JP4912660B2

JP4912660B2 - レベル検出装置

Info

Publication number: JP4912660B2
Application number: JP2005304307A
Authority: JP
Inventors: 康隆片山
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2025-10-19
Also published as: EP1777496B1; EP1777496A3; EP1777496A2; JP2007113999A; CN1952600A; CN1952600B; US7339154B2; US20070084988A1

Description

この発明は、受光部の受光するレーザ光の受光位置を解析するレベル検出装置に関する。

従来から、複数の受光素子を上下に並設して受光素子部を形成し、この受光素子部が受光するレーザ光の受光位置を受光素子の受光信号に基づいて求めるレベル検出装置が知られている（特許文献１参照）。

かかるレベル検出装置は、各受光素子から出力される受光信号をそれぞれ増幅する複数のアンプと、各アンプから出力される信号と閾値とをそれぞれ比較する複数のコンパレータと、各コンパレータから出力される比較信号に基づいて受光素子部が受光するレーザビームの中心位置を求めるマイクロプロセッサとを備えている。

このレベル検出装置では、アンプやコンパレータを各受光素子毎に設けなければならないので、回路が複雑となり、高価なものになってしまう等の問題があった。

そこで、受光素子部の一方の端子から出力される受光信号を増幅する第１増幅回路と、第１増幅回路から出力される受光信号のピーク値をホールドする第１ピークホールド回路と、受光素子部の他方の端子から出力される受光信号を増幅する第２増幅回路と、第２増幅回路から出力される受光信号のピーク値をホールドする第２ピークホールド回路と、この第１，第２ピークホールド回路がホールドしたピーク値から受光素子部の受光するレーザ光の受光位置を求める演算制御装置とを備えたレベル検出装置が提案されている。

このレベル検出装置によれば、各受光素子毎にアンプやコンパレータを設ける必要がないので、回路構成が比較的簡単なものとなる。
特開２００４−３０９４４０号公報

しかしながら、このようなレベル検出装置は、回転レーザ装置から射出されるレーザ光を受光するが、その回転レーザ装置との距離が３〜５００ｍの範囲で使用され、その離間距離が大きいと大気の影響やレーザ光束の広がりなどにより、受光素子の受光量が小さくなり、受光素子から出力される受光信号が非常に小さくなる。このため、第１，第２増幅回路のゲインを大きく設定する必要があるが、その離間距離が小さい場合、受光素子から出力される受光信号が大きくなり、ゲインを大きく設定してしまうと第１，第２増幅回路がサチュレーションを起こしてしまう。

このため、受光素子から出力される受光信号の大きさによってゲインを切り換える必要があるが、例えば電源電圧が１５Ｖのような大きな電源電圧の場合には、例えば離間距離２５０ｍ以下のときにゲインが１００倍、その離間距離が２５０ｍより大きいときにゲインが１０００倍のように大きくとれるので、ゲインの切り換えは２段階で済むが、電池の寿命を延ばすために電源電圧を３Ｖのように低い値にしている場合、ゲインの幅は小さくなり、例えば離間距離が５０ｍのときには受光素子から出力される受光信号が大きくなることにより１００倍のゲインではサチュレーションを起こしてしまい、ゲインを例えば５０倍に設定し直さなければならない。さらに、その離間距離が１０ｍの場合には、受光素子から出力される受光信号がさらに大きくなることにより５０倍のゲインではサチュレーションを起こしてしまい、ゲインを例えば１０倍に設定し直さなければならない。

このように、電源電圧を３Ｖのように低い値にしている場合には、離間距離すなわち受光素子の受光量に応じてゲインを細かく何段階も切り換えていく必要がある。このため、第１，第２増幅回路（増幅手段）のゲインを切り換えるゲイン切替回路（ゲイン切替手段）の構成が複雑になってしまう問題がある。

この発明の目的は、電源電圧を低くしても増幅手段のゲインを切り換えるゲイン切替手段の構成を簡単にすることのできるレベル検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、並設された複数の受光素子を備えた位置検出手段と、この位置検出手段の一方の端子から出力される受光信号を増幅する第１増幅手段と、この第１増幅手段のゲインを切替設定する第１ゲイン切替手段と、第１増幅手段から出力される増幅信号のピーク値をホールドする第１ピークホールド手段と、前記位置検出手段の他方の端子から出力される受光信号を増幅する第３増幅手段と、この第３増幅手段のゲインを切替設定する第３ゲイン切替手段と、第３増幅手段から出力される増幅信号のピーク値をホールドする第２ピークホールド手段と、前記位置検出手段が受光するレーザ光の受光位置を解析する演算制御手段とを備えたレベル検出装置であって、
第１ピークホールド手段がホールドするピーク値を増幅する第２増幅手段と、この第２増幅手段のゲインを切替設定する第２ゲイン切替手段と、第２ピークホールド手段がホールドするピーク値を増幅する第４増幅手段と、この第４増幅手段のゲインを切替設定する第４ゲイン切替手段とを設け、
前記演算制御手段は、前記第２増幅手段と第４増幅手段が出力する信号に基づいて前記位置検出手段が受光するレーザ光の受光位置を解析することを特徴とする。

この発明によれば、電源電圧を低くしても増幅手段のゲインを切り換えるゲイン切替手段の構成を簡単にすることができる。

以下、この発明のレベル検出装置の実施形態である実施例を図面に基づいて説明する。

図１はレベル検出装置１０の構成を示したブロック図である。このレベル検出装置１０は、受光素子部（位置検出手段）１１と、この受光素子部１１の一方の端子１１ａから出力される受光信号を増幅する第１増幅回路（第１増幅手段）２０と、この第１増幅回路２０のゲインを切替設定する第１ゲイン切替回路（第１ゲイン切替手段）２１と、第１増幅回路２０から出力される増幅信号のピーク値をホールドする第１ピークホールド回路（第１ピークホールド手段）１２と、第１ピークホールド回路１２がホールドするピーク値を増幅する第２増幅回路（第２増幅手段）３０と、この第２増幅回路３０のゲインを切替設定する第２ゲイン切替回路（第２ゲイン切替手段）３１と、受光素子部１１の他方の端子１１ｂから出力される受光信号を増幅する第３増幅回路（第３増幅手段）４０と、この第３増幅回路４０のゲインを切替設定する第３ゲイン切替回路（第３ゲイン切替手段）４１と、第３増幅回路４０から出力される増幅信号のピーク値をホールドする第２ピークホールド回路１３と、第２ピークホールド回路（第２ピークホールド手段）１３がホールドするピーク値を増幅する第４増幅回路（第４増幅手段）５０と、この第４増幅回路５０のゲインを切替設定する第４ゲイン切替回路（第４ゲイン切替手段）５１と、第２，第４増幅回路３０，５０の出力する信号に基づいて受光素子部１１のレーザ光の受光位置を解析して求める演算制御装置（演算制御手段）６０とを備えている。

受光素子部１１は、図２に示すように、例えばフォトダイオードなどからなる複数の受光素子ＰＤ1〜ＰＤｎ＋1を上下（垂直方向）に並設し、それぞれの受光素子ＰＤ１〜ＰＤｎ＋１のアノード間を抵抗Ｒ１〜Ｒｎで接続したものである。受光素子ＰＤ１のアノードは抵抗ＲＨを介して接地され、受光素子ＰＤｎ＋１のアノードは抵抗ＲＬを介して接地されている。

第１ゲイン切替回路２１は、抵抗値の異なる複数の抵抗２２Ｒ１〜２２Ｒｍと、各抵抗２２Ｒ１〜２２Ｒｍに直列接続されたスイッチ回路２２Ｓ１〜２２Ｓｍとから構成されている。そして、スイッチ回路２２Ｓ１〜２２Ｓｍのオンの切り換えによってゲインが切り換わるようになっており、そのオンしたスイッチ回路２２Ｓ１〜２２Ｓｍの抵抗２２Ｒ１〜２２Ｒｍに対応してゲインが設定される。

第３ゲイン切替回路４１ないし第４ゲイン切替回路５１も第１ゲイン切替回路２１と同じ構成なので、その説明は省略する。

演算制御装置６０は、第２，第４増幅回路３０，５０から出力されるピーク値信号をデジタルに変換するデジタル変換回路部６１と、このデジタル変換回路部６１で変換されたデジタル値に基づいて受光素子部１１のレーザ光の受光位置を解析して求める演算解析制御部６２とを有している。また、演算制御装置６０は第１ないし第４ゲイン切替回路２１〜５１の各スイッチ回路２２Ｓ１〜５２Ｓｑをオンさせるゲインコントロール信号を出力するようになっている。
［動作］
次に、上記のように構成されるレベル検出装置１０の動作について説明する。

先ず、レーザ光が照射される受光素子部１１の受光位置の求め方を簡単に説明する。

抵抗ＲＨ，ＲＬの電圧をＶｈ，Ｖｌとし、抵抗ＲＨ＝抵抗ＲＬとする。また、レーザ光が照射される位置（受光位置）をＬｐとした場合、受光位置を効率よく検出するためには、ΣＲ（Ｒ１〜Ｒｎの総和）≫ＲＨ（ＲＬ）とすればよく、このとき受光素子部１１の中間点の位置を０（原点位置）と仮定すれば、受光位置Ｌｐは次式で求めることができる。

Ｌｐ＝（（Ｖｈ−Ｖｌ）／（Ｖｈ＋Ｖｌ））×Ｌ
ただし、Ｌは受光素子１１の長さである。

実際に、ΣＲ≫ＲＨ（ＲＬ）と出来ない場合でも、受光素子部１１の終端位置にレーザ光が照射されたときの光量比αを乗じるだけでよく、この値は各抵抗Ｒ１ないしＲｎおよびＲＨ，ＲＬから容易に算出することができる。すなわち、次式で受光位置を求めることができる。

Ｌｐ＝（（Ｖｈ−Ｖｌ）／（Ｖｈ＋Ｖｌ））×Ｌ×α
一般的に、受光素子にはフォトダイオードを用いるが、高速性を要求するのであればＰＩＮ型フォトダイオードを用いるのがよい。

また、この実施例では、受光素子間隔を等間隔としているが、実際には等間隔である必要はなく、受光素子間の抵抗の値を調整することによって等間隔にしたのと同じ状態にすることができる。また、受光素子の性能（面積、光電変換量）についても同等のものを使用する必要はない。いずれにしても、電圧ＶＨとＶＬとの比率により高さ位置Ｌｐを求めることは容易にできる。

次に、レベル検出センサ１０の動作について説明する。

図示しない回転レーザ装置から射出されるレーザ光を受光素子部１１が受光すると、その受光素子部１１の受光位置、すなわちレーザ光を受光する受光素子ＰＤがその受光量に応じた電流を流し、この受光素子ＰＤの電流とその受光素子ＰＤの位置に対応した電圧（Ｖｈ，Ｖｌ）の受光信号が端子１１ａ，１１ｂから出力される。

この電圧Ｖｈ，Ｖｌが第１，第３増幅回路２０，４０によって増幅される。第１，第３増幅回路２０，４０のゲインは、制御装置６０から出力されるゲインコントロール信号によってオンするスイッチ回路（２２Ｓ１〜２２Ｓｍ），（４２Ｓ１〜４２Ｓｍ）により設定される。

第１，第３増幅回路２０，４０により増幅された受光信号の電圧のピーク値は第１，第２ピークホールド回路１２，１３にホールドされ、このホールドされた受光信号電圧は第２，第４増幅回路３０，５０によってさらに増幅される。

第１，第３増幅回路２０，４０は、経時的に変化する電圧を増幅するため、増幅度を大きくすることができない。しかし、第１，第２ピークホールド回路１２，１３を経た信号はホールドされたピーク値であり、バンド帯域（入力信号の周波数帯域）が狭いことから、第２，第４増幅回路３０，５０は増幅度を大きくすることができる。また、ホールドしたピーク値を増幅させるということで、単純化された値を扱うことになるので、演算処理において解析が行い易くなる。

この第２，第４増幅回路３０，５０のゲインも予め設定されたスイッチ回路がオンされ、所定のゲインで増幅される。

この第２，第４増幅回路３０，５０によって増幅された受光信号電圧が演算制御装置６０のデジタル変換回路部６１によってデジタル値に変換され、演算解析制御部６２がそのデジタル値に基づいて受光素子部１１のレーザ光の受光位置を解析して求める。

第２，第４増幅回路３０，５０によって増幅された受光信号電圧が小さ過ぎたり、あるいは大き過ぎたり適正受光範囲外であって正確に受光素子部１１の受光位置を求めることができない場合、その受光信号電圧が適正な値になるように演算制御装置６０はゲインコントロール信号を出力して第１〜第４ゲイン切替回路２１〜５１のスイッチ回路のオンの切り換えを行い、これによりゲインを切り換える。

この切り換えを行う際、第１，第３増幅回路２０，４０のゲインを高く設定すると、第１，第２ピークホールド回路１２，１３のホールド電圧の上限を越えてしまう場合があるので、そのゲインを低い値に設定しておき、第２，第４増幅回路３０，５０のゲインを切り換えることによって、適正な信号電圧が得られるようにしておくと、効率よく速やかにレーザ光の受光位置を解析して求めることができる。

この場合、第２，第４ゲイン切替回路３１，５１のゲインを例えば１倍と５倍の２つに設定しておき、第２，第４増幅回路３０，５０が出力する１倍のゲインのときの信号と、５倍のゲインのときの信号とを比較し、適正な大きさの信号かを判断して受光位置の解析を行えば、より効率よく速やかにレーザ光の受光位置を解析して求めることができる。

ところで、受光素子部１１の端子１１ａ，１１ｂから出力される受光信号を第１，第３増幅回路２０，４０と第２，第４増幅回路３０，５０との２段階で増幅するため、第１，第３ゲイン切替回路２１，４１のスイッチ回路数と、第２，第４ゲイン切替回路３１，５１のスイッチ回路数との掛けた数だけゲインを切り替えることができる。このため、第１，第３ゲイン切替回路２１，４１のスイッチ回路数と第２，第４ゲイン切替回路３１，５１のスイッチ回路数の総和を少なくしても、ゲインの切り換え数を多くとることができ、このため、電源電圧を低い電圧で使用する場合でも、サチュレーションを引き起こすことなく、第１ないし第４ゲイン切替回路２１〜５１の構成を簡単にすることができる。

さらに、同様な回路構成を持った複数の受光素子部を縦列に並べ、互いに連動させて演算制御手段にて解析することで、受光感度を落とすことなく精度を維持したまま、装置の位置検出手段の受光範囲を大きくとることが出来る。また、このときは、複数配置した受光素子部の配置の中心部の位置をＬＰ＝０として、演算処理手段において複数の回路構成からの信号を解析すればよい。

この発明に係るレベル検出装置の構成を示したブロック図である図１に示すレベル検出装置の受光素子部の構成を示した回路図である。

符号の説明

１１受光素子部
１２第１ピークホールド回路
１３第２ピークホールド回路
２０第１増幅回路
２１第１ゲイン切替回路
３０第２増幅回路
３１第２ゲイン切替回路
４０第３増幅回路
４１第３ゲイン切替回路
５０第４増幅回路
５１第４ゲイン切替回路
６０演算制御装置

Claims

並設された複数の受光素子を備えた位置検出手段と、この位置検出手段の一方の端子から出力される受光信号を増幅する第１増幅手段と、この第１増幅手段のゲインを切替設定する第１ゲイン切替手段と、第１増幅手段から出力される増幅信号のピーク値をホールドする第１ピークホールド手段と、前記位置検出手段の他方の端子から出力される受光信号を増幅する第３増幅手段と、この第３増幅手段のゲインを切替設定する第３ゲイン切替手段と、第３増幅手段から出力される増幅信号のピーク値をホールドする第２ピークホールド手段と、前記位置検出手段が受光するレーザ光の受光位置を解析する演算制御手段とを備えたレベル検出装置であって、
第１ピークホールド手段がホールドするピーク値を増幅する第２増幅手段と、この第２増幅手段のゲインを切替設定する第２ゲイン切替手段と、第２ピークホールド手段がホールドするピーク値を増幅する第４増幅手段と、この第４増幅手段のゲインを切替設定する第４ゲイン切替手段とを設け、
前記演算制御手段は、前記第２増幅手段と第４増幅手段が出力する信号に基づいて前記位置検出手段が受光するレーザ光の受光位置を解析することを特徴とするレベル検出装置。
前記第１ゲイン切替手段ないし第４ゲイン切替手段の切替は、前記演算制御手段のコントロール信号によって行われることを特徴とする請求項１に記載のレベル検出装置。
前記演算制御手段に入力される第２,第４増幅手段の信号が検出範囲外のとき、
その演算制御手段は、第１,第３ゲイン切替手段へコントロール信号を送信して第１,第３増幅手段の増幅信号を調整するとともに、第２,第４ゲイン切替手段へコントロール信号を送信して第２,第４増幅手段の増幅信号を調整することを予め定められた手順で行うことを特徴とする請求項２に記載のレベル検出装置。
前記演算制御手段に入力される第２,第４増幅手段の信号が検出範囲外のとき、
その演算手段は、第１,第３ゲイン切替手段に対して第２,第４切替手段を優先的に調整する際、第２,第４切替手段にコントロール信号を送信してその信号が検出可能となるまで第２,第４切替手段のゲインを切り替えていくことを特徴とする請求項２に記載のレベル検出装置。
前記演算制御手段に入力される第２,第４増幅手段の信号が検出範囲外のとき、その演算手段は、第２,第４ゲイン切替手段に対して第１,第３切替手段を優先的に調整する際、第１,第３切替手段にコントロール信号を送信してその信号が検出可能となるまで第１,第３切替手段のゲインを切り替えていくことを特徴とする請求項２に記載のレベル検出装置。