JP2018040774A - 測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を減らして装置の小型化及び低価格化を実現する。【解決手段】発光素子駆動回路７の半導体レーザ６の発光に伴って発光素子駆動回路７で生成される電気信号を検知して発光検知信号を出力する検知手段２を備えたものである。【選択図】図１

Description

本発明は、光を利用した測距装置に関し、特に部品点数を減らして装置の小型化及び低価格化を実現しようとする測距装置に係るものである。

従来の、この種の測距装置は、レーザ光を送波する送波手段と、送波手段にて送波されたレーザ光が反射物から反射されて来た反射波を受波する受波手段と、送波手段が送波してから受波手段が受波するまでの時間差を計測する時間差計測手段と、時間差計測手段にて計測された時間差に基づいて反射物までの距離を算出する距離算出手段と、を備え、更に、送波手段が送波したレーザ光を検知することにより、送波手段による送波タイミングを検知する送波タイミング検知手段を備えて、時間差計測手段が、送波タイミング検知手段にて検知された送波タイミングに基づいて時間差の計測を開始するものとなっていた（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−３１８７３５号公報

しかし、このような従来の測距装置においては、送波手段から実際に送波（放出）されたレーザ光の一部を送波タイミング検知手段により受波した後、この受波したレーザ光を光電変換処理してレーザ光の発光検知信号を出力するものとなっていたため、送波タイミング検知手段として、レーザ光を受光して光電変換処理する受光素子と、光電変換処理された電気信号を所定値まで増幅する増幅器とを備える必要が有り、部品点数が増えると共に、装置が大きくなるという問題がある。したがって、従来の測距装置においては、製造コストが嵩むという問題があった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、部品点数を減らして装置の小型化及び低価格化を実現しようとする測距装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による測距装置は、発光素子駆動回路の発光素子の発光に伴って前記発光素子駆動回路で生成される電気信号を検知して発光検知信号を出力する検知手段を備えたものである。

本発明によれば、発光素子の発光に伴って発光素子駆動回路で生成される電気信号を検出するようにしているので、発光素子の発光を検知する検知手段の構成が従来技術に比べて簡単となり、装置の小型化及び製造コストの低減を図ることができる。

本発明による測距装置の一実施形態を示すブロック図である。 本発明による測距装置の検知手段の一構成例を示す回路図である。 図２の検知手段の要部を拡大して示す説明図である。 上記検知手段の信号配線例を説明する平面図である。 上記検知手段の変形例を示す回路図である。 本発明による測距装置におけるトリガ信号の発生から計時開始のスタートパルス発生までの各信号のタイミングチャートである。 従来技術による測距装置におけるトリガ信号の発生から計時開始のスタートパルス発生までの各信号のタイミングチャートである。 本発明による測距装置の発光素子駆動回路の一実施例を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明による測距装置の一実施形態を示すブロック図である。この測距装置は、装置本体から放射された光の測距対象物で反射されて戻るまでの往復時間差に基づいて、装置本体から測距対象物までの距離を計測するもので、レーザ発光部１と、検知手段２と、受光部３と、計時部４と、測距部５と、を備えて構成されている。

上記レーザ発光部１は、後述の測距部５から入力するトリガ信号に基づいてレーザ光（投光パルス）を発光して放出するもので、図２に示すように、発光素子としての半導体レーザ６と、該半導体レーザ６を駆動する発光素子駆動回路７とを含んで構成されている。

詳細には、レーザ発光部１は、半導体レーザ６を、発光素子駆動回路７としての、例えば駆動用のｎ型トランジスタ（以下、「駆動用トランジスタ８」という）のコレクタとエミッタとの間に、そのカソードがコレクタ側となるようにし、アノードがエミッタ側となるようにして挿入して構成されている。また、上記駆動用トランジスタ８のコレクタと半導体レーザ６のカソードとの間には、コンデンサＣ_１と直流抵抗（以下、直流抵抗を単に「抵抗」という）Ｒ_１が直列接続されて備えられている。

これにより、駆動用トランジスタ８のベースにローからハイとなる駆動パルス信号が入力すると、駆動用トランジスタ８がＯＮし、コレクタからエミッタに向かって電流が流れる。同時に、駆動用トランジスタ８がＯＦＦ時に上記コンデンサＣ_１に蓄積されていた電力が放電し、図２に示す矢印方向に電流が流れて半導体レーザ６が発光する。レーザの発光時間は、コンデンサＣ_１の容量と抵抗Ｒ_１の抵抗値とで決まる時定数により定まる。

なお、上記レーザ発光部１は、半導体レーザ６から放出されたレーザ光（投光パルス）を二次元方向に偏向走査する、例えば反射ミラーを直交二軸方向に回動させるガルバノミラーや音響光学素子等の図示省略の光偏向手段を含んで構成されている。

上記レーザ発光部１におけるレーザ発光に伴って発光素子駆動回路７で生成される電気信号を検出可能に検知手段２が設けられている。この検知手段２は、レーザ発光部１からレーザ光が放出されるタイミングで発光検知信号を出力するものであり、例えば、図２に示すように駆動用トランジスタ８のエミッタと接地（ＧＮＤ）間に設けられたシャント抵抗Ｒ_２を含むものである。

これにより、駆動用トランジスタ８がＯＮすることによって流れる、電気信号としてのエミッタ電流が上記検知手段２のシャント抵抗Ｒ_２で電圧（検出電圧）に変換されて半導体レーザ６の発光が検知される。この場合、上述したように、駆動用トランジスタ８がＯＮすることによって上記エミッタ電流が流れるタイミングと、レーザ発光部１の半導体レーザ６が発光するタイミングは同じであるから、レーザ発光部１からレーザ光が放出されると、即時に検知手段２が上記エミッタ電流を電圧変換して半導体レーザ６の発光を検知し、ローからハイに変化するパルス状の発光検知信号を出力することになる。

詳細には、シャント抵抗Ｒ_２は、その両端部が、図３に示すように回路基板に設けられたエミッタ側配線パターン９の接続パッド９ａとＧＮＤ側配線パターン１０の接続パッド１０ａとの間に半田接続して設けられており、シャント抵抗Ｒ_２を流れるエミッタ電流（測定電流）の検出電圧がシャント抵抗Ｒ_２の両端部の上記各接続パッド９ａ，１０ａ間で検出されるようになっている。さらに、上記検出電圧を後述の計時部４に導く信号配線１１は、図４に示すように、信号配線１１の真下にＧＮＤパターン１２を設けたマイクロストリップラインの構成として高周波伝送を可能にしている。

このようなシャント抵抗方式によれば、検知手段２は、シャント抵抗Ｒ_２の単体で構成することができ、回路構成を簡素化することができる。また、従来技術と違って、光電変換処理に伴うタイムラグ（回路遅延）を無くして、半導体レーザ６の発光をリアルタイムに検知することができる。さらに、従来技術に比べて、温度依存性が小さく、温度変動に対しても安定的に半導体レーザ６の発光検知を行うことができる。なお、図２において、符号Ｒ_３は後述の計時部４の入力インピーダンスとの整合をとるための抵抗である。

図５は、検知手段２の変形例を示す回路図である。
この検知手段２は、駆動用トランジスタ８のエミッタ電流をトランス結合により電圧変換して検出するものである。詳細には、駆動用トランジスタ８のエミッタとＧＮＤとの間にトランス１３の一次コイルを挿入し、半導体レーザ６の発光に伴って生成されるエミッタ電流が一次コイルを流れる際に、二次コイルの両端に発生する電圧（検出電圧）を検出し、これを増幅器１４により増幅して発光検知信号を出力するようになっている。

このようなトランス結合方式の検知手段２によれば、従来技術と違って、光電変換処理に伴うタイムラグを無くして、レーザ発光部１のレーザ発光をリアルタイムに検知することができる。また、基板実装用の小型で安価なトランス１３を使用することができ、部品コストを低減することができる。なお、図５において符号Ｒ_４は、増幅器１４の負帰還抵抗である。

上記レーザ発光部１から放出されたレーザ光の測距対象物からの反射光（受光パルス）を受光可能に受光部３が設けられている。この受光部３は、受光した上記反射光を光電変換し、受光信号として出力するもので、光電変換するフォトダイオードと光電変換された電気信号を所定値まで増幅する増幅回路とを含んで構成されている。

上記検知手段２に電気的に接続して計時部４が設けられている。この計時部４は、検知手段２から発光検知信号を入力して計時を開始するもので、この計時開始から、上記レーザ発光部１より放出されたレーザ光の測距対象物からの反射光を受光するまでの時間差を計測するようになっている。そして、計時部４としては、公知の時間計測回路を適用することができる。

詳細には、上記計時部４は、検知手段２から発光検知信号が入力されるとスタートパルスを生成して計時を開始し、受光部３から受光信号が入力されると計時を停止し、計時開始から計時停止までの時間差を計測して後述の測距部５に出力するようになっている。

上記計時部４に電気的に接続して測距部５が設けられている。この測距部５は、計時部４における計時開始から計時停止までの時間差に基づいて、レーザ発光部１から測距対象物までの距離を演算するものであり、公知の回路を適用することができる。また、前述したように測距部５は、上記レーザ発光部１と電気的に接続しており、測距部５からレーザ発光部１にレーザ発光のトリガ信号を出力するようにもなっている。

次に、このように構成された測距装置の動作について説明する。
先ず、測距部５から測距開始のトリガ信号がレーザ発光部１に送出されると、レーザ発光部１では、上記トリガ信号に基づいて図示省略の駆動パルス信号生成部で半導体レーザ６の駆動パルス信号（ローからハイに変化するパルス信号）が生成され、駆動用トランジスタ８のベースに供給される（図６（ａ）、（ｂ）参照）。

駆動パルス信号が供給されると駆動用トランジスタ８はＯＮする。これにより、駆動用トランジスタ８には、コレクタからエミッタに向かって電流が流れる。同時に、駆動用トランジスタ８がＯＦＦ時に、電源電圧によってコンデンサＣ_１に蓄積されていた電力が駆動用トランジスタ８を介して放電し、図２に示す矢印方向に電流が流れて半導体レーザ６が発光する（図６（ｃ）参照）。

駆動用トランジスタ８がＯＮすると、即ち半導体レーザ６が発光すると、それに伴って駆動用トランジスタ８のエミッタ電流が検知手段２としてのシャント抵抗Ｒ_２を介して流れる。その結果、シャント抵抗Ｒ_２の両端には発光検知信号としてローからハイに変化するパルス状の電圧が発生する（図６（ｄ）参照）。そして、この発光検知信号が後段の計時部４に伝送される。

計時部４では、上記発光検知信号を検知手段２から入力すると、レーザ発光部１から放出されたレーザ光が測距対象物で反射されて戻るまでの往復時間（時間差）を計時するためのスタートパルスを生成し（図６（ｅ）参照）、計時を開始する。

測距対象物で反射されて戻るレーザ光は、受光部３のフォトダイオードで受光され、該フォトダイオードにおいて電気信号に光電変換された後、後段の増幅器で所定値まで増幅されて受光信号となり、計時部４に伝送される。

計時部４においては、上記受光部３から受光信号を入力すると計時を停止し、計時開始から計時停止までに要した時間差を求め、該時間差を時間差情報として測距部５に出力する。

測距部５においては、計時部４か入力した上記時間差情報と光速とに基づいてレーザ発光部１から測距対象物までの距離を演算する。

このように、本発明によれば、半導体レーザ６の発光に伴って生成される電気信号としての電流を電圧変換して半導体レーザ６の発光を検知するようにしているので、検知手段２の構成が簡単となり、装置の小型化及び製造コストの低減を図ることができる。特に、検知手段２としてシャント抵抗Ｒ_２を使用した場合には、検知手段２の構成がより簡単となり、本発明の目的を完全に達成することができる。

また、本発明によれば、半導体レーザ６が発光したタイミングで発光検知信号が出力されるため、トリガ信号の発生から計時開始のスタートパルスの生成までに要する回路遅延を図７に示す従来技術に比べて小さくすることができる。したがって、従来技術に増して距離計測を正確に行うことができる。

詳細には、図７に示す従来技術においては、半導体レーザ６が発光してから（図７（ｃ）参照）から発光検出信号生成（図７（ｄ）参照）までに、半導体レーザ６で発光したレーザ光の一部を受光して光電変換処理する処理時間が存在するため、本発明に比較して上記処理時間分だけ回路遅延が大きくなる。

なお、上記実施形態においては、半導体レーザ６がｎ型トランジスタのコレクタとエミッタとの間に挿入された発光素子駆動回路７の構成について説明したが、本発明はこれに限られず、検知手段２が半導体レーザ６の発光に伴って発光素子駆動回路７で生成される電流を電圧変換して半導体レーザ６の発光を検知するものである点を除けば、発光素子駆動回路７の構成は、公知の技術を適用することができる。

次に、本発明による測距装置の具体的構成例、特に検知手段２を備えた発光素子駆動回路７の実施例について説明する。
（実施例）
図８は本発明による測距装置の発光素子駆動回路７の一実施例を示す回路図である。
半導体レーザ６を駆動する駆動部は２段構成となっており、１段目には、ｐ−ＭＯＳＦＥＴ１５がソース側を電源Ｖｃｃに電気接続し、ドレイン側を抵抗Ｒ_５を介して接地（ＧＮＤ）し、配置されている。

また、ソースとＧＮＤとの間には、並列接続されたコンデンサＣ_２，Ｃ_３が電気接続されている。このコンデンサＣ_２，Ｃ_３は、補助電源としての機能を果たすものである。即ち、ｐ−ＭＯＳＦＥＴ１５の電源がｐ−ＭＯＳＦＥＴ１５から許容以上離れている場合には、ｐ−ＭＯＳＦＥＴ１５がＯＮ駆動してもｐ−ＭＯＳＦＥＴ１５に電源から十分な電力が供給されず、十分に大きな出力信号が得られないことがある。そこで、本実施例においては、ｐ−ＭＯＳＦＥＴ１５のソース電極に許容距離内で近接した位置とＧＮＤとの間に上記コンデンサＣ_２，Ｃ_３を挿入している。これにより、ｐ−ＭＯＳＦＥＴ１５がＯＮ駆動するとｐ−ＭＯＳＦＥＴ１５がＯＦＦ時に上記コンデンサＣ_２，Ｃ_３に蓄積された電力がｐ−ＭＯＳＦＥＴ１５に供給され、入力する駆動パルス信号に応じた十分に大きな出力パルス信号を得ることが可能となる。

１段目のｐ−ＭＯＳＦＥＴ１５のドレインと２段目のｎ−ＭＯＳＦＥＴ１６のゲートとが、抵抗Ｒ_６を介して電気接続されている。このｎ−ＭＯＳＦＥＴ１６は、半導体レーザ６を発光駆動させるものであり、ドレイン側を抵抗Ｒ_７を介して電源Ｖｃｃに電気接続し、ソース側を接地（ＧＮＤ）側としている。また、ｎ−ＭＯＳＦＥＴ１６のドレインとＧＮＤとの間には、半導体レーザ６が、カソード側をドレイン側とし、アノード側をＧＮＤとして挿入されている。詳細には、ｎ−ＭＯＳＦＥＴ１６のドレインと半導体レーザ６のカソードとの間には、並列接続されたコンデンサＣ_４，Ｃ_５と並列接続された抵抗Ｒ_８，Ｒ_９，Ｒ_１０とが直列接続して設けられている。

また、ｎ−ＭＯＳＦＥＴ１６のドレインに電気接続された抵抗Ｒ_７の電源Ｖｃｃ側には、コンデンサＣ_６が一旦を接地（ＧＮＤ）して電気接続されている。このコンデンサＣ_６は、上記ｐ−ＭＯＳＦＥＴ１５のコンデンサＣ_２，Ｃ_３と同様に補助電源としての機能を果たすものである。なお、図８において、符号１７は、半導体レーザ６の保護ダイオードであり、アノードを半導体レーザ６のカソードに電気接続し、カソードを接地（ＧＮＤ）して設けられている。

上記ｎ−ＭＯＳＦＥＴ１６のソースとＧＮＤとの間には、検知手段２を構成するシャント抵抗Ｒ_２が設けられている。このシャント抵抗Ｒ_２は、ｎ−ＭＯＳＦＥＴ１６がＯＮ駆動し、半導体レーザ６が発光するのに伴ってｎ−ＭＯＳＦＥＴ１６のソースからＧＮＤに向かって流れる電流（電気信号）を電圧変換して半導体レーザ６の発光を検知するためのものであり、検出された電圧が発光検知信号として図示省略の計時部４に伝送されるようになっている。なお、図８において、符号Ｒ_３は計時部４の入力インピーダンスとの整合を取るための抵抗である。

このように構成された発光素子駆動回路７は、次のように動作する。
即ち、１段目のｐ−ＭＯＳＦＥＴ１５のゲートにハイからローに変化する駆動パルス信号が入力されると、ｐ−ＭＯＳＦＥＴ１５がＯＮする。これにより、コンデンサＣ_２，Ｃ_３に蓄積された電力がｐ−ＭＯＳＦＥＴ１５のソースに供給されて電流が流れ、ｐ−ＭＯＳＦＥＴ１５のドレインにローからハイに変化する出力パルス信号が生成される。

上記出力パルス信号は、２段目のｎ−ＭＯＳＦＥＴ１６のゲートに供給され、ｎ−ＭＯＳＦＥＴ１６をＯＮする。ｎ−ＭＯＳＦＥＴ１６がＯＮするとコンデンサＣ_６に蓄積された電力がｎ−ＭＯＳＦＥＴ１６のドレインに供給されて電流が流れる。同時にコンデンサＣ_４，Ｃ_５に蓄積された電力がｎ−ＭＯＳＦＥＴ１６を介して放電され、図８に示す矢印方向に電流が流れる。これにより、半導体レーザ６が発光し、半導体レーザ６から測距用のレーザ光が放出される。

この場合、ｎ−ＭＯＳＦＥＴ１６のＯＮ駆動に伴って流れる電流と、それと同時にコンデンサＣ_４，Ｃ_５に蓄積された電力が放電されることに伴って生成される電流と（そして、これらの電流が半導体レーザ６の発光に伴って生成される電気信号に相当する。）が検知手段２のシャント抵抗Ｒ_２を流れる。これにより、シャント抵抗Ｒ_２の両端には、半導体レーザ６の発光タイミングに合せてローからハイに変化するパルス状の電圧が発生する。そして、この電圧が発光検知信号としてコネクタＣＮを介して計時部４に出力される。また、計時部４においては、この発光検知信号を入力するとスタートパルスが生成され、計時が開始されることになる。

なお、上記実施形態は、本発明が理解及び実施できる程度に概略的に示したものであり、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲を逸脱しない限り種々に変更及び修正をすることができる。

２…検知手段
４…計時部
５…測距部
６…半導体レーザ（発光素子）
７…発光素子駆動回路
１３…トランス
Ｒ_２…シャント抵抗（抵抗）

Claims (7)

1. 発光素子駆動回路の発光素子の発光に伴って前記発光素子駆動回路で生成される電気信号を検出して発光検知信号を出力する検知手段を備えたことを特徴とする測距装置。
2. 前記検知手段から前記発光検知信号を入力して計時を開始する計時部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
3. 前記計時部における計時開始から、前記発光素子より放出された光の測距対象物からの反射光を受光するまでの時間差に基づいて、装置本体から前記測距対象物までの距離を演算する測距部を備えたことを特徴とする請求項２に記載の測距装置。
4. 前記電気信号は、前記発光素子の発光に伴って前記発光素子駆動回路で生成される電流であり、
   前記検知手段は、前記電流を電圧変換して前記発光素子の発光を検知することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の測距装置。
5. 前記検知手段は、前記電流が抵抗を流れる際に、該抵抗の両端に発生する電圧を検出することを特徴とする請求項４に記載の測距装置。
6. 前記検知手段は、前記電流がトランスの一次コイルを流れる際に、二次コイルの両端に発生する電圧を検出することを特徴とする請求項４に記載の測距装置。
7. 前記発光素子は、レーザ光を発光する半導体レーザであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の測距装置。