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JP4623765B2 - 3D operation detection device - Google Patents
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JP4623765B2 - 3D operation detection device - Google Patents

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Description

【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】

Figure 0004623765
【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、
Figure 0004623765
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、
Figure 0004623765
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、
Figure 0004623765
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、
Figure 0004623765
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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional operation detection device that detects a three-dimensional operation by a human hand, etc., and can be applied to various fields such as a game machine, a personal computer, and a multimedia device as a three-dimensional input device such as a joy stick. Is.
[0002]
[Prior art]
In a conventionally known three-dimensional operation type input device such as a joy stick, the stick type operation unit can be moved three-dimensionally with respect to the base, and the three-dimensional movement of the stick type operation unit on the base side. A detection element is provided for detecting. As the detection element, a simple switch is generally used. For example, when the operation element is tilted in the plus X-axis direction, the corresponding switch is turned on, and a clock pulse is output for the ON time, which becomes information corresponding to the operation amount.
However, such an operation time correspondence information output type has a problem that response time is delayed when the operation amount is increased. In view of this, recently, a position detecting device such as a potentiometer is used for each of the X, Y, and Z axes to detect an actual operation movement amount. However, the potentiometer has difficulty in durability because of the sliding contact.
[0003]
On the other hand, the generally known inductive position detection device includes a differential transformer as a linear position detection device and a resolver as a rotation position detection device. The differential transformer excites one primary winding in one phase, and differentially varies according to the linear position of the iron core that is linked to the detection target position at each of the two secondary windings that are differentially connected. The reluctance which changes continuously is produced, and the voltage amplitude level of the one-phase induction output AC signal obtained as a result indicates the linear position of the iron core. The resolver excites a plurality of primary windings in one phase, extracts an output AC signal indicating the amplitude function characteristics of the sine phase from the secondary winding for extracting the sine phase, and extracts from the secondary winding for extracting the cosine phase. An output AC signal indicating the amplitude function characteristic of the cosine phase is extracted. The two-phase resolver output is processed using a conversion circuit called a known R / D converter, and the phase value corresponding to the detected rotational position can be measured digitally.
Also, an output AC signal obtained by exciting a plurality of primary windings by a plurality of phases of AC signals such as a sine phase and a cosine phase, and electrically shifting the AC signal in accordance with a detection target linear position or rotation position. Is also known, which measures the linear position or rotational position of the detection object digitally by measuring the electrical phase shift amount of the output AC signal (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 49-107758, JP-A-53-106065, JP-A-55-13891, JP-A-1-25286, etc.).
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Since the above-described guidance type detection device is structurally non-contact, it is preferable that it can be applied to a three-dimensional operation type input device such as a joy stick. However, the structure that allows one stick to move three-dimensionally with respect to the base and detects the movement of this stick with respect to the three axes X, Y, and Z by electromagnetic induction is complicated. Yes, yet that kind of device was not considered.
In addition, there has been no conventional three-dimensional operation type input device that allows an input operation while freely carrying around without fixing the stick to the base.
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a new and useful guidance type three-dimensional operation detection device which has not been available. It is another object of the present invention to provide an epoch-making three-dimensional operation detection device that can be operated while being carried freely.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
[0008]
  A three-dimensional operation detection device according to the present invention is arranged such that a main body part that can be held by a human hand and a linear displacement relatively vertically within a storage space formed in the main body part. A movable member that linearly displaces the storage space in response to an operation of moving the housing up and down, and mounted on the main body,AboveA linear position detecting means for detecting a linear displacement relative to the main body of the movable member; and mounted on the main body,The movable memberX-axis and Y-axis on the XY coordinate plane orthogonal to the linear movement axisDirectionTwo-dimensional inclination detection means for detecting the inclination of the main body is provided.
  According to the three-dimensional operation detecting device according to the present invention, the main body can be held by a human hand, and the two-dimensional inclination of the main body itself is detected by the two-dimensional inclination detecting means mounted on the main body. The movable member is linearly displaced in the storage space in response to the operation of moving the main body up and down, and the linear displacement relative to the main body of the movable member is detected by the linear position detecting means. Therefore, two-dimensional operation input along the X-axis and Y-axis can be performed by two-dimensionally tilting the main body held by a human hand, and the main body can be moved in the Z-axis direction ( An operation input along the Z axis can be performed by a motion of shaking up and down, and a three-dimensional operation can be performed as a whole, and a detection signal corresponding to the three-dimensional operation can be generated. That is, the movable member is displaced in the storage space by the operation of swinging the main body portion in the Z-axis direction (up and down), and a detection signal corresponding to the movement in the Z-axis direction can be generated.
  Further, the three-dimensional detection means for all the axes is mounted on the main body, and it is possible to perform a three-dimensional operation input while carrying the free main state without fixing the main body. In addition, since the Z-axis direction operation input is performed by moving the main body part in the Z-axis direction (up and down), the structure is simple (that is, the operator can move up and down with respect to the main body part in all directions). It is not necessary to have a universally operable configuration).
  As an example, the movable member includes a magnetic response member that is movably stored in the storage space according to gravity, and the linear position detection unit includes a coil portion provided around the storage space. The magnetic response member is displaced with respect to the coil part in accordance with the vertical movement of the main body part, and a detection signal corresponding to the movement is output from the coil part.
[0010]
  According to an embodiment of the present invention, the linear position detecting means includes a coil portion and a magnetic response member that is displaceable relative to the coil portion, and according to an operation of the linear motion operator. By detecting a linear displacement of one of the coil part and the magnetic response member relative to the other, a detection signal corresponding to the operation of the linear motion operator is output from the coil part.
  According to an embodiment of the present invention, the two-dimensional inclination detecting means is a magnetic response that is displaced relative to the coil portion and the coil portion according to the movement of the main body portion in the X-axis and Y-axis directions. A detection signal corresponding to the movement of the main body portion in the X-axis and Y-axis directions is output from the coil portion.
  According to an embodiment of the present invention, the magnetic response member of the two-dimensional tilt detection means is movably accommodated in a predetermined accommodation space, and according to the movement of the main body in the X-axis and Y-axis directions. It is displaced relative to the coil part by moving in the storage space..
  According to an embodiment of the present invention, the two-dimensional tiltThe detection means is disposed corresponding to the storage space in the storage body having a ring-shaped storage space, a fluid magnetic response member stored in the storage space so as to be movable according to gravity. The magnetic response member moves in the ring-shaped storage space according to the inclination in the X-axis and Y-axis directions, and outputs an output signal that responds to the distribution of the magnetic response member in the storage space. It is generated from the coil part, and detects the inclination in the X-axis and Y-axis directions.is there. thisAs described above, a configuration in which a fluid magnetic response member is stored in a storage space of a storage body having a ring-shaped storage space, the inclinations in the X-axis and Y-axis directions are detected all at once, and based on this, X Operation detection signals in the axis and Y axis directions are output.thingCan provide a new configuration for detecting operations in the X-axis and Y-axis directions, and the configuration can be made compact.The
[0011]
  According to an embodiment of the present invention, the two-dimensional tilt detection means isA coil part, and is movably stored in a predetermined storage space,BodyAt least one detection device including a magnetic response member that is displaced relative to the coil portion by moving in the storage space in accordance with at least one movement of the portion in the X-axis and Y-axis directions, An operation detection signal in the X-axis and Y-axis directions is output based on the detection device detecting the inclination of the operation unit in the X-axis and Y-axis directions.To do. thisAs described above, the storage unit is movably stored in a predetermined storage space, and moves relative to the coil unit by moving in the storage space according to at least one movement of the operation unit in the X-axis and Y-axis directions. And at least one detection device including a magnetic response member. With such a special configuration, it is possible to detect the inclination corresponding to the movement in the X-axis and Y-axis directions, and to output operation detection signals in the X-axis and Y-axis directions based on this. This can provide a new configuration for detecting operations in the X-axis and Y-axis directions.The
[0012]
  According to an embodiment of the present invention, the two-dimensional tilt detection means is  A coil portion;BodyA detecting device including a magnetic response member that is displaced relative to the coil portion in accordance with one movement of the portion in the X-axis and Y-axis directions, corresponding to the X-axis and the Y-axis. Outputs an operation detection signal in the X-axis and Y-axis directions based on detecting the inclination of the operation unit in the X-axis and Y-axis directions, respectively.The thisCan provide a new configuration for detecting operations in the X-axis and Y-axis directions.The
[0013]
  Main departureAccording to M., various other embodiments can be taken, the details of which are given below by way of example.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1A is a schematic external view showing an embodiment of a three-dimensional operation detection device according to the first aspect of the present invention, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view along the X-axis and the Z-axis. This three-dimensional operation detection device can be applied as a three-dimensional operation type input device such as a joy stick, for example, and the stick portion 10 consisting of a single operator as a whole has a substantially disk-shaped top portion 10a. And a rod-like portion 10b extending thereunder, and is operated by being grasped by a human hand as indicated by a broken line in the figure. The lower end 10c of the stick part 10 is simply terminated as shown in the figure, and the stick part 10 may be freely carried and swung. Of course, the present invention is not limited to this, and the lower end 10c may be pivotally supported by appropriate means so that it can be freely and universally tilted in the X and Y axis directions, as in a conventional joystick. The direction in which the rod-like portion 10b of the stick portion 10 extends is the Z axis, the disk surface of the top portion 10a perpendicular to the Z axis is the XY coordinate plane, and the orthogonal coordinate axes set appropriately on the plane are the X axis and the Y axis, respectively. And
[0015]
In the stick part 10, an inclination sensor (first detection means) 100 for detecting the inclination of the XY coordinate plane in the X-axis and Y-axis directions is mounted on the top part 10a. The operation of the stick unit 10 in the X-axis direction and the Y-axis direction is performed by arbitrarily tilting the stick unit 10 in the X-axis direction and the Y-axis direction. Accordingly, the tilt sensor 100 detects the inclination of the stick portion 10 in the X-axis direction and the Y-axis direction, and based on this, the operation (movement) in the X-axis direction and the Y-axis direction is detected.
The tilt sensor 100 mainly includes a coil portion 2 and a magnetic response member 3 that is displaced relative to the coil portion 2 in accordance with the movement of the stick portion 10 in the X-axis and Y-axis directions. As will be described in detail later, the magnetic response member 3 moves in accordance with the inclination of the stick portion 10 in the X-axis and Y-axis directions, whereby the relative positional relationship between the coil portion 2 and the magnetic response member 3 changes. In response to this change, the magnetic coupling between the coil portion 2 and the magnetic response member 3 changes, and an induction output signal corresponding to the inclination of the stick portion 10 in the X-axis and Y-axis directions is output from the coil portion 2. .
[0016]
A linear sensor (second detection means) 200 for detecting an operation in the Z-axis direction is mounted on the approximate center of the top portion 10a of the stick portion 10 and the portion of the rod-like portion 10b. That is, a dome-shaped pusher 201 for pressing with a finger in the Z-axis direction is provided at the top of the top portion 10a, and a rod-shaped movable member is provided inside the rod-shaped portion 10b as shown in FIG. A portion 204 is inserted, and the pusher 201 is coupled to the movable portion 202, and the movable portion 204 moves in the Z-axis direction (vertical direction) in response to a pressing operation of the pusher 201. A predetermined magnetic response member (for example, a magnetic body) 203 is provided in the entire movable unit 204 or at least in a predetermined range near the tip, and the magnetic unit 204 moves according to the movement of the movable unit 204 according to the pressing operation of the pusher 201. The response member 203 is displaced linearly. The coil part 202 is fixed at a predetermined position inside the rod-like part 10b. In the linear sensor 200, the coil unit 202 includes one or a plurality of coils. For example, the magnetic response member 203 of the movable unit 204 enters the coil space, and the coil unit is moved according to the movement of the movable unit 204. The relative linear position of 202 and the magnetic response member 203 changes. In response to this change, the magnetic coupling between the coil unit 202 and the magnetic response member 203 changes, and an induction output signal corresponding to the linear position, that is, the operation position in the Z-axis direction, is output from the coil unit 202. When the pusher 201 is made of elastic rubber and no pressing operation is applied by the elastic action, the pusher 201 returns to the neutral position (position of linear displacement 0). Of course, other neutral position return springs may be provided.
[0017]
With the above configuration, when the operator grasps the stick unit 10 and arbitrarily tilts it in the X-axis and Y-axis directions, a guidance output signal corresponding to the tilt is output from the coil unit 2 of the tilt sensor 100, and based on this. Operation detection signals in the X-axis and Y-axis directions can be obtained. Further, when the operator presses the pusher 201 on the upper part of the stick unit 10, an induction output signal corresponding to the operation in the Z-axis direction is output from the coil unit 204 of the linear sensor 200, and based on this, the Z-axis direction signal is output. An operation detection signal can be obtained.
[0018]
Next, a specific example of the tilt sensor 100 will be described with reference to FIG.
The tilt sensor 100 shown in FIG. 2 is a multi-directional tilt detection device that can detect tilt in all directions on the XY coordinate plane with one sensor. The tilt sensor 100 stores a fluid magnetic response member 3 in a storage body 1. 2A is a schematic side view of the whole, FIG. 2B is a schematic perspective view of the storage body 1, FIG. 2C is a cross-sectional view of the storage body 1, and FIG. Figure.
As shown in FIGS. 2B and 2C, the storage body 1 has a ring-shaped storage space 1a, and an appropriate amount of a fluid magnetic response member 3 in the ring-shaped storage space 1a. Is stored. As the magnetic response member 3, for example, a magnetic fluid or a magnetic powder is used. The magnetic powder is not limited to fine powder and may be iron sand. FIG. 2C is a schematic cross-sectional view of the storage body 1 placed horizontally, in which case the fluid magnetic response members 3 are evenly distributed in the ring-shaped storage space 1a. Of course, the storage body 1 is made of a non-magnetic material. Reference numeral 4 denotes a mounting base.
[0019]
As shown in FIG. 2A, the coil portion 2 is provided on the lower side of the storage body 1. The coil part 2 consists of suitable coil arrangement | positioning which can detect distribution of the magnetic response member 3 in the storage space 1a. For example, in the example of FIG. 2D, the coils 21 to 24 are provided so as to configure four poles at equal intervals (90 degree intervals) along the circumferential direction of the ring-shaped storage space 1a. For example, the coils 21 to 24 are secondary coils, and the primary coils 11 to 14 may be provided for each pole corresponding to the secondary coils 21 to 24.
When the primary coils 11 to 14 are excited with appropriate AC signals, AC signals having levels corresponding to the respective inductive coupling degrees or magnetic coupling degrees are induced from the corresponding secondary coils 21 to 24. This inductive coupling or magnetic coupling is variably controlled by the presence of the magnetic response member 3.
The tilt sensor 100 having the above configuration is attached to an appropriate position in the detection target. In order to be able to detect the inclination as the detection target surface in all directions, the ring of the storage space 1a is installed so as to be parallel to the detection target surface. That is, it is installed so that the radial direction of the circular ring is parallel to the detection target surface. Here, the detection target surface need not actually form a surface but may be a virtual surface. That is, the tilt sensor 100 can detect tilts in all directions of the detection target surface in all directions.
[0020]
When the storage body 1 is placed horizontally (that is, when the detection target surface has an inclination of 0), the fluid magnetic response members 3 are evenly distributed in the ring-shaped storage space 1a. Output signals of the same level are also obtained from the secondary coils 21 to 24. Therefore, it can be detected that the inclination is 0 based on the fact that the output signal of the same level is obtained from any of the secondary coils 21 to 24.
When the storage body 1 tilts in any direction (that is, when the detection target surface tilts in any direction), the fluid magnetic response member 3 moves in the storage space 1a according to gravity, and the magnetic response in the storage space 1a. The distribution of the members 3 is biased. For example, FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example of a state in which the storage body 1 is inclined, in which (a) is a side view and (b) is a plan view. In this case, the magnetic response member 3 is inclined in the direction of the coil 23 and the largest amount of the magnetic response members 3 are gathered corresponding to the position of the secondary coil 23. The amount of the magnetic response member 3 corresponding to the position of the secondary coils 22 and 24 is small, and the amount of the magnetic response member 3 corresponding to the position of the secondary coil 21 is zero. In this way, an output signal that responds to the distribution of the magnetic response member 3 in the storage space 1a can be obtained from the coil portion 2, and based on this, the direction of the inclination can be detected, and the magnitude of the inclination ( (Tilt angle) can be detected.
[0021]
The configuration of the coil unit 2 to be used for detecting the distribution of the magnetic response member 3 in the storage space 1a is not limited as long as the distribution of the magnetic response member 3 can be detected in some form. It may be configured.
For example, assuming the X and Y coordinates with the origin 0 as the center O of the circumferential coil (pole) arrangement as shown in FIG. 2D, the direction of the inclination is omnidirectionally determined by the X and Y coordinates. Can be represented. For example, if the coils 21 and 23 correspond to the X axis and the coils 22 and 24 correspond to the Y axis, the coil 21 is in the plus X direction, the coil 22 is in the plus Y direction, and the coil 23 is in the minus X direction. The coil 24 is positioned in the minus Y direction. Therefore, the pole where the secondary coil 21 is arranged is the plus X pole (x in the figure), the pole where the secondary coil 22 is arranged is the plus Y pole (y in the figure), and the pole where the secondary coil 23 is arranged. The minus X pole (/ x in the figure) is represented as the minus Y pole (/ y in the figure).
In the specification, for convenience of description, a bar symbol indicating inversion is described as “/ (slash)”, which corresponds to the bar symbol in the figure.
[0022]
By obtaining the difference between the positive and negative coil output signals of the same axis, the coordinate value for the axis can be obtained. For example, when the output amplitude levels of the secondary coils 22 and 24 are the same, the Y-axis coordinate value is 0, indicating that the gradient component in the Y-axis direction is 0.
Therefore, an example of a circuit related to each coil in the coil unit 2 is as shown in FIG. That is, all the primary coils 11 to 14 are excited with a common AC signal (for example, abbreviated as sin ωt), and the difference between the output signals of the secondary coils 21 and 23 along the X axis is obtained by the difference circuit 25 (difference) The X-axis coordinate detection signal Sx is obtained as the difference signal. Further, the difference between the output signals of the secondary coils 22 and 24 along the Y axis is obtained by a difference circuit 26 (differential connection may be used), and a Y axis coordinate detection signal Sy is obtained as the difference signal. Since the quadrants and polar coordinates of the coordinates are determined from the signals Sx and Sy of the X and Y coordinate values obtained in this way, the direction and magnitude of the inclination are obtained by appropriately processing these signals Sx and Sy by the determination processing circuit 27. The thickness (tilt angle) can be detected. A rectifier circuit is provided on either the input side or the output side of the difference circuits 25 and 26, and the output signals Sx and Sy indicating the X and Y coordinate values are set to DC voltage level values. This voltage level value does not need to be an analog value, and may be appropriately digitally converted. Therefore, the determination processing circuit 27 may be an analog arithmetic circuit or a digital circuit.
[0023]
In general, the polar coordinate declination θ corresponds to the direction of inclination, and the radius ρ corresponds to the magnitude of the inclination (inclination angle). Therefore, in the determination processing circuit 27, for example, a known orthogonal coordinate-polar coordinate represented by the following equation: By using the conversion formula, the polar coordinate declination θ and the radial ρ are obtained from the signals Sx and Sy of the X and Y coordinate values, and based on this, data for detecting the direction and magnitude (tilt angle) of the tilt is obtained. can do. In the following formula, x and y are X and Y coordinate values indicated by the signals Sx and Sy.
[Expression 1]
Figure 0004623765
[0024]
It should be noted that not only a strict polar coordinate conversion formula but also a rough inclination direction can be determined by using a simple table for determining a quadrant of coordinates from the signals Sx and Sy. Moreover, you may make it determine rough magnitude | size (inclination angle) based on the output level of each coil 21-24, without using a difference signal (Sx, Sy). For example, the inclination angle is determined based on the output voltage value of the maximum level coil among the output signal levels of the coils 21 to 24. In that case, an appropriate correction calculation may be performed in consideration of the inclination direction determination result.
In addition, as a specific method of determining the tilt direction and the tilt amount based on the output signal of the coil unit 2, an appropriate configuration in design may be employed.
[0025]
As another example, assuming that the coil unit 2 is a rotary resolver, the poles (X, Y, / X, / Y) of four secondary coils 21 to 24 arranged at intervals of 90 degrees are represented by sine phase, As the cosine phase, minus sine phase, and minus cosine phase, the same output signal as the two-phase resolver output signal of sine and cosine is taken out, and the phase angle data is obtained from the output signal, so that the phase angle data is polar coordinates. Can be obtained as data corresponding to the deviation angle θ.
When the resolver principle is adopted, the amplitude function of the inductive output AC signal generated in the secondary coils 21 to 24 corresponding to each pole (X, Y, / X, / Y) of the coil unit 2 is a sine function, cosine function, The arrangement of the secondary coils 21 to 24 and the magnetic property and amount of the magnetic response member 3 are set so as to correspond to the minus sine function and the minus cosine function, respectively. Depending on various conditions, the arrangement of each coil can be changed slightly, and the magnetic properties and amount of the magnetic response member 3 can also be changed, so that the arrangement of each coil can be adjusted appropriately to obtain a desired function characteristic, or By adjusting the secondary output level by electrical amplification, a desired amplitude function characteristic can be finally obtained. Therefore, although the arrangement of the secondary coils 21 to 24 and the magnetic response member 3 and the amount are important, absolute accuracy is not required and can be set or changed as appropriate in design.
[0026]
When the resolver principle is adopted, as shown in FIG. 5, the primary and secondary coils of the coil unit 2 constitute a circuit. The X-axis (sine phase) secondary coils 21 and 23 are differentially connected, and the Y-axis (cosine phase) secondary coils 22 and 24 are differentially connected to take out two output signals. The coil connection is the same as in FIG. 4, but no rectifier circuit is provided. Inductive output signals of the secondary coils 21 to 24 are amplitude-modulated with the two-phase function characteristics sinθ and cosθ and the opposite-phase function characteristics −sinθ and −cosθ corresponding to the deflection angle θ indicating the tilt direction. Can be output respectively. For convenience of explanation, coefficients according to other conditions such as the number of turns of the coil are omitted, and the output signal of the secondary coil 21 (sine phase) is indicated by “sinθ · sinωt”, and the output signal of the secondary coil 22 (cosine phase) is indicated. It is indicated by “cos θ · sin ωt”. Further, the output signal of the secondary coil 23 (minus / sine phase) is indicated by “−sin θ · sin ωt”, and the output signal of the secondary coil 24 (minus / cosine phase) is indicated by “−cos θ · sin ωt”. A first output AC signal A (= 2sinθ · sinωt) having an amplitude function of a sine function is obtained by differentially combining the induction outputs of the sine phase and the minus sine phase. Further, a second output AC signal B (= 2 cos θ · sin ωt) having an amplitude function of a cosine function is obtained by differentially combining the induction outputs of the cosine phase and the minus cosine phase. In order to simplify the expression, the coefficient “2” is omitted, and in the following, the first output AC signal A is represented by “sinθ · sinωt”, and the second output AC signal B is represented by “cosθ · sinωt”. ".
[0027]
Thus, the first output AC signal A = sinθ · sinωt having the first function value sinθ corresponding to the declination angle θ as the amplitude value and the second function value cosθ corresponding to the same declination angle θ as the amplitude value. The second output AC signal B = cos θ · sin ωt is output. According to such a coil configuration, two output AC signals A and B (signatures) having an in-phase AC and a two-phase amplitude function similar to those obtained in a resolver conventionally known as a rotary position detecting device. It can be understood that an output and a cosine output can be obtained from the coil section 2.
The two-phase output AC signals (A = sin θ · sin ωt and B = cos θ · sin ωt) output from the coil unit 2 can be used in the same manner as the output of a conventionally known resolver. For example, as shown in FIG. 5, the output AC signals A and B of the coil unit 2 are input to an appropriate digital phase detection circuit 40, and the phase value θ of the sine function sin θ and the cosine function cos θ is detected by a digital phase detection method. Thus, the digital data Dθ of the deflection angle θ can be obtained. Thus, the digital data Dθ indicating the polar angle θ can be obtained by the phase angle detection process according to the resolver principle, and the tilt direction of the detection target can be detected.
[0028]
In this case, the magnitude of the inclination (inclination angle) can be determined as appropriate by application and modification of the polar coordinate formula shown in Equation 1 above. For example, in the determination processing circuit 28 of FIG. 5, a signal obtained by rectifying the output signals of the secondary coils 21 to 24 is input, the signal of the maximum level is detected from this input signal, and the quadrant of the polar coordinates is determined therefrom. If the maximum level value is the x value or y value of the Cartesian coordinates, and the radial angle ρ is obtained from the polar coordinate formula using the deviation angle θ obtained based on the digital data Dθ, the magnitude of the inclination (inclination) Corner) can be detected.
As the digital phase detection method adopted in the digital phase detection circuit 40, a known RD (resolver-digital) converter may be applied, or a new method developed by the present inventors is adopted. Also good.
The storage space of the storage body 1 is not limited to a ring shape, but may be a curved surface shape such as a convex curved surface or a concave curved surface. That is, the storage space of the storage body 1 only needs to have a shape that allows the fluid magnetic response member 3 therein to be appropriately displaced in accordance with gravity in response to the inclination.
[0029]
In each embodiment, the primary coils do not have to be provided in one-to-one correspondence with the secondary coils 21 to 24, and only one or a suitable number is provided so as to cover the entire secondary coils 21 to 24. It may be provided only. FIG. 7 shows an example thereof, in which one primary coil 15 is provided so as to surround the outside of the arrangement of the secondary coils 21 to 24. Thus, when providing the one primary coil 15, you may provide inside the arrangement | positioning of the secondary coils 21-24.
Further, the number of coils and the arrangement of the coils in the coil unit 2 are not limited to those shown in the above embodiments, and various design changes can be made. For example, the configuration is not limited to the coil configuration including four poles as in the above-described embodiment, and may be arbitrary such as 6 poles, 8 poles, or 12 poles.
[0030]
Next, a specific example of the linear sensor 200 will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is drawn with the Z-axis (vertical direction) sideways for convenience of illustration. As described above, the linear sensor 200 includes a movable portion 204 that is interlocked with the pusher 201, a magnetic response member 203 provided in the movable portion 204, and a coil portion 202 that is disposed at a predetermined position. The movable part 204 is connected to the pusher 201 to be detected, and can be displaced linearly and reciprocally in conjunction with the change in the linear position of the pusher 201. On the other hand, the coil part 202 is appropriately arranged. Fixed to. Thus, the movable unit 204 is linearly displaced relative to the coil unit 202 in conjunction with the linear position to be detected. Needless to say, conversely, the movable portion 204 may be fixed by displacing the coil portion 202 in conjunction with the pusher 201 which is a linear displacement detection target. In short, the linear sensor 200 detects the linear position of the movable unit 204 relative to the coil unit 202. The direction of this relative linear displacement is indicated by an arrow with the symbol Z in the figure.
[0031]
Coil unit 202 includes primary coils PW1 to PW5 excited by a one-phase AC signal and a plurality of secondary coils SW1 to SW4 arranged at different positions with respect to linear displacement direction Z. In order to clarify these primary and secondary coil configurations, the coil portion 202 is shown to include a cross section in FIG. 6, but actually, as shown supplemented by a dotted line, a rod-shaped movable portion. An appropriate gap is formed around the periphery of the coil 204, and the coil is wound. Since the excitation is commonly performed by the one-phase AC signal, the number of primary coils PW1 to PW5 may be one or an appropriate plural number, and the arrangement thereof may be appropriate. However, the primary coils PW1 to PW5 are appropriately separated and arranged so that the secondary coils SW1 to SW4 are sandwiched between them as shown in FIG. 6, for example. This is preferable because the generated magnetic field can be effectively exerted on the individual secondary coils SW1 to SW4 and the magnetic response member 203 of the movable portion 204 can be effectively affected on the magnetic field.
[0032]
The rod-shaped movable portion 204 is formed by repeatedly providing one or more magnetic response members 203 having a predetermined magnetic response characteristic at a predetermined pitch p along the linear displacement direction within the predetermined range. As already known, the magnetic response member 203 is made of a magnetic material such as iron or nickel, or a non-magnetic conductor such as copper or aluminum, so that the magnetic permeability, magnetic resistance, or vortex can be obtained. Since a predetermined magnetic response characteristic such as current loss can be provided, the magnetic response member 203 may be configured using an appropriate material as such. As the material of the base rod of the movable portion 204, an appropriate material such as a magnetic material, a non-magnetic material, or a conductor may be used, and what kind of material is used depends on the material and / or shape of the magnetic response member 203. It depends on the balance. In short, it is only necessary that the magnetic response characteristics exerted on the coil portion 202 are different between the place where the magnetic response member 203 exists and the place where the magnetic response member 203 does not exist. In addition, as a method of forming the magnetic response member 203 on the base rod of the movable portion 204, an appropriate method such as sticking, bonding, caulking, cutting, plating, vapor deposition, or baking may be used.
[0033]
The magnetic coupling between the primary coils PW1 to PW5 and the secondary coils SW1 to SW4 is achieved by changing the corresponding position of the magnetic response member 203 of the movable part 204 with respect to the coil part 202 in accordance with the change of the linear position as the detection target. Is changed in accordance with the detection target linear position, whereby the induction output AC signal whose amplitude is modulated in accordance with the detection target linear position varies depending on the displacement of the arrangement of the secondary coils SW1 to SW4. Due to the characteristics, it is induced in each of the secondary coils SW1 to SW4. Each induction output AC signal induced in each of the secondary coils SW1 to SW4 has the same electrical phase because the primary coils PW1 to PW5 are commonly excited by the one-phase AC signal, and the amplitude thereof. The displacement of the function periodically changes with one cycle corresponding to one pitch p of the repetitive pitch of the magnetic response member 203.
[0034]
The four secondary coils SW1 to SW4 are arranged at a predetermined interval within a range of 1 pitch p of the repetition pitch of the magnetic response member 203, and the amplitude function of the induction output AC signal generated in each secondary coil SW1 to SW4 is It is set to show the desired characteristics. For example, when configured as a resolver type position detection device, the amplitude function of the induction output AC signal generated in each secondary coil SW1 to SW4 is sine function, cosine function, minus sine function, minus cosine function, respectively. Set to correspond. For example, as shown in FIG. 6, the range of 1 pitch p is divided into four and arranged at each divided position shifted by p / 4. Thereby, the amplitude function of the induction output AC signal generated in each of the secondary coils SW1 to SW4 can be set so as to correspond to the sine function, the cosine function, the minus sine function, and the minus cosine function, respectively. Of course, depending on various conditions, the arrangement of each coil can change slightly, so that each coil arrangement can be adjusted appropriately to obtain the desired function characteristics, or the secondary output level can be adjusted by electrical amplification, A desired amplitude function characteristic is finally obtained.
[0035]
For example, if the output of the secondary coil SW1 corresponds to a sine function (indicated by s in the figure), the output of the secondary coil SW3 arranged so as to be shifted by p / 2 with respect to this is a minus sine function (see FIG. The first output AC signal having the amplitude function of the sine function can be obtained by differentially combining the outputs of both. In addition, the output of the secondary coil SW2 that is arranged by shifting p / 4 from the secondary coil SW1 corresponding to the sine function output corresponds to the cosine function (indicated by c in the figure), and only p / 2 for this. The output of the shifted secondary coil SW4 corresponds to a minus cosine function (/ c (c bar) is added in the figure), and the amplitude of the cosine function is obtained by differentially synthesizing both outputs. A second output AC signal having a function is obtained. . In the specification, for convenience of description, a bar symbol indicating inversion is described as “/ (slash)”, which corresponds to the bar symbol in the figure.
[0036]
FIG. 7 is a circuit diagram of the coil unit 202, and a common excitation AC signal (indicated by sin ωt for convenience of description) is applied to the primary coils PW1 to PW5. In response to the excitation of the primary coils PW1 to PW5, an AC signal having an amplitude value corresponding to the corresponding position of the magnetic response member 203 with respect to the coil part 202 of the movable part 204 is induced in each of the secondary coils SW1 to SW4. The respective induced voltage levels indicate two-phase function characteristics sinθ and cosθ and opposite phase function characteristics −sinθ and −cosθ corresponding to the detection target linear position x. That is, the induction output signals of the secondary coils SW1 to SW4 correspond to the detection target linear position in the Z-axis direction, that is, 2 corresponding to the operation amount of the movable unit 204 in the Z-axis direction (this is referred to as “x” for convenience). It is output in a state where it is amplitude-modulated by the phase function characteristics sinθ, cosθ and its opposite phase function characteristics -sinθ, -cosθ. In this case, θ is proportional to x, and for example, θ = 2π (x / p). For convenience of explanation, coefficients according to other conditions such as the number of turns of the coil are omitted, and the output signal is indicated as “sinθ · sinωt” with the secondary coil SW1 as the sine phase, and the output is indicated with the secondary coil SW2 as the cosine phase. The signal is indicated by “cos θ · sin ωt”. Further, the output signal is indicated by “−sin θ · sin ωt” with the secondary coil SW 3 as a minus / sine phase, and the output signal is indicated by “−cos θ · sin ωt” with the secondary coil SW 4 as a minus / cosine phase. A first output AC signal (2 sin θ · sin ωt) having an amplitude function of a sine function is obtained by differentially combining the induction outputs of the sine phase and the minus sine phase. Further, a second output AC signal (2 cos θ · sin ωt) having an amplitude function of a cosine function is obtained by differentially combining the cosine phase and the minus cosine phase induction outputs. In order to simplify the expression, the coefficient “2” is omitted, and in the following, the first output AC signal is represented by “sinθ · sinωt”, and the second output AC signal is represented by “cosθ · sinωt”. Represent.
In the description of the operation of the linear sensor 20, as in the description of the tilt sensor 100, the sign of the phase angle is “θ” for convenience, but “θ” used in the description of the tilt sensor 100 is linear. Of course, “θ” used in the description of the sensor 20 is unique. That is, “θ” used in the description of the tilt sensor 100 indicates the tilt direction about the X and Y axes as described above, whereas “θ” used in the description of the linear sensor 20 is As described above, this corresponds to the linear displacement in the Z-axis direction.
[0037]
Thus, the first output AC signal A = sinθ · sinωt having the first function value sinθ corresponding to the detection target linear position x as the amplitude value and the second function value cosθ corresponding to the same detection target linear position x are obtained. A second output AC signal B = cos θ · sin ωt having an amplitude value is output. According to such a coil configuration, two output AC signals (sine output and sine output) having an in-phase AC and a two-phase amplitude function similar to those obtained in a conventionally known resolver which is a rotary position detecting device are used. It can be seen that a cosine output) can be obtained in a linear position detector. Therefore, the two-phase output AC signals (A = sin θ · sin ωt and B = cos θ · sin ωt) obtained from the linear sensor 200 can be used in the same manner as the output of a conventionally known resolver. For example, as in the example of FIG. 5, in FIG. 7, digital data corresponding to the phase value θ is obtained by inputting these two-phase output AC signals A and B to the digital phase detection circuit 40 and detecting the digital phase. This can be used as the detection data Dz of the operation amount in the Z-axis direction. In this case, a hardware circuit that can be commonly used for the digital phase detection circuit 40 can be shared in time division between the tilt sensor 100 and the linear sensor 200.
Note that, as described above, the configuration in which the four secondary coils SW1 to SW4 are arranged at a predetermined interval within the range of 1 pitch p of the magnetic response member 203 is that the size of the entire coil portion 202 is reduced to the magnetic response member. Since it can be accommodated in a relatively small size that substantially corresponds to the range of 1 pitch of 203, it is useful for reducing the overall configuration of the linear sensor 200.
[0038]
As one embodiment of the movable portion 204, a piano wire is used as the base rod, a predetermined metal piece is used as the magnetic response member 203, and the metal as the magnetic response member 203 is disposed around the movable portion 204 made of piano wire. The magnetic response members 203 arranged repeatedly at the predetermined pitch may be configured by repeatedly disposing one or more pieces at a predetermined pitch and caulking each metal piece. The structure of such a movable part 204 is simply to prepare a piano wire of a desired length and a desired number of metal pieces, and only caulk the metal pieces to the piano wire at a desired pitch. Since it can be manufactured, the configuration is very simple, the manufacturing is very easy, and the manufacturing cost can be extremely low, which is quite significant. In addition, the diameter of the movable portion 204, that is, the movable core portion, is small enough to add the thickness of the metal piece (magnetic response member 203) to the diameter of the piano wire. Accordingly, the diameter of each coil of the coil portion 202 is also increased. Since it can be made quite small, it is possible to provide the linear sensor 200 that is considerably miniaturized as a whole.
[0039]
Further, in that case, an existing spring pin may be used as the metal piece as the magnetic response member 203. When such a spring pin is used, it is possible to very easily perform the caulking process, and also to secure the caulking. Moreover, it is very advantageous because it is inexpensive. When the metal piece for forming the magnetic response member 203 is a rectangular piece in a developed state, when the metal piece is caulked around a rod (piano wire), as shown in FIG. 6, the magnetic response member 203 becomes a substantially cylindrical shape. However, the present invention is not limited to this, and the metal piece for forming the magnetic response member 203 may be a substantially circular or elliptical metal piece in the developed state. In addition, the shape and material of the magnetic response member 203 are arbitrary. Of course, a fluid magnetic material can be used in the same manner as the magnetic response member 3 of the tilt sensor 100.
Of course, the detection principle of the linear sensor 200 is not limited to that according to the linear resolver principle as described above, but other types such as a known differential transformer type or a two-phase AC excitation one-phase output type. The phase-shift type inductive linear sensor described in the related art section may be used.
[0040]
In the example of FIG. 1, the operation in the Z-axis direction is performed by moving the pusher 201 and the movable unit 204 relatively up and down relative to the main body of the stick unit 10. However, the present invention is not limited to this, and an operation in the Z-axis direction may be performed by moving the main body of the stick unit 10 up and down. FIG. 8 is a partial sectional side view in the Z-axis direction showing an example in that case.
In FIG. 8, the stick part 10 is configured such that an integral part (shown in a schematic side view) including a top part 10a and a rod-like part 10b can move up and down relatively in the Z-axis direction with respect to a grip part 10d (shown in cross section). It has become. That is, the rod-shaped portion 10b is inserted into the grip portion 10d from below, the rod-shaped portion 10b is biased upward by the spring 10e, and is regulated to the initial position of displacement 0 by the collar-shaped stopper 10f. When the operator holds the grip portion 10d and pushes the top portion 10a with the thumb, the rod-like portion 10b integrated with the top portion 10a is moved downward in the Z-axis direction. In this case, the tilt sensor 100 may be appropriately provided in the top portion 10a as in the example of FIG. 1, but the linear sensor 200 is provided with the coil portion 202 at a predetermined position inside the grip portion 10d, and the magnetic response member 203. Is appropriately provided around a predetermined position below the rod-like portion 10b.
[0041]
Next, one embodiment of a three-dimensional operation detection apparatus according to the second aspect of the present invention will be described with reference to FIG. In the embodiment of FIG. 9, the operation in the Z-axis direction can be performed by the operation of swinging the stick portion 10 in the Z-axis direction (up and down).
In FIG. 9, the top portion 10a of the stick portion 10 is shown in a side view, and an appropriate inclination sensor 100 is provided in the inside as in FIG. The rod-like portion 10b of the stick portion 10 is shown in a partial cross-section by cutting out a portion in which the linear sensor 200 'is built. The linear sensor 200 'detects an operation in the Z-axis direction based on an operation of swinging the stick unit 10 in the Z-axis direction (up and down).
The linear sensor 200 'moves in accordance with gravity in the storage space 205 extending along the Z-axis direction inside the rod-shaped portion 10b, the coil portion 202 provided around the storage space 205, and the storage space 205. And a magnetic response member 203 ′ that is freely stored. As the magnetic response member 203 ′, a magnetic body of an appropriate size (may be an appropriate shape such as a sphere or a disk) that can freely move in the space 205 according to gravity can be used, or an appropriate amount can be used. The magnetic fluid or magnetic powder may be used. As a result, the magnetic response member 203 ′ is displaced relative to the coil portion 202 in the storage space 205 due to the inertial action by the operation of swinging the stick portion 10 in the Z-axis direction (up and down). A detection output signal corresponding to the movement can be output from the coil unit 202.
[0042]
Next, an embodiment of a three-dimensional operation detection apparatus according to the third aspect of the present invention will be described with reference to FIG. The embodiment of FIG. 10 can be used as a three-dimensional operation input means by arbitrarily placing it on a table or the like, or semi-fixedly, without using a hand-held stick-shaped stick portion 10. It is what I did.
FIG. 10A is a plan view along the XY axis direction, and FIG. 10B is a schematic cross-sectional view along the Z axis. The appearance of this three-dimensional operation detection apparatus is composed of an upper operation unit 10a and a lower base unit 10b. The operation unit 10a is disposed so as to be tiltable in the X-axis and Y-axis directions and vertically movable in the Z-axis direction with respect to the base unit 10b. The operation unit 10 a is provided with the tilt sensor 100 on the lower side and the movable unit 204 of the linear sensor 200. A magnetic response member 203 of the linear sensor 200 is provided at a predetermined position below the movable portion 204 as in the example of FIG. Moreover, the coil part 202 of the linear sensor 200 is provided in the predetermined location inside the base part 10b similarly to the example of FIG. Thus, the specific configurations of the tilt sensor 100 and the linear sensor 200 may use the same configurations as those of the missing embodiments described in this specification.
[0043]
When viewed from the top, the approximate center of the circular operation portion 10a swells appropriately, and this corresponds to the Z pusher portion 10z for applying an operation in the Z-axis direction. A ring-shaped plane around the Z pusher portion 10z in the operation portion 10a corresponds to the XY pusher portion 10xy for applying an arbitrary tilting operation in the X-axis and Y-axis directions. The operation portion 10a is supported below the ring-shaped XY pusher portion 10xy so as to be movable up and down with respect to the base portion 10b via springs 10c at least at four points spaced by 90 degrees.
With this configuration, when an arbitrary point of the ring-shaped XY pusher portion 10xy in the operation portion 10a is pressed with a finger, the operation portion 10a is tilted in the pressed direction. The inclination of the operation unit 10a is detected by the inclination sensor 100 as described above. Further, when the center Z pusher portion 10z in the operation portion 10a is pressed with a finger, the entire operation portion 10a moves downward (in the Z-axis direction). The displacement of the operation unit 10a in the Z-axis direction is detected by the linear sensor 200 as described above.
The base unit 10b may be fixed at an arbitrary place of use, and the detection device may be installed semi-fixed. Alternatively, the entire apparatus including the operation unit 10a and the base unit 10b may be portable, and the detection apparatus may be used at an arbitrary place.
[0044]
In each of the above embodiments, the operation in the Z-axis direction is performed only in the downward direction. However, the present invention is not limited to this, and the operation may be arbitrarily performed in both the upper and lower directions. Examples thereof are as shown in FIGS.
FIG. 11 shows a modification of FIG. 1, and the same reference numerals denote the same devices. In the example of FIG. 11, a pusher 206 for performing an upward operation is provided at the lower end of the rod-like portion 10 b of the stick portion 10. The pusher 206 is connected to the lower end of the movable portion 204. Similar to the pusher 201, the pusher 206 is made of an elastic body such as rubber. With this configuration, a downward operation in the Z-axis direction can be performed by pressing the upper pusher 201, and an upward operation in the Z-axis direction can be performed by pressing the lower pusher 206.
FIG. 12 shows an example in which the upper end of the movable portion 204 is protruded to the outside, and the upper end can be pushed downward with a finger or lifted upward by pinching with a finger. A spring 207 is provided at the lower end of the movable portion 204 or at an appropriate place. When the movable portion 204 is not operated, the spring 207 is in a neutral position, and the spring 207 extends according to the upward and downward movement of the movable portion 204. It shrinks. An appropriate stopper portion 208 for limiting the vertical movement range of the movable portion 204 is provided. This structure is applicable not only to the type of FIG. 1 but also to the type of FIG.
[0045]
Next, another embodiment of the tilt sensor 100 will be described.
The tilt sensor 100 shown in FIG. 2 is an example in which the tilt of the XY coordinate plane is detected at once by one sensor. However, the tilt sensor 100 is not limited to this, and two tilt meters for one direction (for one axis) are combined. Biaxial tilt detection may be performed.
FIG. 13 is an axial cross-sectional view showing an example of a uniaxial inclinometer 100X that can be used for such a purpose. A storage body 101 made of a non-magnetic material such as plastic or stainless steel has a shape like a winding shaft, and a passage 101a bent downward is provided inside the shaft as shown in the figure. . A magnetic response member 103 having an appropriate size or amount is accommodated in the passage 101a so as to be movable according to gravity. In the example of FIG. 13, the magnetic response member 103 is made of a magnetic material such as iron having a spherical shape. One or a plurality of coils 111 to 115 and 121 to 124 are sequentially arranged and wound around the passage 101a of the storage body 101, that is, around the winding shaft. The coil part 102 is comprised by these coils 111-115, 121-124. Note that both ends of the passage 101a are closed so that the magnetic response member 103 inside does not pop out.
[0046]
With the above configuration, the inductive coupling in the coil portion 102 changes according to the linear position of the magnetic response member 103 in the passage 101a, that is, the relative linear position of the magnetic response member 103 with respect to the coil portion 102, and the output corresponding to this. A signal can be obtained from the coil unit 102. Therefore, a detection output signal corresponding to the linear position of the magnetic response member 103 in the passage 101a can be obtained from the coil section 102.
Here, since the passage 101a of the storage body 101 is bent downward, when the storage body 101 is placed in a horizontal position, the magnetic response member 103 in the passage 101a always has a predetermined weight due to its own weight. It is located at the position (the lowest position corresponding to inclination 0). When the storage body 101 is tilted, the magnetic response member 103 is linearly displaced along the passage 101a accordingly, and a detection output signal corresponding to the linear position of the magnetic response member 103 in the passage 101a is obtained from the coil section 102. It is done. Therefore, the output signal of the coil unit 102 responds to the inclination of the storage body 101 and can be appropriately used as a detection signal of the inclination.
[0047]
Any detection principle by the coil unit 102 can be used. As a simple example, there can be a pickup coil system. That is, the linear position of the magnetic response member 103 in the passage 101a can be detected by specifying the coil closest to the magnetic response member 103 based on the output signal levels of the plurality of coils arranged along the passage 101a. Therefore, the degree of inclination of the storage body 101 can be detected / detected. As an example for detecting the linear position of the magnetic response member 103 more finely, the coil unit 102 can be configured according to the linear differential transformer principle. That is, one or a plurality of linear differential transformers are configured as the coil unit 102, and the pickup is obtained by combining the output voltage value of the linear differential transformer and data indicating from which linear differential transformer the output is obtained. The linear position of the magnetic response member 103 can be detected with a finer accuracy than the coil method.
[0048]
In order to be able to detect the linear position of the magnetic response member 103 with a finer accuracy and more accurately, the coil unit 102 may be configured according to the resolver principle.
When the coil unit 102 is configured according to the resolver principle, it includes primary coils 111 to 115 that are excited by a one-phase AC signal and a plurality of secondary coils 121 to 124. The secondary coils 121 to 124 are arranged at predetermined intervals along the passage 101a. On the other hand, since it is commonly excited by a one-phase AC signal, the number of primary coils 111 to 115 may be one or an appropriate plural number, and the arrangement thereof may be appropriate. However, if the primary coils 111 to 115 are appropriately separated and arranged such that the secondary coils 121 to 124 are sandwiched between the primary coils 121 to 124, for example, as shown in FIG. This is preferable because the generated magnetic field can be effectively applied to the individual secondary coils 121 to 124 and the magnetic response member 103 can be effectively affected by the magnetic field.
[0049]
Depending on the linear position of the magnetic response member 103 in the passage 101a, the corresponding position of the magnetic response member 103 with respect to the coil portion 102 changes, so that the magnetic coupling between the primary coils 111 to 115 and the secondary coils 121 to 124 is achieved. The inductive output AC signal that is changed according to the linear position and is amplitude-modulated according to the linear position has different amplitude function characteristics depending on the displacement of the respective secondary coils 121 to 124, and each 2 It is induced in the next coils 121-124. The inductive output AC signals induced in the secondary coils 121 to 124 have the same electrical phase and the same amplitude because the primary coils 111 to 115 are commonly excited by the one-phase AC signal. The function has a phase shifted according to the displacement of the arrangement of the secondary coils 121 to 124.
That is, the amplitude function of the inductive output AC signal generated in the four secondary coils 121 to 124 can be set so as to exhibit desired characteristics, and when configured as a resolver type position detection device, each 2 The amplitude function of the induction output AC signal generated in the next coils 121 to 124 can be set so as to correspond to a sine function, a cosine function, a minus sine function, and a minus cosine function, respectively. Depending on various conditions, the arrangement of each coil can change slightly, so the arrangement and number of turns of each coil can be adjusted as appropriate to obtain the desired functional characteristics, or the secondary output level can be adjusted by electrical amplification. The desired amplitude function characteristic is finally obtained.
[0050]
For example, if the output of the secondary coil 121 corresponds to a sine function (indicated by s in the figure), the output of the secondary coil 123 arranged so as to deviate by a predetermined distance (for example, p / 2). Is set to correspond to a minus sine function (/ s (s bar) is added in the figure), and a first output having an amplitude function of a sine function is obtained by differentially synthesizing both outputs. An AC signal can be obtained. In addition, the output of the secondary coil 122 arranged so as to be shifted from the secondary coil 121 corresponding to the sine function output by a half of the predetermined distance (for example, p / 4) is a cosine function (indicated by c in the figure). Correspondingly, the output of the secondary coil 124 arranged so as to be shifted by p / 2 is set so as to correspond to a minus cosine function (/ c (c bar) is added in the figure). The second output AC signal having an amplitude function of a cosine function can be obtained by differentially synthesizing the outputs.
[0051]
The shape of the magnetic response member 103 is not limited to a sphere, and may be a cylindrical shape or other appropriate shape. Further, the magnetic response member 103 is not limited to a solid member, and may be formed of an unfixed object such as a magnetic fluid or a magnetic powder. The material of the magnetic response member 103 is not limited to a magnetic material, and may be a good electrical conductor such as copper.
In FIG. 13, the appearance of the storage body 101 is like a bobbin or a winding shaft, but is not limited thereto, and may be formed by bending a tube. In that case, the coil portion 102 may be fitted around the bent tube (housing body 101).
Of course, the number and arrangement of the primary and secondary coils in the coil portion 102 can be variously modified and changed in design. Further, the number of phases of the secondary coil output signal is not limited to the two phases of sine and cosine, but may be another form, for example, a three-phase type shifted by 120 degrees.
[0052]
The inclinometer 100X as described above can detect the inclination in only one direction (one axis) along the direction of the passage 101a. In order to detect the inclination of the XY coordinate plane, at least one uniaxial inclinometer 100X as shown in the figure is provided for the X axis or the Y axis, and for the other axes, another type of suitable one direction. An inclinometer may be provided. Of course, two uniaxial inclinometers 100X of the same type as shown in FIG. 13 may be provided so as to be orthogonal to each other to constitute the inclination sensor 100 for detecting the inclination of the XY coordinate plane. FIG. 14 schematically shows an example thereof, in which two inclinometers 100X and 100Y are combined so as to cross each other at an angle of 90 degrees. Each inclinometer 100X, 100Y has the same configuration as the inclinometer 100X in FIG. As a result, the tilt (tilt component) in the X-axis direction of the detection target can be detected by the inclinometer 100X, and the tilt (tilt component) in the Y-axis direction of the detection target can be detected by the inclinometer 100Y. 14 may be modified so that the curvature of the passage 101a in the storage body 101 of each of the inclinometers 100X and 100Y corresponding to the X and Y axes may be increased.
[0053]
The first detecting means (tilt sensor 100) including the first coil part 2 and the magnetic response member 3 for detecting the operation of the X axis and the Y axis is not necessarily tilted as in the above embodiment. It need not be a detection device. For example, an apparatus that detects an operation that horizontally moves the stick unit 10 in the X-axis and Y-axis directions, that is, an acceleration or impact detection device may be used. Such an acceleration or impact detection device can be configured by the tilt sensor 100 described above, or can be configured by appropriately modifying the tilt sensor 100 described above. That is, the fluid magnetic response member 3 is displaced according to the inertial action in response to such momentary acceleration or impact, and can generate an output in response thereto. Further, even if the passage 101a of the uniaxial inclinometer 100 as shown in FIG. 13 is linear, an output signal that responds to such instantaneous acceleration or impact can be obtained.
[0054]
By the way, in implementing the three-dimensional operation detection apparatus according to the present invention, it is not necessary to have all the above-described configurations, and it is effective to have at least one. For example, the XY coordinate plane inclination detecting device for detecting the X-axis and Y-axis operations, that is, the inclination sensor 100, follows one of the configurations exemplified above, and the Z-axis operation detecting means is another appropriate linear detecting means ( An optical sensor, a permanent magnet, a linear sensor using a magnetization pattern, a potentiometer, or the like may be used. On the contrary, the Z-axis operation detection means may follow any configuration of the illustrated linear sensor 200, and the X-axis and Y-axis operation detection means may use other appropriate configurations other than the inductive sensor. An example of detection means other than the inductive sensor that can be used as the X-axis and Y-axis operation detection means is as follows. In the example of FIG. 10, the surface of the ring-shaped XY pusher portion 10xy of the operation portion 10a is used as a touch sensor. Possible examples of changes are possible. Of course, when such a modified example is adopted, the inductive tilt sensor 100 in FIG. 10 is omitted.
[0055]
Next, some examples of the digital phase detection circuit 40 shown in FIG. 5 will be described. Each example of the digital phase detection circuit 40 described below is applicable not only to the digital phase detection circuit 40 shown in FIG. 5 but also to the digital phase detection circuit 40 shown in FIG. The present invention can also be applied to the case where the phase of the output signal of the shown single-axis inclinometer 100X is digitally measured. However, in the following description, for the sake of convenience, it will be described as being used for measuring the phase of the output signal of the digital phase detection circuit 40, that is, the tilt sensor 100 shown in FIG.
FIG. 15 shows an example in which a known RD (resolver-digital) converter is applied as the digital phase detection circuit 40. Resolver type two-phase output AC signals A = sin θ · sin ωt and B = cos θ · sin ωt output from the secondary coils 21 to 24 of the coil unit 2 are input to the analog multipliers 30 and 31, respectively. The sequential phase generation circuit 32 generates digital data having a phase angle φ, and the sine / cosine generation circuit 33 generates analog signals having a sine value sinφ and a cosine value cosφ corresponding to the phase angle φ. The multiplier 30 multiplies the sine-phase output AC signal A = sinθ · sinωt by the cosine value cosφ from the sine / cosine generation circuit 33 to obtain “cosφ · sinθ · sinωt”. The other multiplier 31 multiplies the output AC signal B = cosθ · sinωt of the cosine phase by the sine value sinφ from the sine / cosine generation circuit 33 to obtain “sinφ · cosθ · sinωt”. The subtractor 34 obtains the difference between the output signals of the multipliers 30 and 31 and sequentially controls the phase generation operation of the phase generation circuit 32 by the output of the subtractor 34 as follows. That is, the generated phase angle φ of the sequential phase generation circuit 32 is first reset to 0, and then increases sequentially, and stops increasing when the output of the subtractor 34 becomes 0. The output of the subtractor 34 becomes zero when “cosφ · sinθ · sinωt” = “sinφ · cosθ · sinωt” is satisfied, that is, φ = θ is satisfied, and the phase generation circuit 32 sequentially The digital data of the phase angle φ coincides with the digital value of the phase angle θ of the amplitude function of the output AC signals A and B. Accordingly, a reset trigger is periodically applied at an arbitrary timing to sequentially reset the generated phase angle φ of the phase generation circuit 32 to 0, and the increment of the phase angle φ is started, and the output of the subtractor 34 is set to 0. Then, the increment is stopped and digital data of the phase angle θ is obtained.
It is known that the sequential phase generating circuit 32 includes an up / down counter and a VCO, and the VCO is driven by the output of the subtractor 34 to control the up / down counting operation of the up / down counter. In that case, a periodic reset trigger is not necessary.
[0056]
An error occurs in the electrical AC phase ωt in the secondary output AC signal due to changes in the impedance of the primary and secondary coils of the coil unit 2 due to temperature change or the like. In the phase detection circuit as described above, sinωt Convenient because the phase error is automatically canceled out. On the other hand, in a system in which an electrical phase shift is generated in a one-phase output AC signal by exciting with a conventionally known two-phase AC signal (for example, sinωt and cosωt), such a temperature change is caused. The output phase error based on it cannot be removed.
By the way, since the phase detection circuit composed of the conventional RD converter as described above is a follow-up comparison method, there is a problem that a clock delay occurs when φ is followed up and the response is poor.
Therefore, the present inventors have developed a novel phase detection circuit as described below, and it is convenient to use it.
[0057]
FIG. 16 shows an embodiment of a novel digital phase detection circuit 40 applicable to the tilt sensor 100 and others described above.
In FIG. 16, in the detection circuit unit 41, a counter 42 counts a predetermined high-speed clock pulse CK, and based on the count value, an excitation AC signal (for example, sinωt) is generated from the excitation signal generation circuit 43, and the coil unit 2 To the primary coils 11-14. The modulo number of the counter 42 corresponds to one cycle of the excitation AC signal. For convenience of explanation, it is assumed that 0 of the count value corresponds to 0 phase of the reference sine signal sinωt. Two-phase output AC signals A = sin θ · sin ωt and B = cos θ · sin ωt output from the secondary coils 21 to 24 of the coil unit 2 are input to the detection circuit unit 41.
[0058]
In the detection circuit unit 41, the first AC output signal A = sin θ · sin ωt is input to the phase shift circuit 44, and its electrical phase is phase-shifted by a predetermined amount, for example, advanced by 90 degrees, and phase-shifted AC signal A ′ = sin θ · cos ωt is obtained. In addition, the detection circuit unit 41 is provided with an addition circuit 45 and a subtraction circuit 46. In the addition circuit 45, the phase-shifted AC signal A ′ = sinθ · cosωt output from the phase shift circuit 44 and the coil The second AC output signal B = cos θ · sin ωt output from the secondary coils 21 to 24 of the unit 2 is added, and the added output is expressed by an abbreviated expression B + A ′ = cos θ · sin ωt + sin θ · cos ωt = sin (ωt + θ). A first electrical AC signal Y1 is obtained. In the subtracting circuit 46, the phase-shifted AC signal A ′ = sin θ · cos ωt and the second AC output signal B = cos θ · sin ωt are subtracted, and as a subtraction output, B−A ′ = cos θ · sin ωt− A second electrical AC signal Y2 that can be expressed by the following equation is obtained: sinθ · cosωt = sin (ωt−θ). Thus, the first electrical AC signal Y1 = sin (ωt + θ) having the electrical phase angle (+ θ) shifted in the positive direction corresponding to the distribution of the magnetic response member 3 in the storage space 1a, A second electrical AC signal Y2 = sin (ωt−θ) having an electrical phase angle (−θ) shifted in the negative direction corresponding to the same distribution is obtained by electrical processing.
[0059]
The output signals Y1 and Y2 of the adder circuit 45 and the subtractor circuit 46 are input to zero cross detection circuits 47 and 48, respectively, and the respective zero crosses are detected. As a method of detecting the zero cross, for example, a zero cross in which the amplitude values of the signals Y1 and Y2 change from negative to positive, that is, zero phase is detected. Zero-cross detection pulses detected by the circuits 47 and 48, that is, zero phase detection pulses are input to the latch circuits 49 and 50 as latch pulses LP1 and LP2. The latch circuits 49 and 50 latch the count value of the counter 42 at the timing of the respective latch pulses LP1 and LP2. As described above, the modulo number of the counter 42 corresponds to one cycle of the excitation AC signal, and the count value 0 corresponds to the 0 phase of the reference sine signal sinωt. The data D1 and D2 latched in the latch circuits 49 and 50 correspond to the phase shifts of the output signals Y1 and Y2 with respect to the reference sine signal sinωt, respectively. The outputs of the latch circuits 49 and 50 are input to the error calculation circuit 51 to calculate “(D1 + D2) / 2”. Note that this calculation may actually be performed by shifting the addition result of the binary data “D1 + D2” one bit lower.
[0060]
Here, in consideration of the influence of the length of the wiring cable between the coil unit 2 and the detection circuit unit 41 and the impedance change caused by the temperature change or the like in each primary and secondary coil of the coil unit 2, When the phase fluctuation error of the output signal is indicated by “± d”, the above signals in the detection circuit unit 41 are expressed as follows.
A = sin θ · sin (ωt ± d)
A ′ = sin θ · cos (ωt ± d)
B = cos θ · sin (ωt ± d)
Y1 = sin (ωt ± d + θ)
Y2 = sin (ωt ± d−θ)
D1 = ± d + θ
D2 = ± d−θ
[0061]
That is, since each phase shift measurement data D1, D2 performs phase shift count using the reference sine signal sinωt as a reference phase, a value including the phase variation error “± d” is obtained as described above. . Therefore, by calculating “(D1 + D2) / 2” in the error calculation circuit 51,
Figure 0004623765
Thus, the phase variation error “± d” can be calculated.
[0062]
The data of the phase fluctuation error “± d” obtained by the error calculation circuit 51 is given to the subtraction circuit 52, and is subtracted from one phase shift measurement data D1. That is, in the subtraction circuit 52, “D1− (± d)” is subtracted.
D1− (± d) = ± d + θ− (± d) = θ
Thus, digital data indicating the correct detected phase difference θ from which the phase fluctuation error “± d” has been removed is obtained. Thus, according to the present invention, it can be understood that the phase variation error “± d” is canceled out and only the correct phase difference θ is extracted.
[0063]
This point will be further described with reference to FIG. FIG. 17 shows a waveform near the zero phase of the sine signal sinωt, which is a reference for phase measurement, and the first and second AC signals Y1 and Y2, and FIG. 17A shows a positive phase fluctuation error ( In the case of + d), (b) shows the case of minus (-d). In the case of FIG. 5A, the zero phase of the first signal Y1 advances by “θ + d” with respect to the zero phase of the reference sine signal sinωt, and the corresponding phase difference detection data D1 becomes “θ + d”. The corresponding phase difference is shown. Further, the zero phase of the second signal Y2 is delayed by “−θ + d” with respect to the zero phase of the reference sine signal sinωt, and the corresponding phase difference detection data D2 is a phase difference corresponding to “−θ + d”. Indicates. In this case, the error calculation circuit 51
Figure 0004623765
Thus, the phase fluctuation error “+ d” is calculated. Then, by the subtraction circuit 52,
D1 − (+ d) = + d + θ − (+ d) = θ
Is calculated, and the correct phase difference θ is extracted.
[0064]
In the case of FIG. 17B, the zero phase of the first signal Y1 is advanced by “θ-d” with respect to the zero phase of the reference sine signal sinωt, and the corresponding phase difference detection data D1 is “θ -D "represents the phase difference. Further, the 0 phase of the second signal Y2 is delayed by “−θ−d” with respect to the 0 phase of the reference sine signal sinωt, and the corresponding phase difference detection data D2 becomes “−θ−d”. The corresponding phase difference is shown. In this case, the error calculation circuit 51
Figure 0004623765
Thus, the phase fluctuation error “−d” is calculated. Then, by the subtraction circuit 52,
D1 − (− d) = − d + θ − (− d) = θ
Is calculated, and the correct phase difference θ is extracted.
In the subtracting circuit 52. It will be understood that “D2− (± d)” may be subtracted, and in principle, data (−θ) reflecting the correct phase difference θ can be obtained in the same manner as described above.
[0065]
Also, as can be understood from FIG. 17, the electrical phase difference between the first signal Y1 and the second signal Y2 is 2θ, and it is always accurate to cancel the phase fluctuation error “± d” between the two. This indicates a double value of the phase difference θ. Accordingly, the configuration of the circuit portion including the latch circuits 49 and 50, the error calculation circuit 51, the subtraction circuit 52, and the like in FIG. 16 is appropriately changed to a configuration for directly obtaining the electrical phase difference 2θ of the signals Y1 and Y2. It may be. For example, from the generation time point of the pulse LP1 corresponding to the 0 phase of the first signal Y1 output from the zero cross detection circuit 47, the pulse LP2 corresponding to the 0 phase of the second signal Y2 output from the zero cross detection circuit 48 is generated. Digital data corresponding to the electrical phase difference (2θ) that offsets the phase fluctuation error “± d” can be obtained by gating the period up to the point of occurrence by appropriate means and counting the gate period. If this is shifted down by 1 bit, data corresponding to θ can be obtained.
[0066]
In the above embodiment, the latch circuit 49 for latching + θ and the latch circuit 50 for latching −θ latch the output of the same counter 42, and the sign of the latched data is positive or negative. Is not specifically mentioned. However, an appropriate design process may be applied to the positive and negative signs of the data in accordance with the spirit of the present invention. For example, assuming that the modulo number of the counter 42 is 4096 (decimal number display), the digital counts 0 to 4095 may be appropriately processed according to the phase angle of 0 degrees to 360 degrees. In the simplest design example, the most significant bit of the count output of the counter 42 is a sign bit, the digital counts 0 to 2047 correspond to +0 degrees to +180 degrees, and the digital counts 2048 to 4095 are set to −180 degrees to −0 degrees. Correspondingly, arithmetic processing may be performed. Alternatively, as another example, by converting the input data or output data of the latch circuit 50 into a two's complement, the digital count 4095-0 can correspond to a negative angle data expression of -360 degrees to -0 degrees. May be.
[0067]
By the way, there is no particular problem when the tilt is stationary, but when the tilt to be detected changes with time, the corresponding phase angle θ also varies with time. In that case, the phase shift amount θ of each of the output signals Y1 and Y2 of the adder circuit 45 and the subtractor circuit 46 is not a constant value, but shows a dynamic characteristic that changes with time according to the moving speed, t), each output signal Y1, Y2 is
Y1 = sin {ωt ± d + θ (t)}
Y2 = sin {ωt ± d−θ (t)}
It becomes. That is, with respect to the frequency of the reference signal sinωt, the fast-phase output signal Y1 transitions in a frequency increasing direction according to + θ (t), and the slow-phase output signal Y2 according to −θ (t). The frequency transitions in the direction of decreasing frequency. Under such dynamic characteristics, the period of each signal Y1, Y2 transitions in the opposite direction one after another for each period of the reference signal sin ωt, so that each latch data D1, The measurement time reference for D2 is different, and an accurate phase variation error “± d” cannot be obtained by simply calculating both data D1 and D2 by the circuits 51 and 52.
[0068]
The simplest method for avoiding such a problem is that in the configuration of FIG. 16, the output when the detected inclination is moving in time is ignored, and only the output in the stationary state is used, and the stationary state is used. Is to limit the function of the device so as to measure the phase angle θ. That is, the present invention may be implemented for such a limited purpose.
However, it is desirable to be able to accurately detect the phase angle θ corresponding to the detection target inclination every moment even when the detection target inclination is changing over time. Therefore, in order to solve the above-described problems, the phase angle θ corresponding to the detection target inclination can be detected every moment even when the detection target inclination is changing over time. An improvement measure will be described with reference to FIG.
[0069]
FIG. 18 shows an example of modification of the error calculation circuit 51 and the subtraction circuit 52 in the detection circuit unit 41 of FIG. 16, and the configuration of other parts not shown is the same as FIG. Good. When the phase angle θ corresponding to the inclination direction when the detection target inclination changes with time is represented by + θ (t) and −θ (t), the output signals Y1 and Y2 can be expressed as described above. The The phase shift measured value data D1 and D2 obtained by the latch circuits 49 and 50 corresponding to the
D1 = ± d + θ (t)
D2 = ± d−θ (t)
It becomes.
In this case, ± d + θ (t) repeatedly changes in time in the plus direction in the range of 0 ° to 360 ° in accordance with the time change of θ. Further, ± d−θ (t) repeatedly changes in time in the minus direction in the range of 360 degrees to 0 degrees in accordance with the time change of θ. Therefore, there are cases where ± d + θ (t) ≠ ± d−θ (t), but there are also cases where the changes of both intersect, and in this case, ± d + θ (t) = ± d−θ (t) holds. . As described above, when ± d + θ (t) = ± d−θ (t) is satisfied, the electrical phases of the output signals Y1 and Y2 coincide with each other, and the latch corresponding to the respective zero-cross detection timings. The generation timings of the pulses LP1 and LP2 are the same.
[0070]
In FIG. 18, the coincidence detection circuit 53 detects that the generation timings of the latch pulses LP1 and LP2 corresponding to the zero cross detection timings of the output signals Y1 and Y2 coincide, and in response to this detection, the coincidence detection pulse. Generate an EQP. On the other hand, the time variation determination circuit 54 is a mode in which the detection target inclination changes with time by an appropriate means (for example, by detecting the presence or absence of temporal change in the value of one phase difference measurement data D1). It is determined that the time variation mode signal TM is output in accordance with this determination.
A selector 55 is provided between the error calculation circuit 51 and the subtraction circuit 52. When the time variation mode signal TM is not generated, that is, TM = “0”, that is, the detection target inclination changes with time. If not, the output of the error calculation circuit 51 applied to the selector input B is selected and input to the subtraction circuit 52. Thus, the circuit of FIG. 18 when the input B of the selector 55 is selected operates equivalently to the circuit of FIG. That is, when the detection target is stationary, the output data of the error calculation circuit 51 is directly given to the subtraction circuit 52 via the input B of the selector 55, and operates in the same manner as the circuit of FIG.
[0071]
On the other hand, when the time variation mode signal TM is generated, that is, when TM = “1”, that is, the detection target is temporally changing, the output of the latch circuit 56 applied to the input A of the selector 55 is selected. To the subtracting circuit 52. When the time variation mode signal TM is “1” and the coincidence detection pulse EQP is generated, the condition of the AND gate 57 is satisfied, and a pulse responding to the coincidence detection pulse EQP is output from the AND gate 57. A latch instruction is given to the latch circuit 56. The latch circuit 56 latches the output count data of the counter 42 in response to the latch instruction. Here, when the coincidence detection pulse EQP is generated, the output of the counter 42 is simultaneously latched in the latch circuits 49 and 50, so that D1 = D2, and the data latched in the latch circuit 56 is D1 or D2 ( However, this corresponds to D1 = D2).
[0072]
The coincidence detection pulse EQP is generated when the zero cross detection timings of the output signals Y1 and Y2 coincide, that is, when “± d + θ (t) = ± d−θ (t)” is established. Since the data latched in the latch circuit 56 in response to D1 corresponds to D1 or D2 (where D1 = D2),
(D1 + D2) / 2
Is equivalent to This means
Figure 0004623765
This means that the data latched by the latch circuit 56 accurately indicates the phase fluctuation error “± d”.
[0073]
Thus, when the detection target fluctuates in time, data accurately indicating the phase fluctuation error “± d” is latched by the latch circuit 56 in accordance with the coincidence detection pulse EQP, and the output data of the latch circuit 56 is The signal is supplied to the subtraction circuit 52 via the input A of the selector 55. Accordingly, the subtracting circuit 52 can obtain data θ (or θ (t) in the case of temporal variation) that accurately responds to the detection target inclination direction from which the phase variation error “± d” has been removed.
In FIG. 18, the AND gate 57 may be omitted, and the coincidence detection pulse EQP may be directly applied to the latch control input of the latch circuit 56.
Further, the latch circuit 56 may latch not only the output count data of the counter 42 but also the output data “± d” of the error calculation circuit 51 as indicated by a broken line in FIG. In this case, the output timing of the output data of the error calculation circuit 51 corresponding to the generation timing of the coincidence detection pulse EQP is somewhat delayed because of the circuit operation delay of the latch circuits 49 and 50 and the error calculation circuit 51. Therefore, it is preferable to latch the output of the error calculation circuit 51 in the latch circuit 56 after performing an appropriate time delay adjustment.
In addition, it can be understood that when the detection circuit unit 41 is configured in consideration of only dynamic characteristics, the circuit 51 and selector 55 in FIG. 18 and one latch circuit 49 or 50 in FIG. 16 may be omitted. I will.
[0074]
FIG. 19 shows another embodiment of the phase difference detection calculation method that can cancel the phase fluctuation error “± d”.
The first and second AC output signals A and B of the resolver type output from the secondary coils 21 to 24 of the coil unit 2 are input to the detection circuit unit 60, and in the same manner as in the example of FIG. The AC output signal A = sin θ · sin ωt is input to the phase shift circuit 44, and the electrical phase is phase-shifted by a predetermined amount to obtain the phase-shifted AC signal A ′ = sin θ · cos ωt. The subtracting circuit 46 subtracts the phase-shifted AC signal A ′ = sin θ · cos ωt and the second AC output signal B = cos θ · sin ωt, and outputs B−A ′ = cos θ · An electrical AC signal Y2 can be obtained that can be expressed by the following equation: sinωt−sinθ · cosωt = sin (ωt−θ). The output signal Y2 of the subtraction circuit 46 is input to the zero cross detection circuit 48, and the latch pulse LP2 is output in response to the zero cross detection and input to the latch circuit 50.
[0075]
The embodiment of FIG. 19 differs from the embodiment of FIG. 16 in that a reference for measuring the phase shift amount θ from the AC signal Y2 = sin (ωt−θ) including the electrical phase shift corresponding to the detection target. The phase is different. In the example of FIG. 16, the reference phase when measuring the phase shift amount θ is the zero phase of the reference sine signal sinωt, and this is not input to the coil unit 2 of the inclinometer 10. This does not include a phase variation error “± d” based on a change in coil impedance due to a change or the like or other various factors. For this purpose, in the example of FIG. 16, two AC signals Y1 = sin (ωt + θ) and Y2 = sin (ωt−θ) are formed, and the phase difference error “± d” is obtained by obtaining the electrical phase difference. I try to offset it. On the other hand, in the embodiment of FIG. 19, a reference phase for measuring the phase shift amount θ is formed based on the first and second AC output signals A and B output from the coil unit 2. The phase fluctuation error “± d” is eliminated by making the reference phase itself include the phase fluctuation error “± d”.
[0076]
That is, in the detection circuit unit 60, the first and second AC output signals A and B output from the coil unit 2 are input to the zero cross detection circuits 61 and 62, respectively, and each zero cross is detected. Note that the zero cross detection circuits 61 and 62 respond to both the zero cross (so-called 0 phase) in which the amplitude values of the input signals A and B change from negative to positive and the zero cross (so-called 180 degree phase) in which the amplitude changes from positive to negative. A zero cross detection pulse is output. This is because sin θ and cos θ that determine the positive / negative polarity of the amplitudes of the signals A and B are arbitrarily positive or negative depending on the value of θ, and in order to detect a zero cross every 360 degrees based on the combination of both, This is because it is necessary to detect a zero cross every 180 degrees. The zero-cross detection pulses output from both the zero-cross detection circuits 61 and 62 are OR-combined by an OR circuit 63, and the output of the OR circuit 63 is an appropriate ½ frequency-dividing pulse circuit 64 (for example, 1 such as a T-flip-flop). / 2 frequency dividing circuit and pulse output AND gate), and every other zero cross detection pulse is taken out, and zero cross every 360 degrees, that is, zero cross detection pulse corresponding to only 0 phase is a reference phase signal. Output as a pulse RP. This reference phase signal pulse RP is given to the reset input of the counter 65. The counter 65 continuously counts a predetermined clock pulse CK, and the count value is repeatedly reset to 0 according to the reference phase signal pulse RP. The output of the counter 65 is input to the latch circuit 50, and the count value is latched in the latch circuit 50 at the generation timing of the latch pulse LP2. Data D latched in the latch circuit 50 is output as measurement data of the phase difference θ corresponding to the detection target.
[0077]
The first and second AC output signals A and B output from the coil unit 2 are A = sin θ · sin ωt and B = cos θ · sin ωt, respectively, and the electrical phases are the same. Therefore, the zero crossing should be detected at the same timing, but since the amplitude coefficient varies with the sine function sinθ and the cosine function cosθ, either amplitude level may be 0 or close to 0. If on the other hand, virtually no zero cross can be detected. Therefore, in this embodiment, zero cross detection processing is performed for each of the two AC output signals A = sin θ · sin ωt and B = cos θ · sin ωt, and one of the two zero cross detection outputs is OR-synthesized so that one of the amplitude levels is amplitude level. Even if the zero cross detection is impossible due to the small size, the zero cross detection output signal having the larger amplitude level on the other side can be used.
[0078]
In the case of the example in FIG. 19, if the phase fluctuation error due to the coil impedance change or the like of the coil unit 2 is “−d”, for example, the AC signal Y2 output from the subtraction circuit 46 is as shown in FIG. As shown, Y2 = sin (ωt−d−θ). In this case, the output signals A and B of the coil unit 2 have amplitude values sinθ and cosθ corresponding to the phase angle θ, respectively, and A = sinθ · sin (ωt−d) as illustrated in FIG. ), B = cos θ · sin (ωt−d), and the like includes a phase variation error. Accordingly, the reference phase signal pulse RP obtained at the timing shown in FIG. 20C based on this zero cross detection is shifted from the 0 phase of the original reference sine signal sinωt by the phase variation error −d. . Therefore, if the phase shift amount of the output AC signal Y2 = sin (ωt−d−θ) of the subtracting circuit 46 is measured using the reference phase signal pulse RP as a reference, an accurate value θ with the phase fluctuation error −d removed. Will be obtained.
[0079]
In addition, if apparatus conditions, such as the wiring length of the coil part 2, are determined, the impedance change will depend mainly on temperature. Then, the phase fluctuation error ± d corresponds to data indicating the temperature of the surrounding environment where the tilt detection device is provided. Therefore, in the circuit having the circuit 51 for calculating the phase fluctuation error ± d as in the embodiment of FIG. 16, the data of the phase fluctuation error ± d obtained there can be appropriately output as temperature detection data. Therefore, according to such a configuration of the present invention, not only the inclination of the detection target can be detected by one inclination detection device, but also data indicating the temperature of the surrounding environment of the inclination detection device can be obtained. It has an excellent effect of being able to. Of course, there is also an excellent effect that high-precision detection is possible in response to the inclination of the detection target without being affected by the impedance change on the sensor side due to temperature change or the length of the wiring cable. . In addition, since the examples of FIGS. 16, 18 and 19 are methods for measuring a phase difference in an AC signal, detection with excellent high-speed response is performed compared to the detection method as shown in FIG. There is an excellent effect of being able to.
[0080]
In each of the above embodiments, the detection principle by the coil portions (2, 102, 202) and the magnetic response members (3, 103, 203) may be configured by a known phase shift type position detection principle. For example, in the coil section 2 shown in FIG. 5, the relationship between the primary coil and the secondary coil is reversed, and the sine phase coil 21 and the minus sine phase coil 23 are connected to the sine signals sin ωt, − Excited by sin ωt, the cosine phase coil 22 and the minus cosine phase coil 24 are excited by cosine signals cos ωt and -cos ωt having opposite phases, and an electrical phase shift θ corresponding to the detection target inclination is generated from the coils 11-14. An output signal sin (ωt−θ) including this may be obtained.
Also, the detection principle by the coil part (2, 102, 202) and the magnetic response member (3, 103, 203) is configured to obtain an analog detection output based on the known differential transformer type position detection principle. As described above, it is also possible.
In addition, the method of detecting the operation of each axis of X, Y, and Z does not necessarily need to detect an accurate operation position, and the position detection accuracy may be roughly, or simply X, Y, Z It may only be detected that the operation is performed in the axial direction.
[0081]
Alternatively, in each of the above-described embodiments, the coil unit (2, 102, 202) is configured by only one coil without including a pair of a primary coil and a secondary coil. Tilt detection data is obtained by driving a coil at a constant voltage with a predetermined AC signal and measuring a current change based on an inductance change that occurs according to the amount of magnetic material (magnetic response member 3) entering the coil. May be. In that case, the required measurement is performed by a method of measuring the amplitude change of the output signal in response to the current change or a method of measuring the phase change between the output signals at each end of the coil in response to the current change. Can do.
In each of the above embodiments, the detection data output format or data formation method is not limited to digital absolute data or analog voltage data, but may be incremental pulse data or a repetitive pulse signal obtained by frequency conversion of an absolute value or the like. An appropriate format may be used depending on the purpose of use, such as data formation in which the operation duration in the direction is counted, or appropriate data having a corresponding size is formed by detecting the magnitude of the acceleration operation shock.
[0082]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the first coil unit and the first magnetic response member included in the first detection unit mounted on the stick unit, the movement of the stick unit in the X-axis and Y-axis directions. Accordingly, the magnetic response member can be displaced relative to the coil portion. Therefore, the first detection means is mounted on the stick portion while the first detection means is mounted. The movement of the stick portion in the X-axis and Y-axis directions can be detected by the detecting means. Therefore, since the first detection means for detecting the movement of the stick portion in the X-axis and Y-axis directions is not provided separately from the stick portion but is mounted on the stick portion, the configuration is very compact. Can be. In addition, since the second detection means for detecting the operation of the Z axis is also mounted on the stick portion, all the axis detection means are mounted on the stick portion, and the stick portion is not fixed. It is also possible to perform 3D operation input while carrying around in a free state. In addition, a compact three-dimensional operation detection device can be provided by using an inductive detection device that has the advantage of being structurally non-contact.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a three-dimensional operation detection apparatus according to the present invention.
2 is a diagram showing a detailed example of a tilt sensor for detecting the tilt of an XY plane in FIG. 1;
3 is a diagram schematically showing the state of the fluid magnetic response member stored in the storage space in FIG. 2 when tilted. FIG.
4 is a circuit diagram showing a configuration example of a coil section in FIG. 2. FIG.
FIG. 5 is a circuit diagram showing another configuration example of the coil section in FIG. 2;
6 is a diagram showing a detailed example of a linear sensor for detecting an operation in the Z-axis direction in FIG. 1. FIG.
7 is a circuit diagram showing a configuration example of a coil section in FIG. 6. FIG.
FIG. 8 is a diagram showing another embodiment of the three-dimensional operation detection apparatus according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing still another embodiment of the three-dimensional operation detection apparatus according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing still another embodiment of the three-dimensional operation detection apparatus according to the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing still another embodiment of the three-dimensional operation detection apparatus according to the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing still another embodiment of the three-dimensional operation detection apparatus according to the present invention.
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing an example of an inclinometer that can be used for detecting an inclination in one direction of the X axis or the Y axis in each embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing an example in which an inclination sensor for detecting the inclination of the XY plane is configured by combining the inclinometers of FIG. 13 orthogonally by two axes.
FIG. 15 is a block diagram showing an example of a phase detection type measurement circuit applicable to the detection apparatus according to the present invention.
FIG. 16 is a block diagram showing another example of a phase detection type measurement circuit applicable to the detection apparatus according to the present invention.
FIG. 17 is an operation explanatory diagram of FIG. 16;
FIG. 18 is a block diagram showing a modification example added to the circuit of FIG. 16;
FIG. 19 is a block diagram showing still another example of a phase detection type measurement circuit applicable to the detection apparatus according to the present invention.
FIG. 20 is an operation explanatory diagram of FIG. 19;
[Explanation of symbols]
10 Stick part
10a top
10b Bar-shaped part
100 Tilt sensor
200 linear sensor
2,102,202 Coil part
11-15 Primary coil
21-24 Secondary coil
3,103,203 Magnetic response member
27, 28 judgment processing circuit
40 Digital phase detection circuit
Inclinometer for 100X single axis

Claims (4)

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。
A body that can be held by human hands,
A movable member that is linearly displaceable up and down in a storage space formed in the main body, and that linearly displaces the storage space in response to an operation of moving the main body up and down;
Is mounted on the main body portion, and a linear position detecting means for detecting a relative linear displacement with respect to the main portion of the movable member,
Three-dimensional provided with two-dimensional inclination detecting means mounted on the main body and detecting the inclination of the main body in the X-axis and Y-axis directions on the XY coordinate plane orthogonal to the linear movement axis of the movable member. Operation detection device.
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。  The movable member is a magnetic response member housed in a movable manner in accordance with gravity in the housing space, and the linear position detecting means is a coil portion provided around the housing space. 2. The three-dimensional operation detection according to claim 1, wherein the magnetic response member is displaced with respect to the coil portion according to a vertical movement, and a detection signal corresponding to the movement is output from the coil portion. apparatus. 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。  The two-dimensional inclination detecting means includes a coil part and a magnetic response member that is displaced relative to the coil part in accordance with the movement of the main body part in the X-axis and Y-axis directions. The three-dimensional operation detection apparatus according to claim 1 or 2, wherein a detection signal corresponding to the movement in the axial direction and the Y-axis direction is output from the coil unit. 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。The two-dimensional inclination detecting means is movably accommodated in a coil portion and a predetermined storage space, and moves in the storage space according to one movement of the main body portion in the X-axis and Y-axis directions. Two detection devices including a magnetic response member that is displaced relative to the coil portion are provided so as to be orthogonal to each other , and the detection device detects the inclination of the main body portion in the X-axis and Y-axis directions. 3. The three-dimensional operation detection device according to claim 1, which outputs an operation detection signal in the Y-axis direction.
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