KR20200048043A - 비구면렌즈로 구성된 차량용 레인센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 통합센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전방 오토라이트 센서, 상방 오토라이트 센서, 레인센서, 포토센서, 디포그센서를 통합하여 하나의 모듈로 설치한 통합센서에 있어서, 레인센서에 사용되는 렌즈를 상하면 모두 비구면으로 형성된 비구면렌즈를 사용하여, 조고 균일도를 향상시킨 레인센서에 대한 것이다. 본 발명은 비구면렌즈를 활용하여, 렌즈 전체에 걸쳐 균일한 조도를 유지하여 레인센서의 감지 성능을 향상시키는 효과를 갖는다. 또한 본 발명은 상대적으로 작은 렌즈를 통해, 향상된 감지 성능을 갖도록 하므로, 제품을 소형화할 수 있는 효과를 갖는다. 또한 본 발명은 다양한 위치에서의 우적을 감지하여, 보다 신뢰있는 우적 감지가 가능하도록 하는 효과를 갖는다.

Description

비구면렌즈로 구성된 차량용 레인센서 {Rain Sensor Module with Aspherical Lens}

본 발명은 차량용 통합센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전방 오토라이트 센서, 상방 오토라이트 센서, 레인센서, 포토센서, 디포그센서를 통합하여 하나의 모듈로 설치한 통합센서에 있어서, 레인센서에 사용되는 렌즈를 상하면 모두 비구면으로 형성된 비구면렌즈를 사용하여, 조고 균일도를 향상시킨 레인센서에 대한 것이다.

차량의 전방유리에는 차량의 헤드램프를 자동으로 제어하기 위한 오토라이트 센서, 비의 양을 감지하여 윈도우와이퍼를 제어하기 위한 레인센서, 실내 온도 및 공조 제어를 위한 포토센서, 김서림을 방지하기 위한 디포그센서가 구비된다.

최근에는 이러한 센서들을 하나의 패키지 안에 모두 포함시킨 통합센서가 출시되고 있는데, 여기에 포함된 레인센서모듈은 비가 오는지 및 비의 양을 감지하여 윈도우와이퍼의 오토 동작을 가능하도록 하는 장치이다.

이러한 레인센서의 우적 감지 성능 및 효율을 향상시키고, 그 크기를 소형화 하기 위해서는 레인센서의 발광, 수광소자에 배치되는 렌즈의 전체적인 면적에 조도가 균일하게 맺힐 수 있어야 한다.

종래의 일반적인 렌즈에서는 조도의 균일도가 보장되지 않아, 이를 개선하기 위해 대형의 렌즈를 사용하거나 고가의 프레넬렌즈를 사용하여야 하였고, 그에 따라 레인센서모듈의 전체적인 크기가 커지거나, 제조비용이 많이 소요되는 문제가 있었다.

미국특허 제7,804,055호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 비구면렌즈를 활용하여, 렌즈 전체에 걸쳐 균일한 조도를 유지할 수 있는 차량용 레인센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 양면 비구면렌즈를 통해, 렌즈를 더욱 소형화하면서도 균일한 조도 성능을 나타낼 수 있는 차량용 레인센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 2개의 수광소자를 사용하여, 다양한 위치에서의 우적을 감지할 수 있도록 하는 차량용 레인센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 하우징(3)과 커버(2)의 사이에 수용되는 기판(4)을 포함하는 차량용 레인센서(6)모듈에 있어서, 상기 기판(4)의 상면에 배치되는 발광소자(610) 및 수광소자(620); 상기 발광소자(610)의 상면에 위치되는 발광 비구면렌즈(61); 및 상기 수광소자(620)의 상면에 위치되는 수광 비구면렌즈(62);를 포함하여 구성되고, 상기 발광 비구면렌즈(61)의 상면부(611)는 비구면 형상이며, 상기 수광 비구면렌즈(62)의 상면부(621)는 비구면 형상인 것을 특징으로 하는 비구면렌즈로 구성된 차량용 레인센서를 제공한다.

상기 발광 비구면렌즈(61)의 하면부(612)는 비구면 형상이며, 상기 수광 비구면렌즈(62)의 하면부(622)는 비구면 형상인 것을 특징으로 한다.

상기 발광 비구면렌즈(61) 및 상기 수광 비구면렌즈(62)이 상면에는 틸트렌즈(64)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 틴트렌즈(64)는 차량의 앞유리와 대면하는 부분에 평행한 다수의 톱니가 형성되는 상면요철부(641)를 구비하고, 하면부(642)는 평면형인 것을 특징으로 한다.

상기 수광소자(620)는 상기 발광소자(610)의 양쪽으로 2개가 구비되고, 상기 수광 비구면렌즈(62)도 대응되도록 상기 발광 비구면렌즈(61)의 양쪽으로 2개가 구비되며, 1개의 상기 발광소자(610)에서 출력된 광은 1개의 상기 수광 비구면렌즈(62) 및 2개의 상기 발광 비구면렌즈(61)를 거쳐 2개의 수광소자(620)로 각각 입력되는 것을 특징으로 한다.

상기 발광 비구면렌즈(61) 및 상기 수광 비구면렌즈(62)의 각 상면부(611)(621)은, 상기 발광 비구면렌즈(61) 및 상기 수광 비구면렌즈(62)의 각 하면부(612)(622)보다 더 돌출되는 형상인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 비구면렌즈를 활용하여, 렌즈 전체에 걸쳐 균일한 조도를 유지하여 레인센서의 감지 성능을 향상시키는 효과를 갖는다.

또한 본 발명은 상대적으로 작은 렌즈를 통해, 향상된 감지 성능을 갖도록 하므로, 제품을 소형화할 수 있는 효과를 갖는다.

또한 본 발명은 다양한 위치에서의 우적을 감지하여, 보다 신뢰있는 우적 감지가 가능하도록 하는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 통합센서의 정면을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 통합센서를 분해하여 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 커버 내측을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 레인센서모듈 부분을 확대하여 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 레인센서모듈 부분의 단면을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 비구면렌즈의 단면을 확대하여 나타내는 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 레인센서의 발광 및 수광 경로를 시뮬레이션하여 나타내는 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 조도 균일성을 시뮬레이션하여 나타내는 도면이다.

이하 첨부된 도면에 도시된 본 발명 구성의 실시예들을 참조하여, 본 발명의 구성을 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 통합센서의 정면을 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 통합센서(1)는 커버(2)가 차량의 앞유리에 밀착되도록 하는데, 앞유리를 향해 연성기판(5), 레인센서모듈(6), 정면 오토라이트센서(7), 상면 오토라이트센서(8), 포토센서(9)가 배치된다. 연성기판(5)이 노출되는 부분에는 서미스터와 같은 온도센서유닛이 배치되는데, 바람직하게는 연성기판(5) 기준으로 유리창의 반대측에 위치되도록 한다. 이러한 통합센서(1)는 하나의 패키지 내에 오토라이트센서, 포토센서, 레인센서모듈(6), 디포그센서를 모두 갖추고 있다.

도 2는 본 발명의 통합센서를 분해하여 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 커버 내측을 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 통합센서(1)는 하우징(3)과 커버(2)의 사이에 기판(4)을 수용하고, 하우징(3)의 하부에는 커버(2)를 향해 돌출되는 밀착지지부(31)가 돌출 형성된다.

기판(4)의 하부에는 밀착지지부(31)가 관통할 수 있도록 관통홀(41)이 형성되어 있으며, 관통홀(41)에는 연성기판(5)도 U형태로 삽입되어 밀착지지부(31)가 내입되면 그 단부를 감싸도록 배치된다.

밀착지지부(31)의 단부는 커버(2)의 하부에 형성된 노출공(21)을 향하므로, 밀착지지부(31)를 감싸는 연성기판(5)의 일 부분은 노출공(21)을 통해 외측으로 노출되며, 이 노출된 부분이 차량의 앞유리에 밀착된다.

레인센서(6)모듈, 정면 오토라이트센서(7), 상면 오토라이트센서(8), 포토센서(9)는 기판(4)과 커버(2)에 복합적으로 연계 배치된다.

도 4는 본 발명의 레인센서모듈 부분을 확대하여 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 하우징(3)의 하부에는 대략 사각 기둥 형상의 밀착지지부(31)가 길게 돌출되는데, 마찬가지로 기판(4)의 하부에도 대응되는 크기로 직사각 형태의 관통홀(41)이 형성되어, 관통홀(41)에 밀착지지부(31)가 끼워지는 형태로 조립된다. 여기에 동일하게 U형으로 관통되며 조립된 연성기판(5)이 밀착지지부(31)의 양측면과 돌출단면을 감싸는 형태로 배치되는데, 연성기판(5)의 일측은 기판(4)의 배면에 고정 결합되고, 타측은 돌출된 돌출걸림부(42)에 걸리도록 배치된다. 돌출걸림부(42)는 관통홀(41)의 일 측방 테두리 부분에서 내측을 향해 약간 돌출되는 형태로 구성된다.

이러한 디포그센서모듈의 상부에는 레인센서모듈(6)이 배치된다. 3개의 렌즈가 구비되는데, 가운데 것이 발광 비구면렌즈(61)이고, 양측의 것이 수광 비구면렌즈(62)이며, 광간섭을 막기 위해 각각의 렌즈 하측은 격벽(63)을 통해 상호 빛간섭, 유출을 차단한다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 레인센서모듈 부분의 단면을 나타내는 도면이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 기판(4)에는 중앙의 발광소자(610) 및 양측의 수광소자(620)가 구비되고, 상호 간에는 격벽(63)을 통해 차단되어 독자적인 공간을 형성한다.

그 상측으로는 격벽(63)에 지지, 고정되는 발광 비구면렌즈(61) 및 2개의 수광 비구면렌즈(62)가 배치되고, 또 그 상측에는 3개의 틸트렌즈(64)가 배치된다. 발광 비구면렌즈(61) 및 수광 비구면렌즈(62)는 비구면렌즈(非球面, aspherical lens)를 사용하며, 보다 바람직하게는 양면 비구면렌즈를 사용한다.

비구면렌즈는 기존에 사용되던 일반 볼록렌즈에 비해 구면수차를 줄여주고, 상의 왜곡을 줄여주며, 적은 면수로 수차 보정 사태를 달성할 수 있게 된다. 본 발명에서는, 양면 비구면렌즈를 사용함에 따라 조도 균일성을 갖는 시야범위(active area)가 90% 이상으로 증대되는 효과가 있다.

도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 조도 균일성을 시뮬레이션하여 나타내는 도면인데, 도 10을 참조하면, 본 발명의 양면 비구면렌즈를 레인센서에 활용하는 경우, 렌즈 전반에 걸쳐 균일한 복사조도를 유지하고 있음을 알 수 있다. 이러한 복사 조도의 균일성은 균일한 시야범위(active area)를 측정한 시뮬레이션 결과인, 도 11을 참조하여 비교하면, 일반 구면렌즈인 (a)의 시야범위에 비해, 일측 비구면렌즈인 (b)가 시야범위가 더 넓음을 알 수 있으며, 양면 비구면렌즈인 (c)의 시야범위가 가장 넓음을 알 수 있다. 이에 따라 양면 비구면렌즈는 동일 크기에서 가장 큰 시야범위를 갖게 되므로, 동일한 시야범위 필요시 보다 작은 크기의 비구면렌즈를 사용해도 되는 효과가 있다.

발광 비구면렌즈(61) 및 수광 비구면렌즈(62)는 각각 상면부(611)(621) 및 하면부(612)(622)를 구비하는데, 상면부(611)(621)는 보다 볼록한 형태로 돌출되고, 하면부(612)(622)는 상대적으로 완만한 형태로 돌출되는 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명의 비구면렌즈의 단면을 확대하여 나타내는 도면이다. 도 7을 참조하면, 발광 비구면렌즈(61) 및 수광 비구면렌즈(62)의 상면에는 틸트렌즈(64)가 구비되고, 틸트렌즈(64)의 하면부(642)는 평평하고, 상면에는 톱니 모양의 요철이 평행하게 형성된 상면요철부(641)가 형성된다.

발광 비구면렌즈(61) 및 수광 비구면렌즈(62)에서 수직으로 입사된 빛은 하면부(642)에서 직진으로 움직이고, 상면요철부(641)를 거치며 앞유리에 대해 소정 각도로 안내되고, 앞유리에 의해 전반사된 빛은 다시 상면요철부(641)로 입력되어 소정 각도 굴절되며 하면부(642)를 향해 수직 전달될 것이다. 이 때 상면요철부(641)는 프레넬 구조를 채택하는 것이 바람직하다.

틸트렌즈(64) 상면요철부(641)의 프레넬 구조 형상, 굴절각, 굴절율은 광경로에 위치되는 구성들의 재료 굴절율, 간격, 위치를 고려하여 공지의 계산 방식에 의해 산정될 수 있을 것이다.

도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 레인센서의 발광 및 수광 경로를 시뮬레이션하여 나타내는 도면이다. 도 8 및 도 9를 참조하면, 소형의 발광소자(610)에서 출력된 빛은 발광 비구면렌즈(61)를 지나며 넓은 위치에서 직진성을 유지하게 되며, 이는 틸트렌즈(64)에서 굴절되어 앞유리(w)에서 전반사된다. 특히 하나의 발광소자(610)에서 발광된 빛이 여러 위치로 굴절되어 복수의 수광소자(620)로 입사될 수 있도록 함으로써, 여러 위치에서의 우적을 감지할 수 있게 되는 효과가 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 통합센서 2: 커버
3: 하우징 4: 기판
5: 연성기판
6: 레인센서모듈
61: 발광 비구면렌즈 610: 발광소자
611: 상면부 612: 하면부
62: 수광 비구면렌즈 620: 수광소자
621: 상면부 622: 하면부
64: 틸트렌즈 641: 상면요철부
642: 하면부
7: 정면 오토라이트센서 8: 상면 오토라이트센서
9: 포토센서

Claims (6)

1. 하우징(3)과 커버(2)의 사이에 수용되는 기판(4)을 포함하는 차량용 레인센서(6)모듈에 있어서,
   상기 기판(4)의 상면에 배치되는 발광소자(610) 및 수광소자(620);
   상기 발광소자(610)의 상면에 위치되는 발광 비구면렌즈(61); 및
   상기 수광소자(620)의 상면에 위치되는 수광 비구면렌즈(62);를 포함하여 구성되고,
   상기 발광 비구면렌즈(61)의 상면부(611)는 비구면 형상이며,
   상기 수광 비구면렌즈(62)의 상면부(621)는 비구면 형상인 것을 특징으로 하는 비구면렌즈로 구성된 차량용 레인센서.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 발광 비구면렌즈(61)의 하면부(612)는 비구면 형상이며,
   상기 수광 비구면렌즈(62)의 하면부(622)는 비구면 형상인 것을 특징으로 하는 비구면렌즈로 구성된 차량용 레인센서.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 발광 비구면렌즈(61) 및 상기 수광 비구면렌즈(62)이 상면에는 틸트렌즈(64)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 비구면렌즈로 구성된 차량용 레인센서.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 틴트렌즈(64)는 차량의 앞유리와 대면하는 부분에 평행한 다수의 톱니가 형성되는 상면요철부(641)를 구비하고,
   하면부(642)는 평면형인 것을 특징으로 하는 비구면렌즈로 구성된 차량용 레인센서.
   
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 수광소자(620)는 상기 발광소자(610)의 양쪽으로 2개가 구비되고,
   상기 수광 비구면렌즈(62)도 대응되도록 상기 발광 비구면렌즈(61)의 양쪽으로 2개가 구비되며,
   1개의 상기 발광소자(610)에서 출력된 광은 1개의 상기 수광 비구면렌즈(62) 및 2개의 상기 발광 비구면렌즈(61)를 거쳐 2개의 수광소자(620)로 각각 입력되는 것을 특징으로 하는 비구면렌즈로 구성된 차량용 레인센서.
   
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 발광 비구면렌즈(61) 및 상기 수광 비구면렌즈(62)의 각 상면부(611)(621)은,
   상기 발광 비구면렌즈(61) 및 상기 수광 비구면렌즈(62)의 각 하면부(612)(622)보다 더 돌출되는 형상인 것을 특징으로 하는 비구면렌즈로 구성된 차량용 레인센서.

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