JP6110821B2 - 雨滴検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウィンドシールドに雨滴が付着したことを検出する雨滴検出装置に関する。

従来より、車両のウィンドシールドに付着した雨滴を検出する雨滴検出装置が、例えば特許文献１で提案されている。具体的には、発光素子と、発光素子から照射された光をウィンドシールドに導くと共にウィンドシールドで反射した光を受光素子に導く光学体と、光学体から光を受光する受光素子と、を備えた構成が提案されている。

光学体は、受光素子から離れる方向に発光素子から照射された光を光学体に導入するための第１コリメートレンズと、第１コリメートレンズを介して光学体内に導入された光を反射させるための平面状の反射面と、を有している。第１コリメートレンズは発光素子側に突出した突形状になっている。また、光学体は、受光素子側に発光素子から照射された光を光学体に導入してウィンドシールドに導くための第２コリメートレンズを有している。

これにより、第１コリメートレンズを介して光学体に導入された光は反射面で反射すると共にウィンドシールドで反射するという第１光路を経て受光素子に導かれる。一方、第２コリメートレンズを介して光学体内に導入された光はウィンドシールドで反射するという第２光路を経て受光素子に導かれる。

特開２００９−１０９５１８号公報

しかしながら、上記従来の技術では、発光素子から第１コリメートレンズまでの距離が発光素子から第２コリメートレンズまでの距離よりも短いので、発光素子から各コリメートレンズまでの距離の差が大きくなってしまう。そして、発光素子から照射される光の強度は発光素子に近いほど強いので、第１光路を進む光の強度が第２光路を進む光の強度よりも強くなる。これに伴い、光学体を介してウィンドシールドに照射された第１光路の光の強度と第２光路の光の強度との不均一が発生する。したがって、ウィンドシールド表面での雨滴検出感度が不均一になってしまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、第１光路と第２光路とでウィンドシールドに照射される光の強度の差を小さくすることができる雨滴検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内面（２２０）及び外面（２１０）を有するウィンドシールド（２００）の外面（２１０）に付着する雨滴を検出する雨滴検出装置であって、以下の点を特徴としている。

まず、ウィンドシールド（２００）の内面（２２０）側に配置されると共に、当該内面（２２０）側に向かって発光する発光部（１１０）を備えている。また、ウィンドシールド（２００）の内面（２２０）側に配置されると共に、ウィンドシールド（２００）の外面（２１０）で反射した光を受光する受光部（１２０）を備えている。

さらに、発光部（１１０）から照射された光をウィンドシールド（２００）に導くと共に、ウィンドシールド（２００）の外面（２１０）で反射した光を受光部（１２０）に導くレンズ部（１４０）を備えている。

そして、レンズ部（１４０）は、発光部（１１０）から離れるように凹んだ形状であり、発光部（１１０）から照射された光のうち受光部（１２０）側とは反対側に照射された光を、当該光の直進性を維持しつつ当該レンズ部（１４０）の内部に導く入射側凹面（１４１）を有している。

また、レンズ部（１４０）は、入射側凹面（１４１）を介して当該レンズ部（１４０）に導入された光を反射させると共に平行光になるようにコリメートし、当該コリメートした光を第１光路（１４５）を介してウィンドシールド（２００）の外面（２１０）に導く入射側反射面（１４２）を有している。

さらに、レンズ部（１４０）は、発光部（１１０）から照射された光のうち受光部（１２０）側に照射された光を当該レンズ部（１４０）の内部に導くと共に平行光になるようにコリメートし、当該コリメートした光を第２光路（１４６）を介してウィンドシールド（２００）の外面（２１０）に導く入射側レンズ面（１４３）を有していることを特徴とする。

これによると、入射側凹面（１４１）が光の直進性を阻害することなく光を入射側反射面（１４２）に導いているので、発光部（１１０）から入射側反射面（１４２）までの距離と、発光部（１１０）から入射側レンズ面（１４３）までの距離と、の差を小さくすることができる。したがって、第１光路（１４５）を介してウィンドシールド（２００）に達する光の強度と、第２光路（１４６）を介してウィンドシールド（２００）に達する光の強度と、の差を小さくすることができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る雨滴検出装置の断面図である。 図１に示されたレンズ部の平面図である。 図１に示された反射面の形状を説明するための一部断面図である。 図１に示されたレンズ部の光路を説明するための断面図である。 第１光路及び第２光路によってウィンドシールドの外面に照射された測定光の光分布を示した図である。 発光部を構成するＬＥＤに対して、Ａ面、Ｂ面、Ｃ面を設定した図である。 図６に示された各面での光強度を示した図である。 図６に示された各面での光相対強度を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る雨滴検出装置の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る雨滴検出装置の一部断面図である。 本発明の第４実施形態に係る雨滴検出装置の断面図である。 図１１に示されたレンズ部の光路を説明するための断面図である。 本発明の第５実施形態に係る雨滴検出装置の一部断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る雨滴検出装置は、車両のウィンドシールドに付着した雨滴を検出するものである。図１に示されるように、雨滴検出装置１００は、発光部１１０、受光部１２０、回路基板１３０、及びレンズ部１４０を備えて構成されている。

発光部１１０は、ウィンドシールド２００の外面２１０に付着した雨滴を検出するための測定光を照射する発光装置である。このため、発光部１１０はウィンドシールド２００の内面２２０側に配置されると共に、当該内面２２０側に向かって発光する。発光部１１０は、ウィンドシールド２００に向かって発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）として構成されている。発光部１１０は例えば半導体チップに形成されている。なお、ウィンドシールド２００の外面２１０は車両の外側の面であり、内面２２０は車室内の面である。

受光部１２０は、発光部１１０の光を受光する受光装置である。受光部１２０は、ウィンドシールド２００の内面２２０側に配置されると共に、ウィンドシールド２００の外面２１０で反射した発光部１１０の光を受光する。受光部１２０は、受光した光の強度を検出するフォトダイオード（ＰＤ）として構成されている。受光部１２０は例えば半導体チップに形成されている。

回路基板１３０は、一面１３１を有する板状のものである。回路基板１３０は例えばプリント基板である。回路基板１３０は、発光部１１０、受光部１２０、及びＩＣチップやコネクタ等の図示しない電子部品が一面１３１に実装されている。また、受光部１２０は、回路基板１３０の一面１３１において、発光部１１０に対して所定の距離だけ離されて実装されている。

さらに、回路基板１３０は、発光部１１０を駆動する駆動回路や受光部１２０の検出結果を処理する処理回路を有している。駆動回路は、発光部１１０を例えばＰＷＭ制御する。すなわち、駆動回路は、パルス信号によって発光部１１０を点滅させる。もちろん、一定の電圧で発光部１１０を駆動しても良い。処理回路は、受光部１２０の信号を増幅処理等して外部装置に出力する。

レンズ部１４０は、発光部１１０から照射された光をウィンドシールド２００に導くと共に、ウィンドシールド２００の外面２１０で反射した光を受光部１２０に導くように構成されている。レンズ部１４０は、ガラス、ポリカーボネート、アクリル等の材料によって形成されている。図１及び図２に示されるように、レンズ部１４０は、入射側凹面１４１、入射側反射面１４２、入射側レンズ面１４３、及び出射側レンズ面１４４を有している。

入射側凹面１４１は、発光部１１０から照射された光のうち受光部１２０側とは反対側に照射された光を、当該光の直進性を維持しつつ当該レンズ部１４０の内部に導く入射面である。「光の直進性を維持しつつ」とは、入射側凹面１４１の「光を屈折させない」という機能を示している。入射側凹面１４１は、発光部１１０から離れるように凹んだ形状であり、例えば球面形状や非球面形状に形成されている。

本実施形態では、入射側反射面１４２は、発光部１１０の発光点を原点とした球面になっている。これにより、発光部１１０の光は、広範囲に広がり、かつ、均一になる。

また、本実施形態では、入射側凹面１４１は、入射側反射面１４２で反射した光と干渉しないようにレンズ部１４０に設けられている。これによると、入射側反射面１４２で反射した光が入射側凹面１４１で干渉しないので、入射側反射面１４２で反射してウィンドシールド２００に達する光の強度が低下することを防止することができる。

入射側反射面１４２は、入射側凹面１４１を介してレンズ部１４０の内部に導入された光を反射させる反射面である。また、入射側反射面１４２は、反射させた光が平行光になるようにコリメートしてウィンドシールド２００の外面２１０に導く。入射側反射面１４２は、鏡面加工されて光を全反射させる形状になっている。

図３に示されるように、入射側反射面１４２の形状は、発光部１１０の発光点を原点としてウィンドシールド２００に対して４５°傾けた回転軸を持つ非球面形状である。すなわち、入射側反射面１４２は、非球面形状である放物面形状になっている。

入射側レンズ面１４３は、発光部１１０から照射された光のうち受光部１２０側（つまり入射側凹面１４１とは反対側）に照射された光をレンズ部１４０の内部に導くレンズ面である。また、入射側レンズ面１４３は、レンズ部１４０の内部に導入した光が平行光になるようにコリメートしてウィンドシールド２００の外面２１０に導く。

出射側レンズ面１４４は、ウィンドシールド２００の外面２１０で反射した光を受光部１２０に導くレンズ面である。出射側レンズ面１４４は入射側レンズ面１４３と受光部１２０との間に位置している。

以上が、本実施形態に係る雨滴検出装置１００の構成である。発光部１１０及び受光部１２０が実装された回路基板１３０、レンズ部１４０は図示しないカバーハウジングに収容されてパッケージ化されている。レンズ部１４０は一部がカバーハウジングから露出している。

そして、図１に示されるように、レンズ部１４０はシート３００に押し付けられる。シート３００は、雨滴検出装置１００とウィンドシールド２００とに挟まれる部材であり、例えばシリコンシートが採用される。レンズ部１４０に導入された測定光はこのシート３００を介してウィンドシールド２００に入射する。

次に、上記のレンズ部１４０の内部における測定光の光路について説明する。図４に示されるように、測定光は、発光部１１０から第１光路１４５及び第２光路１４６を経由して受光部１２０で受光される。

第１光路１４５の光は、発光部１１０から照射された測定光のうち受光部１２０側とは反対側に照射された光が入射側凹面１４１からレンズ部１４０の内部に進み、入射側反射面１４２で反射すると共にコリメートされてウィンドシールド２００の外面２１０に導かれる経路をたどる。また、第１光路１４５の光は、ウィンドシールド２００の外面２１０から出射側レンズ面１４４を介して受光部１２０に集光される経路をたどる。

一方、第２光路１４６の光は、発光部１１０から照射された測定光のうち受光部１２０に照射された光が入射側レンズ面１４３からレンズ部１４０の内部に進むと共にコリメートされてウィンドシールド２００の外面２１０に導かれる経路をたどる。また、第２光路１４６の光は、ウィンドシールド２００の外面２１０から出射側レンズ面１４４を介して受光部１２０に集光される経路をたどる。

ここで、第１光路１４５をたどる測定光は、入射側反射面１４２によってウィンドシールド２００の外面２１０に対して４５°の角度にコリメートされる。また、第２光路１４６をたどる測定光は、入射側レンズ面１４３によってウィンドシールド２００の外面２１０に対して４５°の角度にコリメートされる。言い換えると、レンズ部１４０は、各光路１４５、１４６の光がシート３００を介してウィンドシールド２００の外面２１０の雨滴検出面で全反射（臨界角以上）するように形成されていると言える。

上述のように、第１光路１４５及び第２光路１４６はレンズ部１４０への入射の経路が異なるが、ウィンドシールド２００の外面２１０で反射した光はいずれも出射側レンズ面１４４によって受光部１２０に集光される。

図５に示されるように、第１光路１４５によってウィンドシールド２００の外面２１０に照射された測定光は、第１光分布１４５ａのように照射される。一方、第２光路１４６によってウィンドシールド２００の外面２１０に照射された測定光は、第２光分布１４６ａのように照射される。

したがって、雨滴検出装置１００は、ウィンドシールド２００の外面２１０に雨滴が付着していない状態で第１光分布１４５ａ及び第２光分布１４６ａが形成されたときの受光部１２０の受光量を１００％とし、この受光量に対する変化を雨滴として検出する。この雨滴検出結果は、車両のワイパの自動制御に用いられる。

以上説明したように、本実施形態では、第１光路１４５については入射側凹面１４１ではなく入射側反射面１４２で測定光がコリメートされ、第２光路１４６については入射側レンズ面１４３によって測定光がコリメートされる構成となっている。つまり、入射側凹面１４１で光を屈折させない構成になっていることが特徴である。

このような構成としたことは、発光部１１０を構成するＬＥＤの特性にも関係している。図６に示されるように、ＬＥＤに対してｚ方向のＡ面、Ｂ面、及びＣ面の各位置における光強度は図７に示されるようにＡ面で最も強くなり、Ｃ面で均一になる。同様に、図８に示されるように、５０％における光相対強度を見ても、Ａ面における光の広がりは小さく、Ｃ面における光の広がりが大きく均一になっている。

したがって、発光部１１０から照射された光を発光部１１０から遠くに設けられた反射面で反射（コリメート）させることが望ましい。この要望を満たすため、本実施形態では、入射側凹面１４１では測定光を屈折させずにレンズ部１４０に測定光を導入し、入射側反射面１４２に測定光をコリメートする機能を持たせている。

このように、入射側凹面１４１が発光部１１０から入射側反射面１４２に向かう光の直進性を阻害させないので、発光部１１０から入射側反射面１４２までの距離と、発光部１１０から入射側レンズ面１４３までの距離と、の差を小さくすることができる。すなわち、発光部１１０の光は広範囲に広がり、かつ、均一になるので、発光部１１０から入射側反射面１４２までの光強度と、発光部１１０から入射側レンズ面１４３までの光強度と、の差を小さくすることができる。したがって、第１光分布１４５ａと第２光分布１４６ａとの光強度の差を小さくすることができる。

つまり、各光分布１４５ａ、１４６ａの光強度が均一になるので、各光分布１４５ａ、１４６ａに対応したウィンドシールド２００の外面２１０での雨滴検出感度を均一にすることができ、ひいては雨滴検出性能を向上させることができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図９に示されるように、レンズ部１４０は反射膜１４７を有している。反射膜１４７は、入射側反射面１４２を覆うように当該入射側反射面１４２に設けられている。また、反射膜１４７は、入射側反射面１４２を介してレンズ部１４０の外部に透過しようとする光を反射させる役割も果たす。

反射膜１４７として、例えば、アルミニウム、銀、炭酸マグネシウム、酸化アルミニウム等の金属膜や、塗膜等が用いられる。反射膜１４７として金属膜を採用した場合は蒸着等の方法によりレンズ部１４０の入射側反射面１４２に反射膜１４７を形成することができる。塗膜の場合は入射側反射面１４２に塗料を直接コーティングしても良いし、塗膜を入射側反射面１４２に貼り付けても良い。

以上説明したように、入射側反射面１４２に反射膜１４７を設けることにより、入射側反射面１４２からレンズ部１４０の外部に漏れる光が無くなるので、第１光路１４５を介してウィンドシールド２００に達する光の強度が低下することを抑制することができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。図１０に示されるように、入射側レンズ面１４３は、第１凸面１４３ａ及び第２凸面１４３ｂによって構成されている。第１凸面１４３ａは、発光部１１０側に位置するレンズ面である。また、第２凸面１４３ｂは受光部１２０側に位置するレンズ面である。

このような構成によると、入射側レンズ面１４３を大きく形成することができるので、第２光路１４６による雨滴検出面積を大きくすることができる。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１〜第３実施形態と異なる部分について説明する。図１１に示されるように、レンズ部１４０は、上記構成の他に、出射側反射面１４８及び出射側凹面１４９を有している。このうちの出射側反射面１４８は、ウィンドシールド２００の外面２１０で反射した光のうち出射側レンズ面１４４よりも受光部１２０側に進む光を受光部１２０側に反射させる反射面である。

出射側反射面１４８は、鏡面加工されて光を全反射させる形状になっている。また、出射側反射面１４８の形状は、例えば受光部１２０の受光エリアの中心を原点としてウィンドシールド２００に対して４５°傾けた軸を中心とした放物面形状になっている。

また、出射側凹面１４９は、出射側反射面１４８で反射した光を、当該光の直進性を維持しつつ当該受光部１２０に導くレンズ面である。出射側凹面１４９は、受光部１２０から離れるように凹んだ形状になっている。出射側凹面１４９は、入射側凹面１４１と同様に、光を屈折させない形状になっている。

そして、図１２に示されるように、第１光路１４５は上記各実施形態と同じ経路となるので、ウィンドシールド２００の外面２１０で反射した測定光は出射側レンズ面１４４を介して受光部１２０に入射する経路となる。一方、第２光路１４６は、出射側レンズ面１４４を介して受光部１２０に入射する経路だけでなく、出射側反射面１４８で反射して出射側凹面１４９を介して受光部１２０に入射する経路も含まれる。

以上により、入射側レンズ面１４３のうち最も受光部１２０側から入射側レンズ面１４３を介してレンズ部１４０の内部に入射すると共にウィンドシールド２００の外面２１０で反射した光を受光部１２０で取り込むことができる。したがって、雨滴検出装置１００の雨滴検出面積を大きくすることができる。

（第５実施形態）
本実施形態では、第４実施形態と異なる部分について説明する。図１３に示されるように、出射側レンズ面１４４は、第３凸面１４４ａ及び第４凸面１４４ｂによって構成されている。第３凸面１４４ａは、発光部１１０側に位置するレンズ面である。また、第４凸面１４４ｂは、受光部１２０側に位置するレンズ面である。

このような出射側レンズ面１４４の構成によると、出射側レンズ面１４４を大きく形成することができるので、雨滴検出装置１００の雨滴検出面積を大きくすることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された雨滴検出装置１００の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、発光部１１０と受光部１２０との組み合わせは一対に限られない。発光部１１０が２個に対して受光部１２０が１個でも良い。

また、レンズ部１４０の入射側レンズ面１４３は、当該入射側レンズ面１４３で反射した光が入射側凹面１４１に干渉しないようになっていたが、必ず干渉しない形状にすべきではなく、レンズ部１４０の設計に応じて多少干渉する形状でも構わない。

第３実施形態では、入射側レンズ面１４３が２つの凸面１４３ａ、１４３ｂに分割されていたが、これは２つの凸面１４３ａ、１４３ｂに限定されるものではない。すなわち、第１凸面１４３ａ及び第２凸面１４３ｂで成立する構成であるから、第３の凸面や第４の凸面のように入射側レンズ面１４３が３以上の複数の凸面で構成されていても構わない。第４実施形態で示された出射側レンズ面１４４についても２つの凸面１４４ａ、１４４ｂに限定されず、出射側レンズ面１４４が３以上の複数の凸面で構成されていても構わない。

１１０ 発光部
１２０ 受光部
１４０ レンズ部
１４１ 入射側凹面
１４２ 入射側反射面
１４３ 入射側レンズ面
１４５ 第１光路
１４６ 第２光路

Claims (6)

1. 内面（２２０）及び外面（２１０）を有するウィンドシールド（２００）の前記外面（２１０）に付着する雨滴を検出する雨滴検出装置であって、
   前記ウィンドシールド（２００）の内面（２２０）側に配置されると共に、当該内面（２２０）側に向かって発光する発光部（１１０）と、
   前記ウィンドシールド（２００）の内面（２２０）側に配置されると共に、前記ウィンドシールド（２００）の外面（２１０）で反射した光を受光する受光部（１２０）と、
   前記発光部（１１０）から照射された光を前記ウィンドシールド（２００）に導くと共に、前記ウィンドシールド（２００）の外面（２１０）で反射した光を前記受光部（１２０）に導くレンズ部（１４０）と、
   を備え、
   前記レンズ部（１４０）は、
   前記発光部（１１０）から離れるように凹んだ形状であり、前記発光部（１１０）から照射された光のうち前記受光部（１２０）側とは反対側に照射された光を、当該光の直進性を維持しつつ当該レンズ部（１４０）の内部に導く入射側凹面（１４１）と、
   前記入射側凹面（１４１）を介して当該レンズ部（１４０）に導入された光を反射させると共に平行光になるようにコリメートし、当該コリメートした光を第１光路（１４５）を介して前記ウィンドシールド（２００）の外面（２１０）に導く入射側反射面（１４２）と、
   前記発光部（１１０）から照射された光のうち前記受光部（１２０）側に照射された光を当該レンズ部（１４０）の内部に導くと共に平行光になるようにコリメートし、当該コリメートした光を第２光路（１４６）を介して前記ウィンドシールド（２００）の外面（２１０）に導く入射側レンズ面（１４３）と、
   を有していることを特徴とする雨滴検出装置。
2. 前記入射側凹面（１４１）は、前記入射側反射面（１４２）で反射した光と干渉しないように前記レンズ部（１４０）に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の雨滴検出装置。
3. 前記レンズ部（１４０）は、前記入射側反射面（１４２）を覆うように前記入射側反射面（１４２）に設けられていると共に、前記入射側反射面（１４２）を介して前記レンズ部（１４０）の外部に透過しようとする光を反射させる反射膜（１４７）を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の雨滴検出装置。
4. 前記入射側レンズ面（１４３）は、前記発光部（１１０）側の第１凸面（１４３ａ）と、前記受光部（１２０）側の第２凸面（１４３ｂ）と、によって構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の雨滴検出装置。
5. 前記レンズ部（１４０）は、
   前記第１光路（１４５）及び前記第２光路（１４６）を介して前記ウィンドシールド（２００）の外面（２１０）で反射した光を前記受光部（１２０）に導く出射側レンズ面（１４４）と、
   前記第２光路（１４６）を介して前記ウィンドシールド（２００）の外面（２１０）で反射した光のうち前記出射側レンズ面（１４４）よりも前記受光部（１２０）側に進む光を前記受光部（１２０）側に反射させる出射側反射面（１４８）と、
   前記受光部（１２０）から離れるように凹んだ形状であり、前記出射側反射面（１４８）で反射した光を、当該光の直進性を維持しつつ当該受光部（１２０）に導く出射側凹面（１４９）と、
   を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の雨滴検出装置。
6. 前記出射側レンズ面（１４４）は、前記発光部（１１０）側の第３凸面（１４４ａ）と、前記受光部（１２０）側の第４凸面（１４４ｂ）と、によって構成されていることを特徴とする請求項５に記載の雨滴検出装置。

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