JPH04143611A - 日射センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、日射強度、日射仰角、日射方位角が検出可能
で且つ日射方位角が零付近の場合には日射強度を３つの
受光素子の出力和で簡便に求めることができる日射セン
サに関する。

【従来技術】

従来の車両用空調装置では、日射センサを用いて日射量
、日射角を検出し、日射量、日射角に応じて空調装置の
吹出口の選択をし、吹出温度、風量を制御するという日
射補正制御が行われているこの目的のための日射センサ
として、特開平１１３６８１１号、特開平１−１３６８
１２号、特開昭６３−１４１８１６号公報が知られてい
る。 特開平１−１３６８１１号、特開平１−１３６８１２号
公報の日射センサは、車両の進行方向に傾斜し且つ車両
の進行方向の左右方向に対称に傾斜した１対の受光素子
対を有している。そして、この受光素子対で日射が右日
射か左日射かが判断され、又、その日射の強さが検出さ
れている。 又、特開昭６３−１４１８１６号の日射センサは、車両
の前進方向（＋Ｘ軸）と後進方向（−軸）に配設され、
車両に固定された水平面上にて前進方向に垂直な左右の
方向（Ｙ軸）に関して前後対称に鉛直方向（−Ｚ軸）に
傾斜した１対の第１受光素子対と、車両の前進方向（＋
Ｘ軸）に対して左方向（＋Ｙ軸）と右方向（−Ｙ軸）に
配設され、Ｘ軸に対して左右対称に−Ｚ軸方向に傾斜し
た１対の第２受光素子対とを有するものである。 その日射センサでは、第１受光素子対により光線のＸＺ
平面上への写像とＺ軸との成す角が検出され、第２受光
素子対により光線のＹＺ平面上への写像とＺ軸との成す
角が検出されている。又、日射の強さは４つの受光素子
の出力の和で演算されている。

【発明が解決しようとする課題】

しかし、特開平１−１３６８１１号、特開平１−１３６
８１２号公報の日射センサは、一対の受光素子対を用い
ているため、日射の空間的方位が検出できない。そのた
め、日射方位と日射量とを正確に決定することができな
かった。 又、特開昭６３−１４１８１６号の日射センサは、受光
素子の受光面がＺ軸を回転軸とする９０度の回転対称に
配設されており、各受光面の法線ベクトルの和ベクトル
が鉛直上方向（＋Ｚ軸）を向いている。従って、その日
射センサの測定値の最大値は日射方向が鉛直方向の場合
となる。 ところが、現実の車両では屋根が存在するので、車両の
受熱量が最大となるのは日射方向が鉛直となる場合では
ない。従って、特開昭６３−１４１８１６号の日射セン
サにおいて、各受光素子の出力の和で車両の受熱量を測
定すると、大きな誤差を生じる。 本発明は上記課題を解決するために成されたものであり
、その目的は、日射の仰角、方位角と共に車両の受熱量
を簡便且つ高精度で測定することである。

【課題を解決するための手段】

上記課題を解決するための発明の構成は、上方向に面し
た第１受光素子と、車両の進行方向に対して同−角だけ
前傾し且つ車両の進行方向に対して左右方向に対称に傾
斜した受光面を有するｈｉｃ２受光素子と第３受光素子
と、各受光素子の出力を加算する加算手段とから成り、
各受光素子の各受光面の各法線ベクトルを加算したベク
トルの向きが車両が太陽光線から受ける受熱量が最大と
なる太陽光線の向きに略等しくなるように第２受光素子
及び第３受光素子の各受光面の傾斜角を定めたことを特
徴とする。

【作用】

３つの受光素子の各受光面の向きはそれぞれ異なってい
る。特に、３つの受光素子の受光面の各法線ベクトルの
和ベクトルが車両の受熱量が最大となる日射方向に略一
致するように、各受光素子が配設されている。 従って、各受光素子の出力の和は、各受光面の法線ベク
トルの和ベクトルが指す方向から日射があった場合に最
大値をとる。 この結果、本日射センサでは、各受光素子の出力の和の
日射方向に対する特性と車両の受熱量の日射方向に対す
る特性とを一致させることができる。 よって、本日射センサは各受光素子の出力の和によって
車両の受熱量を正確に測定することができる。

【実施例】

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。 ３個の受光素子と半球状カバーより成る日射センサ１は
第２図に示すように、車両ＣのフロントガラスＧの内面
下のダツシュボードＤ上に設置される。 ここで、車両Ｃに対して次のように座標系をとる。 車両の進行方向にＸ軸（前進の向きが＋Ｘ軸）、車両に
固定された水平面上で進行方向に垂直な方向である左右
方向にＹ軸（前進の向きに見て左向きが＋Ｙ軸）鉛直方
向にＺ軸（上向きが＋Ｚ軸）がとられる。 日射のＸＹ平面上への写像と＋Ｘ軸との成す角を方位角
φ、日射とＸＹ平面との成す角を仰角θと定義する。又
、太陽の日射強度をＩとする。 第１図は１７本実施例に係る日射センサ１の構造を示し
た図面である。 第１図において、日射センサ１の構造を説明する。（ａ
）は、＋Ｚ軸方向から見た内部の上面図（ｂ）は、＋Ｙ
軸方向から見た側面断面図、（Ｃ）は、＋Ｘ軸方向から
＋Ｙ軸方向に４５度回転した位置から見た主要部の側面
断面図である。 ３個の受光素子は、Ｓａ、　Ｓｂ、　Ｓｃで表記されて
いる。この受光素子Ｓａ、　Ｓｂ、　Ｓｃには、受光面
積が同じで同一日射感度特性を有する太陽電池が用いら
れている。 受光素子Ｓａは、＋Ｘ軸から右側（−Ｙ軸）へ回転角φ
Ｓだけ回転し、かつ、センサ中心点から前傾角θＳ　（
水平面との成す角）だけ前傾した基板１１上に配設され
ている。 また、受光素子ｓｂは、Ｘ軸から左側へ回転角φＳ回転
し、かつ、センサ中心点から前傾角θＳ前傾した基板ｌ
ｌ上に同じく配設されている。 一方、受光素子Ｓｃは、Ｚ軸に垂直に基板１１上に配設
されている。 ここで、各受光素子Ｓａ、　Ｓｂ、　Ｓｃの各受光面の
単位法線ベクトルをそれぞれｎ＋、　ｎ２．　ｎ３とす
るとき、そられの成分表示は次式となる。 ｎ１＝（ｃｏｓφｍ５ｉｎｆ９　、、−５ｉｎφ、ｓｉ
ｎθ、、　ｃｏｓθ、）・（１） ｎ２＝（ＣＯ３−，ｓｉｎθｓ、　　ｓｉｎφａｓｉｎ
θ、、　　ｃｏｓθ、）ｎ３＝（０、０、１） よって、その各法線ベクトルの和ベクトルｎ０は、次式
のように表現される。 ｎｏ＝（２ｃｏｓφ５ｓＩｎθｍ、　　　　　０　、２
ｃｏｓθ、＋１）この和ベクトルｎ０が車両の受熱量が
最大となる日射方向に一致するように、角度φ１．θ、
が設定される。 例えば、車両の受熱量が最大となる日射方向は方位角が
０度、仰角が６０度とする。すると、日射方向の単位ベ
クトルＬは次式で表される。 Ｌ−（１／２．　　Ｏ，ｆｆ／２）（５）よって、次式
を解くことで受光素子Ｓａ、　Ｓｂの傾斜角φ１．θ１
を求めることができる。 ｎ、＝ｋＬ　　　　　　　　　　　　　　　　　　−（
６）未知変数φ１．θ３．ｋに対して、自由度が１だけ
大きいので、傾斜角φ３．θ、の組合せは多数存在する
。 よって、まず、φ、＝４５°とおいて、傾斜角θ。 を求めることにする。 最適値はθ、＝５７．６６°となる。 因みに、φ、＝０°の場合には、最適値はθ、＝４４．
４７°となる。又、φ、＝３０°の場合には、θ。 ＝４９．７９°となる。 受光素子Ｓａ、　Ｓｂの下部端面及びカバー１０の半球
部下部は、ダツシュボードＤの上部と同一面あるいは上
部になるように車両に設置される。 カバー１０は、所定波長以上（本実施例では、約７００
ｎｍ　）の光を透過させる透過性材料（本実施例では、
ポリ力ボネイト）により半球状に構成されている。そし
て、その表面にはハードコート処理がされている。した
がって、外観色は黒色となり、受光素子は外から見えな
い構成となっている１１は、受光素子Ｓａ、　Ｓｂ、　
Ｓｃ及びカバー１０を取り付ける基板である。 また、第１図の（ａ）に示すｌａ、　ｌｂ、　ｌｃ、　
ｌｄは、受光素子Ｓａ、　Ｓｂ、　Ｓｃから出力される
各信号を第６図に示す結線によって空調制御部６０に出
力するワイヤハーネスである。 ここで、第１図に示すように配置された受光素子Ｓａ、
　Ｓｂ、　Ｓｃの出力電流をｉａ、　ｉｂ、　ｉｃと表
現すると各出力は式（７）〜（９）で表される。 １ａ＝１　・０．５３５　（ｓｉｎθ＋１．１１６ＣＯ
Ｓθ（ｃｏｓφ＋ｓｉｎφ））ｉｂ＝Ｉ　・０．５３５
　（ｓｉｎθ＋１．１１６ＣＯＳθ（ｃｏｓφ−５ｉｎ
φ））ｉｃ＝Ｉ　−ｓｉｎθ　　　　　　　　　　　　
　　　−・（９）上記式（７）〜（９）のある限定条件
下における特性をグラフにすると、第３図、第４図のよ
うになる。 第３図は、日射強度工と日射仰角θを一定とし、日射方
位角φを変化させた時の方位角特性である。尚、縦軸は
、日射が各受光素子の受光面に垂直な場合を１に正規化
した値を示す。 第４図は、日射強度■と日射方位角φを一定とし、日射
仰角θを変化させた時の仰角特性である。第３図及び第
４図からも明らかなように、日射強度Ｉ、日射仰角θ、
日射方位角φの３つの未知数は、３つの受光素子の出力
式を解くことにより、下記のように算出できる。 ただし、第３図に示す様に、３つの受光素子の配置形態
によって、上記式Ｑｌ）　−０３により、日射成分を算
出できる領域に限界がある。日射がこの算出不可領域に
ある場合に、式α０−ａによって日射成分を算出すると
その結果は、大きな誤差を生じる。そのため、算出可能
領域内と算出可能領域外では、日射成分の算出方法を可
変し、日射強度及び日射角の測定誤差による空調装置の
誤作動を防止する必要がある。 本実施例は、基板１１の傾斜面に配置された受光素子Ｓ
ａ、　Ｓｂの出力の仕事を求め、この比率と比較値Ｔｈ
３を比較し、この結果より、日射成分算出方法を変更し
ている。 すなわち、第３図に示す様に日射成分算出不可領域は、
言い換えると、３つの受光素子の内、つでも出力が零一
定になるか、散乱日射による若干の出力があるものの日
射角度に対してほぼ一定値を出力する領域である。この
様な状態になりやすいのは、基板１１に傾斜して配電し
た受光素子Ｓａ、　Ｓｂであることから、受光素子Ｓａ
とｓｂの出力比率により領域を判定する。 ここで、受光素子Ｓａとｓｂの出力比率（ｉａ／ｉｂ　
ｏｒｉｂ／　ｉａ）は、式（７）及び（８）により、日
射強度Ｉに関係なく、日射仰角θと方位角φの関数とな
り、第５図に示す様な関係がある。 第５図は、受光素子Ｓａとｓｂの出力を比較し、大きい
方の出力を分子として求めた出力比率を縦軸に、日射方
位角φを横軸として、日射仰角θと方位角φの関係を示
した図である。 本実施例では、出力比率が１００を越える場合には、日
射成分算出不可、領域とし、出力比率が１００以下にお
いては比較値Ｔｈ３を設定し算出不可領域を判定する様
にしている。判定後の算出方法については後述する。 第６図は本発明の日射センサ１を適用した車両空調装置
の構成を示したブロック図である。 エアコンユニット５０は、内外気切換ユニット５１、送
風機５２、クーラユニット５３、エアミックスユニット
５４、ヒータユニット５５、吹出口切換ユニット５６、
ヒート吹出口５７、ベント吹出口切換ユニット５８を有
する。 内外気切換ユニット５１は内外気切換ダンパ７０を有し
、そのダンパ７０はサーボモータ７１により駆動される
。 送風機５２はファン７２とモータ７３とを有し、モータ
７３の回転数がモータ駆動回路７４により調整される。 クーラユニット５３は車載エンジンにより駆動される図
示しない冷凍サイクルのエバポレータ７５を有する。 エアミックスユニット５４はエアミックスダンパ７６を
有し、そのダンパ７６はサーボモータ７７により駆動さ
れる。 ヒータユニット５５は、車載エンジンの冷却水を熱源と
するヒータコア７８を有する。 吹出口切換ユニット５６は、吹出口切換ダンパ７９を有
し、そのダンパ７９はサーボモータ８０により駆動され
る。 ベント吹出口切換ユニット５８は、ベント吹出口切換ダ
ンパ８１を有し、そのダンパ８１はサーボモータ８２に
より駆動され、運転者側ベントロ８３と助手席側ベント
ロ８４の吹き出し風量比を可変する。 ６０はマイクロコンピュータを内蔵した制御装置である
。その制御装置６０には、本発明を適用した日射センサ
１と外気温センサ６１と室内温センサ６２とエバ後温セ
ンサ６３と水温センサ６４とオートスイッチや各種モー
ドのマニュアル設定スイッチ及び温度設定器を有するス
イッチパネル６５からの各信号が入力される。 次に、上記の制御装置６０の作動をマイクロコンピュー
タの処理手順を示した第７図のフローチャートに従って
説明する。 ステップ１００において、各種のデータの初期設定が行
われ、その後、ステップ１０２からステップ１１０まで
の処理が繰り返し実行されることで、エアコンユニット
５０が制御される。 ステップ１０２では、日射センサ１、他のセンサ６１〜
６４、スイッチパネル６５から各信号が入力される。 ステップ１０４では、日射センサ１の各受光素子の出力
信号から仰角、方位角、受熱量又は強度の日射成分が演
算される。この演算手順は後述する。 次に、ステップ１０６において、次の０式から、車室内
空調に必要な吹出温度Ｔ　ＡＯを、ステップ１０４で演
算された受熱量Ｔｓを用いて演算される。 Ｔ　Ａｏ＝Ｋｓ＊ｔ”Ｔｓｓｔ−Ｋｒ”Ｔｒ−Ｋａｓ”
Ｔａ５−Ｋｓ”Ｔ　ｓａｃα３ 但し、Ｋ　、、ｔ、に、　、に、、、に、　、Ｃは定数
である。 ステップ１０８では、上記の必要吹出温度Ｔ　ＡＯ及び
エバ後温度に基づいて、送風機５２、エアミックスユニ
ット５４、吹出口切換ユニット５６が制御される。 次に、ステップ１１０において、ステップ１０４で演算
された日射仰角θと日射方位角φに基づき、左右のベン
ト吹出口風量比をベント吹出口切換ダンパ８１によりリ
ニアに制御される。 次に、ステップ１０４における受熱量Ｔｓの算出の詳細
な手順を、第９図及び第１０図を参照して説明する。 まず、ステップ２００１こおいて、日射センサ１から出
力される３つの受光素子出力を加算する。加算結果は第
１０図に示す様に車両受熱量特性に近似した特性となる
。この特性は、前述したように第１図に示した受光素子
配置により得られたものである。各受光素子面の方線ベ
クトルの和が車両の受熱量が最大となる日射方向に向い
ているので、各受光素子の出力の和の仰角に対する特性
は、受熱量の仰角に対する特性に一定する。 この加算結果ｉｔによりステップ２０２で日射による車
両受熱量の補正が必要か否かの判定が、加算結果ｉｔと
第１比較値Ｔｈｌと比較することで実行される。 ここで、加算結果ｉｔが第１比較値Ｔｈｌより小さい場
合は、車両受熱量の値が小さく補正を行う必要がないと
判断され、ステップ２０４において車両受熱量Ｔｓ、　
日射仰角θ９日射左右角φ２日射強度■を初期値にセッ
トして、ステップ２３０へ移行する。 一方、加算値ｉｔが第１比較値Ｔｈｌより大きい場合は
、ステップ２０６に処理は移行する。 ステップ２０６では、日射センサ１の各受光素子間の出
力差ｉ　ｄｉｆｆｌ、　ｉ　ｄｉｆｆ２を算出する。こ
の処理を必要とする場合は、車両受熱量が補正を必要と
する大きさはあるが、曇天時のように直達日射成分が殆
ど無く、散乱日射が大半を占める様な天候状態の場合で
ある。この場合には、日射は、あらゆる角度からほぼ均
等に車両内に入射するため、α１〜側によって日射成分
を算出すると誤差を生ずる。そこで、出力差ｉ　ｄｉｆ
ｆｌ、　ｉ　ｄｉｆｆ２が何れも第２比較値Ｔｈ２より
小さいか否か、ステップ２０８で判定される。いずれも
は小さい場合、即ち、散乱日射が大半を占めると判定さ
れた場合には、ステップ２１０．２１２に処理が移行す
る。 ステップ２１０では、日射方位角φ＝０°１日射仰角θ
＝５０′″とされる。 なお、θの値については、０°としても良いが、受光素
子の配置上、直達日射光が大半を占める状態において、
３つの受光素子の出力がほぼ一致する点が第４図に示す
様にφ＝０°、θ＝５０°の状態であるため、この値に
設定されている。 次に、ステップ２１２では、車両内憂熱量Ｔｓを下式か
ら求め、ステップ２１２に進む。 Ｔｓ＝（ｉａ＋ｉｂ＋ｉｃ）　Ｘ　Ｋｉ　　　　　　　
　　　　−−α◇（Ｋｉ；加算値を受熱量に変換する定
数）なお、式α乃が受熱量を示すのは、受光素子の各受
光面の法線ベクトルのベクトル和の向きが受熱量が最大
となる日射方向に向くように受光面が設定されているか
らである。 一方ステップ２０８にふいて、出力差ｉ　ｄｉｆｆｌ或
いはｉ　ｄｉｆｆ２の何れか１つが第２比較値Ｔｈ２よ
り大きい場合には、ステップ２１４に進む。ステップ２
１４〜２１８は、前述したように、第５図における日射
角の算出不可領域を検出するための処理である。まず、
ステップ２１４で受光素子Ｓａとｓｂの出力信号の大き
さを比較し、ｉａ＞ｉｂの時には、ステップ２１６で、
ｉａ／ｉｂが第３の比較値Ｔｈ３より大きいか否か判定
し、大きい場合には（算出不可領域の場合）、ステップ
２２０に移行し、小さい場合には（算出領域内）、ステ
ップ２２２に移行する。 一方、ｉａ＜ｉｂの時には、ステップ２１８で、１ｂ／
１ａが第３の比較値Ｔｈ３より大きいか否か判定し、大
きい場合（算出不可領域）には、ステップ２２０に、小
さい場合（算出領域内）には、ステップ２２２に移行す
る。 又、ステップ２２０では、式０１〜巾による日射成分算
出を行わず、前回算出した受熱量Ｔｓ、　　日射仰角θ
、方位角φが今回のデータとされる。 一方、日射角算出領域内にあると判定されると、ステッ
プ２２２で弐αＯにより日射仰角θを、ステップ２２４
で式０から日射方位角φを、ステップ２２６でステップ
２１２と同様に、０４式を用いて各受光素子の出力の和
から耐熱量Ｔｓが演算される。 尚、このステップ２２６では、０４式で求める代わりに
、０式により日射強度Ｉを求め、第８図に示す受熱量の
日射仰角に対する特性から求めても良い。車両の受熱量
は車両形状によって決定される。予め、第８図に示すよ
うな車両の受熱量比の日射角に対する特性を記憶してお
き、測定された日射角に対応する受熱量比を特性曲線の
補間により求めることができる。尚、受熱量比は最大受
熱量を１として正規化した値である。又、受熱量比特性
は、ある日射強度を有する日射が車両（車室内）に入射
した時、同じ日射強度でも日射仰角又は日射方位角によ
って、車両ガラス面への投影面積等が変化するため、日
射による車室内部品の受熱量が変化することを示す特性
である。 以上の様に、各受光素子の受光面をその法線ベクトルの
和ベクトルが車両の受熱量が最大となる日射方向を向く
ように構成したので、各受光素子の単純な出力和で車両
の受熱量を測定することができる。又、３つの日射成分
（日射強度、日射仰角、日射方位角）もα０−Ｕ式によ
り正確に求めることができる。 又、各受光素子の出力和で受熱量を求めることができる
ので、直達日射量が少ない場合にも正確な車室内受熱量
Ｔｓが求められる。 また、第１図に示すように配置された日射センサにおい
ては、第３図に示した様に構造的に弐〇〇〜υが成立し
ない領域があるが、第２、第３受光素子の出力比により
、この領域を検出する様にしたことにより、Ａ／Ｃの誤
作動を防止できる。

【発明の効果】

本発明は、３つの受光素子の受光面の各法線ベクトルの
和ベクトルが車両の受熱量が最大となる日射方向に略一
致するように、各受光素子がそれぞれ異なる方向に向か
って配設されている。 従って、各受光素子の出力の和の日射方向に対する特性
と車両の受熱量の日射方向に対する特性とを一致させる
ことができる。 よって、本日射センサは各受光素子の出力の和によって
車両の受熱量を正確に測定することができる。又、それ
ぞれの受光素子の出力から日射強度、日射仰角、日射方
位角も正確に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の具体的な一実施例に係る日射センサの
構造を示した構造図、第２図は日射センサと車両との座
標関係を示した説明図、第３図は受光素子の出力比と日
射方位角との関係を示した特性図、第４図は受光素子の
出力比と日射仰角との関係を示した特性図、第５図は受
光素子の出力比と日射成分の算出不可領域との関係を示
した特性図、第６図は本実施例の日射センサを用いた空
調装置の構成を示した構成図、第７図は実施例装置の制
御装置で用いられたコンピュータの処理手順を示したフ
ローチャート、第８図は車両の受熱量の日射仰角に対す
る特性を示した特性図、第９図は日射成分及び受熱量を
求めるコンピュータによる処理手順を示したフローチャ
ート、第１０図は車両の受熱量、各受光素子の出力和の
日射仰角に関する特性を示した特性図である。 １°・・日射センサ　Ｓａ、　ｓｂ、　ｓＣ””受光素
子１１一基板　１０・・・カバー Ｄ−・°ダツシュボード

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　上方向に面した第１受光素子と、 車両の進行方向に対して同一角だけ前傾し且つ前記車両
   の進行方向に対して左右方向に対称に傾斜した受光面を
   有する第２受光素子と第３受光素子と、 前記各受光素子の出力を加算する加算手段とから成り、 前記各受光素子の各受光面の各法線ベクトルを加算した
   ベクトルの向きが前記車両が太陽光線から受ける受熱量
   が最大となる太陽光線の向きに略等しくなるように前記
   第２受光素子及び前記第３受光素子の各受光面の傾斜角
   を定めたことを特徴とする日射センサ。