(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人の手で持つことが可能な本体部と、
前記本体部に形成された収納空間内にて相対的に上下に直線変位可能に配され、前記本体部を上下に動かす操作に応答して該収納空間を直線変位する可動部材と、
前記本体部に搭載され、前記可動部材の前記本体部に対する相対的な直線変位を検出する直線位置検出手段と、
前記本体部に搭載され、前記可動部材の直線移動軸に直交するＸ−Ｙ座標面上のＸ軸及びＹ軸方向の該本体部の傾きを検出する２次元傾斜検出手段と
を具えた３次元操作検出装置。
【請求項２】
前記可動部材は、前記収納空間内にて重力に従って移動自在に収納された磁気応答部材からなり、前記直線位置検出手段は、前記収納空間の周囲に設けられたコイル部からなり、前記本体部の上下方向の動きに応じて前記コイル部に対して前記磁気応答部材が変位し、該動きに応じた検出信号を該コイル部から出力することを特徴とする請求項１に記載の３次元操作検出装置。
【請求項３】
前記２次元傾斜検出手段は、コイル部と、前記本体部のＸ軸及びＹ軸方向の動きに応じて該コイル部に対して相対的に変位する磁気応答部材とを含み、該本体部のＸ軸及びＹ軸方向の動きに応じた検出信号を該コイル部から出力するものである請求項１又は２に記載の３次元操作検出装置。
【請求項４】
前記２次元傾斜検出手段は、コイル部と、所定の収納空間内に移動自在に収納され、前記本体部のＸ軸及びＹ軸方向の一方の動きに応じて該収納空間内を動くことにより該コイル部に対して相対的に変位する磁気応答部材とを含む検出装置を２個直交させて設け、該検出装置によって前記本体部のＸ軸及びＹ軸方向の傾きを検出することに基づきＸ軸及びＹ軸方向の操作検出信号を出力するものである請求項１又は２に記載の３次元操作検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人手等による３次元的操作を検出する３次元操作検出装置に関し、ジョイ・スティックのような３次元入力装置として、ゲーム機、パソコン、マルチメディア機器など、様々な分野で応用可能なものである。
【０００２】
【従来の技術】
ジョイ・スティックのような従来知られた３次元操作型入力装置においては、スティック型操作子をベースに対して３次元的に移動可能とし、ベースの側に該スティック型操作子の３次元的動きを検出するための検出要素を設けるようにしている。その検出要素としては、一般的には、単純なスイッチが使用されていた。例えば、プラスＸ軸方向に操作子を傾けると、対応するスイッチがオンし、そのオン時間だけクロックパルスが出力されて、操作量に対応する情報となる。
しかし、そのような操作時間対応情報出力型のものでは、操作量を大きくすると応答時間が遅くなるという問題がある。そこで、最近では、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸に関してポテンショメータのような位置検出装置を使用し、実際の操作移動量を検出するようにしたものがある。しかし、ポテンショメータでは、摺動接触子があるために耐久性の点で難があった。
【０００３】
一方、一般的に知られた誘導型位置検出装置には、直線位置検出装置としては差動トランスがあり、回転位置検出装置としてはレゾルバがある。差動トランスは、１つの１次巻線を１相で励磁し、差動接続された２つの２次巻線の各配置位置において検出対象位置に連動する鉄心コアの直線位置に応じて差動的に変化するリラクタンスを生ぜしめ、その結果として得られる１相の誘導出力交流信号の電圧振幅レベルが鉄心コアの直線位置を示すようにしたものである。レゾルバは、複数の１次巻線を１相で励磁し、サイン相取り出し用の２次巻線からサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を取り出し、コサイン相取り出し用の２次巻線からコサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を取り出すようにしたものである。この２相のレゾルバ出力は公知のＲ／Ｄコンバータといわれる変換回路を用いて処理し、検出した回転位置に対応する位相値をディジタル的に測定することができる。
また、サイン相とコサイン相のような複数相の交流信号によって複数の１次巻線を夫々励磁し、検出対象直線位置又は回転位置に応じて該交流信号を電気的に位相シフトした出力交流信号を出力し、この出力交流信号の電気的位相シフト量を測定することにより、検出対象直線位置又は回転位置をディジタル的に測定する技術も知られている（例えば、特開昭４９−１０７７５８号、特開昭５３−１０６０６５号、特開昭５５−１３８９１号、実公平１−２５２８６号など）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した誘導型の検出装置は、構造的に非接触であるため、ジョイ・スティックのような３次元操作型入力装置に応用することができれば好ましい。しかし、１本のスティックをベースに対して３次元的に動かすことができるようにし、かつこのスティックの動きを電磁誘導方式によってＸ，Ｙ，Ｚの３軸について検出できるようにする構造は複雑であり、未だ、その種の装置は考えられていなかった。
また、スティックをベースに固定せずに、自由に持ち歩きながら、入力操作できるような３次元操作型入力装置も従来は存在していなかった。
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、従来なかった新規かつ有用な誘導型の３次元操作検出装置を提供しようとするものである。また、自由に持ち歩きながら、操作できるような、画期的な３次元操作検出装置を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に従う３次元操作検出装置は、人の手で持つことが可能な本体部と、前記本体部に形成された収納空間内にて相対的に上下に直線変位可能に配され、前記本体部を上下に動かす操作に応答して該収納空間を直線変位する可動部材と、前記本体部に搭載され、前記可動部材の前記本体部に対する相対的な直線変位を検出する直線位置検出手段と、前記本体部に搭載され、前記可動部材の直線移動軸に直交するＸ−Ｙ座標面上のＸ軸及びＹ軸方向の該本体部の傾きを検出する２次元傾斜検出手段とを具えたものである。
本発明に従う３次元操作検出装置によれば、本体部は人の手で持つことが可能な構成であり、本体部に搭載された２次元傾斜検出手段によって該本体部そのものの２次元傾斜を検出するようになっており、かつ、本体部を上下に動かす操作に応答して収納空間内で可動部材が直線変位し、この可動部材の本体部に対する相対的な直線変位が直線位置検出手段によって検出される構成であるため、人の手で持った本体部を２次元的に傾斜させることでＸ軸及びＹ軸に沿う２次元的操作入力が行え、また、該本体部をＺ軸方向に（上下に）振る動作によってＺ軸に沿う操作入力が行え、総合して３次元的操作が行えるものであり、かつ、その３次元的操作に応じた検出信号を生成することができる。すなわち、本体部をＺ軸方向に（上下に）振る動作によって収納空間内で可動部材が変位し、Ｚ軸方向の動きに応じた検出信号を生成することができる。
また、３次元のすべての軸の検出手段が本体部に搭載されることになり、該本体部を固定せずにフリーな状態で持ち歩きながら３次元操作入力を行うことができる。また、本体部をＺ軸方向に（上下に）振る動作によってＺ軸方向操作入力を行う構成であるため、構造が簡単である（すなわち、操作子を本体部に対して上下動可能かつ全方向にユニバーサルに操作可能な構成とする必要がない）。
一例として、前記可動部材は、前記収納空間内にて重力に従って移動自在に収納された磁気応答部材からなり、前記直線位置検出手段は、前記収納空間の周囲に設けられたコイル部からなり、前記本体部の上下方向の動きに応じて前記コイル部に対して前記磁気応答部材が変位し、該動きに応じた検出信号を該コイル部から出力することを特徴とする。
【００１０】
本発明の一実施形態によれば、前記直線位置検出手段は、コイル部と、該コイル部に対して相対的に変位可能な磁気応答部材とを含み、前記直動操作子の操作に応じて該コイル部と磁気応答部材の一方を他方に対して相対的に直線変位させることで、前記直動操作子の操作に応じた検出信号を該コイル部から出力するものである。
本発明の一実施形態によれば、前記２次元傾斜検出手段は、コイル部と、前記本体部のＸ軸及びＹ軸方向の動きに応じて該コイル部に対して相対的に変位する磁気応答部材とを含み、該本体部のＸ軸及びＹ軸方向の動きに応じた検出信号を該コイル部から出力するものである。
本発明の一実施形態によれば、前記２次元傾斜検出手段の前記磁気応答部材は、所定の収納空間内に移動自在に収納され、前記本体部のＸ軸及びＹ軸方向の動きに応じて該収納空間内を動くことにより前記コイル部に対して相対的に変位するものである。
本発明の一実施形態によれば、前記２次元傾斜検出手段は、リング状の収納空間を有する収納体と、前記収納空間内にて重力に従って移動自在に収納された流動性の磁気応答部材と、前記収納体において前記収納空間に対応して配置されたコイル部とを具え、前記Ｘ軸及びＹ軸方向の傾きに応じて前記磁気応答部材が前記リング状の収納空間を移動し、該収納空間における前記磁気応答部材の分布に応答する出力信号を前記コイル部から生成し、これにより前記Ｘ軸及びＹ軸方向の傾きを検出するものである。このように、リング状の収納空間を有する収納体の収納空間内に流動性の磁気応答部材を収納した構成を採用し、Ｘ軸及びＹ軸方向の傾きを一挙に検出し、これに基づきにＸ軸及びＹ軸方向の操作検出信号を出力するようにしたことにより、Ｘ軸及びＹ軸方向の操作を検出するための新規な構成が提供でき、かつその構成をコンパクトにすることができる。
【００１１】
本発明の一実施形態によれば、前記２次元傾斜検出手段は、コイル部と、所定の収納空間内に移動自在に収納され、前記本体部のＸ軸及びＹ軸方向の少なくとも一方の動きに応じて該収納空間内を動くことにより該コイル部に対して相対的に変位する磁気応答部材とを含む検出装置を少なくとも１つ有し、該検出装置によって前記操作部のＸ軸及びＹ軸方向の傾きを検出することに基づきＸ軸及びＹ軸方向の操作検出信号を出力する。このように、所定の収納空間内に移動自在に収納され、操作部のＸ軸及びＹ軸方向の少なくとも一方の動きに応じて該収納空間内を動くことにより該コイル部に対して相対的に変位する磁気応答部材とを含む検出装置を少なくとも１つ有している構成であることを特徴としている。このような特殊な構成により、Ｘ軸及びＹ軸方向の動きに応じた傾きを検出することができ、これに基づきＸ軸及びＹ軸方向の操作検出信号を出力することができる。これにより、Ｘ軸及びＹ軸方向の操作を検出するための新規な構成が提供できる。
【００１２】
本発明の一実施形態によれば、前記２次元傾斜検出手段は、  コイル部と、前記本体部のＸ軸及びＹ軸方向の一方の動きに応じて該コイル部に対して相対的に変位する磁気応答部材とを含む検出装置をＸ軸及びＹ軸に対応して夫々設け、該検出装置によって前記操作部のＸ軸及びＹ軸方向の傾きを夫々検出することに基づきＸ軸及びＹ軸方向の操作検出信号を出力する。これにより、Ｘ軸及びＹ軸方向の操作を検出するための新規な構成が提供できる。
【００１３】
本発明によれば、更に様々な実施の形態をとることができ、その詳細は、例示的に以下において示される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明しよう。
図１（ａ）は、本発明の第１の観点に従う３次元操作検出装置の一実施例を示す外観略図、（ｂ）はそのＸ軸及びＺ軸に沿う断面略図である。この３次元操作検出装置は、例えば、ジョイ・スティックのような３次元操作型入力装置として応用可能なものであり、全体が１つの操作子からなるスティック部１０は、略々円盤状の頂部１０ａとその下に延びた棒状部１０ｂとからなっていて、図で破線で示すように、人の手に握って操作されるものである。スティック部１０の下端１０ｃは、図示のように単純に終端していて、このスティック部１０を自由に持ち歩いたり、振り回したりできるようになっていてよい。勿論、これに限らず、従来のジョイ・スティックのように、該下端１０ｃがＸ，Ｙ軸方向にユニバーサルに自由に傾動できるように適宜手段で枢支されていてもよい。なお、スティック部１０の棒状部１０ｂが延びた方向をＺ軸とし、それに直交する頂部１０ａの円盤面をＸ−Ｙ座標面とし、該面上に適宜設定した直交座標軸をそれぞれＸ軸及びＹ軸とする。
【００１５】
スティック部１０において、頂部１０ａの部分には、前記Ｘ−Ｙ座標面のＸ軸及びＹ軸方向についての傾きを検出するための傾斜センサ（第１の検出手段）１００が搭載されている。スティック部１０のＸ軸方向及びＹ軸方向の操作は、該スティック部１０をＸ軸方向及びＹ軸方向に任意に傾かせることによって行うものとしている。従って、この傾斜センサ１００によってスティック部１０のＸ軸方向及びＹ軸方向の傾きを検出することにより、これに基づきＸ軸方向及びＹ軸方向の操作（動き）を検出する。
傾斜センサ１００は、主に、コイル部２と、スティック部１０のＸ軸及びＹ軸方向の動きに応じて該コイル部２に対して相対的に変位する磁気応答部材３とを含んでいる。追って詳しく示すように、スティック部１０のＸ軸及びＹ軸方向の傾きに応じて磁気応答部材３が動き、これによってコイル部２と磁気応答部材３の相対的な位置関係が変化するようになっており、この変化に応じてコイル部２と磁気応答部材３の磁気結合が変化し、該スティック部１０のＸ軸及びＹ軸方向の傾きに応じた誘導出力信号がコイル部２から出力される。
【００１６】
スティック部１０の頂部１０ａの略中央及び棒状部１０ｂの部分には、Ｚ軸方向の操作を検出するためのリニアセンサ（第２の検出手段）２００が搭載されている。すなわち、頂部１０ａの上部には、Ｚ軸方向に指で押圧操作するためのドーム状のプッシャ２０１が設けられており、棒状部１０ｂの内部には図１（ｂ）に示すように棒状の可動部２０４が挿入されており、このプッシャ２０１が可動部２０２に結合していて、該プッシャ２０１の押圧操作に応じて可動部２０４がＺ軸方向（上下方向）に動くようになっている。可動部２０４の全体もしくは少なくとも先端寄りの所定範囲においては、所定の磁気応答部材（例えば磁性体）２０３が設けられており、プッシャ２０１の押圧操作に応じた可動部２０４の動きに伴って該磁気応答部材２０３が直線的に変位する。棒状部１０ｂの内部における所定位置にコイル部２０２が固定されている。このリニアセンサ２００において、コイル部２０２は１又は複数のコイルからなり、例えばそのコイル空間内に可動部２０４の該磁気応答部材２０３が侵入して、該可動部２０４の動きに応じて該コイル部２０２と磁気応答部材２０３の相対的なリニア位置が変化するようになっている。この変化に応じてコイル部２０２と磁気応答部材２０３の磁気結合が変化し、該リニア位置つまりＺ軸方向の操作位置に対応する誘導出力信号がコイル部２０２から出力される。なお、プッシャ２０１が弾性ゴムからなっていて、その弾性作用によって押圧操作が加わらないときは中立位置（リニア変位０の位置）に復帰するようになっている。勿論、その他の中立位置復帰バネを設けてもよい。
【００１７】
以上の構成により、操作者がスティック部１０を握ってＸ軸及びＹ軸方向に任意に傾けることにより、その傾きに応じた誘導出力信号が傾斜センサ１００のコイル部２から出力され、これに基づきＸ軸及びＹ軸方向の操作検出信号を得ることができる。また、操作者がスティック部１０の上部のプッシャ２０１を押圧操作することにより、Ｚ軸方向の操作に応じた誘導出力信号がリニアセンサ２００のコイル部２０４から出力され、これに基づきＺ軸方向の操作検出信号を得ることができる。
【００１８】
次に、図２を参照して、傾斜センサ１００の具体例を説明する。
図２に示す傾斜センサ１００は、１つのセンサによってＸ−Ｙ座標平面の全方向についての傾斜検出が可能な多方向傾斜検出装置である。この傾斜センサ１００は、収納体１内に流動性の磁気応答部材３を収納している。図２（ａ）は全体の側面略図、（ｂ）は収納体１の概略斜視図、（ｃ）は収納体１の断面図、（ｄ）はコイル部２におけるコイル配置例を略示する平面図、である。
図２（ｂ），（ｃ）に示されるように、収納体１は、リング状の収納空間１ａを有しており、このリング状の収納空間１ａ内に適量の流動性の磁気応答部材３が収納されている。磁気応答部材３としては、例えば磁性流体あるいは磁性粉体を使用する。磁性粉体としては、微粒粉に限らず、砂鉄のようなものであってもよい。図２（ｃ）は、水平に置かれている状態の収納体１の断面略図であり、その場合、流動性の磁気応答部材３はリング状の収納空間１ａ内に均等に分布している。勿論、収納体１は、非磁性体からなる。４は、取付けベースである。
【００１９】
図２（ａ）に示されるように、収納体１の下側にコイル部２が設けられる。コイル部２は、収納空間１ａ内における磁気応答部材３の分布を検出し得るような適宜のコイル配置からなる。例えば、図２（ｄ）の例では、リング状の収納空間１ａの円周方向に沿って等間隔（９０度間隔）で４つの極を構成するようにコイル２１〜２４が設けられている。例えば、コイル２１〜２４は２次コイルであって、この各２次コイル２１〜２４に対応して各極ごとに１次コイル１１〜１４を設けてもよい。
１次コイル１１〜１４を適宜の交流信号で励磁すると、夫々に対応する２次コイル２１〜２４からは夫々の誘導結合度若しくは磁気結合度に応じたレベルの交流信号が誘導される。この誘導結合若しくは磁気結合は、磁気応答部材３の存在によって可変制御される。
上記構成からなる傾斜センサ１００が、検出対象における適宜の位置に取り付けられる。検出対象の面としての傾きを全方向について検出しうるようにするためには、収納空間１ａのリングが検出対象面に平行となるように設置する。すなわち、円形リングの径方向が検出対象面に平行となるように設置する。なお、ここで、検出対象面とは実際に面を成している必要はなく、仮想的な面であってよい。すなわち、この傾斜センサ１００は、検出対象面の四方・八方、全方向についての傾斜を検出することができる。
【００２０】
収納体１が水平に置かれている場合（つまり、検出対象面が傾斜０のとき）は、流動性の磁気応答部材３はリング状の収納空間１ａ内に均等に分布しているので、どの２次コイル２１〜２４からも同じレベルの出力信号が得られる。従って、どの２次コイル２１〜２４からも同じレベルの出力信号が得られることに基づき、傾斜０であることが検出できる。
収納体１が任意の方向に傾斜すると（つまり、検出対象面が任意の方向に傾斜すると）、流動性の磁気応答部材３が重力に従って収納空間１ａ内を動き、該収納空間１ａ内における磁気応答部材３の分布に偏りが生じる。例えば、図３は、収納体１が傾斜した状態の一例を示す略図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。この場合、コイル２３の方向に傾いており、２次コイル２３の位置に対応して最も多量の磁気応答部材３が集まっている。２次コイル２２，２４の位置に対応している磁気応答部材３の量は僅かであり、２次コイル２１の位置に対応している磁気応答部材３の量は０である。このように、収納空間１ａ内における磁気応答部材３の分布に応答する出力信号をコイル部２から得ることができ、これに基づき、傾斜の方向を検出することができ、また傾斜の大きさ（傾斜角）を検出することができる。
【００２１】
収納空間１ａ内における磁気応答部材３の分布を検出するための採用するコイル部２の構成は、なんらかの形で磁気応答部材３の分布を検出することができるものでありさえすれば、どのような構成でもよい。
例えば、図２（ｄ）に示すような円周状のコイル（極）配置の中心Ｏを原点０とするＸ，Ｙ座標を想定し、このＸ，Ｙ座標によって傾斜の方向を全方向的に表わすことができる。例えば、コイル２１と２３がＸ軸に対応しており、コイル２２と２４がＹ軸に対応しているとすると、コイル２１はプラスＸ方向、コイル２２はプラスＹ方向、コイル２３はマイナスＸ方向、コイル２４はマイナスＹ方向、に位置していることになる。そこで、２次コイル２１が配置された極をプラスＸ極（図でｘ）、２次コイル２２が配置された極をプラスＹ極（図でｙ）、２次コイル２３が配置された極をマイナスＸ極（図で／ｘ）、２次コイル２４が配置された極をマイナスＹ極（図で／ｙ）、と表わすことにする。
なお、明細書中では、表記の都合上、反転を示すバー記号は「／（スラッシュ）」で記載するが、これは、図中のバー記号に対応している。
【００２２】
同じ軸のプラス極とマイナス極のコイル出力信号はその差を求めることにより、該軸についての座標値を求めることができる。例えば、２次コイル２２と２４の出力振幅レベルが同じである場合は、Ｙ軸座標値は０であり、Ｙ軸方向の傾斜成分が０であることを示す。
従って、コイル部２における各コイルに関連する回路例を示すと、図４のようになる。すなわち、すべての１次コイル１１〜１４を共通の交流信号（例えばｓｉｎωｔと略記する）で励磁し、Ｘ軸に沿う各２次コイル２１，２３の出力信号の差を差分回路２５で求め（差動接続でもよい）、その差信号としてＸ軸座標検出信号Ｓｘを得るようにする。また、Ｙ軸に沿う２次コイル２２，２４の出力信号の差を差分回路２６で求め（差動接続でもよい）、その差信号としてＹ軸座標検出信号Ｓｙを得るようにする。このようにして求めたＸ，Ｙ座標値の信号Ｓｘ，Ｓｙから座標の象限と極座標が判明するので、これらの信号Ｓｘ，Ｓｙを判定処理回路２７で適宜処理することにより、傾斜の方向と大きさ（傾斜角）を検出することができる。なお、差分回路２５，２６の入力側又は出力側のどちらかに整流回路を設け、Ｘ，Ｙ座標値を示す出力信号Ｓｘ，Ｓｙは、直流的な電圧レベル値とする。この電圧レベル値は、アナログ値のままである必要はなく、適宜ディジタル変換してもよい。従って、判定処理回路２７はアナログ演算回路であってもよいし、あるいはディジタル回路であってもよい。
【００２３】
概ね、極座標の偏角θが傾斜の方向に対応し、動径ρが傾斜の大きさ（傾斜角）に対応するので、判定処理回路２７では、例えば下記式のような公知の直交座標−極座標変換公式を用いて、Ｘ，Ｙ座標値の信号Ｓｘ，Ｓｙから極座標の偏角θと動径ρを求め、これに基づき傾斜の方向と大きさ（傾斜角）を検出するデータを得るようにすることができる。下記式において、ｘ，ｙは、信号Ｓｘ，Ｓｙが示すＸ，Ｙ座標値である。
【数１】
0004623765.tif 000002
【００２４】
なお、厳密な極座標変換公式に限らず、おおまかな傾斜方向の判定は信号Ｓｘ，Ｓｙから座標の象限等を判定する簡単なテーブルを用いることによっても行える。また、おおまかな傾斜の大きさ（傾斜角）は、差信号（Ｓｘ，Ｓｙ）を使用せずに、個別の各コイル２１〜２４の出力レベルに基づき判定するようにしてもよい。例えば、各コイル２１〜２４の出力信号レベルのうち最大レベルのコイルの出力電圧値に基づき傾斜角度を判定する。その場合、傾斜方向判定結果を考慮して適宜の修正演算を行なうとよい。
その他、コイル部２の出力信号に基づく具体的な傾斜方向と傾斜量の判定の仕方は、設計上適宜の構成を採用してよい。
【００２５】
別の例として、コイル部２を回転型のレゾルバと見立てて、９０度間隔で配置された４つの２次コイル２１〜２４の極（Ｘ，Ｙ，／Ｘ，／Ｙ）を、サイン相、コサイン相、マイナス・サイン相、マイナス・コサイン相として、サイン及びコサインの２相のレゾルバ出力信号と同様の出力信号を取り出し、該出力信号から位相角データを求めることにより、該位相角データを極座標の偏角θに対応するデータとして得ることができる。
レゾルバ原理を採用する場合、コイル部２の各極（Ｘ，Ｙ，／Ｘ，／Ｙ）に対応する２次コイル２１〜２４に生じる誘導出力交流信号の振幅関数が、サイン関数、コサイン関数、マイナス・サイン関数、マイナス・コサイン関数にそれぞれ相当するものとなるように、各２次コイル２１〜２４の配置及び磁気応答部材３の磁気的性質及び量を、設定する。種々の条件によって、各コイルの配置は微妙に変わり得るし、磁気応答部材３の磁気的性質及び量も変わりうるので、希望の関数特性が得られるように各コイル配置を適宜調整したり、あるいは２次出力レベルを電気的増幅によって調整することにより、希望の振幅関数特性が最終的に得られるようにすることができる。従って、各２次コイル２１〜２４の配置と磁気応答部材３及び量は重要ではあるが、絶対的精度を要求されるわけではなく、設計上適宜に設定若しくは変更できる。
【００２６】
レゾルバ原理を採用する場合、図５に示すように、コイル部２の１次及び２次コイルを回路を構成する。Ｘ軸（サイン相）の２次コイル２１，２３を差動接続し、Ｙ軸（コサイン相）の２次コイル２２，２４を差動接続して、２つの出力信号を取り出すので、基本的なコイル結線は図４と変わらないが、整流回路は設けない。各２次コイル２１〜２４の誘導出力信号は、傾斜方向を示す偏角θに対応して２相の関数特性sinθ，cosθ及びその逆相の関数特性−sinθ，−cosθで振幅変調された状態で夫々出力されるようにすることができる。説明の便宜上、コイルの巻数等、その他の条件に従う係数は省略し、２次コイル２１（サイン相）の出力信号を「sinθ・sinωｔ」で示し、２次コイル２２（コサイン相）の出力信号を「cosθ・sinωｔ」で示す。また、２次コイル２３（マイナス・サイン相）の出力信号を「−sinθ・sinωｔ」で示し、２次コイル２４（マイナス・コサイン相）の出力信号を「−cosθ・sinωｔ」で示す。サイン相とマイナス・サイン相の誘導出力を差動的に合成することによりサイン関数の振幅関数を持つ第１の出力交流信号Ａ（＝２sinθ・sinωｔ）が得られる。また、コサイン相とマイナス・コサイン相の誘導出力を差動的に合成することによりコサイン関数の振幅関数を持つ第２の出力交流信号Ｂ（＝２cosθ・sinωｔ）が得られる。なお、表現の簡略化のために、係数「２」を省略して、以下では、第１の出力交流信号Ａを「sinθ・sinωｔ」で表わし、第２の出力交流信号Ｂを「cosθ・sinωｔ」で表わす。
【００２７】
こうして、偏角θに対応する第１の関数値sinθを振幅値として持つ第１の出力交流信号Ａ＝sinθ・sinωｔと、同じ偏角θに対応する第２の関数値cosθを振幅値として持つ第２の出力交流信号Ｂ＝cosθ・sinωｔとが出力される。このようなコイル構成によれば、回転型位置検出装置として従来知られたレゾルバにおいて得られるのと同様の、同相交流であって２相の振幅関数を持つ２つの出力交流信号Ａ，Ｂ（サイン出力とコサイン出力）をコイル部２から得ることができるようにすることが理解できる。
このコイル部２から出力される２相の出力交流信号（Ａ＝sinθ・sinωｔとＢ＝cosθ・sinωｔ）は、従来知られたレゾルバの出力と同様の使い方をすることができる。例えば、図５に示すように、コイル部２の出力交流信号Ａ，Ｂを適切なディジタル位相検出回路４０に入力し、前記サイン関数sinθとコサイン関数cosθの位相値θをディジタル位相検出方式によって検出し、偏角θのディジタルデータＤθを得るようにすることができる。こうして、レゾルバ原理に従う位相角検出処理によって、極座標の偏角θを示すディジタルデータＤθを得ることができ、これによって検出対象の傾斜方向を検出することができる。
【００２８】
この場合、傾斜の大きさ（傾斜角）は、前記数１に示す極座標公式の応用・変形によって、適宜求めることができる。例えば、図５の判定処理回路２８において、各２次コイル２１〜２４の出力信号を整流した信号を入力し、この入力信号から最大レベルのものを検出し、ここから極座標の象限を判定してこの最大レベル値を直交座標のｘ値又はｙ値とし、かつ、前記ディジタルデータＤθにもとづいて得た偏角θを利用して、極座標公式から動径ρを求めれば、傾斜の大きさ（傾斜角）を検出することができる。
なお、ディジタル位相検出回路４０で採用するディジタル位相検出方式としては、公知のＲ−Ｄ（レゾルバ−ディジタル）コンバータを適用してもよいし、本発明者らによって開発済の新方式を採用してもよい。
なお、収納体１の収納空間は、リング状に限らず、凸曲面又は凹曲面状のような曲面状であってもよい。すなわち、収納体１の収納空間は、傾斜に応答してその内部の流動性の磁気応答部材３が重力に従って適切に変位しうるような形状であればよい。
【００２９】
各実施例において、１次コイルは、各２次コイル２１〜２４に１対１で対応して設ける必要はなく、２次コイル２１〜２４の全体をカバーしうるように１個のみ又は適宜数だけ設けるようにしてよい。図７は、その一例を示すもので、２次コイル２１〜２４の配置の外側を囲んで１つの１次コイル１５を設けたものである。このように１個の１次コイル１５を設ける場合、２次コイル２１〜２４の配置の内側に設けてもよい。
また、コイル部２におけるコイル数及びその配置は上記実施例に示すものに限らず、様々な設計変更が可能である。例えば、上記実施例のような４極からなるコイル構成に限らず、６極あるいは８極あるいは１２極等、任意である。
【００３０】
次に、図６を参照してリニアセンサ２００の一具体例につき説明する。
図６は、図示の都合上、Ｚ軸（上下方向）を横向きにして描いてある。このリニアセンサ２００は、前述の通り、プッシャ２０１に連動する可動部２０４と、この可動部２０４に設けられた磁気応答部材２０３と、所定位置に配置されたコイル部２０２とを含む。可動部２０４が検出対象たるプッシャ２０１に連結されて、該プッシャ２０１の直線位置の変化に連動して直線的にかつ往復的に変位可能であり、これに対して、コイル部２０２の配置は適宜に固定される。かくして、可動部２０４が検出対象たる直線位置に連動してコイル部２０２に対して相対的に直線的に変位する。勿論、その逆に、コイル部２０２をリニア変位検出対象たるプッシャ２０１に連動して変位させ、可動部２０４を固定するようにしてもよい。要するに、このリニアセンサ２００においては、コイル部２０２に対する可動部２０４の相対的に直線位置を検出する。この相対的な直線変位の方向は、図において符号Ｚを伴う矢印で示されている。
【００３１】
コイル部２０２は、１相の交流信号によって励磁される１次コイルＰＷ1〜ＰＷ5と、直線変位方向Ｚに関して異なる位置に配置された複数の２次コイルＳＷ1〜ＳＷ4とを含む。これらの１次及び２次コイル構成を明示するために、図６ではコイル部２０２は断面を含んで示されているが、実際は、点線で補って示されているように、ロッド状の可動部２０４の周囲にて適宜のギャップを空けて、コイルコイルが巻回された状態を成している。１相の交流信号によって共通に励磁されるが故に、１次コイルＰＷ1〜ＰＷ5の数は、１又は適宜の複数であってよく、その配置も適宜であってよい。しかし、複数の１次コイルＰＷ1〜ＰＷ5を適宜に分離して、例えば図６に示されるように各２次コイルＳＷ1〜ＳＷ4をそれぞれの間に挟むように、配置することは、１次コイルによって発生する磁界を個別の２次コイルＳＷ1〜ＳＷ4に対して有効に及ぼし、かつ可動部２０４の磁気応答部材２０３による磁場への影響を有効に及ぼすことができるので、好ましい。
【００３２】
ロッド状の可動部２０４は、その所定範囲において、所定の磁気応答特性を持つ磁気応答部材２０３を直線変位方向に沿って所定のピッチｐで１又は複数繰り返して設けて成るものである。既に知られているように、磁気応答部材２０３の材質を鉄またはニッケルなどのような磁性体、あるいは銅またはアルミニウムなどのような非磁性の導電体とすることにより、透磁率あるいは磁気抵抗あるいは渦電流損失などの所定の磁気応答特性を持たせることができるので、そのように適宜の材質を用いて磁気応答部材２０３を構成してよい。可動部２０４の基部ロッドの材質も、磁性体又は非磁性体又は導電体など適宜の材質を用いてよく、どのような材質を用いるかは、磁気応答部材２０３の材質及び／又は形状等との兼ね合いによって定まる。要するに、磁気応答部材２０３が存在する箇所とそうでない箇所との間では、コイル部２０２に及ぼす磁気的応答特性が異なるようになっていればよいものである。また、可動部２０４の基部ロッドに対する磁気応答部材２０３の形成法も、貼り付け、接着、かしめ止め、切削、めっき、蒸着、焼き付け、など適宜の手法を用いてよい。
【００３３】
検出対象たる直線位置の変化に応じて、可動部２０４の磁気応答部材２０３のコイル部２０２に対する対応位置が変化することにより、１次コイルＰＷ1〜ＰＷ5と各２次コイルＳＷ1〜ＳＷ4間の磁気結合が該検出対象直線位置に応じて変化され、これにより、該検出対象直線位置に応じて振幅変調された誘導出力交流信号が、各２次コイルＳＷ1〜ＳＷ4の配置のずれに応じて異なる振幅関数特性で、各２次コイルＳＷ1〜ＳＷ4に誘起される。各２次コイルＳＷ1〜ＳＷ4に誘起される各誘導出力交流信号は、１次コイルＰＷ1〜ＰＷ5が１相の交流信号によって共通に励磁されるが故に、その電気的位相が同相であり、その振幅関数が磁気応答部材２０３の繰り返しピッチの１ピッチｐに相当する変位量を１サイクルとして周期的にそれぞれ変化する。
【００３４】
４つの２次コイルＳＷ1〜ＳＷ4は、磁気応答部材２０３の繰り返しピッチの１ピッチｐの範囲内において所定の間隔で配置され、各２次コイルＳＷ1〜ＳＷ4に生じる誘導出力交流信号の振幅関数が、所望の特性を示すように設定される。例えば、レゾルバタイプの位置検出装置として構成する場合は、各２次コイルＳＷ1〜ＳＷ4に生じる誘導出力交流信号の振幅関数が、サイン関数、コサイン関数、マイナス・サイン関数、マイナス・コサイン関数、にそれぞれ相当するように設定する。例えば図６に示されるように、１ピッチｐの範囲を４分割し、ｐ／４づつずれた各分割位置に配列する。これにより、各２次コイルＳＷ1〜ＳＷ4に生じる誘導出力交流信号の振幅関数が、サイン関数、コサイン関数、マイナス・サイン関数、マイナス・コサイン関数、にそれぞれ相当するように設定することができる。勿論、種々の条件によって、各コイルの配置は微妙に変わり得るので、希望の関数特性が得られるように各コイル配置を適宜調整したり、あるいは２次出力レベルを電気的増幅によって調整して、希望の振幅関数特性が最終的に得られるようにする。
【００３５】
例えば、２次コイルＳＷ1の出力がサイン関数（図でｓを付記する）に対応するとすると、これに対してｐ／２だけずれて配置された２次コイルＳＷ3の出力はマイナス・サイン関数（図で／ｓ（ｓバー）を付記する）に対応し、この両者の出力を差動的に合成することによりサイン関数の振幅関数を持つ第１の出力交流信号が得られる。また、サイン関数出力に対応する２次コイルＳＷ1からｐ／４ずれて配置された２次コイルＳＷ2の出力はコサイン関数（図でｃを付記する）に対応し、これに対してｐ／２だけずれて配置された２次コイルＳＷ4の出力はマイナス・コサイン関数（図で／ｃ（ｃバー）を付記する）に対応し、この両者の出力を差動的に合成することによりコサイン関数の振幅関数を持つ第２の出力交流信号が得られる。。なお、明細書中では、表記の都合上、反転を示すバー記号は「／（スラッシュ）」で記載するが、これは、図中のバー記号に対応している。
【００３６】
図７はコイル部２０２の回路図であり、１次コイルＰＷ1〜ＰＷ5には共通の励磁交流信号（説明の便宜上、ｓｉｎωｔで示す）が印加される。この１次コイルＰＷ1〜ＰＷ5の励磁に応じて、可動部２０４の磁気応答部材２０３のコイル部２０２に対する対応位置に応じた振幅値を持つ交流信号が各２次コイルＳＷ1〜ＳＷ4に誘導される。夫々の誘導電圧レベルは検出対象直線位置ｘに対応して２相の関数特性sinθ，cosθ及びその逆相の関数特性−sinθ，−cosθを示す。すなわち、各２次コイルＳＷ1〜ＳＷ4の誘導出力信号は、Ｚ軸方向の検出対象直線位置すなわち可動部２０４のＺ軸方向操作量（これを便宜的に“ｘ”とする）に対応して２相の関数特性sinθ，cosθ及びその逆相の関数特性−sinθ，−cosθで振幅変調された状態で夫々出力される。なお、この場合、θはｘに比例しており、例えば、θ＝２π（ｘ／ｐ）のような関係である。説明の便宜上、コイルの巻数等、その他の条件に従う係数は省略し、２次コイルＳＷ1をサイン相として、その出力信号を「sinθ・sinωｔ」で示し、２次コイルＳＷ2をコサイン相として、その出力信号を「cosθ・sinωｔ」で示す。また、２次コイルＳＷ3をマイナス・サイン相として、その出力信号を「−sinθ・sinωｔ」で示し、２次コイルＳＷ4をマイナス・コサイン相として、その出力信号を「−cosθ・sinωｔ」で示す。サイン相とマイナス・サイン相の誘導出力を差動的に合成することによりサイン関数の振幅関数を持つ第１の出力交流信号（２sinθ・sinωｔ）が得られる。また、コサイン相とマイナス・コサイン相の誘導出力を差動的に合成することによりコサイン関数の振幅関数を持つ第２の出力交流信号（２cosθ・sinωｔ）が得られる。なお、表現の簡略化のために、係数「２」を省略して、以下では、第１の出力交流信号を「sinθ・sinωｔ」で表わし、第２の出力交流信号を「cosθ・sinωｔ」で表わす。
なお、このリニアセンサ２０の動作説明においても、傾斜センサ１００の前記説明と同様に、便宜上、位相角の符号を“θ”としているが、傾斜センサ１００の説明で使用する“θ”と、リニアセンサ２０の説明で使用する“θ”とは、べつものであるのは勿論である。すなわち、傾斜センサ１００の説明で使用する“θ”は、前述の通り、Ｘ，Ｙ軸についての傾斜方向を示すものであるのに対して、リニアセンサ２０の説明で使用する“θ”は、前述の通り、Ｚ軸方向のリニア変位に対応している。
【００３７】
こうして、検出対象直線位置ｘに対応する第１の関数値sinθを振幅値として持つ第１の出力交流信号Ａ＝sinθ・sinωｔと、同じ検出対象直線位置ｘに対応する第２の関数値cosθを振幅値として持つ第２の出力交流信号Ｂ＝cosθ・sinωｔとが出力される。このようなコイル構成によれば、回転型位置検出装置である従来知られたレゾルバにおいて得られるのと同様の、同相交流であって２相の振幅関数を持つ２つの出力交流信号（サイン出力とコサイン出力）を直線位置検出装置において得ることができることが理解できる。従って、このリニアセンサ２００から得られる２相の出力交流信号（Ａ＝sinθ・sinωｔとＢ＝cosθ・sinωｔ）は、従来知られたレゾルバの出力と同様の使い方をすることができる。例えば、図５の例と同様に、図７においてもディジタル位相検出回路４０にこれらの２相の出力交流信号Ａ，Ｂを入力してディジタル位相検出によって位相値θに対応するディジタルデータを得て、これをＺ軸方向の操作量の検出データＤｚとすることができる。その場合、ディジタル位相検出回路４０の共通利用可能なハードウェア回路を、傾斜センサ１００とリニアセンサ２００の相方で時分割共用することができる。
なお、上記のように、４つの２次コイルＳＷ1〜ＳＷ4を磁気応答部材２０３の繰り返しピッチの１ピッチｐの範囲内において所定の間隔で配置した構成は、コイル部２０２全体のサイズを磁気応答部材２０３の１ピッチの範囲に略対応する比較的小さなサイズに収めることができるので、リニアセンサ２００全体の構成を小型化することに役立つ。
【００３８】
可動部２０４の一実施形態として、基部ロッドとしてピアノ線を使用し、磁気応答部材２０３として所定の金属片を使用し、ピアノ線からなる可動部２０４の周囲に、磁気応答部材２０３としての該金属片を所定のピッチで１又は複数繰り返して配置してそれぞれの金属片をかしめ止めすることによって、該所定のピッチで繰り返し配置した磁気応答部材２０３を構成するようにするとよい。このような可動部２０４の構成は、単に、所望の長さのピアノ線と所望の数の金属片とを用意し、該金属片を所望のピッチで該ピアノ線にかしめ止めすることだけで、製造することができるので、構成が極めて簡単であり、かつ製造が極めて容易であり、製造コストも極めて安価にすることができるので、かなり有意義である。しかも、可動部２０４つまり可動コア部の径は、ピアノ線の径に金属片（磁気応答部材２０３）の厚みを足した程度の小さなものとなり、これに伴い、コイル部２０２の各コイルの径もかなり小さくすることができるので、全体としてかなり小型化されたリニアセンサ２００を提供することができる。
【００３９】
更にその場合、磁気応答部材２０３としての前記金属片として、既存のスプリングピンを用いてもよく、そのようスプリングピンを用いると、かしめ止め加工作業も極めて容易になり、かつ、かしめ止めも確実になり、しかも安価であるから、極めて有利である。また、磁気応答部材２０３を形成するための前記金属片として展開状態では長方形のものを使用すると、これをロッド（ピアノ線）の周りにかしめ止めしたとき、図６に示すように、磁気応答部材２０３は略円筒形状となる。しかし、これに限らず、磁気応答部材２０３を形成するための前記金属片として展開状態では略円形乃至楕円形の金属片を使用してもよい。その他、磁気応答部材２０３の形状及び材質は任意である。勿論、傾斜センサ１００の磁気応答部材３と同様に流動性の磁性体を用いることができる。
勿論、リニアセンサ２００の検出原理は、上記のようなリニア・レゾルバ原理に従うものに限らず、その他のもの、例えば公知の差動トランスタイプのもの、あるいは、２相交流励磁１相出力タイプのような従来技術の項で説明した位相シフト型誘導リニアセンサでもよい。
【００４０】
図１の例では、Ｚ軸方向の操作は、スティック部１０の本体に対してプッシャ２０１及び可動部２０４を相対的に上下動させることにより行われるようになっている。しかし、これに限らず、スティック部１０の本体そのものを上下動させることによりＺ軸方向の操作を行うようにしてもよい。図８はその場合の一例を示すＺ軸方向一部断面側面図である。
図８において、スティック部１０は、頂部１０ａと棒状部１０ｂとを含む一体部分（側面略図で示す）が握り部１０ｄ（断面で示す）に対してＺ軸方向に相対的に上下動可能な構成となっている。すなわち、握り部１０ｄ内に棒状部１０ｂが下側から挿入されて、バネ１０ｅによって棒状部１０ｂが上向きに付勢され、つば状ストッパ１０ｆによって変位０の初期位置に規制される。操作者が握り部１０ｄを握って頂部１０ａを親指で押すと、頂部１０ａと一体の棒状部１０ｂがＺ軸方向に下向きに動かされる。この場合、傾斜センサ１００は、図１の例と同様に頂部１０ａ内に適宜設けられるてよいが、リニアセンサ２００は、コイル部２０２を握り部１０ｄの内側の所定位置に設け、磁気応答部材２０３を棒状部１０ｂの下側の所定位置の周囲に適宜設ける。
【００４１】
次に、本発明の第２の観点に従う３次元操作検出装置の一実施例につき、図９によって説明する。図９の実施例は、スティック部１０をＺ軸方向に（上下に）振る動作によってＺ軸方向の操作を行えるようにしたものである。
図９において、スティック部１０の頂部１０ａは側面図で示し、この内部には図１と同様に適宜の傾斜センサ１００が設けられる。スティック部１０の棒状部１０ｂはリニアセンサ２００’を内蔵している部分を切り欠いて一部断面で示している。このリニアセンサ２００’は、スティック部１０をＺ軸方向に（上下に）振る動作に基づくＺ軸方向の操作を検出するものである。
リニアセンサ２００’は、棒状部１０ｂの内部においてＺ軸方向に沿って延びた収納空間２０５と、この収納空間２０５の周囲に設けられたコイル部２０２と、この収納空間２０５内にて重力に従って移動自在に収納された磁気応答部材２０３’とを含んでいる。磁気応答部材２０３’としては、空間２０５内を重力に従って自由に動きうる適宜のサイズの磁性体（球体あるいは円板等の適宜の形状であってよい）を使用することができるし、あるいは、適量の磁性流体あるいは磁性粉体等であってもよい。これによって、スティック部１０をＺ軸方向に（上下に）振る動作によって、慣性作用により、収納空間２０５内で磁気応答部材２０３’がコイル部２０２に対して相対的に変位し、Ｚ軸方向の動きに応じた検出出力信号をコイル部２０２から出力することができる。
【００４２】
次に、本発明の第３の観点に従う３次元操作検出装置の一実施例につき、図１０によって説明する。図１０の実施例は、３次元操作入力手段として、手で握るタイプの棒状のスティック部１０を使用せずに、テーブル上等に任意に置いて、又は半固定的に設置して、使用できるようにしたものである。
図１０（ａ）はＸ−Ｙ軸方向に沿う平面図、（ｂ）はＺ軸に沿う断面略図である。この３次元操作検出装置の外観は、上側の操作部１０ａと、下側のベース部１０ｂとからなっている。操作部１０ａは、ベース部１０ｂに対してＸ軸及びＹ軸方向に傾き可能及びＺ軸方向に上下動可能に配置されている。操作部１０ａには、その下側に傾斜センサ１００が設けられていると共に、リニアセンサ２００の可動部２０４が設けられている。可動部２０４の下側の所定箇所には、図１の例と同様に、リニアセンサ２００の磁気応答部材２０３が設けられている。また、ベース部１０ｂの内部の所定箇所には、図１の例と同様に、リニアセンサ２００のコイル部２０２が設けられている。かくして、傾斜センサ１００とリニアセンサ２００の具体的構成は、本明細書で説明する欠く実施例と同様の構成を使用してよい。
【００４３】
上面からみると円形を成している操作部１０ａの略中央が適当に膨らんでいて、ここがＺ軸方向の操作を加えるためのＺプッシャ部１０ｚに相当する。また、操作部１０ａにおけるＺプッシャ部１０ｚの周囲のリング状平面が、Ｘ軸及びＹ軸方向に任意の傾き操作を加えるためのＸＹプッシャ部１０ｘｙに相当する。この操作部１０ａは、リング状のＸＹプッシャ部１０ｘｙの下方において、少なくとも９０度間隔の４点において、バネ１０ｃを介してベース部１０ｂに対して上下動可能に支持されている。
この構成によって、操作部１０ａにおけるリング状のＸＹプッシャ部１０ｘｙの任意の点を指で押すと、操作部１０ａがその押された方向に傾く。この操作部１０ａの傾きは、前述と同様に、傾斜センサ１００によって検出される。また、操作部１０ａにおける中央のＺプッシャ部１０ｚを指で押すと、操作部１０ａの全体が下方に（Ｚ軸方向に）移動する。この操作部１０ａのＺ軸方向の変位は、前述と同様に、リニアセンサ２００によって検出される。
なお、ベース部１０ｂを任意の使用場所に固定して、この検出装置を半固定的に設置するようにしてもよい。もしくは、操作部１０ａ及びベース部１０ｂを含む装置全体を持ち運び可能として、任意の場所でこの検出装置を使用できるようにしてもよい。
【００４４】
なお、上記各実施例では、Ｚ軸方向の操作は、下向きにのみ行うようになっているが、これに限らず、上下両方向に任意に操作できるようにしてもよい。その例を示すと図１１，図１２のようである。
図１１は、図１の変形を示しており、同一符号は同一装置を示す。図１１の例では、スティック部１０の棒状部１０ｂの下端に、上向き操作を行うためのプッシャ２０６が設けられている。プッシャ２０６には可動部２０４の下端が接続されている。プッシャ２０６は、プッシャ２０１と同様に、ゴム等の弾性体からなる。この構成によって、上のプッシャ２０１を押すことによりＺ軸方向の下向き操作を行うことができ、下のプッシャ２０６を押すことによりＺ軸方向の上向き操作を行うことができる。
図１２は、可動部２０４の上端を外部に突出させ、この上端を指で下向きに押したり、指でつまんで上向きに引き上げることができるようにした例を示す。可動部２０４の下端又は適宜箇所にバネ２０７が設けられており、可動部２０４に操作が加えられていないときは中立位置となり、可動部２０４の上向き及び下向きの動き応じて該バネ２０７が伸びたり縮んだりする。なお、可動部２０４の上下動範囲を限界づけるための適宜のストッパ部２０８が設けられる。この構造は、図１のタイプに限らず、図１０のタイプにも応用できる。
【００４５】
次に、傾斜センサ１００の他の実施例について説明する。
図２に示した傾斜センサ１００は、ＸＹ座標面の傾斜を１つのセンサで一挙に検出する例であるが、これに限らず、一方向の（１軸用の）傾斜計を２個組み合わせて２軸傾斜検出を行うようにしてもよい。
図１３は、そのような目的で使用できる１軸用の傾斜計１００Ｘの一例を示す軸方向断面図である。プラスチックあるいはステンレス等の非磁性体からなる収納体１０１は巻軸のような形状をなしており、その軸の内部には、図示のように、下側にわん曲した通路１０１ａが設けられている。この通路１０１ａ内には、適宜のサイズ又は量の磁気応答部材１０３が重力に従って移動自在に収納されている。磁気応答部材１０３は、図１３の例では、球形状をした例えば鉄のような磁性体からなっている。収納体１０１の通路１０１ａの周囲つまり巻軸の周囲には、１又は複数のコイル１１１〜１１５，１２１〜１２４が順次配置されて巻かれている。これらのコイル１１１〜１１５，１２１〜１２４によりコイル部１０２が構成されている。なお、通路１０１ａの両端は閉じられていて、内部の磁気応答部材１０３が飛び出ないようになっている。
【００４６】
上記の構成によって、通路１０１ａ内における磁気応答部材１０３のリニア位置つまり、コイル部１０２に対する磁気応答部材１０３の相対的直線位置に応じて、コイル部１０２における誘導結合が変化し、これに応じた出力信号を該コイル部１０２より得ることができる。従って、通路１０１ａ内における磁気応答部材１０３のリニア位置に応じた検出出力信号をコイル部１０２から得るようにすることができる。
ここで、収納体１０１の通路１０１ａは、下側にわん曲しているため、該収納体１０１が水平位置におかれているとき、該通路１０１ａ内の磁気応答部材１０３は自重により必ず所定の位置（傾斜０に対応する一番低い位置）に位置する。収納体１０１が傾くと、それに応じて通路１０１ａに沿って磁気応答部材１０３がリニアに変位し、該通路１０１ａにおける前記磁気応答部材１０３のリニア位置に応じた検出出力信号が前記コイル部１０２から得られる。従って、コイル部１０２の出力信号は収納体１０１の傾きに応答するものであり、該傾きの検知信号として適宜利用できる。
【００４７】
コイル部１０２による検出原理としては、任意のものを用いることができる。単純な例としては、ピックアップコイル方式があり得る。すなわち通路１０１ａに沿って配置した複数のコイルの出力信号レベルに基づき、磁気応答部材１０３が最も近接したコイルを特定することにより、通路１０１ａにおける磁気応答部材１０３のリニア位置を検出することができ、従って、収納体１０１の傾斜の度合いを検知／検出することができる。より細かく磁気応答部材１０３のリニア位置を検出するための一例として、リニア差動トランス原理に従ってコイル部１０２を構成することができる。すなわち、コイル部１０２として１個又は複数のリニア差動トランスを構成し、該リニア差動トランスの出力電圧値とどのリニア差動トランスから出力が得られたかを示すデータとの組み合わせによって、前記ピックアップコイル方式よりは細かい精度で磁気応答部材１０３のリニア位置を検出することができる。
【００４８】
更に細かい精度で、かつ正確に、磁気応答部材１０３のリニア位置を検出し得るようにするには、レゾルバ原理に従ってコイル部１０２を構成するとよい。
レゾルバ原理に従ってコイル部１０２を構成する場合、１相の交流信号によって励磁される１次コイル１１１〜１１５と、複数の２次コイル１２１〜１２４とを含む。各２次コイル１２１〜１２４は、通路１０１ａに沿って所定の間隔でずらして配置される。一方、１相の交流信号によって共通に励磁されるが故に、１次コイル１１１〜１１５の数は、１又は適宜の複数であってよく、その配置も適宜であってよい。しかし、複数の１次コイル１１１〜１１５を適宜に分離して、例えば図１３に示されるように各２次コイル１２１〜１２４をそれぞれの間に挟むように、配置することは、１次コイルによって発生する磁界を個別の２次コイル１２１〜１２４に対して有効に及ぼし、かつ磁気応答部材１０３による磁場への影響を有効に及ぼすことができるので、好ましい。
【００４９】
通路１０１ａにおける磁気応答部材１０３のリニア位置に応じて、磁気応答部材１０３のコイル部１０２に対する対応位置が変化することにより、１次コイル１１１〜１１５と各２次コイル１２１〜１２４間の磁気結合が該リニア位置に応じて変化され、これにより、該リニア位置に応じて振幅変調された誘導出力交流信号が、各２次コイル１２１〜１２４の配置のずれに応じて異なる振幅関数特性で、各２次コイル１２１〜１２４に誘起される。各２次コイル１２１〜１２４に誘起される各誘導出力交流信号は、１次コイル１１１〜１１５が１相の交流信号によって共通に励磁されるが故に、その電気的位相が同相であり、その振幅関数が各２次コイル１２１〜１２４の配置のずれに応じてずれた位相を有する。
すなわち、４つの２次コイル１２１〜１２４に生じる誘導出力交流信号の振幅関数が、所望の特性を示すように設定することが可能であり、レゾルバタイプの位置検出装置として構成する場合は、各２次コイル１２１〜１２４に生じる誘導出力交流信号の振幅関数が、サイン関数、コサイン関数、マイナス・サイン関数、マイナス・コサイン関数、にそれぞれ相当するように設定することが可能である。種々の条件によって、各コイルの配置は微妙に変わり得るので、希望の関数特性が得られるように各コイルの配置や巻数を適宜調整したり、あるいは２次出力レベルを電気的増幅によって調整して、希望の振幅関数特性が最終的に得られるようにする。
【００５０】
例えば、２次コイル１２１の出力がサイン関数（図でｓを付記する）に対応するとすると、これに対して所定距離（例えばｐ／２とする）だけずれて配置された２次コイル１２３の出力はマイナス・サイン関数（図で／ｓ（ｓバー）を付記する）に相当するように設定し、この両者の出力を差動的に合成することによりサイン関数の振幅関数を持つ第１の出力交流信号を得るようにすることができる。また、サイン関数出力に対応する２次コイル１２１から前記所定距離の半分（例えばｐ／４とする）だけずれて配置された２次コイル１２２の出力はコサイン関数（図でｃを付記する）に対応し、これに対してｐ／２だけずれて配置された２次コイル１２４の出力はマイナス・コサイン関数（図で／ｃ（ｃバー）を付記する）に相当するように設定し、この両者の出力を差動的に合成することによりコサイン関数の振幅関数を持つ第２の出力交流信号を得るようにすることができる。
【００５１】
磁気応答部材１０３の形状は球に限らず、円筒形その他の適宜の形状であってもよい。また、磁気応答部材１０３は固形のものに限らず、例えば磁性流体や磁性粉体のような非固定形状の物体からなるものであってもよい。また、磁気応答部材１０３の材質は磁性体に限らず、銅のような良導電体であってもよい。
図１３では、収納体１０１の外観は、ボビン若しくは巻き軸のようであるが、これに限らず、チューブを曲げた形状からなっていてもよい。その場合は、曲げられたチューブ（収納体１０１）の周りにコイル部１０２を嵌め込むようにすればよい。
勿論、コイル部１０２における１次及び２次コイルの数及び配置も様々な変形や設計変更が可能である。また、２次コイル出力信号の相数もサイン，コサインの２相に限らず、他の形態、例えば１２０度ずれた３相タイプ、であってもよい。
【００５２】
以上のような傾斜計１００Ｘは通路１０１ａの方向に沿う一方向（１軸）のみについての傾斜を検出することができるものである。ＸＹ座標面の傾斜を検出するためには、図示例のような１軸傾斜計１００ＸをＸ軸又はＹ軸について少なくとも１つ設け、他の軸のためには、別のタイプの適当な一方向傾斜計を設けるようにしてもよい。勿論、図１３に示したような同じタイプの１軸傾斜計１００Ｘを２個直交させて設けて、ＸＹ座標面の傾斜を検出するための傾斜センサ１００を構成してもよい。図１４はその一例を略示するものであり、互いに９０度の角度で交差するように２つの傾斜計１００Ｘ，１００Ｙを組み合わせたものである。各傾斜計１００Ｘ，１００Ｙは、図１３の傾斜計１００Ｘと夫々同一構成である。これによって、検出対象のＸ軸方向の傾斜（傾斜成分）を傾斜計１００Ｘで検出することができ、該検出対象のＹ軸方向の傾斜（傾斜成分）を傾斜計１００Ｙで検出することができる。なお、図１４の構成を変形して、Ｘ，Ｙ軸に対応する各傾斜計１００Ｘ，１００Ｙの収納体１０１内の通路１０１ａのわん曲を大きくとるようにしてもよい。
【００５３】
なお、Ｘ軸及びＹ軸の操作を検出するための、第１のコイル部２と磁気応答部材３とを含む第１の検出手段（傾斜センサ１００）は、上記実施例のように、必ずしも傾斜検出装置である必要はない。例えば、Ｘ軸及びＹ軸方向に、スティック部１０を水平移動させるような操作を検出するもの、すなわち加速又は衝撃検出装置であってもよい。そのような加速又は衝撃検出装置は、上述の傾斜センサ１００によっても構成できるし、上述の傾斜センサ１００を適宜一部変形しても構成できる。すなわち、流動性の磁気応答部材３は、そのような瞬間の加速又は衝撃に応答して慣性作用に応じて変位するので、それに応答する出力を発生することができる。また、図１３のような１軸傾斜計１００の通路１０１ａを直線状にしてもそのような瞬間の加速又は衝撃に応答する出力信号を得ることができる。
【００５４】
ところで、本発明に係る３次元操作検出装置を実施するにあたっては、上述の構成すべてを具備する必要はなく、少なくとも１つを具備していても有効である。例えば、Ｘ軸及びＹ軸操作検出用のＸＹ座標面傾斜検出装置すなわち傾斜センサ１００は、上述で例示されたいずれかの構成に従うものとし、Ｚ軸操作検出手段は他の適宜のリニア検出手段（光学式センサ、永久磁石又は磁化パターン利用のリニアセンサ、ポテンショメータ等）を使用してもよい。反対に、Ｚ軸操作検出手段は例示されたリニアセンサ２００のいずれかの構成に従うものとし、Ｘ軸及びＹ軸操作検出手段は、誘導式センサ以外の他の適宜の構成を用いてもよい。Ｘ軸及びＹ軸操作検出手段として利用可能な誘導式センサ以外の検出手段の一例を示すと、図１０の例において、操作部１０ａのリング状のＸＹプッシャ部１０ｘｙの表面をタッチセンサを用いるような変更例が考えられる。勿論、そのような変更例を採用する場合は、図１０における誘導式の傾斜センサ１００を省略する。
【００５５】
次に、図５に示したディジタル位相検出回路４０のいくつかの例について説明する。以下で説明するディジタル位相検出回路４０の各例は、図５に示したディジタル位相検出回路４０に限らず、図７に示したディジタル位相検出回路４０においても適用可能であり、また、図１３に示した１軸傾斜計１００Ｘの出力信号の位相をディジタル測定する場合においても適用可能である。しかし、以下の説明では、便宜的に、図５に示したディジタル位相検出回路４０つまり傾斜センサ１００の出力信号の位相測定のための使用されているものとして説明する。
図１５は、ディジタル位相検出回路４０として、公知のＲ−Ｄ（レゾルバ−ディジタル）コンバータを適用した例を示す。コイル部２の２次コイル２１〜２４から出力されるレゾルバタイプの２相の出力交流信号Ａ＝sinθ・sinωｔとＢ＝cosθ・sinωｔが、それぞれアナログ乗算器３０，３１に入力される。順次位相発生回路３２では位相角φのディジタルデータを発生し、サイン・コサイン発生回路３３から該位相角φに対応するサイン値sinφとコサイン値cosφのアナログ信号を発生する。乗算器３０では、サイン相の出力交流信号Ａ＝sinθ・sinωｔに対してサイン・コサイン発生回路３３からのコサイン値cosφを乗算し、「cosφ・sinθ・sinωｔ」を得る。もう一方の乗算器３１では、コサイン相の出力交流信号Ｂ＝cosθ・sinωｔに対してサイン・コサイン発生回路３３からのサイン値sinφを乗算し、「sinφ・cosθ・sinωｔ」を得る。引算器３４で、両乗算器３０，３１の出力信号の差を求め、この引算器３４の出力によって順次位相発生回路３２の位相発生動作を次のように制御する。すなわち、順次位相発生回路３２の発生位相角φを最初は０にリセットし、以後順次増加していき、引算器３４の出力が０になったとき増加を停止する。引算器３４の出力が０になるのは、「cosφ・sinθ・sinωｔ」＝「sinφ・cosθ・sinωｔ」が成立したときであり、すなわち、φ＝θが成立し、順次位相発生回路３２から位相角φのディジタルデータが出力交流信号Ａ，Ｂの振幅関数の位相角θのディジタル値に一致している。従って、任意のタイミングで周期的にリセットトリガを与えて順次位相発生回路３２の発生位相角φを０にリセットして、該位相角φのインクリメントを開始し、引算器３４の出力が０になったとき、該インクリメントを停止し、位相角θのディジタルデータを得る。
なお、順次位相発生回路３２をアップダウンカウンタ及びＶＣＯを含んで構成し、引算器３４の出力によってＶＣＯを駆動してアップダウンカウンタのアップ／ダウンカウント動作を制御するようにすることが知られており、その場合は、周期的なリセットトリガは不要である。
【００５６】
温度変化等によってコイル部２の１次及び２次コイルのインピーダンスが変化することにより２次出力交流信号における電気的交流位相ωｔに誤差が生じるが、上記のような位相検出回路においては、sinωｔの位相誤差は自動的に相殺されるので、好都合である。これに対して、従来知られた２相交流信号（例えばsinωｔとcosωｔ）で励磁することにより１相の出力交流信号に電気的位相シフトが生じるようにした方式では、そのような温度変化等に基づく出力位相誤差を除去することができない。
ところで、上記のような従来のＲ−Ｄコンバータからなる位相検出回路は、追従比較方式であるため、φを追従カウントするときのクロック遅れが生じ、応答性が悪い、という問題がある。
そこで、本発明者等は、以下に述べるような新規な位相検出回路を開発したので、これを使用すると好都合である。
【００５７】
図１６は、上述の傾斜センサ１００その他において適用可能な新規なディジタル位相検出回路４０の一実施形態を示している。
図１６において、検出回路部４１では、カウンタ４２で所定の高速クロックパルスＣＫをカウントし、そのカウント値に基づき励磁信号発生回路４３から励磁用の交流信号（例えばｓｉｎωｔ）を発生し、コイル部２の１次コイル１１〜１４に与える。カウンタ４２のモジュロ数は、励磁用の交流信号の１周期に対応しており、説明の便宜上、そのカウント値の０は、基準のサイン信号sinωｔの０位相に対応しているものとする。コイル部２の２次コイル２１〜２４から出力される２相の出力交流信号Ａ＝sinθ・sinωｔとＢ＝cosθ・sinωｔは、検出回路部４１に入力される。
【００５８】
検出回路部４１において、第１の交流出力信号Ａ＝sinθ・sinωｔが位相シフト回路４４に入力され、その電気的位相が所定量位相シフトされ、例えば９０度進められて、位相シフトされた交流信号Ａ’＝sinθ・cosωｔが得られる。また、検出回路部４１においては加算回路４５と減算回路４６とが設けられており、加算回路４５では、位相シフト回路４４から出力される上記位相シフトされた交流信号Ａ’＝sinθ・cosωｔとコイル部２の２次コイル２１〜２４から出力され第２の交流出力信号Ｂ＝cosθ・sinωｔとが加算され、その加算出力として、Ｂ＋Ａ’＝cosθ・sinωｔ＋sinθ・cosωｔ＝sin（ωｔ＋θ）なる略式で表わせる第１の電気的交流信号Ｙ１が得られる。減算回路４６では、上記位相シフトされた交流信号Ａ’＝sinθ・cosωｔと上記第２の交流出力信号Ｂ＝cosθ・sinωｔとが減算され、その減算出力として、Ｂ−Ａ’＝cosθ・sinωｔ−sinθ・cosωｔ＝sin（ωｔ−θ）なる略式で表わせる第２の電気的交流信号Ｙ２が得られる。このようにして、収納空間１ａ内の磁気応答部材３の分布に対応して正方向にシフトされた電気的位相角（＋θ）を持つ第１の電気的交流信号Ｙ１＝sin（ωｔ＋θ）と、同じ分布に対応して負方向にシフトされた電気的位相角（−θ）を持つ第２の電気的交流信号Ｙ２＝sin（ωｔ−θ）とが、電気的処理によって夫々得られる。
【００５９】
加算回路４５及び減算回路４６の出力信号Ｙ１，Ｙ２は、夫々ゼロクロス検出回路４７，４８に入力され、それぞれのゼロクロスが検出される。ゼロクロスの検出の仕方としては、例えば、各信号Ｙ１，Ｙ２の振幅値が負から正に変化するゼロクロスつまり０位相を検出する。各回路４７，４８で検出したゼロクロス検出パルスつまり０位相検出パルスは、ラッチパルスＬＰ１，ＬＰ２として、ラッチ回路４９，５０に入力される。ラッチ回路４９，５０では、カウンタ４２のカウント値を夫々のラッチパルスＬＰ１，ＬＰ２のタイミングでラッチする。前述のように、カウンタ４２のモジュロ数は励磁用の交流信号の１周期に対応しており、そのカウント値の０は基準のサイン信号sinωｔの０位相に対応しているものとしたので、各ラッチ回路４９，５０にラッチしたデータＤ１，Ｄ２は、それぞれ、基準のサイン信号sinωｔに対する各出力信号Ｙ１，Ｙ２の位相ずれに対応している。各ラッチ回路４９，５０の出力は誤差計算回路５１に入力されて、「（Ｄ１＋Ｄ２）／２」の計算が行なわれる。なお、この計算は、実際は、「Ｄ１＋Ｄ２」のバイナリデータの加算結果を１ビット下位にシフトすることで行われるようになっていてよい。
【００６０】
ここで、コイル部２と検出回路部４１間の配線ケーブル長の長短による影響や、コイル部２の各１次及び２次コイルにおいて温度変化等によるインピーダンス変化が生じていることを考慮して、その出力信号の位相変動誤差を「±ｄ」で示すと、検出回路部４１における上記各信号は次のように表わされる。
Ａ＝sinθ・sin（ωｔ±ｄ）
Ａ’＝sinθ・cos（ωｔ±ｄ）
Ｂ＝cosθ・sin（ωｔ±ｄ）
Ｙ１＝sin（ωｔ±ｄ＋θ）
Ｙ２＝sin（ωｔ±ｄ−θ）
Ｄ１＝±ｄ＋θ
Ｄ２＝±ｄ−θ
【００６１】
すなわち、各位相ずれ測定データＤ１，Ｄ２は、基準のサイン信号sinωｔを基準位相に使用して位相ずれカウントを行なうので、上記のように位相変動誤差「±ｄ」を含む値が得られてしまう。そこで、誤差計算回路５１において、「（Ｄ１＋Ｄ２）／２」の計算を行なうことにより、
0004623765.tif 000003
により、位相変動誤差「±ｄ」を算出することができる。
【００６２】
誤差計算回路５１で求められた位相変動誤差「±ｄ」のデータは、減算回路５２に与えられ、一方の位相ずれ測定データＤ１から減算される。すなわち、減算回路５２では、「Ｄ１−（±ｄ）」の減算が行なわれるので、
Ｄ１−（±ｄ）＝±ｄ＋θ−（±ｄ）＝θ
となり、位相変動誤差「±ｄ」を除去した正しい検出位相差θを示すディジタルデータが得られる。このように、本発明によれば、位相変動誤差「±ｄ」が相殺されて、正しい位相差θのみが抽出されることが理解できる。
【００６３】
この点を図１７を用いて更に説明する。図１７においては、位相測定の基準となるサイン信号sinωｔと前記第１及び第２の交流信号Ｙ１，Ｙ２の０位相付近の波形を示しており、同図（ａ）は位相変動誤差がプラス（＋ｄ）の場合、（ｂ）はマイナスの場合（−ｄ）を示す。同図（ａ）の場合、基準のサイン信号sinωｔの０位相に対して第１の信号Ｙ１の０位相は「θ＋ｄ」だけ進んでおり、これに対応する位相差検出データＤ１は「θ＋ｄ」に相当する位相差を示す。また、基準のサイン信号sinωｔの０位相に対して第２の信号Ｙ２の０位相は「−θ＋ｄ」だけ遅れており、これに対応する位相差検出データＤ２は「−θ＋ｄ」に相当する位相差を示す。この場合、誤差計算回路５１では、
0004623765.tif 000004
により、位相変動誤差「＋ｄ」を算出する。そして、減算回路５２により、
Ｄ１−（＋ｄ）＝＋ｄ＋θ−（＋ｄ）＝θ
が計算され、正しい位相差θが抽出される。
【００６４】
図１７（ｂ）の場合、基準のサイン信号sinωｔの０位相に対して第１の信号Ｙ１の０位相は「θ−ｄ」だけ進んでおり、これに対応する位相差検出データＤ１は「θ−ｄ」に相当する位相差を示す。また、基準のサイン信号sinωｔの０位相に対して第２の信号Ｙ２の０位相は「−θ−ｄ」だけ遅れており、これに対応する位相差検出データＤ２は「−θ−ｄ」に相当する位相差を示す。この場合、誤差計算回路５１では、
0004623765.tif 000005
により、位相変動誤差「−ｄ」を算出する。そして、減算回路５２により、
Ｄ１−（−ｄ）＝−ｄ＋θ−（−ｄ）＝θ
が計算され、正しい位相差θが抽出される。
なお、減算回路５２では。「Ｄ２−（±ｄ）」の減算を行なうようにしてもよく、原理的には上記と同様に正しい位相差θを反映するデータ（−θ）が得られることが理解できるであろう。
【００６５】
また、図１７からも理解できるように、第１の信号Ｙ１と第２の信号Ｙ２との間の電気的位相差は２θであり、常に、両者における位相変動誤差「±ｄ」を相殺した正確な位相差θの２倍値を示していることになる。従って、図１６におけるラッチ回路４９，５０及び誤差計算回路５１及び減算回路５２等を含む回路部分の構成を、信号Ｙ１，Ｙ２の電気的位相差２θをダイレクトに求めるための構成に適宜変更するようにしてもよい。例えば、ゼロクロス検出回路４７から出力される第１の信号Ｙ１の０位相に対応するパルスＬＰ１の発生時点から、ゼロクロス検出回路４８から出力される第２の信号Ｙ２の０位相に対応するパルスＬＰ２の発生時点までの間を適宜の手段でゲートし、このゲート期間をカウントすることにより、位相変動誤差「±ｄ」を相殺した、電気的位相差（２θ）に対応するディジタルデータを得ることができ、これを１ビット下位にシフトすれば、θに対応するデータが得られる。
【００６６】
ところで、上記実施例では、＋θをラッチするためのラッチ回路４９と、−θをラッチするためのラッチ回路５０とでは、同じカウンタ４２の出力をラッチするようにしており、ラッチしたデータの正負符号については特に言及していない。しかし、データの正負符号については、本発明の趣旨に沿うように、適宜の設計的処理を施せばよい。例えば、カウンタ４２のモジュロ数が４０９６（１０進数表示）であるとすると、そのディジタルカウント０〜４０９５を０度〜３６０度の位相角度に対応させて適宜に演算処理を行なうようにすればよい。最も単純な設計例は、カウンタ４２のカウント出力の最上位ビットを符号ビットとし、ディジタルカウント０〜２０４７を＋０度〜＋１８０度に対応させ、ディジタルカウント２０４８〜４０９５を−１８０度〜−０度に対応させて、演算処理を行なうようにしてもよい。あるいは、別の例として、ラッチ回路５０の入力データ又は出力データを２の補数に変換することにより、ディジタルカウント４０９５〜０を−３６０度〜−０度の負の角度データ表現に対応させるようにしてもよい。
【００６７】
ところで、傾斜が静止状態のときは特に問題ないのであるが、検出対象傾斜が時間的に変化するときは、それに対応する位相角θも時間的に変動することになる。その場合、加算回路４５及び減算回路４６の各出力信号Ｙ１，Ｙ２の位相ずれ量θが一定値ではなく、移動速度に対応して時間的に変化する動特性を示すものとなり、これをθ(t)で示すと、各出力信号Ｙ１，Ｙ２は、
Ｙ１＝sin｛ωｔ±ｄ＋θ(t)｝
Ｙ２＝sin｛ωｔ±ｄ−θ(t)｝
となる。すなわち、基準信号sinωｔの周波数に対して、進相の出力信号Ｙ１は＋θ(t)に応じて周波数が高くなる方向に周波数遷移し、遅相の出力信号Ｙ２は−θ(t)に応じて周波数が低くなる方向に周波数遷移する。このような動特性の下においては、基準信号sinωｔの１周期毎に各信号Ｙ１，Ｙ２の周期が互いに逆方向に次々に遷移していくので、各ラッチ回路４９，５０における各ラッチデータＤ１，Ｄ２の計測時間基準が異なってくることになり、両データＤ１，Ｄ２を単純に回路５１，５２で演算するだけでは、正確な位相変動誤差「±ｄ」を得ることができない。
【００６８】
このような問題を回避するための最も簡単な方法は、図１６の構成において、検出傾斜が時間的に動いているときの出力を無視し、静止状態のときの出力のみを用いて、静止状態が得られた時の位相角θを測定するように装置の機能を限定することである。すなわち、そのような限定された目的のために本発明を実施するようにしてもよいものである。
しかし、検出対象傾斜が時間的に変化している最中であっても時々刻々の該検出対象傾斜に対応する位相角θを正確に検出できるようにすることが望ましい。そこで、上記のような問題点を解決するために、検出対象傾斜が時間的に変化している最中であっても時々刻々の該検出対象傾斜に対応する位相角θを検出できるようにした改善策について図１８を参照して説明する。
【００６９】
図１８は、図１６の検出回路部４１における誤差計算回路５１と減算回路５２の部分の変更例を抽出して示しており、他の図示していない部分の構成は図１６と同様であってよい。検出対象傾斜が時間的に変化している場合における該傾斜方向に対応する位相角θを、＋θ（ｔ）および−θ（ｔ）で表わすと、各出力信号Ｙ１，Ｙ２は前記のように表わせる。そして、夫々に対応してラッチ回路４９，５０で得られる位相ずれ測定値データＤ１，Ｄ２は、
Ｄ１＝±ｄ＋θ(t)
Ｄ２＝±ｄ−θ(t)
となる。
この場合、±ｄ＋θ(t) は、θの時間的変化に応じて、プラス方向に０度から３６０度の範囲で繰り返し時間的に変化してゆく。また、±ｄ−θ(t) は、θの時間的変化に応じて、マイナス方向に３６０度から０度の範囲で繰り返し時間的に変化してゆく。従って、±ｄ＋θ(t) ≠ ±ｄ−θ(t) のときもあるが、両者の変化が交差するときもあり、そのときは±ｄ＋θ(t) ＝ ±ｄ−θ(t) が成立する。このように、±ｄ＋θ(t) ＝ ±ｄ−θ(t) が成立するときは、各出力信号Ｙ１，Ｙ２の電気的位相が一致しており、かつ、夫々のゼロクロス検出タイミングに対応するラッチパルスＬＰ１，ＬＰ２の発生タイミングが一致していることになる。
【００７０】
図１８において、一致検出回路５３は、各出力信号Ｙ１，Ｙ２ののゼロクロス検出タイミングに対応するラッチパルスＬＰ１，ＬＰ２の発生タイミングが、一致したことを検出し、この検出に応答して一致検出パルスＥＱＰを発生する。一方、時変動判定回路５４では、適宜の手段により（例えば一方の位相差測定データＤ１の値の時間的変化の有無を検出する等の手段により）、検出対象傾斜が時間的に変化するモードであることを判定し、この判定に応じて時変動モード信号ＴＭを出力する。
誤差計算回路５１と減算回路５２との間にセレクタ５５が設けられており、上記時変動モード信号ＴＭが発生されていないとき、つまりＴＭ＝“０”すなわち検出対象傾斜が時間的に変化していないとき、セレクタ入力Ｂに加わる誤差計算回路５１の出力を選択して減算回路５２に入力する。このようにセレクタ５５の入力Ｂが選択されているときの図１８の回路は、図１６の回路と等価的に動作する。すなわち、検出対象が静止しているときは、誤差計算回路５１の出力データがセレクタ５５の入力Ｂを介して減算回路５２に直接的に与えられ、図１６の回路と同様に動作する。
【００７１】
一方、上記時変動モード信号ＴＭが発生されているとき、つまりＴＭ＝“１”すなわち検出対象が時間的に変化しているときは、セレクタ５５の入力Ａに加わるラッチ回路５６の出力を選択して減算回路５２に入力する。上記時変動モード信号ＴＭが“１”で、かつ前記一致検出パルスＥＱＰが発生されたとき、アンドゲート５７の条件が成立して、該一致検出パルスＥＱＰに応答するパルスがアンドゲート５７から出力され、ラッチ回路５６に対してラッチ命令を与える。ラッチ回路５６は、このラッチ命令に応じてカウンタ４２の出力カウントデータをラッチする。ここで、一致検出パルスＥＱＰが生じるときは、カウンタ４２の出力をラッチ回路４９，５０に同時にラッチすることになるので、Ｄ１＝Ｄ２であり、ラッチ回路５６にラッチするデータは、Ｄ１又はＤ２（ただしＤ１＝Ｄ２）に相当している。
【００７２】
また、一致検出パルスＥＱＰは、各出力信号Ｙ１，Ｙ２のゼロクロス検出タイミングが一致したとき、すなわち「±ｄ＋θ(t) ＝ ±ｄ−θ(t)」が成立したとき、発生されるので、これに応答してラッチ回路５６にラッチされるデータは、Ｄ１又はＤ２（ただしＤ１＝Ｄ２）に相当しているが故に、
（Ｄ１＋Ｄ２）／２
と等価である。このことは、
0004623765.tif 000006
であることを意味し、ラッチ回路５６にラッチされたデータは、位相変動誤差「±ｄ」を正確に示しているものであることを意味する。
【００７３】
こうして、検出対象が時間的に変動しているときは、位相変動誤差「±ｄ」を正確に示すデータが一致検出パルスＥＱＰに応じてラッチ回路５６にラッチされ、このラッチ回路５６の出力データがセレクタ５５の入力Ａを介して減算回路５２に与えられる。従って、減算回路５２では、位相変動誤差「±ｄ」を除去した検出対象傾斜方向に正確に応答するデータθ（時間的に変動する場合はθ(t) ）を得ることができる。
なお、図１８において、アンドゲート５７を省略して、一致検出パルスＥＱＰを直接的にラッチ回路５６のラッチ制御入力に与えるようにしてもよい。
また、ラッチ回路５６には、カウンタ４２の出力カウントデータに限らず、図１６で破線で示すように誤差計算回路５１の出力データ「±ｄ」をラッチするようにしてもよい。その場合は、一致検出パルスＥＱＰの発生タイミングに対して、それに対応する誤差計算回路５１の出力データの出力タイミングが、ラッチ回路４９，５０及び誤差計算回路５１の回路動作遅れの故に、幾分遅れるので、適宜の時間遅れ調整を行なった上で、誤差計算回路５１の出力をラッチ回路５６にラッチするようにするとよい。
また、動特性のみを考慮して検出回路部４１を構成する場合は、図１８の回路５１及びセレクタ５５と図１６の一方のラッチ回路４９又は５０を省略してもよいことが、理解できるであろう。
【００７４】
図１９は、位相変動誤差「±ｄ」を相殺することができる位相差検出演算法についての別の実施例を示す。
コイル部２の２次コイル２１〜２４から出力されるレゾルバタイプの前記第１及び第２の交流出力信号Ａ，Ｂは、検出回路部６０に入力され、図１６の例と同様に、第１の交流出力信号Ａ＝sinθ・sinωｔが位相シフト回路４４に入力され、その電気的位相が所定量位相シフトされて、位相シフトされた交流信号Ａ’＝sinθ・cosωｔが得られる。また、減算回路４６では、上記位相シフトされた交流信号Ａ’＝sinθ・cosωｔと上記第２の交流出力信号Ｂ＝cosθ・sinωｔとが減算され、その減算出力として、Ｂ−Ａ’＝cosθ・sinωｔ−sinθ・cosωｔ＝sin（ωｔ−θ）なる略式で表わせる電気的交流信号Ｙ２が得られる。減算回路４６の出力信号Ｙ２はゼロクロス検出回路４８に入力され、ゼロクロス検出に応じてラッチパルスＬＰ２が出力され、ラッチ回路５０に入力される。
【００７５】
図１９の実施例が図１６の実施例と異なる点は、検出対象に対応する電気的位相ずれを含む交流信号Ｙ２＝sin（ωｔ−θ）から、その位相ずれ量θを測定する際の基準位相が相違している点である。図１６の例では、位相ずれ量θを測定する際の基準位相は、基準のサイン信号sinωｔの０位相であり、これは、傾斜計１０のコイル部２に入力されるものではないので、温度変化等によるコイルインピーダンス変化やその他の各種要因に基づく位相変動誤差「±ｄ」を含んでいないものである。そのために、図１６の例では、２つの交流信号Ｙ１＝sin（ωｔ＋θ）及びＹ２＝sin（ωｔ−θ）を形成し、その電気的位相差を求めることにより、位相変動誤差「±ｄ」を相殺するようにしている。これに対して、図１９の実施例では、コイル部２から出力される第１及び第２の交流出力信号Ａ，Ｂを基にして、位相ずれ量θを測定する際の基準位相を形成し、該基準位相そのものが上記位相変動誤差「±ｄ」を含むようにすることにより、上記位相変動誤差「±ｄ」を排除するようにしている。
【００７６】
すなわち、検出回路部６０において、コイル部２から出力された前記第１及び第２の交流出力信号Ａ，Ｂがゼロクロス検出回路６１，６２に夫々入力され、それぞれのゼロクロスが検出される。なお、ゼロクロス検出回路６１，６２は、入力信号Ａ，Ｂの振幅値が負から正に変化するゼロクロス（いわば０位相）と正から負に変化するゼロクロス（いわば１８０度位相）のどちらにでも応答してゼロクロス検出パルスを出力するものとする。これは信号Ａ，Ｂの振幅の正負極性を決定するsinθとcosθがθの値に応じて任意に正又は負となるため、両者の合成に基づき３６０度毎のゼロクロスを検出するためには、まず１８０度毎のゼロクロスを検出する必要があるためである。両ゼロクロス検出回路６１，６２から出力されるゼロクロス検出パルスがオア回路６３でオア合成され、該オア回路６３の出力が適宜の１／２分周パルス回路６４（例えばＴ−フリップフロップのような１／２分周回路とパルス出力用アンドゲートを含む）に入力されて、１つおきに該ゼロクロス検出パルスが取り出され、３６０度毎のゼロクロスすなわち０位相のみに対応するゼロクロス検出パルスが基準位相信号パルスＲＰとして出力される。この基準位相信号パルスＲＰは、カウンタ６５のリセット入力に与えられる。カウンタ６５は所定のクロックパルスＣＫを絶えずカウントするものであるが、そのカウント値が、前記基準位相信号パルスＲＰに応じて繰返し０にリセットされる。このカウンタ６５の出力がラッチ回路５０に入力され、前記ラッチパルスＬＰ２の発生タイミングで、該カウント値が該ラッチ回路５０にラッチされる。ラッチ回路５０にラッチしたデータＤが、検出対象に対応した位相差θの測定データとして出力される。
【００７７】
コイル部２から出力される第１及び第２の交流出力信号Ａ，Ｂは、それぞれ、Ａ＝sinθ・sinωｔ、Ｂ＝cosθ・sinωｔ、であり、電気的位相は同相である。従って、同じタイミングでゼロクロスが検出されるはずであるが、振幅係数がサイン関数sinθ及びコサイン関数cosθで変動するので、どちらかの振幅レベルが０か又は０に近くなる場合があり、そのような場合は、一方については、事実上、ゼロクロスを検出することができない。そこで、この実施例では、２つの交流出力信号Ａ＝sinθ・sinωｔ、Ｂ＝cosθ・sinωｔのそれぞれについてゼロクロス検出処理を行ない、両者のゼロクロス検出出力をオア合成することにより、どちらか一方が振幅レベル小によってゼロクロス検出不能であっても、他方の振幅レベル大の方のゼロクロス検出出力信号を利用できるようにしたことを特徴としている。
【００７８】
図１９の例の場合、コイル部２のコイルインピーダンス変化等による位相変動誤差が、例えば「−ｄ」であるとすると、減算回路４６から出力される交流信号Ｙ２は、図２０の（ａ）に示すように、Ｙ２＝sin（ωｔ−ｄ−θ）となる。この場合、コイル部２の出力信号Ａ，Ｂは、位相角θに応じた振幅値sinθ及びcosθを夫々持ち、図２０の（ｂ）に例示するように、Ａ＝sinθ・sin（ωｔ−ｄ）、Ｂ＝cosθ・sin（ωｔ−ｄ）、というように位相変動誤差分を含んでいる。従って、このゼロクロス検出に基づいて図２０の（ｃ）のようなタイミングで得られる基準位相信号パルスＲＰは、本来の基準のサイン信号sinωｔの０位相から位相変動誤差−ｄだけずれたものである。従って、この基準位相信号パルスＲＰを基準として、減算回路４６の出力交流信号Ｙ２＝sin（ωｔ−ｄ−θ）の位相ずれ量を測定すれば、位相変動誤差−ｄを除去した正確な値θが得られることになる。
【００７９】
なお、コイル部２の配線長等の装置条件が定まると、そのインピーダンス変化は主に温度に依存することになる。そうすると、上記位相変動誤差±ｄは、この傾斜検出装置が配備された周辺環境の温度を示すデータに相当する。従って、図１６の実施例のような位相変動誤差±ｄを演算する回路５１を有するものにおいては、そこで求めた位相変動誤差±ｄのデータを温度検出データとして適宜出力することができる。従って、そのような本発明の構成によれば、１つの傾斜検出装置によって検出対象の傾斜を検出することができるのみならず、該傾斜検出装置の周辺環境の温度を示すデータをも得ることができる、という優れた効果を有するものである。勿論、温度変化等によるセンサ側のインピーダンス変化や配線ケーブル長の長短の影響を受けることなく、検出対象の傾斜に応答した高精度の検出が可能となる、という優れた効果をも奏するものである。また、図１６や図図１８，図１９の例は、交流信号における位相差を測定する方式であるため、図１５のような検出法に比べて、高速応答性にも優れた検出を行なうことができる、という優れた効果を奏する。
【００８０】
なお、上記各実施例において、コイル部（２，１０２，２０２）と磁気応答部材（３，１０３，２０３）による検出原理を、公知の位相シフトタイプ位置検出原理によって構成してもよい。例えば、図５に示されたコイル部２において、１次コイルと２次コイルの関係を逆にして、サイン相のコイル２１とマイナス・サイン相のコイル２３を互いに逆相のサイン信号ｓｉｎωｔ，−ｓｉｎωｔによって励磁し、コサイン相のコイル２２とマイナス・コサイン相のコイル２４を互いに逆相のコサイン信号ｃｏｓωｔ，−ｃｏｓωｔによって励磁し、コイル１１〜１４から検出対象傾斜に応じた電気的位相シフトθを含む出力信号ｓｉｎ（ωｔ−θ）を得るようにしてもよい。
また、コイル部（２，１０２，２０２）と磁気応答部材（３，１０３，２０３）による検出原理を、公知の差動トランス型の位置検出原理に基づいてアナログ検出出力を得るように構成してもよいことは前述の通りである。
また、Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸の操作検出の仕方は、必ずしも正確な操作位置を検出することを要せず、位置検出精度はおおまかであってもよく、また、単純にＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に操作されたことを検知するだけであってもよい。
【００８１】
あるいは、上記各実施例において、コイル部（２，１０２，２０２）の構成として、１次コイルと２次コイルの対を含むように構成せずに、１つのコイルのみによって構成し、該１つのコイルを所定の交流信号によって定電圧駆動し、該コイルへの磁性体（磁気応答部材３）の侵入量に応じて生じるインダクタンス変化に基づく電流変化を計測することにより、傾斜検出データを得るようにしてもよい。その場合、該電流変化に応答する出力信号の振幅変化を測定する方法、あるいは該電流変化に応答するコイル各端部での出力信号間の位相変化を測定する方法などによって所要の測定を行うことができる。
また、上記各実施例において、検出データの出力形式、もしくはデータ形成方式は、ディジタルアブソリュートデータまたはアナログ電圧データ等に限らず、インクリメンタルパルスデータあるいはアブソリュート値を周波数変換した繰り返しパルス信号など、あるいは或る方向への操作持続時間をカウントしたデータ形成など、あるいは加速度的な操作衝撃の大きさを検知して対応する大きさの適当なデータを形成するなど、利用目的に応じて適宜の形式としてよい。
【００８２】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、スティック部に搭載された第１の検出手段に含まれる第１のコイル部と第１の磁気応答部材において、該スティック部のＸ軸及びＹ軸方向の動きに応じて該磁気応答部材が該コイル部に対して相対的に変位し得る構成を採用しているので、スティック部に該第１の検出手段の全体を搭載していながら、なおかつ該第１の検出手段によって該スティック部のＸ軸及びＹ軸方向の動きを検出することができるものとなる。従って、スティック部のＸ軸及びＹ軸方向の動きを検出するための第１の検出手段が、スティック部とは別に設けられずに、該スティック部にそっくり搭載されるので、構成を非常にコンパクトにすることができる。また、Ｚ軸の操作を検出するための第２の検出手段もスティック部に搭載されるので、すべての軸の検出手段がスティック部に搭載されることになり、該スティック部を固定せずにフリーな状態で持ち歩きながら３次元操作入力を行うこともできるようになる。また、構造的に非接触であるという利点を持つ誘導型の検出装置を使用して、コンパクトな３次元操作検出装置にを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る３次元操作検出装置の一実施例を示す図。
【図２】  図１におけるＸＹ面の傾斜を検出するための傾斜センサの詳細例を示す図。
【図３】  図２における収納空間内に収納された流動性磁気応答部材の傾斜時の状態を略示する図。
【図４】  図２におけるコイル部の構成例を示す回路図。
【図５】  図２におけるコイル部の別の構成例を示す回路図。
【図６】  図１におけるＺ軸方向の操作を検出するためのリニアセンサの詳細例を示す図。
【図７】  図６におけるコイル部の構成例を示す回路図。
【図８】  本発明に係る３次元操作検出装置の別の実施例を示す図。
【図９】  本発明に係る３次元操作検出装置の更に別の実施例を示す図。
【図１０】  本発明に係る３次元操作検出装置の更に他の実施例を示す図。
【図１１】  本発明に係る３次元操作検出装置の更に他の実施例を示す図。
【図１２】  本発明に係る３次元操作検出装置の更に他の実施例を示す図。
【図１３】  本発明の各実施例におけるＸ軸又はＹ軸の一方向についての傾斜検出に使用できる傾斜計の一例を示す断面略図。
【図１４】  図１３の傾斜計を２軸分直交させて組み合わせて、ＸＹ面の傾斜を検出するための傾斜センサを構成する例を示す図。
【図１５】  本発明に係る検出装置において適用可能な位相検出タイプの測定回路の一例を示すブロック図。
【図１６】  本発明に係る検出装置において適用可能な位相検出タイプの測定回路の別の例を示すブロック図。
【図１７】  図１６の動作説明図。
【図１８】  図１６の回路に付加される変更例を示すブロック図。
【図１９】  本発明に係る検出装置において適用可能な位相検出タイプの測定回路の更に別の例を示すブロック図。
【図２０】  図１９の動作説明図。
【符号の説明】
１０  スティック部
１０ａ  頂部
１０ｂ  棒状部
１００  傾斜センサ
２００  リニアセンサ
２，１０２，２０２  コイル部
１１〜１５    １次コイル
２１〜２４    ２次コイル
３，１０３，２０３  磁気応答部材
２７，２８  判定処理回路
４０  ディジタル位相検出回路
１００Ｘ  １軸用の傾斜計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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