JP4125059B2 - 多軸傾斜検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、２次元或いは３次元的な傾斜検出の可能な多軸傾斜検出装置に関し、特に、新規なジャイロスコープ構造を有するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ジャイロスコープは、航空機等における３次元傾斜センサの基本的構造として従来より様々な形で広く用いられている。従来から知られるジャイロスコープの構成例として、重心が中心にある車（コマ）を、ジンバルと呼ばれる２つの枠で軸支するものがある。これを、例えば航空機機体に固定的に設置すると、前記「コマ」の軸方向は該機体の運動には関係なく一定の方向を維持するため、前記機体の姿勢を知る基準となる。
また、従来から知られるの傾斜検出装置にはポテンショメータを用いたものが知られている。しかし、ポテンショメータにおいては、摺動接触子があるために耐久性の点で難があった。また、振り子状の可動部（重り）を傾斜又は振動に応じて揺動させ、この可動部の動きを検知することにより、検出対象の傾斜、振動、或いは加速度等を検出する装置も知られている。この場合は、検出対象の動きが激しい（加速度が大きい）場合等において、前記可動部の慣性的な動き・振動を抑制、緩衝しない限り誤検出の原因となる。２軸方向（２次元）又は３軸方向（３次元）の傾斜を検出する装置として、２軸（２次元）又は３軸（３次元）ジャイロスコープ構造における各軸の回動角度を測定する構造を採用することで、慣性動を抑制、緩衝することが考えられるが、一般にジャイロスコープは構造が極めて複雑であり、コスト高になってしまう。ところで、従来から知られる誘導型位置検出装置には、直線位置検出装置には差動トランスがあり、回転位置検出装置には、レゾルバがよく知られている。誘導型位置検出装置は、一般に、コイルと磁気応答部材（典型的には鉄等の磁性体又は銅のような導電体）の簡単な構成により実現でき、これを傾斜検出装置に適用できれば広い応用・用途が見込まれる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、比較的シンプルな構成でジャイロスコープ構造と同等の機能を持つ多軸傾斜検出装置を実現し、且つ、慣性動による影響を可及的抑制せしめたものを提供しようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る多軸傾斜検出装置は、外殻と、前記外殻内に所定の液体と共に封入された内球とを具備し、前記内球は重力方向を指向するように構成され、前記内球の比重を前記液体の比重と略等しく設定することで該内球を該液体中に浮かばせることにより、検出対象たる３次元的な動きに応じて前記外殻が前記内球に対して３次元的に相対変位することを可能とし、前記内球の体積を調整することで該内球の比重を調整する浮力調整手段と、水平面上で直交するＸ軸及びＹ軸周りの前記内球に対する前記外殻の傾きをそれぞれ検出する第１の検出手段と、重力方向に沿うＺ軸周りの前記内球に対する前記外殻の傾きを検出する第２の検出手段とを更に具備し、前記第２の検出手段は、前記内球に配置されて該内球を地磁気方向に指向させる永久磁石と、前記外殻に設けられ地磁気方向に対して該外殻がなす角度を検出するフラックスゲート式検出手段とを含むことを特徴とする。
【０００５】
これによると、前記内球が前記外殻内に所定の液体と共に封入され、前記内球の比重を前記液体の比重と等しく設定することで、該内球は該液体中に浮いた状態で前記外殻内に設置されることとなる。つまり、前記内球を前記外殻内に液体で封入し、該液体中に浮かばせることは、該内球が外殻に対して機械的に連結されずとも、該外殻内において所定個所に静止した状態で設置されることとなる。すなわち、内球が外殻の運動に関わりなく一定の指向方向すなわち重力方向を維持するというジャイロスコープ的構造を実現できることとなる。このような構成によれば、前記外殻に外部より加えられる動きに応じて該外殻が回動する際の内球に対する慣性動は抑制・緩衝される。従って、内球に対する外殻の相対的位置は、検出対象の傾き、旋回等の何らかの運動を正確に反映したものとなり、慣性動による検出誤差を効果的に抑制した正確な傾斜検出が問題なく行える。また、前記外殻内の液体中においてそれと同比重の内球が浮いた状態となっているため、前記外殻は前記内球に対して相対的に３次元での全方向的変位が可能であり、従って、内球に対する外殻の３次元の各軸についての相対的位置を第１及び第２の検出手段で検出することにより、外部から作用する３次元的な全方向での傾斜（３軸傾斜）を検出することができる。また、前記内球の体積を調整することで該内球の比重を調整する浮力調整手段を具備していることにより、内球の比重を容易に調整することができる。
【０００６】
第１の検出手段は、前記外殻若しくは前記内球のいずれか一方の所定個所に配置された磁気応答部材と、他方の球面上に所定配置で設置され、前記磁気応答部材の相対的位置に応じて出力信号を生じるコイル部を備えるものであってよい。このような磁気式検出手段は、外殻内に封入された液体と内球とで構成される本発明に係る新規なジャイロスコープ構造において好適なものであり、また、簡便且つ安価に製造することができ、加えて劣悪な環境下での使用にも耐えうるので、当該傾斜検出装置に磁気式検出手段を適用することは極めて有効である。
【０００７】
本発明の請求項５に係る多軸傾斜検出装置は、外殻と、前記外殻内に所定の液体と共に封入された内球とを具備し、前記内球は重力方向を指向するように構成され、前記内球の比重を前記液体の比重と略等しく設定することで該内球を該液体中に浮かばせることにより、検出対象たる３次元的な動きに応じて前記外殻が前記内球に対して３次元的に相対変位することを可能とし、水平面上で直交するＸ軸及びＹ軸周りの前記内球に対する前記外殻の傾きをそれぞれ検出する検出手段を更に具備し、前記検出手段は、前記外殻若しくは前記内球のいずれか一方の所定個所に配置された磁気応答部材と、他方の球面上に所定配置で設置され、前記磁気応答部材の相対的位置に応じて出力信号を生じるコイル部を備え、前記コイル部は、Ｘ軸を中心とした前記球面の周囲に配置された複数のコイルを含むＸ軸用コイル部と、Ｙ軸を中心とした前記球面の周囲に配置された複数のコイルを含むＹ軸用コイル部とからなり、前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＸ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とを前記Ｘ軸用及びＹ軸用コイル部により得るように構成し、前記Ｘ軸用コイル部のコイルと前記Ｙ軸用コイル部のコイルが一部共用されており、前記Ｘ軸用及びＹ軸用コイル部とを時分割的に交流励磁し、これに応じて前記Ｘ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とを時分割的に取り出すようにしたことを特徴とする。このように、Ｘ軸用及びＹ軸用コイル部とを時分割的に励磁し、これに応じて、Ｘ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とを時分割的に取り出すようにすることは、Ｘ及びＹ軸成分位置の夫々の検出に際して、他の軸についての検出動作の影響を避けるという点で、効果的である。
更に３次元的な全方向での傾斜（３軸傾斜）を検出することができるようにするために、前記内球に対する前記外殻のＺ軸方向についての相対的位置を検出する第２の検出手段を更に設けるとよい。この第２の検出手段の一例としては、前記内球に配置されて該内球を地磁気方向に指向させる永久磁石と、前記外殻に設けられ地磁気方向に対して該外殻がなす角度を検出するフラックスゲート式検出手段とを備える。
【０００８】
本発明の傾斜検出装置に対する外力の与え方は、使用目的に応じて任意に設定してよい。例えば、この傾斜検出装置を対象物に固定して設置し、該対象物の傾斜に応じて前記傾斜検出装置が傾くことに基づき、対象物の傾斜を検出することができ、例えば航空機機体等に固定的に設置して、前記機体の姿勢を検知するのに好適である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施例について説明する。
【００１０】
図１（ａ）は本発明に係る多軸傾斜検出装置の一実施例を示す外観斜視図であり、（ｂ）は該検出装置の正面断面の一例を示す断面略図である。この多軸傾斜検出装置は、全体として１個の球体形状を成したもの（これを「球体センサ」と呼ぶことも可能である）からなり、この１個の球体センサにより３軸（３次元）の傾斜を全て検出し得るものである。具体的には、外殻１と、外殻１内に所定の液体２ａと共に封入された内球２とから構成されており、内球２の比重を前記液体２ａの比重と略等しく設定することで該内球２を該液体２ａ中に浮かばせることにより、検出対象たる３次元的な動きに応じて外殻１が内球２に対して３次元的に相対変位し得るようになっている。外殻１は、例えば、対象物に固定的に設置される。該対象物の傾斜に応じて外殻１が（すなわち、当該検出装置全体が）傾くことに基づき、対象物の傾斜を内球２に対する外殻１の相対的位置関係の変位として検出することができる。
【００１１】
外殻１は、全体的に球体形状を成し、その内部空間も球状スペースとなっており、そこには液体２ａと共に内球２が液密に封入されている。ここで、液体２ａに対する内球２の浮力を適切に設定することで、内球２は該液体２ａ中に浮いた状態で静止される。内球２の浮力は、内球２の比重と、液体２ａの比重とが実質的に等しくなるよう設定すればよく、例えば、液体２ａとして水を用いた場合は、内球２の比重を「１」とする。すなわち、外殻１の中心と内球２の中心が略一致した状態で、内球２の周囲全体を液体２ａが等圧で押し付け、内球２と外殻１の内側との距離がどの位置でも略々等しくなる。このような状態を本実施例では内球２が液体２ａ中に浮いた状態という。内球２は、主たる材質が非磁性且つ非導電性すなわち非磁気応答性の適宜の材質からなり、その下面には後述するＸＹ軸用検出手段の１要素として機能する所定の磁気応答部材３（例えば、鉄のような磁性体）が配置され、また、後述するＺ軸用検出手段２０の１要素としての方位磁石として機能する永久磁石３０が適宜の個所に配置されている。これにより、内球２の重心がその中心よりも磁気応答部材３寄りに形成され、重力作用により磁気応答部材３を下面にして重力方向を指向する。
【００１２】
従って、内球２は、外殻１の内部空間内において、外殻１に対して機械的に直接的に連結されることなく、液体２ａ中に浮いた状態で配置されることとなる。これにより、外殻１は内球２に対して相対的に全方向的に回動変位しうる。これに対して、内球２は、理想的には磁気応答部材３を下面にして重力方向を指向して静止状態を保つ。ここで、内球２の中心（浮力の中心）に対するその重心のズレ量が内球２の偶力を決定するので、この偶力が大きくならないように適切に設計する必要がある。例えば、内球２の重心が中心から離れるほど偶力が大きくなり、慣性運動による悪影響を受け易いので、重心位置は中心位置からあまり離れすぎない方が好ましい。すなわち、浮力中心の鉛直下部に重力中心が来るようにし、その距離は非常に小さな値として、加速度の影響を極力小さくする。
【００１３】
ところで、図１（ｂ）に示すように、内球２に適宜の浮力調整手段４を設けて、内球２の比重を調整できるようにするとよい。図示の例では、浮力調整手段４の一例として、内球２に穿孔したネジ穴部４０と該穴部４０に螺合するネジ栓部材４１とを具備する。前記部材４１はネジ作用により前記穴部４０における相対的位置変更が可能であり、該部材４１の位置を変更することで、内球２の体積を増減調節することができ、これに応じて浮力すなわち内球２の比重を細かく調整できる。勿論、穴部４０と部材４１との接合部分は液密になっており、精密な浮力調整を保証している。なお、図示の例では、該浮力調整手段４は一つしか設けられていないが、これに限らず、こうした浮力調整手段を複数設けるように構成してもよい。
【００１４】
このように、この多軸傾斜検出装置によれば、内球２を外殻１内部に液体２ａと共に封入するというシンプルな構成で、外殻１の３次元的運動を可能にすると共に、内球２は一定の指向方向（重力方向）を維持する、というジャイロスコープ構造を実現できることとなる。このような構成にあって、外殻１を検出対象物に固定的に設置すると、該検出対象物の３次元的傾斜に伴い実質的に外殻１のみが３次元的に傾斜して、内球２は外殻１の傾斜変位に連動しないため、内球２に対する外殻１の３次元的（Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸的）な相対位置を検出することにより、検出対象物の３次元的（３軸的）傾斜を検出することができる。
【００１５】
内球２に対する外殻１のＸ軸及びＹ軸についての相対的位置をそれぞれ検出するためにＸＹ軸用検出手段１０が設けられ、内球２に対する外殻１のＺ軸についての相対的位置を検出するためにＺ軸用検出手段２０が設けられている。
ＸＹ軸用検出手段１０は、内球２の下面に配置された磁気応答部材３と、外殻１の外周面に所定配置で設けられたコイルＬ１〜Ｌ６とを備える。符号１０１で示すＸ軸についての傾斜角（Ｘ軸の周りの回転位置）を検出するために、コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３及びＬ４からなる第１のコイルグループが使用される。符号１０２で示すＹ軸についての傾斜角（Ｙ軸の周りの回転位置）を検出するために、コイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６及びＬ４からなる第２のコイルグループが使用される。これらのコイルＬ１〜Ｌ６の配置例の展開図を示すと図２のようである。
第１のコイルグループについて説明すると、Ｘ軸を中心軸と見なしたときの外殻１の赤道に相当する該外殻１の外周上において４つのコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３及びＬ４が等間隔（９０度間隔）で配置されている。図２において、線Ｒｘは、これらのコイルＬ１〜Ｌ４の配列方向（第１の方向）を示し、Ｘ軸を中心軸と見なしたときの外殻１の赤道に相当する。第２のコイルグループについては、Ｙ軸を中心軸と見なしたときの外殻１の赤道に相当する該外殻１の外周上において４つのコイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６及びＬ４が等間隔（９０度間隔）で配置されている。図２において、線Ｒｙは、これらのコイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６，Ｌ４の配列方向（第２の方向）を示し、Ｙ軸を中心軸と見なしたときの外殻１の赤道に相当する。明らかなように、第１及び第２のコイルグループにおいて、コイルＬ２とＬ４はそれぞれ共用されている。図２においては便宜上、第１のコイルグループのコイルＬ４と第２のコイルグループのコイルＬ４は別々に描かれているが、両者は共通のものであり、よって一方のコイルＬ４を点線で示した。また、図１（ａ）においては、図示の都合上、コイルＬ３が表れていないがこれはコイルＬ１の対向面側に設けられている。各コイルＬ１〜Ｌ６は、外殻１の面に略直交する方向に磁束が生じるよう、該外殻１の外表面に貼付けされている。勿論、これらのコイルとして薄型のものを用いたり、更に、その上から非磁性体物質でモールドして表面を滑らかに形成する等、適宜に製造・加工してよいが、この点は設計事項であるから特に説明しない。なお、ＸＹ軸用検出手段１０のコイルＬ１〜Ｌ６は、外殻１の内表面側に設けてもよく、この場合も非磁性体モールドして表面を滑らかに形成する等、適宜に製造・加工してよい。
【００１６】
内球２の下面に配置された磁気応答部材３は、例えば鉄やフェライトのような磁性体からなり、ＸＹ軸用検出手段１０のコルＬ１〜Ｌ６と磁気的に結合する。内球２に対する外殻１のＸ軸及びＹ軸についての相対的な回動位置に応じて、磁気応答部材３に対する個々のコイルＬ１〜Ｌ６の近接位置関係が変化する。この近接位置関係の変化に応じて、個別のコイルＬ１〜Ｌ６と磁気応答部材３との磁気結合の度合いが変化し、これに応じて、各コイルＬ１〜Ｌ６の自己インダクタンスが変化する、つまり、各コイルＬ１〜Ｌ６の電気的インピーダンスが変化する。個々のコイルＬ１〜Ｌ６において、磁気応答部材３に対する近接量が大きいほど、磁気結合の度合いが増し、個々のコイルＬ１〜Ｌ６におけるインダクタンスが増加し、該コイルＬ１〜Ｌ６の電気的インピーダンスが増加する。反対に、コイルＬ１〜Ｌ６と磁気応答部材３とが離れているほど、両者間の磁気結合の度合いが減少し、コイルＬ１〜Ｌ６のインダクタンスが減少していくので、該コイルＬ１〜Ｌ６の電気的インピーダンスは小さくなる。なお、磁気応答部材３の形状及びサイズ（つまり、内球２の下面を占める磁気応答部材３の面積範囲）は、コイルＬ１〜Ｌ６のサイズや所望のインピーダンス変化の特性に従って適切に設定してよい。
【００１７】
例えば、第１のコイルグループの磁気応答部材３に対する相対変位（つまりＸ軸周りの回転変位）においてコイルＬ１に生じるインピーダンス変化を考えると、コイルＬ１が磁気応答部材３に最も近接している（重合している）状態では、コイルＬ１に生じるインピーダンスは最大値となる。この状態から外殻１の回転変位（傾斜）に伴い、コイルＬ２（又はコイルＬ４）が磁気応答部材３に接近するに連れ、コイルＬ１に対する磁気応答部材３の近接量が減少して行くので、コイルＬ１コイルＬ１に生じるインピーダンスは減少して行く。そして磁気応答部材３がコイルＬ３と最も重合する位置において、コイルＬ１は磁気応答部材３から最も隔離するので、コイルＬ１のインピーダンスは最小値となる。ここからコイルＬ４（又はコイルＬ２）が磁気応答部材３に接近して行くに連れて、コイルＬ１と磁気応答部材３の近接量が再び増してゆくので、コイルＬ１のインピーダンスは再び増加する。つまり、外殻１が内球２に対してＸ軸の周りで１回転した場合、コイルＬ１のインピーダンスは磁気応答部材３の近接量に応じて最大値から最小値の間で周期的な変化特性を示す。他のコイルＬ２，Ｌ３，Ｌ４におけるインピーダンスも同様に、磁気応答部材３の近接量に応じて最大値から最小値の間で周期的な変化特性を示す。これらコイルＬ１〜Ｌ４のインピーダンス変化の特性は、後述するようにコイル（Ｌ１〜Ｌ６）は１相の交流信号で共通に励磁されるため、電気的位相が同相であり、外殻１の内球２に対する１回転（すなわち３６０度）に相当する変位量（回動角）θを１サイクル（位相角３６０度の範囲）とする振幅関数になぞらえることができる。
【００１８】
各コイルＬ１〜Ｌ４の配置位置からも明かなように、コイルＬ１のインピーダンス変化に対して、コイルＬ３のインピーダンス変化は、逆相（位相角にして１８０度）の、つまり差動的な特性を示す。また、コイルＬ２のインピーダンス変化に対して、コイルＬ４のインピーダンス変化は、逆相つまり差動的である。そして、コイルＬ１のインピーダンス変化に対して、コイルＬ２のインピーダンス変化は、１／４サイクル（位相角にして９０度）ズレた特性を示す。例えば、コイルＬ１に生じるインピーダンス変化がサイン関数（図２でＳを付記する）に相当するものとすると、これに対して差動的なコイルＬ３に生じるインピーダンス変化は、マイナスサイン関数（図で／Ｓ（Ｓバー）を付記する）、コイルＬ２に生じるインピーダンス変化はコサイン関数（図２でＣを付記する）、コイルＬ４に生じるインピーダンス変化はマイナスコサイン関数（図で／Ｃ（Ｃバー）に、それぞれ相当することになる。なお、明細書中では、表記の都合上、反転を示すバー記号は「／（スラッシュ）」で表記するが、これは図中のバー記号に対応する。
【００１９】
第２のコイルグループ（コイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６，Ｌ４）の磁気応答部材３に対する相対変位（つまりＹ軸についての回転変位）においても上記と同様に、各コイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６，Ｌ４のインピーダンスは、Ｙ軸についての回動変位に関して、図２に示すように夫々３６０度範囲のサイン関数特性Ｓ、コサイン関数特性Ｃ、マイナスサイン関数特性／Ｓ、マイナスコサイン関数特性／Ｃに相当する周期的な変化特性を示す。
【００２０】
ここで、内球２に対する外殻１のＸ軸についての回動位置（傾斜角）を角度変数θを用いて示し、コイルＬ１に生じる理想的なサイン関数特性のインピーダンス変化Ａ（θ）を示すと、
Ａ（θ）＝Ｐ0＋Ｐｓｉｎθ
のような式で等価的に表せる。インピーダンス変化は負の領域に入らないため、上記式においてオフセット値Ｐ0は振幅関数Ｐよりも大きく（Ｐ0≧Ｐ）、「Ｐ0＋Ｐｓｉｎθ」は負の値を取らない。これに対して、コイルＬ１に生じるインピーダンス変化Ａ（θ）に対して差動的変化を示すコイルＬ３に生じる生じる理想的なマイナスサイン関数特性のインピーダンス変化Ｃ（θ）を示すと、
Ｃ（θ）＝Ｐ0−Ｐｓｉｎθ
のような式で等価的に表せる。
一方、コイルＬ２に生じる理想的なコサイン関数特性のインピーダンス変化Ｂ（θ）を示すと、
Ｂ（θ）＝Ｐ0＋Ｐｃｏｓθ
のような式で等価的に表せる。これに対して、このコイルＬ２に生じるインピーダンス変化Ｂ（θ）に対して差動的変化を示すコイルＬ４に生じる理想的なマイナスコサイン関数特性のインピーダンス変化Ｄ（θ）を示すと、
Ｄ（θ）＝Ｐ0−Ｐｃｏｓθ
のような式で等価的に表せる。
なお、上記「Ｐ」は１と見なして省略しても説明上不都合はないので、以下の説明ではこれを省略することにする。
【００２１】
図３（ａ）及び（ｂ）は、図２に示すコイルＬ１〜Ｌ６の電気回路例を示す。なお、図示の都合上、電気回路を（ａ）と（ｂ）に分割して示すが、実際には（ａ）及び（ｂ）における端子ｔ１〜ｔ６（但し、（ｂ）においては便宜上端子ｔ１〜ｔ４のみを図示する）が各々接続される一つの回路である。図３（ａ）において、各コイルＬ１〜Ｌ６は、可変インダクタンス要素として等価的に示されており、電源６０から与えられる所定の交流信号（便宜上ｓｉｎωｔで示す）によって１相で定電圧励磁される。本実施例では、第１及び第２のコイルグループにおいて一部のコイル（コイルＬ２とＬ４）がそれぞれ共用されているので、第１及び第２のコイルグループとは時分割的に励磁及び検出動作がなされるよう構成され、これに応じて、後述する演算処理により生成したＸ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とを時分割的に取り出す。
【００２２】
Ｘ軸検出用の各コイルＬ１〜Ｌ４に生じる電圧をＶＡ，ＶＢ，ＶＣ，ＶＤで示すとすると、夫々対応する端子ｔ１〜ｔ４で取り出された電圧ＶＡ〜ＶＤは、下記のように、内球２に対する外殻１の傾斜角（すなわち、磁気応答部材３に対する各コイルＬ１〜Ｌ４の相対位置）に対応する角度変数θに応じた各コイルＬ１〜Ｌ４毎のインピーダンス値に応じた大きさを示す。
ＶＡ＝Ａ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
ＶＢ＝Ｂ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
ＶＣ＝Ｃ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
ＶＤ＝Ｄ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
図４（ａ）は、各コイルＬ１〜Ｌ４に生じる電圧ＶＡ，ＶＢ，ＶＣ，ＶＤをθ成分についてのみ模式的に示すグラフである（時間の成分は示していない）。
【００２３】
先ず、Ｘ軸についての回転位置（傾斜角）検出について説明すると、第１のコイルグループ（コイルＬ１〜Ｌ４）は時分割制御クロック信号Ｘによりゲート回路（図中Ｇで示す）を介してＸ軸用の検出タイミングで時分割的に励磁される。図３（ｂ）において、コイルＬ１〜Ｌ４で生じた出力電圧ＶＡ〜ＶＤは、端子ｔ１〜ｔ４を介してゲート回路（図中Ｇで示す）に夫々入力され、時分割制御クロック信号Ｘに応じてＸ軸用の検出タイミングで該ゲート回路Ｇから出力され、演算器６１，６２に入力される。演算器６１には、コイルＬ１に生じた出力電圧ＶＡと、これに対して差動変化するコイルＬ３に生じた出力電圧ＶＣが入力され、演算器６２には、コイルＬ２に生じた出力電圧ＶＢと、これに対して差動変化するコイルＬ４に生じた出力電圧ＶＤが入力される。
【００２４】
演算器６１では、下記のように、出力電圧ＶＡと出力電圧ＶＣの差を求め、角度変数θのサイン関数特性の振幅係数を持つ交流出力信号を生成する。
一方、演算器６２では、下記のように、出力電圧ＶＢと出力電圧ＶＤの差を求め、角度変数θのコサイン関数特性の振幅係数を持つ交流出力信号を生成する。
【００２５】
こうして、Ｘ軸についての傾斜角（回動位置）に対応する角度変数θを含む２つの周期的振幅関数（ｓｉｎθ及びｃｏｓθ）によってそれぞれ振幅変調された、２相の交流出力信号「２ｓｉｎθｓｉｎωｔ」と「２ｃｏｓθｓｉｎωｔ」が得られる（以下係数「２」は省略する）。これは、従来からレゾルバとして知られた検出器のサイン相出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びコサイン相出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔと同等のものである。図４（ｂ）は、演算器６１及び６２から出力されるサイン相出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びコサイン相出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを、θ成分についてのみ模式的に示すグラフである（時間の成分は示していない）。なお、サイン相及びコサイン相という呼称、及び２つの交流出力信号の振幅関数のサイン、コサインの表し方は便宜的なものであり、一方がサインで他方がコサインでありさえすれば、どちらをサインまたはコサインと称してもよい。すなわち、ＶＡ−ＶＣ＝ｃｏｓθｓｉｎωｔ、ＶＢ−ＶＤ＝ｓｉｎθｓｉｎωｔである、と表現してもよい。
【００２６】
本実施例では、演算器６１，６２から出力される２つの交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔに基づき、位相検出方式で位置検出を行えるうようになっている。この場合の位相検出方式としては例えば本出願人に係る特開平９−１２６８０９号公報に示された技術を用いて構成するとよい。例えば、一方の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔをシフト回路６３で電気的に９０度シフトすることで、交流信号ｓｉｎθｃｏｓωｔを生成し、これと他方の交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを加算器６４及び減算器６５で加算合成及び減算合成することで、ｓｉｎ（ωｔ＋θ）及びｓｉｎ（ωｔ−θ）なる、θに応じて進相及び遅相方向に位相シフトされた２つの交流信号（位相成分θを交流位相ズレに変換した信号）を生成する。そして、位相シフトされた交流信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）及びｓｉｎ（ωｔ−θ）のゼロクロスをコンパレータ６６，６７で検出し、進相の検出交流信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）のゼロクロス検出パルスＬｐと、遅相の検出交流信号ｓｉｎ（ωｔ−θ）のゼロクロス検出パルスＬｍとを生成して、ディジタル処理装置７０に入力する。ディジタル処理装置７０では、時分割制御クロック信号Ｘに応じたＸ軸用検出タイミングに対応して入力される上記ゼロクロス検出パルスＬｐ及びＬｍに基づき、基準信号ｓｉｎωｔのゼロ位相時点から進相のゼロクロス検出パルスＬｐの発生時点までの時間差を計測することで、進相の位相ズレ量＋θをディジタル検出し、基準信号ｓｉｎωｔのゼロ位相時点から遅相のゼロクロス検出パルスＬｍの発生時点までの時間差を計測することで、遅相の位相ズレ量−θをディジタル検出する。ディジタル処理装置４０において、進相及び遅相の位相検出値＋θ，−θ同士を加算又は減算することを含む所定の演算を行うことで、位相検出データθを得ることができる。こうして、Ｘ軸用の時分割タイミングに対応して入力された検出データに基づきディジタル処理装置４０にて生成した位相検出データθは、Ｘ軸成分位置検出信号θ（ｘ）として出力される。
【００２７】
一方、Ｙ軸検出用の各コイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６，Ｌ４に生じる電圧をＶＥ，ＶＢ，ＶＦ，ＶＤで示すとすると、夫々対応する端子ｔ５，ｔ２，ｔ６，ｔ４で取り出された電圧ＶＥ，ＶＢ，ＶＦ，ＶＤは、下記のように表せる。
ＶＥ＝Ｅ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
ＶＢ＝Ｂ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
ＶＦ＝Ｆ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
ＶＤ＝Ｄ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
但し、角度変数（θ）は、便宜上、Ｘ軸もＹ軸も同じθを用いて示すが、実際は夫々異なる。
【００２８】
Ｙ軸についての回転位置（傾斜角）検出について説明すると、第２のコイルグループ（コイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６，Ｌ４）は時分割制御クロック信号Ｙによりゲート回路Ｇを介してＹ軸用の検出タイミングで時分割的に励磁される。なお、時分割制御クロック信号ＸとＹは異なる時分割タイミングで発生される。図３（ｂ）において、コイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６，Ｌ４で生じた出力電圧ＶＥ，ＶＢ，ＶＦ，ＶＤは、端子ｔ５，ｔ２，ｔ６，ｔ４を介してゲート回路Ｇに夫々入力され、時分割制御クロック信号Ｙに応じてＹ軸用の検出タイミングで該ゲート回路Ｇから出力され、演算器６１，６２に入力される。演算器６１には、コイルＬ５に生じた出力電圧ＶＥと、これに対して差動変化するコイルＬ６に生じた出力電圧ＶＦが入力され、演算器６２には、コイルＬ２に生じた出力電圧ＶＢと、これに対して差動変化するコイルＬ４に生じた出力電圧ＶＤが入力される。
【００２９】
これによりＹ軸用の検出タイミングにおいては、演算器６１では、
なる演算を行い、一方、演算器６２では、
なる演算を行う。
【００３０】
こうして、Ｙ軸用の検出タイミングにおいては、Ｙ軸についての傾斜角（回動位置）に対応する２相の交流出力信号「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」と「ｃｏｓθｓｉｎωｔ」が得られる。各演算器６１，６２の出力は、前述と同様に、シフト回路６３、加算器６４、減算器６５及びコンパレータ６６，６７で処理され、Ｙ軸についての傾斜角θに応じた進相のゼロクロス検出パルスＬｐと遅相のゼロクロス検出パルスＬｍとが生成される。ディジタル処理装置７０では、時分割制御クロック信号Ｙに応じたＹ軸用検出タイミングに対応して入力される上記ゼロクロス検出パルスＬｐ及びＬｍに基づき、前述と同様に、Ｙ軸についての傾斜角の進相の位相ズレ量＋θ及び遅相の位相ズレ量−θをディジタル検出し、これに基づきＹ軸用の位相検出データθを生成し、これがＹ軸成分位置検出信号θ（ｙ）として出力される。
【００３１】
本実施例のように、第１及び第２のコイルグループとを時分割的に励磁し、これに応じて、Ｘ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とを時分割的に取り出すようにすることは、Ｘ及びＹ軸成分位置の夫々の検出に際して、他の軸についての検出動作の影響を避けるという点で、効果的である。
なお、ディジタル処理装置７０は、専用回路（例えば集積回路装置）で構成してもよいし、プログラム可能なプロセッサまたはコンピュータを使用して所定のソフトウェアを実行することにより位相検出処理を行うようにしてもよい。また、上述実施例において、コイル出力を差動演算したことで、コイルの温度ドリフト誤差が完全に補償され、温度ドリフトによるコイルインピーダンス変化の影響を受けないものとなり、更に、進相及び遅相の位相検出値＋θ，−θを演算したことで、前記コイル出力を差動演算することで除去しきれなかった温度ドリフト誤差成分を完全に除去することができるので、温度ドリフト特性が補償されることになる。
【００３２】
こうして、ＸＹ軸用検出手段１０では、内球２に対する外殻１のＸ軸及びＹ軸についての２次元的相対的位置（２軸傾斜）を検出できる。なお、上述の実施例では、外殻１にＸＹ軸用検出手段１０を設け、内球２にこれと磁気結合する磁気応答部材３を設けるようにしたが、逆に、内球２側にＸＹ軸用検出手段１０を設けて、外殻１に磁気応答部材３を設けるように構成してもよい。
【００３３】
次に、内球２に対する外殻１のＺ軸についての相対的位置検出について説明する。図５はＺ軸用検出手段２０の一実施例を示す上面図である。図５において、Ｚ軸用検出手段２０は拡大して示されており、また、外殻１及び内球２は一点鎖線で描かれている。Ｚ軸用検出手段２０は、内球２に配置されて内球２を地磁気Ｈｅｘ方向に指向させる永久磁石３０と、外殻１に設けられた地磁気Ｈｅｘの南北方向に対して外殻１がなす角度を検出するフラックスゲート式検出手段とを含む。このフラックスゲート式検出手段は、地磁気Ｈｅｘの南北方向に対して外殻１がなす角度を測定することで、外殻１の内球２に対するＺ軸についての相対的回転位置を検出するものであって、外殻１の外周に配置（図１（ａ）及び（ｂ）参照）されたリング状の磁性体コア２１と、その周囲に亘って適宜の配置で巻回された励磁コイルＰ１〜Ｐ４と、４つのコイルが互いに等間隔（９０度間隔）に巻回された検出コイルＳ１〜Ｓ４とを備える。なお励磁コイルＰ１〜Ｐ４は磁性体コア２１を周期的に飽和（過飽和）・不飽和させるためのものであるから、その目的を達成し得るようになっていればよく、配置及び数は図示のものに限定されない。磁性体コア２１は、地磁気Ｈｅｘの微少な変化によってヒステリシス曲線がシフトするような高透磁率材料からなるものであって、例えば、比透磁率が大きく保磁力の小さな珪素鋼や、鉄などから形成された円環状に形成したものである。なお、磁性体コア２１の形状は、円環状の珪素鋼以外にも、例えば珪素鋼板を積層して形成された直方体の鉄心、或いは細い針金状のもの等、どのようなものであってもよい。また、図５において、地磁気Ｈｅｘの向きを上から下向きとしたことから、磁性体コア２１の上側が北、下側が南、左側が西、右側が東を、それぞれ示すことになる。
【００３４】
永久磁石３０は、方位磁石として機能するもので、内球２内で適宜に固定的に設置される。内球２は、上述の通り外殻１内において液体２ａ中に浮いた状態で設置されているので、永久磁石３０の指向方向（地磁気Ｈｅｘの向き）に倣って、地磁気Ｈｅｘ方向を常時指向することになる。このように、内球２が地磁気Ｈｅｘ方向を一貫して指向することに鑑みて、地磁気Ｈｅｘ方向をＺ軸についての回動変位における任意の基準位置（すなわち、Ｚ軸についての回動角０°の位置）と定めれば、外殻１の前記基準位置からの回動角θを測定することで、外殻１の内球２に対するＺ軸についての傾斜角（回動位置）が検出できる。
【００３５】
磁性体コア２１は、図１（ａ）に符号１０３で示すＺ軸についての傾斜角（Ｚ軸の周りの回転位置）を検出するために、Ｚ軸を中心軸と見なしたときの外殻１の赤道に相当する該外殻１の外周上において固定的に配置され、外殻１の回動に連動して地磁気Ｈｅｘに対して任意の角度θを指向しうるようになっており、つまり、両矢印Ｑのどちらにも回動しうる。検出コイルＳ１〜Ｓ４は、前記外周上に９０度間隔で配列されることになり、磁性体コア２１が角度θ回動すると、各々の相対的位置関係を変化させることなく、つまり、検出コイルＳ１〜Ｓ４も磁性体コア２１と共に同じ角度θで回動する。励磁コイルＰ１〜Ｐ４及び検出コイルＳ１〜Ｓ４の結線状態を示すと図６のようである。図６に示すように、励磁コイルＰ１〜Ｐ４は、１相の交流信号（便宜上ｓｉｎωｔで示す）によって共通に交流励磁されるもので、例えば隣接する検出コイルＳ１〜Ｓ４の間に挟まれるよう、夫々分散して配置される。このような配置は、励磁コイルＰ１〜Ｐ４によって磁性体コア２１に引き起こされる磁気飽和・不飽和状態を、各検出コイルＳ１〜Ｓ４の配置された個所に対して有効に及ぼすという点で好ましい。検出コイルＳ１〜Ｓ４は、検出コイルＳ１と検出コイルＳ３、検出コイルＳ２と検出コイルＳ４、が夫々差動的に動作するよう結線される。
【００３６】
磁性体コア２１を過飽和させるに十分な振幅を持つ交流電流（ｓｉｎωｔ）で励磁コイルＰ１〜Ｐ４を励磁することで、磁性体コア２１に発生する磁束の周期的な飽和（過飽和）・不飽和を繰り返させる。この飽和（過飽和）・不飽和に応じて、磁性体コア２１の透磁率が可変（オン・オフ）され、各検出コイルＳ１〜Ｓ４の個所において磁性体コア２１に対する地磁気Ｈｅｘの収束と解放が繰り返される。このときの各検出コイルＳ１〜Ｓ４の個所に収束する地磁気Ｈｅｘに基づく磁束密度（磁界）に応じた誘起電圧が各検出コイルＳ１〜Ｓ４に生じる。
この点につき、図５に示すように磁性体コア２１の回転位置が検出コイルＳ２，Ｓ４を結ぶ直線が地磁気Ｈｅｘの方向に一致している場合を基準にして動作を説明すると、例えば磁性体コア２１内部において励磁コイルＰ１〜Ｐ４の交流励磁により左回りの磁束Φが発生するとき、各検出コイルＳ１〜Ｓ４の位置における磁束を夫々磁束ΦＡ〜ΦＤで示すと、地磁気Ｈｅｘの方向に対して平行な磁束ΦＡ及びΦＣの個所においては、地磁気Ｈｅｘが最大のバイアス磁界として作用し、且つΦＡに対しては正方向、ΦＣに対しては逆方向に作用する。従って、磁性体コア２１の磁束ΦＡの個所における磁界Ｈａは地磁気Ｈｅｘに応じた正の最大値（Ｈａ＝Ｈｅｘ）となり、磁束ΦＣの個所における磁界Ｈｃは地磁気Ｈｅｘに応じた負の最大値（Ｈｃ＝−Ｈｅｘ）となる。一方、地磁気Ｈｅｘの方向に対して垂直な磁束ΦＢ、ΦＤの個所においては、地磁気Ｈｅｘがバイアス磁界として作用せず、従って、磁性体コア２１の磁束ΦＢの個所における磁界Ｈｂは最小値（Ｈｂ＝０）、磁束ΦＤの個所における磁界Ｈｄも最小値（Ｈｄ＝０）である。
【００３７】
このように、検出コイルＳ１〜Ｓ４の個所で生じる磁束ΦＡ〜ΦＤが地磁気Ｈｅｘに対してなす角度及び方向に応じて、該個所における地磁気Ｈｅｘに基づくバイアス磁界の大きさが決まる。このバイアス磁界の大きさは地磁気Ｈｅｘの南北方向に対して外殻１がなす角度θに応じて定まり、各検出コイルＳ１〜Ｓ４の個所で生じる磁束ΦＡ〜ΦＤはθに応じて概ね下記のように表せる。
ΦＡ＝Ｈｅｘ（ｓｉｎθ）
ΦＢ＝Ｈｅｘ（ｃｏｓθ）
ΦＣ＝Ｈｅｘ（−ｓｉｎθ）
ΦＤ＝Ｈｅｘ（−ｃｏｓθ）
従って、各検出コイルＳ１〜Ｓ４に生じる出力電圧Ｖａ〜Ｖｄは概ね下記のように表せる。
Ｖａ＝Ｈｅｘ・ｓｉｎθｓｉｎωｔ
Ｖｂ＝Ｈｅｘ・ｃｏｓθｓｉｎωｔ
Ｖｃ＝−Ｈｅｘ・ｓｉｎθｓｉｎωｔ
Ｖｄ＝−Ｈｅｘ・ｃｏｓθｓｉｎωｔ
但し、角度変数（θ）は、便宜上、Ｘ及びＹ軸と同じθを用いて示すが、実際は異なるものである。すなわち、ここで示すθはＺ軸についての回動角に対応している。
【００３８】
各検出コイルＳ１〜Ｓ４に生じる出力電圧Ｖａ〜Ｖｄは、前記と同様に、サイン相出力電圧Ｖａとマイナスサイン相出力電圧Ｖｃとを差動的に合成することでサイン関数の振幅関数を持つ出力交流信号Ａ（２Ｈｅｘ・ｓｉｎθｓｉｎωｔ）が得られ、また、コサイン相出力電圧Ｖｂとマイナスコサイン相出力電圧Ｖｄとを差動的に合成することでコサイン関数の振幅関数を持つ出力交流信号Ｂ（２Ｈｅｘ・ｃｏｓθｓｉｎωｔ）が得られる。こうして、Ｚ軸用検出手段２０では、外殻１の前記基準位置からの回動角θ（つまりＺ軸についての傾斜角）に対応する２相の交流出力信号Ａ（省略して示すと「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」）と信号Ｂ（省略して示すと「ｃｏｓθｓｉｎωｔ」）が得られる。この２相の交流出力信号Ａ及びＢを、例えば、前述のＸＹ軸検出手段１０での説明と同様に、図３（ｂ）に示したシフト回路６３、加算器６４、減算器６５及びコンパレータ６６，６７と同様の回路で処理して、Ｚ軸についての傾斜角θに応じた進相のゼロクロス検出パルスＬｐと遅相のゼロクロス検出パルスＬｍとが生成し、これをディジタル処理装置７０にて、上記ゼロクロス検出パルスＬｐ及びＬｍに基づき、前述と同様に、Ｚ軸についての傾斜角の進相の位相ズレ量＋θ及び遅相の位相ズレ量−θをディジタル検出し、これに基づきＺ軸用の位相検出データθを生成し、これがＺ軸成分位置検出信号θ（ｚ）として出力される。
こうして、Ｚ軸用検出手段２０では、内球２に対する外殻１のＺ軸についての相対的位置（傾斜角）を検出できる。
【００３９】
なお、Ｚ軸用検出手段２０とＸＹ軸用検出手段１０とを時分割的に励磁して、これに応じて、Ｚ軸成分位置検出信号とＸ及びＹ軸成分位置検出信号とを時分割的に取り出すようにするようにすると、Ｚ軸用検出手段２０に対するＸＹ軸用検出手段１０の影響を回避させることができ、Ｚ軸成分位置の検出に際して他の軸についての検出動作の影響を避けるという点で、効果的である。この場合は、それぞれ時分割タイミングで発生される３つの時分割制御クロック信号Ｘ，Ｙ及びＺにより動作が時分割制御されることになる。
【００４０】
なお、ＸＹ軸用検出手段１０において、Ｘ軸成分の傾斜検出に際して、他方のＹ軸成分との相対的位置関係に応じて該Ｘ軸成分の出力信号に対する重み補正を行うようにし、またＹ軸成分の傾斜検出に際しても同様に、他方のＸ軸成分との相対的位置関係に応じて該Ｙ軸成分の出力信号に対する重み補正を行うようにするとよい。これは、図１及び２に示す構成のＸＹ軸用検出手段１０においては、一方の軸Ｘ又はＹに関して生じた傾斜（回転位置）が他方の軸Ｙ又はＸに関する傾斜（回転位置）の検出精度に影響（誤差）を及ぼす恐れがあるからであり、この影響（誤差）を取り除くためにこの重み補正を行う。例えば、Ｙ軸に関する傾斜が０の時は、図２に示す第１のコイルグループＬ１〜Ｌ４の直線的並び方向Ｒｘ上に磁気応答部材３が位置し、Ｘ軸に関して検出した傾斜（回転位置）の検出値は正確な値を示すのに対して、Ｙ軸に関する傾斜が０以外の場合は、図２に示す第１のコイルグループＬ１〜Ｌ４の直線的並び方向ＲｘからＹ軸傾斜量分だけ磁気応答部材３が偏位し、各コイルＬ１〜Ｌ４のインピーダンスに誤差が生じ、そのままではＸ軸に関して検出した傾斜（回転位置）の検出値は誤差を示す。そこで、Ｘ軸成分の傾斜検出に際して、該Ｘ軸成分の現在位置と他方のＹ軸成分との相対位置関係（Ｙ軸成分の傾斜）に応じて該Ｘ軸成分検出用の各コイルＬ１〜Ｌ４のインピーダンス誤差分を補償するように該各コイルＬ１〜Ｌ４の出力信号の重み補正を行う。Ｙ軸成分の検出に際しても、該Ｙ軸成分の現在位置と他方のＸ軸成分との相対位置関係（Ｘ軸成分の傾斜）に応じて同様のインピーダンス補償、すなわち重み補正を行う。そのためには、例えば、直前に検出されたＸ及びＹ軸成分位置検出信号θ（ｘ），θ（ｙ）に基づき、Ｘ軸検出用の第１のコイルグループＬ１〜Ｌ４の各々の重み補正係数を生成し、Ｘ軸検出時において各コイルＬ１〜Ｌ４の出力に演算することで各コイルＬ１〜Ｌ４の出力信号の重み補正を行う。同様に、直前に検出されたＸ及びＹ軸成分位置検出信号θ（ｘ），θ（ｙ）に基づき、Ｙ軸検出用の第２のコイルグループＬ５，Ｌ２，Ｌ６，Ｌ４の各々の重み補正係数を生成し、Ｙ軸検出時において各コイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６，Ｌ４の出力に演算することで各コイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６，Ｌ４の出力信号の重み補正を行えばよい。なお、Ｘ軸及びＹ軸成分位置の２位置をパラメータとして４つの各コイル毎に重み補正係数を予め記憶した記憶手段またはテーブル等を備えることで、適切な重み補正係数を発生させることができる。
【００４１】
上述の実施例では、ＸＹ軸用検出手段１０として、Ｘ軸用の第１のコイルグループとＹ軸用の第２のコイルグループにより２軸傾斜を検出する例を示したが、ＸＹ軸用検出手段１０の別の構成例として、近接検出用コイルを多数設けたものを図７に示す。これは、外殻１の球面上に比較的緊密に配置された複数の近接検知コイル１００を交流励磁し、個別の該コイル１００において内球２に設けた磁気応答部材（磁性体）３の近接に応じたインピーダンス変化に応じた検出出力を得るようにすることで、磁気応答部材３に最も近接したコイルを検知するようにしたものである。この場合は、個々の近接検出用コイル１００の外殻１の球面上における配置が夫々固有のＸ軸座標位置及びＹ軸座標位置に対応しており、どのコイル１００に磁気応答部材３が最も近接したかを検出することで２軸的傾斜を検出できる。
また、Ｚ軸用検出手段２０は、上述のようなフラックスゲート式センサに限らず、例えば、ＸＹ軸用検出手段１０のようなコイルと磁気応答部材とで構成するようにしてもよい。また、外殻１をＺ軸について回転可能に枢支する支持軸をフレーム等を介して設け、この支持軸に関する外殻１の回転位置を検出する適宜の回転位置検出手段をＺ軸用検出手段として設けるようにしてもよい。
【００４２】
なお、上述の実施例において、検出手段として磁気的検出原理による例を示したが、本発明はこれに限らず、光学式検出原理等その他適宜の検出原理に従う検出手段を使用してもよい。
なお、Ｚ軸用検出手段２０を設けずに、ＸＹ軸用検出手段１０のみを設けて２軸傾斜検出装置として実施する形態も本発明の範囲に含まれる。
なお、本発明の多軸傾斜検出装置において、使用する媒介液体２ａの粘度は適宜に設定してよく、検出対象の傾斜運動に対する応答性と不要な慣性動の抑制との兼ね合いで、適切な粘度を設定するとよい。すなわち、媒介液体２ａの粘度に応じて、慣性動に対するダンピング時間を制御することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、比較的シンプルな構成によりジャイロスコープ構造と同等の機能を持つ構造を実現して、簡便に３軸傾斜検出を行うことができ、また、これにより慣性動を効果的に抑制・緩衝して、検出誤差の少ない高精度な傾斜検出が行えるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る多軸傾斜検出装置の一実施例を示す図であって、（ａ）は外観略図、（ｂ）は同実施例に係る多軸傾斜検出装置の略断面図。
【図２】 同実施例に係るＸＹ軸用検出手段の配置例を示す展開図。
【図３】 （ａ）及び（ｂ）は図２に示すＸＹ軸用検出手段の電気回路例を示す図。
【図４】 （ａ）は図２に示すＸＹ軸用検出手段の各コイルに生じる電圧をθ成分についてのみ模式的に示すグラフ、（ｂ）はサイン相に対応する合成出力例及びコサイン相に対応する合成出力例を示すグラフ。
【図５】 同実施例に係るＺ軸用検出手段の概略構成を示す概略上面図。
【図６】 図５に示すＺ軸用検出手段の励磁コイル及び検出コイルの結線回路図。
【図７】 ＸＹ軸用検出手段の別の構成例を示す外観略図。
【符号の説明】
１ 外殻
２ 内球
３ 磁気応答部材
４ 浮力調整手段
１０ ＸＹ軸用検出手段
２０ Ｚ軸用検出手段
【発明の属する技術分野】
この発明は、２次元或いは３次元的な傾斜検出の可能な多軸傾斜検出装置に関し、特に、新規なジャイロスコープ構造を有するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ジャイロスコープは、航空機等における３次元傾斜センサの基本的構造として従来より様々な形で広く用いられている。従来から知られるジャイロスコープの構成例として、重心が中心にある車（コマ）を、ジンバルと呼ばれる２つの枠で軸支するものがある。これを、例えば航空機機体に固定的に設置すると、前記「コマ」の軸方向は該機体の運動には関係なく一定の方向を維持するため、前記機体の姿勢を知る基準となる。
また、従来から知られるの傾斜検出装置にはポテンショメータを用いたものが知られている。しかし、ポテンショメータにおいては、摺動接触子があるために耐久性の点で難があった。また、振り子状の可動部（重り）を傾斜又は振動に応じて揺動させ、この可動部の動きを検知することにより、検出対象の傾斜、振動、或いは加速度等を検出する装置も知られている。この場合は、検出対象の動きが激しい（加速度が大きい）場合等において、前記可動部の慣性的な動き・振動を抑制、緩衝しない限り誤検出の原因となる。２軸方向（２次元）又は３軸方向（３次元）の傾斜を検出する装置として、２軸（２次元）又は３軸（３次元）ジャイロスコープ構造における各軸の回動角度を測定する構造を採用することで、慣性動を抑制、緩衝することが考えられるが、一般にジャイロスコープは構造が極めて複雑であり、コスト高になってしまう。ところで、従来から知られる誘導型位置検出装置には、直線位置検出装置には差動トランスがあり、回転位置検出装置には、レゾルバがよく知られている。誘導型位置検出装置は、一般に、コイルと磁気応答部材（典型的には鉄等の磁性体又は銅のような導電体）の簡単な構成により実現でき、これを傾斜検出装置に適用できれば広い応用・用途が見込まれる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、比較的シンプルな構成でジャイロスコープ構造と同等の機能を持つ多軸傾斜検出装置を実現し、且つ、慣性動による影響を可及的抑制せしめたものを提供しようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る多軸傾斜検出装置は、外殻と、前記外殻内に所定の液体と共に封入された内球とを具備し、前記内球は重力方向を指向するように構成され、前記内球の比重を前記液体の比重と略等しく設定することで該内球を該液体中に浮かばせることにより、検出対象たる３次元的な動きに応じて前記外殻が前記内球に対して３次元的に相対変位することを可能とし、前記内球の体積を調整することで該内球の比重を調整する浮力調整手段と、水平面上で直交するＸ軸及びＹ軸周りの前記内球に対する前記外殻の傾きをそれぞれ検出する第１の検出手段と、重力方向に沿うＺ軸周りの前記内球に対する前記外殻の傾きを検出する第２の検出手段とを更に具備し、前記第２の検出手段は、前記内球に配置されて該内球を地磁気方向に指向させる永久磁石と、前記外殻に設けられ地磁気方向に対して該外殻がなす角度を検出するフラックスゲート式検出手段とを含むことを特徴とする。
【０００５】
これによると、前記内球が前記外殻内に所定の液体と共に封入され、前記内球の比重を前記液体の比重と等しく設定することで、該内球は該液体中に浮いた状態で前記外殻内に設置されることとなる。つまり、前記内球を前記外殻内に液体で封入し、該液体中に浮かばせることは、該内球が外殻に対して機械的に連結されずとも、該外殻内において所定個所に静止した状態で設置されることとなる。すなわち、内球が外殻の運動に関わりなく一定の指向方向すなわち重力方向を維持するというジャイロスコープ的構造を実現できることとなる。このような構成によれば、前記外殻に外部より加えられる動きに応じて該外殻が回動する際の内球に対する慣性動は抑制・緩衝される。従って、内球に対する外殻の相対的位置は、検出対象の傾き、旋回等の何らかの運動を正確に反映したものとなり、慣性動による検出誤差を効果的に抑制した正確な傾斜検出が問題なく行える。また、前記外殻内の液体中においてそれと同比重の内球が浮いた状態となっているため、前記外殻は前記内球に対して相対的に３次元での全方向的変位が可能であり、従って、内球に対する外殻の３次元の各軸についての相対的位置を第１及び第２の検出手段で検出することにより、外部から作用する３次元的な全方向での傾斜（３軸傾斜）を検出することができる。また、前記内球の体積を調整することで該内球の比重を調整する浮力調整手段を具備していることにより、内球の比重を容易に調整することができる。
【０００６】
第１の検出手段は、前記外殻若しくは前記内球のいずれか一方の所定個所に配置された磁気応答部材と、他方の球面上に所定配置で設置され、前記磁気応答部材の相対的位置に応じて出力信号を生じるコイル部を備えるものであってよい。このような磁気式検出手段は、外殻内に封入された液体と内球とで構成される本発明に係る新規なジャイロスコープ構造において好適なものであり、また、簡便且つ安価に製造することができ、加えて劣悪な環境下での使用にも耐えうるので、当該傾斜検出装置に磁気式検出手段を適用することは極めて有効である。
【０００７】
本発明の請求項５に係る多軸傾斜検出装置は、外殻と、前記外殻内に所定の液体と共に封入された内球とを具備し、前記内球は重力方向を指向するように構成され、前記内球の比重を前記液体の比重と略等しく設定することで該内球を該液体中に浮かばせることにより、検出対象たる３次元的な動きに応じて前記外殻が前記内球に対して３次元的に相対変位することを可能とし、水平面上で直交するＸ軸及びＹ軸周りの前記内球に対する前記外殻の傾きをそれぞれ検出する検出手段を更に具備し、前記検出手段は、前記外殻若しくは前記内球のいずれか一方の所定個所に配置された磁気応答部材と、他方の球面上に所定配置で設置され、前記磁気応答部材の相対的位置に応じて出力信号を生じるコイル部を備え、前記コイル部は、Ｘ軸を中心とした前記球面の周囲に配置された複数のコイルを含むＸ軸用コイル部と、Ｙ軸を中心とした前記球面の周囲に配置された複数のコイルを含むＹ軸用コイル部とからなり、前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＸ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とを前記Ｘ軸用及びＹ軸用コイル部により得るように構成し、前記Ｘ軸用コイル部のコイルと前記Ｙ軸用コイル部のコイルが一部共用されており、前記Ｘ軸用及びＹ軸用コイル部とを時分割的に交流励磁し、これに応じて前記Ｘ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とを時分割的に取り出すようにしたことを特徴とする。このように、Ｘ軸用及びＹ軸用コイル部とを時分割的に励磁し、これに応じて、Ｘ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とを時分割的に取り出すようにすることは、Ｘ及びＹ軸成分位置の夫々の検出に際して、他の軸についての検出動作の影響を避けるという点で、効果的である。
更に３次元的な全方向での傾斜（３軸傾斜）を検出することができるようにするために、前記内球に対する前記外殻のＺ軸方向についての相対的位置を検出する第２の検出手段を更に設けるとよい。この第２の検出手段の一例としては、前記内球に配置されて該内球を地磁気方向に指向させる永久磁石と、前記外殻に設けられ地磁気方向に対して該外殻がなす角度を検出するフラックスゲート式検出手段とを備える。
【０００８】
本発明の傾斜検出装置に対する外力の与え方は、使用目的に応じて任意に設定してよい。例えば、この傾斜検出装置を対象物に固定して設置し、該対象物の傾斜に応じて前記傾斜検出装置が傾くことに基づき、対象物の傾斜を検出することができ、例えば航空機機体等に固定的に設置して、前記機体の姿勢を検知するのに好適である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施例について説明する。
【００１０】
図１（ａ）は本発明に係る多軸傾斜検出装置の一実施例を示す外観斜視図であり、（ｂ）は該検出装置の正面断面の一例を示す断面略図である。この多軸傾斜検出装置は、全体として１個の球体形状を成したもの（これを「球体センサ」と呼ぶことも可能である）からなり、この１個の球体センサにより３軸（３次元）の傾斜を全て検出し得るものである。具体的には、外殻１と、外殻１内に所定の液体２ａと共に封入された内球２とから構成されており、内球２の比重を前記液体２ａの比重と略等しく設定することで該内球２を該液体２ａ中に浮かばせることにより、検出対象たる３次元的な動きに応じて外殻１が内球２に対して３次元的に相対変位し得るようになっている。外殻１は、例えば、対象物に固定的に設置される。該対象物の傾斜に応じて外殻１が（すなわち、当該検出装置全体が）傾くことに基づき、対象物の傾斜を内球２に対する外殻１の相対的位置関係の変位として検出することができる。
【００１１】
外殻１は、全体的に球体形状を成し、その内部空間も球状スペースとなっており、そこには液体２ａと共に内球２が液密に封入されている。ここで、液体２ａに対する内球２の浮力を適切に設定することで、内球２は該液体２ａ中に浮いた状態で静止される。内球２の浮力は、内球２の比重と、液体２ａの比重とが実質的に等しくなるよう設定すればよく、例えば、液体２ａとして水を用いた場合は、内球２の比重を「１」とする。すなわち、外殻１の中心と内球２の中心が略一致した状態で、内球２の周囲全体を液体２ａが等圧で押し付け、内球２と外殻１の内側との距離がどの位置でも略々等しくなる。このような状態を本実施例では内球２が液体２ａ中に浮いた状態という。内球２は、主たる材質が非磁性且つ非導電性すなわち非磁気応答性の適宜の材質からなり、その下面には後述するＸＹ軸用検出手段の１要素として機能する所定の磁気応答部材３（例えば、鉄のような磁性体）が配置され、また、後述するＺ軸用検出手段２０の１要素としての方位磁石として機能する永久磁石３０が適宜の個所に配置されている。これにより、内球２の重心がその中心よりも磁気応答部材３寄りに形成され、重力作用により磁気応答部材３を下面にして重力方向を指向する。
【００１２】
従って、内球２は、外殻１の内部空間内において、外殻１に対して機械的に直接的に連結されることなく、液体２ａ中に浮いた状態で配置されることとなる。これにより、外殻１は内球２に対して相対的に全方向的に回動変位しうる。これに対して、内球２は、理想的には磁気応答部材３を下面にして重力方向を指向して静止状態を保つ。ここで、内球２の中心（浮力の中心）に対するその重心のズレ量が内球２の偶力を決定するので、この偶力が大きくならないように適切に設計する必要がある。例えば、内球２の重心が中心から離れるほど偶力が大きくなり、慣性運動による悪影響を受け易いので、重心位置は中心位置からあまり離れすぎない方が好ましい。すなわち、浮力中心の鉛直下部に重力中心が来るようにし、その距離は非常に小さな値として、加速度の影響を極力小さくする。
【００１３】
ところで、図１（ｂ）に示すように、内球２に適宜の浮力調整手段４を設けて、内球２の比重を調整できるようにするとよい。図示の例では、浮力調整手段４の一例として、内球２に穿孔したネジ穴部４０と該穴部４０に螺合するネジ栓部材４１とを具備する。前記部材４１はネジ作用により前記穴部４０における相対的位置変更が可能であり、該部材４１の位置を変更することで、内球２の体積を増減調節することができ、これに応じて浮力すなわち内球２の比重を細かく調整できる。勿論、穴部４０と部材４１との接合部分は液密になっており、精密な浮力調整を保証している。なお、図示の例では、該浮力調整手段４は一つしか設けられていないが、これに限らず、こうした浮力調整手段を複数設けるように構成してもよい。
【００１４】
このように、この多軸傾斜検出装置によれば、内球２を外殻１内部に液体２ａと共に封入するというシンプルな構成で、外殻１の３次元的運動を可能にすると共に、内球２は一定の指向方向（重力方向）を維持する、というジャイロスコープ構造を実現できることとなる。このような構成にあって、外殻１を検出対象物に固定的に設置すると、該検出対象物の３次元的傾斜に伴い実質的に外殻１のみが３次元的に傾斜して、内球２は外殻１の傾斜変位に連動しないため、内球２に対する外殻１の３次元的（Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸的）な相対位置を検出することにより、検出対象物の３次元的（３軸的）傾斜を検出することができる。
【００１５】
内球２に対する外殻１のＸ軸及びＹ軸についての相対的位置をそれぞれ検出するためにＸＹ軸用検出手段１０が設けられ、内球２に対する外殻１のＺ軸についての相対的位置を検出するためにＺ軸用検出手段２０が設けられている。
ＸＹ軸用検出手段１０は、内球２の下面に配置された磁気応答部材３と、外殻１の外周面に所定配置で設けられたコイルＬ１〜Ｌ６とを備える。符号１０１で示すＸ軸についての傾斜角（Ｘ軸の周りの回転位置）を検出するために、コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３及びＬ４からなる第１のコイルグループが使用される。符号１０２で示すＹ軸についての傾斜角（Ｙ軸の周りの回転位置）を検出するために、コイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６及びＬ４からなる第２のコイルグループが使用される。これらのコイルＬ１〜Ｌ６の配置例の展開図を示すと図２のようである。
第１のコイルグループについて説明すると、Ｘ軸を中心軸と見なしたときの外殻１の赤道に相当する該外殻１の外周上において４つのコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３及びＬ４が等間隔（９０度間隔）で配置されている。図２において、線Ｒｘは、これらのコイルＬ１〜Ｌ４の配列方向（第１の方向）を示し、Ｘ軸を中心軸と見なしたときの外殻１の赤道に相当する。第２のコイルグループについては、Ｙ軸を中心軸と見なしたときの外殻１の赤道に相当する該外殻１の外周上において４つのコイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６及びＬ４が等間隔（９０度間隔）で配置されている。図２において、線Ｒｙは、これらのコイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６，Ｌ４の配列方向（第２の方向）を示し、Ｙ軸を中心軸と見なしたときの外殻１の赤道に相当する。明らかなように、第１及び第２のコイルグループにおいて、コイルＬ２とＬ４はそれぞれ共用されている。図２においては便宜上、第１のコイルグループのコイルＬ４と第２のコイルグループのコイルＬ４は別々に描かれているが、両者は共通のものであり、よって一方のコイルＬ４を点線で示した。また、図１（ａ）においては、図示の都合上、コイルＬ３が表れていないがこれはコイルＬ１の対向面側に設けられている。各コイルＬ１〜Ｌ６は、外殻１の面に略直交する方向に磁束が生じるよう、該外殻１の外表面に貼付けされている。勿論、これらのコイルとして薄型のものを用いたり、更に、その上から非磁性体物質でモールドして表面を滑らかに形成する等、適宜に製造・加工してよいが、この点は設計事項であるから特に説明しない。なお、ＸＹ軸用検出手段１０のコイルＬ１〜Ｌ６は、外殻１の内表面側に設けてもよく、この場合も非磁性体モールドして表面を滑らかに形成する等、適宜に製造・加工してよい。
【００１６】
内球２の下面に配置された磁気応答部材３は、例えば鉄やフェライトのような磁性体からなり、ＸＹ軸用検出手段１０のコルＬ１〜Ｌ６と磁気的に結合する。内球２に対する外殻１のＸ軸及びＹ軸についての相対的な回動位置に応じて、磁気応答部材３に対する個々のコイルＬ１〜Ｌ６の近接位置関係が変化する。この近接位置関係の変化に応じて、個別のコイルＬ１〜Ｌ６と磁気応答部材３との磁気結合の度合いが変化し、これに応じて、各コイルＬ１〜Ｌ６の自己インダクタンスが変化する、つまり、各コイルＬ１〜Ｌ６の電気的インピーダンスが変化する。個々のコイルＬ１〜Ｌ６において、磁気応答部材３に対する近接量が大きいほど、磁気結合の度合いが増し、個々のコイルＬ１〜Ｌ６におけるインダクタンスが増加し、該コイルＬ１〜Ｌ６の電気的インピーダンスが増加する。反対に、コイルＬ１〜Ｌ６と磁気応答部材３とが離れているほど、両者間の磁気結合の度合いが減少し、コイルＬ１〜Ｌ６のインダクタンスが減少していくので、該コイルＬ１〜Ｌ６の電気的インピーダンスは小さくなる。なお、磁気応答部材３の形状及びサイズ（つまり、内球２の下面を占める磁気応答部材３の面積範囲）は、コイルＬ１〜Ｌ６のサイズや所望のインピーダンス変化の特性に従って適切に設定してよい。
【００１７】
例えば、第１のコイルグループの磁気応答部材３に対する相対変位（つまりＸ軸周りの回転変位）においてコイルＬ１に生じるインピーダンス変化を考えると、コイルＬ１が磁気応答部材３に最も近接している（重合している）状態では、コイルＬ１に生じるインピーダンスは最大値となる。この状態から外殻１の回転変位（傾斜）に伴い、コイルＬ２（又はコイルＬ４）が磁気応答部材３に接近するに連れ、コイルＬ１に対する磁気応答部材３の近接量が減少して行くので、コイルＬ１コイルＬ１に生じるインピーダンスは減少して行く。そして磁気応答部材３がコイルＬ３と最も重合する位置において、コイルＬ１は磁気応答部材３から最も隔離するので、コイルＬ１のインピーダンスは最小値となる。ここからコイルＬ４（又はコイルＬ２）が磁気応答部材３に接近して行くに連れて、コイルＬ１と磁気応答部材３の近接量が再び増してゆくので、コイルＬ１のインピーダンスは再び増加する。つまり、外殻１が内球２に対してＸ軸の周りで１回転した場合、コイルＬ１のインピーダンスは磁気応答部材３の近接量に応じて最大値から最小値の間で周期的な変化特性を示す。他のコイルＬ２，Ｌ３，Ｌ４におけるインピーダンスも同様に、磁気応答部材３の近接量に応じて最大値から最小値の間で周期的な変化特性を示す。これらコイルＬ１〜Ｌ４のインピーダンス変化の特性は、後述するようにコイル（Ｌ１〜Ｌ６）は１相の交流信号で共通に励磁されるため、電気的位相が同相であり、外殻１の内球２に対する１回転（すなわち３６０度）に相当する変位量（回動角）θを１サイクル（位相角３６０度の範囲）とする振幅関数になぞらえることができる。
【００１８】
各コイルＬ１〜Ｌ４の配置位置からも明かなように、コイルＬ１のインピーダンス変化に対して、コイルＬ３のインピーダンス変化は、逆相（位相角にして１８０度）の、つまり差動的な特性を示す。また、コイルＬ２のインピーダンス変化に対して、コイルＬ４のインピーダンス変化は、逆相つまり差動的である。そして、コイルＬ１のインピーダンス変化に対して、コイルＬ２のインピーダンス変化は、１／４サイクル（位相角にして９０度）ズレた特性を示す。例えば、コイルＬ１に生じるインピーダンス変化がサイン関数（図２でＳを付記する）に相当するものとすると、これに対して差動的なコイルＬ３に生じるインピーダンス変化は、マイナスサイン関数（図で／Ｓ（Ｓバー）を付記する）、コイルＬ２に生じるインピーダンス変化はコサイン関数（図２でＣを付記する）、コイルＬ４に生じるインピーダンス変化はマイナスコサイン関数（図で／Ｃ（Ｃバー）に、それぞれ相当することになる。なお、明細書中では、表記の都合上、反転を示すバー記号は「／（スラッシュ）」で表記するが、これは図中のバー記号に対応する。
【００１９】
第２のコイルグループ（コイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６，Ｌ４）の磁気応答部材３に対する相対変位（つまりＹ軸についての回転変位）においても上記と同様に、各コイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６，Ｌ４のインピーダンスは、Ｙ軸についての回動変位に関して、図２に示すように夫々３６０度範囲のサイン関数特性Ｓ、コサイン関数特性Ｃ、マイナスサイン関数特性／Ｓ、マイナスコサイン関数特性／Ｃに相当する周期的な変化特性を示す。
【００２０】
ここで、内球２に対する外殻１のＸ軸についての回動位置（傾斜角）を角度変数θを用いて示し、コイルＬ１に生じる理想的なサイン関数特性のインピーダンス変化Ａ（θ）を示すと、
Ａ（θ）＝Ｐ0＋Ｐｓｉｎθ
のような式で等価的に表せる。インピーダンス変化は負の領域に入らないため、上記式においてオフセット値Ｐ0は振幅関数Ｐよりも大きく（Ｐ0≧Ｐ）、「Ｐ0＋Ｐｓｉｎθ」は負の値を取らない。これに対して、コイルＬ１に生じるインピーダンス変化Ａ（θ）に対して差動的変化を示すコイルＬ３に生じる生じる理想的なマイナスサイン関数特性のインピーダンス変化Ｃ（θ）を示すと、
Ｃ（θ）＝Ｐ0−Ｐｓｉｎθ
のような式で等価的に表せる。
一方、コイルＬ２に生じる理想的なコサイン関数特性のインピーダンス変化Ｂ（θ）を示すと、
Ｂ（θ）＝Ｐ0＋Ｐｃｏｓθ
のような式で等価的に表せる。これに対して、このコイルＬ２に生じるインピーダンス変化Ｂ（θ）に対して差動的変化を示すコイルＬ４に生じる理想的なマイナスコサイン関数特性のインピーダンス変化Ｄ（θ）を示すと、
Ｄ（θ）＝Ｐ0−Ｐｃｏｓθ
のような式で等価的に表せる。
なお、上記「Ｐ」は１と見なして省略しても説明上不都合はないので、以下の説明ではこれを省略することにする。
【００２１】
図３（ａ）及び（ｂ）は、図２に示すコイルＬ１〜Ｌ６の電気回路例を示す。なお、図示の都合上、電気回路を（ａ）と（ｂ）に分割して示すが、実際には（ａ）及び（ｂ）における端子ｔ１〜ｔ６（但し、（ｂ）においては便宜上端子ｔ１〜ｔ４のみを図示する）が各々接続される一つの回路である。図３（ａ）において、各コイルＬ１〜Ｌ６は、可変インダクタンス要素として等価的に示されており、電源６０から与えられる所定の交流信号（便宜上ｓｉｎωｔで示す）によって１相で定電圧励磁される。本実施例では、第１及び第２のコイルグループにおいて一部のコイル（コイルＬ２とＬ４）がそれぞれ共用されているので、第１及び第２のコイルグループとは時分割的に励磁及び検出動作がなされるよう構成され、これに応じて、後述する演算処理により生成したＸ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とを時分割的に取り出す。
【００２２】
Ｘ軸検出用の各コイルＬ１〜Ｌ４に生じる電圧をＶＡ，ＶＢ，ＶＣ，ＶＤで示すとすると、夫々対応する端子ｔ１〜ｔ４で取り出された電圧ＶＡ〜ＶＤは、下記のように、内球２に対する外殻１の傾斜角（すなわち、磁気応答部材３に対する各コイルＬ１〜Ｌ４の相対位置）に対応する角度変数θに応じた各コイルＬ１〜Ｌ４毎のインピーダンス値に応じた大きさを示す。
ＶＡ＝Ａ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
ＶＢ＝Ｂ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
ＶＣ＝Ｃ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
ＶＤ＝Ｄ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
図４（ａ）は、各コイルＬ１〜Ｌ４に生じる電圧ＶＡ，ＶＢ，ＶＣ，ＶＤをθ成分についてのみ模式的に示すグラフである（時間の成分は示していない）。
【００２３】
先ず、Ｘ軸についての回転位置（傾斜角）検出について説明すると、第１のコイルグループ（コイルＬ１〜Ｌ４）は時分割制御クロック信号Ｘによりゲート回路（図中Ｇで示す）を介してＸ軸用の検出タイミングで時分割的に励磁される。図３（ｂ）において、コイルＬ１〜Ｌ４で生じた出力電圧ＶＡ〜ＶＤは、端子ｔ１〜ｔ４を介してゲート回路（図中Ｇで示す）に夫々入力され、時分割制御クロック信号Ｘに応じてＸ軸用の検出タイミングで該ゲート回路Ｇから出力され、演算器６１，６２に入力される。演算器６１には、コイルＬ１に生じた出力電圧ＶＡと、これに対して差動変化するコイルＬ３に生じた出力電圧ＶＣが入力され、演算器６２には、コイルＬ２に生じた出力電圧ＶＢと、これに対して差動変化するコイルＬ４に生じた出力電圧ＶＤが入力される。
【００２４】
演算器６１では、下記のように、出力電圧ＶＡと出力電圧ＶＣの差を求め、角度変数θのサイン関数特性の振幅係数を持つ交流出力信号を生成する。
こうして、Ｘ軸についての傾斜角（回動位置）に対応する角度変数θを含む２つの周期的振幅関数（ｓｉｎθ及びｃｏｓθ）によってそれぞれ振幅変調された、２相の交流出力信号「２ｓｉｎθｓｉｎωｔ」と「２ｃｏｓθｓｉｎωｔ」が得られる（以下係数「２」は省略する）。これは、従来からレゾルバとして知られた検出器のサイン相出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びコサイン相出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔと同等のものである。図４（ｂ）は、演算器６１及び６２から出力されるサイン相出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びコサイン相出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを、θ成分についてのみ模式的に示すグラフである（時間の成分は示していない）。なお、サイン相及びコサイン相という呼称、及び２つの交流出力信号の振幅関数のサイン、コサインの表し方は便宜的なものであり、一方がサインで他方がコサインでありさえすれば、どちらをサインまたはコサインと称してもよい。すなわち、ＶＡ−ＶＣ＝ｃｏｓθｓｉｎωｔ、ＶＢ−ＶＤ＝ｓｉｎθｓｉｎωｔである、と表現してもよい。
【００２６】
本実施例では、演算器６１，６２から出力される２つの交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔに基づき、位相検出方式で位置検出を行えるうようになっている。この場合の位相検出方式としては例えば本出願人に係る特開平９−１２６８０９号公報に示された技術を用いて構成するとよい。例えば、一方の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔをシフト回路６３で電気的に９０度シフトすることで、交流信号ｓｉｎθｃｏｓωｔを生成し、これと他方の交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを加算器６４及び減算器６５で加算合成及び減算合成することで、ｓｉｎ（ωｔ＋θ）及びｓｉｎ（ωｔ−θ）なる、θに応じて進相及び遅相方向に位相シフトされた２つの交流信号（位相成分θを交流位相ズレに変換した信号）を生成する。そして、位相シフトされた交流信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）及びｓｉｎ（ωｔ−θ）のゼロクロスをコンパレータ６６，６７で検出し、進相の検出交流信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）のゼロクロス検出パルスＬｐと、遅相の検出交流信号ｓｉｎ（ωｔ−θ）のゼロクロス検出パルスＬｍとを生成して、ディジタル処理装置７０に入力する。ディジタル処理装置７０では、時分割制御クロック信号Ｘに応じたＸ軸用検出タイミングに対応して入力される上記ゼロクロス検出パルスＬｐ及びＬｍに基づき、基準信号ｓｉｎωｔのゼロ位相時点から進相のゼロクロス検出パルスＬｐの発生時点までの時間差を計測することで、進相の位相ズレ量＋θをディジタル検出し、基準信号ｓｉｎωｔのゼロ位相時点から遅相のゼロクロス検出パルスＬｍの発生時点までの時間差を計測することで、遅相の位相ズレ量−θをディジタル検出する。ディジタル処理装置４０において、進相及び遅相の位相検出値＋θ，−θ同士を加算又は減算することを含む所定の演算を行うことで、位相検出データθを得ることができる。こうして、Ｘ軸用の時分割タイミングに対応して入力された検出データに基づきディジタル処理装置４０にて生成した位相検出データθは、Ｘ軸成分位置検出信号θ（ｘ）として出力される。
【００２７】
一方、Ｙ軸検出用の各コイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６，Ｌ４に生じる電圧をＶＥ，ＶＢ，ＶＦ，ＶＤで示すとすると、夫々対応する端子ｔ５，ｔ２，ｔ６，ｔ４で取り出された電圧ＶＥ，ＶＢ，ＶＦ，ＶＤは、下記のように表せる。
ＶＥ＝Ｅ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
ＶＢ＝Ｂ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
ＶＦ＝Ｆ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
ＶＤ＝Ｄ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
但し、角度変数（θ）は、便宜上、Ｘ軸もＹ軸も同じθを用いて示すが、実際は夫々異なる。
【００２８】
Ｙ軸についての回転位置（傾斜角）検出について説明すると、第２のコイルグループ（コイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６，Ｌ４）は時分割制御クロック信号Ｙによりゲート回路Ｇを介してＹ軸用の検出タイミングで時分割的に励磁される。なお、時分割制御クロック信号ＸとＹは異なる時分割タイミングで発生される。図３（ｂ）において、コイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６，Ｌ４で生じた出力電圧ＶＥ，ＶＢ，ＶＦ，ＶＤは、端子ｔ５，ｔ２，ｔ６，ｔ４を介してゲート回路Ｇに夫々入力され、時分割制御クロック信号Ｙに応じてＹ軸用の検出タイミングで該ゲート回路Ｇから出力され、演算器６１，６２に入力される。演算器６１には、コイルＬ５に生じた出力電圧ＶＥと、これに対して差動変化するコイルＬ６に生じた出力電圧ＶＦが入力され、演算器６２には、コイルＬ２に生じた出力電圧ＶＢと、これに対して差動変化するコイルＬ４に生じた出力電圧ＶＤが入力される。
【００２９】
これによりＹ軸用の検出タイミングにおいては、演算器６１では、
【００３０】
こうして、Ｙ軸用の検出タイミングにおいては、Ｙ軸についての傾斜角（回動位置）に対応する２相の交流出力信号「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」と「ｃｏｓθｓｉｎωｔ」が得られる。各演算器６１，６２の出力は、前述と同様に、シフト回路６３、加算器６４、減算器６５及びコンパレータ６６，６７で処理され、Ｙ軸についての傾斜角θに応じた進相のゼロクロス検出パルスＬｐと遅相のゼロクロス検出パルスＬｍとが生成される。ディジタル処理装置７０では、時分割制御クロック信号Ｙに応じたＹ軸用検出タイミングに対応して入力される上記ゼロクロス検出パルスＬｐ及びＬｍに基づき、前述と同様に、Ｙ軸についての傾斜角の進相の位相ズレ量＋θ及び遅相の位相ズレ量−θをディジタル検出し、これに基づきＹ軸用の位相検出データθを生成し、これがＹ軸成分位置検出信号θ（ｙ）として出力される。
【００３１】
本実施例のように、第１及び第２のコイルグループとを時分割的に励磁し、これに応じて、Ｘ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とを時分割的に取り出すようにすることは、Ｘ及びＹ軸成分位置の夫々の検出に際して、他の軸についての検出動作の影響を避けるという点で、効果的である。
なお、ディジタル処理装置７０は、専用回路（例えば集積回路装置）で構成してもよいし、プログラム可能なプロセッサまたはコンピュータを使用して所定のソフトウェアを実行することにより位相検出処理を行うようにしてもよい。また、上述実施例において、コイル出力を差動演算したことで、コイルの温度ドリフト誤差が完全に補償され、温度ドリフトによるコイルインピーダンス変化の影響を受けないものとなり、更に、進相及び遅相の位相検出値＋θ，−θを演算したことで、前記コイル出力を差動演算することで除去しきれなかった温度ドリフト誤差成分を完全に除去することができるので、温度ドリフト特性が補償されることになる。
【００３２】
こうして、ＸＹ軸用検出手段１０では、内球２に対する外殻１のＸ軸及びＹ軸についての２次元的相対的位置（２軸傾斜）を検出できる。なお、上述の実施例では、外殻１にＸＹ軸用検出手段１０を設け、内球２にこれと磁気結合する磁気応答部材３を設けるようにしたが、逆に、内球２側にＸＹ軸用検出手段１０を設けて、外殻１に磁気応答部材３を設けるように構成してもよい。
【００３３】
次に、内球２に対する外殻１のＺ軸についての相対的位置検出について説明する。図５はＺ軸用検出手段２０の一実施例を示す上面図である。図５において、Ｚ軸用検出手段２０は拡大して示されており、また、外殻１及び内球２は一点鎖線で描かれている。Ｚ軸用検出手段２０は、内球２に配置されて内球２を地磁気Ｈｅｘ方向に指向させる永久磁石３０と、外殻１に設けられた地磁気Ｈｅｘの南北方向に対して外殻１がなす角度を検出するフラックスゲート式検出手段とを含む。このフラックスゲート式検出手段は、地磁気Ｈｅｘの南北方向に対して外殻１がなす角度を測定することで、外殻１の内球２に対するＺ軸についての相対的回転位置を検出するものであって、外殻１の外周に配置（図１（ａ）及び（ｂ）参照）されたリング状の磁性体コア２１と、その周囲に亘って適宜の配置で巻回された励磁コイルＰ１〜Ｐ４と、４つのコイルが互いに等間隔（９０度間隔）に巻回された検出コイルＳ１〜Ｓ４とを備える。なお励磁コイルＰ１〜Ｐ４は磁性体コア２１を周期的に飽和（過飽和）・不飽和させるためのものであるから、その目的を達成し得るようになっていればよく、配置及び数は図示のものに限定されない。磁性体コア２１は、地磁気Ｈｅｘの微少な変化によってヒステリシス曲線がシフトするような高透磁率材料からなるものであって、例えば、比透磁率が大きく保磁力の小さな珪素鋼や、鉄などから形成された円環状に形成したものである。なお、磁性体コア２１の形状は、円環状の珪素鋼以外にも、例えば珪素鋼板を積層して形成された直方体の鉄心、或いは細い針金状のもの等、どのようなものであってもよい。また、図５において、地磁気Ｈｅｘの向きを上から下向きとしたことから、磁性体コア２１の上側が北、下側が南、左側が西、右側が東を、それぞれ示すことになる。
【００３４】
永久磁石３０は、方位磁石として機能するもので、内球２内で適宜に固定的に設置される。内球２は、上述の通り外殻１内において液体２ａ中に浮いた状態で設置されているので、永久磁石３０の指向方向（地磁気Ｈｅｘの向き）に倣って、地磁気Ｈｅｘ方向を常時指向することになる。このように、内球２が地磁気Ｈｅｘ方向を一貫して指向することに鑑みて、地磁気Ｈｅｘ方向をＺ軸についての回動変位における任意の基準位置（すなわち、Ｚ軸についての回動角０°の位置）と定めれば、外殻１の前記基準位置からの回動角θを測定することで、外殻１の内球２に対するＺ軸についての傾斜角（回動位置）が検出できる。
【００３５】
磁性体コア２１は、図１（ａ）に符号１０３で示すＺ軸についての傾斜角（Ｚ軸の周りの回転位置）を検出するために、Ｚ軸を中心軸と見なしたときの外殻１の赤道に相当する該外殻１の外周上において固定的に配置され、外殻１の回動に連動して地磁気Ｈｅｘに対して任意の角度θを指向しうるようになっており、つまり、両矢印Ｑのどちらにも回動しうる。検出コイルＳ１〜Ｓ４は、前記外周上に９０度間隔で配列されることになり、磁性体コア２１が角度θ回動すると、各々の相対的位置関係を変化させることなく、つまり、検出コイルＳ１〜Ｓ４も磁性体コア２１と共に同じ角度θで回動する。励磁コイルＰ１〜Ｐ４及び検出コイルＳ１〜Ｓ４の結線状態を示すと図６のようである。図６に示すように、励磁コイルＰ１〜Ｐ４は、１相の交流信号（便宜上ｓｉｎωｔで示す）によって共通に交流励磁されるもので、例えば隣接する検出コイルＳ１〜Ｓ４の間に挟まれるよう、夫々分散して配置される。このような配置は、励磁コイルＰ１〜Ｐ４によって磁性体コア２１に引き起こされる磁気飽和・不飽和状態を、各検出コイルＳ１〜Ｓ４の配置された個所に対して有効に及ぼすという点で好ましい。検出コイルＳ１〜Ｓ４は、検出コイルＳ１と検出コイルＳ３、検出コイルＳ２と検出コイルＳ４、が夫々差動的に動作するよう結線される。
【００３６】
磁性体コア２１を過飽和させるに十分な振幅を持つ交流電流（ｓｉｎωｔ）で励磁コイルＰ１〜Ｐ４を励磁することで、磁性体コア２１に発生する磁束の周期的な飽和（過飽和）・不飽和を繰り返させる。この飽和（過飽和）・不飽和に応じて、磁性体コア２１の透磁率が可変（オン・オフ）され、各検出コイルＳ１〜Ｓ４の個所において磁性体コア２１に対する地磁気Ｈｅｘの収束と解放が繰り返される。このときの各検出コイルＳ１〜Ｓ４の個所に収束する地磁気Ｈｅｘに基づく磁束密度（磁界）に応じた誘起電圧が各検出コイルＳ１〜Ｓ４に生じる。
この点につき、図５に示すように磁性体コア２１の回転位置が検出コイルＳ２，Ｓ４を結ぶ直線が地磁気Ｈｅｘの方向に一致している場合を基準にして動作を説明すると、例えば磁性体コア２１内部において励磁コイルＰ１〜Ｐ４の交流励磁により左回りの磁束Φが発生するとき、各検出コイルＳ１〜Ｓ４の位置における磁束を夫々磁束ΦＡ〜ΦＤで示すと、地磁気Ｈｅｘの方向に対して平行な磁束ΦＡ及びΦＣの個所においては、地磁気Ｈｅｘが最大のバイアス磁界として作用し、且つΦＡに対しては正方向、ΦＣに対しては逆方向に作用する。従って、磁性体コア２１の磁束ΦＡの個所における磁界Ｈａは地磁気Ｈｅｘに応じた正の最大値（Ｈａ＝Ｈｅｘ）となり、磁束ΦＣの個所における磁界Ｈｃは地磁気Ｈｅｘに応じた負の最大値（Ｈｃ＝−Ｈｅｘ）となる。一方、地磁気Ｈｅｘの方向に対して垂直な磁束ΦＢ、ΦＤの個所においては、地磁気Ｈｅｘがバイアス磁界として作用せず、従って、磁性体コア２１の磁束ΦＢの個所における磁界Ｈｂは最小値（Ｈｂ＝０）、磁束ΦＤの個所における磁界Ｈｄも最小値（Ｈｄ＝０）である。
【００３７】
このように、検出コイルＳ１〜Ｓ４の個所で生じる磁束ΦＡ〜ΦＤが地磁気Ｈｅｘに対してなす角度及び方向に応じて、該個所における地磁気Ｈｅｘに基づくバイアス磁界の大きさが決まる。このバイアス磁界の大きさは地磁気Ｈｅｘの南北方向に対して外殻１がなす角度θに応じて定まり、各検出コイルＳ１〜Ｓ４の個所で生じる磁束ΦＡ〜ΦＤはθに応じて概ね下記のように表せる。
ΦＡ＝Ｈｅｘ（ｓｉｎθ）
ΦＢ＝Ｈｅｘ（ｃｏｓθ）
ΦＣ＝Ｈｅｘ（−ｓｉｎθ）
ΦＤ＝Ｈｅｘ（−ｃｏｓθ）
従って、各検出コイルＳ１〜Ｓ４に生じる出力電圧Ｖａ〜Ｖｄは概ね下記のように表せる。
Ｖａ＝Ｈｅｘ・ｓｉｎθｓｉｎωｔ
Ｖｂ＝Ｈｅｘ・ｃｏｓθｓｉｎωｔ
Ｖｃ＝−Ｈｅｘ・ｓｉｎθｓｉｎωｔ
Ｖｄ＝−Ｈｅｘ・ｃｏｓθｓｉｎωｔ
但し、角度変数（θ）は、便宜上、Ｘ及びＹ軸と同じθを用いて示すが、実際は異なるものである。すなわち、ここで示すθはＺ軸についての回動角に対応している。
【００３８】
各検出コイルＳ１〜Ｓ４に生じる出力電圧Ｖａ〜Ｖｄは、前記と同様に、サイン相出力電圧Ｖａとマイナスサイン相出力電圧Ｖｃとを差動的に合成することでサイン関数の振幅関数を持つ出力交流信号Ａ（２Ｈｅｘ・ｓｉｎθｓｉｎωｔ）が得られ、また、コサイン相出力電圧Ｖｂとマイナスコサイン相出力電圧Ｖｄとを差動的に合成することでコサイン関数の振幅関数を持つ出力交流信号Ｂ（２Ｈｅｘ・ｃｏｓθｓｉｎωｔ）が得られる。こうして、Ｚ軸用検出手段２０では、外殻１の前記基準位置からの回動角θ（つまりＺ軸についての傾斜角）に対応する２相の交流出力信号Ａ（省略して示すと「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」）と信号Ｂ（省略して示すと「ｃｏｓθｓｉｎωｔ」）が得られる。この２相の交流出力信号Ａ及びＢを、例えば、前述のＸＹ軸検出手段１０での説明と同様に、図３（ｂ）に示したシフト回路６３、加算器６４、減算器６５及びコンパレータ６６，６７と同様の回路で処理して、Ｚ軸についての傾斜角θに応じた進相のゼロクロス検出パルスＬｐと遅相のゼロクロス検出パルスＬｍとが生成し、これをディジタル処理装置７０にて、上記ゼロクロス検出パルスＬｐ及びＬｍに基づき、前述と同様に、Ｚ軸についての傾斜角の進相の位相ズレ量＋θ及び遅相の位相ズレ量−θをディジタル検出し、これに基づきＺ軸用の位相検出データθを生成し、これがＺ軸成分位置検出信号θ（ｚ）として出力される。
こうして、Ｚ軸用検出手段２０では、内球２に対する外殻１のＺ軸についての相対的位置（傾斜角）を検出できる。
【００３９】
なお、Ｚ軸用検出手段２０とＸＹ軸用検出手段１０とを時分割的に励磁して、これに応じて、Ｚ軸成分位置検出信号とＸ及びＹ軸成分位置検出信号とを時分割的に取り出すようにするようにすると、Ｚ軸用検出手段２０に対するＸＹ軸用検出手段１０の影響を回避させることができ、Ｚ軸成分位置の検出に際して他の軸についての検出動作の影響を避けるという点で、効果的である。この場合は、それぞれ時分割タイミングで発生される３つの時分割制御クロック信号Ｘ，Ｙ及びＺにより動作が時分割制御されることになる。
【００４０】
なお、ＸＹ軸用検出手段１０において、Ｘ軸成分の傾斜検出に際して、他方のＹ軸成分との相対的位置関係に応じて該Ｘ軸成分の出力信号に対する重み補正を行うようにし、またＹ軸成分の傾斜検出に際しても同様に、他方のＸ軸成分との相対的位置関係に応じて該Ｙ軸成分の出力信号に対する重み補正を行うようにするとよい。これは、図１及び２に示す構成のＸＹ軸用検出手段１０においては、一方の軸Ｘ又はＹに関して生じた傾斜（回転位置）が他方の軸Ｙ又はＸに関する傾斜（回転位置）の検出精度に影響（誤差）を及ぼす恐れがあるからであり、この影響（誤差）を取り除くためにこの重み補正を行う。例えば、Ｙ軸に関する傾斜が０の時は、図２に示す第１のコイルグループＬ１〜Ｌ４の直線的並び方向Ｒｘ上に磁気応答部材３が位置し、Ｘ軸に関して検出した傾斜（回転位置）の検出値は正確な値を示すのに対して、Ｙ軸に関する傾斜が０以外の場合は、図２に示す第１のコイルグループＬ１〜Ｌ４の直線的並び方向ＲｘからＹ軸傾斜量分だけ磁気応答部材３が偏位し、各コイルＬ１〜Ｌ４のインピーダンスに誤差が生じ、そのままではＸ軸に関して検出した傾斜（回転位置）の検出値は誤差を示す。そこで、Ｘ軸成分の傾斜検出に際して、該Ｘ軸成分の現在位置と他方のＹ軸成分との相対位置関係（Ｙ軸成分の傾斜）に応じて該Ｘ軸成分検出用の各コイルＬ１〜Ｌ４のインピーダンス誤差分を補償するように該各コイルＬ１〜Ｌ４の出力信号の重み補正を行う。Ｙ軸成分の検出に際しても、該Ｙ軸成分の現在位置と他方のＸ軸成分との相対位置関係（Ｘ軸成分の傾斜）に応じて同様のインピーダンス補償、すなわち重み補正を行う。そのためには、例えば、直前に検出されたＸ及びＹ軸成分位置検出信号θ（ｘ），θ（ｙ）に基づき、Ｘ軸検出用の第１のコイルグループＬ１〜Ｌ４の各々の重み補正係数を生成し、Ｘ軸検出時において各コイルＬ１〜Ｌ４の出力に演算することで各コイルＬ１〜Ｌ４の出力信号の重み補正を行う。同様に、直前に検出されたＸ及びＹ軸成分位置検出信号θ（ｘ），θ（ｙ）に基づき、Ｙ軸検出用の第２のコイルグループＬ５，Ｌ２，Ｌ６，Ｌ４の各々の重み補正係数を生成し、Ｙ軸検出時において各コイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６，Ｌ４の出力に演算することで各コイルＬ５，Ｌ２，Ｌ６，Ｌ４の出力信号の重み補正を行えばよい。なお、Ｘ軸及びＹ軸成分位置の２位置をパラメータとして４つの各コイル毎に重み補正係数を予め記憶した記憶手段またはテーブル等を備えることで、適切な重み補正係数を発生させることができる。
【００４１】
上述の実施例では、ＸＹ軸用検出手段１０として、Ｘ軸用の第１のコイルグループとＹ軸用の第２のコイルグループにより２軸傾斜を検出する例を示したが、ＸＹ軸用検出手段１０の別の構成例として、近接検出用コイルを多数設けたものを図７に示す。これは、外殻１の球面上に比較的緊密に配置された複数の近接検知コイル１００を交流励磁し、個別の該コイル１００において内球２に設けた磁気応答部材（磁性体）３の近接に応じたインピーダンス変化に応じた検出出力を得るようにすることで、磁気応答部材３に最も近接したコイルを検知するようにしたものである。この場合は、個々の近接検出用コイル１００の外殻１の球面上における配置が夫々固有のＸ軸座標位置及びＹ軸座標位置に対応しており、どのコイル１００に磁気応答部材３が最も近接したかを検出することで２軸的傾斜を検出できる。
また、Ｚ軸用検出手段２０は、上述のようなフラックスゲート式センサに限らず、例えば、ＸＹ軸用検出手段１０のようなコイルと磁気応答部材とで構成するようにしてもよい。また、外殻１をＺ軸について回転可能に枢支する支持軸をフレーム等を介して設け、この支持軸に関する外殻１の回転位置を検出する適宜の回転位置検出手段をＺ軸用検出手段として設けるようにしてもよい。
【００４２】
なお、上述の実施例において、検出手段として磁気的検出原理による例を示したが、本発明はこれに限らず、光学式検出原理等その他適宜の検出原理に従う検出手段を使用してもよい。
なお、Ｚ軸用検出手段２０を設けずに、ＸＹ軸用検出手段１０のみを設けて２軸傾斜検出装置として実施する形態も本発明の範囲に含まれる。
なお、本発明の多軸傾斜検出装置において、使用する媒介液体２ａの粘度は適宜に設定してよく、検出対象の傾斜運動に対する応答性と不要な慣性動の抑制との兼ね合いで、適切な粘度を設定するとよい。すなわち、媒介液体２ａの粘度に応じて、慣性動に対するダンピング時間を制御することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、比較的シンプルな構成によりジャイロスコープ構造と同等の機能を持つ構造を実現して、簡便に３軸傾斜検出を行うことができ、また、これにより慣性動を効果的に抑制・緩衝して、検出誤差の少ない高精度な傾斜検出が行えるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る多軸傾斜検出装置の一実施例を示す図であって、（ａ）は外観略図、（ｂ）は同実施例に係る多軸傾斜検出装置の略断面図。
【図２】 同実施例に係るＸＹ軸用検出手段の配置例を示す展開図。
【図３】 （ａ）及び（ｂ）は図２に示すＸＹ軸用検出手段の電気回路例を示す図。
【図４】 （ａ）は図２に示すＸＹ軸用検出手段の各コイルに生じる電圧をθ成分についてのみ模式的に示すグラフ、（ｂ）はサイン相に対応する合成出力例及びコサイン相に対応する合成出力例を示すグラフ。
【図５】 同実施例に係るＺ軸用検出手段の概略構成を示す概略上面図。
【図６】 図５に示すＺ軸用検出手段の励磁コイル及び検出コイルの結線回路図。
【図７】 ＸＹ軸用検出手段の別の構成例を示す外観略図。
【符号の説明】
１ 外殻
２ 内球
３ 磁気応答部材
４ 浮力調整手段
１０ ＸＹ軸用検出手段
２０ Ｚ軸用検出手段
Claims (7)
- 外殻と、前記外殻内に所定の液体と共に封入された内球とを具備し、前記内球は重力方向を指向するように構成され、前記内球の比重を前記液体の比重と略等しく設定することで該内球を該液体中に浮かばせることにより、検出対象たる３次元的な動きに応じて前記外殻が前記内球に対して３次元的に相対変位することを可能とし、
前記内球の体積を調整することで該内球の比重を調整する浮力調整手段と、
水平面上で直交するＸ軸及びＹ軸周りの前記内球に対する前記外殻の傾きをそれぞれ検出する第１の検出手段と、
重力方向に沿うＺ軸周りの前記内球に対する前記外殻の傾きを検出する第２の検出手段と
を更に具備し、
前記第２の検出手段は、前記内球に配置されて該内球を地磁気方向に指向させる永久磁石と、前記外殻に設けられ地磁気方向に対して該外殻がなす角度を検出するフラックスゲート式検出手段とを含むことを特徴とする多軸傾斜検出装置。 - 前記浮力調整手段は、前記内球に設けた穴と、この穴の容積を可変調節する手段とを含む請求項１に記載の多軸傾斜検出装置。
- 前記第１の検出手段は、前記外殻若しくは前記内球のいずれか一方の所定個所に配置された磁気応答部材と、他方の球面上に所定配置で設置され、前記磁気応答部材の相対的位置に応じて出力信号を生じるコイル部を備える請求項１又は２に記載の多軸傾斜検出装置。
- 前記コイル部は、Ｘ軸を中心とした前記球面の周囲に配置された複数のコイルを含むＸ軸用コイル部と、Ｙ軸を中心とした前記球面の周囲に配置された複数のコイルを含むＹ軸用コイル部とからなり、
前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＸ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とを前記Ｘ軸用及びＹ軸用コイル部により得ることを特徴とする請求項３に記載の多軸傾斜検出装置。 - 外殻と、前記外殻内に所定の液体と共に封入された内球とを具備し、前記内球は重力方向を指向するように構成され、前記内球の比重を前記液体の比重と略等しく設定することで該内球を該液体中に浮かばせることにより、検出対象たる３次元的な動きに応じて前記外殻が前記内球に対して３次元的に相対変位することを可能とし、
水平面上で直交するＸ軸及びＹ軸周りの前記内球に対する前記外殻の傾きをそれぞれ検出する検出手段を更に具備し、
前記検出手段は、前記外殻若しくは前記内球のいずれか一方の所定個所に配置された磁気応答部材と、他方の球面上に所定配置で設置され、前記磁気応答部材の相対的位置に応じて出力信号を生じるコイル部を備え、
前記コイル部は、Ｘ軸を中心とした前記球面の周囲に配置された複数のコイルを含むＸ軸用コイル部と、Ｙ軸を中心とした前記球面の周囲に配置された複数のコイルを含むＹ軸用コイル部とからなり、前記磁気応答部材の相対的位置に応じたＸ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とを前記Ｘ軸用及びＹ軸用コイル部により得るように構成し、
前記Ｘ軸用コイル部のコイルと前記Ｙ軸用コイル部のコイルが一部共用されており、前記Ｘ軸用及びＹ軸用コイル部とを時分割的に交流励磁し、これに応じて前記Ｘ軸成分位置検出信号とＹ軸成分位置検出信号とを時分割的に取り出すようにしたことを特徴とする多軸傾斜検出装置。 - 重力方向に沿うＺ軸周りの前記内球に対する前記外殻の傾きを検出する第２の検出手段を更に具える請求項５に記載の多軸傾斜検出装置。
- 前記第２の検出手段は、前記内球に配置されて該内球を地磁気方向に指向させる永久磁石と、前記外殻に設けられ地磁気方向に対して該外殻がなす角度を検出するフラックスゲート式検出手段とを含むことを特徴とする請求項６に記載の多軸傾斜検出装置。
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