(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ照射領域に配置される左右又は／及び上下に対称に分割された複数個の半導体からなる受光ユニットを具備し、透過又は反射により拡散させた変調レーザ光線を前記受光ユニットで捕捉する位置ディテクターにおいて、
前記複数個の半導体で捕捉した変調レーザ光線の光量をそれぞれ交流信号として出力し、同一強度の光量時には等しい値の交流信号を出力するように設定された光量―電圧変換回路と、
前記光量―電圧変換回路から出力された各交流信号を増幅する交流増幅手段と、
各交流信号のダイナミックレンジを圧縮する圧縮手段と、
各交流信号をそれぞれ直流信号に変換する整流手段と、
各直流信号が入力され、入力された各直流信号の差を出力する差動増幅手段と、
前記差動増幅手段による差動出力が入力され、差動出力が入力されると、中心幅指示電圧の幅により決定される値で出力するウィンドコンパレータと、
前記ウィンドコンパレータに与えられた中心幅指示電圧を、各直流信号の和で変化させて、ウィンドコンパレータの中心幅指示電圧の幅を直流信号の強弱に追従させる反転増幅手段と、
前記ウィンドコンパレータによる出力に対応して視聴覚認知のいずれかができる認知手段と、
を具備したことを特徴とする広範囲位置ディテクター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透過又は反射により拡散させた変調レーザ光線を、複数個の半導体からなる受光ユニットで捕捉するようにして広範囲にわたって正確な位置を検出する位置ディテクターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、壁、柱、床、天井等の屋内建築、改築工事の作業における、垂直出し、水平出し、勾配基準出し、直線出し等においては、レーザ光線によるビームの視認が可能であることからレーザ光線を使用している。一方、周囲が明るい昼間の屋外作業ではレーザ光線のビームが視認不可能であることから、建築工事、土木工事（基礎工事、土地区画、整地、側溝、配管等）の土建作業における位置設定を目的としては、レーザ光線によるビームは殆ど利用されていない。
【０００３】
しかし、屋外での使用を可能とするためには、レーザ光線を変調してレーザ光線のビームをセンサで検知する方法がある。その方法としては、光ビームを直接半導体素子に照射し、半導体素子上を細かく区切り、その一つ一つに設けられた多数の高感度光ディテクターにより前記光ビームを捕捉することによって位置を検出するものや4分割素子や中央電極をつけ、その左右にも電極をつけて左右の抵抗差を利用して光点位置を検出するものがある。
【０００４】
変調したレーザ光線を半導体で捕捉する際には、次のような問題と要求が発生する。
（１）レーザ光線の中心を正確に求めることができること。
（２）作業範囲の拡大のために、レーザ光線のビームが90度〜160度程度に広げられるが、その信号は弱く、また光源から離れるにしたがって、さらに著しく減少することから、信号のダイナミックレンジとしては、およそ60dB程度以上が必要となるだけでなく、信号の強弱を問わずほぼ同等の中心指示精度が要求される。
（３）屋内使用においては視認が容易であることから、その作業性を良好とするためにレーザ光線の焦点を数mmとして細いビームとして照射しているが、ビームの幅は遠方に行くにしたがって広くなり、近傍で２〜３mmであっても遠方では３０mm以上になることから、中心指示精度が確保できない。とくに、屋外作業のように数１０ｍ離れた位置を決める必要があることから、このような場合には、レーザ光線のビームの幅が変化しても（遠近を問わず）、ほぼ同等の中心指示精度が求められる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、建築工事、土木工事（基礎工事、土地区画、整地、側溝、配管等）の土建作業における屋外作業において、レーザ光線のビームの幅が変化しても（遠近を問わず）、ほぼ同等の中心指示精度を正確に求めることができ、位置決め作業を能率よく実行することができる、広範囲位置ディテクターの提供を課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る広範囲位置ディテクターは、
レーザ照射領域に配置される左右又は／及び上下に対称に分割された複数個の半導体からなる受光ユニットを具備し、透過又は反射により拡散させた変調レーザ光線を前記受光ユニットで捕捉する位置ディテクターにおいて、
前記複数個の半導体で捕捉した変調レーザ光線の光量をそれぞれ交流信号として出力し、同一強度の光量時には等しい値の交流信号を出力するように設定された光量―電圧変換回路と、
前記光量―電圧変換回路から出力された各交流信号を増幅する交流増幅手段と、
各交流信号のダイナミックレンジを圧縮する圧縮手段と、
各交流信号をそれぞれ直流信号に変換する整流手段と、
各直流信号が入力され、入力された各直流信号の差を出力する差動増幅手段と、
前記差動増幅手段による差動出力が入力され、差動出力が入力されると、中心幅指示電圧の幅により決定される値で出力するウィンドコンパレータと、
前記ウィンドコンパレータに与えられた中心幅指示電圧を、各直流信号の和で変化させて、ウィンドコンパレータの中心幅指示電圧の幅を直流信号の強弱に追従させる反転増幅手段と、
前記ウィンドコンパレータによる出力に対応して視聴覚認知のいずれかができる認知手段と、
を具備したことを特徴とする。
【０００７】
【発明の効果】
上記のように構成した本発明に係る広範囲位置ディテクターによれば、差動増幅手段による差動出力をウィンドコンパレータに入力し、これをしきい値の幅により決定される値で出力して、出力差値に対応して少なくとも等値位置で報知するようにしたから、ビームの視認可能な屋内はもちろん、ビームの視認が不可能な屋外作業であっても、また数10m離れた位置であっても、さらにレーザ光線のビームの幅が変化しても（遠近を問わず）、視覚又は聴覚による認知が可能となるとともに、ほぼ同等の中心指示精度を正確に求めることができる。また、ウィンドコンパレータに与えられたしきい値の幅を、整流器からの出力の和、及び反転増幅手段とで変化させるようにしたことにより、しきい値の幅を信号の強弱に追従させ、これによって信号の強弱に拘らず中心指示精度が一定となる。
【０００８】
したがって、照射される光線による垂直ライン、水平ラインの位置決め等の作業を極めて能率よく実施できるところの広範囲位置ディテクターを提供することができる。
【０００９】
（実施例１）
本発明に係る広範囲位置ディテクターの実施例１の構成回路を図１を参照して説明する。
【００１０】
まず所定位置に設定したレーザ光源からの光線を、半導体（フォトダイオード等）の内部光電効果（光起電力効果と光導電現象）を利用して、現象鉛直方向左右に二分割した半導体PD1、PD2で感知し、これを光量−電圧変換回路(A1)(A2)に接続するとともに、同一強度の信号入力時の電圧出力を等しく設定する。
【００１１】
そして出力される各交流信号（変調されている）を交流増幅器(A3)(A4)とフィルタ(A5)(A6)及び整流器(A7)(A8)によって直流信号に変換して差動増幅器(A9)に入力する。差動増幅器(A9)による差動出力はウィンドコンパレータ(A10)(A11)に入力される。ウィンドコンパレータ(A10)(A11)は、差動出力が入力されると、中心幅指示電圧E1〜E2の幅（しきい値の幅）により決定される値で出力する。
【００１２】
ウィンドコンパレータ(A10)(A11)からの出力値に対応して、ディスプレイドライバ又はオーディオドライバ(U1)による制御のもとでLED1、LED2、LED3のいずれかを点灯させる。ウィンドコンパレータ(A10)(A11)からの出力値がゼロ値の場合はLED3が点灯し、プラス値或いはマイナス値の場合は、鉛直ラインの中心が左右いずれかに偏っているからLED1、LED2が点灯し、いずれの方向に偏っているかを視覚認知できるようにする。作業者において前記LED3が点灯するように位置ディテクターの姿勢を操作する。
【００１３】
上記のように構成した実施例１に係る広範囲位置ディテクターを用いて垂直ラインを出す場合は、図示省略したが、例えば、所定位置に設定したレーザ光源（以下、垂直ライン照射ユニットと言う）から離れた目的の方向に垂直ライン照射ユニットからのレーザ光線と正対させて半導体（フォトダイオードPD1、PD2）の照準マークを合わせ、レーザ照射位置が受光ユニット(D)のLED1、LED2、LED3を指針として、垂直ライン照射ユニットをLED3が点灯する範囲に回動調整し、LED3の点灯位置を目的のライン又は点として確定することによって、目視により垂直ラインの位置決めが正確となる。
【００１４】
したがって、レーザ光線のビーム幅の視認が不可能な屋外作業であっても、また数十m離れた位置であっても、さらにまたレーザ光線のビーム幅が変化しても（遠近を問わず）、位置決め作業を能率よく遂行することができる。
【００１５】
さらに延長線が必要な場合は、受光ユニット(D)をレーザ照射ユニットからの必要な距離に持って行き、これを動かしてLED3が点灯する位置を探すことにより延長線上の正確な位置を確定するのである。
【００１６】
実際の光入力状態は図２に示すように、鉛直方向左右に二分割した半導体（フォトダイオードPD1、PD2）に入力する光エネルギの強さがPD1＞PD2、PD1＞＞PD2の場合はLED1が点灯し、PD1＜＜PD2、PD1＜PD2の場合はLED2が点灯し、PD1＝PD2の場合はLED3が点灯するから、その点灯を指針としてLED3の点灯する位置を探すことにより正確な位置決めができるのである。
【００１７】
この場合、差動増幅器(A9)の出力のみでは真にPD1＝PD2の時にしか０値とならないから、実際の作業時に極めて狭い範囲であって設置するのが非常に困難となるので、前記したように差動増幅器(A9)の出力をウィンドコンパレータ(A10)(A11)に入力し、ここで中心幅指示電圧E1、E2で決定された範囲内で出力が出るので、実用上支障の無い幅に中心幅指示電圧の幅E1〜E2を設定しておけば良い。
【００１８】
なお高さの位置決めにおいて必要となる水平基準ラインを設定する場合には、垂直ライン照射ユニットに換えて水平ライン照射ユニットを使用するとともに、半導体PD1、PD2が上下に対称となるように受光ユニット(D)を使用し、前記垂直ラインを照射する場合と同様、レーザ光線のビームの視認が不可能な屋外作業であっても、基準とする受光ユニット(D)の照準マークを合わせて受光ユニット(D)のLED3を点灯する範囲に設定固定した後、鉛直方向に配設した複数の受光ユニット(D)のそれぞれを、LED3が点灯する高さを探し出し、基準高さと同一高さの位置決めを行うことによって、所定高さの水平ラインの位置決めが正確となり、したがって、位置決め作業を能率よく進めることに貢献することができる。
【００１９】
上記はいずれの場合も、距離又は高さ2.5m、10mにおいて±0.5mmの極めて高い精度で位置決めすることができた。
【００２０】
（実施例２）
前記実施例１における受光ユニット(D)の回路では、ウィンドコンパレータ(A10)(A11)に与えられた中心幅指示電圧E1〜E2の幅（しきい値の幅）が一定である。PD1、PD2に対してレーザ光線の位置が変化した場合、単位移動距離当りの出力も弱くなり、遠近によって中心指示精度が変化することになる。
【００２１】
そこで図３に示すように、実施例２における受光ユニット(D)の回路は、ウィンドコンパレータ(A10)(A11)に与えられた中心幅指示電圧E3〜E4の幅（しきい値の幅）を、整流器(A7)(A8)からの出力の和、及び反転増幅器(A12)(A13)とで変化させる。すなわち、中心幅指示電圧E3〜E4の幅（しきい値の幅）を信号の強弱に追従させる。これによって信号の強弱に拘らず中心指示精度が一定となる。
【００２２】
（実施例３）
レーザ光線によるビーム幅は、決められた焦点の位置によって、距離に対する広がり度合いが変化するが、一度設定してしまえばその割合は変化しない。例えば、５mで２mm、10mで４mm、20mで８mmで設定すれば、これは距離とビームの幅の変化であると同時に、光出力とビーム幅の相関としても扱うことができる。したがって、中心幅指示電圧E3〜E4の幅（しきい値の幅）は、（E3〜E4）＝（入力光）2で制御すれば良い。
【００２３】
そこで実施例３に係る広範囲位置ディテクターでは、その受光ユニット(D)を図４の受光ユニット(D)の回路に示すように、Ｘ、Ｙ入力に同じ信号入力すると出力がＸ×Ｙとなる乗算器(U2)を具備した反転増幅器(A12)(A13)手段によりウイドウコンパレータ(A10)(A11)に出力するようにしたものである。
【００２４】
上記回路構成とすることによって、レーザ光線のビーム幅は光源からの距離が長くなるにつれて広がるが、実施例２における受光ユニット(D)の回路で制御している中心幅指示電圧E3〜E4を更に距離に反比例して狭めることができるから、ビーム幅の大小に関わらず中心指示精度は同じとすることができる。
【００２５】
またレーザ光線のビーム幅が変化することは、図２において位置検出方向のエネルギ密度が変化することであり、また単位移動量当りの差動増幅器(A9)の出力が変化することであるから、例えば、ビーム幅が１mmの時には、±１mm動いて差動増幅器(A9)の出力が±１V変化したとすると、ビーム幅が２mmの時には±２mm動かなければ差動増幅器(A9)の出力は±１Vの変化をしないからである。
【００２６】
（実施例４）
さらに、図示省略したが、受光ユニット(D)の半導体PD1、PD2の位置検出方向の幅又は半導体（PD1、PD2）に対する光入力の開口部の幅をビーム幅より狭くした場合は、ビーム幅に反比例して光出力は減少するから、距離１０mの時を１としてその割合を算出すると、自動的に変数であるビーム幅については距離に比例した割合とすることが実現され、変数である光入力については距離に反比例した割合にできることが相俟って、制御する中心幅指示電圧E1〜E2の幅（しきい値幅）の反比例した割合に、中心幅指示電圧E3〜E4を光入力割合の二乗の割合とする結果が得られ、検知精度を極めて優れたものとすることができることからこれを実施例４として開示しておく。
【００２７】
（実施例５）
実施例１乃至４は、いずれも二分割の半導体（PD1、PD2）を使用した場合について説明したが、この場合、図５を参照すれば明らかなように、レーザ光線のビーム幅が半導体PD1、PD2を対角線方向となった場合でもPD1＝PD2となって鉛直ラインの場合のLED3を点灯することもあるので、受光ユニット(D)自体に気泡管等の水準器、水平軸センサ等の傾斜センサ(S)を設けてこれを確認しながら調整して位置決めをし、誤認識の招来を避ける必要がある。
【００２８】
このような場合は、図５に示すように、受光ユニット(D)として左右、上下に対称な四分割の半導体を使用することによって、各半導体PD1、PD2、PD3、PD4は、レーザ光線のビーム幅中心が半導体の交点を通る対角線上とならない限り、PD2＋PD3＝PD1＋PD4となることはなく、したがって気泡管等を使用することなく正確な位置決め作業を熟練を要することなく迅速に行うことができるものであり、その受光ユニット(D)の回路については、前記各実施例の回路に準じて回路構成するものとする。なおこの場合、上記四分割に限定されるものではなく、五分割以上でも良いが、コスト面等から十分割以下が好ましく、その回路は、前記四分割回路に順じた構成とする。
【００２９】
また、受光ユニット(D)の回路制御をアナログ演算で行うことはできるが、回路が複雑になるので、図６に示すように、各入力をA/D変換の後CPUに入力し、光強度、ビーム幅の演算、しきい値の決定、水平ビーム、鉛直ビームの識別、傾斜センサのビームに対する傾きの指示を全てソフトウェア化して表示ドライバにより出力し、各LED1、LED2、LED3（左側入力、中心入力、右側入力）、LED4、LED5、LED6（左傾斜、水平、右傾斜）LED7、LED8（垂直ライン入力、水平ライン入力）を点灯させるようにすることが好ましい。
【００３０】
以上に説明した実施例１乃至実施例５に係る広範囲位置ディテクターによれば、至近距離と遠距離では、受光ユニットで捕捉したレーザー光線の光量を電圧変換回路から出力する信号の強度比が、ビーム幅、広がり、角度等を加味すると最大で10000:1程度迄と予想され、この強度比をそのまま線型増幅器に入力して増幅処理することはできるが、同時に各回路に特段の配慮が必要になる。
【００３１】
例えば、信号強度の変化が大きい場合、図７に示すように、通常AGC（自動利得調整）回路を用いる配慮等が必要である。この回路は、フィルタ(A5)(A6)からの信号を利得制御増幅器(A140)で増幅しこれを整流後、比較／帰還回路により、出力信号の小、大に対応して利得を上げ、下げして一定レベルの信号を確保するようにした回路で構成されるものであるが、整流と帰還を伴うため、回路自体に時定数が存在するのは避けられない。
【００３２】
本発明に係る以下の実施例においては、前記実施例１乃至５に係る広範囲位置ディテクターが、使用部品の定数変化により微少出力から高い精度までの不安定な出力状態となることを考慮して、本質的に帰還回路を必要としない圧縮手段を用い、出力レベルが大きく変化しないように、信号のダイナミックレンジを圧縮するようにするとともに、信号の高速度化と追従性を良好とした広範囲位置ディテクターとしたものである。
【００３３】
種々の関数で圧縮は可能であるが、因みに、電圧変換回路から出力を対数変換回路に入力した場合の変換例において、線型増幅器との入力対出力の相違は次のようになる。
入    力      線型（比例）出力(V)      対数出力
１                １                    １
1/10                1/10                  0.8
1/100               1/100                 0.6
1/1000              1/1000                0.4
1/10000             1/10000               0.2
【００３４】
この例で明らかなように、線型（比例）出力では微少出力から高い精度が必要とされるが、対数出力では出力レベルの変化は少なく取扱いが容易となることから、本質的に帰還回路を必要としない圧縮手段を用い、出力レベルが大きく変化しないように、信号のダイナミックレンジを圧縮するようにするとともに、信号の高速度化と追従性を良好とした広範囲位置ディテクターであるところの、交流信号を圧縮する実施例６、実施例７、整流回路において整流と圧縮を同時に行う実施例８、直流変換した後に圧縮をする実施例９について順次説明する。
【００３５】
（実施例６）
実施例６に係る広範囲位置ディテクターは、図８に示すように前記実施例１として示した図１の構成回路中、交流増幅器(A3)(A4)とフィルタ(A5)(A6)の間に、交流信号のダイナミックレンジを圧縮する対数圧縮器(A14)(A15)を介在させ、出力レベルが大きく変化しないように、信号のダイナミックレンジを圧縮するとともに、信号の高速度化と追従性を良好とするものであり、他の回路各部の説明は前記実施例１の説明と重複するため省略する。図９は、交流増幅手段と整流手段との間に介在接続する交流信号圧縮手段としての対数圧縮器(A14)(A15)の回路の一例（AD8307）を示している。
【００３６】
（実施例７）
実施例７に係る広範囲位置ディテクターは、図10に示すように、前記実施例６において交流信号のダイナミックレンジを圧縮する対数圧縮器(A14)(A15)を介在させた場合の雑音除去を考慮して、フィルタ(A5)(A6)と整流器(A7)(A8)との間に、フィルタ(A16)(A17)及び利得調整手段(A18)(A19)を接続介在させたものである。
【００３７】
（実施例８）
実施例８に係る広範囲位置ディテクターは、図11に示すように、光量−電圧変換回路(A1)(A2)から出力される交流信号を交流増幅器(A3)(A4)で増幅してフィルタ(A5)(A6)に通し、これを整流器手段で直流信号に変換するとともに、該信号のダイナミックレンジを対数圧縮器(A14)(A15)で圧縮した後、差動増幅手段による差動出力をウィンドコンパレータに入力するようにした広範囲位置ディテクターであり、フィルタ(A5)(A6)からの出力に対して、整流と圧縮を同時に対数圧縮器(A14)(A15)により行うようにしたものである。
【００３８】
この場合の対数圧縮器(A14)(A15)として、図12に示すように、バッファとダイオードと平滑コンデンサの組合せからなる回路を利用しており、これはダイオードのPN接合における順電流-順方向電圧が対数特性を示し、信号が大きくなる程その振幅は正の方向に圧縮され、負の振幅では電流が流れないため信号はあらわれないことを利用するものである。
【００３９】
（実施例９）
実施例９に係る広範囲位置ディテクターは、実施例１の回路において、図13に示すように、光量−電圧変換回路(A1)(A2)から出力される交流信号を、交流増幅器(A3)(A4)とフィルタ(A5)(A6)及び整流器(A7)(A8)によって直流信号に変換した後、この直流信号のダイナミックレンジを対数圧縮器(A14)(A15)により圧縮し、さらに差動増幅器(A9)による差動出力を制御システムにより制御されるべき量の値を測定し、その量と目標値を連続的に比較するウィンドコンパレータ(A10)(A11)に入力し、これをしきい値の幅により決定される値で出力するようにしたものである。
【００４０】
前記対数圧縮器(A14)(A15)は、直流信号圧縮手段の一例であって、図14に示した対数圧縮回路（ICL8048）の通りであり、直流信号のダイナミックレンジを、出力レベルが大きく変化しないように圧縮するとともに、信号の高速度化と追従性を良好とする点において他の実施例と同様であり、他の回路各部の説明は、前記実施例３の説明と重複するため省略する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例１に係る広範囲位置ディテクターの回路構成図である。
【図２】  実施例１に係る広範囲位置ディテクターの受光ユニット(D)への実際の光入力状態を示す図である。
【図３】  実施例２に係る広範囲位置ディテクターの回路構成図である。
【図４】  実施例３に係る広範囲位置ディテクターの回路構成図である。
【図５】  実施例５に係る広範囲位置ディテクターの受光ユニット(D)への実際の光入力状態を示す図である。
【図６】  四分割の半導体とＣＰＵ処理のブロック回路図である。
【図７】  通常のAGC（自動利得調整）回路である。
【図８】  実施例６に係る広範囲位置ディテクターの回路構成図である。
【図９】  交流信号圧縮手段の一例である対数圧縮器(A14)(A15)の回路（AD8307）を示す。
【図10】 実施例７に係る広範囲位置ディテクターの回路構成図である。
【図11】 実施例８に係る広範囲位置ディテクターの回路構成図である。
【図12】 圧縮手段として使用するバッファとダイオードと平滑コンデンサの組合せからなる回路図である。
【図13】 実施例９に係る広範囲位置ディテクターの回路構成図である。
【図14】 直流信号圧縮手段の一例である対数圧縮器(A14)(A15)の回路（ICL8048）を示す。
【符号の説明】
PD1〜PD4    フォトダイオード
(D)         受光ユニット
(A1)(A2)    光量−電圧変換回路
(A3)(A4)    交流増幅器
(A5)(A6)    フィルタ
(A7)(A8)    整流器
(A9)        差動増幅器
(A10)(A11)  ウィンドコンパレータ
(U1)        オーディオドライバ
(U2)        乗算器
(A12)(A13)  反転増幅器
(A14)(A15)  対数圧縮器
(A16)(A17)  フィルタ
(A18)(A19)  利得調整手段
【図１】
0003763013.tif 000002
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
0003763013.tif 000015