(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動体の現在座標を時々刻々測定する３次元ディジタイザであって、測定対象である可動体から独立して設定された基準用不動座標系の定位置へ設置されているとともに交流磁場を放射する交流磁場放射手段と、可動体上に設定されて可動体の動きに従って変動する可動座標系の定位置において可動体に対し一体的に設置されているとともに交流磁場を受信する交流磁場受信手段と、磁場受信手段から出力される磁場検出信号に基づき可動体の現在座標を求出する座標解析手段とを備えている磁気式３次元ディジタイザにおいて、地磁気信号を検出する地磁気検出手段を備えるとともに、前記座標解析手段は、可動座標系での検出磁場と可動座標系での検出地磁気との間の対応関係である第１の対応関係を求出するとともに、可動座標系での検出磁場に対応する不動座標系での磁場として算出された算出磁場と、不動座標系での地磁気との対応関係である第２の対応関係を求出し、求められた第１の対応関係と第２の対応関係との二つの対応関係を比較する演算処理を行い、この演算処理された比較結果に基づいて基準用不動座標系の原点から見た可動体の現在位置の方向を確定する処理を行うことを特徴とする磁気式３次元ディジタイザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、可動体の現在座標を時々刻々測定する磁気式３次元ディジタイザに係り、特に可動体の現在座標の測定に必要な磁場データの採取時間を短くするための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気式３次元ディジタイザは、例えば、操縦中のパイロットの頭部（可動体）の動きをリアルタイムで捕捉したり、脳外科手術中の手術器具の先端部（可動体）の動きをリアルタイムで捕捉したりするのに用いられている。パイロットの頭部の動きを捕捉する場合について言えば、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）を装着した戦闘機パイロットは、半透明バイザーを通して見える外界情報と、半透明バイザーに映し出される各種情報を同時に確認しながら操縦を行うのであるが、パイロットが被っているヘルメットには３次元ディジタイザの受信アンテナ（磁気センサ）が取り付けられていて、この受信アンテナから出力される磁場検出信号に基づきパイロットの頭部の動きが捕捉される。
【０００３】
つまり、磁気式３次元ディジタイザの場合、パイロットから独立して設定された基準用不動座標系（基準用固定座標系）の定位置へ設置されているとともにそれぞれ交流磁場を放射する３つの放射アンテナと、パイロットのヘルメット上に設定されてヘルメットの動きに従って変動する可動座標系の定位置においてヘルメットに対し一体的に設置されているとともに放射アンテナからの交流磁場を受信する３つの受信アンテナとを備えていて、これら３つの放射アンテナと３つの受信アンテナは直交３軸のかたちで配置されており、受信アンテナから出力される磁場検出信号を解析処理することにより、パイロットの頭部の動き（位置・姿勢角の現在座標）を時々刻々求出するという構成となっている（米国特許４７３７７９４号明細書，特開昭５９−２１８５３９号公報参照）。
この３次元ディジタイザによるパイロット頭部の動きの捕捉結果は、例えばミサイルを敵機の方に向ける自動照準制御などに利用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の磁気式３次元ディジタイザは、測定速度が遅いという問題がある。測定速度が遅いのは座標の測定に必要なデータ採取に時間がかかるからであるが、データ採取時間が長い場合、データ採取中に測定対象に少なからぬ動きが生じるので、正確な現在座標が測定できず、十分な測定精度が得られない。以下、測定に必要なデータの採取に長い時間を要する点について、具体的に説明する。
【０００５】
図７に示すように、磁場ソースＡが基準用不動座標系であるＸＹＺ直交座標系の原点ＯへＺ軸に対して垂直に配置されている場合、磁場ソースＡによる点Ｐ（ｒ，φ，θ）での磁場Ｆａ（Ｆa-ｒ，Ｆa-φ，Ｆa-θ）は次の通りである。Ｐ（ｒ，φａ，θａ）は、図７に示すように、点Ｐの極座標（球面座標）表示であり、ｒは原点Ｏから点Ｐまでの距離，φａはベクトルＯＰのＺ軸からの変位角，θａはベクトルＯＰからＸＹ平面への投影ベクトルがＸ軸となす角である。なお、磁場ソースＡは、図８（ａ）に示すように、半径ｄ〔ｍ〕，電流ｉ〔Ａ〕の磁場ソースである。
Ｆa-ｒ＝２Ｋｃｏｓφａ／ｒ3 ，Ｆa-φ＝Ｋｓｉｎφａ／ｒ3 ，Ｆa-θ＝０
但し：Ｋ：（μ0 ・ｉ・π・ｄ2 ）／４πである。
また、｜Ｆａ｜＝√（Ｆa-ｒ2 ＋Ｆa-φ2 ＋Ｆa-θ2 ）であるから、
｜Ｆａ｜＝Ｋ・√（１＋３・ｃｏｓ2 φａ）／ｒ3 ・・・（１）
【０００６】
ただ、磁場ソースＡだけでは測定対象の可動体の動きを一意に決定することは出来ない。そこで、３次元ディジタイザでは、図８（ｂ）および図８（ｃ）に示すように、磁場ソースＡの場合と同様にして、さらに磁場ソースＢがＸ軸と垂直に原点Ｏへ配置され、磁場ソースＣがＹ軸と垂直に原点Ｏへ配置されている。磁場ソースＢ，Ｃでの点Ｐの磁場Ｆｂ，Ｆｃはそれぞれ次の通りである。
これら３つの磁場ソースＡ〜Ｃから順番に交流磁場が発振されると同時に、可動体の現在座標における磁場が、可動体に取り付けられた３つの受信アンテナにより検出されるのである。
【０００７】
｜Ｆｂ｜＝Ｋ・√（１＋３・ｃｏｓ2 φｂ）／ｒ3 
但し，φｂは図９に示すようにベクトルＯＰのＸ軸からの変位角である。
｜Ｆｃ｜＝Ｋ・√（１＋３・ｃｏｓ2 φｃ）／ｒ3 
但し，φｃは図９に示すようにベクトルＯＰのＹ軸からの変位角である。
【０００８】
また、ｃｏｓφｂ＝ｓｉｎφａ・ｃｏｓθａであり、
ｃｏｓφｃ＝ｓｉｎφａ・ｓｉｎθａであるから、
｜Ｆｂ｜＝Ｋ・√（１＋３・ｓｉｎ2 φａ・ｃｏｓ2 θａ）／ｒ3 ・・・（２）
｜Ｆｃ｜＝Ｋ・√（１＋３・ｓｉｎ2 φａ・ｓｉｎ2 θａ）／ｒ3 ・・・（３）
【０００９】
（｜Ｆａ｜，｜Ｆｂ｜，｜Ｆｃ｜）でもって点Ｐの現在座標の情報が示されるのであるが、簡単のために｜Ｆａ｜による正規化を行って、｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜）のかたちで考えることができる。
そこで、受信アンテナから出力される磁場検出信号から求まる（｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜）の実測値と上記の関係式とに基づき解析を行うことにより、ＸＹＺ直交座標系の原点から見た可動体の現在位置の方向を規定するパラメータであるφａおよびθａを求出する。
しかし、求出されたφａおよびθａは、図１０に示すように、可動体の移動可能範囲である半球Ｑの中の４個の８分の１球Ｑａ〜Ｑｄのいずれでも取り得る値であるので、この段階のφａおよびθａはいずれの８分の１球のものかは未だ決まっておらず、厳密には候補であるに過ぎない。したがって、実際に可動体が実在する８分の１球を検出し、ＸＹＺ直交座標系の原点Ｏから見た点Ｐの方向を確定しなければならない。
【００１０】
この８分の１球の検出には、磁場ソースの中心軸では（｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜）が、必ず（０．５，０．５）となる性質を利用し、直交する３つの磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃから交流磁場を再び放射することになる。すなわち、各４個の８分の１球について、磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃによる合成磁場を使って、３軸のうち１軸は候補である（φａ，θａ）の方向に直交するよう新たな３つの直交磁場ソースＬ１，Ｍ１，Ｎ１を等価的に形成し、各磁場ソースＬ１，Ｍ１，Ｎ１から順に交流磁場を放射し、受信アンテナから出力される磁場検出信号に基づき実際に求めた（｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜）が、（０．５，０．５）となる場合の８分の１球が検出すべきものということになるのである。４個の８分の１球があるから、個々について各３つの磁場ソースを形成し、順に実際に交流磁場を発生させることになるので、磁場ソースＬ１〜Ｌ４，Ｍ１〜Ｍ４，Ｎ１〜Ｎ４の１２の磁場ソースの形成が必要となる。
【００１１】
そして、検出された８分の１球における点Ｐの磁場Ｆａは、（φａ，θａ）の方向に直交する磁場ソース（今は磁場ソースＬ１とする）の磁場ＦL1- ｒだけであり、ＦL1- φ＝ＦL1- θ＝０であるから、点Ｐの距離ｒも、ｒ＝（２・Ｋ÷ＦL1- ｒ）1/3 として、演算により直ちに求まる。
【００１２】
さらに、点Ｐにおける可動体の姿勢（ζ，λ，τ）が必要な場合、可動体の受信コイルで検出された磁場ＦL1- ｒ（＝ｘｆs,ｙｆs,ｚｆs ）は、その時の磁場ソースＬ１の磁場ＦL1（＝ｘｆ，ｙｆ，ｚｆ）と方向が同じであるから、下の式（４）に基づく演算により容易に求まる。
（ｘｆs,ｙｆs,ｚｆs)T ＝ＴτＴλＴζ（ｘｆ，ｙｆ，ｚｆ）T ・・（４）
但し：Ｔτはロール角度の回転，Ｔλは上昇角の回転，Ｔζは方位角の回転
【００１３】
上のように、従来の磁気式３次元ディジタイザの場合、必要な磁場データの採取のために、最低で６回（最初の磁場ソースＬ１，Ｍ１，Ｎ１で８分の１球の特定ができた時）、最大で１５回（最後の磁場ソースＬ４，Ｍ４，Ｎ４で８分の１球の特定ができた時）の交流磁場放射が必要となる結果、磁場データの採取時間がどうしても長くならざるを得ないのである。
【００１４】
この発明は、上記の事情に鑑み、可動体の座標の測定に必要な磁場データの採取時間の短縮を図ることができる磁気式３次元ディジタイザを提供することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
可動体の現在座標を時々刻々測定する３次元ディジタイザであって、測定対象である可動体から独立して設定された基準用不動座標系の定位置へ設置されているとともに交流磁場を放射する交流磁場放射手段と、可動体上に設定されて可動体の動きに従って変動する可動座標系の定位置において可動体に対し一体的に設置されているとともに交流磁場を受信する交流磁場受信手段と、磁場受信手段から出力される磁場検出信号に基づき可動体の現在座標を求出する座標解析手段とを備えている磁気式３次元ディジタイザにおいて、地磁気信号を検出する地磁気検出手段を備えるとともに、前記座標解析手段は、可動座標系での検出磁場と可動座標系での検出地磁気との間の対応関係である第１の対応関係を求出するとともに、可動座標系での検出磁場に対応する不動座標系での磁場として算出された算出磁場と、不動座標系での地磁気との対応関係である第２の対応関係を求出し、求められた第１の対応関係と第２の対応関係との二つの対応関係を比較する演算処理を行い、この演算処理された比較結果に基づいて基準用不動座標系の原点から見た可動体の現在位置の方向を確定する処理を行うように構成されている。
【００１６】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の磁気式３次元ディジタイザにおいて、磁場受信手段と地磁気検出手段とが共用するフラックスゲート型磁気センサを備えており、磁場受信手段が前記フラックスゲート型磁気センサにより交流磁場の受信を行うとともに、地磁気検出手段が前記フラックスゲート型磁気センサにより地磁気の検出を行うよう構成されている。
【００１７】
〔作用〕
次に、この発明の磁気式３次元ディジタイザ（以下、適宜「３次元ディジタイザ」と略記）による可動体の現在座標を時々刻々測定する際の作用について説明する。
この発明の３次元ディジタイザにより現在座標の測定を実行する場合、普通、測定前に地磁気検出手段を使って、基準用不動座標系での地磁気を予め測定し記憶保持しておく。
そして、測定が始まると、基準用不動座標系側に設置されている磁場放射手段から交流磁場が放射されるのに伴って、可動体側に設置された磁場受信手段により、可動座標系での検出磁場が得られるとともに、地磁気検出手段により可動座標系での検出地磁気も得られる。
【００１８】
可動座標系での検出磁場および検出地磁気が得られると、座標解析手段により、得られた検出磁場と検出地磁気の対応関係が求出される。
一方、座標解析手段により、可動座標系での検出磁場に対応する基準用不動座標系での磁場が演算により求められ、さらに求められた不動座標系での算出磁場と予め保持されている不動座標系での地磁気との対応関係が求出されるのに続いて、さらに求められた二つの対応関係を比較する演算が行われる。そして、二つの対応関係を比較した結果により、基準用不動座標系の原点から見た可動体の現在位置の方向を確定する。
【００１９】
このように、この発明の３次元ディジタイザでは、基準用不動座標系の原点から見た可動体の現在位置の方向を、従来のように合成磁場ソースによる交流磁場を使う代わりに地磁気を使って確定する構成となっており、合成磁場ソースからの磁場放射を伴う磁場データの採取が不要となるので、磁場データの採取時間が短縮されるのである。
加えて、合成磁場ソースからの磁場放射が必要なくなることから、合成磁場ソース形成用のハードウエアが必要なくなる。
【００２０】
また、請求項２の３次元ディジタイザでは、同じフラックスゲート型磁気センサが地磁気の検出と交流磁場の検出との両方を行う構成であることから、高感度センサであるフラックスゲート型磁気センサにより地磁気が正確に検出される。また、交流磁場と地磁気が同一のセンサで検出されるので、交流磁場と地磁気の検出が同一のセンサで行われない場合には生じる座標ズレが起こらない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施例を図面を参照しながら説明する。図１は実施例に係る磁気式３次元ディジタイザの全体構成を示すブロック図、図２は実施例の３次元ディジタイザに用いられている磁気センサの詳細構成を示す平面図である。
【００２２】
図１の３次元ディジタイザは、パイロットのヘルメット又は手術器具などの可動体１の現在座標として、位置を示す座標（ｒ，φ，θ）および姿勢角を示す座標（ζ，λ，τ）を時々刻々測定するディジタイザであり、測定対象である可動体１から独立して設定されたＸＹＺ直交座標系（基準用不動座標系）の定位置へ設置されているとともに交流磁場を放射する磁場ソース（交流磁場放射手段）Ａ，Ｂ，Ｃと、可動体上に設定されて可動体１の動きに従って変動するＸｓＹｓＺｓ直交座標系（センサ座標＝可動座標系）の定位置において可動体１に対し一体的に取り付け設置されているとともに交流磁場を受信する磁場センサ（交流磁場受信手段）ａ，ｂ，ｃとを備えている。
なお、上記の位置座標（ｒ，φ，θ）は極座標表示であり、姿勢（ζ，λ，τ）はオイラ角表示である。
【００２３】
磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃは、図８（ａ）〜図８（ｃ）に示すように、半径ｄ〔ｍ〕，電流ｉ〔Ａ〕であって、互いに直交するよう取り付けられた３つのコイルである。また、磁場センサａ，ｂ，ｃは互いに直交するよう取り付けられた３つの薄膜タイプのフラックスゲート型磁気センサで構成されている。そして、磁場センサａ，ｂ，ｃは交流磁場を検出するだけでなく、地磁気を検出する地磁気センサ（地磁気検出手段）も兼ねている。そのため、交流磁場と地磁気の検出が同一のセンサで行われない場合に生じる座標ズレを勘案（補正）する必要がない。
【００２４】
磁場センサａ〜ｃとして使われているフラックスゲート型磁気センサは、図２に示すように、パーマロイ製リングコア（強磁性体磁心）２１に１個の励振コイル２２と２個の受信コイル２３，２４が巻設された素子構成である。受信コイル２３，２４の方は、起電力が逆向きとなって互いに打ち消し合うように差動接続形態となっている。このフラックスゲート型磁気センサのリングコア２１やコイル２２〜２４は、いずれも薄膜で形成されており、絶縁基板２５の表面に薄膜蒸着およびフォトリソグラフィ技術によるパターン化を繰り返し実施することにより作製されていて、超小型化が可能である。
図２の磁気センサの磁気検出原理は従来のフラックスゲート型磁気センサのそれと同じである。なお、図１においては励振コイル２２の励起系構成の図示は省略してあるが、これも従来のフラックスゲート型磁気センサと同様の構成となっている。
【００２５】
磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃには、交流磁場励起用の発振部２〜４がそれぞれ接続されていて、発振部２〜４がコンピュータ（ＣＰＵ）５からの制御信号に従って順次に交流磁場の放射に必要な交流電力を磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃに供給する構成となっている。磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃから発振される交流磁場励の周波数は特定の周波数に限られるものではないが、例えば８０Ｈｚである。
【００２６】
一方、磁場センサａ，ｂ，ｃには磁場検出信号増幅用の増幅部６〜８がそれぞれ接続されていて、増幅部６〜８は磁場センサａ，ｂ，ｃから出力される磁場検出信号を増幅しＡＤ変換器９〜１１へ送出する。ＡＤ変換器９〜１１は磁場検出信号をディジタル化した後、解析を行うためにコンピュータ（ＣＰＵ）５へ送出する。
コンピュータ５は、プログラムメモリ１２に格納されている制御プログラムに従って磁場検出信号に基づく座標解析を実行し、可動体１の座標（ｒ，φ，θ）および姿勢（ζ，λ，τ）を求出する。つまり、この座標解析を実行するための手段（座標解析手段）は、コンピュータ５と制御プログラムを中心に構成されているのであるが、以下、具体的に説明する。
【００２７】
磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃから交流磁場が放射されるに伴って、図３に示すように、点Ｐを原点にとるＸｓＹｓＺｓ直交座標系（可動座標系）において、磁場Ｆａ〜Ｆｃが順に生じ、これらが磁場センサａ，ｂ，ｃによって検出されて磁場検出信号としてコンピュータ５へ送り込まれる。磁場検出信号を受け取ったコンピュータ５は、磁場検出信号から、改めて下記に示す先の（１）〜（３）式で表される｜Ｆａ｜，｜Ｆｂ｜，｜Ｆｃ｜を先ず求出する。
【００２８】
｜Ｆａ｜＝Ｋ・√（１＋３・ｃｏｓ2 φａ）／ｒ3 ・・（１）
｜Ｆｂ｜＝Ｋ・√（１＋３・ｓｉｎ2 φａ・ｃｏｓ2 θａ）／ｒ3 ・・（２）
｜Ｆｃ｜＝Ｋ・√（１＋３・ｓｉｎ2 φａ・ｓｉｎ2 θａ）／ｒ3 ・・（３）
【００２９】
続いて、｜Ｆａ｜による正規化を行って、（｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜）を算出し、（｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜）の実測値と上記の関係式とに基づき、ＸＹＺ直交座標系の原点から見た可動体１の現在位置の方向を示すφａおよびθａを求出する解析を次のようにして行う。
【００３０】
すなわち、図６に示すように、｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜＝０．５，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜＝０．５を原点として、｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜を縦軸にとり、｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜）を横軸として想定し、図の右肩に示すように１５°刻みで選定されたθａと、５°刻みで選定されたφａの各組み合わせそれぞれの｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜を全て算出しプロットする。そして、θａが同じ点を結ぶ線ＬＡ〜ＬＧを設定すると、線ＬＡ〜ＬＧの傾きがθａの増加に伴って順に増加するという相関関係となっている。また、φａが各線ＬＡ〜ＬＧの上において左側から右側へ０°〜９０°へと順に並ぶことになる。つまり、線ＬＡ〜ＬＧでは、｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜＝０．５，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜＝０．５である原点からの距離がφａの値を示していることになる。
【００３１】
今、求められた｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜に対応する図５の上の点ＦＰが、線ＬＣ，ＬＤの間にプロットされた場合、次のようにして、点ＦＰでのθａ，φａが求められる。まず両線ＬＣ，ＬＤと点ＦＰの離れ具合を勘案し点ＦＰの乗る線ＬＰを補間法で求めるとともに、線ＬＰの傾きを算出し、θａの変化と線ＬＡ〜ＬＧの傾きの変化との相関関係に基づく補間計算を行って、点ＦＰでのθａを求出する。
さらに、線ＬＰの上において、｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜＝０．５，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜＝０．５である原点と点ＦＰとの距離を算出し、直線ＬＣ，ＬＤにおける原点からの距離とφａの値との対応関係に基づく補間計算を行って、点ＦＰでのφａを求出する。
実施例のディジタイザの場合、図６に示される関係を持つ｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜とφａおよびθａの各データは、磁場強度比・角度対応データメモリ１３に予め算出・記憶されていて、解析の際に読みだされ、コンピュータ５により上の解析が進められ、φａ，θａが求出される。
【００３２】
そして、求出されたφａおよびθａは、図１０に示すように、可動体１の移動可能範囲である半球Ｑの中の４個の８分の１球Ｑａ〜Ｑｄのいずれでも取り得る値であるので、この段階のφａおよびθａはいずれの８分の１球のものなのかは未だ決まっていない。したがって、実際に可動体１が実在する８分の１球を検出する必要があるが、実施例の場合、従来とは異なり、地磁気を利用して８分の１球を検出することが構成上の特徴となっている。
以下の説明において、Ｖ〔ｎ〕はベクトルｎを意味するものとする。
【００３３】
実施例のディジタイザでは、磁場センサａ，ｂ，ｃからの磁場検出信号に基づき、磁場ベトクルＶ〔Ｆａ〕，Ｖ〔Ｆｂ〕，Ｖ〔Ｆｃ〕が得られる他、地磁気ベクトルＶ（Ｇａ）が測定される。地磁気ベクトルＶ（Ｇａ）は磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃの発振を止めた状態で磁場センサａ，ｂ，ｃにより簡単に測定することができる。そして、次の式（５）に従ってαs ，βs ，γs を求出する。
Ｖ（Ｇａ）＝αs Ｖ〔Ｆａ〕＋βs Ｖ〔Ｆｂ〕＋γs Ｖ〔Ｆｃ〕・・（５）
αs ，βs ，γs は可動座標系での検出磁場と可動座標系での検出地磁気との間の対応関係を示すパラメータである。
【００３４】
一方、４個の８分の１球Ｑａ〜Ｑｄそれぞれのφａおよびθａについて、測定により得られた磁場ベトクルＶ〔Ｆａ〕，Ｖ〔Ｆｂ〕，Ｖ〔Ｆｃ〕に対応する基準座標系の磁場ベクトルＶ〔ＦＡ〕，Ｖ〔ＦＢ〕，Ｖ〔ＦＣ〕を算出する（図４参照）。算出磁場ベクトルの数は、各８分の１球に３個づつ、計１２個である。
【００３５】
他方、実施例のディジタイザが備えている地磁気メモリ１４には、基準座標系での基準用地磁気ベクトルＶ（ＧＡ）が、（詳しくは後述するように）予め測定されて記憶されている。
そして、次の式（６）に従ってαc ，βc ，γc を求出する。
Ｖ（ＧＡ）＝αc Ｖ〔ＦＡ〕＋βc Ｖ〔ＦＢ〕＋γc Ｖ〔ＦＣ〕・・（６）
αc ，βc ，γc は可動座標系での検出磁場に対応する磁場として算出された不動座標系での算出磁場と不動座標系での地磁気との対応関係を示すパラメータである。
【００３６】
次に、αs ，βs ，γs とαc ，βc ，γc との比較を行う。つまり、可動座標系での検出磁場と可動座標系での検出地磁気との間の対応関係を示すパラメータと、可動座標系での検出磁場に対応する磁場として算出された不動座標系での算出磁場と不動座標系での地磁気との対応関係を示すパラメータの比較を行うのである。両者が良い一致（αs ＝αc ，βs ＝βc ，γs ＝γc ）を示した８分の１球が、可動体の現在位置のある８分の１球として検出され、検出された８分の１球のφａおよびθａが求める座標として確定する。
【００３７】
また、原点と可動体１の現在位置の距離を示すｒは次の（７）式に従って求出される。
ｒ＝〔Ｋ／｜Ｆａ｜−√（１＋３・ｃｏｓ2 φａ）〕1/3   ・・・（７）
何故なら、（１）式より｜Ｆａ｜＝√（１＋３・ｃｏｓ2 φａ）であり、また、｜Ｆａ｜＝√（Ｆa-ｒ2 ＋Ｆa-φ2 ＋Ｆa-θ2 ）であるからである。
Ｋは定数であって、磁場ベクトル強度である｜Ｆａ｜は磁場センサａ，ｂ，ｃの測定データから簡単に求出される値であり、φａは先に求出されていることから、ｒはコンピュータ５により直ちに算出される。
【００３８】
さらに、点Ｐにおける可動体１の姿勢（ζ，λ，τ）が必要な場合、上のように、点Ｐにおける可動体１の位置座標（ｒ，θａ，φａ）および測定磁場ベクトル（Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃ）と、磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃの位置座標およびソース磁場ベクトルが既知であることから、従来公知の磁気式３次元ディジタイザと同様に（例えば先の（４）式に準ずる式）に従って求められる。なお、姿勢の（ζ，λ，τ）は普通（Ａ，Ｅ，Ｒ）と表記されることが多い。
【００３９】
続いて、実施例のディジタイザの磁気メモリ１４へ基準用地磁気ベクトルＶ（ＧＡ）を測定して記憶させる際の装置動作を、図面を参照しながら説明する。
〔ステップＳ１〕まず、図５に示すように、基準用不動座標系であるＸＹＺ直交座標系の原点を中心として想定する球の上半球における４個の８分の１球のいずれに磁場センサａ，ｂ，ｃが位置するのかが分かるよう可動体１をセットする。この時、磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃが内側に設置されているケースＣＳのカバーＣＶの表面に、図５に示すように、例えばＸ軸とＹ軸が正となる方向が分かるようなマークＭＫが設けてあれば、可動体１の適切なセットは容易となる。
【００４０】
〔ステップＳ２〕磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃから交流磁場を放射させるとともに、磁場センサａ，ｂ，ｃから磁場検出信号を得る。
【００４１】
〔ステップＳ３〕磁場センサａ，ｂ，ｃよりの磁場検出信号から、｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜を算出する。
【００４２】
〔ステップＳ４〕算出した｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜と、磁場強度比・角度対応データメモリ１３に予め記憶されている｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜とφａおよびθａの各データとに基づき、コンピュータ５がφａおよびθａを算出する。この場合、可動体１の磁場センサａ，ｂ，ｃのある８分の１球が既に確定しているので、φａおよびθａも直ちに確定する。
【００４３】
〔ステップＳ５〕磁場センサａ，ｂ，ｃにより地磁気ベクトルＶ（Ｇａ）を測定するとともに、磁場センサａ，ｂ，ｃからの磁場検出信号に基づき磁場センサａ，ｂ，ｃの各磁場ベトクルＶ〔Ｆａ〕，Ｖ〔Ｆｂ〕，Ｖ〔Ｆｃ〕をそれぞれ求出し、次の（８）式のαsg，βsg，γsgを求出する。
Ｖ（Ｇａ）＝αsgＶ〔Ｆａ〕＋βsgＶ〔Ｆｂ〕＋γsgＶ〔Ｆｃ〕・・（８）
【００４４】
〔ステップＳ６〕磁場ベトクルＶ〔Ｆａ〕，Ｖ〔Ｆｂ〕，Ｖ〔Ｆｃ〕に対応する基準座標系の磁場ベクトルＶ〔ＦＡ〕，Ｖ〔ＦＢ〕，Ｖ〔ＦＣ〕を算出する。
【００４５】
〔ステップＳ７〕次の（９）式に示すように、算出した各磁場ベクトルＶ〔ＦＡ〕，Ｖ〔ＦＢ〕，Ｖ〔ＦＣ〕に先に求めたαsg，βsg，γsgをそれぞれ掛け合わせてから３者を加え合わせ、基準用地磁気ベクトルＶ（ＧＡ）を求出する。
Ｖ（ＧＡ）＝αsgＶ〔ＦＡ〕＋βsgＶ〔ＦＣ〕＋γsgＶ〔Ｆｃ〕・・（９）
【００４６】
〔ステップＳ８〕求出された基準用地磁気ベクトルＶ（ＧＡ）を地磁気メモリ１４に格納すると、地磁気メモリ１４に対する測定記憶動作は完了である。
以上の磁気メモリ１４へ基準地磁気ベクトルＶ（ＧＡ）を測定して記憶させる際の一連の流れを図１１のフローチャートに纏めて示す。
【００４７】
次に、実施例のディジタイザにより可動体１の現在位置での各座標を測定する際の装置動作を説明する。
〔ステップＦ１〕磁場ソースＡ，Ｂ，Ｃから交流磁場を放射させるとともに、磁場センサａ，ｂ，ｃから磁場検出信号を得る。
【００４８】
〔ステップＦ２〕磁場センサａ，ｂ，ｃよりの磁場検出信号から、｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜を算出する。
【００４９】
〔ステップＦ３〕算出した｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜と、磁場強度比・角度対応データメモリ１３に予め記憶されている｜Ｆｂ｜／｜Ｆａ｜，｜Ｆｃ｜／｜Ｆａ｜とφａおよびθａの各データとに基づき、コンピュータ５がφａおよびθａを算出する。この場合、可動体１の磁場センサａ，ｂ，ｃのある８分の１球は未だ確定していない。
【００５０】
〔ステップＦ４〕磁場センサａ，ｂ，ｃにより地磁気ベクトルＶ（Ｇａ）を測定するとともに、磁場センサａ，ｂ，ｃからの磁場検出信号に基づき磁場ベトクルＶ〔Ｆａ〕，Ｖ〔Ｆｂ〕，Ｖ〔Ｆｃ〕を求出し、先の（５）式のαs ，βs ，γs を求出する。
【００５１】
〔ステップＦ５〕各８分の１球におけるφａおよびθａについて、磁場ベトクルＶ〔Ｆａ〕，Ｖ〔Ｆｂ〕，Ｖ〔Ｆｃ〕に対応する基準座標系の磁場ベクトルＶ〔ＦＡ〕，Ｖ〔ＦＢ〕，Ｖ〔ＦＣ〕を算出する。
【００５２】
〔ステップＦ６〕基準用地磁気ベクトルＶ（ＧＡ）を地磁気メモリ１４から読みだし、各磁場ベクトルＶ〔ＦＡ〕，Ｖ〔ＦＢ〕，Ｖ〔ＦＣ〕について、それぞれ先の（６）式のαc ，βc ，γc を求出する。
【００５３】
〔ステップＦ７〕求出した各αc ，βc ，γc を先に求めたαs ，βs ，γs と比較し一致した時の８分の１球を可動体１のある８分の１球として検出し、正しいφａおよびθａを確定する。
【００５４】
〔ステップＦ８〕先の（７）式に従って、ＸＹＺ座標系の原点と可動体１の現在位置の距離であるｒを算出する。
【００５５】
〔ステップＦ９〕点Ｐにおける可動体１の姿勢（ζ，λ，τ）を常法に従って算出し確定すれば、測定動作は完了である。
以上の可動体１の座標を測定する際の一連の流れを図１２のフローチャートに纏めて示す。
【００５６】
この発明は上記実施の形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
（１）実施例のディジタイザでは、磁気センサがフラックスゲート型磁気センサであったが、適当な他の高感度磁気センサであってもよいことは言うまでもない。
【００５７】
（２）実施例の場合、交流磁場と地磁気を同じ磁気センサで検出する構成であったが、交流磁場と地磁気を別々の磁気センサで検出するようにすることも、構成・解析が複雑化することにはなるが、可能である。
【００５８】
（３）実施例では発振部と増幅器が各磁場ソースおよび磁気センサのそれぞれに１個づつ設置されていたが、発振部や増幅器は１個だけ設置されていて、マルチプレクサで順次切り換える構成のものが変形例として挙げられる。
【００５９】
（４）なお、実施例では、可動体の位置座標および姿勢座標の両方を測定する構成であったが、この発明は可動体の位置座標だけを測定する構成であってもよい。
【００６０】
【発明の効果】
請求項１の発明の磁気式３次元ディジタイザによれば、不動座標系の原点から見た可動体の現在位置の方向を、従来のように合成磁場ソースを使わずに地磁気を使って確定する構成を備えており、合成磁場ソースからの磁場放射による磁場データの採取が不要となるので、測定速度が早くなり、その結果、データ採取中の測定対象の動きが事実上なくなることから、十分な測定精度が得られるのに加え、合成磁場ソース形成用のハードウエアが必要なくなり、装置構成が簡単となる結果、コストダウンが見込めるようになる。
【００６１】
また、請求項２の発明の磁気式３次元ディジタイザによれば、地磁気の検出を行うフラックスゲート型磁気センサは高感度センサであるので、地磁気が正確に検出される結果、より十分な測定精度が得られるようになるのに加え、交流磁場と地磁気が同一のセンサで検出されることから、交流磁場と地磁気の検出が同一のセンサで行われない場合に生じる座標ズレが起こらない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係る磁気式３次元ディジタイザの全体構成を示すブロック図である。
【図２】実施例の３次元ディジタイザでの磁気センサの詳細構成を示す平面図である。
【図３】磁場センサにより検出される磁場ベクトルを示す模式図である。
【図４】磁場センサにより検出された磁場ベクトルに対応する基準座標系の磁場ベクトルを示す模式図である。
【図５】基準用地磁気ベクトルを測定する際の様子を示す模式図である。
【図６】磁場センサの検出磁場とφａおよびθａの関係を示すグラフである。
【図７】極座標での磁場強度表示方式を説明するための模式図である。
【図８】磁場ソースの設置状態を示す模式図である。
【図９】磁場センサにより検出された磁場ベクトルを示す模式図である。
【図１０】上半球における４個の８分の１球を示す模式図である。
【図１１】基準用地磁気ベクトルを測定・記憶する際の一連の流れを示すフローチャートである。
【図１２】可動体の各種座標を測定する際の一連の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１                  …可動体
５                  …コンピュータ
１４                …地磁気メモリ
Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ    …可動座標系
Ｘ，Ｙ，Ｚ          …基準用不動座標系
ｒ，φ，θ          …位置座標
ζ，λ，τ          …姿勢
Ａ，Ｂ，Ｃ          …磁場ソース
ａ，ｂ，ｃ          …磁場センサ
【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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