(57)【要約】【課題】６次の自由度を有するトラッキング（追跡）を広く利用可能にする。【解決手段】磁気トラッカーの市販品供給業者から得られた３軸磁場源コイルと３軸センサコイルが、駆動及び検知回路と一体化され、２つのモジュール内に完全な６次の自由度のトラッカーを与える。即ち、センサモジュールと磁場源モジュールにより、同一の設計の少なくとも第２のセンサを有し、追跡できる。基本的トラッカーモジュールの一方又は両方は、それぞれの印刷回路基板上に取り付けても良く、磁場源モジュールは、ハードウェアを減らすため、デジタル波発生と、同調コイルドライバとを利用しても良い。コイルの組の一方又は両方は、非同心でも良く、ホストコンピュータにＰ＆Ｏアップデートを提供するための出力は、ホストコンピュータから電力を受取るUSB／USB2等のコネクタを利用しても良い。システムのコストを更に減らすため、センサコイルが受取った信号を増幅するのに使用する回路は、磁場源基板上のプロセッサの制御の下で複合化しても良い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＣ磁気トラッキングシステムであって：
a)  少なくとも１組のセンサコイルと、
前記センサコイルが受信した信号を増幅する回路と、
を含むセンサモジュールと；
b)  １組の磁場源コイルとコイルドライバと、
前記センサモジュールから増幅した信号を受信するための入力と、
受信した信号に基づいて、前記センサモジュールの位置と方向（Ｐ＆Ｏ）を計算するためのプロセッサと、
ホストコンピュータにＰ＆Ｏのアップデートを提供するための出力と、
を含む磁場源モジュールと；
c)  増幅したセンサ信号を前記プロセッサに転送して、Ｐ＆Ｏを計算するため、前記２つのモジュールを接続する相互接続するケーブルと；
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記ケーブルは、コネクタを通って前記モジュールの１方又は両方にインターフェースされる請求項１に記載のＡＣ磁気トラッキングシステム。
【請求項３】
前記磁場源モジュールは、デジタル波発生と、同調コイルドライバとを使用する請求項１に記載のＡＣ磁気トラッキングシステム。
【請求項４】
前記モジュールの１方又は両方は、それぞれ１つの印刷回路基板上に取り付けられる請求項１に記載のＡＣ磁気トラッキングシステム。
【請求項５】
前記コイルの組の１方又は両方は、非同心である請求項１に記載のＡＣ磁気トラッキングシステム。
【請求項６】
ホストコンピュータにＰ＆Ｏのアップデートを提供するための出力は、前記ホストコンピュータから電力を受取る接続を使用する請求項１に記載のＡＣ磁気トラッキングシステム。
【請求項７】
前記センサコイルが受信した信号を増幅する回路は、前記磁場源モジュール内の前記プロセッサの制御の下で、コイルごとに多重化されている請求項１に記載のＡＣ磁気トラッキングシステム。
【請求項８】
ＡＣ磁気トラッキングシステムであって：
a)  １組のセンサコイルを含むセンサモジュールと、
b)  １組の磁場源コイルとコイルドライバと、
前記センサモジュールから信号を受信するための入力と、
受信した信号に基づいて、前記センサモジュールの位置と方向（Ｐ＆Ｏ）を計算するためのプロセッサと、
ホストコンピュータにＰ＆Ｏのアップデートを提供するための出力と、
を含む磁場源モジュールと、を備え；
前記磁場源モジュールは、デジタル波発生と、同調コイルドライバとを使用する、ことを特徴とするシステム。
【請求項９】
前記モジュールの１方又は両方は、それぞれ１つの印刷回路基板上に取り付けられる請求項８に記載のＡＣ磁気トラッキングシステム。
【請求項１０】
前記コイルの組の１方又は両方は、非同心である請求項８に記載のＡＣ磁気トラッキングシステム。
【請求項１１】
前記センサコイルが受信した信号を増幅する回路は、前記磁場源モジュール内の前記プロセッサの制御の下で、コイルごとに多重化されている請求項８に記載のＡＣ磁気トラッキングシステム。
【請求項１２】
ＡＣ磁気トラッキングシステムであって：
a)  １組のセンサコイルを含むセンサモジュールと、
b)  １組の磁場源コイルとコイルドライバと、
前記センサモジュールから信号を受信するための入力と、
受信した信号に基づいて、前記センサモジュールの位置と方向（Ｐ＆Ｏ）を計算するためのプロセッサと、
ホストコンピュータにＰ＆Ｏのアップデートを提供するための出力と、
を含む磁場源モジュールと、を備え；
前記出力は、前記ホストコンピュータから電力を受取るコネクタを使用する、ことを特徴とするシステム。
【請求項１３】
前記ケーブルは、コネクタを通って前記モジュールの１方又は両方にインターフェースされる請求項１２に記載のＡＣ磁気トラッキングシステム。
【請求項１４】
前記磁場源モジュールは、デジタル波発生と、同調コイルドライバとを使用する請求項１２に記載のＡＣ磁気トラッキングシステム。
【請求項１５】
前記モジュールの１方又は両方は、それぞれ１つの印刷回路基板上に取り付けられる請求項１２に記載のＡＣ磁気トラッキングシステム。
【請求項１６】
前記コイルの組の１方又は両方は、非同心である請求項１２に記載のＡＣ磁気トラッキングシステム。
【請求項１７】
前記センサコイルが受信した信号を増幅する回路は、前記磁場源モジュール内の前記プロセッサの制御の下で、コイルごとに多重化されている請求項１２に記載のＡＣ磁気トラッキングシステム。
【請求項１８】
前記プロセッサは、２つのセンサの出力を作動的に処理し、１つのセンサに送られるのと同じ多重化信号を使用してセンサのプリアンプを制御する請求項１２に記載のＡＣ磁気トラッキングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気トラッカーに関し、より特定的には、経済的で且つ正確な結果を与える２モジュールのトラッカーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＡＣ磁気トラッキングシステムでは、典型的には３軸磁場源（ソース）、３軸磁場センサ（センサ）、システム電子ユニット（ＳＥＵ）、及び電源の４つの基本的な構成部品があった。図１は、典型的なＡＣ磁気トラッカーを示し、３つの直交するコイル1が駆動されて、磁場を提供し、その磁場が同様の３軸直交コイル2に結合し、この全てのコイルは、プログラム可能システム電子ユニット（ＳＥＵ）により駆動4され、検出6される。ＳＥＵは、計算を実行して、磁場源とセンサとの間の相対的位置と方向（Ｐ＆Ｏ）を示す。
【０００３】
磁場源は、ＳＥＵにより駆動されるとき、３次元ＡＣ双極子磁場を生成する。これらの磁場はセンサに結合し、その信号は、ＳＥＵにより、増幅され、同期してサンプリングされ、公知の特性ファイルに適合されて、磁場源とセンサの間の相対的場所の位置と方向（Ｐ＆Ｏ）を計算するための信号マトリックスを生成する。Ｐ＆Ｏの結果は、３Ｄ用途の多くに使用される高速バス上をホストコンピュータに提供される。勿論、パワーモジュールが、トラッカーを動作させるのに要求されたＤＣバイアス電圧を提供する。これは、典型的なシングルセンサＡＣ磁気トラッカーシステムである。
【０００４】
広く広がったトラッカーの使用の主な問題は、顧客の品目に一体化するシステムの大きさである。他の欠点は、電子ゲームパーソナルコンピュータなどのこれらの品目の比較的低いコストと比較してコストが高いことである。購入価格は、一般に数千ＵＳドルである。これまでに利用できるようになった入手可能なトラッカーは、典型的には、傾きセンサ等の劣った技術アプローチを使用し、これは、重力による加速度から他の加速度を区別できないので、動的な設定では大きい誤差を生じる傾向がある。消費者用の３Ｄトラッカーシステムが広く受入れられるためには、サイズとコストと性能の問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
サイズ／コストが増大する１つ要因は、直交する３軸コイル自体であり、これまで特別の装置と特許方法により作成されてきた。他のコストが増す要因は、異なる機能を少なくとも３つのユニットに完全に分けるので、許容可能な結果を得るためには特別仕様のより合せケーブルが必要なことである。他は、特別の回路基板とハウジングの設計と構造である。更に他の問題としては、数ワットの電力と、通常は複数のＤＣバイアス電圧が可能な電源が必要である。それゆえ、高レベルの統合、より良い効率、速度、融通の利く処理、低コストの部品の全ての加大を同時に達成する必要があり、これらの課題が達成されれば、６次の自由度を有するトラッキング（追跡）を広く利用可能にし、価値ある前進をすることができるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、３軸磁場源コイルと３軸センサコイルを、駆動及び検知回路と統合し、完全な６次の自由度のトラッカー（追跡装置）をセンサモジュールと磁場源モジュールの２つだけのモジュール内に入れることにより、現存するＡＣ磁気トラッカーを改善する。
【０００７】
好適な実施形態では、センサモジュールは、１組のセンサコイルと、センサコイルが受信した信号を増幅する回路とを含む。磁場源モジュールは、１組の磁場源コイル及びコイルドライバと、センサモジュールから増幅された信号を受信するための入力と、受信した信号に基づいてセンサモジュールの位置と方向（Ｐ＆Ｏ）を計算するためのプロセッサと、ホストコンピュータにＰ＆Ｏのアップデートを提供するための出力とを含む。ケーブルを使用して、２つのモジュールを相互接続し、増幅されたセンサ信号をＰ＆Ｏの計算のためにプロセッサに引渡す。センサコイルにより受信された信号を増幅するのに使用する回路のおかげで、相互接続ケーブルは、標準接続の経済的な部品でもよい。
【０００８】
１方又は両方のモジュールは、それぞれの１つの印刷回路基板上に取り付けることができ、磁場源モジュールは処理電子回路と一体化でき、１つのモジュールに入れ、ＤＣ５Ｖの同調コイルドライバを利用して、ハードウェアを減らすことができる。１方又は両方のコイルの組は、同心でなく、ホストコンピュータにＰ＆Ｏのアップデートを提供する出力は、ホストコンピュータから電力を受取るためのUSB／USB2コネクタ等のコネクタを利用することができる。更にシステムのコストを減らすために、センサコイルにより受信した信号を増幅するのに使用する回路は、磁場源の基板上のプロセッサの制御の下で、多重化しても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
６次の自由度のＡＣ磁気トラッカーのサイズとコストを減らすためには、幾つかの要因を同時に取扱う必要がある。上述したように、高性能のトラッカーを得るために直交する軸上に同心でコイルを巻くことは、多く行われていない。その結果、多くの手動の操作と特許の方法が必要である。他の特許の方法が使用されて、最良の校正と性能の均一性を達成する。
【００１０】
今日の電子工業においては、自動化高速技術により、多くのコイルが大量生産され、通信回路、電源、信号フィルター、その他の多くの用途に使用される。直交非同心の機構内に３つのコイルを配置して使用すれば、コストを削減し又おそらくサイズも小さくなるであろう。しかし、次のような問題は残る。1)  十分な信号を得るための十分な有効面積；2)  過度の機械的取り付けなしに複数の面上への取り付け（コスト削減を帳消しにする）；3)  トラッカーに使用されるよりずっと上の自己共振周波数。隠れた要因は、位置を計算するためのこのようなコイルの非同心性であるが、出願人の所有する米国特許第5,307,072号が、非同心性に対する数学的解決を教示する。
【００１１】
図３に示すように、コイルは小さい回路基板（ＰＣＢ）上に位置し、同心でなく、直交取り付けすることができる。この小さいＰＣＢにケーブルを取り付けることができるが、信号が低レベルなので、シールドしたより対線（ツイストペア線）等の非常に特殊なより合せケーブル（ケーブリング）を必要とするであろう。従って、本発明によれば、信号を上げるため、ＰＣＢ上に小さい低ノイズプリアンプ回路が取り付けられるので、より一般的な多心ケーブルを使用することができる。更に、標準のコネクタがＰＣＢに取り付けられ、容易に入手できる予め終端を設けた(pre-terminated)日常的なケーブルを使用できれば、更に節約することができる。電話工業で使用されるようなケーブルは、電子的シールドを有するより対線ではなく平行線であるが、コイルとアンプとラインの駆動を正しく組合わせれば、これらの目標と要求を満たすことができる。
【００１２】
このアプローチを使用して、図２に示すようなアンプ出力における設計の仕切りが可能である。このアプローチが信頼できることを確認するため、実験を行い、非同心コイル及び回路と、商業的に入手可能なコネクタとを近接して配置し、集中した特性付けプロセスと、許容可能なＰ＆Ｏ結果が可能であることを確認した。ケーブルの長さには限度があるが、数フィート以上でも動作が可能であることが明らかになった。
【００１３】
残りの回路ブロック（図２の「ＳＥＵ」）は、ＡＣ磁場信号と、センサ信号処理と、システム制御と、Ｐ＆Ｏの計算と、ホストコンピュータへの出力とを提供し、少なくとも60Ｈｚの速度でアップデートを提供なければならない。図３のセンサコイルと同様に取り付けられた大きい商用コイルを調達することができる。しかし、磁場源コイルを駆動し、全ての制御と処理の操作を実行するのに要求される回路は、センサコイルを有する小さいアンプの何倍も大きい。回路を小さくするための多くの負担は、使用するマイクロプロセッサと、全てのこれらの要求を満たすため十分迅速に埋め込まれたコードを実行するマイクロプロセッサの能力にかかる。
【００１４】
磁場源モジュールの要件の主要な点は、コイルの軸を駆動するためのサイン波を作成する電子回路である。コイル駆動のため必要なサイン波を作成するための入力は、テーブルに記憶することも、埋め込まれたコードを使用して動的に生成することもできる。どちらの方法でも、デジタルアナログコンバータ（ＤＡＣ）へ、次に駆動回路へ、次にコイルの同調回路へ、デジタルサンプルが与えられる。同調回路は、効率を改善し、デジタル入力から生じる小さいデジタルステップを滑らかにする。
【００１５】
センサ信号をデジタル化し処理する回路もまた、マイクロプロセッサにより頼む。再度、センサモジュールにおいて、３つのセンサコイル間で１つのチャンネルが、時分割されれば、この回路は最小化することができる。本発明によれば、センサにおいて、１つのプリアンプ／ラインドライバの前にアナログマルチプレクサを挿入して、マイクロプロセッサで切り換えを行うことができ、センサを小さく簡単に維持することができる（図４）。マイクロプロセッサは、全てのシステムの同期を与えなければならないが、１つのセンサプリアンプの多重化は容易に取り扱うことができる。
【００１６】
センサアンプを時分割することには、回路を節約する以外の利点がある。即ち、同じゲインチャンネルを通して３つの全てのコイル信号を通すことにより、１つのチャンネルの他のチャンネルに対するドリフトは考慮しなくてよい。１つのチャンネルがドリフトしても、センサの範囲の僅かな変化が起こるだけである。これにより方向は影響を受けないので、範囲の僅かな変化が許容可能であれば、センサの動的な校正は必要なくなる。
【００１７】
磁場源コイルが、マイクロプロセッサ及び他の回路と共にうまく存在できれば、この組立ては、集中した特性付けプロセスが可能であり、同時に許容可能なＰ＆Ｏ性能が得られる。この性能を達成するためには、小さいサイズと最小の電力使用と設置面積が、重要である。
【００１８】
残っている課題は、ホストコンピュータへのＰ＆Ｏデータの出力と、電力を得ることであり、このため過去においてしばしば追加のモジュールが必要になった。これら２つの問題は、１つの解決策で解決される。パーソナルコンピュータとの標準USB（ユニバーサルシリアルバス）接続は、高いデータ速度だけでなく、ＤＣ5Ｖの1/2アンペアの電流を提供することができる。より小さく低い電力回路用の半導体工業における技術を利用して、ここに述べた完全なトラッカーは、標準USB接続から2.5ワットの電力を得られ、そのため、追加のトラッカーモジュールの必要はない。
【００１９】
更に、ＤＣ5ＶのUSB電力により動作し、ＤＡＣを通って、簡単なドライバーへ行くという磁場源コイル駆動のアプローチによれば、過去のＡＣ磁気トラッカーの高電圧バイポーラ駆動なしでこの設計に十分であり、簡単さと効率は保持される。従って、図２のＩ／Ｏバスは、標準USB接続で実行され、このため、コネクタにより占められるスペースは非常に小さく（用途により磁場源コイルからはなれている場合を除いて、センサとＩ／Ｏのみ）安価な標準より合せケーブルを容易に使用できる。
【００２０】
要約すると、本発明は、簡単な磁場源とセンサのＡＣ磁気トラッカーのサイズとコストの両方を減らすのに有効である。サイズの減少は、回路の簡単化と、磁場源を電子回路と統合するなどの高度のシステム統合により達成される。高性能で低出力の半導体により、ホストＰＣにより電力を提供することが可能になる。容易に入手できる商用コイルの形式を使用することと、出願人の所有する非同心コイルの特許を利用することにより、コストの減少が達成される。用途に特有の集積回路（ＡＳＩＣ）もまた、更にサイズとコストを減少できるかもしれない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来のＡＣ磁気トラッカーを示すブロック図である。
【図２】本発明によるＡＣ磁気トラッカーシステムを示すブロック図である。
【図３】直交取り付けが、小さい印刷回路基板上に位置することを示す図である。
【図４】多重化したセンサコイルを有するＡＣ磁気トラッカーシステムのブロック線図である。
【符号の説明】
【００２２】
1  磁場源
2  センサ
3  システムプロセッサ
4  磁場源ドライバ電子回路
5  校正電子回路
6  センサ信号調整とデジタル化
11,21  磁場源
12,22  センサ
13,23  信号デジタル化＆システムプロセッサ
14,24  磁場源ドライバ電子回路
15,25  校正電子回路
16,26  センサ信号調整
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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【外国語明細書】
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