JP3749955B2 - 誘導型２次元位置検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導型２次元位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来知られた誘導型位置検出装置には、直線位置検出装置としては差動トランスがあり、回転位置検出装置としてはレゾルバがある。差動トランスは、１つの１次巻線を１相で励磁し、差動接続された２つの２次巻線の各配置位置において検出対象位置に連動する鉄心コアの直線位置に応じて差動的に変化するリラクタンスを生ぜしめ、その結果として得られる１相の誘導出力交流信号の電圧振幅レベルが鉄心コアの直線位置を示すようにしたものである。レゾルバは、複数の１次巻線を１相で励磁し、サイン相取り出し用の２次巻線からサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を取り出し、コサイン相取り出し用の２次巻線からコサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を取り出すようにしたものである。この２相のレゾルバ出力は公知のＲ／Ｄコンバータといわれる変換回路を用いて処理し、検出した回転位置に対応する位相値をディジタル的に測定することができる。
また、サイン相とコサイン相のような複数相の交流信号によって複数の１次巻線を夫々励磁し、検出対象直線位置又は回転位置に応じて該交流信号を電気的に位相シフトした出力交流信号を出力し、この出力交流信号の電気的位相シフト量を測定することにより、検出対象直線位置又は回転位置をディジタル的に測定する技術も知られている（例えば、特開昭４９−１０７７５８号、特開昭５３−１０６０６５号、特開昭５５−１３８９１号、実公平１−２５２８６号など）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来知られた誘導型位置検出装置は、すべて直線位置や回転位置のような１次元位置を測定するものであり、２次元位置を測定するものは存在していなかった。
一般に、誘導型位置検出装置は、構造的に非接触であり、また、コイルと鉄片等の簡単な構成により、簡便かつ安価に製造することができるので、これを２次元位置検出装置に適用できれば、広い応用・用途が見込まれる。例えば、１つの操作子のＸ−Ｙ方向の２次元的動きを検出する装置に応用すれば、マウスのような既存の２次元操作子としても構成できるし、その他従来はなかった２次元操作子としての応用・用途が考えられる。
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、誘導型２次元位置検出装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る誘導型２次元位置検出装置は、Ｘ軸方向に沿って配置された複数の極を含み、各極は交流励磁に応じて出力を生じる巻線部を有しているＸ軸検出部と、Ｙ軸方向に沿って配置された複数の極を含み、各極は交流励磁に応じて出力を生じる巻線部を有しているＹ軸検出部とを、２次元面上で交差して配置してなる基部と、前記基部に対してＸ及びＹ軸方向に相対的に変位するものであり、所定の磁気応答材質を含んで構成されてなる磁気応答部材とを一体的に具備してなり、検出対象たる２次元運動を前記磁気応答部材又は前記基部に伝達し、前記基部の２次元面に対する前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＸ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とを前記Ｘ軸検出部及びＹ軸検出部から夫々出力することにより前記２次元運動に応じた検出を行なうことを特徴とするものであって、前記Ｘ軸検出部は、Ｘ軸方向に沿って配置された複数の極を構成する第１の巻線グループで構成され、前記第１の巻線グループは、前記Ｘ軸方向に沿う前記磁気応答部材の相対的位置に関してサイン相、コサイン相、マイナスサイン相及びマイナスコサイン相の特性を示す４極の巻線で構成され、サイン相とマイナスサイン相の出力を差動合成してサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置され、また、コサイン相とマイナスコサイン相の出力を差動合成してコサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置されてなり、更に、これらのサイン相及びコサイン相の出力交流信号に基づき前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＸ軸成分位置検出信号を生成する第 1 の検出手段を該第１の巻線グループに対応して具備し、前記Ｙ軸検出部は、Ｙ軸方向に沿って配置された複数の極を構成する第２の巻線グループで構成され、前記第２の巻線グループは、前記Ｙ軸方向に沿う前記磁気応答部材の相対的位置に関してサイン相、コサイン相、マイナスサイン相及びマイナスコサイン相の特性を示す４極の巻線で構成され、サイン相とマイナスサイン相の出力を差動合成してサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置され、また、コサイン相とマイナスコサイン相の出力を差動合成してコサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置されてなり、更に、これらのサイン相及びコサイン相の出力交流信号に基づき前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＹ軸成分位置検出信号を生成する第２の検出手段を該第２の巻線グループに対応して具備することを特徴とする。
【０００５】
本発明によれば、前記基部と磁気応答部材とを一体的に具備してなる単体構成の２次元位置検出装置が提供され、検出対象たる２次元運動が前記磁気応答部材又は前記基部に伝達されることで両者の相対的位置関係が２次元的に変化し、基部の２次元面に対する磁気応答部材の相対的位置に応じてＸ軸検出部及びＹ軸検出部の各極の巻線部の出力が生じ、これに応じたＸ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とが前記Ｘ軸検出部及びＹ軸検出部から夫々得られ、両Ｘ，Ｙ軸成分位置の組合せによって２次元位置の検出がなされる。ここで、Ｘ軸検出部は、Ｘ軸方向に沿って配置された複数の極を構成する第１の巻線グループで構成され、該第１の巻線グループは、Ｘ軸方向に沿う前記磁気応答部材の相対的位置に関してサイン相、コサイン相、マイナスサイン相及びマイナスコサイン相の特性を示す４極の巻線で構成され、サイン相とマイナスサイン相の出力を差動合成してサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置され、また、コサイン相とマイナスコサイン相の出力を差動合成してコサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置されてなり、更に、これらのサイン相及びコサイン相の出力交流信号に基づき前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＸ軸成分位置検出信号を生成する第 1 の検出手段を該第 1 の巻線グループに対応して具備し、また、前記Ｙ軸検出部は、Ｙ軸方向に沿って配置された複数の極を構成する第２の巻線グループで構成され、該第２の巻線グループは、Ｙ軸方向に沿う前記磁気応答部材の相対的位置に関してサイン相、コサイン相、マイナスサイン相及びマイナスコサイン相の特性を示す４極の巻線で構成され、サイン相とマイナスサイン相の出力を差動合成してサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置され、また、コサイン相とマイナスコサイン相の出力を差動合成してコサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置されてなり、更に、これらのサイン相及びコサイン相の出力交流信号に基づき前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＹ軸成分位置検出信号を生成する第２の検出手段を該第２の巻線グループに対応して具備することにより、サイン相とコサイン相の２相の出力交流信号を出力するレゾルバ型位置検出原理にしたがう２次元位置検出装置を提供することができる。
【０００６】
一実施形態によれば、前記Ｘ軸検出部における個々の極が、Ｙ軸方向に列を成して構成されており、前記Ｙ軸検出部における個々の極が、Ｘ軸方向に列を成して構成されているようになっていてよい。これにより、基部の２次元面を、より広い範囲でカバーして、２次元位置を検出することができる。
一実施形態によれば、前記サイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号とコサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号とに基づき、該サイン相の振幅関数及びコサイン相の振幅関数の位相値を検出し、前記磁気応答部材の相対的位置に応じた位相値検出データを得るようにするとよい。
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。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態をいくつかの代表例について説明する。図示された各例は、相互に組み合わせることも可能であり、それらの組合せも本発明の実施に含まれる。
図１は、レゾルバタイプの位置検出原理に従って構成した、本発明に係る２次元位置検出装置の基本的構成例を示す図であり、（ａ）は平面略図、（ｂ）は側面略図である。
図１（ａ）において、横方向をＸ軸方向とし、たて方向をＹ軸方向とする。非磁性体からなるステータ基部１において、Ｘ軸検出部１Ｘと、Ｙ軸検出部１Ｙとが配置されている。Ｘ軸検出部１Ｘは、Ｘ軸方向に等間隔で配置された４つの極を含み、各極は少なくとも２次巻線２１，２２，２３，２４を有している。換言すれば、ステータ基部１においてＸ軸方向に等間隔で配置された４つの少なくとも２次巻線２１，２２，２３，２４と図示していない１次巻線とによってＸ軸検出部１Ｘが構成される。同様に、Ｙ軸検出部１Ｙは、Ｙ軸方向に等間隔で配置された４つの極を含み、各極は少なくとも２次巻線２５，２６，２７，２８を有しており、かつ、図示していない１次巻線を含んでいる。Ｘ軸検出部１Ｘの極配列（２次巻線２１〜２４の配列）とＹ軸検出部１Ｙの極配列（２次巻線２５〜２８の配列）とは、ステータ基部１の２次元面上において図示のように交差している。
【０００８】
なお、１次巻線の配置については特に図示しないが、該１次巻線によって励起した磁界を対応する各２次巻線に及ぼすことができるような配置であれば適宜の配置であってよい。例えば、個々の２次巻線に対応して同じ位置に重複して個別の１次巻線をそれぞれ設けるようにしてもよいし、あるいは、ステータ基部１の最外周に沿ってすべての２次巻線を包囲するように１個の１次巻線を設けてもよいし、あるいは、いくつかのグループに分けて複数の２次巻線を包囲するように複数の１次巻線を設けてもよい。いずれの場合においても、レゾルバタイプの位置検出原理に従う場合、あるいは後述の差動変圧器原理に従う場合、すべての１次巻線が同相（１相）の交流信号で励磁される。
【０００９】
ステータ基部１の上に、その表面上を任意に移動しうるように、所定のサイズの磁気応答部材３が設けられている。この磁気応答部材３は、各検出部１Ｘ，１Ｙにおける個別の２次巻線に対する近接位置関係に応じて、該２次巻線と対応する１次巻線との間の磁気結合（すなわち電磁誘導結合）を変化させるものであり、その近接位置関係に応じた出力信号が各検出部１Ｘ，１Ｙから出力されるようにするものである。磁気応答部材３は、図１（ｂ）に示すように、例えば鉄等の磁性体からなる球（すなわち鋼球）からなっていて、その直径は、各２次巻線の配置間隔と同様に、レゾルバタイプの位置検出原理に従って適切に設計される。例えば図示の例では、磁気応答部材すなわち鋼球３は、隣合う２つの２次巻線２１，２２の配置範囲にほぼ対応する直径を有するように描かれているが、これに限らず、直径寸法の適量の減少又は増加が設計上可能である。
特に図示していないが、ステータ基部１の側面は適宜のガイドフレーム等によって仕切られていてよい。また、ステータ基部１の上面も、柔軟な又は硬質の適宜のカバーで蔽い、該カバーを通して磁気応答部材すなわち鋼球３につながった適宜の操作子（例えばユニバーサルジョイント式の操作子）等の操作によって外部から２次元運動を磁気応答部材（例えば鋼球）３に与えられえるようになっていてよい。勿論、検出対象たる２次元運動を磁気応答部材（鋼球）３又はステータ基部１に対して伝達するメカニズムはこれに限らず、用途に応じて適宜に設計してよい。
【００１０】
上記の構成において、検出対象の２次元的運動に応じて、鋼球３がステータ基部１に対して相対的に変位し、この変位位置のＸ軸成分がＸ軸検出部１Ｘにて検出され、Ｙ軸成分がＹ軸検出部１Ｙにて検出される。各検出部１Ｘ，１Ｙでは、レゾルバタイプの位置検出原理に従って、位置検出出力を生じる。
レゾルバタイプの位置検出原理について、Ｘ軸検出部１Ｘを例にして説明すると、鋼球３の各２次巻線２１〜２４に対する対応位置が変化することにより、１次巻線と各２次巻線２１〜２４間の磁気結合が該検出対象位置に応じて変化され、これにより、該検出対象位置に応じて振幅変調された誘導出力交流信号が、各２次巻線２１〜２４の配置のずれに応じて異なる振幅関数特性で、各２次巻線２１〜２４に誘起される。各２次巻線２１〜２４に誘起される各誘導出力交流信号は、１次巻線が１相の交流信号によって共通に励磁されるが故に、その電気的位相が同相であり、その振幅関数が鋼球３の各２次巻線に対する接近または遠ざかりに従ってそれぞれ変化する。なお、図１（ａ）において各巻線の巻軸方向（磁束の方向）は紙面に垂直な方向である。
【００１１】
レゾルバ原理を採用する場合は、検出部１Ｘにおける４つの２次巻線２１〜２４に生じる誘導出力交流信号の振幅関数が、サイン関数（図でｓを付記する）、コサイン関数（図でｃを付記する）、マイナス・サイン関数（図で／ｓ（ｓバー）を付記する）、マイナス・コサイン関数（図で／ｃ（ｃバー）を付記する）、にそれぞれ相当するものとなるように、各２次巻線２１〜２４の配置間隔と磁気応答部材３（すなわち鋼球）のサイズを、設定する。種々の条件によって、各巻線の配置は微妙に変わり得るし、磁気応答部材（鋼球）３のサイズも変わりうるので、希望の関数特性が得られるように各巻線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次巻線２１〜２４の配置と磁気応答部材（鋼球）３のサイズは重要ではあるが、絶対的精度を要求されるわけではなく、設計上適宜に設定若しくは変更できる。
Ｙ軸検出部１Ｙについても同様であり、４つの２次巻線２５〜２８に生じる誘導出力交流信号の振幅関数が、サイン関数（ｓ）、コサイン関数（ｃ）、マイナス・サイン関数（／ｓ）、マイナス・コサイン関数（／ｃ）、にそれぞれ相当するものとなるように、配置されている。
なお、明細書中では、表記の都合上、反転を示すバー記号は「／（スラッシュ）」で記載するが、これは、図中のバー記号に対応している。
【００１２】
図２は、検出部１Ｘにおける１次及び２次巻線の回路図であり、１次巻線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次巻線の励磁に応じて、鋼球３の２次元面におけるＸ軸成分位置に応じた振幅値を持つ交流信号が各２次巻線２１〜２４に誘導される。夫々の誘導電圧レベルは該Ｘ軸成分位置に対応して２相の関数特性sinθ，cosθ及びその逆相の関数特性−sinθ，−cosθを示す。すなわち、各２次巻線２１〜２４の誘導出力信号は、該Ｘ軸成分位置に対応して２相の関数特性sinθ，cosθ及びその逆相の関数特性−sinθ，−cosθで振幅変調された状態で夫々出力される。なお、θは該Ｘ軸成分位置に比例しており、例えば、θ＝２π（ｘ／ｐ）のような関係である。ここで、ｘはＸ軸成分位置、ｐは上記関数の１周期に相当する長さである。説明の便宜上、巻線の巻数等、その他の条件に従う係数は省略し、２次巻線２１をサイン相として、その出力信号を「sinθ・sinωｔ」で示し、２次巻線２２をコサイン相として、その出力信号を「cosθ・sinωｔ」で示す。また、２次巻線２３をマイナス・サイン相として、その出力信号を「−sinθ・sinωｔ」で示し、２次巻線２４をマイナス・コサイン相として、その出力信号を「−cosθ・sinωｔ」で示す。サイン相とマイナス・サイン相の誘導出力を差動的に合成することによりサイン関数の振幅関数を持つ第１の出力交流信号Ａ（＝２sinθ・sinωｔ）が得られる。また、コサイン相とマイナス・コサイン相の誘導出力を差動的に合成することによりコサイン関数の振幅関数を持つ第２の出力交流信号Ｂ（＝２cosθ・sinωｔ）が得られる。なお、表現の簡略化のために、係数「２」を省略して、以下では、第１の出力交流信号Ａを「sinθ・sinωｔ」で表わし、第２の出力交流信号Ｂを「cosθ・sinωｔ」で表わす。
【００１３】
こうして、Ｘ軸成分位置ｘに対応する第１の関数値sinθを振幅値として持つ第１の出力交流信号Ａ＝sinθ・sinωｔと、同じＸ軸成分位置ｘに対応する第２の関数値cosθを振幅値として持つ第２の出力交流信号Ｂ＝cosθ・sinωｔとが出力される。このような巻線構成によれば、回転型位置検出装置として従来知られたレゾルバにおいて得られるのと同様の、同相交流であって２相の振幅関数を持つ２つの出力交流信号Ａ，Ｂ（サイン出力とコサイン出力）をＸ軸検出部１Ｘにおいて得ることができることが理解できる。
このＸ軸検出部１Ｘから出力される２相の出力交流信号（Ａ＝sinθ・sinωｔとＢ＝cosθ・sinωｔ）は、従来知られたレゾルバの出力と同様の使い方をすることができる。例えば、図２に示すように、検出部１Ｘの出力交流信号Ａ，Ｂを適切なディジタル位相検出回路４０に入力し、前記サイン関数sinθとコサイン関数cosθの位相値θをディジタル位相検出方式によって検出し、Ｘ軸成分位置ｘのディジタルデータＤｘを得るようにすることができる。ディジタル位相検出回路４０で採用するディジタル位相検出方式としては、公知のＲ−Ｄ（レゾルバ−ディジタル）コンバータを適用してもよいし、本発明者らによって開発済の新方式を採用してもよい。この新方式については本書では特に述べない。
【００１４】
Ｙ軸検出部１Ｙについても、図２と同様に１次及び２次巻線回路を構成し、Ｙ軸成分位置を示すレゾルバタイプの２相出力交流信号を出力するようにすることができる。そして、上記と同様に、ディジタル位相検出方式を採用することにより、Ｙ軸成分位置を示すディジタルデータＤｙを得るようにすることができる。こうして、Ｘ軸検出部１ＸとＹ軸検出部１Ｙからそれぞれ得られるＸ軸成分位置とＹ軸成分位置のデータＤｘ，Ｄｙの組合せにより、検出した２次元位置を同定することができる。
【００１５】
ところで、図１の配置では、Ｘ軸検出部１ＸとＹ軸検出部１Ｙの極配列（巻線配列）が線状に交差した配列であるため、検出可能な２次元位置の範囲が制限されてくる可能性がある。すなわち、線状に交差して配列されたＸ軸検出部１ＸまたはＹ軸検出部１Ｙから比較的離れた位置では、検出感度が相対的に低下するおそれがある。制限された範囲での２次元位置が可能でありさえすればよい場合は、これでも問題ないが、検出装置の用途によっては、検出可能な２次元位置の範囲をもっと拡張したほうがよい場合がある。
検出可能な２次元位置の範囲をより一層拡張するためには、Ｘ軸検出部とＹ軸検出部の極配列（巻線配列）が面状に交差するように配置すればよい。以下、そのような実施例のいくつかについて説明する。
【００１６】
図３及び図４は、同一極を列状に伸ばして配置した例を示す。すなわち、Ｘ軸検出部における個々の極が、Ｙ軸方向に列を成して構成されており、Ｙ軸検出部における個々の極が、Ｘ軸方向に列を成して構成されている。詳しくは、Ｘ軸検出部におけるサイン極ＳＸ、コサイン極ＣＸ、マイナス・サイン極／ＳＸ、マイナス・コサイン極／ＣＸのそれぞれがＹ軸方向に列を成して構成されており、Ｙ軸検出部におけるサイン極ＳＹ、コサイン極ＣＹ、マイナス・サイン極／ＳＹ、マイナス・コサイン極／ＣＹのそれぞれがＸ軸方向に列を成して構成されている。図３は、それぞれの極列が、複数（図では３個）の同相の２次巻線（ｓ，ｃ，／ｓ，／ｃで示す）を該列に沿って配置してなる例を示す。勿論、１つの列を成す複数（図では３個）の同相の２次巻線は電気的に直列接続されて、１つの極の出力信号を生じる。図４は、それぞれの極列が、１個の２次巻線（ｓ，ｃ，／ｓ，／ｃで示す）を該列に沿う細長リング状に巻回して配置してなる例を示す。図３及び図４共に、ステータ基部１のほぼ全域にわたる範囲で、磁気応答部材すなわち鋼球３のＸ軸成分位置とＹ軸成分位置とを感度良く検出できることが容易に理解できるであろう。
【００１７】
図５は、基本的には図３，図４と同様に、同一極を列状に伸ばして配置した例を示すものであるが、Ｘ軸検出部及びＹ軸検出部の各２次巻線をそれぞれ同一座標位置において重複して（二重に）配置してなるものである。図５では、図示の都合上、１つの座標位置において１つの丸を描き、この１つの丸を半円に分けて、上の半円にＸ軸検出部の極の属性（つまり、サイン、コサイン、マイナス・サイン、マイナス・コサインをそれぞれ示すｓ，ｃ，／ｓ，／ｃの符号）を示し、下の半円にＹ軸検出部の極の属性（ｓ，ｃ，／ｓ，／ｃ）を示しているが、これは、当該座標位置においてＸ軸検出部の２次巻線とＹ軸検出部の２次巻線とが重複して（二重に）配置されていることを示す。また、図５は、図３，４と同様に、Ｘ軸検出部におけるサイン極ＳＸ、コサイン極ＣＸ、マイナス・サイン極／ＳＸ、マイナス・コサイン極／ＣＸのそれぞれがＹ軸方向に列を成して構成され、Ｙ軸検出部におけるサイン極ＳＹ、コサイン極ＣＹ、マイナス・サイン極／ＳＹ、マイナス・コサイン極／ＣＹのそれぞれがＸ軸方向に列を成して構成されているのと等価である。この場合も、各検出部における１つの極に対応する１列を成す複数（図では４個）の同相の２次巻線は電気的に直列接続されて、当該１つの極の出力信号を生じる。
【００１８】
図６（ａ）は、Ｘ軸検出部１Ｘ及びＹ軸検出部１Ｙの各極毎の２次巻線２１’〜２４’及び２５’〜２８’を扇状に配置した例を示す。ダッシュ符号を付した各２次巻線２１’〜２４’及び２５’〜２８’は、図１（ａ）におけるダッシュ符号を付していない同一符号の２次巻線２１〜２４及び２５〜２８に対応しており、同様の技術的意義を持っている。図１（ａ）の配置と異なる点は、各２次巻線２１’〜２４’及び２５’〜２８’が図示のような扇状の配置からなっている点である。このような各極の扇状の配置は、例えば２次巻線２１’の極（Ｘ軸検出部のサイン極）について示すと、図６（ｂ）に示すように１つの２次巻線を所定の扇状に巻回して構成してもよいし、図６（ｃ）に示すように複数の２次巻線を所定の扇状に並べて構成してもよい。図６（ｃ）のように複数の２次巻線によって１つの極を構成する場合は、前述と同様に、これらの同相の２次巻線を直列接続して当該極についての１つの出力信号を生じるようにする。図６の例においても、ステータ基部１のほぼ全域にわたる範囲で、磁気応答部材すなわち鋼球３のＸ軸成分位置とＹ軸成分位置とを感度良く検出できる。
【００１９】
上記各実施例は、Ｘ軸検出部とＹ軸検出部とがそれぞれレゾルバタイプの２相出力交流信号を生じるものであり、位相検出方式に適しているものである。これに限らず、差動変圧器原理に基づく構成を用いてＸ軸成分及びＹ軸成分の位置検出を行うようにしてもよい。その場合は、次に示すように、巻線構成を簡略化できる。
図７は、差動トランス原理に基づく電圧検出方式に係る構成の基本形を示す。Ｘ軸検出部１０Ｘは、Ｘ軸方向に等間隔で配置された２つの極を含み、各極は少なくとも２次巻線５１，５２を有しており、各２次巻線５１，５２は逆相直列接続されている。すなわち、一方の２次巻線５１の極をサイン極（ｓ）とすると、他方の２次巻線５２の極はマイナス・サイン極（／ｓ）である。Ｙ軸検出部１０Ｙは、Ｙ軸方向に等間隔で配置された２つの極を含み、各極は少なくとも２次巻線６１，６２を有しており、各２次巻線６１，６２は逆相直列接続されている。すなわち、一方の２次巻線６１の極をコサイン極（ｃ）とすると、他方の２次巻線６２の極はマイナス・コサイン極（／ｃ）である。なお、差動トランス原理に基づく構成におけるサイン極、コサイン極等の呼び名は、前記レゾルバ方式の場合のような重要な意味をもたず、Ｘ軸検出部とＹ軸検出部を便宜的に区別するために使用している。１次巻線の配置は、その励起した磁界を対応する各２次巻線に及ぼすことができるような配置であれば適宜の配置であってよい。また、前記と同様に、ステータ基部１の上に、その表面上を任意に移動しうるように、所定のサイズの磁気応答部材（例えば鋼球）３が設けられている。
【００２０】
この構成によって、Ｘ軸検出部１０Ｘでは、ステータ基部１に対する磁気応答部材（鋼球）３の２次元位置のＸ軸成分の位置に対応するピーク電圧レベルを持つ出力交流信号が、２次巻線５１，５２の差動出力信号として、得られる。また、Ｙ軸検出部１０Ｙでは、ステータ基部１に対する磁気応答部材（鋼球）３の２次元位置のＹ軸成分の位置に対応するピーク電圧レベルを持つ出力交流信号が、２次巻線６１，６２の差動出力信号として、得られる。各検出部１０Ｘ，１０Ｙの出力交流信号を整流することにより、Ｘ軸成分位置及びＹ軸成分位置を示すアナログ電圧信号をそれぞれ得ることができ、両者の組合せにより２次元位置を同定することができる。
【００２１】
図１の基本形に対する図３〜図６に示したような変形と同様の変形を、図７の基本形に対しても施すことができる。その例を示すと次のようである。
図８は、図７のような基本形からなる差動トランス原理に基づくＸ軸検出部及びＹ軸検出部を変形して、同一極につき複数の（図では２個）の２次巻線を列状に配置し、かつ、図５と同様に、Ｘ軸検出部及びＹ軸検出部の各２次巻線をそれぞれ同一座標位置において重複して（二重に）配置してなるものである。図８においても、図５と同様に、１つの座標位置に対応して示された１つの丸において、上の半円にＸ軸検出部の極の属性（ｓ，／ｓ）を示し、下の半円にＹ軸検出部の極の属性（ｃ，／ｃ）を示している。ここから明らかなように、Ｘ軸検出部におけるサイン極ＳＸとマイナス・サイン極／ＳＸのそれぞれがＹ軸方向に列を成した２個の２次巻線によって構成され、Ｙ軸検出部におけるコサイン極ＣＹとマイナス・コサイン極／ＣＹのそれぞれがＸ軸方向に列を成した２個の２次巻線によって構成されている。この場合も、各検出部における１つの極に対応する１列を成す複数（図では２個）の同相の２次巻線は電気的に直列接続されて、当該１つの極（例えばＳＸ）の出力信号を生じ、更に対応するもう一方の極（例えば／ＳＸ）の出力信号と差動合成される。
図９は、図８の変形例であり、図８に示された４つの座標位置を、それぞれ４つの細座標位置に分割し、各４つの細座標位置においてそれぞれ同相の２次巻線を設けたものである。
【００２２】
図１０は、図７のような基本形からなる差動トランス原理に基づくＸ軸検出部及びＹ軸検出部を変形して、図６と同様に、Ｘ軸検出部１０Ｘ及びＹ軸検出部１０Ｙの各極毎の２次巻線５１’，５２’及び６１’，６２’を扇状に配置した例を示す。この場合も、図６と同様に、１つの極において１つの２次巻線を所定の扇状に巻回して構成してもよいし、あるいは、１つの極において複数の２次巻線を所定の扇状に並べて構成し同一極の各２次巻線を同相直列接続するようにしてもよい。
【００２３】
なお、磁気応答部材３の形状は、上記実施例のような球体に限らず、円板あるいはその他任意の形状であってよい。また、材質も、鉄等の磁性体に限らず、銅のような良導電体であってもよい。良導電体を磁気応答部材として使用した場合は渦電流損によって磁気抵抗変化が得られ、１次及び２次巻線間の結合係数が変化されることは既に知られている。また、磁性体と良導電体の組合せによって、相補的に磁気結合係数の変化率を高めて検出感度を向上させることも知られているので、これを採用してもよい。また、磁気応答部材３の形状を球体とする場合も、完全な球として手等による操作に応じてステータ基部１上で転がり移動するようにしてもよいし、あるいは球の所定箇所に操作レバー等を固定して該レバーを操作することによって２次元面上でスライド移動させるようにしてもよい。
【００２４】
更に、上記実施例では、すべての１次巻線を同相（１相）励磁する例について説明したが、サイン相とコサイン相のように電気的位相の異なる複数相の励磁信号によって各１次巻線を別々に励磁する位相シフト方式の位置検出装置が既に公知であるから、そのような位相シフト方式に従う位置検出原理を本発明において利用してもよい。その場合、レゾルバで知られているように、１次巻線と２次巻線の関係は逆になる。
上記の各実施例においては、ステータ基部１が、完全に平面であるとしているが、図１１に側面図で示すように、凹面状（または凸面状）に適度にわん曲していてもよい。そのようなわん曲面に沿う２次元位置を検出し得るようにするためには、磁気応答部材３として鋼球を使用することは、曲面に沿う移動を容易にするので極めて有利である。
【００２５】
また、上記のように凹面状にわん曲した２次元位置を検出する場合、磁気応答部材３としては、固定形状の物体に限らず、非固定形状の物体（流体又は粉体）であってもよい。図１２（ａ）は、凹面状にわん曲した容器状のステータ基部１に、磁気応答部材として、比較的少量の磁性流体３ａを収納した例を示す。図１２（ｂ）は、凹面状にわん曲した容器状のステータ基部１に、磁気応答部材として、比較的少量の磁性粉体３ｂを収納した例を示す。これらの場合は、検出対象の２次元的変位運動はステータ基部１に対して及ぼされるようにし、磁性流体３ａ又は磁性粉体３ｂからなる磁気応答部材は、ステータ基部１に対して及ぼされる加速度的な２次元運動に対して、過渡的現象として、自重によって残留することになる。これによって磁気応答部材３ａ，３ｂとステータ基部１との相対位置関係が変化し、加速度的な若しくは過渡的な２次元運動についての２次元位置を検出することができる。このような検出形態は、一般にアブソリュート位置検出として知られている静的な絶対位置を検出する考え方とは幾分異なることになるが、用途によっては大いに実用性を期待することができるものである。すなわち、加速度的な、若しくは過渡的に時間変化する、２次元運動が加えられたときに、その変位の軌跡や最大変位量や変位方向を検出する場合において、有利に応用可能である。
【００２６】
なお、上記各実施例において、Ｘ軸検出部とＹ軸検出部から得られるＸ軸成分位置検出信号及びＹ軸成分位置検出信号は、アブソリュート位置を示すものとしているが、これに限らず、応用目的に応じて、インクリメンタルパルス信号に変換して出力するようにしてもよい。例えば、アブソリュート位置を示すディジタル又はアナログデータの時間的変化に応答してインクリメンタルパルス信号を生成する回路を付加すればよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、夫々が誘導型検出要素であるＸ軸検出部とＹ軸検出部とを２次元面上で交差して配置してなり、Ｘ及びＹ軸方向に関して所定のサイズを有すると共に１次及び２次巻線による電磁誘導結合を変化させる材質を含んで構成されてなる１つの磁気応答部材を、該基部に対してＸ及びＹ軸方向に相対的に変位可能に配置したので、基部の２次元面に対する磁気応答部材の相対的位置に応じてＸ軸検出部及びＹ軸検出部の各極における電磁誘導結合が可変的に定まり、これに応じたＸ軸成分位置とＹ軸成分位置とをＸ軸検出部及びＹ軸検出部により検出することができるので、これらの組合せによって２次元位置検出を行うことができる、という優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る２次元位置検出装置の一実施形態をレゾルバ原理に従って構成した基本例を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図２】 図１における１軸分の検出部の１次及び２次巻線の回路例及び２次巻線出力に基づく位置検出回路の構成例を示す回路図。
【図３】 図１に示された基本例の変形例を示す平面図。
【図４】 図１に示された基本例の別の変形例を示す平面図。
【図５】 図１に示された基本例の更に別の変形例を示す平面図。
【図６】 図１に示された基本例の更に別の変形例を示すものであって、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのうち１つの極の２次巻線構成例を示す平面図、（ｃ）は同１つの極の別の２次巻線構成例を示す平面図。
【図７】 本発明に係る２次元位置検出装置の別の実施形態を差動トランス原理に従って構成した基本形を示す平面図。
【図８】 図７に示された基本形の変形例を示す平面図。
【図９】 図８の変形例を示す平面図。
【図１０】 図７に示された基本形の別の変形例を示す平面図。
【図１１】 本発明に係る２次元位置検出装置におけるステータ基部が幾分わん曲している例を示す側面断面図。
【図１２】 図１１のようにステータ基部が幾分わん曲している場合において、磁気応答部材として、磁性流体または磁性粉体を使用できることを示す側面断面図。
【符号の説明】
１ ステータ基部
１Ｘ，１０Ｘ Ｘ軸検出部
１Ｙ，１０Ｙ Ｙ軸検出部
２１〜２８，２１’〜２８’，５１，５２，６１，６２，５１’，５２’，６１’，６２’ ２次巻線
３ 磁気応答部材（鋼球）
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導型２次元位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来知られた誘導型位置検出装置には、直線位置検出装置としては差動トランスがあり、回転位置検出装置としてはレゾルバがある。差動トランスは、１つの１次巻線を１相で励磁し、差動接続された２つの２次巻線の各配置位置において検出対象位置に連動する鉄心コアの直線位置に応じて差動的に変化するリラクタンスを生ぜしめ、その結果として得られる１相の誘導出力交流信号の電圧振幅レベルが鉄心コアの直線位置を示すようにしたものである。レゾルバは、複数の１次巻線を１相で励磁し、サイン相取り出し用の２次巻線からサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を取り出し、コサイン相取り出し用の２次巻線からコサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を取り出すようにしたものである。この２相のレゾルバ出力は公知のＲ／Ｄコンバータといわれる変換回路を用いて処理し、検出した回転位置に対応する位相値をディジタル的に測定することができる。
また、サイン相とコサイン相のような複数相の交流信号によって複数の１次巻線を夫々励磁し、検出対象直線位置又は回転位置に応じて該交流信号を電気的に位相シフトした出力交流信号を出力し、この出力交流信号の電気的位相シフト量を測定することにより、検出対象直線位置又は回転位置をディジタル的に測定する技術も知られている（例えば、特開昭４９−１０７７５８号、特開昭５３−１０６０６５号、特開昭５５−１３８９１号、実公平１−２５２８６号など）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来知られた誘導型位置検出装置は、すべて直線位置や回転位置のような１次元位置を測定するものであり、２次元位置を測定するものは存在していなかった。
一般に、誘導型位置検出装置は、構造的に非接触であり、また、コイルと鉄片等の簡単な構成により、簡便かつ安価に製造することができるので、これを２次元位置検出装置に適用できれば、広い応用・用途が見込まれる。例えば、１つの操作子のＸ−Ｙ方向の２次元的動きを検出する装置に応用すれば、マウスのような既存の２次元操作子としても構成できるし、その他従来はなかった２次元操作子としての応用・用途が考えられる。
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、誘導型２次元位置検出装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る誘導型２次元位置検出装置は、Ｘ軸方向に沿って配置された複数の極を含み、各極は交流励磁に応じて出力を生じる巻線部を有しているＸ軸検出部と、Ｙ軸方向に沿って配置された複数の極を含み、各極は交流励磁に応じて出力を生じる巻線部を有しているＹ軸検出部とを、２次元面上で交差して配置してなる基部と、前記基部に対してＸ及びＹ軸方向に相対的に変位するものであり、所定の磁気応答材質を含んで構成されてなる磁気応答部材とを一体的に具備してなり、検出対象たる２次元運動を前記磁気応答部材又は前記基部に伝達し、前記基部の２次元面に対する前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＸ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とを前記Ｘ軸検出部及びＹ軸検出部から夫々出力することにより前記２次元運動に応じた検出を行なうことを特徴とするものであって、前記Ｘ軸検出部は、Ｘ軸方向に沿って配置された複数の極を構成する第１の巻線グループで構成され、前記第１の巻線グループは、前記Ｘ軸方向に沿う前記磁気応答部材の相対的位置に関してサイン相、コサイン相、マイナスサイン相及びマイナスコサイン相の特性を示す４極の巻線で構成され、サイン相とマイナスサイン相の出力を差動合成してサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置され、また、コサイン相とマイナスコサイン相の出力を差動合成してコサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置されてなり、更に、これらのサイン相及びコサイン相の出力交流信号に基づき前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＸ軸成分位置検出信号を生成する第 1 の検出手段を該第１の巻線グループに対応して具備し、前記Ｙ軸検出部は、Ｙ軸方向に沿って配置された複数の極を構成する第２の巻線グループで構成され、前記第２の巻線グループは、前記Ｙ軸方向に沿う前記磁気応答部材の相対的位置に関してサイン相、コサイン相、マイナスサイン相及びマイナスコサイン相の特性を示す４極の巻線で構成され、サイン相とマイナスサイン相の出力を差動合成してサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置され、また、コサイン相とマイナスコサイン相の出力を差動合成してコサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置されてなり、更に、これらのサイン相及びコサイン相の出力交流信号に基づき前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＹ軸成分位置検出信号を生成する第２の検出手段を該第２の巻線グループに対応して具備することを特徴とする。
【０００５】
本発明によれば、前記基部と磁気応答部材とを一体的に具備してなる単体構成の２次元位置検出装置が提供され、検出対象たる２次元運動が前記磁気応答部材又は前記基部に伝達されることで両者の相対的位置関係が２次元的に変化し、基部の２次元面に対する磁気応答部材の相対的位置に応じてＸ軸検出部及びＹ軸検出部の各極の巻線部の出力が生じ、これに応じたＸ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とが前記Ｘ軸検出部及びＹ軸検出部から夫々得られ、両Ｘ，Ｙ軸成分位置の組合せによって２次元位置の検出がなされる。ここで、Ｘ軸検出部は、Ｘ軸方向に沿って配置された複数の極を構成する第１の巻線グループで構成され、該第１の巻線グループは、Ｘ軸方向に沿う前記磁気応答部材の相対的位置に関してサイン相、コサイン相、マイナスサイン相及びマイナスコサイン相の特性を示す４極の巻線で構成され、サイン相とマイナスサイン相の出力を差動合成してサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置され、また、コサイン相とマイナスコサイン相の出力を差動合成してコサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置されてなり、更に、これらのサイン相及びコサイン相の出力交流信号に基づき前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＸ軸成分位置検出信号を生成する第 1 の検出手段を該第 1 の巻線グループに対応して具備し、また、前記Ｙ軸検出部は、Ｙ軸方向に沿って配置された複数の極を構成する第２の巻線グループで構成され、該第２の巻線グループは、Ｙ軸方向に沿う前記磁気応答部材の相対的位置に関してサイン相、コサイン相、マイナスサイン相及びマイナスコサイン相の特性を示す４極の巻線で構成され、サイン相とマイナスサイン相の出力を差動合成してサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置され、また、コサイン相とマイナスコサイン相の出力を差動合成してコサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置されてなり、更に、これらのサイン相及びコサイン相の出力交流信号に基づき前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＹ軸成分位置検出信号を生成する第２の検出手段を該第２の巻線グループに対応して具備することにより、サイン相とコサイン相の２相の出力交流信号を出力するレゾルバ型位置検出原理にしたがう２次元位置検出装置を提供することができる。
【０００６】
一実施形態によれば、前記Ｘ軸検出部における個々の極が、Ｙ軸方向に列を成して構成されており、前記Ｙ軸検出部における個々の極が、Ｘ軸方向に列を成して構成されているようになっていてよい。これにより、基部の２次元面を、より広い範囲でカバーして、２次元位置を検出することができる。
一実施形態によれば、前記サイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号とコサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号とに基づき、該サイン相の振幅関数及びコサイン相の振幅関数の位相値を検出し、前記磁気応答部材の相対的位置に応じた位相値検出データを得るようにするとよい。
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。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態をいくつかの代表例について説明する。図示された各例は、相互に組み合わせることも可能であり、それらの組合せも本発明の実施に含まれる。
図１は、レゾルバタイプの位置検出原理に従って構成した、本発明に係る２次元位置検出装置の基本的構成例を示す図であり、（ａ）は平面略図、（ｂ）は側面略図である。
図１（ａ）において、横方向をＸ軸方向とし、たて方向をＹ軸方向とする。非磁性体からなるステータ基部１において、Ｘ軸検出部１Ｘと、Ｙ軸検出部１Ｙとが配置されている。Ｘ軸検出部１Ｘは、Ｘ軸方向に等間隔で配置された４つの極を含み、各極は少なくとも２次巻線２１，２２，２３，２４を有している。換言すれば、ステータ基部１においてＸ軸方向に等間隔で配置された４つの少なくとも２次巻線２１，２２，２３，２４と図示していない１次巻線とによってＸ軸検出部１Ｘが構成される。同様に、Ｙ軸検出部１Ｙは、Ｙ軸方向に等間隔で配置された４つの極を含み、各極は少なくとも２次巻線２５，２６，２７，２８を有しており、かつ、図示していない１次巻線を含んでいる。Ｘ軸検出部１Ｘの極配列（２次巻線２１〜２４の配列）とＹ軸検出部１Ｙの極配列（２次巻線２５〜２８の配列）とは、ステータ基部１の２次元面上において図示のように交差している。
【０００８】
なお、１次巻線の配置については特に図示しないが、該１次巻線によって励起した磁界を対応する各２次巻線に及ぼすことができるような配置であれば適宜の配置であってよい。例えば、個々の２次巻線に対応して同じ位置に重複して個別の１次巻線をそれぞれ設けるようにしてもよいし、あるいは、ステータ基部１の最外周に沿ってすべての２次巻線を包囲するように１個の１次巻線を設けてもよいし、あるいは、いくつかのグループに分けて複数の２次巻線を包囲するように複数の１次巻線を設けてもよい。いずれの場合においても、レゾルバタイプの位置検出原理に従う場合、あるいは後述の差動変圧器原理に従う場合、すべての１次巻線が同相（１相）の交流信号で励磁される。
【０００９】
ステータ基部１の上に、その表面上を任意に移動しうるように、所定のサイズの磁気応答部材３が設けられている。この磁気応答部材３は、各検出部１Ｘ，１Ｙにおける個別の２次巻線に対する近接位置関係に応じて、該２次巻線と対応する１次巻線との間の磁気結合（すなわち電磁誘導結合）を変化させるものであり、その近接位置関係に応じた出力信号が各検出部１Ｘ，１Ｙから出力されるようにするものである。磁気応答部材３は、図１（ｂ）に示すように、例えば鉄等の磁性体からなる球（すなわち鋼球）からなっていて、その直径は、各２次巻線の配置間隔と同様に、レゾルバタイプの位置検出原理に従って適切に設計される。例えば図示の例では、磁気応答部材すなわち鋼球３は、隣合う２つの２次巻線２１，２２の配置範囲にほぼ対応する直径を有するように描かれているが、これに限らず、直径寸法の適量の減少又は増加が設計上可能である。
特に図示していないが、ステータ基部１の側面は適宜のガイドフレーム等によって仕切られていてよい。また、ステータ基部１の上面も、柔軟な又は硬質の適宜のカバーで蔽い、該カバーを通して磁気応答部材すなわち鋼球３につながった適宜の操作子（例えばユニバーサルジョイント式の操作子）等の操作によって外部から２次元運動を磁気応答部材（例えば鋼球）３に与えられえるようになっていてよい。勿論、検出対象たる２次元運動を磁気応答部材（鋼球）３又はステータ基部１に対して伝達するメカニズムはこれに限らず、用途に応じて適宜に設計してよい。
【００１０】
上記の構成において、検出対象の２次元的運動に応じて、鋼球３がステータ基部１に対して相対的に変位し、この変位位置のＸ軸成分がＸ軸検出部１Ｘにて検出され、Ｙ軸成分がＹ軸検出部１Ｙにて検出される。各検出部１Ｘ，１Ｙでは、レゾルバタイプの位置検出原理に従って、位置検出出力を生じる。
レゾルバタイプの位置検出原理について、Ｘ軸検出部１Ｘを例にして説明すると、鋼球３の各２次巻線２１〜２４に対する対応位置が変化することにより、１次巻線と各２次巻線２１〜２４間の磁気結合が該検出対象位置に応じて変化され、これにより、該検出対象位置に応じて振幅変調された誘導出力交流信号が、各２次巻線２１〜２４の配置のずれに応じて異なる振幅関数特性で、各２次巻線２１〜２４に誘起される。各２次巻線２１〜２４に誘起される各誘導出力交流信号は、１次巻線が１相の交流信号によって共通に励磁されるが故に、その電気的位相が同相であり、その振幅関数が鋼球３の各２次巻線に対する接近または遠ざかりに従ってそれぞれ変化する。なお、図１（ａ）において各巻線の巻軸方向（磁束の方向）は紙面に垂直な方向である。
【００１１】
レゾルバ原理を採用する場合は、検出部１Ｘにおける４つの２次巻線２１〜２４に生じる誘導出力交流信号の振幅関数が、サイン関数（図でｓを付記する）、コサイン関数（図でｃを付記する）、マイナス・サイン関数（図で／ｓ（ｓバー）を付記する）、マイナス・コサイン関数（図で／ｃ（ｃバー）を付記する）、にそれぞれ相当するものとなるように、各２次巻線２１〜２４の配置間隔と磁気応答部材３（すなわち鋼球）のサイズを、設定する。種々の条件によって、各巻線の配置は微妙に変わり得るし、磁気応答部材（鋼球）３のサイズも変わりうるので、希望の関数特性が得られるように各巻線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次巻線２１〜２４の配置と磁気応答部材（鋼球）３のサイズは重要ではあるが、絶対的精度を要求されるわけではなく、設計上適宜に設定若しくは変更できる。
Ｙ軸検出部１Ｙについても同様であり、４つの２次巻線２５〜２８に生じる誘導出力交流信号の振幅関数が、サイン関数（ｓ）、コサイン関数（ｃ）、マイナス・サイン関数（／ｓ）、マイナス・コサイン関数（／ｃ）、にそれぞれ相当するものとなるように、配置されている。
なお、明細書中では、表記の都合上、反転を示すバー記号は「／（スラッシュ）」で記載するが、これは、図中のバー記号に対応している。
【００１２】
図２は、検出部１Ｘにおける１次及び２次巻線の回路図であり、１次巻線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次巻線の励磁に応じて、鋼球３の２次元面におけるＸ軸成分位置に応じた振幅値を持つ交流信号が各２次巻線２１〜２４に誘導される。夫々の誘導電圧レベルは該Ｘ軸成分位置に対応して２相の関数特性sinθ，cosθ及びその逆相の関数特性−sinθ，−cosθを示す。すなわち、各２次巻線２１〜２４の誘導出力信号は、該Ｘ軸成分位置に対応して２相の関数特性sinθ，cosθ及びその逆相の関数特性−sinθ，−cosθで振幅変調された状態で夫々出力される。なお、θは該Ｘ軸成分位置に比例しており、例えば、θ＝２π（ｘ／ｐ）のような関係である。ここで、ｘはＸ軸成分位置、ｐは上記関数の１周期に相当する長さである。説明の便宜上、巻線の巻数等、その他の条件に従う係数は省略し、２次巻線２１をサイン相として、その出力信号を「sinθ・sinωｔ」で示し、２次巻線２２をコサイン相として、その出力信号を「cosθ・sinωｔ」で示す。また、２次巻線２３をマイナス・サイン相として、その出力信号を「−sinθ・sinωｔ」で示し、２次巻線２４をマイナス・コサイン相として、その出力信号を「−cosθ・sinωｔ」で示す。サイン相とマイナス・サイン相の誘導出力を差動的に合成することによりサイン関数の振幅関数を持つ第１の出力交流信号Ａ（＝２sinθ・sinωｔ）が得られる。また、コサイン相とマイナス・コサイン相の誘導出力を差動的に合成することによりコサイン関数の振幅関数を持つ第２の出力交流信号Ｂ（＝２cosθ・sinωｔ）が得られる。なお、表現の簡略化のために、係数「２」を省略して、以下では、第１の出力交流信号Ａを「sinθ・sinωｔ」で表わし、第２の出力交流信号Ｂを「cosθ・sinωｔ」で表わす。
【００１３】
こうして、Ｘ軸成分位置ｘに対応する第１の関数値sinθを振幅値として持つ第１の出力交流信号Ａ＝sinθ・sinωｔと、同じＸ軸成分位置ｘに対応する第２の関数値cosθを振幅値として持つ第２の出力交流信号Ｂ＝cosθ・sinωｔとが出力される。このような巻線構成によれば、回転型位置検出装置として従来知られたレゾルバにおいて得られるのと同様の、同相交流であって２相の振幅関数を持つ２つの出力交流信号Ａ，Ｂ（サイン出力とコサイン出力）をＸ軸検出部１Ｘにおいて得ることができることが理解できる。
このＸ軸検出部１Ｘから出力される２相の出力交流信号（Ａ＝sinθ・sinωｔとＢ＝cosθ・sinωｔ）は、従来知られたレゾルバの出力と同様の使い方をすることができる。例えば、図２に示すように、検出部１Ｘの出力交流信号Ａ，Ｂを適切なディジタル位相検出回路４０に入力し、前記サイン関数sinθとコサイン関数cosθの位相値θをディジタル位相検出方式によって検出し、Ｘ軸成分位置ｘのディジタルデータＤｘを得るようにすることができる。ディジタル位相検出回路４０で採用するディジタル位相検出方式としては、公知のＲ−Ｄ（レゾルバ−ディジタル）コンバータを適用してもよいし、本発明者らによって開発済の新方式を採用してもよい。この新方式については本書では特に述べない。
【００１４】
Ｙ軸検出部１Ｙについても、図２と同様に１次及び２次巻線回路を構成し、Ｙ軸成分位置を示すレゾルバタイプの２相出力交流信号を出力するようにすることができる。そして、上記と同様に、ディジタル位相検出方式を採用することにより、Ｙ軸成分位置を示すディジタルデータＤｙを得るようにすることができる。こうして、Ｘ軸検出部１ＸとＹ軸検出部１Ｙからそれぞれ得られるＸ軸成分位置とＹ軸成分位置のデータＤｘ，Ｄｙの組合せにより、検出した２次元位置を同定することができる。
【００１５】
ところで、図１の配置では、Ｘ軸検出部１ＸとＹ軸検出部１Ｙの極配列（巻線配列）が線状に交差した配列であるため、検出可能な２次元位置の範囲が制限されてくる可能性がある。すなわち、線状に交差して配列されたＸ軸検出部１ＸまたはＹ軸検出部１Ｙから比較的離れた位置では、検出感度が相対的に低下するおそれがある。制限された範囲での２次元位置が可能でありさえすればよい場合は、これでも問題ないが、検出装置の用途によっては、検出可能な２次元位置の範囲をもっと拡張したほうがよい場合がある。
検出可能な２次元位置の範囲をより一層拡張するためには、Ｘ軸検出部とＹ軸検出部の極配列（巻線配列）が面状に交差するように配置すればよい。以下、そのような実施例のいくつかについて説明する。
【００１６】
図３及び図４は、同一極を列状に伸ばして配置した例を示す。すなわち、Ｘ軸検出部における個々の極が、Ｙ軸方向に列を成して構成されており、Ｙ軸検出部における個々の極が、Ｘ軸方向に列を成して構成されている。詳しくは、Ｘ軸検出部におけるサイン極ＳＸ、コサイン極ＣＸ、マイナス・サイン極／ＳＸ、マイナス・コサイン極／ＣＸのそれぞれがＹ軸方向に列を成して構成されており、Ｙ軸検出部におけるサイン極ＳＹ、コサイン極ＣＹ、マイナス・サイン極／ＳＹ、マイナス・コサイン極／ＣＹのそれぞれがＸ軸方向に列を成して構成されている。図３は、それぞれの極列が、複数（図では３個）の同相の２次巻線（ｓ，ｃ，／ｓ，／ｃで示す）を該列に沿って配置してなる例を示す。勿論、１つの列を成す複数（図では３個）の同相の２次巻線は電気的に直列接続されて、１つの極の出力信号を生じる。図４は、それぞれの極列が、１個の２次巻線（ｓ，ｃ，／ｓ，／ｃで示す）を該列に沿う細長リング状に巻回して配置してなる例を示す。図３及び図４共に、ステータ基部１のほぼ全域にわたる範囲で、磁気応答部材すなわち鋼球３のＸ軸成分位置とＹ軸成分位置とを感度良く検出できることが容易に理解できるであろう。
【００１７】
図５は、基本的には図３，図４と同様に、同一極を列状に伸ばして配置した例を示すものであるが、Ｘ軸検出部及びＹ軸検出部の各２次巻線をそれぞれ同一座標位置において重複して（二重に）配置してなるものである。図５では、図示の都合上、１つの座標位置において１つの丸を描き、この１つの丸を半円に分けて、上の半円にＸ軸検出部の極の属性（つまり、サイン、コサイン、マイナス・サイン、マイナス・コサインをそれぞれ示すｓ，ｃ，／ｓ，／ｃの符号）を示し、下の半円にＹ軸検出部の極の属性（ｓ，ｃ，／ｓ，／ｃ）を示しているが、これは、当該座標位置においてＸ軸検出部の２次巻線とＹ軸検出部の２次巻線とが重複して（二重に）配置されていることを示す。また、図５は、図３，４と同様に、Ｘ軸検出部におけるサイン極ＳＸ、コサイン極ＣＸ、マイナス・サイン極／ＳＸ、マイナス・コサイン極／ＣＸのそれぞれがＹ軸方向に列を成して構成され、Ｙ軸検出部におけるサイン極ＳＹ、コサイン極ＣＹ、マイナス・サイン極／ＳＹ、マイナス・コサイン極／ＣＹのそれぞれがＸ軸方向に列を成して構成されているのと等価である。この場合も、各検出部における１つの極に対応する１列を成す複数（図では４個）の同相の２次巻線は電気的に直列接続されて、当該１つの極の出力信号を生じる。
【００１８】
図６（ａ）は、Ｘ軸検出部１Ｘ及びＹ軸検出部１Ｙの各極毎の２次巻線２１’〜２４’及び２５’〜２８’を扇状に配置した例を示す。ダッシュ符号を付した各２次巻線２１’〜２４’及び２５’〜２８’は、図１（ａ）におけるダッシュ符号を付していない同一符号の２次巻線２１〜２４及び２５〜２８に対応しており、同様の技術的意義を持っている。図１（ａ）の配置と異なる点は、各２次巻線２１’〜２４’及び２５’〜２８’が図示のような扇状の配置からなっている点である。このような各極の扇状の配置は、例えば２次巻線２１’の極（Ｘ軸検出部のサイン極）について示すと、図６（ｂ）に示すように１つの２次巻線を所定の扇状に巻回して構成してもよいし、図６（ｃ）に示すように複数の２次巻線を所定の扇状に並べて構成してもよい。図６（ｃ）のように複数の２次巻線によって１つの極を構成する場合は、前述と同様に、これらの同相の２次巻線を直列接続して当該極についての１つの出力信号を生じるようにする。図６の例においても、ステータ基部１のほぼ全域にわたる範囲で、磁気応答部材すなわち鋼球３のＸ軸成分位置とＹ軸成分位置とを感度良く検出できる。
【００１９】
上記各実施例は、Ｘ軸検出部とＹ軸検出部とがそれぞれレゾルバタイプの２相出力交流信号を生じるものであり、位相検出方式に適しているものである。これに限らず、差動変圧器原理に基づく構成を用いてＸ軸成分及びＹ軸成分の位置検出を行うようにしてもよい。その場合は、次に示すように、巻線構成を簡略化できる。
図７は、差動トランス原理に基づく電圧検出方式に係る構成の基本形を示す。Ｘ軸検出部１０Ｘは、Ｘ軸方向に等間隔で配置された２つの極を含み、各極は少なくとも２次巻線５１，５２を有しており、各２次巻線５１，５２は逆相直列接続されている。すなわち、一方の２次巻線５１の極をサイン極（ｓ）とすると、他方の２次巻線５２の極はマイナス・サイン極（／ｓ）である。Ｙ軸検出部１０Ｙは、Ｙ軸方向に等間隔で配置された２つの極を含み、各極は少なくとも２次巻線６１，６２を有しており、各２次巻線６１，６２は逆相直列接続されている。すなわち、一方の２次巻線６１の極をコサイン極（ｃ）とすると、他方の２次巻線６２の極はマイナス・コサイン極（／ｃ）である。なお、差動トランス原理に基づく構成におけるサイン極、コサイン極等の呼び名は、前記レゾルバ方式の場合のような重要な意味をもたず、Ｘ軸検出部とＹ軸検出部を便宜的に区別するために使用している。１次巻線の配置は、その励起した磁界を対応する各２次巻線に及ぼすことができるような配置であれば適宜の配置であってよい。また、前記と同様に、ステータ基部１の上に、その表面上を任意に移動しうるように、所定のサイズの磁気応答部材（例えば鋼球）３が設けられている。
【００２０】
この構成によって、Ｘ軸検出部１０Ｘでは、ステータ基部１に対する磁気応答部材（鋼球）３の２次元位置のＸ軸成分の位置に対応するピーク電圧レベルを持つ出力交流信号が、２次巻線５１，５２の差動出力信号として、得られる。また、Ｙ軸検出部１０Ｙでは、ステータ基部１に対する磁気応答部材（鋼球）３の２次元位置のＹ軸成分の位置に対応するピーク電圧レベルを持つ出力交流信号が、２次巻線６１，６２の差動出力信号として、得られる。各検出部１０Ｘ，１０Ｙの出力交流信号を整流することにより、Ｘ軸成分位置及びＹ軸成分位置を示すアナログ電圧信号をそれぞれ得ることができ、両者の組合せにより２次元位置を同定することができる。
【００２１】
図１の基本形に対する図３〜図６に示したような変形と同様の変形を、図７の基本形に対しても施すことができる。その例を示すと次のようである。
図８は、図７のような基本形からなる差動トランス原理に基づくＸ軸検出部及びＹ軸検出部を変形して、同一極につき複数の（図では２個）の２次巻線を列状に配置し、かつ、図５と同様に、Ｘ軸検出部及びＹ軸検出部の各２次巻線をそれぞれ同一座標位置において重複して（二重に）配置してなるものである。図８においても、図５と同様に、１つの座標位置に対応して示された１つの丸において、上の半円にＸ軸検出部の極の属性（ｓ，／ｓ）を示し、下の半円にＹ軸検出部の極の属性（ｃ，／ｃ）を示している。ここから明らかなように、Ｘ軸検出部におけるサイン極ＳＸとマイナス・サイン極／ＳＸのそれぞれがＹ軸方向に列を成した２個の２次巻線によって構成され、Ｙ軸検出部におけるコサイン極ＣＹとマイナス・コサイン極／ＣＹのそれぞれがＸ軸方向に列を成した２個の２次巻線によって構成されている。この場合も、各検出部における１つの極に対応する１列を成す複数（図では２個）の同相の２次巻線は電気的に直列接続されて、当該１つの極（例えばＳＸ）の出力信号を生じ、更に対応するもう一方の極（例えば／ＳＸ）の出力信号と差動合成される。
図９は、図８の変形例であり、図８に示された４つの座標位置を、それぞれ４つの細座標位置に分割し、各４つの細座標位置においてそれぞれ同相の２次巻線を設けたものである。
【００２２】
図１０は、図７のような基本形からなる差動トランス原理に基づくＸ軸検出部及びＹ軸検出部を変形して、図６と同様に、Ｘ軸検出部１０Ｘ及びＹ軸検出部１０Ｙの各極毎の２次巻線５１’，５２’及び６１’，６２’を扇状に配置した例を示す。この場合も、図６と同様に、１つの極において１つの２次巻線を所定の扇状に巻回して構成してもよいし、あるいは、１つの極において複数の２次巻線を所定の扇状に並べて構成し同一極の各２次巻線を同相直列接続するようにしてもよい。
【００２３】
なお、磁気応答部材３の形状は、上記実施例のような球体に限らず、円板あるいはその他任意の形状であってよい。また、材質も、鉄等の磁性体に限らず、銅のような良導電体であってもよい。良導電体を磁気応答部材として使用した場合は渦電流損によって磁気抵抗変化が得られ、１次及び２次巻線間の結合係数が変化されることは既に知られている。また、磁性体と良導電体の組合せによって、相補的に磁気結合係数の変化率を高めて検出感度を向上させることも知られているので、これを採用してもよい。また、磁気応答部材３の形状を球体とする場合も、完全な球として手等による操作に応じてステータ基部１上で転がり移動するようにしてもよいし、あるいは球の所定箇所に操作レバー等を固定して該レバーを操作することによって２次元面上でスライド移動させるようにしてもよい。
【００２４】
更に、上記実施例では、すべての１次巻線を同相（１相）励磁する例について説明したが、サイン相とコサイン相のように電気的位相の異なる複数相の励磁信号によって各１次巻線を別々に励磁する位相シフト方式の位置検出装置が既に公知であるから、そのような位相シフト方式に従う位置検出原理を本発明において利用してもよい。その場合、レゾルバで知られているように、１次巻線と２次巻線の関係は逆になる。
上記の各実施例においては、ステータ基部１が、完全に平面であるとしているが、図１１に側面図で示すように、凹面状（または凸面状）に適度にわん曲していてもよい。そのようなわん曲面に沿う２次元位置を検出し得るようにするためには、磁気応答部材３として鋼球を使用することは、曲面に沿う移動を容易にするので極めて有利である。
【００２５】
また、上記のように凹面状にわん曲した２次元位置を検出する場合、磁気応答部材３としては、固定形状の物体に限らず、非固定形状の物体（流体又は粉体）であってもよい。図１２（ａ）は、凹面状にわん曲した容器状のステータ基部１に、磁気応答部材として、比較的少量の磁性流体３ａを収納した例を示す。図１２（ｂ）は、凹面状にわん曲した容器状のステータ基部１に、磁気応答部材として、比較的少量の磁性粉体３ｂを収納した例を示す。これらの場合は、検出対象の２次元的変位運動はステータ基部１に対して及ぼされるようにし、磁性流体３ａ又は磁性粉体３ｂからなる磁気応答部材は、ステータ基部１に対して及ぼされる加速度的な２次元運動に対して、過渡的現象として、自重によって残留することになる。これによって磁気応答部材３ａ，３ｂとステータ基部１との相対位置関係が変化し、加速度的な若しくは過渡的な２次元運動についての２次元位置を検出することができる。このような検出形態は、一般にアブソリュート位置検出として知られている静的な絶対位置を検出する考え方とは幾分異なることになるが、用途によっては大いに実用性を期待することができるものである。すなわち、加速度的な、若しくは過渡的に時間変化する、２次元運動が加えられたときに、その変位の軌跡や最大変位量や変位方向を検出する場合において、有利に応用可能である。
【００２６】
なお、上記各実施例において、Ｘ軸検出部とＹ軸検出部から得られるＸ軸成分位置検出信号及びＹ軸成分位置検出信号は、アブソリュート位置を示すものとしているが、これに限らず、応用目的に応じて、インクリメンタルパルス信号に変換して出力するようにしてもよい。例えば、アブソリュート位置を示すディジタル又はアナログデータの時間的変化に応答してインクリメンタルパルス信号を生成する回路を付加すればよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、夫々が誘導型検出要素であるＸ軸検出部とＹ軸検出部とを２次元面上で交差して配置してなり、Ｘ及びＹ軸方向に関して所定のサイズを有すると共に１次及び２次巻線による電磁誘導結合を変化させる材質を含んで構成されてなる１つの磁気応答部材を、該基部に対してＸ及びＹ軸方向に相対的に変位可能に配置したので、基部の２次元面に対する磁気応答部材の相対的位置に応じてＸ軸検出部及びＹ軸検出部の各極における電磁誘導結合が可変的に定まり、これに応じたＸ軸成分位置とＹ軸成分位置とをＸ軸検出部及びＹ軸検出部により検出することができるので、これらの組合せによって２次元位置検出を行うことができる、という優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る２次元位置検出装置の一実施形態をレゾルバ原理に従って構成した基本例を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図２】 図１における１軸分の検出部の１次及び２次巻線の回路例及び２次巻線出力に基づく位置検出回路の構成例を示す回路図。
【図３】 図１に示された基本例の変形例を示す平面図。
【図４】 図１に示された基本例の別の変形例を示す平面図。
【図５】 図１に示された基本例の更に別の変形例を示す平面図。
【図６】 図１に示された基本例の更に別の変形例を示すものであって、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのうち１つの極の２次巻線構成例を示す平面図、（ｃ）は同１つの極の別の２次巻線構成例を示す平面図。
【図７】 本発明に係る２次元位置検出装置の別の実施形態を差動トランス原理に従って構成した基本形を示す平面図。
【図８】 図７に示された基本形の変形例を示す平面図。
【図９】 図８の変形例を示す平面図。
【図１０】 図７に示された基本形の別の変形例を示す平面図。
【図１１】 本発明に係る２次元位置検出装置におけるステータ基部が幾分わん曲している例を示す側面断面図。
【図１２】 図１１のようにステータ基部が幾分わん曲している場合において、磁気応答部材として、磁性流体または磁性粉体を使用できることを示す側面断面図。
【符号の説明】
１ ステータ基部
１Ｘ，１０Ｘ Ｘ軸検出部
１Ｙ，１０Ｙ Ｙ軸検出部
２１〜２８，２１’〜２８’，５１，５２，６１，６２，５１’，５２’，６１’，６２’ ２次巻線
３ 磁気応答部材（鋼球）
Claims (8)
- Ｘ軸方向に沿って配置された複数の極を含み、各極は交流励磁に応じて出力を生じる巻線部を有しているＸ軸検出部と、Ｙ軸方向に沿って配置された複数の極を含み、各極は交流励磁に応じて出力を生じる巻線部を有しているＹ軸検出部とを、２次元面上で交差して配置してなる基部と、
前記基部に対してＸ及びＹ軸方向に相対的に変位するものであり、所定の磁気応答材質を含んで構成されてなる磁気応答部材と
を一体的に具備してなり、検出対象たる２次元運動を前記磁気応答部材又は前記基部に伝達し、前記基部の２次元面に対する前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＸ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とを前記Ｘ軸検出部及びＹ軸検出部から夫々出力することにより前記２次元運動に応じた検出を行なうことを特徴とする誘導型２次元位置検出装置であって、
前記Ｘ軸検出部は、Ｘ軸方向に沿って配置された複数の極を構成する第１の巻線グループで構成され、前記第１の巻線グループは、前記Ｘ軸方向に沿う前記磁気応答部材の相対的位置に関してサイン相、コサイン相、マイナスサイン相及びマイナスコサイン相の特性を示す４極の巻線で構成され、サイン相とマイナスサイン相の出力を差動合成してサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置され、また、コサイン相とマイナスコサイン相の出力を差動合成してコサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置されてなり、更に、これらのサイン相及びコサイン相の出力交流信号に基づき前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＸ軸成分位置検出信号を生成する第 1 の検出手段を該第１の巻線グループに対応して具備し、
前記Ｙ軸検出部は、Ｙ軸方向に沿って配置された複数の極を構成する第２の巻線グループで構成され、前記第２の巻線グループは、前記Ｙ軸方向に沿う前記磁気応答部材の相対的位置に関してサイン相、コサイン相、マイナスサイン相及びマイナスコサイン相の特性を示す４極の巻線で構成され、サイン相とマイナスサイン相の出力を差動合成してサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置され、また、コサイン相とマイナスコサイン相の出力を差動合成してコサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号を生ずるよう配置されてなり、更に、これらのサイン相及びコサイン相の出力交流信号に基づき前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＹ軸成分位置検出信号を生成する第２の検出手段を該第２の巻線グループに対応して具備することを特徴とする誘導型２次元位置検出装置。 - 前記Ｘ軸検出部における個々の極が、Ｙ軸方向に列を成して構成されて、前記Ｙ軸検出部における個々の極が、Ｘ軸方向に列を成して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の誘導型２次元位置検出装置。
- 前記Ｘ軸検出部とＹ軸検出部とが前記２次元面上の１点で交差し、各極が略扇形状の広がりを持つことを特徴とする請求項１に記載の誘導型２次元位置検出装置。
- 前記第１および第２の検出手段は、前記サイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号とコサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号とに基づき、該サイン相の振幅関数及びコサイン相の振幅関数の位相値を検出し、前記磁気応答部材の相対的位置に応じた位相値検出データを得るものである請求項１に記載の誘導型２次元位置検出装置。
- 前記Ｘ軸検出部及びＹ軸検出部の夫々は、１相の交流信号によって励磁される請求項１乃至４のいずれかに記載の誘導型２次元位置検出装置。
- 前記磁気応答部材は、球形状を成したものである請求項１乃至５のいずれかに記載の誘導型２次元位置検出装置。
- 前記磁気応答部材は人手によって操作される操作子に連結されており、該操作子の２次元的操作を検出するものである請求項１乃至６のいずれかに記載の誘導型２次元位置検出装置。
- 前記基部はわん曲面を有しており、前記磁気応答部材は、非固定形状の物体からなるものである請求項１乃至６のいずれかに記載の誘導型２次元位置検出装置。
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