(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲面形状の下面を少なくとも有する非磁性体からなる球体又は部分球体形状のケースと、
該ケース内において重力に従って移動自在に収納された磁気応答部材と、
前記ケースの少なくとも前記下面において所定の配置で設置され、前記磁気応答部材の相対的位置に応答した誘導出力信号を生じるコイル部と
を備え、前記ケースに外部より加えられる動きに応じて該ケースを転動又は揺動又は傾斜させ、このケースの動きに応じて前記磁気応答部材が該ケース内で相対的に変位し、この変位に応じて前記コイル部に生じる誘導出力信号が変化し、前記外部より加えられる動きに応じた前記ケースの変位を検知することを特徴とする球体センサであって、
前記コイル部は、第１の方向に沿って配置された複数の極を構成する第１のコイルグループと、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って配置された複数の極を構成する第２のコイルグループとで構成され、
前記第１のコイルグループは、前記第１の方向に沿う前記磁気応答部材の相対的位置に関してサイン相、コサイン相、マイナスサイン相及びマイナスコサイン相の特性を示す４極のコイルで構成され、サイン相とマイナスサイン相の出力を差動合成してサイン相の位置検出信号を生成し、コサイン相とマイナスコサイン相の出力を差動合成してコサイン相の位置検出信号を生成し、更に、これらのサイン相及びコサイン相の位置検出信号に基づき前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＸ軸成分位置検出信号を生成する回路を該第１のコイルグループに対応して具備し、
前記第２のコイルグループは、前記第２の方向に沿う前記磁気応答部材の相対的位置に関してサイン相、コサイン相、マイナスサイン相及びマイナスコサイン相の特性を示す４極のコイルで構成され、サイン相とマイナスサイン相の出力を差動合成してサイン相の位置検出信号を生成し、コサイン相とマイナスコサイン相の出力を差動合成してコサイン相の位置検出信号を生成し、更に、これらのサイン相及びコサイン相の位置検出信号に基づき前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＹ軸成分位置検出信号を生成する回路を該第２のコイルグループに対応して具備することを特徴とする球体センサ。
【請求項２】
前記磁気応答部材は、球体からなるものである請求項１に記載の球体センサ。
【請求項３】
前記磁気応答部材は、磁性流体からなるものである請求項１に記載の球体センサ。
【請求項４】
前記磁気応答部材は、磁性粉体からなるものである請求項１に記載の球体センサ。
【請求項５】
前記磁気応答部材は、固体の磁気応答部材と磁性流体又は磁性粉体を含むものである請求項１に記載の球体センサ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載された前記球体センサと、
該球体センサから出力される前記Ｘ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とに基づきカーソルＸ軸駆動信号とカーソルＹ軸駆動信号を形成する回路と
を具えたマウス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、完全な球体又は半球体若しくは部分球体あるいはその他の曲面形状の外形を有し、外部から加えられた運動を転がり運動又は揺れ運動に転換して、又は傾きとして受け、該外部から加えられた運動の検知を行うようにした、新規な球体センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来知られた位置センサは、直線位置を検出するリニアセンサ、回転位置を検出する回転センサなどである。検出方式としては、電磁誘導式や光学式などいくつかの方式があるが、光学式には検出分解能に限度がある。例えば、パーソナルコンピュータのカーソル指示装置としてマウスが知られているが、従来のマウスは、全方向回転子の回転運動をＸ軸とＹ軸の成分に分離し、Ｘ軸とＹ軸に夫々光学式のインクリメンタルパルスエンコーダを取付けて構成されている。しかし、光学式のインクリメンタルパルスエンコーダの検出分解能には限度があるため、移動距離に対する発生パルス数を多くとることができず、長い距離のカーソル移動操作が面倒であった。これに対して、電磁誘導式のセンサにおいては、位相差カウント等の回路処理を用いることにより、電気処理的に検出分解能を精密にすることができる。しかし、従来の誘導式回転センサにおいては、装置の小型化が不十分であったため、これをＸ，Ｙの２軸設けて装置を構成するとなると、大型となってしまい、とても、マウスのようなコンパクトな指示装置を構成することができなかった。
【０００３】
ところで、従来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】
しかし、従来知られた誘導型位置検出装置は、すべて、所定のガイド又は軸に沿う直線位置または回転位置を測定するものであり、外部から加わる任意のフリーな動きを検知することはできなかった。
一般に、誘導型位置検出装置は、構造的に非接触であり、また、コイルと鉄片等の簡単な構成により、簡便かつ安価に製造することができるので、これを、外部から加わる任意のフリーな動きを検知する装置として構成することができれば、広い応用・用途が見込まれる。例えば、１つの操作子のＸ−Ｙ方向の２軸的動きを検出する装置として構成することができれば、マウスのような既存の２軸操作子に代替し得る簡易な構成の操作子を提供することができるし、その他従来はなかった応用・用途が考えられる。
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、外部から加わる任意のフリーな動きを検知し得るようにした、誘導型の新規な球体センサを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る球体センサは、曲面形状の下面を少なくとも有する非磁性体からなる球体又は部分球体形状のケースと、該ケース内において重力に従って移動自在に収納された磁気応答部材と、前記ケースの少なくとも前記下面において所定の配置で設置され、前記磁気応答部材の相対的位置に応答した誘導出力信号を生じるコイル部とを備え、前記ケースに外部より加えられる動きに応じて該ケースを転動又は揺動又は傾斜させ、このケースの動きに応じて前記磁気応答部材が該ケース内で相対的に変位し、この変位に応じて前記コイル部に生じる誘導出力信号が変化し、前記外部より加えられる動きに応じた前記ケースの変位を検知することを特徴とする球体センサであって、前記コイル部は、第１の方向に沿って配置された複数の極を構成する第１のコイルグループと、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って配置された複数の極を構成する第２のコイルグループとで構成され、前記第１のコイルグループは、前記第１の方向に沿う前記磁気応答部材の相対的位置に関してサイン相、コサイン相、マイナスサイン相及びマイナスコサイン相の特性を示す４極のコイルで構成され、サイン相とマイナスサイン相の出力を差動合成してサイン相の位置検出信号を生成し、コサイン相とマイナスコサイン相の出力を差動合成してコサイン相の位置検出信号を生成し、更に、これらのサイン相及びコサイン相の位置検出信号に基づき前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＸ軸成分位置検出信号を生成する回路を該第１のコイルグループに対応して具備し、前記第２のコイルグループは、前記第２の方向に沿う前記磁気応答部材の相対的位置に関してサイン相、コサイン相、マイナスサイン相及びマイナスコサイン相の特性を示す４極のコイルで構成され、サイン相とマイナスサイン相の出力を差動合成してサイン相の位置検出信号を生成し、コサイン相とマイナスコサイン相の出力を差動合成してコサイン相の位置検出信号を生成し、更に、これらのサイン相及びコサイン相の位置検出信号に基づき前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＹ軸成分位置検出信号を生成する回路を該第２のコイルグループに対応して具備することを特徴とする。
【０００６】
少なくともケースの下面が曲面形状を成しており、少なくともこの下面においてコイル部が所定の配置で設置されており、ケースと共に動く。ケースに外部より加えられる動きに応じて該ケースが転動又は揺動又は傾斜し、外部から加わる任意のフリーな動きに応答して前記コイル部配置面が該ケースの動きと共に転動又は揺動又は傾斜する。このケースの内部には重力に従って移動自在に磁気応答部材が収納されており、該磁気応答部材は常に重力方向を指向するので、ケースの動きに応じて該磁気応答部材が、該ケース内で相対的に動き、該ケース下面に配置されたコイル部に対して相対的に変位することになる。この磁気応答部材とコイル部との位置関係の変化に応じてコイル部に生じる誘導出力信号が変化し、外部より加えられる動きに応じた前記ケースの変位が検知される。
【０００７】
本発明の球体センサに対する外力の与え方は、使用目的に応じて、任意に設定してよい。例えば、テーブル等の任意の水平面の上に、この球体センサを、前記ケースの下面を下にして、置く。この場合、人の手等によってケースに対して直接外力を加えて、該ケースを転動又は揺動させる。これによって、人の手による操作量を検知するための新規な装置として、本発明の球体センサを利用することができる。あるいは、この球体センサを振り子状に吊るして、振動検知等の目的で応用するようにしてもよい。あるいは、この球体センサを対象物に固定して設置し、該対象物の傾きに応じて前記ケースが傾くことに基づき、傾斜検知の目的で応用するようにしてもよい。また、一瞬の振動又は傾斜の振れ幅は、加速度に対応しているので、車両等に搭載して傾斜計及び／又は加速度計として応用できる。
【０００８】
前記ケースは全体が完全な球体からなっていてもよいし、あるいは、半球体若しくは部分球体からなっていてもよい。また、完全な球に限らず、楕円球等であってもよく、また、部分的に（すなわち少なくとも下面において）曲面を形成していればよい。
前記磁気応答部材は、固形状の球体からなるものであってよい。あるいは、磁性流体からなるものであってもよい。あるいは、磁性粉体からなるものであってもよい。あるいは、固体の磁気応答部材と磁性流体又は磁性粉体の両方を含むものであってもよい。
【０００９】
本発明によれば、前記コイル部は、第１の方向に沿って配置された複数の極を構成する第１のコイルグループと、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って配置された複数の極を構成する第２のコイルグループとで構成され、前記第１のコイルグループは、前記第１の方向に沿う前記磁気応答部材の相対的位置に関してサイン相、コサイン相、マイナスサイン相及びマイナスコサイン相の特性を示す４極のコイルで構成され、サイン相とマイナスサイン相の出力を差動合成してサイン相の位置検出信号を生成し、コサイン相とマイナスコサイン相の出力を差動合成してコサイン相の位置検出信号を生成し、更に、これらのサイン相及びコサイン相の位置検出信号に基づき前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＸ軸成分位置検出信号を生成する回路を該第１のコイルグループに対応して具備し、前記第２のコイルグループは、前記第２の方向に沿う前記磁気応答部材の相対的位置に関してサイン相、コサイン相、マイナスサイン相及びマイナスコサイン相の特性を示す４極のコイルで構成され、サイン相とマイナスサイン相の出力を差動合成してサイン相の位置検出信号を生成し、コサイン相とマイナスコサイン相の出力を差動合成してコサイン相の位置検出信号を生成し、更に、これらのサイン相及びコサイン相の位置検出信号に基づき前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＹ軸成分位置検出信号を生成する回路を該第２のコイルグループに対応して具備することを特徴とする。これにより、ケースの転動又は揺動をＸ軸成分とＹ軸成分に分解して検出することができるので、本発明に係る１つの球体センサによって、全方向に関する（ただし垂直方向は除く）外部から加わる任意のフリーな動きを検知することができる。
また、このような球体センサを使用して、該球体センサから出力される前記Ｘ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とに基づきカーソルＸ軸駆動信号とカーソルＹ軸駆動信号を形成する回路を具備すれば、新規なマウスを提供することができる。このような球体又は部分球体形状の下面を持つマウスを使用することにより、テーブル等の任意の平面を持つ場所で、手軽に手で転がして、カーソル操作を行うことができる。
【００１０】
【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の（ａ）は本発明に係る球体センサの一例を示す外観斜視図、（ｂ）はその内部に収納される磁気応答部材３の一例を示す外観斜視図、（ｃ）はケース１の下面に配置されるコイル部２のコイル（極）配置の一例を示す展開図、である。
図１において、ケース１は、外形が完全な球体形状を成しており、また、その内部空間も完全な球状のスペースを有しており、プラスチック又はステンレスのような非磁性体からなる。このケース１内においては、磁気応答部材３として、（ｂ）に示すような鉄等の磁性体からなる鋼球３ａが収納されており、該鋼球３ａは、重力に従ってケース１内で移動自在である。
【００１１】
ケース１の外側の下面には１又は複数のコイルからなるコイル部２が取り付けられる。コイル部２の各コイルは、巻き軸方向がケース１の面に直交する方向であり、かつ、ケース１の転動を妨げないような薄型のものである。勿論、コイル部２は、薄型のコイルをケース１の外側に貼り付けて、更にその上から非磁性物質でモールド等して、表面が滑らかになるようにして、ケース１の滑らかな転動を確保し得るように、適宜、製造・加工してよいものである。しかし、その点は設計事項であるから特に説明しない。なお、コイル部２は、ケース１の外側ではなく、内側に貼り付けてもよい。その場合も、その上から非磁性物質でモールド等して、表面が滑らかになるようにして、鋼球３ａの滑らかな転動を確保するようにするものとする。なお、ケース１は完全な球体であっても、半分割等ができるようになっていて、内部への磁気応答部材３（鋼球３ａ）の収納等の製造作業に便ならしめるようにすることは、設計上適宜なされる。
【００１２】
コイル部２における個別コイル配置及び接続並びに励磁の態様は、採用しようとする検出原理に従って、適宜、設計してよい。
図１（ｃ）に示すコイル部２のコイル配置は、レゾルバタイプの位置検出原理に従って構成した例を示す。
図１（ｃ）において、コイル部２は、第１の方向（便宜的にＸ軸方向という）に沿って配置された複数の極を含んでいて、各極は１次及び２次コイルによる電磁誘導結合部を有している第１の検出コイル部２Ｘと、前記第１の方向に直交する第２の方向（便宜的にＹ軸方向という）に沿って配置された複数の極を含んでいて、各極は１次及び２次コイルによる電磁誘導結合を有している第２の検出コイル部２Ｙとを具備している。
【００１３】
第１の検出コイル部２Ｘは、Ｘ軸方向に等間隔で配置された４つの極を含み、各極は少なくとも２次コイル２１，２２，２３，２４を有している。すなわち、ケース１の曲面に沿ってＸ軸方向に等間隔で配置された４つの少なくとも２次コイル２１，２２，２３，２４と図示していない１次コイルとによって第１の検出コイル部２Ｘが構成される。同様に、第２の検出コイル部２Ｙは、Ｙ軸方向に等間隔で配置された４つの極を含み、各極は少なくとも２次コイル２５，２６，２７，２８を有しており、かつ、図示していない１次コイルを含んでいる。第１の検出コイル部２Ｘの極配列（２次コイル２１〜２４の配列）と第２の検出コイル部２Ｙの極配列（２次コイル２５〜２８の配列）とは、ケース１の曲面上において図示のように交差している。
【００１４】
なお、１次コイルの配置については特に図示しないが、該１次コイルによって励起した磁界を対応する各２次コイルに及ぼすことができるような配置であれば適宜の配置であってよい。例えば、個々の２次コイルに対応して同じ位置に重複して個別の１次コイルをそれぞれ設けるようにしてもよいし、あるいは、ケース１の適宜の範囲ですべての２次コイルを包囲するように１個の１次コイルを設けてもよいし、あるいは、いくつかのグループに分けて複数の２次コイルを包囲するように複数の１次コイルを設けてもよい。いずれの場合においても、レゾルバタイプの位置検出原理に従う場合、あるいは後述の差動変圧器原理に従う場合、すべての１次コイルが同相（１相）の交流信号で励磁される。
【００１５】
ケース１内に収納された磁気応答部材３は、各検出コイル部２Ｘ，２Ｙにおけるそれぞれの各２次コイルに対する近接位置関係に応じて、該２次コイルと対応する１次コイルとの間の磁気結合（すなわち電磁誘導結合）を変化させる。その近接位置関係に応じた出力信号が各検出コイル部２Ｘ，２Ｙからそれぞれ出力される。従って、各検出コイル部２Ｘ，２Ｙの出力に基づき、磁気応答部材３の相対的位置に応じたＸ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とを得ることができる。なお、磁気応答部材３としての鋼球３ａのサイズ（直径）は、各２次コイルの配置間隔と同様に、レゾルバタイプの位置検出原理に従って適切に設計してよい。例えば図示の例では、磁気応答部材３すなわち鋼球３ａは、隣合う２つの２次コイル２１，２２の配置範囲にほぼ対応する直径を有するように描かれているが、これに限らず、直径寸法の適量の減少又は増加が設計上可能である。
【００１６】
レゾルバタイプの位置検出原理について、第１の検出コイル部２Ｘを例にして説明すると、鋼球３ａの各２次コイル２１〜２４に対する対応位置が変化することにより、１次コイルと各２次コイル２１〜２４間の磁気結合が該Ｘ軸成分位置に応じて変化され、これにより、該Ｘ軸成分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２１〜２４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２１〜２４に誘起される。各２次コイル２１〜２４に誘起される各誘導出力交流信号は、１次コイルが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、その振幅関数が鋼球３ａの各２次コイルに対する接近または遠ざかりに従ってそれぞれ変化する。
【００１７】
レゾルバ原理を採用する場合は、検出コイル部２Ｘにおける４つの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（図でｓを付記する）、コサイン関数（図でｃを付記する）、マイナス・サイン関数（図で／ｓ（ｓバー）を付記する）、マイナス・コサイン関数（図で／ｃ（ｃバー）を付記する）、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の配置間隔と磁気応答部材３（すなわち鋼球３ａ）のサイズを、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（鋼球３ａ）のサイズも変わりうるので、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（鋼球３ａ）のサイズは重要ではあるが、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。
第２の検出コイル部２Ｙについても同様であり、４つの２次コイル２５〜２８に生じる誘導出力交流信号の振幅関数が、サイン関数（ｓ）、コサイン関数（ｃ）、マイナス・サイン関数（／ｓ）、マイナス・コサイン関数（／ｃ）、にそれぞれ相当するものとなるように、配置されている。
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。
【００１８】
図２は、第１の検出コイル部２Ｘにおける１次及び２次コイルの回路図であり、１次コイル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次コイルの励磁に応じて、鋼球３ａのＸ軸成分位置に応じた振幅値を持つ交流信号が各２次コイル２１〜２４に誘導される。夫々の誘導電圧レベルは該Ｘ軸成分位置に対応して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２１〜２４の誘導出力信号は、該Ｘ軸成分位置に対応して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、θは該Ｘ軸成分位置に比例しており、例えば、θ＝２π（ｘ／ｐ）のような関係である。ここで、ｘはＸ軸成分位置、ｐは上記関数の１周期に相当する長さである。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２１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２２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２３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２４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。
【００１９】
こうして、Ｘ軸成分位置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Ｘ軸成分位置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。このような巻線構成によれば、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）を第１の検出コイル部２Ｘにおいて得ることができることが理解できる。
この第１の検出コイル部２Ｘ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２に示すように、検出コイル部２Ｘ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、Ｘ軸成分位置ｘのディジタルデータＤｘを得るようにすることができる。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。
【００２０】
第２の検出コイル部２Ｙについても、図２と同様に１次及び２次コイル回路を構成し、Ｙ軸成分位置を示すレゾルバタイプの２相出力交流信号を出力するようにすることができる。そして、上記と同様に、ディジタル位相検出方式を採用することにより、Ｙ軸成分位置を示すディジタルデータＤｙを得るようにすることができる。こうして、第１の検出コイル部２Ｘと第２の検出コイル部２Ｙからそれぞれ得られるＸ軸成分位置とＹ軸成分位置のデータＤｘ，Ｄｙの組合せにより、ケース１に対して外部から加えられた運動の変位量を全方向について検知する（ただし垂直方向は除く）データを得ることができる。
【００２１】
コイル部２のコイル配置は、上記例に限らず、適宜に変形可能である。
例えば、図３（ａ）は、第１及び第２の検出コイル部２Ｘ，２Ｙの各極毎の２次コイル２１’〜２４’及び２５’〜２８’を扇状に配置した例を示す。ダッシュ符号を付した各２次コイル２１’〜２４’及び２５’〜２８’は、図１（ｃ）におけるダッシュ符号を付していない同一符号の２次コイル２１〜２４及び２５〜２８に対応しており、同様の技術的意義を持っている。図１（ｃ）の配置と異なる点は、各２次コイル２１’〜２４’及び２５’〜２８’が図示のような扇状の配置からなっている点である。このような各極の扇状の配置は、例えば２次コイル２１’の極（第１の検出コイル部２Ｘのサイン極）について示すと、図３（ｂ）に示すように１つの２次コイルを所定の扇状に巻回して構成してもよいし、図３（ｃ）に示すように複数の２次コイルを所定の扇状に並べて構成してもよい。図３（ｃ）のように複数の２次コイルによって１つの極を構成する場合は、前述と同様に、これらの同相の２次コイルを直列接続して当該極についての１つの出力信号を生じるようにする。
図４は、第１及び第２の検出コイル部２Ｘ，２Ｙの各極毎の２次コイル２１'’〜２４'’及び２５'’〜２８'’を半円状に配置し、第１及び第２の検出コイル部２Ｘ，２Ｙを２層に積み重ねた例を示す。
【００２２】
また、コイル部２における１次及び２次コイルの数並びに相数（又は極数）も図示のものに限らず、公知の誘導型位置検出装置の構成に準じて適宜に設計変更可能である。例えば、サイン相とコサイン相のレゾルバタイプ出力を生じる構成に限らず、１２０度づつ位相のずれた３相のシンクロタイプ出力を生じるような構成、あるいはその田適宜の構成であってよい。
なお、コイル部２のコイル配置は、ケース１の下面に限らず、全面にわたって設けるようにしてもよい。その場合、例えば、球体のケース１の１つの半球を上記のような１組の第１及び第２の検出コイル部２Ｘ，２Ｙによって分担し、もう１つの半球を上記のような別の１組の第１及び第２の検出コイル部２Ｘ，２Ｙによって分担する、というような配置が可能である。勿論、その他の配置も適宜設計上可能である。そのように、完全な球からなるケース１の全面にわたって適宜の配置でコイル部２を設けるようにすれば、ケース１をコロコロと１回転以上転動させるような使い方の場合でも、全回転にわたって検出出力を得ることができる。これに対して、図示の各例に示すようにケース１の下面に対応してコイル部２を配置した場合は、磁気応答部材３（鋼球３ａ）がコイル部２に対応する範囲から外れると検出不能になるので、検出可能範囲が限られてくる。その場合は、ケース１を所定範囲内で揺動させるような運動の検出あるいは傾斜の検出に、本発明の球体状センサを使用することができる。
【００２３】
また、ケース１の形状は、完全な球体に限らず、図５に示すような半球体形状又はその他の部分球体形状であってもよい。勿論、半球体形状等のケース１においては適宜の蓋でカバーするものとする。ケース１の形状は、その他、楕円球体若しくは部分的に曲面を有する形状等であってよい。
【００２４】
また、磁気応答部材３の形状は、上記実施例のような球体３ａに限らず、図６（ａ）に示すような部分球（又は部分円）３ｂであってもよい。また、その材質も、鉄等の磁性体に限らず、銅のような良導電体であってもよい。良導電体を磁気応答部材３として使用した場合は渦電流損によって磁気抵抗変化が得られ、１次及び２次コイル間の結合係数が変化されることは既に知られている。また、磁性体と良導電体の組合せによって、相補的に磁気結合係数の変化率を高めて検出感度を向上させることも知られているので、これを採用してもよい。
また、磁気応答部材３としては、固定形状の物体に限らず、非固定形状の物体（流体又は粉体）であってもよい。図６（ｂ）は、磁気応答部材３として適量の磁性流体３ｃを収納した例を示す。図６（ｃ）は、磁気応答部材３として適量の磁性粉体３ｄを収納した例を示す。この場合、細かな粉体３ｄに限らず、砂鉄のような粒体であってもよい。図６（ｄ）は、磁気応答部材３として、鋼球３ａと適量の磁性流体３ｃ（又は粉体又は粒体）の組み合わせを使用する例を示す。図６（ｄ）のようなハイブリッドタイプは、検出出力信号のＳ／Ｎ比を向上させることができると共に、出力信号変化を滑らかにすることができる。別の例として、ケース１内を非磁性の粘性流体で満たし、その中に鋼球２ａを収納して、急激な動きに対して緩衝作用をもたせるようにしてもよい。
【００２５】
本発明の球体状センサに対する外力の与え方は、使用目的に応じて、任意に設定してよい。図７はいくつかの使用例を略示するもので、（ａ）は、テーブル等の任意の水平面１１の上に、この球体状センサを、ケース１の下面（つまりコイル部２を配置した面）を下にして、置く。この場合、人の手等によってケース１に対して直接外力を加えて、該ケース１を転動又は揺動させる。これによって、人の手による操作量を検知するための新規な装置として、本発明の球体状センサを利用することができる。（ｂ）は、この球体状センサを振り子状に吊るして、振動検知等の目的で応用するようにした例を示す。（ｃ）は、この球体状センサを対象物１２に固定して設置し、該対象物１２の傾きに応じてケース１が傾くことに基づき、傾斜検知の目的で応用するようにした例を示す。また、一瞬の振動又は傾斜の振れ幅は、加速度に対応しているので、対象物１２として車両等に搭載して傾斜計及び／又は加速度計としても応用できる。
【００２６】
ケース１が図１のような全球型からなるもの、あるいは図５のような半球（又は部分球）型からなるもの、などいずれのタイプのものを使用する場合でも、上記実施例に示したような第１及び第２の検出コイル部２Ｘ，２Ｙを設けて２方向位置検出可能とすれば、球体状マウスとして使用することができる。すなわち、ケース１をテーブル上に置いて、手で任意の方向に転動させる。これに応じて第１及び第２の検出コイル部２Ｘ，２ＹからＸ軸位置成分及びＹ軸位置成分の移動量に対応する出力信号が夫々得られ、この出力信号を前述のディジタル位相検出回路４０で処理することにより、Ｘ軸位置成分及びＹ軸位置成分の位置データＤｘ，Ｄｙが得られる。この位置データＤｘ，Ｄｙは複数ビットのアブソリュート値であるため、これを例えば図８に示すような変位検出／インクリメンタルパルス形成回路８１，８２で処理し、一定の変位毎にインクリメンタルパルスＰｘ，Ｐｙを発生するようにすればよい。このインクリメンタルパルスＰｘ，Ｐｙを、カーソルのＸ，Ｙ移動を指示する信号として使用する。時間的に変化するアブソリュート位置データの入力に基づきインクリメンタルパルスを形成する回路は公知であるため、各回路８１，８２の詳細は省略する。
【００２７】
図９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。
【００２８】
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。
【００２９】
図１０は、本発明に係る球体状センサにおける１軸分の検出コイル部２Ｘ（又は２Ｙ）に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１０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。
【００３０】
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１０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、検出対象位置（ｘ）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、同じ前記検出対象位置（ｘ）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。
【００３１】
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。
【００３２】
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
【００３３】
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、
0003760191.tif 000002
により、位相変動誤差「±ｄ」を算出することができる。
【００３４】
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、検出対象位置ｘに対応する正しい位相差θのみが抽出されることが理解できる。
【００３５】
この点を図１１を用いて更に説明する。図１１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、
0003760191.tif 000003
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。
【００３６】
図１１（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、
0003760191.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。
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。
【００３７】
また、図１１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１０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。
【００３８】
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。
【００３９】
ところで、ケース１が静止状態のときは特に問題ないのであるが、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。
【００４０】
検出対象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の位置に対応する位相差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、検出対象位置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位置に対応する位相差θを検出できるようにした改善策について図１２を参照して説明する。
【００４１】
図１２は、図１０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１０と同様であってよい。検出対象位置が時間的に変化している場合における該位置に対応する位相差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。
【００４２】
図１２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）、検出対象傾斜角θ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角θ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１２の回路は、図１０の回路と等価的に動作する。すなわち、検出対象直線位置ｘ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１０の回路と同様に動作する。
【００４３】
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”すなわち検出対象位置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。
【００４４】
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、
0003760191.tif 000005
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。
【００４５】
こうして、検出対象位置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位置のみ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１２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１１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１２の回路５１及びセレクタ５５と図１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。
【００４６】
図１３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１０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。
【００４７】
図１３の実施例が図１０の実施例と異なる点は、検出対象位置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１０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、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１０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１３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。
【００４８】
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、検出対象位置ｘに対応した位相差θの測定データとして出力される。
【００４９】
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。
【００５０】
図１３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１４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、θに応じた振幅値sinθ及びcosθを夫々持ち、図１４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１４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。
【００５１】
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、この球体状センサ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１０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つの球体状センサによって位置を検出することができるのみならず、該センサ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、検出対象位置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１０や図１３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９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。
【００５２】
上記のようなディジタル位相検出回路４０は、各検出コイル部２Ｘ，２Ｙ毎に設けられ、夫々の出力信号に対応するＸ軸成分位置データＤｘ及びＹ軸成分位置データＤｙを生成するようにする。その場合、ディジタル位相検出回路４０の共通のハードウェア装置を、複数の検出コイル部２Ｘ，２Ｙ毎の位相差データθの算出のために時分割共用するようにするとよい。
なお、各検出コイル部２Ｘ，２Ｙの出力信号に含まれる位相成分θの測定は、上述のようなディジタルアブソリュート値の演算によるものに限らず、その他の設計変更が可能である。例えば、位相成分θに対応するアナログ信号（電圧又は電流）を出力するようにしてもよい。また、図８のように、位相成分θの増加（変位）に応じてインクリメンタルパルスＰｘ，Ｐｙを発生するようにしてもよい。また、位相値θを周波数変換して、該位相値θに対応する周波数のクロックパルスを繰り返し発生するようにしてもよい。あるいは、位相成分θを求める演算を行わずに、出力信号Ａ又はＢの振幅値ｓｉｎθ又はｃｏｓθをそのまま位置検出情報として使用してもよい。あるいは、該出力信号Ａ又はＢの振幅値ｓｉｎθ又はｃｏｓθを、電圧−周波数変換して、該振幅値ｓｉｎθ又はｃｏｓθに対応する周波数のクロックパルスを繰り返し発生するようにしてもよい。要するに、本発明の球体センサの出力信号の処理の仕方は、ティジタル／アナログを問わず、どのようなものであってもよい。
【００５３】
なお、上記各実施例において、コイル部２と磁気応答部材３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２に示されたコイル部において、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、出力用コイルから検出対象傾斜θ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。
あるいは、コイル部２と磁気応答部材３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。
【００５４】
あるいは、上記各実施例において、コイル部２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、操作量に対応する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。
その他、コイル部２と磁気応答部材３による検出手段の構成は任意の変形が可能である。
そのほか、上記実施例で示した新規かつ有意義な構成の一部を選択的に採用して球体状センサを構成してもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、少なくともケースの下面が曲面形状を成しており、少なくともこの下面においてコイル部が所定の配置で設置されており、ケースと共に動くようになっており、該ケースに外部より加えられる動きに応じて該ケースが転動又は揺動又は傾斜し、外部から加わる任意のフリーな動きに応答して前記コイル部配置面が該ケースの動きと共に転動又は揺動又は傾斜する。そして、このケースの内部には重力に従って移動自在に磁気応答部材が収納されており、該磁気応答部材は常に重力方向を指向するので、ケースの動きに応じて該磁気応答部材が、該ケース内で相対的に動き、該ケース下面に配置されたコイル部に対して相対的に変位することになる。この磁気応答部材とコイル部との位置関係の変化に応じてコイル部に生じる誘導出力信号が変化し、外部より加えられる動きに応じた前記ケースの変位を検知することができる。
従って、誘導型の検出装置を使用して、構造的に非接触であり、かつ簡単な構成によって簡便かつ安価に、外部から加わる任意のフリーな動きを検知することができる新規なセンサを提供することができ、広い応用・用途が見込まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る球体センサの一実施例を示す図であって、（ａ）は外観略図、（ｂ）は磁気応答部材の一例を示す図、（ｃ）はコイル部のコイル配置の一例を示す展開図。
【図２】  コイル部を構成する２つの検出コイル部の１つの回路構成例を示す回路図。
【図３】  コイル部のコイル配置の別の例を示す展開図。
【図４】  コイル部のコイル配置の更に別の例を示す展開図。
【図５】  本発明に係る球体センサの別の実施例を示す外観略図。
【図６】  図１における磁気応答部材の変更例を示す図。
【図７】  本発明に係る球体センサの使用例を示す図。
【図８】  コイル部を構成する２つの検出コイル部から得られるＸ軸位置成分データとＹ軸位置成分データとに基づきインクリメンタルパルスを夫々発生する構成例を示すブロック図。
【図９】  本発明に係る球体センサに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１０】  本発明に係る球体センサに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１１】  図１０の動作説明図。
【図１２】  図１０の回路に付加される変更例を示すブロック図。
【図１３】  本発明に係る球体センサに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１４】  図１３の動作説明図。
【符号の説明】
１    ケース
２    コイル部
２Ｘ，２Ｙ    所定方向に沿う検出コイル部
２１〜２４    ２次コイル
３    磁気応答部材
３ａ  鋼球
４０  ディジタル位相検出回路
【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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