JP3715324B2 - ウインドウの容量性湿気センサ - Google Patents

Description

発明の技術分野および背景技術
本発明は、自動車のウインドウの湿気センサに関するものであり、より詳細には、自動車のウインドウの内側表面の湿気を感知し、ウインドウヒータを自動的に作動させるのに特に適した湿気センサに関するものである。
ワイパーの動作を自動化するために、自動車のフロントガラスの湿気センサが提案されている。そのようなタイプの湿気センサの１つは、フロントガラスと空気との接触面で反射される光線の内面反射の全体的な変化を感知することにより雨滴を電気光学的に検出することに基づいている。このタイプの典型的な湿気センサが、米国特許４，８５９，８６７号に記載されている。
フロントガラス表面の湿気を感知する別の方法は、水の比誘電率が、比較的大きく（約８０）、フロントガラス上に蒸着された１組の導電性電極間の静電容量に影響を与えることを利用している。この方法に基づいた湿気センサは、フロントガラスと一体化され、潜在的に、光学式湿気センサより安価であり目立ちにくい。２つのそのような湿気センサが、米国特許４，８０５，０７０号および米国特許４，８３１，４９３号に記載されている。これらの湿気センサでは、フロントガラスの外側表面が電極で被覆されているが、その電極は、ワイパーの動きと空気中を浮遊する粒子との協同作用による摩滅に晒された状態のままとなっている。
この欠点を克服する試みとして、誘電性電極をフロントガラスのガラス層間に蒸着することが提案されている。このタイプの典型的な湿気センサが、米国特許３，８２６，９７９号、米国特許４，７０３，２３７号、米国特許４，８２７，１９８号、米国特許４，６１３，８０２号、および米国特許４，５５４，４９３号に記載されている。しかしながら、感知電極を水滴から分離する誘電体ガラス層は、ガラスの温度効果および機械的応力の結果として生じる寄生信号と比較して非常に小さくなる程度にまで湿気信号を減少させる。この寄生信号が一定であれば、一定の差し引きセンサ出力誤差をもたらすであろう。ガラスの比誘電率は温度依存性であり、それゆえ、例えば種々の差し引き誤差（offset error）が生じるので、寄生効果はできる限り抑制しなければならない。
従来の容量性湿気センサの更なる欠点は、フロントガラスの両側表面の湿気に対して感応性を持つ、すなわち、フロントガラスの外側表面の湿気とフロントガラスの内側表面の湿気とを区別しないことである。
ウインドウヒータや熱風曇り除去器の動作を自動化するために自動車のウインドウの内側表面の湿気を感知する容量性湿気センサが他の出願において考えもされなかった理由の１つは、おそらく、従来のフロントガラスの湿気の容量的感知方法が、フロントガラスの外側表面の湿気を感知するための実現可能な解決策を提供できなかったという事であろう。この出願では、センサは、フロントガラスでの摩滅の心配がなく、しかも、電極をウインドウ層の間に埋設することによってセンサの感度を落とす必要がないであろう。
本発明の目的は、自動車のウインドウの内側表面の湿気を感知するのに適した静電容量型湿気センサを提供することにある。
本発明の他の目的は、ウインドウの抵抗性ヒータネットワークと同じ工程で同時に取り付けることができる静電容量型湿気センサを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、ウインドウにおける感知されない他方の側（第２の側）の表面上の湿気の存在に対して非感応性（insensitive）であるウインドウの容量性湿気センサを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、ウインドウヒータまたは曇り除去器を自動的に作動させるための容量性湿気センサを提供することにある。
発明の概要
本発明は、ウインドウの外側表面への降水に対して本質的に非感応性である、ウインドウの内側表面上に感知電極を備える自動車のウインドウの容量性湿気センサを提供するものである。上記センサは、リアウインドウへの使用を意図したものである。上記感知電極は、ウインドウヒータネットワークと一体化されることができ、制御回路を介して自動的にウインドウヒータネットワークを作動させることができる。
本発明の内側表面湿気センサは、フロントガラスのような他のウインドウにも適用することができ、その場合、熱風または電気的加熱による曇り除去を自動化することができる。
本発明のセンサは、湿気が検出されるべきウインドウ表面に取り付けられる。それゆえ、本発明のセンサは、ウインドウ表面に露出されているので、従来のセンサのような感応性の問題がなく、湿気信号のレベルは、埋設された電極の場合より高いオーダーとなる。それゆえ、時間および温度によって変化し応力依存性であるガラス誘電体を通しての寄生結合（parasitic coupling）は、僅かである。さらに、高い信号レベルのために、寄生容量の問題がなく、しかも、作動入力エレクトロニクス、あるいは遮蔽のような他の用心が必要ない。チャージアンプ１７は、実質的に運転手の視野を不明瞭化しないであろうウインドウの縁の近くのどこかに配置すると都合が良い。また、信号処理エレクトロニクスの残りをチャージアンプ１７と同じ小さいモジュール内に配置していてもよい。
【図面の簡単な説明】
本明細書では、以下の添付図面を参照しながら、限られた例に基づいて本発明を説明する。
図１は、典型的な容量性センサの上面図である。
図２は、湿気センサシステムの典型的なブロック図を示す。
図３Ａは、湿気センサの側面図である。
図３Ｂは、保護層を持つ湿気センサの側面図である。
図４は、一体化されたセンサおよびヒータを示す。
好ましい実施形態の詳細な説明
図１は、本発明に係る典型的な湿気センサの概略上面図を示す。湿気センサは、２つの電極１２および１３を備えている。上記の電極１２は、交流電圧源１５によって、典型的な周波数１０ｋＨｚで励起（excited）される。上記各電極は、ウインドウ１０上に被覆されている。上記各電極は、真空蒸着された薄いフィルムや、シルクスクリーンによって印刷された厚いフィルムなど、いかなる導電性材料からなっていてもよい。上記の信号電極である電極１３は、上記各電極の幾何（geometry）と、上記ガラスウインドウ１０および空気を含み、場合によって湿気層をさらに含む上記各電極の周囲の媒体とによって決められる容量的に誘導された電流を集める。
図２は、湿気センサシステムの典型的なブロック図を示す。発振器１５は、相補的な２つの交番電圧ＱおよびＱ’を生成する。電圧Ｑは、上記の励起電極（excitation electrode）１２に印加され、電圧Ｑ’は、「乾燥」条件での電極１２と電極１３との間の静電容量Ｃsensorに見かけ上等しい値を持つ固定キャパシタ１６に印加される。上記各電極が濡れていると、静電容量Ｃsensorは、水の誘電性のために増加する。実際には、水は、土壌や塩しぶき（salt spray）などのために純粋でないことがあるため、上記各電極間のインピーダンスは、抵抗成分を含むことがある。この抵抗成分は、励起電圧のＤＣ成分と組み合わされてアンプへの過負荷を引き起こすことがある。この理由で、電極１３は、結合キャパシタ１４を通して上記アンプの入力に繋がれている。キャパシタ１６はＣsensorに見かけ上等しいので、チャージアンプ１７の実質的なアース入力に流れ込む正味の電流は、アンプ出力電圧と同様に、零である。実際は、製造許容のために、乾燥した状態であっても何らかの固定出力信号を存在させてもよい。この固定出力信号は、製造時に校正によって除去してもよい。
湿気センサを条件付ける残りの信号は、次の通りである。
復調器１８は、チャージアンプ１７の交番出力信号を単極性電圧に変換する。該単極性電圧は、ローパスフィルタ１９によって平滑化され、ＤＣ電圧に変換される。上記復調器の動作は、従来公知のものであり、励起電源１５と同期してその利得を−１から＋１まで切り換えることに基づいている。湿気層の厚さに依存するローパスフィルタ２０の出力は、論理レベルの出力を生成するために、比較器２０によって予め設定された閾電圧と比較される。上記の論理レベルの出力は、ウインドウヒータあるいは霜取り装置システムに対するコマンド信号として用いてもよい。安定した遷移を保証するために、比較器２０は、特定量のヒステリシスを含むことが好ましい。センサシステムは、タイマー２１も備えている。その目的を以下に説明する。
上記ウインドウの第２の側（外側）の表面の雨滴は有効な側（車に対する内側）の表面の湿気と同様に上記センサの静電容量に影響を与えるであろうから、理論的には、センサは、図１に示されるように、ガラスウインドウ１０の両側表面の湿気に対して感応性であろう。このような感応性は望ましくないが、その感応性を制御してわずかに小さくする方法があることが見出された。これは、電極１２と電極１３との間の横方向の離間距離ｄが、上記ウインドウの内側表面の湿気に対する望ましい感応性と、上記ウインドウの外側表面の水に対する望ましくない感応性との両方に影響を与えるという事に基づいている。上記ウインドウの内側表面の湿気に対する感応性は、上記各電極間の電界強度に比例、すなわち、図３Ａの分図で示すように、ほぼ１／ｄに比例する。上記ウインドウの外側表面の湿気に対する感応性は、上記各電極からの距離Ｄにおける縁取り（fringing）電界線に依存し、ほぼｄ／Ｄに比例する。これらの力線の密度は、（誘電体）ガラスの短絡（shunting）効果によってさらに低減される。それゆえ、２つの感度の比は、Ｄ／ｄ２に比例、すなわちｄの二乗に逆比例する。この比は、Ｄ＝５ｍｍかつｄ＝１ｍｍである場合に約１／２０であることが見出された。上記各電極の幅は、上記ウインドウの感知されない表面の湿気に対する感応性を求める上では比較的重要性が低い。
他の変形例では、図３Ｂに示すように、上記ウインドウの感知されない表面５０の湿気に対する完全な非感応性を与えるために、ラミネートされた自動車ウインドウの積層ガラス５１０の内部ラミネート層５２上に保護電極５１を組み込んでもよい。
図４は、パターニングされたヒータ部材２０と２つのセンサ電極１２および１３とを含む、典型的な一体化されたヒータネットワークおよびセンサを示す。上記の２つのセンサ電極は、隣接する複数のヒータ配線と平行であり、かつ、隣接する上記各ヒータ配線から等しい距離だけ離間している。これは、上記ウインドウの内側表面に湿気が存在する状態においては、まず最初に上記ヒータが上記ヒータ配線近傍の湿気を蒸発させる一方、最後に乾燥される領域は、上記各ヒータ配線に平行な上記各ヒータ配線間に位置する複数の線の形状となる。複数の感知電極をこの領域に配置すれば、各感知電極は、蒸発が完了するまで残留湿気の存在を感知するであろう。完全な蒸発を保証するために、上記ヒータは、比較器２０が低状態に切り換わった後、ある時間の間点灯したままにすることが望ましい。上記の低状態は、湿気が存在しないことを示す。これは、比較器２０が上記低状態に移行することによって起動されるタイマー２１によって達成される。上記の比較器およびタイマーはＯＲ−ゲート２２と結合され、この結合により、完全な乾燥を保証する追加持続時間を持つ加熱コマンドが出力される。上記の追加持続時間は、タイマー２０のタイムアウトによって与えられる時間的遅延であり、それは、ヒータ消灯の遅延を与える。
電極の幾何および電極の数が、本発明の範囲内で変更できることは、当業者には明らかであろう。
さらに、本発明の内側表面ウインドウ湿気センサは、完全な湿気感知システムを提供するために、他の湿気センサと組み合わせてもよい。例えば、本発明の内側表面湿気センサは、上述した光学式湿気センサのような従来の湿気センサと共に使用してもよい。
また、センサエレクトロニクスも、種々の利用に適応させるために必要に応じて変更してもよい。
本発明について限られた数の実施形態に関して記述したが、本発明に対して多くの変形、変更、および他の応用をなしうることが分かるであろう。

Claims (10)

1. ウインドウの第１表面の湿気を感知するための湿気感知装置であって、
   （ａ）容量的に結合するように上記ウインドウの第１表面上に配置された、少なくとも１つの励起電極と、少なくとも１つの信号電極と、
   （ｂ）上記励起電極に対して、励起電圧を供給するための交流電圧源と、
   （ｃ）上記信号電極と接続された電子回路であって、上記励起電極と信号電極との間の静電結合が、ウインドウの第１表面上の湿気の存在を示す特定の閾値を超える場合、論理出力を生み出すために上記信号電極内で生み出される容量的な誘導信号を処理するための電子回路と、を備えており、
   上記電子回路は、上記各電極間のインピーダンスの抵抗成分によってもたらされる上記誘導信号の成分を無視するように形成されており、
   上記電子回路は、上記各電極間のインピーダンスの抵抗成分によってもたらされる上記誘導信号の成分を無視するための同期復調器を備えている湿気感知装置。
2. 上記励起電極と信号電極とは、一組の長く平行な電極として設けられている請求項１に記載の湿気感知装置。
3. 上記ウインドウの厚みはＤであり、上記励起電極と信号電極とは最小間隔ｄのみ離間しており、上記ｄは、Ｄ／５より小さい請求項１に記載の湿気感知装置。
4. 上記電子回路は、上記静電結合が上記特定の閾値を下回った後、所定の期間、上記出力信号を維持するように形成されたタイマーを備えている請求項１に記載の湿気感知装置。
5. 湿気の感知・蒸発システムであって、
   （ａ）請求項１に記載の湿気感知装置と、
   （ｂ）上記出力信号によって活性化されるために、上記湿気感知装置と結合した蒸発システムとを備えている湿気の感知・蒸発システム。
6. 上記蒸発システムは、ウインドウの第１表面上にパターニングされたヒータ部材を備えており、上記励起電極と信号電極の少なくとも一方は、上記パターニングされたヒータ部材の隣接する線と平行、かつ間隔をあけるように、長く平行な電極として設けられている請求項５に記載の湿気の感知・蒸発システム。
7. ウインドウの第１表面上の湿気に応じて、湿気を蒸発させるシステムを自動的に始動させる方法であって、
   （ａ）容量的に結合するように上記ウインドウの第１表面上に配置された、励起電極と信号電極とを設ける工程と、
   （ｂ）上記励起電極に対して交流電圧を印加する工程と、
   （ｃ）上記励起電極と信号電極との間の静電結合が、ウインドウの第１表面上の湿気の存在を示す特定の閾値を超える場合、検出するために上記信号電極内で生み出される容量的な誘導信号を処理する工程と、
   （ｄ）上記閾値を超える場合、上記蒸発システムを活性化させる工程と、を含んでおり、
   上記処理工程は、上記各電極間のインピーダンスの抵抗成分によってもたらされる上記誘導信号の成分を無視するために実行され、
   上記処理工程は、上記各電極間のインピーダンスの抵抗成分によってもたらされる上記誘導信号の成分を無視するための同期復調器を使用する工程を含んでいる方法。
8. 上記励起電極と信号電極とは、一組の長く平行な電極として設けられる請求項７に記載の方法。
9. 上記ウインドウの厚みはＤであり、上記励起電極と信号電極とは最小間隔ｄのみ離間しており、上記ｄは、Ｄ／５より小さい請求項７に記載の方法。
10. 上記動作は、上記静電結合が上記特定の閾値を下回った後、所定の期間、上記出力信号を維持しつづける請求項７に記載の方法。

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