(57)【要約】円周を形成するように湾曲した均一な抵抗を有する電子回路、抵抗の全長にわたって消費される電圧（VT）を測定する装置または電圧計、測定される長さが抵抗の一方の端部に固定された装置／電圧計の一方の脚、および重りを有し、常に抵抗に接触し、円周が水平軸上で回転する際に重力のために移動する装置／電圧計の他方の脚に依存する抵抗の部分によって消費される電圧（VP）を測定する別の装置または電圧計、ならびに測定された電圧を得て、公式[(VP:VT)*スケール]によって与えられる傾斜を出力する装置とを有する、重力水平面に対する表面または物体の傾斜角を測定するシステムおよび方法。2007510157.tif 000003
2007510157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下を含む、傾斜角読み取り装置：
円または円の一部を形成する、均一な抵抗；
電圧が既知および一定であり、ならびに電力が抵抗内で完全に損失しないように読み取り装置に十分な電力を供給する、電源；
均一な抵抗に可動的に取り付けられた一端を有する、可動脚；
可動脚に接続され、かつ抵抗の始点から可動脚が均一な抵抗に取り付けられている点までの電圧を測定する、電圧計；および、
円の中心から、始点および可動脚が均一な抵抗に取り付けられている点までにより形成される弧の角度を、既知の一定の電源電圧および電圧計による電圧読み取り値および抵抗が覆う円の一部に基づいて、角度を計算するための、プロセッサ。
【請求項２】
可動脚が重力によって位置付けられる、請求項1記載の角度読み取り装置。
【請求項３】
可動脚が非重力の力によって位置付けられる、請求項1記載の角度読み取り装置。
【請求項４】
ユーザー設定可能な始点を含む、請求項1記載の角度読み取り装置。
【請求項５】
以下を含む、傾斜角読み取り装置：
円または円の一部を形成する、均一な抵抗；
電圧が抵抗内で完全に損失しない、電源；
均一な抵抗に可動的に取り付けられた一端を有する、可動脚；
電源の電圧を測定する、電源電圧計；
可動脚に接続され、かつ抵抗の始点から可動脚が均一な抵抗に取り付けられている点までの電圧を測定する、中間電圧計；および、
円の中心から、始点および可動脚が均一な抵抗に取り付けられている点までにより形成される弧の角度を、電源電圧計および中間電圧計の読み取り値ならびに抵抗が覆う円の一部に基づいて、角度を計算するための、プロセッサ。
【請求項６】
可動脚が重力によって位置付けられる、請求項5記載の角度読み取り装置。
【請求項７】
可動脚が非重力の力によって位置付けられる、請求項5記載の角度読み取り装置。
【請求項８】
ユーザー設定可能な始点を含む、請求項5記載の角度読み取り装置。
【請求項９】
傾斜角読み取り装置の使用法であって、以下の段階を含む方法：
均一な抵抗に動作可能に接続された電源を提供する段階であって、電力が抵抗内で完全に損失せず、かつ抵抗が円または円の一部を形成する段階；
読み取り装置が傾斜または下に傾斜した場合に、可動脚が傾斜または偏角に応じて均一な抵抗に沿って移動するような角度を測定するための角度読み取り装置を位置付けする段階；および、
少なくとも1つの電圧計からの読み取り値を利用してプロセッサによって計算される場合に、読み取り装置に表示される計算された角度を読み取る段階。
【請求項１０】
ユーザーが、角度計算を支援するために少なくとも1つの電圧計の始点を設定する段階をさらに含む、請求項9記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
本発明は、傾斜センサに関し、特に、円形の均一な電気抵抗によって消費される電圧に基づいて重力水平面に対する正確な傾斜角読み取りを行う電子傾斜センサに関する。
【０００２】
優先権の主張
本出願は、2003年10月29日に出願され、内容が参照により本明細書に組み入れられる米国特許出願第60/515,806号に基づく非仮出願である。
【背景技術】
【０００３】
背景技術
すべて参照により本明細書に組み入れられる、Uferの米国特許第D474,159号（「159号特許」）；Beckhart et al.の米国特許第6,526,668号（「668号特許」）、Brudis et al.の米国特許第6,523,409号（「409号特許」）、Uferの米国特許第D470,823S号（「823号特許」）、Shuttの米国特許第6,490,802号（「802号特許」）、Crossan, Jr.の米国特許第6,453,571号（「571号特許」）、Anikolenkoの米国特許第6,449,857号（「857号特許」）、Webbの米国特許第6,427,348号（「348号特許」）、Zeller et al.の米国特許第6,400,159号（「159号特許」）、Hunter et al.の米国特許第6,370,784号（「784号特許」）、Takahashiの米国特許第6,343,422号（「422号特許」）、Kangの米国特許第6,301,795号（「795号特許」）、Bassettの米国特許第6,290,188号（「188号特許」）、Barsky et al.の米国特許第6,249,984号（「984号特許」）、Shijo et al.の米国特許第6,247,239号（「239号特許」）、Zefiraの米国特許第6,137,065号（「065」号特許）、Chiang et al.の米国特許第6,073,355号特許（「355号特許」）、Chiang et al.の米国特許第5,992,032号（「032号特許」）、Titus et al.の米国特許第5,955,713号（「713号特許」）、Fischerの米国特許第5,936,161号（「161号特許」）、Park et al.の米国特許第5,929,754号（「754号特許」）、Shijo et al.の米国特許第5,926,965号（965号特許）、Park et al.の米国特許第5,907,278号（「278号特許」）、Park et al.の米国特許第5,900,810号（「810号特許」）、Seipp, Jr. et al.の米国特許第5,852,878号（「878号特許」）、Chisholm et al.の米国特許第5,841,353号（「353号特許」）、Karnick et al.の米国特許第5,802,728号（「728号特許」）、Ogawa et al.の米国特許第5,774,996号（「996号特許」）、Sychraの米国特許第5,731,761号（「761号特許」）、Gruetzmacherの米国特許第D385,807号（「807号特許」）、Jamesの米国特許第5,680,708号（「708号特許」）、Millerの米国特許第5,642,869号（「869号特許」）、Crossan Jr.の米国特許第5,630,280号（「280号特許」）、Murphyの米国特許第5,509,210号（「210号特許」）、Burgessの米国特許第5,612,679号（「679号特許」）、Murphyの米国特許第5,479,716号（「716号特許」）、Davis et al.の米国特許第5,170,567号（「567号特許」）、Kennedyの米国特許第5,127,167号（「167号特許」）に記載されているような傾斜センサを提供する試みがすでになされている。
【発明の開示】
【０００４】
発明の開示
本発明は、重力水平面に対する物体または平面の度、ラジアンなどであってよい設定されたスケールで傾斜角を求める正確な方法を提供する。
【０００５】
本発明は、水平軸上で回転し、2つの端部が初期位置（傾斜ゼロ）としての地球に最も近い点で連結された円周を形成するように湾曲した均一抵抗を有し、そのような抵抗によって消費される総電圧と、抵抗が水平軸上で回転する際に固定端部の一方から地球に最も近い点まで測定される同じ抵抗の部分によって消費される電圧との関係を得ることによってこの目的を実現する。このような関係は、円周の中心から、円周が回転する時に円周と一緒に移動する抵抗の固定部まで、および円周の、地球に最も近い点まで形成される仮想弧で、円周のどの部分が覆われるかを示す。このような弧の角度は、重力水平面に対して測定される表面の角度である。
【０００６】
発明を実施するための最良の形態
本出願では、VPは、「部分電圧」、すなわち、抵抗の、一方の端部から可動重りまでの部分によって消費される電圧を意味し、VTは、「総電圧」、すなわち、一方の端部から他方の端部までの抵抗全体によって消費される電圧である。スケールは、弧が閉じた円周を形成する角度の値および単位であり、測定された傾斜角の単位を示す。たとえば、スケール=360°である場合、測定値は度単位で与えられ、スケール=2πである場合、測定値はラジアン単位で与えられる。
【０００７】
次に、本発明の理論の一部を説明する助けとして、電気回路を示す図1を参照する。この回路にはDC電流が供給され、この回路は、以下では「抵抗」と呼ばれる、均一な抵抗、またはそのように機能するものと、抵抗の全長（LR）によって消費される電圧を測定し、したがって、このような電圧計の読み取り値VTが、抵抗によって消費される最高電圧になる一方の電圧計と、電圧計の一方の脚が抵抗の一方の端部に固定され、他方の脚が抵抗の一方の端部から他方の端部まで移動させられることによって抵抗の一部（PLR）によって消費される電圧を測定し、したがって、このような電圧計の読み取り値VPが、抵抗の、長さPLRを有する部分によって消費される電圧になる第2の電圧計とを有する。本発明の概要でさらに使用できるように、以下に、LRとPLRとの関係がVTとVPとの関係と同じであり、VTおよびVPの電圧読み取り値を用いた場合、抵抗の、電圧計読み取り値VPによって測定されている部分を算出できることを以下に証明する。
【０００８】
抵抗の長さと消費される電圧との関係の証明
抵抗が均一であるため、抵抗のセグメントによって消費される電圧は、この証明の都合上Kと呼ばれるいくつかの定数と、このようなセグメントの長さにのみ依存する。すなわち、VT = K * LRおよびVP = K * PLRであり、したがって、VT/VP = LR/PLRである。
【０００９】
図1に示されている2つの電圧計の電圧読み取り値（VTおよびVP）によって、LRのPLRで覆われた部分を算出できることの証明
PLRが、LRの、0 <= PLR <= LRとしても示される部分であるため、LR / PLRは、可能な値が0と1の間の値であり、以下ではPと呼ばれ、PLRが抵抗の全長のどの部分であるかを示す小数である。P*100%が、PLRがLRの何％に当たるかを示すことに留意されたい。VT / VP = LR /PLRおよびLR / PLR = Pであるため、VT / VP＝Pであり、これは、前述のように、抵抗のどの部分または何％がVP読み取り値に当たるかを示している。さらに、VPの読み取り値を与える電圧計は、一方の脚が抵抗の一方の端部に固定されているため、Pは、抵抗のその端部から電圧計読み取り値VPの可動脚までの部分を示す。
【００１０】
次に、抵抗が円周を形成することを除いて、図1と同じ回路を示す図2を参照する。この抵抗は、円周を形成するように湾曲しており、抵抗の2つの端部は、接触せず、電圧計可動脚の電圧読み取り値VPが、抵抗VTによって消費される最高電圧値よりも小さい値を読み取るのに十分な程度に重なり合っている（または第2の端部が、第1の端部および電圧計可動脚に接触しないように湾曲している）。このことは、電圧計読み取り値VPの可動脚が、抵抗の他方の端部に接触する直前に固定脚［初期端部］に達することを意味する。言い換えれば、抵抗の2つの端部は、電圧計読み取り値VPの可動脚が、VPが最高消費電圧VTを示す直前に抵抗の他方の端部に達した時に、電圧計読み取り値VPがゼロ（0）を示すように配置しなければならない。したがって、可動脚が、0 <= VP < VTである抵抗の他方の端部にどれだけ近づくかにかかわらず、VPがVTと同じになることはない。電圧計読み取り値VPの可動脚は、円周が水平軸上を回転し抵抗に接触する時に重力によって自由に移動させられる重りを有している。この図面では、重力の方向が下向きではなく、言い換えれば、システムが回転することに留意することが重要である。この設定では、Pは、抵抗のどの部分がVP電圧読み取り値に当たるかを示すだけでなく、円周の周縁のどの部分がこのような電圧計によって測定されているかも示す。したがって、周縁の、円周の中心からのこのような部分を覆う弧は、弧の、円周の中心から円周の周縁全体を覆う部分Pである。単位として度を使用し、円周を形成する弧が360°の角度を有することが分かっている場合、円周の周縁の、円周の中心からの部分（電圧計読み取り値VPによって測定される抵抗の長さ）を覆う弧によって形成される角度は、P*360°である。したがって、2つの電圧読み取り値（VTおよびVP）を有することによって、円周の中心から形成され、可動脚を有する電圧計によって測定される抵抗の長さを覆う弧の角度を算出することができ、弧が、閉じた円周を形成する角度の値および単位が分かる。前述の分析を1つの数式にまとめると、角度= (VT / VP)*スケールになり、この場合、スケールは、弧が、閉じた円周を形成する角度の値および単位であり、角度は、円周／抵抗の、VP読み取り値を与える部分を含む、円周の中心から形成される弧の、スケールの単位の角度である。この方法によって測定される角度（角度）の精度は、電圧計可動脚の非常にわずかな移動による電圧の変化またはVPの変動を示す能力によって得られ、これは以下の方法によって向上させることができる：（1）より抵抗の大きな材料を抵抗として使用することによってこの抵抗の抵抗を大きくすること、（2）抵抗の長さを長くし、それによって円周の直径を大きくし、かつこの抵抗の抵抗を増大させること、（3）電圧計の精度をより小さな単位まで高めること。任意の方法によって抵抗の抵抗を増大させる際、結果として得られる抵抗が、そのセグメントのみによって供給される総電圧を消費することのないように留意することが重要である。
【００１１】
次に、上述の、重力水平面に対する傾斜角を測定する方法を、非常に簡単な構成によってどのように実現できるかを視覚化する助けとして図3を参照する。この図面は、図2の回路と同じ電源から電力が供給され、VTおよびVP読み取り値を得て、（VT / VP）*スケールの計算値を出力するマイクロプロセッサを除いて図2と同じ回路を示している。なお、この場合、スケールはマイクロプロセッサにおける一定値プレプログラムである。円周の、重力源（地球）に最も近い点が、抵抗の2つの端部が重なり合い、システムの角度がゼロ（0）である点になる位置が、初期位置であるようにシステムを図3のように構成する場合、システムによって測定される角度は、このシステムが移動する際に重力水平面の右側から反時計回りに移動することによって形成される角度である。たとえば、このシステムのマイクロチップにプレプログラムされたスケールが360°であり、システムがその初期位置にある（抵抗端部が、円周の、地球に最も近い点である）場合、このシステムによって測定される角度はゼロ（0）であり、システムをその初期位置から反時計回りに90°回転させた場合、測定される角度は90°であり、システムをその初期位置から時計回りに90°回転させた場合、測定される角度は270°である。電力が与えられた場合に、指示されたある基準およびスケールに基づいて傾斜角の値を出力する装置を形成するように、このシステムをカプセル化する場合、システムは、図4に示されている装置のようなものにすることができる。
【００１２】
次に、本発明で説明するように重力水平面に対する傾斜角を測定する方法を実施する装置がどのようなものであるかと、この装置を他の任意の装置によって使用されるように構成するにはどうしたらよいかを示す図4を参照する。これは、必要に応じて、装置が使用するスケールおよび基準を考慮して電力が与えられかつ位置決めされた場合に、さらなる計算に使用したり、情報画面に表示したりすることのできる傾斜角を出力する装置を、本明細書に記載された本発明を使用して作製する簡単な一方法である。この特定の装置は、内部に、図3に示されているのと同じ素子を有し、スケール= 360°であり、測定され出力される角度が図示どおりの角度（重力水平面の左側から時計回りに移動することによって形成される角度）であるような構成を有し、装置の初期位置（角度= 0°）は、図示の重力ベクトルが実際の重力に一致する時の位置である。
【００１３】
次に、VT / VP = 360°/ 角度がどのようになるかを示す図5を参照する。この図は、重りを有する可動脚を含む電圧計の、このような脚が重力および水平軸上の円形抵抗の回転のために円周を移動する際の電圧読み取り値を示している。抵抗の一部によって消費される電圧が、測定中の抵抗の長さと、円周の中心ならびに電圧計の可動脚および固定脚が円周に接触する2つの点から形成される弧の角度とにどのように正比例するかが図示されている。
【００１４】
この関係を示すために、x軸において変数Aを360°に等しくなるように使用した。このグラフは自明であり、重要な点は、VPがVTのXである時、測定される角度が360°のXであることである（円弧の角度）。前述のように、VPがVTに等しくなることがなく（VTはVPの非包含的限界であり、VPがその限界VTに達するとVP = 0になる）、したがって、算出される角度が360°になることがない（角度を360°と仮定すると、その値は0°になる）ことに留意することも重要である。
【００１５】
考えられる産業用途の例
上述のように、本発明は、重力水平面に対する表面または物体の傾斜角を求める方法に関する。以下の発明用途は、本発明の使用法を示すものであるが、本発明はこのような使用法に限定されない。図4に示されており、以下では角度読み取り装置と呼ばれ、本発明を実施する装置は、本発明の使用法を実証するために以下の例で使用される。
【００１６】
（1）デジタル水準器
少なくとも1つの平坦な表面を有する対象と、そのような平坦な表面に揃えられた角度読み取り装置と、角度読み取り装置から出力された角度をデジタル・フォーマットで表示できる画面とから成る簡単な水準器を、本発明を使用して構成することができる。角度読み取り値を、デジタル画面に表示し、他の計算に使用したり計算時に記憶したりするのに使用することができるため、デジタル水準器が角度読み取り値のメモリを有する場合と同様に、読み取り値を命令に応じて保存し、異なる画面に表示することができ、より有用なデジタル水準器が得られる。角度読み取り装置を含むデジタル水準器の他の拡張機能として、角度読み取り装置から出力され、論理If角度= 0°Then表示0°Else表示360°−角度によって与えられる水準器の補角を示す角度が表示される画面を、水準器の中心の他方の側に有する。
【００１７】
（2）テレスコープ
角度読み取り装置をテレスコープにおいて使用して、水平面に対するテレスコープの傾斜角を得ることができ、この傾斜角を表示したり、保存したり、他の計算に使用したりすることができる。
【００１８】
（3）トレッドミル
角度読み取り装置を使用してトレッドミル・プラットフォームの傾斜を求め、傾斜角をデジタル・フォーマットでユーザに表示することができる。
【００１９】
（4）機械
角度読み取り装置を自動車、航空機、およびその他の機械に使用して前方および横方向の傾斜角を読み取ることができ、この傾斜角をユーザに表示するか、または他の計算に使用してこの機械を適切に動作させることができる。
【００２０】
（5）ドリル
角度読み取り装置をドリルに使用して、ドリルが動作している方向の傾斜角をユーザに表示することができる。
【００２１】
したがって、本発明の好ましい態様が一例として開示されており、かつ当業者には、添付の特許請求の範囲の範囲および要旨から逸脱せずに他の修正態様および変更態様が考え付くことが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に使用される電気回路の要素を示す図である。
【図２】素子の実際の形状と、抵抗が水平軸上を回転する際に重力のために絶えず抵抗に接触しながら移動する電圧計可動脚の端部に重りが存在することを除いて、図1と同じ回路を示す図である。
【図３】図2の回路を傾斜角を出力する装置として構成するのにはどうしたらよいかを示す図である。
【図４】本発明の可能な使用法を示し、電力が与えられた場合に、このような装置で表される初期位置に対する傾斜角を出力する装置を示す図である。
【図５】可動脚を有する電圧計の電圧読み取り値を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2007510157.tif 000009
2007510157.tif 000010
2007510157.tif 000011