JP2004340708A - レインセンサ用の信号検出回路および信号検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外光成分を電気的処理により低減することを可能にした外光成分低減回路を備える信号検出回路を提供する。
【解決手段】車両のウィンドシールド上の雨滴を排除するワイパーを自動制御するために、ＬＥＤからのパルス光を車両のウィンドシールドに照射し、反射光をＰＤで受光し、ＬＥＤからのパルス信号を処理して、演算処理装置に入力する信号検出回路である。ＬＥＤ１０からのパルス信号を電圧信号に変換する電流−電圧変換回路２４と、電流−電圧変換回路２４に並列に設けられ、電流−電圧変換回路の出力信号に含まれる一定外光成分を保持して、電流−電圧変換回路の入力側にフィードバックする外光成分低減回路４２と、電流−電圧変換回路の出力信号のノイズを低減し、出力信号を増幅するバンドパスフィルタ回路／増幅回路２６とを備える。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両のウィンドシールド上の雨滴等を排除するワイパーを自動制御するための雨滴検出装置であるレインセンサの信号検出回路、特に外光成分低減回路を設けた信号検出回路に関する。本発明は、さらに、レインセンサにおいて、外光成分を低減させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般のレインセンサは、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子を、一定の周期で点灯し、発光素子からのパルス光をウィンドシールド（フロントガラス）に照射し、反射光を、フォトダイオード（ＰＤ）などの受光素子で受光し、ＰＤの出力信号（パルス信号）をマイクロコンピュータ（マイコン）に取込み、雨滴の検出や雨滴の付着量の検出を行って、最終的に降雨レベルを測定している。
【０００３】
図１に、レインセンサの信号検出機構を示す。ＬＥＤ１０からのパルス光１１は、レンズ１２およびプリズム１４を経て、フロントガラス１６の表面で反射され、プリズム１４およびレンズ１８を経て、ＰＤ２０に入射する。
【０００４】
ＰＤの出力するパルス信号を検出する信号検出回路は、図２に示すように、アナログ回路とマイクロコンピュータ（マイコン）とから成る。アナログ回路２２は、Ｉ−Ｖ変換回路２４と、バンドパスフィルタ回路／増幅回路２６と、ピークホールド回路３０とから構成される。ＰＤから得られるパルス信号は、Ｉ−Ｖ変換回路２４を通して、電流値の変化から電圧値の変化に変換される。Ｉ−Ｖ変換回路２４の出力は、バンドパスフィルタ回路／増幅回路２６を通して、ノイズ成分が除去され、増幅され、最後に、増幅されたパルス信号のピーク値が、ピークホールド回路３０で保持される。保持されたピーク値は、マイコン３２に送られる。
【０００５】
マイコン３２は、Ａ／Ｄコンバータ３４を備え、Ａ／Ｄコンバータから得られるディジタル値をソフトウェアにて処理し、雨滴情報を得て、この雨滴情報より、降雨レベルの判定を行う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１に示した構造のレインセンサでは、ＰＤ２０が受光する光は、ＬＥＤ１０からの反射光のみならず、外部環境からの光、すなわち外光を含んでおり、ＰＤが受光する光の実に約９０％はこの外光成分である。外光の成分には、光強度がほぼ一定のものと、光強度が変動するものとがある。以下、光強度がほぼ一定のものを、一定外光成分、光強度が変動するものを変動外光成分というものとする。
【０００７】
図３は、外光成分なしの時の信号検出機構と、ＰＤ２０からのパルス信号波形とを示す。ＰＤは逆バイアスで動作させているので、パルス信号はバイアス電圧に重畳されている。図３の信号波形図には、グラウンドの電圧レベルと、オペアンプの飽和電圧のレベルとを示してある。オペアンプは、Ｉ−Ｖ変換回路２４内にあるオペアンプであり、パルス信号がこの飽和電圧を超えると、アンプの出力は潰れた波形となる。
【０００８】
外光成分がなければ、ＰＤ２０からのパルス信号は、Ｉ−Ｖ変換回路２４内のオペアンプの飽和電圧以内におさまっており、正しい信号レベルがＡ／Ｄコンバータ３４に入力される。
【０００９】
ところが、図４に示すように、外光１３が入射し、その成分が例えば一定外光成分であると、ＰＤ２０の出力するパルス信号は、外光成分により電圧上昇する。Ｉ−Ｖ変換回路２４のオペアンプの飽和電圧を超えると、信号成分が潰れてしまい、正しい信号レベルがＡ／Ｄコンバータ３４に入力されない。したがって、正しい降雨レベルの判定ができないという問題が生じる。
【００１０】
このような外光成分を低減させるには、以下の２つの方法がある。
【００１１】
第１の方法は、図１に示すプリズム１４に、可視光カット（吸収）プリズムを用いる方法である。
【００１２】
しかし、この方法では、可視光カット（吸収）プリズムにより、ＬＥＤからの反射光も減衰してしまい、ＰＤで受光する信号が低下してしまうという問題がある。
【００１３】
外光成分を低減させる第２の方法は、プリズム１４内での反射回数を増やして、直接外光が受光素子に入射するのを防ぎ、外光成分をカットする方法である。
【００１４】
しかし、この方法では、プリズムのサイズが大きくなる、したがってレインセンサ本体のサイズが大きくなるという問題がある。
【００１５】
したがって本発明の目的は、上述した従来の方法によることなく、外光成分を電気的処理により低減することを可能にした外光成分低減回路を備える信号検出回路を提供することにある。
【００１６】
本発明の他の目的は、外光成分の低減を含む信号の検出方法を提供することにある。
【００１７】
本発明のさらに他の目的は、レインセンサ用の信号検出回路において外光成分を低減する方法および外光成分低減回路を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、車両のワイパーを制御するために、発光素子からのパルス光を車両のウィンドシールドに照射し、反射光を受光素子で受光し、受光素子からのパルス信号を処理して、演算処理装置に入力する信号検出回路であって、前記発光素子からのパルス信号を電圧信号に変換する電流−電圧変換回路と、前記電流−電圧変換回路に並列に設けられ、前記電流−電圧変換回路の出力信号に含まれる一定外光成分を保持して、前記電流−電圧変換回路の入力側にフィードバックする外光成分低減回路と、前記電流−電圧変換回路の出力信号のノイズを低減し、かつ出力信号を増幅するバンドパスフィルタ回路／増幅回路とを備える。
【００１９】
このような信号検出回路では、前記増幅回路の内部に設けられ、変動外光成分の高周波成分を低減するローパスフィルタ回路を、さらに備えることができる。
【００２０】
以上のような信号検出回路において、前記外光成分低減回路は、前記電流−電圧変換回路の出力側に接続されたスイッチ回路と、前記スイッチ回路に接続され、外光成分の電圧を保持する外光成分電圧保持回路と、前記外光成分電圧保持回路に接続され、保持された電圧を電流に変換し、前記電流−電圧変換回路の入力側にフィードバックする外光成分電圧−電流変換回路とを有する。
【００２１】
本発明は、また、車両のワイパーを制御するために、発光素子からのパルス光を車両のウィンドシールドに照射し、反射光を受光素子で受光し、受光素子からのパルス信号を処理して、演算処理装置に入力する信号検出方法であって、前記発光素子からのパルス信号を電圧信号に変換するステップと、前記変換された電圧信号に含まれる一定外光成分をフィードバックするステップと、前記電圧信号のノイズを低減するステップと、前記ノイズの低減された電圧信号を増幅し、および変動外光成分の高周波成分を低減するステップとを含む。
【００２２】
このような信号検出方法において、前記外光成分をフィードバックするステップは、一定外光成分の電圧を保持するステップと、保持された電圧を電流に変換し、変換された電流を前記パルス信号に加えるステップとを含む。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図５は、本発明の外光成分低減回路を用いたアナログ回路４０を示すブロック図である。図２の従来のアナログ回路において、外光成分低減回路４２をＩ−Ｖ変換回路２４に並列に挿入している。
【００２４】
図６は、外光成分低減回路４２の構成を示すブロック図である。外光成分低減回路は、外光成分電圧保持回路４６と、外光成分Ｖ−Ｉ変換回路４８と、フィードバックスイッチ回路４４とから構成される。
【００２５】
図７に、外光成分低減回路４２の具体的な回路構成を示す。外光成分Ｖ−Ｉ変換回路４８は、オペアンプ５０，ダイオード５２，フィードバック抵抗５４で構成される。外光成分電圧保持回路４６は、コンデンサ５６で構成される。フィードバックスイッチ回路４４は、オペアンプ５８およびフィードバックスイッチ素子６０で構成される。オペアンプ５８は、スイッチ素子６０のスイッチングノイズが、Ｉ−Ｖ変換回路２４の出力に乗ることを阻止する働きをする。
【００２６】
図８は、図７で示した外光成分低減回路４２を備える信号検出回路の具体的な回路図である。バンドパスフィルタ回路／増幅回路２６には、スイッチ素子６２が設けられ、ピークホールド回路３０にもスイッチ素子６４が設けられている。これらスイッチ素子６２，６４は、後述するＬＥＤ点灯駆動パルスにより、オン，オフが制御される。
【００２７】
バンドパスフィルタ回路／増幅回路２６のスイッチ素子６２の働きについて説明する。Ｉ−Ｖ変換回路２４から出力されるパルス信号は、バイアス電圧に重畳されている。スイッチ素子６２の前段のハイパスフィルタはグラウンドに接続されている。ハイパスフィルタを通過すると、傾き成分（高周波成分）が出力される結果、出力値がグラウンド以下に下がる、すなわち負になることがある。負の出力値がバンドパスフィルタ回路／増幅回路２２のオペアンプ２７に入力されたときに、負の出力値がオペアンプ２７の入力電圧範囲の下限値以下になると、オペアンプを破壊するおそれがある。これを防止するために、ＬＥＤ駆動パルスのＨレベルのときのみ、すなわちパルス信号の期間のみスイッチ素子６２をオフして、パルス信号の期間後の負の出力値がオペアンプ２７に印加されないようにしている。
【００２８】
ピークホールド回路３０のスイッチ素子６４は、次のピークホールド動作に備えて、オンによりコンデンサ２９を放電される働きをする。
【００２９】
外光成分低減回路４２のスイッチ素子６０は、後述するフィードバックスイッチ制御信号により、オン，オフが制御される。
【００３０】
以下、外光成分低減回路４２の動作を説明する。
【００３１】
図９および図１０は、スイッチ回路４４のオン，オフにより、外光成分電圧の取り込みのあり，なしを説明するための図である。
【００３２】
図１１は、ＬＥＤ点灯駆動パルスと、フィードバックスイッチ制御信号とのタイミングを示す図である。
【００３３】
図１１（ａ）に示すように、ＬＥＤ点灯の駆動パルスは、周期５００μｓ，パルス幅１２．８μｓであるものとする。駆動パルスがＨレベルのときにＬＥＤ１０は点灯し、ＬレベルのときにＬＥＤは消灯する。したがって、ＰＤ２０からのパルス信号は、ＬＥＤ１０の駆動パルスに対応して出力される。
【００３４】
図１１（ｂ）に示すように、フィードバックスイッチ制御信号は、ＬＥＤ点灯駆動パルスがＨレベルにある期間の前後を含む期間にわたってＬレベルにあり、他の期間はＨレベルにある。一例として、前の期間は９０μＳ、後の期間は６０μＳである。これら期間は、マイコン３２の割込み処理により、多少変動する。
【００３５】
図９に示すように、ＬＥＤ１０が消灯時は、フィードバックスイッチ制御信号により、フィードバックスイッチ回路４４は、オンしており、外光成分電圧保持回路４６のコンデンサ５６に、外光成分電圧が保持される。保持された外光成分電圧は、外光成分Ｖ−Ｉ変換回路４８により、電流に変換されて、Ｉ−Ｖ変換回路２４の入力側へフィードバックされる。フィードバックされた外光成分電流は、ＰＤからのパルス信号電流とは逆方向に流れるので、Ｉ−Ｖ変換回路２４の入力には、低減された外光成分電流のみが入力される。
【００３６】
次に、図１０に示すように、ＬＥＤ１０が点灯時は、フィードバックスイッチ制御信号により、フィードバックスイッチ回路４４はオフされ、Ｉ−Ｖ変換回路２４の出力する信号成分は取込まれない。信号成分がフィードバックされてはならないからである。外光成分電圧保持回路４６のコンデンサ５６には、外光成分電圧が保持されているので、この間も、外光成分はフィードバックされる。したがって、Ｉ−Ｖ変換回路２４には、（低減された外光成分）＋（信号成分）が入力される。
【００３７】
図１２に、外光成分低減回路の効果を、回路がある場合と、ない場合とで対比して示す。図１２の左側の図は、外光成分あり、外光成分低減回路なしのときのＩ−Ｖ変換回路２４の出力信号波形を、右側の図は、外光成分あり、外光成分低減回路ありのときのＩ−Ｖ変換回路２４の出力信号波形を示す。
【００３８】
外光成分低減回路が設けられていないときには、外光成分による電圧上昇により、Ｉ−Ｖ変換回路２４のオペアンプの飽和電圧を超えると、信号成分が潰れていることがわかる。
【００３９】
外光成分低減回路が設けられているときには、外光成分が低減されている結果、オペアンプの飽和電圧以内におさまり、信号成分が潰れることがないことがわかる。
【００４０】
以上は、外光成分がほぼ一定の外光成分の場合であった。外光成分には、一定外光成分だけでなく、光強度が変動する変動外光成分とが含まれることもある。
【００４１】
図１３は、変動外光成分がある場合のＩ−Ｖ変換回路２４の出力波形を示す。変動する外光成分上にＰＤパルス信号が重畳されていることがわかる。このような変動外光成分により電圧上昇したＰＤパルス信号が、図７のＩ−Ｖ変換回路２４に入力された場合、外光成分低減回路４２のスイッチ素子６０がオフになると、図１４に示すように、変動外光成分の傾きが急になる。変動外光成分の傾きが急になるということは、変動外光成分がより高い周波数成分を含むことになる。
【００４２】
図１５に、外光成分低減回路４３のスイッチ素子６０のオン，オフ時の変動外光成分の帯域と、バンドパスフィルタ回路／増幅回路２６の信号通過帯との関係を示す。図には、ＰＤパルス信号帯域をも示す。縦軸は信号成分の強度（ｖ）を、横軸は周波数（ｆ）を示す。
【００４３】
変動外光成分の帯域は、スイッチ素子６０がオンからオフに切替わると、帯域は、７０から７２へと、高周波側に拡がる。その結果、変動外光成分の高周波部分が、バンドパスフィルタ回路／増幅回路２６の通過帯域内に入り込むので、変動外光成分の高周波部分がバンドパスフィルタ回路／増幅回路を通過し、出力されてしまう。したがってＳ／Ｎ比が悪くなる。なお、図１５において、７６はＰＤパルス信号の帯域を示している。
【００４４】
このような変動外光成分による高周波ノイズを除去する回路を、さらに付加した信号検出回路を図１６に示す。変動外光ノイズ低減回路８０を、図８のバンドパスフィルタ回路／増幅回路２６の信号経路中に設けた構造である。このノイズ低減回路８０は、ローパスフィルタ回路を２段接続した構成となっている。このようなローパスフィルタ回路がバンドパスフィルタ回路／増幅回路２６に挿入されると、図１７に示すように、合成された通過帯域は、等価的に７８のように狭くなる。
【００４５】
したがって、変動外光の高周波成分は、低減されるので、Ｓ／Ｎ比が改善される。
【００４６】
以下に、本発明の外光成分低減回路および外光成分低減方法の構成を列記する。
（１）車両のワイパーを制御するために、発光素子からのパルス光を車両のウィンドシールドに照射し、反射光を受光素子で受光し、受光素子からのパルス信号を処理して、演算処理装置に入力する信号検出回路において、前記一定外光成分を低減させる外光成分低減回路であって、
前記発光素子からのパルス信号を電圧信号に変換する電流−電圧変換回路に並列に設けられ、前記電流−電圧変換回路の出力信号に含まれる外光成分を保持して、前記電流−電圧変換回路の入力側にフィードバックする外光成分低減回路。
（２）前記電流−電圧変換回路の出力側に接続されたスイッチ回路と、
前記スイッチ回路に接続され、外光成分の電圧を保持する外光成分電圧保持回路と、
前記外光成分電圧保持回路に接続され、保持された電圧を電流に変換し、前記電流−電圧変換回路の入力側にフィードバックする外光成分電圧−電流変換回路と、
を有する上記（１）に記載の外光成分低減回路。
（３）前記発光素子は、発光ダイオードであり、前記受光素子は、フォトダイオードである上記（１）または（２）に記載の外光成分低減回路。
（４）車両のワイパーを制御するために、発光素子からのパルス光を車両のウィンドシールドに照射し、反射光を受光素子で受光し、受光素子からのパルス信号を処理して、演算処理装置に入力する場合に、前記処理されたパルス信号の外光成分を低減する方法であって、
外光成分の電圧を保持するステップと、
保持された電圧を電流に変換し、変換された電流を前記パルス信号に加えるステップとを含む、外光成分低減方法。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、レインセンサの信号検出回路に外光成分低減回路を設けるので、外光成分によるノイズを低減することができるので、マイコンには正確な信号を入力できるので、より正確な降雨レベルの判定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レインセンサの信号検出機構を示す図である。
【図２】従来の信号検出回路を示す図である。
【図３】外光成分なしの時のＰＤからのパルス信号波形を示す図である。
【図４】外光成分ありの時のＰＤからのパルス信号波形を示す図である。
【図５】本発明の外光成分低減回路を用いた信号検出回路を示すブロック図である。
【図６】外光成分低減回路の構成を示すブロック図である。
【図７】外光成分低減回路の具体的な回路構成を示す図である。
【図８】図７で示した外光成分低減回路を備える信号回路の具体的な回路図である。
【図９】スイッチ回路のオンにより、外光成分電圧の取り込みのありを説明するための図である。
【図１０】スイッチ回路のオフにより、外光成分電圧の取り込みのなしを説明するための図である。
【図１１】ＬＥＤ点灯駆動パルスと、フィードバックスイッチ制御信号とのタイミングを示す図である。
【図１２】外光成分低減回路の効果を、回路がある場合と、ない場合とで対比して示す図である。
【図１３】変動外光成分がある場合のＩ−Ｖ変換回路の出力波形を示す図である。
【図１４】変動外光成分の傾きが急になる様子を示す図である。
【図１５】外光成分低減回路のスイッチ素子のオン，オフ時の変動外光成分の帯域と、バンドパスフィルタ回路／増幅回路の信号通過帯との関係を示す図である。
【図１６】変動外光成分による高周波ノイズを除去する回路を、さらに付加した信号検出回路を示す図である。
【図１７】ローパスフィルタ回路が挿入されたバンドパスフィルタ回路／増幅回路の合成された通過帯域を示す図である。
【符号の説明】
１０ ＬＥＤ
１１ パルス光
１２，１８ レンズ
１３ 外光
１４ プリズム
１６ フロントガラス
２０ ＰＤ
２２ アナログ回路
２４ Ｉ−Ｖ変換回路
２６ バンドパスフィルタ回路／増幅回路
３０ ピークホールド回路
３２ マイコン
３４ Ａ／Ｄコンバータ
４２ 外光成分低減回路
４４ フィードバックスイッチ回路
４６ 外向成分電圧保持回路
４８ 外光成分Ｖ−Ｉ変換回路
５０ オペアンプ
５２ ダイオード
５４ フィードバック抵抗
５６ コンデンサ
５８ オペアンプ
６０ フィードバックスイッチ素子
６２，６４ スイッチ素子
８０ 変動外光ノイズ低減回路

Claims (9)

1. 車両のワイパーを制御するために、発光素子からのパルス光を車両のウィンドシールドに照射し、反射光を受光素子で受光し、受光素子からのパルス信号を処理して、演算処理装置に入力する信号検出回路であって、
   前記発光素子からのパルス信号を電圧信号に変換する電流−電圧変換回路と、
   前記電流−電圧変換回路に並列に設けられ、前記電流−電圧変換回路の出力信号に含まれる一定外光成分を保持して、前記電流−電圧変換回路の入力側にフィードバックする外光成分低減回路と、
   前記電流−電圧変換回路の出力信号のノイズを低減し、かつ出力信号を増幅するバンドパスフィルタ回路／増幅回路と、
   を備える信号検出回路。
2. 前記増幅回路の内部に設けられ、変動外光成分の高周波成分を低減するローパスフィルタ回路を、さらに備える請求項１に記載の信号検出回路。
3. 前記外光成分低減回路は、
   前記電流−電圧変換回路の出力側に接続されたスイッチ回路と、
   前記スイッチ回路に接続され、外光成分の電圧を保持する外光成分電圧保持回路と、
   前記外光成分電圧保持回路に接続され、保持された電圧を電流に変換し、前記電流−電圧変換回路の入力側にフィードバックする外光成分電圧−電流変換回路と、
   を有する請求項１または２に記載の信号検出回路。
4. 前記スイッチ回路は、前記発光素子の消灯時にオンされ、
   前記スイッチ回路は、前記発光素子の点灯時にオフされる、請求項３に記載の信号検出回路。
5. 前記発光素子は、発光ダイオードであり、前記受光素子は、フォトダイオードである請求項１〜４のいずれかに記載の信号検出回路。
6. 車両のワイパーを制御するために、発光素子からのパルス光を車両のウィンドシールドに照射し、反射光を受光素子で受光し、受光素子からのパルス信号を処理して、演算処理装置に入力する信号検出方法であって、
   前記発光素子からのパルス信号を電圧信号に変換するステップと、
   前記変換された電圧信号に含まれる一定外光成分をフィードバックするステップと、
   前記電圧信号のノイズを低減し、かつ電圧信号を増幅するステップと、
   を含む信号検出方法。
7. 前記外光成分をフィードバックするステップは、外光成分の電圧を保持するステップと、保持された電圧を電流に変換し、変換された電流を前記パルス信号に加えるステップとを含む、請求項６に記載の信号検出方法。
8. 変動外光成分の高周波成分を低減するステップをさらに含む請求項６に記載の信号検出方法。
9. 前記外光成分をフィードバックするステップは、一定外光成分の電圧を保持するステップと、保持された電圧を電流に変換し、変換された電流を前記パルス信号に加えるステップとを含む、請求項８に記載の信号検出方法。

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