JPH042883B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザビームを利用した位置検知方
法および位置検知装置に関するものである。

〔従来技術〕 第１図は従来の位置検知方法をトンネル掘進機
などに使用した状態を示す説明図である。

図中、１は発進立坑又はトンネル内の定位置に
設置したレーザビーム発射装置、２はレーザビー
ム発射装置１から発射されたレーザビーム、３は
トンネル掘進機に設置した受光装置で、この受光
装置３の受光面４にはｘ軸ｙ軸原点Ｏが付されて
いる。

次に、上述の位置検知装置による従来の位置検
知方法について説明する。レーザビーム発射装置
１からレーザビーム２を受光装置３の受光面４に
向けて発射させる。そのレーザビーム２が受光面
４に当つた点Ｐをｘ，ｙ座標として読み取る。こ
の読み取つたｘ，ｙ座標により、レーザビーム２
に対する受光装置３の相対的な位置を検知する。
この結果、トンネル掘進機を計画予定線に沿つて
掘進させることができる。

しかしながら、従来の位置検知方法は、レーザ
ビーム発射装置１からレーザビーム２を受光装置
３の受光面４に当てて位置を検知するようにした
ものであるから、位置検知可能な範囲は受光面４
の面積内に限られてしまう。例えば、トンネル掘
進機の位置ずれ量が大きくなり、レーザビーム２
の受光面４との交点Ｐが受光面４から外れてしま
うと、それ以後は検知不能となる。このために、
受光面４をできる限り大きくする必要があると言
つた問題点がある。

〔発明の目的〕

本発明は、上述の問題点を解決した位置検知方
法および位置検知装置を提供せんとするものであ
る。

〔発明の構成〕

特許請求の範囲第１項記載の発明（以下、単に
第１の発明と称す。）は、レーザビーム発射装置
から帯状のレーザビームを受光装置の受光面に発
射し、その帯状のレーザビームを発射方向を軸と
して回転させ、受光面上に現われる帯状のレーザ
ビームの直線の内少なくとも２直線を読み取り、
その読み取つた複数本の直線の交点を求め、その
求めた交点によりレーザビーム発射装置から発射
させた帯状のレーザビームの光軸位置に対する受
光装置の相対的な位置を検知するようにしたこと
を特徴とする。

また、特許請求の範囲第２項記載の発明（以
下、単に第２の発明と称す。）は、帯状のレーザ
ビームを発射し、その帯状のレーザビームを発射
方向を軸として回転させるように構成したレーザ
ビーム発射装置と、受光面に受光素子を配設した
受光装置と、受光素子に接続し、受光素子上を横
切る帯状のレーザビームの直線の内少なくとも２
直線を読み取り、その読み取つた複数本の直線の
交点を求める演算装置とを備え、前記演算装置に
おいて求めた交点により、前記レーザビーム発射
装置から発射される帯状のレーザビームの光軸位
置に対する前記受光装置の相対的な位置を検知す
ることを特徴とする。

〔実施例〕

以下、第１の発明の一実施例を第２図乃至第６
図を参照して、また第２の発明の一実施例を第７
図乃至第１１図を参照してそれぞれ説明する。

第２図はトンネル掘進機などに使用した状態を
示す説明図、第３図は光軸が受光面内にある場合
を示した受光面の説明、第４図は光軸が受光面か
ら外れた場合を示した受光面の説明図、第５図は
受光面の最外周上の点から受光面上に現われる帯
状のレーザビームの直線を読み取る説明図、第６
図は受光面の内部の点から受光面に現われる帯状
のレーザビームの直線を読み取る説明図である。

図中、１′は発進立坑またはトンネル内の定位
置に設置したレーザビーム発射装置であつて、こ
のレーザビーム発射装置１′は帯状のレーザビー
ム２′を発射し、その帯状のレーザビーム２′をレ
ーザビーム２′の発射方向を軸として回転させる
ように構成したものである。このレーザビーム発
射装置１′は、例えば光線式ケ引き装置を使用す
る。３は受光装置、４は受光装置３の受光面であ
つて、ｘ軸ｙ軸原点Ｏが付された目盛板である。

次に、上述の位置検知装置による第１の発明の
位置検知方法について説明する。

まず、レーザビーム発射装置１′から帯状のレ
ーザビーム２′を発射させると共に、その帯状の
レーザビーム２′を回転させる。この回転は間欠
的または連続的であつても良い。この帯状のレー
ザビーム２′が受光面４に当ると、その受光面４
上に光の直線が現われる。しかも、帯状のレーザ
ビーム２′は回転しているので、上述の直線はい
ずれかの回転角度で受光面４上に現われる。この
直線をＡとする。さらに、帯状のレーザビーム
２′を回転させたときの直線をＢとする。この直
線Ａと直線Ｂとの交点Ｐを求める。この交点Ｐが
帯状のレーザビーム２′の光軸であり、受光面４
の原点Ｏとの差がトンネル掘進機のずれの量に相
当する。

上述の交点（帯状のレーザビーム２′の光軸）
Ｐが第３図に示すように受光面４の範囲内にある
場合は、従来の位置検知方法でも位置検知が可能
である。ところが、上述の交点Ｐが第４図に示す
ように受光面４の範囲外にある場合は、従来の位
置検知方法では位置検知が不可能であるが、第１
の発明の位置検知方法により位置検知が可能であ
る。すなわち、この第１の発明の位置検知方法
は、帯状のレーザビーム２′を回転させているの
で、見通しがきき、かつ帯状のレーザビーム２′
が遮られない限り、受光面４には帯状のレーザビ
ーム２′の直線がいずれ現われる。この受光面４
上に現われた直線の内２直線Ａ，Ｂを読み取るこ
とにより、２直線Ａ，Ｂの交点Ｐを以下のように
して求めることができる。

第５図中、Ａ，Ｂは時刻t_a、t_bで受光面４上に
現われる帯状のレーザビーム２′の直線である。
この直線Ａ，Ｂは、それぞれ点A₁、A₂および点
B₁，B₂で受光面４の外周Ｃと交差する。この点
A₁、A₂およびB₁，B₂の受光面４の座標軸ｘ−ｙ
に関する座標を、 A₁（x₁₁y₁₁）、A₂（x₁₂y₁₂） B₁（x₂₁y₂₁）、B₂（x₂₂y₂₂） とする。すると、直線Ａ，Ｂの方程式は夫々下式
(1)により求まる。

これらの２直線の交点Ｐの座標は Ｐ（x₂₁y₂₂−x₂₂y₂₁／x₂₁−x₂₂−x₁₁y₁₂−x₁₂y₁₁／x_1
1−x₁₂／y₁₁−y₁₂／x₁₁−x₁₂−y₂₁−y₂₂／x₂₁−x₂₂，x_1
1y₁₂−x₁₂y₁₁／y₁₁−y₁₂−x₂₁y₂₂−x₂₂y₂₂／y₂₁−y₂₂／
x₁₁−x₁₂／y₁₁−y₁₂−x₂₁−x₂₂／y₂₁−y₂₂）……(2) となる。実際には、第５図に示すように、受光面
４からはずれたレーザビーム部分は目視できない
ことがあり、図面中破線で図示している通りであ
るが、上記のＰ点の計算値には受光面４上の４点
A₁，A₂，B₁，B₂の座標が含まれているのみであ
る。従つて、Ｐ点を目視できない場合でも座標軸
ｘ−ｙに関するＰ点の座標を同定することができ
る。第５図の説明では受光面４最外周Ｃ上の４点
A₁，A₂，B₁，B₂を用いたが、必ずしもそうする
必要はない。例えば、第６図のように一本の直線
Ａ（又はＢ）について、受光面４の内部の２点
A₁，A₂（又はB₁，B₂）が読みとれればよい。

以上の説明では、２本の直線Ａ，Ｂの交点とし
てＰを求めたが、第４図のように多数本の直線の
交点の平均値としてＰ点を求めれば検出精度をさ
らに向上させることができる。

このように、第１の発明の位置検知方法は、帯
状のレーザビーム２′の光軸（交点Ｐ）が受光面
４から外れていてもその光軸を求めることができ
る。このため、位置検知の範囲が広くなり、一方
受光面４の面積を小さくすることができ、ひいて
は受光装置３を小型化することができる。

第７図はトンネル掘進機などに使用した状態の
説明図、第８図はラインセンサの正面図、第９図
は縦軸に電気出力、横軸に時間をとつたグラフ、
第１０図は受光面に帯状のレーザビームが当つた
状態の説明図、第１１図は操作順序を表わしたブ
ロツク図である。

この実施例における第２の発明の位置検知装置
は、レーザビーム発射装置１′と、受光装置３と、
演算装置１０２と、表示装置１０３とからなる。

レーザビーム発射装置１′は、帯状のレーザビ
ーム２′を発射し、その帯状のレーザビーム２′を
レーザビーム２′の発射方向を軸として回転させ
るように構成したものであつて、例えば光線式ケ
引き装置を使用する。

前記受光装置３は、前面に受光面４を設け、そ
の受光面４の４辺に４個のラインセンサ１００−
１，１００−２，１００−３，１００−４をそれ
ぞれ組み込むと共に、受光面４にｘ軸、ｙ軸、原
点Ｏを付す。このラインセンサ１００−１，１０
０−２，１００−３，１００−４は、長さを2a
とし、第１０図に示すように口形に配置し、かつ
その中心がｘ軸、ｙ軸上に位置するように配置す
る。このラインセンサ１００−１，１００−２，
１００−３，１００−４は、例えば256個のホト
ダイオードを一次元に配列したものであつて、
256個のホトダイオードに入射した光量に応じた
電気信号が出力される。ここで、ｎ番目のホトダ
イオードに帯状のレーザビーム２′が当ると、第
９図に示すように、ｎ番目のホトダイオードに対
応するところの電気信号が強く出力される。

前記演算装置１０２は、ラインセンサ１００−
１，１００−２，１００−３，１００−４から出
力された電気信号により、帯状のレーザビーム
２′とラインセンサ１００−１，１００−２，１
００−３，１００−４との交点を後述のように読
み取り、その読み取つた交点により上式(1)で２直
線Ａ，Ｂを求め、その２直線Ａ，Ｂにより上式(2)
で交点Ｐ（帯状のレーザビーム２′の光軸）を求
め、その交点Ｐの座標を出力する。

前記表示装置１０３は、演算装置１０２から出
力された交点Ｐの座標に基づいて画面上に交点Ｐ
に対応する位置にスポツトを結像させるように構
成したものである。なお、この表示装置１０３
は、交点Ｐをスポツト結像させるものの他に、演
算装置１０２から出力された交点Ｐの演算結果の
ｘ座標、ｙ座標を数値で表示するものであつても
良い。

次に、上述の演算装置１０２における演算につ
いて説明する。

まず、256個のホトダイオード中ｎ番目のホト
ダイオードが受光している場合において、その位
置を演算して求める。すなわち、所定時間Ｔの周
期でラインセンサの256個のホトダイオードを走
査する。すると、ｎ番目のホトダイオードが受光
しているときは、第９図に示すように、初時点t₁
から時間ｎ／256Ｔを経過した時点t_oに強い電気信号 が出力される。従つて、タイマによつて所定時間
Ｔ周期で繰り返しで出力される電気信号の内強い
電気信号が出力され時点t_oを検出することによ
り、下式(3)で256個のホトダイオードの内何番目
のホトダイオードが受光しているかを知ることが
できる。

ｎ＝256×t_o／Ｔ ……(2) また、ホトダイオードの１個１個は極めて精度
良い寸法で仕上げられているので、１個のホトダ
イオードの幅寸法をｂとすると、上式(3)でｎ番目
のホトダイオードが検出された場合、例えば第８
図に示すように、１番目のホトダイオード（左端
のホトダイオード）から距離nb離れた箇所に帯
状のレーザビーム２′が当つていることが分る。
このようにして、ラインセンサの受光位置を求め
ることができる。

次に、上述のラインセンサの受光位置の演算結
果から、受光面４上に現われる帯状のレーザビー
ム２′の直線を演算して求める。例えば、第１０
図に示すように、帯状のレーザビーム２′の直線
Ａがラインセンサ１００−１，１００−２を横切
つて受光面４上に現われた場合、ラインセンサ１
００−１のn₁番目のホトダイオードと、ラインセ
ンサ１００−２のn₂番目のホトダイオードに対応
する時点に強い電気信号が出力されることによ
り、上述の原理で位置bn₁とbn₂とがそれぞれ求め
られる。ここで、直線Ａがラインセンサ１００−
１，１００−２を横切る点A₁，A₂の座標をA₁
（x₁₁、y₁₁）、A₂（x₁₂、y₁₂）とすると、 x₁₁＝−ａ＋bn₁、y₁₁＝ａ x₁₂＝ａ、y₁₂＝ａ−bn₂ ……(4) となる。この(4)式から点A₁，A₂の座標が求まり、
この点A₁，A₂の座標から上式(1)で直線Ａの方程
式が求まる。

また、帯状のレーザビーム２′が回転して第１
０図中の破線に示すように、ラインセンサ１００
−３，１００−４を横切つて受光面４上に現われ
た場合における直線Ｂの点B₁，B₂の座標をも同
様にして求めることができ、かつ直線Ｂの方程式
も同様にして求まる。

そして、上述のようにして求められた２直線
Ａ，Ｂの方程式により、上式(2)で２直線Ａ，Ｂの
交点Ｐの座標が求められる。この交点Ｐの座標が
表示装置１０３へ出力される。

第１１図は操作順序を表わしたブロツク図で、
以下その操作順序を説明する。

(イ) まず、レーザビーム発射装置１′から帯状の
レーザビーム２′を受光装置３の受光面４に向
けて発射する。このとき、受光面４上に帯状の
レーザビーム２′の直線Ａが現われる。

(ロ) この帯状のレーザビーム２′の直線Ａが受光
面４上に現われている間、すなわちラインセン
サが受光している間に、直線Ａとラインセンサ
との交点A₁，A₂を求め、さらにこの交点A₁，
A₂から直線Ａの方程式を求める。

(ハ) 次に、帯状のレーザビーム２′を回転させる。
すると、受光面４上に帯状のレーザビーム２′
の直線Ｂが現われる。

(ニ) 上述の(ロ)と同様にラインセンサが受光してい
る間に、直線Ｂとラインセンサとの交点B₁，
B₂を求め、さらに直線Ｂの方程式を求める。

(ホ) 上述の(ロ)のＡの方程式および(ニ)のＢの方程式
により、２直線Ａ，Ｂの交点Ｐの座標を求め、
この交点Ｐの座標を表示装置１０３に出力す
る。

このように、この実施例における第２の発明の
位置検知装置は、電気的に帯状のレーザビーム
２′の光軸を求めることができるので、正確にか
つ迅速に帯状のレーザビーム２′の光軸位置に対
する受光装置３の相対的な位置を検知することが
できる。しかも、帯状のレーザビーム２′を回転
させて、その帯状のレーザビーム２′の光軸を求
めるので、帯状のレーザビーム２′の光軸が受光
面４から外れていてもその光軸を求めることがで
きる。従つて、位置検知範囲が広くなり、一方受
光面４の面積を小さくすることができ、ひいては
受光装置３をも小型化することができる。

なお、上述の実施例においては、２本の直線
Ａ，Ｂから帯状のレーザビーム２′の光軸を求め
たが、多数本の直線の交点の平均値として交点Ｐ
（帯状のレーザビーム２′の光軸）を求めるように
しても良い。この場合検知精度がさらに向上され
る。

〔発明の効果〕

以上の実施例からも明らかなように、本発明の
位置検知方法は、帯状のレーザビームを発射さ
せ、その帯状のレーザビームを回転させ、受光面
に現われる直線の内少なくとも２直線を読み取つ
て帯状のレーザビームの光軸を求め、この帯状の
レーザビームの光軸に対する受光装置の相対的な
位置を検知するものであるから、帯状のレーザビ
ームの光軸が受光面から外れても位置検知を行う
ことができる。このために、受光装置を小型化す
ることができる。

また、本発明の位置検知装置は、電気的に帯状
のレーザビームの光軸を求めるので、正確にかつ
迅速に位置検知を行うことができる。しかも、受
光装置を小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の位置検知方法をトンネル掘進機
などに使用した状態を示す説明図である。第２図
乃至第６図は本発明の位置検知方法の一実施例を
示し、第２図はトンネル掘進機などに使用した状
態を示す説明図、第３図は光軸が受光面内にある
場合を示した受光面の説明、第４図は光軸が受光
面から外れた場合を示した受光面の説明図、第５
図は受光面の最外周上の点から受光面上に現われ
る帯状のレーザビームの直線を読み取る説明図、
第６図は受光面の内部の点から受光面に現われる
帯状のレーザビームの直線を読み取る説明図であ
る。第７図乃至第１１図は本発明の位置検知装置
の一実施例を示し、第７図はトンネル掘進機など
に使用した状態の説明図、第８図はラインセンサ
の正面図、第９図は縦軸に電気出力、横軸に時間
をとつたグラフ、第１０図は受光面に帯状のレー
ザビームが当つた状態の説明図、第１１図は操作
順序を表わしたブロツク図である。 １′……レーザビーム発射装置、２′……帯状の
レーザビーム、３……受光装置、４……受光面、
１００−１，１００−２，１００−３，１００−
４……ラインセンサ、１０２……演算装置、１０
３……表示装置、Ａ，Ｂ……受光面４上に現われ
た直線、Ｐ……２直線Ａ，Ｂの交点（帯状のレー
ザビーム２′の光軸）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザビーム発射装置から帯状のレーザビー
   ムを受光装置の受光面に発射し、その帯状のレー
   ザビームを発射方向を軸として回転させ、受光面
   上に現われる帯状のレーザビームの直線の内少な
   くとも２直線を読み取り、その読み取つた複数本
   の直線の交点を求め、その求めた交点によりレー
   ザビーム発射装置から発射させた帯状のレーザビ
   ームの光軸位置に対する受光装置の相対的な位置
   を検知するようにしたことを特徴とする位置検知
   方法。 ２ 帯状のレーザビームを発射し、その帯状のレ
   ーザビームを発射方向を軸として回転させるよう
   に構成したレーザビーム発射装置と、受光面に受
   光素子を配設した受光装置と、受光素子に接続
   し、受光素子上を横切る帯状のレーザビームの直
   線の内少なくとも２直線を読み取り、その読み取
   つた複数本の直線の交点を求める演算装置とを備
   え、前記演算装置において求めた交点により、前
   記レーザビーム発射装置から発射される帯状のレ
   ーザビームの光軸位置に対する前記受光装置の相
   対的な位置を検知することを特徴とする位置検知
   装置。