JP2018124122A - 雨滴検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】雨滴検出感度を均一化することにより、雨滴検出の安定性を向上させることができる雨滴検出装置を提供する。
【解決手段】レンズ１４０は、発光素子１１０から照射された光を内部に導くと共に平行光になるようにコリメートし、当該コリメートした光をウィンドシールド２００の外面２１０に導く入射側レンズ面１４１を有する。そして、レンズ１４０は、入射側レンズ面１４１に、光の光路をずらす凸状の非レンズ面部１４３を有する。これにより、非レンズ面部１４３によって正規の光路がずらされ、測定光のうち光強度が高い範囲から測定光を間引くことができる。このため、光強度が高い範囲と周囲との光強度の差を小さくすることができ、雨滴検出感度を均一化することができる。したがって、雨滴検出の安定性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウィンドシールドに付着した雨滴を検出する雨滴検出装置に関する。

従来より、発光素子からの光をウィンドシールドの内壁側から照射し、ウィンドシールドで反射した光を受光素子にて計測することによりウィンドシールドの外壁面のうち雨滴検出領域に付着した雨滴を検出する雨滴検出装置が、例えば特許文献１で提案されている。また、雨滴検出装置は、発光素子の光をウィンドシールドで全反射するように屈折させ、ウィンドシールドで全反射した光を受光素子に集光する光路を有するレンズを備えている。

特許第４２４１５５３号公報

しかしながら、上記従来の技術では、発光面に垂直な方向に進む光の出射強度が最も高く、発光面に対して傾斜する光の強度が弱くなるという発光素子の指向特性の影響により、雨滴検出領域に照射される光の領域に光強度が高い部分が発生してしまう。つまり、光の照射領域の一部とその周囲とで光強度の差が大きくなってしまう。このため、光強度の高い部分よりも弱い部分の検出感度が相対的に下がってしまう。

また、発光素子の光がレンズ面に垂直に入射する部分とレンズ面に傾斜して入射する部分とがあるので、レンズ面に傾斜して入射する部分では光が反射しやすくなり、レンズ面での光の反射成分が大きくなってしまう。レンズ面に傾斜して入射する光の角度が小さくなるほど、反射成分が大きくなってしまう。このため、レンズを通過する光の強度が不均一になってしまう。光がレンズ面から受光素子側に出射される場合も同様である。

発光素子とレンズ面との距離が変化することによっても、レンズ面に入射する光の単位面積当たりの光強度が変化してしまい、検出感度が変化してしまう。

さらに、受光面に垂直な方向に入射する光の受光強度が最も高く、受光面に対して傾斜する光の受光強度が弱くなるという受光素子の指向特性の影響により、光強度が高い部分が受光面に発生してしまう。このため、受光素子の感度が不均一になってしまう。

以上のように、発光素子の指向特性、レンズでの反射損失、発光素子とレンズ面との距離、受光素子の指向特性の影響により、雨滴検出感度に不均一性が発生し、雨滴検出の安定性が低下してしまうという問題があった。

本発明は上記点に鑑み、雨滴検出感度を均一化することにより、雨滴検出の安定性を向上させることができる雨滴検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内面（２２０）及び外面（２１０）を有するウィンドシールド（２００）の外面に付着する雨滴を検出する雨滴検出装置である。

雨滴検出装置は、ウィンドシールドの内面側に配置されると共に、当該内面側に向かって発光する発光素子（１１０）と、ウィンドシールドの内面側に配置されると共に、ウィンドシールドの外面で反射した光を受光する受光素子（１２０）と、を備えている。

また、雨滴検出装置は、発光素子から照射された光を内部に導くと共に平行光になるようにコリメートし、当該コリメートした光をウィンドシールドの外面に導く入射側レンズ面（１４１）と、ウィンドシールドの外面で反射した光を受光素子に導く出射側レンズ面（１４２）と、を有するレンズ（１４０）を備えている。

そして、レンズは、入射側レンズ面及び出射側レンズ面のうちのいずれか一方または両方に、光の光路をずらす非レンズ面部（１４３）を有する。

これによると、非レンズ面部によって正規の光路がずらされるので、光のうち光強度が高い範囲から光を間引くことができる。つまり、光強度が高い範囲を分散させることができる。このため、光強度が高い範囲と周囲との光強度の差を小さくすることができる。

これにより、発光素子及び受光素子の指向特性の影響を低減することができる。また、レンズを通過する光の強度が分散されるので、レンズ面における反射損失の影響を低減することができる。発光素子と入射側レンズ面との距離の変化の影響も受けにくくなる。したがって、雨滴検出感度を均一化することができ、ひいては雨滴検出の安定性を向上させることができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る雨滴検出装置の断面図である。 レンズのうち入射側レンズ面を含んだ部分を拡大した一部断面図である。 入射側レンズ面における非レンズ面部の配置を示した平面図である。 （ａ）は非レンズ面部が設けられていない場合、（ｂ）は非レンズ面部が設けられている場合の雨滴検出面における光強度の分布を示した図である。 非レンズ面部の変形例を示した図である。 非レンズ面部の変形例を示した図である。 非レンズ面部の変形例を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る雨滴検出装置の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る雨滴検出装置の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る雨滴検出装置は、車両のウィンドシールドに付着した雨滴を検出するものである。図１に示されるように、雨滴検出装置１００は、発光素子１１０、受光素子１２０、回路基板１３０、及びレンズ１４０、及びシート１５０を備えて構成されている。

発光素子１１０は、ウィンドシールド２００の外面２１０に付着した雨滴を検出するための測定光を照射する発光装置である。このため、発光素子１１０はウィンドシールド２００の内面２２０側に配置されると共に、当該内面２２０側に向かって発光する。

発光素子１１０は、ウィンドシールド２００に向かって発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）として構成されている。このため、発光素子１１０は図１の破線の円に示されるように、指向特性を有している。発光素子１１０は例えば半導体チップに形成されている。なお、ウィンドシールド２００の外面２１０は車両の外側の面であり、内面２２０は車室内の面である。

受光素子１２０は、発光素子１１０の光を受光する受光装置である。受光素子１２０は、ウィンドシールド２００の内面２２０側に配置されると共に、ウィンドシールド２００の外面２１０で反射した発光素子１１０の光を受光する。

受光素子１２０は、受光した光の強度を検出するフォトダイオード（ＰＤ）として構成されている。このため、図示しないが、受光素子１２０も発光素子１１０と同様に指向特性を有する。受光素子１２０は例えば半導体チップに形成されている。

回路基板１３０は、一面１３１を有する板状のものである。回路基板１３０は例えばプリント基板である。回路基板１３０は、発光素子１１０、受光素子１２０、及びＩＣチップやコネクタ等の図示しない電子部品が実装されている。また、受光素子１２０は、回路基板１３０の一面１３１において、発光素子１１０に対して所定の距離だけ離されて実装されている。

さらに、回路基板１３０は、発光素子１１０を駆動する駆動回路や受光素子１２０の検出結果を処理する処理回路を有している。駆動回路は、発光素子１１０を例えばＰＷＭ制御する。すなわち、駆動回路は、パルス信号によって発光素子１１０を点滅させる。もちろん、一定の電圧で発光素子１１０を駆動しても良い。処理回路は、受光素子１２０の信号を増幅処理等して外部装置に出力する。

レンズ１４０は、発光素子１１０から照射された光をウィンドシールド２００に導くと共に、ウィンドシールド２００の外面２１０で反射した光を受光素子１２０に導くように構成されている。レンズ１４０は、ガラス、ポリカーボネート、アクリル等の材料によって形成されている。図１に示されるように、レンズ１４０は、入射側レンズ面１４１及び出射側レンズ面１４２を有している。各レンズ面１４１、１４２は非球面形状である。

入射側レンズ面１４１は、発光素子１１０から照射された光のうち受光素子１２０側に照射された光をレンズ１４０の内部に導くレンズ面である。また、入射側レンズ面１４１は、レンズ１４０の内部に導入した光が平行光になるようにコリメートしてウィンドシールド２００の外面２１０に導く。

入射側レンズ面１４１には、非レンズ面部１４３が形成されている。非レンズ面部１４３は、光の光路をずらす役割を果たすものである。本実施形態では、図２に示されるように、非レンズ面部１４３は、凸状に形成されている。これにより、発光素子１１０から照射された光のうち非レンズ面部１４３に入射した光は凸形状の非レンズ面部１４３の形状に従って反射あるいは入射する。このため、非レンズ面部１４３が形成されていない場合の正規の光路が変更される。

また、図３に示されるように、非レンズ面部１４３は、複数設けられていると共に、各々が異なるサイズに形成されている。非レンズ面部１４３は平面形状が円形に形成されているが、他の形状に形成されていても構わない。非レンズ面部１４３は、各々が同一のサイズに形成されていても良い。さらに、複数の非レンズ面部１４３は、各々が放射状に配置されている。非レンズ面部１４３は、レンズ１４０と同一の材質で構成されており、例えばレンズ１４０と一体成形される。

図１に示された出射側レンズ面１４２は、ウィンドシールド２００の外面２１０で反射した光を受光素子１２０に導くレンズ面である。出射側レンズ面１４２は入射側レンズ面１４１と受光素子１２０との間に位置している。

シート１５０は、雨滴検出装置１００とウィンドシールド２００とに挟まれる部材であり、例えばシリコーン樹脂で形成されたものである。シート１５０は、レンズ１４０に押し付けられる。レンズ１４０に導入された測定光はこのシート１５０を介してウィンドシールド２００に入射する。

以上が、本実施形態に係る雨滴検出装置１００の全体構成である。発光素子１１０及び受光素子１２０が実装された回路基板１３０、レンズ１４０は図示しないカバーハウジングに収容されてパッケージ化されている。レンズ１４０は一部がカバーハウジングから露出している。

次に、上記のレンズ１４０の内部における測定光の光路について説明する。図１に示されるように、発光素子１１０から照射された測定光は、入射側レンズ面１４１からレンズ１４０の内部に進むと共にコリメートされてウィンドシールド２００の外面２１０に導かれる経路をたどる。また、測定光は、ウィンドシールド２００の外面２１０から出射側レンズ面１４２を介して受光素子１２０に集光される経路をたどる。

測定光は、入射側レンズ面１４１によってウィンドシールド２００の外面２１０に対して４５°の角度にコリメートされる。言い換えると、レンズ１４０は、測定光がシート１５０を介してウィンドシールド２００の外面２１０の雨滴検出面で全反射（臨界角以上）するように形成されていると言える。

ここで、入射側レンズ面１４１には非レンズ面部１４３が形成されているので、発光素子１１０から照射された測定光のうち非レンズ面部１４３に照射された光のほとんどの光路がずらされる。つまり、非レンズ面部１４３に照射された光は、ウィンドシールド２００の外面２１０に対して４５°の角度で入射しないように光路がずらされる。凸状の非レンズ面部１４３から受光素子１２０に到達する測定光もあるが、極一部である。

このため、図１の破線矢印に示されるように、非レンズ面部１４３が形成されていなければウィンドシールド２００の外面２１０に届くはずの測定光が届かないようになっている。言い換えると、非レンズ面部１４３は、雨滴検出面において光強度が周囲よりも高くなってしまう範囲に照射される測定光を間引きしているとも言える。

そして、雨滴検出装置１００は、ウィンドシールド２００の外面２１０に雨滴が付着していない状態での受光素子１２０の受光量を１００％とし、この受光量に対する変化を雨滴として検出する。この雨滴検出結果は、車両のワイパの自動制御に用いられる。

すなわち、ウィンドシールド２００の外面２１０に雨滴が付着すると、発光素子１１０からウィンドシールド２００の雨滴検出面に達した測定光は、雨滴と空気の屈折率の違いに起因し、全反射を起こさなくなり、受光素子１２０に到達する測定光は減少する。この測定光の減少量が閾値に達すると、雨滴検出装置１００はウィンドシールド２００の雨滴検出面に雨滴が付着したと判定し、その判定結果を外部装置に出力する。

発明者らは、ウィンドシールド２００の雨滴検出面における光強度の分布を調べた。その結果を図４に示す。図４（ａ）に示されるように、入射側レンズ面１４１に非レンズ面部１４３が設けられていない場合、光強度が高い部分と周囲の弱い部分とに分かれてしまう。つまり、測定光が集中する部分が発生してしまう。このため、光強度が高い狭い範囲の検出感度が周囲よりも高くなり、実質的に雨滴を検出できる範囲が狭くなってしまう。

これに対し、図４（ｂ）に示されるように、入射側レンズ面１４１に非レンズ面部１４３が設けられている場合、入射側レンズ面１４１の一部を部分的に遮光しているので、雨滴検出面に測定光が届かない部分が発生する。つまり、局所的に光強度がゼロの部位が形成される。このため、測定光が集中する部分が分散され、光強度が高い部分と周囲の弱い部分との光強度の差が小さくなる。このように、測定光の光強度が高い部分に積極的に光強度が低い部分を設けているので、測定光の光強度の分布を均一化することができる。

上述のように、発光素子１１０及び受光素子１２０は指向特性を有するが、測定光の光強度が均一化されるので、指向特性の影響は低減される。レンズ１４０を通過する光の強度が分散されるので、各レンズ面１４１、１４２における反射損失の影響も低減される。

また、発光素子１１０と入射側レンズ面１４１との距離の変化の影響も受けにくくなる。つまり、発光素子１１０と入射側レンズ面１４１との距離が例えば車両毎に異なって設定されていても、その距離の影響が小さくなる。ウィンドシールド２００の厚さの影響も受けにくくなる。

以上のように、非レンズ面部１４３を設けたことにより、雨滴検出感度を均一化することができる。したがって、光強度が高い部分を低減することで光強度の弱い部分でも雨滴検出できるようになり、雨滴検出面積が実質的に増加する。したがって、雨滴検出の安定性を向上させることができる。

非レンズ面部１４３の変形例として、図５に示されるように、非レンズ面部１４３は、凹状に形成されていても良い。また、図６に示されるように、非レンズ面部１４３は、シボ状に形成されていても良い。さらに、図示しないが、非レンズ面部１４３は、凸状、凹状、シボ状に限られず、非鏡面状に形成されていれば良い。

非レンズ面部１４３の他の変形例として、図７に示されるように、非レンズ面部１４３は、遮光材または反射材でも良い。遮光材や反射材は、印刷の方法によってレンズ１４０に膜状に設けられても良いし、シール材として構成されていても良い。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図８に示されるように、非レンズ面部１４３は、入射側レンズ面１４１及び出射側レンズ面１４２の両方に設けられていても良い。すなわち、発光素子１１０側の誤差要因はレンズ１４０のうちの発光素子１１０側の部分で対応し、受光素子１２０側の誤差要因はレンズ１４０のうちの受光素子１２０側の部分で対応している。

このように、出射側レンズ面１４２にも非レンズ面部１４３を設けることで受光素子１２０に入射する光の偏りを分散させる効果を高めることができる。これにより、ウィンドシールド２００の厚さの影響を除去することが可能となる。したがって、様々な車種の車両で雨滴検出装置１００を使用する場合に、ウィンドシールド２００の厚さが異なる車両毎にレンズ１４０の形状を変更する必要がないというメリットがある。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。図９に示されるように、非レンズ面部１４３は、入射側レンズ面１４１に設けられておらず、出射側レンズ面１４２に設けられていても良い。これにより、レンズ１４０の内部を通過する測定光の一部が非レンズ面部１４３によって出射側レンズ面１４２から受光素子１２０に届かなくなる。このように、測定光の光強度の分布を出射側レンズ面１４２側でコントロールすることもできる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された雨滴検出装置１００の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、発光素子１１０と受光素子１２０との組み合わせは一対に限られない。発光素子１１０が２個に対して受光素子１２０が１個でも良い。

また、非レンズ面部１４３は、複数設けられていなくても良く、少なくとも１つ設けられていれば良い。また、非レンズ面部１４３は、当該非レンズ面部１４３の領域内で光路のズレ量が異なるように形成されていても良い。具体的には、非レンズ面部１４３は、当該非レンズ面部１４３の全体が測定光の光路を完全に狂わせるのではなく、非レンズ面部１４３の領域の場所によって光路のズレ量に連続的に差が生じるように形成されていても良い。つまり、非レンズ面部１４３は測定光の光路を完全にずらすデジタル的ではなく、場所によって光路のズレ量をコントロールするアナログ的なものでも良い。このような非レンズ面部１４３は例えばレンズ面１４１、１４２の面粗さを変えることで実現できる。

１１０ 発光素子
１２０ 受光素子
１４０ レンズ
１４１ 入射側レンズ面
１４２ 出射側レンズ面
１４３ 非レンズ面部

Claims (6)

1. 内面（２２０）及び外面（２１０）を有するウィンドシールド（２００）の前記外面に付着する雨滴を検出する雨滴検出装置であって、
   前記ウィンドシールドの内面側に配置されると共に、当該内面側に向かって発光する発光素子（１１０）と、
   前記ウィンドシールドの内面側に配置されると共に、前記ウィンドシールドの外面で反射した光を受光する受光素子（１２０）と、
   前記発光素子から照射された光を内部に導くと共に平行光になるようにコリメートし、当該コリメートした光を前記ウィンドシールドの外面に導く入射側レンズ面（１４１）と、前記ウィンドシールドの外面で反射した光を前記受光素子に導く出射側レンズ面（１４２）と、を有するレンズ（１４０）と、
   を備え、
   前記レンズは、前記入射側レンズ面及び前記出射側レンズ面のうちのいずれか一方または両方に、光の光路をずらす非レンズ面部（１４３）を有する雨滴検出装置。
2. 前記非レンズ面部は、非鏡面状、シボ状、凸状、凹状のいずれかに形成されている請求項１に記載の雨滴検出装置。
3. 前記非レンズ面部は、遮光材または反射材である請求項１に記載の雨滴検出装置。
4. 前記非レンズ面部は、複数設けられていると共に、各々が同一のサイズ、あるいは異なるサイズに形成されている請求項１ないし３のいずれか１つに記載の雨滴検出装置。
5. 前記非レンズ面部は、複数設けられていると共に、各々が放射状に配置されている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の雨滴検出装置。
6. 前記非レンズ面部は、当該非レンズ面部の領域内で前記光路のズレ量が異なっている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の雨滴検出装置。

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