JPH0981308A - 位置検出装置および傾斜センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 水平面内に少なくとも２個の磁気センサと、
水平面に角度を持って少なくとも１個の補正用磁気セン
サを設置し、さらに、水平面の傾斜角度を求めるための
少なくとも１個の傾斜センサを設置し、これらセンサの
信号から三次元位置情報を検出する。 【効果】 複数のセンサを複合して位置情報を求める
が、その構造はシンプルで、安価に製造できる。しか
も、バーチャルリァリティからナビゲーションシステム
まで広く応用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、位置または方位を検出
するセンサに関し、特に物体の三次元的な動きをコンピ
ュータ等の画像処理機器にデータとして供給する入力デ
バイスの分野に関する。また、自動車、船舶などのナビ
ゲーションシステムやバーチャル・リアリティ（仮想現
実感）システムのヘッドマウントディスプレイ（ＨＭ
Ｄ）に取り付けて頭部の動きを検出するために用いられ
る位置検出装置、またはコンピュータ支援作図（ＣＡ
Ｄ）システムに用いられる三次元入力デバイス（三次元
マウス等）に関するものである．

【０００２】

【従来の技術】

［従来技術例１］従来技術例１として、磁気方位センサ
により方位検出する従来技術を説明する。従来技術例は
図４４にその一例を示す如く、１個のコア５６にコイル
Ａ５４とコイルＢ５５を直行させて巻いた１対のコイル
を持つフラックスゲート型磁気センサを回路基板９上に
配置した構造をしている。この１対のコイルは同じ磁気
ベクトルを感知し、磁気方位センサの移動に対して９０
度位相がずれた信号値を出力する。

【０００３】方位を感知する場合、地磁気ベクトルは南
から北に向いているため、磁場ベクトルが最大となる向
きが北向きとなる。今、コイルＡ５４の信号が最大出力
となる方向を北とすると、最小出力となる方向が南とな
り、東西方向はどちらも同じ値となる。しかし、コイル
Ｂ５５が直行して巻かれているため、この出力値の最大
最小で東西を識別する事ができる。さらに、それぞれの
信号はサイン曲線を描くため、逆算することにより磁気
ベクトルを基準とした水平面内の回転角度０から３６０
度を計算することができる仕組みとなっている。

【０００４】また、フラックスゲート型磁気センサの代
わりに、磁気抵抗素子を用いて同様に回転角度をセンシ
ングする磁気方位センサも存在する。 ［従来技術例２］従来技術例２として、三次元位置検出
装置の例を説明する。特開平３−５０２２６２、１９９
４年電子情報通信学会春季大会予稿集（佐藤，竹田，
林：ＨＭＤのための空間位置センサの開発，Ｐ．１−５
０４）に記載されている技術などがあり、回転面の仰角
をある程度計測することができる。これら方位計となる
２つの磁気センサと回転面の傾斜を測る１つないし２つ
の傾斜センサをもつシステムがそれである。しかし、こ
れでは全転を計測することはできない。全転を計測する
には、後述の如く本発明のように３個以上の磁気センサ
が必要である。さらに、従来技術例２は、本発明のよう
な傾斜センサの信号から慣性力の影響や磁場の歪の影響
を除去する手段を有していない。

【０００５】［従来技術例３］また、磁気センサを３つ
以上用いた従来技術例３として、特開平２−２３８３３
６に記載されているような技術がある。ここでは、傾斜
角を少なくとも３成分計測して三次元の姿勢を求めてい
る。この技術は全回転を計測することができるが、この
システムは、航空機や船舶の姿勢制御に用いるため、傾
斜中の回転角加速度や慣性力の影響を無視して考えてい
る。

【０００６】他にも、自立型位置検出技術として、ジャ
イロを用いた装置がある。これらの装置は時間による回
転量の変化を積分して、移動量や回転量を計測する方法
を用いている高価な装置であり、光ジャイロ等を用いて
いる。 ［従来技術例４］上述した従来技術は、すべて位置セン
サ単体で位置を計測する方法である。従来技術例４とし
て、位置センサ外部に基準になるものを設置して位置を
計測する方法を説明する。センサ外部の一箇所以上に、
電磁波、音波、光等を用いた信号を発生もしくは受信で
きる装置を設置し、位置センサと信号を交信する。この
従来技術例４では、位置センサと外部センサが、両方と
も演算用コンピュータにつながっているか、もしくは位
置センサと連動したコンピュータが外部センサの固定位
置を正確にわかっている。このコンピュータは位置セン
サと外部センサの情報をもとに固定の外部センサと移動
している位置センサの情報を比較することによって、位
置の変化を計測するものである。

【０００７】例えば、外部センサもしくは磁場信号の発
信器が内蔵されている外部装置と位置センサの間に発生
させた磁場を、３成分の磁気が検出可能なフラックスゲ
ート位置センサで磁力検知し、固定の外部装置をリファ
レンスにしたときの変動量から三次元位置を検出するモ
ジュールがある。

【０００８】このようなリファレンスを用いる方法は、
次のような問題点がある。すなわち、まず第一に外部の
装置と交信するため、測定範囲が限定されてしまう。さ
らに、装置も大型化し、どうしても高級なシステムにな
ってしまう。よって、三次元位置検出を行う場合の機動
性が無くなってしまう。

【０００９】本発明は、自立してその位置を計測する装
置であり、技術分野は従来技術例１から３に分類され
る。 ［従来技術応用例］また、位置検出装置をコンピュータ
や電子機器へのポインティングデバイスとして応用する
場合、従来例として、「マウス」がある。これは、ボー
ルの機械的な回転やミラーの光学的反射により、面上の
運動量を検出する装置である。この他にも、平坦なセン
サや手に保持されるスタイラスからなる「タブレット」
やコンピュータや表示部周囲に取り付けられたセンサが
移動量を追跡して、その方位及び位置を感知する装置も
ある。

【００１０】さらに、位置検出装置をナビゲーションシ
ステムとして応用する場合、方位または位置のデータを
持ったコンピュータシステムに、地球上空の静止衛星か
らの信号を検出した位置センサの信号を入力して、現在
位置を測定するＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｉｎｔｉｎ
ｇ Ｓｙｓｔｅｍ）などの従来技術がある。この技術
は、先に説明したリファレンスを用いる従来技術の応用
技術である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】

［課題１］従来技術例１に示した方位センサの場合、直
交する２つの磁気センサもしくは直行させて巻いた２つ
のフラックスゲートコイルの出力電圧（Ｘa、Ｙa）から
ｔａｎ-1（Ｙa／Ｘa）を計算することにより、回転角す
なわち方位が計算できる。

【００１２】しかし、従来の２個の磁気センサだけで
は、水平回転の二次元的な方位もしくは回転角しか検出
することができない。これは磁気感知中に磁気センサが
傾斜すると、磁気センサと磁場ベクトルの仰角が変化
し、測定強度が変化するためである。従って、この信号
から求めた方位や角度は実際の値と異なるという現象が
生じる。

【００１３】このような欠点を解決するために、磁気セ
ンサが取り付けられた測定対象の傾斜角を測定する必要
がある。しかしながら、従来技術例２で示したように、
２個の磁気センサに１個ないし２個の傾斜センサを用い
て、位置センサの角度を測定すると、仰角は傾斜センサ
を用いることにより計測できるが、磁気センサの値が傾
斜の影響で変化したのか、回転の影響で変化したのか判
断できない。

【００１４】また、回転角度や傾斜角度を正確に求める
ために、従来技術例３に示したように、３個以上の磁気
センサと３個以上の傾斜センサを併用して測定する方法
も存在する。この方法であれば位置測定は可能である。
しかしながら、最低６個のセンサを使用するので、コス
トもかかり、小型化も困難であるという欠点を有する。

【００１５】そこで、課題１として、三次元的な動きを
感知するために、回転面が傾斜しても回転角は影響を受
けずに正確に測定することができ、かつ、傾斜角度も測
定できるようにする必要がある。また、できるだけ少な
いセンサの数で安価な小型の三次元位置検出装置を作る
必要がある。

【００１６】［課題２］課題２は傾斜角の測定にある。
傾斜角検出には加速度センサを用いる方法、ジャイロセ
ンサなどの角速度センサを用いる方法等がある。従来技
術例２、３においてもこのような方法が用いられてい
る。

【００１７】加速度センサを単独で用いて傾斜角を計測
する場合の問題点について述べる。加速度センサを傾斜
させると、傾斜角に対して重力の正弦（ｓｉｎ）成分が
センサの感度に寄与するため、センサの出力からその傾
斜角を知ることができる。この原理では、センサがある
角度で静止して決して動いていない状態であれば問題な
く計算できる。しかし測定物体が上下に回転して、回転
角度が連続して変化している場合、その回転体は角加速
度を持つ。そして、この角加速度も加速度センサが感知
できる成分である。また他の加速度センサが感知する成
分として遠心力成分もあげられる。

【００１８】つまり、本来、重力加速度のみを検知する
つもりの加速度センサが、測定に回転運動をともなうと
き、角加速度や遠心力等の回転運動による成分を合成し
た値を計測することになる。したがって、重力加速度成
分を用いた式では運動中の物体の傾斜角を正確に測定す
ることはできない。しかも、現在知られている物理法則
では、原理的に重力による加速度と運動による加速度を
分離することはできないので、加速度センサ単体では動
的に変化する傾斜角を計測することは難しい。

【００１９】従来技術例２に示した、１９９４年電子情
報通信学会春季大会予稿集に記載されている技術におい
ては、傾斜センサとして、重力によってたわむ梁を持つ
加速度センサを用いている。この加速度センサによって
鉛直方向からの傾斜角を検知する方法を図４５を用いて
説明する。傾斜角がθのとき梁１１は角度αだけたわむ
ものとすると、このたわみに応じて梁１１に設置された
抵抗体１３に歪が発生し、抵抗体１３の抵抗値変化をも
たらす。この抵抗値変化を検出することによって傾斜角
θを知ることができるというものである。しかしなが
ら、この加速度センサにおいても回転運動による力が作
用した場合、梁１１のたわみ角はαではなく例えばα'
となり、抵抗体１３に蓄積される歪量も異なってくるた
め、このときの抵抗値変化量は傾斜角θを示すものとは
ならない。しかし、従来、この補正は技術的に難しいた
め行われていない。

【００２０】同じく従来技術例２に示した、特開平３−
５０２２６２においては、図４６に示すように透明球５
７のなかに透明液体５８が封入され、透明球５７の外部
に取り付けられた光源１７と光源１７からの光を検知す
る光検出素子１８と間の光路がセンサが傾くことにより
変化し、光検出素子１８の出力が変化することを利用し
て鉛直方向からの傾斜角θを検知しようとしている。し
かしながら透明液体５８は回転運動による力も同時に受
けるため、検出すべき傾斜角に応じた位置Ｐではない位
置Ｐ'に平衡点をもつ。従って、光検出素子１８からの
出力は傾斜角θに応じた出力とはならず、この出力デー
タより演算される傾斜角は本来の傾斜角θとは異なって
くる。また、この例の場合には透明球体５７の中に透明
溶液５８が注入されているため、液面が揺動し、回転運
動が終了した後でも出力が安定しないはずである。

【００２１】次にジャイロに代表される角速度センサを
単独で用いて傾斜角を計測する場合の問題点に付いて述
べる。角速度センサの信号を積分することで測定される
べき角度の値になるため、傾斜角を計測することができ
る。しかし、信号に含まれるノイズやバイアス成分およ
び温度変化によるドリフト成分なども積分されるため、
時間とともに誤差が増大してしまう。例えば、実際の傾
斜角に全く変化がなくても、時間とともに信号が変化し
てしまうことになる。従来の技術では、このような誤差
の増大を防ぐには光ジャイロのように高級なセンサを用
いて、積分回路の部品を高級にする以外に方法がない。
圧電振動ジャイロのような比較的低価格の角速度センサ
では温度特性が悪く、傾斜角検出装置を作ることができ
なかった。

【００２２】以上の理由から、課題２は傾斜センサを用
いて傾斜角度を求めるときに、感知する合成加速度成分
から重力加速度以外を分離して削除し、また、値を積分
することなく角度を求めることにある。 ［ポインティングデバイス応用への課題］また、三次元
位置検出装置をポインティングデバイスとして応用する
場合、「マウス」や「タブレット」では、面上の移動量
を検出するため、平面上の運動にしか対応できないとい
う問題がある。そこで、この場合の発明の課題は、従来
のポインティングデバイスが測定していた次元から、さ
らに測定できる次元を増やし、三次元的な物体の動きを
検出することにある。

【００２３】［ナビゲーションシステム応用への課題］
また、三次元位置検出装置をナビゲーションシステムと
して応用する場合、従来の静止衛星を利用したナビゲー
ションシステムでは、静止衛星の感応範囲内に動きが限
定されるという問題がある。中には、静止衛星の感応範
囲外を補う目的で、各種センサを移動物体に取り付けて
いる装置も存在するが、あくまでも、補助的な役割でし
か利用することができない。そこで、この場合の発明の
課題は、従来のナビゲーションシステムの測定方法であ
る外部の静止衛星に依存する方法から、このような基準
を持たず、自立して位置を検出する方法に変えることに
ある。

【００２４】さらに、本発明においても、さらなる改善
をするにあたり、新たな課題が生じたが、それらについ
ては、本発明との関連する説明の都合上、以下の「問題
を解決するための手段」の項で記述する。

【００２５】

【問題を解決するための手段】

［手段１］まず、課題を解決するための手段１として、
本発明では下記のような手段を用いた。

【００２６】課題１に述べたように、従来の２個の磁気
センサだけでは、水平回転の二次元的な方位もしくは回
転角しか検出することができなかった。そこで、２個の
磁気センサと各センサの出力信号を増幅する増幅回路
と、アナログデジタル変換回路付きコンピュータを配置
した位置検出システムに対して、傾斜角を測定するた
め、少なくとも１つの傾斜センサを追加した。しかし、
２個の磁気センサでは値が傾斜の影響で変化したのか、
回転の影響で変化したのか判断できない。そこで、回転
面内の２個の磁気センサに対してその面に角度を持たせ
て少なくとも１つの補正用磁気センサを追加した。

【００２７】また、傾斜センサとして、梁のたわみもし
くは重りの移動量によって重力加速度方向を感知する加
速度センサ、もしくは窓中の透過光量の変化によって重
力加速度の方向を感知する回転角センサを設置した。上
記位置センサは、磁気センサが少なくとも３個と傾斜セ
ンサが少なくとも１個というシンプルな構成を持ってい
る。ただし、課題２に述べたように、重力成分を用いて
傾斜角を測定しようとするとき、傾斜センサが運動中は
傾斜角を正確に計測することができない。

【００２８】そこで、手段１では、これら少なくとも３
個の磁気センサと少なくとも１個の傾斜センサが出力す
る信号を複合して用いて回転角度の測定と重力加速度成
分の分離を同時に行った。以下にその方法を示す。回転
面上で２個の磁気センサが、回転平面内に存在する直行
軸ＸＹに対して、反時計回りを正として、Ｘセンサが角
μ、Ｙセンサが角φだけ傾いて設置されていたとする
と、その時に出力する値（Ｘa，Ｙa）を式（１）に代入
することにより回転角度が求めることができる。

【００２９】ここでは、回転面上にＸ、Ｙの２個の磁気
センサがあると仮定している。 回転角=tan^-1｛(Ｘa・sinφ+Ｙa・cosμ)/(Ｘa・cosφ-Ｙa・sinμ)｝ （１） 式（１）は従来例１、２に示している２個の磁気センサ
を用いて回転角を検出する場合の一般式である。よっ
て、これは回転面が傾斜しない、もしくは一定の傾斜角
を保持している場合である。ここで、回転面上にある角
度を持った補正磁気センサを考える。ここでは補正セン
サＺが１個、回転面に垂直であるＺ軸に対して角ψだけ
傾いて、その傾きのベクトルをＸＹ面に投影した時に得
られる投影ベクトルとＸ軸の成す角を反時計回りを正と
して角κだけ回転して取り付けられているとした。この
ときのＺセンサの出力値をＺaとした場合、回転面が傾
斜した分を補正する式は次の式（２）で与えられる。

【００３０】 回転角＝tan^-1｛（Ｙb・cosＢ＋Ｚb・sinＢ）／Ｘb｝ （２） Ｘb＝（Ｘa・cosφ−Ｙa・sinμ）／cos（φ−μ） Ｙb＝（Ｘa・sinφ＋Ｙa・cosμ）／cos（φ−μ） Ｚb＝Ｚa／cosψ＋（Ｘb・cosκ＋Ｙb・sinκ）・tanψ ここで、角Ｂは回転面のＸ軸回りの傾斜角である。これ
は傾斜センサが計測する角度である。

【００３１】式（２）を用いることにより、三次元的な
回転を回転角、傾斜角として計測することができる。次
に、傾斜センサが静止し、重力成分の計測中に出力する
真の傾斜角をＢtとする。そして、課題２で問題となっ
ている傾斜センサが運動しているときの運動加速度のよ
うな動成分も含んだ値を計測することにより計算される
傾斜角をＢfとする。このＢfからＢtを求める手段、す
なわち、合成加速度成分から運動加速度を削除して傾斜
角を求める手段を以下に示す。

【００３２】物体が静止しているときに受ける重力加速
度１Ｇとセンサの傾きによって、変位する信号をＧaと
するとその時の傾斜角度Ｂは式（３）で求めることがで
きる。 Ｂ＝sin^-1（Ｇa／１Ｇ） （３） この場合は、Ｂ＝Ｂtとなる。

【００３３】さらに、回転面が傾斜していないときの回
転面上のＸセンサの示す値をＸ0、Ｙセンサの示す値を
Ｙ0、補正用磁気センサＺの示す値をＺ0とすると式
（３）が成り立つような静的な場合に次の式（４）が成
り立つ。 Ｚ0/cosψ+(Ｘ1・cosκ+Ｙ1・sinκ)・tanψ=Ｚb・cosＢ-Ｙb・sinＢ （４） Ｘ1＝（Ｘ0・cosφ−Ｙ0・sinμ）／cos（φ−μ） Ｙ1＝（Ｘ0・sinφ＋Ｙ0・cosμ）／cos（φ−μ） Ｘb＝（Ｘa・cosφ−Ｙa・sinμ）／cos（φ−μ） Ｙb＝（Ｘa・sinφ＋Ｙa・cosμ）／cos（φ−μ） Ｚb＝Ｚa／cosψ＋（Ｘb・cosκ＋Ｙb・sinκ）・tanψ ここで、Ｂ＝Ｂtであり、Ｘa、Ｙa、Ｚaは各センサの傾
斜後の計測値である。

【００３４】しかしながら、回転面の傾斜の変化が動的
に変化している場合や、回転面が回転中の場合に、式
（３）により得られるＢはＢfとなる。ＢfをＢとして、
式（４）に代入しては、式（４）が成り立たなくなる。
すなわち、式（４）の右辺と左辺に差が生じる。

【００３５】そこで、この差を動的ノイズの特性値Ｃと
すると、式（５）が得られる。 Ｃ=Ｚb・cosＢ-Ｙb・sinＢ-Ｚ0/cosψ-(Ｘ1・cosκ+Ｙ1・sinκ)・tanψ （５） ここで、Ｂ＝Ｂfである。Ｂ＝Ｂtとなるときは、式
（４）に示すとおり、Ｃ＝0となる。

【００３６】この動的ノイズ特性値Ｃを求めることが本
発明の手段１における最も特徴的なところである。Ｃが
0以外の値を示すときには、Ｂfが代入されているので、
この時のＣの値を用いて、動的な成分を除去すれば、Ｂ
tを求めることができる。よって、本発明ではＢfから動
的な影響によるノイズ成分を除去するアクティブフィル
タを創出した。

【００３７】 Ｂt(i)=Ｂt(i-1)・(１-ｆ(0.81))+Ｂ・ｆ(0.81) （６） ｆ(x)=１/｛x・(｜Ｃ｜+１)｝ （７） 式（３）より求まるＢを式（６）に代入することによ
り、静的に求めた場合のＢtと同様な値を求めることが
できる。

【００３８】ここで、Ｂt(i)は測定結果として出力する
傾斜角度である。Ｂt(i-1)は一つ前にセンサが出力した
角度である。Ｂは式（３）より求めた動的、静的にかか
わらない傾斜角度でＢtの場合もＢfの場合もある。式
（７）のxの値はフィルタ制御係数であり、この係数を
決めることによって、系に働く他の加速度成分を効率よ
く除去することができる。

【００３９】さらに、ここで求めた傾斜角Ｂt(i)を式
（２）に代入して回転角を求めることができる。また、
直接式（７）を用いて、次の式（８）のように回転角Ａ
を求めることもできる。 Ａ(i)=Ａ(i-1)・(１-ｆ(0.75))+Ａ・ｆ(0.75) （８） ここで、Ａ(i)は測定結果としてセンサが出力する回転
角度である。Ａ(i-1)は一つ前に出力した角度である。
Ａは式（３）より求められたＢtもしくはＢfを式（２）
に代入して求めた回転角度である。

【００４０】以上のような方法を用いることにより、従
来の２個の磁気センサでは不可能であった角度の三次元
位置検出を行うことが可能となる。しかも、センサの構
成としては、最小使用個数が磁気センサ３個と傾斜セン
サ１個というシンプルな構成で安価に実現可能である。
また、積分の手法も用いていない。さらに、従来では不
可能であった傾斜センサが感知する合成加速度成分から
運動加速度成分を特性値Ｃを求める方法で除去すること
ができる。

【００４１】［手段２］また、さらにシンプルな構成と
して、以下のような手段２を行うことにより、三次元の
位置検出を行った。手段１のシステムから傾斜センサを
取り外したシステムである。ただし、回転の条件が少し
制限される。

【００４２】磁気の独立した３軸成分を検出する磁気セ
ンサのみを用い、かつ３軸のうち２軸の回りの回転角の
みを磁気の３軸成分より演算する。簡単のため図４７の
ように、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸を直交軸とし、装置は原点Ｏを中
心として回転運動を行うものとする。Ｍ０ は原点Ｏに
おける地磁気である。装置の回転ＲはＸ軸回りの回転Ｒ
Ｘ （回転角Ｂ），Ｙ軸回りの回転ＲＹ （回転角Ｃ）
およびＺ軸回りの回転ＲＺ （回転角Ａ）によって表現
することができる。初期状態におけるＸ，Ｙ，Ｚ成分を
ＭＸ０，ＭＹＯ，ＭＺ０，回転Ｒ後の成分をＭＸ ，Ｍ
Ｙ ，ＭＺ とする。回転ＲをＲＺ →ＲＸ →ＲＹ
の順に実現するものとすると、

【００４３】

【数１】

【００４４】と表すことができる。ここで、

【００４５】

【数２】

【００４６】

【数３】

【００４７】

【数４】

【００４８】である。（ＭＸ０，ＭＹ０，ＭＺ０）およ
び（ＭＸ ，ＭＹ ，ＭＺ ）は磁気センサの出力値よ
り得られる。従って式（９）は３つの回転角Ａ，Ｂ，Ｃ
についての３元連立方程式であるが、独立な方程式は実
際は２つしかない。そこで例えばＹ軸回りの回転がない
場合、すなわち、回転角Ｃ＝０の場合を考える。このと
き式（９）より回転角Ａ，Ｂについて次の方程式（１
３）を得る。

【００４９】この回転角Ｃ＝０という考え方が本発明の
解決手段２における最も大きな特徴である。この条件を
与えることにより、傾斜センサ不要のよりシンプルな装
置が実現できる。ただし、この方法は手段１に比べて回
転を制限することになる。しかし、バーチャルリアリテ
ィの分野に用いる場合、このような制限があっても、頭
の動きの中で首を傾げる方向となるＣ回転を０として、
ほとんど影響が無い。

【００５０】 ＭX＝ ＭX0cosＡ ＋ＭY0sinＡ ＭY＝−ＭX0cosＢsinＡ＋ＭY0cosＢcosＡ＋ＭZ0sinＢ （１３） ＭZ＝ ＭX0sinＡsinＢ−ＭY0sinＢcosＡ＋ＭZ0cosＢ そして、式（１３）より回転角Ａ，Ｂは、 Ａ＝sin^-1（ＭX／(ＭX0²＋ＭY0²)）−α （１４） Ｂ＝sin^-1（ＭZ0／(ＭY²＋ＭZ²) ）−β （１５） と求められる。ここでαおよびβは、 tanα＝ＭX0／ＭY0 （１６） tanβ＝ＭZ／ＭY （１７） である。

【００５１】このようにしてＹ軸回りの回転がない場
合、磁気の初期成分（ＭＸ０，ＭＹ０，ＭＺ０）および
回転運動後あるいは回転運動中の成分（ＭＸ ，ＭＹ
，ＭＺ）を磁気センサにより検出することによって、
Ｚ軸回りの回転角ＡおよびＸ軸回りの回転角Ｂを求める
ことができ、装置の姿勢を知ることができる。

【００５２】上述説明ではＸ，Ｙ，Ｚ軸を直交軸とし、
またＹ軸回りの回転をゼロとしたが、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸が斜
交軸であっても、また回転のない軸をＸあるいはＺ軸と
しても演算の一般性を損なうことはなく、同様の演算に
よって２軸分の回転角を求めることができる。

【００５３】上述の例においては回転角ＡおよびＢを求
めるための必要条件は、 ＭＹ０≠０ かつ ＭＹ ≠０ である。ＭＹ０≠０は初期状態において磁気のＹ成分が
ゼロではない姿勢をとることが必要なことを示している
が、この姿勢を初期状態に選ぶことには事実上全く問題
を生じない。また、ＭＹ ≠０は、回転運動後あるいは
回転運動中の磁気検出時においてＹ成分がゼロではない
ことを要請するが、Ｙ成分がゼロを検出したとき、出力
データとしてゼロでない小さな値をダミーデータとして
出力すべく演算アルゴリズムを作成しておけば、演算上
のオーバーフローを避けることができる。ダミーデータ
が小さい値であれば、演算によって求められた回転角Ｂ
と実際の回転角とのずれは十分小さいものにすることが
できる。このように、回転角を導出する上で必要となる
条件は装置を実際に使用する上でなんら制約をもたらす
ものではない。

【００５４】もう一度、実現条件を整理すると、本発明
の手段２においては、三次元回転角度を検出する装置を
組み込むべき機器が、ある特定の方向のまわりには回転
しないという場合に成立するものである。もし、その方
向の回りの回転がある場合には演算誤差を生じるが、多
くの機器においてあるいは多くの回転運動状態におい
て、ある方向については回転しないまたは回転は十分に
微小なものとみなせる場合が多々あり、かつバーチャル
リアリティの分野等の姿勢制御などの場合には、一定の
精度内で姿勢角を求めれば十分であることが多い。従っ
て、回転のない、あるいは回転の微小な軸を非回転軸と
想定し、回転角を検出する装置を組み込むことにより機
器の姿勢を検知し制御することは実用上十分に可能であ
る。

【００５５】そこで、この方法においても、従来では不
可能であった角度の三次元位置検出を行うことが可能と
なる。しかも、センサの構成としては、最小使用個数が
磁気センサ３個という最もシンプルな構成で安価に実現
可能である。また、積分の手法も用いていない。

【００５６】［手段３］次に、傾斜センサを用いるとき
の問題点について、傾斜センサ単体で解決する手段３を
説明する。先に述べたように、傾斜センサとして重力加
速度を感知するものや角速度を感知するものがある。前
者の場合、重力による加速度と運動による加速度を分離
することはできないので、動的に変化する傾斜角を計測
することは難しく、後者の場合、角速度センサの信号を
積分することで角度の値を求めるため、微少な測定誤差
も同時に積分することになり、時間とともに誤差が増大
してしまうという欠点がある。

【００５７】そこで、これらの問題を解決するために、
下記のような手段を用いた。加速度センサと角速度セン
サを組み合わせて、角速度センサの信号を微分すること
で運動加速度を求め、加速度センサの出力から差し引く
ことで補正する方法である。この方法により、加速度セ
ンサの信号のうち純粋に重力だけによる成分が残り、傾
斜角が動的に変化していても、あるいは静止状態にあっ
ても正確に計測することができる。角速度センサの信号
を微分しているため、積分による誤差の蓄積は起こらな
い。

【００５８】また、このようなセンサの場合、温度特性
による信号のドリフトが発生することが多いが、積分し
ないので十分無視することができる。さらに、積分によ
る誤差が生じないということは、感度の悪い安価なセン
サを用いても、正確な測定ができるということである。

【００５９】以下に、その考え方を説明する。加速度の
ないときに出力電圧がゼロ、地球上の通常の重力と同じ
加速度Ｇ（９．８ｍ毎秒毎秒）においてＶGなる出力電
圧を発生する感度を持つ加速度センサを考える場合、傾
斜角θで静止した加速度センサに働く重力Ｇのうち感度
に寄与する力の成分Ｆは Ｆ ＝ Ｇ × ｓｉｎθ （１８） である。

【００６０】したがって、このとき加速度センサの出力
電圧Ｖaは、 Ｖa ＝ ＶG × ｓｉｎθ （１９） である。傾斜角θが動的に変化しているとき、傾斜の回
転の中心から加速度センサまでの距離をｒ、加速度セン
サの速度をｖ、傾斜角θの変化率すなわち角速度をωと
すると、加速度センサに働く加速度ａは時間をｔとし
て、次の式で表せる。

【００６１】 ａ＝ｄｖ／ｄｔ ＝ ｒ × ｄω／ｄｔ （２０） ただし、ｄｖ／ｄｔはｖの時間微分、ｄω／ｄｔはωの
時間微分である。したがって、静止状態にない、運動中
の加速度センサの出力電圧は、 Ｖa ＝ ＶG ×（Ｆ ＋ ａ）／Ｇ （２１） Ｖａ＝ＶG×(Ｇ×sinθ＋ｒ×ｄω／ｄt)／Ｇ （２２） と表すことができる。これにより、計測しようとしてい
るＦ以外の運動加速度成分ａが誤差となり、正確な傾斜
角を測ることができないことがわかる。また、ジャイロ
センサなどの角速度センサのみを用いて傾斜角θを計測
しようとする場合、角速度の信号を積分して角度の信号
に変換する必要がある。このとき信号のわずかなノイズ
やバイアス成分が積分され、大きな誤差となる。この誤
差は時間とともに累積される場合が多い。そのため、安
価で性能の悪い振動ジャイロセンサなどの角速度センサ
を用いて安定した傾斜計を作ることは極めて困難であ
る。

【００６２】そこで、加速度センサと角速度センサの２
個を使い、角速度センサを用いて角速度ωを測定し、角
加速度ｄω／ｄｔと式（２２）を使って加速度センサの
信号を補正すれば、課題２を解決することができる。微
分などの信号処理はアナログ演算回路で行ってもよい
し、マイクロ・プロセッサ（デジタル演算）で行っても
よい。

【００６３】［手段４］また、いままで述べたように、
手段３では、複合傾斜センサで重力加速度と運動加速度
を分離する方法を述べている。しかし、式（２０）で用
いられている速度ｖは、磁気センサの成分を演算するこ
とにより求めることもでき、これから加速度ａを求める
こともできる。つまり、傾斜センサと同様に回転してい
る磁気センサの成分を時間微分する。ここで、傾斜セン
サとは、手段３で述べている加速度センサのことであ
る。この結果傾斜センサの速度ｖを求めることができ
る。このｖをもう一度時間で微分することにより、式
（２０）と同様となり、傾斜センサに働く加速度ａが算
出される。以後は同様の計算で傾斜センサの信号を補正
することができる。この方法を手段４とする。

【００６４】［手段５］上述した手段については、いづ
れも数式的に運動加速度を割り出して、差し引いて補正
する方法が主であった。手段５として、位置計算を行う
マイクロコンピュータのデジタル処理の中で、運動の加
速度が大きく影響している場合を割り出して、運動加速
度の影響を補正する手段を述べる。ただし、この方法
は、左右回転が高速に行われているときに、傾斜センサ
に加わる運動の加速度を補正する場合にほぼ限定され
る。

【００６５】運動の加速度が大きく傾斜センサに作用す
るのは、センサ基板が高速に回転している場合である。
影響を及ぼす力には、遠心力や慣性力が考えられる。そ
こで、磁気センサの信号の微分値をモニタリングし、微
分値が大きい場合には、左右に高速回転していると判断
する。高速回転している場合は、回転角度の計算に用い
る傾斜角の値を、現在求めた値から１サイクル前に求め
た値に変えて、手段１に示す回転角度の計算を行う機能
とした。高速に回転していない場合は、手段１の方法に
より、回転角度の計算を行う。

【００６６】ここで、上記計算処理の１サイクルは、２
０ｍｓである。このアルゴリズムは、本発明の三次元位
置検出装置を頭に装着して、頭の回転に対する評価を行
った結果、高速に頭を回転させているときには、上下方
向に対する回転がほとんど起きていないという結論から
割り出したものである。

【００６７】［さらなる改善事項］課題１、課題２を解
決するための手段として、従来の位置検出システムに前
記本発明の各センサを追加することにより、三次元位置
検出を可能にした。しかも、そのシステムは、従来から
あった高価でセンサ数の多い三次元位置検出システムよ
りも、安価で簡単に作ることができる。しかしながら、
上述のセンサ構成による三次元位置検出装置を実現する
上で、いくつかの新たなる問題点が発生したので、本発
明ではそれらを解決するさらなる改善手段を発明した。

【００６８】以下に本発明のさらなる改善手段を説明す
る。ただし、手段の番号は本発明の手段１〜５とわかり
やすく区別するために、通し番号とした。手段６からは
本発明のさらなる改善である。 ［さらなる改善手段６］微少な磁気を計測するために
は、高感度の磁気センサを用いる必要がある。また、傾
斜センサとして加速度センサを使う場合、１Ｇ程度の加
速度をセンスするためには、高感度の加速度センサを用
いる必要がある。しかし、高感度なゆえ、ノイズに関し
ても高感度となる。例えば、商用電源が発する磁場がノ
イズとなったり、加速度センサが装置の振動を関知して
ノイズとなる場合もある。仮想現実感（バーチャル・リ
アリティ）システムにおいては、傾斜角検出装置の出力
する座標データにしたがって画像表示を行うため、セン
サの信号にノイズがあると、ノイズが画面表示の振動と
なってあらわれてしまう。

【００６９】従って、高感度の磁気センサによる磁場ノ
イズや高感度の加速度センサの振動ノイズが発生するこ
とによる測定への影響を無くすことが課題となった。そ
こで、これに対処するために、センサ回路にフィルタ回
路を付加した。しかも、本発明の三次元位置検出装置を
仮想現実感システムに応用する場合は、カットオフ周波
数ｆｃが１０から１００Ｈｚ程度のローパス・フィルタ
回路（高域除去、低域通過回路）を用いるのが良いこと
がわかった。この方法によりノイズが高感度のセンサに
及ぼす影響を無くすことができた。

【００７０】また、ノイズをデジタル処理側でフィルタ
リングする手段について、以下に述べる。本発明の三次
元位置検出装置において、位置計算のサイクルを１５〜
２０ｍｓとした。主に６０Ｈｚを基準としている。この
サイクルで処理を行うことは、前記時間内に発生した振
動ノイズや急峻な運動加速度による傾斜センサの値の振
動をある程度カットすることができる。

【００７１】［さらなる改善手段７］次に、前記とは別
の種類のノイズによっても、三次元位置検出の精度が悪
化する問題が起きることがわかった。前述したセンサ構
成の三次元位置検出装置では、測定空間内に存在する地
磁気もしくは、測定環境の半固定磁場が、モニタテレビ
のような磁場発生源や鉄板、鉄骨のような磁性材料によ
って歪んでいると、傾斜角度や回転角度が０度から大き
く離れるにつれて、回転角度が正常値から大きくシフト
してしまう。

【００７２】従って、磁気センサが検出する磁場がゆが
んでいても、精度良く回転角を検出することが次の課題
となった。そこで、これに対処するために、回転面内に
２個設置した磁気センサに対してその回転面に角度を持
たせて少なくとも２個以上の補正用磁気センサを設置す
る構成を考えた。

【００７３】これら少なくとも２個の補正用磁気センサ
を用いて、測定周囲の磁場の歪みを補正した。以下にこ
れを説明する。一般に磁場歪の無い状態で、回転角を求
める式は式（２）で与えられる。ここで、Ｘa、Ｙaは、
回転面上にある２個の磁気センサがその面内に存在する
直行軸ＸＹに対して、反時計回りを正として、Ｘセンサ
が角μ、Ｙセンサが角φだけ傾いて設置されていたとき
の出力値である。Ｚaは回転面に対してある角度を持っ
て設置されている補正用磁気センサの出力値であり、角
ψはその補正磁気センサが、回転面に垂直であるＺ軸に
対して傾いている角度である。また、角κはその傾きの
ベクトルを回転面に投影した時に得られる投影ベクトル
とＸ軸の成す角を反時計回りを正としてときの角度であ
る。Ｂは回転面のＸ軸回りの傾斜角であり、傾斜センサ
が出力する角度である。

【００７４】式（２）は、回転面内で一様な磁界であれ
ば、回転が生じても補正用磁気センサ成分から算出され
る回転面ＸＹに垂直な磁気成分は変化しない。しかしな
がら、回転面内に磁気歪みが生じると、補正用磁気セン
サの成分は回転によって変化する。結果として、式
（２）の計算結果は正常な回転角度と異なった値となっ
てしまう。これが、磁場歪の影響である。

【００７５】そこで、回転中の補正用Ｚセンサの値を、
磁場歪みの影響を少なくして安定させるために、回転面
内の磁場の値を平均してとれば良い。今、ｎ個の補正用
Ｚセンサを回転面上に設置したとすると回転角は式（２
３）より求めることができる。

【００７６】

【数５】

【００７７】ここで、Ｚaiはそれぞれの補正用磁気セン
サの出力値であり、角ψiはその補正磁気センサが、回
転面に垂直である軸Ｚに対して傾いている角度であり、
また、角κiはその傾きのベクトルをＸＹ面に投影した
時に得られる投影ベクトルとＸ軸の成す角を反時計回り
を正としてときの角度である。

【００７８】式（２３）から回転角度を導くと、磁場歪
みは平均化されて回転角度に対する磁場歪みの影響が小
さくなる。以上のような方法を用いることにより、磁場
歪が発生している場所でも、精度良く回転角度を求める
ことができた。 ［さらなる改善手段８］また、傾斜センサにおいても、
傾斜感度の問題による測定誤差が発生した。そこで、精
度の高い測定を目的として、以下のような工夫をした。
傾斜センサは、感度方向と重力方向が平行である場合
に、高い検出精度をもつが、垂直に近づくにつれて検出
精度が悪くなる。これは、式（１８）に示すように、検
出感度がリニアではなくサイン曲線を持つためである。
これを解決するために、検出精度が悪くなるところを補
うように、複数個の傾斜センサを取り付け角度を変えて
設置した。この方法により、測定誤差がほとんど無くな
った。ところが、傾斜センサの検出精度にバラツキがあ
ると、信号の切り換えの時に信号の「とび」が発生し
た。そこで、傾斜センサの信号切り換えの前後で、値を
平均する等の補正を加えて計算を行った。この結果、垂
直に近づくにつれて発生する誤差や信号の「とび」は軽
減された。

【００７９】ただし、この誤差に関しては、±９０度付
近という極値での現象なので、普通に使用する場合はあ
まり悪影響は無い。また、バーチャルリアリティやナビ
ゲーションなどの位置検出に関しては、垂直付近はほと
んど関係がない。 ［さらなる改善手段９］次に、傾斜センサの検出範囲
が、傾斜センサとして加速度センサを用いる限り、その
構造上から正負９０度に限られるという問題が発生し
た。例えば、重力１Ｇに対してセンサ感度方向が重力方
向と一致した向きを０度として、１８０度反転すると、
逆方向に最も変位し、−１Ｇを感知する。しかし、この
構造では反転（１８０度）したときに、０度から右回転
して１８０度に達したのか、左回転して１８０度に達し
たのか感知できず、結局、０〜１８０度の範囲しか出力
することができない。そこで、全回転３６０度の角度を
求めるための方法を考えた。

【００８０】回転面内に少なくとも２つ以上の傾斜セン
サを、その感度方向が回転面に対して直行し、それぞれ
が位相差を持つように設置した。これによって、傾斜セ
ンサ同士の出力値がお互いの設置角度差分、位相遅れと
なって検出されるので、この位相差とそれぞれの出力値
を検出することにより、±９０度の境を越えても現在向
いている方向を検出することができる。つまり、この方
法によって、３６０度全周の回転方向を検出することが
できる。

【００８１】この場合のセンサ構成は、少なくとも３個
の磁気センサと少なくとも２個の傾斜センサとなる。手
段１、手段２において説明した装置よりもセンサの数が
少なくとも１つ増加しているが、従来技術例３に示した
ような磁気センサと傾斜センサが６個以上の構成に対し
てはセンサ数、コストの点でも優位な構成といえる。ま
た、バーチャルリアリティに用いる頭部回転角検出セン
サは、そのシステムを頭に保持したまま人間が逆立ちす
ることは不可能なので、本発明の手段１に示したセンサ
構成でも十分実用的ではある。

【００８２】［さらなる改善手段１０］次に、安価な三
次元位置検出装置を実現するために、低性能なセンサを
用いたことによる問題が発生した。手段１、手段２で述
べたように、三次元の位置を検出するには、各センサの
信号を増幅回路で増幅し、それをマイクロコンピュータ
等の演算回路を用いて計算し、角度算出を行っている。
一般に磁気センサや傾斜センサ等のセンサ類は環境温度
によって、センシング特性が変化する特徴をもってい
る。また、生産されるセンサは同じ型のものでも、生産
時の微妙な製造バラツキにより、１つ１つがセンシング
特性にバラツキを持っていることが常である。特に、こ
のバラツキが原因で、温度特性が個体差で非常に大きく
変化することが当業者の常識となっている。また、これ
はセンサの信号の増幅を行うアンプについても同様のこ
とがいえる。このように、個体差が非常に激しい部品を
使って三次元位置検出を行う場合、その出力信号もバラ
ツキが発生し、検出角度にも同様にバラツキがでてしま
う。

【００８３】このバラツキを小さくするためには、セン
サを出荷するときにきびしい検査をして特性を揃えたセ
ンサを識別する必要がある。ただし、このようなことを
行うと、センサのコストが非常に高くなり、安価な三次
元位置検出装置を実現することができない。

【００８４】そこで、位置センサ部または演算回路部
に、不揮発性もしくはバックアップ電池によってデータ
を保存することができるメモリを搭載し、位置検出を行
う前に少なくとも１回、個体バラツキ特性を測定し、そ
の結果及びその校正値を上記メモリに登録することによ
り、安価であるがゆえに生じるバラツキを解消した。

【００８５】個体バラツキのデータとしては、全センサ
の出力電圧のバラツキを、そしてアンプ回路に関して
も、センサを含めた出力電圧バラツキを記録対象とす
る。また、温度ドリフトによる出力値変化もメモリに記
録する。回路の製造番号等の個体を識別できるデータも
記録する。さらに、ソフトスイッチの役割も持たせた。

【００８６】個体バラツキの解決方法を述べる。電圧バ
ラツキは主に、オフセット電圧のバラツキとゲイン電圧
のバラツキがある。そこで、データとしては、各センサ
と増幅回路のオフセット電圧とゲイン電圧が記録されて
いる。オフセット電圧は標準のオフセット電圧値に対し
てズレている差分を差し引いて校正を行う。ゲイン電圧
は標準のゲイン電圧値に対して増減している割合を求
め、乗除することにより校正を行う。温度ドリフトにつ
いては、各温度のドリフト電圧を測定し記録してあるの
で、測定時に温度センサより求めた温度からドリフト電
圧を求め、差し引くことにより校正を行う。測定時温度
がメモリに記録されている温度データを参照できない場
合は、温度データから近似計算を行って校正電圧を算出
した。

【００８７】この校正を行うことにより、各センサは同
じ磁場環境では同じ電圧を出力し、環境温度が変化して
も、同じ電圧を保持することができる。従って、部品の
製造時のバラツキによる角度算出への影響を無くし、バ
ラツキをもった部品すべての組み合わせに対し、三次元
位置を精度良く求めることが可能となった。各種センサ
の低コストを目指すことによって、メモリと温度センサ
が部品として増加したが、どちらも量産部品であるた
め、従来、製品バラツキを無くすために、完成品を感度
別に識別するという手間がかかる作業を余儀なくされて
いる高級で高価な磁気センサや加速度センサを用いる場
合に対して、部品増加によるコストアップ量は微小であ
る。

【００８８】［応用用途別解決手段］これまでは、三次
元位置検出装置について、特に特定の用途を限定しない
場合について解決手段を説明してきた。以降では応用例
として、用途を特定した場合の問題点解決手段を述べ
る。

【００８９】また、上述した手段１〜１０とわかりやす
く区別するために、同様に通し番号とした。手段１０か
らは本発明の応用用途別解決手段である。 ［応用用途別解決手段１１］課題２として、傾斜センサ
に加速度センサを用いると、運動による加速度成分と重
力成分を同時に検出してしまうという問題を示した。こ
の問題を解決するときに、用途をバーチャルリアリティ
システムのための頭部回転検出に用いる場合に限定する
と、次のような手段が考えられる。

【００９０】一般に、回転による力の影響が無い条件
は、回転方向に感度が無いときと、回転の中心部分にセ
ンサを配置したときである。すなわち、頭の回転運動が
行われるときに、その回転に対して、上記した感度がな
い方向に傾斜センサを設置すると運動の加速度の影響が
発生しない。人間の頭の回転運動で激しく運動する方向
は、頭を左右に振る動きと、頭を上下に振る動きであ
る。

【００９１】そこで、この頭の動きを考慮して、傾斜セ
ンサに加速度センサを用いる場合、センサの設置位置
を、センサの感度方向と重力場の方向が一致する向きに
設置するときは、頭の耳付近に設置し、センサの感度方
向と重力場の方向が垂直である向きに設置するときは、
頭の後頭部から首の付け根付近に設置した。これらの配
置は、回転に対してセンサの感度が無い方向である。

【００９２】このように、三次元位置検出装置の使用を
バーチャルリアリティシステムへの応用と限定した場
合、頭部への傾斜センサの取り付け位置を変えることに
よりで課題２にあげたような、運動の加速度を取り除く
ことができる。 ［応用用途別解決手段１２］次に、二次元の「マウス」
や二次元の「タブレット」に本発明の三次元位置検出装
置を応用する場合について述べる。これら従来装置の問
題点として以下のことがあげられる。一つは、平面上の
移動にしか対応できないこと、もう一つは、広い平らな
面が必要であることである。

【００９３】これらの課題を解決するために、前記の手
段１以降に述べた磁気センサを少なくとも３つ、もしく
は、そこに加速度センサを用いた傾斜センサを少なくと
も１つ加えた三次元位置センサを構成する。これによ
り、手段１，２に示したのと同じ手段を用いて、広いエ
リアを必要としないその場での三次元回転角度を検出す
る事ができる。

【００９４】さらに、傾斜センサに加速度センサを用い
ているため、三次元位置センサの移動加速度を検出する
ことができる。つまり、加速度を時間で２回積分するこ
とにより、移動距離を計測することができ、三次元の位
置を検出できる「マウス」や「タブレット」を実現する
こともできる。また、この場合、次元軸に対応させて傾
斜センサを増やすと、増やした数の次元軸に対して移動
距離を計測することができる。ただし、三次元のポイン
タや位置入力デバイスとして使用する場合、各軸に対す
る移動距離を計測しなくても、回転角と１軸の移動距離
を計測して、それに対応させて利用アプリケーション側
で移動量を決めることを行っても十分実用的である。

【００９５】課題２では、運動の加速度の分離を述べて
いるが、これらは回転時に発生する回転運動における加
速度のことである。三次元位置検出装置が平行移動する
場合は、磁気センサの成分は変化しない。従って、平行
移動における運動の加速度は磁気センサの成分を用いて
計算する回転角に影響しない。さらに、移動の時に発生
する加速度は傾斜を検出するときの重力成分の変化に比
較して十分大きいので、積分によりその移動距離を計算
しても、計算誤差はさほど大きくない。

【００９６】［応用用途別解決手段１３］次に、ナビゲ
ーションシステムにおける位置センサとして、三次元位
置検出装置を応用する場合について述べる。これらの問
題点として以下のことがあげられる。

【００９７】従来技術応用例に示したように、従来のシ
ステムでは位置センサ外部に基準を設けて、相対位置を
検出している。従って、外部基準が認識できる位置以外
では、位置を検出することができない。これらの課題を
解決するために、上述の手段１以降に述べたような磁気
センサを少なくとも３つと、加速度センサを少なくとも
２つ用いた三次元位置センサを構成する。これにより、
外部基準を必要としないナビゲーションシステムが可能
となる。

【００９８】移動距離検出方法は、「マウス」への応用
として述べたように、加速度センサの成分を２回積分す
ることにより算出することができる。また、上述と同様
に、三次元位置検出装置が平行移動する場合は、磁気セ
ンサの成分は変化しないので、回転角と移動量を独立し
て計測することができる。

【００９９】従って、ナビゲーションシステムとして、
自動二輪車や自転車のように移動中に車体が傾く物体で
も取り付けることができ、正確に現在位置を測定するこ
とができる。本発明の三次元位置検出装置は、小型で安
価な装置であるため、特にこのような軽車両むけには最
も適した装置である。しかも、小型で安価にもかかわら
ず、実用的に十分な位置精度を得ることができる性能を
持っている。

【０１００】

【作用】従来、２個の磁気センサだけでは、水平回転の
二次元の方位もしくは回転角しか検出することができ
ず、三次元の空間の位置変化を計測することができなか
った。さらに、傾斜センサを用いるときに、傾斜センサ
の回転運動中は動的加速度成分が重力加速度成分に合成
されて検出されるので、傾斜角を正確に計測することが
できなかった。

【０１０１】そこで、手段１に示したように、補正用磁
気センサを含めて少なくとも３個の磁気センサと少なく
とも１個の傾斜センサを用いて、その信号を増幅、演算
できる三次元位置検出装置を構成した。そして、これら
センサの信号から動的ノイズ特性値Ｃを計算し、前記式
（３）より求めた動的ノイズを含んだ傾斜角度Ｂから、
動的ノイズ特性値Ｃを用いて動的な成分を除去した。こ
の結果、従来の２個の磁気センサでは不可能であった角
度の三次元位置検出を行うことができた。さらに、多数
個のセンサを用いて三次元位置を求めていた高価な位置
検出システムに比較して、最小使用個数が磁気センサ３
個と傾斜センサ１個というシンプルで安価なシステムを
実現した。また、シンプルで安価なシステムであるが、
その精度に関しては、実用に十分耐える測定結果が得ら
れる。

【０１０２】また、手段２に示したように、３軸成分を
検出する磁気センサのみと、その信号を増幅、演算する
回路を設けた三次元位置検出装置を作ることにより、あ
る特定の方向のまわりには回転しないという制限付き
で、角度の三次元位置検出を行うことが可能である。し
かも、センサの構成としては最もシンプルで安価な構成
で、三次元位置検出を実現することができる。また、多
くの回転運動状態において、ある方向についての回転は
十分に微小なものとみなせる場合が多々ある。特にバー
チャルリアリティシステムにおける人間の頭部の回転角
検出の場合、顔のロール方向はほとんど無視できるの
で、手段２における回転の制限があっても姿勢を検知す
ることは実用上十分に可能である。

【０１０３】次に、本発明の傾斜センサについて、その
作用を述べる。傾斜センサに用いる加速度センサや角速
度センサは、動的に変化する傾斜角を計測することは難
しく、角速度センサの信号を積分することは時間ととも
に積分誤差が増大してしまうという２つの欠点があっ
た。

【０１０４】そこで、手段３に示したように、本発明で
は、加速度センサと角速度センサを組み合わせて傾斜セ
ンサを構成し、混合加速度から運動加速度を差し引い
た。その結果、純粋な重力だけを取り出すことができ、
傾斜角が動的に変化していても、あるいは静止状態にあ
っても、傾斜角を正確に計測することができる。また、
同様の考え方で、手段４に示したように、加速度センサ
を用いた傾斜センサと磁気センサで構成される三次元位
置検出装置上で、磁気センサの成分を時間微分し、傾斜
センサの動的成分を求めて差し引き、複合の加速度から
動的ノイズを分離することも行った。

【０１０５】さらに、手段５に示したように、磁気セン
サの値の微分値から、センサ基板の運動の大きさを割り
出して、その結果によって、回転角度計算に用いる傾斜
センサの値を選択した。この方法によって、高速な左右
回転から受ける傾斜センサへの運動加速度の影響を補正
することができる。

【０１０６】次に、本発明により行った電気的もしくは
磁気的なノイズや微振動によるノイズの消去作用につい
て説明する。商用電源によるノイズ、センサの微小振動
によるノイズ、または、磁場歪によるノイズ等、種々の
ノイズが三次元位置検出装置の周辺において発生する。
電源ノイズや微小な振動によるノイズは、センサ回路に
カットオフ周波数ｆｃが１０から１００Ｈｚ程度のロー
パス・フィルタ回路を付加することにより除去すること
ができる。また、磁場歪によるノイズは、回転面内の磁
気センサに対して、少なくとも２個以上の補正用磁気セ
ンサをその回転面に角度を持たせて設置し、これらの磁
気センサの値を平均して求めることにより、磁場歪の平
均化を行い、磁場歪によるノイズを無視できるくらいに
小さくすることができる。

【０１０７】さらに、ノイズをデジタル処理側でフィル
タリングするために、位置計算のサイクルを１５〜２０
ｍｓとすることにより、前記時間内に振動ノイズや急峻
な運動加速度による傾斜センサの値の振動が発生してい
ても、ある程度カットすることができる。

【０１０８】また、傾斜センサの感度の問題についての
本発明の作用を述べる。複数個の傾斜センサを取り付け
角度を変えて設置し、それぞれ感度が悪くなる方向を向
くときに感度の良いセンサにサンプリングを切り替えて
検出することにより、１個の傾斜センサでは、感度方向
が垂直に近づくにつれて精度が悪くなる現象を無くする
ことができる。さらに、傾斜センサの信号切り替えの前
後で、値を平均する等の補正行うことにより、傾斜セン
サの感度不良域を無くすことができる。ただ、これで
は、検出範囲が正負９０度に限られるので、回転面内の
少なくとも２つ以上の傾斜センサから出力される信号の
位相差を検出し、演算回路で計算することにより、３６
０度の範囲で三次元回転位置を測定する。

【０１０９】また、低性能なセンサや安価な部品を用い
たことによる固体バラツキや温度特性バラツキの問題に
ついての本発明の作用を述べる。位置センサ部または演
算回路部に、不揮発性もしくはデータを保存することが
できるメモリを搭載し、個体バラツキ特性や温度バラツ
キ特性を記録した。さらに、回路の製造番号等の個体を
識別することができるデータも記録し、ソフトスイッチ
の役割も付けた。この結果、環境温度が変化しても、三
次元位置検出にバラツキが無くなった。しかも、アプリ
ケーションによって、個体の識別や内部演算のソフトス
イッチによる切り替えができるようになった。

【０１１０】次に、バーチャルリアリティシステムに応
用する時に、有効である本発明の作用について述べる。
傾斜センサの設置向きによって耳付近や後頭部から首の
付け根付近に傾斜センサの設置方向を変えた。これは、
バーチャルリアリティシステムの使用者の頭の動きを考
慮した結果である。一般に、回転による力の影響が無い
条件は、回転方向にセンサの感度が無いときと、回転の
中心部分にセンサがあるときである。すなわち、頭の回
転運動が行われるときに、その回転に対して感度がない
方向に傾斜センサを設置すると運動の加速度の影響が発
生しない。バーチャルリアリティシステムの使用者の頭
の回転運動で激しく運動する方向は、頭を左右に振る動
きと、頭を上下に振る動きである。

【０１１１】ここで、バーチャルリアリティシステムの
使用者が正面を向いて上下の方向に感度を持つように傾
斜センサを設置することを考えた場合、運動の影響を受
ける回転方向は上下方向である。左右方向に関しては原
理的に感度がない。頭の上下回転を調べた結果、ほぼ耳
付近が回転の中心となることがわかった。そこで、耳付
近にセンサを設置することによって、回転による力の影
響を無視できる程度に小さくすることができた。

【０１１２】また、バーチャルリアリティシステムの使
用者が正面を向いて前後の方向に感度を持つように傾斜
センサを設置することを考えた場合、上下回転に関して
は上述したように耳付近が最も影響が小さい。しかしな
がら、左右回転を考えた場合、傾斜センサは最も大きく
回転運動の影響を受けてしまう。そこで、左右の回転方
向に対して感度が無く、しかも、上下回転に対しても感
度が小さい位置を考えると、頭の後頭部から首の付け根
付近である。この部分であれば、左右回転に対しては傾
斜センサの感度方向が回転の中心を向いているので影響
が無く、上下回転に関しても、回転の中心付近を向いて
いるし、位置も回転中心に近い。本発明の三次元位置検
出装置をバーチャルリアリティシステムへの応用に用い
るとき、取り付け位置を変えるだけでも、良好な回転角
測定が行える。

【０１１３】次に、二次元「マウス」や二次元「タブレ
ット」に応用する時の本発明の作用について述べる。こ
れらの装置では、二次元エリアのみの検出範囲であるこ
と、動作に広い平らな面が必要であることが問題であっ
た。そこで、本発明の三次元位置検出装置の少なくとも
３個の磁気センサもしくはそれに加えて少なくとも１個
の加速度センサを用いた傾斜センサを用いて三次元位置
検出装置を作ることにより、三次元の回転角度及び移動
量を得ることができる。しかも、これらを使用するため
に広い平らな場所を必要せず、その場で三次元回転角を
検出する事ができる。さらに、加速度センサを用いたこ
とで、２回積分により移動距離を計測することができ、
三次元の位置を検出できる「マウス」や「タブレット」
を実現することもできる。

【０１１４】同様に、ナビゲーションシステムにおける
位置センサとして応用する場合も、本発明では自立して
位置を検出することができる。方法は上述の三次元回転
角検出方法と加速度センサを用いた２回積分による移動
距離検出方法である。しかも、装置が小型軽量なので、
持ち運びや取付を簡単に行うことができる。

【０１１５】ここで、本発明の三次元位置検出装置を用
いた応用範囲をまとめると、人や動物の体の部分の動き
の様子、ロボットのような空間位置制御を必要とする機
器、ペン入力デバイスのようなペンの動きの情報を移動
や回転量で入力する器具、ポインティングデバイス、画
像選択機、ナビゲーションシステムのような機器自身の
空間に対する絶対位置や相対位置の計算を必要とするも
の等があげられ、このようなものに簡単に取り付け、も
しくは内蔵して、三次元位置を計測することができる。
また、メインＣＰＵへの入力デバイスとして、簡単に接
続することが可能である。

【０１１６】

【実施例】

［実施例１〜７］以下に、本発明の実施例１〜７を図面
に基づいて説明する。図１に、以下に説明する本発明の
実施例１〜７における回路ブロック構成例を示す。Ｘ，
Ｙ，Ｚの３成分の磁場を検出するため、３つの磁気セン
サ１、２、３と１つの傾斜センサ４の出力がそれぞれ増
幅器５に接続されフィルタ回路６を通してアナログデジ
タル（Ａ／Ｄ）変換器７に入力される。さらに、そのＡ
／Ｄ変換結果がマイクロコンピュータ８に入力され、演
算を行う回路構成となっている。そして、マイクロコン
ピュータ８はその演算結果を出力する。図２に三次元位
置検出装置の概略図を示す。回路基板９内にＸ磁気セン
サ１とＹ磁気センサ２を設置し、その２つのセンサが成
す面に立つように補正用Ｚ磁気センサ３を設置した。こ
のとき、Ｘ，Ｙ磁気センサ１、２の取り付け位置を計測
して、前記式（１）における角φと角μが０度となるよ
うに取り付けた。また、補正用Ｚ磁気センサ３について
も、前記式（２）における角ψと角κが０度となるよう
に取り付けた。角φ、μ、ψ、κが０度で無くても計算
には差し支えないが、こうすることにより演算回路内部
の三角関数の処理が簡単になり、動的ノイズ特性値Ｃを
求める計算が簡単になる。これ以降の実施例に対して
も、同様の理由で、角φ，μ，ψ，κがほぼ０度となる
ように取り付けている。

【０１１７】そして、Ｘ、Ｙ磁気センサ１、２が測定す
る磁場の面を回転面とし、この面に垂直になるように傾
斜センサ４を設置した構造とした。図中のセンサに付け
た矢印はセンサの向きを示すものである。実施例として
は、磁気センサ１、２、３にフラックスゲートを用いた
ものと、磁気抵抗素子を用いたものと、磁気インピーダ
ンス素子を用いたものとを用意し、それぞれの磁気セン
サに組み合わせるように、梁１１のたわみ量から傾斜角
度を測定する加速度センサタイプの傾斜センサ４と、窓
１６を透過する光量から傾斜角度を測定する傾斜センサ
４を用いて三次元位置検出装置を作成した。

【０１１８】実施例１は、磁気センサ１、２、３にフラ
ックスゲートを用い、傾斜センサ４に梁のたわみ量から
傾斜角度を測定するタイプを用いた。このセンサはその
断面図を図３に示すように、支持フレーム１０から出た
梁１１の先に重り１２が付いており、重力によって梁１
１がたわむ量を梁１１に取り付けた抵抗体１３の抵抗値
変化によって検出する仕組みとなっている。今回の実施
例では、シリコンウエハをエッチングすることにより重
り１２と梁１１を形成し、梁１１の部分に拡散抵抗を埋
め込んで、その出力を取り出せるセンサを作製した。

【０１１９】実施例２は、磁気センサ１、２、３に磁気
抵抗素子を用い、傾斜センサ４に実施例１と同様の梁１
１のたわみ量から傾斜角度を測定するタイプを用いた。
実施例３は、磁気センサ１、２、３に磁気インピーダン
ス素子を用い、傾斜センサ４に実施例１と同様の梁１１
のたわみ量から傾斜角度を測定するタイプを用いた。

【０１２０】実施例４は、磁気センサ１、２、３にフラ
ックスゲートを用い、傾斜センサ４に窓１６を透過する
光量から傾斜角度を測定するタイプを用いた。このセン
サはその断面図を図４に示すように、遮光塗料で遮光し
た平らな円筒形の容器１４の中に、遮光性液体１５を封
入し、９０度ずつ３つの面に光が透過する窓１６を開け
た。向かい合う窓１６の近傍にそれぞれ光源１７を置
き、前記向かい合う窓１６の間にある窓１６の近傍に光
検出素子１８を取り付けて、２個の光源１７と同期させ
て光検出素子１８を作動させ、発光源の位置と検出強度
から傾斜センサ４の円周方向の傾きを計測する仕組みに
なっている。そして、円筒形の容器１４は遮光性の箱に
設置されている。今回の実施例では、遮光塗料を塗った
透明プラスチックの円筒型容器に、遮光性のインクを半
分程度封入し、窓部にＬＥＤを１つずつ取り付け、受光
部にフォトトランジスタを取り付けて、トランジスタの
出力から角度を測定するセンサを作製した。

【０１２１】実施例５は、磁気センサ１、２、３に磁気
抵抗素子を用い、傾斜センサ４に実施例４と同様の窓１
６を透過する光量から傾斜角度を測定するタイプを用い
た。実施例６は、磁気センサ１、２、３に磁気インピー
ダンス素子を用い、傾斜センサ４に実施例４と同様の窓
１６を透過する光量から傾斜角度を測定するタイプを用
いた。

【０１２２】また、位置移動の動的変化にともなう遠心
力や慣性力等の力を取り除くことは、センサが異なって
いても、センサが出力する電圧ゲインをＡ／Ｄ変換する
ことにより同様なデジタル信号に置き換えることがで
き、既に述べた式（１）〜（８）を用いて処理が行え
る。 また、各センサ、増幅器５、フィルタ回路６まで
のアナログ回路部とＡ／Ｄ変換器７、マイクロコンピュ
ータ８までのデジタル回路部は長さ２〜３メートルのケ
ーブルを用いて接続した。

【０１２３】ただし、アナログ回路部とデジタル回路部
を分離したことにより、回路が不安定になる場合もある
ので、今回の実施例では実施例７として、デジタル回路
部も同一の回路基板９上に設置した三次元位置検出装置
も作成した。実施例７は、磁気センサ１、２、３に磁気
抵抗素子、傾斜センサ４に梁１１のたわみ量から傾斜角
度を測定するタイプを用いた。

【０１２４】次に、実施例１〜７における位置検出装置
の回転角及び傾斜角度の検出結果を図５から図１１に示
す。図中原点が回転、傾斜ともに０度の位置を現わす。
横軸が回転角度を意味し、左右に±１８０度の角度とし
て表示している。回転角については１回転の計測が可能
である。縦軸は傾斜角を意味し、上下に±９０度の角度
を示している。また、グラフ上の点は、縦軸の傾斜角を
±１０、±３０、±５０、±７０、±９０度、横軸の回
転角を０、±２０、±４０、±６０、±８０、±１０
０、±１２０、±１４０、±１６０、±１８０度にし
て、縦軸と横軸の各組合わせの各位置で出力された角度
をプロットしたものである。全てにおいて、回転、傾斜
にともなって、良好に角度を測定することができてい
る。

【０１２５】実施例７のアナログ回路部とデジタル回路
部が同一基板タイプと実施例１〜６の分離基板タイプに
よる違いがほとんど無いことから、デジタル回路部を２
〜３メートル分離しても測定精度に影響がないことがわ
かる。以上のような実施例により、本発明の三次元位置
検出装置を用いると、測定物体の三次元的な回転角度の
精度の良い測定が可能となることがわかる。

【０１２６】［実施例８］図１２に本発明における他の
実施例８の回路ブロック構成例を示す。三次元位置を測
定する装置に付属する独立した３軸をＸ、Ｙ、Ｚとす
る。磁気センサ１、２、１９において前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸
方向の磁気成分が検出され、これら３成分に対応する出
力は、増幅器５、フィルタ回路６によって増幅、整流さ
れ、さらにＡ／Ｄ変換器７によってデジタル信号化され
た後、マイクロコンピュータ８に入力される。マイクロ
コンピュータ８では前記手段２に示した演算方法によっ
て前記３軸のうち２軸の回りの回転角のみが演算され、
その結果が出力される。

【０１２７】本実施例では、傾斜センサ４を用いること
なく３軸磁気センサのみで機器の姿勢角を検知すること
ができる。好適な実施例は、頭部の姿勢角を検出しその
角度に応じてディスプレイ上の仮想視野を変化させる、
いわゆるヘッドマウントディスプレイ３３によって与え
られ、例えばバーチャルリアリティを利用したゲーム機
として多用される。図１３のように頭部に付随してＸ、
Ｙ、Ｚ軸を設定する。この場合、Ｙ軸回りの回転を微小
なものとみなし、Ｙ軸回りの回転角Ｃ（ローリング）を
ゼロとすることによってＺ軸回りの回転角Ａ（ヨーイン
グ）およびＸ軸回りの回転角Ｂ（ピッチング）を上述の
演算によって求め、こうして得られた角度Ａ、Ｂに応じ
てディスプレイ上に映し出される視野を変化させる。本
発明者らの研究によれば、ピッチング角があまり大きく
ない場合、ローリング角は十分に小さいものとみなして
よいことが明らかになった。実際、ピッチング角が約±
６０度以内であれば実際の姿勢角に応じて表示した視野
と上述の演算アルゴリズムによって出力された回転角に
応じて表示した視野との差はほとんどなかった。コンピ
ュータを使用したゲームなどの場合、頭部のピッチング
角が±６０度程度になることはほとんどないため、本実
施例は簡易的回転角検出装置としてきわめて有効であ
る。さらに装置独自のリファレンスが不用であるため、
場所を制限することなく使用することができる。

【０１２８】［実施例９］図１４にさらなる他の実施例
としての三次元位置検出装置の構成の概略を示す。図１
４（ａ）は上面より見た平面図、図１４（ｂ）は側面よ
り見た側面図である。

【０１２９】回路基板９上に、動的ノイズ特性値Ｃを求
める計算を簡単にするため、前記角φ，μ，ψ，κが０
度になるように取り付けた３つの磁気センサ、Ｘ軸セン
サ１、Ｙ軸センサ２、補正用Ｚ軸センサ３と傾斜角を検
知するための加速度センサ２１と角速度センサ２２を実
装した。すなわち、加速度センサ２１と角速度センサ２
２で傾斜センサ４を実現している。

【０１３０】本実施例の磁気センサ１、２、３には磁気
抵抗素子（ＭＲ素子）を用いた。本実施例で用いた磁気
センサの感度は磁場１ガウスあたり出力電圧４ｍＶであ
る。ＭＲ素子以外のセンサでも、アモルファス磁気イン
ピーダンス素子（ＭＩ素子）、フラックスゲートのよう
に、高感度な磁気センサであれは、他の実施例１〜６に
示したとおり、発明の効果は同様である。そして、３つ
の磁気センサ１、２、３は、それぞれ、磁気ベクトルの
Ｘ成分、Ｙ成分、Ｚ成分を検出する。

【０１３１】本実施例の加速度センサ２１は、重りの付
いた梁が加速度または重力によってたわむことを利用し
たものである。梁のたわみは梁に組み込まれた半導体の
ピエゾ抵抗効果によって抵抗値の変化として検出され
る。抵抗値の変化はブリッジ回路によって電圧の変化に
変換される。なお、別の方式として梁のたわみ量を静電
容量によって検出する容量型加速度センサもあるが、ど
ちらを用いても発明の効果は同等である。

【０１３２】加速度センサ２１は基板面（Ｘ軸、Ｙ軸）
に対して垂直に、Ｚ軸に対して平行に取り付けられてお
り、Ｘ軸回りの傾斜角を検出することができる。加速度
センサ２１は、垂直に対して傾斜角がゼロのとき、出力
電圧がゼロ、傾斜角がθのとき出力電圧はｓｉｎθに比
例する。

【０１３３】本実施例の角速度センサ２２は圧電振動ジ
ャイロ方式のものである。Ｘ軸回りの回転角速度を検出
できるように取り付けてある。いずれのセンサも増幅器
５を利用した増幅回路と低域通過のフィルタ回路６（ロ
ーパス・フィルタ）を通してアナログ／デジタル変換器
７（Ａ／Ｄ変換器）に接続している。Ａ／Ｄ変換器７の
入力レンジに対してセンサの信号が小さいため、増幅す
る必要がある。また、不要なノイズを除去するため、ロ
ーパス・フィルタ回路６が必要となる。図１５に実施例
で用いたローパス・フィルタ回路６の概要を示した。フ
ィルタのカットオフ周波数ｆｃは２０Ｈｚとした。ｆｃ
が２０Ｈｚであれば、商用電源の５０Ｈｚまたは６０Ｈ
ｚのノイズ、および、コンピュータ機器などが発する高
周波ノイズも除去される。本発明の応用例の一つである
仮想現実感システム（バーチャル・リアリティ・システ
ム）においては、人間の頭部の動きは通常１０Ｈｚ以下
程度であるので、ローパス・フィルタのカットオフ周波
数ｆｃを１０Ｈｚから１００Ｈｚ程度とすれば必要な信
号は除去することなく、不要な高周波信号を除去するこ
とができる。

【０１３４】回路基板９にはセンサだけでなく、傾斜角
および回転角の計算のためのマイクロコンピュータ８が
実装してある。Ａ／Ｄ変換器７により各センサの信号を
デジタル量に変換したのち、マイクロコンピュータ８に
よりデジタル演算処理することができる。また、このマ
イクロコンピュータ８は入出力ポートを持ち、外部のコ
ンピュータ機器またはテレビゲーム機器などに対しデー
タのデジタル信号出力または受信することができる。こ
の実施例では、１２ｂｉｔ、８チャンネルのＡ／Ｄ変換
器およびメモリを内蔵した１６ｂｉｔ型ワンチップマイ
クロコンピュータを用いた。また、回路基板９上に、セ
ンサのデータを記憶し、プロセッサの作業領域として用
いるためのメモリを実装してもよい。この実施例では、
１つの回路基板９上にＡ／Ｄ変換器７からマイクロコン
ピュータ８までを実装しているが、センサ部の基板と演
算部の基板を分けて構成しても、何等問題なく、角度検
出が行える。

【０１３５】加速度センサ２１の信号と角速度センサ２
２の信号は増幅器５によって増幅され、ローパス・フィ
ルタ回路６によってノイズを除去した後、角速度センサ
２２の信号は微分回路２５によって角加速度信号に変換
した後、加算回路２６によって合成される。微分された
角速度センサ２２の信号をあらかじめ反転増幅させてお
けば、加算回路２６によって、加速度センサ２１の信号
から角速度センサ２２の信号を差し引くことができる。
加速度センサ２１と角速度センサ２２の信号の合成によ
り、加速度センサ２１に含まれる運動加速度成分を除去
し、重力による加速度成分のみが残る。以上の方法で得
られた加速度センサ２１の信号はＡ／Ｄ変換器７によっ
てデジタル量に変換され、演算処理によって傾斜角のデ
ータを得ることができる。また、得られた傾斜角のデー
タと磁気センサ１、２、３のデータから回転角のデータ
が得ることができる。すなわち、センサの向いている方
向を検出することができる。

【０１３６】なお、本実施例の三次元位置検出装置には
温度センサ２３が設けてあり、温度変化によるセンサの
特性変化を補正することができる。以上に述べた本実施
例の回路構成の概略を図１６に示す。図１７に本実施例
で用いた加算回路２６の概略を示す。図１８に本実施例
で用いた微分回路２５の概略を示す。図１５に本実施例
で用いたローパス・フィルタ回路６の概略を示す。いず
れの回路も抵抗器を可変抵抗にすれば、センサの感度な
どに合わせた特性に調整することが可能である。

【０１３７】なお、上で述べた実施例では、１組だけの
加速度センサ２１と角速度センサ２２しか備えていない
ため、Ｘ軸回りの傾斜角のみを計測する構成であるが、
直交する配置でもう１組の加速度センサ２１と角速度セ
ンサ２２を備えることによりＹ軸回りの傾斜角も計測可
能である。

【０１３８】本実施例の三次元位置検出装置を用いて傾
斜角の測定を行った。その結果を図１９に示す。傾斜角
をマイナス４５゜から４５゜まで、２秒の周期で連続的
に変化させ、傾斜角のデータを記録したものである。点
線は計算値６３、一点鎖線は従来の方法による補正をし
ていない信号６５、実線は加速度センサ２１と角速度セ
ンサ２２の信号を合成した本実施例の信号６４、破線は
角速度信号６６である。図１９からわかるように連続的
に傾斜角を変化させると、重力加速度だけでなく運動加
速度が加速度センサ２１に働くため、従来の方法では正
しい信号よりも大きな信号になってしまっている。それ
に対し、本実施例の信号６４は計算値６３に近い、ほぼ
正しい信号になっている。

【０１３９】応用例として、図２０に示すヘッドマウン
トディスプレイ３３（ＨＭＤ）に本実施例のセンサ回路
基板９（三次元位置検出装置）を搭載し、図２１に示す
ようにこのＨＭＤ３３をパーソナルコンピュータ３７と
を接続し、仮想現実感システム（バーチャル・リアリテ
ィ・システム，ＶＲシステム）を構成した。

【０１４０】図２０に本実施例のセンサ回路基板９（三
次元位置検出装置）を搭載したＨＭＤ３３の概略を示
す。ＨＭＤ３３のゴーグル２０内部にはセンサ回路基板
９（三次元位置検出装置）と液晶表示装置３１（ＬＣ
Ｄ）が搭載されている。液晶表示装置３１は右目用液晶
表示装置（右）３４と左目用液晶表示装置（左）３５の
合わせて２枚搭載されている。ＨＭＤ３３を頭部２８に
装着し、地磁気または人工的磁場の中で頭部２８を動か
すと、センサ回路基板９（三次元位置検出装置）が傾斜
角と磁場の方向を検出するため、頭部２８が向いている
方向を検出することができる。センサ回路基板９（三次
元位置検出装置）に搭載したマイクロコンピュータ８は
パラレル出力ポートを備えているため、検出した角度の
データをデジタル信号としてパーソナルコンピュータ３
７へ送ることができる。パーソナルコンピュータ３７内
部のメモリには画像のデータが格納されており、その画
像をＨＭＤ３３のゴーグル２０内部の液晶表示装置３１
に表示することができる。

【０１４１】たとえば、ある室内画像のデータを表示す
れば、ＨＭＤ３３装着者は、あたかもその室内にいるか
のような感覚を得られる。画像信号は信号分配器３６を
通して左右の左右の液晶表示装置に入力される。左右の
液晶表示装置３５、３４に視差を計算したわずかに異な
る画像を表示することにより立体映像を表現することも
可能である。このとき、センサ回路基板９（三次元位置
検出装置）で検出した頭部２８の動きに合わせてパーソ
ナルコンピュータ３７で画像のデータを演算処理した
上、そのデータをゴーグル２０内部の液晶表示装置３１
に表示することにより、ＨＭＤ３３装着者が右を向けば
右側、左を向けば左側の画像のデータを表示することが
できる。したがって、表示している画像のデータが、室
内を表現したデータであるとすると、ＨＭＤ３３装着者
は頭部２８を動かすことで、あたかも自分が室内を見回
しているかのような感覚が得られる。この仮想現実感シ
ステムを用いると従来のテレビゲームに比べて臨場感あ
ふれるゲームや立体映像を生かした三次元ＣＡＤシステ
ムなどの応用が可能である。このようなＨＭＤ方式仮想
現実感システムについては、 ハワード・ワインゴールド 著 『バーチャル・リアリ
ティ』（ソフトバンク刊） Ｍ・Ｗ・クルーガー 著 『人工現実』（トッパン
刊） 服部桂 著 『人工現実感の世界』（工業調査会 刊） などで解説されている。

【０１４２】以上のような仮想現実感システムにおい
て、加速度センサ２１のみで角速度センサ２２を含まな
い三次元位置検出装置を用いると、頭部２８の動きが速
い場合、運動加速度の影響から正しい角度を検出できな
いことは、上述したとおりである。また、従来の三次元
位置検出装置を用いると、回転角の計算にも傾斜角の値
を用いるため、回転のデータも誤ったものとなってしま
う。そのため、頭部２８の動きに対してズレのある画像
が表示され、ＨＭＤ３３装着者にとって不自然な画像の
動きを見ていることになる。このように頭部２８の動き
を正確に反映しない動きの画像を長時間見ていると、Ｈ
ＭＤ３３装着者は気分が悪くなり、吐き気やめまい、頭
痛を訴えた場合があった。

【０１４３】しかし、本発明のセンサ回路基板９（三次
元位置検出装置）を搭載したＨＭＤ３３では、速い動作
であっても正確に傾斜角、回転角を計測することができ
るため、頭部２８の動きに対して正確に追従する画像を
表示することができ、ＨＭＤ３３装着者が頭痛などの不
調を訴えることはなかった。

【０１４４】［実施例１０］図２２に本発明のさらなる
他の実施例の回路構成の概略を示す。実施例９がアナロ
グ回路を用いて加速度センサ２１と角速度センサ２２の
信号を合成して傾斜角を求めたものであるのに対して、
実施例１０は、各信号をデジタル量に変換した後に、マ
イクロコンピュータ８によってデジタル演算を行って合
成し、傾斜角を求める方法を用いたものである。

【０１４５】実施例９と同様に、本実施例の三次元位置
検出装置は、３つの磁気センサ１、２、３と１つの加速
度センサ２１と１つの角速度センサ２２を備えている。
各センサの信号は増幅器５、ローパス・フィルタ回路６
を経由して、Ａ／Ｄ変換器７によりデジタル量に変換さ
れる。Ａ／Ｄ変換した各センサの信号を表すデジタル量
はマイクロコンピュータ８が演算処理し、傾斜角および
回転角をデジタル信号出力する。計算式は問題を解決す
るための手段で述べた式を用いることができる。角速度
信号は微分処理することにより角加速度信号に変換し、
加速度センサ２１の信号を補正するために用いる。デジ
タル演算処理では連続量の微分は行えないので、差分演
算で代用すればよい。

【０１４６】以上の方法により、実施例１と同様の効
果、すなわち、傾斜角の変化量が大きく、運動による加
速度が加速度センサ２１に影響を与える場合であって
も、正しい傾斜角のデータが得られる。 ［実施例１１］以下に、本発明のさらなる他の実施例を
図面に基づいて説明する。図２３に本実施例における回
路ブロック構成例を示す。Ｘ，Ｙ，Ｚの３成分の磁場を
検出するため、４つの磁気センサと１つの傾斜センサが
それぞれ増幅器５に接続されフィルタ回路６を通してア
ナログデジタル変換器７に入力されている。さらに、そ
の結果がマイクロコンピュータ８に入力され、演算が行
われて結果が出力される回路構成となっている。図２４
に三次元位置検出装置の概略図を示す。回路基板９内に
Ｘ磁気センサ１とＹ磁気センサ２を設置し、その２つの
センサが成す面に立つように補正用Ｚ磁気センサ３を２
つ設置した。このとき、前記式（１）（２）の角φ，
μ，ψ，κがほぼ０度となるように４個の磁気センサを
取り付けている。そして、Ｘ、Ｙ磁気センサが測定する
磁場の面を回転面とし、この面に垂直となるように傾斜
センサ４を設置した構造とした。図中のセンサに付けた
矢印はセンサの向きを示すものである。補正用Ｚ磁気セ
ンサ３は前記式（２３）に示すように、２つ以上であれ
ばいくつでもかまわない。

【０１４７】磁気センサ１、２、３には磁気抵抗素子を
用い、傾斜センサ４には梁１１のたわみ量から傾斜角度
を測定するタイプを用いて三次元位置検出装置を作成し
た。次に、本実施例における三次元位置検出装置の回転
角及び傾斜角度の検出結果を図２５に示す。原点が回
転、傾斜ともに０度の位置を現す。横軸が回転角度を意
味し、左右に±１８０度の角度として表示している。回
転角については１回転の計測が可能である。縦軸は傾斜
角を意味し、上下に±９０度の角度を示している。実施
例において傾斜センサを１個のみの設置であったため、
±９０度の範囲を越えた計測は不可能であった。また、
グラフ上の点は、縦軸の傾斜角を±１０、±３０、±５
０、±７０、±９０度、横軸の回転角を０、±２０、±
４０、±６０、±８０、±１００、±１２０、±１４
０、±１６０、±１８０度にして、縦軸と横軸の各組合
わせの各位置で出力された角度をプロットしたものであ
る。全てに於いて、回転、傾斜にともなって、良好に角
度を測定することができている。

【０１４８】これと比較して図２５中で測定誤差が大き
い白丸は補正用Ｚセンサが１個の場合の測定値である。
傾斜角度が０度から大きく離れるにつれて回転角度がシ
フトしていく。これは前後左右の回転面内に存在する地
磁気、もしくは、測定環境の半固定磁場がモニタテレビ
のような磁場発生源や鉄板、鉄骨のような磁性材料によ
って歪まされている影響が現れているためである。

【０１４９】以上の実施例により、本実施例の三次元位
置検出装置を用いると、磁場の影響が軽減された精度の
良い測定物体の三次元回転角度の測定が可能となること
がわかる。 ［実施例１２］以下に、さらに他の本発明の実施例を図
面に基づいて説明する。図２６に本発明の本実施例にお
ける回路ブロック構成例を示す。Ｘ，Ｙ，Ｚの３成分の
磁場を検出するため、３つの磁気センサ１、２、３と２
つの傾斜センサ４がそれぞれ増幅器５に接続されフィル
タ回路６を通してアナログデジタル変換器７に入力され
ている。さらに、その結果がマイクロコンピュータ８に
入力され、演算が行われて結果が出力される回路構成と
なっている。図２７に三次元位置検出装置の概略図を示
す。回路基板９内にＸ磁気センサ１とＹ磁気センサ２を
設置し、その２つのセンサが成す面に立つように補正用
Ｚ磁気センサ３を１つ設置した。このとき、前記式
（１）（２）の角φ，μ，ψ，κがほぼ０度となるよう
に磁気センサを取り付けている。そして、Ｘ、Ｙ磁気セ
ンサ１、２が測定する磁場の面を回転面とし、この面に
垂直となるように傾斜センサ４を２個設置した構造とし
た。２個の傾斜センサ４は角度差９０度で取り付けられ
ているため、片方の傾斜センサ４が９０度もしくは−９
０度傾いた場合、もう片方の傾斜センサ４は回転方向に
よって、プラスもしくはマイナスのＧを感知しながら０
度に達する。この値と符号を用いて計算することによ
り、傾斜角度を全転３６０度測定することができる。こ
のような構造の三次元位置検出装置を作製した。図中の
センサに付けた矢印はセンサの向きを示すものである。

【０１５０】本実施例では傾斜センサ４は２個である
が、傾斜センサ４は２つ以上であればいくつでもかまわ
ない。また、磁気センサ１、２、３には磁気抵抗素子を
用い、傾斜センサ４には梁１１のたわみ量から傾斜角度
を測定するタイプを用いた。本実施例の磁気センサには
磁気抵抗素子を用いたが、磁気抵抗素子以外のセンサで
も、磁気インピーダンス素子、フラックスゲートのよう
な高感度な磁気センサであれば、磁気抵抗素子を用いた
場合と同レベルの検出信号を得ることができるので、こ
のような磁気センサを用いても発明の効果は磁気抵抗素
子を用いた場合と同様である。

【０１５１】次に、本実施例における三次元位置検出装
置の回転角及び傾斜角度の検出結果を図２８に示す。原
点が回転、傾斜ともに０度の位置を現す。横軸が回転角
度を意味し、左右に±１８０度の角度として表示してい
る。回転角については１回転の計測が可能である。縦軸
は傾斜角を意味し、上下も±１８０度の角度を表示して
いる。

【０１５２】グラフ上の点は、縦軸の傾斜角を±１０、
±３０、±５０、±７０、±９０、±１１０、±１３
０、±１５０、±１７０度、横軸の回転角を０、±２
０、±４０、±６０、±８０、±１００、±１２０、±
１４０、±１６０、±１８０度にして、縦軸と横軸の各
組合わせの位置で出力された角度をプロットしたもので
ある。グラフからもわかるように、従来では不可能であ
った±９０度以上の傾斜角度を測定できている。

【０１５３】以上のような実施例により、本発明の三次
元位置検出装置を用いると、測定物体の傾斜全転の三次
元的な角度測定が可能となることがわかる。 ［実施例１３］以下に、本発明のさらに他の実施例を図
面に基づいて説明する。図２９に三次元位置検出装置の
概略図を示す。回路基板９内にＸ磁気センサ１とＹ磁気
センサ２を設置し、その２つのセンサが成す面に立つよ
うに補正用Ｚ磁気センサ３を１つ設置した。このとき、
前記式（１）（２）の角φ，μ，ψ，κがほぼ０度とな
るように磁気センサを取り付けている。本実施例の磁気
センサ１、２、３には磁気抵抗素子を用いた。また、磁
気抵抗素子以外のセンサでも、磁気インピーダンス素
子、フラックスゲートのような高感度な磁気センサであ
れば、磁気抵抗素子を用いた場合と同レベルの検出信号
を得ることができるので、発明の効果は磁気抵抗素子を
用いた場合と同様である。

【０１５４】さらに、Ｘ、Ｙ磁気センサ１、２が測定す
る磁場の面を回転面とし、この面にほぼ垂直となるよう
に傾斜センサ４を１個設置した構造とした。図中のセン
サに付けた矢印はセンサの向きを示すものである。さら
に、その回転面上に不揮発性メモリ２４であるＥＥＰＲ
ＯＭ及び、センサ周辺温度を計測するための温度センサ
２３を搭載した。図３０にセンサ回路のブロック図を示
す。Ｘ，Ｙ，Ｚの３つの磁気センサ１、２、３と傾斜セ
ンサ４がそれぞれ増幅器５に接続されフィルタ回路６を
通してアナログデジタル変換器７に入力されている。ま
た、温度センサ２３もアナログデジタル変換器７に入力
されている。そして、Ａ／Ｄ変換結果がマイクロコンピ
ュータ８に入力され、不揮発性メモリの信号を参照して
演算が行われ、その結果が出力される回路構成となって
いる。

【０１５５】次に、本実施例の三次元位置検出装置を恒
温槽に入れ、最初に２０度での各センサが出力する基準
電圧をそれぞれ測定し、センサ個体のバラツキを校正
し、それをＥＥＰＲＯＭに記録した。次に、温度を０度
から５０度まで変化させて、センサ及び回路の温度ドリ
フト量を測定し、ＥＥＰＲＯＭに記録した。

【０１５６】図３１、図３２に本実施例における位置検
出装置の回転角及び傾斜角度の検出結果を示す。回転角
４５、９０、１３５、１８０度に保持して、温度を変化
させたときに出力される角度をプロットしたものが図３
１で、傾斜角度±４５、９０度に保持して、温度を変化
させたときに出力される角度をプロットしたものが図３
２である。全てに於いて、回転、傾斜とも、温度の影響
無しに角度を測定することができている。

【０１５７】また、他の実施例８に示した、最もシンプ
ルな磁気センサのみの三次元位置検出装置においても、
センサの近傍に温度センサを設置し、上述したような温
度補正をかけたところ、同様の結果を得ることができ
た。以上のような実施例により、本発明の三次元位置検
出装置を用いると、環境温度に左右されず、測定物体の
三次元的な角度測定が可能となることがわかる。

【０１５８】［実施例１４］以下に、本発明のさらに他
の実施例を図に基づいて説明する。図３３に、本実施例
の構成図を示す。本実施例の三次元位置検出装置は、ヘ
ッドマウントフレーム２９上に設置された磁気センサユ
ニット４０と傾斜センサユニット４１、センサからの信
号を処理する演算ボックス４２からなる。磁気センサユ
ニット４０と傾斜センサユニット４１には、それぞれ中
に増幅器５が組み込まれてあり、演算ボックス４２にケ
ーブルで接続されている。演算ボックス４２には、フィ
ルタ回路６とＡ／Ｄ変換器７とマイクロコンピュータ８
が組み込まれてあり、マイクロコンピュータ８で計算さ
れたデータはＲＳ−２３２Ｃを介してコンピュータシス
テム４９に接続されている。全体のブロック図を図３４
に示す。

【０１５９】このとき、磁気センサ１、２、３は磁気抵
抗素子からなり、前記式（１）（２）の角φ，μ，ψ，
κがほぼ０度となるように磁気センサを取り付けてい
る。磁気センサ１、２、３が検出した信号は、これを増
幅する増幅器５に入力される。磁気抵抗素子は、外部磁
界の方向によって電気抵抗に異方性を生じる磁気抵抗効
果を用いたものである。このため、磁気抵抗素子は感度
に指向性を持っていて、局所磁場を簡単に検出すること
ができる。本実施例の磁気センサ１、２、３には磁気抵
抗素子を用いたが、磁気抵抗素子以外のセンサでも、磁
気インピーダンス素子、フラックスゲートのように、高
感度な磁気センサであれば、磁気抵抗素子を用いた場合
と同レベルの検出信号を得ることができ、発明の効果は
磁気抵抗素子を用いた場合と同様である。

【０１６０】傾斜センサ４も信号を増幅する増幅器５に
入力されている。傾斜センサ４は、梁の先に重りを付
け、梁がたわむことを利用して、ひずみゲージでたわみ
量を測定するタイプである。図３５に傾斜センサ４の傾
きを変化させたときのセンサの出力値変化特性のグラフ
を示す。横軸は傾斜センサ４の傾き、縦軸は１Ｇで１Ｖ
出力とした場合の傾斜センサ４の出力値である。

【０１６１】増幅された各センサの信号は、ノイズ成分
をカットするフィルタ回路６に入力され、Ａ／Ｄ変換器
７に入力される。そして、デジタル信号に変換し、マイ
クロコンピュータ８により、ユーザーの頭の回転角また
は位置を計算し、結果を出力する。フィルタ回路６はよ
く知られている例えばＣＲ回路からなり、電気的なノイ
ズを除去するものである。マイクロコンピュータ８は、
処理プログラムの入ったメモリを内蔵している。また、
Ａ／Ｄ変換器７以降の演算部をヘッドマウントフレーム
２９に取り付けることも可能である。

【０１６２】本実施例の動作原理は、最初にスタート時
点での局所磁場の向きと重力に対するユーザーの頭の傾
きを磁気センサ１、２、３、傾斜センサ４から求めてお
く。次に、センサからの信号をマイクロコンピュータ８
に送り、前記式（１）から（８）を用いてユーザーの頭
の傾きと回転角度を計算してデータを出力する。これら
一連の処理を２０ｍｓ以内で行い、次の時点で新たに角
度を計算する。

【０１６３】本実施例では、傾斜センサ４のヘッドマウ
ントフレーム２９への取り付け位置が重要となる。傾斜
センサ４は、地球の重力を検出する以外に、物体の運動
加速度も検出する。そのため、ヘッドマウントフレーム
２９に傾斜センサ４を設置した場合、傾斜センサ４は重
力による力の合成値と、頭の回転及び移動によって引き
起こされる加速度成分値の合成値が出力される。そのた
め、ヘッドマウントフレーム２９に取り付けられた傾斜
センサ４の出力値を用いて方向及び位置の計算を行った
場合、本来の方向及び位置とは大きく異なってしまう。
そこで、本実施例では、傾斜センサ４の設置位置を特定
することで、頭の回転及び移動によって引き起こされる
加速度成分を最小にし、重力による力の成分値だけを検
出する三次元位置検出装置を作製した。

【０１６４】傾斜センサ４の取り付け方が、図３６
（ａ）に示すように、傾斜センサ４の感度方向と重力の
方向が一致する場合、垂直回転平面内に傾斜センサ４を
設けると、傾斜センサ４の重りに回転による接線方向の
加速度成分が大きくかかる。従って、回転による接線方
向の加速度成分を最小にするために、傾斜センサ４の設
置位置は頭の耳付近に設置した。前記の傾斜センサ４の
設置位置では、垂直回転の場合、傾斜センサ４の設置位
置が頭の回転の中心に近いため、回転の接線方向の加速
度が小さく、重力による力の成分値の方が大きくなり、
回転による加速度成分を最小にすることができる。さら
に水平回転の場合、図３６（ａ）のような取り付け方で
は、回転による加速度は、傾斜センサ４の感度方向に垂
直であるため、無視することができる。

【０１６５】また、傾斜センサ４の取り付け方が、第３
６図（ｂ）に示すように、傾斜センサ４の感度方向と重
力の方向が垂直である場合、水平回転平面内に傾斜セン
サ４を設けると、傾斜センサ４の重りに、回転による遠
心力成分が大きくかかり、垂直回転平面内に傾斜センサ
４を設けると、傾斜センサ４の重りに、回転による接線
方向の加速度成分が大きくかかる。このため、遠心力、
回転の接線方向の加速度成分等の検出を最小にするため
に、傾斜センサ４の設置位置は、頭の後頭部から首の付
け根付近に設置した。前記の傾斜センサ４の設定位置で
は、水平回転の場合、頭の回転の中心に近いため、傾斜
センサ４の重りにかかる回転による遠心力成分を小さく
することができる。また、垂直回転の場合、頭の後頭部
付近の動きは小さいため、傾斜センサ４の重りにかかる
回転の接線方向の加速度成分は非常に小さい。このた
め、頭の傾きによる重力の成分が大きく出力されること
になる。

【０１６６】上記の方法により、本発明は傾斜センサ４
の取り付け場所を変え、運動の加速度成分に対する感度
をできるだけ小さくした結果、精度の良い三次元位置検
出ができた。 ［実施例１５］本実施例は、磁気センサ１、２、３、傾
斜センサ４から演算回路全ては、実施例１４と同様の構
成になっている。傾斜センサ４は、地球の重力を検出す
る以外に、物体の運動加速度も検出する。そのため、傾
斜センサ４の出力値を用いて位置の計算を行った場合、
本来の位置とは大きく異なってしまう。そこで、本実施
例では、三次元位置検出装置の回転によって引き起こさ
れる加速度成分を、磁気センサ１、２、３の信号を用い
て取り除いた。

【０１６７】マイクロコンピュータ８に入力される磁気
センサ１、２、３の信号から、前記式（２０）に示され
る速度ｖを求める方法について説明する。前記手段４に
示したように、傾斜センサ４と同様に回転している磁気
センサ１、２、３の成分を時間微分し速度ｖを計算す
る。さらに、もう一度時間で微分することにより、傾斜
センサ４に働く加速度ａが算出される。そして、傾斜セ
ンサ４の出力値からこの加速度ａを引くことで、重力加
速度成分だけが残ることになる。上記の方法によって、
傾斜センサ４の運動成分を取り除いた正確な位置検出を
することができる。

【０１６８】［実施例１６］三次元位置検出装置の左右
回転が非常に早いとき、その回転による遠心力や回転の
接線方向の加速度も大きくなる。そこで、本実施例で
は、左右回転角度の変化分が大きい場合、現在の傾斜セ
ンサ４の値を、１つ前に計測した値に入れ換えて、角度
計算を行うアルゴリズムをマイクロコンピュータ８に組
み入れた。尚、回路構成は、前記実施例１４と全て同じ
である。

【０１６９】図３７に本実施例の位置計算用フローチャ
ートを示す。磁気センサ１、２の現在の値と１サイクル
前の値をメモリから取り出して、それらの差の絶対値を
求める。そして、その値がすべて１ビット以下であれ
ば、高速な左右回転は発生していないと判断し、現在の
傾斜センサ４の値をメモリから取り出し、手段１に示し
た方法で三次元位置を計算する。しかし、絶対値の一つ
でも２ビット以上であれば、高速な左右回転が発生して
いると判断し、１サイクル前の傾斜センサ４の値をメモ
リから取り出し、手段１に示した方法で三次元位置を計
算する。

【０１７０】ここで、１サイクルは２０ｍｓの周期であ
る。三次元位置検出装置が左右に速く回転するときに
は、三次元位置検出装置の重力方向に対する傾斜が大き
く変化することは少ない。そして、磁気センサの信号の
変化量は、１サイクル２０ｍｓ付近で三次元位置計算を
行っている場合、１ビット以下になると、運動の加速度
の影響が大きくなるといえる。これは本実施例の三次元
位置検出装置を使った動作テストから割り出したもので
ある。

【０１７１】この処理を行った結果、非常に速い三次元
位置検出装置の動きも追従して計測できた。 ［実施例１７］実施例１７では、傾斜センサ４について
のさらに他の実施例をしめす。傾斜センサ４に関する問
題点において、傾斜センサ４に梁のたわみ量から傾斜角
度を測定するタイプを用いるとき、その検出感度がサイ
ンカーブを描くため、検出角度が±９０度付近で出力値
の変化量が小さくなり、角度の検出分解能が下がり、感
度が悪くなるという問題があった。

【０１７２】そこで、前記さらなる改善手段８に示した
ように、傾斜センサ４を２個使い、感度が悪い範囲をカ
バーして傾斜を測定した。図３８に本実施例の傾斜セン
サ４を回転させたときの出力波形を示す。出力に関して
は、出力値を出力の振幅で割り、単位量として表現して
いる。回転角が０度のとき、傾斜センサの出力は０で
あり、傾斜センサの出力は最大となる。回転角が増す
と、傾斜センサの感度は９０度に近づくにしたがって
悪くなり、逆に傾斜センサの感度は大きくなる。そこ
で、水平面に対して−４５度〜４５度、１３５度〜１８
０度、−１８０度〜−１３５度の範囲は傾斜センサを
用い、４５度〜１３５度、−１３５度〜−４５度の範囲
は傾斜センサを用いることにした。このように、本実
施例では、傾斜センサの傾き角度によって、信号を取り
込む傾斜センサを切り換えることで、正確な傾斜角度の
検出が可能となった。

【０１７３】［実施例１８］実施例１７に説明した傾斜
角度の検出方法について、同じ型の傾斜センサ４でも、
その感度にバラツキがある場合を、さらに他の実施例１
８として説明する。２個の傾斜センサ４にバラツキがあ
る場合、傾斜センサ４の信号切り換えを行うと、例えば
傾斜センサの出力が４５度を示していたとしても、傾
斜センサの出力が４５度を示しているとは限らず、切
り換えたときに角度が４５度から急に５０度に「とぶ」
ということも起こる。

【０１７４】そこで、前記さらなる改善手段８に示した
「とび」補正の手段に従って、本実施例では、信号の切
り換えの前後で傾斜センサの信号に補正を加えて位置計
算に信号を送る機構とした。動作原理は、信号切り換え
の前後５度の範囲の所から、 傾斜センサの出力×α＋傾斜センサの出力×（１−
α） という計算を行い、２つの傾斜センサの値の「とび」を
フィルタしてとっている。ここで係数αは、傾斜センサ
の検出する角度によって変化する値であり、傾斜センサ
と傾斜センサの切り換え前後５度の角度とαの関係
は図３９に示すとおりである。

【０１７５】以上の手段をとることで、傾斜センサの出
力信号を切り換えたときの信号の「とび」がなくなり、
スムーズなカーソルの移動や画面の切り換えが可能とな
った。 ［実施例１９］以下に、本発明を三次元マウス装置とし
て応用したさらに他の実施例１９を図４０に基づいて説
明する。また、図４１に本発明の三次元マウスのブロッ
ク図を示す。

【０１７６】三次元マウス装置は、光通信窓４６と光通
信部４７及び、ボタンスイッチ４４を有する三次元マウ
スと外部コンピュータシステム４９に接続された光通信
部４７からなる。三次元マウスには、傾斜センサ４を兼
ねる２つの加速度センサ２１と３つの磁気センサが組み
込まれている。各センサは、センサの信号を増幅する増
幅器５に接続され、さらに電気的ノイズを除去する例え
ばＣＲ回路を用いたフィルタ回路６に接続されている。
フィルタ回路６の出力端は、Ａ／Ｄ変換器７を通してマ
イクロコンピュータ８に接続され、各センサからの信号
から三次元マウスの位置を算出する。マイクロコンピュ
ータ８の出力端は光通信部４８と接続され、算出された
位置情報は、例えばデジタル信号で光送信される。

【０１７７】光通信部４７、４８は、信号を発信する光
発光素子例えば赤外発光ＬＥＤと信号を受信する素子例
えばＰＩＮダイオードとその駆動回路からなる。また、
光通信部４８には、受信信号をコンピュータシステム４
９のシリアルマウスやバスマウスの端子に送る処理回路
を持っている。

【０１７８】磁気センサの設置方法は、実施例１と同様
である。加速度センサ２１の設置方向は、以下に示す。
マウスが検出する移動方向をＸ方向、Ｙ方向とすると、
２個のＸ、Ｙ加速度センサ６１、６２をその感度方向が
Ｘ、Ｙの方向に平行となるように設置した。加速度セン
サ２１の構造は、実施例１で用いた梁のたわみ量から傾
斜角を求める傾斜センサと同じである。

【０１７９】Ｘ加速度センサ６１の検出する方向とＹ加
速度センサ６２の検出する方向で構成される平面を基準
面とし、この面で三次元マウスが移動した軌跡を測定す
る。本発明の動作原理について説明する。基本的に三次
元マウスの光通信窓４６の方向を正面とし、その方向を
Ｙ加速度センサ６２の感度方向とする。そして、それに
直行する方向をＸ加速度センサ６１の感度方向とする。
また、移動距離は、基準面を含む平面内の平行移動を計
測する。ここで、三次元マウスが移動することによって
加速度が発生し、Ｘ、Ｙ加速度センサ６１、６２で加速
度が検出される。検出されたＸ方向の加速度の大きさと
Ｙ方向の加速度の大きさから、三次元マウスの移動した
方向と加速度の大きさが分かる。この加速度の大きさを
時間で２回積分することで、三次元マウスの移動した距
離と方向が求まる。この計算は、５ミリ秒ごとに行う。
そして、積分の計算により算出された距離Ｘ、Ｙはコン
ピュータシステム４９に送られる。

【０１８０】次に、Ｙ加速度センサ６２の感度方向をＹ
軸とし、その軸の回転をＣ回転、Ｘ加速度センサ６１の
感度方向をＸ軸とし、その軸の回転をＢ回転、基準面に
垂直な方向をＺ軸とし、その軸の回転をＡ回転とする。
ここで、基準面内での移動は回転を伴わない移動である
ので、磁気センサの出力は変化しない。回転が起きた時
には、磁気センサの信号が変化する。磁気センサが変化
し、かつ、Ｙ加速度センサ６２が変化した場合は、Ｂ回
転が起きたことになる。よって、Ｙ加速度センサ６２の
値を用いて、前記式（３）によりＢ回転した角度を求め
る。また、磁気センサが変化し、かつ、Ｘ加速度センサ
６１が変化した場合は、Ｃ回転が起きたことになる。

【０１８１】前記式（３）はＸ加速度センサ６１を用い
た場合、Ｃ回転した角度を角Ｂとしたときと等価になる
ので、前記式（３）を用いてＣ回転した角度を求める。
そして、Ａ回転は、Ｘ、Ｙ、Ｚ磁気センサ１、２、３と
角Ｂを用いて、前記式（２）もしくは前記式（８）によ
り求める。

【０１８２】三次元マウスでは、空間内の軌跡や回転を
計測するため、三次元マウスとコンピュータシステム４
９がケーブル等で接続されている場合、操作の妨げとな
る。そこで、本実施例では、三次元マウスで計算された
位置信号を光通信部４８で例えば赤外光に変換して信号
を送り、光通信部４７で信号を受けてデジタル信号に変
換し、コンピュータシステム４９に信号を送る。

【０１８３】本実施例の三次元マウスを用いて三次元ポ
インティング入力を行った。ＸＹ平面内のカーソルの移
動は、通常のマウス動作と同様にした。そして、マウス
の回転角度に対応させて、コンピーュータシステム４９
内に表示されているマウスカーソルの矢印の方向を、回
転させるポインティングアプリケーションを作成した。
マウスカーソルの矢印は立体的に描かれており、コンピ
ュータシステム４９の画面中でマウスの回転と同じ向き
に回転する仕様となっている。三次元の画像をコンピュ
ータシステム４９の画面に表示し、本実施例の三次元マ
ウスを手に持って、その仮想立体画面内の物体を人間の
感覚を損なわずにポインティングすることができた。さ
らに、ボタンスイッチ４４を用いて画面内を移動させる
ことも違和感なくできた。

【０１８４】また、回転をコンピュータシステム４９の
画面上下移動量に換算するソフトを登録して、画面の２
次元的な部分のポインティングデバイスとして使用し
た。この場合、移動距離を求める必要が無いので、本実
施例の三次元マウスに組み込まれた加速度センサのう
ち、Ｙ加速度センサ６２一つだけ機能させ、Ｘ加速度セ
ンサ６１は使用しなかった。使用においては、通常のマ
ウスのように、机上を移動させることなく、軽く手首を
ひねるだけで容易にマウスカーソルによるポインティン
グを行うことができた。

【０１８５】次に、回転軸を限定して同様に回転をコン
ピュータシステム４９の画面上下移動量に換算するソフ
トを登録して、画面の２次元的な部分のポインティング
デバイスとして使用した。この場合、本実施例の三次元
マウスに組み込まれた磁気センサだけ機能させ、加速度
センサ６１、６２は使用しなかった。使用においては、
上下左右回転だけで、上記とどうように、通常のマウス
のように、机上を移動させることなく、軽く手首をひね
るだけで容易にマウスカーソルによるポインティングを
行うことができた。

【０１８６】本実施例では、三次元マウスへの応用実施
例を述べたが、このシステムは三次元空間の移動量を計
測できるので、三次元タブレットと考えても同等であ
り、三次元タブレットとしても十分実用的ある。 ［実施例２０］本実施例によるナビゲーションシステム
５０は、移動する物体、例えば、自動車、船舶、自動二
輪車、自転車、カート等に用いられる位置検出システム
である。図４２に本実施例の構成図、図４３に本実施例
のブロック図を示す。ナビゲーションシステム５０に
は、少なくとも２つの加速度センサ２１と３つ以上の磁
気センサ１、２、３が組み込まれている。各センサは、
センサの信号を増幅する増幅器５に接続され、さらに電
気的ノイズを除去する例えばＣＲ回路を用いたフィルタ
回路６に接続されている。フィルタ回路６の出力端は、
アナログデジタル変換器７からマイクロコンピュータ８
に接続され、各センサからの信号から移動物体の現在位
置を算出する。マイクロコンピュータ８の出力端はデー
タ出力端子と接続され、算出された位置情報は、地形デ
ータを持ったコンピュータシステム４９に送られ、モニ
タ４３に現在位置が表示される。

【０１８７】加速度センサ２１は、回路基板９内に互い
に垂直に配置されたＸ加速度センサ６１とＹ加速度セン
サ６２からなる。Ｘ加速度センサ６１の検出する方向と
Ｙ加速度センサ６２の検出する方向で構成される平面を
基準面とする。Ｘ、Ｙ加速度センサ６１、６２は、梁の
先に重りを付け、慣性力により梁がたわむことを利用し
て、たわみ量を測定するタイプで実施例１で用いた傾斜
センサ４と同様の仕組みである。磁気センサの設置方法
は、実施例１と同様に設置されている。Ｘ磁気センサ１
は、Ｘ加速度センサ６１の検出方向と、Ｙ磁気センサ
は、Ｙ加速度センサ６２の検出方向と一致させる。磁気
センサには、磁気抵抗素子を用いているが、これは外部
磁界の方向によって電気抵抗に異方性を生じる磁気抵抗
効果を用いたものである。このため、磁気抵抗素子は感
度に指向性を持っていて、３軸に配置することにより磁
場を検出することができる。本実施例の磁気センサには
磁気抵抗素子を用いたが、磁気抵抗素子以外のセンサで
も、磁気インピーダンス素子、フラックスゲートのよう
に、高感度な磁気センサであれば、磁気抵抗素子を用い
た場合と同レベルの検出信号を得ることができ、発明の
効果は磁気抵抗素子を用いた場合と同様である。

【０１８８】本発明の動作原理について説明する。基本
的に移動物体の進行方向をＹ方向とする。スタート時点
で現在位置をコンピュータシステム４９に登録し、ま
た、スタート時点での加速度センサ２１、磁気センサ
１、２、３の出力値をオフセット値として記憶させる。
この場合、スタート時点の登録は、水平な場所で行うこ
とが必要である。次に、移動物体が移動することによっ
て加速度が発生し、Ｙ加速度センサ６２で加速度が検出
される。検出されたＹ方向の加速度の大きさから、移動
物体の移動した加速度の大きさが分かる。この加速度の
大きさを時間で２回積分することで、移動物体の移動し
た距離が求まる。

【０１８９】移動物体が自動二輪車や自転車のように移
動中に左右（Ｘ方向）に車体が傾く場合、磁場が変化す
るため、正確な進行方向を算出することができない。そ
こで、本発明では、Ｘ加速度センサ６１を用いて移動中
の車体の傾きを測定し、Ｘ、Ｙ、Ｚ磁気センサ１、２、
３の出力値とＸ加速度センサ６１の出力値から常に正確
な進行方向を測定することができる。この測定は、手段
で説明した式（１）から式（８）について、左右傾斜を
角Ｂとおき、磁気センサＸ、Ｙの値を入れかえることで
対応できる。

【０１９０】また、Ｙ加速度センサ６２は運動加速度を
検出する以外に重力加速度も検出してしまうため、移動
物体の移動による加速度センサの出力には、重力加速度
と運動加速度の合成値分が出力される。例えば、移動物
体が傾斜地を移動するとき、Ｙ加速度センサ６２の出力
値には、重力加速度と運動加速度の合成値分が出力され
ることになる。そこで、加速度センサの出力値から移動
物体の移動による加速度成分を分離するために、手段で
説明した式（１）から式（８）を用いて、移動物体が傾
斜角（角Ｂ）を求める。そして、Ｙ加速度センサ６２の
変化量から傾斜分の重力加速度を引いて積分の計算を行
うことにより、移動距離を求めることができる。

【０１９１】本実施例のナビゲーションシステム５０を
自転車に取り付けて、地図をコンピュータシステム４９
に入力した地域を走って評価した。コンピュータシステ
ム４９にはサブノートパソコンを用いた。モニタ４３と
して、通信機能の付いたポケットコンピユータを用い
て、その液晶画面に地図と位置を表示させた。位置検出
回路基板９は、自転車のボディにクランプして取り付け
た。また、サブノートパソコンは荷台に取り付け、ポケ
ットコンピュータはハンドルに取り付けた。そして、そ
れぞれをケーブル等で接続した。

【０１９２】自転車を運転していると、左右の揺れが起
きるが、多少の左右の揺れには影響されず、正確に移動
位置をナビゲートした。コース途中の勾配に対しても、
完全に追従していた。以上のような構成により、取り付
け、取り外しが容易であり、静止衛星からの信号に依存
しない自立したナビゲーションシステム５０が可能とな
った。また、従来では、現在位置を測定するのが困難で
あった自動二輪車や自転車のような軽車両のナビゲーシ
ョンシステムも可能となる。しかも、構成が簡単なた
め、安価に製造することができる。

【０１９３】以上に、本発明を実施例に基づいて説明し
たが、本発明は上記の実施例だけに限定されるものでは
なく、本発明の技術思想と同じ思想の応用例は当然本発
明に属するものである。

【０１９４】

【発明の効果】発明の効果として、従来の方位センサの
ような磁気センサが２個の装置は、水平回転の二次元的
な方位もしくは回転角のみを検出するだけであり、三次
元的な空間の位置変化を計測することができなかった。
しかし、本発明で示したように、補正用磁気センサを含
めて少なくとも３個の磁気センサと少なくとも１個の傾
斜センサを用いて、その信号を増幅、演算することがで
きる三次元位置検出装置を構成することにより、最小使
用個数が磁気センサ３個と傾斜センサ１個というシンプ
ルで安価なシステムで、三次元位置検出を実現すること
ができた。

【０１９５】また、３軸成分を検出する磁気センサのみ
と、その信号を増幅、演算する回路を設けた三次元位置
検出装置を作ることにより、ある特定の方向のまわりに
は回転しないという制限付きではあるが、角度の三次元
位置検出を行うことが可能となった。しかも、センサの
構成としては磁気センサのみの最もシンプルで安価な構
成で、三次元位置検出を実現することができた。尚、バ
ーチャルリアリティシステム等における人間の頭部の回
転角検出を行なう場合、顔のロール方向はほとんど無視
できるので、回転に制限があっても姿勢を検知すること
は実用上十分に可能である。

【０１９６】次に、本発明の傾斜センサについての効果
を述べる。本発明では、加速度センサと角速度センサを
組み合わせて傾斜センサを構成し、混合加速度から運動
加速度を差し引くことにより、純粋な重力成分の分離に
成功した。すなわち、傾斜角が動的に変化していても、
あるいは静止状態にあっても正確に角度を計測すること
ができるようになった。

【０１９７】さらに、同様の考え方で、加速度センサを
用いた傾斜センサと磁気センサで構成される三次元位置
検出装置の場合、磁気センサの成分から運動加速度を算
出し、加速度センサの値から差し引くことで、正確に角
度を計測することもできるようになった。

【０１９８】また、磁気センサの変化量から左右の高速
回転を判断し、位置計算に使う傾斜センサの値を選択す
るアルゴリズムを用いることにより、高速な左右回転に
よる傾斜センサへの運動加速度の影響が小さくなるよう
に補正することができた。次に、本発明のさらなる改善
により行った電気的もしくは磁気的なノイズや微振動に
よるノイズの消去の効果について述べる。

【０１９９】商用電源によるノイズ、微小振動によるノ
イズ、または、磁場歪によるノイズ等、種々のノイズが
三次元位置検出の周辺において発生する。しかし、本発
明のカットオフ周波数ｆｃが１０から１００Ｈｚ程度の
ローパスフィルタにより、電源ノイズや微小な振動のノ
イズを取り除くことができた。また、磁場歪による磁場
のノイズは、回転面に角度を持たせて少なくとも２個以
上の補正用磁気センサを設置し、これらを平均して求め
ることにより、磁場歪によるノイズを無視できるくらい
小さくすることができた。

【０２００】さらに、ノイズをデジタル処理側でフィル
タリングするために、位置計算のサイクルを１５〜２０
ｍｓとすることにより、前記時間内に発生した振動ノイ
ズや急峻な運動加速度による傾斜センサの値の振動をあ
る程度カットすることができた。

【０２０１】次に、傾斜センサの感度の問題についての
本発明のさらなる改善における効果を述べる。梁のたわ
み量から傾斜角を求めるタイプの傾斜センサは感度方向
が垂直に近づくにつれて精度が悪くなる。しかし、本発
明に示したように、複数個の傾斜センサを取り付け角度
を変えて設置することにより、感度の良いセンサに切り
換えることができ、傾斜センサの感度不良域を無くすこ
とができた。また、傾斜センサの信号切り換えの前後
で、値を平均する等の補正を行うことにより、傾斜セン
サが２個にわたるときの感度の「とび」を無くすことが
できた。

【０２０２】さらに、傾斜センサに梁のたわみ量から傾
斜角を求めるタイプを用いる限り、その検出範囲が正負
９０度に限られていたが、本発明において、回転面内の
少なくとも２つ以上の傾斜センサから出力される信号の
位相差を検出し、演算回路で計算することにより、±９
０度の以外の範囲で三次元回転位置を測定することがで
きた。

【０２０３】また、三次元位置検出装置のコストを安く
するために、低性能なセンサや安価な部品を用いたこと
により発生した問題を解決した本発明のさらなる改善の
効果を述べる。位置センサ部または演算回路部に、不揮
発性もしくはデータを保存することができるメモリを搭
載し、個体バラツキ特性や温度バラツキ特性を記録し
た。さらに、回路の製造番号等の個体を識別できるデー
タも記録し、ソフトスイッチの役割も付けたことによ
り、環境温度の変化や部品の固体バラツキによる性能の
違いを取り去って、常に安定した位置を検出することが
できるようになった。また、三次元位置検出装置を用い
るアプリケーションから三次元位置検出装置の個体の識
別や内部演算のソフトスイッチによる切り換えができる
ようになった。

【０２０４】次に、傾斜センサの感度方向によって、そ
の配置を変えた場合の本発明の応用用途別解決手段の効
果について述べる。本発明では、バーチャルリアリティ
に三次元位置検出装置を用いるとき、傾斜センサを耳付
近、または、後頭部から首の付け根付近に設置する構成
を発明した。この構成により、傾斜センサ感度と頭の回
転の方向を分離し、頭の回転に対して角加速度の影響を
最も小さくすることができ、良好な回転角測定を行うこ
とができた。

【０２０５】次に、マウスやタブレットに応用した本発
明の効果について述べる。これらの機器において、少な
くとも３個の磁気センサもしくはそれに加えて少なくと
も１個の梁のたわみ量から傾斜角や加速度を求めること
ができる加速度センサを用いた本発明の三次元位置入力
装置を用いることにより、入力に広い場所を必要とせ
ず、しかも、三次元位置も入力できるマウスやタブレッ
トを発明することができた。また、加速度センサの数を
増やすことにより、さらに高次元の移動距離を測定する
ことができた。

【０２０６】また、ナビゲーションシステムにおける位
置センサとして応用する場合の効果について述べる。本
発明の三次元位置入力装置を用いることにより、自立し
て位置を検出することができ、安価で小型軽量で取付を
安易に行うこともできる装置を発明することができた。

【０２０７】以上は本発明の主な効果であるが、本発明
は上記の如く多大なる効果を発するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の三次元位置検出装置の実施例１の回路
ブロック図である。

【図２】本発明の三次元位置検出装置の実施例１〜７の
センサ構成を示す説明図である。

【図３】本発明の三次元位置検出装置及び傾斜センサの
実施例に用いた重力によってたわむ梁を持つセンサの断
面図である。

【図４】本発明の三次元位置検出装置の実施例４〜６に
用いた光量型傾斜センサの断面図である。

【図５】本発明の三次元位置検出装置の実施例１の角度
検出結果である。

【図６】本発明の三次元位置検出装置の実施例２の角度
検出結果である。

【図７】本発明の三次元位置検出装置の実施例３の角度
検出結果である。

【図８】本発明の三次元位置検出装置の実施例４の角度
検出結果である。

【図９】本発明の三次元位置検出装置の実施例５の角度
検出結果である。

【図１０】本発明の三次元位置検出装置の実施例６の角
度検出結果である。

【図１１】本発明の三次元位置検出装置の実施例７の角
度検出結果である。

【図１２】本発明の三次元位置検出装置の実施例８の回
路ブロック図である。

【図１３】本発明の三次元位置検出装置の実施例８を内
蔵したヘッドマウントディスプレイを頭部に装着したと
きの座標を示す説明図である。

【図１４】本発明の三次元位置検出装置の実施例９の概
略を示す平面図と側面図である。

【図１５】本発明の三次元位置検出装置の実施例９で用
いたフィルタ回路の回路図である。

【図１６】本発明の三次元位置検出装置の実施例９の回
路構成のブロック図である。

【図１７】実施例９で用いた本発明の傾斜角検出装置の
加算回路の回路図である。

【図１８】実施例９で用いた本発明の傾斜角検出装置の
微分回路の回路図である。

【図１９】実施例９で用いた本発明の傾斜角検出装置の
信号特性を示す図である。

【図２０】本発明の三次元位置検出装置の実施例９を搭
載したヘッドマウントディスプレイ装置の概略図であ
る。

【図２１】本発明の三次元位置検出装置の実施例９を搭
載した仮想現実感システム構成のブロック図である。

【図２２】本発明の三次元位置検出装置の実施例１０の
回路構成のブロック図である。

【図２３】本発明の三次元位置検出装置の実施例１１の
回路構成のブロック図である。

【図２４】本発明の三次元位置検出装置の実施例１１の
センサ構成を示す説明図である。

【図２５】本発明の三次元位置検出装置の実施例１１の
角度検出結果である。

【図２６】本発明の三次元位置検出装置の実施例１２の
回路構成のブロック図である。

【図２７】本発明の三次元位置検出装置の実施例１２の
センサ構成を示す説明図である。

【図２８】本発明の三次元位置検出装置の実施例１２の
角度検出結果である。

【図２９】本発明の三次元位置検出装置の実施例１３の
センサ構成を示す説明図である。

【図３０】本発明の三次元位置検出装置の実施例１３の
回路構成のブロック図である。

【図３１】本発明の三次元位置検出装置の実施例１３の
回転角度の温度特性を示す図である。

【図３２】本発明の三次元位置検出装置の実施例１３の
傾斜角度の温度特性を示す図である。

【図３３】本発明の三次元位置検出装置の実施例１４の
傾斜傾斜センサ取り付け位置及び概略を示す説明図であ
る。

【図３４】本発明の三次元位置検出装置の実施例１４の
回路構成のブロック図である。

【図３５】本発明の三次元位置検出装置の実施例１４に
搭載された加速度センサを用いた傾斜センサの出力値変
化特性のグラフである。

【図３６】本発明の三次元位置検出装置の実施例１４に
搭載された加速度センサを用いた傾斜センサの取付方法
と設定位置の関係を示した説明図である。

【図３７】本発明の三次元位置検出装置の実施例１６に
搭載されたマイクロコンピュータが処理する速い回転が
起きた場合の位置計算用フローチャートである。

【図３８】本発明の三次元位置検出装置の実施例１７に
搭載された２個の傾斜センサの出力値変化特性のグラフ
である。

【図３９】本発明の三次元位置検出装置の実施例１８に
搭載された２個の傾斜センサの切り換えの係数αの値と
角度の関係を示したグラフである。

【図４０】本発明の三次元位置検出装置を応用した実施
例１９の三次元マウスの概略図である。

【図４１】本発明の三次元位置検出装置を応用した実施
例１９の三次元マウスの回路構成のブロック図である。

【図４２】本発明の三次元位置検出装置を応用した実施
例２０のナビゲーションシステムの概略図である。

【図４３】本発明の三次元位置検出装置を応用した実施
例２０のナビゲーションシステムの回路構成のブロック
図である。

【図４４】従来の方位系に用いられる２巻きコイルのフ
ラックスゲートを示す説明図である。

【図４５】重力によってたわむ梁を持つ加速度センサが
傾斜角を検知する原理の説明図である。

【図４６】従来技術例２に示した傾斜センサの概略図で
ある。

【図４７】手段２に示す軸と回転の関係を表す説明図で
ある。

【符号の説明】

１ Ｘ磁気センサ ２ Ｙ磁気センサ ３ 補正用Ｚ磁気センサ ４ 傾斜センサ ５ 増幅器（アンプ） ６ フィルタ回路 ７ アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器 ８ マイクロコンピュータ ９ 回路基板 １０ 支持フレーム １１ 梁 １２ 重り １３ 抵抗体 １４ 容器 １５ 遮光性液体 １６ 窓 １７ 光源 １８ 光検出素子 １９ Ｚ磁気センサ ２０ ゴーグル ２１ 加速度センサ ２２ 角速度センサ ２３ 温度センサ ２４ 不揮発性メモリ ２５ 微分回路 ２６ 加算回路 ２７ 固定バンド ２８ 頭部 ２９ ヘッドマウントフレーム ３０ 接続ケーブル ３１ 液晶表示装置 ３２ ヘッドフォン ３３ ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ） ３４ 液晶表示装置（右） ３５ 液晶表示装置（左） ３６ 信号分配器 ３７ パーソナルコンピュータ ４０ 磁気センサユニット ４１ 傾斜センサユニット ４２ 演算ボックス ４３ モニタ ４４ ボタンスイッチ ４５ 基準面 ４６ 光通信窓 ４７，４８ 光通信部 ４９ コンピュータシステム ５０ ナビゲーションシステム ５１ Ｘ方向 ５２ Ｙ方向 ５３ Ｚ方向 ５４ コイルＡ ５５ コイルＢ ５６ コア ５７ 透明球 ５８ 透明液体 ６０ 軽車両 ６１ Ｘ加速度センサ ６２ Ｙ加速度センサ ６３ 計算値 ６４ 実施例の装置の信号 ６５ 補正していない信号 ６６ 角加速度信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平7−6028 (32)優先日 平７(1995)１月18日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平7−57826 (32)優先日 平７(1995)３月16日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平7−116104 (32)優先日 平７(1995)５月15日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平7−63225 (32)優先日 平７(1995)３月22日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平7−170606 (32)優先日 平７(1995)７月６日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平7−172518 (32)優先日 平７(1995)７月７日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (72)発明者 斉藤 豊 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコー電子工業株式会社内 (72)発明者 鈴木 瑞明 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコー電子工業株式会社内

Claims (28)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同一水平面内に少なくとも２個の磁気セ
   ンサが位置するように設置された角度検出センサに於い
   て、その水平面に角度を持たせて少なくとも１個の補正
   用磁気センサと、前記角度検出センサを設置した物体が
   重力の方向に対して変位する方向に感度を持つ少なくと
   も１個の傾斜センサと、前記各センサの出力信号を増幅
   する少なくとも１個の増幅回路と、前記各センサまたは
   増幅回路の出力信号のノイズを低減させる少なくとも１
   個のフィルタ回路と、前記増幅回路またはフィルタ回路
   の出力信号をデジタル信号に変換し位置を計算するアナ
   ログデジタル変換器と、前記変換器より変換されたデジ
   タル信号を処理するマイクロコンピュータを設けたこと
   を特徴とする位置検出装置。
2. 【請求項２】 三次元空間内の独立した軸をＸ軸、Ｙ
   軸、Ｚ軸とするとき、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に少なくと
   も１つの磁気成分を検出する磁気センサを有し、前記磁
   気センサより検出されるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の磁気成
   分より、Ｙ軸回りの回転角ＣおよびＺ軸回りの回転角Ａ
   あるいはＣまたはＡのうちの一方、または、Ｚ軸回りの
   回転角ＡおよびＸ軸回りの回転角ＢあるいはＡまたはＢ
   のうちの一方、または、Ｘ軸回りの回転角ＢおよびＹ軸
   回りの回転角ＣあるいはＢまたはＣのうちの一方を演算
   し出力することを特徴とする位置検出装置。
3. 【請求項３】 前記Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の磁気成分を
   検出する磁気センサの信号を増幅する少なくとも１個の
   増幅回路と、前記磁気センサまたは増幅回路の出力信号
   のノイズを低減させる少なくとも１個のフィルタ回路
   と、前記増幅回路またはフィルタ回路の出力信号をデジ
   タル信号に変換し位置を計算するアナログデジタル変換
   器と、前記変換器より変換されたデジタル信号を処理す
   るマイクロコンピュータを設けたことを特徴とする請求
   項２記載の位置検出装置。
4. 【請求項４】 前記磁気センサおよび傾斜センサの信号
   から不要なノイズ成分を除去するローパス・フィルタを
   備え、そのカットオフ周波数ｆｃが、１０Ｈｚ以上６０
   Ｈｚ以下であることを特徴とする請求項１ないし３記載
   の位置検出装置。
5. 【請求項５】 前記傾斜センサに作用する重力以外の遠
   心力や慣性力等の運動の加速度の影響を前記磁気センサ
   及び補正用磁気センサの信号を用いて割り出し、計測す
   る位置の補正を行うことを特徴とする請求項１及び４記
   載の位置検出装置。
6. 【請求項６】 少なくとも２個以上の傾斜センサが重力
   の感度方向に位相差を持って設置されていることを特徴
   とする請求項１及び請求項４ないし５記載の位置検出装
   置。
7. 【請求項７】 傾斜センサが重力方向に対して傾斜した
   ときに、最も感度が良い方向の傾斜センサを選択し、そ
   の傾斜センサの信号を用いて位置を演算し、出力するこ
   とを特徴とする請求項１及び請求項４ないし６記載の位
   置検出装置。
8. 【請求項８】 傾斜センサが重力方向に対して傾斜てい
   くときに、現在選択している最も感度が良い傾斜センサ
   と、今後最も感度が良くなる傾斜センサを選択し、この
   ２個の傾斜センサの信号を用いて現在の傾斜角度を求
   め、さらに位置を演算し、出力することを特徴とする請
   求項１及び請求項４ないし７記載の位置検出装置。
9. 【請求項９】 少なくとも２個以上の補正用磁気センサ
   の信号を用いて空間磁場歪の影響を取り除くことを特徴
   とする請求項１及び請求項４ないし８記載の位置検出装
   置。
10. 【請求項１０】 磁気センサあるいは傾斜センサの少な
    くとも一方のセンサの近傍に、少なくとも１つの温度セ
    ンサを設置したことを特徴とする請求項１ないし９記載
    の位置検出装置。
11. 【請求項１１】 不揮発性もしくは電池によってデータ
    を保存することができるメモリが搭載されていることを
    特徴とする請求項１ないし１０記載の位置検出装置。
12. 【請求項１２】 少なくとも１個の傾斜センサの内部に
    重力に対して変位する梁が存在し、重力ベクトルの方向
    が変化することにより変位する梁のたわみ量を信号とし
    て出力し、その信号と前記補正用磁気センサの信号から
    位置を演算し、出力することを特徴とする請求項１及び
    請求項４ないし１１記載の位置検出装置。
13. 【請求項１３】 少なくとも１個の傾斜センサの内部に
    円筒型容器に封入された溶液とその溶液によって光の透
    過量が変化する窓と透過光量に感能して抵抗値が変化す
    る光センサが存在し、重力ベクトルの方向が変化するこ
    とにより変化する光の透過量を信号として出力し、その
    信号と前記補正用磁気センサの信号から位置を演算し、
    出力することを特徴とする請求項１及び請求項４ないし
    １１記載の位置検出装置。
14. 【請求項１４】 少なくとも１個以上の加速度センサと
    １個以上の角速度センサを備え、角速度センサの信号を
    微分することによって角加速度を計測し、この角加速度
    を用いて、加速度センサの信号に含まれる運動加速度成
    分を補正し傾斜角を求めることを特徴とする傾斜セン
    サ。
15. 【請求項１５】 前記加速度センサの信号と前記角速度
    センサの信号を、アナログ演算回路で合成することによ
    り、加速度センサの信号に含まれる運動加速度成分を補
    正し傾斜角を求めることを特徴とする請求項１４記載の
    傾斜センサ。
16. 【請求項１６】 前記加速度センサの信号と前記角速度
    センサの信号を、アナログデジタル変換器でデジタル量
    に変換した後、そのデジタル量をデジタル計算機または
    マイクロ・プロセッサによって計算処理することによ
    り、加速度センサの信号に含まれる運動加速度成分を補
    正し傾斜角を求めることを特徴とする請求項１４記載の
    傾斜センサ。
17. 【請求項１７】 少なくとも１個の傾斜センサに請求項
    １４ないし１６記載の傾斜センサを用いることを特徴と
    する請求項１及び請求項４ないし１１記載の位置検出装
    置。
18. 【請求項１８】 少なくとも１個の磁気センサがフラッ
    クスゲートを用いていることを特徴とする請求項１ない
    し１３及び、請求項１７記載の位置検出装置。
19. 【請求項１９】 少なくとも１個の磁気センサが磁気抵
    抗素子を用いていることを特徴とする請求項１ないし１
    ３及び、請求項１７記載の位置検出装置。
20. 【請求項２０】 前記少なくとも１個の磁気センサが磁
    気インピーダンス素子を用いていることを特徴とする請
    求項１ないし１３及び、請求項１７記載の位置検出装
    置。
21. 【請求項２１】 磁気センサが地磁気または局所磁場を
    感知することを特徴とする請求項１ないし１３及び、請
    求項１７ないし２０記載の位置検出装置。
22. 【請求項２２】 傾斜センサの感度方向が重力の方向と
    一致する向きに傾斜センサを設置する場合、前記傾斜セ
    ンサの取り付け位置を耳付近にすることを特徴とする請
    求項１及び請求項４ないし１３及び、請求項１７ないし
    ２１記載の位置検出装置。
23. 【請求項２３】傾斜センサの感度方向が重力の方向と直
    交する向きに傾斜センサを設置する場合、前記傾斜セン
    サの取り付け位置を後頭部から首の付け根付近にするこ
    とを特徴とする請求項１及び請求項４ないし１３及び、
    請求項１７ないし２１記載の位置検出装置。
24. 【請求項２４】 マイクロコンピュータで計算した回転
    角度または移動量の位置情報を、外部のコンピュータシ
    ステムと送受信する光通信部と、前記コンピュータシス
    テムのバスまたはシリアル端子に接続された光通信部
    を、設けたことを特徴とする請求項１ないし１３及び、
    請求項１７ないし２３記載の位置検出装置。
25. 【請求項２５】 光通信部にフォトダイオードが使われ
    ていることを特徴とする請求項２４記載の位置検出装
    置。
26. 【請求項２６】 フォトダイオードにＰＩＮフォトダイ
    オードが使われていることを特徴とする請求項２５記載
    の位置検出装置。
27. 【請求項２７】 光通信部に光発光素子が使われている
    ことを特徴とする請求項２４ないし２６位置検出装置。
28. 【請求項２８】 マイクロコンピュータが回転角度また
    は移動距離を計算し、測定開始地点からの移動距離また
    は方位情報または姿勢情報を求めることを特徴とする請
    求項１及び請求項４ないし１３及び、請求項１７ないし
    ２４記載の位置検出装置。