JP4875110B2 - 空間情報検出システム及びその検出方法並びに空間情報検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、空間情報検出システム及びその検出方法並びに空間情報検出装置に関し、より詳細には、交流磁場を利用して連続的に測定ができ、また、周波数の設定の自由度が大きく、さらに、構成が簡単な空間情報検出システム及びその検出方法並びに空間情報検出装置に関する。

近年、情報端末の位置や姿勢を検出する空間情報検出システムのニーズが高まってきている。例えば、モーションキャプチャにおけるヘッドマウントディスプレイのような可動体の向きを検出するための空間情報検出システムや、医療機器の分野において、挿入型の内視鏡やカプセル内視鏡のように目視できない場所にある情報端末の方向を計測する空間情報検出システムなどが挙げられる。

これら情報端末の位置や姿勢を検出する空間情報検出方法として、交流磁場を利用する方法がある。そのとき、交流磁場の発生する向きと測定に利用される磁気センサの向きが問題となる。例えば、磁気センサに磁場が入射してくると出力信号が増大する方向（以下、磁気センサの正方向という）が、交流磁場の正方向と同方向である場合に測定する交流信号と、磁気センサの正方向が交流磁場の正方向と反対の向きである場合に測定する交流信号は、見かけ上は区別ができない。

図３１Ａ及び図３１Ｂは、磁気センサの正方向が正弦波状の交流磁場の入射方向に対して同方向の場合（図３１Ａ）と反対方向の場合（図３１Ｂ）に測定された出力信号の様子を示す図である。図３１Ａ及び図３１Ｂ共に、出力信号は正弦波となり、半波長分ずれた状態であるだけで、信号を適当な瞬間から連続的に取得している場合には交流磁場がどちらの方向から入射してきたか区別できない。従って、信号強度（振幅）だけを検出しても磁気センサの向きを判断し、振幅について正負の符号を持たせることはできない（符号とは、図３１Ａのように磁気センサの正方向が交流磁場の入射方向と同じであれば正の符号（＋）、図３１Ｂのように磁気センサの正方向が交流磁場の入射方向と反対であれば負の符号（−）と定義する）。すなわち、振幅の符号を手がかりに、磁気センサの向きを判断できない。

このような問題を解決するため、例えば、特許文献１では、発生コイルから正弦波Ａと正弦波Ｂを重ね合わせた磁場を発生させ、受信コイルで磁場を計測し、正弦波Ａと正弦波Ｂを周波数帯域ごとに分離し、それぞれの信号を同期して比較することで発生コイルが磁場を出力した方向と受信コイルの向きとを判断していた。

また、カプセル内視鏡の開発では、例えば、非特許文献１のように、発生コイルでの交流磁場の発生に同期させて、受信コイルで磁場を検出し、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ；高速フーリエ変換）演算を施すことによって各周波数の信号強度（振幅）を検出し、また、信号検出時からＦＦＴ演算を施すまでのデータから位相を算出し、同じ時間を基準とすると磁気センサの向きと磁場の向きが同方向と反対方向の場合で位相がπずれていることから、検出した交流磁場の振幅の符号を決定していた。

特開平号公報 特開平号公報 特開２００６−２１４９７９号公報 特開２００４−１８４３４１号公報 特開平１１−７３６００号公報 特開２００３−６５７９１号公報 特開平８−２７８１３７号公報 ＷＯ２００４／００３４７６

生体医工学 ４１−４，２３９／２４９（２００３）

しかしながら、上述した特許文献１に記載された方法では、正弦波Ａが正出力を行っている場合に同期して間欠的に正弦波Ｂを重ね合わせるという複雑な構成が必要である。また、受信コイルごとにそれぞれの周波数を分離するための帯域の決まったフィルタが必要であり、さらに正弦波Ａと正弦波Ｂに利用する周波数が１０倍以上異なっている必要もあり、周波数の設定の自由度が低いという問題があった。また、システム構成として、発生コイルが動く構成となっており、磁場を発生させるための電源を情報端末へ搭載せねばならず、最近の情報端末に必須な小型化と省電力を図りにくいという問題があった。

また、上述した非特許文献１に記載された方法では、同じ時間からの位相を検出するために、交流磁場の発生と同期して信号を測定しなければならず、そのためのトリガ（同期信号）を必要とし、連続的な測定を行うことが難しいという問題があった。

その他、交流信号を利用した空間情報検出装置については、例えば、特許文献２のような音波の方向や、特許文献３のような一定間隔に置かれたコイルからの交流磁場を受けて車両の幅方向の位置を検出するような技術も見受けられる。この特許文献２では、別の位置にある２つの素子が受信した波形の位相差から方向を検出し、特許文献３は別の位置にある２つの素子が受信した波形の振幅から幅方向の位置を検出するものであるが、どちらも検出方向の範囲が限られており、最近の情報端末の要求する３６０度の方向を検出するのには適していなかった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、交流磁場を利用して連続的に測定ができ、また、周波数の設定の自由度が大きく、さらに、構成が簡単な空間情報検出システム及びその検出方法並びに空間情報検出装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、本発明の請求項１に記載の空間情報検出システムは、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流磁場を発生する磁場発生部と、該磁場発生部から発生された磁場を検出する多軸の磁気センサを有する磁場検出部と、該磁場検出部の各軸の出力信号に基づいて、前記各軸における前記複数の周波数成分中の位相と振幅を算出するフーリエ変換部と、該フーリエ変換部からの出力信号に基づいて、前記各軸の前記複数の周波数成分の位相関係から前記各軸の振幅について符号を算出し、該符号と前記振幅から前記交流磁場の向きと大きさを表す磁場ベクトルを算出する磁場ベクトル算出部とを備えたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記磁場検出部の姿勢を検出する姿勢検出部と、該姿勢検出部の出力信号と前記磁場ベクトル算出部の出力信号とから、前記磁場検出部の姿勢情報と位置情報を算出する位置・姿勢算出部とを備えたことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記磁場検出部が、前記交流磁場に加え、直流磁場を検出する多軸の磁気センサを有し、前記フーリエ変換部は、前記各軸における前記複数の周波数成分中の位相と振幅に加え、前記各軸における直流成分の振幅を算出し、前記磁場ベクトル算出部が、前記交流磁場に基づく磁場ベクトルに加え、前記直流成分の振幅から前記直流磁場の向きと大きさを表す直流磁場ベクトルを算出し、前記位置・姿勢算出部が、前記姿勢検出部からの出力信号と、前記直流磁場ベクトルから前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場発生部からの交流磁場に基づく磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出することを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記直流磁場は、地磁気であることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記磁場発生部が、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知であり、位置によって磁場の向きまたは大きさが異なる交流の不均一磁場を少なくとも１つ発生させることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記不均一磁場が、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の勾配磁場であることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記磁場発生部が、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の均一磁場と、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知であり、位置によって磁場の向きまたは大きさが異なる交流の不均一磁場とを発生させ、前記磁場検出部が、前記均一磁場と、前記不均一磁場とを検出し、前記磁場ベクトル算出部が、前記フーリエ変換部からの出力信号に基づいて、前記各軸の前記複数の周波数成分の位相関係から、前記均一磁場および前記不均一磁場に対する前記各軸の振幅について符号を算出するとともに、前記各軸の振幅と前記符号から前記均一磁場及び不均一磁場の向きと大きさを表す均一磁場ベクトル及び不均一磁場ベクトルを算出し、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記均一磁場ベクトルから前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記不均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出する位置・姿勢算出部を有することを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記磁場検出部の姿勢を検出する姿勢検出部を備え、前記位置・姿勢算出部が、前記姿勢検出部からの出力と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記不均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出することを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記磁場検出部が、前記均一磁場と前記不均一磁場に加え、直流磁場を検出する多軸の磁気センサを有し、前記フーリエ変換部は、前記各軸における前記複数の周波数成分中の位相と振幅に加え、前記各軸における直流成分の振幅を算出し、前記磁場ベクトル算出部が、前記均一磁場ベクトル及び前記不均一磁場ベクトルに加え、前記直流成分の振幅から前記直流磁場の向きと大きさを表す直流磁場ベクトルを算出し、前記位置・姿勢算出部が、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記均一磁場ベクトルと、前記直流磁場ベクトルとから、前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記不均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出することを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、前記直流磁場は、地磁気であることを特徴とする。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項７乃至１０のいずれかに記載の発明において、前記不均一磁場は、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の勾配磁場であることを特徴とする。

また、請求項１２に記載の発明は、請求項７乃至１１のいずれかに記載の発明において、前記磁場発生部は、前記均一磁場と、前記不均一磁場とを重ね合わせて発生させるコイルを有することを特徴とする。

また、請求項１３に記載の発明は、請求項１乃至１２のいずれかに記載の発明において、前記複数の周波数成分の整数比が、偶数対奇数であることを特徴とする。

また、請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載の発明において、前記整数比が、２対１であることを特徴とする。

また、本発明の請求項１５に記載の空間情報検出方法は、多軸の磁気センサを有する磁場検出部を用いて、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流磁場を検出する磁場検出ステップと、該磁場検出ステップからの各軸の出力信号に基づいて、前記各軸における前記複数の周波数成分中の位相と振幅を算出するフーリエ変換ステップと、該フーリエ変換ステップからの出力信号に基づいて、前記各軸の前記複数の周波数成分の位相関係から前記各軸の振幅について符号を算出し、該符号と前記振幅から前記交流磁場の向きと大きさを表す磁場ベクトルを算出する磁場ベクトル算出ステップとを有することを特徴とする。

また、請求項１６に記載の発明は、請求項１５に記載の発明において、前記磁場検出部の姿勢を検出する姿勢検出ステップと、前記姿勢検出ステップの出力信号と前記磁場ベクトル算出ステップの出力信号とから、前記磁場検出部の姿勢情報と位置情報を算出する位置・姿勢算出ステップとを有することを特徴とする。

また、請求項１７に記載の発明は、請求項１６に記載の発明において、前記磁場検出ステップが、前記交流磁場に加え、直流磁場を検出し、前記フーリエ変換ステップは、前記各軸における前記複数の周波数成分中の位相と振幅に加え、前記各軸における直流成分の振幅を算出し、前記磁場ベクトル算出ステップが、前記交流磁場に基づく磁場ベクトルに加え、前記直流成分の振幅から前記直流磁場の向きと大きさを表す直流磁場ベクトルを算出し、前記位置・姿勢算出ステップが、前記姿勢検出ステップからの出力信号と、前記直流磁場ベクトルから前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と前記交流磁場に基づく磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出することを特徴とする。

また、請求項１８に記載の発明は、請求項１５に記載の発明において、前記磁場検出ステップが、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の均一磁場と、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知であり、位置によって磁場の向きまたは大きさが異なる交流の不均一磁場とを検出し、前記磁場ベクトル算出ステップが、前記フーリエ変換ステップからの出力信号に基づいて、前記各軸の前記複数の周波数成分の位相関係から、前記均一磁場に加え、前記不均一磁場に対する前記各軸の振幅について符号を算出し、前記各軸の振幅と前記符号から前記均一磁場及び不均一磁場の向きと大きさを表す均一磁場ベクトル及び不均一磁場ベクトルを算出し、前記磁場ベクトル算出ステップから出力される前記均一磁場ベクトルから前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場ベクトル算出ステップから出力される前記不均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出する位置・姿勢算出ステップを有することを特徴とする。

また、請求項１９に記載の発明は、請求項１８に記載の発明において、前記磁場検出部の姿勢を検出する姿勢検出ステップを有し、前記位置・姿勢算出ステップが、前記姿勢検出ステップからの出力と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場ベクトル算出ステップから出力される前記不均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出することを特徴とする。

また、請求項２０に記載の発明は、請求項１８に記載の発明において、前記磁場検出ステップが、前記均一磁場及び前記不均一磁場に加え、直流磁場を検出し、前記フーリエ変換ステップは、前記各軸における前記複数の周波数成分中の位相と振幅に加え、前記各軸における直流成分の振幅を算出し、前記磁場ベクトル算出ステップが、前記均一磁場ベクトル及び前記不均一磁場ベクトルに加え、前記直流成分の振幅から前記直流磁場の向きと大きさを表す直流磁場ベクトルを算出し、前記位置・姿勢算出ステップが、前記磁場ベクトル算出ステップから出力される前記均一磁場ベクトルと、前記直流磁場ベクトルとから、前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記不均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出することを特徴とする。

また、本発明の請求項２１に記載の空間情報検出装置は、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流磁場を発生する磁場発生部から発生された磁場を検出する多軸の磁気センサを有する磁場検出部と、該磁場検出部の各軸の出力信号に基づいて、前記各軸における前記複数の周波数成分中の位相と振幅を算出するフーリエ変換部と、該フーリエ変換部からの出力信号に基づいて、前記各軸の前記複数の周波数成分の位相関係から前記各軸の振幅について符号を算出し、前記符号と前記振幅から前記交流磁場の向きと大きさを表す磁場ベクトルを算出する磁場ベクトル算出部とを備えたことを特徴とする。

また、請求項２２に記載の発明は、請求項２１に記載の発明において、前記磁場検出部の姿勢を検出する姿勢検出部と、前記姿勢検出部の出力信号と前記磁場ベクトル算出部の出力信号とから、前記磁場検出部の姿勢情報と位置情報を算出する位置・姿勢算出部とを備えたことを特徴とする。

また、請求項２３に記載の発明は、請求項２２に記載の発明において、前記磁場検出部が、前記交流磁場に加え、直流磁場を検出する多軸の磁気センサを有し、前記フーリエ変換部は、前記各軸における前記複数の周波数成分中の位相と振幅に加え、前記各軸における直流成分の振幅を算出し、前記磁場ベクトル算出部が、前記交流磁場に基づく磁場ベクトルに加え、前記直流成分の振幅から前記直流磁場の向きと大きさを表す直流磁場ベクトルを算出し、前記位置・姿勢算出部が、前記姿勢検出部からの出力信号と、前記直流磁場ベクトルとから前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と前記交流磁場に基づく磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出することを特徴とする。

また、請求項２４に記載の発明は、請求項２１に記載の発明において、前記磁場検出部が、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の均一磁場と、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知であり、位置によって磁場の向きまたは大きさが異なる交流の不均一磁場とを発生させる磁場発生部から発生された磁場を検出し、前記磁場ベクトル算出部が、前記フーリエ変換部からの出力信号に基づいて、前記各軸の前記複数の周波数成分の位相関係から、前記均一磁場に加え、前記不均一磁場に対する前記各軸の振幅について符号を算出するとともに、前記各軸の振幅と前記符号から前記均一磁場及び不均一磁場の向きと大きさを表す均一磁場ベクトル及び不均一磁場ベクトルを算出し、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記均一磁場ベクトルから前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記不均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出する位置・姿勢算出部を備えることを特徴とする。

また、請求項２５に記載の発明は、請求項２４に記載の発明において、前記磁場検出部の姿勢を検出する姿勢検出部を備え、前記位置・姿勢算出部が、前記姿勢検出部からの出力と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記不均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出することを特徴とする。

また、請求項２６に記載の発明は、請求項２４に記載の発明において、前記磁場検出部が、前記均一磁場と前記不均一磁場に加え、直流磁場を検出する多軸の磁気センサを有し、前記フーリエ変換部は、前記各軸における前記複数の周波数成分中の位相と振幅に加え、前記各軸における直流成分の振幅を算出し、前記磁場ベクトル算出部が、前記均一磁場ベクトル及び前記不均一磁場ベクトルに加え、前記直流成分の振幅から前記直流磁場の向きと大きさを表す直流磁場ベクトルを算出し、前記位置・姿勢算出部が、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記均一磁場ベクトルと、前記直流磁場ベクトルとから、前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記不均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出することを特徴とする。

本発明によれば、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である磁場を発生する磁場発生部と、この磁場発生部から発生された磁場を検出する多軸の磁気センサを有する磁場検出部と、この磁場検出部の各軸の出力信号に基づいて、各軸における複数の周波数成分中の位相と振幅を算出するフーリエ変換部と、このフーリエ変換部からの出力信号に基づいて、各軸の複数の周波数成分の位相関係から前記各軸の振幅について符号を算出し、この符号と振幅から磁場の向きと大きさを表す磁場のベクトルを算出する磁場ベクトル算出部とを備えたので、交流磁場を利用して連続的に測定ができ、また、周波数の設定の自由度が大きく、さらに、構成が簡単な空間情報検出システムを提供することができる。また、同様に、その空間情報検出方法及び空間情報検出装置を提供することができる。

本発明の空間情報検出システムの実施形態１を示す全体構成図である。 本発明の空間情報検出システムにおける情報端末と磁場発生部のコイル座標系を示す図で、情報端末の座標系を示す図である。 本発明の空間情報検出システムにおける情報端末と磁場発生部のコイル座標系を示す図で、磁場発生部のコイルの座標系を示す図である。 本発明の空間情報検出システムにおける情報端末の方向と座標系との関係を示す図である。 本発明の空間情報検出システムにおける実施形態１の空間情報検出装置の具体的な構成ブロック図である。 磁気センサの向きと発生している交流磁場の向きの関係と、第１の周波数成分と第２の周波数成分の位相関係を示す図である。 磁気センサの向きと発生している交流磁場の向きの関係と、第１の周波数成分と第２の周波数成分の位相関係を示す他の図である。 本発明の空間情報検出システムの実施形態１の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。 本発明の空間情報検出システムの実施形態１の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。 １Ｈｚと２Ｈｚのサイン波磁場を重ね合わせた磁場を、方位角センサを磁場と水平に３０度ごと回転して測定したと仮定したシミュレーションの結果を示す図である。 本発明の空間情報検出システムの実施形態２の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。 本発明の空間情報検出システムの実施形態２の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。 ３Ｈｚと８Ｈｚの正弦波磁場を重ね合わせた磁場を、方位角センサを磁場と水平に３０度ごと回転して測定したと仮定したシミュレーションの結果を示す図である。 本発明の空間情報検出システムにおける実施形態３の空間情報検出装置の具体的な構成ブロック図である。 本発明の空間情報検出システムの実施形態３の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。 本発明の空間情報検出システムの実施形態３の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。 本発明の空間情報検出システムの実施形態４を示す全体構成図である。 情報端末の座標系についての説明図である。 本発明の空間情報検出システムにおける実施形態４の空間情報検出装置の具体的な構成ブロック図である。 位置検出用磁場Ｂｐがなす磁場の向きに関して模式的に示す図である。 位置検出磁場発生コイルからの位置検出用磁場ＢｐをＺｇ軸上方から見た様子を示す図である。 本発明の空間情報検出システムの実施形態４の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。 本発明の空間情報検出システムの実施形態５を示す全体構成図である。 本発明の空間情報検出システムの実施形態６を示す全体構成図である。 勾配磁場発生機構についての説明図である。 勾配磁場発生機構についての説明図である。 本発明の空間情報検出システムの実施形態６の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。 本発明の空間情報検出システムの実施形態７を示す全体構成図である。 本発明の空間情報検出システムの実施形態７の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。 本発明の空間情報検出システムの実施形態８を示す全体構成図である。 本発明の空間情報検出システムにおける実施形態８の空間情報検出装置の具体的な構成ブロック図である。 本発明の空間情報検出システムの実施形態８の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。 本発明の空間情報検出システムの実施形態９の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。 本発明の空間情報検出システムの実施形態１０を示す全体構成図である。 本発明の空間情報検出システムの実施形態１０の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。 磁気センサの正方向が正弦波状の交流磁場の入射方向に対して同方向の場合に測定された出力信号の様子を示す図である。 磁気センサの正方向が正弦波状の交流磁場の入射方向に対して反対方向の場合に測定された出力信号の様子を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
本発明において、空間情報とは姿勢、または位置の情報のことを意味している。姿勢とは、自由度の残った一部の姿勢であることもあるし、自由度の残っていない任意姿勢のこともある。

まず、一部の姿勢である方向の検出について以下に説明する。
この方向の検出については、発生磁場の周波数比１：２で３軸磁気センサを使用する場合（実施形態１）、発生磁場の周波数比Ｍ：Ｎで３軸磁気センサを使用する場合（実施形態２）、発生磁場の周波数比Ｍ：Ｎで２軸磁気センサを使用する場合（実施形態３）がある。これらの各実施形態について以下に説明する。実施形態１から３では、発生磁場は１つのコイルから発生する磁場として説明する。1つのコイルから発生する磁場はコイルの中心軸に対称に広がってゆくが、実施形態１から３では、1つの方向へ発生している磁場としてみなせる範囲で情報端末の方向を検出する方法を説明する。つまり、磁場の向きと大きさが一定とみなせる均一磁場として扱える領域、あるいはコイルの中心軸上、あるいは固定した位置に、情報端末があるとした状態での実施形態となっている。

[実施形態１]
＜発生磁場の周波数比１：２で３軸磁気センサを使用する場合＞
図１は、本発明の空間情報検出システムにおける実施形態１を示す全体構成図で、図中符号１は磁場発生部、１ａは電源、１ｂはコイル、２は情報端末、２０は磁場検出部、２１は磁気センサ、３は演算部を示している。この実施形態１は、周波数比１：２で１つの磁場発生部を備え、磁場検出部２０は、３軸の磁気センサ２１を備えたものである。

本発明の空間情報検出システムは、磁場発生部１と、磁場検出部２０と、フーリエ変換部（後述する図４の符号３２）と、磁場ベクトル算出部（後述する図４の符号３３）と、方向算出部（後述する図４の符号３４）を有する演算部３とから構成されている。磁場検出部２０は、方向を検出したい情報端末２に取り付けられているものである。

なお、情報端末２とは、利用者が何らかの情報を得ることのできる部分や部位を意味し、携帯電話，ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ；パーソナルデジタルアシスタント），カプセル内視鏡，内視鏡，ゲーム機など多様なものを意味している。また、演算部３は、例えば、携帯電話，ＰＤＡ，ゲーム機向け，あるいはカプセル内視鏡，内視鏡向けの計測器またはＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ；パーソナルコンピューター）内のＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ；中央演算処理装置）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；デジタルシグナルプロセッサ），マイクロコンピューターなどに、メモリやハードディスクのような記憶装置や、外部との通信機能などを利用して構成する。

本発明の空間情報検出システムを構成する磁場発生部１は、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流磁場を発生するものである。図１に示すように、電源１ａとコイル１ｂとからなり、電源１ａは、周波数が異なる２つの交流電流（又は電圧）を重ね合わせて発生させることができ、その第１と第２の周波数の角周波数は、それぞれω、２ωである（最小の整数比として周波数比が１：２である）。そして、コイル１ｂに電源１ａからの発生電流を印加することで磁場を発生することができる。発生した交流磁場の位相は、第１の周波数成分、第２の周波数成分ともに時間ｔ＝０において−π／２であるとする。すなわち、第１の周波数成分の磁場の位相Θ、第２の周波数成分の磁場の位相をΦとすると、
Θ＝ωｔ−π／２ ・・・・（１）
Φ＝２ωｔ−π／２ ・・・（２）
と表すことができるとする。

磁場検出部２０は、図４にその具体的な構成が示されているが、磁場発生部１から発生された磁場を検出する３軸の磁気センサ２１（図４のＸ軸磁気センサ２１ａ，Ｙ軸磁気センサ２１ｂ，Ｚ軸磁気センサ２１ｃ）を搭載した方位角センサ２０ａを含んでおり、この方位角センサ２０ａは、互いに直交した面を向いた３軸の磁気センサ２１ａ，２１ｂ，２１ｃが搭載されている。この磁気センサは、例えば、ホール素子，ＭＲ素子，ＧＭＲ素子，ＭＩ素子などの半導体型の磁気センサである。

演算部３は、図４にその具体的な構成が示されているが、フーリエ変換部３２と、磁場ベクトル算出部３３と、方向算出部３４とを含んでおり、用途に応じ情報端末２に搭載されていてもされていなくてもよい。なお、図１においては情報端末２と演算部３の間に信号線が描かれているが、無線であってもよい。

フーリエ変換部３２は、図４に基づいて後述するが、磁場検出部２０の各軸の出力信号に基づいて、各軸における複数の周波数成分中の位相と振幅を算出するものである。磁場ベクトル算出部３３は、図４に基づいて後述するが、フーリエ変換部３２からの出力信号に基づいて、各軸の複数の周波数成分の位相関係から各軸の振幅について符号を算出するとともに、各軸の符号と、複数の周波数成分の少なくともいずれか一つの周波数成分における振幅から磁場の向きと大きさを表す磁場ベクトルを算出するものである。方向算出部３４は、磁場ベクトル算出部３３からの出力に基づいて情報端末２の向いている方向を算出するものである。

図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の空間情報検出システムにおける情報端末と磁場発生部のコイルの座標系を示す図で、図２Ａは情報端末の座標系を、図２Ｂは磁場発生部のコイルの座標系を各々示す図である。

図２Ａに示すように、情報端末２の長手方向をｘ軸、短手方向をｙ軸とし、ｘ軸とｙ軸に垂直なｚ軸で、右手系の座標系ｘｙｚ座標系（端末座標系）を定義する。また、情報端末２の方位角センサ２０ａが有する互いに直交な３軸の磁気センサ２１ａ，２１ｂ，２１ｃの方向は、ｘｙｚ座標系を構成する各軸の方向と一致しているものとする。すなわち、ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の磁気センサがあり、それぞれの出力の増大方向（正方向）がｘｙｚ座標系の各軸の正方向の向きである。

また、図２Ｂに示すように、コイル１ｂは、水平面に鉛直に設置されており、このコイル１ｂから発生する正の磁場の方向と一致するＸｇ軸と、水平面（地平面）と鉛直な上方へ向かうＺｇ軸と、水平面と平行な面をＸｇ軸と構成するＹｇ軸で、右手系の座標系ＸｇＹｇＺｇ座標系（絶対座標系）が構成されている。

図３は、本発明の空間情報検出システムにおける情報端末の方向と座標系との関係を示す図である。図３において、ある方向を向いた情報端末２のｘｙｚ座標系とＸｇＹｇＺｇ座標系は原点以外一致していない。実施形態１の空間情報検出システムで検出する情報端末２の空間情報である方向データΨは、情報端末２のｘ軸、ｙ軸をＸｇＹｇ面へ座標変換した時のベクトルをそれぞれｘ’軸，ｙ’軸とすると、ｘ'軸と正の磁場の発生方向であるＸｇ軸とのなす角で表される。（はじめに、ｘ軸周りの回転を行い、ｙ軸をｙ’軸へ、次にｙ’軸周りの回転を行い、ｘ軸をｘ’軸へ移す。）なお、この図３におけるような方向データΨは方位角ともいう。なお、本発明の実施の形態１の空間情報検出システムで検出する方向データΨは、用途によっては方位角に限らず、情報端末２が検出した磁場の向きを表す磁場ベクトルとする場合もある。

図４は、本発明の空間情報検出システムにおける実施形態１の空間情報検出装置の具体的な構成ブロック図である。この空間情報検出装置は、磁場検出部２０と演算部３とから構成され、この演算部３は、データ受信部３１とフーリエ変換部３２と磁場ベクトル算出部３３と方向算出部３４を備えている。磁場検出部２０は、方位角センサ２０ａとデータ送信部２６を備えている。

この方位角センサ２０ａは、ｘ軸磁気センサ２１ａとｙ軸磁気センサ２１ｂとｚ軸磁気センサ２１ｃとの３軸の磁気センサ２１と、この３軸の磁気センサ２１を選択して選択された軸の磁気センサからの出力信号を取得するマルチプレクサ部２２と、このマルチプレクサ部２２を介して磁気センサ２１を駆動する磁気センサ駆動部２３と、マルチプレクサ部２２からの出力信号を増幅する信号増幅部２４と、この信号増幅部２４からの増幅信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部２５とから構成されている。データ送信部２６は、Ａ／Ｄ変換部２５で変換された信号を演算部３に送信する。

このような構成により、磁気センサ駆動部２３は、マルチプレクサ部２２を介して磁気センサ２１を駆動する。マルチプレクサ部２２は、測定する軸の磁気センサを選択する。選択された軸の磁気センサの信号は、信号増幅部２４において適切な大きさに増幅され、Ａ／Ｄ変換部２５においてアナログ信号からデジタル信号へと変換される。このデジタル信号への変換は、各軸の磁気センサからの信号に対して行う。デジタル化された信号は、データ送信部２６から磁気データとして演算部３へと送信される。

演算部３は、上述したように、磁場検出部２０のデータ送信部２６からの磁気データを受信するデータ受信部３１と、フーリエ変換部３２と、磁場ベクトル算出部３３と、方向算出部３４とから構成されている。

フーリエ変換部３２は、データ受信部３１からの出力信号から各軸における複数の周波数成分中の位相と振幅を算出する。また、磁場ベクトル算出部３３は、フーリエ変換部３２からの出力信号から各軸の複数の周波数成分の位相関係から各軸の振幅について符号を算出し、符号と振幅から磁場の向きと大きさを表す磁場のベクトルを算出する。また、方向算出部３４は、磁場ベクトル算出部３３からの出力信号から情報端末２の方向を算出する。

このような構成により、データ受信部３１は、磁場検出部２０のデータ送信部２６から送られてきた磁気データを受信してフーリエ変換部３２へ送る。このフーリエ変換部３２は、所望量の３軸の磁気センサ２１からの磁気データを取得した後に、それらに対しＦＦＴ演算（高速フーリエ変換）を実行する。所望量として取得するデータ量は、例えば、重ね合わせた交流磁場の波形の整数周期分のデータ量である。例えば、１Ｈｚと２Ｈｚの交流磁場を重ねて発生し、方位角センサ２０ａにて１２８Ｈｚのサンプリングで磁気データを取得する場合、１Ｈｚと２Ｈｚの周期が整数倍になるデータ量は１２８個であり、これを取得するデータ量とする。ＦＦＴ演算の実行は、ｘ軸の所望量の磁気データ、ｙ軸の所望量の磁気データ、ｚ軸の所望量の磁気データに対し、別々にＦＦＴ演算を行うか、いずれかの２軸の所望量の磁気データを同時に複素ＦＦＴ演算してＦＦＴデータを得て、残りの１軸の所望量の磁気データに対しては別にＦＦＴ演算を行う方法でも良い。そして、ＦＦＴ演算の実行により算出された各軸のＦＦＴデータから第１の周波数成分の各軸の振幅と、第１と第２の周波数成分の位相を算出し、磁場ベクトル算出部３３へと送る。

ここで、各軸のＦＦＴデータから、フーリエ変換部３２で算出された振幅をｘ軸，ｙ軸，ｚ軸でそれぞれＡ_ｘ，Ａ_ｙ，Ａ_ｚとし、算出された第１の周波数成分の位相の各軸成分を同様にθ_ｘ，θ_ｙ，θ_ｚ、第２の周波数成分の位相の各軸成分をφ_ｘ，φ_ｙ，φ_ｚとして表す（０≦θ_ｘ，θ_ｙ，θ_ｚ，φ_ｘ，φ_ｙ，φ_ｚ＜２π）。

これら算出された位相は、磁場ベクトル算出部３３へと送られ、測定した軸の磁気センサの正方向が磁場の正方向に対してどちらの方向を向いていたか、次の位相関係から求める振幅符号判定値を利用して振幅の符号を判定する。以下にｘ軸の成分に関して説明を行う。

振幅符号判定値η_ｘを
η_ｘ＝φ_ｘ−２×θ_ｘ ・・・（式３）
と定義する。但し、０≦η_ｘ＜２πである。

磁気センサ２１の正方向と、発生磁場の正方向が一致している場合、算出される第１の周波数成分と第２の周波数成分の位相をθ_ｘ ^＋，φ_ｘ ^＋とすると、
θ_ｘ ^＋＝ωｔ−π／２−２πｐ_ｘ ^＋ ・・・（式４）
φ_ｘ ^＋＝２ωｔ−π／２−２πｑ_ｘ ^＋ ・・・（式５）
（但し、ｐ_ｘ ^＋、ｑ_ｘ ^＋は０≦θ_ｘ ^＋，φ_ｘ ^＋＜２πにするための整数）と測定される。そして、そのときの振幅符号判定値η_ｘ ^＋は（式３）より、
η_ｘ ^＋＝π／２＋２π（２ｐ_ｘ ^＋−ｑ_ｘ ^＋）−２πν_ｘ ^＋ ・・・（式６）
となり、一定値である（但し、ν_ｘ ^＋は０≦η_ｘ ^＋＜２πにするための整数）。一方、磁気センサ２１の正方向と、発生磁場の正方向が反対の場合、算出される第１の周波数成分と第２の周波数成分の位相をθ_ｘ ⁻，φ_ｘ ⁻とすると、
θ_ｘ ⁻＝ωｔ−π／２＋π−２πｐ_ｘ ⁻ ・・・（式７）
φ_ｘ ⁻＝２ωｔ−π／２＋π−２πｑ_ｘ ⁻ ・・・（式８）
と測定される（位相がπずれる。またｐ_ｘ ⁻、ｑ_ｘ ⁻は０≦θ_ｘ ⁻，φ_ｘ ⁻＜２πにするための整数）ので、この場合の振幅符号判定値η_ｘ ⁻は（式３）から
η_ｘ ⁻＝３π／２＋２π（２ｐ_ｘ ⁻−ｑ_ｘ ⁻）−２πν_ｘ ⁻ ・・・（式９）
となり（但し、ν_ｘ ⁻は０≦η_ｘ ⁻＜２πにするための整数）、これも一定値である。

従って、（式３）から算出した振幅符号判定値η_ｘが（式６）のη_ｘ ^＋と（式９）のη_ｘ ⁻として、値が異なることから、発生磁場の方向と磁気センサ２１の向きの関係が、同方向であるのか反対方向であるのかが判別できる。そして、振幅の符号を判定することが可能である。

例えば、ｘ軸の振幅の符号Ｓｉｇｎ（Ａ_ｘ）（但し、Ｓｉｇｎ（ｋ）はｋの符号を表し、−１または＋１となる）は、（式３）のη_ｘを用いて
Ｓｉｇｎ（Ａ_ｘ）＝Ｓｉｇｎ（Ｓｉｎ（η_ｘ）） ・・・（式１０）
と表現できる。

図５及び図６は、磁気センサの向きと発生している交流磁場の向きの関係と、第１の周波数成分と第２の周波数成分の位相関係を示す図である。最上段に正の磁場の方向と磁気センサ２１の正方向の関係を、２段目に磁気センサ２１で測定される、交流磁場の変動を周波数成分ごとにｔ＝０からｔ＝３π／ωまで図示し、３段目に２段目の交流磁場の第１の周波数成分の位相θ_ｘ、第２の周波数成分の位相φ_ｘ、そして２θ_ｘの時間変化をそれぞれ実線、破線、一点鎖線でｔ＝０からｔ＝３π／ωまで図示し、最下段にη_ｘ（＝φ_ｘ−２θ_ｘ）の時間変化をｔ＝０からｔ＝３π／ωまで図示している。

図５は、磁場の正方向と磁気センサの正方向が同方向の場合、図６は、反対方向の場合を示している。図５では、η_ｘがπ／２で一定に（（式６）のη_ｘ ^＋に対応）、図６ではη_ｘが３π／２で一定（（式９）のη_ｘ ⁻に対応）になる。図では磁気センサ２１の感磁面（磁場を検知する面）が磁場と垂直の場合で表しているが、垂直でない場合は測定される磁場の振幅が減少するだけで、感磁面が磁場と平行となって反対の方向側へ向くまで、（式６）と（式９）のη_ｘ ^＋，η_ｘ ⁻は変化しない。従って、磁気センサ２１の出力の正負が判別できる。そして、以上見てきたように、（式６）と（式９）のη_ｘ ^＋，η_ｘ ⁻は時間に依存しない値をとり、振幅の符号決定には磁場と同期したデータからの位相算出を必要としないので、測定するタイミングを自由に選ぶこともでき、また連続的な測定が可能である。そして、上述した特許文献１のように、間欠的に信号を重ね合わせる構成を利用しなくてよいという利点がある。

ｘ軸と同様にしてｙ軸，ｚ軸の振幅符号判定値η_ｙ，η_ｚから、ｙ軸，ｚ軸の振幅の符号を求め、次の符号付き振幅を算出する。ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の符号付き振幅をＡ_ｘ’，Ａｙ’，Ａｚ’とすると、
Ａｘ’＝Ｓｉｇｎ（Ｓｉｎ（η_ｘ））×Ａ_ｘ ・・・（式１１）
Ａ_ｙ’＝Ｓｉｇｎ（Ｓｉｎ（η_ｙ））×Ａ_ｙ ・・・（式１２）
Ａ_ｚ’＝Ｓｉｇｎ（Ｓｉｎ（η_ｚ））×Ａ_ｚ ・・・（式１３）
を算出する。これによって、測定している交流磁場の第1の周波数成分の強度と向きを表す磁場ベクトル（Ａ_ｘ’，Ａ_ｙ’，Ａ_ｚ’） ^Ｔを得ることができた（ただし、Ｘ^ＴはＸの転置を表し、このベクトルは縦ベクトルを表現している）。なお、この磁場ベクトルは、必要に応じて規格化して用いてもよい。すなわち、Ａ_ｘ’や磁場ベクトル（Ａ_ｘ’，Ａ_ｙ’，Ａ_ｚ’） ^Ｔの大きさを基準にした比で磁気ベクトルデータを表現し直しても良い。そして、この得られた磁場ベクトルを方向算出部３４へと送る。

この方向算出部３４では、磁場ベクトルから姿勢情報である方向データΨを求め、出力する。方向データΨを、図３のような方位角として算出する場合は、情報端末２の姿勢を検知し、磁場ベクトルを情報端末２の姿勢に合わせて補正し、その水平成分から算出することができる。例えば、特許文献４，５などに記されているような方法で方向データΨを求めることができる。

補正された磁場ベクトルの水平成分をＡ_ｘ’’，Ａ_ｙ’’とすると、方向データΨは
Ψ＝ｔａｎ^−１（Ａ_ｙ’’／Ａ_ｘ’’） ・・・（式１４）
で、３６０度の方向を求めることができる。

もちろん、ｘｙ平面とＸｇＹｇ平面が同一平面上にある場合には、（式１１）、（式１２）から直接
Ψ＝ｔａｎ^−１（Ａ_ｙ’／Ａ_ｘ’） ・・・（式１５）
で求めることができる。

なお、方向データΨを方位角としてではなく単純に磁場の存在方向を表したい場合には、磁場ベクトルをそのまま方向データΨとして利用する。

図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の空間情報検出システムの実施形態１の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。まず、磁場発生部１により周波数比が１：２で異なる２つの交流磁場を重ね合わせて発生させる（ステップＳ１）。次に、磁場発生部１により発生した磁場を、磁場検出部２０の３軸の磁気センサ２１を有する方位角センサ２０ａで測定し、デジタル信号である各軸の磁気データを取得する（ステップＳ２）。次に、フーリエ変換部３２は、ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得したかどうか判断する（ステップＳ３）。ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得していれば次のステップＳ４へ進み、ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得していなければステップＳ２へ戻る。

次に、フーリエ変換部３２にて、取得された所望量のｘ軸の磁気データに対してＦＦＴ演算を行う（ステップＳ４）。次に、同様にｙ軸の磁気データに対してＦＦＴ演算を行う（ステップＳ５）。次に、同様にｚ軸の磁気データに対してでＦＦＴ演算を行う（ステップＳ６）。

次に、ｘ軸のＦＦＴデータから第１の周波数成分の振幅Ａ_ｘを算出する（ステップＳ７）。次に、同様にｙ軸のＦＦＴデータから第１の周波数成分の振幅Ａ_ｙを算出する（ステップＳ８）。次に、同様にｚ軸のＦＦＴデータから第１の周波数成分の振幅Ａ_ｚを算出する（ステップＳ９）。

次に、ｘ軸のＦＦＴデータから第１の周波数成分と第２の周波数成分の位相θ_ｘ，φ_ｘを算出する（ステップＳ１０）。次に、同様にｙ軸のＦＦＴデータから第１の周波数成分と第２の周波数成分の位相θ_ｙ，φ_ｙを算出する（ステップＳ１１）。次に、同様にｚ軸のＦＦＴデータから第１の周波数成分と第２の周波数成分の位相θ_ｚ，φ_ｚを算出する（ステップＳ１２）。

次に、磁場ベクトル算出部３３において、算出したθ_ｘ，θ_ｙ，θ_ｚ，φ_ｘ，φ_ｙ，φ_ｚから（式３）に基づいて各軸の振幅符号判定値η_ｘ，η_ｙ，η_ｚを算出し（ステップＳ１３）、算出した振幅符号判定値η_ｘ，η_ｙ，η_ｚから、各軸の振幅の符号を判定し、符号付き振幅、すなわち、磁場ベクトルを算出する（ステップＳ１４）。この磁場ベクトルから方向データΨを方向算出部３４で算出する（ステップＳ１５）。

なお、フーリエ変換部３２でＦＦＴ演算がなされた後であれば、その後のステップＳ１３以前の演算順序は交換することは可能である。例えば、ステップＳ４の後に、ステップＳ７、ステップＳ１０という順のようにｘ軸の磁気データの演算を一度に行ってしまう順序も考えられる。また、ステップＳ１３、ステップＳ１４の演算を各軸のデータごとに行なってもよい。例えば、ｘ軸のη_ｘから符号を判定し、ｘ軸の振幅の符号を判定し、符号付き振幅Ａ_ｘ’を算出する。その後、ｙ軸，ｚ軸のη_ｙ，η_ｚから順次同様の手順にてＡ_ｙ’，Ａ_ｚ’を算出するのでもよい。

また、以上の手順では、３軸の磁気データに対して個別に３回のＦＦＴ演算を行ったが（ステップＳ４〜ステップＳ６）、複素ＦＦＴ演算を用いて、３軸の磁気データのＦＦＴを、２回のＦＦＴ演算実行で済ますこともできる。例えば、ｘ軸とｙ軸の磁気データに対して実数部にｘ軸の磁気データを、虚数部にｙ軸の磁気データを入れ、複素ＦＦＴ演算を実行し、残りのｚ軸の磁気データに対しては虚数部をゼロ詰めした複素ＦＦＴ演算を行うという方法もある。なお、これ以外のＦＦＴ演算アルゴリズムに対しても、３軸の磁気データのＦＦＴデータが得られれば、本発明の空間情報検出方法は有効であることは明らかである。

また、以上の手順では、振幅を算出する周波数成分を第１の周波数成分としたが、磁気センサが測定した信号の強度として、第２の周波数成分の振幅も算出後のＦＦＴデータから求めることもでき、第１の周波数成分の振幅と同じ符号を持つので、方向データ算出に十分な強度が得られれば、第１の周波数成分の振幅ではなく、第２の周波数成分の振幅を演算に利用してもよいのは明らかである。その場合、算出される磁場ベクトルは第２の周波数成分を表したものとなる。

また、以上では１つの周波数成分の交流磁場の波形を理想的な正弦波と仮定して説明したが、理想的な正弦波でない場合でも、取得したい周波数成分とそうでない周波数成分の信号が分離できる場合には、その他の正弦波でない波形を利用した場合でも今回の発明に含まれる。

図８は、１Ｈｚと２Ｈｚの正弦波磁場を重ね合わせた磁場を、方位角センサを磁場と水平に３０度ごと回転して測定したと仮定したシミュレーションの結果を示す図である。サンプリング周波数は１００Ｈｚであり、ＦＦＴ演算時のデータ量は１００個とした。設定方位角と、算出角度が一致している。

[実施形態２]
＜発生磁場の周波数比Ｍ：Ｎで３軸磁気センサを使用する場合＞
本発明の実施形態２における空間情報検出システムの構成は、図１と同様であるが、図１の磁場発生部１で発生させる交流磁場の、第１の周波数成分と第２の周波数成分の角周波数が、互いの偶奇が異なる正の整数Ｍ、Ｎを用い、それぞれＭω、Ｎωである（最小の整数比として周波数比がＭ：Ｎである）。なお、互いの偶奇が異なるとは、どちらかが偶数であった場合に、もう一方は奇数であるということである。つまり、Ｍ：Ｎは偶数対奇数、または奇数対偶数である。そして、コイル１ｂに電源１ａからの発生電流を印加することで磁場を発生することができる。発生した交流磁場の位相は、第１の周波数成分、第２の周波数成分ともに時間ｔ＝０においてそれぞれΩ_θ、Ω_φである。すなわち、第１の周波数成分の磁場の位相をΘ、第２の周波数成分の磁場の位相をΦとすると、
Θ＝Ｍωｔ＋Ω_θ ・・・（式１６）
Φ＝Ｎωｔ＋Ω_φ ・・・（式１７）
と表すことができるとする。

また、図２，図３，図４のコイルと情報端末の座標系を表す図及び情報端末の方向と座標系との関係を示す図及び空間情報検出装置の構成ブロック図は、発明の実施形態１と同様である。

上述した（式１６）、（式１７）の形式で表される交流磁場が重なって発生し、発明の実施形態１と同様に方位角センサ２０ａにて３軸の磁気データを測定し、フーリエ変換部３２にて所望量の３軸の磁気センサ２１からの磁気データを取得後、それらに対しＦＦＴ演算を実行する。

ここで、発明の実施形態１と同様に、各軸のＦＦＴデータから、振幅をｘ軸，ｙ軸，ｚ軸でそれぞれＡ_ｘ，Ａ_ｙ，Ａ_ｚとし、第１の周波数成分の位相の各軸成分を同様にθ_ｘ，θ_ｙ，θ_ｚ、第２の周波数成分の位相の各軸成分をφ_ｘ，φ_ｙ，φ_ｚとして表す（０≦θ_ｘ，θ_ｙ，θ_ｚ，φ_ｘ，φ_ｙ，φ_ｚ＜２π）。

磁場ベクトル算出部３３では、測定した軸の磁気センサの正方向が磁場の正方向に対してどちらの方向を向いていたか、位相関係から求める振幅符号判定値を利用して、振幅の符号を判定する。以下にｘ軸の成分に関して説明を行う。振幅符号判定値η_ｘを
η_ｘ＝Ｍ×φ_ｘ−Ｎ×θ_ｘ ・・・（式１８）
と定義する。但し、０≦η_ｘ＜２πである。

磁気センサの正方向と、発生磁場の正方向が一致している場合、算出される第１の周波数成分と第２の周波数成分の位相をθ_ｘ ^＋，φ_ｘ ^＋とすると、
θ_ｘ ^＋＝Ｍωｔ＋Ω_θ−２πｐ_ｘ ^＋ ・・・（式１９）
φ_ｘ ^＋＝Ｎωｔ＋Ω_φ−２πｑ_ｘ ^＋ ・・・（式２０）
（但し、ｐ_ｘ ^＋、ｑ_ｘ ^＋は０≦θ_ｘ ^＋，φ_ｘ ^＋＜２πにするための整数）と測定される。そして、そのときの振幅符号判定値η_ｘ ^＋は（式１８）より、
η_ｘ ^＋＝（ＭΩ_φ−ＮΩ_θ）＋２π（Ｎｐ_ｘ ^＋−Ｍｑ_ｘ ^＋）−２πν_ｘ ^＋
・・・（式２１）
となる（但し、ν_ｘ ^＋は０≦η_ｘ ^＋＜２πにするための整数）。一方、磁気センサの正方向と、発生磁場の正方向が反対の場合、算出される第１の周波数成分と第２の周波数成分の位相をθ_ｘ ⁻，φ_ｘ ⁻とすると、
θ_ｘ ⁻＝Ｍωｔ＋Ω_θ＋π−２πｐ_ｘ ⁻ ・・・（式２２）
φ_ｘ ⁻＝Ｎωｔ＋Ω_φ＋π−２πｑ_ｘ ⁻ ・・・（式２３）
と測定される（位相がπずれる。またｐ_ｘ ⁻、ｑ_ｘ ⁻は０≦θ_ｘ ⁻，φ_ｘ ⁻＜２πにするための整数）ので、この場合の振幅符号判定値η_ｘ ⁻は（式１８）より、
η_ｘ ⁻＝（ＭΩ_φ−ＮΩ_θ）＋π（Ｍ−Ｎ）＋２π（Ｎｐ_ｘ ⁻−Ｍｑ_ｘ ⁻）−２πν_ｘ ⁻ ・・・（式２４）
となる（但し、ν_ｘ ⁻は０≦η_ｘ ⁻＜２πにするための整数）。発明の実施の形態１と同様に、発生磁場の方向と磁気センサの向きの関係が判別できるためには、（式２１）のη_ｘ ^＋と（式２４）のη_ｘ ⁻が異なることであるので、
Ｍ−Ｎ≠２ｊ（但し、ｊは整数） ・・・（式２５）
かつ、
Ｎｐ_ｘ ^＋−Ｍｑ_ｘ ^＋，Ｎｐ_ｘ ⁻−Ｍｑ_ｘ ⁻
が常に整数であるようにＭ、Ｎを選ぶ必要がある。すなわち、ＭとＮは互いの偶奇の異なる整数である。つまり、Ｍ−Ｎが偶数にならなければ（式２１）のη_ｘ ^＋と（式２４）のη_ｘ ⁻は区別が可能である。Ｍ、Ｎは一方が偶数で、もう一方が奇数であればよい。

このようにして、（式１８）から算出した振幅符号判定値η_ｘは、（式２１）のη_ｘ ^＋と（式２４）のη_ｘ ⁻として区別が可能であるので、発生磁場の方向と磁気センサの向きの関係も区別できる。Ｓｉｇｎ（Ａ_ｘ）は、（式２１）のη_ｘ ^＋と（式２４）のη_ｘ ⁻によって、発生磁場の方向と磁気センサの向きの関係に応じて正負の符号が算出できるように、予め関数を設定しておけばよい。

ＭΩ_φ−ＮΩ_θ＝π／２ ・・・（式２６）
の場合には、
Ｓｉｇｎ（Ａ_ｘ）＝Ｓｉｇｎ（Ｓｉｎ（η_ｘ）） ・・・（式２７）
と表現できる。

同様にしてｙ軸，ｚ軸の振幅符号判定値η_ｙ，η_ｚから、ｙ軸，ｚ軸の振幅の符号を求め、次の符号付き振幅を求める。ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の符号付き振幅をＡ_ｘ’，Ａｙ’，Ａｚ’とすると、
Ａｘ’＝Ｓｉｇｎ（Ａ_ｘ）×Ａ_ｘ ・・・（式２８）
Ａ_ｙ’＝Ｓｉｇｎ（Ａ_ｙ）×Ａ_ｙ ・・・（式２９）
Ａ_ｚ’＝Ｓｉｇｎ（Ａ_ｚ）×Ａ_ｚ ・・・（式３０）
を算出する。

以上のようにして、磁場ベクトルが得られたので、発明の実施の形態１と同様にこの得られた磁場ベクトルを方向算出部３４へと送る（必要に応じて、磁場ベクトルを規格化したい場合は規格化する。）。この方向算出部３４では、発明の実施形態１と同様にして方向データΨを算出する。

以上のように、重ね合わせる交流磁場の周波数比を、発明の実施形態１の１：２からＭ：Ｎへと拡張し、利用する周波数の選択の幅を広げることができた。発明の実施形態１の１：２とは、一般的にはこの発明の実施形態２のＭ：Ｎに含まれているのはもちろんである。さらに、磁場発生時に位相Ω_θ，Ω_φが決まっていれば、上記の方式で方向検出を行うことが可能であるので、第１の周波数と第２の周波数の位相が必ずしも一致せず異なっていてもよい。また、発明の実施形態１と同様に振幅の符号決定には磁場と同期したデータからの位相算出を必要としないので、測定するタイミングを自由に選ぶこともでき、また連続的な測定が可能である。そして、上述した特許文献１のように間欠的に信号を重ね合わせる複雑な構成を利用しなくてよい。

図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の空間情報検出システムの実施形態２の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。まず、磁場発生部１で周波数比がＭ：Ｎで異なる２つの交流磁場を重ね合わせて発生させる（ステップＳ１）。次に、磁場発生部１で発生した磁場を、３軸の磁気センサ２１を有する方位角センサ２０ａで測定し、デジタル信号である各軸の磁気データを取得する（ステップＳ２）。次に、フーリエ変換部３２は、ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得したかどうか判断する（ステップＳ３）。ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得していれば次のステップＳ４へ進み、ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得していなければステップＳ２へ戻る。

次に、フーリエ変換部３２において、取得された所望量のｘ軸の磁気データに対してＦＦＴ演算を行う（ステップＳ４）。次に、同様にｙ軸の磁気データに対してＦＦＴ演算を行う（ステップＳ５）。次に、同様にｚ軸の磁気データに対してＦＦＴ演算を行う（ステップＳ６）。

次に、ｘ軸のＦＦＴデータから第１の周波数成分の振幅Ａ_ｘを算出する（ステップＳ７）。次に、同様にｙ軸のＦＦＴデータから第１の周波数成分の振幅Ａ_ｙを算出する（ステップＳ８）。次に、同様にｚ軸のＦＦＴデータから第１の周波数成分の振幅Ａ_ｚを算出する（ステップＳ９）。

次に、ｘ軸のＦＦＴデータから第１の周波数成分と第２の周波数成分の位相θ_ｘ，φ_ｘを算出する（ステップＳ１０）。次に、同様にｙ軸のＦＦＴデータから第１の周波数成分と第２の周波数成分の位相θ_ｙ，φ_ｙを算出する（ステップＳ１１）。次に、同様にｚ軸のＦＦＴデータから第１の周波数成分と第２の周波数成分の位相θ_ｚ，φ_ｚを算出する（ステップＳ１２）。

次に、磁場ベクトル算出部３３において、算出したθ_ｘ，θ_ｙ，θ_ｚ，φ_ｘ，φ_ｙ，φ_ｚから（式１８）に基づいて各軸の振幅符号判定値η_ｘ，η_ｙ，η_ｚを算出し（ステップＳ１３）。算出した振幅符号判定値η_ｘ，η_ｙ，η_ｚから各軸の振幅の符号を判定し、符号付き振幅、すなわち、磁場ベクトルを算出する（ステップＳ１４）。次に、磁気ベクトルデータから方向データΨを方向算出部３４で算出する（ステップＳ１５）。

フーリエ変換部３２でＦＦＴ演算がなされた後であれば、その後のステップＳ１３以前の演算順序は交換することは可能である。例えば、ステップＳ４の後に、ステップＳ７、ステップＳ１０という順のようにｘ軸の磁気データの演算を一度に行ってしまう順序も考えられる。また、ステップＳ１３、ステップＳ１４の演算を各軸のデータごとにおこなってもよい。例えば、ｘ軸のη_ｘから符号を判定し、ｘ軸の振幅の符号を判定し、符号付き振幅Ａ_ｘ’を算出する。その後，ｙ軸，ｚ軸のη_ｙ，η_ｚから順次同様の手順にてＡ_ｙ’，Ａ_ｚ’を算出するのでもよい。

また、以上の手順では、３軸の磁気データに対して個別に３回のＦＦＴ演算を行ったが（ステップＳ４〜ステップＳ６）、複素ＦＦＴ演算を用いて、３軸の磁気データのＦＦＴを、２回のＦＦＴ演算実行で済ますこともできる。例えば、ｘ軸とｙ軸の磁気データに対して実数部にｘ軸の磁気データを、虚数部にｙ軸の磁気データを入れ、複素ＦＦＴ演算を実行し、残りのｚ軸の磁気データに対しては虚数部をゼロ詰めした複素ＦＦＴ演算を行うという方法もある。なお、これ以外のＦＦＴ演算アルゴリズムに対しても、３軸の磁気データのＦＦＴデータが得られれば、本発明の空間情報検出方法は有効であることは明らかである。

また、以上の手順では、振幅を算出する周波数成分を第１の周波数成分としたが、実施形態１と同様に、磁気センサが測定した信号の強度として、第２の周波数成分の振幅を利用してもよいことは明らかである。

また、実施形態１と同様に１つの周波数成分の交流磁場の波形が理想的な正弦波でない場合でも、取得したい周波数成分とそうでない周波数成分の信号が分離できる場合には、その他の正弦波でない波形を利用した場合であっても今回の発明に含まれる。

図１０は、３Ｈｚと８Ｈｚの正弦波磁場を重ね合わせた磁場を、方位角センサを磁場と水平に３０度ごと回転して測定したと仮定したシミュレーションの結果を示す図である。サンプリング周波数は１００Ｈｚであり、ＦＦＴ演算時のデータ量は１００個とした。設定方位角と算出角度が一致していることがわかる。

[実施形態３]
＜発生磁場の周波数比Ｍ：Ｎで２軸磁気センサを使用する場合＞
本発明の実施形態３は、周波数比Ｍ：Ｎで１つの磁場発生手段と２軸の磁気センサ２１を有する場合を示している。情報端末２が水平面に固定されて使用される場合には、方位角センサ２０ａは、ｘ軸とｙ軸の２軸の磁気センサ（２１ａ，２１ｂ）のみを有するもので、発明の実施形態１、もしくは発明の実施形態２と同様の手順で磁場の方向を検出することができる。

図１１は、本発明の空間情報検出システムにおける実施形態３の空間情報検出装置の具体的な構成ブロック図で、２軸の磁気センサ２１を利用した場合の本発明に係る空間情報検出装置の構成ブロック図である。図１１が、上述した実施形態１の図４と異なるのは、磁気センサ２１の数であり、ｘ軸，ｙ軸のみの２軸となっている。その他の構成及び動作は、図４と同様である。

図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明の空間情報検出システムの実施形態３の動作を説明するためのフローチャートを示す図で、磁気センサが２軸の場合の方向検出方法の手順を示すフローチャートである。まず、磁場発生部１により周波数比がＭ：Ｎで異なる２つの交流磁場を重ね合わせて発生させる（ステップＳ１）。次に、磁場発生部１で発生した磁場を、２軸の磁気センサ２１を有する方位角センサ２０ａで測定し、デジタル信号である各軸の磁気データを取得する（ステップＳ２）。次に、フーリエ変換部３２は、ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得したかどうか判断する（ステップＳ３）。ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得していれば次のステップＳ４へ進み、ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得していなければステップＳ２へ戻る。

次に、フーリエ変換部３２において、取得された所望量のｘ軸の磁気データに対してＦＦＴ演算を行う（ステップＳ４）。次に、同様にｙ軸の磁気データに対してＦＦＴ演算を行う（ステップＳ５）。次に、ｘ軸のＦＦＴデータから第１の周波数成分の振幅Ａ_ｘを算出する（ステップＳ６）。次に、同様にｙ軸のＦＦＴデータから第１の周波数成分の振幅Ａ_ｙを算出する（ステップＳ７）。

次に、ｘ軸のＦＦＴデータから第１の周波数成分と第２の周波数成分の位相θ_ｘ，φ_ｘを算出する（ステップＳ８）。次に、同様にｙ軸のＦＦＴデータから第１の周波数成分と第２の周波数成分の位相θ_ｙ，φ_ｙを算出する（ステップＳ９）。

次に、磁場ベクトル算出部３３において、算出したθ_ｘ，θ_ｙ，φ_ｘ，φ_ｙから（式１８）に基づいて各軸の振幅符号判定値η_ｘ，η_ｙを算出し（ステップＳ１０）、算出した振幅符号判定値η_ｘ，η_ｙから、各軸の振幅の符号を判定し、符号付き振幅、すなわち、磁気ベクトルデータを算出する（ステップＳ１１）。次に、磁場ベクトルから方向データΨを方向算出部３４で算出する（ステップＳ１２）。

以上の手順によって、空間情報である方向データΨを算出することができた。続けて方向データΨを算出するには、ステップ２へもどれば良い。

以上の実施形態１乃至３においては、磁場を発生するコイルを１つのコイルとして説明したが、情報端末をはさむ形でヘルムホルツコイルを配置し、そのヘルムホルツコイルから実施形態１乃至３で説明した磁場を発生させても良い。

なお、以上の実施形態と同様な交流磁場を発生するコイルを複数個利用し、同様な方法を利用することで情報端末２の任意の姿勢検出が可能である。実施形態１乃至３においては１つの交流磁場の発生方向を軸とした動きの自由度が残っているが、もう一つ別の交流磁場を発生させることでその自由度を減らすことができ、任意の姿勢が規定できるようになる。従って、実施形態にあるような方位角センサ２０ａによって、任意の姿勢検出が可能である。このことは、以降の実施形態において説明する方法を利用する。

次に、均一磁場と不均一磁場を用いた位置と姿勢の検出について以下に説明する。
この均一磁場と不均一磁場を用いた位置と姿勢の検出については、別々のコイルでＺｇ軸用磁場と位置検出用磁場を発生する場合（実施形態４）、１つのコイルでＺｇ軸用磁場と位置検出用磁場を発生する場合（実施形態５）がある。以下、これらの実施形態について以下に説明する。

[実施形態４]
＜別々のコイルでＺｇ軸用磁場と位置検出用磁場を発生する場合＞
図１３は、本発明の空間情報検出システムの実施形態４を示す全体構成図である。この空間情報検出システムは、磁場発生部として、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知で、位置によって磁場の向きまたは大きさが異なっている交流の不均一磁場を発生する不均一磁場発生部（位置検出磁場発生コイル１０３と位置検出磁場発生用電源１０６）と、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の均一磁場を発生する２つの均一磁場発生部（Ｘｇ軸ヘルムホルツコイル１０１とＸｇ軸ヘルムホルツコイル用電源１０４及びＺｇ軸ヘルムホルツコイル１０２とＺｇ軸ヘルムホルツコイル用電源１０５）と、この不均一磁場発生部から発生された交流磁場と均一磁場発生部から発生された交流磁場を検出する多軸の磁気センサを有する磁場検出部１１１と、この磁場検出部１１１の姿勢情報を２つの均一磁場発生部から発生される交流の均一磁場に基づく磁場検出部１１１の出力信号から算出し、その姿勢情報と、不均一磁場発生部により発生される交流の不均一磁場に基づく磁場検出部１１１の出力信号とから磁場検出部１１１の位置情報を算出する演算部１０８とを備えている。

つまり、空間情報検出システムは、Ｘｇ軸ヘルムホルツコイル１０１とＺｇ軸ヘルムホルツコイル１０２と位置検出磁場発生コイル１０３とＸｇ軸ヘルムホルツコイル用電源１０４とＺｇ軸ヘルムホルツコイル用電源１０５と位置検出磁場発生用電源１０６と磁場検出部１１１を有する情報端末１０７と演算部１０８とデータ表示部１０９とから構成されている。情報端末１０７と演算部１０８とデータ表示部１０９とは、空間情報検出装置を構成している。

右手系の座標系ＸｇＹｇＺｇ座標系（絶対座標系であり、Ｘｇ軸、Ｙｇ軸、Ｚｇ軸は、それぞれ互いに直交している）が定義され、２つのコイル１組で構成される１対のヘルムホルツコイルであるＸｇ軸ヘルムホルツコイル１０１とＺｇ軸ヘルムホルツコイル１０２は、それぞれのコイルの中心軸がＸｇ軸とＺｇ軸に沿って構成されている。

Ｙｇ軸は、Ｚｇ軸からＸｇ軸の方向へ右ネジを回してネジの進む方向にあるものとする（図１３の紙面手前側から奥側へ向かうものとする）。Ｘｇ軸ヘルムホルツコイル１０１は、そのコイル間中心付近にＸｇ軸の向きに同一となる交流の均一磁場Ｂｘ（Ｘｇ軸方向磁場）を発生できる。Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル１０２も同様に、そのコイル間中心付近にＺｇ軸の向きに同一となる交流の均一磁場Ｂｚ（Ｚｇ軸方向磁場）を発生できる。Ｘｇ軸ヘルムホルツコイル１０１とＺｇ軸ヘルムホルツコイル１０２がともに均一磁場を発生できる空間を均一空間と呼ぶ。図１３の点線内がその均一空間を表している。

そして、Ｚｇ軸に沿って中心軸をもつ位置検出磁場発生コイル１０３が１つ配置される。この位置検出磁場発生コイル１０３からは、各ヘルムホルツコイルが形成する均一空間内の任意の位置において、磁場の向きまたは大きさが異なる交流の不均一磁場Ｂｐ（位置検出用磁場）を発生する。

Ｘｇ軸ヘルムホルツコイル用電源１０４と、Ｚｇ軸用ヘルムホルツコイル用電源１０５と、位置検出磁場発生用電源１０６は、それぞれ上記の各コイル、Ｘｇ軸ヘルムホルツコイル１０１と、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル１０２と、位置検出磁場発生コイル１０３に、周波数が異なる２つの交流電流（又は電圧）を重ね合わせて供給する。

Ｘｇ軸ヘルムホルツコイル用電源１０４からの交流電流（又は電圧）は、第１と第２の周波数の角周波数が、偶奇が異なる正の整数Ｍ_ｘ、Ｎ_ｘを用いて、それぞれＭ_ｘω_ｘ、Ｎ_ｘω_ｘである（最小の整数比として周波数比がＭ_ｘ：Ｎ_ｘである）。例えばＭ_ｘ＝１、Ｎ_ｘ＝２としてよい。同様に、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル用電源１０５からは、Ｍ_ｚω_ｚ、Ｎ_ｚω_ｚの角周波数を、位置検出磁場発生用電源１０６からは、Ｍ_ｐω_ｐ、Ｎ_ｐω_ｐの角周波数を持つ交流電流（又は電圧）を発生させる。これらの各角周波数はそれぞれ互いに異なるものであるとする。

そして、各コイルに各電源からの電流を供給することで磁場を発生でき、各コイルから発生した磁場、Ｘｇ軸方向磁場Ｂｘ、Ｚｇ軸方向磁場Ｂｚ、位置検出用磁場Ｂｐは、それぞれ、Ｍ_ｘω_ｘとＮ_ｘω_ｘ、Ｍ_ｚω_ｚとＮ_ｚω_ｚ、Ｍ_ｐω_ｐとＮ_ｐω_ｐの組み合わせの角周波数を有する。

そして、これらＢｘ、Ｂｚ、Ｂｐの各周波数成分の位相関係は、実施形態２と同様に表すことができ、例えば、Ｂｘの第１と第２の周波数成分の位相Θｘ，Φｘは次のように表されるものとする。
Θ_x＝Ｍ_xω_xｔ＋Ω_θx ・・・（式３１）
Φ_x＝Ｎ_xω_xｔ＋Ω_φx ・・・（式３２）
（第１の周波数成分、第２の周波数成分ともに時間ｔ＝０においてそれぞれΩ_θx、Ω_φxであるとする）。Ｂｚ、Ｂｐについても同様な形式で表現できるものとする。

均一空間内には、情報端末１０７が配置されている。この情報端末１０７の内部には、上述した各コイルから発生された磁場を検出する磁場検出部（方位角センサ１１１ａとデータ送信部１１６；後述する図１５参照）１１１が搭載されており、この方位角センサ１１１ａには、互いに直交した面を向いた３軸の磁気センサ１１０であるｘ軸磁気センサ１１０ａとｙ軸磁気センサ１１０ｂとｚ軸磁気センサ１１０ｃが搭載されている。

この磁気センサ１１０ａ〜１１０ｃは、例えば、ホール素子，ＭＲ素子，ＧＭＲ素子，ＭＩ素子などの半導体型の磁気センサである。また、データ送信部１１６は、方位角センサ１１１ａ内の３軸の磁気センサ１１０が検出した磁場をデジタル信号へと変換した磁気データを、情報端末１０７の外部の演算部１０８内のデータ受信部１１７へと送信することができる。なお、図１３では、情報端末１０７のデータ送信部１１６から磁気データを無線で演算部１０８へと送信する様子が描かれている（鉤型の点線矢印が無線で送信される磁気データを表している）。

用途によっては、必ずしも無線である必要はなく、情報端末１０７と演算部１０８を有線で接続し、データの送受信を行っても良い。また、演算部１０８も情報端末１０７の外部に描かれているが、演算部１０８を情報端末１０７の内部に搭載して、演算部１０８のデータを情報端末１０７の外部のデータ表示部１０９とやり取りしても良い。この際、用途に応じて無線でも有線でも構わない。

なお、情報端末１０７とは、実施の形態１に記載と同様に多様なものを意味している。また、演算部１０８も、実施形態１と同様に多様なものを意味している。また、データ表示部１０９は、演算部１０８からの出力信号を利用者へ表示する機能を有する部分で、例えば、携帯電話，ＰＤＡ，ゲーム機，計測器，ＰＣ用のディスプレイなどを利用して構成する。

図１４は、情報端末１０７の座標系についての説明図である。情報端末１０７の長手方向をｘ軸、短手方向をｙ軸とし、ｘ軸とｙ軸に垂直なｚ軸で、右手系の座標系ｘｙｚ座標系（端末座標系という）を定義する。また、情報端末１０７に搭載された方位角センサ１１１ａが有する互いに直交な３軸の磁気センサ１１０の方向は、それぞれｘｙｚ座標系を構成する各軸の方向と一致しているものとする。すなわち、ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の磁気センサ（１１０ａ〜１１０ｃ）がありそれぞれの出力の増大方向（正方向）がｘｙｚ座標系の各軸の正方向の向きである。

そして、演算部１０８では受信した磁気データから、絶対座標系に対する情報端末１０７の位置と姿勢を表す位置情報と姿勢情報を算出してデータ表示部１０９へと送り、このデータ表示部１０９において情報端末１０７の位置と姿勢を知ることができる。

図１５は、本発明の空間情報検出システムにおける実施形態４の空間情報検出装置の具体的な構成ブロック図である。この空間情報検出装置は、磁場検出部１１１と演算部１０８とから構成され、この演算部１０８は、データ受信部１１７とフーリエ変換部１１８と磁場ベクトル算出部１１９と位置・姿勢算出部１２０とを備えている。磁場検出部１１１は、上述したように方位角センサ１１１ａとデータ送信部１１６から構成されている。

この方位角センサ１１１ａは、ｘ軸磁気センサ１１０ａとｙ軸磁気センサ１１０ｂとｚ軸磁気センサ１１０ｃとの３軸の磁気センサ１１０と、この３軸の磁気センサ１１０を選択して選択された軸の磁気センサからの出力信号を取得するマルチプレクサ部１１２と、このマルチプレクサ部１１２を介して磁気センサ１１０を駆動する磁気センサ駆動部１１３と、マルチプレクサ部１１２からの出力信号を増幅する信号増幅部１１４と、この信号増幅部１１４からの増幅信号をＡ／Ｄ変換してデータ送信部１１６へ出力するＡ／Ｄ変換部１１５とから構成されている。データ送信部１１６は、Ａ／Ｄ変換部１１５で変換された信号を演算部１０８に送信する。

このような構成により、磁気センサ駆動部１１３は、マルチプレクサ部１１２を介して磁気センサ（１１０ａ〜１１０ｃ）を駆動する。マルチプレクサ部１１２は、測定する軸の磁気センサを選択する。選択された軸の磁気センサの信号は、信号増幅部１１４において適切な大きさに増幅され、Ａ／Ｄ変換部１１５においてアナログ信号からデジタル信号へと変換される。このデジタル信号への変換は、各軸の磁気センサ１１０からの信号に対して行う。デジタル化された信号は、データ送信部１１６から磁気データとして演算部１０８へと送信される。

演算部１０８は、上述したように、データ受信部１１７とフーリエ変換部１１８と磁場ベクトル算出部１１９と位置・姿勢算出部１２０とから構成されている。

このような構成により、データ受信部１１７は、磁場検出部１１１のデータ送信部１１６からの磁気データを受信し、フーリエ変換部１１８へと送る。このフーリエ変換部１１８は、データ受信部１１７からの所望量（例えば、１２８Ｈｚのサンプリング周波数で測定を行う場合、１Ｈｚの周波数分解能が必要であれば１２８個のデータ量となる）の３軸の磁気センサ１１０からの磁気データを取得した後に、それらに対しＦＦＴ演算を実行する。そして、各軸のＦＦＴ演算結果から、各軸において、各コイルから発生する交流磁場Ｂｘ、Ｂｚ、Ｂｐの各周波数成分中（それぞれ角周波数成分が、Ｍ_ｘω_ｘとＮ_ｘω_ｘ、Ｍ_ｚω_ｚとＮ_ｚω_ｚ、Ｍ_ｐω_ｐとＮ_ｐω_ｐの複数の周波数成分中）の、信号強度（振幅）と位相を算出し（ここで、各軸におけるＭ_ｘω_ｘ、Ｍ_ｚω_ｚ、Ｍ_ｐω_ｐの周波数成分の振幅を算出し、Ｍ_ｘω_ｘとＮ_ｘω_ｘ、Ｍ_ｚω_ｚとＮ_ｚω_ｚ、Ｍ_ｐω_ｐとＮ_ｐω_ｐの周波数成分の位相を算出したものとする）、磁場ベクトル算出部１１９へと送る。

磁場ベクトル算出部１１９は、フーリエ変換部１１８からの各軸における複数の周波数成分中の振幅と位相から、発明の実施形態２に記載の方法によって、各磁場に対して、各軸の複数の周波数成分の位相関係を利用し、各軸の振幅について符号を算出することで、角周波数がＭ_ｘω_ｘ、Ｍ_ｚω_ｚ、Ｍ_ｐω_ｐの周波数成分の磁場ベクトル、それぞれｍ_ｘ、ｍ_ｚ、ｍ_ｐを算出する。すなわち、発明の実施形態２に記載の方法によって、ｍ_ｘはＭ_ｘω_ｘの周波数成分の振幅と、Ｍ_ｘω_ｘとＮ_ｘω_ｘの周波数成分の位相関係から算出する。同様に、ｍ_ｚはＭ_ｚω_ｚの周波数成分の振幅と、Ｍ_ｚω_ｚとＮ_ｚω_ｚの周波数成分の位相関係から、ｍ_ｐはＭ_ｐω_ｐの周波数成分の振幅と、Ｍ_ｐω_ｐとＮ_ｐω_ｐの周波数成分の位相関係から算出する。これらは、Ｂｘ、Ｂｚ、Ｂｐの角周波数がＭ_ｘω_ｘ、Ｍ_ｚω_ｚ、Ｍ_ｐω_ｐの成分の磁場の向きと大きさを端末座標系でのベクトルとして表現したものとなっている。すなわち、ｍ_ｘ、ｍ_ｚは均一磁場の向きと大きさを表す均一磁場ベクトルであり、姿勢検出用の磁場ベクトルとして、ｍ_ｐは不均一磁場の向きと大きさを表す不均一磁場ベクトルであり、位置検出用の磁場ベクトルとして利用される。

なお、磁場ベクトルは、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の磁気センサ１１０から検出する符号付き振幅Ａ_ｘ’，Ａ_ｙ’，Ａ_ｚ’から求めることができる。例えば、Ｘｇ軸方向磁場Ｂｘに対する符号付き振幅をＡ＿ｘ’（Ｍ_ｘω_ｘ），Ａ＿ｙ’（Ｍ_ｘω_ｘ），Ａ＿z’（Ｍ_ｘω_ｘ）とすると、磁場ベクトルｍ_ｘは、
ｍ_ｘ＝（Ａ＿ｘ’（Ｍ_ｘω_ｘ），Ａ＿ｙ’（Ｍ_ｘω_ｘ），Ａ＿ｚ’（Ｍ_ｘω_ｘ））^Ｔ・・・（式３３）
となる（ただし、Ｘ^ＴはＸの転置を表し、このベクトルは縦ベクトルを表現している）。同様に、ｍ_ｚ、ｍ_ｐを、各軸におけるＢｚ、Ｂｐのそれぞれの周波数成分中の振幅と位相から算出することができる。

そして、位置・姿勢算出部１２０は、磁場ベクトル算出部１１９で算出された磁場ベクトルｍ_ｘ、ｍ_ｚ、ｍ_ｐから、情報端末１０７の姿勢情報と位置情報を算出し、データ表示部１０９へと送る。

ここで、位置・姿勢算出部１２０が、情報端末１０７の姿勢情報と位置情報を算出する手順の一例について説明する。

図１６は、位置検出用磁場Ｂｐがなす磁場の向きに関して模式的に示す図である。位置検出磁場発生コイル１０３から発生する磁場の向きは、コイルの中心軸（Ｚｇ軸）で対称に放射上に広がってゆく。この不均一磁場Ｂｐが位置によって向きまたは大きさが異なるため、このＢｐを計測することによって情報端末１０７の位置を決定できる。

例えば、図１７は、位置検出磁場発生コイル１０３からの位置検出用磁場ＢｐをＺｇ軸上方から見た様子を示す図である。ＸｇＹｇ平面は、位置検出磁場発生コイル１０３の中心を原点としてひろがっている。位置検出磁場発生コイル１０３の中心からＢｐが放射状に広がるため、ＸｇＹｇ面に平行な面では等強度な位置は円周上にある。

図１７において、この等強度の円周上の異なる位置に、情報端末１０７がＸｇＹｇ平面に平行に（端末座標系のｘ軸ｙ軸がＸｇＹｇ平面に平行）、かつ端末座標系のｘ軸が円の接線に垂直な外側を向いている姿勢ａ、ｂ、ｃが描かれている。姿勢ａ、ｂ、ｃは、絶対座標系のＸｇＹｇ座標に対して姿勢と位置が異なっているが、端末座標系で測定される磁場ベクトルｍ_ｐは同じである。したがって、いずれの姿勢ａ、ｂ、ｃであるか区別する姿勢情報を求めることで、絶対座標系と端末座標系の関係がわかり、端末座標系の磁場ベクトルｍ_pを絶対座標系で表すことができ、等強度円周上のどの位置のＢｐを測定したか判断できるため、情報端末１０７が存在する位置を決定できる。例えば、情報端末１０７がさらに静電容量型又はピエゾ抵抗型素子を利用した加速度センサを備え、磁場検出部１１１から地磁気をさらに検出し、その地磁気と加速度を利用して予め情報端末１０７の姿勢を検出すれば、上述のように不均一な磁場を利用して位置を決定することも可能である。また、情報端末１０７が圧電素子を利用した振動ジャイロセンサと、加速度センサを備えており、情報端末１０７（磁場検出部１１１）の任意の姿勢を検出する機能を備え、姿勢情報を算出し、その姿勢情報と、上述の不均一磁場を利用して位置を決定することも可能である（これらは後述の実施形態８を参照）。

そこでまず、情報端末１０７の姿勢情報を求める。
ここでは、均一な交流磁場を利用して姿勢情報を算出する方法について以下に説明する。

磁場ベクトル算出部１１９で算出された端末座標系の均一磁場ベクトルｍ_ｘ、ｍ_ｚから絶対座標系を表す正規直交基底ベクトルｅ_ｘ、ｅ_ｙ、ｅ_ｚが次のように表現できる。
ｅ_ｘ＝ｍ_ｘ／｜ｍ_ｘ｜ ・・・（式３４）
ｅ_ｙ＝ｍ_ｚ×ｍ_ｘ／｜ｍ_ｚ×ｍ_ｘ｜ ・・・（式３５）
ｅ_ｚ＝ｍ_ｚ／｜ｍ_ｚ｜ ・・・（式３６）
ここで、｜ｘ｜は、ｘの絶対値を表し、×はベクトル同士の外積演算を表す演算子である。そして、Ｘ＝（ｅ_ｘｅ_ｙｅ_ｚ）で３行３列行列を表現すると、任意の絶対座標系の任意のベクトルｒ_ｇは、次のような変換で端末座標系のベクトルｒとして表現されることになる。
Ｘｒ_ｇ＝ｒ ・・・（式３７）
すなわち、端末座標系のベクトルｒから、
ｒ_ｇ＝Ｘ^-1ｒ＝Ｘ^Ｔｒ ・・・（式３８）
として、絶対座標系でのベクトルｒ_ｇへと変換することができる。

Ｘ^Ｔは、絶対座標系から見た端末座標系の正規直交基底より成る行列であり、情報端末１０７の姿勢を表す姿勢情報にもなっている。例えば、情報端末１０７の長手方向（端末座標系のｘ軸方向）はｒ_ｘ＝（１，０，０）^Ｔと表されるが、このベクトルをＸ^Ｔによって絶対座標系で表したベクトルｒ_ｘｇ＝（Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚ）^Ｔへと変換されるとすると、このベクトルの各成分は、Ｘ^Ｔの１列目の成分である。そして、この長手方向が、Ｘｇ軸となす角Ψ、ＸｇＹｇ平面となす角αを以下の式で算出することができる。
Ψ＝ｔａｎ^-1（Ｒｙ／Ｒｘ） ・・・（式３９）
α＝ｔａｎ^-1（Ｒｚ／（Ｒｘ²＋Ｒｙ²）^1/2） ・・・（式４０）
これらは、情報端末１０７の長手方向の姿勢を表している。同様に短手方向ｒ_ｙ＝（０，１，０）^Ｔ及び端末座標系のｚ軸方向ｒ_ｚ＝（０，０，１）^Ｔを、それぞれＸ^Ｔの２列目、Ｘ^Ｔの３列目の成分を利用して姿勢を表現できる。これによって、情報端末１０７の任意の姿勢を表す姿勢情報を求めることができた。なお、上述した方法に限らず、端末座標系から絶対座標系への変換が行うために、姿勢情報としてオイラー角（ヨー角・ピッチ角・ロール角など）などで姿勢を表現しても良い。

そして、端末座標系から絶対座標系への座標変換ができるようになったので、不均一磁場ベクトルｍ_ｐを絶対座標系へと変換したベクトルＪ_ｐが求められる。
Ｊ_ｐ＝Ｘ^Ｔｍ_ｐ ・・・（式４１）
そして、位置検出磁場発生コイル１０３からの位置検出用磁場Ｂｐが絶対座標系のある任意の座標点ｒ_ｐ＝（Ｘ，Ｙ，Ｚ）でＢｐ＝（Ｂｐｘ，Ｂｐｙ，Ｂｐｚ）^Ｔであったとすると、
Ｂｐ＝Ｊ_ｐ ・・・（式４２）
より、位置情報としてｒ_ｐを求めることができる。

例えば、本発明における位置検出磁場発生コイル１０３が作る磁場が、磁気双極子（それをｍ_coilと定義する）からの磁場としてビオ・サバールの法則から求めることができる場合、ｒ_ｐにおける位置検出用磁場Ｂｐは、位置検出磁場発生コイル１０３の絶対座標系での位置がｒ₀で表されるとすると、
Ｂｐ＝１／４π×（−ｍ_coil／｜ｒ_ｐ−ｒ₀｜³＋３（ｍ_coil・（ｒ_ｐ−ｒ₀））（ｒ_ｐ−ｒ₀）／｜ｒ_ｐ−ｒ₀｜⁵） ・・・（式４３）
として一意に求めることができる。この式を（式４２）に当てはめることによって簡単に位置情報ｒ_ｐを求めることができる。

もちろん、（式４３）のような代数式ではなく、有限要素法などのようなシミュレーションによって位置検出磁場発生コイル１０３からの位置検出用磁場Ｂｐを算出する方法や、予め計測した位置検出用磁場Ｂｐを記憶しておいて、測定値として求めたＪ_ｐと（式４２）でテーブル参照によって比較して位置情報ｒ_ｐを求めても良い。

図１８は、本発明の空間情報検出システムの実施形態４の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。まず、各コイル１０１,１０２,１０３からＸｇ軸方向磁場Ｂｘ、Ｚｇ軸方向磁場Ｂｚ、位置検出用磁場Ｂｐの各磁場を発生する（ステップＳ１）。次に、各コイル１０１,１０２,１０３から発生中の磁場を、３軸の磁気センサ１１０を有する方位角センサ１１１ａで測定し、デジタル信号である各軸の磁気データを取得する（ステップＳ２）。

次に、フーリエ変換部１１８において、ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得したかどうか判断する（ステップＳ３）。ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得していれば次のステップＳ４へ進み、ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得していなければステップＳ２へ戻る。

次に、取得された所望量の各軸の磁気データに対してＦＦＴ演算を行い、上述のように各軸における複数の周波数成分中の振幅と位相を算出する。すなわち、各軸において、各磁場の各周波数成分中の振幅と位相を算出する（ステップＳ４）。そして、磁場ベクトル算出部１１９において、各軸における各磁場の周波数成分中の振幅と位相から、各磁場に対して、各軸の複数の周波数成分の位相関係を利用し、各軸の振幅について符号を求め、各磁場の向きと大きさを表す、位置姿勢検出に必要な磁場ベクトルｍ_ｘ、ｍ_ｚ、ｍ_ｐを算出する（ステップＳ５）。

そして、位置姿勢算出部１２０において、姿勢検出用の磁場ベクトルｍ_ｘ、ｍ_ｚから、情報端末１０７の姿勢を表す姿勢情報を算出する（ステップＳ６）。そして、情報端末１０７の姿勢情報から端末座標系から絶対座標系への座標変換ができるようになったので、位置検出用の磁場ベクトルｍ_ｐを絶対座標系へと変換したベクトルＪ_ｐが求められ、（式２０）により情報端末１０７の位置情報を算出する（ステップＳ７）。

以上のような手順によって、均一空間内において、交流の均一磁場Ｂｘ、Ｂｚから情報端末１０７の姿勢情報を、そして、情報端末１０７の姿勢情報と交流の不均一磁場Ｂｐから情報端末１０７の位置情報を求めることができた。すなわち、情報端末１０７の姿勢と位置を検出できた。そして、続けて位置と姿勢の検出を行う場合には、ステップＳ２へと戻ればよい。

本発明の空間情報検出システムの実施形態４の構成において、必ずしも位置検出磁場発生コイル１０３の中心軸は、Ｚｇ軸と一致させなくてもよい。（式４２）のように位置検出用磁場Ｂｐを測定して求めたＪ_ｐと比較して位置情報を求めることができるならば、任意の位置に配置可能である。

また、実施形態４の構成において、均一磁場発生部としてＸｇ軸ヘルムホルツコイル１０１とＺｇ軸ヘルムホルツコイル１０２の２対のヘルムホルツコイルで構成したが、情報端末１０７が加速度センサを備え、Ｚｇ軸方向に重力加速度を検出できる場合には、Ｘｇ軸ヘルムホルツコイル１０１の１対だけを利用して、磁場ベクトルｍ_xと加速度センサで検出する加速度ベクトルを利用して情報端末１０７の任意姿勢を検出でき、不均一な交流磁場Ｂｐから情報端末１０７の位置情報を求めることもできる。このような構成も本発明に含まれる。

[実施形態５]
＜１つのコイルでＺｇ軸用磁場と位置検出用磁場を発生する場合＞
図１９は、本発明の空間情報検出システムの実施形態５を示す全体構成図である。発明の実施形態４の図１３と異なる構成に関して説明を行う。図１９においては、発明の実施形態４の位置検出磁場発生コイル１０３と位置検出磁場発生用電源１０６がなく、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル用電源１０５の代わりに、電源１２５ａと電源１２５ｂからなるＺｇ軸ヘルムホルツコイル用電源部１２５を備えている。また、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル１２２は、コイル１２２ａとコイル１２２ｂに区別され、それぞれ電源１２５ａと電源１２５ｂに接続されている。この構成はコイル１２２ａから、Ｚｇ軸方向磁場Ｂｚだけでなく、位置検出用磁場Ｂｐの成分を重ね合わせて発生させるように構成したものである。すなわち、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル１２２から均一磁場と不均一磁場を重ね合わせて出力するように構成したものである。

電源１２５ａから角周波数がＭ_ｚω_ｚ、Ｎ_ｚω_ｚ及びＭ_ｐω_ｐとＮ_ｐω_ｐの交流電流をコイル１２２ａに供給し、電源１２５ｂから角周波数がＭ_ｚω_ｚ、Ｎ_ｚω_ｚの交流電流をコイル１２２ｂに供給する。

そして、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル１２２のコイル１２２ａとコイル１２２ｂから角周波数Ｍ_ｚω_ｚとＮ_ｚω_ｚの異なる周波数の交流磁場が、さらにコイル１２２ａからは角周波数がＭ_ｐω_ｐとＮ_ｐω_ｐである交流磁場が重なって発生する。このとき、電源１２５ａと電源１２５ｂによってコイル１２２ａとコイル１２２ｂから発生する角周波数Ｍ_ｚω_ｚとＮ_ｚω_ｚの交流磁場の成分は、大きさと位相が一致するように調整されているものとする。

Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル１２２を構成するコイル１２２ａとコイル１２２ｂから同時に角周波数Ｍ_ｚω_ｚとＮ_ｚω_ｚの成分の交流磁場を発生させることで、コイル間中心付近に均一なＺｇ軸方向磁場Ｂｚを形成し、コイル１２２ａからの角周波数Ｍ_ｐω_ｐとＮ_ｐω_ｐの成分は不均一な位置検出用磁場Ｂｐを形成することができる。

このとき、周波数の整数比Ｍ_ｚ：Ｎ_ｚ及びＭ_ｐ：Ｎ_ｐは、発明の実施形態４において説明したように互いの偶奇が異なる整数比である。例えば、Ｍ_ｚ：Ｎ_ｚは１：２、Ｍ_ｐ：Ｎ_ｐは、３：８などである。そのため、発明の実施の形態２の（式１８）乃至（式２４）の演算をこれらの周波数成分に対して適用できる。

このような不均一磁場と均一磁場を重ね合わせて発生するコイルの構成にすることで、位置検出磁場発生コイル１０３は不要となり、空間情報検出システムの構成がさらに簡略化される。また、本発明の実施の形態において、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル用電源部１２５として、電源１２５ａと電源１２５ｂと同等な出力が１台で可能な、２系統出力の交流電源を利用しても良い。

この実施形態において、情報端末１０７の位置と姿勢の検出は、実施形態４と同様の手順で行える。すなわち、空間情報検出方法及び空間情報検出装置は、実施形態４と同様である。

実施形態において、均一な磁場とは、ある定義された空間内の任意の点で、実質的に磁場の方向が一定でかつ大きさも一定であるとみなせる磁場である。また、実施形態において、不均一な磁場とは、ある定義された空間内で位置により、実質的に磁場の向きまたは大きさが異なっているとみなせる磁場である。

以上、本発明によって、実施形態４乃至５において、均一な磁場を構成することで、簡単な計算によって姿勢検出が行えるようになり、また、そのような均一な磁場で構成された均一空間内の任意の座標で、不均一な磁場を発生させることで、姿勢の検出に加えて位置の検出が可能となり、しかも、簡単な計算で算出できる。

次に、不均一磁場として勾配磁場を用いた位置と姿勢の検出について以下に説明する。
この勾配磁場を用いた位置と姿勢の検出については、均一磁場＋均一・勾配合成磁場で位置と姿勢を検出する場合（実施形態６）、地磁気＋均一・勾配合成磁場で位置と姿勢を検出する場合（実施形態７）、加速度センサ＋ジャイロセンサ＋勾配磁場で位置と姿勢を検出する場合（実施形態８）、加速度センサ＋地磁気＋勾配磁場で位置と姿勢を検出する場合（実施形態９）、均一・勾配合成磁場＋加速度センサを使用する場合（実施形態１０）がある。実施形態８乃至１０において、本発明の空間情報システム並びに装置は、姿勢検出部を新たに備えている。実施形態８においては、姿勢検出部が検出する姿勢は、任意姿勢であり、姿勢検出部の出力信号だけから磁場検出部の姿勢すべてを表現できる。一方、実施形態９及び１０においては、姿勢検出部が検出する姿勢は、座標系のいずれかの軸について自由度の残った姿勢であり、姿勢検出部の出力信号からは一部の姿勢を表現できる。いずれの実施形態においても、最終的に検出する姿勢とは自由度を残さずに決定できる実施形態４から５で述べたような任意姿勢のことである。これらの実施形態について以下に説明する。

[実施形態６]
＜均一磁場＋均一・勾配合成磁場で位置と姿勢を検出する場合＞
図２０は、本発明の空間情報検出システムの実施形態６を示す全体構成図である。以下、実施形態５との相違点を中心に説明する。

実施形態６と実施の形態５では、位置検出用磁場Ｂｐが異なる。実施形態５では、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知で、位置によって磁場の向きまたは大きさが異なっている交流の不均一磁場として、磁気双極子から発生する磁場を近似した１つのコイルから発生する磁場を用いているのに対し、発明の実施形態６では、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である各軸方向に線形な交流の勾配磁場を用いている。この線形な交流勾配磁場は、コイル間中心付近にある均一空間内にＸｇＹｇＺｇ軸の各軸方向に線形な勾配をもっている。また、本発明において、線形な勾配磁場とは、各軸方向に沿って強度が線形に変化する磁場のことをいい、その変化割合のことを勾配という。

次に、勾配磁場の発生機構について、図２１Ａ及び図２１Ｂを用いて説明する。図２１Ａでは、右手系のＸｇＹｇＺｇ座標系があり、原点は１対のヘルムホルツコイルのコイル間中心に一致し、またＺｇ軸はヘルムホルツコイルの中心軸に一致している。

ヘルムホルツコイルの一方のコイル１２２ａへは電流Ｉａが、もう一方のコイル１２２ｂへは電流Ｉｂが流れる。電流Ｉａがコイル１２２ａを流れる方向は、Ｚg軸を軸としてＺg軸の正方向を向いて時計回りに回転する方向となっている。一方、電流Ｉｂがコイル１２２ｂを流れる方向は、Ｚg軸の正方向を向いて反時計回りに回転する方向へと流れている。このとき、コイル１２２ａから発生した磁場(図中の原点付近の実線矢印)とコイル１２２ｂから発生した磁場(図中の原点付近の点線矢印)により合成された磁場はＸｇ、Ｙｇ軸成分は原点から離れる方向、Ｚｇ軸成分は原点に向かう方向を向いて、原点付近ではＸｇ、Ｙｇ、Ｚｇ軸の各軸の成分の強度が次のように各軸の方向に線形に変化する勾配磁場Ｂｐ（Ｘｇ成分、Ｙｇ成分、Ｚｇ成分がそれぞれＢｐｘ，Ｂｐｙ，Ｂｐｚ）となる。

Ｂｐ＝（Ｂｐｘ，Ｂｐｙ，Ｂｐｚ）^Ｔ＝（ｋＸ，ｋＹ，−２ｋＺ）^Ｔ
・・・（式４４）
ここで、Ｘ，Ｙ，ＺはＸｇＹｇＺｇ座標系の座標を表している。また、ｋはコイルの形状や電流によって決まる比例定数である。図２１Ｂは、ＢｐｘがＸｇ軸の座標に沿って磁場の強度が線形に変化する様子を示している。Ｂｐｙ，Ｂｐｚについても同様に各軸の座標に沿って磁場の強度が線形に変化することになる（但し、Ｂｐｚは傾きが負）。従って、ある位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）での磁場の各軸の成分の強度が測定されれば、比例定数ｋによってその位置を決定できる。

各電流が交流電流の場合には、電流の流れる向きは各電流の位相を１８０度ずらすことによって互いに逆向きとして流すことができる。また発生する磁場は交流磁場のため、磁場の各軸の成分の強度は当該周波数の振幅で表す。そして、その振幅が各軸方向に線形に変化する。振幅の正負は、以下ではコイル１２２ａの交流電流の正出力時における磁場の方向が座標軸の正方向に一致している場所では正、一致していない場所では負として考えることにする。

そして、交流電流Ｉａ、Ｉｂを異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流電流として利用するとき、発生する磁場は異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の勾配磁場となる。なお、電流の流れる向きを互いに同じ方向にする(位相を一致させる)と、原点付近に発生する磁場は均一な磁場となる。すなわち、よく知られたヘルムホルツコイルによって発生する均一な磁場である。なお、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル１２２は、勾配磁場と、Ｚｇ軸方向磁場Ｂｚとを、重ね合わせて発生できるような構成となっている。

また、発明の実施形態６では、Ｚｇ軸ヘルムホルツ用電源部１２５に、電流を制御するための電流制御部１２４が備わっている点で、発明の実施形態５と異なる。ここで、電流制御部１２４は、主に、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル１２２に供給する電流の発生周期や電流量を制御するものである。具体的には、図２０に記載のＺｇ軸ヘルムホルツコイル１２２の一方（コイル１２２ａ）に電流を供給する電源１２５ａと、他方（コイル１２２ｂ）に電源を供給する電源１２５ｂのヘルムホルツコイルに供給する電流を、制御している。他の構成および座標系は発明の実施形態５と同じである。

ここで、電源１２５ａは、Ｍ_ｚω_ｚ、Ｎ_ｚω_ｚ、Ｍ_ｐω_ｐ、Ｎ_ｐω_ｐの角周波数（各角周波数はそれぞれ互いに異なるものであるとし、周波数の整数比Ｍ_ｚ：Ｎ_ｚ及びＭ_ｐ：Ｎ_ｐは、発明の実施形態４と同様にそれぞれ互いの偶奇が異なる整数比である）を持つ交流電流（又は電圧）を発生させる。電源１２５ａに供給される電流Ｉａは次のように表される。

Ｉａ＝Ｉｚ＊（ｓｉｎ（Ｍ_ｚω_ｚｔ）＋ｓｉｎ（Ｎ_ｚω_ｚｔ））＋Ｉｐ＊（ｓｉｎ（Ｍ_ｐω_ｐｔ）＋ｓｉｎ（Ｎ_ｐω_ｐｔ）） ・・・（式４５）
ここで、Ｉｚ、Ｉｐは電流振幅を表している。

電源１２５ｂも同様にＭ_ｚω_ｚ、Ｎ_ｚω_ｚ、Ｍ_ｐω_ｐ、Ｎ_ｐω_ｐの角周波数を持つ交流電流を発生する。電源１２５ｂに供給される電流Ｉｂは次のように表される。

Ｉｂ＝Ｉｚ＊（ｓｉｎ（Ｍ_ｚω_ｚｔ）＋ｓｉｎ（Ｎ_ｚω_ｚｔ））−Ｉｐ＊（ｓｉｎ（Ｍ_ｐω_ｐｔ）＋ｓｉｎ（Ｎ_ｐω_ｐｔ）） ・・・（式４６）
ここで、ＩａとＩｂの電流において、Ｍ_ｚω_ｚ、Ｎ_ｚω_ｚの周波数成分は位相が一致しており、Ｍ_ｐω_ｐ、Ｎ_ｐω_ｐの周波数成分は位相が１８０度ずれていることを表している。

電流制御部１２４は、この電流ＩａとＩｂの発生周期や電流振幅（電流量）を制御する。そして、上記のように各コイルに各電源からの電流を供給することで、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル１２２から交流の均一磁場であるＺｇ軸方向磁場Ｂｚ及び不均一磁場である交流勾配磁場Ｂｐを発生できる。また、発明の実施形態４，５と同様な方法で、Ｘｇ軸ヘルムホルツコイル１０１から交流の均一磁場であるＸｇ軸方向磁場Ｂｘを発生することができる。Ｂｘ、Ｂｚ、Ｂｐはそれぞれ、Ｍ_ｘω_ｘとＮ_ｘω_ｘ、Ｍ_ｚω_ｚとＮ_ｚω_ｚ、Ｍ_ｐω_ｐとＮ_ｐω_ｐの組み合わせの角周波数を有することになる。

そして、発明の実施形態４に記載の方法を用いて、各軸における、各コイルから発生する交流磁場Ｂｘ、Ｂｚ、Ｂｐの各周波数成分中の（それぞれ角周波数成分が、Ｍ_ｘω_ｘとＮ_ｘω_ｘ、Ｍ_ｚω_ｚとＮ_ｚω_ｚ、Ｍ_ｐω_ｐとＮ_ｐω_ｐの複数の周波数成分中の）信号強度（振幅）と位相から（実施形態４と同様にＭ_ｘω_ｘ、Ｍ_ｚω_ｚ、Ｍ_ｐω_ｐの周波数成分の振幅、Ｍ_ｘω_ｘとＮ_ｘω_ｘ、Ｍ_ｚω_ｚとＮ_ｚω_ｚ、Ｍ_ｐω_ｐとＮ_ｐω_ｐの周波数成分の位相から）、磁場ベクトルｍ_ｘ、ｍ_ｚ、ｍ_ｐを算出することができる。ｍ_ｘ、ｍ_ｚは、均一磁場の向きと大きさを表す均一磁場ベクトルであり、姿勢検出用である。ｍ_ｐは位置検出用の不均一磁場の向きと大きさを表す不均一磁場ベクトルであり、位置検出用である。実施形態４と同様に、姿勢検出用の磁場ベクトルｍ_ｘ、ｍ_ｚから正規直交基底ベクトルｅ_ｘ、ｅ_ｙ、ｅ_ｚを求め、Ｘ＝（ｅ_ｘｅ_ｙｅ_ｚ）で３行３列行列を表現すると、位置検出用の磁場ベクトルｍ_ｐを絶対座標系へと変換したベクトルＦ_ｐを求めることができる。

Ｆ_ｐ＝Ｘ^Ｔｍ_ｐ ・・・（式４７）
ここで、ＢｐのＭ_ｐω_ｐの周波数成分が絶対座標系のある任意の座標点ｒ_ｐ＝（Ｘ，Ｙ，Ｚ）でＦ_ｐ＝（Ｆ_ｐｘ，Ｆ_ｐｙ，Ｆ_ｐｚ）^Ｔとして情報端末１０７によって測定されたとすると、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル１２２から発生している勾配磁場Ｂｐの勾配は（式４４）から比例定数をｋとして、Ｆ_ｐとの関係が
Ｂｐ＝（ｋＸ，ｋＹ，−２ｋＺ）^Ｔ＝Ｆ_ｐ＝（Ｆ_ｐｘ，Ｆ_ｐｙ，Ｆ_ｐｚ）^Ｔ
・・・（式４８）
となっているので、比例定数ｋを求めることで位置情報としてｒ_ｐを求めることができる。

さらに実施形態における構成では、同じヘルムホルツコイルから均一磁場と勾配磁場を発生しているので、ＩｚとＩｐの関係を調整することで、均一磁場の大きさを測定すると勾配磁場の比例定数ｋを簡単に求めることができる。例えば、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル１２２を半径Ｒの円形コイルとし、コイル１２２ａとコイル１２２ｂをＲの距離間隔で離して構成し、Ｉｚ，Ｉｐによって発生するコイル１２２ａ及びコイル１２２ｂからの磁場の絶対値は等しいものとするとき、ＢｚのＭ_ｚω_ｚの周波数成分の絶対値｜ｍ_ｚ｜から次式を利用して勾配磁場の比例定数ｋを求めることができる。

２ｋ＝６｜ｍ_ｚ｜／（５Ｒ） ・・・（式４９）
すなわち、交流の均一磁場の大きさ｜ｍ_ｚ｜を測定すると、既知のＲから（式４９）によって勾配磁場の比例定数ｋを求めることができ、予め比例定数を測定しなくても良い。均一空間内では｜ｍ_ｚ｜は一定だから、均一空間内のどこを最初に測っても比例定数ｋを直ちに求めて位置情報を求めることが可能となる。

図２２は、本発明の空間情報検出システムの実施形態６の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。まず、各コイルから異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の均一磁場Ｘｇ軸方向磁場Ｂｘ、Ｚｇ軸方向磁場Ｂｚの２つと、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の勾配磁場Ｂｐの各磁場を重ね合わせて発生する（ステップＳ１）。次に、各コイルから発生中の磁場を、３軸の磁気センサ１１０を有する方位角センサ１１１ａで測定し、デジタル信号である各軸の磁気データを取得する（ステップＳ２）。

次に、フーリエ変換部１１８において、ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得したかどうか判断する（ステップＳ３）。ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得していれば次のステップＳ４へ進み、ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得していなければステップＳ２へ戻る。

次に、取得された所望量の各軸の磁気データに対してＦＦＴ演算を行い、各軸における各磁場の各周波数成分中の振幅と位相を算出する（ステップＳ４）。そして、磁場ベクトル算出部１１９において、各軸における各磁場の各周波数成分中の振幅と位相から、位置姿勢検出に必要な、２つの均一磁場と、勾配磁場を示す磁場ベクトルｍ_ｘ、ｍ_ｚ、ｍ_ｐを算出する（ステップＳ５）。

そして、位置姿勢算出部１２０において、２つの均一磁場を示す磁場ベクトルｍ_ｘ、ｍ_ｚから、情報端末１０７の姿勢を表す姿勢情報を算出する（ステップＳ６）。そして、情報端末１０７の姿勢情報から端末座標系から絶対座標系への座標変換ができるようになったので、勾配磁場を示す磁場ベクトルｍ_ｐから絶対座標系へと変換したベクトルＦ_ｐが求められ、（式４８）により情報端末１０７の位置を表す位置情報を算出する（ステップＳ７）。

以上のような手順によって、均一空間内において、交流の均一磁場Ｂｘ、Ｂｚから情報端末の姿勢情報を、そして、情報端末の姿勢情報と交流の勾配磁場Ｂｐから情報端末の位置情報を求めることができた。すなわち、情報端末の姿勢と位置を検出できた。そして、続けて位置と姿勢の検出を行う場合には、ステップＳ２へと戻ればよい。

［実施形態７］
＜地磁気＋均一・勾配合成磁場で位置と姿勢を検出する場合＞
図２３は、本発明の空間情報検出システムの実施形態７を示す全体構成図である。発明の実施形態６の図２０と異なる構成に関して説明を行う。図２３では図２０におけるＸｇ軸ヘルムホルツコイルがなく、代わりにＸｇ軸方向に地磁気がＢｘとして存在している。すなわち、１つの均一磁場発生部の代わりに地磁気を利用している。均一空間は地磁気Ｂｘと異なる複数の周波数の位相関係が既知である交流の均一磁場Ｂｚがともに均一である空間となっている。その他の構成は発明の実施形態６と同様である。

情報端末内の磁場検出部１１１は、地磁気ＢｘとＺｇ軸ヘルムホルツコイル１２２からの異なる複数の周波数の位相関係が既知である交流の均一磁場Ｂｚと交流の勾配磁場Ｂｐとを同時に測定する。そして、磁場検出部１１１のデータ送信部１１６から磁気データを無線で演算部１０８へと送信し、この演算部１０８においてデータ受信部１１７がデータ送信部１１６からの磁気データを受信し、フーリエ変換部１１８へと送る。

フーリエ変換部１１８では、発明の実施形態６と同様にＦＦＴ演算を実行し、各軸における複数の周波数成分中の振幅と位相を算出する。また、各軸の直流成分（０Ｈｚの周波数成分）の振幅を算出する。磁場ベクトル算出部１１９では、実施形態６と同様に磁場ベクトルｍ_ｚ及びｍ_ｐを算出すると同時に、各軸の直流成分の振幅をベクトルｍ_ｘとして算出する。この直流成分ベクトルｍ_ｘが地磁気Ｂｘを示す磁場ベクトルを含んでいる。例えば、磁気データが８ｂｉｔのコード（０〜２５５）で表され、ｘ軸磁気センサ１１０ａがＢｘと平行、Ｂｘの大きさが３０ＬＳＢ、０ｕＴの磁場が１２８ＬＳＢであったとすると、ｍ_ｘはｍ_ｘ＝（１５８，１２８，１２８）^Ｔとして求められる。従って、この場合地磁気信号の中心となる０ｕＴを示すオフセット分１２８ＬＳＢを除去してやることで、地磁気Ｂｘを示す直流磁場ベクトルとすることができる。したがって、オフセット分を除去した地磁気Ｂｘを示す直流磁場ベクトルｍ_ｘ’を算出する。なお、オフセット分を求める方法は、地磁気による信号の描く円もしくは球面の中心を求める方法ならば何でもよいが、例えば、情報端末１０７を水平方向に一周回転させ、得られた軌跡のＸ 座標およびＹ 座標の最大値および最小値から求める方法や、出願人が特許文献６に提示しているように、情報端末１０７を３次元方向に任意に動かした時の地磁気情報から統計的手法により球の中心を求める方法などを利用して求めておく。以後、発明の実施形態６と同様な演算によって姿勢と位置を検出することができる。

地磁気Ｂｘを示す直流磁場ベクトルｍ_ｘ’を、式（３４）と式（３５）のｍ_ｘに置き換えれば、地磁気Ｂｘと交流の均一磁場Ｂｚから情報端末１０７の姿勢情報を求めることができる。そして、発明の実施形態６と同様にｍ_ｐから絶対座標系へと変換したベクトルＦ_ｐが求められ、（式４８）により情報端末１０７の位置情報を求めることができる。尚、（式４９）により（式４８）の勾配磁場の比例定数ｋをｍ_ｚの測定から求めることもできる。

図２４は、本発明の空間情報検出システムの実施形態７の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。まず、地磁気Ｂｘが存在する場所にて、Ｚｇ軸コイルから、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の均一磁場であるＺｇ軸方向磁場Ｂｚと、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の線形な勾配磁場Ｂｐの各磁場を重ね合わせて発生する（ステップＳ１）。次に、発生中の磁場を、３軸の磁気センサ１１０を有する方位角センサ１１１ａで測定し、デジタル信号である各軸の磁気データを取得する（ステップＳ２）。

次に、フーリエ変換部１１８において、ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得したかどうか判断する（ステップＳ３）。ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得していれば次のステップＳ４へ進み、ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得していなければステップＳ２へ戻る。

次に、取得された所望量の各軸の磁気データに対してＦＦＴ演算を行い、各軸における各磁場の各周波数成分中の振幅と位相を算出する。すなわち、各軸における、Ｂｚ、Ｂｐの各周波数成分中の振幅と位相と、Ｂｘを表す直流成分（０Ｈｚ）の振幅を算出する。（ステップＳ４）。そして、磁場ベクトル算出部１１９において、各軸における各磁場の各周波数成分中の振幅と位相から、方位角センサ１１１ａが測定している各磁場の向きと大きさを表す、位置姿勢検出に必要な地磁気Ｂｘと、均一磁場Ｂｚと勾配磁場Ｂｐを示す磁場ベクトルｍ_ｘ’、ｍ_ｚ、ｍ_ｐを算出する（ステップＳ５）。

そして、位置姿勢算出部１２０において、１つの均一磁場Ｂｚと地磁気を示す磁場ベクトルｍ_ｚ、ｍ_ｘ’から、情報端末１０７の姿勢を表す姿勢情報を算出する（ステップＳ６）。そして、情報端末１０７の姿勢情報から端末座標系から絶対座標系への座標変換ができるようになったので、勾配磁場Ｂｐを示す磁場ベクトルｍ_ｐから絶対座標系へと変換したベクトルＦ_ｐが求められ、（式４８）により情報端末１０７の位置情報を算出する（ステップＳ７）。

以上のような手順によって、均一空間内において、地磁気Ｂｘと交流の均一磁場Ｂｚから情報端末の姿勢情報を、そして、情報端末の姿勢情報と交流勾配磁場Ｂｐから情報端末の位置情報を求めることができた。すなわち、情報端末の姿勢と位置を検出できた。そして、続けて位置と姿勢の検出を行う場合には、ステップＳ２へと戻ればよい。

なお、実施形態７において、交流の均一磁場と勾配磁場を発生させるヘルムホルツコイルをＺｇ軸に配置したが、Ｙｇ軸に配置した場合にも、（式３４）〜（式３６）と（式４８）の演算式を座標系にあわせて適切に変換するだけで、同様な手順により情報端末の姿勢と位置を検出することができる。

［実施形態８］
＜加速度センサ＋ジャイロセンサ＋勾配磁場で位置と姿勢を検出する場合＞
図２５は、本発明の空間情報検出システムの実施形態８を示す全体構成図である。発明の実施形態７の図２３との相違点に関して説明を行う。この発明の実施形態では、情報端末１０７は新たに姿勢検出部１４０を備えている。この姿勢検出部１４０は、例えば、圧電素子を利用した振動ジャイロセンサと、静電容量型又はピエゾ抵抗型素子を利用した加速度センサを利用して、情報端末１０７（磁場検出部１１１）の任意の姿勢を検出する機能を備えている。この姿勢検出部１４０から、出力信号である姿勢データが演算部１０８へ出力される。この演算部１０８へのデータ送信は、発明の実施形態７と同様に有線でも無線でも良い。また、均一な磁場を利用しないので均一空間は表していない。

この空間情報検出システムは、磁場発生部として、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の線形な勾配磁場を発生する不均一磁場発生部（Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル１２２とＺｇ軸ヘルムホルツコイル用電源部１２５）と、この不均一磁場発生部から発生された磁場を検出する多軸の磁気センサ１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃを有する磁場検出部１１１と、この磁場検出部１１１の姿勢を検出する姿勢検出部１４０と、姿勢検出部１４０からの出力信号と、磁場発生部により発生される交流の勾配磁場に基づく磁場検出部１１１の出力信号とから磁場検出部１１１の姿勢情報と位置情報を算出する演算部１０８とを備えている。

つまり、この空間情報検出システムは、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル１２２とＺｇ軸ヘルムホルツコイル用電源部１２５と、磁場検出部１１１と姿勢検出部１４０を有する情報端末１０７と、演算部１０８とデータ表示部１０９とから構成されている。情報端末１０７と演算部１０８とデータ表示部１０９は、空間情報検出装置を構成している。

この位置検出システムにおいて、右手系の座標系ＸｇＹｇＺｇ座標系が、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル１２２の中心軸に沿ってＺｇ軸が配置され、Ｘｇ軸、Ｙｇ軸は互いに垂直、かつＺｇ軸に垂直になるように配置されているものとする。

図２６は、本発明の空間情報検出システムにおける実施形態８の空間情報検出装置の具体的な構成ブロック図である。この空間情報検出装置は、磁場検出部１１１と姿勢検出部１４０と演算部１０８とから構成され、この演算部１０８は、データ受信部１１７とフーリエ変換部１１８と磁場ベクトル算出部１１９と位置・姿勢算出部１２０とを備えている。磁場検出部１１１は、発明の実施形態６と同様に方位角センサ１１１ａとデータ送信部１１６から構成されている。この演算部１０８では、姿勢検出部１４０からの出力信号である姿勢データを磁気データと同様にデータ受信部１１７で受信し、姿勢データは位置・姿勢算出部１２０へ送られ、磁気データは発明の実施形態６，７と同様に処理されるよう、フーリエ変換部１１８へと送られる。

Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル用電源部内の電源１２５ａは、発明の実施形態６，７とは異なり、Ｍ_ｐω_ｐ、Ｎ_ｐω_ｐの角周波数（各角周波数はそれぞれ互いに異なり、最小の整数比の偶奇が異なっている）を持つ交流電流（又は電圧）を発生させる。このとき、供給される電流Ｉａ’は次のように表されるものとする。

Ｉａ’＝Ｉｐ＊（ｓｉｎ（Ｍ_ｐω_ｐｔ）＋ｓｉｎ（Ｎ_ｐω_ｐｔ））
・・・（式５０）
ここで、Ｉｐは電流振幅を表している。

また、電源１２５ｂは、同様にＭ_ｐω_ｐ、Ｎ_ｐω_ｐの角周波数を持つ交流電流を発生するが、このとき供給される電流Ｉｂ’は次のように表されるものとする。

Ｉｂ’＝−Ｉｐ＊（ｓｉｎ（Ｍ_ｐω_ｐｔ）＋ｓｉｎ（Ｎ_ｐω_ｐｔ））
・・・（式５１）
これらの交流電流により、Ｍ_ｐω_ｐ、Ｎ_ｐω_ｐの角周波数をもち、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知のである交流の線形な勾配磁場ＢｐをＺｇ軸ヘルムホルツコイル１２２から発生する。

磁場検出部１１１の構成及び動作は発明の実施形態６，７と同様であるので説明を省略する。
演算部１０８において、データ受信部１１７は、磁場検出部１１１のデータ送信部１１６からの磁気データと姿勢検出部１４０からの姿勢データを受信する。姿勢データは位置・姿勢算出部１２０へ送られ、磁気データはフーリエ変換部１１８へと送る。このフーリエ変換部１１８は、データ受信部１１７からの所望量の３軸の磁気センサ１１０からの磁気データを取得した後に、それらに対しＦＦＴ演算を実行し、各軸において、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル１２２から発生する交流勾配磁場Ｂｐの複数の周波数成分（角周波数成分が、Ｍ_ｐω_ｐとＮ_ｐω_ｐ）中の、信号強度（振幅）と位相を算出し、磁場ベクトル算出部１１９へと送る。磁場ベクトル算出部１１９は、発明の実施形態６と同様の手順により、角周波数がＭ_ｐω_ｐの周波数成分の不均一磁場ベクトルｍ_ｐを算出する。

そして、位置・姿勢算出部１２０は、姿勢検出部１４０からの姿勢データから、姿勢情報を算出する。例えば、実施形態４のように絶対座標系から見た端末座標系の正規直交基底より成る行列を算出し、それから、（式３９）〜（式４０）やオイラー角などの所望の形式で、姿勢情報を算出する。そして、姿勢情報から、端末座標系から絶対座標系への座標変換ができるようになったので、不均一磁場ベクトルｍ_ｐを端末座標系から絶対座標系のベクトルＦ_ｐへの変換し、（式４８）により、情報端末１０７の位置情報を算出し、データ表示部１０９へと送る。

図２７は、本発明の空間情報検出システムの実施形態８の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。まず、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル１２２から異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の線形な勾配磁場Ｂｐを発生する（ステップＳ１）。次に、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル１２２から発生中の磁場を、３軸の磁気センサ１１０を有する方位角センサ１１１ａで測定し、デジタル信号である各軸の磁気データを取得する（ステップＳ２）。

次に、フーリエ変換部１１８において、ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得したかどうか判断する（ステップＳ３）。ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得していれば次のステップＳ４へ進み、ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得していなければステップＳ２へ戻る。

次に、取得された所望量の各軸の磁気データに対してＦＦＴ演算を行い、各軸における交流勾配磁場Ｂｐの二つの周波数成分中の振幅と位相を算出する（ステップＳ４）。そして、磁場ベクトル算出部１１９において、各軸における交流勾配磁場Ｂｐの二つの周波数成分中の振幅と位相から、方位角センサ１１１ａが測定している交流勾配磁場Ｂｐの向きと大きさを表す、位置検出に必要な磁場ベクトルｍ_ｐを算出する（ステップＳ５）。

そして、姿勢検出部１４０から、情報端末１０７の姿勢を表す姿勢データを取得し、位置姿勢情報算出部１２０において、取得した姿勢データから所望の形式の情報端末１０７の姿勢情報を算出する（ステップＳ６）。そして、端末座標系から絶対座標系への座標変換ができるようになったので、位置検出用の磁場ベクトルｍ_ｐを絶対座標系へと変換したベクトルＦ_ｐが求められ、（式４８）により情報端末１０７の位置情報を算出する（ステップＳ７）。

以上のような手順によって、姿勢検出部１４０により情報端末１０７の姿勢データを取得して所望の形式の姿勢情報を算出し、交流勾配磁場Ｂｐから情報端末１０７の位置情報を求めることができた。すなわち、情報端末１０７の姿勢と位置を検出できた。

［実施形態９］
＜加速度センサ＋地磁気＋勾配磁場で位置と姿勢を検出する場合＞
発明の実施形態８において、姿勢検出部１４０として加速度センサを備え、発明の実施形態７において説明した地磁気を磁場検出部１１１で同時に検出することで情報端末１０７の姿勢情報を算出することも考えられる。

この実施形態９の空間情報検出システムの構成は、発明の実施形態８と同様であるが、姿勢検出部１４０として加速度センサを利用する。また、地磁気ＢｘをＸｇ軸に、重力加速度の反対方向にＺｇ軸をとる。

姿勢検出部１４０からの加速度データからは一部の姿勢が表現できるが、Ｚｇ軸を軸とした動きの自由度が残っているので、実施形態８のように情報端末１０７の任意の姿勢すべてを表現できない。そのため、さらに地磁気を利用して情報端末１０７の任意姿勢を検出する。地磁気の検出から地磁気を示す直流磁場ベクトルの算出は実施形態７と同様である。

図２８は、本発明の空間情報検出システムの実施形態９の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。地磁気Ｂｘが存在している場所にて、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル１２２から異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の線形な勾配磁場Ｂｐを発生する（ステップＳ１）。次に、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル１２２から発生中の磁場を、３軸の磁気センサ１１０を有する方位角センサ１１１ａで測定し、デジタル信号である各軸の磁気データを取得する（ステップＳ２）。

次に、フーリエ変換部１１８にて、ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得したかどうか判断する（ステップＳ３）。ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得していれば次のステップＳ４へ進み、ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得していなければステップＳ２へ戻る。

そして、取得された所望量の各軸の磁気データに対してＦＦＴ演算を行い、各軸における各磁場の各周波数成分中の振幅と位相を算出する。すなわち、各軸におけるＢｐの二つの周波数成分中の振幅と位相と、Ｂｘを表す直流成分（０Ｈｚ）の振幅を算出する。（ステップＳ４）。そして、磁場ベクトル算出部１１９にて、各軸における各磁場の各周波数成分中の振幅と位相から、方位角センサ１１１ａが測定している各磁場の向きと大きさを表す、位置姿勢検出に必要な地磁気Ｂｘと勾配磁場Ｂｐを示す磁場ベクトルｍ_ｘ’、ｍ_ｐを算出する（ステップＳ５）。そして、位置姿勢算出部１２０において、姿勢検出部１４０から検出した姿勢データである加速度データａと、地磁気を示す磁場ベクトルｍ_ｘ’（直流磁場ベクトル）とから新たに情報端末１０７の姿勢情報を算出する（ステップＳ６）。このとき、加速度データａはＺｇ軸の方向を表す端末座標系から見たベクトルを示しているので（式３５）〜（式３６）のｍ_ｚに置き換えることで姿勢情報が算出できる。

そして、算出した情報端末１０７の姿勢情報から端末座標系から絶対座標系への座標変換ができるようになったので、勾配磁場を示す磁場ベクトルｍ_ｐから絶対座標系へと変換したベクトルＦ_ｐが求められ、（式４８）により情報端末１０７の位置情報を算出する（ステップＳ７）。

以上のような手順によって、地磁気Ｂｘと重力加速度による加速度データから情報端末１０７の姿勢情報を、そして、情報端末１０７の姿勢情報と交流勾配磁場Ｂｐから情報端末１０７の位置情報を求めることができる。すなわち、情報端末１０７の姿勢と位置を検出できる。そして、続けて位置と姿勢の検出を行う場合には、ステップＳ２へと戻ればよい。

［実施形態１０］
＜均一・勾配合成磁場＋加速度センサを使用する場合＞
図２９は、本発明の空間情報検出システムの実施形態１０を示す全体構成図である。発明の実施形態７の図２３と異なり、ヘルムホルツコイルがＺｇ軸ではなく、Ｘｇ軸ヘルムホルツコイル１０１として配置されている。また、Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル用電源部の代わりに、同様の機能と構成を持つＸｇ軸ヘルムホルツコイル用電源部１３５があり、Ｘｇ軸ヘルムホルツコイル１０１は、コイル１０１ａとコイル１０１ｂとに分かれ、Ｘｇ軸ヘルムホルツコイル用電源部１３５内の電源１３５ａと電源１３５ｂにそれぞれ接続されている。また、電源１３５ａと１３５ｂは電流制御部１３４に接続され、発生周期や電流量を制御されている。電源１３５ａと電源１３５ｂから供給される交流電流Ｉａ及びＩｂは、（式４５）及び（式４６）の均一磁場Ｂｚを発生させる部分を均一磁場Ｂｘ用に置き換え、勾配磁場の部分は実施の形態６又は７と同様である。そして、Ｘｇ軸ヘルムホルツコイル１０１から、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の均一磁場Ｂｘと、交流の勾配磁場Ｂｐとを同時に発生する。均一空間は、均一磁場Ｂｘが発生している空間である。

また、空間情報検出装置は、実施形態９と同様である。すなわち、図２６と構成が同じとなっているので、説明を省略する。

この実施形態１０での情報端末１０７の位置と姿勢検出の手順は、実施の形態９における地磁気を、Ｘｇ軸ヘルムホルツコイルからの異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の均一磁場Ｂｘに置き換え、勾配磁場Ｂｐの発生方向を変更したことに相当する。この場合も、姿勢検出部１４０からの加速度データからは、一部の姿勢が表現できる。しかし、Ｚｇ軸を軸とした動きの自由度が残っているので、実施形態８のように情報端末１０７の任意の姿勢すべてを表現できない。そのため、さらに均一磁場Ｂｘを利用して情報端末１０７の任意姿勢を検出する。また、勾配磁場Ｂｐの発生方向を変更したので、（式４４）を座標系にあわせて変換した
Ｂｐ＝（−２ｋＸ，ｋＹ，ｋＺ）^Ｔ・・・（式５２）
を利用して位置情報を算出する。

図３０は、本発明の実施形態１０の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。すなわち、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の均一磁場であるＸｇ軸方向磁場Ｂｘと、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の線形な勾配磁場Ｂｐの各磁場を重ね合わせて発生する（ステップＳ１）。次に、Ｘｇ軸ヘルムホルツコイル１０１から発生中の磁場を、３軸の磁気センサ１１０を有する方位角センサ１１１ａで測定し、デジタル信号である各軸の磁気データを取得する（ステップＳ２）。

次に、フーリエ変換部１１８にて、ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得したかどうか判断する（ステップＳ３）。ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得していれば次のステップＳ４へ進み、ＦＦＴ演算に必要な所望量の磁気データを取得していなければステップＳ２へ戻る。

次に、取得された所望量の各軸の磁気データに対してＦＦＴ演算を行い、各軸における各磁場の各周波数成分中の振幅と位相を算出する（ステップＳ４）。そして、磁場ベクトル算出部１１９にて、各軸における各磁場の各周波数成分中の振幅と位相から、方位角センサ１１１ａが測定している各磁場の向きと大きさを表す、位置姿勢検出に必要な均一磁場Ｂｘと勾配磁場Ｂｐを示す磁場ベクトルｍ_ｘ、ｍ_ｐを算出する（ステップＳ５）。そして、位置姿勢算出部１２０にて、姿勢検出部１４０から検出した姿勢データである加速度データａと、均一磁場を示す磁場ベクトルｍ_ｘとから情報端末１０７の姿勢情報を算出する（ステップＳ６）。このとき、加速度データａはＺｇ軸の方向を表す端末座標系から見たベクトルを示しているので（式３５）〜（式３６）のｍ_ｚに置き換えることで姿勢情報が算出できる。

そして、情報端末１０７の姿勢情報から端末座標系から絶対座標系への座標変換ができるようになったので、測定された勾配磁場を示す磁場ベクトルｍ_ｐから絶対座標系へと変換したベクトルＦ_ｐが求められ、（式４８）の演算式中の勾配磁場Ｂｐを（式５２）で表して利用することにより情報端末１０７の位置情報を算出する（ステップＳ７）。

以上のような手順によって、交流の均一磁場Ｂｘと重力加速度による加速度データから情報端末１０７の姿勢情報を、そして、情報端末１０７の姿勢情報と交流勾配磁場Ｂｐから情報端末１０７の位置情報を求めることができる。すなわち、情報端末１０７の姿勢と位置を検出できる。そして、続けて位置と姿勢の検出を行う場合には、ステップＳ２へと戻ればよい。

以上のように、本発明によって、実施形態７乃至１０において、位相関係が既知である異なる複数の周波数の交流の線形な勾配磁場を発生させることで、情報端末の姿勢情報から簡単な構成と計算で情報端末の位置を算出できる。

なお、実施形態７乃至１０において、不均一磁場を線形な勾配磁場としたが、勾配磁場の代わりに、実施形態４から５で示した不均一磁場を利用することも可能である。例えば、実施形態７及び１０においては、不均一磁場発生部を実施形態５の不均一磁場発生部へと変更しても、同じ空間情報検出装置を利用して同様の手順で情報端末の位置姿勢検出を行うことができる。また、実施形態８及び９においては、不均一磁場発生部を発明の実施形態４の、１つのコイルから発生する磁場に置き換え、同じ空間情報検出装置を利用して同様の手順で情報端末の位置姿勢検出を行うことができる。但し、これらの場合には、位置情報を算出する（式４８）を（式４２）に変更し、適切な座標系にあわせて利用する。

また、実施形態７乃至１０において位置情報を算出する場合、必ずしも（式４８）のような代数式で算出するのではなく、予め検出する位置の磁場を測定しておき、使用の際に参照する形で位置を決定する方式でも良い。また、（式４４）、（式５２）で表される磁場の勾配も予め測定することで求めても良いし、シミュレーションによって求めても良い。また、磁場の勾配は実施形態７乃至９において（式４４）、実施形態１０において（式５２）によって示した形となっているが、これらの式以外で表される勾配磁場でも本発明によって簡単に姿勢と位置の検出ができることは明らかである（例えば、（式４４）、（式５２）中の定数ｋが各軸において異なっている場合などがある。）。（式４４）、（式５２）のような式で表されない場合でも、上記のような代数式算出ではなく、予め測定することで求めても良いし、シミュレーションによって求めても良い。

また、実施形態７及び９において地磁気を利用した例を示したが、地磁気をコイルから発生する直流の磁場（静磁場）に置き換えることも可能である。例えば実施形態６において、Ｘｇ軸ヘルムホルツコイルから直流の均一磁場を発生させることで、実施形態７と同様の手順によって情報端末の姿勢と位置を求めることができる。なお、実施形態７及び９では、地磁気を利用することで磁場を発生するコイルを削減でき、システムの構成を簡単にすることができる。また、実施形態１０において、交流の均一磁場Ｂｘの代わりに直流の磁場を勾配磁場Ｂｐに重ね合わせることも可能であって、この場合にも実施形態９と同様の手順で姿勢と位置を求めることができる。よって地磁気ではなく、直流の磁場を利用する場合も本発明に含まれている。

また、以上すべての実施形態１乃至１０において説明したフーリエ変換部は、ＦＦＴではなくＤＦＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：離散フーリエ変換）を利用してもよいことは明らかである。さらにまた、利用したい周波数のみ取り出せるようにデジタルフィルタを構成し、ヒルベルト変換を行うことによって位相を算出するような、デジタル信号処理に通じた者なら容易に行えるような振幅と位相を算出する演算処理と置き換えることも可能である。このような場合も本発明に含まれている。

以上のように、本発明によって様々な形態の空間情報検出が簡単な構成と簡単な計算で可能となった。

本発明において、フーリエ変換部は、磁場検出部からの各軸の信号に基づいて、各軸における複数の周波数成分中の位相と振幅を算出している。そして、直流成分の振幅も算出している。以下、実施形態ごとに場合分けしてこの意味を説明する。
（１）実施形態１から実施形態３、実施形態８及び実施形態９
実施形態１から実施形態３、実施形態８及び実施形態９においては、二つの周波数成分が含まれている交流磁場を一つ利用する。フーリエ変換部は、各軸における複数の周波数成分中の位相と振幅として、各軸において二つの周波数成分の位相と、少なくともいずれか一つの周波数成分の振幅を算出する。
（２）実施形態４から実施形態７、及び実施形態１０
実施形態４から実施形態７、及び実施形態１０においては、二つの周波数成分が含まれている交流磁場を複数利用する（均一、不均一、勾配などの複数種類の磁場を利用する）。フーリエ変換部は、各軸における複数の周波数成分中の位相と振幅として、各軸における各磁場の有する二つの周波数成分の位相を算出し、二つの周波数成分のうち少なくともいずれか一つの周波数成分の振幅を算出する。
（３）実施形態７及び実施形態９
直流磁場を利用する実施形態７及び実施形態９においては、フーリエ変換部は上記（１）又は（２）の位相と振幅に加え、各軸における直流成分（０Ｈｚの周波数成分）の振幅を算出している。

本発明では、検出したい磁場が特定の周波数であることがわかっているので、その他の周波数の交流磁場やノイズ磁場がある磁場環境でも識別が可能である。さらに、発生させる磁場は、最小の整数で表される周波数比が偶数対奇数であって、位相が既知である周波数成分を含むだけであり、測定した信号を周波数帯域毎に分離するフィルタを利用する必要がないので、構成が容易で、また周波数選択の自由度が高い。また、システムを構成後に自由に周波数を選択できる。

また、磁場検出部で測定軸ごとに周波数帯域を分離するフィルタが必要でないことは、回路規模も小さく済み、小型かつ安価な磁気センサとして実現可能である。また、磁場の発生と測定を同期して行わなくてよいので、参照信号が必要なく構成が容易で、一度磁場を発生すれば、任意のタイミングでの測定と、連続的な測定が可能である。

また、異なる複数の周波数の位相関係が既知である交流の均一磁場を構成することで、簡単な計算によって任意の姿勢検出が行えるようになり、また、そのような均一な磁場で構成された均一空間内の任意の座標で、不均一な磁場を発生させることで、姿勢の検出に加えて位置の検出が可能となり、しかも簡単な計算で算出できることは今まで説明した実施の形態で明らかである。また、いくつかの形態において説明したように、磁気センサのみで情報端末の位置と姿勢を検出することもできる。

さらに、異なる複数の周波数の位相関係が既知である交流の均一磁場と不均一磁場は同一のコイルから発生させることもでき、システムの構成を簡単にし、不均一磁場が勾配磁場である場合には、均一磁場の強度を測定すると同時に勾配磁場の勾配を求めることができる。すなわち、位置検出のための勾配磁場の勾配を予め測定しなくても良い。

また、フーリエ変換部によってフィルタを使わずとも直流成分と交流成分が同時に分離できるので、地磁気のような直流成分も同時に検出して姿勢情報算出などに利用することもできる。
本発明は、以上の実施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。

本発明は、空間情報検出システム及びその検出方法並びに空間情報検出装置に関するもので、交流磁場を利用して連続的に測定ができ、また、周波数の設定の自由度が大きく、さらに、構成が簡単な空間情報検出システムを提供することができる。また、同様に、その空間情報検出方法及び空間情報検出装置を提供することができる。

１ 磁場発生部
１ａ 電源
１ｂ コイル
２ 情報端末
３ 演算部
２０ 磁場検出部
２０ａ 方位角センサ
２１ 磁気センサ
２１ａ ｘ軸磁気センサ
２１ｂ ｙ軸磁気センサ
２１ｃ ｚ軸磁気センサ
２２ マルチプレクサ部
２３ 磁気センサ駆動部
２４ 信号増幅部
２５ Ａ／Ｄ変換部
２６ データ送信部
３１ データ受信部
３２ フーリエ変換部
３３ 磁場ベクトル算出部
３４ 方向算出部
１０１ Ｘｇ軸ヘルムホルツコイル
１０２ Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル
１０３ 位置検出磁場発生コイル
１０４ Ｘｇ軸ヘルムホルツコイル用電源
１０５ Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル用電源
１０６ 位置検出磁場発生用電源
１０７ 情報端末
１０８ 演算部
１０９ データ表示部
１１０ 磁気センサ
１１０ａ ｘ軸磁気センサ
１１０ｂ ｙ軸磁気センサ
１１０ｃ ｚ軸磁気センサ
１１１ 磁場検出部
１１１ａ 方位角センサ
１１２ マルチプレクサ部
１１３ 磁気センサ駆動部
１１４ 信号増幅部
１１５ Ａ／Ｄ変換部
１１６ データ送信部
１１７ データ受信部
１１８ フーリエ変換部
１１９ 磁場ベクトル算出部
１２０ 位置・姿勢算出部
１２２（１２２ａ，１２２ｂ） Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル
１２４ 電流制御部
１２５ Ｚｇ軸ヘルムホルツコイル用電源部
１２５ａ，１２５ｂ 電源
１３４ 電流制御部
１３５ Ｘｇ軸ヘルムホルツコイル用電源部
１３５ａ，１３５ｂ 電源
１４０ 姿勢検出部

Claims (26)

1. 異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流磁場を発生する磁場発生部と、
   該磁場発生部から発生された磁場を検出する多軸の磁気センサを有する磁場検出部と、
   該磁場検出部の各軸の出力信号に基づいて、前記各軸における前記複数の周波数成分中の位相と振幅を算出するフーリエ変換部と、
   該フーリエ変換部からの出力信号に基づいて、前記各軸の前記複数の周波数成分の位相関係から前記各軸の振幅について符号を算出し、該符号と前記振幅から前記交流磁場の向きと大きさを表す磁場ベクトルを算出する磁場ベクトル算出部と
   を備えたことを特徴とする空間情報検出システム。
2. 前記磁場検出部の姿勢を検出する姿勢検出部と、
   該姿勢検出部の出力信号と前記磁場ベクトル算出部の出力信号とから、前記磁場検出部の姿勢情報と位置情報を算出する位置・姿勢算出部と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の空間情報検出システム。
3. 前記磁場検出部が、前記交流磁場に加え、直流磁場を検出する多軸の磁気センサを有し、
   前記フーリエ変換部は、前記各軸における前記複数の周波数成分中の位相と振幅に加え、前記各軸における直流成分の振幅を算出し、
   前記磁場ベクトル算出部が、前記交流磁場に基づく磁場ベクトルに加え、前記直流成分の振幅から前記直流磁場の向きと大きさを表す直流磁場ベクトルを算出し、
   前記位置・姿勢算出部が、前記姿勢検出部からの出力信号と、前記直流磁場ベクトルから前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場発生部からの交流磁場に基づく磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出する
   ことを特徴とする請求項２に記載の空間情報検出システム。
4. 前記直流磁場は、地磁気であることを特徴とする請求項３に記載の空間情報検出システム。
5. 前記磁場発生部が、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知であり、位置によって磁場の向きまたは大きさが異なる交流の不均一磁場を少なくとも１つ発生させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の空間情報検出システム。
6. 前記不均一磁場が、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の勾配磁場であることを特徴とする請求項５に記載の空間情報検出システム。
7. 前記磁場発生部が、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の均一磁場と、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知であり、位置によって磁場の向きまたは大きさが異なる交流の不均一磁場とを発生させ、
   前記磁場検出部が、前記均一磁場と、前記不均一磁場とを検出し、
   前記磁場ベクトル算出部が、前記フーリエ変換部からの出力信号に基づいて、前記各軸の前記複数の周波数成分の位相関係から、前記均一磁場および前記不均一磁場に対する前記各軸の振幅について符号を算出するとともに、前記各軸の振幅と前記符号から前記均一磁場及び不均一磁場の向きと大きさを表す均一磁場ベクトル及び不均一磁場ベクトルを算出し、
   前記磁場ベクトル算出部から出力される前記均一磁場ベクトルから前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記不均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出する位置・姿勢算出部を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の空間情報検出システム。
8. 前記磁場検出部の姿勢を検出する姿勢検出部を備え、
   前記位置・姿勢算出部が、前記姿勢検出部からの出力と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記不均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出する
   ことを特徴とする請求項７に記載の空間情報検出システム。
9. 前記磁場検出部が、前記均一磁場と前記不均一磁場に加え、直流磁場を検出する多軸の磁気センサを有し、
   前記フーリエ変換部は、前記各軸における前記複数の周波数成分中の位相と振幅に加え、前記各軸における直流成分の振幅を算出し、
   前記磁場ベクトル算出部が、前記均一磁場ベクトル及び前記不均一磁場ベクトルに加え、前記直流成分の振幅から前記直流磁場の向きと大きさを表す直流磁場ベクトルを算出し、
   前記位置・姿勢算出部が、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記均一磁場ベクトルと、前記直流磁場ベクトルとから、前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記不均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出する
   ことを特徴とする請求項７に記載の空間情報検出システム。
10. 前記直流磁場は、地磁気であることを特徴とする請求項９に記載の空間情報検出システム。
11. 前記不均一磁場は、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の勾配磁場であることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の空間情報検出システム。
12. 前記磁場発生部は、前記均一磁場と、前記不均一磁場とを重ね合わせて発生させるコイルを有することを特徴とする請求項７乃至１１のいずれかに記載の空間情報検出システム。
13. 前記複数の周波数成分の整数比が、偶数対奇数であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の空間情報検出システム。
14. 前記整数比が、２対１であることを特徴とする請求項１３に記載の空間情報検出システム。
15. 多軸の磁気センサを有する磁場検出部を用いて、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流磁場を検出する磁場検出ステップと、
    該磁場検出ステップからの各軸の出力信号に基づいて、前記各軸における前記複数の周波数成分中の位相と振幅を算出するフーリエ変換ステップと、
    該フーリエ変換ステップからの出力信号に基づいて、前記各軸の前記複数の周波数成分の位相関係から前記各軸の振幅について符号を算出し、該符号と前記振幅から前記交流磁場の向きと大きさを表す磁場ベクトルを算出する磁場ベクトル算出ステップと
    を有することを特徴とする空間情報検出方法。
16. 前記磁場検出部の姿勢を検出する姿勢検出ステップと、
    前記姿勢検出ステップの出力信号と前記磁場ベクトル算出ステップの出力信号とから、前記磁場検出部の姿勢情報と位置情報を算出する位置・姿勢算出ステップと
    を有することを特徴とする請求項１５に記載の空間情報検出方法。
17. 前記磁場検出ステップが、前記交流磁場に加え、直流磁場を検出し、
    前記フーリエ変換ステップは、前記各軸における前記複数の周波数成分中の位相と振幅に加え、前記各軸における直流成分の振幅を算出し、
    前記磁場ベクトル算出ステップが、前記交流磁場に基づく磁場ベクトルに加え、前記直流成分の振幅から前記直流磁場の向きと大きさを表す直流磁場ベクトルを算出し、
    前記位置・姿勢算出ステップが、前記姿勢検出ステップからの出力信号と、前記直流磁場ベクトルから前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と前記交流磁場に基づく磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出する
    ことを特徴とする請求項１６に記載の空間情報検出方法。
18. 前記磁場検出ステップが、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の均一磁場と、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知であり、位置によって磁場の向きまたは大きさが異なる交流の不均一磁場とを検出し、
    前記磁場ベクトル算出ステップが、前記フーリエ変換ステップからの出力信号に基づいて、前記各軸の前記複数の周波数成分の位相関係から、前記均一磁場に加え、前記不均一磁場に対する前記各軸の振幅について符号を算出し、前記各軸の振幅と前記符号から前記均一磁場及び不均一磁場の向きと大きさを表す均一磁場ベクトル及び不均一磁場ベクトルを算出し、
    前記磁場ベクトル算出ステップから出力される前記均一磁場ベクトルから前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場ベクトル算出ステップから出力される前記不均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出する位置・姿勢算出ステップを有する
    ことを特徴とする請求項１５に記載の空間情報検出方法。
19. 前記磁場検出部の姿勢を検出する姿勢検出ステップを有し、
    前記位置・姿勢算出ステップが、前記姿勢検出ステップからの出力と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場ベクトル算出ステップから出力される前記不均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出する
    ことを特徴とする請求項１８に記載の空間情報検出方法。
20. 前記磁場検出ステップが、前記均一磁場及び前記不均一磁場に加え、直流磁場を検出し、
    前記フーリエ変換ステップは、前記各軸における前記複数の周波数成分中の位相と振幅に加え、前記各軸における直流成分の振幅を算出し、
    前記磁場ベクトル算出ステップが、前記均一磁場ベクトル及び前記不均一磁場ベクトルに加え、前記直流成分の振幅から前記直流磁場の向きと大きさを表す直流磁場ベクトルを算出し、
    前記位置・姿勢算出ステップが、前記磁場ベクトル算出ステップから出力される前記均一磁場ベクトルと、前記直流磁場ベクトルとから、前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記不均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出する
    ことを特徴とする請求項１８に記載の空間情報検出方法。
21. 異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流磁場を発生する磁場発生部から発生された磁場を検出する多軸の磁気センサを有する磁場検出部と、
    該磁場検出部の各軸の出力信号に基づいて、前記各軸における前記複数の周波数成分中の位相と振幅を算出するフーリエ変換部と、
    該フーリエ変換部からの出力信号に基づいて、前記各軸の前記複数の周波数成分の位相関係から前記各軸の振幅について符号を算出し、前記符号と前記振幅から前記交流磁場の向きと大きさを表す磁場ベクトルを算出する磁場ベクトル算出部と
    を備えたことを特徴とする空間情報検出装置。
22. 前記磁場検出部の姿勢を検出する姿勢検出部と、
    前記姿勢検出部の出力信号と前記磁場ベクトル算出部の出力信号とから、前記磁場検出部の姿勢情報と位置情報を算出する位置・姿勢算出部と
    を備えたことを特徴とする請求項２１に記載の空間情報検出装置。
23. 前記磁場検出部が、前記交流磁場に加え、直流磁場を検出する多軸の磁気センサを有し、
    前記フーリエ変換部は、前記各軸における前記複数の周波数成分中の位相と振幅に加え、前記各軸における直流成分の振幅を算出し、
    前記磁場ベクトル算出部が、前記交流磁場に基づく磁場ベクトルに加え、前記直流成分の振幅から前記直流磁場の向きと大きさを表す直流磁場ベクトルを算出し、
    前記位置・姿勢算出部が、前記姿勢検出部からの出力信号と、前記直流磁場ベクトルとから前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と前記交流磁場に基づく磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出する
    ことを特徴とする請求項２２に記載の空間情報検出装置。
24. 前記磁場検出部が、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知である交流の均一磁場と、異なる複数の周波数成分の位相関係が既知であり、位置によって磁場の向きまたは大きさが異なる交流の不均一磁場とを発生させる磁場発生部から発生された磁場を検出し、
    前記磁場ベクトル算出部が、前記フーリエ変換部からの出力信号に基づいて、前記各軸の前記複数の周波数成分の位相関係から、前記均一磁場に加え、前記不均一磁場に対する前記各軸の振幅について符号を算出するとともに、前記各軸の振幅と前記符号から前記均一磁場及び不均一磁場の向きと大きさを表す均一磁場ベクトル及び不均一磁場ベクトルを算出し、
    前記磁場ベクトル算出部から出力される前記均一磁場ベクトルから前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記不均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出する位置・姿勢算出部を備える
    ことを特徴とする請求項２１に記載の空間情報検出装置。
25. 前記磁場検出部の姿勢を検出する姿勢検出部を備え、
    前記位置・姿勢算出部が、前記姿勢検出部からの出力と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記不均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出する
    ことを特徴とする請求項２４に記載の空間情報検出装置。
26. 前記磁場検出部が、前記均一磁場と前記不均一磁場に加え、直流磁場を検出する多軸の磁気センサを有し、
    前記フーリエ変換部は、前記各軸における前記複数の周波数成分中の位相と振幅に加え、前記各軸における直流成分の振幅を算出し、
    前記磁場ベクトル算出部が、前記均一磁場ベクトル及び前記不均一磁場ベクトルに加え、前記直流成分の振幅から前記直流磁場の向きと大きさを表す直流磁場ベクトルを算出し、
    前記位置・姿勢算出部が、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記均一磁場ベクトルと、前記直流磁場ベクトルとから、前記磁場検出部の姿勢情報を算出し、該姿勢情報と、前記磁場ベクトル算出部から出力される前記不均一磁場ベクトルとから前記磁場検出部の位置情報を算出する
    ことを特徴とする請求項２４に記載の空間情報検出装置。

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