JP2012026853A - 距離センサ - Google Patents

Abstract

【課題】距離センサにおいて、低コストの簡単な構成により、対ノイズ信号比が悪い状態においても安定して精度よい距離測定を可能とする。
【解決手段】距離センサ１は、光を投光する投光部２と、投光のタイミングで出力されるスタート信号に基づいて光の往復時間の計測を開始する時間計測部３と、受光信号を処理してコンパレータ４３に通すことによりコンパレータ４３からの出力信号を時間計測部３の計測を終了するための候補ストップ信号として出力する受信処理部４とを備える。コンパレータ４３は受光信号と所定の閾値との比較結果に応じて所定周期のタイミング毎に、出力信号が候補ストップ信号の場合はハイＨの信号、それ以外ではローＬの信号を出力する。時間計測部３は出力されるＨの信号またはＬの信号の時間的出現頻度が安定した時点におけるＨの信号をストップ信号に採用する安定化処理を行って光の往復時間を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、光の往復時間から対象物までの距離を求める距離センサに関する。

従来、光の往復時間から対象物までの距離を求めるＴＯＦ（タイムオブフライト）式測距センサとして、パルス光によるパルス信号間の時間間隔を直接計測する方式や、正弦波光の位相変化を計測する方式のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。引用文献１は、２つの計測方式を両立させ、複数のフェーズロックループ回路を用いてパルス波の立上りと立下りの両方において位相差を検出し、その平均値を採用することにより、受光レベルやパルス幅の変動に影響されない計測とすることを提案している。ところで、ＴＯＦ式の距離センサにおいて、高い測定精度や安定性を確保するためには、このようにフェーズロックループ回路や高速回路素子を用いることが行われるが、必然的に、高コストの距離センサとなる。

そこで、例えば、図１７に示すように、コスト上昇を比較的抑えることができ、測定精度を高めることができるものとして、複数回行われた距離計測結果を平均化して測定誤差の影響を減らし測定結果を安定させるようにする距離センサが知られている。この従来の距離センサは、パルス光を対象物Ｍに投光する投光部９１と、受光信号を出力する受信部９２と、投光部９１と受信部９２からの信号に基づいて光の往復時間を求める計数器９３と、計数器９３による計数結果を平均化する平均処理器９４とを備えている。投光部９１は、パルス信号を生成する信号発生器９１ａと、そのパルス信号を受けてパルス光を投光する投光器９１ｂとから成る。パルス信号はスタート信号として計数器９３にも出力される。受信部９２は、受光して信号を出力する受光器９２ａと、受光信号の増幅や比較信号の生成を行う信号処理器９２ｂと、信号処理器９２ｂからの受光信号と比較信号とに基づいて受光タイミングを決定してストップ信号を出力するコンパレータ９２ｃとを備えている。計数器９３は、スタート信号からストップ信号までの時間を計測して、対象物までの光の往復時間を求める。平均処理器９４は、計数器９３が出力する光の往復時間を所定回数分記録し、その回数で平均化して最終計測結果として光の往復時間を出力する。その光の往復時間を換算処理することにより、対象物までの距離を求めることができる。

特開２００７−３３５５号公報

しかしながら、近年、距離センサに対する低コスト化の要求はさらに強まり、より低コストの電子回路を用いることが必要になっている。低コストの電子回路は、通常、処理速度が遅いことにより、矩形のパルス信号などが急峻に立上らずになまった立上り波形となる。また、低コストの電子回路は、ノイズ対策が十分でない場合が多く、遠距離測定の際の受信信号強度（光強度）の低下時に、回路自体の熱雑音などの影響によって、対ノイズ信号比が悪化する。図１８（ａ）（ｂ）は、このような場合の不具合を示している。ストップ信号は、一定値であるリファレンス電圧ＶＲとノイズののった信号電圧ＶＳの立上り部分との交点を信号電圧ＶＳの受信時刻として決定されて出力される。しかしながら、図１８（ａ）の状態から図１８（ｂ）に示すように、信号電圧ＶＳの立上り傾斜がなまって緩やかな状態になると、決定される交点の位置がノイズの影響をより強く受けることになり、本来の交点位置からより大きく変動する。例えば、ノイズの影響によって本来の交点の時刻よりも手前に交点が検出されると、実際の距離よりも短い距離を示す測定結果になってしまう。このような傾斜がゆるい波形と基準電圧との比較による交点の決定時におけるノイズの影響は、光信号として矩形波ではなく、正弦波などを用いる場合にも同様に発生する。

本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により、対ノイズ信号比が悪い状態においても安定して精度よい距離測定を実現することができる低コストの距離センサを提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、本発明の距離センサは、対象物に投光した光が対象物から反射して戻ってくるまでの往復の時間の計測結果に基づいて対象物までの距離を求める距離センサにおいて、対象物に光を投光する投光部と、投光部から投光のタイミングで出力されるスタート信号に基づいて光の往復時間の計測を開始する時間計測部と、対象物からの反射光を受光する受光部とその受光部からの受光信号を所定の閾値と比較するコンパレータとを有する受信処理部と、を備え、コンパレータは、比較の結果に応じて所定サンプリング周期のタイミング毎に、時間計測部の計測を終了するためのストップ信号の候補信号（以下、候補ストップ信号と記す）またはそれ以外の信号の２種類の信号を出力し、時間計測部は、コンパレータから出力される２種類の信号の時間的出現頻度の計測結果に基づいて、その出現頻度が安定した時点における候補ストップ信号をストップ信号に採用する安定化処理を行って光の往復時間を求めることを特徴とする。

この距離センサにおいて、時間計測部は、投光部からのスタート信号以降の所定時間の間、コンパレータから出力される候補ストップ信号以外の信号の信号数を計数し、その計数値から光の往復時間を求めることが好ましい。

この距離センサにおいて、時間計測部は、コンパレータから候補ストップ信号が所定個数以上連続して出力されたときに計数を終了し、そのときの候補ストップ信号以外の信号の信号数の計数値から光の往復時間を求めることが好ましい。

この距離センサにおいて、コンパレータと時間計測部との間にコンパレータから順次出力される前記２種類の信号の区別を順次記録するメモリを備え、時間計測部は、メモリに記録されたデータをソートし、ソートされたデータ列におけるデータ値の変化位置の情報に基づいて光の往復時間を求めることが好ましい。

この距離センサにおいて、受光信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部を備え、受信処理部および時間計測部は、アナログデジタル変換部によってデジタル信号に変換された受光信号をソフトウェアによって処理することにより光の往復時間を求めることが好ましい。

この距離センサにおいて、投光部は、所定の周波数の周期関数で変調した光を連続して投光し、受信処理部は、前記所定の周波数の周期毎の反射光の列を連続して受光し、その受光信号列に対してアンダーサンプリングまたはダウンコンバージョンを適用し、時間計測部は、受光信号列の各受光信号をコンパレータに通して出力される各信号に対して安定化処理を行うことが好ましい。

この距離センサにおいて、時間計測部が出力する光の往復時間の値を複数蓄積し、その平均値を出力する平均処理部をさらに備えることが好ましい。

この距離センサにおいて、コンパレータから出力される２種類の信号はハイの信号とローの信号の２種類であり、そのいずれか一方を候補ストップ信号とし、他を候補ストップ信号以外の信号とすることが好ましい。

本発明の距離センサによれば、２種類の信号の時間的出現頻度が安定した時点における候補ストップ信号をストップ信号に採用する安定化処理を行うので、対ノイズ信号比が悪い状態においても安定して精度よい距離測定を低コストで実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る距離センサのブロック構成図。 同距離センサにおいて取り扱われる信号波形図。 同距離センサにおけるコンパレータ出力信号の計数値の時間変化グラフ。 同距離センサにおける時間計測処理のフローチャート。 第２の実施形態に係る距離センサの時間計測処理のフローチャート。 同距離センサにおける時間計測部の回路構成の具体例を示す図。 図６の時間計測部を用いる時間計測処理のフローチャート。 第３の実施形態に係る距離センサのブロック構成図。 同距離センサにおける時間計測処理のフローチャート。 距離センサの第１の変形例のブロック構成図。 距離センサの第２の変形例のブロック構成図。 同距離センサにおいて処理される信号波形図。 距離センサの第３の変形例のブロック構成図。 同距離センサにおいて処理される信号波形図。 距離センサの第４の変形例のブロック構成図。 同距離センサにおける時間計測処理のフローチャート。 従来の距離センサのブロック構成図。 （ａ）は一般的な距離センサにおける受信信号の波形図、（ｂ）は同受信信号が処理速度の遅い回路で処理された場合の波形図。

（第１の実施形態）
以下、本発明の一実施形態に係る距離センサについて、図面を参照して説明する。図１乃至図４は第１の実施形態を示す。距離センサ１は、図１に示すように、対象物Ｍに投光した光が対象物から反射して戻ってくるまでの往復の時間の計測結果に基づいて対象物Ｍまでの距離を求める。距離センサ１は、対象物Ｍに投光する投光部２と、投光部２から投光のタイミングで出力されるスタート信号に基づいて光の往復時間の計測を開始する時間計測部３と、光を受光して信号を出力する受信処理部４と、不図示のクロック回路とを備えている。投光部２は、パルス信号を生成する信号発生器２１と、信号発生器２１からのパルス信号受信のタイミングで光の信号波であるパルス光を外部すなわち対象物Ｍに向けて送信する投光器２２とを備えている。信号発生器２１は、パルス信号を生成したタイミングでスタート信号を時間計測部３に出力する。受信処理部４は、対象物Ｍからの反射光を受光して受光信号を出力する受光器４１と、受光器４１からの受光信号の増幅や所定の閾値信号の生成を行う信号処理器４２と、信号処理器４２からの受光信号と閾値信号とを比較するコンパレータ４３とを備えている。投光器２２は、例えば、発光ダイオードやレーザダイオードであり、受光器４１は、例えば、フォトダイオードである。

コンパレータ４３は、不図示のクロック回路からのクロック信号に基づき、所定サンプリング周期のタイミング毎に、受光信号と閾値信号とを比較し、その比較結果に応じて、時間計測部３の計測を終了するためのストップ信号の候補信号を出力する。この候補信号を、以下では候補ストップ信号と記すことにする。コンパレータ４３は、その出力信号が候補ストップ信号の場合はハイ（以下、Ｈと記す）の信号、それ以外ではロー（以下、Ｌと記す）の信号を出力する。すなわち、コンパレータ４３は、比較結果に応じて所定サンプリング周期のタイミング毎に、候補ストップ信号またはそれ以外の信号の２種類の信号を出力する。時間計測部３は、コンパレータ４３から出力されるＨの信号またはＬの信号の時間的出現頻度の計測結果に基づいて、その出現頻度が安定した時点における候補ストップ信号であるＨの信号をストップ信号として採用する安定化処理を行って光の往復時間を求める。

図２により、コンパレータ４３の動作を説明する。投光器２２から投光されるパルス光が矩形波形、すなわち時間的幅を有するパルスであるとして説明する。なお、一般的には、投光器２２から投光される光は、受光時刻を特定できる適宜に急峻に立ち上がる波形と、一定時間持続する強度とを有する光であればよい。図２（ａ）に示すように、信号発生器２１からスタート信号が出された後、コンパレータ４３には、図２（ｂ）に示すように、一定値のリファレンス電圧ＶＲと、受信信号電圧ＶＳとが入力される。スタート信号は、所定の時間Ｔｍａｘの間持続し、その信号が出ている間は、距離センサ１は１回分の距離測定に当てられる。受信信号電圧ＶＳは、通常、ノイズがのっており、その波形は矩形波形からくずれると共に、凹凸の激しい波形となっている。コンパレータ４３は、図２（ｃ）に示すように、例えば、受信信号電圧ＶＳがリファレンス電圧ＶＲ以上に大きい場合にＨの信号、すなわち候補ストップ信号を出力し、小さい場合にはＬの信号を出力する。その比較と比較結果の出力は、図２（ｄ）に示す周期Δｔのサンプルタイミング信号に同期して行われる。図２（ｂ）〜（ｄ）において、時刻ｔｘに立上るＨの信号が真のストップ信号とすべき信号であり、時刻ｔｘ以前のＨの信号はノイズによる信号であって真のストップ信号とはすべきでない信号である。また、時間Ｔｍａｘは、測定すべき最大距離に対応する往復時間を十分カバーできる時間幅に設定される。

図３は、上述のＨの信号の信号数カウント値ＣＨと、Ｌの信号の信号数カウント値ＣＬとを示す。各カウント値ＣＨ，ＣＬの時間変化は、Ｈの信号またはＬの信号の時間的出現頻度を反映するものであり、一方の時間的出現頻度が増加すると、他方が減少し、これに対応してカウント値ＣＨ，ＣＬの増加率が増減する。そして、カウント値ＣＨが時間と共に単調増加する状態では、カウント値ＣＬは時間に対して一定値のままの状態となり、いずれのカウント値も安定した状態となる。すなわち、Ｈの信号およびＬの信号には、スタート信号が出された後、その時間的出現頻度が安定した状態が現出する。この安定した状態になった時点（図中時刻ｔｘ）は、投光したパルス光の反射波に対応する光の受光信号を真に捕捉した時点と考えられる。すなわち、この安定した状態になった時点以前においても候補ストップ信号としてＨの信号が出力されているが、そのＨの信号は、真のストップ信号ではなくノイズによる信号であると判断して、除外される。つまり、Ｈの信号またはＬの信号の時間的出現頻度の計測結果に基づいて、その出現頻度が安定した時点におけるＨの信号を真のストップ信号として採用することができる。なお、出現頻度が安定したか否かは、安定した時点を経過してから判明するものであるが、その安定化した時点におけるＬの信号数のカウント値ＣＬを用いて光の往復時間、従って、対象物Ｍまでの距離を求めることができる。ここで、例えば、光速Ｖ、カウント値ＣＬ、対象物Ｍまでの距離ｘ、サンプルタイミングの周期Δｔ、光の往復時間τなどの記号を用いると、光の往復時間τ＝ＣＬ×Δｔ、対象物Ｍまでの距離ｘ＝Ｖ×τ／２＝Ｖ×ＣＬ×Δｔ／２となる。なお、時間Ｔｍａｘが長すぎる場合、受信信号を越えてＨの信号やＬの信号をカウントすることにより、カウント値の安定した状態が２度現れると誤検出のもとになる。そこで、最初の安定した状態を検出するための別途の処理を追加するか、または、パルス光のパルス幅と測定しようとする距離ｘとの兼ね合いに基づいて、時間Ｔｍａｘを適切に設定する必要がある。

図４のフローチャートによって、距離センサ１の動作を説明する。距離センサ１が動作を開始すると、時間計測部３は、時間計測カウンタＴＳをリセットし（Ｓ１）、さらにＬの信号数カウンタＣＬをリセットする（Ｓ２）。カウンタＴＳは、図２に示した時間Ｔｍａｘの経過を監視するカウンタである。時間計測部３は、前記各リセット後、スタート信号の有無を監視し（Ｓ３）、投光部２からのスタート信号があれば（Ｓ３でＹｅｓ）、サンプリングのタイミングか否かを監視する（Ｓ４）。なお、サンプリングのタイミングの周期は、上述の周期Δｔであり、周期Δｔは距離センサ１の不図示のクロック回路のクロック信号の周期よりは長いことが想定されている。サンプリングのタイミングであれば（Ｓ４でＹｅｓ）、カウンタＴＳをインクリメント、すなわちカウント値にプラス１を行い（Ｓ５）、さらに、コンパレータ出力がＬであれば（Ｓ６でＹｅｓ）、カウンタＣＬをインクリメントする（Ｓ７）。ここで、簡単のため、カウンタＣＬとそのカウント値ＣＬとの両方に同じ記号ＣＬを用いている。記号ＴＳや後述の記号ＣＨも同様である。コンパレータ出力がＬでない（Ｓ６でＮｏ）と判断された後、またはカウンタＣＬをインクリメント（Ｓ７）した後、時間計測完了を判断し（Ｓ８）、カウンタＴＳのカウント値ＴＳがＴｍａｘ以上でなければ（Ｓ８でＮｏ）、ステップ（Ｓ４）からの処理を繰り返す。カウンタＴＳのカウント値ＴＳがＴｍａｘ以上であれば（Ｓ８でＹｅｓ）、光の往復時間の測定値としてカウンタＣＬのカウント値ＣＬを採用して（Ｓ９）、時間計測を終了する。なお、本明細書において、各種の時間やカウント値、例えば、ＴｍａｘやＣＬ等は、適宜周期Δｔ等を用いて時間に換算されるものとして、整数値と時間とを区別せずに同じ記号で記述している。

（第２の実施形態）
図５、図６、図７は第２の実施形態を示す。第２の実施形態は、上述の第１の実施形態における時間Ｔｍａｘが経過しない場合であっても計測を終了できるように、カウンタＴＳに変えて、Ｈの信号数をカウントする信号数カウンタＣＨを備えるものである。すなわち、本実施形態の距離センサ１の時間計測部３は、コンパレータ４３からＬとは異なるＨの信号が所定個数、例えば１０個連続して出力されたときに、時間計測のための計数を終了し、そのときのＬの信号数の計数値、すなわちカウント値ＣＬから光の往復時間を求める。他の点については、第一の実施形態と同様である。

図５のフローチャートによって、距離センサ１の動作を説明する。距離センサ１が動作を開始すると、時間計測部３は、Ｌの信号数カウンタＣＬおよびＨの信号数カウンタＣＨをリセットする（Ｓ１１）。時間計測部３は、前記各リセット後、スタート信号の有無を監視し（Ｓ１２）、受信処理部４からのスタート信号があれば（Ｓ１２でＹｅｓ）、サンプリングのタイミングか否かを監視する（Ｓ１３）。サンプリングのタイミングであり（Ｓ１３でＹｅｓ）、さらにコンパレータ出力がＬであれば（Ｓ１４でＹｅｓ）、カウンタＣＬのインクリメント（Ｓ１５）、およびカウンタＣＨのリセットを行い（Ｓ１５）、その後、処理をステップ（Ｓ１３）に戻す。

また、コンパレータ出力がＬでなければ（Ｓ１４でＮｏ）、カウンタＣＨのインクリメントを行い（Ｓ１７）、Ｈの信号が所定の個数ｎ、例えば、ｎ＝１０個、連続したか否か、すなわち、ｎ≦ＣＨか否かを判断する（Ｓ１８）。カウント値ＣＨが１０個より少なければ（Ｓ１８でＮｏ）、処理をステップ（Ｓ１３）に戻し、カウント値ＣＨが１０個以上であれば（Ｓ１８でＹｅｓ）、光の往復時間の測定値としてカウンタＣＬのカウント値ＣＬを採用して（Ｓ１９）、時間計測を終了する。本実施形態によると、所定の時間（第１の実施形態における時間Ｔｍａｘ）が経過しないでも計測を終了できるので、距離計測の時間を第１の実施形態よりも短くすることができ、計測回数を増やすことができる。この場合、所定の時間Ｔｍａｘは、設定する必要がなく、設定するとしても、十分大きな時間または無限大の時間とすればよい。

図６は本実施形態の時間計測部３の具体的回路例を示す。時間計測部３は、１０ビットのシフトレジスタ１０と、２入力の２つのアンド回路１１，１２と、１０入力のアンド回路１３と、２入力の比較器１４と、Ｌの信号のカウンタ回路３１とを備えて構成されている。アンド回路１１は、コンパレータ４３からの出力信号と不図示のクロック回路からのクロック信号とを入力され、クロック信号毎に、コンパレータ４３からの出力信号のＨとＬの信号に対応する信号（例えば、１と０）をシフトレジスタ１０に向けて出力する。アンド回路１２は、不図示のクロック回路からのクロック信号と所定の周期Δｔのサンプリングタイミング信号とを入力され、周期Δｔ毎に、シフトレジスタ１０にビットシフトとデータ取り込みをさせるためのクロック信号を出力する。シフトレジスタ１０の第１ビットの値Ｄ０は、比較器１４に入力される。カウンタ回路３１は、前記第１ビットの値がＬの信号に対応する場合に比較器１４から出力される信号に基づいて、Ｌの信号数を計数する。アンド回路１３は、シフトレジスタ１０からの各ビットの値Ｄ０〜Ｄ９が入力され、すべての値がＨの信号の場合に、ストップ信号をカウンタ回路３１に出力する。カウンタ回路３１は、アンド回路１３からのストップ信号が入力されると、そのときのカウント値ＣＬを光の往復時間の測定値として採用して時間計測を終了する。

図７のフローチャートによって、図６に示した時間計測部３の動作を説明する。距離センサ１が動作を開始すると、時間計測部３のカウンタ回路３１は、内蔵しているカウンタＣＬをリセットし（Ｓ２１）、スタート信号の入力が確認されると（Ｓ２２でＹｅｓ）、比較器１４から出力される信号（Ｌの信号）を計数する動作を開始する。アンド回路１２からの出力によってサンプリングのタイミングか否かについての判断が行われ（Ｓ２３）、アンド回路１２からの出力毎に（Ｓ２３でＹｅｓ）、アンド回路１１の出力、従ってコンパレータ４３の出力がシフトレジスタ１０に入力される（Ｓ２４）。また、比較器１４からの出力によって、コンパレータ４３の出力がＬの信号か否か判断され（Ｓ２５）、Ｌの信号であれば（Ｓ２５でＹｅｓ）、カウンタ回路３１はカウンタＣＬをインクリメントする（Ｓ２６）。また、アンド回路１３からの出力によって、シフトレジスタ１０の全ビットがＨの信号か否か、すなわちストップ信号が出されたか否かが判断される（Ｓ２７）。全ビットがＨの信号でなければ（Ｓ２７でＮｏ）、アンド回路１３からはストップ信号が出されず、処理はステップ（Ｓ２３）に戻される。全ビットがＨの信号であれば（Ｓ２７でＹｅｓ）、アンド回路１３からはストップ信号が出されて、カウンタ回路３１は、そのときのカウント値ＣＬを光の往復時間の測定値として採用して時間計測を終了する（Ｓ２８）。

（第３の実施形態）
図８、図９は第３の実施形態を示す。第３の実施形態は、図８に示すように、上述の第１の実施形態において、コンパレータ４３と時間計測部３との間にコンパレータ４３から順次出力される信号のハイＨまたはローＬ、すなわち２種類の信号の区別を順次記録するメモリ３２を備えているものである。そして、本実施形態の時間計測部３は、所定の時間Ｔｍａｘ経過後に、メモリ３２に記録されたデータをソートし、ソートされたデータ列におけるデータ値の変化位置に基づいて光の往復時間を求めるものである。メモリ３２は、周期Δｔのサンプリングのタイミングで記録動作を行う。また、メモリ３２は、第１の実施形態におけるカウンタＣＬを代替するものである。これらの点を除いて、他は第１の実施形態と同様である。

図９のフローチャートによって、本実施形態の距離センサ１の動作を説明する。距離センサ１が動作を開始すると、メモリ３２と時間計測部３の時間計測カウンタＴＳがリセットされる（Ｓ３１）。カウンタＴＳは、図２に示した時間Ｔｍａｘの経過を監視するカウンタである。時間計測部３は、前記各リセット後、スタート信号の有無を監視し（Ｓ３２）、受信処理部４からのスタート信号があれば（Ｓ３２でＹｅｓ）、サンプリングのタイミングか否かを監視する（Ｓ３３）。サンプリングのタイミングであれば（Ｓ３３でＹｅｓ）、カウンタＴＳをインクリメントし（Ｓ３４）、メモリ３２は、コンパレータ４３から順次出力される信号のハイＨまたはローＬの区別を順次追加記録する（Ｓ３５）。その後、時間計測部３は、時間計測完了か否かを判断し（Ｓ３６）、カウンタＴＳのカウント値ＴＳがＴｍａｘ以上でなければ（Ｓ３６でＮｏ）、ステップ（Ｓ３３）からの処理を繰り返す。カウンタＴＳのカウント値ＴＳがＴｍａｘ以上であれば（Ｓ３６でＹｅｓ）、メモリ３２のデータをソートし（Ｓ３７）、ソートされたデータ列におけるデータ値の変化位置に基づいて光の往復時間を求める（Ｓ３８）。つまり、何番目の位置でデータ値が変化したかという情報から、Ｌ信号のカウント値ＣＬが求められる。

上述のソートは、メモリ３２中のデータについて、例えば、Ｌの信号に相当するデータをアドレス順（格納順）に集めて並べ、その後に、Ｈの信号に相当するデータを集めてアドレス順（格納順）に並べるように行う。すると、前述の図３に示したＬ信号のカウント値ＣＬが、飽和することから分かるように、メモリ３２内のアドレスが、Ｌの信号に相当するデータによってカウント値ＣＬまで埋められると、その後のアドレスはＨの信号に相当するデータで埋められることになる。つまり、ソートされたメモリ中のデータが、例えば、アドレス０から１つづつ順に埋められているとすると、データの変わり目のアドレスがカウント値ＣＬを与えることになる。この第３の実施形態によれば、メモリとソーティングによってカウント値ＣＬが得られるので、デジタル処理を行う汎用のコンピュータを用いる低コストで簡便な距離センサを実現することができる。

（第１の変形例）
図１０は上述の第１、第２、第３の実施形態に係る距離センサの第１の変形例を示す。この第１の変形例は、受信処理部４における受光器４１からの受光信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部４４を備え、その後の処理をソフトウェアによって処理するものである。時間計測部３は、コンピュータとその上で動作するプログラムを用いて構成され、アナログデジタル変換部４４によってデジタル信号に変換された受光信号をソフトウェアによって処理することによりＬの信号のカウント値ＣＬを求めて光の往復時間を求める。そこで、この第１の変形例では、コンパレータ４３はＣＰＵ（マイコン）とソフトウエアによって置き換えられ、第３の実施形態におけるメモリ３２には、時間計測部３内のメモリが用いられることになる。この第１の変形例によれば、時間計測部３の処理を一般的なマイコンを用いて実現することができ、しかも、信号処理器４２、コンパレータ４３、およびメモリ３２を別途設ける必要がなくなるので、低コストで汎用性のある距離センサを実現することができる。

（第２の変形例）
図１１、図１２は上述の第１、第２、第３の実施形態に係る距離センサの第２の変形例を示す。この第２の変形例において、投光部２は所定の周波数でパルス光を連続して投光し、受信処理部４は反射光のパルス列を連続して受光しその受光信号列に対してアンダーサンプリング処理を適用する。投光部２が投光するパルス光の列は、所定の周波数の周期関数、例えば、連続矩形波（方形波）で変調した光である。時間計測部３は、受光信号列の各受光信号をコンパレータ４３に通して出力される各信号に対して前記安定化処理を行うことにより、光の往復時間を求めることになる。以下、構成と動作を詳細に説明する。

図１１示すように、投光部２は、投光器２２の他に、第１、第２、第３の実施形態における信号発生器２１に代わる第１の周波数の信号を生成する第１のシンセサイザ２３と、スタート信号発生器２４とを備えている。また、受信処理部４は、受光器４１の他に、第１、第２、第３の実施形態における信号処理器４２に代わるサンプルホールド信号処理回路４４と、第１の周波数とは異なる第２の周波数の信号を生成する第２のシンセサイザ４５とを備えている。スタート信号発生器２４は、第１のシンセサイザ２３からの第１の周波数の信号を、第２のシンセサイザ４５からの第２の周波数に基づいてサンプリングすることによりスタート信号を生成して出力する。投光器２２は、第１の周波数に基づいてパルス化したパルス光をパルス列として連続投光する。受光器４１は、対象物Ｍから反射して戻ってくる反射光のパルス列を連続して受光し、その受光信号列を出力する。

サンプルホールド信号処理回路４４は、第２のシンセサイザ４５からの第２の周波数に基づくサンプリングのタイミングで第１の周波数を有する反射光の信号をサンプルホールドすると共に、そのサンプルホールドした信号をコンパレータ４３に向けて出力する。また、サンプルホールド信号処理回路４４は、コンパレータ４３で用いるリファレンス信号を生成してコンパレータ４３に向けて出力する。時間計測部３は、第２の周波数に基づくサンプリングのタイミング毎に出力されるコンパレータ４３からの出力について、例えば、所定の時間Ｔｍａｘの間、Ｌの信号数をカウンタＣＬでカウントする。時間計測部３は、後述するように、カウント値ＣＬによって、光の往復時間、従って、対象物Ｍまでの距離を求める。なお、所定の時間Ｔｍａｘを計測終了の判定に用いる代わりに、第２の実施形態のように、Ｈの信号の連続の有無によって計測終了の判定を行ってもよい。

次に、図１２よって、距離センサ１の動作を説明する。図１２（ａ）〜（ｆ）に示すように、第１、第２のシンセサイザ２３，４５が生成する信号は、それぞれ周期Ｔ１，Ｔ２を有する方形波である。また、投光器２２から送信されるパルス光、従って、受光器４１によって受光されて出力される受信信号は、周期Ｔ１の方形波である。スタート信号発生器２４は、第１の周波数の信号と第２の周波数の信号とが同期（例えば、波形の立ち上がり位相が一致）したとき、スタート信号を生成し、そのスタート信号を時間計測部３に対して出力する。図１２（ｆ）における時刻ｔ０に同期が発生し、スタート信号が生成されている。なお、距離センサ１が動作を開始すると、各部が不図示のクロック回路からの同一クロックのもとで動作し、第１、第２のシンセサイザ２３，４５はそれぞれの信号を生成し続け、投光器２２による投光と、受光器４１による受信信号の出力がそれぞれ連続して行われる。受光器４１から出力される受信信号は、時刻ｔ０から時間τだけ遅れた立ち上がり波形となっている。この時間τが、距離センサ１から対象物Ｍまでの距離ｘを往復するパルス光の往復時間である。

サンプルホールド信号処理回路４４は、図１２（ｅ）において、リファレンス電圧ＶＲを時刻ｔ１に動的に出力している。電圧ＶＲは、例えば、受信信号の強度に応じて設定される。リファレンス電圧ＶＲとして所定の一定電圧をコンパレータ４３に常時入力しておいてもよい。コンパレータ４３は、周期Ｔ２毎に、サンプルホールド信号処理回路４４から出力されるサンプルホールドされた受信信号と、リファレンス電圧ＶＲとの比較を行うことによって、ストップ信号を検出し、ハイＨの信号を出力する。しかしながら、このストップ信号は、ノイズによるストップ信号であることもあり、真のストップ信号であることもあるので、真の信号を得るために時間計測部３による安定化処理が行われる。図１２に示した例では、回数Ｎ＝２回目（時刻ｔ２）におけるストップ信号が、真のストップ信号である。時間計測部３は、時刻ｔ２，ｔ３において、Ｈの信号が連続して出力されることに基づいて、時刻ｔ２におけるストップ信号を真のストップ信号と判定する。すなわち、時間計測部３は、このような安定化処理を用いて真のストップ信号を決定し、回数Ｎを決定する。時間計測部３は、時間τを、τ＝Ｎ×（Ｔ２−Ｔ１）によって求める。距離ｘは、前記同様に、ｘ＝Ｖ×τ／２、によって求められる。この第２の変形例によれば、アンダーサンプリングを適応することにより信号処理速度を緩和することができ、低コストの距離センサを実現することができる。上記では、安定化処理の適用を、周期Ｔ２毎に出力されたＨ，Ｌの信号に対して行う旨説明したが、もっと細かい処理に対して適用することもできる。すなわち、各周期Ｔ２毎にＨまたはＬの信号を出力する際の判断にも適用することができる。この場合、周期Ｔ２を分割した周期でＨ，Ｌの判断を行い、その結果から周期Ｔ２毎のＨまたはＬの信号を出力することになる。

（第３の変形例）
図１３、図１４は上述の第１、第２、第３の実施形態に係る距離センサの第３の変形例を示す。この第３の変形例は、第２の変形例におけるアンダーサンプリングに代えてダウンコンバージョンを適用するものである。この第３の変形例において、投光部２は所定の周波数の周期関数、例えば、正弦波で変調した光を連続して投光し、受信処理部４は、反射光の列（一連の正弦波変周光）を連続して受光し、その受光信号列に対してダウンコンバージョンを適用する。時間計測部３は、ダウンコンバージョンされた受光信号をコンパレータ４３に通して出力される信号に対して前記安定化処理を行うことにより、光の往復時間を求めることになる。以下、各部の構成とその動作を詳細に説明する。

図１３示すように、投光部２は、投光器２２の他に、第１、第２、第３の実施形態における信号発生器２１に代わる第１の周波数の信号を生成する第１のシンセサイザ２３を備えている。また、受信処理部４は、受光器４１の他に、第１、第２、第３の実施形態における信号処理器４２に代わるダウンコンバージョン信号処理回路４６と、第１の周波数とは異なる第２の周波数の信号を生成する第２のシンセサイザ４５とを備えている。第１のシンセサイザ２３は、投光器２２による投光開始のタイミングでスタート信号を生成して時間計測部３に向けて出力する。投光器２２は、第１の周波数の正弦波によって変調した連続光を投光する。受光器４１は、対象物Ｍから反射して戻ってくる一連の反射光を連続して受光し、その受光信号を出力する。

ダウンコンバージョン信号処理回路４６は、受光器４１からの受信信号と第２のシンセサイザ４５からの第２の周波数を持つ信号とを互いにミキシング（すなわちダウンコンバージョン）して生成された中間周波信号をコンパレータ４３に向けて出力する。また、ダウンコンバージョン信号処理回路４６は、コンパレータ４３で用いるリファレンス信号を生成してコンパレータ４３に向けて出力する。時間計測部３は、所定のサンプリングのタイミング毎に出力されるコンパレータ４３からの出力について、例えば、図１４（ｄ）に示す所定の時間Ｔｍａｘの間、Ｌの信号数をカウンタＣＬでカウントする。時間計測部３は、後述するように、カウント値ＣＬによって、光の往復時間、従って、対象物Ｍまでの距離を求める。なお、所定の時間Ｔｍａｘを計測終了の判定に用いる代わりに、第２の実施形態のように、Ｈの信号の連続の有無によって計測終了の判定を行ってもよい。

次に、図１４よって距離センサ１の動作を説明する。投光器２２から送信される光（送信信号）、従って、受光器４１によって受光されて出力される受信信号は、図１４（ａ）（ｂ）に示すように、送信信号は第１の周波数ｆ１＝１／Ｔ１、周期Ｔ１を持つ正弦波である。また、受信信号は、送信信号の送信開始から時間τ経過後に、受信部１３から出力されている。このような送信信号と受信信号は、それぞれ第２の周波数ｆ２（ただし、ｆ１≠ｆ２）を持つ正弦波でミキシングしてローパスフィルタを通すことにより、図１４（ｃ）（ｄ）に示すように、より低周波数化された信号（中間周波信号）となる。その周波数は、差｜ｆ１−ｆ２｜（ただし、｜＊｜は＊の絶対値）である。図１４（ｄ）に示す受信信号の中間周波信号は、ダウンコンバージョン信号処理回路４６によって生成され、コンパレータ４３に向けて出力される。なお、図１４（ｃ）に示す送信信号の中間周波信号は、説明のために示したものであり、本変形例においては用いていない。

送信信号と受信信号の互いの位相の関係は、ミキシングによって中間周波信号とされた送信信号と受信信号とにおいても保存される。従って、ミキシング後の送信信号と受信信号の位相差、より一般的には、２つの中間周波信号の時間差ｔｍとミキシング後の送信信号の周期Ｔｍとは、上述のτ，Ｔ１に対して、τ／Ｔ１＝ｔｍ／Ｔｍ、の関係がある。時間差ｔｍに注目すると、ｔｍ＝τ×（Ｔｍ／Ｔ１）＝τ×（ｆ１／ｆｍ）であり、ｆ１＝１／Ｔ１、ｆｍ＝｜ｆ１−ｆ２｜＝１／Ｔｍである。つまり、例えば、周波数を１／１００００に変換（ｆｍ＝ｆ１／１００００）したならば、時間τを１００００倍に引き伸ばしたことと同等となる（ｔｍ＝τ×１００００）。

そこで、コンパレータ４３は、上述の時間的に引き伸ばされた受信信号の立ち上がりを検出する処理を所定のサンプリングのタイミング毎に行い、その検出結果をストップ信号とすべく、Ｈの信号として時間計測部３に向けて出力する。その検出の動作は、所定の時間Ｔｍａｘの間行われる。時間計測部３は、所定のサンプリングのタイミング毎に出力されるコンパレータ４３からの出力について、時間Ｔｍａｘの間、Ｌの信号数をカウンタＣＬでカウントして、カウント値ＣＬを換算して上述の時間差ｔｍを求める。測定された時間差ｔｍと、時間差ｔｍを実際の測定値（時間τ）に換算するための係数ｋとを用いて、対象物Ｍまでの距離ｘを、ｘ＝ｋ×τ×Ｖ／２として求めることができる。係数ｋは、上述のｔｍ＝ｔ×１００００の場合には、ｋ＝１／１００００である。

なお、次に示すように、スタート信号を投光器２２による投光開始のタイミングとしない方法を用いることもできる。すなわち、別途設けたミキシング回路により、図１４（ｃ）に示す送信信号の中間周波信号を生成する。そして、時間差ｔｍの測定に際し、図１４（ｃ）（ｄ）における各波形の、例えば、各信号の立上り点を検出して２つの立上り点間の時間差を測定する、または、各波形のゼロクロス点を検出して２つのゼロクロス点間の時間差を測定する方法を用いることができる。各信号の立上り点や、ゼロクロス点の検出、より一般的には、同位相点の検出を行う際に、時間計測部３における安定化処理を行って光の往復時間を求めるようにすることができる。

（第４の変形例）
図１５、図１６は上述の第１、第２、第３の実施形態に係る距離センサの第４の変形例を示す。この第４の変形例は、時間計測部３が出力する光の往復時間、または光の往復時間から求められた距離の測定値を複数蓄積し、その平均値を出力する平均処理部３３をさらに備えるものである。図１５に示す距離センサ１は、第１、第２の実施形態の変形例となっているが、メモリ３２を備えることにより、第３の実施形態の変形例とすることができる。図１６のフローチャートによって、この変形例の動作を説明する。距離センサ１は、第１、第２、第３の実施形態で説明した距離計測を行い（Ｓ４１）、その計測を所定回数まで繰り返し（Ｓ４２）、所定回数に達したならば（Ｓ４２でＹｅｓ）、平均処理部３３において、計測結果の平均値が、距離ｘの値として出力される。この第４の変形例によれば、時間計測部３が安定化処理を行って求めた光の往復時間、または光の往復時間から求められた距離の平均値を求めるので、測定精度の更なる向上を見込むことができる。

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述の第１、第２、第３の実施形態、および第１乃至第４の変形例において、コンパレータ４３の出力がハイＨの信号を、候補ストップ信号に対応させて説明したが、出力がローＬの信号を、候補ストップ信号に対応させる構成とすることもできる。これは、例えば、コンパレータ４３が、ノーマルローの特性のものか、ノーマルハイの特性のものかの違いに相当する。また、コンパレータ４３に関する入出力信号の反転操作の有無などにも依存する。従って、Ｈの信号とＬの信号の定義は、コンパレータ４３とその入出力信号等に応じて適宜設定すればよい。また、本発明は、例えば、上述した各実施形態および各変形例の構成を互いに組み合わせた構成とすることができる。また、本発明は、ＴＯＦ（タイムオブフライト）式測距センサとして、光を用いる例で説明したが、より一般的に電磁波、さらには、超音波を伝搬信号として用いるＴＯＦ式測距センサにおいても、本発明における安定化処理の技術を適応することができる。

１ 距離センサ
２ 投光部
３ 時間計測部
３２ メモリ
４ 受信処理部
４３ コンパレータ
４４ アナログデジタル変換部
Ｍ 対象物

Claims (8)

1. 対象物に投光した光が対象物から反射して戻ってくるまでの往復の時間の計測結果に基づいて対象物までの距離を求める距離センサにおいて、
   対象物に光を投光する投光部と、
   前記投光部から投光のタイミングで出力されるスタート信号に基づいて光の往復時間の計測を開始する時間計測部と、
   対象物からの反射光を受光する受光部とその受光部からの受光信号を所定の閾値と比較するコンパレータとを有する受信処理部と、を備え、
   前記コンパレータは、前記比較の結果に応じて所定サンプリング周期のタイミング毎に、前記時間計測部の計測を終了するためのストップ信号の候補信号（以下、候補ストップ信号と記す）またはそれ以外の信号の２種類の信号を出力し、
   前記時間計測部は、前記コンパレータから出力される２種類の信号の時間的出現頻度の計測結果に基づいて、その出現頻度が安定した時点における候補ストップ信号をストップ信号に採用する安定化処理を行って前記光の往復時間を求めることを特徴とする距離センサ。
2. 前記時間計測部は、前記投光部からのスタート信号以降の所定時間の間、前記コンパレータから出力される候補ストップ信号以外の信号の信号数を計数し、その計数値から前記光の往復時間を求めることを特徴とする請求項１に記載の距離センサ。
3. 前記時間計測部は、前記コンパレータから候補ストップ信号が所定個数以上連続して出力されたときに前記計数を終了し、そのときの候補ストップ信号以外の信号の信号数の計数値から前記光の往復時間を求めることを特徴とする請求項２に記載の距離センサ。
4. 前記コンパレータと前記時間計測部との間に前記コンパレータから順次出力される前記２種類の信号の区別を順次記録するメモリを備え、
   前記時間計測部は、前記メモリに記録されたデータをソートし、ソートされたデータ列におけるデータ値の変化位置の情報に基づいて前記光の往復時間を求めることを特徴とする請求項１に記載の距離センサ。
5. 受光信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部を備え、
   前記受信処理部および時間計測部は、前記アナログデジタル変換部によってデジタル信号に変換された受光信号をソフトウェアによって処理することにより前記光の往復時間を求めることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の距離センサ。
6. 前記投光部は、所定の周波数の周期関数で変調した光を連続して投光し、
   前記受信処理部は、前記所定の周波数の周期毎の反射光の列を連続して受光し、その受光信号列に対してアンダーサンプリングまたはダウンコンバージョンを適用し、
   前記時間計測部は、前記受光信号列の各受光信号を前記コンパレータに通して出力される各信号に対して前記安定化処理を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の距離センサ。
7. 前記時間計測部が出力する光の往復時間の値を複数蓄積し、その平均値を出力する平均処理部をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の距離センサ。
8. 前記コンパレータから出力される２種類の信号はハイの信号とローの信号の２種類であり、そのいずれか一方を候補ストップ信号とし、他を候補ストップ信号以外の信号とすることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の距離センサ。

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