JPS62163949A - 光学式液体検出センサ - 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〉 本発明は水（雨）滴等の液体を選択性良く高精度に検知
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／すは、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
り結露センサあろ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、まだ後者は自
動車の走行中に圧電素子に水滴が衝突した時の圧電効果
に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
出するだ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ば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また自然条件の変動によリセ
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）の内側に２本
の平行な電極（４２）を形成し、フロントガラス（４１
）外側面に雨滴（４３）が付着した際の２本の電極（４
２）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けにくい構成であるが
、充分な検出出力を得るだめには電極（４７Ｊ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量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
が付着した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を検出面として、光
学的手法を、駆使することによって水（雨）滴を検出す
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ωに入射する様に
設定しておき、フロントガラス（５１）の外側面に雨滴
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団に受光されないとい
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）でありセンサを構成する光
学部品を全てフロントガラス（５１）の内側すなわち車
内に配置することができ、ホコリ、泥はね等にょるセン
サ寿命への影響が低減されるとともに耐環境性に優れた
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検出液体の識別に
大きな問題を有している。

〈発明の目的〉 本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を解消するだめになされた
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。

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本の光束を透明媒体に入射し、
２光束のうち１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
とにより検出面に水滴が付着した際の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度変化を比較する
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し
良好なる出力を得ている。

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、車内にセンサを設置するこ
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
を図ることができる。微小の水滴にても高感度に検知が
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
の様に本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１．〉 第１図は本発明の１実施例を示す光学式液体検出センサ
の構成図である。透明媒体（１）の検出面（１ａ）に対
して反対の内面（１ｂ）に発光素子（２１）　、　（２
２）　、受光素子＋３１＋　、　（３２）、を一定角度
にて配設し、さらに光源である発光素子（２１＋　、　
（２２）からの出射光は透明媒体の内面（１ｂ）に光学
的に接着（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（１ｂ）に光学的に接着されたプリズム（５）を
介して透明媒体（１）より導出され受光素子（３１）　
、　（３２）に照射される。夫々の受光素子（３１）　
、　（３２）における検出光強度は電気信号として出力
され、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°。

θ２＝７００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に当
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１の屈折率ｎに＝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のＡ、ΩＷはスネルの法則に
より以下の値として求まる。

、°、０Ａ＝４２．９°、１１５ｗ＝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
で入射した光は全てガラス（１）内で全反射を繰り返し
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°
≦８ｉ（入射角）＜６４．８°のものは全てガラス（１
）への水滴付着部にて大きな光損失を生じ、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、一方は水の付着にてガラス（１）内の全
反射条件に影響を受ける角度（４２，９°≦θ、（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（θ２≧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により水の有無を識別
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が付着すると入射角θ１のも
のは水滴付着部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
束は水滴付着と無関係に全反射を操り返し受光素子（Ω
へ入射光が到達する。さらには、ガラス検出面に水滴以
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率に比較的近いため
全反射を形成する臨界角も大きな値（Ω≧〜８０°）と
なり、オイルの付着時には入射角θ１．θ２ともに付着
部にて光損失を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θ４．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θｉをとり、縦軸には夫々の入射角度において水あ
るいはオイル（本実施例ではエンジンオイル）付着時の
受光素子（３１１、（（財）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（％）としてとっである。この
結果からも明らかな様に、前に述べた内容すなわち入射
角（θｉ）が４２．９°≦θｉ〈６４、「〒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θ
ｉ≧〜８０°付近まで影響のないことが明らかとなった
。また、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た様に２つの受
光素子＋３１）　、　（（財）のうち片方のみの光強度
が減衰する時すなわち（θ１．θ２）＝（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。この様に本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。まだ光源入射角θ
１．θ２の設定も適用される透明媒体（１）の屈折率を
考慮し、透明媒体（１）に水が付着した際の全反射臨界
角にて決定され、θ、は臨界角より小さい角度、θ２は
臨界角以上で８０°以下程度に設定すれば良い。

本実施例のセンサは、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
認識等広範な用途への適用が可能となる。

〈実施例２．〉 第３図は透明媒体プリズム（ＢＫ−７）（６）を用いプ
リズム（６）の検出面における光反射を１回とした構成
のものである。夫々の発光素子（７）から出射された光
はプリズム（６）で反射された後、各受光素子（８）へ
到達する。水滴の検出原理あるいは検出方法については
実施例１にて説明した内容と同様であるが、検出面を有
する透明媒体としてプリズム自体を用いているだめ、セ
ンサの部品点数の低減が図れ、入射光の透明媒体への光
学的結合も容易になる等、一層安価なセンサとすること
ができる。

〈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ため、特に自動車
において各種自動制御のだ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）の比較を行って水滴の
検出を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
れている。

（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。

以上述べた様に本発明の光学式液体検出センサは安価に
作製できるとともに良好なる耐環境性を有し、まだ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た高精
度な検出を可能とするものである。

【図面の簡単な説明】

□′１・ 第に図は本発明の１実施例を示す２光束を用いた多重反
射型の光学式液体検出センサの構成図である。第２図は
第１図に示すセンサの水とオイル付着時の特性を示す特
性図である。第３図は本発明の他の実施例を示す２光束
を用いた１回反射型の光学式液体検出センサの構成図で
ある。 第４図は静電容量式雨滴センサの原理図である。 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。 １、・・・ガラス、ｌａ、・・・検出面、ｌｂ、・・・
内面、７、．２１．．２２、・・・発光素子、８．．３
１−　、３２．・・・受光素子、４、・・・光入射用プ
リズム、５．・・・光出射用プリズム、６、・・・プリ
ズム 代理人　弁理士　福　士　愛　彦（他２名）第２図

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異なる入射角度で２
   本の光束を前記検出面の反対側より入射し一方の光束の
   入射角を前記検出面に接する被検出液体と前記透明媒体
   の界面における全反射の臨界角以上に設定し他方の光束
   の入射角を該臨界角よりも小さい角度に設定して成る光
   学系と、前記検出面に被検出液体が接した際の前記光束
   夫々の前記検出面における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
   ることを特徴とする光学式液体検出センサ。 ２、検出面に被検出液体または被検出液体以外の物質が
   接した際に２光束の夫々の反射光強度を比較することに
   より被検出液体を識別する特許請求の範囲第１項記載の
   光学式液体検出センサ。 ３、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項または第２項記載の光学式液体検出
   センサ。 ４、透明媒体が自動車又は電車の窓ガラスである特許請
   求の範囲第１項，第２項又は第３項記載の光学式液体検
   出センサ。 ５、透明媒体に入射する２光束の検出面における全反射
   回数が１回または多数回の多重反射である特許請求の範
   囲第１項記載の光学式液体検出センサ。