JP2006214979A

JP2006214979A - 磁気式位置検出装置

Info

Publication number: JP2006214979A
Application number: JP2005030616A
Authority: JP
Inventors: Minoru Daiguuji; 実大宮司; Hiroshi Abe; 洋阿部
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2005-02-07
Filing date: 2005-02-07
Publication date: 2006-08-17

Abstract

【課題】外乱の磁場に強く、かつ小型で低コストなシステムが構築された磁気式位置検出装置を提供すること。
【解決手段】１軸コイルに、搬送波と変調の２種類の成分を持つ磁場を発生させる磁場発生手段と、前記磁場を検出する受信用空芯コイル２２〜２７と検波回路３４〜４５により、磁場の極性と振幅を検知可能とした磁場検出手段と、前記磁場発生手段と磁場検出手段との間の相対的な位置・角度情報を算出する演算手段とから構成される磁気式位置検出装置であって、前記磁場発生手段の発生磁場は、前記搬送波の半周期ごとに、搬送波の１０倍以上の周波数からなる変調波が重畳されており、磁場検出手段では、バンドパスフィルタを用いて上記搬送波と変調波を分別し、変調波のタイミングを用いて搬送波の信号を同期検波することによって、空芯コイルのみで極性と振幅を検出可能とした磁気式位置検出装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気を媒体として対象物体の姿勢角度および位置情報を検出するのに好適な磁気式位置検出装置に関する。

物体の位置情報を検出する手段として、磁気を利用したものは多数考案されている。これらの基本的な構造は、検出対象である磁場を永久磁石や空芯コイルなどを用いて人工的に発生させる送信部と、送信部からの磁場を磁気センサで検出して、マイコンやパソコンなどに取り込み位置情報を算出する受信部からなる。

簡易的な位置検出装置としては、特許文献１に開示されている永久磁石を用いた位置検出装置があげられる。図５は、特願文献１に開示されている従来の磁気式位置検出装置の説明図である。図５に示す磁気式位置検出装置は、送信部兼検出対象として永久磁石５を用いており、受信部の磁気センサ１ａ，２ａ，３ａには、フラックスゲートタイプを使用している。位置情報の算出は、永久磁石５が発する磁場を複数の磁気センサで検出し、そのデータをもとに多元連立方程式を立て、その解を求めるという方法で行われている。この装置は、送信部に電源や信号入力が不要のため構造が簡単であり、小型化、低コスト化が容易という点で優れている。

しかし、永久磁石による磁場は、強度が常に一定の静磁場であり、地磁気やほかの磁性体から生ずる他の不要な磁場との弁別が難しいという問題がある。また、フラックスゲートのような静磁場を検出対象としたセンサは、近傍に金属体や他の磁性体があると磁場が歪んでしまうため、測定環境によって検出精度が低下してしまうという欠点がある。

このような問題を回避するために、検出対象として周期的変動を加えた交流磁場を用いた装置が実用化されている。特許文献２には、交流磁場を用いた磁気式位置検出装置について記載されている。この装置の動作原理は以下のようになる。空芯コイルの銅線に励磁信号として一定の周波数をもつ電気信号を入力すれば、その周辺には励磁信号と同様の周波数で変動する交流磁場が生成される。この磁場の中に別の空芯コイルを設置すると電磁誘導により同コイルの銅線上に交流磁場と同様の周波数を持つ電気信号が発生する。

この電気信号の振幅をもとに２つのコイル間の距離や方向を求めることができる。金属体や他の磁性体が引き起こす磁場の歪みは時間的変化がないため、交流磁場は影響を受けにくい。また、検出する際も対象となる信号の周波数が既知であるため、周波数フィルタで弁別することができる。従って、測定環境による検出精度の劣化もほとんどなく、より高精度の位置情報検出が可能である。

このような位置検出装置の例としては、磁気式のモーションキャプチャシステムがあげられる。送信部として中心軸が直交するように配置された３つの空芯コイルを測定対象の上部や側面に配置する。これに各軸に時間差をつけて励磁信号を入力し交流磁場を発生させる。検出対象を兼ねた受信部には送信部と同様の直交する３軸の空芯コイルが設置されており、各軸のコイルで磁場を検出する。各軸で検出された磁場の強さをもとに連立方程式を立てて解を求めれば、送受信部間の距離や姿勢角度が求められる。

特開２００３−０４４２１７号公報特開２００３−１１４１０１号公報

しかし、従来の磁気式位置検出装置では、検出範囲確保のためにコイルが一定以上の直径を有する必要があることから、小型化、軽量化が難しい。前記のモーションキャプチャシステムに含まれる送信部は、一辺約３０ｃｍ、重量約２０ｋｇの立方体であり、検出範囲３ｍを確保するために、これを２台設置する必要がある。即ち、この方式には、システムとして小型軽量化や低コスト化が図りにくく、位置情報を必要とするほかのシステムに組み込むといった応用が困難という問題点がある。

本発明は、外乱の磁場に強く、かつ小型で低コストなシステムが構築された磁気式位置検出装置を提供することである。

本発明による磁気式位置検出装置は、１軸コイルに２種類の成分（搬送波と変調波）を持つ磁場を発生させる磁場発生手段と、前記磁場を検出するコイルと復調回路により磁場の極性と振幅を検知可能とした磁場検出手段と、前記磁場発生手段と磁場検出手段との間の相対的な位置・角度情報を算出する演算手段とから構成される磁気式位置検出装置である。

また、前記磁場発生手段の発生磁場は、搬送波の半周期ごとに搬送波の１０倍以上の周波数からなる変調波が重畳されており、磁場検出手段では、バンドパスフィルタを用いて上記搬送波と変調波を分別し、変調波のタイミングを用いて搬送波の信号を同期検波することによって、空芯コイルのみで極性と振幅を検出可能とした磁気式位置検出装置である。

さらに、前記磁場発生手段のコイルは、１軸の空芯コイルで、磁場検出手段は６個のコイルを持ち、１軸の発生磁場を前記磁場検出手段からの６軸分の磁気振幅・極性情報を畳込み演算を行って、６個のコイルが配置された磁場検出手段と磁場発生コイルとの相対位置・角度を算出する磁気式位置検出装置である。

さらに、前記磁場検出手段において、３個のコイルで相対位置の検出を行い、相対的角度情報は別の姿勢角度検出手段に置き換えた磁気式位置検出装置である。

従来の交流磁気を用いた位置検出装置では、送信用空芯コイルに入力する励磁信号として正弦波や三角波など単純な信号を使用している。コイル単体は、その中央に対して点対称の構造であるため、送信、受信のどちらか一方または両方がコイルの中心軸を含む面内で１８０度回転しても、単純な励磁信号を用いた場合、検出結果が見かけ上、同じになり回転したことを感知できなかった。これを避けるためには、従来は、送信部に中心軸が異なる方向に向いた複数のコイルが必要であった。

しかし、本発明による磁気式位置検出装置では、送信部の空芯コイルに入力する励磁信号に対して同期した基準信号を重畳し、受信部の空芯コイルで検出後に励磁信号と基準信号を分離、比較することでコイルが回転したことを感知できることとなった。

これにより、送信部に設置する空芯コイルの数を削減することが可能となり、より小型、軽量、低コストの磁気式位置検出装置を実現できる。

本発明の磁気式位置検出装置は、１軸コイルに、搬送波と変調の２種類の成分を持つ磁場を発生させる磁場発生手段と、前記磁場を検出するコイルと復調回路により、磁場の極性と振幅を検知可能とした磁場検出手段と、前記磁場発生手段と磁場検出手段との間の相対的な位置・角度情報を算出する演算手段とから構成されている。

ここで、前記磁場発生手段の発生磁場は、前記搬送波の半周期ごとに、搬送波の１０倍以上の周波数からなる変調波が重畳されており、磁場検出手段では、バンドパスフィルタを用いて上記搬送波と変調波を分別し、変調波のタイミングを用いて搬送波の信号を同期検波することによって、空芯コイルのみで極性と振幅を検出可能としている。

また、前記磁場発生手段のコイルは、１軸の空芯コイルで、前記磁場検出手段は６個のコイルを持ち、１軸の発生磁場を前記磁場検出手段からの６軸分の磁気振幅・極性情報を畳み込み演算を行って、６個のコイルが配置された磁場検出手段と磁場発生コイルとの相対位置・角度を算出する。

ここで、前記磁場検出手段において、前記６個のコイルのうち３個で相対位置の検出を行い、相対的角度情報は、外部に配置された姿勢角度検出手段に置き換えて検出する。

前記磁場検出手段は、前記６個のコイルが各々の、直線上の位置にて、検出誤差が最小になるような、個々の位置に配置される。ここで、実際には、初期にコイルをずらして誤差を評価し、最終の位置を決める。

以下に、本発明の実施例の磁気式位置検出装置について、図面を参照して説明する。図１は、本発明による磁気式位置検出装置の説明図である。基本的な動作の流れは、以下のように行われる。送信ユニット１１に内蔵された発振器Ａ１２で正弦波信号Ａを生成し、発振器Ｂ１３で受信後にコイルの方向を判定するための基準信号として、正弦波信号Ａに比較して５０倍の周波数を持つ正弦波信号Ｂを生成する。ここで、二つの発振器は、マイクロコンピュータ５１により同期制御されており、発振器Ｂ１３は、発振器Ａ１２が正の出力を行っている場合、信号を発振する。従って、正弦波信号Ｂは間欠信号となる。変調回路１４に両信号を入力し、正弦波信号Ａに正弦波信号Ｂを重畳して励磁信号を生成する。これを送信用空芯コイル１５に入力し、交流磁場１６を発生させる。

交流磁場１６は、空間を経由して非接触にて受信ユニット２１に内蔵された受信用空芯コイル２２〜２７で検出される。受信用空芯コイル２２〜２７は、位置情報の計算に必要な磁場のデータを検出するために、直交した３軸方向に２個ずつ配置されている。これらにより検出された信号は、それぞれバンドパスフィルタ２８〜３３に入力され、周波数により弁別されて、周波数の低いほうを検出信号Ａ高いほうを検出信号Ｂとして分離される。さらに、分離された信号は、各検波回路３４〜４５に入力され、振幅に比例した電圧信号として出力される。これらの信号をマイクロコンピュータ５１でＡ／Ｄ変換して取り込み、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）インタフェースを経由してパーソナルコンピュータ５２に伝送する。

パーソナルコンピュータ５２上では、まず各検出信号の比較、極性の判定を行い、検出した磁場の大きさと符号を決定する。さらに、これらのデータから６元連立方程式を立式して、最小二乗法を用いて解を求め、３次元空間内における送受信コイル間の相対距離と姿勢角度を算出する。なお、装置への電源の供給は、ＵＳＢインタフェースを介して行っている。

図２は、本発明の実施例による磁気式位置検出装置の受信ユニット内部の受信用空芯コイル周辺の説明図である。図２（ａ）は初期設定時を示す図、図２（ｂ）は受信用コイルの反転時の説明図である。図２は、図１に示した受信ユニット内部、受信用空芯コイルとバンドパスフィルタ、検波回路の部分を拡大して表示したものである。ここで、図２（ａ）は、送信、受信の両コイルを水平面で中心軸が同一の直線状にあるように設置した場合の動作ついて示している。

受信用空芯コイルの検波回路Ａ６５では、電磁誘導により検出された磁場に従った磁場検出信号６１のような電気信号が発生する。この信号をバンドパスフィルタ６２により周波数成分ごとに分離する。さらに、分離した信号を検波回路Ｂ６６，検波回路Ｃ６７に入力して、振幅に比例した電圧信号とする。

図２（ｂ）は、受信用の空芯コイルを水平方向に１８０度回転させた場合の動作について示している。基本的な動作は同じであるが、各信号の極性は反転している。このとき、周波数の低い検出信号Ａ６３のみに着目すると、極性は反転しているが、この信号には時間に関する情報がないため、半波長分ずらすと、図２（ａ）と図２（ｂ）の検出信号Ａ（６３と７３）は見かけ上同じ信号になり、コイルが反転していることを感知できない。

ここで、検出信号Ｂ（６４と７４）を見ると極性は反転しているが、図１で示したように生成時に同期をとっているため、検出信号Ａとの時間軸上の関係は変化しない。従って、検出信号Ｂ（６４と７４）の振幅と検出信号Ａ（６３と７３）の極性を比較すると、受信用空芯コイルがどの方向を向いているのか感知できる。

以上のような、方式を用いることで送信用空芯コイルが１軸のみでも、３次元空間内の位置情報６の自由度のうち、コイルの中心軸周りの回転を除く５自由度までを検出可能であり、磁気式位置検出装置として、従来のものと比較して、より小型、軽量、低コストの装置を実現できる。

図３は、本発明の実施例による磁気式位置検出装置の試作例のブロック図である。正弦波発振回路８１により搬送波として２ｋＨｚの正弦波信号Ａを生成する。もうひとつの正弦波発振回路８２により１００ｋＨｚの正弦波信号Ｂを生成する。正弦波信号Ａを二つに分け、一方を比較回路８３に入力する。比較回路８３は、入力信号の電位が正の場合のみ正の５Ｖの直流電圧信号を出力するよう設定されている。続いて、アナログスイッチ８４の入力端子に正弦波信号Ｂを、制御端子に比較回路８３の出力信号を入力する。アナログスイッチ８４は、制御端子に前述の５Ｖの正の電圧信号が入力されている場合にのみ入力された信号を出力端子に出力するよう設定されている。

従って、正弦波信号Ａの電位が正の場合にのみ、正弦波信号Ｂがアナログスイッチ８４から出力されることになり、正弦波信号Ａに同期した正弦波信号Ｂの間欠信号が得られる。この間欠信号を変調波、正弦波信号Ａを搬送波として変調回路８５に入力する。変調回路８５では、正弦波信号Ａが前記間欠信号により変調され、励磁信号８６が出力される。励磁信号８６は、送信用空芯コイル８７に入力され信号波形を反映した磁場を生成する。

前記磁場を受信する受信用空芯コイル８８から９３までの６個（軸）が筐体に設置されている。各受信用空芯コイルでは、前記磁場の電磁誘導により励磁信号８６と同様の波形を持つ電気信号が発生する。ただし、前記電気信号の振幅や極性は、送信用空芯コイル８７と各受信用空芯コイル８８〜９３の間の相対的な距離や向きにより変化する。

受信用空芯コイル８８〜９３で生じた電気信号は、差動増幅回路９４〜９９で約５０倍に増幅され、それぞれ二つに分岐する。その一方はバンドパスフィルタ１００〜１０５に、他方はローパスフィルタ１０６〜１１１に入力される。バンドパスフィルタの通過周波数は、１００ｋＨｚに設定されており、前記電気信号の正弦波信号Ｂの成分だけを通過させる。ローパスフィルタの遮断周波数は、１０ｋＨｚに設定されており、前記電気信号の正弦波信号Ａの成分を取り出すことができる。

分離、抽出した各電気信号は、さらに、増幅、フィルタリングを行って、同期検波回路１１２〜１１７に入力される。同期検波回路１１２〜１１７では、正弦波信号Ｂを基準として同期検波が行われ、受信した磁気信号に比例した電圧値をもつ直流電気信号が生成される。前記直流信号は、マイクロコンピュータ（以下マイコン）１１８のＡ／Ｄコンバータ入力端子に入力され、各電圧値に対応したデジタル信号に変換される。

マイコン１１８内部では、前記デジタル信号がＵＳＢ通信規格に対応したデータパケットに格納され、ＵＳＢインタフェースを介してパーソナルコンピュータ（以下パソコン）１１９に送信される。パソコン１１９では、受信したデジタルデータを磁束密度などの物理用に再変換し、ソフトウェアとして内蔵されている演算手段を用いて、それらから送信用空芯コイル８７と受信用空芯コイル８８〜９３の相対的な位置、角度情報を算出する。

図４は、本発明による磁気式位置検出装置と姿勢角度検出装置を組み合わせ、対象の位置、角度情報を検出する装置の構成例である。ジャイロや加速度センサを用いた対象の姿勢角度を検出するセンサは、すでに実用化されているが、位置情報を検出できない。これに、本発明の磁気式位置検出装置の３軸空芯コイルのみを用いた相対的な位置検出手段と姿勢角度検出装置とを組み合わせれば、位置、角度情報を同時に検出できる。本構成例では、受信用空芯コイルとして３軸分の巻き線を一個ボビンに巻きつけた受信用３軸空芯コイル１２０と姿勢角度検出装置１２１を組み合わせている。受信用３軸空芯コイル１２０、姿勢角度検出装置１２１ともに一辺が２０ｍｍ程度の立方体であり、重量も全体で１０ｇ程度である。取付部分の面積や方向などに制限があり、受信用３軸空芯コイルを複数個設置しにくい対象の位置検出などに有効である。

本発明は、この実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に含まれる。即ち、当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

本発明による磁気式位置検出装置は、姿勢検出装置、ゲーム機、福祉機器等のシステムへの応用が可能である。

本発明の実施例による磁気式位置検出装置の説明図。本発明の実施例による磁気式位置検出装置の受信ユニット内部の受信用空芯コイル周辺の説明図。図２（ａ）は、初期設置時を示す図、図２（ｂ）は、受信用コイル反転時の説明図。本発明の実施例による磁気式位置検出装置の試作例のブロック図。本発明による磁気式位置検出装置と姿勢角度検出装置を組み合わせ、対象の位置、角度情報を検出する装置の構成例を示す図。従来の磁気式位置検出装置の説明図。

符号の説明

１ａ，２ａ，３ａ磁気センサ
４磁気式位置検出装置
５永久磁石
１１送信ユニット
１２発振器Ａ
１３発振器Ｂ
１４変調回路
１５送信用空芯コイル
１６交流磁場
２２受信用空芯コイルＡ
２３受信用空芯コイルＢ
２４受信用空芯コイルＣ
２５受信用空芯コイルＤ
２６受信用空芯コイルＥ
２７受信用空芯コイルＦ
２８バンドパスフィルタＡ
２９バンドパスフィルタＢ
３０バンドパスフィルタＣ
３１バンドパスフィルタＤ
３２バンドパスフィルタＥ
３３バンドパスフィルタＦ
３４検波回路Ａ１
３５検波回路Ａ２
３６検波回路Ｂ１
３７検波回路Ｂ２
３８検波回路Ｃ１
３９検波回路Ｃ２
４０検波回路Ｄ１
４１検波回路Ｄ２
４２検波回路Ｅ１
４３検波回路Ｅ２
４４検波回路Ｆ１
４５検波回路Ｆ２
５１マイクロコンピュータ
５２パーソナルコンピュータ
６１磁場検出信号
６２バンドパスフィルタ
６３検出信号Ａ
６４検出信号Ｂ
６５検波回路Ａ
６６検波回路Ｂ
６７検波回路Ｃ
７１磁場検出信号
７３検出信号Ａ
７４検出信号Ｂ
８１，８２正弦波発振回路
８３比較回路
８４アナログスイッチ
８５変調回路
８６励磁信号
８７送信用空芯コイル
８８受信用空芯コイルＡ
８９受信用空芯コイルＢ
９０受信用空芯コイルＣ
９１受信用空芯コイルＤ
９２受信用空芯コイルＥ
９３受信用空芯コイルＦ
９４差動増幅回路Ａ
９５差動増幅回路Ｂ
９６差動増幅回路Ｃ
９７差動増幅回路Ｄ
９８差動増幅回路Ｅ
９９差動増幅回路Ｆ
１００バンドパスフィルタＡ
１０１バンドパスフィルタＢ
１０２バンドパスフィルタＣ
１０３バンドパスフィルタＤ
１０４バンドパスフィルタＥ
１０５バンドパスフィルタＦ
１０６ローパスフィルタＡ
１０７ローパスフィルタＢ
１０８ローパスフィルタＣ
１０９ローパスフィルタＤ
１１０ローパスフィルタＥ
１１１ローパスフィルタＦ
１１２同期検波回路Ａ
１１３同期検波回路Ｂ
１１４同期検波回路Ｃ
１１５同期検波回路Ｄ
１１６同期検波回路Ｅ
１１７同期検波回路Ｆ
１１８マイクロコンピュータ
１１９パーソナルコンピュータ
１２０受信用３軸空芯コイル
１２１姿勢角度検出装置

Claims

１軸コイルに、搬送波と変調波の２種類の成分を持つ磁場を発生させる磁場発生手段と、前記磁場を検出するコイルと復調回路により、磁場の極性と振幅を検知可能とした磁場検出手段と、前記磁場発生手段と磁場検出手段との間の相対的な位置・角度情報を算出する演算手段とから構成されることを特徴とする磁気式位置検出装置。
前記磁場発生手段の発生磁場は、前記搬送波の半周期ごとに、搬送波の１０倍以上の周波数からなる変調波が重畳されており、磁場検出手段ではバンドパスフィルタを用いて前記搬送波と変調波を分別し、変調波のタイミングを用いて搬送波の信号を同期検波することを特徴とする請求項１に記載の磁気式位置検出装置。
前記磁場検出手段として、空芯コイルを用いることを特徴とする請求項２に記載の磁気式位置検出装置。
前記磁場発生手段のコイルは、１軸の空芯コイルで、前記磁場検出手段は６個のコイルを持ち、１軸の発生磁場を前記磁場検出手段からの６軸分の磁気振幅・極性情報を畳み込み演算を行って、６個のコイルが配置された磁場検出手段と磁場発生コイルとの相対位置・角度を算出することを特徴とした請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気式位置検出装置。
前記磁場検出手段において、３個のコイルで相対位置の検出を行い、相対的角度情報は、外部に配置された姿勢角度検出手段を用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気式位置検出装置。