JP2001527207A - 角度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ２軸角度センサは、１対の気泡チャンバ（３、４）およびそれに組合わせた気泡検出器（５、６）から構成される。プロセッサ（４２）は、予め定めたアルゴリズムに従って第１および第２気泡検出器からの信号を結合してセンサの角度を算出する。放射源（１）は気泡（８）を放射により照射し、その放射は気泡により屈折する。放射検出器（５、６）は、気泡からの屈折した放射を検出し、気泡チャンバの角度を表す信号を発生するように位置決めされている。角度センサは、振動構造ジャイロスコープ（７０）を校正するのに用いられる。フライホイール（９１）を備えて、オペレータ入力に対しジャイロ抵抗を発生する。気泡角度センサの製造方法が開示され、この方法は内部くぼみ（６５）を持つ蓋（６１）を採用している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、角度センサの改善に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

米国特許第５７９４３５５号においては、コンテナが同心円状に配置された１
対の半球形表面により形成されている。このコンテナは、粘性流体および軽量流
体の気泡で満たされており、放射源と放射検出器との間に置かれている。上記の
気泡は、センサが動くとコンテナ内で位置が変わり、放射源からの放射ビームが
気泡を通って透過して、放射検出器の一部分を励起する、一方残りの放射は流体
により遮断される。２軸角度検出は、グリッド素子（たとえばフォトダイオード
）の２次元アレーを持つ放射検出器を用いて実現される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】

米国特許第５７９４３５５号の装置には多くの問題がある。第１にｎ個の測定
単位の測定範囲を実現するためには、２次元放射検出器はｎ×ｎのグリッド素子
を持つ必要がある。ｎが増大するにつれて放射検出器は大型で高価となる。第２
に放射検出器からの信号中の確率的測定誤差が大きくなる可能性がある。

【０００４】 ２軸角度検出を実現する代替の方法は、米国特許第５２１８７７１号の第４段
１５〜１９行目に提案されている。この方法は、２つの角度運動検出器を使用す
ることを提案しており、２つの検出器は、それぞれの中心軸が互いに直交するよ
うに取付けられている。しかし米国特許第５２１８７７１号の配置は、依然とし
て確率的測定誤差の問題を解決できていない。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

本発明の第１の構成によれば、２軸角度センサが設けられ、このセンサは、気
泡がチャンバ内に形成されるように、特性の異なる２種の流体を含む第１気泡チ
ャンバと、第１気泡チャンバ内の気泡の位置を検出することにより、第１検出器
軸に対する第１気泡チャンバの方向を示す信号を発生する第１気泡検出器と、気
泡がチャンバ内に形成されるように、特性の異なる２種の流体を含む第２気泡チ
ャンバと、第２気泡チャンバ内の気泡の位置を検出することにより、第２検出器
軸に対する第２気泡チャンバの方向を示す信号を発生する第２気泡検出器と、第
１および第２気泡検出器からの信号を所定のアルゴリズムに従って組み合わせる
ことにより、第１および第２測定軸（この場合、測定軸は検出器軸とは異なる角
度を持つ）に対するセンサの角度を計算するためのプロセッサとを備えている。

【０００６】 気泡検出器および気泡チャンバを測定軸に対し位置合わせして気泡検出器から
直接読取りを行う代わりに、本発明では気泡検出器と気泡チャンバに測定軸に対
し偏りを持たせて、気泡検出器からの信号を組み合わせる。本発明では、検出器
信号がガウス分布を有する確率的誤差を伴う場合は、一つの気泡検出器に付随す
る誤差は他の気泡検出器に付随する誤差を打ち消すことを確認した。このように
組合わせ測定は、単独測定よりもより高い精度を示す。

【０００７】 この時に、気泡チャンバおよび気泡検出器を、測定軸に対し位置合わせしたセ
ンサハウジングの中に備えることができる。したがって、たとえばセンサハウジ
ングはジョイスティックを含むことができ、それにより、" 前／後のピッチ" 方
向を一つの測定軸に対し一致させ、" 左／右の回転" 方向を他の測定軸に対し一
致させることができる。代替方法として、センサは" マウス" タイプのコンピュ
ータ入力装置であってもよい。マウスは手で握ることができるが、表面上での使
用に限定されない。この場合にはセンサハウジングは片手または両手で握る形状
とし、" 前／後" 方向は一つの測定軸に、また" 左右の回転" 方向は他の測定軸
に対し一致する。センサハウジングを好ましい方向で握る位置に、１つまたは複
数のボタンを備えることもできる。さらに別の方法では、測定軸の一つを進行方
向に一致させてセンサを車両または航空機に組込むことができる。

【０００８】 検出器の出力によって各種のアルゴリズムを用いることができる。好ましい実
施例では、所定のアルゴリズムは、気泡検出器信号から得た１対の値を加算して
、第１測定軸に対するセンサの角度を計算し、気泡検出器信号から得られた１対
の値を減算して、第２測定軸に対するセンサの角度を計算するアルゴリズムを含
む。

【０００９】 アルゴリズムの正確な形態は、軸の角度関係によって決まる。これらの軸は、
所望する角度だけ相互に偏っていてもよい。しかし好ましい例においては、検出
器軸は互いにほぼ直角に配置され、また測定軸は検出器軸に対してほぼ４５°と
なるように配置される。これにより気泡検出器信号は、前もってどちらかの信号
を他の信号に対して拡大または縮小することなしに、加算または減算することが
できる。

【００１０】 米国特許第５７９４３５５号の配置に関する別の問題は、放射の一部が粘性流
体中を通過するために気泡の検出が困難になることである。米国特許第５７９４
３５５号はこの問題に対応するために、粘性流体に染料を加え放射を吸収してい
る。さらに放射検出器の位置決めに際してデザイン上の自由度がない、即ち放射
源とは反対の側のコンテナの真後ろに位置決めしなければならない。

【００１１】 米国特許第５２１８７７１号では、気泡および液体を形成する材料は、両者の
境界面が極めて高い反射性を持つように選ばれる。このようにして検出器は、気
泡の表面から反射される放射を検出する。この配置に関する問題は、放射検出器
の位置決めに関してデザイン上の自由度がない、即ち気泡からの反射放射を受け
る位置に置かなければならない。

【００１２】 本発明の第２の構成によれば、角度センサは、気泡がチャンバ内に形成される
ように、特性の異なる２種の流体を含む気泡チャンバと、気泡を照射して、その
放射が気泡により屈折する放射を発生する放射源と、気泡により屈折した放射を
検出し、気泡チャンバの角度を示す信号を発生するすように位置決めされた放射
検出器とを備える。

【００１３】 従来の方法と異なり、本発明では気泡により屈折した放射を検出する。これに
より流体を染色する必要がなくなる。さらに本発明では、気泡チャンバおよび２
種の流体に対して適正な屈折率を選ぶことにより、放射源と放射検出器の各種の
配置に適応できる。これは、反射または透過放射を検出する公知のシステムでは
不可能である。何故ならば反射角または透過角は、屈折率と無関係に一定である
からである。

【００１４】 好ましい配置では、界面は気泡からの屈折放射を受け取り、これを放射検出器
に送る位置にある。これにより検出器に入射する屈折放射の量が増し、測定精度
が向上する。

【００１５】 また多様な界面を備えることができる。たとえば界面は、光ファイバーケーブ
ルのような光ガイドから構成できる。１つの配置では、界面を気泡チャンバと照
射検出器との間に置いた一つまたは複数のレンズから構成し、屈折放射が放射検
出器上で焦点を結ぶようにする。代替方法としては、界面を、気泡チャンバ内で
放射透過投影(radiation transmissive projection) から構成してもよい。投影
は、通常ある角度を持つ面を有し、気泡からの屈折放射がその面を通過するよう
にし、その結果他の方向からの放射は面により内部で反射されて気泡チャンバに
戻る。

【００１６】 気泡により屈折しなかった放射を吸収するために、気泡チャンバは、放射吸収
部分および気泡に近接した位置に放射透過窓を持つのが望ましい。これは、異な
った放射吸収特性を持つ２種の材料から気泡チャンバを製作することにより実現
できる。しかし好ましい構成においては、放射吸収部分は放射吸収材料のコーテ
ィングにより形成される。

【００１７】 米国特許第５２１８７７１号の配置では、単一光源および１対の光センサがＴ
−型配置され、センサは気泡チャンバの反対側に置かれている。このように各セ
ンサは、気泡により右または左へ反射された光を検出する。気泡の位置は、セン
サの出力を分析することにより算出する。このシステムが持つ問題点は、標準テ
ーブルルックアップ方式を用いて複雑な計算を行い、気泡の位置を算出しなけれ
ばらないことである。したがって本発明の好ましい実施形態においては、放射検
出器は位置検出器を備え、検出器上の屈折放射の位置は気泡チャンバ内の気泡の
位置を表わす。この位置の測定方法は、米国特許第５２１８７７１号よりも簡単
である。

【００１８】 通常、位置検出器は電荷結合素子（ＣＣＤ）などの検出器アレーを備えている
。通常、検出器アレーはほぼ直線状に配置される。気泡が曲線に沿って移動する
場合は、シリンドリカルレンズを用いて曲線通路を直線検出器上に投影すること
が好ましい。

【００１９】 気泡からの屈折放射が確実に検出器に入射するには、放射源を正しい位置に配
置することが重要である。好ましい実施形態においては、放射源は、気泡の中心
から偏った放射ビームにより気泡を照射するように位置決めされる。この配置に
より、確実に屈折出力放射ビームを照射放射ビームに対し一定の角度内に限定す
る。この場合、放射ガイドが放射源と気泡の間の放射を希望する入射角で案内す
るために便宜的に備えられる。

【００２０】 通常気泡を形成する流体の屈折率は、他方の流体の屈折率以下である。この構
成では、気泡は照射放射に散乱を生じさせ、放射検出器上に屈折放射の焦点を合
わすために１つまたは複数のレンズを必要とする。気泡は、便宜的にガス泡を備
える（２種の液を用いることもできるが）。

【００２１】 便宜的に放射源は赤外線放射源を備える。これにより放射検出器は、バックグ
ラウンドの迷光可視光線の影響を受けることはなくなる。

【００２２】 たとえば本発明の第１の構成のように、２つまたはそれ以上の角度センサを用
いる場合は、各々は固有の放射源と検出器を持つか、または共通の放射源および
／または検出器を使用して、該当するセンサに依存して異なった周波数で作動す
ることもできる。

【００２３】 振動構造ジャイロスコープ（ＶＳＧ）として知られている慣性センサは、欧州
特許公開第０４５７５４１号、特開平９−０５０３４３および" ＰＳ／２：ジャ
イロマウス装置" 、ＩＢＭ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬＤＩＳＣＬＯＳＵＲＥ ＢＵＬ
ＬＥＴＩＮＶｏｌ．３４ Ｎｏ．１１、１９９２年４月１日、の８９〜９０頁に
記載されている。ＶＳＧに関する共通の問題は、装置を手動で設定するか、また
は固定または調整された水平基準を備える必要があることである。

【００２４】 本発明の第３の構成によれば、角度センサは、センサの方向を表すＶＳＧ信号
を発生する振動構造ジャイロスコープ（ＶＳＧ）と、気泡がチャンバ内に形成さ
れるように、２種の特性の異なった流体を含む気泡チャンバと、気泡チャンバ内
の気泡の位置に対応する校正信号を発生する気泡検出器と、所定の校正アルゴリ
ズムに従って校正信号からのＶＳＧ信号を校正するプロセッサとを備えている。

【００２５】 これにより、ＶＳＧ信号を校正する確実で低コストの方法が提供される。

【００２６】 任意の校正アルゴリズムを使用することができるが、好ましい実施形態におい
ては、気泡検出器が校正信号を発生するのは、気泡が中心点を通過する時である
。このように校正信号は、ＶＳＧ信号を校正するための人工的水平基準を提供す
る。

【００２７】 従来の角度センサにおける別の問題は、センサがオペレータ入力に対して抵抗
にならないことである。

【００２８】 本発明の第４の構成によれば、角度センサは、センサの方向を表す信号を発生
する手段と、センサの傾斜に対抗するジャイロ力（ジャイロ効果）を提供するフ
ライホイールとを備える。

【００２９】 フライホイールは、オペレータのフィードバックを増大させ、オペレータから
の過大な入力を抑制する安定したプラットフォームの効果を作り出す。好ましい
構成では、フライホイールの回転速度を変えることでジャイロ力を変化させる手
段を備え、たとえばゲームの際に、入力装置として角度センサを用いている。

【００３０】 センサの方向を表す信号を発生する手段として、ＶＳＧを用いることができる
。しかし好ましい構成においては、センサの方向を表す信号を発生する手段には
、気泡がチャンバ内に形成されるように特性の異なる２種の流体を含む気泡チャ
ンバと、気泡チャンバ内の気泡の位置を検出することにより、気泡チャンバの方
向を表す信号を発生する気泡検出器とを備えている。

【００３１】 通常フライホイールはモータ、たとえば直流または３相交流モータ、により駆
動される。

【００３２】 気泡角度センサに関連する別の問題は、気泡を確実に正確な寸法にすることの
困難さである。気泡が過大、または過小であればセンサの精度は低下してしまう
ことになる。

【００３３】 本発明の第５の構成によれば、角度センサの製造方法は、開放端を持つコンテ
ナを設け、液体でコンテナをほぼ一杯に満たし、一つ以上の内部くぼみを持つ蓋
を設け、液体を満たしたコンテナを蓋で閉じて、密閉状の気泡チャンバを形成し
、しかもコンテナを閉じた状態で気泡を前記内部くぼみに密封し、気泡チャンバ
内の気泡の位置を検出して気泡チャンバの方向を表す信号を発生するように気泡
検出器を配置する。

【００３４】 多数のくぼみを備えることは可能であるが、好ましい構成では、単一のくぼみ
だけを備えており、その体積は必要な気泡の体積に一致している。通常、蓋はコ
ンテナに対しピボット状に取り付けられ、回転してコンテナを閉じる。

【００３５】 本発明のこれらのすべての構成において、気泡チャンバはＤ字形状が好ましい
が、円形であるか、または他の適切な形状であってもよい。

【００３６】 本発明の第１、２、３、４および５の構成による角度センサは、各種の用途に
使用することができる。しかし好ましい例では、角度センサは、たとえばコンピ
ュータゲームコンソールまたはＰＣ用のユーザ入力装置に組込まれている。入力
装置は、片手でコントロールするジョイスティック、または両手で保持して、自
由空間で回転する" マウス" タイプ入力装置を備えることできる。代替方法とし
ては、角度センサは、車両または航空機の方向を検出するために使用できる。

【００３７】

【発明の実施の形態】

図１〜４によれば、１対の赤外線点光源１、２の各々は、それぞれ透明のアク
リル樹脂製の成型気泡チャンバ３，４を赤外線光により照射する。気泡チャンバ
３からの光は、赤外ＣＣＤラインセンサ５上に結像し、気泡チャンバ４からの照
射は赤外ＣＣＤラインセンサ６上に結像する。各気泡チャンバ３，４に対する結
像用光学系は同じであり、気泡チャンバ３に対する光学系は図１に詳述されてい
る。

【００３８】 気泡チャンバ３は、半円形の上面９と平面の下面１０を備えるＤ字形内部キャ
ビティを持つ。キャビティには、第１流体エタノール７が、第２流体の気泡８が
残るように充填され、上記の気泡はキャビティの頂部において上面９に接して浮
いている。図１に示すように、キャビティのＤ字形状により、気泡８は上面９に
接触するが下面１０には接触しないようになる。結果として気泡８は、気泡チャ
ンバ３の回転に伴ない湾曲した上面９に近接したアーチ形通路３１に沿って容易
に移動する。勿論水と気泡、または２種類の混和しない液体などの他の組み合わ
せも使用できる。

【００３９】 光源１からの赤外線光は、平行面１２、１３を持つ円錐状のガイド１１（図４
の斜視図に明瞭に示されている）により通路３１方向に誘導される。投影部１４
は、気泡チャンバ３の出力側に備えられている。

【００４０】 センサの主たる光学モードは、図５および６に示されている。分かり易くする
ために、ハッチング断面線は図５および６には含んでいない。図５に示したよう
に気泡がない場合には、光源１からの光１５はほぼ屈折することなく気泡チャン
バ３を通過する（アクリル／エタノール界面における僅かな量の屈折は別として
）。

【００４１】 気泡が存在すると、図６に示すように、気泡によって照射光ビームは下方に屈
折する。詳細は下記に説明する。

【００４２】 光ガイド１１の平行側面１２、１３は、水平線１６と４３°の角度を持つ。し
たがって光源１からの照射光ビームは、線１７で示されたように、４３°の角度
で上方に気泡に向かって進む。照射ビームは、線１８で示されたようにアクリル
／エタノールの界面において僅かに下方に屈折する。線１８（照射ビームの中心
を示す）は、気泡８の中心３３から偏っている。この結果、照射ビームは、線１
９で示されたようにエタノール／空気界面において下方に屈折する。この屈折角
は、エタノール／空気界面における屈折率の大きな変化のために比較的に大きい
。必要ならば屈折角は、異なる流体を選ぶことにより調節することができる。次
に、線２０で示されたように、光は空気／エタノールの界面においてさらに下方
に屈折する。最後に光は、エタノール／アクリル界面において僅かに屈折するこ
とにより線２４により示された出力光ビームを発生する。

【００４３】 流体の屈折率と気泡８の寸法は、出力光ビームが投影部１４方向に向かい、か
つ水平線１６と４３°の角度を持つように決定する。一実施例では、気泡チャン
バ３を形成するアクリルは１．４９の屈折率、エタノールは１．３６の屈折率、
また気泡８は約１．００の屈折率を有する。

【００４４】 突出部１４は、水平線１６と４３°の角度を持つ上面２１を有する。突出部１
４は、また出力光ビームにほぼ直角な角度の付いた出力面２３を持つ。これによ
り出力光ビーム（線２４により示された）は、反射することなく出力面２３によ
り伝送される。

【００４５】 一方、照射光の主たる光学路は図５に示すが、光の一部が他の光学路に従う。
たとえば、一部の光は気泡の遠い方の壁により反射し、気泡の中へ散乱して戻る
。この結果、均一なバックグラウンド照射が生じる。Ｄ字形の光学的吸収コーテ
ィング２５、２６（図３、５および６に示す）を、チャンバの下部におけるキャ
ビティの正面および背面壁に備えることにより上記のバッググラウンド照射を減
衰させる。さらに４２°のアクリル／空気の限界角以下の角度で、角度の付いた
出力面２３に達する迷光があれば、気泡チャンバ内に反射して戻る。

【００４６】 図１および２に戻ると、広角平凹レンズ２７および１対の二重凸レンズ２８、
２９は、投影部１４からの光を平坦面（図示されず）に結像する。必要な焦点距
離が短いために２つの二重凸レンズ２８、２９が用いられる、これは１対のレン
ズを用いることにより容易に得ることができる。シリンドリカルレンズ３０によ
って光路を修正し、気泡８が半円形円弧状に移動する時、垂直位置の変化に関係
なく半円形通路３１が直線のラインセンサ５上に結像するようにする。シリンド
リカルレンズ３０は、気泡がより大きい移動限界の方向に移動する時に、気泡か
らの光の見掛け上の運動を拡大する追加的な機能を持つ。気泡が通路３１に沿っ
て移動する時、水平方向の気泡の移動は比例的に減少するが、シリンドリカルレ
ンズ３０の効果により、ラインセンサ５に沿ったより大きい線型的変位に拡大さ
れる。

【００４７】 ラインセンサ５、６は、それぞれの回路ボード３４、３５に取付けられている
る。レンズの光学軸は、チャンバ内の気泡の通路３１の中心に位置合わせされて
いる。

【００４８】 図７によれば、ＣＣＤラインセンサ５、６からの検出信号４０、４１は単一チ
ップマイクロコントローラ４２に送られ、そこで内部に記憶したプログラムが実
行される。マイクロコントローラ４２は、各ラインセンサ５、６の各ピクセルに
対するアナログ検出信号４０、４１をマイクロコントローラに搭載されたアナロ
グ／デジタルコンバータを用いデジタル値に変換する。マイクロコントローラ４
２は、また付随的な機能を果たす。たとえば、キーパッドアレー４３からのキー
スイッチのクローズ信号をチェックし、記号ディスプレイ４４によりユーザの選
択した機器構成を表示し、また不揮発性記憶デバイス４５に機器構成設定および
／または校正データを記憶または再生する。

【００４９】 マイクロコントローラ４２は、センサの角度を計算し、センサの角度（および
もしあれば他のデータ）をホストコントローラ４６（コンピュータゲームコンソ
ールまたはＰＣなどの）に送る。角度は、直交する測定軸Ｘ、Ｙ（図２および４
に示す）に対して、図８〜１０により次に説明するアルゴリズムを用いて計算さ
れる。

【００５０】 図８〜１０の概略図において、２つのラインセンサ５、６が気泡チャンバ３、
４と同じ方向に＋／−位置で表示されている。実際には、気泡の変位は、レンズ
２７〜３０による画像の反転のために気泡の移動とは逆の方向の移動として検出
される。この反転は、実際の実行では計算に入れるが、図８〜１０においては分
かり易くするために無視している。

【００５１】 ラインセンサ５、６は、ＸおよびＹ測定軸に対し４５°の角度の直交する検出
器軸Ａ、Ｂに一致している。

【００５２】 図８においては、センサは５０で示されるように、Ｙ軸の回りに時計方向に回
転している。結果として気泡８は（またラインセンサ５の対応する輝点８' も）
、Ａの正方向に移動している。気泡５１（およびラインセンサ６の対応する輝点
５１' ）は、Ｂの負方向に移動している。

【００５３】 図９においては、センサは、５２に示すように、Ｘ軸の回りに反時計方向に回
転している。気泡８および気泡５１は、それぞれＡおよびＢの負方向に移動して
いる。

【００５４】 図１０においては、センサは５０で示したようにＹ軸の回りに時計方向に、ま
た５２に示したようにＸ軸の回りに反時計方向に回転している。この結果、気泡
８はチャンバの中心方向に戻るのに対し、気泡５１はチャンバのＢの負端の方向
に移動している。

【００５５】 このようにして、マイクロコントローラ４２は次のアルゴリズムを実行する。
但し、 中央の気泡位置＝５０ 正方向最大限の移動＝１０１ 負方向最大限の移動＝０ Ａ＝Ａ方向での気泡８の位置 Ｂ＝Ｂ方向での気泡５１の位置 である。 θ_y ＝Ａ−Ｂ たとえばＡ＝５０、Ｂ＝５０（Ｙ軸に関して中央）に対して θ_y ＝５０−５０＝０ たとえばＡ＝７０、Ｂ＝３０（Ｙ軸に関して右回転）に対し θ_y ＝７０−３０＝４０ たとえばＡ＝１０１、Ｂ＝０（Ｙ軸に関して右最大限の回転）に対し θ_y ＝１０１−０＝１０１ たとえばＡ＝３５、Ｂ＝６５（Ｙ軸に関し左回転）に対し θ_y ＝３５−６５＝−３０ たとえばＡ＝０、Ｂ＝１０１（Ｙ軸に関し左最大限回転）に対し θ_y ＝０−１０１＝−１０１ θ_x ＝（（中央−Ａ）＋（中央−Ｂ）） たとえばＡ＝５０、Ｂ＝５０（Ｘ軸に関して中央）に対し θ_x ＝（（５０−５０）＋（５０−５０））＝０ たとえばＡ＝３０、Ｂ＝３０（Ｘ軸に関する前方ピッチ）に対し θ_x ＝（（５０−３０）＋（５０−３０））＝４０ たとえばＡ＝６５、Ｂ＝６５（Ｘ軸に関する後方ピッチ）に対し θ_x ＝（（５０−６５）＋（５０−６５））＝−３０

【００５６】 数値θ_x およびθ_y は、マイクロコントローラ４２によりホスト４６に出力さ
れ、（たとえば）ホスト４６により実行されているコンピュータゲームに対しコ
マンド送出するのに用いることができる。

【００５７】 気泡チャンバ３、４の１つを製造する方法を、図１１〜１４について説明する
。アクリル気泡チャンバは、フランジ６２がその下端の周りにある開放Ｄ字形コ
ンテナ６０として形成される。蓋６１がコンテナ６０にばねヒンジ６３により取
り付けられている。また、蓋６１はドーム型のくぼみ６５およびフレキシブルＵ
字形固定部材６４を持つ。コンテナをエタノールで一杯に満たし、次に蓋６１を
閉じ、図１２〜１４に示すＵ字形の固定部材６４の中にフランジ６２をはめこん
で密閉する。これにより気泡チャンバ内に、くぼみ６５の体積にほぼ等しい体積
を持つ気泡を封じ込めることができる。大きな気泡を作る必要がある場合には、
複数のくぼみ６５を蓋６１の中に形成することができる。

【００５８】 図１５の代替の実施形態においては、デジタル振動構造ジャイロスコープ７０
（Ｍｕｒａｔａ製のＥＮＣ−０５Ｅセンサなどの）は、Ｘ軸に関する運動の量と
方向を度数で示す電子信号を発生する。円筒状の気泡チャンバ７１は特性の異な
る２種の流体を含み、気泡７２がチャンバ７１に形成されるようにする。発光ダ
イオード７３が、気泡チャンバ７１の中心を通る細い光ビームを光源７４方向に
放射する。気泡７２が中心点を通過する時に、センサ７４により検出される。

【００５９】 マイクロコントローラ７５は、図１６に示した校正ルーチンを実行する。マイ
クロコントローラは、ＶＳＧ信号を７６で読み取り、気泡の位置を７７でチェッ
クする。気泡が中央位置にある場合は（７８）、ＶＳＧからの信号は７９におい
てゼロに校正される。校正されたデータは、次に８０でＣＰＵ８１に戻される。
図１５の２つのデバイスは、図１に示した種類の２軸角度センサを作るように位
置決めすることができる。

【００６０】 図１７に示したさらに別の代替の実施形態においては、角度センサ９０（たと
えば図１の気泡角度センサ、または図１５のＶＳＧ角度センサ）がセンサの方向
を表す信号を発生する。フライホイール９１（好ましくはＡＣ同期モータの形の
）がＺ軸回りに回転することにより、センサ９０がＸ軸に対して一方向に傾く時
にジャイロ力を生じる。この抵抗は、プラットフォームに安定効果をもたらし、
それによりオペレータへのフィードバックとゲームの楽しみを増し、オペレータ
の過度の入力を抑制する。

【００６１】 コントローラ９２は、プレイされているゲームに関連してフライホイール９１
の回転の速度を変化させる機能を備えている。したがってフライホイール９１の
速度が上昇すると、オペレータはセンサを傾けることが困難となり、逆にフライ
ホイール９１の速度が低下するとセンサを傾けることは容易となる。

【００６２】 別の用途においては、振動効果を、フライホイールの速度の増減を反復して迅
速に行うことにより実現できる。

【００６３】 図１８は、代替の角度センサの斜視図である。湾曲したチューブ状気泡チャン
バ１００は、軸Ａに位置合わせされ、その中に気泡１０１を含み、気泡１０１は
、気泡チャンバが検出器軸Ｂの回り回転する時気泡チャンバ１００に沿って移動
する。気泡チャンバ１００の片側に等間隔に５つの発光ダイオード１０２〜１０
６が配置されている。５つの光検出器１０７〜１１１が気泡チャンバ１００の反
対側に配置されている。このようにして気泡１０１の５つの位置を次々と検出す
ることができる。この実施例においては、センサは発光ダイオード１０２〜１０
６および検出器１０７〜１１１がそれらの情報を共有し、検出器の数の増分の２
倍の量を発生する。第２の気泡チャンバ（図示されていない）および第２のダイ
オード／検出器の組合せ（図示されていない）は、Ｂ軸に位置合わせして図１の
センサと類似の２軸センサを形成する。１０個の検出器からの信号を組合せて、
測定軸Ｘ、Ｙに対するセンサの方向を計算する。

【００６４】 図１９は、角度センサ（図示されていない）を内蔵するコンピュータゲームコ
ンソール入力装置９０の平面図である。図１〜１０、１５、１７、または１８に
示しているセンサの任意の１つを使用することができる。図１９に示すように、
センサハウジング９１には、１組のボタン９２とカーソルコントローラ９３を備
えている。センサ（図示されていない）は、図１９に示したように、その検出器
軸Ａ、Ｂおよび測定軸Ｘ、Ｙに位置合わせされる。入力装置９０は、両手に保持
し、ボタン９２は右手の親指で、またカーソルコントローラ９３は左手の親指で
操作するようにデザインされている。これによりＹ測定軸は、オペレータから見
て真直ぐ前方を指す。ハウジング９１を適正な形状（たとえば平面図で矩形また
は三角形でもよい）にして、入力装置を正しい方向に確実に保持するようにでき
る。

【００６５】 使用時には、入力装置９０はコンピュータゲームコンソールまたはＰＣに、フ
レキシブルケーブル（図示されず）を用いて接続される。これにより、入力装置
を自由な空間の中に保持し、それを左右に傾けて左右方向への移動コマンドを送
出して、ゲームをコントロールできる。

【図面の簡単な説明】

次に、本発明のいくつかの実施形態を添付図面を用いて説明する。

【図１】 図２のラインＢに沿った断面図である。

【図２】 ２軸角度センサの平面図である。

【図３】 図２のラインＣに沿った断面図である。

【図４】 ２軸角度センサの概略斜視図である。

【図５】 気泡チャンバの部分断面であり、気泡の存在しない時の照射光の光路を示す。

【図６】 気泡チャンバの断面であり、気泡により屈折した光ビームを示す。

【図７】 ２軸角度センサの電子回路の概略図である。

【図８】 図２の２軸角度センサの概略平面図である。

【図９】 図２の２軸角度センサの概略平面図である。

【図１０】 図２の２軸角度センサの概略平面図である。

【図１１】 気泡チャンバの製造の第１段階の側面図である。

【図１２】 蓋が閉じられた後の気泡チャンバの中心を通る断面図である。

【図１３】 図１２のラインＤに沿った断面図である。

【図１４】 図１２のラインＥに沿った断面図である。

【図１５】 ＶＳＧを組込んだ代替の角度センサの概略図である。

【図１６】 マイクロプロセッサにより実行される校正ルーチンを図示している。

【図１７】 フライホイールを組込んだ代替の角度センサの概略図である。

【図１８】 代替の２軸角度センサの一部の斜視図でる。

【図１９】 ユーザ入力装置の平面図である。

【符号の説明】

１，２…放射源、３，４…気泡チャンバ、５，６…検出器、７…第１流体、第
８…気泡（第２流体）、２３…界面、４２…プロセッサ、６０…コンテナ、６１
…蓋、６５…内部くぼみ、７０…振動構造ジャイロスコープ、９１…フライホイ
ール、Ａ，Ｂ…検出器軸、Ｘ，Ｙ…測定軸。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０６Ｆ 3/033 ３１０ Ｇ０６Ｆ 3/033 ３１０Ｙ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ， ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，Ｌ Ｔ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ， ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，Ｕ Ａ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 パーカー・スーザン・ジェリルディン・ロ イス イギリス国，ロンドン エスダブル６ ５ エーイー，フェルデン ストリート ７ Ｆターム(参考） 2C001 CA00 CA09 2F105 AA10 BB07 CC00 5B087 AA09 AE00 BC12 BC13 BC16 BC26 BC31

Claims (32)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】気泡がチャンバ内に形成されるように特性の異なった２種の流体
   を含む第１気泡チャンバと、 前記第１気泡チャンバ内の前記気泡の位置を検出することにより、第１検出器
   軸に対する前記第１気泡チャンバの方向を示す信号を発生する第１気泡検出器と
   、 気泡がチャンバ内に形成されるように特性の異なった２種の流体を含む第２気
   泡チャンバと、 前記第２気泡チャンバ内の前記気泡の位置を検出することにより、第２検出器
   軸に対する前記第２気泡チャンバの方向を示す信号を発生する第２気泡検出器と
   、 前記第１および第２気泡検出器からの信号を所定のアルゴリズムに従って組み合
   わせることにより、前記検出器軸からはそれぞれ角度的に偏っている第１および
   第２測定軸に対するセンサの角度を算定するプロセッサとを備えている２軸角度
   センサ。
2. 【請求項２】請求項１において、前記所定のアルゴリズムが、 前記気泡検出器信号から出力された１対の値を加算することにより、前記第１
   測定軸に対する前記センサの角度を算定し、 前記気泡検出器信号から出力された１対の値を減算することにより、前記第２
   測定軸に対する前記センサの角度を算定することから成るセンサ。
3. 【請求項３】請求項１または２において、前記検出器軸が相互にほぼ直角に配
   置されているセンサ。
4. 【請求項４】請求項３において、前記検出器軸が前記測定軸に対しほぼ４５度
   に配置されているセンサ。
5. 【請求項５】請求項１から４の何れかにおいて、さらに前記気泡チャンバと気
   泡検出器を内蔵するセンサハウジングを備え、前記センサハウジングが測定軸に
   位置合わせされているセンサ。
6. 【請求項６】気泡が前記チャンバ内に形成されるように特性の異なった２種の
   流体を含む気泡チャンバと、 放射により気泡を照射し、その放射が気泡により屈折するような放射を発生す
   る放射源と、 前記気泡からの屈折した放射を検出するように位置決めされ、前記気泡チャン
   バの角度を示す信号を発生する放射検出器とを備えている角度センサ。
7. 【請求項７】請求項６において、さらに前記気泡からの屈折した放射を受け取
   り、その屈折した放射を放射検出器に送るように位置決めされた界面を備えてい
   るセンサ。
8. 【請求項８】請求項７において、前記界面が前記気泡チャンバと放射検出器と
   の間に１つまたは複数のレンズを備えて、前記屈折した放射を放射検出器上に焦
   点を結ばせるセンサ。
9. 【請求項９】請求項８において、前記複数レンズ、または複数のレンズの一つ
   がシリンドリカルレンズを含んでいるセンサ。
10. 【請求項１０】請求項７から９の何れかにおいて、前記界面が前記気泡チャン
    バ内に放射透過投影を備えているセンサ。
11. 【請求項１１】請求項６から１０の何れかにおいて、前記気泡チャンバが前記
    気泡に近接した位置に放射吸収部分と放射透過窓を有するセンサ。
12. 【請求項１２】請求項１１において、前記放射吸収部分が放射吸収材料のコー
    ティングにより形成されるセンサ。
13. 【請求項１３】請求項６から１２の何れにおいて、前記放射検出器は位置検出
    器を備え、前記検出器上の前記屈折放射の位置が前記気泡チャンバ内の前記気泡
    の位置を示すセンサ。
14. 【請求項１４】請求項１３において、前記位置検出器が検出器のアレーを備え
    ているセンサ。
15. 【請求項１５】請求項１４において、前記検出器のアレーがほぼ直線に配置さ
    れているセンサ。
16. 【請求項１６】請求項６から１５の何れかにおいて、さらに前記放射源と気泡
    との間の放射を案内する放射ガイドを備えているセンサ。
17. 【請求項１７】請求項６から１６の何れかにおいて、前記放射源が前記気泡の
    中心から偏った放射ビームにより気泡を照明するような位置にあるセンサ。
18. 【請求項１８】請求項６から１７の何れかにおいて、前記気泡を形成する前記
    流体の屈折率が他の流体の屈折率より小さいセンサ。
19. 【請求項１９】請求項６から１８の何れかにおいて、前記放射源が赤外線放射
    源を備えているセンサ。
20. 【請求項２０】前記センサの方向を示すＶＳＧ信号を発生する振動構造ジャイ
    ロスコープ（ＶＳＧ）と、 気泡が前記チャンバ内に形成されるように特性の異なった２種の流体を含む気
    泡チャンバと、 前記気泡チャンバ内の前記気泡の位置に対応する校正信号を発生する気泡検出
    器と、 所定の校正アルゴリズムに従って前記校正信号からの前記ＶＳＧ信号を校正す
    るプロセッサとを備えている角度センサ。
21. 【請求項２１】液体および気泡を含む気泡チャンバと、 前記気泡チャンバ内の気泡の位置を検出することにより、前記気泡チャンバの
    方向を示す信号を発生する気泡検出器とを備え、 前記気泡チャンバが気泡の体積にほぼ等しい全体積を持つ、１つまたは複数の
    内部くぼみを有する角度センサ。
22. 【請求項２２】請求項１から２１の何れかにおいて、前記または各気泡チャン
    バが、前記気泡が前記チャンバの上面にのみ接触するような形状を有するセンサ
    。
23. 【請求項２３】請求項１から２２の何れかにおいて、前記または各気泡チャン
    バがほぼＤ字形であるセンサ。
24. 【請求項２４】センサの方向を示す信号を発生する手段と、 センサの傾斜に対抗するジャイロ力を提供するフライホイールとを備えている
    角度センサ。
25. 【請求項２５】請求項２４において、センサの方向を示す信号を発生する手段
    が、 気泡が前記チャンバ内で形成されるように特性の異なった２種の流体を含む気
    泡チャンバと、 前記気泡チャンバ内の前記気泡の位置を検出することにより、前記第１気泡チ
    ャンバの方向を示す信号を発生する気泡検出器とを備えているセンサ。
26. 【請求項２６】請求項２４または２５において、前記フライホイールが電動モ
    ータにより駆動されるセンサ。
27. 【請求項２７】請求項１から２５の何れかに記載されたセンサを備えているユ
    ーザ入力装置。
28. 【請求項２８】（１）気泡が各チャンバ内に形成されるように特性の異なる２
    種の流体を含む各第１および第２気泡チャンバを備えた角度センサを設け、 （２）前記第１気泡チャンバ内の気泡の位置を検出することにより、第１検出
    器軸に対する前記第１気泡チャンバの方向を示す第１信号を発生し、 （３）前記第２気泡チャンバ内の気泡の位置を検出することにより、第２検出
    器軸に対する第２気泡チャンバの方向を示す第２信号を発生し、 （４）所定のアルゴリズムに従って前記第１および第２信号を組み合わせるこ
    とにより、前記検出器軸からそれぞれ角度的に偏っている第１および第２測定軸
    に対する前記センサの角度を計算する角度検出方法。
29. 【請求項２９】気泡がチャンバ内に形成されるように特性の異なる２種の流体
    を含む気泡チャンバを設け、 放射により気泡を照射し、その放射が気泡により屈折し、 前記気泡からの屈折した放射を検出することにより、気泡チャンバの角度を示
    す信号を発生する角度検出方法。
30. 【請求項３０】振動構造ジャイロスコープ（ＶＳＧ）信号の校正方法であって
    、 気泡がチャンバ内に形成されるように特性の異なる２種の流体を含む気泡チャ
    ンバを設け、 前記気泡チャンバ内の気泡の位置に対応する校正信号を発生し、 所定の校正アルゴリズムに従って校正信号からのＶＳＧ信号を校正する振動構
    造ジャイロスコープ（ＶＳＧ）信号の校正方法。
31. 【請求項３１】角度センサにフライホイールを設け、前記フライホイールを回
    転することにより、前記角度センサの傾斜に対抗するジャイロ力を提供する角度
    センサの傾斜に対抗する方法。
32. 【請求項３２】開放端を有するコンテナを設け、 コンテナを液体でほぼ満杯にし、 蓋に１つまたは複数の内部くぼみを設け、 前記液体で満たされたコンテナを蓋で閉じて密封された気泡チャンバを形成し
    、コンテナを閉じて、気泡を前記内部くぼみの中に密封し、 前記気泡チャンバ内の前記気泡の位置を検知することにより、前記気泡チャン
    バの方向を示す信号を発生するように気泡検出器を配置する角度センサの製造方
    法。