JPH0666632A - 光強度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光の照射角が低い場合でも、精度良く光強度
を検出することのできる光強度検出装置の提供。 【構成】 検出回路３が有する日射強度算出回路３ｃで
は、位置検出素子４に設けられた一対の入力電極（１１
と１２または１３と１４）の両方に同じ電圧を印加し
て、出力電極１０に流れる電流値を補正式で除算するこ
とにより日射強度を算出する。補正式は、高度算出回路
３ａで算出された照射角の正弦関数をマクローリン展開
し、その展開式の上位関数の各項に任意の係数を代入す
ることで得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アモルファスシリコン
系半導体等の光導電効果を利用して、光の強度を検出す
る光強度検出装置に関する。

【０００２】

【技術的背景】従来より、車両等の空調制御を行う場合
には、日射センサにより日射量を検出して、この日射量
に応じて空調装置の吹出し温度または風量を制御する日
射補正制御が行われているが、より適正な空調制御を行
うためには、日射高度、方位、強度等を正確に検出する
必要がある。そこで、図９に示すように、光検出素子１
００の上部に、光（日射光）を通過させる通過口１０１
を有する遮光部材１０２を配置し、通過口１０１を通過
した入射光Ｈを光検出素子１００に照射させて、その入
射光Ｈの座標位置より日射高度、方位、強度を得る日射
センサが提案されている（公知技術ではない）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の日射
センサでは、日射高度θ′が低くなるに連れて、通過口
１０１に入射する日射光の一部が図中の破線で示すよう
に、通過口１０１の開口縁で遮られることから、入射光
Ｈの座標位置Ｐに誤差が生じてくる。また、通過口１０
１の上部にカバー等を設置すると、カバーの形状や界面
での光の乱反射によっても入射光Ｈの座標位置Ｐに誤差
が生じる。このため、入射光Ｈの座標位置Ｐと通過口１
０１との関係より、光検出素子１００に照射される入射
光Ｈの照射角θを求めると、特に日射高度θ′が低い場
合に、照射角θと日射高度θ′との誤差が大きくなる
（図５参照）。そして日射強度は、入射光Ｈによって発
生した光検出素子１００の出力値を照射角θの正弦関数
で除算して求める必要があるため、日射高度θ′が低い
場合の誤差が拡大されて（図６参照）、正確な日射強度
を得ることができない。本発明は、上記事情に基づいて
成されたもので、その目的は、光の照射角が低い場合で
も、精度良く光強度を検出することのできる光強度検出
装置の提供にある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、光を通過させる通過口が形成された遮光
部材と、前記通過口より入射した光を受光し、その受光
量および受光位置に応じて電気的出力値が変化する光電
変換手段と、前記受光位置に応じて出力される電気的出
力値を基に前記光電変換手段に照射された光の座標位置
を求め、この座標位置と前記通過口との関係より前記光
電変換手段に照射される光の照射角を算出する照射角算
出手段と、マクローリン展開を用いて前記照射角の正弦
関数を展開し、その展開式の上位関数の各項に任意の係
数を代入することで表される補正式を有し、この補正式
で前記受光量に応じて出力された電気的出力値を除算す
ることにより、前記通過口に入射する光の強度を算出す
る光強度算出手段とを備えたことを技術的手段とする。

【０００５】

【作用】上記構成より成る本発明の光強度検出装置は、
光電変換手段に照射された光の座標位置と、光が通過す
る通過口との関係より、光電変換手段に照射される光の
照射角が求められる。そして、光強度算出手段では、受
光量に応じて出力された電気的出力値を、照射角の関数
である補正式で除算することにより、通過口に入射する
光の強度が算出される。補正式は、マクローリン展開を
用いて照射角の正弦関数を展開し、その展開式の上位関
数の各項に任意の係数を代入することで表される。

【０００６】

【実施例】次に、本発明の一実施例を図１ないし図７を
基に説明する。図１は光強度検出装置を構成する日射セ
ンサと検出回路を示す図である。本実施例の光強度検出
装置１は、車両用空気調和装置に装備されるもので、日
射センサ２と検出回路３（後述する）より構成される。
日射センサ２は、位置検出素子４（本発明の光電変換手
段）、透明基板５（例えばガラス基板）、および遮光部
材６から成り、遮光部材６の中央部には、位置検出素子
４に光（日射光）を照射するために、直径２ｍｍ程のピ
ンホール７（本発明の通過口）（図２参照）が開口され
ている。

【０００７】位置検出素子４は、図２に示すように、透
明基板５の上に成膜された透明抵抗体膜８、この透明抵
抗体膜８の上にパターン形成された光電変換膜９、この
光電変換膜９の上に形成された出力電極１０、および透
明抵抗体膜８上の周囲に設けられた２対の入力電極１
１、１２および１３、１４より成る。透明抵抗体膜８
は、ＳｎＯ₂ 、ＩＴＯ、ＺｎＯ等の金属酸化物より成
る。光電変換膜９は、アモルファスシリコン合金膜をｎ
−ｉ−ｐ−ｉ−ｎ層、またはｐ−ｉ−ｎ−ｉ−ｐ層構造
に堆積させて成り、光が通った部分がその光の強さに応
じて導電化する（抵抗値が低下する光導電効果）もので
ある。そして、２つのダイオード成分の極性が互いに反
対方向となるように直列接続されることで、何れの極性
の電圧が直列接続されたダイオード成分に印加されても
電流は流れない。出力電極１０および入力電極１１〜１
４は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｇ等にて形成されたもの
で、出力電極１０は、その電極平面がピンホール７を通
過したスポット状の光（以下スポット光Ｈと言う）を検
出する位置検出領域となる。また、入力電極１１〜１４
は、透明抵抗体膜８上の周囲４辺に沿って、電圧の印加
方向が互いに直交可能となるように対向配置されてい
る。この各入力電極１１〜１４は、それぞれＸ座標およ
びＹ座標用の対電極として用いられる。

【０００８】ここで、上述の位置検出素子４の作用を説
明する。検出回路３を介して一対の入力電極（１１と１
２または１３と１４）に電圧（例えば０Ｖと５Ｖ）が印
加されると、透明抵抗体膜８の各点が入力電極（１１と
１２または１３と１４）からの距離に比例した電位を示
すようになる。また、光電変換膜９は、スポット光Ｈの
照射がない状態では、ダイオードの整流作用によって電
流を流さないが、スポット光Ｈが照射されると、その受
光位置に対応した部分が、抵抗値の低下によって導通部
となる（図２参照）。この結果、共通の出力電極１０か
らスポット光Ｈの受光位置に対応したＸ座標の電位Ｖ
ｘ、およびＹ座標の電位Ｖｙが時分割で別々に出力され
ることになる。

【０００９】検出回路３は、日射光がピンホール７に入
射する入射角度、すなわち日射高度θ′（図３参照）を
算出する高度算出回路３ａ（本発明の照射角算出手
段）、日射光の方位φを算出する方位算出回路３ｂ、お
よび日射光の強度を算出する日射強度算出回路３ｃ（本
発明の光強度算出手段）を有する（図１参照）。以下に
日射高度θ′、日射方位φ、および日射強度Ｉの検出方
法を説明する。日射高度をθ′とした場合、透明基板５
に入射したスポット光Ｈの角度はθとなる（図３参
照）。すなわち、ピンホール７より入射したしたスポッ
ト光Ｈは、位置検出素子４の検出面４０上の座標位置Ｐ
（ｘ、ｙ）にθの角度で到達する。ここで、位置検出素
子４の検出面４０上のＹ軸と座標位置Ｐ（ｘ、ｙ）との
成す角度、すなわち日射方位φは、座標位置Ｐ（ｘ、
ｙ）に対応して出力されるＸ座標の電位Ｖｘ、およびＹ
座標の電位Ｖｙより次式にて算出される。

【００１０】

【数１】 ｘ＞０，ｙ＞０のとき、φ＝ｔａｎ^-1（ｘ／ｙ）−π

【数２】 ｘ＜０，ｙ＞０のとき、φ＝ｔａｎ^-1（ｘ／ｙ）＋π

【数３】ｙ＜０のとき、φ＝ｔａｎ^-1（ｘ／ｙ）

【００１１】ここで、遮光部材６に形成されたピンホー
ル７の真下の検出面４０の中心座標Ｏの出力電位を
Ｖ_Ox、Ｖ_Oyとし、位置検出素子４の電位勾配（Ｖ／mm）
をΔｘ、Δｙとすると、座標位置Ｐ（ｘ、ｙ）は次式に
て表される。

【数４】ｘ＝（Ｖｘ−Ｖ_Ox）／Δｘ

【数５】ｙ＝（Ｖｙ−Ｖ_Oy）／Δｙ

【００１２】また、空気の屈折率を１、透明基板５の屈
折率をｎ₁ とすると、次式の関係がある。

【数６】 ｓｉｎ（π／２−θ′）／ｓｉｎ（π／２−θ）＝ｎ₁ ／１ そして、透明基板５の板厚をｔとすれば、日射高度θ′
は次式で算出される。

【数７】 θ′＝π／２−ｔａｎ^-1｛Ａ／（｜１−Ａ² ｜）^1/2 ｝ 但し、

【数８】 Ａ＝ｎ₁ ×｛（ｘ² ＋ｙ² ）／（ｘ² ＋ｙ² ＋ｔ² ）｝^1/2

【００１３】また、どちらか一対の入力電極（１１、１
２または１３、１４）の両方に所定値の電圧（例えば５
Ｖ）を印加して透明抵抗体膜８上に全て同電位を分布さ
せた状態で、出力電極１０に流れる電流値Ａを検出す
る。この電流値Ａは、位置検出素子４のどの位置にスポ
ット光Ｈが照射されても変わらず、日射強度Ｉに応じて
変化する電気信号となる（図４参照）。そして、実際の
日射光は日射高度θ′で入射することから、電流値Ａは
次式の関係になる。

【数９】Ａ＝Ｉ×ｓｉｎθ′

【数１０】Ｉ＝Ａ／ｓｉｎθ′

【００１４】ところが、実際には、遮光部材６が一定の
厚みを有することで、日射光の一部がピンホール７の開
口縁で遮られ、その結果、スポット光Ｈの座標位置Ｐ
（ｘ、ｙ）に誤差が生じる。また、ピンホール７の上部
にカバー（図示しない）を設置することで、カバーの形
状や界面での光の乱反射によってもスポット光Ｈの座標
位置Ｐ（ｘ、ｙ）に誤差が生じる。従って、上記の高度
算出回路３ａでは、位置検出素子４に照射されたスポッ
ト光Ｈの照射角θを基に日射高度θ′を算出したもので
あることから、スポット光Ｈの座標位置Ｐ（ｘ、ｙ）に
誤差が生じた場合には、照射角θを基に算出した日射高
度θ′と実際の日射高度との間に誤差が生じることにな
る（図５参照）。このため、上記の電流値Ａを高度算出
回路３ａで算出した日射高度θ′の正弦関数（ｓｉｎ
θ′）で除算しても正確な日射強度Ｉを得ることができ
ないため（図６参照）、本実施例では、以下に示す補正
式ｆ（θ）によって電流値Ａを除算するものとする。

【００１５】補正式ｆ（θ）は、下記の式に示すマク
ローリン展開を利用して照射角θの正弦関数を展開し
（式）、その展開式の上位関数である式の各項（こ
こでは簡易のため、５乗の項までとした）に任意の係数
（ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ）を代入することで得られる。

【数１１】 ｆ（ｘ）＝Σ（ｆ⁽ⁿ⁾ （０）ｘⁿ ／ｎ！）［０≦ｘ］……………………

【数１２】 ｓｉｎθ＝θ−θ³ ／３！＋θ⁵ ／５！・・・［０≦θ≦π／２］……

【数１３】 ｆ（θ）＝ｂ×θ＋ｃ×θ² ＋ｄ×θ³ ＋ｅ×θ⁴ ＋ｆ×θ⁵ ・・……

【００１６】このように、補正式ｆ（θ）で電流値Ａを
除算することにより、スポット光Ｈの座標位置Ｐ（ｘ、
ｙ）の誤差に基づく検出日射高度θ′の誤差、および発
生電流値Ａの誤差を相殺することができ、図７に示すよ
うに、充分な精度で日射強度Ｉを検出することが可能と
なる。なお、本実施例の光強度検出装置１は、一つの日
射センサ２によって日射高度θ′、日射方位φ、および
日射強度Ｉを知ることができるが、それぞれ異なる方位
を臨むように配された複数の光検出素子を用いた日射セ
ンサに適用しても良い。

【００１７】図８に本発明の第２実施例を示す。本実施
例の日射センサ２を構成する位置検出素子４は、図８に
示すように、透明基板５上に、透明抵抗体から成るＸ方
向抵抗体膜１５、光導電効果を利用した光電変換膜９、
金属電極抵抗体から成るＹ方向抵抗体膜１６の順に積層
され、Ｘ方向抵抗体膜１５およびＹ方向抵抗体膜１６の
各端部より２本ずつ計４本のリード電極Ｘ、Ｘ’および
Ｙ、Ｙ’を有する構造である。各リード電極Ｘ、Ｘ’お
よびＹ、Ｙ’の取り出し部には、Ｘ方向抵抗体膜１５お
よびＹ方向抵抗体膜１６より低抵抗のリード電極１５
ａ、１５ｂおよび１６ａ、１６ｂを用いている。また、
Ｘ方向抵抗体膜１５とＹ方向抵抗体膜１６とは、間に光
電変換膜９を介することにより直接接することがなく、
互いに直交するように配設されている。そして、通常
（スポット光Ｈが当たってない状態）では、Ｘ方向抵抗
体膜１５とＹ方向抵抗体膜１６とは、光電変換膜９によ
り実質的に絶縁状態を保っている。

【００１８】（Ｘ座標の検出方法）Ｘ方向入力電極とし
て働くリード電極１５ａ、１５ｂにそれぞれ０Ｖ、５Ｖ
（この５Ｖに限定する必要はない）を印加すると、Ｘ方
向抵抗体膜１５内に０Ｖから５Ｖまでの電位勾配が生じ
る。この状態で日射光が光電変換膜９に照射されると、
その日射光が通過した部分が導通状態となる。すなわ
ち、日射光が照射された位置のＸ方向抵抗体膜１５の特
定の電圧が、Ｘ方向出力電極として働くリード電極１６
ａ、１６ｂより取り出される。これにより、日射光が照
射された位置のＸ座標の出力電圧、すなわち、透明基板
５に入射したスポット光ＨのＸ座標の出力電圧（Ｖｘ）
が検出される。

【００１９】（Ｙ座標の検出方法）Ｙ方向入力電極とし
て働くリード電極１６ａ、１６ｂにそれぞれ０Ｖ、５Ｖ
（この５Ｖに限定する必要はない）を印加すると、上記
の場合と同様に、Ｙ方向抵抗体膜１６内に０Ｖから５Ｖ
までの電位勾配が生じる。この状態で日射光が光電変換
膜９に照射されると、日射光が照射された位置のＹ方向
抵抗体膜１６の特定の電圧が、Ｙ方向出力電極として働
くリード電極１５ａ、１５ｂより取り出される。これに
より、日射光が照射された位置のＹ座標の出力電圧、す
なわち、透明基板５に入射したスポット光ＨのＹ座標の
出力電圧（Ｖｙ）が検出される。

【００２０】（日射強度の検出方法）Ｘ方向のリード電
極１５ａ、１５ｂにそれぞれ５Ｖの電圧を印加してＸ方
向抵抗体膜１５上に全て同電位を分布させ、スポット光
Ｈが照射された検出面上のＰ（ｘ、ｙ）点においてＸ方
向抵抗体膜１５側からＹ方向抵抗体膜１６側へ流れる出
力電流Ａ（光電流）を検出する。この出力電流Ａは、Ｘ
方向抵抗体膜１５のどの位置にスポット光Ｈが照射され
ても変わらず（Ｘ方向抵抗体膜１５が全て同電位のた
め）、日射強度Ｉに応じて変化する電気信号となる。そ
して、この出力電流Ａを上記第１実施例に示した補正式
ｆ（θ）で除算することにより、日射強度Ｉを検出する
ことができる。なお、この日射強度Ｉを検出する場合に
は、Ｙ方向のリード電極１６ａ、１６ｂにそれぞれ５Ｖ
の電圧を印加してＹ方向抵抗体膜１６上に全て同電位を
分布させ、Ｙ方向抵抗体膜１６側からＸ方向抵抗体膜１
５側へ流れる出力電流Ａ（光電流）を検出するようにし
ても良い。なお、本実施例では、電圧式の位置検出素子
４を示したが、電流式の位置検出素子でも良い。

【００２１】

【発明の効果】本発明の光強度検出装置は、種々の外乱
要因によって、光電変換手段に照射された光の座標位置
に誤差が生じるような場合でも、充分な精度で光強度を
検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例に係る光強度検出装置を構成する日
射センサと検出回路を示す図である。

【図２】日射センサの構造を示す断面図である。

【図３】日射光の方位および高度を算出するための説明
図である。

【図４】日射量と発生電流値との関係を示すグラフであ
る。

【図５】検出される日射高度の誤差を示すグラフであ
る。

【図６】検出される日射強度の誤差を示すグラフであ
る。

【図７】補正による日射強度を示すグラフである。

【図８】第２実施例に係る日射センサの斜視図である。

【図９】従来技術に係る日射センサの要部断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 光強度検出装置 ３ａ 高度算出回路（照射角算出手段） ３ｃ 日射強度算出回路（光強度算出手段） ４ 位置検出素子（光電変換手段） ６ 遮光部材 ７ ピンホール（通過口）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺田 知司 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 布垣 尚哉 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ａ）光を通過させる通過口が形成された遮
   光部材と、 ｂ）前記通過口より入射した光を受光し、その受光量お
   よび受光位置に応じて電気的出力値が変化する光電変換
   手段と、 ｃ）前記受光位置に応じて出力される電気的出力値を基
   に前記光電変換手段に照射された光の座標位置を求め、
   この座標位置と前記通過口との関係より前記光電変換手
   段に照射される光の照射角を算出する照射角算出手段
   と、 ｄ）マクローリン展開を用いて前記照射角の正弦関数を
   展開し、その展開式の上位関数の各項に任意の係数を代
   入することで表される補正式を有し、この補正式で前記
   受光量に応じて出力された電気的出力値を除算すること
   により、前記通過口に入射する光の強度を算出する光強
   度算出手段とを備えた光強度検出装置。