磁化ボールの回転を磁気測定するための装置およびそのボールの回転を測定する方法
回転を測定するための装置は少なくとも１つのボール（１）を備え、各ボールは、双極子磁化を示すように磁化されるかまたは一時磁化を有する。ボール（１）はフレーム（１０）の受け部（６）の中で自由回転し、装置は、上記少なくとも１つのボール（１）によって、少なくとも３本の同一平面上にない異なる方向の軸に沿って作られる磁場の検出手段（５）を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つのボールを備える測定装置に関する。
【０００２】
本発明は、ボールの回転を測定する方法も対象とする。
【背景技術】
【０００３】
ボールの回転を測定するには様々な方法がある。第１の解決法が、例えば、従来のボールマウスに見られるものであり、ボールの表面に対して接線方向に配置されたローラを用いて接触によるボールの回転を測定することである。その場合、ローラの回転は、光学的測定や電気的測定などの様々な既知の方法によって測定される。
【０００４】
紙上に書かれたテキストは、スキャナを用いてデジタル化することができる。走査後、画像タイプのファイルが得られる。スキャナを使用せざるを得ない状態を回避するために、紙上に書いている間にそれ自体でデジタル取得を行うデジタルペンが開発されている。したがって、米国特許第６，４７９，７６８号明細書は、ユーザが紙上に書いたり描いたりしたものをデジタル転写するように回転が連続的に測定される磁化ボールを備えるペンについて記述している。磁化ボールは、対称軸を示さない合成磁場を生成する。したがって、図１に分解図で示されているように、磁化されたボール１が２つの半球１ａおよび１ｂからなる形をとることができ、２つの半球１ａおよび１ｂが磁化ボール１を形成するように組み立てられるときに半球１ａおよび１ｂの間に磁化されたシート２が挿入される。この文献に記述されている、軸対称を示さない磁化ボールを得るための別の方法が図２に示されている。その場合、６本の磁気棒３が、ボールの中心Ｃを通る３本の別個の軸４ａ、４ｂおよび４ｃに沿って２個ずつ配置される。そのようなボールの製作は、精密に行われなければならない複数のステップが必要になるので、工業化を複雑にする。さらに、図１の実施形態によれば、２つの半球１ａ、１ｂの組立ては、書いているときにペンがひっかからないように完璧でなければならず、そのような組立ては高価でありかつ工業化するのが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，４７９，７６８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、容易に工業化されうる、表面上での磁化ボールの回転を測定するための装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、添付の特許請求の範囲によって達成され、より詳細には、各ボールが双極子磁化（ｄｉｐｏｌｅ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）を示すように磁化されかつフレームの受け部の中で自由回転することによって達成され、上記装置は、少なくとも１つの上記ボールによって、少なくとも３本の同一平面上にない異なる方向の軸に沿って作られる磁場の検出手段を備える。
【０００８】
本発明のもう一つの目的は、以下の連続的ステップ、すなわち
磁場の検出手段を形成する少なくとも１つの磁力計の可動基準座標系（ｍｏｂｉｌｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒａｍｅ）においてボールによって作られた磁場ベクトルの３成分を決定するステップと、
磁場ベクトルから磁力計の基準座標系における磁化ベクトルを計算するステップと、
ボールの旋回がゼロであることを考慮して、ボールが転がっている平面を表す固定基準座標系（ｆｉｘｅｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒａｍｅ）に対して磁力計の基準座標系における磁化ベクトルのデータからボールの回転ベクトルを計算するステップと、
平面内でのボールの移動をボールの回転ベクトルから計算するステップと
を含む、ボールの回転を測定する方法を提供することである。
【０００９】
他の利点および特徴は、非制限的な例示目的だけのために与えられかつ添付図面に示されている本発明の特定の実施形態の以下の説明からより明瞭に理解できるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来技術の磁気測定装置で使用される磁化ボールの代替実施形態を示す図である。
【図２】従来技術の磁気測定装置で使用される磁化ボールの代替実施形態を示す図である。
【図３】本発明による装置を断面で示す図である。
【図４】強磁性ボールを磁化する方法を示す図である。
【図５】ボールの他の実施形態を示す図である。
【図６】ボールの他の実施形態を示す図である。
【図７】表面センサを形成する本発明による装置を示す図である。
【図８】デジタルペンの形をした装置の一実施形態による使用法を断面で示す図である。
【図９】測定装置のボールの回転の解析アルゴリズムを示す図である。
【図１０】図６に示されているボールを用いたデジタルペンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図３に示されている回転を測定するための装置は、フレーム１０の受け部６の中で自由回転する少なくとも１つのボール１を備える。ボールは、その外表面が通常の使用では変形することのない球体である。通常の使用が意味するものは、平坦であってもなくてもよい表面上でボールを転がすことによる制約された動きである。
【００１２】
各ボール１は、双極子磁化を示すように磁化されるかまたは一時磁化特性を含む。すべての場合において、ボールが一時磁化タイプのものであっても、ボールは所与の時間に双極子磁化を含む。装置は、ボールによって生成される磁場の変化を研究することによって各ボール１の回転を測定するように設計される。ボール１によって誘起される磁場の変化は、少なくとも３本の同一平面上にない異なる方向の軸に沿って磁場の検出手段５によって測定される。磁場の検出手段は、磁力計タイプ５であることが好ましく、測定装置に組み込まれる。磁場の検出手段は、ボール１の中心Ｃから固定距離または半固定距離のところに置かれることが好ましい。
【００１３】
半固定が意味するものは、中心Ｃと磁場検出手段との間の距離がわずかに変化しうるということである。その距離を精密にしようとするほど、この変化を小さくしなければならない。ボール１は実際には受け部６の中で自由回転するので、ボール１の重心は、この自由回転を可能にする隙間に必要なわずかな移動を伴う可能性がある。この移動は、ボール１によって誘起された磁場を測定する際のノイズと見なされ、それが非常に小さいままであれば、測定の品質に影響を及ぼすことはない。
【００１４】
ボール１は、受け部６のレベルに配置された固定手段６ａ、６ｂ（図３）によって受け部６の中に固定することができる。受け部６はまた、その中にボール１をしっかりと保持するように適切な方法で形づくることもできる。受け部６はボール１の回転を許容するだけなので、受け部６は、ボール１の中心Ｃが磁力計５から半固定距離Ｒｍのところに保持されることを可能にする。
【００１５】
装置の一実施形態では、双極子磁化を有するボール１は、均一な磁化分布を有する、実現するのが非常に容易な完全軸対称を示す。このため、図４に示されているように、磁化に必要な強磁性特性を示すボール１は、単純に、十分に強い外部分極磁場（ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）ベクトルＨの中に入れられなければならない。例えば、ボール１の磁化に必要な磁場ベクトルＨは磁石の空隙によって生成される。この種の磁化は、工業化に関する限り、否定できない利点を含む。空隙のサイズによっては、実際に図４のように多数のボール１を同時に磁化することが可能である。
【００１６】
ボール１の残留磁化は、ボール１の回転運動が認識されていることである場合、局所磁場の残留磁化に比べて大きくなければならない。局所磁場は、地磁場と測定装置が使用される場所に存在する磁場との合成に相当する。
【００１７】
強磁性特性を示すボール１は、コバルトを含有するタングステンカーバイドまたは他の強磁性化合物で製作することができる。ボール１は、成形時に強磁性金属、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）またはそれらの合金の磁石または粒子、すなわち強磁性粒子が組み込まれる複合材料または非磁性材料で製作することもできる。
【００１８】
ボール１の磁化は、それが磁気双極子に同化させられることを可能にする他の手段、例えば、磁化がその中に誘起されるボール１の中に置かれたコイルによって行うことができる。
【００１９】
したがって、図５に示されている装置の第２の実施形態では、誘導コイル１１をボール１の中に置くことができ、このコイルは直流または交流電源を提供する供給マイクロバッテリ（ｓｕｐｐｌｙ ｍｉｃｒｏｂａｔｔｅｒｙ）１２に接続され、マイクロバッテリ１２もまたボール１に組み込まれる。この変形形態は、バッテリ１２がコイル１１に電力供給する限り、磁化ボールの磁場に同化させられうる一定磁場または交番磁場が永久的に生成されることを可能する。この磁場は、上記に示したように双極子である。
【００２０】
いくつかの場合、ボール１は、供給バッテリ１２とその電気回路とを組み込むには小さすぎるかもしれない。その場合、ボールは、図６に示されているように、例えば、らせん巻きの形をとることができるコイル１１を備える。磁場を誘起することができるコイルの場合、コイルは、ボール１の外部の磁場を生成するための手段１３によって励磁されなければならず、上記生成手段１３は、例えばフレーム１０の中に配置される。得られる双極子は一定ではなく、１つまたは複数の磁力計５によって測定された値を修正するために、コイル内の電流の瞬時強度を知ることが必要になる。この強度は、計算によって決定することができる。この場合、ボールは、一時的に双極子の態様で磁化することができる。
【００２１】
図７に示されている特定の実施形態によれば、測定装置は、表面センサを形成するために、平面８に対して接線方向に転がるように配置された３個の異なる直径のボール１を備える。表面センサは、ボールが動く平面８の粗さがこの平面の正確なマッピングを確立するように決定されることを可能にする。図７では、各ボール１が磁力計５と関連している。複数のボールを使用することにより、複数の異なる測定値を得ること、および、入射磁場の値を調査して平面８の表面をマッピングすることが可能になる。
【００２２】
センサの場合、ボール１は交流双極子に同化させられることもでき、すなわち、各ボール１によって作られた磁場は所与の周波数で静磁型とすることができる。これは、例えば、ボール１の中に置かれたコイルによって得られ、交番励起磁場（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ）ベクトルＨを作るために交流電圧によって供給される。次いで、励起磁場は、各ボール１の中に交番双極子磁化（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｄｉｐｏｌｅ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）を誘起する。したがって、１つまたは複数のボールの回転運動は、磁場検出手段を用いて、関係するそれぞれの周波数で同期検波を行うことによって決定することができる。その場合、単一の磁力計が複数のボールの移動を決定するために使用されうる。
【００２３】
交番双極子の原理は、測定装置だけが単一のボールを備える場合にも適用することができる。したがって、複数の別個の測定装置は、外乱の危険性が全くなしに、互いに近接して動作することができる。
【００２４】
図７の実施形態は、３個のボールに限定されるものではなく、所要のマッピング精度に応じて当業者によって必要とされる通りに適合することができる。一般的な態様では、センサは、１つの同一平面に対して接線方向に転がるように配置された複数の異なる直径のボールを備える。
【００２５】
上記に示したように、磁場検出手段は、磁場が少なくとも３本の軸に沿って測定されることを可能にする磁力計５とすることができる。３本の軸に沿った測定は、ボール１によって生成される磁場を表すベクトルの３成分を与える。これらの軸は互いに直交することが好ましい。磁力計５は、ホール効果型、フラックスゲート型、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）型、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）型、誘導型などとすることができる。これらの磁力計のうちのいくつかは、消費電力が低く、それを組み込んだ装置がかさばりすぎるようにならずに自律的であることを可能にする。核磁気共鳴磁力計や光ポンピング磁力計などのずっと感度のよい磁力計を使用することも可能である。磁力計５の感度がよくなるほど、ボール１の磁場が低減されうる範囲が大きくなるか、またはこの磁力計５がボール１から遠ざけることができる距離が長くなる。磁力計５の感度を上げることにより、強磁性材料や反強磁性材料などの弱磁性材料がボールを製造するために使用されることも可能になる。
【００２６】
磁気測定装置は、車両またはカムシャフトボールベアリングなどの車輪の回転速度を測定するための流量測定に使用することができる。磁気測定装置は、手書き文字認識の分野で使用することもできる。したがって、測定装置のフレーム１０は、図８に示されているように、好ましくはそれの両端部の一方に受け部６を備えるデジタルペンを形成するように細長い本体７の形をとることができ、受け部６の中にはボール１が収容される。言い換えると、単一のボール１が上記細長い本体７の一端に配置される。細長い本体７は、書いているときのペンの位置を知るために、細長い本体７の傾き（図示せず）を検出するための手段をさらに備える。その場合、装置は自律的なデジタルボールペンを構成する。双極子の態様で磁化されるかまたは一時的に磁化されたボール１と少なくとも３本の軸との関係、および磁力計５と少なくとも３本の軸との関係により、固定平面８上に作られたテキストおよび／または描画がこの平面上でペンを移動させることによって（ボール１を転がすことによって）デジタル化されることが可能になる。ペン（例えば、ボールの磁場およびペンの傾きの測定）によってデジタル化されたデータは、ペンの内部メモリ（図示せず）に保存され、次いで、配線で接続されていてもいなくてもよい接続手段によってパーソナルコンピュータに転送することができる。例示の目的で、接続手段は、ユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）、ＷＩＦＩトランシーバなどの形をとることができる。
【００２７】
実際には、測定は、ボール１が平面８または表面と接触しこの平面またはこの表面上で摺動せずに転がったときに、いつでも行われる。したがって、ボール１は自転し、ボール１の磁化の対称軸を中心に回転する可能性は低い。したがって、センサまたはデジタルペンとして使用するにはボールの単純な双極子磁化で十分である。
【００２８】
ペンが使用される場合、図８に示されているように、磁化ボール１は固定平面８上で転がる。ボール１によって作られた磁力線９は空間中にループを形成して、磁化軸（２極を通る軸）上で閉じる。ボール１の回転は、細長い本体７に対する磁力線の位置を修正する。得られた磁場は測定され、次いで解析されて、平面８上のボール１によって行われた移動を決定する。解析により、ユーザが書いたものおよび／または描いたものを推定することが可能になる。
【００２９】
一般的な態様では、任意の装置のボールの回転を測定する方法は、前述のように、磁場検出手段を形成する少なくとも１つの磁力計の移動基準座標系においてボール１によって作られた磁場ベクトルの３成分を決定するステップを含むことができる。次いで、磁場ベクトルから磁力計の基準座標系における磁化ベクトルを計算することが可能である。次いで、ボール１の回転は、ボール１の旋回がゼロであることを考慮して、ボール１が転がっている平面または表面を表す固定基準座標系に対して磁力計の基準座標系における磁化ベクトルのデータからボール１の回転ベクトルを計算することによって決定することができる。旋回が意味するものは、ボールがそれ自体の軸を中心にしてのみ回転するということである。平面は、例えば、ユーザが書くかつ／または描く対象の紙とすることができる。最後に、平面内でのボールの移動がボール１の回転ベクトルから計算される。
【００３０】
ボールの移動が文字および／または描画に変換されることを可能にする第１の特定の計算アルゴリズムが、図９に示されている。ボールの磁場の第１の測定ステップＥ１において、磁力計は、磁力計の移動基準座標においてボールによって作られた磁場ベクトルＢｍ（ｔ）の３成分を記録する。次いで、ステップＥ２において、磁力計の基準座標系における磁化ベクトルＭｍ（ｔ）が、式ベクトルＭｍ（ｔ）＝Ｋ・ベクトルＢｍ（ｔ）から計算され、式中、Ｋは未知の定数行列である。行列Ｋは、式
【数１】
で与えられ、
上式中、μ０は真空の透磁率であり、
ｒは磁力計の基準座標系におけるボールの中心の座標を表すベクトルであり、
Ｉｄは恒等行列であり、
Ｒｍはボールの中心を磁力計から隔てる距離である。
【００３１】
次いで、磁化ベクトルＭｆ（ステップＥ３）が、固定基準座標系、例えばボールが転がっている紙または平面において決定される。固定基準座標系に対する磁力計の向きは、基準変換行列（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｃｈａｎｇｅ ｍａｔｒｉｘ）Ｎ（ｔ）の形で知られており、固定基準座標系における磁化ベクトルＭｆは、式ベクトルＭｆ（ｔ）＝Ｎ（ｔ）・ベクトルＭｍ（ｔ）の形で書くことができる。基準変換行列Ｎ（ｔ）は、装置が平面に対して接線方向に移動する表面センサである場合に一定とすることができ、あるいは、装置が使用中にその傾きが変化しうるデジタルペンである場合に、加速度計やアルコール水準器などの方向測定手段によって決定することができる。さらに、ステップＥ３において、固定基準座標系における時間を有する磁化の導関数が計算される。ステップＥ３のデータ（ベクトルＭｆ（ｔ）および時間導関数）から、ステップＥ４において固定基準座標系に対するボールの回転ベクトルωが計算される。例示の目的で、ボールの旋回がゼロ（ωｚ＝０）である場合、すなわち、ボールの回転ベクトルが、ボールが転がっている表面に相当する平面０ｘｙと平行であるときに、固定基準座標系に対するボールの回転ベクトルωが、次式
【数２】
（式中、Λはベクトル積である）
すなわち
【数３】
の逆関数をとることによって推定される。
【００３２】
ボール１の回転ベクトルの計算のステップＥ４の結果から、平面８上でのボール１の移動が計算されうる。実際、ボール１が摺動することなく転がった場合、磁場は修正され、面上のボールの接触点は、デカルト座標（ｘ，ｙ）で参照されて、
ｄｘ＝Ｒｂ・ωｙｄｔ
ｄｙ＝−Ｒｂ・ωｘｄｔ
によって得られ、
式中、ｄｘおよびｄｙは軸ｘおよび軸ｙに沿った基本移動を表し、Ｒｂはボールの半径を表し、ωｘおよびωｙは軸ｘおよび軸ｙに沿った回転成分を表し、ｄｔは測定時間ステップを表す。
【００３３】
上述のアルゴリズムに関係するかかるペンまたはセンサは、ボール１の回転が使用される紙または平面８以外と接触することなく測定されることを可能にし、それによって、従来技術と同様に、ボール１のスクロール型測定手段上でのボールの摩擦によるいかなる寄生の測定（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）も回避する。摺動しないかつ旋回しないという前提が与えられるこのアルゴリズム関数は実証され、このことは、１つまたは複数のボールが平面上で転がることによって移動する場合に当てはまる。
【００３４】
センサの場合、それを形成する両方のボールが、第１のボールが第２のボールの磁力計を妨害しないようにするために互いに離されなければならないか、あるいは信号の適切なフィルタリングが実行されなければならない。例示の目的で、第１のボールの半径をＲｂ１とし、第２のボールの半径をＲｂ２とすると、センサが速度Ｖｐで移動した場合、第１のボールは速度Ｖｐ／Ｒｂ１で回転する磁気信号を生成し、第２のボールは速度Ｖｐ／Ｒｂ２で回転する磁気信号を生成する。
【００３５】
ボール１の中に置かれた誘導コイル１１を使用するが、一定磁場を生成するための関連マイクロバッテリ１２は設けられない一実施形態によれば、フレーム１０は、ベクトルＨで図１０に表されている励起磁場を生成しかつコイルターン内で誘起される磁化ベクトルＭを作るための手段１３を備える。ベクトルＨは既知であり、ベクトルＭは時刻ｔごとに測定される。実際、ボールは磁気励起場ベクトルＨの中で回転するので、コイルは誘導電流の中心部になり、誘導電流は、磁力計５によって測定可能な磁場ベクトルＢを発生させる誘導磁化ベクトルＭを生成する。
【００３６】
図１０のベクトルｖは、時間ｄｔの間のボールの移動ベクトルに相当する表現である。
【００３７】
永久磁化を有するボールの場合のように、ボールの磁化による磁場ベクトルＢの測定は、次式
【数４】
によって磁化を求めるのに十分である。
【００３８】
一方、ボールの永久磁化とは異なり、磁化強度は一定ではなく、ボール内に入れられたコイル、例えばターンによって受け取られる磁束の変化に依存する。これは、次式
【数５】
によって変換することができ、
式中、Ｉは、時刻ｔにコイルターンに流れる電流であり、
ベクトルＳは、時刻ｔにおけるコイルターンの面ベクトルである。
【００３９】
面ベクトルＳは、コイルターンと直交しかつコイルターンの面に相当するノルムを有するベクトルに対応する。したがって、誘導磁化ベクトルＭはベクトルＳに対して常に同一線上にある。
【００４０】
レンツの法則を用いてかつコイルの抵抗Ｒｓおよびコイルを貫通する磁束φに留意してＩ（ｔ）を決定することが可能である。したがって、
【数６】
すなわち
【数７】
が得られる。
【００４１】
ベクトルＳ（ｔ）をベクトルＭ（ｔ）／Ｉ（ｔ）に置き換えることにより、ベクトルＭ（ｔ）の関数としてＩ（ｔ）の進行の式
【数８】
が得られ、
この式を展開することにより、
【数９】
が得られる。
【００４２】
誘導場ベクトルＨおよびベクトルＨによってコイル内に誘導される磁化ベクトルＭはそれぞれ既知であり測定されるので、この微分方程式はＩについて簡単に解かれなければならない。これはベルヌーイの方程式であり、この方程式の解法よく知られている。
【００４３】
磁気励起ベクトルＨは、時間に関して一定または可変とすることができる。時間に関する可変励起は、正弦波励起（ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）とすることができる。いずれにしても（一定または可変励起）、磁力計は、ボール１を回転させずに信号ベクトルＨを測定することによって較正されなければならず、信号ベクトルＨは、ボール１が転がったときの測定値から減じられなければならない。
【００４４】
したがって、Ｉ（ｔ）およびベクトルＭ（ｔ）、ならびにベクトルＭ（ｔ）＝Ｉ（ｔ）・ベクトルＳ（ｔ）によるコイルターンの向きベクトルＳ（ｔ）を知ることにより、ボールの回転ベクトルΩは、それらから次の回転方程式
【数１０】
によって推定することができる。
【００４５】
上記式は、前記の
【数１１】
で規定されている永久磁化の進行の式と同じである。したがって、Ｉ（ｔ）を知ることにより、先のアルゴリズムを同様に適用することができる。
【００４６】
言い換えると、ボールが一時的双極子磁化を有する場合、磁力計の基準座標系における磁化ベクトルは、第１のアルゴリズム（ステップＥ２）と同様に決定することができる。磁力計の基準座標系におけるこの磁化ベクトルＭｍ（ｔ）もまたＩ（ｔ）・ベクトルＳ（ｔ）に等しく、式中、Ｉは時刻ｔにコイルに流れる電流であり、ベクトルＳは時刻ｔにおけるコイルの面ベクトルであり、Ｉ（ｔ）はレンツの法則を用いて既知である。次いで、ボールが移動している平面を表す固定基準座標系におけるボールの回転ベクトルΩは、式
【数１２】
の逆数をとることによって推定される。
【００４７】
適切な測定を行列Ｎ（ｔ）のレベルで実行するために、好ましくはペンの傾きを知る必要がある。この傾きは、前述のように加速度計によって決定することができる。ある特定の場合、加速度計は必ずしも十分ではなく、地磁場を測定する、例えばフレーム内に位置する地球磁力計を使用することによって測定を向上させることが可能である。しかし、地磁場は、ボール１によって生成される磁場によって妨害されてはならない。この制約は、地磁場の１０倍の磁場を有するボール１を使用することによって回避することができ、ボール１を地球磁力計から隔てる距離は、ボール１をボール１の磁場の検出手段から隔てる距離の５倍でなければならない。実際、Ｒｂをボールの半径とすると、ボールの誘導場は１／ＲｂΛ３減少し、その結果、われわれがボールの中心を磁力計から隔てる距離の５倍の距離にわれわれ自身を置いた場合、１２５倍弱い磁場が得られる。
【００４８】
ボールの磁気モーメントの測定は、単一の磁力計（３軸）によって異なる時刻に小さなステップで行うことができる。その場合、固定平面に対するボールの方向および回転強度を高精度で測定することが可能である。
【００４９】
既知の方法では、光学式文字認識（ＯＣＲ）タイプのプロセッサを用いて、ペンは文字認識を行い、既知のワード・プロセシング・ソフトと互換性のあるファイルを生成することができる。この認識は、テキストファイルを生成するペン自体によって、あるいは、ペンの消費電力を抑える理由で、低消費電力での動作に問題のないパーソナルコンピュータにインストールされたソフトウェアによって行うことができ、次いで、データは適切な接続手段を介して伝送される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つのボールを備える測定装置に関する。
【０００２】
本発明は、ボールの回転を測定する方法も対象とする。
【背景技術】
【０００３】
ボールの回転を測定するには様々な方法がある。第１の解決法が、例えば、従来のボールマウスに見られるものであり、ボールの表面に対して接線方向に配置されたローラを用いて接触によるボールの回転を測定することである。その場合、ローラの回転は、光学的測定や電気的測定などの様々な既知の方法によって測定される。
【０００４】
紙上に書かれたテキストは、スキャナを用いてデジタル化することができる。走査後、画像タイプのファイルが得られる。スキャナを使用せざるを得ない状態を回避するために、紙上に書いている間にそれ自体でデジタル取得を行うデジタルペンが開発されている。したがって、米国特許第６，４７９，７６８号明細書は、ユーザが紙上に書いたり描いたりしたものをデジタル転写するように回転が連続的に測定される磁化ボールを備えるペンについて記述している。磁化ボールは、対称軸を示さない合成磁場を生成する。したがって、図１に分解図で示されているように、磁化されたボール１が２つの半球１ａおよび１ｂからなる形をとることができ、２つの半球１ａおよび１ｂが磁化ボール１を形成するように組み立てられるときに半球１ａおよび１ｂの間に磁化されたシート２が挿入される。この文献に記述されている、軸対称を示さない磁化ボールを得るための別の方法が図２に示されている。その場合、６本の磁気棒３が、ボールの中心Ｃを通る３本の別個の軸４ａ、４ｂおよび４ｃに沿って２個ずつ配置される。そのようなボールの製作は、精密に行われなければならない複数のステップが必要になるので、工業化を複雑にする。さらに、図１の実施形態によれば、２つの半球１ａ、１ｂの組立ては、書いているときにペンがひっかからないように完璧でなければならず、そのような組立ては高価でありかつ工業化するのが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，４７９，７６８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、容易に工業化されうる、表面上での磁化ボールの回転を測定するための装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、添付の特許請求の範囲によって達成され、より詳細には、各ボールが双極子磁化（ｄｉｐｏｌｅ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）を示すように磁化されかつフレームの受け部の中で自由回転することによって達成され、上記装置は、少なくとも１つの上記ボールによって、少なくとも３本の同一平面上にない異なる方向の軸に沿って作られる磁場の検出手段を備える。
【０００８】
本発明のもう一つの目的は、以下の連続的ステップ、すなわち
磁場の検出手段を形成する少なくとも１つの磁力計の可動基準座標系（ｍｏｂｉｌｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒａｍｅ）においてボールによって作られた磁場ベクトルの３成分を決定するステップと、
磁場ベクトルから磁力計の基準座標系における磁化ベクトルを計算するステップと、
ボールの旋回がゼロであることを考慮して、ボールが転がっている平面を表す固定基準座標系（ｆｉｘｅｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒａｍｅ）に対して磁力計の基準座標系における磁化ベクトルのデータからボールの回転ベクトルを計算するステップと、
平面内でのボールの移動をボールの回転ベクトルから計算するステップと
を含む、ボールの回転を測定する方法を提供することである。
【０００９】
他の利点および特徴は、非制限的な例示目的だけのために与えられかつ添付図面に示されている本発明の特定の実施形態の以下の説明からより明瞭に理解できるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来技術の磁気測定装置で使用される磁化ボールの代替実施形態を示す図である。
【図２】従来技術の磁気測定装置で使用される磁化ボールの代替実施形態を示す図である。
【図３】本発明による装置を断面で示す図である。
【図４】強磁性ボールを磁化する方法を示す図である。
【図５】ボールの他の実施形態を示す図である。
【図６】ボールの他の実施形態を示す図である。
【図７】表面センサを形成する本発明による装置を示す図である。
【図８】デジタルペンの形をした装置の一実施形態による使用法を断面で示す図である。
【図９】測定装置のボールの回転の解析アルゴリズムを示す図である。
【図１０】図６に示されているボールを用いたデジタルペンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図３に示されている回転を測定するための装置は、フレーム１０の受け部６の中で自由回転する少なくとも１つのボール１を備える。ボールは、その外表面が通常の使用では変形することのない球体である。通常の使用が意味するものは、平坦であってもなくてもよい表面上でボールを転がすことによる制約された動きである。
【００１２】
各ボール１は、双極子磁化を示すように磁化されるかまたは一時磁化特性を含む。すべての場合において、ボールが一時磁化タイプのものであっても、ボールは所与の時間に双極子磁化を含む。装置は、ボールによって生成される磁場の変化を研究することによって各ボール１の回転を測定するように設計される。ボール１によって誘起される磁場の変化は、少なくとも３本の同一平面上にない異なる方向の軸に沿って磁場の検出手段５によって測定される。磁場の検出手段は、磁力計タイプ５であることが好ましく、測定装置に組み込まれる。磁場の検出手段は、ボール１の中心Ｃから固定距離または半固定距離のところに置かれることが好ましい。
【００１３】
半固定が意味するものは、中心Ｃと磁場検出手段との間の距離がわずかに変化しうるということである。その距離を精密にしようとするほど、この変化を小さくしなければならない。ボール１は実際には受け部６の中で自由回転するので、ボール１の重心は、この自由回転を可能にする隙間に必要なわずかな移動を伴う可能性がある。この移動は、ボール１によって誘起された磁場を測定する際のノイズと見なされ、それが非常に小さいままであれば、測定の品質に影響を及ぼすことはない。
【００１４】
ボール１は、受け部６のレベルに配置された固定手段６ａ、６ｂ（図３）によって受け部６の中に固定することができる。受け部６はまた、その中にボール１をしっかりと保持するように適切な方法で形づくることもできる。受け部６はボール１の回転を許容するだけなので、受け部６は、ボール１の中心Ｃが磁力計５から半固定距離Ｒｍのところに保持されることを可能にする。
【００１５】
装置の一実施形態では、双極子磁化を有するボール１は、均一な磁化分布を有する、実現するのが非常に容易な完全軸対称を示す。このため、図４に示されているように、磁化に必要な強磁性特性を示すボール１は、単純に、十分に強い外部分極磁場（ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）ベクトルＨの中に入れられなければならない。例えば、ボール１の磁化に必要な磁場ベクトルＨは磁石の空隙によって生成される。この種の磁化は、工業化に関する限り、否定できない利点を含む。空隙のサイズによっては、実際に図４のように多数のボール１を同時に磁化することが可能である。
【００１６】
ボール１の残留磁化は、ボール１の回転運動が認識されていることである場合、局所磁場の残留磁化に比べて大きくなければならない。局所磁場は、地磁場と測定装置が使用される場所に存在する磁場との合成に相当する。
【００１７】
強磁性特性を示すボール１は、コバルトを含有するタングステンカーバイドまたは他の強磁性化合物で製作することができる。ボール１は、成形時に強磁性金属、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）またはそれらの合金の磁石または粒子、すなわち強磁性粒子が組み込まれる複合材料または非磁性材料で製作することもできる。
【００１８】
ボール１の磁化は、それが磁気双極子に同化させられることを可能にする他の手段、例えば、磁化がその中に誘起されるボール１の中に置かれたコイルによって行うことができる。
【００１９】
したがって、図５に示されている装置の第２の実施形態では、誘導コイル１１をボール１の中に置くことができ、このコイルは直流または交流電源を提供する供給マイクロバッテリ（ｓｕｐｐｌｙ ｍｉｃｒｏｂａｔｔｅｒｙ）１２に接続され、マイクロバッテリ１２もまたボール１に組み込まれる。この変形形態は、バッテリ１２がコイル１１に電力供給する限り、磁化ボールの磁場に同化させられうる一定磁場または交番磁場が永久的に生成されることを可能する。この磁場は、上記に示したように双極子である。
【００２０】
いくつかの場合、ボール１は、供給バッテリ１２とその電気回路とを組み込むには小さすぎるかもしれない。その場合、ボールは、図６に示されているように、例えば、らせん巻きの形をとることができるコイル１１を備える。磁場を誘起することができるコイルの場合、コイルは、ボール１の外部の磁場を生成するための手段１３によって励磁されなければならず、上記生成手段１３は、例えばフレーム１０の中に配置される。得られる双極子は一定ではなく、１つまたは複数の磁力計５によって測定された値を修正するために、コイル内の電流の瞬時強度を知ることが必要になる。この強度は、計算によって決定することができる。この場合、ボールは、一時的に双極子の態様で磁化することができる。
【００２１】
図７に示されている特定の実施形態によれば、測定装置は、表面センサを形成するために、平面８に対して接線方向に転がるように配置された３個の異なる直径のボール１を備える。表面センサは、ボールが動く平面８の粗さがこの平面の正確なマッピングを確立するように決定されることを可能にする。図７では、各ボール１が磁力計５と関連している。複数のボールを使用することにより、複数の異なる測定値を得ること、および、入射磁場の値を調査して平面８の表面をマッピングすることが可能になる。
【００２２】
センサの場合、ボール１は交流双極子に同化させられることもでき、すなわち、各ボール１によって作られた磁場は所与の周波数で静磁型とすることができる。これは、例えば、ボール１の中に置かれたコイルによって得られ、交番励起磁場（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ）ベクトルＨを作るために交流電圧によって供給される。次いで、励起磁場は、各ボール１の中に交番双極子磁化（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｄｉｐｏｌｅ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）を誘起する。したがって、１つまたは複数のボールの回転運動は、磁場検出手段を用いて、関係するそれぞれの周波数で同期検波を行うことによって決定することができる。その場合、単一の磁力計が複数のボールの移動を決定するために使用されうる。
【００２３】
交番双極子の原理は、測定装置だけが単一のボールを備える場合にも適用することができる。したがって、複数の別個の測定装置は、外乱の危険性が全くなしに、互いに近接して動作することができる。
【００２４】
図７の実施形態は、３個のボールに限定されるものではなく、所要のマッピング精度に応じて当業者によって必要とされる通りに適合することができる。一般的な態様では、センサは、１つの同一平面に対して接線方向に転がるように配置された複数の異なる直径のボールを備える。
【００２５】
上記に示したように、磁場検出手段は、磁場が少なくとも３本の軸に沿って測定されることを可能にする磁力計５とすることができる。３本の軸に沿った測定は、ボール１によって生成される磁場を表すベクトルの３成分を与える。これらの軸は互いに直交することが好ましい。磁力計５は、ホール効果型、フラックスゲート型、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）型、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）型、誘導型などとすることができる。これらの磁力計のうちのいくつかは、消費電力が低く、それを組み込んだ装置がかさばりすぎるようにならずに自律的であることを可能にする。核磁気共鳴磁力計や光ポンピング磁力計などのずっと感度のよい磁力計を使用することも可能である。磁力計５の感度がよくなるほど、ボール１の磁場が低減されうる範囲が大きくなるか、またはこの磁力計５がボール１から遠ざけることができる距離が長くなる。磁力計５の感度を上げることにより、強磁性材料や反強磁性材料などの弱磁性材料がボールを製造するために使用されることも可能になる。
【００２６】
磁気測定装置は、車両またはカムシャフトボールベアリングなどの車輪の回転速度を測定するための流量測定に使用することができる。磁気測定装置は、手書き文字認識の分野で使用することもできる。したがって、測定装置のフレーム１０は、図８に示されているように、好ましくはそれの両端部の一方に受け部６を備えるデジタルペンを形成するように細長い本体７の形をとることができ、受け部６の中にはボール１が収容される。言い換えると、単一のボール１が上記細長い本体７の一端に配置される。細長い本体７は、書いているときのペンの位置を知るために、細長い本体７の傾き（図示せず）を検出するための手段をさらに備える。その場合、装置は自律的なデジタルボールペンを構成する。双極子の態様で磁化されるかまたは一時的に磁化されたボール１と少なくとも３本の軸との関係、および磁力計５と少なくとも３本の軸との関係により、固定平面８上に作られたテキストおよび／または描画がこの平面上でペンを移動させることによって（ボール１を転がすことによって）デジタル化されることが可能になる。ペン（例えば、ボールの磁場およびペンの傾きの測定）によってデジタル化されたデータは、ペンの内部メモリ（図示せず）に保存され、次いで、配線で接続されていてもいなくてもよい接続手段によってパーソナルコンピュータに転送することができる。例示の目的で、接続手段は、ユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）、ＷＩＦＩトランシーバなどの形をとることができる。
【００２７】
実際には、測定は、ボール１が平面８または表面と接触しこの平面またはこの表面上で摺動せずに転がったときに、いつでも行われる。したがって、ボール１は自転し、ボール１の磁化の対称軸を中心に回転する可能性は低い。したがって、センサまたはデジタルペンとして使用するにはボールの単純な双極子磁化で十分である。
【００２８】
ペンが使用される場合、図８に示されているように、磁化ボール１は固定平面８上で転がる。ボール１によって作られた磁力線９は空間中にループを形成して、磁化軸（２極を通る軸）上で閉じる。ボール１の回転は、細長い本体７に対する磁力線の位置を修正する。得られた磁場は測定され、次いで解析されて、平面８上のボール１によって行われた移動を決定する。解析により、ユーザが書いたものおよび／または描いたものを推定することが可能になる。
【００２９】
一般的な態様では、任意の装置のボールの回転を測定する方法は、前述のように、磁場検出手段を形成する少なくとも１つの磁力計の移動基準座標系においてボール１によって作られた磁場ベクトルの３成分を決定するステップを含むことができる。次いで、磁場ベクトルから磁力計の基準座標系における磁化ベクトルを計算することが可能である。次いで、ボール１の回転は、ボール１の旋回がゼロであることを考慮して、ボール１が転がっている平面または表面を表す固定基準座標系に対して磁力計の基準座標系における磁化ベクトルのデータからボール１の回転ベクトルを計算することによって決定することができる。旋回が意味するものは、ボールがそれ自体の軸を中心にしてのみ回転するということである。平面は、例えば、ユーザが書くかつ／または描く対象の紙とすることができる。最後に、平面内でのボールの移動がボール１の回転ベクトルから計算される。
【００３０】
ボールの移動が文字および／または描画に変換されることを可能にする第１の特定の計算アルゴリズムが、図９に示されている。ボールの磁場の第１の測定ステップＥ１において、磁力計は、磁力計の移動基準座標においてボールによって作られた磁場ベクトルＢｍ（ｔ）の３成分を記録する。次いで、ステップＥ２において、磁力計の基準座標系における磁化ベクトルＭｍ（ｔ）が、式ベクトルＭｍ（ｔ）＝Ｋ・ベクトルＢｍ（ｔ）から計算され、式中、Ｋは未知の定数行列である。行列Ｋは、式
【数１】
で与えられ、
上式中、μ０は真空の透磁率であり、
ｒは磁力計の基準座標系におけるボールの中心の座標を表すベクトルであり、
Ｉｄは恒等行列であり、
Ｒｍはボールの中心を磁力計から隔てる距離である。
【００３１】
次いで、磁化ベクトルＭｆ（ステップＥ３）が、固定基準座標系、例えばボールが転がっている紙または平面において決定される。固定基準座標系に対する磁力計の向きは、基準変換行列（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｃｈａｎｇｅ ｍａｔｒｉｘ）Ｎ（ｔ）の形で知られており、固定基準座標系における磁化ベクトルＭｆは、式ベクトルＭｆ（ｔ）＝Ｎ（ｔ）・ベクトルＭｍ（ｔ）の形で書くことができる。基準変換行列Ｎ（ｔ）は、装置が平面に対して接線方向に移動する表面センサである場合に一定とすることができ、あるいは、装置が使用中にその傾きが変化しうるデジタルペンである場合に、加速度計やアルコール水準器などの方向測定手段によって決定することができる。さらに、ステップＥ３において、固定基準座標系における時間を有する磁化の導関数が計算される。ステップＥ３のデータ（ベクトルＭｆ（ｔ）および時間導関数）から、ステップＥ４において固定基準座標系に対するボールの回転ベクトルωが計算される。例示の目的で、ボールの旋回がゼロ（ωｚ＝０）である場合、すなわち、ボールの回転ベクトルが、ボールが転がっている表面に相当する平面０ｘｙと平行であるときに、固定基準座標系に対するボールの回転ベクトルωが、次式
【数２】
（式中、Λはベクトル積である）
すなわち
【数３】
の逆関数をとることによって推定される。
【００３２】
ボール１の回転ベクトルの計算のステップＥ４の結果から、平面８上でのボール１の移動が計算されうる。実際、ボール１が摺動することなく転がった場合、磁場は修正され、面上のボールの接触点は、デカルト座標（ｘ，ｙ）で参照されて、
ｄｘ＝Ｒｂ・ωｙｄｔ
ｄｙ＝−Ｒｂ・ωｘｄｔ
によって得られ、
式中、ｄｘおよびｄｙは軸ｘおよび軸ｙに沿った基本移動を表し、Ｒｂはボールの半径を表し、ωｘおよびωｙは軸ｘおよび軸ｙに沿った回転成分を表し、ｄｔは測定時間ステップを表す。
【００３３】
上述のアルゴリズムに関係するかかるペンまたはセンサは、ボール１の回転が使用される紙または平面８以外と接触することなく測定されることを可能にし、それによって、従来技術と同様に、ボール１のスクロール型測定手段上でのボールの摩擦によるいかなる寄生の測定（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）も回避する。摺動しないかつ旋回しないという前提が与えられるこのアルゴリズム関数は実証され、このことは、１つまたは複数のボールが平面上で転がることによって移動する場合に当てはまる。
【００３４】
センサの場合、それを形成する両方のボールが、第１のボールが第２のボールの磁力計を妨害しないようにするために互いに離されなければならないか、あるいは信号の適切なフィルタリングが実行されなければならない。例示の目的で、第１のボールの半径をＲｂ１とし、第２のボールの半径をＲｂ２とすると、センサが速度Ｖｐで移動した場合、第１のボールは速度Ｖｐ／Ｒｂ１で回転する磁気信号を生成し、第２のボールは速度Ｖｐ／Ｒｂ２で回転する磁気信号を生成する。
【００３５】
ボール１の中に置かれた誘導コイル１１を使用するが、一定磁場を生成するための関連マイクロバッテリ１２は設けられない一実施形態によれば、フレーム１０は、ベクトルＨで図１０に表されている励起磁場を生成しかつコイルターン内で誘起される磁化ベクトルＭを作るための手段１３を備える。ベクトルＨは既知であり、ベクトルＭは時刻ｔごとに測定される。実際、ボールは磁気励起場ベクトルＨの中で回転するので、コイルは誘導電流の中心部になり、誘導電流は、磁力計５によって測定可能な磁場ベクトルＢを発生させる誘導磁化ベクトルＭを生成する。
【００３６】
図１０のベクトルｖは、時間ｄｔの間のボールの移動ベクトルに相当する表現である。
【００３７】
永久磁化を有するボールの場合のように、ボールの磁化による磁場ベクトルＢの測定は、次式
【数４】
によって磁化を求めるのに十分である。
【００３８】
一方、ボールの永久磁化とは異なり、磁化強度は一定ではなく、ボール内に入れられたコイル、例えばターンによって受け取られる磁束の変化に依存する。これは、次式
【数５】
によって変換することができ、
式中、Ｉは、時刻ｔにコイルターンに流れる電流であり、
ベクトルＳは、時刻ｔにおけるコイルターンの面ベクトルである。
【００３９】
面ベクトルＳは、コイルターンと直交しかつコイルターンの面に相当するノルムを有するベクトルに対応する。したがって、誘導磁化ベクトルＭはベクトルＳに対して常に同一線上にある。
【００４０】
レンツの法則を用いてかつコイルの抵抗Ｒｓおよびコイルを貫通する磁束φに留意してＩ（ｔ）を決定することが可能である。したがって、
【数６】
すなわち
【数７】
が得られる。
【００４１】
ベクトルＳ（ｔ）をベクトルＭ（ｔ）／Ｉ（ｔ）に置き換えることにより、ベクトルＭ（ｔ）の関数としてＩ（ｔ）の進行の式
【数８】
が得られ、
この式を展開することにより、
【数９】
が得られる。
【００４２】
誘導場ベクトルＨおよびベクトルＨによってコイル内に誘導される磁化ベクトルＭはそれぞれ既知であり測定されるので、この微分方程式はＩについて簡単に解かれなければならない。これはベルヌーイの方程式であり、この方程式の解法よく知られている。
【００４３】
磁気励起ベクトルＨは、時間に関して一定または可変とすることができる。時間に関する可変励起は、正弦波励起（ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）とすることができる。いずれにしても（一定または可変励起）、磁力計は、ボール１を回転させずに信号ベクトルＨを測定することによって較正されなければならず、信号ベクトルＨは、ボール１が転がったときの測定値から減じられなければならない。
【００４４】
したがって、Ｉ（ｔ）およびベクトルＭ（ｔ）、ならびにベクトルＭ（ｔ）＝Ｉ（ｔ）・ベクトルＳ（ｔ）によるコイルターンの向きベクトルＳ（ｔ）を知ることにより、ボールの回転ベクトルΩは、それらから次の回転方程式
【数１０】
によって推定することができる。
【００４５】
上記式は、前記の
【数１１】
で規定されている永久磁化の進行の式と同じである。したがって、Ｉ（ｔ）を知ることにより、先のアルゴリズムを同様に適用することができる。
【００４６】
言い換えると、ボールが一時的双極子磁化を有する場合、磁力計の基準座標系における磁化ベクトルは、第１のアルゴリズム（ステップＥ２）と同様に決定することができる。磁力計の基準座標系におけるこの磁化ベクトルＭｍ（ｔ）もまたＩ（ｔ）・ベクトルＳ（ｔ）に等しく、式中、Ｉは時刻ｔにコイルに流れる電流であり、ベクトルＳは時刻ｔにおけるコイルの面ベクトルであり、Ｉ（ｔ）はレンツの法則を用いて既知である。次いで、ボールが移動している平面を表す固定基準座標系におけるボールの回転ベクトルΩは、式
【数１２】
の逆数をとることによって推定される。
【００４７】
適切な測定を行列Ｎ（ｔ）のレベルで実行するために、好ましくはペンの傾きを知る必要がある。この傾きは、前述のように加速度計によって決定することができる。ある特定の場合、加速度計は必ずしも十分ではなく、地磁場を測定する、例えばフレーム内に位置する地球磁力計を使用することによって測定を向上させることが可能である。しかし、地磁場は、ボール１によって生成される磁場によって妨害されてはならない。この制約は、地磁場の１０倍の磁場を有するボール１を使用することによって回避することができ、ボール１を地球磁力計から隔てる距離は、ボール１をボール１の磁場の検出手段から隔てる距離の５倍でなければならない。実際、Ｒｂをボールの半径とすると、ボールの誘導場は１／ＲｂΛ３減少し、その結果、われわれがボールの中心を磁力計から隔てる距離の５倍の距離にわれわれ自身を置いた場合、１２５倍弱い磁場が得られる。
【００４８】
ボールの磁気モーメントの測定は、単一の磁力計（３軸）によって異なる時刻に小さなステップで行うことができる。その場合、固定平面に対するボールの方向および回転強度を高精度で測定することが可能である。
【００４９】
既知の方法では、光学式文字認識（ＯＣＲ）タイプのプロセッサを用いて、ペンは文字認識を行い、既知のワード・プロセシング・ソフトと互換性のあるファイルを生成することができる。この認識は、テキストファイルを生成するペン自体によって、あるいは、ペンの消費電力を抑える理由で、低消費電力での動作に問題のないパーソナルコンピュータにインストールされたソフトウェアによって行うことができ、次いで、データは適切な接続手段を介して伝送される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのボール（１）を備える測定装置であって、各ボールが、双極子磁化を示すように磁化され、フレーム（１０）の受け部（６）の中で自由回転し、前記少なくとも１つのボール（１）によって、少なくとも３本の同一平面上にない異なる方向の軸に沿って作られた磁場を検出する検出手段（５）を備える測定装置。
【請求項２】
前記ボール（１）が、コバルトを含有するタングステンカーバイドで製作されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ボール（１）が、強磁性金属の粒子を含有する非磁性材料で製作されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ボールが、磁場を生成するためにコイル（１１）と前記コイル（１１）に接続されたマイクロバッテリ（１２）とを備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記ボール（１）がコイル（１１）を備え、前記フレーム（１０）に前記コイル（１１）を励磁する磁場を生成するための手段（１３）が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
平面に対して接線方向に転がるように配置された複数の異なる直径のボール（１）を備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記フレーム（１０）がそれの傾きを検出するための手段を設けた細長い本体（７）を形成し、単一のボール（１）が前記細長い本体（７）の一端に配置されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
地磁場を測定する地球磁力計を備えることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記ボールが地磁場の１０倍の磁場を有し、前記ボール（１）を前記地球磁力計から隔てる距離が、前記ボール（１）を前記ボール（１）の磁場の前記検出手段から隔てる距離の５倍に等しいことを特徴とする、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の装置のボールの回転を測定する方法であって、以下の連続的なステップ、すなわち
磁場の検出手段を形成する少なくとも１つの磁力計の可動基準座標系において前記ボール（１）によって作られた磁場ベクトルの３成分を決定するステップと、
前記磁場ベクトルから前記磁力計の基準座標系における磁化ベクトルを計算するステップと、
前記ボール（１）の旋回がゼロであることを考慮して、前記ボール（１）が転がっている平面（８）を表す固定基準座標系に対して磁力計の基準座標系における磁化ベクトルのデータから前記ボール（１）の回転ベクトルを計算するステップと、
前記平面（８）内での前記ボール（１）の移動を前記ボール（１）の回転ベクトルから計算するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
磁力計の基準座標系における磁化ベクトルＭｍ（ｔ）が、式ベクトルＭｍ（ｔ）＝Ｋ・ベクトルＢｍ（ｔ）によって得られ、式中、ベクトルＢｍ（ｔ）が磁場ベクトルであり、Ｋが式
【数１】
によって与えられる定数行列であり、式中、μ０が真空の透磁率であり、ｒが座標を前記磁力計の基準座標系における前記ボールの中心座標の表すベクトルであり、Ｉｄが恒等行列であり、Ｒｍが前記ボールの中心を前記磁力計から隔てる距離であることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ボール（１）の回転ベクトルを計算する前に、固定基準座標系における磁化ベクトルＭｆ（ｔ）が、磁化ベクトルＭｍ（ｔ）に基準変換行列を乗じることによって得られることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
固定基準座標系に対する前記ボール（１）の回転ベクトルωが、式
【数２】
の逆数をとることによって推定されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ボール（１）の移動の計算が、前記平面（８）上の前記ボール（１）の接触点から確立され、前記接触点が、デカルト座標ｘおよびｙで参照されて、
ｄｘ＝Ｒｂ・ωｙｄｔ
ｄｙ＝−Ｒｂ・ωｘｄｔ
によって得られ、式中、ｄｘおよびｄｙが軸ｘおよび軸ｙに沿った基本移動を表し、ωｘおよびωｙが軸ｘおよび軸ｙに沿った回転成分を表し、Ｒｂが前記ボールの半径を表し、ｄｔが測定時間ステップを表すことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ボールがコイルによって生成された一時的双極子磁気化を有し、前記磁力計の基準座標系における磁化ベクトルＭｍ（ｔ）もまたＩ（ｔ）・ベクトルＳ（ｔ）に等しく、式中、Ｉが時刻ｔに前記コイルに流れる電流であり、ベクトルＳが時刻ｔにおける前記コイルの面ベクトルであり、Ｉ（ｔ）がレンツの法則を用いて既知であることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
固定基準座標系に対する前記ボール（１）の回転ベクトルΩが、式
【数３】
の逆数をとることによって推定されることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１】
少なくとも１つのボール（１）を備える測定装置であって、各ボールが、双極子磁化を示すように磁化され、フレーム（１０）の受け部（６）の中で自由回転し、前記少なくとも１つのボール（１）によって、少なくとも３本の同一平面上にない異なる方向の軸に沿って作られた磁場を検出する検出手段（５）を備える測定装置。
【請求項２】
前記ボール（１）が、コバルトを含有するタングステンカーバイドで製作されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ボール（１）が、強磁性金属の粒子を含有する非磁性材料で製作されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ボールが、磁場を生成するためにコイル（１１）と前記コイル（１１）に接続されたマイクロバッテリ（１２）とを備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記ボール（１）がコイル（１１）を備え、前記フレーム（１０）に前記コイル（１１）を励磁する磁場を生成するための手段（１３）が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
平面に対して接線方向に転がるように配置された複数の異なる直径のボール（１）を備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記フレーム（１０）がそれの傾きを検出するための手段を設けた細長い本体（７）を形成し、単一のボール（１）が前記細長い本体（７）の一端に配置されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
地磁場を測定する地球磁力計を備えることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記ボールが地磁場の１０倍の磁場を有し、前記ボール（１）を前記地球磁力計から隔てる距離が、前記ボール（１）を前記ボール（１）の磁場の前記検出手段から隔てる距離の５倍に等しいことを特徴とする、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の装置のボールの回転を測定する方法であって、以下の連続的なステップ、すなわち
磁場の検出手段を形成する少なくとも１つの磁力計の可動基準座標系において前記ボール（１）によって作られた磁場ベクトルの３成分を決定するステップと、
前記磁場ベクトルから前記磁力計の基準座標系における磁化ベクトルを計算するステップと、
前記ボール（１）の旋回がゼロであることを考慮して、前記ボール（１）が転がっている平面（８）を表す固定基準座標系に対して磁力計の基準座標系における磁化ベクトルのデータから前記ボール（１）の回転ベクトルを計算するステップと、
前記平面（８）内での前記ボール（１）の移動を前記ボール（１）の回転ベクトルから計算するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
磁力計の基準座標系における磁化ベクトルＭｍ（ｔ）が、式ベクトルＭｍ（ｔ）＝Ｋ・ベクトルＢｍ（ｔ）によって得られ、式中、ベクトルＢｍ（ｔ）が磁場ベクトルであり、Ｋが式
【数１】
によって与えられる定数行列であり、式中、μ０が真空の透磁率であり、ｒが座標を前記磁力計の基準座標系における前記ボールの中心座標の表すベクトルであり、Ｉｄが恒等行列であり、Ｒｍが前記ボールの中心を前記磁力計から隔てる距離であることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ボール（１）の回転ベクトルを計算する前に、固定基準座標系における磁化ベクトルＭｆ（ｔ）が、磁化ベクトルＭｍ（ｔ）に基準変換行列を乗じることによって得られることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
固定基準座標系に対する前記ボール（１）の回転ベクトルωが、式
【数２】
の逆数をとることによって推定されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ボール（１）の移動の計算が、前記平面（８）上の前記ボール（１）の接触点から確立され、前記接触点が、デカルト座標ｘおよびｙで参照されて、
ｄｘ＝Ｒｂ・ωｙｄｔ
ｄｙ＝−Ｒｂ・ωｘｄｔ
によって得られ、式中、ｄｘおよびｄｙが軸ｘおよび軸ｙに沿った基本移動を表し、ωｘおよびωｙが軸ｘおよび軸ｙに沿った回転成分を表し、Ｒｂが前記ボールの半径を表し、ｄｔが測定時間ステップを表すことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ボールがコイルによって生成された一時的双極子磁気化を有し、前記磁力計の基準座標系における磁化ベクトルＭｍ（ｔ）もまたＩ（ｔ）・ベクトルＳ（ｔ）に等しく、式中、Ｉが時刻ｔに前記コイルに流れる電流であり、ベクトルＳが時刻ｔにおける前記コイルの面ベクトルであり、Ｉ（ｔ）がレンツの法則を用いて既知であることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
固定基準座標系に対する前記ボール（１）の回転ベクトルΩが、式
【数３】
の逆数をとることによって推定されることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【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】
【公表番号】特表２０１２−５２０９９９（Ｐ２０１２−５２０９９９Ａ）
【公表日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５００２８９（Ｐ２０１２−５００２８９）
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＦＲ２０１０／０００２３２
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１０６２５２
【国際公開日】平成２２年９月２３日（２０１０．９．２３）
【出願人】（５１０２２５２９２）コミサリア ア レネルジー アトミック エ オ ゼネルジー アルテルナティブ (97)
【氏名又は名称原語表記】ＣＯＭＭＩＳＳＡＲＩＡＴ Ａ Ｌ’ＥＮＥＲＧＩＥ ＡＴＯＭＩＱＵＥ ＥＴ ＡＵＸ ＥＮＥＲＧＩＥＳ ＡＬＴＥＲＮＡＴＩＶＥＳ
【住所又は居所原語表記】Ｂａｔｉｍｅｎｔ Ｌｅ Ｐｏｎａｎｔ Ｄ，２５ ｒｕｅ Ｌｅｂｌａｎｃ，Ｆ−７５０１５ Ｐａｒｉｓ， ＦＲＡＮＣＥ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＦＲ２０１０／０００２３２
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１０６２５２
【国際公開日】平成２２年９月２３日（２０１０．９．２３）
【出願人】（５１０２２５２９２）コミサリア ア レネルジー アトミック エ オ ゼネルジー アルテルナティブ (97)
【氏名又は名称原語表記】ＣＯＭＭＩＳＳＡＲＩＡＴ Ａ Ｌ’ＥＮＥＲＧＩＥ ＡＴＯＭＩＱＵＥ ＥＴ ＡＵＸ ＥＮＥＲＧＩＥＳ ＡＬＴＥＲＮＡＴＩＶＥＳ
【住所又は居所原語表記】Ｂａｔｉｍｅｎｔ Ｌｅ Ｐｏｎａｎｔ Ｄ，２５ ｒｕｅ Ｌｅｂｌａｎｃ，Ｆ−７５０１５ Ｐａｒｉｓ， ＦＲＡＮＣＥ
【Ｆターム（参考）】
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