(57)【要約】【課題】位相解析部へ入力される信号の周波数を下げ、位相検出精度を向上させ、かつ、単一の光源と単一の光入力デバイスからなる廉価な距離測定装置を提供する。【解決手段】基準周波数発生装置１１と、この周波数発生装置１１の基準周波数を整数倍する位相同期回路により第１，第２の出力周波数信号を出力する第１，第２のＰＬＬ部１２，１３と、第１のＰＬＬ部１２の出力周波数に従ってパスル光を出力する光源部１４と、光源部１４のパルス光が反射点１５からの反射光を取込むの光入力デバイス１６と、第２のＰＬＬ部１３の出力と光入力デバイス１６の出力との論理積をとるＡＮＤ回路１７と、ＡＮＤ回路１７の出力から第１，第２のＰＬＬ部１２，１３の周波数の差分を取出すフィルタ回路１８と、フィルタ回路１８の出力の位相差から反射点までの距離を検出する測距手段１９とを有し、第１，第２のパルス信号の出力周波数が異なることを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準周波数発生装置と、この基準周波数発生装置からの基準周波数を整数倍する位相同期回路によりそれぞれ第１，第２の出力周波数のパルス信号を出力する第１，第２のＰＬＬ部と、この第１のＰＬＬ部の出力周波数に従ってパスル光を出力する光源部と、この光源部から出力されたパルス光が所定反射点から戻った反射光を取り込むの光入力デバイスと、前記第２のＰＬＬ部の出力と前記光入力デバイスからの出力との論理積をとるＡＮＤ回路と、このＡＮＤ回路の出力信号から前記第１，第２のＰＬＬ部の周波数の差成分を取り出すフィルタ回路と、このフィルタ回路の出力を解析しその出力位相差から前記反射点までの距離を検出する測距手段とを有し、前記第１，第２のパルス信号の出力周波数が異なっていることを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
測距手段が、第１，第２のＰＬＬ部ののうちの一方のＰＬＬ部の出力するパルス信号の周波数と他方のＰＬＬ部の出力するパルス信号の周波数との差周波数の位相差を検出して所定反射点までの距離を求める請求項１記載の距離測定装置。
【請求項３】
測距手段が、第１，第２のＰＬＬ部の周波数の差周波数成分の位相差を整数分の１とした時間差に相当する距離を所定反射点までの距離とする請求項１または２に記載の距離測定装置。
【請求項４】
第１，第２のＰＬＬ部の周波数の差周波数をＦとし、前記第１のＰＬＬ部の周波数をｍＦ、前記第のＰＬＬ部の周波数をｎＦと（ｍ，ｎは互いに差が１ある整数とする）する時、前記第１のＰＬＬ部の周波数ｍＦの位相差が、前記差周波数Ｆの位相差として、ｍ倍の位相差として検出できる請求項１，２または３に記載の距離測定装置。
【請求項５】
光源部が、ＬＥＤからなる請求項１，２，３または４記載の距離測定装置。
【請求項６】
光入力デバイスが、フォトトランジスタからなる請求項１乃至５のうちの１項に記載の距離測定装置。
【請求項７】
フィルタ回路が、第１，第２のＰＬＬ部の周波数の差成分を取り出すローパスフィルタまたはバンドパスフィルタからなる請求項１乃至６のうちの１項に記載の距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＬＬ（位相同期ループ回路）を使用したＬＥＤと受光素子による距離測定装置に関し、特に距離検出精度を向上出来るようにした距離測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パスル光を用いてその反射点からの反射光を検出することにとり、その反射点までの距離を計測する距離測定装置がある。例えば産業用ロボット等の分野においては、測定対象物との距離を非接触で測定する非接触検出器として、図４の構成図に示すような光学近接センサが知られている。
【０００３】
即ち、図４の１４ａ，１４ｂは発光光源素子であり、これら発光光源１４ａ，１４ｂは、γの位置にある光検出素子１６ｘに関して非対称の距離ａ、ｂ（ａ≠ｂ）に位置される。この場合、測定対象物１５は検出素子１６ｘの前方ｘの距離にあり、ここで使用する素子１４ａ，１４ｂ，１６ｘおよび測定対象物１５においては、次の仮定が成立するものとする。
【０００４】
２つの発光光源１４ａ，１４ｂはそれぞれ点光源で無指向性とし、光検出素子１６ｘは鋭い指向性を持ち、測定対象物１５の微少部分からの反射光のみを受光する。測定対象物１５の表面は乱反射特性をもつ。すなわち、発光光源１４ａ，１４ｂにより照射された面の照度は面の傾き角度の余弦に比例し、かつ、照射された面を新たに光源として見たとき、面内の輝度はどの方向から観察しても一定であるとする。
【０００５】
いま、発光光源１４ａ，１４ｂの輝度を互いに９０°位相のずれた正弦波状に変化させる。検出素子１４ａでの位相ずれψは、距離ｘの関数であり、物体の反射率に影響されない値であり、従って、位相ずれψを検出することにより、距離ｘを求めることができる。この光学近接センサは、移動が必要であるが、この移動をしなくても測定できるようにしたものが、図５である。
【０００６】
図５は光学近接センサの一例であり、２つの発光光源１４ａ，１４ｂの間には、これらを結ぶ線上に位置されたＣＣＤラインセンサ１６ｙをもつことを特徴としている。このＣＣＤラインセンサ１６ｙは，アレイ状に並べられた多数の検出素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃ・・・からなり、これらの検出素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃ・・・は、フォトトランジスタなどの検出素子と同様に機能する。このＣＣＤラインセンサ１６ｙの各検出素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃ・・・は、それぞれ独立にアナログセンサとして働く場合は検出素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃ・・・ごとに多数のデータが同時に得られるので、測定対象物１５の表面形状が同時に得られる（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、図６は従来の他の距離測定装置で、ＰＬＬ回路を用いたものの一例を示す構成図である。図６のように、この距離測定装置の送信部は、安定した基準周波数を発生する水晶発振器１１ａと、この水晶発振器１１ａの出力をそれぞれ１／Ｎに分周する２段の分周器２１，２２と、これら水晶発振器１１ａ、分周器２１，２２の出力を切替えるマルチプレクサ２３と、こマルチプレクサ２３の出力を変換する発光素子１４ｘと、この発光素子１４ｘの光を出力する送光レンズ２５とから構成される。
【０００８】
また、距離測定装置の受信部は、反射体の測定対象１５からの反射光を受ける受光レンズ３２と、受光レンズ３２からの光を受ける受光素子１６ｚと、この受光素子１６ｚの出力を増幅する増幅器３３と、ＰＬＬ回路部１３ｂと、このＰＬＬ回路部１３ｂの出力ｆ１，ｆ２を切替えるマルチプレクサ３０と、このマルチプレクサ３０の出力ＦＲを増幅器３３に供給するミキサ回路３１と、このミキサ回路３１の出力を分周器２２と比較してその位相差を計数する位相計数器１９ａと、この位相計数器１９ａの出力を演算し、またこマルチプレクサ２３，３０のセレクト信号を作るＣＰＵ２４と、このＣＰＵ２４の出力を表示する表示器３４とから構成される。
【０００９】
また、ＰＬＬ回路部１３ｂは、分周器２２の出力を比較する位相比較器１と、この位相比較器１の出力から誤差成分を出力するローパスフィルタ２と、このローパスフィルタ２の出力により駆動されるＶＣＯ３と、このＶＣＯ３の出力をそれぞれ１／（Ｎ＋１），
１／（Ｎ−１）に分周する２段の分周器４，５とからなり、ＶＣＯ３の出力ｆ１、分周器４の出力ｆ２がマルチプレクサ３０に供給され、分周器５の出力ｆ３が位相比較器１の他の入力となり、ＰＬＬが構成される。
【００１０】
この距離測定装置は、距離測定装置の送信部およびその受信部の周波数切替にＰＬＬ回路部１３ｂが用いられているが、このＰＬＬ回路部１３ｂは、距離測定装置の送信部とその受信部との同期をとっているものである（例えば、特許文献２参照）。
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−４２７３３号公報
【特許文献２】実開平６−１５３４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来技術の光学近接センサの場合には、距離測定を光の送信、受信の時間差（位相差）を直接測定していたので、位相計数器１９ａの時間差（位相差）の測定精度に依存し、測定精度を特に向上させることが出来なかった。
【００１３】
また、距離測定装置として、その送信部およびその受信部の周波数切替にＰＬＬ回路部１３ｂを用いたものもあるが、これは送信部と受信部との同期をとるためのもので、これも、距離測定装置の測定精度を向上させることは考えられていない。
【００１４】
本発明の主な目的は、基準周波数発生装置の出力を低い周波数にすることにより、位相解析部へ入力される信号の周波数を下げ、位相検出精度を向上させると共に、単一の光源と単一の光入力デバイスからなる廉価な距離測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の距離測定装置の構成は、基準周波数発生装置と、この基準周波数発生装置からの基準周波数を整数倍する位相同期回路によりそれぞれ第１，第２の出力周波数のパルス信号を出力する第１，第２のＰＬＬ部と、この第１のＰＬＬ部の出力周波数に従ってパスル光を出力する光源部と、この光源部から出力されたパルス光が所定反射点から戻った反射光を取り込むの光入力デバイスと、前記第２のＰＬＬ部の出力と前記光入力デバイスからの出力との論理積をとるＡＮＤ回路と、このＡＮＤ回路の出力信号から前記第１，第２のＰＬＬ部の周波数の差成分を取り出すフィルタ回路と、このフィルタ回路の出力を解析しその出力位相差から前記反射点までの距離を検出する測距手段とを有し、前記第１，第２のパルス信号の出力周波数が異なっていることを特徴とする。
【００１６】
本発明において、測距手段が、第１，第２のＰＬＬ部ののうちの一方のＰＬＬ部の出力するパルス信号の周波数と他方のＰＬＬ部の出力するパルス信号の周波数との差周波数の位相差を検出して所定反射点までの距離を求めることができ、また、測距手段が、第１，第２のＰＬＬ部の周波数の差周波数成分の位相差を整数分の１とした時間差に相当する距離を所定反射点までの距離とすることができる。
【００１７】
さらに本発明において、第２のＰＬＬ部の周波数の差周波数をＦとし、前記第１のＰＬＬ部の周波数をｍＦ、前記第のＰＬＬ部の周波数をｎＦと（ｍ，ｎは互いに差が１ある整数とする）する時、前記第１のＰＬＬ部の周波数ｍＦの位相差が、前記差周波数Ｆの位相差として、ｍ倍の位相差として検出することができる。
【００１８】
なお、本発明において、光源部が、ＬＥＤからなることができ、また、光入力デバイスが、フォトトランジスタからなることができ、また、フィルタ回路が、第１，第２のＰＬＬ部の周波数の差成分を取り出すローパスフィルタまたはバンドパスフィルタからなることができる。
【発明の効果】
【００１９】
このように本発明の構成によれば、基準周波数発生装置の出力を低い周波数にすることにより、位相解析部へ入力される信号の周波数を下げ、位相検出精度を向上させると共に、単一の光源と単一の光入力デバイスからなる廉価な距離測定装置を得ることが出来る様になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は本発明の一実施形態の構成を説明する距離測定装置のブロック図、図２，図３は図１の動作を説明する波形図である。図１を参照すると、この距離測定装置は、２０ＭＨｚのパルスを出力するする基準周波数発生装置１１と、２０ＭＨｚのパルスから位相同期回路によりそれぞれ、４倍（８０ＭＨｚ）、５倍（１００ＭＨｚ）のパルス出力を得るＬＥＤ駆動用ＰＬＬ１２および位相差検出用ＰＬＬ１３と、ＰＬＬ１２の出力により駆動されるＬＥＤ１４と、ＬＥＤ１４の出力を測定対象１５に照射しこの測定対象１５からの反射光を受けるフォトトランジスタ１６と、フォトトランジスタ１６からの出力とＰＬＬ１３の出力の論理積をとるＡＮＤ回路１７と、ＡＮＤ回路１７の出力からＰＬＬ１２およびＰＬＬ１３の出力の差周波数（２０ＭＨｚ）成分を抽出するローパス回路１８と、ローパス回路１８の出力と基準周波数発生装置１１の出力との位相差から測定対象１５までの距離を求める位相解析部１９とから構成される。
【００２１】
本実施形態の動作を説明する。基準周波数発生装置１１で発生されたパルス信号は、ＬＥＤ駆動用ＰＬＬ１２と位相差出用ＰＬＬ１３で４倍、５倍に整数倍されたパルス信号となる。この際双方のＰＬＬ１２，１３は異なった周波数のパルス信号を生成する。ＬＥＤ駆動用ＰＬＬ１２の出力はＬＥＤ１４を駆動し、ＬＥＤ１４から出力された光は測定対象１５に反射後フォトトランジスタ１６に入力される。フォトトランジスタ１６の出力を位相検出用ＰＬＬ１３の出力とＡＮＤを取りローパスフィルタ１８を通し、位相解析部１９で基準周波数発生装置１１の出力との位相差を見ることで測定対象までの距離を求めることができる。
【００２２】
位相解析部１９は、基準周波数発生装置１１の出力の立ち上がり時におけるローパス回路１８の振幅を測定したり、基準周波数発生装置１１の出力の立ち上がり時からローパス回路１８の振幅が最大になるまでの時間を測定したりしてその位相差を解析するが、その方法自体はこの発明では問わない。
【００２３】
図２（ａ）〜（ｃ）は図１の動作を説明する動作波形図である。本実施例では、簡単の為に基準周波数発生装置１１を２０ＭＨｚ、ＬＥＤ駆動用ＰＬＬ１２を８０ＭＨｚ、位相差検出信号用ＰＬＬ１３を１００ＭＨｚとして動作する場合を示している。基準周波数発生装置１１は、２０ＭＨｚの矩形波を出力し、ＬＥＤ駆動用ＰＬＬ１２は８０ＭＨｚ、位相差検出信号用ＰＬＬ１３は１００ＭＨｚを出力する。従って、ＰＬＬ１３の出力は基準周波数発生装置１１の出力とは同期し、２０ＭＨｚの基準周波数発生装置１１の１周期（０．０５μｓ）の内にＰＬＬ１３の出力（０．０１μｓ）が５周期分含まれ、またＰＬＬ１２の出力（０．０１２５μｓ）が４周期分含まれることになる（図２（ａ））。
【００２４】
そして図２（ｂ）のように、測定対象点１５までの距離Ｌ＝０の場合には、測定タイミングｔ０で、ＰＬＬ１２からＬＥＤ１４，測定対象点１５を経て、フォトトランジスタ１６で受信された出力は、基準周波数発生装置１１の出力であるＰＬＬ１３の出力とは同期し、従って、フォトトランジスタ１６の出力とＰＬＬ１３の出力とのＡＮＤ回路１７による出力は、測定タイミングｔ１で最大幅を持つ出力が得られ、ローパス回路１８の出力には、ＰＬＬ１３の出力（１００ＭＨｚ）とＰＬＬ１２の出力（８０ＭＨｚ）との差の周波数２０ＭＨｚが得られる。
【００２５】
次に、図２（ｃ）のように、測定対象点１５までが距離Ｌ＝３７．５ｃｍとなったとすると、測定タイミングｔ１で、これは時間差０．００２５μｓに相当し、ＰＬＬ１３の出力の周波数１００ＭＨｚに対しては、その１／４周期［９０°］分に対応する。従って、フォトトランジスタ１６からの出力は、ＰＬＬ１３の出力の周波数１００ＭＨｚに対して１／４周期［９０°］分づつずれた出力となり、ＡＮＤ回路１７による出力（２０ＭＨｚ）は、ＰＬＬ１３の出力の周波数１００ＭＨｚに対して１周期分の０．０１μｓだけ位相が遅れた出力となる。これは、０．００２５μＳに対して４倍に拡大された位相差となり、その位相検出が容易になることは明らかである。
【００２６】
また、測定対象点１５までが距離Ｌ＝７５．０ｃｍ，１１２．５ｃｍ，１５０．０ｃｍとなった場合は、図３（ａ）〜（ｅ）の波形図に示すように、時間差０．００５μｓ、
０．００７５μｓ、０．０１μｓに相当し、測定タイミングｔ２，ｔ３、ｔ４で、ＰＬＬ１３の出力の周波数１００ＭＨｚに対しては、２／４，３／４，４／４周期分に対応し、
ＡＮＤ回路１７による出力（２０ＭＨｚ）では、０．０２μｓ，０．０３μｓ、０．０４μｓづつ位相が遅れた出力となる。          
なお、本実施形態では、基準周波数発生装置１１を２０ＭＨｚ、ＬＥＤ駆動用ＰＬＬ１２を８０ＭＨｚ、位相差検出信号用ＰＬＬを１００ＭＨｚとしたので、出力（２０ＭＨｚ）では、位相が遅れた出力となるが、これを逆にしてＬＥＤ駆動用ＰＬＬ１２を１００ＭＨｚ、位相差検出信号用ＰＬＬを８０ＭＨｚとすると、ＡＮＤ回路１７による出力（２０ＭＨｚ）では、位相が進んだ５倍の出力が得られることになる。
【００２７】
従って、第１，第２のＰＬＬ部の周波数の差周波数をＦとし、前記第１のＰＬＬ部の周波数をｍＦ、前記第のＰＬＬ部の周波数をｎＦと（ｍ，ｎは互いに差が１ある整数とする）する時、前記第１のＰＬＬ部の周波数ｍＦの位相差が、前記差周波数Ｆの位相差として、ｍ倍の位相差として検出できることになる。
【００２８】
また、実際の回路では基準周波数発生装置１１を１ＭＨｚ、ＬＥＤ駆動用ＰＬＬ１２を９９ＭＨｚ、位相差検出信号用ＰＬＬを１００ＭＨｚとするなど、基準周波数発生装置１１の出力を低い周波数にすることにより位相解析部１９へ入力される信号の周波数を下げ、位相検出精度をさらに向上させるような構成をとることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施形態を説明する距離測定装置のブロック図。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は図１の動作を説明する各部のタイミング図。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は図１の動作を説明する図２に続く各部のタイミング図。
【図４】従来例の光学近接センサを説明する構成図。
【図５】他の光学近接センサの斜視図。
【図６】他の距離測定装置を説明するブロック図。
【符号の説明】
【００３０】
１  位相比較器
２，１８    ローパス回路（フィルタ）
３    ＶＣＯ
４，５，２１，２２    分周器
１１    基準周波数発生装置
１１ａ    水晶発振器
１２    ＬＥＤ駆動用ＰＬＬ
１３    位相差検出用ＰＬＬ
１４    ＬＥＤ
１４ａ〜１４ｃ，ｉ４ｘ    光源素子
１５    測定対象
１６，１６ｙ    フォトトランジスタ
１６ａ〜１６ｃ，１６ｘ    光検出素子
１７    ＡＮＤ回路
１８    ローパス回路
１９    位相解析部
１９ａ    位相計数部
２３，３０    マルチプレクサ
２４    ＣＰＵ
２５    送光レンズ
３１    ミキサ回路
３２    受光レンズ
３３    増幅器
３４    表示器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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