JP4122701B2 - 日射センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は日射センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両空調システムにおいて、近年、ゾーン空調（左右独立空調）のニーズが高まっている。このシステムにおいては、左右各々の日射量を検出するセンサは重要な構成部品の一つである。
【０００３】
方位角と仰角とは図１４に示すように定義されるが、ゾーン空調用光センサとして、実開昭５６−１８２０８号公報においては、図１２に示すように、左右の受光素子１００，１０１の間に遮光板１０２を設け、遮光板１０２により光の入射角度によって受光素子１００，１０１への光照射割合を変化させるようにしている。つまり、遮光板１０２によって太陽の位置（光源側）と反対側の受光素子（図１２では受光素子１０１）に照射する光の量を減少・遮断させることで、センサ左右出力の比率を変化させ太陽方向の検知を可能としている。
【０００４】
しかし、エアコン制御を考える上で、車両に照射される太陽日射量（光強度）は、太陽位置によらず一定であり、方向を検出するゾーン空調用光センサにおいても強度検出（出力）は一定である必要があるが、同技術では以下の問題が発生する。
【０００５】
太陽強度は複数個の受光素子１００，１０１の総出力（左右出力の和）によって決定するが、車両側面からの光は遮光板１０２によって制限（減少・遮断）されるため総出力が減少する。詳しくは、図１３に示すように、横軸に方位角をとり、縦軸にセンサ出力をとり、仰角を変えた場合（仰角＝７５°、４５°、１５°）、仰角＝７５°と４５°では方位角が±９０°の範囲で左右の出力の総量（図中の「出力右＋左」）があまり変化しないのに対し、仰角＝１５°では方位角が±９０°の範囲で左右の出力の総量が大きく変化してしまう。
【０００６】
よって、車両正面からと側面からでは太陽強度出力が一致せず、太陽日射量に対する補正ズレを生じてしまう。本不具合は、上述したように太陽高度が低いほどその影響が大きく現れる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような背景の下になされたものであり、その目的は、方位が変化しても左右の受光素子における総出力の一定化を図ることができる日射センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
図１２の従来方式では車両側面方向からの光が遮光部１０２によって減少・遮断することで補正ズレを生じることを考慮して、請求項１に記載の発明では、光学レンズとレンズ体を組み合わせている。これにより、受光素子への総照射量を一定とすることができ、太陽日射量（光強度）の検出の際に太陽の方向（方位角）によらず左右の受光素子の総出力が一定になる。
【０００９】
ここで、光学レンズとして凹レンズを用い、凹レンズの凹面とレンズ体との距離を、車両の進行方向（正面）における距離に対して、車両進行方向に対し左右方向（左右に配置した受光素子の配置方向）の方が短くなるようにしている。このような配置によって、車両の進行方向においては、凹レンズの作用により、受光素子に到達する光は発散し、到達量が低下するのに対し、一方、車両の側面から入射した光は発散する前にレンズ体に到達し、２つの素子のうち、入射光を受ける側の素子においては、受光素子への到達量が正面からの到達量よりも多くなる。また、他方の受光素子は入射光を受ける側の素子のレンズ体が陰となり、この受光素子への到達量は正面から受光した場合に比べ低下する。
【００１０】
より具体的には、左右に配置された受光素子がそれぞれ受ける受光量としては、正面から受光した場合の受光量は２、側面から入射する場合に多く受光する受光素子の受光量は３、少なく受光する受光素子の受光量は１となる。
【００１１】
よって、左右に配置された受光素子が受けるトータルの受光量としては、正面から受光する場合、左右それぞれ２であるから２＋２＝４、側面から受光する場合、一方が３で他方が１であるから３＋１＝４となり、正面から受光する場合と側面から受光する場合とでは差がなくなる。
【００１２】
このような考え方を適用した本発明構造により、左右に配置した受光素子のトータルの受光量は、方位角依存性が抑制されることになる。
また、請求項２に記載のように、レンズ体は、ベース部の上面において左右の受光素子の上方に位置する部位に凸部が形成されているものとすると、横方向からの光を左右の凸部のうちの片方の凸部により遮断して、受光素子への光照射割合を変えて出力比率を変化させることができる。
【００１３】
また、請求項３、４に記載のように、レンズ体の凸部を、中実体構造を有するものとしたり、薄肉構造を有するものとすることができる。
また、請求項５に記載のように、レンズ体のベース部の上面における凸部の無い領域には遮光膜がコーティングされていると、受光素子での光が当たっている場所と当たっていない場所での光強度の差を大きくでき、左右の受光素子の出力差を大きくすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
本実施の形態における日射センサは、カーエアコンにおけるオートエアコンシステムに用いられる。このオートエアコンシステムは、ゾーン空調システム、即ち、乗用車の前席での左右の乗員に独立に温度制御でき、乗員が車室内の温度を希望の温度に設定すると、左右独立温度制御を行い空調システムの吹出し温度や風量などを自動調節することにより日射の当たる側の温度を下げて日射の強さによる影響を自動補正し、車室内温度を常に一定に保つようになっている。
【００１５】
図１，２には、本実施の形態における日射センサの平面図を示す。図３には、図１のＡ−Ａ断面図を示す。また、図４には、図１のＢ−Ｂ断面図を示す。ただし、図１は、図３，４に示す光学レンズ５を取外した状態での平面図であり、図２は、光学レンズ５とレンズ体６を取外した状態での平面図である。尚、レンズ体６は、白色で、光を拡散する拡散レンズである。
【００１６】
図３，４において、日射センサ１は、コネクタを兼ねるハウジング２と、受光素子（センサチップ）３，４と、入射した光を受光素子３，４側に導く光学レンズ５と、レンズ体６と、ターミナル７とを備えている。ハウジング２は、ケース８とホルダ９から構成され、両部材８，９は共に合成樹脂よりなる。ケース８は、円筒状をなし、立設した状態で使用される。また、ホルダ９は、ケース８内の上部に嵌入されている。
【００１７】
図３に示すように、ケース８の外周面にはセンサ取付け爪１０が設けられており、日射センサ１が自動車のダッシュパネル１１の取付け孔１１ａに対し図３中、Ｘ方向に挿入され、センサ取付け爪１０の外方への付勢力により本センサ１がダッシュパネル１１に取付けられる。
【００１８】
ホルダ９の上面中央部には凹部９ａが形成され、凹部９ａの底面部には受光素子（センサチップ）３，４が配置されている。また、ホルダ９には検出信号を外部に出力するための外部出力端子としてのターミナル７がインサート成形され、ホルダ９の中にターミナル７を埋設した構造となっている。ターミナル７の一端がホルダ９の上面に露出し、ターミナル７の他端がホルダ９の下面から突出している。
【００１９】
図２に示すように、ホルダ９の上面において、車両搭載時の方位角が「０」の基準となる軸Ｌcentの左側に左検出用センサチップ４が、右側に右検出用センサチップ３が配置されている。センサチップ３，４は入射する光の量（日射強度）に応じた信号をそれぞれ出力する。このように、受光素子３，４は車両進行方向に対して、直交する位置（車両左右）に水平に複数（２個）配置されている。受光素子には、フォトダイオードやフォトトランジスタが用いられる。また、受光素子（センサチップ）３，４はターミナル７とボンディングワイヤー１２にて電気的に接続されている。
【００２０】
図３において、受光素子（センサチップ）３，４の上方において、ホルダ９の上面にはレンズ体６が受光素子３，４を覆うように支持されている。即ち、受光素子３，４と光学レンズ５との間にレンズ体６が配置されている。レンズ体６は、白色の樹脂材あるいはガラスよりなる。また、レンズ体６は、図３，４に示すように、水平方向に延びるプレート状のベース部１３と、ベース部１３の外周端部から下方に延びる固定部１４と、ベース部１３の上面において突出する凸部１５，１６とからなる。図３に示すように、レンズ体６の固定部１４がホルダ９の外周側においてケース８の上端部と嵌合してレンズ体６がハウジング２に固定されている。レンズ体６の凸部１５，１６は、円錐形状をなし、その側面が上側に凸となるよう湾曲している。図１に示すように、凸部１５の中心が受光素子（センサチップ）３の中心と一致するとともに凸部１６の中心が受光素子（センサチップ）４の中心と一致しており、左右の受光素子３，４の上方に位置する部位に凸部１５，１６が形成されている。このレンズ体６の凸部１５，１６は、中実体構造を有している。また、図３，４に示すように、ベース部１３の上面における凸部１５，１６の無い領域には遮光膜１７（図１でのハッチングを付した領域）がコーティングされている。遮光膜１７として本例では黒色の膜を用いている。このレンズ体６により、光学レンズ５からの光が受光素子３，４に案内されることになる。
【００２１】
図３，４において、光学レンズ５は着色ガラスや樹脂（半透明材）よりなり、お碗型をなしている。この光学レンズ５がケース８の外周部と嵌合して受光素子（センサチップ）３，４の上方においてハウジング２に支持されている。さらに、光学レンズ５の内周面（下面）の中央部には半球状の凹部１８が形成され、この凹部１８により光学レンズ５がレンズ機能を持つことになる。この下面に開口する凹部１８を通して、入射した光が受光素子３，４側に導かれる。光学レンズ５の凹部１８とレンズ体６の凸部１５，１６の位置に関して、光学レンズ５の凹部１８の開口部にレンズ体６の凸部１５，１６が配置され、図４では凹部１８の内周面と凸部１５，１６の外周面とは接近しているとともに図３では凹部１８の内周面と凸部１５，１６の外周面とは所定の距離を有する。
【００２２】
図５には、車両正面から光を仰角４５度で受けた場合の光路（光学解析結果）を示す。また、図６には、車両側面から光を仰角４５度で受けた場合の光路（光学解析結果）を示す。
【００２３】
図５，６において、光学レンズ５の内面は光学部（凹レンズ）となっており、レンズ表面へ照射された光はレンズ内部を進み、内面より所定の光学特性を持って出射される。光学レンズ５の光学特性は、材料固有の屈折率と形状により決定される。
【００２４】
レンズ体６は光学レンズ５より出射された光を受けて受光素子３，４に導くレンズガイドの役目を有している。図５の正面からの光に対してはレンズ体６の凸部１５，１６は同等に光を受けて受光素子３，４に導く。一方、図６の側面からの光に対してはレンズ体６の凸部１５，１６は、重なりあう位置関係になっており、この場合には遮光効果を持つ。そのため、車両側面（横）方向からの光を遮断することができ、受光素子３，４への光照射割合が変わる。よって、受光素子３，４の出力比率が変化し太陽方位を検知することができる。
【００２５】
このように、光学レンズ５とレンズ体（受光レンズ）６を組み合わせることにより、車両側面（横）方向からの光を遮断することが可能であり、受光素子３，４への光照射割合が変わるため出力比率が変化し太陽方位の検知が可能となる。
【００２６】
また、光学レンズ５にて、入射した光が発散してレンズ体６に照射される。そのため、受光素子３，４への光照射量が減少して総照射量が一定になる。このようにして、太陽日射量（光強度）の検出の際に太陽の方向（方位角）によらず左右の受光素子３，４の総出力が一定になる。よって、センサ総出力は同じであり、太陽の日射量（光強度）の検出感度として、太陽の高度（仰角）に対しては変化するが、方向（方位角）に対しては変化しないようにすることができる。
【００２７】
詳しくは、レンズ体６の作用として、図７に示すように、車両正面から光を受けた場合には、受光素子（左右）３，４にはレンズ体６を通して均等な光線量「Ｈ１」が照射される。その結果、受光素子３，４の総出力はＨ１×２（山分）となる。一方、図８に示すように、車両側面から光を受けた場合には、受光素子（左右）３，４にはレンズ体６を通して光線量「Ｈ２及びＨ３」が照射される。その結果、受光素子３，４の総出力はＨ２＋Ｈ３となる。
【００２８】
具体的には、図５，６に示す光学解析結果において、Ｈ１＝２．８、Ｈ２＝２．２、Ｈ＝３．４であった。これにより、車両正面から光を受けた場合の総出力（Ｈ１×２）は「５．６（＝２．８×２）」であり、車両側面から光を受けた場合の総出力（Ｈ２＋Ｈ３）は「５．６（＝２．２＋３．４）」であり、センサ総出力は方向によらず一定となることが確認できた。
【００２９】
光学特性結果を、図９に示す。図９において、横軸に方位角をとり、縦軸にセンサ出力をとり、仰角を７５°、４５°、１５°にしている。この図の中に、左検出用受光素子３の出力（出力左）と、右検出用受光素子４の出力（出力右）と、右検出用受光素子４と左検出用受光素子３の出力の和（出力右＋左）を示す。この図９と、図１３の従来センサでの光学特性結果を比較すると、次のようなことが分かる。
【００３０】
例えば、仰角１５°において、図１３の従来センサでは総出力が方位角によって変化する。具体的には、方位角＝０°のときに比べ横方向に９０°や−９０°の時、約５０％の出力低下ある。これに対し、図９の本実施形態では、仰角１５°において、約５％の低下にとどまり、その影響は少なく、ほぼ一定となる。
【００３１】
つまり、図１２の従来センサにおいては遮光部（壁）１０２により照射方向とは反対側の受光素子に当たる光を減少・遮断させ左右出力を変化させるようにしているが、方位によって照射総量が異なってしまう。これに対し、本実施形態では、受光素子３，４の上部にレンズ体（導光体）６を設けることで、受光素子３，４を立体的に配置したのと同様な効果を生み（左右で差が出る）、かつ、方位による受光素子３，４への照射総量を光学レンズ５にて一定にできる。
【００３２】
また、図３，４に示すごとく、レンズ体６のベース部１３の上面における凸部１５，１６の無い領域には遮光膜１７を設けたので、受光素子３，４で光を受けた際に、光が当たっている場所と当たっていない場所での光強度の差を大きくすることができる。その結果、左右の受光素子３，４の出力差（図９のΔＨ）を大きくすることができる。
【００３３】
オートエアコンシステムに関しては、マイコンとエアコンユニットを具備しており、受光素子３，４の出力信号Ｖ１，Ｖ２がマイコンに取り込まれて、この両信号Ｖ１，Ｖ２により、日射の強さと日射が当たっている側（運転席あるいは助手席）が分かる。具体的には、日射量が出力の総和（＝Ｖ１＋Ｖ２）にて、方位が出力比（＝Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）またはＶ２／（Ｖ１＋Ｖ２））にて検出できる。エアコンユニットはブロワ、クーラ、ヒータ等を含むものであり、車両のインパネ内に搭載されている。マイコンは前述の２つの信号Ｖ１，Ｖ２に基づいて日射量と方位（左右）を検出して、左右の光強度からエアコンユニットを制御して日射の当たる側（運転席あるいは助手席）の吹出し風量を増やし、温度を下げる。このようにして、カーエアコンの左右独立空調が行われる。
【００３４】
以下に、応用例について説明する。
図３，４においてはレンズ体６は白色材（スモーク材）よりなり、凸部１５，１６は、中実体構造を有し、かつ、レンズ体６のベース部１３の上面における凸部１５，１６の無い領域には遮光膜１７をコーティングしたが、これに代わり、図１０に示すように、レンズ体６に関して凸部１５，１６を薄肉構造とし、かつ、遮光膜１７は形成しない構成としてもよい。つまり、図３，４のレンズ体６を使用すると、受光素子３，４に強い光を照射することができるが組付けの際の位置ズレに対し影響を受けやすい。そこで、レンズ体６を拡散材を含む樹脂材料で構成し、散乱を起こすようにして位置ズレがあっても影響を受けにくくする（位置ズレを緩和させる）。また、図３，４のレンズ体６を使用すると、遮光膜１７を形成することはコストアップを招く。そこで、レンズ体６に遮光膜１７を形成せず、かつ、感度を上げるべくレンズ体６を薄肉構造にする。即ち、薄肉構造にすることにより光の減衰率が減り透過しやすくなる。また、レンズ体６は、透明材とし、屈折構造を工夫して本実施形態の目的を達成するようにしてもよい。
【００３５】
また、図１１に示すように、受光素子３，４の実装は、ベアチップ構造としてもよい。つまり、リードフレーム３１の上に受光素子３，４を搭載し、モールド材３０にて封止する。そして、モールド材３０にてレンズ体の凸部３２，３３を構成する。即ち、樹脂モールドタイプを使用する場合、レンズ体を兼ねるようにしている。この場合のモールド材３０として、透明なエポキシ樹脂を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態における日射センサの平面図。
【図２】 日射センサの平面図。
【図３】 図１のＡ−Ａ断面図。
【図４】 図１のＢ−Ｂ断面図。
【図５】 正面からの光の光路を示す図。
【図６】 側面からの光の光路を示す図。
【図７】 正面からの光の光路を示す図。
【図８】 側面からの光の光路を示す図。
【図９】 方位角に対する左右の受光素子の出力と総量値を示す図。
【図１０】 別例の日射センサの断面図。
【図１１】 別例の日射センサを示す図。
【図１２】 従来の日射センサの断面図。
【図１３】 従来の日射センサにおける方位角に対する左右の受光素子の出力と総量値を示す図。
【図１４】 方位角と仰角を説明するための図。
【符号の説明】
１…日射センサ、２…ハウジング、３…受光素子、４…受光素子、５…光学レンズ、６…レンズ体、１５…凸部、１６…凸部、１８…凹部。

Claims (5)

1. ハウジング（２）と、
   前記ハウジング（２）の上面において車両進行方向に対して左右に配置された受光素子（３，４）と、
   前記受光素子（３，４）の上方に配置され、入射した光を受光素子側に導く光学レンズ（５）と、
   前記受光素子（３，４）と光学レンズ（５）との間に配置され、前記光学レンズ（５）からの光を受光素子（３，４）に案内するレンズ体（６）とを備え、
   前記光学レンズ（５）は、凹レンズであり、凹レンズの凹面によって形成される空間内に前記レンズ体（６）が配置され、
   前記車両進行方向における前記凹面と前記レンズ体（６）との第１の距離と、前記車両進行方向に対して左右の方向における前記凹面と前記レンズ体（６）との第２の距離とを比べたとき、第２の距離の方が第１の距離よりも短いことを特徴とする日射センサ。
2. 請求項１に記載の日射センサにおいて、
   前記レンズ体（６）は、ベース部（１３）の上面において左右の受光素子（３，４）の上方に位置する部位に凸部（１５，１６）が形成されているものであることを特徴とする日射センサ。
3. 請求項２に記載の日射センサにおいて、
   前記レンズ体（６）の凸部（１５，１６）は、中実体構造を有することを特徴とする日射センサ。
4. 請求項２に記載の日射センサにおいて、
   前記レンズ体（６）の凸部（１５，１６）は、薄肉構造を有することを特徴とする日射センサ。
5. 請求項２に記載の日射センサにおいて、
   前記レンズ体（６）のベース部（１３）の上面における前記凸部（１５，１６）の無い領域には遮光膜（１７）がコーティングされていることを特徴とする日射センサ。

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