JP2009008532A - 光学素子及びセンサユニット - Google Patents

Abstract

【課題】左右の日射センサの出力を各席の空調制御に対して、最適な補正出力となるような指向性を有するセンサユニット用光学素子及びセンサユニットを提供する。
【解決手段】光学素子ＯＥの出射側の光学面側には、外方に向かうにつれて広がった凹部Ｓ２を形成しており、凹部Ｓ２の内周面は、所定の軸線を基準とした複数の楕円輪帯状曲面を有するので、入射光束の方位角と仰角に応じた量の光束を、センサＳＮ上に出射することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学素子及びセンサユニットに関し、特に光検出器として日射センサを用いる場合に好適な光学素子及びそれを用いたセンサユニットに関する。

車両空調システムにおいて、最近、ゾーン空調（左右独立空調）のニーズが高まっている。ここで、特許文献１には、２つの受光素子を用いて日射量を検出し、空調の制御を行う技術が開示されている。
特開２００２−１３１１２６号公報

特許文献１の技術によれば、太陽の方位角の変化に対し、左右の受光素子の総出力和を一定とすることにより、太陽の方位によらず、車両に照射される太陽光による空調負荷を補正して、車室内の温度を一定にすることができる。しかしながら、車両においては、太陽の方位により左右席の乗員に対して日射の当たり方が異なるため、車室内の温度を一定にしても、各席で乗員の空調フィーリングが変化するという問題点があり、各席の乗員の空調フィーリングが太陽の位置によらず、一定となるような空調制御が望まれていた。

本発明はかかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、左右席の乗員の空調フィーリングがそれぞれ中立となるよう、各席の空調の吹き出し温度を調節するため、左右の日射センサの出力を各席の空調制御に対して、最適な補正出力となるような指向性を有するセンサユニット用光学素子及びセンサユニットを提供することを目的とする。

請求項１に記載の光学素子は、入射光束の方位角と仰角に応じた量の光束を、光検出器上に出射する光学素子であって、
出射側の光学面側には、外方に向かうにつれて広がった凹部を形成しており、前記凹部の内周面は、所定の軸線を基準とした複数の楕円輪帯状曲面を有することを特徴とする。

本発明によれば、前記光学素子の出射側の光学面側には、外方に向かうにつれて広がった凹部を形成しており、前記凹部の内周面は、所定の軸線を基準とした複数の楕円輪帯状曲面を有するので、入射光束の方位角と仰角に応じた量の光束を、光検出器上に出射することができる。ここで、「仰角」及び「方位角」は、図１において、車両の接地面Ｇを基準面とし、進行方向を０度としたときに、基準面に対する入射光の角度を「仰角」、進行方向に対する入射光の角度（時計回りに増大）を「方位角」とする。又、「楕円輪帯状曲面」は、傾斜角が一様な単純なテーパ面でも良いし、曲面でも良い。

請求項２に記載の光学素子は、請求項１に記載の発明において、前記所定の軸線は２本であり、各所定の軸線を基準として、異なる位置に前記楕円輪帯状曲面が形成されており、少なくとも一部の前記楕円輪帯状曲面は、互いに交差した位置で途切れていることを特徴とする。

請求項３に記載の光学素子は、請求項１又は２に記載の発明において、前記所定の軸線が前記光学素子と交差する位置に、最も小径の前記楕円輪帯状曲面に接続する凹状の曲面が各々形成されていることを特徴とする。凹状の曲面は、完全球面の一部でも良いし、楕円状球面の一部でも良いし、円錐面の一部でも良い。

請求項４に記載の光学素子は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記所定の軸線に沿って光学素子を切断した断面において、前記複数の楕円輪帯状曲面は、それぞれ前記所定の軸線に対して異なる傾斜角を有することを特徴とする。

請求項５に記載の光学素子は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記楕円輪帯状曲面に光量調整手段が設けられていることを特徴とするので、仰角及び／又は方位角に応じて、出射する光の量を細かく制御できる。

請求項６に記載の光学素子は、請求項５に記載の発明において、前記光量調整手段は、凸部もしくは凹部であることを特徴とする。前記凸部もしくは凹部は、それが形成された前記楕円輪帯状曲面に対し、前記所定の軸線からの傾斜角又は曲率が異なっていると、光量を任意に調整できるので好ましい。

請求項７に記載の光学素子は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、前記光学素子の入射面は凸状の球面であることを特徴とする。

請求項８に記載のセンサユニットは、請求項１〜６のいずれかに記載の光学素子と、前記光学素子より出射された光束を受光する光検出器とを有することを特徴とする。

本発明によれば、左右の日射センサの出力を各席の空調制御に対して、最適な補正出力となるような指向性を有するセンサユニット用光学素子及びセンサユニットを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図２は、本実施の形態にかかる光学素子を用いたセンサユニットＳＵの上面図であり、車両に取り付けられる場合には、図で上方が車両の進行方向に一致する。図３は、図２の構成をIII-III線で切断して矢印方向に見た図である。

図３において、車両のインスツルメンツパネル等に配置されるセンサユニットＳＵは、ベースＢＳと、ベースＢＳを覆うように配置された光学素子ＯＥと、ベースＢＳ上に配置され、入射光を電気信号に変換してリードＬＤを介して外部に出力する２つのセンサ（光検出器ともいう）ＳＮとを有している。センサＳＮは、車両の進行方向に対して並列的に配置されている。

プラスチック製である光学素子ＯＥは、外側（入射側）は凸状の点対称曲面Ｓ１となっている。一方、内側（出射側）は、図２で下方に向かうにつれて広がった凹部Ｓ２となっている。凹部Ｓ２について、図面を参照して詳細に説明する。

図４は、光学素子ＯＥの凹部Ｓ２を成形する際に用いる金型の斜視図である。金型の外形が凹部Ｓ２に転写されるので、金型の外形と凹部Ｓ２の内形とは逐一対応することとなる。以下、説明のために金型の外形を用いて、凹部Ｓ２の形状を説明するが、実際は凸と凹が逆の関係となっている。

図４において、平行に延在する２本の軸線Ｌ１，Ｌ２を中心に、一部が重合した面対称形状の２つのくぼみＣＶ１、ＣＶ２が形成されている。まず、くぼみＣＶ１において、第１の軸線Ｌ１に交差する面は、球面の一部である凹曲面ＣＰ１となっており、その周囲に楕円輪帯状曲面（プリズム面ともいう）Ｔ１１が形成され、その周囲に楕円輪帯状曲面Ｔ１２が形成され、順次下方に、楕円輪帯状曲面Ｔ１３，Ｔ１４，Ｔ１５が形成されている。

一方、くぼみＣＶ２において、第２の軸線Ｌ２に交差する面は、球面の一部である凹曲面ＣＰ２となっており、その周囲に楕円輪帯状曲面Ｔ２１が形成され、その周囲に楕円輪帯状曲面Ｔ２２が形成され、順次下方に、楕円輪帯状曲面Ｔ２３，Ｔ２４，Ｔ２５が形成されている。

図で明らかなように、楕円輪帯状曲面Ｔ１３と楕円輪帯状曲面Ｔ２３とは、交差した位置で途切れており、楕円輪帯状曲面Ｔ１４と楕円輪帯状曲面Ｔ２４とは、交差した位置で途切れており、楕円輪帯状曲面Ｔ１５と楕円輪帯状曲面Ｔ２５とは、交差した位置で途切れている。楕円輪帯状曲面Ｔ１２と楕円輪帯状曲面Ｔ２２には、車両進行方向と反対側に、光量調整手段である凹部Ｆ１１，Ｆ２１が形成され、更に楕円輪帯状曲面Ｔ１２と楕円輪帯状曲面Ｔ２２には、車両進行方向と反対側に、光量調整手段である凹部Ｆ１２，Ｆ２２が形成されている。

本実施の形態によれば、光学素子ＯＥが上述した形状を有しているので、太陽を光源とする入射光に対して、仰角と方位角に応じた量の光束を、センサＳＮ上に出射することができる。車両に搭載された空調機器の吹出口は、センサＳＮからの出力に応じて、太陽光線の当たり方により乗員が暑さを感じる場合には、より低い温度の空気を吹き出すよう制御される。

光学素子ＯＥの形状の詳細な決め方について説明する。仰角と方位角に応じた量の光束を、光学素子ＯＥを介してセンサＳＮ上に出射するためには、光電素子ＯＥの受光面に入射する光束幅を広げたり、狭めたりする必要がある。この光束幅を広げたり、狭めたりする手段として、適切な幅と傾斜角度とを有する楕円輪帯状曲面を、凹部Ｓ２に配置しているのである。

次に、この楕円輪帯状曲面の傾き角と光束の放射領域の概略設定手順を説明する。たとえば、センサユニットＳＵにおいて、車両左側のセンサの出力特性について、方位角270°付近での出力特性(仰角特性)を、図５に示すものとしたいとする。

この図５に示されるような出力特性を得るためには、方位角270°付近の光学素子ＯＥの断面形状において、センサＳＮに入射する光束幅d(θ)が相対的に出力特性と同じになるように、d(90)、d(80)、d(70)・・・d(10)、d(0)の幅をもつ光が、各入射角においてセンサＳＮの受光面に過不足なく有効に作用するよう、それぞれ楕円輪帯状曲面を設定すればよい。

図６は、センサＳＮの中心を通り、方位角270°方向とセンサＳＮの受光面の法線方向を含む断面図であり、仰角を変えたときに光学素子ＯＥを通過してセンサＳＮに至る光束の幅を示している。図６を参照して、凹状の曲面と楕円輪帯状曲面とを決定する手法を説明する。尚、光学素子ＯＥには、平行光束としての太陽光が入射するものとする。

（１） 図６（ａ）に示すように、まずは入射仰角θ=90°の光束の両縁がセンサＳＮの左右端に達するよう凹状の曲面aを配する。また、センサＳＮの左右端を通る光線が、凹状の曲面aを通過する点をα、βとしてある。この点α、βを凹状の曲面aの終点と定める。また、この凹状の曲面aの形状はセンサＳＮの中心を通過し、センサＳＮの受光面法線方向を含む断面図では同じ形状とする。このようにすることで、センサＳＮの中心を通る、任意の方位角方向を含む断面図において、センサＳＮの両端に入射する仰角θ=90°の光束幅をほぼd(90)とすることが出来る。

（２） 仰角θ=80°の光束が入射した状態を示す図６（ｂ）において、（１）の手順で決定した凹状の曲面aを通ってセンサＳＮに到達する光のうち、最も右側へ到達する光線をXとする。このXと平行に入射仰角θ=80°の必要光束幅d(80)だけ左側に離れた光をYとし、この光Yが光学素子ＯＥを通過して、凹状の曲面aに続く楕円輪帯状曲面ｂを通ってセンサＳＮの左端に達するよう、楕円輪帯状曲面ｂの傾きを決める。またこの光線が楕円輪帯状曲面ｂを通過する点をγとし、この点を楕円輪帯状曲面ｂの終点と定める。

（３） 仰角θ=70°の光束が入射した状態を示す図６（ｃ）において、（２）で決定した楕円輪帯状曲面ｂを通ってセンサＳＮに到達する光のうち、最も右側へ到達する光線をXとする。このXと平行に入射仰角θ=70°の必要光束幅d(70)だけ左側に離れた光をYとし、この光Yが光学素子ＯＥを通過して、楕円輪帯状曲面ｂに続く楕円輪帯状曲面cを通ってセンサＳＮの左端に達するよう、楕円輪帯状曲面cの傾きを決める。またこの光線が楕円輪帯状曲面cを通過する点をσとし、この点を楕円輪帯状曲面ｃの終点と定める。尚、楕円輪帯状曲面ｂ、ｃは、図４に示す楕円輪帯状曲面Ｔ１１に含まれても良いし、別でも良い。

以上のように各楕円輪帯状曲面の傾きと放射領域を定めることで、光束幅d(90)、d(80) 、d(70)を過不足無くセンサＳＮの受光面に有効に作用させることができる。更に、より低い仰角の範囲まで（２）、（３）の手順を繰り返すことにより、各楕円輪帯状曲面の傾き角と放射領域を設定できる。

（４） また、θ=270°以外の方位角方向とセンサＳＮの受光面法線方向を含む断面図での凹部Ｓ２の形状も、（２）、（３）の手順を繰り返すことにより、傾き角と放射領域を設定することができる。例として、図７に、方位角60°付近での出力特性(仰角特性)を示す。１つのセンサＳＮに対して凹部Ｓ２の内形状が決まれば、それを面対称とする形で、別のセンサＳＮに対して凹部Ｓ２の内形状を決めることができる。光量が多くなりすぎた場合には、光量調整手段としての凹部（図４のＦ１１，Ｆ１２）又は凸部を、楕円輪帯状曲面に適宜設けることができる。

以上のようにして得られた楕円輪帯状曲面あるいは楕円輪帯状曲面を有する光学素子ＯＥを、センサＳＮの受光面に対向して配置することにより、全ての方位角および、仰角の入射光に対し、所望の出力特性を得ることが出来る。図８は、センサユニットＳＵにおける車両左側のセンサＳＮの出力特性の一例を示す図であり、図９は、センサユニットＳＵにおける車両右側のセンサＳＮの出力特性の一例を示す図である。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、センサユニットに入射する光束は、太陽のみならず、人工的な光源から出射されたものでも良い。

「仰角」及び「方位角」を説明するための図である。 本実施の形態にかかる光学素子を用いたセンサユニットＳＵの上面図である。 図２の構成をIII-III線で切断して矢印方向に見た図である。。 光学素子ＯＥの凹部Ｓ２を成形する際に用いる金型の斜視図である。 方位角270°付近での出力特性(仰角特性)を示す図である。 センサＳＮの中心を通り、方位角270°方向とセンサＳＮ受光面の法線方向を含む断面図である。 方位角60°付近での出力特性(仰角特性)を示す図である。 センサユニットＳＵにおける車両左側のセンサＳＮの出力特性の一例を示す図である。 センサユニットＳＵにおける車両右側のセンサＳＮの出力特性の一例を示す図である。

符号の説明

ＣＰ１ 凹曲面
ＣＰ２ 凹曲面
Ｆ１１，Ｆ２１ 凹部
Ｆ１２，Ｆ２２ 凹部
Ｌ１，Ｌ２ 軸線
ＬＤ リード
ＯＥ 光学素子
Ｓ１ 点対称曲面
Ｓ２ 凹部
ＳＮ センサ
ＳＵ センサユニット
Ｔ１１〜Ｔ１５ 楕円輪帯状曲面
Ｔ２１〜Ｔ２５ 楕円輪帯状曲面

Claims (8)

1. 入射光束の方位角と仰角に応じた量の光束を、光検出器上に出射する光学素子であって、
   出射側の光学面側には、外方に向かうにつれて広がった凹部を形成しており、前記凹部の内周面は、所定の軸線を基準とした複数の楕円輪帯状曲面を有することを特徴とする光学素子。
2. 前記所定の軸線は２本であり、各所定の軸線を基準として、異なる位置に前記楕円輪帯状曲面が形成されており、少なくとも一部の前記楕円輪帯状曲面は、互いに交差した位置で途切れていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記所定の軸線が前記光学素子と交差する位置に、最も小径の前記楕円輪帯状曲面に接続する凹状の曲面が各々形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
4. 前記所定の軸線に沿って光学素子を切断した断面において、前記複数の楕円輪帯状曲面は、それぞれ前記所定の軸線に対して異なる傾斜角を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子。
5. 前記楕円輪帯状曲面に光量調整手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子。
6. 前記光量調整手段は、凸部もしくは凹部であることを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
7. 前記光学素子の入射面は凸状の球面であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光学素子。
8. 請求項１〜６のいずれかに記載の光学素子と、前記光学素子より出射された光束を受光する光検出器とを有することを特徴とするセンサユニット。

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