JP4986936B2 - 光センサ装置及び光センサ装置を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、エミッタを含むセンサユニットと、受光器と、エミッタにより放出された光ビームを窓内に結合し且つ、窓から結合解除し、受光器まで導くための光導体ユニットとを備える、自動車の窓、特に、フロントガラスに結合することのできる光センサ装置に関する。

かかるセンサ装置は、主として、ワイパーを自動的に作動させるため自動車のレインセンサとして使用されている。フロントガラスに対して傾斜した、欧州特許番号ＥＰ １ ０６８ １２２ Ｂ１に開示されたレインセンサのレンズのような、光路に影響を与える古典的なレンズを使用するためには、比較的大きい実装空間を必要とする。

例えば、国際出願公開番号ＷＯ ０３／０２６９３７ Ａ１から既知であるように、ホログラフィックセンサを使用することにより、より小型の構造とすることが可能である。これらのセンサは、回折要素により光を回折させる原理に基づくものであり、このため、使用可能な光の収率は実質的に小さく且つ、外部光に対する感受性が高いという主たる不利益な点がある。

エミッタ及び（又は）受光器と光センサユニット内の光導体ユニットとの間の距離を短くするため、ドイツ国特許番号ＤＥ １９６ ０８ ６４８ Ｃ１は、光導体ユニットの光入口面と光出口面とをフレネルレンズとして形成することを提案している。しかし、この装置により要求される実装空間は、複雑な光導体ユニットのため、極めて大きく、このため、エミッタ及び受光器を保持する回路板をフロントガラスに対して垂直に配置することが必要となる。

本発明は、極めて大きいセンサ面積を走査することができ、しかも必要な実装空間が極めて小さい光センサ装置を提供することである。

この目的のため、本発明に従って、冒頭記載のような光センサ装置において、光導体ユニットは、フレネルレンズ領域と、関係付けられた反射領域とを含む。古典的なレンズと比較したとき、本発明に従ったフレネルレンズを有する光導体ユニットは、より薄い厚さにて設計することができる。更に、光導体ユニットは、窓に対して平行に配置することができ、このことは、光ビームをある角度にて窓内に結合し且つ窓から非結合状態とすることを可能にするから、空間を節約することが可能である。本発明は、平行に整合させた光ビームがある角度にて窓内に適宜に結合された場合、窓の比較的大きいセンサ面積を走査することができるとの知見に基づくものである。更に、本発明に従って、関係付けられた反射領域を有するフレネルレンズ領域は、光導体ユニットの更により小型の設計を実現する。

本発明の光センサ装置の製造及び組み立てのため特に好ましいものは、光導体ユニットが単一体として形成される１つの実施の形態である。特に、光導体ユニットは、その前側部がステップ付き構造体（フレネル構造体）を有する、板として形成することができる。該板は、板の前側部がエミッタ及び（又は）受光器を向くように配置される。フレネル構造の要求されるステップを適宜な光学材料の矩形の板内に組み込むこと（例えば、エンボス加工により）のみが必要とされる、光導体ユニットの簡略化した製造を別にして、出力領域に対する光導体ユニットの入力領域の配置は、厳格に指定され、組み立てる間又は取り付けた状態における機械的影響の結果として変更することはできない。

本発明の光センサ装置の更なる不利益な点及び効果的な形態は、従属請求項から理解することができる。
図１には、窓のウェット状態を検出する２つの同一のセンサユニット１２を有する、本発明に従った光センサ装置１０が示されている。以下の説明において、センサ装置１０は、自動車のフロントガラス１４（図２参照）に取り付けられたレインセンサとして使用する設計とされている。図１の図において、以下に更に詳細に説明する光衝突面１６、１８、２０を強調するため、センサ装置１０の幾つかの構成要素は省かれている。

センサユニット１２の基本形態は、図２の断面図に示されている。一側部が開放したハウジング２２内にて、センサユニット１２の各々に対する、エミッタ２６及び受光器２８を有する回路板２４が受容されている。センサ装置１０の取り付けた状態において、すなわち、センサ装置１０がフロントガラス１４に取り付けられたとき、フロントガラス１４及び回路板２４は、互いに実質的に平行に整合される。回路板２４とフロントガラス１４との間には、その必須の構成要素がレンズ板である光導体ユニット３０が配置されている。ハウジング２２及び回路板２４は、カプラー３２を介してフロントガラス１４に装着されている。

エミッタ２６は、特定の周波数範囲内の光を放出し、ここにおいて、「光」という語は、可視光にのみ限定されず、特に、赤外線範囲の光線を含む。光は、エミッタ２６により、光導体ユニット３０の入力部分４２に向けた発散光ビーム３４として放出される。受光器２８は、エミッタ２６に対して調節され、検出された光の衝突に相応する信号を評価回路（図示せず）に提供する。

光導体ユニット３０のレンズ板は、フロントガラス１４に面する実質的に平坦な後面３６を有しており、この後面は、取り付けた状態のとき、フロントガラス１４に対し平行に整合される。光導体ユニット３０は、全体として、鏡対称の設計を有しており、ここにおいて、仮想の鏡面は、エミッタ２６と受光器２８との間にてフロントガラス１４に対し垂直に伸びており、また、入力部分４２を鏡対称の出力部分４４から分離する。エミッタ２６及び受光器２８に面するレンズ板の前側部３８は、以下に詳細に説明する、ステップ付き構造体（以下にフレネル構造体と称する）を有している。入力部分４２のステップ５４の各々は、入力面５６を有しており、該入力面を通して、エミッタ２６により放出された発散光ビーム３４の一部分は、光導体ユニット３０に入る。入力面５６は、非球面状フレネルレンズの態様の形状とされている。更に、入力部分４２の外側ステップ５４（図２に示したように、２つの右側ステップ）は、フロントガラス１４に対して実質的に垂直に整合された反射面５８を有している。反射面５８の各々は、センサ装置の機能に関する説明から明らかとなるように、関係付けられたステップ５４の入力面５６と関係付けられている。

既に説明したように、出力部分４４は、入力部分４２に対して対称に形成されており、ここにおいて、入力部分４２の入力面５６に相応する、出力部分４４の面５６は、出力面５６と称し、それは、フロントガラス１４から結合解除された光ビーム３４ｂは、これらの面を通って光導体ユニット３０から去るためである。一般に、このように、光導体ユニット３０のフレネル構造体は、反射領域が関係付けられるフレネルレンズ領域と、反射領域が関係付けられないフレネルレンズ領域とを含む。

図示した実施の形態において、カプラー３２は、エミッタ２６により放出された光の周波数範囲にて、何ら顕著な屈折性質を有しない、透明で弾性的且つ、実質的に平坦な媒質により形成されている。

作動時、エミッタ２６によりレンズ板の方向に放出された発散光ビーム３４は、光導体ユニット３０の入力部分４２に衝突する（より明確にするため、図２には、センサ面を走査するため実際に使用される光ビーム３４の部分のみが示されている）。フレネルレンズ領域は、光ビーム部分の光線を平行に整合させ、外側ステップ５４の入力面５６は、平行に整合された光ビーム部分の光線が、それぞれのステップ５４の関係付けられた反射面５８まで向けられるような形状とされている。入力面５６及び反射面５８は、互いに調節され、反射面５８上に反射したとき、全ての光ビームの部分は、全体として、光線が平行に整合された均一な光ビーム３４ａを形成し、この光ビームは、約４５°の角度にてフロントガラス１４に向けられるようにする。

平行に整合された光ビーム３４ａは、方向が実質的に変化せずに、カプラー３２によりフロントガラス１４内に結合される、すなわち、入射角αは、約４５°である。フロントガラス１４において、光ビーム３４ａは、全反射を受け、光線は、依然として、平行に向き決めされたままである。フロントガラス１４と平行に結合された光ビーム３４ａの衝突面（図１の光衝突面１８）は、センサ面４６を画成する、すなわち、それぞれのセンサユニット１２によりウェット状態にあるかどうかが調べられるフロントガラス１４の面を画成する。カプラー３２及び光導体ユニット３０の対称の構造のため、フロントガラス１４にて全反射されたとき、光ビームの光路は、上述した光路に対して対称である。このことは、反射した平行な光ビーム３４ｂは、約４５°の放出角度βの下、カプラー３２によりフロントガラス１４から結合解除され且つ、光導体ユニット３０の出力部分４４（図１の光衝突面２０）内に結合されることを意味する。反射面５８上にて部分反射されたとき、光ビームの一部分は、光導体ユニット３０から出力面５６を通って出る。出力面５６は、光ビームの一部分を受光器２８に収束させる形状とされている。

信号を一層良く評価するため、１対のセンサユニットの受光器２８により提供された信号は、評価ユニット内にて減算が行われる。このことは、センサ装置１０に属する、可能な更なる対のセンサユニット１２にも当てはまる。

その可能な原因について以下に詳細に説明する、光の望ましくない入力及び（又は）出力のため、ウェット状態センサユニット１２の誤作動を回避するため、個々のフレネルレンズ領域又は関係付けられた反射領域の間に残る光導体ユニット３０の領域の少なくとも一部分には、屈折又は反射構造体が設けられる。さもなければ、これらの中間領域を通して光導体ユニット３０に結合され且つ光導体ユニット３０から結合解除されて、また、センサユニット１２の作動を乱すであろう光は、これにより「無害の」方向に発散される。このため、中間領域は、発散領域と称することもできる。

原理上、上述した実施の形態において、４５°の角度にてフロントガラス１４を照射するため使用される所望の平行な光ビーム３４ａ以外に、屈折又は反射に起因してたフレネル構造体が設けられていない入力導体ユニット３０の領域内に望ましくない光線が発生される。これらの更なる光線は、フロントガラス１４の面の前方に配置され、このため、ウェット状態を表わさない砂の粒子のような、物体を照射する。一方、光線の一部分は、これらの物体により反射されて、このため、光導体ユニット３０の他の非構造的領域を通過し、最後に、受光器２８内に入るであろう。更に、外部から来る外部光（例えば、日光）は、同様に、非構造的領域を通って光導体ユニット３０内に通過し、最後に、受光器２８に衝突する。エミッタ２６からの光は、同様に、光導体ユニット３０の中間領域内にて多数回、反射する結果として、直接（すなわち、フロントガラス１４を「迂回」せずに）、受光器２８まで通過するであろう。これらの効果は全て、ウェット状態の誤検出に至る可能性がある。

このように、中間領域を発散領域の構造とする目的は、センサユニット１２の機能が損なわれないように、望ましくない光を屈折又は反射により偏向させることである。別の技術分野にて既知の発散領域の構造とすることの１つの可能性は、いわゆる「キャッツアイ構造」である。

図３には、光センサ装置１０´の更なる発展例が示されている。フロントガラス１４のウェット状態を検出するセンサユニット１２に加えて、追加的な昼光センサユニット４８が提供される。昼光センサユニット４８の各々は、受光器５０と、光導体ユニット（図３に図示せず）とを備えている。

ウェット状態センサユニット１２におけると同様、昼光センサユニット４８の光導体ユニットは、基本的に、矩形であり、実質的に平坦な後面がフロントガラス１４に面し且つ、フロントガラス１４に対して平行に配置されている。受光器５０に面する光導体ユニットの前側部は、非球面のフレネルレンズを形成する、フレネルステップを有している（反射領域無しにて）。フレネルレンズの光軸線は、フロントガラス１４に対して約４５°だけ傾斜している。

これと代替的に、昼光センサユニット４８の光導体ユニットは、ウェット状態センサユニット１２の上述したフレネル構造に相応するように（すなわち、光導体ユニット３０の入力部分４２又は出力部分４４と同様に）形成され且つ配置されたフレネルレンズ領域及び反射領域を有する設計とすることができる。

フレネルレンズ又はフレネル構造の各々は、関係付けられた受光器５０上にて周囲の規定された領域５２からの光を写像する。このようにして、自動的なワイパーの作動を別にして、小型のセンサ装置１０´は、車の照明システムを自動的に制御することも可能にするという効果が得られるように機能を拡張することができる。

原理上、本発明のセンサ装置のフレネル構造の幾つか又は全てさえも（また、可能であればフレネルレンズ）を単一のレンズ板として形成することが可能である。
適宜な光学材料から成る矩形のレンズ板から開始して光導体ユニット３０を製造するためには、要求されるフレネル構造体４０（可能であれば、発散領域を有する）を形成するためには、前側部３８に僅かな改変を加えるだけでよい。光導体ユニット３０は、特に、エンボス加工工程によりレンズ板に形成することができる。同一のエンボス加工工程において、更なる光導体ユニット（ウェット状態又は昼光センサユニット）を同時に形成することができる。

本発明に従った光センサ装置の頂面図を示す概略図である。 図１の線Ａ−Ａに沿った断面図を示す概略図である。 本発明に従った光センサ装置の更なる開発例の頂面図を示す概略図である。

符号の説明

１０、１０´ 光センサ装置
１２ センサユニット１２
１４ フロントガラス
１６、１８、２０ 光衝突面
２２ ハウジング
２４ 回路板
２６ エミッタ
２８ 受光器
３０ 光導体ユニット
３２ カプラー
３４ 発散光ビーム
３４ａ、３４ｂ 光ビーム
３６ レンズ板の後面
３８ レンズ板の前側部
４０ フレネル構造体、ステップ付き構造体
４２ 光導体ユニットの入力部分
４４ 光導体ユニットの出力部分
４６ センサ面
４８ 昼光センサユニット
５０ 受光器
５２ 周囲の規定された領域
５４ 入力部分のステップ
５６ 入力面、出力面

Claims (21)

1. エミッタ（２６）を含むセンサユニット（１２）と、受光器（２８）と、エミッタ（２６）により放出された光ビーム（３４）を窓（１４）内に結合し且つ、窓（１４）から結合解除し、受光器（２８）まで導くための光導体ユニット（３０）とを備える、自動車の窓（１４）、フロントガラスに結合することのできる光センサ装置（１０、１０´）において、
   光導体ユニット（３０）は、フレネルレンズ領域（Ｆｒｅｓｎｅｌ ｌｅｎｓ ｒｅｇｉｏｎｓ）と、該フレネルレンズ領域と関係付けられた反射領域とを含むことを特徴とする、光センサ装置（１０、１０´）。
2. 請求項１に記載の光センサ装置において、
   光導体ユニット（３０）は、また、反射領域が関係付けられないフレネルレンズ領域を含むことを特徴とする、光センサ装置。
3. 請求項１又は２に記載の光センサ装置において、
   フレネルレンズ領域及び反射領域は、光導体ユニット（３０）のステップ付き構造体（４０）に形成されることを特徴とする、光センサ装置。
4. 請求項３に記載の光センサ装置において、
   光導体ユニット（３０）は、その前側部（３８）がステップ付き構造体（４０）を含む板により形成され、
   該板は、板の前側部（３８）がエミッタ（２６）及び（又は）受光器（２８）に面するように配置されることを特徴とする、光センサ装置。
5. 請求項４に記載の光センサ装置において、
   ステップ付き構造体（４０）のステップ（５４）の少なくとも幾つかは、各々、非球面のフレネルレンズの態様の形状とされた入力又は出力面（５６）と、入力面又は出力面と関係付けられた反射面（５８）とを有することを特徴とする、光センサ装置。
6. 請求項５に記載の光センサ装置において、
   反射面（５８）は、窓（１４）に対して実質的に垂直に整合されることを特徴とする、光センサ装置。
7. 請求項１乃至６の何れか１つの項に記載の光センサ装置において、
   個々のフレネルレンズ領域及び関係付けられた反射領域の間にて、屈折又は反射構造体を有する発散領域（ｄｉｖｅｒｔｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎｓ）が設けられ、発散領域に衝突する光が光センサ装置（１２）の機能を阻害しない方向に発散されるようにしたことを特徴とする、光センサ装置。
8. 請求項１乃至７の何れか１つの項に記載の光センサ装置において、
   光導体ユニット（３０）は、エミッタ（２６）により放出された光ビーム（３４）を窓内に結合するときに通る入力部分（４２）と、光ビームが窓（１４）から結合解除され且つ、受光器（２８）内に向けられるときに通る出力部分（４４）とを備えることを特徴とする、光センサ装置。
9. 請求項８に記載の光センサ装置において、
   光導体ユニット（３０）は、鏡対称の設計を有することを特徴とする、光センサ装置。
10. 請求項８又は９に記載の光センサ装置において、
    光導体ユニット（３０）は、単一体として形成されることを特徴とする、光センサ装置。
11. 請求項８乃至１０の何れか１つの項に記載の光センサ装置において、
    光導体ユニット（３０）の入力部分（４２）にて、フレネルレンズ領域及び関係付けられた反射領域は、各々、エミッタ（２６）により放出された光ビーム（３４）の一部分が各々フレネルレンズ領域を介して光導体ユニット（３０）に結合され、その後、関係付けられた反射領域にて反射されるように配置されることを特徴とする、光センサ装置。
12. 請求項８乃至１１の何れか１つの項に記載の光センサ装置において、
    光導体ユニット（３０）の入力部分（４２）にて、反射領域は、エミッタ（２６）により放出された光ビーム（３４）の反射部分が全体として、平行な光ビーム（３４ａ）として窓（１４）内に結合されるように配置されることを特徴とする、光センサ装置。
13. 請求項１２に記載の光センサ装置において、
    光ビーム（３４ａ）が窓（１４）内に結合されるときの角度（α）は、約４５°であることを特徴とする、光センサ装置。
14. 請求項１３に記載の光センサ装置において、光ビーム（３４ｂ）が窓（１４）から非結合状態にされるときの角度（β）は、約４５°であることを特徴とする、光センサ装置。
15. 請求項８乃至１４の何れか１つの項に記載の光センサ装置において、
    光導体ユニット（３０）の出力部分（４４）にて、フレネルレンズ領域及び関係付けられた反射領域は、各々、窓（１４）から非結合状態にされた光ビーム（３４ｂ）の一部分が反射領域に反射され、その後、関係付けられたフレネルレンズ領域を介して光導体ユニット（３０）から非結合状態にされるように配置されることを特徴とする、光センサ装置。
16. 請求項８乃至１５の何れか１つの項に記載の光センサ装置において、
    光導体ユニット（３０）の出力部分（４４）にて、フレネルレンズ領域及び関係付けられた反射領域は、各々、窓（１４）から非結合状態にされた光ビーム（３４ｂ）の部分が反射領域により、関係付けられたフレネルレンズ領域に反射し、これにより収斂する光ビーム部分として受光器（２８）に向けられるように配置されることを特徴とする、光センサ装置。
17. 請求項１乃至１６の何れか１つの項に記載の光センサ装置において、
    センサ装置（１０´）のハウジング（２２）内にて、少なくとも１つの追加的な昼光センサユニット（４８）が受容され、
    昼光センサユニット（４８）は、受光器（５０）と、受光器（５０）上に周囲の規定された領域（５２）からの光を写像する光導体ユニットとを含むことを特徴とする、光センサ装置。
18. 請求項１７に記載の光センサ装置において、
    昼光センサユニット（４８）の光導体ユニットは、非球面のフレネルレンズを含むことを特徴とする、光センサ装置。
19. 請求項１７に記載の光センサ装置において、
    昼光センサユニット（４８）の光導体ユニットは、フレネルレンズ領域及び関係付けられた反射領域を含むことを特徴とする、光センサ装置。
20. 請求項１乃至１９の何れか１つの項に記載の光センサ装置を製造する方法において、
    光導体ユニット（３０）は、板をエンボス加工することにより形成されることを特徴とする、光センサ装置を製造する方法。
21. 請求項２０に記載の方法において、
    光導体ユニット（３０）が形成される、同一のエンボス加工ステップにて、昼光センサユニット（４８）用の少なくとも１つの更なる光導体ユニットが同一の板に追加的に形成される、方法。

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