特許 6908067 信号処理回路、位置検出装置および磁気センサシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6908067

(24)【登録日】2021年7月5日

(45)【発行日】2021年7月21日

(54)【発明の名称】信号処理回路、位置検出装置および磁気センサシステム

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/00 20060101AFI20210708BHJP

   G01D 5/244 20060101ALI20210708BHJP

   G01D 5/245 20060101ALI20210708BHJP

【ＦＩ】

   G01B7/00 103M

   G01D5/244 B

   G01D5/245 R

【請求項の数】11

【全頁数】32

(21)【出願番号】特願2019-49339(P2019-49339)

(22)【出願日】2019年3月18日

(65)【公開番号】特開2020-153665(P2020-153665A)

(43)【公開日】2020年9月24日

【審査請求日】2020年1月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002907

【氏名又は名称】特許業務法人イトーシン国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】猿木 俊司

(72)【発明者】

【氏名】望月 慎一郎

【審査官】 仲野 一秀

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−１３９７１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２４５４２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ７／００−７／３４

Ｇ０１Ｒ ３３／００−３３／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基準位置における磁界の互いに異なる３つの方向の成分と対応関係を有する第１の検出信号、第２の検出信号および第３の検出信号を生成する磁気センサ装置から出力される前記第１ないし第３の検出信号を処理する信号処理回路であって、
あるタイミングにおける前記第１ないし第３の検出信号の値の組を測定データとし、前記第１ないし第３の検出信号の値を表すための３つの軸によって定義された直交座標系において前記測定データを表す座標を測定点としたときに、異なるタイミングにおける４つ以上の測定データを用いて、複数のタイミングにおける複数の測定点の分布を近似した球面を有する仮想の球体の中心座標を求める第１の処理と、
前記第１の処理に用いられる測定データの候補となる４つ以上の測定データの集合を候補データ集合とし、前記候補データ集合を構成する４つ以上の測定データの全部または一部である４つ以上の測定データの集合を判定用データ集合としたときに、前記判定用データ集合を用いて、前記候補データ集合が前記第１の処理に用いるのに適しているか否かを判定する第２の処理とを行い、
前記第２の処理は、前記直交座標系において前記判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データに対応する４つ以上の測定点が、それらが１つの平面上に位置しているか、あるいは１つの平面上およびその近傍の範囲内に分布していることを表す所定の判定基準を満たす場合には、前記候補データ集合が前記第１の処理に用いるのに適していないと判定し、それ以外の場合には、前記候補データ集合が前記第１の処理に用いるのに適していると判定し、
前記判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データは、所定の時間間隔を開けて取得された時系列データであることを特徴とする信号処理回路。

【請求項2】

更に、オフセット補正処理を行い、
前記オフセット補正処理は、前記第１ないし第３の検出信号と、前記第１の処理によって求められた前記中心座標とを用いて、前記第１ないし第３の検出信号のオフセットを補正して、第１ないし第３の補正後信号を生成することを特徴とする請求項１記載の信号処理回路。

【請求項3】

前記第２の処理は、前記候補データ集合を用いた前記第１の処理と並行して行われ、
前記第１の処理は、前記第２の処理によって前記候補データ集合が前記第１の処理に用いるのに適していると判定された場合にのみ、求めた中心座標を、適正な中心座標として出力することを特徴とする請求項１または２記載の信号処理回路。

【請求項4】

前記第１の処理は、前記第２の処理によって前記第１の処理に用いるのに適していると判定された候補データ集合を用いて行われることを特徴とする請求項１または２記載の信号処理回路。

【請求項5】

前記候補データ集合を構成する測定データの数は５つ以上であり、前記判定用データ集合を構成する測定データの数は、前記候補データ集合を構成する測定データの数よりも少ないことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の信号処理回路。

【請求項6】

前記判定用データ集合を構成する測定データの数は、前記候補データ集合を構成する測定データの数と等しいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の信号処理回路。

【請求項7】

前記第２の処理は、最小二乗法を用いて前記直交座標系において前記判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データに対応する４つ以上の測定点の分布を近似した近似平面を決定する処理を含み、
前記判定基準は、前記近似平面を決定する際に得られる残差二乗和が所定の閾値以下であるというものであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の信号処理回路。

【請求項8】

前記第１の検出信号の値を第１の変数とし、前記第２の検出信号の値を第２の変数とし、前記第３の検出信号の値を第３の変数としたときに、前記第２の処理は、前記判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データに関して、前記第１の変数と前記第２の変数についての第１の相関係数と、前記第２の変数と前記第３の変数についての第２の相関係数と、前記第１の変数と前記第３の変数についての第３の相関係数とを求める処理を含み、
前記判定基準は、前記第１ないし第３の相関係数のうちの少なくとも１つの絶対値が所定の閾値以上であるというものであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の信号処理回路。

【請求項9】

前記判定用データ集合を構成する測定データの数は４つであり、
前記第２の処理は、前記直交座標系において前記判定用データ集合を構成する４つの測定データに対応する４つの測定点を４つの頂点とする四面体の体積を求める処理を含み、
前記判定基準は、前記四面体の体積が所定の閾値以下であるというものであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の信号処理回路。

【請求項10】

所定の磁界を発生する磁界発生器と、
磁気センサ装置と、
請求項１ないし９のいずれかに記載の信号処理回路とを備えた位置検出装置であって、
前記磁界発生器は、前記磁気センサ装置に対する相対的な位置が所定の球面に沿って変化可能であり、
前記磁気センサ装置は、前記第１ないし第３の検出信号を生成することを特徴とする位置検出装置。

【請求項11】

磁気センサ装置と、請求項１ないし９のいずれかに記載の信号処理回路とを備え、
前記磁気センサ装置は、前記第１の検出信号を生成する第１の磁気センサと、前記第２の検出信号を生成する第２の磁気センサと、前記第３の検出信号を生成する第３の磁気センサとを含むことを特徴とする磁気センサシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気センサ装置から出力され、磁気センサ装置に印加される磁界の互いに異なる３つの方向の成分と対応関係を有する３つの検出信号を処理する信号処理回路、ならびにこの信号処理回路を含む位置検出装置および磁気センサシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、種々の用途で、印加される磁界の複数の方向の成分を検出する磁気センサ装置が用いられている。この磁気センサ装置の用途の１つとしては、特許文献１、２に記載されているような、３次元的に移動可能な磁石の位置を検出する磁気式の位置検出装置がある。

【0003】

磁気式の位置検出装置は、例えば、磁気センサ装置と、この磁気センサ装置を中心とする所定の球面に沿って移動可能な磁石と、信号処理回路とを備えている。磁気センサ装置は、磁石によって発生されて磁気センサ装置に印加される磁界の互いに直交する３つの方向の３成分を検出し、この３成分に対応する３つの検出信号を生成する。信号処理回路は、３つの検出信号に基づいて磁石の位置を表す位置情報を生成する。

【0004】

このような磁気式の位置検出装置では、磁石が発生する磁界以外の外乱磁界が磁気センサ装置に印加されたり、磁気センサ装置と磁石との位置関係が所望の位置関係からずれたりすると、３つの検出信号にオフセットが生じ、その結果、位置情報が不正確になる場合がある。

【0005】

３つの検出信号に生じたオフセットを補正する方法は、従来から知られている。その一般的な方法では、あるタイミングにおける３つの検出信号の値の組を測定データとし、三次元の直交座標系において、測定データを表す座標を測定点としたときに、複数のタイミングにおける複数の測定点の分布を近似した球面を有する仮想の球体の中心座標を求め、この中心座標を用いてオフセットを補正する。

【0006】

特許文献３には、３次元磁気センサから順次出力される、３成分を有する複数の磁気データを入力する入力手段と、入力された複数の磁気データから、予め決められた４点選抜条件を満たす４つの磁気データを選抜する選抜手段と、選抜された４つの磁気データを成分とする４点から等距離にある点である中心点を算出する算出手段と、中心点の成分を磁気データのオフセットとして設定する設定手段とを備えた磁気センサ制御装置が記載されている。また、特許文献３には、４点を、４点を通る球面上で広い範囲で満遍なく分散するように選抜することが重要である旨が記載されている。特許文献３における中心点は、前述の仮想の球体の中心座標に対応する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００９−２４５４２１号公報

【特許文献2】特開２０１８−１８９５１２号公報

【特許文献3】特開２００７−１３９７１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

以下、磁気センサ装置と磁石と信号処理回路とを備えた前述の磁気式の位置検出装置において、信号処理回路によって、オフセットの補正に用いられる仮想の球体の中心座標を求める処理を行う場合における問題点について説明する。仮想の球体の中心座標を求めるためには、４つ以上の測定データが必要である。以下、仮想の球体の中心座標を求めるために用いられる測定データの候補となる４つ以上の測定データの集合を候補データ集合と言う。

【0009】

位置検出装置では、信号処理回路に入力された候補データ集合が、仮想の球体の中心座標を決定するのに適さないものである場合が起こり得る。仮想の球体の中心座標を決定するのに適さない候補データ集合とは、例えば、前述の三次元の直交座標系において、１つの円上に位置するか１つの円の近傍に分布する４つ以上の測定点に対応する４つ以上の測定データの集合である。候補データ集合が、１つの円上に位置する４つ以上の測定点に対応する４つ以上の測定データの集合である場合には、この候補データ集合を用いて、仮想の球体の中心座標を決定することはできない。また、候補データ集合が、１つの円の近傍に分布する４つ以上の測定点に対応する４つ以上の測定データの集合である場合には、この候補データ集合を用いて仮想の球体の中心座標を決定すると、その中心座標は精度の悪いものになる可能性がある。このような問題は、例えば、特許文献１、２に記載されているようなジョイスティックに適用された位置検出装置において顕著に発生する。

【0010】

特許文献３に記載された技術によれば、中心点すなわち仮想の球体の中心座標を決定するのに適した４つの磁気データを選抜することができる。しかし、特許文献３に記載された技術では、４点選抜条件を満たす４つの磁気データが得られるまでに時間が掛かったり、所定の期間内に４点選抜条件を満たす４つの磁気データが得られなかったりする場合があるという問題点がある。

【0011】

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、信号処理回路に与えられた候補データ集合が、オフセットの補正に用いられる仮想の球体の中心座標を決定するのに適しているか否かを判定できるようにした信号処理回路、位置検出装置および磁気センサシステムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の信号処理回路は、基準位置における磁界の互いに異なる３つの方向の成分と対応関係を有する第１の検出信号、第２の検出信号および第３の検出信号を生成する磁気センサ装置から出力される第１ないし第３の検出信号を処理する回路である。

【0013】

本発明の信号処理回路は、第１の処理と第２の処理とを行う。第１の処理は、あるタイミングにおける第１ないし第３の検出信号の値の組を測定データとし、第１ないし第３の検出信号の値を表すための３つの軸によって定義された直交座標系において測定データを表す座標を測定点としたときに、異なるタイミングにおける４つ以上の測定データを用いて、複数のタイミングにおける複数の測定点の分布を近似した球面を有する仮想の球体の中心座標を求める。

【0014】

第２の処理は、第１の処理に用いられる測定データの候補となる４つ以上の測定データの集合を候補データ集合とし、候補データ集合を構成する４つ以上の測定データの全部または一部である４つ以上の測定データの集合を判定用データ集合としたときに、判定用データ集合を用いて、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適しているか否かを判定する。また、第２の処理は、直交座標系において判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データに対応する４つ以上の測定点が、それらが１つの平面上に位置しているか、あるいは１つの平面上およびその近傍の範囲内に分布していることを表す所定の判定基準を満たす場合には、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していないと判定し、それ以外の場合には、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していると判定する。

【0015】

本発明の信号処理回路は、更に、オフセット補正処理を行ってもよい。オフセット補正処理は、第１ないし第３の検出信号と、第１の処理によって求められた中心座標とを用いて、第１ないし第３の検出信号のオフセットを補正して、第１ないし第３の補正後信号を生成してもよい。

【0016】

また、本発明の信号処理回路において、第２の処理は、候補データ集合を用いた第１の処理と並行して行われてもよい。この場合、第１の処理は、第２の処理によって候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していると判定された場合にのみ、求めた中心座標を、適正な中心座標として出力してもよい。

【0017】

また、本発明の信号処理回路において、第１の処理は、第２の処理によって第１の処理に用いるのに適していると判定された候補データ集合を用いて行われてもよい。

【0018】

また、本発明の信号処理回路において、候補データ集合を構成する測定データの数は５つ以上であってもよい。この場合、判定用データ集合を構成する測定データの数は、候補データ集合を構成する測定データの数よりも少なくてもよい。あるいは、判定用データ集合を構成する測定データの数は、候補データ集合を構成する測定データの数と等しくてもよい。

【0019】

また、本発明の信号処理回路において、第２の処理は、最小二乗法を用いて直交座標系において判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データに対応する４つ以上の測定点の分布を近似した近似平面を決定する処理を含んでいてもよい。この場合、判定基準は、近似平面を決定する際に得られる残差二乗和が所定の閾値以下であるというものであってもよい。

【0020】

また、本発明の信号処理回路において、第１の検出信号の値を第１の変数とし、第２の検出信号の値を第２の変数とし、第３の検出信号の値を第３の変数としたときに、第２の処理は、判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データに関して、第１の変数と第２の変数についての第１の相関係数と、第２の変数と第３の変数についての第２の相関係数と、第１の変数と第３の変数についての第３の相関係数とを求める処理を含んでいてもよい。この場合、判定基準は、第１ないし第３の相関係数のうちの少なくとも１つの絶対値が所定の閾値以上であるというものであってもよい。

【0021】

また、本発明の信号処理回路において、判定用データ集合を構成する測定データの数は４つであってもよい。この場合、第２の処理は、直交座標系において判定用データ集合を構成する４つの測定データに対応する４つの測定点を４つの頂点とする四面体の体積を求める処理を含んでいてもよい。また、判定基準は、四面体の体積が所定の閾値以下であるというものであってもよい。

【0022】

本発明の位置検出装置は、所定の磁界を発生する磁界発生器と、磁気センサ装置と、本発明の信号処理回路とを備えている。磁界発生器は、磁気センサ装置に対する相対的な位置が所定の球面に沿って変化可能である。磁気センサ装置は、第１ないし第３の検出信号を生成する。

【0023】

本発明の磁気センサシステムは、磁気センサ装置と、本発明の信号処理回路とを備えている。磁気センサ装置は、第１の検出信号を生成する第１の磁気センサと、第２の検出信号を生成する第２の磁気センサと、第３の検出信号を生成する第３の磁気センサとを含んでいる。

【発明の効果】

【0024】

本発明の信号処理回路、位置検出装置および磁気センサシステムによれば、信号処理回路が第２の処理を行うことにより、信号処理回路に与えられた候補データ集合が、オフセットの補正に用いられる仮想の球体の中心座標を決定するのに適しているか否かを判定することが可能になるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の第１の実施の形態に係る位置検出装置を含む関節機構の概略の構成を示す斜視図である。

【図2】図１に示した関節機構の概略の構成を示す断面図である。

【図3】本発明の第１の実施の形態に係る位置検出装置における基準座標系を説明するための説明図である。

【図4】本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサシステムの構成を示す機能ブロック図である。

【図5】本発明の第１の実施の形態における磁気センサ組立体を示す斜視図である。

【図6】本発明の第１の実施の形態における磁気センサ装置を示す平面図である。

【図7】本発明の第１の実施の形態における磁気センサ装置の構成を示す説明図である。

【図8】本発明の第１の実施の形態における磁気センサ装置の回路構成の一例を示す回路図である。

【図9】本発明の第１の実施の形態における磁気抵抗効果素子を示す斜視図である。

【図10】本発明の第１の実施の形態における１つの抵抗部の一部を示す斜視図である。

【図11】本発明の第１の実施の形態における磁界変換部と第３の磁気センサの構成を示す説明図である。

【図12】本発明の第１の実施の形態における第１ないし第３の磁気センサと軟磁性構造体のそれぞれの一部を示す断面図である。

【図13】本発明の第１の実施の形態における第１の処理を示すフローチャートである。

【図14】本発明の第１の実施の形態における第２の処理を示すフローチャートである。

【図15】本発明の第２の実施の形態における第２の処理を示すフローチャートである。

【図16】本発明の第３の実施の形態における第２の処理を示すフローチャートである。

【図17】本発明の第４の実施の形態に係る磁気センサシステムの構成を示す機能ブロック図である。

【図18】本発明の第４の実施の形態における第２のプロセッサの動作を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0026】

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、本発明の第１の実施の形態に係る位置検出装置１が適用された関節機構３００について説明する。関節機構３００は、関節を含む機構である。図１は、関節機構３００の概略の構成を示す斜視図である。図２は、関節機構３００の概略の構成を示す断面図である。図３は、位置検出装置１における基準座標系を説明するための説明図である。図４は、本実施の形態に係る磁気センサシステムの構成を示す機能ブロック図である。

【0027】

図１および図２に示したように、関節機構３００は、第１の部材３１０と、第２の部材３２０と、位置検出装置１を含んでいる。

【0028】

第１の部材３１０は、軸部３１１と、この軸部３１１の長手方向の一端に連結された球状部３１２とを含んでいる。球状部３１２は、凸面３１２ａを有している。凸面３１２ａは、第１の球面の一部によって構成されている。第１の球面のうち、凸面３１２ａに含まれない部分は、軸部３１１と球状部３１２の境界部分である。

【0029】

第２の部材３２０は、軸部３２１と、この軸部３２１の長手方向の一端に連結された受け部３２２とを含んでいる。受け部３２２は、凹面３２２ａを有している。凹面３２２ａは、第２の球面の一部によって構成されている。凹面３２２ａは、第２の球面のうちの半分または半分に近い部分によって構成されていてもよい。

【0030】

第１の部材３１０と第２の部材３２０は、球状部３１２が受け部３２２に嵌り込んだ姿勢で、互いの位置関係が変化可能に連結されている。第２の球面の半径は、第１の球面の半径と等しいか、それよりもわずかに大きい。凸面３１２ａと凹面３２２ａは、接触していてもよいし、潤滑剤を介して対向していてもよい。第２の球面の中心は、第１の球面の中心と一致しているか、ほぼ一致している。第１の部材３１０と第２の部材３２０の連結部分が関節である。本実施の形態では特に、この関節は球関節である。

【0031】

位置検出装置１は、磁界発生器２と磁気センサ装置４とを備えている。位置検出装置１は、更に、図４に示した、本実施の形態に係る信号処理回路５を備えている。図４に示したように、磁気センサ装置４と信号処理回路５は、本実施の形態に係る磁気センサシステム３を構成している。従って、位置検出装置１は、磁界発生器２と磁気センサシステム３とを備えていると言える。

【0032】

磁界発生器２は、磁気センサ装置４に対する相対的な位置が所定の球面に沿って変化可能である。位置検出装置１は、磁気センサ装置４に対する磁界発生器２の相対的な位置を検出するための装置である。

【0033】

磁界発生器２は、所定の磁界を発生する。磁界発生器２は、例えば磁石である。磁気センサ装置４は、基準位置における磁界の互いに異なる３つの方向の成分と対応関係を有する第１の検出信号、第２の検出信号および第３の検出信号を生成する。基準位置については、後で詳しく説明する。

【0034】

信号処理回路５は、第１ないし第３の検出信号を処理して、磁気センサ装置４に対する磁界発生器２の相対的な位置を表す位置情報を生成する。

【0035】

図１および図２に示したように、磁界発生器２は、凹面３２２ａから突出しないように受け部３２２に埋め込まれている。磁気センサ装置４は、球状部３１２の内部に配置されている。以下、第１の球面の中心の位置を基準位置と言う。磁気センサ装置４は、基準位置における磁界を検出するように構成されている。

【0036】

以下、磁界発生器２によって発生された磁界のうちの基準位置における磁界を対象磁界と言う。対象磁界の方向は、例えば、基準位置と磁界発生器２とを通過する仮想の直線に平行である。図２に示した例では、磁界発生器２は、上記の仮想の直線に沿って並ぶＮ極とＳ極を有する磁石である。Ｓ極は、Ｎ極よりも基準位置により近い。図２に示した矢印付きの複数の破線は、磁界発生器２が発生する磁界に対応する磁力線を表している。

【0037】

図１および図２に示した関節機構３００では、球状部３１２が受け部３２２に嵌り込んだ姿勢で、第１の部材３１０に対する第２の部材３２０の相対的位置が変化可能である。これにより、磁界発生器２は、磁気センサ装置４に対する相対的な位置が、前述の所定の球面に沿って変化可能である。本実施の形態では、磁気センサ装置４に対する磁界発生器２の相対的な位置を、磁界発生器２のうちの基準位置に最も近い点の位置とする。所定の球面の中心は、第１の球面の中心と一致しているか、ほぼ一致している。所定の球面の半径は、第１の球面の半径以上である。所定の球面の半径は、第１の球面の半径または第２の球面の半径と一致していてもよい。

【0038】

ここで、図３を参照して、本実施の形態における基準座標系について説明する。基準座標系は、磁気センサ装置４を基準とした座標系であって、第１ないし第３の検出信号の値を表すための３つの軸によって定義された直交座標系である。基準座標系では、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向が定義されている。図３に示したように、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、互いに直交する。また、Ｘ方向とは反対の方向を−Ｘ方向とし、Ｙ方向とは反対の方向を−Ｙ方向とし、Ｚ方向とは反対の方向を−Ｚ方向とする。

【0039】

前述の通り、磁気センサ装置４は、基準位置における磁界の互いに異なる３つの方向の成分と対応関係を有する第１の検出信号、第２の検出信号および第３の検出信号を生成する。本実施の形態では特に、上記の互いに異なる３つの方向は、Ｘ方向に平行な方向と、Ｙ方向に平行な方向と、Ｚ方向に平行な方向である。基準座標系を定義する３つの軸は、Ｘ方向に平行な軸と、Ｙ方向に平行な軸と、Ｚ方向に平行な軸である。

【0040】

基準座標系における磁気センサ装置４の位置は変化しない。磁気センサ装置４に対する磁界発生器２の相対的な位置が変化すると、基準座標系における磁界発生器２の位置は、前述の所定の球面に沿って変化する。図３において、符号９は、所定の球面を示している。基準座標系における磁界発生器２の位置は、磁気センサ装置４に対する磁界発生器２の相対的な位置を表している。以下、基準座標系における磁界発生器２の位置を、単に磁界発生器２の位置と言う。また、基準位置を含むＸＹ平面を基準平面と言う。

【0041】

位置検出装置１を含む関節機構３００では、位置検出装置１によって、磁気センサ装置４に対する磁界発生器２の相対的な位置を検出することによって、第１の部材３１０に対する第２の部材３２０の相対的位置を検出することができる。関節機構３００は、ロボット、産業機器、医療機器、アミューズメント機器等に利用される。

【0042】

位置検出装置１は、関節機構３００の他に、ジョイスティックや、トラックボールにも適用することができる。

【0043】

ジョイスティックは、例えば、レバーと、このレバーを揺動可能に支持する支持部とを含んでいる。位置検出装置１を、ジョイスティックに適用する場合には、例えば、レバーの揺動に伴って、磁気センサ装置４に対する磁界発生器２の相対的な位置が所定の球面に沿って変化するように、支持部の内部に磁界発生器２を設け、レバーの内部に磁気センサ装置４を設ける。

【0044】

トラックボールは、例えば、ボールと、このボールを回転可能に支持する支持部とを含んでいる。位置検出装置１を、トラックボールに適用する場合には、例えば、ボールの回転に伴って、磁気センサ装置４に対する磁界発生器２の相対的な位置が所定の球面に沿って変化するように、支持部の内部に磁界発生器２を設け、ボールの内部に磁気センサ装置４を設ける。

【0045】

次に、図４を参照して、磁気センサ装置４と信号処理回路５の構成について説明する。磁気センサ装置４は、対象磁界の互いに異なる３つの方向の成分と対応関係を有する第１の検出信号Ｓｘ、第２の検出信号Ｓｙおよび第３の検出信号Ｓｚを生成する。本実施の形態では、第１の検出信号Ｓｘは、対象磁界の、第１の感磁方向の成分である第１の成分と対応関係を有する。第２の検出信号Ｓｙは、対象磁界の、第２の感磁方向の成分である第２の成分と対応関係を有する。第３の検出信号Ｓｚは、対象磁界の、第３の感磁方向の成分である第３の成分と対応関係を有する。

【0046】

本実施の形態では、磁気センサ装置４は、第１の検出信号Ｓｘを生成する第１の磁気センサ１０と、第２の検出信号Ｓｙを生成する第２の磁気センサ２０と、第３の検出信号Ｓｚを生成する第３の磁気センサ３０とを備えている。第１ないし第３の磁気センサ１０，２０，３０の各々は、少なくとも１つの磁気検出素子を含んでいる。

【0047】

信号処理回路５は、第１のプロセッサ７と第２のプロセッサ８とを備えている。本実施の形態では、第１のプロセッサ７を構成するハードウェアは、第２のプロセッサ８を構成するハードウェアとは異なっている。第１のプロセッサ７は、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）によって構成されている。第２のプロセッサ８は、例えばマイクロコンピュータによって構成されている。

【0048】

次に、磁気センサ装置４と第１のプロセッサ７の構成について説明する。本実施の形態では、磁気センサ装置４は、第１のチップの形態を有している。また、第１のプロセッサ７は、第１のチップとは異なる第２のチップの形態を有している。第１のプロセッサ７は、磁気センサ装置４と一体化されていてもよい。第２のプロセッサ８は、磁気センサ装置４および第１のプロセッサ７とは別体であってもよい。本実施の形態では、一体化された磁気センサ装置４および第１のプロセッサ７を、磁気センサ組立体２００と言う。

【0049】

図５は、磁気センサ組立体２００を示す斜視図である。図５に示したように、磁気センサ装置４および第１のプロセッサ７は、いずれも直方体形状を有している。また、磁気センサ装置４および第１のプロセッサ７は、いずれも外面を有している。

【0050】

磁気センサ装置４の外面は、互いに反対側に位置する上面４ａおよび下面４ｂと、上面４ａと下面４ｂを接続する４つの側面を含んでいる。第１のプロセッサ７の外面は、互いに反対側に位置する上面７ａおよび下面７ｂと、上面７ａと下面７ｂを接続する４つの側面を含んでいる。磁気センサ装置４は、下面４ｂが第１のプロセッサ７の上面７ａに対向する姿勢で、上面７ａ上に実装されている。

【0051】

磁気センサ装置４は、上面４ａに設けられた端子群を備えている。第１のプロセッサ７は、上面７ａに設けられた端子群を備えている。磁気センサ装置４の端子群は、例えば複数のボンディングワイヤによって、第１のプロセッサ７の端子群に接続されている。

【0052】

次に、図６を参照して、第１ないし第３の磁気センサ１０，２０，３０の配置について説明する。図６は、磁気センサ装置４を示す平面図である。図６に示したように、磁気センサ装置４は、前述の第１ないし第３の磁気センサ１０，２０，３０と、第１ないし第３の磁気センサ１０，２０，３０を支持する基板５１と、端子群とを備えている。基板５１は、上面５１ａと下面５１ｂを有している。なお、下面５１ｂは、後で説明する図１２に示されている。

【0053】

ここで、図６を参照して、基準座標系および基準平面と磁気センサ装置４の構成要素との関係について説明する。前述のように、基準座標系では、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、−Ｘ方向、−Ｙ方向、−Ｚ方向が定義されている。Ｘ方向とＹ方向は基板５１の上面５１ａに平行な方向である。Ｚ方向は、基板５１の上面５１ａに垂直な方向であって、基板５１の下面５１ｂから上面５１ａに向かう方向である。以下、基準の位置に対してＺ方向の先にある位置を「上方」と言い、基準の位置に対して「上方」とは反対側にある位置を「下方」と言う。また、磁気センサ装置４の構成要素に関して、Ｚ方向の端に位置する面を「上面」と言い、−Ｚ方向の端に位置する面を「下面」と言う。

【0054】

本実施の形態では、基板５１の上面５１ａが基準平面である。以下、基準平面を記号ＲＰで表す。基準平面ＲＰは、互いに異なる第１の領域Ａ１０と第２の領域Ａ２０と第３の領域Ａ３０を含んでいる。第１の領域Ａ１０は、基準平面ＲＰに第１の磁気センサ１０を垂直投影してできる領域である。第２の領域Ａ２０は、基準平面ＲＰに第２の磁気センサ２０を垂直投影してできる領域である。第３の領域Ａ３０は、基準平面ＲＰに第３の磁気センサ３０を垂直投影してできる領域である。

【0055】

ここで、基準平面ＲＰ内に位置して、第３の領域Ａ３０の重心Ｃ３０を通り、Ｚ方向に垂直で且つ互いに直交する２つの直線を第１の直線Ｌ１と第２の直線Ｌ２とする。本実施の形態では特に、第１の直線Ｌ１はＸ方向に平行であり、第２の直線Ｌ２はＹ方向に平行である。

【0056】

本実施の形態では、第１の磁気センサ１０は、Ｘ方向の互いに異なる位置に配置された第１の部分１１と第２の部分１２を含んでいる。第１の領域Ａ１０は、基準平面ＲＰに第１の磁気センサ１０の第１の部分１１を垂直投影してできる第１の部分領域Ａ１１と、基準平面ＲＰに第１の磁気センサ１０の第２の部分１２を垂直投影してできる第２の部分領域Ａ１２を含んでいる。第１および第２の部分領域Ａ１１，Ａ１２は、第１の直線Ｌ１に平行な方向における第３の領域Ａ３０の両側に位置している。

【0057】

また、第２の磁気センサ２０は、Ｙ方向の互いに異なる位置に配置された第１の部分２１と第２の部分２２を含んでいる。第２の領域Ａ２０は、基準平面ＲＰに第２の磁気センサ２０の第１の部分２１を垂直投影してできる第３の部分領域Ａ２１と、基準平面ＲＰに第２の磁気センサ２０の第２の部分２２を垂直投影してできる第４の部分領域Ａ２２を含んでいる。第３および第４の部分領域Ａ２１，Ａ２２は、第２の直線Ｌ２に平行な方向における第３の領域Ａ３０の両側に位置している。

【0058】

本実施の形態では、第１および第２の部分領域Ａ１１，Ａ１２は、いずれも第１の直線Ｌ１と交差する位置にある。また、第３および第４の部分領域Ａ２１，Ａ２２は、いずれも第２の直線Ｌ２と交差する位置にある。

【0059】

第１の領域Ａ１０のいかなる部分も第２の直線Ｌ２とは交差しないことが好ましい。同様に、第２の領域Ａ２０のいかなる部分も第１の直線Ｌ１とは交差しないことが好ましい。

【0060】

本実施の形態では特に、第１の領域Ａ１０と第２の領域Ａ２０は、上方から見て、第３の領域Ａ３０の重心Ｃ３０を中心として第１の領域Ａ１０を９０°回転すると第２の領域Ａ２０に重なる位置関係である。図６において、重心Ｃ３０を中心として反時計回り方向に第１および第２の部分領域Ａ１１，Ａ１２を９０°回転すると、第１および第２の部分領域Ａ１１，Ａ１２はそれぞれ第３および第４の部分領域Ａ２１，Ａ２２に重なる。

【0061】

次に、図７および図８を参照して、磁気センサ装置４の構成の一例について説明する。図７は、磁気センサ装置４の構成を示す説明図である。図８は、磁気センサ装置４の回路構成の一例を示す回路図である。

【0062】

前述のように、第１の磁気センサ１０は、対象磁界の、第１の感磁方向の成分である第１の成分と対応関係を有する第１の検出信号Ｓｘを生成する。第２の磁気センサ２０は、対象磁界の、第２の感磁方向の成分である第２の成分と対応関係を有する第２の検出信号Ｓｙを生成する。第３の磁気センサ３０は、対象磁界の、第３の感磁方向の成分である第３の成分と対応関係を有する第３の検出信号Ｓｚを生成する。

【0063】

本実施の形態では特に、第１の感磁方向は、Ｘ方向に平行な方向である。第１の感磁方向は、Ｘ方向と−Ｘ方向とを含む。第２の感磁方向は、Ｙ方向に平行な方向である。第２の感磁方向は、Ｙ方向と−Ｙ方向とを含む。第３の感磁方向は、Ｚ方向に平行な方向である。第３の感磁方向は、Ｚ方向と−Ｚ方向とを含む。

【0064】

また、図７に示したように、磁気センサ装置４の端子群は、第１の磁気センサ１０に対応する電源端子Ｖｘおよび出力端子Ｖｘ＋，Ｖｘ−と、第２の磁気センサ２０に対応する電源端子Ｖｙおよび出力端子Ｖｙ＋，Ｖｙ−と、第３の磁気センサ３０に対応する電源端子Ｖｚおよび出力端子Ｖｚ＋，Ｖｚ−と、第１ないし第３の磁気センサ１０，２０，３０で共通に使用されるグランド端子Ｇとを含んでいる。

【0065】

図８に示した例では、第１の磁気センサ１０は、ホイートストンブリッジ回路を構成する４つの抵抗部Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４を含んでいる。抵抗部Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４の各々は、対象磁界の第１の成分に応じて変化する抵抗値を有する。抵抗部Ｒｘ１は、電源端子Ｖｘと出力端子Ｖｘ＋との間に設けられている。抵抗部Ｒｘ２は、出力端子Ｖｘ＋とグランド端子Ｇとの間に設けられている。抵抗部Ｒｘ３は、電源端子Ｖｘと出力端子Ｖｘ−との間に設けられている。抵抗部Ｒｘ４は、出力端子Ｖｘ−とグランド端子Ｇとの間に設けられている。

【0066】

第２の磁気センサ２０は、ホイートストンブリッジ回路を構成する４つの抵抗部Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４を含んでいる。抵抗部Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４の各々は、対象磁界の第２の成分に応じて変化する抵抗値を有する。抵抗部Ｒｙ１は、電源端子Ｖｙと出力端子Ｖｙ＋との間に設けられている。抵抗部Ｒｙ２は、出力端子Ｖｙ＋とグランド端子Ｇとの間に設けられている。抵抗部Ｒｙ３は、電源端子Ｖｙと出力端子Ｖｙ−との間に設けられている。抵抗部Ｒｙ４は、出力端子Ｖｙ−とグランド端子Ｇとの間に設けられている。

【0067】

第３の磁気センサ３０は、ホイートストンブリッジ回路を構成する４つの抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４を含んでいる。抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４の各々は、後述する磁界変換部から出力される出力磁界成分に応じて変化する抵抗値を有する。抵抗部Ｒｚ１は、電源端子Ｖｚと出力端子Ｖｚ＋との間に設けられている。抵抗部Ｒｚ２は、出力端子Ｖｚ＋とグランド端子Ｇとの間に設けられている。抵抗部Ｒｚ３は、電源端子Ｖｚと出力端子Ｖｚ−との間に設けられている。抵抗部Ｒｚ４は、出力端子Ｖｚ−とグランド端子Ｇとの間に設けられている。

【0068】

以下、抵抗部Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４，Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４，Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４のうちの任意の１つを抵抗部Ｒと言う。抵抗部Ｒは、少なくとも１つの磁気検出素子を含んでいる。本実施の形態では特に、少なくとも１つの磁気検出素子は、少なくとも１つの磁気抵抗効果素子である。以下、磁気抵抗効果素子をＭＲ素子と記す。

【0069】

本実施の形態では特に、ＭＲ素子は、スピンバルブ型のＭＲ素子である。このスピンバルブ型のＭＲ素子は、方向が固定された磁化を有する磁化固定層と、印加磁界の方向に応じて方向が変化可能な磁化を有する自由層と、磁化固定層と自由層の間に配置されたギャップ層とを有している。スピンバルブ型のＭＲ素子は、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子でもよいし、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）素子でもよい。ＴＭＲ素子では、ギャップ層はトンネルバリア層である。ＧＭＲ素子では、ギャップ層は非磁性導電層である。スピンバルブ型のＭＲ素子では、自由層の磁化の方向が磁化固定層の磁化の方向に対してなす角度に応じて抵抗値が変化し、この角度が０°のときに抵抗値は最小値となり、角度が１８０°のときに抵抗値は最大値となる。各ＭＲ素子において、自由層は、磁化容易軸方向が、磁化固定層の磁化の方向に直交する方向となる形状異方性を有している。

【0070】

図８において、塗りつぶした矢印は、ＭＲ素子における磁化固定層の磁化の方向を表している。図８に示した例では、抵抗部Ｒｘ１，Ｒｘ４の各々におけるＭＲ素子の磁化固定層の磁化の方向は、Ｘ方向である。抵抗部Ｒｘ２，Ｒｘ３の各々におけるＭＲ素子の磁化固定層の磁化の方向は、−Ｘ方向である。

【0071】

また、抵抗部Ｒｙ１，Ｒｙ４の各々におけるＭＲ素子の磁化固定層の磁化の方向は、Ｙ方向である。抵抗部Ｒｙ２，Ｒｙ３の各々におけるＭＲ素子の磁化固定層の磁化の方向は、−Ｙ方向である。抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４の各々におけるＭＲ素子の磁化固定層の磁化の方向については、後で説明する。

【0072】

出力端子Ｖｘ＋と出力端子Ｖｘ−との間の電位差は、対象磁界の第１の成分と対応関係を有する。第１の磁気センサ１０は、出力端子Ｖｘ＋と出力端子Ｖｘ−との間の電位差に対応する第１の検出信号Ｓｘを生成する。第１の検出信号Ｓｘは、出力端子Ｖｘ＋と出力端子Ｖｘ−との間の電位差に対して振幅やオフセットの調整を施したものであってもよい。

【0073】

出力端子Ｖｙ＋と出力端子Ｖｙ−との間の電位差は、対象磁界の第２の成分と対応関係を有する。第２の磁気センサ２０は、出力端子Ｖｙ＋と出力端子Ｖｙ−との間の電位差に対応する第２の検出信号Ｓｙを生成する。第２の検出信号Ｓｙは、出力端子Ｖｙ＋と出力端子Ｖｙ−との間の電位差に対して振幅やオフセットの調整を施したものであってもよい。

【0074】

出力端子Ｖｚ＋と出力端子Ｖｚ−との間の電位差は、対象磁界の第３の成分と対応関係を有する。第３の磁気センサ３０は、出力端子Ｖｚ＋と出力端子Ｖｚ−との間の電位差に対応する第３の検出信号Ｓｚを生成する。第３の検出信号Ｓｚは、出力端子Ｖｚ＋と出力端子Ｖｚ−との間の電位差に対して振幅やオフセットの調整を施したものであってもよい。

【0075】

ここで、図７を参照して、抵抗部Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４，Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４の配置の一例について説明する。この例では、第１の磁気センサ１０の第１の部分１１は抵抗部Ｒｘ１，Ｒｘ４を含み、第１の磁気センサ１０の第２の部分１２は抵抗部Ｒｘ２，Ｒｘ３を含んでいる。また、第２の磁気センサ２０の第１の部分２１は抵抗部Ｒｙ１，Ｒｙ４を含み、第２の磁気センサ２０の第２の部分２２は抵抗部Ｒｙ２，Ｒｙ３を含んでいる。

【0076】

図７において、塗りつぶした矢印は、ＭＲ素子における磁化固定層の磁化の方向を表している。図７に示した例では、第１の磁気センサ１０の第１の部分１１と、第１の磁気センサ１０の第２の部分１２と、第２の磁気センサ２０の第１の部分２１と、第２の磁気センサ２０の第２の部分２２の各々において、そこに含まれる複数のＭＲ素子の磁化固定層の磁化の方向が同じ方向になる。そのため、この例によれば、複数のＭＲ素子の磁化固定層の磁化の方向の設定が容易になる。

【0077】

次に、図９を参照して、ＭＲ素子の構成の一例について説明する。図９に示したＭＲ素子１００は、基板５１側から順に積層された反強磁性層１０１、磁化固定層１０２、ギャップ層１０３および自由層１０４を含んでいる。反強磁性層１０１は、反強磁性材料よりなり、磁化固定層１０２との間で交換結合を生じさせて、磁化固定層１０２の磁化の方向を固定する。

【0078】

なお、ＭＲ素子１００における層１０１〜１０４の配置は、図９に示した配置とは上下が反対でもよい。また、磁化固定層１０２は、単一の強磁性層ではなく、２つの強磁性層とこの２つの強磁性層の間に配置された非磁性金属層とを含む人工反強磁性構造であってもよい。また、ＭＲ素子１００は、反強磁性層１０１を含まない構成であってもよい。また、磁気検出素子は、ホール素子、磁気インピーダンス素子等、ＭＲ素子以外の磁界を検出する素子であってもよい。

【0079】

次に、図１０を参照して、抵抗部Ｒの構成の一例について説明する。この例では、抵抗部Ｒは、直列に接続された複数のＭＲ素子１００を含んでいる。抵抗部Ｒは、更に、複数のＭＲ素子１００が直列に接続されるように、回路構成上隣接する２つのＭＲ素子１００を電気的に接続する１つ以上の接続層を含んでいる。図１０に示した例では、抵抗部Ｒは、１つ以上の接続層として、１つ以上の下部接続層１１１と、１つ以上の上部接続層１１２とを含んでいる。下部接続層１１１は、回路構成上隣接する２つのＭＲ素子１００の下面に接し、この２つのＭＲ素子１００を電気的に接続する。上部接続層１１２は、回路構成上隣接する２つのＭＲ素子１００の上面に接し、この２つのＭＲ素子１００を電気的に接続する。

【0080】

次に、図１１を参照して、第３の磁気センサ３０の構成の一例について説明する。第３の磁気センサ３０は、抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４の他に、軟磁性材料よりなる軟磁性構造体４０を含んでいる。軟磁性構造体４０は、磁界変換部４２と、少なくとも１つの軟磁性層を含んでいる。磁界変換部４２は、対象磁界の第３の成分を受けて第３の感磁方向に垂直な方向の出力磁界成分を出力する。出力磁界成分の強度は、対象磁界の第３の成分の強度と対応関係を有する。第３の磁気センサ３０は、出力磁界成分の強度を検出することによって、対象磁界の第３の成分の強度を検出する。

【0081】

図１１に示した例では、磁界変換部４２は、抵抗部Ｒｚ１に対応する下部ヨーク４２Ｂ１および上部ヨーク４２Ｔ１と、抵抗部Ｒｚ２に対応する下部ヨーク４２Ｂ２および上部ヨーク４２Ｔ２と、抵抗部Ｒｚ３に対応する下部ヨーク４２Ｂ３および上部ヨーク４２Ｔ３と、抵抗部Ｒｚ４に対応する下部ヨーク４２Ｂ４および上部ヨーク４２Ｔ４とを含んでいる。

【0082】

下部ヨーク４２Ｂ１，４２Ｂ２，４２Ｂ３，４２Ｂ４および上部ヨーク４２Ｔ１，４２Ｔ２，４２Ｔ３，４２Ｔ４の各々は、Ｚ方向に垂直な方向に長い直方体形状を有している。

【0083】

下部ヨーク４２Ｂ１および上部ヨーク４２Ｔ１は、抵抗部Ｒｚ１の近傍に配置されている。下部ヨーク４２Ｂ１は、抵抗部Ｒｚ１よりも、基板５１の上面５１ａにより近い位置に配置されている。上部ヨーク４２Ｔ１は、抵抗部Ｒｚ１よりも、基板５１の上面５１ａからより遠い位置に配置されている。上方から見たときに、抵抗部Ｒｚ１は、下部ヨーク４２Ｂ１と上部ヨーク４２Ｔ１の間に位置している。

【0084】

下部ヨーク４２Ｂ２および上部ヨーク４２Ｔ２は、抵抗部Ｒｚ２の近傍に配置されている。下部ヨーク４２Ｂ２は、抵抗部Ｒｚ２よりも、基板５１の上面５１ａにより近い位置に配置されている。上部ヨーク４２Ｔ２は、抵抗部Ｒｚ２よりも、基板５１の上面５１ａからより遠い位置に配置されている。上方から見たときに、抵抗部Ｒｚ２は、下部ヨーク４２Ｂ２と上部ヨーク４２Ｔ２の間に位置している。

【0085】

下部ヨーク４２Ｂ３および上部ヨーク４２Ｔ３は、抵抗部Ｒｚ３の近傍に配置されている。下部ヨーク４２Ｂ３は、抵抗部Ｒｚ３よりも、基板５１の上面５１ａにより近い位置に配置されている。上部ヨーク４２Ｔ３は、抵抗部Ｒｚ３よりも、基板５１の上面５１ａからより遠い位置に配置されている。上方から見たときに、抵抗部Ｒｚ３は、下部ヨーク４２Ｂ３と上部ヨーク４２Ｔ３の間に位置している。

【0086】

下部ヨーク４２Ｂ４および上部ヨーク４２Ｔ４は、抵抗部Ｒｚ４の近傍に配置されている。下部ヨーク４２Ｂ４は、抵抗部Ｒｚ４よりも、基板５１の上面５１ａにより近い位置に配置されている。上部ヨーク４２Ｔ４は、抵抗部Ｒｚ４よりも、基板５１の上面５１ａからより遠い位置に配置されている。上方から見たときに、抵抗部Ｒｚ４は、下部ヨーク４２Ｂ４と上部ヨーク４２Ｔ４の間に位置している。

【0087】

磁界変換部４２が出力する出力磁界成分は、下部ヨーク４２Ｂ１および上部ヨーク４２Ｔ１によって生成されて抵抗部Ｒｚ１に印加される磁界成分と、下部ヨーク４２Ｂ２および上部ヨーク４２Ｔ２によって生成されて抵抗部Ｒｚ２に印加される磁界成分と、下部ヨーク４２Ｂ３および上部ヨーク４２Ｔ３によって生成されて抵抗部Ｒｚ３に印加される磁界成分と、下部ヨーク４２Ｂ４および上部ヨーク４２Ｔ４によって生成されて抵抗部Ｒｚ４に印加される磁界成分を含んでいる。

【0088】

図１１において、４つの白抜きの矢印は、それぞれ、対象磁界の第３の成分の方向がＺ方向であるときに、抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４に印加される磁界成分の方向を表している。また、図１１において、４つの塗りつぶした矢印は、それぞれ、抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４のＭＲ素子１００の磁化固定層１０２の磁化の方向を表している。抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ４のＭＲ素子１００の磁化固定層１０２の磁化の方向は、それぞれ、対象磁界の第３の成分の方向がＺ方向であるときに抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ４に印加される磁界成分の方向と同じ方向である。抵抗部Ｒｚ２，Ｒｚ３のＭＲ素子１００の磁化固定層１０２の磁化の方向は、それぞれ、対象磁界の第３の成分の方向がＺ方向であるときに抵抗部Ｒｚ２，Ｒｚ３に印加される磁界成分の方向とは反対方向である。

【0089】

ここで、第３の磁気センサ３０の作用について説明する。対象磁界の第３の成分が存在しない状態では、抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４のＭＲ素子１００の自由層１０４の磁化の方向は、磁化固定層１０２の磁化の方向に対して垂直である。

【0090】

対象磁界の第３の成分の方向がＺ方向であるときには、抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ４のＭＲ素子１００では、自由層１０４の磁化の方向は、磁化固定層１０２の磁化の方向に対して垂直な方向から、磁化固定層１０２の磁化の方向に向かって傾く。このとき、抵抗部Ｒｚ２，Ｒｚ３のＭＲ素子１００では、自由層１０４の磁化の方向は、磁化固定層１０２の磁化の方向に対して垂直な方向から、磁化固定層１０２の磁化の方向とは反対方向に向かって傾く。その結果、対象磁界の第３の成分が存在しない状態と比べて、抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ４の抵抗値は減少し、抵抗部Ｒｚ２，Ｒｚ３の抵抗値は増加する。

【0091】

対象磁界の第３の成分の方向が−Ｚ方向の場合は、上述の場合とは逆に、対象磁界の第３の成分が存在しない状態と比べて、抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ４の抵抗値は増加し、抵抗部Ｒｚ２，Ｒｚ３の抵抗値は減少する。

【0092】

抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４の抵抗値の変化量は、第３の成分の強度に依存する。

【0093】

対象磁界の第３の成分の方向と強度が変化すると、抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４のそれぞれの抵抗値は、抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ４の抵抗値が増加すると共に抵抗部Ｒｚ２，Ｒｚ３の抵抗値が減少するか、抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ４の抵抗値が減少すると共に抵抗部Ｒｚ２，Ｒｚ３の抵抗値が増加するように変化する。これにより、出力端子Ｖｚ＋と出力端子Ｖｚ−との間の電位差が変化する。従って、この電位差に基づいて、対象磁界の第３の成分を検出することができる。第３の磁気センサ３０は、出力端子Ｖｚ＋と出力端子Ｖｚ−との間の電位差に対応する第３の検出信号Ｓｚを生成する。第３の検出信号Ｓｚは、出力端子Ｖｚ＋と出力端子Ｖｚ−との間の電位差に対して振幅やオフセットの調整を施したものであってもよい。

【0094】

次に、図１２を参照して、第１ないし第３の磁気センサ１０，２０，３０の構造の一例について説明する。図１２は、第１ないし第３の磁気センサ１０，２０，３０のそれぞれの一部を示している。この例では、第１ないし第３の磁気センサ１０，２０，３０は、基板５１の上に配置されている。基板５１は、上面５１ａと下面５１ｂを有している。

【0095】

第１の磁気センサ１０は、抵抗部Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４の他に、それぞれ絶縁材料よりなる絶縁層６６Ａ，６７Ａ，６８Ａを含んでいる。絶縁層６６Ａは、基板５１の上面５１ａの上に配置されている。抵抗部Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４は、絶縁層６６Ａの上に配置されている。図１２には、抵抗部Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４に含まれる複数のＭＲ素子１００のうちの１つと、それに接続された下部接続層１１１および上部接続層１１２を示している。絶縁層６７Ａは、絶縁層６６Ａの上面の上において抵抗部Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４の周囲に配置されている。絶縁層６８Ａは、抵抗部Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４および絶縁層６７Ａを覆っている。

【0096】

第２の磁気センサ２０の構造は、第１の磁気センサ１０と同様である。すなわち、第２の磁気センサ２０は、抵抗部Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４の他に、それぞれ絶縁材料よりなる絶縁層６６Ｂ，６７Ｂ，６８Ｂを含んでいる。絶縁層６６Ｂは、基板５１の上面５１ａの上に配置されている。抵抗部Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４は、絶縁層６６Ｂの上に配置されている。図１２には、抵抗部Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４に含まれる複数のＭＲ素子１００のうちの１つと、それに接続された下部接続層１１１および上部接続層１１２を示している。絶縁層６７Ｂは、絶縁層６６Ｂの上面の上において抵抗部Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４の周囲に配置されている。絶縁層６８Ｂは、抵抗部Ｒｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４および絶縁層６７Ｂを覆っている。

【0097】

第３の磁気センサ３０は、抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４および軟磁性構造体４０の他に、それぞれ絶縁材料よりなる絶縁層６１，６２，６３，６４を含んでいる。図１２に示した例では、軟磁性構造体４０は、磁界変換部４２と、２つの軟磁性層４１，４３を含んでいる。

【0098】

磁界変換部４２は、図１１に示した下部ヨーク４２Ｂ１，４２Ｂ２，４２Ｂ３，４２Ｂ４および上部ヨーク４２Ｔ１，４２Ｔ２，４２Ｔ３，４２Ｔ４を含んでいる。図１２では、下部ヨーク４２Ｂ１，４２Ｂ２，４２Ｂ３，４２Ｂ４のうちの１つを符号４２Ｂで示し、それに対応する上部ヨーク４２Ｔ１，４２Ｔ２，４２Ｔ３，４２Ｔ４のうちの１つを符号４２Ｔで示している。

【0099】

軟磁性層４１は、基板５１の上面５１ａの上に配置されている。下部ヨーク４２Ｂ１，４２Ｂ２，４２Ｂ３，４２Ｂ４は、軟磁性層４１の上に配置されている。絶縁層６１は、軟磁性層４１の上において下部ヨーク４２Ｂ１，４２Ｂ２，４２Ｂ３，４２Ｂ４の周囲に配置されている。

【0100】

抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４は、絶縁層６１の上に配置されている。図１２には、抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４に含まれる複数のＭＲ素子１００のうちの１つと、それに接続された下部接続層１１１および上部接続層１１２を示している。絶縁層６２は、下部ヨーク４２Ｂ１，４２Ｂ２，４２Ｂ３，４２Ｂ４および絶縁層６１の上において抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４の周囲に配置されている。

【0101】

上部ヨーク４２Ｔ１，４２Ｔ２，４２Ｔ３，４２Ｔ４は、絶縁層６２の上に配置されている。絶縁層６３は、抵抗部Ｒｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４および絶縁層６２の上において上部ヨーク４２Ｔ１，４２Ｔ２，４２Ｔ３，４２Ｔ４の周囲に配置されている。

【0102】

軟磁性層４３は、上部ヨーク４２Ｔ１，４２Ｔ２，４２Ｔ３，４２Ｔ４および絶縁層６３の上に配置されている。絶縁層６４は、軟磁性層４３を覆っている。

【0103】

上方から見たときに、軟磁性層４１，４３は、第３の磁気センサ３０の全域またはほぼ全域にわたって存在する。言い換えると、基準平面ＲＰに軟磁性層４１を垂直投影してできる領域と、基準平面ＲＰに軟磁性層４３を垂直投影してできる領域は、いずれも、第３の領域Ａ３０と一致するかほぼ一致する。

【0104】

図１２に示した例では、第１ないし第３の磁気センサ１０，２０，３０に含まれる全ての磁気検出素子すなわちＭＲ素子１００は、基板５１の上面５１ａすなわち基準平面ＲＰから等しい距離の位置に配置されている。

【0105】

なお、磁界変換部４２は、下部ヨーク４２Ｂ１，４２Ｂ２，４２Ｂ３，４２Ｂ４と、上部ヨーク４２Ｔ１，４２Ｔ２，４２Ｔ３，４２Ｔ４の一方のみを含んでいてもよい。また、軟磁性構造体４０は、軟磁性層４１，４３の一方のみを含んでいてもよい。

【0106】

次に、図４を参照して、信号処理回路５が行う処理の内容と信号処理回路５の構成について説明する。信号処理回路５は、第１の処理と、第２の処理と、オフセット補正処理と、位置情報生成処理とを行う。前述の通り、信号処理回路５は、第１のプロセッサ７と第２のプロセッサ８とを備えている。第１のプロセッサ７は、アナログ−デジタル変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器と記す。）７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃを含んでいる。第２のプロセッサ８は、第１の処理を行う球体情報生成部８１と、第２の処理を行う判定部８２と、オフセット補正処理を行うオフセット補正部８３と、位置情報生成処理を行う位置情報生成部８４とを含んでいる。球体情報生成部８１、判定部８２、オフセット補正部８３および位置情報生成部８４は、それぞれ上述の処理を行う機能ブロックである。

【0107】

Ａ／Ｄ変換器７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃは、それぞれ、第１ないし第３の検出信号Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚをデジタル信号に変換する。デジタル信号に変換された第１ないし第３の検出信号Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚは、球体情報生成部８１、判定部８２およびオフセット補正部８３に入力される。

【0108】

第１の処理、第２の処理、オフセット補正処理および位置情報生成処理は、それぞれ、位置検出装置１の使用時に、繰り返し実行される。

【0109】

ここで、あるタイミングにおける第１ないし第３の検出信号Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚの値の組を測定データとし、前述の基準座標系において測定データを表す座標（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）を測定点とする。前述のように、磁気センサ装置４に対する磁界発生器２の相対的な位置が変化すると、基準座標系における磁界発生器２の位置は、所定の球面に沿って変化する。従って、複数のタイミングにおける複数の測定点を取得し、複数の測定点を基準座標系にプロットすると、複数の測定点の分布は、球面で近似することができる。本実施の形態では、この複数の測定点の分布を近似した球面を近似球面と言う。複数の測定点は、近似球面上または近似球面の近傍に分布する。

【0110】

球体情報生成部８１による第１の処理は、異なるタイミングにおける４つ以上の測定データを用いて、近似球面を有する仮想の球体の中心座標を求める。以下、第１の処理に用いられる測定データの候補となる４つ以上の測定データの集合を候補データ集合と言う。第１の処理は、候補データ集合を用いて行われるとも言える。

【0111】

第１の処理は、更に、候補データ集合を用いて仮想の球体の半径を求めてもよい。以下、仮想の球体の中心座標および半径のデータを含む情報を、球体情報と言う。仮想の球体の中心座標および半径は、例えば、４つの測定データと球面の方程式を用いて、４つの測定点を含む近似球面を決定することによって求めてもよい。あるいは、仮想の球体の中心座標および半径は、５つ以上の測定データと球面の方程式と最小二乗法とを用いて、５つ以上の測定点に最も近い近似球面を決定することによって求めてもよい。

【0112】

判定部８２による第２の処理は、候補データ集合を構成する４つ以上の測定データの全部または一部である４つ以上の測定データを用いて、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適しているか否かを判定する。以下、第２の処理に用いられる４つ以上の測定データの集合を、判定用データ集合と言う。第２の処理は、判定用データ集合を用いて行われるとも言える。

【0113】

本実施の形態では、第２の処理は、候補データ集合を用いた第１の処理と並行して行われる。第１の処理は、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適しているか否かに関わらずに、候補データ集合を用いて仮想の球体の中心座標を求める処理を開始する。本実施の形態では、第２の処理は、第１の処理よりも短時間で完了する。そのため、第１の処理によって仮想の球体の中心座標が求まる前に、第２の処理による判定が完了する。以下、第１の処理に用いるのに適していると判定された候補データ集合を用いて、第１の処理によって求められた中心座標は、適正な中心座標である。第１の処理は、適正な中心座標を保持すると共に、新たな適正な中心座標が得られるたびに、保持している適正な中心座標を更新する。

【0114】

判定部８２は、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していないと判定した場合には、中止指令を球体情報生成部８１に対して出力する。判定部８２は、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していると判定した場合には、中止指令を出力しない。

【0115】

球体情報生成部８１は、中止指令を受信したら、第１の処理を中止する。球体情報生成部８１は、仮想の球体の中心座標が求まるまでに中止指令を受信しなかった場合には、求めた中心座標を、適正な中心座標として保持する。また、球体情報生成部８１は、保持している適正な中心座標を、オフセット補正部８３に対して出力する。このようにして、第１の処理は、第２の処理によって候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していると判定された場合にのみ、求めた中心座標を、適正な中心座標としてオフセット補正部８３に対して出力する。本実施の形態では、球体情報生成部８１および第１の処理によって保持および出力される中心座標は、適正な中心座標である。

【0116】

球体情報生成部８１は、第１の処理を中止した場合と、適正な中心座標を更新した場合のいずれにおいても、直ちに、あるいは所定のタイミングで、新たな候補データ集合を用いて仮想の球体の中心座標を求める処理を開始する。

【0117】

候補データ集合を構成する測定データの数は５つ以上であってもよい。この場合、判定用データ集合を構成する測定データの数は、候補データ集合を構成する測定データの数よりも少なくてもよいし、候補データ集合を構成する測定データの数と等しくてもよい。候補データ集合を構成する測定データの数が４つの場合は、判定用データ集合を構成する測定データの数は、候補データ集合を構成する測定データの数と等しく、４つである。

【0118】

球体情報生成部８１は、候補データ集合を構成する４つ以上の測定データを時系列データとして取得する。判定用データ集合を構成する測定データの数が、候補データ集合を構成する測定データの数よりも少ない場合には、判定部８２は、判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データとして、球体情報生成部８１が候補データ集合を取得する期間のうちの一部の期間における４つ以上の測定データを間引くことなく取得してもよい。あるいは、判定部８２は、球体情報生成部８１が取得する時系列的データの一部を所定の時間間隔を開けて取得して、判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データとしてもよい。

【0119】

オフセット補正部８３によるオフセット補正処理は、第１ないし第３の検出信号Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚと、球体情報生成部８１が保持および出力する適正な中心座標とを用いて、第１ないし第３の検出信号Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚのオフセットを補正して、第１ないし第３の補正後信号を生成し、第１ないし第３の補正後信号を位置情報生成部８４に対して出力する。

【0120】

なお、球体情報生成部８１は、初期球体情報を保持していてもよい。初期球体情報は、前記の仮想の球体の中心座標の初期値および半径の初期値のデータを含んでいる。中心座標の初期値および半径の初期値のデータは、例えば、位置検出装置１が適用される関節機構３００の構成に基づいて、関節機構３００を含む機器の出荷前に決定される。中心座標の初期値も、適正な中心座標である。

【0121】

位置情報生成部８４における位置情報生成処理は、第１ないし第３の補正後信号に基づいて、磁気センサ装置４に対する磁界発生器２の相対的な位置を表す位置情報を生成する。

【0122】

次に、判定部８２による第２の処理について具体的に説明する。第２の処理は、基準座標系において判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データに対応する４つ以上の測定点が、それらが１つの平面上に位置しているか、あるいは１つの平面上およびその近傍の範囲内に分布していることを表す所定の判定基準を満たす場合には、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していないと判定し、それ以外の場合には、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していると判定する。

【0123】

本実施の形態では、第２の処理は、最小二乗法を用いて近似平面を決定する処理を含んでいる。近似平面は、基準座標系において判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データに対応する４つ以上の測定点の分布を近似した平面である。ここで、第１の検出信号Ｓｘの値を第１の変数ｘとし、第２の検出信号Ｓｙの値を第２の変数ｙとし、第３の検出信号Ｓｚの値を第３の変数ｚとすると、近似平面は、例えば、下記の式（１）で表される。なお、式（１）におけるａ，ｂ，ｃは、定数である。

【0124】

ｚ＝ａ・ｘ＋ｂ・ｙ＋ｃ …（１）

【0125】

ここで、Ｎ個（Ｎは４以上の整数）の測定点を、１番目ないしＮ番目の測定点と呼ぶ。そして、ｉ番目（ｉは、１以上Ｎ以下の任意の整数）の測定点を、（Ｓｘｉ，Ｓｙｉ，Ｓｚｉ）と表す。最小二乗法では、例えば、式（１）のｘ，ｙにＳｘｉ，Ｓｙｉを代入して得られるｚの値とＳｚｉとの残差の二乗の総和である残差二乗和ＲＳＳを求める。そして、残差二乗和ＲＳＳが最小になるａ，ｂ，ｃを求めることによって、近似平面を決定する。残差二乗和ＲＳＳは、下記の式（２）によって算出される。なお、式（２）における“Σ”は、１からＮまでのｉについて総和を表す。

【0126】

ＲＳＳ＝Σ（ａ・Ｓｘｉ＋ｂ・Ｓｙｉ＋ｃ−Ｓｚｉ）² …（２）

【0127】

Ｎ個の測定点が近似平面上およびその近傍の範囲内に分布している場合には、残差二乗和ＲＳＳは小さくなる。特に、Ｎ個の測定点の全てが近似平面上に位置している場合には、残差二乗和ＲＳＳは０になる。本実施の形態では、第２の処理は、残差二乗和ＲＳＳの上記の性質を利用して、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適しているか否かを判定する。本実施の形態における判定基準は、上述のように最小二乗法を用いて近似平面を決定する際に得られる残差二乗和ＲＳＳが所定の閾値ＴＨ１以下であるというものである。

【0128】

閾値ＴＨ１が０である場合には、判定基準は、判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データに対応する４つ以上の測定点が１つの平面上に位置していることを表すものとなる。閾値ＴＨ１が０よりも大きい場合には、判定基準は、判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データに対応する４つ以上の測定点が１つの平面上およびその近傍の範囲内に分布していることを表すものとなる。

【0129】

第２の処理は、残差二乗和ＲＳＳが閾値ＴＨ１以下の場合には、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していないと判定し、それ以外の場合には、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していると判定する。

【0130】

ここで、閾値ＴＨ１の例について説明する。残差二乗和ＲＳＳのディメンションは、長さの二乗である。そのため、閾値ＴＨ１のディメンションも、長さの二乗である。前述のように、球体情報生成部８１が初期球体情報を保持している場合、閾値ＴＨ１は、例えば、仮想の球体の半径の初期値の二乗に比例する値であってもよい。ここで、仮想の球体の半径の初期値を記号Ｒ₀で表す。閾値ＴＨ１は、例えば、初期値Ｒ₀の二乗と、測定点の数Ｎと、閾値調整値Ｃ１の積Ｃ１・Ｎ・Ｒ₀²であってもよい。残差二乗和ＲＳＳは０以上であることから、閾値ＴＨ１も０以上である必要がある。ＮとＲ₀²は正の値であることから、閾値調整値Ｃ１は０以上である必要がある。

【0131】

残差二乗和ＲＳＳを測定点の数Ｎで割った値ＲＳＳ／Ｎは、残差の二乗の平均値である。閾値ＴＨ１がＣ１・Ｎ・Ｒ₀²である場合、判定基準は、残差の二乗の平均値ＲＳＳ／Ｎが、Ｃ１・Ｒ₀²以下であることを表している。本実施の形態における判定基準は、残差の二乗の平均値ＲＳＳ／Ｎが、半径の初期値Ｒ₀の二乗に比べて、十分に小さいことを表している。

【0132】

閾値調整値Ｃ１は、閾値ＴＨ１を調整するための値である。閾値調整値Ｃ１が小さいほど閾値ＴＨ１も小さくなる。閾値調整値Ｃ１は、０．５よりも小さいことが好ましく、０．２以下であることがより好ましい。例えば、閾値調整値Ｃ１が０である場合には、閾値ＴＨ１も０である。この場合には、判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データに対応する４つ以上の測定点の全てが近似平面上に位置している場合にのみ、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していないと判定される。閾値調整値Ｃ１が０よりも大きいが、１よりも十分に小さい値である場合には、判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データに対応する４つ以上の測定点が近似平面上およびその近傍の範囲内に分布している場合に、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していないと判定される。

【0133】

次に、オフセット補正部８３によるオフセット補正処理と位置情報生成部８４による位置情報生成処理について具体的に説明する。以下の説明では、第１の補正後信号を記号ＣＳｘで表し、第２の補正後信号を記号ＣＳｙで表し、第３の補正後信号を記号ＣＳｚで表し、仮想の球体の中心座標を（ｃｘ，ｃｙ，ｃｚ）と表す。

【0134】

前述のように、基準座標系における磁界発生器２の位置は、所定の球面に沿って変化し、複数の測定点は、近似球面上または近似球面の近傍に分布する。また、所定の球面の中心は、第１の球面の中心すなわち基準位置と一致しているか、ほぼ一致している。従って、オフセットが生じていなければ、近似球面を有する仮想の球体の中心座標（ｃｘ，ｃｙ，ｃｚ）は、基準位置と一致するか、ほぼ一致する。しかし、オフセットが生じると、仮想の球体の中心座標（ｃｘ，ｃｙ，ｃｚ）は、基準位置からずれてしまう。

【0135】

基準座標系の原点は、基準位置であってもよい。この場合、オフセット補正処理は、例えば、球体情報生成処理において算出した仮想の球体の中心座標（ｃｘ，ｃｙ，ｃｚ）が基準座標系の原点（０，０，０）になるように、測定点（Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚ）を点（Ｓｘ−ｃｘ，Ｓｙ−ｃｙ，Ｓｚ−ｃｚ）に変換する処理であってもよい。この場合、第１ないし第３の補正後信号ＣＳｘ，ＣＳｙ，ＣＳｚは、それぞれ下記の式（３）〜（５）で表される。

【0136】

ＣＳｘ＝Ｓｘ−ｃｘ …（３）
ＣＳｙ＝Ｓｙ−ｃｙ …（４）
ＣＳｚ＝Ｓｚ−ｃｚ …（５）

【0137】

基準座標系における点（ＣＳｘ，ＣＳｙ，ＣＳｚ）は、基準座標系における磁界発生器２の座標と対応関係を有している。位置情報生成処理は、例えば、点（ＣＳｘ，ＣＳｙ，ＣＳｚ）の各成分すなわち第１ないし第３の補正後信号ＣＳｘ，ＣＳｙ，ＣＳｚを補正して、基準座標系における磁界発生器２の座標を求める処理であってもよい。第１ないし第３の補正後信号ＣＳｘ，ＣＳｙ，ＣＳｚの補正は、例えば、基準座標系における原点から点（ＣＳｘ，ＣＳｙ，ＣＳｚ）までの距離が、磁気センサ装置４から磁界発生器２までの実際の距離と等しくなるように、第１ないし第３の補正後信号ＣＳｘ，ＣＳｙ，ＣＳｚの各々に所定の補正係数を乗算することによって行われる。

【0138】

次に、図１３を参照して、第１の処理について説明する。図１３は、第１の処理を示すフローチャートである。第１の処理は、位置検出装置１の使用時に、繰り返し実行される。

【0139】

第１の処理では、まず、前述のように取得した候補データ集合を用いて、仮想の球体の中心座標を求める処理を開始する（ステップＳ１）。

【0140】

第１の処理では、次に、判定部８２から中止指令が来たか否かを確認する（ステップＳ２）。ステップＳ２において中止指令が来ていない場合（ＮＯ）には、仮想の球体の中心座標を求める処理が完了したか否かを判断する（ステップＳ３）。ステップＳ３において処理が完了していないと判断された場合（ＮＯ）には、ステップＳ２に戻る。

【0141】

ステップＳ３において処理が完了したと判断された場合（ＹＥＳ）には、第２の処理において、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していると判定され、且つ第１の処理において、適正な中心座標が得られたことになる。この場合には、得られた中心座標で、保持している適正な中心座標を更新して（ステップＳ４）、１回の第１の処理を終了する。

【0142】

ステップＳ２において中止指令が来た場合（ＹＥＳ）には、仮想の球体の中心座標を求める処理を中止して（ステップＳ５）、１回の第１の処理を終了する。

【0143】

次に、図１４を参照して、第２の処理について説明する。図１４は、第２の処理を示すフローチャートである。第２の処理は、位置検出装置１の使用時に、繰り返し実行される。

【0144】

第２の処理では、まず、前述のように取得した判定用データ集合を用いて、最小二乗法を用いて近似平面を決定する処理を実行する（ステップＳ１１）。次に、ステップＳ１１において得られた残差二乗和ＲＳＳが閾値ＴＨ１以下であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２において残差二乗和ＲＳＳが閾値ＴＨ１以下である場合（ＹＥＳ）には、中止指令を球体情報生成部８１に対して出力して（ステップＳ１３）、１回の第２の処理を終了する。ステップＳ１２において残差二乗和ＲＳＳが閾値ＴＨ１以下ではない場合（ＮＯ）には、中止指令を出力することなく、１回の第２の処理を終了する。次回の第２の処理は、次回の第１の処理と同時に開始される。

【0145】

以下、本実施の形態に係る位置検出装置１、信号処理回路５および磁気センサシステム３による効果について説明する。

【0146】

基準座標系において候補データ集合を構成する４つ以上の測定データに対応する４つ以上の測定点が１つの平面上に位置している場合には、この４つ以上の測定点を用いて仮想の球体の中心座標を決定することはできない。また、この４つ以上の測定点が１つの平面の近傍に分布している場合には、この４つ以上の測定点を用いて仮想の球体の中心座標を決定すると、その中心座標は精度の悪いものになる可能性がある。従って、このような候補データ集合は、仮想の球体の中心座標を決定するのに適さないものである。

【0147】

本実施の形態では、信号処理回路５は、候補データ集合を用いて仮想の球体の中心座標を決定する第１の処理と、判定用データ集合を用いて、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適しているか否かを判定する第２の処理とを行う。本実施の形態によれば、信号処理回路５が第２の処理を行うことにより、信号処理回路５に与えられた候補データ集合が、近似球面を有する仮想の球体の中心座標を求める第１の処理に用いるのに適しているか否かを判定することができる。判定用データ集合は、候補データ集合を構成する４つ以上の測定データの全部または一部である４つ以上の測定データの集合である。判定用データ集合を用いた第２の処理によって、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していないと判定された場合には、実際に、候補データ集合が仮想の球体の中心座標を決定するのに適さないものである可能性がある。

【0148】

また、第１の処理では、第１の処理に用いるのに適していると判定された候補データ集合を用いて求められた適正な中心座標を保持する。オフセット補正処理は、この適正な中心座標を用いて、オフセットの補正を行う。そのため、本実施の形態によれば、オフセットの補正に用いられる仮想の球体の中心座標の信頼性を高めることができ、その結果、オフセットの補正の信頼性を高めることができる。

【0149】

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態では、判定部８２による第２の処理の内容が、第１の実施の形態と異なっている。以下、本実施の形態における第２の処理について具体的に説明する。

【0150】

ここで、複数の測定点を、基準座標系におけるＸＹ平面、ＹＺ平面およびＸＺ平面に投影することを考える。以下、これらの平面に投影した測定点を、投影点と言う。もし、判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データに対応する４つ以上の測定点が１つの平面上に位置しているか、あるいは１つの平面上およびその近傍の範囲内に分布している場合には、ＸＹ平面、ＹＺ平面およびＸＺ平面のうちの少なくとも１つにおいて、４つ以上の測定点に対応する４つ以上の投影点は、１つの直線上およびその近傍の範囲内に分布する可能性が高い。逆に、ＸＹ平面、ＹＺ平面およびＸＺ平面のうちの少なくとも１つにおいて、４つ以上の測定点に対応する４つ以上の投影点が１つの直線上およびその近傍の範囲内に分布している場合には、判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データに対応する４つ以上の測定点は、１つの平面上に位置しているか、あるいは１つの平面上およびその近傍の範囲内に分布している可能性が高い。

【0151】

ＸＹ平面において４つ以上の投影点が１つの直線上およびその近傍の範囲内に分布するということは、第１の検出信号Ｓｘと第２の検出信号Ｓｙの相関関係が強いことを意味する。同様に、ＹＺ平面において４つ以上の投影点が１つの直線上およびその近傍の範囲内に分布するということは、第２の検出信号Ｓｙと第３の検出信号Ｓｚの相関関係が強いことを意味する。同様に、ＸＺ平面において４つ以上の投影点が１つの直線上およびその近傍の範囲内に分布するということは、第１の検出信号Ｓｘと第３の検出信号Ｓｚの相関関係が強いことを意味する。相関関係が強いというのは、具体的には、相関係数の絶対値が１であるか１に近いということである。

【0152】

ここで、第１の検出信号Ｓｘの値を第１の変数ｘとし、第２の検出信号Ｓｙの値を第２の変数ｙとし、第３の検出信号Ｓｚの値を第３の変数ｚとする。第１の変数ｘと第２の変数ｙについての第１の相関係数ｒ_xyは、下記の式（６）によって求められる。式（６）において、ｓ_xyは第１の変数ｘと第２の変数ｙの共分散であり、ｓ_xは第１の変数ｘの標準偏差であり、ｓ_yは第２の変数ｙの標準偏差である。

【0153】

ｒ_xy＝ｓ_xy／（ｓ_x・ｓ_y） …（６）

【0154】

第２の変数ｙと第３の変数ｚについての第２の相関係数ｒ_yzは、下記の式（７）によって求められる。式（７）において、ｓ_yzは第２の変数ｙと第３の変数ｚの共分散であり、ｓ_zは第３の変数ｚの標準偏差である。

【0155】

ｒ_yz＝ｓ_yz／（ｓ_y・ｓ_z） …（７）

【0156】

第１の変数ｘと第３の変数ｚについての第３の相関係数ｒ_xzは、下記の式（８）によって求められる。式（８）において、ｓ_xzは第１の変数ｘと第３の変数ｚの共分散である。

【0157】

ｒ_xz＝ｓ_xz／（ｓ_x・ｓ_z） …（８）

【0158】

本実施の形態では、第２の処理は、第１ないし第３の相関係数ｒ_xy，ｒ_yz，ｒ_xzを利用して、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適しているか否かを判定する。具体的には、本実施の形態では、第２の処理は、第１ないし第３の相関係数ｒ_xy，ｒ_yz，ｒ_xzを求める処理を含んでいる。第２の処理における判定基準は、第１ないし第３の相関係数ｒ_xy，ｒ_yz，ｒ_xzのうちの少なくとも１つの絶対値が所定の閾値ＴＨ２以上であるというものである。第１ないし第３の相関係数ｒ_xy，ｒ_yz，ｒ_xzのうちの少なくとも１つの絶対値が大きければ、ＸＹ平面、ＹＺ平面およびＸＺ平面のうちの少なくとも１つにおいて、４つ以上の測定点に対応する４つ以上の投影点が１つの直線上およびその近傍の範囲内に分布していることになる。従って、第１ないし第３の相関係数ｒ_xy，ｒ_yz，ｒ_xzのうちの少なくとも１つの絶対値が大きければ、判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データに対応する４つ以上の測定点が、１つの平面上に位置しているか、あるいは１つの平面上およびその近傍の範囲内に分布していると言える。そのため、本実施の形態における判定基準は、第１の実施の形態における判定基準と同様に、基準座標系において判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データに対応する４つ以上の測定点が、それらが１つの平面上に位置しているか、あるいは１つの平面上およびその近傍の範囲内に分布していることを表すものである。

【0159】

第２の処理は、第１ないし第３の相関係数ｒ_xy，ｒ_yz，ｒ_xzのうちの少なくとも１つの絶対値が閾値ＴＨ２以上である場合には、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していないと判定し、それ以外の場合には、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していると判定する。

【0160】

相関係数の絶対値は、０以上１以下である。閾値ＴＨ２は、１以下である。閾値ＴＨ２は、０．５よりも大きいことが好ましく、０．７以上であることがより好ましい。閾値ＴＨ２が１である場合には、判定基準は、ＸＹ平面、ＹＺ平面およびＸＺ平面のうちの少なくとも１つにおいて、４つ以上の測定点に対応する４つ以上の投影点が１つの直線上に位置し、４つ以上の測定点が１つの平面上に位置していることを表すものとなる。閾値ＴＨ２が１よりも小さいが、０よりも十分に大きい場合には、判定基準は、４つ以上の測定点が１つの平面上およびその近傍の範囲内に分布していることを表すものとなる。

【0161】

次に、図１５を参照して、本実施の形態における第２の処理について説明する。図１５は、第２の処理を示すフローチャートである。第２の処理は、位置検出装置１の使用時に、繰り返し実行される。

【0162】

第２の処理では、まず、判定用データ集合を用いて、第１ないし第３の相関係数ｒ_xy，ｒ_yz，ｒ_xzを求める処理を実行する（ステップＳ２１）。次に、ステップＳ２１において得られた第１ないし第３の相関係数ｒ_xy，ｒ_yz，ｒ_xzのうちの少なくとも１つの絶対値が閾値ＴＨ２以上であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。ステップＳ２２において第１ないし第３の相関係数ｒ_xy，ｒ_yz，ｒ_xzのうちの少なくとも１つの絶対値が閾値ＴＨ２以上である場合（ＹＥＳ）には、中止指令を球体情報生成部８１に対して出力して（ステップＳ２３）、１回の第２の処理を終了する。ステップＳ２２において第１ないし第３の相関係数ｒ_xy，ｒ_yz，ｒ_xzのうちの少なくとも１つの絶対値が閾値ＴＨ２以上ではない場合（ＮＯ）には、中止指令を出力することなく、１回の第２の処理を終了する。次回の第２の処理は、次回の第１の処理と同時に開始される。

【0163】

本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。

【0164】

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態では、判定部８２による第２の処理の内容が、第１の実施の形態と異なっている。以下、本実施の形態における第２の処理について具体的に説明する。

【0165】

本実施の形態では、判定用データ集合を構成する測定データの数は４つである。ここで、基準座標系において、判定用データ集合を構成する４つの測定データに対応する４つの測定点を４つの頂点とする四面体を考える。４つの頂点が、１つの平面上およびその近傍の範囲内に分布している場合には、上記の四面体の体積Ｖは０または０に近い値になる。特に、４つの頂点が１つの平面上に位置している場合には、体積Ｖは０になる。

【0166】

本実施の形態では、第２の処理は、四面体の体積Ｖを利用して、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適しているか否かを判定する。具体的には、本実施の形態では、第２の処理は、四面体の体積Ｖを求める処理を含んでいる。第２の処理における判定基準は、四面体の体積Ｖが所定の閾値ＴＨ３以下であるというものである。第２の処理は、四面体の体積Ｖが閾値ＴＨ３以下である場合には、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していないと判定し、それ以外の場合には、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していると判定する。

【0167】

ここで、判定用データ集合を構成する４つの測定データに対応する４つの測定点を、（Ｓｘ１，Ｓｙ１，Ｓｚ１）、（Ｓｘ２，Ｓｙ２，Ｓｚ２）、（Ｓｘ３，Ｓｙ３，Ｓｚ３）、（Ｓｘ４，Ｓｙ４，Ｓｚ４）と表す。この４つの測定点に関して、下記の式（９）で表される行列式Ｄを定義する。

【0168】

【数1】

【0169】

４つの測定点（Ｓｘ１，Ｓｙ１，Ｓｚ１）、（Ｓｘ２，Ｓｙ２，Ｓｚ２）、（Ｓｘ３，Ｓｙ３，Ｓｚ３）、（Ｓｘ４，Ｓｙ４，Ｓｚ４）を４つの頂点とする四面体の体積Ｖは、行列式Ｄを用いて、下記の式（１０）によって算出される。

【0170】

Ｖ＝｜Ｄ｜／６ …（１０）

【0171】

四面体の体積Ｖが小さければ、判定用データ集合を構成する４つの測定データに対応する４つの測定点が、１つの平面上およびその近傍に分布していることになる。特に、四面体の体積Ｖが０であれば、判定用データ集合を構成する４つの測定データに対応する４つの測定点が、１つの平面上に位置していることになる。そのため、本実施の形態における判定基準は、基準座標系において判定用データ集合を構成する４つの測定データに対応する４つの測定点が、それらが１つの平面上に位置しているか、あるいは１つの平面上およびその近傍の範囲内に分布していることを表すものである。

【0172】

ここで、閾値ＴＨ３の例について説明する。四面体の体積Ｖのディメンションは、長さの三乗である。そのため、閾値ＴＨ３のディメンションも、長さの三乗である。前述のように、球体情報生成部８１が初期球体情報を保持している場合、閾値ＴＨ３は、例えば、半径の初期値Ｒ₀を半径とする仮想の球体に内接する正四面体の体積Ｖ₀に比例する値であってもよい。閾値ＴＨ３は、例えば、正四面体の体積Ｖ₀と、閾値調整値Ｃ３の積Ｃ３・Ｖ₀であってもよい。

【0173】

正四面体の体積Ｖ₀は、以下のように、半径の初期値Ｒ₀を用いて求めることができる。半径の初期値Ｒ₀を半径とする仮想の球体に内接する正四面体の１辺の長さａ₀は、半径の初期値Ｒ₀を用いて、下記の式（１１）で表される。

【0174】

ａ₀＝２・√（６）・Ｒ₀／３ …（１１）

【0175】

また、正四面体の体積Ｖ₀は、長さａ₀を用いて、下記の式（１２）で表される。

【0176】

Ｖ₀＝√（２）・ａ₀³／１２ …（１２）

【0177】

式（１２）に式（１１）を代入すると、半径の初期値Ｒ₀を用いて正四面体の体積Ｖ₀を求める式（１３）が得られる。

【0178】

Ｖ₀＝√（２）・（２・√（６）・Ｒ₀／３）³／１２
＝８・√（３）・Ｒ₀³／２７ …（１３）

【0179】

閾値調整値Ｃ３は、閾値ＴＨ３を調整するための値である。閾値調整値Ｃ３は、０以上１以下の値に限られる。閾値調整値Ｃ３が小さいほど閾値ＴＨ３も小さくなる。閾値調整値Ｃ３は、０．５よりも小さいことが好ましく、０．２以下であることがより好ましい。例えば、閾値調整値Ｃ３が０である場合には、閾値ＴＨ３も０である。この場合には、判定用データ集合を構成する４つの測定データに対応する４つの測定点の全てが１つの平面上に位置している場合にのみ、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していないと判定される。閾値調整値Ｃ３が０よりも大きいが、１よりも十分に小さい値である場合には、判定用データ集合を構成する４つの測定データに対応する４つの測定点が近似平面上およびその近傍の範囲内に分布している場合に、候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していないと判定される。

【0180】

次に、図１６を参照して、本実施の形態における第２の処理について説明する。図１６は、第２の処理を示すフローチャートである。第２の処理は、位置検出装置１の使用時に、繰り返し実行される。

【0181】

第２の処理では、まず、判定用データ集合を用いて、四面体の体積Ｖを求める処理を実行する（ステップＳ３１）。次に、ステップＳ３１において得られた四面体の体積Ｖが閾値ＴＨ３以下であるか否かを判定する（ステップＳ３２）。ステップＳ３２において四面体の体積Ｖが閾値ＴＨ３以下である場合（ＹＥＳ）には、中止指令を球体情報生成部８１に対して出力して（ステップＳ３３）、１回の第２の処理を終了する。ステップＳ３２において四面体の体積Ｖが閾値ＴＨ３以下ではない場合（ＮＯ）には、中止指令を出力することなく、１回の第２の処理を終了する。次回の第２の処理は、次回の第１の処理と同時に開始される。

【0182】

本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１の実施の形態と同様である。

【0183】

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。始めに、図１７を参照して、本実施の形態に係る信号処理回路５が第１の実施の形態と異なる点について説明する。図１７は、本実施の形態に係る磁気センサシステム３の構成を示す機能ブロック図である。

【0184】

本実施の形態に係る信号処理回路５の第２のプロセッサ８は、第１の実施の形態で説明した球体情報生成部８１、判定部８２、オフセット補正部８３および位置情報生成部８４に加えて、記憶部８５を含んでいる。本実施の形態では、信号処理回路５の第１のプロセッサ７のＡ／Ｄ変換器７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃによってデジタル信号に変換された第１ないし第３の検出信号Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚは、オフセット補正部８３と記憶部８５に入力される。

【0185】

記憶部８５は、４つ以上の測定データの集合である候補データ集合を記憶する。本実施の形態では、判定部８２による第２の処理は、判定用データ集合を構成する４つ以上の測定データを記憶部８５から取得する。

【0186】

第２の処理の内容は、第１の実施の形態における第２の処理と同じ内容であってもよいし、第２の実施の形態における第２の処理と同じ内容であってもよいし、第３の実施の形態における第２の処理と同じ内容であってもよい。

【0187】

本実施の形態では、球体情報生成部８１による第１の処理は、第２の処理によって第１の処理に用いるのに適していると判定された候補データ集合を用いて行われる。具体的には、球体情報生成部８１は、第２の処理によって、記憶部８５に記憶された候補データ集合が第１の処理に用いるのに適していると判定された場合にのみ、記憶部８５から候補データ集合を取得して、これを用いて第１の処理を行う。

【0188】

次に、図１８を参照して、第１および第２の処理に関する第２のプロセッサ８の動作について説明する。図１８は、第２のプロセッサ８の動作を示すフローチャートである。図１８に示した動作は、位置検出装置１の使用時に、繰り返し実行される。ここでは、第２の処理の内容が、第１の実施の形態における第２の処理と同じ内容である場合を例にとって説明する。

【0189】

図１８に示した動作では、まず、記憶部８５が、候補データ集合を記憶する（ステップＳ４１）。次に、判定部８２が、前述のように記憶部８５から判定用データ集合を取得して、取得した判定用データ集合を用いて、最小二乗法を用いて近似平面を決定する処理を実行する（ステップＳ４２）。次に、判定部８２は、ステップＳ４２において得られた残差二乗和ＲＳＳが閾値ＴＨ１以下であるか否かを判定する（ステップＳ４３）。ステップＳ４３において残差二乗和ＲＳＳが閾値ＴＨ１以下ではない場合（ＮＯ）には、球体情報生成部８１が、記憶部８５から候補データ集合を取得して、取得した候補データ集合を用いて第１の処理を実行して（ステップＳ４４）、１回の動作を終了する。ステップＳ４３において残差二乗和ＲＳＳが閾値ＴＨ１以下である場合（ＹＥＳ）には、第１の処理を実行することなく、１回の動作を終了する。

【0190】

図１８に示した動作では、ステップＳ４２，Ｓ４３が、第２の処理に対応する。本実施の形態における第２の処理の内容が、第２の実施の形態における第２の処理と同じ内容である場合には、図１８に示したステップＳ４１を実行した後、判定部８２が第１のステップと第２のステップを順に実行する。第１のステップでは、判定用データ集合を用いて、第１ないし第３の相関係数ｒ_xy，ｒ_yz，ｒ_xzを求める。第２のステップでは、第１のステップにおいて得られた第１ないし第３の相関係数ｒ_xy，ｒ_yz，ｒ_xzのうちの少なくとも１つの絶対値が閾値ＴＨ２以上であるか否かを判定する。第２のステップにおいて第１ないし第３の相関係数ｒ_xy，ｒ_yz，ｒ_xzのうちの少なくとも１つの絶対値が閾値ＴＨ２以上ではない場合には、次に、図１８に示したステップＳ４４を実行して、１回の動作を終了する。第２のステップにおいて第１ないし第３の相関係数ｒ_xy，ｒ_yz，ｒ_xzのうちの少なくとも１つの絶対値が閾値ＴＨ２以上である場合には、第１の処理を実行することなく、１回の動作を終了する。

【0191】

また、本実施の形態における第２の処理の内容が、第３の実施の形態における第２の処理と同じ内容である場合には、図１８に示したステップＳ４１を実行した後、判定部８２が、第３のステップと第４のステップを順に実行する。第３のステップでは、判定用データ集合を用いて、四面体の体積Ｖを求める。第４のステップでは、第３のステップにおいて得られた四面体の体積Ｖが閾値ＴＨ３以下であるか否かを判定する。第４のステップにおいて四面体の体積Ｖが閾値ＴＨ３以下ではない場合には、次に、図１８に示したステップＳ４４を実行して、１回の動作を終了する。第４のステップにおいて四面体の体積Ｖが閾値ＴＨ３以下である場合には、第１の処理を実行することなく、１回の動作を終了する。

【0192】

本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第１ないし第３の実施の形態のいずれかと同様である。

【0193】

なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明の信号処理回路および磁気センサシステムは、磁気センサ装置に対する磁界発生器の相対的な位置を検出する場合に限らず、所定の磁界の中で回転可能に構成された磁気センサ装置の姿勢を検出する場合にも適用することができる。

【符号の説明】

【0194】

１…位置検出装置、２…磁界発生器、３…磁気センサシステム、４…磁気センサ装置、５…信号処理回路、７…第１のプロセッサ、８…第２のプロセッサ、１０…第１の磁気センサ、２０…第２の磁気センサ、３０…第３の磁気センサ、８１…球体情報生成部、８２…判定部、８３…オフセット補正部、８４…位置情報生成部、２００…磁気センサ組立体、３００…関節機構。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】