JP2004077297A - 結露検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出光の波長に依存しない構造とし、小型で安価な発光素子が使用でき、検出装置本体の熱容量及び発熱量を小さくして小型化を図る。
【解決手段】発光素子からの光を透明板内に導入し、該透明板内を全反射を繰り返して進行する光を受光素子により検出し、検出光量の変化により透明板表面に発生している結露の程度を検出する装置である。透明板は、２枚の単板ガラス１０ａ，１０ｂを中間膜１２を介して接着した合わせガラス１４からなり、中間膜の一部に単板ガラス表面と平行な反射膜２４を設けると共に、反射膜の一端近傍に単板ガラス表面に対して傾いた斜め反射面を間隔をおいて複数配列してなる折り返し反射用マイクロミラーアレイ２６を設置し、発光素子２０と受光素子２２は反射膜の他端寄りの合わせガラス外部に並設する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス表面に付着した水滴による結露の程度を、ガラス内に導入され全反射を繰り返し進行する光を利用して検出する装置に関し、更に詳しく述べると、ガラス表面に対して傾いた斜め反射面を間隔をおいて複数配列してなるマイクロミラーアレイにより光を折り返し反射させるようにした結露検出装置に関するものである。この技術は、特に車両用ウインドシールドの車内面に発生する結露を検出するのに有効である。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス表面に付着した水滴を、ガラス内部で全反射を繰り返して進行していく光を利用して検出する光学式の水滴検出装置に関しては、既にいくつかの技術が提案され開発が進められている。この種の水滴検出装置は、例えば車両のウインドシールドに付着した雨滴を検出し、ワイパーの自動制御を行うシステムとして実用化されている。
【０００３】
車両の室内側のガラス表面に発生する結露が検出できれば、その検出信号を用いて、空調装置の運転を自動的に制御することで結露を除去することができる。これによって、運転者に余分な操作の負担をかけることなく、運転に必要な良好な視界を確保することができる。
【０００４】
結露の検出には種々の方法が考えられ、例えば特開昭６１−２８４６４５号公報あるいは特開２０００−２９６７６２公報記載の技術では、結露発生により乱反射する光を検出することで結露の検出を行っている。また上述したように、ガラス内を全反射により進行していく光の光量変化を検出する方法も、結露の検出に適用できる。更に、この方法を利用して、雨滴と結露の両方の検出機能を備えた装置も提案されている。
【０００５】
例えば特開２０００−１９３７５９公報には、「２枚の透明板状体を接着した積層体に発光素子からの検出光を導入して、該積層体中を２光束の検出光が全反射するように進行させ、該２光束の検出光を受光素子により受光して雨滴と結露を検出する装置」が示されている。ここで、「前記２光束の検出光は、前記２枚の透明板状体の間に設けたホログラムにより、一方の透明板状体と該ホログラムの間を全反射する検出光と、他方の透明板状体と該ホログラムの間を全反射する検出光とし、一方の検出光により雨滴を、他方の検出光により結露を検出する」ように構成されている。
【０００６】
この雨滴・結露検出装置では、積層体（例えば車両用合わせガラス）の中間膜部に全反射ホログラムを設けて光が全反射を繰り返すようにし、車外側ガラス内を進行する光で雨滴の検出を、車内側ガラス内を進行する光で結露の検出を行っている。また、発光素子と受光素子を同じ側に並置し、反対側には光を返送するための手段を設ける構成も開示されている。ここで、光を返送するための手段としては、折り返し用ホログラムの使用が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術で用いられている全反射用ホログラムあるいは折り返し用ホログラムは、２光束による干渉縞を感光材料に記録して形成したホログラフィック格子のことである。これは回折格子の一種であるから、本質的に反射角度に波長依存性がある。従って検出光は、波長変動のない単色光でなければならない。ところが、現時点では、これに適した発光素子は見当たらない。最も一般的な発光素子の一種である発光ダイオードは、安価で発光効率も高いが、出射光の波長範囲は広い。
【０００８】
ところで車両の室内では、勿論地域によっても異なるが、季節や時間帯などによって、低温側は氷点下から高温側は８０℃近くまで大幅に変化する。単色光を出力する発光素子として多用されている半導体ダイオードは、波長の温度特性が悪く、そのために回折格子による反射では光路変動が生じる。制御回路などで温度特性を補償することも考えられるが、検出装置が大型化し、消費電力も大きくなる。すると、結果的に検出装置本体（発光素子や受光素子及びそれらに付随する光部品など）の熱容量が大きくなったり、大きな熱源を有することになる。このため、検出装置本体およびその近傍と、何も設けられていない視界確保に必要な領域とでは、ウインドシールド表面の結露方に差が発生してしまい検出精度が低下する。
【０００９】
これを防ぐためには、結露検知面を検出装置本体から遠く離す必要がある。すると、ガラス内に導入さる光の伝搬距離が長くなり、その結果、受光素子で得られる検出光量が弱くなり、信号変化のＳＮ比が悪くなってしまう。
【００１０】
また、近年、車両のウインドシールドガラスとしては、車室内への熱の流入を抑制するため遮熱効果の高いグリーン系の着色ガラスが多く用いられている。あるいは、紫外線吸収ガラスも用いられる。このようなガラスは、赤外線域や紫外線域の光を吸収してしまうので、結露検出装置に用いる発光素子の発光波長は、可視光線領域であることが好ましいこととなる。
【００１１】
このように従来提案されている構造の結露防止装置では、発光素子として様々な条件が課せられ、それらを全て満たしうる適当な素子が見当たらず、現時点では実用化が困難である。
【００１２】
本発明の目的は、本質的に検出光の波長に依存しない構造のため、発光ダイオードのような小型で安価な発光素子がそのまま使用でき、検出装置本体の熱容量及び発熱量を小さくして小型化できるようにし、あわせて検出感度が優れた結露検出装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、透明板の外部に発光素子と受光素子を配置し、発光素子からの光を透明板内に導入し、該透明板内を全反射を繰り返して進行する光を受光素子により検出し、検出光量の変化により前記透明板表面に発生している結露の程度を検出する構成の装置を前提とするものである。本発明において、前記透明板は、少なくとも２枚の単板ガラスを中間膜を介して接着した合わせガラスからなり、前記中間膜の一部に単板ガラス表面と平行な反射膜を設けると共に、該反射膜の一端近傍に単板ガラス表面に対して傾いた斜め反射面を間隔をおいて複数配列してなるマイクロミラーアレイを設置し、発光素子と受光素子は前記反射膜の他端寄りの合わせガラス外部に並設し、発光素子からの光が一方の単板ガラスの内部のみで反射膜での反射とガラス表面での全反射を繰り返して進行するようにし、その光をマイクロミラーアレイにより受光素子に向けて折り返し反射させるようにしており、この点に特徴がある。
【００１４】
中間膜の部分に設けた反射膜を用いることで、光は片方の単板ガラスの内部のみを進行するため、全反射の回数が増え、検知面（水滴が付着すると受光素子の信号が変化する領域）も増加し、検出感度・検出精度が高まる。また光の折り返し部にマイクロミラーアレイを用いていることで、反射角の波長依存性が無く、光路も安定し、任意の発光素子が使用可能となる。
【００１５】
ここでマイクロミラーアレイは、例えば透明材料からなる複数の三角柱状体が互いに近接して配列され、各三角柱状体の片側斜面に反射膜が形成されている構造とする。マイクロミラーアレイの各三角柱状体は、直線形状でもよいが、発光素子と受光素子の中間点を中心とする円弧状に湾曲した形状としてもよい。
【００１６】
マイクロミラーアレイ及び反射膜は、一方の単板ガラスの内側面に形成する。この場合、マイクロミラーアレイ及び反射膜を透明フィルム上に形成し、該透明フィルムを一方の単板ガラスの内側面に接着する構成でもよい。
【００１７】
発光素子の光軸と受光素子の光軸のなす平面角は３０度以下（より好ましくは１０度以下）とし、発光素子と受光素子をできるだけ近接配置するのがよい。発光素子としては発光ダイオードが好ましく、受光素子としては例えばフォトダイオードなどを用いる。発光素子とガラス表面との間、及びガラス表面と受光素子との間には、それぞれコリメートレンズ付きプリズムを配置し、発光素子からの光をレンズでコリメートして単板ガラス内に導入し、戻り光を単板ガラスから導出しレンズで集光して受光素子に入力させるように構成するのがよい。
【００１８】
単板ガラスに対する発光素子からの光の入射角度は４２．５〜４７度の範囲内（より好ましくは４５〜４７度の範囲内）に設定し、マイクロミラーアレイの斜め反射面の角度も前記入射角度にほぼ等しく設定する。発光素子および受光素子の単板ガラスに対する入出射位置からマイクロミラーアレイ中央位置までの距離は３０ｍｍ〜１００ｍｍとするのがよい。単板ガラスとしてはグリーンガラスを用いてもよく、その場合には発光素子としてグリーンガラスに対する透過率の高い緑色光を発生する発光ダイオードを用いるのが好ましい。
【００１９】
なお、本願発明において、「結露」とは空気中の水蒸気が凝結して水滴が付く狭義の結露状態のみならず、ガラスの表面が付着した水分によって曇っている状態をも含んでいるものとする。
【００２０】
【実施例】
図１は、本発明に係る結露検出装置の一実施例を示す説明図である。Ａは断面として見た基本構成を、Ｂは平面構成を示し、ＣはＡにおける要部ｃの拡大図である。この結露検出装置は、２枚の単板ガラス１０ａ，１０ｂを中間膜１２を介して接着して合わせガラス１４とし、その合わせガラス１４の外部（検出面側：ここでは上面）に、発光素子２０と受光素子２２を近接配置し、中間膜１２の一部に反射膜２４とマイクロミラーアレイ２６を設けた構成である。
【００２１】
発光素子２０とガラス表面との間には、発光素子２０からの光をコリメートするレンズ３０及び光導入用プリズム３２が、またガラス表面と受光素子２２との間には、光導出用プリズム３４及び導出した光を集光するためのレンズ３６が位置し、それぞれガラス表面上に配置される。光導入用プリズム３２は、合わせガラスに対する発光素子からの光の入射角度が４２．５〜４７度の範囲内となるように設定されており、光導出用プリズム３４も同様の形状になっている。また、発光素子２０の光軸と受光素子２２の光軸のなす平面角ができるだけ小さくなるように（ここでは１０度以下に）配置し、発光素子２０と受光素子２２を近接させている。なおこの実施例では、発光素子２０としては発光ダイオードを用い、受光素子２２としてはフォトダイオードを用いている。
【００２２】
反射膜２４は、合わせガラス１４の中間膜１２の一部に単板ガラス表面１０ａと平行な状態で設ける。これは反射率の高い金属薄膜などでよい。マイクロミラーアレイ２６は、反射膜２４の一端近傍（発光素子や受光素子の設置位置とは反対側の端部近傍）に設置する。このマイクロミラーアレイ２４は、透明材料からなる複数の三角柱状体４０が互いに近接して配列され、各三角柱状体４０の片側斜面に反射膜４２が形成されている構造である。反射面の角度（三角柱状体４０の斜面の角度）は、単板ガラス１０ａに対する発光素子２０からの光の入射角度にほぼ等しい値に設定する。
【００２３】
この結露検出装置では、発光素子２０からの光が、レンズ３０でコリメートされて平行光束となり、光導入用プリズム３２を通って一方の単板ガラス１０ａ内に導入される。単板ガラス１０ａ内に導入された光は、反射膜２４で反射し、単板ガラス１０ａと空気の界面で全反射し、これを繰り返すことにより単板ガラス１０ａの内部を進行する。ガラスと空気との界面で全反射するように入射角度は４２．５度以上とし、またガラスに付着した水滴の部分に達した光を空気中に放射させるために入射角度は４７度以下とする。全反射を繰り返しながら進行していく光はマイクロミラーアレイ２６に達し、折り返し反射されて受光素子２２の方向へ向かう。この戻り光も、反射膜２４での反射とガラス表面での全反射を繰り返しながら単板ガラス１０ａ内を進行し、光導出用プリズム３４を経てレンズ３６で集光され、受光素子２２に入力する。
【００２４】
ガラス表面に水滴が付着していなければ、ガラスと空気との界面で全反射が起こるため光は単板ガラス１０ａ内に閉じ込められ、受光素子２２での検出光量は大きい。それに対してガラス表面に水滴が付着していると、ガラスと水滴との界面では全反射が起こらず光は透過してしまうため検出光量は低下する。従って、受光素子による検出光量によって結露の程度を検出することができるのである。
【００２５】
図１では図示していないが、実際には、発光素子２０や受光素子２２、及びレンズ３０，３６やプリズム３２，３４などは共通のハウジング内に収容して検出装置本体とし、ガラス面上の所定の位置に固定できるようにする。
【００２６】
発光素子２０および受光素子２２の単板ガラス１０ａに対する入出射位置からマイクロミラーアレイ２６の中央位置までが検出エリアである。この距離（検出エリアの長さ）は３０ｍｍ〜１００ｍｍ程度とするのがよい。検出装置本体の近傍では、その熱容量で結露の状態が変化する範囲（熱容量影響範囲ａ）があり、視界確保が必要な部分との間で結露の程度に差が生じる。本発明では検出装置本体を小型化し、熱容量を小さくしているが、それでも実測結果によれば熱容量影響範囲ａは検出装置本体から２０ｍｍ近辺にまで及ぶ。従って、有効検出エリアｂは、熱容量影響範囲ａよりも離れた領域となる。更に結露検出には、必要な精度を得るために、ガラス面での２回以上の全反射が必要であるが、全反射回数が多すぎても、光の進行における減衰が大きくなる。これらのことから、検出エリアの長さ（熱容量影響範囲ａ＝２０ｍｍ＋有効検出エリアｂ）は３０ｍｍ〜１００ｍｍ程度とするのがよいのである。１００ｍｍより長くなると、装置が大型化するし、実用的な増幅回路の性能から高感度での検知が困難になるからである。
【００２７】
図２は本発明に係る結露検出装置の他の実施例を示す平面図である。マイクロミラーアレイを除けば、この実施例は図１に示すものと同じであるので、対応する部材などには同一符号を付し、それらについての説明は省略する。このマイクロミラーアレイ５０は、その各三角柱状体５２が、発光素子２０と受光素子２２の中間点を中心とする円弧状に湾曲した形状をなしている。発光素子として発光ダイオードを使用した場合は、コリメートレンズを用いても光がかなり拡散する場合がある。このようにマイクロミラーアレイの各三角柱状体を円弧状に湾曲させると、光の広がりを抑えることができるため好ましい。
【００２８】
車両用ウインドシールドに用いられている合わせガラスは、両側の単板ガラスの厚みが約２．５ｍｍ、それに対して中間層（例えばポリビニルブチラール層）の厚みは約０．７６ｍｍである。従って、反射膜のみならずマイクロミラーアレイも０．５ｍｍ程度以下とする必要がある。反射膜は、光を多数回反射させる必要があるので、反射による損失を抑えるために、垂直入射光における反射率が少なくとも７５％であることが好ましい。具体的には、金属薄膜などを用いればよい。マイクロミラーアレイを構成する三角柱状体は、単板ガラスとほぼ同じ屈折率を有する透明樹脂材料（例えばアクリル系樹脂）で作製し、その片側斜面に金属薄膜などにより反射膜を形成する。
【００２９】
反射膜及びマイクロプリズムアレイの作製方法の一例を図３に示す。Ａに示すように、単板ガラス１０ａの片面に、透明材料からなる複数の三角柱状体４０を互いに近接するように形成する。ここでは図面を簡略化するために便宜的に３本配列した状態を図示しているが、実際には折り返し反射する光束の大きさ及び三角柱状体の形状（高さや底辺寸法）などに応じて配列本数を設定する。通常は、数十本〜百数十本程度となる。このような三角柱状体の配列構造は、例えばスタンピング法により透明樹脂材料を転写することで、容易に効率よく形成できる。なお、透明樹脂材料としては、ガラスとの界面で反射が生じ難いように、ガラスの屈折率とほぼ同じ屈折率を持つ材料（例えばアクリル系樹脂）を使用する。各三角柱状体の形状は、高さが０．５ｍｍ程度以下（試作時は約２５μｍ）、傾斜角度が４２．５〜４７度の範囲内とする。
【００３０】
次にＢに示すように、その上に反射膜２４，４２を同時に形成する。右下４５度の方向からの斜め蒸着により三角柱状体４２にはその片側斜面のみに金属薄膜を付着させることができ、これによって波長に依存しない良好な反射面が形成できる。反射膜材料としては、例えばアルミニウムやチタンなどが好ましい。
【００３１】
反射膜及びマイクロプリズムアレイの作製方法の他の例を図４に示す。基本的な手順や方法、材料などは、図３の場合と同様であってよいので、簡潔に説明する。Ａに示すように、透明フィルム（あるいはシート）５４の片面に、透明材料からなる複数の三角柱状体４０を互いに近接配列されるように形成する。ここでも三角柱状体の配列構造は、例えばスタンピング法により透明樹脂材料を転写することで、容易に効率よく形成できる。なお、透明フィルムとしては、ガラスとの界面で反射が生じ難いように、ガラスの屈折率と同じ屈折率を持つ材料（例えばポリエステルフィルム）を使用する。透明樹脂材料も同様であり、例えばアクリル系樹脂を用いる。なお、フィルムと三角柱状体が一体になった構造体を一体成形する方法も可能である。
【００３２】
次にＢに示すように、その上に反射膜２４，４２を形成する。右下４５度の方向からの斜め蒸着により金属薄膜を付着させることで波長に依存しない良好な反射面が形成できる。その後、Ｃに示すように、透明フィルム５４を単板ガラス１０ａに貼り付ける。この方法は、大きな合わせガラスを取り扱うことなく、検出部のみを別に製作できるため、取り扱いやすく生産性が向上する利点がある。
【００３３】
測定結果の例を図５及び図６に示す。図５は、結露が発生している時（ガラスを通して向こう側が見えない状態）と結露がない時における光の入射角度に対する受光電流の変化を示している。入射角度が４５度の近傍では結露の有無での受光電流の差が大きいことが分かる。また図６は、光の入射角度に対する結露による出力変化率（結露したときの受光素子の出力／結露が無いときの受光素子の出力）の関係を示している。ここでは入射角度が４５度〜６０度で結露による出力変化率が高いことが分かる。従って、本発明の装置によって、結露の程度を正しく検出することができる。
【００３４】
本発明の結露検出装置を車両のウインドシールドにおける結露検出に適用する場合には、視界確保の妨げにならないように、上辺部近傍、特に上辺中央のリアビューミラーの陰の部分に設置するのが好ましい。
【００３５】
なおガラスは、通常のソーダライム組成のフロートガラス板、グリーンガラス板を用いることが好ましい。あるいは紫外線吸収グリーンガラス板でもよい。グリーンガラスの透過率−波長特性の一例を図７に示す。グリーンガラスは、波長５２０ｎｍ前後に透過率のピークを有する。そのため、グリーンガラス用の発光素子としては、発光波長５２０ｎｍの緑色発光ダイオードが最適である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は上記のように、合わせガラスの中間層の一部に設けた反射膜で光を反射させ、ガラス表面に対して傾いた斜め反射面を間隔をおいて複数配列してなるマイクロミラーアレイにより光を折り返し反射させるようにした結露検出装置であるから、本質的に検出光の波長に依存しない構造のため、発光ダイオードのような小型で安価な発光素子がそのまま使用できる。そのため検出装置本体の熱容量及び発熱量を小さくでき、検知面を検出装置本体に近づけることができるため装置の小型化が容易である。また、それらによって検出感度も良好となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る結露検出装置の一実施例を示す説明図。
【図２】本発明に係る結露検出装置の他の実施例を示す平面図。
【図３】反射膜及びマイクロプリズムアレイの作製方法の一例を示す説明図。
【図４】反射膜及びマイクロプリズムアレイの作製方法の他の例を示す説明図。
【図５】入射角度に対する受光量変化の例を示すグラフ。
【図６】入射角度に対する結露による出力変化の例を示すグラフ。
【図７】グリーンガラスの透過率−波長特性の一例を示すグラフ。
【符号の説明】
１０ａ，１０ｂ　単板ガラス
１２　中間膜
１４　合わせガラス
２０　発光素子
２２　受光素子
２４　反射膜
２６　マイクロミラーアレイ
４０　三角柱状体
４２　反射膜

Claims (10)

1. 透明板の外部に発光素子と受光素子を配置し、発光素子からの光を透明板内に導入し、該透明板内を全反射を繰り返して進行する光を受光素子により検出し、検出光量の変化により前記透明板表面に発生している結露の程度を検出する装置において、
   前記透明板は、少なくとも２枚の単板ガラスを中間膜を介して接着した合わせガラスからなり、前記中間膜の一部に単板ガラス表面と平行な反射膜を設けると共に、該反射膜の一端近傍に単板ガラス表面に対して傾いた斜め反射面を間隔をおいて複数配列してなるマイクロミラーアレイを設置し、発光素子と受光素子は前記反射膜の他端寄りの合わせガラス外部に並設し、
   発光素子からの光が一方の単板ガラスの内部のみで反射膜での反射とガラス表面での全反射を繰り返して進行するようにし、その光をマイクロミラーアレイにより受光素子に向けて折り返し反射させるようにしたことを特徴とする結露検出装置。
2. マイクロミラーアレイは、透明材料からなる複数の三角柱状体が互いに近接して配列され、各三角柱状体の片側斜面に反射膜が形成されている構造である請求項１記載の結露検出装置。
3. マイクロミラーアレイの各三角柱状体が、発光素子と受光素子の中間点を中心とする円弧状に湾曲した形状をなしている請求項２記載の結露検出装置。
4. マイクロミラーアレイ及び反射膜が、一方の単板ガラスの内側面に形成されている請求項２又は３記載の結露検出装置。
5. マイクロミラーアレイ及び反射膜が透明フィルム上に形成され、該透明フィルムが一方の単板ガラスの内側面に接着されている請求項２又は３記載の結露検出装置。
6. 発光素子の光軸と受光素子の光軸のなす平面角が３０度以下である請求項１乃至５のいずれかに記載の結露検出装置。
7. 発光素子とガラス表面との間、及びガラス表面と受光素子との間に、それぞれコリメートレンズ付きプリズムが配置され、発光素子からの光をレンズでコリメートして単板ガラス内に導入し、戻り光を単板ガラスから導出しレンズで集光して受光素子に入力させるようにし、発光素子として発光ダイオードを使用する請求項６記載の結露検出装置。
8. 合わせガラスに対する発光素子からの光の入射角度が４２．５〜４７度の範囲内に設定されており、マイクロミラーアレイの斜め反射面の角度が前記入射角度にほぼ等しく設定されている請求項７記載の結露検出装置。
9. 発光素子および受光素子の合わせガラスに対する入出射位置からマイクロミラーアレイ中央位置までの距離を３０ｍｍ〜１００ｍｍとした請求項８記載の結露検出装置。
10. 前記単板ガラスの少なくとも１枚がグリーンガラスからなり、発光素子として緑色発光ダイオードを用いる請求項１乃至９のいずれかに記載の結露検出装置。

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