JP2000227397A - 水滴センサ用光カプラ - Google Patents

水滴センサ用光カプラ

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ロバート ローレット シニア ジョン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】製造容易で低背の水滴センサ用光カプラの提
供。 【解決手段】光カプラ(3)は、光放出器(6)、光検
出器(8)及び一体的本体(9)を有する。一体的本体
(9)は、その外側に第1光偏向面(12)及び第2光
偏向面(13)を有する。一体的本体(9)は、光放出
器(6)及び光検出器(8)用のホルダを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、水滴センサ用光カ
プラに関し、更に詳細には透明な窓にたまる水滴を光学
的に検出することにより作動する水滴センサ用の光カプ
ラに関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】米国特
許第5,661,303号に開示されているように、公
知の水滴センサは、透明なガラス窓に入射する光ビーム
を提供する光放出器(optical emitter)を有する。光ビ
ームは、空気に接する窓の反対側の面で反射される。光
検出器は、反射された光ビームを受光する。窓の反射面
にたまった水滴は、光ビームを散乱し、検出器により受
光された検出ビームを減少させる。これにより、水滴が
たまったことが検出ビームの減少として検出され、窓シ
ールドワイパ等の水滴除去用の機構を駆動するよう電子
的処理される。
【0003】この公知の水滴センサは、別体の部品が光
放出器及び光検出器と共に回路基板上に実装されること
を要する。放出側コリメータ(collimator)レンズは、光
ビームが光放出器から放出されると、導光軸に沿って放
出された光ビームの分散を低減するように設けられる。
受光側コリメータレンズは、光検出器により受光される
ために、反射された反射光ビームの分散を低減するため
に設けられる。別体の部品としてのコリメータレンズを
要することは、別体部品が別の製造工程及び不良検査を
必要とし、更に別体部品が公知の水滴センサの他の部品
と比較して正確な方向性で回路基板上に組み立てる必要
がある点で、製造工程を複雑化する。製造環境に一般的
に見られる通常の誤差変化は、組立体の性能に画期的な
変化をもたらすおそれがある。従って、製造に対する要
求及び別体部品の組立は、公知の水滴センサに不利な点
を与える。
【0004】公知の水滴センサは光カプラを有する。こ
のカプラは、正しい入射角で透明な窓に入射する放射光
ビームを反射する外部プリズム面を有する。第2プリズ
ム面は、受光コリメータレンズにより受光されるため
に、反射された光ビームを反射することが要求される。
公知の水滴センサの更に不利な点は、光カプラが別体部
品としてコリメータレンズに対して正確な方向性で実装
されることを要することにある。米国特許第5,66
1,303号は、カプラ及びコリメータレンズが組み立
てられる注意深い手順を開示する。
【0005】従って、多数の部品の組立体の形態である
公知の水滴センサは、製造コスト及び製造困難性に加
え、水滴センサ全体の大きさも増大する。
【0006】水滴センサの別の公知例は、多数の光放出
器からの光ビームを受光する単一の検出器を設けること
により、部品点数が減少する。しかし、コリメータレン
ズは別体部品のままであり、光検出器でのコリメータレ
ンズは、光検出器により受光されるために多数の光ビー
ムを結合させる個別多数のレンズシステムを有するよう
変更されている。更に、公知の水滴センサのカプラは、
多数の光放出器の数及び方向性に対応するカプラ組の数
が多くなるよう変更されている。単一の光カプラに多数
のカプラ組が必要であることは、その形状を複雑にし、
その製造工程の困難性を増大させる。例えば、複雑な形
状を有する光カプラは、射出成形及び連続押出し成形等
の公知の大量生産製造工程により得られる寸法変化を許
容できない。
【0007】製造コスト、製造の困難性及び組立の複雑
性を低減するため、及びセンサの全体の大きさを小さく
するために、部品数を実質的に減少させた水滴センサに
対する要求がある。射出成形及び連続押出し成形等の公
知の大量生産製造工程において一般的である寸法変化を
許容する、単純化された形状及び構造の光カプラを有す
る水滴センサに対して更に要求がある。
【0008】公知の水滴センサの更に不利な点は、光放
出器及び光検出器と共に回路基板に実装されたバリケー
ドが必要なことである。このバリケードは、周囲の光干
渉を排除し、光放出器及び光検出器間の不要なクロスト
ークの源となり得る不要な光路を遮断する。周囲からの
光干渉及びクロストークを排除する固有の特徴を有す
る、複雑さを低減した水滴センサに対する要求がある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の水滴センサ用光
カプラは、光ビームを透明な窓に進入させ、空気と接す
る前記窓の反対側の面により反射されるように導光する
ための導光面を有する透明の一体的本体と、光放出器
と、前記本体に設けられ、前記光放出器及び前記導光面
と所定角度で対向して、前記透明な窓に入るように前記
光放出器から放出される光ビームを偏向する第1光偏向
面と、光検出器と、前記本体に設けられ、前記窓の反対
側の面により反射された光ビームを受光し、前記導光面
及び前記光検出器と所定角度で対向し、前記光検出器に
より受光されるように前記反射された光ビームを偏向す
る第2光偏向面とを具備し、前記光放出器及び前記光検
出器は、前記本体の対応するソケット内に受容され、こ
れにより、前記本体は、前記光放出器及び前記光検出器
用のホルダを構成することを特徴とする。
【0010】本発明の水滴検出器用光カプラは、光ビー
ムを放出する放出器と、放出された前記光ビームを、透
明な窓に進入させ、空気と接する窓の反対側の面により
反射されるように方向付けする導光面、及び前記放出器
及び前記導光面と所定角度で対向する第1偏向面を有す
る透明な一体的本体と、反射された前記光ビームの検出
器とを具備し、前記一体的本体は、前記検出器及び前記
導光面と所定角度で対向する第2偏向面を有すると共
に、前記放出器及び前記検出器用のホルダを構成するこ
とを特徴とする。
【0011】本発明によれば、光カプラは、光放出器及
び光検出器用の一体構造をなすホルダを具備し、この一
体構造により部品点数が減少して製造コスト及び製造の
困難性が低減すると共に、全体の寸法、特に高さが小さ
くなる。更に、本発明は、導光性本体の形態の光カプラ
を提供し、光放出器及び光検出器が本体内で窪んで配置
され、低背となる。
【0012】更に、本発明は、回路基板上への配置を容
易にするために突出する電気リードを有する光放出器及
び光検出器を保持する導光性本体の形態の光カプラを提
供する。また、本発明は、導光性本体の外側に導光面及
び偏向面を有する光カプラを提供する。光カプラは、空
気と干渉する外側の面で反射により光ビームの偏向を提
供し、コリメータレンズが導光性本体に直接成形される
ので、別体部品としてのコリメータレンズを不要にす
る。更に、本発明は、導光本体の外側に、研磨を容易に
するために平坦である導光面及び偏向面を有する光カプ
ラを提供する。
【0013】更に、本発明は、導光本体の外側に、例え
ば射出成形工程等の一般的な成形工程により、容易に製
造される導光面及び偏向面を有する光カプラを提供す
る。
【0014】更に、本発明は、導光本体の外側に導光面
及び偏向面を有し、本体のソケット内に光放出器及び光
検出器が受容される光カプラを提供する。これらの面及
びソケットは、押し出し成形により、容易に製造され
る。押出成形工程により製造される押出成形物は、その
後に機械加工される。
【0015】
【発明の実施の形態】添付図面を参照して、本発明の実
施形態を説明する。図1は、光カプラを有する水滴セン
サを、水滴センサが実装されるハウジング及び窓と共に
示す断面図である。図2は、図1に示された光カプラ及
び水滴センサを示し、部品を分解した状態を示す断面図
である。図3は、図2に示された水滴センサのカプラ内
のソケットの端面図である。図4は、多数の一体的本体
に分割可能である押出成形物を示し、各一体的本体が図
1に示されるように光カプラの一部である状態を示す斜
視図である。図5は、部品を分解した状態の、光カプラ
及び水滴センサを別の実施形態を示す断面図である。図
6は、多数の一体的本体に分割可能である押出成形物を
示し、各一体的本体が図5に示される光カプラの一部で
ある状態を示す斜視図である。
【0016】図1及び図5を参照すると、水滴センサ1
は、超小型制御器(micro-controller)2及び光カプラ3
を具備する。超小型制御器2は、公知の構造である回路
基板5上に実装された電子半導体回路デバイス4を具備
する。光電放出器6及び光電検出器8は、回路基板5上
の各回路7a(図2参照)に接続するために電気リード
7を半田付けする等の公知の手法で回路基板5に電気接
続するリード7を有する。光放出器6は、例えば赤外線
波長のビーム等の光ビームを放出するよう超小型制御器
2により駆動される。光ビームは光検出器8に受光さ
れ、光検出器8は、受光した光ビームの強度に比例した
信号を発生する。超小型制御器2は、光検出器8からの
信号を検出し処理する電子手段を更に具備する。
【0017】例えば、「超小型制御器2」の用語は、例
えばザイログ社から入手できるE02又はE04製品群
の8ビット超小型制御器として知られる一体回路デバイ
スを意味している。同様なデバイスは多数の業者から入
手できる。更に、「超小型制御器2」の用語は、発信部
2a及び受信部2bを有する光電トランシーバを意味し
ている。
【0018】光放出器6は、業界標準のLEDであり、
例えば、公知の外径寸法で筒状のTO缶等の業界標準パ
ッケージから突出する電気リード7を有する赤外線発光
ダイオードである。このパッケージは、このLEDを収
容しており、LEDから放出される光ビームをビーム導
光軸に沿って16°から30°の円錐角度に分散する。
光検出器8は、業界標準の光検出器であり、例えば、公
知の外径寸法の別の業界標準パッケージから突出する電
気リード7を有する赤外線フォトダイオードである。光
放出器6及び光検出器8は、多数の業界標準のLED供
給業者から入手できる。
【0019】図1及び図5を参照して、水滴センサ1の
2つの実施形態を説明する。各実施形態は対応する光カ
プラ3を有し、光カプラ3は、光ビームが透明な窓11
(図1参照)に進入させ、空気と接する窓11の反対側
の表面11aに反射されるよう導光する導光面10を有
する、一体的導光本体9を具備する。本体9は、光放出
器6及び導光面10に所定角度で対向し、光放出器6か
ら放出される光ビームを偏向して導光面10を出て透明
な窓11に進入させる第1光偏向面12を有する。光ビ
ームは、表面11aが空気と接する透明な窓11の反対
側の面11aに入射すると共に反射される。入射角度
は、面11aに対する伝播軸及び法線軸N間の角度とし
て定義される。面11aに入射するビームの全反射を得
るために、入射角度は臨界角より大きくならなければな
らない。臨界角はsin-1(1/n)として定義される。ここ
で、nは空気に対する窓11の材質の屈折率である。窓
11の屈折率がn=1.514の場合、対応する臨界角は4
1°である。こうして、41°より大きい入射角度を有
するビームは、窓11にたまった水滴がなければ全反射
される。全反射されるビームは、たまった水滴が増加す
ることによる反射の減少と対照的な広い範囲を生成す
る。41°未満の入射角度を有するビームは、部分的に
反射されるので、対照の範囲が小さい。
【0020】図1及び図5を更に参照すると、水滴セン
サ1用カプラ3の各実施形態の本体9は、窓11の反対
側の面11aにより反射される光ビームを受光する第2
光偏向面13を有する。第2光偏向面13は、光検出器
8により受光される反射光ビームを偏向するために導光
面10及び光検出器8と所定角度で対向する。
【0021】図1及び図5を更に参照すると、光放出器
6及び光検出器8は、本体9の対応するソケット14内
に受容される。これにより、本体9は、光放出器6及び
光検出器8用のホルダを構成する。光放出器6及び光検
出器8は、それらの電気リード7が同方向及び回路基板
5に向って突出した状態で、一体構造15(図2及び図
5参照)を形成するように本体9に組み込まれる利点が
ある。一体構造15は、例えば公知の吸着装置を用いて
回路基板5に自動組立できるようになっている。この公
知の吸着装置は、回路基板5上に正確な方向で各半導体
回路デバイス4を自動実装するために広く用いられてい
る。光放出器6及び光検出器8の電気リード7が回路基
板5の向きに指しているので、リード7は、吸着装置を
用いて回路基板5上に正確に方向付けされる。一体構造
15として本体9、光放出器6及び光検出器8を有する
ことにより、トランシーバ2の他の部品に対して別体部
品としてカプラ3を固定する問題は解消される。
【0022】図1及び図5を参照すると、本体9の各実
施形態は、透明な窓11に入り空気と接する窓11の反
対側11aにより反射されるように光ビームを導光する
ために導光面10を有する。導光面10は、不要な材料
及び空気間の界面をなくすために公知の導光性接着剤で
あるフィルム15(図1参照)により窓11に結合され
る。一体構造15及び回路基板5は、面10及びフィル
ム15のみが図1に示されるように露出した状態で、ハ
ウジング5aの部分のみが図示された状態で、ハウジン
グ5aにより取り囲まれることが可能である。適当なク
リアランス空間が、リード7及びハウジング5aの内部
間に設けられる。
【0023】更に、本体9の各実施形態は、光放出器6
及び導光面10の両方に所定角度で対向し、光放出器6
から放出される光ビームを偏向し透明な窓11に進入さ
せる第1光偏向面12を有する。例えば、放出された光
ビームは、本体9内で伝播し、窓及び空気の界面によっ
て決められた臨界角より大きい角度で窓11に入るよう
に導光面10及び接着剤15のフィルムを介して更に導
光するために、空気と接する第1光偏向面12からの反
射により偏向される。光ビームは、空気と接する窓11
の反対側面11aにより相補的角度で反射する。
【0024】更に、本体9の各実施形態は、窓11の反
対側の面11aにより反射された光ビームを受光する第
2光偏向面13を有する。第2光偏向面13は、導光面
10及び光検出器8の両方に所定角度で対向し、光検出
器8により受光される反射光ビームを偏向する。例え
ば、反射されたビームは、本体9内で伝播し、空気と接
する第2光偏向面13での反射により偏向される。
【0025】反対側の面11a上にたまる水分が存在す
ると、光ビームが散乱され、光検出器8により検出され
る反射光ビームが減少する。この減少は、超小型制御器
2により検出され処理され、例えば抵抗発熱要素、窓1
1に接触して検出した水滴により活性化する例えば酸化
錫の透明電極等の水滴除去機構を働かせる。このような
機構は、例えば、消費者が選択できるようフリーザドア
の窓を介して食品が見え、窓11の内側面が冷凍環境で
あり、適当な露点条件下で空気に含まれた水滴が窓の外
側に凝縮する市販のガラス製フリーザドアの外側に形成
される露点に敏感な凝縮を除去する発熱要素を具備す
る。
【0026】図2及び図4を参照すると、導光面10及
び偏向面12,13は本体9の外側にあり、光放出器6
及び光検出器8は本体9内で窪んで配置されるので、低
背となる。本体9が光放出器6及び光検出器8用のホル
ダとして作用することにより、偏向面12,13による
ビームの偏向は本体9内に閉じ込められ、光放出器6及
び光検出器8から離隔された光カプラ3を有する水滴セ
ンサ1と比較して、水滴センサ1の寸法を小さくする。
更に、本体9の外側に偏向面12,13を有すること
は、本体9の寸法が小さくなり得ることを意味し、これ
により、導光面10のより近くであると同様に光放出器
6及び光検出器8により近くに光偏向面12,13を配
置し、本体9の寸法を小さくすると共にこの小さい寸法
により光結合効率が改善される。図5及び図6に示され
る実施形態を参照すると、偏向面12,13及び導光面
10は本体9の上側に位置し、光放出器6及び光検出器
8は、本体9の底側のソケット14により受容される。
【0027】図1及び図2に示される実施形態を参照す
ると、導電面10は本体9の上側にあり、偏向面12,
13は本体9の底側にあり、光放出器6及び光検出器8
は本体9の対向する両端14aのソケット14により受
容される。
【0028】図4及び図6を参照して、本体9の各実施
形態の大量生産について更に説明する。各実施形態で
は、導光面10及び偏向面12,13は、製造を容易に
するために同一側に露出している。例えば、本体9の各
実施形態は、押出成形工程により大量生産に好適であ
る。押出成形工程は、連続した押出成形物16の連続し
た長さと同様に同一側に露出する外面10,12,13
を有する連続した押出成形物16を製造する。各一体的
本体9の反射面12,13及び導光面10が押出成形物
16の連続長さに沿って延びる同一側に露出しているの
で、連続した押出成形物16の製造は可能である。更
に、面10,12,13はそれぞれ非連続というより連
続であるので、所望の形状を得るためにコストの高い機
械加工の必要をなくする。更に、面10,12,13
は、研磨を容易にするためにそれぞれ平坦である。
【0029】押出成形工程の次に、光ビーム反射時の散
乱を低減するために平坦面10,12,13の外部を研
磨し、更に、個別の本体9を得るために分割線17(図
4及び図6参照)に沿って押出成形物16を切断し、更
に、各ソケット14を形成するために機械加工する。
【0030】大量生産の別の工程では成形工程を含む。
これによると、各本体9は成形キャビティ内で個別に成
形されるが、個別本体9の形成の際に、成形キャビティ
内に突出する成形コアピンによりソケット14が形成さ
れる。面10,12,13は、高度に研磨された成形キ
ャビティに対して個別本体9を形成する際に、高度に研
磨した状態で形成される。更に、図4を参照すると、各
ソケット14は、各ソケット14内の周辺が離間した薄
いウェブ18として成形コアピンで形成され、対応する
ソケット14内に光放出器6及び光検出器8を中心出し
する単純化されたチャックを提供する。同様のウェブ
は、図5に示される本体9の実施形態に成形される。
【0031】ソケット14は、一体的な導光本体9上に
直接配置された導光レンズ面14bを有する。各面14
bは平坦又は曲面の形状をなし、光放出器6から放出さ
れた光ビームを1個のソケット14内で平行にする(col
limate)か、又は別のソケット14内で光検出器8によ
り受光される平行光ビームの平行化焦点を形成する。別
体部品としてのコリメートレンズはなくなった。
【0032】本体9は、付加された着色材料を有する、
例えばポリカーボネート等の導光材料で製造される。付
加された着色材料は、光放出器6及び光検出器8の赤外
線波長スペクトルを導光するが、可視光スペクトルの周
囲光を導光せず、不要な周囲光から光検出器8を実質的
に隔離する。
【0033】更に、光カプラ1は、その面10のみが露
出した状態でハウジング5aにより囲まれる。反射面1
2,13はハウジング5a内にあり、これら面を介して
周囲光の進入を更に制限し、不要な周囲光から光検出器
8を隔離する。
【0034】
【発明の効果】本発明の水滴センサ用光カプラによれ
ば、本体が、光放出器及び光検出器用の一体構造をなす
ホルダを構成し、この一体構造により部品点数が減少し
て製造コスト及び製造の困難性が低減すると共に、全体
の寸法、特に高さが小さくなる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】光カプラを有する水滴センサを、水滴センサが
実装されるハウジング及び窓と共に示す断面図である。
【図2】図1に示された光カプラ及び水滴センサを示
し、部品を分解した状態を示す断面図である。
【図3】図2に示された水滴センサのカプラ内のソケッ
トの端面図である。
【図4】多数の一体的本体に分割可能である押出成形物
を示し、各一体的本体が図1に示されるように光カプラ
の一部である状態を示す斜視図である。
【図5】部品を分解した状態の、光カプラ及び水滴セン
サを別の実施形態を示す断面図である。
【図6】多数の一体的本体に分割可能である押出成形物
を示し、各一体的本体が図5に示される光カプラの一部
である状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 水滴センサ 3 光カプラ 6 光放出器 8 光検出器 9 本体 10 導光面 11 透明な窓 11a 反対側の面 12 第1光偏向面 13 第2光偏向面 14 ソケット
フロントページの続き (72)発明者 リチャード ディーン ミラー アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 17601 ランカスター エンパイア サー クル 1209 (72)発明者 ジョン ロバート ローレット シニア アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 ハメ ルスタウン クック コート 431 (72)発明者 ロナルド マーティン ウェーバー アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 17003 アンビル ボックス 650 アール ディー1

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光ビームを透明な窓に進入させ、空気と接
    する前記窓の反対側の面により反射されるように導光す
    るための導光面を有する透明の一体的本体と、 光放出器と、 前記本体に設けられ、前記光放出器及び前記導光面と所
    定角度で対向して、前記透明な窓に入るように前記光放
    出器から放出される光ビームを偏向する第1光偏向面
    と、 光検出器と、 前記本体に設けられ、前記窓の反対側の面により反射さ
    れた光ビームを受光し、前記導光面及び前記光検出器と
    所定角度で対向し、前記光検出器により受光されるよう
    に前記反射された光ビームを偏向する第2光偏向面とを
    具備し、 前記光放出器及び前記光検出器は、前記本体の対応する
    ソケット内に受容され、これにより、前記本体は、前記
    光放出器及び前記光検出器用のホルダを構成することを
    特徴とする水滴センサ用光カプラ。
  2. 【請求項2】光ビームを放出する放出器と、 放出された前記光ビームを、透明な窓に進入させ、空気
    と接する窓の反対側の面により反射されるように方向付
    けする導光面、及び前記放出器及び前記導光面と所定角
    度で対向する第1偏向面を有する透明な一体的本体と、 反射された前記光ビームの検出器とを具備し、 前記一体的本体は、前記検出器及び前記導光面と所定角
    度で対向する第2偏向面を有すると共に、前記放出器及
    び前記検出器用のホルダを構成することを特徴とする水
    滴検出器用光カプラ。
  3. 【請求項3】前記面は、製造を容易にするために、同じ
    側で露出することを特徴とする請求項2記載の光カプ
    ラ。
  4. 【請求項4】前記導光面及び前記偏向面は前記本体の外
    側に位置し、前記放出器及び前記検出器は前記本体内で
    窪んで配置され、低背となることを特徴とする請求項2
    記載の光カプラ。
  5. 【請求項5】前記放出器及び前記検出器は、前記本体の
    対応するソケット内に受容されることを特徴とする請求
    項2記載の光カプラ。
  6. 【請求項6】前記放出器及の電気リード及び前記検出器
    の電気リードは、回路基板との電気接続を容易にするた
    めに、同一方向に突出することを特徴とする請求項2記
    載の光カプラ。
  7. 【請求項7】前記偏向面及び導光面が前記本体の上側に
    あり、前記放出器及び前記検出器が前記本体の底側のソ
    ケットにより受容されることを特徴とする請求項2記載
    の光カプラ。
  8. 【請求項8】前記導光面が前記本体の上側にあり、前記
    偏向面が前記本体の底側にあり、前記放出器及び前記検
    出器が前記本体の対向する端部内のソケットにより受容
    されることを特徴とする請求項2記載の光カプラ。
  9. 【請求項9】前記偏向面及び前記導光面が、研磨を容易
    にするために平坦であることを特徴とする請求項2記載
    の光カプラ。
  10. 【請求項10】前記放出器及び前記検出器は、前記光カ
    プラ内で光ビームの焦点を形成するか、平行にする一体
    のレンズを有する各ソケットに受容されることを特徴と
    する請求項2記載の光カプラ。
JP2000024240A 1999-02-02 2000-02-01 水滴センサ用光カプラ Pending JP2000227397A (ja)

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