JP2009265090A - 光センサー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】必要とする構造空間は極めて小さい空間のみでよく、前方物体及び外部光に対する感度は可及的に低い光センサー装置を提供する。
【解決手段】発光器（２４）、光受容器（２６）と前記発光器（２４）から窓ガラスの内外に照射され光受容器（２６）上に向けられる光束の結合に用いられるレンズ板（１２）を有するセンサーユニットを備える光センサー装置を提供する。レンズ板（１２）は、フレネルレンズ構造体（１８ａ、１８ｂ）とフレネル反射器構造体（２０ａ、２０ｂ）を有する結合フレネル構造体（１６ａ，１６ｂ）を、発光器（２４）と光受容器（２６）に面する第一の表面（１２ａ）上に有し、かつ窓ガラスに面し、対向する第二の表面（１２ｂ）にフレネル反射器構造体（２２ａ、２２ｂ）を備える。本構成は特に雨センサーとして利用するに好適である。発光器を備えないセンサー装置は光センサーとして利用するに好適である。
【選択図】図１

Description

本発明は、窓ガラス、特に自動車の風防ガラスへの結合に適合する光センサー装置に関わる。

この種のセンサー装置の主な使用としては、自動車に於ける風防ガラスワイパーの自動作動用の雨センサーとして、また車両照射制御用の光センサーとして用いられている。光路に影響する従来のレンズ、例えば、ＥＰ１０６８１１２Ｂ１に開示される風防ガラス側に傾斜する雨センサーのレンズの使用に際し、比較的広いスペースを必要とする。

例えば、ＷＯ０３／０２６９３７Ａ１で知見されるように、ホログラフィック構造体の利用により、より小設計を実現できる。これらセンサーは回折素子を援用する光回折の原理に基づいており、それ故原理性に起因する難点、すなわち実質的に低い発光効率と迷光に対する高感度性を有する。

ＤＥ１９６０８６４８Ｃ１では光センサー装置を提案しており、この装置に於いて光導波路部の入射面及び出射面はフレネルレンズで構成されている。レンズが構成される光導波路部の表面は窓ガラスに鉛直であることから、本装置もまた大きなスペースを必要とする。

従来技術の雨センサーあるいは昼光センサーの基本的は不利点として、生産費が高い事、使用感度面積の大きさに対するセンサー寸法の比率が好ましいものではないことがあげられる。

本発明の目的は、必要とする構造空間は極めて小さい空間のみでよく、前方物体及び外部光に対する感度は可及的に低い光センサー装置を提供することである。

本発明においては、本目的のため、光センサー装置の第一の実施の形態において、発光器と、光受容器と、該発光器から窓ガラス内外に照射され光受容器上に向けられる光束の結合に用いられるレンズ板とを有するセンサーユニットが設けられる。レンズ板は、フレネルレンズ構造体とフレネル反射器構造体を有する結合フレネル構造体を、発光器と光受容器に面する第一の表面上に有し、かつ窓ガラスに面し、対向する第二の表面にフレネル反射器構造体を備えるものとなっている。本構成は特に雨センサーとして用いる際に好適である。

この場合、レンズ板のセンサーユニットは二つの分離型結合フレネル構造体を有するものであって、該構造体は互いに隣接し、かつ対向位置するフレネル反射器構造体を有するものとなっている。発光器は一方のフレネル構造体の焦点に配置され、光受容器は他方のフレネル構造体の焦点に配置される。発光器より発光される光束は一方の結合フレネル構造体により平行光とされ、垂直方向にレンズ板を透過し、再び適宜なフレネル反射器構造体によりある角度で窓ガラスに向けられて窓ガラスに全反射され、そして他の結合フレネル構造体と対応するフレネル反射器構造体によりレンズ板内に結合される。光学的に作用する全ての素子はレンズ板に集中するという事実は、結果、必要とされるスペースは最小となる。同時に窓ガラス上での大きな有用センサー面が獲得される。

光センサー装置の第二の実施の形態において、光受容器と、窓ガラスから該窓ガラスへ入射し、前記光受容器に向けられる光束の結合に用いられるレンズ板とを有するセンサーユニットが設けられる。レンズ板は、フレネルレンズ構造体とフレネル反射器構造体を有する結合フレネル構造体を、光受容器に面する第一の表面上に有し、かつ窓ガラスに面し、対向する第二の表面にフレネル反射器構造体を備えるものとなっている。本構成は特に光センサーとして用いる際に好適である。

この場合、窓ガラスに平行して当接する光束は該窓ガラスをある角度で透過し、そしてフレネル反射器構造体によりレンズ板内に結合し、該レンズ板介して垂直方向に通過され結合フレネル構造体上に到達し、且つもう一方の結合フレネル構造体により光受容器に合焦する。ここではまた、光学的に作用する全ての素子はレンズ板に集中することから、必要最小スペースが獲得される。同時に、検出される光に対し優れた方向性効果が達成される。

雨・光センサーの有利な実施の形態では、光センサー装置の構成の双方は組み合わされ、全結合フレネル構造体とそこに形成されるフレネル反射器構造体を有する共通レンズ板を共有する。

本発明に係る光センサー装置の更なる利点と時宜を得た発展は従属クレームより明らかとなるであろう。
本発明は、好適な実施の形態に基づき、添付の図面を参照しより詳細に説明されるであろう。

図１は雨センサーのセンサーユニットの断面線図を概略的に示す。 図１ａは， 図１の底部フレネル構造体の拡大詳細図を概略的に示す。 図２は、フレネル反射器構造体の拡大断面図を概略的に示す。 図３ａ - 図３ｃは異なる実施の形態の発光器側の断面線図を概略的に示す。 図４は雨センサーのセンサーユニットの特別な実施の形態の発光器側の断面線図を概略的に示す。 図５は昼光センサーの断面線図を概略的に示す。

雨センサーは典型的には二つの同一光センサーユニットで構成される。図１にこの種のセンサーユニットを概略的に示す。センサーユニットは自動車の風防ガラス１０に装着される。レンズ板１２はセンサーユニットの光学的作用素子である。レンズ板１２はカップラー層１４を介して風防ガラス１０と光学的に結合する。

風防ガラス１０から離れて対面する第一の面１２ａ上では、レンズ板１２に相互に距離をおいて配置される２つの同一フレネル構造体が設けられている。フレネル構造体１６ａ， １６ｂの双方は軸Ａ， Ｂのそれぞれについて回転対称となるよう設計される。フレネル構造体１６ａ， １６ｂは内方部分と外方部分とに分割され、外方部分の軸ＡもしくはＢからの半径距離は内方部分よりもがおおきくなっている。内方部分はフレネルレンズ構造体１８ａ及び１８ｂを構成し、外方部分はフレネル反射器構造体２０ａ， ２０ｂを構成している。従って、以下の記述においては、風防ガラス１０から離れて対面するレンズ板１２の第一の面１２ａ上のフレネル構造体は結合フレネル構造体１６ａ， １６ｂと称される。

特に図１ａの詳細拡大図にから判るように、フレネルレンズ構造体１８ａ及び１８ｂ及びフレネル反射器構造体２０ａ， ２０ｂの双方はのこぎり歯状の形状を有し、軸Ａ及び軸Ｂに面するフレネル反射器構造体２０ａ， ２０ｂの側部はそれぞれフレネルレンズ構造体１８ａ及び１８ｂの対応する側部より傾斜が強くかつ長いものとなっている。

結合フレネル構造体１６ａ， １６に対向し風防ガラス１０に面する第二の面１２ｂ上で、レンズ板１２には２つのフレネル反射器構造体２２ａ， ２２ｂが設けられており、該フレネル反射器構造体２２ａ， ２２ｂはレンズ板１２の中央面Ｍについて鏡面対称となっている。第一の面１２ａのフレネル反射器構造体２０ａ， ２０ｂと同様に、第二の面１２ｂのフレネル反射器構造体２２ａ， ２２ｂもまた交互に隆起部と凹部が形成される微細表面で構成されている。

発光器２４はフレネルレンズ構造体１８ａの焦点部位に配置され、該フレネルレンズ構造体１８ａは回転対称の対応軸Ａに存する。光受容器２６はフレネルレンズ構造体１８ｂの焦点部位に配置され、該フレネルレンズ構造体１８ｂは回転対称の対応軸Ｂに存する．
発光器２４は特定周波数範囲で光線を照射するが、この点に関し、用語“光線”とは可視光に限定されるわけではなく、より個別的には赤外範囲の照射光であってよい。発光器２４より発光する発散光束は結合フレネル構造体１６ａによい平行光に整形されてレンズ板１２に対し垂直方向に横断する。ここで、結合フレネル構造体１６ａは、フレネルレンズ構造体１８ａに入射する光束が屈折するのみであり、他方フレネル反射器構造体２０ａに入射する光束が屈折反射するよう設計されている（図１及び１ａを参照）。最終分析では、すべての光線には同一方向が付与されており、それゆえ全体として平行光束が形成される。

図１ａを参照して理解されるように、フレネルレンズ構造体１８ａ及び１８ｂとフレネル反射器構造体２０ａ， ２０ｂ間の境界の（半径）位置は発光器２４からのフレネルレンズ構造体１８ａの（図１ａの図面によれば）右側部上への、光線が屈折する、入射角に依存している。これら側部の勾配は、屈折光線がレンズ板１２に対し垂直方向に透光するよう予め定義されている。軸Ａからの半径距離は増加するものであるが、これは入射角をさらに小さくするものである。フレネル反射器構造体２０ａへの感度遷移は、入射角が所定値（つまり、側部への光線の入射角は極めて小さい）以下になる時点に発生する。

レンズ板１２を透過すると、平行光束はレンズ板１２の平面に対しある角度でフレネル反射器構造体２２ａにより反射され、カップラー層１４に入射する。カップラー層１４を透過すると、光束は風防ガラス１０に入射しその
対向側内部面１０ａで全反射する。光束は再び風防ガラス１０を透過し、カップラー層１４に入射してフレネル反射器構造体２２ｂにより偏向されることにより、光束はレンズ板１２に対し垂直方向に透過する。結合フレネル構造体１６ｂは最終的に平行光束を収束光に変換し、この収束光は光受容器２６に当接する。

フレネル反射器構造体２２ａ， ２２ｂは２〜３の特別な特徴を有するもので、これら特徴をいま図２を参照して説明する。フレネル反射器構造体２２ａ， ２２ｂの表面構成体は一般的に横断面ではのこぎり歯形状であり、多くのプリズム状の断面を形成している。第一の側部２２_１は底部から頂部に向けて直線状に継続的に延在し、第二の側部は２つの断面２２_２と２２_３から構成される。第二の側部の断面２２_２（図２の右側）は第二の断面２２_３より傾斜が緩いものとなっているが、該断面２２_３は第一の側部２２_１より傾斜がきつくなっている。

レンズ板１２とカップラー層１４が構成される個々の材料の屈折率ｎ１とｎ２は、のこぎり歯形状の反射器構造体２２ａと２２ｂの側部での角度に関連し入念に整合される。レンズ板１２を垂直方向に透過する光線Ｌは鋭角αで側部２２_１に入射し、そして全反射し、角度βで側部２２_２に入射している。図２に示す構成に於いて、角度βは９０度に等しい、従って出射角γもまた９０度となる。その結果、側部２２_２での光の屈折は起こらない。

屈折率ｎ１とｎ２はわずかながら相互に異なっている。側部２２_１での光線の全反射としての条件は、入射角が屈折率の逆サインが大きいことが挙げられる。屈折率がわずかに“１”より乖離することから、入射角αは相対的に均一（固定）でなければならない。例えば、概略２６度の最大入射角の設定は、レンズ板１２の材料ポリカーボネイトとカップラー層１４の材料シリコンラバーとの組み合わせに帰着する。反射器構造体の最小勾配はこの角度によって決まる。風防ガラス１０側に出射する光線が窓ガラス上の全反射に必要とされる角度を持つ、この理由から、実際の勾配は決定される。風防ガラス１０上での全反射に対し所望される入射角は典型的には概ね４５度である。この角度は、フレネル反射器構造体２２ａと２２ｂの配置構成に対する要望と合致する。

図３ａに再び光伝達を概略的に示し、該光伝達は図２に示すフレネル反射器構造体２２ａと２２ｂの配置構成により達成される。レンズ板１２とカップラー層１４間の境界層では光の屈折は起こらない。この結果、風防ガラス１０の全反射面で形成されるセンサー面の照射は非最適化される。

図３ｂでは、条件は更に好ましものではなく、ここにおいて、のこぎり歯形状構造体の右側部の断面２２_２はさらに平坦になっている。光線が９０度とは異なる角度で側部２２_２に入射していることから、光の屈折は数学的に負の方向（図３ｂでは右側）で起こる。出射光線は図３ａのそれよりも更に狭くなっている。

最適照射の条件は図３ｃの配置構成に示される。ここでは、同図ののこぎり歯形状構造体の右側部は分割されておらず継続性を有し、左側部よりも傾斜がきつくされている。右側部では、数学的に正の方向（図３ｃで左側）に気仮の屈折が起きる。左側部の光線の当接角は依然、全反射条件に合致している。右側部での屈折光線は、隣接するのこぎり歯形状構造体の頂部に当接する。これにより、風防ガラス１０上のセンサー面での完全照射が発現する。

異なる手法に従い、可及的に包括的な、センサー面での上記照射で説明した原理は、改善された外部光の抑制を支持して部分的に破棄される。事実、風防ガラス１０の外部から作用する外部光（例えば、昼光）も同様に光受容器２６に入射されるであろう事を考慮に入れてきた。実験とシミュレーションによれば、概略前述の条件内で、のこぎり歯形状構造体の概ね対称となる設計は、結果として外部光に対する最善可能な不感光性を導きだしている。この手法に従って構成される実施の形態を図４に示す。
この文脈での対称設計とは、左側部及び右側部は（細分割無しに）直線的であり、風防ガラス１０もしくは歯レンズ板１２の面に対し実質的に同じ勾配を有する。加えて、のこぎり歯形状構造体の“実質的な“対称設計は、通常の許容範囲内の偏差を明示的に含むことを意図し、かつレンズ板１２とカップラー層１４間の屈折率の差を明示的に考慮に入れることを意図している。

前述のフレネル反射器構造体２２ａと２２ｂの構成の完全な機能を達成するにあたり、カップラー層１４の材料がフレネル反射器構造体２２ａと２２ｂの表面と一定の形状に合うようなやり方で、かつ空気泡等を含むことなく接触することが必要である。

図５に示す実施の形態の光センサー装置は、指向性感度型昼光センサーである。ここで再び図示するセンサーユニットは光学素子としてのレンズ板１２を有するもので、この場合、レンズ板のみが結合フレネル構造体１６と、これと対向位置する対応フレネル反射器構造体２２を有する。結合フレネル構造体１６は、図１と４に図示する雨センサー装置と同じ構成であり、それ故（内部）フレネルレンズ構造体と（外部）フレネル反射器構造体を有するが、簡略のため図５ではフレネルレンズ構造体のみを図示している。

光受容器２６はフレネルレンズ構造体の焦点位置に配置される。レンズ板１２はカップラー層１４を介して風防ガラス１０と結合され、風防ガラス１０の傾斜角は、図示の好適な実施の形態では概ね２７度である。フレネル反射器構造体２２の配置構成については、雨センサーに関連する先に記載した実施の形態と同じ基準が適用可能である。

昼光センサーは光に対し感光性を持つものであり、この際の光は風防ガラス１０に平行入射する光であり、窓ガラス上への入射とともに下方斜め方向に屈折し、カップラー層１４を透過してフレネル反射器構造体２２に当接する光であって、該当接により光線は偏向されレンズ板１２を垂直方向に透過して結合フレネル構造体１６上に到達し、これにより光受容器２６に合焦するものとなっている。

慣行上、結合型雨・昼センサーが必要となる。雨センサー図１あるいは図４に示す種類のセンサーユニットを幾つか含む。
センサーユニットは相互に隣接して配置され、共通のレンズ板１２を共有している。図５に図示する昼光センサーの光学的作用構造体は、同じレンズ板１２に配置される。必要に応じて異なる方向からの光を受光するセンサーを更に設ける。非指向性周辺光を、光学的作用を有しないもしくは僅かに有するレンズ板１２の一部を介して追加的に検出しても良い。

レンズ板１２は従来の射出成形技術を用いて製造しても良い。代替技術として、スタンピング技術を用いても良い。
好ましからざる形態で内部結合及び・若しくは外部結合する光線により引き起こされる誤動作（性能低下）を避けるためであって、このうち想定可能な原因は以下により詳細に述べられるものであるが、少なくともレンズ板１２の光学的非作用面の一部には、再帰反射性素子（いわゆるリフレックス反射器）などの屈折構造体若しくは反射構造体が設けられる。この構成により、光学的作用面に入射しない光を、”無害“な方向に偏向させている。それに代わるものとして、光学的非作用部の一方側もしくは両側に感光性を有しない印刷物を設けてもよい。実際、基本的に、風防ガラス１０に対して４５度の角度での照射に用いられる所望の平行光束に加え、好ましからざる光線が風防ガラス１０の正面に存在する砂粒などの物体に照射し、かくして湿潤性を発生させない可能性がある。光線の一部はこれら物体に再び反射しても良く、このように恐らくは光受容器２６に到達するであろう。更に、先に既述したとおり、外部から作用する外部光（例えば、太陽光）は光受容器２６に到達するであろう。また、発光器２４からの光は多重反射（即ち、風防ガラス１０を介する迂回はしない）により直接、光受容器２６に到達するであろう。これら全ての効果により湿潤についての擬似認識に導くであろう。

１０ 風防ガラス
１０ａ 内部面
１２ レンズ板
１２ａ 第一の表面
１４ カップラー層
１６ａ、１６ｂ結合フレネル構造体
１８ａ、１８ｂフレネルレンズ構造体
２０ａ、２０ｂフレネル反射器構造体
２２ａ、２２ｂフレネル反射器構造体
２４ 発光器
２６ 光受容器

Claims (20)

1. 窓ガラス、特に自動車の風防ガラス（１０）への結合に適合する光センサー装置であって、
   発光器（２４）、光受容器（２６）と前記発光器（２４）から窓ガラスの内外に照射され光受容器（２６）上に向けられる光束の結合に用いられるレンズ板（１２）を有するセンサーユニットを備え、
   前記レンズ板（１２）が、フレネルレンズ構造体（１８ａ、１８ｂ）とフレネル反射器構造体（２０ａ、２０ｂ）を有する結合フレネル構造体（１６ａ，１６ｂ）を、発光器（２４）と光受容器（２６）に面する第一の表面（１２ａ）上に有し、かつ窓ガラスに面する、対向する第二の表面（１２ｂ）にフレネル反射器構造体（２２ａ、２２ｂ）を備えることを特徴とする光センサー装置。
2. 窓ガラス、特に自動車の風防ガラス（１０）への結合に適合する光センサー装置であって、光受容器（２６）と窓ガラス上にまた窓ガラスから入射され光受容器（２６）上に向けられる光束の結合に用いられるレンズ板（１２）を有するセンサーユニットを備え、
   前記レンズ板（１２）が、フレネルレンズ構造体とフレネル反射器構造体を有する結合フレネル構造体（１６）を、前記光受容器（２６）に面する第一の表面（１２ａ）上に有し、かつ窓ガラスに面するが、対向する第二の表面（１２ｂ）にフレネル反射器構造体（２２）を備えることを特徴とする光センサー装置。
3. 請求項１に記載の光センサー装置であって、 第一の表面（１２ａ）の結合フレネル構造体（１６ａ）が発散光束を平行光束に整形することを特徴とする光センサー装置。
4. 請求項１若しくは２に記載の光センサー装置であって、第一の表面（１２ａ）の結合フレネル構造体（１６ａ、１６ｂ； １６）が窓ガラスから結合され且つ前記レンズ板（１２）を横断する平行光束を収束光束に整形することを特徴とする光センサー装置。
5. 請求項１若しくは２に記載の光センサー装置であって、平行光束が垂直方向に前記レンズ板（１２）を横断することを特徴とする光センサー装置。
6. 請求項１若しくは２に記載の光センサー装置であって、第一の表面の結合フレネル構造体（１６ａ、１６ｂ； １６）が発散光束あるいは平行光束を合焦する回転対称構造体であることを特徴とする光センサー装置。
7. 請求項６に記載の光センサー装置であって、結合フレネル構造体（１６ａ、１６ｂ； １６）のフレネル反射器構造体（２０ａ、２０ｂ）は回転対称の軸（Ａ， Ｂ）からの半径距離が結合フレネル構造体（１６ａ、１６ｂ； １６）のフレネルレンズ構造体（１８ａ、１８ｂ）よりも大きいことを特徴とする光センサー装置。
8. 請求項１若しくは２に記載の光センサー装置であって、第二の表面（１２ｂ）のフレネル反射器構造体（２２ａ、２２ｂ；２２）は平行光束を特定の方向に偏向する直線構造体であることを特徴とする光センサー装置。
9. 請求項１若しくは２に記載の光センサー装置であって、前記レンズ板（１２）は、第二の表面（１２ｂ）のフレネル反射器構造体（２０ａ、２０ｂ；２２）と一定形状を合わせる形態で（ｉｎ ｆｏｒｍｆｉｔｔｉｎｇ）接触するカップラー層（１４）により窓ガラスに結合されることを特徴とする光センサー装置。
10. 請求項１若しくは２に記載の光センサー装置であって、第二の表面（１２ｂ）のフレネル反射器構造体（２２ａ、２２ｂ；２２）は内部面にて反射させることを特徴とする光センサー装置。
11. 請求項１若しくは２に記載の光センサー装置であって、第二の表面（１２ｂ）のフレネル反射器構造体（２２ａ、２２ｂ；２２）は全体的に横断面がのこぎり歯形状であって、反射が起きる第一の側部（２２_１）と、平行光束が入射あるいは出射する第二の側部（２２_２、２２_３）とを有することを特徴とする光センサー装置。
12. 請求項１１に記載の光センサー装置であって、第二の側部（２２_２、２２_３）は垂直的に横断形成されることを特徴とする光センサー装置。
13. 請求項１１に記載の光センサー装置であって、光の屈折が第二の側部（２２_２、２２_３）で起きることを特徴とする光センサー装置。
14. 請求項１２若しくは１３に記載の光センサー装置であって、第二の側部は異なる急勾配の二つの断面（２２_２、２２_３）を有し、より勾配のゆるい断面（２２_２）が入射面と出射面を形成していることを特徴とする光センサー装置。
15. 請求項１３に記載の光センサー装置であって、第二の側部（２２_２、２２_３）が第一の側部より急勾配な入射面と出射面を個別に形成すること特徴とする光センサー装置。
16. 請求項１１に記載の光センサー装置であって、第一と第二の側部（２２_１と２２_２、２２_３のそれぞれが）相互に概ね対称とされていることを特徴とする光センサー装置。
17. 請求項１に記載の光センサー装置であって、少なくとも一つのセンサーユニットにおいて、二つの分離型結合フレネル構造体（１６ａ、１６ｂ）は互いに隣接して、該レンズ板（１２）内に形成され、フレネルレンズ構造体（１８ａ、１８ｂ）とフレネル反射器構造体（２０ａ、２０ｂ）を有し、フレネル反射器構造体（２２ａ、２２ｂ）は対向位置され、
    発光器（２４）はフレネルレンズ構造体（１８ａ）の焦点位置に配置され、光受容器（２６）はフレネルレンズ構造体（１８ｂ）の焦点位置に配置され， 発光器（２４）より発光される光束は一方の結合フレネル構造体（１８ａ）により平行光とされ、垂直方向にレンズ板（１２）を透過し、対向するフレネル反射器構造体（２２ａ）によりある角度で窓ガラスに向けられて該窓ガラスにより全反射され、
    そして他の結合フレネル構造体（１６ｂ）に対向するフレネル反射器構造体（２２ｂ）によりレンズ板（１２）内に結合され、該レンズ板（１２）を垂直方向に透過されて他の結合フレネル構造体（１６ｂ）上に到達し、後者により光受容器（２６）上に合焦することを特徴とする光センサー装置。
18. 請求項１７に記載の光センサー装置であって、更に共有レンズ板（１２）を有する幾つかのセンサーユニットを備えることを特徴とする光センサー装置。
19. 請求項２に記載の光センサー装置であって、狭い検出角で窓ガラスに入射する光束は、ある角度で窓ガラスを横断し、ガラス板に対向するフレネル反射器構造体（２２）によりレンズ板（１２）内に結合され、該レンズ板（１２）を垂直方向に透過されて結合フレネル構造体（１６）上に到達し、後者により光受容器（２６）上に合焦することを特徴とする光センサー装置。
20. 請求項１９の光センサー装置を組み合わせた請求項１７の光センサー装置であり、センサー装置が共有レンズ板（１２）を有する、雨／光センサー。