(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定経路に沿って相対運動するように取り付けられた第１および第２の部材を備え、
前記第１の部材は磁界を発生するための磁界発生装置を備え、
前記第２の部材は、前記磁界発生装置と誘導結合する第１および第２の導体を備え、前記第１の導体は測定経路に沿って第１の特性寸法を有し幾何的に変動しながら広がり、前記第２の導体は測定経路に沿って第２の異なる特性寸法を有し幾何的に変動しながら広がり、その結果、前記磁界発生装置によって発生された磁界に応答して、第１の信号が第１の受信回路に発生し、前記第１の信号は前記第１の導体と前記磁界発生装置との相対的位置および方位に応じて変動し、第２の異なる信号が第２の受信回路に発生し、前記第２の信号は前記第２の導体と前記磁界発生装置との相対的位置および方位に応じて変動し、
さらに前記２つの導体の前記幾何的変動のそれぞれの特性寸法の間の関係を使って前記第１および第２の信号を処理し、前記２つの可動部材の相対的位置および方位を決定する処理手段を備える位置検出装置。
【請求項２】
前記第１および第２の信号が前記２つの可動部材に応じて実質的に正弦曲線で変動するように、前記導体および前記磁界発生装置が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項３】
前記２つの可動部材の前記相対的方位が前記正弦曲線変動の位相ずれを引き起こすことを特徴とする請求項２に記載の位置検出装置。
【請求項４】
前記第２の部材は、さらに、前記磁界発生装置と誘導結合する第３および第４の導体を有し、前記第３の導体が前記第１の導体と同じ特性寸法を有し幾何的に変動しながら広がり、前記第４の導体が前記第２の導体と同じ特性寸法を有し幾何的に変動しながら広がっており、前記第１および第３の導体が前記測定経路に沿って互いに相対的にずれており、前記第２および第４の導体が前記測定経路に沿って互いに相対的にずれており、かつ前記磁界発生装置によって発生された磁界に応答して、第３の信号が第３の受信回路に発生し、前記第３の信号は前記第３の導体および前記磁界発生装置の相対的位置および方位に応じて変動し、第４の信号が第４の受信回路に発生し、前記第４の信号は前記第４の導体および前記磁界発生装置の相対的位置および方位に応じて変動することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の位置検出装置。
【請求項５】
位相が９０度異なる対を形成するように、前記第１および第３の導体が前記測定経路に沿って間隔を置いて配置されることを特徴とする請求項４に記載の位置検出装置。
【請求項６】
位相が９０度異なる対を形成するように、前記第２および第４の導体が前記測定経路に沿って間隔を置いて配置されることを特徴とする請求項４または５に記載の位置検出装置。
【請求項７】
前記処理手段が、前記第１および第２の信号を処理して前記相対位置および方位に依存する第１の値と、前記相対位置および方位に依存する第２の異なる値とをもたらすように動作可能であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の位置検出装置。
【請求項８】
前記処理手段が、前記第１および第２の値の重み付けした組み合わせを実行することにより前記相対位置および方位を決定するように動作可能であり、適用される前記重み付けが前記導体の幾何的変動の特性寸法に依存することを特徴とする請求項７に記載の位置検出装置。
【請求項９】
前記導体が周期的であり、個々の導体の前記特性寸法がピッチを有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の位置検出装置。
【請求項１０】
前記導体がテーパ形であり、端部から中央の交差点に向かって狭くなって複数の実質的に三角形のループを定義し、前記特性寸法が前記各導体のテーパを有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の位置検出装置。
【請求項１１】
前記処理手段が、前記第１および第２の信号を処理し、（ｉ）前記２つの可動部材の相対的方位に依存しない前記２つの可動部材の相対的位置を指示する概略測定値と、（ｉｉ）前記２つの可動部材の相対的方位に依存する前記２つの可動部材の相対的位置を指示する精密測定値とをもたらすことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の位置検出装置。
【請求項１２】
前記相対的方位が前記概略測定値に対して前記精密測定値の明白な相対的ずれを引き起こすことを特徴とする請求項１１に記載の位置検出装置。
【請求項１３】
前記ずれは２つの可動部材の間の測定経路に沿った相対的傾き角の約２倍であることを特徴とする請求項１２に記載の位置検出装置。
【請求項１４】
前記傾き角が既知であり、前記精密測定値から前記部材の相対的位置を決定するために使われることを特徴とする請求項１２または１３に記載の位置検出装置。
【請求項１５】
前記磁界発生装置は、共振装置、短絡コイルおよび導電性スクリーンの少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の位置検出装置。
【請求項１６】
前記第２の部材は、さらに、前記磁界発生装置を励起するための励磁回路を有することを特徴とする請求項１５に記載の位置検出装置。
【請求項１７】
前記励磁回路は、測定経路上で前記磁界発生装置と実質的に一定の結合を有するように配置されていることを特徴とする請求項１６に記載の位置検出装置。
【請求項１８】
前記第１の受信回路は、前記第１の導体を有し、前記第２の受信回路は前記第２の導体を有することを特徴とする請求項１７に記載の位置検出装置。
【請求項１９】
前記第３の受信回路は前記第３の導体を有し、前記第４の受信回路は前記第４の導体を有し、前記処理手段は前記位置および方位情報を導出する目的で前記第１および第３の受信回路からの信号を組み合わせ、前記第２および第４の受信回路からの信号を組み合わせるように動作可能である、請求項４に従属する場合の請求項１８に記載の位置検出装置。
【請求項２０】
前記受信信号の各々は測定経路に沿って前記位置とともに正弦曲線で変動し、前記正弦曲線変動の最大振幅は前記磁界と前記導体の間の間隙に応じて変動し、かつ前記処理手段が前記第１および第３の受信回路からの信号を組み合わせかつ／または前記第２および第４の受信回路からの信号を組み合わせて前記第１と第２の部材の間の間隙の指示値を決定するように動作可能であることを特徴とする請求項１９に記載の位置検出装置。
【請求項２１】
前記処理手段は、前記第１および第３の受信回路に受信された信号から導出された測定値、ならびに前記第２および第４の受信回路に受信された信号から導出された測定値のレシオメトリック・アークタンジェントを決定することにより前記位置情報を抽出するように動作可能であることを特徴とする請求項１９または２０に記載の位置検出装置。
【請求項２２】
前記処理手段は、前記第１および第３の受信回路からの信号から抽出された位置情報と前記第２および第４の受信回路からの信号から抽出された位置情報を組み合わせ、前記２つの可動部材の方位に依存しない概略位置測定値をもたらし、前記相対的方位に依存する精密位置測定値をもたらすように動作可能であることを特徴とする請求項２１に記載の位置検出装置。
【請求項２３】
前記励磁回路が前記第１および第２の導体を有することを特徴とする請求項１６に記載の位置検出装置。
【請求項２４】
前記励磁回路は前記第１および第３の導体を有し、前記第１の受信回路は前記第２の導体を有し、前記第２の受信回路は前記第４の導体を有する、請求項４に従属する場合の請求項２３に記載の位置検出装置。
【請求項２５】
前記励磁回路に励起信号を印加するための駆動手段を有することを特徴とする請求項１６乃至２４のいずれか一項に記載の位置検出装置。
【請求項２６】
前記駆動手段は、前記第１および第３の導体両方を励起するように動作可能であり、前記処理手段は前記第１および第３の導体を励起した結果として前記第２および第４の導体から受信された信号を処理するように動作可能であることを特徴とする請求項２４に従属する場合の請求項２５に記載の位置検出装置。
【請求項２７】
前記処理手段は、前記第１の導体が励起されたときに前記第２の導体で受信される信号と前記第３の導体が励起されたときに前記第４の導体で受信される信号とを組み合わせ、前記第１の導体が励起されたときに前記第４の導体に受信される信号と前記第３の導体が励起されたときに前記第２の導体に受信される信号とを組み合わせるように動作可能であることを特徴とする請求項２６に記載の位置検出装置。
【請求項２８】
前記組み合わせが前記信号の和および差を得ることを含むことを特徴とする請求項２７に記載の位置検出装置。
【請求項２９】
前記処理手段は、前記組み合わされた信号のレシオメトリック・アークタンジェントを決定することにより前記組み合わされた信号から位置情報を抽出して前記２つの可動部材の方位に依存しない概略位置測定値をもたらし、前記相対的方位に依存する精密位置測定値をもたらすように動作可能であることを特徴とする請求項２７または２８に記載の位置検出装置。
【請求項３０】
前記駆動手段は前記励起信号のパルスを前記励磁回路に第１の時間間隔の間印加するように動作可能であり、前記処理手段は、前記第１の時間間隔の後に引き続く第２の時間間隔の間に前記誘起された信号励起信号を処理するように動作可能であることを特徴とする請求項２５乃至２９のいずれか一項に記載の位置検出装置。
【請求項３１】
前記導体は、前記測定経路に沿って連続して配置された少なくとも２つのループを形成するように配置され、各ループが前記経路に沿って広がり、前記ループが直列に接続され、かつ共通のバックグラウンド交番磁界により隣接する前記ループに誘起されるＥＭＦが互いに逆であるように配置されることを特徴とする請求項１乃至３０のいずれか一項に記載の位置検出装置。
【請求項３２】
前記第１および第２の信号が時間変動する信号であって、その振幅は前記２つの可動部材の相対的位置および方位に応じて変動することを特徴とする請求項１乃至３１のいずれか一項に記載の位置検出装置。
【請求項３３】
前記第１および第２の導体が実質的に同一平面内にまたは実質的に平行な面内に形成されることを特徴とする請求項１乃至３２のいずれか一項に記載の位置検出装置。
【請求項３４】
測定平面内の第１および第２の方向で相対運動するように取り付けられた第１および第２の部材を備え、
前記第１の部材が、磁界を発生するための磁界発生装置を含み、
前記第２の部材が、
（ｉ）前記磁界発生装置と誘導結合した第１および第２の導体であって、前記第１の導体が前記第１の方向に沿って第１の特性寸法を有し幾何的に変動しながら広がり、前記第２の導体が前記第１の方向に沿って第２の異なる特性寸法を有し幾何的に変動しながら広がり、その結果、前記磁界発生装置によって発生された磁界に応答して、第１の信号が第１の受信回路に発生し、前記第１の信号が前記第１の導体と前記磁界発生装置との相対的位置および方位に応じて変動し、第２の異なる信号が第２の受信回路に発生し、前記第２の信号が前記第２の導体と前記磁界発生装置との相対的位置および方位に応じて変動する、第１および第２の導体と、
（ｉｉ）前記磁界発生装置と誘導結合した第３および第４の導体であって、前記第３の導体が前記第２の方向に沿って第３の特性寸法を有し幾何的に変動しながら広がり、前記第４の導体が前記第２の方向に沿って前記第３の特性寸法とは異なる第４の特性寸法を有し幾何的に変動しながら広がり、その結果、前記磁界発生装置によって発生された磁界に応答して、第３の信号が第３の受信回路に発生し、前記第３の信号は前記第３の導体と前記磁界発生装置との相対的位置および方位に応じて変動し、第４の異なる信号が第４の受信回路に発生し、前記第４の信号は前記第４の導体と前記磁界発生装置との相対的位置および方位に応じて変動する、第３および第４の導体とを含み、
さらに、前記第１および第２の信号を処理して、前記第１および第２の導体の前記幾何的変動の特性寸法それぞれの間の関係を使って、第１の方向における前記２つの可動部材の相対的位置および方位を決定する手段と、
前記第３および第４の信号を処理して、前記第３および第４の導体の前記幾何的変動の特性寸法それぞれの間の関係を使って、第２の方向における前記２つの可動部材の相対的位置および方位を決定する手段と、
前記第１および第２の方向の前記相対的方位を組み合わせて前記測定平面内における前記第１および第２の部材の相対的方位を決定する手段とを備える、２次元の位置検出装置。
【請求項３５】
前記第１の部材は実質的に異なる方向にそれぞれ異なる磁界を発生するように動作可能な第１および第２の磁界発生装置を有し、前記処理手段は前記２つの磁界発生装置からの信号を識別して前記平面内の前記相対的位置および方位を決定するように動作可能であることを特徴とする請求項３４に記載の位置検出装置。
【請求項３６】
前記第１の磁界発生装置は前記平面と実質的に直交する方向の磁界を作り出すように動作可能であり、前記処理手段は前記第１の磁界発生装置から受信した信号を処理して、前記第１および第２の部材の相対的位置の精密および概略位置測定値を決定するように動作可能であり、前記第２の磁界発生装置は前記平面に対し実質的に所定の角度で傾いている方向の磁界を発生するように動作可能であり、前記処理手段は前記第２の磁界発生装置からの信号を処理して、前記平面内における前記第１および第２の部材の相対的方位を決定するように動作可能であることを特徴とする請求項３５に記載の位置検出装置。
【請求項３７】
前記第１および第２の磁界発生装置が互いに一致することを特徴とする請求項３６に記載の位置検出装置。
【請求項３８】
前記第１および第２の磁界発生装置は所定の距離だけ互いに分離しており、前記処理手段は前記第１および第２の磁界発生装置から受信した信号を処理して、前記第１および第２の部材の完全な相対的位置を決定するように動作可能であることを特徴とする請求項３５または３６に記載の位置検出装置。
【請求項３９】
３つの一致した磁界発生装置を含み、各々異なる方向に磁界を発生するように配置され、前記処理手段は前記磁界発生装置から受信した信号を処理し、前記第１および第２の部材の完全な相対的位置を導出できるように配置されていることを特徴とする請求項３５乃至３７のいずれか一項に記載の位置検出装置。
【請求項４０】
前記磁界発生装置が駆動されるコイルおよび／または共振装置を有することを特徴とする請求項３４乃至３９のいずれか一項に記載の位置検出装置。
【請求項４１】
請求項１乃至４０のいずれか一項に記載の位置検出装置に組み合わせて使用される共振装置であって、各々誘起コイルおよびキャパシタを備える第１および第２の異なる共振装置を有し、各共振装置のコイルの中心点が同一であり、前記コイルの軸が互いに相対的に傾いていることを特徴とする共振装置。
【請求項４２】
更に、誘起コイルおよびキャパシタを備える第３の共振装置を有し、前記第３の共振装置のコイルの中心点が他の２つの共振装置のコイルの中心点に一致しており、前記位置検出装置が、前記３つの異なる共振装置によって前記受信巻線中に誘起された信号によって位置検出装置の一部を形成する受信巻線中に誘起された信号から、前記共振装置の組み合わせを備える対象物の完全な位置を決定することができるように、前記第３の共振装置のコイルの軸が他の２つの共振装置のコイルの軸に対して傾いていることを特徴とする請求項４１に記載の共振装置。
【請求項４３】
測定経路に沿って相対運動するように取り付けられた第１および第２の部材を備え、
前記第１の部材は磁界を発生するための磁界発生装置を含み、
前記第２の部材は前記磁界発生装置と誘導結合した第１および第２の導体を含み、前記第１の導体と前記磁界発生装置の間の磁気結合が第１の空間周波数で変動し、前記第２の導体と前記磁界発生装置の間の磁気結合が第２の空間周波数で変動し、その結果、前記磁界発生装置によって発生された磁界に応答して、第１の信号が第１の受信回路に発生し、前記第１の信号は前記第１の導体と前記磁界発生装置との相対的位置および方位に応じて変動し、第２の異なる信号が第２の受信回路に発生し、前記第２の信号は前記第２の導体と前記磁界発生装置との相対的位置および方位に応じて変動し、
さらに、前記第１および第２の信号を処理して前記２つの可動部材の相対的位置および方位を前記第１および第２の空間周波数に依存して決定する手段を備える位置検出装置。
【請求項４４】
測定平面内で相対運動するように取り付けられた第１および第２の部材を備え、
前記第１の部材が磁界を発生するための磁界発生装置を含み、
前記第２の部材が、前記平面内の２つの異なる方向における前記第１および第２の部材の相対的位置および方位を感知するための第１および第２の回路群を含み、
さらに、前記２つの方向の相対的方位を使って、前記平面内における前記第１および第２の部材の相対的方位を決定する手段を備え、
各巻線群が前記磁界発生装置と誘導結合した第１および第２の導体を含み、前記第１の導体が前記対応する方向に沿って第１の特性寸法を有し幾何的に変動しながら広がり、前記第２の導体が前記対応する方向に沿って第２の異なる特性寸法を有し幾何的に変動しながら広がることを特徴とする位置検出装置。
【請求項４５】
請求項１から３３のいずれか一項に記載の位置検出装置に使用するための複数の成形された導体を製造する方法であって、
複数の導体を成形し、それぞれが経路に沿って、前記経路に沿って特性寸法を有し幾何的に変動しながら広がるように複数の導電性の電線を電線成形装置上で巻線するステップと、
電線を１つまたは複数の基板に固着させるステップとを含む方法。
【請求項４６】
測定経路に沿って相対運動するように取り付けられた第１および第２の部材を備え、
前記第１の部材は磁界を発生するための磁界発生装置を備え、
前記第２の部材は、第１および第２のそれぞれ前記磁界発生装置と誘導結合した導体を含む回路を備え、前記第１の回路の導体が測定経路に沿って第１の特性寸法を有し機何的に変動しながら広がり、前記第２の回路の導体が測定経路に沿って第２の異なる特性寸法を有し機何的に変動しながら広がり、その結果、前記磁界発生装置によって発生された磁界に応答して、第１の信号が前記第１の回路に発生し第２の異なる信号が前記第２の回路に発生し、前記第１および第２の信号がいずれも前記２つの可動部材の相対的位置および方位に応じて変動し、
さらに、前記第１および第２の信号を処理して、前記相対的位置および方位、前記２つの導体の幾何的変動のそれぞれの特性寸法の間の関係を決定する手段を備える位置検出装置。
【請求項４７】
測定経路に沿って相対運動するように取り付けられた第１および第２の部材を備え、
前記第１の部材は磁界を発生するための磁界発生装置を備え、
前記第２の部材は、前記測定経路に沿って広がり前記磁界発生装置と誘導結合した第１および第２の周期的巻線を備え、前記第１の巻線の周期が前記第２の巻線の周期と異なり、その結果、前記磁界発生装置によって発生された磁界に応答して、第１の信号が前記第１の回路に発生し第２の異なる信号が前記第２の回路に発生し、前記第１および第２の信号がいずれも前記２つの部材の相対的位置および方位に応じて実質的に正弦曲線で変動し、
さらに、前記第１および第２の信号を処理して、前記相対的位置および方位に依存する第１の値および前記相対的位置および方位に依存する第２の異なる値を提供する手段と、
前記第１および第２の値を組み合わせて前記巻線の２つの周期の間の関係に依存する前記位置および方位を決定する手段とを備える位置検出装置。
【請求項４８】
前記組み合わせる手段が前記第１および第２の値の和および差を決定するための加算および減算手段を有することを特徴とする請求項４７に記載の位置検出装置。
【請求項４９】
Ｘ−Ｙ方向に相対運動するように取り付けられた第１および第２の部材を備え、
前記第１の部材は、実質的に第１の方向の磁界を発生するための第１の磁界発生装置および実質的に前記第１の方向と異なる第２の方向の磁界を発生するための第２の磁界発生装置を有し、
前記第２の部材は、測定経路に沿って広がり前記第１および第２の磁界発生装置と誘導結合した２組の周期的巻線を有し、各組が第１および第２の周期的巻線を含み、前記第１の巻線の周期が前記第２の巻線の周期と異なり、その結果、前記磁界発生装置の各々によって発生された磁界に応答して、第１の信号が前記第１の回路に発生し第２の異なる信号が前記第２の回路に発生し、前記第１および第２の信号がいずれも前記２つの部材の相対的位置および方位に応じて変動し、
さらに前記磁界発生装置の各々からの前記第１および第２の信号を処理して、前記相対的位置および方位に依存する第１の値および前記相対的位置および方位に依存する第２の異なる値を提供する手段と、
前記第１および第２の値を組み合わせて、前記相対的Ｘ−Ｙ位置を決定し、かつ前記巻線の２つの周期の間の関係に依存する前記相対的方位を決定する手段と
を備えることを特徴とするＸ−Ｙディジタイジング・システム。
【請求項５０】
位置検出装置から得られる信号を処理するための処理回路であって、請求項１乃至４０、４３、４４、４６乃至４８のいずれか一項に記載の位置検出装置で使用される処理回路のすべての技術的特徴を含む処理回路。
【請求項５１】
請求項１乃至４０、４３、４４、４６乃至４８のいずれか一項に記載の位置検出装置を備えるパーソナル・コンピュータであって、前記第２の部材が前記導体を含み、前記受信回路が前記コンピュータのディスプレイの後ろに位置し、前記第１の部材が前記ディスプレイ上の位置を指し示すためのポインティング・デバイスを含み、前記位置検出装置から決定された前記スタイラスと前記ディスプレイの相対的位置が前記ディスプレイ上に表示された情報を制御するために使用されることを特徴とするパーソナル・コンピュータ。
【請求項５２】
測定経路に沿って各々が広がる第１および第２の巻線と、
前記巻線の各々に磁気的に結合するように適合され、前記電磁装置と前記巻線の各々との間の電磁結合が前記運動の関数として変動するように、前記電磁装置と前記巻線が前記経路に沿って互いに相対的に可動な電磁装置とを備え、
前記電磁装置および前記巻線は、前記巻線の１つに印加された入力駆動信号に応答して他方の前記巻線中にそれらの相対的位置の関数として変動する出力信号が誘起されるように配置され、
さらに、前記入力駆動信号を前記巻線に印加するための駆動手段を備え、
前記巻線の各々は、前記測定経路に沿って異なる特性寸法を有し幾何的に変動しながら広がり、それによって前記電磁装置と前記第１の巻線との間の電磁結合が前記電磁装置と前記第２の巻線との間の電磁結合と異なる空間周波数を有することを特徴とする位置検出装置。
【請求項５３】
測定経路に沿って相対運動するように取り付けられた第１および第２の部材の間の相対的位置および方位を検出する方法であって、
前記第１の部材の上に磁界を発生するための磁界発生装置を提供するステップと、
前記磁界発生装置または前記第２の部材と誘導結合した第１および第２の導体を提供するステップであって、前記第１の導体が測定経路に沿って第１の特性寸法を有し幾何的に変動しながら広がり、前記第２の導体が測定経路に沿って第２の異なる特性寸法を有し機何的に変動しながら広がり、その結果、前記磁界発生装置によって発生された磁界に応答して、第１の信号が第１の受信回路に発生し、前記第１の信号が前記第１の導体と前記磁界発生装置との相対的位置および方位に応じて変動し、第２の異なる信号が第２の受信回路に発生し、前記第２の信号が前記第２の導体と前記磁界発生装置との相対的位置および方位に応じて変動するステップと、
前記磁界発生装置を使って磁界を発生するステップと、
前記受信回路から前記第１および第２の信号を受信するステップと、
前記第１および第２の信号を処理して、前記２つの導体の前記幾何的変動の特性寸法それぞれの間の関係を使って、前記２つの可動部材の相対的位置および方位を決定するステップと
有することを特徴とする検出方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は一般に、位置センサに関する。本発明は、それだけに限らないが特に、非接触リニアおよびロータリ位置エンコーダに関連している。本発明は、位置を検出する対象が測定方向に対して相対的に傾斜可能なシステムでの使用に特に適している。
背景技術
２つの相対的に可動な部材の位置を指示する信号を発生させる目的で、多くの非接触リニアおよびロータリ位置エンコーダが提案されている。典型的には、部材の一方が１つまたは複数の感知コイルを備え、他方が１つまたは複数の磁界発生装置を備えている。磁界発生装置および感知コイルは、それらの間の磁気結合量が、２つの部材間の相対位置の関数として変動するようになっている。これは、例えば、感知コイルを、それらの磁界に対する感度が測定経路に沿って予め決められたように変動するよう、設計することにより実現できる。別法として、磁界発生装置を、それらが発生する磁界が測定経路に沿って予め決められたように変動するように、設計することもできる
位置エンコーダのこの形式の一例にインダクトシン（Inductosyn）があり、これは非接触スライダが固定トラックの発生する場を検出するように配置されているか、その逆に配置されている。固定トラックは、電流を加えたとき実質上測定方向に正弦変動する磁界を発生する導体の繰り返しパターンを有する、ｓｉｎおよびｃｏｓ検出装置トラックを備える移動中のスライダによりこの磁界が検出される。次いで、これら２つの検出装置トラックにより検出された信号の空間位相から、２つの相対的に可動な部材の位置を決定する。
出願人は、以前の国際出願ＷＯ９５／３１６９６号において、一方の部材が励磁コイルおよび複数の感知コイルを有し、かつ他方の部材が共振装置を有する同様のタイプの位置エンコーダを提案した。動作に際しては、励磁コイルが共振装置を励起し、次にこれが、２つの部材間の相対位置とともに正弦曲線変動をする信号を感知コイル内に誘起する。共振装置の替わりに導電スクリーンを使用する類似のシステムが、ＥＰ０１８２０８５号に開示されている。ただし、共振装置の替わりに導電性スクリーンを使用するのは、出力信号レベルがはるかに小さいこと、ならびに、励磁コイル電流の短いバーストを巻線に加え、次いで励磁電流が消えてから感知コイル内に誘起された信号を検出および処理する、パルス−エコー動作モードでシステムを動作できないという不利益がある。
これら公知の位置検出装置すべてに共通する問題は、可動部材がもう一方の要素に対し相対的に傾いている場合、測定に位置の誤差を生ずることである。工作機械用途などある種の応用例では、例えばガイドレールなど使うことにより、２つの相対的に可動な部材の動きを物理的に限定することが可能である。ただし、時にはこれが不可能である。例えば、米国特許第４８４８４９６号に記載のようなＸ−Ｙディジタイジング・タブレットでは、可動部材（スタイラス）が人間のオペレータによって動かされ、タブレットとの相対的傾きが通常の使用中に大きく変動する。
現在までに提案されたほとんどのディジタイジング・タブレットは、重なり合っているが互いに独立した励磁および感知コイルを多数使っており、それらはディジタイジング・タブレットの能動領域の上をおおっている。システムは、最大出力レベルを与える、励磁および感知コイルの組み合わせを検出することによりスタイラスの現在位置を同定する。上述した米国特許第４８４８４９６号で開示されているようなある種のシステムは、２次式補間を実行してスタイラスの現在位置をより正確に決定しようとしている。ただし、この種のシステムには、個別に励起しなければならない多数の励磁コイル、ならびに励起された励磁コイルの各々について監視しなければならない多数の感知コイルを必要とする問題がある。したがって、システムの応答時間とタブレットの精度との間にトレードオフが存在する。具体的には、高精度のためには多数の励磁コイルおよび感知コイルを必要とするが、励磁コイルおよび感知コイルの数が増加すると、システムの応答時間が減少する。したがって、所与のシステムで使われる励磁コイルおよび感知コイルの数は、必要とされる用途によって左右される。
ＥＰ−Ａ−０６８００９号は、Ｘ−Ｙ平面内のスタイラスの方位を決定するために、異なる感知コイルからの信号を処理するように配置されたディジタイジング・タブレットを開示している。本発明は、少なくとも、従来技術の位置センサが抱えるこれらの問題のいくつかを軽減すること、ならびに、例えばディジタイジング・タブレットに対するスタイラスの方位を決定するための代替技術を提供することを目的としている。
発明の開示
一態様によれば、本発明は、測定経路に沿って相対運動するように取り付けられた第１および第２の部材を備え、前記第１の部材が、磁界を発生するための磁界発生装置を含み、前記第２の部材が、前記磁界発生装置と誘導結合された第１および第２の導体を含み、前記第１の導体および前記磁界発生装置の間の磁気結合が第１の空間周波数とともに変動し、前記第２の導体および前記磁界発生装置の間の磁気結合が第２の異なる空間周波数とともに変動し、その結果、前記磁界発生装置により発生された磁界に応答して第１の信号が第１の受信回路内に発生し、第１の信号は第１の導体と磁界発生装置との相対的位置および方位に応じて変動し、第２の異なる信号が第２の受信回路内に発生し、第２の信号は第２の導体と磁界発生装置との相対的位置および方位に応じて変動し、さらに、前記第１および第２の空間周波数に従って前記第１および第２の信号を処理し２つの可動な部材の相対的位置および方位を決定する手段を備える、位置検出装置を提供する。
好ましくは、測定経路を覆って所定の方式で導体を成形することにより、出力信号の、異なる空間周波数変動が達成される。具体的には、好ましくは、２つの導体が測定経路に沿って異なる特性寸法を有し、幾何形状を変動させながら延びる。これは、例えば、測定経路に沿って異なるピッチを有する巻線を使うことにより達成できる。そのような巻線を使うことにより、測定経路全体にわたって位置測定値を得ることができ、測定方向における２つの部材の相対的傾きの指示を得ることができる。したがって、このシステムは、測定経路上に展開された多数の重なり合った巻線を持つ必要性がなく、その結果、上述で考察した問題が生じない。
２つの部材の、第２の方向に関する相対的位置および方位を検出するための類似の位置検出装置を設けることにより、２つの方向を含む平面内における相対的方位を決定することができる。さらに、第１の部材に２つ以上の磁界発生装置を備えることにより、２つ以上の磁界発生装置によって提供される信号から、２つの部材の完全な相対的方位を決定することができる。したがって、１組の平面的な巻線上における物体の位置検出を目的とした完全な６自由度の位置検出装置を提供することができる。このシステムは、ある角度で互いに傾斜した２つの異なる平面内に１組の巻線を必要としない。したがって、この位置検出装置は、多くの応用例、特に子供たちの玩具およびゲームと、巻線が、例えばＬＣＤ画面の裏側に埋め込まれたパーソナル・コンピュータ上で、ポインティング・デバイスを制御する用途に好適かつ便利である。
以下に、典型的な実施形態を添付の図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
図１は、コンピュータ・システムにデータを入力するＸ−Ｙディジタイジング・タブレットを有するコンピュータ・システムの概略図である。
図２は、図１に示したディジタイジング・タブレットの概略分解図であり、ディジタイジング・タブレットの一部を形成し、スタイラスのデイジタイジング・タブレットに対する相対的Ｘ−Ｙ位置を感知するために使われる２つの巻線群を一般的に示す。
図３は、図１に示したＸ−Ｙディジタイジング・タブレットとともに使用可能なスタイラスの形状を示す概略図である。
図４ａは、スタイラスのディジタイジング・タブレットに対する相対的Ｘ位置を感知するために使われる１組の巻線の一部を形成する、第１の周期を有する第１の周期的巻線の形状を示す概略図である。
図４ｂは、スタイラスのディジタイジング・タブレットに対する相対的Ｘ位置を感知するために使われる１組の巻線の一部を同じく形成する、図４ａに示す巻線に対し同じ周期を有するとともに位相が９０度異なる第２の巻線の形状を示す概略図である。
図４ｃは、スタイラスのディジタイジング・タブレットに対する相対的Ｘ位置を感知するために使われる１組の巻線の一部を同じく形成する、図４ａおよび図４ｂに示す巻線の周期とは異なる周期を有する第３の巻線の形状を示す概略図である。
図４ｄは、スタイラスのディジタイジング・タブレットに対する相対的Ｘ位置を感知するために使われる１組の巻線の一部を同じく形成する、図４ｃに示す巻線に対し同じ周期を有するとともに位相が９０度異なる第４の巻線の形状を示す概略図である。
図４ｅは、図１に示すＸ−Ｙディジタイジング・タブレットの部分横断面図である。
図５は、図３に示すスタイラスの図１に示すディジタイジング・タブレットに対する相対的位置を決定するために使われる励磁および処理回路の概略図である。
図６ａは、図４に示す巻線のいくつかに印加される、時間変動する励磁信号の形状を示す図である。
図６ｂは、図６ａに示す励磁信号を図４に示す巻線のひとつに印加したときの、図２に示すスタイラスの一部を形成する共振装置に流れる時間変動する電流を示す図である。
図６ｃは、図５に示す処理回路の一部を形成するミキサからの信号出力の形状を示す概略図である。
図６ｄは、図５に示す処理回路の一部を形成する積分器／サンプル・アンド・ホールド回路からの出力電圧の形状を示す概略図である。
図７ａは、図４ａに示す巻線の部分横断面を示し、巻線に流れる電流とその結果生ずる磁界の間の関係を示す図である。
図７ｂは、図７ａに示す磁界のＺ成分が図１に示すＸ−Ｙディジタイジング・タブレットのＸ方向に沿って変動する様子のベクトル図、およびこのベクトル図がＸ方向に沿う位置とともに変動する近似的な様子を対応して示す図である。
図７ｃは、図７ａに示す磁界のＸ成分が図１に示すＸ−Ｙディジタイジング・タブレットのＸ方向に沿って変動する様子のベクトル図、およびこのベクトル図がＸ方向に沿う位置とともに変動する近似的な様子を対応して示す概略図である。
図８は、図２に示すスタイラスを保持しているオペレータの手の斜視図であり、スタイラス長軸の垂直方向からの傾きを示す。
図９は、スタイラスの軸を図１に示すＸ−Ｙディジタイジング・タブレットのＸ、ＹおよびＺ座標系に関連付ける３次元座標図である。
図１０は、図９に示すスタイラス軸のＸ−Ｚ平面への投影を示すＸ−Ｚ平面の座標図である。
図１１は、図９に示すスタイラス軸のＹ−Ｚ平面への投影を示すＹ−Ｚ平面の座標図である。
図１２は、図５に示す処理回路により得られる、２つの出力信号がスタイラスのディジタイジング・タブレットに対する相対的Ｘ位置に応じて変動する様子を示すプロットであり、スタイラスの垂直方向からの傾きに起因する位置の誤差を示す。
図１３は、ある角度が、その角度の２倍がわかっている場合に、取り得る２つの値を示すデカルト・プロットである。
図１４は、子供用電子ゲームの形状を示す概略図である。
図１５は、図１４に示す電子ゲームに使われる玩具自動車の形状の概略図であり、自動車の図１４に示すゲームの一部を形成するＸ−Ｙディジタイジング・タブレットに対する相対的位置を検出するために使われる共振装置の形状を示す。
図１６は、正確な位置計算および方位計算を可能とする、図１および図１４を参照して記述されるＸ−Ｙディジタイジング・システムに使用可能な２つの共振装置の組み合わせの形状概略図である。
図１７は、前記共振装置の組み合わせを備えた物体の図１または１４に示すＸ−Ｙディジタイジング・タブレットに対する完全な方位情報と、相対的Ｘ、ＹおよびＺ位置とを与えるために使うことができる、３つの共振装置の組み合わせの形状を示す図である。
図１８は、２つの共振装置の設計形状を示す概略図であり、前記共振装置の組み合わせを備えた物体の図１または１４に示すＸ−Ｙディジタイジング・タブレットに対する完全な方位情報と、相対的Ｘ、ＹおよびＺ位置とを与えるために使うことができる。
図１９は、１組の受信巻線のまわりに巻かれ、周辺に装着された励磁巻線を有するディジタイジング・タブレットの形状を示す概略図である。
図２０ａは、巻線の形状を示す概略図であり、励起されたとき、その長手方向に沿って正弦曲線変動をする磁界を発生し、位置を感知するためのディジタイジング・タブレットに使うことができる。
図２０ｂは、巻線の形状を示す概略図であり、励起されたとき、その長手方向に沿ってリニアに変動する磁界を発生し、位置を感知するためのディジタイジング・タブレットに使うことができる。
図２１は、チェスゲームの一部を形成する駒の位置を感知するためのＸ−Ｙディジタイジング・タブレットを用いている電子チェスゲームの斜視図である。
図２２は、図２１に示すチェスゲームの駒の１つの横断面を示す概略図である。
図２３は、液晶ディスプレイの後ろに位置するＸ−Ｙディジタイジング・システムを有するパーソナル・コンピュータの斜視図である。
図２４は、図２３に示すパーソナル・コンピュータのディスプレイの横断面図を示す概略図であり、ディジタイジング・システムの巻線と液晶ディスプレイの間の位置関係を示す。
図２５ａは、スタイラスの図２３に示すＬＣＤディスプレイに対する相対的位置を感知するために使われる１組の巻線の一部を形成する単一周期巻線の形状を示す図である。
図２５ｂは、スタイラスの図２３に示すＬＣＤディスプレイに対する相対的位置を感知するために使われる１組の巻線の一部を同じく形成する、図２５ａに示す巻線に対し同じ周期を有するとともに位相が９０度異なる第２の単一周期巻線の形状を示す図である。
図２６は、図２３に示すパーソナル・コンピュータとともに使われるスタイラスの形状を示す概略図である。
図２７は、図２６に示すスタイラスの一部を形成する電子部品を示す回路図である。
図２８ａは、１次元リニア位置エンコーダを示す概略図である。
図２８ｂは、図２８ａに示すリニア位置エンコーダの一部を形成する第１の周期的巻線の形状を示す図である。
図２８ｃは、図２８ｂに示す巻線と周期は同じであるが位相が９０度異なる図２８ａに示す位置エンコーダの一部を形成する第２の周期的巻線の形状を示す図である。
図２８ｄは、図２８ｂおよび２８ｃに示す巻線に対し異なる周期を有する図２８ａに示す位置エンコーダの一部を形成する第３の周期的巻線の形状を示す図である。
図２８ｅは、図２８ｄに示す巻線と周期は同じであるが位相が９０度異なる図２８ａに示すリニア位置エンコーダの一部を形成する第４の周期的巻線の形状を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
図１は、ディスプレイ３と、中央処理装置５と、キーボード７と、Ｘ−Ｙディジタイジング・タブレット９と、スタイラス１１を有するコンピュータ・システム１を示す概略図である。Ｘ−Ｙディジタイジング・システムはタブレット９上のスタイラス１１の現在のＸ−Ｙ位置を感知し、感知した位置を使ってディスプレイ３上のカーソル１３の位置を制御する。図２は、ディジタイジング・タブレット９の分解図を示す概略図である。図示のとおり、ディジタイジング・タブレットは、第１の巻線群９−ａと、第２の巻線群９−ｂと、２つの巻線群９−ａおよび９−ｂを支えるための基盤部分９−ｃとを具備する。巻線群９−ａはスタイラス１１のＸ座標位置を決定するために使われ、巻線群９−ｂはスタイラス１１のＹ座標位置を決定するために使われる。
図３は、図１に示すスタイラス１１の形状をより詳細に示す。図示のとおり、スタイラス１１は、スイッチ１６を経由してキャパシタ１７と直列に接続され、全体として参照番号１８で示される共振回路を形成するコイル１５を具備する。コイル１５は、このコイル１５の軸２１がスタイラス１１のそれに一致するよう、フェライトコア１９のまわりに巻かれている。本実施形態では、スタイラス１１の先端２３がディジタイザ・タブレット９の表面に押し付けられたとき、またはスタイラス側面の制御ボタン（非表示）の活性化によりスイッチ１６が閉じる。したがって、本実施形態では、スタイラス１１は、それが電池などの電源を含んでいないため、本質的に受動的である。
操作中、スイッチ１６が閉じられ、（巻線群９−ａおよび９−ｂの一部を形成する）励起巻線に励起信号を加えたとき、共振装置１８が共振し、（同じく巻線群９−ａおよび９−ｂの一部を形成する）感知巻線に信号を誘起する。励起巻線、感知巻線および共振装置１８の配置は、感知巻線に誘起された信号が共振装置１８のディジタイジング・タブレット９に対する相対的Ｘ−Ｙ位置に応じて変動するようになっている。したがって、共振装置１８のＸ−Ｙ現在位置は、感知巻線に誘起された信号の適切な処理により決定できる。また、受信巻線に誘起された信号もスタイラス１１の方位とともに変動し、巻線は、この方位情報も受信信号の適切な処理により決定できるように配置されている。さらに、本実施形態では、共振装置１８がスタイラス１１の先端２３に対して相対的に固定された位置にあり、したがって、スタイラスの先端２３のＸ−Ｙ位置が共振装置のＸ−Ｙ位置および決定された方位から決定できる。
本実施形態では、４つの独立した巻線がスタイラス１１のＸ位置を決定するために使われ、４つの独立した巻線がＹ位置を決定するために使われている。本実施形態では、Ｙ位置を決定するために使われている４つの巻線は、Ｘ位置のためのそれらと同じであるが、９０度回転している。次に、Ｘ位置を決定するために使われている４つの巻線の形状を、これらの巻線の形状を示す図４ａから４ｄを参照しながら詳細に説明する。図示のとおり、巻線３１から３４の各々は、ディジタイジング・タブレット９の全能動長Ｌｘ（本実施形態では３００ｍｍ）にわたってＸ方向に、ならびに全能動長Ｌｙ（この実施形態では３００ｍｍ）にわたってＹ方向に広がっている。本実施形態では、巻線が測定経路（Ｘ−軸）に沿ったスタイラスとディジタイジング・タブレット９との相対位置とともに正弦曲線変動する出力信号を与えるように配置されている。
図４ａを参照すると、巻線３１は、Ｘ方向に広がり、かつ導体の繰り返しパターンを具備している。より詳細には、巻線３１は５周期の（３１−１から３１−５）繰り返しパターンを具備し、各周期が２つの交互の感知ループ（ａおよびｂ）を含んでいる。図４ａに示されたように、ループａは配線を時計回りに巻いて形成され、ループｂは配線を反時計回りに巻いて形成されている。巻線３１の５周期が３００ｍｍの長さにわたって広がっているため、巻線３１の周期またはピッチ（λ1）は６０ｍｍである。隣接するループが交互になっている結果、巻線３１は比較的電磁妨害（electro-magnetic interference:ＥＭＩ）に影響されず、巻線に流れ込む電流により発生した磁界が巻線からピッチごとに（つまり６０ｍｍごとに）約５５ｄＢ減衰するため、それ自身他の電気回路にＥＭＩを及ぼさない。各ループ（ｄ1）の範囲を隣接するループ間の間隙（ｄ2）の約２倍と等しくすることにより、２π／λ1に等しい空間周波数（ω）をもった出力信号が、スタイラスとディジタイジング・タブレット間の相対位置とともにほぼ正弦曲線変動をする。
図４ｂに示す巻線３２もまた、５周期の交互の感知ループａおよびｂから形成されており、巻線３１と同じピッチλ1を持っている。ただし、破線３７で示されるように、巻線３２のループはＸ方向に沿ってλ1／４ずれており、そのため巻線３１および３２は位相が９０度異なる一対の巻線を構成する。巻線３１および３２両方が同じ長さＬｘの範囲に広がるように、巻線３２の左および右端のループ３８および３９は、両方とも同じ反時計回りに巻かれているが、Ｘ方向への広がりはピッチλ1のわずか４分の１である。また、巻線３２は、Ｘ−軸のまわりに１８０度、巻線３１に対し相対的に回転しているが、これはその動作に影響せず、ディジタイジング・タブレット９の製造を容易にする。
図４ｃを参照すると、巻線３３は、能動長Ｌｘにわたって広がる６周期の（３３−１から３３−６）繰り返しパターンがある以外、巻線３１と同じ一般的形状を有する。巻線３１および３２と同様、各周期が２つの交互の感知ループａおよびｂを含んでいる。より多くの繰り返しパターン周期が能動長Ｌｘの上にあるため、巻線３３のピッチλ2は巻線３１のピッチλ1より小さく、本実施形態ではλ2は５０ｍｍである。図４ｃに示されたように、巻線３３からの出力接続は、巻線の下側右隅に位置している。当業者なら理解するであろうように、接続点は巻線の長さ方向に沿うどの位置にも作ることができる。巻線３３用のこの接続点位置は、それを巻線３１および３２用の接続点から分離するため選ばれている。
図４ｄに示されたように、巻線３４もまた、６周期の交互の感知ループａおよびｂを具備しているが、これらはＸ方向に沿って巻線３３のそれらと相対的にλ2の４分の１だけずれている。したがって、巻線３１および３２と同様、巻線３３および３４は位相が９０度異なる一対の巻線を構成する。また、巻線３４は、Ｘ軸のまわりに１８０度、巻線３３に対し相対的に回転している。これは、ディジタイジング・タブレット９の製造を容易にするため、ならびに４つの巻線３１から３４への接続点を分離するためである。
スタイラス１１のディジタイジング・タブレット９に対する相対的Ｘ位置を決定するために使われる巻線群９−ａを形成するため、巻線３１から３４を互いに積み重ねる。９０度回転した類似の１組の巻線を準備し、巻線３１から３４の上または下に重ねてスタイラス１１のディジタイジング・タブレット９に対する相対的Ｙ位置を決定するために使われる巻線群９−ｂを形成する。したがって、この実施形態では、ディジタイジング・タブレット９は全部で８つの独立した巻線を具備している。
これ以降の記述では、位相が９０度異なる一対の巻線３１および３２をそれぞれｓｉｎＡおよびｃｏｓＡ巻線と称し、巻線３３および３４をそれぞれｓｉｎＢおよびｃｏｓＢ巻線と称する。同様に、Ｙ位置を決定するために使われる対応する巻線を、ｓｉｎＣ、ｃｏｓＣ、ｓｉｎＤおよびｃｏｓＤ巻線と称する。
これらの巻線を製造可能な数多くの方法が存在する。今までで最も商業的なシステムは、導電性インクを使ったスクリーン印刷技術またはプリント回路基板（ＰＣＢ）技術を用いている。ただし、スクリーン印刷手法は、生産された巻線がＰＣＢ技術で生産されたそれらに較べ比較的高い抵抗を有するという欠点を持ち、もし磁界を感知するために巻線を使う場合、信号レベルが低い、あるいは、もし巻線が磁界発生用の場合、必要とされる磁界強度を発生するためには多くの伝送電力を必要とする結果になる。
ＰＣＢ技術を使って生産された巻線は、スクリーン印刷されたインクを使って生産されたそれらよりも低い抵抗を有しているにもかかわらず、ＰＣＢ技術は、（ｉ）現行ＰＣＢ処理手法は、大部分が最大基板寸法約０．６ｍのバッチ処理に基づいている、（ｉｉ）典型的な現行ＰＣＢ処理手法は、特に本実施形態おいて使われるような複数の巻線システムでは、製造が難しい貫通接続（ビア）を有する複数の層を用いている、ならびに（ｉｉｉ）導体が単一層の上ではなく２つ以上の隔離された層の上に存在するため出力信号中に位置の誤差が生ずるなど、多くの欠点に抱えている。
それゆえに、本実施形態においては、ディジタイジング・タブレット９の巻線をこれらの問題のいくつかを軽減できるワイヤボンディング（wire bonding）技術を使って製造する。ワイヤボンディングは、プリント回路基板製造の技術分野では比較的良く知られた手法である。巻線を形成するために使われる典型的な配線は、０．１ｍｍから０．５ｍｍの間の直径を有し、それが同じ層内で短絡せずに他の電線を横切れるように、通常エナメル被覆の銅から作られている。好適なタイプのワイヤボンディング技術は、数ある中で、米国ニューヨーク州ロング・アイランド、イスリップのＡｄｖａｎｃｅｄ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙにより開発された。この手法は少なくとも２０年間存続しており、好適なワイヤボンディング装置の一般原理および構造が、例えば、米国特許第４６９３７７８号に記載されており、その内容を本明細書中で参考として援用する。
本出願人の同時係属の１９９８年５月２８日出願の国際出願第．号に、位置センサ用途の巻線を製造するためにそのようなワイヤボンディング手法が使用可能な方法が記述されている。より具体的には、好適な基板上に、エナメル銅線を要求されたパターンでボンディングすることにより巻線を形成する。この実施形態では、独立した基板上にディジタイジング・タブレット９の８つの巻線を形成し、次いでこれを互いに重ね合わせて多層構造を形成する。より具体的には、本実施形態では、まず巻線８つのうち最初の１つを形成するために巻線織機（示されていない）の上に要求されたパターンで配線を巻き、層状構造を形成する。次いで、この巻線を第１および第２の基板ではさみ込み、配線を位置決めする。次いで、巻線織機を使って他の巻線を作り出し、次いで第２の基板および第３の基板ではさみ込む。次いで、この工程を、８つの巻線すべてが２つの基板の間にはさみ込まれるまで繰り返す。
図４ｅは、図１に示すディジタイジング・タブレット９のＸ−軸に沿った横断面図を示す。図示のとおり、８つの独立した巻線４１−１から４１−８をはさみ込む９つの独立した基板層４５−１から４５−９がある。一番上の基板４５−１は保護層としても働き、それはＸ−Ｙディジタイジング・タブレットの用途によっては上面に印刷が施されていてもよい。図示のとおり、本実施形態では、Ｘ位置測定用の巻線は、Ｙ位置測定用のそれらと交互の層に配置されている。機械的な安定性を与えるため、スチール（steel）製の基盤層４７を備えている。スチール製の基盤層４７は、ディジタイザー巻線４１中を流れる電流が作り出す磁界と干渉する可能性があるため、磁気的軟調層（magnetically soft layer）４９を基盤層４７と最後の基板層４５−９の間に挿入する。磁気的軟調層４７は、巻線４１をスチール製の基盤層４７から効果的に遮蔽し、磁束が巻線の後ろを通過する透過経路を提供することにより性能を向上させる。磁気的軟調層は、例えば、鉄またはフェライト粉を含むプラスチックまたはゴムから作ればよいが、磁気的に軟らかい材料なら何を使っても良い。この材料は、例えば、英国シェフィールドのＡｎｃｈｏｒ  Ｍａｇｎｅｔｓ株式会社によりＦｅｒｒｏｓｔｒｉｐおよびＦｅｒｒｏｓｈｅｅｔの商標名で、長尺品に押出し成形されており、したがって長さの長いシステムに好適である。この材料は最小限の導電性であり、その結果、渦電量損失が最小限になる。Ｇ４０
ワイヤボンディング技術の利点には、（ｉ）巻線が比較的低い抵抗を有する（約０．１５ｍｍの配線直径で、導電率が約１オーム／メートルである）、（ｉｉ）２つの直交方向に６配線／ｍｍまでの（０．１５ｍｍの配線直径で）高い巻線密度を作ることができ、より複雑な巻線および巻線効率の向上が可能になる（複数巻回を使うことができるため）、ならびに（ｉｉｉ）配線の複数層が使え同一層内での配線交差が可能なことなどがある。
次に、スタイラス１１のディジタイジング・タブレット９に対する相対的位置を決定する方法をさらに詳細に記述する。本実施形態では、励起信号を、ｓｉｎＡ巻線に２回、次いでｃｏｓＡ巻線に２回、次いでｓｉｎＣ巻線に２回、次いで最後にｃｏｓＣ巻線に２回、順次印加する。また、短い時間間隔がこれら巻線各々の励起の間に置かれ、この間に、ｓｉｎＢ巻線、ｃｏｓＢ巻線、ｓｉｎＤ巻線およびｃｏｓＤ巻線に受信された信号を処理し、スタイラスのディジタイジング・タブレット９に対する相対的位置を抽出する。以下にさらに詳細に記述するように、本実施形態では、スタイラス１１のディジタイジング・タブレット９に対する相対的ＸおよびＹ位置を決定することに加え、これらの巻線に受信された信号を処理し、（ｉ）スタイラス１１のディジタイジング・タブレット９上の高さ（Ｚ）、（ｉｉ）スタイラスが垂直から（すなわち、Ｚ−軸から）傾いている角度（α）、および（ｉｉｉ）スタイラス１１のＸ−Ｙ平面内における方位（θ）の推定値を決定する。
図５は、励磁巻線（ｓｉｎＡ、ｃｏｓＡ、ｓｉｎＣおよびｃｏｓＣ）を励起するため、ならびに受信巻線（ｓｉｎＢ、ｃｏｓＢ、ｓｉｎＤおよびｃｏｓＤ）からの受信信号を検出するための励起および処理エレクトロニクスを示す。本実施形態では、ｓｉｎＡ励磁巻線を最初に励起し、ｓｉｎＢ受信巻線に受信された信号を処理する。次いで、ｓｉｎＡ励磁巻線を再び励起し、ｃｏｓＢ受信巻線に受信された信号を処理する。次いで、類似の励磁および処理手順を、励磁巻線ｃｏｓＡと受信巻線ｓｉｎＢおよびｃｏｓＢ、ならびに励磁巻線ｓｉｎＣおよびｃｏｓＣと受信巻線ｓｉｎＤおよびｃｏｓＤについて実行する。位相が９０度異なる巻線をこのような方法で励起することにより、ディジタイジング・タブレット９の能動領域を覆う位置すべてにおいて共振装置が確実に励起される。図示のとおり、励磁および処理回路は、ＭＯＳＦＥＴ増幅器５７により増幅されスイッチ５９を経由して適切な励磁巻線およびそれぞれの出力ライン５０−１から５０−４に印加される適切な励磁信号を発生するディジタル波形発生装置５５を具備している。ディジタル波形発生装置５５は、交流励起信号の周波数がスタイラス１１中の共振装置１８を共振させるために好適であることを保証するマイクロコントローラ６１により制御される。マイクロコントローラ６１はまた、ｓｉｎＡ、ｃｏｓＡ、ｓｉｎＣおよびｃｏｓＣ巻線が正しい時間および正しい順序で励起されるよう、ディジタル波形発生装置およびスイッチ５９も制御する。
図６ａは、本実施形態における４つの励磁巻線（ｓｉｎＡ、ｃｏｓＡ、ｓｉｎＣおよびｃｏｓＣ）に順次印加される励磁信号の形状を示す。図６ａに示されたように、励磁信号５２は、その周波数が共振装置１８の共振周波数と一致する、６周期の矩形波電圧を含んでいる。本実施形態では、共振装置の共振周波数、したがって励磁信号のそれは２ＭＨｚであるが、１０ｋＨｚと１０ＭＨｚの範囲内のいかなる周波数でも実用的である。この励磁信号５２が励磁巻線の１つに印加されたとき、励磁巻線に電流が流れ、それが磁界を作り出し、それが共振装置１８と結合しそれを共振させる。図６ｂは、励起巻線の１つに印加される励起信号５２の結果である共振装置の電流５３の一般的形状を示す。図示の通り、励磁電圧が励磁巻線に加えられた時点から、共振装置の電流は徐々に強度を増加する。共振装置の電流は、時刻ｔ1に巻線から励磁電圧を取り除くとき最大値に達し、その後、短い時間間隔（Ｔ）の間共振を続ける。以下に説明するように、本実施形態では、時刻ｔ2以降、すなわち励磁巻線から励磁電圧が取り除かれた後、処理回路が受信信号を処理するようになっている。これが可能なのは、励磁が取り除かれた後も共振装置が「響き（ring）」続けるからであり、それが励磁と受信巻線との間の直接結合に起因するいかなる誤差も取り除くという利点を有する。
受信巻線（ｓｉｎＢ、ｃｏｓＢ、ｓｉｎＤおよびｃｏｓＤ）から受信された信号は、それぞれ６２−１から６２−４の入力ラインおよびスイッチ６３を経由して、受信信号を増幅する増幅器６５供給される。受信巻線から受信された信号は、本質的に励磁信号の振幅変調された一形態であり、この中に、スタイラス１１の位置情報が振幅内に符号化されている。それゆえ、増幅された信号はミキサ６７に送られ、ここでそれらは、ライン６９を経由してディジタル波形発生装置５５により供給される励磁信号と同じ基本周波数を有する信号をそれらに乗ずることにより同期的に復調される。励磁信号と受信信号を復調するために使われる信号との間のより詳細な関係は、本出願人の以前の国際出願ＷＯ９５／３１６９６号に見出すことができ、その内容を本明細書中で参考として援用する。
図６ｃは、ミキサ６７により出力される信号５６の形状を示す。図示のとおり、ミキサ出力信号５６は、励磁信号が取り除かれた直後の時刻ｔ2に始まり、位置情報を含んだ直流成分を望ましくない高周波交流成分とともに含んでいる。この信号を所定の励磁信号の周期数にわたって積分することにより（正弦曲線変動をする信号の１つまたは複数の周期にわたる積分はゼロであるので）、ミキサ出力信号５６から交流成分が取り除かれる。ミキサ出力信号５６のこの積分は、積分器／サンプル・アンド・ホールド回路７３により実行され、積分区間は、ディジタル波形発生装置５５によりコントロール・ライン７５を経由して制御される。図６ｄは、積分器／サンプル・アンド・ホールド回路７３の出力信号５８の形状を示す。図示のとおり、出力信号５８は時間とともに増加し、最終値（Ｖout）は積分区間中のミキサ出力信号５６の全直流レベルに依存する。次いで、積分器／サンプル・アンド・ホールド回路７３からの出力信号（Ｖout）は、アナログ・ディジタル変換器７７によりアナログ信号からディジタル信号に変換され、マイクロコントローラ６１に送られる。上述したように、次いで、励磁および処理手順を異なる励磁および受信巻線の組み合わせに対して繰り返し、マイクロコントローラ６１が異なる組み合わせからの出力信号（Ｖout）を使いスタイラス１１の位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）、傾き（α）および方位（θ）を導き出す。次いで、この情報は、ライン７９を経由して図１に示された主計算装置５に送られ、これが前記情報を使ってカーソル１３の位置およびディスプレイ３に表示された他の情報を制御する。
スタイラス１１のＸ、ＹおよびＺ位置、傾き（α）および方位（θ）を決定する方法を次に記述する。ただし、これを行うためには、励起巻線ｓｉｎＡ、ｃｏｓＡ、ｓｉｎＣおよびｃｏｓＣ中を流れる励起電流が作り出す磁界の形状、ならびにその磁界がどのようにスタイラス１１の中の共振装置１８と相互作用して、受信巻線ｓｉｎＢ、ｃｏｓＢ、ｓｉｎＤおよびｃｏｓＤ中に信号を誘起するか、それをもとにどのようにこの位置および方位の情報を決定することができるかを理解することが必要である。当業者なら理解するであろうように、巻線中を流れる電流により発生する磁界は巻線および巻線に印加される励磁信号の形状の関数である。すなわち、
Hwinding(x,y,z,t)=f(SHAPE,E(t))      （１）
同様に、交番磁界中に置かれた巻線中に誘起されるＥＭＦは、磁界の関数であり、巻線の形状の関数である。すなわち、
EMFwinding(t)=f(SHAPE,H(x,y,z,t))      （２）
上述したように、本実施形態では、図４に示されたディジタイザ巻線の形状は、各巻線により発生する磁界が、励起されたとき、巻線に沿った位置とともに実質的に正弦曲線変動をするように設計されている。次に、これが達成される様子を、図７を参照しながら、図４ａに示されたｓｉｎＡ巻線３１について例証する。図７ａは、図４ａに示されたｓｉｎＡ巻線３１の一部分の、直線Ｓ−Ｓに沿った横断面を示し、具体的には周期３１−３全体と、周期３１−２および３１−４の一部との横断面を示す。図は、一定の電流がｓｉｎＡ巻線３１に印加された状況を示している。ｓｉｎＡ巻線３１を通って流れる電流が取る経路を考察すれば確認できるように、隣り合って置かれた一対の配線、例えば配線８１および８２の中の電流は同じ方向に、紙面の中にまたは紙面から外に流れており、配線８３および８４のように隣接する配線対の中を流れる電流は逆の方向に流れている。これを図７ａに、紙面から外に出てくる電流を表すために点を使い、紙面の中に入ってゆく電流を表すために十字を使って示す。したがって、各々の電線対によって作りだされた磁界を決定することができ、これらは円８５−１から８５−５によって近似される。これらの磁界８５は互いに結合し、Ｚ方向の成分と、Ｘ方向の成分と、Ｙ方向の成分とに分解できる合成された磁界を作り出す。これらの磁界成分の各々を、特にそれらがＸ方向でどのように変動するかに関して、次に検討する。
Ｚ成分を最初に検討する。点Ａにおいて、磁界線は水平にＸ方向左側を指し、したがって、点ＡではＺ成分が存在しない。これが、図７ｂに示されたベクトル図の点８６により表されている。ただし、点Ａから点Ｂに向かって移動してゆくと、磁界のＺ成分が値を増加し、点Ｂで最大値になる。これが、点Ａから点Ｂに向かってサイズが大きくなるベクトル８８および９０により表されている。この解析をＸ方向に沿って続けると、結果として図７ｂに示された完全なベクトル図となる。このベクトル図の真下にあるのは、ベクトルの強度および方向がＸ方向に沿う位置とともに変化する近似的な様子である。図示のとおり、この近似はｓｉｎＡ巻線３１のピッチλ1と一致する正弦曲線変動の周期で正弦曲線状に変動する。当業者なら理解するであろうように、Ｚ成分の変動は厳密には正弦曲線ではないであろうし、その結果、発生した磁界は望ましくない高次の空間高調波も含んでいるであろう。ただし、これらの高次高調波はより短いピッチを有し、それらの振幅はそれらのピッチに比例した率で減衰するため、磁界の形状は共振装置１８と巻線間の、間隙の増加とともにますます純粋な正弦曲線になるであろう。さらに、間隙がより大きくなっても持続する最低次の望ましくない高調波を取り除くように巻線の形状を選ぶことができる。例えば、図７に示される隣接する電線対の間の間隙は、空間的３次高調波を取り除くように選ぶことができる。これら低次の空間高調波を取り除くことにより、小さな間隙でさえ磁界の形状は正弦曲線に非常に近いものとなる。
磁界の水平Ｘ成分に対する類似の解析の結果が、図７ｃに示されたベクトル図であり、図示のとおり、これもＸに関する正弦曲線変動する関数に近似し、ｓｉｎＡ巻線３１のピッチλ1に等しい周期を有するが、Ｚ成分とは位相が９０度ずれている。磁界のＹ成分のＸ方向における変動について、類似の解析を実施することができる。ただし、配線がＹ方向と平行なため、それらはＸおよびＺ方向の磁界成分を作り出すだけである。結果として磁界のＹ成分は、Ｙ方向と平行な配線がＸ方向と平行な配線につながる、コイルのＹ方向端部を除いて、本質的にゼロである。これら後者の配線はＹ方向の成分を有する磁界を作り出すが、これらはスタイラスと巻線の間の間隙とともに急速に減衰する。
当業者なら理解するであろうように、ｓｉｎＡ巻線の励磁により発生した磁界の強度は、Ｚ方向における巻線からの距離とともに減少する。磁界のこの減衰は指数関数で近似でき、その減衰率はｓｉｎＡ巻線のピッチλ1に近似的に逆比例し、よって、ピッチが大きいほど減衰率が小さいことを示すことができる。
上記の解析から、ｓｉｎＡ巻線３１について「形状要因（shape factor）」を次のように定義できる。
0004173917.tif 000002
ここで、ωA＝２π／λ1、ならびにφxはシステム定数であり、その値は（Ｘ，Ｙ，Ｚ）位置測定値の原点として使われる基準点の位置に依存する。ｃｏｓＡ巻線３２はｓｉｎＡ巻線と同じ一般形状を有するが、Ｘ方向にλ1／４ずれているため、ｃｏｓＡ巻線３２の形状要因を次のように定義できる。
0004173917.tif 000003
ｓｉｎＢおよびｃｏｓＢ巻線のピッチλ2がｓｉｎＡおよびｃｏｓＡ巻線３１および３２のそれと異なるため空間周波数（ω）が異なるであろうことに注意して、同様の表式をｓｉｎＢおよびｃｏｓＢ巻線３３および３４の形状要因について導き出すことができる。ｓｉｎＣ、ｃｏｓＣ、ｓｉｎＤおよびｃｏｓＤ巻線の形状要因が類似の解析を通して得ることができる。ただし、これらの巻線については、電線のＸ方向端部から離れると、これらの端部から離れた電線はすべてＸ方向と平行なため、磁界のＸ成分が本質的にゼロであることに注意する。
この結果、図６ａに示された励磁信号がｓｉｎＡ巻線に印加されたとき、ディジタイジング・タブレット９の周囲に次の磁界が発生する。
Hsin A(x,y,z,t)=Ssin A(x,y,z).f(E(t))      （５）
上述したように、励磁信号Ｅ（ｔ）は基本成分を含む矩形波電圧であり、共振装置１８の共振周波数と一致する周波数、および高次高調波を含んでいる。励磁信号の時間変動の厳密な性質は以下の解析にとって決定的ではないので、励磁信号のより詳細な記述は割愛する。発生した磁界は共振装置１８と結合しそれを共振させる。発生した磁界に起因して共振装置中を流れる電流は、発生した磁界の共振装置１８の軸２１に沿う成分に比例する。標準的な使用の間、図８に示されたように、使用者は通常スタイラス１１をペンのように保持し、その結果、共振装置１８の軸２１がある未知の角度（α）だけ垂直から傾くであろう。
図９は、原点を共振装置の中心に置き、共振装置の軸が単位ベクトルｒ（ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ）の方向を指している３次元デカルト・プロットを示す。図９に示されたように、単位ベクトルｒは、垂直から角度αだけ傾き、Ｘ−軸から角度θだけ回転している。角度θがスタイラス１１のＸ−Ｙ平面内における方位の尺度を表す。したがって、共振装置電流は、
0004173917.tif 000004
で表すことができる。
ここで、
dx=rcosθsinα=rxsinαx      （７）
dy=rsinθsinα=rysinαy      （８）
dz=rcosα=rxcosαx=rycosαy      （９）
であり、ここに、図１０および図１１に示されたように、ｒxおよびｒyは、それぞれＸ−ＹおよびＹ−Ｚ平面内の単位ベクトルｒの投影であり、αxおよびαyはそれぞれこれらの投影されたベクトルとＺ−軸の間の角である。この共振装置の電流は共振装置の軸２１の方向の共振装置の磁界を生み出し、これが次にｓｉｎＢおよびｃｏｓＢ巻線３３および３４の中にＥＭＦを誘起する。共振装置の磁界はまた、他の巻線中に信号を誘起するであろうが、これら他の信号は引き続く計算では使われず、したがって無視されるであろう。ディジタイジング・タブレット９の巻線と共振装置１８の間の磁気結合が有する相反性の結果、ｓｉｎＢコイル中に誘起されるＥＭＦは次の形を有する。
0004173917.tif 000005
これは、ミキサ６７により復調され積分器／サンプル・アンド・ホールド回路７３により積分されそして簡単化された後、次の形を有する。
0004173917.tif 000006
ここで、ＳAＳBは、ｓｉｎＡ巻線が励起されｓｉｎＢ巻線中に誘起された信号を処理したときの、上述した出力信号ＶOUTであり、ωΣx＝ωA＋ωBならびにＡは既知の結合定数である。同様にして、ｓｉｎＡ巻線を励起することによりｃｏｓＢ巻線中に誘起される信号は次の形を有する。
0004173917.tif 000007
類似の表式がｃｏｓＡ巻線を励起したときｓｉｎＢおよびｃｏｓＢ巻線中に誘起される信号についても導き出すことができ、これらは、
0004173917.tif 000008
であたえられる。
本実施形態では、式１１から１４で与えられる信号がマイクロコントローラ６１により結合され、次の和および差信号を作り出す。
0004173917.tif 000009
これらは、ｓｉｎ（Ａ±Ｂ）およびｃｏｓ（Ａ±Ｂ）のｓｉｎＡ、ｓｉｎＢ、ｃｏｓＡおよびｃｏｓＢの項に関するよる良く知られた展開式を使って導出される。これら成分の比のアークタンジェントを取ることにより、スタイラス１１のＸ座標位置の概略位置測定値の位相および精密位置測定値の位相を決定できる。より具体的には、概略位置測定値の位相は、次式を使って、ｓｉｎおよびｃｏｓの差信号の４象限表現の逆タンジェント（four quadrant inverse tangent）を取ることにより決定できる。
0004173917.tif 000010
精密位置測定値の位相は、次式を使って、ｓｉｎおよびｃｏｓの和信号の４象限表現の逆タンジェントを取ることにより決定できる。
0004173917.tif 000011
ここで、ＮAおよびＮBは、ディジタイジング・タブレット９の能動領域Ｌx上の、それぞれｓｉｎＡおよびｃｏｓＢ巻線の周期数である。式１９および２０からわかるように、スタイラス１１の傾き（α）は、式２０で与えられる精密位置測定値の位相に位置の誤差（２αx）を導入する。ただし、それは概略位置測定値の位相には影響しない。
ｓｉｎＣおよびｃｏｓＣ巻線が励起されたとき、ｓｉｎＤおよびｃｏｓＤ巻線から受信される信号の同様な処理による結果は次式にようになり、スタイラス１１のディジタイジング・タブレット９に対する相対的ｙ位置の概略ならびに精密位置測定値の位相となる。
0004173917.tif 000012
図１２は、Ｘ位置についての概略および精密位置測定値の位相がディジタイジング・タブレット９の能動領域ＬXを横断する位置とともに変動する様子を示している。図示のとおり、概略位置測定値の位相１００は、ディジタイジング・タブレット９の全能動領域ＬXを横断して、−πとπの間をリニアに変動する。したがって、この測定値は、あいまいさのないＸ位置の尺度を全長ＬXにわたって与える。これはＮA−ＮB＝１であることによる。精密位置測定値の位相１０２も、−πとπの間をリニアに変動する。ただし、精密位置測定値の位相は、長さＬXを横断して−πとπの間を１１回循環する。これはＮA＋ＮB＝１１であることによる。精密位置測定値の位相は、共振装置１８の傾きに起因する位置の誤差ξを含んでいるため、精密位置測定値を回復することは不可能である。ただし、概略位置測定値の位相は差信号から導出されるため、感知された信号に対する傾きの影響が打ち消される。したがって、スタイラス１１のディジタイジング・タブレット９に対する相対的現在位置を決定するために、概略位置測定値はその傾きにかかわらず常に使うことができる。
本実施形態では、ＸおよびＹ位置についての概略位置測定値を、既知の定数φxおよびφyとともにそれぞれ式２０および２２に代入し、２αxおよび２αyの推定値を得る。２αxおよび２αyが与えられたとき、αxおよびαyの値について１８０度異なる２つの可能性がある。これが図１３に示されており、これは、もしαxがＺ−軸と直線１０７の間の角度またはＺ−軸と直線１０９の間の角度に等しければ、Ｚ−軸と直線１０５の間の角度２αxが得られることを示している。ただし、もし傾きの範囲が−π／２とπ／２の間に限定されていれば、αxおよびαyの値の推定値を決定することができ、これから共振装置の軸２１のＺ−軸からの傾きαを、Ｘ−Ｙ平面内におけるスタイラス１１の方位θとともに次式から決定できる。
0004173917.tif 000013
次いで、式１５から１８で与えられる合成信号の振幅から、特に次の２つの振幅項から、ディジタイジング・タブレット９上のスタイラス１１の高さＺが得られる。
0004173917.tif 000014
これら両方とも、ディジタイジング・タブレット９上のスタイラス１１の高さ（Ｚ）とともに、ならびにある程度まではスタイラス１１の傾きおよび方位（ｒx2およびｒy2のため）とともに変動する。ただし、αおよびθが式２３および２４から推定されているため、ｒx2およびｒy2の値は式７および９を使って決定することができ、よって、ディジタイジング・タブレット９上のスタイラス１１の高さＺがこれらの振幅値から決定できる。
要約すると、本実施形態では、スタイラスとＺ−軸間の未知な傾きの角度に対し、傾きに影響されない概略位置測定値が得られ、これから、（ｉ）スタイラスの傾き角（α）および方位（θ）と、（ｉｉ）ディジタイジング・タブレット上のスタイラスの高さの推定値が決定される。ただし、スタイラスの現在位置の精密位置測定値は、その傾きに起因する位置の誤差により壊乱されているため、得られていない。
図１４は、共振装置のＺ−軸に対する相対的傾き角度が既知の、第２の実施形態の形状を示す。具体的には、図１４は、ディジタイジング・タブレット９（これは第１の実施形態に使われているものと同じである）と、ディスプレイ３と、ディジタイジング・タブレット９の表面上を自由に動ける子供の玩具１１１とを有する電子ゲームを示す概略図である。図１５に示されたように、玩具自動車１１１は、その軸がＺ−軸から既知の角度αだけ傾いた共振装置１８を収容している。自動車がディジタイジング・タブレット９の表面から持ち上げられられることはないとすれば、共振装置１８の軸２１とＺ−軸の間の角度はαの値に固定されるであろう。本実施形態では傾き角αが既知のため、Ｘ−Ｙ平面内の自動車１１１の方位（θ）は、（もしωΔxがωΔyに等しいとすれば）式２５および２６により定義される振幅の比から、すなわち、
0004173917.tif 000015
から決定できる。
特に、αが既知なのでｓｉｎ2θまたはｃｏｓ2θの値を決定できる。ただし、ｓｉｎ2θまたはｃｏｓ2θがわかっただけでは、各象限に１つずつ４通りのθの値が可能である。θの正しい値を決定する最良の方法は、（ａ）可能なθの値それぞれについて、式２３および２４からαxおよびαxを計算し、次いで（ｂ）これらのαxおよびαyの値を使って、式２０および２２から玩具自動車１１１の精密なＸおよびＹ位置を推定し、最後に（ｃ）推定された精密位置と式１９および２１から求められる測定された概略位置との間の不一致がどのθの値のとき最も小さくなるかを確認することである。次いで、玩具自動車１１１からその現在位置および方位で見た最も適切な情景を表示するために、不一致が最も小さくなる方位θを使う。
ただし、概略位置測定値の誤差が精密位置測定値を解釈する方法に影響し、方位角θの選択を誤る結果となり得るので、上記の方法は玩具自動車１１１の方位（θ）を決定するもっとも強力な手段ではないことに注意すべきである。
この問題は、２つの独立だが一致した（すなわち、同じ中心点を有する）共振装置を玩具自動車１１１に備え、各々を異なる周波数で作動させて独立に呼び掛け可能とすること、１つの共振装置は非傾斜とし、第２の共振装置は他方に対し相対的にある既知の角度で傾けることとにより克服できる。図１６は、そのような共振装置の組み合わせを示す。図示のとおり、両方の共振装置１８−１および１８−２は、同じ中心点１２１を有するが、共振装置１８−２の軸２１−２が共振装置１８−１の軸２１−１から既知の角度αだけ傾いている。実際には、共振装置１８−２は２つの直列接続されたコイルと１つのキャパシタにより形成し、１つのコイルが非傾斜の共振装置１８−１で使われているコイルと同じ軸を有し、もう一方はその軸が他方と直交するようにできる。図１４および図１５の玩具自動車１１１で使われるとき、もし共振装置１８−１の軸２１−１がＺ方向を指すように配置されていると、共振装置１８−１についてのαxおよびαyはゼロになるであろう。したがって、共振装置１８−１を励起することにより得られる、概略および精密位置測定値の位相はともに、中心点１２１の（よって玩具自動車１１１の）ディジタイジング・タブレット９に対する相対的ＸおよびＹ位置を決定するために使うことができる。さらに、共振装置は一致しているため、それらの位置は同一である。結果として、非傾斜の共振装置１８−１からの信号から得られた精密位置測定値は、式２０および２２を使って、傾斜した共振装置１８−２についてのαxおよびαyを決定するために使うことができる。次いで、αxおよびαyのこれらの値は、既知の角度αと式２５および２６により定義される振幅測定値とともに、玩具自動車１１１の方位を計算するために使うことができる。したがって、独立に呼び掛けができる、２つの一致した共振装置１８−１および１８−２を用いることにより、精密位置測定値を回復し、これらを使って、ディジタイジング・タブレット９のＸ−Ｙ平面内における玩具自動車１１１の方位のより正確な推定値を得ることが可能になる。
上記の実施形態では、共振装置または一対の共振装置のＸ、Ｙ、Ｚ位置ならびにＸ−Ｙ平面内の共振装置の方位（θ）、したがって、スタイラスまたは子供の玩具などの、共振装置を備えた対象物の位置および方位を決定する手法を記述した。ただし、上記の実施形態では、共振装置に実現可能な回転はＸ−Ｙ平面内のみであると仮定していた。しかしながら、共振装置の他の回転、例えばＸ−軸まわりの回転も可能であり、これが共振装置の位置またはＸ−Ｙ平面内の方位の計算違いを引き起こす可能性がある。これは、共振装置の精密な位置および方位を両方とも精密位相測定値のみから決定するための充分な情報が、システムに欠けているからである。具体的には、２つの共振装置の軸の間の角度が固定されているため、４つの精密位相測定値からは３つの独立量のみが存在し、一方精密な位置および方位の決定には５つの量を決定する必要がある。唯一可能な追加的情報源は、４つの振幅測定値であるが、前述したように、これらは強力な量ではなく、これらを使って精密な位置および方位を決定することはシステムの精度を損なう可能性がある。（２つの共振装置の概略位置測定値は同一であり、両共振装置のＸおよびＹ方向の概略位置を与えるのみなので、これらは追加情報を提供しないことに注意。）さらに、システムは、ただ２つだけの共振装置の方位を唯一に決定することができない。これは、システムが、ある共振装置とその軸を逆転させた同じ共振装置とを区別できないためであり、これは、それらの軸のいずれとも互いに直交する軸のまわりにそれらを１８０度回転することにより実現できる。したがって、上記の実施形態では、共振装置を備えた対象物の完全な方位を決定することは不可能である。
次に、共振装置を備えた対象物の完全な方位を決定できる実施形態について述べる。本実施形態では３つの一致した共振装置を使い、各々を異なる周波数で作動させて独立に呼び掛け可能とすることと、各々の共振装置の軸を他の２つに対して相対的に傾けることによりこれを達成する。好適な共振装置を図１７に示す。図示の通り、共振装置の組み合わせは３つの共振装置１８−１、１８−２および１８−３を具備し、各々の共振装置の軸２１−１、２１−２および２１−３は、ある既知の角度だけ互いに相対的に傾いている。共振装置に関して起こりうるあいまいさを避けるためには、避けなくてはならない配置が２つ存在する。具体的には、共振装置の軸２１−１、２１−２および２１−３のうち２つがともに他の軸に直交してはならず、３つの軸すべてが同一平面上にあってはならない。なぜなら、これらの共振装置の組み合わせでは、区別できない１つまたは複数の方位が存在するからである。例えば、もし２つの軸が３番目に直交していると、第３の軸に関する１８０度の回転は他の２軸の方向を逆転し、これら２つの方位が区別できない。同様に、もし３つの軸すべてが同一平面上にあると、その平面に直交し共振装置の中心を通る直線に関する１８０度の回転は３軸すべてを逆転し、再びこれら２つの方位が区別できない。
上述したように、各々の共振装置１８は、ＸおよびＹ方向の概略位置測定値（式１９および２１により定義される）、ＸおよびＹ方向の精密位置測定値（式２０および２２により定義される）、ならびに２つの振幅測定値（式２５および２６により定義される）を生成する。概略位置測定値は共振装置のＸおよびＹ座標だけに依存するため、ならびに３つの共振装置はすべて一致しているため、３つの共振装置１８−１、１８−２および１８−３はすべて同じ概略位置測定値を与えるであろう。振幅測定値は、主にＺに、およびある程度まで共振装置の軸のＺ−軸に関する方位に依存する。ただし、これは共振装置の方位についての強力な情報源ではなく、したがって本実施形態では、３つの共振装置からの振幅は、ディジタイジング・タブレット９上の共振装置の高さ（Ｚ）に関する情報を与えるためだけに使われる。なお、共振装置の組み合わせのＸおよびＹ位置の精密位置測定値を、共振装置の組み合わせにの完全な方位を定める３つのパラメータとともに決定しなければならない。これらの測定値を決定する一手法について次に述べる。
３つの共振装置１８−１、１８−２および１８−３の傾斜角がそれぞれαxおよびαy、βxおよびβy、γxおよびγyとすると、（式１９および２０で定義される概略位置測定値により与えられる）ＸおよびＹの推定値が与えられれば、２αXおよび２αY、２βxおよび２βy、２γxおよび２γyの推定値が精密位置測定値から計算できる。もし、共振装置１８のひとつの軸が単位ベクトルｕ（ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ）の方向にあれば、
0004173917.tif 000016
ならびに、ｕは単位ベクトルでなので、ｄｘ2＋ｄｙ2＋ｄｚ2＝１、したがって、ｕは次のように定義することができる。
0004173917.tif 000017
したがって、ＸおよびＹの値に対する推定値が（概略位置測定値から）与えられれば、３つの共振装置の軸２１−１、２１−２および２１−３に対する単位ベクトル（ｕ，ｖおよびｗ）を計算することができる。ｕ，ｖおよびｗのそれぞれに対し２つの可能な方向が存在するため、共振装置の軸の間の角度は８通りの組み合わせが可能になり、正しい組み合わせを決定するためには、これらを共振装置の軸の間の前もってわかっている実際の角度と比較しなければならない。これは、標準的な最小化のアルゴリズムを使って実行することができる。例えば、もしａ、ｂおよびｃを、非回転の共振装置の組み合わせの軸方向の単位ベクトルとすれば、量
χ2=(u・v-a・b)2+(v・w-b・c)2+(w・u-c・a)2      （３０）
を、ｕ，ｖおよびｗの８つの可能な組み合わせの各々について計算することができ、χ2を最小化するようにＸおよびＹの推定値を変動させることができる。χ2を最小化するＸおよびＹの値が共振装置の位置に対する最良推定値であり、この最小値を与えるｕ，ｖおよびｗの選択値が共振装置の組み合わせの方位を定める。式３０からは明白でないかもしれないが、上述した２つのあいまいな配置のいずれでもない三つ組みの共振装置を使うことにより、χ2はｕ，ｖおよびｗのただ１つの選択に対してのみ最小化されることが保証される。共振装置の座標値以外であってχ2が局所的最小になるＸおよびＹの値が存在し得るが、最小化のアルゴリズムを概略位置測定値から導出されるＸおよびＹの推定値から始めれば、これらの局所的最小値は除かれることが保証される。
共振装置の組み合わせの完全な方位情報を提供する、代替的な共振装置の組み合わせを図１８に示す。図示のとおり、この共振装置の組み合わせは、固定された（既知の）距離を隔てた一対の共振装置を具備している。この場合、組み合わせの方位があいまいでないためには、共振装置１８−５および１８−６の軸２１−５および２１−６が、それらの中心点１３３および１３５を結ぶ直線１３１に対して平行または直角であってはならない。もしこの条件が満たされないと、両方の軸を保存または逆転する直線１３１まわりの回転が存在し、これら２つの方位が区別できない。また、２つの共振装置１８−５および１８−６各々の感知巻線に発生する信号は互いに識別可能でなければならない。これは、異なる共振周波数を有する共振装置を使うことにより非常に簡単に実現できる。
図１７を参照しながら考察した三つ組みの共振装置の場合と同様、組み合わせの概略のＸおよびＹ位置は、いずれかの共振装置からの概略位置測定値から（またはそれらの概略のＸおよびＹ位置の平均値として）、式１９および２０を使って計算できる。同様に、共振装置の組み合わせのＺ位置は、いずれかの共振装置からの振幅測定値から（またはこれも２つの共振装置からの信号の振幅の適切な平均値から）計算できる。これで、組み合わせの精密なＸおよびＹ位置と方位の測定値の決定が残された。これを実行するためには、より多くの情報を概略位置測定値から抽出しなければならない。例えば、概略位置測定値は２つの共振装置１８−５および１８−６のＸおよびＹ位置を示すため、概略位置の間の差がＸ−Ｙ平面内における直線１３１の方向、すなわち共振装置の組み合わせの方位θを示す。さらに、共振装置１８−５および１８−６の中心１３３および１３５の間の距離が既知のため、共振装置１８−５または１８−６のどちらがより高いかによって、直線１３１が取り得る方向には２つの可能性しか存在しない。したがって、２つの共振装置からの振幅値を比較することが、どちらの共振装置がより高いかを決定し、したがって直線１３１の方向を決定する。これはしたがって、直線１３１のまわりの回転を除く、共振装置の組み合わせの全体的な方位を定める。三つ組みの共振装置の場合と同様、この最後の回転と、ＸおよびＹ位置の精密位置測定値は標準的な最小化手法を使って決定することができる。
当業者には明白であるように、複数の異なる対象物をディジタイジング・タブレットに対して相対的に追跡するシステムでは、特にもし動作周波数帯域が制限されている場合には、２つの共振装置の組み合わせを使うことは、三つ組みの共振装置の組み合わせに対し利点を有する。ただし、共振装置２つのこの実施形態は、精密位置パラメータの導出が概略位置測定値および振幅測定値の使用を伴ない、全体的なシステムの精度を損なうかもしれない問題を抱えている。
上記のディジタイジング・システムに対して加えることができるいくつかの変更について、いくつかの代替的応用とともに次に述べる。
上記の実施形態では、第１の周期を有する周期的巻線が共振装置を励磁するために使われ、第２の異なる周期を有する周期的巻線が共振装置によって作り出された信号を受信するために使われていた。図１９は、図１および図１４のディジタイジング・タブレットと同じ巻線（参照番号１６１により一般的に示す）を、巻線１６１の周辺を取り囲んで取り付けられた独立な励磁巻線１５１とともに具備するディジタイジング・タブレット９の形状を示す概略図である。図示のとおり、本実施形態では、励磁巻線１５１は、他の巻線１６１の周囲に２回巻かれている。
本実施形態の一般的な動作は上記の実施形態と類似している。具体的には、本実施形態では、スタイラス１１内に位置する共振装置を励起しそれを共振させる励磁信号を巻線１５１に印加し、これが次に、巻線１６１の各々に信号を誘起する。本実施形態では、８つの巻線のすべてに誘起された信号を使用する。復調の後、Ｘ位置を決定するために使われる４つの巻線（すなわち、ｓｉｎＡ、ｃｏｓＡ、ｓｉｎＢおよびｃｏｓＢ巻線）に誘起された信号は、次の形をしていることが示される。
0004173917.tif 000018
ここで、Ａ0は送信巻線１５１と共振装置の間の結合因子である。これらの信号の比のアークタンジェントがωAｘ＋φx−αxおよびωBｘ＋φx−αxの測定値を与える。同様の測定値が、Ｙ位置の決定に使用するｓｉｎＣ、ｃｏｓＣ、ｓｉｎＤおよびｃｏｓＤ巻線により与えられる。ＸおよびＹ方向それぞれについてアークタンジェントの和および差を取り、前と同様、式１９から２２で定義される概略位置測定値および精密位置測定値を得る。したがって、共振装置のＸおよびＹ位置と方位が前と同じ方法で導出できる。ただし、本実施形態では、８つの受信巻線に誘起される信号の全振幅は、共振装置の位置および方位の関数である送信巻線１５１と共振装置の間の結合因子Ａ0に依存する。ただし、共振装置の方位とＸおよびＹ位置が計算されているので、これらを振幅値および周辺の送信巻線１５１からの既知のフィールドパターンと組み合わせ、ディジタイジング・タブレット１１上の共振装置の高さ（Ｚ）を決定することができる。図１９に示されたような単純な送信巻線については、送信巻線を励起することにより作られる発生磁界パターンが動作領域上で本質的に一様であり、その結果Ａ0は共振装置の方位のみに依存し、それによってＺの決定が単純化される。
上記の実施形態では、励起された共振装置によって発生される信号を感知するために使われる巻線は、複数の交互の感知用導電性ループを具備する。上記で考察したように、この形式の巻線は、それが比較的電磁妨害に影響されず、それ自身他の電気回路に妨害を与えないため、有利である。ただし、そのような巻線の使用は本質的ではない。重要なことは、巻線が予め決められたように、好ましくは正弦曲線状に、変動する磁界を発生することである。図２０ａは、使用可能な代替的巻線の形状を示す。周期的巻線１７１は、１０周期の交互な回旋を具備している。巻線１７１中に流れる電流によって生ずる磁界を検討することにより、この巻線によって生ずる磁界のＺおよびＸ成分はいずれも、励起されたときに、図４に示された巻線によって生ずる磁界と同様に正弦曲線変動することが示される。したがって、この巻線は、図４に示された巻線の１つの替わりに使っても良いが、１組の類似な巻線の１つを形成するほうがより適当である。ただし、バックグラウンドの電磁妨害が巻線に結合するであろうこと、ならびに出力信号に誤差を導入するであろうことから、巻線１７１の使用は好ましくはない。図２０ｂは、使用可能な別の代替的巻線１７２を示す。図示のとおり、巻線１７２は、端部から中央の交差点に向かって狭くなって行く、概ね三角形状のループから形成されている。この巻線の形状は、スタイラスの位置および方位とともに出力信号が測定方向に（すなわちＸ方向に）近似的にリニアに変動するように配置されている。この巻線からの出力信号と、例えば、異なる率でループが狭くなって行く他の類似の巻線などからの出力とを検討することにより、位置および方位が決定できる。本実施形態におけるスタイラスの方位を決定可能とするためには、例えば、異なるテーパを有しその結果、各々からの信号が異なるリニアな仕方で変動するような、他の類似の巻線が必要となる。
上記の実施形態では、１つまたは複数の共振装置がスタイラスまたは玩具自動車に備えられていた。使われる共振装置はインダクタコイルおよびキャパシタを具備していた。磁歪共振装置、セラミック共振装置またはこれらの任意の組み合わせのような、他の形態の共振装置も使用可能である。共振装置の使用がほとんどの応用では好ましく、それは、スタイラスおよび玩具自動車を受動的とすることができ、共振装置によって発生される出力信号が、例えば導電体スクリーンまたは短絡コイルなどにより発生されるそれらよりはるかに大きいためである。さらに、共振装置は、励磁巻線と受信巻線間の直接結合に起因する妨害を減らす上述の一例のような、パルス−エコー呼び掛け手法の使用を可能とする。ただし、たとえ受信巻線上の信号が処理されることと、励磁巻線が励磁されるのとが同時であっても、共振装置からの信号と励磁巻線からの信号は位相が９０度ずれているので、区別できる。導電性スクリーンまたは短絡コイルの場合は事情が異なる。ただし、導電性スクリーンまたは短絡コイルを使うシステムも、理論的には、使用可能である。ただし、そのような実施形態では、充分な方位情報を導出するのは難しい可能性があり、それは、互いに識別可能な信号を作り出す異なる短絡コイルの組み合わせ、および導電性スクリーンの組み合わせを設計することが難しいためである。
共振装置ではない代替的な可能性は、１つまたは複数の駆動コイル（powered coil）を使用することである。コイルは、スタイラスなどに内蔵されたバッテリにより駆動できる。そのような実施形態では、スタイラスはまた、コイルに印加する駆動信号を発生するための局部発信装置も具備するであろう。複数のコイルを備えている場合、ディジタイジング・タブレットの巻線中に異なるコイルから誘起された信号を識別可能とするように、異なるコイル用の異なる駆動信号を発生するための波形発生装置が必要となる。
上記の実施形態では、ディジタイジング・タブレットに対し相対的に可動な単一の対象物を備えていた。図２１は、本発明を実施した電子チェスゲーム１７５の斜視図を示す。電子チェスゲームは、チェス盤の上に位置する駒１７７の位置および方位を感知するために使われるディジタイジング・タブレット９（図１を参照しながら記述した実施形態で使われるディジタイジング・タブレットと同じ）を具備している。異なる駒１７７の各々からの信号を区別するために、各駒１７７は異なる共振周波数を有する共振装置を備えている。チェスゲームには３２個の駒があるので、これは３２の異なる共振周波数の使用を伴なう。もし、利用可能な帯域幅が制限されている場合、異なる共振装置からの信号間の周波数識別能力を改善するため、使われる共振装置はコイルおよびキャパシタと直列にセラミック共振装置を含んでいてもよい。本実施形態では、処理エレクトロニクスは、各駒からの信号を励起、および処理しなければならない。これは、好ましくは順次に実行されるが、もし多重処理チャンネルが使われていれば、同時に実行することもできる。
励磁巻線に適切な励起信号を順次に印加するためには、対象共振周波数のすべてに同調可能なディジタル波形発生装置が必要である。同調が不完全な共振装置の場合であっても、コンピュータ制御システム（示されていない）が、周波数、その結果として信号レベルを最適化できるようにするために、これら対象周波数の巡回的な同調を連続制御することは望ましいものである。これは、高いＱファクタを有する同調されていない（安価な）共振装置の使用を可能にする。信号レベルを最大化する目的で、コンピュータは最大の信号レベルを得るために、励起信号の周波数を変化させる。それはまた、戻り信号の位相を検出し位相を最適値に合わせる目的で、共振装置からの同相および位相が９０度異なる戻り信号の両方を検出してもよい。励磁信号の位相、周波数および振幅のこの制御は、例えば、フィールド・プログラマブル・ロジック・セル・アレイを使うことにより達成できる。
追跡可能な駒数の限界は、追跡する共振装置間のクロストークを避けるための所与の共振装置のＱおよびこれら周波数の間の適切な間隙に対し、利用可能な異なる共振周波数の値から純粋に決定される。実際上、共振装置は、１００ｋＨｚから１０ＭＨｚまで増分１００ｋＨｚごとに容易に入手可能であり、１００個までの個別に追跡可能な共振装置を持てる可能性がある−チャンネル間の分離は＋／−１０ｋＨＺで充分であるようなＱとする。本実施形態では、駒の位置を決定するために約４ｍｓかかる。したがって、チェスゲームの駒３２個すべての現在位置を決定するのに要する時間は１２８ｍｓであり、駒の動的な追跡を許容するであろう。
図２２は、チェスゲームの駒１７７のひとつの横断面図を示す概略図である。図示のとおり、本実施形態では、基盤１７８に直交する軸を有する共振装置１８−７が具備されている。これは、駒がゲームの盤上に置かれたとき、共振装置の軸２１−７がＺ−方向を指すことを保証する。別のゲームにおいて、フットボール・ゲームのように、各駒の方位がゲームに関連する場合、各駒１７７が、図１７または１８に示されたもののような、２つ以上の共振装置を含む共振装置の組み合わせを備えてもよく、そこから上述した手法を使って、駒の完全な方位を、それのディジタイジング・タブレットに対する相対的現在位置に加えて決定できる。
当業者なら理解するであろうが、本発明のある種の実施形態は、バーチャル・リアリティ・システムで、例えば６Ｄジョイスティックの動きを追跡するために使うことができる。典型的には、そのようなシステムは、対象物の位置を追跡するためにＡＣ磁気結合を使用する。上述したディジタイジング・タブレットシステムを使い、より低コストならびにより便利な平面的な、１組の受信巻線で、この機能を模倣することができる。ただし、この種の実施形態は、ジョイスティックとディジタイジング・タブレット間の距離が比較的大きなときにも動作可能でなければならず、精度は主要な特徴ではないので、測定領域上にただ１つの周期を有する巻線を使用することが好ましい（磁界の減衰は巻線のピッチに逆比例するため）。そのような応用では、図１７および図１８に示された共振装置２つまたは３つの設計ではなく、ジョイスティック上の異なる位置に置かれた、異なる共振周波数を有する３つの共振装置を使うことができる。したがって、ディジタイジング・タブレットに垂直なジョイスティックのねじれは、３つの共振装置の相対的位置から計算することができ、ジョイスティックの縦揺れおよび偏揺れは、共振装置のディジタイジング・タブレット上の相対的高さから計算することができる。縦揺れおよび偏揺れのゼロ較正は、ジョイスティックを垂直に保って実施すればよい。このような応用では、ジョイスティックをバッテリまたは処理エレクトロニクスへの直接接続により駆動することが好ましく、その理由は、これが実現範囲を広げ、電磁放射を制限し、ならびに信号のレベルのみに基づき、比にたよらずに正確な間隙、縦揺れおよび偏揺れの計算を可能にするためである。
この種の位置エンコーダに関する他の応用例は、磁気浮揚システムにおける位置フィードバック測定を提供することである。そのような応用では、図４に示された形状の平衡巻線が必須であり、その理由は、そのような浮揚システムが大きなＡＣおよびＤＣ磁界を使用しており、これが巻線と、もしそれらが平衡していない、すなわちもしそれらが同数の交互な感知ループを具備していないと、干渉を起こすためである。本実施形態において（および他のあらゆる実施形態において）、エレクトロニック処理を高速化する目的で、図５に示された時分割多重のアプローチを使うのではなく、各感知コイル（ｓｉｎＢ、ｃｏｓＢ、ｓｉｎＤおよびｃｏｓＤ）からの信号をそれら自身の処理チャンネルによって同時検出することが可能である。ただし、これは処理エレクトロニクスの複雑さとコストを増大させ、有利になるのは、位置測定値を速く得ることが必須な場合のみである。
図２３は、本発明を実施したＸ−Ｙディジタイジング・システムの他の応用例を示す。具体的には、図２３は、パーソナル・コンピュータ１８１の斜視図であって、その液晶ディスプレイ１８３の後ろに組み込まれた、スタイラス１１のＬＣＤディスプレイ１８３に対する相対的ＸおよびＹ位置を決定するための１組の巻線を有する。この実施形態では、平衡巻線が、それらが比較的電磁妨害に影響されないため、ならびにそれらが他の回路にほとんど妨害を与えないため、使われており、したがって、液晶ディスプレイの後ろに置くことができ、その動作に影響を与えない。現行のタッチスクリーン機能を有するディスプレイシステムは、ディスプレイ表面に印刷された精密コイルを使っている。これらは高い抵抗を有し、したがって、スクリーン印刷されたインクと同じ問題に悩まされている。印刷されたコイルはまた、スクリーンの透明度を減少させる。対照的に、ディジタイザ巻線は比較的低い抵抗を有し、液晶ディスプレイの後ろに置くことができる。
図２４は、図２３に示す液晶ディスプレイ１８３の、直線Ｓ−Ｓを通る横断面図を示す。図示のとおり、ディスプレイは、電極１９３および１９５の２つの層に挟み込まれた液晶層１９２を覆う上部保護層１９１を具備している。基板の両半分２０１および２０３に挟み込まれたディジタイザ巻線１９９から電極層を電気的に遮蔽する目的で、絶縁層１９７が電極の下部層１９５の後ろに設けられている。この実施形態では、巻線１９９が単一の層に形成されている。ＬＣＤディスプレイの後ろに位置するいかなる金属物体からの影響をも減らす目的で、基板層２０３の後ろに、フェライト粉を含むゴムのような、磁気的に軟らかい材料の層２０４が設けられている。
図２５ａおよび２５ｂは、本実施形態で使われる、位相が９０度異なる一対の巻線２１１および２１３の形状を示す概略図である。示されたとおり、巻線２１１および２１３の各々は、単一周期の交互の感知ループを具備し、各ループは４巻回の導体を含んでいる。各ループの巻回数を増やすことにより、巻線２１１および２１３により出力される信号レベルが増加する。図４を参照しながら記述した巻線と同様、巻線２１１および２１３は、励起されたとき、Ｘ方向に正弦曲線変動する磁界を発生するように設計されている。さらに、上述したこの場の高次空間高調波を減らそうという目的で、ループを形成する導体の巻回の間の（Ｘ方向の）間隙が配置されている。巻線２１１および２１３は、ＬＣＤディスプレイ１８３全体を横切って広がるように配置され、本実施形態ではＸ方向に２５０ｍｍ、Ｙ方向に１８０ｍｍ広がっている。したがって、巻線２１１または２１３により発生される磁界の減衰率は、図４を参照しながら記述した巻線の減衰率より、はるかに小さい。したがって、これらの巻線は、巻線とスタイラスの間のより大きな間隙に対してスタイラスの位置を検出するために使用できる。
２つの巻線２１１および２１３に加え、位相が９０度異なる一対を構成する、さらに２つの巻線がＸ方向の測定のために必要である。これら他の２つの巻線は、例えば、これも各ループが４巻回を含む、２周期の交互な感知ループを具備してもよい。また、さらに４つの巻線がＹ方向の測定のために必要であろう。もし異なる巻回数を使って各巻線を定めると、これを補償するために、異なる受信信号に対し異なる増幅または重み付けを適用することが必要となろう。
図１を参照しながら記述した実施形態と同様、スタイラス１１は、ＬＣＤの後ろに位置する巻線によって励起される共振装置を具備することができる。ただし、パーソナル・コンピュータ１８１のバッテリ電力を節約するため、本実施形態では、スタイラス１１を交換可能なバッテリで駆動することが好ましい。図２６は、そのような駆動されたスタイラス１１を示す。図示のとおり、スタイラスはバッテリ２２１と、発振装置チップ２２３と、信号処理チップ２２５と、フェライトコア２２９のまわりに巻かれたコイル２２７と、使用者が作動可能な制御ボタン２３０とを具備している。図２７に示されたように、局部発振装置２２３は、信号発生装置２３１および増幅器２３３を具備する信号処理チップ２２３に印加される局部周波数信号を発生する。信号発生装置２３１は、コイル２２７に印加するための適当な駆動信号を発生し、増幅器２３３は、この信号をコイル２２７への印加前に増幅する。図２７に示されたように、増幅器からの出力信号は、図２６に示された使用者が作動可能な制御ボタン２３０によって制御されるスイッチ２３５を経由してコイル２２７に印加される。上述のスタイラスを、例えば、ＡＡＡ（単４形）アルカリ・バッテリとともに使うことにより、およそ一千時間の動作寿命が達成できる。
上記の実施形態では、２次元Ｘ−Ｙディジタイジング・システムについて述べてきた。ただし、本発明のいくつかの態様は、２次元位置エンコーダに限定されるものではない。具体的には、本発明のいくつかの態様を、１次元リニアまたはロータリ位置エンコーダに組み込むことができる。図２８ａは、本発明を実施した１次元リニア位置エンコーダ２５１の形状を示す。このエンコーダは、励磁および処理回路２５５に接続された４つの独立な巻線２５４−１、２５４−２、２５４−３および２５４−４を備えた支え２５３を具備している。エンコーダは、両端矢印２５９で示されるように、Ｘ−方向に可動な共振回路２５７の位置を決定するために使われる。
図２８ｂから２８ｅに示されるように、巻線２５４の各々は、概ね六角形のループで成形され、隣接するループは交互に巻かれている。図示のように、巻線２５４−１および２５４−２は共同して位相が９０度異なる一対を形成し、測定範囲に広がる５つの周期（λ3）を有する。同様に、巻線２５４−３および２５４−４も位相が９０度異なる一対を構成するが、これらの巻線は測定範囲にわたって６つの周期（λ4）に広がっている。巻線２５４の形状は、それらに印加される励磁信号によって発生する磁界がＸ方向に沿った位置とともに正弦曲線変動ように配置されている。本実施形態では、巻線２５４−３および２５４−４は、励磁および処理回路２５５によって励起され、共振装置２５７により巻線２５４−１および２５４−２中に誘起される信号は、共振装置のＸ方向の位置を抽出するために処理される。共振装置のＸ位置に加え、共振装置のＸ−Ｚ平面内における傾きの推定値、すなわちαxを、概略位置測定値および精密位置測定値を使って、上記の式２０から導出できる。さらに、支え２５３の平面上における共振装置２５７の高さの概略推定値を得ることが可能である。ただし、この高さは共振装置２５７の全体的な方位にも依存するため、推定された高さの精度は共振装置２５７のＹ−Ｚ平面内における傾きの程度（これは、この実施形態で得られる測定値からは決定できない）にも依存する。
上記の実施形態では、位相が９０度異なる二対の巻線を使用して各々の測定方向における対象物の位置を決定し、位相が９０度異なる一対の巻線の周期数は他の位相が９０度異なる一対の巻線の周期数より１つ少なかった。この配置では、概略位置測定値の位相が、対象物の絶対的な位置測定値を、ディジタイジング・タブレットの全能動長にわたって与える。別の実施形態では、位相が９０度異なる各巻線対の周期数の差が１より多くてもよいが、この場合、概略位置測定値は対象物の位置の絶対的な測定値を与えないであろう。もし、絶対位置測定が必要な場合、初期位置を得る目的で原点位置を定めそれを基準に対象物を表示可能とすることによりこれが達成可能であり、対象物をそれが測定領域を横切って移動している間追跡することにより絶対位置測定が達成される。ただし、電源断の時、ならびにもし対象物が感知範囲から完全に取外された場合、対象物の絶対位置が失われるため、この実施形態は好ましいものではない。
別の解決策は、これも他の２組に対して異なるピッチを有する、位相が９０度異なる第３の巻線対を設けることであり、これから、対象物の絶対位置を回復する目的でバーニア式計算を実施することが可能である。さらに、この実施形態では、対象物が単一の共振装置を備えているとき、３組の巻線に誘起される信号を使って概略位置測定値の精度を向上することができる。例えば、もし１０周期の巻線、７周期の巻線、および４周期の巻線が用意されていれば、（ｉ）１０周期の巻線および７周期の巻線からの信号を組み合わせて、スタイラスの傾きとともには変動せず、測定範囲上−πとπの間を３回リニアに変動する概略位置測定値を与えることができ、（ｉｉ）１０周期の巻線および４周期の巻線からの信号を組み合わせて、スタイラスの傾きとともには変動せず、測定範囲上−πとπの間を７回変動する概略位置測定値を与えることができ、ならびに（ｉｉｉ）次いで、これら２つの概略位置測定値をバーニア式計算に使って、測定方向におけるスタイラスの位置をより正確に決定することができる。
上記の実施形態では、スタイラスのディジタイジング・タブレット上の高さは、受信巻線中に誘起された信号の振幅値から決定した。ただし、この測定は、共振周波数および共振装置のＱの変動と、トラックおよび処理エレクトロニクス（これは式３９の定数値Ａに影響する）の温度効果とに起因する誤差に対して弱い。ただし、これらの誤差は、異なる受信巻線から受信する信号の振幅中に同じオフセットを引き起こすので、スタイラスのディジタイジング・タブレット上の高さは、間隙に対する信号変動が異なる信号の相対的振幅を使うことにより、言い換えると、異なる周期を持った巻線からの受信信号の相対的振幅を採用することにより、より正確に計算できる。より具体的には、周辺に取り付けられた励磁巻線を使う実施形態では、異なる周期の受信巻線に受信された信号の振幅の比を取ることにより、スタイラスのディジタイジング・タブレット上の高さ（Ｚ）を決定することができる。ただし、第１の周期を有する励磁巻線および第２の異なる周期を有する受信巻線を使った第１の実施形態では、そのように簡単に相対的振幅項を決定することは不可能である。そのような実施形態では、各々が異なる周期を有する、３組の周期的巻線が必要となろう。２組の巻線からの信号を使って、第１の振幅値を決定でき（式２５から）、ならびにそれら２組の巻線の１つから受信した信号と第３の巻線とを使って、第２の振幅値を定めることができる。振幅の測定値を与えるために使われる巻線の間で周期数の差が同じでなければ、これら２つの振幅値の比が、共振装置の共振周波数の変動とトラックおよび処理エレクトロニクスの温度効果とに起因する誤差によって影響されない、ディジタイジング・タブレット上のスタイラスの高さ（Ｚ）の指示値を与えるであろう。
上記の実施形態では、巻線は巻線織機で巻かれ、次いで両半分の基板層の間にはさみ込まれた。別の実施形態では、巻線を要求された配置に巻くと同時にそれらを基板上に固着できる。固着は、例えば超音波エネルギーを巻線に印加し、それが基板を溶かし引き続いてそれが冷却するときに巻線との結合を形成することにより達成できる。
上記の実施形態では、位相が９０度異なる巻線の組からの信号が使われ、アークタンジェントの計算を実行することにより位相測定値が得られた。そのようなアークタンジェントの計算を実行することなしに、受信信号から位相情報を抽出することが可能である。本出願人の以前の国際出願ＷＯ９８／００９２１号は、位相情報を抽出しそれを時間変動する位相に変換する手法を開示している。類似の処理手法を使えば、位相情報を抽出しそこからスタイラスおよびディジタイジング・タブレットの相対的位置を相対的方位とともに決定することができる。
上記各々の実施形態では、位相が９０度異なる巻線が使われていた。これは、受信信号の振幅（これはＸまたはＹ位置とともに正弦曲線変動する）がスタイラスの巻線上の高さ（Ｚ）とともに変動し、したがって、位相が９０度異なる信号の比を取ることにより、高さに関するこの振幅変動を取り除くことができ、簡単なアークタンジェント関数から位置的に変動する位相を決定することができるためである。別の実施形態では、測定方向に互いに相対的にずらした２つの巻線を使うことができる。ただし、位置的に変動する位相を抽出するためにはより複雑な処理を実行しなければならないため、この実施形態は好ましくない。さらに別法では、巻線ピッチの６分の１だけ互いに相対的にずらした３つの巻線を使うことが、特に位相が９０度異なる出力信号を再生するために使うことができる。さらに、例えば、スタイラスが巻線上固定の高さにあるような実施形態では、正弦曲線変動の振幅が変動しないため、第２または第３のずらした巻線を備えることは本質的ではない。したがって、位置的な情報は、異なる周期の巻線からの出力信号を使って決定することができる。
上記の２次元の実施形態では、ＸおよびＹ位置と方位を決定するために使われる巻線は、互いに直交する方向に形成されていた。これは本質的なことではない。これらの実施形態で必要とされることは、２つの異なる方向の位置および方位を測定する２群の巻線が存在することだけであり、これらからＸおよびＹ位置を決定することができ、これらから方位を決定できる。
第１の実施形態では、５つおよび６つの周期を有する巻線が使われていた。使用する周期数は設計上の選択であり、解像度、精度およびシステムの範囲を最適化するために変えることができる。解像度および精度は周期を（限度まで）多くするとともに向上するが、実用的な動作範囲は、典型的には巻線ピッチの３分の１である。したがって、第１の実施形態の能動長３００ｍｍにわたって６周期の場合、最大の実用的な動作範囲は約１７ｍｍである。
【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２０ａ】
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【図２０ｂ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５ａ】
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【図２５ｂ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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