JP2003156328A - 測距センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造が簡略化され、かつ高い精度を有す
る測距センサを提供する。 【解決手段】 測距センサは、測距対象物に対して投光
される少なくとも２つの発光素子と、測距対象物で反射
した反射光を受光する１つの受光素子とを有し、これら
の発光素子と受光素子は、それぞれが同一の基線長軸上
に並列され、かつ発光素子の１つはその発光が近位側の
測距対象物に反射して受光素子に受光され得る位置に配
置され、他の発光素子はその発光が遠位側の測距対象物
に反射して受光素子に受光され得る位置に配置され、そ
れによって、少なくとも２つの測距可能距離を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測距センサに関
し、特に物体の有無の検出や物体までの距離の検出を行
う測距センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、物体の有無の検出や物体までの距
離の検出を行うために三角測距方式の測距センサが用い
られる。ＰＳＤ（position sensitive photodetector）
すなわち、半導***置検出素子等の受光素子を用いる場
合には、発光素子から測距対象物に投光し、測距対象物
からの乱反射光をスポット光として受光素子の入射面に
集光させ、前記入射面におけるスポット光の位置に基づ
いて対象物までの距離を検出する。

【０００３】図３に、受光素子にＰＳＤを用いた従来の
測距センサの基本構成を示す。図３において、測距セン
サ１００は、通常、集光レンズ１０３および１０４を備
えた発光素子１０１と受光素子１０２とを同一の基線上
に配設して構成される。したがって、１つの測距範囲Ｌ
がそのセンサを設計する際に設定される。

【０００４】測距センサ１００の駆動時において、受光
素子１０２の入射面１０２aに入射するスポット光の入
射位置が基準位置から変化すると、この変化量に応じて
受光素子１０２の両端から取り出される信号電流I1とI2
の出力バランスが変化する。信号電流I1とI2のバランス
を受光素子１０２に接続された信号処理回路で検出する
ことにより、受光素子１０２と測距対象物との距離を検
出することができる。

【０００５】上記の測距範囲を設定する際には、三角測
量の原理となる下記の式 ｘ＝（Ａ・ｆ）／Ｌ・・・・式１ （ｘ：受光素子の入射面におけるスポット光の移動量、
Ａ：受光素子と発光素子の距離（基線長）、ｆ：受光素
子に集光させるレンズの焦点距離、Ｌ：測距可能距離）
が用いられ、設定する測距範囲に応じて基線長Ａおよび
レンズの焦点距離fが決定される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】測距範囲は、受光素子
１０２の入射面１０２aにおけるスポット光の移動量に
制約される。すなわち、近位から遠位にわたる広範囲の
距離を測定しようとすると、受光素子１０２の入射面１
０２aにおけるスポット光の移動量に対して、受光素子
１０２の全長に対する分解能は限界があるため、受光素
子１０２の両端から取り出される信号電流I1とI2の出力
バランスの変化量が相対的に低下するので、測距精度の
低下を招く。このため、測距範囲を限定し、近位側に重
点をおく設定または遠位側に重点をおく設定のどちらか
に固定される。

【０００７】したがって、近位から遠位までの広範囲に
わたる距離情報を得ようとすると、近位重視の測距セン
サと遠位重視の測距センサの２つを機器に設置し、各々
を駆動せねばならないので、構造の複雑化を招いた。

【０００８】この発明は上記問題点に鑑みてなされたも
のであり、構造が簡略化され、かつ高い精度を有する測
距センサを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明によれば、測
距対象物に対して投光される少なくとも２つの発光素子
と、測距対象物で反射した反射光を受光する１つの受光
素子とを有し、これらの発光素子と受光素子は、それぞ
れが同一の基線長軸上に並列され、かつ発光素子の１つ
はその発光が近位側の測距対象物に反射して受光素子に
受光され得る位置に配置され、他の発光素子はその発光
が遠位側の測距対象物に反射して受光素子に受光され得
る位置に配置され、それによって、少なくとも２つの測
距可能距離を有する測距センサが提供される。

【００１０】第２の発明によれば、測距対象物に対して
投光される１つの発光素子と、測距対象物で反射した反
射光を受光する少なくとも２つの受光素子とを有し、こ
れらの発光素子と受光素子は、それぞれが同一の基線長
軸上に並列され、かつ受光素子の１つは発光素子から投
光され近位側の測距対象物で反射した光を受光し得る位
置に配置され、他の受光素子は発光素子から投光され遠
位側の測距対象物で反射した光を受光し得る位置に配置
され、それによって、少なくとも２つの測距可能距離を
有する測距センサが提供される。

【００１１】すなわち、第１および第２の発明では、受
光素子または発光素子のいずれか一方を共用しながら近
位側と遠位側の両方の測距範囲で物体までの距離を検出
可能な測距センサを構成することができるので、受光素
子と発光素子からなる１組のセンサを複数組設けなくて
もよい。さらに、センサの構成が簡略化されることによ
り、センサの駆動調整が容易になるので、測距動作時に
おけるセンサの安定性が増し、測距精度が向上する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいてこの発明の
実施の形態を説明するが、これらによってこの発明は限
定されるものではない。

【００１３】〔実施例１〕図１は、第１の発明による測
距センサの基本的な光学系の構成を示す。図１におい
て、測距センサ１０は、同一基線上に、２つの発光素子
１１および１２と、１つの受光素子１３とを備え、近位
および遠位の各測距範囲L1およびL2を有する。

【００１４】発光素子１１および１２は、レーザーダイ
オードであり、それぞれの出射部の前方の光路上に配設
された各集光レンズ１４および１５により測距対象物に
対してスポット光を投光する。受光素子１３は、ＰＳＤ
であり、測距対象物からの乱反射光を、入射面１３aの
前方に配設された集光レンズ１6で集光し、この光を入
射面１３aに対しスポット光として入射させる。

【００１５】発光素子１１および１２の発光は、集光レ
ンズ１４および１５を通して測距対象物（図示しない）
にスポット光として投光され、測距対象物で乱反射した
光の少なくとも一部は、入射面１３aに対しスポット光
として入射する。この入射光が入射面１３aに入射する
位置は、測距対象物と受光素子１３との距離によって変
化する。入射面１３aに入射する光の入射位置が基準位
置から変化すると、この変化量に応じて受光素子１３の
両端から取り出される信号電流I1とI2の出力バランスが
変化する。この変化したバランスを制御部（図示しな
い）の信号処理回路で検出することにより、測距対象物
と受光素子１３との距離を検出することができる。上記
の制御部は、受光素子１３で受光された光がいずれの発
光素子から投光された光の反射光であるかを判別する。

【００１６】測距センサ１０では、制御部（図示しな
い）の信号処理回路により、２つの発光素子１１および
１２を交互に発光させ、受光素子１３に入射したそれぞ
れの反射光を測距範囲に応じて判別する。このように発
光素子１１および１２を交互に駆動するのは、複数の発
光素子を一度に駆動すると、近位・遠位の各々の距離に
応じた出力の区別が出来ないからである。具体的には、
発光素子の制御入力端子を設け、Ｈ/Ｌの信号を入力す
ることにより、近位側に測距範囲を設定した発光素子１
２を駆動するか、または遠位側に測距範囲を設定した発
光素子１１を駆動するかを決定し、決定された発光素子
の出力を得るように受光素子１３からの信号を制御す
る。

【００１７】図１を参照しながら、測距センサ１０にお
ける２つの発光素子１１および１２と、受光素子１３の
光学的配置について説明する。三角測量の原理となる前
記の式 ｘ＝（Ａ・ｆ）／Ｌ・・・式１ （ｘ：受光素子の入射面におけるスポット光の移動量、
Ａ：受光素子と発光素子の距離（基線長）、ｆ：受光素
子に集光させるレンズの焦点距離、Ｌ：測距可能距離）
において、近位側の測距可能距離をＬ１、遠位側の測距
可能距離をＬ２、受光素子１３と発光素子１２の基線長
をＡ１、受光素子１３と発光素子１１の基線長をＡ２と
すると、前記の式１から下記の式が導かれる。

【００１８】Ｌ１＝（Ａ１・ｆ）／ｘ・・・式２ Ｌ２＝（Ａ２・ｆ）／ｘ・・・式３ 受光素子１３に集光させるレンズの焦点距離ｆを固定さ
せると、式２および式３から Ｌ１：Ｌ２＝Ａ１／ｘ：Ａ２／ｘ・・・式４ が得られる。すなわち、測距可能距離Ｌ１およびＬ２
は、基線長Ａ１およびＡ２に正比例することがわかる。
したがって、同一基線上において受光素子１３から基線
長Ａ１およびＡ２の位置に発光素子１１および１２を配
置することにより、近位側の測距範囲をＬ１、遠位側の
測距範囲をＬ２とした測距が可能になる。

【００１９】例えば、近位の測距範囲Ｌｌを４ｃｍ〜３
０ｃｍとし、遠位の測距範囲Ｌ２を１５ｃｍ〜１２０ｃ
ｍに設定する場合、上記の測距範囲Ｌ１およびＬ２の上
限値および下限値を前記の式４に代入すると、上限値に
ついては、Ｌ１：Ｌ２＝Ａ１／ｘ：Ａ２／ｘ＝４：１５
≒１：４ 下限値については、Ｌ１：Ｌ２＝Ａ１／ｘ：Ａ２／ｘ＝
３０：１２０＝１：４となる。

【００２０】すなわち、近位側に測距範囲L１を設定す
る発光素子１２の基線長をＡとしたとき、遠位側に測距
範囲を設定する発光素子１１の基線長を４Ａに設定する
ことにより、１つの受光素子１３と２つの発光素子１１
および１２を用いて近位から遠位まで測距可能になる。
つまり、測距センサ１０では、受光素子１３とそれぞれ
の発光素子１１および１２とが、受光素子１３から各発
光素子１１および１２までの距離に比例するそれぞれの
測距範囲で対象物までの距離を検出することができる。

【００２１】このように、実施例１では、測距可能距離
のそれぞれが、それぞれの発光素子１１，１２と受光素
子１３との各距離に比例して設定されるので、受光素子
１３を共用しながら近位側と遠位側の両方の測距範囲で
物体までの距離を検出可能な測距センサ１０を構成する
ことができ、構造が簡略化される。また、受光素子１３
の両端から取り出される信号電流I1とI2のバランスの変
化量に対する入射位置の変化量が小さくならないので、
測距対象物と受光素子１３との距離を高い精度で検出す
ることができる。さらに、２つの発光素子１１および１
２を交互に発光させることで、近位・遠位の各々の距離
に応じた出力の区別が可能になる。受光素子で受光され
た光がいずれの発光素子から投光された光の反射光であ
るかを判別する制御部をさらに備えているので、近位用
または遠位用のどちらの発光素子から投光された光の反
射光かを判別できるので、各々が干渉せず正確な測距出
力が得られる。

【００２２】なお、実施例１では、１つの受光素子１３
を共用する２つの発光素子１１および１２を用いたが、
１つの受光素子１３を共用する３つ以上の発光素子を設
置することができる。３つ以上の発光素子を受光素子１
３と同一基線上に配設して制御する場合においても、そ
れぞれの発光素子に制御端子を設け、これらの発光素子
を個々に制御することにより、３つ以上の発光素子の発
光を制御しながら３つ以上の測距範囲にわたる距離の検
出が可能になる。この場合は、上記の関係式１から、各
基線長Ａと焦点距離ｆを調整すれば、受光素子のサイズ
は変更せずに、３つ以上の測距範囲における距離の検出
が可能になる。

【００２３】さらに、発光素子１１，１２にレーザーダ
イオードを用いることにより、投光時の投光ビームの広
がりが少なく、対象物からの反射位置エリアが小さくな
る。したがって、エリア内におけるビームの広がりのば
らつきが少なく、反射光がスポット光になるので、受光
精度が向上する。

【００２４】〔実施例２〕図２は、第２の発明による測
距センサの基本的な光学系の構成を示す。図２におい
て、測距センサ２０は、同一基線上に、１つの発光素子
２１と、２つの受光素子２２および２３とを備え、近位
および遠位の各測距範囲L1およびL2を有する。

【００２５】発光素子２１は、レーザーダイオードであ
り、その出射部の前方の光路上に配設された集光レンズ
２４により測距対象物に対してスポット光を投光する。
受光素子２２および２３のそれぞれはＰＳＤであり、測
距対象物からの乱反射光を、各入射面２２aおよび２３a
の前方に配設されたそれぞれの集光レンズ２５および２
６で集光して各入射面２２aおよび２３aに対しスポット
光として入射させる。

【００２６】発光素子２１の発光は、集光レンズ２４お
よび２５を通して測距対象物（図示しない）にスポット
光として投光され、測距対象物で乱反射した光の少なく
とも一部は、入射面２２aまたは入射面２３aに対しスポ
ット光として入射する。この入射光が入射面２２aまた
は入射面２３aに入射する位置は、測距対象物と発光素
子２１との距離によって変化する。入射面２２aまたは
入射面２３aに入射する光の入射位置が基準位置から変
化すると、この変化量に応じて受光素子２２または２３
の両端から取り出される信号電流I1とI2の出力バランス
が変化する。この変化したバランスを制御部（図示しな
い）の信号処理回路で検出することにより、測距対象物
までの距離を検出することができる。

【００２７】測距センサ２０では、各受光素子２２およ
び２３の受光信号を同時に検出し、これらに基づいて測
距情報を生成する信号処理回路をさらに備えている。受
光信号は、受光素子２２および２３のそれぞれの入射面
２２aまたは入射面２３aにおけるスポット光の位置が含
まれる。さらに、この信号処理回路は、受光素子２２ま
たは受光素子２３に入射したそれぞれの反射光を測距範
囲に応じて判別し、判別された受光素子の出力を得るよ
うにその受光素子からの信号を制御する。

【００２８】図２を参照しながら、測距センサ２０にお
ける２つの受光素子２２および２３と、発光素子２１の
光学的配置について説明する。三角測量の原理となる前
記の式１において、近位側の測距可能距離をＬ１、遠位
側の測距可能距離をＬ２、受光素子２２と発光素子２１
の基線長をＡ１、受光素子２３と発光素子２１の基線長
をＡ２とすると、前記の式１から下記の式が導かれる。

【００２９】Ｌ１＝（Ａ１・ｆ）／ｘ・・・式２ Ｌ２＝（Ａ２・ｆ）／ｘ・・・式３ 受光素子２２，２３に集光させるレンズの焦点距離ｆを
固定させると、式２および式３から Ｌ１：Ｌ２＝Ａ１／ｘ：Ａ２／ｘ・・・式４ が得られる。すなわち、測距可能距離Ｌ１およびＬ２
は、基線長Ａ１およびＡ２に正比例することがわかる。
したがって、同一基線上において発光素子２１から基線
長Ａ１およびＡ２の位置に受光素子２２および２３を配
置することにより、近位側の測距範囲をＬ１、遠位側の
測距範囲をＬ２とした測距が可能になる。

【００３０】例えば、近位の測距範囲Ｌｌを４ｃｍ〜３
０ｃｍとし、遠位の測距範囲Ｌ２を１５ｃｍ〜１２０ｃ
ｍに設定する場合、上記の測距範囲Ｌ１およびＬ２の上
限値および下限値を前記の式４に代入すると、上限値に
ついては、Ｌ１：Ｌ２＝Ａ１／ｘ：Ａ２／ｘ＝４：１５
≒１：４ 下限値については、Ｌ１：Ｌ２＝Ａ１／ｘ：Ａ２／ｘ＝
３０：１２０＝１：４となる。

【００３１】すなわち、近位側に測距範囲L１を設定す
る受光素子２２の基線長をＡとしたとき、遠位側に測距
範囲を設定する受光素子２３の基線長を４Ａに設定する
ことにより、１つの発光素子２１と２つの受光素子２２
および２３を用いて近位から遠位までの測距可能にな
る。つまり、測距センサ２０では、発光素子２１とそれ
ぞれの受光素子２２および２３とが、発光素子２１から
各受光素子２２および２３までの距離に比例するそれぞ
れの測距範囲で対象物までの距離を検出することができ
る。

【００３２】このように、実施例２では、測距可能距離
のそれぞれが、発光素子２１とそれぞれの受光素子２
２，２３との各距離に比例して設定されるので、発光素
子２１を共用しながら近位側と遠位側の両方の測距範囲
で物体までの距離を検出可能な測距センサ２０を構成す
ることができ、構造が簡略化される。また、受光素子２
２および２３のそれぞれの両端から取り出される信号電
流I1とI2のバランスの変化量に対する入射位置の変化量
が小さくならないので、測距対象物までの距離を高い精
度で検出することができる。さらに、測距センサ２０で
は、２つの受光素子２２および２３のそれぞれが、それ
ぞれの入射面２２aまたは入射面２３aにおけるスポット
光の位置に基づいて対象物までの距離を同時に検出する
信号処理回路をそれぞれ備えているので、迅速な測距が
可能になるとともに、各々のセンサが互いに干渉せず正
確な測距出力が得られる。

【００３３】なお、実施例２では、１つの発光素子２１
を共用する２つの受光素子２２および２３を用いたが、
１つの発光素子２１を共用する３つ以上の受光素子を設
置することができる。３つ以上の受光素子を発光素子２
１と同一基線上に配設して制御する場合においても、前
記の信号処理回路により、受光素子のそれぞれが、それ
ぞれの入射面におけるスポット光の位置に基づいて対象
物までの距離を同時に検出することができる。さらに、
この信号処理回路は、受光素子のそれぞれに入射した各
反射光を測距範囲に応じて判別し、判別された受光素子
の出力を得るようにその受光素子からの信号を制御する
ことにより、３つ以上の受光素子の発光を制御しながら
３つ以上の測距範囲にわたる距離の検出が可能になる。

【００３４】さらに、発光素子２１にレーザーダイオー
ドを用いることにより、投光時の投光ビームの広がりが
少なく、対象物からの反射位置エリアが小さくなる。し
たがって、エリア内におけるビームの広がりのばらつき
が少なく、反射光がスポット光になるので、受光精度が
向上する。

【００３５】なお、実施例１および２に示した測距セン
サは、物体までの距離を測定することができるととも
に、設定された測距範囲に物体が存在するか否かを判別
することができる。例えば、上記測距センサを便座に用
いた場合、人が座っているか、立っているか、あるいは
人がいないのかといった各状態の検出に用いることがで
きる。

【００３６】

【発明の効果】この発明では、受光素子または発光素子
のいずれか一方を共用しながら近位側と遠位側の両方の
測距範囲で物体までの距離を検出可能な測距センサを構
成することができるので、受光素子と発光素子からなる
１組のセンサを複数組設けなくてもよい。さらに、セン
サの構成が簡略化されることにより、センサの駆動調整
が容易になるので、測距動作時におけるセンサの安定性
が増し、測距精度が向上する。この発明により、近位か
ら遠位の広範囲な測距が１台の測距センサで可能にな
り、機器に設置するときの設置エリアの縮小および複数
必要であったセンサ制御回路を簡略化できるとともに価
格の低減が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による複数の発光素子を有する測距セ
ンサの基本構造を示す光学系の模式図である。

【図２】この発明による複数の受光素子を有する測距セ
ンサの基本構造を示す光学系の模式図である。

【図３】従来の測距センサの基本構造を示す光学系の模
式図である。

【符号の説明】

１１ 発光素子 １２ 発光素子 １３ 受光素子 ２１ 発光素子 ２２ 受光素子 ２３ 受光素子 １３a 入射面 ２２a 入射面 ２３a 入射面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F112 AA06 AA07 BA01 BA03 BA06 BA09 CA12 DA02 DA32 FA12 FA45 FA50 2H011 BA14 BB01 BB02 BB04 2H051 BB20 BB24 BB25 CB23 CB29 CC01 CC02 CC06 CC09

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測距対象物に対して投光される少なくと
   も２つの発光素子と、測距対象物で反射した反射光を受
   光する１つの受光素子とを有し、これらの発光素子と受
   光素子は、それぞれが同一の基線長軸上に並列され、か
   つ発光素子の１つはその発光が近位側の測距対象物に反
   射して受光素子に受光され得る位置に配置され、他の発
   光素子はその発光が遠位側の測距対象物に反射して受光
   素子に受光され得る位置に配置され、それによって、少
   なくとも２つの測距可能距離を有する測距センサ。
2. 【請求項２】 測距可能距離のそれぞれが、それぞれの
   発光素子と受光素子との各距離に比例して設定される請
   求項１に記載の測距センサ。
3. 【請求項３】 複数の発光素子が、交互に発光される請
   求項１に記載の測距センサ。
4. 【請求項４】 受光素子で受光された光がいずれの発光
   素子から投光された光の反射光であるかを判別する制御
   部をさらに備えた請求項１に記載の測距センサ。
5. 【請求項５】 測距対象物に対して投光される１つの発
   光素子と、測距対象物で反射した反射光を受光する少な
   くとも２つの受光素子とを有し、これらの発光素子と受
   光素子は、それぞれが同一の基線長軸上に並列され、か
   つ受光素子の１つは発光素子から投光され近位側の測距
   対象物で反射した光を受光し得る位置に配置され、他の
   受光素子は発光素子から投光され遠位側の測距対象物で
   反射した光を受光し得る位置に配置され、それによっ
   て、少なくとも２つの測距可能距離を有する測距セン
   サ。
6. 【請求項６】 測距可能距離のそれぞれが、発光素子と
   それぞれの受光素子との各距離に比例して設定される請
   求項５に記載の測距センサ。
7. 【請求項７】 各受光素子の受光信号を同時に検出し、
   これらに基づいて測距情報を生成する信号処理回路をさ
   らに備えた請求項５に記載の測距センサ。
8. 【請求項８】 発光素子が、レーザーダイオードである
   請求項１または５に記載の測距センサ。
9. 【請求項９】 受光素子が、その受光面に入射した光の
   位置に基づいて対象物までの距離を検出する半導***置
   検出素子である請求項１または５に記載の測距センサ。