JP2018059839A

JP2018059839A - 距離測定装置

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Publication number: JP2018059839A
Application number: JP2016198066A
Authority: JP
Inventors: 康介新村; Kosuke Niimura
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2016-10-06
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2018-04-12
Also published as: CN109804265B; CN109804265A; WO2018066612A1; US20190227170A1; US10989813B2

Abstract

【課題】物体までの距離を測定するように構成された距離測定装置において、スイッチを極力大型化することなくサージ電圧に対する耐性を向上させる。
【解決手段】距離測定装置において発光回路１５は、発光制御信号ＳＣに従ってスイッチ２１を開閉することによってコンデンサ２２を充放電し、コンデンサ２２による放電の際の電力でＬＤ３１を発光させるように構成される。また、発光回路１５は、スイッチ２１、コンデンサ２２、ＬＤ３１が直列かつ環状に接続された回路を第１回路１５Ｐとし、スイッチ２１、コンデンサ２２、Ｄｐ２３が直列かつ環状に接続された回路を第２回路１５Ａとして、第１回路１５Ｐの寄生インダクタンスＬｐは第２回路１５Ａの寄生インダクタンスＬａよりも大きくなるように構成される。
【選択図】図２

Description

本開示は、物体までの距離を測定するように構成された距離測定装置に関する。

下記の非特許文献１には、トランジスタ等のスイッチを用いてコンデンサを充放電し、コンデンサが放電する際の電力を用いて発光素子を発光させ、反射波を受光したタイミングに基づいて物体までの距離を測定する技術が開示されている。

Operating the Pulsed Laser Diode SPL LL90_3 Application Note、ドイツ連邦共和国、OSRAM社（独）、2014年6月11日発行

非特許文献１の技術では、コンデンサからの放電中にスイッチを遮断することで発光量を制御できるが、この際にスイッチにはサージ電圧が印可されため、スイッチにはサージ電圧に耐えられるように対策を施す必要がある。サージ電圧に対する対策には、スイッチ自体を大型化することが考えられるが、スイッチの応答性が悪くなる虞がある。

本開示では、物体までの距離を測定するように構成された距離測定装置において、スイッチを極力大型化することなくサージ電圧に対する耐性を向上させることができるようにすることを目的とする。

本開示の距離測定装置は、スイッチ（２１）、コンデンサ（２２）、発光素子（３１）、および保護素子（２３）を備えた発光回路（１５）を備える。発光回路は、発光制御信号に従ってスイッチを開閉することによってコンデンサを充放電し、コンデンサによる放電の際の電力で発光素子を発光させるように構成される。また、発光回路は、スイッチ、コンデンサ、発光素子が直列かつ環状に接続された回路を第１回路（１５Ｐ）とし、スイッチ、コンデンサ、保護素子が直列かつ環状に接続された回路を第２回路（１５Ａ）として、第１回路の寄生インダクタンス（Ｌｐ）が第２回路の寄生インダクタンス（Ｌａ）よりも大きくなるように構成される。

このような距離測定装置によれば、第１回路の寄生インダクタンスが第２回路の寄生インダクタンスよりも大きくなるように構成されるので、スイッチにかかるサージ電圧を抑制することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

距離測定装置の構成を示すブロック図である。実施形態の発光回路を示す回路図である。発光制御信号のパルス長が長い場合において、発光制御信号に対する光出力とスイッチ電圧との関係を示すグラフである。発光制御信号のパルス長が短い場合において、発光制御信号に対する光出力とスイッチ電圧との関係を示すグラフである。第１変形例の発光回路を示す回路図である。第２変形例の発光回路を示す回路図である。第３変形例の発光回路を示す回路図である。第４変形例の発光回路を示す回路図である。第５変形例の発光回路を示す回路図である。第６変形例の発光回路の一部を示す回路図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。
［１．実施形態］
［１−１．構成］
本開示の距離測定装置１は、光源から発せられた光の反射波に基づいて物体までの距離を測定するように構成される。詳細には、図１に示すように、距離測定装置１は、測定制御部１０と、発光回路１５と、受光回路１６と、を備える。

発光回路１５は、ＬＤ駆動回路２０Ａと、ＬＤ３１とを備える。なお、ＬＤとはレーザダイオードを示す。受光回路は、ＰＤ３２と、ＰＤ出力検出部３３とを備える。なお、ＰＤとは、フォトダイオードを示す。

ＬＤ駆動回路２０Ａは、測定制御部１０から出力される矩形波である発光制御信号ＳＣに従って後述するスイッチ２１のオン・オフを制御することによって、ＬＤ３１を発光させる。この際、ＬＤ３１の発光時間は、発光制御信号ＳＣのパルス長Δｔ、すなわち矩形波の出力が継続される時間によって制御される。

ＬＤ３１からはレーザ光が射出され、レーザ光が何らかの物体に反射したときの反射光がＰＤ３２にて受光される。ＰＤ３２からは反射光の強度に応じた電圧がアナログ信号として出力され、ＰＤ出力検出部３３は、この信号をＡＤ変換して受光信号ＲＳとして測定制御部１０に対して出力する。

測定制御部１０は、ＣＰＵと、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の半導体メモリと、を有する周知のマイクロコンピュータを中心に構成される。測定制御部１０の各種機能は、ＣＰＵが非遷移的実体的記録媒体に格納されたプログラムを実行することにより実現される。この例では、半導体メモリが、プログラムを格納した非遷移的実体的記録媒体に該当する。

また、このプログラムが実行されることで、プログラムに対応する方法が実行される。なお、非遷移的実体的記録媒体とは、記録媒体のうちの電磁波を除く意味である。また、測定制御部１０を構成するマイクロコンピュータの数は１つでも複数でもよい。

測定制御部１０は、ＣＰＵがプログラムを実行することで実現される機能の構成として、発光制御信号ＳＣを生成し出力する発光制御機能と、受光信号ＲＳに基づいて物体の位置を検知する物体検知機能とを備える。測定制御部１０を構成するこれらの要素を実現する手法はソフトウェアに限るものではなく、その一部または全部の要素について、一つあるいは複数のハードウェアを用いて実現してもよい。例えば、上記機能がハードウェアである電子回路によって実現される場合、その電子回路は多数の論理回路を含むデジタル回路、またはアナログ回路、あるいはこれらの組合せによって実現してもよい。

発光制御機能では、任意のパルス長Δｔを有する発光制御信号ＳＣを生成する。発光制御信号ＳＣは、周囲の照度、車速、事前に得られたターゲットとなる物体までの距離等に基づいて設定されてもよい。

物体検知機能では、ＬＤ３１がレーザ光を射出してからその反射波が得られるまでの時間に基づいてレーザ光を反射した物体までの距離を算出する。
ＬＤ駆動回路２０Ａは、図２に示すように、スイッチ２１、コンデンサ２２、およびＤｐ２３を備える。Ｄｐとは、保護素子を表し、具体的には例えば保護ダイオードが保護素子に該当する。Ｄｐ２３は、スイッチ２１およびＬＤ３１のそれぞれと並列に配置されており、ＬＤ３１に加わる電圧が流されることでＬＤ３１を保護する機能を有する。

ＬＤ駆動回路２０Ａは、スイッチ２１の両端子に、電源２８およびグランド２９がそれぞれ接続される。特に、スイッチ２１におけるコンデンサ２２側の端子に電源２８が接続され、電源２８の電位はグランド２９の電位にＶｃｃを加算した値とされる。また、ＬＤ駆動回路２０ＡにＬＤ３１を加えたものが発光回路１５である。

発光回路１５は、発光制御信号ＳＣに従ってスイッチ２１を開閉することによってコンデンサ２２を充放電し、コンデンサ２２による放電の際の電力でＬＤ３１を発光させるように構成される。具体的には、発光制御信号ＳＣがローレベルであるときに、スイッチ２１がオフの状態となり、この際、電源２８とグランド２９との電位差によってコンデンサ２２が充電される。

そして、発光制御信号ＳＣがハイレベルであるときに、スイッチ２１がオンの状態となり、コンデンサ２２に蓄えられた電荷が放出される。この際、ＬＤ３１に電流が流れ、ＬＤ３１が発光する。

ここで、発光回路１５は、スイッチ２１、コンデンサ２２、ＬＤ３１が直列かつ環状に接続された回路を有する。この回路を第１回路１５Ｐとする。また、発光回路１５は、スイッチ２１、コンデンサ２２、Ｄｐ２３が直列かつ環状に接続された回路を有する。この回路を第２回路１５Ａとする。また、ＬＤ３１とＤｐ２３とが直列かつ環状に接続された回路を有する。この回路を第３回路１５Ｂとする。

このような構成の発光回路１５では、発光制御信号ＳＣのパルス長Δｔを大きくすると、図３に示すように、ＬＤ３１からの光の出力が大きくなる。ただし、発光制御信号ＳＣのパルス長Δｔがコンデンサ２２の放電可能時間を超えると、コンデンサ２２からの放電が終了し、ＬＤ３１は消灯する。この際、スイッチ２１の両端の電位差を表すスイッチ電圧Ｖｓｗは、０からＶｃｃ範囲内となり、寄生インダクタンスによるサージ電圧はほとんど生じない。

ところが、発光制御信号ＳＣのパルス長Δｔを小さくすると、図４に示すように、コンデンサ２２の放電中に、スイッチ２１によってその放電が遮断される。この場合、ＬＤ３１からの光の出力を小さく制御できるが、スイッチ電圧Ｖｓｗは、寄生インダクタンスにより、瞬間的に電源２８の電位Ｖｃｃを超える、いわゆるサージ電圧が発生する場合が多い。

このサージ電圧を極力抑制するため、発光回路１５は、以下の構成を備える。
［１］第１回路１５Ｐの寄生インダクタンスＬｐは第２回路１５Ａの寄生インダクタンスＬａよりも大きくなるように構成される。

［２］第２回路１５Ａの寄生インダクタンスＬａは第３回路１５Ｂの寄生インダクタンスＬｂよりも小さくなるように構成される。
［３］スイッチ２１とＤｐ２３との間の配線長は、スイッチ２１とＬＤ３１との配線長よりも短くなるように構成される。

［４］Ｄｐ２３の内部インダクタンスはＬＤ３１の内部インダクタンスよりも小さくなるように構成される。なお、内部インダクタンスとは、素子が有するコイルとしての特性のうち電磁界の生じやすさを値で表したものを示す。

これらの［１］から［４］までの構成は、スイッチ２１に加わるサージ電圧を発生させる配線や素子による寄生インダクタンス抑制するための工夫である。寄生インダクタンスは、配線長さを短くしたり、配線が囲む領域の面積を小さくしたり、或いは電流によって生じる磁気をシールドしたりすること等で抑制できると考えられる。本実施形態では、回路全体として寄生インダクタンスを抑制し、回路毎の寄生インダクタンスの相対値によっても上記の条件を満たすようにすることで、スイッチ２１に掛かるサージ電圧を抑制するものである。

これらの構成の少なくとも１つを備えることで、図４に示すように、スイッチ電圧Ｖｓｗの変化が抑制される。例えば、これらの構成のいずれも備えない場合には、図４のスイッチ電圧Ｖｓを示すグラフの破線で示すように、Ｖｃｃの電位の２倍を超えるようなサージ電圧が発生することもある。しかし、本実施形態の構成では、図４のスイッチ電圧Ｖｓを示すグラフの実線で示すように、Ｖｃｃの電位をやや超える程度にサージ電圧を抑制できることが分かる。

［１−２．効果］
以上詳述した第１実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１ａ）本開示の距離測定装置１は、スイッチ２１、コンデンサ２２、ＬＤ３１、およびＤｐ２３を備えた発光回路１５を備える。発光回路１５は、発光制御信号ＳＣに従ってスイッチ２１を開閉することによってコンデンサ２２を充放電し、コンデンサ２２による放電の際の電力でＬＤ３１を発光させるように構成される。また、発光回路１５は、スイッチ２１、コンデンサ２２、ＬＤ３１が直列かつ環状に接続された回路を第１回路１５Ｐとし、スイッチ２１、コンデンサ２２、Ｄｐ２３が直列かつ環状に接続された回路を第２回路１５Ａとして、第１回路１５Ｐの寄生インダクタンスＬｐは第２回路１５Ａの寄生インダクタンスＬａよりも大きくなるように構成される。

このような距離測定装置１によれば、第１回路１５Ｐの寄生インダクタンスＬｐが第２回路１５Ａの寄生インダクタンスＬａよりも大きくなるように構成されるので、スイッチ２１にかかるサージ電圧を抑制することができる。

（１ｂ）上記の距離測定装置１において、発光回路１５は、ＬＤ３１とＤｐ２３とが直列かつ環状に接続された回路を第３回路１５Ｂとして、第２回路１５Ａの寄生インダクタンスＬａは第３回路１５Ｂの寄生インダクタンスＬｂよりも小さくなるように構成される。

このような距離測定装置１によれば、第２回路１５Ａの寄生インダクタンスＬａを第３回路１５Ｂの寄生インダクタンスＬｂよりも小さくするので、スイッチ２１にかかるサージ電圧をさらに抑制することができる。よって、発光回路１５をさらに小型化することができる。

（１ｃ）上記の距離測定装置１において、スイッチ２１とＤｐ２３との間の配線長は、スイッチ２１とＬＤ３１との配線長よりも短くなるように構成される。
このような距離測定装置１によれば、スイッチ２１とＤｐ２３との間の配線によって発生するサージ電圧を小さくすることができるので、スイッチ２１にかかるサージ電圧をさらに抑制することができる。

（１ｄ）上記の距離測定装置１において、Ｄｐ２３の内部インダクタンスはＬＤ３１の内部インダクタンスよりも小さくなるように構成される。
このような距離測定装置１によれば、Ｄｐ２３からサージ電圧が生じにくくすることができるので、スイッチ２１にかかるサージ電圧をさらに抑制することができる。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（２ａ）上記実施形態では、光源駆動回路２０Ａを採用したが、これに限定されるものではない。例えば、以下に示す光源駆動回路２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ，２０Ｆとしてもよい。これらのようにしても、上記（１ａ）と同様の効果を享受できる。

第１変形例の光源駆動回路２０Ｂでは、図５に示すように、スイッチ２１におけるコンデンサ２２側の端子にグランド２９が接続され、スイッチ２１におけるコンデンサ２２とは反対側の端子に電源２８が接続される。

第２変形例の光源駆動回路２０Ｃでは、図６に示すように、スイッチ２１におけるコンデンサ２２側の端子にグランド２９が接続され、コンデンサ２２のＬＤ３１側の端子に電源２８が接続される。

第３変形例の光源駆動回路２０Ｄでは、図７に示すように、スイッチ２１におけるコンデンサ２２側の端子に電源２８が接続され、コンデンサ２２のＬＤ３１側の端子にグランド２９が接続される。

第４変形例の光源駆動回路２０Ｅでは、図８に示すように、コンデンサ２２のスイッチ２１とは反対側の端子に電源２８が接続され、スイッチ２１のコンデンサ２２とは反対側の端子にグランド２９が接続される。また、光源駆動回路２０Ｅでは、スイッチ２１の両端を接続するダイオード２５と、電源２８およびＬＤ３１の間に直列に接続される電流制限抵抗器２６とを備えてもよい。ダイオード２５および電流制限抵抗器２６は、スイッチ２１に加わるサージ電圧および電流を抑制するために寄与する。

第５変形例の光源駆動回路２０Ｆでは、図９に示すように、コンデンサ２２のスイッチ２１とは反対側の端子にグランド２９が接続され、スイッチ２１のコンデンサ２２とは反対側の端子に電源２８が接続される。また、光源駆動回路２０Ｆでは、ダイオード２５がスイッチ２１の両端を接続するように配置され、電流制限抵抗器２６が電源２８およびＬＤ３１の間に直列に接続される。

第６変形例の光源駆動回路２０Ｇでは、図１０に示すように、スイッチ２１の両端子に接続されたスナバ回路４０をさらに備えてもよい。スナバ回路４０は、コンデンサ４１と抵抗器４２とが直列に接続されて構成され、スイッチ２１と並列に配置される。

このような距離測定装置１によれば、スナバ回路４０がスイッチ２１に加わる電圧の一部をコンデンサ４１に充電するので、スイッチ２１にかかるサージ電圧をさらに抑制することができる。

（２ｂ）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加または置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

（２ｃ）上述した距離測定装置の他、当該距離測定装置を構成要素とするシステム距離測定方法など、種々の形態で本開示を実現することもできる。
［３．実施形態の構成と本開示の構成との対応関係］
上記実施形態においてＬＤ３１は本開示でいう発光素子に相当し、上記実施形態においてＤｐ２３は本開示でいう保護素子に相当する。

１…距離測定装置、１０…測定制御部、１５…発光回路、１５Ｐ…第１回路、１５Ａ…第２回路、１５Ｂ…第３回路、１６…受光回路、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ，２０Ｆ，２０Ｇ…光源駆動回路、２１…スイッチ、２２…コンデンサ、２５…ダイオード、２６…電流制限抵抗器、２８…電源、２９…グランド、３３…ＰＤ出力検出部、４０…スナバ回路、４１…コンデンサ、４２…抵抗器。

Claims

光源から発せられた光の反射波に基づいて物体までの距離を測定するように構成された距離測定装置（１）であって、
スイッチ（２１）、コンデンサ（２２）、発光素子（３１）、および保護素子（２３）を備え、発光制御信号に従って前記スイッチを開閉することによって前記コンデンサを充放電し、前記コンデンサによる放電の際の電力で前記発光素子を発光させるように構成された発光回路（１５）を備え、
前記発光回路は、
前記スイッチ、前記コンデンサ、前記発光素子が直列かつ環状に接続された回路を第１回路（１５Ｐ）とし、前記スイッチ、前記コンデンサ、前記保護素子が直列かつ環状に接続された回路を第２回路（１５Ａ）として、
前記第１回路の寄生インダクタンス（Ｌｐ）は前記第２回路の寄生インダクタンス（Ｌａ）よりも大きくなる
ように構成される距離測定装置。
請求項１に記載の距離測定装置であって、
前記発光回路は、
前記発光素子と前記保護素子とが直列かつ環状に接続された回路を第３回路（１５Ｂ）として、
前記第２回路の寄生インダクタンスは前記第３回路の寄生インダクタンス（Ｌｂ）よりも小さくなる
ように構成される距離測定装置。
請求項１または請求項２に記載の距離測定装置であって、
前記スイッチと前記保護素子との間の配線長は、前記スイッチと前記発光素子との配線長よりも短くなる
ように構成される距離測定装置。
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の距離測定装置であって、
前記保護素子の内部インダクタンスは前記発光素子の内部インダクタンスよりも小さくなる
ように構成される距離測定装置。
請求項１から請求項４の何れか１項に記載の距離測定装置であって、
前記スイッチの両端子に接続されたスナバ回路（４０）
をさらに備える距離測定装置。