JPS63144239A - 光学式液体検出方法 - 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】 く技術分野〉 本発明は水（雨）滴等の液体を選択性良く高精度に検知
する光学式センサに関するものである。

〈従来技術とその問題点〉 液体検知あるい？′ｉ液体識別センサは、特に自動車に
おいて降雨を検知しワイパーあるいはパワーウィンドウ
やサンルーフ等を自動的に動作させるといった様な場合
や一般家庭での屋内からの降雨認識等に有用であシ、従
来よ＃）結露センサあるいは圧電素子を用いたセンサ等
が知られている。前者は結露センサ表面への水の付着に
よる素子電極間の急檄な電気抵抗の変化により、また後
者は自動車の走行中に圧電素子に水滴が衝突した時の圧
電効果によって生ずる起電力により、夫々雨滴を検出す
るものである。しかしながらいずれの場合もセンサは雨
滴を検出するために自動車外あるいは屋外に設置される
ことになり、センサの置かれる環境条件はかなり厳しい
ものとなる。例えばセンサ素子に対して導電性のホコリ
等の付着あるいは泥はね、小石の衝突等センサにとって
誤動作を生じる要因が非常に多く筐た自然条件の変動に
よりセンサ寿命も著しく影Ｉ＃を受ける。そのため、第
４図に示した様に自動車のフロントガラス（４１）の内
ＩＩＩＩｌｌ／ｉ：２木の平行な電４ｉ　（４２）を形
成し、フロントガラス（４１）外側面に雨滴（４３）が
付着した際の２木の電ｉ　（４２）間の静電容量変化を
もって検出するものが提唱されている。これはセンサの
構成部品を自動車内部に配置しであるため、外部環境の
影響を受けにくい構成であるが、充分な検出出力を得る
ためには電極（４の間隔を小さくする必要があり、従っ
て雨滴の検出面積はかなり小さなものとなるかあるいは
大量の雨滴の付着が必要となシ検出感度の点で問題があ
る。さらに、雨滴以外の液体が付着した際も出力に変化
を生じ液体識別能にも劣る。そこで、自動車のフロント
ガラス等を検出部として、光学的手法を駆使することに
よって・水（雨）滴を検出するセンサを考えることがで
きる。すなわち、第５図に示す様にフロントガラス（５
１）に対しその内側から光源光を入射し、その入射光を
常にはフロントガラス（５１）内で全反射伝搬し最終端
で受光素子（５２）に入射する様に設定しておき、フロ
ントガラス（５１）の外側面に雨滴が付着した時に空気
と雨滴との屈折率の差により前記全反射条件が崩れ入射
光が受光素子（５２）に受光されないといった光学的構
成のセンサが考えられている。これは検出面がフロント
ガラス（５１）であυセンサを構成する光学部品を全て
フロントガラス（５１）、の内側すなわち車内に配置す
ることができ、ホコリ、泥はね等によるセンサ寿命への
影響が低減されるとともに耐環境性に優れたセンサとす
ることができる。しかし、全反射条件によって検知しよ
うとする検出部に雨滴以外の液体、例えば自動車ワック
ス等のオイルの付着にても全反射条件が乱され、雨滴の
場合と同様な出力変化を示し、さらには受光素子に対し
て発光素子以外の太陽光等による外乱光の入射も予想さ
れ計測の高精度化、検出液体の識別等に大きな問題を有
している。

このような問題に対し、複数の光束を検出部の反対側か
ら異なる入射角で入射させ、少なくとも１光束を検出面
に付着する水滴等の液検出液体と検出部の界面における
臨界角以上に設定し、他方をその蚊界面よυも小さい角
度に設定する方法が提案されている。この方法では複数
の光束の検出部からの反射光を比較することにより、液
検出液体の有無並びに液検出液体よシ屈折率の大きな液
体との区別が可能となる。

〈発明が解決しようさする問題点〉 上述の複数の光束で液検出液体を識別するような光学式
液体検出方法に於いて、外乱光の影Ｕを礎ける為にはレ
ンズ等の光学系によって外乱光と信号光を識別する方法
或いは複数の受光素子からの信号を差動演算する等の方
法が考えられているが、部品点数が増加しまｆｃ装置全
体の大きさが大きくなるという問題が生じる。また光源
の光束の拡がフによフ複数の光束の識別が困難となる為
、指向性のよい光源を用いる必要性があった。

本発明はこのような点に鑑みて創出されたもので外乱光
の影響を避けると共に′ａ数の光束の検知を行なうこと
で高精度に液体を識別する光学式液体検出方法を提供す
ることを目的としている。

〈問題点を解決する為の手段〉 上記目的を達成する手段として本発明は光源をパルス発
光させ、かつ複数の光源を互いに時間的にずらして点灯
さぜることによフ複数の光束を識別し、また部品点数を
減らすために要すれば１つの受光素子で上記複数の光束
を検出しパルス駆動周波数に対応した交流信号として扱
うことにより外乱光の影響′ｌｒ、なくすことを特徴と
する。

〈作　用〉 上記手段を用いることにより、レンズ等の特別な光学系
を必要とすることなく外乱光の影響を除くことができる
。また光源が２つ以上同時に点灯されることがなく光束
の拡がり等も考慮する必要がない。従って高精度で液体
を識別することができるのみならず装置の小型化低コス
ト化も可能となる。

〈実施例〉 ヂ１図は本発明の１実施例を示す光学式液体検出方法の
１１■成図である。透明媒体（１）の検出面（Ｉａ）に
対して反対の内面（１ｂ）に２つの発光素子（２１）　
。

（２２）と１つの受光素子（３０）　ｆｔ配し、さらに
光源（２１）（２２）からの出射光（＋（＋１）　（１
０２）は透明媒体の内面（１ｂ）に光学的に接着（結合
）されたプリズム（４）にてそれぞれ異なる角度で透明
媒体（１）中に導入される。

透明媒体（１）中を図示する如く全反射にて伝搬した入
射光は同様に内面（Ｉｂ）に光学的に接着されたプリズ
ム（５）を介して透明媒体（１）より導出され受光素子
（３０）により電気信号に変換される。

上述の構成例における水滴検知原理を実際に試作したセ
ンサを例にと＃）説明する。

透明媒体（１）には屈折率ｎ＝１．４７のパイレックス
ガラス（以下、単にガラスと称す）を用い光源の発光素
子（２１）　＋’　（２２）の夫々からの出射ビームが
プリズム（４）を透過した後力゛うｙ、　（１）に対し
て入射角θ１＝５０°、θ２＝７０’となる様に発光素
子（２１）、（２２）の角度設定を行う。この２つの入
射角を決定するに当ってはガラス（１）に空気あるいは
水が付着しているときの全反射条件を考慮して導くこと
ができる。すなわち、ガラス１の屈折率ｎＧ　＝　１．
４７に対し、空気ｎＡ＝＝　１．ＯＯ、水ｎｗ　＝＝　
Ｉ−３３であシよって空気、水が夫々ガラスに付着して
いる場合の臨界角φい、φＷはスネルの法則により以下
の値として求まる。

、°、φ、＝４２．９°、φｗ＝６４．８゜従って、ガ
ラス（１）の検出面に何も付着していない状態ではガラ
ス（１）に対して光源から４２．９°以上の入射角で入
射した光は全てガラス（１）内で全反射を繰り返しなが
ら伝搬して行き、一方、ガラス（１）の検出面に水滴が
付着すると、その水滴の付着した面では全反射角はガラ
ス（１）と水の夫々の屈折率で決定されるため、前述し
た様に入射角が６４．８゜以上のものは全Ｖ射にてガラ
ス（１１内子伝雀して行ぐが、入射角が４２．９°＝φ
ｉ（入射角）＜６４．８゜のものは全てガラス（１）へ
の水滴付着部にて大きな光損失を生じ、ガラス（１）内
をほとんど伝搬できなくなる。そこで、このセンサ構成
では２光源の夫々からの出射光のガラス（１）に対する
入射角を、一方は水の付着にてガラス（１）内の全反射
条件に影響を受ける角度（４２，９°≦θ＋＜６４．８
°）、他方は水の付着にてもガラス（１）内の全反射条
件に影ｇを受けない角度（θ２≧６４．８°）に設定す
るとともに、水の付着時に異なる入射角度で入射した２
光束の光強度を比較することによシ水の有無を識別可能
とするものである。それ故・にθ１＝５０°。

θ２＝７０°としている。

センサの詳、旧な動作機構は以下の如くである。

ガラス検出面で水滴等の付ｎしていない通常の場合には
２光源からの夫々の入射光はともにガラス（１）内を伝
搬し受光素子（３０）に到達する。ところが、ガラス検
出面に水滴が付着すると入射角θＩのものは水滴付着部
で大きな光損失を生じ受光素子（３０）へはほとんど入
射光が到達せず、他方の入射角θ２の光束は水滴付着と
無関係に全反射を繰り返し受光素子（３０）へ入射光が
到達する。さらには、ガラス検出面に水滴以外の液体例
えば、車の排気に含まれる油分、カーワックス、エンジ
ンオイル、一般家庭に使用するサラダ油等のオイルが付
着した場合を考えても、これらオイルの屈折率は水の屈
折率に比較してかなり大きくかつガラスの屈折率に比較
的近いため全反射を形成する臨界角も大きな値（φ≧〜
８０°）となり、オイルの付着時には入射角θｉ、θ２
ともに付着部にて光損失を生じ受光素子（３０）へはほ
とんど入射光が到達しない。従って、入射角θ１．θ２
の２光束のうち、θｌで入射した光のみが減衰するとき
に水滴の付着を認識できるわけである。

次に、以上の内容を実際の測定結果である第２図と表１
を用いて説明する。

〔表　ｌ〕

〔表１〕 表１は反射率の規格化値を示す。また第２図は第１図の
センサ構成にて横軸に光源光のガラス（１）に対する入
射角θｉをとり、縦軸には夫々の入射角度において水あ
るいはオイ／Ｉ／（本実施例ではエンジンオイル）付着
時の受光素子（３１）、　　（３２）にて検出された光
強度を同一の入射角度で空気に対して受光素子に入射し
た光強度にノーマライズし反射率（ｑ６）としてとっで
ある。この結果からも明らかな様に、前に述べた内容す
なわち入射角（θｉ）が４２．９°≦θ１（６４，８°
では水（図中の実線に相当）の付着によυ大きく光損失
を生じ、θｉ≧６４．８°では水の付着に無関係である
ことが確認された。さらに、オイル（図中の破線に相当
）も入射角θｉ≧〜８０°付近まで影響のないことが明
らかとなった。また、反射率（検知光強度）の変動は急
峻であり、従って、表１に反射率を規格化して示した様
に受光素子（３０）に片方のみの光強度が減衰する場合
のみ水（雨）滴と判断してセンサを動作させることが可
能となる。この様に本実施例のセンサでは２光束を異な
る入射角で用い夫々の贋射特性を比１咬することによシ
水以外の液体の付着に対してその影響を受けることなく
、’ＩＳＭ度が高感度に水滴のみの検知ができる。尚、
透明媒体（１）としてはパイレックスガラス以外にも各
種光学ガラス、高分子樹脂さらには自動車のフロントガ
ラス、リアガラス等をそのまま用いることもできる。ま
た光源入射角θ！、θ２の設定も適用される透明媒体（
１）の切折率を考慮し、透明媒体（１）に水が付着した
際の全反射臨界角にて決定され、θｌ　は臨界角より小
さい角度、θ２け臨界角以上で８０°以下程度に設定す
れば艮い。

次に信号処理方法について述べる。本実施例では単一の
受光素子で複数の光束を検知する方法として、光源をバ
〜ス点燈（点滅）する方法を用いる。

第３図に信号のタイムチャートを示す。光源（２１）（
２２）を位相が反対の２つのパルス（５１）　（５２）
で点滅させる受光素子（３０）の出力（５４）は２つの
反射光と外乱光（５３）の和となって出力される。この
出力を又流信号として処理することによシ、直流成分（
外乱光成分）がなくなシ、信号（５５）で示すような波
形となる。

次に検出液体の有無による信号波形について説明する。

１ず、検出面に液体が付着していない場合（２００）で
は２つのパルス光は両方共全反射し受光素子（３０）に
入る。従って受光素子（３０）の出力信号は一定値とな
り外乱光による低周波数成分を含んだ信号に一定信号が
加わった信号（２００（ａ））となる。検出面に水（雨
）滴が付着した場合には入射角度の小さいパルス光（５
１）Ｆｉ光損失を生じ受光素子（３０）に到達しない。

従って、第３図に示すように外乱光による低周波数信号
に角度の大きな光パルス光（５２）のみ加えたパルス状
の信号（２０］ｆａ））となる最後に油滴等屈折率、の
大きな液体が付着した場合には２つのパルス光は双方共
光損失を生じ、従って出力は外乱光のみの信号（２０２
（ｎ）　）となる。

この出力信号を容量結合を用いて取り出すと低周波数成
分がなくなり、パルス状の信号が得られる。

このとき出力信号がパルスとなるのは２つの光束に損失
差が生じる即ち水（雨）滴が付着した時のみであシ、パ
ルス検出を行なうことによシ容易に液体検出が可能とな
る。

さらに精度を上げる為にはパルス周波数が光源点滅周波
数と一致することから点滅周波数に合わセタバンドバス
フィルターを付加することにより　　　　−可能となる
。

〈発明の効果〉 以上、詳述した如ズ、本発明に係る光学式液体検出方法
は、以下に示す如く実用上極めて有益な効果を奏する。

　・ （１）光学的手法にて液体を検知しまた検出面内側に成
部品を設定することができるため、外部環環境の変化に
対し良好なる耐性を有する。

（２）異なる入射角度の複数の光束を用ｒる為、検出液
体と検出液体以外の液体との識別を可能とし精度よく検
出を行なうことができる。

（３）複数の光束を１つの受光素子で処理することが可
能である為差動演算等特別な回路を不要とすることがで
きる。また外乱光の影響を簡単な回路処理によシ取υ除
くことができる。

（４）複数の光束を時間的にずらして点灯させる為複数
の光束の拡がりによる誤動作を考慮する必要がない。ま
たレンズ等の光学部品の点数を少なくすることができ装
置の小型Ｍ量化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

＠１図は本発明の１実施例の説明に供する液体検出装置
の要部構成図である。第２図は第１図に示す構成にて検
出面に水とオイルが夫々付着した時の特性を示す特性図
である。第３図は本発明における信号を示すタイムチャ
ート図である。＠４図及び第５図はそれぞれ従来技術の
説明に供する要部Ｆｉり成因である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光検出面を有する透明媒体と、該透明媒体に複数の
   光束を入射させる複数の光源と、前記光束を互いに異な
   る角度で前記透明媒体に入射させる光学系と、前記光検
   出面からの複数の反射光の変化を検出する受光素子と、
   該受光素子からの出力信号を演算処理する信号処理回路
   とを備え、前記光検出面上に存する被検出液体に対応し
   た前記光束の反射率変化を検出する光学式液体検出方法
   において、前記複数の光源を点滅させることを特徴とす
   る光学式液体検出方法。 ２、複数の光源を互いに遅延点滅させる特許請求の範囲
   第１項記載の光学式液体検出方法。 ３、光検出面からの複数の反射光を単一の受光素子上に
   導く光学系を備え、前記光束の反射率変化を前記受光素
   子の出力信号の振幅変化として取り出す特許請求の範囲
   第１項記載の光学式液体検出方法。 ４、受光素子の出力信号を光源の点滅周波数に合わせた
   バンドパスフィルターを通して取り出す特許請求の範囲
   第１項第２項又は第３項記載の光学式液体検出方法。