JP2001502063A

JP2001502063A - 回転角度センサのための方法および装置

Info

Publication number: JP2001502063A
Application number: JP11502954A
Authority: JP
Inventors: シェーファー，フィリップ
Original assignee: シミュラ・インコーポレーテッド
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1998-06-05
Publication date: 2001-02-13
Also published as: EP0923741A4; US6204499B1; BR9806037A; AU7821098A; WO1998055836A1; KR20000068067A; CA2262587A1; EP0923741A1

Abstract

(57)【要約】回転角度センサ（１０２）は流体充填容器（１０４）を有し、流体（１０６）内に浸漬してある羽根（１０７）を内蔵する。羽根（１０７）は容器（１０４）に対して自由に回転する。容器（１０４）は、回転角度の測定が望ましい物体に固定して取り付ける。物体と共に容器（１０４）が回転すると、流体（１０６）およびこのために羽根（１０７）が回転に対して停留しようとする。したがって、容器（１０４）が羽根（１０７）に対して回転した量を判定することにより、回転角度を測定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】回転角度センサのための方法および装置関連出願に対する引用本願は、1997年６月５日に出願した米国予備出願第60/048,738号および1997年 10月15日に出願した米国予備出願第60/062,336号の出願日の優先権を主張する。背景発明の分野本発明は、動きセンサに関する。更に特定すれば、本発明は、物体が回転していない場合であっても、当該物体内の回転および角度位置を検出することに関するものである。発明の背景絶対角度即ち傾斜を測定することが望ましい数多くの用途がある。その例には、誘導および操舵システム、建設用工具および機器、ならびに車両用ロールオーバ保護デバイス(rollover protection device)が含まれる。これまでに、気泡に基づく傾斜計（標準的な大工の水準の概念に基づく）、振り子、および加速度計を含む種々の技術が、角度の測定に実施されている。これらの技術は各々、角度を測定することができる。しかしながら、望ましくないのは、これらの技術は、線形加速度を受けると出力を生成することである。自動車のロールオーバへの適用は、特によい例である。何故なら、エア・バックの展開およびその他の安全対策は、部分的にロールオーバの指示で制御するようにしてあるからである。車両が実際には加速しているかあるいは角を曲がっている（遠心加速度を生ずる）ときに、車両がロールオーバしていることをセンサが指示するのは、このような指示が車両のエアバッグ使用を誘発し得るので、センサにとって非常に望ましくない。これまで、線形加速度による問題を回避するために、種々の技法が実施されあるいは提案されてきた。その各々には、固有の欠点がある。機械的なジャイロスコープは、線形加速度を除去しつつ回転に応答することができる。しかしながら、これらにはドリフトの問題があり、非常に嵩張り、高価であり、しかも脆弱な可能性がある。光ファイバ・ジャイロは、これらの問題の多くを解決するが、絶対角度ではなく角速度に応答する。角速度に応答するセンサは多くの用途において有用であるが、車両における不安定なロール角度の検出のように絶対角度が必要な場合、絶対角度の測定が望まれる。同調フォーク・アセンブリ（"Detection of Incipient Rollovers Grows in I mportance"（初期ロールオーバの検出の重要性の成長）(Automotive Engineerin g、1997年９月、94〜96ページ（以下"Automotive Engineering"）を参照)およびファラデイ効果デバイス（Greene(以下「グリーン」）の米国特許第3,940,983号、"Faraday effect fluid flow and direction indicator"（ファラデイ効果流体流および方向指示器）を参照）のようなその他の技法は、比較的低コストで作成することができるが、これらもまた、絶対角度情報ではなく、角速度情報を与えるものである。従来のデバイスには、円筒状または球状容器内に多数の流体を用いるものがあった（Lopes,et al.（ロペスその他）（以下「ロペス」）の米国特許第4,779,35 3号、"Tool for measuring inclination and rotation（傾斜および回転測定ツール）"およびStriffler（ストリフラ）（以下「ストリフラ」）の米国特許第5, 416,977号、"Pitch Sensor System"（ピッチ・センサ・システム）を参照）。これらのデバイスは、論理的には絶対角度情報を与えるが、流体間で混合があったり、または流体間の境界層が変化した場合、障害の虞れがある（即ち、誤った結果を与える）。その他には、角速度に応答して移動する流体を用いたデバイスが存在する。その各々は、前述の技法と同様の性質を有する（Taplin,et al.（タプリンその他、以下「タプリン」）の米国特許第4,361,040号、"Integrating An gular Accelerometer"（積分角加速度計）、およびHughes（ヒューズ、以下「ヒューズ」）の米国特許第4,163,325号、"Verticality Sensors"（垂直度センサ）を参照）。絶対角度の推定値を与えるために、混成センサの手法が提案され実施されている。自動車のロールオーバへの適用に用いられる共通の技法の１つは、加速度計（またはその他の重力感知デバイス）を角速度センサと組み合わせることである（Automotive Engineeringを参照）。静止角度の測定は、車両が加速していないと思われるときにはいつでも（例えば、測定した加速度が１．０Ｇである場合、重力による加速度）、行われる。この基準静止角度に基づいて、角速度センサからの出力を積分し、絶対角度の推定値を得る。この手法は、車両が比較的安定な場合は高精度となり得るが、回転の角速度が速い場合、積分に大きな誤差を発生する虞れがある。積分の問題は、大量の時間（１秒は多くの場合大量である）にわたって積分を行う必要がある場合、一層厳しくなる。この場合、角速度センサの出力にあるずれが僅かであっても、積分は蓄積誤差を有し、時間と共に大きくなっていく。したがって、蓄積角度測定誤差を発生せず、デバイスが線形加速度を受けても、絶対角度を測定可能なセンサを有することができれば好ましいであろう。発明の摘要本発明は、物体が回転していない場合であっても、当該物体における回転および角度位置を測定する回転センサを対象とする。好ましくは、この回転センサは、流体充填容器で構成する。容器を回転させると、流体は静止状態を保とうとする。しかしながら、容器が重力または線形（非回転）加速度を受けると、流体はシリンダと共に移動しようとする。本発明の装置および方法を用いて、流体に対する容器の相対的な動きを測定する。好適な実施形態では、前述の容器はシリンダである。１組の自由に回転する１つ以上の羽根をシリンダ内に回転自在に取り付ける。羽根は軸上に取り付けてあり、流体と共に自由に移動する。したがって、シリンダを回転させると、回転する羽根は流体に対して静止状態を保とうとするため、シリンダに対しては回転する。本発明の別の好適な実施形態を用いて、回転速度を検出することができる。この好適な実施形態では、可撓性のカンチレバーをシリンダの一端に固定して取り付ける。シリンダの角速度が大きい程、カンチレバーの撓みも大きくなる。カンチレバーまたは回転する羽根（複数）の位置が、シリンダの回転を示す出力を与える。カンチレバーまたは回転する羽根（複数）の位置を用いてシリンダの回転を示す出力を生成するためのいくつかの実施形態について記載する。一実施形態では、ＬＥＤまたはその他の光源を用いて羽根またはカンチレバー上を照射する。１つ以上の光検出器を用いて光を受ける。光源および光検出器( 複数)は、カンチレバーまたは羽根の位置が、各光検出器が受ける光量を変調するように配置する。この実施形態では、流体が光に対して透過性であることが必要である。他の実施形態では、２つ以上の電極を用いて、これら電極間の電気的インピーダンスを測定する。電極は、カンチレバーまたは羽根の位置が、電極問のインピーダンスを変調するように位置付ける。この実施例では、流体が完全な導電体でないことが必要である。他の実施形態では、羽根またはカンチレバーにカムを固定する。カムの位置が、２点間の光透過度または電気的インピーダンスを変調し、シリンダの回転角を示す出力を生成する。他の実施形態では、羽根またはカンチレバーに取り付けた光ファイバを用いる。光ファイバの位置付けは、カンチレバーまたは羽根が動くと、ファイバを通過する光量が変化するか、あるいはファイバを通過する光の照射方向が変化するように決める。ファイバを通過する光量、またはファイバを通過する光の方向の変化が、シリンダの回転角を示す。シリンダの回転を測定する手段の出力に数学的フィルタ処理を施し、デバイスの非理想性を補正するとよい。この非理想性が発生するのは、流体がある程度シリンダと共に移動し始めるからである。この流体移動の原因には、シリンダの内側表面に沿った摩擦、カンチレバーまたは羽根の流体中を通過する際の相対的な動きが含まれ、測定デバイスが回転と線形に撓まないからでもある。この数学的フィルタ処理は、これら非理想性の逆モデルを作成することによって実現する。本発明のこれらおよびその他の目的について、本発明の詳細な説明、添付図面および添付の請求の範囲において更に詳しく説明する。図面の簡単な説明図１は、本発明の好適な実施形態による回転角度センサの好適な実施形態を概略的に示す。図２は、本発明による回転角度センサを実施するための好適な実施形態を概略的に示す。図３は、センサ出力空間の一例をグラフで示す。図４は、動作時のセンサ出力空間の使用法をグラフで示す。図５は、本発明の別の好適な実施形態による回転角度センサを概略的に示す。図６は、本発明の別の好適な実施形態による回転角度センサを概略的に示す。図７は、本発明の別の好適な実施形態による回転角度センサを概略的に示す。図８は、本発明の別の好適な実施形態による回転角度センサを概略的に示す。図８Ａは、本発明の別の好適な実施形態による回転角度センサを概略的に示す。図９は、軸外れ回転の影響を減少させるための好適な技法を概略的に示す。図１０は、横加速度の影響を減少させるための、本発明の別の好適な実施形態による回転角度センサを概略的に示す。図１１Ａは、横加速度の影響を補償するための、本発明の別の好適な実施形態による回転角度センサを概略的に示す。図１１Ｂは、横加速度の影響を補償するための、本発明の別の好適な実施形態による回転角度センサを概略的に示す。図１２Ａは、本発明の好適な実施形態において横加速度の影響を補償するための回路を概略的に示す。図１２Ｂは、本発明の好適な実施形態において横加速度の影響を除去するための回路を概略的に示す。図１３Ａは、本発明の好適な実施形態において摩擦を補償する方法である。図１３Ｂは、本発明の好適な実施形態による摩擦を補償する回路を概略的に示す。図１４は、温度を変化させることによって生ずるセンサ出力空間のずれの一例をグラフで示す。図１５は、本発明の別の好適な実施形態による角速度センサを概略的に示す。図１６は、本発明の別の好適な実施形態による角速度センサを概略的に示す。好適な実施形態の詳細な説明本発明は、種々の用途において使用可能な回転角度センサである。このような用途には、ａ）車両が回転するときを検知し、ロールオーバ事故の場合に、エアバッグのような乗員保護装置の展開を開始する、車両（例えば、自動車）内のロールオーバ・センサ、ｂ）建設作業のために傾斜や水準を動的に測定する測定工具、ならびにｃ）種々の空中、水中、宇宙プラットフォームの操舵および姿勢制御システムおよび誘導システムが含まれるが、これらに限定される訳ではない。回転角度センサのことを、ここでは代わりに回転センサ、回転型センサまたは回転型角度センサとも呼ぶことにする。従来のシステムとは異なり、本発明は、質量を自由に回転させるために、慣性質量または高品質の軸受けには頼らない。代わりに、流体内に浸漬した軽量の羽根を用いる。慣性質量の性質ではなく、液体の慣性的性質を動作原理とする。軽量の羽根に対する液体の力は、いずれの合理的な軸受けに対する摩擦力よりもはるかに大きく、このために本発明はベアリングの種別または品質には比較的感応しない。これらの性質のために、デバイスの構造において不偏物質(neutrally-b uoyant material)の必要性がなくなり、材料および流体部に対する制約が大幅に減少する。図１は、本発明の好適な実施形態による回転角度センサ１０２の好適な実施形態を概略的に示す。回転センサ１０２は、流体１０６で充填した容器１０４を含む。好ましくは、容器１０４は円筒形であり、ここではシリンダ１０４と呼ぶことにする。シリンダ１０４内に羽根１０７を回転自在に取り付ける。好ましくは、羽根１０７を軸１１０に取り付ける。軸１１０は、シリンダ１０４の中央軸１１１を貫通して延びる。好ましくは、軸１１０は、先細端部(pointed end)１１２ａおよび１１２ｂを有する。流体を保持できる容器であれば、いずれでも本発明に使用可能である。しかしながら、シリンダ１０４のような円筒形の容器を用いることが好ましい。好適な実施形態では、軸１１０はステンレス鋼製とする。最適な動作(performance)のためには、流体１０６は、羽根１０７の密度および質量と比較して、低い粘度および大きな質量を有することが望ましい。また、流体１０６は温度による粘度または密度のばらつきを殆ど示さないことも望ましい。光学的（および／またはレーザ）検出手段を用いる場合、流体１０６は良好な透過性質を有する必要がある。好適な実施形態では、流体１０６は水である。所望の特性を有する水以外の流体も使用可能であることは、当業者には明らかであろう。例えば、温度に極値（extremes）があり、水が凍結する可能性がある場合、あるいは沸騰水が適正に機能しない場合、他の物質を用いることも可能である。軸が発生する摩擦を減少させるために、端部を宝石軸受け１１３ａおよび１１３ｂで保持することが好ましい。好ましくは、宝石軸受け１１３ａおよび１１３ｂは、孔または切り欠きを有する。好適な実施形態では、軸１１０の先細端部１１２ａおよび１１２ｂを宝石軸受け１１３ａおよび１１３ｂの孔にそれぞれ挿入する。宝石軸受け１１３ａおよび１１３ｂは、シリンダ１０４の上面１７７ａおよび底面１１７ｂの内面に固定可能に取り付けることが好ましい。前述の回転センサ１０２の実施形態では、羽根１０７がシリンダ１０４に対して実質的に自由に回転することができるようにする。これは、シリンダ１０４が回転する場合でも、流体１０６が羽根１０７を適所に保持しようとするからである。シリンダ１０４の内面と流体１０６との間に摩擦がないと仮定すると、シリンダ１０４は、羽根１０７を回転させることなく、その中心軸１１１を中心として回転することができる（例えば、矢印１２０で示す方向）。羽根１０７はシリンダ１０４の回転に対して固定されるので、シリンダ１０４の回転量を測定することができる。本発明の装置を用いた回転の測定について以下に説明する。羽根が光検出器に対して反射する光の光学的検出を用いる本発明の実施形態では、羽根１０７の一方側または両側を、反射性被膜１１８で被覆する。本発明を用いることによって得られる信号の検出および処理については、以下で説明する。好ましくは、羽根１０７は、白く染色したポリエチレンのような、光の拡散散乱体(diffuse scatterer)である材料で作る。あるいは、羽根１０７に、例えば、白いペンキのような反射性被膜を被覆することも可能である。好ましくは、反射性被膜１１８は、羽根１０６の全表面またはいくつかの表面を覆う。あるいは、反射性被膜１１８は、羽根１０７の表面の一部のみを覆う。更に、好適な実施形態では、反射性被膜１１８を羽根１０７の両面上に塗布する。あるいは、反射性被膜１１８は、羽根１０７の一方の面のみに塗布する。羽根１０７の位置を用いて、シリンダ１０４の回転を判定するためには、いくつかの構成を用いることができる。図２は、本発明の好適な実施形態による回転角度センサを実施する構成を概略的に示す。図２を参照して、回転角度センサ１０２の上面切除図を示す。図２に示す実施形態は、２つの発光ダイオード（ＬＥＤ）光源２０４および２０６、ならびに光検出器２０８を示す。好ましくは、ＬＥＤ２０４および２０６は羽根１０７に光を照射する。反射性被膜のために、光は、反射光として羽根１０７から反射する。羽根１０７の方位、およびＬＥＤ２０４または２０６のどちらが活性状態にあったかに応じて、異なる量の光が反射する。即ち、羽根１０７の方位が、事実上反射光を変調する。光検出器２０８は反射光を受光する。光検出器２０８は、公知の方法で、受けた光を電圧に変換する。公知の方法で増幅器２１０において電圧を増幅し、エイリアス防止フィルタ２１２に渡す。エイリアス防止フィルタは、従来のロー・パス・エイリアス防止フィルタである。エイリアス防止フィルタ２１２は、その出力をコンピュータ２１４に伝達し、更に処理してシリンダ１０４の羽根１０７に対する回転量を判定する。好適な実施形態では、点線２１１で表すように、増幅器２１０およびフィルタ２１２をアクティブ・フィルタ内で組み合わせる。好適な実施形態では、コンピュータ２１４は従来のマイクロコントローラである。本発明との関連において用いるマイクロコントローラは、当業者には公知である。他の計算装置を用いて、ここに記載するように、回転角度を判定することも可能であることは当業者には明白であろう。また、コンピュータ２１４はＬＥＤ２０４および２０６の活性化も制御する。光検出器は、光検出器２０８１つのみであるので、ＬＥＤを交互に活性化しなければならない。コンピュータは、この交互の活性化を制御する。好適な実施形態では、ＬＥＤを常時活性化しておく訳ではないので、電力の節約になる。ＬＥＤは、交互に活性化するだけでなく、アクティブ状態にあるのは短期間のみである。好ましくは、光検出器２０８のサンプリングを毎秒５０回行う。これが意味するのは、ＬＥＤ２０４および２０６を各々順番に点灯しなければならず、各々からの光は、２０ミリ秒以内に光検出器２０８によって測定しなければならないことである。好適な実施形態では、ＬＥＤ２０４および２０６は、３ないし４ミリ秒の間のみ活性化するようにする。ＬＥＤ２０４がアクティブ状態の間、次いでＬＥＤ２０６がアクティブ状態のときに光検出器２０８が受けた光量に基づいて、コンピュータは回転角度を判定する。光検出器２０８が受けた光量に対応する値がコンピュータ２１４に与えられた際に、回転量を算出するために使用可能な方法にはいくつかある。第１の方法は、単純な値の参照テーブルである。即ち、回転角度に対応する値の二次元テーブルを記憶しておく。受けた光を適切に整数に変換した後の値を用いることによって、回転角度を評価する。参照テーブルの回転値は、シリンダに対して既知の回転角度に羽根２０７を実際に設定し、ＬＥＤ２０４がアクティブのときおよびＬＥＤ２０６がアクティブのときに受けた光量を測定することによって決定する。次に、これを多数の角度において繰り返す。角度が多いほど、一層精度が高い参照テーブルとなるが、一段と大きな参照テーブルとなるという犠牲を払う。推定値の一層の高精度化には、公知の形態の補間を用い、実際の受光値が正確な整数に変換されない場合に、これらを補間すればよい。このような補間は、当業者には公知である。回転角度を判定する他の方法として、多項式モデルを用いて回転センサ１０２の出力をモデル化することがあげられる。例えば、公知の曲線当てはめ技法を用いて、ＬＥＤ２０４および２０６が特定の角度で羽根２０７に照射するときに受ける光量に当てはめることができる。次に、実際の使用時に、ＬＥＤ２０４および２０６によって受けた光量を、得られた多項式モデルに入力し、回転量を推定することができる。回転角度を判定する前述の方法は、計算時間および／またはメモリの使用に関して不経済である。この理由のために、本発明の好適な実施形態は、回転角度を判定するために、異なる方法を用いる。好適な実施形態は、羽根２０７が回転する際、センサ出力「空間」内にそれが追従する経路があるという事実を利用するものである。センサ出力空間は、羽根をシリンダ１０４に対して種々の角度に設定した場合の光検出器２０８の出力をプロットすることによって、グラフに表すことができる。図３を参照すると、好適な実施形態において、グラフの横軸３０４は、ＬＥＤの一方、例えば、ＬＥＤ２０４を活性化した結果としての受光量（光検出器２０８の出力）を表す。グラフ３０６の縦軸は、他方のＬＥＤ、例えば、ＬＥＤ２０６を活性化した後の受光量（光検出器２０８の出力）である。点３０８は、羽根２０７が回転しなかった場合の出力である。また、点３０８は、センサ出力空間のゼロ角度としても定義する。センサ出力によって定義した曲線の中心から点３０８を通過して延びる線を、状態出力空間のゼロ度線３０９として定義する。好ましくは、状態出力空間において測定した全ての角度は、ゼロ度線３０８を基準として測定する。点３１０では、羽根２０７は９０度回転した後である。これは、状態出力空間における１８０度の角度、即ち、セロ度線３０９から１８０度に対応する。曲線３０２は、羽根２０７を３６０度回転させ、回転の間多数の点において出力を測定することによって発生する。例えば、５度毎に出力を測定するとよい。次に、曲線３０２を、センサ出力空間角度と実際の回転角度との間の１対１の対応関係に変換する。これは以下のように行う。曲線３０２上の各点は、ゼロ度線３０９と角度シータ（θ）をなすものと考えることができる。角度シータは、曲線３０２の中心において一方の終点が形成され、曲線上の対象点を通過する線と、ゼロ度線３０９との間にわたる角度である。例えば、点３１２は、ゼロ度線３０９と約３０度の角度を形成する。曲線３０２を作成する際に実際に測定した各点に対する角度を判定し、当該測定値対に対する対応する既知の角度（羽根２０７を種々の角度に設定して曲線３０２を作成したので、角度は既知である）と共にテーブルに格納する。図４は、上述のようにして作成したグラフの動作時の使用法を表す。図４において、ＬＥＤ２０４を活性化した後の光検出器２０８の出力（横軸３０４に対応する）を、点４０２で表す。ＬＥＤ２０６の活性化の後の光検出器２０８の出力（横軸３０４に対応する）を、点４０４で表す。これらの出力値は、センサ出力区間では、点４０６に対応する。センサ出力空間グラフ３０２の中心から点４０６を通過するベクトルおよびゼロ度線３０９がなす角度に対応する角度シータ（ θ）を算出することができる。図４の例では、角度θは６０度と算出する。これは、センサ出力空間における角度である。上述の角度測定値の参照テーブルを用いて、回転角度を判定する。角度が参照テーブルの点の１つに正確に対応する場合、それが回転角度となる。角度が正確に対応しない場合、公知の補間技法を用いて回転角度を推定することができる。参照テーブルの使用に加えて、一次元当てはめ曲線(one-dimensional fitted curve)を用いて、センサ空間角度からセンサ角度への変換を行うことができる。参照テーブルまたは一次元曲線の当てはめのいずれかを用いることは、２つのセンサ出力からセンサ角度を導出するよりも効率的である。何故なら、２つの数値（２つのフォトダイオードの出力）から１つの数値ではなく、１つの数値（センサ空間角度）から１つの数値（センサ角度）の導出であるからである。羽根１０７に対するシリンダ１０４の回転量を判定する第２の好適な実施形態を、図５に概略的に示す。図５を参照すると、ＬＥＤ５０２を光源として活性化し、反射性の羽根１０７を照らし、反射光を生成する。２つの光検出器５０４および５０６が反射光を受け、その強度を示す電圧を測定し供給する。光検出器５０４からの電圧は、増幅器段５０８ａおよびエイリアス防止フィルタ５１０ａを通過し、コンピュータ５１２においてデジタル化し、格納する。光検出器５０６からの電圧は、増幅器段５０８ｂおよびエイリアス防止フィルタ５１０ｂを通過し、コンピュータ５１２においてデジタル化し格納する。好適な実施形態では、増幅器段５０８ａおよびフィルタ処理段５１０ａを、点線５１１ａで表すアクティブ・フィルタ内で組み合わせる。同様に、好適な実施形態では、増幅器段５０８ｂおよびフィルタ処理段５１０ｂを、点線５１１ｂで表すアクティブ・フィルタ内で組み合わせる。図５に示すように、本発明のこの実施形態は、その動作が図２に示したものと類似する。しかしながら、図５に示す実施形態は、前述のタイミングの考慮を必要としない。逆に、ＬＥＤ５０２は、必要に応じて活性化する（好適な実施形態では、５０回／秒）。電圧によって表す光量は、コンピュータ５１２が受け、コンピュータ５１２はこれを処理して、図２ないし図４において説明した実施形態と同様に、回転角度を判定する。この場合、光検出器５０６からの出力は、ＬＥＤ２０６の活性化後の光検出器２０８の出力に類似し、光検出器５０４の出力は、ＬＥＤ２０４の活性化後の光検出器２０８の出力に類似する。残りの計算は、前述のものと同一である。この実施形態を図２に図示した実施形態と比較した場合、１対ではなく、２対の増幅器／フィルタが必要となるという欠点がある。図６は、本発明の別の好適な実施形態による、回転角度センサ６０１を概略的に示す。回転センサ６０１は、シリンダ６０２、羽根６０４、ＬＥＤ６０６、光検出器６０８、および軸６１０を有する。シリンダ６０２、羽根６０４、ＬＥＤ６０６、光検出器６０８、および軸６１０は、図２に示したシリンダ、羽根、ＬＥＤおよび光検出器と同様である。羽根６０４の一方側または両側には、前述のように、反射性被膜を被覆してある。前述のようにシリンダ６０４には流体６１１を充填してある。好ましくは、軸６１０は、検知対象物体に取り付ける。この場合、点６１３ａおよび６１３ｂにおいてこの物体に取り付けた取付具を有する、宝石軸受けによって取り付ける（先に述べた）。ＬＥＤ６０６を活性化して、反射性の羽根６０４に光を照射する。光検出器６０８が、羽根６０４の反射性面から反射した光を受け、このように受けた光量を電圧に変換する。増幅器／フィルタ６１２によって、電圧の増幅およびフィルタ処理を行う。前述のように、増幅器／フィルタ６１２は、２段プロセスとすることができる。増幅器／フィルタ６１２の出力をコンピュータ６１４に送り、デジタル化して更に処理を進める。あるいは、データをコンピュータ６１４に送る前に、デジタル化することも可能である。増幅器／フィルタ６１２の出力を用いて、コンピュータ６１４は羽根６０４の回転角度を判定する。１つのセンサおよび光源のみであるので、前述の２入力を処理するにあたっての考慮は不要となる。したがって、コンピュータは、参照テーブルまたは多項式の当てはめのいずれかを用いて、受けた信号を処理する。本発明のこの実施形態において用いる参照テーブルは、羽根６０４の回転角度を固定し、ＬＥＤ６０６を活性化し、コンピュータ６１４において最終的に受けた対応する電圧を、デジタル化済みでも未だデジタル化が必要であっても、セーブすることによって発生する。参照テーブルは、固定位置における回転角度と、それに対応するデジタル化した光の値とから成る。任意数の回転角度について、このプロセスを繰り返す。位置の数（異なる回転角度）が多い程、テーブルの精度は高くなるが、テーブルが大きくなり、格納するためにより多くのメモリが必要となるという犠牲を払うことになる。動作において、光量が格納してある値と同一でない場合、公知の方法で参照テーブル値の補間を行い、回転角度を判定することができる。光の値および／または参照テーブルを整数に変換し、処理の一層の効率化が可能であることは、当業者には明白であろう。この目的のためには、公知のスケーリングおよび丸め(truncation)の技法が使用可能である。あるいは、多項式を導出し、受けた光の量を回転角度に変換することも可能である。これを行うには、多数の公知の曲線当てはめ技法のいずれかを用いる。例えば、最少二乗技法および三次元近似技法(cubic spline technique)を用いることができる。好適な実施形態では一次多項式を用いるが、多項式を一次に限定することは必要条件ではない。本発明のこの実施形態による回転角度センサは、少ない部品で済むが、図２または図５の実施形態よりも測定範囲は更に限定されることを注記しておく。この実施形態の明確な測定範囲は、図２および図５の実施形態の明確な範囲が１８０度であるのに対し、９０度である。図７は、本発明の別の好適な実施形態による回転センサ７０１を概略的に示す。回転センサ７０１は、流体充填シリンダ７０２、羽根７０４、ＬＥＤ７０６、光検出器７０８、ならびに宝石軸受け７１３ａおよび７１３ｂに回転自在に取り付けてある軸７１２を含む。流体充填シリンダ７０２、羽根７０４、ＬＥＤ７０６、光検出器７０８、軸７１２、ならびに宝石軸受け７１３ａおよび７１３ｂは、前述のものと同様である。羽根７０４は、様々な面で異なる。第１に、羽根７０４には反射性被膜が不要である。第２に、羽根７０４は、中心に穿設した孔７１０を有する。孔７１０によって、ＬＥＤ７０６から発した光は光検出器７０８に達し、光検出器７０８が受光することができる。光検出器７０８が受けた光を電圧に変換する。電圧を増幅器／フィルタ７１４に通過させる。前述のように、増幅器／フィルタ７１４は、２段で実現することができる。増幅器／フィルタ７１４の出力をコンピュータ７１６に送る。出力は、コンピュータ７１６が受ける前または受けるときにデジタル化することができる。このようなデジタル化は、当業者には公知である。これらのデジタル化技法は、ここに記載する実施形態のいずれでも使用可能である。羽根７０４が回転すると、光検出器７０８の見通し線(perspective)から見た孔７１０の断面積のサイズが変化する。したがって、孔７１０を通過し最終的に光検出器７０８が受ける光量が変化する。受けた光の量を用いて、コンピュータ７１６は回転量を判定する。好ましくは、この判定は、参照テーブルまたは多項式の当てはめを用いて行う。その技法については、先に図６に関して説明してあり、ここで再度説明する必要はないであろう。当業者であれば、ここに与える記載に基づいて、必須の参照テーブルまたは多項式モデルをどのように作成し使用するかについて分かるであろう。また、当業者であれば、受けた光量から回転角度を判定する他の技法も利用可能であり、本発明の範囲および精神に該当することも分かるであろう。前述の２つの光源または２つの光検出器を用いることによって１８０度の明確な測定範囲を得る方法と類似した方法で、図７に示す実施形態は、例えば、対７０６／７０８から９０度の位置に、追加のＬＥＤ／光検出器対を増設し、角度を明確にすることが可能である。この理論は、図２に示した実施形態について説明したものと同一であり、ここで繰り返す必要はないであろう。図８は、本発明の別の好適な実施形態による回転センサ８１を概略的に示す。回転センサ８０１は、流体充填容器８０２（前述のものと同様）、軽量羽根８０４（前述のものと同様であるが、図８に示す実施例には、反射性被膜は不要である）を含む。羽根８０４は、軸８０５に取り付けてある。軸８０５は、宝石軸受け８１３ａおよび８１３ｂを用いて、測定対象物体に回転自在に取り付けてある。また、回転センサ８０１は、カム８０６、８４４、１対以上の電極８０８および８０９、ならびに各電極対間に接続してある電流源８１４ａおよび８１４ｂも含む。第１の電極対８０８は、電極８０８ａおよび８０８ｂを備え、第２の電極対８０９は、電極８０９ａおよび８０９ｂを備えている。流体８１３は、完全な導電体でないことが好ましい。この好適な実施形態では、カム８０６は、カム周囲で予め決めたように直径が変化する誘電体である。この好適な実施形態では、円形のプラスチックを用い、スタッフに取り付けるが中心点から多少ずらすことによって、カム８０６を形成する。あるいは、カム８０６は、カム周囲で予め決めたように厚さが変化するものとしてもよい。好適な実施形態では、誘電体は、ポリエチレンまたはその他の種類のプラスチックであるが、他の誘電体も使用可能であることは、当業者には明白であろう。好ましくは、電極対８０８および８０９は、対の一方の電極がカムの上側にあり、対の他方の電極がカムの下側にあるというように実装する。図８に示すように、例えば、電極対８０８の電極８０８ｂはカムの上側にあり、電極対８０８の８０８ａはカムの下側にある。同様に、電極対８０９の電極８０９ａはカムの上側にあり、電極対８０９の８０９ｂはカムの下側にある。このようにして、電極間にある誘電体の量に比例するインピーダンスを有するコンデンサを形成する。部分的に導電性のある流体８１３（例えば水）を用いる場合、電極間の容量に加えて、変調抵抗値(modulated resistance)があり、これを測定することができる。容量を測定しようとする場合、電流源８１４ａおよび８１４ｂは交流電流を供給し、増幅器８１０に入力する電圧を生成する。抵抗値を測定しようとする場合、直流電流源を用いることができる。好適な実施形態では、カム８０６を羽根８０４に固定的に取り付け、一方電極対８０８および８０９をシリンダ８０２に固定的に取り付ける。したがって、シリンダ８０２が羽根８０４に対して回転すると、電極対８０８および８０９はカム８０６に対して回転しようとする。カム８０６の厚さ（または直径）が変化することによって、誘電体量が変化し、したがって電極対間のインピーダンスが変化する。カム８０６周囲の各点における厚さまたは直径は分かっているので、当該点における電極対間のインピーダンスが分かる。一方、インピーダンスは、電極対間に発生する電圧に影響を与える。この電圧はインピーダンスに対応するので、当該点におけるカム８０６の厚さまたは直径が測定できる。このようにして、カムの位置が判定でき、これからシリンダ８０２の回転量を判定することができる。増幅器／フィルタ８１０ａおよび８１０ｂによって、電圧を増幅しフィルタ処理する。フィルタの出力をコンピュータ８１２に送り、更に処理してシリンダ８０２の回転量を判定する。前述のように、増幅器／フィルタ８１０ａおよび８１０ｂの出力は、コンピュータ８１２に到達する前、またはこれらがコンピュータ８１２に到達したときに、ディジタル化することができる。更に、前述のように、増幅器／フィルタ８１０ａおよび８１０ｂは、２段で実現することができる。カム８０６上の種々の位置に対応する電圧を有する参照テーブルを作成することができる。参照テーブルは、前述のものと同様である。参照テーブルは、電圧および対応する回転角度（カム８０６上の既知の位置から判定する）を有するエントリを含む。動作において、コンピュータ８０６は、電圧を参照テーブル内の電圧と比較することができる。電圧が一致した場合、カム８０６上の位置が正確に分かり、角度または回転を参照テーブルから読み出す。一致する電圧がない場合、公知の補間技法を用いて回転量を判定する。あるいは、参照テーブル内の電圧を整数値に変換することも可能である。コンピュータ８１２が電圧を受けたときに、同じ変換を行う。この場合、参照テーブルには、整数値のインデックスを付ける。これによって、一層効率的なデータ検索が可能となるが、補間はこちらの方が難しくなる。先に用いたＬＥＤ／光検出器構造の代替実施形態では、光ファイバ測定技法を用いて、羽根の位置を測定することができる。図８Ａは、光ファイバ羽根測定デバイス８５０の好適な実施形態を概略的に示す。図８Ａを参照すると、流体充填シリンダ８５２の側面図を示してある。羽根８５４は、前述の羽根と同様に、シリンダ８５２に回転自在に取り付けたものとして示してある。光ファイバのループ８５６を羽根８５４に取り付けてある。この好適な実施形態では、ループ８５６は、グルー(glue)のような接着剤を用いて取り付ける。ループ８５６はシリンダ８５２の内側に緩く取り付け、前述のような回転の測定中に、羽根８５４が妨害なく自由に回転するようにする。こうするためには、光ファイバ８５６はゲージが小さい（１２５マイクロメートルのような）もので、一般的に用いられているプラスチック被膜のような可撓性があり軽量の被膜のみで被覆しなければならない。ループ８５６を形成する光ファイバの端部を、光プロセッサ８５７に取り付ける。光プロセッサ８５７は、光源８５８、およびフォトダイオードのような光強度検出器８６０を含む。光プロセッサ８５７の出力をコンピュータ８６２に伝達し、角速度を判定する。光源８５８は、既知の強度の光を出力する。回転センサ８５１の角度により羽根が回転すると、シリンダ８５２への取付部と羽根８５４との間のループ８５６の部分は、曲率半径が変化する。これらの変化が、光の強度変化を誘発する。したがって、光プロセッサ８５７が受ける光強度の変化を測定することによって、角度を測定することができる。好適な実施形態では、これを行うために、参照テーブルおよび／または多項式の当てはめを用いる。ここに記載する本発明の説明に基づけば、参照テーブルまたは多項式の当てはめをどのように発生し使用するかは、当業者には明白であろう。羽根の回転軸に垂直な軸に沿ったセンサの回転が、有害な影響を及ぼす可能性がある。これは、シリンダの中心にある流体のいくらかが、このような動きの間、シリンダに対して回転しようとするからである。垂直に回転する流体に対して羽根を非対象的に方位付けると、望ましくない力が羽根を動かそうとして誤差が生ずる。前述の実施例におけるシリンダの方位付けを、その軸が地球（またはその他の重力物体）に平行となるようにすると、それを取り付けてある物体の傾斜を測定するために用いることができる（例えば、回転または勾配）。しかしながら、羽根（複数）が完全に釣り合っている場合、振動、温度変化、またはその他の環境変化の間に遅いランダムな回転が発生する可能性がある。このドリフトをなくすために、羽根（複数）を多少不均衡状態とする。重力の効果が、羽根に一定の方位を探させる。羽根（複数）を不均衡状態とし重力方位(gravitational orientation)を利用する場合、注意が必要である。羽根を余りに一方的に不均衡とすると、線形加速のために誤った読取が生じる可能性がある。しかしながら、羽根は流体に対抗して移動する必要があるので、応答は非常に弱くなる（文字通り）。しかしながら、羽根を僅かだけ不均衡にすることにより、重力によって適正な方位付けがなされようとする。これは遅いが有用である。不均衡は僅かに過ぎないので、多くの用途において、他の加速度に対する著しい反応はない。好適な実施形態では、羽根の両側の各々に異なる長さを用いるか、または一方の側に孔を挿入することによって、不均衡状態を実現する。羽根を僅かに不均衡にして重力方位を利用する他の方法も、当業者には明白であろう。図９は、軸外れ回転(off-axis rotation)の影響を低減する好適な技法を概略的に示す。図９は、流体充填シリンダ９０２、およびそれに取り付けてある反射性の羽根９０４を示す。図９において、反射性領域は、羽根９０４の表面を一部のみ覆っている。あるいは、前述のように、反射性物質で羽根４９０４の表面全体を覆ってもよい。軸外れ回転の影響を低減するために、羽根９０４の端部９０８ａおよび９０８ｂをリング９０６に取り付ける。好ましくは、グルーのような接着剤を用いて端部９０８ａおよび９０８ｂを取り付ける。好適な実施形態では、リング９０６は透過性であり、前述のようにＬＥＤからの光が光検出器に反射されるようにする。リング９０６は、羽根の形状を修正して軸外れ回転に対して対称性を高め、軸外れ回転の問羽根を異常回転させるように作用する正味の力を減少させる。表面積が大きい程、横加速度の存在の下での羽根の動きに抵抗する。前述のように、横加速度は、回転センサの精度に悪影響を与える。この理由のために、横加速度の影響を減少させることおよび／または補償することが望ましい。これを減少および／または補償する好適な方法にはいくつかあり、機械式のものや計算式のものがある。図１０は、流体と接触する羽根構造体の表面積を広げることによって、横加速度の影響を低減するための好適な実施形態による回転センサ１００２を示す。図１０を参照すると、流体充填シリンダ１００２が、４枚のパネル１００ａ〜１００ｄを有する羽根を内蔵している。パネル数を増加すると、それ自体におけるおよびそれ自体の、流体と接触する羽根の表面積が広がるが、回転角度を判定するための複雑度も増大する。何故なら、光はいくつかのパネルで反射し得るからである。前述のように、シリンダ１００２に回転自在に取り付けた軸１００５にパネルを取り付ける。この難題を克服するために、図９に示したものと同様に、パネル１００４ａ〜１００４ｄの端部にリング１００６を取り付ける。リング１００６の外側に、反射性物質１００８を配する。この実施形態では、リング１００６は、軸外れ回転の望ましくない影響の除去も付加的に行う。好適な実施形態では、反射性物質は、その幅がリング１００６周囲で変化する。幅を変化させることによって、リング１００６上の正確な位置情報を与える。あるいは、デジタルの位置情報、例えば、リング１００６上の基準点からの度数で位置を示す数値を符号化したパターンとした反射性物質１００８を、リング１００６の外側面上に配する。幅を変化させる実施形態の場合に回転角度を判定するには、光検出器（図示せず）によって光量を検出し、前述のようにコンピュータ（図示せず）によって処理する。デジタル符号化の場合、反射光は、位置を示すデジタル・ワードを示す。このデジタル・ワードをコンピュータ（図示せず）によって読み取り、位置を判定する。このようなデジタル・エンコーダ／デコーダは、当業者には公知である。リング１００６は回転角度の判定を簡略化するだけでなく、羽根構造体１００７に「水車」構造を与える。水車構造は、流体に接触する羽根構造体１００７の表面積を広げる。前述のように、流体と接触する表面積を広げることにより、横加速度の影響を減少させる。図１１Ａおよび図１１Ｂは、横加速度の影響を補償する好適な実施形態を示す。図１１Ａおよび図１１Ｂにおける回転センサは、横加速度を補償するための機械および計算を混成した解決策である。図１１Ａを参照すると、回転センサ１１０１は、第１の羽根１１０４および第２の羽根１１０６を内蔵した流体充填シリンダ１１０２を含む。羽根１１０６には、孔１１０８を穿設してある。羽根１１０４および１１０６は双方とも、軸１１０７に固定的に取り付けてある。軸１１０７は、好ましくは、宝石軸受けを用いて、点１１１０ａおよび１１１０ｂにおいてシリンダ１１０２に回転自在に取り付けてある。しかしながら、軸１１０７は２つの部分を有するので、羽根１１０４は羽根１１０６とは独立して回転することが可能である。動作において、回転センサ１１０１が横加速度を受けると、羽根１１０４は羽根１１０６よりも動くのが少なくなる傾向となる。その理由は、孔１１０８が羽根１１０６の両側間の質量不均衡を増大し、それによって羽根１１０６上の正味のトルクの方が大きくなるので、羽根に対する横加速度の影響が増大するからである。横加速度がない場合、双方の羽根は同じ値を読み取るはずである。したがって、横加速度の影響を判定するために、コンピュータ（図示せず）によって、羽根１１０４および１１０６間の読取値の差を判定する。次に、この差を参照テーブルに供給する。参照テーブルは、関連する横方向加速度および差の値の対を含むエントリを有する。次に、横加速度の値を用いて補償値を決定し、羽根１１０４が与える回転の値を調節するために用いる。参照テーブルを作成するには、回転センサ１１０１を種々の横加速度に晒し、関連する差の値および横加速度の値の対を含むエントリを作成する。前述のように、正確な差の値が参照テーブル内で見出せない場合、補間技法を用いることができる。図１１Ｂは、横加速度の影響を補償する、回転センサ１１０１ａの別の好適な実施形態を概略的に示す。回転センサ１１０１ａは、羽根１１０４ａおよび１１０６ｂ双方に孔を有することを除いて、回転センサ１１０１と同一である。この実施形態では、双方の羽根は大きな質量の不均衡を有する。しかしながら、これらの質量の不均衡は異なるので、それらが受ける加速度による影響は、その度合いが異なる。このように双方の羽根を不均衡とすることにより、羽根にかかる重力によって、安定化させる力が確実に大きくなるようにする。このため、流体の粘度による摩擦力により、回転への影響は僅かなもののみとなる。その結果、このような力の数学的補償（以下で述べる）を簡略化することができる。その他の全ての点に関して、回転センサ１１０１ａは、回転センサ１１０１と同様に用いる。また、横加速度の影響は、計算によって考慮することも可能である。図１２Ａおよび図１２Ｂは、横加速度が長時間続き羽根を流体中で移動させたことによる誤差を補償する回路を概略的に示す。図１２Ａおよび図１２Ｂに示す回路は、電子的なハードウエアまたはソフトウエアで実施することができる。この望ましくない影響を、ロー・パス・フィルタとしてモデル化することができる。図１２Ａを参照すると、横加速度の影響を除去する回路１２０１を概略的に示してある。回転センサ１２０２の出力１２０３を、ロー・パス・フィルタ１２０６（ＬＰＦ）を通過する横加速度としてモデル化し、これを実際の回転角度（θ）に加算する。ＬＰＦ１２０６は、回転センサの横加速度に対する応答の伝達関数のモデルである。好適な実施形態では、ＬＰＦ１２０６を、二次バターワース・フィルタ(sec ond order butterworth filter)としてモデル化する。バターワース・フィルタの係数は、フィルタ出力が所定の許容範囲内でデバイスの出力を測定するまで、デバイスの試行錯誤検査を通じて経験的に決定する。本発明の好適な実施形態によれば、回転センサの実施形態毎にパラメータは変化する。好適な実施形態では、加速度計１２０４を用いて、加速度および実際の回転角度（θ）を測定する。加速度計は、それが動いていない場合、回転角度即ち重力を測定することは当業者には公知であろう。加速度計１２０４の出力１２０５は、回転角度、および回転デバイスのシリンダに与えられる横加速度の関数である。横加速度の効果を除去するには、加速度除去回路１２０８によって、実際の角度（θ）の推定値を生成する。図１２Ｂを参照すると、横加速度の効果を除去する回路１２０８を概略的に示してある。回転センサ１２０３の出力および加速度計１２０５の出力を、加速度除去回路１２０８に入力する。加速度計の出力１２０３を回転センサのモデルに印加し、回転センサの横加速度（ａｃｃ）に対する影響の推定値を生成する。ＬＰＦが線形デバイスであると仮定すると、その出力は、実際の角度(ＬＰＦ(θ)) のフィルタ応答と、フィルタ処理した横加速度（ＬＰＦ（ａｃｃ））との和となる。減算器１２１０がＬＰＦ１２０６の出力および回転センサ１２０３の出力を減算し、加速度ＬＰＦ（ａｃｃ）の影響を除去する。即ち、ＬＰＦ（ａｃｃ）項同士が、減算器１２１０内の減算のために打ち消しあう。次に、減算器１２１２の出力をフィルタＦ１に入力する。フィルタＦ１は、それ自体からロー・パス・フィルタ処理した信号を減算することの逆である応答を有するフィルタである。このフィルタは、いくらかハイ・パス・フィルタと同様に作用する。フィルタＦ１が確かに安定していることに注意を払う必要がある。Ｆ１は、角度変化が頻繁に生じない場合、処理対象の信号が殆どなくなるため、安定でなくなる可能性がある。これは、０−ＬＦＰ（０）が殆ど０となるからである。純粋に数値的なフィルタの代替案として、発見的知識を用いて、Ｆ１を補強(augment )することができる。例えば、１つの発見(heuristic)として、Ｆ１の値が加速度計および回転センサの出力と比較して小さい場合、回転センサは主に加速度を受けており、したがってフィルタの利得は減少する可能性があるというものが可能である。他の発見としては、加速度計および回転センサからの入力の値が非常に近い場合、回転センサは主に回転を受けているというものが可能である。この場合、フィルタＦ１のパラメータを修正し、純粋な回転センサ信号を多く、フィルタ処理作用を少なく出力するようにすることができる。加速度除去回路１２０８の代わりの好適な実施形態は、センサに対する加速度の影響を記述する異なる方程式による解決策である。このような方程式は、当業者には公知の技法を用いて解くことができる。横加速度の影響を記述する１つの簡略化した式は以下の通りである。 γ＝羽根の地球に対する角度（加速度によるセンサ出力の誤差）ｄγ／ｄｔ＝ガンマの時間導関数ｄ²γ／ｄｔ²＝ガンマの二次時間導関数ｇ＝地球による重力加速度ａ_v＝加速度の垂直成分ａ_h＝加速度の水平成分ｋ１＝流体内の羽根の２つの半部分間の質量不均衡に比例する定数ｋ２＝流体内の羽根の抵抗係数を示す定数とすると、ｄ²γ／ｄｔ²＝−ｋ１（ｇ＋ａ_v）ｓｉｎ（γ）−ｋ１ａ_hｃｏｓ（γ）−ｋ２ｄγ／ｄｔ１つの加速度計を用いて成分ａ_hを測定する（センサが０度付近で動作していると仮定できる場合）か、または２つの加速度計を用いてａ_h，ｇ，およびａ_vの成分を測定することにより、この式を解いて、加速度による誤差を求めることができる。次に、これをセンサ出力から減算する。図１２Ｂに示す「Ａｃｃ.除去」動作の更に別の代替実施形態は、ニューラル・ネットワーク・プロセッサを用いて、加速度計および回転センサからの信号を結合するというものである。ニューラル・ネットワークを種々の加速度および回転の例で訓練し、センサ信号から横加速度の影響を除去し、正しい角度出力を生成するように自動的に学習させる。これらの入力および出力が与えられた場合に、ニューラル・ネットワークをどのように構成し訓練するのかについては、当業者には明白であろう。用途によっては、本発明の回転センサを非常に小さくすることが好ましい場合がある。例えば、自動車の用途に用いる回転センサは、その直径が１／２インチ程度でなければならない。他の用途には、直径がミクロン単位以下の微細加工センサを必要とするものもあり得る。しかしながら、超小型センサに伴う問題は、摩擦のために流体がシリンダと共に回転し始めようとするということである。急速にまたは長時間回転する場合、これら摩擦力は流体にトルクを加え、最終的に液体は測定可能な程度にまで回転し始める可能性がある。勿論、流体の回転のために羽根が回転し、回転センサから出力誤差が生ずることになる。これと同じ現象が、粘度の高い流体を用いる場合にも発生する可能性がある。多くの場合、摩擦の影響は、高精度の結果のためには、できるだけ多く減少させる必要がある。摩擦の影響は、図１３Ａに示す方法１３０１によって補償することができる。図１３Ａを参照すると、ステップ１３０２において、回転センサ出力の数学的モデルを作成する。モデルを発生する方法の１つは、実際のセンサからのデータを用いることである。データを曲線に当てはめ、モデルを発生することができる。モデルを発生する他の方法は、センサの理論的モデルからのデータを使用することである。いずれの場合でも、モデルは、シリンダの回転に基づいて、センサ出力を予測する。ステップ１３０４において、公知の技法を用いて、このモデルの逆モデルを作成する。逆モデルは、センサの読取値を補正角度読取値に変換する。実際の使用では、例えば、ステップ１３０６において、回転センサからの見掛け上のデータ１３０５を逆モデルに入力し、補正した角度１３０８を逆モデルから出力する。続いて、本発明の好適な実施形態によるモデルの一例およびその逆について説明する。このモデルでは、流体は、当該流体の全てが同じ角速度で回転するコラムによって近似できると仮定することは１つの簡略化である。次に、微分方程式を書くことができ、シリンダ（したがって、センサを取り付けたオブジェクト）の角度位置についてこれを解くことができる。このモデルでは、 θ＝流体の角度位置、 Φ＝シリンダの角度位置（補正した角度）、Ｆ（θ，Φ）＝α＝回転センサの出力（測定した角度により明らか）、ｄｘ／ｄｔ＝ｘの時間導関数、およびｄ²ｘ／ｄｔ²＝二次導関数、である。流体に対する力が、シリンダと流体との間の角速度差に比例すると仮定すると、角度力(angular force)即ちｄ²θ／ｄｔ²は、以下のようになる。ｄ²θ／ｄｔ²＝ｋ（ｄΦ／ｄｔ−ｄθ／ｄｔ）、または同等に、ｄ²θ／ｄｔ²＝ｋ１（ｄΦ／ｄｔ−ｄθ／ｄｔ）（式１）または、式１を積分することにより、ｄθ／ｄｔ＝ｋ１（Φ−θ）（式１．５）ここで、ｋ１は、シリンダの半径、摩擦力、および流体の密度を含む種々のパラメータに依存する量である。センサは、羽根とシリンダとの間の相対的な角度位置を測定する。Ｆ（θ，Φ）＝ｋ２（Φ−θ）（式２）ここで、ｋ２は、センサの利得に関係する量である。ｋ１およびｋ２は、経験的に決定することができ、あるいは物理的な分析によって決定することができる。式１．５の式２への代数的な代入により、次の式が求まる。Ｆ（θ，Φ）＝ｋ２（ｄθ／ｄｔ／ｋ１）、または式２から、Φ＝１／ｋ２Ｆ（θ，Φ）＋θであるから、したがって、ｋ１およびｋ２に適正な値を選択すれば、式３は、角度の測定値を改善し、粘度や小径シリンダによる理想的でない影響を補正する。基本的なモデルでは、式１を改善し、非線形性、軸受け上の羽根（複数）の回転摩擦、温度等を考慮し、一層の改善を図った角度測定値を得ることができる。逆数学的モデル１３０６の別の実施形態を概略的に図１３Ｂに示す。このモデルは、摩擦の影響による誤差が、センサの総出力よりも大幅に小さい場合に用いることができる。図１３Ｂを参照すると、回転センサ１３２０の出力をモデル化してある。重要な摩擦源は、角速度（ｄθ／ｄｔ）に比例すると仮定する。流体間摩擦、粘性効果を、ロー・パス・フィルタ１３２４で近似する。一般的に、ロー・パス・フィルタ１３２４の応答は、ロー・パス・フィルタ１２０６の応答とは同等でないことを注記しておく。種々の角速度および角加速度において取ったデータの経験的分析によって、ロー・パス・フィルタ１３２４のパラメータを見出す。図１３Ｂにおいて、流体間摩擦、粘性効果は、角速度に作用し、センサ１３２６によって出力する見掛け上の角度（α）に加算される。その和は、流体のシリンダの内面との摩擦の影響、および流体の粘度を考慮し改善を図った回転角の推定値となる。２つの検出器を用いて実施する本発明の回転角度センサ（例えば、図２および図５を参照）において検討可能な別の考慮点は、検出した信号レベルを変化させる温度またはその他の影響に対する補償である。このような影響は、受けた信号にも同様に影響を及ぼす。双方の検出器が同様に影響を受けるので、センサ出力空間曲線全体がシフトすることになる。図１４は、温度上昇に対する、センサ出力空間のシフトを示す。最初にセンサは１０度であった。前述のように決定した出力空間は、曲線１４０２である。後のある時点で、動作温度が５０度に上昇した。このために、出力空間が、曲線１４０２から曲線１４０４にシフトした。曲線がシフトするのは、温度変化が双方のセンサ出力源からの測定値双方に同様に影響を及ぼすからである。センサ出力源は、１つのＬＥＤによって活性化するようにした２つのフォトダイオード、または２つのＬＥＤによって活性化するようにした１つのダイオードのいずれかであり、横軸１４０６および縦軸１４０８によって表してある通りである。このような温度変化を補償するために、センサ・システムは、センサ出力空間のどこに特定の測定点があるかに注意する。測定点が曲線上にない場合、センサ・コンピュータは、測定点が再度曲線上に乗るように、どの辺に曲線がシフトしたかについて判定を行う。この情報を用いて、コンピュータは、センサ出力空間に新たな中心点を判定し、これから回転角度を計算する。これによって、温度変化による誤差を実質的に排除する。好適な実施形態では、シフト量を決定する基準点は点１４１０、即ち、センサ出力空間の中心から４５度の角度のところにある点である。その理由は、双方のセンサが同じように影響を受け、曲線は常に４５度の点に沿って移動するからである。したがって、新たな４５度点が、元のセンサ出力空間曲線上のいずれかの点と整合し、そのため、温度変化はなかったという指示が得られる可能性は非常に低い。しかしながら、基準点が新たな曲線と一致する可能性は低いので、センサ出力空間内のいずれかの点を理論的に用いることができることは、当業者には明白であろう。角速度の測定車両のロールオーバ検出のように、用途によっては、前述のセンサが本質的に与える絶対角度に加えて、補助パラメータとして、角速度を測定することが望ましい場合がある。第１の好適な実施形態では、角度測定値を前述のように計算した後にこれらを微分するように前述のコンピュータをプログラムしてある。前述の角度計算から、この説明中の微分をどのように行うかは当業者には明白であろう。このような数値微分の欠点の１つは、信号におけるノイズの影響である。例えば、低コストの構成要素を用いたために出力のデジタル化によって出力に著しい量子化（即ち、段々）が発生した場合、微分は、実際の角速度よりはむしろ、デジタル化の副作用である対応するノイズ（例えば、スパイク）を含む。解像度を高めたデジタル化を行って、量子化誤差を低減することができる。しかしながら、一般的に、デジタル化の解像度が高い程一層高価な構成要素が必要となり、回転センサの実施において、それを推進する要因がコストである場合には、他の解決策が必要となる場合もある。他の技法として、ロジック・プロセスを用いて、量子化ノイズによる誤差の相当の量を検出し補正することがあげられる。これを効果的に行うためには、システムの要求周波数応答より高い周波数で、センサ出力をサンプリングしなければならない。好ましくは、サンプリング・レートは、システムの周波数応答の約４ないし８倍とする。好適な実施形態では、以下の論理ルールを実装する。ａ．あるサンプル期間において、値が２つの隣接する値の間を行ったり来りする場合、回転センサはゼロの角速度を出力する。これは、例えば、センサの出力が２つの「同等の」値の間で行ったり来りしている場合に発生する可能性がある。ｂ．センサ出力において、ほぼ均一なステップが、サンプル期間全体にわたって観察される場合、回転センサは傾斜を出力する。これは、公知の方法で、観察した角度測定値から算出する。ｃ．サンプル期間にわたって非均一なステップが観察される場合、回転センサは、当該サンプル期間において隣接する「等価な」値間でステップを調節し、サンプル期間全体にわたって最も均一なステップ・サイズを与える傾斜を選択する。量子化の影響を更に低減するための代替実施形態として、本発明の回転センサ内のフォトダイオードからの電子信号を微分することによって、誤差を小さくすることができる。これを行うにあたって、サンプリング解像度の向上は不要である。公知のアナログ微分回路を用いて、電予的に光検出器の信号を微分可能であることは、当業者には明白であろう。この電子的に微分した信号は、異なるＡ／Ｄチャネル上で、角度と同じ解像度でサンプリングすることができる。このように電子的に微分することにより、量子化の問題を回避する。何故なら、量子化の前に導関数を計算するからである。このような電子的な微分は、多くの場合、前述の論理的な方法よりも、量子化の影響の多くを低減することができる。図１５は、回転センサを取り付けた物体の回転の角速度を機械的に測定するための、本発明の好適な実施形態による回転角度センサ１５０１を概略的に示す。回転角度センサ１５０１は、流体充填シリンダ１５０２（前述のものと同様）を含む。加えて、回転角度センサ１５０１は、可撓性カンチレバー１５０４も含む。可撓性カンチレバー１５０４は、シリンダ１５０２の内面にその一端１５０５を固定して取り付けてある。好適な実施形態では、可撓性カンチレバー１５０４は、グルーのような接着剤を用いて取り付ける。回転角度センサ・デバイス１５０１の回転によって、可撓性カンチレバー１５０４が屈曲する。屈曲の量は回転の角速度に比例する。角速度が大きい程、可撓性カンチレバー１５０４の屈曲は大きくなる。したがって、角速度は、カンチレバー１５０４の屈曲を測定することによって算出することができる。好適な実施形態では、角速度は、参照テーブルまたは多項式の当てはめを用いて算出する。参照テーブルの場合、多数の既知の角速度について、可撓性カンチレバー１５０４の屈曲量を測定し格納する。即ち、既知の速度で回転角度センサ１５０１を回転させ、可撓性のカンチレバー１５０４における屈曲量を測定し格納する。動作において、実際に測定した屈曲量を、テーブル内のそれらと比較する。一致があった場合、観察した屈曲に対応する値が角速度の正確な尺度となる。一致がない場合、公知の補間技法を用いて、参照テーブル内の既知の値から角速度の値を推定することができる。多項式の当てはめの場合、多数の既知の角速度について、可撓性のカンチレバー１５４０の屈曲量を測定し格納する。次に、このデータを用いて、所定の多項式の係数を決定する。係数を決定するための技法は、当業者には公知である。動作において、実際に測定した屈曲量をパラメータとして多項式に入力する。多項式の出力が角速度の推定値となる。図１６は、角速度を測定する回転角度センサ１６０１の好適な実施形態を概略的に示す。図１６を参照すると、流体充填シリンダ１６０２の切断上面図を示している。可撓性カンチレバー１６０４は、点１６０５においてシリンダ１６０２の内面に取り付けてある状態を示している。光ファイバ１６０６のループが、可撓性カンチレバー１６０４に取り付けてある。好適な実施形態では、ループ１６０６は、グルーのような接着剤を用いて取り付ける。ループ１６０６を形成する光ファイバの端部を光プロセッサ１６０７に取り付ける。光プロセッサ１６０７は、光源１６０８および光強度検出器１６１０を含む。光プロセッサ１６０７の出力をコンピュータ１６１２に伝達し、角速度を判定する。光源１６０８は、既知の強度を有する光を出力する。回転角度センサ１６０１の角速度のために可撓性のカンチレバーが屈曲すると、ループ１６０６が形状を変化させる。これらの変化によって、光の強度が変化する。したがって、光プロセッサ１６０７が受ける光の強度変化を測定することにより、角速度を測定することができる。好適な実施形態では、参照テーブルおよび／または多項式の当てはめを用いてこれを行う。ここに記載する本発明の説明に基づけば、どのように参照テーブルまたは多項式の当てはめを発生し使用するかは、当業者には明白であろう。代替実施形態では、カンチレバー１６０４を反射性物質で作るか、あるいは図２に示した羽根の実施形態におけるように、反射性被膜を被覆する。同等のＬＥＤおよび光検出回路を用いてカンチレバーの撓みを得て、前述と同じ技法を用いて角速度を算出する。前述の実施形態のいずれにおいても、流体を保持することができるものであれば、あらゆる容器を使用することができる。好適な実施形態では、容器は、前述のようにシリンダである。前述の本発明の実施形態の開示は、例示および説明の目的のために提示したものである。これだけで全てであり、開示した正確な形態に本発明を限定することを意図する訳ではない。これまでの開示に基づいて、ここに記載した実施形態に対して多くの変形および変更が当業者には明白であろう。ここに添付する請求の範囲、およびその均等物によってのみ、本発明の範囲を規定するものとする。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】１．回転角度センサであって、流体充填容器と、前記流体充填容器に回転自在に接続してある羽根であって、前記シリンダが前記羽根に対して実質的に自由に回転可能となるようにした羽根と、を備えることを特徴とする回転角度センサ。２．請求項１記載の回転角度センサであって、更に、前記容器に回転自在に取り付けてある軸を備えており、前記羽根を前記軸に固定して取り付けてあることを特徴とする回転角度センサ。３．請求項１記載の回転角度センサにおいて、前記羽根を不均衡としたことを特徴とする回転角度センサ。４．請求項１記載の回転角度センサにおいて、前記羽根が反射によって光を広く散乱し、更に、前記羽根を照明する光源と、前記羽根から反射する光を第１光強度測定値として検出する第１光検出器と、前記羽根から反射する光を第２光強度測定値として検出する第２光検出器と、前記第１および第２光強度測定値を用いて、回転角度を判定する計算デバイスと、を備えることを特徴とする回転角度センサ。５．請求項１記載の回転角度センサにおいて、前記根が反射によって光を広く散乱し、更に、前記羽根を照明する第１光源と、前記羽根を照明する第２光源と、前記羽根から反射する光を光強度測定値として検出する光検出器であって、前記第１光源による照明によって前記羽根から反射する光を第１光強度測定値とし、前記第２光源による前記羽根から反射する光を第２光強度測定値とする、光検出器と、前記第１および第２光源による前記羽根の照明を交互に行う手段と、前記第１および第２光強度測定値を用いて、回転角度を判定する計算デバイスと、を備えることを特徴とする回転角度センサ。６．請求項１記載の回転角度センサにおいて、前記羽根が反射によって光を広く散乱し、更に、前記羽根を照明する光源と、前記羽根から反射する光を、光強度測定値として検出するフォトダイオードと、前記光強度測定値を用いて、回転角度を判定する計算デバイスと、を備えることを特徴とする回転角度センサ。７．請求項１記載の回転角度センサにおいて、前記羽根が孔を有し、更に、前記孔を通じて光を伝搬させる光源と、前記ＬＥＤによって前記孔を通じて伝搬した光を、光強度測定値として検出する光検出器と、前記光検出測定値を用いて、回転角度を判定する計算デバイスと、を備えることを特徴とする回転角度センサ。８．請求項１記載の回転角度センサであって、更に、前記羽根に固定して取り付けてあるカムと、１つ以上の電極対であって、各々前記カムの一方側に第１電極、前記カムの他方側に第２電極を有する、電極対と、各電極対間に接続してある電流源と、各電極対間で測定可能なインピーダンスを用いて回転角度を判定する計算デバイスと、を備えることを特徴とする回転角度センサ。９．請求項１記載の回転角度センサであって、更に、前記羽根に固定して取り付けてあり、ループを形成する光ファイバ・ケーブルと、前記光ファイバ・ケーブルの一端を通じてパルスを送る光源と、前記ケーブルの他端から戻ってくる光の強度を検出する光検出器とを有する光プロセッサと、前記光強度に基づいて、回転角度を判定する計算デバイスと、を備えることを特徴とする回転角度センサ。１０．請求項１記載の回転角度センサであって、更に、前記羽根に取り付けてある透明リングを備えることを特徴とする回転角度センサ。１２．請求項１記載の回転角度センサにおいて、前記羽根が、複数のパネルから成ることを特徴とする回転角度センサ。１３．請求項１２記載の回転角度センサであって、更に、前記羽根に取り付けてあるリングを備えることを特徴とする回転角度センサ。１４．請求項１３記載の回転角度センサにおいて、前記リングが、幅が変化する反射性被膜を有し、前記リング上の位置を示すことを特徴とする回転角度センサ。１５．請求項１４記載の回転角度センサにおいて、前記リング上には、前記リング上の位置を示すデジタル・コードが符号化してあることを特徴とする回転角度センサ。１６．角速度センサであって、流体充填容器と、一端を前記容器の内面に固定して接続して取り付けてあるカンチレバーと、を備えることを特徴とする角速度センサ。１７．請求項１６記載の角速度検出器であって、更に、前記カンチレバーに取り付けてある光ファイバのループを備えることを特徴とする角速度検出器。１８．回転角度を判定する方法であって、（ａ）流体充填容器内に回転自在に取り付けてある羽根の間の角度を判定するステップから成ることを特徴とする方法。１９．請求項１８記載の方法であって、更に、（ｂ）2つの光源間で、前記羽根の照明を交互に行うステップと、（ｃ）各光源による照明に応答して、前記羽根が反射した光を検出するステップと、（ｄ）前記反射光に基づいて、回転角度を判定するステップと、を含むことを特徴とする方法。２０．請求項１８記載の方法であって、更に、（ｂ）光源によって前記羽根を照明するステップと、（ｃ）前記羽根から反射した光を検出するステップと、（ｄ）前記反射光に基づいて、回転角度を判定するステップと、を含むことを特徴とする方法。２１．請求項１８記載の方法であって、更に、（ｂ）カムを前記羽根に取り付けるステップを含むことを特徴とする方法。２２．請求項１８記載の方法であって、更に、（ｂ）光ファイバ・ケーブルのループを前記羽根に取り付けるステップを含むことを特徴とする方法。２３．角速度を判定する方法であって、（ａ）流体充填容器内にカンチレバーを取り付けるステップと、（ｂ）前記カンチレバーの屈曲量を測定するステップと、（ｃ）前記カンチレバーの屈曲量に応じて、角速度を判定するステップと、から成ることを特徴とする方法。２４．請求項２３記載の方法であって、更に、（ｄ）光ファイバ・ループを前記カンチレバーに取り付けるステップと、（ｅ）前記ループを通じて光を送るステップと、（ｆ）前記光を受信光として受けるステップと、（ｇ）前記受信光に応じて角速度を判定するステップと、を含むことを特徴とする方法。