JP4605975B2 - 付着物検出装置およびそれを用いた制御装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、検知面上に付着した付着物の存在を検出する付着物検出装置と、該付着物検出装置により付着物の存在が検出されたことを契機として制御内容を変更する付着物検出装置を用いた制御装置に関する。
背景技術
付着物の有無を検出し、付着物の存在が検出されたことを契機として制御内容を変更するシステムには様々なものがある。付着物の一例として雨滴を考えると、車のウィンドシールドのウィンドウワイパー制御装置は、天候の変化があり降雨が始まったことを契機として制御内容を臨機応変に変更する必要が生じる。このウィンドウワイパー制御装置の利便性を高めるための重要な課題の一つとして、降雨中であるのか否かを検知するレインセンサの開発が挙げられる。以下に、従来の付着物検出装置として、車のウィンドシールドにおける雨滴を付着物として検出する従来のレインセンサを説明する。
一般に普及している手動操作によるウィンドウワイパーの場合、運転者自身が降雨が始まったことを認識し、自動車の走行状態、ウィンドシールドに付着する雨滴の量の変化を勘案し、自動車運転時に必要とするウィンドシールド越しの視界を確保すべく、ウィンドウワイパーのスイッチをオフからオンに手動で切り替える必要がある。この手動によるウィンドウワイパーのスイッチ切替操作の煩わしさを緩和するため、レインセンサを設けて自動車のウィンドシールドの検知面上の雨滴など付着物の存在を検出し、ウィンドウの払拭が必要か否かを判定している。
従来のレインセンサには、雨滴の検出方法に応じて、反射光検知型レインセンサなどが知られている。図１７は、従来技術の反射光検知型レインセンサによる雨滴検出原理を簡単に説明した図である。図１７において、１０００は自動車のウィンドシールドである。説明の便宜上、ウィンドシールド１０００の上側空間を自動車内部側、つまり運転者側の空間、下側空間を外界とした。１０１０は光源、１０２０は光源の光をウィンドシールド内に導入するためのプリズム、１０３０は反射光をウィンドシールド内から導き出すためのプリズム、１０４０はレンズ、１０５０は受光素子、１１１０が検知面である。１１２０が検知面上に付着した雨滴である。光源１０１０からは検知面全体をカバーしうる広がりを持つ光束が照射され、そのうち１１３０が雨滴が付着した部分に対して入射した光の軌跡、１１３０以外の光１１４０が雨滴が付着していない検知面に対して入射した光の軌跡を表している。
反射光検知型レインセンサでは、各要素の取り付け角度と材質（特に材質が持つ屈折率）の調整が重要である。雨滴検出原理を簡単に言えば、検知面のうち雨滴が付着した部分に対して入射した光はウィンドシールド１０００の外界面において全反射条件が満足されずに外界に逃げ、検知面のうち雨滴が付着していない部分に対して入射した光はウィンドシールド１０００の外界面において全反射条件が満足されて全反射し、当該反射光の強度差を検出するわけである。
そのため、光源１０１０とプリズム１０２０は、照射光がウィンドシールド１０００内部に入射する入射条件を満たす角度、材質が選ばれ、また、ウィンドシールド１０００の外界面上の検知面において全反射する角度が選ばれる。さらに、雨滴付着による屈折率の変化により検知面１１１０における全反射条件の満足・不満足が切り換わるように検知面に対する光入射角度が選ばれる。
プリズム１０３０も反射光がウィンドシールド１０００外部に出射できるように出射条件を満たす、つまり全反射条件が満足されないように材質、角度が選ばれている。レンズ１０４０と受光素子１０５０は、レンズ１０４０に入射した光が受光素子１０５０のセンサ部分に集光するように角度と距離が調整されている。
なお、これら１０１０〜１０５０の要素は、ウィンドシールド１０００以外の場所、例えばボンネットの上や屋根の上などにも取り付け可能であるが、検知対象はウィンドシールド１０００の状態であるのでウィンドシールド１０００の一部に取り付けることが好ましい。また、運転者の視界を狭めないように取り付けられることが好ましい。例えば、もともとバックミラーが取り付けられて視界が遮られているウィンドシールド部分などに取り付けることが好ましい。
以上の従来の反射光検知型レインセンサの動作を簡単に説明すると、光源１０１０から照射された光束は、プリズム１０２０によりウィンドシールド１０００内部に導入され、検知面１１１０全面にわたり入射する。いま、検知面１１１０上には雨滴１１２０が付着していたものとする。検知面１１１０に入射した光のうち雨滴１１２０が付着した部分に対して入射した光１１３０は、ウィンドシールド１０００の外界面において、屈折率ｎが約１．３である雨滴の存在により全反射条件が満足されず、外界に逃げ、当該光が受光素子１０５０に入射し、検出されることはない。一方、検知面１１１０に入射した光のうち雨滴が付着していない部分に対して入射した光１１４０は、ウィンドシールド１０００の外界面には屈折率ｎが１である空気の存在により全反射条件が満足されて全反射する。全反射した光はウィンドシールド１０００の自動車内側の面のプリズム１０３０の存在により全反射せずに自動車内に出射する。出射した光はレンズ１０４０において受光素子１０５０上の光センサ部分に集光される。
このように、受光素子１０５０が検出する光量は、雨滴１１２０が存在すると減少し、雨滴１１２０が検知面１１１０上を覆う面積が大きくなるほど受光する光量は減少することとなる。この光量の変化を検出して検知面１１１０上の雨滴の存在を検知する。以上が従来の反射光検知型レインセンサによる雨滴検出原理である。
なお、上述したタイプのレインセンサは、上記したような信号変化を検出すれば雨滴検出信号を出力するように構成されている。レインセンサからの雨滴検出信号は、ウィンドウワイパーの制御部に入力され、当該雨滴検出信号の入力を契機として所定のウィンドウワイパーの制御などが行われる。
しかし、上記従来のレインセンサには以下に示すような問題点があった。
上記従来技術に見たように、雨滴検出確率は検知面積に依存するため雨滴検出確率を高めるべくできるだけ検知面１１１０を広くとり、該検知面１１１０からの反射光を一つの受光素子１０５０で受けて反射光量の変化を検出していた。例えば、ウィンドシールド１０００上での運転者の視界を確保する必要性や車の美観を確保する理由からレインセンサをバックミラー付近のウインドシールドなどに設置して、そこで検知面をできるだけ広くしようとするものであった。
しかし、従来技術における反射光検知型レインセンサは、感度の面で問題があった。従来の反射光検知型レインセンサは、ウィンドシールド１０００上の検知面１１１０からの反射光量の変化を感度良く検出する必要があるが、ウィンドシールド１０００上への雨滴付着により生じた反射光量変化を高感度に把捉することを困難にする以下の理由がある。
一般に、運転者が雨滴などウィンドシールド上の付着物の存在を認識し、ワイパーによるウィンドシールドの払拭が必要であると感じる場合とは、運転者が感知しうる大きさの雨粒が付着した場合である。つまり、ウィンドシールド面上に設けた検知面においても、当該大きさの雨粒の付着を検出しなければならない。ウィンドウワイパー払拭範囲で、バックミラー付近のウィンドシールドを検知面とした場合、運転者の感覚にもよるが、面積比で０．５％〜１％程度の付着物の存在を検出しなければならないと想定される。ここで従来技術における反射光検知型レインセンサの光検出信号の特性を考えると、検知面全体からの反射光をレンズで受光素子に集光して光信号を検出するため、検知面全体からの反射光量が基準信号値を決定し、検知面中で雨滴が付着した部分から外界に逃げる光量のみが信号変化分を決定する。結局、検知面全体からの光検出信号に対する雨滴が付着した部分による光検出信号低下、例えば、０．５％分の信号低下を検出しなければならない。外界光の入射によるノイズや走行中の車のウィンドシールド面という過酷な環境での動作を鑑みれば、一般に例えばわずか０．５％の信号変化を検出するのは極めて困難である。結局、従来技術では、検知面１１１０の面積と検出すべき一粒の雨滴面積との違いに依存して、検出信号全体に対する信号変化分が埋没してしまう嫌いがある。
上記理由により、従来の反射光検知型レインセンサでは、雨滴付着により生じた反射光量変化の高感度把捉が困難となっている。
さらに、従来の反射光検知型レインセンサでは、雨滴付着により生じた反射光量変化の高感度把捉のために検討すべき事項がある。
第１の検討事項は、外界光の影響の除去である。ウィンドシールド１０００はガラスなどの透明性基板からなり、太陽光など外界からの自然光や、街路灯、ネオンサインなどの人工照明光や、対向車のヘッドライト光などの外界光が入りやすく、該外界光がウィンドシールド１０００、プリズム１０３０、レンズ１０４０を介して受光素子１０５０に対して入射し、光ノイズとして受光されやすい。レンズ１０４０で集光された検知面１１１０からの反射光量が基準信号値を決定し、検知面１１１０中で雨滴が付着した部分から外界に逃げる光量のみが信号変化分を決定する。この信号変化分に対する外界光の光量が相対的に無視できない大きさであれば、受光素子からの検出信号変化有無の判定が困難となり雨滴付着検出精度が低下してしまうという問題を招いていた。
第２の検討事項は、付着物の有無による検知面１１１０での全反射条件の満足、不満足が切り換わるように、発光部１０１０から検知面１１１０への光の入射角度、透明性基板の屈折率を選択しなければならない点である。これは主に発光部１０１０から検知面１１１０への出射光の入射角度、ウィンドシールド１０００の材質（屈折率）、付着物の材質（屈折率）が検討事項となる。
第３の検討事項は、レンズ１０４０の有する開口角や取付け角度を考慮して各要素を配置する点である。検知面１１１０からの反射光をプリズム１０３０から捉えて受光素子１０５０に集光するためにレンズ１０４０が用いられるが、該レンズ１０４０は、開口角を有しており、該開口角の如何によっても外界光を拾うか否かが影響される。外界光は拾わず、検知面１１１０からの反射光のみを拾うようにレンズ１０４０の開口角と取付け角度を選択しなければならない。これは主に、検知面１１１０からの反射光の反射角度、ウィンドシールド１０００からの出射角度、プリズム１０３０の材質（屈折率）、レンズ１０４０の開口角、レンズの取付け角度などが検討事項となる。
第４の検討事項は、ウィンドシールド１０００などの透明性基板の光損失の軽減である。透明性基板と言えども、光が通過する際には材質の特性に応じた割合の光損失が見られる。この光損失が大きいと、受光素子１０５０で受光すべき反射光量の大きさが低くなってしまうという問題を招いてしまう。
発明の開示
本発明は、上記問題点に鑑み、雨滴などの付着物検出確率が大きく、かつ、雨滴などの付着の有無を高感度に判別できる付着物検出装置と当該付着物検出装置を用いた制御装置を提供することを目的とする。
また、上記問題点に鑑み、本発明は、外界光の影響の除去し、付着物の有無による検知面での全反射条件の満足・不満足が感度良く切り換わり、検出すべき光の損失が小さく、雨滴などの付着の有無を感度良く判別できる付着物検出装置と当該付着物検出装置を用いた制御装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の付着物検出装置は、発光部から出射され透明性基板内に導入された入射光が反射される前記透明性基板の表面を検知面とし、前記検知面からの反射光を受光部により受光できるように前記発光部、前記透明性基板、前記受光部が配置され、前記受光部が検出した光検出信号における、付着物による前記検知面上での反射条件の変化による光検出信号変化を検出して前記付着物の存在を検出する付着物検出部を備え、前記受光部が複数の微小受光素子を備えた受光部であることを特徴とする。
上記構成により、対応する検知面上における付着物の有無によって各微小受光素子の光検出信号変化が大きく現れることとなり、その変化を２値化したデジタル信号と扱うことが可能となる。また、各微小受光素子により検出される光検出信号を微小受光素子の配列に応じて並べ、信号パターン（波形）を得ることも可能である。検知面上の付着物の状態による反射条件の相違は、デジタル値としてまたは信号パターンの微小区間の相対的変化として表れることとなる。本発明によれば、信号レベルの絶対値そのものを解析する必要はなく、デジタル値の解析や、信号パターン中の波形変化を解析することにより、高い精度で雨滴などの付着の有無を高感度に判別できる。
次に、本発明の付着物検出装置は、前記受光部の受光面と前記検知面が、結像光学系を形成している。
上記構成により、前記受光部のそれぞれの微小受光素子は、検知面上の対応する部分からの反射光を結像させて受光することができる。このため、検知面上での反射条件の変化を細かく調べることができる。従って、小さな付着物の有無を高感度に判別することができ、かつ、検知面全体を調べることができるので、付着物検出確率も確保されている。
また、以上のように構成した本発明の付着物検出装置によれば、検知面積を広げても検知性能が低下することはない。
なお、本発明による付着物検出装置は、結像光学系を備えることを特徴としているが、その測定原理より基本的にＳＮ比が大きく高い感度を有している。このため、検知面が正確に受光素子面に結像しなくても、ＳＮ比が大きくとれている限り、本発明の特徴が損なわれることはなく、本発明の技術範囲である。
さらに、雨滴の大きさや取り付け誤差などによるデフォーカスがあっても、同様に本発明の技術範囲である。
次に、本発明の付着物検出装置において、前記微小受光素子一つあたりの大きさが、前記付着物が前記受光部上において結ぶ像の大きさより小さいことが好ましい。
上記構成により、検知面上における付着物の存在を検出することができ、また、微小受光素子一つあたりの大きさが検出対象とする付着物が受光部上に結ぶ像の大きさより小さいので、対応する検知面上における付着物の有無による微小受光素子の光検出信号変化が極めて大きくなり、付着物の有無を高感度に判別することができる。また、上記のように光検出信号変化が極めて大きいので、例えば発光素子の特性変化などの要因による光検出信号値の変動があっても高感度性を維持することができる。また、複数の微小受光素子により付着物を検出するので、それら複数の微小受光素子がカバーする検知面の面積が確保され、付着物検出確率を保つことができる。
ここで、前記微小受光素子一つあたりの有効面積が、０．２ｍｍ^２以下であることが好ましく、さらに前記微小受光素子一つあたりの有効面積が、０．０３ｍｍ^２以下であることが好ましい。
微小受光素子一つあたりの有効面積を上記構成とすれば、検知面が自動車ウィンドシールド、付着物が雨滴とした場合におけるウィンドシールドで想定される雨滴の大きさの付着物を高感度に判別することができる。例えば、直径０．５ｍｍの雨滴であれば、０．２ｍｍ^２以下であれば感度良く検出でき、直径０．２ｍｍの雨滴であれば、０．０３ｍｍ^２以下であれば感度良く検出できる。
次に、本発明の付着物検出装置において、前記受光部の複数の微小受光素子が線状または二次元状に配列されていることが好ましい。
上記構成により、複数の微小受光素子を直線、円弧状曲線、折れ線など一定の線状として配置すれば、該ライン上における付着物の有無を検出することができ、また、複数の微小受光素子を格子状、多角形状、円周状など一定の平面形状に配置すれば、該二次元状における付着物の有無を検出することができる。
次に、本発明の付着物検出装置において、前記受光部の複数の微小受光素子の配列の形状と、該配列されたそれぞれの微小受光素子における光検出信号から得た信号パターンの変化を基にして、前記付着物の前記検知面上での形状を推定しうるような構成とすることが好ましい。
上記構成により、信号パターンの変化を調べれば、配列された微小受光素子のうちどの微小受光素子において光検出信号が変化したか分かり、微小受光素子の配列から付着物の概ねの大きさや形状を推定することができる。
ここで、前記結像光学系が等倍結像系であることが好ましい。等倍結像系であれば、検知面からの反射光を等倍の大きさで微小受光素子により受光させることができ、かつ、両者を正しく対応づけることができる。
ここで、一例として前記結像光学系はロッドレンズアレイによる等倍結像系であることが好ましく、また、一例として前記結像光学系は屈折率分布型レンズアレイによる等倍結像系であることが好ましい。
上記構成により、アレイ構成の等倍結像系である光学結像系を安価に提供することができ、検知面と微小受光素子とを結ぶ結像光学系として用いることができる。
なお、上記の付着物検出装置において、前記微小受光素子一つあたりの大きさが、前記付着物が前記受光部上において結ぶ像の大きさより小さいものとし、前記受光部の受光面と前記検知面が、結像光学系を形成しているようすることもできる。
上記構成により、微小受光素子一つあたりの大きさが検出対象とする付着物が受光部上に結ぶ像の大きさより小さく、また、検知面上の対応する部分からの反射光を結像させて受光することができるので、対応する検知面上における付着物の有無による微小受光素子の光検出信号変化が極めて大きくなり、また、検知面上での反射条件の変化を細かく調べることができ、付着物の有無を高感度に判別することができる。従って、小さな付着物の有無を高感度に判別することができ、かつ、検知面全体を調べることができるので、付着物検出確率も確保されている。
さらにここで、微小受光素子の配列ピッチについて述べる。なお、以下の説明において、光学系を等倍結像系とし、受光素子は微小受光素子が直線状に配列されている場合を例としている。
検出対象とする付着物が受光部において結ぶ像の大きさより、微小受光素子の面積が小さい場合には、微小受光素子の配列ピッチによって検出感度が決まってくる。例えば、検出の対象を雨滴とし、微小受光素子の配列ピッチを雨滴の直径の約１／２以下とすれば、高い感度で雨滴を検出することが可能となる。
正確には、図１４に示すように、微小受光素子５１の配列ピッチをｐ、微小受光素子５１の配列方向（図１４中、矢印の示す方向）の長さをＡとした場合、検出対象物の直径をＤに対して、Ｄ≧ｐ＋Ａの関係があれば良い。なお、この関係は、すべての微小受光素子を稼動させた場合である。微小受光素子の配列において、微小受光素子をｎ個おきに稼動させる場合の関係については後述する。
上記のように設定した場合は、各微小受光素子に対応する検知面の領域が、雨滴により微小受光素子が完全に覆われる確率が非常に高くなるため、覆われた部分の微小受光素子の出力がほとんど０となる。その結果、受光素子アレイ出力のＳＮ比が非常に高くなるため、検出感度を高くすることができる。このようにＳＮ比の高い出力が得られれば、雨滴付着の判別が簡単になるため、回路や制御を簡単にすることができるので、低コストのレインセンサが提供できる。
さらに、検出対象とする付着物が受光部において結ぶ像の大きさより、微小受光素子の面積が十分に小さい場合、具体的には約１／３以下の場合、配列されたすべての微小受光素子で検出しなくても、十分に高い感度を維持することができる。
例えば、市販されているイメージセンサのうち、配列ピッチの粗い物は２００ｄｐｉ（８ｄｏｔ／ｍｍ）程度である。この場合の微小受光素子ピッチは１２５μｍ程度、受光窓サイズは１００μｍ程度となる。微小受光素子５１の配列と雨滴が受光部において結ぶ像５２の関係を模式的に示した図が図１５である。受光窓サイズがこの程度のサイズであれば、検出対象となる最小の雨滴（直径約０．２ｍｍ程度）に対して小さいと言える。また、市販されているイメージセンサのうち入手しやすい物として６００ｄｐｉ（２４ｄｏｔ／ｍｍ）のものがある。このイメージセンサでは、微小受光素子５１の配列ピッチが４２μｍ、微小受光素子の配列方向の長さが４０μｍ程度であるので、検出対象となる最小の雨滴（直径約０．２ｍｍ程度）が受光部において結ぶ像５２に対して微小受光素子５１は十分に小さいと言える。この場合、例えば、図１６Ａ〜図１６Ｃのように、微小受光素子を３個おきに稼動して、それらをグループとしてデータのサンプリングを行っても十分に高い感度を維持することができる。なお、図１６Ａ〜図１６Ｃにおいて、ハッチングが施されている微小受光素子が稼動している微小受光素子、ハッチングが施されていない微小受光素子が稼動していない微小受光素子を表わしている。このようにサンプリングを行えば、制御処理の負担を少なくすることができる。
このとき、ｎ（ｎは自然数）個おきに微小受光素子を稼動した場合、各微小受光素子の配列ピッチをｐとすると、実際に稼動している微小受光素子の配列ピッチは、ｎ・ｐとなる。そして、微小受光素子の配列方向の長さＡと、検出対象物の直径Ｄの関係は、Ｄ≧ｎ・ｐ＋Ａの関係であれば良いこととなる。このような関係にある場合、各微小受光素子をｎ個おきのグループ、つまりｎの剰余系として扱うことができる。ｎを３としたとき、微小受光素子は３つのグループに分けられる。図１６Ａ〜図１６Ｃは、この３つのグループを模式的に示したものとなっている。
ｎ個おきに微小受光素子を稼動することにより、長期間使用している場合など、ある微小受光素子が不良となっても、稼動する微小受光素子のグループを適宜他のグループに変更すれば、検出感度の低下を招くことなく、付着物を検出することができる。
さらに、検出対象である雨滴が、ある一つの微小受光素子に対応する検知面の領域の一部分を占めており、その状態で検出される信号値が、付着物の有無を判断するしきい値付近であるような場合も、稼動する微小受光素子のグループを適宜他のグループに変更して信号値を得ることにより、そのような状態の付着物も精度良く検出することができる。
またさらに、検出対象物の大きさに応じて、適宜ｎの値を変更して検出動作を行うことも可能である。例えば、検出対象が大粒の雨であれば、検出感度よりも検出処理速度が重要となってくる。この場合は、ｎの値を大きくして検出処理を行えば、データサンプリング数が減少するので、制御回路の検出処理速度を速めることができる。一方、検出対象が細かい雨滴であれば、検出処理速度よりも検出感度が重要となってくる。この場合は、ｎの値を小さくして検出処理を行えば、検出感度を高めることができる。もちろん、稼動する微小受光素子をｎ個おきとせずに、すべての微小受光素子を用いて検出しても良いことは言うまでもない。
次に、本発明の付着物検出装置において、外界からの外界光が前記透明性基板から入射して前記受光部に直接受光されないように、前記外界から受光部に至るまでに存在する物質の屈折率に応じて、前記発光部、前記透明性基板、前記結像光学系、前記受光部の配置角度が調整されることが好ましい。
上記構成により、外界光が直接受光部に入射することがないように遮断することができ、外界光に起因する光ノイズを低減することが可能となり、付着物の有無検出精度を高めることができる。
なお、上記付着物検出装置において、前記透明性基板の外表面側の媒質の屈折率をｎ_１とし、前記透明性基板から前記結像光学系までの媒質の屈折率をｎ_３とし、前記結像光学系の取付け角度をθ_５とし、前記結像光学系の持つ開口角をθ_ｓとした場合、（１）式を満たすように、前記発光部、前記透明性基板、前記結像光学系、前記受光部の配置角度が調整されることが好ましい。

次に、本発明の付着物検出装置において、前記検知面上に前記付着物がない場合に前記発光部から出射された光の前記検知面における反射光が受光部により受光されるように前記発光部、前記透明性基板、前記結像光学系、前記受光部が配置され、かつ、前記検知面上に前記付着物がある場合に前記付着物による前記検知面上での反射条件の変化により前記発光部から出射された光が前記検知面において反射しないように前記発光部、前記透明性基板、前記結像光学系、前記受光部の配置角度が調整されることが好ましい。
上記構成により、付着物の有無による検知面での全反射条件の満足・不満足が感度良く切り換わるように構成されているので、付着物の有無を感度良く判別することができる。
なお、上記付着物検出装置では、前記透明性基板の外表面側の媒質の屈折率をｎ_１とし、前記透明性基板から前記結像光学系までの媒質の屈折率をｎ_３とし、前記付着物の屈折率をｎ_１’とし、前記透明性基板内への屈折角をθ_２とした場合、（２）式を満たすように、前記発光部、前記透明性基板、前記結像光学系、前記受光部の配置角度が調整されることが好ましい。

なお、上記（１）式および（２）式を同時に満たすように前記付着物検出装置を構成することが好ましい。
次に、本発明の付着物検出装置において、前記発光部、前記透明性基板、前記結像光学系、前記受光部の配置角度の調整において、前記発光部から出射された光の前記検知面における反射光が通る前記透明性基板内の経路がもっとも短くなるように配置角度が選択されることが好ましい。
上記構成により、ウィンドシールドなど透明性基板における光損失を軽減することができ、受光素子における光検出の有無に基づく光検出信号の相対変化を大きく保つことができる。
本発明の付着物検出装置は、検出対象とする付着物を雨滴とし、前記検知面を自動車のウィンドシールド上に設け、前記ウィンドシールドに付着した雨滴の存在を検出するレインセンサとして用いることができる。
さらに、上記課題を解決するため、本発明の付着物検出装置を用いた制御装置は、上記レインセンサとして用いる本発明の付着物検出装置と、ウィンドウワイパー駆動部と、ウィンドウワイパー制御部を備え、前記ウィンドウワイパー制御部が前記付着物検出装置からの付着物の検出信号を受け、前記検出信号に基づいてウィンドウワイパー駆動部の制御内容を変更するウィンドウワイパーとする。
上記構成により、検知面上の雨滴などの付着物の存在を検知し、ウィンドウの払拭が必要か否かの判定を即座かつ確実に実行し、適切なタイミングでウィンドウワイパー駆動を開始することができるウィンドウワイパー装置を提供することができる。
発明を実施するための最良の形態
本発明の付着物検出装置およびそれを用いた制御装置の実施形態について図を参照しつつ説明する。
（実施形態１）
本実施形態１は、本発明の付着物検出装置の一実施形態として、本発明の付着物検出装置をレインセンサとして用いた装置構成例を示すものである。
図１Ａは、レインセンサの装置構成例を模式的に示した図である。なお、詳しくは後述するように、本実施形態１では各要素がアレイ状に構成されており、図１Ａは、そのうちの一セットのみを断面状に示したものである。紙面垂直方向に図１Ａの各要素のセットが複数設けられている。
図１Ａにおいて、１００は透明性基板としての自動車のウィンドシールドである。説明の便宜上、ウィンドシールド１００の上側空間を自動車内部側、つまり運転者側の空間、下側空間を外界とした。１１０は付着物の検知面であり、ウィンドシールド１００の表面にある。
１０は発光部である線状照明体の光源部、２０は光源からの光をウィンドシールド内に導入するためのプリズム、３０は反射光をウィンドシールド内から導き出すためのプリズム、４０は検知面と受光部の受光面の間で光学結像系を構成する結像レンズ、５０は複数の微小受光素子を持つ受光部である。
図１Ａに示すように、光源部１０、プリズム２０、ウィンドシールド１００、検知面１１０、プリズム３０、結像レンズ４０、受光部５０の配置と取り付け角度が調整されている。それら要素の配置および取り付け角度は、光源部１０から出射されプリズム２０を介してウィンドシールド１００に導入された光が検知面１１０に入射し、検知面１１０に付着物がない場合、つまり、空気が接している場合、検知面上での全反射条件が満足されるように調整されている。また、それら要素の配置および取り付け角度は、検知面１１０においてウィンドシールド１００内に全反射した反射光がウィンドシールド１００表面に取り付けられたプリズム３０を介してウィンドシールド１００外に出射し、結像レンズ４０により受光部５０の各受光素子の受光面上に結像するように調整されている。さらに、上記要素の配置および取り付け角度は、図１Ｃのように検知面１１０に付着物がなく空気が接している場合には検知面１１０上での全反射条件が満足され、図１Ｂのように雨滴（水分）が接している場合には検知面１１０上での全反射条件が満足されないように調整される。
なお、要素の配置および取り付け角度については実施形態２においてさらに詳しく説明する。
外界の媒質の屈折率をｎ_１、ウィンドシールド１００の屈折率をｎ_２とし、光１４０の検知面への入射角度をθ_１とすると、全反射条件は（３）式で表される。

ここで、図１Ｃのように雨滴がない場合の外界の媒質、つまり、空気の屈折率としてｎ_１が１となり、ウィンドシールド１００の屈折率ｎ_２の例として約１．５１とすると（３）式より、４１．４７＜θ_１となる。さらに、図１Ｂのように雨滴付着の場合は、水の屈折率が約１．３３であるので、θ_１＜６１．７４であれば良いこととなる。つまり、検知面１１０において（３）式で示した全反射条件の満足・不満足が切り換わる光入射角度θ_１は、４１．４７＜θ_１＜６１．７４の範囲で選ばれる。これら条件を満たす要素の配置および取り付け角度の例として、光源１０からの照射光の検知面１１０への入射角度および反射角度が４７°となるように調整する。
さらに、図１Ａに示した各要素を詳しく説明する。
図２は、光源部１０の構成を模式的に示した図である。図２Ａが光源部１０の端面を表し、図２Ｂが開口部１４が見える面を正面から様子を示している。図２ＡおよびＢにおいて、１１が光源としてのＬＥＤ、１２が導光体、１３が光を遮蔽するカバー、１４がＬＥＤ光を取り出す開口部、１５がＬＥＤ１１から出射された光線である。光源部１０は、複数のＬＥＤなどの光源を一端または両端など端部に持ち、カバー１３の内面における反射を繰り返して線状に設けられている開口部１４から光を取り出すものである。また、ＬＥＤはガラス導光体の開口部１４に対向する面に等間隔で配置しても良い。光源部１０は、光線が検知面１１０に対して所定角度で入射するような位置および角度で配置されている。
以下に、ウィンドシールド１００上に付着する雨滴の大きさを検討した。もっとも、降雨した雨滴の大きさやウィンドシールド１００上での付着の状態により付着した雨滴の大きさは多様に変化するが、目安として具体的数値を挙げて検討した。一般的に、霧雨と言われる雨滴の空気中での直径は０．１〜０．２ｍｍ程度、小粒の雨と言われる雨滴の空気中での直径は０．２〜１ｍｍ程度、大粒の雨と言われる雨滴の空気中での直径は２〜４ｍｍ程度、夕立など特に激しい雨の雨滴の空気中での直径は４〜６ｍｍ程度である。これら雨滴がウィンドシールド１００に付着したときの大きさは、ガラス表面が親水性か撥水性かにより変化するが、撥水性であると想定すると、雨滴はほぼ空気中の大きさと同じ大きさで表面に付着する。ここで、検出すべき最小の雨滴として、小粒の雨の平均的サイズ、例えば、０．５ｍｍ直径の雨滴を選択すれば、当該雨滴一粒に相当する微小領域の面積は、約０．２ｍｍ^２である。さらに感度を上げるため、検出すべき最小の雨滴として小粒の雨の最小サイズ、０．２ｍｍ直径の雨滴を選択すれば、当該雨滴一粒に相当する微小領域の面積は、約０．０３ｍｍ^２である。
以上、光源部１０から導かれる一つあたりの光の断面積は、好ましくは約０．２ｍｍ^２以下、さらに好ましくは約０．０３ｍｍ^２以下とする。
次に、結像レンズ４０を詳しく説明する。結像レンズ４０は、検知面の像を受光素子部５０の微小受光素子上に結像させる。結像レンズ４０と受光素子部５０は、結像レンズ４０に入射した光で照射された検知面が受光素子部５０上で結像するように角度と距離が調整されている。図３は、結像レンズ４０の一例を模式的に示した図である。結像レンズ４０として、屈折率分布型レンズアレイを用いることができる。図３の例は、等倍結像系の屈折率分布型レンズアレイの一種である、ＳＬＡ^（Ｒ）（Ｓｅｌｆｏｃ Ｌｅｎｓｅ Ａｒｒａｙ）の簡単な構成図である。４１が微小レンズとしてのロッドレンズ、４２黒色樹脂、４３がＦＲＰ板である。ロッドレンズ４１は棒状のものであり、図３ではそのレンズ面が見えている。また、図１Ａはこのロッドレンズ４１一つのみの側断面を示している。このＳＬＡを用いれば、入射された光線を屈曲させて、所定位置に正立・等倍の像を結像させることができる。つまり、検知面１１０上の対応する部分から得られた反射光をそのまま一つの受光素子上に結像させることができる。
上記例は、ロッドレンズ４１が直線状に配置されたものであるが、光源部１０から取り出す微小光線の並び、後述する受光部５０の各受光素子の配置に応じたレンズ配置とする。図３の例は、図２のＬＥＤを直線状に開口部１４を配置した光源部１０の例に対応したＳＬＡである。
なお、上記説明は、等倍結像系の例であるが、受光素子部５０の受光素子であるそれぞれの受光素子受光面と検知面１１０とが結像光学系を形成していることが重要である。
次に、受光部５０を詳しく説明する。図４は、受光部５０の一例を模式的に示した図である。図４の例は各受光部５０の各受光素子を直線状に配置した例となっている。５１は各受光素子であり受光面を概念的に示したものである。なお、受光素子５１内部のキャパシタやトランジスタ回路、センスアンプ回路などは図示を省略し、受光素子５１の受光面が直線状に配置されていることが分かる図とした。各受光素子５１の受光面は、光源部１０の開口部１４の配置および結像レンズ４０の各レンズの配置と対応するように配置され、結像レンズ４０を介して検知面１１０の対応する部分からの反射光が結像するように、その距離、角度が調整されて取り付けられる。
なお、受光素子５１の受光面の有効面積は、検出対象とする付着物の面積に対応して調整することができ、上記した検知面１１０上で検出対象とする付着物の大きさの検討に従って、結像レンズ４０が等倍結像系であれば、好ましくは約０．２ｍｍ^２以下、さらに好ましくは約０．０３ｍｍ^２以下とする。もっとも上記範囲と異なる受光面有効面積を持つ受光素子を用いることもできる。
次に、図１Ａに示した付着物検出装置の動作および付着物検出の原理を詳しく説明する。
図１Ｂには、検知面１１０に付着物としての雨滴が付着している場合の光を表した図、図１Ｃは検知面１１０に付着物が付着していない場合の光を表した図である。１２０が検知面１１０上に付着した雨滴、１３０が雨滴が付着した部分に対して入射した光、１４０が雨滴が付着していない部分に対して入射した光である。
光源部１０からウィンドシールド１００内に導かれた複数の光が検知面１１０に入射している。図１Ｃのように雨滴１２０が存在しない検知面１１０上の部分に入射した光は、上記に説明したとおり、検知面１１０表面において全反射条件が満たされており、１４０に示すようにウィンドシールド１００内に反射する。反射光はプリズム３０、結像レンズ４０を通って受光部５０により受光される。この際、受光素子５１の受光面全面において受光されるため、対応する受光素子５１一つが検出する信号値は十分大きくなる。
一方、図１Ｂのように雨滴１２０が存在する検知面１１０上の部分に入射した光は、検知面１１０表面において全反射条件が満たされておらず、１４０に示すようにウィンドシールド１００を透過し、外界に出射する。つまり雨滴１２０が付着した検知面１１０の部分に対応する受光部５０の受光素子５１はほとんど受光せず、検出する信号値は十分小さくなる。
図５は、各受光部５０を構成するある一つの受光素子５１からの光検出信号例を模式的に示す図である。図５の例では、８つの受光素子５１ａ〜ｈから得られた光検出信号が示されている。５１ａ〜ｄ，５１ｇ〜ｈの６つの受光素子から得られた光検出信号の値は相対的に十分大きいものとなっているが、受光素子５１ｅ，ｆから得られた光検出信号の値は相対的に十分小さいものとなっている。つまり、受光素子５１ｆが受光する検知面１１０上の部分において雨滴が存在し、（３）式に示す全反射条件が満足されず、図１Ｃの１４０のように入射光が外界へ逃げてしまったため受光されず、光検出信号レベルが下がったと推定できる。図５のように、各受光素子５１からの光検出信号が、デジタル的に“ハイ”か“ロー”か明瞭に表れるため、検知面１１０上の付着物の有無を確実に検出できる。つまり、検知面１１０における想定した付着物の有無を高感度に検出することができる。
なお、この各受光素子５１からの光検出信号がデジタル的に“ハイ”か“ロー”か明瞭に表れることを利用して、光検出信号に対する適切なしきい値を設けて判断することができる。また、基準となる光検出信号レベルから低下した差分値の大きさを基準とし、各受光素子５１からの光検出信号をデジタル信号化することも可能である。
さらに、各受光素子５１からの光検出信号をそれらの配列に応じて並べた信号パターン（波形）を生成することもできる。信号パターンは検知面から得られる信号レベルをつなぎ合わせてパターン化したものであり、検知面上の付着物の状態の相違は、信号パターンの微小区間の相対的変化として表れることとなる。本発明は、信号レベルの絶対値そのものを解析する必要はなく、信号パターン中の相対的変化、つまり、波形変化を解析することにより、高い精度で外界から入射する外界光の増加を検出することができる。
さらに、受光素子５１の配列を考慮して、上記デジタル信号または信号パターンを解析することにより、検知面１１０上における付着物の概ねの大きさ、形状を推定することが可能となる。図６は、図１に示した付着物検出装置の各要素をアレイ状に紙面水平方向にも並べた構成としたものを示す図である。図１でも説明したように各要素のセットは紙面垂直方向にアレイ状に並べられているので、結局、図６の構成では、各要素のセットが二次元状に配置されたものとなっている。図７Ａ〜図７Ｂは、検知面１１０上における付着物の概ねの大きさ、形状を推定する原理を概念的に示した図である。図７Ａは、検知面１１０と検知面１１０上に付着した付着物の関係を示した図、図７Ｂは、検知面１１０の各部分に対応する受光素子から得られたデジタル化した光検出信号を受光素子の配列に応じて概念的に配列して示した図である。図７Ａにおいて６００は付着物である雨滴、６１０ａ〜ｙは２５個の微小領域である。雨滴６００と微小領域６１０ａ〜ｙは図示のような関係にあり、雨滴６００が、６１０ｉ，６１０ｊ，６１０ｎ，６１０ｏの４つの微小領域を概ね覆う形となっているとする。図７Ｂは、それぞれの微小領域６１０ａ〜ｙに対応するように配置された受光素子６２０ａ〜ｙの光検出信号を受光素子の配列に従って模式的に示しており、その信号値が“ハイ”のものを白い丸、信号値が“ロー”のものを黒い丸で表している。この例では、６２０ｉ，６２０ｊ，６２０ｎ，６２０ｏの４つの受光素子検出信号が“ロー”となっている。図７Ｂに示す結果から概ねではあるが、付着した雨滴の大きさは微小領域６１０を４つ覆う程度の面積を持ち、その形状は、縦幅と横幅が概ね同じ形状、つまり、円形や正方形に近いなどある程度推定できることが分かる。
付着物が雨滴の場合であればさらに、推定した雨粒の大きさから、霧雨、弱い雨、激しい雨など一定の推測が可能となる。一般に雨滴は大きいほど落下速度が大きく付着跡は大きくなる。また、一般に雨滴が大きいほど雨量も大きいと推定できる。そこで検出した付着雨滴の大きさに応じてワイパーの稼動ピッチを調整することが可能である。例えば付着雨滴の大きさを分類するためのしきい値を複数設けておき、検出した雨滴の大きさがどの分類に属するかを調べる。例えばしきい値を２つ設け、小さいしきい値以下なら“霧雨”、小さいしきい値より大きくかつ大きいしきい値以下なら“弱い雨”、大きいしきい値より大きいなら“激しい雨”と分類し、“霧雨”、“弱い雨”、“激しい雨”の分類が可能となる。
また、同様に、雨粒の大きさに代え、または併用して、各受光素子の光検出信号中に検出される“ロー”信号の割合に応じて降雨の種類を推定することもできる。雨量が大きい場合、時間当たりの雨粒の数も多くなり雨滴の検知面付着確率も大きくなる。そこで、時間当たりに検出されるロー信号の数をモニタすることにより時間当たりの雨粒の数が推定でき、さらに降雨の種類も推定できる。
図７の例では、デジタル化した光検出信号の解析により付着物の形状、種類を推定する例を示したが、信号値を並べた信号パターンを解析することによっても同様に付着物の形状、種類を推定することが可能である。
以上、本実施形態１に示した付着物検出装置は、一例であり、本発明の付着物検出装置は、上記の具体的装置構成例に限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて他の装置構成も可能であり、雨滴検出以外の用途にも用いることができることは言うまでもない。
（実施形態２）
実施形態２は、本発明の付着物検出装置をレインセンサとして用いる場合を例にとり、各要素およびその取付け角度などを詳しく説明したものである。
本発明の付着物検出装置をレインセンサは、雨滴などの付着の有無を高感度に判別するため、以下の条件を満たすように、発光手段の取付け角度、結像レンズの有する開口角の選択、結像レンズの取付け角度などを調整する。
第１の条件は、ノイズとなる外界光の影響の除去するため、外界光がレインセンサの受光素子に直接入射しないように、発光手段の取付け角度、結像レンズの有する開口角、結像レンズの取付け角度を選択するものである。解決しようとする課題の項で第１の検討課題を解決する条件である。
ここでは、解決しようとする課題の項で第３の検討課題として挙げた結像レンズの有する開口角や取付け角度も考慮して各要素を配置する。
第２の条件は、付着物の有無による検知面での全反射条件の満足、不満足が切り換わるように、発光手段から検知面への光の入射角、透明性基板の屈折率を選択するものである。解決しようとする課題の項で説明した第２の検討課題を解決する条件である。
第３の条件として、ウィンドシールドなどの透明性基板の光損失を軽減するため、透明性基板内の光経路がもっとも短くなるように、発光手段の取付け角度、結像レンズの有する開口角の選択、結像レンズの取付け角度を選択するというものが挙げられる。解決しようとする課題の欄で説明した第４の検討課題を解決する条件である。
まず、第１の条件である、外界光がレインセンサの受光素子に直接入射しない発光手段の取付け角度、結像レンズの有する開口角、結像レンズの取付け角度の選択について説明する。
図８は、本発明の付着物検出装置における、外界から外界光が入射して受光素子において受光される場合の外界光の経路を模式的に示した図であり、本発明の付着物検出装置の断面から概念的に簡単に示したものである。入射後の検知面などで屈折した光が受光素子に受光されるまでの光経路および装置要素の取付け角度や材質が示されている。なお、図８は外界光が受光されてしまう臨界条件を検討することで外界光が受光されない条件を見い出すことを目的とした図であり、構成例を示すものではない。本発明の付着物検出装置の構成例を模式的に示した図は図９に示している。
図８において、３つの層が記載されている。下層が外界、中層が透明性基板としての自動車のウィンドシールド１００、上層がウィンドシールド１００と結像レンズ４０の間を埋めて両者をコンタクトさせるプリズムであるコンタクト媒体層３０である。ウィンドシールド１００の上側空間を自動車内部側、つまり運転者側の空間、下側空間が自動車正面の外界である。検知面１１０はウィンドシールド１００と外界との境界面の一定領域にあることとなる。なお、４０は結像レンズ、５０は受光手段の受光素子である。
いま、外界の屈折率をｎ_１、ウィンドシールド１００の屈折率をｎ_２、コンタクト媒体層３０の屈折率をｎ_３とする。
外界光が受光素子５０に直接入射する場合の光の経路を今一度追うと、外界から入射角度θ_１で検知面１１０に入射し（この光を２０１とする）、ウィンドシールド１００との境界面で屈折し、屈折角θ_２でウィンドシールド１００内を通過する（この光を２０２とする）。次に、光２０２はウィンドシールド１００とコンタクト媒体層３０との境界面でさらに屈折し、屈折角θ_３でコンタクト媒体層の中を進む（この光を２０３とする）。光２０３は結像レンズ４０に入射角θ_４で入射する。結像レンズの取付け角度をθ_５とする。ここで、結像レンズは開口角θ_ｓを有しており、後述するようにコンタクト媒体層３０の屈折率をｎ_３と入射角θ_４が一定関係を満たせば、入射角θ_４で入射した光２０３は、集束され、角度θ_５で結像レンズ４０内を通過し（この光を２０４とする）、受光素子５０に受光される。
外界光がレインセンサの受光素子に直接入射しない条件の検討は、上記示した経路で光が進むための条件が満たされない場合を検討すれば良いこととなる。
まず、検知面１１０に対する入射角度θ_１として、採りうる最大角度は９０°である。
θ_１≦９０° ・・・（４）
次に、各角度の関係を整理する。
検知面１１０、つまり、外界とウィンドシールド１００との境界面における光２０１と光２０２との関係は（５）式のように記述できる。
ｎ_１ｓｉｎθ_１＝ｎ_２ｓｉｎθ_２ ・・・（５）
さらに、ウィンドシールド１００とコンタクト媒体層３０との境界面における光２０２と光２０３との関係は（６）式のように記述できる。
ｎ_２ｓｉｎθ_２＝ｎ_３ｓｉｎθ_３ ・・・（６）
また、コンタクト媒体層３０と結像レンズ４０との間での光集束の関係から、光２０３と光２０４との関係は（７）式のように記述できる。
θ_３＋θ_４＝θ_５ ・・・（７）
外界光がレインセンサの受光素子に直接入射しない場合とは、上記（７）式において左辺の値がθ_５より小さくなる場合であるので、（５）式〜（７）式の関係から（８）式のように表すことができる。

ここで、結像レンズ４０への入射角θ_４と結像レンズ４０の開口角θ_ｓとの関係は（９）式のようになる。
θ_ｓ＝ｎ_３×θ_４ ・・・（９）
（８）式と（９）式から、外界光がレインセンサの受光素子に直接入射しない条件は（１）式のように表すことができる。なお、ウィンドシールド１００の外界は空気であるのでその屈折率ｎ_１は１である。

（１）式に示す境界条件を具体的な数値を挙げて示す。コンタクト媒体層３０の材質例は、シリコーン、ガラス、ポリカーボネートなどであり、それぞれの屈折率ｎ_３は順に、１．４１、１．５１、１．５９である。ｎ_３をパラメータとして、結像レンズ４０の開口角θ_ｓと結像レンズ４０の取付け角度θ_５の関係を表に示したものが（表１）である。

外界光がレインセンサの受光素子に直接入射しない条件は、（表１）において、左欄に示す角度の開口角θ_ｓを有する結像レンズ４０を選んだ場合における、許容されうる最小の結像レンズ４０取付け角度θ_５が、コンタクト媒体層３０の材質別に右の３つの欄に示されている。
結像レンズ４０は光軸がウィンドシールドに垂直に近いほど外界光を取り込みやすく、例として（表１）に示した数値以下の取付け角度となると直接外界光を受光することはなくなる。
以上、第１の条件の結論として、（表１）に示した数値より大きい取付け角度θ_５であれば、外界光がレインセンサの受光素子に直接入射しない。
次に、第２の条件である、付着物の有無による検知面での全反射条件の満足、不満足が切り換わるように、発光手段から検知面への光の入射角、透明性基板の屈折率の選択について説明する。
図９は、本発明の付着物検出装置における、発光手段から検知面に入射し、反射した光の経路について示したもので、受光素子に入射するまでの光の経路および装置要素の取付け角度や材質が示されている。
図９の３つの層、外界層、ウィンドシールド１００、コンタクト媒体層３０は、それぞれ図８と同様である。また、各要素の要素番号や各要素の材質（屈折率）も図８のものを流用できるものについては同じものを用いた。
１０は発光手段である。発光手段１０から出射された光の経路を今一度追うと、発光手段１０から出射された光が入射角θ_０で検知面１１０に入射し（この光を２１１とする）、検知面１１０に付着物がない場合は検知面１１０で全反射し、ウィンドシールド１００内に反射する（この光を２１２とする）。この反射角は、第１の条件での検討結果を一部流用するため、便宜上ウィンドシールド１００内を進む光の角度としてθ_２を流用する。光２１２はウィンドシールド１００とコンタクト媒体層３０との境界面でさらに屈折し、屈折角θ_３でコンタクト媒体層の中を進む（この光を２１３とする）。光２１３は結像レンズ４０に入射角θ_４で入射する。結像レンズ４０の取付け角度をθ_５とする。ここで、結像レンズ４０は開口角θ_ｓを有しており、コンタクト媒体層３０の屈折率をｎ_３と入射角θ_４が一定関係を満たせば、入射角θ_４で入射した光２１３は、集束され、角度θ_５で結像レンズ４０内を通過し（この光を２１４とする）、受光素子５０に受光される。
まず、付着物が無い場合に、検知面１１０で全反射条件が満足される場合は、（１０）式が成立しなければならない。

いま、ウィンドシールド１００には付着物がない、つまり外界の空気と接しているのでその屈折率ｎ_１は１であり、ガラスのウィンドシールド１００の屈折率ｎ_２を１．５１とすると、４１．４７°＜θ_２となる。
次に、付着物が有る場合に、検知面１１０で全反射条件が不満足となるためには、（１１）式が成立しなければならない。付着物の屈折率をｎ_１’とする。

いま、ウィンドシールド１００には付着物として雨滴がある、つまり雨滴と接しているとすれば、その屈折率ｎ_１’は１．３３であり、ウィンドシールドの屈折率ｎ_２を１．５１とすれば、θ_２＜６１．７４°となる。
以上から、付着物の有無による検知面での全反射条件の満足、不満足が切り換わる条件は（２）式のようにまとめることができる。

そして（２）式より与えられる具体的数値は（１２）式のようになる。
４１．４７＜θ_２＜６１．７４ ・・・（１２）
次に、ウィンドシールド１００とコンタクト媒体層３０との境界面における光２１２と光２１３との関係は第１の条件で前述した（６）式を変形して（１３）のように記述できる。

（１３）式に示す境界条件を具体的な数値を挙げて示す。コンタクト媒体層３０の材質例は、シリコーン、ガラス、ポリカーボネートなどであり、それぞれの屈折率ｎ_３は順に、１．４１、１．５１、１．５９であるので、ｎ_３をパラメータとして、検知面１１０における反射角θ_２と、コンタクト媒体層３０への入射角θ_３の関係を表に示したものが（表２）である。

また、ｎ_３をパラメータとして、結像レンズ４０の開口角θ_ｓと光２１３の入射角θ_４との関係を示す（９）式の数値例を示した表が（表３）である。

いま、θ_２の範囲は（２）式、（１２）式で与えられているので、θ_２とθ_３の関係を示す（表２）、θ_３とθ_４とθ_５の関係を示す（７）式、開口角θ_ｓとθ_４の関係を示す（表３）より、開口角θ_ｓとθ_５の関係を、ｎ_３をパラメータとしてまとめた表が（表４）である。

以上、第２の条件の結論として、結像レンズ４０の取付け角度θ_５が（表４）に示した範囲内（境界値は除く）であれば、検知面１１０に雨滴付着物がない場合は、発光手段１０からの照射光が受光素子５０に受光され、雨滴付着物がある場合には受光されない。
次に、上記に検討した第１の条件と第２の条件の双方を同時に満たす範囲について検討する。
（表１）に示した第１の条件の数値例と、（表４）に示した第２の条件の数値例を同じグラフ上にプロットした結果が図１０である。
図１０Ａがコンタクト媒体層３０をシリコーンとした場合（屈折率ｎ_３＝１．４１）のグラフである。３０１が第１の条件による境界であり、３０２が第２の条件による境界であり、３０１よりθ_５が大きい範囲で第１の条件が満たされ、３０２よりθ_５が小さい範囲で第２の条件が満たされる。つまり、第１の条件と第２の条件を同時に満たす範囲は、斜線でハッチングした範囲となる。概ね開口角θ_ｓは１８°以下である必要がある。つまり、コンタクト媒体層３０をシリコーンとした場合は、開口角θ_ｓが１８°以下の結像レンズ４０を用いれば良く、その選択した開口角θ_ｓに応じて結像レンズの取付け角度θ_５を調整すれば良いこととなる。
次に、図１０Ｂがコンタクト媒体層３０をガラスとした場合（屈折率ｎ_３＝１．５１）のグラフである。同様に、３０３が第１の条件による境界であり、３０４が第２の条件による境界であり、第１の条件と第２の条件を同時に満たす範囲は、斜線でハッチングした範囲となる。概ね開口角θ_ｓは１５°以下である必要がある。つまり、コンタクト媒体層３０をシリコーンとした場合は、開口角θ_ｓが１５°以下の結像レンズ４０を用いれば良く、その選択した開口角θ_ｓに応じて結像レンズの取付け角度θ_５を調整すれば良いこととなる。
図１０Ｃがコンタクト媒体層をポリカーボネートとした場合（屈折率ｎ_３＝１．５９）のグラフである。同様に、３０５が第１の条件による境界であり、３０６が第２の条件による境界であり、第１の条件と第２の条件を同時に満たす範囲は、斜線でハッチングした範囲となる。概ね開口角θ_ｓは１４°以下である必要がある。つまり、コンタクト媒体層３０をシリコーンとした場合は、開口角θ_ｓが１４°以下の結像レンズ４０を用いれば良く、その選択した開口角θ_ｓに応じて結像レンズの取付け角度θ_５を調整すれば良いこととなる。
以上、本発明の付着物検出装置の装置構成は、上記検討に基づいて、検知面上に付着物がない場合に発光手段から出射された光の検知面における反射光を受光手段により受光できるように発光手段、透明性基板、結像光学系、受光手段を配置し、かつ、透明性基板の外表面からの外界光が透明性基板から入射して受光手段に直接受光されないように、外界から受光手段に至るまでに存在する物質の屈折率に応じて、発光手段、透明性基板、結像光学系、受光手段の配置角度を調整する。
次に、第３の条件として、ウィンドシールドなどの透明性基板の光損失を軽減するため、透明性基板内の光経路がもっとも短くなるように、発光手段１０の取付け角度、結像レンズ４０の有する開口角θ_ｓの選択、結像レンズ４０の取付け角度θ_５を選択することを説明する。
図１０Ａ〜Ｃから明らかなように、ウィンドシールド１００内を通る光２１１と光２１２の経路がもっとも短くなるようにするには、入射角θ_０および反射角θ_２ができるだけ小さくなるように調整すれば良いこととなる。θ_２が小さくすると言う事はコンタクト媒体層３０への屈折角θ_３をできるだけ小さくすることを意味し、結像レンズ４０への入射角θ_４をできるだけ大きくすることを意味し、結局、結像レンズ４０の取付け角度θ_５ができるだけ小さくなるように調整することを意味する。
つまり、図１０Ａ〜図１０Ｃにそれぞれ示した図において、選択した開口角θ_ｓを持つ結像レンズ４０に対してその取付け角度θ_５が小さくなるように調整、つまり、ハッチングで示した範囲のうち、第１の条件の境界を示す３０１、３０３、３０５に近い取付け角度θ_５を選択すれば良い事となる。もっとも実際の実装にあたっては、材料の屈折率のバラツキ、実装における取付け誤差などを考慮したマージンも考慮することが好ましい。
このように結像レンズ４０の取付け角度θ_５を調整することにより、ウィンドシールド１００内を通過する経路が短くなり、ウィンドシールド１００内で生じる光損失をできるだけ低減することが可能となる。
（実施形態３）
本実施形態３は、本発明の付着物検出装置を用いた制御装置の一実施形態として、付着物検出装置をレインセンサとして用いるウィンドウワイパー制御装置の装置構成例を示すものである。
図１１は、付着物検出装置をレインセンサとして用いるウィンドウワイパー制御装置のブロック図の例である。７００が実施形態１において示した本発明の付着物検出装置であるレインセンサの機能ブロック、７１０がウィンドウワイパー制御部、７２０がウィンドウワイパー駆動部、７３０がウィンドウワイパーであり、図示のように接続されている。また、図１２は、本実施形態３のウィンドウワイパー制御装置の処理動作の流れの一例を示すフローチャートである。
レインセンサ７００は実施形態１において説明したように、降雨による雨滴を検出対象とし、各受光素子からの光検出信号を出力するものである。実施形態１において説明したように、対応する検知面に雨滴が存在しない受光素子からの光検出信号レベルは高く、雨滴が存在する受光素子からの光検出信号レベルは小さくなる。これら信号値は“ハイ”または“ロー”に２値化したデジタル信号として扱うことも可能である。このように光検出信号レベルが小さいもの、“ロー”であるものが含まれているか否かを判定することにより、ウィンドシールド上の検知面上の付着物の有無を判定できる。
ウィンドウワイパー制御部７１０は、レインセンサ７００の各受光素子からの光検出信号を入力とし、光検出信号に“ロー”である光検出信号が含まれていれば、ウィンドシールド上に雨滴がある、つまり、降雨が開始したと推定し、ウィンドウワイパー駆動部７２０に対してワイパー制御信号を出力するものである。
ここでワイパー制御信号の出力についての応用機能を説明する。雨滴の存在を検出することのみならず、どのような種類の降雨であるのかを推定し、降雨の種類に応じてワイパー制御信号の内容を変更するものである。実施形態１で示したように本発明の雨滴検出装置は、付着した雨粒の大きさの推定および降雨の種類の推定が可能であるので、雨粒の大きさから“霧雨”、“弱い雨”、“激しい雨”など降雨状態を推定し、ワイパー駆動ピッチを制御することが可能である。
また、実施形態１で示したように、レインセンサ７００の各受光素子の光検出信号中に検出される“ロー”信号の割合に応じて降雨の種類を推定してワイパー制御信号の内容を変更することができる。時間当たりに検出されるロー信号の数をモニタし、時間当たりの雨粒の数から降雨の種類を推定し、ワイパーの駆動ピッチを調整する。
ウィンドウワイパー駆動部７２０はウィンドウワイパー制御部７１０からの制御信号を入力とし、ウィンドウワイパー７３０の駆動を制御するものである。
ウィンドウワイパー７３０は、ウィンドウワイパー駆動部７２０により駆動力が与えられて駆動され、停止状態、駆動状態を持つ。駆動状態には間欠駆動のピッチが短いものや長いものなど複数の状態がありうる。駆動状態においてウィンドシールドの所定表面を掃除する。
図１２のフローチャートを参照しつつ、ウィンドウワイパー制御装置の処理動作の流れを説明する。
ウィンドウワイパー制御装置が稼動中の場合（操作Ｏｐ１０１：Ｙ）、ウィンドウワイパー制御部７１０は、レインセンサ７００の各受光素子からの光検出信号を入力し、光検出信号レベルをモニタする（操作Ｏｐ１０２）。ウィンドウワイパー制御部７１０は、光検出信号のうち、所定レベルより小さいレベルまたはデジタル値としての“ロー”信号が含まれているかをチェックする（操作Ｏｐ１０３）。
ウィンドウワイパー制御部７１０は、光検出信号に所定レベルより小さいレベルまたはデジタル値としての“ロー”信号が含まれていない場合（操作Ｏｐ１０３：Ｎ）は、降雨が開始していないまたは降雨が終了したと判断し、ウィンドウワイパー７３０を停止状態とするウィンドウワイパー制御信号を出力する（操作Ｏｐ１０４）。ウィンドウワイパー駆動部７２０はウィンドウワイパー制御部７１０からの制御信号を受け、ウィンドウワイパー７３０を停止状態に維持する（操作Ｏｐ１０５）。操作Ｏｐ１０５の後、再度操作Ｏｐ１０１にループして制御を継続する（操作Ｏｐ１０１へ戻る）。
降雨が始まり、ウィンドシールドの検知面に雨滴が付着したとする。ウィンドウワイパー制御部７１０は、光検出信号に所定レベルより小さいレベルまたはデジタル値としての“ロー”信号が含まれている場合（操作Ｏｐ１０３：Ｙ）、降雨が開始したまたは降雨中であると判断し（操作Ｏｐ１０６）、ウィンドシールドに付着した雨滴を掃除すべく、ウィンドウワイパー７３０を駆動状態とするウィンドウワイパー制御信号を出力する（操作Ｏｐ１０７）。なお、応用機能として説明したように雨滴付着の検出とともに、“霧雨”、“弱い雨”、“激しい雨”など降雨の種類の推定ができれば、ワイパー駆動ピッチを調整する制御信号とすることも可能である。ウィンドウワイパー駆動部７２０はウィンドウワイパー制御部７１０からの制御信号を受け、ウィンドウワイパー７３０を駆動状態にする（操作Ｏｐ１０８）。操作Ｏｐ１０８の後、再度操作Ｏｐ１０１にループして制御を継続する（操作Ｏｐ１０１へ戻る）。
上記処理の流れが遅滞なく連携、推移することにより、降雨が始まれば、確実かつ即座にウィンドウワイパー７３０の駆動が開始され、降雨が終われば、適切にウィンドウワイパー７３０の駆動が終了する。
なお、上記のウィンドウワイパー制御装置は、各受光素子５１の光検出信号をデジタル化し、当該デジタル信号を解析することにより付着物の大きさや種類を検出する処理を用いているが、各受光素子５１の光検出信号を受光素子５１の配列に応じて並べて信号パターンを生成し、当該信号パターンの波形を解析することにより付着物の大きさや種類を検出する処理を用いるものであっても良い。
図１３は、本発明の付着物検出装置をレインセンサとして用いたウィンドウワイパー制御装置の取り付け構成例を簡単に示した図である。図１３に示すように、付着物検出装置であるレインセンサ７００を、車のバックミラー９００の裏面にあるウィンドシールド部分９１０に取り付けている。このようにバックミラー９００の裏面のウィンドシールド部分９１０に取り付けることにより運転者の運転視界を不必要に遮ることなく、かつ、検知面をウィンドシールド上に確保できる。ウィンドウワイパー制御部７１０とウィンドウワイパー駆動部７２０は図示していないが、ウィンドウワイパー７３０付近の車装品としてキャビン内に格納されているものとする。
以上、本実施形態３に示した付着物検出装置を用いた制御装置は、一例であり、本発明の付着物検出装置は、上記の具体的装置構成例に限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて他の装置構成も可能であり、ウィンドウワイパー制御装置以外の用途にも用いることができることは言うまでもない。
産業上の利用可能性
本発明の付着物検出装置によれば、微小受光素子一つあたりの大きさが検出対象とする付着物が受光部上に結ぶ像の大きさより小さく、検知面において詳細に付着物の有無を判別することができ、小さな付着物の有無を高感度に判別することができる
また、本発明の付着物検出装置によれば、複数の微小受光素子により付着物を検出するので、それら複数の微小受光素子がカバーする検知面の面積が大きくなり、付着物検出確率を高めることができる。
また、本発明の付着物検出装置によれば、対応する検知面上における付着物の有無による微小受光素子の光検出信号変化が極めて大きくなり、高感度に付着物の有無を判別するとともに、２値化したデジタル信号と扱うことができる。
また、本発明の付着物検出装置によれば、複数の微小受光素子によって検知面からの反射光を検出し、各微小受光素子により検出される光検出信号を微小受光素子の配列に応じて並べることにより信号パターンを得ることができ、信号パターンの微小区間の相対的変化、つまり、波形変化を解析することにより、高い精度で雨滴などの付着の有無を高感度に判別できる。
また、本発明の付着物検出装置によれば、配列された微小受光素子のうちどの微小受光素子の光検出信号変化が大きいものであるかを調べれば、付着物が覆った微小受光素子の配列から付着物の概ねの大きさや形状を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
図１Ａは、本発明の付着物検出装置をレインセンサとして用いた場合の装置構成例を模式的に示した図、図１Ｂは検知面に付着物がある場合の光１３０を示す図、図１Ｃは検知面付着物がない場合の光１４０を示す図である。
図２Ａは、光源部１０の端面を模式的に示した図、図２Ｂは光源部１０を開口部１４の見える面を正面とした図である。
図３は、結像レンズ４０の一例を模式的に示した図である。
図４は、受光部５０の一例を模式的に示した図である。
図５は、各受光部５０を構成する各受光素子５１からの光検出信号例を示す図である。
図６は、図１に示した付着物検出装置の各要素を複数、紙面水平方向にも並べた構成としたものを示した図である。
図７Ａは、検知面１１０と付着物の関係を示す図、図７Ｂは各受光素子で検出された光検出信号値を模式的に示した図である。
図８は、本発明の付着物検出装置における、外界から入射する外界光の経路の概略について示した図である。
図９は、本発明の付着物検出装置における、発光手段から検知面に入射し、反射した光が受光素子に入射するまでの光の経路および装置要素の取付け角度や材質を示した図である。
図１０Ａ〜Ｃは（表１）に示した第１の条件の数値例と（表４）に示した第２の条件の数値例を同じグラフ上にプロットした結果を示す図である。
図１１は、付着物検出装置をレインセンサとして用いるウィンドウワイパー制御装置のブロック図である。
図１２は、本実施形態２のウィンドウワイパー制御装置の処理動作の流れの一例を示すフローチャートである。
図１３は、本発明の付着物検出装置をレインセンサとして用いたウィンドウワイパー制御装置の取り付け構成例を簡単に示した図である。
図１４は、微小受光素子の配列ピッチをｐ、微小受光素子の配列方向の長さをＡとした場合の関係を示す図である。
図１５は、微小受光素子の配列と雨滴の関係を模式的に示した図である。
図１６Ａ〜図１６Ｃは、微小受光素子を３個おきに稼動し、それらをグループとしてサンプリングを行う制御を模式的に示した図である。
図１７は、従来の反射光検知型レインセンサによる雨滴検出原理を簡単に説明した図である。

Claims (19)

1. 発光部から出射され透明性基板内に導入された入射光が反射される前記透明性基板の表面を検知面とし、
   前記検知面からの反射光を受光部により受光できるように前記発光部、前記透明性基板、前記受光部が配置され、
   前記受光部の受光面と前記検知面が、結像光学系を形成し、
   前記受光部が検出した光検出信号における、付着物による前記検知面上での反射条件の変化による光検出信号変化を検出して前記付着物の存在を検出する付着物検出部を備え、
   前記発光部が導光体の一端または両端に複数の光源を備えた線状または面状光源であり、
   前記結像光学系が、等倍結像系であり、
   前記受光部が複数の微小受光素子を備えた受光部であることを特徴とする付着物検出装置。
2. 前記微小受光素子一つあたりの大きさが、検出対象とする付着物が前記受光部上において結ぶ像の大きさより小さいものである請求項１に記載の付着物検出装置。
3. 前記微小受光素子一つあたりの有効面積が、０．２ｍｍ^２以下である請求項２に記載の付着物検出装置。
4. 前記微小受光素子一つあたりの有効面積が、０．０３ｍｍ^２以下である請求項２に記載の付着物検出装置。
5. 前記受光部の複数の微小受光素子が、線状または二次元状に配列されている請求項２に記載の付着物検出装置。
6. 前記微小受光素子一つあたりの配列方向の長さＡと、微小受光素子間のピッチｐの和が、検出対象とする付着物が前記受光部上において結ぶ像の大きさＤより小さいものである請求項１に記載の付着物検出装置。
7. 前記複数の微小受光素子のうち稼動する微小受光素子として、前記微小受光素子の配列においてｎ（ｎは自然数）個おきの微小受光素子からなるグループを選択する請求項６に記載の付着物検出装置。
8. 前記発光部は、導光体の一端または両端に複数の光源を備えた線状または面状光源である請求項２に記載の付着物検出装置。
9. 前記受光部の複数の微小受光素子の配列の形状と、該配列されたそれぞれの微小受光素子における光検出信号から得た信号パターンの変化を基にして、前記付着物の前記検知面上での形状を推定する請求項５に記載の付着物検出装置。
10. 前記結像光学系が、等倍結像系である請求項１に記載の付着物検出装置。
11. 外界からの外界光が前記透明性基板から入射して前記受光部に直接受光されないように、前記外界から受光部に至るまでに存在する物質の屈折率に応じて、前記発光部、前記透明性基板、前記結像光学系、前記受光部の配置角度が調整されたことを特徴とする請求項１に記載の付着物検出装置。
12. 前記透明性基板の外表面側の媒質の屈折率をｎ_１とし、前記透明性基板から前記結像光学系までの媒質の屈折率をｎ_３とし、前記結像光学系の取付け角度をθ_５とし、前記結像光学系の持つ開口角をθ_ｓとした場合、
    下記の式を満たすように、前記発光部、前記透明性基板、前記結像光学系、前記受光部の配置角度が調整された請求項１１に記載の付着物検出装置。
    

    
13. 前記検知面上に前記付着物がない場合に前記発光部から出射された光の前記検知面における反射光が受光部により受光されるように前記発光部、前記透明性基板、前記結像光学系、前記受光部が配置され、かつ、前記検知面上に前記付着物がある場合に前記付着物による前記検知面上での反射条件の変化により前記発光部から出射された光が前記検知面において反射しないように前記発光部、前記透明性基板、前記結像光学系、前記受光部の配置角度が調整された請求項１に記載の付着物検出装置。
14. 前記透明性基板の外表面側の媒質の屈折率をｎ_１とし、前記透明性基板から前記結像光学系までの媒質の屈折率をｎ_３とし、前記付着物の屈折率をｎ_１’とし、前記透明性基板内への屈折角をθ_２とした場合、
    下記の式を満たすように、前記発光部、前記透明性基板、前記結像光学系、前記受光部の配置角度が調整された請求項１３に記載の付着物検出装置。
    

    
15. 前記検知面上に前記付着物がない場合に前記発光部から出射された光の前記検知面における反射光が受光部により受光されるように前記発光部、前記透明性基板、前記結像光学系、前記受光部が配置され、かつ、前記検知面上に前記付着物がある場合に前記付着物による前記検知面上での反射条件の変化により前記発光部から出射された光が前記検知面において反射しないように前記発光部、前記透明性基板、前記結像光学系、前記受光部の配置角度が調整され、さらに、前記透明性基板の外表面からの外界光が前記透明性基板から入射して前記受光部に直接受光されないように、前記外界から受光部に至るまでに存在する物質の屈折率に応じて、前記発光部、前記透明性基板、前記結像光学系、前記受光部の配置角度が調整された請求項１に記載の付着物検出装置。
16. 前記透明性基板の外表面側の媒質をｎ_１とし、前記透明性基板から前記結像光学系までの媒質をｎ_３とし、前記付着物の屈折率をｎ_１’とし、前記透明性基板内への屈折角をθ_２とし、前記結像光学系の取付け角度をθ_５とし、また、前記結像光学系の持つ開口角をθ_ｓとした場合、
    下記のＡ式およびＢ式を満たすように、前記発光部、前記透明性基板、前記結像光学系、前記受光部の配置角度が調整されたことを特徴とする請求項１５に記載の付着物検出装置。
    

    
17. 前記発光部、前記透明性基板、前記結像光学系、前記受光部の配置角度の調整において、前記発光部から出射された光の前記検知面における反射光が通る前記透明性基板内の経路がもっとも短くなるように配置角度が選択された請求項１１〜１６のいずれかに記載の付着物検出装置。
18. 検出対象とする付着物を雨滴とし、前記検知面を自動車のウィンドシールド上に設け、前記ウィンドシールドに付着した雨滴の存在を検出するレインセンサとした請求項１〜１６のいずれかに記載の付着物検出装置。
19. 請求項１８に記載の付着物検出装置と、ウィンドウワイパー駆動部と、ウィンドウワイパー制御部を備え、
    前記ウィンドウワイパー制御部が前記付着物検出装置からの付着物の検出信号を受け、前記検出信号に基づいてウィンドウワイパー駆動部の制御内容を変更するウィンドウワイパー装置。

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