(57)【要約】  光反射型センサは、測距対象物(７)に対して光を照射する発光素子(２)と、測距対象物(７)からの反射光を集光する受光光学系(４)と、上記受光光学系(４)で集光された光を受光すると共に、受光位置に応じた光電流信号を出力する受光素子(６)と、上記受光素子(６)から出力された上記光電流信号に基づいて、上記受光素子(６)上における受光位置情報と、上記発光素子(２)より光が照射されてから当該光が測距対象物(７)で反射されて上記受光素子(６)で受光されるまでの時間である光の飛行時間情報とを求める信号処理回路(８)とを備えている。
2016002373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測距対象物(７)に対して光を照射する発光素子(２)と、
測距対象物(７)からの反射光を集光する受光光学系(４)と、
上記受光光学系(４)で集光された光を受光すると共に、受光位置に応じた光電流信号を出力する受光素子(６)と、
上記受光素子(６)から出力された上記光電流信号に基づいて、上記受光素子(６)上における受光位置情報と、上記発光素子(２)より光が照射されてから当該光が測距対象物(７)で反射されて上記受光素子(６)で受光されるまでの時間である光の飛行時間情報とを求める信号処理回路(８)と
を備えたことを特徴とする光反射型センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の光反射型センサにおいて、
上記発光素子(２)が照射する光は、パルス光であり、
上記受光素子(６)は位置検出素子であり、上記光電流信号は、上記受光位置の一側に設けられた電極から出力される第１光電流信号(Ｉ1)と他側に設けられた電極から出力される第２光電流信号(Ｉ2)とで成り、
上記発光素子(２)にパルス状の駆動信号を出力すると共に、上記信号処理回路(８)に上記駆動信号の立ち下がりに同期した同期信号を出力する制御部(１１)を備え、
上記信号処理回路(８)は、
上記受光素子(６)から出力された上記第１光電流信号(Ｉ1)の積分値と上記第２光電流信号(Ｉ2)の積分値との比によって、上記受光位置情報を求める一方、
上記制御部(１１)から上記同期信号を受信した時点で、上記第１光電流信号(Ｉ1)および上記第２光電流信号(Ｉ2)を２分割し、分割位置より時間軸上前側の第１光電流信号および第２光電流信号夫々の積分値の加算値(Ｉ1a＋Ｉ2a)と、上記分割位置より時間軸上後側の第１光電流信号および第２光電流信号夫々の積分値の加算値(Ｉ1b＋Ｉ2b)との比によって、上記光の飛行時間情報を求める
ようになっている
ことを特徴とする光反射型センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光反射型センサにおいて、
上記発光素子(２)は、放射角度を有する光を照射するようになっており、
上記測距対象物(７)は、上記発光素子(２)の放射角度内に位置しており、
上記測距対象物(７)からの反射光の上記受光素子(６)への入射角度と、当該測距対象物(７)に関する上記光の飛行時間情報とから、当該測距対象物(７)の上記受光光学系(４)を基点とする位置情報を算出するための演算式を格納する記憶部(１０)と、
上記信号処理回路(８)によって求められた上記受光位置情報に基づいて、上記測距対象物(７)からの反射光の上記入射角度を求めると共に、この求めた上記入射角度と上記信号処理回路(８)によって求められた上記光の飛行時間情報とに基づいて、上記記憶部(１０)に格納された上記演算式を用いて上記測距対象物(７)の上記位置情報を算出する演算処理部(９)と
を備えたことを特徴とする光反射型センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の光反射型センサにおいて、
上記測距対象物(７)は、上記発光素子(２)の放射角度内に位置して複数あり、
上記発光素子(２)にパルス状の駆動信号を出力する制御部(１１)を備え、
上記信号処理回路(８)は、上記光電流信号における時間軸上の長さが上記駆動信号における時間軸上の長さより長い場合には、上記光電流信号の立ち上がりの時点で、上記駆動信号および上記光電流信号に基づいて、上記複数の測距対象物(７)のうち上記受光光学系(４)から最も近い最近測距対象物(７Ｄ)に関する上記受光位置情報と上記光の飛行時間情報とを求める一方、上記光電流信号の立ち下がりの時点で、上記駆動信号および上記光電流信号に基づいて、上記受光光学系(４)から最も遠い最遠測距対象物(７Ｅ)に関する上記受光位置情報と上記光の飛行時間情報とを求めるようになっており、
上記演算処理部(９)は、上記信号処理回路(８)によって求められた上記夫々の受光位置情報に基づいて、上記最近測距対象物(７Ｄ)および上記最遠測距対象物(７Ｅ)に関して、反射光の上記入射角度を求めると共に、この求めた上記入射角度と上記信号処理回路(８)によって求められた上記光の飛行時間情報とに基づいて、上記受光光学系(４)を基点とする位置情報を算出するようになっている
ことを特徴とする光反射型センサ。
【請求項５】
請求項１から請求項４までの何れか一つに記載の光反射型センサを用いた
ことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、物体の有無の検出や物体の距離の検出を行う反射型センサ、および、それを用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、物体の有無の検出や物体の距離の検出を行う反射型センサとして、以下のようなものがある。
・特開２０１３‐１１３６１０号公報(特許文献１)
・特開２０１３‐２１０３１５号公報(特許文献２)
・特開２０１２‐６３１７３号公報(特許文献３)
・特開平２‐６１５１０号公報(特許文献４)
・特開２０１３‐１３４１７３号公報(特許文献５)【０００３】
上記特許文献１に開示された「放射線測定方法および装置」においては、指向性を有する２次元の放射線検出器の位置および向きを変えて放射線源からの放射線を検出し、得られた放射線の検知角度領域をボクセル化した測定空間上に表記することによって放射線の線源箇所を推定するようにしている。【０００４】
また、上記特許文献２に開示された「光学式距離測定装置」においては、戻り光集光光学系は戻り光集光レンズを含んでおり、この戻り光集光レンズは、レーザ光出力素子から出射されて走査ミラーで反射されたレーザ光が照射点に向かう光路を含み、且つ走査面に垂直な面内の幅方向の屈折力が、上記走査面方向の屈折力よりも大きい光学特性を有すると共に、上記照射点からの戻り光を受光して上記走査ミラーに集光する。こうして、戻り光の光量が多く得られて、距離測定の有効範囲が十分に得られるようにしている。【０００５】
また、上記特許文献３に開示された「レーザ測距装置」においては、レーザダイオードからのレーザ光をミラーを含む２次元スキャナで偏向して測定対象物上の任意の多角形の頂点を照射する。そして、各頂点で反射されたレーザ光をフォトダイオードで受光して信号を出力し、演算制御部によって、上記フォトダイオードからの出力信号と上記２次元スキャナの動作情報とを用いて上記多角形の面積を算出するようにしている。【０００６】
また、上記特許文献４に開示された「非接触二次元形状計測センサ」においては、光源から出射され、ミラーを含む光偏向器で偏向されて一定幅で照射された細光線の物体表面からの反射光を、受光レンズで集光してイメージセンサ上に結像する。その際に、上記受光レンズと上記イメージセンサとの間に上記イメージセンサの検出ラインに垂直な方向にのみ光を収束させる集束レンズを配置して、一定幅に偏向された細光線のうち中央部から上記垂直な方向に外れた細光線の反射光をも上記イメージセンサ上に結像させることによって、一次元の上記イメージセンサによって二次元方向の距離の測定を可能にしている。【０００７】
また、上記特許文献５に開示された「測距システム」においては、固体撮像装置に入射する測距対象からの反射光の強度の立上り期間の一部の期間である第１受光期間に、入射した光の光量に応じた光電子を上記固体撮像装置によって累積蓄積する。また、上記固体撮像装置に入射する上記反射光の強度のピークから立下り期間を含む期間である第２受光期間に、入射した光の光量に応じた光電子を上記固体撮像装置によって累積蓄積する。そして、演算部によって、上記第２受光期間に累積蓄積された光電子情報を上記第１受光期間に累積蓄積された光電子情報で除算して光量比を、光の往復時間に依存した値として求めることにより、タイム・オブ・フライト(ＴＯＦ)方式によって上記測距対象までの距離を求めるようにしている。さらに、測距対象の受光期間以外の受光期間での受光量に応じた光電子は捨てるようにしている。【０００８】
しかしながら、上記各特許文献に開示された従来の反射型センサにおいては、以下のような問題がある。【０００９】
すなわち、図６に示すように、三角測距方式を使用した測距センサにおいては、ＰＳＤ(Position Sensitive Detector：位置検出素子)における光入射位置で、出力電流を遠側出力電流と近側出力電流とに分割して両電流の比で入射位置を検出することによって、三角測量方式により検知物Ａ,Ｂまでの距離を求めることができる。【００１０】
しかしながら、ＬＥＤ(Light Emitting Diode：発光ダイオード)から出射された光の広がりによって、対象物に投光スポットの一部しか当たらない場合には、反射光の光量重心位置がずれて、正確に測距することができない。例えば、図６に示すように、検知物Ｃは検知物Ａと同じ距離にあるが、検知物Ｃからの反射光のＰＳＤ入射角度は検出物ＢのＰＳＤ入射角度と同じになるので、検知物Ｃの場合のＰＳＤ出力電流は検知物Ｂの場合のＰＳＤ出力電流となり、誤検出になるという問題が生じている。【００１１】
また、上記ＴＯＦ方式の測距センサにおいては、光が発光部から出射されてから対象物で反射されて受光部に入射されるまでの飛行時間によって、上記対象物までの距離を求めることができる。【００１２】
しかしながら、基本的には投光正面の対象物を測距の対象としている。そのため、検出範囲を平面的に広げる場合には、ミラー等で投光角度を変化させて走査し、ミラー角度に基づいて投光の方向を特定する等、距離を得るためにミラー等の駆動が必要である。または、複数個の受光素子を並べ、入射光を受光した受光素子の位置に応じて上記対象物の方向を特定することも可能であるが、その場合には受光部のサイズが拡大して高価となる。【００１３】
上述した上記特許文献１に開示された従来の「放射線測定方法および装置」では、複数の検知角度領域が必要である。また、特許文献２に開示された「光学式距離測定装置」,特許文献３に開示された「レーザ測距装置」および特許文献４に開示された「非接触二次元形状計測センサ」では、何れも偏光・走査用の反射鏡を有しており、上記特許文献１と共に二次元的に反射光を検出できるようになっている。しかしながら、その分だけ構造が複雑になっている。【００１４】
また、上記特許文献５に開示された「測距システム」では、ＴＯＦ方式による上記測距対象までの距離算出に光量比を用いるようにしている。さらに、測距対象の受光期間以外の受光期間での受光量に応じた光電子は捨てるようにしている。しかしながら、照射装置正面の測距対象物を測距の対象としており、広域にある測距対象までの距離を算出可能な構成にはなっていない。そのため、測距範囲を平面的に広げるには、ミラー等で照射角度を変化させて走査する。または、上記個体撮像装置を複数個並べることが必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１３‐１１３６１０号公報
【特許文献２】特開２０１３‐２１０３１５号公報
【特許文献３】特開２０１２‐６３１７３号公報
【特許文献４】特開平２‐６１５１０号公報
【特許文献５】特開２０１３‐１３４１７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
そこで、この発明の課題は、小型で且つ簡単な構成で、２次元平面での物体の有無や物体の距離の広域検出を可能にする反射型センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、この発明の光反射型センサは、
測距対象物に対して光を照射する発光素子と、
測距対象物からの反射光を集光する受光光学系と、
上記受光光学系で集光された光を受光すると共に、受光位置に応じた光電流信号を出力する受光素子と、
上記受光素子から出力された上記光電流信号に基づいて、上記受光素子上における受光位置情報と、上記発光素子より光が照射されてから当該光が測距対象物で反射されて上記受光素子で受光されるまでの時間である光の飛行時間情報とを求める信号処理回路と
を備えたことを特徴としている。【００１８】
また、一実施の形態の光反射型センサでは、
上記発光素子が照射する光は、パルス光であり、
上記受光素子は位置検出素子であり、上記光電流信号は、上記受光位置の一側に設けられた電極から出力される第１光電流信号と他側に設けられた電極から出力される第２光電流信号とで成り、
上記発光素子にパルス状の駆動信号を出力すると共に、上記信号処理回路に上記駆動信号の立ち下がりに同期した同期信号を出力する制御部を備え、
上記信号処理回路は、
上記受光素子から出力された上記第１光電流信号の積分値と上記第２光電流信号の積分値との比によって、上記受光位置情報を求める一方、
上記制御部から上記同期信号を受信した時点で、上記第１光電流信号および上記第２光電流信号を２分割し、分割位置より時間軸上前側の第１光電流信号および第２光電流信号夫々の積分値の加算値と、上記分割位置より時間軸上後側の第１光電流信号および第２光電流信号夫々の積分値の加算値との比によって、上記光の飛行時間情報を求める
ようになっている。【００１９】
また、一実施の形態の光反射型センサでは、
上記発光素子は、放射角度を有する光を照射するようになっており、
上記測距対象物は、上記発光素子の放射角度内に位置しており、
上記測距対象物からの反射光の上記受光素子への入射角度と、当該測距対象物に関する上記光の飛行時間情報とから、当該測距対象物の上記受光光学系を基点とする位置情報を算出するための演算式を格納する記憶部と、
上記信号処理回路によって求められた上記受光位置情報に基づいて、上記測距対象物からの反射光の上記入射角度を求めると共に、この求めた上記入射角度と上記信号処理回路によって求められた上記光の飛行時間情報とに基づいて、上記記憶部に格納された上記演算式を用いて上記測距対象物の上記位置情報を算出する演算処理部と
を備えている。【００２０】
また、一実施の形態の光反射型センサでは、
上記測距対象物は、上記発光素子の放射角度内に位置して複数あり、
上記発光素子にパルス状の駆動信号を出力する制御部を備え、
上記信号処理回路は、上記光電流信号における時間軸上の長さが上記駆動信号における時間軸上の長さより長い場合には、上記光電流信号の立ち上がりの時点で、上記駆動信号および上記光電流信号に基づいて、上記複数の測距対象物のうち上記受光光学系から最も近い最近測距対象物に関する上記受光位置情報と上記光の飛行時間情報とを求める一方、上記光電流信号の立ち下がりの時点で、上記駆動信号および上記光電流信号に基づいて、上記受光光学系から最も遠い最遠測距対象物に関する上記受光位置情報と上記光の飛行時間情報とを求めるようになっており、
上記演算処理部は、上記信号処理回路によって求められた上記夫々の受光位置情報に基づいて、上記最近測距対象物および上記最遠測距対象物に関して、反射光の上記入射角度を求めると共に、この求めた上記入射角度と上記信号処理回路によって求められた上記光の飛行時間情報とに基づいて、上記受光光学系を基点とする位置情報を算出するようになっている。【００２１】
また、この発明の電子機器は、
上記この発明の光反射型センサを用いた
ことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
以上より明らかなように、この発明の光反射型センサは、上記信号処理回路によって、上記受光素子から出力された上記光電流信号に基づいて、上記受光素子への入射角を求めるための上記受光素子上の受光位置情報と、上光の飛行時間情報とを求めるようにしている。したがって、上記三角測距方式と上記ＴＯＦ方式による測距方法の欠点を補って、上記測距対象物までの距離の検出精度を高めることができる。さらに、上記入射角度と上記光の飛行時間との何れか一方のみを用いる場合の誤検出を、防止することができる。【００２３】
さらに、この発明の光反射型センサにおける光学系の構成は、広域に光出射可能な唯一つの発光素子と、上記受光光学系と、唯一つの上記受光素子とを備えるだけであり、照射角度を変化させて走査するためのミラー等を備えたり、上記発光素子や上記受光素子を複数個並べたりする必要がない。したがって、小型で且つ簡単な構成で２次元平面での広域検出を可能にすることができる。【００２４】
また、この発明の電子機器は、小型で且つ簡単な構成で、２次元平面での物体の有無や物体の距離の広域検出を高精度で可能にする、安価な反射型センサを用いているので、サニタリ用途,ロボット掃除機および人体検出を必要とする機器等の電子機器に用いることによって、人や環境に優しく快適な電子機器を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の光反射型センサにおける構成を示す概略図である。
【図２】発光素子への駆動信号および受光素子の検出信号の変化を示す図である。
【図３】測距の対象物が発光レンズと受光レンズとの間にある状態を示す図である。
【図４】放射角内に在る二つの対象物と光学系との位置関係を示す図である。
【図５】図４において発光素子への駆動信号と受光素子の検出信号を示す図である。
【図６】三角測距方式を使用した検知物までの距離の求め方の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２７】
・第１実施の形態
図１は、本実施の形態の光反射型センサにおける構成を示す概略図である。本実施の形態の光反射型センサは、上記三角測距方式と上記ＴＯＦ方式とを兼ね備えた構成を有している。図１において、光反射型センサ１は、測距の対象である測距対象物(以下、単に対象物と言う)７に光を照射する上記ＬＥＤで成る発光素子２と、発光素子２から照射された光を集光する発光レンズ３と、対象物７からの反射光を集光する受光レンズ４と、受光レンズ４で集光された光が結像されて光スポット５が形成される受光素子６と、を備えている。尚、発光素子２としては、赤外線発光素子やレーザダイオード等の他の素子であってもよい。
【００２８】
上記発光レンズ３の位置を原点Ｏとし、対象物７(７Ａ)上における発光素子２からの光の照射位置をＡとし、受光レンズ４の位置を点Ｃとし、原点Ｏの基線上であるＸ軸に平行な直線上に受光素子６を配している。以下、説明の都合上、同一図中に複数の対象物７を描く必要がある場合には、夫々の部材番号７にアルファベットを付けて区別することにする。
【００２９】
上記受光素子６には、上記ＰＳＤが用いられており、受光素子６上に照射されて結像された光スポット５の光重心位置を検出して検出信号を出力する。
【００３０】
信号処理回路８は、上記受光素子６上における光スポット５の位置を求めると共に、発光素子２から光が出射されてから受光素子６上に光スポット５が形成されるまでの時間である光の飛行時間(以下、単に飛行時間と言う)を求める。演算処理部９は、信号処理回路８で求められた光スポット５の位置に基づいて、対象物７からの反射光の受光素子６への入射角度や、発光レンズ３と受光レンズ４とを通る直線である基線から対象物７までの距離を算出する。記憶部１０には、後に詳述する飛行時間検索表が格納される。制御部１１は、演算処理部９からの算出結果を受けて、発光素子２および信号処理回路８等の動作を制御する。
【００３１】
図１に示す構成において、上記発光素子２から対象物７(７Ａ)に出射された光束が、発光レンズ３によって略平行光束１２に集光される。この集光された平行光束１２は、Ｙ軸上に沿って射出され、対象物７上の点Ａにスポット照射され、対象物７で拡散反射する。対象物７によって拡散反射された光束１３は、受光レンズ４によって集光される。集光された光は、受光素子６上の点Ｅに結像されて光スポット５を形成する。
【００３２】
そして、上記点Ｃ(受光レンズ４の中心)を通るＹ軸に平行な線が受光素子６と交差する点を点Ｆとすると、三角形ＯＡＣと三角形ＦＣＥとは相似形となる。
【００３３】
そこで、従来の上記三角測距方式による測距においては、信号処理回路８によって、受光素子６からの検出信号に基づいて光スポット５の位置を求め、辺ＦＥの長さ(距離ｘ)を測定する。そして、演算処理部９によって、距離ｘを用いて、発光レンズ３から測距対象物７までの距離ｙを、距離ｙ＝距離Ａ×(距離ｆ/距離ｘ)によって検出するようにしている。
【００３４】
ここで、上記距離Ａは、発光レンズ３と受光レンズ４との間の距離(基線長)である。また、距離ｆは、受光レンズ４と受光素子６との距離であり、受光レンズ４の焦点距離である。また、距離ｘは、受光素子(ＰＳＤ)６上における光スポット５の光重心位置の基準位置からの変化量である。ここで、距離ｘは、受光素子６の両端に設けられた電極から出力される上記検出信号であって、上記変化量に応じて変化する信号電流Ｉ1とＩ2とのバランスを、受光素子６に接続された信号処理回路８で検出することによって求められる。
【００３５】
ところで、２次元平面での物体の有無や物体の距離の広域検出を可能にするために、発光素子２から出射される光に広がりを持たせた場合、対象物の大きさが上記光の広がり全体を覆うほど大きい場合には問題は無い。ところが、図１において、上記基線からの距離が対象物７Ａと同じであるが、対象物７Ａとは異なる対象物７Ｃが存在する場合には、対象物７Ｃからの反射光の受光素子６への入射角度はＹ軸上に在る対象物７Ｂからの反射光の入射角度と同じになるので、信号処理回路８によって求められる上記距離ｘが対象物７Ｃと対象物７Ｂとで同じになってしまう。したがって、上記基線から対象物７Ｃまでの距離ＬＣが対象物７Ｂまでの距離ｙ(ＬＢ)として算出されてしまい、誤検出になる。
【００３６】
そこで、本実施の形態においては、上記受光素子６および信号処理回路８に、上記ＴＯＦ方式による距離検出機能を持たせることによって、上記三角測距方式による上記誤検出を防止するのである。
【００３７】
先ず、上記発光素子２から広域に出射される光の放射角度内に位置することが想定される複数の対象物７に関し、発光素子２から光が出射されてから、上記光が夫々の対象物７で反射されて受光素子６で受光されるまでの時間である上記飛行時間Ｔを、予め求めておく。そして、各対象物７毎に、上記飛行時間Ｔを、上記基線から対象物７までの距離ｙと受光素子６への入射角度θとに対応付けて成る飛行時間検索表を作成して、記憶部１０に格納しておく。
【００３８】
そして、実際の測距時には、先ず、上記制御部１１から発光素子２に対して、パルス光を出射させるための駆動信号が出力されて、発光素子２からパルス光が出射される。それと同時に、信号処理回路８には、パルス光をオフさせたことを通知するための制御信号が出力される。
【００３９】
そうすると、上記信号処理回路８および演算処理部９は、発光素子２から出射されたパルス光に対応する受光素子６からの検出信号を受けて、上記三角測距方式によって、受光素子６への入射角度θを求める。すなわち、対象物７Ｂ上における発光素子２からの光の照射位置をＢとし、受光素子６上に形成される光スポット５の位置をＥbとすると、三角形ＯＢＣと三角形ＦＣＥbとは相似形となる。そこで、信号処理回路８によって、受光素子６からの検出信号に基づいて光スポット５の位置を求め、辺ＦＥbの長さ(距離ｘ)を測定する。そして、演算処理部９によって、三角形ＦＣＥbに関してＴan−１(ｆ/ｘ)を算出して受光素子６への入射角度θを求めるのである。
【００４０】
次に、上記信号処理回路８は、上記受光素子６からの検出信号と、制御部１１からのパルス光をオフさせたことの制御信号とに基づいて、発光素子２からパルス光が出射されてから、対象物７Ｃからの反射光によって受光素子６上に光スポット５が形成されるまでの時間である飛行時間Ｔcを求める。
【００４１】
そして、上記演算処理部９によって、上記求めた入射角度θと、信号処理回路８で求められた飛行時間Ｔcとに基づいて、記憶部１０に格納された上記飛行時間検索表を検索する。そして、入射角度θと飛行時間Ｔcとに該当する上記基線から測距対象物７までの距離ｙ(＝ＬＣ)を得るのである。
【００４２】
ここで、上記信号処理回路８によって求められた飛行時間がＴbの場合には、演算処理部９による上記飛行時間検索表の検索結果、上記基線から測距対象物７までの距離ｙがＬＢと求められる。すなわち、受光素子６への入射角度が同じ入射角度θを呈する異なる対象物７を、上記飛行時間の違いによって区別することができるのである。
【００４３】
以上のごとく、本実施の形態によれば、上記受光素子６として上記ＰＳＤを用いることによって、対象物７からの反射光による受光素子６上のスポット位置に応じて受光素子６の両端から出力される検出信号の比により、受光素子６上のスポット位置が検出可能になる。そこで、上記スポット位置に基づいて、上記三角測距方式によって対象物７からの反射光の入射角度θを求めることができる。
【００４４】
また、上記発光素子２よりパルス光が出射されてから、受光素子６より上記検出信号が出力されるまでの時間が、上記基線から対象物７までの距離に応じた上記飛行時間分遅れる。そのため、その遅延時間、つまり上記飛行時間Ｔを、上記スポット位置に応じて受光素子６の両端から出力された検出信号とパルス光をオフさせたことを通知するための制御信号とにより検出する。そして、上記入射角度θと上記飛行時間Ｔとに基づいて、上記基線から対象物７までの距離を求めることができる。
【００４５】
その場合、上記対象物７からの反射光の入射角度θが同じであっても、対象物７と受光レンズ４との間の距離(つまり、上記飛行時間Ｔ)によって発光レンズ３から対象物７までの距離が変動する。また、上記飛行時間Ｔが同じであっても、対象物７と受光レンズ４との角度(つまり、上記入射角度θ)によって発光レンズ３から対象物７までの距離が変動する。このことは、対象物７からの反射光の入射角度θと発光素子２から光が出射されてから受光素子６で受光されるまでの飛行時間Ｔとを用いることによって、上述した互いの欠点を補って、発光レンズ３から対象物７までの距離の検出精度を高めることができることを意味している。さらに、上記入射角度θと上記飛行時間Ｔとの何れか一方のみを用いる場合の誤検出を、防止することができるのである。
【００４６】
また、本光反射型センサにおける光学系の構成は、広域に光出射可能な唯一つの発光素子２および発光レンズ３と、受光レンズ４と、上記ＰＳＤで成る唯一つの受光素子６と、を備えるだけであり、照射角度を変化させて走査するためのミラー等を備えたり、発光素子２や受光素子６を複数個並べたりする必要がない。したがって、小型で且つ簡単な構成で２次元平面での広域検出を可能にすることができる。
【００４７】
すなわち、本実施の形態によれば、１パルスで投光する光反射型センサによって、２次元平面での対象物の位置情報検出の精度を向上させ、また、誤検出を防止することができるのである。
【００４８】
尚、上記説明においては、上記受光素子６からの検出信号に基づいて辺ＦＥbの長さ(距離ｘ)を測定し、三角形ＦＣＥbに関してＴan−１(ｆ/ｘ)によって受光素子６への入射角度θを求めるようにしている。しかしながら、この発明はこれに限定されるものではなく、三角形ＯＢＣの辺ＯＢの長さＬＢを上記三角測距方式によって求め、三角形ＯＢＣに関してＴan−１(ＬＢ/Ａ)によって求めてもよい。
【００４９】
・第２実施の形態
本実施の形態は、上記信号処理回路８による受光素子６上における光スポット５の位置を求める方法と、発光素子２より光が出射されてから受光素子６上で光スポット５が検出されるまでの上記飛行時間Ｔを求める方法とに関する。
【００５０】
図２は、上端から順に、上記制御部１１から発光素子２に対して出力される上記駆動信号のオン・オフ(つまり、発光素子２のオン・オフ)のタイミングと、受光素子６における遠側の検出信号である遠側出力電流の変化と、受光素子６における近側の検出信号である近側出力電流の変化とを示す。
【００５１】
ここで、上記受光素子６の遠側とは、ＰＳＤである受光素子６において、遠くに在る対象物７からの反射光がスポット５を形成する側である。また、受光素子６の近側とは、受光素子６において、近くに在る対象物７からの反射光がスポット５を形成する側である。そして、上記遠側出力電流Ｉ1は、図１に示すように、受光素子６の両端のうちの上記遠側の端の電極から出力される出力電流であり、その値を「Ｉ1」とする。同様に、上記近側出力電流Ｉ2は、受光素子６の上記近側の端の電極から出力される出力電流であり、その値を「Ｉ2」とする。尚、遠側出力電流Ｉ1は、上記第１光電流信号の一例であり、近側出力電流Ｉ2は、上記第２光電流信号の一例である。
【００５２】
図２に示すように、上記遠側出力電流Ｉ1を、発光素子２のオフ(立下り)のタイミングで分割する。そして、分割位置より時間軸上前側である第１受光期間における出力電流値Ｉ1の積分値をＩ1aとする。また、上記分割位置より時間軸上後側である第２受光期間における出力電流値Ｉ1の積分値をＩ1bとする。同様に、近側出力電流Ｉ2を、発光素子２のオフ(立下り)のタイミングで分割する。そして、分割位置より時間軸上前側である第１受光期間における出力電流値Ｉ2の積分値をＩ2aとする。また、上記分割位置より時間軸上後側である第２受光期間における出力電流値Ｉ2の積分値をＩ2bとする。
【００５３】
ここで、上記対象物７の位置が遠い側と近い側と間で移動する場合には、遠側出力電流Ｉ1と近側出力電流Ｉ2とが互いに相反する方向に増減する。したがって、「第１受光期間＋第２受光期間」における出力電流値Ｉ1の積分値(Ｉ1a＋Ｉ1b)と、「第１受光期間＋第２受光期間」における出力電流値Ｉ2の積分値(Ｉ2a＋Ｉ2b)とを比較することによって、発光素子２上におけるスポット５の位置を求めることができる。
【００５４】
また、上記飛行時間Ｔが長短の間で変化すると、遠側出力電流Ｉ1および近側出力電流Ｉ2における分割位置が時間軸上前後に移動する。したがって、「第１受光期間」における遠側出力電流Ｉ1および近側出力電流Ｉ2夫々の積分値の加算値(Ｉ1a＋Ｉ2a)と、「第２受光期間」における遠側出力電流Ｉ1および近側出力電流Ｉ2夫々の積分値の加算値(Ｉ2a＋Ｉ2b)とを比較することによって、上記飛行時間Ｔを求めることができる。
【００５５】
そこで、上記信号処理回路８は、ＰＳＤである上記受光素子６からの遠側出力電流Ｉ1と近側出力電流Ｉ2を受信すると、制御部１１から送信されてくる発光素子２への上記制御信号の立ち下がりに同期する同期信号(上記パルス光をオフさせたことを通知する制御信号)のタイミングに基づいて、遠側出力電流Ｉ1および近側出力電流Ｉ2を上記第１受光期間と上記第２受光期間とに分割する。そして、出力電流値Ｉ1の積分値(Ｉ1a＋Ｉ1b)および出力電流値Ｉ2の積分値(Ｉ2a＋Ｉ2b)を算出し、さらに両積分値の比「(Ｉ1a＋Ｉ1b)/(Ｉ2a＋Ｉ2b)」を算出する。そして、上記比の値に基づいて、受光素子６上における光スポット５の位置を求めるのである。
【００５６】
また、上記「第１受光期間」における両出力電流の積分値の加算値(Ｉ1a＋Ｉ2a)と「第２受光期間」における両出力電流の積分値の加算値(Ｉ1b＋Ｉ2b)とを算出し、さらに両加算値の比「(Ｉ1a＋Ｉ2a)/(Ｉ1b＋Ｉ2b)」を算出する。そして、上記比の値に基づいて、発光素子２から光が出射されてから受光素子６上で光スポット５が検出されるまでの上記飛行時間Ｔを求めるのである。ここで、上記比の値に基づいて上記飛行時間を求める方法は、特に限定されるものではなく、例えば予め作成された上記比の値と上記飛行時間との対応表や対応式を用いて求めればよい。
【００５７】
以上のごとく、本実施の形態によれば、唯一つの受光素子６によって、上記発光素子２からの１回のパルス光の出射に基づいて得られた上記遠側出力電流Ｉ1と上記近側出力電流Ｉ2とを発光素子２のオフ(立下り)のタイミングで分割し、得られた４つの出力電流値の積分値Ｉ1a,Ｉ1b,Ｉ2a,Ｉ2bの組み合わせを変えて演算するだけの簡単な処理で、受光素子６上における光スポット５の位置を求めるための位置情報と、上記飛行時間Ｔを求めるための時間情報とを得ることができる。
【００５８】
したがって、上記位置情報と時間情報とに基づいて、発光レンズ３から対象物７までの距離算出の精度向上を容易に図ることができるのである。
【００５９】
・第３実施の形態
本実施の形態は、上記発光素子２における光放射角度を広げた場合における発光素子２の光軸上からずれた位置にある対象物７までの上記基線からの距離を、上記第１実施の形態における上記飛行時間検索表を用いることなく求める方法に関する。
【００６０】
本実施の形態においては、図３に示すように、測距の対象となる対象物７Ｃが発光レンズ３と受光レンズ４との中間位置にある場合を想定する。
【００６１】
上記信号処理回路８は、先ずＰＳＤである受光素子６からの遠側出力電流Ｉ1と近側出力電流Ｉ2とに基づいて、例えば上記第２実施の形態の処理によって、受光素子６上における光スポット５の位置を求め、三角形ＦＣＥの辺ＦＥの長さ(距離ｘ)を測定する。さらに演算処理部９によって、発光レンズ３を通るＹ軸上にある仮想の対象物７Ｂ上の点をＢとして、三角形ＯＢＣと三角形ＦＣＥとが相似形であることを利用し、上記三角測距方式によって、発光レンズ３から対象物７Ｂまでの距離Ｌ1を算出する。この場合、発光レンズ３と受光レンズ４との間の距離は基線長Ａ1であり、受光レンズ４と受光素子６との間の距離は受光レンズ４焦点距離ｆであり、共に既知である。
【００６２】
そして、上記三角形ＯＢＣに関してＴan−１(Ｌ1/Ａ1)を算出して受光素子６への入射角度αを求める。
【００６３】
次に、上記信号処理回路８は、受光素子６からの遠側出力電流Ｉ1と近側出力電流Ｉ2とに基づいて、例えば上記第２実施の形態の処理によって、発光素子２から光が出射されてから対象物７Ｃで反射されて受光素子６で受光されるまでの上記飛行時間Ｔを求める。
【００６４】
ここで、上記受光レンズ４から受光素子６上の光スポット５までの光の飛行時間は非常に短いので無視すると、発光レンズ３から対象物７Ｃまでの距離Ｘと、対象物７Ｃから受光素子６までの距離Ｙと、上記飛行時間Ｔとの間には、次式(１)の関係があるとすることができる。
Ｘ＋Ｙ＝Ｔ・Ｃ  …（１）
但し、Ｃ：光速
【００６５】
また、上記対象物７Ｃを通るＹ軸に平行な直線と上記基線との交点をＧとする一方、対象物７Ｃ上の点を点Ｈとする。そうすると、Ｇ‐Ｈ間の長さＬ2と、Ｇ‐Ｆ間の長さＡ2とは、式(２)および式(３)で表される。
Ｌ2＝Ｙsinα  …（２）
Ａ2＝Ｙcosα  …（３）
さらに、三角形ＯＨＧは直角三角形であるから、次式(４)の関係がある。
Ｘ2＝Ｌ22＋(Ａ1−Ａ2)2  …（４）
【００６６】
そこで、上記演算処理部９は、上記式(１)〜式(４)から、対象物７Ｃから受光素子６までの距離Ｙを、式(５)のごとく算出する。
Ｙ＝(Ａ12−Ｔ2Ｃ2)/(２Ａ1cosα−２Ｔ・Ｃ)  …（５）
さらに、算出された距離Ｙの値を上記式(２)および式(３)に代入することによって、測距の対象物７Ｃにおける受光レンズ４からの上記基線に沿った距離Ａ2と、上記基線からの距離Ｌ2とを、算出することができるのである。
【００６７】
すなわち、本実施の形態においては、上記記憶部１０に、上記飛行時間検索表に代えて上記式(１)〜(４)を格納しておく。
【００６８】
そして、上記信号処理回路８によって、受光素子６からの遠側出力電流Ｉ1と近側出力電流Ｉ2とに基づいて、受光素子６上における光スポット５の位置を求め、演算処理部９によって、上記三角測距方式を用いて、対象物７Ｃからの反射光の受光素子６への入射角度αを求める。さらに、信号処理回路８によって、発光素子２より光が出射されてから対象物７Ｃで反射されて受光素子６で受光されるまでの上記飛行時間Ｔを求める。
【００６９】
さらに、上記演算処理部９によって、上記得られた入射角度αと上記飛行時間Ｔとに基づいて、記憶部１０に格納されている上記式(１)〜(４)を用いて、受光レンズ４を基点とした対象物７Ｃの位置情報を得るのである。
【００７０】
したがって、広域に光出射可能な唯一つの発光素子２を用いて、２次元平面での対象物７の位置情報を検出する際における検出精度を、上記飛行時間検索表を用いる場合に比して、さらに向上させることができる。さらに、上記飛行時間検索表を作成して登録する必要がなく、光反射型センサの構築が容易になる。
【００７１】
尚、本実施の形態においては、図３に示すように、測距の対象となる対象物７Ｃが発光レンズ３と受光レンズ４との中間位置にある場合を想定している。しかしながら、図１に示すように、測距の対象となる対象物７Ｃが発光レンズ３に対して受光レンズ４側と反対側にある場合も、同様な構成および処理で対象物７Ｃの受光レンズ４を基点とした位置情報を得ることができる。
【００７２】
・第４実施の形態
本実施の形態は、広域に光出射可能な唯一つの発光素子２を用いて、発光素子２からの光放射角内に複数の対象物７が存在する場合の位置情報検出方法に関する。
【００７３】
図４は、本実施の形態における発光レンズ３,受光レンズ４および受光素子６と、二つの対象物７Ｄ,７Ｅとの位置関係を示す。図４に示すように、一方の対象物７Ｄは、発光レンズ３と受光レンズ４との間に位置し、他方の対象物７Ｅは、発光レンズ３に関して受光レンズ４側とは反対側に位置している。
【００７４】
上記何れの対象物７Ｄ,７Ｅも発光素子２からの光放射角内に位置しており、対象物７Ｄからの反射光は、受光素子６における遠距離検出領域側に入射して光スポット５dを形成している。これに対し、対象物７Ｅからの反射光は、受光素子６における近距離検出領域側に入射して光スポット５eを形成している。
【００７５】
図５は、上記発光素子２への上記駆動信号および受光素子６からの検出信号を示す。図５(a)は、制御部１１から発光素子２に対して出力される上記駆動信号のオン・オフ(つまり、発光素子２のオン・オフ)のタイミングを示す。図５(b)は、測距の対象が対象物７Ｄ,７Ｅの場合における受光素子６からの検出信号を示す。図５(c)は、測距の対象が対象物７Ｄのみの場合における受光素子６からの検出信号を示す。図５(d)は、測距の対象が対象物７Ｅのみの場合における受光素子６からの検出信号を示す。尚、上記「検出信号」としては、上記遠側出力電流Ｉ1と上記近側出力電流Ｉ2との何れであっても差し支えない。
【００７６】
図５(c),図５(d)における検出信号の立ち上がりは、対象物７Ｄまたは対象物７Ｅで反射された光における検出開始の時点を示している。また、検出信号の立ち下がりは、対象物７Ｄまたは対象物７Ｅで反射された光における検出終了の時点を示している。したがって、図５(a)における発光素子２がオンした時点ｔ1から図５(c),図５(d)における検出信号の立ち上がり時点までの時間、または、図５(a)における発光素子２がオフした時点ｔ3から図５(c),図５(d)における検出信号の立ち下がり時点までの時間が、上記飛行時間Ｔに相当している。
【００７７】
そして、上記発光素子２がオンした時点ｔ1に基づく上記飛行時間Ｔと、発光素子２がオフした時点ｔ3に基づく上記飛行時間Ｔとは、何れも対象物７Ｄの方が対象物７Ｅよりも短くなっている。すなわち、対象物７Ｄの方が対象物７Ｅよりも受光レンズ４に対して近い位置にあることが分かる。
【００７８】
図５(b)に示す上記対象物７Ｄ,７Ｅにおける受光素子６からの検出信号は、図５(c)に示す対象物７Ｄの検出信号と図５(d)に示す対象物７Ｅの検出信号とを合成した検出信号である。したがって、図５(b)と、図５(c),図５(d)とを比較すると、図５(b)に示す検出信号の立ち上がりの時点ｔ2は、受光レンズ４に最も近い位置にある対象物７Ｄに関する光検出信号の立ち上がりの時点に相当し、図５(b)に示す検出信号の立ち下がりの時点ｔ4は、受光レンズ４から最も遠い位置にある対象物７Ｅに関する光検出信号の立ち下がりの時点に相当することが分かる。
【００７９】
すなわち、図５(a)における上記発光素子２がオンした時点ｔ1から図５(b)に示す検出信号の立ち上がりの時点ｔ2までの時間が、最も近い対象物７Ｄに関する上記飛行時間Ｔdに相当する。また、図５(a)における発光素子２がオフした時点ｔ3から図５(b)に示す検出信号の立ち下がりの時点ｔ4までの時間が、最も遠い対象物７Ｅに関する上記飛行時間Ｔeに相当するのである。
【００８０】
そこで、上記信号処理回路８によって、図５(b)に示す検出信号の立ち上がりの時点ｔ2のタイミングで、受光素子６からの遠側出力電流Ｉ1dと近側出力電流Ｉ2dに基づいて、出力電流の比Ｉ1d/Ｉ2dを演算することことによって、受光素子６上における最も近い対象物７Ｄからの反射光による光スポット５dの位置が求められる。さらに、演算処理部９によって、光スポット５dの位置に基づいて、上記三角測距方式によって対象物７Ｄからの反射光の入射角度θdが得られる。
【００８１】
さらに、信号処理回路８によって、時点ｔ1から時点ｔ2までの時間を計測することによって、対象物７Ｄに関する上記飛行時間Ｔdが求められる。
【００８２】
そして、上記演算処理部９によって、上記得られた対象物７Ｄに関する入射角度θdと上記飛行時間Ｔdとに基づいて、上記第３実施の形態の処理によって、受光レンズ４を基点とした対象物７Ｄの位置情報を得ることができる。
【００８３】
同様にして、図５(b)に示す検出信号の立ち下がりの時点ｔ4のタイミングで、上記信号処理回路８によって、受光素子６上における最も遠い対象物７Ｅからの反射光による光スポット５eの位置が求められ、演算処理部９によって、対象物７Ｅからの反射光の入射角度θeが得られる。さらに、信号処理回路８によって、時点ｔ3から時点ｔ4までの時間により、対象物７Ｅに関する上記飛行時間Ｔeが求められる。
【００８４】
そして、上記演算処理部９によって、上記得られた対象物７Ｅに関する入射角度θeと上記飛行時間Ｔeとに基づいて、受光レンズ４を基点とした対象物７Ｅの位置情報を得ることができる。
【００８５】
尚、時点ｔ4のタイミングで、最も遠い対象物７Ｅに関する光スポット５eの位置を求める方法については、特に限定するものではない。例えば、信号処理回路８は、制御部１１から発光素子２への上記駆動信号のオフ(つまり、発光素子２のオフ)を検知すると、上記駆動信号の波長ｔよりも十分小さい一定時間の間隔で、遠側出力電流Ｉ1dと近側出力電流Ｉ2dとの比Ｉ1d/Ｉ2dを繰り返し演算し、演算結果を保持しておく。そして、検出信号の立ち下がりの時点ｔ4のタイミングで、上記保持している演算結果のうちの時点ｔ4の直近に演算された出力電流の比Ｉ1d/Ｉ2dの値に基づいて、光スポット５eの位置を求めればよい。または、上記一定時間の間隔で遠側出力電流Ｉ1dと近側出力電流Ｉ2dとを保存し、時点ｔ4の直近に保存された両出力電流の比Ｉ1d/Ｉ2dに基づいて光スポット５eの位置を求めてもよい。
【００８６】
以上の説明は、上記発光素子２からの放射角内に２個の対象物７Ｄ,７Ｅが存在する場合についてである。ところが、上記放射角内に存在する対象物７が３個以上の場合には、受光素子６によって得られる検出信号は、３個以上の対象物７に関する検出信号が合成された信号となるので、検出信号の立ち上がりで受光レンズ４から最も近い対象物７の検出信号を識別でき、当該検出信号の立ち下がりで受光レンズ４から最も遠い対象物７の検出信号を識別できるものの、中間に位置する対象物７の検出信号は上記両対象物７の検出信号内に埋もれて識別することができない。
【００８７】
しかしながら、上記受光素子６で得られた検出信号の立ち上がりのタイミングで、上述した処理によって、受光レンズ４を基点とした最も近い対象物７の位置情報を得ることができ、当該検出信号の立ち下がりのタイミングで、受光レンズ４を基点とした最も遠い対象物７の位置情報を得ることができる。そのため、受光レンズ４に対して最近および最遠の対象物７以外の対象物７の位置は、上記両対象物７の中間位置であることを検知することができる。
【００８８】
以上のごとく、広域に光出射可能な唯一つの発光素子２を用いて、発光素子２からの放射角内に存在する複数の対象物７の位置情報を検出する場合には、ＰＳＤである受光素子６によって複数の対象物７の検出信号が合成された検出信号を得る。
【００８９】
そして、上記信号処理回路８によって、上記得られた検出信号の時間軸上の長さが、発光素子２への上記制御信号の時間軸上の長さよりも長い場合には、上記検出信号の立ち上がりの時点ｔ2のタイミングで、最も近い対象物７に関する光スポット５の位置を求め、演算処理部９によって、上記光スポット５の位置に基づいて、最も近い対象物７に関する入射角度θを得る。さらに、信号処理回路８によって、最も近い対象物７に関する上記飛行時間Ｔを時点ｔ1から時点ｔ2までの時間によって求める。
【００９０】
そして、上記演算処理部９によって、上記得られた入射角度θと上記飛行時間Ｔとに基づいて、受光レンズ４を基点とした最も近い対象物７の位置情報を得る。
【００９１】
同様に、上記得られた検出信号の立ち下がりの時点ｔ4のタイミングで、最も遠い対象物７に関する光スポット５の位置、入射角度θ、時点ｔ3から時点ｔ4までの時間による飛行時間Ｔを求める。そして、上記得られた入射角度θと飛行時間Ｔとに基づいて、受光レンズ４を基点とした最も遠い対象物７の位置情報を得るようにしている。
【００９２】
したがって、広域に光出射可能な一つの発光素子２と一つの受光素子６とを用いて、１回のパルス光の出射のみで、発光素子２からの光放射角内に存在する複数の対象物７の位置情報を同時に検出することができる。
【００９３】
すなわち、複数の対象物７の位置情報を同時に検出するために、発光素子２または受光素子６を複数個備えたり、照射角度を変化させて走査するためのミラー等を備えたりする必要がない。そのために、小型で且つ簡単な構成で、検出精度が高く、使い勝手の良い、安価な光反射型センサを提供することができるのである。
【００９４】
・第５実施の形態
以上のごとく、上記第１実施の形態〜第４実施の形態によれば、小型で且つ簡単な構成で、２次元平面での物体の有無や物体の距離の広域検出を高精度で可能にする、安価な反射型センサを提供することができる。このような反射型センサは、サニタリ用途、ロボット掃除機、人体検出を必要とする機器等の電子機器に用いると好適であり、人や環境に優しく快適な電子機器を提供することが可能になる。
【００９５】
以上、この発明を纏めると、この発明の光反射型センサは、
測距対象物７に対して光を照射する発光素子２と、
測距対象物７からの反射光を集光する受光光学系４と、
上記受光光学系４で集光された光を受光すると共に、受光位置に応じた光電流信号を出力する受光素子６と、
上記受光素子６から出力された上記光電流信号に基づいて、上記受光素子６上における受光位置情報と、上記発光素子２より光が照射されてから当該光が測距対象物７で反射されて上記受光素子６で受光されるまでの時間である光の飛行時間情報とを求める信号処理回路８と
を備えたことを特徴としている。
【００９６】
２次元平面内において複数の測距対象物７までの距離を上記測距対象物７からの反射光に基づいて広域検出する場合に、三角測距方式あるいはＴＯＦ方式による測距方法が用いられる。
【００９７】
上記三角測距方式による測距方法は、上記各測距対象物７からの反射光の受光素子６への入射角に基づくものである。ところが、上記入射角度が同じであっても、発光素子２からの光が受光素子６で受光されるまでの光の飛行時間によって上記測距対象物７までの距離が変動すると言う欠点がある。
【００９８】
一方、上記ＴＯＦ方式による測距方法は、上記光の飛行時間に基づくものである。ところが、上記光の飛行時間が同じであっても、測距対象物７と受光光学系４との角度(つまり、上記入射角度)によって測距対象物７までの距離が変動すると言う欠点がある。
【００９９】
上述のことは、上記測距対象物７の測距には、上記入射角度と上記光の飛行時間とを併用することによって、上述した互いの欠点を補って、上記測距対象物７までの距離の検出精度を高めることができることを意味している。
【０１００】
上記構成によれば、上記信号処理回路８によって、上記受光素子６から出力された上記光電流信号に基づいて、上記受光素子６への入射角を求めるための上記受光素子６上の受光位置情報と、上記光の飛行時間情報とを求めるようにしている。したがって、上記三角測距方式と上記ＴＯＦ方式とによる測距方法の欠点を補って、上記測距対象物７までの距離の検出精度を高めることができる。さらに、上記入射角度と上記光の飛行時間との何れか一方のみを用いる場合の誤検出を、防止することができる。
【０１０１】
また、この発明の光反射型センサにおける光学系の構成は、広域に光出射可能な唯一つの発光素子２と、上記受光光学系４と、唯一つの上記受光素子６とを備えるだけであり、照射角度を変化させて走査するためのミラー等を備えたり、上記発光素子２や上記受光素子６を複数個並べたりする必要がない。したがって、小型で且つ簡単な構成で２次元平面での広域検出を可能にすることができる。
【０１０２】
また、一実施の形態の光反射型センサでは、
上記発光素子２が照射する光は、パルス光であり、
上記受光素子６は位置検出素子であり、上記光電流信号は、上記受光位置の一側に設けられた電極から出力される第１光電流信号Ｉ1と他側に設けられた電極から出力される第２光電流信号Ｉ2とで成り、
上記発光素子２にパルス状の駆動信号を出力すると共に、上記信号処理回路８に上記駆動信号の立ち下がりに同期した同期信号を出力する制御部１１を備え、
上記信号処理回路８は、
上記受光素子６から出力された上記第１光電流信号Ｉ1の積分値と上記第２光電流信号Ｉ2の積分値との比によって、上記受光位置情報を求める一方、
上記制御部１１から上記同期信号を受信した時点で、上記第１光電流信号Ｉ1および上記第２光電流信号Ｉ2を２分割し、分割位置より時間軸上前側の第１光電流信号および第２光電流信号夫々の積分値の加算値(Ｉ1a＋Ｉ2a)と、上記分割位置より時間軸上後側の第１光電流信号および第２光電流信号夫々の積分値の加算値(Ｉ1b＋Ｉ2b)との比によって、上記光の飛行時間情報を求める
ようになっている。
【０１０３】
この実施の形態によれば、唯一つの上記受光素子６によって、上記発光素子２からの１回のパルス光の出射に基づいて得られた上記第１光電流信号Ｉ1と上記第２光電流信号Ｉ2とを、上記発光素子２への駆動信号の立ち下がりに同期して分割する。そして、得られた４つの部分光電流信号の積分値Ｉ1a,Ｉ1b,Ｉ2a,Ｉ2bの組み合わせを変えて上記受光位置情報および上記光の飛行時間情報を演算するようにしている。
【０１０４】
したがって、上記受光素子６からの上記第１光電流信号Ｉ1と上記第２光電流信号Ｉ2とを、上記駆動信号の立ち下がりに同期して分割し、得られた４つの部分光電流信号の積分値Ｉ1a,Ｉ1b,Ｉ2a,Ｉ2bの組み合わせを変えて演算するだけの簡単な処理で、上記受光位置情報と上記光の飛行時間情報とを得ることができる。
【０１０５】
また、一実施の形態の光反射型センサでは、
上記発光素子２は、放射角度を有する光を照射するようになっており、
上記測距対象物７は、上記発光素子２の放射角度内に位置しており、
上記測距対象物７からの反射光の上記受光素子６への入射角度と、当該測距対象物７に関する上記光の飛行時間情報とから、当該測距対象物７の上記受光光学系４を基点とする位置情報を算出するための演算式を格納する記憶部１０と、
上記信号処理回路８によって求められた上記受光位置情報に基づいて、上記測距対象物７からの反射光の上記入射角度を求めると共に、この求めた上記入射角度と上記信号処理回路８によって求められた上記光の飛行時間情報とに基づいて、上記記憶部１０に格納された上記演算式を用いて上記測距対象物７の上記位置情報を算出する演算処理部９と
を備えている。
【０１０６】
この実施の形態によれば、上記演算処理部９によって、上記受光位置情報に基づく上記反射光の入射角度と上記光の飛行時間情報とに基づいて、上記記憶部１０に格納された上記演算式を用いて、上記測距対象物７の上記位置情報を算出するようにしている。
【０１０７】
したがって、広域に光出射可能な唯一つの上記発光素子２を用いて２次元平面での上記測距対象物７の位置情報を検出する際における検出精度を、さらに向上させることができる。
【０１０８】
また、一実施の形態の光反射型センサでは、
上記測距対象物７は、上記発光素子２の放射角度内に位置して複数あり、
上記発光素子２にパルス状の駆動信号を出力する制御部１１を備え、
上記信号処理回路８は、上記光電流信号における時間軸上の長さが上記駆動信号における時間軸上の長さより長い場合には、上記光電流信号の立ち上がりの時点で、上記駆動信号および上記光電流信号に基づいて、上記複数の測距対象物７のうち上記受光光学系４から最も近い最近測距対象物７Ｄに関する上記受光位置情報と上記光の飛行時間情報とを求める一方、上記光電流信号の立ち下がりの時点で、上記駆動信号および上記光電流信号に基づいて、上記受光光学系４から最も遠い最遠測距対象物７Ｅに関する上記受光位置情報と上記光の飛行時間情報とを求めるようになっており、
上記演算処理部９は、上記信号処理回路８によって求められた上記夫々の受光位置情報に基づいて、上記最近測距対象物７Ｄおよび上記最遠測距対象物７Ｅに関して、反射光の上記入射角度を求めると共に、この求めた上記入射角度と上記信号処理回路８によって求められた上記光の飛行時間情報とに基づいて、上記受光光学系４を基点とする位置情報を算出するようになっている。
【０１０９】
この実施の形態によれば、上記信号処理回路８によって、上記光電流信号の立ち上がりおよび立ち下がりの時点で、上記駆動信号および上記光電流信号に基づいて、上記受光光学系４から最も近い最近測距対象物７Ｄおよび最も遠い最遠測距対象物７Ｅに関する上記受光位置情報と上記光の飛行時間情報とを求めるようにしている。
【０１１０】
したがって、広域に光出射可能な一つの上記発光素子２と一つの上記受光素子６とを用いて、１回のパルス光の出射のみで、上記発光素子２からの光放射角内に存在する複数の測距対象物７の位置情報を同時に検出することができる。
【０１１１】
すなわち、上記複数の測距対象物７の位置情報を同時に検出するために、上記発光素子２または上記受光素子６を複数個備えたり、照射角度を変化させて走査するためのミラー等を備えたりする必要がない。そのために、小型で且つ簡単な構成で、検出精度が高く、使い勝手の良い、安価な光反射型センサを提供することができる。
【０１１２】
また、この発明の電子機器は、
上記この発明の光反射型センサを用いた
ことを特徴としている。
【０１１３】
上記構成によれば、小型で且つ簡単な構成で、２次元平面での物体の有無や物体の距離の広域検出を高精度で可能にする、安価な反射型センサを用いているので、サニタリ用途,ロボット掃除機および人体検出を必要とする機器等の電子機器に用いることによって、人や環境に優しく快適な電子機器を提供することが可能になる。
【符号の説明】
【０１１４】
１…光反射型センサ
２…発光素子
３…発光レンズ
４…受光レンズ
５…光スポット
６…受光素子
７…対象物
８…信号処理回路
９…演算処理部
１０…記憶部
１１…制御部
１２…平行光束
１３…拡散反射光束
【図１】
2016002373.tif 000003
【図２】
2016002373.tif 000004
【図３】
2016002373.tif 000005
【図４】
2016002373.tif 000006
【図５】
2016002373.tif 000007
【図６】
2016002373.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成27年11月10日(2015.11.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測距対象物（７）に対して光を照射する発光素子（２）と、
上記発光素子（２）から照射された光を集光する発光レンズ（３）と、
測距対象物（７）からの反射光を集光する受光光学系（４）と、
上記受光光学系（４）で集光された光を受光すると共に、受光位置に応じた光電流信号を出力する受光素子（６）と、
上記受光素子（６）から出力された上記光電流信号に基づいて、上記受光素子（６）上における受光位置情報と、上記発光素子（２）より光が照射されてから当該光が測距対象物（７）で反射されて上記受光素子（６）で受光されるまでの時間である光の飛行時間情報とを求める信号処理回路（８）と
を備え、
上記発光素子（２）は、放射角度を有する光を照射するようになっており、
上記測距対象物（７）は、上記発光素子（２）の放射角度内に位置しており、
さらに、上記測距対象物（７）からの反射光の上記受光素子（６）への入射角度と、当該測距対象物（７）に関する上記光の飛行時間情報とから、当該測距対象物（７）の上記受光光学系（４）を基点とする位置情報を算出するための下記演算式［１］〜［４］を格納する記憶部（１０）と、
上記信号処理回路（８）によって求められた上記受光位置情報に基づいて、上記測距対象物（７）からの反射光の上記入射角度を求めると共に、この求めた上記入射角度と上記信号処理回路（８）によって求められた上記光の飛行時間情報とに基づいて、上記記憶部（１０）に格納された上記演算式を用いて上記測距対象物（７）の上記位置情報を算出する演算処理部（９）と
備えたことを特徴とする光反射型センサ。
Ｘ＋Ｙ＝Ｔ・Ｃ      …［１］
Ｌ２＝Ｙｓｉｎα    …［２］
Ａ２＝Ｙｃｏｓα    …［３］
Ｘ２＝Ｌ２２＋（Ａ１−Ａ２）２  …［４］
Ｘ：上記発光レンズ（３）から上記測距対象物（７）までの距離
Ｙ：上記測距対象物（７）から上記受光素子（６）までの距離
Ｔ：上記光の飛行時間情報
Ｃ：光速
Ｌ２：上記発光レンズ（３）と上記受光レンズ（４）とを通る直線である基線から上記測距対象物（７）までの距離
α：上記測距対象物（７）からの反射光の上記受光素子（６）への入射角度
Ａ２：上記測距対象物（７）から上記基線に下ろした垂線と上記基線との交点から上記受光レンズ（４）までの距離
【請求項２】
請求項１に記載の光反射型センサにおいて、
上記発光素子（２）が照射する光は、パルス光であり、
上記受光素子（６）は位置検出素子であり、上記光電流信号は、上記受光位置の一側に設けられた電極から出力される第１光電流信号（Ｉ１）と他側に設けられた電極から出力される第２光電流信号（Ｉ２）とで成り、
上記発光素子（２）にパルス状の駆動信号を出力すると共に、上記信号処理回路（８）に上記駆動信号の立ち下がりに同期した同期信号を出力する制御部（１１）を備え、
上記信号処理回路（８）は、
上記受光素子（６）から出力された上記第１光電流信号（Ｉ１）の積分値と上記第２光電流信号（Ｉ２）の積分値との比によって、上記受光位置情報を求める一方、
上記制御部（１１）から上記同期信号を受信した時点で、上記第１光電流信号（Ｉ１）および上記第２光電流信号（Ｉ２）を２分割し、分割位置より時間軸上前側の第１光電流信号および第２光電流信号夫々の積分値の加算値（Ｉ１ａ＋Ｉ２ａ）と、上記分割位置より時間軸上後側の第１光電流信号および第２光電流信号夫々の積分値の加算値（Ｉ１ｂ＋Ｉ２ｂ）との比によって、上記光の飛行時間情報を求める
ようになっている
ことを特徴とする光反射型センサ。
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
請求項１または２に記載の光反射型センサを用いたことを特徴とする電子機器。
【手続補正書】
【提出日】平成28年2月24日(2016.2.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測距対象物（７）に対して光を照射する発光素子（２）と、
上記発光素子（２）から照射された光を集光する発光レンズ（３）と、
測距対象物（７）からの反射光を集光する受光光学系（４）と、
上記受光光学系（４）で集光された光を受光すると共に、受光位置に応じた光電流信号を出力する受光素子（６）と、
上記受光素子（６）から出力された上記光電流信号に基づいて、上記受光素子（６）上における受光位置情報と、上記発光素子（２）より光が照射されてから当該光が測距対象物（７）で反射されて上記受光素子（６）で受光されるまでの時間である光の飛行時間情報とを求める信号処理回路（８）と
を備え、
上記発光素子（２）は、放射角度を有する光を照射するようになっており、
上記測距対象物（７）は、上記発光素子（２）の放射角度内に位置しており、
さらに、上記測距対象物（７）からの反射光の上記受光素子（６）への入射角度と、当該測距対象物（７）に関する上記光の飛行時間情報とから、当該測距対象物（７）の上記受光光学系（４）を基点とする位置情報を算出するための下記演算式［１］〜［４］を格納する記憶部（１０）と、
上記信号処理回路（８）によって求められた上記受光位置情報に基づいて、上記測距対象物（７）からの反射光の上記入射角度を求めると共に、この求めた上記入射角度と上記信号処理回路（８）によって求められた上記光の飛行時間情報とに基づいて、上記記憶部（１０）に格納された上記演算式を用いて上記測距対象物（７）の上記位置情報を算出する演算処理部（９）と
備えたことを特徴とする光反射型センサ。
Ｘ＋Ｙ＝Ｔ・Ｃ      …［１］
Ｌ２＝Ｙｓｉｎα    …［２］
Ａ２＝Ｙｃｏｓα    …［３］
Ｘ２＝Ｌ２２＋（Ａ１−Ａ２）２    …［４］
Ｘ：上記発光レンズ（３）から上記測距対象物（７）までの距離
Ｙ：上記測距対象物（７）から上記受光素子（６）までの距離
Ｔ：上記光の飛行時間情報
Ｃ：光速
Ｌ２：上記発光レンズ（３）と上記受光レンズ（４）とを通る直線である基線から上記測距対象物（７）までの距離
α：上記測距対象物（７）からの反射光の上記受光素子（６）への入射角度
Ａ２：上記測距対象物（７）から上記基線に下ろした垂線と上記基線との交点から上記受光レンズ（４）までの距離
【請求項２】
請求項１に記載の光反射型センサにおいて、
上記発光素子（２）が照射する光は、パルス光であり、
上記受光素子（６）は位置検出素子であり、上記光電流信号は、上記受光位置の一側に設けられた電極から出力される第１光電流信号（Ｉ１）と他側に設けられた電極から出力される第２光電流信号（Ｉ２）とで成り、
上記発光素子（２）にパルス状の駆動信号を出力すると共に、上記信号処理回路（８）に上記駆動信号の立ち下がりに同期した同期信号を出力する制御部（１１）を備え、
上記信号処理回路（８）は、
上記受光素子（６）から出力された上記第１光電流信号（Ｉ１）の積分値と上記第２光電流信号（Ｉ２）の積分値との比によって、上記受光位置情報を求める一方、
上記制御部（Ｉ１）から上記同期信号を受信した時点で、上記第１光電流信号（Ｉ１）および上記第２光電流信号（Ｉ２）を２分割し、分割位置より時間軸上前側の第１光電流信号および第２光電流信号夫々の積分値の加算値（Ｉ１ａ＋Ｉ２ａ）と、上記分割位置より時間軸上後側の第１光電流信号および第２光電流信号夫々の積分値の加算値（Ｉ１ｂ＋Ｉ２ｂ）との比によって、上記光の飛行時間情報を求める
ようになっている
ことを特徴とする光反射型センサ。
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
請求項１または２に記載の光反射型センサを用いた
ことを特徴とする電子機器。
【国際調査報告】
2016002373.tif 000009
2016002373.tif 000010
2016002373.tif 000011
2016002373.tif 000012