JP2018104957A - 自動車用の消霧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】走行する自動車に適する消霧装置が望まれている。
【解決手段】自動車用の消霧装置のランプ１は、レーザ装置２を有する赤外線光源３を複数設けており、複数の赤外線光源３は、総出力電力が７５Ｗ以上になるように取付板９の湾曲面９Ａに配設され、近赤外線の拡散光がそれぞれ異なる方向に照射される。レーザ装置２は、波長が１．８μｍまたは３μｍの近赤外レーザ光線を発振する１つ以上のシリコン半導体レーザ素子４を含んでなる。赤外線光源３は、近赤外線の拡散光を所定の照射範囲で所定の走査線に沿って移動するようにヘッドを高速で移動させる駆動機構６を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、霧を除去する消霧装置に関する。特に、本発明は、自動車用の消霧装置に関する。

波長が０．７８μｍ−１０００μｍの赤外線は、水膜の厚さによって透過率が異なるものの、水に吸収される。赤外線が水に吸収されると、水分子に運動エネルギが与えられ、熱エネルギに変換されて発熱し、温度が上昇する。そこで、水滴に赤外線を照射し、水滴を蒸発させて霧を消す方法が考えられている。

近赤外線の波長帯を０．７８μｍ−３μｍとする場合、近赤外線は、殆どの物質を高い透過率で透過する特性を有しているが、特定の波長の赤外線は、水に対して高い吸収率を有する。特に、中赤外線との波長の境界付近である波長が３μｍの近赤外線は、水に対する吸収率が最大であることが確認されている。

水に対して高い吸収率をもつ波長の赤外線を水滴に照射すると、水分子に与えられる運動エネルギがより大きく、水分子の運動が激しくなって衝突し合う。霧を形成する水滴には、数μｍφの塵のような核となる物質が存在していることから、発熱による温度の急な上昇とともに水分子の衝突で水滴が破壊されることがある。この現象を利用して、水に対して吸収率の高い波長が３μｍの赤外線を照射して、水滴中の水分子に共振を与えて水滴を粉砕し微細化する消霧装置が知られている。

特許文献１は、遠赤外線セラミックヒータによる消霧装置を開示している。また、例えば、近赤外線領域のピーク周波数を有するハロゲンランプは、すでに自動車のヘッドランプまたはフォグランプとして使用されている。しかしながら、赤外線ヒータまたは赤外線ランプが放射する赤外線の波長に幅があるため、輻射熱による水滴の除去に優れた効果があるものの、相当大きな出力電力が必要であり、また、効果が現れるまでにいくらか時間がかかるので、走行する自動車の消霧装置としては不十分である。

特許文献２は、表面に二酸化ケイ素、ゲルマニウム、およびゲルマニウム酸化物を含有する発光層を有する石英ガラスのような光透過部材に半導体レーザ素子によって発振するレーザ光線を通して得ることができる所定の波長帯域の近赤外線から中赤外線までのレーザ光線を水滴に照射して霧を除去する方法を開示している。また、例えば、特許文献３は、乗物から炭酸ガスレーザによる近赤外レーザ光線を照射して氷を切断する要領で霧を蒸発ないし粉砕する方法を開示している。

特開２０１０−１１６６８９号公報 特開２０１５−３６５００号公報 特表平５−５０６２８９号公報

基本的に近赤外線を出力するレーザ光源の種類によって波長が決まっている。例えば、炭酸ガスレーザは、水に対する吸収率が比較的低い９．４μｍと１０．６μｍの波長の近赤外線を出力する。水に対する吸収率が高い波長の赤外線を得るために、近赤外半導体レーザ素子が発振する近赤外レーザ光線を水に対する吸収率が高い波長に高速に変換することが可能であるかも知れない。しかしながら、設計と構造が難しく、波長が比較的不安定であって、安全性も低い。何れにしても、走行する自動車に適する前方の霧を広範囲に効率よく除去できる消霧装置が望まれている。

本発明は、上記課題に鑑みて、短時間で効率的に安全に霧を消すことができる改良された自動車用の消霧装置を提供することを目的とする。本発明によって得ることができるいくつかの利点は、実施の形態の説明において、その都度詳しく記述される。

本発明の自動車用の消霧装置は、上記課題を解決するために、波長が１．８μまたは３μｍの近赤外レーザ光線を発振する１つ以上のシリコン半導体レーザ素子（４）を含んでなるレーザ装置（２）とレーザ装置（２）が出力する近赤外レーザ光線を拡散光に変換して放射する拡散カバー（５）とを含んでなる赤外線光源（３）を１以上設け、赤外線光源（３）の総出力電力が７５Ｗ以上になるように湾曲面（９Ａ）に配設して所定の波長の拡散光がそれぞれ異なる方向に照射されるように構成したランプを２以上備えてなる。

望ましくは、近赤外レーザ光線または拡散光が所定の照射範囲で所定の走査線に沿って高速に移動するようにレーザ装置（２）のヘッドまたは赤外線光源（３）を移動させる駆動機構（６）を有するようにする。なお、括弧内の符号は、図面の符号に一致するが、説明の便宜上付されたものであり、本発明を図面に示される実施の形態の消霧装置に限定するものではない。

本発明の消霧装置は、水に高い吸収率で吸収される所定の波長の近赤外レーザ光線を安定して発振するシリコン半導体レーザ素子を含むレーザ装置の出力をより安全な拡散光に変換して放射する赤外線光源を有するランプを自動車の前面に取り付けるものであって、所定の波長の近赤外線は、水に吸収され、水滴を内部から蒸発ないし破壊して微細化させることによって霧を緩和する。その結果、比較的短時間に所定の範囲で視界をよくすることができ、走行する自動車の消霧装置として使用することができる。

本発明の消霧装置における赤外線光源の実施の形態を示す正面図と左側面図である。 赤外線の波長と大気に対する透過率の関係を示すグラフである。 本発明の消霧装置のレーザ装置の一例を示すブロック図である。 消霧装置のランプの一例を示す正面図と左側面図である。 消霧装置のランプを取り付けた状態の自動車の斜視図である。

図１は、本発明の自動車用の消霧装置を示す。図１は、特に、ランプの中の１つの赤外線光源の具体的な例を示す。図４は、複数の赤外線光源を有する消霧装置のランプの適する１つの実施の形態を示す。図４において、ランプの正面から向かって左側を左側面とする。したがって、自動車の運転席から見て右手にランプの左側が位置する。図５は、フォグランプに隣接して本発明の自動車用の消霧装置のランプを取り付けた自動車を示す。半導体レーザ電源装置とモータ制御装置は、共に図示省略される。

消霧装置は、ランプ１と不図示の半導体レーザ電源装置とからなる。ランプ１は、複数のレーザ装置２を含む赤外線光源３を有する。ただし、赤外線光源３から放射する近赤外線の波長は、主に１．８μｍまたは３μｍであるので、ランプ１は、人が肉眼で視認することができない電磁波を照射するものであって、一般的なライトと異なり、光を照射して物体を明るく照らす能力を有していない。

図１に示される赤外線光源３は、波長が１．８μｍの近赤外レーザ光線を発振する１つ以上のシリコン半導体レーザ素子４（LD, Laser Diode）と、少なくともシリコン半導体レーザ素子４とフォトダイオードとを収容したパッケージ、および不図示の集光レンズとヒートシンクとを含むレーザ装置２と、近赤外レーザ光線を拡散光に変換して放射する拡散カバー５と、を含んでなる。実施の形態の赤外線光源３は、ヘッドを移動させる駆動機構６を含む。

半導体レーザ電源装置は、乗用車の場合で１２．６Ｖの直流電源の標準的な車載バッテリを電源とし、ＡＰＣ回路（Automatic Power Control）を含んでなる。複数のバッテリを搭載する自動車の場合は、出力電圧が同じ電圧値のバッテリであるなら、どのバッテリから電力を得ても構わない。エンジンが回転中に発電機から直接電力を受けているときは、発電機から供給される交流を直流に変換し各電気機器に供給する整流器を直流電源に含む。定電流回路は、電解効果トランジスタをスイッチング素子とするもので構成する。

１つの半導体レーザ電源装置は、通常は、所定の期間、一定のエネルギのレーザ光線を連続的に出力する。ただし、スイッチング素子の操作によってパルス出力をすることも可能である。半導体レーザ電源装置は、複数のレーザ装置２に同じ電流を供給することができる。半導体レーザ電源装置は、車内に設けられランプ１をヘッドランプのような他のランプから独立してオンオフできるスイッチを含んでなる。

ランプ１は、所定の波長の近赤外線の十分な所定の照射範囲を確保するために、互いに離れた位置に２つ以上備えられている。図５に示される消霧装置では、路面に近いフロントバンパの左右に一対のランプ１が設けられている。赤外線光源３が発する赤外線は、安全のためにレーザ光線を拡散光に変換し分散されるので、１つのランプ１は、広範囲に存在する霧の水滴を短時間に多数消滅させるために、総出力電力が７５Ｗ以上要求される。ランプ１の総出力電力の上限は、基本的に、自動車に搭載できる発電機とバッテリの供給電力に依存する。

図１に示されるレーザ装置２においては、出力電力が５Ｗのシリコン半導体レーザ素子４をパッケージ化している。本発明でいうシリコン半導体レーザ素子４とは、ｐ型ドーパンドを添加した間接遷移型のｐ型添加部位と、ｎ型ドーパンドを添加した間接遷移型のｎ型添加部位と、ｐｎ接合部分におけるｐｎ活性部位とを単結晶シリコンの基板に形成し、電流の供給によって電子が付与され、各領域における発光部位が発光する構造の発光素子を含んでいう。

実施の形態の消霧装置は、ランプ１の総出力電力が大きいものの、１つの赤外線光源３の出力電力は、小さくされている。近赤外半導体レーザ素子４が発振する所定の波長の近赤外レーザ光線は、拡散カバー５を通して波長を変えずに拡散光に変換され、所定の角度の範囲で放射される。そのため、水滴に当たる赤外線のエネルギは分散されるものの、人に対して安全である。また、赤外線が水に吸収される一定の波長であるので、水滴を除去する効果が高い。このとき、近赤外半導体レーザ素子４から発振されるレーザ光線のスポット径は、可能な限り拡散カバー５のサイズに合わせられる。

本発明のランプ１が出力する赤外線の波長は、１．８μｍまたは３μｍである。実施の形態における波長が１．８μｍの近赤外線は、図２に示されるように、水に対する吸収率が比較的高い波長帯であるが、水に対する吸収率が最も高い波長が３μｍの近赤外線（中赤外線）に比べて水に対する吸収率よりは低い。しかしながら、波長が１．８μｍの近赤外線は、当たった水滴を蒸発させながら、その水滴を透過してその水滴の遠方にある水滴に到達するので、ランプ１の総出力電力によるものの、十分な効果が期待できる。

霧の水滴は、数μｍの大気中の微小な浮遊粒子を核としている。そのため、水滴中の水分子の運動が激しくなって衝突すると、多くの水滴が破壊されて分解することが知られている。霧の水滴の平均粒径は、数十μｍφであり、最大百数十μｍφ程度であって、水量は、０．０１ｍｌ程度である。体積１ｃｃで２５℃の水滴を１秒間に１℃上昇させるのに必要な熱エネルギが４．２Ｊであるから、例えば、気温２５℃のときに、総出力電力が７５Ｗ以上の近赤外線が１００％の吸収率で複数の水滴に当たることによって、多くの水滴が消滅または分解し、霧が緩和される。

図１に示される近赤外半導体レーザ素子４から出力される近赤外レーザ光線または赤外線光源３によって照射される拡散光を所定の照射範囲で走査線に沿って走査する駆動機構６を有する。駆動機構６は、赤外線光源３のヘッドの角度を上下左右に変える、いわゆる首振り動作をさせる。具体的に、近赤外レーザ光線または小さい直径の拡散光は、図５に示される自動車の前方の所定の照射範囲で、例えば、ラスタ走査線または格子形走査線上を高速に移動する。赤外線光源３の数が比較的少ない場合、あるいは赤外線光源３の直径が小さい場合に、より広範囲の照射範囲に満遍なく近赤外線を照射することができる点で有効である。

駆動機構６の動力源には、位置決め精度が要求されず、エンコーダが不要であるので、市販の直径数ｍｍの小型高速回転モータまたはボイスコイルモータを用いることができる。特に、ヘッドの質量が比較的小さく、モータに大きなトルクが要求されないので、モータを低慣性にして速度を高速にすることができる。

１つの赤外線光源３において、レーザ装置２のヘッドまたは赤外線光源３を上下方向に回頭させる第１のモータとヘッドを左右方向に回頭させる第２のモータとの２台１組のモータの動作の組合せによって、任意の走査線に沿って近赤外線を走査することができる。第１の各モータと第２のモータのそれぞれにモータ制御装置とドライバが設けられる。ただし、複数のレーザ装置２のそれぞれにモータ制御装置を備える必要はなく、複数のレーザ装置２の第１のモータと第２のモータのそれぞれでモータ制御装置を共有する。

例えば、２５℃で露点に達して飽和水蒸気量を超えて、１ｍ^３中の大気中に総量で２ｇ（２ｍｌ）の霧の水滴が浮遊しているとき、片側のランプ１から総出力電力が７５Ｗの複数の近赤外レーザ光線を水滴に同時に照射すると、短時間に多数の水滴を水滴の内部から蒸発させ、または粉砕して消滅させる。このとき、図１に示されるような所定の照射範囲内に予め規定している走査線の始点から終点までを数秒程度で移動するように近赤外線を走査する。視界は、水滴の密度に関係するので、２ｇ／ｍ^３の全ての水滴を除去する必要はないことから、徐行運転で走行できる程度に消霧することができる。

図３は、シリコン半導体レーザ素子４をパッケージ化して単一の近赤外レーザ光線を出力する構成に代えて、ファイバレーザによって出力電力を増大するレーザ装置２の一例を示す。レーザ装置２は、出力電力の小さい複数のシリコン半導体レーザ素子４を発振源として、同じ出力電力と波長の複数のレーザ光線をケーブルコンバイナ７によって１つに集めてエネルギを増大した波長１．８μｍまたは３μｍの近赤外レーザ光線を光ファイバケーブル８を通してレーザ装置２のヘッドまで伝送する。ヘッドまたは拡散カバー５を含む赤外線光源３は、駆動機構６によって上下左右に移動する。

図４に示される消霧装置のランプ１は、波長が１．８μｍの近赤外レーザ光線を発振する１個以上のシリコン半導体レーザ素子４を含むレーザ装置２を有する複数の赤外線光源３を総出力電力が７５Ｗになるように取付板９の湾曲面９Ａ上に放射状に均等に配設して、所定の波長の赤外線がそれぞれ異なる方向に照射されるように構成している。図４に示されるランプ１は、赤外線光源３を覆うシャッタ１０を備えている。

取付板９は、電磁波を反射する反射板を兼用することができる。取付板９には、前方に突出して湾曲するその湾曲面９Ａに複数の赤外線光源３が平均的に分散して配置されるように設けられる。図４に示されるランプ１は、具体的に、１５個の赤外線光源３が湾曲面９Ａに放射状に均等に配置され、各シリコン半導体レーザ素子４の出力電力が５Ｗで、総出力電力が７５Ｗである。

取付板９を高速に上下左右に回頭させることが可能であるならば、取付板９の全体を移動させて赤外線を走査するようにすることができる。取付板９が回頭する速度は、例えば、圧電アクチュエータで駆動する電動式ミラーにおける鏡面の転回速度よりも速いことが基準である。ただし、取付板９が湾曲である場合、自動車が走行していることから、駆動機構６は、必要に応じて設けることができる。駆動機構６を備えていない消霧装置は、照射範囲が狭いが、構成がより簡単である点で有利である。

図４に示される実施の形態の消霧装置は、それぞれのレーザ装置２のレーザ発振源である１以上の近赤外半導体レーザ素子４の合計の出力電力が小さく、赤外線光源３のエネルギが比較的小さいが、出力電力が大きい単一の赤外線光源３の拡散光を走査して照射する場合に比べてより広い照射範囲で霧を緩和するように水滴を除去することができる。

本発明の消霧装置は、実施の形態の構成に限定されず、すでにいくつかの例が示されているが、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で、実施の形態の消霧装置を変形して実施することができる。また、公知の消霧装置と適宜組み合わせて実施することができる。

本発明は、自動車に適用することができる。本発明は、より効率よく霧の水滴を消滅させて霧を除去することができる。本発明は、自動車の発展と交通の安全性の向上に貢献する。

１ ランプ
２ レーザ装置
３ 赤外線光源
４ シリコン半導体レーザ素子
５ 拡散カバー
６ 駆動機構
７ ケーブルコンバイナ
８ 光ファイバケーブル
９ 取付板
１０ シャッタ

Claims (2)

1. 波長が１．８μまたは３μｍの近赤外レーザ光線を発振する１つ以上のシリコン半導体レーザ素子を含んでなるレーザ装置と当該レーザ装置が出力する前記近赤外レーザ光線を拡散光に変換して放射する拡散カバーとを含んでなる赤外線光源を１以上設け、前記赤外線光源の総出力電力が７５Ｗ以上になるように湾曲面に配設して所定の波長の拡散光がそれぞれ異なる方向に照射されるように構成したランプを２以上備えてなる自動車用の消霧装置。
2. 前記近赤外レーザ光線または前記拡散光が所定の照射範囲で所定の走査線に沿って高速に移動するように前記レーザ装置のヘッドまたは赤外線光源を移動させる駆動機構を有することを特徴とする請求項１に記載の自動車用の消霧装置。

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