JP2020071098A - センサ装置及び検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物の反射率によらずに対象物を精度良く検出することのできるセンサ装置及び検出方法を提供する。【解決手段】センサ装置１００は、対象物ＴＡに向けて発信信号を発信する発光部１０と、発信信号の反射信号を受信して２値化信号ＲＴを生成する受光部２０と、２値化信号ＲＴの時間変化を示す波形データを生成し、複数の該波形データを積算して積算波形データを生成するＴＤＣディレイライン計測部３３及び波形積算部３４と、積算波形データとＨｉｇｈしきい値ＨＴｈ及びＬｏｗしきい値ＬＴｈとのそれぞれの交点からＮｅａｒ側距離値ＣＤｎ及びＦａｒ側距離値ＣＤｆを算出する段数算出部３７及び距離換算部３８と、Ｎｅａｒ側距離値ＣＤｎ及びＦａｒ側距離値ＣＤｆから算出される距離値と所定の距離しきい値とに基づいて、対象物ＴＡの有無を判定する判定部５１と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、センサ装置及び検出方法に関する。

従来、光電センサとして、検出光を繰り返し生成する発光素子と、検出光の反射光を受光する受光素子と、受光信号を二値化する二値化処理部と、二値化受光信号の時間変化を示す波形データを検出する波形検出部と、発光素子の発光タイミングを一致させて２以上の波形データを積算し、積算波形データを生成する波形積算部と、積算波形データに基づいて、ワークの有無を判別するワーク判別部とを備えるものが知られている（特許文献１参照）。この光電センサは、回路規模を抑制しつつ、反射光を高速でサンプリングし、ワークを検出することができる。

特開２０１５−７５４５３号公報

特許文献１の光電センサは、発信信号の発信のタイミングから反射信号を受信するまでの時間を計測することで、対象物までの距離を求め、対象物が所望の設定距離にあるか否かを判定している。

設定距離に対し、対象物を検出していない状態から対象物ありと判定するオン点しきい値と、対象物を検出している状態から対象物を検出なしと判定するオフ点しきい値との差を表すヒステリシス幅が設定されることがある。例えば、設定距離１０００ｍｍに対し、オン点しきい値が１０００ｍｍ、オフ点しきい値が９９０ｍｍ、ヒステリシス幅が１０ｍｍに、それぞれ設定される。

受信信号を二値化し、二値化信号を複数回分積算した積算信号に基づいて、対象物までの距離を求める場合、積算信号に対して積算しきい値を設定し、積算信号が当該積算しきい値を超えたときの時間から距離を計測していた。

しかしながら、対象物の反射率が低い場合、計測される距離のばらつきが大きい為、ヒステリシス幅を広く設定する必要がある。一方、対象物の反射率が高い場合、計測される距離のばらつきは小さい。よって、反射率の低い対象物のためのヒステリシス幅を用いると、ヒステリシス幅が広く設定されているため、計測された距離がオン点しきい値又はオフ点しきい値を越えにくくなる。このため、対象物の検出精度は対象物の反射率に依存していた。

そこで、本発明は、対象物の反射率によらずに対象物を精度良く検出することのできるセンサ装置及び検出方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るセンサ装置は、対象物に向けて発信信号を発信する発信部と、発信信号の反射信号を受信して２値化信号を生成する受信部と、２値化信号の時間変化を示す波形データを生成し、複数の該波形データを積算して積算波形データを生成する積算部と、積算波形データと第１積算しきい値及び第２積算しきい値とのそれぞれの交点から第１距離値及び第２距離値を算出する距離算出部と、第１距離値及び第２距離値から算出される距離値と所定の距離しきい値とに基づいて、対象物の有無を判定する判定部と、を備える。

この態様によれば、積算波形データと第１積算しきい値及び第２積算しきい値とのそれぞれの交点から第１距離値及び第２距離値が算出され、第１距離値及び第２距離値から算出される距離値と所定の距離しきい値とに基づいて、対象物の有無が判定される。ここで、対象物が高反射率の場合、積算波形データの傾きは急なので、第１積算しきい値と第２積算しきい値との差が一定であっても、第１距離値と第２距離値との間の幅は相対的に狭くなる。一方、対象物が低反射率の場合、積算波形データの傾きは緩やかなので、第１積算しきい値と第２積算しきい値との差が一定であっても、第１距離値と第２距離値との間の幅は相対的に広くなる。よって、積算波形データと第１積算しきい値及び第２積算しきい値とのそれぞれの交点から第１距離値及び第２距離値を算出することにより、反射率に応じて第１距離値と第２距離値との間の幅を変化させることができる。従って、第１距離値及び第２距離値から算出される距離値と所定の距離しきい値とに基づいて対象物の有無を判定することにより、対象物の反射率によらずに対象物を精度良く検出することができる。

前述した態様において、判定部は、直前の判定結果が対象物有りのとき、第１距離値及び第２距離値の差の絶対値に基づくヒステリシス値と距離値と所定の距離しきい値とに基づいて、対象物の有無を判定する。

この態様によれば、直前の判定結果が対象物有りのとき、第１距離値及び第２距離値の差の絶対値に基づくヒステリシス値と距離値と所定の距離しきい値とに基づいて、対象物の有無が判定される。これにより、例えば、第１距離値及び第２距離から算出される距離値と、所定の距離しきい値及びヒステリシス値の和とを比較することで、ヒステリシス値分だけ判定に幅（マージン）を持たせることができ、対象物有りと判定された後の判定において、第１距離値及び第２距離値から算出される距離値の変化に敏感に反応することを防ぐことができる。

前述した態様において、距離算出部は、積算波形データにおいて第１積算しきい値及び第２積算しきい値とのそれぞれの交点の直前のデータ及び直後のデータを用いてサブピクセル処理を行うことによって、第１距離値及び第２距離値を算出してもよい。

この態様によれば、積算波形データにおいて第１積算しきい値及び第２積算しきい値とのそれぞれの交点の直前のデータ及び直後のデータを用いてサブピクセル処理を行うことによって、第１距離値及び第２距離値が算出される。これにより、例えば遅延素子の１段分以上の分解能で距離に算出することが可能となる。従って、対象物周辺までの距離の計測精度を向上させることができる。

前述した態様において、積算部は、２値化信号を所定の周期でサンプリングして第１波形性データを生成し、発信信号の複数回の発信について第１波形性データを積算して第１積算波形データを生成する第１積算部と、対象物の存在によって第１積算波形データに現れる特徴点の位置に基づく基準タイミングを決定し、該基準タイミングに基づいてストップ信号を生成するタイミング決定部と、それぞれ直列に接続される複数の遅延素子を含み、各遅延素子がストップ信号に応じて２値化信号を取り込むことで第２波形データを生成し、該第２波形データを所定周期で複数回積算することで第２積算波形データを生成する遅延回路部を含む第２積算部と、を備え、距離算出部は、第２積算波形データと第１積算しきい値及び前記第２積算しきい値とのそれぞれの交点から第１距離値及び前記第２距離値を算出してもよい。

この態様によれば、対象物の存在によって第１積算波形データに現れる特徴点の位置に基づく基準タイミングが決定され、該基準タイミングに基づいてストップ信号が生成され、各遅延素子がストップ信号に応じて２値化信号を取り込むことで第２波形データが生成され、該第２波形データを所定周期で複数回積算することで第２積算波形データが生成される。このように、対象物の存在によって現れる特徴点に基づく計測ポイント周辺で信号を生成することにより、対象物周辺までの時間を高精度に計測することができる。これにより、回路規模を大きくせずに対象物周辺までの距離の計測精度を向上させることが可能となるとともに、検出可能距離のレンジを拡大させることが可能となる。

前述した態様において、第２積算部は、それぞれ並列に接続された複数の遅延回路部を含み、各遅延回路部が生成する第２積算波形データを積算してもよい。

この態様によれば、各遅延回路部が生成する第２積算波形データを積算する。これにより、遅延回路部が単列の場合と比較して、同じ時間でのサンプリング回数を増やすことができる。従って、センサ装置は高速出力に対応することができる。

前述した態様において、第１積算部は、ナノ秒オーダーの分解能を有し、遅延回路部は、ピコ秒オーダーの分解能を有してもよい。

この態様によれば、第１積算部は、ナノ秒オーダーの分解能を有し、遅延回路部は、ピコ秒オーダーの分解能を有する。これにより、対象物周辺までの距離の計測精度を向上させることができる。

本発明の他の態様に係る検出方法は、対象物を検出する検出方法であって、対象物に向けて発信信号を発信する発信ステップと、発信信号の反射信号を受信して２値化信号を生成する受信ステップと、２値化信号の時間変化を示す波形データを生成し、複数の該波形データを積算して積算波形データを生成する積算ステップと、積算波形データと第１積算しきい値及び第２積算しきい値とのそれぞれの交点から第１距離値及び第２距離値を算出する距離算出ステップと、第１距離値及び第２距離値から算出される距離値と所定の距離しきい値とに基づいて、対象物の有無を判定する判定ステップと、を含む。

この態様によれば、積算波形データと第１積算しきい値及び第２積算しきい値とのそれぞれの交点から第１距離値及び第２距離値が算出され、第１距離値及び第２距離値から算出される距離値と所定の距離しきい値とに基づいて、対象物の有無が判定される。ここで、対象物が高反射率の場合、積算波形データの傾きは急なので、第１積算しきい値と第２積算しきい値との差が一定であっても、第１距離値と第２距離値との間の幅は相対的に狭くなる。一方、対象物が低反射率の場合、積算波形データの傾きは緩やかなので、第１積算しきい値と第２積算しきい値との差が一定であっても、第１距離値と第２距離値との間の幅は相対的に広くなる。よって、積算波形データと第１積算しきい値及び第２積算しきい値とのそれぞれの交点から第１距離値及び第２距離値を算出することにより、反射率に応じて第１距離値と第２距離値との間の幅を変化させることができる。従って、第１距離値及び第２距離値から算出される距離値と所定の距離しきい値とに基づいて対象物の有無を判定することにより、対象物の反射率によらずに対象物を精度良く検出することができる。

前述した態様において、判定ステップは、直前の判定結果が対象物有りのとき、第１距離値及び第２距離値の差の絶対値に基づくヒステリシス値と距離値と所定の距離しきい値とに基づいて、対象物の有無を判定することを含む。

この態様によれば、直前の判定結果が対象物有りのとき、第１距離値及び第２距離値の差の絶対値に基づくヒステリシス値と距離値と所定の距離しきい値とに基づいて、対象物の有無が判定される。これにより、例えば、第１距離値及び第２距離値から算出される距離値と、所定の距離しきい値及びヒステリシス値の和とを比較することで、ヒステリシス値分だけ判定に幅（マージン）を持たせることができ、対象物有りと判定された後の判定において、第１距離値及び第２距離値から算出される距離値の変化に敏感に反応することを防ぐことができる。

前述した態様において、距離算出ステップは、積算波形データにおいて第１積算しきい値及び第２積算しきい値とのそれぞれの交点の直前のデータ及び直後のデータを用いてサブピクセル処理を行うことによって、第１距離値及び第２距離値を算出することを含んでもよい。

この態様によれば、積算波形データにおいて第１積算しきい値及び第２積算しきい値とのそれぞれの交点の直前のデータ及び直後のデータを用いてサブピクセル処理を行うことによって、第１距離値及び第２距離値が算出される。これにより、例えば遅延素子の１段分以上の分解能で距離に算出することが可能となる。従って、対象物周辺までの距離の計測精度を向上させることができる。

前述した態様において、積算ステップは、２値化信号を所定の周期でサンプリングして第１波形性データを生成し、発信信号の複数回の発信について前記第１波形性データを積算して第１積算波形データを生成する第１積算ステップと、対象物の存在によって前記第１積算波形データに現れる特徴点の位置に基づく基準タイミングを決定し、該基準タイミングに基づいてストップ信号を生成するタイミング決定ステップと、それぞれ直列に接続される複数の遅延素子を含む遅延回路部において、各遅延素子がストップ信号に応じて前記２値化信号を取り込むことで第２波形データを生成し、該第２波形データを所定周期で複数回積算することで第２積算波形データを生成する第２積算ステップと、を含み、距離算出ステップは、第２積算波形データと第１積算しきい値及び第２積算しきい値とのそれぞれの交点から第１距離値及び第２距離値を算出することを含んでもよい。

この態様によれば、対象物の存在によって第１積算波形データに現れる特徴点の位置に基づく基準タイミングが決定され、該基準タイミングに基づいてストップ信号が生成され、各遅延素子がストップ信号に応じて２値化信号を取り込むことで第２波形データが生成され、該第２波形データを所定周期で複数回積算することで第２積算波形データが生成される。このように、対象物の存在によって現れる特徴点に基づく計測ポイント周辺で信号を生成することにより、対象物周辺までの時間を高精度に計測することができる。これにより、回路規模を大きくせずに対象物周辺までの距離の計測精度を向上させることが可能となるとともに、検出可能距離のレンジを拡大させることが可能となる。

前述した態様において、第２積算ステップは、それぞれ並列に接続された複数の遅延回路部において、各遅延回路部が生成する第２積算波形データを積算することを含んでもよい。

この態様によれば、各遅延回路部が生成する第２積算波形データを積算する。これにより、遅延回路部が単列の場合と比較して、同じ時間でのサンプリング回数を増やすことができる。従って、センサ装置は高速出力に対応することができる。

前述した態様において、第１積算ステップは、ナノ秒オーダーの分解能を有し、遅延回路部は、ピコ秒オーダーの分解能を有してもよい。

この態様によれば、第１積算部は、ナノ秒オーダーの分解能を有し、遅延回路部は、ピコ秒オーダーの分解能を有する。これにより、対象物周辺までの距離の計測精度を向上させることができる。

本発明によれば、対象物の反射率によらずに対象物を精度良く検出することのできるセンサ装置及び検出方法を提供することができる。

図１は、一実施形態に係るセンサ装置の構成を例示するブロック図である。 図２は、図１に示したセンサ装置の検出原理を例示する模式図である。 図３は、図１に示したＴＤＣディレイライン計測部及びその周辺の構成を例示するブロック図である。 図４は、図１に示したカウンタ計測部の構成を例示するブロック図である。 図５は、図１に示したカウンタ計測部及びその周辺の動作を例示するタイミング図である。 図６は、図１に示したカウンタ計測部のラフ計測の動作を例示するタイミング図である。 図７は、図１に示したＴＤＣディレイライン計測部及びその周辺の動作の概要を例示するタイミング図である。 図８は、対象物の反射率が相対的に低いときに図１に示したフィルタ処理部及びその周辺での処理結果を例示する波形図である。 図９は、対象物の反射率が相対的に高いときに図１に示したフィルタ処理部及びその周辺での処理結果を例示する波形図である。 図１０は、対象物の反射率が相対的に高いときに図１に示した段数算出部及びその周辺での処理結果を例示する波形図である。 図１１は、図１０に示した積算信号とＨｉｇｈしきい値との交点の近傍を例示する部分拡大図である。 図１２は、一実施形態に係るセンサ装置の概略動作を例示するフローチャートである。 図１３は、図１２に示した判定処理を例示するフローチャートである。

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。

まず、図１から図４を参照しつつ、本実施形態に係るセンサ装置の構成の一例について説明する。図１は、一実施形態に係るセンサ装置１００の構成を例示するブロック図である。図２は、図１に示したセンサ装置１００の検出原理を例示する模式図である。図３は、図１に示したＴＤＣディレイライン計測部３３及びその周辺の構成を例示するブロック図である。図４は、図１に示したカウンタ計測部３２の構成を例示するブロック図である。

図１に示すように、センサ装置１００は、発光部１０と、受光部２０と、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）３０と、ＣＬＫ４５と、制御部５０と、表示部６０と、操作部７０と、を備える。センサ装置１００は、例えば光電センサであり、対象物を検出するためのものである。

図２に示すように、センサ装置１００は、対象物ＴＡに向けて検出光を発光する。対象物ＴＡによって反射された検出光は、センサ装置１００に戻り、受光される。センサ装置１００は、受光した検出光をセンサ装置１００内で信号処理することにより、投光から受光までの時間に基づいて、対象物ＴＡとの距離を精密に計測することが可能である。その結果、センサ装置１００から所定の距離（位置）にある対象物ＴＡを検出することができる。なお、図２に示す例の他に、例えば、工場のライン上を流れる対象物ＴＡを上方から検出する態様も考えられる。また、センサ装置１００から対象物ＴＡに向けて出力されるのは、光の他に、電磁波や音波等も考えられる。

図１の説明に戻り、発光部１０は、対象物ＴＡに向けて検出光を発光するように構成されている。発光部１０は、投光素子１１と、投光回路１５と、を含む。投光素子１１は、図２に示した対象物ＴＡに向けて検出光を繰り返し出射する。以下では、検出光が周期的に出射される例について説明するが、ランダムに出射されてもよい。投光素子１１は、例えばＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）を含んで構成され、検出光は、例えばパルス光である。投光回路１５には、ＦＰＧＡ３０から投光素子１１のパルス制御信号Ｐ１及びパワー制御信号Ｐ２が入力され、投光回路１５は、パルス制御信号Ｐ１及びパワー制御信号Ｐ２に基づいて、投光素子１１から出射される検出光を制御する。

受光部２０は、検出光の反射光を受信して２値化信号ＲＴを生成するように構成されている。受光部２０は、受光素子２１と、受光回路２５と、を含む。受光素子２１は、図２に示す対象物ＴＡから反射される検出光を受光して受光信号を出力する。受光素子２１は、例えばＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）を含んで構成される。受光回路２５は、受光素子２１から入力される受光信号の受光量を、所定のしきい値と比較して２値化し、２値化信号ＲＴを生成する。受光回路２５は、生成した２値化信号ＲＴを出力する。

ＦＰＧＡ３０は、投光発振器３１と、カウンタ計測部３２と、ＴＤＣ（Ｔｉｍｅ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）ディレイライン計測部３３と、波形積算部３４と、傾き算出部３５と、段数算出部３７と、距離換算部３８と、レジスタ３９と、投光素子温度制御部４０と、インターフェース部４１と、クロック生成部４６と、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）４７とを含む。ＦＰＧＡ３０は、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等の集積回路でも代替可能である。

ＣＬＫ４５は、例えば２０ＭＨｚの発振信号をクロック生成部４６に出力する。クロック生成部４６には発振信号が入力され、クロック生成部４６は、当該発信信号に基づいて基準クロックを生成し、出力する。ＰＬＬ４７には基準クロックが入力され、ＰＬＬ４７は、基準クロックに基づいて、所望の周波数に位相同期されたクロック信号Ｃｋを生成し、出力する。クロック信号Ｃｋは、ＦＰＧＡ３０の各構成要素に供給される。

投光発振器３１には投光素子温度制御部４０から出力信号が入力される。投光発振器３１は、当該出力信号に基づいて、パルス制御信号Ｐ１及びパワー制御信号Ｐ２を生成し、前述した投光回路１５に出力する。投光素子温度制御部４０は、投光素子１１の温度情報をもとに、発光部１０から発せられる検出光の投光パワーを制御するためのものである。また、投光発振器３１は、カウンタ計測部３２でのカウントを開始させるスタート信号Ｓｔｒを、パルス制御信号Ｐ１と同期してカウンタ計測部３２に出力する。

カウンタ計測部３２には２値化信号ＲＴ及びスタート信号Ｓｔが入力される。カウンタ計測部３２は、２値化信号ＲＴの特徴点に対応してストップ信号Ｓｔｐを生成し、生成したストップ信号Ｓｔｐを出力する。カウンタ計測部３２の詳細については、後述する。

ＴＤＣディレイライン計測部３３には２値化信号ＲＴ及びストップ信号Ｓｔｐが入力される。ＴＤＣディレイライン計測部３３は、ディレイライン出力信号Ｄ１〜Ｄ４を生成し、生成したディレイライン出力信号Ｄ１〜Ｄ４を波形積算部３４に出力する。ＴＤＣディレイライン計測部３３は、スタートパルスから遅れて到達するストップパルスの時刻を測定するＴＤＣ、すなわち、ディレイラインを用いたシングルヒット型のＴＤＣとは異なる。

波形積算部３４は、ＴＤＣディレイライン計測部３３から入力されるディレイライン出力信号Ｄ１〜Ｄ４を複数回積算し、積算信号Ｄｔを生成する。波形積算部３４は、生成した積算信号Ｄｔを傾き算出部３５及び段数算出部３７に出力する。

傾き算出部３５は、波形積算部３４から入力される積算信号Ｄｔについて傾きを算出する。例えば、傾き算出部３５は、積算信号Ｄｔの振幅、つまり、積算数に対する所定の傾き用Ｈｉｇｈしきい値と積算信号Ｄｔとの交点からＨｉｇｈ値を求める。同様に、傾き算出部３５は、積算信号Ｄｔの積算数に対する所定の傾き用Ｌｏｗしきい値と積算信号Ｄｔとの交点からＬｏｗ値を求める。そして、傾き算出部３５が算出する傾きαは、これらの値を用いて以下の式（１）のように表される。
傾きα＝（傾き用Ｈｉｇｈしきい値−傾き用Ｌｏｗしきい値）／（Ｈｉｇｈ値−Ｌｏｗ値） …（１）

傾き算出部３５は、算出した傾きをインターフェース部４１を介してレジスタ３９に出力する。

段数算出部３７は、波形積算部３４から入力される積算信号Ｄｔに基づいて、ＴＤＣディレイライン計測部３３に含まれる遅延回路の段数を算出する。ＴＤＣディレイライン計測部３３の遅延回路については後述する。段数算出部３７は、算出した遅延回路の段数を距離換算部３８に出力する。

距離換算部３８は、段数算出部３７から入力される遅延回路の段数をセンサ装置１００からの距離に換算し、換算した距離を出力する。

レジスタ３９には、傾き算出部３５の傾き及び距離換算部３８の換算された距離が入力され、レジスタ３９はこれらを記憶する。

インターフェース部４１は、レジスタ３９に記憶された傾き算出部３５の傾き及び距離換算部３８の出力結果を計測信号Ｔ１として制御部５０に出力する。

制御部５０は、表示部６０及び操作部７０を制御するように構成されている。制御部５０は、インターフェース部４１から入力される計測信号Ｔ１に基づいて、例えば積算信号Ｄｔの傾きから受光量を求め、求めた受光量を表示部６０に出力する。また、制御部５０は、利用者（ユーザ）が操作部７０を操作することによって入力された情報に対応して設定データＴ２を生成し、生成した設定データＴ２をインターフェース部４１に出力する。制御部５０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等のマイクロプロセッサ、ＲＯＭ(Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ)、ＲＡＭ(Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ)等のメモリ、及びバッファ等の緩衝記憶装置を含んで構成される。

また、制御部５０は、その機能構成として判定部５１を含む。判定部５１は、インターフェース部４１から入力される計測信号Ｔ１に含まれる距離換算部３８の出力結果に基づいて、図２に示す対象物ＴＡが所定の距離に存在するか否か、つまり、対象物ＴＡの有無を判定する。制御部５０は、判定結果を表示部６０に出力する。

表示部６０は、情報を出力するためのものである。表示部６０は、制御部５０から入力される受光量を表示する。また、表示部６０は、制御部５０から入力される判定結果に基づいて、対象物ＴＡの有無を表示する。表示部６０は、例えば、ランプやＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の表示灯と、有機ＥＬディスプレイ（ＯＬＥＤ：Ｏｒｇａｎｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｄｉｓｐｌａｙ）等のディスプレイとを含んで構成される。

操作部７０は、情報を入力するためのものである。操作部７０は、利用者（ユーザ）の操作に対応した信号を制御部５０に出力する。操作部７０は、例えば複数のボタンを含んで構成される。

図３に示すように、カウンタ計測部３２は、スタート信号Ｓｔに応答して２値化信号ＲＴのカウントを開始する。２値化信号ＲＴのカウントは、ＰＬＬ４７から入力されるクロック信号Ｃｋに基づいて行われる。また、カウンタ計測部３２は、２値化信号ＲＴの特徴点に対応するストップ信号Ｓｔｐ１，Ｓｔｐ２，Ｓｔｐ３，Ｓｔｐ４（以下、総称して「ストップ信号Ｓｔｐ」ともいう）を生成し、ＴＤＣディレイライン計測部３３に出力する。

ＴＤＣディレイライン計測部３３は、第１のＴＤＣディレイライン３０１と、第２のＴＤＣディレイライン３０２と、第３のＴＤＣディレイライン３０３と、第４のＴＤＣディレイライン３０４と、バッファ３１５とを含む。なお、図３では、ＴＤＣディレイライン計測部３３が４つのＴＤＣディレイラインで構成される例を示したが、これに限定されるものではない。ＴＤＣディレイライン計測部３３は、論理容量の規模に応じて、ＴＤＣディレイラインを増減させてもよい。

第１のＴＤＣディレイライン３０１は、遅延素子６−１，６−２，６−３，…，６−ｎ（ｎは正の整数）（以下、総称して「遅延素子６」ともいう）と、フリップフロップ回路７−１，７−２，７−３，…，７−ｎ（以下、総称して「フリップフロップ回路７」ともいう）とを含む。遅延素子６は、例えばインバータ、つまり、ＮＯＴゲートを含んで構成される。フリップフロップ回路７は、例えばＤフリップフロップを含んで構成され、Ｄフリップフロップはラッチ回路等でも代替し得る。遅延素子６は、ＬＥ（Ｌｏｇｉｃ Ｅｌｅｍｅｎｔ）の高速演算用のキャリーによる桁上がりを利用して遅延を発生させている。これにより、ＦＰＧＡ３０において、ピコ秒オーダーの分解能を有する遅延素子６を実現している。また、ＦＰＧＡ３０における遅延素子６は、Ｄフリップフロップのクロック入力とＱ入力との間の遅延を利用して実現することもできる。この場合、ナノ秒オーダーの安定した遅延時間を得ることができる。

遅延素子６−１は、入力される２値化信号ＲＴを一定時間遅延させた後、それを遅延素子６−２およびフリップフロップ回路７−１に出力する。フリップフロップ回路７−１は、ストップ信号Ｓｔｐ１が入力されるタイミングで、遅延素子６−１からの入力を出力する。遅延素子６−２は、遅延素子６−１からの入力を一定時間遅延させた後、それを遅延素子６−３及びフリップフロップ回路７−２に入力する。フリップフロップ回路７−２は、ストップ信号Ｓｔｐ１が入力されるタイミングで、遅延素子６−２からの入力を出力する。以下、遅延素子６−３以降及びフリップフロップ回路７−３以降についても同様であるため、その説明を省略する。

第１のＴＤＣディレイライン３０１は、フリップフロップ回路７−１，７−２，７−３ ，…から同期して出力される遅延信号Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，…，Ｑｎ（以下、総称して「遅延信号Ｑ」ともいう）を結合し、ディレイライン出力信号Ｄ１ｊ（ｊ＝１からｍの整数、ｍは正の整数）を出力する。ディレイライン出力信号Ｄ１ｊは、遅延素子６−１，６−２，６−３，…，６−ｎの各遅延時間の合計に相当する時間長を有する２値化信号ＲＴの波形データとなる。

ディレイライン出力信号Ｄ１ｊがバッファ３１５に出力された後、第１のＴＤＣディレイライン３０１はいったんリセットされる。その後、次の２値化信号ＲＴからディレイライン出力信号Ｄ１ｊが再び作成される。ディレイライン出力信号Ｄ１ｊは、所定の積算回数、例えばｍ回になるまで（ｊ＝ｍ）作成され、それぞれ、バッファ３１５に蓄積される。バッファ３１５は、ディレイライン出力信号Ｄ１ｊがｍ回積算されたディレイライン出力信号Ｄ１を出力する。これは、ＴＤＣディレイライン３０２〜３０４のディレイライン出力信号Ｄ２〜Ｄ４についても同様であるため、その説明を省略する。また、ＴＤＣディレイライン３０２〜３０４の回路構成は、ＴＤＣディレイライン３０１と同様であるため、図示及びその説明を省略する。ＴＤＣディレイライン３０１〜３０４は、それぞれ、ＰＬＬ４７から入ロされるクロック信号Ｃｋによって駆動される。

ＴＤＣディレイライン３０１〜３０４に含まれる遅延素子６の遅延幅は、周囲の温度によって変化する。そのため、当該遅延幅に基づいて、センサ装置１００から対象物ＴＡまでの距離を算出すると、算出された距離は温度に応じて変動する。このような温度による遅延段数の変動を補正するために、ＴＤＣディレイライン計測部３３は、温度補正用のＴＤＣディレイラインをさらに含んでもよい。この場合、温度補正用のＴＤＣディレイラインは、温度に応じた遅延段数を示す信号を、例えば前述した距離換算部３８に出力し、距離換算部３８は、当該信号を用いて段数算出部３７から入力される遅延回路の段数を温度補正する。そして、距離換算部３８は、温度補正した遅延回路の段数を距離に換算する。これにより、周囲の温度による計測結果の変動（ばらつき）を補正することができる。

図４に示すように、カウンタ計測部３２は、２値化信号取込部３２１と、信号蓄積部３２２と、ストップ信号決定部３２３と、ストップタイミング管理部３２４と、を含む。２値化信号取込部３２１は、スタート信号Ｓｔｒのタイミングに基づいて、２値化信号ＲＴを取り込む。信号蓄積部３２２は、当該取り込まれた２値化信号ＲＴを蓄積する。信号蓄積部３２２には、後述するクロックベースによるラフ計測において、計測周期ｎ回分の計測結果が積算される。ストップ信号決定部３２３は、２値化信号ＲＴを蓄積する信号蓄積部３２２に、クロック信号に基づくサンプリング信号Ｓｍｐを出力する。

ストップ信号決定部３２３は、判定しきい値と最初に交差する２値化信号ＲＴの積算値の立ち上がり時点を計測ポイントに認定し、この時点でストップ信号ＳｔｐＮを出力する。なお、計測ポイントは、立ち上がり時点には限定されず、立ち下がり時点、その他の特徴点であってもよい。ストップタイミング管理部３２４は、ストップ信号ＳｔｐＮを受けて、スタート信号Ｓｔｒのタイミングに基づいて、クロック周期の所定回ごと、例えば１２８回ごとに、ＴＤＣディレイライン３０１〜３０４にストップ信号Ｓｔｐ１，Ｓｔｐ２，Ｓｔｐ３，Ｓｔｐ４をそれぞれ同時に出力する。ストップタイミング管理部３２４は、ストップ信号Ｓｔｐ１，Ｓｔｐ２，Ｓｔｐ３，Ｓｔｐ４を出力する配線長の違いによる時間差分を補正するためのレジスタを含んで構成される。当該レジスタを用いることにより、配線長による時間計測値の変動（ばらつき）を抑えることができる。

次に、図５を参照しつつ、本実施形態に係るカウンタ計測部及びその周辺の動作の一例について説明する。図５は、図１に示したカウンタ計測部３２及びその周辺の動作を例示するタイミング図である。

センサ装置１００は、まず、クロック信号を使用したカウンタ方式によって、センサ装置１００の計測レンジの全範囲にわたり、発光開始から経過した時間をラフ計測する。当該ラフ計測は、ナノ秒オーダーの分解能で行なわれる。その後、ラフ計測で推定した計測ポイントの周辺を、ＴＤＣディレイライン方式によってファイン計測する。具体的には、ラフ計測で探索した計測ポイント周辺でファイン計測のストップ信号を出力することで、対象物ＴＡ周辺の時間を高精度に計測することができる。当該ファイン計測は、ピコ秒オーダーの分解能で行なわれる。

＜ラフ計測＞
図５に示すように、まず、投光素子１１がパルス幅Ｐｔの投光パルスＰＰ１を出射する。投光パルスＰＰ１を出射した後の一定期間Ｍｔが、投光パルスＰＰ１の計測区間Ｍ１となる。カウンタ計測部３２は、計測区間Ｍ１の間、クロック信号に基づくサンプリング信号Ｓｍｐで２値化信号ＲＴの２値化情報をサンプリングする。当該２値化情報は、クロック信号に基づいてサンプリングされるため、時間情報と紐付いている。２値化信号ＲＴは、例えば受光素子２１からの信号をＬＶＤＳ（Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｉｇｎａｌｉｎｇ）方式で入力したものである。２値化信号ＲＴの部分波形ＲＴｐは、投光パルスＰＰ１に対応した反射波を示している。

カウンタ積算信号Ｃｎは、サンプリング信号Ｓｍｐで２値化信号ＲＴの２値化情報を所定の積算回数（ｎ回）になるまで計測し、ｎ回分の２値化情報をクロックごとに積算したものである。カウンタ計測部３２は、判定しきい値Ｔｈと最初に交差するカウンタ積算信号Ｃｎの立ち上がり時点を計測ポイントに認定し、この時点でストップ信号を出力する。但し、この計測ポイントの認定は一例であって、立ち上がり時点に代えて立ち下がり時点等の他の特徴点で認定してもよい。ラフ計測では、時系列において古い波形から新しい波形を探索し、２値化信号ＲＴの特徴点を見つけ出す。なお、ラフ計測において、時系列において新しい波形から古い波形を探索し、２値化信号ＲＴの特徴点を見つけ出すことも可能である。

＜ファイン計測＞
ＴＤＣディレイライン計測部３３は、ラフ計測で得られた前述のストップ信号に基づいて、当該ストップ信号の直前の時間をファイン計測する。ＴＤＣディレイライン３０１，３０２，３０３，３０４は、ディレイライン計測ＤＬにおいて、ストップ信号Ｓｔｐ１，Ｓｔｐ２，Ｓｔｐ３，Ｓｔｐ４を受けて計測ポイント周辺でファイン計測を行なう。ラフ計測で探索した計測ポイント周辺でファイン計測のストップタイミングをかけることにより、対象物ＴＡ周辺までの時間を高精度に計測することができる。これにより、回路規模を大きくせずに対象物ＴＡ周辺までの距離の計測精度を向上させることが可能となるとともに、検出可能距離のレンジを拡大させることが可能となる。

ファイン計測では、ディレイラインで取得した２値化信号ＲＴの積算結果をフィルタ処理した後、時間的に新しい波形から古い波形を探索する。これにより、できる限り信号レベルの高いポイントで計測ポイントを探索でき、例えば外部光等のノイズの影響を極力抑えることができる。なお、ファイン計測において、時系列において古い波形から新しい波形を探索することも可能である。

また、それぞれ並列に接続された複数のディレイラインで２値化信号ＲＴを取得することにより、ディレイラインが単列の場合と比較して、同じ時間でのサンプリング回数を増やすことができる。従って、センサ装置１００は高速出力に対応することができる。

また、以下の処理を併せて実施することにより、センサ装置１００のセンサ応答の高速化及び計測の安定化が可能である。

初回の計測では、利用者（ユーザ）の操作によるラフ計測及びファイン計測の結果を利用して対象物ＴＡとの距離を計測することができる。これにより、センサ装置１００の出力応答速度を早くすることができる。

工場のライン上を流れる対象物を計測する場合等、対象物がなくなって光量不足のエラーが出た後に、再度対象物が存在する状態になることがある。この場合、前回のラフ計測の結果を用いてファイン計測を行なうことで、センサ装置１００の出力応答速度を早くすることが可能となる。

また、ラフ計測で光量不足となった場合、前回のラフ計測の結果に基づいてファイン計測を実行することができる。また、ラフ計測で光量不足となった場合に、計測エラーとせず、ファイン計測エラーの時のみ計測エラーとすることもできる。

また、ラフ計測又はファイン計測での光量不足を判定する積算波形の振幅基準値は、利用者の操作によって設定される積算波形の振幅に基づいて決定できる。

次に、図６を参照しつつ、本実施形態に係るカウンタ計測部のラフ計測の動作の一例について説明する。図６は、図１に示したカウンタ計測部３２のラフ計測の動作を例示するタイミング図である。

図６に示すように、２値化信号取込部３２１は、スタート信号Ｓｔｒのタイミングに基づいて２値化信号ＲＴを取り込む。２値化信号ＲＴは、図５に示した波形に対応する。２値化信号ＲＴは２値化されており、スタート信号Ｓｔｒのタイミングに合わせて、２値化信号ＲＴ１，ＲＴ２，…，ＲＴ１２８（以下、総称して「２値化信号ＲＴ」ともいう）が２値化信号取込部３２１に順次取り込まれる。カウンタ積算信号Ｃｎは、信号蓄積部３２２に蓄積された２値化信号ＲＴを示し、図５に示した波形に対応する。

ストップ信号決定部３２３は、カウンタ積算信号Ｃｎを蓄積する信号蓄積部３２２に、クロック信号に基づくサンプリング信号Ｓｍｐを出力する。ストップ信号決定部３２３は、判定しきい値Ｔｈと最初に交差するカウンタ積算信号Ｃｎの立ち上がり時点を計測ポイントに認定し、この時点でストップ信号Ｓｔｐを出力する。判定しきい値Ｔｈは、２値化信号ＲＴの計測周期ｎ回、図６に示す例では１２８回、に応じて可変に設定される。判定しきい値Ｔｈは、好ましくは２値化信号ＲＴの計測周期ｎ回の１／２に設定されるが、１／２でなくてもよい。対象物ＴＡがセンサ装置１００から遠い距離に配置されている場合、あるいは対象物ＴＡの反射率が低い場合、判定しきい値Ｔｈは、２値化信号ＲＴの計測周期ｎ回の１／２より大きく設定される。これにより、カウンタ積算信号Ｃｎに表われる２値化信号ＲＴの特徴点をより感度よく検出することができる。

次に、図７を参照しつつ、本実施形態に係るＴＤＣディレイライン計測部及びその周辺の動作の一例について説明する。図７は、図１に示したＴＤＣディレイライン計測部３３及びその周辺の動作の概要を例示するタイミング図である。なお、図７では、カウンタ計測部３２でのカウンタ計測回数とＴＤＣディレイライン計測部３３での積算回数とが同一（図７では１２８だが変更可能）である場合の動作を示す。また、カウンタ計測部３２又はＴＤＣディレイライン計測部３３での応答時間を短くするために、どちらかの回数を短くして計測することも可能である。当該カウンタ計測回数と当該積算回数とが同一でない場合は、カウンタ計測又はディレイライン計測に待ち時間が生じるため、計測効率が下がり得る。

図７に示すように、ＰＬＬ４７からＦＰＧＡ３０の各構成要素に供給されるクロック信号Ｃｋに対応するスタート信号Ｓｔｒは、例えば周期Ｔｃｙｃを有する。カウンタ計測部３２のカウンタ積算信号Ｃｎでは、スタート信号Ｓｔｒのタイミングに基づいて、２値化信号ＲＴを１２８回取り込んで積算する。ストップ信号決定部３２３は、クロック周期が１２８回ごとに判定しきい値Ｔｈと最初に交差する２値化信号ＲＴの積算値の立ち上がり時点を計測ポイントに認定し、この時点でストップ信号Ｓｔｐ１，Ｓｔｐ２，Ｓｔｐ３，Ｓｔｐ４をＴＤＣディレイライン３０１，３０２，３０３，３０４にそれぞれ同時に出力する。

ＴＤＣディレイライン計測部３３での遅延信号群ＤＳでは、第１のＴＤＣディレイライン３０１において、ストップ信号Ｓｔｐ１に同期してディレイライン出力信号Ｄ１ｊが出力される。バッファ３１５は、次のストップ信号Ｓｔｐ２に同期して、ディレイライン出力信号Ｄ１ｊが１２８回積算されたディレイライン出力信号Ｄ１を出力するとともに、第２のＴＤＣディレイライン３０２からディレイライン出力信号Ｄ２ｊが入力される。バッファ３１５は、次のストップ信号Ｓｔｐ３に同期して、ディレイライン出力信号Ｄ２ｊが１２８回積算されたディレイライン出力信号Ｄ２を出力するとともに、第３のＴＤＣディレイライン３０３からディレイライン出力信号Ｄ３ｊが入力される。以下、ＴＤＣディレイライン３０３，３０４からそれぞれ出力されるディレイライン出力信号Ｄ３，Ｄ４も同様であるため、その説明を省略する。

前述したように、クロック周期の回数で決定されたストップタイミングに基づいてＴＤＣディレイライン計測を行なうことで、投光開始から受光計測ポイントまでの時間を得ることができる。図１を用いて説明したように、ディレイライン出力信号Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４は、波形積算部３４で積算され、段数算出部３７、及び距離換算部３８を経て、対象物ＴＡ周辺までの距離が計測される。

次に、図８及び図９を参照しつつ、本実施形態に係るフィルタ処理部３６及びその周辺の動作の一例について説明する。図８は、対象物ＴＡの反射率が相対的に低いときに図１に示した波形積算部３４及びその周辺での処理結果を例示する波形図である。図９は、対象物ＴＡの反射率が相対的に高いときに図１に示した波形積算部３４及びその周辺での処理結果を例示する波形図である。

波形積算部３４が出力する積算信号Ｄｔは、全ディレイライン出力信号Ｄ１〜Ｄ４の積算信号である。積算信号Ｄｔに対して、フィルタ処理、すなわち、移動平均による平滑化を行うようにしてもよい。

ここで、図８及び図９を用いて仮想センサ装置の動作について説明する。仮想センサ装置の構成は、センサ装置１００と同様であるため、図示及びその説明を省略する。仮想センサ装置において、段数算出部は、積算信号Ｄｔと積算しきい値ＩＴｈとの交点から遅延素子の段数を算出する。距離換算部は、当該遅延素子の段数を対象物までの距離に換算する。判定部は、換算した距離ＣＤ１，ＣＤ２とオフ点距離Ｄｏｆｆ及びオン点距離Ｄｏｎとを比較して、対象物の有無を判定する。例えば、対象物を検出していない状態で、換算した距離ＣＤ１，ＣＤ２がオン点距離Ｄｏｎより大きい場合、対象物有り（検出）と判定する。また、例えば、対象物ＴＡを検出している状態で、換算した距離ＣＤ１，ＣＤ２がオフ点距離Ｄｏｆｆより小さい場合、対象物無し（不検出）と判定する。オフ点距離Ｄｏｆｆとオン点距離Ｄｏｎとの間の幅（差）は、ヒステリシス幅Ｗｈｙｓとしてあらかじめ設定されている。

図８に示すように、対象物ＴＡの反射率が低い場合、積算信号Ｄｔは、その傾きが緩やかになり、換算した距離ＣＤ１の変動（ばらつき）は大きくなる傾向にある。そのため、オフ点距離Ｄｏｆｆとオン点距離Ｄｏｎとのヒステリシス幅Ｗｈｙｓは広く設定する必要がある。一方、図９に示すように、対象物ＴＡの反射率が高い場合、積算信号Ｄｔは、その傾きが急になり、換算した距離ＣＤ２の変動（ばらつき）は小さくなる傾向にある。そのため、オフ点距離Ｄｏｆｆとオン点距離Ｄｏｎとのヒステリシス幅Ｗｈｙｓは狭くすることが望ましい。しかしながら、対象物ＴＡの反射率に応じてヒステリシス幅Ｗｈｙｓを設定することは煩雑であり、特に反射率の異なる対象物が混在する工場のラインでは困難である。そして、ヒステリシス幅Ｗｈｙｓを低反射率の対象物ＴＡにあわせて設定すると、図９に示すように、ヒステリシス幅Ｗｈｙｓが広いため、換算した距離ＣＤ２は、オフ点距離Ｄｏｆｆ又はオン点距離Ｄｏｎを超えにくくなる。このため、対象物ＴＡの検出精度は対象物ＴＡの反射率に依存してしまう。

次に、図１０及び図１１を参照しつつ、本実施形態に係る段数算出部及びその周辺の動作の一例について説明する。図１０は、対象物ＴＡの反射率が相対的に高いときに図１に示した段数算出部３７及びその周辺での処理結果を例示する波形図である。図１１は、図１０に示した積算信号ＤｔとＨｉｇｈしきい値ＨＴｈとの交点の近傍を例示する部分拡大図である。

図１０に示すように、センサ装置１００では、積算信号Ｄｔの振幅、すなわち、積算数に対して、Ｈｉｇｈしきい値ＨＴｈ及びＬｏｗしきい値ＬＴｈが設定される。Ｈｉｇｈしきい値ＨＴｈとＬｏｗしきい値ＬＴｈとの間の幅（差）は、積算数幅Ｗｉｎｔとして、所定の値が設定されている。段数算出部３７は、積算信号ＤｔとＨｉｇｈしきい値ＨＴｈ及びＬｏｗしきい値ＬＴｈとのそれぞれの交点から、遅延素子の段数を算出する。距離換算部３８は、各遅延素子の段数をＮｅａｒ側距離値ＣＤｎとＦａｒ側距離値ＣＤｆとに換算する。そして、判定部５１は、換算したＮｅａｒ側距離値ＣＤｎ及びＦａｒ側距離値ＣＤｆから算出される距離値と所定の距離しきい値とに基づいて、対象物ＴＡの有無を判定する。ここで、図１０に示すように、対象物ＴＡが高反射率の場合には、積算信号Ｄｔの傾きは急なので、Ｈｉｇｈしきい値ＨＴｈとＬｏｗしきい値ＬＴｈとの差（積算数幅Ｗｉｎｔ）が一定であっても、Ｎｅａｒ側距離値ＣＤｎとＦａｒ側距離値ＣＤｆとの間の幅は相対的に狭くなる。一方、対象物ＴＡが低反射率の場合には、積算信号Ｄｔの傾きは緩やかなので、Ｈｉｇｈしきい値ＨＴｈとＬｏｗしきい値ＬＴｈとの差（積算数幅Ｗｉｎｔ）が一定であっても、Ｎｅａｒ側距離値ＣＤｎとＦａｒ側距離値ＣＤｆとの間の幅は相対的に広くなる。

このように、積算信号Ｄｔの積算数に対してＨｉｇｈしきい値ＨＴｈ及びＬｏｗしきい値ＬＴｈを設定し、積算信号ＤｔとＨｉｇｈしきい値ＨＴｈ及びＬｏｗしきい値ＬＴｈとのそれぞれの交点から遅延素子の段数を算出し、各遅延素子の段数をＮｅａｒ側距離値ＣＤｎとＦａｒ側距離値ＣＤｆとに換算することにより、反射率に応じてＮｅａｒ側距離値ＣＤｎとＦａｒ側距離値ＣＤｆとの間の幅を変化させることができる。従って、換算したＮｅａｒ側距離値ＣＤｎ及びＦａｒ側距離値ＣＤｆから算出される距離値と所定の距離しきい値とに基づいて対象物ＴＡの有無を判定することにより、対象物ＴＡの反射率によらずに対象物ＴＡを精度良く検出することができる。

本実施形態では、積算信号Ｄｔの積算数に対してＨｉｇｈしきい値ＨＴｈ及びＬｏｗしきい値ＬＴｈを設定し、積算信号ＤｔとＨｉｇｈしきい値ＨＴｈ及びＬｏｗしきい値ＬＴｈとのそれぞれの交点から遅延素子の段数を算出し、各遅延素子の段数をＮｅａｒ側距離値ＣＤｎとＦａｒ側距離値ＣＤｆとに換算する例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、積算信号Ｄｔに代えて、例えば、カウンタ積算信号Ｃｎを用い、カウンタ積算信号Ｃｎの積算数に対してＨｉｇｈしきい値及びＬｏｗしきい値を設定してもよい。この場合、カウンタ積算信号ＣｎとＨｉｇｈしきい値及びＬｏｗしきい値とのそれぞれの交点からサンプリング信号Ｓｍｐのサンプリング番号を算出し、各サンプリング信号Ｓｍｐのサンプリング番号をＮｅａｒ側距離値とＦａｒ側距離値とに換算する。

積算信号ＤｔとＨｉｇｈしきい値ＨＴｈ及びＬｏｗしきい値ＬＴｈとのそれぞれの交点は、サブピクセル処理によって求めることが好ましい。すなわち、図１１に示すように、積算信号Ｄｔは、ミクロの視点では離散的な点（データ）Ｐｋ−２，Ｐｋ−１，Ｐｋ，Ｐｋ＋１の集まりである。段数算出部３７は、積算信号Ｄｔにおいて、Ｈｉｇｈしきい値ＨＴｈとの交点の直前のデータ、図１１の例では点Ｐｋ−１と、Ｈｉｇｈしきい値ＨＴｈとの交点の直後のデータ、図１１の例では点Ｐｋとを用いサブピクセル処理を行い、積算信号ＤｔとＨｉｇｈしきい値ＨＴｈとの交点を求める。そして、段数算出部３７は、求めた交点から遅延素子の段数を算出する。段数算出部３７は、同様に、積算信号ＤｔとＬｏｗしきい値ＬＴｈとの交点もサブピクセル処理によって求め、求めた交点から遅延素子の段数を算出する。これにより、遅延素子の１段分以上の分解能で距離に算出することが可能となる。従って、対象物ＴＡ周辺までの距離の計測精度を向上させることができる。

次に、図１２及び図１３を参照しつつ、本実施形態に係るセンサ装置の動作の一例について説明する。図１２は、一実施形態に係るセンサ装置１００の概略動作を例示するフローチャートである。図１３は、図１２に示した判定処理を例示するフローチャートである。なお、以下において、カウンタ計測部３２でのカウンタ計測とＴＤＣディレイライン計測部３３での積算回数とが同一である場合について説明する。

センサ装置１００は、例えば電源が投入されて起動されると、図１２に示す検出処理Ｓ２００を実行する。なお、以下において、カウンタ計測部３２でのカウンタ計測とＴＤＣディレイライン計測部３３での積算回数とが同一である場合について説明する。

まず、投光素子１１は、対象物ＴＡに向けてパルス光を発光する（Ｓ２０１）。次に、カウンタ計測部３２は、２値化信号ＲＴの２値化情報をサンプリングする（Ｓ２０２）。次に、カウンタ計測部３２は、当該サンプリングがＮ回積算されている否かを判定する（Ｓ２０３）。ステップＳ２０３の判定の結果、当該サンプリングがＮ回積算されていない場合、ステップＳ２０２に戻り、カウンタ計測部３２は、サンプリングがＮ回積算されるまで２値化信号ＲＴのサンプリングを繰り返す。

ステップＳ２０３の判定の結果、Ｎ回積算されている場合、カウンタ計測部３２は、カウンタ積算信号Ｃｎが判定しきい値Ｔｈと交差するクロスポイントを検出する（Ｓ２０４）。次に、カウンタ計測部３２は、当該クロスポイントに基づいて計測ポイントを認定し、この時点でストップ信号を出力する（Ｓ２０５）。次に、ＴＤＣディレイライン計測部３３は、２値化信号ＲＴの２値化情報をサンプリングする（Ｓ２０６）。次に、ＴＤＣディレイライン計測部３３は、当該サンプリングがＭ回積算されているか否かを判定する（Ｓ２０７）。ステップＳ２０７の判定の結果、当該サンプリングがＭ回積算されていない場合、ステップＳ２０６に戻り、ＴＤＣディレイライン計測部３３は、サンプリングがＭ回積算されるまで２値化信号ＲＴのサンプリングを繰り返す。

次に、段数算出部３７は、積算信号ＤｔとＨｉｇｈしきい値ＨＴｈ及びＬｏｗしきい値ＬＴｈとのそれぞれの交点から、各遅延素子の段数を算出する（Ｓ２０８）。次に、距離換算部３８は、各遅延素子の段数をＮｅａｒ側距離値ＣＤｎと、Ｆａｒ側距離値ＣＤｆとに換算する（Ｓ２０９）。次に、判定部５１は、後述する判定処理Ｓ２２０を実行する。判定処理Ｓ２２０の終了後、センサ装置１００は、検出処理Ｓ２００を終了する。

＜判定処理Ｓ２２０＞
判定処理Ｓ２２０が開始されると、図１３に示すように、最初に、判定部５１は、ＦＰＧＡ３０のインターフェース部４１を介して距離換算部３８から入力されるＮｅａｒ側距離値ＣＤｎ及びＦａｒ側距離値ＣＤｆに基づいて、距離値ＣＤａと、ヒステリシス値Ｖｈｙｓとを算出する（Ｓ２２１）。

距離値ＣＤａは、Ｎｅａｒ側距離値ＣＤｎ及びＦａｒ側距離値ＣＤｆの平均値であり、以下の式（２）のように表される。
距離値ＣＤａ＝（Ｎｅａｒ側距離値ＣＤｎ＋Ｆａｒ側距離値ＣＤｆ）／２ …（２）

本実施形態では、距離値ＣＤａがＮｅａｒ側距離値ＣＤｎ及びＦａｒ側距離値ＣＤｆの平均値である例を示したが、これに限定されるものではない。距離値ＣＤａは、Ｎｅａｒ側距離値ＣＤｎ及びＦａｒ側距離値ＣＤｆから算出される値であればよく、平均値以外であってもよい。

ヒステリシス値Ｖｈｙｓは、制御部５０のメモリ等にあらかじめ記憶された倍率調整値Ｖｍ及びオフセット調整値Ｖｏを用いて、以下の式（３）のように表される。
ヒステリシス値Ｖｈｙｓ＝｛（Ｆａｒ側距離値ＣＤｆ−Ｎｅａｒ側距離値ＣＤｎ）×Ｖｍ｝＋Ｖｏ …（３）

なお、倍率調整値Ｖｍ及びオフセット調整値Ｖｏは、あらかじめ記憶された値を用いる場合に限定されるものではない。例えば、倍率調整値Ｖｍ及びオフセット調整値Ｖｏは、利用者（ユーザ）が操作部７０を操作することによって変更可能であってもよい。

次に、判定部５１は、利用者（ユーザ）が操作部７０を操作することによって入力された値を距離しきい値として設定する（Ｓ２２２）。

次に、判定部５１は、現在の出力がオフであるか否かを判定する（Ｓ２２３）。出力がオフであるとは、対象物ＴＡが無いことを意味し、出力がオンであるとは、対象物が有ることを意味する。現在の出力とは、判定処理Ｓ２２０が最初に実行される場合を除き、直前の判定処理Ｓ２２０の結果として設定される値、つまり、オン又はオフである。判定処理Ｓ２２０が最初に実行される場合に備え、出力の初期値には、オフが設定されている。

ステップＳ２２３の判定の結果、現在の出力がオフである場合、判定部５１は、ステップＳ２２１で算出した距離値ＣＤａと、ステップＳ２２２で設定した距離しきい値とを比較し、距離値ＣＤａが距離しきい値以下であるか否かを判定する（Ｓ２２４）。ステップＳ２２４の判定の結果、距離値ＣＤａが距離しきい値以下である場合、判定部５１は、出力をオンにする（Ｓ２２５）。一方、ステップＳ２２４の判定の結果、距離値ＣＤａが距離しきい値以下でない、つまり、Ｆａｒ距離値ＣＤａが距離しきい値より大きい場合、判定部５１は、出力をオフにする（Ｓ２２６）。

ステップＳ２２３の判定の結果、現在の出力がオフでない、つまり、オンである場合、直前の判定処理Ｓ２２０の結果、対象物有りと判定された（対象物が検出された）と考えられる。よって、判定部５１は、距離値ＣＤａと距離しきい値及びヒステリシス値Ｖｈｙｓの和（合計）とを比較し、距離値ＣＤａが距離しきい値及びヒステリシス値Ｖｈｙｓの和（合計）以上であるか否かを判定する（Ｓ２２７）。このように、直前の判定結果が対象物有りのとき、Ｎｅａｒ側距離値ＣＤｎ及びＦａｒ側距離値ＣＤｆの差の絶対値に基づくヒステリシス値Ｖｈｙｓと、Ｎｅａｒ側距離値ＣＤｎ及びＦａｒ側距離値ＣＤｆから算出される距離値ＣＤａと、所定の距離しきい値とに基づいて、対象物の有無を判定することにより、例えば、距離値ＣＤａと、所定のしきい距離値及びヒステリシス値Ｖｈｙｓの和とを比較することで、ヒステリシス値Ｖｈｙｓ分だけ判定に幅（マージン）を持たせることができ、対象物有りと判定された後の判定において、Ｎｅａｒ側距離値ＣＤｎ及びＦａｒ側距離値ＣＤｆから算出される距離値ＣＤａの変化に敏感に反応することを防ぐことができる。

ステップＳ２２７の判定の結果、距離値ＣＤａが距離しきい値及びヒステリシス値Ｖｈｙｓの和以上である場合、判定部５１は、出力をオフにする（Ｓ２２８）。一方、ステップＳ２２７の判定の結果、距離値ＣＤａが距離しきい値及びヒステリシス値Ｖｈｙｓの和以上でない場合、つまり、距離値ＣＤａが距離しきい値及びヒステリシス値Ｖｈｙｓの和未満である場合、判定部５１は、出力をオンにする（Ｓ２２９）。

ステップＳ２２５、ステップＳ２２７、ステップＳ２２８、又はステップＳ２２９の後、判定部５１は、判定処理Ｓ２２０を終了する。

なお、図１３では、ステップＳ２２１において、判定部５１が距離値ＣＤａ及びヒステリシス値Ｖｈｙｓを算出する例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、ＦＰＧＡ３０の距離換算部３８が距離値ＣＤａ及びヒステリシス値Ｖｈｙｓを算出し、インターフェース部４１を介して判定部５１に入力されてもよい。また、ステップ２２４及びステップ２２７の各判定において、等しい場合を含むか否かは、設定により変更可能であってもよい。

本実施形態では、センサ装置１００の計測媒体として光である場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。センサ装置１００の計測媒体は、例えば、電磁波や音波等でもよい。測定媒体として電磁波や音波を使用した場合、対象物ＴＡとの距離のみならず、対象物との距離変化も計測可能である。

また、本実施形態では、センサ装置１００がラフ計測及びファイン計測の両方を行う例を示したがこれに限定されるものではない。例えば、センサ装置は、ラフ計測及びファイン計測の何れか一方のみを行うように構成されていてもよい。

以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。本発明の一実施形態に係るセンサ装置１００及び検出方法によれば、積算信号ＤｔとＨｉｇｈしきい値ＨＴｈ及びＬｏｗしきい値ＬＴｈとのそれぞれの交点からＮｅａｒ側距離値ＣＤｎ及びＦａｒ側距離値ＣＤｆが算出され、Ｎｅａｒ側距離値ＣＤｎ及びＦａｒ側距離値ＣＤｆから算出される距離値ＣＤａと所定の距離しきい値とに基づいて、対象物ＴＡの有無が判定される。ここで、図１０に示すように、対象物ＴＡが高反射率の場合、積算信号Ｄｔの傾きは急なので、Ｈｉｇｈしきい値ＨＴｈとＬｏｗしきい値ＬＴｈとの差（積算数幅Ｗｉｎｔ）が一定であっても、Ｎｅａｒ側距離値ＣＤｎとＦａｒ側距離値ＣＤｆとの間の幅は相対的に狭くなる。一方、対象物ＴＡが低反射率の場合、積算信号Ｄｔの傾きは緩やかなので、Ｈｉｇｈしきい値ＨＴｈとＬｏｗしきい値ＬＴｈとの差（積算数幅Ｗｉｎｔ）が一定であっても、Ｎｅａｒ側距離値ＣＤｎとＦａｒ側距離値ＣＤｆとの間の幅は相対的に広くなる。よって、積算信号Ｄｔの積算数に対してＨｉｇｈしきい値ＨＴｈ及びＬｏｗしきい値ＬＴｈを設定し、積算信号ＤｔとＨｉｇｈしきい値ＨＴｈ及びＬｏｗしきい値ＬＴｈとのそれぞれの交点から遅延素子の段数を算出し、各遅延素子の段数をＮｅａｒ側距離値ＣＤｎとＦａｒ側距離値ＣＤｆとに換算することにより、反射率に応じてＮｅａｒ側距離値ＣＤｎとＦａｒ側距離値ＣＤｆとの間の幅を変化させることができる。従って、換算したＮｅａｒ側距離値ＣＤｎ及びＦａｒ側距離値ＣＤｆから算出される距離値ＣＤａと所定の距離しきい値とに基づいて対象物ＴＡの有無を判定することにより、対象物ＴＡの反射率によらずに対象物ＴＡを精度良く検出することができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

（附記）
１．対象物ＴＡに向けて発信信号を発信する発光部１０と、
発信信号の反射信号を受信して２値化信号ＲＴを生成する受光部２０と、
２値化信号ＲＴの時間変化を示す波形データを生成し、複数の該波形データを積算して積算波形データを生成するＴＤＣディレイライン計測部３３及び波形積算部３４と、
積算波形データとＨｉｇｈしきい値ＨＴｈ及びＬｏｗしきい値ＬＴｈとのそれぞれの交点からＮｅａｒ側距離値ＣＤｎ及びＦａｒ側距離値ＣＤｆを算出する段数算出部３７及び距離換算部３８と、
Ｎｅａｒ側距離値ＣＤｎ及びＦａｒ側距離値ＣＤｆから算出される距離値ＣＤａと所定の距離しきい値とに基づいて、対象物ＴＡの有無を判定する判定部５１と、を備える、
センサ装置１００。
７．対象物ＴＡを検出する検出方法であって、
対象物ＴＡに向けて発信信号を発信する発信ステップと、
発信信号の反射信号を受信して２値化信号を生成する受信ステップと、
２値化信号の時間変化を示す波形データを生成し、複数の該波形データを積算して積算波形データを生成する積算ステップと、
積算波形データとＨｉｇｈしきい値ＨＴｈ及びＬｏｗしきい値ＬＴｈとのそれぞれの交点からＮｅａｒ側距離値ＣＤｎ及びＦａｒ側距離値ＣＤｆを算出する距離算出ステップと、
Ｎｅａｒ側距離値ＣＤｎ及びＦａｒ側距離値ＣＤｆから算出される距離値ＣＤａと所定の距離しきい値とに基づいて、対象物ＴＡの有無を判定する判定ステップと、を含む、
検出方法。

６…遅延素子、７…フリップフロップ回路、１０…発光部、１１…投光素子、１５…投光回路、２０…受光部、２１…受光素子、２５…受光回路、３０…ＦＰＧＡ、３１…投光発振器、３２…カウンタ計測部、３３…ＴＤＣディレイライン計測部、３４…波形積算部、３５…受光量算出部、３６…フィルタ処理部、３７…段数算出部、３８…距離換算部、３９…レジスタ、４０…投光素子温度制御部、４１…インターフェース部、４５…ＣＬＫ、４６…クロック生成部、４７…ＰＬＬ、５０…制御部、５１…判定部、６０…表示部、７０…操作部、１００…センサ装置、３１５…バッファ、３２１…２値化信号取込部、３２２…信号蓄積部、３２３…ストップ信号決定部、３２４…ストップタイミング管理部、ＣＤａ…距離値、ＣＤｆ…Ｆａｒ側距離値、ＣＤｎ…Ｎｅａｒ側距離値、Ｃｋ…クロック信号、Ｃｎ…カウンタ積算信号、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４…ディレイライン出力信号、Ｄ１ｊ，Ｄ２ｊ，Ｄ３ｊ，Ｄ４ｊ…ディレイライン出力信号、ＤＬ…ディレイライン計測、Ｄｏｆｆ…オフ点距離、Ｄｏｎ…オン点距離、ＤＳ…遅延信号群、Ｄｔ…積算信号、Ｆｔ…フィルタ出力信号、ＨＴｈ…Ｈｉｇｈしきい値、ＬＴｈ…Ｌｏｗしきい値、Ｍ１…計測区間、Ｍｔ…一定期間、ＰＰ１…投光パルス、Ｐｔ…パルス幅、ＲＴ…２値化信号、ＲＴｐ…部分波形、Ｓ２００…検出処理、Ｓ２２０…判定処理、Ｓｍｐ…サンプリング信号、Ｓｔ…スタート信号、Ｓｔｐ，Ｓｔｐ１，Ｓｔｐ２，Ｓｔｐ３，Ｓｔｐ４，ＳｔｐＮ…ストップ信号、Ｓｔｒ…スタート信号、Ｔ１…計測信号、Ｔ２…設定データ、ＴＡ…対象物、Ｔｃｙｃ…周期、Ｖｈｙｓ…ヒステリシス値、Ｗｈｙｓ…ヒステリシス幅、Ｗｉｎｔ…積算数幅。

Claims (12)

1. 対象物に向けて発信信号を発信する発信部と、
   前記発信信号の反射信号を受信して２値化信号を生成する受信部と、
   前記２値化信号の時間変化を示す波形データを生成し、複数の該波形データを積算して積算波形データを生成する積算部と、
   前記積算波形データと第１積算しきい値及び第２積算しきい値とのそれぞれの交点から第１距離値及び第２距離値を算出する距離算出部と、
   前記第１距離値及び前記第２距離値から算出される距離値と所定の距離しきい値とに基づいて、前記対象物の有無を判定する判定部と、を備える、
   センサ装置。
2. 前記判定部は、直前の判定結果が対象物有りのとき、前記第１距離値及び前記第２距離値の差の絶対値に基づくヒステリシス値と前記距離値と前記所定の距離しきい値とに基づいて、前記対象物の有無を判定する、
   請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記距離算出部は、前記積算波形データにおいて前記第１積算しきい値及び前記第２積算しきい値とのそれぞれの交点の直前のデータ及び直後のデータを用いてサブピクセル処理を行うことによって、前記第１距離値及び前記第２距離値を算出する、
   請求項１又は２に記載のセンサ装置。
4. 前記積算部は、
   前記２値化信号を所定の周期でサンプリングして第１波形性データを生成し、前記発信信号の複数回の発信について前記第１波形性データを積算して第１積算波形データを生成する第１積算部と、
   前記対象物の存在によって前記第１積算波形データに現れる特徴点の位置に基づく基準タイミングを決定し、該基準タイミングに基づいてストップ信号を生成するタイミング決定部と、
   それぞれ直列に接続される複数の遅延素子を含み、各遅延素子が前記ストップ信号に応じて前記２値化信号を取り込むことで第２波形データを生成し、該第２波形データを所定周期で複数回積算することで第２積算波形データを生成する遅延回路部を含む第２積算部と、を備え、
   前記距離算出部は、前記第２積算波形データと前記第１積算しきい値及び前記第２積算しきい値とのそれぞれの交点から前記第１距離値及び前記第２距離値を算出する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサ装置。
5. 前記第２積算部は、それぞれ並列に接続された複数の前記遅延回路部を含み、各遅延回路部が生成する前記第２積算波形データを積算する、
   請求項４に記載のセンサ装置。
6. 前記第１積算部は、ナノ秒オーダーの分解能を有し、
   前記遅延回路部は、ピコ秒オーダーの分解能を有する、
   請求項４又は５に記載のセンサ装置。
7. 対象物を検出する検出方法であって、
   前記対象物に向けて発信信号を発信する発信ステップと、
   前記発信信号の反射信号を受信して２値化信号を生成する受信ステップと、
   前記２値化信号の時間変化を示す波形データを生成し、複数の該波形データを積算して積算波形データを生成する積算ステップと、
   前記積算波形データと第１積算しきい値及び第２積算しきい値とのそれぞれの交点から第１距離値及び第２距離値を算出する距離算出ステップと、
   前記第１距離値及び前記第２距離値から算出される距離値と所定の距離しきい値とに基づいて、前記対象物の有無を判定する判定ステップと、を含む、
   検出方法。
8. 前記判定ステップは、直前の判定結果が対象物有りのとき、前記第１距離値及び前記第２距離値の差の絶対値に基づくヒステリシス値と前記距離値と前記所定の距離しきい値とに基づいて、前記対象物の有無を判定することを含む、
   請求項７に記載の検出方法。
9. 前記距離算出ステップは、前記積算波形データにおいて前記第１積算しきい値及び前記第２積算しきい値とのそれぞれの交点の直前のデータ及び直後のデータを用いてサブピクセル処理を行うことによって、前記第１距離値及び前記第２距離値を算出することを含む、
   請求項７又は８に記載の検出方法。
10. 前記積算ステップは、
    前記２値化信号を所定の周期でサンプリングして第１波形性データを生成し、前記発信信号の複数回の発信について前記第１波形性データを積算して第１積算波形データを生成する第１積算ステップと、
    前記対象物の存在によって前記第１積算波形データに現れる特徴点の位置に基づく基準タイミングを決定し、該基準タイミングに基づいてストップ信号を生成するタイミング決定ステップと、
    それぞれ直列に接続される複数の遅延素子を含む遅延回路部において、各遅延素子が前記ストップ信号に応じて前記２値化信号を取り込むことで第２波形データを生成し、該第２波形データを所定周期で複数回積算することで第２積算波形データを生成する第２積算ステップと、を含み、
    前記距離算出ステップは、前記第２積算波形データと前記第１積算しきい値及び前記第２積算しきい値とのそれぞれの交点から前記第１距離値及び前記第２距離値を算出することを含む、
    請求項７から９のいずれか一項に記載の検出方法。
11. 前記第２積算ステップは、それぞれ並列に接続された複数の前記遅延回路部において、各遅延回路部が生成する前記第２積算波形データを積算することを含む、
    請求項１０に記載の検出方法。
12. 前記第１積算ステップは、ナノ秒オーダーの分解能を有し、
    前記遅延回路部は、ピコ秒オーダーの分解能を有する、
    請求項１０又は１１に記載の検出方法。

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