JP4488531B2 - 自動車のウインドガラスにおける水分を検出する光学式センサ - Google Patents

Description

本発明は、自動車のウインドガラスにおける水分を検出する光学式センサであって、送光器から放射された光が、ウインドガラスの境界面における反射時に水分によって弱化することを、受光器を用いて検出する形式のものに関する。

全反射の原理に基づいて働くこのような形式の光学式センサは、例えばドイツ連邦共和国特許公開第４２０９６８０号明細書に基づいて公知である。このような形式の光学式センサは多くのバリエーションにおいて公知であり、自動車においては従来いわゆるレインセンサとして使用され、レインセンサは、特にウインドワイパ装置を（自動的に）制御するために働くことができる。そしてこのようなセンサは、すべてではないが典型的には、フロントガラスの少なくとも一部を光導波体として使用している。

今日のレインセンサにおいて主として使用されている光学式の検出方法は、まず第１に次のことに、すなわち、反射媒体つまり光導波体の周壁もしくは周囲が光導波体コアに比べて低い屈折率（Brechungsindex）を有しているので、光は光導波体内において公知のように全反射によって伝搬することができる、ということに基づいている。そしてウインドガラスの境界面は、例えばプリズムのような結合手段（Koppelmittel）を用いて、十分に大きな角度（＞４２°）で光導波体内に入力結合された光を、まず初め完全に反射する。それというのは、光線角度は乾燥した境界面では、反射する光束と透過する光束とへの分割を阻止するのに十分な大きさだからである。雨滴が光路を濡らすと、（これによってガラス／空気からガラス／水に）変えられた媒体移行によって、境界角が４２°から６０°に増大され、その結果、レインセンサとしての機能に関連して４２°〜６０°の間の角度で入力結合される光の大部分が、雨滴を通って外に出力結合することになる。湿り具合に関連して減退する光路の光導性は、出力結合箇所（プリズム又はこれに類したもの）においてフォトダイオード又はフォトトランジスタを用いて測定される。

レインセンサは通常、雨滴又はその他の水滴等による湿り具合を検出したい自動車のフロントガラスを、もしくはフロントガラスの数センチメートルにわたってしか延在していない領域を、光導波体として使用し、この光導波体には光が、適宜な結合手段、例えばプリズム又はホログラフィック結合シートを用いて、フロントガラスの内側から入力結合され、かつ再び出力結合される。一方ではレインセンサの透明でない部分（送光器／受光器、ハウジング、電子評価装置）がドライバの視野領域を邪魔することが許されず、かつ他方ではセンサの検出領域が、ワイパ装置によって払拭されるフロントラス領域に設けられねばならないことに基づいて、様々なセンサ構成が開発されており、これらのセンサ構成では、フロントガラス自体によって形成されていない付加的な光導波体が、検出領域とレインセンサのその他の部分との間における距離を橋渡しするため、もしくはフロントガラスのワイパによって払拭されない領域を橋渡しするために働く。

例えばドイツ連邦共和国特許公開第１９９４３８８７号明細書に基づいて公知のレインセンサでは、光は、フロントガラスの内側に配置されたフラットな光導波体において、周囲に配置された送光器／受光器とフロントガラスの比較的中央領域との間において双方向で導かれる。フロントガラスの所望の領域において光は光導波体から出力結合され、この場合光はフロントガラスを貫通し、その外側で所望のレイン検出領域において全反射され、その後で、フロントガラスの内側に配置された再帰性反射体（Retroreflektor）から、検出領域において再度全反射されて、光導波体内に戻される。さらにドイツ連邦共和国特許公開第１０２２９２３９号明細書に基づいて公知のレインセンサでは、付加的な光導波体が複合板ガラスの中間層に形成されている。この公知の構成においても光は適宜な箇所においてガラスの外側に向かってだけ出力結合され、そこで全反射され、再び内部に位置する光導波体に入力結合され、その結果ガラスの外側における検出領域に存在する水分もしくは湿り気は、所望のように部分出力結合によって光線を弱めることになり、そしてこの光線の弱化を公知のように評価することができる。

ドイツ連邦共和国特許公開第４２０９６８０号明細書に基づいて公知の冒頭に記載された形式の光学式センサでは、そこに開示されたスタンダード・レインセンサタイプ、つまり光が自動車ガラスの外側と内側とにおいて複数回全反射されるスタンダード・レインセンサタイプとの関連において、次のような問題のあることが知られている。すなわちこの公知の光学式センサでは、ガラスの内側が例えば凝縮水によって湿った場合でも、光線の部分出力結合、ひいては光線の弱化が生じてしまい、この光線の弱化は、本来検出されることが望まれているガラス外側における湿り具合の影響と区別することができない。このような不都合な影響を排除するために公知のレインセンサでは、反射性のシートがガラスの内側面に配置されていて、そこに湿り気が存在した場合でも、水分に関連した光線の弱化がもはや生じないようになっている。

また、公知の純然たるレインセンサを、ガラス内側面の代わりに外側面に配置された反射シートによって、純然たる凝縮水センサとして構成することは、しかしながら明らかに簡単ではない。それというのは、それというのは、このような構成では内側から外側への見通しが問題なく保証されていないか、又は例えば外側に位置するシートの耐久性に関する別の問題の生じる可能性があるからである。

例えば自動車に設けられたファンを自動制御するために、自動車のガラスの内側面における水分の検出に対する興味が益々高まっているので、本発明の課題は、冒頭に述べた形式の水分センサである光学式センサを、外側面検出のために使用される技術の枠内において改良して、手間及びコストのかかる適合処置なしに内側面／外側面検出を選択的に実施することができ、しかも同時に外側の濡れと内側の濡れとを完全に判別できるように構成された光学式センサを提供することである。

この課題を解決するための本発明の構成は、請求項１、請求項２、請求項４又は請求項５の特徴部に記載されている。

請求項１に記載された択一的な解決策では、光は少なくとも１つの送光器と少なくとも１つの受光器との間において双方向で、ガラス又は光を導くエレメント内において、ガラスの内部に配置された再帰性反射体に向かって導かれ、この際に光はガラスの外側面において複数回全反射される。さらに再帰性反射体は、光屈折性の位相共役鏡（ＰＣＭ）として形成されていて、該位相共役鏡のジオメトリは次のように、すなわち位相共役鏡の反射能が水分によって表面が濡らされた場合にほぼ消滅するように、選択されている。この構成は、ガラス自体が光導波体として働くセンサにおいても、上に述べたようなドイツ連邦共和国特許公開第１９９４３８８７号明細書に基づいて公知のセンサタイプにおいても使用可能である。光線が４２°〜６０°の間の角度で入力結合されると、センサは、ガラス内側面が乾いている場合にはレインセンサとして機能し、これに対してガラス内側面が湿っている場合には光線の消滅もしくは評価すべき信号の消滅によって、ガラス外側面が乾燥しているか又は湿っているかとは無関係に、凝縮水（Kondensat）の存在を示す。このような状況に関連した検出形式の「自動切換え」の他に、光線は、その他の構成が等しいままで、６０°よりも大きな角度で入力結合させることも可能であり、このようにすると、センサは、２つの表示状態つまり弱化されていない信号／消滅された信号の２つの表示状態を備えた純然たる凝縮水センサ（いわゆる曇止めセンサ）として機能する。場合によっては選択的な入力結合のために、光線を６０°よりも大きな角度で入力結合させる第１の送光器と、光線を６０°よりも小さな角度で入力結合させる第２の送光器とが設けられていてもよい。

請求項２に記載された択一的な解決策では、光がガラス内において送光器から受光器へと伝搬され、この際に光線がガラスの外側面と内側面との間において複数回全反射されるようになっており、ホログラフィックに形成されていて異なった回折作用をもつ２つの格子構造体が、ガラスの中間層に加工されていて、該中間層は光を次のように、すなわち光が、ウインドガラスの一方の面において６０°よりも大きな角度で反射され、かつウインドガラスの反対側の面において４２°〜６０°の間の角度で全反射されるように、曲げるようになっている。このように構成されていると、全反射は、ガラスもしくはセンサの製造時に予め選択可能な光導波性のガラスの側においてだけ、場合によってはそこに存在する水滴によって邪魔されることになる。つまり検出は、ホログラフィックな手段だけによって選択的に、レインセンサか又は凝縮水センサに対して調節されることができる。

この第２の解決策における有利な構成では、ガラスが複合板ガラスとして形成されており、ホログラフィック格子構造体が、光に対して敏感にドーピングされている接着性の中間層内に加工されているか又は、複合板ガラスに組み込まれた光に対して敏感なポリマ層に加工されている。

請求項４に記載された別の択一的な解決策では、ガラスの内側又は外側に、マルチモードのシート状又はフィルム状の光導波体が配置されていて、該光導波体に送光器の光が入力結合されて受光器に向かって出力結合されるようになっていて、この際に光は、光導波体の露出した外側面に水分による湿り気が存在していない場合に、弱められずに全反射されて伝搬されるようになっている。従ってガラスの外側面に薄い光導波体が配置されている場合には、純然たるレインセンサを実現することができ、ガラスの内側面に薄い光導波体が配置されている場合には、純然たる凝縮水センサを実現することができる。

請求項５に記載されたさらに別の択一的な解決策では、光が送光器と受光器との間で層状の光導波体内において導かれ、該光導波体が、複合板ガラスの接着性の中間層に配置されており、光を光導波体から複合板ガラスの内側面又は外側面に向かって出力結合させ、かつ内側面もしくは外側面において少なくとも１度全反射された光を再び光導波体内に入力結合させるために、少なくとも１つの結合エレメントが設けられている。接着性の中間層とガラス層との間における配置によって、光線をガラスの所望の側に向かって出力結合して純然たるレインセンサ又は純然たる凝縮水センサを実現するために、特に大きな自由度が得られる。付加的に、層状の２つの光導波体を互いに上下に配置すること又は中間層の異なった側に配置することが難なく可能であり、その結果、純然たるレインセンサとしてもまた、外部の水分によって影響されない純然たる凝固水センサとしても同時に作用することができるダブルセンサを得ることができる。

この請求項５に記載された択一的な解決策における特に有利な構成では、光導波体が、断熱のために複合板ガラス内に組み込まれた赤外線を反射するポリマシートによって形成されている。このように構成されていると、既に存在する層を光導波体として使用することによって、製造技術的に大きな利点を得ることができる。

次に図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。

図１は、ＰＣＭ-再帰性反射体を備えた第１の構成における本発明による水分センサを示す断面図であり、
図２は、図１に示されたＰＣＭ-再帰性反射体の原理的な作用形式を示す断面図であり、
図３ａは、図１及び図２に示されたセンサの水分に関連した１つの作用形式を示す断面図であり、
図３ｂは、図１及び図２に示されたセンサの水分に関連した別の作用形式を示す断面図であり、
図４は、本発明によるセンサの択一的な構成を示す断面図であり、
図５は、本発明による水分センサの別の択一的な構成を示す断面図であり、
図６は、本発明によるセンサのさらに別の択一的な構成を示す断面図であり、
図７は、図６に示されたセンサの変化実施例を示す断面図である。

図１〜図３に示された実施例では、光導波体としての各１つの板ガラス５が基礎であり、この板ガラス５内においては光線１,４が、板ガラス５の外側面６及び内側面７において双方向で複数回反射しながら導かれ、この場合光線１は、板ガラス５の内側面７に配置された位相共役鏡８（phase conjugating mirror, PCM）において反射して戻される。しかしながら同様に、ＰＣＭを備えた本発明によるセンサのこの構成の図示されていない変化実施態様も可能であり、この変化実施態様では、例えば冒頭において述べたドイツ連邦共和国特許公開第１９９４３８８７号明細書に開示されているように、板ガラス５の内側に配置された付加的な光導波体を備えた配置形式が実現されている。

板ガラス５に入力結合した図１に示された光線１は、全反射しながら位相共役鏡８に到るまで伝搬され、そこで反射され、位相共役光線４として再び全反射しながら、最終的に板ガラス５から出力結合され、分光器（Strahlteiler）９を介して受光器へとさらに導かれ、この受光器は、送光器同様、図１においても以下の図面においても示されていない。分光器９は自体公知の形式で、入力信号から出力信号を光学的に分離するために働く。ＰＣＭ８は通常ほぼ透明である。使用される位相共役鏡８はまず第１に、双方向で光波を導くための正確な反射を保証するという利点を有しており、しかも水分センサにおいて使用される他の再帰性反射体におけるような面倒かつ高価な調整処置を必要としない。通常のように、例えば図１に示されているように板ガラス５の外側面６にある水滴１０は、ここでは板ガラス外側と水との間の境界面における全反射の障害に基づく検出原理によって、公知の形式で、光線１；４を弱めて検出可能にする。

公知の位相共役鏡８のためには、光を屈折する非線形の材料、例えば光を屈折する結晶、液晶又はポリマを有利に使用することができる。

図２には、例えば平行六面体形状の光を屈折する結晶８の、光屈折材料において生ぜしめられる位相格子（屈折率格子）１１による位相共役鏡の実現及び機能が示されている。通常、いわゆるホログラフィ散乱（holographische Streuung）又は光誘導散乱（lichtinduzierte Streuung）というのは、以下のような非線形のプロセスである。すなわち入射する光波が、物質の内部又は表面における不均一性に基づいて生じるコヒーレント散乱波（kohaerente Streuwelle）と干渉することである。これによって生じる光パターン（Lichtmuster）は、光を屈折する結晶において種々異なった屈折率格子（Brechungsindexgitter）を生ぜしめ、これらの屈折率格子において一次光は再び曲げられる。具体的に図２に示された実施例によれば、光線１は板ガラスと結晶との境界面から結晶８内に進入し、図２に示された結晶８の光学的なｃ軸に沿って方向付けられた自動散乱（Selbststreuung）１２を行う。光線１の散乱しない部分は、結晶８を貫いて進み、これに対して、所定の範囲において分配された散乱した光（光線２）は、図示のように境界面（ｉ）及び（ｉｉ）において全反射されて、光線３を形成する。

図３には、ＰＣＭ８が、反射機能のみならず、本発明によれば水分に関連したさらに別の機能を果たすことが示されている。光１,４が例えば、６０°を超える角度θで、つまり場合によっては生じるガラス５の濡れによって生ぜしめられた境界面における部分出力結合のためには大き過ぎる臨界角で、ガラス５内に入力結合されると、例えば凝縮水のような水分１０がガラス５の片側又は両側６,７に存在する場合でも、ガラス５において双方向で光を導く場合に光の強度は失われない。同時に、位相共役鏡８のジオメトリ的なパラメータは本発明によれば次のように選択される。すなわちこの場合位相共役鏡８自体からは、その表面つまりガラス内側面７に乾燥した状態が存在している場合には、光線の出力結合は行われず（図３ａ参照）、センサはこの場合純然たる凝縮水センサとして機能するようになっている。従ってセンサは、ガラス内側面７にひいては位相共役鏡８の光屈折材料の表面にも存在している滴１０に対してだけ反応する。この反応は、図３ｂに示されているように、水分に基づく光線出力結合を伴う検出信号の消滅という形で現れ、これによって一義的に凝縮水の存在が示される。

既に上で述べたように、他の機能形式を選択することも可能である。θが４２°〜６０°の間にある場合、センサは、乾燥した内側面７ではレインセンサとして機能し、このレインセンサは、検出される信号に対する内側面における濡れの影響を平然と許しながら、内側面７の濡れた状態でもまったくその判別特性を失わない。凝縮水の存在している場合、むしろ信号は、位相共役鏡８の水分に対して敏感な反射能に基づいてこの場合完全に消滅し、その結果凝縮水としてのクリアな評価が可能になり、そしてこの評価自体も同様に、ガラス外側面６に水分１０が存在しているか否かによって影響されることはない。凝縮水が存在している場合には、レインセンサとしての機能は働かない。

図４には、本発明による水分センサの択一的な構成に関連した実施例が示されている。この図４には光導波体である複合板ガラス５が示されており、この複合板ガラス５では、入力結合される光１が送光器から受光器に伝搬され、この際に光１は、板ガラス５の外側面６及び内側面７において複数回全反射される。ホログラフィックに形成されていて異なった回折作用をもつ２つの格子構造体１３,１４が、板ガラス５の中間層１５に加工されている。この両格子構造体１３,１４は光を次のように屈曲させる。すなわち図示の実施例では光は板ガラス５の内側面７では６０°よりも大きな角度αで全反射され、板ガラス５の反対側の外側面６では４２°〜６０°の間の角度βで全反射される。これによって外部の光学式又は機械式の処置又は手段なしに、外側の濡れと内側の濡れとの間における完全な判別が可能になる。図示の実施例、つまりレインセンサでは、外側面６における水滴１０だけが光線１の伝搬につまり検出信号に影響を与える。降雨影響もしくは凝縮水影響の区別は、逆転されたマルチプレックス・格子構造体１３,１４もしくは逆転された入射角αとβとによって、センサが板ガラス５の内側面７における濡れに対してだけ反応するようにして、行うことができる。

ホログラフィック格子構造体１３,１４が、光に対して敏感にドーピングされた接着性の中間層１５に加工されているか又は、複合板ガラス５に組み込まれた光に対して敏感なポリマ層に加工されていると、製造技術的に有利である。

図５には、本発明による水分センサの択一的な別の解決策の１実施例で示されている。図示の実施例では、板ガラス５の内側面７に、マルチモードのシート状又はフィルム状の光導波体１６が配置されており、この光導波体１６には送光器の光１が４２°〜６０°の間の角度で、入力結合されかつ受光器に向かって出力結合され、この際に光導波体１６の露出している外側面１７に水分１０による濡れが存在していない場合には、弱められずに全反射されて伝搬されるようになっている。薄い光導波体１６が例えば接着によって板ガラス５の内側面７に固定されているか又は外側面６に固定されているかに応じて、純然たる凝縮水センサになるかもしくはレインセンサになるかが決まる。図５に示された凝縮水センサは有利には、汎用のレインセンサに加えて使用されることができる。

図６及び図７に示された別の実施例では、光１は送光器と受光器との間において層状の光導波体１８内において導かれ、この光導波体１８は複合板ガラス５の接着性の中間層１５上に配置されている。さらに少なくとも１つの結合エレメント（Koppelelement）１９が設けられており、この結合エレメント１９は、光１を光導波体１８から板ガラス５の内側面７又は外側面６に向かって出力結合するために働き、かつ各側６又は７において少なくとも一度全反射された光１を、再び光導波体１８に入力結合させるために働く。光１は場合によっては複数の結合エレメント１９を用いて次々と、例えば各ガラス面における２つ又は３つの検出ポイントに向かって出力結合され、その間で、つまり次の結合エレメント１９に達するまでの伝搬のために再び光導波体１８に入力結合されることができる。図６に示された構成は、板ガラス５の内側面７における１つの出力結合ポイントだけを検知し、つまり純然たる凝縮水センサであり、これに対して図７の実施例に示されたセンサは、外側面６だけを、つまりそこに設けられた検出ポイントだけを検知し、つまり純然たるレインセンサとして機能する。基本的には、逆の検出面を備えた２つの層状の光導波体１８を互いに上下に又は互いに並べて板ガラス５内に組み込むこともできる。

光導波体１８としては有利には、断熱のために複合ガラス内に場合によっては既に設けられていて赤外線を反射するポリマシートを使用することができる。一般的に光導波体１８としては、厚さ約２００μｍのポリマ又はガラス層が適している。

また、図６及び図７に示された本発明の構成は、特に車両の板ガラスもしくはウインドガラスのために適しており、このようなガラスでは、ガラス層は全体として、断熱のために、光を吸収する特性を有しており、その結果光は吸収又は他の効果に基づいて、板ガラス５自体によって形成される光導波体内において弱められることなく伝搬されることができる。センサの光源は通常、ドライバの邪魔にならないように赤外線領域において働く。強度もしくは強さの損失には、検出精度の低下も関連している。本発明によれば光は図示の構成では、各出力結合面に向かってなお通過される複合板ガラス５のガラス層の厚さを貫いて、つまり多くとも数回、伝搬すればよく、その結果場合によって吸収効果が生じたとしても、この吸収効果はほとんど不都合に作用することがない。

ＰＣＭ-再帰性反射体を備えた第１の構成における本発明による水分センサを示す断面図である。 図１に示されたＰＣＭ-再帰性反射体の原理的な作用形式を示す断面図である。 図１及び図２に示されたセンサの水分に関連した１つの作用形式を示す断面図である。 図１及び図２に示されたセンサの水分に関連した別の作用形式を示す断面図である。 本発明によるセンサの択一的な構成を示す断面図である。 本発明による水分センサの別の択一的な構成を示す断面図である。 本発明によるセンサのさらに別の択一的な構成を示す断面図である。 図６に示されたセンサの変化実施例を示す断面図である。

Claims (1)

1. 自動車のウインドガラスにおける水分を検出する光学式センサであって、送光器から放射された光が、ウインドガラスの境界面における反射時に水分によって弱化することを、受光器を用いて検出する形式のものにおいて、
   送光器から放射された光（１）が、ウインドガラス（５）の外側面（６）と内側面（７）との間で複数回反射しながら、ウインドガラス（５）の内側面（７）に配置された再帰性反射体に導かれ、該再帰性反射体において反射された光（４）が、ウインドガラス（５）内を前記光（１）と同じ経路に沿って戻されて、受光器に導かれ、該再帰性反射体が、光屈折性の位相共役鏡（ＰＣＭ）（８）として形成されていて、該位相共役鏡（８）は次のように、すなわち位相共役鏡（８）内に進入した光（１）のうち、位相共役鏡（８）における位相格子（１１）によって分配された光（２）が、位相共役鏡（８）の境界面（ｉ，ｉｉ）の乾燥時には全反射され、該境界面（ｉ，ｉｉ）の濡れている場合には、位相共役鏡（８）から出力結合されて、位相共役鏡（８）の反射能がほぼ消滅するように、構成されていることを特徴とする、自動車のウインドガラスにおける水分を検出する光学式センサ。

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