2021 Fiscal Year Research-status Report
等比的に広範囲レベルの信号検出を可能とする多チャンネルランダムノイズ発生器の開発
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19K04415
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| Research Institution | Hakodate National College of Technology |
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Principal Investigator |
高田 明雄 函館工業高等専門学校, 生産システム工学科, 教授 (40206751)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ノイズ発生回路 / チップ部品 / 回路の小規模化 / カオス現象の停止 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
R3年度の主な課題は，回路の小規模化を達成した上で多チャンネルのノイズ発生器を完成させ，その動作の検証を行い，微弱信号検出に応用するというものであった．主な項目は以下 (1)および (2)である．
【(1)回路の小規模化】多数のノイズ発生器から成る信号検出器の小規模化を達成するために，試作したノイズ発生回路をチップ部品に置き換える設計，ならびに基板の製作を行った．その結果，プロトタイプの回路基板に比べて，ノイズ発生器一つあたりの回路の容積を大幅に削減することができた．これ以上の小規模化も可能であったが，回路内の可変抵抗の調節のし易さ，あるいは外部測定器との接続を基本とした回路動作点検作業のしやすさを優先し，小型化をある段階で意図的に止めている．一方，回路の小型化ではんだ付け作業が非常に困難になってきて，目に見えないはんだ不良を電気的特性の確認から発見する作業も必要になってきた．作業自体は遅れているが，着実に問題点を浮き彫りにしながらこの作業を進められていると考えている．
【(2)多チャンネルのランダムノイズ発生回路の性能評価】製作したノイズ発生器のユニットの数を増やし，それぞれの動作を確認したところ，一部動作をしないものが見つかった．この原因として，実験で使用する素子や部品の特性・値のばらつきが考えらる．これは，多チャンネル化を阻む要因になりうるといえるが，発生するノイズの平均値が零となる，すなわち，直流成分を含んでいない場合には，微弱信号検出システム全体の機能として大きな問題とはなりにくい可能性もあるため，今後検証する必要がある．一方では，カオス的発振が突然停止するという現象も確認された．この点については予期されないことであった．原因として考えられることは，設定したパラメータで得られるカオス状態がロバスト性の低いものであると想定される．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
全体的な遅れの原因は，R2年度の新型コロナウイルス感染拡大に伴うテレワーク影響を大きく受けたこと，さらには試作した回路の動作において予期せぬ問題も発生し始めていることから，今年度は研究を繰り越す必要が生じている．本研究の中心的課題は，高品質で広帯域なホワイトノイズをカオス由来の原理で発生させる回路について，①ロバストにノイズを発生するような条件を見つけること，および②回路全体の小規模化にある．①については，試作した回路のノイズ発生試験を行った結果，ホワイトノイズが発生しない事例が確認された．すなわち，ノイズ発生に最適だと予想された回路パラメータにおいて，カオス現象ひいてはホワイトノイズが発生しなかったということである．これは予期せぬことであるため，原因究明と問題解決を進めたい．
②回路が小型化された問題として，回路上のパターンやはんだ付けされる部品の端子間とのスペースがサブミリメートルとなってしまい，回路上の各素子の動作チェックや回路パターンの不具合を見つける作業が困難になっているため回路製作・動作試験にかかる時間が想定上にかかっている．
また，コロナウイルス感染拡大の影響で旅費を使った移動を伴う学会参加も自粛したこともあり，これまでの成果について他の研究者と意見交換したり，情報収集することがほとんどできない状況であった．
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)共通の回路パラメータで製作した基板の中に，カオスが発生しない基板があることがわかった．これは想定外のことである．この原因として，実験回路のふるまいを決定する力学系が当初の理論的な想定からずれてしまっていることしか考えられない．その要因として，想定外の信号が回路内に発生していることや半導体素子や部品のばらつきや温度特性の影響が考えられるが，この問題の根本的解決は困難かもしれない．一方，本研究のゴールである微弱信号検出システムへのノイズ発生器を応用する際，この問題が致命的な悪影響を与えるものではないとも考えられる．すなわち，ノイズ発生器が非カオス状態をとり，その出力が周期的な発振となれば，確率共鳴現象を利用した信号検出にほとんど影響を与えないことも予想され，この点を追加で調査する．
(2)プロトタイプのノイズ発生回路に使われている汎用電子部品の大半をチップ部品に置換できたが，回路全体が完全にチップ部品で占められるほどに小型化を進める余地がある．まだ，この置換が完了していない部分として，回路内に含まれるOPアンプの調整用のトリマ抵抗や，オフセット調節用のためにOPアンプの入力をグランドに短絡させるためのスイッチ等がある．一方，回路の小型化を進めるほど回路基板製作後の回路各部の微調整が困難になることが浮き彫りになってきた．この点も想定外であったが，回路基板の面積を必要以上に狭くしないことで問題回避したいと考えている．また，回路基板の量産化を進めるためにリフロー（あらかじめ常温で付けておいたはんだを、後で加熱して溶かしてはんだ付けすること）を可能とした基板の再設計を行う．
(3)センシングシステムの信号検出感度が，ノイズ発生器としきい素子のペア数を増やすことによって，信号検出感度が増加することを本研究の効果として検証したい．
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| Causes of Carryover |
研究の全般的な遅れから，研究の繰り越しを行ったことにより次年度使用額が生じた．また，当初計上した旅費については，新型コロナウイルス感染拡大防止の観点から出張は自粛し，またオンラインのみの学会参加としているため，使用せずそのまま繰り越している．
今年度は，未購入だった高額な設備（多チャンネルAD変換器）の購入および電子基板の外部発注で設備・消耗品予算の大半を使用する計画である．また，新型コロナウイルス感染拡大の状況にもよるが，旅費については，国内および国際学会に参加するために使用する予定である
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