JP5128835B2 - レーザ光受光位置検出センサ及びこれを用いたレベル装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光受光位置検出センサ及びこれを用いたレベル装置の改良に関する。

従来から、複数個の受光素子を上下に並べて配列したレーザ光受光位置検出センサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、これを用いたレベル装置も知られている。

このレーザ光受光位置検出センサは、各受光素子から出力される受光信号を各アンプでそれぞれ増幅し、各アンプから出力された受光信号を各コンパレータによって閾値と比較し、各コンパレータから出力される比較信号に基づいてレーザ光（レーザビーム）の中心位置を求めている。

この従来のレーザ光受光位置検出センサでは、各受光素子に各アンプと各コンパレータとを接続しなければならず、回路構成が複雑化すると共に、回路素子の個数が多いために、高価であるという不都合がある。
特開２００４−３０９４４０号公報

そこで、回路構成の簡略化、回路素子の個数の削減を図ることのできるレーザ光受光位置検出センサが提案されている（ＰＣＴ／ＪＰ２００６／３２３８０４）。なお、このＰＣＴ／ＪＰ２００６／３２３８０４に開示のレーザ光受光位置検出センサは、本件出願時には未公知である。

このレーザ光受光位置検出センサは、複数個の受光素子が並べて配列され、互いに隣接する受光素子の出力端子は抵抗器で接続され、並べて配列された受光素子のうち両端に存在する受光素子に接続された出力線から出力される各出力信号に基づき演算を行ってレーザ光の受光位置を求める構成とされている。

図１はそのＰＣＴ／ＪＰ２００６／３２３８０４に開示のレーザ光受光位置検出センサのブロック回路図であって、このレーザ光受光位置検出センサ１０は、受光素子列１１Ｘを備えている。
この受光素子列１１Ｘは複数個のフォトダイオード等からなる同一形状・同一大きさの受光素子ＰＤＸ_i（iは１からｎ＋１までの正の整数）を上下方向又は左右方向（垂直方向又は水平方向）に例えば等間隔に並べて配列されている。

ここで、等間隔とは、受光素子ＰＤＸ_iの形状を正方形と仮定してその正方形の中心から中心までの距離Ｐが互いに等しくかつ互いに隣り合う受光素子ＰＤＸ_iと受光素子ＰＤＸ_i+1との間の隙間ＧＬが受光素子の幅Ｗに等しいことを意味する。

隣接する各受光素子の出力端子（アノード）同士は抵抗器（抵抗値）ＲＸ_j（ｊは１からｎまでの正の整数）で互いに接続されている。第１番目の受光素子ＰＤＸ₁の出力端子は出力線１１ａを介して第１増幅回路２０Ｘに接続されると共に、抵抗器ＲＸＨを介してアースされている。
第ｎ＋１番目の受光素子ＰＤＸ_n+1の出力端子は出力線１１ｂを介して第２増幅回路４０Ｘに接続されると共に、抵抗器ＲＸＬを介してアースされている。各受光素子ＰＤＸ_iのカソードは共通線１１ｃによってアースされている。

第１増幅回路２０Ｘから出力される増幅信号は第１ピークホールド回路１２Ｘに入力され、第２増幅回路４０Ｘから出力される増幅信号は第２ピークホールド回路１３Ｘに入力され、両ピークホールド回路１２Ｘ、１３Ｘは各増幅信号のピーク値をそれぞれホールドし、各ピーク値信号は解析演算装置６０に入力される。解析演算装置６０はアナログ信号をデジタル信号に変換する変換部と演算部とから少なくとも構成されている。

受光素子列１１Ｘの長さＬは、出力線１１ａ、１１ｂに接続されている抵抗器ＲＸＨ、ＲＸＬに生じる電圧に抵抗器ＲＸ_jを介して関係づけられているので、レーザ光受光位置は、以下に説明するようにして求められる。

説明の便宜のため、抵抗器ＲＸＬの抵抗値と抵抗器ＲＸＨの抵抗値とは互いに等しく、各抵抗値ＲＸ_jも互いに等しいものとする。また、受光列１１Ｘの長さをＬとし、第１番目の受光素子ＰＤＸ₁と第ｎ＋１番目の受光素子ＰＤＸ_n+1との中間位置を原点Ｏとする。

レーザビームのスポットＳが受光素子列１１Ｘのある受光素子ＰＤＸ_iに当たると、その受光素子ＰＤＸ_iにある出力電流Ｉｐが流れる。この電流Ｉｐは抵抗器ＲＸ_jの抵抗値によって分配されて抵抗器ＲＸＬと抵抗器ＲＸＨとに流れ、抵抗器ＲＸＬにより出力線１１ｂに電圧ＶＸＬが生じると共に、抵抗器ＲＸＨにより出力線１１ａに電圧ＶＸＨが生じる。

ここで、ＶＸＨ＝ＲＸＨ×Ｉｐ／（抵抗器ＲＸ₁から抵抗器ＲＸ_j-1までの抵抗値の総和）
ＶＸＬ＝ＲＸＬ×Ｉｐ／（抵抗器ＲＸ_jから抵抗器ＲＸ_nまでの抵抗値の総和）
従って、受光位置Ｐまでの距離Ｌｐは、
Ｌｐ＝（Ｌ／２）×（ＶＸＨ−ＶＸＬ）／（ＶＸＨ＋ＶＸＬ）
の式を用いて、解析演算装置６０により求めることができる。

ところで、この種の受光位置検出センサを備えたレベル装置は、例えば、回転レーザ装置から出射されたレーザ光を受光して、水平基準面からの高さ等を測定するのに用いられる。
その回転レーザ装置は、周知のように、例えば、回転軸回りに所定の角速度で水平方向にレーザ光を回転照射し、レベル装置は例えばこの回転レーザ装置から水平方向に例えば５ｍ（近距離）から５００ｍ（遠距離）までの範囲のいずこかの箇所に設置されて、レーザ光を受光する。

レーザ光のビーム径（スポット径）は、近距離では小さいが遠距離になるに伴って大きくなり、また、受光素子ＰＤＸ_iを横切る時間も遠距離になるに伴って短くなる。従って、遠距離の測定をも可能にするために、受光素子ＰＤＸ_iの受光面積を大きくすることが考えられるが、一般的には、受光素子ＰＤＸ_iの受光面積が大きくなると、レーザ光に対する周波数応答が低くなり、かつ、受光素子ＰＤＸ_iの個数が多くなればなるほど周波数応答が低くなる。また、抵抗器ＲＸ_jの個数が多くなった場合も同様である。

このため、レーザ光に対する応答周波数、レーザ光の光量と用いる受光素子ＰＤＸ_iとの関係から、１個の受光素子列１１Ｘに用いる受光素子ＰＤＸ_iの個数、抵抗器ＲＸ_jの個数には限界がある。

更に、抵抗器ＲＸ_jの抵抗値を大きくすると、位置検出精度は向上するが、レーザ光の受光出力が小さい段階で、受光素子ＰＤＸ_iの出力が飽和するので、要求されるレーザ光の最大パワーの観点からも、抵抗器ＲＸ_jの抵抗値を大きくするには限度がある。

すなわち、レーザ光受光位置として要求される精度や環境に応じて受光素子ＰＤＸ_iの大きさやその個数、抵抗器ＲＸ_jの個数やその抵抗値が決められるので、要求される検出長さに１個の受光素子列１１Ｘの長さＬが足りない場合には、この受光素子列１１Ｘを複数個直列に並べる必要がある。

また、レーザ光受光位置検出センサでは、レーザ光（レーザビーム）のスポットＳの重心位置を検出するように構成されているが、レーザビームの光量分布特性は正規分布であったり、一様な明るさであったり、扁平していたりしていて、必ずしも、一定の光量分布特性を有しているとは限らず、また、レーザビームのスポットＳが受光素子ＰＤＸ_iの検出エリア（受光素子列１１Ｘの一方の端に存在する受光素子ＰＤＸ₁から他方の端に存在する受光素子ＰＤＸ_n+1までの間）から外れると、検出精度が劣化する。

そこで、図２に示すように、受光素子列１１Ｘ、１１Ｙを上下方向に直列に並べ、上側の受光素子列１１Ｘの他方の端に存在する受光素子ＰＤＸ_n+1と下側の受光素子列１１Ｙの一方の端に存在する受光素子ＰＤＸ₁との中間位置を原点Ｏとして、２個の受光素子列１１Ｘ、１１Ｙの加重平均によりレーザ光の受光位置を検出する構成が考えられる。

その図２には、説明の便宜のため、ピッチＰと同一長さの直径を有するレーザビームスポットＳｍｎと、ピッチＰの１．５倍の直径のレーザビームスポットＳｍｎ’とが描かれている。その右側には、横軸をレーザビームの移動量、縦軸を出力電圧として、レーザビームの移動量と出力電圧との関係が描かれている。なお、ここでいう出力電圧とは、ＶＸＨとＶＸＬとの相対比に相当するものと理解されたい。
たとえば、受光素子列１１Ｘの他端の受光素子ＰＤＸ_n+1に着目してレーザビームがこの受光素子ＰＤＸ_n+1に当たっているものとすると、レーザビームスポットＳｍｎが距離Ｌｖだけ移動しても、この受光素子ＰＤＸ_n+1から出力される出力電流Ｉｐは一定であり、従って、出力電圧に変化はない。受光素子列１１Ｙの一端の受光素子ＰＤＸ₁についても同様であり、各受光素子列１１Ｘ、１１Ｙの残余の受光素子ＰＤＸ_iについても同様である。
また、レーザビームスポットＳｍｎが一点鎖線で示すように隣接する受光素子ＰＤＸ_i同士の中間位置に存在する場合には、その中間位置に対応する出力が生じ、レーザビームスポットＳｍｎの連続的移動に伴って出力が比例的に変換するので、レーザビームの上下方向の移動量と出力電圧との間には、折れ線的階段直線ＢＤＬが得られる。
また、受光素子列１１Ｘの他端の受光素子ＰＤＸ_n+1と受光素子列１１Ｙの一端の受光素子ＰＤＸ₁との間にレーザビームスポットＳｍｎが存在する場合には、受光素子の出力が不連続に変化することになるので、原点Ｏは受光素子列１１Ｙの受光素子ＰＤＸ₁の出力と受光素子列１１Ｘの受光素子ＰＤＸ_n+1の出力とを加重平均して得られる。このようにレーザビームのスポットＳの直径が受光素子のピッチＰよりも小さい場合には、その原点Ｏの位置を加重平均により精度良く求めることができる。

ところが、例えば、ピッチＰの１．５倍の直径のレーザビームスポットＳｍｎ’の場合には、図２に示すように、例えば、受光素子列１１Ｙに着目すると、レーザビームスポットＳｍｎ’は原点Ｏ付近を除いてその受光素子列１１Ｙに属するいずれかの受光素子に当たることになるので直線的に変化し、従って、直線ＳＤＬが得られるが、受光素子列１１Ｙの受光素子ＰＤＸ₂からレーザビームスポットＳｍｎ’が原点Ｏに向かうに伴って受光素子列１１Ｙに属する受光素子ＰＤＸ₂にはレーザビームスポットＳｍｎ’が徐々に当たらなくなるので、受光素子列１１Ｙの出力線１１ａ、１１ｂから出力される出力電圧に変化が生じ、このため、レーザビームのスポットＳｍｎ’の直径がピッチＰよりも大きくなると、原点Ｏの付近では、加重平均を用いたとしても原点Ｏの位置を精度良く求めることができないという不都合を生じる。

また、受光素子列１１Ｘの他端に存在する受光素子ＰＤＸ_n+1と受光素子列１１Ｙの一端に存在する受光素子ＰＤＸ₁とを高さ方向についてオーバラップさせることも考えられるが、レーザビームのスポット径が大きくなると、オーバラップ量を多くしなければならず、受光位置検出センサを効率的に活用できないという不都合がある。

本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、その目的は、レーザビームの受光位置の検出精度の向上を図りつつ受光素子列を全体として長くすることができるレーザ光受光位置検出センサ及びこれを用いたレベル装置を提供することにある。

請求項１に記載のレーザ光受光位置検出センサは、等間隔を開けて配置されかつ隣り合う受光素子が抵抗器を介して互いに接続されしかも両端に存在する受光素子にそれぞれ出力線が接続された受光素子列を少なくとも二つ有し、少なくとも二つの受光素子列は、一方の受光素子列の互いに隣り合う受光素子の間に他方の受光素子列の受光素子がそれぞれ配置された複合配列体を構成し、
前記各出力線は解析演算装置にそれぞれ接続され、該解析演算装置はいずれかの受光素子にレーザ光が当たったときに、前記各出力線から得られる出力に基づいて前記レーザ光の受光位置を演算により求めることを特徴とする。
請求項２に記載のレーザ光受光位置検出センサは、前記受光素子列は少なくとも三つ設けられ、前記複合配列体は中央に存在する受光素子列の両側に受光素子列を有し、両側に存在する受光素子列に属する受光素子の間に中央に存在する受光素子列に属する受光素子がこの中央に存在する受光素子列の中央の受光素子に対して対称的に配置されていることを特徴とする。
請求項３に記載のレーザ光受光位置検出センサは、前記解析演算装置が、ある受光素子列により得られた出力とこのある受光素子列に属する受光素子に隣接して存在する受光素子が属する受光素子列により得られた出力とを加重平均することによってレーザ光の受光位置を求めることを特徴とする。
請求項４に記載のレーザ光受光位置検出センサは、前記各受光素子列が同一構造であることを特徴とする。
請求項５に記載のレーザ光受光位置検出センサは、前記複合配列体を構成する各受光素子の形状が矩形であり、各受光素子の幅と各受光素子の間隔とが同じであることを特徴とする。
請求項６に記載のレーザ光受光位置検出センサは、前記レーザ光のビームスポット径が、ある受光素子列に属する受光素子とこの受光素子に隣接して存在する受光素子であって他の受光素子列に属する受光素子との間隔よりも大きいことを特徴とする。
請求項７に記載のレベル装置は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のレーザ光受光位置検出センサが用いられていることを特徴とする。

本発明に係わるレーザ光受光位置検出センサによれば、レーザビームの受光位置の検出精度の向上を図りつつ受光素子列を全体として長くすることができるという効果を奏する。

本発明に係わるレベル装置によれば、水平基準面の原点位置の精度の向上をより一層図ることができる。

以下に、本発明に係わるレーザ光受光位置検出センサの発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

（実施例１）
図３は本発明に係わるレーザ光受光位置検出センサの第１実施例を説明するための要部説明図である。

この図３に示すレーザ光受光位置検出センサは、同一構造の２つの受光素子列１１Ｘ、１１Ｙを備えている。各受光素子列１１Ｘ、１１Ｙはそれぞれ受光素子ＰＸＤ_i（iは１からｎ＋１までの正の整数）を有する。ここでは、各受光素子列１１Ｘ、１１Ｙの受光素子の個数は６個である。この受光素子ＰＸＤ_iの形状、大きさは同一であり、ここでは、矩形、例えば正方形である。各受光素子列１１Ｘ、１１Ｙの受光素子ＰＤＸ_i（iは１からｎ＋１までの正の整数）を上下方向又は左右方向（垂直方向又は水平方向）に例えば等間隔に並べて配列されている。
すなわち、同一の受光素子列に属して隣り合う受光素子同士のピッチＰは同一であり、ここでは、このピッチＰは受光素子ＰＸＤ_iの幅Ｗの４倍とされ、受光素子ＰＸＤ_iとこの受光素子ＰＸＤ_iに隣り合う受光素子ＰＸＤ_i+1との隙間ＧＬは受光素子ＰＸＤ_iの幅Ｗの３倍とされている。

ここでは、受光素子ＰＤＸ_iの形状を正方形と仮定してその正方形の中心から中心までの距離をピッチＰと定義しているが、受光素子ＰＤＸ_iの形状は円形であっても良い。

隣接する各受光素子ＰＤＸ_iの出力端子（アノード）同士は抵抗器（抵抗値）ＲＸ_j（ｊは１からｎまでの正の整数）で互いに接続されている。ここでは、抵抗器ＲＸ_jの個数は５個である。
各受光素子列１１X、１１Ｙの一方の端に存在する第１番目の受光素子ＰＤＸ₁の出力端子は出力線１１ａを介して図１に示す第１増幅回路２０Ｘに接続されると共に、図１に示す抵抗器ＲＸＨを介してアースされている。
他方の端に存在する第ｎ＋１番目の受光素子ＰＤＸ_n+1の出力端子は出力線１１ｂを介して図１に示す第２増幅回路４０Ｘに接続されると共に、図１に示す抵抗器ＲＸＬを介してアースされている。各受光素子ＰＤＸ_iのカソードは図１に示す共通線１１ｃによってアースされている。

第１増幅回路２０Ｘから出力される増幅信号は図１に示す第１ピークホールド回路１２Ｘに入力され、第２増幅回路４０Ｘから出力される増幅信号は図１に示す第２ピークホールド回路１３Ｘに入力され、両ピークホールド回路１２Ｘ、１３Ｘは各増幅信号のピーク値をそれぞれホールドし、各ピーク値信号は図１に示す解析演算装置６０に入力される。

すなわち、各受光素子列１１X、１１Ｙに接続される回路構成要素は図１に示す回路構成要素と同一である。

二つの受光素子列１１X、１１Ｙは、受光素子列１１Xの互いに隣り合う受光素子ＰＸＤ_iの間に他方の受光素子列１１Ｙの受光素子ＰＸＤ_iがそれぞれ配置された複合配列体を構成している。

ここでは、一方の受光素子列１１Ｘの受光素子ＰＸＤ_iと他方の受光素子列１１Ｙの受光素子ＰＸＤ_iとの隙間ＧＬ”は各受光素子ＰＸＤ_iの幅Ｗに等しくされている。

各受光素子列１１Ｘ、１１Ｙのセンサ長Ｌｘ、Ｌｙは、出力線１１ａ、１１ｂに接続されている各抵抗器ＲＸＨ、ＲＸＬに生じる電圧に抵抗器ＲＸ_iを介して関係づけられるので、レーザ光受光位置は、以下に説明するようにして求められる。

説明の便宜のため、各抵抗器ＲＸＬの抵抗値と各抵抗器ＲＸＨの抵抗値とは互いに等しく、各抵抗値ＲＸ_iも互いに等しいものとする。また、複合配列体を構成する受光素子列１１Ｘの第４番目の受光素子ＰＤＸ₁と複合配列体を構成する受光素子列１１Ｙの第３番目の受光素子ＰＤＸ_n+1との中間位置を原点Ｏとする。

レーザビームのスポットＳが受光素子列１１Ｘ、１１Ｙのある受光素子ＰＤＸ_iに当たると、その受光素子ＰＤＸ_iにある出力電流Ｉｐが流れる。この電流Ｉｐは抵抗器ＲＸ_iの抵抗値によって分配されて抵抗器ＲＸＬと抵抗器ＲＸＨとに流れ、抵抗器ＲＸＬにより出力線１１ｂに電圧ＶＸＬが生じると共に、抵抗器ＲＸＨにより出力線１１ａに電圧ＶＸＨが生じる。これについては、図１を参照しつつ説明した通りである。

この発明の実施の形態では、各受光素子列１１Ｘ、１１ＹのピッチＰは図２に示す受光素子列のピッチＰの２倍の大きさであるので、図２に示すレーザビームのスポット径と図３に示すレーザビームのスポット径が同一であったとしても、その相対的大きさが異なることになり、各受光素子列の出力とレーザビームの移動量との関係は異なることになる。

例えば、各受光素子列１１Ｙに属する受光素子ＰＸＤ_iのピッチＰの２分の１の直径を有するレーザビームスポットＳｍｎ（図２に示す受光素子ＰＸＤ_iのピッチＰと同一長さの直径を有するレーザビームのスポット）が受光素子ＰＸＤ_iに当たっているものとすると、レーザビームスポットＳｍｎが距離Ｌｖだけ移動しても、この受光素子ＰＤＸ_iから出力される出力電流Ｉｐは一定であり、従って、出力電圧に変化はない。
受光素子列１１Ｘの受光素子ＰＤＸ_iについても同様であり、各受光素子列の残余の受光素子ＰＤＸ_iについても同様である。また、レーザビームスポットＳｍｎが一点鎖線で示すようにその受光素子列１１Ｘに属する隣接受光素子同士の間で図３に矢印Ｆ１で示すように移動する場合には、出力電圧は生じない。従って、レーザビームのスポットＳｍｎの連続的移動に伴って離散的に出力が変化し、レーザビームの上下方向の移動量と出力電圧との間には、離散直線ＤＤＬ１、ＤＤＬ２が得られる。

これに対して，受光素子列１１Ｘに属する受光素子ＰＸＤ_iのピッチＰの４分の３の直径を有するレーザビームスポットＳｍｎ’（図２に示す受光素子ＰＸＤ_iのピッチＰの１．５倍の直径を有するレーザービームスポットＳｍｎ’）が受光素子ＰＸＤ_n+1に当たっているものとすると、レーザビームスポットＳｍｎが距離Ｌｖ’だけ移動しても、この受光素子ＰＤＸ_n+1から出力される出力電流Ｉｐは一定であり、従って、出力電圧に変化はない。受光素子列１１Ｙの受光素子ＰＤＸ_n+1についても同様であり、各受光素子列１１Ｘ、１１Ｙの残余の受光素子ＰＤＸ_iについても同様である。

また、例えば、レーザビームスポットＳｍｎ’が一点鎖線で示すように、受光素子列１１Ｙの隣接する受光素子ＰＤＸ₁とＰＤＸ₂との中間位置に存在する場合には、その中間位置を中心にして、レーザビームスポットＳｍｎ’がいずれか一方の移動方向Ｆ２にずれるとこのずれに対応する出力が生じ、レーザビームスポットＳｍｎ’の連続的移動に伴って出力が比例的に変換するので、レーザビームの上下方向の移動量と出力電圧との間には、折れ線的階段直線ＢＤＬ１、ＢＬＤ２が得られる。
これらの離散的階段直線ＤＤＬ１、ＤＤＬ２から折れ線的階段直線ＢＬＤ’を得ることができ、折れ線的階段直線ＢＬＤ’から補間直線ＳＬ１を得ることができ、折れ線的階段直線ＢＬＤ１、ＢＬＤ２から補間直線ＳＬ２を得ることができる。

すなわち、受光素子列１１Ｘの出力に基づく演算により推定されるレーザ光のスポットの推定中心位置をＬｘｐ、受光素子列１１Ｙの出力に基づく演算により推定されるレーザ光のスポットの推定中心位置をＬｙｐとすると、Ｌｘｐ、Ｌｙｐは以下の示す式によって求められる。
Ｌｘｐ＝（Ｌｘ／２）×（ＶＸＨ−ＶＸＬ）／（ＶＸＨ＋ＶＸＬ）
×αｘ＋Ｌｘoffset
Ｌｙｐ＝（Ｌｙ／２）×（ＶＹＨ−ＶＹＬ）／（ＶＹＨ＋ＶＹＬ）
×αｙ＋Ｌｙoffset
ここで、αはレーザ光のスポットの中心位置を算出するために用いる補正値である。

また、Ｌｘoffset、Ｌｙoffsetは、受光部１１Ｘ、１１Ｙの原点Ｏ（幾何学的中心位置）からのオフセット量で、このオフセット量は正又は負の値に設定することにより、適宜に原点の位置が変更される。

レーザ光のスポットの実際の中心位置（受光位置）Ｌｐは、
Ｌｐ＝（Ｖｘ×Ｌｘｐ＋Ｖｙ×Ｌｙｐ）／（Ｖｘ＋Ｖｙ）
ただし、Ｖｘ＝ＶＸＨ＋ＶＸＬ、Ｖｙ＝ＶＹＨ＋ＶＹＬ
すなわち、レーザ光のスポットの実際の中心位置Ｌｐは、
受光素子列１１Ｘにより求められた推定中心位置Ｌｘｐと受光素子列１１Ｙにより求められた推定中心位置Ｌｙｐとに重みづけを行って加重平均することにより求められる。

ここでは、実際の中心位置Ｌｐをレーザビームの光量の加重平均により求めているが、レーザビームの光量分布特性（ビームプロファイル）が一様で、両方の受光素子列１１Ｘ、１１Ｙに必ずレーザビームが当たるとすれば、レーザ光の実際の中心位置Ｌｐは、両受光素子列により推定される推定中心位置の平均値、すなわち、
Ｌｐ＝（Ｌｘｐ＋Ｌｙｐ）
により求めることができる。

この実施例１によれば、等間隔を開けて配置されかつ隣り合う受光素子が抵抗器を介して互いに接続されしかも両端に存在する受光素子にそれぞれ出力線が接続された受光素子列を二つ有し、二つの受光素子列は、一方の受光素子列の互いに隣り合う受光素子の間に他方の受光素子列の受光素子がそれぞれ配置された複合配列体を構成し、各出力線は解析演算装置にそれぞれ接続され、解析演算装置はいずれかの受光素子にレーザ光が当たったときに、各出力線から得られる出力に基づいてレーザ光の受光位置を演算により求めることにしたので、レーザビームの受光位置の検出精度の向上を図りつつ受光素子列を全体として長くすることができる。
（実施例２）
図４はこの発明の実施の形態の第２の実施例を説明するための受光素子列の配置図であって、ここでは、三つの受光素子列から複合配列体が構成されている。
この複合配列体は中央に存在する受光素子列１１Ｙの両側に受光素子列１１Ｘ、１１Ｚを対称的に有する。各受光素子列は同一構造であり、受光素子の個数はここでは５個、抵抗器の個数は４個である。その各受光素子にはＰＤＸ₁からＰＤＸ₅の符号が付され、各抵抗器にはＲＸ₁からＲＸ₄の符号が付されている。

中央に存在する受光素子列１１Ｙの中央の受光素子ＰＤＸ₃は一方の受光素子列１１Ｘの他端の受光素子ＰＤＸ₅と他方の受光素子列１１Ｚの一端の受光素子ＰＤＸ₁との間に配置されている。

中央に存在する受光素子列１１Ｙの受光素子ＰＤＸ₂は受光素子列１１Ｘの受光素子ＰＤＸ₅と受光素子ＰＤＸ₄との間に配置され、中央に存在する受光素子列１１Ｙの受光素子ＰＤＸ₁は受光素子列１１Ｘの受光素子ＰＤＸ₄と受光素子ＰＤＸ₃との間に配置されている。
中央に存在する受光素子列１１Ｙの受光素子ＰＤＸ₄は受光素子列１１Ｚの受光素子ＰＤＸ₁と受光素子ＰＤＸ₂との間に配置され、中央に存在する受光素子列１１Ｙの受光素子ＰＤＸ₅は受光素子列１１Ｚの受光素子ＰＤＸ₂と受光素子ＰＤＸ₃との間に配置されている。

ここでは、受光素子列１１Ｘの受光素子ＰＤＸ₃と受光素子ＰＤＸ₂との間、受光素子列１１Ｘの受光素子ＰＤＸ₂と受光素子ＰＤＸ₁との間、受光素子列１１Ｚの受光素子ＰＤＸ₃と受光素子ＰＤＸ₄との間、受光素子列１１Ｚの受光素子ＰＤＸ₄と受光素子ＰＤＸ₅との間には、中央の受光素子列１１Ｙの受光素子ＰＤＸ_iが配置されていないが、破線で示すように他の受光素子列の受光素子を配置することができ、要求に応じてレーザ光受光位置検出センサの長さを長くすることができる。

すなわち、少なくとも３つの受光素子列に注目して、その中央の受光素子列に対して対称的に受光素子列を配置することにより、レーザ光受光位置検出センサの長さを長くすることができる。

ここでは、複合配列体が３つの受光素子を有するものとして、レーザビームの実際の中心位置Ｌｐを求める場合について説明する。レーザビームの移動量と出力との関係を示すグラフについては省略する。原理的には図３を用いて説明したと同様に変わらないからである。

受光素子列１１Ｘ、１１Ｙ、１１Ｚのレーザ光の推定中心位置を、それぞれＬｘｐ、Ｌｙｐ、Ｌｚｐとすると、
Ｌｘｐ＝（Ｌｘ／２）×（ＶＸＨ−ＶＸＬ）／（ＶＸＨ＋ＶＸＬ）
×αｘ＋Ｌｘoffset
Ｌｙｐ＝（Ｌｙ／２）×（ＶＹＨ−ＶＹＬ）／（ＶＹＨ＋ＶＸＬ）
×αｙ＋Ｌｙoffset
Ｌｚｐ＝（Ｌｚ／２）×（ＶＺＨ−ＶＺＬ）／（ＶＺＨ＋ＶＺＬ）
×αｚ＋Ｌｚoffset
レーザ光の受光位置Ｌｐは、
Ｌｐ＝（Ｖｘ×Ｌｘｐ＋Ｖｙ×Ｌｙｐ＋Ｖｚ×Ｌｚｐ）
／（Ｖｘ＋Ｖｙ＋Ｖｚ）
ただし、
Ｖｘ＝ＶＸＨ＋ＶＸＬ
Ｖｙ＝ＶＹＨ＋ＶＹＬ
Ｖｚ＝ＶＺＨ＋ＶＺＬ
ここで、例えば、受光素子列１１Ｚに属するいずれの受光素子にもレーザ光が当たっていないとすると、Ｌｚｐは実質的に値として意味を有さないので、計算上、Ｌｚｐは不要となる。

すなわち、ＶＺＨ＝ＶＺＬ＝０、Ｖｚ＝０なので、
Ｌｐ＝（Ｖｘ×Ｌｘｐ＋Ｖｙ×Ｌｙｐ）
／（Ｖｘ＋Ｖｙ）
の式を用いて、レーザ光の受光位置Ｌｐが求められる。すなわち、受光素子列が２個の場合と同じとなる。

一般に、受光素子列の配列個数をｎ個とした場合には、受光素子列を１１Ｑｋ（ｋ＝１からｎまでの正の整数）と表現し、受光素子列１１Ｑｋによる推定中心位置ＬＱｋｐを、
ＬＱｋｐ＝（ＬＱｋ／２）×（ＶＱｋＨ−ＶＱｋＬ）／（ＶＱｋＨ＋ＶｋＱＬｌ）×αＱｋ＋ＬＱｋoffset
ＶＱｋ＝ＶＱｋＨ＋ＶＱｋＬ
として、
Ｌｐ＝（ＶＱ１×ＬＱ１ｐ＋ＶＱ２×ＬＱ２ｐ＋…ＶＱｋ×ＬＱｋｐ
＋…＋ＶＱｎ×ＬＱｎｐ）／（ＶＱ１＋ＶＱ２＋…ＶＱｋ＋…＋ＶＱｎ）
によって求めることができる。

ここで、ＬＱｋはｋ番目の受光素子列１１Ｑｋのセンサ長、ＶＱｋＨ、ＶＱｋＬはｋ番目の受光素子列１１Ｑｋに接続されている出力線１１ａ、１１ｂから出力された出力電圧、αＱｋは、ｋ番目の受光素子列１１Ｑｋによりレーザ光のスポットの中心位置を算出するために用いる補正値である。ＬＱｋoffsetは、ｋ番目の受光素子列１１Ｑｋの原点Ｏ（幾何学的中心位置）からのオフセット量である。

この実施例では、受光素子列１１Ｘに属する受光素子ＰＤＸ₃とこの受光素子に隣接する受光素子ＰＤＸ₂との間隔、受光素子列１１Ｘに属する受光素子ＰＤＸ₂とこの受光素子に隣接する受光素子ＰＤＸ₁との間隔を受光素子列１１Ｘに属する受光素子ＰＤＸ₄と受光素子列１１Ｘに属する受光素子ＰＤＸ₅との間隔と同一としたが、図５に示すように、これらＰＤＸ₃とＰＤＸ₂との間隔、ＰＤＸ₂とＰＤＸ₁との間隔を残余の受光素子の間隔よりも小さくして端であることを検出する構成とすることもできる。受光素子列１１Ｚに属する受光素子ＰＤＸ₃とこの受光素子に隣接する受光素子ＰＤＸ₄との間隔、受光素子列１１Ｚに属する受光素子ＰＤＸ₄とこの受光素子に隣接する受光素子ＰＤＸ₅との間隔についても同様である。

また、この実施例では、受光素子列１１Ｙの受光素子の個数と受光素子列１１Ｘ、１１Ｙの受光素子の個数とが同一であるとして説明したが、受光素子列１１Ｘ、１１Ｚの受光素子の個数は、受光素子列１１Ｙの受光素子の個数よりも多くても少なくても良い。

要するに、中央に存在する受光素子列１１Ｙの両側に存在する受光素子列１１Ｘ、１１Ｙに属する受光素子の間に受光素子列１１Ｙに属する受光素子がこの受光素子列１１Ｙの中央の受光素子に対して対称的に配置されていれば良い。

この実施例２によれば、要望に応じてレーザ光受光位置検出センサの全体のセンサ長を長くすることができる。

本発明の先行技術に係わるレーザ光受光位置検出センサの要部構成を説明するための回路ブロック図である。 図１に示すレーザ光受光位置検出センサの改良構成を説明するための回路ブロック図である。 本発明に係わるレーザ光受光位置検出センサの第１実施例の要部構成を説明するための回路ブロック図である。 本発明に係わるレーザ光受光位置検出センサの第２実施例の要部構成を説明するための回路ブロック図である。 本発明に係わるレーザ光受光位置検出センサの第２実施例の変形例の要部構成を説明するための回路ブロック図である。

符号の説明

ＰＤＸ_i…受光素子
ＲＸ_j…抵抗器
１１Ｘ、１１Ｙ…受光素子列
１１ａ、１１ｂ…出力線

Claims (7)

1. 等間隔を開けて配置されかつ隣り合う受光素子が抵抗器を介して互いに接続されしかも両端に存在する受光素子にそれぞれ出力線が接続された受光素子列を少なくとも二つ有し、少なくとも二つの受光素子列は、一方の受光素子列の互いに隣り合う受光素子の間に他方の受光素子列の受光素子がそれぞれ配置された複合配列体を構成し、
   前記各出力線は解析演算装置にそれぞれ接続され、該解析演算装置はいずれかの受光素子にレーザ光が当たったときに、前記各出力線から得られる出力に基づいて前記レーザ光の受光位置を演算により求めることを特徴とするレーザ光受光位置検出センサ。
2. 前記受光素子列は少なくとも三つ設けられ、前記複合配列体は中央に存在する受光素子列の両側に受光素子列を有し、両側に存在する受光素子列に属する受光素子の間に中央に存在する受光素子列に属する受光素子がこの中央に存在する受光素子列の中央の受光素子に対して対称的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光受光位置検出センサ。
3. 前記解析演算装置は、ある受光素子列により得られた出力とこのある受光素子列に属する受光素子に隣接して存在する受光素子が属する受光素子列により得られた出力とを加重平均することによってレーザ光の受光位置を求めることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ光受光位置検出センサ。
4. 前記各受光素子列は同一構造であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ光受光位置検出センサ。
5. 前記複合配列体を構成する各受光素子の形状は矩形であり、各受光素子の幅と各受光素子の間隔とが同じであることを特徴とする請求項４に記載のレーザ光受光位置検出センサ。
6. 前記レーザ光のビームスポット径は、ある受光素子列に属する受光素子とこの受光素子に隣接して存在する受光素子であって他の受光素子列に属する受光素子との間隔よりも大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ光受光位置検出センサ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のレーザ光受光位置検出センサが用いられていることを特徴とするレベル装置。

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