JPH0479564B2 - - Google Patents
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- JPH0479564B2 JPH0479564B2 JP60274172A JP27417285A JPH0479564B2 JP H0479564 B2 JPH0479564 B2 JP H0479564B2 JP 60274172 A JP60274172 A JP 60274172A JP 27417285 A JP27417285 A JP 27417285A JP H0479564 B2 JPH0479564 B2 JP H0479564B2
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- position detector
- light receiving
- dimensional semiconductor
- semiconductor position
- laser beam
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Description
〔産業上の利用分野〕
本発明は、小口径管埋設機あるいはトンネル掘
削機等の姿勢を検出する装置に関する。 〔従来の技術〕 小口径管埋設機は先端に方向制御機能を持つパ
イロツトヘツドおよび後続のパイロツト管（先導
管）を油圧ジヤツキで圧入し、その後ヒユーム管
を埋設するもので、その埋設工事精度は、パイロ
ツト管とくにパイロツトヘツドの制御性能に大き
く依存している。したがつて圧入時にパイロツト
ヘツドの姿勢をオペレータが正確に知ることが、
極めて重要である。 そこで従来、上記パイロツトヘツド内に該ヘツ
ドの軸線に直交する態様で集光レンズおよび２次
元半導体位置検出器（ポジシヨンセンサ）を配設
し、レーザトランシツトより投射される基準レー
ザ光を上記レンズを介して上記位置検出器に入射
させるようにした姿勢検出装置が提案され実用さ
れている（たとえば実公昭57−26163号） この姿勢検出装置によれば、レーザビームの光
軸に対するパイロツトヘツドの水平方向偏角（方
位角）および垂直方向偏角（ピツチ角）を光点位
置検出器の出力に基づいて電気的に検出すること
ができるので、従来はその検出結果をメータ等に
表示させてオペレータにパイロツトヘツドの姿勢
角変化を認識させるようにしていた。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来の姿勢検出装置は、上記パイロツトヘ
ツド内にメツシユ板を配設し、このメツシユ板に
対するレーザービームの入射点を上記レーザート
ランシツトで視準することによつてパイロツトヘ
ツドの横偏位量（横ずれ量）を検出しているの
で、パイロツトヘツドとトランシツト間の距離が
大きい場合、上記メツシユ板の目盛を読み取るこ
とが困難になる。 また、上記目盛を読み取るために、常時、作業
者を配して置かなければならないという不便があ
り、しかも、横偏位量の計測結果を電気信号とし
て得ることができないので、パイロツトヘツドの
自動制御にその計測結果を使用することができな
いという欠点がある。 そこで、上記メツシユ板に代えて、線状受光素
子を格子状に配列させてなる受光板を使用した実
公昭58−52483号に示す装置が提案されている。 この装置によれば、上記横偏位量を電気的に検
出することができるという利点が得られるが、半
面、上記格子状に配列された線状受光素子の遮光
作用のために、上記受光板を通過したビームの強
度重心位置が該ビームのの光軸からずれるという
現象を生じることから、上記通過ビームを受光す
る前記姿勢角検出用のポジシヨンセンサの検出結
果に誤差を生じるという問題がある。 また、上記装置は、受光板に入射させるレーザ
ビームの径を、線状受光素子の配列間隔よりも大
きく設定しなければならないという実用上の不便
さがあり、また、受光板の位置検出精度が線状受
光素子の配列間隔の1/2に制限されるという欠点
もある。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、かかる従来の問題点を解消すること
を目的とし、そのため、透光性を有する均質な薄
膜によつて受光域が形成された第１の２次元半導
体位置検出器と、この第１の２次元半導体位置検
出器の前方または後方に配設された集光レンズお
よびこのレンズの焦点位置に配設された第２の２
次元半導体位置検出器を備えた受光部と、投射さ
れたレーザービームが上記第１の２次元半導体位
置検出器および上記レンズを通過した後、上記第
２の２次元半導体位置検出器に到達するように配
設されたレーザービーム投光手段と、上記第１の
２次元半導体位置検出器の出力に基づいて上記レ
ーザービームに対する上記受光部の光軸のずれを
演算するとともに、上記第２の２次元半導体位置
検出器の出力に基づいて上記レーザービームに対
する上記受光部の光軸の角度を演算する演算手段
とが備えられている。 〔実施例〕 以下、本発明の実施例を添付図面を参照して詳
細に説明する。 本発明の実施例に係る姿勢検出装置において
は、第１図に示すような構成の受光部１が使用さ
れる。なお、この受光部１は第７図に示す如く小
口径管埋設機のパイロツトヘツド１０１の内部に
その光軸が該ヘツド１０１の中心軸線に合致する
態様で配設される。 この受光部１は透光性を有した第１の２次元半
導体位置検出器２と、この第１の２次元半導体位
置検出器２の後方に配設された非球面集光レンズ
３と、このレンズ３の焦点位置に配設された第２
の２次元半導体位置検出器４とを備えている。 上記半導体位置検出器２は、第２図に示すよう
な構成をもつ。すなわち、ガラス等からなる透明
基板２１上に透明導電膜（たとえばITOで形成さ
れる）からなる抵抗層２２がスパツタ法もしくは
真空蒸着法によつて形成されている。そして、こ
の抵抗層２２の上面に光起電力を生じる半導体層
２３が形成され、さらに該層２３の上面に透光性
導電膜からなる抵抗層２４が上記抵抗層２２と同
様の方法によつて形成されている。なお抵抗層２
２，２４の膜厚は、たとえば1000Å程度に設定さ
れる。 上記半導体層２３は、第３図に示す如くｐ型ア
モルフアスシリコン層（以下、ｐ層という）３
１、ｉ型アモルフアスシリコン層（以下、ｉ層と
いう）３２およびｎ型アモルフアスシリコン層
（以下ｎ層という）３３からなる３層構造を有し
ている。 この半導体層２３を構成するｐ，ｉ，ｎ層は、
グロー放電分解CVD（chemical vapor
deposition）法等によつて形成され、この実施例
において、それらの膜厚dp，diおよびdnは、
各々dp≒100〜300Å，di＝4000〜6000Åおよび
dn≒300〜500Å程度に設定されている。 上記抵抗層２２の両端部には、棒状をなした一
対のＸ方向集電電極２５ａ，２５ｂが対向配置さ
れ、同様に抵抗層２４の両端部には一対のＹ方向
集電電極２６ａ，２６ｂが対向配置されている。
そして、これらの集電電極の中央部には、電流を
取出すためのリード線２７がそれぞれ接続されて
いる。 このような位置検出器２は、基板１にガラスを
使用し、抵抗層２２，２４を透光性の導電膜で形
成しているので、光透過性をもつ。そして、上記
検出器２は、上記電極２５ａ，２５ｂおよび２６
ａ，２６ｂで囲まれた部位が受光域として機能す
る。 なお、前記第２の位置検出器４も上記位置検出
器２と同様の構成のものを用いることができる
が、この検出器４は光透過性である必要がないの
で、たとえば基板１側の光入射面側とする場合に
は抵抗層２４を遮光性の材料で形成してもよい。
また、抵抗層２４側を受光面とする場合には、抵
抗層２２および基板１を遮光性の材料で形成して
よい。 上記受光部１は、第４図に示すレーザ投光器５
と組合わせて使用される。すなわち、上記受光部
１によつて第７図に示したパイロツトヘツド１０
１の姿勢を検出する場合には第４図に示すレーザ
投光器５より受光部１に向けて基準レーザビーム
Ｌが投射される。このレーザビームＬは、パイロ
ツトヘツド１０１の進行方向の基準として設定す
るものであり、上記透光性を有する位置検出器２
およびレンズ３を通過したのち位置検出器４に入
射する。 第１図に示すように、位置検出器２、レンズ３
および位置検出器４はそれらの中心点が受光部１
の光軸Ｊつまりパイロツトヘツド１０１の中心軸
線を通るように配設されている。それ故、第１図
に実線で示す如く光軸Ｊに平行する光が位置検出
器２に入射した場合、この光はレンズ３で集光さ
れて位置検出器４の中心点に入射する。また同図
に点線で示す如く光軸Ｊに対しピツチ角αで入射
する光は上記中心点からδだけずれた位置検出器
４上の点に入射することになる。 δとαとの関係は δ＝ｆ・tan α ……(1) ただし、ｆはレンズ３の集点距離 と表わされるので、δが求められれば次式(2)より
αを得ることができる。 α＝tan-1δ／ｆ ……(2) なお、上記入射光の方位角をβ、この方位角β
に基づく検出器４上の光入射位置のずれをηとす
ると、方位角βは式(2)に準じて β＝tan-1η／ｆ ……(3) と表わされる。 第１の２次元半導体位置検出器２におけるレー
ザビームＬの入射位置Ｓには半導体層２３の光電
変換作用に基づく光生成電流が発生し、この光生
成電流は位置Ｓと電極２５ａ，２５ｂ間の各抵抗
に逆比例する態様で分割されるとともに、位置Ｓ
と電極２６ａ，２６ｂ間の各抵抗に逆比例する態
様で分割される。この結果、位置検出器２のＸ方
向集電電極２５ａ，２５ｂからそれぞれ分割電流
IX11，IX12が取出されるとともに、Ｙ方向集電電
極２６ａ，２６ｂからそれぞれ分割電流IY11，
IY12が取出される。 一方、第２の２次元半導体位置検出器４におけ
るレーザビームＬの入射位置Ｔに発生した光生成
電流も上記と同様に分割され、その結果、そのＸ
方向集電電極２５ａ，２５ｂから分割電流IX21，
IX22が各々取出されるとともに、Ｙ方向集電電極
２６ａ，２６ｂから分割電流IY21，IY22が取出さ
れる。 これらの電流は第５図に示すように入力回路５
１を介してCPU５２に入力される。そしてCPU
５２は第６図に示す手順を実行して検出器２およ
び４におけるレーザビームＬの入射位置Ｓ，Ｔを
求める。 すなわち、CPU５２は、第１の半導体位置検
出器２の各出力電流IX11，IX12，IY11，IY12を取込
み（ステツプ61）、次式(4)および(5)に示す演算を
行つて位置Ｓ（X1，Y1）を求める（ステツプ62）。 X1＝LX1／２（IX12−IX11）／（IX12＋IX11）……(4) Y1＝LY1／２（IY12−IY11）／（IY12＋IY11）……(5) ただし、 LX1：位置検出器２における集電電極２５ａ，
２５ｂ間の距離 LY1：同検出器における集電電極２６ａ，２６
ｂ間の距離 上式で求められる位置Ｓの座標（X1，Y1）は、
レーザビームＬに対する光軸Ｊの横ずれ量（X1）
及び縦ずれ量（Y1）を示している。 上記半導体位置検出器２は、検出範囲（LX1×
LY1）に対する検出誤差が0.5％程度なので、上記
検出範囲が例えば90×90mmであれば誤差が約0.5
mmとなり、充分な検出精度が得られる。 なお、上式(4)および(5)は半導体位置検出器にお
ける光ビームの入射位置を求めるための一般的な
式である。（Arimoto，S.，Yamamoto，H.，
Ohno，H.，Hasegawa，H.；15th Conference
onSolid State Devices and Materials，1983，
PP197〜PP200を参照） 次に、CPU５２は第２の半導体位置検出器４
の各出力電流IX21，IX22，IY21，IY22を取込み（ス
テツプ63）、次式(6)および(7)に示す演算を行つて
位置Ｔ（X2，Y2）を求める（ステツプ64）。 X2＝LX2／２（IX22−IX21）／（IX22＋IX21）……(6) Y2＝LY2／２（IY22−IY21）／（IY22＋IY21）……(7) ただし、 LX2：位置検出器４における集電電極の離間距
離 LY2：Ｙ方向に対向する各集電電極の離間距離 そして、上記ステツプ64で求められた位置Ｔ
（X2，Y2）に基づいて次式(8)および(9)に示す演算
を行い、ピツチ角αおよび方位角βを求める（ス
テツプ65）。なお、この(8)，(9)式は前記(2)，(3)式
に対応している。 α＝tan-1（Y2／ｆ） ……(8) β＝tan-1（X2／ｆ） ……(9) ただし、ｆ：レンズ３の焦点距離 上記半導体位置検出器４は検出誤差が0.5％程
度なので、その検出範囲（LX2×LY2）が例えば20
×20mmであれば誤差が約0.1mmになる。したがつ
て、＝150mmとすると、検出されるピツチ角α
および方位角βの誤差は±0.6／1000となり、し
たがつて充分な検出精度を得ることができる。 このように第１の位置検出器２の出力に基づい
て、レーザビームＬに対する受光部１の光軸Ｊの
横ずれ量が検出され、第２の位置検出器４の出力
に基づいて受光部１の姿勢、すなわち光軸Ｊに対
する該受光部１のピツチ角および方位角が求めら
れる。 CPU５２は、上記位置Ｓつまり横ずれ量を示
す信号と上記ピツチ角αと方位角βを示す信号を
出力回路５３を介して表示器５４およびパイロツ
トヘツド制御部５５に加え（ステツプ66）これに
よつて上記表示器５４が横ずれ量X1，Y1、ピツ
チ角αおよび方位角βを表示するとともに、パイ
ロツトヘツド制御部５５がパイロツトヘツト１０
１内部に設けられた第７図および第８図に示す垂
直方向揺動ジヤツキ７１、水平方向揺動ジヤツキ
７２およびパイロツトジヤツキ７３を制御する。 すなわち、パイロツトヘツド制御部５５は上記
横ずれ量、ピツチ角αおよび方位角βに基づいて
上記各揺動ジヤツキ７１および７２の目標伸縮量
を各各設定する。そして、第８図に示す各電磁バ
ルブ８１および８２のソレノイドに目標伸縮量に
対応した駆動信号EX1（またはEX2）およびEY1（ま
たはEY2）を加え、これらの電磁バルブ８１およ
び８２を各々作動させる。これにより各電磁バル
ブ８１および８２に接続されている各揺動ジヤツ
キ７１および７２が伸縮し、これらのジヤツキ７
１および７２に連結されているパイロツトジヤツ
キ７３が垂直方向および水平方向に揺動される。
その際、各ジヤツキ７１および７２の伸縮量が各
ポテンシヨンメータ８３および８４によつて検出
され、各伸縮量を示す信号FX，FYがパイロツト
ヘツド制御部５５にフイードバツクされ、検出さ
れた各揺動ジヤツキ７１および７２の伸縮量が上
記各目標伸縮量に等しくなると、それらのジヤツ
キ７１および７２の伸縮が停止される。 つぎに、パイロツトヘツド制御部５５は電磁バ
ルブ８５のソレノイドに駆動信号EZ1（またはEZ2）
を加え、これにより、電気バルブ８５に接続され
たパイロツトジヤツキ７３が伸縮する。 第７図ａ，ｂ，ｃ，ｄはこのような制御の態様
を例示している。すなわち、第７図ａには受光部
１によつてレーザビームＬに対する横ずれ量、ピ
ツチ角αおよび方位角βが検出されている状態が
示されている。また第７図ｂには受光部１でパイ
ロツトヘツド１０１の圧入方向が下方にずれてい
ることが検出されて、垂直方向揺動ジヤツキ７１
によりパイロツトジヤツキ７３が上方に揺動され
ている状態が示されている。さらに第７図ｃに
は、パイロツトジヤツキ７３が前進されている状
態が、また、第７図ｄには図示されていない推進
ジヤツキによつてパイロツトヘツド１０１および
パイロツト管７４が推進され、同時にパイロツト
ヘツド１０１の管体がパイロツトジヤツキ７３の
縮退に伴つて推進している状態、つまりパイロツ
トヘツド１０１の姿勢が修正されて目標方向に向
つて正確に圧入されている状態が示されている。 第９図は、本発明に係る姿勢検出装置における
受光部１の他の例を示している。 この受光部１は、非球面集光レンズ３の手前に
第１の２次元半導体位置検出器２を配設した構成
をもつ。したがつてレンズ３の受光範囲がＨであ
る場合、この受光部１では２次元半導体位置検出
器２の検出範囲がｈ（＜Ｈ）でよいことになる。
つまり、この受光部１によれば、検出器２の有効
受光面積を実質的に拡大（たとえば80×80mm→90
×90mm）することができるので、第１図に示した
受光部１に比して検出器２の小型化を図れる。 ただし、第９図に示した受光部１においては、
レーザビームＬに対するピツチ角αもしくは方位
角βが零でない場合に、位置検出器２の計測値に
誤差ｔを生じることになる。しかしレンズ２の焦
点距離がｆ＝150mmで、ピツチ角がα＝1.7°の場
合における誤差ｔは0.5mm程度であり、したがつ
てこの種の小口径管埋設機に要求される精度は充
分に確保される。 なお、上記誤差ｔが問題となるような場合に
は、次式(10)および（11）に基づいて検出されたず
れ量（X1，Y1）の補正を行うことができ、この
実施例ではこのずれ量の補正をCPU５２に行な
わせるようにしている。 x1＝／−ｄ（X1＋ｄ／X2） ……(10) y1＝／−ｄ（Y1＋ｄ／Y2） ……（11） ただし、 ｄ： レンズ３と第１の半導体位置検出器２間
の距離 x1，y1：補正されたずれ量 X2，Y2：第２の半導体位置検出器４で検出さ
れたレーザビームの入射位置 第１０図は受光部１の別の例を示している。こ
の受光部１においては、球面収差を有した球面レ
ンズ３′が使用されている。かかるレンズ３′を使
用した場合、その球面収差のために次の様な現象
を生じる。すなわち、レーザビームＬがレンズ
３′の光軸Ｊから距離H0離れてかつ光軸Ｊに平行
に入射したとすると、該ビームＬは第２の半導体
位置検出器４上で光軸Ｊから距離H1（収差値）だ
けずれた位置に入射する。次表は上記各距離H0
およびH1の対応関係を例示している。
削機等の姿勢を検出する装置に関する。 〔従来の技術〕 小口径管埋設機は先端に方向制御機能を持つパ
イロツトヘツドおよび後続のパイロツト管（先導
管）を油圧ジヤツキで圧入し、その後ヒユーム管
を埋設するもので、その埋設工事精度は、パイロ
ツト管とくにパイロツトヘツドの制御性能に大き
く依存している。したがつて圧入時にパイロツト
ヘツドの姿勢をオペレータが正確に知ることが、
極めて重要である。 そこで従来、上記パイロツトヘツド内に該ヘツ
ドの軸線に直交する態様で集光レンズおよび２次
元半導体位置検出器（ポジシヨンセンサ）を配設
し、レーザトランシツトより投射される基準レー
ザ光を上記レンズを介して上記位置検出器に入射
させるようにした姿勢検出装置が提案され実用さ
れている（たとえば実公昭57−26163号） この姿勢検出装置によれば、レーザビームの光
軸に対するパイロツトヘツドの水平方向偏角（方
位角）および垂直方向偏角（ピツチ角）を光点位
置検出器の出力に基づいて電気的に検出すること
ができるので、従来はその検出結果をメータ等に
表示させてオペレータにパイロツトヘツドの姿勢
角変化を認識させるようにしていた。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来の姿勢検出装置は、上記パイロツトヘ
ツド内にメツシユ板を配設し、このメツシユ板に
対するレーザービームの入射点を上記レーザート
ランシツトで視準することによつてパイロツトヘ
ツドの横偏位量（横ずれ量）を検出しているの
で、パイロツトヘツドとトランシツト間の距離が
大きい場合、上記メツシユ板の目盛を読み取るこ
とが困難になる。 また、上記目盛を読み取るために、常時、作業
者を配して置かなければならないという不便があ
り、しかも、横偏位量の計測結果を電気信号とし
て得ることができないので、パイロツトヘツドの
自動制御にその計測結果を使用することができな
いという欠点がある。 そこで、上記メツシユ板に代えて、線状受光素
子を格子状に配列させてなる受光板を使用した実
公昭58−52483号に示す装置が提案されている。 この装置によれば、上記横偏位量を電気的に検
出することができるという利点が得られるが、半
面、上記格子状に配列された線状受光素子の遮光
作用のために、上記受光板を通過したビームの強
度重心位置が該ビームのの光軸からずれるという
現象を生じることから、上記通過ビームを受光す
る前記姿勢角検出用のポジシヨンセンサの検出結
果に誤差を生じるという問題がある。 また、上記装置は、受光板に入射させるレーザ
ビームの径を、線状受光素子の配列間隔よりも大
きく設定しなければならないという実用上の不便
さがあり、また、受光板の位置検出精度が線状受
光素子の配列間隔の1/2に制限されるという欠点
もある。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、かかる従来の問題点を解消すること
を目的とし、そのため、透光性を有する均質な薄
膜によつて受光域が形成された第１の２次元半導
体位置検出器と、この第１の２次元半導体位置検
出器の前方または後方に配設された集光レンズお
よびこのレンズの焦点位置に配設された第２の２
次元半導体位置検出器を備えた受光部と、投射さ
れたレーザービームが上記第１の２次元半導体位
置検出器および上記レンズを通過した後、上記第
２の２次元半導体位置検出器に到達するように配
設されたレーザービーム投光手段と、上記第１の
２次元半導体位置検出器の出力に基づいて上記レ
ーザービームに対する上記受光部の光軸のずれを
演算するとともに、上記第２の２次元半導体位置
検出器の出力に基づいて上記レーザービームに対
する上記受光部の光軸の角度を演算する演算手段
とが備えられている。 〔実施例〕 以下、本発明の実施例を添付図面を参照して詳
細に説明する。 本発明の実施例に係る姿勢検出装置において
は、第１図に示すような構成の受光部１が使用さ
れる。なお、この受光部１は第７図に示す如く小
口径管埋設機のパイロツトヘツド１０１の内部に
その光軸が該ヘツド１０１の中心軸線に合致する
態様で配設される。 この受光部１は透光性を有した第１の２次元半
導体位置検出器２と、この第１の２次元半導体位
置検出器２の後方に配設された非球面集光レンズ
３と、このレンズ３の焦点位置に配設された第２
の２次元半導体位置検出器４とを備えている。 上記半導体位置検出器２は、第２図に示すよう
な構成をもつ。すなわち、ガラス等からなる透明
基板２１上に透明導電膜（たとえばITOで形成さ
れる）からなる抵抗層２２がスパツタ法もしくは
真空蒸着法によつて形成されている。そして、こ
の抵抗層２２の上面に光起電力を生じる半導体層
２３が形成され、さらに該層２３の上面に透光性
導電膜からなる抵抗層２４が上記抵抗層２２と同
様の方法によつて形成されている。なお抵抗層２
２，２４の膜厚は、たとえば1000Å程度に設定さ
れる。 上記半導体層２３は、第３図に示す如くｐ型ア
モルフアスシリコン層（以下、ｐ層という）３
１、ｉ型アモルフアスシリコン層（以下、ｉ層と
いう）３２およびｎ型アモルフアスシリコン層
（以下ｎ層という）３３からなる３層構造を有し
ている。 この半導体層２３を構成するｐ，ｉ，ｎ層は、
グロー放電分解CVD（chemical vapor
deposition）法等によつて形成され、この実施例
において、それらの膜厚dp，diおよびdnは、
各々dp≒100〜300Å，di＝4000〜6000Åおよび
dn≒300〜500Å程度に設定されている。 上記抵抗層２２の両端部には、棒状をなした一
対のＸ方向集電電極２５ａ，２５ｂが対向配置さ
れ、同様に抵抗層２４の両端部には一対のＹ方向
集電電極２６ａ，２６ｂが対向配置されている。
そして、これらの集電電極の中央部には、電流を
取出すためのリード線２７がそれぞれ接続されて
いる。 このような位置検出器２は、基板１にガラスを
使用し、抵抗層２２，２４を透光性の導電膜で形
成しているので、光透過性をもつ。そして、上記
検出器２は、上記電極２５ａ，２５ｂおよび２６
ａ，２６ｂで囲まれた部位が受光域として機能す
る。 なお、前記第２の位置検出器４も上記位置検出
器２と同様の構成のものを用いることができる
が、この検出器４は光透過性である必要がないの
で、たとえば基板１側の光入射面側とする場合に
は抵抗層２４を遮光性の材料で形成してもよい。
また、抵抗層２４側を受光面とする場合には、抵
抗層２２および基板１を遮光性の材料で形成して
よい。 上記受光部１は、第４図に示すレーザ投光器５
と組合わせて使用される。すなわち、上記受光部
１によつて第７図に示したパイロツトヘツド１０
１の姿勢を検出する場合には第４図に示すレーザ
投光器５より受光部１に向けて基準レーザビーム
Ｌが投射される。このレーザビームＬは、パイロ
ツトヘツド１０１の進行方向の基準として設定す
るものであり、上記透光性を有する位置検出器２
およびレンズ３を通過したのち位置検出器４に入
射する。 第１図に示すように、位置検出器２、レンズ３
および位置検出器４はそれらの中心点が受光部１
の光軸Ｊつまりパイロツトヘツド１０１の中心軸
線を通るように配設されている。それ故、第１図
に実線で示す如く光軸Ｊに平行する光が位置検出
器２に入射した場合、この光はレンズ３で集光さ
れて位置検出器４の中心点に入射する。また同図
に点線で示す如く光軸Ｊに対しピツチ角αで入射
する光は上記中心点からδだけずれた位置検出器
４上の点に入射することになる。 δとαとの関係は δ＝ｆ・tan α ……(1) ただし、ｆはレンズ３の集点距離 と表わされるので、δが求められれば次式(2)より
αを得ることができる。 α＝tan-1δ／ｆ ……(2) なお、上記入射光の方位角をβ、この方位角β
に基づく検出器４上の光入射位置のずれをηとす
ると、方位角βは式(2)に準じて β＝tan-1η／ｆ ……(3) と表わされる。 第１の２次元半導体位置検出器２におけるレー
ザビームＬの入射位置Ｓには半導体層２３の光電
変換作用に基づく光生成電流が発生し、この光生
成電流は位置Ｓと電極２５ａ，２５ｂ間の各抵抗
に逆比例する態様で分割されるとともに、位置Ｓ
と電極２６ａ，２６ｂ間の各抵抗に逆比例する態
様で分割される。この結果、位置検出器２のＸ方
向集電電極２５ａ，２５ｂからそれぞれ分割電流
IX11，IX12が取出されるとともに、Ｙ方向集電電
極２６ａ，２６ｂからそれぞれ分割電流IY11，
IY12が取出される。 一方、第２の２次元半導体位置検出器４におけ
るレーザビームＬの入射位置Ｔに発生した光生成
電流も上記と同様に分割され、その結果、そのＸ
方向集電電極２５ａ，２５ｂから分割電流IX21，
IX22が各々取出されるとともに、Ｙ方向集電電極
２６ａ，２６ｂから分割電流IY21，IY22が取出さ
れる。 これらの電流は第５図に示すように入力回路５
１を介してCPU５２に入力される。そしてCPU
５２は第６図に示す手順を実行して検出器２およ
び４におけるレーザビームＬの入射位置Ｓ，Ｔを
求める。 すなわち、CPU５２は、第１の半導体位置検
出器２の各出力電流IX11，IX12，IY11，IY12を取込
み（ステツプ61）、次式(4)および(5)に示す演算を
行つて位置Ｓ（X1，Y1）を求める（ステツプ62）。 X1＝LX1／２（IX12−IX11）／（IX12＋IX11）……(4) Y1＝LY1／２（IY12−IY11）／（IY12＋IY11）……(5) ただし、 LX1：位置検出器２における集電電極２５ａ，
２５ｂ間の距離 LY1：同検出器における集電電極２６ａ，２６
ｂ間の距離 上式で求められる位置Ｓの座標（X1，Y1）は、
レーザビームＬに対する光軸Ｊの横ずれ量（X1）
及び縦ずれ量（Y1）を示している。 上記半導体位置検出器２は、検出範囲（LX1×
LY1）に対する検出誤差が0.5％程度なので、上記
検出範囲が例えば90×90mmであれば誤差が約0.5
mmとなり、充分な検出精度が得られる。 なお、上式(4)および(5)は半導体位置検出器にお
ける光ビームの入射位置を求めるための一般的な
式である。（Arimoto，S.，Yamamoto，H.，
Ohno，H.，Hasegawa，H.；15th Conference
onSolid State Devices and Materials，1983，
PP197〜PP200を参照） 次に、CPU５２は第２の半導体位置検出器４
の各出力電流IX21，IX22，IY21，IY22を取込み（ス
テツプ63）、次式(6)および(7)に示す演算を行つて
位置Ｔ（X2，Y2）を求める（ステツプ64）。 X2＝LX2／２（IX22−IX21）／（IX22＋IX21）……(6) Y2＝LY2／２（IY22−IY21）／（IY22＋IY21）……(7) ただし、 LX2：位置検出器４における集電電極の離間距
離 LY2：Ｙ方向に対向する各集電電極の離間距離 そして、上記ステツプ64で求められた位置Ｔ
（X2，Y2）に基づいて次式(8)および(9)に示す演算
を行い、ピツチ角αおよび方位角βを求める（ス
テツプ65）。なお、この(8)，(9)式は前記(2)，(3)式
に対応している。 α＝tan-1（Y2／ｆ） ……(8) β＝tan-1（X2／ｆ） ……(9) ただし、ｆ：レンズ３の焦点距離 上記半導体位置検出器４は検出誤差が0.5％程
度なので、その検出範囲（LX2×LY2）が例えば20
×20mmであれば誤差が約0.1mmになる。したがつ
て、＝150mmとすると、検出されるピツチ角α
および方位角βの誤差は±0.6／1000となり、し
たがつて充分な検出精度を得ることができる。 このように第１の位置検出器２の出力に基づい
て、レーザビームＬに対する受光部１の光軸Ｊの
横ずれ量が検出され、第２の位置検出器４の出力
に基づいて受光部１の姿勢、すなわち光軸Ｊに対
する該受光部１のピツチ角および方位角が求めら
れる。 CPU５２は、上記位置Ｓつまり横ずれ量を示
す信号と上記ピツチ角αと方位角βを示す信号を
出力回路５３を介して表示器５４およびパイロツ
トヘツド制御部５５に加え（ステツプ66）これに
よつて上記表示器５４が横ずれ量X1，Y1、ピツ
チ角αおよび方位角βを表示するとともに、パイ
ロツトヘツド制御部５５がパイロツトヘツト１０
１内部に設けられた第７図および第８図に示す垂
直方向揺動ジヤツキ７１、水平方向揺動ジヤツキ
７２およびパイロツトジヤツキ７３を制御する。 すなわち、パイロツトヘツド制御部５５は上記
横ずれ量、ピツチ角αおよび方位角βに基づいて
上記各揺動ジヤツキ７１および７２の目標伸縮量
を各各設定する。そして、第８図に示す各電磁バ
ルブ８１および８２のソレノイドに目標伸縮量に
対応した駆動信号EX1（またはEX2）およびEY1（ま
たはEY2）を加え、これらの電磁バルブ８１およ
び８２を各々作動させる。これにより各電磁バル
ブ８１および８２に接続されている各揺動ジヤツ
キ７１および７２が伸縮し、これらのジヤツキ７
１および７２に連結されているパイロツトジヤツ
キ７３が垂直方向および水平方向に揺動される。
その際、各ジヤツキ７１および７２の伸縮量が各
ポテンシヨンメータ８３および８４によつて検出
され、各伸縮量を示す信号FX，FYがパイロツト
ヘツド制御部５５にフイードバツクされ、検出さ
れた各揺動ジヤツキ７１および７２の伸縮量が上
記各目標伸縮量に等しくなると、それらのジヤツ
キ７１および７２の伸縮が停止される。 つぎに、パイロツトヘツド制御部５５は電磁バ
ルブ８５のソレノイドに駆動信号EZ1（またはEZ2）
を加え、これにより、電気バルブ８５に接続され
たパイロツトジヤツキ７３が伸縮する。 第７図ａ，ｂ，ｃ，ｄはこのような制御の態様
を例示している。すなわち、第７図ａには受光部
１によつてレーザビームＬに対する横ずれ量、ピ
ツチ角αおよび方位角βが検出されている状態が
示されている。また第７図ｂには受光部１でパイ
ロツトヘツド１０１の圧入方向が下方にずれてい
ることが検出されて、垂直方向揺動ジヤツキ７１
によりパイロツトジヤツキ７３が上方に揺動され
ている状態が示されている。さらに第７図ｃに
は、パイロツトジヤツキ７３が前進されている状
態が、また、第７図ｄには図示されていない推進
ジヤツキによつてパイロツトヘツド１０１および
パイロツト管７４が推進され、同時にパイロツト
ヘツド１０１の管体がパイロツトジヤツキ７３の
縮退に伴つて推進している状態、つまりパイロツ
トヘツド１０１の姿勢が修正されて目標方向に向
つて正確に圧入されている状態が示されている。 第９図は、本発明に係る姿勢検出装置における
受光部１の他の例を示している。 この受光部１は、非球面集光レンズ３の手前に
第１の２次元半導体位置検出器２を配設した構成
をもつ。したがつてレンズ３の受光範囲がＨであ
る場合、この受光部１では２次元半導体位置検出
器２の検出範囲がｈ（＜Ｈ）でよいことになる。
つまり、この受光部１によれば、検出器２の有効
受光面積を実質的に拡大（たとえば80×80mm→90
×90mm）することができるので、第１図に示した
受光部１に比して検出器２の小型化を図れる。 ただし、第９図に示した受光部１においては、
レーザビームＬに対するピツチ角αもしくは方位
角βが零でない場合に、位置検出器２の計測値に
誤差ｔを生じることになる。しかしレンズ２の焦
点距離がｆ＝150mmで、ピツチ角がα＝1.7°の場
合における誤差ｔは0.5mm程度であり、したがつ
てこの種の小口径管埋設機に要求される精度は充
分に確保される。 なお、上記誤差ｔが問題となるような場合に
は、次式(10)および（11）に基づいて検出されたず
れ量（X1，Y1）の補正を行うことができ、この
実施例ではこのずれ量の補正をCPU５２に行な
わせるようにしている。 x1＝／−ｄ（X1＋ｄ／X2） ……(10) y1＝／−ｄ（Y1＋ｄ／Y2） ……（11） ただし、 ｄ： レンズ３と第１の半導体位置検出器２間
の距離 x1，y1：補正されたずれ量 X2，Y2：第２の半導体位置検出器４で検出さ
れたレーザビームの入射位置 第１０図は受光部１の別の例を示している。こ
の受光部１においては、球面収差を有した球面レ
ンズ３′が使用されている。かかるレンズ３′を使
用した場合、その球面収差のために次の様な現象
を生じる。すなわち、レーザビームＬがレンズ
３′の光軸Ｊから距離H0離れてかつ光軸Ｊに平行
に入射したとすると、該ビームＬは第２の半導体
位置検出器４上で光軸Ｊから距離H1（収差値）だ
けずれた位置に入射する。次表は上記各距離H0
およびH1の対応関係を例示している。
本発明では、レーザビームに対する受光部のず
れ量を検出する第１の受光手段として、透光性を
有する均質な薄膜によつて受光域が形成された２
次元半導体位置検出器を使用している。 上記半導体位置検出器の場合、該検出器を通過
したレーザビームの水平方向および垂直方向の強
度分布が、いずれも該ビームの光軸位置でピーク
値を示すパターンを呈する。 したがつて、本発明によれば、レンズを介して
第２の２次元半導体位置検出器に到達するレーザ
ビームの強度重心位置が、該ビームの光軸位置と
一致し、その結果、この第２の２次元半導体位置
検出器の出力に基づいて極めて精度良く姿勢角を
検出することができる。 また、投光手段より投射されるのレーザビーム
の径に自由度があるので実用性に優れ、かつ、上
記第１の受光手段の構成からして、レーザビーム
に対する受光部のずれ量検出精度も高い。
れ量を検出する第１の受光手段として、透光性を
有する均質な薄膜によつて受光域が形成された２
次元半導体位置検出器を使用している。 上記半導体位置検出器の場合、該検出器を通過
したレーザビームの水平方向および垂直方向の強
度分布が、いずれも該ビームの光軸位置でピーク
値を示すパターンを呈する。 したがつて、本発明によれば、レンズを介して
第２の２次元半導体位置検出器に到達するレーザ
ビームの強度重心位置が、該ビームの光軸位置と
一致し、その結果、この第２の２次元半導体位置
検出器の出力に基づいて極めて精度良く姿勢角を
検出することができる。 また、投光手段より投射されるのレーザビーム
の径に自由度があるので実用性に優れ、かつ、上
記第１の受光手段の構成からして、レーザビーム
に対する受光部のずれ量検出精度も高い。
第１図は本発明に係る姿勢検出装置に使用され
る受光部の一例を示した概念図、第２図ａは受光
部に使用される２次元半導体位置検出器の構成を
示した平面図、同図ｂおよびｃは各々同図ａのＡ
−A′線およびＢ−B′線による断面図、第３図は
第２図に示す半導体位置検出器における半導体層
の構造を部分的に示した図、第４図は第１図に示
す受光部の作用を示した斜視図、第５図は本発明
に係る装置の一実施例を示したブロツク図、第６
図は第５図に示すCPUの処理手順を示したフロ
ーチヤート、第７図ａないしｄはパイロツトヘツ
ドの姿勢制御の態様を示した図、第８図はパイロ
ツトヘツドの各ジヤツキを駆動する油圧回路を示
した図、第９図は受光部の他の例を示した概念
図、第１０図は受光部のさらに別の例を示した概
念図である。 １……受光部、２……第１の半導体位置検出
器、３，３′……レンズ、４……第２の半導体位
置検出器、５……レーザ投光器、５２……CPU、
５４……表示装置、５５……パイロツトヘツド制
御部、１０１……パイロツトヘツド。
る受光部の一例を示した概念図、第２図ａは受光
部に使用される２次元半導体位置検出器の構成を
示した平面図、同図ｂおよびｃは各々同図ａのＡ
−A′線およびＢ−B′線による断面図、第３図は
第２図に示す半導体位置検出器における半導体層
の構造を部分的に示した図、第４図は第１図に示
す受光部の作用を示した斜視図、第５図は本発明
に係る装置の一実施例を示したブロツク図、第６
図は第５図に示すCPUの処理手順を示したフロ
ーチヤート、第７図ａないしｄはパイロツトヘツ
ドの姿勢制御の態様を示した図、第８図はパイロ
ツトヘツドの各ジヤツキを駆動する油圧回路を示
した図、第９図は受光部の他の例を示した概念
図、第１０図は受光部のさらに別の例を示した概
念図である。 １……受光部、２……第１の半導体位置検出
器、３，３′……レンズ、４……第２の半導体位
置検出器、５……レーザ投光器、５２……CPU、
５４……表示装置、５５……パイロツトヘツド制
御部、１０１……パイロツトヘツド。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 透光性を有する均質な薄膜によつて受光域が
形成された第１の２次元半導体位置検出器と、こ
の第１の２次元半導体位置検出器の前方または後
方に配設された集光レンズおよびこのレンズの焦
点位置に配設された第２の２次元半導体位置検出
器を備えてなる受光部と、 投射されたレーザービームが上記第１の２次元
半導体位置検出器および上記レンズを通過した
後、上記第２の２次元半導体位置検出器に到達す
るように配設されたレーザービーム投光手段と、 上記第１の２次元半導体位置検出器の出力に基
づいて上記レーザービームに対する上記受光部の
光軸のずれを演算するとともに、上記第２の２次
元半導体位置検出器の出力に基づいて上記レーザ
ービームに対する上記受光部の光軸の角度を演算
する演算手段と を備えたことを特徴とする姿勢検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27417285A JPS62133309A (ja) | 1985-12-05 | 1985-12-05 | 姿勢検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27417285A JPS62133309A (ja) | 1985-12-05 | 1985-12-05 | 姿勢検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62133309A JPS62133309A (ja) | 1987-06-16 |
| JPH0479564B2 true JPH0479564B2 (ja) | 1992-12-16 |
Family
ID=17538039
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27417285A Granted JPS62133309A (ja) | 1985-12-05 | 1985-12-05 | 姿勢検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62133309A (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0823492B2 (ja) * | 1989-10-30 | 1996-03-06 | 株式会社小松製作所 | 位置姿勢角計測装置 |
| JP2631020B2 (ja) * | 1989-11-30 | 1997-07-16 | 株式会社小松製作所 | 位置姿勢角計測装置 |
| JP3429046B2 (ja) * | 1993-12-20 | 2003-07-22 | 株式会社小松製作所 | 位置計測投光装置および投光装置取り付け構造 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5852483U (ja) * | 1981-09-30 | 1983-04-09 | カルソニックカンセイ株式会社 | 熱交換器の補強構造 |
-
1985
- 1985-12-05 JP JP27417285A patent/JPS62133309A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62133309A (ja) | 1987-06-16 |
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