JP5906122B2 - 光学素子及び日照センサ - Google Patents

Description

本発明は、光学素子及び日照センサに関する。

車両の空調調整用に搭載される日照センサとして、日射光を受光する受光面を有すると共に、受光した日射光の出射側に開口する凹部が形成された受光レンズと、受光レンズから出射された日射光を検出する受光素子とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開２００９−８５３２号公報 特開２００３−２３１６８号公報 特開２００３−２１５５９号公報

ところで、日照センサでは、車両の前後及び左右方向において、低抑角（例えば、抑角３０°以下）特性の向上が要求されている。これについて、車両前方の低抑角感度を得るためには日照センサの受光面を前方に傾斜させて実装すればよいが、車両後方の低抑角感度が低下してしまう。そのため、車両の前後方向の低抑角感度を確保するためには、受光面が水平となるように日照センサを実装することが必要となる。

しかしながら、従来の日照センサでは、受光面が水平となるように実装すると、受光レンズと空気層との界面において日射光が全反射し、特に低抑角の日射光が受光素子に到達しないといった問題が生じ得る。そこで、従来では、受光レンズと受光素子との空気層にシリコーン樹脂を充填し、全反射を抑制するといった対策が講じられていた。しかし、シリコーン樹脂に含まれるシロキ酸が絶縁不良などといった不具合発生の原因となり得るため、シリコーン樹脂の使用は好ましくない。そのため、日照センサにおいては、シリコーン樹脂を用いずに車両の前後及び左右方向における低抑角特性の向上が図れる構造の実現が望まれている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、車両の前後及び左右方向における低抑角特性の向上を図れる光学素子及び日照センサを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題の解決を図るために鋭意研究を重ねた結果、受光レンズの形状と、入射した日射光を受光素子に出射する凹部の構造及び配置位置とが車両の前後及び左右方向の低抑角特性に大きく影響することを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明に係る光学素子は、車両に搭載される日照センサに設けられ、入射した日射光を受光素子に出射する光学素子であって、日射光が入射する非球面状の受光面を有する受光部と、受光部の外周縁部から外側に張り出し、受光面から連続する平坦面を有する鍔部と、を有し、受光部には、日射光の出射側に向かって開口する凹部が形成されており、凹部は、開口部が略矩形形状を呈していると共に、４つの第１〜第４内面により開口部側から受光面側に向かって先細り状に形成されており、凹部を車両の前後方向に沿った断面で見たときに、互いに対向する第１及び第２内面は湾曲しており、凹部を車両の左右方向に沿った断面で見たときに、互いに対向する第３及び第４内面は湾曲しており、凹部は、車両の前後方向に沿った断面で見たときに、車両の前方側寄りに位置していることを特徴とする。

この光学素子では、受光面が非球面状であると共に、受光面の外周縁部に平坦面を有する鍔部が設けられている。本発明者らの研究により、車両の左右方向における低抑角特性の改善には、受光面を非球面状とすることが有効であることが見出された。また、受光面の非球面化に伴い、受光部の縁部に平坦面を有する鍔部を設けることにより、車両の左右方向における低抑角特性の向上を図ることができる。一方、車両の前後方向の低抑角特性について、凹部の構造に関して試行錯誤した結果、凹部の内面構造及び凹部と受光素子との位置関係が、車両の前後方向の低抑角特性の向上と、車両の左右方向の抑角特性とに影響することを見出した。そこで、本発明では、凹部を形成する各内面を湾曲形状とすると共に、凹部の位置を、車両の前後方向に沿った断面で見たときに車両の前方側寄りとしている。これにより、車両の前後方向の低抑角特性の向上を図ることができ、且つ、車両の左右方向における低抑角の感度が高くなり過ぎることを抑制できる。以上のように、本発明では、車両の前後及び左右方向における低抑角特性の向上を図れる。

第１〜第４内面は楕円面である。このように、楕円面により凹部が形成されることにより、低抑角にて入射した光が空気層との界面で全反射することを抑制でき、低抑角特性をより好適に実現できる。

受光部の受光面と鍔部の平坦面との境界部分が湾曲している。このような構成により、車両の左右方向における低抑角特性をより好適に実現できる。

また、本発明に係る日照センサは、上述の光学素子と、光学素子から出射された日射光を受光する光検出部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、車両の前後及び左右方向における低抑角特性の向上を図れる。

一実施形態に係る日照センサを示す斜視図である。 図１に示す日照センサの断面構成を示すＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図１に示す日照センサの断面構成を示すＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 日照センサが車両に搭載された状態の一例を示す図である。 受光レンズを内側から見た図である。 鍔部が設けられた本実施形態の受光レンズと、鍔部が設けられていない従来の受光レンズとの左右方向の指向性相対感度の実測値を示す図である。 車両の前後方向における指向性相対感度のシミュレーション結果を示す図である。 （ａ）は、本実施形態の受光レンズでの前後方向の指向性相対感度の実測値を示す図であり、（ｂ）は、従来の受光レンズでの前後方向の指向性相対感度の実測値を示す図である。 （ａ）は、本実施形態の受光レンズでの左右方向の指向性相対感度の実測値を示す図であり、（ｂ）は、従来の受光レンズでの左右方向の指向性相対感度の実測値を示す図である。 従来の日照センサの断面構成を示す図である。 図１０に示す日照センサの受光レンズを内側から見た図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、一実施形態に係る日照センサを示す斜視図である。図２は、図１に示す日照センサの断面構成を示すＩＩ−ＩＩ線断面図である。図３は、図１に示す日照センサの断面構成を示すＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。各図に示す日照センサ１は、自動車などの車両Ｖ（図４参照）に搭載されるものであり、空調の設定温度を調整するために用いられる日射光の照度を検出するセンサである。なお、図２及び図３では、受光レンズ３のみを断面で示している。

図４は、日照センサが車両に搭載された状態の一例を示す図であり、車両を上から見た図である。図４に示すように、日照センサ１は、車両Ｖのダッシュボードに配置される。日照センサ１は、車両Ｖのフロントガラスの下方において、例えば車両Ｖの前後方向と車両の左右方向（幅方向）との交点部分に配置されている。前後方向は、車両Ｖにおいて並設された２つの座席（例えば、運転席と助手席）間の中心を通る位置に設定されることが好ましい。なお、図２におけるＩＩ−ＩＩ線は、車両Ｖの前後方向に沿っており、図３におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線は、車両Ｖの左右方向に沿っている。また、図２においては、右側が車両Ｖの「前」、左側が車両Ｖの「後」を示しており、図３においては、右側が車両Ｖの「右」、左側が車両Ｖの「左」を示している。

図１〜図３に示すように、日照センサ１は、受光レンズ（光学素子）３と、受光ユニット（光検出部）５と、センサホルダ７と、を備えている。センサホルダ７は、筒状をなしており、受光レンズ３及び受光ユニット５を保持してユニット化する部材である。センサホルダ７は、その上端部において受光レンズ３と係合して受光レンズ３を保持すると共に、その内部に受光ユニット５を収容して保持する。センサホルダ７は、車両Ｖのダッシュボードに埋設される部分であり、その側部にダッシュボードに係止される係止爪７ａ，７ｂが設けられている。

受光レンズ３は、受光部３ａと、鍔部３ｂと、を有している。受光部３ａは、断面が凸形状を呈しており、平面視において略円形形状を呈している。受光部３ａは、日射光を入射する受光面ＩＳと、受光面ＩＳと反対側の面の光学面ＥＳとを有している。受光面ＩＳは非球面状であり、光学面ＥＳは平坦面である。鍔部３ｂは、受光部３ａの外周縁部の全周から外側に水平に張り出しており、外形が略円形形状を呈している。鍔部３ｂは、受光面ＩＳに連続する平坦面ＦＳを有している。なお、ここで言う平坦面ＦＳとは、全体として平らな状態であればよく、例えばシボ加工が施されて表面に凹凸などが形成されている形態も含む。図２に示すように、受光面ＩＳと平坦面ＦＳとの境界部分（つなぎ目）は、所定の曲率で湾曲した形状とされている。

受光部３ａには、凹部２０が形成されている。凹部２０は、受光面ＩＳから入射した日照光の光束幅を広げたり狭めたりして、受光素子ＰＤに向けて日射光を出射する。凹部２０は、日射光の出射側、すなわち受光素子ＰＤが配置される側に向かって開口している。図５は、受光レンズを内側から見た図である。図５に示すように、凹部２０の開口部Ｋは、略矩形形状を呈しており、その四隅は円弧状（湾曲形状）となっている。なお、略矩形形状とは、四隅が屈曲、湾曲しているものを含む。

凹部２０は、図２に示すように、車両Ｖの前後方向に沿ったＩＩ−ＩＩ線断面で見て、頂部（先端部）が１つの山形（先細りの形状）を呈している。また、凹部２０は、図３に示すように、車両Ｖの左右方向に沿ったＩＩＩ−ＩＩＩ線断面で見て、頂部が２つの山形を呈している。凹部２０の頂部は尖っている。

上記の凹部２０は、４つの第１〜第４内面２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄにより形成されている。図２に示すように、互いに対向する第１及び第２内面２０ａ，２０ｂは、凹部２０が先細りの状となるように開口部Ｋ（光学面ＥＳ）側から頂部側に亘って湾曲していると共に、鉛直方向に沿った軸周りの方向に湾曲しており、楕円面となっている。図３に示すように、互いに対向する第３及び第４内面２０ｃ，２０ｄは、凹部２０が先細り状となるように開口部Ｋ側から頂部側に亘って湾曲していると共に、鉛直方向に沿った軸（中心軸ＡＸ）周りの方向に湾曲しており、楕円面となっている。第１〜第４内面２０ａ〜２０ｄの境界部分は、図５に示すように、湾曲形状をなしている。

図２に示すように、凹部２０は、車両Ｖの前後方向に沿ったＩＩ−ＩＩ線断面で見て、車両Ｖの前方側寄りに位置している。すなわち、車両Ｖの前後方向において、凹部２０の頂部と受光レンズ３の中心軸ＡＸとは位置がずれており、凹部２０が車両Ｖの前方側にオフセット配置されている。

図５に示すように、受光レンズ３の光学面ＥＳ側には、受光ユニット５の受光素子ＰＤ（図２参照）を位置決めするための位置決め部１３が設けられている。この位置決め部１３により、凹部２０と受光素子ＰＤとは、互いに対向して配置される。また、受光レンズ３には、一対の係合爪１５ａ，１５ｂが設けられている。一対の係合爪１５ａ，１５ｂは、受光レンズ３の縁部に互いに対向してそれぞれ配置されており、センサホルダ７と係合する。これにより、受光レンズ３は、センサホルダ７に固定保持される。

なお、受光レンズ３の受光面ＩＳには、シボ加工が施されていてもよい。シボ加工は、例えば皮、梨地、木目、布目など、搭載される車両Ｖの意匠性に応じて適宜加工が施されればよい。

受光ユニット５には、受光素子ＰＤが搭載されている。受光素子ＰＤは、入射光を電気信号に変換して出力する例えばフォトダイオードであり、車両Ｖの左右方向において所定の間隔をあけて複数（ここでは２つ）並設されている。すなわち、本実施形態の日照センサ１は、いわゆるデュアル（２ｃｈ）日照センサとして構成されている。受光素子ＰＤは、受光レンズ３の下方において、凹部２０を臨む位置に配置されている。受光素子ＰＤは、図示しないが、正面視で略矩形形状を呈している。

受光ユニット５は、実装基板９に実装されており、実装基板９の配線（図示しない）と電気的に接続されている。実装基板９には、入出力端子１１が設けられている。入出力端子１１は、実装基板９の配線と電気的に接続されている。これにより、受光素子ＰＤと入出力端子１１とが電気的に接続されている。

以上説明したように、本実施形態では、受光レンズ３が受光部３ａと鍔部３ｂとを有しており、受光部３ａの受光面ＩＳは、非球面状である。このように、受光面ＩＳを非球面状とすることにより、車両Ｖの左右方向における低抑角特性が改善できる。なお、本実施形態における抑角特性とは、日射光の抑角が４５°のときの出力電流を１００％、日射量が０のときの出力電流を０％としたときの相対感度で表されるものである。また、受光素子ＰＤの受光面＝抑角０°としており、低抑角とは例えば３０°以下を示している。

また、本実施形態では、受光面ＩＳを非球面状とすることに加えて、受光部３ａの外周縁部に、平坦面ＦＳを有する鍔部３ｂを設けている。この構成により、以下のような作用効果が得られる。図６は、鍔部が設けられた本実施形態の受光レンズと、鍔部が設けられていない従来の受光レンズとの左右方向の指向性相対感度の実測値を示す図である。従来の受光レンズとしては、受光面が非球面状であり、端面にＲ（湾曲）加工が施されているものを用いた。また、図６に示す評価では、受光レンズ３及び従来の受光レンズのいずれにおいても、受光面にシボ加工を施している。図６では、縦軸は及び横軸は相対感度［％］を示しており、左右方向軸上において左０°から右０°まで抑角１０°ピッチで実測した結果を示している。

図６に示すように、平坦面ＦＳを有する鍔部３ｂを設けた本実施形態の構成では、鍔部が設けられていない従来の構成に比べて、左側及び右側のいずれにおいても低抑角感度（特に、１０°〜２０°付近）が向上している。したがって、受光レンズ３において平坦面ＦＳを有する鍔部３ｂを設けることにより、車両Ｖの左右方向における低抑角感度の向上が図れる。

また、本実施形態では、受光レンズ３の凹部２０は、車両Ｖの前後方向に沿った断面で見て、車両Ｖの前方側寄りに位置している。図７は、車両の前後方向における指向性相対感度のシミュレーション結果を示す図である。図７に示すシミュレーション結果は、受光面ＩＳを非球面状とし、凹部２０の位置を車両Ｖの前方側にずらして配置した上述の構成としている。一方、比較例となる従来の構成については、受光面を非球面状とし、凹部の頂点が受光レンズの中心軸と一致している構成としている。

図７に示すように、凹部２０の位置を車両Ｖの前方向寄りにずらして配置した本実施形態の受光レンズ３では、従来の受光レンズに比べて、低抑角の相対感度が大幅に向上するというシミュレーション結果が得られた。左側特性では、特に１０°〜３０°の低抑角の相対感度が大幅に改善され、右側特性では、抑角の全域に亘って相対感度が改善される。したがって、受光レンズ３の受光部３ａにおいて、凹部２０を車両Ｖの前方側寄りにずれして配置することにより、車両Ｖの前後方向における低抑角特性の向上が図れることが確認された。

以上のような結果を踏まえて、本実施形態に係る日照センサ１では、受光レンズ３は、非球面状の受光面ＩＳを有する受光部３ａと、受光部３ａの外周縁部から張り出すと共に受光面ＩＳに連続する平坦面ＦＳを有する鍔部３ｂとを備えている。また、受光部３ａに形成された凹部２０は、車両Ｖの前方側寄りに位置している。このような構成により、受光レンズ３を備える日照センサでは、車両Ｖの前後及び左右方向における低抑角特性の向上が図れる。

図８（ａ）は、本実施形態の受光レンズでの前後方向の指向性相対感度の実測値を示す図であり、図８（ｂ）は、従来の受光レンズでの前後方向の指向性相対感度の実測値を示す図である。また、図９（ａ）は、本実施形態の受光レンズでの左右方向の指向性相対感度の実測値を示す図であり、図９（ｂ）は、従来の受光レンズでの左右方向の指向性相対感度の実測値を示す図である。図１０は、従来の受光レンズを備える日照センサの断面構成を示す断面図であり、図１１は、図１０に示す受光レンズを内側から見た図である。図１０及び図１１に示すように、従来の受光レンズ３２には、鍔部が設けられていない。また、凹部３４は、その頂部が受光レンズ３２の中心軸ＡＸと一致する位置に配置されている。なお、図８及び図９に示す評価では、本実施形態の受光レンズ３の受光面ＩＳ及び従来の受光レンズ３２の受光面のいずれにも、シボ加工を施している。

図８及び図９に示すように、本実施形態の受光レンズ３では、従来の受光レンズ３２に比べて、車両Ｖの前後及び左右方向の低抑角特性が大幅に改善されている。図８（ｂ）に示すように、従来の受光レンズ３２では、抑角が４０°以上では高い相対感度が得られているものの、低抑角に関しては相対感度が低い。これに対して、本実施形態の受光レンズ３では、図８（ａ）に示すように、低抑角での相対感度を十分に得ることができる。

また、図９（ｂ）に示すように、従来の受光レンズ３２では、車両Ｖの左右方向においても、抑角が例えば４５°以上では高い相対感度が得られているものの、低抑角に関しては相対感度が低い。これに対して、本実施形態の受光レンズ３では、図９（ａ）に示すように、３０°以下の低抑角において高い相対感度が得られている。したがって、本実施形態では、車両Ｖの前後及び左右方向の低抑角特性の向上を図れる。

また、本実施形態では、凹部２０が４つの第１〜第４内面２０ａ〜２０ｄにより先細り状に形成されており、第１〜第４内面２０ａ〜２０ｄは、楕円面である。このように、凹部２０を形成する第１〜第４内面２０ａ〜２０ｄを楕円面とすることにより、第１〜第４内面２０ａ〜２０ｄと空気層との界面における全反射を抑制でき、低抑角特性を好適に実現することができる。

また、本実施形態では、受光部３ａの受光面ＩＳと鍔部３ｂの平坦面ＦＳとの境界部分が湾曲形状となっている。これにより、車両Ｖの左右方向における低抑角特性をより好適に実現できると共に、受光レンズ３の外観を良好にできる。

また、本実施形態では、図８及び図９に示す結果のとおり、受光面ＩＳにシボ加工を施した構成であっても、低抑角特性の向上が実現できる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、受光ユニット５において受光素子ＰＤを２つ実装した形態について説明したが、日照センサは、受光素子ＰＤを１つだけ実装した形態（シングル日照センサ）であってもよい。このような構成では、受光レンズの凹部の形状を、車両Ｖの左右方向に沿った断面で見て、頂部が１つの山形とすればよい。

また、上記実施形態では、凹部２０の頂部が尖った形状を一例に説明したが、凹部２０の頂部の形状はその他の形状であってもよい。

１…日照センサ、３…受光レンズ（光学素子）、３ａ…受光部、３ｂ…鍔部、５…受光ユニット（光検出部）、２０…凹部、２０ａ〜２０ｄ…第１〜第４内面、ＦＳ…平坦面、ＩＳ…受光面、Ｋ…開口部、ＰＤ…受光素子、Ｖ…車両。

Claims (4)

1. 車両に搭載される日照センサに設けられ、入射した日射光を受光素子に出射する光学素子であって、
   前記日射光が入射する非球面状の受光面を有する受光部と、
   前記受光部の外周縁部から外側に張り出し、前記受光面から連続する平坦面を有する鍔部と、を有し、
   前記受光部には、前記日射光の出射側に向かって開口する凹部が形成されており、
   前記凹部は、開口部が略矩形形状を呈していると共に、４つの第１〜第４内面により前記開口部側から前記受光面側に向かって先細り状に形成されており、前記車両の前後方向に沿った断面で見たときに頂部が１つの山形を呈していると共に、前記車両の左右方向に沿った断面で見たときに前記頂部が２つの山形を呈しており、
   前記凹部を前記前後方向に沿った断面で見たときに、互いに対向する前記第１及び第２内面は湾曲しており、
   前記凹部を前記左右方向に沿った断面で見たときに、互いに対向する前記第３及び第４内面は湾曲しており、
   前記受光素子は、前記凹部と対向する位置に、前記左右方向において所定の間隔をあけて２つ配置されており、
   前記凹部は、前記前後方向に沿った断面で見たときに、前記前後方向において前記頂部と該光学素子の中心軸とは位置がずれており、前記車両の前方側にオフセット配置されていることを特徴とする光学素子。
2. 前記第１〜第４内面は楕円面であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
3. 前記受光部の前記受光面と前記鍔部の前記平坦面との境界部分が湾曲していることを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学素子と、前記光学素子から出射された日射光を受光する光検出部とを有することを特徴とする日照センサ。

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