WO2020090291A1 - センサ装置及び検出方法 - Google Patents

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WO2020090291A1
WO2020090291A1 PCT/JP2019/037443 JP2019037443W WO2020090291A1 WO 2020090291 A1 WO2020090291 A1 WO 2020090291A1 JP 2019037443 W JP2019037443 W JP 2019037443W WO 2020090291 A1 WO2020090291 A1 WO 2020090291A1
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distance
signal
waveform data
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頌一 大中
清司 今井
雄介 飯田
良介 都築
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オムロン株式会社
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    • G01V8/12—Detecting, e.g. by using light barriers using one transmitter and one receiver

Definitions

  • the present invention relates to a sensor device and a detection method.
  • a photoelectric sensor a light emitting element that repeatedly generates detection light, a light receiving element that receives reflected light of detection light, a binarization processing unit that binarizes a light reception signal, and a time change of a binarization light reception signal Based on the integrated waveform data, a waveform detection unit that detects the waveform data indicating the waveform, a waveform integration unit that matches the light emission timings of the light emitting elements to integrate two or more waveform data, and generates integrated waveform data.
  • a work discriminating unit for discriminating the presence or absence see Patent Document 1. This photoelectric sensor can detect a work by sampling the reflected light at high speed while suppressing the circuit scale.
  • the photoelectric sensor of Patent Document 1 obtains the distance to the object by measuring the time from the transmission timing of the transmission signal to the reception of the reflected signal, and determines whether or not the object is at a desired set distance. Making a decision.
  • an on-point threshold value that determines that there is a target object when the target object is not detected and an off-point threshold value that determines that the target object is not detected when the target object is detected
  • a hysteresis width that represents the difference between is set. For example, for a set distance of 1000 mm, the on-point threshold value is set to 1000 mm, the off-point threshold value is set to 990 mm, and the hysteresis width is set to 10 mm.
  • the reflectance of the object when the reflectance of the object is low, the measured distance varies widely, so it is necessary to set a wide hysteresis width.
  • the reflectance of the object when the reflectance of the object is high, the variation in the measured distance is small. Therefore, when the hysteresis width for an object having a low reflectance is used, the measured width is set to be wide, and thus the measured distance is less likely to exceed the on-point threshold value or the off-point threshold value. Therefore, the detection accuracy of the object depends on the reflectance of the object.
  • an object of the present invention is to provide a sensor device and a detection method that can detect an object with high accuracy regardless of the reflectance of the object.
  • a sensor device includes a transmitter that transmits a transmission signal toward an object, a receiver that receives a reflected signal of the transmission signal and generates a binarized signal, and a binarized signal.
  • An integrating unit that generates waveform data showing a time change and integrates the plurality of waveform data to generate integrated waveform data; and an integrated waveform data, a first integrated threshold value, and a second integrated threshold value. Presence or absence of an object based on a distance calculation unit that calculates a first distance value and a second distance value from the intersection point and a distance value calculated from the first distance value and the second distance value and a predetermined distance threshold value. And a determination unit that determines.
  • the first distance value and the second distance value are calculated from the respective intersections of the integrated waveform data and the first integrated threshold value and the second integrated threshold value, and the first distance value and the second distance value are calculated.
  • the presence or absence of the target object is determined based on the distance value calculated from the value and a predetermined distance threshold value.
  • the slope of the integrated waveform data is steep, and therefore even if the difference between the first integrated threshold value and the second integrated threshold value is constant, The width between the two distance values is relatively narrow.
  • the slope of the integrated waveform data is gentle, so that even if the difference between the first integrated threshold value and the second integrated threshold value is constant, the first distance value and the second integrated value
  • the width between the distance value and the distance value becomes relatively wide. Therefore, by calculating the first distance value and the second distance value from the respective intersections of the integrated waveform data and the first integrated threshold value and the second integrated threshold value, the first distance value and the first distance value are calculated according to the reflectance.
  • the width between the second distance value can be varied. Therefore, by determining the presence or absence of the object based on the distance value calculated from the first distance value and the second distance value and the predetermined distance threshold, the object can be detected regardless of the reflectance of the object. It can be detected accurately.
  • the determination unit determines the hysteresis value based on the absolute value of the difference between the first distance value and the second distance value, the distance value, and the predetermined distance threshold when the immediately previous determination result is that there is an object. Based on this, the presence or absence of the object is determined.
  • the immediately preceding determination result is that there is an object
  • the distance value, and the predetermined distance threshold value based on the absolute value of the difference between the first distance value and the second distance value, the distance value, and the predetermined distance threshold value.
  • a margin can be set for the determination by the hysteresis value. It can be provided, and it is possible to prevent a sensitive reaction to a change in the distance value calculated from the first distance value and the second distance value in the determination after it is determined that the object exists.
  • the distance calculation unit performs subpixel processing by using the data immediately before and the data immediately after the intersection of the first integration threshold value and the second integration threshold value in the integration waveform data.
  • the first distance value and the second distance value may be calculated.
  • the sub-pixel processing is performed using the data immediately before and the data immediately after the intersection of the first integrated threshold value and the second integrated threshold value in the integrated waveform data, whereby the first distance is obtained.
  • the value and the second distance value are calculated.
  • the integrating unit samples the binarized signal at a predetermined cycle to generate the first waveform data, and integrates the first waveform data for a plurality of transmissions of the transmission signal to perform the first integration.
  • a first integration unit that generates waveform data; a timing determination unit that determines a reference timing based on the position of a feature point that appears in the first integration waveform data due to the presence of an object and that generates a stop signal based on the reference timing.
  • a second integrating section including a delay circuit section that generates second integrated waveform data by integrating, and the distance calculating section integrates the second integrated waveform data, the first integrated threshold value, and the second integrated value. From each of the intersection between have values may calculate the first distance value and the second distance value.
  • the reference timing based on the position of the feature point appearing in the first integrated waveform data is determined by the existence of the object, the stop signal is generated based on the reference timing, and each delay element responds to the stop signal.
  • the second waveform data is generated by taking in the binarized signal as a result, and the second integrated waveform data is generated by integrating the second waveform data a plurality of times in a predetermined cycle.
  • the second integrating unit may include a plurality of delay circuit units connected in parallel, and may integrate the second integrated waveform data generated by each delay circuit unit.
  • the second integrated waveform data generated by each delay circuit unit is integrated. This makes it possible to increase the number of times of sampling at the same time, as compared with the case where the delay circuit unit has a single column. Therefore, the sensor device can support high-speed output.
  • the first integrating unit may have a resolution on the order of nanoseconds
  • the delay circuit unit may have a resolution on the order of picoseconds
  • the first integrating unit has a resolution of nanosecond order
  • the delay circuit unit has a resolution of picosecond order. This can improve the accuracy of measuring the distance to the periphery of the object.
  • a detection method is a detection method for detecting an object, which includes a transmitting step of transmitting an emission signal toward the object and a binarized signal by receiving a reflected signal of the emission signal. And a step of generating waveform data showing a time change of the binarized signal, integrating the plurality of waveform data to generate integrated waveform data, integrated waveform data, and a first integrated threshold value.
  • a distance calculation step of calculating a first distance value and a second distance value from respective intersections of the value and the second integrated threshold, and a distance value calculated from the first distance value and the second distance value and a predetermined distance A determination step of determining the presence or absence of the target object based on the threshold value.
  • the first distance value and the second distance value are calculated from the respective intersections of the integrated waveform data and the first integrated threshold value and the second integrated threshold value, and the first distance value and the second distance value are calculated.
  • the presence or absence of the target object is determined based on the distance value calculated from the value and a predetermined distance threshold value.
  • the slope of the integrated waveform data is steep, and therefore even if the difference between the first integrated threshold value and the second integrated threshold value is constant, The width between the two distance values is relatively narrow.
  • the slope of the integrated waveform data is gentle, so that even if the difference between the first integrated threshold value and the second integrated threshold value is constant, the first distance value and the second integrated value
  • the width between the distance value and the distance value becomes relatively wide. Therefore, by calculating the first distance value and the second distance value from the respective intersections of the integrated waveform data and the first integrated threshold value and the second integrated threshold value, the first distance value and the first distance value are calculated according to the reflectance.
  • the width between the second distance value can be varied. Therefore, by determining the presence or absence of the object based on the distance value calculated from the first distance value and the second distance value and the predetermined distance threshold, the object can be detected regardless of the reflectance of the object. It can be detected accurately.
  • the determination step determines the hysteresis value based on the absolute value of the difference between the first distance value and the second distance value, the distance value, and the predetermined distance threshold value when the immediately previous determination result is that there is an object. Based on the determination, the presence or absence of the object is included.
  • the immediately preceding determination result is that there is an object
  • the distance value based on the hysteresis value based on the absolute value of the difference between the first distance value and the second distance value, the distance value, and the predetermined distance threshold value
  • the presence or absence of the object is determined.
  • a margin can be set for the determination corresponding to the hysteresis value.
  • the distance calculating step performs sub-pixel processing by using the data immediately before and the data immediately after the respective intersections of the first integrated threshold value and the second integrated threshold value in the integrated waveform data. , And calculating a first distance value and a second distance value.
  • the sub-pixel processing is performed using the data immediately before and the data immediately after the intersection of the first integrated threshold value and the second integrated threshold value in the integrated waveform data, whereby the first distance is obtained.
  • the value and the second distance value are calculated.
  • the integrating step samples the binarized signal at a predetermined cycle to generate first waveform data, and integrates the first waveform data for a plurality of transmissions of the transmission signal to generate a first waveform data.
  • each delay element captures the binarized signal according to a stop signal to generate second waveform data, and the second waveform A second integrating step of generating second integrated waveform data by integrating the data a plurality of times in a predetermined cycle, wherein the distance calculating step includes the second integrating wave.
  • Data and may comprise from each intersection of the first integration threshold value and a second cumulative threshold to calculate a first distance value and the second distance value.
  • the reference timing based on the position of the feature point appearing in the first integrated waveform data is determined by the existence of the object, the stop signal is generated based on the reference timing, and each delay element responds to the stop signal.
  • the second waveform data is generated by taking in the binarized signal as a result, and the second integrated waveform data is generated by integrating the second waveform data a plurality of times in a predetermined cycle.
  • the second integrating step may include integrating the second integrated waveform data generated by each delay circuit unit in each of the plurality of delay circuit units connected in parallel.
  • the second integrated waveform data generated by each delay circuit unit is integrated. This makes it possible to increase the number of times of sampling at the same time, as compared with the case where the delay circuit unit has a single column. Therefore, the sensor device can support high-speed output.
  • the first integration step may have a resolution of nanosecond order
  • the delay circuit unit may have a resolution of picosecond order
  • the first integrating unit has a resolution of nanosecond order
  • the delay circuit unit has a resolution of picosecond order. This can improve the accuracy of measuring the distance to the periphery of the object.
  • the present invention it is possible to provide a sensor device and a detection method capable of accurately detecting an object regardless of the reflectance of the object.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating the configuration of a sensor device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic view illustrating the detection principle of the sensor device shown in FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating the configuration of the TDC delay line measurement unit shown in FIG. 1 and its surroundings.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating the configuration of the counter measurement unit illustrated in FIG.
  • FIG. 5 is a timing diagram illustrating the operation of the counter measurement unit shown in FIG. 1 and its peripherals.
  • FIG. 6 is a timing diagram illustrating the rough measurement operation of the counter measurement unit shown in FIG.
  • FIG. 7 is a timing diagram illustrating an outline of the operation of the TDC delay line measurement unit shown in FIG. 1 and its peripherals.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating the configuration of a sensor device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic view illustrating the detection principle of the sensor device shown in FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating the configuration of the TDC delay
  • FIG. 8 is a waveform diagram illustrating the processing result of the filter processing unit shown in FIG. 1 and its surroundings when the reflectance of the object is relatively low.
  • FIG. 9 is a waveform diagram illustrating the processing result of the filter processing unit shown in FIG. 1 and its surroundings when the reflectance of the object is relatively high.
  • FIG. 10 is a waveform diagram illustrating the processing result of the stage number calculation unit shown in FIG. 1 and its surroundings when the reflectance of the object is relatively high.
  • FIG. 11 is a partially enlarged view illustrating the vicinity of the intersection of the integrated signal and the high threshold value shown in FIG.
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating a schematic operation of the sensor device according to the embodiment.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating the determination process shown in FIG.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a sensor device 100 according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic view illustrating the detection principle of the sensor device 100 shown in FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating the configuration of the TDC delay line measurement unit 33 shown in FIG. 1 and its peripherals.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating the configuration of the counter measurement unit 32 shown in FIG.
  • the sensor device 100 includes a light emitting unit 10, a light receiving unit 20, an FPGA (Field-Programmable Gate Array) 30, a CLK 45, a control unit 50, a display unit 60, and an operation unit 70. , Is provided.
  • the sensor device 100 is, for example, a photoelectric sensor and is for detecting an object.
  • the sensor device 100 emits detection light toward the target TA.
  • the detection light reflected by the object TA returns to the sensor device 100 and is received.
  • the sensor device 100 can accurately measure the distance to the target TA based on the time from light projection to light reception by performing signal processing on the received detection light in the sensor device 100.
  • the target TA at a predetermined distance (position) from the sensor device 100 can be detected.
  • a mode in which the target TA flowing on the factory line is detected from above can be considered.
  • electromagnetic waves, sound waves, or the like may be output from the sensor device 100 toward the target TA.
  • the light emitting unit 10 is configured to emit detection light toward the target TA.
  • the light emitting unit 10 includes a light projecting element 11 and a light projecting circuit 15.
  • the light projecting element 11 repeatedly emits the detection light toward the target TA shown in FIG. An example in which the detection light is emitted periodically will be described below, but the detection light may be emitted randomly.
  • the light projecting element 11 is configured to include, for example, an LD (Laser Diode), and the detection light is, for example, pulsed light.
  • LD Laser Diode
  • the pulse control signal P1 and the power control signal P2 of the light projecting element 11 are input from the FPGA 30 to the light projecting circuit 15, and the light projecting circuit 15 receives the light projecting element 11 based on the pulse control signal P1 and the power control signal P2. It controls the detection light emitted from.
  • the light receiving unit 20 is configured to receive the reflected light of the detected light and generate the binarized signal RT.
  • the light receiving section 20 includes a light receiving element 21 and a light receiving circuit 25.
  • the light receiving element 21 receives the detection light reflected from the target TA shown in FIG. 2 and outputs a light reception signal.
  • the light receiving element 21 includes, for example, an APD (Avalanche Photo Diode).
  • the light receiving circuit 25 binarizes the light receiving amount of the light receiving signal input from the light receiving element 21 by comparing it with a predetermined threshold value and generates a binarized signal RT.
  • the light receiving circuit 25 outputs the generated binarized signal RT.
  • the FPGA 30 includes a light emitting oscillator 31, a counter measuring unit 32, a TDC (Time-to-Digital Converter) delay line measuring unit 33, a waveform integrating unit 34, a slope calculating unit 35, a stage number calculating unit 37, and a distance. It includes a conversion unit 38, a register 39, a light projecting element temperature control unit 40, an interface unit 41, a clock generation unit 46, and a PLL (Phase Locked Loop) 47.
  • the FPGA 30 can be replaced with an integrated circuit such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit).
  • CLK45 outputs an oscillation signal of 20 MHz to the clock generation unit 46, for example.
  • the oscillation signal is input to the clock generation unit 46, and the clock generation unit 46 generates and outputs the reference clock based on the transmission signal.
  • a reference clock is input to the PLL 47, and the PLL 47 generates and outputs a clock signal Ck that is phase-locked with a desired frequency based on the reference clock.
  • the clock signal Ck is supplied to each component of the FPGA 30.
  • An output signal is input to the light emitting oscillator 31 from the light emitting element temperature control unit 40.
  • the light projection oscillator 31 generates a pulse control signal P1 and a power control signal P2 based on the output signal, and outputs the pulse control signal P1 and the power control signal P2 to the light projection circuit 15 described above.
  • the light projecting element temperature control unit 40 is for controlling the light projecting power of the detection light emitted from the light emitting unit 10 based on the temperature information of the light projecting element 11. Further, the light projecting oscillator 31 outputs a start signal Str to start counting in the counter measuring unit 32 to the counter measuring unit 32 in synchronization with the pulse control signal P1.
  • the binarized signal RT and the start signal St are input to the counter measurement unit 32.
  • the counter measuring unit 32 generates a stop signal Stp corresponding to the characteristic point of the binarized signal RT, and outputs the generated stop signal Stp. Details of the counter measurement unit 32 will be described later.
  • the binarized signal RT and the stop signal Stp are input to the TDC delay line measurement unit 33.
  • the TDC delay line measuring section 33 generates delay line output signals D1 to D4 and outputs the generated delay line output signals D1 to D4 to the waveform integrating section 34.
  • the TDC delay line measuring unit 33 is different from TDC that measures the time of a stop pulse that arrives after a delay from a start pulse, that is, a single hit type TDC that uses a delay line.
  • the waveform integration unit 34 integrates the delay line output signals D1 to D4 input from the TDC delay line measurement unit 33 multiple times to generate an integrated signal Dt.
  • the waveform integration unit 34 outputs the generated integration signal Dt to the slope calculation unit 35 and the stage number calculation unit 37.
  • the slope calculating unit 35 outputs the calculated slope to the register 39 via the interface unit 41.
  • the stage number calculating unit 37 calculates the number of stages of the delay circuits included in the TDC delay line measuring unit 33 based on the integrated signal Dt input from the waveform integrating unit 34. The delay circuit of the TDC delay line measuring unit 33 will be described later.
  • the stage number calculation unit 37 outputs the calculated stage number of the delay circuit to the distance conversion unit 38.
  • the distance conversion unit 38 converts the number of stages of the delay circuit input from the stage number calculation unit 37 into a distance from the sensor device 100, and outputs the converted distance.
  • the inclination of the inclination calculator 35 and the converted distance of the distance converter 38 are input to the register 39, and the register 39 stores these.
  • the interface unit 41 outputs the inclination of the inclination calculation unit 35 stored in the register 39 and the output result of the distance conversion unit 38 to the control unit 50 as a measurement signal T1.
  • the control unit 50 is configured to control the display unit 60 and the operation unit 70.
  • the control unit 50 obtains the amount of received light based on the measurement signal T1 input from the interface unit 41, for example, from the slope of the integrated signal Dt, and outputs the obtained amount of received light to the display unit 60.
  • the control unit 50 also generates setting data T2 corresponding to the information input by the user (user) operating the operation unit 70, and outputs the generated setting data T2 to the interface unit 41.
  • the control unit 50 includes a microprocessor such as a CPU (Central Processing Unit), a memory such as a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and a buffer storage device such as a buffer.
  • the control unit 50 also includes a determination unit 51 as its functional configuration. Based on the output result of the distance conversion unit 38 included in the measurement signal T1 input from the interface unit 41, the determination unit 51 determines whether or not the target TA shown in FIG. 2 exists at a predetermined distance, that is, the target. The presence or absence of the object TA is determined. The control unit 50 outputs the determination result to the display unit 60.
  • the display unit 60 is for outputting information.
  • the display unit 60 displays the amount of received light input from the control unit 50.
  • the display unit 60 also displays the presence or absence of the target TA based on the determination result input from the control unit 50.
  • the display unit 60 is configured to include, for example, a lamp, an indicator light such as an LED (Light Emitting Diode), and a display such as an organic EL display (OLED: Organic Electro-Luminescence Display).
  • the operation unit 70 is for inputting information.
  • the operation unit 70 outputs a signal corresponding to a user (user) operation to the control unit 50.
  • the operation unit 70 is configured to include, for example, a plurality of buttons.
  • the counter measuring unit 32 starts counting the binarized signal RT in response to the start signal St.
  • the counting of the binarized signal RT is performed based on the clock signal Ck input from the PLL 47.
  • the counter measurement unit 32 generates stop signals Stp1, Stp2, Stp3, Stp4 (hereinafter also collectively referred to as “stop signal Stp”) corresponding to the characteristic points of the binarized signal RT, and measures the TDC delay line. It is output to the unit 33.
  • the TDC delay line measuring unit 33 includes a first TDC delay line 301, a second TDC delay line 302, a third TDC delay line 303, a fourth TDC delay line 304, and a buffer 315.
  • FIG. 3 shows an example in which the TDC delay line measuring unit 33 is composed of four TDC delay lines, the present invention is not limited to this.
  • the TDC delay line measuring unit 33 may increase or decrease the TDC delay line according to the scale of the logical capacity.
  • the first TDC delay line 301 includes delay elements 6-1, 6-2, 6-3, ..., 6-n (n is a positive integer) (hereinafter, also collectively referred to as “delay element 6”). , 7-n (hereinafter, also collectively referred to as “flip-flop circuit 7”).
  • the delay element 6 is configured to include, for example, an inverter, that is, a NOT gate.
  • the flip-flop circuit 7 is configured to include, for example, a D flip-flop, and the D flip-flop may be replaced with a latch circuit or the like.
  • the delay element 6 uses the carry by the carry for high-speed operation of LE (Logic Element) to generate a delay.
  • the delay element 6 having a resolution on the order of picoseconds is realized in the FPGA 30.
  • the delay element 6 in the FPGA 30 can also be realized by utilizing the delay between the clock input and the Q input of the D flip-flop. In this case, a stable delay time on the order of nanoseconds can be obtained.
  • the delay element 6-1 delays the input binarized signal RT for a predetermined time, and then outputs it to the delay element 6-2 and the flip-flop circuit 7-1.
  • the flip-flop circuit 7-1 outputs the input from the delay element 6-1 at the timing when the stop signal Stp1 is input.
  • the delay element 6-2 delays the input from the delay element 6-1 for a predetermined time and then inputs it to the delay element 6-3 and the flip-flop circuit 7-2.
  • the flip-flop circuit 7-2 outputs the input from the delay element 6-2 at the timing when the stop signal Stp1 is input. The same applies to the delay elements 6-3 and the flip-flop circuits 7-3 and the flip-flop circuits 7-3 and the flip-flop circuits.
  • the first TDC delay line 301 includes delay signals Q1, Q2, Q3, ..., Qn (hereinafter collectively referred to as “delayed signals”, which are synchronously output from the flip-flop circuits 7-1, 7-2, 7-3, ).
  • the delay line output signal D1j becomes the waveform data of the binarized signal RT having a time length corresponding to the total of the delay times of the delay elements 6-1, 6-2, 6-3, ..., 6-n.
  • the buffer 315 outputs a delay line output signal D1 obtained by integrating the delay line output signal D1j m times. The same applies to the delay line output signals D2 to D4 of the TDC delay lines 302 to 304, and the description thereof will be omitted.
  • each of the TDC delay lines 301 to 304 is driven by a clock signal Ck input from the PLL 47.
  • the TDC delay line measurement unit 33 may further include a TDC delay line for temperature correction.
  • the TDC delay line for temperature correction outputs a signal indicating the number of delay stages according to temperature to, for example, the distance conversion unit 38 described above, and the distance conversion unit 38 uses the signal to output from the stage number calculation unit 37.
  • the temperature of the input delay circuit is corrected.
  • the distance conversion unit 38 converts the number of stages of the temperature-corrected delay circuit into a distance. This makes it possible to correct the fluctuation (variation) of the measurement result due to the ambient temperature.
  • the counter measurement unit 32 includes a binarized signal acquisition unit 321, a signal storage unit 322, a stop signal determination unit 323, and a stop timing management unit 324.
  • the binarized signal capturing unit 321 captures the binarized signal RT based on the timing of the start signal Str.
  • the signal storage unit 322 stores the captured binarized signal RT.
  • the signal accumulation unit 322 accumulates the measurement results for the measurement cycle n times in the rough measurement based on the clock described later.
  • the stop signal determination unit 323 outputs the sampling signal Smp based on the clock signal to the signal storage unit 322 that stores the binarized signal RT.
  • the stop signal determination unit 323 recognizes the rising point of the integrated value of the binarized signal RT that first intersects the determination threshold as a measurement point, and outputs the stop signal StpN at this point.
  • the measurement point is not limited to the rising time point, and may be the falling time point or another characteristic point.
  • the stop timing management unit 324 receives the stop signal StpN, and based on the timing of the start signal Str, the stop signals Stp1, Stp2, and Stp3 to the TDC delay lines 301 to 304 every predetermined number of clock cycles, for example, every 128 times. , Stp4 are simultaneously output.
  • the stop timing management unit 324 is configured to include a register for correcting a time difference due to a difference in wiring length that outputs the stop signals Stp1, Stp2, Stp3, Stp4. By using the register, fluctuation (variation) of the time measurement value due to the wiring length can be suppressed.
  • FIG. 5 is a timing diagram illustrating the operation of the counter measurement unit 32 shown in FIG. 1 and its peripherals.
  • the sensor device 100 roughly measures the time elapsed from the start of light emission over the entire measurement range of the sensor device 100 by a counter method using a clock signal.
  • the rough measurement is performed with a resolution of nanosecond order.
  • the periphery of the measurement point estimated by rough measurement is finely measured by the TDC delay line method. Specifically, by outputting a stop signal for fine measurement around the measurement point searched for by rough measurement, the time around the target TA can be measured with high accuracy.
  • the fine measurement is performed with a resolution on the order of picoseconds.
  • the light projecting element 11 first emits a light projecting pulse PP1 having a pulse width Pt.
  • the fixed period Mt after emitting the light projection pulse PP1 is the measurement section M1 of the light projection pulse PP1.
  • the counter measurement unit 32 samples the binarized information of the binarized signal RT with the sampling signal Smp based on the clock signal during the measurement section M1. Since the binarized information is sampled based on the clock signal, it is associated with the time information.
  • the binarized signal RT is, for example, a signal from the light receiving element 21 input by a LVDS (Low Voltage Differential Signaling) method.
  • a partial waveform RTp of the binarized signal RT shows a reflected wave corresponding to the light projection pulse PP1.
  • the counter integration signal Cn is obtained by measuring the binarization information of the binarization signal RT with the sampling signal Smp until a predetermined number of integrations (n times) and integrating the binarization information for n times for each clock. is there.
  • the counter measuring unit 32 recognizes the rising point of the counter integration signal Cn that first intersects the determination threshold Th as a measurement point, and outputs a stop signal at this point.
  • the recognition of this measurement point is an example, and other characteristic points such as the falling time may be recognized instead of the rising time.
  • a new waveform is searched from an old waveform in time series to find a characteristic point of the binarized signal RT.
  • the TDC delay line measuring unit 33 finely measures the time immediately before the stop signal based on the above-mentioned stop signal obtained by the rough measurement.
  • the TDC delay lines 301, 302, 303, 304 receive the stop signals Stp1, Stp2, Stp3, Stp4 and perform fine measurement around the measurement points.
  • the fine measurement stop timing around the measurement point searched by the rough measurement the time to the periphery of the target TA can be measured with high accuracy. As a result, it is possible to improve the measurement accuracy of the distance to the periphery of the target TA without increasing the circuit scale, and it is possible to expand the range of the detectable distance.
  • the old waveform is searched from the new waveform temporally.
  • the measurement point can be searched for at a point where the signal level is as high as possible, and the influence of noise such as external light can be suppressed as much as possible.
  • the sensor device 100 can support high-speed output.
  • the first measurement it is possible to measure the distance to the target TA using the results of rough measurement and fine measurement by the user (user) operation. Thereby, the output response speed of the sensor device 100 can be increased.
  • fine measurement can be executed based on the result of the previous rough measurement. Further, when the amount of light is insufficient in rough measurement, it is possible not to make a measurement error but to make a measurement error only when a fine measurement error occurs.
  • the amplitude reference value of the integrated waveform for determining the light amount shortage in rough measurement or fine measurement can be determined based on the amplitude of the integrated waveform set by the user's operation.
  • FIG. 6 is a timing diagram illustrating the rough measurement operation of the counter measurement unit 32 shown in FIG.
  • the binarized signal capturing unit 321 captures the binarized signal RT based on the timing of the start signal Str.
  • the binarized signal RT corresponds to the waveform shown in FIG.
  • the binarized signal RT is binarized, and the binarized signals RT1, RT2, ..., RT128 (hereinafter collectively referred to as “binarized signal RT”) are synchronized with the timing of the start signal Str.
  • the signals are sequentially fetched by the binarized signal fetching unit 321.
  • the counter integration signal Cn represents the binarized signal RT accumulated in the signal accumulating unit 322, and corresponds to the waveform shown in FIG.
  • the stop signal determination unit 323 outputs the sampling signal Smp based on the clock signal to the signal storage unit 322 that stores the counter integrated signal Cn.
  • the stop signal determination unit 323 recognizes the rising point of the counter integration signal Cn that first intersects the determination threshold Th as the measurement point, and outputs the stop signal Stp at this point.
  • the determination threshold Th is variably set according to the measurement cycle of the binarized signal RT n times, 128 times in the example shown in FIG.
  • the determination threshold Th is preferably set to 1/2 of the measurement cycle n times of the binarized signal RT, but may not be 1/2.
  • the determination threshold Th is less than 1/2 of the nth measurement cycle of the binarized signal RT. Largely set. As a result, the characteristic points of the binarized signal RT appearing in the counter integrated signal Cn can be detected with higher sensitivity.
  • FIG. 7 is a timing diagram illustrating an outline of the operation of the TDC delay line measurement unit 33 shown in FIG. 1 and its peripherals. Note that FIG. 7 shows the operation in the case where the counter measurement number in the counter measurement unit 32 and the integration number in the TDC delay line measurement unit 33 are the same (128 in FIG. 7, but can be changed). Further, in order to shorten the response time in the counter measuring unit 32 or the TDC delay line measuring unit 33, it is possible to shorten either one of the times for measurement. If the counter measurement count and the integration count are not the same, a waiting time occurs in the counter measurement or the delay line measurement, so that the measurement efficiency may decrease.
  • the start signal Str corresponding to the clock signal Ck supplied from the PLL 47 to each component of the FPGA 30 has a cycle Tcyc, for example.
  • the binarized signal RT is fetched 128 times and integrated based on the timing of the start signal Str.
  • the stop signal determination unit 323 recognizes the rising time of the integrated value of the binarized signal RT that first intersects the determination threshold Th every 128 clock cycles as a measurement point, and at this time, the stop signals Stp1 and Stp2. , Stp3, Stp4 are simultaneously output to the TDC delay lines 301, 302, 303, 304, respectively.
  • the delay line output signal D1j is output in the first TDC delay line 301 in synchronization with the stop signal Stp1.
  • the buffer 315 outputs the delay line output signal D1j obtained by integrating the delay line output signal D1j 128 times in synchronization with the next stop signal Stp2, and inputs the delay line output signal D2j from the second TDC delay line 302. To be done.
  • the buffer 315 outputs the delay line output signal D2j obtained by integrating the delay line output signal D2j 128 times in synchronization with the next stop signal Stp3, and inputs the delay line output signal D3j from the third TDC delay line 303. To be done.
  • the delay line output signals D3 and D4 output from the TDC delay lines 303 and 304 are similar, the description thereof will be omitted.
  • the delay line output signals D1, D2, D3, D4 are integrated by the waveform integration unit 34, and passed through the stage number calculation unit 37 and the distance conversion unit 38 to the periphery of the target TA. The distance is measured.
  • FIG. 8 is a waveform diagram illustrating the processing result of the waveform integrating unit 34 shown in FIG. 1 and its surroundings when the reflectance of the target TA is relatively low.
  • FIG. 9 is a waveform diagram illustrating the processing result of the waveform integrating unit 34 shown in FIG. 1 and its surroundings when the reflectance of the target TA is relatively high.
  • the integrated signal Dt output by the waveform integration unit 34 is an integrated signal of all delay line output signals D1 to D4.
  • the integrated signal Dt may be filtered, that is, smoothed by a moving average.
  • the stage number calculation unit calculates the stage number of the delay element from the intersection of the integrated signal Dt and the integrated threshold value ITh.
  • the distance conversion unit converts the number of stages of the delay element into the distance to the object.
  • the determination unit compares the converted distances CD1 and CD2 with the off-point distance Doff and the on-point distance Don to determine the presence or absence of the object.
  • the converted distances CD1 and CD2 are larger than the on-point distance Don in a state where the target object is not detected, it is determined that the target object is present (detected). Further, for example, when the converted distances CD1 and CD2 are smaller than the off-point distance Doff while the target TA is detected, it is determined that there is no target (non-detection).
  • the width (difference) between the off-point distance Doff and the on-point distance Don is preset as the hysteresis width Whys.
  • the hysteresis width Whys is set in accordance with the target object TA having a low reflectance
  • the converted width CD2 exceeds the off-point distance Doff or the on-point distance Don because the hysteresis width Whys is wide as shown in FIG. It gets harder. Therefore, the detection accuracy of the target TA depends on the reflectance of the target TA.
  • FIG. 10 is a waveform diagram exemplifying the processing result in the stage number calculation unit 37 shown in FIG. 1 and its surroundings when the reflectance of the target TA is relatively high.
  • FIG. 11 is a partially enlarged view illustrating the vicinity of the intersection of the integrated signal Dt and the high threshold value HTh shown in FIG.
  • the High threshold value HTh and the Low threshold value LTh are set with respect to the amplitude of the integrated signal Dt, that is, the integrated number.
  • a width (difference) between the high threshold value HTh and the low threshold value LTh a predetermined value is set as the integrated number width Wint.
  • the stage number calculator 37 calculates the stage number of the delay element from each intersection of the integrated signal Dt and the High threshold value HTh and the Low threshold value LTh.
  • the distance conversion unit 38 converts the number of stages of each delay element into a Near side distance value CDn and a Far side distance value CDf.
  • the determination unit 51 determines the presence or absence of the target TA based on the distance value calculated from the converted Near side distance value CDn and Far side distance value CDf and a predetermined distance threshold value.
  • the slope of the integrated signal Dt is steep, and therefore the difference between the High threshold value HTh and the Low threshold value LTh (the integrated number width Wint ) Is constant, the width between the near-side distance value CDn and the far-side distance value CDf becomes relatively narrow.
  • the high threshold value HTh and the low threshold value LTh are set with respect to the integrated number of the integrated signal Dt, and the delay is made from the respective intersections of the integrated signal Dt and the high threshold value HTh and the low threshold value LTh.
  • the width of can be changed. Therefore, by determining the presence or absence of the target TA based on the distance value calculated from the converted Near-side distance value CDn and Far-side distance value CDf and the predetermined distance threshold, the reflectance of the target TA can be determined. Therefore, the target TA can be detected with high accuracy.
  • the High threshold value HTh and the Low threshold value LTh are set with respect to the integrated number of the integrated signal Dt, and from the respective intersections of the integrated signal Dt and the High threshold value HTh and the Low threshold value LTh.
  • An example in which the number of stages of the delay elements is calculated and the number of stages of each delay element is converted into the Near side distance value CDn and the Far side distance value CDf has been shown, but the present invention is not limited to this.
  • the integration signal Dt for example, the counter integration signal Cn may be used, and the High threshold value and the Low threshold value may be set with respect to the integration number of the counter integration signal Cn.
  • the sampling number of the sampling signal Smp is calculated from each intersection of the counter integration signal Cn and the High threshold value and the Low threshold value, and the sampling number of each sampling signal Smp is calculated as the Near side distance value and the Far side distance value. Convert to and.
  • each intersection of the integrated signal Dt and the High threshold value HTh and the Low threshold value LTh is obtained by sub-pixel processing. That is, as shown in FIG. 11, the integrated signal Dt is a collection of discrete points (data) Pk ⁇ 2, Pk ⁇ 1, Pk, Pk + 1 from a micro viewpoint.
  • the stage number calculation unit 37 outputs data immediately before the intersection with the high threshold HTh, in the example of FIG. 11, data immediately after the intersection between the point Pk ⁇ 1 and the high threshold HTh, and FIG.
  • sub-pixel processing is performed using the point Pk and the intersection point of the integrated signal Dt and the high threshold value HTh is obtained.
  • the stage number calculation unit 37 calculates the stage number of the delay element from the obtained intersection. Similarly, the stage number calculating unit 37 also obtains the intersection point of the integrated signal Dt and the low threshold value LTh by the subpixel processing, and calculates the stage number of the delay element from the obtained intersection point. Thereby, it is possible to calculate the distance with a resolution of one stage or more of the delay element. Therefore, the measurement accuracy of the distance to the periphery of the target TA can be improved.
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating a schematic operation of the sensor device 100 according to the embodiment.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating the determination process shown in FIG. In the following, a case will be described in which the counter measurement by the counter measurement unit 32 and the number of times of integration by the TDC delay line measurement unit 33 are the same.
  • the sensor device 100 executes the detection process S200 shown in FIG. 12, for example, when the sensor device 100 is powered on and activated.
  • the counter measurement by the counter measurement unit 32 and the number of times of integration by the TDC delay line measurement unit 33 are the same.
  • the light projecting element 11 emits pulsed light toward the target TA (S201).
  • the counter measurement unit 32 samples the binarized information of the binarized signal RT (S202).
  • the counter measurement unit 32 determines whether the sampling has been integrated N times (S203). If the result of determination in step S203 is that the sampling has not been integrated N times, the process returns to step S202, and the counter measurement unit 32 repeats sampling of the binarized signal RT until sampling is integrated N times.
  • the counter measurement unit 32 detects a cross point at which the counter integrated signal Cn intersects the determination threshold Th (S204). Next, the counter measurement unit 32 recognizes the measurement point based on the cross point, and outputs a stop signal at this point (S205). Next, the TDC delay line measurement unit 33 samples the binarized information of the binarized signal RT (S206). Next, the TDC delay line measurement unit 33 determines whether or not the sampling has been integrated M times (S207). As a result of the determination in step S207, when the sampling has not been integrated M times, the process returns to step S206, and the TDC delay line measurement unit 33 repeats sampling of the binarized signal RT until the sampling is integrated M times.
  • the stage number calculation unit 37 calculates the number of stages of each delay element from each intersection of the integrated signal Dt and the High threshold value HTh and the Low threshold value LTh (S208).
  • the distance conversion unit 38 converts the number of stages of each delay element into the Near side distance value CDn and the Far side distance value CDf (S209).
  • the determination unit 51 executes determination processing S220 described below. After the end of the determination process S220, the sensor device 100 ends the detection process S200.
  • the determination unit 51 inputs the Near side distance value CDn and the Far side distance value input from the distance conversion unit 38 via the interface unit 41 of the FPGA 30.
  • the distance value CDa and the hysteresis value Vhys are calculated based on CDf (S221).
  • the distance value CDa is an average value of the Near side distance value CDn and the Far side distance value CDf, and is represented by the following equation (2).
  • Distance value CDa (Near side distance value CDn + Far side distance value CDf) / 2 (2)
  • the distance value CDa is the average value of the Near side distance value CDn and the Far side distance value CDf has been shown, but the present invention is not limited to this.
  • the distance value CDa may be a value calculated from the Near side distance value CDn and the Far side distance value CDf, and may be other than the average value.
  • the hysteresis value Vhys is represented by the following equation (3) using the magnification adjustment value Vm and the offset adjustment value Vo stored in advance in the memory of the control unit 50 or the like.
  • Hysteresis value Vhys ⁇ (Far side distance value CDf ⁇ Near side distance value CDn) ⁇ Vm ⁇ + Vo (3)
  • magnification adjustment value Vm and the offset adjustment value Vo are not limited to the case of using the values stored in advance.
  • the magnification adjustment value Vm and the offset adjustment value Vo may be changeable by the user (user) operating the operation unit 70.
  • the determination unit 51 sets the value input by the user (user) operating the operation unit 70 as the distance threshold (S222).
  • the determination unit 51 determines whether or not the current output is off (S223).
  • the output being off means that there is no target TA, and the output being on means that there is a target.
  • the current output is a value set as a result of the immediately preceding determination process S220, that is, ON or OFF, except when the determination process S220 is first executed. In preparation for the case where the determination process S220 is first executed, the initial value of the output is set to OFF.
  • the determination unit 51 compares the distance value CDa calculated in step S221 with the distance threshold value set in step S222, and the distance value CDa is the distance. It is determined whether it is less than or equal to the threshold value (S224). When the distance value CDa is equal to or less than the distance threshold value as a result of the determination in step S224, the determination unit 51 turns on the output (S225). On the other hand, if the result of determination in step S224 is that distance value CDa is not less than or equal to the distance threshold value, that is, Far distance value CDa is greater than the distance threshold value, determination unit 51 turns off the output (S226).
  • step S223 If the result of determination in step S223 is that the current output is not OFF, that is, it is ON, it is considered that there is a target object (target object was detected) as a result of the immediately preceding determination processing S220. Therefore, the determination unit 51 compares the distance value CDa with the sum (total) of the distance threshold value and the hysteresis value Vhys, and determines whether the distance value CDa is equal to or more than the sum (total) of the distance threshold value and the hysteresis value Vhys. It is determined whether or not (S227).
  • the hysteresis value Vhys based on the absolute value of the difference between the Near side distance value CDn and the Far side distance value CDf, and the Near side distance value CDn and the Far side distance value CDf
  • the distance value CDa and the sum of the predetermined threshold distance value and the hysteresis value Vhys are calculated.
  • a width (margin) can be given to the determination by the hysteresis value Vhys, and is calculated from the Near side distance value CDn and the Far side distance value CDf in the determination after it is determined that there is an object. It is possible to prevent sensitive reaction to changes in the distance value CDa.
  • step S227 If the result of determination in step S227 is that the distance value CDa is equal to or greater than the sum of the distance threshold value and the hysteresis value Vhys, the determination unit 51 turns off the output (S228). On the other hand, as a result of the determination in step S227, if the distance value CDa is not greater than or equal to the sum of the distance threshold value and the hysteresis value Vhys, that is, if the distance value CDa is less than the sum of the distance threshold value and the hysteresis value Vhys, the determination unit 51 turns on the output (S229).
  • step S225 After step S225, step S227, step S228, or step S229, the determination unit 51 ends the determination processing S220.
  • FIG. 13 shows an example in which the determination unit 51 calculates the distance value CDa and the hysteresis value Vhys in step S221, but the present invention is not limited to this.
  • the distance conversion unit 38 of the FPGA 30 may calculate the distance value CDa and the hysteresis value Vhys and input them to the determination unit 51 via the interface unit 41.
  • step 224 and step 227 whether or not the same case is included may be changeable by setting.
  • the measurement medium of the sensor device 100 may be, for example, an electromagnetic wave or a sound wave.
  • electromagnetic waves or sound waves are used as the measurement medium, not only the distance to the target TA but also the change in the distance to the target can be measured.
  • the present invention is not limited to this.
  • the sensor device may be configured to perform only one of rough measurement and fine measurement.
  • the Near side distance value CDn and the Far side distance value CDf are calculated from the respective intersections of the integrated signal Dt and the High threshold value HTh and the Low threshold value LTh. Is calculated, and the presence or absence of the target TA is determined based on the distance value CDa calculated from the Near side distance value CDn and the Far side distance value CDf and a predetermined distance threshold value.
  • the distance value CDa calculated from the Near side distance value CDn and the Far side distance value CDf and a predetermined distance threshold value.
  • the High threshold value HTh and the Low threshold value LTh are set with respect to the integrated number of the integrated signal Dt, and the delay element is set from the respective intersections of the integrated signal Dt and the High threshold value HTh and the Low threshold value LTh.
  • the reflectance of the target TA is determined. It is possible to detect the target TA with high accuracy regardless of the above.
  • a detection method for detecting an object comprising: A transmission step of transmitting a transmission signal toward the target (TA), A receiving step of receiving a reflected signal of an outgoing signal and generating a binarized signal (RT); An integrating step of generating waveform data showing a time change of the binarized signal (RT) and integrating a plurality of the waveform data to generate integrated waveform data; A distance calculation step of calculating a Near side distance value (CDn) and a Far side distance value (CDf) from the respective intersections of the integrated waveform data and the High threshold value (HTh) and the Low threshold value (LTh), A determination step of determining the presence or absence of an object (TA) based on a distance value (CDa) calculated from the Near side distance value (CDn) and the Far side distance value (CDf) and a predetermined distance threshold value; including, Detection method.
  • Reference numeral 6 ... Delay element, 7 ... Flip-flop circuit, 10 ... Light emitting portion, 11 ... Light emitting element, 15 ... Light emitting circuit, 20 ... Light receiving portion, 21 ... Light receiving element, 25 ... Light receiving circuit, 30 ... FPGA, 31 ... Optical oscillator, 32 ... Counter measuring unit, 33 ... TDC delay line measuring unit, 34 ... Waveform integrating unit, 35 ... Received light amount calculating unit, 36 ... Filter processing unit, 37 ... Stage number calculating unit, 38 ... Distance converting unit, 39 ... Register, 40 ... Projector temperature control unit, 41 ... Interface unit, 45 ... CLK, 46 ... Clock generation unit, 47 ... PLL, 50 ... Control unit, 51 ...
  • Judgment unit 60 ... Display unit, 70 ... Operation unit, 100 ... Sensor device, 315 ... Buffer, 321, ... Binary signal acquisition unit, 322 ... Signal storage unit, 323 ... Stop signal determination unit, 324 ... Stop timing management unit, CDa ... Distance value, CDf ... F r side distance value, CDn ... Near side distance value, Ck ... Clock signal, Cn ... Counter integration signal, D1, D2, D3, D4 ... Delay line output signal, D1j, D2j, D3j, D4j ... Delay line output signal, DL ... delay line measurement, Doff ... off point distance, Don ... on point distance, DS ... delay signal group, Dt ... integrated signal, Ft ...
  • filter output signal HTh ... High threshold value, LTh ... Low threshold value, M1 ... Measurement section, Mt ... fixed period, PP1 ... Projected pulse, Pt ... Pulse width, RT ... Binary signal, RTp ... Partial waveform, S200 ... Detection processing, S220 ... Judgment processing, Smp ... Sampling signal, St ... Start signal , Stop, Stp1, Stp2, Stp3, Stp4, StpN ... Stop signal, Str ... Start signal, T1 ... Measurement signal, T ... setting data, TA ... object, Tcyc ... period, Vhys ... hysteresis value, whys ... hysteresis width, Wint ... cumulative number width.

Landscapes

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Abstract

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。センサ装置は、対象物に向けて発信信号を発信する発光部と、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光部と、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ＴＤＣディレイライン計測部及び波形積算部と、積算波形データとＨｉｇｈしきい値及びＬｏｗしきい値とのそれぞれの交点からＮｅａｒ側距離値及びＦａｒ側距離値を算出する段数算出部及び距離換算部と、Ｎｅａｒ側距離値及びＦａｒ側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。

Description

センサ装置及び検出方法
　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（ＲＴ）を生成する受信ステップと、
　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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