KR20070100159A

KR20070100159A - 광센서 장치

Info

Publication number: KR20070100159A
Application number: KR1020070033789A
Authority: KR
Inventors: 울리히 바케스; 안드레아스 카일
Original assignee: 테에르베 오토모티브 일렉트로닉스 운트 콤포넌츠 게엠베하 운트 코. 카게
Priority date: 2006-04-05
Filing date: 2007-04-05
Publication date: 2007-10-10
Also published as: EP1842751A1; CN101063656A; JP2007304090A; DE202006005665U1; US20070235638A1

Abstract

광센서 장치(10, 10')는 판유리(14), 특히 차량의 윈드스크린에 결합될 수 있다. 장치(10, 10')의 센서 유닛(12)은 송신기(26), 수신기(28), 및 송신기(26)와 관련된 제1 프레넬 렌즈(42)와 수신기(28)와 관련된 제2 프레넬 렌즈(44)을 가진 광전도성 구조물을 포함한다. 프레넬 렌즈(42, 44)는, 송신기(26)로부터 방출된 발산 광빔(34)이 제1 프레넬 렌즈(42)를 통하여 평행하게 배향되고 더욱 실질적인 편향없이 평행 광빔(34a)으로서 판유리(14)에 입사되도록 배치된다. 평행 광빔(34a)은 판유리(14) 내부에서의 적어도 한번의 반사 후에 평행 광빔(34b)으로서 판유리(14)로부터 출사된다. 평행 광빔(34b)은 제2 프레넬 렌즈(44)를 통과해 수렴 광빔으로서 수신기(28)상에 충돌된다.

광센서 장치, 수신기, 송신기, 프레넬 렌즈

Description

광센서 장치{OPTICAL SENSOR DEVICE}

도 1a는 본 발명에 따른 광센서 장치의 제1 실시형태의 평면도이고,

도 2a는 도 1의 A-A선에 따른 단면도이며,

도 3a는 본 발명에 따른 광센서 장치의 제2 실시형태의 평면도이다.

*도면 주요 부분의 부호의 설명*

10 : 광센서 장치 12 : 센서 유닛

32 : 커플러 30 : 플레이트

26 : 송신기 28 : 수신기

42, 44 : 프레넬 렌즈

본 발명은 판유리, 특히 차량의 윈드스크린에 결합될 수 있는 광센서 장치에 관한 것으로서, 송신기, 수신기, 및 송신기와 관련된 제1 프레넬 렌즈와 수신기와 관련된 제2 프레넬 렌즈를 가진 광전도성 구조물을 갖는 센서 유닛을 포함한다.

그러한 센서 장치는 차량에서 주로 윈드스크린 와이퍼의 자동 구동을 위한 레인 센서로서 사용된다. 예컨대, 유럽 특허 EP 1 068 112 B1에서 보여지는 레인 센서에서 윈드스크린을 향해 경사진 렌즈와 같이, 광 경로에 영향을 주는 종래 렌즈들의 사용시 비교적 큰 공간이 요구된다.

홀로그램 센서의 사용을 통하여, 예컨대 국제 공개 번호 WO 03/026937 A1에서 공지된 것과 같이, 좀 더 작은 형태의 구성이 가능하다. 이들 센서는 디프랙티브 소자에 의한 광의 회절 원리를 기반으로 하므로, 이에 따라 고유 원리에 기인하여 실질적으로 좀 더 낮은 유용성의 광 효율과 섬광에 대한 좀 더 높은 감도라고 하는 단점을 갖는다.

전술한 형태의 광센서 장치가 독일 특허 DE 196 08 648 C1에 개시되어 있다. 송신기, 또는 수신기와, 광전도성 구조물 사이의 간격을 감소시키기 위하여, 프레넬 렌즈로 광전도성 구조물의 광입사 및 출사 영역을 구성하는 것이 제안되었다. 그럼에도 불구하고 송신기와 수신기가 실장되고 윈드스크린에 수직하는 인쇄 회로 기판의 배치를 필요로 하는 복잡한 광전도성 구조물 때문에 이러한 장치에 필요한 구조적 공간이 매우 크다.

본 발명의 목적은 작은 공간만을 필요로 하지만 판유리 상의 충분히 넓은 영역(센서 영역)을 스캔할 수 있는 광센서 장치를 제공하는 것이다.

이는 전술한 형태의 광센서 장치에서도 달성될 수 있으며, 장치 내에는 송신기로부터 방출된 발산 광빔이 제1 프레넬 렌즈를 통하여 평행하게 배향되고 추가의 편향없이 평행 광빔으로서 판유리에 입사되도록 프레넬 렌즈가 배치된다. 평행 광빔은 판유리 내부에서 적어도 한번 반사된 후에 판유리로부터 평행 광빔으로서 출 사된다. 이 광빔은 제2 프레넬 렌즈를 통해 수렴 광빔으로서 수신기상에 충돌된다. 본 발명은 판유리에 입사하는 경사도가 적합한, 평행하게 배향된 광빔에 의해 비교적 큰 센서 영역이 생성된다는 사실에 기초한다. 평행 광빔은 판유리로부터 출사된 후에, 수신기에 수렴된다. 프레넬 렌즈는 종래 렌즈에 비해 좀 더 얇은 두께를 가지며, 이에 따라 광빔이 판유리로/판유리로부터 비스듬하게 입사 또는 출사될 수 있도록, 판유리에 평행한 공간 절약형 배치로, 구성될 수 있다.

프레넬 렌즈는 평행 광빔이 각각 약 45°의 각도로 판유리로 입사되거나 또는 판유리로부터 출사되도록 구성되고 배치되는 것이 바람직하다.

2개의 프레넬 렌즈가 서로 인접하게 배치되고 단일체로 형성된 실시예가, 본 발명에 따른 센서 장치의 생산 및 조립에 특히 유리하다. 특히, 2개의 프레넬 렌즈는 플레이트 내에 형성될 수 있고, 이 플레이트의 전방측은 프레넬 단차를 갖고, 이 플레이트의 전방측이 송신기와 수신기를 마주하도록 플레이트가 배치된다. 렌즈 생산의 간소화는 별문제로 하고, 필수적인 프레넬 단차는 적합한 광학 재료로 평행 6면체(parallelepiped) 형상의 플레이트로 가공되어야만 하고, 두 프레넬 렌즈의 서로에 대한 상대적인 배치가 확고하게 전설정되며, 이 배치가 기계적인 효과에 기인하여 조립중 또는 실장된 상태에서도 또한 변경될 수 없다는 것이다.

본 발명에 따른 광센서 장치의 또 다른 장점 및 편의적인 개선사항은 종속항에서 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 2가지 예시적인 실시 형태가 첨부된 도면을 참조하여 하기에 서 설명될 것이다. 도면은 도식적으로 도시되어 있다.

도 1에는 판유리의 습윤을 검지하는 2개의 유사한 센서 유닛(12)을 가진, 본 발명에 따른 광센서 장치(10)의 제1 실시형태가 도시되어 있다. 센서 장치(10)를 차량의 윈드스크린(14)(도 2 참조)상에 실장된 레인 센서로서 사용하는 것에 대해서 후술한다. 센서 장치(10)의 일부 부품은 보다 상세하게 후술될 광 충돌 영역(16, 18, 20)을 강조하기 위하여 도 1의 도시에서 삭제되어 있다.

센서 유닛(12)의 기본 구조는 도 2의 단면도에서 확인할 수 있다. 각 센서 유닛(12)용 송신기(26)와 수신기(28)를 가진 인쇄 회로 기판(24)이 일측이 개구된 하우징(22) 내에 수용된다. 센서 장치(10)의 장착 상태, 즉 센서 장치(10)가 윈드스크린(14)에 부착된 상태에서, 윈드스크린(14)과 인쇄 회로 기판(24)은 실질적으로 서로 평행하게 배향된다. 광전도성 구조물의 주요 부품인 렌즈 플레이트(30)는 인쇄 회로 기판(24)과 윈드스크린(14) 사이에 배치된다. 하우징(22)과 인쇄 회로 기판(24)은 커플러(32)에 의해 윈드스크린(14)에 고정된다.

송신기(26)는 특정 주파수 범위에서 광을 방출하다. 용어 "광'은 가시광으로 한정되지 않으며, 예컨대 적외광 영역의 발광도 또한 포함할 수 있다. 이러한 광은 렌즈 플레이트(30)의 제1 일부 부분을 향하는 광(34)의 발산 빔으로서 송신기(26)로부터 방출된다. 수신기(28)는 송신기(26)에 조정되고 기록된 광 입사에 따라 평가 유닛(도시하지 않음)에 신호를 송출한다.

렌즈 플레이트(30)는 기본적으로 평행 6면체(parallelepiped) 형상의 플레이트이고, 윈드스크린(14)에 평행하게 배치된다. 렌즈 플레이트(30)는 윈드스크 린(14)에 면하는 실질적으로 평탄한 후방측(36)을 갖는다. 렌즈 플레이트(30)의 전방측(38)은 송신기(26) 또는 수신기(28)와 면하고, 프레넬 단차(40)를 갖는다. 렌즈 플레이트(30)는 다수 개의 부분으로 분할될 수 있다. 전술한 제1 일부 부분은 비구면 제1 프레넬 렌즈(42)를 형성하고, 그 광축은 윈드스크린(14)에 대하여 약 45°로 경사져있다. 렌즈 플레이트(30)의 제2 일부 부분은 비구면 제2 프레넬 렌즈(44)를 형성하고, 그 광축도 마찬가지로 윈드스크린(14)에 대하여 약 45°로, 반대 방향으로 경사져있다. 2개의 프레넬 렌즈(42, 44)가 서로에 대하여 거울 대칭성(mirror symmetry)이 되도록 구성된다. 적합한 광학 재료로 형성된 평행 6면체 형상의 플레이트로부터 시작해서, 프레넬 렌즈(42, 44)의 생산을 위해서는 필수적인 프레넬 단차(40)를 형성하도록 플레이트의 전방측에 약간의 변경만이 필요하다.

도시된 실시형태에서, 커플러(32)는 투명하고, 탄성이 있고, 실질적으로 평탄한 매체에 의해 형성되는데, 송신기(26)에 의해 방출된 광의 주파수 범위내에서 현저한 어떠한 굴절 특성도 갖지 않는다.

작동시, 렌즈 플레이트(30)를 향해 송신기(26)로부터 방출된 발산 광빔(34)은 제1 프레넬 렌즈(42)[도 1의 광 충돌 영역(16)]상에 충돌한다. 제1 프레넬 렌즈(42)는 광빔(34)의 광선에 실질적으로 평행한 방향성을 제공한다. 따라서, 광선은 평행하게 배향된 광빔(34a)으로서 커플러(32)를 지나서 윈드스크린(14)으로 입사된다. 입사각(α)은 약 45°이다. 광빔(34a)은 윈드스크린(14)에서 완전히 반사되고, 광선의 방향성은 여전히 평행한 상태이다. 평행하게 윈드스크린(14)에 입 사되는 광빔(34a)의 충돌 영역[도 1의 광 충돌 영역(18)]은 센서 영역(46), 즉 개별 센서 유닛(12)에 의해 습윤 정도를 판단하는 윈드스크린(14)의 영역을 정의한다.

커플러(32)와 렌즈 플레이트(30)의 대칭 구조에 기인하여, 윈드스크린(14) 상에서 완전히 반사된 후의 광빔의 광선 경로는 전술한 광선의 경로와 대칭된다. 이는 반사된 평행 광빔(34b)이 약 45°의 출사각(β)으로 윈드스크린(14)으로부터 커플러(32)를 통과해 출사되어, 렌즈 플레이트(30)의 제2 일부 부분[도1의 광 충돌 영역(20)]으로 입사된다는 것을 의미하며, 제2 프레넬 렌즈(44)는 광빔(34b)을 수신기(28) 상에 수렴한다.

커플러의 또 다른 변형(도시하지 않음)에 있어서, 커플러는 윈드스크린(14)과 면하는 후방측과 광전도성 구조물과 면하는 전방측을 가진 강체를 갖는다. 그 후방측은 윈드스크린(14)의 형상에 적합하며(즉, 실질적으로 평탄하고), 접착제에 의해 윈드스크린(14)에 고정된다. 전방측은 광빔의 평행한 방향성에 수직하도록 배향된 커플링 영역을 갖는다. 이 경우, 광전도성 구조물은 강성 커플러 소자의 전방측에 적합하고 그 전방측에 연결되는 후방측을 갖는다.

우수한 신호 평가를 위하여, 한 쌍의 센서 유닛의 수신기(28)에서 전달된 신호를 평가 유닛내 감산기에 보낸다. 동일한 방법을 센서 장치(10)에 속하는 임의의 다른 쌍의 센서 유닛(12)에도 적용한다.

도 3에는 본 발명의 또 다른 개선사항에 따른 센서 장치(10')의 제2 실시형태가 도시되어 있다. 윈드스크린(14)의 습윤을 검지하기 위해서 광센서 장치(10') 에 추가적으로, 추가 주광 센서 유닛(Daylight Sensor Unit, 48)이 장치에 제공된다. 주광 센서 유닛(48)은 광 수신기(50)와, 또 다른 프레넬 렌즈(도 3에서 보여지지 않음)를 갖는 경우 이 렌즈가 전술한 프레넬 렌즈(42, 44)에 따라 구성되고 배치되는 광전도성 구조물을 포함한다. 주광 센서 유닛(48)의 각 프레넬 렌즈는 관련된 광 수신기(50)에 주변 소정 영역(52)으로부터의 광을 표시한다. 이러한 방법으로 소형 구조의 센서 장치(10')를 가지고, 윈드스크린 와이퍼의 자동 구동 뿐만 아니라 헤드라이트의 자동 제어가 또한 가능해지므로 기능성이 확장된다.

모든 실시형태에서, 단일 렌즈 플레이트 내에 프레넬 렌즈를 다수개 또는 모두 구성하는 것이 기본적으로 가능하다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 센서 장치를 구성함에 있어서, 송신기로부터 방출된 광빔이 판유리에 대해 평행 광빔으로서 입사되고 출사될 수 있도록 프레넬 렌즈를 설치하고 이를 수신기에서 충돌함으로써, 작은 공간만을 필요로 하지만 판유리 상의 현저하게 넓은 영역(센서 영역)을 스캔할 수 있다.

Claims

판유리(14)에 결합될 수 있는 광센서 장치(10. 10')로서,

센서 유닛(12)을 포함하고, 상기 센서 유닛은 송신기(26), 수신기(28) 및 상기 송신기(26)와 관련된 제1 프레넬 렌즈(42)와 상기 수신기(28)와 관련된 제2 프레넬 렌즈(44)를 가진 광전도성 구조물을 포함하며,

상기 송신기(26)로부터 방출된 발산 광빔(34)이 제1 프레넬 렌즈(42)를 통하여 평행하게 배향되고 추가의 편향없이 평행 광빔(34a)으로서 판유리(14)에 입사되도록 상기 프레넬 렌즈(42, 44)가 배치되고,

상기 평행 광빔(34a)은 판유리(14) 내부에서의 적어도 한번의 반사 후에 판유리(14)로부터 평행 광빔(34b)으로서 출사되며,

상기 평행 광빔(34b)은 제2 프레넬 렌즈(44)를 통해 수렴 광빔으로서 수신기(28)상에 충돌하는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제1항에 있어서, 상기 프레넬 렌즈(42, 44)는, 평행 광빔(34a, 34b)이 각각 45°의 각도(α,β)로 판유리(14)에 입사되거나 또는 판유리(14)로부터 출사되도록 구성되고 배치되는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 2개의 프레넬 렌즈(42, 44)는 서로에 대하여 거울 대칭성(mirror symmetry)으로 배치되는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 2개의 프레넬 렌즈(42, 44)는 서로 인접하게 배치되고 단일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 2개의 프레넬 렌즈(42, 44)는 플레이트(30) 내에 형성되고, 상기 플레이트(30)의 전방측(38)은 프레넬 단차를 갖고, 상기 플레이트(30)의 전방측(38)이 송신기(26) 또는 수신기(28)를 마주하도록 플레이트(30)가 배치되는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제5항에 있어서, 상기 플레이트(30)의 후방측(36)은 평탄하고 판유리(14)에 면하는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광전도성 구조물은 커플러(32)에 의해 판유리(14)에 부착되는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제7항에 있어서, 상기 커플러(32)는 투명하고, 탄성적이며, 평탄한 매체로 형성되는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제7항에 있어서, 상기 커플러(32)는 판유리(14)와 면하는 후방측과 광전도성 구조물과 면하는 전방측을 가진 강체를 갖고, 그 후방측은 평탄하며, 그 전방측은 광빔(34a, 34b)의 평행한 방향성에 수직하게 형성된 커플링 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제9항에 있어서, 상기 광전도성 구조물은 상기 커플러(32)의 강체의 전방측에 적합한 후방측을 갖는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 송신기(26) 및 수신기(28)는 판유리(14)에 평행하도록 배향된 인쇄 회로 기판(24)상에 배치되는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광센서 장치는 짝수의 센서 유닛(12)과 평가 유닛을 포함하고, 각 쌍의 센서 유닛(12)의 수신기(28)로부터 전달된 2개의 신호가 평가 유닛의 감산기에 전송되는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광센서 장치(10')의 하우징(22) 내에 하나 이상의 추가 주광 센서 유닛(Daylight Sensor Unit, 48)이 수용되고, 상기 주광 센서 유닛(48)은 광 수신기(50)와, 상기 광 수신기(50) 상에 주변 소정 영역(52)으로부터의 광을 표시하는 추가 프레넬 렌즈를 갖는 광전도성 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.
제13항에 있어서, 상기 추가 프레넬 렌즈와, 제1 및 제2 프레넬 렌즈(42, 44) 중 적어도 하나는 동일한 플레이트(30) 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 광센서 장치.