JP7108818B2 - 日射日照複合センサ - Google Patents

Description

本開示は、日射光の近赤外光を検出する日射センサと、日射光の可視光を検出する日照センサを組み合わせた、日射日照複合センサに関する。

近年、日射センサと日照センサの２種類のセンサを一体化した複合した日射日照複合センサの開発が進められている。

従来の日射日照複合センサは、例えば特許文献１に示されている。特許文献１に示された日射日照複合センサは、受光した光量に応じて電気信号を出力する受光素子と、受光素子に入射光させる集光素子を備えている。受光素子の受光面は、近赤外光を検出する領域と、可視光を検出する領域とに分割した構成が開示されている。

特開２０００－２５８２４４号公報

しかしながら、近赤外光を検出する領域と可視光を検出する領域を一つの受光面に設定する場合、その領域に対応しない光の入射はノイズ信号を生成することになる。例えば、近赤外光を検出する領域における可視光の入射に伴う信号は、日射センサにおけるノイズ信号となる。また、可視光を検出する領域における近赤外光の入射に伴う信号は、日照センサにおけるノイズ信号となる。

そこで、本開示ではこのような問題を解決し、日射日照複合センサの検出精度を高めることを目的とする。

本開示の一態様における日射日照複合センサは、受光面を有する受光素子と、受光面と対向する位置に配置された光学素子とを備え、光学素子は、近赤外光を選択的に透過させる第１のレンズ部と、可視光を選択的に透過させる第２のレンズ部とを有し、第２のレンズ部は第１のレンズ部の外周を囲むように配置されており、受光面に垂直な軸を中心軸として、第１のレンズ部は、入射される近赤外光と中心軸となす角が第１の角度範囲にある近赤外光を前記受光面に集光させ、入射される近赤外光と中心軸となす角が第１の角度範囲外にある近赤外光を受光面以外の場所に分散させ、第２のレンズ部は、入射される可視光と中心軸となす角が第２の角度範囲にある可視光を前記受光面に集光させ、入射される可視光と中心軸となす角が第１の角度範囲外にある可視光を受光面以外の場所に分散させ、第１の角度範囲は、第２の角度範囲より小さくする構成とした。

このような構成により、本開示は、日射日照複合センサの検出精度を高めることができる。

図１は、本開示の一実施形態における日射日照複合センサの断面図である。 図２は、本開示の一実施形態における受光素子の検出特性を示す図である。 図３は、本開示の一実施形態における光学素子の上面図である。 図４は、本開示の一実施形態における日射日照複合センサに入射する近赤外線光の光路図である。 図５は、本開示の一実施形態における日射日照複合センサに入射する近赤外光の光路図である。 図６は、本開示の一実施形態における日射日照複合センサに入射する可視光の光路図である。 図７は、本開示の一実施形態における日射日照複合センサの検出特性を示す図である。 図８は、図１におけるレンズ部３０Ｂの成形方法を模式的に示す図である。 図９は、本開示の一実施形態における光学素子の成形方法を模式的に示す図である。

以下では、本開示の実施の形態に係る日射日照複合センサについて図を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される形状、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構造については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化している。

図１は、日射日照複合センサの要部構成を示す断面図である。日射日照複合センサ１００は、日射検出機能と日照検出機能を有する。日射検出機能とは、日射光に含まれる近赤外光を検出し、例えば車内空間の空調制御するための制御信号の一つを生成する機能である。なお、近赤外光の波長範囲は、例えば７５０ｎｍから１１００ｎｍである。日照検出機能とは、日射光に含まれる可視光を検出し、例えばヘッドライトの点灯制御するための制御信号の一つを生成する機能である。なお、可視光の波長範囲は、例えば４５０ｎｍから６５０ｎｍである。

日射日照複合センサ１００は、パッケージ１０と、受光素子２０と光学素子３０を有している。

パッケージ１０は上方に向って開口した収容部１１を有する。収容部１１は底面１２と底面１２を囲む壁面１３を有する。パッケージ１０は樹脂成形体からなる。樹脂成形体の材料は、ＰＢＴ樹脂（ポリブチレンテレフタレート樹脂）やＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル、ブタジエン、スチレン共重合合成樹脂）などのプラスチック樹脂を用いることができる。

受光素子２０は、受光面２１に入射する日射光の光量に応じた電気信号を出力する。図２に受光素子２０の検出特性を示す。横軸は検出波長を示す。検出波長の単位はｎｍである。縦軸は検出感度を示す。検出感度は、ピーク波長における出力を１００とした規格値である。図２においてピーク波長は８５０ｎｍである。例えば、波長が６００ｎｍの光に対する検出感度は、ピーク波長の検出感度の６０％であることを示している。受光素子２０は、フォトダイオードやフォトトランジスタを用いることができる。

光学素子３０は、日射日照複合センサ１００に入射する日射光を、選択的に受光面２１
に集光させる。光学素子３０は、図１に示すように、レンズ部３０Ａとレンズ部３０Ｂとフランジ部３０Ｃを有する。図３に光学素子３０の上面図を示す。中央の黒い点は中心軸４０を示す。光学素子３０の上面視においてレンズ部３０Ａは、中心軸４０を中心とした円形状の外周を有する。なお、中心軸４０とは、受光面２１の中心を通り、かつ、受光面と直交する方向に伸びる軸を示す。レンズ部３０Ｂは、レンズ部３０Ａの外周を囲むように配置されており、中心軸４０を中心とした円形状の外周を有する。フランジ部３０Ｃは、レンズ部３０Ｂの外周を囲むように配置されており、矩形形状の外周を有する。フランジ部３０Ｃは、図１に示すようにパッケージ１０の上端に接続されている。光学素子３０は、パッケージの収容部１１を覆い、収容部１１を密閉している。

レンズ部３０Ａは、近赤外光を選択的に透過させる。レンズ部３０Ａは可視光を吸収あるいは反射する顔料を含む樹脂で成形することができる。顔料は、例えばフタロシアニン系顔料や銅、鉄、マンガン等の複合酸化物系顔料を用いることができる。樹脂は、例えばポリカーボネートを用いることができる。また、レンズ部３０Ａは、日射光の入射方向と中心軸４０とのなす角度の範囲が２０度以上７５度未満となる近赤外光を受光面に集光させることができる。また、レンズ部３０Ａは、日射光の入射方向と中心軸４０とのなす角度の範囲が０°以上２０°未満の近赤外光を減光することができる。レンズ部３０Ａは、日射光の入射方向と中心軸４０とのなす角度の範囲が７５°以上９０°未満の近赤外光は、受光面２１に集光されない。レンズ部３０Ａの構造については後述する。

レンズ部３０Ｂは、可視光を選択的に透過させる。レンズ部３０Ｂは近赤外光を吸収あるいは反射する顔料を含む樹脂で成形することができる。顔料は、例えばセシウムタングステン酸化物を用いることができる。樹脂は、例えばポリカーボネートを用いることができる。また、レンズ部３０Ｂは、日射光の入射方向と中心軸４０とのなす角度の範囲が７５°以上９０°未満となる可視光を、受光面に集光させることができる。レンズ部３０Ｂは、日射光の入射方向と中心軸４０とのなす角度の範囲が０°以上７５°未満の可視光は、受光面２１に集光されない。
レンズ部３０Ｂの構造については後述する。

フランジ部３０Ｃは、樹脂で成形することができる。樹脂は、例えばレンズ部ポリカーボネートを用いることができる。なお、フランジ部３０Ｃに入射する日射光は、受光面２１に集光されない。

次に、光学素子３０の構成について説明する。図１に示すように、光学素子３０は、第１面３１と第２面３２を有する。第１面３１は日射光が入射する側の面である。第２面３２は、第１面３１と反対側の面であり、受光素子２０の受光面２１と対向する側の面である。

第１面３１は、上方に突出した湾曲形状である。湾曲面は非球面式により定義される。

第２面３２は、中心軸４０を中心とする第１領域３３と、第１領域３３の外周に位置する第２領域３４と、第２領域３４の外周に位置する第３領域３５と、第３領域３５の外周に位置する第４領域３６とを有している。

第１領域３３は、受光素子２０の側（下方）に突出した円錐面であり、断面がＶ字状となっている。なお、円錐面の底面に相当する領域の外周円は、上面視において受光素子２０の受光面２１の外周より外側にある。第２領域３４は、前記受光素子２０の側に突出した凸状の湾曲面である。つまり、第２領域３４は、日射光に対して正の屈折力を有している。第２領域３４は、入射した日射光に対して集光作用を有する。第２面３２における第１の領域３３と第２の領域３４と、第１の面３１の一部によりレンズ部３０Ａの露出面が
形成される。

第３領域３５は、受光素子２０と反対側（上方）に突出した凹状の湾曲面である。つまり、第３領域３５は、日射光に対して負の屈折力を有している。第３領域３５は、入射した日射光に対して発散作用を有する。第２面３２における第３の領域３５と第１の面３１の一部によりレンズ部３０Ｂの露出面が形成される。

なお、光学素子３０におけるレンズ部３０Ａとレンズ部３０Ｂは、第１領域３３の外周から第３領域３５の外周に向って徐々に厚みが増加している。光学素子３０の厚みは、第１領域３３の外周すなわち第２領域３４の内周、第２領域３４の外周すなわち第３領域３５の内周、第３領域３５の外周すなわち第４領域３６の内周の順で大きくなる。

なお、第４領域３６は、平面である。第２面３２における第４領域とこれらに対応する第１の面によりフランジ部３０Ｃが形成される。

次に、日射日照複合センサ１００の集光作用について説明する。

図４は、日射日照複合センサ１００に対して日射光が真上から入射する場合の光路を示す光路図である。図中の破線で示す矢印は日射光における近赤外光５０（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ）の光路を示している。

光学素子３０の第１面３１は凸状の湾曲面であり、レンズ部３０Ａの第１面３１に入射した近赤外光５０に対して集光作用が働く。近赤外光５０は集光作用により中心軸４０の側に屈折する。レンズ部３０Ａを構成している第１領域３３は下側に向けて突出した円錐面である。円錐面は、中心軸４０に対して傾斜している。第１領域３３は、入射される近赤外光５０Ａに対して全反射の条件を満たしている。つまり、第１領域３３に入射する近赤外光５０Ａは、円錐面により全反射されるので近赤外光５０Ａのほとんどが受光面２１には到達しない。

また、レンズ部３０Ａを構成している第２領域３４に入射する近赤外光５０Ｂは、屈折作用によりほとんどの近赤外光５０が受光面２１には到達しない。なお、第１領域３３の頂部を通る近赤外光５０Ａは受光面２１に到達するが、光量が少なく検出結果に対して実質的に影響を及ぼさない。

また、レンズ部３０Ｂは、可視光を選択的に透過させる。したがって、第３領域３５を介して近赤外光５０Ｃは受光面２１の側に透過されない。

なお、この光学作用は、近赤外光５０日射光の入射角が０°における光学作用について説明したが、近赤外光５０の入射角が０°以上で且つ２０°未満の範囲においてもほぼ同様の光学作用を示す。

図５は、日射日照複合センサ１００に対して日射光が斜め入射する場合の光路を示す光路図である。なお、レンズ部３０Ａは日射光における近赤外線を選択的に透過させるものであり、図中の矢印は日射光の近赤外光５０（５０Ｄ、５０Ｅ、５０ＦＣ）の光路を示している。中心軸４０に対する近赤外光５０の傾きは例えば５５°である。この場合、第１領域３３における円錐面は、入射される近赤外光５０Ｄに対して全反射条件を満たさない。つまり、近赤外光５０Ｄは第１領域３３を介して受光素子２０の側に透過する。第１領域３３を透過した近赤外光５０Ｄは、円錐面により屈折される。屈折した近赤外光５０Ｄの一部は受光面２１に到達する。第２領域３４は、第２面３２が下方に向けて突出した凸状の湾曲面となっている。第２領域３４を透過する近赤外光５０Ｅは、第２領域３４の正
の屈折力により集束光に変換されて受光面２１に集光される。

また、第３領域３５は、レンズ部３０Ｂの第２面３２を構成している。レンズ部３０Ｂは可視光を選択的に透過させる。したがって、近赤外光５０Ｆは第３領域３５を介して受光面２１の側に透過されない。

なお、この光学作用は、近赤外光５０の入射角が５５°における光学作用について説明したが、近赤外光５０の入射角が２０°以上で且つ７５°未満の範囲においてもほぼ同様の光学作用を示す。また、近赤外光５０の入射角が７５°以上で且つ９０°以下の範囲においては、受光面に対する集光条件を満たしていない。したがってこの入射角の範囲における近赤外光５０は、受光面２１に集光されない。

図６は、日射日照複合センサ１００に対して日射光が斜め入射する場合の光路を示す光路図である。なお、図中の破線で示す矢印は日射光の可視光６０（６０Ａ、６０Ｂ）の光路を示している。中心軸４０に対する可視光６０の傾きは例えば８５°である。この場合、レンズ部３０Ｂの第２面３２を構成する第３領域３５は、第２面３２が上方に向けて突出した凹状の湾曲面となっている。第３領域３５を透過する可視光６０Ａは、負の屈折力により受光面２１に集光される。

また、第１領域３３と第２領域３４は、レンズ部３０Ａの第２面３２を構成している。レンズ部３０Ａは、近赤外光を選択的に透過させる。したがって、可視光６０Ｂは、第１領域３３または第２領域３４を介して受光面２１の側に透過されない。

なお、この光学作用は、可視光６０の入射角が８５°における光学作用について説明したが、可視光６０の入射角が７５°以上で且つ９０°以下の範囲においてもほぼ同様の光学作用を示す。また、可視光６０の入射角が０以上で且つ７５°未満の範囲においては、受光面２１に対する集光条件を満たしていない。したがってこの入射角の範囲における可視光６０は、受光面２１に集光されない。

日射日照複合センサ１００の検出特性を図７に示す。横軸は日射光の入射角を示す。縦軸は、受光素子２０の検出感度を示す。なお、受光素子２０の検出感度とは、ピーク入射角における出力を１００とした規格値である。図７におけるピーク入射角は、５４°である。例えば、入射角が３０°の光に対する検出感度は、ピーク波長の検出出力感度の７５％であることを示している。なお、日射日照複合センサ１００の出力は、車内の空調制御とヘッドライトの点灯制御に用いられる。

車内の空調制御とは、日射光に含まれる近赤外光の輻射熱により体感温度が車内温度より高く感じることに対して、体感温度を下げるための制御である。たとえば、車内が快適な温度（例えば２８°である。）状態であっても車内に日射光が照射すると、近赤外光の輻射熱により体感温度が車内温度より高い温度（例えば３２°である）となる。この体感温度を車内温度に近づけるため、車内空調における風量を上げたり送風温度を下げたりする制御である。この空調制御は、車内空間に入射する日射光に含まれる近赤外線の光量を検出することで可能となる。例えば図８において日射光の光量の閾値を１０とすることができる。この場合、入射角が０°から７５°の範囲で空調制御が行われる。

ヘッドライトの点灯制御とは、夕方におけるヘッドライトの自動点灯や、朝方におけるヘッドライトの自動消灯を行うための制御である。この点灯制御は、日射光に含まれる可視光の光量を検出することで可能となる。例えば図８において日射光の光量の閾値を５とすることができる。この場合、入射角が８０°となる可視光の照度が点灯制御の切り替えタイミングとなる。

つまり、車内の空調制御は、日射光が車内に入射する近赤外光の影響が大きい昼間に検出する必要があり、近赤外光の影響が少なくなる夕方から朝方にかけての検出は必要がない。また、ヘッドライトの点灯制御は、朝方や夕方の検出が必要であるが、日中や夜間には検出の必要がない。したがって、光学素子３０において近赤外光を検出する領域と、可視光を検出する領域を、中心軸４０に対する日射光のなす角で領域分割し、かつ、近赤外光を検出するレンズ部３０Ａの中心軸４０に対する角度範囲を、可視光を検出するレンズ部３０Ｂの中心軸４０に対する角度範囲より小さくすことで、単一の光学素子３０と単一の受光素子を用いて日射日照複合センサ１００を構成することができる。つまり、日射日照複合センサ１００の小型化ができる。なお、近赤外光と可視光の分離は、光学素子３０により行われるので、受光素子２０の受光面２１を領域分割する必要がない。したがって近赤外光と可視光の相互影響が抑制されるので日射日照複合センサ１００における検出精度を高めることができる。また、日射日照複合センサ１００を小型化できるので車内空間における視認性を抑制することができる。つまり、日射日照複合センサ１００の配置に伴う車内空間のデザイン性の劣化を抑制することができる。

具体的な角度範囲は、上述したように、近赤外光を検出するレンズ部３０Ａの角度範囲を２０°以上且つ７５°未満とし、可視光を検出するレンズ部３０Ｂの角度範囲を７５°以上且つ９０°以下とすることが好ましい。

また、上述したように、光学素子３０を構成するレンズ部３０Ａ、レンズ部３０Ｂ、フランジ部３０Ｃが樹脂からなることで、光学特性を調整する顔料の調整が容易となり、光学設計における波長選択性を高精度に実現できる。また、成形金型を用いた樹脂成形が可能となるので光学素子３０の生産性が向上される。さらに、光学素子３０の光学面が金型成形面の転写面として形成されるので、光学素子３０の生産に伴う特性バラツキが低減される。

次に、光学素子３０の樹脂成形について説明する。光学素子３０は、先ず図８に示すように成形金型７０を用いてレンズ部３０Ｂを成形する。レンズ部３０Ｂは、可視光を選択的に透過するポリカーボネート材を成形金型７０の成形空間に配置し加圧成形する。レンズ部３０Ｂはリング状の成形体である。次いで、図９に示すように成形金型７１を用いて光学素子３０を形成する。近赤外光を選択的に透過するポリカーボネート材とレンズ部３０Ｂとを成形金型の間に配置しプレス成形する。このプレス成形によりレンズ部３０Ａとレンズ部３０Ｂとフランジ部３０Ｃが一体となった光学素子３０が作成される。このような手順で樹脂成形を行うことで、レンズ部３０Ａとレンズ部３０Ｂの接合面およびレンズ部３０Ｂとフランジ部３０Ｃの接合面は、ともに溶着面となる。溶着面は、接接着剤により接合した接着面などに比べ気密性が高くなる。したがって、受光素子を配置したパッケージの収容部１１を光学素子３０で覆った場合における収容部１１の気密性を高めることができる。

また、上記のようにフランジ部３０Ｃをレンズ部３０Ａと同じ材料で成形したことで、フランジ部３０Ｃからの可視光の入射が抑制され、パッケージ内部の紫外線による劣化が抑制される。ただし、フランジ部３０Ｃをレンズ部３０Ｂと同じ材料としてもよい。

本開示は、日射センサと日照センサを複合化した日射日照複合センサの検出精度を高めることができ、特に車内空間におけるデザイン性が求められる車種において有効である。

２１ 受光面
２０ 受光素子
３０ 光学素子
３０Ａ （第１の）レンズ部
３０Ｂ （第２の）レンズ部
３０Ｃ フランジ部
４０ 中心軸
５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ，５０Ｅ，５０Ｆ 近赤外光
６０，６０Ａ，６０Ｂ 可視光
１００ 日射日照複合センサ

Claims (5)

1. 受光面を有する受光素子と、
   前記受光面と対向する位置に配置された光学素子と、を備え、
   前記光学素子は、近赤外光を選択的に透過させる第１のレンズ部と、可視光を選択的に透過させる第２のレンズ部と、を有し、
   上面視において、前記第２のレンズ部は、前記第１のレンズ部の外周を囲むように配置されており、
   前記第１のレンズ部の中心を通り、かつ、前記受光面に垂直な軸を中心軸として、
   前記第１のレンズ部は、入射される近赤外光と前記中心軸となす角が第１の角度範囲にある前記近赤外光を前記受光面に集光させ、入射される近赤外光と前記中心軸となす角が第１の角度範囲外にある前記近赤外光を前記受光面以外の場所に分散させ、
   前記第２のレンズ部は、入射される可視光と前記中心軸となす角が第２の角度範囲にある前記可視光を前記受光面に集光させ、入射される可視光と前記中心軸となす角が第１の角度範囲外にある前記可視光を前記受光面以外の場所に分散させ、
   前記第１の角度範囲は、前記第２の角度範囲より小さい、
   日射日照複合センサ。
2. 前記第１の角度範囲は、２０°以上７５°未満であり、
   前記第２の角度範囲は、７５°以上９０°以下である、
   請求項１に記載の日射日照複合センサ。
3. 前記第１のレンズ部は、近赤外光を選択的に透過する樹脂からなり、第２のレンズ部は可視光を選択的に透過する樹脂である、
   請求項１に記載の日射日照複合センサ。
4. 前記第１のレンズ部と前記第２のレンズ部の界面は、融着面で形成されている、
   請求項１に記載の日射日照複合センサ。
5. 前記光学素子は、上面視において前記第２のレンズ部の外周を囲むフランジ部をさらに有し、
   前記フランジ部は、前記第１のレンズ部と同じ素材である、
   請求項１に記載の日射日照複合センサ。

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