JPH1194731A

JPH1194731A - 液体検出機能を備えた透明基板

Info

Publication number: JPH1194731A
Application number: JP10110513A
Authority: JP
Inventors: Shuhei Tanaka; 修平田中; Tadashi Koyama; 正小山; Keiji Tsunetomo; 啓司常友; Hideki Imanishi; 秀樹今西
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1998-04-21
Publication date: 1999-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】結露等によって室内側面に生じた水滴の影響
を受けず、外側面に付着した雨滴のみを検出する。【解決手段】フロントガラス１の室内側面にセンサ装
置２を接着剤３にて取付けている。このセンサ装置２は
ガラス基板４の表面にレーザ光によって回折格子５，６
が形成され、また、接着剤３は前面に塗布せず間をあけ
て塗布することで、センサ装置２とフロントガラス１と
の間に密閉空間Ｓが設けられ、この密閉空間Ｓ内は真空
とされるか乾燥空気、窒素ガス、不活性ガス或いは乾燥
剤が封入されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は雨滴などの液体の有
無、単位面積当たりの液滴の個数、量などを高精度で検
知する機能を備えた透明基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車のフロントガラスに雨滴が付着し
たことを検知して、ワイパーを自動的に動作させる試み
が従来から行なわれており、検知方式としては、大きく
分けて電極間の電気抵抗の変化や電気容量の変化で検知
する方式と、反射光量の変化等を利用して光学的に検知
する方式がある。

【０００３】前者の方式の例としては、特開平８−２６
１９７４号公報に開示されるように、ガラス板の内部に
櫛形の透明電極を配置し、ガラス板表面に水滴が付着し
たことによって生じる櫛形の透明電極間の静電容量の変
化を検出し、これに応じて窓の開閉やヒータの制御を行
なうものがある。このような電極間の電気抵抗の変化、
電気容量の変化などを検知して行う方式は、耐久性、感
度の面で光学式に劣り、特に自動車用のフロントガラス
にあっては、運転者あるいは同乗者の視認性に追随した
信号であることが重要であり、光学式のセンサが望まし
い。

【０００４】一方、光学的に検知する方式にあっては、
ガラス板の外表面に付着した雨滴を検出するだけでな
く、内表面に付着した結露による水滴を検出し、ワイパ
ー等の誤作動を引き起こす原因になる。内表面に付着し
た水滴に関する先行技術として、特開平２−７０５５４
号公報、特開平２−７０５５５号公報、特表平８−５０
５１０１号公報及びヨーロッパ特許第５６２２７５公報
に開示されるものがある。

【０００５】特開平２−７０５５４号公報は特開平２−
７０５５５号公報には、車両のウインドガラスの外側面
に一方の水滴検出センサを取付け、室内側に結露等を検
出する他方の水滴検出センサを配置している。そして、
一方の水滴検出センサを直接型検出タイプとし、他方の
水滴検出センサを水滴からの反射光を検出する反射型検
出タイプとしている。

【０００６】また、特表平８−５０５１０１号公報に
は、ヒータによって雨滴検出領域の内側面に結露による
水滴を付着させない内容が開示されている。更に、ヨー
ロッパ特許第５６２２７５公報には雨滴検出領域の内側
面に反射膜を設け、結露による水滴の影響を受けないよ
うにした内容が開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記した、特開平２−
７０５５４号公報は特開平２−７０５５５号公報に開示
される検出方法にあっては、雨滴付着と室内結露とを分
離して検知するための２種類のセンサの設置と信号処理
をしなくてはならず、コスト上昇を招く。尚、特開平２
−７０５５４号公報は特開平２−７０５５５号公報にあ
っては、ウインドガラスの外側面に直接型検出タイプの
水滴検出センサを取付け、この水滴検出センサとウイン
ドガラスの外側面との間に隙間が設けられているが、こ
の隙間は密閉空間ではなく外気と連通している隙間と考
えられるので、隙間の内面に水滴が付着することが考え
られ、水滴が付着するとこれによって検出誤差が生じ
る。

【０００８】特表平８−５０５１０１号公報に開示され
る方法によれば、結露による水滴の発生を防止すること
ができるのであるが、その為にヒータを設けなければな
らず構成が複雑化し、コストアップになる。

【０００９】また、ヨーロッパ特許第５６２２７５公報
に開示される技術によっても、結露による水滴の影響を
なくすことができるが、その為に雨滴検出領域の内側面
に反射膜を設けなければならない。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本願の第１発明は、反射光量の変化で透明基板の一面側
に液体が付着したことを検出する機能を備えた透明基板
の構成として、前記透明基板の他面側に透明基板内に検
出用の光線を入射せしめる光学素子と前記検出用の光線
のうち透明基板内を全反射した光線を透明基板から出射
せしめる光学素子を備えたセンサ装置を取付け、このセ
ンサ装置と前記透明基板との間に密閉空間設け、この密
閉空間内を真空とするか乾燥空気、窒素ガス、不活性ガ
ス或いはこれらガスとともに乾燥剤を封入するようにし
た。

【００１１】また、本願の第２発明は、反射光量の変化
で透明基板の一面側に液体が付着したことを検出する機
能を備えた透明基板の構成として、前記透明基板を中間
膜を介して２枚の透明板が接合されたものとし、また前
記透明基板の他面側に透明基板内に検出用の光線を入射
せしめる光学素子と前記検出用の光線のうち透明基板内
を全反射した光線を透明基板から出射せしめる光学素子
を備えたセンサ装置を取付け、前記透明基板内で検出用
の光線が反射する領域には中間膜を除去することで形成
される密閉空間を形成した。尚、この密閉空間内は真空
とするか乾燥空気、窒素ガス、不活性ガス或いは乾燥剤
を封入するのが好ましい。

【００１２】また、本願の第２発明は、反射光量の変化
で透明基板の一面側に液体が付着したことを検出する機
能を備えた透明基板の構成として、前記透明基板を中間
膜を介して２枚の透明板が接合されたものとし、また前
記透明基板の他面側に透明基板内に検出用の光線を入射
せしめる光学素子と前記検出用の光線のうち透明基板内
を全反射した光線を透明基板から出射せしめる光学素子
を備えたセンサ装置を取付け、前記透明基板内で検出用
の光線が反射する領域に金属薄膜を設けるようにした。

【００１３】ここで、前記センサ装置の一部をなす光学
素子としては、プリズムまたはガラス基板の表面にレー
ザ光を照射することで発生するアブレーション現象によ
り形成される回折格子が好ましい。

【００１４】ただし、プリズムは３次元的なブロックに
なるため、ガラス自体に突起を形成することになるが、
回折格子は平板のまま貼り付けられるので、全体の厚み
を薄くすることができ、より小型のセンサを形成するの
に適する。

【００１５】回折格子は、微細な溝がガラスなどの表面
に形成されている光学素子のことである。その溝のピッ
チは０．４〜３μｍ程度の範囲で設計されたものが多
く、用途によって使い分けられている。その主な用途は
分光に用いられるが、単色光を光源に用いた場合は、光
の回折効果により、光を分けたり、曲げたりすることが
できる。また、回折格子としては上記の他に、反射型の
回折格子やスリット状の回折格子、更には屈折率が周期
的に変わる回折格子でもよい。

【００１６】本発明において利用する効果は、単色光を
回折格子に入射させた場合、回折光がある一定の規則に
基づいて発生する現象を用いている。その回折光は、図
１に示すように入射光に対して一定の角度で１次回折光
が発生する。なお、高次の回折光も発生するが、光量が
少なくなるので１次回折光を主に用いる。

【００１７】入射光が透過する場合、入射光と回折光の
角度の関係は次の数式１で表される。すなわち、入射光
の角度をθ₀ とし、ｍ次の回折光の角度をθ、入射光の
波長をλ、溝のピッチをｄ、出射側の屈折率をｎ、入射
側の媒質の屈折率をｎ₀ とすると、以下のように角度が
決定できる。ｎ・sinθ−ｎ₀・sinθ₀＝ｍλ／ｄ（ｍ＝0,±1,±2,・・・・・）（１）

【００１８】入射側が空気で出射側が透明板の場合、ｎ
₀＝1.0であり、透明板中を進行する光の角度は、回折格
子へ入射させる光の角度を変化させることによって調整
することができる。

【００１９】以上の様に、回折格子を用いることによ
り、任意の角度で透明板中に光を導入することができ
る。また適宜、回折格子への入射角度を選択することに
より、導入された光が透明板板中を全反射するように設
定することも可能となる。また、透明板中を全反射して
いる光を同様の原理に基づき、透明板から空気中へ出射
させることも可能である。

【００２０】回折格子の一般的な作製方法としては、柔
らかいアルミニウムなどの金属をダイアモンドの針によ
り、精密に溝を切り、これを原盤としてガラスなどの透
明板表面に塗布したエポキシ樹脂などに転写することに
より得る。または、ガラスなどの透明板表面に塗布した
光感光性の樹脂に２光束干渉により露光をし、露光部分
のみをエッチングする、あるいは未露光部分のみをエッ
チングすることにより、微細な溝形状を実現している。

【００２１】上述した製法による回折格子を、本発明に
適用することができるのであるが、エポキシ樹脂に転写
した回折格子や、光感光性樹脂上に形成した回折格子
は、耐候性、機械的強度が要求される用途に使用するこ
とはやや問題が残ることになる。さらに、大型の窓ガラ
ス、ウインドシールドガラスを対象とした場合、上述の
転写技術、露光技術の適用は困難が伴い、実用面で適切
ではない。

【００２２】そこで更に好ましくは、レーザ光によりガ
ラス表面を部分的に蒸発させるアブレーション現象を利
用して、回折格子をレーザ加工法によりガラス等の透明
板上に直接形成する。

【００２３】アブレーション現象はガラスがレーザ光エ
ネルギーを吸収して起こる現象であり、ガラス基板の表
面から所定の深さまでＡg原子、ＡgコロイドまたはＡg
イオンの形態で銀を含有せしめ、更に銀の濃度はレーザ
加工される表面における濃度を最も高く、所定の深さま
で徐々に銀の濃度が低くなるように濃度勾配を持たせて
おくと、表層部から内部に向かってアブレーション現象
が順次生じるので、加工時に割れや欠けが生じにくくな
る。

【００２４】ガラス基板表面に銀を導入する方法として
は、以下の方法がある。（１）１価のアルカリイオンを含むガラス基板を、銀イ
オンを含有する溶融塩中に浸漬してイオン交換を行う方
法。（２）硝酸銀などの銀を含有する塩をタルク等と混合し
たもの、または銀の粉末をペースト状にしたものをガラ
ス基板表面に塗布し加熱する方法。

【００２５】前記レーザ光としては、目的とする溝間隔
と同じ周期性を持つレーザ光を用い、微細な溝を直接ガ
ラス上に形成するものである。周期的な強度分布を持
つレーザ光を得る方法としては、図２（ａ）に示すよう
に、ガラス基板の表面にマスクを設け、このマスクにレ
ンズを介してレーザ光を照射する方法、或いは図２
（ｂ）に示すように、レーザ光をビームスプリッタによ
り２つに分け、ある角度を持たせて再び重ね合わせるこ
とで、その重なり合った部分に周期的な光強度分布を形
成する方法などを適用できる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。図３は本発明に係る透明基板
を適用した自動車の前部の斜視図、図４はセンサ装置を
取付け状態の拡大図であり、自動車のフロントガラス１
の室内側面にセンサ装置２を接着剤（接着テープ）３に
て取付けている。接着剤（接着テープ）３はフロントガ
ラス１の屈折率（１．４８）とほぼ等しい屈折率を有す
るものを選定した。尚、フロントガラスは、ＳiＯ₂ を
主成分とする５ｍｍ厚のソーダライムガラス基板を用い
た。

【００２７】一方、センサ装置２はガラス基板４の表面
にレーザ光によって回折格子５，６が形成され、また、
接着剤３は全面に塗布せず間をあけて塗布することで、
センサ装置２とフロントガラス１との間に密閉空間Ｓが
設けられ、この密閉空間Ｓ内には乾燥空気を封入してい
る。尚、乾燥空気を封入する代りにタブレット状或いは
粉状の乾燥剤を入れてもよい。

【００２８】更に、回折格子５の近傍には発光ダイオー
ド等の発光素子７を配置し、回折格子６の近傍にはフォ
トダイオード等の受光素子８を配置している。これら発
光素子７及び受光素子８は回折格子に密着するように設
けてもよい。

【００２９】次に、ガラス基板４の表面に回折格子５，
６を形成するための条件について説明する。先ず、良好
なレーザ加工性を得るために、イオン交換法にてガラス
基板の表面に銀の導入を以下の手順で行った。Ａgイオ
ン交換を行う溶融塩は、Ａgイオン交換を行う溶融塩
は、硝酸銀と硝酸ナトリウムを５０mol%−５０mol%で混
合したものを用い、石英製の反応容器中に前記ガラス基
板を３０分間浸漬した。溶融塩の温度は電気炉中で２８
５℃に保ち、反応雰囲気は空気であった。この処理を行
うことにより、ガラス表面のＮa⁺イオンが溶出し、塩中
に含まれるＡg⁺イオンがガラス表面から内部に拡散した
（いわゆるイオン交換が生じる）。Ａgが拡散した層の
厚さをＸ線マイクロアナライザで測定すると、約１０μ
ｍであった。このようにして作製されたガラス基板は、
良好なレーザ加工性を有している。

【００３０】次に、周期的な強度分布を持ったレーザ光
による加工については、前記図２（ｂ）に示した２本の
レーザ光線の干渉を利用した。即ち、本実施例では、２
本の波長３５５ｎｍのレーザビームの入射角が２０°に
なるような光学系を構成した。このときの光強度分布の
周期は約１０２０ｎｍになる。その２本のレーザビーム
が重なり合った部分にガラスの一方の表面がくるように
設定し、レーザ光を照射するとガラス基板表面でアブレ
ーションが起きた。図２（ｂ）中のレンズは、ガラス基
板面上でのエネルギー密度を上げるために使用したもの
であり、アブレーションが起きたときのパルス当たりの
エネルギー密度は約３０Ｊ／ｃｍ²であった。作製した
回折格子の周期を測定したところ、予想された周期とほ
ぼ一致した。

【００３１】空気とガラスの界面で全反射する角度を求
めるために、スネルの法則を用い以下の計算を行った。
スネルの法則の一般式は以下に示す数式（２）のように
なる。但し、α及びα₀は、屈折率ｎの物質と屈折率ｎ₀
の物質との界面の法線に対する角度である。ｎ₀・sinα₀ ＝ｎ・sinα （２）

【００３２】ガラスの屈折率を前記のようにｎ＝１．４
８とし、空気の屈折率をｎ₀ ＝１とした場合、ガラス板
内部での全反射の条件はα₀=９０°なので、α＝４２．
５°を得る。したがって、この角度以上であれば、ガラ
ス媒質中での全反射が起こる。

【００３３】一方、水が付着した場合でも、ガラス内部
で全反射が起こるのは、水の屈折率を１．３３とし同様
の計算を行うと６４．０°となる。したがって、４２．
５°から６４．０°の範囲の角度では、水が付着してな
いときはガラス内部で全反射し、水が付着すると全反射
しなくなり、内部の光は水を介して外部に漏れることに
なる。

【００３４】このような反射を起こすために、回折格子
の入射角度を調整した。ガラス内部反射角度が４２．５
°になるための回折格子入射角度を前記数式（１）を用
いて計算した。周期が１０２０ｎｍのガラス表面に形成
された回折格子で、Ｈｅ−Ｎｅレーザの６３３ｎｍの光
のプラス１次回折光を利用したときは２２°となる。ガ
ラス内部での反射角度が６４．０°になるためには、同
様の計算より回折格子の入射角度が４５°となることが
わかる。本実施例では、回折格子５において４５°で光
を入射させた。このとき全反射した光は、他の回折格子
６から出射した。

【００３５】さらに、その全反射点に水滴Ｗを付着させ
た場合、出射する光は低減し、全反射点全体に水滴が付
着した場合は約１／５０に出力光が低減した。すなわ
ち、ガラス表面上の水の存在を敏感に感知し、出射光強
度として反映させることが確認できた。また、回折格子
の入射角度を徐々に大きくしていっても同様なことが起
こった。

【００３６】しかし、入射角度が６４°程度より大きく
なると、水滴が全反射点に付着しても、出射する光量は
変化しなかった。これは、水が表面に付着しても内部の
全反射の条件が変わらない角度とほぼ一致していた。

【００３７】一方、センサ装置２の内側面即ち室内側面
に水滴Ｗ’が結露等によって生じた場合でも測定結果に
は影響はなかった。

【００３８】図５は別実施例を示す図４と同様の図であ
り、この実施例にあっては、透明基板としてのフロント
ガラス１を２枚の透明板１ａ，１ｂを中間膜１０を介し
て接合して構成し、フロントガラス１の室内側面に接着
剤３を介してセンサ装置２を全面接着し、更に中間膜１
０の一部を切欠してこの部分を前記同様の密閉空間Ｓと
している。

【００３９】この実施例にあっても、フロントガラス１
の外側面に水滴Ｗが付着した場合には、受光素子８に入
射する全反射光量が変化するが、センサ装置２の室内側
面に結露などによって水滴Ｗ’が付着してもこれによっ
て全反射光量が変化することはない。

【００４０】図６及び図７は別実施例を示す図４と同様
の図であり、これら実施例は中間膜１０の一部を切欠す
ることなくアルミ箔等の金属薄膜１１にて全反射せしめ
るようにしている。このうち、図６に示す実施例にあっ
ては、金属薄膜１１を室外側の透明板１ａと中間膜１０
との間に設け、図７に示す実施例にあっては、金属薄膜
１１を室内側の透明板１ｂと中間膜１０との間に設けて
いる。いずれもフロントガラス１の外側面に水滴Ｗが付
着した場合には、受光素子８に入射する全反射光量が変
化するが、センサ装置２の室内側面に結露などによって
水滴Ｗ’が付着してもこれによって全反射光量が変化す
ることはない。尚、金属薄膜１１には蒸着等で形成され
る層も含むものとする。

【００４１】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
水滴が付着したことを検出する面とは反対側に密閉空間
を設け、結露等によって生じた水滴の影響がないように
したので、ワイパー等の誤作動を防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】回折格子の作用を説明した図

【図２】（ａ）及び（ｂ）は回折格子の製造法の一例を
示す図

【図３】本発明に係る透明基板を適用した自動車の前部
の斜視図

【図４】センサ装置を取付けた状態の拡大図

【図５】別実施例を示す図４と同様の図

【図６】別実施例を示す図４と同様の図

【図７】別実施例を示す図４と同様の図

【符号の説明】

１…フロントガラス、２…センサ装置、３…接着剤、４
…ガラス基板、５，６…回折格子、Ｓ…密閉空間、７…
発光素子、８…受光素子、１０…中間膜、１１…金属薄
膜、Ｗ…雨滴、Ｗ’…結露による水滴。

フロントページの続き (72)発明者今西秀樹大阪府大阪市中央区道修町３丁目５番11号日本板硝子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反射光量の変化で透明基板の一面側に液
体が付着したことを検出する機能を備えた透明基板であ
って、前記透明基板の他面側には透明基板内に検出用の
光線を入射せしめる光学素子と前記検出用の光線のうち
透明基板内を全反射した光線を透明基板から出射せしめ
る光学素子を備えたセンサ装置が取付けられ、このセン
サ装置と前記透明基板との間には密閉空間が設けられ、
この密閉空間内は真空とされるか乾燥空気、窒素ガス、
不活性ガス或いはこれらガスとともに乾燥剤が封入され
ていることを特徴とする液体検出機能を備えた透明基
板。
【請求項２】反射光量の変化で透明基板の一面側に液
体が付着したことを検出する機能を備えた透明基板であ
って、前記透明基板は中間膜を介して２枚の透明板が接
合され、また前記透明基板の他面側には透明基板内に検
出用の光線を入射せしめる光学素子と前記検出用の光線
のうち透明基板内を全反射した光線を透明基板から出射
せしめる光学素子を備えたセンサ装置が取付けられ、前
記透明基板内で検出用の光線が反射する領域には中間膜
を除去することで形成される密閉空間が形成されている
ことを特徴とする液体検出機能を備えた透明基板。
【請求項３】反射光量の変化で透明基板の一面側に液
体が付着したことを検出する機能を備えた透明基板であ
って、前記透明基板は中間膜を介して２枚の透明板が接
合され、また前記透明基板の他面側には透明基板内に検
出用の光線を入射せしめる光学素子と前記検出用の光線
のうち透明基板内を全反射した光線を透明基板から出射
せしめる光学素子を備えたセンサ装置が取付けられ、前
記透明基板内で検出用の光線が反射する領域には金属薄
膜からなる反射膜が設けられていることを特徴とする液
体検出機能を備えた透明基板。
【請求項４】請求項１乃至請求項３に記載の液体検出
機能を備えた透明基板において、前記センサ装置の一部
をなす光学素子はプリズムであることを特徴とする液体
検出機能を備えた透明基板。
【請求項５】請求項１乃至請求項３に記載の液体検出
機能を備えた透明基板において、前記センサ装置の一部
をなす光学素子は回折格子であることを特徴とする液体
検出機能を備えた透明基板。
【請求項６】請求項５に記載の液体検出機能を備えた
透明基板において、前記回折格子はガラス基板の表面に
レーザ光を照射することで発生するアブレーション現象
により形成されることを特徴とする液体検出機能を備え
た透明基板。