JPS6333645A - 光学式液体検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 く技術分野〉 未発明は呆（雨）滴等の液体を選択性良ぐ高精度に検知
する光学式センサに関するものである。

〈従来技術とその問題点〉 液体検知あるいは液体識別センサは、特に自動車におい
て降雨を検知しワイパーあるいはパワーウィンドウやサ
ンルーフ等を自動的に動作させるといった様な場合や一
般家庭での屋内からの降雨認識等に有用であり、従来よ
り結露センサあるいは圧電素子を用いたセンサ等が知ら
れている。前者は結露センサ表面への水の付着による素
子電極間の急激な電気抵抗の変化により、また後者は自
動車の走行中に圧電素子≦こ水滴が衝突した時の圧電効
果にこよって生ずる起電力により、夫々雨滴を検出する
ものである。しかしながらいずれの場合もセンサは雨滴
を検出するために自動車外あるいは屋外に設置されるこ
とになり、センサの置かれる環境条件はかなり厳しいも
のとなる。例えばセンサ素子に対して導電性のホコリ等
の付着あるいは泥はね、小石の衝突等センサにとって誤
動作を生じる要因が非常に多く捷た自然条件の変動によ
りセンサ寿命も著しく影響を受ける。そのため、第４図
に示した様に自動車のフロントガラス（４１）外側面に
雨滴（４３）が付着しｔ際の２木の電極（４２）間の静
電容量変化をもって検出するものが提唱されている。こ
れはセンサの構成部品を自動車内部に配置しであるため
、外部環境の影響を受は番こくい構成であるが、充分な
検出出力？得る念めには電極〔４２〕間隔を小さくする
必要があり、従って雨滴の検出面積はかなり小さなもの
となるかあるいは大Ｉの雨滴の付着が必要となり検出感
度の点で問題がある。さらに、雨滴以外の液体が付着し
念際も出力に変化を生じ液体識別能にも劣る。そこで、
自動車のフロントガラス等全検出面として、光学的手法
を駆使することによって水（雨）滴全検出するセンサを
考えることができる。

すなわち、第５図に示す様にフロントガラス（５１）に
対しその内側から光源光を入射し、その入射光を常には
フロントガラス（５１）内で全反射伝搬し最終端で受光
素子（５２）に入射する様に設定しておき、フロントガ
ラス（５１）の外側面多こ雨滴が付着した時に空気と雨
滴との屈折率の差により前記全反射条件が崩れ入射光が
受光素子（５２）は受光されないといった光学的構成の
センサが考えられている。これは検出面がフロントガラ
ス（５１）でありセンサ全構成する光学部品を全てフロ
ントガラス〔５１〕の内側すなわち車内Ｇこ配置するこ
とができ、ホコリ、泥はね等によるセンサ寿命への影響
が低減されるとともに耐環境性薔こ優れたセンサとする
ことができる。しかし、全反射条件によって検知しよう
とする検出部に雨滴以外の液体、例えば自動車ワックス
等のオイルの付着にても全反射条件が乱され、雨滴の場
合と同様な出力変化を示し、さらｌこは、受光素子に対
して発光素子から発せられた以外の太陽光等番こよる外
乱光の入射も想され、計測の高精度化、検出液体の識別
等に大きな問題全有している。

〈発明の目的〉 未発明は以上に述べた様な従来の液体検知あるいは液体
識別センサの有していた欠点全解消するためになされた
ものであり、光学的手法により液体特に水（雨）滴の選
択性に優れた検出を行うものである。

装置（センサ）の構成は、検出面を有するガラス、高分
子樹脂あるいはプリズム等の透明媒体において検出面の
反対側から異なる入射角度にて２末の光束を透明媒体憂
こ入射し、２光束のりちｌ光束を透明媒体の検出面に付
着する水滴等の被検出物と透明媒体の界面における臨界
角以上に設定し他方をその臨界角よりも小さい角度に設
定すること番こより検出面に水滴が付着し念際の２光束
夫々の透明媒体と水滴との界面における反射特性すなわ
ち受光素子にて検出したディジタル的な反射光強変変化
を比較することにより水滴を検知し、水「屈折率ｎ−１
，３３）と水より屈折率の大きい液体との高精度な識別
を可能とじ一又、実際に動作する際、外乱光として影”
Ｊｔ−及ぼす太陽光等についても装置の光学部品パッケ
ージ時に遮弊板を設けること及び透明媒体の検出面から
入射し受光素子へ到達の予想される一部の光に関しても
受光素子の前面番こレンズを配置することにより、受光
素子部外にその外乱光を集光することができ、検出２光
束【こおいても夫々の受光素子上に精度良く集光可能と
する。

さらに、受光素子前面に発光素子の発光波長帯域の光の
みを透過する光学フィルターを装荷すれば、外乱光のパ
ワーレベルを大幅に低減でき上記レンズとの併用により
外乱光の影響はほとんど無視しうるものとなり、良好な
る出力が得られる。

又、センサを構成する光源、受光素子、プリズム等を検
出面の反対側に配置できることから車のフロントガラス
の外側を検出面とした場合、車内にセンサ全設置するこ
とができ、耐環境性に優れた構成とすることができる。

さらには、透明媒体内を検出光束が全反射を繰り返しな
がら多重反射にて伝搬を行なう様に光源と受光素子を設
けであるため透明媒体の検出面における検出面積の拡大
全図ることができ、微小の水滴にても高感度番こ検知が
行なわれ、またセンサの構成が単純であり安価なセンサ
とすることが可能で実用上極めて有益な構成となる。こ
の、様に大発明は上記幾多の利点を有する光学式液体検
出センサを提供することを目的とするものである。

〈実施例〉 第１図は本発明の一実施例を示す光学式液体検出装置（
以降センサと称す）の構成図である。透明媒体（１）の
検出面（ｌａ〕に対して反対の内面（ＩＴ）に発光素子
（２１）、（２２）、受光素子（３１）、（３２）’ｉ
一定角度にて配設し、さらに光源である発光素子（２１
）、（２２）ｄ・らの出射光は透明媒体の内面（ｌｂ）
に光学的に接Ｍ（結合）されたプリズム（４）にてそれ
ぞれ異なる角度で透明媒体（１）中に導入される。透明
媒体（１）中を図示する如く全反射にて伝搬した入射光
は同様に内面（ｌｂ）ｉこ光学的に接着されたプリズム
（５）　’ｉ介して透明媒体（１）より導出され受光素
子（３１）、（３２）に入射される。さらに、遮弊板（
７）とレンズ（６）が上記光学部品と治具（８）により
一部パッケージされ、夫々の受光素子（１１）、（３２
）における検出光強度は電気信号として出力され一周知
の比較回路（コンパレータ）において比較することによ
り水（雨）滴等の有無が検知される構成となっている。

次に、上述のセンサ構成における水滴検知原理並びにセ
ンサ構成の詳細について説明する。透明媒体（１）には
屈折率ｎ＝１．４７のパイレックスガラス（以下、単に
ガラスと称す）を用い光源の発光素子（、２１）　、　
（２２）の夫々からの出射ビームがプリズム（４）を透
過した後ガラス（１）に対して入射角θ１＝５０°、θ
２＝７０°となる様に発光素子（２１）、（２２）の角
度設定を行う。

この２つの入射角を決定する番こ当ってはガラス（１）
に空気あるいは水が付着しているときの全反射条件を考
慮して導くことができる。すなわちガラスｌの屈折率ｎ
ａ＝１．４７に対し、空気ｎＡ＝１．００−水ｎｗ＝１
．３３であり、よって空気。

水が夫々ガラスに付着している場合の臨界角Ｂｈ、Ｏｗ
はスネルの法則により以下の１直として求まる。

ｓ　１ｎＪ２ｆｆＡ１　　　　ｓ　ｉｎｏｗ　　　　１
．３３ｓｉｎ９０°　　１，４７　　　５ｉｎ９０°　
　　１．４７”　１５Ａ−４２，９°　、　ｊｌｗ　＝
　６４．８゜従って、ガラス（１）の検出面に何も付着
していない状態ではガラス（１）に対して光源から４２
．９°以上の入射角で入射し之先は全てガラス（１）内
で全反射全綴り返しながら伝搬して行き一方、ガラス（
１）の検出面に水滴が付着するとその水滴の付着した面
では全反射角はガラス（、１）と水の夫々の屈折率で決
定されるため、前述した様に入射角が６４．８°以上の
ものは全反射にてガラス（１）内を伝搬して行くが、入
射角が４２．９°≦ｆｌｉ（入射角）＜６４．８°のも
のは全てガラス（１）内をほとんど伝搬できなくなる。

そこで、このセンサ構成では２光源の夫々からの出射光
のガラス（１）に対する入射角を、一方は水の付Ｍｉこ
てガラス（１）内の全反射条件に影！を受ける角度（４
２，９°≦θｌ＜６４．８°）、他方は水の付着にても
ガラス（１）内の全反射条件に影響を受けない角度（θ
２≧６４．８°）に設定するとともに、水の付着時に異
なる入射角度で入射した２光束の光強度を比較すること
（こより水の釘無を識別可能とするものである。それ故
にθ１＝５０゜、θ２＝７０°としている。

センサの詳細な動作機構は以下の如くである。

ガラス検出面に水滴等の付着していない通常の場合には
２光源からの夫々の入射光はともにガラス（１）内を伝
搬し受光素子（３１）、（３２）に到達する。ところが
、ガラス検出面に水滴か付着すると入射角θ、のものは
水滴付Ｍ都で大きな光損失を生じ受光素子（３１）へは
ほとんど入射光が到達せず、他方の入射角θ２の光束は
水滴計重と無関係に全反射を繰り返し受光素子（３２）
へ入射光が到達する。ざら蛋こは、ガラス検出面にこ水
滴以外の液体例えば、車の排気に含まれる油分、カーワ
ックス、エンジンオイル、一般家庭に使用するサラダ油
等のオイルが付着した場合を考えてもこれらオイルの屈
折率は水の屈折率に比較してかなり大きくかつガラスの
屈折車番こ比較的近いｔめ全反射全形成する臨界角も大
きな値（２≧〜８０°）となり、オイルの付着時には入
射角θ１．θ２とも番こ付若部にて光損失音生じ受光素
子へはほとんど入射光が到達しない。従って、入射角θ
１．θ２の２光束のうち、θ□で入射した光のみが減衰
するときに水滴の付着を認識できるわけである。

次に、以上の内容を実際の測定結果である第２図と表１
を用いて説明する。

〔表　１〕 表１は反射率の規格化値を示す。また第２図は第１図の
センサ構成にて横軸に光源光のガラス（１）に対する入
射角θｉｔとり、縦軸には夫々の入射角度番こおいて水
あるηはオイル（太実施例ではエンジンオイル）付着時
の受光ｉ子（３１）。

（３２）にて検出された光強度を同一の入射角度で空気
に対して受光素子に入射した光強度にノーマライズし反
射率（チ）としてとっである。この結果７５）らも明ら
かな様に一前に述べ之内容すなわち入射角（θｉ）が４
２．９°≦θｉ＜６４．８°では水（図中の実線に相当
）の付着により大きく光損失を生じ、θｉ≧６４．８°
では水の付着に無関係であることが確認された。さらに
、オイル（図中の破線に相当）も入射角θｉ≧〜８０°
付近まで影響のないことが明らかとなっｔ。ま之、反射
率（検知光強度）の変動は急峻であり、従って、表１に
反射率を規格化して示しｔ機番こ２つの受光素子（３１
）、（３２）のうち片方のみの光強度が減衰する時すな
わち（θ１．θｚ）＝（０，１）の場合のみ水（雨）滴
と判断してセンサを動作させることが可能となる。この
様に木実施例のセンサでは２光束を異なる入射角で用い
夫々の反射特性を比較することにより水以外の液体の付
着に対してその影響を受けることなく、高精度、高感度
に水滴のみの検知ができる。尚、透明媒体（１）として
はパイレックスガラス以外にも各種光学ガラス、高分子
樹脂さらには自動車のフロントガラス、リアガラス等を
そのまま用いることもできる。

また、光源入射角θｌ、θ２の設定も適用される透明媒
体（１）の屈折率全考慮し、透明媒体（１）に水が付着
し念際の全反射臨界角にて決定され。

θ１は臨界角より小さい角度、θ２は臨界角以−上で８
０°以下程度に設定すれば良い。

次に、太陽光等の外乱光の影響低減を考えた場合、第１
図に示す様に光学部品をパッケージにて一体化する際図
中に示す如く遮弊板（７）を設けても太陽光等の外乱光
はあらゆる角度にてガラスの検出面へ入射するため、そ
れらの中には受光素子へ到達するものが存在する。しか
し、透明媒体であるガラスは平行平板であり、検出面に
おけるポイントでの光入射を考えると前述した様に空気
とガラスの臨界角の関係により入射角は最大４２．９゜
となり模式的には第３ａ図に示す状況と考えられる。従
って、検出２光束とは通行角が異なりレンズによる検出
光と外乱光の空間的分離が可能となる。第３ｂ図にプリ
ズム出射後の検出２光束（実線）と外乱光（破線）の夫
々のレンズによる集光状態を示す。検出２光束の夫々の
出射角θ１＝５０゜、θ２−７０°に対し、外乱光の最
大出射角は４２．９°であるため明確な分離が可能とな
る。一方、プリズムの（ｂ）面から出射される外乱光に
関してはほとんどが受光素子部から遠い部分へのみ到達
し間頚にはならない。又、信号光２光束についても、第
３ｂ図に示す通り進行角度の違いにより充分弁別して夫
々の受光素子上に集光され良好な出力信号が得られる。

さら番こ、センサの決用光源としてレーザーダイオード
、ＬＥＤ等の発光スペクトル幅の狭帯域のものを用いれ
ば、外乱光は自然光（白色光）であることより、受光素
子の前面Ｇこ受光素子の波長帯域の光のみを透過する光
学フィルターを設置することで、受光素子の検出感度内
の自然光を充分減衰させる効果が望め、外乱光のパワー
レベルの低減が図れる。以上述べた様に外乱光に対して
レンズによる空間的分離さらにはフィルターを用い念波
長領域での分離を併用することでセンサ出力への外乱光
の影響はほとんど無視し得るものとなる。

センサの装着位置に関しても、例えば自動車においてフ
ロントガラスあるｈはリアガラスの内側にセンサを装着
し念場合、ガラスは一定の傾斜を有しているため、検出
面のセンサ装着部外に少量の雨滴が付着した際もセンサ
部まで流れ落ち雨滴検出の確立向上が望め、又、検出面
をワイパーにて拭き取られる部分としてその内側にセン
サを設置することで、雨滴検知時にはワイパーが動作し
雨滴を拭き取る構成となること力・らセンサ検出面に雨
滴が停帯することなく、従って、降雨の停止を確実に認
識できる。

この採番こ太実施例のセンサは、自動車のワイパー、パ
ワーウィンドウ、サンルーフ等の自動制御あるいは家庭
内での降雨コ識等広範な用途への適用が可能となる。

〈発明の効果〉 以上詳述した如く、本発明に係る光学式液体検出装置（
センサ）は以下に示す様な実用上極めて有益な特性を有
する。

（１）光学的手法にて水滴を検知する念め、特に自動車
５ζおいて各種自動制御の念めの水滴検出あるいは家庭
内での降雨認識を行なう場合、センサの構成部品を自動
車内等検出面の内側に設定することができるため、外部
の環境変化に対して良好なる耐性を有する。

（２）　　異なる入射角度の２光束を用い水滴付着時の
２光束夫々の反射特性（反射光強度）の比較２行って水
滴の検出に行うためセンサの検出面に水以外の液体が付
着した際もその影響を受けることなく検出対象の選択性
に優れ、さらに、太陽光等の外乱光に関してもレンズ、
光学フィルターの併用によりその影響を除去できる。

（３）　　センサの構成が簡単であり安価なセンサとす
ることができる。

以上述べた様に未発明の光学式液体検出装置は安価をこ
作製できるとともをこ良好なる耐環境性を有し、また２
光束を用いて光の全反射を利用することにより水滴を検
知するため、高感度でかつ水滴検知の選択性に優れ、さ
らには、外乱光の影響はほとんど受けな・い高精度な検
出を可能とするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す２光束を用い治具にて
パッケージした光学式液体検出装置の構成図である。第
２図は第１図に示す構成にて検出面に水とオイルが夫々
付着し念時の特性を示す特性図である。第３ａ、ａｂ図
は未発明の装置番こよるレンズ？利用しての外乱光の空
間的分離（除去）の原理を示す模式図である。 第４図は静電容量式雨滴センサの原理図であり第５図は
１光束で全反射特性の変化より雨滴を検出する光学式セ
ンサの構成図である。 ｌ・・・ガラス、ｌａ・・・検出面、ｌｂ・・・４．２
１．２２．５３・・・発光素子−３１，３２，５２・・
・受光素子−４・・・光入射用プリズム、５・・・光出
射用プリズム、６・・・レンズ、７・・・遮弊板、８・
・・固定用治具、４１．５１・・・自動車のフロントガ
ラス、４２・・・平行電極、４３・・・雨滴。 代理人　弁理士　杉　山　毅　至（（（ＩＩ１名〕篤　
ｌ　図 ＡＮＧＬＥ　（ｄｅクツ ′＄２　コ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、検出面を有する透明媒体に対し、発光素子から出射
   された光束の入射角を検出面に接する被検出液体と前記
   透明媒体で形成される界面における全反射の臨界角より
   も小さい角度で且つ検出面に被検出液体の付着のない時
   に透明媒体中を全反射して伝搬する角度に設定して成る
   光学系と、前記光束の検出面における反射特性の変化を
   検出する受光素子と検出面の外側から入射する外乱光を
   、前記検出光束と外乱光の進行角の相違から受光素子に
   入射しない部分に集光するレンズとを具備して成ること
   を特徴とする光学式液体検出装置。 ２、受光素子の前面に、発光素子の発光波長帯域の光を
   選択的に透過し、他の波長帯域の光を反射あるいは吸収
   する光学フィルターを装荷した特許請求の範囲第１項記
   載の光学式液体検出装置。 ３、前記透明媒体の検出面に対し入射する光束が異なる
   入射角度に設定された２光束であり、一方は、検出面に
   被検出液体が接した際の全反射の臨界角以上の角度、他
   方は全反射の臨界角よりも小さい角度に夫々設定された
   光学系と前記２光束夫々の反射特性の変化を検出する受
   光素子と、該受光素子の検出信号を比較することにより
   被検出液体の有無を検知する比較手段とを具備して成る
   特許請求の範囲第１項または第２項記載の光学式液体検
   出装置。 ４、前記被検出液体が雨滴、雪片または他の水滴である
   特許請求の範囲第１項、第２項または第３項記載の光学
   式液体検出装置。 ５、検出装置の装着位置が自動車あるいは電車のフロン
   トガラスあるいはリアガラスにおいてワイパーにて拭き
   取られる部分の内側、すなわち該検出装置の検出面をワ
   イパーが拭き取る構成である特許請求の範囲第１項、第
   ２項、第３項または第４項記載の光学式液体検出装置。