WO2007063893A1

WO2007063893A1 - レベルセンサ

Info

Publication number: WO2007063893A1
Application number: PCT/JP2006/323804
Authority: WO
Inventors: Yasutaka Katayama
Original assignee: Kabushiki Kaisha Topcon
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2007-06-07
Also published as: JPWO2007063893A1; JP5096925B2; EP1956340A1; EP1956340A4; US8044335B2; US20090244548A1; CN101317071A

Abstract

本発明は、並設された複数の受光素子ＰＤＸ１～ＰＤＸｎを備えた受光部１１Ｘであって、複数の受光素子ＰＤＸ１～ＰＤＸｎの互いに隣接する出力端子をそれぞれ抵抗ＲＸ１～ＲＸｎで接続したレベルセンサである。

Description

明細書

レべノレセンサ技術分野

[0001] この発明は、レーザ光の受光位置の中心を検出するレベルセンサに関する。

(優先権の主張）

本願は、 2005年 11月 29曰に曰本国特許厅に出願された特願 2005— 343360 号に基づく優先権を主張し、その内容をここに援用する。

背景技術

[0002] 従来から、複数の受光素子を上下に並設したレベルセンサが知られている。例えば

、特開 2004— 309440号公報を参照されたい。

[0003] 力かるレベルセンサは、各受光素子から出力される受光信号を複数のアンプでそれぞれ増幅し、各アンプから出力される信号と閾値とを複数のコンパレータでそれぞれ比較し、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ビームの中心位置であるレベルを求めるものである。

[0004] このようなレベルセンサにあっては、各受光素子にアンプとコンパレータを設けなければならず、このため回路が複雑になり、高価になってしまうという問題があった。

[0005] 従って、簡単な回路を設けるだけでレーザ光の受光位置を求めることのできるレべルセンサの必要性が求められている。

発明の開示

[0006] 上記の必要性を達成するため、本発明の第 1の特徴は、並設された複数の受光素子を備えたレベルセンサであって、前記複数の受光素子の互いに隣接する出力端子がそれぞれ抵抗で接続され、前記接続された受光素子の両端から出力される信号を基に、前記レベルセンサに接続された演算制御装置により出力信号を比較することで受光位置を解析することである。

[0007] 本発明の第 2の特徴は、レベルセンサを受光素子の配列方向に複数個配置したことである。

[0008] 本発明の第 3の特徴は、前記受光素子に接続する抵抗の大きさを変更して出力端子の信号比が等しくなる受光位置を変更することで、任意の場所を受光位置検出の基準として前記演算装置で受光位置を解析することである。

[0009] 本発明の第 4の特徴は、前記複数個配置されたレベルセンサの出力信号の比を加重平均して演算装置で受光位置を解析することである。

[0010] 本発明の第 5の特徴は、レベルセンサを複数連結して配置し、隣りあうレべノレセンサ間の受光位置は、この隣りあうレベルセンサの出力を比較することで解析することである。

[0011] 本発明の第 6の特徴は、前記連結して配置されるレベルセンサは、隣りあうレベルセンサの受光位置が重複するように設けられていることである。

本発明の第 7の特徴は、レーザ光の受光位置の中心を検出するレベルセンサにおいて、一方の極が共通に接続され、レーザ光を受光する配列された複数の受光素子と、前記受光素子の他方の極とその受光素子に隣接する他方の極との間に接続され、受光するレーザ光の光量に比例する電気信号に変換する第 1の電気信号変換素子と、前記複数の受光素子のうち一方の方向の最も端に配置された受光素子の他方の極に接続され、受光するレーザ光の光量に比例する電気信号に変換する第 2の電気信号変換素子と、前記一方の方向と反対の方向の最も端に配置された受光素子の他方の極に接続され、受光するレーザ光の光量に比例する電気信号に変換する第 3の電気信号変換素子と、前記第 2の電気信号変換素子において発生する第 1 の電気信号と、前記第 3の電気信号変換素子において発生する第 2の電気信号とを受信するコンピュータであって、前記コンピュータは、前記第 1の電気信号と前記第 2 の電気信号とに基づいて、前記第 1の電気信号と前記第 2の電気信号との比を求める演算を行うる演算解析処理部と、前記演算により求められた結果と、前記複数の受光素子の配列の原点位置における信号の比とを比較する比較解析処理部とを有することである。

本発明の第 8の特徴は、レーザ光の受光位置の中心を検出するレベルセンサにおいて、第 1の受光部と、この第 1の受光部の一方の端部に接続され、受光するレーザ光の光量に比例する電気信号に変換する第 1の電気信号変換素子と、前記第 1の受光部の他方の端部に接続され、受光するレーザ光の光量に比例する電気信号に変換する第 2の電気信号変換素子と、前記第 1の受光部と光一電気特性において同一であって、その受光部と結合した第 2の受光部と、この第 2の受光部の一方の端部に接続され、受光するレーザ光の光量に比例する電気信号に変換する第 3の電気信号変換素子と、この第 2の受光部の他方の端部に接続され、受光するレーザ光の光量に比例する電気信号に変換する第 4の電気信号変換素子と、前記第 1の電気信号変換素子において発生する第 1の電気信号と、前記第 2の電気信号変換素子にぉレ、て発生する第 2の電気信号と、前記第 3の電気信号変換素子にぉレ、て発生する第 3の電気信号と、前記第 4の電気信号変換素子において発生する第 4の電気信号とを受信するコンピュータであって、前記コンピュータは、前記第 1の電気信号と前記第 2の電気信号とに基づいて、前記第 1の電気信号と前記第 2の電気信号との比を求める演算を行うる演算解析処理部と、前記演算により求められた結果と、前記複数の受光素子の配列の原点位置における信号の比とを比較する比較解析処理部とを有することである。

本発明の第 9の特徴は、本発明の第 8の特徴を有する発明において、前記第 1の受光部と前記第 2の受光部とが所定の量の重複部分を有することである。

本発明の第 10の特徴は、本発明の第 9の特徴を有する発明において、前記第 2の受光部に対して所定の量の重複部分を有するように結合した第 3の受光部と、前記第 3の受光部に対して所定の量の重複部分を有するように結合した第 4の受光部とを更に有することである。

図面の簡単な説明

[図 1]本発明の第 1実施例に係るレベルセンサの構成を示したブロック図である。

[図 2]受光素子間のピッチ間隔が異なるように配置した受光素子を示す図である。

[図 3]本発明の第 1実施例に係る演算制御装置の構成を示すブロック図である。

[図 4]本発明の第 1実施例に係るレベルセンサの機能を示すフローチャートである。

[図 5]本発明の第 2実施例のレベルセンサの構成を示したブロック図である。

[図 6]本発明の第 2実施例の受光部を示した回路図である。

[図 7]本発明の第 2実施例の受光部から出力される出力信号と受光位置との関係を示した点光源に関するグラフである。 [図 8]本発明の第 2実施例の変形であって、 2つの受光部の一部を重ねたものを示した説明図である。

[図 9]本発明の第 2実施例の受光部から出力される出力信号と受光位置との関係を示したグラフであって、ビーム径が大きいときを示すものである。

[図 10]本発明の第 3実施例であって、 4つの受光部を有し、その受光部の一部を相互に重ねたものを示した説明図である。

符号の説明

[0013] 10 レベルセンサ

11X 受光部

PDXl〜PDXn 受光センサ

RXl〜RXn 抵抗

発明を実施するための最良の形態

[0014] 以下、この発明のレベルセンサの実施形態である実施例を図面に基づいて説明する。

[0015] 図 1はこの発明に力かるレベルセンサ 10の構成を示したブロック図である。このレべルセンサ 10は、受光部 1 IXと、この受光部 1 IX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 20Xと、第 1増幅回路 20X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 12Xと、受光部 1 IXの他方の端子 l ibから出力される受光信号を増幅する第 2増幅回路 40Xと、第 2増幅回路 40X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 13Xと、第 1 ,第 2ピークホールド回路 12X, 13Xがホールドしたピーク値に基づいて受光部 1 IX 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。

[0016] 受光部 1 IXは、例えばフォトダイオード、 PINフォトダイオードなど力なる複数の受光素子 PDXl〜PDXn+ 1を上下（垂直方向）に並設し、それぞれの受光素子 PDX ：!〜 PDXn+ 1のアノード間を抵抗 RXl〜RXnで接続したものである。換言すれば、 P 接する受光素子 PDXl〜PDXn+ lの出力端子を抵抗 RXl〜RXnでそれぞれ接続したものである。 [0017] そして、受光素子 PDX1のアノードは抵抗 RXHを介して接地され、受光素子 PDX n+ 1のアノードは抵抗 RXLを介して接地されている。

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。

[0018] 演算制御装置 60は、第 1，第 2ピークホールド回路 12X, 13Xのピーク値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部 1 IX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。

次に、上記のように構成されるレベルセンサ 10の動作について説明する。

[0019] 先ず、レーザ光が照射される受光部 1 IXにおける位置である受光位置 Pの求め方を簡単に説明する。図 1に、レーザ光及び受光位置 Pを示す。

[0020] レーザ光が受光素子 PDXl〜PDXn+ lに照射されると、レーザ光を受光した受光素子に電流 Ipが発生する。その電流は抵抗 RXH, RXLを流れるので、その抵抗の両端に電圧が生じる。

抵抗 RXH, RXLの電圧を VXh, VX1とし、抵抗 RXH=抵抗 RXLとする。また、受光位置 Pを効率よく検出するためには、∑R (RXl〜RXnの総禾口）》RXH (RXL)とすればよい。受光位置 Pは、第 1の受光素子 PDX1の中心と第 n+ 1の受光素子 PD Xn+ 1の中心との中間点からレーザ光が照射される位置までの距離 Lpで示される。図 1においては、第 1の受光素子 PDX1の中心と第 n+ 1の受光素子 PDXn+ 1の中心との中間点を原点位置としており、受光位置 Pまでの距離 Lpは下記の（1)式で求めることができる。

[0021] Lp = L/ 2 X ( (VXh - VX1) / (VXh + VX1) )

ただし、 Lは受光部 1 IXの長さである。この長さ Lは、第 1の受光素子 PDX1の中心と第 n+ 1の受光素子 PDXn+ 1の中心との間の長さを示すものである。

次に、受光位置 Pにおける出力電圧 VXpを求める。受光位置 Pから見た RXH、 RX Lまでの抵抗値の総和を各々∑RXh、∑RX1とすると、受光位置 Pにおける見かけの抵抗 RXpは、∑RXhと∑RX1との並列接続として求めることができる。即ち、 RXp= ( ∑RXh X∑RXl) / (∑RXh+∑RX1)。従って、受光位置 Pにおける出力電圧 VXp は、 VXp = Ip X RXpである。

また、 VXh及び VX1を求めると、 VXh=VXp X RXH/∑ RXh、 VXl=VXp X RX L/∑RX1が得られる。

以下に、これらの値の一例を記載する。

レーザ光としては、その波長が約 500nm〜： !OOOnmであるものを使用することができる力本実施例では、波長が 870nmのレーザ光を使用している。受光素子の変換利得（放射感度）は、 870nmのレーザ光に対して 0. 47AZWである。レーザ光の放出出力力 SlmW/mm²のとき、 1個の受光素子に発生する電流 Ipは、 Ip = lmm² X 0 . 47A/WX lmW/mm²=0. 47mAとなる。

実際に、受光素子として PINフォトダイオードを使用し、その受光面積 (一般的に、アクティブエリアと呼ぶ）は lmm X lmmである。あるダイオードと、そのダイオードに隣接するダイオードとの距離であるピッチの長さは、 5mm又はそれ以下であることが必要であるが、本実施例における実装ピッチの長さは 3. 1mmである。受光素子の個数は 20である（PDX1〜PDX20)。その長さ Lは実装ピッチの長さと受光素子の個数一 1の積から求められるので、 L = 3· 1mm X 19 = 58· 9mmである。

VXh= 2. 88V、VX1 = 2. 72Vの場合、式（1)の Lpを求めるために上記の値を代入すると、 Lp = 32. 25mmが得られる。また、 RX1 = · · · =RX19 = 7. 5 Ω、∑RXh = 123. 5 Ω、∑RX1= 131 Q , RXp = 63. 6 Ω、 lp = 0. lmA、 VXp = 6. 36mVの値も得られる。

一方、ある受光素子と隣接する受光素子との間の抵抗は、 RX1から RX19までからなり、その抵抗値は等しく RX1 = ' " =RX19 = 7. 5 Ωであり、 PDX1のアノードに接続される抵抗 RXH及び PDX20のアノードに接続される抵抗 RXLは、 RXH = RXL

= 56 Ωである。従って、∑R=∑RX1 H hRX19 = 142. 5 Ωであるので、この場合、∑R》RXH (RXL)は成立しなレ、。

実際に、∑R》RXH (RXL)と出来ない場合でも、受光部 11Xの終端位置にレーザ光が照射されたときの光量比ひを乗じるだけでよぐこの値は各抵抗 RX1ないし R Xnおよび RXH， RXLから容易に算出することができる。

この光量比 αは、センサの中心での出力と、センサの一番端にある受光素子の出力との比である出力比から求めることができる力これらの出力は、抵抗値で示すことができるので、ひ = (∑RXn +RXU / (∑RXn_RXH)で表すことができる。

光量比ひを用いて、次式で受光位置 Pまでの距離 Lpを求めることができる。

[0023] Lp = a X L/2 X ( (VXh-VXl) / (VXh + VX1) ) · · · ( 1 ')

具体的には、∑RXn= 142. 5 Ω、 RXL = RXH = 56 Qの場合、ひ = ( 142. 5 + 5 6) / ( 142. 5— 56) = 2. 294である。

[0024] また、この実施例では、受光素子間の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ぐ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。

図 2は、受光素子間の間隔であるピッチ間隔が異なるように配置した受光素子を示す図である。最初に、 5つの受光素子が隣接する受光素子に対してピッチ間隔 Lをもつて各々配置され、そして隣接する受光素子のアノード間には抵抗値 Rの抵抗が接続されていたと仮定する。次に、図 2に示すように、上方に配置された 3つの受光素子間においてそのピッチ間隔 Lを 1.5倍の 1.5 X Lに各々すると、抵抗値 Rも 1. 5倍の 1.5 X Rにする必要がある。

具体的には、ピッチ間隔 Lが 3. lmm、抵抗値 Rが 7. 5 Ωの場合、ピッチ間隔が 1.5 倍の 4. 65mmになったときは、抵抗値 Rも 1.5倍の 1 1 , 25 Ωにする必要がある。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 VXhと VX1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。

[0025] 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部 1 IXが受光すると、その受光部 1 IXの受光位置、すなわちレーザ光を受光する受光素子 PDXがその受光量に応じた電流を流し、この受光素子 PDXの電流とその受光素子 PDXの位置に対応した電圧 (VXh, VX1)の受光信号が端子 l l a， l ibから出力される。

[0026] この電圧 VXh， VX1が第 1，第 2増幅回路 20X， 40Xによって増幅される。この第 1 ，第 2増幅回路 20X, 40X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 12X, 13Xにホールドされる。

[0027] 図 3は、本発明の第 1実施例に係る演算制御装置 60の構成を示すブロック図である。受光部 1 IXによるレーザ光の検出、電圧への変換、第 1増幅器 20X及び第 2増幅器 40Xによる電圧増幅、第 1ピークホールド回路 12X及び第 2ピークホールド回路 13Xによる電圧のピーク値のホールドについてのブロック図については省略する。演算制御装置 60は、アナログ信号をデジタル信号に変換するデジタル変換回路部 61と、デジタル変換回路部 61に接続された演算解析制御部 62を有する。この演算解析制御部 62は、デジタル変換された信号を受信する入力部であるデジタル信号入力部 63と、入力されるデジタル信号の演算'比較の解析等を制御する演算解析制御部 64と、入力されるデジタル信号を演算し、解析'処理する演算解析処理部 65 と、入力されるデジタル信号を比較し、解析'処理する比較解析処理部 66とを有している。

図 4は、本発明の第 1実施例に係るレベルセンサ 10の機能を示すフローチャートである。図 1を参照しながら、図 4のフローチャートを説明する。ステップ S1において、受光部 1 IXはレーザ光を検出する。抵抗 RXHにより電圧 VXh、抵抗 RXLにより電圧 V XIが検出される。ステップ S2において、これらの電圧 VXh、 VX1は、第 1増幅器 20X 及び第 2増幅器 40Xにより、それぞれ増幅される。そして電圧増幅された信号は、第 1ピークホールド回路 12X及び第 2ピークホールド回路 13Xにより、電圧のピーク値がそれぞれホールドされる。

ステップ S3において、これらのアナログ信号は、演算制御装置 60に入力され、デジタル変換回路部 61によってデジタル信号に変換される。ステップ S4において示すように、これらのデジタル信号は、アナログ信号電圧 VXh、 VX1に基づくものである。ステツプ S 5において、これらのデジタル信号は、演算解析処理部 65に入力され、ステップ S6に示すように、信号比の演算を始めとして、加減乗除の演算解析をおこなう。ステップ S7において、比較解析処理部 66は、零位置受光時の信号比と前述の演算処理結果を比較する比較解析処理を行う。

この結果、ステップ S9において、式（1)又は（1')に示すように、受光位置までの距離が求められる。

なお、演算解析制御部 64は、演算解析処理部 65に接続され、その演算解析を制御し、そして比較解析処理部 66にも接続され、その比較解析を制御する。 [0028] 上述のように、第 1 ,第 2増幅回路 20X， 40Xと第 1，第 2ピークホールド回路 12X， 13Xとを設けるだけでよ従来のように各受光素子 PDXl〜PDXn+ l毎にアンプやコンパレータを設ける必要がないので、その回路構成は簡単なもので済むことになる。

図 5は第 2実施例の受光部 111を用いたレベルセンサ 110の構成を示したブロック図である。

[0029] 受光部 111は、受光部 1 IXと受光部 11Yとを結合することから構成されている。受光部 11Yは受光部 11Xの受光素子 PDXl〜PDXn+ lの並設方向に沿って配置されている。

[0030] 図 6は、本発明の第 2実施例の受光部を示した回路図である。受光部 1 IXは図 1に関する説明で記載しているので、ここではその記載を省略する。受光部 11 Yは、図 6 に示すように、受光部 1 IXと同様にフォトダイオードなどからなる複数の受光素子 PD Yl〜PDYn+ lを上下に並設し、それぞれの受光素子 PDYl〜PDYn+ lのカソード間を抵抗 RYl〜RYnで接続したものである。そして、受光素子 PDY1の力ソードは抵抗 RYHを介して接地され、受光素子 PDYn+ 1の力ソードは抵抗 RYLを介して接地されている。

[0031] 図 5において、 20Yは受光部 11Yの一方の端子 l lYaから出力される受光信号を増幅する第 3増幅回路、 12Yは第 3増幅回路 20Y力出力される増幅信号のピーク値をホールドする第 3ピークホールド回路、 40Yは受光部 11Yの他方の端子 l lYb 力も出力される受光信号を増幅する第 4増幅回路、 13Yは第 4増幅回路 40Y力も出力される増幅信号のピーク値をホールドする第 4ピークホールド回路、 160は第 1〜第 4ピークホールド回路 12X, 13X, 12Y, 14Yがホールドしたピーク値に基づいて受光部 1 IX, 11Yのレーザ光の受光位置を解析して求める演算制御装置である。この演算制御装置 160は、デジタル変換回路部 161と、演算解析制御部 162とを有する力その演算制御装置 160の機能は、図 1に記載した演算制御装置 60と同様である。従って、その説明は省略する。

次に、上記のように構成される受光部 111およびレベルセンサ 110の動作にっレ、て説明する。 [0032] ここで、説明の便宜上、受光部 1 IXと受光部 11Yとの間のギャップはなレ、、そして重複部分もないものとする。

[0033] 受光部 1 IX, 11Yはそれぞれ抵抗 RXH, RXL, RYH, RYLを介して接地してあるので、受光部 1 IX， 11Yに照射されるレーザ光の位置にしたがって、受光部 1 IX,

11Yの端子 11aと l ib, 1 lYaと 1 lYbから出力される VXhと VX1、 VYhと VYlの信号出力の電圧に差がつく。

[0034] これらの信号出力はレーザ光が照射した位置に関係し、その位置に対応して変化する。

[0035] レーザ光が理想的な点光源であれば、受光部 1 IX, 11Yの各端子 11a, l ib, 11 Ya, l lYbから出力される電圧 VXh, VXl, VYh, VYlは図 7に示すグラフのようになる。

[0036] 受光部 1 IXのみに注目し、端子 11a, l ibの出力電圧 VXh, VXlから受光位置 Pまでの距離 Lxを下記の（2)式より求めること力 Sできる。

[0037] Lx= a X L/2 X (VXh-VXl) / (VXh+VXl) · · · (2)

実施例 1で使用した値 L = 58. 9mm、 a = l . 786を（2)式に代入すると、 Lx = 52. 5977 X (VXh - VXl) / (VXh + VXl)

となる。

受光位置 Pにおける出力電圧 VXpについては、オームの法則より、電圧と抵抗は比例関係にある。つまり、レーザ光のパワーが変化し、電流が変化しても、 VXh、 VXl の比率は変化せず、抵抗値のみに依存している。ここでは、分かり易ぐ受光素子の

1個のみにレーザ光が当たっている説明となっている力レーザ光のビームが大きくなり、複数の受光素子に照射された場合も、この関係は保たれる。即ち、レーザ光のビーム輝度や大きさに依存しないで、受光位置 Pを算出することが可能である。

また、受光部 11Yのみに注目し、端子 l lYa， l lYbの出力電圧 VYh, VYlから受光位置 Pまでの距離 Lyを下記の（3)式より求めることができる。

[0038] Ly= a X L/2 X (VYh _ VYl) Z (VYh + VYl)…（3)

ただし、受光部 1 IX, 11丫の長さをしとし、その 1Z2Lの位置をレーザ光が通過した場合を 0位置 (原点位置)とする。 (3)式の Lyについて、（2)式の Lxの場合と同様に具体的な数値を適用すると、 Ly= 52. 5977 X (VYh-VYl) / (VYh+VYl)

となる。

この結果より、レーザ光のビーム輝度や大きさに依存しないで、受光位置 Pを算出することが可能であることが理解できる。

[0039] 例えば、受光部 1 IXと受光部 11Yとの間の位置（中間の位置でなくてもよレ、）を 0位置 (原点位置）とした場合、受光部 1 IXにレーザ光が照射されている場合、（1)式の受光位置 Pまでの距離 Lpxは、

Lpx= (L/2) +Lx · ' · (4)

となる。

[0040] 受光部 11 Υにレーザ光が照射されている場合、受光位置 Ρまでの距離 Lpyは、

Lpy= - (L/2) -Ly …（5)

となる。

この第 2実施例においては、受光部 1 IXと受光部 11Yを結合することによって全体の長さが長くなるので、広範囲に渡って受光位置を検出することができる。但し、精度に関しては、実施例 1と同様である。

[0041] この第 2実施例では、受光部 1 IX, 11Y間のギャップがゼロである力このギャップ力 Sレーザ光のビーム径以内であれば、レーザ光の受光位置を検出することができる。図 8は、本発明の第 2実施例の変形であって、 2つの受光部の一部を重ねたものを示した説明図である。図 8に示すように、受光部 11X， 11Yを左右にずらせるとともに受光部 11X, 11Yの一部が上下方向に対して重複するように配置すれば、受光部 1 IX, 11Y間における原点位置の近傍の精度を向上させることができる。

受光部 1 IXと受光部 11Yとが重複する部分の量 (重複量）につレ、ては、レーザ光のビーム径は φ 5mm〜20mm程度である力重複量はビーム径の 1 2程度であることが望ましレ、。また、ビーム径以上を重複させる必要はなレ、。即ち、 5mmのビーム径を最小と考えれば、重複量も 5mmでよいこととなる。但し、これ以下であっても、十分な効果は得られる。要は、計測するレーザ光のビーム径の大きさに合わせて、適宜重複量を決定すればよい。 [0042] ところで、レーザ光はあるビーム径をもっており、例えば、ビーム径が大きくて 10m mであるとき、実施例 2における受光部 11X, 11Yの各端子 l la， l ib, l lYa, 11Y bから出力される電圧 VXh， VX1, VYh, VY1は、受光位置に関して図 9に示すダラフのようになる。

図 9において、受光位置の原点（0で示す）では、電圧 VXh、 VY1の値が Pで示され、電圧 VX1、 VYhの値が Qでそれぞれ示されている。これらの値 P, Qは、図 7に示すグラフの値と比較すると、小さい値となっているので、値 P， Qよりも大きな出力電圧が得られるように改善する必要がある。これは、図 8に示すように受光部 11Xと受光部 1 1Yとを一部重ね合わせることにより達成される。

[0043] ビーム径が小さいとき、例えば 5mm又はそれ以下のとき、には、受光している一方の受光部 1 IXまたは 11Yのどちらかのセンサでレーザを受光してレ、るか否かを求めて、受光しているほうのレベルセンサの受光状態から、受光位置を求める。

[0044] ビーム径が大きいとき、例えば 5mm又はそれ以上のとき、には、受光部 1 IX, 11Y の両方の受光状態から受光位置を求める。この場合、受光部 1 IX, 11Yから出力される信号の比を加重平均して求める。以下にその求め方を説明する。

[0045] 受光部 11X, 11Yにレーザ光が照射されている場合、受光位置 Lpは、

Lp = Lpx X (Vx/Vxy) +Lpy X (Vy/Vxy)

= (Lpx X Vx + Lpy X Vy) /Vxy …（6)

ただし、 Vx=Vxh + Vxl-〜 (7)

Vy=Vyh+Vyl- - - (8)

Vxy=Vxh+Vxl+Vyh+Vyl- - - (9)

ここで、受光部 1 IXにだけレーザ光が照射されていると、 Vy = 0、 Vx=Vxyとなることから（6)式により、

Lp= (Lpx XVx + Lpy X O) /Vx = Lpxとなる。

[0046] 同様に、受光部 11Yにだけレーザ光が照射されていると、 Vx = 0、 Vx=Vxyとなることから（6)式により、

Lp= (Lpx X O + Lpy XVy) ZVy=Lpyとなる。

[0047] これは、受光位置でのレーザ光が点光源でもビーム径を有していてもこれに依存せず、受光位置は（6)式により求めることができることを示してレ、る。

[0048] ところで、受光部 11X， 11Yの間のギャップの中点は、位置検出上の 0位置 (原点位置）であり、機械的な 0位置と電気的な 0位置（電圧がゼロ）であり、その位置が一定であることを意味している。例えば、レーザ光のビームに輝度ムラがあってもその位置が一定であれば、電気的な 0位置は変化することがなレ、。このため、ユーザに対してより信頼性の高いレベルセンサを提供することができる。

[0049] 上述のように、受光部 1 IX， 11丫の各端子11&， l ib, HYa, l lYbから出力される電圧 VXh, VX1, VYh, VY1は増幅器 20X, 40X, 20Y, 40Yで増幅され、各増幅器 20X, 40X, 20Y, 40Yで増幅された電圧のピーク値が第 1〜第 4ピークホールド回路 12X, 13X, 12Y, 14Yによりホールドされる。そして、演算制御装置 160が第 1〜第 4ピークホールド回路 12X, 13X, 12Y, 14Yでホールドしたピーク値に基づレ、て受光部 1 IX, 11Yのレーザ光の受光位置を（6)式に基づレ、て求める。

[0050] 図 10は、本発明の第 3実施例であって、 4つの受光部を有し、その受光部の一部を相互に重ねたものを示した説明図である。上記の第 2実施例では、受光部 111は 2 つの受光部 11X, 11Yから構成されている力図 10に示すように、 4つの受光部 11 X, 11Y, l lXa, l lYaで構成してもよレ、。この場合、受光部 1 IXの下方端部と受光部 11Yの上方端部とが、受光部 11Yの下方端部と受光部 l lXaの上方端部とが，受光部 l lXaの下方端部と受光部 l lYaの下方端部とが、それぞれ重複している。受光部 1 IXと受光部 11Yとの重複量にっレ、ては前述したが、この重複量は第 3実施例にも適用される。即ち、重複量はビーム径の 1/2程度であることが望ましい。

[0051] 一組の回路で構成されるレベルセンサでは、精度を保持するため受光部部分の拡張に限界があるが、複数の受光部を並設することで、精度を保持したまま受光部分を広範囲に、且つ、安価に拡張することができる。

[0052] この発明によれば、複数の受光素子の互いに隣接する出力端子をそれぞれ抵抗で接続したものであるから、簡単な回路を設けるだけでレベルを求めることができる。産業上の利用可能性

[0053] 本発明は、測量分野において、受光したレーザ光の中心位置である受光位置を検出するレベルセンサに適用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 並設された複数の受光素子を備えたレベルセンサであって、

前記複数の受光素子の互いに隣接する出力端子がそれぞれ抵抗で接続され、前記接続された受光素子の両端から出力される信号を基に、前記レベルセンサに接続された演算制御装置により出力信号を比較することで受光位置を解析することを特徴とするレベルセンサ。

[2] 請求 1に記載のレベルセンサを受光素子の配列方向に複数個配置したことを特徴とするレベルセンサ。

[3] 前記受光素子に接続する抵抗の大きさを変更して出力端子の信号比が等しくなる受光位置を変更することで、任意の場所を受光位置検出の基準として前記演算装置で受光位置を解析することを特徴とする請求項 1に記載のレベルセンサ。

[4] 前記複数個配置されたレベルセンサの出力信号の比を加重平均して演算装置で受光位置を解析することを特徴とする請求項 2に記載のレベルセンサ。

[5] 請求項 1のレベルセンサを複数連結して配置し、

隣りあうレベルセンサ間の受光位置は、この隣りあうレベルセンサの出力を比較することで解析することを特徴とするレベルセンサ。

[6] 前記連結して配置されるレベルセンサは、

隣りあうレベルセンサの受光位置が重複するように設けられていることを特徴とする請求項 5に記載のレベルセンサ。

[7] レーザ光の受光位置の中心を検出するレベルセンサにおいて、

一方の極が共通に接続され、レーザ光を受光する配列された複数の受光素子と、前記受光素子の他方の極とその受光素子に隣接する他方の極との間に接続され、受光するレーザ光の光量に比例する電気信号に変換する第 1の電気信号変換素子と、

前記複数の受光素子のうち一方の方向の最も端に配置された受光素子の他方の極に接続され、受光するレーザ光の光量に比例する電気信号に変換する第 2の電気信号変換素子と、

前記一方の方向と反対の方向の最も端に配置された受光素子の他方の極に接続され、受光するレーザ光の光量に比例する電気信号に変換する第 3の電気信号変換素子と、

前記第 2の電気信号変換素子において発生する第 1の電気信号と、前記第 3の電気信号変換素子において発生する第 2の電気信号とを受信するコンピュータであつて、前記コンピュータは、

前記第 1の電気信号と前記第 2の電気信号とに基づいて、前記第 1の電気信号と前記第 2の電気信号との比を求める演算を行うる演算解析処理部と、

前記演算により求められた結果と、前記複数の受光素子の配列の原点位置における信号の比とを比較する比較解析処理部とを有することを特徴とするレベルセンサレーザ光の受光位置の中心を検出するレベルセンサにおいて、

第 1の受光部と、

この第 1の受光部の一方の端部に接続され、受光するレーザ光の光量に比例する電気信号に変換する第 1の電気信号変換素子と、

前記第 1の受光部の他方の端部に接続され、受光するレーザ光の光量に比例する電気信号に変換する第 2の電気信号変換素子と、

前記第 1の受光部と光一電気特性において同一であって、その受光部と結合した第 2の受光部と、

この第 2の受光部の一方の端部に接続され、受光するレーザ光の光量に比例する電気信号に変換する第 3の電気信号変換素子と、

この第 2の受光部の他方の端部に接続され、受光するレーザ光の光量に比例する電気信号に変換する第 4の電気信号変換素子と、

前記第 1の電気信号変換素子において発生する第 1の電気信号と、前記第 2の電気信号変換素子において発生する第 2の電気信号と、前記第 3の電気信号変換素子において発生する第 3の電気信号と、前記第 4の電気信号変換素子において発生する第 4の電気信号とを受信するコンピュータであって、前記コンピュータは、

前記第 1の電気信号と前記第 2の電気信号とに基づいて、前記第 1の電気信号と前記第 2の電気信号との比を求める演算を行うる演算解析処理部と、前記演算により求められた結果と、前記複数の受光素子の配列の原点位置における信号の比とを比較する比較解析処理部とを有することを特徴とするレベルセンサ

[9] 前記第 1の受光部と前記第 2の受光部とが所定の量の重複部分を有することを特徴とする請求項 8に記載のレベルセンサ。

[10] 前記第 2の受光部に対して所定の量の重複部分を有するように結合した第 3の受光部と、

前記第 3の受光部に対して所定の量の重複部分を有するように結合した第 4の受光部とを、更に、有することを特徴とする請求項 9に記載のレベルセンサ。