JP7803441B2

JP7803441B2 - 物体検知センサ及び物体検知方法

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Publication number: JP7803441B2
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Inventors: 貴敏加藤; 博渡邊; 浩一井上
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Description

本発明は、物体検知センサ及び物体検知方法に関する。

発光素子から放射された光のうち対象物で反射された光を受光素子で検出することにより、対象物までの距離や対象物の姿勢を検出するセンサが公知である（特許文献１）。特許文献１に記載されたセンサは、散光性の強い２つの発光素子と、指向性の強い１つの受光素子とを含む。１つの受光素子と２つの発光素子とは、直線上に配置されている。発光素子からの照射光のうち対象物の表面で乱反射された光は受光素子で受光される。発光素子と対象物までの距離が２つの発光素子で異なり、対象物の位置における照度が異なることを利用して、受光素子から対象物までの距離を導出する。

また、受光素子の両側等距離の位置にそれぞれ発光素子を配置し、合計４個の発光素子を配置することにより、発光素子が並ぶ方向に沿った対象物の面の傾斜を求めることもできる。

特公昭６２－１７１６３号公報

特許文献１に記載されたセンサでは、発光素子が並ぶ方向に関する対象物の傾斜を求めることができるが、他の方向に関する傾斜を求めることはできない。

本発明の目的は、対象物までの距離、及び対象物の表面の傾斜の方位を求めることができる物体検知センサ及び物体検知方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
仮想平面上に配置された少なくとも４つの第１光素子と、
前記仮想平面上に配置された少なくとも１つの第２光素子と、
演算部と
を備え、
前記第１光素子及び前記第２光素子の一方は発光素子であり、他方は受光素子であり、
少なくとも４つの前記第１光素子と１つの前記第２光素子とにより最小単位が構成され、
前記最小単位の４つの前記第１光素子の指向特性は同一であり、前記第２光素子の指向特性は、前記第２光素子から前記仮想平面の法線方向に伸ばした直線を基準軸としたとき、前記基準軸から傾いた方向における照度または受光感度が、前記基準軸の方向における照度または受光感度の１／２になるときの傾き角が１５°以下であり、
前記最小単位の４つの前記第１光素子は、前記第２光素子を通過する１つの共通の直線上には配置されておらず、前記第２光素子を中心とする１つの共通の円周上にも配置されておらず、
前記演算部は、前記最小単位の前記第１光素子の各々及び前記第２光素子を動作させたときの受光強度である測定値に基づいて、前記仮想平面から前記基準軸上の対象物までの距離、前記基準軸に対する前記対象物の表面の法線方向の傾斜角、及び傾斜方位角を求める物体検知センサが提供される。

本発明の他の観点によると、
共通の仮想平面上に配置された少なくとも４つの第１光素子のそれぞれと第２光素子とで構成される最小単位の前記第１光素子及び前記第２光素子を動作させて、前記第２光素子から、前記仮想平面の法線方向に延びる基準軸上の対象物を検知する検知方法であって、
前記第１光素子及び前記第２光素子の一方は発光素子であり、他方は受光素子であり、
前記最小単位の４つの前記第１光素子の指向特性は同一であり、前記第２光素子の指向特性は、前記基準軸から傾いた方向における照度または受光感度が、前記基準軸の方向における照度または受光感度の１／２になるときの傾き角が１５°以下であり、
前記最小単位の４つの前記第１光素子は、前記第２光を子を通過する１つの共通の直線上には配置されておらず、前記第２光素子を中心とする１つの共通の円周上にも配置されておらず、
前記最小単位の前記第１光素子及び前記第２光素子の一方の素子から発光し、前記対象物で反射し、他方の素子で受光した光に基づいて、前記対象物を新たな光源としたときの輝度の測定値を求め、
前記測定値から、前記対象物の表面の反射率、前記仮想平面から前記基準軸上の前記対象物までの距離、前記対象物の表面の前記基準軸に対する傾斜角、前記対象物の表面の傾斜方位角のうち少なくとも１つを計算する物体検知方法が提供される。

最小単位の４つの第１光素子が、第２光素子を通過する１つの共通の直線上には配置されておらず、第２光素子を中心とする１つの共通の円周上にも配置されていない構成とすることにより、対象物までの距離、及び対象物の表面の傾斜の方位を求めることができる。

図１Ａは、第１実施例による物体検知センサの概略斜視図であり、図１Ｂは、４つの第１光素子及び１つの第２光素子の平面視における位置関係の一例を示す図である。図２は、１つの第１光素子、第２光素子、及び対象物の位置関係、及び座標系を示す図である。図３は、第１光素子及び第２光素子の指向特性を示す模式図である。図４は、第１実施例による物体検知センサの演算部が実行する手順を示すフローチャートである。図５は、第１実施例の変形例による物体検知センサの４つの第１光素子及び１つの第２光素子の平面的な位置関係を示す図である。図６は、第１実施例の他の変形例による物体検知センサの概略斜視図である。図７は、第２実施例による物体検知センサの第１光素子及び第２光素子の平面的な位置関係を示す図である。図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ第３実施例及びその変形例による物体検知センサの第１光素子及び第２光素子の平面的な位置関係を示す図である。図９は、第４実施例による物体検知センサの第１光素子及び第２光素子の平面的な位置関係を示す図である。図１０は、第５実施例による物体検知センサの複数の最小単位のうち１つの最小単位に含まれる複数の第１光素子及び１つの第２光素子の位置関係を示す概略平面図である。図１１は、２組の第１光素子対を動作させたときの比Ｒ（式（８））と、距離ｚとの関係を示すグラフである。図１２は、第５実施例による物体検知センサの演算部が実行する手順を示すフローチャートである。

［第１実施例］
図１から図４までの図面を参照して、第１実施例による物体検知センサ及び物体検知方法について説明する。

図１Ａは、第１実施例による物体検知センサの概略斜視図である。第１実施例による物体検知センサは、４つの第１光素子３１、１つの第２光素子３２、及び演算部４０を含む。４つの第１光素子３１の各々は発光素子であり、演算部４０からの制御により発光する。第１光素子３１として、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等が用いられる。第２光素子３２は受光素子であり、受光した光の強度に応じた電気信号を出力する。この電気信号が演算部４０に取り込まれる。第２光素子３２として、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣｄＳセル等が用いられる。図１Ａにおいて、受光素子にハッチングを付している。

４つの第１光素子３１及び１つの第２光素子３２は、共通の仮想平面２１上に配置されている。例えば、４つの第１光素子３１及び１つの第２光素子３２は、基板２０の平坦な表面上に実装される。このとき、基板２０の実装面が仮想平面２１にほぼ一致する。第１実施例による物体検知センサは、第２光素子３２を通過し、仮想平面２１の法線方向に延ばした仮想的な直線（以下、基準軸２５という。）上に位置する対象物５０を検出する。具体的には、第１光素子３１の各々から放射され、対象物５０で反射され、第２光素子３２に入射する光の強度に基づいて、仮想平面２１から対象物５０までの距離、及び対象物５０の姿勢を検出する。ここで、「第２光素子３２を通過する」とは、第２光素子３２の受光領域の幾何中心を通過することを意味する。

図１Ｂは、４つの第１光素子３１及び１つの第２光素子３２の平面視における位置関係の一例を示す図である。４つの第１光素子３１は、第２光素子３２を通る１つの共通の直線上には配置されておらず、第２光素子３２を中心とする１つの共通の円周上にも配置されていない。すなわち、第２光素子３２と１つの第１光素子３１とを通過する直線ＳＬを引いたとき、他の３つの第１光素子３１のうち少なくとも１つは直線ＳＬから外れた位置に配置されている。図１Ｂに示した例では、２つの第１光素子３１が直線ＳＬから外れた位置に配置されている。また、第２光素子３２を中心とし、１つの第１光素子３１を通る円周Ｃを描いたとき、他の３つの第１光素子３１のうち少なくとも１つは円周Ｃから外れた位置に配置されている。図１Ｂに示した例では、２つの第１光素子３１が円周Ｃから外れた位置に配置されている。

ここで、第１光素子３１が直線ＳＬ上または円周Ｃ上に位置するか否かは、第１光素子３１の発光領域の幾何中心を基準として判断される。第２光素子３２が直線ＳＬ上に位置するか否かは、第２光素子３２の受光領域の幾何中心を基準として判断される。第２光素子３２を中心とする円周は、第２光素子３２の受光領域の幾何中心を中心とする円周を意味する。このような配置のため、少なくとも１つの第１光素子３１と第２光素子３２との距離は、他の３つの第１光素子３１と第２光素子３２との距離と異なっている。４つの第１光素子３１のそれぞれと１つの第２光素子３２とにより、合計４つの受発光ペアが構成される。

次に、図２を参照して、本明細書で用いる座標系及び種々のパラメータの定義について説明する。図２は、１つの第１光素子３１ｉ、第２光素子３２、及び対象物５０の位置関係、及び座標系を示す図である。ｘｙｚ直交座標系のｘｙ面が仮想平面２１（図１Ａ）に相当し、原点Ｏに第２光素子３２が配置されている。ｚ軸が、基準軸２５に相当する。なお、ｘｙｚ直交座標系として左手系を採用する。

４つの第１光素子３１に、１から順番に通し番号を付したとき、ｉ番目の第１光素子３１を３１ｉと標記する。第１光素子３１ｉのｘ座標及びｙ座標を、それぞれａ_ｘｉ、ａ_ｙｉと標記する。原点Ｏから第１光素子３１ｉまでの距離をｒ_ｉと標記する。ｘ軸を基準方向としたときの第１光素子３１の位置の方位角をθ_ｒｉと標記する。

対象物５０の原点Ｏを向く表面と基準軸２５との交点（以下、対象物５０の代表点という。）をＰと標記する。原点Ｏ（第２光素子３２）から対象物５０の代表点Ｐまでの距離をｚと標記する。本明細書において、第２光素子３２から対象物５０の代表点Ｐまでの距離ｚを、単に第２光素子３２から対象物５０までの距離ｚという場合がある。対象物５０の代表点Ｐから第１光素子３１ｉに向かう単位ベクトルをｎ_ｉと標記する。単位ベクトルｎ_ｉと基準軸２５とのなす角度をθ_ｉと標記する。

代表点Ｐの位置における対象物５０の表面の単位法線ベクトルをｎ_ｓと標記する。単位法線ベクトルｎ_ｓと基準軸２５とのなす角度をφ_ｚと標記する。角度φ_ｚを、対象物５０の傾斜角という。単位法線ベクトルｎ_ｓのｘｙ面への垂直投影像とｘ軸とのなす角度をφ_ｘと標記する。角度φ_ｘを、対象物５０の表面の傾斜方位角という。

図３は、第１光素子３１及び第２光素子３２の指向特性を示す模式図である。第１光素子３１のそれぞれの指向特性ＤＣ１及び第２光素子３２の指向特性ＤＣ２を、グラフで示している。ｚ軸の正の向きからの傾き角をθと標記する。第１光素子３１においては、θ＝０°（正面方向）において光強度が最大になり、傾き角θが大きくなるにしたがって、光強度が低下する。光強度が正面方向の光強度の１／２になる傾き角θを、半値半角θ_１／２という。第２光素子３２においては、θ＝０°（正面方向）において受光感度が最大になり、傾き角θが大きくなるにしたがって、受光感度が低下する。受光感度が正面方向の受光感度の１／２になる傾き角θを、半値半角θ_１／２という。

第１光素子３１は、第２光素子３２の指向特性より広角である。例えば、基準軸２５上に位置する対象物５０（図１Ａ）に、十分な強度の光が照射される程度の広角の指向特性を有する。第２光素子３２は、基準軸２５から大きく外れた位置の物体からの反射光に対して十分低い感度になる程度の鋭い指向特性を有する。例えば、第２光素子３２の指向特性の半値半角θ_１／２は、１５°以下であることが好ましく、１０°以下であることがより好ましく、５°以下であることが最も好ましい。

第１光素子３１の指向特性が方位角に依存しない場合、一般的に、第１光素子３１の指向特性ＬＤ（θ）は以下の式で近似することができる。
ここで、ｎは、第１光素子３１の指向特性によって決まるパラメータである。ｎが大きくなるほど、指向特性が鋭くなる。

ｉ番目の第１光素子３１ｉの正面方向の発光強度をＧ_ｉと標記し、第２光素子３２の受光感度をＣと標記する。対象物５０の表面の反射率をαと標記する。代表点Ｐにおける光強度ＬＩｉは、以下の式で表される。なお、４つの第１光素子３１の指向特性ＬＤ（θ）は同一である。

第２光素子３２が検出する光の強度、すなわち第２光素子３２から代表点Ｐを新たな光源として見たときの代表点Ｐの輝度Ｌｉは、以下の式で表される。

式（３）の右辺の分母のｚ^βの項は、距離ｚが大きくなるにしたがって第２光素子３２の視野が広がることにより、対象物５０（図１Ａ）の表面の単位面積当たりの輝度の寄与が小さくなることを示している。対象物５０の表面の広い領域に光が照射され、対象物５０の表面が第２光素子３２の視野と比べて大きい場合には、距離ｚが大きくなっても第２光素子３２の視野全体で光を受光することになる。このような場合には、ｚ^βの項の影響は小さくなる。対象物５０の形状や大きさ、第２光素子３２の指向特性の半値半角θ_１／２の大きさに応じて、実際には、式（３）のβは、０以上２以下の範囲内のいずれかの値をとることになる。

式（３）の右辺のパラメータＣαＧ_ｉ／ｚ^βは、４つの第１光素子３１の間で共通であるため、式（３）において、未知数は、パラメータＣαＧ_ｉ／ｚ^β、距離ｚ、傾斜方位角φ_ｘ、傾斜角φ_ｚの４個であり、ｉ＝１、２、３、４の４個の式（３）が生成される。４つの第１光素子３１が、第２光素子３２を通過する１本の共通の直線上に配置されておらず、第２光素子３２を中心とする１つの共通の円周上にも配置されていないため、４つの方程式は一次独立である。このため、演算部４０は、この四元連立方程式を解くことにより、パラメータＣαＧ_ｉ／ｚ^β、距離ｚ、傾斜方位角φ_ｘ、傾斜角φ_ｚを求めることができる。

次に、図４を参照して第１実施例による物体検知センサによって物体を検知する方法について説明する。図４は、第１実施例による物体検知センサの演算部４０（図１Ａ）が実行する手順を示すフローチャートである。

演算部４０（図１Ａ）は、４つの第１光素子３１を順番に発光させ、第１光素子３１ごとに、第２光素子３２で受光された光の強度を測定する（ステップＳＡ１）。第２光素子３２で測定された４つの測定値のそれぞれを式（３）に代入して四元連立方程式を生成し、四元連立方程式を解くことによって、距離ｚ、傾斜方位角φ_ｘ、傾斜角φ_ｚを求める（ステップＳＡ２）。

次に、第１実施例の優れた効果について説明する。
第１実施例では、４つの第１光素子３１と１つの第２光素子３２とにより、距離ｚ、傾斜方位角φ_ｘ、傾斜角φ_ｚを求めることができる。すなわち、特定の一方向に関する傾斜角ではなく、対象物５０の表面が傾斜している方位も求めることができる。

次に、第１実施例の変形例による物体検知センサについて説明する。
第１実施例による物体検知センサでは、４つの第１光素子３１の指向特性ＬＤ（θ）が、方位角に依存せず、等方的であるが、必ずしも等方的である必要はない。例えば、指向特性を、座標変換によって方位角依存性が無い形に変換することができれば、必ずしも指向特性が等方的である必要はない。

例えば、図３に示したｘｚ面における半値半角θ_１／２が、ｙｚ面における半値半角θ_１／２の２倍である場合、ｙ軸の値を２倍にすれば、ｘｚ面における半値半角θ_１／２が、ｙｚ面における半値半角θ_１／２と等しくなり、指向特性が方位角依存性を有しない場合と等価になる。このため、座標変換を行うことにより、式（３）と同じ形の連立方程式を得ることができる。

次に、図５を参照して、第１実施例の他の変形例による物体検知センサについて説明する。図５は、本変形例による物体検知センサの４つの第１光素子３１及び１つの第２光素子３２の平面的な位置関係を示す図である。

第１実施例による物体検知センサでは、４つの第１光素子３１（図１Ｂ）のいずれの３個も、１本の直線上に配置されていない。これに対して図５に示した変形例では、３つの第１光素子３１と１つの第２光素子３２とが、１本の直線ＳＬ上に配置されており、残りの１つの第１光素子３１は、この直線ＳＬから外れた位置に配置されている。この場合でも、４つの第１光素子３１ごとに定義される４つの式（３）からなる四元連立方程式が一次独立であれば、第１実施例と同様に、距離ｚ、傾斜方位角φ_ｘ、傾斜角φ_ｚを求めることができる。

次に、図６を参照して、第１実施例のさらに他の変形例による物体検知センサについて説明する。図６は、本変形例による物体検知センサの概略斜視図である。

第１実施例（図１Ａ）では、４つの第１光素子３１が発光素子であり、１つの第２光素子３２が受光素子である。これに対して本変形例では、１つの第２光素子３２が発光素子であり、４つの第１光素子３１が受光素子である。図６において、受光素子にハッチングを付している。第１光素子３１及び第２光素子３２の指向特性は、それぞれ第１実施例による物体検知センサの第１光素子３１及び第２光素子３２の指向特性と同一である。

すなわち、第２光素子３２は、主として、基準軸２５上に位置する対象物５０に光を照射し、基準軸２５から大きく外れた方向には、実質的に光を照射しない。例えば、第２光素子３２から放射される光の指向特性の半値半角θ_１／２は、１５°以下であることが好ましく、１０°以下であることがより好ましく、５°以下であることが最も好ましい。

また、４つの第１光素子３１の受光感度の指向特性は、第２光素子３２の指向特性より広角である。例えば、基準軸２５上に位置する対象物５０（図１Ａ）で反射された光に対して十分な受光感度を有する。

物体検知時には、第２光素子３２を発光させ、４つの第１光素子３１のそれぞれで、対象物５０からの反射光を受光する。本変形例においても、対象物５０の表面上の代表点Ｐの輝度は、式（３）で表される。したがって、本変形例においても、第１実施例と同様に、距離ｚ、傾斜方位角φ_ｘ、傾斜角φ_ｚを求めることができる。

［第２実施例］
次に、図７を参照して第２実施例による物体検知センサについて説明する。以下、図１Ａから図４までの図面を参照して説明した第１実施例による物体検知センサと共通の構成については説明を省略する。

図７は、第２実施例による物体検知センサの第１光素子３１及び第２光素子３２の平面的な位置関係を示す図である。第２実施例においても第１実施例と同様に、仮想平面２１上に４つの第１光素子３１及び１つの第２光素子３２が配置されている。

第１実施例（図１Ｂ）では、４つの第１光素子３１のうちいずれの３個の第１光素子３１も１本の直線上に配置されておらず、４つの第１光素子３１は、第２光素子３２を中心とする共通の円周上にも配置されていない。第２実施例では、この条件の他に、さらに以下に説明する条件が満たされるように４つの第１光素子３１が配置されている。

第２実施例においては、４つの第１光素子３１のうち２つの第１光素子３１ａ_１、３１ａ_２が、第２光素子３２に関して点対称の位置に配置されており、他の２つの第１光素子３１ｂ_１、３１ｂ_２も、第２光素子に対して点対称の位置に配置されている。第２光素子３２から第１光素子３１ａ_１、３１ａ_２の各々までの距離をｒ_ａと標記し、第２光素子３２から第１光素子３１ｂ_１、３１ｂ_２の各々までの距離をｒ_ｂと標記する。２つの第１光素子３１ａ_１、３１ａ_２を通過する直線と、他の２つの第１光素子３１ｂ_１、３１ｂ_２を通過する直線とのなす角度をδと標記する。角度δは０°よりも大きく、１８０°未満である。

相互に点対称の位置関係にある２つの第１光素子３１を、第１光素子対ということとする。第２実施例においては、２つの第１光素子３１ａ_１、３１ａ_２が１つの第１光素子対３１ａを構成し、他の２つの第１光素子３１ｂ_１、３１ｂ_２が、他の第１光素子対３１ｂを構成する。

第１光素子３１ａ_１について式（３）を適用すると、以下の式が得られる。

第１光素子３１ａ_２について式（３）を適用すると、以下の式が得られる。

式（４）及び式（５）において、Ｇ_ａ１＝Ｇ_ａ２、θ_ｒａ１＋θ_ｒａ２＝１８０°であるから、式（４）及び式（５）から以下の式が得られる。

同様に、第１光素子３１ｂ_１、３１ｂ_２について、以下の式が得られる。

第１光素子３１ａ_１、３１ａ_２からなる第１光素子対３１ａのそれぞれを発光させ、第２光素子３２で受光したときの測定値の和と、第１光素子３１ｂ_１、３１ｂ_２からなる第１光素子対３１ｂのそれぞれを発光させ、第２光素子３２で受光したときの測定値の和との比Ｒが、式（６）及び式（７）から以下の式で表される。

式（８）の未知数はｚのみであるから、比Ｒから、対象物５０までの距離ｚを算出することができる。

さらに、第１光素子対３１ａについて、式（４）及び式（５）から、以下の式が得られる。

第１光素子対３１ｂについても同様に、以下の式が得られる。

式（９）及び式（１０）から、以下の式が導出される。
ここで、パラメータＲは式（８）で定義され、パラメータＡ_１は、以下の式で定義される。

式（１１）から、パラメータＡ_１の値を算出することができる。パラメータＡ_１の値がわかると、式（１２）から傾斜角φ_ｚを算出することができる。さらに、式（９）から、傾斜方位角φ_ｘを算出することができる。このように、２組の第１光素子対３１ａ、３１ｂによる測定値の和及び差を求め、簡単な代数計算を行うことにより、傾斜角φ_ｚ及び傾斜方位角φ_ｘを算出することができる。

次に、第２実施例の優れた効果について説明する。
第２実施例では、四元連立方程式を解くことなく、簡単な代数演算を行うことにより、対象物５０までの距離ｚ、対象物５０の表面の傾斜角φ_ｚ、及び傾斜方位角φ_ｘを求めることができる。

次に、第２実施例の変形例による物体検知センサについて説明する。
第２実施例では、４つの第１光素子３１が発光素子であり、１つの第２光素子３２が受光素子であるが、その逆に、１つの第２光素子３２が発光素子であり、４つの第１光素子３１が受光素子である構成にしてもよい。

［第３実施例］
次に、図８Ａを参照して第３実施例による物体検知センサについて説明する。以下、図７を参照して説明した第２実施例による物体検知センサと共通の構成については説明を省略する。

図８Ａは、第３実施例による物体検知センサの第１光素子３１及び第２光素子３２の平面的な位置関係を示す図である。第２実施例（図７）による物体検知センサは、１つの第２光素子３２及び４つの第１光素子３１を含んでいる。これに対して第３実施例による物体検知センサは、仮想平面２１上に配置された複数の第１光素子３１及び複数の第２光素子３２を含んでいる。図８Ａにおいて、受光素子にハッチングを付している。

複数の第２光素子３２は、１本の直線ＳＬ２に沿って等間隔に配置されている。複数の第１光素子３１は、直線ＳＬ２を挟んで、直線ＳＬ２に対して平行に延びる２本の直線ＳＬ１のそれぞれに沿って等間隔に配置されている。直線ＳＬ１上に配置された複数の第１光素子３１の間隔は、直線ＳＬ２に沿って配置された複数の第２光素子３２の間隔と等しい。一方の直線ＳＬ１と直線ＳＬ２との間隔は、他方の直線ＳＬ１と直線ＳＬ２との間隔と等しい。また、１つの第２光素子３２と、一方の直線ＳＬ１上の１つの第１光素子３１とを通過する直線と、他方の直線ＳＬ１との交点に、第１光素子３１が配置されている。

この配置により、１つの第２光素子３２のそれぞれに関して、相互に点対称の位置に配置された２つの第１光素子３１を、２組以上選択することができる。相互に点対称の位置に配置された２つの第１光素子３１のうち一方の第１光素子３１が、一方の直線ＳＬ１上に配置されており、他方の第１光素子３１が、他方の直線ＳＬ１上に配置されている。１つの第２光素子３２と、その第２光素子３２に関して点対称の位置に配置された２つの第１光素子３１からなる２組の第１光素子対とを、最小単位３０ということとする。

複数の最小単位３０のそれぞれによって、第２実施例（図７）と同様に、対象物５０までの距離ｚ、対象物５０の表面の傾斜角φ_ｚ及び傾斜方位角φ_ｘを求めることができる。

次に、第３実施例の優れた効果について説明する。
第３実施例では、直線ＳＬ２に沿って複数の第２光素子３２のそれぞれから対象物５０までの、仮想平面２１に対して直交する方向の距離ｚ、対象物５０の表面の傾斜角φ_ｚ及び傾斜方位角φ_ｘを求めることができる。このため、直線ＳＬ２に平行な方向に関する対象物５０の表面のラインプロファイルを求めることができる。さらに、複数の最小単位３０のそれぞれによって求められた傾斜角φ_ｚ及び傾斜方位角φ_ｘから、仮想平面２１上で直線ＳＬ２に対して直交する方向に関する対象物５０の表面の傾斜角を求めることができる。

また、第３実施例では、１つの第１光素子３１が、複数の最小単位３０で共用されている。このため、第１光素子３１が複数の最小単位で共用されない場合と比べて、第１光素子３１の個数を削減することが可能である。さらに、第３実施例では、直線ＳＬ２に沿って配置されている複数の第２光素子３２の間に第１光素子３１が配置されていない。このため、第２光素子３２を直線ＳＬ２に沿って稠密に配置することが可能である。

最小単位３０を構成する１つの第２光素子３２及び４つの第１光素子３１の相対位置関係は、すべての最小単位３０において同一になるように、第２光素子３２に対して４つの第１光素子３１を選択することができる。すべての最小単位３０において、１つの第２光素子３２及び４つの第１光素子３１の相対位置関係が同一である場合には、最小単位３０の間で、式（８）、式（１１）、及び式（１２）の計算において、変数ｒ_ａ、ｒ_ｂ、θ_ｒａ１、θ_ｒｂ１のそれぞれの値が同一になる。このため、計算が容易になるという優れた効果が得られる。

次に、図８Ｂを参照して、第３実施例の変形例による物体検知センサについて説明する。図８Ｂは、第３実施例の変形例による物体検知センサの第１光素子３１及び第２光素子３２の平面的な位置関係を示す図である。

第３実施例（図８Ａ）では、直線ＳＬ２に沿って配置された複数の第２光素子３２の間隔と、直線ＳＬ１のそれぞれに沿って配置された複数の第１光素子３１の間隔とが同一である。これに対して図８Ｂに示した変形例では、直線ＳＬ１のそれぞれに沿って配置された複数の第１光素子３１の間隔が、直線ＳＬ２に沿って配置された複数の第２光素子３２の間隔より広い。すなわち、第１光素子３１の個数が、第３実施例による物体検知センサの第１光素子３１の個数より少ない。

このように、第１光素子３１の間隔を、第２光素子３２の間隔より広くしても、複数の第２光素子３２のそれぞれについて、最小単位３０を構成する４つの第１光素子３１を選択することができる。図８Ｂに示した変形例では、図８Ａに示した第３実施例の場合より、第１光素子３１の個数をさらに削減することができる。なお、本変形例の場合には、最小単位３０の間で、式（８）、式（１１）、及び式（１２）の変数ｒ_ａ、ｒ_ｂ、θ_ｒａ１、θ_ｒｂ１の値が同一にならない点に留意する必要がある。

次に、第３実施例の他の変形例について説明する。第３実施例では、複数の第１光素子３１が、２本の直線ＳＬ１に沿って配置されているが、必ずしも複数の第１光素子３１が直線に沿って配置される必要はない。複数の第２光素子３２のそれぞれについて最小単位３０を構成する４つの第１光素子３１を選択することができればよい。なお、複数の第２光素子３２を稠密に配置するために、第１光素子３１は、直線ＳＬ２から外れた位置に配置することが好ましい。

第３実施例では、第１光素子３１に発光素子を用い、第２光素子３２に受光素子を用いているが、その逆に、第１光素子３１に受光素子を用い、第２光素子３２に発光素子を用いてもよい。

［第４実施例］
次に、図９を参照して、第４実施例による物体検知センサについて説明する。以下、図８Ａを参照して説明した第３実施例による物体検知センサと共通の構成については説明を省略する。

図９は、第４実施例による物体検知センサの第１光素子３１及び第２光素子３２の平面的な位置関係を示す図である。図９において、受光素子である第２光素子３２にハッチングを付している。第３実施例（図８Ａ）では、複数の第２光素子３２が１本の直線ＳＬ２に沿って一次元的に配置されている。これに対して第４実施例では、複数の第２光素子３２が仮想平面２１上に二次元的に配置されている。

例えば、相互に平行に、かつ等間隔に配置された複数の直線ＳＬ２ａと、直線ＳＬ２ａと交差し、相互に平行に、かつ等間隔に配置された複数の直線ＳＬ２ｂとの複数の交点のそれぞれに、複数の第２光素子３２が配置されている。すなわち、複数の第２光素子３２は、直線ＳＬ２ａに平行な第１方向に等間隔に配列されるとともに、直線ＳＬ２ｂに平行な第２方向にも等間隔に配列されている。

直線ＳＬ２ａと平行に、かつ等間隔に配置された複数の直線ＳＬ１ａと、直線ＳＬ２ｂと平行に、かつ等間隔に配置された複数の直線ＳＬ１ｂとの複数の交点のそれぞれに、複数の第１光素子３１が配置されている。すなわち、複数の第１光素子３１は、直線ＳＬ１ａに平行な第１方向に等間隔に配列されるとともに、直線ＳＬ１ｂに平行な第２方向にも等間隔に配列されている。直線ＳＬ１ａは、相互に隣り合う２本の直線ＳＬ２ａの中央に配置され、直線ＳＬ１ｂは、相互に隣り合う２本の直線ＳＬ２ｂの中央に配置されている。

複数の第２光素子３２のそれぞれについて、最小単位３０を構成する４つの第１光素子３１を選択することができる。さらに、複数の最小単位３０の間で、第２光素子３２及び４つの第１光素子３１の位置関係が同一になるように、４つの第１光素子３１を選択することができる。

次に、第４実施例の優れた効果に対いて説明する。
第４実施例では、複数の直線ＳＬ２ａのそれぞれに沿う対象物５０の表面のラインプロファイル、及び複数の直線ＳＬ２ｂのそれぞれに沿う対象物５０の表面のラインプロファイルを求めることができる。また、第４実施例では、直線ＳＬ２ａに平行な方向に並ぶ２つの第２光素子３２の間、及び直線ＳＬ２ｂに平行な方向に並ぶ２つの第２光素子３２の間に、第１光素子３１が配置されていないため、複数の第２光素子３２（測定点）を二次元的に稠密に配置することができる。

１つの第１光素子３１が、複数の最小単位３０で共用される。このため、第１光素子３１の個数を削減することができる。

次に、第４実施例の変形例による物体検知センサについて説明する。
第４実施例では、複数の第２光素子３２が、直線ＳＬ２ａに沿って等間隔に配置されるとともに、直線ＳＬ２ｂに沿って等間隔に配置されているが、複数の第２光素子３２を、必ずしも直線に沿って配置する必要はない。複数の第２光素子３２のそれぞれを二次元的に配置し、第２光素子３２のそれぞれに対して最小単位３０を構成する４つの第１光素子３１を配置すればよい。このとき、１つの第１光素子３１が複数の最小単位３０で共用されるように配置するとよい。

［第５実施例］
次に、図１０、図１１、及び図１２を参照して第５実施例による物体検知センサについて説明する。以下、図９を参照して説明した第４実施例による物体検知センサと共通の構成については説明を省略する。

図１０は、第５実施例による物体検知センサの複数の最小単位３０のうち１つの最小単位３０に含まれる複数の第１光素子３１及び１つの第２光素子３２の位置関係を示す概略平面図である。第４実施例（図９）では、１つの第２光素子３２と２組の第１光素子対（４つの第１光素子３１）により、最小単位３０が構成されている。これに対して第５実施例では、最小単位３０のそれぞれが、１つの第２光素子３２と、３組以上の第１光素子対（６個以上の第１光素子３１）を含む。図１０では、１つの最小単位３０が５組の第１光素子対３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅを含む例を示している。第４実施例（図９）による物体検知センサにおいて、１つの最小単位３０が５組の第１光素子対を含むように、複数の第２光素子３２のそれぞれに対して１０個の第１光素子３１を選択することができる。

第１光素子対３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅの各々の第１光素子３１から第２光素子３２までの距離を、それぞれｒ_ａ、ｒ_ｂ、ｒ_ｃ、ｒ_ｄ、ｒ_ｅと標記する。距離ｒ_ａ、ｒ_ｂ、ｒ_ｃ、ｒ_ｄ、ｒ_ｅの大小関係は以下の通りである。
一例として、ｒ_ａ＝５ｍｍ、ｒ_ｂ＝７．５ｍｍ、ｒ_ｃ＝１０ｍｍ、ｒ_ｄ＝１５ｍｍ、ｒ_ｅ＝２０ｍｍである。

図１１は、２組の第１光素子対及び１つの第２光素子３２を動作させたときの比Ｒ（式（８））と、距離ｚとの関係を示すグラフである。横軸は距離ｚを単位［ｍｍ］で表し、縦軸は比Ｒを表す。動作させる二組の第１光素子対の第１光素子３１から第２光素子３２までの距離をｒ_Ｓ、ｒ_Ｌと標記する。ここで、ｒ_Ｓ＜ｒ_Ｌである。図１１に示したグラフ中の細い破線、太い破線、細い実線、及び太い実線は、それぞれｒ_Ｌ＝７．５ｍｍ、ｒ_Ｌ＝１０ｍｍ、ｒ_Ｌ＝１５ｍｍ、及びｒ_Ｌ＝２０ｍｍの場合の比Ｒを示す。なお、いずれの場合においてもｒ_Ｓ＝５ｍｍである。

距離ｚが長くなるにしたがって比Ｒが大きくなることがわかる。また、距離ｒ_Ｌが短いほど、比Ｒがより早く大きくなる。距離ｚの計測精度を高めるために、グラフの傾きが大きな領域を用いて距離ｚを算出することが好ましい。すなわち、距離ｚが長くなると、距離ｒ_Ｌが長い第１光素子対を動作させて比Ｒを用いることが好ましい。図１１に示した例では、距離ｚが区分Ｚ_１、Ｚ_２、Ｚ_３、Ｚ_４のそれぞれの範囲内の場合、距離ｒ_Ｌが７．５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍの第１光素子対を動作させることが好ましい。なお、いずれの場合も、距離ｒ_Ｓが５ｍｍの第１光素子対を動作させる。

図１２は、第５実施例による物体検知センサの演算部４０（図１Ａ）が実行する手順を示すフローチャートである。演算部４０は、まず、距離ｒ_Ｌを２０ｍｍに設定する（ステップＳＢ１）。すなわち、距離ｒ_Ｓ＝５ｍｍの第１光素子対３１ａ及び距離ｒ_Ｌ＝２０ｍｍの第１光素子対３１ｅを動作させる。２組の第１光素子対３１ａ、３１ｅのそれぞれを動作させて、式（８）の輝度Ｌａ_１、Ｌａ_２、Ｌｂ_１、Ｌｂ_２を測定する。輝度Ｌａ_１、Ｌａ_２は、距離ｒ_Ｓ＝５ｍｍの第１光素子対３１ａの２つの第１光素子３１を動作させて測定する。輝度Ｌｂ_１、Ｌｂ_２は、距離ｒ_Ｌ＝２０ｍｍの第１光素子対３１ｅの２つの第１光素子３１を動作させて測定する。この測定結果から、式（８）を用いて距離ｚの暫定値を計算する（ステップＳＢ２）。

次に、距離ｚの暫定値に対応した処理を実行する（ステップＳＢ３）。距離ｚの暫定値が、図１１に示した区分Ｚ_１の範囲内であるとき、ｒ_Ｌに７．５ｍｍを設定する（ステップＳＢ４）。距離ｚの暫定値が、図１１に示した区分Ｚ_２の範囲内であるとき、ｒ_Ｌに１０ｍｍを設定する（ステップＳＢ５）。距離ｚの暫定値が、図１１に示した区分Ｚ_３の範囲内であるとき、ｒ_Ｌに１５ｍｍを設定する（ステップＳＢ６）。距離ｚの暫定値が、図１１に示した区分Ｚ_４の範囲内であるとき、距離ｚの暫定値を計測結果として採用する（ステップＳＢ８）。

ステップＳＢ４、ＳＢ５、またはＳＢ６で距離ｒ_Ｌを再設定した後、設定された距離ｒ_Ｌに相当する第１光素子対を動作させて、距離ｚの暫定値を再計算する（ステップＳＢ７）。なお、このときも、距離ｒ_Ｓは５ｍｍのままである。

再計算された距離ｚの暫定値が、図１１に示した区分Ｚ_１、Ｚ_２、Ｚ_３、Ｚ_４のうち距離ｒ_Ｌの設定値に対応する範囲か否かを判定する（ステップＳＢ８）。再計算された距離ｚの暫定値が距離ｒ_Ｌの設定値に対応する範囲ではない場合、ステップＳＢ３からの手順を繰り返す。再計算された距離ｚの暫定値が距離ｒ_Ｌの設定値に対応する範囲内である場合、再計算された距離ｚの暫定値を計測結果として採用する（ステップＳＢ９）。

このように、第５実施例では、まず、複数の第１光素子対から選択した２組の第１光素子対の第１光素子３１及び第２光素子３２を動作させて、距離ｚの暫定値を求める（ステップＳＢ２）。求められた暫定値に基づいて、複数の第１光素子対から２組の第１光素子対を選択し（ステップＳＢ４、ＳＢ５、ＳＢ６）、選択した２組の第１光素子対の第１光素子３１及び第２光素子３２を動作させて、距離ｚの暫定値を再計算する（ステップＳＢ７）。このように、距離ｚの暫定値に応じて、好ましい２組の第１光素子対を動作させて、距離ｚを求める。

次に、第５実施例の優れた効果について説明する。
第５実施例では、複数の最小単位３０（図９、図１０）のそれぞれについて、距離ｚの値に最適な第１光素子対を動作させて計測が行われる。このため、距離ｚの計測精度を高めることができる。

次に、第５実施例の変形例による物体検知センサについて説明する。
第５実施例では、最小単位３０のそれぞれが５組の第１光素子対３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅを含んでいるが、最小単位３０に含まれる第１光素子対は、３組以上であればよい。最小単位３０のそれぞれが３組の第１光素子対を含む場合は、図１１において２つの区分が設けられる。この場合、ステップＳＢ３（図１２）において、処理が２分岐される。距離ｚの暫定値が、好ましい方の区分の範囲内であれば、暫定値を計測結果として採用する（ステップＳＢ９に相当）。距離ｚの暫定値が、好ましい方の区分の範囲外であれば、距離ｒ_Ｌが異なる第１光素子対を選択して、距離ｚの暫定値を再計算する（ステップＳＢ７に相当）。

第５実施例では、ステップＳＢ１（図１２）において、距離ｒ_Ｌを最も長い２０ｍｍに設定している。これは、対象物５０（図１Ａ）が物体検知センサから遠い位置に検出され、その後、物体検知センサに近づく場合が多いと想定されるためである。なお、対象物５０が最初に検出されると想定される距離ｚの範囲が予め想定されている場合は、ステップＳＢ１（図１２）において、距離ｒ_Ｌに、想定される距離ｚに対応する値を設定するとよい。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

２０基板
２１仮想平面
２５基準軸
３０最小単位
３１、３１ａ_１、３１ａ_２、３１ｂ_１、３１ｂ_２、３１ｉ第１光素子
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ第１光素子対
３２第２光素子
４０演算部
５０対象物

Claims

仮想平面上に配置された少なくとも４つの第１光素子と、
前記仮想平面上に配置された少なくとも１つの第２光素子と、
演算部と
を備え、
前記第１光素子及び前記第２光素子の一方は発光素子であり、他方は受光素子であり、
少なくとも４つの前記第１光素子と１つの前記第２光素子とにより最小単位が構成され、
前記最小単位の４つの前記第１光素子の指向特性は同一であり、前記第２光素子の指向特性は、前記第２光素子から前記仮想平面の法線方向に伸ばした直線を基準軸としたとき、前記基準軸から傾いた方向における照度または受光感度が、前記基準軸の方向における照度または受光感度の１／２になるときの傾き角が１５°以下であり、
前記最小単位の４つの前記第１光素子は、前記第２光素子を通過する１つの共通の直線上には配置されておらず、前記第２光素子を中心とする１つの共通の円周上にも配置されておらず、
前記演算部は、前記最小単位の前記第１光素子の各々及び前記第２光素子を動作させたときの受光強度である測定値に基づいて、前記仮想平面から前記基準軸上の対象物までの距離、前記基準軸に対する前記対象物の表面の法線方向の傾斜角、及び傾斜方位角を求める物体検知センサ。
前記最小単位は、前記第２光素子に関して相互に点対称の位置に配置された２つの前記第１光素子からなる少なくとも２組の第１光素子対を含む請求項１に記載の物体検知センサ。
前記演算部は、一方の前記第１光素子対の前記第１光素子及び前記第２光素子を動作させたときの前記測定値の和、及び他方の前記第１光素子対の前記第１光素子及び前記第２光素子を動作させたときの前記測定値の和に基づいて、前記仮想平面から前記対象物までの距離を求める請求項２に記載の物体検知センサ。
前記最小単位は、少なくとも３組の前記第１光素子対を含み、
前記演算部は、
３組の前記第１光素子対から選択した２組の前記第１光素子対の前記第１光素子及び前記第２光素子を動作させて、前記仮想平面から前記対象物までの距離の暫定値を求め、
前記暫定値に基づいて、少なくとも３組の前記第１光素子対から２組の前記第１光素子対を選択し、選択した２組の前記第１光素子対の前記第１光素子及び前記第２光素子を動作させたときの前記測定値に基づいて、前記仮想平面から前記対象物までの距離を求める請求項３に記載の物体検知センサ。
前記演算部は、一方の前記第１光素子対の前記第１光素子及び前記第２光素子を動作させたときの前記測定値の差、及び他方の前記第１光素子対の前記第１光素子及び前記第２光素子を動作させたときの前記測定値の差に基づいて、前記基準軸に対する前記対象物の表面の法線方向の傾斜角、及び傾斜方位角を求める請求項２乃至４のいずれか１項に記載の物体検知センサ。
前記第２光素子は複数個配置されており、
前記第１光素子は、複数の前記第２光素子のそれぞれについて、前記最小単位を構成するように複数個配置されており、
複数の前記第１光素子のうち少なくとも１つの前記第１光素子は、少なくとも２つの前記最小単位で共用されている請求項２乃至４のいずれか１項に記載の物体検知センサ。
複数の前記第２光素子は、１本の直線上に配置されている請求項６に記載の物体検知センサ。
複数の前記第２光素子は、第１方向に等間隔に配列されるとともに、前記第１方向と交差する第２方向にも等間隔に配列されており、
複数の前記第１光素子は、前記第１方向に等間隔に配列されるとともに、前記第２方向にも等間隔に配列されており、
複数の前記第１光素子の前記第１方向の配列間隔は、複数の前記第２光素子の前記第１方向の配列間隔と等しく、
複数の前記第１光素子の前記第２方向の配列間隔は、複数の前記第２光素子の前記第２方向の配列間隔と等しい請求項６に記載の物体検知センサ。
共通の仮想平面上に配置された少なくとも４つの第１光素子のそれぞれと第２光素子とで構成される最小単位の前記第１光素子及び前記第２光素子を動作させて、前記第２光素子から、前記仮想平面の法線方向に延びる基準軸上の対象物を検知する検知方法であって、
前記第１光素子及び前記第２光素子の一方は発光素子であり、他方は受光素子であり、
前記最小単位の４つの前記第１光素子の指向特性は同一であり、前記第２光素子の指向特性は、前記基準軸から傾いた方向における照度または受光感度が、前記基準軸の方向における照度または受光感度の１／２になるときの傾き角が１５°以下であり、
前記最小単位の４つの前記第１光素子は、前記第２光素子を通過する１つの共通の直線上には配置されておらず、前記第２光素子を中心とする１つの共通の円周上にも配置されておらず、
前記最小単位の前記第１光素子及び前記第２光素子の一方の素子から発光し、前記対象物で反射し、他方の素子で受光した光に基づいて、前記対象物を新たな光源としたときの輝度の測定値を求め、
前記測定値から、前記対象物の表面の反射率、前記仮想平面から前記基準軸上の前記対象物までの距離、前記対象物の表面の前記基準軸に対する傾斜角、前記対象物の表面の傾斜方位角のうち少なくとも１つを計算する物体検知方法。
前記最小単位は、前記第２光素子に関して相互に点対称の位置に配置された２つの前記第１光素子からなる少なくとも２組の第１光素子対を含み、
一方の前記第１光素子対の前記第１光素子及び前記第２光素子を動作させて測定された前記測定値の和、及び他方の前記第１光素子対の前記第１光素子及び前記第２光素子を動作させて測定された前記測定値の和を計算し、
前記測定値の和に基づいて、前記仮想平面から前記基準軸上の前記対象物までの距離を計算する請求項９に記載の物体検知方法。
一方の前記第１光素子対の前記第１光素子及び前記第２光素子を動作させて測定された前記測定値の差、及び他方の前記第１光素子対の前記第１光素子及び前記第２光素子を動作させて測定された前記測定値の差を計算し、
前記測定値の差に基づいて、前記対象物の表面の前記基準軸に対する傾斜角、前記対象物の表面の傾斜方位角のうち少なくとも１つを計算する請求項１０に記載の物体検知方法。
前記最小単位は、少なくとも３組の前記第１光素子対を含んでおり、
３組の前記第１光素子対から選択された２組の前記第１光素子対の前記第１光素子及び前記第２光素子を動作させて、前記仮想平面から前記対象物までの距離の暫定値を求め、
前記暫定値に基づいて、少なくとも３組の前記第１光素子対から２組の前記第１光素子対を選択し、選択した２組の前記第１光素子対の前記第１光素子及び前記第２光素子を動作させて、前記仮想平面から前記対象物までの距離を求める請求項１０または１１に記載の物体検知方法。