(57)【要約】携帯型独立式水平および垂直レベル、角度および距離計測装置は、２つまたはそれ以上の点が互いに水平であるかどうか、あるいは水平となったときを指示すること、ならびに２つまたはそれ以上の点、点と線、または点と面の間の距離および角度を計測することに適している。さらに、本計測装置は、そうした計測値をユーザに対してリアルタイムで表示することができる。本計測装置は、計測値をどこから計算するかを特定する計測点（３）と、ユーザにより作動されるトリガ（１１）と、計測値をユーザに対してリアルタイムで、あるいはメモリモードで表示するディスプレイ（９）とを含む。本計測装置は、小型かつ軽量であり、特に便利で持ち運び可能になっている。本計測装置はまた、非常に多目的に用いることができ、ＤＩＹ、工学、および取引全般に一般的に使用される多数の計測装置に取って代わることができる。
2006506654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
電力供給手段と、
少なくとも第１および第２の場所の相対的な空間的分離の測度を供給するようになっているプロセッサおよび１つまたは複数のモーションセンサと、
少なくとも前記第１の場所を特定する、ユーザにより作動されるトリガと、
計測された相対的な空間的分離に関する情報を視覚的に提示するディスプレイと
を備える携帯型計測装置であって、
前記１つまたは複数のモーションセンサは、６つの自由度で動きを検出し、前記プロセッサは、少なくとも１つの角度を前記相対的な空間的分離の測度として求め、前記ディスプレイによって提示するようになっていることを特徴とする携帯型計測装置。
【請求項２】
前記プロセッサは、垂直面および水平面の一方または両方に対して前記少なくとも１つの角度を求めるようになっている請求項１に記載の携帯型計測装置。
【請求項３】
前記プロセッサは、前記第１および第２の場所が前記垂直面または前記水平面のいずれかに対して水平であるかどうかを判定するようになっている請求項２に記載の携帯型計測装置。
【請求項４】
前記プロセッサは、前記少なくとも１つの角度に加えて、前記第１および第２の場所を分離する直線距離を求めるようになっている請求項１ないし３のいずれか一項に記載の携帯型計測装置。
【請求項５】
ハウジングと、
電力供給手段と、
少なくとも第１および第２の場所の相対的な空間的分離の測度を供給するようになっているプロセッサおよび１つまたは複数のモーションセンサと、
少なくとも前記第１の場所を特定する、ユーザにより作動されるトリガと、
計測された相対的な空間的分離に関する情報を視覚的に提示するディスプレイと
を備える携帯型計測装置であって、
前記プロセッサは、少なくとも１つの角度および直線距離を前記相対的な空間的分離の測度として求め、前記ディスプレイによって提示するようになっていることを特徴とする携帯型計測装置。
【請求項６】
ハウジングと、
電力供給手段と、
少なくとも第１および第２の場所の相対的な空間的分離の測度を供給するようになっているプロセッサおよび１つまたは複数のモーションセンサと、
ユーザにより作動されるトリガと、
計測された相対的な空間的分離に関する情報を視覚的に提示するディスプレイと
を備える携帯型計測装置であって、
前記ハウジング上に設けられ、前記１つまたは複数のモーションセンサに対して規定の空間的関係を有する計測点をさらに備え、該計測点は、前記ユーザにより作動されるトリガに関連して、前記第１および第２の場所のうちの少なくとも一方を前記プロセッサに対して特定するために設けられることを特徴とする携帯型計測装置。
【請求項７】
前記計測点は前記ハウジング上で視覚的に区別可能であるとともにユーザが選択した空間的場所にユーザにより位置合わせ可能である請求項６に記載の携帯型計測装置。
【請求項８】
前記計測点は、選択された空間的場所にユーザにより位置合わせされると略静止するようになっている請求項６または７に記載の携帯型計測装置。
【請求項９】
前記プロセッサは、前記計測点が選択された空間的場所と位置合わせされて略静止すると、前記１つまたは複数のモーションセンサによって検出される動きに関連して誤差補正を求めるようになっている請求項８に記載の携帯型計測装置。
【請求項１０】
前記１つまたは複数のモーションセンサは、６つの自由度で動きを検出する請求項５ないし９のいずれか一項に記載の携帯型計測装置。
【請求項１１】
前記プロセッサは、較正データが記憶される揮発性メモリと通信する請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の携帯型計測装置。
【請求項１２】
前記プロセッサは、前記揮発性メモリに記憶されている較正データを第２のまたはそれ以降の場所において補正するようになっている請求項１１に記載の携帯型計測装置。
【請求項１３】
前記プロセッサは、前記揮発性メモリに記憶されている較正データを補正する際の制御されない前記ユーザの手の移動の結果として生じる前記１つまたは複数のモーションセンサの移動に合わせて調整を行うようになっている請求項１２に記載の携帯型計測装置。
【請求項１４】
複数のモーションセンサを備え、該複数のモーションセンサのうち１つまたは複数は慣性計測装置を含む請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の携帯型計測装置。
【請求項１５】
少なくとも３つの加速度計および３つの角速度センサを含む複数のモーションセンサを備える請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の携帯型計測装置。
【請求項１６】
前記プロセッサに関連付けられるメモリであって、前記１つまたは複数のモーションセンサによって生成される情報に応じて前記相対的な空間的分離の測度を計算する命令が記憶されるメモリをさらに備える請求項１ないし１５のいずれか一項に記載の携帯型計測装置。
【請求項１７】
前記ハウジングは、該ハウジング内の前記１つまたは複数のモーションセンサを外部の温度変化から保護する断熱材を含む請求項１ないし１６のいずれか一項に記載の携帯型計測装置。
【請求項１８】
前記プロセッサと通信するタイマであって、計測の継続時間を監視するタイマをさらに備え、前記プロセッサは、前記相対的な空間的分離の測度を前記計測の継続時間に応じた分解能まで求めるようになっている請求項１ないし１７のいずれか一項に記載の携帯型計測装置。
【請求項１９】
前記プロセッサは、前記モーションセンサから受信した情報から、該計測装置が静止しているときを求めるとともに、誤差補正を生成するようになっている請求項１ないし１８のいずれか一項に記載の携帯型計測装置。
【請求項２０】
前記プロセッサは、小さな制御されないユーザの手の移動を表す計測可能な空間的移動の下限を特定する閾値データにアクセスすることができる請求項１ないし１９のいずれか一項に記載の携帯型計測装置。
【請求項２１】
高い減速力を下げる減速装置をさらに備える請求項１ないし２０のいずれか一項に記載の携帯型計測装置。
【請求項２２】
前記減速装置は圧縮性要素を含む請求項２１に記載の携帯型計測装置。
【請求項２３】
前記第１または第２の場所において予備計測値が記録されたときの可聴指示を提供する可聴音発生器をさらに備える請求項１ないし２２のいずれか一項に記載の携帯型計測装置。
【請求項２４】
前記電力供給手段は、携帯型電源への電力接続を行うようになっているコネクタを備える請求項１ないし２３のいずれか一項に記載の携帯型計測装置。
【請求項２５】
前記携帯型電源は電池を含む請求項２４に記載の携帯型計測装置。
【請求項２６】
前記プロセッサは、前記計測された相対的な空間的分離に関するリアルタイムデータを供給するようになっている請求項１ないし２５のいずれか一項に記載の携帯型計測装置。
【請求項２７】
前記第２の場所の前記空間的分離を求める基準となる前記第１の場所は、基準点、基準線または基準面から選択される請求項１ないし２６のいずれか一項に記載の携帯型計測装置。
【請求項２８】
前記プロセッサは、動きデータが記憶されるデータ記憶装置をさらに備える請求項１ないし２７のいずれか一項に記載の携帯型計測装置。
【請求項２９】
前記プロセッサは、計算された誤差補正または補正された較正データに応じて前記記憶された動きデータを補正するとともに、該補正された動きデータに応じて前記計測された空間的分離を再計算するようになっている請求項２８および請求項９、１２または１３のいずれか一項に記載の携帯型計測装置。
【請求項３０】
該計測装置から遠隔した位置までの距離を計測する非接触型距離メータをさらに備え、前記位置は、前記第１および第２の場所のうちの少なくとも１つである請求項１ないし２９のいずれか一項に記載の携帯型計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つまたはそれ以上の点が互いに水平であるかどうか、あるいは水平となったときを指示すること、２つまたはそれ以上の点間の距離および角度を計測すること、また好ましくは、限定されるものではないが、その指示および／または計測値をユーザにリアルタイムで表示することに適した、携帯型独立式水平および垂直レベル、角度および距離計測装置（ＰＭＤ）に関する。
【０００２】
技術が進歩するにつれて、専門家や日曜大工（ＤＩＹ）器具ユーザは様々な計測器具を利用できるようになった。水平および垂直レベルの指示器および測度には、スピリットレベル、電子レベルおよびレーザレベルがある。距離計測には、定規、テープメジャー、超音波装置およびレーザ装置がある。角度計測には、分度器、アングルファインダー、およびＴ定規がある。器具を日常的に使う人にとって、作業を行うために相応しい装備として上記器具のうち少なくとも５つが必要となることは珍しくないだろう。
【０００３】
スピリットレベル、および電子レベルは、物理的なサイズに制限がある、すなわち、装置の長さを超える計測を精密に行うことは不可能でないにしろ困難であり、１次元の示度に限定される。鉛直線は、片手では使用し難く、長い計測を行う際には設定を行わなければならない。レーザレベルは、表面が反射性であることが必要であり、正しく設定されなければならず、高価である場合が多く、さらに、全てのレーザ装置には安全性の問題が伴う。
【０００４】
直線定規は長さに制限がある。可撓性テープは、低価格で簡単に使用できるが、長距離に渡したテープの曲線によって示度が変化する可能性によって制限される。テープは容易に破損し易く、またテープがそのハウジングに素早く引き込まれる際にユーザが負傷し易い。テープもまた、特に長距離の場合に操作者１人では使用し難い。
【０００５】
超音波距離計測装置は即座に使用でき、小型であり、現在では比較的安価に製造できるが、計測できる距離、ならびに放射信号を平行面で反射させる必要性があるという点で制限される。超音波距離計測装置の精度は、気温および空気密度に影響され、付加的な反射雑音により誤った示度を生じる。超音波距離計測装置はまた、一度に１座標しか計測できない。
【０００６】
レーザ計測システムもまた即座に使用でき、小型かつ精密であるが、現在は製造に高い費用がかかり、明るい周囲光、例えば日光によって悪影響を受け、計測する物体の表面材料に依存する。レーザ計測システムもまた一度に１座標しか計測できない。繰り返しになるが、この種の製品には安全性の問題が伴う。
【０００７】
分度器は、大規模なプロジェクトに用いるのには非現実的である。アングルファインダーは、性能が高まり良い精度が得られるが、サイズという物理的な制約に制限されたままである。Ｔ定規もまた持ち運びが面倒であり、さらに９０度の角度しか示すことができないという制限がある。
【０００８】
本発明は、簡単に使用でき、持ち運びでき、上記器具のほとんどを不要にすると同時に、３次元計測能力を提供し、ユーザを上述の器具の制限的な物理的制約から解放する新たな計測装置を提供するものである。
【０００９】
したがって本発明は、ハウジングと、電力供給手段と、少なくとも第１および第２の場所の相対的な空間的分離の測度を提供するようになっているプロセッサおよび１つまたは複数のモーションセンサと、少なくとも上記第１の場所を特定する、ユーザにより作動されるトリガと、計測された相対的な空間的分離に関する情報を視覚的に提示するディスプレイとを備える携帯型計測装置であって、上記１つまたは複数のモーションセンサは、６つの自由度で動きを検出し、上記プロセッサは、上記相対的な空間的分離の測度として少なくとも１つの角度を求め、上記ディスプレイによって提示するようになっていることを特徴とする携帯型計測装置を提供する。
【００１０】
代替的な態様において、本発明は、ハウジングと、電力供給手段と、少なくとも第１および第２の場所の相対的な空間的分離の測度を提供するようになっているプロセッサおよび１つまたは複数のモーションセンサと、少なくとも上記第１の場所を特定する、ユーザにより作動されるトリガと、計測された相対的な空間的分離に関する情報を視覚的に提示するディスプレイとを備える携帯型計測装置であって、上記プロセッサは、上記相対的な空間的分離の測度として少なくとも１つの角度および直線距離を求め、上記ディスプレイによって提示するようになっていることを特徴とする携帯型計測装置を提供する。
【００１１】
本発明のさらなる態様では、ハウジングと、電力供給手段と、少なくとも第１および第２の場所の相対的な空間的分離の測度を提供するようになっているプロセッサおよび１つまたは複数のモーションセンサと、ユーザにより作動されるトリガと、計測された相対的な空間的分離に関する情報を視覚的に提示するディスプレイとを備える携帯型計測装置であって、上記ハウジング上に設けられ、上記１つまたは複数のモーションセンサに対して規定の空間的関係を有する計測点をさらに備え、この計測点は、上記ユーザにより作動されるトリガに関連して、上記第１および第２の場所のうちの少なくとも一方を上記プロセッサに対して特定するために設けられることを特徴とする携帯型計測装置を提供する。
【００１２】
慣性計測ユニット（ＩＭＵ）に基づく多くの計測システムは、C Verplaetse著「Inertial Proprioceptive devices: self-motion-sensing toys and tools」（IBM Systems Journal, Vol. 35, Nos. 3&4 1996）および米国特許第６，２９２，７５１号に記載されるような「速度ゼロ補正（zero velocity updates）」（ＺＶＵＰ）に依拠する。「速度ゼロ補正」は、センサが静止状態にあるときを特定し、速度値をリセットしてゼロに戻すことに依拠する。このプロセスは、ＩＭＵシステムの精度を高め、増え続ける誤差を生じることなくＩＭＵシステムを長期間使用することを可能にする。しかし、完全に静止することがほとんどない手持ち式装置では、このような速度ゼロ補正は本質的に非実用的かつ不正確である。
【００１３】
好ましくは、本発明はさらに計測装置の非速度ゼロ補正を包含し、この非速度ゼロ補正では、プロセッサが、較正データが記憶される揮発性メモリならびに動きデータが記憶されるデータ記憶装置と通信するとともに、較正データおよび／または記憶されている動きデータを補正するようになっている。計測点が略静止していると見なされる場合、プロセッサは、上記１つまたは複数のモーションセンサによって検出される動きに関連して較正データおよび／または動きデータに対する誤差補正を求めるように適用されることができる。
【００１４】
本発明によれば、３つの計測軸の、２点間の、１本の直線と１点の間の、垂直面または水平面と１点の間の、あるいは任意の他の平面と１点の間の空間的分離を計測し表示することができる。好適な実施形態では、６つの異なる自由度すべてを説明する加速度、速度、回転および並進の指示が、電気機械慣性計測装置によって提供される。さらに、計測装置は、装置の重力による加速度を求めることができ、この背景信号を補償することができる。好ましい実施形態では、計測装置は、一連の少なくとも３つの加速度計と、計測装置の移動を６つの自由度で監視する３つのレートジャイロとを含む。理想的には、加速度計およびレートジャイロはＭＥＭＳ（微小電気機械システム）技術で作られ、物理的なサイズ要件を減らすとともに、軽量で電力消費量が少ない手持ち式装置となるようにする。
【００１５】
本明細書中において空間的分離に言及する場合、垂直方向の高さと水平方向の分離の差、距離、水平方向または垂直方向に対する角度、水平および垂直レベルの指示等を包含することが意図される。
【００１６】
次に、本発明の実施形態を例として添付図面を参照して説明する。
【００１７】
慣性計測ユニット（ＩＭＵ）を用いて空間的分離を計測する方法の理解を助けるために、その基本原理の説明を以下に示す。
【００１８】
空間的分離は、ＩＭＵの移動を監視することによって計測される。ＩＭＵの移動は、６つの自由度、すなわち、ＩＭＵに関連付けられた、通常はＩＭＵ内の基準点の移動に関連する３つの回転運動および３つの並進運動で動きを計測するセンサによって検出される。通常、これらのセンサは、それぞれが他の２つの軸に対して垂直な３つの軸に編成および位置合わせされた３つのレートジャイロおよび３つの加速度計を備える。
【００１９】
これらのセンサは、ＩＭＵに固定された座標系（「ボディフレーム」と呼ばれる）に対して動きを計測する。これらの計測された動きは、計測されるＩＭＵの動きに重力が作用することを可能にするために、重力に位置合わせされた、すなわち、１つの軸が重力と平行（垂直）であり、他の２つの軸が重力および互いに垂直（水平）である座標系（「ローカルフレーム」と呼ばれる）内の動きに変換される必要がある。ボディフレームに対する動きは、オイラー角またはオイラーパラメータ（四元数）から導出される方向余弦行列を用いて、ローカルフレームに対する動きに変換できることは良く知られている。
【００２０】
本発明による計測装置の通常の実施形態において、空間的分離は以下のプロセスによって計測される。
・ＩＭＵの加速度計およびレートジャイロセンサが定期的に、例えば１ｍｓ毎にサンプリングされる。
・計測の開始は、ユーザにより作動されるトリガによって指示され、その時点において、計測装置が静止している、すなわち計測装置の速度がゼロであり、かつ並進加速度がゼロであることが指示される。
・ローカルフレームに対する計測装置の初期方位（orientation）、例えばピッチ、ロールおよびヨーは、加速度計によって計測される、ボディフレームに対する重力加速度の３つの成分を、簡単な三角法を用いて解くことによって計算される。ローカルフレームに対する計測点の初期位置座標はゼロに設定される。
・以後の計測装置の移動中、計測装置の計測点の方位および並進運動の計測は、ＩＭＵのセンサ値のサンプル毎、例えば１ミリ秒毎に、以下のアルゴリズムを用いて再計算される。
・ボディフレームに対する角速度は、ＩＭＵのレートジャイロセンサによって計測される値から計算される。
・ボディフレームに対する角速度と、ローカルフレームに対する計測装置の初期方位とから四元数が計算される。
・四元数から方向余弦行列が計算される。
・ローカルフレームに対する重力加速度成分は、（定義上）垂直軸のみにある。
・ボディフレームに対するＩＭＵの重力加速度成分は、ローカルフレームに対する垂直方向の重力加速度成分と、方向余弦行列とから計算される。
・ボディフレームに対するＩＭＵの全加速度は、ＩＭＵの加速度センサによって計測される値から計算される。
・ボディフレームに対するＩＭＵの並進加速度は、ボディフレームに対する重力加速度成分をボディフレームに対するＩＭＵの全加速度から引くことによって計算される。
・ボディフレームに対するＩＭＵの並進速度は、ボディフレームに対するＩＭＵの並進加速度を積分することによって計算される。
・ローカルフレームに対するＩＭＵの並進速度は、ボディフレームに対するＩＭＵの並進速度と、方向余弦行列とから計算される。
・ローカルフレームに対するＩＭＵの並進運動は、ローカルフレームに対するＩＭＵの並進速度を積分することによって計算される。
・ローカルフレームに対する計測装置の角度方位は四元数から計算される。
・ローカルフレームに対する計測点の並進運動は、ローカルフレームに対するＩＭＵの並進運動と、ローカルフレームに対する計測装置の角度方位と、ＩＭＵと計測点の間の固定された空間的関係とから計算される。
・ローカルフレームに対する計測点の、その初期位置からの相対的な空間的分離は、ローカルフレームに対する並進運動から、簡単な三角法を用いて計算される。
・次に計測装置によって表示される全ての計測値、例えば垂直方向の高さおよび／または水平方向の分離の差、距離、水平方向または垂直方向に対する角度、水平および垂直レベルの指示等は、ローカルフレームに対する相対的な空間的分離から計算される。
【００２１】
慣性計測部品の形態の複数のモーションセンサが内部に配置されたハウジング１からなる携帯型計測装置（ＰＭＤ）が図１ａ、図１ｂ、図１ｃおよび図１ｄに独立ユニットとして示される。好ましくは慣性計測ユニット（ＩＭＵ）２の形態の慣性計測部品と、それに関連付けられた電子インタフェース部品とは通常、温度変化によりドリフトし易い。使用時に、ＰＭＤは、急激な温度変化、例えばユーザの手からの熱を受ける場合がある。外部の温度変化がＰＭＤの内部部品に与える影響を最小化するために、ハウジング１の材料は、断熱性であり、よって熱抵抗が高いものを選択することが好ましい。ハウジング１はまた、対流による内部の温度変化を排除するために密閉されてもよい。
【００２２】
ハウジング１の外側に計測点３が設けられ、ＰＭＤの全ての空間計測値はこの計測点３を参照する。計測点３は、ハウジング１の一体部分であっても、ハウジング１に接続されてもよく、視覚的に区別することができ、ユーザによって計測を行う基準または対象となる選択された場所と位置合わせされることができる。さらに、ＰＭＤから離れた場所を表す仮想計測点がＰＭＤによって、レーザビームまたは他のビームにより特定されてもよい。
【００２３】
ＰＭＤのハウジング１はまた、例えば、限定されるものではないが、手動で、機械的に、電子的にまたは音声によってユーザにより作動されるトリガ４を含む。トリガ４は、ハウジング内のｐｃｂ６上に取り付けられたマイクロスイッチ５に接続される。好ましくは、トリガ４はマイクロスイッチ５のすぐ近くにあり、トリガ４が押下される度に、トリガ４がマイクロスイッチ５を作動し、このマイクロスイッチ５が、同じくｐｃｂ６上に取り付けられたプロセッサ７に信号を供給するようになっている。
【００２４】
計測を行うためにＰＭＤが固体表面に置かれると、ＩＭＵ２に働く減速力は通常およそ数十〜数百ｇとなり、よってＩＭＵ２の計測範囲を越える可能性がある。ＩＭＵ２がこうした減速力を計測できるようにするために、ＰＭＤのハウジング１には減速装置８（図２）がさらに設けられ、ＰＭＤの正常動作時において、計測を行う基準または対象となる地点に接触する最初のＰＭＤの部品が減速装置８となるような構成で取り付けられる。減速装置８は圧縮性であり、よってＩＭＵ２に働く減速力をその計測範囲内に制限する手段を提供することが好ましい。この点で、減速装置は、バネのような圧縮性材料または圧縮性要素を含んでもよい。減速装置８は、ハウジング１の一体部分であっても、ハウジング１に接続されてもよい。図２に示すように、計測装置の好ましい実施形態において、減速装置８およびトリガ４は、減速装置８の圧縮によりトリガ４が作動されるように組み合わされる。別法として、トリガ４は、ユーザがＰＭＤを所定の方法で動かし、ＩＭＵ２に特定の加速力パターンを加えることによって作動されることができる。当然ながら、受ける可能性が高い減速力を包含する計測範囲をＩＭＵ２が有する場合、あるいはかかる大きな減速力を制御する必要がない場合には、減速装置８を省略してもよい。
【００２５】
ハウジング１はまた、ｐｃｂ６上に取り付けられたディスプレイ１０と位置合わせされた透明窓９を含む。別法として、ディスプレイ１０は、ハウジング１の一部を形成してもよい。プッシュボタン１１の形態の１つまたは複数のスイッチがハウジング１上に設けられる（図１ａおよび図１ｂに３つ示される）。プッシュボタン１１は、ユーザがＰＭＤの動作を制御することを可能にする。プッシュボタン１１は、ｐｃｂ６上の制御スイッチ１２に接続されるか、あるいはそのすぐ近くに取り付けられて、それぞれの制御スイッチ１２は、それに関連付けられたプッシュボタン１１をユーザが押下すると作動されるようになっている。
【００２６】
次に図３を参照すると、上記のように、ＰＭＤの内部部品を取り付け接続するためにｐｃｂ６が用いられる。内部部品には、ＩＭＵ２に関連付けられた基準点の並進運動および回転運動ならびに方位に関連する電気信号をプロセッサ７に供給するために用いられる慣性計測ユニット（ＩＭＵ）２が含まれる。プロセッサ７は、ＩＭＵ２の基準点とハウジング１上の計測点３の間の固定された空間的関係をプログラムされ、計測点３の並進運動および回転運動ならびに方位を求めることができるようになっている。別法として、ＩＭＵ内の個々の慣性計測部品は独自の基準点を有してもよく、その場合、プロセッサは、計測点３と個々の基準点の間の空間的な差の一連の関係をプログラムされる。この特別な場合として、基準点（複数可）が上記計測点３と一致する場合がある。
【００２７】
代替的な実施形態（図示せず）では、レーザ発光器および検出器がＰＭＤ内に設けられるか、あるいはＰＭＤに接続されて、米国特許第６，１９１，８４５号に記載されるような従来の捕捉レーザ距離計測技法によって非接触型の相対計測を行うことを可能にする。遠隔したレーザビームの各反射点は、ＩＭＵ２によって仮想計測点として扱われ、レーザビームは直線状に移動するとみなされるため、異なる反射点の相対的な空間的分離は、ＰＭＤによって従来の三角法を用いて求められることができる。本実施形態で求められるのは、仮想計測点の並進運動および回転運動ではなく、仮想計測点に対するＰＭＤの並進運動および回転運動の計測値であり、これにより２つの場所の空間的分離の計測が可能になる。
【００２８】
ＩＭＵ２は通常、複数の加速度計およびレートジャイロを含み、これらの加速度計およびレートジャイロは、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸に取り付けられ、ＩＭＵ２の並進加速度および回転速度に比例した電気信号をプロセッサ７に供給することが好ましい。ＩＭＵ２の代替的な実施形態は、並進および角加速度計のような力計測装置、レートジャイロならびに磁力計のような磁界検出器を含むがこれらに限定されないモーションセンサの任意の組み合わせを含んでもよい。モーションセンサの代替的な配置、例えばピラミッド構造の配置も想定される。ＩＭＵ２はｐｃｂ６上に取り付けられるものとして説明されるが、追加のｐｃｂを必要とする、あるいは実際にｐｃｂを一切必要としない代替的な構成も想定される。小型で軽量の構造を提供するために、ＩＭＵ２は、米国特許第６，４５６，９３９号、米国特許第６，２９５，８７０号、および米国特許出願第２００２／００６５６２６号に記載されるようなＭＥＭＳ技術を用いて作製されることが好ましい。
【００２９】
ＩＭＵ２には、著しく高い減速力を１軸のみで計測する追加の加速度計２０が設けられてもよい。この軸は、ユーザがＰＭＤおよび／または減速装置８を計測すべき表面の場所に置く際のその通常の動き方向の減速度を計測するようにＰＭＤ内で位置合わせされる。この追加の加速度計２０は、ＩＭＵ２の外部にあってもよい。
【００３０】
温度センサ１３が設けられてプロセッサ７に接続される。温度センサ１３は、ＰＭＤの内部温度に比例した信号をプロセッサ７に出力する。この信号は、ＩＭＵ２から受信される、通常は温度に依存する信号に対してプロセッサ７が温度補償を行うことを可能にするために用いられる。温度センサは、ＩＭＵ２とは別個に示されているが、ＩＭＵ２の個々の慣性計測部品の１つまたは複数に組み込まれて、より精密な温度補償を行ってもよい。
【００３１】
ｐｃｂ６上に取り付けられ、トリガ４によって作動されるマイクロスイッチ５は、プロセッサ７に接続され、トリガ４がユーザによって手動で作動されるか、またはトリガ４、あるいは減速装置８のような部品を表面に置くことによって機械的に作動される度に電気トリガ信号をプロセッサ７へ出力する。
【００３２】
プロセッサ７はメモリ１４にも接続される。メモリ１４は、３つの割り当てされたメモリ領域、すなわち、ＩＭＵ２のための較正データが記憶される第１のメモリ領域１４ａ、基準場所データが記憶される第２のメモリ領域１４ｂ、および軌跡データが記憶され得る第３のメモリ領域１４ｃを含む。メモリの第１の領域１４ａに記憶されるＩＭＵ２のための較正データは予め決められたものであってもよい。別法として、ＩＭＵ２のための較正データは、ＰＭＤの通常動作中に取得されて、メモリ１４ａに記憶されてもよい。さらなるプログラムメモリがプロセッサに関連付けられてもよく、このメモリに、第１および第２の場所間の相対的な空間的分離を計算する命令およびアルゴリズムが記憶される。
【００３３】
プロセッサ７にディスプレイ１０が接続され、プロセッサ７によって供給される、基準データメモリ領域１４ｂに記憶されている前に記憶された空間の基準場所からのＰＭＤの計測点の相対的な空間的分離に関するリアルタイムデータを継続的に表示するために用いられる。
【００３４】
好ましくは電池の形態である電源１５が、電力供給手段を介して内部の電気部品および電気機械部品に接続され、これらの電気部品および電気機械部品に電力を供給する。太陽電池のような代替的な電源もまた、計測装置の給電に適している。
【００３５】
クロック１６がプロセッサ７に接続され、プロセッサ７にクロック信号を供給し、プロセッサが所定の一定時間間隔、例えば１ｍＳ〜１０００ｍＳでＩＭＵ２から連続的な計測を行うことを可能にする。さらにプロセッサは、計測を行うのにかかる時間を監視するタイマにアクセスすることができるか、あるいはタイマの機能を含む。理想的には、タイマは、クロック１６と通信し、計測の実行中に発行されるクロックパルスの数をカウントするインクリメンタルカウンタ１７からなる。よって、カウントされるクロックパルス数は、計測の持続時間を表す。トリガ４が作動されて新たな「始点（start point）」が特定される度に、カウンタ１７はゼロにリセットされることが好ましい。さらに、プロセッサ７は、カウンタ１７からの情報を用いて、行われる計測に適切な分解能を求めてもよい。このようにして、計測の分解能は、計測にかかった時間に応じて変化させることができ、この時間は一般に、例えば計測尺度（例えばミリメートル、センチメートルあるいはメートル）または第２の場所の到達可能性を反映することができる。
【００３６】
ｐｃｂ６上には１つまたは複数の制御スイッチ１２も取り付けられて、プロセッサ７に接続される。制御スイッチ１２は、ユーザがプロセッサ７の動作を所定の機能セットの中から選択することを可能にするために用いられ、各制御スイッチ１２は、関連付けられたプッシュボタン１１がユーザによって押下される度にプロセッサ７に信号を供給する。制御スイッチ１２は例えば、計測を点、線または平面のいずれから行うか、計測値を表示するために用いられる工学単位（例えばミリメートル、センチメートルおよびメートル、フィートおよびインチ、度または角度比）、行う計測の種類（例えば第１の場所または第２の場所）、計測値を表示する方法（例えばレベルとして、あるいは距離、角度、面積または体積として）を選択するために用いられることができる。可聴音発生器（audible sounder）１８が設けられてプロセッサ７に接続され、ＰＭＤの動作中にユーザに可聴フィードバックを供給するために用いられてもよい。
【００３７】
ポート１９が設けられてプロセッサ７に接続されてもよく、プロセッサ７によって記憶されるデータを抽出し、さらに解析するために用いられる。
【００３８】
使用時に、プロセッサ７は、ＩＭＵ２の基準点の並進運動および回転運動ならびに方位（並進加速度、回転速度、速度増分、位置増分および角度増分を含む）、あるいは前の位置に対するＩＭＵ２の基準点の相対的な位置および回転運動ならびに方位に対応する信号をＩＭＵ２から受信する。上に挙げた計測値の全部ではなく一部を供給する部品を用いるＩＭＵが使用され得ることも想定される。
【００３９】
プロセッサ７は、ユーザから制御スイッチ１２のうちの１つによって、計測の開始を行う、すなわち、ＰＭＤ上の計測点３が「始点」と呼ばれる第１の場所にあり、ユーザが装置を略静止した状態で保持していることを示す指示を受信する。プロセッサ７は、人間の手や体の移動の所定の限界をプログラムされ、これらの限界を、ＩＭＵ２から受信した加速度および角度レートパラメータの値と比較して、ＰＭＤが略静止しているときを判定する。図４のフロー図は、ＰＭＤが静止していることを判定するために用いることができるアルゴリズム（Ｓ１〜Ｓ４）を詳述する。プロセッサ７は、並進および回転速度パラメータの値をゼロにリセットし、垂直方向に対するＰＭＤの方位を求め、ＰＭＤ上の計測点３の位置座標をゼロにリセットする。プロセッサ７は、ＩＭＵ２によって生成されるか、またはＩＭＵ２から導出される全てのパラメータ値をデータセットとして、基準場所データメモリ領域１４ｂの「始点」の場所に記憶する。
【００４０】
代替的な実施形態において、プロセッサ７は、トリガ４が作動される、すなわち例えば計測点３が固体に対して保持されている間に計測点３が静止状態にあることが分かっていることが示されるのを待つ。これらの状況において、速度がゼロである計測点３と、ＰＭＤを持つ人の手の移動により移動しているＩＭＵ２の基準点との間で関係が構築される。プロセッサ７は、「非速度ゼロ補正」（ＮＺＶＵＰ）を行って、ＩＭＵの基準点の初期速度および垂直方向に対するＰＭＤの初期方位を求める。図７のフロー図（Ｓ２１〜２９）は、非速度ゼロおよび方位較正補正を行うアルゴリズムを説明する。プロセッサ７は、ＩＭＵ２によって生成されるか、またはＩＭＵ２から導出される全てのパラメータ値をデータセットとして、基準場所データメモリ領域１４ｂの「始点」の場所に記憶する。
【００４１】
プロセッサ７は次に、可聴音発生器１８を作動させて、「始点」計測が終わり装置を動かすことができることをユーザに知らせることができる。
【００４２】
ユーザがＰＭＤを動かす間、プロセッサ７は、ＩＭＤ２から新たなパラメータ値を受信する。プロセッサ７は、これらのパラメータ値を、基準場所データメモリ領域１４ｂの「始点」の場所に記憶された対応するパラメータ値、ならびに計測点３とＩＭＵ２の基準点との間の既知の空間的関係とともに用いて、計測点３の現在位置とその「始点」での位置との間の３次元空間差計測値に関して空間的分離を導出する。プロセッサ７はさらに、計測点３の現在位置と「始点」位置の間の垂直面および水平面の両方の差を導出してもよい。
【００４３】
プロセッサ７は、差計測値をユーザに対してディスプレイ１０上でリアルタイムに表示し、「始点」からの計測点３の差計測値を示す継続的かつ略瞬時の表示をユーザに行うようにする。この点で、第１の場所すなわち「始点」からの相対的な計測が必要となる第２の場所は、ＰＭＤの瞬間位置として扱われる。しかし、代替的な実施形態では、計測が必要である第２の場所をプロセッサ７に特定するためにトリガ４が用いられてもよく、その場合、継続的に補正されるリアルタイム表示は必要なく、その代わりに計測値は、トリガ４が作動されて第２の場所が特定された後にのみ表示される。当然ながら、計測値はユーザに対して、いくつかの異なる形式で表示することができる。
【００４４】
先述のように、ＰＭＤは、基準線または基準面に対する差計測値を導出し表示するために用いることもできる。制御スイッチ１２により、ユーザは、最初の「始点」計測値が捕捉された後にさらなる基準点を捕捉して、基準線または基準面を規定すべきであることをプロセッサ７に指示することができる。プロセッサ７は、「始点」の場所と同じ方法を用いて計測を行うが、ＩＭＵ２によって生成され、またＩＭＵ２から導出されるパラメータ値を基準場所データメモリ領域１４ｂの二次的な場所に記憶する。「始点」の場所および二次的な基準点の場所は、プロセッサ７が、「始点」に対して基準線を規定するために用いることができ、以降の差計測値は、この基準線上の「始点」に対して導出し表示することができる。同様に、第３の基準点を捕捉して、「始点」に対して基準面を規定することができ、プロセッサ７は、この基準面上の「始点」に対して差計測値を導出し表示することができる。
【００４５】
ＰＭＤは、電子レベルとして働くにも特に適している。この点に関して、ＰＭＤに固有の機能の一部は、点と点、線または面との間の角度関係の計測である。レベルは単に水平面または垂直面に関して、水平面または垂直面に対して２点間に角度差がない、すなわち計測角度が０°であるときを特定する。ＰＭＤは、リアルタイムの角度差計測値を表示することによってこの情報を表示することができるか、あるいはディスプレイは、代替的または付加的に、図８ａおよび図８ｂに示すようなレベルのグラフィック指示を提供することができる。
【００４６】
全ての計測が終了すると、ユーザは、メモリ１４に保持されているデータをディスプレイ１０上に呼び出すか、あるいはポート１９を介してコンピュータにダウンロードしてから後の解析および／または表示を行うことができる。
【００４７】
ＩＭＵ２によって生成される信号は、時間および温度の両方によりドリフトし易く、プロセッサ７によって行われる並進および角度運動の計算により、時間とともに計測誤差を増やす。これらの誤差を最小化するために、プロセッサ７は、ＩＭＵ２に内蔵される検知素子毎に、較正データメモリ領域１４ａに記憶される較正データを調節することができる。代替的または付加的に、プロセッサ７は、ＩＭＵ２から受信した個々の信号、またはプロセッサによって求められる計測点の計算された相対的な並進および回転運動に補正係数を適用することができる。ＰＭＤの通常使用中に較正データまたは計測信号を調節する１つまたは複数の手段がＰＭＤ内に設けられてもよい。
【００４８】
先述のように、プロセッサ７は、温度センサ１３からの信号を用いて、ＰＭＤの内部温度、よってＩＭＵ２の部品の温度を求める。プロセッサ７は、ＩＭＵ２の各部品の一連の温度に関連する補正係数をプログラムされ、これらの補正係数を用いて、ＩＭＵ２の部品毎に、較正データメモリ領域１４ａに記憶される較正データを一定時間間隔、たとえば１秒〜６０秒で調節する。別法として、プロセッサ７は、温度に関連する補正係数を用いて、ＩＭＵ２から受信した各瞬間計測信号を調節してもよい。
【００４９】
また、「始点」の計測中にＰＭＤ上の計測点３が静止していると判定されればいつでも、ＩＭＵ２によって生成されるか、あるいはＩＭＵ２から導出される特定のパラメータ値、例えばＰＭＤの方位は補正される、および／または局所化された環境条件を補償することができ、プロセッサ７は、較正データメモリ領域１４ａに記憶されている「始点」較正データセットの値を調整して、それらの信号にオフセットがあればこれを除去することができる。図５のフロー図（Ｓ５〜Ｓ１１）は、この再較正のためのアルゴリズムの一例を説明する。
【００５０】
また、「始点」の計測中以外のときにＰＭＤ上の計測点３が静止していると判定されればいつでも、プロセッサ７は同様に、ＩＭＵ２の検知素子の各々について新たな較正データを導出し、これらを新たな較正データセットとして較正データメモリ領域１４ａ内の次に利用できる場所に記憶することができる。プロセッサ７はまた、非速度ゼロ補正（ＮＺＶＵＰ）を実行して、少なくとも、ＩＭＵの基準点の現在の速度とＰＭＤの方位を別々に計算し、これらのパラメータの現在の値を補正するようにすることができる。プロセッサ７はまた、これらのパラメータの累積誤差値を導出し、これらの値を新たな較正データセットの一部として較正データメモリ領域１４ａに記憶することができる。
【００５１】
プロセッサ７が差計測値を導出し表示するのと同時に、ＩＭＵ２によって生成され、またＩＭＵ２から導出されるパラメータ値もまたデータセットとして、プロセッサ７によって軌跡データメモリ領域１４ｃに一定時間間隔で記録されることができる。
【００５２】
プロセッサ７は、較正データメモリ領域１４ａに記憶された較正データセットと、軌跡データメモリ領域１４ｃに記録されたパラメータ値セットとを用いて、また隣接する較正データセット間の補間によって、各パラメータ値セットに関連付けられる新たな較正データセットを導出し、次に、新たな各較正データセットおよび各パラメータ値セットを用いて、ＰＭＤ上の計測点３の「始点」から現在位置までの空間的分離を再計算する。
【００５３】
プロセッサ７は、この修正された空間的分離を用いて、これをユーザに対してディスプレイ１０上に表示する。図６のフロー図（Ｓ１２〜Ｓ２０）は、この再計算のためのアルゴリズムを説明する。
【００５４】
軌跡データメモリ領域１４ｃおよび較正データメモリ領域１４ａは通常、新たな「始点」計測が行われる度に新たなデータを上書きされる。
【００５５】
プロセッサ７によって行われる計算の性質は、計測誤差が時間とともに累積する可能性があることを意味する。これらの誤差を部分的に補償するために、プロセッサ７は、ディスプレイ１０上に表示される値の分解能を経過した計測持続時間に関して調節することができる。計測持続時間が長くなるほど、表示される分解能は低くなる。
【００５６】
レーザ距離計測をＰＭＤに組み込むことによって、ＰＭＤのユーザが到達できない点、例えば高い屋根までを計測することが可能になる。先述のように、レーザ計測を慣性計測と組み合わせた場合、ユーザが到達できない２つの遠隔地の位置を捕捉することができ、次に、こうした遠隔地の空間的分離を、三角法と、第１および第２の遠隔地を捕捉する間に監視されたＰＭＤの慣性運動とを用いて求めることができる。当然ながら、線または面に対して相対的なレベル、ならびに角度および距離を計測するという点でのＰＭＤの全機能も適用される。さらに、レーザ発光器によって生成される仮想計測点と、ＰＭＤのハウジング上に設けられる計測点３を用いて特定される場所との間の計測も可能である。本明細書では、レーザ発光器および検出器を参照したが、超音波装置を含む非接触型距離測度の代替的な形態を使用することもできることが明らかであろう。ＰＭＤに非接触型メータを組み込むことによって、ＰＭＤを利用して角の周囲で、物体の周囲で、交通量の多い道路または幅の広い川にまたがって計測を行い、最小量の移動で迅速かつ容易に複数の計測値を捕捉することが可能になる。
【００５７】
添付の特許請求の範囲に規定される発明の範囲から逸脱することなく、ＰＭＤのさらなる適応形態および変更形態が想定される。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１ａ】本発明による携帯型計測装置の第１の実施形態の外形図である。
【図１ｂ】本発明による携帯型計測装置の第１の実施形態の外形図である。
【図１ｃ】本発明による携帯型計測装置の第１の実施形態の外形図である。
【図１ｄ】本発明による携帯型計測装置の第１の実施形態の外形図である。
【図２】本発明による計測装置とともに使用される計測ポインタの第１の実施形態の図である。
【図３】本発明による携帯型計測装置に内蔵されるｐｃｂの第１の実施形態の機能ブロック図である。
【図４】本発明による計測装置が静止状態にあるときを判定するアルゴリズムを説明するフロー図である。
【図５】本発明による静止した計測装置を再較正する方法を説明するフロー図である。
【図６】記憶されている軌跡データから本発明による計測装置の現在位置を再計算する方法を説明するフロー図である。
【図７】本発明による計測装置とともに使用される非速度ゼロ補正（ＮＺＶＵＰ）および初期のピッチおよびロール方位角を求めるアルゴリズムを説明するフロー図である。
【図８ａ】本発明による計測装置の表示画面の例である。
【図８ｂ】本発明による計測装置の表示画面の例である。
【図８ｃ】本発明による計測装置の表示画面の例である。
【図８ｄ】本発明による計測装置の表示画面の例である。
【図８ｅ】本発明による計測装置の表示画面の例である。
【図８ｆ】本発明による計測装置の表示画面の例である。
【図８ｇ】本発明による計測装置の表示画面の例である。
【図８ｈ】本発明による計測装置の表示画面の例である。
【図１ａ】
2006506654.tif 000003
【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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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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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
2006506654.tif 000015
【図８ｄ】
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【図８ｅ】
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【図８ｆ】
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【図８ｇ】
2006506654.tif 000019
【図８ｈ】
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【国際調査報告】
2006506654.tif 000021
2006506654.tif 000022