノウハウも必要とされない。
【００１４】
本実施形態は、この性質を用いて、周波数の変動を緩やかに自己制御する機能を備えた発振装置を実現するものである。
図４は、本発明の発振装置の一実施形態を示すブロック図である。
外部周期入力部１１を通じて外部周期信号が発振部１０に入力され、この外部周期信号を用いて閾値変調部１２で閾値が変調される。閾値変調部１２に入力される外部周期信号は、周波数などを表わす情報の形で与えられてもよい。また、パラメータ入力部１３は、この発振装置自身の周波数や、外部周期に対する適応力などを司るパラメータの入力を受け付け、これを受けて、パラメータ決定部１４で必要ならば内部処理に適した形に変換や修正を加えてパラメータ（活動値の変化速度を規定するパラメータγと、閾値の変化分の振幅を規定するパラメータＫ）を決定する。活動値決定部１５では、パラメータγに基づいて発振装置の現在の活動値（本発明にいう、現在値）を算出する。一方閾値変調部１２では、外部周期入力部１１から与えられた外部周期信号とパラメータＫとを元に、変調後の閾値を求める。そして、比較部１６では、活動値が現在の閾値を越えたかどうかを調べて、もし越えていれば信号発生部１７にその旨を伝える。信号発生部１７ではこれを受けてパルスを発生し、同時に、活動値決定部１５に働きかけて活動値を０に戻す。また、図４のように発振状態モニタ部１８を設けることにより、信号発生部１７から出力されるパルス信号列を監視し、必要ならばパラメータ決定部１４、活動値決定部１５に働きかけてその後の発振条件を変化させることも可能である。
【００１５】
この図４に示す発振装置には、例えば、外部周期として、周期１の正弦関数ｓｉｎ（２πｔ）が入力される。外部周期が与えられないときの閾値は１（一定）とする。外部周期によって変調された閾値を、１＋Ｋｓｉｎ（２πｔ）とする。また、活動値は速度γで増加し、閾値に達すると発火して０に戻る。このような発振装置の特性を規定するパラメータは、前述した、速度γと、外部周期の閾値への影響の度合Ｋとの２つである。
【００１６】
この発振装置の発振の様子を、図５に示す。ここでは、外部周期信号は周期１、発振装置の、外部周期が与えられないときの周期（γで規定される）は約１．１としている。図５の時間的に早いはじめの部分でわかるように、発振装置の周期は、最初周期１．１から出発して徐々に１に近づき、外部周期と同期する。また、（ａ）の部分で見られるように、外部周期が細かな揺らぎを含んでも、発振装置はほとんど揺らぎのない発振を続けることができる。また、（ｂ）のように、外部周期の周波数が変化すると、緩やかにその周期に近づき、やがて同期する。発振装置の自然周波数と外部周期の周波数が極端に変化した場合、たとえば発振装置の自然周波数が外部周期の２倍近くに変化した倍には、発振装置もまた周期２となって完全に同期することも可能であるが、（ｃ）のように、発振装置は周期１となって、１：２の周波数比を保ち続けるようになることがある。
【００１７】
また、図６のように外乱によって活動値が急激に変化させられた場合には、活動値が急激に変化したことをモニタして特別な操作を行なうようなことをすることなく、自己完結的に、元どおりの安定的な同期状態へと次第に収束していく。このように、本実施形態によれば、突発的な外乱に対して何ら特別な操作を施すことなく、自己の周波数を調節し元どおりに回復する。
【００１８】
図７は、外部周期信号の周期を１、発振装置の、外部周期が与えられないときの周期を約１．１とした場合の、Ｋの変化に対する発振装置の平均周期の変化の様子を示したものである。
Ｋ＝０のときは周期は１．１である。
Ｋ＜０．１４では外部周期に対して完全には同期せず、周期も一定ではなくなる。そのため、ここでは平均周波数をとっている。Ｋ≧０．１４では完全に同期して外部周期と等しい周期＝１となる。
【００１９】
図８は、結合力Ｋと傾きγとをパラメータとした、本実施形態における発振装置の発振状態を示す図である。
図中、各領域Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれ外部周期と同期する同期領域、外部周期とほぼ同期する準同期領域、外部周期との同期が見られないカオス領域を表している。
【００２０】
結合力Ｋ＝０のときの発振装置の周期をＴ（＝１／γ）としたとき、発振装置が外部周期Ｔ’にｐ：ｑ（ｐ，ｑは任意の正の整数）の比で同期するためのＫの条件、すなわち図８の同期領域Ａは、
γ／（２π）≧Ｋ≧｜１−（ｐ／ｑ）γ｜
であらわされる。尚、この図８では同期領域Ａとして代表的な領域を３つのみ示したが、実際には同期領域Ａはすべての有理数ｑ／ｐの近傍にあらわれる。
【００２１】
発振装置が外部周期に同期しない状態としては、準同期状態（準同期領域Ｂ）とカオス状態（カオス領域Ｃ）との２つがある（図８参照）。同期しない場合には、発振装置の出力は一定の周波数に安定せず、以下のような揺らぎをもった出力が得られる。
図９は、準同期状態における発振装置の出力の周期の変化の一例を示した図である。
【００２２】
この準同期状態においては発振装置の出力はほぼ一定の周期をとり、また周期の変化に繰り返しまたはそれに準ずる（全く同じではないがよく似た状態に戻る）パターンが見られる。
図１０は、カオス状態における発振装置の出力の周期の変化の一例を示した図である。
【００２３】
周期の揺らぎは一定の幅以内にとどまっているものの、その変化の様子は一見ランダムであって周期性は見られない。
このように、本実施形態の発振装置は、パラメータＫとパラメータγの値により種々の出力を得ることができ、外部周期にゆっくりと同期させたい場合や、外部周期に近い周期でランダムに変動させたい場合等、種々の用途に対応することができる。
【００２４】
図１１は、本発明の発振装置の他の実施形態を示すブロック図である。図４に示す実施形態のブロックと共通のブロックには、図４に付した番号と同一の番号を付して示し、相違点のみについて説明する。
この図１１に示す実施形態では閾値変調部１２で求められた変調後の閾値および活動値決定部１５で決定された活動値は、加算部１９に入力され、活動値から閾値が減算され減算値（本発明にいう重畳値の一例）が求められる。尚、この実施形態では、閾値変調部１２で求められた変調後の閾値が、本発明にいう周期値の一例である。
【００２５】
加算部１９で求められた減算値は比較部１６に入力される。この比較部１６には、閾値設定部２０で生成された、時間的に一定の閾値も入力され、この比較部１６では、入力された減算値と時間的に一定の閾値とが比較されそれらの値の大小が判定される。
比較部１６は、２つの値の大小を比較するものであるから、図４に示す実施形態のように閾値を変調してその変調された閾値を比較部に入力してもよく、図１１に示す実施形態のように変調された閾値（本発明にいう周期値）を活動値に重畳（本実施形態では減算、その他、加算ないしこれらに類する演算であってもよい）し、その重畳された値と時間的に一定の閾値とを比較部１６に入力してもよい。これらのいずれも、同等の比較結果を得ることができる。
【００２６】
尚、上記各実施形態では、活動値は時間経過に伴って直線的に変化する例を示したが、本発明にいう現在値は直線的に変化するものに限られるものではなく、例えば図１２に実線や一点鎖線で示すような、時間経過に伴って曲線的に変化するものであってもよい。
また、上記各実施形態では、変調された閾値として、その変化分が正弦波数に変化する閾値を取り扱ったが、本発明にいう、値が周期的に変化する閾値ないし周期値は、正弦波状に変化するものに限られるものではなく、例えば図１３に実線や一点鎖線で示すような、三角波状あるいは台形波状に変化するものであってもよい。
【００２７】
さらに、上記各実施形態では、活動値を単調増加させるとともに、活動値よりも値の大きい閾値を設定したが、活動値よりも値の小さい閾値を設定し、活動値を単調減少させてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、これまでの技術では実現困難で十分な効果の得られなかった、発振装置の重要な３つの機能、すなわち、
（１）外部からの周期的な信号に対して、安定的に同期を保つ機能
（２）外部からの周期的な信号に対する適応力を容易に変更することのできる機能
（３）突発的な外乱に対して、発振の安定性を保つ機能
を同時に備え、さらに周波数の変動を緩やかに自己制御することのできる発振装置を実現することができる。また本発明によれば、外乱に対し、自己の周波数を徐々に回復することができる。あるいは自己の周波数を外部からの周期的な信号の周波数に近い周波数で変動させ続けることもできる。そして、これらの能力がただ１つの方式によって実現されるため、それぞれの機能のために別々の装置などを追加する必要がなく、回路やプログラムが最少量に抑えれるという効果がある。さらに、外部周期に対する適応力をただ１つのパラメータ（実施形態におけるパラメータＫ）の変更によって容易かつ直感的に変更することができる。さらに、自己の発振を監視し、以後の発振特性を自己調整することように構成することもでき、そのように構成した場合は、より安定かつ適切な発振を保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】蓄積／発火型の発振装置の説明図である。
【図２】閾値を周期Ｔ’の周期関数で変調した状態を示す説明図である。
【図３】閾値を周期Ｔ’の周期関数で変調したときに徐々に同期していく様子を示す説明図である。
【図４】本発明の発振装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図５】外部周期の変化に対する発振の様子を示す図である。
【図６】外乱によって活動値が急激に変化させられた場合の説明図である。
【図７】閾値の変化分の振幅を変化させたときの発振の様子を示す図である。
【図８】結合力Ｋと傾きγとをパラメータとした、本実施形態における発振装置の発振状態を示す図である。
【図９】準同期状態における発振装置の出力の周期の変化の一例を示した図である。
【図１０】カオス状態における発振装置の出力の周期の変化の一例を示した図である。
【図１１】本発明の発振装置の他の実施形態を示すブロック図である。
【図１２】現在値の変化カーブを示す図である。
【図１３】変化分が三角波状あるいは台形波状に変化する閾値を示す図である。
【符号の説明】
１１ 外部周期入力部
１２ 閾値変調部
１３ パラメータ入力部
１４ パラメータ決定部
１５ 活動値決定部
１６ 比較部
１７ 信号発生部
１８ 発振状態モニタ部
１９ 加算部
２０ 閾値設定部

Claims (7)

1. 時間経過に伴って単調増加もしくは単調減少する現在値を生成する現在値生成手段と、
   値が周期的に変化する閾値を生成する閾値生成手段と、
   前記現在値生成手段で生成された現在値と前記閾値生成手段で生成された閾値との大小を比較判定する比較判定手段と、
   前記比較判定手段において前記現在値が前記閾値に達したことが検出される毎に前記現在値を所定の初期値にリセットする現在値リセット手段と、
   順次連続する、前記比較判定手段において前記現在値が前記閾値に達したことが検出されるタイミングどうしの時間間隔を周期とする信号を生成する信号生成手段とを備え、
   前記現在値生成手段が、時間経過に伴って、所定の傾きで直線的に値が変化する現在値を生成するものであるとともに、前記閾値生成手段が、時間経過に伴う変化分の値が正弦波的に変化する閾値を生成するものであって、
   前記傾きをγ、前記閾値を１＋Ｋ・ｓｉｎ（２πｔ）（但し、Ｋは定数、ｔは時刻を表す）、任意の正の整数をｐ，ｑとしたとき、
   γ／（２π）≧Ｋ≧｜１−（ｐ／ｑ）γ｜
   を満足することを特徴とする発振装置。
2. 前記現在値生成手段が、時間経過に伴う単調減少もしくは単調増加の速度が自在に調整された現在値を生成するものであることを特徴とする請求項１記載の発振装置。
3. 前記閾値生成手段が、時間経過に伴う変化分の振幅が自在に調整された閾値を生成するものであることを特徴とする請求項１記載の発振装置。
4. 前記信号生成手段で生成された信号の周期変動をモニタするモニタ手段を備え、
   前記閾値生成手段が、前記モニタ手段によるモニタ結果に基づいて前記振幅を調整するものであることを特徴とする請求項３記載の発振装置。
5. 前記現在値生成手段が、時間経過に伴って、所定の傾きで直線的に値が変化する現在値を生成するものであることを特徴とする請求項１記載の発振装置。
6. 前記閾値生成手段が、時間経過に伴う変化分の値が正弦波的に変化する閾値を生成するものであることを特徴とする請求項１記載の発振装置。
7. 時間経過に伴って単調増加もしくは単調減少する現在値を生成する現在値生成手段と、
   値が周期的に変化する閾値を生成する閾値生成手段と、
   前記現在値生成手段で生成された現在値と前記周期値生成手段で生成された周期値とが重畳された重畳値を生成する重畳値生成手段と、
   前記重畳値生成手段で生成された重畳値と所定の閾値との大小を比較する比較判定手段と、
   前記比較判定手段において前記重畳値が前記閾値に達したことが検出される毎に前記現在値を所定の初期値にリセットする現在値リセット手段と、
   順次連続する、前記比較判定手段において前記重畳値が前記閾値に達したことが検出されるタイミングどうしの時間間隔を周期とする信号を生成する信号生成手段とを備え、
   前記現在値生成手段が、時間経過に伴って、所定の傾きで直線的に値が変化する現在値を生成するものであるとともに、前記閾値生成手段が、時間経過に伴う変化分の値が正弦波的に変化する閾値を生成するものであって、
   前記傾きをγ、前記閾値を１＋Ｋ・ｓｉｎ（２πｔ）（但し、Ｋは定数、ｔは時刻を表す）、任意の正の整数をｐ，ｑとしたとき、
   γ／（２π）≧Ｋ≧｜１−（ｐ／ｑ）γ｜
   を満足することを特徴とする発振装置。

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