(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板ガラスの第２表面上の検出領域の水分を検出するために前記板ガラスの第１表面上に取付けられる水分センサであって、
ａ）前記ガラスに入る光及び出る光を光学的に連結するために前記板ガラスの第１表面に取付けるカップラーと、
ｂ）前記カップラーに固定するハウジングと、
ｃ）前記ハウジングに固定され、前記板ガラスの第１表面に概ね平行に配置されたデバイス表面を有する平坦な回路基板と、
ｄ）前記デバイス表面に取付けられるエミッタであって、このエミッタから前記デバイス表面に概ね垂直に延びる出射軸の周りに光束を出射する、該エミッタと、
ｅ）前記エミッタからの光束をコリメートするために前記カップラーに光学的に連結されたコリメータであって、物理的中心と光心とを備える光を受光する開口を有し、光軸が前記光心から延び、前記光心が前記物理的中心から離間し、前記光軸が前記出射軸に対して第１の傾斜角をなすように配置された、該コリメータと、
ｆ）検出面及び前記検出面から延びる検出軸を有し、前記検出軸付近の前記検出表面に衝当する光を検出すると共に検出した光に対応する信号を生成するための検出器であって、前記検出軸が前記デバイス表面に概ね垂直となるように前記回路基板のデバイス表面に取付けられた、該検出器と、
ｇ）前記検出面上にコリメートされた光を扇状に集束させる前記カップラーに光学的に連結された集束手段であって、物理的中心と光心とを備える光を透過する開口を有し、光軸が前記光心から延び、前記光心が前記物理的中心から離間し、前記光軸が前記検出軸に対して第２の傾斜角をなすように配置された、該集束手段とを含むことを特徴とする水分センサ。
【請求項２】
前記コリメータがコリメートレンズを含み、前記集束手段が集束レンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の水分センサ。
【請求項３】
前記カップラー、前記コリメータ、前記コリメートレンズ、前記集束手段、前記集束レンズが一片の材料から一体形成されることを特徴とする請求項２に記載の水分センサ。
【請求項４】
前記エミッタによって出射される光を制御するため並びに前記検出器からの信号を処理するために前記回路基板に取付けられ前記エミッタ及び前記検出器に接続された１つの信号処理回路をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の水分センサ。
【請求項５】
前記第１の傾斜角が３９度と５１度の間であり、前記第２の傾斜角も３９度と５１度の間であることを特徴とする請求項１に記載の水分センサ。
【請求項６】
前記コリメータの光を受光する開口の光心が、前記光を受光する開口の前記物理的中心から前記光を受光する開口の幅の少なくとも２０％変位していることを特徴とする請求項１に記載の水分センサ。
【請求項７】
前記集束する光が透過する開口の光心が、前記光が透過する開口の前記物理的中心から前記光が透過する開口の幅の少なくとも２０％変位していることを特徴とする請求項１に記載の水分センサ。
【請求項８】
前記コリメータが前記エミッタから出射される光束をコリメートするべく配置され、前記光束の範囲が前記出射軸に対して約１０度から約５０度であることを特徴とする請求項１に記載の水分センサ。
【請求項９】
前記集束手段が、コリメートされた光束を前記検出面上に扇状に集束するべく配置され、前記扇状の光束の範囲が前記検出軸に対して約１０度から約５０度であることを特徴とする請求項１に記載の水分センサ。
【請求項１０】
前記コリメートレンズ及び前記集束レンズが連続した凸状のレンズであることを特徴とする請求項２に記載の水分センサ。
【請求項１１】
前記コリメータが分割されたコリメートレンズを含み、前記集束手段が分割された集束レンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の水分センサ。
【請求項１２】
さらに前記コリメータが第２のコリメートレンズを含み、前記集束手段が第２の集束レンズを含み、前記水分センサが前記デバイス表面に取付けられた第２の検出器と第２のエミッタとを更に含み、第２のコリメータが前記カップラーに光学的に連結され、第３及び第４のコリメートレンズを含み、第２の集束手段が前記カップラーに光学的に連結され、第３及び第４の集束レンズを含み、両方のエミッタからの光束がコリメートされ、次に前記光束が両方の検出器上に集束されることを特徴とする請求項２に記載の水分センサ。
【請求項１３】
板ガラスの第２の表面上の複数の検出領域の水分を検出するために前記板ガラスの第１の表面に取付けられる水分センサであって、
ａ）ハウジングと、
ｂ）光束を出射するために前記ハウジングに配置された第１及び第２のエミッタと、
ｃ）第１の光路及び第２の光路に沿って進む光束を検出するべく前記ハウジングに配置された第１の検出器であって、前記第１の光路は前記第１のエミッタから出て、前記検出領域の１つの前記ガラスの第２の表面を経て前記第１の検出器に至り、前記第２の光路は前記第２のエミッタから出て、前記検出領域の１つの前記ガラスの第２の表面を経て前記第１の検出器に至り、前記第２の光路の長さは前記第１の光路の長さに概ね等しい、該第１の検出器と、
ｄ）第３の光路及び第４の光路に沿って進む光束を検出するための前記ハウジングに配置された第２の検出器であって、前記第３の光路が前記第１のエミッタから出て、前記検出領域の１つの前記ガラスの第２の表面を経て前記第２の検出器に至り、前記第４の光路は前記第２のエミッタから出て、検出領域の１つの前記ガラスの第２の表面を経て前記第２の検出器に至り、前記第３の光路と前記第４の光路の長さが前記第１の光路の長さに概ね等しい、該第２の検出器と、
ｅ）前記板ガラスの第１の表面に対して垂直な出射軸の付近に前記エミッタから出射された光束の一部を、前記光路に沿って進むコリメートされた光束にするためのコリメータと、前記コリメートされた光束を前記板ガラスの第１の表面に対して垂直な検出軸を有する前記検出器上に扇状の光束に集束する集束手段とを有するカップラーであって、前記コリメータが物理的中心と光心とを備える光を受光する開口を含み、光軸が前記光を受光する開口の前記光心から延び、前記光を受光する開口の前記光心が前記光を受光する開口の前記物理的中心から離間し、前記コリメータが、前記光を受光する開口の前記光心から延びる前記光軸が前記出射軸に対して第１の傾斜角をなすように配置され、前記集束手段が光心と物理的中心とを備える光を透過させる開口を含み、光軸が前記光を透過させる開口の前記光心から延び、前記光を透過させる開口の前記光心が前記光を透過させる開口の前記物理的中心から離間し、前記集束手段が、前記光を透過させる開口の前記光心から延びる前記光軸が前記検出軸に対して第２の傾斜角をなすように配置される、該カップラーとを含むことを特徴とする水分センサ。
【請求項１４】
板ガラスの第２の表面上の複数の検出領域の水分を検出するために前記板ガラスの第１の表面に取付けられる水分センサであって、
ａ）正方形の第１のコーナーに配置された光束を出射するための、第１の出射軸を有する第１のエミッタと、
ｂ）前記第１のコーナーの反対側に位置する前記正方形の第２のコーナーに配置された光束を出射するための、第２の出射軸を有する第２のエミッタと、
ｃ）前記第１のエミッタから出射された光束を第１及び第２のコリメートされた光束にするための前記第１のエミッタに隣接して配置された第１のコリメータであって、前記第１のコリメータが物理的中心と光心とを備える光を受光する開口を含み、光軸が前記光心から延び、前記光心が前記物理的中心から離間し、前記第１のコリメータが前記光軸が前記第１の出射軸に対して第１の傾斜角をなすように配置される、該第１のコリメータと、
ｄ）前記第２のエミッタから出射された光束を第３及び第４のコリメートされた光束にするための前記第２のエミッタに隣接して配置された第２のコリメータであって、前記第２のコリメータが物理的中心と光心とを備える光を受光する開口を含み、光軸が前記光心から延び、前記光心が前記物理的中心から離間し、前記第２のコリメータが前記光軸が前記第２の出射軸に対して第２の傾斜角をなすように配置される、該第２のコリメータと、
ｅ）前記第１のコリメートされた光束と前記第３のコリメートされた光束とを検出し、検出した光束に応じて信号を生成するために前記正方形の第３のコーナーに配置された、第１の検出軸を有する第１の検出器であって、前記第１のコリメートされた光束は前記第１のエミッタと前記第１の検出器との間の第１の光路に沿って進み、前記第３のコリメートされた光束は前記第２のエミッタと前記第１の検出器との間の第２の光路に沿って進み、前記第２の光路と前記第１の光路の長さは概ね等しい、該第１の検出器と、
ｆ）前記第２のコリメートされた光束と前記第４のコリメートされた光束とを検出し、検出した光束に応じて信号を生成するための、第２の検出軸を有する第２の検出器であって、前記第３のコーナーの反対側に位置する前記正方形の第４のコーナーに配置され、前記第２のコリメートされた光束は前記第１のエミッタと前記第２の検出器との間の第３の光路に沿って進み、前記第４のコリメートされた光束は前記第２のエミッタと前記第２の検出器との間の第４の光路に沿って進み、前記第３の光路と前記第４の光路のそれぞれは第１の光路の長さと概ね等しい、該第２の検出器と、
ｇ）前記第１のコリメートされた光束と前記第３のコリメートされた光束とを前記第１の検出器上に扇状の光束に集束するための前記第１の検出器に隣接して配置された第１の集束手段であって、前記第１の集束手段が物理的中心と光心とを備える光を透過する開口を含み、光軸が前記光心から延び、前記光心が前記物理的中心から離間し、前記第１の集束手段が前記光軸が前記第１の検出軸に対して第３の傾斜角をなすように配置される、該第１の集束手段と、
ｈ）前記第２のコリメートされた光束と前記第４のコリメートされた光束とを前記第２の検出器上に扇状の光束に集束するための前記第２の検出器に隣接して配置された第２の集束手段であって、前記第２の集束手段が物理的中心と光心とを備える光を透過する開口を含み、光軸が前記光心から延び、前記光心が前記物理的中心から離間し、前記第２の集束手段が前記光軸が前記第２の検出軸に対して第４の傾斜角をなすように配置される、該第２の集束手段と、
ｉ）前記第１及び第２のコリメータ、並びに前記第１及び第２の集束手段に光学的に連結されたカップラーとを含むことを特徴とする水分センサ。
【請求項１５】
板ガラスの第２の表面上の検出領域の水分を検出するために前記板ガラスの第１の表面上に取付けられる水分センサであって、
ａ）前記ガラスに入る光束及び出る光束を連結する前記板ガラスの第１の表面上に取付けるための取付け面を有するカップラーと、
ｂ）前記取付け面の反対側の前記カップラーの外周付近に位置する前記カップラーから延びているスリーブと、
ｃ）前記スリーブから外向きに延びる突状部と、
ｄ）ベース部と前記ベース部から延びる側面壁とを有する前記スリーブに嵌合するハウジングであって、前記側面壁は内側表面に形成された溝を有し、前記ハウジングと前記カップラーとを固定するために前記突状部が前記溝に嵌合して、前記ハウジングが前記スリーブに着脱可能に取り付けられる、該ハウジングと、
ｅ）前記ハウジングに固定され、電子部品を受容するためのデバイス表面を有する平坦な外部基板と、
ｆ）前記デバイス表面に取付けられたエミッタであって、このエミッタから延びる前記デバイス表面に概ね垂直な出射軸に対して対称に光束を出射する、該エミッタと、
ｇ）前記エミッタから出射された光を検出するための検出面及び前記検出面から延びる前記デバイス表面に概ね垂直な検出軸を有し、前記検出された光に応じて制御信号を生成するために前記デバイス表面に取付けられた検出器と、
ｈ）前記取付け面と反対側の前記カップラーの表面から延び、前記エミッタから出射された光束をコリメートされた光にするためのコリメータであって、前記コリメータが物理的中心と光心とを備える光を受光する開口を含み、光軸が前記光心から延び、前記光心が前記物理的中心から離間し、前記コリメータが、前記光軸が前記出射軸に対して第１の傾斜角をなすように配置される、該コリメータと、
ｉ）前記取付け面と反対側の前記カップラーの表面から延び、前記コリメートされた光を前記検出面に扇状の光束に集束するための集束手段であって、前記集束手段が光心と物理的中心とを備える光を透過させる開口を含み、光軸が前記光心から延び、前記光心が前記物理的中心から離間し、前記集束手段と前記検出器が、前記光軸が前記検出軸に対して第２の傾斜角をなすように配置される、該集束手段とを含むことを特徴とする水分センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
本発明は、ウインドシールドの内側の表面に取り付ける光水分センサに概ね関連し、より詳細には、ウインドシールドの内側表面に平行な平坦な回路基板の上に取り付けられる光学素子及び光学エミッタ、検出器を有する小型光水分センサに関する。コリメータ及び集束レンズを有するカップラーを用いて、エミッタから出射された光束を屈折させ、ウインドシールドの外側表面に反射させて検出器に伝達する。
【０００２】
かなり前から自動車は、ウインドシールドの外側表面の水分を取り除く自動のワイパーを備えている。ワイパーによって少なくともドライバーの視界領域、一般的にはより広い範囲の水分を取り除き、ウインドシールドの視界が良くなる。今日の殆どの車両において、ウインドシールド用のワイパー装置は、無段階調節ではないにしても、ドライバーが条件に合った幅広い範囲のワイパースピードを選択できるように多段階スイッチ或いは可変スピードスイッチを備える。ワイパーの制御は手動で行われ、通常は選択した時間で間欠的に動作するワイパーの間欠機能も備える。
【０００３】
最近開発されたワイパー制御システムには、ウインドシールド或いはリアウインドウなどのワイパーを取り付けることができる他の車両の窓に水滴がついた時、ウインドシールドに取り付ける自動的に動作する水分検出器が含まれる。ガラス表面についた雨またはその他の水分を検出することによって、ワイパーをしかるべく制御することができる。このようなワイパー制御システムを用いると、ドライバーは、運転状態が変わるたびにワイパーのスピードを頻繁に調整するという不便さから開放される。光水分センサを備えるワイパー制御システムは、さまざまなモデルの乗用車の生産に組み入れられてきた。商業利用を増加するため、および消費者にワイパー制御システムを受け入れてもらうためには、より小型でより安価な光水分センサが必要である。
【０００４】
ワイパー制御システムには、車両についた水分状態を検出するために、導電センサ、容量性センサ、ピエゾ電気センサ、及び光センサを含む多数の異なる技術を用いられてきた。ウインドシールドの外側表面に水分がつくと、光束が通常の経路から散乱或いは偏光されるという原理によって、光センサが作動する。光センサを備えるこのシステム１つの利点は、光路における妨害を検出する方法がドライバーが観察できる現象に直接関連する。即ち光路における妨害をドライバーが確認できる。
【０００５】
ウインドシールドの内側表面に取り付けられた箱形のハウジングの中に装着された光学部品を備える光水分センサについては、Ｎｏａｋ氏による米国特許第４，３５５，２７１号に開示されている。車両のウインドシールドのワイパーを制御する水分センサ装置については、ＭｃＣｕｍｂｅｒ氏他による米国特許第５，０５９，８７７号及びＴｅｄｅｒ氏による米国特許第５，２３９，２４４号に開示されている。また、ウインドシールドの内側表面に取り付けられた、光学素子及び電子部品を含む箱形のハウジングについても開示されている。
【０００６】
光水分センサにおけるエミッタからの光は、ウインドシールドに対して約４５度の角度でウインドシールドに導かれる。次ぎにその光は約４５度の角度でウインドシールドの外側表面によって反射され、検出器に導かれる。ウインドシールドの表面に水分が存在すると、ウインドシールドの外側表面の空気とガラスの境界面で光の反射に影響がでる。この反射された光の変化を電気的に処理してウインドシールドのワイパーを作動させる信号として利用する。
【０００７】
ウインドシールドの外側表面の水滴の存在に対応してワイパーブレードの動作を開始させるための自動制御回路は、ＭｃＣｕｍｂｅｒ氏他による米国特許第４，６２０，１４１号に開示されている。
【０００８】
ウインドシールドへ入射する光束の入射角が５０度より大きいと、頻繁に信号が損失する。入射角が４０度より小さいと、感度が損失され、センサはウインドシールドの水分を正確に検出できなくなる。従って、エミッタからウインドシールドに入射する光束の入射角は概ね４５度でなければならない。
【０００９】
好適な４５度の入射角にするには、オプトエレクトロニクスデバイス（エミッタ及び検出素子）を４５度の角度で取り付ける、或いは光束がデバイスとウインドシールドガラスとの間を通る途中でこの光速を偏光することによって達成できる。光軸が約４５度の角度となる或いはそのように偏光することができるようにウインドシールドの表面に対して好適な角度で回路基板に取り付けられたオプトエレクトロニクスデバイスを備える光センサが、Ｓｔａｎｔｏｎ氏による米国特許第５，４１４，２５７号に開示されている。Ｓｔａｎｔｏｎ氏は、可撓性のエポキシ樹脂から成形されたデバイス及び傾斜した取り付けを容易にするためにある角度でデバイスのリード線を曲げる方法を示している。電子デバイスの曲がったリード線の問題点は、回路基板の製造コストをあげる曲がったリード線を備える素子を殆どの自動素子挿入装置では挿入できないということである。さらに、リード線の曲がったデバイスは、性能の面において信頼性に欠ける。
【００１０】
リード線を曲げないで回路基板へオプトエレクトロニクスデバイスを取り付ける方法が、Ｚｅｔｔｌｅｒ氏による米国特許第５，５６０，２４５号に開示されている。エミッタ及び検出器が、主回路基板に対して傾斜した小さなサテライト回路基板に取り付けられている。エミッタと検出素子がウインドシールドに対して好適な４５度になるようにサテライト回路基板は傾斜している。この取り付け構造ではリード線を形成する必要はないが、このような小さな回路基板を用いることによって他の問題が発生する。オプトエレクトロニクスデバイスを取り付けるために使用するこの小さな回路基板は、信号処理回路基板を収容できないため別の回路基板に取り付けなければならない。多数の回路基板の使用及びセンサのハウジング基板における回路基板の配向により、センサのサイズが大きくなりコストが増大する。
【００１１】
新しい表面実装技術デバイス（SMT）を含む従来のオプトエレクトロニクスデバイスは、デバイスが取り付けられる基板に対して光軸が垂直になるように概ね設計されている。低コストでセンサが小型になる、ウインドシールドの表面と同一面に取り付ける１つの回路基板の使用法が、Ｔｅｄｅｒ氏による米国特許第５，６６１，３０３号に開示されている。しかしながら、オプトエレクトロニクスデバイスの光軸に対して概ね平行な光軸を有する光学部品がこの設計に必要となる。水分センサのサイズとコストをさらに下げるためには、光学部品のサイズ及びコストを下げることが望ましい。
【００１２】
光学センサのサイズ及びコストを削減するために光学部品の数を減らす別の方法もある。同時に２つ以上のエミッタを検出する１つの検出器の利用法がＮｏａｋ氏によって開示されている。１つの非方向性エミッタから幾つかに導かれる光束については、Ｍｕｌｌｅｒ氏による米国特許第５，０１５，９３１号に開示されている。このような構造により、少ない数の検出器で望ましい検出領域を提供できる。ＭｃＣｕｍｂｅｒ氏他による米国特許第４，６２０，１４１号によれば、安定した構造は周囲の光の影響を受けにくい。しかしながら、エミッタの信号強度の範囲は、典型的には約２対１とばらつきがある。これによって、従来の技術による光水分センサシステムにおける安定した信号の達成が妨げられている。Ｍｕｌｌｅｒ氏の米国特許第５，０１５，９３１号に示されている光路は等しい長さではない。従って、それぞれの光路は異なった光学効率であり、十分に安定したシステムを作るためには利用できない。Ｔｅｄｅｒ氏による米国特許第５，６６１，３０３号によれば、４つのエミッタと２つの検出器を用いて等しい長さの４つの光路を達成しているが、部品をより少なくして水分センサのサイズとコストを下げることが望ましい。
【００１３】
光学的見地からすると、光水分センサをウインドシールドに確実に取り付け、センサ内に含まれる光学素子をウインドシールドに光学的に連結して、ガラス表面と光エミッタ及び検出器との間の境界を効果的に排除すべきである。センサハウジング及びその中の光学素子とウインドシールドとを取り付けるための中間にある接着性の中間層が、Ｐｕｒｖｉｓ氏による米国特許第５，２６２，６４０号に開示されている。センサハウジングは、センサハウジングとウインドシールドの内側表面との間にある中間層によってウインドシールドの表面、或いは他の車両の窓に直接取り付けられる。
【００１４】
自動車メーカは、ウインドシールドの製造者によってセンサが既に取り付けられている或いは車両生産ラインで容易に取り付けることできるセンサを望んでいる。ウインドシールドの製造者は、ウインドシールドを積み重ねて出荷するため、センサを取り付けるためのスペースは殆どない。
【００１５】
光水分センサを取り付けるためのルームミラーブラケットなどのブラケットの利用については、Ｓｃｈｏｆｉｅｌｄによる米国特許第４，９３０，７４３号に開示されている。この方法は、水分センサをウインドシールドに光学的に連結するために、追加の支持構造体或いは追加のシリコーン片を必要とする。従って、このブラケット取り付けシステムは追加部品が必要であり、コストの増大につながる。
【００１６】
センサハウジングを取り外し可能にレンズに取り付けられるように、レンズをウインドシールドに恒久的に取り付ける方法が、Ｂｅｎｄｉｘ氏による米国特許第５，２７８，４２５号及びＳｔａｎｔｏｎ氏による米国特許第５，４１４，２５７号に開示されている。Ｂｅｎｄｉｘ氏によって示されているように、このレンズによって光束が集光される。別法として、Ｓｔａｎｔｏｎ氏によって示されているように、このレンズが光束の方向に垂直な平坦な表面を介して光束をウインドシールドにつなぐことができる。しかしながら、Ｂｅｎｄｉｘ氏及びＳｔａｎｔｏｎ氏の両者による発明は、ウインドシールドと概ね同じ厚さのレンズを必要とする。ガラス製造者から車両組立ラインに輸送するためにウインドシールドを積み重ねる際にレンズのために必要な空間を追加すると、ウインドシールドのコストに追加の取り扱い量が加算される。輸送の際のウインドシールドの積重ねを阻害しな厚さのウインドシールドに取り付けられるセンサが望ましい。
【００１７】
ＥＺ−ＫＯＯＬの商標でＬｉｂｂｅｙ−Ｏｗｅｎｓ−Ｆｏｒｄ社が販売しているウインドシールドなどの最近の太陽光線を調節するウインドシールドは多くの光水分センサに使用する赤外線を吸収してしまう。カップリングまたは集光光学素子を備えないセンサをこのようなウインドシールドに用いるのは効率的ではないであろう。Ｋｏｈｌｅｒ氏他よるドイツの特許第ＤＥ  ３、３１４、７７０号によれば、カップラーのレンズにより検出領域が広まり水分センサの効率が高まる。Ｗａｔａｎａｂｅ氏による米国特許第４，７０１，６１３号に、改良された効率で光束をウインドシールドの中及び外に連結する一連のＶ溝が開示されているが、この溝は散乱した光束を集めることができないし検出器上に集光することもできないため、この装置はガラスの表面に対して４５度の角度で取り付けられている。最近の太陽光線を調節するウインドシールドに用いられる光水分センサの効率を改善すると共にオプトエレクトロニクス素子を１つの平坦な回路基板に取り付けることが望ましい。
【００１８】
発明の概要
本発明は、板ガラスの第２表面上の検出領域の水分を検出するために、水分センサを板ガラスの第１表面に取り付けることに関連する。この水分センサには、光束をガラスの中及び外に連結するために板ガラスの第１表面に取り付けられたカップラーと、そのカップラーに取外し可能に固定されたハウジングとが含まれる。板ガラスの第１表面に概ね平行なデバイス表面を備える１つの平坦な回路基板がハウジング内に取り付けられる。出射軸付近に光束を出射するエミッタは、デバイス表面上に取り付けられる。出射軸は、回路基板のデバイス表面に概ね垂直なエミッタから延びている。エミッタからの光束をコリメートされた光束にするコリメータは、物理的な中心とこの物理的な中心から離れた位置にある光心を有するアパーチャを備える。光軸は光心を通る。この光軸が出射軸に対して第１の傾斜角をなすようにエミッタとコリメータを配置する。
【００１９】
検出面及び検出面から延びる検出軸を有する検出器は、この検出軸がデバイス表面に対して概ね垂直となるように、平坦な回路基板のデバイス表面に取り付けられる。検出器は、検出面に衝当する光を検出し、検出した光に応じて信号を生成する。また、カップラーには、コリメートされた光束を検出面に集束させる集束手段が含まれる。この集束手段は、物理的中心とこの物理的中心から離れて位置する光心を備えるアパーチャを有する。光軸は光心を通る。光軸が検出軸に対して第２の傾斜角をなすように集束手段と検出器を配置する。
【００２０】
センサは、アレイになった検出領域を提供するために、多数のエミッタ−検出器光学システムを備えている。一組のエミッタに対して一組の検出器を用いて、等しい長さの４つの別々の光路及びガラス表面上の４つの検出領域を設ける。ワイパーシステムの動作を制御するために、ウインドシールドのワイパーの調節回路に電気的に接続された安定した電気システムをエミッタ及び検出器で構成する。
【００２１】
車両のウインドシールド上に水分センサを取り付けるための効率的且つ効果的な手段を提供する。本発明では一般的に、ウインドシールドを車両製造工場に出荷する前に、ガラス製造者がウインドシールドの内側の表面にカップラーを取り付ける。車両製造者は、車両を組み立てる時に、回路基板を含むセンサハウジングをカップラーに容易に取り付けることができる。このカップラーが薄く小さく比較的安価であるため、ガラス製造者が使用する従来の梱包材料を変えることなく、ガラス製造者から自動車工場の特定の組立ラインに出荷される全てのウインドシールド上にカップラーを取り付けることができる。ウインドシールドを車両に取り付けた後、センサハウジングをカップラーに適切に取り付けてセンサの取り付けが完了する。
【００２２】
オプトエレクトロニクス部品の全てと信号処理回路を１つの平坦な回路基板に取り付けることによってセンサの製造コストを削減できる。回路基板の製造のための表面実装技術及びチップオンボード技術と自動組立技術との組み合わせによって、センサの製造効率を高め製造コストを削減できる。本発明の構造では、多数の回路基板の使用及び光学デバイス上のリード線の形成の必要がない。
【００２３】
各エミッタから出射される光束の大部分は２つのそれぞれの検出器に導かれ高い光学効率を実現する。さらに、一組のエミッタ及び一組の検出器を用いて等しい長さの４つの光路を作り、４つの検出領域を備える安定した光学システムを実現する。水分センサの効果及び効率を下げることなく、多数のオプトエレクトロニクス部品を減らすことによってセンサのコストを削減する。
【００２４】
添付の図面を参照することにより、後述する好適な実施例の詳細な説明から本発明の上記した利点及びその他の利点が当業者には明らかになるであろう。
【００２５】
好適な実施例の説明
図１を参照すると、本発明の水分センサ１０及び自動車の一部分が概ね示されている。この自動車の一部分には、ボンネット１２と、内側にウインドシールド１８が取り付けられる開口を画定するフロントピラー１４及びルーフ１６とが含まれる。ウインドシールドの下側の縁部に沿った静止位置にあるウインドシールドのワイパーブレード２０は、ウインドシールド１８の表面に付着している水分をワイパーブレードをアーク状２２に動かしてふき取る従来の方法で動作する。水分センサ１０は、ウインドシールドのワイパーブレード２０にふき取られる範囲のウインドシールドに固定される。
【００２６】
図２を参照すると、水分センサ１０は、カップラー２４と、電子部品２７を取り付ける回路基板２６と、回路基板２６を封入するカップラー２４に取り付けできるセンサハウジング２８とを含む。
【００２７】
カップラー２４は、ウインドシールド１８の外側表面３２の水分を光学的に検出するために、このウインドシールドの内側表面３０に固着される取り付け面２９を含む。水分センサ１０は、典型的には内側表面３０のルームミラー（図示せず）の付近に取り付けられ、車内のパッセンジャーの視界を遮らないようにする。ただし、このセンサをウインドシールドの他の部分に取り付けることも可能である。センサ１０を取り付けるウインドシールド１８の領域は概ね平坦であり、カップラー２４の取り付け面２９を平坦にすることが可能である。しかしながら、カップラー２４の取り付け面２９を、取り付けに好適なウインドシールドの曲面に一致する外形にすることも予想される。またセンサ１０は、リアウインドウを含む他の窓にも取り付けることができる。
【００２８】
両面が接着性の中間層３４を用いて、カップラー取り付け面２９をウインドシールド１８または他の窓に固着する。中間層３４は、シリコーン或いは可撓性を有する他の同様な透明なプラスチック材料からなる。カップラー２４は、ウインドシールド１８を自動車組立ラインに出荷する前に、ガラス製造者によってウインドシールド１８に固定することができる。長方形のスリーブ３６は、カップラー２４から取り付け面２９の反対側に延び、以下に示すようにカップラーをハウジング２８に固定するために保持用の突状部３７がスリーブの端部から外向きに延びている。
【００２９】
カップラー２４はまた、カップラーから延びたコリメータ本体３８及びコリメータ本体に近接するコリメートレンズ４０を有するコリメータ３７を含む。コリメートレンズ４０は、ウインドシールド３０の内側表面に対して４５度の角度でコリメータ本体３８を通る光軸４１を有する。さらにカップラー２４は、カップラーから延びる集束本体４３を備える集束手段４２と、集束本体に近接する集束レンズ４４とを含む。集束レンズ４４は、ウインドシールド３０の内側表面に対して４５度の角度で集束本体４３を通る光軸４５を有する。カップラー２４及びコリメータ本体３８、コリメートレンズ４０、集束本体４３、集束レンズ４４は、一片の材料から一体形成されるのが望ましい。以下に示すように、コリメートレンズ４０はコリメータ本体３８の表面から形成され、フォーカスレンズ４４は集束本体４３の表面から形成される。別法として、別のコリメートレンズ４０をコリメータ本体３８の付近に配置し、別の集束レンズ４４を集束本体４３の付近に配置することも可能である。
【００３０】
カップラーは、ポリカーボネート或いはポリエステル樹脂などの屈折する材料から形成されるが、自動車の幅広い温度変化に耐え得る任意の好適な材料も使用可能である。カップラー２４によって光束がウインドシールド１８の内側及び外側に光学的に連結されるため、光束がコリメータ本体３８からウインドシールドに透過する時及びウインドシールドから集束本体４３に透過する時、光束が散乱しない。さらにカップラー２４は、コリメートレンズ４０及び集束レンズ２４、ハウジング２８をウインドシールド１８に取り付けるための安定したベース部となる。
【００３１】
ウインドシールドをガラスメーカーから自動車組立ラインに輸送する時、カップラー２４の厚さは梱包の面から見て重要な点である。輸送中にウインドシールドにキズ或いは他の損傷を与えないで輸送効率を高めるために、それぞれのウインドシールドをできるだけ近接できる特殊なケース及び梱包材料が設計されている。典型的にな自動車のウインドシールドには、ルームミラーを取り付けるためのウインドシールド上の取り付けボタン（図示せず）が含まれるため、輸送用ケースはこのような取り付けボタンを収容することができるようになっている。本発明のカップラー２４の厚さは５ｍｍ以下であり、典型的なルームミラーの取り付けボタンより薄い。従って、カップラー２４が十分に薄いため、ウインドシールドを自動車組立ラインに輸送するための梱包及び材料の取り扱い処理を変えることなく、ガラスメーカーがウインドシールドの生産ラインでカップラー２４を取り付けることができる。梱包方法及び梱包材の取り扱いを変えることなくウインドシールドの製造ラインでカップラーの取り付けができるということは、水分センサ及びワイパー制御システムを自動車メーカーに広く利用してもらうという点で重要である。
【００３２】
図２及び図３を参照すると、センサハウジング２８は硬質のプラスチック或いは他の硬質材料からなり、好ましくない光を遮断するために不透明である。分かりやすくするために、図３にはコリメータまたは集束手段が示されていないカップラー２４が示されている。ハウジング２８は、ベース部４６及びそのベース部から延びている４つの側面壁４８を含み、好ましくは箱型の空間を形成する。ハウジング２８は、カップラーがウインドシールド１８に固定される時、カップラー２４のスリーブ３６に嵌合できるサイズに形成されている。カップラーの突状部３７を受容しカップラー２４にハウジング２８を取外し可能に保持するよう、ハウジング壁４８の内側に溝５０が形成される。カップラー２４のスリーブ３６及びハウジング２８の側面壁４８はそれぞれ僅かに変形できるように作られているため、ハウジングをカップラー上にスナップ止めすることが容易になり、カップラーの突状部３７が溝５０に入る。所望に応じて、カップラー２４のスリーブ３６にノッチを入れて変形しやすくすることもできる。
【００３３】
ハウジング２８がカップラーのスリーブ３６上にスナップ止めで取り付けられると、カップラー２４に加わる横方向の力はハウジング壁４８によってスリーブ３６に伝達される。ハウジング壁４８及びカップラーのスリーブ３６は大きな表面領域を有するため、損壊につながるように力が集中する傾向はない。さらに、非円形状のカップラーのスリーブ３６は、ハウジング２８に加わるねじり力を吸収する。本発明の水分センサは、衝突或いは好奇心の強いパッセンジャーにいじられたとしても、ウインドシールドにしっかりと固定されたままである。ハウジング２８の側面壁４８にノッチ５１があるため、コインまたはドライバーを用いてハウジングを取り外しやすくなる。
【００３４】
カップラー２４は、極めて粘着性の高いシリコーンを用いてウインドシールドにオートクレーブされる。もちろん他の好適な材料も使用可能である。深さが浅いカップラーを取り付けする方法により、上記したようにウインドシールドの梱包密度を変えることなく、ウインドシールドメーカーでカップラーが取り付けることができる。車両メーカーは、接着剤或いは他の化学薬品の処理を好まず、水分センサのカップラーがウインドシールドに取り付けられているものを好む。
【００３５】
水分センサの耐衝撃性に加えて、外周で固定する形態は取り付けが容易である。別々の複数のクリップ式或いは他の取り付け手段を備える水分センサ取り付け方法とは対称的に、本発明の水分センサハウジングは片手でカップラーにスナップ止めすることができる。これによって自動車メーカーが水分センサを取り付ける時間が省け、システムのコストを低減できる。
【００３６】
１つの平坦な回路基板２６は、ハウジング壁の内側表面から内側に向かって突き出ている突状部５２によってハウジング内に保持される。この回路基板２６は、電子部品２７が取り付けられるデバイス表面５４を含む。この回路基板２６は、ハウジング２８がカップラー２４に固定されてこのカップラーがウインドシールドに固定された時に、デバイス表面５４がウインドシールド１８の内側表面３０に概ね平行となるようにハウジング２８に取り付けられる。電子部品２７は、電子部品の上側の表面がデバイス表面５４に対して概ね平行となるように回路基板２６のデバイス表面５４に取り付けられる。従来型の表面実装技術を用いて部品を回路基板２６に取り付けることができる。
【００３７】
電子部品２７は、エミッタ５６と、検出器５８と、及び１つの信号処理回路５９とを含む。図には１つのエミッタ５６と１つの検出器５８が示されているが、後述するように複数のエミッタと複数の検出器を用いることもできる。エミッタ５６は好ましくは赤外線発光ダイオードであるが、他の好適なエミッタも使用可能である。また、検出器５８は好ましくはフォトダイオードであるが、他の好適な検出器も使用可能である。エミッタ５６及び検出器５８は表面実装デバイスであって、それぞれＳｉｅｍｅｎｓ社の部品番号ＳＦＨ−４２１及びＢＰＷ−３４ＦＡＳなどである。エミッタ５６及び検出器５８はまた、チップオンボード技術を用いてシリコンダイを直接回路基板２６に接続して取り付けられることもできる。
【００３８】
信号処理回路には、回路基板２６に取り付けられた従来型の部品５９が含まれる。さらに、光遮断手段６１を回路基板上に取り付けて周囲の光が検出器５８に到達するのを遮断し、ハウジング２８内のエミッタ５６と検出器５８との不適当な光学的な通信或いは混信を防止することができる。このエミッタ５６及び検出器５８は、信号処理回路に電気的に接続されている。ワイパー制御システム及びコントローラのインターフェース、信号処理回路の動作に関するさらなる詳細については、米国特許第４，６２０，１４１号、第５，０５９，８７７号、第５，２３９，２４４号、第５，５６８，０２７号を参照されたい。本明細書の記載及び説明を完成するために必要な部分は、引用して本明細書の一部とする。
【００３９】
図４に示されるように、エミッタ５６は通常、プラスチックのハウジング又はケース６０と、このケースの凹んだ部分に取り付けられた赤外線放出ダイ６２と、透明なエポキシ樹脂で満たされた領域６４とで構成される。エミッタ５６は、典型的には８８０ｎＭの赤外線エネルギーなどの特定の波長からなる光束６５を放出するが、別の周波数も用いることができる。光束６５は、回路基板２６のデバイス表面５４に概ね垂直な方向にエミッタから延びる出射軸６６に対して対称な扇状に発散する光を放出する。光束６５はエミッタ５６から扇状の角度をなして放射され、各光束は出射軸６６に対して角度θEで進む。エミッタ５６から発散される光束６５のそれぞれの強さは、概ねＣｏｓθEである。従って、エミッタ５６から発散される光束６５の内、出射軸６６に沿ったものが最も強い。装置が動作する近傍の領域において、出射角が５０度より大きいθEの光束は、エミッタケース６０によって遮られ、強度が弱くなる。
【００４０】
図２に示されるように、検出器５８は、デバイス表面５４に対して概ね平行な検出表面６７を含む。検出感度の最も高い検出軸６８は、検出表面６７及び回路基板２６のデバイス表面５４に対して概ね垂直な方向に検出表面６７から延びている。検出器５８はまた、検出軸６８に対して対称に広がる受光角（図示せず）を有し、その受光角内で検出器に衝当する光束によって検出器５８が制御信号を生成する。エミッタ５６から出射される光束の波長を検出器が感知できるような特定のエミッタ５６及び検出器５８が選択される。
【００４１】
図２に示されるように、ハウジング２８がカップラー２４に固定されると、コリメータ本体３８及びコリメートレンズ４０はエミッタ５６の方に向って延び、集束本体４３及び集束レンズ４４は検出器の方に向って延びている。エミッタ５６から放射される光束６５の一部は、コリメートレンズ４０に衝当し、コリメートされて光束７２になり、コリメートレンズの光軸４１に沿ってコリメータ本体３８を透過する。コリメートレンズ４０に衝当する光束は、出射軸６６に対して約１０度から５０度の範囲が望ましいが、それより小さい角度でも大きい角度でも受光できるようにレンズを形成することが可能である。コリメートレンズ４０は、光軸４１が出射軸６６に対して傾斜角６９となるようにエミッタ５６に対して配置される。傾斜角６９は、３９度から５１度の範囲が望ましいが、それよりも小さくても大きくてもよい。コリメートレンズ４０の表面は、後述すように、検出器５８が利用可能な信号を生成できるような十分な強さのコリメートされた光束を作り出せるように形成されなければならない。
【００４２】
同様に、集束レンズ４４は、集束レンズ４４の光軸４５が検出軸６８に対して傾斜角７１をなすように検出器５８に対して配置される。傾斜角７１は３９度から５１度の範囲が望ましい。集束レンズ４４の表面は、後述するように、コリメートされた光束７２を検出器の検出表面に集束するように形成される。コリメートされた光束７２は、検出面６７に十分な強さの扇状に集束する光束に集束され、検出器が利用可能な信号を生成できる。検出表面に集束する扇状の光束は、検出軸に対して約１０度から約５０度の範囲が望ましいが、扇状の光束は検出軸に対してそれよりも小さくても大きくてもよい。
【００４３】
光はエミッタ５６から出て、光路７３に沿って検出器５８に至る。コリメートされて並行な光束７２になったエミッタから出射された光束は、光路に沿って内側の表面３０に対して約４５度でウインドシールド１８に入射する。コリメートされた光束７２は、外側表面３２の検出領域７４に衝当し、光路７３に沿って反射され、ウインドシールドを透過し、内側表面３０に対して４５度の角度で集束本体４３に入射する。集束レンズ４４の光軸４５は、カップラー２４の表面でコリメートレンズ４０の光軸４１から距離Ｔ移動している。この移動に沿って横方向に進む光束は全くないが、むしろこのシステムの光心がカップラー２４の表面で移動することを示している。集束レンズ４４が十分な幅の光束７２を集光するように距離Ｔが選択される。コリメート表面４０は光軸４１に対して回転対称に表面が切り取られている。光軸４１の光軸４５への移動Ｔは、コリメートアパーチャと集束アパーチャの非対称性による。ガラスの外側表面は、フォールディングミラー（folding mirror）として働く。このフォールディンミラーの効果により、出射軸に近い光束は検出軸に対して大きい角度で検出器に衝当する。従って、コリメータの光心を通過する光束は、検出軸から離れた集束レンズの光心を通過しない。
【００４４】
ここで図５及び図６を参照すると、コリメートレンズ４０は、外周８０によって画定される受光アパーチャ８２を有する。この外周８０は、コリメートレンズ４０の物理的な縁部であり得り、またエミッタ５６から直接出射された光を受光して上記したようにこのような光をコリメートするレンズ表面の領域を画定し得る。アパーチャ８２の外側のレンズ表面に衝当する光束は、コリメートされず、検出器５８に効果的に伝達されない。この受光アパーチャ８２は、図示したように幅Ｗを有し、基準線５−５の方向から測定される。この受光アパーチャ８２は、外周８０の中心である物理的中心８４を有する。
【００４５】
レンズの光心は、光軸がレンズ表面と交差する点と定義される。また定義として、光心を通ってレンズのアパーチャに入射する光軸に沿って進む光束は直線であるが、レンズのアパーチャに入射する他の全ての光束は、レンズによって光軸に沿った平行な光路に偏光される。コリメートレンズ４０は、物理的中心８４から離間した偏心した光心８６を有するため、光学軸４１は偏心している。光心８６は、幅Ｗの約２２％物理的な中心８４から変位することが望ましいが、他の適切な変位でもよい。カップラー２４のコリメータ本体３８の表面を所望に応じて不透明な材料で覆い、アパーチャ８２に衝当しない光束を排除できる。或いはこのような光束は妨害しないでカップラーを透過させてもよい。さらに、アパーチャ８２を画定する外周８０の外側のコリメートレンズの表面を所望に応じて不透明な材料で覆い、アパーチャ８２に衝当しない光束を排除できる。またこのような光束は、妨害しないでカップラーを通過させることもできる。アパーチャ８２を透過するエミッタ光束のみが雨を検出するのに有効である。
【００４６】
ここで図７を参照すると、集束レンズ４４は、外周８８によって画定された光が透過するアパーチャ９０を有する。外周８８は集束レンズ４４の物理的な縁部であり得り、また検出器５８の検出表面６７にコリメートされた光束７２を集束するレンズの表面領域を画定し得る。アパーチャ９０の外側の集束レンズから出射する光束は、検出器５８上に集束されない。図示するようにアパーチャ９０は幅Ｗを有する。集束レンズ４４は、外周８８の中心に位置する物理的な中心９２を有する。レンズ４４の光心９４が偏心しているため物理的中心９２から離間し、従って集束レンズの光軸４５も偏心している。光心９４は、物理的中心９２から幅Ｗの約２２％変位するのが望ましいが、他の適切な変位でもよい。カップラー２４の集束本体４３の表面を不透明な材料で覆いアパーチャ９０に衝当しない光束を排除できる。またこのような光束を妨害しないでカップラーを透過させることもできる。さらに、アパーチャ９０を画定する外周８８の外側の集束レンズ４４の表面を所望に応じて半透明な材料で覆い、アパーチャ９０に衝当しない光を排除できる。また、このような光束を妨害しないでカップラーを透過させることも可能である。
【００４７】
水分センサが作動している時、コントローラ（図示せず）が、出射軸に対して対称に光束６５を放射するエミッタ５６に信号を送る。コリメートレンズのアパーチャ８２に衝当する光束６５は、光束７２にコリメートされ、コリメートレンズの光軸４１に平行な光路７３に沿って進む。この光束７２は、中間層３４に光学的に連結され、光路７３に沿ってウインドシールド１８に入射する。この光束７２は約４５度の角度を持続してウインドシールド１８を通過し、ウインドシールド１８の外側表面３２の検出領域７４で反射される。この反射された光束は、ウインドシールドの表面に対して４５度の角度で光路７３に沿ってウインドシールド１８を透過する。コリメートされた光束７２は、集束本体４３及び集束レンズ４４を透過する。この集束レンズは、コリメートされた光束７２を検出器５８の表面に集束する。水分７６がウインドシールドの検出領域７４に堆積すると、コリメートされた光束７２の一部のみが反射して集束本体４３に衝当し、この検出器５８が検出された光の量を表示する信号を生成する。光束が回路基板２６に対して垂直である時、検出器は一般に最も高い感度を有するが、検出器５８の受光角内の光束７２は検出される。この信号処理回路５９は検出信号を受信し、信号の変化を水分の存在と解釈してしかるべくワイパーを制御する。
【００４８】
正しい動作のために、集束レンズ４０は、レンズのアパーチャ８０に衝当する十分な量の光束６５がコリメートされるようにエミッタ５６に対して配置されなければならない。図４を再度参照すると、コリメートレンズ４０の表面を横切る線のウインドシールドに対する角度はθXとして示される。θXの値は、コリメートレンズの表面によって異なる。上記したように、コリメートされた光束７２の光束は、ウインドシールドの表面３０に対して４５度の角θGでウインドシールド１８に入射するのが望ましい。コリメートレンズがエミッタからの光束を屈折して求められる４５度の角度にするために、スネルの法則を利用すると、
【００４９】
【数１】
0004191895.tif 000002
ここでｎは、カップラー２４の屈折指数である。カップラー２４はポリカーボネイトから成形され、周波数８８０ｎＭでｎ＝１．５７の屈折指数を有するのが望ましい。別法として、カップラーはガラス或いはアクリル、または他の透明な材料から加工することが可能である。この式から、例えばエミッタの角度θEは１０度、コリメートレンズの表面の角度は７６度が必要であることが示されている。このような急な角度では、エミッタからの光束の内約半分が、コリメートレンズの表面で反射され、ウインドシールド１８に入射しない。さらに出射角が小さくなると反射率が極端に増加する。従って、出射角とコリメートレンズの表面角の関係によってコリメートレンズ４０と出射軸６６との間の距離の下限が決まる。同様に、集束レンズ４４と検出軸６８との間の距離の下限が決まる。検出軸６８に約１０度より近く集束レンズ４４を透過する光束は、集束レンズ４４の内側表面の内側に反射され、検出表面６７に到達する集束される光束の強さを減少させる。
【００５０】
出射軸６６とコリメートレンズ４０との間の距離の上限は他の要因で決まる。θEが大きくなると、前述したＣｏｓθEによって変化するエミッタの光束の強さが傾斜によって弱まる。またθEの値が約５０度では、放出された光束はエミッタケース６０によって妨げられる。従ってウインドシールド１８に効果的に連結し得る出射角の範囲は約１０度から約５０度に限定される。また、より小さい角度では、コリメートレンズの表面で反射される光束の率が大きくなり過ぎる。より大きな角度では、傾斜によって放出された光の強さが弱められ、また光束はエミッタケースによって妨げられる。この範囲内の出射角では、反射と傾斜の影響が概ね出ない。従って、放出された光束は、前述した出射角の範囲内であり概ね一様である。この出射される光束の制限により、カップラーに必要な５ｍｍの高さに設計上収まるという更なる利点がある。出射される光束の範囲を広くすると、高さのあるカップラーが必要となる。同様に、検出軸６８から約５０度を超えて進む光束は、傾斜が大きいため検出器５８には僅かしか受光されない。コリメータ３７と同様に、検出器５８が集束レンズ４４から受光する光束の角度を制限すると、より浅いカップラー２４の設計が可能となる。
【００５１】
コリメータ４０の表面は、出射軸６６が光軸４１に対してある傾斜角をなす時、エミッタから出射される光束の大部分をコリメートレンズがコリメートできるように形成される。コリメートレンズの表面は、連続した凸状の屈折表面が望ましいが、以下に説明するように表面を分割することも可能である。レンズ表面の適切な形状は、Ｔｕｃｓｏｎ，ＡＺのＦｏｃｕｓ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ社によるＺｅｍａｘシステム等の光学デザイン用のソフトウェアシステムを用いて決めることができる。得られる表面の形状は、複数の非球面によって示されるのが最も好ましい。サッグ関数によって得られる表面は、光軸からの半径と表面との距離ｚに形成される。明示目的のためこの表面を以下のように示すことができる。
【００５２】
【数２】
0004191895.tif 000003
ここで、
【外１】
0004191895.tif 000004
【００５３】
非球面のレンズを示すこの方法は、光学システム設計の分野の技術者には周知である。別法として、半径が３．１６３ｍｍの球面レンズを用いることができるが、レンズを透過する光の強さが弱まる光学収差が起こり得る。所定の値は、コリメートされた光束の若干の発散が可能であり、エミッタの配置に必要な許容差が緩和される。
【００５４】
水分センサを機能させるためには１つの光路が必要であるが、円滑なワイパーの操作には、１つの光路では検出領域が不十分となる可能性がある。図８を参照すると、本発明の別の実施例は、多数の光路を備える光学部品からなる異なった装置を提供する。別の実施例のセンサ１００には、前述した方法と同じ方法で回路基板のデバイス表面（図示せず）に取り付けられた第１のエミッタ１５６ａと第２のエミッタ１５６ｂと、第１の検出器１５８ａと第２の検出器１５８ｂとが含まれる。第１のエミッタ１５６ａは正方形１０４の第１のコーナー１０２ａの回路基板（図示せず）上に位置し、第２のエミッタ１５６ｂは、第１のコーナー１０２ａと対向側にある第２のコーナーに１０２ｂの回路基板上に位置する。第１のエミッタ１５６ａ及び第２のエミッタ１５６ｂには、図４に示されるエミッタ５６の出射軸６９と同様の出射軸（図示せず）が含まれる。第１の検出器１５８ａは、正方形１０４の第３のコーナー１０２ｃの回路基板上に位置し、第２の検出器１５８ｂは第３のコーナー１０２ｃの対向側の第４のコーナー１０２ｂの回路基板上に位置する。第１の検出器１５８ａ及び第２の検出器１５８ｂには、図４に示される検出器５６の検出軸６８と同様の検出軸（図示せず）が含まれる。回路基板は、上記した回路基板２６と同様の方法で図３に示されるハウジング２８の中に取り付けられる。
【００５５】
センサ１００には、上記したようにカップラー２４と同様の方法でウインドシールドに取り付けられる取り付け面（図示せず）が含まれる。ハウジング２８は、上記したカップラー２４と同様の方法でカップラー１０６に取り付けられる。カップラー１０６には、ハウジング２８がカップラー１０６に取り付けられると第１のコーナー１０２ａの第１のエミッタ１５６ａに隣接する第１のコリメータ１０８ａが含まれる。また、カップラー１０６には、ハウジング２８がカップラー１０６に取り付けられると第２のコーナー１０２ｂの第２のエミッタ１５６ｂに隣接する第２のコリメータ１０８ｂが含まれる。それぞれのコリメータ１０８ａ及び１０８ｂには、２つのコリメータ本体１０９及び２つのコリメートレンズ１１０が含まれる。２つのコリメートレンズ１１０は互いに当接しているため、図８に示されるように見ると、それらの光軸１１１が概ね９０度の角度をなしている。コリメートレンズ１１０は、コリメータ本体１０９から一体形成されるのが望ましいが、前述したように別々のレンズを各コリメータ本体近傍に配置することも可能である。
【００５６】
それぞれのコリメートレンズ１１０は、先述したコリメートレンズ４０に類似しており、重複を避けるためにここでは説明しない。それぞれのコリメートレンズ１１０は物理的な中心と、光心と、光軸を有するが、それらは図４、図５及び図６に示されるようにコリメートレンズ４０の物理的な中心８４、光心８６、及び光軸４１に類似している。第１のコリメータ１０８ａのコリメートレンズ１１０は、第１のエミッタ１５６ａの付近に配置されているため、先述したエミッタ軸に対してそれぞれの光軸が傾斜角をなしている。第２のコリメータ１０８ｂのコリメートレンズ１１０は、第２のエミッタ１５６ｂの付近に位置するため、先述したエミッタ軸に対してそれぞれの光軸が傾斜角をなしている。コリメートレンズ１１０の表面は、前述したコリメートレンズ４０と同様に形成されるため、先述した理由により光心は物理的な中心から変位している。
【００５７】
またカップラー１０６には、ハウジング２８がカップラー１０６に取り付けられると第３のコーナー１０２ｃの第１の検出器１５８ａに隣接する第１の集束手段１１４ａが含まれる。さらにカップラー１０６には、ハウジング２８がカップラー１０６に取り付けられると第４のコーナー１０２ｄの第２の検出器１５８ｂに隣接する第２の集束手段１１４ｂが含まれる。それぞれの集束手段１１４ａ及び１１４ｂには、２つの集束本体１１５及び２つの集束レンズ１１６が含まれる。２つの集束レンズ１１６は互いに当接しているため、図８のように見ると、それぞれの光軸１１７が９０度の傾斜角をなしている。集束レンズ１１６は、集束本体１１５から一体形成されるのが望ましいが、先述したように別々のレンズをそれぞれの集束本体の近傍に配置することも可能である。それぞれのコリメートレンズ１１０及び集束レンズ１１６の角部は並置できるようにに取り除かれるが、レンズの性能に悪影響を与える。
【００５８】
それぞれの集束レンズ１１６は、先述した集束レンズ４４に類似しており、重複をさけるためにここでは説明を省略する。それぞれの集束レンズ１１６は、図２及び図７に示されるように、集束レンズ４４の物理的中心９２、光心９４及び光軸４５と同様の物理的な中心、光心及び光軸を有する。第１の集束手段１１４ａの集束レンズ１１６は、第１の検出器１５８ａに隣接しているため、先述した出射軸に対してそれぞれの光軸がある傾斜角をなしている。第２の集束手段１１４ｂの集束レンズ１１６は、第２の検出器１５８ｂに隣接しているため、先述した出射軸に対してそれぞれの光軸がある傾斜角をなしている。集束レンズ１１６の表面は、先述した集束レンズ４４と類似に形成されるため、先述の理由によりその光心はその物理的中心から変位している。
【００５９】
１７３ａ及び１７３ｂ、１７３ｃ、１７３ｄの４つの光路が備えられている。第１の光路１７３ａは、第１のエミッタ１５６ａから出て、第１のコリメータ１０８ａのコリメートレンズ１１０及びコリメータ本体１０９を経て、第１の検出領域１７４ａの内側表面に対して４５度の角度でウインドシールドに入り、ウインドシールドの内側表面に対して４５度の角度でウインドシールドに反射され、第１の検出器１５８ａの第１の集束手段１１４ａの集束本体１１５及び集束レンズ１１６を透過する。第２の光路１７３ｂは、第２のエミッタ１５６ｂから出て、第２のコリメータ１０８ｂのコリメートレンズ１１０及びコリメータ本体１０９を経て、第２の検出領域１７４ｂの内側表面に対して４５度の角度でウインドシールドに入り、ウインドシールドの内側表面に対して４５度の角度でウインドシールドに反射され、第１の検出器１５８ａの第１の集束手段１１４ａの集束本体１１５及び集束レンズ１１６を透過する。
【００６０】
第３の光路１７３ｃは、第１のエミッタ１５６ａから出て、第１のコリメータ１０８ａのコリメートレンズ１１０及びコリメータ本体１０９を経て、第３の検出領域１７４ｃの内側表面に対して４５度の角度でウインドシールドに入り、ウインドシールドの内側表面に対して４５度の角度でウインドシールドに反射され、第２の検出器１５８ｂの第２の集束手段１１４ｂの集束本体１１５及び集束レンズ１１６を透過する。第４の光路１７３ｄは、第２のエミッタ１５６ｂから出て、第２のコリメータ１０８ｂのコリメートレンズ１１０及びコリメータ本体１０９を経て、第４の検出領域１７４ｄの内側表面に対して４５度の角度でウインドシールドに入り、ウインドシールドの内側表面に対して４５度の角度でウインドシールドに反射され、第２の検出器１５８ｂの第２の集束手段１１４ｂの集束本体１１５及び集束レンズ１１６を透過する。
【００６１】
作動中において、エミッタ１５６ａ及び１５６ｂは、半球状に光線を発散するため、隣接コリメートレンズ１１０それぞれは同量の光を受光する。先述したコリメートされた光束７２同様に、第１のコリメータ１０８ａの２つのコリメータ本体１０９及びレンズ１１０によって、第１及び第２のコリメートされた光束１７２ａ及び１７２ｂが作り出される。第１及び第２のコリメートされた光束１７２ａと１７２ｂは、図８のように見ると互いに直角をなし、それぞれの光束は第１及び第３の光路１７３ａ及び１７３ｃのそれぞれに沿って進む。先述したコリメートされた光束７２と同様に、第２のコリメータ１０８ｂの２つのコリメータ本体１０９及びレンズ１１０によって、第３及び第４のコリメートされた光束７２ｃ及び７２ｄが作り出される。第３及び第４にコリメートされた光束７２ｃと７２ｄは互いに直角をなし、それぞれの光束は第２及び第４の光路１７３ｂ及び１７３ｄのそれぞれに沿って進む。
【００６２】
第１のコリメートされた光束１７２ａは、第１の検出領域１７４ａのウインドシールドの外側表面によって反射され、第１の検出器１５８ａの集束本体１１５及び集束レンズ１１６を透過する。ウインドシールドの外側表面の第１の検出領域に水分が存在すると、コリメートされた光束の一部が反射されず集束手段１１４に達しない。この時第１の検出器１５８ａは、検出された光の変化に対応する信号を送信する。この信号は、図２に示される信号処理回路５９に同様な信号処理回路（図示せず）によって処理され、それに応じてワイパーが制御される。同様に、第２及び第３、第４のコリメートされた光束が対応する検出領域で反射されず、第１或いは第２の検出器が受光した光の僅かな変化を検出する。この水分センサ１００は、４つの検出領域を用いることにより改良されたワイパー制御及び視認性を提供できる。
【００６３】
別の実施例の水分センサ１００の光学部品の配置では、４つの光路１０２が同じ長さ及び及び同じ光学効率を有するため、安定した光学システムを提供することができる。この配置により、性能がかなりばらつくこ可能性のあるエミッタ５６間の効率の差を相殺することができる。それぞれの検出器５８は、特定のエミッタから等量の光を受光し、両方のエミッタから受光する光量の合計は互いに等しい。
【００６４】
図９を参照すると、安定した水分センサシステムを提供するために、先述した安定した光学システムと共に使用する安定した電気システム１９０が示されている。エミッタ１５６ａ及び１５６ｂはパルス電流源によって作動し、線１９１によって直列に接続されるのが望ましい。光路に沿って進む光束（破線１７２ａ及び１７２ｂ、１７２ｃ、１７２ｄに示される）によって、各エミッタ１５６ａ及び１５６ｂと各検出器１５８ａ及び１５８ｂとが連結される。それぞれの光路は等しい長さと類似した光学効率を有する。検出器１５８ａ及び１５８ｂは電流モードで動作し、一般的な電流加算ノード１９２で結合されている。ノード１９２に接続された信号処理制御回路は、雨の存在を検出する。完全に安定した水分センサシステムでは、雨が存在する時、ノード１９２から信号処理制御回路に電流が流れない。安定した水分センサシステムは、信号処理回路からのダイナミックレンジをそれほど必要としないで周囲の光を排除する性能を高めることができ、理想的である。
【００６５】
「ＥＺ−ＫＯＯＬ」の商標でＬｉｂｂｙ  Ｏｗｅｎｓ  Ｆｏｒｄ社が販売しているウインドシールドなどの最近の太陽光調節ウインドシールドは、ウインドシールドを透過する赤外線を減少させる。すなわち、このようなウインドシールドはエミッタから出て検出器に到達する赤外線の光束を減少させるため、このようなウインドシールドに用いられる光学水分センサは高効率でなければならない。先述した水分センサ１００は、これらの太陽光調節ウインドシールドと共に使用可能な高効率のセンサである。このような水分センサは、ポリエステル樹脂成形からなるカップラーを用いて「ＥＺ−ＫＯＯＬ」ブランドの太陽光調節ウインドシールド上で検査される。このカップラーは、典型的な信号処理回路には十分であるエミッタ電流１アンペアにつき１７マイクロアンペアを生成する。この水分センサは、たった２つのエミッタ及びたった２つの検出器で合計５７ｍｍ2の検出領域を提供できるため、生産用のセンサはより広い検出領域を有するであろう。
【００６６】
図１０を参照すると、先述した連続した凸状のレンズ４０ではなく、分割されたレンズ或いはフレスネルレンズ２０２を備える別の実施例のコリメートレンズが示されている。このフレスネルレンズ２０２はまた、先述した連続した凸状の集束レンズ４４の代わりに集束レンズとして用いることもできる。先述したコリメートレンズと集束レンズは類似しているため、フレスネルレンズコリメータについてのみ説明する。類似のフレスネルレンズを、先述した連続した凸状のレンズ集束手段４０と類似の性能を有する集束手段として用いることもできる。
【００６７】
フレスネルコリメートレンズ２０２はレンズ領域において利点を有する。即ち水分センサが全体としてより薄く製造可能である。得られたより薄いカップラー２４はいくぶん光学効率が犠牲となり、またカップラー及びレンズ２０２の形成にはやや複雑な成形が必要となる。このようなレンズは、図４及び図６のカップラー２４の内側表面のコリメータの表面を突出させて作ることができ、深さＤまで延ばす製造方法が可能である。こうして多数の屈折部分２０４からなるコリメートレンズ２０２が得られる。フレスネルレンズを一般的な構造と比べると、光束が投射される面は光軸に対して直角ではないが、先述したガラスの外側表面で反射するように角度が付けられている。別法として、先述したＺｅｍａｘ等の光学設計プログラムを用いて、目的の投射面を達成するために好適な傾斜コマンドを使い、目的の表面を直接生成することが可能である。表面を形成するさらなる別法として、上記のスネルの法則から得られた式を用いて必要な角度を得ることが可能である。
【００６８】
分割したレンズの不利な点は、２０６に示されるようなオクルージョン（occlusion）領域が発生することである。オクルージョン領域１００は、利用できない戻り部分２０８に光が衝当する時発生する。このような部分は、レンズの形状を深さＤの範囲内で保つために必要である。このオクルージョン領域２０６は光を目的の方向に偏光できないためシステムの光学効率が下がる。図８に示される本発明の多数の光路の構造については変更しない。同様に、取り付け方法についても変更しない。フラスネルの方法は、図に示されるような多数の部分或いは最低２つの部分を形成することができる。また、カップラーの内側壁の面に投射され、この投射面が光学デバイスに対して幾分傾斜していることが望ましい。このようにすることによって、オクルージョン領域を少なくすることができる。
【００６９】
本発明の水分センサは水分検出のために、自動車のウインドシールドは元より他のガラス表面にも使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  自動車のウインドシールドに取り付けられた光水分センサを示す断片的な斜視図である。
【図２】  本発明の水分センサのウインドシールドの内側表面上への取り付けを示す拡大した斜視図である。
【図３】  本発明のハウジングとカップラーの取り付け関係を示す拡大した斜視図である。
【図４】  本発明のエミッタの近傍に取り付けられたコリメータを示す横方向の断面図である。
【図５】  コリメートレンズのアパーチャを示す線５−５に沿った側面図である。
【図６】  本発明のカップラーから延びるコリメータを示す斜視図である。
【図７】  コリメートレンズのアパーチャを示す線７−７に沿った側面図である。
【図８】  ４つの光路を例示する本発明の別の実施例の平面図である。
【図９】  本発明の別の実施例のオプトエレクトロニクス部品を例示する模式的なダイヤグラムである。
【図１０】  分割されたレンズを用いるコリメートレンズを例示する本発明の第２の別の実施例の横方向の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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