JP2021531211A - アクティブ流動制御アクチュエータを使用した、天候、環境、および動作条件に起因する、伝送表面を通した無線ならびに光信号の伝送損失の防止 - Google Patents

Abstract

合成噴射アクチュエータを使用して種々の天候および環境条件下で最適な性能を維持するために、光学ならびにセンサ表面のための伝送表面を洗浄するためのシステムおよび方法。本発明は、概して、環境条件に起因する、伝送表面を通した無線および光伝送損失を防止するためのシステムならびに方法に関し、より具体的には、１つ以上のアクチュエータを使用し、空気ならびに／もしくは液体の噴射を発生させ、表面を洗浄し、伝送表面上に蓄積し得る任意の粒子および環境汚染物質を除去することに関する。アクチュエータは、環境条件に応じて、水または空気の噴射を放出することができ、アクチュエータの波形、周波数、振幅は、表面をより良好に洗浄するために、粒子特性および伝送信号品質に基づいて調節されることができる。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、その全内容が参照することによって組み込まれる、２０１８年７月２７日に出願された、米国仮特許出願第６２／７１１，０３７号の優先権および利益を主張する。

本発明は、概して、環境条件に起因する、伝送表面を通した無線および光伝送損失を防止するためのシステムならびに方法に関し、より具体的には、１つ以上のアクチュエータを使用し、空気ならびに／もしくは液体の噴射を発生させ、表面を洗浄し、伝送表面上に蓄積し得る任意の粒子および環境汚染物質を除去することに関する。

ここ数十年にわたって、人間の活動、すなわち、種々のタイプのセンサを使用して車両を囲繞する物体を感知すること、光起電力パネルを使用して太陽エネルギーを発電すること、大きい周界のカーテン壁を使用して建物の床を自然に照らされた状態に保つことを拡張させることを意図している無数の用途において、光および無線波を使用することの有意な進歩が見られている。そのような用途に関して、典型的には、外部環境条件（光またはレーダがそれから受信される、もしくはそれに伝送される）と、信号および無線の受信または伝送に関連する活動が生じる、内部空間もしくは容積との間に介在する、表面が存在する。

表面は、通常、透明または半透明であり、ガラス、ポリカーボネート、プラスチック、もしくは他の材料から作製される。大部分の場合では、表面は、外部環境からの保護層として意図されている。ある場合には、表面は、集中または反射等の信号の受信ならびに／もしくは伝送において、ある役割を果たす。

これらの用途における重要な懸念事項は、信号伝送を種々の天候条件下で表面を通して維持することである。表面の外部部分を横断した、埃、雪、および氷からの粒子蓄積ならびに汚染が、光およびレーダ信号がこれを通して通過するための能力を有意に低減させ得る。また、降水の間に表面を横断した水膜の形成も、信号を、これがもはや信頼性のあるものではなくなり、これが搬送するデータがもはや、車両の安全性を確実にするための物体検出等の、視覚センサが課された不可欠な機能を実施するために十分ではなくなるほど劣化させ得る。

清浄な表面の維持が重要である１つの産業は、自動車両を制御し、これを安全にナビゲートするために、（人間またはデバイス／センサのいずれかによって）物体を検出することが重要である、自動車産業である。自動車用レーダセンサが、１９８０年代の走行制御システム内での使用のために最初に採用された。自動車用レーダセンサの使用は、最近、車両の安全性、効率性、経済性を改良するために、自律型インテリジェントクルーズコントロール（ＡＩＣＣ）および衝突緩和（ＣＭ）システムに広がり、マイクロならびにミリメートル波レーダを含む、自動車のための種々のタイプのセンサの開発をもたらしている。

ミリメートル波レーダセンサと同様に、ライダ等の赤外線ベースのセンサもまた、要求される性能および実行可能性を検討することによって、環境認識、特に、アダブティブクルーズコントロール（ＡＣＣ）システムのために採用されている。赤外線ベースのセンサおよびミリメートル波レーダセンサは両方とも、車両の前方の標的に関する距離、速度、ならびに角度情報を提供する。これは、車両動態データに加えて、予測される車両経路および検出される障害物位置を相関させるために使用される。結果として生じるデータは、車両スロットル、制動機、ステアリング、および車両変速機を制御するために使用される。ＡＣＣシステムは、２台の車両の間に一定の距離を維持するために、前方の車両の速度に従って車両の速度を適合させる。運転者は、所望の最高速度および最小間隔を設定する。両方のセンサシステムはまた、前方の道路上の複数の標的を位置特定および追跡し、運転レーン内の交通条件を予測するためにも使用されることができる。現在、ミリメートル波および赤外線ベースのセンサのＡＣＣシステム用途は、安全性のための選択肢としてではなく、快適性ならびに利便性のための選択肢として市販されている。依然として、自動車上でのその使用と関連付けられる、安全性リスクが存在する。ＡＣＣシステム上のレーダおよびライダセンサの重大な影響に起因して、開発、生産、ならびに配設の種々の段階において、システムの正確な検証および較正を行うことが重要である。

新世代システムは、複数のセンサを使用し、ＡＣＣシステムを市街地運転または交通渋滞、事前追突感知、衝突警報および回避システム（ＣＷＡＳ）に拡張する。これらは、典型的には、短距離向けの用途であり、赤外線、視覚、超音波、およびマイクロ波レーダを含む、種々のセンサタイプが、使用されることができる。幹線道路ＡＣＣシステムを超えた大部分の用途に関して、複数のセンサシステムが、長距離ＡＣＣライダまたはミリメートル波レーダセンサと連動して使用されなければならない。技術の組み合わせが、高いレベルの環境認識を達成し、自律運転の目標を前進させるための鍵である。

これらの将来の安全志向型の用途の大部分のものが、任意の交通および天候シナリオにおける環境認識センサのより大きい性能ならびに信頼性に関する要望の増大と関連付けられる。

残念ながら、悪天候条件が、ＣＷＡＳのために要求されるセンサの大部分のものの動作の成功に関して難題を提供する。悪天候条件下では、ＣＷＡＳによって伝送および受信される電磁波は、両方、センサまたはその保護カバーの表面上に蓄積する、大気水象（大気中の固体もしくは液体形態における水の粒子）ならびに物質と相互作用する。大気水象の実施例は、限定ではないが、霧、雨、霙、凍雨、雪、雹、および靄を含む。センサまたはその保護カバーの表面上の例示的な予期される物質は、限定ではないが、水粒子の凝縮、衝突、および付着を通して形成され得る、粗粒および埃、ならびに乾雪および水膜を含む。

異なる形態の水粒子（霧、雨、霙、凍雨、雪、雹、および靄）が、赤外線ならびにミリメートル波の伝播に不均等に影響を及ぼす。理由は、水粒子の吸着および全散乱横断面が、粒子サイズと波長との間の関係、かつ粒子の密度ならびに範囲に依存するためである。

これらの水粒子のサイズのほぼ全てが、赤外線波長を上回る。これらは、その結果、赤外線および可視光範囲内で最大の散乱横断面を生じさせ得る。これは、特に、高密度の水粒子様の大雨および靄滴において、非常に大量の減衰ならびに後方散乱信号をもたらす。これは、最大検出範囲を匹敵する人間の眼のものに限定することによってだけではなく、これが些細なものではない量のメモリおよび計算スループットを占有し、水粒子に起因する関連のない検出をフィルタ除去する、プロセスを増加させることにもよって、ライダセンサの性能を低下させる。

ミリメートル波の範囲では、４ｍｍを上回る降雨強度を伴う雨粒のみが、最大の吸着および全散乱横断面を得ることができる。これは、強力な降雨減衰および後方散乱をもたらし得る。雪および雹の影響は、それらの水含有量が有意に変動するため、精密に査定することが困難である。一般に、氷は、同一質量の水よりはるかに小さい損失を被り、乾雪におけるミリメートル波減衰は、故に、無視することができる。しかしながら、雪が湿潤している場合、減衰は、大幅に増大するが、典型的には、中程度の雨を下回ることが予期される。

アンテナまたはそのレードーム（すなわち、レンズ、アンテナ、もしくはカバー）の表面上の水膜の場合では、特に、ミリメートル波に関して、アンテナレンズまたはレードームの表面上のより少ない程度の湿気が、波の伝搬に悪影響を及ぼし、ミリメートル波レーダ動作の停止をもたらし得る。

ライダレンズ上の乾雪、粗粒、および埃のような埃物質もまた、減衰ならびに回折現象に起因して測定感度を損傷させ得る。

さらに、伝送表面がバックアップカメラが運転者に周囲を示すことを許可する場合では、粒子で過度に遮断されている表面が、カメラに、警告をトリガし、車両を停止することを余儀なくさせるように誤作動させ得る。車両が、都市領域におけるように低速で進行し、雨に暴露されると、カメラならびに他のセンサは、水を掃引するための車両の運動に起因して、気流に依拠することができない。

これらの表面上の粒子蓄積物を除去するための技法が、先行技術において存在するが、それらは全て、その限界を有する。例えば、熱的手段による（すなわち、加熱器の使用による）雪の除去は、概して、伝送表面材料の伝送性質、その寿命、洗浄システムコスト、車両エネルギー消費プロファイル、さらには乗車者の安全性に影響を及ぼし得る。水膜の存在に起因する信号損失は、表面を処理し、これを非湿潤または撥水性のいずれかにすることによって有意に低減され得る。本方法は、衛星通信のためのマイクロ波空港監視レーダおよび地上設置レーダに適用されると、肯定的結果を示している。しかしながら、本方法は、ミリメートル波レーダを使用する自動車用途等の用途に提供されると、欠点を有する。そのような環境では、雨水は、車両が動作しているときに及ぼされる空気力学的に起因して均一な膜を形成することが予期されない場合があるが、狭い細流状にアンテナおよびレードーム表面から急速に流出する、多くの細かい筋を形成する。さらに、凍結した雪および霙は、アンテナまたはレードーム上に湿った、ならびに／もしくは斑点が付けられた表面を容易に引き起こし得る。そのような環境条件下では、撥水体の適用または非湿潤表面の使用は、それらが、粒子を効果的に除去しないため、表面を不適切に除去し、高い摩耗および引裂、ならびに撥水体の場合では、時間的に限定された処理周期を被る。加えて、経年劣化および散粉が有意である、車両の正面グリル面積内への自動車用レーダセンサの従来的な設置は、そのような撥水性物質に影響を及ぼす。

理論的および実験的研究によると、有意ではない量の湿潤性が、ミリメートル波レーダセンサの相当量の性能低下につながり得る。したがって、これらのセンサの表面を湿潤性のない状態に保つ必要性が存在する。

清浄な表面の維持が最重要である別の産業は、太陽電気産業であり、光起電力ソーラーパネルのアレイ上の表面は、効率的に電気を発生させるために清浄なままでなければならない。但し、太陽エネルギー施設は、多くの場合、現場において見過ごされる、太陽熱設備の効率を有意に低下させ得る、埃、鳥の糞、砂、樹木の葉、および塩水による汚れの堆積等、偏在する実用性に対して脆弱である。最近の研究は、光起電力（ＰＶ）モジュールの汚れによって引き起こされるときの性能損失の有意性の程度を露見させる（ｈｔｔｐｓ：／／ｒｅｎｅｗａｂｌｅｓｎｏｗ．ｃｏｍ／ｎｅｗｓ／ｄｕｓｔ−ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ−ｂｕｉｌｄｕｐ−ｃａｎ−ｃｕｔ−ｐｖ−ｏｕｔｐｕｔ−ｂｙ−ｕｐ−ｔｏ−３５−ｓｔｕｄｙ−５７３６９１／参照）。汚れは、日射が太陽電池に到達することを妨げる、ＰＶモジュールの表面上の埃、雪、および他の異物を含む。埃の蓄積は、場所ならびに天候の両方に依存する。

太陽モジュールの稼働寿命の間の汚れは、それらの電力生産の損失を引き起こす。埃の蓄積は、ＰＶシステム効率を減少させる要因が、それらを魅力的ではない、または非経済的に実行可能な代替エネルギー源にし得るため、非常に重要である。

局所的な現実に応じて、汚れに起因するＰＶの電気生産の損失は、５．２〜１７％の範囲に及ぶ。極端な場合、より高い値が、生じ得る（２５％）。太陽モジュールの定期的な洗浄が、したがって、不可欠である。適切な表面洗浄がなければ太陽ファームの性能および所有者の利益が、長い期間の間に最大１５〜１７％低下し得る。

洗浄する雨がわずかである、極端かつ非常に乾燥した砂の多い気候では、ＰＶパネルを洗浄できないことは、より多くの損失を引き起こし得る。太陽設備の所有者またはオペレータは、もはやワイヤ抵抗もしくはインバータ効率等のいかなる構築物特徴も変更することができない。言い換えると、ＰＶパネルを洗浄するための手段としての雨への依拠は、効率の重大な損失につながる。

したがって、太陽電池上の清浄表面を維持するための必要性が存在する。ＰＶパネルの洗浄のための高圧水または蒸気洗浄技術の使用は、パネルの外部層への損傷を回避するために禁止される。雨もまた、雨が必ずしも１００％の洗浄効果を提供するわけではなく、雨およびパネル角度に応じて、パネルのある部分が完全に洗浄された状態にされ得ないため、ＰＶパネルを効果的に洗浄するために依拠されることはできない。加えて、常時、ＰＶパネルを洗浄するために好都合な時間に雨が降らない場合がある。

また、伝送表面を通した伝送性に影響を及ぼす、伝送表面における動的条件（すなわち、干渉のタイプ）に適合し得る、適応型システムの必要性も存在する。

（合成噴射、プラズマ噴射、および他のタイプ等の）アクティブ流動制御アクチュエータが、ある周波数または周波数範囲において不安定な空気噴射を発生させる。不安定な噴射が、熱伝達、混合、および噴霧制御等の空気移送用途において、圧縮された空気アクチュエータ、ファン、吹送機、ならびに他の定常形態の空気供給部と比較して、渦巻および他の流動パターンから成る、はるかにより効率的な構造を有するように示されている（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｄｓ．ｃａｌｔｅｃｈ．ｅｄｕ／〜ｍｕｒｒａｙ／ｃｏｕｒｓｅｓ／ｃｄｓ１０１／ｆａ０４／ｃａｌｔｅｃｈ／ｃｏｌｌｉｓ−ｅｔａｌ−ｐａｓ−２００４．ｐｄｆ参照）。

典型的には、そのようなアクチュエータは、独立型デバイスとしてではなく、鈍頭物体のような形状の（エアフィオル、翼、風力タービンブレード、車両スポイラ、建物の欄干等）の周囲の気流を改良するための手段として使用される。第２に、それらの使用は、従来、空気媒介現象を取り扱うために空気を偏向させるためのものである。アクチュエータのさらに詳細な議論が、米国特許第９，５６７，０１７号（その全内容は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に見出されることができる。

空気または液体の噴射を発生させるためのアクチュエータの１つまたはそのアレイの使用を通して表面を洗浄するための、システムおよび方法が、提供される。

実施形態では、アクチュエータは、伝送表面から直接粒子を除去する、局所的空気噴射を発生させる。アクチュエータが移動する車両と併用される実施形態では、局所的空気噴射は、車両の運動の結果として伝送表面を横断して通過する気流と相互作用する。結果として、幹線道路における速度において、アクチュエータ空気噴射と流入気流との間の相乗効果はさらに、伝送表面がアクチュエータ空気噴射または流入気流のいずれかに単独で暴露されているであろう事例と比較して、洗浄性能を改良する。

本発明は、アクチュエータを使用するための新規の方法を提示する。本発明の実施形態によると、アクチュエータは、（１）水または他の粒子を除去し、伝送表面を通した光学性能を改良するために使用され、（２）機械的に、もしくは制御フィードバックループの一部として視覚センサに統合または取り付けられ、（３）それらの温度を制御し、角度を解放するための手段と組み合わせられる。

実施形態では、アクチュエータの出力振幅、波形、および周波数は、伝送表面に対して引き起こされる、降水、水ベースならびに埃タイプの粒子、および干渉等の環境要因によって与えられる。好ましい実施形態では、車両または視覚センサが伝送表面を通した伝送品質が不十分であることを識別するとき、１つまたは他のものが、洗浄システムをアクティブ化し、伝送信号品質が所定の閾値を上回るように増加するまで、伝送表面を洗浄するであろう。

本発明の例示的実施形態では、本システムは、それらの光およびエネルギー伝送性質が、種々の環境条件下に維持されるように、１つ以上の表面を洗浄し、粒子ならびに環境汚染物質を除去するために、１つ以上の空気の噴射を発生させることによって、車両の一部である１つ以上の表面を洗浄するために提供される、少なくとも１つのアクチュエータを備える。

一実施形態では、本システムは、１つのアクチュエータから成る。別の実施形態では、アクチュエータのアレイが、使用される。アクチュエータのアレイが使用される実施形態では、アクチュエータは、電圧、作動周波数等の同一の入力を用いて動作される、または各アクチュエータが車両上のその位置、これが洗浄することを課される視覚センサの要件、これが除去することを要求される粒子のタイプ、および局所的な気流条件に基づいて異なる入力を受信するように、相互と別個に動作されることができる。例えば、本システムが、少なくとも１つの屋根に搭載されるライダと、背面車両バンパ上に搭載される、少なくとも１つの背面カメラとから成る場合、各アクチュエータは、運動時、屋根と背面バンパとの間の気流条件の差異に起因して異なる入力を受信し、定常状態時、同一の入力を受信するであろう。

実施形態では、アクチュエータは、合成噴射アクチュエータまたは他のアクティブ流動制御アクチュエータから成り得る。アクチュエータは、表面を洗浄するために空気噴射を送達する、独立したアクチュエータであり得る。他の実施形態では、アクチュエータは、水であり得る、またはより冷涼な気候内での使用の場合、好ましくは、予期される周囲空気条件を下回る凍結温度を伴う液体であり得る、液体と組み合わせられ、加圧空気および液体を提供し得る。実施形態では、アクチュエータもしくは複数のアクチュエータが、加熱および冷却要素と組み合わせられ、除氷等の用途のために空気ならびに／もしくは液体の温度を変動させるために使用される。

実施形態では、アクチュエータは、これが、光学表面上に静置する液滴を効果的に除去している、渦巻状構造を伴う空気噴射を生成するように、動作される。行われた実験は、作動周波数と液滴サイズとの間に関係が存在する、すなわち、異なる液滴サイズが、関連付けられる作動周波数を用いてより効果的に除去され得ることを実証している。言い換えると、ある周波数における空気噴射が、異なる周波数におけるより強力な空気噴射と比較して、液滴を除去することにおいてより効果的であり得る。

好ましい実施形態では、複数の環境条件に対処するために、センサ洗浄システムは、微小流体ノズルが、水でフロントガラスを噴霧し、泥または埃等の媒体を軟化させる一方、ワイパーが、機械的にいかなる残留物も除去し、かつフロントガラスを水噴霧から乾燥させる、標準的なフロントガラスワイパーシステムに類似する様式で、気流および水噴霧を組み合わせる。同様に、センサ洗浄システムは、空気噴射および水噴霧、ならびにその２つのものの間を効率的に同期化させるための能力を組み合わせる。本効率は、合成噴射アクチュエータがこれらの「乾燥」および「湿潤」モードの両方を発生させるために使用される方法に起因する。合成噴射アクチュエータは、洗浄されるべき光学表面に隣接して位置する、全てが１つにまとめられている、ポンプ、圧力調節器、およびノズルとして作用する。表面への近傍性は、水供給部が、重力によって、または低い圧力でアクチュエータに水を提供する局所的な小さい水リザーバを使用することを可能にする。水は、アクチュエータに供給される（空洞、アダプタの中に、ノズルからある距離に、または光学表面の上に直接解放される）。合成噴射アクチュエータは、「乾燥」モードと「湿潤」モードとの間で切り替わる。空気噴射が、持続的に吹送する間、切替が、アクチュエータへの水供給を限定することによって可能にされる。これは、水容器の弁を制御することによって行われる。「湿潤」モードに切り替わるとき、弁は、水が容器から解放され、空気噴射によって噴霧されるように開放している。噴霧は、事実上、水が空気噴射によって吹送されるように暴露される場合、波形、作動周波数、および（合成噴射アクチュエータノズルからの）距離等、いくつかのパラメータに依存する。

さらなる実験が、波形（正弦、台形、矩形）、変調周波数、デューティサイクル等の信号調整パラメータが、合成噴射アクチュエータが表面を洗浄する程度に影響を及ぼすことを露見させている。例えば、鋭的上昇傾斜を伴う台形波形を使用することは、短い距離および時間周期にわたってアクチュエータノズルの近傍の小さい液滴をより大きい液滴に合体させることに役立つ、空気の強力なバーストを提供する。合体は、液滴の除去に対する鍵である。これは、より大きい液滴を光学表面を横断して搬送することが、より小さい液滴を除去することと比較してより容易であるため、洗浄性能のために有益である。

本発明の一側面は、作動周波数を変調させ、伝送表面上の粒子を励起する空気噴射構造のタイプに影響を及ぼす。これらの構造は、粒子および伝送表面と相互作用し、それらを振動させる。水液滴等の粒子が、それらの構造、密度、接触角等に基づいて種々の周波数において空気噴射構造によって励起されることが発見されている。

５０〜１，５００Ｈｚの範囲内の作動周波数が、車両噴霧飛沫（０．０１ｍｍまたはより細かい）からフロントガラスに衝打する大雨（４ｍｍまたはより粗い）までの範囲に及ぶ液滴のサイズを表す、０．０１ｍｍ〜４ｍｍの液滴直径サイズと、異なるように相互作用するように示されている。例えば、１，０４０Ｈｚにおける空気噴射は、３６０Ｈｚにおける空気噴射と比較して４ｍｍ液滴をより良好に除去する（両方とも、同一のアクチュエータ、波形、および電圧を使用して動作される）。０．０１ｍｍ（細かい）液滴を除去するために、３６０Ｈｚ空気噴射は、これがよい高い速度を有する点において、１，０４０Ｈｚ空気噴射がより強力である事実にもかかわらず、１，０４０Ｈｚのものよりも性能が優れている。

さらに、パルス波変調（ＰＷＭ）信号（キャリアｆ＝３６０Ｈｚ、変調ｆ＝３０Ｈｚ、５０％デューティサイクル）を純粋な正弦波形（ｆ＝３６０Ｈｚ）と比較すると、前者が後者の電力の半分を消費するという事実にもかかわらず、類似する液滴除去性能が達成されることが発見されている。空気噴射のより急激なパルスが、空気噴射と伝送表面との間の接触点に隣接して見出される液滴間の合体を助長する傾向にあることが発見されている。いったん液滴が、合体し、サイズが成長すると、伝送表面を横断してより長い距離にわたって、より急速にそれらを搬送することが、より容易になる。

実施形態では、本システムは、少なくとも、電力供給源ユニットと、制御ユニットと、作動ユニットと、水供給ユニットと、ソフトウェアと、パッケージングとを備える。実施形態では、作動ユニットは、アクチュエータと、アダプタと、空気噴射温度を制御するための、加熱および冷却要素とを備える。実施形態では、水供給ユニットは、容器と、アダプタ、アクチュエータ、その近傍、または伝送表面もしくはその近傍に水を供給するための、導管とを備える。

実施形態では、作動ユニットは、独立型ユニットとしてパッケージ化される。作動ユニットが自動車両上の視覚センサに関連して使用される実施形態では、作動ユニットは、車両上の自動車部分の中に統合される、またはそのパッケージングの一部として視覚センサの中に統合されることができる。

実施形態では、本システムのアクチュエータは、以下の表面、すなわち、（１）カバー視覚および位置センサ（レーダ、ライダ、カメラ等）、ならびに（２）車両（陸上、海上、および航空機）上に搭載されるアクチュエータを使用する、視覚補助デバイス（ミラーならびにフロントガラス等）のうちの１つ以上のものを清浄に保つために車両もしくはセンサエンクロージャ上に搭載される。好ましい実施形態では、センサは、洗浄システムに警告し、それに動作を開始または停止するようにコマンドする、視覚センサ診断コードもしくはデバイスの使用を通して動的に制御される。別の実施形態では、アクチュエータは、車両電子制御ユニット（ＥＣＵ）によって制御される。ＥＣＵは、センサ洗浄性能専用である、または別の車両作用専用であることができる。

車両以外にも、当業者は、アクチュエータを用いて洗浄され得る表面が、本デバイスへの光およびエネルギー伝送性質を維持するために洗浄を要求する、任意の表面であり得ることを認識するであろう。例えば、表面は、太陽アレイ内のＰＶ電池の表面であり得る。

洗浄されるべき表面は、種々の程度の透明性を有し、ガラス、ポリカーボネート等の種々の材料から作製され得る。表面は、本デバイスを環境条件から保護するためのカバー、集中、反射等の光学特徴を追加する、または審美的もしくはスタイリング目的のための役割を果たす等、異なる目的を果たし得る。

洗浄されている表面が車両の一部である実施形態では、表面は、車両の外部の一部、または車両への付加物である表面であり得る。デバイスの一部として、表面は、ライダレンズ、カメラレンズ、レーダアンテナレンズ、ライダレードーム、レーダレードーム、デバイス封入物、またはデバイスの光学性能に影響を及ぼす、任意の構成要素であり得る。表面はまた、物体および環境条件の検出ならびに認識、マッピング、地理的位置特定、および移動するプラットフォームのナビゲーションのための役割を果たす、デバイスの表面であり得る。本デバイスは、レーダ、ライダ、カメラ、またはセンサ入力もしくは出力として光、無線、および電磁波を使用する、またはアンテナレンズ等、その性能の一部として光学系に依存する、任意の他のデバイス等のセンサであり得る。

実施形態では、本システムは、物体を識別し、安全に運転するために十分な分解能における画像の明確性を妨げる、雨、着氷、塩、雪蓄積の間の液滴蓄積等の複数の課題を被る、カメラ（すなわち、正面、バックアップ、または他のもの）の伝送表面を洗浄するために使用される。

実施形態では、本システムは、プラットフォームの電力供給源（バッテリ）によって、または補助電力供給源ユニットを通して電気的に動力供給される。

実施形態では、本システムは、プログラムを使用して電子的に種々のシステム部分にコマンドする、コントローラによって制御される。プログラムは、本システムによって提供される入力、外部から本システムに提供される入力、または両方の組み合わせを使用する。コントローラは、所望の性能を達成するために、システム、車両、ユーザの選好、および環境条件に基づいて、システムの性能を適合させる。システムへの入力は、風速および風向、自動車の速度、センサの感度、ならびに液滴サイズを含む。コントローラは、システム診断データおよびシステム入力ならびに出力データを無線で記録し、ブロードキャストする。

実施形態では、コントローラは、車両を横断した異なる場所（屋根正面、屋根側面、正面バンパ、および背面バンパ等）において複数の視覚センサタイプ（ライダ、レータ、ならびにカメラ）の洗浄専用の複数のアクチュエータにコマンドを提供する。各センサ専用の作動ユニットが、それらが異なる粒子（雨、泥、水雪等）、空気力学条件、および性能要件に暴露されるため、視覚センサ要件に対処するために、他のコマンド（作動周波数、波形、振幅、ならびにタイミング等）を要求する。

コントローラは、ＥＣＵ、視覚センサ関連デバイス、または他のものに基づいて、各アクチュエータに異なるコマンドを提供する。別の実施形態では、コントローラは、これらのコマンドを発生させるために、システムプログラムに依拠する。本実施形態では、コントローラは、車両およびセンサからデータを受信し、車両、環境、ならびに視覚感知入力に基づいて、洗浄要件を確立する。コントローラは、また、車両場所の地理空間的法的要件およびジオフェンシングに基づいて、コマンドを提供する。そのような要件は、適用可能な運転に関連する法律に基づいて、物体検出の範囲および品質、車両速度、可視性、ならびに他のパラメータのタイプを決定する。

コントローラは、水供給ユニットの入力を提供し、アクチュエータは、ある密度および広がりの水噴霧を発生させ、伝送表面から効率的に水効率性粒子を除去するために、提供される水と空気噴射との量を同期化する。実施形態では、コントローラは、粒子密度（氷、水雪、雪等）、周囲温度、および標的凍結解除時間に基づいて空気噴射の温度を制御するためにアクチュエータ、アダプタ、またはパッケージングの中に統合される、加熱要素にデータを提供する。別の実施形態では、コントローラは、事前にプログラムされるルックアップテーブルに従って動作される。センサ洗浄システムは、環境パラメータと作動パラメータとの間のこれらの関係を結合し、光学表面の洗浄性能を最適化する。リアルタイムの入力またはプログラムされたルックアップテーブルに基づいて、コントローラおよびソフトウェアは、光学関連の入力（伝送表面を通した伝送率等）に加えて、降水条件（液滴サイズ等）、運転条件（車両速度等）、横風、ならびに他の環境パラメータに応答して、周波数、振幅、波形等の作動性質を修正する。

実施形態では、センサ洗浄システムは、車両搭載視覚センサのためのイネーブラとして機能する。したがって、好ましい実施形態では、センサ洗浄システムは、視覚センサのパッケージング内に統合され、視覚センサからコマンドを受信する。

実施形態では、コントローラは、プログラム設定を変更することを許容する、ユーザインターフェースを含む。

一実施形態では、車両視覚センサの表面を洗浄するためのシステムは、車両上に搭載され、流体噴射を車両視覚センサの上に指向するように構成される少なくとも１つのアクチュエータを有する、センサ洗浄ユニットと、車両上に搭載され、車両に近接する環境センサデータを捕捉するように構成される少なくとも１つの環境センサを有する、センサ洗浄ユニットセンサと、センサ洗浄ユニットセンサから環境センサデータを受信し、受信された環境データに基づいて、センサ洗浄ユニットの少なくとも１つのアクチュエータを制御するための駆動周波数および駆動振幅のうちの少なくとも一方を判定するように構成される、洗浄電子制御ユニットとを備える。

実施形態では、環境センサは、降水センサ、または見掛け上の風速および風向を判定するように構成される、気流センサのうちの少なくとも一方を含む。実施形態では、降水センサは、降水事象の間に雨滴サイズの直径を判定するように構成される。

好ましい実施形態では、洗浄制御ユニットは、０．０１ｍｍの雨滴直径サイズのための３６０Ｈｚから、４ｍｍの雨滴直径サイズのための１，０４０Ｈｚまでの範囲に及ぶ、駆動周波数を設定する。アクチュエータは、実施形態では、パルス波変調を使用して動作し、実施形態では、センサ洗浄ユニットに接続される、水源を備え、洗浄電子制御ユニットはさらに、受信される環境データに基づいて、センサ洗浄ユニットのアクチュエータとの併用のための水源または周囲空気からのいずれかの水の一方を選定するように構成される。

ある実施形態では、車両視覚センサ車両視覚センサの表面を洗浄するためのシステムは、車両上に搭載され、流体噴射を車両視覚センサの上に指向するように構成される少なくとも１つのアクチュエータを有する、センサ洗浄ユニットと、車両視覚センサから、車両視覚センサ伝送表面を通した伝送信号の妨害の量を示す、視覚センサ伝送表面妨害レベルデータを受信するように構成される、洗浄電子制御ユニットとを備え、洗浄電子制御ユニットは、伝送信号の妨害の量が、所定の閾値を超過すると、センサ洗浄ユニットの少なくとも１つのアクチュエータを制御するための駆動周波数および駆動振幅のうちの少なくとも一方を判定する。

本発明はまた、（１）車両上に搭載されるセンサ洗浄ユニットセンサから車両に近接する環境センサデータを捕捉するステップと、（２）洗浄電子制御ユニットによって、車両上に搭載されるセンサ洗浄ユニットの少なくとも１つのアクチュエータを制御するための駆動周波数および駆動振幅のうちの少なくとも一方を判定するステップと、（３）センサ洗浄ユニットの少なくとも１つのアクチュエータによって、車両視覚センサの表面を洗浄するための流体噴射を発生させるステップとを含む、車両視覚センサの表面を洗浄するための方法を含む。

他の実施形態では、本発明は、光起電力ソーラーパネルの表面を洗浄するためのシステムであって、光起電力ソーラーパネルの周辺縁上に搭載され、流体噴射を光起電力ソーラーパネルの上に指向するように構成される少なくとも１つのアクチュエータを有する、センサ洗浄ユニットと、光起電力ソーラーパネルと関連付けられる制御ユニット、または洗浄システムと関連付けられるエネルギー貯蔵測定デバイスから、光起電力パネルの妨害を示す、電気発生効率データを受信するように構成される、洗浄電子制御ユニットであって、発生効率量が所定の閾値を下回ると、センサ洗浄ユニットの少なくとも１つのアクチュエータを制御するための駆動周波数および駆動振幅のうちの少なくとも一方を判定する、洗浄電子制御ユニットとを備える、システムを備える。

実施形態では、アクチュエータは、流体噴射の温度を制御するために、少なくとも１つの加熱要素を含む。アクチュエータはまた、非使用時、汚染物質がアクチュエータに進入することを防止するためにノズルを開放または遮断するための、排水部と、電気的に制御されるノズルカバーとを含み得る。

実施形態では、アクチュエータは、流体噴射と組み合わせられると、水噴霧を発生させる、水を供給される。アクチュエータは、車両搭載視覚センサの周囲に３６０度巻着する、伝送表面から粒子を除去するために、電動式プレートの上または下に搭載され得る。実施形態では、アクチュエータはまた、これが伝送表面の円周の周囲で回転するにつれて、流体噴射を発生させ、回転プレートが、これに付着する粒子による視覚阻害を被る伝送表面の円周を横断した場所に流体噴射を位置付けるために、視覚センサ、洗浄システム、または車両システムのうちの１つ以上のものと関連付けられる、電子制御ユニットによって制御される。

実施形態では、アクチュエータは、視覚センサと統合され、流体噴射は、空気力学的、光学的、環境的、または他の理由のために視覚センサを被覆するための湾曲した表面として成形される、伝送表面を通して誘導される。

実施形態では、センサ洗浄ユニットは、２つの流体噴射ノズルを備え、１つの水ノズルが、水の解放のために２つの流体噴射ノズル間に位置し、流体噴射ノズルから分注される流体噴射が、水ノズルからの水と組み合わせられ、水噴霧を発生させるように構成される。実施形態では、２つの流体噴射はそれぞれ、各空気噴射が交互に入れ替わる様式で異なる時間において最大振幅に到達するように、異なる電圧振幅で動作される。

実施形態では、水が水ノズルを通して解放される流率が、側方運動を有する水噴霧を発生させるために、２つの流体噴射のピーク電圧振幅と同期化される。

本発明の範囲内では、本発明が、表面を通した最適な伝送率を維持するために洗浄を必要とする、任意の表面上での使用のために適用可能であることが予期される。また、伝送表面が、陸上、海上、航空、または地球外車両等の可動プラットフォーム上にあり得ることも予期される。伝送表面は、いくつかの実施例を挙げると、セキュリティおよび交通安全視覚センサ（カメラ）、エネルギー査定ならびに監視視覚センサ（風力ファームにおけるライダ）、製造プロセス最適化および品質制御部（ビデオ分析のためのＩＲ、熱カメラ等）等の固定プラットフォーム上にあり得る。例えば、車両およびＰＶ電池との併用に加えて、本発明はまた、地球上、宇宙内の環境監視のため、ならびに月、火星、および他の地球外探査のために使用されるセンサステーションのような固定ならびに可動センサとの併用のため、速度カメラ、出入国管理視覚センサ、セキュリティカメラ、監視およびビデオ分析のための産業プロセスのために使用される視覚センサ等の固定センサのため、スーツならびにヘルメット等の着用物、自動車用フロントガラス、保守および接近が困難である建物のガラス張り表面の中の視覚センサのため、ならびに衛星の環境発電表面（ＰＶフォイルまたは帆等）のために適用され得る。

本発明のこれらおよび他の特徴が、本発明の種々の例示的実施形態の以下の発明を実施するための形態において説明される、またはそれから明白となる。

本発明の特徴および利点は、以下の図と併せて検討されると、本発明の例証的実施形態の以下の発明を実施するための形態を参照することによってより完全に理解されるであろう。

図１は、自動車両視覚センサに関連して使用される場合の、本発明のセンサ洗浄システムのある実施形態を図示する概略図である。

図２は、本発明のセンサ洗浄システムのコンポーネントである、センサ洗浄ユニットのある実施形態を図示する概略図である。

図３Ａは、本発明のある実施形態に従って湾曲した表面を有する視覚センサと併用される場合のセンサ洗浄ユニットの図である。

図３Ｂは、本発明のある実施形態に従って平坦な表面を有する視覚センサと併用されるときのセンサ洗浄ユニットの図である。

図４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、および４Ｄは、本発明の実施形態に従って平坦な表面を有する視覚センサと併用されるときのセンサ洗浄ユニットの種々の空気ならびに水噴霧構成を図示する。

図５Ａおよび５Ｂは、本発明のある実施形態に従って自動車両に関連して使用される場合のセンサ洗浄ユニットならびに視覚センサのパッケージング構成を図示する。

図６Ａ、６Ｂ、および６Ｃは、本発明の実施形態に従って３６０度視覚センサと併用されるときのセンサ洗浄ユニットを図示する。

図７は、本発明のある実施形態に従って移動する車両に関連して使用される場合のセンサ洗浄システム統合構成の図である。

図８は、本発明のある実施形態に従って移動する車両に関連して使用される場合のセンサ洗浄システムの動作の概略図である。

図９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ、９Ｅ、および９Ｆは、本発明の実施形態による、アクチュエータを使用した水液滴サイズと作動周波数との間の依存状態を図示する。

図１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、および１０Ｅは、本発明の実施形態によるアクチュエータを使用した空気噴射と、種々の直径の水液滴との間の相互作用を図示する。

図１１は、本発明のある実施形態による、光起電力パネルに関連して使用される、光起電力洗浄システムの図である。

一般的な慣行に従って、図の種々の特徴／要素は、縮尺通りには描かれ得ないことが強調される。むしろ、種々の特徴／要素の寸法は、明確化のために、恣意的に拡大／縮小され得る。

最初に図１を参照すると、本発明のセンサ洗浄システム１００の実施形態を図示する概略図が、示される。センサ洗浄システム１００（ＳＣＳ）は、電力供給ユニット１０１（ＥＰＳＵ）と、洗浄電子制御ユニット１０２（ＣＥＣＵ）と、センサ洗浄ユニット１０３（ＳＣＵ）とから成る。ＥＰＳＵ１０１およびＣＥＣＵ１０２は、それぞれ、視覚センサ（ＶＳ）１０５の伝送表面１０４を洗浄するために、ＳＣＵ１０３に電力ならびに信号を提供する。

例えば、ＳＣＳ１００がＣＥＣＵ１０２から、伝送表面１０４の洗浄を開始する必要性を示す入力を受信する、好ましい実施形態では、ＥＰＳＵが、ＳＣＵ１０３に送信するための電力量を調整する。ＣＥＣＵ１０２は、これが車両電子制御ユニット（ＶＥＣＵ）（図示せず）またはＶＳ電子制御ユニット（ＶＳＥＣＵ）（図示せず）から受信する入力に応じて、出力するための信号のタイプを判定する。

ある実施形態の実装を例証するために、一実施例では、車両が、大雨（約４ｍｍの直径液滴サイズ）の間に幹線道路上に５０ｍｐｈの速度で移動している。車両が車両の経路上の妨害に備えて制動するための十分な時間を提供するために、屋根に搭載されるライダが、ある視野を横断してある検出距離を維持する。視野、検出距離、および概して、物体を検出するための能力が、要求される閾値を下回る（多くの場合、検出されている物体上のより少ない点に変換される、信号強度の減少に起因する）と、電子制御ユニット（車両の視覚センサまたは洗浄システム）は、試験され、４ｍｍ液滴を除去することにおいて最も効果的であることが発見されている、ある作動周波数で動作するようにアクチュエータにコマンドする。

別の実施例では、大雨はもはや存在してないが、伝送表面が、通過する車両からの噴霧飛沫（約０．０１ｍｍ液滴サイズ）によって被覆され得る場合がある。以前の降雨事象からの液滴サイズの変化が、センサによって検出され、作動周波数を、より小さい液滴により効果的であると発見された別の周波数に変更するためのコマンドが、発行される。

ＳＣＵ１０３に電力を提供するために、ＥＰＳＵ１０１は、バッテリまたは発電機等、車両から独立した電力源から、もしくは車両バッテリ（両方とも図示せず）から電力を受容し得る。ＳＣＵにデータを提供するために、ＣＥＣＵは、車両電子制御ユニット（ＶＥＣＵ）またはＶＳ電子制御ユニット（ＶＳＥＣＵ）からデータを受信する。ＥＰＳＵおよびＣＥＣＵは、図１に示されるように、単一のＳＣＵを動作させる、またはＳＣＵのアレイを同時に動作させる（図示せず）ことができる。

図２は、ＳＣＵ１０３に見出されるもの等、センサ洗浄ユニットを備える、サブシステム内の詳細を提供する。ＳＣＵは、ＥＰＳＵ２４０から電力を受容し、ＣＥＣＵ２５０からデータを受信する。ＳＣＵは、アクチュエータ２００と、加熱要素２１０と、水噴霧ユニット２２０とを含む。実施形態では、加熱要素２１０が、伝送表面の凍結解除プロセスを加速させるために、アクチュエータから外側にノズルを通して排出される温度を上昇させるために使用される。アクチュエータ２００は、動作していない間にアクチュエータの中に進入した粒子（水または融解された氷等）を外に出すための排水開口部２０４を含む。ノズルカバー２０３は、動作していないとき、汚染物質がアクチュエータの中に進入することを防止するためにノズル２０１を被覆する。

実施形態では、ＳＣＵが、係合されると、ＥＰＳＵ２４０は、アクチュエータ２００に給電し、視覚センサ（ＶＳ）２３０の伝送表面２３１に指向される空気噴射２０２を発生させる。空気噴射２０２は、伝送表面２３１から粒子を除去する。実施形態では、ＣＥＣＵは、ＳＣＵに信号を送信し、水噴霧ユニット２２０をアクティブ化する。そのシナリオにおいて、ＥＰＳＵ２４０は、水供給導管２２１を通して水をアクチュエータ２００に近接する開口部に供給し、水噴霧２２２を発生させる、水噴霧ユニット２２０に給電する。伝送表面２３１上に水噴霧２２２を提供することによって、ＳＣＵは、それ自体で空気噴射２０２を使用して効果的に洗い流され得ない伝送表面２３１から、埃、泥、氷等の粒子を洗い流す。水噴霧２２２と空気噴射２０２とを交互に入れ替えることによって、ＳＣＵは、既存の車両におけるフロントガラスワイパーと水噴霧との組み合わせられる機能のように、伝送表面から湿潤した粒子および乾燥した粒子を両方とも除去することができる。

実施形態では（図示せず）、ＳＣＵは、空気噴射２０２および水噴霧２２２を発生させるための一対以上のアクチュエータを含む。ＣＥＣＵ２５０は、周波数、波形、デューティサイクル、オン／オフ、および電力振幅等のアクチュエータ２００パラメータを制御する。ＣＥＣＵ２５０は、オン／オフおよび流率等の水噴霧ユニット２２０パラメータを制御する。水噴霧は、水と空気噴射２０２との間の組み合わせが水噴霧２２２を作成するノズル２０１に水をもたらす、水導管２２１に水を提供する。

図２に使用されていない状態で示されるアダプタ２６０は、空気噴射２０２の元の関節運動が、伝送表面２３１を基準としたＳＣＵの位置付け制約に起因して伝送表面２３１上での粒子除去のために最適ではない実施形態において使用され得る。そのようなシナリオにおいて、アダプタ２６０は、粒子を除去するために最適な角度で伝送表面２３１（アダプタ２６０と併用されている状態に図示されていない）に到達するために、空気噴射２０２ａがアダプタ２６０を通して再指向されるようにアクチュエータ２００に取り付けられる。そのような実施形態では、空気噴射２０２ａの角度は、最適な角度が得られるまで、アダプタ２６０を介した誘導を通して修正され得る。

他の場合では、アダプタ２６０は、伝送表面２３１のより広い面積を被覆するための噴射の広がり角等の空気噴射２０２の他のパラメータに影響を及ぼすために使用される。アダプタ２６０の使用を通した広がり角もまた、最適な角度が到達されるまで、アダプタ２６０の誘導の使用を通して同様に調節されることができる。

水噴霧がアダプタ２６０（図示せず）を用いて発生されている実施形態では、水噴霧２２２ａ（図式的に示される）は、導管２２１を通して、その内部チャネルを混合チャンバとして使用してアダプタの中に、またはノズル２０１と同様に、水と空気噴射２０２ａとを組み合わせ、水噴霧２２２ａを作成して、その開口部に隣接してのいずれかで水を提供することによって発生される。

図３Ａに目を向けると、センサ洗浄ユニットが湾曲した表面を有する視覚センサと併用される実施形態が、示される。実施形態では、視覚センサ３２０の伝送表面３２１が、空気力学的、光学的、環境的、または他の目的のために湾曲した表面として成形される。そのような実施形態では、アクチュエータ３００のノズル３０１が、空気噴射３１０が伝送表面３２１を被覆するように誘導され、伝送表面３２１を横断した粒子除去を達成するように、伝送表面３２１の中に統合されてもよい。実施形態では、アクチュエータ３００は、視覚センサ３２０のパッケージングの中に統合され、そのサイズは、視覚センサ３２０のサイズによって述べられる制約によって決定されてもよい。実施形態（図示せず）では、アクチュエータ３００は、独立型ＳＣＵの一部であり、視覚センサ３２０の中に統合されていなくてもよい。アクチュエータおよび視覚センサがパッケージングを共有する実施形態では、アクチュエータは、具体的な視覚センサ専用である可能性が高い。その場合、ＣＥＣＵおよびＶＳＥＣＵは、同一であり、視覚センサは、洗浄プロセスの動作を直接制御する。言い換えると、アクチュエータは、視覚センサの一部であり、視覚センサは、これに電力およびデータを提供し、その動作をコマンドする。

図３Ｂに目を向けると、センサ洗浄ユニットが平坦な表面を有する視覚センサと併用される実施形態が、示される。本実施形態では、アクチュエータ３００が、視覚センサ３２０のパッケージングの外側に位置する。他の実施形態（図示せず）では、アクチュエータ３００は、視覚センサ３２０のパッケージングの中に統合されてもよい。アクチュエータ３００の動作に目を向けると、アクチュエータ３００は、視覚センサ３２０が、車両の安全性を維持するために要求される様式で物体を検出し得るように、伝送表面３２１を粒子がない状態に維持するために、空気噴射３１０および３１１を発生させる。一実施形態では、粒子３５０が、伝送表面３２１に接近し、その表面に付着する。この場合、アクチュエータ３００は、粒子３５１を伝送表面から離すように吹送することによってそれらを除去するノズル３０１を通して空気噴射３１０を発生させる。アクチュエータ３００は、伝送表面に対して引き起こされる降水、水ベースおよび埃タイプの粒子、ならびに干渉等の種々の環境要因に基づいて、ＳＣＵ（図示せず）によって係合されることができる。代替実施形態では、アクチュエータ３００は、時限サイクルに基づいて、または別の実施形態では、連続デューティサイクルに基づいて作動するようにプログラムされることができる。

代替実施形態では、アクチュエータ３００が、連続デューティサイクル（図示せず）に基づいて動作するとき、アクチュエータ３００は、ノズル３０１を通して空気噴射３１１を発生させる。空気噴射３１１は、粒子３５２が伝送表面３２１に到達しないように、それらを伝送表面３２１に到達しないように偏向させるエアカーテンを作成するために、伝送表面３２１から離れるように指向される。本実施形態では、空気噴射３１１は、付加的アクチュエータによって作成される。そのような実施形態では、各アクチュエータは、異なるように指向されるであろう。１つのアクチュエータが、伝送表面に向かって指向され、第２のアクチュエータが、伝送表面から離れるように、０〜４５度の角度で指向されるであろう。

図４Ａ−４Ｄは、本発明の実施形態に従って平坦な表面を有する視覚センサと併用されるときのセンサ洗浄ユニットの空気ならびに水噴霧構成の種々の構成を図示する。

図４Ａに示される実施形態では、水が、ノズル４０１ａを通して解放される。空気噴射４０４ａが、アクチュエータ４００によって、ノズル４０３ａを通して発生される。空気噴射４０４ａは、ノズル４０１ａを通して水と組み合わせられると、視覚センサ４１０の伝送表面４１１を洗浄するために水噴霧４０２ａを発生させる。実施形態では、空気噴射４０４ａは、水噴霧４０２ａの広がり、距離および粒子サイズ等の、その性質を修正するために、ＣＥＣＵによって制御される。

図４Ｂに示される実施形態では、水が、空気噴射４０３ｂと４０５ｂとの間に位置するノズル４０１ｂを通して解放される。空気噴射４０４ｂおよび４０６ｂが、アクチュエータ４００によって、それぞれ、ノズル４０３ｂならびに４０５ｂを通して発生される。空気噴射４０４ｂおよび４０６ｂは、ノズル４０１ｂを通して水と組み合わせられると、視覚センサ４１０の伝送表面４１１を洗浄するために水噴霧４０２ｂを発生させる。本実施形態では、空気噴射４０４ｂおよび４０６ｂは、各空気噴射が、交互に入れ替わる様式で異なる時間に最大振幅に到達するように、位相角差ならびに異なる電圧振幅を用いて動作される。ある実施形態では、位相角は、０〜１８０度の範囲に及び、電圧は、２０〜２００Ｖｒｍｓの範囲に及ぶ。好ましい実施形態では、水がノズル４０１ｂを通して解放される流率は、側方運動成分がない場合と比較して粒子除去能力を改良するように示されている、側方運動４０７ｂを伴う水噴霧４０２ｂを提供するために、空気噴射４０４ｂおよび４０６ｂの一方または両方のピーク電圧振幅と同期化される。

図４Ｃに示される実施形態では、空気噴射４０４ｃが、視覚センサ４１０の伝送表面４１１から粒子を除去するために、アクチュエータ４００によって、ノズル４０３ｃを通して発生される。実施形態では、アクチュエータ４００およびその対応する空気噴射４０４ｃが、ＳＣＵを備えるアクチュエータのより大きいアレイの一部であり得る。

図４Ｄに示される実施形態では、水噴霧４０２ｄが、視覚センサ４１０の伝送表面４１１から粒子を除去するために、アクチュエータ４００によって、ノズル４０１ｄを通して発生される。この場合、水が、アクチュエータ４００（図示せず）の内部部分の中に供給され、ノズル４０１ｄを通して排出される空気に加えて、外に押出される。別の実施形態（図示せず）では、水が、ノズル４０１ｄに取り付けられる、アダプタの中に供給される。別の実施形態（図示せず）では、水が、水噴霧４０２ｄがノズル４０１ｄを通して通過する空気噴射によって発生されるように、ノズル４０１ｄに隣接して供給される。

図５Ａおよび５Ｂに目を向けると、本発明のある実施形態に従って自動車両に関連して使用される場合のセンサ洗浄ユニットならびに視覚センサの種々のパッケージング構成の実施形態が、示される。図５Ａに描写される実施形態では、パッケージングエンクロージャ５３０は、アクチュエータ５００ａと、伝送表面５２０ａを伴う視覚センサ５１０ａとの両方を含む。アクチュエータノズル５０１ａが、エンクロージャ５３０の中に内蔵される。本実施形態では、アクチュエータ５００ａおよび視覚センサ５１０ａは、協働するように設計され、視覚センサ５１０ａは、ナビゲーション性能がある安全性閾値を下回り、アクチュエータ５０１ａの使用を通した伝送表面５２０ａの洗浄が要求されるときを判定する、その関連付けられる制御ハードウェアおよびソフトウェアを通してアクチュエータ５００ａにコマンドする。

図５Ｂに描写される実施形態では、アクチュエータ５００ｂおよび視覚センサ５１０ｂは、パッケージングエンクロージャの観点から相互に独立している。本実施形態では、アクチュエータアダプタ５０１ｂは、アクチュエータ５００ｂに取り付けられ、伝送表面５２０ｂから粒子をより効果的に除去するように空気噴射５０２ｂを指向する。

図６Ａ−６Ｃは、本発明の実施形態に従って３６０度視覚センサと併用されるときのセンサ洗浄ユニットを図示する。図６Ａに描写される実施形態では、アクチュエータ６０３ａが、視覚センサ６００ａの上または下に搭載され、視覚センサ６００ａの周囲に３６０度延在する、伝送表面６１０ａから粒子を除去する。本実施形態では、アクチュエータ６０３ａは、視覚センサ６００ａの全周の周囲に空気噴射６０１ａを解放するために、視覚センサ６００ａの円周に沿って分散される、複数のノズル６０２ａから成る。

図６Ｂに描写される実施形態では、アクチュエータ６０３ｂが、視覚センサ６００ｂの上または下に搭載され、視覚センサ６００ｂの周囲に３６０度延在する、伝送表面６１０ｂから粒子を除去する。本実施形態では、アクチュエータスタック６０３ｂは、極性ノズルアレイ６０２ｂが視覚センサ６００ａの全周の周囲に空気噴射６０１ｂを解放する、いくつかのアクチュエータを含む。

図６Ｃに描写される実施形態では、アクチュエータ６０３ｃが、視覚センサ６００ｃの周囲３６０度延在する、伝送表面６１０ｃから粒子を除去するために、電動式プレート６０４ｃの上または下に搭載される。本実施形態では、アクチュエータ６０３ｃは、伝送表面６１０の円周の周囲を回転するにつれて、ノズル６０２ｃを通して空気噴射６０１ｃを発生させる。回転プレート６０４ｃは、実施形態では、ＣＥＣＵ、ＶＳＥＣＵ、またはＶＥＣＵによって、ノズル６０２ｃを位置付け、これに付着する粒子による視覚阻害を被る伝送表面６１０ｃの円周を横断した場所に空気噴射６０１ｃを発生させるために制御される。

図７は、本発明のある実施形態に従って移動する車両に関連して使用される場合のセンサ洗浄システム統合構成の図である。本実施形態では、車両７００は、自律型または運転者支援型車両のいずれかであり得る。実施形態では、車両７００は、車両システム（洗浄システムではない）の一部である、車両電子制御ユニット７０２（ＶＥＣＵ）、洗浄電子制御ユニット７０５（ＣＥＣＵ）、視覚センサ７１０、７２０、７３０、７４０、７５０（ＶＳ）にセンサ洗浄目的のための要求された入力を提供することが課される、車両電子的センサ７０１（ＶＥＳ）を装備する。実施形態では、ＶＳ７１０、７２０、７３０、７４０、７５０は、レーダ、ライダ、またはカメラ等の視覚光スペクトル等、視覚感知技術を利用することができる。

実施形態では、ＶＳ７１０、７２０、７３０、７４０、７５０が、正面および背面バンパ、ドア、ホイールカバー、屋根、ならびにボンネット等の車両の外部表面に統合される。代替実施形態では、ＶＳ７１０、７２０、７３０、７４０、７５０は、車両の屋根ラックまたは底部上に配設されるポッド等、車体の外部と別個の独立型設備として配設されることができる。ある実施形態では、あるＶＳが、車両外部表面に統合され、他のＶＳが、独立型設備として配設される。

実施形態では、車両７００はまた、個別のＶＳを洗浄することに専用である、センサ洗浄ユニット７１５、７２５、７３５、７４５、７５５（ＳＣＵ）と、実施形態では、ＳＣＵＳにコマンドするためにＣＥＣＵに要求される入力を提供する、カメラ、降水センサ、気流センサ、または同等物等のセンサを備える、センサ洗浄ユニットセンサ７１６（ＳＣＵＳ）とを装備する。実施形態では、車両７００はまた、視覚センサ７２１（ＶＳＳ）と、視覚センサ電子制御ユニット７２２（ＶＳＥＣＵ）とを装備する。

図７に描写されるセンサ洗浄システムの実施形態は、種々の構成において動作することができる。一実施形態（「独立型システムアプローチ」）では、洗浄システムの制御権限は、車両７００またはＶＳ７１０、７２０、７３０、７４０、７５０から独立している。この場合、ＣＥＣＵ７０５は、ＳＣＵＳ７１６から、洗浄のために要求されるデータを受信する。ＳＣＵＳ７１６から受信されるデータは、伝送表面上の粒子によって遮断される面積のサイズを含む。ＣＥＣＵ７０５は、データを分析し、開始／遮断、電圧振幅、作動周波数、デューティサイクル、および波形タイプ等のコマンドを、車両７００上の異なる場所におけるそれらの個別の視覚センサと関連付けられる、ＳＣＵ７１５、７２５、７３５、７４５、７５５のアレイに提供する。本実施形態によると、ＣＥＣＵ７０５は、ＳＣＵのアレイ全体、アレイの一部、または単一のＳＣＵのいずれかにコマンドする。１つを上回るＳＣＵを制御するとき、ＣＥＣＵ７０５は、それらが課されるＶＳのタイプ、車両の周囲の場所、およびＶＳが暴露される局所的気流条件等のパラメータに応じて、種々のＳＣＵに同時に異なるコマンドを提供する。

一実施形態（「ティア２アプローチ」）では、ＳＣＵ７１５、７２５、７３５、７４５、７５５がそれぞれ、洗浄することを課された、ＶＳ７１０、７２０、７３０、７４０、７５０によって制御される。各ＳＣＵは、ＶＳＳ７２１と、ＶＳＥＣＵ７２２とを含む、ＶＳシステムを通してコマンドを受信する。本実施形態によると、ＶＳＳ７２１またはＶＳ７２０は、洗浄するために要求されるデータをＶＳＥＣＵ７２２に提供する。ＶＳＥＣＵ７２２は、専用のＳＣＵ７２５にコマンドする。ＳＣＵ７２５は、洗浄アクションを実施し、いったんＶＳＳ７２１またはＶＳ７２０が、要求される視覚レベルもしくはＶＳ７２０と関連付けられる、関連付けられる性能が達成されたことの入力をＶＳＥＣＵ７２２に提供すると、停止されることができる。

一実施形態（「ＯＥＭアプローチ）では、洗浄システムは、ＶＥＳ７２１と、ＶＥＣＵ７０２とを含む、車両システムによって制御される。ＶＥＣＵ７０２は、ＶＥＳ７２１から洗浄要求を受信する。ＶＥＣＵ７０２は、ＳＣＵ７１５、７２５、７３５、７４５、７５５のアレイまたはＳＣＵ７１５、７２５、７３５、７４５、７５５のうちの１つ以上のものにコマンドする。

ＳＣＵのアレイを制御するための一実施形態（「ハイブリッドアプローチ」）では、ＳＣＵアレイの個々のものまたは一部が、上記に議論されるアプローチのうちの１つ（例えば、独立型システムアプローチ、ティア２アプローチ、もしくはＯＥＭアプローチ）によって制御される一方、アレイの１つ以上の部分は、アレイ全体が、提供されるアプローチのうちの少なくとも２つのものによって制御されるように、上記に議論される他のアプローチによって動作される。

図８は、本発明のある実施形態に従って移動する車両に関連して使用される場合のセンサ洗浄システムの動作の概略図である。本実施形態では、センサ洗浄システムは、洗浄性能を動的車両条件に適合させる。本実施形態では、液滴サイズ８４０、運転速度８４５、見掛け上の風向速度８５０、および伝送表面８００の物体検出ステータス８５５等の一連の外部環境、動作、機械に関する入力が、洗浄電子制御ユニット８３５（ＣＥＣＵ）に提供される。

ＣＥＣＵ８３５は、短い立ち上がりと、長い立ち下がりとを伴う、ある周波数の台形波形８１０、低い周波数の正弦波形８２０、および高い周波数の正弦波形８３０等の入力を提供し、また、視覚センサの性能の異なる重要性を持つ、伝送表面８０４、８０５、８０６を横断した種々の地理場所に位置する、異なる寸法、接触角、ならびに密度の液滴等の、粒子８０１、８０２、または８０３を除去するための、１つ以上のセンサ洗浄ユニットアクチュエータ８１５を制御するために、変調周波数およびデューティサイクル等の付加的な信号調整パラメータを含み得る。

洗浄性能が、作動周波数および波形等の作動パラメータの関数であることが発見されている。故に、ある実施形態では、制御システムは、あるサイズの粒子を感知すると、短い立ち上がりと、立ち下がりとを伴う台形波形のための命令を伝送する。波形の形状、すなわち、無電圧からピーク電圧までの急激な上昇は、アクチュエータによって発行される急激な空気噴射に転換する。空気噴射が、非常に短い時間周期で高速で伝送表面に衝打すると、空気噴射によって衝打される面積に近接して位置する液滴が、平衡状態から外れるように励起され、隣接する液滴と合体し、より大きい湿潤面積を形成する。

空気噴射が、はるかにより小さい液滴と比較して、これらの合体された湿潤面積を、より長い距離にわたって伝送表面を横断して搬送することにおいてより効果的であることが発見されている。また、純粋正弦波等の同一波形の異なる作動周波数が、伝送表面を横断して異なる液滴サイズをより良好に搬送することも発見されている。好ましい実施形態では、事前に設計される信号が、使用される。これらの事前に設計される信号は、あるシナリオのためにカスタマイズされるべき周波数範囲の具体的な周波数における、波形のシーケンスを含むように構築される。例えば、事前に設計される信号は、アクチュエータによって消費される電力を低減させながら、伝送表面を横断して液滴を搬送するために、液滴を破壊および合体させるためのいくつかの台形波によって開始し、その後、低周波数の正弦波サイクルが続き得る。いったん液滴が表面から除去されると、信号は、維持モードとして、２５％のデューティサイクルを伴うパルス幅変調、すなわち、粒子を完全に除去するわけではないが、それらの蓄積を遅延させる、低電力消費空気噴射に変化し得る。

表１は、洗浄サイクルを適用したときに伝送表面上に認められるものを例証する、実験データを提示する。Ｙ軸は、伝送表面の妨害レベル査定結果を示す。言い換えると、洗浄システムは、伝送表面が水液滴によって遮断される程度を（そのセンサを通して）記録する。Ｘ軸は、時間である。左から右に開始し、水液滴が表面上に到達するまで、伝送表面上には妨害は存在していない。いったんアクチュエータが適用されると、妨害レベルは、低下する、すなわち、アクチュエータは、液滴の一部を除去し、表面の一部を清浄する。曲線は、伝送表面上の液滴が異なるサイズである場合を表す。表１によって図示されるように、アクチュエータは、異なるサイズの液滴に関して異なる影響を及ぼす。

図９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ、９Ｅ、および９Ｆは、本発明の実施形態による、アクチュエータを使用する水液滴サイズと作動周波数との間の依存状態を図示する。図９Ａ、９Ｂ、および９Ｃは、それぞれ、伝送表面から４ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０１ｍｍの直径の水液滴を除去する、高周波数（１，０４０Ｈｚ）アクチュエータを図示する。図９Ｄ、９Ｅ、および９Ｆは、それぞれ、伝送表面から４ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０１ｍｍの直径の水液滴を除去する、低周波数（３６０Ｈｚ）アクチュエータを図示する。

図９Ａ−９Ｆに見られるように、高周波数アクチュエータは、より高い速度を有しているが、作動周波数は、異なるサイズの液滴を除去することによってより大きい影響を及ぼす。したがって、高周波数アクチュエータは、大きい駅逓を除去することにおいて非常に効果的であり、より小さい液滴に対してあまり効果的ではないが、低周波アクチュエータは、反対の効果を有する。故に、実施形態では、高周波数が、より大きいサイズ（例えば、約４ｍｍ）の液滴を除去するためにアクチュエータに使用される一方、低周波が、より小さいサイズ（例えば、約０．０１ｍｍ）の液滴を除去するために使用される。実施形態では、中間周波数が、中間のサイズ（例えば、約０．０１ｍｍ〜約４ｍｍ）の液滴を除去するために選定される。

図１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、および１０Ｅは、本発明の実施形態によるアクチュエータを使用する空気噴射と、種々の直径の水液滴との間の相互作用を図示する。具体的には、図１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、および１０Ｅは、空気噴射と伝送表面を網羅する４ｍｍ液滴との間の相互作用を図示する。空気噴射の最初の衝撃は、近辺にある液滴を、それらの近傍にある他の液体と合体するように導く。

さらに、図１０に図示されるように、具体的な波形を使用することは、空気噴射が最初に光学表面に衝打する合体を発生させる。図１０Ａ−１０Ｅは、短時間にわたる作動を図示する。図１０Ａは、０．７秒の作動を伴う伝送表面を示す。図１０Ｂは、０．９５秒の作動を伴う伝送表面を示す。図１０Ｃは、１．２４秒の作動を伴う伝送表面を示す。図１０Ｄは、１．４秒の作動を伴う伝送表面を示す。図１０Ｅは、４．５１秒の作動を伴う伝送表面を示す。図１０Ｅに図示されるように、４．５１秒後、液滴は、合体し、表面を洗浄した。

図１１は、光起電力パネル１１００と併用される合成噴射アクチュエータを使用する、センサ洗浄ユニットを図示する。実施形態では、アクチュエータ１１１０は、光起電力ソーラーパネル１１００の周辺縁上に搭載される。一実施形態では、洗浄電子制御ユニット（図示せず）が、光起電力パネル１１００の表面１１１１の妨害を示す、電気発生効率データを受信するように構成される。妨害レベルが、ある閾値に到達すると、アクチュエータ１１１０は、光起電力パネル１１００の表面１１１１を横断して指向され、表面１１１１から埃、花粉、および同等物等の妨害物を洗浄する、噴射１１１５を作成し始める。

Claims (18)

1. 車両視覚センサの表面を洗浄するためのシステムであって、前記システムは、
   車両上に搭載され、流体噴射を前記車両視覚センサの上に指向するように構成される少なくとも１つのアクチュエータを有するセンサ洗浄ユニットと、
   前記車両上に搭載され、前記車両に近接する環境センサデータを捕捉するように構成される少なくとも１つの環境センサを有するセンサ洗浄ユニットセンサと、
   前記センサ洗浄ユニットセンサから前記環境センサデータを受信し、前記受信された環境データに基づいて、前記センサ洗浄ユニットの少なくとも１つのアクチュエータを制御するための駆動周波数および駆動振幅のうちの少なくとも一方を判定するように構成される洗浄電子制御ユニットと
   を備える、システム。
2. 前記環境センサは、降水センサ、または、見掛け上の風速および風向を判定するように構成される気流センサのうちの少なくとも一方を含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記降水センサは、降水事象の間に雨滴サイズの直径を判定するように構成される、請求項２に記載のシステム。
4. 前記洗浄制御ユニットが、０．０１ｍｍの雨滴直径サイズのための３６０Ｈｚから、４ｍｍの雨滴直径サイズのための１，０４０Ｈｚまでの範囲に及ぶ駆動周波数を設定する、請求項３に記載のシステム。
5. 前記アクチュエータは、パルス波変調を使用して動作する、請求項４に記載のシステム。
6. 前記センサ洗浄ユニットに接続される水源をさらに備え、
   前記洗浄電子制御ユニットは、前記受信される環境データに基づいて、前記センサ洗浄ユニットのアクチュエータとの併用のための前記水源または周囲空気からのいずれかの水の一方を使用することを選定するようにさらに構成される、請求項５に記載のシステム。
7. 車両視覚センサの表面を洗浄するためのシステムであって、前記システムは、
   車両上に搭載され、流体噴射を前記車両視覚センサの上に指向するように構成される少なくとも１つのアクチュエータを有するセンサ洗浄ユニット
   を備える、システム。
8. 車両視覚センサから、車両視覚センサ伝送表面を通した伝送信号の妨害の量を示す視覚センサ伝送表面妨害レベルデータを受信するように構成される洗浄電子制御ユニットをさらに備え、
   前記洗浄電子制御ユニットは、前記伝送信号の妨害の量が所定の閾値を超過すると、前記センサ洗浄ユニットの少なくとも１つのアクチュエータを制御するための駆動周波数および駆動振幅のうちの少なくとも一方を判定する、請求項６に記載のシステム。
9. 車両視覚センサの表面を洗浄するための方法であって、前記方法は、
   車両上に搭載されるセンサ洗浄ユニットセンサから前記車両に近接する環境センサデータを捕捉することと、
   洗浄電子制御ユニットによって、前記車両上に搭載されるセンサ洗浄ユニットの少なくとも１つのアクチュエータを制御するための駆動周波数および駆動振幅のうちの少なくとも一方を判定することと、
   前記センサ洗浄ユニットの少なくとも１つのアクチュエータによって、前記車両視覚センサの表面を洗浄するための流体噴射を発生させることと
   を含む、方法。
10. 光起電力ソーラーパネルの表面を洗浄するためのシステムであって、前記システムは、
    前記光起電力ソーラーパネルの周辺縁上に搭載され、流体噴射を前記光起電力ソーラーパネルの上に指向するように構成される少なくとも１つのアクチュエータを有するセンサ洗浄ユニットと、
    前記光起電力ソーラーパネルと関連付けられる制御ユニット、または前記洗浄システムと関連付けられるエネルギー貯蔵測定デバイスから、前記光起電力パネルの妨害を示す電気発生効率データを受信するように構成される洗浄電子制御ユニットと
    を備え、
    前記洗浄電子制御ユニットは、発生効率量が所定の閾値を下回ると、前記センサ洗浄ユニットの前記少なくとも１つのアクチュエータを制御するための駆動周波数および駆動振幅のうちの少なくとも一方を判定する、システム。
11. 前記アクチュエータは、前記流体噴射の温度を制御するために、少なくとも１つの加熱要素を含む、請求項１に記載のシステム。
12. 前記アクチュエータは、非使用時に汚染物質が前記アクチュエータに進入することを防止するためにノズルを開放または遮断するための、排水部と、電気的に制御されるノズルカバーとを含む、請求項１に記載のシステム。
13. 前記アクチュエータは、前記流体噴射と組み合わせられると水噴霧を発生させる水を供給される、請求項１に記載のシステム。
14. 前記アクチュエータは、車両搭載視覚センサの周囲に３６０度巻着する伝送表面から粒子を除去するために、電動式プレートの上または下に搭載され、さらに、
    前記アクチュエータは、これが伝送表面の円周の周囲で回転するにつれて、流体噴射を発生させ、
    回転プレートが、これに付着する粒子による視覚阻害を被る前記伝送表面の円周を横断した場所に前記流体噴射を位置付けるために、前記視覚センサ、洗浄システム、または車両システムのうちの１つ以上のものと関連付けられる、電子制御ユニットによって制御される、請求項１に記載のシステム。
15. 前記アクチュエータは、視覚センサと統合され、前記流体噴射は、空気力学的、光学的、環境的、または他の目的のために視覚センサを被覆するための湾曲した表面として成形される伝送表面を通して誘導される、請求項１に記載のシステム。
16. 前記センサ洗浄ユニットは、２つの流体噴射ノズルをさらに備え、
    １つの水ノズルが、水の解放のために前記２つの流体噴射ノズル間に位置し、前記流体噴射ノズルから分注される前記流体噴射が、前記水ノズルからの水と組み合わせられ、水噴霧を発生させるように構成される、請求項１に記載のシステム。
17. 前記２つの流体噴射はそれぞれ、各空気噴射が交互に入れ替わる様式で異なる時間において最大振幅に到達するように、異なる電圧振幅で動作される、請求項１６に記載のシステム。
18. 水が前記水ノズルを通して解放される流率が、側方運動を有する水噴霧を発生させるために、前記２つの流体噴射のピーク電圧振幅と同期化される、請求項１７に記載のシステム。

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