JP2018505383A - 車両用センサーシステムの透過性フロント面ヒーター - Google Patents

車両用センサーシステムの透過性フロント面ヒーター Download PDF

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Abstract

車両用センサーのヒーターが、検知エネルギーを通過させ、それにより検知エネルギーの経路内の検知領域を直接覆ってヒーターを配置することを可能にするように構成されている。こうして、検知領域を直接加熱し、着氷の防止及び除氷速度の増大に必要なエネルギーを最小限にする。

Description

［関連出願に対する相互参照］
本出願は、2014年11月3日出願の米国仮特許出願第62/074,211号の利益を主張し、その全体を本明細書の一部をなすものとして引用する。
本発明は、包括的には車両用システムに関し、特に、高度な車両用検知システムに関する。
車両近傍の歩行者や他の車両及び障害物を検知するセンサーは、車両と他の物体との間の距離を調整するために、車両のアクセル及びブレーキシステムを制御することができる高度なシステムとの併用に向けて開発されている。このようなシステムは、ついには、自動誘導車両又は自動運転車両を提供するためにも使用され得る。
レーダー、ライダー（LIDAR）、赤外線映像、可視光線映像及び超音波を含むこのタイプのセンサーは、氷、みぞれ又は雪（実際の運転状況において経験する可能性が高い物質である）によって覆われることで悪影響を受ける可能性がある。センサーの前にシールド又は他の物を配置すれば、これもセンサーの動作に干渉する可能性がある。特にレーダー式センサーに関しては、レーダー式センサーを覆って配置される電気ヒーター素子等の任意の導電性金属が、電波の伝播を妨害する可能性がある。
本発明は、みぞれ、氷又は雪の蓄積を制限するか、或いは、それらを除去するために、車両用検知システムを覆って配置することができるフロント面ヒーターを提供する。ヒーターは、光、音及びマイクロ波の高周波エネルギーに対して透過性であるように構成することができる、ポリマー製の正温度係数（ＰＴＣ）材料を使用する。ＰＴＣ材料と連通する導電性ヒーター電極を適切な大きさ及び形状にすることにより、ヒーターが検知エネルギーの経路内に配置されていても、センサーからの検知エネルギーとの干渉を最小限にすることができる。
詳細には、本発明は、窓領域を通して検知エネルギーを受信するセンサーと、センサーを覆って配置されるヒーターとを備える車両用検知システムを提供する。ヒーターは、窓領域内に配置され、また抵抗膜で構成されており、この抵抗膜は、抵抗膜に電流を印加するようになっている金属導体と連通する。抵抗膜及び金属導体は、ヒーター窓領域内で検知エネルギーに対して実質的に透明である。
従って、本発明の少なくとも１つの実施の形態の特徴は、検知エネルギーの経路内に装着して、エネルギー経路内に蓄積している氷、みぞれ及び雪をより迅速かつ完全に溶かすことができる、自動車用途のエネルギー透過性ヒーターを提供することである。ヒーターをエネルギー経路内に配置することにより、例えば追加のエネルギー及び更なる遅延を伴い得る、窓領域の間接加熱が回避される。
金属導体は、櫛型パターンで窓領域内の抵抗膜に取り付けることができる。
従って、本発明の少なくとも１つの実施の形態の特徴は、実質的に均一な電流の流れをもたらし、ひいては、ホットスポット、コールドスポットを無くしてエネルギー効率を最大にするようなヒーターの加熱をもたらすことである。
抵抗膜は正温度係数材料とすることができる。
従って、本発明の少なくとも１つの実施の形態の特徴は、温度測定素子及びサーモスタット制御を必要とすることなく、ほぼ自動調整することができるヒーターを提供することである。
検知エネルギーはマイクロ波放射線とすることができ、金属導体は、マイクロ波放射線の吸収を阻止するように調整された寸法を有することができる。
従って、本発明の少なくとも１つの実施の形態の特徴は、マイクロ波信号を劣化させることがない窓が配置されたヒーターの利益をもたらすことである。
金属導体は、２ｍｍ未満の垂直方向幅と、0.05ｍｍ未満の厚さとを有することができる。
従って、本発明の少なくとも１つの実施の形態の特徴は、電流分布の要求と、マイクロ波エネルギーを吸収し得る、マイクロ波ビームの経路内の金属領域を最小限にする要求との釣り合いをとることである。
車両用センサーは、車両用センサーを所定の向きで車両に装着するための装着点を有することができ、車両用センサーが車両に装着されている場合、金属導体は、窓領域を水平方向に横切って延在することができる。
従って、本発明の少なくとも１つの実施の形態の特徴は、例えばマイクロ波検知システムのより重要な測定軸を劣化させ得る、水平面における回折効果を最小限にすることである。
ヒーターは少なくとも１０ワットの熱を提供する。
従って、本発明の少なくとも１つの実施の形態の特徴は、迅速な除氷のために十分な加熱性能をもたらすことである。
１つの代替的な実施の形態において、検知エネルギーは光とすることができ、センサーは、ヒーター素子を支持する光学的に透明な基板を備えることができ、ヒーター素子は、実質的に不透明であり、光を透過させる１組の孔を有する。
従って、本発明の少なくとも１つの実施の形態の特徴は、マイクロ波検知だけでなく光検知を伴って機能することができる、抵抗型ヒーターを提供することである。
センサーは、光センサーと、レンズであって、このレンズの焦点距離内に配置される光センサーヒーター素子上に光を集束させるためのレンズとを備えるカメラとすることができる。
従って、本発明の少なくとも１つの実施の形態の特徴は、撮像型光センサーの撮像との干渉を最小限にすることである。不透明なヒーター素子を焦平面の外に配置することにより、不透明なヒーター素子は、画像アーチファクトを発生させることなく焦点の外に留まることができる。
検知光は、赤外光とすることができ、車両用検知システムは、ヒーターへの電流の印加とセンサーを用いたエネルギーの検知とを交互に行うための制御装置を備えることができる。
従って、本発明の少なくとも１つの実施の形態の特徴は、ヒーターと赤外線センサーとの共存を可能にすることである。
代替的に、検知エネルギーは超音波エネルギーとすることができ、センサーは、音響的に透明な窓材料を通して超音波エネルギーを送信する超音波トランスデューサーとすることができ、抵抗材料及び金属導体は、窓材料に直接接着されている。
従って、本発明の少なくとも１つの実施の形態の特徴は、様々な音伝播特性を有する材料間での移動を減らすことにより、超音波エネルギーの妨害を最小限にすることである。
本発明の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明、特許請求の範囲、、面を検討することによって当業者に明らかになる。図面では、同様の参照符号は同様の特徴を指すために使用される。
種々の様々な障害物センサーを備える車両の斜視図である。 センサーと、本発明においてセンサーの表面を覆って取り付けることができるフロント面ヒーターとの分解ブロック図である。 導電性電極のオーバーレイと共に薄いポリマー材料シートを用いたフロント面ヒーターの構造を示す図２の３−３の線に沿った断面図である。 検知エネルギー送信の促進に関して重要な寸法を示す図２、３のヒーターの背面図である。 カメラレンズの焦平面内でのヒーターの配置を示す、本発明と共に使用される場合の光検知システムの側面図である。 光エネルギーを通過させるためのヒーター素子の代替的な構造を示す図４と同様の図である。 本発明と共に使用される超音波検知システムを示す図５と同様の図である。 ヒーター素子の構成を示す図７と同様の図である。
本発明の実施形態が詳細に説明される前に、本発明が、その適用において、以下の説明で述べられるか、或いは、図面で示される構成の詳細及び構成要素の配置に限定されないことが理解される。本発明は、他の実施形態が可能であり、また、種々の方法で実施又は実行されることが可能である。同様に、本明細書で使用される言い回し及び用語は、説明のためのものであり、制限的であるとみなされるべきでないことが理解される。「含む」及び「備える」並びにその変形の使用は、その前に挙げられる事項及びその等価物並びに更なる事項及びその等価物を包含することを意図される。
ここで図１、２を参照すると、本発明との使用に適した車両１０は、車両１０の経路又は近傍にある潜在的な障害物をモニタリングする種々の検知ユニット１２を組み込むことができる。検知ユニット１２は、例えば、検知エネルギーを受けて検知するセンサー１５を、ハウジング１７内に組み込むことができる。
センサー１５は、センサーインターフェース回路１３と電気信号を交換することができ、センサーインターフェース回路１３は、車両用コンピューター１１と更に通信する。車両用コンピューター１１は、例えば、ステアリングアクチュエーター１９ａと、ブレーキアクチュエーター１９ｂと、エンジン加速アクチュエーター１９ｃとを制御することにより、車両制御タスクを管理する。センサー１５は、乗員に情報を提供するために、車両コックピット用表示システム２３とも通信することができる。
ハウジング１７は、ハウジング１７を車両１０に対して所定の向きに装着するための装着部材１９を備えることができ、通常は環境汚染等を防ぐシールをもたらす。
フロント側の検知ユニット１２ａは、例えば、１メートル〜１２０メートルの検知能力を提供する７７ギガヘルツ帯遠距離レーダー１４を提供することができる。代替的に又は加えて、フロント側の検知ユニット１２ａは、０．２メートル〜８０メートルの検知能力の検知を提供する遠赤外線（暗視）撮像センサー１８と、最大２８０メートルの検知能力を提供する通常の可視光線映像センサー２０（又はライダー１６）と、例えば、２４ギガヘルツ帯近距離レーダーを用いて０．２メートル〜２０メートルの検知能力を提供する近距離レーダー２２と、０．２メートル〜１．５メートルの検知範囲を提供する超音波検知センサー２４とを含むことができる。側方検知ユニット１２ｂによって、近距離レーダー及び超音波検知センサーを提供することもできる。
ここで図２を参照すると、検知ユニット１２のそれぞれは、窓領域２６を有することができ、検知ユニット１２は、この窓領域２６を通して、検知軸３１に沿って内方へ車両１０に向かう検知エネルギー２８を受ける。この検知エネルギー２８は、環境から利用可能であるか、又は、検知ユニット１２と連結されているエネルギー源、或る特定の場合はセンサー１５であるエネルギー源によって発生させることができる。受けたエネルギーは、例えば、遠距離レーダー若しくは近距離レーダー、赤外光及び限定はしないがレーザービームを含む可視スペクトル光、又は超音波とすることができる。
本発明は、窓領域２６と氷、みぞれ及び雪への環境曝露源との間で窓領域２６を覆って配置されるフロント面ヒーター３０を提供することができる。フロント面ヒーター３０は、リード線３７を通して電力を受け取ることができ、これにより、溶かさなければ検知エネルギー２８の外方への送信又は検知エネルギーの内方での受信を妨害し得る、付着したみぞれ、氷又は雪を溶かすように、フロント面ヒーター３０を加熱するエネルギーがもたらされる。これに関して、フロント面ヒーター３０は、望ましくは、氷の融点を上回る調整された表面温度を有することができる。１つの実施形態において、ヒーターは、１５ワット〜２０ワットのワット数を有することができる。
電気リード線３７からの電力は、例えば、別個の温度センサー（図示せず）によって検知された気温の範囲に基づき、或いは、何らかの干渉があり得る赤外線センサーの場合には検知期間を挟んだ定期的な間隔で、直流電圧をスイッチングする電力制御回路３５（例えば、トランジスタ等のソリッドステートスイッチング素子）によってリード線３７に与えることができる。リード線３７への直流電圧は、検知ユニット１２自体（例えば、レーダーの場合は高周波数変調器及び復調増幅器を含む）によって用いられる電圧に対して浮動又は固定とすることができる。
ここで図３を参照すると、フロント面ヒーター３０には、基板３２を提供する薄い透明シート、いくつかの場合は光学的に透明なポリマー材料シートを設けることができる。基板３２は、耐水性であることが望ましく、撥水性とみなすことができ、窓領域２６の外側に面して、検知ユニット１２の環境に対する保護を提供することができる。代替的に又は加えて、フロント面ヒーター３０の前に、検知エネルギー２８の伝播方向に沿って、追加のエネルギー透過性保護ハウジング（図示せず）を配置してもよい。
透明なポリマー材料の後面には、正抵抗温度係数で導電する性質を有するＰＴＣ（正温度係数）材料３３がコーティングされている。正抵抗温度係数は、電気の流れる量を材料の温度に応じて変化させるものであり、低温では電気の流れを増大させ、また高温では電気の流れを減少させる。この性質は、実質的に一定の電圧源がＰＴＣ材料３３にわたって印加される場合、ＰＴＣ材料３３の温度の自動調節をもたらす。
１つの実施形態において、ＰＴＣ材料３３は、15000Ω毎スクウェアのシート抵抗を有するように変更された、約２８％の酢酸ビニルモノマーと約７２％のエチレンモノマーとを含むDuPont265等の、エチレン酢酸ビニルコポリマー樹脂を含むことができる。この電気的特性を達成するために、まず、このエチレン酢酸ビニルコポリマー樹脂を、約８０℃でナフサ、キシレン又はトルエン等の芳香族炭化水素溶剤中で溶解し、溶液の全重量の２０％が固体になるまで沈降させることができる。CABOT VULCAN PF等のカーボンブラックを添加して混合し、全体の固形物含有量を約５０重量％にする。次に、この材料を０．１ミル〜１ミルのロール間隙を有する３ロール分配ミルに通過させ、固形物を更に拡散し粉砕する。この材料を、さらに、所望のシート抵抗が達成されるまで約２０％の固形樹脂及び溶媒液と共に沈降させる。
本発明に適した正温度係数（ＰＴＣ）ヒーターは、Leslie M. Wattsに対する米国特許第4,857,711号及び同第4,931,627号にも開示されている。これらの米国特許は、その全体を本明細書の一部をなすものとして引用する。
ＰＴＣ材料３３の後面は、櫛型電極３４を支持することができ、櫛型電極３４は、概ねＰＴＣ材料３３の広がる平面に沿ってＰＴＣ材料３３に通る電流を促す電圧を、ＰＴＣ材料３３にわたって印加する。電極３４は、例えば、導電性金属インクを用いてスクリーン印刷することもできるし、例えばアルミニウム等を蒸着することもできるし、集積回路技法又は種々の他の製造プロセスを用いて、薄いデカール又は付着させた膜をエッチングしたものとして施すことができる。１つの例において、２０％の平坦化ペーストを加えたNazDar9600シリーズインクが、本発明の１つの実施形態における電極３４の形成における使用に好適である。このインクは、米国カンザス州所在のNazDar Incから市販されている。電極３４の導電性パターンを基板３２上に約８ミクロン〜１０ミクロンの範囲の厚さで堆積することができる。
ここで図４を参照すると、１つの例示的な実施形態において、検知エネルギー２８の経路から外れたフロント面ヒーター３０の領域の垂直方向左縁部に沿って、櫛型電極３４の第１の電極バスストリップ３６ａが延在することができる。同様にフロント面ヒーター３０の中心から外れて、バスストリップ３６ａに対して平行かつその反対側に、第２の電極バスストリップ３６ｂを配置することができる。
バスストリップ３６から水平方向内方へ、バスストリップ３６の広がりに対して垂直に、櫛型フィンガー電極３８ａ及び３８ｂが延在することができ、櫛型フィンガー電極３８ａ及び３８ｂはそれぞれ、第１の電極バスストリップ３６ａ及び第２の電極バスストリップ３６ｂの交互のそれぞれのバスストリップと電気的に連通する。
レーダーシステム
通常のレーダーセンサーは、８０ｍｍ×８０ｍｍの面積の窓領域２６を提供することができる。この場合、検知ユニット１２は、マイクロ波送信アンテナ及びマイクロ波受信アンテナ２７の双方を備える。フロント面ヒーター３０は、窓領域２６を覆って延在することができる。
レーダーと共にマイクロ波放射を使用する場合、フィンガー電極３８のチューニングを制御すると共にフィンガー電極３８の大きさ及び広がりを最小限にすることにより、フィンガー電極３８による吸収を制限することができる。７７ギガヘルツ帯マイクロ波放射の場合、フィンガー電極３８の垂直方向厚さ４４は、０．２ｍｍ未満、望ましくは０．１５ｍｍ未満である。さらに、フィンガー電極３８は、0.05ｍｍ未満、望ましくは0.02ｍｍ未満の厚さとすることができる。
通常、干渉を低減するために、フィンガー電極３８間の間隔４２は、通過することが意図されるレーダーの波長よりも大きい。理想的には、この間隔は、低周波２４ギガヘルツ帯マイクロ波放射の場合は１２ｍｍよりも実質的に大きく、高周波７７ギガヘルツ帯レーダーの場合は３ｍｍよりも大きく、望ましくはこれらの値の倍数である。通常、チューニングは、厚さ４４をマイクロ波放射線の波長の数分の１に低減させ、波長の整数倍に等しくない長さ４０を設定する。
また、本発明は、例えば、容量素子及び分布インダクタンス等を用いて高周波チョークを作り出すことにより、フィンガー電極３８内に高周波トラップ構造（図示せず）が配置され得ることを考慮している。代替的には、ダイオード等の短絡構造を用いて、例えば高周波パルスの印加と同期してスイッチングしてフィンガー電極３８を短絡し、電気的共鳴を最小限にすることができる。マイクロ波の送受信時、加熱電流を切ることができる。
フィンガー電極３４の向きは、通常、電極３４を水平方向に延ばすことにより、所望の最高分解能軸（通常は水平軸）における回折効果を低減させるようになっている。本発明は、レーダー信号の任意の分極（水平又は垂直）に従ってフィンガー電極３８を向けること、フィンガーの長さ及び間隔をランダムに変化させることを含む、干渉を低減させる他の方法も使用され得ることを考慮している。
光検知システム（カメラ、ライダー、赤外線）
ここで図５を参照すると、代替的な検知ユニット１２′は、光センサー５０、例えば電荷結合素子回路を、光センサー５０の表面上に道路等の画像を投影するレンズ集成体５４の背後において焦点距離５２に備えるカメラを提供することができる。この場合、ヒーター３０は、レンズ集成体５４の前でレンズ集成体５４の焦点距離５７内に配置し、それにより、光センサー５０上に形成される画像へのその影響を最小限にすることができる。ヒーター３０の前又はヒーター３０の背後にビームストップ５１を配置して、窓領域２６を画定することができる。
また、図６を参照すると、この場合、ＰＴＣ材料３３は、フィンガー電極３８の間を垂直方向に通るストリップとして設置され、それらの間に、拡散も収差もなく光を通す透明な基板３２を露出する開口６０を提供することができる。このようにして、不透明なＰＴＣ材料３３又は光拡散性のＰＴＣ材料３３を使用することもできる。開口６０の大きさは、依然として所望の加熱均一性で適切な熱が生じる程度まで最大にされ、必要な電流のための十分な導体の大きさがフィンガー電極３８によって提供されることが望ましい。
超音波システム
ここで図７、８を参照すると、ヒーター３０は、検知ユニット１２″を提供する超音波トランスデューサー６２に取り付けることもできる。ここで、トランスデューサー６２には、例えば、表面電極６６によって電気を印加することができる圧電材料６４を設けることができる。圧電材料６４は、当該技術分野では一般に理解されるように、超音波透過材料の透過窓６８に結合することができる。この場合、ヒーター３０は、透過窓６８の前面又は後面に直接接着することができる。理想的には、組み合わされた電極３４とＰＴＣ材料３３と基板３２とは、透過窓６８と同様の音響機械的特性（acoustomechanical properties）（例えば、密度、弾性係数等）を有し、境界面での反射を防止する。検知エネルギー２８との干渉が、機械的吸収によって生じる可能性もあるが、これは、基板３２のポリマー材料の厚さを制御することにより対処される。電極３４及びフィンガー電極３８は、透過窓６８と同様の音響特性又は透過窓６８と基板３２との中間の性質を有する空隙充填接着剤を用いて、透過窓６８に直接取り付けることができる。
代替的には、ＰＴＣ材料３３及び電極３４は、透過窓６８に直接取り付けてもよく、電極３４は、意図された励起周波数において、圧電材料６４と音響的に合致することが暗示される。音吸収性チャネルストップ５１が、エネルギー受信用窓領域２６を画定することができる。
上記の変形及び変更は本発明の範囲内にある。本明細書に開示及び規定されている本発明は、言及されているか、或いは、本文及び／又は図面から明らかである個々の特徴の２つ以上の全ての代替的な組み合わせに及ぶことが理解される。これらの様々な組み合わせの全ては、本発明の種々の代替的な態様を構成する。本明細書に記載の実施形態は、本発明を実施するためのわかっている最良の形態を説明しており、当業者が本発明を利用することを可能にする。特許請求の範囲は、従来技術が許容する範囲まで代替的な実施形態を含むものと解釈すべきである。
本発明の種々の特徴は添付の特許請求の範囲内に記載されている。
１０ 車両
１１ 車両用コンピューター
１２ 検知ユニット
１２ａ 検知ユニット
１２ｂ 側方検知ユニット
１３ センサーインターフェース回路
１４ ギガヘルツ帯遠距離レーダー
１５ センサー
１６ ライダー
１７ ハウジング
１８ 遠赤外線（暗視）撮像センサー
１９ 装着部材
１９ａ ステアリングアクチュエーター
１９ｂ ブレーキアクチュエーター
１９ｃ エンジン加速アクチュエーター
２０ 可視光線映像センサー
２２ 近距離レーダー
２３ 車両コックピット用表示システム
２４ 超音波検知センサー
２６ エネルギー受信用窓領域
２７ マイクロ波受信アンテナ
２８ 検知エネルギー
３０ フロント面ヒーター
３１ 検知軸
３２ 基板
３３ 正温度係数材料
３４ 電極
３５ 電力制御回路
３６ バスストリップ
３６ａ 第１の電極バスストリップ
３６ｂ 第２の電極バスストリップ
３７ リード線
３８ フィンガー電極
３８ａ 櫛型フィンガー電極
３８ｂ 櫛型フィンガー電極
４２ 間隔
５０ 光センサー
５１ ビームストップ
５２ 焦点距離
５４ レンズ集成体
５７ 焦点距離
６０ 開口
６２ 超音波トランスデューサー
６４ 圧電材料
６６ 表面電極
６８ 透過窓

Claims (12)

  1. 窓領域を通して検知エネルギーを受信するセンサーと、
    ヒーター窓領域内で前記センサーを覆って配置されるヒーターであって、該ヒーターは抵抗膜を備え、該抵抗膜は、該抵抗膜に電流を印加するようになっている金属導体と連通するヒーターとを具備し、
    前記抵抗膜及び前記金属導体が前記ヒーター窓領域内で前記検知エネルギーに対して実質的に透明である車両用検知システム。
  2. 前記金属導体は櫛型パターンで前記窓領域内の前記抵抗膜に取り付けられる請求項１に記載の車両用検知システム。
  3. 前記抵抗膜は正温度係数材料である請求項２に記載の車両用検知システム。
  4. 前記検知エネルギーはマイクロ波放射線であり、前記金属導体は前記マイクロ波放射線の吸収を阻止するように調整された寸法を有する請求項３に記載の車両用検知システム。
  5. 前記金属導体は２ミリメートル未満の垂直方向幅を有する請求項４に記載の車両用検知システム。
  6. 前記金属導体は０．０５ミリメートル未満の厚さを有する請求項５に記載の車両用検知システム。
  7. 車両用センサーが、該車両用センサーを所定の向きで車両に装着するための装着点を有し、前記車両用センサーが前記車両に装着されている場合、前記金属導体は前記窓領域を水平方向に横切って延在する請求項６に記載の車両用検知システム。
  8. 前記ヒーターは少なくとも１０ワットの熱を供給する請求項１に記載の車両用検知システム。
  9. 前記検知エネルギーは光であり、検知素子は前記ヒーター素子を支持する光学的に透明な基板を備え、前記ヒーター素子は、実質的に不透明で、かつ、光を透過させる１組の孔を有する請求項３に記載の車両用検知システム。
  10. 前記センサーは、光センサーと、レンズとを備えるカメラであり、前記レンズが、該レンズの焦点距離内に配置される光センサーヒーター素子上に光を集束させるようにした請求項９に記載の車両用検知システム。
  11. 前記検知エネルギーは赤外光であり、前記車両用検知システムは、前記ヒーターへの電流の印加と、前記センサーを用いたエネルギーの検知とを交互に行うための制御装置を更に備える請求項１０に記載の車両用検知システム。
  12. 前記検知エネルギーは超音波エネルギーであり、前記センサーは音響的に透明な窓材料を通して超音波エネルギーを送信する超音波トランスデューサーであり、抵抗材料及び金属導体は前記窓材料に直接接着されている請求項３に記載の車両用検知システム。
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