JP3783333B2 - 雨滴検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、雨滴検出装置に関するものであって、特に光学式の雨滴検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光学式の雨滴検出装置として、特開昭６１−１１６６４５号公報に記載されているものがある。この従来装置では、車両の窓ガラスに雨滴があると、自動的にワイパーを駆動するものである。
そして、この従来装置では、窓ガラスに雨滴が有ると無いときではガラスの反射率が異なることを利用し、発光素子（発光ダイオード）の光窓ガラスの雨滴検出エリアに入射させ、窓ガラスにて反射した光量を受光素子にて検出する。そして、この検出された雨滴検出信号は、雨滴の有る無しで異なるので、雨滴検出信号の変化を見ることで、上記雨滴検出エリアに付着する雨滴の有無を検知している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来装置では、発光素子自身の輝度（発光強度）のむらによって、雨滴検出感度が均一になりにくいという問題がある。具体的には、発光素子の発光中心部（発光軸）では最も光強度が強く、この発光中心部から離れるにつれて、光強度が弱くなる。従って、上記雨滴検出エリアのうち、上記発光中心部に対応する部位に雨滴が付着すると、雨滴検出信号は大きく変化するが、上記発光中心部に対応する部位から離れた部位に雨滴が付着すると、雨滴検出信号の変化は小さい。これにより、雨滴の大きさが同じであっても、雨滴検出エリアのうち何処に付着するかによって、雨滴検出の感度が著しく変化する。
【０００４】
そこで、本発明は、雨滴検出エリア内での雨滴検出感度を均一にすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そして、上記目的を達成するために、本発明者は、発光素子の光のうち、光強度が強い光を散乱させることで、発光素子から受光素子へ入射する入射光の光強度の分布を均一にすることができるのでないとかと着想した。このような着想により、請求項１ないし３記載の発明では、発光素子（８）の光を散乱させることで、発光素子（８）から前記受光素子（９）へ入射する入射光の光強度の分布を均一化する均一化手段（３２、３４）を備え、この均一化手段（３２、３４）は、前記発光素子（８）の光の発光軸に対応する中心部位から外側にいくほど光の散乱が小さくなるようになっていることを特徴としている。
【０００６】
これにより、均一化手段により、発光素子の光が散乱されて、発光素子から受光素子へ入射する入射光の光強度の分布が均一化されるので、雨滴対象物の雨滴検出エリア内で何処に雨滴が付着しようとも、雨滴検出の感度を均一にでき、雨滴検出精度が向上できる。具体的な手段としては、請求項２記載の発明のように発光素子（８）と受光素子（９）との光路中に設けられた透過部材（１０、３０、３１）を有し、均一化手段（３２）は、透過部材（１０、３０、３１）に一体的に形成された凹凸部（３２）であり、上記した中心部位から外側に行くほど凹凸部（３２）の密度が小さくなっているものとすると良い。
【０００７】
なお、ここで言う凹凸部とは透過部材に単に凸部を形成したものでも凹凸部であり、透過部材に単に凹部を形成したものでも凹凸部と定義する。
また、本発明者は、上記目的を達成するために、別の手段として発光素子の光のうち、光強度が強い光を遮光させることで、発光素子から受光素子へ入射する入射光の光強度の分布を均一にすることができるのでないとかと着想した。
【０００８】
このような着想により、請求項４記載の発明では、発光素子（８）と受光素子（９）との光路中に設けられ、受光素子（９）へ入射する入射光の光強度の分布を均一化する遮光部材（３４）を備え、この遮光部材（３４）は、前記発光素子（８）の光の発光軸に対応する中心部位から外側にいくほど光の遮光が小さくなるようになっていることを特徴としている。これにより、遮光部材により、受光素子へ入射する入射光の分布密度が均一化されるので、上記請求項１記載の発明と同様の効果がある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本実施形態は本発明の雨滴検出装置を、車両のワイパー自動制御装置に適用したものである。図１にワイパー自動制御装置の概略ブロック図を示す。
【００１０】
図１に示すようにワイパー自動制御装置は、車両のウインドガラス１（雨滴対象物）に付着する雨滴を払拭するワイパーブレード２と、このワイパーブレード２を作動制御するワイパー制御装置３と雨滴検出装置６からなる。
ワイパー制御装置３は、上記ワイパーブレード２を駆動する電気的駆動手段であるワイパーモータ４と、ワイパーモータ駆動回路５と、ワイパーブレード２の自動制御の開始停止を設定するスイッチ手段であるワイパースイッチ７とを有する。
【００１１】
このワイパースイッチ７は、乗員によりその設定位置が５段階設定可能となっている。具体的には、ワイパースイッチ７には、ワイパーブレード２による雨滴の払拭を停止するオフ、ワイパブレード２による払拭を自動制御するオート、ワイパーブレード２の作動（周期）を間欠運転とするＩｎｔ、ワイパーブレード２の作動（周期）を低速運転とするＬｏ、およびワイパーブレード２の作動（周期）を高速運転とするＨｉの４つの設置位置がある。
【００１２】
つまり、本実施形態では上記ワイパースイッチ７がオートに設定されているときに、雨滴検出装置６が検出する雨滴信号検出値に基づきワイパー払拭モードを決定し、これに応じたワイパー制御信号をワイパーモータ駆動回路５に出力することで、ワイパーブレード２が自動制御されるようになっている。
また、図１に示すように、雨滴検出装置６には、ＣＰＵ１４に電源が投入されることで、後述のプリズム１０を加熱する加熱手段であるヒータ２０を制御するヒータ回路２１が接続されている。
【００１３】
また、本実施形態では、上記ワイパースイッチ７がオートに設定されているときに、ワイパー制御装置３および雨滴検出装置６に車載電源３０から電力が供給されるようになっている。
次に上記雨滴検出装置６について図１、２に基づき説明する。なお、この雨滴検出装置６の構造については、特開昭６１−３７５６０号公報とほぼ同様であるため、説明を簡略化する。
【００１４】
図１に示すように、雨滴検出装置６の演算処理装置であるＣＰＵ１４には、電源が投入されることで、後述の光学プリズム１０を加熱する加熱手段であるヒータ２０を制御するヒータ回路２１が接続されている。また、上記ワイパースイッチ７がオートに設定されているときに、雨滴検出装置６に車載電源３０から電力が供給されるようになっている。
【００１５】
図２に示すように雨滴検出装置６は、ウインドガラス１の内面に取り付けられている。そして、本実施形態における雨滴検出装置６は、ＬＥＤ８（発光素子、赤外線を発光する発光ダイオード、以下、ＬＥＤ）による光（赤外線）をウインドガラス１に入射し、この光をウインドガラス１にて反射させて、この反射光を受光素子（以下、フォトダイオード）９にて受光し、フォトダイオード９にて上記反射光の光量に基づいて、ウインドガラス１に付着する雨滴量を検出する。
【００１６】
つまり、雨滴検出装置６は、ウインドガラス１に雨滴が付着しているとウインドガラス１での反射率が変化（小さくなる）して、フォトダイオード９での受光量が減少することを利用して雨滴量を検出している。
そして、上記ＬＥＤ８は、図１に示すようにＣＰＵ１４によりＬＥＤ駆動回路１５を通じて発光タイミング（車載電源３０からの電源投入と電源遮断のタイミング）が制御される。また、上記フォトダイオード９の出力値は、図１に示すように検波増幅回路１６により、光−電圧変換されて、ＣＰＵ１４に入力されるようになっている。
【００１７】
雨滴検出装置６は、上記ワイパーブレード２の払拭範囲で、図２に示すようにウインドガラス１の車室内面に設置されている。雨滴検出装置６には、図２に示すようにウインドガラス１の内面側で、ＬＥＤ８からの光がフォトダイオード９に確実に入射するように ＬＥＤ８の光を屈折させる透過部材である光学プリズム１０が設けられている。この光学プリズム１０は、ポリカーボネイドアクリル等にて形成されており、透過性の接着材１７によってウインドガラス１に接するように取り付けられている。
【００１８】
また、プリズム１０は、ウインドガラス１からの反射光を反射させてフォトダイオード９に受光させるとともに、車室外からの日射がフォトダイオード９に入射することを遮断するものである。つまり、例えばウインドガラス１に雨滴が全く付着していないときには、図２に示すようにＬＥＤ８からの光は、光学プリズム１０を通過した後、ウインドガラス１の内面にて全反射する。その後、この全反射された赤外線は、図２に示すように光学プリズム１０の反射部１９にて全反射されて、再度ウインドガラス１の内面に全反射して、フォトダイオード９に入射する。
【００１９】
一方、例えばウインドガラス１に雨滴が付着していると、図１に示すようにＬＥＤ８からの光は、光学プリズム１０を通過してウインドガラス１の内面では全反射せずに、ＬＥＤ８からフォトダイオード９に入射する光量が減少する。
これにより、ウインドガラス１に雨滴が有る時と無い時とでは、フォトダイーオ９の雨滴検出信号が異なるので、この雨滴検出信号の変化を見ることで、雨滴の有無を検知でき、これに応じてワイパーブレード２を自動的に作動させる。
【００２０】
なお、図２中１１は、上記ＬＥＤ８およびフォトダイオード９を保持するベース部であり、１２は上記ＬＥＤ駆動回路や、上記検波増幅回路１６を有する電気回路部である。また、このようなＬＥＤ８、フォトダイオード９、ベース部１１、および電気回路部１２は、カバーケース１３ａ、１３ｂ内に収納されて一体化されている。そして、このように一体化された雨滴検出装置６は、接着材１７等によりウインドガラス１の内面に固定されている。
【００２１】
ここで、本実施形態における光学プリズム１０は、図２中中央部が窪んで板状の反射部１９を有する。そして、反射部１９の背面（車室内側）には、伝熱性の優れた金属にて形成された伝熱板２２が配置されている。そして、上記ヒータ２０は、この伝熱板２２の背面で、丁度反射部１９に対応する位置に配置されている。
【００２２】
また、光学プリズム１０は、図２に示すようにウインドガラス１の近傍に配置されているので、例えば外気温が低い冬季においては、車両走行等によって低温となり易い。そして、上記反射部１９は、図２に示すように光路の中間部位で、他の部分より板厚がかなり小さくなっている。従って、特に反射部１９は低温となり易く、結露が発生しやすい。また、反射部１９の板厚を他の部位より小さくしたのは、図２中上下方向における雨滴検出装置６の体格を小さくすることができるからである。
【００２３】
このような理由からして、本実施形態では上記ヒータ２０を反射部１９の背面に配置することで、反射部１９の結露を未然に防止している。
また、ヒータ２０は、ニクロム線等の電熱線にて構成されており、図２に示すようにゴムよりなる板状のカバーケース２３内に収納されている。従って、図２中ヒータ２０は、実際には図示されていない。また、カバーケース２３内には、上記電熱線の他に、電熱線（カバーケース２３、光学プリズム１０）の温度を検出する手段である温度センサ２４（図１参照）が内蔵されている。そして、上記ヒータ制御回路２１は、上記温度センサ２４が検出する温度に基づいて、光学プリズム１０の温度を所定温度（例えば、４０℃）に制御するようになっている。
【００２４】
上記伝熱板２２は、上記反射部１９の背面と、若干の空間３５を隔てて配置されている。これは、光学プリズム１０が反射率が、上記ＬＥＤ８からの赤外光が空気に対して全反射するように設定されているからである。
さらに上記伝熱板２２は、上記ヒータ２０にて発生する熱を光学プリズム１０の全体に効率良く伝えるためののものある。従って、本実施形態における伝熱板２２は、図２に示すように反射部２２の背面のみならず、図中光学プリズム１０の両端部に向かって延びるように配置されている。
【００２５】
図２中２５は、フォトダイオード９への可視光の入射を遮断する可視光カットフィルターで、例えばアクリル樹脂にて形成されている。ここで、ウインドガラス１には当然ながら太陽の日射が入射する。そして、上記光学プリズム１０は、この日射がフォトダイオード９に入射することを防止するものである。しかしながら、光学プリズム１０を用いても、完全に日射をフォトダイオード９から遮断することは難しい。そこで、上記可視光カットフィルター２５は、日射によるフォトダイオード９のへの影響を打ち消すために設けられている。
【００２６】
また、図中３０は、ＬＥＤ８からの光を平行光に変換してから、光学プリズム１０を透過させるレンズであり、図中３１は、光学プリズム１０を透過した光をさらに平行光に変換して、フォトダイオード９に入射させるレンズである。
次に本発明の要部である上記光学プリズム１０の詳細について、図３に基づき説明する。なお、図３（ａ）は、光学プリズム１０の単体図であり、図１に対応する。図３（ｂ）は、図３（ａ）を紙面上方から下方に向けて見た上面図である。
【００２７】
図３（ｂ）に示すように本例では、上述したレンズ３０、３１は、それぞれ３つずつ設けられている。従って、本例では、フロントガラス１のうち、３つの雨滴検出エリアに向かってＬＥＤ８の光を照射している。そして、図３（ａ）に示すように各レンズ３０、３１に対応して反射部１９には、３つの反射エリアＡ〜Ｃが存在している。なお、これら反射エリアＡ〜Ｃは、図面上分かり易くするために、楕円にて図示した。
【００２８】
この反射エリアＡ〜Ｃそれぞれには、図３（ａ）、（ｂ）に示すように円柱状の複数の凸部３２（直径０．５ｍｍの半球）が設けられている。これら凸部３２は、本例では上記光学プリズム１０と一体成形されており、電熱板２２と反射部１９との間の空間３５に突出するように成形されている。そして、凸部３２は、さらにＬＥＤ８からの光を散乱させることで、フォトダイオード９への入射光の光強度の分布を均一化する均一手段である。そして、本例では反射エリアＡ〜Ｃのうち、図３（ｂ）に示すようにＬＥＤ８の光の発光軸に対応する部位である、楕円状の中心部位は最もＬＥＤ８の輝度（光強度）が強い所となり、この中心部位から外側に行くほど、ＬＥＤ８の輝度（光強度）が弱くなる。
【００２９】
そこで、本例では、上記中心部位では、より一層ＬＥＤ８の光の散乱を大きくし、外側に行くほど光の散乱を小さくすることで、フォトダイオード９への入射光の分布密度を均一化している。具体的には、図３（ｂ）に示すように上記中心部位では、上記凸部３２の密度（面積当たりの個数）を最も大きくし、この中心部位から外側に行くほど、凸部３２の密度を小さくした。これにより、以下の効果がある。
【００３０】
図４に本発明者が検討した試験結果を示す。但し、この試験条件は、フロントガラス１に雨滴が無い状態を基準とし、図１中３３で示す雨滴検出エリアのうち、異なる部位に雨滴径１ｍｍの雨滴が付着したときのフォトダイオード９の出力変化を見たものである。
これを見て分かるように、従来品▲１▼では、例えば雨滴検出エリアのうちＸ軸方向の異なる位置に雨滴が付着すると、同じ雨滴径であっても出力変化が大きくことなる。従って、雨滴検出エリアのうち、何処に雨滴が付着するかによって、大きく雨滴検出精度が異なる。これにより、フロントガラス１に付着する雨滴量を精度良く検知できず、雨滴量に応じたワイパーの自動制御も困難になる。
【００３１】
しかし、本案▲２▼では、上記凸部３２によりフォトダイオード９に入射されるＬＥＤ８の光の輝度が均一になるように補正されるので、図４に示すようにＸ軸方向において、出力変化がフラットな特性となる。従って、雨滴検出エリア内で何処に雨滴が付着しようとも、雨滴検出感度を均一にでき、雨滴検出精度が向上できる。この結果、フロントガラス１に付着する雨滴を精度良く検知でき、雨滴に応じたワイパーの自動制御を精度良くできる。
【００３２】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、反射部１９に凸部３２を形成することで、フォトダイオード９に入射される入射光の光強度の分布が均一になるようにしたが、本例でのこの代わりにＬＥＤ８とフォトダイオード９との光路中に遮光板を設けた。
そして、本例では、この遮光板として、図５に示すように上記可視光カットフィルター２５の表面に遮光材３４（例えば、エポキシ、アクリル系樹脂 ）を塗布してある。また、この遮光材３４は、光が可視光カットフィルター２５を通過する部位のうち、図５に示すようにＬＥＤ８の光の発光軸に対応する部位が面積当たりの塗布面積が大きくなっている。この遮光材３４は、図５に示すようにＬＥＤ８の光の発光軸に対応する部位から外側に行くほど、面積当たりの塗布面積が小さくなっている。
【００３３】
これにより、本例では可視光カットフィルター２５に遮光材３４を塗布するだけで、別個に遮光部材を設けずに、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。
（他の実施形態）
上記第１実施形態では、光学プリズム１０に凸部３２を形成したが、その代わりにレンズ３０、３１に凸部３２を形成しても良い。
【００３４】
また、上記各実施形態では、フォトダイオード９に入射される入射光の光強度の分布が均一になるように凸部３２を形成したが、逆に凹部を形成しても良い。また、上記第２実施形態では、可視光カットフィルター２５を遮光板として利用したが、別個に遮光板を設けても良いし、反射部１９の外面やレンズ３０、３１に遮光板を塗布しても良い。
【００３５】
また、上記各実施形態において、可視光カットフィルター２５に遮光材３４を塗布したが、遮光材３４を蒸着や印刷等にて形成しても良い。
また、上記各実施形態において、遮光板として、網目格子状の板部材を使用しても良い。
また、上記各実施形態では、本発明を、雨滴検出装置の検出結果に応じて車両のワイパーブレード２を自動的に制御するワイパー自動制御装置に適用したものであったが、本発明は、例えば船舶や航空機に適用しても良いし、雨滴を検出するものであれば、どのようなものでも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態におけるワイパー自動制御装置の構成図である。
【図２】上記実施形態における雨滴検出装置の構成図である。
【図３】（ａ）は、上記実施形態における光学プリズムの詳細図であり、（ｂ）は図３（ａ）を図中上方から下方に向けて見た上面図である。
【図４】上記実施形態における雨滴検出装置の出力特性図である。
【図５】本発明の第２実施形態における可視光カットフィルターの詳細図である。
【符号の説明】
１…フロントガラス、８…ＬＥＤ、９…フォトダイオード、１０…光学プリズム、２５…可視光カットフィルター、３１…レンズ、３２…凸部。

Claims (5)

1. 雨滴が付着する雨滴対象物（１）に向かって発光する発光素子（８）と、
   前記発光素子（８）から前記雨滴対象物（１）に反射された反射光を受光する受光素子（９）とを有し、
   前記受光素子（９）が受光する前記反射光の光量に基づいて前記雨滴対象物（１）に付着する雨滴を検出する雨滴検出装置であって、
   前記発光素子（８）の光を散乱させることで、前記発光素子（８）から前記受光素子（９）へ入射する入射光の光強度の分布を均一化する均一化手段（３２、３４）を備え、
   前記均一化手段（３２、３４）は、前記発光素子（８）の光の発光軸に対応する中心部位から外側にいくほど光の散乱が小さくなるようになっていることを特徴とする雨滴検出装置。
2. 前記発光素子（８）と前記受光素子（９）との光路中に設けられた透過部材（１０、３０、３１）を有し、
   前記均一化手段（３２）は、前記透過部材（１０、３０、３１）に一体的に形成された凹凸部（３２）であり、前記中心部位から外側に行くほど前記凹凸部（３２）の密度が小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の雨滴検出装置。
3. 前記透過部材は、前記受光素子（９）へ、前記発光素子（８）以外の光の入射を遮断する光学プリズム（１０）であり、
   前記発光素子（８）からの光は、前記光学プリズム（１０）を通過したのち、前記雨滴対象物（１）に反射し、その後前記光学プリズム（１０）の反射部（１９）にて反射されて再度前記雨滴対象物（１）に反射して前記受光素子（９）に入射するようになっていることを特徴とする請求項２記載の雨滴検出装置。
4. 雨滴が付着する雨滴対象物（１）に向かって発光する発光素子（８）と、
   前記発光素子（８）から前記雨滴対象物（１）に反射された反射光を受光する受光素子（９）とを有し、
   前記受光素子（９）が受光する前記反射光の光量に基づいて前記雨滴対象物（１）に付着する雨滴を検出する雨滴検出装置であって、
   前記発光素子（８）と前記受光素子（９）との光路中に設けられ、前記発光素子（８）から前記受光素子（９）へ入射する入射光の光強度の分布を均一化する遮光部材（３４）を備え、
   前記遮光部材（３４）は、前記発光素子（８）の光の発光軸に対応する中心部位から外側にいくほど光の遮光が小さくなるようになっていることを特徴とする雨滴検出装置。
5. 前記遮光部材（３４）は、前記受光素子（９）への可視光の入射を遮断する可視光カットフィルターの表面に塗布された遮光材（３４）であり、前記中心部位から外側に行くほど前記遮光材（３４）の塗布面積が小さくなっていることを特徴とする請求項４記載の雨滴検出装置。

Images