方位検出装置
【課題】 浮動球体を用いた方位検出装置として、球体の重量を小さくして即応性をよくし、バランス調整が容易で、装置全体を小型にする。
【解決手段】 内周面が球状の面となるように形成された遮光性の筐体９の内周面に間隔をおいて複数個の光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃを配置し、筐体９の内周面内にその直径より小さい直径の球体であり内部に永久磁石７を内蔵した形状部材３を収容し、筐体９の内周面と形状部材３との間に透明な液体を充填し形状部材３を自由に浮動させ、永久磁石７は形状部材３の特定の直径上で中心から外れる位置にこの直径に対して対称的に配置されるので形状部材３は浮動状態で永久磁石７が下側に位置する状態で安定する。形状部材３の表面には、この直径を回転対称軸として回転方向に段階的または連続的に濃淡の程度が変化する濃淡領域の着色を施し、この濃淡領域を検出する前記光センサーの出力信号に基づいて方位を判定し表示させる。
【解決手段】 内周面が球状の面となるように形成された遮光性の筐体９の内周面に間隔をおいて複数個の光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃを配置し、筐体９の内周面内にその直径より小さい直径の球体であり内部に永久磁石７を内蔵した形状部材３を収容し、筐体９の内周面と形状部材３との間に透明な液体を充填し形状部材３を自由に浮動させ、永久磁石７は形状部材３の特定の直径上で中心から外れる位置にこの直径に対して対称的に配置されるので形状部材３は浮動状態で永久磁石７が下側に位置する状態で安定する。形状部材３の表面には、この直径を回転対称軸として回転方向に段階的または連続的に濃淡の程度が変化する濃淡領域の着色を施し、この濃淡領域を検出する前記光センサーの出力信号に基づいて方位を判定し表示させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、方位検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から，一般に方位を確認する場合、磁針式コンパスや球形の浮体によるフロート式コンパスが用いられてきた。前者の磁針式コンパスは、垂直な針の上に針状の磁石をバランス良く乗せ、バランスを保ちながら地磁気のＮ極、Ｓ極を指し示すものである。一方、後者のフロート式コンパスは、球形の浮体の内部に永久磁石を取付け、外部球体との間にアルコールまたは蒸留水を封入した構造で、浮遊する球形フロートが地磁気のＮ極、Ｓ極の方向を向くことで内部球体の表面上に表示された文字や記号から方位情報を得るものである。いずれのコンパスとも磁針部分の慣性重量が小さく、方位の振れに追従する磁針の回転トルクが極めて小さいのが特長である。
【０００３】
また、最近では、センサー部とディスプレイ部とからなり、センサー部は受光部と送光部とを備えた反射体を装着すると共に下部に棒状永久磁石を固定してなる球形フロートとこの球形フロートを内部空洞部に充たされた液体中に浮遊させると共に外周部に適数個の方向指示受光センサーを一定間隔毎に配設した外部球体とで構成されている。一方ディスプレイ部は方向を点灯指示する表示灯を臨出させる表示体とで構成されており、ディスプレイ部の各方向指示灯と対応する前記各方向指示受光センサーとを個々に結線してあると共に、前記反射体を構成する受光部に相当する外部球体の外部に光源を点灯するようにしたものが知られている（特許文献１）。
【０００４】
さらに、地磁気の影響を受ける球体の表面に、２次元バーコードや記号、ピット等によって示される光学コードによって、方位や傾斜角を示す座標情報を記し、これを光学コード読み取り部で読み取ることによって歩行者の方位を検出するものがあるが、球体の表面にバーコード，記号，方位・傾斜角線を印字したものでは、それらの情報を読み取るためのデバイスが必要であるため、固体撮像素子（例えばＣＣＤ）や光学コードリーダーが用いられている（特許文献２）。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１２５７１号公報
【特許文献２】特開２００３−１４４５９号公報
【０００６】
ところが、従来の磁針式のコンパスでは，細い支柱の上部に磁針部が平衡を保つように支持されているため、コンパス自体が傾くと磁針の端が表示盤や筐体と接触することとなり、コンパスとして使用できなくなるといった問題がある。一方，球形の浮体によるフロート式コンパスの場合は、方位の確認を可視的に行う必要があるため、人間の目で見える範囲に限定されるとともに、外部球体と内部の球形浮体との間にはアルコールや蒸留水が封入されているため、これら封入液が厳寒地では凍結ないし封入液の粘度が上昇してしまって磁針の正確な情報が得られ難いといった問題があった。
【０００７】
さらに、特許文献１に記載のものは、光透過性の液体を充填することによって，球体自体の重量が増加し地磁気に対する即応性が悪くなる。さらに，光ファイバーの配置により球体の重量バランスが片寄った場合には，錘によってバランスをとることで更なる重量増をもたらし、光ファイバーを用いたものでは装置自体がある程度傾くと方位を検出できなくなり、また可動部分の慣性重量の増加で地磁気への即応性が悪く、さらには重心の偏りによる可動部分の重量バランスの調整が必要になるといった問題がある。
【０００８】
他方、特許文献２に記載のものは、球形の表面の情報を２次元画像情報として正確に読み取るには，読み取りデバイスの手前にある程度精密な光学系部品が必要となり、コストがかかるうえに読み取り部の小型化も困難である上、球体自体の小型化が進むとその表面への情報の印字・印刷が困難となるといった問題が新たに惹起されるといった問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように、従来の方位検出装置では、磁針式のものでは、球体のバランスをとるために球体の重量が大きくなり即応性が悪くなり、あるいは球体に付加する情報やその読み取り装置が複雑なものとなり、また方位の確認を視覚に頼らないものにすることは考慮されていないものであった。本発明はこのような従来技術の問題点を解決することを目的とし、構造が簡単で、装置本体を小型化するとともに、装置本体が傾転しても永久磁石でバランスの調整が容易で素早く元の状態に復元できるようにし、さらに方位の確認を視覚にたよらずに行える方位検出装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、第１の発明では、内周面が閉じた球状の面であり、外部からの光を遮光するように形成された筐体と、該筐体の内周面に、該内周面である球面より内側に突出しないように並置して設けられ各々が発光部及び受光部とからなる複数個の光センサーと、前記筐体の内周面である球面の直径より所定の寸法だけ小さい直径を有する球体をなすように形成され、該球体の内部にその１つの特定の直径上で該球体の中心とは異なる位置において垂直に交差する平面内に永久磁石がそのＳＮ極を該直径に対称的にして配置され、該直径を回転対称軸として該球体の表面に回転方向に濃淡の程度が段階的または連続的に変化するように着色が施された形状部材と、前記形状部材が前記筐体の内周面内で自由に浮動できるように前記筐体の内周面と前記形状部材との間に充填された透明な液体と、前記複数個の光センサーにより得られた信号に基づいて前記筐体が向けられている方位を判定し、その結果を表示するための検出制御部と、からなる方位検出装置としたものである。
【００１１】
第２の発明では、検出制御部が筐体に内蔵されて備えられるようにし、第３の発明では、検出制御部が筐体とは別個のユニットとして、あるいは方位検出器が組み込まれる他の機器内に備えられ、複数個の光センサーにより得られた信号がケーブルを介して前記検出制御部に伝送されるようにしたものである。第４の発明では、回転方向の濃淡の程度の変化として、少なくとも４方位以上の方位分解能となるように段階的に変化する濃淡領域として前記形状部材の表面に着色が施されるようにし、第５の発明では、形状部材の表面に濃淡の程度が連続的に変化する着色が施され、該濃淡の程度の変化に応じた複数個の光センサーの出力が方位を示す角度に対して線形になるように検出制御部における信号処理部の補正処理がなされるようにしたものである。第６の発明では、光センサーが筐体の内周面に少なくとも３個以上離間し並置して設けられるようにし、また、第７の発明では、複数個の光センサーが筐体の球面状の内周面に、球面の大円上に等間隔に配置され、検出制御部は前記複数個の光センサーの出力のうち最も高い確実性をもって方位を指示する１つの光センサーを選択し、該選択された光センサーの出力に基づいて方位を決定し表示する手順により方位検出の動作を行うものであり、第８の発明では、筐体の内周面と形状部材との間に充填される液体が少なくともエチレングリコール、低粘度シリコンオイル、アルコールおよび水のいずれかを含むものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明における方位検出装置は、筐体内に位置する形状部材の揺動をできるだけ抑えて方位検出の精度を挙げるとともに、外部環境の使用場所や条件に合わせて任意の形状部材用液体と外部球体用液体を選択することにより形状部材の自由な回転が保証されるとともに、形状部材内には永久磁石を配置する程度であるので即応性がよく、バランスをとりやすい。また、形状部材の復元性が高いため、歩行中や乗り物などの移動体中での方位検出に適している。さらに、濃淡の程度が段階的あるいは連続的に変化するように形状部材の表面に着色を施すとともに、光センサーで反射光強度を測定することにより精度の高い方位が検出でき、構造が簡単で小型化され、製作が容易な方位検出装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施の形態を図面を参照して詳述する。本発明の方位検出装置は方位検出部１と検出制御部２００とからなり（図１０）、方位検出部１は主として永久磁石７を内包する形状部材（浮体）３、外部球体５、形状部材３と外部球体５との間に充填された形状部材用液体１７、外部球体５を囲繞する筺体９、筐体９内に配置された光センサー１１とで構成されている（図１）。まず、形状部材３について説明する。形状部材３は樹脂で成形され、外径が３〜１０ｍｍ、好ましくは３〜７ｍｍの球体形状を成しており、この形状部材３の内部に矩形形状を有する永久磁石７が水平状態（横向き）に配設された状態となっている。この永久磁石７は、形状部材３の重心を低くして方位検出装置１が傾転しても常に地表面に対して水平な面内の向きになって安定するように、形状部材３内でその中心から間隔をおいて、形状部材３の中心を通るある直径に対して垂直に、その直径に対して対称的になるように配置されるようにする。
【００１４】
このように永久磁石７を形状部材３内に配置し、永久磁石７の比重が、永久磁石７を含む形状部材３全体の平均的比重より大きいことによって、浮動する形状部材３は常に永久磁石７が形状部材３の中心より下側にあって水平面内にある安定した状態をとる。そこで永久磁石７の中心を通る形状部材３の直径（鉛直軸）上にある形状部材３の表面の位置のうち永久磁石７から遠い方を上頂点１３、永久磁石７に近い方を下頂点１５とする。このように永久磁石７を内部に配置した形状部材３とするには、例えば形状部材３を形成するための内面が球形である上下２分割式の型内の下側に永久磁石７を配置した後に溶融樹脂を注入して固化させるという手法が用いられよう。形状部３を形成する樹脂としては、所望の後述するように表面に濃淡色の着色を行うことができることのほか、永久磁石７を包含したものとしての平均的比重を、装置内でその周囲を満たす液体の比重と同等にすることを考慮して、熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂のうちから選択的に使用できる。
【００１５】
形状部材３は、浮動状態において筐体９の向きにかかわらず、上頂点１３と下頂点１５とを結ぶ直径（鉛直軸）が常に重力方向と一致した方向になるとともに、永久磁石７は水平面内で回転し（図２）、地磁気によりそのＮ極が北の方位を、Ｓ極が南の方位を指すようになる。
【００１６】
図４は形状部材３の表面を展開して示した図であり、形状部材３は、形状部材３の内部に埋め込まれた永久磁石７が指し示す地磁気の南北方向を基準として経度方向に、北（Ｎ）、東（Ｅ）、南（Ｓ）、西（Ｗ）の４方位に等分した擬似楕円形に分解でき、経度方向に向かって段階的に４階調の灰色の濃淡で着色してある。例えば、北（Ｎ）側には黒色に近い灰色から、（Ｅ）、南（Ｓ）、西（Ｗ）側に向かうに従って、白色に近い灰色まで灰色の明度を変化させた構成をなしている。上頂点１３と下頂点１５は黒く着色されている。なお、方位分解能を表すために形状部材３に着色する濃淡色は、無彩色の灰色に限定されるものではなく、特定の有彩色で濃淡の段階を有するように濃淡色を使用してもよい。
【００１７】
図５は、形状部材３の内部に埋め込まれた永久磁石７が指し示す地磁気の南北方向を基準として緯度方向に８等分した擬似楕円形に分解した場合について、形状部材３の表面を展開して示した図であり、方位分解能を、北（Ｎ）、北東（ＮＥ）、東（Ｅ）、南東（ＳＥ）、南（Ｓ）、南西（ＳＷ）、西（Ｗ）、北西（ＮＷ）の８方位としている。図４に示す４方位から図５に示す８方位にすることにより、より一層精度の高い方位を得ることができる。このような８方位の場合にも、形状部材３の外周部を北（Ｎ）のように黒色に近い灰色から北西（ＮＷ）のように白色に近い灰色まで明度を漸増させながら灰色の明度を変化させた構成をなしている。なお、球形状を有する形状部材３の表面の経度方向に４方位や８方位などに合わせて方位分解能に対応させて灰色を段階的に濃淡に着色されているが、さらに８方位以上、例えば１６方位として、北（Ｎ）→東（Ｅ）→南（Ｓ）→西（Ｗ）→北（Ｎ）に向けて黒色基調の強い灰色から白色基調の強い灰色になるように灰色の明度を漸増させるようにしてもよい。さらに、明度が段階的に変化する着色でなく、明度が連続的に変化する連続的すなわち無段階のグラデーション（明度変化）にしてもよい。
【００１８】
次に、形状部材３を囲繞している透明で球形状を有する外部球体５について説明する。外部球体５は外球部５ａと内球部５ｂとからなり、外球部５ａと内球部５ｂはともに透明な樹脂で成形されたものが使用される。外部球体５の外径の大きさは、約１０〜１７ｍｍ、好ましくは約１０〜１４ｍｍ程度が好ましくい。外球部５ａと内球部５ｂとは異なった大きさ（外球部５ａの大きさ＞内球部５ｂの大きさ）を有し、外球部５ａと内球部５ｂは相対移動をせずに相互に同心状に固定されその間に空間部を有している。
【００１９】
また、形状部材３と外部球体５を構成する内球部５ｂとの間は、例えば１〜１．５ｍｍの間隙２１を有し、この隙間２１には、形状部材用液体１７が注入されており、形状部材３が外部球体５の内球部５ｂ内で自由な回転を保証しつつ（回動自在）浮遊した状態が確保できるようにするとともに、形状部材３が内球部５ｂの壁面とできる限り接触しないようになっている。このためには永久磁石７を内包する形状部材３の平均的比重が液体１７の比重と同等になるように永久磁石７及び形状部材３を構成する樹脂の、寸法、材質と、液体１７の材質とを選択し、設定することが必要である。使用される形状部材用液体１７の種類としては、例えば、エチレングリコールのような不凍液、低粘度シリコンオイル、アルコールあるいは水などが挙げられる。また、方位検出装置が使用される外部の大気温度環境に応じて、使用される液体を使い分けることもできる。
【００２０】
固定された同心状の外球部５ａと内球部５ｂとの間の空間部は約１〜２ｍｍの間隙２３を有し、間隙２３の内部には、前述した形状部材用液体１７と同様に、例えば、エチレングリコールのような不凍液、低粘度シリコンオイル、アルコールあるいは水などの外部球体用液体１９が封入されており、内球部５ｂと外球部５ａとは、その間の空間部に外部球体用液体１９が封入された状態で完全密封されている。外球部５ａ内に封入するために使用される外部球体用液体１９の種類は、外部の大気温度によって、方位検出装置１を使い分けることもできる。例えば零度以下の厳寒地などの特別な場所では、エチレングリコールのような不凍液の入ったものが望ましく、このような特別な場合を除いて、通常は、低廉で入手の容易な、低粘度シリコンオイル、アルコールあるいは水などを使用してもよい。なお、外部球体５が間に液体１９を封入した外球部５ａと５ｂとからなる構造とするのは外部球体５の内球部５ｂ内で形状部３が自由に回転することを意図したものであり、形状部３が自由に回転する条件が満たされれば、特に外球部５ａ及び内球部５ｂからなる構造としなくてもよい。
【００２１】
外球部５ａと内球部５ｂは、筐体９内で該球部５ａの外側に配置された光センサー１１からの光を透過して、形状部材３表面の灰色の濃淡による着色部で吸収された残りの光量（反射光強度）を測定できるように、透明の樹脂が用いられる。透明な樹脂としては、汎用透明プラスチックと透明エンプラのどちらでもよく、特に限定されるものではないが、例えば、汎用透明プラスチックとしては、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリルニトリル・スチレン共重合樹脂（ＡＳ）、透明ＨＩＰＳ、透明ＡＢＳ樹脂、スチレン・ブタジェン共重合樹脂（ＳＢＳ）、スチレン・マイレン酸樹脂（ＳＭＡ）、ＭＭＡ・ＰＳ共重合樹脂（ＭＳ樹脂）、スチレン無水マイレン酸系樹脂、メタクリル樹脂、セルロース・アセテートなどがある。また、透明エンプラとしては、ポリエステルカーボネート、ポルメチルペンテン（ＴＰＸ）、ポリアリレート（Ｕポリマー）、ポリエーテル・サルフォン（ＰＥＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）等が挙げられる。
【００２２】
次に、外部球体５を完全囲繞するための筺体９について説明する。球形状を有する外部球体５の外周部は、立方体状の筺体９によって囲繞されており、筺体９は太陽光などの光を透過しないで遮光可能にして真っ暗な状況を呈することが必須条件となる。また、筺体９の材質としては非磁性体の金属（例えば、アルミニウム、真鍮等）や真っ黒に着色された、あるいは黒色顔料を含む樹脂などが好ましい。なお、筺体９に使用する材料としては、完全遮光状態を確保できるとともに、非磁性体のものであれば、限定するものではない。因みに、筺体９の外部形状は特に限定されるものではなく、例えば立方体状や多角形状あるいは球形状ものでもよく、限定されない。図示した立方体形状の筐体９の下面に底部１０が付設され、方位検出部１の姿勢の基準状態は底部１０が水平になっている状態（図２）である。また、筐体内面は基本的に外部球体５を囲繞する球面状であるが、内周面に光センサー１１を配置するとともに、光センサー配線が接続されるようにし、また付随する回路や電源を内蔵するか、外部要素との間で接続されるようにする。さらに、方位検出部１の筐体９は、図１のように上から見た状態で、いずれの向きを使用者が方位を知りたい向きとするかを、例えば色、マーク等の筐体外部の表示で識別できるようにしておくか、触覚に頼る方式としては、筐体９の外形形状（突起等）により識別できるようにしておく。
【００２３】
この筺体９の内周面には光センサー１１が配置される。図示した例では、光センサー１１は、それぞれ発光部２５と受光部２７とを備えた３つの光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃとして配置されている。この３つの光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、筐体９の内周面である球面とその中心を通る平面との交わりである大円上に等間隔に配置され、図２に示されるように、筐体９の底部１０が水平である基準状態で形状部材３の上頂点１３と下頂点１５間とを結ぶ鉛直線に対して一方の半円周上に、この鉛直線を垂直に二等分する平面に対して対称的に配置されている。形状部材３の表面は、図１のように鉛直軸の方向に上頂点１３側から見て水平面内、すなわち経度方向に等分割（図１では４分割）され、それぞれの示す方位に応じてグラデーションされた検出面とされている。筐体９の内周面上のそれぞれの光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、発光部２５からの光が透明な外球部５ａ、液体１９及び内球部５ｂを通って形状部材３の表面のグラデーションに応じて吸収され、それ以外の反射光が内球部５ｂ、液体１９及び外球部５ａを通って受光部２７で受光されるようになっている（図３）。発光部２５から照射された光が、濃淡の異なる灰色に着色された形状部材３の表面に当たった後、濃淡（明度）に応じて光の吸収に差異が生じるため、結果的に反射光強度が異なることにより、方位を検知することが可能となるのである。
【００２４】
また、方位検出装置の傾転により筺体９が傾斜した場合に、筺体９に内蔵された形状部材３は、地磁気によって上頂点１３と下頂点１５を結ぶ線が常に鉛直の状態を維持するのに対して、筐体９の方は、その内周面に一列状に配置された光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃとともに、自由に傾動することになるため、
（１）筺体９内に組み込まれた光センサーのうち両端側の光センサー１１ａ、１１ｃを結ぶ直線ａと、上頂点１３と下頂点１５とを結ぶ鉛直状の直線ｂとがある角度をなして交差するような筺体９の傾動がある場合、
（２）両直線ａ，ｂが平行になる場合（図２に示される基準状態）、
（３）両直線ａ、ｂが直交する場合（光センサー１１ａ、１１ｃを結ぶ直線が形状部材３の上頂点１３と下頂点１５とを結ぶ直線の中心を通りこれに垂直な平面（形状部材の球面の赤道位置の面）に平行な状態）
のいずれかになる。なお、発光部２５の光の種類については、赤外線や可視光線を使用できる。
【００２５】
本発明の方位検出装置は単独で使用されほか、必要に応じて機器などに組み込まれて使用される形態がある。使用者が方位検出装置またはこれを組み込んだ機器を把持し携行して使用する際に、機器そのものが傾転させたり、振動させたりすることになる。しかしながら、機器に組み込まれた方位検出装置の方位検出部１の中心部域に位置する形状部材３は、永久磁石７を内蔵させたことと相俟って外部球体５を構成する内球部５ａ内で形状部材３の筺体９の向きに関わらず上頂点１３と下頂点１５とを結ぶ直線が常に重力方向と一致するように機能するものの、筺体９と形状部材３とが相対動を起こして形状部材３の揺動が生じ易くなる。このような形状部材３の揺動を極力抑える方策として、形状部材用液体１７に、例えば低粘度のシリコンオイルを使用するようにすることが望ましい。内蔵された光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）の内、特に方位の検出の中核となる光センサー１１ｂが方位分解能の境目に位置した場合は、方位判定が不能の状態になる。このように方位判定が不能な状態になった時に、方位の表示手段による表示がなされず、音声表示よる場合には音声が途切れることになる。少なくとも２秒に一回の間隔割合で精度の高い方位の検出を行うという設定であれば、音声表示を選択した場合には、次の２秒先の音声による方位の応答を待つことになる。
【００２６】
次に、方位検出部１により得られた方位情報に基づいて使用者に検出された方位を知らせるための検出制御部について図１０により説明する。この検出制御部２００は信号処理部３０及び制御回路部４０を備えるほか、視覚表示手段５０、振動モーター６０、音声回路７０、スピーカー８０、イヤホン９０、骨伝導スピーカー１００等から選択された表示手段が組み合わされて構成されている。
【００２７】
まず、方位検出部１の筐体９の底部１０が水平である基準状態の場合を考える。この場合、光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）はいずれも図１に示されるように東（Ｅ）に対応する位置にあり、いずれの発光部２５から照射された光も外部球５ａ、外部球体用液体１９、内部球５ｂ、形状部材用液体１７を透過して形状部材３の比較的濃い灰色に着色された東（Ｅ）領域に到達し、この領域は光の吸収率が比較的大きくなるため、その分受光部２７で得られた反射光強度は小さなり、受光部２７で受光する光の受光率は低い反射光強度値となって現われることになる。得られた反射光強度値を示す信号は信号処理部３０に送られる。
【００２８】
信号処理部３０は形状部材３の表面における方位を示す着色された濃淡領域に対応する反射光強度の値が予め比較用データとして設定されており、光センサー１１の受光部２７で得られた反射光の強度がこの比較用データと比較され、方位情報に変換される。方位検出部１の筐体９は、いずれの向きを使用者が方位を知りたい向きとするかを、視覚手的または、触覚により識別できるようになっている。図１の例で、使用者は知りたい向きを光センサー１１が配置された側と反対側の向き（図１で左側の向き）であるとする。この筐体９における方位を知りたい向きと、筐体９の内周面に配置された光センサーとの位置関係は方位を支持する上での前提事項として信号処理部３０において設定されている。使用者が方位を知りたい方に向けて方位検出装置（方位検出部１）を保持すると，光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）の前方には指し示す方位に対応して４段階に着色された灰色の濃淡領域の内、東（Ｅ）が現れ、方位検出部１の指し示す方位は東（Ｅ）と反対側の西（Ｗ）となる。これらの方位情報は制御回路４０に送られ、その後、使用者の要求に応じて、視覚表示手段、振動や音声あるいはそれらの組み合わせによる手段での表示により確認される。
【００２９】
視覚表示手段５０としては、例えばＬＥＤ、液晶を用いた表示素子を用いることができ、振動で方位を確認するための手段としては、例えば携帯電話でマナーモード用に使用されている振動モーター６０が使用できる。さらに、音声で方位を確認するための手段としては、人声やブザー音などを発生する音声回路７０を経て、開放型のスピーカー８０、装着型のイヤホン９０、あるいは骨伝導を利用したスピーカー１００等の音響装置からの音で方位情報が提供できる。これらの視覚的または音声、振動等による表示手段、信号処理部、制御回路部、電源は方位検出装置が単体として用いられる場合は、必要な部分を内蔵した形態とし、あるいは筐体９以外の外部ユニットとして接続される形態とすることができ、また、他の携帯型の機器に内蔵される装置として組み込まれるものでは、他の機器本体側に収容される形態とすることができる。
【００３０】
次に、本発明の方位検出装置の動作について説明する。
【００３１】
通常は方位検出部１をできるだけ地面と水平に、図２に示される基準状態に保つように保持して使用するのが望ましいが、歩行中や移動体中で使用したり、さらに携帯型の機器に内蔵する場合には、当然のことながら方位検出部１が任意の方向に旋回する状況が想定される。そこで、本発明の方位検出装置（方位検出部１）を用いて旋回した際でも安定した方位を検出することについて、図４〜図９を用いて説明する。
【００３２】
図６と図８を中心に図７と図９なども合わせて説明する。
【００３３】
まず、図６は光センサー１１ａ、１１ｃを結ぶ直線と、形状部材３の上頂点１３と下頂点１５を結ぶ直線（鉛直線）とが同一方向となる状態と、筺体９のみを４５度旋回した場合を示す。また、図８は光センサー１１ａ、１１ｃを結ぶ直線と上頂点１３と下頂点１５を結ぶ鉛直線とが同一方向（ａ）になるかまたは交差方向（ｂ、ｃ）になった場合の具体例について説明する。図示の例で、光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃは球の中心を通る面内で、中心に対してなす角度がそれぞれ４５度をなすように対称的に配置されている。光センサーの配置は対称的であるのが望ましいが、球の中心とのなす角度は４５度に限られない。
【００３４】
本発明では、一定の光量を照射する光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）を縦軸にとるとともに、形状部材３の表面に方位分解能（例えば、４段階や８段階）に対応する灰色の濃淡領域により吸収されずに反射された光の受光量（反射光強度）を横軸にとり、両者の相関関係のデータを予め得て、信号処理部３０における濃淡の判別のための比較データとして保持しておくものである。当該データに基づいて使用者がどの方位を向いているのかを知ることができるのである。なお、濃淡領域により吸収されずに反射された光の光量（反射光強度）の測定時に、光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）と形状部材３間に介在する形状部材用液体１７や外部球体用液体１９などの種類を変えた場合の光の吸収率も、前記データ採集時に合わせてデータを得ておくことが望ましい。
【００３５】
図６は、光センサー１１ａ、１１ｃを結ぶ仮想線と上頂点１３と下頂点１５とを結ぶ鉛直線とが同一方向に位置した状態（基準状態）から、筺体９のみを図６に示すように４５度旋回して、４つの方位分解能の内、光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）に東（Ｅ）の濃淡領域が対向している場合を示している。さらに、方位検出装置１を構成する筺体９が前方向に大きく傾斜し、光センサー１１ｃは東（Ｅ）領域の擬似楕円形の最も幅が広い赤道２９の近くを照射し、形状部材３の上頂点１３により近い光センサー１１ｂは東（Ｅ）領域の幅の狭い擬似楕円形状領域を照射するとともに、光センサー１１ａは上頂点１３の位置を照射する状態になっている。上頂点１３近辺は黒く着色されているので、光センサー１１ａから黒く着色された上頂点１３に照射された光の反射光強度は最も弱くなるとともに、光センサー１１ａと９０度の角度で配設された光センサー１１ｃが形状部材３の赤道２９の付近に位置し、光センサー１１ｃの受ける反射光の強度が最も強くなる。光センサー１１ａ、１１ｂの反射光強度は光センサー１１ｃから照射された反射光強度よりも弱いために、光センサー１１ｃを方位の判断基準とするのが妥当であり、信号処理部３０では光センサー１１ｃの反射光強度を第一の候補として採用する。
【００３６】
同様に、方位検出部１を構成する筺体９が後方向に大きく旋回（約４５度）した場合には前述した前傾方向とは逆になり、光センサー１１ａは東（Ｅ）領域の擬似楕円形の最も幅が広い赤道２９の位置を照射し、形状部材３の下頂点１５により近い光センサー１１ｂは東（Ｅ）領域の擬似楕円形状を有する幅のより狭い領域を照射することになると同時に、光センサー１１ｃは黒く着色された下頂点１５の位置を照射するというような状態になる。このように、光センサー１１ｃが下頂点１５を検出した場合には、光センサー１１ｃと９０度の角度で配設された光センサー１１ａが球形状の形状部材３の赤道２９付近に位置することになるため、その照射した光センサー１１ａから照射された反射光強度を第一の候補として採用し、残りの光センサー１１ｂ、１１ｃの反射光強度を参照して、３つの光センサー１１の中で光センサー１１ａが示す反射光強度を指標として方位を判断するのである。
【００３７】
筺体９が前後に４５度傾斜するいずれの場合も、形状部材３に着色された灰色の濃淡領域を検出する光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）の位置と判定の手順が逆になるだけであり、方位の決定には影響を及ぼさない。なお、光センサー１１ｂが下頂点１５を検出した場合には、使用者の所望する向きが上方向（天側）の向きになっていている状態であり、方位検出装置１は９０度転倒していると判断できるので、方位の概念は意味を持たなくなっており、方位の判定は行わず、状況を変えて再度試行することになる。
【００３８】
前述のような、列状に配置された光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）がこれと球の中心を通る面内で回転した場合を筐体９の前後の傾斜として考えたものであるが、この回転の軸と垂直な方向の軸周りの回転として、中心の光センサー１１ｂと球の中心を通る直線を軸として筐体９が回転する横の傾斜する場合を考える。図７に示すように、方位検出装置１が横に９０度傾斜して横転した時に、光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）が形状部材３の赤道２９に沿って並ぶ位置にあり、３つの光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃがそれぞれ異なる濃淡領域に対向する状態になっており、３つの光センサー１１の中で光センサー１１ｂが示す反射光強度を指標として方位を判断するのである。３つの光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃの内、光センサー１１ｂは常に目的の赤道２９上にあるが、残りの光センサー１１ａは北（Ｎ）と光センサー１１ｃは南（Ｓ）となり、東（Ｅ）の領域を外れて隣接する領域を表示することになるため、光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）の表示する方位は、光センサー１１ｂのみが正しい方位として判断され、採用される。
【００３９】
図８は筐体９が横に傾斜した場合、すなわち光センサー１１ａ、１１ｃを結ぶ仮想線と形状部材３の上頂点１３と下頂点１５を結ぶ鉛直線との方向が一致するかまたは交差方向になるように変位した場合を分けて示しており、この場合光センサー１１ｂが常に擬似楕円形状の形状部材３の赤道２９に対向した位置にあって、筺体９が旋回する。
【００４０】
図８（ａ）は、光センサー１１ａ１１ｃを結ぶ仮想線と、上頂点１３と下頂点１５を結ぶ鉛直線とが一致した方向になる場合であり、３つの光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃが全て目的の同一の方位を示す濃淡領域を検出するため、最も信頼性の高い方位を得ることができる。
【００４１】
図８（ｂ）は、光センサー１１ａ、１１ｃを結ぶ仮想線と形状部材３の上頂点１３と下頂点１５を結ぶ鉛直線とが４５度の角度をなす場合であり、３つの光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃの内、光センサー１１ｂは常に目的の方位を示す位置にあるが、残りの光センサー１１ａと光センサー１１ｃは目的の領域（ここでは、東（Ｅ）の領域）をはずれて隣接する領域（ここでは、北（Ｎ）と南（Ｓ）の領域）に対向するため、光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）のうち光センサー１１ｂが示すのが正しい方位として判断され、採用される。
【００４２】
さらに、図８（ｃ）は、光センサー１１ａ、１１ｃを結ぶ仮想線と形状部材３の上頂点１３と下頂点１５を結ぶ鉛直線とが９０度の角度をなす場合であり、これは図７に示されるのと同じであって、３つの光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃは赤道２９の位置にあり、そのうち光センサー１１ｂは東（Ｅ）の領域に対向しているが、残りの光センサー１１ａと光センサー１１ｃは東（Ｅ）の領域を外れて隣接する領域（ここでは、北（Ｎ）と南（Ｓ）の領域）に対向することになるため、光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）の表示する方位は、光センサー１１ｂのみが正しい方位として判断され、採用される。
【００４３】
最後に、図９のフローチャートを用いて光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）と形状部材３の周方向の相対動による方位の基本的な判定方法について説明する。図６のように筺体９が４５度旋回した状態からさらに４５度旋回した場合、すなわち図２の基準状態から９０度旋回した状態になると、方位の判断基準となる光センサー１１ｂが形状部材３の上頂点１３上に位置することになる。また光センサー１１ｂが下頂点１５上に位置する場合も同様である。このように光センサー１１ｂが上頂点１３または下頂点１５上に位置すると判断される（ｂ＝０；ステップ１２０）場合、方位の判断はできないことになり、信号処理部３０での方位の信号処理ができなくなる。このため、方位を検出することなく信号処理は終了する。
【００４４】
光センサー１１ｂが形状部材３の上頂点１３または下頂点１５上の位置になければ、次いで光センサー１１ａが形状部材３の上頂点１３または下頂点１５上に位置しているかどうかを判断しａ＝０；ステップ１３０）、もし光センサー１１ａが形状部材３の上頂点１３または下頂点１５上に位置していれば、光センサー１１ｃが擬似楕円形状の形状部材３の赤道２９に位置することになり、方位の判定（ステップ１５０）ができ、光センサー１１ｃが示す方位が採用されるのである。
【００４５】
光センサー１１ａが形状部材３の上頂点１３または下頂点１５上に位置していていない場合、光センサー１１ｃが形状部材３の上頂点１３上に位置しているかどうかの判断（ｃ＝０；ステップ１４０）を行うことになる。もし光センサー１１ｃが形状部材３の上頂点１３または下頂点１５上に位置していれば、光センサー１１ａは擬似楕円形状の形状部材３の赤道２９上に位置することになり、光センサー１１ａが示す方位を採用して方位判定（ステップ１６０）ができるのである。
【００４６】
同様に、もし光センサー１１ｃが形状部材３の上頂点１３または下頂点１５上に位置していなければ、光センサー１１ｂが擬似楕円形状の形状部材３の赤道位置相当部２９に位置することになり、方位の判定（１７０）ができるのである。
【００４７】
これまでは、光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃが球の中心を含む面内に対称的に、球の中心に対して４５の角度をなすように間隔をおいて配置された場合について、光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃと筐体９の球状の内周面の中心とを含む面内での筐体９の回転（前後の傾斜）と、これに垂直な面内での筐体９の回転（横の傾斜）とに分けて説明した。実際の筐体９の傾斜はこの２種類にわけた傾斜の複合として生ずる場合が多いが、方位の判断の考え方は前述した原則に基づいて同様になされるものである。また、光センサー同士の間の角度が特に４５度でなくても、やはり同様に方位の判断がなされる。
【００４８】
以上は、球形の形状部材３の表面を上頂点１３と下頂点１５とを結ぶ直線を軸として、４分割または８分割し、方位を示す相互に段階的な明度の差を有する濃淡領域を形成した場合について、方位検出装置による方位の判断過程について説明した。形状部材３の表面を図４、図５に示すように４段階あるいは８段階に着色した場合、図９のフローチャートにより４段階あるいは８段階の方位情報が得られる。この場合光センサーから得られる信号は４段階あるいは８段階の離散的（ディジタル的）な値となる。
【００４９】
本発明においては、形状部材３の表面を、濃淡の度合いが段階的に変化する濃淡領域に分割する代わりに、無段階、連続的に変化するようにしてもよい。ただし、黒に近い明度から明度が漸次増大し、球面を一周して白に近い明度の位置を過ぎると、再び黒に近い明度になる箇所では不連続になる。このように濃淡の度合いを無段階、連続的に変化するように着色した場合に、光センサーから得られる反射光強度を示す信号は、その濃淡の度合いに応じて連続的（アナログ的）な値となる。球形の形状部材３の経線方向には濃淡度が一定であるので、方位判定に用いられる光センサーの出力信号から原理的には無制限の分解能で方位情報を得ることが可能となる。しかしながら、実際の装置において、光センサーからの信号はＡ／Ｄ（アナログ・ディジタル）変換回路を介して信号処理部に取り込まれ、ここで連続的な値が離散的な値に変換されるものであることから、方位の分解能はＡ／Ｄ変換回路の分解能の制限を受けることになる。例えば、８ビットの分解能をもつＡ／Ｄ変換回路を備えた信号処理部では、最大２５６段階の方位分解能となる。また、漸次連続的に変化する着色のし方と、光センサーの出力特性とのいずれも線形に変化するとは限らないことを考えた場合、実際に構成された方位検出装置において、得られた離散的な方位情報を示す値と、実際の方位角との対応をとるための補正処理が必要になることもある。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の基準状態にある方位検出装置の方位検出部を球形の形状部材の中心を通る平面で切断して上から見た断面図である。
【図２】本発明の基準状態にある方向検出装置の方位検出部を図１のＡ−Ａ面の位置で切断して見た断面図である。
【図３】光センサーを用いて方位を測定する場合の部分拡大図である。
【図４】形状部材を４方位に展開した場合の展開図である。
【図５】形状部材を８方位に展開した場合の展開図である。
【図６】方位検出部の筺体を図２の基準状態から４５度前方に旋回させた状態の切断断面図である。
【図７】筺体を図２の基準状態から９０度横に旋回させて３つの光センサーが形状部材の赤道に沿うようにした場合の切断断面図である。
【図８】筺体が形状部材に対して、（ａ）鉛直状態（基準状態）、（ｂ）４５度横に旋回、（ｃ）９０度横に旋回した場合の形状部材の部分に対する筺体内の光センサーの相対的変位を示す図である。
【図９】方位判定のフローチャートである。
【図１０】方向検出装置の検出制御部の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ 方位検出部
３ 形状部材（浮体）
５ 外部球体
５ａ 外球部
５ｂ 内球部
７ 永久磁石
９ 筺体
１０ 底部
１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ） 光センサー
１３ 上頂点
１５ 下頂点
１７ 形状部材用液体
１９ 外部本体用液体
２１ 間隙（磁石本体と内球部間の隙間）
２３ 間隙（外球部と内球部間の隙間）
２５ 発光部
２７ 受光部
２９ 形状部の赤道
３０ 信号処理部
４０ 制御回路図
５０ 視覚表示手段
６０ 振動モーター
７０ 音声回路
８０ スピーカー
９０ イヤホン
１００ 骨伝導スピーカー
２００ 検出制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、方位検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から，一般に方位を確認する場合、磁針式コンパスや球形の浮体によるフロート式コンパスが用いられてきた。前者の磁針式コンパスは、垂直な針の上に針状の磁石をバランス良く乗せ、バランスを保ちながら地磁気のＮ極、Ｓ極を指し示すものである。一方、後者のフロート式コンパスは、球形の浮体の内部に永久磁石を取付け、外部球体との間にアルコールまたは蒸留水を封入した構造で、浮遊する球形フロートが地磁気のＮ極、Ｓ極の方向を向くことで内部球体の表面上に表示された文字や記号から方位情報を得るものである。いずれのコンパスとも磁針部分の慣性重量が小さく、方位の振れに追従する磁針の回転トルクが極めて小さいのが特長である。
【０００３】
また、最近では、センサー部とディスプレイ部とからなり、センサー部は受光部と送光部とを備えた反射体を装着すると共に下部に棒状永久磁石を固定してなる球形フロートとこの球形フロートを内部空洞部に充たされた液体中に浮遊させると共に外周部に適数個の方向指示受光センサーを一定間隔毎に配設した外部球体とで構成されている。一方ディスプレイ部は方向を点灯指示する表示灯を臨出させる表示体とで構成されており、ディスプレイ部の各方向指示灯と対応する前記各方向指示受光センサーとを個々に結線してあると共に、前記反射体を構成する受光部に相当する外部球体の外部に光源を点灯するようにしたものが知られている（特許文献１）。
【０００４】
さらに、地磁気の影響を受ける球体の表面に、２次元バーコードや記号、ピット等によって示される光学コードによって、方位や傾斜角を示す座標情報を記し、これを光学コード読み取り部で読み取ることによって歩行者の方位を検出するものがあるが、球体の表面にバーコード，記号，方位・傾斜角線を印字したものでは、それらの情報を読み取るためのデバイスが必要であるため、固体撮像素子（例えばＣＣＤ）や光学コードリーダーが用いられている（特許文献２）。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１２５７１号公報
【特許文献２】特開２００３−１４４５９号公報
【０００６】
ところが、従来の磁針式のコンパスでは，細い支柱の上部に磁針部が平衡を保つように支持されているため、コンパス自体が傾くと磁針の端が表示盤や筐体と接触することとなり、コンパスとして使用できなくなるといった問題がある。一方，球形の浮体によるフロート式コンパスの場合は、方位の確認を可視的に行う必要があるため、人間の目で見える範囲に限定されるとともに、外部球体と内部の球形浮体との間にはアルコールや蒸留水が封入されているため、これら封入液が厳寒地では凍結ないし封入液の粘度が上昇してしまって磁針の正確な情報が得られ難いといった問題があった。
【０００７】
さらに、特許文献１に記載のものは、光透過性の液体を充填することによって，球体自体の重量が増加し地磁気に対する即応性が悪くなる。さらに，光ファイバーの配置により球体の重量バランスが片寄った場合には，錘によってバランスをとることで更なる重量増をもたらし、光ファイバーを用いたものでは装置自体がある程度傾くと方位を検出できなくなり、また可動部分の慣性重量の増加で地磁気への即応性が悪く、さらには重心の偏りによる可動部分の重量バランスの調整が必要になるといった問題がある。
【０００８】
他方、特許文献２に記載のものは、球形の表面の情報を２次元画像情報として正確に読み取るには，読み取りデバイスの手前にある程度精密な光学系部品が必要となり、コストがかかるうえに読み取り部の小型化も困難である上、球体自体の小型化が進むとその表面への情報の印字・印刷が困難となるといった問題が新たに惹起されるといった問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように、従来の方位検出装置では、磁針式のものでは、球体のバランスをとるために球体の重量が大きくなり即応性が悪くなり、あるいは球体に付加する情報やその読み取り装置が複雑なものとなり、また方位の確認を視覚に頼らないものにすることは考慮されていないものであった。本発明はこのような従来技術の問題点を解決することを目的とし、構造が簡単で、装置本体を小型化するとともに、装置本体が傾転しても永久磁石でバランスの調整が容易で素早く元の状態に復元できるようにし、さらに方位の確認を視覚にたよらずに行える方位検出装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、第１の発明では、内周面が閉じた球状の面であり、外部からの光を遮光するように形成された筐体と、該筐体の内周面に、該内周面である球面より内側に突出しないように並置して設けられ各々が発光部及び受光部とからなる複数個の光センサーと、前記筐体の内周面である球面の直径より所定の寸法だけ小さい直径を有する球体をなすように形成され、該球体の内部にその１つの特定の直径上で該球体の中心とは異なる位置において垂直に交差する平面内に永久磁石がそのＳＮ極を該直径に対称的にして配置され、該直径を回転対称軸として該球体の表面に回転方向に濃淡の程度が段階的または連続的に変化するように着色が施された形状部材と、前記形状部材が前記筐体の内周面内で自由に浮動できるように前記筐体の内周面と前記形状部材との間に充填された透明な液体と、前記複数個の光センサーにより得られた信号に基づいて前記筐体が向けられている方位を判定し、その結果を表示するための検出制御部と、からなる方位検出装置としたものである。
【００１１】
第２の発明では、検出制御部が筐体に内蔵されて備えられるようにし、第３の発明では、検出制御部が筐体とは別個のユニットとして、あるいは方位検出器が組み込まれる他の機器内に備えられ、複数個の光センサーにより得られた信号がケーブルを介して前記検出制御部に伝送されるようにしたものである。第４の発明では、回転方向の濃淡の程度の変化として、少なくとも４方位以上の方位分解能となるように段階的に変化する濃淡領域として前記形状部材の表面に着色が施されるようにし、第５の発明では、形状部材の表面に濃淡の程度が連続的に変化する着色が施され、該濃淡の程度の変化に応じた複数個の光センサーの出力が方位を示す角度に対して線形になるように検出制御部における信号処理部の補正処理がなされるようにしたものである。第６の発明では、光センサーが筐体の内周面に少なくとも３個以上離間し並置して設けられるようにし、また、第７の発明では、複数個の光センサーが筐体の球面状の内周面に、球面の大円上に等間隔に配置され、検出制御部は前記複数個の光センサーの出力のうち最も高い確実性をもって方位を指示する１つの光センサーを選択し、該選択された光センサーの出力に基づいて方位を決定し表示する手順により方位検出の動作を行うものであり、第８の発明では、筐体の内周面と形状部材との間に充填される液体が少なくともエチレングリコール、低粘度シリコンオイル、アルコールおよび水のいずれかを含むものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明における方位検出装置は、筐体内に位置する形状部材の揺動をできるだけ抑えて方位検出の精度を挙げるとともに、外部環境の使用場所や条件に合わせて任意の形状部材用液体と外部球体用液体を選択することにより形状部材の自由な回転が保証されるとともに、形状部材内には永久磁石を配置する程度であるので即応性がよく、バランスをとりやすい。また、形状部材の復元性が高いため、歩行中や乗り物などの移動体中での方位検出に適している。さらに、濃淡の程度が段階的あるいは連続的に変化するように形状部材の表面に着色を施すとともに、光センサーで反射光強度を測定することにより精度の高い方位が検出でき、構造が簡単で小型化され、製作が容易な方位検出装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施の形態を図面を参照して詳述する。本発明の方位検出装置は方位検出部１と検出制御部２００とからなり（図１０）、方位検出部１は主として永久磁石７を内包する形状部材（浮体）３、外部球体５、形状部材３と外部球体５との間に充填された形状部材用液体１７、外部球体５を囲繞する筺体９、筐体９内に配置された光センサー１１とで構成されている（図１）。まず、形状部材３について説明する。形状部材３は樹脂で成形され、外径が３〜１０ｍｍ、好ましくは３〜７ｍｍの球体形状を成しており、この形状部材３の内部に矩形形状を有する永久磁石７が水平状態（横向き）に配設された状態となっている。この永久磁石７は、形状部材３の重心を低くして方位検出装置１が傾転しても常に地表面に対して水平な面内の向きになって安定するように、形状部材３内でその中心から間隔をおいて、形状部材３の中心を通るある直径に対して垂直に、その直径に対して対称的になるように配置されるようにする。
【００１４】
このように永久磁石７を形状部材３内に配置し、永久磁石７の比重が、永久磁石７を含む形状部材３全体の平均的比重より大きいことによって、浮動する形状部材３は常に永久磁石７が形状部材３の中心より下側にあって水平面内にある安定した状態をとる。そこで永久磁石７の中心を通る形状部材３の直径（鉛直軸）上にある形状部材３の表面の位置のうち永久磁石７から遠い方を上頂点１３、永久磁石７に近い方を下頂点１５とする。このように永久磁石７を内部に配置した形状部材３とするには、例えば形状部材３を形成するための内面が球形である上下２分割式の型内の下側に永久磁石７を配置した後に溶融樹脂を注入して固化させるという手法が用いられよう。形状部３を形成する樹脂としては、所望の後述するように表面に濃淡色の着色を行うことができることのほか、永久磁石７を包含したものとしての平均的比重を、装置内でその周囲を満たす液体の比重と同等にすることを考慮して、熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂のうちから選択的に使用できる。
【００１５】
形状部材３は、浮動状態において筐体９の向きにかかわらず、上頂点１３と下頂点１５とを結ぶ直径（鉛直軸）が常に重力方向と一致した方向になるとともに、永久磁石７は水平面内で回転し（図２）、地磁気によりそのＮ極が北の方位を、Ｓ極が南の方位を指すようになる。
【００１６】
図４は形状部材３の表面を展開して示した図であり、形状部材３は、形状部材３の内部に埋め込まれた永久磁石７が指し示す地磁気の南北方向を基準として経度方向に、北（Ｎ）、東（Ｅ）、南（Ｓ）、西（Ｗ）の４方位に等分した擬似楕円形に分解でき、経度方向に向かって段階的に４階調の灰色の濃淡で着色してある。例えば、北（Ｎ）側には黒色に近い灰色から、（Ｅ）、南（Ｓ）、西（Ｗ）側に向かうに従って、白色に近い灰色まで灰色の明度を変化させた構成をなしている。上頂点１３と下頂点１５は黒く着色されている。なお、方位分解能を表すために形状部材３に着色する濃淡色は、無彩色の灰色に限定されるものではなく、特定の有彩色で濃淡の段階を有するように濃淡色を使用してもよい。
【００１７】
図５は、形状部材３の内部に埋め込まれた永久磁石７が指し示す地磁気の南北方向を基準として緯度方向に８等分した擬似楕円形に分解した場合について、形状部材３の表面を展開して示した図であり、方位分解能を、北（Ｎ）、北東（ＮＥ）、東（Ｅ）、南東（ＳＥ）、南（Ｓ）、南西（ＳＷ）、西（Ｗ）、北西（ＮＷ）の８方位としている。図４に示す４方位から図５に示す８方位にすることにより、より一層精度の高い方位を得ることができる。このような８方位の場合にも、形状部材３の外周部を北（Ｎ）のように黒色に近い灰色から北西（ＮＷ）のように白色に近い灰色まで明度を漸増させながら灰色の明度を変化させた構成をなしている。なお、球形状を有する形状部材３の表面の経度方向に４方位や８方位などに合わせて方位分解能に対応させて灰色を段階的に濃淡に着色されているが、さらに８方位以上、例えば１６方位として、北（Ｎ）→東（Ｅ）→南（Ｓ）→西（Ｗ）→北（Ｎ）に向けて黒色基調の強い灰色から白色基調の強い灰色になるように灰色の明度を漸増させるようにしてもよい。さらに、明度が段階的に変化する着色でなく、明度が連続的に変化する連続的すなわち無段階のグラデーション（明度変化）にしてもよい。
【００１８】
次に、形状部材３を囲繞している透明で球形状を有する外部球体５について説明する。外部球体５は外球部５ａと内球部５ｂとからなり、外球部５ａと内球部５ｂはともに透明な樹脂で成形されたものが使用される。外部球体５の外径の大きさは、約１０〜１７ｍｍ、好ましくは約１０〜１４ｍｍ程度が好ましくい。外球部５ａと内球部５ｂとは異なった大きさ（外球部５ａの大きさ＞内球部５ｂの大きさ）を有し、外球部５ａと内球部５ｂは相対移動をせずに相互に同心状に固定されその間に空間部を有している。
【００１９】
また、形状部材３と外部球体５を構成する内球部５ｂとの間は、例えば１〜１．５ｍｍの間隙２１を有し、この隙間２１には、形状部材用液体１７が注入されており、形状部材３が外部球体５の内球部５ｂ内で自由な回転を保証しつつ（回動自在）浮遊した状態が確保できるようにするとともに、形状部材３が内球部５ｂの壁面とできる限り接触しないようになっている。このためには永久磁石７を内包する形状部材３の平均的比重が液体１７の比重と同等になるように永久磁石７及び形状部材３を構成する樹脂の、寸法、材質と、液体１７の材質とを選択し、設定することが必要である。使用される形状部材用液体１７の種類としては、例えば、エチレングリコールのような不凍液、低粘度シリコンオイル、アルコールあるいは水などが挙げられる。また、方位検出装置が使用される外部の大気温度環境に応じて、使用される液体を使い分けることもできる。
【００２０】
固定された同心状の外球部５ａと内球部５ｂとの間の空間部は約１〜２ｍｍの間隙２３を有し、間隙２３の内部には、前述した形状部材用液体１７と同様に、例えば、エチレングリコールのような不凍液、低粘度シリコンオイル、アルコールあるいは水などの外部球体用液体１９が封入されており、内球部５ｂと外球部５ａとは、その間の空間部に外部球体用液体１９が封入された状態で完全密封されている。外球部５ａ内に封入するために使用される外部球体用液体１９の種類は、外部の大気温度によって、方位検出装置１を使い分けることもできる。例えば零度以下の厳寒地などの特別な場所では、エチレングリコールのような不凍液の入ったものが望ましく、このような特別な場合を除いて、通常は、低廉で入手の容易な、低粘度シリコンオイル、アルコールあるいは水などを使用してもよい。なお、外部球体５が間に液体１９を封入した外球部５ａと５ｂとからなる構造とするのは外部球体５の内球部５ｂ内で形状部３が自由に回転することを意図したものであり、形状部３が自由に回転する条件が満たされれば、特に外球部５ａ及び内球部５ｂからなる構造としなくてもよい。
【００２１】
外球部５ａと内球部５ｂは、筐体９内で該球部５ａの外側に配置された光センサー１１からの光を透過して、形状部材３表面の灰色の濃淡による着色部で吸収された残りの光量（反射光強度）を測定できるように、透明の樹脂が用いられる。透明な樹脂としては、汎用透明プラスチックと透明エンプラのどちらでもよく、特に限定されるものではないが、例えば、汎用透明プラスチックとしては、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリルニトリル・スチレン共重合樹脂（ＡＳ）、透明ＨＩＰＳ、透明ＡＢＳ樹脂、スチレン・ブタジェン共重合樹脂（ＳＢＳ）、スチレン・マイレン酸樹脂（ＳＭＡ）、ＭＭＡ・ＰＳ共重合樹脂（ＭＳ樹脂）、スチレン無水マイレン酸系樹脂、メタクリル樹脂、セルロース・アセテートなどがある。また、透明エンプラとしては、ポリエステルカーボネート、ポルメチルペンテン（ＴＰＸ）、ポリアリレート（Ｕポリマー）、ポリエーテル・サルフォン（ＰＥＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）等が挙げられる。
【００２２】
次に、外部球体５を完全囲繞するための筺体９について説明する。球形状を有する外部球体５の外周部は、立方体状の筺体９によって囲繞されており、筺体９は太陽光などの光を透過しないで遮光可能にして真っ暗な状況を呈することが必須条件となる。また、筺体９の材質としては非磁性体の金属（例えば、アルミニウム、真鍮等）や真っ黒に着色された、あるいは黒色顔料を含む樹脂などが好ましい。なお、筺体９に使用する材料としては、完全遮光状態を確保できるとともに、非磁性体のものであれば、限定するものではない。因みに、筺体９の外部形状は特に限定されるものではなく、例えば立方体状や多角形状あるいは球形状ものでもよく、限定されない。図示した立方体形状の筐体９の下面に底部１０が付設され、方位検出部１の姿勢の基準状態は底部１０が水平になっている状態（図２）である。また、筐体内面は基本的に外部球体５を囲繞する球面状であるが、内周面に光センサー１１を配置するとともに、光センサー配線が接続されるようにし、また付随する回路や電源を内蔵するか、外部要素との間で接続されるようにする。さらに、方位検出部１の筐体９は、図１のように上から見た状態で、いずれの向きを使用者が方位を知りたい向きとするかを、例えば色、マーク等の筐体外部の表示で識別できるようにしておくか、触覚に頼る方式としては、筐体９の外形形状（突起等）により識別できるようにしておく。
【００２３】
この筺体９の内周面には光センサー１１が配置される。図示した例では、光センサー１１は、それぞれ発光部２５と受光部２７とを備えた３つの光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃとして配置されている。この３つの光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、筐体９の内周面である球面とその中心を通る平面との交わりである大円上に等間隔に配置され、図２に示されるように、筐体９の底部１０が水平である基準状態で形状部材３の上頂点１３と下頂点１５間とを結ぶ鉛直線に対して一方の半円周上に、この鉛直線を垂直に二等分する平面に対して対称的に配置されている。形状部材３の表面は、図１のように鉛直軸の方向に上頂点１３側から見て水平面内、すなわち経度方向に等分割（図１では４分割）され、それぞれの示す方位に応じてグラデーションされた検出面とされている。筐体９の内周面上のそれぞれの光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、発光部２５からの光が透明な外球部５ａ、液体１９及び内球部５ｂを通って形状部材３の表面のグラデーションに応じて吸収され、それ以外の反射光が内球部５ｂ、液体１９及び外球部５ａを通って受光部２７で受光されるようになっている（図３）。発光部２５から照射された光が、濃淡の異なる灰色に着色された形状部材３の表面に当たった後、濃淡（明度）に応じて光の吸収に差異が生じるため、結果的に反射光強度が異なることにより、方位を検知することが可能となるのである。
【００２４】
また、方位検出装置の傾転により筺体９が傾斜した場合に、筺体９に内蔵された形状部材３は、地磁気によって上頂点１３と下頂点１５を結ぶ線が常に鉛直の状態を維持するのに対して、筐体９の方は、その内周面に一列状に配置された光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃとともに、自由に傾動することになるため、
（１）筺体９内に組み込まれた光センサーのうち両端側の光センサー１１ａ、１１ｃを結ぶ直線ａと、上頂点１３と下頂点１５とを結ぶ鉛直状の直線ｂとがある角度をなして交差するような筺体９の傾動がある場合、
（２）両直線ａ，ｂが平行になる場合（図２に示される基準状態）、
（３）両直線ａ、ｂが直交する場合（光センサー１１ａ、１１ｃを結ぶ直線が形状部材３の上頂点１３と下頂点１５とを結ぶ直線の中心を通りこれに垂直な平面（形状部材の球面の赤道位置の面）に平行な状態）
のいずれかになる。なお、発光部２５の光の種類については、赤外線や可視光線を使用できる。
【００２５】
本発明の方位検出装置は単独で使用されほか、必要に応じて機器などに組み込まれて使用される形態がある。使用者が方位検出装置またはこれを組み込んだ機器を把持し携行して使用する際に、機器そのものが傾転させたり、振動させたりすることになる。しかしながら、機器に組み込まれた方位検出装置の方位検出部１の中心部域に位置する形状部材３は、永久磁石７を内蔵させたことと相俟って外部球体５を構成する内球部５ａ内で形状部材３の筺体９の向きに関わらず上頂点１３と下頂点１５とを結ぶ直線が常に重力方向と一致するように機能するものの、筺体９と形状部材３とが相対動を起こして形状部材３の揺動が生じ易くなる。このような形状部材３の揺動を極力抑える方策として、形状部材用液体１７に、例えば低粘度のシリコンオイルを使用するようにすることが望ましい。内蔵された光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）の内、特に方位の検出の中核となる光センサー１１ｂが方位分解能の境目に位置した場合は、方位判定が不能の状態になる。このように方位判定が不能な状態になった時に、方位の表示手段による表示がなされず、音声表示よる場合には音声が途切れることになる。少なくとも２秒に一回の間隔割合で精度の高い方位の検出を行うという設定であれば、音声表示を選択した場合には、次の２秒先の音声による方位の応答を待つことになる。
【００２６】
次に、方位検出部１により得られた方位情報に基づいて使用者に検出された方位を知らせるための検出制御部について図１０により説明する。この検出制御部２００は信号処理部３０及び制御回路部４０を備えるほか、視覚表示手段５０、振動モーター６０、音声回路７０、スピーカー８０、イヤホン９０、骨伝導スピーカー１００等から選択された表示手段が組み合わされて構成されている。
【００２７】
まず、方位検出部１の筐体９の底部１０が水平である基準状態の場合を考える。この場合、光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）はいずれも図１に示されるように東（Ｅ）に対応する位置にあり、いずれの発光部２５から照射された光も外部球５ａ、外部球体用液体１９、内部球５ｂ、形状部材用液体１７を透過して形状部材３の比較的濃い灰色に着色された東（Ｅ）領域に到達し、この領域は光の吸収率が比較的大きくなるため、その分受光部２７で得られた反射光強度は小さなり、受光部２７で受光する光の受光率は低い反射光強度値となって現われることになる。得られた反射光強度値を示す信号は信号処理部３０に送られる。
【００２８】
信号処理部３０は形状部材３の表面における方位を示す着色された濃淡領域に対応する反射光強度の値が予め比較用データとして設定されており、光センサー１１の受光部２７で得られた反射光の強度がこの比較用データと比較され、方位情報に変換される。方位検出部１の筐体９は、いずれの向きを使用者が方位を知りたい向きとするかを、視覚手的または、触覚により識別できるようになっている。図１の例で、使用者は知りたい向きを光センサー１１が配置された側と反対側の向き（図１で左側の向き）であるとする。この筐体９における方位を知りたい向きと、筐体９の内周面に配置された光センサーとの位置関係は方位を支持する上での前提事項として信号処理部３０において設定されている。使用者が方位を知りたい方に向けて方位検出装置（方位検出部１）を保持すると，光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）の前方には指し示す方位に対応して４段階に着色された灰色の濃淡領域の内、東（Ｅ）が現れ、方位検出部１の指し示す方位は東（Ｅ）と反対側の西（Ｗ）となる。これらの方位情報は制御回路４０に送られ、その後、使用者の要求に応じて、視覚表示手段、振動や音声あるいはそれらの組み合わせによる手段での表示により確認される。
【００２９】
視覚表示手段５０としては、例えばＬＥＤ、液晶を用いた表示素子を用いることができ、振動で方位を確認するための手段としては、例えば携帯電話でマナーモード用に使用されている振動モーター６０が使用できる。さらに、音声で方位を確認するための手段としては、人声やブザー音などを発生する音声回路７０を経て、開放型のスピーカー８０、装着型のイヤホン９０、あるいは骨伝導を利用したスピーカー１００等の音響装置からの音で方位情報が提供できる。これらの視覚的または音声、振動等による表示手段、信号処理部、制御回路部、電源は方位検出装置が単体として用いられる場合は、必要な部分を内蔵した形態とし、あるいは筐体９以外の外部ユニットとして接続される形態とすることができ、また、他の携帯型の機器に内蔵される装置として組み込まれるものでは、他の機器本体側に収容される形態とすることができる。
【００３０】
次に、本発明の方位検出装置の動作について説明する。
【００３１】
通常は方位検出部１をできるだけ地面と水平に、図２に示される基準状態に保つように保持して使用するのが望ましいが、歩行中や移動体中で使用したり、さらに携帯型の機器に内蔵する場合には、当然のことながら方位検出部１が任意の方向に旋回する状況が想定される。そこで、本発明の方位検出装置（方位検出部１）を用いて旋回した際でも安定した方位を検出することについて、図４〜図９を用いて説明する。
【００３２】
図６と図８を中心に図７と図９なども合わせて説明する。
【００３３】
まず、図６は光センサー１１ａ、１１ｃを結ぶ直線と、形状部材３の上頂点１３と下頂点１５を結ぶ直線（鉛直線）とが同一方向となる状態と、筺体９のみを４５度旋回した場合を示す。また、図８は光センサー１１ａ、１１ｃを結ぶ直線と上頂点１３と下頂点１５を結ぶ鉛直線とが同一方向（ａ）になるかまたは交差方向（ｂ、ｃ）になった場合の具体例について説明する。図示の例で、光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃは球の中心を通る面内で、中心に対してなす角度がそれぞれ４５度をなすように対称的に配置されている。光センサーの配置は対称的であるのが望ましいが、球の中心とのなす角度は４５度に限られない。
【００３４】
本発明では、一定の光量を照射する光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）を縦軸にとるとともに、形状部材３の表面に方位分解能（例えば、４段階や８段階）に対応する灰色の濃淡領域により吸収されずに反射された光の受光量（反射光強度）を横軸にとり、両者の相関関係のデータを予め得て、信号処理部３０における濃淡の判別のための比較データとして保持しておくものである。当該データに基づいて使用者がどの方位を向いているのかを知ることができるのである。なお、濃淡領域により吸収されずに反射された光の光量（反射光強度）の測定時に、光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）と形状部材３間に介在する形状部材用液体１７や外部球体用液体１９などの種類を変えた場合の光の吸収率も、前記データ採集時に合わせてデータを得ておくことが望ましい。
【００３５】
図６は、光センサー１１ａ、１１ｃを結ぶ仮想線と上頂点１３と下頂点１５とを結ぶ鉛直線とが同一方向に位置した状態（基準状態）から、筺体９のみを図６に示すように４５度旋回して、４つの方位分解能の内、光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）に東（Ｅ）の濃淡領域が対向している場合を示している。さらに、方位検出装置１を構成する筺体９が前方向に大きく傾斜し、光センサー１１ｃは東（Ｅ）領域の擬似楕円形の最も幅が広い赤道２９の近くを照射し、形状部材３の上頂点１３により近い光センサー１１ｂは東（Ｅ）領域の幅の狭い擬似楕円形状領域を照射するとともに、光センサー１１ａは上頂点１３の位置を照射する状態になっている。上頂点１３近辺は黒く着色されているので、光センサー１１ａから黒く着色された上頂点１３に照射された光の反射光強度は最も弱くなるとともに、光センサー１１ａと９０度の角度で配設された光センサー１１ｃが形状部材３の赤道２９の付近に位置し、光センサー１１ｃの受ける反射光の強度が最も強くなる。光センサー１１ａ、１１ｂの反射光強度は光センサー１１ｃから照射された反射光強度よりも弱いために、光センサー１１ｃを方位の判断基準とするのが妥当であり、信号処理部３０では光センサー１１ｃの反射光強度を第一の候補として採用する。
【００３６】
同様に、方位検出部１を構成する筺体９が後方向に大きく旋回（約４５度）した場合には前述した前傾方向とは逆になり、光センサー１１ａは東（Ｅ）領域の擬似楕円形の最も幅が広い赤道２９の位置を照射し、形状部材３の下頂点１５により近い光センサー１１ｂは東（Ｅ）領域の擬似楕円形状を有する幅のより狭い領域を照射することになると同時に、光センサー１１ｃは黒く着色された下頂点１５の位置を照射するというような状態になる。このように、光センサー１１ｃが下頂点１５を検出した場合には、光センサー１１ｃと９０度の角度で配設された光センサー１１ａが球形状の形状部材３の赤道２９付近に位置することになるため、その照射した光センサー１１ａから照射された反射光強度を第一の候補として採用し、残りの光センサー１１ｂ、１１ｃの反射光強度を参照して、３つの光センサー１１の中で光センサー１１ａが示す反射光強度を指標として方位を判断するのである。
【００３７】
筺体９が前後に４５度傾斜するいずれの場合も、形状部材３に着色された灰色の濃淡領域を検出する光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）の位置と判定の手順が逆になるだけであり、方位の決定には影響を及ぼさない。なお、光センサー１１ｂが下頂点１５を検出した場合には、使用者の所望する向きが上方向（天側）の向きになっていている状態であり、方位検出装置１は９０度転倒していると判断できるので、方位の概念は意味を持たなくなっており、方位の判定は行わず、状況を変えて再度試行することになる。
【００３８】
前述のような、列状に配置された光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）がこれと球の中心を通る面内で回転した場合を筐体９の前後の傾斜として考えたものであるが、この回転の軸と垂直な方向の軸周りの回転として、中心の光センサー１１ｂと球の中心を通る直線を軸として筐体９が回転する横の傾斜する場合を考える。図７に示すように、方位検出装置１が横に９０度傾斜して横転した時に、光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）が形状部材３の赤道２９に沿って並ぶ位置にあり、３つの光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃがそれぞれ異なる濃淡領域に対向する状態になっており、３つの光センサー１１の中で光センサー１１ｂが示す反射光強度を指標として方位を判断するのである。３つの光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃの内、光センサー１１ｂは常に目的の赤道２９上にあるが、残りの光センサー１１ａは北（Ｎ）と光センサー１１ｃは南（Ｓ）となり、東（Ｅ）の領域を外れて隣接する領域を表示することになるため、光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）の表示する方位は、光センサー１１ｂのみが正しい方位として判断され、採用される。
【００３９】
図８は筐体９が横に傾斜した場合、すなわち光センサー１１ａ、１１ｃを結ぶ仮想線と形状部材３の上頂点１３と下頂点１５を結ぶ鉛直線との方向が一致するかまたは交差方向になるように変位した場合を分けて示しており、この場合光センサー１１ｂが常に擬似楕円形状の形状部材３の赤道２９に対向した位置にあって、筺体９が旋回する。
【００４０】
図８（ａ）は、光センサー１１ａ１１ｃを結ぶ仮想線と、上頂点１３と下頂点１５を結ぶ鉛直線とが一致した方向になる場合であり、３つの光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃが全て目的の同一の方位を示す濃淡領域を検出するため、最も信頼性の高い方位を得ることができる。
【００４１】
図８（ｂ）は、光センサー１１ａ、１１ｃを結ぶ仮想線と形状部材３の上頂点１３と下頂点１５を結ぶ鉛直線とが４５度の角度をなす場合であり、３つの光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃの内、光センサー１１ｂは常に目的の方位を示す位置にあるが、残りの光センサー１１ａと光センサー１１ｃは目的の領域（ここでは、東（Ｅ）の領域）をはずれて隣接する領域（ここでは、北（Ｎ）と南（Ｓ）の領域）に対向するため、光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）のうち光センサー１１ｂが示すのが正しい方位として判断され、採用される。
【００４２】
さらに、図８（ｃ）は、光センサー１１ａ、１１ｃを結ぶ仮想線と形状部材３の上頂点１３と下頂点１５を結ぶ鉛直線とが９０度の角度をなす場合であり、これは図７に示されるのと同じであって、３つの光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃは赤道２９の位置にあり、そのうち光センサー１１ｂは東（Ｅ）の領域に対向しているが、残りの光センサー１１ａと光センサー１１ｃは東（Ｅ）の領域を外れて隣接する領域（ここでは、北（Ｎ）と南（Ｓ）の領域）に対向することになるため、光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）の表示する方位は、光センサー１１ｂのみが正しい方位として判断され、採用される。
【００４３】
最後に、図９のフローチャートを用いて光センサー１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）と形状部材３の周方向の相対動による方位の基本的な判定方法について説明する。図６のように筺体９が４５度旋回した状態からさらに４５度旋回した場合、すなわち図２の基準状態から９０度旋回した状態になると、方位の判断基準となる光センサー１１ｂが形状部材３の上頂点１３上に位置することになる。また光センサー１１ｂが下頂点１５上に位置する場合も同様である。このように光センサー１１ｂが上頂点１３または下頂点１５上に位置すると判断される（ｂ＝０；ステップ１２０）場合、方位の判断はできないことになり、信号処理部３０での方位の信号処理ができなくなる。このため、方位を検出することなく信号処理は終了する。
【００４４】
光センサー１１ｂが形状部材３の上頂点１３または下頂点１５上の位置になければ、次いで光センサー１１ａが形状部材３の上頂点１３または下頂点１５上に位置しているかどうかを判断しａ＝０；ステップ１３０）、もし光センサー１１ａが形状部材３の上頂点１３または下頂点１５上に位置していれば、光センサー１１ｃが擬似楕円形状の形状部材３の赤道２９に位置することになり、方位の判定（ステップ１５０）ができ、光センサー１１ｃが示す方位が採用されるのである。
【００４５】
光センサー１１ａが形状部材３の上頂点１３または下頂点１５上に位置していていない場合、光センサー１１ｃが形状部材３の上頂点１３上に位置しているかどうかの判断（ｃ＝０；ステップ１４０）を行うことになる。もし光センサー１１ｃが形状部材３の上頂点１３または下頂点１５上に位置していれば、光センサー１１ａは擬似楕円形状の形状部材３の赤道２９上に位置することになり、光センサー１１ａが示す方位を採用して方位判定（ステップ１６０）ができるのである。
【００４６】
同様に、もし光センサー１１ｃが形状部材３の上頂点１３または下頂点１５上に位置していなければ、光センサー１１ｂが擬似楕円形状の形状部材３の赤道位置相当部２９に位置することになり、方位の判定（１７０）ができるのである。
【００４７】
これまでは、光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃが球の中心を含む面内に対称的に、球の中心に対して４５の角度をなすように間隔をおいて配置された場合について、光センサー１１ａ、１１ｂ、１１ｃと筐体９の球状の内周面の中心とを含む面内での筐体９の回転（前後の傾斜）と、これに垂直な面内での筐体９の回転（横の傾斜）とに分けて説明した。実際の筐体９の傾斜はこの２種類にわけた傾斜の複合として生ずる場合が多いが、方位の判断の考え方は前述した原則に基づいて同様になされるものである。また、光センサー同士の間の角度が特に４５度でなくても、やはり同様に方位の判断がなされる。
【００４８】
以上は、球形の形状部材３の表面を上頂点１３と下頂点１５とを結ぶ直線を軸として、４分割または８分割し、方位を示す相互に段階的な明度の差を有する濃淡領域を形成した場合について、方位検出装置による方位の判断過程について説明した。形状部材３の表面を図４、図５に示すように４段階あるいは８段階に着色した場合、図９のフローチャートにより４段階あるいは８段階の方位情報が得られる。この場合光センサーから得られる信号は４段階あるいは８段階の離散的（ディジタル的）な値となる。
【００４９】
本発明においては、形状部材３の表面を、濃淡の度合いが段階的に変化する濃淡領域に分割する代わりに、無段階、連続的に変化するようにしてもよい。ただし、黒に近い明度から明度が漸次増大し、球面を一周して白に近い明度の位置を過ぎると、再び黒に近い明度になる箇所では不連続になる。このように濃淡の度合いを無段階、連続的に変化するように着色した場合に、光センサーから得られる反射光強度を示す信号は、その濃淡の度合いに応じて連続的（アナログ的）な値となる。球形の形状部材３の経線方向には濃淡度が一定であるので、方位判定に用いられる光センサーの出力信号から原理的には無制限の分解能で方位情報を得ることが可能となる。しかしながら、実際の装置において、光センサーからの信号はＡ／Ｄ（アナログ・ディジタル）変換回路を介して信号処理部に取り込まれ、ここで連続的な値が離散的な値に変換されるものであることから、方位の分解能はＡ／Ｄ変換回路の分解能の制限を受けることになる。例えば、８ビットの分解能をもつＡ／Ｄ変換回路を備えた信号処理部では、最大２５６段階の方位分解能となる。また、漸次連続的に変化する着色のし方と、光センサーの出力特性とのいずれも線形に変化するとは限らないことを考えた場合、実際に構成された方位検出装置において、得られた離散的な方位情報を示す値と、実際の方位角との対応をとるための補正処理が必要になることもある。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の基準状態にある方位検出装置の方位検出部を球形の形状部材の中心を通る平面で切断して上から見た断面図である。
【図２】本発明の基準状態にある方向検出装置の方位検出部を図１のＡ−Ａ面の位置で切断して見た断面図である。
【図３】光センサーを用いて方位を測定する場合の部分拡大図である。
【図４】形状部材を４方位に展開した場合の展開図である。
【図５】形状部材を８方位に展開した場合の展開図である。
【図６】方位検出部の筺体を図２の基準状態から４５度前方に旋回させた状態の切断断面図である。
【図７】筺体を図２の基準状態から９０度横に旋回させて３つの光センサーが形状部材の赤道に沿うようにした場合の切断断面図である。
【図８】筺体が形状部材に対して、（ａ）鉛直状態（基準状態）、（ｂ）４５度横に旋回、（ｃ）９０度横に旋回した場合の形状部材の部分に対する筺体内の光センサーの相対的変位を示す図である。
【図９】方位判定のフローチャートである。
【図１０】方向検出装置の検出制御部の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ 方位検出部
３ 形状部材（浮体）
５ 外部球体
５ａ 外球部
５ｂ 内球部
７ 永久磁石
９ 筺体
１０ 底部
１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ） 光センサー
１３ 上頂点
１５ 下頂点
１７ 形状部材用液体
１９ 外部本体用液体
２１ 間隙（磁石本体と内球部間の隙間）
２３ 間隙（外球部と内球部間の隙間）
２５ 発光部
２７ 受光部
２９ 形状部の赤道
３０ 信号処理部
４０ 制御回路図
５０ 視覚表示手段
６０ 振動モーター
７０ 音声回路
８０ スピーカー
９０ イヤホン
１００ 骨伝導スピーカー
２００ 検出制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面が閉じた球状の面であり、外部からの光を遮光するように形成された筐体と、
該筐体の内周面に、該内周面である球面より内側に突出しないように並置して設けられ各々が発光部及び受光部とからなる複数個の光センサーと、
前記筐体の内周面である球面の直径より所定の寸法だけ小さい直径を有する球体をなすように形成され、該球体の内部にその１つの特定の直径上で該球体の中心とは異なる位置において垂直に交差する平面内に永久磁石がそのＳＮ極を該直径に対称的にして配置され、該直径を回転対称軸として該球体の表面に回転方向に濃淡の程度が段階的または連続的に変化するように着色が施された形状部材と、
前記形状部材が前記筐体の内周面内で自由に浮動できるように前記筐体の内周面と前記形状部材との間に充填された透明な液体と、
前記複数個の光センサーにより得られた信号に基づいて前記筐体が向けられている方位を判定し、その結果を表示するための検出制御部と、
からなることを特徴とする方位検出装置。
【請求項２】
前記検出制御部が前記筐体に内蔵されて備えられたものであることを特徴とする請求項１に記載の方位検出装置。
【請求項３】
前記検出制御部が前記筐体とは別個のユニットとして、あるいは方位検出器が組み込まれる他の機器内に備えられ、前記複数個の光センサーにより得られた信号がケーブルを介して前記検出制御部に伝送されることを特徴とする請求項１に記載の方位検出装置。
【請求項４】
前記回転方向の濃淡の程度の変化として、少なくとも４方位以上の方位分解能となるように段階的に変化する濃淡領域として前記形状部材の表面に着色が施されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方位検出装置。
【請求項５】
前記形状部材の表面に濃淡の程度が連続的に変化する着色が施され、該濃淡の程度の変化に応じた前記複数個の光センサーの出力が方位を示す角度に対して線形になるように前記検出制御部における信号処理部の補正処理がなされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方位検出装置。
【請求項６】
前記光センサーが前記筐体の内周面に少なくとも３個以上離間し並置して設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方位検出装置。
【請求項７】
前記複数個の光センサーが前記筐体の球面状の内周面に、球面の大円上に間隔をおいて配置され、前記検出制御部は前記複数個の光センサーの出力のうち最も高い確実性をもって方位を指示する１つの光センサーを選択し、該選択された光センサーの出力に基づいて方位を決定し表示する手順により方位検出の動作を行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方位検出装置。
【請求項８】
前記筐体の内周面と前記形状部材との間に充填される液体が少なくともエチレングリコール、低粘度シリコンオイル、アルコールおよび水のいずれかを含むものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の方位検出装置。
【請求項１】
内周面が閉じた球状の面であり、外部からの光を遮光するように形成された筐体と、
該筐体の内周面に、該内周面である球面より内側に突出しないように並置して設けられ各々が発光部及び受光部とからなる複数個の光センサーと、
前記筐体の内周面である球面の直径より所定の寸法だけ小さい直径を有する球体をなすように形成され、該球体の内部にその１つの特定の直径上で該球体の中心とは異なる位置において垂直に交差する平面内に永久磁石がそのＳＮ極を該直径に対称的にして配置され、該直径を回転対称軸として該球体の表面に回転方向に濃淡の程度が段階的または連続的に変化するように着色が施された形状部材と、
前記形状部材が前記筐体の内周面内で自由に浮動できるように前記筐体の内周面と前記形状部材との間に充填された透明な液体と、
前記複数個の光センサーにより得られた信号に基づいて前記筐体が向けられている方位を判定し、その結果を表示するための検出制御部と、
からなることを特徴とする方位検出装置。
【請求項２】
前記検出制御部が前記筐体に内蔵されて備えられたものであることを特徴とする請求項１に記載の方位検出装置。
【請求項３】
前記検出制御部が前記筐体とは別個のユニットとして、あるいは方位検出器が組み込まれる他の機器内に備えられ、前記複数個の光センサーにより得られた信号がケーブルを介して前記検出制御部に伝送されることを特徴とする請求項１に記載の方位検出装置。
【請求項４】
前記回転方向の濃淡の程度の変化として、少なくとも４方位以上の方位分解能となるように段階的に変化する濃淡領域として前記形状部材の表面に着色が施されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方位検出装置。
【請求項５】
前記形状部材の表面に濃淡の程度が連続的に変化する着色が施され、該濃淡の程度の変化に応じた前記複数個の光センサーの出力が方位を示す角度に対して線形になるように前記検出制御部における信号処理部の補正処理がなされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方位検出装置。
【請求項６】
前記光センサーが前記筐体の内周面に少なくとも３個以上離間し並置して設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方位検出装置。
【請求項７】
前記複数個の光センサーが前記筐体の球面状の内周面に、球面の大円上に間隔をおいて配置され、前記検出制御部は前記複数個の光センサーの出力のうち最も高い確実性をもって方位を指示する１つの光センサーを選択し、該選択された光センサーの出力に基づいて方位を決定し表示する手順により方位検出の動作を行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方位検出装置。
【請求項８】
前記筐体の内周面と前記形状部材との間に充填される液体が少なくともエチレングリコール、低粘度シリコンオイル、アルコールおよび水のいずれかを含むものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の方位検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−１５３８３３（Ｐ２００６−１５３８３３Ａ）
【公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−４１１３３（Ｐ２００５−４１１３３）
【出願日】平成１７年２月１７日（２００５．２．１７）
【出願人】（３０４０２０１７７）国立大学法人山口大学 (579)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月１７日（２００５．２．１７）
【出願人】（３０４０２０１７７）国立大学法人山口大学 (579)
【Ｆターム（参考）】
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