JPH09189766A

JPH09189766A - 時間・電圧変換回路及び距離測定装置

Info

Publication number: JPH09189766A
Application number: JP8001669A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Tanaka; 智弘田中
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-01-09
Filing date: 1996-01-09
Publication date: 1997-07-22

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、時間を電圧へ変換する時間・電圧
変換回路及びそれを用いて測定波の往復時間の一部又は
全部を測定し、測定対象物までの距離を測定する距離測
定装置に関し、ノイズの影響の低減が図れる時間・電圧
変換回路及びそれを利用して距離精度の向上が図れる距
離測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】第１信号たるコンパレータ出力と第２信
号たる基準クロックの発生時点間隔をパルス幅とする２
つの測定パルス信号であって互いに極性が異なる測定正
パルス信号と測定負パルス信号をそれぞれ発生する測定
パルス発生回路21と、測定正パルス信号と測定負パルス
信号のそれぞれを受けて、それらの前縁から後縁までの
間コンデンサへの充電動作を行い、パルス幅に相当する
電圧値を出力するパルス幅・電圧変換回路22、23とを備
えることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、時間を電圧へ変換
する時間・電圧変換回路及びそれを用いて測定波の往復
時間の一部または全部を測定し、測定対象物までの距離
を測定する距離測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】測定波を測定対象物に向けて送波した時
点から測定対象物で反射して戻って来た測定波の受信時
点までの測定波往復時間から測定対象物までの距離を測
定する場合、一般に、測定対象位置に反射体（例えば測
定波としてレーザ光を用いる場合は、コーナーキューブ
プリズムが良く使用される）を設置することが行われて
いる。

【０００３】一方、移動体における障害物検出、位置決
めの用途や測量分野等では、反射体を設置できない場合
があり、また作業の省力化の目的から、測定対象位置に
反射体を置かずに直接測定対象物までの距離を測定する
ことの要求がある。そして、近年、これらの分野でも、
測定対象位置に反射体を置く場合と同様に数cmから数mm
の高い測定精度が必要とされる場合も生じて来ている。

【０００４】以下、測定波としてレーザ光を用い、測定
対象位置に反射体を置かずに測定対象物までの距離を高
精度に直接測定する従来の距離測定装置の概要を図９〜
図１４を参照して説明する。図９は、従来の距離測定装
置の構成図である。図１０は、図９に示す距離測定装置
が行う距離測定の一般的な動作タイムチャートである。
図９において、この距離測定装置は、距離計測部９１
ａ、タイミングコントローラ９２ａ、ＬＤドライバ（レ
ーザダイオードドライバ）９３、ＬＤ（レーザダイオー
ド）９４、対物レンズ９５、９６、受光素子９７、増幅
回路９８、コンパレータ９９、カウンタ１００、時間・
電圧変換回路１０１ａ等を備える。

【０００５】この距離測定装置の構成及び測定対象物た
るターゲット１０３までの距離計測の動作を、図１０を
適宜参照しつつ説明する。距離計測部９１ａは、マイク
ロコンピュータを備え、外部から距離計測の開始指示が
入力すると、タイミングコントローラ９２ａに対しトリ
ガ信号を出力し、カウンタ１００及び時間・電圧変換回
路１０１ａの出力（測定結果）を得て、その測定結果と
光の速度とからターゲット１０３までの距離を演算して
求める。

【０００６】タイミングコントローラ９２ａは、クロッ
ク発生回路とスタート信号発生回路とを備える。距離計
測部９１ａからのトリガ信号入力に応答してクロック発
生回路が発生する基準クロック（図１０（ｂ））をカウ
ンタ１００及び時間・電圧変換回路１０１ａに与えると
共に、基準クロックに同期してスタート信号発生回路が
発生するスタート信号をＬＤドライバ９３、カウンタ１
００及び時間・電圧変換回路１０１ａに与える。

【０００７】ＬＤドライバ９３は、スタート信号入力に
応答して一定時間ＬＤ９４を点灯駆動する。ＬＤ９４の
発生するレーザパルス光（発光パルス：図１０（ａ））
は、対物レンズ９５で所定のビーム角にビーム整形さ
れ、ターゲット１０３を照射すべく射出される。ターゲ
ット１０３で反射して戻って来たレーザパルス光（受光
パルス：図１０（ｃ））は、対物レンズ９６で受光素子
９７の受光面に集光され、電気信号となり、増幅回路９
８で適宜レベルに増幅されてコンパレータ９９に入力す
る。

【０００８】コンパレータ９９は、予め閾値が設定さ
れ、増幅回路９８の出力レベルがこの閾値を越える時点
で、即ち、戻って来たレーザパルス光（受光パルス）を
受信した時点（図１０（ｃ））で、ストップ信号をカウ
ンタ１００及び時間・電圧変換回路１０１ａに与える。
カウンタ１００は、タイミングコントローラ９２ａから
のスタート信号の入力時点（図１０（ａ））から、コン
パレータ９９からのストップ信号の入力時点（図１０
（ｃ））までの基準クロック数をカウントする（図１０
（ｄ））。

【０００９】ここに、受光パルスの受信時点は、図１０
（ｃ）に示すように、一般に、クロックとクロックの間
であるから、カウンタ１００が計数する基準クロックの
最後のものは、図１０（ｄ）に示すように、原理的には
受光パルスの入力時点の直後に生ずる基準クロックであ
る。即ち、カウンタ１００のカウント値は、受光パルス
受信以降において補正を要する粗カウント値であると言
うことになる。

【００１０】なお、カウンタ１００は、カウント値が所
定値以内であればそれをカウントデータとし、カウント
値が所定値以上であればそれをオーバーフロー信号と
し、それぞれを区別して距離計測部９１ａに与える。次
に時間・電圧変換回路１０１ａは、測定パルス発生回路
とパルス幅・電圧変換回路とで構成される。測定パルス
発生回路は、タイミングコントローラ９２ａからのスタ
ート信号でリセットされ、図１０（ｅ）に示すように、
コンパレータ９９からのストップ信号の入力時点（受光
パルス：図１０（ｃ））からその入力後に生ずる基準ク
ロックまでをパルス幅とする測定パルス（図１０
（ｅ））を生成し、それをパルス幅・電圧変換回路に与
える。

【００１１】図示例では、測定パルスは、原則通り受光
パルスの入力時点からその直後に生ずる基準クロックま
でをパルス幅としているが、これだとパルス幅が狭すぎ
るので、実際には受光パルスの入力時点からその後に生
ずる複数基準クロックをカウント対象のクロックとし、
それまでをパルス幅とすることが行われる。

【００１２】パルス幅・電圧変換回路は、図１３に示す
ように、定電流回路１１１とスイッチ１１２とコンデン
サ１１３とで構成される。スイッチ１１２は、測定パル
スの前縁及び後縁の適宜レベルでスイッチング動作を
し、測定パルスのパルス幅の期間内定電流回路１１１と
コンデンサ１１３を接続し、即ち測定パルスのパルス幅
の期間内コンデンサ１１３への充電動作を行い、パルス
幅に相当する電圧値ｖ₁を距離計測部９１ａへ保持出力
する（図１０（ｆ））。

【００１３】なお、コンデンサ１１３の電圧保持は、タ
イミングコントローラ９２ａからのスタート信号でリセ
ットされ、その後の充電動作に備えるようになってい
る。コンデンサ１１３の充電時間は、端数時間と称さ
れ、距離計測部９１ａが測定する。即ち、距離計測部９
１ａでは、別のタイミングで基準クロックの１クロック
分を時間・電圧変換回路１０１ａで電圧変換し、この１
クロック分の電圧変換値と電圧値ｖ₁(図１０（ｆ）)と
の比から、受光パルスの受信時点(図１０(ｃ)）とその
後の基準クロックとの間の端数時間を計算する。

【００１４】そして、距離計測部９１ａでは、カウンタ
１００のカウント値に基準クロックの周波数を適用して
求めた時間からこの端数時間を引いてレーザ光の往復時
間を求め、それを光速で割ってターゲットまでの距離を
求める。次に、図１１は、従来の距離測定装置の構成図
である。図１２は、図１１に示す距離測定装置が行う距
離測定の一般的な動作タイムチャートである。図１１で
は、図９に示した距離測定装置と同一機能部分には、同
一符号・名称を付してある。

【００１５】即ち、図９に示した距離測定装置では、カ
ウンタ１００で粗カウントをし、時間・電圧変換回路１
０１ａで微小カウントをする構成であったが、図１１に
示す距離測定装置は、図９に示した距離測定装置おいて
カウンタ１００を省略し、時間・電圧変換回路１０１ｂ
で全ての時間計測を行う。

【００１６】具体的には、時間・電圧変換回路１０１ｂ
では、構成は図９に示した時間・電圧変換回路１０１ａ
と同様であるが、図１２に示すように、発光パルス（図
１２（ａ））の送出時点から受光パルス（図１２
（ｂ））の受信時点までをパルス幅とする測定パルス
（図１２（ｃ））を生成し、それに基づきコンデンサ１
１３の充電を行い、発光パルス(図１２(ａ))の送出時点
から受光パルス(図１２(ｂ))の受信時点までの時間に相
当する電圧値ｖ₂(図１２（ｄ））を距離計測部９１ｂへ
保持出力する。

【００１７】距離計測部９１ｂでは、別のタイミング
で、タイミングコントローラ９２ｂ内のクロック発生回
路が発生する基準クロックを用いて予め決めてある最大
到達距離に相当するクロックを、タイミングコントロー
ラ９２ｂから時間・電圧変換回路１０１ｂに出力させて
電圧変換し、その変換電圧値と電圧値ｖ₂ との比から発
光パルス（図１２（ａ））の送出時点から受光パルス
（図１２（ｂ））の受信時点までの時間を計算し、直接
ターゲット１０３までの距離を算出する。

【００１８】図１１に示す距離測定装置は、精度は図９
に示したものより若干劣るが、構成が簡単になる利点が
ある。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】以上の説明から、距離
精度は、時間・電圧変換回路の動作に依存することが理
解できるが、測定パルスにノイズが重畳した場合には、
測定誤差が生ずるという問題がある。

【００２０】即ち、図１４は、従来の時間・電圧変換回
路の動作説明図である。図１４（ａ）において、測定パ
ルスの前縁の適宜位置にスイッチ１１２（図１３）のス
イッチングレベル(１)があり、スイッチ１１２は測定パ
ルスの前縁がスイッチングレベル(１)に到達したタイミ
ングをスイッチングタイミング(３)として動作するが、
図１４（ｂ）に示すノイズが測定パルスの前縁に重畳す
ると、図１４（ｃ）に示すように、スイッチングタイミ
ングが(３)から(４)へ移動し、スイッチングタイミング
時間差(５)を生ずる。

【００２１】なお、図１４では、ノイズが測定パルスの
前縁に重畳した場合を示したが、測定パルスの後縁に重
畳した場合も同様である。特に、図９に示す距離測定装
置では、ターゲット１０３までの距離を数mmの精度で求
めるには、時間計測精度として１０〜２０ps程度の精度
が必要であるが、それに対してこのスイッチングタイミ
ング時間差(５)は無視できない程度であるので、改善が
望まれている。

【００２２】本発明は、従来の課題を解決すべく創作さ
れたもので、ノイズの影響の低減が図れる時間・電圧変
換回路及びそれを利用して距離精度の向上が図れる距離
測定装置を提供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明の時間・電圧変換回路及び距離測定装置は、次
の如き構成を有する。

【００２４】請求項１に記載の時間・電圧変換回路は、
第１信号と第２信号の発生時点間隔をパルス幅とする２
つの測定パルス信号であって互いに極性が異なる測定正
パルス信号と測定負パルス信号をそれぞれ発生する測定
パルス発生回路と、測定正パルス信号と測定負パルス信
号のそれぞれを受けて、それらの前縁から後縁までの間
コンデンサへの充電動作を行い、パルス幅に相当する電
圧値を出力するパルス幅・電圧変換回路とを備えること
を特徴とする。

【００２５】請求項２に記載の時間・電圧変換回路は、
請求項１に記載の時間・電圧変換回路において、パルス
幅・電圧変換回路は、測定正パルス信号と測定負パルス
信号のそれぞれが同一のタイミングで入力し、共通のコ
ンデンサへの充電動作を同一のタイミングで行うことを
特徴とする。

【００２６】請求項３に記載の時間・電圧変換回路は、
請求項１に記載の時間・電圧変換回路において、パルス
幅・電圧変換回路は、測定正パルス信号と測定負パルス
信号のそれぞれが重ならないタイミングで入力し、共通
のコンデンサへの充電動作を重ならないタイミングで行
うことを特徴とする。請求項４に記載の時間・電圧変換
回路は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の時
間・電圧変換回路において、パルス幅・電圧変換回路の
出力段に、電圧値の平均値を求める平均化回路を備える
ことを特徴とする。

【００２７】請求項５に記載の時間・電圧変換回路は、
請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の時間・電圧
変換回路において、測定パルス発生回路とパルス幅・電
圧変換回路との間では、測定正パルス信号を発生する回
路からパルス幅・電圧変換回路への信号伝達時間と、測
定負パルス信号を発生する回路からパルス幅・電圧変換
回路への信号伝達時間とが等しくなっていることを特徴
とする。

【００２８】請求項６に記載の距離測定装置は、基準ク
ロックに同期して測定波を測定対象物に向けて送波した
時点から測定対象物で反射して戻って来た測定波の受信
時点までの測定波往復時間を、測定波を送波した時点の
基準クロックから測定波の受信後に生ずる基準クロック
までのクロック数と、測定波の受信時点からその後に生
ずる基準クロックまでの時間の電圧変換値とから求め、
そのクロック数と電圧変換値とから測定対象物までの距
離を測定する距離測定装置において、測定波の受信時点
を第１信号の発生時点とし、その測定波の受信時点の直
後に生ずる基準クロックを第２信号の発生時点とする請
求項１乃至請求項３の何れか１項の時間・電圧変換回路
と、時間・電圧変換回路の出力電圧値の平均を求める平
均化回路とを備えることを特徴とする。

【００２９】請求項７に記載の距離測定装置は、基準ク
ロックに同期して測定波を測定対象物に向けて送波した
時点から測定対象物で反射して戻って来た測定波の受信
時点までの測定波往復時間を、測定波を送波した時点の
基準クロックから測定波の受信後に生ずる基準クロック
までのクロック数と、測定波の受信時点からその後に生
ずる基準クロックまでの時間の電圧変換値とから求め、
そのクロック数と電圧変換値とから測定対象物までの距
離を測定する距離測定装置において、測定波の受信時点
を第１信号の発生時点とし、その測定波の受信時点の直
後に生ずる基準クロックを第２信号の発生時点とする請
求項４の時間・電圧変換回路を備えることを特徴とす
る。

【００３０】請求項８に記載の距離測定装置は、測定波
を測定対象物に向けて送波した時点から測定対象物で反
射して戻って来た測定波の受信時点までの測定波往復時
間を、測定波を送波した時点から測定波の受信時点まで
の時間の電圧変換値から求め、その電圧変換値から測定
対象物までの距離を測定する距離測定装置において、測
定波の送波時点を第１信号の発生時点とし、その測定波
の受信時点を第２信号の発生時点とする請求項１乃至請
求項３の何れか１項の時間・電圧変換回路と、時間・電
圧変換回路の出力電圧値の平均を求める平均化回路とを
備えることを特徴とする。

【００３１】請求項９に記載の距離測定装置は、測定波
を測定対象物に向けて送波した時点から測定対象物で反
射して戻って来た測定波の受信時点までの測定波往復時
間を、測定波を送波した時点から測定波の受信時点まで
の時間の電圧変換値から求め、その電圧変換値から測定
対象物までの距離を測定する距離測定装置において、測
定波の送波時点を第１信号の発生時点とし、その測定波
の受信時点を第２信号の発生時点とする請求項４の時間
・電圧変換回路を備えることを特徴とする。

【００３２】（作用）次に、前記の如く構成される本発
明の時間・電圧変換回路及び距離測定装置の作用を説明
する。請求項１に記載の時間・電圧変換回路は、互いに
極性が異なる測定正パルス信号と測定負パルス信号をそ
れぞれ発生し、それぞれの測定パルス信号によってコン
デンサへの充電動作を行い、パルス幅に相当する電圧値
を出力する。

【００３３】ノイズは、２つの測定パルス信号のそれぞ
れに同一のタイミングで重畳するが、同一のタイミング
で発生する２つの測定パルス信号は、互いに極性が異な
るので、ノイズが重畳すると充電動作の開始時点または
終了時点が２つの測定パルス信号間で互いに逆向きにず
れた位置へ移動する。従って、当該時間・電圧変換回路
の後段においてその影響を取り除くことが可能となる。

【００３４】具体的には、請求項４に記載の時間・電圧
変換回路のように、後段に平均化回路を設け、２つの測
定パルス信号に基づく電圧変換値の平均を求めれば、ノ
イズ成分は大幅に低減させることができる。コンデンサ
は、各測定パルス信号毎に設けても良いが、請求項２及
び請求項３に記載の時間・電圧変換回路のように、共通
のコンデンサとすれば、回路の簡素化が図れる。

【００３５】また、請求項５に記載の時間・電圧変換回
路のように、測定正パルス信号を発生する回路からパル
ス幅・電圧変換回路への信号伝達時間と、測定負パルス
信号を発生する回路からパルス幅・電圧変換回路への信
号伝達時間とを等しくしてあるので、２つの測定パルス
信号における電圧変換のタイミングを揃えることがで
き、誤差の発生を防止できる。

【００３６】次に、請求項６乃至請求項９に記載の距離
測定装置は、時間・電圧変換回路の２つの測定パルス信
号にノイズが重畳しても、それらにより形成した電圧変
換値の平均を求めるので、ノイズの影響を除去して真の
電圧変換値を取得でき、測定誤差の発生を防止し、測定
精度を向上させることができる。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００３８】図１は、本発明の第１実施の形態の距離測
定装置の構成図である。本第１実施の形態の距離測定装
置は、図９に示した従来の距離測定装置への適用例を示
し、同一機能部分には同一符号名称を付してある。以
下、本発明に係る部分を中心に説明する。図示するよう
に、本第１実施の形態の距離測定装置は、従来の距離計
測部９１ａ及び時間・電圧変換回路１０１ａに代えて、
距離計測部１ａ及び時間・電圧変換回路２ａを設けたも
のである。

【００３９】距離計測部１ａは、従来の距離計測部９１
ａの機能に加えて、時間・電圧変換回路２ａの出力（変
換電圧値）を平均化する機能を備える。図２は、本発明
の第１実施の形態に係る時間電圧変換回路の構成図であ
る。この時間・電圧変換回路２ａは、図２に示すよう
に、測定パルス発生回路２１と、２つのパルス幅・電圧
変換回路２２、２３とで構成される。

【００４０】測定パルス発生回路２１は、第１信号たる
コンパレータ９９からのストップ信号（コンパレータ出
力）と第２信号たるタイミングコントローラ９２ａから
の基準クロックとを受けて、両者の発生時点間隔をパル
ス幅とする２つの測定パルス信号であって互いに極性が
異なる測定正パルス信号と測定負パルス信号をそれぞれ
発生する。具体的には、例えば図３に示すように構成さ
れる。

【００４１】２つのパルス幅・電圧変換回路２２、２３
は、測定パルス発生回路２１からの測定正パルス信号と
測定負パルス信号のそれぞれを受けて、それらの前縁か
ら後縁までの間コンデンサへの充電動作を行い、パルス
幅に相当する電圧値を出力する。具体的には、例えば図
４に示すように構成される。即ち、本発明の時間・電圧
変換回路２ａは、従来の時間・電圧変換回路１０１ａと
同様に測定パルス信号のパルス幅に相当する電圧値を出
力するが、互いに極性が異なる２つの測定パルス信号を
生成し、それぞれについて電圧変換値を求める点が異な
る。

【００４２】図３は、測定パルス発生回路２１の具体例
を示す。図３において、この測定パルス発生回路２１
は、３つのフリップフロップ３１、３２、３３と、２つ
の排他的論理和回路３４、３５とで構成される。フリッ
プフロップ３１は、データ入力端Ｄに電源電圧Ｖ_CCが印
加され、クロック入力端にコンパレータ出力が印加され
る。フリップフロップ３２は、データ入力端Ｄにフリッ
プフロップ３１の正相データ出力端Ｑが接続され、クロ
ック入力端に基準クロックが印加される。フリップフロ
ップ３３は、データ入力端Ｄにフリップフロップ３２の
正相データ出力端Ｑが接続され、クロック入力端に基準
クロックが印加される。なお、３つのフリップフロップ
３１、３２、３３のリセット端にはリセット信号が印加
される。

【００４３】排他的論理和回路３４は、一方の入力端に
フリップフロップ３３の正相データ出力端Ｑが接続さ
れ、他方の入力端にフリップフロップ３１の正相データ
出力端Ｑが接続され、出力端に測定正パルス信号を送出
する。他方の排他的論理和回路３５は、一方の入力端に
フリップフロップ３３の逆相データ出力端Ｑ^- が接続さ
れ、他方の入力端にフリップフロップ３１の正相データ
出力端Ｑが接続され、出力端に測定負パルス信号を送出
する。

【００４４】以上の構成において、３つのフリップフロ
ップ３１、３２、３３のリセット端には、タイミングコ
ントローラ９２ａが出力するスタート信号がリセット信
号として印加され、発光パルス（図１０（ａ））の送出
時点で初期設定される。従って、排他的論理和回路３４
は、２入力が共に低レベル(以下「Ｌレベル」）であるの
で、出力をＬレベルにしている。他方の排他的論理和回
路３５は、一方の入力(フリップフロップ３３の逆相デ
ータ出力)が高レベル(以下「Ｈレベル」)、他方の入力
（フリップフロップ３１の正相データ出力）がＬレベル
であるので、出力をＨレベルにしている。

【００４５】この状態で、フリップフロップ３１は、受
光パルス（図１０（ｃ））の受信時点でコンパレータ９
９からストップ信号がクロック端に入力すると、データ
入力端Ｄに印加される電源電圧Ｖ_CCを取り込み、正相デ
ータ出力端ＱをＨレベルにする。この時点では、フリッ
プフロップ３３は、正相データ出力端ＱをＬレベルに
し、逆相データ出力端Ｑ^- をＨレベルにしている。

【００４６】その結果、排他的論理和回路３４は、一方
の入力がＬレベルで、他方の入力がＨレベルであるの
で、出力をＬレベルからＨレベルに立ち上げる。他方の
排他的論理和回路３５は、双方の入力がＨレベルである
ので、出力をＨレベルからＬレベルに立ち下げる。そし
て、２つのフリップフロップ３２、３３のクロック端
に、受光パルス（図１０（ｃ））受信後の最初の基準ク
ロックとその次の基準クロックとが入力すると、フリッ
プフロップ３２は、最初の基準クロックでフリップフロ
ップ３２の正相データ出力端ＱのＨレベルを取り込み、
自己の正相データ出力端ＱをＨレベルにするので、フリ
ップフロップ３３は、その次の基準クロックでそれを取
り込み自己の正相データ出力端ＱをＨレベルに、逆相デ
ータ出力端Ｑ^- をＬレベルにする。

【００４７】その結果、排他的論理和回路３４は、双方
の入力がＨレベルであるので、出力をＨレベルからＬレ
ベルに立ち下げる。他方の排他的論理和回路３５は、一
方の入力がＬレベルで、他方の入力がＨレベルであるの
で、出力をＬレベルからＨレベルに立ち上げる。即ち、
排他的論理和回路３４は、受光パルス（図１０（ｃ））
の受信時点からその後の２つの基準クロックまでの時間
間隔をパルス幅とする正極性の測定パルス信号（測定正
パルス信号）を出力し、他方の排他的論理和回路３５
は、受光パルス（図１０（ｃ））の受信時点からその後
の２つの基準クロックまでの時間間隔をパルス幅とする
負極性の測定パルス信号（測定負パルス信号）を出力す
る。

【００４８】これら２つの測定パルス信号は、同一のパ
ルス幅のもので、しかも同一のタイミングで発生する。
そのような状態を維持して、パルス幅・電圧変換回路に
入力する必要がある。従って、測定パルス発生回路とパ
ルス幅・電圧変換回路との間では、遅延時間や配線パタ
ーンの長さを等しくして、測定パルス発生回路２１の測
定正パルス信号を発生する回路からパルス幅・電圧変換
回路２２への信号伝達時間と、測定パルス発生回路２１
の測定負パルス信号を発生する回路からパルス幅・電圧
変換回路２３への信号伝達時間とが等しくなるようにし
てある。そのとき、できるだけ同じルートを通り、か
つ、そのルートもできるだけ短くなるように工夫してあ
る。

【００４９】なお、受光パルス（図１０（ｃ））の受信
後の２つの基準クロックまでの時間を対象とするのは、
受信直後の１つの基準クロックまでの時間を対象とする
と、パルス幅が測定不可能な程狭くなる場合があるため
であることは前述した。次に図４は、パルス幅・電圧変
換回路の構成図であり、図４（ａ）は原理図、図４
（ｂ）は具体的回路例である。

【００５０】図４（ａ）において、このパルス幅・電圧
変換回路は、定電流回路４１とスイッチ４２とコンデン
サ４３とで構成される。構成要素としては従来例（図１
３）と同様であるが、スイッチ４２に上述のようにして
生成された２つの測定パルス信号（測定正パルス、測定
負パルス）が入力する点が異なる。図４（ｂ）におい
て、電源（電圧Ｖ_CC）には定電流源Ｉ₀ の一端が接続さ
れ、定電流源Ｉ₀ の他端にはダイオードＤのアノードが
接続され、ダイオードＤのカソードにはコンデンサＣ１
の一端が接続され、コンデンサＣ１の他端は接地され
る。

【００５１】ＮＰＮ型のトランジスタＱ１は、エミッタ
が接地され、ベースが抵抗器Ｒ１を介して負電源（電圧
−Ｖ_CC）に接続され、コレクタが定電流源Ｉ₀ の他端に
接続される。このトランジスタＱ１のベースには、測定
負パルス信号が、並列接続される抵抗器Ｒ２及びコンデ
ンサＣ２を介して印加される。ＰＮＰ型のトランジスタ
Ｑ２は、コレクタが接地され、ベースが抵抗器Ｒ４を介
して負電源（電圧−Ｖ_CC）に接続され、エミッタが定電
流源Ｉ₀ の他端に接続される。このトランジスタＱ２の
ベースには、測定正パルス信号が、並列接続される抵抗
器Ｒ３及びコンデンサＣ３を介して印加される。以上の
構成において、トランジスタＱ１は、測定負パルス信号
が入力するまでは、ベース電位が正の信号レベルまで持
ち上げられているのでオン状態にある。また、トランジ
スタＱ２は、測定正パルス信号が入力するまでは、ベー
ス電位が負電源によってマイナス側に引っ張られている
ので、同様にオン状態にある。

【００５２】従って、定電流源Ｉ₀ は、他端がトランジ
スタＱ１、Ｑ２を介して接地されるので、定電流源Ｉ₀
からダイオードＤ、コンデンサＣ１へ向かう電流路は形
成されず、コンデンサＣ１への充電は行われない。次い
で、トランジスタＱ１は、測定負パルス信号が入力する
と、ベース電位が負電位の方向へ引き下げられるので、
オン状態からオフ状態になる。また、トランジスタＱ２
は、測定正パルス信号が入力すると、ベース電位が正の
信号レベルへ引き上げられるので、同様にオン状態から
オフ状態になる。これらの状態変化は、測定パルス信号
の前縁の適宜レベルで行われる。

【００５３】つまり、トランジスタＱ１には、測定負パ
ルス信号が、トランジスタＱ２には、測定正パルス信号
がそれぞれ同時に入力すると、両トランジスタは同様に
オン状態からオフ状態となり、定電流源Ｉ₀からダイオ
ードＤ、コンデンサＣ１へ向かう電流路が形成され、コ
ンデンサＣ１への充電が行われる。そして、トランジス
タＱ１は、測定負パルス信号が消滅すると、ベース電位
が正の信号レベルまで持ち上げられるので、オフ状態か
らオン状態になる。またトランジスタＱ２は、測定正パ
ルス信号が消滅すると、ベース電位が負電源によってマ
イナス側に引っ張られるので、同様にオフ状態からオン
状態になる。これらの状態変化は、測定パルス信号の後
縁の適宜レベルで行われる。

【００５４】つまり、トランジスタＱ１は、測定負パル
ス信号が、トランジスタＱ２は、測定正パルス信号がそ
れぞれ同時に消滅すると、両トランジスタは同様にオフ
状態からオン状態となり、定電流源Ｉ₀からダイオード
Ｄ、コンデンサＣ１へ向かう電流路が遮断され、コンデ
ンサＣ１への充電が停止される。斯くして、コンデンサ
Ｃ１には、２つの測定パルス信号のパルス幅に相当する
時間内充電が行われ、電圧変換値が蓄積される。

【００５５】そして、トランジスタＱ１、Ｑ２はオン状
態になるが、コンデンサＣ１の充電電荷は、ダイオード
ＤによってトランジスタＱ１、Ｑ２側へ流出するのが阻
止され、電圧変換値として保持され、距離計測部１ａへ
出力される。次に、図５は、以上のように構成される本
発明の時間・電圧変換回路の動作説明図である。図５に
おいて、測定正パルス（図５（ａ））及び測定負パルス
（図５（ｂ））は、上述のように両者同一のパルス幅
で、かつ同一のタイミングで発生し、スイッチ４２に印
加される。スイッチ４２では、両測定パルスの前縁と後
縁との間においてコンデンサへの充電動作を行う。

【００５６】従って、測定正パルス（図５（ａ））に対
するトランジスタＱ２は、測定正パルスの前縁がスイッ
チングレベル(１)を越えたときオン状態からオフ状態へ
スイッチング動作をし、測定負パルス（図５（ｂ））に
対するトランジスタＱ１は、測定負パルスの前縁がスイ
ッチングレベル(２)を越えたときオン状態からオフ状態
へスイッチング動作をするが、両トランジスタのスイッ
チングタイミング(３)は同一である。

【００５７】そのような測定正パルス（図５（ａ））及
び測定負パルス（図５（ｂ））の前縁の時間領域におけ
るスイッチングタイミング(３)の付近でノイズ（図５
(ｃ)）が発生し、測定パルスに重畳すると、測定正パル
スの前縁波形は図５（ｄ）のようになり、また測定負パ
ルスの前縁波形は図５（ｅ）のようになる。ここで、注
意すべきことは、ノイズが測定パルスに重畳すると、測
定正パルスでは、図５（ｄ）に示すように、パルス幅が
広がる方向へ変化し、測定負パルスでは、図５（ｅ）に
示すように、パルス幅が狭くなる方向へ変化すると言う
ことである。

【００５８】つまり、測定正パルス（図５（ｄ））に対
するトランジスタＱ２は、測定正パルスの前縁がスイッ
チングレベル(１)を越えたときオン状態からオフ状態へ
スイッチング動作をするが、スイッチングタイミングが
(３)から(４)へ移動し、スイッチングタイミング時間差
(５)だけ速いタイミングでスイッチング動作をする。他
方の測定負パルス（図５（ｅ））に対するトランジスタ
Ｑ１は、測定負パルスの前縁がスイッチングレベル(２)
を越えたときオン状態からオフ状態へスイッチング動作
をするが、スイッチングタイミングが(３)から(６)へ移
動し、スイッチングタイミング時間差(７)だけ遅いタイ
ミングでスイッチング動作をする。

【００５９】このように、ノイズが重畳すると、測定正
パルス及び測定負パルスでスイッチング動作をするスイ
ッチ４２では、トランジスタＱ１とＱ２のスイッチング
タイミングが逆向きにずれる。従って、距離計測部１ａ
で、コンデンサ４３から得た２つの電圧変換値（本実施
の形態では加算値）の平均をとれば、ノイズの影響を軽
減できるので、距離計測部１ａは、真の時間・電圧変換
値を取得でき、距離を高精度に測定できることになる。

【００６０】次に、図６は、本発明の第２実施の形態の
距離測定装置の構成図である。本第２実施の形態の距離
測定装置は、図１１に示した従来の距離測定装置への適
用例を示し、同一機能部分には同一符号名称を付してあ
る。以下、本発明に係る部分を中心に説明する。図６に
おいて、本第１実施の形態の距離測定装置は、従来の距
離計測部９１ｂ及び時間・電圧変換回路１０１ｂに代え
て、距離計測部１ｂ及び時間・電圧変換回路２ｂを設け
たものである。

【００６１】距離計測部１ｂは、従来の距離計測部９１
ｂの機能に加えて、時間・電圧変換回路２ｂの出力（変
換電圧値）を平均化する機能を備える。図７は、本発明
の第２実施の形態に係る時間電圧変換回路の構成図であ
る。この時間・電圧変換回路２ｂは、図７に示すよう
に、測定パルス発生回路７１と、２つのパルス幅・電圧
変換回路２２、２３とで構成される。

【００６２】測定パルス発生回路７１は、第１信号たる
タイミングコントローラ９２ｂからの測定スタート信号
と第２信号たるコンパレータ９９からの測定ストップ信
号とを受けて、両者の発生時点間隔をパルス幅とする２
つの測定パルス信号であって互いに極性が異なる測定正
パルス信号と測定負パルス信号をそれぞれ発生する。具
体的には、例えば図８に示すように構成される。

【００６３】なお、２つのパルス幅・電圧変換回路２
２、２３は、第１実施の形態で用いたものと同一である
ので、その説明を省略する。図８は、測定パルス発生回
路７１の具体例を示す。図８において、この測定パルス
発生回路７１は、２つのフリップフロップ８１、８２
と、２つの排他的論理和回路８３、８４とで構成され
る。

【００６４】フリップフロップ８１は、データ入力端Ｄ
に電源電圧Ｖ_CCが印加され、クロック入力端に測定スタ
ート信号が印加される。フリップフロップ８２は、デー
タ入力端Ｄにフリップフロップ８１の正相データ出力端
Ｑが接続され、クロック入力端に測定ストップ信号が印
加される。なお、２つのフリップフロップ８１、８２の
リセット端にはリセット信号が印加される。

【００６５】排他的論理和回路８３は、一方の入力端に
フリップフロップ８２の正相データ出力端Ｑが接続さ
れ、他方の入力端にフリップフロップ８１の正相データ
出力端Ｑが接続され、出力端に測定正パルス信号を送出
する。他方の排他的論理和回路８４は、一方の入力端に
フリップフロップ８２の逆相データ出力端Ｑ^- が接続さ
れ、他方の入力端にフリップフロップ８１の正相データ
出力端Ｑが接続され、出力端に測定負パルス信号を送出
する。

【００６６】以上の構成において、２つのフリップフロ
ップ８１、８２のリセット端には、タイミングコントロ
ーラ９２ｂから測定スタート信号の出力に先立ってリセ
ット信号が印加され、発光パルス（図１２（ａ））の送
出以前に初期設定される。

【００６７】従って、排他的論理和回路８３は、２入力
が共にＬレベルであるので、出力をＬレベルにしてい
る。他方の排他的論理和回路３５は、一方の入力(フリ
ップフロップ８２の逆相データ出力)がＨレベル、他方
の入力（フリップフロップ８１の正相データ出力）がＬ
レベルであるので、出力をＨレベルにしている。この状
態で、フリップフロップ８１は、発光パルス（図１２
（ａ））の送出時点でタイミングコントローラ９２ｂか
ら測定スタート信号がクロック端に入力すると、データ
入力端Ｄに印加される電源電圧Ｖ_CCを取り込み、正相デ
ータ出力端ＱをＨレベルにする。この時点では、フリッ
プフロップ８２は、正相データ出力端ＱをＬレベルに
し、逆相データ出力端Ｑ^- をＨレベルにしている。

【００６８】その結果、排他的論理和回路８３は、一方
の入力がＬレベルで、他方の入力がＨレベルであるの
で、出力をＬレベルからＨレベルに立ち上げる。他方の
排他的論理和回路８４は、双方の入力がＨレベルである
ので、出力をＨレベルからＬレベルに立ち下げる。そし
て、フリップフロップ８２のクロック端に、受光パルス
（図１２（ｂ））受信に基づく測定ストップ信号がコン
パレータ９９から入力すると、フリップフロップ８２
は、正相データ出力端ＱをＨレベルに、逆相データ出力
端Ｑ^- をＬレベルにする。

【００６９】その結果、排他的論理和回路８３は、双方
の入力がＨレベルであるので、出力をＨレベルからＬレ
ベルに立ち下げる。他方の排他的論理和回路８４は、一
方の入力がＬレベルで、他方の入力がＨレベルであるの
で、出力をＬレベルからＨレベル立ち上げる。即ち、排
他的論理和回路８３は、発光パルス（図１２（ａ））の
送出時点から受光パルス（図１２（ｂ））の受信時点ま
での時間間隔をパルス幅とする正極性の測定パルス信号
（測定正パルス信号）を出力し、他方の排他的論理和回
路８４は、発光パルス（図１２（ａ））の送出時点から
受光パルス（図１２（ｂ））の受信時点までの時間間隔
をパルス幅とする負極性の測定パルス信号（測定負パル
ス信号）を出力する。

【００７０】これら２つの測定パルス信号は、同一のパ
ルス幅のもので、しかも同一のタイミングで発生する
点、第１実施の形態と同様である。従って、第１実施の
形態と同様の作用・効果が得られる。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
時間・電圧変換回路は、互いに極性が異なる測定正パル
ス信号と測定負パルス信号をそれぞれ発生し、それぞれ
の測定パルス信号によってコンデンサへの充電動作を行
い、パルス幅に相当する電圧値を出力する。

【００７２】このとき、ノイズは、２つの測定パルス信
号のそれぞれに同一のタイミングで重畳するが、同一の
タイミングで発生する２つの測定パルス信号は、互いに
極性が異なるので、ノイズが重畳すると充電動作の開始
時点または終了時点が２つの測定パルス信号間で互いに
逆向きにずれた位置へ移動する。従って、当該時間・電
圧変換回路の後段においてその影響を取り除くことが可
能となる。

【００７３】具体的には、請求項４に記載の時間・電圧
変換回路のように、後段に平均化回路を設け、２つの測
定パルス信号に基づく電圧変換値の平均を求めれば、ノ
イズ成分は大幅に低減させることができる。コンデンサ
は、各測定パルス信号毎に設けても良いが、請求項２及
び請求項３に記載の時間・電圧変換回路のように、共通
のコンデンサとすれば、回路の簡素化が図れる。

【００７４】また、請求項５に記載の時間・電圧変換回
路によれば、２つの測定パルス信号での電圧変換のタイ
ミングを揃えることができ、誤差の発生を防止できる。
次に、請求項６乃至請求項９に記載の距離測定装置は、
時間・電圧変換回路の２つの測定パルス信号にノイズが
重畳しても、それらにより形成した電圧変換値の平均を
求めるので、ノイズの影響を除去して真の電圧変換値を
取得でき、測定誤差の発生を防止し、測定精度を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態の距離測定装置の構成
図である。

【図２】本発明の第１実施の形態に係る時間・電圧変換
回路の構成図である。

【図３】測定パルス発生回路の具体例の回路図である。

【図４】パルス幅・電圧変換回路の構成図であり、
（ａ）は原理図、（ｂ）は具体的回路例である。

【図５】本発明の時間・電圧変換回路の動作説明図であ
る。

【図６】本発明の第２実施の形態の距離測定装置の構成
図である。

【図７】本発明の第２実施の形態に係る時間・電圧変換
回路の構成図である。

【図８】測定パルス発生回路の具体例の回路図である。

【図９】従来の距離測定装置の構成図である。

【図１０】図９に示す距離測定装置が行う距離測定の一
般的な動作タイムチャートである。

【図１１】従来の距離測定装置の構成図である。

【図１２】図１１に示す距離測定装置が行う距離測定の
一般的な動作タイムチャートである。

【図１３】従来のパルス幅・電圧変換回路の構成図であ
る。

【図１４】従来の時間・電圧変換回路の動作説明図であ
る。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ距離計測部２ａ、２ｂ時間・電圧変換回路２１、７１測定パルス発生回路２２、２３パルス幅・電圧変換回路３１、３２、３３フリップフロップ３４、３５排他的論理和回路４１、Ｉｏ定電流回路４２スイッチ４３、Ｃ３コンデンサ８１、８２フリップフロップ８３、８４排他的論理和回路Ｑ１、Ｑ２トランジスタ（スイッチ）９２ａ、９２ｂタイミングコントローラ９３ＬＤドライバ９４レーザダイオード（ＬＤ）９５、９６対物レンズ９７受光素子９８増幅回路９９コンパレータ１００カウンタ１０３ターゲット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０３Ｋ 11/00 Ｈ０３Ｋ 11/00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１信号と第２信号の発生時点間隔をパ
ルス幅とする２つの測定パルス信号であって互いに極性
が異なる測定正パルス信号と測定負パルス信号をそれぞ
れ発生する測定パルス発生回路と、前記測定正パルス信号と測定負パルス信号のそれぞれを
受けて、それらの前縁から後縁までの間コンデンサへの
充電動作を行い、パルス幅に相当する電圧値を出力する
パルス幅・電圧変換回路とを備えることを特徴とする時
間・電圧変換回路。
【請求項２】請求項１に記載の時間・電圧変換回路に
おいて、前記パルス幅・電圧変換回路は、前記測定正パ
ルス信号と測定負パルス信号のそれぞれが同一のタイミ
ングで入力し、共通のコンデンサへの充電動作を同一の
タイミングで行うことを特徴とする時間・電圧変換回
路。
【請求項３】請求項１に記載の時間・電圧変換回路に
おいて、前記パルス幅・電圧変換回路は、前記測定正パ
ルス信号と測定負パルス信号のそれぞれが重ならないタ
イミングで入力し、共通のコンデンサへの充電動作を重
ならないタイミングで行うことを特徴とする時間・電圧
変換回路。
【請求項４】請求項１乃至請求項３の何れか１項に記
載の時間・電圧変換回路において、前記パルス幅・電圧
変換回路の出力段に、電圧値の平均値を求める平均化回
路を備えることを特徴とする時間・電圧変換回路。
【請求項５】請求項１乃至請求項４の何れか１項に記
載の時間・電圧変換回路において、測定パルス発生回路とパルス幅・電圧変換回路との間で
は、測定正パルス信号を発生する回路からパルス幅・電
圧変換回路への信号伝達時間と、測定負パルス信号を発
生する回路からパルス幅・電圧変換回路への信号伝達時
間とが等しくなっていることを特徴とする時間・電圧変
換回路。
【請求項６】基準クロックに同期して測定波を測定対
象物に向けて送波した時点から測定対象物で反射して戻
って来た測定波の受信時点までの測定波往復時間を、測
定波を送波した時点の基準クロックから測定波の受信後
に生ずる基準クロックまでのクロック数と、測定波の受
信時点からその後に生ずる基準クロックまでの時間の電
圧変換値とから求め、そのクロック数と電圧変換値とか
ら測定対象物までの距離を測定する距離測定装置におい
て、前記測定波の受信時点を前記第１信号の発生時点とし、
その測定波の受信後に生ずる基準クロックを前記第２信
号の発生時点とする請求項１乃至請求項３の何れか１項
の時間・電圧変換回路と、前記時間・電圧変換回路の出力電圧値の平均を求める平
均化回路とを備えることを特徴とする距離測定装置。
【請求項７】基準クロックに同期して測定波を測定対
象物に向けて送波した時点から測定対象物で反射して戻
って来た測定波の受信時点までの測定波往復時間を、測
定波を送波した時点の基準クロックから測定波の受信後
に生ずる基準クロックまでのクロック数と、測定波の受
信時点からその後に生ずる基準クロックまでの時間の電
圧変換値とから求め、そのクロック数と電圧変換値とか
ら測定対象物までの距離を測定する距離測定装置におい
て、前記測定波の受信時点を前記第１信号の発生時点とし、
その測定波の受信後に生ずる基準クロックを前記第２信
号の発生時点とする請求項４の時間・電圧変換回路を備
えることを特徴とする距離測定装置。
【請求項８】測定波を測定対象物に向けて送波した時
点から測定対象物で反射して戻って来た測定波の受信時
点までの測定波往復時間を、測定波を送波した時点から
測定波の受信時点までの時間の電圧変換値から求め、そ
の電圧変換値から測定対象物までの距離を測定する距離
測定装置において、前記測定波の送波時点を前記第１信号の発生時点とし、
その測定波の受信時点を前記第２信号の発生時点とする
請求項１乃至請求項３の何れか１項の時間・電圧変換回
路と、前記時間・電圧変換回路の出力電圧値の平均を求める平
均化回路とを備えることを特徴とする距離測定装置。
【請求項９】測定波を測定対象物に向けて送波した時
点から測定対象物で反射して戻って来た測定波の受信時
点までの測定波往復時間を、測定波を送波した時点から
測定波の受信時点までの時間の電圧変換値から求め、そ
の電圧変換値から測定対象物までの距離を測定する距離
測定装置において、前記測定波の送波時点を前記第１信号の発生時点とし、
その測定波の受信時点を前記第２信号の発生時点とする
請求項４の時間・電圧変換回路を備えることを特徴とす
る距離測定装置。