JP2021529299A

JP2021529299A - 動的光学構成制御を用いた光学式雨センサ

Info

Publication number: JP2021529299A
Application number: JP2020568417A
Authority: JP
Inventors: ケトレリウス、ミンダウガス; ソリスキス、リウタウラス
Original assignee: リテルフューズ、インコーポレイテッド
Priority date: 2018-06-25
Filing date: 2019-06-25
Publication date: 2021-10-28
Anticipated expiration: 2039-06-25
Also published as: EP3811058A4; WO2020005962A1; US11084463B2; CN112313500A; EP3811058B1; EP3811058A1; US20190389431A1; JP7127238B2

Abstract

透明基材における降雨を検知する光学式雨センサであって、光学式雨センサは、透明基材の表面上に配置されたハウジングと、それぞれが選択的に作動されて発光し、また停止されて光を受け取ることができる、ハウジング内に配置された複数の光素子と、複数の光素子に動作可能に接続され、複数の光素子を第１の動作モードと第２の動作モードとの間で交互に駆動するように構成されたコントローラとを備え、第１の動作モードでは、少なくとも第１の光素子が作動され、少なくとも第２の光素子が停止され、第２の動作モードでは、少なくとも第２の光素子が作動され、少なくとも第１の光素子が停止される。

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１８年６月２５日出願の仮出願番号第６２／６８９，５０９号に対する優先権を主張する２０１９年６月２５日出願の米国仮出願番号第１６／４５１，７７８号の利益を主張し、その全文が参照することによって本明細書に援用される。

本開示は、一般にセンサの分野、より詳細には、自動車のフロントガラス等の透明基材における降雨を検知するように構成された光学式雨センサに関する。

現代における自動車は、一般には、自動車のフロントガラスにおける降雨を検知するように構成された雨センサを装備している。このようなセンサから集められた情報を使用して、自動車のフロントガラスのワイパーを自動的に作動させ、その速度を変化させ、かつ／または自動車内の種々の他のシステム（トラクションコントロールシステム等）を制御することができる。

図１を参照すると、従来の光学式雨センサ１０（以下、「雨センサ１０」）の平面図を示す概略図が示されている。典型的な用途において、雨センサ１０は自動車のフロントガラス等の透明基材の下面（すなわち、内側）に設置される。雨センサ１０は、雨センサ１０の外周周辺に配置された発光素子１２ａ〜ｆ（例えば発光ダイオード）と、発光素子１２ａ〜ｆにより発された光をコリメートし、このコリメート光をフロントガラスのそれぞれの感知領域１５ａ〜ｆへと向けるように適合させられたコリメーティングレンズ１４ａ〜ｆと、フロントガラスに反射されたコリメート光を受け取って光を集束するように適合させられた集束レンズ１６ａ〜ｆと、集束レンズ１６ａ〜ｆからの集束光を受け取って、この受け取った光を電気出力信号へと変換してコントローラ１８へと送信するように適合させられた、雨センサ１０の中心に位置する光検知素子１７（例えばフォトダイオード）とを備える。水（例えば雨）がフロントガラス外部の感知領域１５ａ〜ｆのうちの１つに存在していれば、感知領域に当たるコリメート光の一部は対応する集束レンズへと反射されるのではなく水へと屈折する。したがって、フロントガラスの感知領域から反射し、光検知素子が受け取るコリメート光の量は、一般的にフロントガラスの感知領域が乾燥しているときと比べて減衰する。

雨センサ１０の動作中、コントローラ１８は発光素子１２ａ〜ｆの２つのグループＡ及びＢを交互に作動及び停止させ、同時に光検知素子１７からの出力を監視する。すなわち、発光素子１２ａ〜ｃが作動しているときは発光素子１２ｄ〜ｆは停止しており、逆もまた同様である。フロントガラスが乾燥しているとき、発光素子１２ａ〜ｆのグループＡが作動しているときに光検知素子１７より生成される出力は、発光素子１２ａ〜ｆのグループＢが作動しているときに光検知素子１７より生成される出力と実質的に類似している。しかし、フロントガラスが乾燥しているとき、フロントガラスの感知領域１５ａ〜ｆのうちの１つまたは複数に水が存在している場合がある。したがって、発光素子１２ａ〜ｆのうちの１つまたは複数により発された光の一部が光検知素子へと反射されるのではなく濡れ感知領域で屈折するため、発光素子１２ａ〜ｆのグループＡが作動しているときに光検知素子１７より生成される出力と、発光素子１２ａ〜ｆのグループＢが作動しているときに光検知素子１７より生成される出力とが不均衡なものとなる。このような不均衡が検知されると、コントローラ１８は、フロントガラスが濡れており、したがって自動車システム（例えばフロントガラスワイパー）の動作に影響を及ぼし得ると判断できる。

寸法上の制約により、自動車の光学式雨センサは典型的には、比較的小さなフォームファクタで実現されなければならない。したがって、発光素子１２ａ〜ｆそれぞれと雨センサ１０の光検知素子１７との間の距離ｄ１０は比較的短く、図１Ｂに示すように、フロントガラス２６の外面におけるコリメート光の入射角Θ_ｉは比較的小さい。特に、フロントガラス２６におけるコリメート光線の入射角Θ_ｉは典型的には、コリメート光線がそれを超えて屈折はしないが全反射する入射角（一般的には「臨界角」（Θ_ｃ）と呼ばれる）よりも小さい。したがって、フロントガラス２６が乾燥していても、フロントガラス２６の外面に当たるコリメート光の量は外気へと屈折し、光検知素子１７には反射しない。これは、雨センサ１０の効率及び感度の両方に不利益である。さらに、入射角Θ_ｉが比較的小さいことにより、フロントガラス２６における感知領域も比較的小さくなる（図１Ｂの感知領域１５ａにより例示されている）。これは雨センサ１０の感度及び正確さに不利益である。

これら及び他の問題に関して本改善は有用であり得る。

この概要は、詳細な説明において以下でさらに説明される概念の選択を簡単な形式で紹介するために提供されている。この概要は、特許請求される主題の重要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図しておらず、また特許請求される主題の範囲を定義するにあたっての助けであることも意図されない。

本開示の例示的実施形態による光学式雨センサは、それぞれが選択的に作動されて発光し、停止されて光を受け取ることができる複数の光素子と、複数の光素子に動作可能に接続され、複数の光素子を第１の動作モードと第２の動作モードとの間で交互に駆動するように構成されたコントローラとを備えてよい。第１の動作モードでは、少なくとも第１の光素子が作動され、少なくとも第２の光素子が停止され、第２の動作モードでは、少なくとも第２の光素子が作動され、少なくとも第１の光素子が停止される。

本開示の別の例示的実施形態による光学式雨センサは、透明基材の表面上に配置されたハウジングと、それぞれが選択的に作動されて発光し、停止されて光を受け取ることができる、ハウジング内に配置された複数の光素子と、複数の光素子に動作可能に接続され、複数の光素子を第１の動作モードと第２の動作モードとの間で交互に駆動するように構成されたコントローラとを備えてよい。第１の動作モードでは、少なくとも第１の光素子が作動され、少なくとも第２の光素子が停止され、第２の動作モードでは、少なくとも第２の光素子が作動され、少なくとも第１の光素子が停止される。

従来技術と一致する従来の雨センサの平面図を示す概略図である。

図１Ａに示す雨センサの発光素子により発された光線が透明基材上に入射している透明基材の断面を示す概略図である。

第１の動作モードにおける本開示の例示的実施形態による雨センサの平面図を示す概略図である。

第２の動作モードにおける図２Ａに示す雨センサの平面図を示す概略図である。

図２Ａに示す雨センサの発光素子により発された光線が透明基材上に入射している透明基材の断面を示す概略図である。

本開示による光学式雨センサについて、光学式雨センサの好ましい実施形態が提示されている添付の図面を参照してここでより完全に説明する。しかしながら、光学式雨センサは多くの異なる形態で実施されてよく、また本明細書で記載される実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。むしろ、本開示が光学式雨センサの特定の例示的態様を当業者に完全に伝えるように、これらの実施形態が提供される。

図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、本開示の例示的実施形態による光学式雨センサ（以下、「雨センサ１１０」）の平面図を示す概略図が示されている。図示された非限定的実施形態では、雨センサ１１０は概して、複数の光素子１１２ａ〜ｆと、複数のコリメーティングレンズ１１４ａ〜ｆと、ハウジング１２２内に配置された複数の集束レンズ１１６ａ〜ｆとを備えてよい。明確さを期して、コリメーティングレンズ１１４ｃ、１１４ｄ、１１４ｅ及び集束レンズ１１６ｃ、１１６ｄ、１１６ｅは図２Ａから省略され、コリメーティングレンズ１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｆ及び集束レンズ１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｆは図２Ｂから省略されている。光素子１１２ａ〜ｆは、光素子１１２ａ〜ｆに電力を供給し、その動作を指示し、かつ／または光素子１１２ａ〜ｆからデータを収集するように構成されたコントローラ１１８（例えば、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）等）と電気的に通信するようにプリント回路基板（ＰＣＢ）１２０に動作可能に取り付けられてよい。コリメーティングレンズ１１４ａ〜ｆ及び集束レンズ１１６ａ〜ｆは、（以下にさらに説明するように）光素子１１２ａ〜ｆの中間に配置されてよく、またハウジング１２２（例えば、図示されていないハウジングの透明カバーに）に取り付けられても、または貼り付けられてもよい。

ハウジング１２２は、透明基材の上またはそれに隣接して設置されるように適合させられてよい。例えば、ハウジング１２２は、当業者によく知られている方法で、自動車のフロントガラスの内面に取り付けられてもよい。いくつかの実施形態では、コントローラ１１８は、ハウジング１２２内に配置され、ＰＣＢ１２０に取り付けられてよい。あるいは、コントローラ１１８はＰＣＢ１２０から離れたハウジング１２２の外部に位置していてもよい。

雨センサ１１０の光素子１１２ａ〜ｆは、選択的に光を発するかまたは受け取るように構成された発光ダイオード（ＬＥＤ）であってもよい。例えば、各光素子１１２ａ〜ｆは、コントローラ１１８によって作動されたとき（すなわち、コントローラ１１８によって電力が印加されたとき）に発光し、コントローラ１１８によって停止されたとき（すなわち、コントローラ１１８によって電力が印加されていないとき）に光を受け取り、対応する電気信号をコントローラ１８に出力するように構成されてよい。このように、各光素子１１２ａ〜ｆは、以下にさらに説明するように、光エミッタまたは感光素子のいずれかとして選択的に、かつ独立して実装されてよい。

光素子１１２ａ〜ｆは、ＰＣＢ１２０上に「六線星形構成」で配置されてよく、各光素子１１２ａ〜ｆは、仮想の六線星形のそれぞれの角に配置され、このような仮想の六線星形の中心点ｑから等距離に配置されている。図では６つの光素子１１２ａ〜ｆが描かれているが、雨センサ１１０における光素子の数は、本開示の範囲から逸脱することなく変化してもよいことが企図されている。

各光素子１１２ａ〜ｆは、さらに下記で説明されるように、１つまたは複数の他の光素子１１２ａ〜ｆに向けて１本または複数本の光線を発するように構成（例えば、配向）されてよい。各コリメーティングレンズ１１４ａ〜ｆは、光素子１１２ａ〜ｆのうちの最も近いものによって発された光線を受け取ってコリメートし、透明基材１２６（図２Ｃ参照）上のそれぞれの感知領域１２４ａ〜ｆに向けて斜角でコリメートされた光線を向けるように構成（例えば、位置決め及び配向）されてよく、ここでコリメートされた光線の少なくとも一部分は、さらに下記に説明されるように、透明基材１２６で反射される。各集束レンズ１１６ａ〜ｆは、さらに下記に説明されるように、透明基材１２６から反射された光を受け取り、受け取った光を光素子１１２ａ〜ｆのうちそれぞれに最も近いものへと集束するように構成（例えば、位置決め及び配向）されてよい。

使用中、雨センサ１１０は、図２Ａ及び図２Ｂに描かれている２つの動作モード間で迅速かつ連続的に交互に動作するように構成されてよい。図２Ａに示す第１の動作モードでは、コントローラ１１８は光素子１１２ａ及び１１２ｆを作動でき、光素子１１２ｂ〜ｅを停止でき、ここで光素子１１２ａは光線１２８ａ１を光素子１１２ｅに、光線１２８ａ２を光素子１１２ｃに向けて発するように構成され、光素子１１２ｆは、光線１２８ｆを光素子１１２ｂに向けて発するように構成されている。光線１２８ａ１、１２８ａ２及び１２８ｆは、上記のように、コリメーティングレンズ１１４ａ、１１４ｂ及び１１４ｆによってコリメートされ、感知領域１２４ａ、１２４ｂ及び１２４ｆで反射され、集束レンズ１１６ａ、１１６ｂ及び１１６ｆによって集束されてよく、結果として光素子１１２ｃ、１１２ｂ及び１１２ｅによって受け取られた光は、コントローラ１１８に送信されるそれぞれの電気信号に変換されてよい。したがって、コントローラ１１８によって受信された電気信号は、透明基材１２６の感知領域１２４ａ、１２４ｂ及び１２４ｆで反射した光の量に対応し得る。

図２Ｂに示す第２の動作モードでは、コントローラ１１８は光素子１１２ｃ及び１１２ｄを作動でき、光素子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｅ及び１１２ｆを停止でき、ここで光素子１１２ｃは光線１２８ｃを光素子１１２ｅに向けて発するように構成され、光素子１１２ｄは、光線１２８ｄ１を光素子１１２ｆに、光線１２８ｄ２を光素子１１２ｂに向けて発するように構成されている。光線１２８ｃ、１２８ｄ１及び１２８ｄ２は、上記のように、コリメーティングレンズ１１４ｃ、１１４ｄ及び１１４ｅによってコリメートされ、感知領域１２４ｃ、１２４ｄ及び１２４ｅで反射され、集束レンズ１１６ｃ、１１６ｄ及び１１６ｅによって集束されてよく、結果として光素子１１２ｂ、１１２ｅ及び１１２ｆによって受け取られた光は、コントローラ118に送信されるそれぞれの電気信号に変換されてよい。したがって、コントローラ１１８によって受信された電気信号は、透明基材１２６の感知領域１２４ｃ、１２４ｄ及び１２４ｅで反射された光の量に対応していてもよい。

透明基材１２６が乾燥しているとき、第１の動作モードにおいて光素子１１２ｃ、１１２ｂ及び１１２ｅによって生成される出力は、第２の動作モードにおいて光素子１１２ｂ、１１２ｅ及び１１２ｆによって生成される出力と実質的に等しくなり得る。しかし、透明基材１２６が濡れていれば、透明基材１２６の感知領域１２４ａ〜ｆの１つまたは複数に水が存在している場合がある。このように、作動された光素子のうち１つまたは複数によって発される光の一部は、対応する停止された光素子に反射されるのではなく、濡れた感知領域（複数可）で屈折するため、第１の動作モードにおいて光素子１１２ｃ、１１２ｂ及び１１２ｅによって生成される出力と、第２の動作モードにおいて光素子１１２ｂ、１１２ｅ及び１１２ｆによって生成される出力との間に不均衡が生じることになる。このような不均衡が検知されると、コントローラ１１８は、透明基材１２６が濡れており、したがって他の自動車システム（例えばフロントガラスワイパー）の動作に影響を及ぼし得ると判断できる。

上記の第１の動作モード及び第２の動作モード両方において、作動された発光する光素子と、対応する停止された受光する光素子との間の距離ｄ１１０は、図１Ａに示す従来の雨センサ１０における各発光素子１２ａ〜ｆと受光素子１７との間の距離ｄ１０よりも大きい。したがって、距離ｄ１００は図１Ａに示す距離ｄ１０よりも大きくてもよいが、雨センサ１１０の設置面積または外寸法は、従来の雨センサ１０と同じまたは類似していてよい。このように従来の雨センサよりも雨センサ１１０における発光光素子と受光光素子との間の距離が大きくなることにより、透明基材へのコリメート光線の入射角は比較的大きくなり得る。特に、図２Ｃを参照すると、透明基材１２６の感知領域（上記感知領域１２４ａにより例示される）において雨センサ１１０によって生じた光線の入射角Θ_ｉは、コリメート光線がそれを超えて屈折はしないが全反射する入射角（一般的には「臨界角」（Θ_ｃ）と呼ばれる）よりも大きくてよい。したがって、内部全反射（ＴＩＲ）が実現でき、透明基材１２６の感知領域１２４ａが実質的に乾燥していれば、透明基材１２６の外面に当たるコリメート光はすべて雨センサ１１０の対応する光素子へと反射される。したがって、雨センサ１１０の効率及び感度は従来の雨センサよりも改善される。さらに、雨センサ１１０の構成により比較的大きな入射角Θ_ｉが容易になった結果、透明基材１２６における感知領域が比較的大きくなり（図２Ｃの感知領域１２４ａにより例示されている）、これは従来の雨センサよりも優れた感度及び正確さを備えた雨センサ１１０をもたらす。

本明細書で使用する場合、単数で記述され「ａ」または「ａｎ」という語に続く要素またはステップは、複数の要素またはステップが明示的に除外されない限り、このような除外はされないものとして理解すべきである。さらに、本開示の「一実施形態」への言及は、挙げられた特徴も組み込む追加の実施形態の存在を除外するものとして解釈されることを意図していない。

本開示は特定の実施形態に言及しているが、添付の特許請求の範囲に定義される通り、記述した実施形態に対して多数の変形、代替及び変更が本開示の範囲から逸脱することなく可能である。したがって、本開示は記述した実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲及びその均等物によって定義される完全な範囲を持つことが意図される。

Claims

それぞれが選択的に作動されて発光し、また停止されて光を受け取ることができる複数の光素子と、
前記複数の光素子に動作可能に接続され、前記複数の光素子を第１の動作モードと第２の動作モードとの間で交互に駆動するように構成されたコントローラと
を備え、
前記第１の動作モードでは、少なくとも第１の光素子が作動され、少なくとも第２の光素子が停止され、前記第２の動作モードでは、少なくとも前記第２の光素子が作動され、少なくとも前記第１の光素子が停止される、光学式雨センサ。
前記第１の動作モードでは、前記複数の光素子のうち少なくとも１つは、前記第１の光素子により発される光を受け取り、対応する第１の電気信号を前記コントローラに出力するように適合させられ、前記第２の動作モードでは、前記複数の光素子のうち少なくとも１つは、前記第２の光素子により発される光を受け取り、対応する第２の電気信号を前記コントローラに出力するように構成される、請求項１に記載の光学式雨センサ。
前記コントローラは、前記第１の電気信号を前記第２の電気信号と比較するように適合させられている、請求項２に記載の光学式雨センサ。
前記複数の光素子のうち少なくとも１つは、光線を透明基材上に投射するように構成され、前記透明基材に当たる前記光線の入射角は対応する臨界角よりも大きい、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学式雨センサ。
前記複数の光素子のうち２つの間に延びる経路に沿って配置されたコリメーティングレンズ及び集束レンズをさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学式雨センサ。
前記複数の光素子は、六線星形構成で配置された６個の光素子を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学式雨センサ。
前記第１の動作モードでは、前記複数の光素子のうち第１の光素子は前記複数の光素子のうち第２の光素子及び第３の光素子に向けて光線を投射するように構成され、前記複数の光素子のうち第４の光素子は前記複数の光素子のうち第５の光素子に向けて光線を投射するように構成されている、請求項６に記載の光学式雨センサ。
前記第２の動作モードでは、前記第２の光素子は前記第３の光素子に向けて光線を投射するように構成され、前記複数の光素子のうち第６の光素子は前記第４の光素子及び前記第５の光素子に向けて光線を投射するように構成されている、請求項７に記載の光学式雨センサ。
前記第１の光素子と前記第２の光素子との間に延びる経路に沿って配置された第１のコリメーティングレンズ及び第１の集束レンズと、前記第１の光素子と前記第３の光素子との間に延びる経路に沿って配置された第２のコリメーティングレンズ及び第２の集束レンズと、前記第４の光素子と前記第５の光素子との間に延びる経路に沿って配置された第３のコリメーティングレンズ及び第３の集束レンズと、前記第２の光素子と前記第３の光素子との間に延びる経路に沿って配置された第４のコリメーティングレンズ及び第４の集束レンズと、前記第６の光素子と前記第５の光素子との間に延びる経路に沿って配置された第５のコリメーティングレンズ及び第５の集束レンズと、前記第６の光素子と前記第４の光素子との間に延びる経路に沿って配置された第６のコリメーティングレンズ及び第６の集束レンズとをさらに備える、請求項８に記載の光学式雨センサ。
透明基材における降雨を検知する光学式雨センサであって、前記光学式雨センサは、
前記透明基材の表面上に配置されたハウジングと、
それぞれが選択的に作動されて発光し、また停止されて光を受け取ることができる、前記ハウジング内に配置された複数の光素子と、
前記複数の光素子に動作可能に接続され、前記複数の光素子を第１の動作モードと第２の動作モードとの間で交互に駆動するように構成されたコントローラと
を備え、
前記第１の動作モードでは、少なくとも第１の光素子が作動され、少なくとも第２の光素子が停止され、前記第２の動作モードでは、少なくとも前記第２の光素子が作動され、少なくとも前記第１の光素子が停止される、光学式雨センサ。
前記第１の動作モードでは、前記複数の光素子のうち少なくとも１つは、前記第１の光素子により発され、前記透明基材から反射された光を受け取り、対応する第１の電気信号を前記コントローラに出力するように適合させられ、前記第２の動作モードでは、前記複数の光素子のうち少なくとも１つは、前記第２の光素子により発され、前記透明基材から反射された光を受け取り、対応する第２の電気信号を前記コントローラに出力するように構成されている、請求項１０に記載の光学式雨センサ。
前記コントローラは、前記第１の電気信号を前記第２の電気信号と比較するように適合させられている、請求項１１に記載の光学式雨センサ。
前記第１の光素子により前記透明基材上に投射された光がすべて前記透明基材から反射されるように、前記第１の光素子により前記透明基材上に投射された前記光の入射角は対応する臨界角よりも大きい、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の光学式雨センサ。
前記複数の光素子のうち２つの間に延びる経路に沿って配置されたコリメーティングレンズ及び集束レンズをさらに備える、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の光学式雨センサ。
前記複数の光素子は、六線星形構成でプリント回路基板に配置された６個の光素子を有する、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の光学式雨センサ。
前記第１の動作モードでは、前記複数の光素子のうち第１の光素子は前記複数の光素子のうち第２の光素子及び第３の光素子に向けて光線を投射するように構成され、前記複数の光素子のうち第４の光素子は前記複数の光素子のうち第５の光素子に向けて光線を投射するように構成されている、請求項１５に記載の光学式雨センサ。
前記第２の動作モードでは、前記第２の光素子は前記第３の光素子に向けて光線を投射するように構成され、前記複数の光素子のうち第６の光素子は前記第４の光素子及び前記第５の光素子に向けて光線を投射するように構成されている、請求項１６に記載の光学式雨センサ。
前記第１の光素子と前記第２の光素子との間に延びる経路に沿って配置された第１のコリメーティングレンズ及び第１の集束レンズと、前記第１の光素子と前記第３の光素子との間に延びる経路に沿って配置された第２のコリメーティングレンズ及び第２の集束レンズと、前記第４の光素子と前記第５の光素子との間に延びる経路に沿って配置された第３のコリメーティングレンズ及び第３の集束レンズと、前記第２の光素子と前記第３の光素子との間に延びる経路に沿って配置された第４のコリメーティングレンズ及び第４の集束レンズと、前記第６の光素子と前記第５の光素子との間に延びる経路に沿って配置された第５のコリメーティングレンズ及び第５の集束レンズと、前記第６の光素子と前記第４の光素子との間に延びる経路に沿って配置された第６のコリメーティングレンズ及び第６の集束レンズとをさらに備える、請求項１７に記載の光学式雨センサ。