JP6751039B2

JP6751039B2 - 測定システム

Info

Publication number: JP6751039B2
Application number: JP2017046137A
Authority: JP
Inventors: 誉宗巻口; 高田　英明; 英明高田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2020-09-02
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: JP2018149006A

Description

本発明は、例えば携帯電話等の端末装置を用いた測定システムに関する。

情報端末装置の進歩は著しいものがある。特に、パーソナルコンピュータ並みの機能を有するスマートフォンやタブレット等のモバイル端末は、アプリケーションソフトの多様性から応用範囲が急速に拡大している。

その応用の一例として、モバイル端末を用いた測定システムが提案されている。例えば非特許文献１に、モバイル端末の音声入出力端子を利用した脈波測定装置が開示されている。

［平成２９年３月１日検索］、インターネット＜URL: http://www.interaction-ipsj.org/archives/paper2012/data/Interaction2012/interactive/data/pdf/2EXB-24.pdf＞

非特許文献１の手法は、脈波信号の時間変化を測定することができる。しかし、例えば抵抗値の絶対値を定量的に検出しようとした場合、モバイル端末から出力される音声信号の電圧の振幅及びモバイル端末内部の回路定数等を事前に知る必要があり、モバイル端末の機種差や個体差等の影響を排除するために、端末装置ごとにキャリブレーション（音声出力の電圧の振幅、電子回路の特性把握に基づくソフトウェアやハードウェアの調整）が必要になるという課題がある。

本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、端末装置ごとのキャリブレーションを行わなくても抵抗値等の絶対値の測定が可能な測定システムを提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る測定システムは、所定の周波数の入力信号を生成する入力信号生成部と、インピーダンス、静電容量、及びインダクタンスの何れかの値に応じて前記入力信号の所定の周波数のパワーを変化させた濾波信号を生成するフィルタ部と、前記濾波信号から、インピーダンス、静電容量、及びインダクタンスの何れかの値に対応させた測定値を生成する測定値生成部とを備え、前記入力信号生成部は、２つのチャネルの前記入力信号を生成し、２つの前記チャネルの一方は前記フィルタ部に接続され、前記チャネルの他方は前記測定値生成部に接続されることを要旨とする。

本発明の測定システムによれば、端末装置ごとのキャリブレーションを行わずとも抵抗値等の測定が可能である。

本発明の第１実施形態に係る測定システムの機能構成例を示す図である。図１に示す入力信号生成部が生成する入力信号（ａ）と、フィルタ部が生成する濾波信号（ｂ）を模式的に示す図である。図１に示す測定システムを、例えばモバイル端末を用いて構成した場合の機能構成例を示す図である。本発明の第２実施形態に係る測定システムを、例えばモバイル端末を用いて構成した場合の機能構成例を示す図である。本発明の第３実施形態に係る測定システムの機能構成例を示す図である。本発明の第４実施形態に係る測定システムの機能構成例を示す図である。図６に示す測定システムのフィルタ部が生成する濾波信号の例を模式的に示す図である。本発明の実施形態に係る測定システムの応用例を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものに
は同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。

〔第１実施形態〕
図１に、本発明の第１実施形態に係る測定システム１の機能構成例を示す。測定システム１は、入力信号生成部１０、フィルタ部２０、及び測定値生成部５０を備える。

入力信号生成部１０は、所定の周波数の入力信号αを生成する。ここで所定の周波数とは、１つ以上の周波数を意味する。入力信号αは、例えば音声帯域の全ての周波数（20〜20kHz）を含んでも良いし、その一部であっても良い。

フィルタ部２０は、インピーダンスの値に応じて入力信号αの所定の周波数のパワーを変化させた濾波信号βを生成する。インピーダンスの値は、抵抗値、容量値、及びインダクタンス値の何れかの値である。

フィルタ部２０は、図１に示すように、抵抗素子３０と容量素子４０とで構成される例えばローパスフィルタである。抵抗素子３０は、例えば可変抵抗器で構成される。抵抗素子３０の抵抗値を変えることで、濾波信号βの遮断周波数の値を変化させる。

図２に、入力信号生成部１０が生成する入力信号αと、フィルタ部２０が生成する濾波信号βを模式的に示す。図２の横軸は周波数[Hz]、縦軸はパワー[dB]である。

図２（ａ）に入力信号αを示す。入力信号αは、複数の周波数を含むパワーが一定の信号である。なお、複数の周波数のそれぞれのパワーは、一定でなくても良い。

図２（ｂ）に濾波信号βを示す。濾波信号βは、抵抗素子３０の抵抗値によって、例えば濾波信号β_１,β_２,β_３と変化する。つまりフィルタ部２０は、抵抗素子３０の抵抗値に応じて入力信号αの周波数のパワーを変化（減衰）させた濾波信号βを生成する。

測定値生成部５０は、濾波信号βから、インピーダンスの値に対応させた測定値を生成する。濾波信号βの遮断周波数ｆｃは、次式で計算できる。ここで容量素子４０の容量値Ｃは既知であるので、遮断周波数ｆｃから抵抗素子３０の抵抗値Ｒを容易に計算することができる。

つまり、測定値生成部５０は、入力信号αのパワーが半分になる濾波信号β_１,β_２,β_３の遮断周波数ｆｃ_１,ｆｃ_２,ｆｃ_３から、インピーダンスの値に対応させた測定値を生成する。この例の測定値は、抵抗素子３０の抵抗値Ｒ_１,Ｒ_２,Ｒ_３である。

測定値生成部５０が生成した抵抗値Ｒ_１,Ｒ_２,Ｒ_３は、そのまま数値として用いても良いし、図示しない制御信号変換部を介してそれぞれに対応させた例えばゲーム等を操作する制御信号に変換しても良い。

このように本実施形態の測定システム１によれば、濾波信号βのパワーと既知の容量値Ｃから、一つの未知数である抵抗素子３０の抵抗値Ｒを計算する。したがって、その計算に当たって、入力信号生成部１０と測定値生成部５０の回路定数やソフトウェア等のキャリブレーションが不要である。

測定システム１は、例えば端末装置を用いて構成することが可能である。図３に、例えばモバイル端末６０を用いて測定システム１を構成した機能構成例を示す。

図３において、入力信号生成部１０と測定値生成部５０は、モバイル端末６０に含まれる。フィルタ部２０は、モバイル端末６０に含まれる入力信号生成部１０と、イヤフォンプラグ７０とイヤフォンケーブル７１とを介して接続される。また、フィルタ部２０と、モバイル端末６０に含まれる測定値生成部５０は、マイクロフォンケーブル８１とマイクロフォンプラグ８０とを介して接続される。なお、イヤフォンプラグ７０とマイクロフォンプラグ８０は、図示を省略しているそれぞれに対応するジャックに挿入される。

このように、測定システム１の入力信号生成部１０と測定値生成部５０は、例えば1つのモバイル端末６０で構成され、フィルタ部２０はモバイル端末６０の外部に設けられる。なお、モバイル端末６０は一例であり、入力信号生成部１０と測定値生成部５０は、パソコン等の他の端末装置で構成しても良い。

なお、図３では、分かり易くする目的でイヤフォンプラグ７０とマイクロフォンプラグ８０を別々に表記している。イヤフォンプラグ７０とマイクロフォンプラグ８０は、４極プラグ（GND,R,L,MIC）等の１つのプラグで構成することも可能である。つまり、モバイル端末６０とフィルタ部２０は、１つのプラグと信号ケーブルを介して接続するようにしても良い。

このようにフィルタ部２０とモバイル端末６０は、モバイル端末６０の音声入出力端子を用いて接続しても良い。この場合、入力信号生成部１０は、モバイル端末６０の音声出力処理部で構成する。また、測定値生成部５０は、モバイル端末６０の音声入力処理部で構成する。

また、モバイル端末６０の音声入力処理部は、周波数分析手段を備える場合が多い。よって、測定値生成部５０は、その周波数分析手段を用いて構成しても良い。周波数分析手段は、例えば高速フーリエ変換である。高速フーリエ変換を用いた場合、測定値生成部５０は、濾波信号βを周波数解析して周波数成分ごとのパワーを計算し、該パワーの比に基づいてフィルタ部２０の遮断周波数ｆｃを計算し、該遮断周波数ｆｃから測定値を計算する。また、一周波数のサイン波を出力し、その周波数を時系列で変化させ、音声入力処理部で測定される振幅が所定の閾値を下回ったときの周波数をフィルタ部２０の遮断周波数ｆｃとして、測定値を計算することもできる。

〔第２実施形態〕
図４に、第２実施形態に係る測定システム２の機能構成例を示す。測定システム２の入力信号生成部１２は、２つのチャネルの入力信号α１,α２を生成する点で、測定システム１（図３）と異なる。

本実施形態においてフィルタ部２０は、２つのチャネルにそれぞれ対応する第１フィルタ部２１と第２フィルタ部２２を備え、測定値生成部５２は、２つのチャネルに対応する２つの測定値を生成する。

２つのチャネルの入力信号α１,α２のそれぞれは、イヤフォンプラグ７０のステレオ信号のＲとＬのチャネルを介して第１フィルタ２１と第２フィルタ２２に入力される。マイクロフォンプラグ８０の入力は、一般的に１チャネルである。したがって、入力信号生成部１２は、入力信号α１,α２のそれぞれを時分割で生成する。又は、周波数帯を変えた周波数分割で生成する。

測定値生成部５２は、時分割処理、又は、周波数分割処理で生成された入力信号α１,α２から、２つの測定値を生成する。２つの測定値は、そのまま数値として用いても良いし、２系統の制御信号に変換して例えばゲーム等の操作入力に用いても良い。

また、入力信号α１,α２のどちらか一方は、入力信号α１,α２を音響信号に変換する音響変換器（スピーカやイヤフォン）に接続しても良い。つまり、２つのチャネルの一方（例えば入力信号α１）は、第１フィルタ部２１に接続し、２つのチャネルの他方（例えば入力信号α２）は、入力信号を音響信号に変換する音響変換器２３に接続しても良い。なお、音響変換器２３の図示は省略する。

このように構成した場合、入力信号α１,α２のどちらか一方は、音響信号に変換される。よって利用者は、効果音を聞きながらゲーム等を操作することが可能になる。

また、入力信号α１,α２のどちらか一方は、直接、測定値生成部５２に接続しても良い。つまり、２つのチャネルの一方（入力信号α１）は第１フィルタ部２１に接続し、２つのチャネルの他方（入力信号α２）は測定値生成部５２に接続しても良い。

このように構成した場合、第２フィルタ部２２を介さないで入力される入力信号α２を観察することで、ケーブル７１,８１や第１フィルタ部２１（第２フィルタ部２２）に混入するノイズの有無の判定が容易になる。その結果、雑音等のノイズ、ケーブル７１,８１の抵抗等による第１フィルタ部２１（第２フィルタ部２２）以外の特性による周波数変化の除去が容易になる。つまり、測定値生成部５２において、入力信号生成部１２が生成した入力信号α２の生の特性からノイズを除去する。雑音の除去は、測定値生成部５２が雑音が無いと判定した場合に測定値を生成すれば、行ったことになる。

また、測定値生成部５２は、第１フィルタ部２１を介して入力される入力信号α１と、直接入力される入力信号α２の振幅を比較して測定値を生成しても良い。つまり、入力信号生成部１２は、２つのチャネルの入力信号α１,α２を生成し、２つのチャネルの一方は第１フィルタ部２１に接続され、２つのチャネルの他方は測定値生成部５２に接続され、測定値生成部５２は、濾波信号βの振幅とチャネルの他方（入力信号α１,α２のどちらか）の振幅から測定値を生成しても良い。

このように構成した場合、入力信号生成部１２の周波数特性は、濾波信号の振幅と他方のチャネルの振幅の両者に影響する。したがってその影響は、差動増幅等の手法で容易にキャンセルすることができる。

〔第３実施形態〕
図５に、第３実施形態に係る測定システム３の機能構成例を示す。測定システム３は、フィルタ部２３の構成が測定システム１（図１）と異なる。フィルタ部２３は、抵抗素子３３が固定抵抗であり、容量素子４３が可変容量である。可変容量は、例えばバリコンである。

このように容量素子４３を可変容量で構成しても上記の実施形態と同様の作用効果を奏する。

容量素子４３は、例えば静電容量変化型の湿度センサで構成することができる。容量素子４３を湿度センサで構成することで、測定システム３は、湿度を測定する測定システムとして作用する。

例えば、静電容量変化型の湿度センサで構成したフィルタ部２３と、モバイル端末６０で構成した入力信号生成部１０と測定値生成部５０とを組み合わせた測定システム３は、携帯型の肌保湿センサを実現する。

〔第４実施形態〕
図６に、第４実施形態に係る測定システム４の機能構成例を示す。測定システム４は、フィルタ部２４を備える点で上記の実施形態と異なる。

フィルタ部２４は、インダクタンス素子５４、容量素子４４、及び抵抗素子３４で構成されるバンドパスフィルタである点で、ローパスフィルタを備える上記の実施形態と異なる。この例では、容量素子４４が可変容量である。

フィルタ部２４をバンドパスフィルタで構成すると、測定値生成部５０において濾波信号βの振幅の絶対値を考慮する必要がなくなる。つまり、測定値生成部５０は、より簡単に測定値を生成することが可能になる。その理由を説明する。

図７に、バンドパスフィルタの通過特性を模式的に示す。図７の横軸は周波数[Hz]、縦軸はパワー[dB]である。図７に示す上に凸の特性は、入力信号αをフィルタ部２４で濾波した濾波特性である。

この場合、測定値生成部５０は、周波数を変えて得られた濾波信号β_４,β_５,β_６から通過中心周波数ｆ_０を求め、容量素子４４の容量値Ｃを計算する。通過中心周波数ｆ_０は次式で表され、インダクタンス素子５４のインダクタンス値Ｌは既知であるので、容量値Ｃは容易に計算できる。

通過中心周波数ｆ_０は、濾波信号βの振幅の相対的な比較で求めることができるので、濾波信号βの絶対値を考慮する必要がない。したがって、より簡単に測定値を生成することが可能である。

（応用例）
図８に、本実施形態の測定システム１を応用した応用例を模式的に示す。応用例は、測定システム１を、ヘッドマウントディスプレイ９０で表示されるゲーム等の制御信号（操作信号）の生成に利用したものである。

ヘッドマウントディスプレイ９０の内部には、上記のモバイル端末６０が組み込まれている。モバイル端末６０は、入力信号生成部１０と測定値生成部５０を備える。モバイル端末６０と、フィルタ部２０は信号ケーブル７２で接続される。

フィルタ部２０の抵抗素子３０は、例えば曲げると抵抗値が変化するひずみゲージで構成される。そして、当該ひずみゲージの部分が屈曲できるようにフィルタ部２０全体を、変形が可能な材料（例えばゴム等）で封止する。

利用者は、封止されたフィルタ部２０の両端部を両手の指先で持ち、ひずみゲージの部分を屈曲させる。屈曲されて変化したひずみゲージのインピーダンスに対応する測定値が、測定値生成部５０から生成される。

このように本実施形態の測定システム１によれば、ヘッドマウントディスプレイ９０に組み込まれてタッチ操作が出来ない状態のモバイル端末６０に対して制御信号を入力することが可能である。

以上説明したように本実施形態の測定システム１〜４によれば、端末装置ごとのキャリブレーションをせずに抵抗値等の測定が可能な測定システムを提供することができる。

なお、フィルタ部２０を、ローパスフィルタとバンドパスフィルタで構成した例で説明したが、ハイパスフィルタを用いても同様の作用効果が得られる。また、バンドパスフィルタは、バンドカットフィルタ・帯域阻止フィルタ（エリミネーションフィルタ）で有っても良い。

このように本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で変形が可能である。

１、２、３、４：測定システム
１０、１２：入力信号生成部
２０：フィルタ部
２１：第１フィルタ部
２２：第２フィルタ部
２３：音響変換器
３０、３３、３４：抵抗素子
４０、４３、４４：容量素子
５０、５２：測定値生成部
５４：インダクタンス素子
６０：モバイル端末
７０：イヤフォンプラグ
７１：イヤフォンケーブル
７２：信号ケーブル
８０：マイクロフォンプラグ
８１：マイクロフォンケーブル
９０：ヘッドマウントディスプレイ
α、α１、α２：入力信号
β、β_１〜β_６：濾波信号
ｆｃ、ｆｃ_１〜ｆｃ_３：遮断周波数
ｆ_０：通過中心周波数

Claims

所定の周波数の入力信号を生成する入力信号生成部と、
インピーダンス、静電容量、及びインダクタンスの何れかの値に応じて前記入力信号の所定の周波数のパワーを変化させた濾波信号を生成するフィルタ部と、
前記濾波信号から、インピーダンス、静電容量、及びインダクタンスの何れかの値に対応させた測定値を生成する測定値生成部と
を備え、
前記入力信号生成部は、２つのチャネルの前記入力信号を生成し、
２つの前記チャネルの一方は前記フィルタ部に接続され、前記チャネルの他方は前記測定値生成部に接続される
ことを特徴とする測定システム。
所定の周波数の入力信号を生成する入力信号生成部と、
インピーダンス、静電容量、及びインダクタンスの何れかの値に応じて前記入力信号の所定の周波数のパワーを変化させた濾波信号を生成するフィルタ部と、
前記濾波信号から、インピーダンス、静電容量、及びインダクタンスの何れかの値に対応させた測定値を生成する測定値生成部と
を備え、
前記入力信号生成部は２つのチャネルの前記入力信号を生成し、
２つの前記チャネルの一方は前記フィルタ部に接続され、前記チャネルの他方は前記測定値生成部に接続され、
前記測定値生成部は、前記濾波信号の振幅と前記チャネルの他方の振幅を比較して前記測定値を生成する
ことを特徴とする測定システム。
前記入力信号生成部と前記測定値生成部は１つの端末装置で構成され、前記フィルタ部は前記端末装置の外部に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の測定システム。
前記測定値生成部は、前記濾波信号の周波数を解析し、前記フィルタ部による周波数成分ごとのパワー変化を計算し、該パワーの比に基づいて前記フィルタ部の遮断周波数を計算し、該遮断周波数から前記測定値を生成することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の測定システム。
前記入力信号生成部が生成する前記入力信号の周波数帯域が音声信号帯域であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の測定システム。
２つの前記チャネルの一方は前記フィルタ部に接続され、前記チャネルの他方は前記入力信号を音響信号に変換する音響変換器に接続されることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
前記フィルタ部は、２つの前記チャネルにそれぞれ対応する第１フィルタ部と第２フィルタ部を備え、
前記測定値生成部は、２つの前記チャネルに対応する２つの前記測定値を生成することを特徴とする請求項１に記載の測定システム。