JP4128191B2 - デジタルデータ記録装置、及び、そのサンプリングデータ特定方法並びにサンプリングデータ特定用プログラム - Google Patents

Description

本発明は、デジタルデータ記録装置、及び、そのサンプリングデータ特定方法並びにサンプリングデータ特定用プログラムに関する。

例えば、ある観測地点における地面の揺れを観測するための地震計とその地震動波形記録装置がある。これは、上記観測地点に設けた地震計から、その地点における地動に応じたアナログ信号を受ける一方で、発振器（例えば水晶発振器）による基準クロック信号を分周してサンプリング時刻に同期したタイミングを生成する。そして、センサからのアナログ信号をサンプリング時刻に同期したタイミングでＡ／Ｄ変換してデジタルデータとし、このデジタルデータを、上記サンプリング時刻とともに記録するものである。この記録されたデジタルデータ及びサンプリング時刻は、例えば地震の震源位置の特定や地震波が伝搬してきた場所の地下構造の推定等に用いられるため、各デジタルデータをサンプリングしたサンプリング時刻を正確に知る必要がある。

ところが、サンプリング時刻に同期したタイミングを定める基準クロック信号の発振周波数が、正確な時間を生成するための発振周波数からずれていることがあるため、正確なサンプリング時刻を記録することができないという問題があった。

これを解決しようとするものとして、下記特許文献１，２に開示された技術がある。
特開２００４−２９０３７公報 特開２００２−１２２４４７公報

しかしながら、上記特許文献１，２の技術は、測位用ＧＰＳ（Global Positioning System）受信機からＧＰＳ信号を受信して、世界共通の絶対時刻を抽出し、この絶対時刻に同期したタイミングで、発振器の基準クロック信号をリセットするようにしている。このため、基準クロック信号の発振周波数にずれが生じている場合、ＧＰＳ信号を受信しない限り、正確なサンプリング時刻を記録することができないという問題が生じる。これに対して、ＧＰＳ信号を頻繁に受信する構成も考えられるが、ＧＰＳ受信機は消費電力（約１．５Ｗ）が比較的に大きいため、好ましい構成とは言えない。しかも、ＧＰＳ受信機は、測地衛星から送信される電波を利用してＧＰＳ信号を受信するため、電波の遅延が生じるとＧＰＳ信号にジッタが発生し、このジッタが基準クロック信号のリセット時に影響を与え、正確な時刻（絶対時刻）に同期させることができなくなるおそれがある。

また、上記特許文献１のように、ＧＰＳ信号の受信を間欠的に行うことで、消費電力の軽減を図るようにしている。しかし、基準クロック信号の発振周波数は、周囲温度変化によって大きく変動するため、このような場合には、結局、頻繁にＧＰＳ信号を受信する必要があり、消費電力が増大してしまう。また、海底や地下坑道のようなＧＰＳ信号を受信できない場所では、基準クロック信号の発振周波数にずれが生じてもそのずれを補正することができない。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、外部から現在時刻情報を頻繁に受信できなかったり、全く受信できなかったりしてもデータの正確な取得時刻を記録することが可能なデジタルデータ記録装置、及び、そのサンプリングデータ特定方法並びにサンプリングデータ特定用プログラムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明に係るデジタルデータ記録装置は、物理量の経時的変化を記録するために、その物理量に対応して変化する被検出信号を、基準クロック信号に基づくタイムベース上における各サンプリングタイミングでデジタルデータとして取得し、それを取得したサンプリング時刻と対応付けて記録するデジタルデータ記録装置であって、前記基準クロック信号を発生する基準クロック発生手段、前記基準クロック信号を分周して前記タイムベース上における各サンプリングタイミングを生成する分周手段、前記タイムベース上の任意の基準タイミングと前記分周手段にて生成されたサンプリングタイミングとの間において、前記基準クロック発生手段で発生された基準クロック信号のクロックをカウントする第１カウンタ手段、前記基準クロック発生手段近傍の温度を測定する第１温度測定手段、前記第１カウンタ手段でカウントされたカウント値と、そのカウント時における前記第１温度測定手段による第１検出温度とを互いに対応付けて時系列で格納する記録手段、及び、演算手段、を備え、前記演算手段は、前記記録手段により前記第１検出温度及びカウント値の時系列データ群が格納された後に、前記第１温度測定手段にて検出され得る各第１検出温度と、前記基準クロック信号の各発振周波数との対応関係を示す第１関係情報を用いて、前記時系列データ群に基づき、温度変化による誤差を是正した正規のサンプリング時刻を算出することを特徴とする。
なお、本発明で、「検出信号」は、物理量（例えば、変位・変形、振動、音波、圧力変化、電磁波の変化、熱、光等）に対応して変化するアナログ信号、デジタル信号のどちらでもよい。
「基準タイミング」には、デジタルデータ装置の電源投入時、測定開始時や測定終了時、外部からの時刻情報の入力（ＧＰＳ受信に限られない）時、特定のサンプリングタイミングなどが含まれる。

請求項２の発明は、請求項１に記載のデジタルデータ記録装置において、外部から現在時刻情報を受信する受信手段を備え、前記基準タイミングは、前記受信手段による前記時刻情報信号の受信タイミングであって、前記算出手段は、前記正規のサンプリング時刻を、前記受信手段で受信した現在時刻情報に基づく時刻情報として算出することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のデジタルデータ記録装置において、前記第１温度測定手段は、水晶温度センサであることを特徴とする。

請求項４の発明に係るデジタルデータ記録装置は、物理量に応じて周波数が変化する被検出信号のパルス数を、基準クロック信号に基づくタイムベース上における各サンプリング時間内でカウントし、そのカウント値及び前記サンプリング時間に基づき各サンプリング時間における前記被検出信号の周波数を取得するデジタルデータ記録装置であって、前記基準クロック信号を発生する基準クロック発生手段、前記基準クロック信号を分周して前記タイムベース上における各サンプリング時間を生成する分周手段、前記サンプリング時間内における前記被検出信号のパルス数をカウントする第２カウンタ手段、前記基準クロック発生手段近傍の温度を測定する第３温度測定手段、前記第２カウンタ手段でカウントされたカウント値と、それをカウントしたサンプリング時間と、そのカウント時における前記第３温度測定手段による第３検出温度とを互いに対応付けて時系列で格納する記録手段、及び、演算手段、を備え、前記演算手段は、前記記録手段により前記カウント値、サンプリング時間及び第３検出温度の時系列データ群が格納された後に、前記第３温度測定手段にて検出され得る各第３検出温度と、前記基準クロック信号の各発振周波数との対応関係を示す第４関係情報を用いて、前記時系列データ群に基づき、温度変化による誤差を是正した正規の周波数を算出することを特徴とする。

請求項５の発明に係るサンプリングデータ特定方法は、物理量に対応して変化する被検出信号を、基準クロック信号を分周して生成した各サンプリングタイミングでデジタルデータとして取得するものにおいて、その取得した正規のサンプリング時刻を特定するサンプリングデータ特定方法であって、前記基準クロック信号に基づくタイムベース上の任意の基準タイミングと前記各サンプリングタイミングとの間において、基準クロック信号のクロックをカウントする一方で、基準クロック信号を生成する基準クロック発生手段近傍の温度を測定し、その結果得られたカウント値と、そのカウント時における第１検出温度とを互いに対応付けて時系列で記録しておき、その後に、前記カウント値及び第１検出温度の時系列データ群から、各第１検出温度と、前記基準クロック信号の各発振周波数との対応関係を示す第１関係情報を用いて、温度変化による誤差を是正した正規のサンプリング時刻を算出することを特徴とする。

請求項６の発明に係るサンプリングデータ特定方法は、物理量に応じて周波数が変化する被検出信号のパルス数を、基準クロック信号を分周して生成した各サンプリング時間内でカウントし、そのカウント値及び前記サンプリング時間に基づき各サンプリング時間における前記被検出信号の周波数を特定するサンプリングデータ特定方法であって、前記サンプリング時間内における前記被検出信号のパルス数をカウントする一方で、前記基準クロック信号を生成する基準クロック発生手段近傍の温度を測定し、その結果得られたカウント値、そのカウント時のサンプリング時間及び第３検出温度を互いに対応付けて時系列で記録しておき、その後に、前記カウント値、サンプリング時間及び第３検出温度の時系列データ群から、各第３検出温度と、前記基準クロック信号の各発振周波数との対応関係を示す第４関係情報を用いて、温度変化による誤差を是正した正規の周波数を算出することを特徴とする。

請求項７の発明に係るサンプリングデータ特定用プログラムは、物理量に対応して変化する被検出信号を、基準クロック信号を分周して生成した各サンプリングタイミングでデジタルデータとして取得するデジタルデータ記録装置のコンピュータに、その取得した正規のサンプリング時刻を特定させるためのサンプリングデータ特定用プログラムであって、前記コンピュータに、前記基準クロック信号に基づくタイムベース上の任意の基準タイミングと前記各サンプリングタイミングとの間において、基準クロック発生手段で発生された基準クロック信号のクロックをカウントしたカウント値を得るカウント値取得処理、前記基準クロック発生手段近傍の温度を測定する第１温度測定手段からの温度検出信号に基づき、前記カウント処理中における第１検出温度を得る第１温度測定処理、前記カウント値及び前記第１検出温度を互いに対応付けて時系列でメモリに格納する格納処理、前記格納処理後に、予めメモリに記録された、前記第１温度測定手段にて検出され得る各第１検出温度と、前記基準クロック信号の各発振周波数との対応関係を示す第１関係情報を読み出して、格納された第１検出温度及びカウント値の時系列データ群に基づき、温度変化による誤差を是正した正規のサンプリング時刻を算出する算出処理、を実行させることを特徴とする。

請求項８の発明に係るサンプリングデータ特定用プログラムは、物理量に応じて周波数が変化する被検出信号のパルス数を、基準クロック信号を分周して生成した各サンプリング時間内でカウントし、そのカウント値及び前記サンプリング時間に基づき各サンプリング時間における前記被検出信号の周波数を取得するデジタルデータ記録装置のコンピュータに、その取得した正規の周波数を特定させるためのサンプリングデータ特定用プログラムであって、前記コンピュータに、前記サンプリング時間内における前記被検出信号のパルス数をカウントした第２カウント値を得る第２カウント値取得処理、前記基準クロック発生手段近傍の温度を測定する第３温度測定手段からの温度検出信号に基づき、前記カウント処理中における第３検出温度を得る第３温度測定処理、前記第２カウンタ値取得処理で得られたカウント値と、それをカウントしたサンプリング時間と、そのカウント時における前記第３検出温度とを互いに対応付けて時系列で格納する格納処理、前記格納処理後に、予めメモリに記録された、前記第３温度測定手段にて検出され得る各第３検出温度と、前記基準クロック信号の各発振周波数との対応関係を示す第４関係情報を用いて、格納されたカウント値、サンプリング時間及び第３検出温度の時系列データ群に基づき、温度変化による誤差を是正した正規の周波数を算出する算出処理、を実行させることを特徴とする。

＜請求項１，５，７の発明＞
タイムベースの基準となる基準クロック信号の発振周波数は、それを発生する発振器の周囲温度変化によって大きく変動する。この発振周波数と、周囲温度との関係は、実験結果や発振器の規格等に基づき関係式や対応テーブル表として把握することができる。本願発明は、基準クロック信号の発振周波数が、温度変化によって変動することに着目して創作されてものである。

即ち、本構成では、例えば、基準クロック発生手段近傍の各第１検出温度と、基準クロック信号の各発振周波数との対応関係を示す第１関係情報を予め用意しておく。そして、基準クロック信号を分周して生成された各サンプリングタイミングと、任意の基準タイミングとの間に、基準クロック信号のクロックをカウントするとともに、その間における基準クロック発生手段近傍の第１検出温度検出し、これにより得られたカウント値及び第１検出温度を格納する。

次いで、その第１検出温度及び上記第１関係情報から、上記カウント値をカウントしていたときの基準クロック発生手段の実際の発振周波数が分かる。これにより、正規のサンプリング時刻を生成するための正規発振周波数に対するずれを知ることができる。従って、実際の発振周波数と正規発振周波数のずれを考慮してタイムベースを修正し、上記カウント値に基づき任意の基準タイミングを基準とする正規のサンプリング時刻を算出することができる。

このような構成であれば、例えば外部から正確な時刻情報等を頻繁に受信することなく、また、発振器の基準クロック信号をリセットするなどのハードウエア回路構成による補正を行うことなく、温度変化を測定することにより把握した、基準クロック信号の発振周波数変動からタイムベースの乱れを事後的に修正して正規のサンプリング時刻を算出することができる。

＜請求項２の発明＞
本構成によれば、外部から現在時刻情報を受信することで、修正したタイムベースの信頼性を高めることが可能となる。また、本構成では、ソフトウエア処理により正規のサンプリング時刻を算出する構成であり、ハードウエア回路構成によって基準クロック信号をリセットする前述した従来の構成とは異なる。従って、
外部から現在時刻情報を受信（ＧＰＳ信号を受信）しても、複数回の受信データを平均化する演算処理により電波の遅延によるジッタの影響を回避できる。

＜請求項３の発明＞
温度測定手段として、水晶温度センサを使用すれば、例えばサーミスタなどの他の温度測定素子を使用した場合に比べて、消費電力を軽減でき、測定精度もよい。

＜請求項４，６，８の発明＞
サンプリング時間の基準となる基準クロック信号は、基準クロック発生手段近傍の温度によって変動する。従って、温度変化によってサンプリング時間が変動するため、これに基づいて算出した周波数は正規の周波数に対して誤差が生じる。そこで、本構成では、基準クロック発生手段近傍の温度と、基準クロック信号の発振周波数との対応関係を示す第４関係情報を予め用意しておき、サンプリング時間、その時間内でのカウント値及び第３検出温度を格納する。
次いで、その第３検出温度と第４関係情報から、正規のサンプリング時間を知ることができ、その正規のサンプリング時間内での正確なカウント値も知ることができ、これにより、正規の周波数を算出することができる。

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を図１〜図４を参照しつつ説明する。
本実施形態のデジタルデータ記録装置１０は、例えば観測地点に配置した地震計（図示せず）からその観測地点における地動に応じたアナログ信号Ｓ１（図２（ａ）参照）を受け、そのアナログ信号Ｓ１をサンプリングタイミングで順次Ａ／Ｄ変換して、そのサンプリング時刻とともにデジタルデータとして記録するためのものである。

１．ハードウエア構成
図１は、本実施形態に係るデジタルデータ記録装置１０のハードウエア構成図である。このデジタルデータ記録装置１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）１１と、水晶発振器１２と、分周回路１３と、Ａ／Ｄ変換器１４と、情報記録装置１５（メモリ）とを有して構成されたデータロガー回路が備えられている。そして、このデータロガー回路に、温度センサ１６と、カウンタ回路１８と、ＧＰＳ受信機１７とを組み込んで構成されている。

（１）データロガー回路
まず、データロガー回路の構成について説明する。水晶発振器１２は、図２（ｃ）に示すように、このデータロガー回路内におけるタイムベースの基準となる基準クロック信号Ｓ２を生成する。分周回路１３は、この基準クロック信号Ｓ２を分周してサンプリングタイミングを生成し（同図（ｂ）参照）、このサンプリングタイミングでＡ／Ｄ変換器１４にＡ／Ｄ変換命令信号Ｓ３を与える。水晶発振器１２からの基準クロック信号Ｓ２は、高周波クロック信号であるため、分周回路１３は、基準クロック信号Ｓ２を、Ａ／Ｄ変換器１４の変換速度に適した周波数に分周する役目を果たしている。本実施形態では、水晶発振器１２からの基準クロック信号Ｓ２の発振周波数が例えば１００KHzのとき、これを分周回路１３で分周（分周比１／１０００）して１００Hzのサンプリングタイミングを生成する。

Ａ／Ｄ変換器１４は、分周回路１３からのＡ／Ｄ変換命令信号Ｓ３と、上記センサからのアナログ信号Ｓ１とが与えられるようになっている。Ａ／Ｄ変換器１４は、分周回路１３で生成されるサンプリングタイミングでＡ／Ｄ変換命令信号Ｓ３を受けて、アナログ信号Ｓ１をＡ／Ｄ変換してデジタル信号として出力する。ＣＰＵ１１は、このデジタル信号を受けて、例えば地震動の大きさを示すデジタルデータとして情報記録装置１５の所定の第１記録領域に記録する。

情報記録装置１５は、例えばハードディスク、フロッピーディスク（登録商標）、ＭＯ、フラッシュメモリやＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に対して、ＣＰＵ１１のプログラムや各種データを読み込みまたは記録することができる。また、本実施形態に係るサンプリング時刻及びデジタルデータ特定用プログラムは、この情報記録装置１５の所定の第２記録領域に記録され、ＣＰＵ１１に導入されることにより、このＣＰＵ１１に後述する演算処理を実行させるものである。

（２）データロガー回路以外の回路要素
温度センサ１６は、本実施形態では、例えばサーミスタなど、検出温度に応じた電気信号である温度検出信号Ｓ４を出力する温度検出素子を有している。温度センサ１６からの温度検出信号Ｓ４は、図示しないＡ／Ｄ変換器によってＡ／Ｄ変換されてＣＰＵ１１に与えられる。また、この温度センサ１６は、実際の回路上では、水晶発振器１２とＡ／Ｄ変換器１４の周囲温度を測定するために、これらの近傍に配置されている。

ＧＰＳ受信機１７は、ＧＰＳ（Global Positioning System）信号Ｓ５を受信して、世界共通の絶対時刻及びその絶対時刻に同期したクロックパルスを抽出するものである。ＧＰＳ受信機１７は、例えばＣＰＵ１１からの制御信号を受けるとＧＰＳ信号Ｓ５を受信し、その受信タイミングで受信通知信号Ｓ６をカウンタ回路１８に与える。それと共に、ＧＰＳ受信機１７は、抽出した現在時刻データ等をＣＰＵ１１に与え、ＣＰＵ１１によって情報記録装置１５の第１記録領域に書き込まれる。本実施形態では、例えばデータロガー回路の起動時に、まず、ＧＰＳ受信機１７によるＧＰＳ信号Ｓ５の受信を行い、その後は、適宜のタイミングで行うようにしている。

カウンタ回路１８は、水晶発振器１２からの基準クロック信号Ｓ２のクロックをカウントするものであり、分周回路１３からのＡ／Ｄ変換命令信号Ｓ３、及び、ＧＰＳ受信機１７からの受信通知信号Ｓ５が入力される。具体的には、カウンタ回路１８は、ＧＰＳ受信機１７からの受信通知信号Ｓ６の入力タイミングで基準クロック信号Ｓ２のクロック数のカウント動作を開始し、その後、分周回路１３からＡ／Ｄ変換命令信号Ｓ３が入力されたそのときのカウント値をラッチしてＣＰＵ１１に与える。また、複数のＧＰＳ信号Ｓ５が入力されれば、それに対応させてＡ／Ｄ変換命令信号Ｓ３によりカウント値をラッチしてＣＰＵ１１に順次与える。また、ＣＰＵ１１は、例えば、各サンプリングタイミングに同期したタイミングで温度センサ１６からの温度検出信号Ｓ４を読み込んで検出温度データを取得する。

このように、各サンプリングタイミングでＣＰＵ１１に与えられる、カウント値、デジタルデータ及び検出温度データは、互いに対応付けられつつ時系列で順次情報記録装置１５の第１記録領域に記録されていく。

２．正規のサンプリング時刻及び正規のデジタルデータを特定するための方法及びそのＣＰＵ１１による演算処理
本実施形態は、既に、第１記録領域に記録された、カウント値、デジタルデータ及び検出温度データの時系列データ群を基に、「正規のサンプリング時刻」及び「正規のデジタルデータ」への修正を、ＣＰＵ１１による演算処理で事後的に行うものである。なお、本実施形態（図１）では、ＣＰＵ１１を用いて情報記録装置１５に記録しているが、ＣＰＵ１１を用いずに順序回路で各データを情報記録装置１５に書き込み、後で、別のＣＰＵ１１でデータを読み出して演算処理を行う構成であってもよい。

（１）「正規のサンプリング時刻」の特定
水晶発振器１２からの基準クロック信号Ｓ２の発振周波数が、絶対時刻のクロックパルスに同期したサンプリングタイミングを生成することが可能になると想定した想定周波数ｆ’であれば、その想定周波数ｆ’と上記各カウント値から、実際にアナログ信号Ｓ１をＡ／Ｄ変換して各デジタルデータを取得した「正規のサンプリング時刻」を求めることができる。

しかし、実際には、基準クロック信号Ｓ２の発振周波数は、主として周囲温度変化によって上記想定周波数ｆ’からずれる。そうすると、これを分周して生成されるサンプリングタイミング（Ａ／Ｄ変換命令信号Ｓ３の出力タイミング）もずれるため、何らかの補正をしなければ、各デジタルデータを実際に取得した「正規のサンプリング時刻」を特定することができない。

そこで、本実施形態では、基準クロック発生手段としての水晶発振器１２のずれを、水晶発振器１２近傍で測定した温度で補正する。基準クロックに使用する水晶発振器１２を構成する水晶振動子の発振周波数のずれの原因はほとんど周囲温度変化によるものと考えられるからである。安定した発振周波数出力を得る場合、通常は、水晶発振器１２を恒温槽に入れ、水晶振動子周辺の温度を一定に保つ。しかしながら、恒温槽を用いるとデータロガー回路の消費電力が多くなってしまう。従って、この水晶発振器１２の水晶振動子の周波数温度特性を知ることができれば、水晶発振器１２の周囲温度変化を検出することにより、それに伴う発振周波数のずれ量を求めることができ、このずれ量からサンプリングタイミングのずれ量を推定することが可能となる。

より具体的には、本実施形態で使用する水晶発振器１２では、図３（ａ）に示す周波数温度特性を示す音叉型振動子や、同図（ｂ）に示す周波数温度特性を示すＡＴ振動子を使用する。そして、これらの振動子の周波数温度特性は、実験的に求めることもできるが、中周波水晶振動子の商品カタログ等にも記載されていることがある。

例えば音叉振動子の場合は、図３（ａ）の周波数温度特性曲線から次の温度依存性が分かる。
（ａ）発振周波数の頂点は、２５℃±５℃にある。
（ｂ）温度係数ａ＝−０．０４ppm／℃２である。

仮に、水晶発振器１２は、周囲温度が２５℃で、上記想定周波数ｆ’（例えば１００KHz）の基準クロック信号Ｓ２を発生させるとする。なお、以下、このときの周囲温度２５℃を基準温度という。ここで、例えば周囲温度が２５℃から１０℃に変化した場合、次の第１換算式（第１関係情報）から、温度変化による基準クロック信号Ｓ２の周波数変化量Δｆを算出することができる。

基準クロック信号Ｓ２の周波数変化量Δｆ＝ｆ’×ａ
但し、温度係数ａ＝−ｋ／（基準温度−検出温度）２
この場合（ｋ＝−０．０４ppm）、基準クロック信号Ｓ２の発振周波数は、１７．８×１０−６だけ遅くなる。換言すれば、基準クロック信号Ｓ２の発振周波数は、１７．８μsec長くなる。このように、想定周波数ｆ’に対して周囲温度変化によって変動した実際の発振周波数ｆ”のずれ量を知ることができるから、このずれ量を考慮して想定周波数ｆ’に基づくタイムベースを、実際の周波数ｆ”に基づくタイムベースに修正（変換）できる。そして、この修正後のタイムベースを基に正規のサンプリング時刻を特定することができるのである。

（２）「正規のデジタルデータ」の特定
Ａ／Ｄ変換器１４は、例えば逐次比較型の１６ビットＡ／Ｄ変換器であり、この基準電圧も周囲温度に応じて変化し、これによりダイナミックレンジが変わるため、正規のデジタルデータが得られなくなる。しかし、基準電圧−周囲温度特性が予め分かっていれば、デジタルデータ取得時の周囲温度を検出することにより、これらを基に正規のデジタルデータへの修正が可能になる。

仮に、周囲温度が２５℃（基準温度）のときの想定基準電圧レベルＶ’（例えば２．５ｖ）で、正規のデジタル値を得ることができるとすると、次の第２換算式（第２関係情報）から、記録したデジタル値を正規のデジタル値に変換（修正）することができる。

正規のデジタル値＝記録したデジタル値×（Ｖ’／Ｖ”）
但し、
Ｖ’／Ｖ”：温度変化による基準電圧の変動割合
Ｖ”：温度変化後の基準電圧（＝Ｖ’×ｈ（検出温度−基準温度））
ｈ：単位温度当たりの基準電圧の変動量

（３）ＣＰＵによる演算処理
次にＣＰＵ１１による具体的演算処理について、図４を参照しつつ説明する。演算処理が実行されると、ＣＰＵ１１は、まずＳ１で、第１記録領域に記録された、現在時刻データ、カウント値、デジタルデータ及び検出温度データの時系列を読み出す。また、情報記録装置１５の第３記録領域には、上記第１及び第２の換算式による演算処理を実行するためのプログラムが記録されている。ＣＰＵ１１は、Ｓ２で、第１換算式のプログラムを読み出して、この第１換算式を用いて検出温度データの時系列を基準クロック信号Ｓ２の実際の発振周波数ｆ”の時系列に変換する。そして、Ｓ３で、カウント値の時系列に対して、それぞれのカウント値に対応する各実際の発振周波数ｆ”を除算することにより、現在時刻を基準時間として、ここから正規のサンプリングタイミングをそれぞれ算出することができる。

次いで、Ｓ４で、ＣＰＵ１１は、第２換算式のプログラムを読み出して、この第２換算式及び検出温度データの時系列を用いて、第３記録領域から読み出したデジタル値の時系列を、正規のデジタル値の時系列に変換する。

３．本実施形態の効果
以上のように、本実施形態では、サンプリング時に水晶発振器１２及びＡ／Ｄ変換器１４の周囲温度を検出しておき、これを第１及び第２の換算式を用いて、基準クロック信号Ｓ２及び基準電圧のずれ量を考慮した正規のサンプリング時刻及び正規のデジタル値を得ることができる。しかも、測定開始時間から測定終了時間までに少なくとも１回ＧＰＳ受信を行えば、そのときの時間を基準時間とした正規のサンプリング時刻を算出することができ、頻繁にＧＰＳ受信を行う必要がない。

また、ＧＰＳ受信タイミングは、Ａ／Ｄ変換タイミング間隔（サンプリングタイミング間隔）よりも高速である基準クロック信号Ｓ２のクロックタイミングで検知するため、Ａ／Ｄ変換タイミング間隔（サンプリングタイミング間隔）よりも正確なＧＰＳ受信タイミングを捉えることができる。
また、基準クロック用の発振器の温度変化による周波数変動を発振器の近傍で測定した温度情報を用いて是正することで、ほとんど正確なサンプリング時刻を特定することができる。

＜実施形態２＞
図５〜７は実施形態２を示す。前記実施形態との相違は、温度検出方法にあり、その他の点は前記実施形態１と同様である。従って、実施形態１と同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。

本実施形態に係るデジタルデータ記録装置２０は、図５に示すように、上記温度センサ１６の代わりに、水晶温度センサ２１を利用するものである。具体的には、水晶温度センサ２１は、発振周波数の温度依存性が極めて高い水晶振動子（図７は、その一例としてセイコーエプソン社のＨＴＳ−２０６の周波数温度特性を示す。常温における温度係数は、約−３０ppm/℃である。）を備え、周囲温度に応じた発振周波数の発振信号Ｓ７を出力する。また、この水晶温度センサ２１は、実際の回路では、やはり水晶発振器１２とＡ／Ｄ変換器１４の周囲温度を測定するために、これらの近傍に配置されている。

分周回路２２は、水晶温度センサ２１からの発振信号Ｓ７を分周した分周信号Ｓ８をカウンタ回路１８に与える。つまり、カウンタ回路１８は、水晶温度センサ２１の発振周波数（周囲温度）に応じた周期で分周信号Ｓ８のクロックを受けることになる。

カウンタ回路１８は、水晶発振器１２からの基準クロック信号Ｓ２のクロックをカウントするものである。また、カウンタ回路１８は、上述したように、分周回路１３からのＡ／Ｄ変換命令信号Ｓ３、分周回路２２からの分周信号Ｓ８のクロック、及び、ＧＰＳ受信機１７からの受信通知信号Ｓ６が入力される。具体的には、カウンタ回路１８は、ＣＰＵ１１によるスイッチ素子（図示せず）への制御によって、通常は、水晶温度センサ２１の発振周波数に応じた周期の分周信号Ｓ５が入力される一方で、ＧＰＳ信号受信時には、その受信通知信号Ｓ５が入力されるように選択的に入力切り替えが行われる。

そして、カウンタ回路１８は、上記分周信号Ｓ８のクロックの入力、又は、受信通知信号Ｓ６の入力があったときに、基準クロック信号Ｓ２のクロック数をカウントし始める。そして、カウンタ回路１８は、次のサンプリングタイミング時にＡ／Ｄ変換命令信号Ｓ３の入力があったときにそのときのカウント値をラッチする。ＣＰＵ１１は、このラッチされたカウント値を、上記サンプリングタイミング時にＡ／Ｄ変換されたデジタルデータと対応付けて情報記録装置１５の第１記録領域に記録する。

このような動作を繰り返すことにより、カウント値とデジタルデータとが時系列で第１記録領域に順次記録されていく。

その後、演算処理が実行されると、ＣＰＵ１１は、図６に示すように、Ｓ１１でまず第１記録領域に記録された、現在時刻データ、カウント値、デジタルデータの時系列を読み出す。そして、Ｓ１２でカウント値の時系列から水晶温度センサの発振周期の時系列を求める。なお、温度測定用に製作された水晶温度センサ２１の温度係数は、音叉型水晶振動子を用いた水晶発振器１４の温度係数よりも大きく、常温では約−３０ppm/℃の温度係数であり、このように温度変化によって変動する基準クロック信号Ｓ２のクロック数によってもほぼ正確な発振周期を求めることが可能である。そして、Ｓ１３で、例えば第３記録領域に記録された、水晶温度センサ２１の周波数温度特性の関係式又は対応テーブルを読み出して、この発振周期の時系列を、検出温度データの時系列に変換する。これにより、各サンプリングタイミング時において水晶温度センサ２１が検出した検出温度の時系列を算出することができる。これ以降は、実施形態１で説明したＳ２〜Ｓ４と同じ処理であり、図６についても同じ符号を付けて説明を省略する。

このような構成であっても、上記実施形態１と同様の効果が得られる他、水晶温度センサ２１を使用することにより消費電力の軽減を図ることができる。

＜実施形態３＞
図８，９は実施形態３を示す。前記実施形態との相違は、温度検出方法にあり、その他の点は前記実施形態１と同様である。従って、実施形態１と同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。
本実施形態のデジタルデータ記録装置３０は、センサに電力を供給する電源回路近傍の温度変化に伴う電源電圧変動による影響をも除去できるものである。具体的には、上記アナログ信号Ｓ１は、発磁体Ｗを検出するための磁気センサ３１から出力される信号である。この磁気センサ３１は、デテクター３２と、そのデテクター３２に接続された信号線の先端に設けられた検出ヘッド３３とからなるヘッド分離型の磁気センサである。検出ヘッド３３は、検出領域に向けて配され、検出領域に位置する被検出物Ｗ（発磁体）と検出ヘッド３３との位置偏差に応じたレベルのアナログ信号Ｓ１がデテクター３２から出力される。このデテクター３２は電源回路３４からの電力供給によって駆動するものであり、デジタルデータ記録装置３０は、この電源回路３４の電源電圧を測定する電圧測定手段３５を備え、その測定電圧信号Ｓ９がＣＰＵ１１によって上記サンプリングタイミングで順次読み込まれて情報記録装置１５の第１記録領域に記録される。

さて、電源回路３４の電源電圧はその電源回路３４近傍の温度変化によって変動し、これに伴ってデテクター３２から出力されるアナログ信号Ｓ１のレベルの変動する。そうすると、たとえ水晶発振器１２及びＡ／Ｄ変換器１４の周囲温度変化に基づきデジタル値を補正したとしても、検出ヘッド３３と被検出物Ｗとの位置偏差に応じた正規のデジタル値を得ることができなくなることがあり得る。

そこで、本実施形態では、例えば、図９に示すように、電源回路３４の電源電圧変化と、デテクター３２からのアナログ信号Ｓ１のレベル変化との関係を実験的に求める。この関係グラフにより、想定した電源電圧に対する電源電圧変化に対応するアナログ信号Ｓ１のレベル変動割合を知ることができる。従って、例えばこの関係グラフから、例えば電源電圧変化と、アナログ信号Ｓ１のレベル変動割合との対応関係を示す関係式や対応テーブル表（第３関係情報）を作成し、情報記録装置１５の第３記録領域に予め記録しておく。そして、図４のＳ４の処理の前又は後で、ＣＰＵ１１は、現在処理しているデジタル値に対応する電源電圧情報を第１記録領域から読み出して、それに対応するアナログ信号Ｓ１のレベル変動割合を、上記デジタル値に乗算することで、電源電圧変動による影響を除去した正規のデジタル値を得ることができる。

＜実施形態４＞
図１０は実施形態４を示す。前記実施形態との相違は、温度検出方法にあり、その他の点は前記実施形態１と同様である。従って、実施形態１と同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。
本実施形態のデジタルデータ記録装置４０は、容量変化型変位センサ４１からの周波数信号Ｓ１０（被検出信号）のパルス数を、予め想定したゲート時間（サンプリング時間）内でカウントし、そのカウント値を上記ゲート時間で除算して周波数を算出するものである。容量変化型変位センサ４１は、ＲＣ並列回路４２を有し、被検出物Ｗ’の変位量に応じた周波数の周波数信号Ｓ１０を出力する。カウンタ回路１８は、例えば周波数信号Ｓ１０の立下りエッジで１カウントずつカウントする。
分周回路１３は、基準クロック信号Ｓ２を分周してサンプリングタイミングに同期した分周信号Ｓ１１をカウンタ回路１８に与える。カウンタ回路１８は、分周信号Ｓ１１に基づき各サンプリングタイミング間のサンプリング時間内における上記周波数信号Ｓ１０のパルス数のカウント値をＣＰＵ１１に順次与える。また、ＣＰＵ１１は、各サンプリングタイミングで温度センサ１６から温度検出信号Ｓ４を読み込んで、この検出温度データを、上記カウント値と対応付けて第１記録領域に記録する。
ここで、ＣＰＵ１１は、検出温度データと、上記実施形態１の第１換算式（第４関係情報）とから、周囲温度２５℃における想定周波数ｆ’に対して基準クロック信号Ｓ２の周波数のずれ量を求める。そして、このずれ量から、カウンタ回路１８からカウント値を受けた各サンプリングタイミング間のサンプリング時間を正規のサンプリング時間に補正する。そして、補正後の正規のサンプリング時間内での正規のカウント値（周波数信号Ｓ１０のパルス数）を、正規のサンプリング時間で除算することで、被検出物Ｗ’の変位量に対応して正規の周波数を算出することができる。
また、上記実施形態１と同様、正規の各サンプリングタイミング（サンプリング時刻）も算出して補正することができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記実施形態１で、カウンタ回路１８は、ＧＰＳ受信機１７の受信タイミングでカウントを開始し、Ａ／Ｄ変換命令信号Ｓ３の各入力タイミングでカウント値をラッチする構成であったが、これに限らず、Ａ／Ｄ変換命令信号Ｓ３の各入力タイミング（各サンプリングタイミング）でカウント動作を開始し、ＧＰＳ受信機１７の受信タイミングでそのときのカウント値をラッチする構成であっても、このカウント値に基づいて正規のサンプリング時刻を算出することができる。

（２）各実施形態では、第１及び第２の温度測定手段を、１つの温度センサ１６等としたが、これに限らず、水晶発振器１２とＡ／Ｄ変換器１４とで専用の温度センサを設ける構成であってもよい。

（３）上記実施形態では、第１及び第２の関係情報を、第１及び第２の換算式としたが、これに限らず、記録容量に余裕があれば、それぞれの対応関係テーブル情報であってもよい。

（４）実施形態２では、ＧＰＳ信号又は水晶温度センサからの信号が入力されてから、次のＡ／Ｄ変換のタイミングまでの、基準クロックをカウントする構成に限らず、Ａ／Ｄ変換のタイミングから、ＧＰＳ信号又は水晶温度センサからの信号が入力されるまでの、基準クロックをカウントする構成であってもよい。

（５）上記各換算式は、例えば実験結果のプロットの近似曲線から導出したものであってもよい。

（６）上記各実施形態では、サンプリング時刻、デジタル値等を補正する演算処理を、被検出信号のサンプリング処理に並行して行う構成としたが、これに限らず、一旦、演算処理前のサンプリングデータを情報記録装置１５に記録しておいて、これらを通信回線を介して遠隔地のコンピュータに送信し、このコンピュータで演算処理を行う構成であってもよい。また、情報記録装置１５に記録されたサンプリングデータを、メモリチップ等の記録媒体に記録して、遠隔地のコンピュータにその記録媒体内のサンプリングデータを読み込ませて演算処理を行う構成であってもよい。

（７）上記実施形態３では、電源回路３４の電源電圧変化と、デテクター３２からのアナログ信号Ｓ１のレベル変化との関係に基づき、センサに電力を供給する電源回路近傍の温度変化に伴う電源電圧変動による影響をも除去する構成としたが、電源回路３４の電源電圧変化と周囲温度との間には相関関係があるため、電源回路３４近傍の周囲温度変化と、デテクター３２からのアナログ信号Ｓ１のレベル変化との関係に基づきセンサに電力を供給する電源回路近傍の温度変化に伴う電源電圧変動による影響をも除去する構成であってもよい。

本発明の実施形態１に係るデジタルデータ記録装置のハードウエア構成図 アナログ信号、Ａ／Ｄ変換命令信号及び基準クロック信号のタイムチャート 中周波水晶振動子の周波数温度特性を示すグラフ ＣＰＵによる演算処理を示すフローチャート 実施形態２に係るデジタルデータ記録装置のハードウエア構成図 ＣＰＵによる演算処理を示すフローチャート 水晶温度センサの周波数温度特性の一例を示すグラフ 実施形態３に係るデジタルデータ記録装置のハードウエア構成図 デテクターへの印加電圧と、出力電圧との関係を示すグラフ 実施形態４に係るデジタルデータ記録装置のハードウエア構成図

符号の説明

１０，２０，３０，４０…デジタルデータ記録装置
１１…ＣＰＵ（演算手段）
１２…水晶発振器（基本クロック発生手段）
１３…分周回路（分周手段）
１４…Ａ／Ｄ変換器（Ａ／Ｄ変換手段）
１５…情報記録装置（記録手段）
１６…温度センサ（第１、第２、第３温度測定手段）
１７…ＧＰＳ受信機（受信手段）
１８…カウンタ回路（第１、第２カウンタ手段）
２１…水晶温度センサ（第１温度測定手段、第２温度測定手段）
３１…磁気センサ（センサ）
３４…電源回路
３５…電圧測定手段（測定手段）
Ｓ１…アナログ信号（被検出信号）
Ｓ２…基準クロック信号
Ｓ３…Ａ／Ｄ変換命令信号
Ｓ５…ＧＰＳ信号
Ｓ１０…周波数信号（被検出信号）

Claims (8)

1. 物理量の経時的変化を記録するために、その物理量に対応して変化する被検出信号を、基準クロック信号に基づくタイムベース上における各サンプリングタイミングでデジタルデータとして取得し、それを取得したサンプリング時刻と対応付けて記録するデジタルデータ記録装置であって、
   前記基準クロック信号を発生する基準クロック発生手段、
   前記基準クロック信号を分周して前記タイムベース上における各サンプリングタイミングを生成する分周手段、
   前記タイムベース上の任意の基準タイミングと前記分周手段にて生成されたサンプリングタイミングとの間において、前記基準クロック発生手段で発生された基準クロック信号のクロックをカウントする第１カウンタ手段、
   前記基準クロック発生手段近傍の温度を測定する第１温度測定手段、
   前記第１カウンタ手段でカウントされたカウント値と、そのカウント時における前記第１温度測定手段による第１検出温度とを互いに対応付けて時系列で格納する記録手段、
   及び、演算手段、を備え、
   前記演算手段は、前記記録手段により前記第１検出温度及びカウント値の時系列データ群が格納された後に、前記第１温度測定手段にて検出され得る各第１検出温度と、前記基準クロック信号の各発振周波数との対応関係を示す第１関係情報を用いて、前記時系列データ群に基づき、温度変化による誤差を是正した正規のサンプリング時刻を算出することを特徴とするデジタルデータ記録装置。
2. 外部から現在時刻情報を受信する受信手段を備え、
   前記基準タイミングは、前記受信手段による前記時刻情報信号の受信タイミングであって、
   前記算出手段は、前記正規のサンプリング時刻を、前記受信手段で受信した現在時刻情報に基づく時刻情報として算出することを特徴とする請求項１に記載のデジタルデータ記録装置。
3. 前記第１温度測定手段は、水晶温度センサであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のデジタルデータ記録装置。
4. 物理量に応じて周波数が変化する被検出信号のパルス数を、基準クロック信号に基づくタイムベース上における各サンプリング時間内でカウントし、そのカウント値及び前記サンプリング時間に基づき各サンプリング時間における前記被検出信号の周波数を取得するデジタルデータ記録装置であって、
   前記基準クロック信号を発生する基準クロック発生手段、
   前記基準クロック信号を分周して前記タイムベース上における各サンプリング時間を生成する分周手段、
   前記サンプリング時間内における前記被検出信号のパルス数をカウントする第２カウンタ手段、
   前記基準クロック発生手段近傍の温度を測定する第３温度測定手段、
   前記第２カウンタ手段でカウントされたカウント値と、それをカウントしたサンプリング時間と、そのカウント時における前記第３温度測定手段による第３検出温度とを互いに対応付けて時系列で格納する記録手段、
   及び、演算手段、を備え、
   前記演算手段は、前記記録手段により前記カウント値、サンプリング時間及び第３検出温度の時系列データ群が格納された後に、前記第３温度測定手段にて検出され得る各第３検出温度と、前記基準クロック信号の各発振周波数との対応関係を示す第４関係情報を用いて、前記時系列データ群に基づき、温度変化による誤差を是正した正規の周波数を算出することを特徴とするデジタルデータ記録装置。
5. 物理量に対応して変化する被検出信号を、基準クロック信号を分周して生成した各サンプリングタイミングでデジタルデータとして取得するものにおいて、その取得した正規のサンプリング時刻を特定するサンプリングデータ特定方法であって、
   前記基準クロック信号に基づくタイムベース上の任意の基準タイミングと前記各サンプリングタイミングとの間において、基準クロック信号のクロックをカウントする一方で、基準クロック信号を生成する基準クロック発生手段近傍の温度を測定し、その結果得られたカウント値と、そのカウント時における第１検出温度とを互いに対応付けて時系列で記録しておき、その後に、前記カウント値及び第１検出温度の時系列データ群から、各第１検出温度と、前記基準クロック信号の各発振周波数との対応関係を示す第１関係情報を用いて、温度変化による誤差を是正した正規のサンプリング時刻を算出することを特徴とするサンプリングデータ特定方法。
6. 物理量に応じて周波数が変化する被検出信号のパルス数を、基準クロック信号を分周して生成した各サンプリング時間内でカウントし、そのカウント値及び前記サンプリング時間に基づき各サンプリング時間における前記被検出信号の周波数を特定するサンプリングデータ特定方法であって、
   前記サンプリング時間内における前記被検出信号のパルス数をカウントする一方で、前記基準クロック信号を生成する基準クロック発生手段近傍の温度を測定し、その結果得られたカウント値、そのカウント時のサンプリング時間及び第３検出温度を互いに対応付けて時系列で記録しておき、その後に、前記カウント値、サンプリング時間及び第３検出温度の時系列データ群から、各第３検出温度と、前記基準クロック信号の各発振周波数との対応関係を示す第４関係情報を用いて、温度変化による誤差を是正した正規の周波数を算出することを特徴とするサンプリングデータ特定方法。
7. 物理量に対応して変化する被検出信号を、基準クロック信号を分周して生成した各サンプリングタイミングでデジタルデータとして取得するデジタルデータ記録装置のコンピュータに、その取得した正規のサンプリング時刻を特定させるためのサンプリングデータ特定用プログラムであって、
   前記コンピュータに、
   前記基準クロック信号に基づくタイムベース上の任意の基準タイミングと前記各サンプリングタイミングとの間において、基準クロック発生手段で発生された基準クロック信号のクロックをカウントしたカウント値を得るカウント値取得処理、
   前記基準クロック発生手段近傍の温度を測定する第１温度測定手段からの温度検出信号に基づき、前記カウント処理中における第１検出温度を得る第１温度測定処理、
   前記カウント値及び前記第１検出温度を互いに対応付けて時系列でメモリに格納する格納処理、
   前記格納処理後に、予めメモリに記録された、前記第１温度測定手段にて検出され得る各第１検出温度と、前記基準クロック信号の各発振周波数との対応関係を示す第１関係情報を読み出して、格納された第１検出温度及びカウント値の時系列データ群に基づき、温度変化による誤差を是正した正規のサンプリング時刻を算出する算出処理、
   を実行させることを特徴とするサンプリングデータ特定用プログラム。
8. 物理量に応じて周波数が変化する被検出信号のパルス数を、基準クロック信号を分周して生成した各サンプリング時間内でカウントし、そのカウント値及び前記サンプリング時間に基づき各サンプリング時間における前記被検出信号の周波数を取得するデジタルデータ記録装置のコンピュータに、その取得した正規の周波数を特定させるためのサンプリングデータ特定用プログラムであって、
   前記コンピュータに、
   前記サンプリング時間内における前記被検出信号のパルス数をカウントした第２カウント値を得る第２カウント値取得処理、
   前記基準クロック発生手段近傍の温度を測定する第３温度測定手段からの温度検出信号に基づき、前記カウント処理中における第３検出温度を得る第３温度測定処理、
   前記第２カウンタ値取得処理で得られたカウント値と、それをカウントしたサンプリング時間と、そのカウント時における前記第３検出温度とを互いに対応付けて時系列で格納する格納処理、
   前記格納処理後に、予めメモリに記録された、前記第３温度測定手段にて検出され得る各第３検出温度と、前記基準クロック信号の各発振周波数との対応関係を示す第４関係情報を用いて、格納されたカウント値、サンプリング時間及び第３検出温度の時系列データ群に基づき、温度変化による誤差を是正した正規の周波数を算出する算出処理、
   を実行させることを特徴とするサンプリングデータ特定用プログラム。

Images