JPH0749231A - 移動体の位置および方向の検出装置 - Google Patents
移動体の位置および方向の検出装置Info
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- JPH0749231A JPH0749231A JP3282372A JP28237291A JPH0749231A JP H0749231 A JPH0749231 A JP H0749231A JP 3282372 A JP3282372 A JP 3282372A JP 28237291 A JP28237291 A JP 28237291A JP H0749231 A JPH0749231 A JP H0749231A
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- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
- G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
- G01D5/2086—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by movement of two or more coils with respect to two or more other coils
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Abstract
(57)【要約】
【目的】磁場送信器およびセンサーを双極子理論により
近づける。 【構成】磁場発生器およびセンサーのそれぞれが、それ
ぞれ直交する軸に配設された３つのコイルの組（２，１
３、５，８，１４）（２’，１３’、５’，８’，１
４’）を有している。これらのコイル群はヘルムホルツ
コイルである。コイル（１３，１４；１３’，１４’）
は、立方体（１；１’）の凹部内の異なる深さ有する溝
の組（２，５，８；２’，５’，８’）内に巻回されて
いる。
近づける。 【構成】磁場発生器およびセンサーのそれぞれが、それ
ぞれ直交する軸に配設された３つのコイルの組（２，１
３、５，８，１４）（２’，１３’、５’，８’，１
４’）を有している。これらのコイル群はヘルムホルツ
コイルである。コイル（１３，１４；１３’，１４’）
は、立方体（１；１’）の凹部内の異なる深さ有する溝
の組（２，５，８；２’，５’，８’）内に巻回されて
いる。
Description
【産業上の利用分野】本発明は、移動体の位置と方向を
決定する磁場発生器およびセンサーに関する。
決定する磁場発生器およびセンサーに関する。
【従来の技術】電磁位置検出の原理は、通常固体である
移動体の位置と方向を基準マークで決定することにおい
て知られている。この原理の適用例の一つに、歩兵、軍
人、戦車の運転員あるいは航空機のパイロッ卜が兵器、
ミサイルあるいはナビゲーションカメラ等をコントロー
ルするために、頭部に装着するへルメット型ファインダ
ーの視界の方向を決定することが挙げられる。上記検出
の原理においては、測定を行う対称マークまたは対称フ
レームと関連づけられた磁場送信器または磁場発生器、
位置と方向が決定される移動体に取り付けられた磁場受
信器またはセンサー、アナログアンプ有する電子処理回
路、コンピューター、プロセシングアルゴリズムが用い
られる。この場合、磁場派生器は、双極子理論の状態を
満足するものでなければならない。すなわち、放射の数
学的説明のための座標系が双極子に集中する球であると
ともに、自由空間のグリーン関数（Ｇｒｅｅｎ Ｆｕｎ
ｃｔｉｏｎ）が放射座標にのみ依存するものでなければ
ならない。一方、磁場センサーは、可能な限り精密でな
ければならない。磁場送信器が２つあるいは３つの直交
する軸に沿って連続的あるいは多重に磁場を放射する
と、磁場センサーは、３つあるいは２つの直交する軸に
沿うその磁場の成分と、３つの軸に沿う通常なされる送
信と受信とを連続的に検出するようになっている。この
ように、磁場センサーは、送信軸の経由によって３つの
測定要素を与えるものである。つまり、磁場発生器に関
して磁場センサーの位置と方向を供給するプロセシング
アルゴリズムを用いると、３行３列に編成され、総計９
となる。周知のように、磁場センサーの位置と方向の決
定は、６つの変数（３つのカルテシアン座標、相対方
位、仰角、回転）の決定することを伴い、そのためには
少なくとも６つの計測が必要となる。送信が２つ軸に沿
ってのみなされるとすると、受信は結果として３つの軸
に沿ってなされなければならない。仏国追加特許公開第
４５８８３８／７９１４４４１号公報においては、本発
明を成す過程で重要な電磁位置検出の原理を実施するた
めのシステムが開示されている。その概要を述べると、
磁場発生器およびセンサーは、それぞれ３つの直交する
軸に沿って各々配された、同一電流でコントロールされ
る同一のコイル群を有している。そして、これらコイル
の寸法は、前記磁場発生器とセンサーとが共に双極子の
状態に適合するように、可能な限り小さくされている。
そのために、前記各コイルとしては、同一の電流が流れ
る３つの半装荷コイル（ｈａｌｆ ｃｏｉｌ）が用いら
れている。この磁場発生器およびセンサーは、３つの直
交するコイルに取り囲まれた磁性材料からなる球であ
る。
移動体の位置と方向を基準マークで決定することにおい
て知られている。この原理の適用例の一つに、歩兵、軍
人、戦車の運転員あるいは航空機のパイロッ卜が兵器、
ミサイルあるいはナビゲーションカメラ等をコントロー
ルするために、頭部に装着するへルメット型ファインダ
ーの視界の方向を決定することが挙げられる。上記検出
の原理においては、測定を行う対称マークまたは対称フ
レームと関連づけられた磁場送信器または磁場発生器、
位置と方向が決定される移動体に取り付けられた磁場受
信器またはセンサー、アナログアンプ有する電子処理回
路、コンピューター、プロセシングアルゴリズムが用い
られる。この場合、磁場派生器は、双極子理論の状態を
満足するものでなければならない。すなわち、放射の数
学的説明のための座標系が双極子に集中する球であると
ともに、自由空間のグリーン関数（Ｇｒｅｅｎ Ｆｕｎ
ｃｔｉｏｎ）が放射座標にのみ依存するものでなければ
ならない。一方、磁場センサーは、可能な限り精密でな
ければならない。磁場送信器が２つあるいは３つの直交
する軸に沿って連続的あるいは多重に磁場を放射する
と、磁場センサーは、３つあるいは２つの直交する軸に
沿うその磁場の成分と、３つの軸に沿う通常なされる送
信と受信とを連続的に検出するようになっている。この
ように、磁場センサーは、送信軸の経由によって３つの
測定要素を与えるものである。つまり、磁場発生器に関
して磁場センサーの位置と方向を供給するプロセシング
アルゴリズムを用いると、３行３列に編成され、総計９
となる。周知のように、磁場センサーの位置と方向の決
定は、６つの変数（３つのカルテシアン座標、相対方
位、仰角、回転）の決定することを伴い、そのためには
少なくとも６つの計測が必要となる。送信が２つ軸に沿
ってのみなされるとすると、受信は結果として３つの軸
に沿ってなされなければならない。仏国追加特許公開第
４５８８３８／７９１４４４１号公報においては、本発
明を成す過程で重要な電磁位置検出の原理を実施するた
めのシステムが開示されている。その概要を述べると、
磁場発生器およびセンサーは、それぞれ３つの直交する
軸に沿って各々配された、同一電流でコントロールされ
る同一のコイル群を有している。そして、これらコイル
の寸法は、前記磁場発生器とセンサーとが共に双極子の
状態に適合するように、可能な限り小さくされている。
そのために、前記各コイルとしては、同一の電流が流れ
る３つの半装荷コイル（ｈａｌｆ ｃｏｉｌ）が用いら
れている。この磁場発生器およびセンサーは、３つの直
交するコイルに取り囲まれた磁性材料からなる球であ
る。
【発明が解決しようとする課題】ところが、前述の電磁
位置検出のために提供されたシステムにおいては、磁場
送信器およびセンサーが双極子理論の状態を満足するに
は不十分であった。そこで、本発明の主たる目的は、磁
場送信器およびセンサーを双極子理論により近づけるこ
とにある。
位置検出のために提供されたシステムにおいては、磁場
送信器およびセンサーが双極子理論の状態を満足するに
は不十分であった。そこで、本発明の主たる目的は、磁
場送信器およびセンサーを双極子理論により近づけるこ
とにある。
【課題を解決するための手段】上記課題に対して、移動
体の位置と方向を決定するための、２つの直交する送信
軸に沿って各々配された少なくとも２組のコイルを有
し、前記各組のコイル（２，５，８）はへルムホルツコ
イルである磁場発生器が提供される。また、移動体の位
置と方向を決定するための、２つの直交する受信軸に沿
って各々配された少なくとも２組のコイルを有し、前記
各コイル（２’，５’，８’）がヘルムホルツコイルで
あることを特徴とするセンサーも提供される。
体の位置と方向を決定するための、２つの直交する送信
軸に沿って各々配された少なくとも２組のコイルを有
し、前記各組のコイル（２，５，８）はへルムホルツコ
イルである磁場発生器が提供される。また、移動体の位
置と方向を決定するための、２つの直交する受信軸に沿
って各々配された少なくとも２組のコイルを有し、前記
各コイル（２’，５’，８’）がヘルムホルツコイルで
あることを特徴とするセンサーも提供される。
〔センサー〕 ただし、Ｈは磁場の行列であり、ＣＴはセンサーの感度
の軸の行列Ｃの転置行列である。上記基準わくにおい
て、センサーは移行あるいは回転のいづれかに規定され
る。この場合、後者を回転Ｒの行列として考えると、セ
ンサーの感度の軸の行列は、ＲＣおよび測度の行列ＭＲ
…となる。 ＭＲ＝ＣＴＲＴＨ ３つのセンサー軸が正規直交する場合には、 となり、その結果、 ＭＲ＝ＲＴＨ となる。ただし、Ｈはセンサーの位置に依存し、ＭＲは
センサーの位置および方向に依存する。たとえば飛行機
の金属質量によって引き起こされる磁気摂動があった場
合には、プロセシングアルゴリズムは、地図作成上の方
位に基づく。したがって、予め地図作成を成すために
は、摂動測度の行列に関連する空間の多数の点において
磁場をセンサーによって測定する必要がある。摂動測度
の行列の一つをＭＣとして、センサーが回転Ｒに規定さ
れる場合、測度行列は次式となる。 ＭＲ＝ＲＴＭＣ Ｍ Ｒ Ｔ ＝ＭＣ ＴＲ ＭＲ ＴＭＲ＝ＭＣ ＴＲＲＴＭＣ ＝ＭＣ ＴＭＣ このように、行列積ＭＲ ＴＭＲは回転−不変性（ｒｏｔ
ａｔｉｏｎ−ｉｎｖａｒｉａｎｔ）であり、検討してい
る点を表している。地図作成は、ＭＣとＭＣ ＴＭＣに対
応する関数ｆを決定することを意味する。次の測定の
間、行列積ＭＲ ＴＭＣは行列ＭＲに対応する。ＭＲ ＴＭ
Ｒ＝ＭＣ ＴＭＣ，ＭＣが関数ｆによって導き出されるの
で、その結果、センサーの位置も導き出されることにな
る。回転Ｒの行列つまりセンサー軸の方向を決定するた
めには、ＭＲとＭＣをＭＲ＝ＲＴＭＣの方程式を用いて
計算する。すなわち、 Ｒ＝ＭＣＭＲ −１ 上記のように展開されたアルゴリズムは、ＭＴＭの回転
−不変性に基づく。実際に、この不変性は完全に精密な
センサーのみ確かめられる。本出願は、全く驚くべき方
法で、双極子理論の状態を満足するセンサーを発明し
た。すなわち、２つの直交する受信軸に沿って各々配さ
れた少なくとも２組のコイルを有し、移動体の位置と方
向を決定する磁場発生器であって、前記各コイルがヘル
ムホルツコイルであることを特徴とするセンサーであ
る。前記へルムホルツコイルは、同一の平均半径を有す
る巻回された２つのコイルであり、コイルの巻きの半径
と同一の距離をもって離間した２つの平行な面において
それぞれ延び、各コイルの巻き数はその直径に比較して
薄い厚みを与えるものである。このように、本発明は、
へルムホルツコイルの予想外の適用にある。送信と受信
との間のアンテナに関しての等価原理について、本出願
人は本発明の重要性を満足する２つの実験を行った。す
なわち、それぞれ１つの巻きを有する複数の同一コイル
対に関して、２つの固定された平行な面および異なる直
径φを有するコイル対において、本発明者は、予め決め
られた距離において送信のために用いられるこれらの巻
き組によって させる相当方位の関数として計算した。この第１は磁場
モジュラスエラーに関し、 として表され、さらに図１に示すように、巻きの組の曲
線の束が、その全曲線の束が交差する点（εｍ＝０、α
＝４５度）より右側で縦座標上で直径が増大を示すよう
になる。束の曲線の一つはゼロ縦座標線εｍ＝０に実質
的に一致し、へルムホルツコイルに相当する。第２は磁
場の方位の角度エラーδに関し、図２に示すように、巻
きの組の曲線の束が、縦座標に関して直径の増大をもた
らすことに関し、その全曲線が（δ＝０、α＝０度）お
よび（δ＝０、α＝９０度）の間で延びている。へルム
ホルツ状態に相当する曲線はまた直線δ＝０に一致して
いる。本発明におけるセンサーの各コイルは、好適には
複数の巻きおよび各組のコイルの中心の巻きがヘルムホ
ルツ状態を満足するものであることである。この場合、
一組の巻きコイルの巻きの直径は、各コイルが隣接しか
つ単に一つのコイルを形成するように、良好なかつ充分
大きい感度を維持するために、少数および多数の巻きで
ある。 〔発生器〕磁場発生器において生起する特殊の問題は、
度々必要となる交換性の問題である。発生器を変えるこ
とは新しい地図製作上の方位を使用することを意味す
る。地図製作は数日要する長い操作となる。本発明者
は、この問題を克服し、かつ新しい地図製作を要するこ
となく当該発生器を他のものに置換するために鋭意研究
した。当該発生器を他のものに維持することは、２つの
発生器が独立した磁場を発生させかつしたがって送信器
が可能な限り点のようである（ｐｏｉｎｔ−ｌｉｋｅ）
ことである。本発明者は、それぞれが少なくとも２つの
直交する軸に配置され２つのコイル対を有し、各組のコ
イルがヘルムホルツコイルである移動体の位置および方
向を決定するための磁場発生器によって解決した。実
際、点的な発生器を考えると、２つの交換性のある発生
器により生じる磁場における方向の差は、新しい発生器
の軸に沿った送信を混合させることによって容易の修正
でき、発生器が３つの直交する送信軸を有する場合には
最適状態となる。発生器の軸に沿った送信の混合は、そ
の３軸における送信が交互に生じるために、なんらの困
難性も生じさせない。かくして、センサーおよび発生器
の主要な特徴は同一であり、これは上述した特徴のある
観点から生じるものである。もちろん、本発明のセンサ
ーに関する前述の試験は、本発明の発生器にも適用され
るものである。巻きの直径および巻き数に関してまで
も、本発明の発生器のコイルは本発明のセンサーのコイ
ルの特徴と同一である。本発明は、添付図面を参照しな
がらの本発明の発生器およびセンサーに関する説明によ
り、より明確になるであろう。図１は、異なる直径を有
する巻きの組から所定距離位置において、ある極によっ
て生じる磁場の関係で、相当方位の関数としての磁場の
モジュラスのエラーを、曲線の束で示したものである。
図２は、異なる直径を有する巻きの組から所定距離位置
において、ある極によって生じる磁場の関係で、相当方
位の関数としての磁場の方位のエラーを、曲線の束で示
したものである。図３は、本発明の発生器の好適な具体
例を示した斜視図である。図４は、図３の発生器の半断
面図である。図５は、ある極によって生じる磁場の関係
で、図３の発生器のＯｘ軸に沿ったそのＯｘ軸を有する
第１のコイル組により生じた、相当方位の関数としての
３つの異なる位置における磁場モジュラスの相当エラー
の曲線を示したものである。図６は、ある極によって生
じる磁場の関係で、図３の発生器のＯｙ軸に沿ったその
Ｏｘ軸を有する第１のコイル組により生じた、相当方位
の関数としての３つの異なる位置における磁場モジュラ
スの相当エラーの曲線を示したものである。図７は、あ
る極によって生じる磁場の関係で、図３の発生器のＯｙ
軸に沿ったそのＯｙ軸を有する第１のコイル組により生
じた、相当方位の関数としての３つの異なる位置におけ
る磁場モジュラスの相当エラーの曲線を示したものであ
る。図８は、ある極によって生じる磁場の関係で、図３
の発生器のＯｘ軸に沿ったそのＯｙ軸を有する第１のコ
イル組により生じた、相当方位の関数としての３つの異
なる位置における磁場モジュラスの相当エラーの曲線を
示したものである。図９は、ある極によって生じる磁場
の関係で、図３の発生器のＯｚ軸に沿ったそのＯｚ軸を
有する第１のコイル組により生じた、相当方位の関数と
しての３つの異なる位置における磁場モジュラスの相当
エラーの曲線を示したものである。図１０は、ある極に
よって生じる磁場の関係で、図３の発生器のＯｘ軸に沿
ったそのＯｚ軸を有する第１のコイル組により生じた、
相当方位の関数としての３つの異なる位置における磁場
モジュラスの相当エラーの曲線を示したものである。図
１１は、ある極によって生じる磁場の関係で、本発明の
発生器のＯｘ軸およびＯｙ軸に沿ったそのＯｘ軸を有す
る第１のコイル組により生じた、相当方位の関数として
の３つの異なる位置における磁場モジュラスの相当エラ
ーの曲線を示したものである。図１２は、ある極によっ
て生じる磁場の関係で、本発明の発生器のＯｙ軸および
Ｏｘ軸に沿ったそのＯｙ軸を有する第１のコイル組によ
り生じた、相当方位の関数としての３つの異なる位置に
おける磁場モジュラスの相当エラーの曲線を示したもの
である。図１３は、ある極によって生じる磁場の関係
で、本発明の発生器のＯｚ軸およびＯｘ軸に沿ったその
Ｏｚ軸を有する第１のコイル組により生じた、相当方位
の関数としての３つの異なる位置における磁場モジュラ
スの相当エラーの曲線を示したものである。
の軸の行列Ｃの転置行列である。上記基準わくにおい
て、センサーは移行あるいは回転のいづれかに規定され
る。この場合、後者を回転Ｒの行列として考えると、セ
ンサーの感度の軸の行列は、ＲＣおよび測度の行列ＭＲ
…となる。 ＭＲ＝ＣＴＲＴＨ ３つのセンサー軸が正規直交する場合には、 となり、その結果、 ＭＲ＝ＲＴＨ となる。ただし、Ｈはセンサーの位置に依存し、ＭＲは
センサーの位置および方向に依存する。たとえば飛行機
の金属質量によって引き起こされる磁気摂動があった場
合には、プロセシングアルゴリズムは、地図作成上の方
位に基づく。したがって、予め地図作成を成すために
は、摂動測度の行列に関連する空間の多数の点において
磁場をセンサーによって測定する必要がある。摂動測度
の行列の一つをＭＣとして、センサーが回転Ｒに規定さ
れる場合、測度行列は次式となる。 ＭＲ＝ＲＴＭＣ Ｍ Ｒ Ｔ ＝ＭＣ ＴＲ ＭＲ ＴＭＲ＝ＭＣ ＴＲＲＴＭＣ ＝ＭＣ ＴＭＣ このように、行列積ＭＲ ＴＭＲは回転−不変性（ｒｏｔ
ａｔｉｏｎ−ｉｎｖａｒｉａｎｔ）であり、検討してい
る点を表している。地図作成は、ＭＣとＭＣ ＴＭＣに対
応する関数ｆを決定することを意味する。次の測定の
間、行列積ＭＲ ＴＭＣは行列ＭＲに対応する。ＭＲ ＴＭ
Ｒ＝ＭＣ ＴＭＣ，ＭＣが関数ｆによって導き出されるの
で、その結果、センサーの位置も導き出されることにな
る。回転Ｒの行列つまりセンサー軸の方向を決定するた
めには、ＭＲとＭＣをＭＲ＝ＲＴＭＣの方程式を用いて
計算する。すなわち、 Ｒ＝ＭＣＭＲ −１ 上記のように展開されたアルゴリズムは、ＭＴＭの回転
−不変性に基づく。実際に、この不変性は完全に精密な
センサーのみ確かめられる。本出願は、全く驚くべき方
法で、双極子理論の状態を満足するセンサーを発明し
た。すなわち、２つの直交する受信軸に沿って各々配さ
れた少なくとも２組のコイルを有し、移動体の位置と方
向を決定する磁場発生器であって、前記各コイルがヘル
ムホルツコイルであることを特徴とするセンサーであ
る。前記へルムホルツコイルは、同一の平均半径を有す
る巻回された２つのコイルであり、コイルの巻きの半径
と同一の距離をもって離間した２つの平行な面において
それぞれ延び、各コイルの巻き数はその直径に比較して
薄い厚みを与えるものである。このように、本発明は、
へルムホルツコイルの予想外の適用にある。送信と受信
との間のアンテナに関しての等価原理について、本出願
人は本発明の重要性を満足する２つの実験を行った。す
なわち、それぞれ１つの巻きを有する複数の同一コイル
対に関して、２つの固定された平行な面および異なる直
径φを有するコイル対において、本発明者は、予め決め
られた距離において送信のために用いられるこれらの巻
き組によって させる相当方位の関数として計算した。この第１は磁場
モジュラスエラーに関し、 として表され、さらに図１に示すように、巻きの組の曲
線の束が、その全曲線の束が交差する点（εｍ＝０、α
＝４５度）より右側で縦座標上で直径が増大を示すよう
になる。束の曲線の一つはゼロ縦座標線εｍ＝０に実質
的に一致し、へルムホルツコイルに相当する。第２は磁
場の方位の角度エラーδに関し、図２に示すように、巻
きの組の曲線の束が、縦座標に関して直径の増大をもた
らすことに関し、その全曲線が（δ＝０、α＝０度）お
よび（δ＝０、α＝９０度）の間で延びている。へルム
ホルツ状態に相当する曲線はまた直線δ＝０に一致して
いる。本発明におけるセンサーの各コイルは、好適には
複数の巻きおよび各組のコイルの中心の巻きがヘルムホ
ルツ状態を満足するものであることである。この場合、
一組の巻きコイルの巻きの直径は、各コイルが隣接しか
つ単に一つのコイルを形成するように、良好なかつ充分
大きい感度を維持するために、少数および多数の巻きで
ある。 〔発生器〕磁場発生器において生起する特殊の問題は、
度々必要となる交換性の問題である。発生器を変えるこ
とは新しい地図製作上の方位を使用することを意味す
る。地図製作は数日要する長い操作となる。本発明者
は、この問題を克服し、かつ新しい地図製作を要するこ
となく当該発生器を他のものに置換するために鋭意研究
した。当該発生器を他のものに維持することは、２つの
発生器が独立した磁場を発生させかつしたがって送信器
が可能な限り点のようである（ｐｏｉｎｔ−ｌｉｋｅ）
ことである。本発明者は、それぞれが少なくとも２つの
直交する軸に配置され２つのコイル対を有し、各組のコ
イルがヘルムホルツコイルである移動体の位置および方
向を決定するための磁場発生器によって解決した。実
際、点的な発生器を考えると、２つの交換性のある発生
器により生じる磁場における方向の差は、新しい発生器
の軸に沿った送信を混合させることによって容易の修正
でき、発生器が３つの直交する送信軸を有する場合には
最適状態となる。発生器の軸に沿った送信の混合は、そ
の３軸における送信が交互に生じるために、なんらの困
難性も生じさせない。かくして、センサーおよび発生器
の主要な特徴は同一であり、これは上述した特徴のある
観点から生じるものである。もちろん、本発明のセンサ
ーに関する前述の試験は、本発明の発生器にも適用され
るものである。巻きの直径および巻き数に関してまで
も、本発明の発生器のコイルは本発明のセンサーのコイ
ルの特徴と同一である。本発明は、添付図面を参照しな
がらの本発明の発生器およびセンサーに関する説明によ
り、より明確になるであろう。図１は、異なる直径を有
する巻きの組から所定距離位置において、ある極によっ
て生じる磁場の関係で、相当方位の関数としての磁場の
モジュラスのエラーを、曲線の束で示したものである。
図２は、異なる直径を有する巻きの組から所定距離位置
において、ある極によって生じる磁場の関係で、相当方
位の関数としての磁場の方位のエラーを、曲線の束で示
したものである。図３は、本発明の発生器の好適な具体
例を示した斜視図である。図４は、図３の発生器の半断
面図である。図５は、ある極によって生じる磁場の関係
で、図３の発生器のＯｘ軸に沿ったそのＯｘ軸を有する
第１のコイル組により生じた、相当方位の関数としての
３つの異なる位置における磁場モジュラスの相当エラー
の曲線を示したものである。図６は、ある極によって生
じる磁場の関係で、図３の発生器のＯｙ軸に沿ったその
Ｏｘ軸を有する第１のコイル組により生じた、相当方位
の関数としての３つの異なる位置における磁場モジュラ
スの相当エラーの曲線を示したものである。図７は、あ
る極によって生じる磁場の関係で、図３の発生器のＯｙ
軸に沿ったそのＯｙ軸を有する第１のコイル組により生
じた、相当方位の関数としての３つの異なる位置におけ
る磁場モジュラスの相当エラーの曲線を示したものであ
る。図８は、ある極によって生じる磁場の関係で、図３
の発生器のＯｘ軸に沿ったそのＯｙ軸を有する第１のコ
イル組により生じた、相当方位の関数としての３つの異
なる位置における磁場モジュラスの相当エラーの曲線を
示したものである。図９は、ある極によって生じる磁場
の関係で、図３の発生器のＯｚ軸に沿ったそのＯｚ軸を
有する第１のコイル組により生じた、相当方位の関数と
しての３つの異なる位置における磁場モジュラスの相当
エラーの曲線を示したものである。図１０は、ある極に
よって生じる磁場の関係で、図３の発生器のＯｘ軸に沿
ったそのＯｚ軸を有する第１のコイル組により生じた、
相当方位の関数としての３つの異なる位置における磁場
モジュラスの相当エラーの曲線を示したものである。図
１１は、ある極によって生じる磁場の関係で、本発明の
発生器のＯｘ軸およびＯｙ軸に沿ったそのＯｘ軸を有す
る第１のコイル組により生じた、相当方位の関数として
の３つの異なる位置における磁場モジュラスの相当エラ
ーの曲線を示したものである。図１２は、ある極によっ
て生じる磁場の関係で、本発明の発生器のＯｙ軸および
Ｏｘ軸に沿ったそのＯｙ軸を有する第１のコイル組によ
り生じた、相当方位の関数としての３つの異なる位置に
おける磁場モジュラスの相当エラーの曲線を示したもの
である。図１３は、ある極によって生じる磁場の関係
で、本発明の発生器のＯｚ軸およびＯｘ軸に沿ったその
Ｏｚ軸を有する第１のコイル組により生じた、相当方位
の関数としての３つの異なる位置における磁場モジュラ
スの相当エラーの曲線を示したものである。
【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例によりさら
に具体的に説明する。図４の磁場発生器は、平行６面体
のサポート上に３組のヘルムホルツコイル群を有してお
り、この場合における立方体のサポート１は、非磁性体
であり、かつ非導電体である。前記３組のコイル群は重
なり合っており、それぞれのコイルは異なる直径を有し
ている。この場合、立方体は、単純な理由で用いられて
いるが、決定的な要素は対称である３つの直交軸を有す
ることを特徴としている。前記３組のコイル群は、２つ
一組になって平行してかつ立方体１の３つの平面内に対
称的に平行して配された３組の溝に巻かれている。ま
た、これらの溝は、それぞれ異なる深さを有している。
この場合、溝群はそれらの軸に平行な横断面を有してい
る。立方体１は、第１軸３に沿って離間した第１組の溝
２を有し、この第１軸３は、立方体の面４に対して、溝
２の中央の面に対して、さらに立方体の中央線に対して
直角である。溝２は立方体の対称面１２に対して対称で
ある。立方体１は、第２軸６に沿って離間した第２組の
溝５を有し、この軸６は、軸３に対して、溝５を通る中
央の面に対して、立方体の面７に対して直角であり、立
方体の中央を通る。この溝５は溝２より深さが深い。溝
５は面７に平行な立方体の面に関して対称である。立方
体１は第３軸９に沿って離間した第３組の溝８を有す
る。この第３軸９は、軸３、６に対して、溝８をの中央
面に対して、さらに立方体の面１０に対して直角であ
り、立方体の中央を通る。溝８は立方体の対称面１１に
関して対称である。明瞭化のために、図３には溝５、８
が図示されていない。軸９に対して直角な立方体の対称
面１１の一方からの半断面としての図４は、溝５の一つ
を通り、かつ軸６に直交する面に沿ったものである。軸
３に対して直交する立方体の対称面１２は図４に示され
ている。コイルの組群は、このように形成された溝の組
内に巻回されている。第１番に対して、溝５の基面を越
えない溝８に対してコイル１４が装着される。次いで、
溝２の基面を越えない溝５に対して、明瞭化のために図
示しないコイルが装着される。最後に溝２内にコイル１
３が巻回される。関連付けられた溝群の各溝において、
平均巻き半径は、いま対象としている２つの溝の中央の
面の間の距離に等しい。同様の方式で立方体に代わって
球を用いることは可能であることに留意されたい。 （発生器の具体例） 上記表は、３０ｍｍの稜を有する立方体の軸３、６、９
を有する凹部溝内に巻回したものである。この場合、各
巻きは、各軸に直交する直角断面を有する溝にあること
に留意されたい。この場合における最小径φは、最小巻
き数の直径であり、最大径φは最大の直径である。距離
は、２つの溝の離間距離である。幅は溝幅である。関連
付けられた巻きの平均半径は、実質的に、離間距離と２
つの溝の半幅に等しい。この場合において、これらの巻
きは、そのインダクタンスが同一で１０１０ｍＨを示す
多くの巻き数を有する。図５〜図１０のエラー曲線は、
コイルの軸に沿う半径が０．２ｍ、０．４ｍおよび０．
６ｍの発生器の中心からの離間距離に関してプロットし
たものである。距離０．４ｍおよび０．６ｍでは磁場モ
ジュラスのエラーはきわめて小さいことが判る。本発明
のセンサーは、一つの例外をもって、発生器のそれと極
近似した態様で形成される。軸９に相当する軸のコイ
ル、したがって最小コイルは、小さくかつ単一の溝内に
おいて相互に近接しているので、単独のコイルを形成す
る。この実際上のコイルに対して、ヘルムホルツ状態に
も係わらず、組となったコイルの２つの中間巻きのレベ
ルに相当するようになる。 〔センサーの具体例〕発生器に関しての符号はセンサー
についても同様の意味で用いられてきた。したがって、
センサーは、それぞれ直交する軸９’、６’、３’をも
った溝８’および２つの溝５’、２’の組が形成された
立方体１’を用いて構成される。 図１１〜図１３は、それぞれ軸Ｏｘ，Ｏｙ（Ｘ，Ｙ）、
Ｏｙ，Ｏｘ（Ｙ，Ｘ）およびＯｚ，Ｏｘ（Ｚ，Ｘ）に沿
った０．２ｍｍのセンサーの中心からの離間距離に関し
てプロットしたものである。
に具体的に説明する。図４の磁場発生器は、平行６面体
のサポート上に３組のヘルムホルツコイル群を有してお
り、この場合における立方体のサポート１は、非磁性体
であり、かつ非導電体である。前記３組のコイル群は重
なり合っており、それぞれのコイルは異なる直径を有し
ている。この場合、立方体は、単純な理由で用いられて
いるが、決定的な要素は対称である３つの直交軸を有す
ることを特徴としている。前記３組のコイル群は、２つ
一組になって平行してかつ立方体１の３つの平面内に対
称的に平行して配された３組の溝に巻かれている。ま
た、これらの溝は、それぞれ異なる深さを有している。
この場合、溝群はそれらの軸に平行な横断面を有してい
る。立方体１は、第１軸３に沿って離間した第１組の溝
２を有し、この第１軸３は、立方体の面４に対して、溝
２の中央の面に対して、さらに立方体の中央線に対して
直角である。溝２は立方体の対称面１２に対して対称で
ある。立方体１は、第２軸６に沿って離間した第２組の
溝５を有し、この軸６は、軸３に対して、溝５を通る中
央の面に対して、立方体の面７に対して直角であり、立
方体の中央を通る。この溝５は溝２より深さが深い。溝
５は面７に平行な立方体の面に関して対称である。立方
体１は第３軸９に沿って離間した第３組の溝８を有す
る。この第３軸９は、軸３、６に対して、溝８をの中央
面に対して、さらに立方体の面１０に対して直角であ
り、立方体の中央を通る。溝８は立方体の対称面１１に
関して対称である。明瞭化のために、図３には溝５、８
が図示されていない。軸９に対して直角な立方体の対称
面１１の一方からの半断面としての図４は、溝５の一つ
を通り、かつ軸６に直交する面に沿ったものである。軸
３に対して直交する立方体の対称面１２は図４に示され
ている。コイルの組群は、このように形成された溝の組
内に巻回されている。第１番に対して、溝５の基面を越
えない溝８に対してコイル１４が装着される。次いで、
溝２の基面を越えない溝５に対して、明瞭化のために図
示しないコイルが装着される。最後に溝２内にコイル１
３が巻回される。関連付けられた溝群の各溝において、
平均巻き半径は、いま対象としている２つの溝の中央の
面の間の距離に等しい。同様の方式で立方体に代わって
球を用いることは可能であることに留意されたい。 （発生器の具体例） 上記表は、３０ｍｍの稜を有する立方体の軸３、６、９
を有する凹部溝内に巻回したものである。この場合、各
巻きは、各軸に直交する直角断面を有する溝にあること
に留意されたい。この場合における最小径φは、最小巻
き数の直径であり、最大径φは最大の直径である。距離
は、２つの溝の離間距離である。幅は溝幅である。関連
付けられた巻きの平均半径は、実質的に、離間距離と２
つの溝の半幅に等しい。この場合において、これらの巻
きは、そのインダクタンスが同一で１０１０ｍＨを示す
多くの巻き数を有する。図５〜図１０のエラー曲線は、
コイルの軸に沿う半径が０．２ｍ、０．４ｍおよび０．
６ｍの発生器の中心からの離間距離に関してプロットし
たものである。距離０．４ｍおよび０．６ｍでは磁場モ
ジュラスのエラーはきわめて小さいことが判る。本発明
のセンサーは、一つの例外をもって、発生器のそれと極
近似した態様で形成される。軸９に相当する軸のコイ
ル、したがって最小コイルは、小さくかつ単一の溝内に
おいて相互に近接しているので、単独のコイルを形成す
る。この実際上のコイルに対して、ヘルムホルツ状態に
も係わらず、組となったコイルの２つの中間巻きのレベ
ルに相当するようになる。 〔センサーの具体例〕発生器に関しての符号はセンサー
についても同様の意味で用いられてきた。したがって、
センサーは、それぞれ直交する軸９’、６’、３’をも
った溝８’および２つの溝５’、２’の組が形成された
立方体１’を用いて構成される。 図１１〜図１３は、それぞれ軸Ｏｘ，Ｏｙ（Ｘ，Ｙ）、
Ｏｙ，Ｏｘ（Ｙ，Ｘ）およびＯｚ，Ｏｘ（Ｚ，Ｘ）に沿
った０．２ｍｍのセンサーの中心からの離間距離に関し
てプロットしたものである。
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、磁場送信
器およびセンサーが双極子理論により近づいたものとし
て得られる。
器およびセンサーが双極子理論により近づいたものとし
て得られる。
【図１】実験結果を示したグラフである。
【図２】実験結果を示したグラフである。
【図３】本発明の磁場発生器の好適な実施例の斜視図で
ある。
ある。
【図４】図３の磁場発生器の半断面図である。
【図５】実験結果を示したグラフである。
【図６】実験結果を示したグラフである。
【図７】実験結果を示したグラフである。
【図８】実験結果を示したグラフである。
【図９】実験結果を示したグラフである。
【図１０】実験結果を示したグラフである。
【図１１】実験結果を示したグラフである。
【図１２】実験結果を示したグラフである。
【図１３】実験結果を示したグラフである。
１，１’…立方体、２，５，８…溝、３，６，９…軸。
Claims (13)
- 【請求項１】移動体の位置と方向を決定する磁場発生器
であって、２つの直交する送信軸に沿って各々配された
少なくとも２組のコイルを有し、前記各組のコイル
（２，５，８）はヘルムホルツコイルであることを特徴
とする磁場発生器。 - 【請求項２】３つの直交する送信軸（３，６，９）を備
えた請求項１記載の磁場発生器。 - 【請求項３】前記３つの軸（３，６，９）における送信
が交互になされる請求項２記載の磁場発生器。 - 【請求項４】前記各コイルは相互に直交する軸（３，
６，９）をもつ溝（２，５，８）の組内に巻かれている
請求項１記載の磁場発生器。 - 【請求項５】前記各溝（２，５，８）が各々異なる深さ
である請求項４記載の磁場発生器。 - 【請求項６】前記各溝（２，５，８）が立方体１の凹所
として形成されている請求項４記載の磁場発生器。 - 【請求項７】移動体の位置と方向を決定するセンサーで
あって、２つの直交する受信軸に沿って各々配された少
なくとも２組のコイルを有し、前記各コイル（２’，
５’，８’）がヘルムホルツコイルであることを特徴と
するセンサー。 - 【請求項８】３つの直交する受信軸（３’，６’，
９’）を備えた請求項７記載のセンサー。 - 【請求項９】直交する軸（３’，６’，９’）を有する
溝（２’，５’，８’）組内に前記コイル群が巻かれて
いる請求項７記載のセンサー。 - 【請求項１０】前記各溝（２’，５’，８’）が各々異
なる深さである請求項９記載のセンサー。 - 【請求項１１】溝群の一組を構成する２つの溝が、２つ
の溝が単一の溝（８’）を形成している請求項９記載の
センサー。 - 【請求項１２】前記各溝（２’，５’，８’）は立方体
１の凹所（１’）に形成されている請求項９記載のセン
サー。 - 【請求項１３】位置と方向を決定するための請求項１記
載の磁場発生器および請求項７記載のセンサーにおい
て、発生器（１）の送信軸（３’，６’，９’）数およ
びセンサーの受信軸（３’，６’，９’）数が少なくと
も６に等しい数をもつ製品。
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|---|---|---|---|
| FR9009955A FR2665530B1 (fr) | 1990-08-03 | 1990-08-03 | Radiateur et capteur magnetiques pour la determination de la position et de l'orientation d'un mobile. |
| FR9009955 | 1990-08-03 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| JP3380263B2 JP3380263B2 (ja) | 2003-02-24 |
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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| EP (1) | EP0469967B1 (ja) |
| JP (1) | JP3380263B2 (ja) |
| DE (1) | DE69108813T2 (ja) |
| FR (1) | FR2665530B1 (ja) |
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1991
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