距離センサ及び制御方法
【課題】位相方式の距離センサにおいて、測定対象物までの実際の距離に応じた適切な距離レンジの切り替えの実現。
【解決手段】距離センサ１００は、発振器２が生成した基準クロック信号Ｆ１を１／Ｎ分周する分周器４の分周比Ｎと、ＰＬＬ８が生成した参照クロック信号Ｆ２を１／Ｎ分周する分周器１０の分周比Ｎとを可変として構成される。そして、距離計測を行う際には、先ず、分周器４，１０それぞれの分周比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４，１０それぞれの分周比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。
【解決手段】距離センサ１００は、発振器２が生成した基準クロック信号Ｆ１を１／Ｎ分周する分周器４の分周比Ｎと、ＰＬＬ８が生成した参照クロック信号Ｆ２を１／Ｎ分周する分周器１０の分周比Ｎとを可変として構成される。そして、距離計測を行う際には、先ず、分周器４，１０それぞれの分周比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４，１０それぞれの分周比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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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等に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−８６８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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新たな距離レンジ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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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（例えば、図３のクロック信号Ｆ１）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１６）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、前記送信波と前記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制御部（例えば、図３の制御部３０）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。
【０００７】
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。このように、分周器の分周比を変更制御するだけで、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、分周器の分周比を変更制御すれば良いため、送信波用の発振器は、発振周波数が固定である１つの発振器のみで済む。
【０００８】
第２の形態として、第１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５の分周比切替テーブル３２）、
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、
距離センサを構成しても良い。
【０００９】
この第２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。
【００１０】
具体的には、第３の形態として、
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。
【００１１】
また、他の形態として、
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を備えた距離計の制御方法であって、
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計測する仮計測ステップと、
前記仮計測ステップで仮計測された計測距離に基づいて前記分周比を変更して本計測する本計測ステップと、
を含む距離計の制御方法を構成しても良い。
【００１２】
この第３の形態等によれば、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、計測距離を算出する。つまり、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、効率良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。
【００１３】
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、
前記受信部は、
所定の参照周波数の参照クロック信号（例えば、図３の参照クロック信号Ｆ２）を分周する参照信号分周器（例えば、図３の分周器１０）と、
前記参照信号分周器で分周された参照分周信号を用いて、前記分周器で分周された分周信号の周波数をダウンコンバートする第１の周波数変換部（例えば、図３のミキサ１２）と、
前記第１の周波数変換部による変換後の信号から、ダウンコンバートされた周波数帯域の信号を抽出する第１のフィルタ部（例えば、図３のＬＰＦ１４）と、
前記参照分周信号を用いて、受信した前記反射波の周波数をダウンコンバートする第２の周波数変換部（例えば、図３のミキサ１８）と、
前記第２の周波数変換部による変換後の信号から、ダウンコンバートされた周波数帯域の信号を抽出する第２のフィルタ部（例えば、図３のＬＰＦ２０）と、
を有し、
前記制御部は、前記第１のフィルタ部による抽出後の信号を前記送信波、前記第２のフィルタ部による抽出後の信号を前記反射波として、両波の位相差に基づい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。
【００１４】
この第４の形態によれば、所定の参照周波数の参照クロック信号を分周した参照分周信号を用いて、分周器で分周された分周信号をダウンコンバートした信号を送信波とするとともに、この参照分周信号を用いて、反射波の周波数をダウンコンバートした信号を反射波として、この送信波と反射波との位相差に基づいて計測距離が算出される。つまり、送信波と反射波とのそれぞれを、同一の参照分周信号でダウンコンバートした信号の位相差に基づいて、計測距離が算出される。これにより、計測距離の算出精度を向上させることができる。
【００１５】
第５の形態として、第４の形態の距離センサであって、
前記参照信号分周器は分周比が変更可能であり、
前記制御部は、前記分周器の分周比と、前記参照信号分周器の分周比とを連動して変更制御する、
距離センサを構成しても良い。
【００１６】
また、第６の形態として、第４又は第５の形態の距離センサであって、
前記第１及び第２のフィルタ部は、周波数の通過帯域を変更可能であり、
前記制御部は、前記分周器の分周比と、前記第１及び第２のフィルタ部の通過帯域とを連動して変更制御する、
距離センサを構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】距離センサの概要図。
【図２】送信周波数による測定精度の違いの説明図。
【図３】距離センサの構成図。
【図４】送信信号及び受信信号のダウンコンバートによる測定精度の向上の説明図。
【図５】分周比切替テーブルのデータ構成例。
【図６】分周比と好適距離範囲との対応関係の一例。
【図７】距離計測処理のフローチャート。
【図８】他の距離計測処理のフローチャート。
【図９】送信周波数の半波長を超える距離の測定の説明図。
【図１０】分周比の可変の一例。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
［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。
【００２０】
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遅れ時間ｔｘ（位相差）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・ｔｘ）／２、と算出される。ここで、「Ｃ」は光速であり、Ｃ≒３×１０８ｍ／ｓ、である。
【００２１】
また、送信波と反射波との遅れ時間ｔｘ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、遅れ時間ｔｘは、送信周波数の１周期以内である必要がある。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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
同じ距離Ｌを測定する場合、送信波の周波数ｆに関わらず、送信波と反射波との遅れ時間ｔｘは同じであるが、周波数ｆによって波長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、同じ遅れ時間ｔｘに相当する位相差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。
【００２５】
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。
【００２６】
［構成］
図３は、本実施形態の距離センサ１００の構成図である。図３に示すように、距離センサ１００は、発振器２と、分周器４，１０と、発光部６と、ＰＬＬ８と、ミキサ１２，１８と、ＬＰＦ１４，２０と、受光部１６と、制御部３０とを備えて構成される。
【００２７】
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ｆ１のクロック信号Ｆ１を生成する。この基準周波数ｆ１は、例えば「５０ＭＨｚ」とされる。
【００２８】
分周器４は、発振器２から出力されたクロック信号Ｆ１の周波数ｆ１を１／Ｎ分周し、送信信号ＶＴとして出力する。この分周器４の分周比Ｎは、「Ｎ＝２ｎ（ｎは正数）」であり、制御部３０によって変更制御される。
【００２９】
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ＶＴ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。
【００３０】
ＰＬＬ８は、基準周波数ｆ１より低い参照周波数ｆ２の参照クロック信号Ｆ２を生成する。この参照周波数ｆ２は、例えば、基準周波数ｆ１が「５０ＭＨｚ」の場合には「４９．９ＭＨｚ」とされる。
【００３１】
分周器１０は、ＰＬＬ８で生成された参照クロック信号Ｆ２の周波数ｆ２を１／Ｎ分周し、参照分周信号として出力する。この分周器１０の分周比Ｎは、分周器４の分周比Ｎと同じであり、制御部３０によって可変される。
【００３２】
ミキサ１２は、分周器４から出力された送信信号ＶＴと、分周器１０から出力された参照分周信号とを合成（混合）して出力する。このミキサ１２の出力信号には、送信信号ＶＴと参照分周信号との差周波数及び和周波数「（ｆ１±ｆ２）／Ｎ」の信号が含まれる。
【００３３】
ＬＰＦ１４は、ミキサ１２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し、送信変調信号Ｖｓとして出力する。このＬＰＦ１４のカットオフ周波数ｆｃは、制御部３０によって、送信信号ＶＴと参照分周信号との差周波数「（ｆ１−ｆ２）／Ｎ」の信号成分を通過させ、和周波数「（ｆ１＋ｆ２）／Ｎ」の信号成分は遮断させるよう、ｆｃ＝２（ｆ１−ｆ２）／Ｎ、に設定される。つまり、ＬＰＦ１４から出力される送信変調信号Ｖｓは、送信信号ＶＴを、参照分周信号でダウンコンバートした信号である。
【００３４】
受光部１６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、受光した光信号を電気信号に変換し、受信信号ＶＲとして出力する。
【００３５】
ミキサ１８は、受光部１６から出力された受信信号ＶＲと、分周器１０から出力された参照分周信号とを合成（乗算）する。このミキサ１８の出力信号には、受信信号ＶＲと参照分周信号との和周波数及び差周波数「（ｆ１±ｆ２）／Ｎ」の信号が含まれる。
【００３６】
ＬＰＦ２０は、ミキサ１８の出力信号に対して、所定の低帯域の周波数を通過させ、帯域外の周波数成分を遮断し、受信変調信号Ｖｘとして出力する。このＬＰＦ２０のカットオフ周波数ｆｃは、制御部３０によって、受信信号ＶＲと参照分周信号との差周波数「（ｆ１−ｆ２）／Ｎ」の信号成分は通過させ、和周波数「（ｆ１＋ｆ２）／Ｎ」の信号成分は遮断させるよう、ｆｃ＝２（ｆ１−ｆ２）／Ｎ、に設定される。つまり、ＬＰＦ２０から出力される受信変調信号Ｖｘは、受信波である受信信号ＶＲを、参照分周信号でダウンコンバートした信号である。
【００３７】
制御部３０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を計測する距離測定処理を実行する。この距離計測処理では、先ず、分周器４，１０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、ＬＰＦ１４，２０のカットオフ周波数ｆｃを設定する。カットオフ周波数ｆｃは、ｆｃ＝２（ｆ１−ｆ２）／Ｎ、で与えられる。
【００３８】
次いで、測定対象物までの距離Ｌを測定する。すなわち、送信変調信号Ｖｓと受信変調信号Ｖｘとの遅れ時間ｔｘを計測し、この時間差ｔｘから距離Ｌを算出し、初回測定距離Ｌｘとする。計測距離Ｌは、Ｌ＝（Ｃ／ｍ）・ｔｘ）／２、で算出される。ここで、「ｍ」は、ｍ＝ｆ１／（ｆ１−ｆ２）、で与えられる。
【００３９】
ここで、送信信号ＶＴ及び受信信号ＶＲではなく、送信変調信号Ｖｓと受信変調信号Ｖｘとの遅れ時間ｔｘを計測し、計測距離Ｌを算出することで、計測距離Ｌの測定精度（算出精度）を向上させることができる。
【００４０】
図４は、送信信号ＶＴ及び受信信号ＶＲのダウンコンバートによる計測距離Ｌの測定精度の向上を説明するための図である。図中、上側は、送信信号ＶＴ及び受信信号ＶＲの信号波形を示し、下側は、送信変調信号Ｖｓ及び受信変調信号Ｖｘの信号波形を示している。
【００４１】
図４に示すように、送信信号ＶＴ及び受信信号ＶＲの周波数は「ｆ１／Ｎ」であり、送信変調信号Ｖｓ及び受信変調信号Ｖｘの周波数は「（ｆ１−ｆ２）／Ｎ」である。つまり、送信変調信号Ｖｓ及び受信変調信号Ｖｘは、それぞれ、送信信号ＶＴ及び受信信号ＶＲを１／ｍ分周したことに相当する。但し、ｍ＝ｆ１／（ｆ１−ｆ２）、である。言い換えれば、送信変調信号Ｖｓ及び受信変調信号Ｖｘは、それぞれ、送信信号ＶＴ及び受信信号ＶＲを時間軸方向に「拡大」した信号、すなわち、光速ｃを低下させた信号に相当する。これに伴い、送信信号ＶＴと受信信号ＶＲとの時間遅れｔｘも「拡大」されている。
【００４２】
これにより、送信信号ＶＴと受信信号ＶＲとの時間遅れｔｘ０に相当する送信変調信号Ｖｓと受信変調信号Ｖｘとの時間遅れｔｘを検出すれば良いので、遅れ時間ｔｘの検出精度が向上し、その結果、測定距離Ｌの算出精度が向上する。特に、遅れ時間ｔｘが小さいほど、その検出精度の向上が顕著である。
【００４３】
続いて、制御部３０内に記憶された分周比切替テーブル３２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。
【００４４】
図５は、分周比切替テーブル３２のデータ構成の一例を示す図である。図５に示すように、分周比切替テーブル３２は、距離センサ１００に設定可能な分周比３２ａと、好適距離範囲３２ｂとを対応付けて格納している。好適距離範囲３２ｂ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。
【００４５】
制御部３０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４，１０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、ＬＰＦ１４，２０のカットオフ周波数ｆｃを変更する。その後、送信変調信号Ｖｓと受信変調信号Ｖｘとの時間差Ｔｘを再計測し、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。
【００４６】
分周比切替テーブル３２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。
【００４７】
図６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６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ｆ１は「ｆ１＝５０ＭＨｚ」であるとする。
【００４８】
図６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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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に誤差を、見込んだ値に変更した範囲となっている。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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４，１０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。
【００５７】
［処理の流れ］
図７は、制御部３０が実行する距離計測処理の流れを説明するフローチャートである。図７によれば、制御部３０は、先ず、分周器４，１０それぞれの分周比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、ＬＰＦ１４，２０それぞれのカットオフ周波数ｆｃを設定する（ステップＡ３）。
【００５８】
次いで、送信変調信号Ｖｓと受信変調信号Ｖｘとの遅れ時間ｔｘ（位相差）を計測し（ステップＡ５）、この遅れ時間ｔｘをもとに、初回測定距離Ｌｘを算出する（ステップＡ７）。続いて、分周比切替テーブル３２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を判定する（ステップＡ９）。そして、最適と判定した分周比Ｎに、分周器４，１０それぞれの分周比Ｎを更新するとともに（ステップＡ１１）、更新後の分周比Ｎに合わせて、ＬＰＦ１４，２０それぞれのカットオフ周波数ｆｃを更新する（ステップＡ１３）。
【００５９】
その後、送信変調信号Ｖｓと受信変調信号Ｖｘとの遅れ時間ｔｘを再計測し（ステップＡ１５）、この遅れ時間ｔｘをもとに、測定距離Ｌを再算出する（ステップＡ１７）。
【００６０】
［作用・効果］
このように、本実施形態の距離センサ１００は、発振器２が生成した基準クロック信号Ｆ１を１／Ｎ分周する分周器４の分周比Ｎと、ＰＬＬ８が生成した参照クロック信号Ｆ２を１／Ｎ分周する分周器１０の分周比Ｎとを可変として構成される。そして、距離計測を行う際には、先ず、分周器４，１０それぞれの分周比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４，１０それぞれの分周比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。
【００６１】
［変形例］
なお、本発明の適用可能な実施形態は、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。
【００６２】
（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４，１０それぞれの分周比Ｎの切り替えを、一段階ずつ小さくするように変更することにしても良い。
【００６３】
図８は、分周比Ｎを一段階ずつ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８に示すように、先ず、分周器４，１０それぞれの分周比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、ＬＰＦ１４，２０それぞれのカットオフ周波数ｆｃを設定する（ステップＢ３）。
【００６４】
次いで、このときの送信変調信号Ｖｓと受信変調信号Ｖｘとの遅れ時間ｔｘを検出し（ステップＢ５）、検出した遅れ時間ｔｘ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Ｂ７）。そして、現在の分周比Ｎが「２」以上であり（ステップＢ９：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Ｂ１１：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Ｂ１３）。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。
【００６５】
一方、現在の分周比Ｎが「１」となった場合（ステップＢ９：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Ｂ１１：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Ｂ１５）、最後に算出した測定距離Ｌｘを、測定結果として出力する。
【００６６】
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を謝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。
【００６７】
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を変更することで、送信信号ＶＴ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。
【００６８】
図９は、送信信号ＶＴ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ＶＴ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ＶＴ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。
【００６９】
上述のように、送信信号と受信信号との遅れ時間ｔｘ（位相差）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」となる。
【００７０】
しかし、距離レンジを一段階ずつ下げるように分周比Ｎを変更していく過程で、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内であるか否かを判定することで（図８のステップＢ１１）、実際の距離Ｌｓが、送信信号ＶＴの半波長λ／２を超えるか否かを判定することができる。すなわち、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の下限を判定することができる。そして、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ＶＴ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。
【００７１】
（Ｂ）分周比Ｎ
また、分周器４，１０の分周比Ｎは同じでなくとも良い。この場合、送信波の周波数を決めるのは分周器４の分周比Ｎ１であるため、少なくとも、分周器４の分周比Ｎ１を測定距離Ｌｘに応じて変更することで、最適な距離レンジに変更することができる。一方、分周器１０の分周比Ｎ２は、送信信号ＶＴと受信信号ＶＲとの遅れ時間ｔｘの検出精度を向上させるためであるため、固定としても良いし、可変としても良い。
【００７２】
分周器１０の分周比Ｎ２を固定とする場合には、分周器１０から出力される参照分周信号によって受信信号ＶＲをダウンコンバートするため、分周器４の分周比Ｎ１の最大値を「Ｎ１ｍａｘ」としたとき、（ｆ１／Ｎ１ｍａｘ）＞（ｆ２／Ｎ２）、を満たすように分周器１０の分周比Ｎ２を定める。
【００７３】
また、分周器１０の分周比Ｎ２を可変とする場合にも、同様に、（ｆ１／Ｎ１）＞（ｆ２／Ｎ２）、を満たすように可変する。この場合、例えば図１０に示すように、送信変調信号Ｖｓ及び受信変調信号Ｖｘの周波数が常に一定となるように、分周器１０の分周比Ｎ２を可変することにしても良い。送信変調信号Ｖｓと受信変調信号Ｖｘとの周波数が常に一定とすることで、制御部３０での位相差の検出（遅れ時間ｔｘ）の検出、並びに、測定距離Ｌの算出にかかる処理を画一化でき、処理演算を簡単化できる。
【００７４】
（Ｃ）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。
【符号の説明】
【００７５】
１００ 距離センサ
２ 発振器、４，１０ 分周器、６ 発光部、８ ＰＬＬ
１２，１８ ミキサ、１４，２０ ＬＰＦ、１６ 受光部
２００ 測定対象物
【技術分野】
【０００１】
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等に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−８６８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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新たな距離レンジ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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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（例えば、図３のクロック信号Ｆ１）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１６）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、前記送信波と前記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制御部（例えば、図３の制御部３０）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。
【０００７】
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。このように、分周器の分周比を変更制御するだけで、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、分周器の分周比を変更制御すれば良いため、送信波用の発振器は、発振周波数が固定である１つの発振器のみで済む。
【０００８】
第２の形態として、第１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５の分周比切替テーブル３２）、
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、
距離センサを構成しても良い。
【０００９】
この第２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。
【００１０】
具体的には、第３の形態として、
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。
【００１１】
また、他の形態として、
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を備えた距離計の制御方法であって、
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計測する仮計測ステップと、
前記仮計測ステップで仮計測された計測距離に基づいて前記分周比を変更して本計測する本計測ステップと、
を含む距離計の制御方法を構成しても良い。
【００１２】
この第３の形態等によれば、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、計測距離を算出する。つまり、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、効率良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。
【００１３】
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、
前記受信部は、
所定の参照周波数の参照クロック信号（例えば、図３の参照クロック信号Ｆ２）を分周する参照信号分周器（例えば、図３の分周器１０）と、
前記参照信号分周器で分周された参照分周信号を用いて、前記分周器で分周された分周信号の周波数をダウンコンバートする第１の周波数変換部（例えば、図３のミキサ１２）と、
前記第１の周波数変換部による変換後の信号から、ダウンコンバートされた周波数帯域の信号を抽出する第１のフィルタ部（例えば、図３のＬＰＦ１４）と、
前記参照分周信号を用いて、受信した前記反射波の周波数をダウンコンバートする第２の周波数変換部（例えば、図３のミキサ１８）と、
前記第２の周波数変換部による変換後の信号から、ダウンコンバートされた周波数帯域の信号を抽出する第２のフィルタ部（例えば、図３のＬＰＦ２０）と、
を有し、
前記制御部は、前記第１のフィルタ部による抽出後の信号を前記送信波、前記第２のフィルタ部による抽出後の信号を前記反射波として、両波の位相差に基づい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。
【００１４】
この第４の形態によれば、所定の参照周波数の参照クロック信号を分周した参照分周信号を用いて、分周器で分周された分周信号をダウンコンバートした信号を送信波とするとともに、この参照分周信号を用いて、反射波の周波数をダウンコンバートした信号を反射波として、この送信波と反射波との位相差に基づいて計測距離が算出される。つまり、送信波と反射波とのそれぞれを、同一の参照分周信号でダウンコンバートした信号の位相差に基づいて、計測距離が算出される。これにより、計測距離の算出精度を向上させることができる。
【００１５】
第５の形態として、第４の形態の距離センサであって、
前記参照信号分周器は分周比が変更可能であり、
前記制御部は、前記分周器の分周比と、前記参照信号分周器の分周比とを連動して変更制御する、
距離センサを構成しても良い。
【００１６】
また、第６の形態として、第４又は第５の形態の距離センサであって、
前記第１及び第２のフィルタ部は、周波数の通過帯域を変更可能であり、
前記制御部は、前記分周器の分周比と、前記第１及び第２のフィルタ部の通過帯域とを連動して変更制御する、
距離センサを構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】距離センサの概要図。
【図２】送信周波数による測定精度の違いの説明図。
【図３】距離センサの構成図。
【図４】送信信号及び受信信号のダウンコンバートによる測定精度の向上の説明図。
【図５】分周比切替テーブルのデータ構成例。
【図６】分周比と好適距離範囲との対応関係の一例。
【図７】距離計測処理のフローチャート。
【図８】他の距離計測処理のフローチャート。
【図９】送信周波数の半波長を超える距離の測定の説明図。
【図１０】分周比の可変の一例。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
［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。
【００２０】
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遅れ時間ｔｘ（位相差）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・ｔｘ）／２、と算出される。ここで、「Ｃ」は光速であり、Ｃ≒３×１０８ｍ／ｓ、である。
【００２１】
また、送信波と反射波との遅れ時間ｔｘ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、遅れ時間ｔｘは、送信周波数の１周期以内である必要がある。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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
同じ距離Ｌを測定する場合、送信波の周波数ｆに関わらず、送信波と反射波との遅れ時間ｔｘは同じであるが、周波数ｆによって波長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、同じ遅れ時間ｔｘに相当する位相差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。
【００２５】
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。
【００２６】
［構成］
図３は、本実施形態の距離センサ１００の構成図である。図３に示すように、距離センサ１００は、発振器２と、分周器４，１０と、発光部６と、ＰＬＬ８と、ミキサ１２，１８と、ＬＰＦ１４，２０と、受光部１６と、制御部３０とを備えて構成される。
【００２７】
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ｆ１のクロック信号Ｆ１を生成する。この基準周波数ｆ１は、例えば「５０ＭＨｚ」とされる。
【００２８】
分周器４は、発振器２から出力されたクロック信号Ｆ１の周波数ｆ１を１／Ｎ分周し、送信信号ＶＴとして出力する。この分周器４の分周比Ｎは、「Ｎ＝２ｎ（ｎは正数）」であり、制御部３０によって変更制御される。
【００２９】
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ＶＴ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。
【００３０】
ＰＬＬ８は、基準周波数ｆ１より低い参照周波数ｆ２の参照クロック信号Ｆ２を生成する。この参照周波数ｆ２は、例えば、基準周波数ｆ１が「５０ＭＨｚ」の場合には「４９．９ＭＨｚ」とされる。
【００３１】
分周器１０は、ＰＬＬ８で生成された参照クロック信号Ｆ２の周波数ｆ２を１／Ｎ分周し、参照分周信号として出力する。この分周器１０の分周比Ｎは、分周器４の分周比Ｎと同じであり、制御部３０によって可変される。
【００３２】
ミキサ１２は、分周器４から出力された送信信号ＶＴと、分周器１０から出力された参照分周信号とを合成（混合）して出力する。このミキサ１２の出力信号には、送信信号ＶＴと参照分周信号との差周波数及び和周波数「（ｆ１±ｆ２）／Ｎ」の信号が含まれる。
【００３３】
ＬＰＦ１４は、ミキサ１２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し、送信変調信号Ｖｓとして出力する。このＬＰＦ１４のカットオフ周波数ｆｃは、制御部３０によって、送信信号ＶＴと参照分周信号との差周波数「（ｆ１−ｆ２）／Ｎ」の信号成分を通過させ、和周波数「（ｆ１＋ｆ２）／Ｎ」の信号成分は遮断させるよう、ｆｃ＝２（ｆ１−ｆ２）／Ｎ、に設定される。つまり、ＬＰＦ１４から出力される送信変調信号Ｖｓは、送信信号ＶＴを、参照分周信号でダウンコンバートした信号である。
【００３４】
受光部１６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、受光した光信号を電気信号に変換し、受信信号ＶＲとして出力する。
【００３５】
ミキサ１８は、受光部１６から出力された受信信号ＶＲと、分周器１０から出力された参照分周信号とを合成（乗算）する。このミキサ１８の出力信号には、受信信号ＶＲと参照分周信号との和周波数及び差周波数「（ｆ１±ｆ２）／Ｎ」の信号が含まれる。
【００３６】
ＬＰＦ２０は、ミキサ１８の出力信号に対して、所定の低帯域の周波数を通過させ、帯域外の周波数成分を遮断し、受信変調信号Ｖｘとして出力する。このＬＰＦ２０のカットオフ周波数ｆｃは、制御部３０によって、受信信号ＶＲと参照分周信号との差周波数「（ｆ１−ｆ２）／Ｎ」の信号成分は通過させ、和周波数「（ｆ１＋ｆ２）／Ｎ」の信号成分は遮断させるよう、ｆｃ＝２（ｆ１−ｆ２）／Ｎ、に設定される。つまり、ＬＰＦ２０から出力される受信変調信号Ｖｘは、受信波である受信信号ＶＲを、参照分周信号でダウンコンバートした信号である。
【００３７】
制御部３０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を計測する距離測定処理を実行する。この距離計測処理では、先ず、分周器４，１０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、ＬＰＦ１４，２０のカットオフ周波数ｆｃを設定する。カットオフ周波数ｆｃは、ｆｃ＝２（ｆ１−ｆ２）／Ｎ、で与えられる。
【００３８】
次いで、測定対象物までの距離Ｌを測定する。すなわち、送信変調信号Ｖｓと受信変調信号Ｖｘとの遅れ時間ｔｘを計測し、この時間差ｔｘから距離Ｌを算出し、初回測定距離Ｌｘとする。計測距離Ｌは、Ｌ＝（Ｃ／ｍ）・ｔｘ）／２、で算出される。ここで、「ｍ」は、ｍ＝ｆ１／（ｆ１−ｆ２）、で与えられる。
【００３９】
ここで、送信信号ＶＴ及び受信信号ＶＲではなく、送信変調信号Ｖｓと受信変調信号Ｖｘとの遅れ時間ｔｘを計測し、計測距離Ｌを算出することで、計測距離Ｌの測定精度（算出精度）を向上させることができる。
【００４０】
図４は、送信信号ＶＴ及び受信信号ＶＲのダウンコンバートによる計測距離Ｌの測定精度の向上を説明するための図である。図中、上側は、送信信号ＶＴ及び受信信号ＶＲの信号波形を示し、下側は、送信変調信号Ｖｓ及び受信変調信号Ｖｘの信号波形を示している。
【００４１】
図４に示すように、送信信号ＶＴ及び受信信号ＶＲの周波数は「ｆ１／Ｎ」であり、送信変調信号Ｖｓ及び受信変調信号Ｖｘの周波数は「（ｆ１−ｆ２）／Ｎ」である。つまり、送信変調信号Ｖｓ及び受信変調信号Ｖｘは、それぞれ、送信信号ＶＴ及び受信信号ＶＲを１／ｍ分周したことに相当する。但し、ｍ＝ｆ１／（ｆ１−ｆ２）、である。言い換えれば、送信変調信号Ｖｓ及び受信変調信号Ｖｘは、それぞれ、送信信号ＶＴ及び受信信号ＶＲを時間軸方向に「拡大」した信号、すなわち、光速ｃを低下させた信号に相当する。これに伴い、送信信号ＶＴと受信信号ＶＲとの時間遅れｔｘも「拡大」されている。
【００４２】
これにより、送信信号ＶＴと受信信号ＶＲとの時間遅れｔｘ０に相当する送信変調信号Ｖｓと受信変調信号Ｖｘとの時間遅れｔｘを検出すれば良いので、遅れ時間ｔｘの検出精度が向上し、その結果、測定距離Ｌの算出精度が向上する。特に、遅れ時間ｔｘが小さいほど、その検出精度の向上が顕著である。
【００４３】
続いて、制御部３０内に記憶された分周比切替テーブル３２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。
【００４４】
図５は、分周比切替テーブル３２のデータ構成の一例を示す図である。図５に示すように、分周比切替テーブル３２は、距離センサ１００に設定可能な分周比３２ａと、好適距離範囲３２ｂとを対応付けて格納している。好適距離範囲３２ｂ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。
【００４５】
制御部３０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４，１０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、ＬＰＦ１４，２０のカットオフ周波数ｆｃを変更する。その後、送信変調信号Ｖｓと受信変調信号Ｖｘとの時間差Ｔｘを再計測し、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。
【００４６】
分周比切替テーブル３２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。
【００４７】
図６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６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ｆ１は「ｆ１＝５０ＭＨｚ」であるとする。
【００４８】
図６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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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に誤差を、見込んだ値に変更した範囲となっている。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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４，１０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。
【００５７】
［処理の流れ］
図７は、制御部３０が実行する距離計測処理の流れを説明するフローチャートである。図７によれば、制御部３０は、先ず、分周器４，１０それぞれの分周比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、ＬＰＦ１４，２０それぞれのカットオフ周波数ｆｃを設定する（ステップＡ３）。
【００５８】
次いで、送信変調信号Ｖｓと受信変調信号Ｖｘとの遅れ時間ｔｘ（位相差）を計測し（ステップＡ５）、この遅れ時間ｔｘをもとに、初回測定距離Ｌｘを算出する（ステップＡ７）。続いて、分周比切替テーブル３２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を判定する（ステップＡ９）。そして、最適と判定した分周比Ｎに、分周器４，１０それぞれの分周比Ｎを更新するとともに（ステップＡ１１）、更新後の分周比Ｎに合わせて、ＬＰＦ１４，２０それぞれのカットオフ周波数ｆｃを更新する（ステップＡ１３）。
【００５９】
その後、送信変調信号Ｖｓと受信変調信号Ｖｘとの遅れ時間ｔｘを再計測し（ステップＡ１５）、この遅れ時間ｔｘをもとに、測定距離Ｌを再算出する（ステップＡ１７）。
【００６０】
［作用・効果］
このように、本実施形態の距離センサ１００は、発振器２が生成した基準クロック信号Ｆ１を１／Ｎ分周する分周器４の分周比Ｎと、ＰＬＬ８が生成した参照クロック信号Ｆ２を１／Ｎ分周する分周器１０の分周比Ｎとを可変として構成される。そして、距離計測を行う際には、先ず、分周器４，１０それぞれの分周比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４，１０それぞれの分周比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。
【００６１】
［変形例］
なお、本発明の適用可能な実施形態は、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。
【００６２】
（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４，１０それぞれの分周比Ｎの切り替えを、一段階ずつ小さくするように変更することにしても良い。
【００６３】
図８は、分周比Ｎを一段階ずつ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８に示すように、先ず、分周器４，１０それぞれの分周比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、ＬＰＦ１４，２０それぞれのカットオフ周波数ｆｃを設定する（ステップＢ３）。
【００６４】
次いで、このときの送信変調信号Ｖｓと受信変調信号Ｖｘとの遅れ時間ｔｘを検出し（ステップＢ５）、検出した遅れ時間ｔｘ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Ｂ７）。そして、現在の分周比Ｎが「２」以上であり（ステップＢ９：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Ｂ１１：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Ｂ１３）。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。
【００６５】
一方、現在の分周比Ｎが「１」となった場合（ステップＢ９：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Ｂ１１：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Ｂ１５）、最後に算出した測定距離Ｌｘを、測定結果として出力する。
【００６６】
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を謝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。
【００６７】
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を変更することで、送信信号ＶＴ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。
【００６８】
図９は、送信信号ＶＴ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ＶＴ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ＶＴ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。
【００６９】
上述のように、送信信号と受信信号との遅れ時間ｔｘ（位相差）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」となる。
【００７０】
しかし、距離レンジを一段階ずつ下げるように分周比Ｎを変更していく過程で、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内であるか否かを判定することで（図８のステップＢ１１）、実際の距離Ｌｓが、送信信号ＶＴの半波長λ／２を超えるか否かを判定することができる。すなわち、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の下限を判定することができる。そして、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ＶＴ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。
【００７１】
（Ｂ）分周比Ｎ
また、分周器４，１０の分周比Ｎは同じでなくとも良い。この場合、送信波の周波数を決めるのは分周器４の分周比Ｎ１であるため、少なくとも、分周器４の分周比Ｎ１を測定距離Ｌｘに応じて変更することで、最適な距離レンジに変更することができる。一方、分周器１０の分周比Ｎ２は、送信信号ＶＴと受信信号ＶＲとの遅れ時間ｔｘの検出精度を向上させるためであるため、固定としても良いし、可変としても良い。
【００７２】
分周器１０の分周比Ｎ２を固定とする場合には、分周器１０から出力される参照分周信号によって受信信号ＶＲをダウンコンバートするため、分周器４の分周比Ｎ１の最大値を「Ｎ１ｍａｘ」としたとき、（ｆ１／Ｎ１ｍａｘ）＞（ｆ２／Ｎ２）、を満たすように分周器１０の分周比Ｎ２を定める。
【００７３】
また、分周器１０の分周比Ｎ２を可変とする場合にも、同様に、（ｆ１／Ｎ１）＞（ｆ２／Ｎ２）、を満たすように可変する。この場合、例えば図１０に示すように、送信変調信号Ｖｓ及び受信変調信号Ｖｘの周波数が常に一定となるように、分周器１０の分周比Ｎ２を可変することにしても良い。送信変調信号Ｖｓと受信変調信号Ｖｘとの周波数が常に一定とすることで、制御部３０での位相差の検出（遅れ時間ｔｘ）の検出、並びに、測定距離Ｌの算出にかかる処理を画一化でき、処理演算を簡単化できる。
【００７４】
（Ｃ）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。
【符号の説明】
【００７５】
１００ 距離センサ
２ 発振器、４，１０ 分周器、６ 発光部、８ ＰＬＬ
１２，１８ ミキサ、１４，２０ ＬＰＦ、１６ 受光部
２００ 測定対象物
【特許請求の範囲】
【請求項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、前記送信波と前記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制御部と、
を備えた距離センサ。
【請求項２】
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に記載の距離センサ。
【請求項３】
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２に記載の距離センサ。
【請求項４】
前記受信部は、
所定の参照周波数の参照クロック信号を分周する参照信号分周器と、
前記参照信号分周器で分周された参照分周信号を用いて、前記分周器で分周された分周信号の周波数をダウンコンバートする第１の周波数変換部と、
前記第１の周波数変換部による変換後の信号から、ダウンコンバートされた周波数帯域の信号を抽出する第１のフィルタ部と、
前記参照分周信号を用いて、受信した前記反射波の周波数をダウンコンバートする第２の周波数変換部と、
前記第２の周波数変換部による変換後の信号から、ダウンコンバートされた周波数帯域の信号を抽出する第２のフィルタ部と、
を有し、
前記制御部は、前記第１のフィルタ部による抽出後の信号を前記送信波、前記第２のフィルタ部による抽出後の信号を前記反射波として、両波の位相差に基づいて前記計測距離を算出する、
請求項１〜３の何れか一項に記載の距離センサ。
【請求項５】
前記参照信号分周器は分周比が変更可能であり、
前記制御部は、前記分周器の分周比と、前記参照信号分周器の分周比とを連動して変更制御する、
請求項４に記載の距離センサ。
【請求項６】
前記第１及び第２のフィルタ部は、周波数の通過帯域を変更可能であり、
前記制御部は、前記分周器の分周比と、前記第１及び第２のフィルタ部の通過帯域とを連動して変更制御する、
請求項４又は５に記載の距離センサ。
【請求項７】
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を備えた距離計の制御方法であって、
前記分周比を変更可能な最小値に変更して前記計測距離を仮計測する仮計測ステップと、
前記仮計測ステップで仮計測された計測距離に基づいて前記分周比を変更して本計測する本計測ステップと、
を含む距離計の制御方法。
【請求項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、前記送信波と前記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制御部と、
を備えた距離センサ。
【請求項２】
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に記載の距離センサ。
【請求項３】
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２に記載の距離センサ。
【請求項４】
前記受信部は、
所定の参照周波数の参照クロック信号を分周する参照信号分周器と、
前記参照信号分周器で分周された参照分周信号を用いて、前記分周器で分周された分周信号の周波数をダウンコンバートする第１の周波数変換部と、
前記第１の周波数変換部による変換後の信号から、ダウンコンバートされた周波数帯域の信号を抽出する第１のフィルタ部と、
前記参照分周信号を用いて、受信した前記反射波の周波数をダウンコンバートする第２の周波数変換部と、
前記第２の周波数変換部による変換後の信号から、ダウンコンバートされた周波数帯域の信号を抽出する第２のフィルタ部と、
を有し、
前記制御部は、前記第１のフィルタ部による抽出後の信号を前記送信波、前記第２のフィルタ部による抽出後の信号を前記反射波として、両波の位相差に基づいて前記計測距離を算出する、
請求項１〜３の何れか一項に記載の距離センサ。
【請求項５】
前記参照信号分周器は分周比が変更可能であり、
前記制御部は、前記分周器の分周比と、前記参照信号分周器の分周比とを連動して変更制御する、
請求項４に記載の距離センサ。
【請求項６】
前記第１及び第２のフィルタ部は、周波数の通過帯域を変更可能であり、
前記制御部は、前記分周器の分周比と、前記第１及び第２のフィルタ部の通過帯域とを連動して変更制御する、
請求項４又は５に記載の距離センサ。
【請求項７】
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を備えた距離計の制御方法であって、
前記分周比を変更可能な最小値に変更して前記計測距離を仮計測する仮計測ステップと、
前記仮計測ステップで仮計測された計測距離に基づいて前記分周比を変更して本計測する本計測ステップと、
を含む距離計の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−２５７２８５（Ｐ２０１１−２５７２８５Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３２６００（Ｐ２０１０−１３２６００）
【出願日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【出願人】（０００００１２９２）株式会社京三製作所 (324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【出願人】（０００００１２９２）株式会社京三製作所 (324)
【Ｆターム（参考）】
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