JP5350331B2 - 距離センサ - Google Patents

Description

本発明は、送信波と反射波との位相差に基づいて測定対象物までの計測距離を算出する距離センサに関する。

位相方式の距離センサでは、送信波と、この送信波が測定対象物で反射された反射波との位相差から、測定対象物までの距離を算出する（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−８６８７２号公報

位相方式の距離センサでは、送信波の周波数によって計測可能な最大距離（いわゆる「距離レンジ」）が決まる。具体的には、低周波数であるほど、波長が長いため、距離レンジが大きくなる。その一方、高精度に距離を計測するためには、送信波の周波数を高周波とする必要がある。つまり、測定対象物までの実際の距離によって、当該距離を測定可能であるとともに、測定精度が最も良いと思われる距離レンジは異なる。そこで、如何にして距離レンジを切り替えるか、また、如何にして適切な距離レンジを検出するかが問題である。

また、位相方式の距離センサでは、高精度の距離測定のためには、送信波と反射波との位相差の検出を、より高精度に行う必要がある。しかし、空間を伝播する反射波には雑音（ノイズ）が重畳されている場合が多く、雑音除去が必要である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、位相方式の距離センサにおける適切な距離レンジへの切り替えを実現することである。また、第２の目的は、適切な距離レンジの検出を可能とすることである。更に、第３の目的は、送信波と反射波との位相差の正確な検出を可能とすることである。

上記課題を解決するための第１の形態は、
所定の基準周波数のクロック信号を分周する分周比を変更可能な分周器（例えば、図３の分周器４）を有し、前記分周器で分周された分周信号から送信波を生成して送信する送信部（例えば、図３の発光部６）と、
前記送信波の反射波を受信する受信部（例えば、図３の受光部８）と、
前記受信部で受信された前記反射波を、前記分周信号を用いて同期検波する同期検波部（例えば、図３の遅延回路２２、及び、ミキサ２４，２６）と、
前記同期検波部により同期検波された信号から直流成分を抽出する直流成分抽出部（例えば、図３のＬＰＦ２８，３０）と、
前記直流成分抽出部により抽出された直流成分に基づいて、前記送信波と前記反射波との位相差を検出する位相差検出部（例えば、図３の制御部４０）と、
前記分周器の分周比を変更制御することで、前記送信波の波長を変化させる分周比制御部（例えば、図３の制御部４０）と、
前記位相差検出部により検出された位相差に基づいて、測定対象物までの計測距離を算出する距離算出部（例えば、図３の制御部４０）と、
を備えた距離センサ（例えば、図３の距離センサ１００）である。

この第１の形態によれば、送信波と反射波との位相差に基づいて、測定対象物までの計測距離を算出する距離センサにおいて、所定の基準周波数のクロック信号を分周した分周信号から送信波が生成されるが、このクロック信号を分周する分周器の分周比が変更制御される。これにより、分周器の分周比を変更するだけで、送信波の周波数、すなわち距離レンジを簡単に変更できる。また、分周器の分周比のみを変更制御すれば良いため、送信波を生成するための発振器として、発振周波数が固定である１つの発振器のみで済む。

また、第２の形態として、第１の形態の距離センサであって、
前記同期検波部と前記直流成分抽出部とで２位相ロックインアンプ回路（例えば、図３の２位相ロックインアンプ２０）を構成し、
前記位相差検出部は、前記直流成分抽出部で抽出された２つの直流成分の正負の組合せと、当該直流成分とを用いて前記位相差を検出する、
距離センサを構成しても良い。

この第２の形態によれば、分周信号を用いた反射波の同期検波、及び、同期検波された信号からの直流成分の抽出は、２位相ロックインアンプ回路を用いて実現される。これにより、雑音に強い、正確な位相差の検出が実現される。

また、第３の形態として、第１又は第２の形態の距離センサであって、
前記受信部で受信された前記反射波の位相を補正する移相部（例えば、図５の移相回路１２）を備えるとともに、
前記同期検波部は、前記移相部により移相された前記反射波を同期検波し、
所定の校正処理を実行する際に、前記位相差検出部により検出された位相差が所定の校正用位相差条件を満たすように、前記移相部の移相量を調整して距離計測を校正する構成制御部、
を備えた、
距離センサを構成しても良い。

この第３の形態によれば、校正処理の実行によって距離計測の校正がなされることにより、より正確な距離計測が実現される。

また、第４の形態として、第１〜第３の何れかの形態の距離センサであって、
分周比毎に当該分周比とした場合の計測に好適な好適距離範囲が予め定められており（例えば、図７の分周比切替テーブル４４）、
前記分周比制御部は、前記分周比が、前記計測距離を含む前記好適距離範囲に対応する分周比となるように、前記分周比の変更制御と前記距離の算出とを繰り返し行う、
距離センサを構成しても良い。

この第４の形態によれば、分周器の分周比毎に、当該分周比とした場合の計測に好適な好適距離範囲が予め定められており、分周比が計測距離を含む好適距離範囲に対応する分周比となるように、分周比の変更制御と距離の算出とが繰り返し行われる。つまり、算出された計測距離に応じて、好適と思われる距離レンジに変更される。

また、第５の形態として、第４の形態の距離センサであって、
前記制御部は、前記分周比を変更可能な最大値に変更して前記計測距離を仮算出し、当該仮算出した計測距離を含む前記好適距離範囲に対応する分周比に変更して前記計測距離を算出する、
距離センサを構成しても良い。

この第５の形態によれば、分周器の分周比を変更可能な最大値に変更して計測距離を仮算出し、この仮算出した計測距離を含む好適距離範囲に対応する分周比に変更して、再度、計測距離が算出される。すなわち、先ず、最大の距離レンジで仮計測を行った後、この仮計測での計測距離から、最適な距離レンジに変更して本計測を行う。これにより、効率よく適切な距離レンジを検出して計測を行うことができる。

距離センサによる距離計測の概要図。 送信周波数による測定精度の違いの説明図。 距離センサの原理構成図。 算出される位相差と実際の位相差との対応関係。 距離センサの構成図。 位相差補正テーブルのデータ構成例。 分周比切替テーブルのデータ構成例。 分周比と好適距離範囲との対応関係の一例。 距離計測処理のフローチャート。 他の距離計測処理のフローチャート。 送信信号の半波長を超える距離の測定の説明図。 実際の距離が送信信号の半波長を超える場合の計測距離の補正の説明図。 他の距離計測処理のフローチャート。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、以下では、本発明を適用した光波距離センサについて説明するが、本発明の適用可能な実施形態がこれに限定されるものではない。

［概要］
図１は、本実施形態における距離センサ１００による距離計測の概要図である。この距離センサ１００は、赤外線やレーザ光等の光波を用いた光波距離センサであり、位相方式によって測定対象物２００までの距離Ｌを計測する。

すなわち、図１（ａ）に示すように、光波である送信波を測定対象物２００に向けて射出し、測定対象物２００で反射された反射波を受信する。そして、図１（ｂ）に示すように、この送信波と受信した反射波との位相差φから、測定対象物２００までの距離Ｌを算出する。測定対象物２００までの距離Ｌは、Ｌ＝（Ｃ・φ／２πｆ）／２、と算出される。ここで、「Ｃ」は光速であり、Ｃ≒３×１０^８ｍ／ｓ、である。

また、送信波と反射波との位相差φから距離Ｌを算出するため、１つの送信周波数のみで距離Ｌを算出する場合には、位相差φは、送信周波数の１周期以内となる。このため、測定可能な最大距離Ｌｍ（いわゆる「距離レンジ」）は、理論的には、送信波の周波数ｆによって決まり、Ｌｍ＝λ／２＝Ｃ／（２・ｆ）、となる。例えば、送信波の周波数を「５０ＭＨｚ」とすると、波長λは「６ｍ」であり、測定可能な最大距離Ｌｍは「３ｍ」となる。

また、位相方式の距離センサによる測定距離Ｌの算出精度は、送信波の周波数によって異なり、具体的には、送信波の周波数が高いほど、算出精度が良い。

図２は、送信波の周波数の違いによる測定距離Ｌの算出精度の違いを説明するための図である。図中、上側は、周波数ｆａの送信波及び受信波を示し、下側は、周波数ｆａより高い周波数ｆｂ（＝３・ｆａ）の送信波及び受信波を示している。

同じ距離Ｌを測定する場合、周波数ｆが異なると波長λが異なることにより、送信波と反射波との位相差φは異なる。具体的には、高周波であるほど、位相差φが大きくなる。図２では、周波数ｆｂの場合の位相差φｂのほうが、周波数ｆａの場合の位相差φａよりも大きく、φｂ＝３・φａ、となっている。

二つの信号の位相差φを検出する場合、その位相差φが小さいほど、その検出誤差が発生し易い。つまり、送信波の周波数ｆが低周波であるほど、位相差φの検出誤差が発生し易く、測定距離Ｌの算出精度が低下する。逆に言えば、送信波の周波数ｆが高周波であるほど、位相差φの検出誤差が発生しにくく、測定距離Ｌの算出精度が向上する。

［原理］
図３は、本実施形態における距離センサ１００の原理構成図である。図３に示すように、本実施形態の距離センサ１００は、２位相ロックインアンプを用いて送信波と受信波との位相差φを検出するものであり、原理的には、発振器２と、分周器４と、発光部６と、受光部８と、ＢＰＦ１０と、２位相ロックインアンプ２０と、制御部４０とを備えて構成される。

発振器２は、例えば、水晶振動子を有して構成され、基準周波数ｆの基準信号Ｆ１を生成する。

分周器４は、発振器２から出力された基準信号Ｆ１の周波数ｆを１／Ｎに分周し、送信信号Ｖ_Ｔとして出力する。この分周器４の分周比Ｎは、「Ｎ＝２^ｎ（ｎは正数）」であり、制御部４０によって変更制御される。

発光部６は、例えば、レーザダイオード等の発光素子を有して構成され、分周器４から出力された送信信号Ｖ_Ｔの周波数で強度変調された光信号を、送信波として射出する。つまり、周波数が「ｆ／Ｎ」の送信波が射出される。

受光部８は、例えば、フォトダイオード等の受光素子を有して構成され、受光した光波を電気信号に変換し、受信信号Ｖ_Ｒとして出力する。

ＢＰＦ１０は、受信信号Ｖ_Ｒに対して、所定帯域の信号を通過させ、帯域外の周波数成分を遮断する。このＢＰＦ１０の中心周波数ｆｏは、受信信号Ｖ_Ｒから、送信波と同じ周波数である反射波の信号のみを抽出するため、制御部４０によって、ｆｏ＝ｆ／Ｎ、に設定される。

２位相ロックインアンプ２０は、分周器４から出力される送信信号Ｖ_Ｔを「参照信号」とし、受信信号Ｖ_Ｒを「計測信号」として、受信信号Ｖ_Ｒを送信信号Ｖ_Ｔで同期検波（位相検波）し、直交する二つの直流信号Ｘ，Ｙを出力する。この２位相ロックインアンプ２０は、原理的には、遅延回路２２と、ミキサ２４，２６と、ＬＰＦ２８，３０とを有して構成される。

遅延回路２２は、送信信号Ｖ_Ｔ（参照信号）の位相を「π／２（９０°）」だけ遅らせる。

ミキサ２４は、ＢＰＦ１０から出力された信号と、送信信号Ｖ_Ｔ（参照信号）とを乗算（合成）して出力する。ミキサ２６は、ＢＰＦ１０から出力された信号と、遅延回路２２から出力された信号とを乗算する。

ＬＰＦ２８は、ミキサ２４の出力信号に対して、所定の低帯域の信号を通過させ、帯域外の周波数成分を遮断する。このＬＰＦ２８のカットオフ周波数ｆｃは、制御部４０によって、ｆｃ＝ｆ／２Ｎ、に設定される。

ＬＰＦ３０は、ミキサ２６の出力信号に対して、所定の低帯域の信号を通過させ、帯域外の周波数成分を遮断する。このＬＰＦ３０のカットオフ周波数ｆｃは、制御部４０によって、ｆｃ＝ｆ／２Ｎ、に設定される。

この距離センサ１００において、発振器２が生成する基準信号Ｆ１を、Ｆ１＝ｓｉｎ（ωｔ）、とすると、分周器４の出力信号、すなわち送信信号Ｖ_Ｔ（参照信号）は、Ｖ_Ｔ＝ｓｉｎ（ωｔ／Ｎ）、となる。そして、遅延回路２２の出力信号Ｄは、Ｄ＝ｓｉｎ（ωｔ／Ｎ−π／２）＝ｃｏｓ（ωｔ／Ｎ）、となる。

また、送信信号Ｖ_Ｔと受信信号Ｖ_Ｒとの位相差を「φ」とすると、受信信号Ｖ_Ｒは、Ｖ_Ｒ＝ｓｉｎ（ωｔ／Ｎ−φ）、となる。この受信信号Ｖ_Ｒは、そのまま、ＢＰＦ１０を通過する。

そして、ミキサ２４の出力信号ＭＩＸ１は、次式（１）となる。
ＭＩＸ１＝ｓｉｎ（ωｔ／Ｎ）×ｓｉｎ（ωｔ／Ｎ−φ）
＝−（ｃｏｓ（２ωｔ−φ）−ｃｏｓφ）／２ ・・（１）
この信号ＭＩＸ１は、ＬＰＦ２８を通過することで高周波成分が遮断される。そして、ＬＰＦ２８の出力信号Ｘは、Ｘ＝（ｃｏｓφ）／２、となる。

また、ミキサ２６の出力信号ＭＩＸ２は、次式（２）となる。
ＭＩＸ２＝ｃｏｓ（ωｔ／Ｎ）×ｓｉｎ（ωｔ／Ｎ−φ）
＝（ｓｉｎ（２ωｔ−φ）＋ｓｉｎφ）／２ ・・（２）
この信号ＭＩＸ２は、ＬＰＦ３０を通過することで高周波成分が遮断される。そして、ＬＰＦ３０の出力信号Ｙは、Ｙ＝（ｓｉｎφ）／２、となる。

従って、これらの信号Ｘ，Ｙから、送信信号Ｖ_Ｔと受信信号Ｖ_Ｒとの位相差φは、式（３）となる。
φ＝ｔａｎ^−１（Ｙ／Ｘ） ・・（３）

ところで、送信信号Ｖ_Ｔと受信信号Ｖ_Ｒとの実際の位相差φｒは、「０≦φｒ＜２π（３６０°）」である。しかし、上式（３）によって算出される位相差φは、「−π／２（−９０°）≦φ≦π／２（９０°）」の値である。このため、算出した位相差φを、実際の位相差φｒとなるように補正する必要がある。具体的には、信号Ｘ，Ｙの正負の組み合わせによって、算出した位相差φを補正する。

図４は、実際の位相差φｒと信号Ｘ，Ｙの正負との関係を示す図である。図４では、横軸を送信信号Ｖ_Ｔと受信信号Ｖ_Ｒとの実際の位相差φｒとして、信号Ｘ，Ｙそれぞれと、この信号Ｘ，Ｙから算出される位相差φと、実際の位相差φｒとを示している。

図４に示すように、「０≦φｒ＜π／２（９０°）」では、φ＝φｒ、であるが、「π／２（９０°）≦φｒ＜２π（３６０°）」では、φ≠φｒ、となっている。具体的には、「π／２（９０°）≦φｒ＜３π／２（２７０°）」では、φ＝φｒ−π（１８０°）、であり、「３π／２≦φｒ＜２π」では、φ＝φｒ−２π、となっている。このため、実際の位相差φｒとなるよう、算出した位相差φを補正する必要がある。信号Ｘ，Ｙそれぞれの値の正負の組合せは象限毎に異なるので、この信号Ｘ，Ｙの値の正負の組合せから、必要な補正量Δφを判断する。

［構成］
図５は、上述の原理構成を実現する距離センサ１００の構成図である。図５によれば、距離センサ１００は、発振器２と、分周器４と、発光部６と、受光部８と、ＢＰＦ１０と、移相回路１２と、２位相ロックインアンプ２０と、Ａ／Ｄ変換部１４と、制御部４０とを備えて構成される。

発振器２は、基準信号Ｆ１として、周波数ｆの方形波を発生する。

移相回路１２は、ＢＰＦ１０から出力された信号（受信信号Ｖ_Ｒ）の位相を変更する。この移相回路１２による移相量θは変更可能であり、送信信号Ｖ_Ｔと受信信号Ｖ_Ｒとの位相ずれを調整する距離計測の校正処理によって決定される。

校正処理は、例えば、距離Ｌが明らかな測定対象物に対する距離計測を行いながら、制御部４０が移相回路１２の移相量θを徐々に変化させ、算出される距離Ｌが実際の距離Ｌに一致するときの移相量θを探す処理である。この校正処理は、製品出荷前にメーカ側で実施することにしても良いし、販売後、校正を行う施設で定期／不定期に実施することにしても良いし、或いは、ユーザ側が実施することにしても良い。何れの場合も、制御部４０が、算出される距離Ｌが正しい距離となるよう、移相回路１２の移相量θを変更設定する。

また、校正処理は、光波の発信／受信にかかる両者の遅延時間が補償されているのであれば、次のようにしてもよい。すなわち、発光部６に入力される送信信号Ｖ_Ｔを、受光部８の出力の直後に短絡可能な短絡回路を設ける。そして、制御部４０が、校正処理の実行の際に、この短絡回路によって送信信号Ｖ_Ｔと受信信号Ｖ_Ｒとを短絡し、算出される計測距離Ｌがゼロになるよう、移相回路１２の移相量θを調整・設定する。

２位相ロックインアンプ２０は、遅延回路２２と、反転増幅器３２と、ＰＳＤ（Phase Sensitive Detecter）３４，３６と、ＬＰＦ２８，３０とを有して構成される。

反転増幅器３２は、移相回路１２から出力される信号の極性（正負のレベル）を反転する。

ＰＳＤ３４は、送信信号Ｖ_Ｔ（参照信号）の極性に応じて接点を切り替えるスイッチ素子を有し、移相回路１２の出力信号の非反転信号／反転信号を切り替えて出力する。ＬＰＦ２８は、ＰＳＤ３４の出力信号に対して、所定の低帯域の周波数成分を通過させ、帯域外の周波数成分を遮断する。

ＰＳＤ３６は、遅延回路２２の出力信号の極性に応じて接点を切り替えるスイッチ素子を有し、移相回路１２の出力信号の非反転信号／反転信号を切り替えて出力する。ＬＰＦ３０は、ＰＳＤ３６の出力信号に対して、所定の低帯域の周波数成分を通過させ、帯域外の周波数成分を遮断する。

Ａ／Ｄ変換部１４は、ＬＰＦ２８，３０それぞれから出力される信号Ｘ，Ｙを、デジタル信号に変換する。

制御部４０は、ＣＰＵ等の演算装置を有して構成され、測定対象物までの距離Ｌを計測する距離計測処理を実行する。この距離測定処理では、先ず、分周器４の分周比Ｎを、最大値Ｎｍａｘに設定する。また、設定した分周比Ｎに合わせて、ＢＰＦ１０の中心周波数ｆｏを設定するとともに、ＬＰＦ２８，３０のカットオフ周波数ｆｃを設定する。中心周波数ｆｏは、ｆｏ＝ｆ／Ｎ、で与えられ、カットオフ周波数ｆｃは、ｆｃ＝ｆ／２Ｎ、で与えられる。

次いで、測定対象物までの距離Ｌを測定する。すなわち、Ａ／Ｄ変換部１４から出力された信号Ｘ，Ｙをもとに、上式（３）に従って、送信信号Ｖ_Ｔと受信信号Ｖ_Ｒとの位相差φを算出する。続いて、信号Ｘ，Ｙの正負の組合せをもとに、位相差補正テーブル４２に従って、算出した位相差φを補正する。

図６は、位相差補正テーブル４２のデータ構成の一例を示す図である。図６によれば、位相差補正テーブル４２は、信号Ｘの値の正負４２ａと、信号Ｙの値の正負４２ｂとの組合せそれぞれに、位相差φの補正量４２ｃを対応付けて格納している。この位相差補正テーブル４２は、制御部４０内に記憶されている。

そして、この位相差φから計測距離Ｌを算出し、初回測定距離Ｌｘとする。計測距離Ｌは、Ｌ＝（Ｃ・φ・Ｎ）／（２・ω）、で与えられる。初回計測距離Ｌｘを算出すると、続いて、分周比切替テーブル４４に従って、この初回測定距離Ｌｘに対応する最適な分周比Ｎを判断する。

図７は、分周比切替テーブル４４のデータ構成の一例を示す図である。図７に示すように、分周比切替テーブル４４は、距離センサ１００に設定可能な分周比４４ａと、好適距離範囲４４ｂとを対応付けて格納している。好適距離範囲４４ｂを定める「ｅ」は、測定距離Ｌに対して見込む誤差を表す誤差マージンであり、「０．０＜ｅ≦１．０」の値で、例えば距離センサ１００の利用者によって任意に与えられる。例えば、誤差マージンｅ＝０．９とは、測定距離Ｌに対して「１０％（＝０．１＝１．０−０．９）」の誤差が含まれることを表す。この分周比切替テーブル４４は、制御部４０内に記憶されている。

制御部４０は、初回測定距離Ｌｘが含まれる好適距離範囲に対応する分周比Ｎを、最適な分周比Ｎと判断する。そして、最適と判断した分周比Ｎに、分周器４の分周比Ｎを変更するとともに、変更後の分周比Ｎに合わせて、ＬＰＦ２８，３０のカットオフ周波数ｆｃを変更する。その後、測定対象物までの距離Ｌを再算出して、計測結果として出力する。

ここで、分周比切替テーブル４４で定められる「分周比Ｎ」と「好適距離範囲」の対応関係は、次のように決められる。図８は、分周比Ｎと好適距離範囲との対応関係の一例を示す図である。図８では、上から順に、誤差マージンｅ＝１．０、誤差マージンｅ＝０．９、誤差マージンｅ＝０．５、のそれぞれの場合を示している。但し、設定可能な分周比Ｎは「Ｎ＝１，２，４，８，１６」であり、基準周波数ｆは「ｆ１＝５０ＭＨｚ」であるとする。

図８に示すように、設定可能な分周比Ｎそれぞれに、互いに重ならない好適距離範囲が対応付けられる。この好適距離範囲は、分周比Ｎの距離レンジと、距離センサ１００による測定距離に対して見込む誤差とに応じて定められる。

すなわち、誤差を見込まない場合（誤差マージンｅ＝１．０）、ある分周比Ｎに対応する好適距離範囲は、この分周比Ｎでの距離レンジを最大値とし、その一段階下の分周比Ｎ（＝Ｎ／２）での距離レンジを最小値とする範囲として定められる。

例えば、分周比Ｎ＝１６の距離レンジは「４８ｍ」であり、分周比Ｎ＝８の距離レンジは「２４ｍ」である。従って、分周比Ｎ＝１６には「２４〜４８ｍ」が好適距離範囲として対応付けられる。

同様に、分周比Ｎ＝８には、「１２〜２４ｍ」が好適距離範囲として対応付けられ、分周比Ｎ＝４には、「６〜１２ｍ」が好適距離範囲として対応付けられ、分周比Ｎ＝２には、「３〜６ｍ」が好適距離範囲として対応付けられ、分周比Ｎ＝１には、「０〜３ｍ」が好適距離範囲として対応付けられる。

そして、誤差を見込む場合には、誤差を見込まない場合（誤差マージンｅ＝１．０）での好適距離範囲の最小値及び最大値を、誤差を見込んだ値に変更した範囲となっている。

例えば、測定距離Ｌに対して「５０％」の誤差を見込む場合には（誤差マージンｅ＝０．５）、分周比Ｎ＝１６（最大値Ｎｍａｘ）については、誤差を見込まない場合の好適距離範囲の最小値である「２４ｍ」に対して「５０％」の誤差を見込んだ「１２ｍ（＝２４−２４×０．５）」を最小値とする。すなわち、分周比Ｎ＝１６には、好適距離範囲として「１２〜４８ｍ」が対応付けられている。

その次に大きい分周比Ｎ＝８（＝１６／２）については、分周比Ｎ＝１６の好適距離範囲と重ならないよう、好適距離範囲の最大値については、分周比Ｎ＝１６の最小値「１２ｍ」とし、最小値については、誤差を見込まない場合の最小値「１２ｍ」に対して、「５０％」の誤差を見込んだ「６ｍ（＝１２−１２×０．５）」とする。すなわち、分周比Ｎ＝８には、好適距離範囲として「６〜１２ｍ」が対応付けられている。

同様に、分周比Ｎ＝４には、好適距離範囲として「３〜６ｍ」が対応付けられ、分周比Ｎ＝２には、好適距離範囲として「１．５〜３ｍ」が対応付けられ、分周比Ｎ＝１には、好適距離範囲として「０〜１．５ｍ」が対応付けられている。

なおここで、誤差を見込んだ分周比Ｎと好適距離範囲との対応付けに、分周比Ｎの最大値Ｎｍａｘの好適距離範囲を優先させるのは、本実施形態における処理手順として、先ず、分周器４の分周比Ｎを最大値Ｎｍａｘに設定した後、最適な分周比Ｎを判断して変更するからである。

［処理の流れ］
図９は、制御部４０が実行する距離測定処理の流れを説明するフローチャートである。図９によれば、制御部４０は、先ず、分周器４の分周比Ｎを、最大値Ｎｍａｘに設定する（ステップＡ１）。また、設定した分周比Ｎに合わせて、ＢＰＦ１０の中心周波数ｆｏを設定するとともに、ＬＰＦ２８，３０それぞれのカットオフ周波数ｆｃを設定する（ステップＡ３）。

次いで、信号Ｘ，Ｙをもとに、送信信号Ｖ_Ｔと受信信号Ｖ_Ｒとの位相差φを算出し（ステップＡ５）、位相差補正テーブル４２を参照して、信号Ｘ，Ｙの値の正負の組合せに応じて、この算出した位相差φを補正する（ステップＡ７）。そして、この位相差φをもとに、初回測定距離Ｌｘを算出（仮算出）する（ステップＡ９）。

続いて、分周比切替テーブル４４を参照して、算出した初回測定距離Ｌｘに対応する最適な分周比Ｎを判断する（ステップＡ１１）。そして、最適と判断した分周比Ｎに、分周器４の分周比Ｎを更新するとともに（ステップＡ１３）、変更後の分周比Ｎに合わせて、ＢＰＦ１０の中心周波数ｆｏ、及び、ＬＰＦ２８，３０それぞれのカットオフ周波数ｆｃを更新する（ステップＡ１５）。

その後、同様に、信号Ｘ，Ｙから送信信号Ｖ_Ｔと受信信号Ｖ_Ｒとの位相差φを再算出し（ステップＡ１７）、算出した位相差φを補正し（ステップＡ１９）、補正した位相差φをもとに、測定距離Ｌを再算出する（ステップＡ２１）。

［作用・効果］
このように、本実施形態の距離センサ１００は、送信信号Ｖ_Ｔを「参照信号」とし、受信信号Ｖ_Ｒを「計測信号」とする２位相ロックインアンプ２０を有して構成され、この２位相ロックインアンプ２０によって、送信信号Ｖ_Ｔと受信信号Ｖ_Ｒとの位相差φが算出される。そして、距離計測を行う際には、先ず、分周器４の分周比Ｎを最大値Ｎｍａｘに設定し、このときに算出した測定距離Ｌｘに応じて分周器４の分周比Ｎを最適な分周比Ｎに変更した後、再度、測定距離を算出する。これにより、測定対象物２００までの実際の距離に応じた、適切な距離レンジの自動的な切り替えが実現される。また、２位相ロックインアンプ２０によって位相差φが正確に検出され、高精度の距離計測が実現される。

［変形例］
なお、本発明の適用可能な実施形態、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。

（Ａ）分周比の切り替え
例えば、距離センサ１００における分周器４それぞれの分周比Ｎの切り替えを、距離レンジを一段階ずつ下げるように変更することにしても良い。

図１０は、距離レンジを一段階ずつ下げるように分周比Ｎを変更する場合の距離計測処理のフローチャートである。図１０に示すように、先ず、分周器４の分周比Ｎを、最大値Ｎｍａｘに設定するとともに（ステップＢ１）、この分周比Ｎに合わせて、ＢＰＦ１０の中心周波数ｆｏ、及び、ＬＰＦ２８，３０それぞれのカットオフ周波数ｆｃを設定する（ステップＢ３）。

次いで、このときの信号Ｘ，Ｙから位相差φを算出し（ステップＢ５）、算出したφを、信号Ｘ，Ｙそれぞれの値の正負の組合せをもとに、位相差補正テーブル４２に従って補正する（ステップＢ７）。そして、補正後の位相差φをもとに、測定対象物までの測定距離Ｌｘを算出する（ステップＢ９）。

そして、現在の分周比Ｎが「２」以上であり（ステップＢ１１：ＹＥＳ）、且つ、算出した測定距離Ｌｘが、現在の分周比Ｎに対応する好適距離範囲の最小値「（Ｎ／２）・Ｌｍｉｎ・ｅ」以下ならば（ステップＢ１３：ＹＥＳ）、分周比Ｎを、一段階小さくするように変更する（ステップＢ１５）。その後、ステップＢ３に戻り、同様に、測定対象物までの測定距離を再算出する。

一方、現在の分周比Ｎが「１」となった場合（ステップＢ１１：ＮＯ）、或いは、算出した測定距離Ｌｘが、現在の分周比Ｎに対応する好適距離範囲の最小値「（Ｎ／２）・Ｌｍｉｎ・ｅ」より大きいならば（ステップＢ１３：ＮＯ）、現在の分周比Ｎが好適な分周比Ｎであると判断して（ステップＢ１７）、最後に算出した測定距離Ｌｘを、測定結果として出力する。

例えば、短い距離Ｌを計測する場合には、最大分周比Ｎｍａｘでの測定距離Ｌの算出誤差が大きいことが予想され、最適な分周比Ｎを誤って検出する可能性が生じ得る。そこで、このように距離レンジを一段階ずつ下げるように分周比Ｎを変更することで、最適な分周比Ｎの検出をより正確に行い、測定距離Ｌの算出誤差を軽減することができる。

また更に、この場合、距離レンジを一段階ずつ下げるように分周比Ｎを変更しながら全ての距離レンジにおいて測定距離Ｌを算出することで、送信信号Ｖ_Ｔの半波長λ／２を超える距離Ｌについても測定することができ、より高精度な距離計測が実現される。

図１１は、送信信号Ｖ_Ｔの半波長λ／２を超える距離Ｌの測定を説明するための図である。図中、上側は、送信信号Ｖ_Ｔの周波数ｆ１／Ｎを「周波数ｆａ（波長λａ）」とした場合を示し、下側は、送信信号Ｖ_Ｔの周波数ｆ１／Ｎを、周波数ｆａより高い「周波数ｆｂ（波長λｂ）」とした場合を示している。

上述のように、送信信号と受信信号との位相差φから測定対象物までの距離Ｌを測定するため、算出される距離Ｌは、Ｌ＜λ／２、となる。つまり、実際の距離Ｌｓを測定する場合、上側に示すように、Ｌｓ＜（λａ／２）、のとき、算出される距離Ｌは「Ｌｓ」であるが、下側に示すように、Ｌｓ＞（λｂ／２）、のときに算出される距離Ｌは「Ｌｓ−λｂ／２」となって正しくない。

しかし、実際の距離Ｌｓが送信信号Ｖｔの半波長λ／２を超えない分周比Ｎの下限（送信信号Ｖ_Ｔの周期が反転しない限界分周比Ｎ_Ｌ）を判定することができるならば、この下限を下回る分周比Ｎでの測定距離Ｌについては、そのときの送信信号Ｖ_Ｔの波長λ／２分の距離を加算して補正することで、より正確な測定距離Ｌを算出することが可能となる。

図１２は、実際の距離Ｌｓが送信信号Ｖｔの半波長λ／２を超える場合の、測定距離Ｌの補正を説明する図である。図中、上側は、送信信号Ｖ_Ｔが周波数ｆｂの場合を示し、下側は、送信信号Ｖ_Ｔが周波数ｆｃ（＞ｆｂ）の場合を示しており、ともに、送信信号Ｖ_Ｔの半波長λ／２が、実際の距離Ｌｓより短い。上側に示すように、周波数ｆｂの場合には、算出される距離Ｌは「Ｌｓ−λｂ／２」であり、半波長「λｂ／２」を加算して補正する。また、下側に示すように、周波数ｆｃの場合には、算出される距離Ｌは「Ｌｓ−３・λｃ／２」であり、半波長λｃ／２の３倍の長さ「３・λｃ／２」を加算して補正する。

このとき、算出した距離Ｌに補正が必要か否かは、距離レンジを一段階ずつ下げるように分周比Ｎを変更してゆく過程で、ある分周比Ｎでの測定距離Ｌｘが、該分周比Ｎに対応する好適距離範囲内であるか否かによって判断可能である。すなわち、実際の距離Ｌｓが送信信号Ｖ_Ｔの半波長λ／２を超えない分周比Ｎの下限（限界分周比Ｎ_Ｌ）を判断することで実現可能である。そして、分周比Ｎがこの限界分周比Ｎ_Ｌを下回る場合、すなわち算出した計測距離Ｌに補正が必要な場合に、送信信号Ｖ_Ｔの半波長λ／２の何倍の距離を加算するかは、ここまでに算出された大凡の距離から判断することができる。

図１３は、全ての距離レンジにおいて計測距離を算出する計測処理を説明するフローチャートである。同図に示すように、先ず、分周器４の分周比Ｎを最大値Ｎｍａｘに設定するとともに（ステップＣ１）、この分周比Ｎに合わせて、ＢＰＦ１０の中心周波数ｆｏ、及び、ＬＰＦ２８，３０それぞれのカットオフ周波数ｆｃを設定する（ステップＣ３）。

次いで、このときの信号Ｘ，Ｙから位相差φを算出し（ステップＣ５）、算出したφを、信号Ｘ，Ｙそれぞれの値の正負の組合せをもとに、位相差補正テーブル４２に従って補正する（ステップＣ７）。続いて、補正後の位相差φをもとに、測定対象物までの測定距離Ｌｘを算出する（ステップＣ９）。そして、算出した測定距離Ｌｘを、現在の分周比Ｎと対応付けて記憶しておく（ステップＣ１１）。

そして、現在の分周比Ｎが「２」以上であり（ステップＣ１３：ＹＥＳ）、且つ、算出した測定距離Ｌｘが、現在の分周比Ｎに対応する好適距離範囲の最小値「（Ｎ／２）・Ｌｍｉｎ・ｅ」以上ならば（ステップＣ１５：ＹＥＳ）、現在の分周比Ｎを、周期反転の限界分周比Ｎ_Ｌとして更新する（ステップＣ１７）。そして、距離レンジが一段階小さくなるよう、分周比Ｎを変更する（ステップＣ１９）。その後、ステップＣ３に戻り、同様に、測定対象物までの測定距離Ｌｘを算出する。

そして、現在の分周比Ｎが「１」となったならば（ステップＣ１３：ＮＯ）、記憶しておいた各分周比Ｎでの測定距離Ｌと限界分周比ＮＬとをもとに、最終的な測定距離Ｌを決定・出力する（ステップＣ２１）。

（Ｂ）距離センサ
また、上述の実施形態では、距離センサ１００を光波距離センサとしたが、例えば、電磁波や超音波を用いた距離センサ等、位相方式の距離センサであれば、同様に本発明を適用可能である。

１００ 距離センサ
２ 発振器、４ 分周器、６ 発光部
８ 受光部、１０ ＢＰＦ、１２ 移相回路
２０ ２位相ロックインアンプ
２２ 遅延回路、２４，２６ ミキサ、２８，３０ ＬＰＦ
３２ 反転増幅器、３４，３６ ＰＳＤ
１４ Ａ／Ｄ変換器、４０ 制御部
２００ 測定対象物

Claims (5)

1. 所定の基準周波数のクロック信号を分周する分周比を変更可能な分周器を有し、前記分周器で分周された分周信号から送信波を生成して送信する送信部と、
   前記送信波の反射波を受信する受信部と、
   前記受信部で受信された前記反射波を、前記分周信号を用いて同期検波し、直交する２つの直流成分を抽出する２位相ロックインアンプ回路部と、
   前記２つの直流成分によって示される位相を、前記２つの直流成分の正負の組合せに基づく位相補正量で補正して、前記送信波と前記反射波との位相差を検出する位相差検出部と、
   前記位相差検出部により検出された位相差に基づいて、測定対象物までの計測距離を算出する制御部と、
   を備えた距離センサ。
2. 前記受信部で受信された前記反射波の位相を所与の移相量移相する移相部を更に備え、
   前記２位相ロックインアンプ回路部は、前記移相部により移相された前記反射波を同期検波し、
   前記制御部は、所定の校正処理を実行する際に、前記位相差検出部により検出された位相差が所定の校正用位相差条件を満たすように、前記移相部の移相量を調整して距離計測を校正する制御を行う手段を有する、
   請求項１に記載の距離センサ。
3. 分周比毎に当該分周比とした場合の計測に好適な好適距離範囲が予め定められており、
   前記制御部は、前記分周比が、前記計測距離を含む前記好適距離範囲に対応する分周比となるように、前記分周比の変更制御と前記距離の算出とを繰り返し行う、
   請求項１又は２に記載の距離センサ。
4. 前記制御部は、前記分周比を変更可能な最大値に変更して前記計測距離を仮算出し、当該仮算出した計測距離を含む前記好適距離範囲に対応する分周比に変更して前記計測距離を算出する、
   請求項３に記載の距離センサ。
5. 前記制御部は、前記分周比を徐々に下げる制御と前記計測距離の算出とを繰り返し行い、当該計測距離が前記送信波の半波長を超えた場合には、従前に算出した計測距離と当該半波長とに基づき、当該半波長を超えた部分の長さに含まれる当該半波長の整数倍の加算距離を判断し、当該計測距離に当該加算距離を加算することで当該計測距離を補正する手段を有する、
   請求項１〜４の何れか一項に記載の距離センサ。

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