KR100682800B1 - 광 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 특히 자동차 윈드실드 표면(11)의 습윤을 감지하기 위한 광 센서에 관한 것이며, 상기 센서는 적어도 하나의 송신기(13)와 적어도 하나의 수신기(15)를 전자기파에 대해서 포함하고, 이 경우 표면은 적어도 하나의 송신기(13)와 적어도 하나의 수신기(15) 사이의 센서 영역(16)에 배치되며, 표면(11)의 센서 영역(16) 상의 습윤 형성은 신호를 변형시킨다.
따라서 광 센서는 광 안내 부재(18)를 구비하고 있으며, 광 안내 부재(18)에서 전자기파가 센서 영역(16)의 내외로 양방향으로 안내되며, 또한 센서 영역(16)에는 표면(11)에서 반사된 전자기파를 역반사체(10)가 표면(11)으로 복귀시키고 그리고 그 표면(11)으로부터 광 안내 부재(18) 쪽으로 안내하도록 역반사체(10)가 배치된다.
광 안내 부재, 광 센서, 역반사체, 송신기, 수신기

Description

광 센서{Optical sensor}
본 발명은 특허청구범위 제 1 항의 전제부에 따른 표면상의 습윤을 검출하기 위한 광 센서에 관한 것이다.
이러한 종류의 광 센서는 이미 공지되어 있다. 이러한 센서는 예를 들어, 자동차의 점등 시스템 및/또는 윈드실드 와이퍼 시스템(windshield wiper system)을 제어하는데 사용되고 있다. 측정값은 실질적으로 광전자 원리에 따라서 측정되고 있다. 이와 동시에 적외선 영역 또는 가시광선 영역에 있는 광은 윈드실드의 내측에서부터 상기 윈드실드로 커플링(coupling)된다. 젖지 않은 외부 표면에서는 광이 반사되고 이어서 수신기에 도달한다. 효율을 높이기 위해서 광은, 외측에서 완전 반사가 일어나도록 방사된다. 물에 의해서 외부 표면이 젖게 되면 상기 완전 반사는 방해를 받게 된다. 공지된 모든 해결 방법에서는 전자기파(electomagnetic wave)의 출력과 입력이 공간적으로 서로 분리된 장소에서 이루어지고, 센서 부재와 평가 전자 장치가 하나의 하우징에 장착되는 것이 공통된 모양이다.
신호를 에러 없이 검출하는 것은 윈드실드 와이퍼 시스템에 의해서 세척된 윈드실드의 영역에 광 센서가 장착되어 있을 경우에만 가능하다. 따라서 센서는 대부분의 자동차 형태에 있어서 윈드실드의 상부 가장자리와 최대 15cm의 간격을 두면서 장착되어야 한다. 그러나, 이렇게 장착할 경우 센서 하우징이 운전자의 시계 영역에 위치하게 되며 또한 그 투과성이 떨어지기 때문에 운전자는 시계에 방해를 느끼게 된다. 예를 들어 비가 내리기 시작할 때와 같이 적시에 습윤을 검출하기 위해서 대략 4 내지 5 cm2 의 센서 영역이 필수적으로 필요하기 때문에 소형화는 불가능하다.
독립항의 특징을 갖는 본 발명의 광 센서는 특히 센서 영역이 평가 전자 장치에 직접 배치되지 않아도 되는 장점을 갖는다. 광이 적어도 하나의 송신기와 적어도 하나의 수신기 사이에서 양방향으로 광 안내 부재를 통해 센서 영역으로 안내되고, 또한 센서 영역에 역반사체(retroreflector)가 배치됨으로써 센서 영역은 송신기 또는 수신기와 떨어져서 배치될 수 있다. 센서 신호의 반사는 역반사체에서 이루어지며, 이 역반사체는 바람직하게는 투명한 재료로 형성되어 있다. 기술적인 이유 때문에 투명한 재료로 제조될 수 없는 센서 부품, 즉 송신기와 수신기는 주로 레인 센서(rain sensor)로 사용할 경우에 운전자의 시계 영역 외부에 배치될 수 있다. 이에 따라서 센서가 특히 자동차에 레인 센서로 사용될 경우에 상기 센서의 외형은 눈에 띄지 않게 구성될 수 있다. 또한 광의 공통의 입력 또는 출력 지점이 발생하게 된다.
광 안내 부재의 유리한 실시예는 유리 또는 플라스틱으로 이루어진 모노 또는 멀티모드식 광 도파관이며 이는 개별 또는 결합된 형태를 이루고 있다. 또한 유리 또는 플라스틱으로 이루어진 플레이트 또는 적절하게 형성된 몸체는 광을 안내하기에 적절하게 형성된다. 광을 최적상태로 안내하기 위해서 광 안내 부재를 코팅하는데, 상기 코팅은 광 안내 부재보다 적어도 약간의 퍼센트(%) 만큼 낮은 굴절 계수를 갖는 것이 바람직하다. 따라서 광 안내를 위해 필수적으로 이루어져야 하는 완전 반사가 광 안내 부재의 표면에서 발생하지 않고, 대신 광 안내 부재의 코팅 층과 코어 재료 사이의 경계면에서 발생하게 된다. 또한 광의 전달 및 복귀는 공통의 또는 분리된 광 안내 부재를 통해서 이루어지며, 이 광 안내 부재는 서로 나란히 또는 상하로 배치된다.
광 안내 부재로부터 윈드실드로 광 빔을 입력하기 위해서 또는 이와 반대로 윈드실드로부터 광 안내 부재로 입력하기 위해서 커플링 부재가 구비되어 있으며, 이 커플링 부재는 특히 광 안내 부재와 일체로 형성된다. 이 경우 광 빔은 적어도 완전 반사의 한계 각도로 표면의 경계면과 만나도록 편향(deflect)된다. 바람직한 실시예는 엘보(elbow), 프리즘 또는 광 안내 부재의 거친 하부면일 수 있다.
광 빔의 반사는 유리한 방법으로서 프리즘식 반사기들을 통해서 이루어진다. 이러한 반사기들은 특히 2μm와 100μm 이내의 크기로 된 마이크로 구조물로서 원형 세그먼트 또는 스트립(strip)에 배치될 수 있다. 프리즘식 반사기 대신에 반사 가능한 색채(dye) 또는 플라스틱 내에 침전된 유리구가 사용될 수도 있다. 만약 투과성이 필요하지 않다면, 프리즘은 바람직한 방법으로 거울면, 특히 오목한 거울 세그먼트로 대체될 수 있으며, 이 오목한 거울 세그먼트는 출력 지점으로 광 빔을 집속한다.
또한 반사는 홀로그램(hologram)에 의해서 실현되며 홀로그램은 윈드실드에 장착되거나 또는 예를 들어서 필름의 형태로 윈드실드에 접착되도록 되어 있다. 따라서 홀로그램은 기계적으로 보호되며 윈드실드의 내부는 접착되지 않아도 된다. 또한 윈드실드의 표면에 있는 홀로그램 필름은 광반사를 일으킬 수 없으므로, 상기 필름은 운전자에게 잘 보이지 않으므로 방해가 덜 된다.
또 다른 방법은 윈드실드에 배치된 접착 필름이 적절한 영역에서 자체적으로 홀로그램 필름을 형성하도록 하는 것이다. 또한 특히 바람직하게 본 센서 원리는 약간 변형된 실시예로 액체, 에어로졸(aerosol), 용액 또는 가스 형태인 다양한 형태의 측정 물질의 존재를 증명하기 위해 사용될 수 있다. 이에 대해서 센서 영역에는 측정 물질이 존재할 시에 굴절 계수 또는 칼라를 변경함으로써 반응하는 물질이 제공된다. 이에 따라 센서 영역의 광의 굴절, 흡수 또는 반사는 신호를 변경시키게 되며, 이러한 신호 변경은 수신기 내에 기록될 수 있다. 상기 실시예에서 역반사체와 감지 물질의 기판은 바람직하게는 하나의 구조체(structural unit)를 이루게 된다.
또한 전자 장치와 역반사체를 공간적으로 분리함으로써 측정 물질이 전자 장치의 구성 소자에 손상을 끼치는 것이 방지될 수 있는데, 이는 이 경우 측정 물질과의 접촉이 단지 센서 영역을 통해서만 이루어지기 때문이다. 기판의 재료는 바람직하게는 유리 또는 투명한 플라스틱일 수 있다. 여기서는, 이 본체가 완전 반사가 일어나는 면을 갖는 것이 중요하다.
본 발명에 따른 구조에 의해 일차 측정값 검출 영역에 현저히 더 적은 구성 소자들이 있을 수 있다. 이에 따라서 센서 형태와 그 크기의 변형폭은 더 커지게 된다.
또한 바람직한 실시예는 종속항에서 나타내고 있는 나머지 특징들에서 나오게 된다.
본 발명은 다음의 실시예에서 각각에 속해 있는 도면에 따라서 더 자세히 설명하기로 한다.
도 1은 자동차의 윈드실드에 배치된 광 센서의 개략적 전체도.
도 2는 도 1의 확대된 세부도.
도 3은 광 센서의 또 다른 사용예를 도시한 도면.
도 4a 내지 4c는 커플링 부재의 여러 실시예를 도시한 도면.
도 5a 내지 5b는 프리즘-역반사체의 여러 실시예를 도시한 도면.
도 6a 내지 6d는 역반사체의 여러 실시예를 도시한 도면.
도 7a 내지 7b는 광 안내 부재의 여러 실시예를 도시한 도면.
도 8a 내지 8b는 센서 영역의 윈드실드에 대한 단면도와 평면도.
도 1은 자동차의 윈드실드(12)에 배치된 광 센서를 개략적으로 도시하고 있다. 역반사체(10)와 광 안내 부재(18)는 윈드실드(12)의 내측에 예를 들어 접착에 의해 조립된다. 윈드실드(12)의 외부 표면(11)은 센서 영역(16)으로서 정의되며, 이 표면에서는 설명하였던 방법으로 광이 반사된다. 적어도 하나의 송신기(13)와 적어도 하나의 수신기(15)를 포함하고 있는 전자 장치용 하우징(14)은 역반사체(10)과 공간적으로 떨어져 있으며 이에 따라서 운전자의 시계 영역에서 멀어지게 된다. 전자 장치는 예를 들어 내부 후방 거울의 베이스에 통합된다.
도 2는 자동차의 윈드실드(12)에 있는 레인 센서인 광 센서를 개략적인 부분 단면도로 도시한다. 센서의 부재들 즉, 광 안내 부재(18) 그리고 역반사체(10)는 윈드실드(12)의 내측에 장착된다. 광 안내 부재(18)는 이에 대해서 적어도 하나의 송신기에서 발생되는 광을 커플링 부재(20)를 통해 안내하고 있으며, 광은 적어도 완전 반사의 한계각이 외부 유리 경계면에서 얻어지도록 편향된다. 이어서 광은 프리즘식 역반사체(10)를 통해서 그리고 윈드실드(12)의 외부 표면(11)을 통해서 귀환되며, 그리고 커플링 부재(20)를 통해서 재차 광 안내 부재(18)로 진입하며 상기 광 안내 부재에 의해서 적어도 하나의 수신기(15)로 안내된다. 만약 센서 영역(16)이 액체에 의해서 젖게 된다면, 상기 영역에서 굴절 계수가 증가하게 되며, 이러한 증가는 수신기(15)에 반사된 광 빔의 강도를 줄이는데, 이는 센서 영역에서 완전 반사가 이루어지기 때문이다. 본 실시예는 센서 영역(16)과 공간적으로 분리되어 신호 처리를 할 수 있도록 되어 있다.
도 3은 약간 변형된 실시예를 개략적 부분 단면도로 도시하고 있으며, 상기 실시예는 다양한 종류의 물질을 검출하기 위해서 사용되고 있다. 광 안내는 이에 대해서 도 2에서 기술하고 있는 방법과 동일하게 이루어진다. 센서 영역(16)은 여기서 센서 활성 물질(24)로 코팅된다. 액체, 에어로졸, 용액 또는 가스 형태인 측정 물질이 존재하면 센서 영역(16)에서의 굴절 계수 또는 칼라가 변하게 된다. 이러한 효과는 예를 들어서 화학적인 반응 또는 화학적 착화(complexing)를 통해서 이루어진다. 이로 인해서 수신기(15)에 반사된 광 빔의 강도가 재차 변하게 된다. 여기서는 역반사체(10)와 센서 재료의 기판(22)은 하나의 유니트로 통합된다.
도 4a 내지 도 4c는 커플링 부재(20)의 세 개의 서로 다른 실시예를 개략적 단면도로 도시하고 있다. 기판(22) 표면에 대해 평행하게 또는 윈드실드(12)에 대해서 평행하게 광 안내 부재(18)를 통해 안내되는 광은, 적어도 완전 반사의 한계각도가 외부 경계면에 얻어지도록 반사된다. 선택적 실시예에서 엘보(26: 도 4a 참조), 프리즘(28: 도 4b 참조) 또는 광 안내 부재(18)의 구조체(30: 도 4c 참조)는 격자형 구조물의 압인(impressing) 또는 거칠기(roughening)에 의해서 이뤄진다. 이러한 구조체는 광 안내 부재의 하부 또는 상부측에 장착되는데, 즉 기판(22) 또는 윈드실드(12)를 향하도록 되어 있으며, 여기서의 광 강도상의 손실은 감수하여야 한다.
도 5a 및 도 5b는 역반사체의 두 개의 선택적인 실시예를 사시도로서 도시한다. 도 5a에서는 반사를 위해 필요한 프리즘(40)이 원형의 세그먼트에 배치된다. 도 5b에서는 이와는 달리 프리즘(42)이 스트립식으로 배치된다. 이때 마이크로 구조(프리즘)의 크기는 2μm 내지 100μm 이다.
도 6a 내지 도 6d에서는 역반사체의 또 다른 실시예가 개략적 단면도로 도시되어 있다. 도 6a 및 도 6b는 거울 세그먼트(32)와 오목거울 세그먼트(34)를 도시하고 있으며, 이들은 광을 출력 지점으로 집속한다. 이 경우 거울면은 반드시 적어도 부분적으로는 금속화되어야 하므로, 이러한 실시예는 투과성이 요구되지 않는 사용예로 제한된다. 광 빔이 반사되기 위해서는 도 6c에서 개략적으로 도시한 것처럼, 플라스틱에 침전된 유리구(36) 또는 반사 가능한 칼라 재료가 사용될 수 있다. 도 6d에서는 개략적으로 도시된 홀로그램(38)을 통해 반사가 이루어지며, 이러한 홀로그램(38)은 플레이트, 필름 또는 평탄한 유리판으로서 형성된다.
도 7a 및 도 7b에서는 광 안내 부재(18)의 두 개의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 예를 들어서 개략적으로 도시되어 있는 부채꼴형 역반사체에 반사되는 광 빔의 전달 및 복귀는 두 가지 방법으로서 이루어진다. 즉 나란히 또는 상하로 배치된 분리식 광 안내 부재(18)가 존재하거나, 공통의 광 안내 부재를 통해서 광 빔이 커플링 부재(20)로 안내되며, 이때 송신기(13) 또는 수신기(15) 앞에 빔 스플리터(beam splitter: 50)가 배치된다.
도 8a에는 윈드실드(12)의 단면이 도시되고 또한 도 8b에는 윈드실드(12)의 평면도가 개략적으로 도시되어 있다.
만약 검출용 광으로서 적외선(IR)이 사용되어야 할 경우, 윈드실드(12)에 장치된 IR-비투과성 접착 필름(40)은 센서 영역(16)에서 제거되어야 하는데, 이는 검출광의 통과를 보장하기 위해서이다.
윈드실드(12)에서는, 특히 리세스(recess: 42)의 일부분에 홀로그램(38)이 장착되어 있으며, 그 외 나머지 부분은 비워져 있거나 또는 IR-투과성 접착 필름으로 채워지게 된다. IR-광은 윈드실드(12)로 진입해서, 리세스(42)의 IR-투과 영역을 통과하며, 윈드실드의 표면에서 완전 반사되고, 홀로그램(38)에서 진입방향으로 반사되며, 윈드실드(12)의 표면에서 재차 완전 반사되어 리세스(42)의 IR-투과 영역을 통해서 수신기(15)로 안내된다.

Claims (22)

  1. 특히 자동차 윈드실드의 표면(11)의 습윤을 감지하기 위한 광 센서로서, 전자기파에 대한 적어도 하나의 송신기(13) 및 적어도 하나의 수신기(15)를 포함하며, 상기 표면은 적어도 하나의 송신기(13)와 적어도 하나의 수신기(15) 사이의 센서 영역(16)에 배치되어 있는 광 센서에 있어서,
    상기 표면(11) 내의 센서 영역(16) 상의 습윤 형성은 신호를 변형시키며, 상기 광 센서는 광 안내 부재(18)를 구비하고, 상기 광 안내 부재(18)에서 전자기파는, 상기 표면(11)에서 반사된 전자기파가 상기 표면(11)으로 복귀되며 그 표면(11)으로부터 상기 광 안내 부재(18) 쪽으로 안내되도록, 상기 센서 영역(16)의 내외로 양방향으로 안내되며, 상기 광 안내 부재(18)는 모노모드 또는 멀티모드식 광 도파관이고, 역반사체(10)가 제공되고 이는 플레이트 또는 필름 형태의 홀로그램(38)으로 형성되며, 상기 역반사체(10)의 반사 세그먼트들은 원형 또는 스트립 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 광 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광 안내 부재(18)는 유리 또는 플라스틱으로 이루어진 광 도파관인 것을 특징으로 하는 광 센서.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 광 안내 부재(18)는 플레이트 또는 적절하게 형성된 본체이며 상기 본체는 광을 안내할 수 있는 것을 특징으로 하는 광 센서.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 광 안내 부재(18)는 전자기파의 전달 및 복귀를 위한 별도의 광 도파관들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 센서.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 광 안내 부재(18)는 커플링 부재(20)를 구비하며, 상기 전자기파는 상기 커플링 부재에 의해 상기 센서 영역(16)으로 편향되는 것을 특징으로 하는 광 센서.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 커플링 부재(20)는 엘보(26) 또는 프리즘(28)으로 또는 상기 광 안내 부재의 표면의 구조체(30)로 형성되는 것을 특징으로 하는 광 센서.
  15. 제 1 항에 있어서, 측정 물질이 존재할 시에 그 굴절 계수 또는 칼라를 변화시키는 센서 활성 물질(24)이 상기 센서 영역(16)에 제공되는 것을 특징으로 하는 광 센서.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 커플링 부재(20)와 광 안내 부재(18)는 구조체를 형성하는 것을 특징으로 하는 광 센서.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 역반사체(10)와 측정 물질의 기판(22)은 구조체를 형성하는 것을 특징으로 하는 광 센서.
  18. 제 1 항에 따른 광 센서를 사용하는 자동차의 레인 센서.
  19. 제15항에 있어서, 광 센서는 액체, 에어로졸 또는 용액 또는 가스 형태인 다양한 물질들을 위한 센서로서 사용되기에 적합한 광 센서.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 역반사체(10)는 윈드실드(12)의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 광 센서.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 홀로그램(38)은 윈드실드(12)의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 광 센서.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 윈드실드(12)에 배치되는 접착 필름(40) 자체는 적어도 부분적으로 홀로그램(38)으로서 실시되는 것을 특징으로 하는 광 센서.
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