JPH0368889A - 距離センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、変調光の伝搬距離に対する位相遅れを検出
して対象物までの距離を計測する距離センサに関連し、
殊にこの発明は、信号処理回路の伝達関数の位相特性が
ドリフトすることにより発生する誤差を補償する機能を
もつ距離センサに関する。

〈従来の技術〉 この種の距離センサとして、レーデ光を用いた強度変調
方式（位相差法）の距離センサが知られている。

第６図は、この距離センサの光学系を示すもので、図示
しないケース内に集光レンズｌが固定され、この集光レ
ンズ１の中央に貫通孔２が形威しである。この貫通孔２
の内部には、光源としてのレーザダイオード（以下、ｒ
ＬＤＪという）３と、このＬＤ３の出力光をコリメート
するコリメータ・レンズ４と、出力光をモニタして位相
基準となる参照信号を生成するためのフォトダイオード
（以下、「ＰＤ」という）５とが配備され、前記ＬＤ３
とコリメータ・レンズ４とで投光光学系が構成される。

また集光レンズ１への入射光の集光位置には、距離情報
を含む測定信号を生成するためのＰＤ６が配備され、集
光レンズ１と上記２個のＰＤ５．６とで受光光学系が構
成される。

上記投光光学系と受光光学系とはその光軸を一致させで
ある。投光光学系のコリメータ・レンズ４より出射され
る変調光は対象物に設けられた回帰反射板７に投射され
る。その反射光は投射光の光路に沿って戻り、集光レン
ズ１を経てＰＤ６にて受光される。ここで回帰反射板７
とはその表面に対する入射光の入射角にかかわらず、入
射光の方向に光を反射させるものである。反射光を受光
するＰＤ６　（以下、「第１のＰＤ、という）で得た測
定信号と投射光をモニタするＰＤ５　（以下、「第２の
ＰＤ、という）で得た参照信号との間には、変調光の伝
搬距離に対する位相遅れが生じており、前記参照信号と
測定信号とを信号処理部８で処理して両者の位相差φを
検出することにより対象物までの距Ｎｌが測定される。

第７図は距離センサの全体の回路構成を、また第８図は
そのタイムチャートを、それぞれ示すもので、投射部１
０．受光部１１．信号処理部１２．計測部１３．クロッ
ク生成部１４により図示の距離センサが構成されている
。

投射部１０は、ＬＤ３を光源として、発振器１５とＡＰ
Ｃ回路１６とを含む。発振器１５は一定の周波数（変調
周波数ｆｌ）で発振している。この発振出力はフィルタ
１７およびＡＰＣ回路１６を経てＬＤ３へ与えられてこ
れを駆動し、強度変調されたレーザ光を出射させる。な
おＡＰＣ回路１６はレーザ光の出射パワーを安定化する
。

受光部１１は、第１．第２の各ＰＤ６．５を含んでおり
、第１のＰＤ６により測定信号（第８図（１）に示す）
を、また第２のＰＤ５により参照信号（第８図（２）に
示す）を、それぞれ得ている。

信号処理部１２は、測定信号を処理する第１の信号処理
回路１２Ａと、参照信号を処理する第２の信号処理回路
１２Ｂとから構成される。

これら信号処理回路１２Ａ、１２Ｂはヘテロゲイン回路
を構成する同−構成のものであって、増幅器１Ｂ、乗算
器１９．ＡＧＣ回路２０．フィルタ２１．　コンパレー
タ２２を含んでいる。

増幅回路１８は測定信号や参照信号を増幅する。

乗算器１９は増幅出力と発振器２３の発振出力（発振周
波数ｒ２）とを掛は合わせて、第８図（３）（４）に示
すような低い周波数（ｆｌ　　　ｆｔの周波数）の測定
信号や参照信号を得る。ＡＣＣ回路２０はこれら信号の
振幅を一定にする回路である。フィルタ２１は前記周波
数以外の周波数の信号を遮断する。コンパレータ２２は
入力信号を２値化し、第８図（５）（６）に示すような
測定信号および参照信号の各２値化信号を生成する。

これら２値化信号は計測部Ｉ３に与えられ、両者の位相
差φに相当するパルス幅のゲート信号（第８図（７）参
照）が生成される。計測部８において、前記ゲート信号
によりゲートが開かれてクロックＣＫが通過し、そのク
ロックＣＫを計数することにより位相差φが計測される
。そしてこの位相差φの平均値が求められた後、その平
均値を距離に換算してバイナリ信号として出力される。

クロック生成部１４は前記クロックＣＫを生成する。こ
の実施例の場合、前記発振器１５゜２３の各発振出力を
フィルタ１７．２４を経て乗算器２５へ与えて掛は合わ
せ、これにより低い周波数（ｆｌ　　　１２の周波数）
の信号を生成した後、この信号をフィルタ２６．ＰＬＬ
回路２７、コンパレータ２８を通過させることにより、
（ｆｌ　　　ｆ２）・Ｋ（ただしＫは定数）の周波数の
クロックＣＫを生成する。なおＰＬＬ回路２７は入力パ
ルスを分割してその周波数をに倍するためのものである
。

〈発明が解決しようとする問題点〉 上記の回路構成において、信号処理部１２は第１．第２
の各信号処理回路１２Ａ、１２Ｂが独立し、第１の信号
処理回路１２Ａには測定信号が、第２の信号処理回路１
２Ｂには参照信号が、それぞれ固定的に与えられる。各
信号処理回路１２Ａ、１２Ｂにおいては、伝達関数の位
相特性が個別の温度ドリフトや時間ドリフトを生ずるた
め、計測部１３による計測出力がドリフトしてその差だ
け誤差を生じさせ、精度低下を招いている。

この発明は、上記問題に着目してなされたもので、２個
の信号処理回路に対し測定信号と参照信号とを一定周期
毎に交互に与えてそれぞれの出力信号の位相差を繰り返
し検出すると共に、その検出データの平均値から対象物
までの距離を算出することにより、各信号処理回路のド
リフトを相殺して高梢度の測定を可能とした新規な距離
センサを提供することを目的とする。

〈問題点を解決するための手段〉 この発明は、変調光の伝搬距離に対する位相遅れを検出
して対象物までの距離を計測する距離センサにおいて、
前記変調光をモニタして位相基準となる参照信号を得る
第１の受光器と、対象物からの反射光を受光して距離情
報を含む測定信号を得る第２の受光器と、参照信号およ
び測定信号を処理して対象物までの距離に比例する位相
差をもつ出力信号を生成する同−回路構成の一対の信号
処理回路と、各信号処理回路に対する第１．第２の各受
光器の接続を一定周期毎に切り換えて各信号処理回路へ
参照信号と測定信号とを交互に与える切換手段と、各信
号処理回路の出力信号の位相差を繰り返し検出してその
検出データの平均値から対象物までの距離を算出する計
測手段とを具備させて成る。

〈作用〉 ２個の信号処理回路に対して参照信号と測定信号とを交
互に与えて位相差を繰り返し検出し、その検出データの
平均値から対象物までの距離を算出するので、各信号処
理回路の伝達関数の位相特性が別々の温度ドリフトや時
間ドリフトを生じても、そのドリフトが相殺されてドリ
フトの影響が低減され、精度低下が防止される。

〈実施例〉 第１図はこの発明の一実施例にかかる距離センサの全体
の回路構成を、第２図はそのタイムチャートを、それぞ
れ示す。

図示例の距離センサは、第７図に示す従来例と同様、投
射部１０．受光部１１．信号処理部１２、計測部１３、
クロック生成部１４を含んでいる。各部の構成は、第７
図のものと同様であり、ここでは対応する構成に同一の
符号を付することでその説明を省略する。

この距離センサでは、投射部１０と信号処理部１２との
間に第１切換回路３０が、また信号処理部１２と計測部
１３との間に第２切換回路３２が、それぞれ設けてあり
、第２切換回路３２には禁止ゲート生成回路３３を電気
接続している。

第１切換回路３０は、信号処理部１２の第１゜第２の各
信号処理回路１２Ａ、１２Ｂ４こ対して第１．第２の各
ＰＤ６．ＰＤ５の接続を一定周期毎に切り換えるもので
、これにより各信号処理回路１２Ａ、１２Ｂへ測定信号
と参照信号とが交互に与えられる。また第２切換回路３
２は、計測部１３の２個の信号入力部１３Ａ、１３Ｂに
対して第１．第２の各信号処理回路１２Ａ。

１２Ｂの接続を第１切換回路３０の切換動作と同期させ
て一定周期毎に切り換えるもので、これにより一方の信
号入力部１３Ａへは測定信号ｅが、他方の信号入力部１
３Ｂへは参照信号ｒが、それぞれ固定的に与えられるよ
うにする。

計測部１３は、各信号入力部１３Ａ、１３Ｂからの入力
、すなわち測定信号と参照信号とにつきその位相差を繰
り返し検出する。その後所定個数の検出データを平均す
ることにより、各信号処理回路１２Ａ、１２Ｂにおける
位相時１生の温度ドリフトや時間ドリフトを相殺し、そ
の平均値に基づき対象物までの距離ｌを算出する。

前記第１切換回路３０は、カウンタ３１と、４個のアナ
ログスイッチ３４〜３７と、反転回路３８とで構成され
る。このうち１番目のアナログスイッチ３４は第１のＰ
Ｄ６と第１の信号処理回路１２Ａとの間に、つぎのアナ
ログスイッチ３５は第１のＰＤ６と第２の信号処理回路
１２Ｂとの間に、つぎのアナログスイッチ３６は第２の
ＰＤ５と第ｉの信号処理回路１２Ａとの間に、つぎのア
ナログスイッチ３７は第２のＰＤ５と第２の信号処理回
路１２Ｂとの間に、それぞれ配備しである。カウンタ３
１は参照信号を人力してその個数を計数し、計数値が所
定値Ｎに達する毎に出力信号Ｃのレベルが反転する。こ
のカウンタ３１の出力信号Ｃが２個のアナログスイッチ
３４．３７の制御入力に、また出力信号Ｃを反転回路３
８で反転した信号が他の２個のアナログスイッチ３５．
３６の制御入力に、それぞれ与えられる。

第２切換回路３２は、前記カウンタ３１と、４個のアン
ド回路３９〜４２と、２個のオア回路４３．４４と、２
個の反転回路４５．４６とで構成される。このうちアン
ド回路３９．４１には第１の信号処理回路１２Ａの出力
信号ａが、他のアンド回路４０．４２には、第２の信号
処理回路１２Ｂの出力信号すが、それぞれ与えられる。

また前記カウンタ３１の出力信号Ｃがアンド回路３９．
４２に与えられ、カウンタ３１の出力信号Ｃを反転回路
４５で反転した信号が他の２個のアンド回路４０．４１
に与えられる。

禁止ゲート生成回路３３は、第１．第２の各切換回路３
０．３２による切換時の誤動作を防止するための禁止ゲ
ート信号ｄを生成する。

方のフリップフロップ４７はカウンタ３１の立ち下がり
で、他方のフリップフロップ４８はカウンタ３１の立ち
上がりで、それぞれトリガされ、それぞれの出力はオア
回路４９を経て禁止ゲート信号ｄとして第２切換回路３
２へ与えられる。反転回路４６は禁止ゲート信号ｄのレ
ベルを反転させて、４個のアンド回路３９〜４２の一人
力として与える。

つぎに上記回路構成の動作を第２図（１）〜００）のタ
イムチャートに基づき説明する。

第２図（５）は、カウンタ３１の出力信号Ｃを示し、第
２切換回路３２のオア回路４４より出力される参照信号
ｆ　（第２図００に示す）の計数値が所定値Ｎに達する
毎に、その信号レベルが反転する。

いまカウンタ３１の出力信号Ｃが“旧Ｇｌｌ″のレベル
にあるとき、第１切換回路３０におけるアナログスイッ
チ３４．３７は“旧Ｇ１１″′の制御入力が与えられて
開動作する。また他のアナログスイッチ３５．３６は反
転された”ＬＯＷ”の制御入力が与えられて閉動作する
。このため第１のＰＤ６がアナログスイッチ３４を介し
て第１の信号処理回路１２Ａと、第２のＰＤ５がアナロ
グスイッチ３７を介して第２の信号処理回路１２Ｂと、
それぞれ導通し、測定信号は第１の信号処理回路１２Ａ
を、参照信号は第２の信号処理回路１２Ｂを、それぞれ
通過して出力信号ａ、ｂを得る。

第２図（１）には第１の信号処理回路１２Ａに対する第
１．第２のＰＤ６，５の導通状態が、第２図（３）には
第２の信号処理回路１２Ｂに対する第１．第２のＰＤ６
，５の導通状態が、それぞれ示しである。また第２図（
２）には第１の信号処理回路１２Ａの出力信号ａの波形
が、第２図（４）には第２の信号処理回路１２Ｂの出力
信号すの波形が、それぞれ示しである。

またカウンタ３１の出力信号Ｃが“旧Ｇｌｌ”のレベル
にあるとき、第２切換回路３２におけるアンド回路３９
．４２へのカウンタ３１からの人力は“旧ＧＨ”であり
、また他のアンド回路４０゜４１へのカウンタ３工から
の人力は“し０１である。このため第１の信号処理回路
１２Ａの出力信号ａ（第２図（２）に示す）はアンド回
路３９を、また第２の信号処理回路１２Ｂの出力信号ｂ
（第２図（３）に示す）はアンド回路４２を、それぞれ
通過する状態となるため、オ”７回路４３４４の出力に
は測定信号ｅと参照信号ｒとが得られて、計測部１３の
各信号人力部１３Ａ１３Ｂへそれぞれ与えられる。

第２図（７）には計測部１３の一方の信号入力部１３Ａ
へ与えられる測定信号Ｃの前記出力信号ａ、ｂとの関係
が、第２図（９）には計測部１３の他方の信号人力部１
３Ｂへ与えられる参照信号ｒの前記出力信号ａ、ｂとの
関係が、それぞれ示しである。また第２図（８）には測
定信号ｅの波形が、第２図００）には参照信号ｒの波形
が、それぞれ示しである。

つぎにカウンタ３１による参照信号ｆの計数値が所定値
Ｎに達すると、出力信号ＣのレベルがＬＯＷ’に反転す
る。これにより第１切換回路３０の各アナログスイッチ
３４．３７は　“ＬＯＷ”の制御入力が与えられて閉動
作する。また他のアナログスイッチ３５．３６は反転さ
れた”旧ＧＨ”の制御入力が与えられて開動作する。こ
のため第１のＰＤ６が第２の信号処理回路１２Ｂと、第
２のＰＤ５が第１の信号処理回路１２Ａと、それぞれ導
通ずる。その結果、測定信号は第２の信号処理回路１２
Ｂを通過し、参照信号は第１の信号処理回路１２Ａを通
過して、それぞれの出力信号ａ、ｂを得る。

またカウンタ３１の出力信号Ｃが”ＬＯＷ”のレベルで
は、第２切換回路３２におけるアンド回路３９．４２へ
のカウンタ３１からの入力は“ＬＯＷ”であり、また他
のアンド回路４０．４１へのカウンタ３１からの入力は
“旧Ｇｌ＋”である。

このため第１の信号処理回路１２Ａの出力信号ａがアン
ド回路４１を、また第２の信号処理回路１２Ｂの出力信
号すがアンド回路４０を、それぞれ通過する状態となる
ため、オア回路４３４４の出力には常に測定信号ｅと参
照信号［とが得られて、計測部１３の各信号入力部１３
Ａ。

１３Ｂへそれぞれ与えられる。

なお各切換回路３０．３２による切換時には禁止ゲート
生成回路３３により禁止ゲート信号ｄ（第２図（６）に
示す）が生成される。この禁止ゲート信号ｄが第２切換
回路３２の反転回路４６を経て各アンド回路３９〜４２
へ与えられると、その間、測定信号ｅおよび参照信号ｆ
の出力が禁止されて、切り換え時の誤動作が防止される
。

このようにカウンタ３１の出力信号Ｃが反転する毎に切
換回路３０が切換動作して、第１゜第２の各信号処理回
路１２Ａ、１２Ｂに対して第１のＰＤ６による測定信号
と、第２のＰＤ５による参照信号とが交互に与えられる
。

いま第１のＰＤ６で得た測定信号をｖＩ、第２のＰＤ５
で得た参照信号をｖ２で表すと、これらはつぎの■■式
で与えられる。

Ｖｌ　＝Ｖ＋　ｃｏｓ　　（２７Ｅ　ｒｌ　　ｔ＋θ＋
　＋　ｋｔＺ　）・・・・■ Ｖｚ　＝Ｖｚｃｏｓ　　（２πｆ＋　　ｔ＋θ２）・・
・・■ ただしＶ、、Ｖ、は振幅、θ８．θ２は第１゜第２の各
ＰＤ６．５およびその光学系が有する位相遅れ、ｋｆは
距離ｌに対する位相遅れである。

上記の測定信号ｖＩと参照信号ｖ２とを第１゜第２の各
信号処理回路１２Ａ、１２Ｂを通過させたとき、計測部
１３へ与えられる測定信号ｅおよび参照信号ｆはつぎの
■■式で表される。

ｅ＝Ｖ＋Ａｃｏｓ　　（２７Ｋ　　（ｒｌ　　　ｆｚ　
　）　　ｔ＋θ、＋ｋｆ＋θＡ　）、−、■ ｆ＝ＶｚｇｃＯ３（２ｘ　　（ｒ、　　　ｆ２　　）　
　ｔ＋８２　＋θＢ　）・・・・■ ただしＶ　Ｉ　Ａ、　　Ｖ　２Ｂは振幅、０．、ｌｌＲ
ハ第１゜第２の各信号処理回路１２Ａ、１２Ｂが有する
位相遅れである。

上記より、各信号ｅ、ｆ間の位相差φはつぎの■式で与
えられる。

φ＝ｋｆ＋（θ１−θ２）＋（θ１−θＢ）・・・・■ つぎに各切換回路３０．３２を切換動作させて測定信号
Ｖｌを第２の信号処理回路１２Ｂの方を通過させ、参照
信号ｖ２を第１の信号処理回路１２Ａの方を通過させる
と、前記の信号ｅ。

「はつきの■■式で表され、また各信号ｅ、　　ｆ間の
位相差φはつぎの■式で表される。

ｅ＝Ｖ、、ｅｏｓ　　（２ｚ　（ｆ＋　−ｆｚ　）　　
し＋θ、　＋ｋｆｆｉ＋θ３）・・・・■ｆ＝Ｖｚｓｃ
ｏｓ　　（２π（ｆ＋　−ｆｚ　）　ｔ＋θ２　＋θＡ
　）・・・・■ φ−ｋｆ＋（θ１−θ２）＝（θ、−θ８）・・・・■ かくしてカウンタ３１の計数値が所定値Ｎに達する毎に
切換回路３０．３２を切換動作させ、その切換動作を所
定の偶数回数（Ｍ回）だけ行ったときに、位相差の平均
値φ′はつぎの■式により算出される。

一θｚ　　）　＝　　＋　　（θ４−θ、）ｉ　）−θ
、）ｉ−（θ１−θ、）ｉ）） ・・・・■ この■式には、各信号処理回路１２Ａ、１２Ｂが有する
位相遅れθ、、θ３が含まれておらず、温度や時間によ
るドリフトの影響が低減されている。

第３図は、この発明の他の実施例を示すもので、第１図
の実施例と同様の構成をもつ投射部１０、受光部１１．
信号処理部１２．計測部１３および、クロック生成部１
４を具備すると共に、受光部１１と信号処理部１２との
間に切換回路３０を設けている。従って同図中には、第
１図のものと対応する構成に同一の符号を付するように
しである。

この実施例の場合、第１実施例における切換回路３２．
カウンタ３１．禁止ゲート生成回路３３に相当するハー
ド構成を除き、その機能を計測部１３によりソフト的に
実現させている。

このために各信号処理回路１２Ａ、１２Ｂの出力信号ａ
、ｂがそのまま計測部１３へ与えられ、また切換回路３
０の各アナログスイッチ３４〜３日の制御入力として計
測部１３が切換信号ｇを生成して与えるようにしている
。

第４図には第３図の回路構成のタイムチャートが、また
第５図には計測部１３による制御手順が、それぞれ示し
である。

いま第５図のステップ１（図中ｒｓＴＩＪで示す）で、
計測部１３は内部のカウンタｍをクリアして初期設定し
た後、つぎのステップ２で切換信号ｇ（第４図（３）に
示す）のレベルを“旧Ｇ）Ｉ”に設定し、またカウンタ
ｍの内容を「１」にインクリメントする。第４図に示す
タイムチャートでは、Ｔｏがこの時点を示すもので、第
４図（３）に切換信号ｇのレベルが、第４図（５）にカ
ウンタｍの内容が、それぞれ示しである。

つぎのステップ３では、計測部１３は内部タイマによる
計測動作を実行し、この計測動作中の人力信号の取込み
を禁止する。このタイマは第１実施例の禁止ゲート生成
回路３３に対応する構成（機能）であり、切換時による
誤動作を防止する。

つぎにステップ４において、計測部１３は第１、第２の
各信号処理回路１２Ａ、１２Ｂの出力信号ａ、ｂ（第４
図（１０２）に示す）を取り込み、出力信号ａの立ち上
がりから出力信号すの立ち上がりまでの位相差φの検出
をＮ回繰り返して行う。第４図（４）はこの位相差φの
計測タイごングを示しており、図中、φ１．φ２．・・
・・、φＮはその検出データである。

つぎにステップ５では切換信号ｇのレベルが“ＬＯＷ”
に反転され、つぎのステップ６で前記と同様のタイマ計
測が行われる。

つぎのステップ７において、計測部１３は第１、第２の
各信号処理回路１２Ａ、１２Ｂの出力信号ａ、ｂを取り
込み、出力信号すの立ち上がりから出力信号ａの立ち上
がりまでの位相差φの検出をＮ回繰り返して行う。

つぎにステップ８でカウンタｍの内容が偶数の設定値Ｍ
に達したか否かを判定し、もしその判定が°“ＮＯ’で
あれば、ステップ２へ戻って上記と同様の手順が繰り返
し実行される。

かくしてステップ８の判定が“ＹＥＳ”になると、ステ
ップ９で合計２ＮＭ個の検出データの平均値を求め、つ
ぎのステップ１０でその平均値を対象物までの距離に変
換して出力し、カウンタｍの内容をクリアする。

〈発明の効果〉 この発明は上記の如く、参照信号と測定信号とを処理す
る同一回路構成の一対の信号処理回路に対し、第１．第
２の各受光器の接続を切換手段により一定周期毎に切り
換えて各信号処理回路へ参照信号と測定信号とを交互に
与えると共に、各信号処理回路の出力信号の位相差を繰
り返し検出して、その検出データの平均値から対象物ま
での距離を算出するようにしたから、各信号処理回路に
おける伝達関数の位相特性が別々の温度ドリフトや時間
ドリフトを生じても、そのドリフトが相殺されてドリフ
トの影響が低減され、精度低下が防止されるなど、発明
目的を達成した顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例にかかる距離センサの全体
構成を示すブロック図、第２図は第１図の回路のタイム
チャート、第３図はこの発明の他の実施例を示すブロッ
ク図、第４図は第３図の回路のタイムチャート、第５図
は第３図の計測部による制御手順を示すフローチャート
、第６図は従来の距離センサの光学系を示す説明図、第
７図は従来の距離センサの全体構成を示すブロック図、
第８図は第７図の回路のタイムチャートである。 ３・・・・ＬＤ　　　　　５・・・・第２のＰＤ６・・
・・第１のＰＤ １２Ａ、　１２Ｂ・・信号処理回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 変調光の伝搬距離に対する位相遅れを検出して対象物ま
   での距離を計測する距離センサにおいて、 前記変調光をモニタして位相基準となる参照信号を得る
   第１の受光器と、 対象物からの反射光を受光して距離情報を含む測定信号
   を得る第２の受光器と、 参照信号および測定信号を処理して対象物までの距離に
   比例する位相差をもつ出力信号を生成する同一回路構成
   の一対の信号処理回路と、各信号処理回路に対する第１
   、第２の各受光器の接続を一定周期毎に切り換えて各信
   号処理回路へ参照信号と測定信号とを交互に与える切換
   手段と、 各信号処理回路の出力信号の位相差を繰り返し検出して
   その検出データの平均値から対象物までの距離を算出す
   る計測手段とを具備して成る距離センサ。