(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な材料表面に於ける水分を検出し、それに応じて水分除去システムの動作を制御するための水分センサであって、前記水分センサが、
透明な材料の前記表面に於ける水分の存在によって影響を受けるパルス状のエミッタ信号を生成するためのエミッタと、
前記パルス状のエミッタ信号をレシーブ（receive）し、パルス状のディテクタ出力信号の生成に寄与するディテクタと、
前記ディテクタと機能的に接続され、また前記パルス状のディテクタ出力信号をレシーブするための入力及びパルス状のプリ復調信号を提供するための出力とを有し、更にフィルタ及び増幅器とを有するプリ復調回路と、
前記パルス状のプリ復調信号を変動（fluctuating）ノイズ要素を有するｄｃ信号へと変換する復調回路と、
前記ｄｃ信号より前記変動ノイズ要素をフィルタリングし、フィルタリングされたｄｃ出力を提供するデジタル信号プロセッシングフィルタリングステージとを有する水分センサ。
【請求項２】
更に前記デジタル信号プロセシングフィルタステージを実現するためのマイクロコンピュータを有す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３】
前記デジタル信号プロセシングフィルタステージが、ローパスフィルタを有す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】
前記デジタル信号プロセシングフィルタステージが、バンドパスフィルタを有することを特徴とする請求項３に記載の水分センサ。
【請求項５】
前記マイクロコンピュータが、前記ローパスフィルタを実現するために、前記ｄｃ出力の連続した値をストアする目的で、所定の数のレジスタを有することを特徴とする請求項３に記載の水分センサ。
【請求項６】
前記マイクロコンピュータが、前記ローパスフィルタを実現するために、前記ｄｃ出力の８つの連続する値をストアする目的で８つのレジスタを有することを特徴とする請求項５に記載の水分センサ。
【請求項７】
前記ローパスフィルタが、前記ストアされた値の合計を供給する目的で、マイクロコンピュータによって実現された加算要素を含むことを特徴とする請求項６に記載の水分センサ。
【請求項８】
前記ローパスフィルタが、前記ストアされた値の合計を所定の数で割る事を目的として、前記マイクロコンピュータによって実現される除算要素を有することを特徴とする請求項７に記載の水分センサ。
【請求項９】
前記除算要素が、前記ストアされた値の合計を８で割ることを特徴とする請求項８に記載の水分センサ。
【請求項１０】
前記マイクロコンピュータが、前記バンドパスフィルタを有する前記デジタル信号プロセシングフィルタステージを実現するために、連続する入力値をストアする目的で所定の数のレジスタを有することを特徴とする請求項４に記載の水分センサ。
【請求項１１】
前記マイクロコンピュータが、前記バンドパスフィルタを有する前記デジタル信号プロセシングフィルタステージを実現するために、３２の連続する入力値をストアする目的で３２のレジスタを有することを特徴とする請求項１０に記載の水分センサ。
【請求項１２】
前記バンドパスフィルタを有するデジタル信号プロセシングフィルタステージが、前記ストアされた値の第１の部分を加算し、また、前記ストアされた値の第２の部分を減算することで加算出力値を提供する前記マイクロコンピュータによって実現される加算要素を有することを特徴とする請求項１１に記載の水分センサ。
【請求項１３】
前記加算要素が、最も古い前記ストアされた値を加算し、また最新の前記ストアされた値を減算することを特徴とする請求項１２に記載の水分センサ。
【請求項１４】
前記バンドパスフィルタが、前記加算出力値を所定の数で割るための前記マイクロコンピュータによって実現される除算要素を有することを特徴とする請求項１３に記載の水分センサ。
【請求項１５】
エミッタ及びディテクタを有する水分センサを用いて透明な材料表面に於ける水分を検出するための方法であって、
前記透明な材料上の水分によって影響される、前記透明な材料の表面で反射されるパルス状の信号がエミッタより放出される過程と、
前記反射されたパルス状の信号を検出し、パルス状のディテクタ出力信号を提供する過程と、
前記パルス状のディテクタ出力信号を増幅する過程と、
前記パルス状のディテクタ出力信号をフィルタリングする過程と、
変動ノイズ要素を有するｄｃ信号を提供するために前記パルス状のディテクタ出力信号を復調させる過程と、
変動するノイズ要素を取り除くために、dc信号をフィルタリングする過程であって、所定の数の前記dc信号値をストアし、所定の数のdc信号値を合計する過程とを有する事を特徴とするフィルタリング過程と、
前記フィルタリングされたdc信号とともに透明な材料上の前記水分の存在を検出する過程とを有する方法。
【請求項１６】
前記フィルタリングの過程がローパスフィルタリングを実現する事を特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記フィルタリングの過程が連続する８つのdc信号の値をストアする過程を有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記フィルタリングの過程が、前記ストアされた所定の連続する数のdc信号の値を加算する過程を有することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記フィルタリング過程が、ローパスフィルタリングされたdc信号を提供するために加算されたdc信号値を所定の数で割る過程を有することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記フィルタリングの過程が、ローパスフィルタリングされたdc信号を提供するために、加算されたdc信号の値を８で割る過程を有することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記フィルタリングの過程が、所定の連続する数のローパスフィルタリングされたdc信号をストアする過程を有することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記フィルタリングの過程が、連続する３２のローパスフィルタリングされたdc信号を有する事を特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記フィルタリングの過程が加算出力値を提供するために、前記ストアされローパスフィルタリングされた信号の第１の部分を加算し、前記ストアされローパスフィルタリングされた信号の第２の部分を減算する過程とを有する事を特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記フィルタリングの過程が加算出力値を提供するために、最も古い前記ストアされローパスフィルタリングされた信号を加算し、また最新の前記ストアされローパスフィルタリングされた信号を減算する過程とを有する事を特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記フィルタリングの過程が、前記加算出力値を所定の数で割る過程とを有する事を特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記フィルタリングの過程が、前記加算出力値を４で割る過程とを有する請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は透明な材料表面上の水分を検出するための光学的水分センサに関し、更に詳しくは不必要な信号要素の影響を減少させるための水分センサデジタル信号プロセッシングフィルタリングに関する。
【０００２】
（背景技術）
ガラス若しくはプレキシグラスのような透明な物質表面での水分の集積は、該物質を介した人間の視界を妨げる。自動車には、フロントガラスの外部表面、少なくとも運転者の視界範囲、また一般的にはより広範囲に渡り、フロントガラスを介した運転者の視界を広げるように、水分を取り去る目的で電動のフロントガラスワイパーが長い間装備されてきた。
【０００３】
今日の殆どの乗り物に於いて、フロントガラスワイパーシステムは多重位置（multi-position）スイッチ若しくは可変速スイッチを有する。可変速スイッチは、もし際限なく変化しなくとも、運転者に対して状況に応じた広い範囲のスピードを選択させうる。ワイパーの制御装置は手動で操作され典型的には遅延機能を有する。それによってワイパーは選択された時間の遅延間隔で断続的に動作する。
【０００４】
水分が窓の表面に付着するとき自動的にワイパーモータを活動化させるべく、車の窓の１つにマウントされた水分センサを含むワイパーコントロールシステムが近年開発されてきた。水分センサを有するワイパーコントロールシステムは、水分が取り除かれようとするリアウインド若しくはその他のガラス表面にマウントされても良いが、最も典型的にはフロントガラスにマウントされる。そのようなワイパー制御システムは、ドライビングの状況変化に応じてワイパーのスピードを調整する不自由さからドライバーを開放する。
【０００５】
ワイパーコントロールシステムは自動車が遭遇する水分状況の感知を目的とし、伝導性センサ、容量性センサ、圧電センサ、及び光学センサを含む複数の異なった技術を用いてきた。光学式センサは次の原理に従って動作する。即ち光のビームがフロントガラスの外部表面に於ける水分の存在によってその通常の経路より錯乱され変更されるという原理である。光学センサを採用するシステムは、次の特異的な利点を有する。即ち光路上の障害を感知する手段が、ドライバーによって観測される現象と直接的に関係しているということである。（即ち、ドライバーの視界に影響を与える光路上の障害）McCumber等は、窓ガラスの外部表面の水の被着の存在に応じてワイパーブレードの掃き取り（sweep）を開始させる光学水分センサに関して明らかにしている（米国特許番号第4,620,141号）。
【０００６】
光学水分センサに於いて、エミッタより得られるパルス状の光の信号は、フロントガラスへと向けられ、またフロントガラスの外側表面で反射し、ディテクタへと戻る。フロントガラス表面上に於ける水分の存在が、フロントガラスの外部表面に於けるパルス状の光の信号の反射に影響を与え、結果としてより低い振幅の反射信号となる。ディテクタは反射されたパルス状の信号をレシーブ（receive）し、反射されたエミッタ信号の振幅に於ける変化を示す出力信号を提供する。ディテクタ出力信号はまた、周辺光、電磁妨害、及びディテクタによって生成されるホワイトノイズのようなその他の不必要な信号もまた含む。それら不必要な信号の成分は、正確な水分の読み取りが達成され得る前にディテクタ出力信号より取り除かれるべきである。
【０００７】
パルス状のディテクタ信号から不必要な信号要素を取り除くためのフィルタの使用については既知である。Schierbeek等は、米国特許第4,916,374号に於いて、光電池が電流-電圧増幅器、ハイパスフィルタ、更に電圧増幅器へと接続され、サンプルアンドホールド（sample and hold）を用いて連続的に変調され得ることを明らかにしている。米国特許第4,916,374号のフィルタ及び増幅器はこのようにプリ復調回路であって、前記回路は復調器が感知された水分によって影響を受けたdc信号へと変換させる前にパルス状の信号で作用するものである。米国特許第4,956,591号に於いて、Schierbeek等は、DCバイアスを取り除くためのフィルタ及び復調前に設けられた増幅を用いる。
【０００８】
しかし広周波数帯域のプリ復調ゲインの使用は、広域帯の不必要なノイズ、特にフォトダイオードに於ける電子若しくは正孔のランダムな再結合によって生じるホワイトノイズの振幅を増加させる。そのようなノイズは装置に内在する。水分の事象に対する改善された感度のため、信号強度を増加させるべく広周波数帯域のプリ復調ゲインを用いることが望ましい。そのようなゲインがなければ、センサは小さな水分の液滴の影響に対して反応し得ない。広周波数帯域プリ復調ゲインは、しかし望ましい信号と共に不必要なノイズも増幅してしまう。それ故前記センサが水分の小さな液滴に対しても反応し得るように、復調の後に水分ディテクタ信号に於ける不必要なノイズを取り除くことが望ましい。
【０００９】
（発明の開示）
透明な物質表面で水分を感知する水分センサであって、水分センサは透明な材料の前記表面に於ける水分の存在によって影響を受けるエミッタ信号を生成するための一つ若しくは複数のエミッタと、前記エミッタ信号をレシーブする一つ若しくは複数のディテクタとを有する。ディテクタはディテクタ出力信号を生成し、前記信号は周辺光及びEMI等からのノイズを有するいくつかの不必要な信号要素を取り除くべく、プリ復調ゲイン及びフィルタリング回路に於いてフィルタリングされ増幅される。復調回路は水分の存在を示すためにｄｃ信号を作り出す。
【００１０】
本発明は、プリ復調ゲイン回路によって生じた大量のノイズの存在中の、水分事象による小さな信号の変化を識別するために水分信号が変調された後の、広範囲のデジタル信号プロセッシングフィルタリングに関する。ＤＳＰフィルタリングは、８要素のファーストインファーストアウトシフトレジスタ、加算要素、及び除算要素を用いてマイクロコンピュータにより実現されたローパスフィルタステージを有する。フィルタの出力は８つの先の入力値の平均を取る。結果として、変調水分信号中のホワイトノイズは、８の因子によって減衰させられる。ＤＳＰフィルタリングは、更に３２要素のファーストインファーストアウトシフトレジスタ、加算要素、及び除算要素を用いてマイクロコンピュータにより実現されたバンドパスフィルタステージを有する。バンドパスフィルタは、非常に低い周波数障害は勿論のこと、更に信号中のホワイトノイズを減少させる。
【００１１】
（発明を実施するための最良の形態）
付属の図面で示され、それに続く明細書に言及された特殊な装置及び過程が、付随する請求項によって定義される発明概念の簡潔な実施例であることがご理解頂けることと思う。これより、特定の寸法や物理的な特徴は本発明を限定するものではないが、特に請求項で限定しない場合は発明を限定すると考えられるべきではない。
【００１２】
ここで図１を参照し、オプトエレクトロニクス水分センサが１０で示されている。水分センサは、カップラー１２、電子部品１６をマウントするための回路ボード１４、及び前記回路ボード１４を内部に収容するためにカップラー１２に取り付け可能であるセンサハウジング１８を有する。
【００１３】
カップラー１２は、反対側の透明な材料の第二の表面に付着した水分２２の光学的な検出のために、透明な材料２０の第一の表面に対して固定される。透明な材料２０は、水分センサが水分を検出するために、プリキシガラス、プラスチック、若しくはその他の透明な透明な材料上で用いられ得るが、好適には自動車のフロントガラス若しくは凍結器のドアのようなガラスである。
【００１４】
カップラー１２は、カップラーより延出するコリメートボディ２６を有するコリメータ２４を含み、コリメートレンズ２８はコリメートボディに近接して配置される。コリメートレンズ２８は、ガラス２０の内部表面に対して４５度の角度で、コリメートボディ２６を介して延びる光軸３０を有する。カップラー１２は更にカップラーより延出する焦点合わせボディ３４を有する焦点合わせ３２を含み、焦点レンズ３６は焦点合わせボディに近接して配置される。焦点レンズ３６は、ガラスの内部表面に対して４５度の角度で、焦点合わせボディ３４を介し延びる光軸３８を有する。
【００１５】
オプトエレクトロニクス信号エミッタ４０は、４２に示される信号を放射するためにコリメータ２４に近接し回路ボード１４上に配置される。信号エミッタ４０は、その他の適切な信号エミッタが用いられるかもしれないが、好適には赤外光放射ダイオードである。放射された信号４２は、他の適切な信号が用いられるかもしれないが、好適には赤外光である赤外線照射信号である。ディテクタ４４は、他の適切なディテクタがエミッタ信号４２をレシーブするために用いられ得るかもしれないが、好適にはフォトダイオードである。
【００１６】
水分センサの動作中に於いて、エミッタ４０はコリメータ２６のコリメートレンズ２８へと向かう赤外線信号４２を放射する。放射信号４２は、光軸３０に沿ってガラスの内部表面に対して４５度の角度でガラス２０へと向かう平行ビームへとコリメートされる。平行信号４２は、水分の存在が検出され得るセンサ領域２３に於いてガラス２０の外部表面に達する。平行信号４２若しくは前記信号の少なくとも一部分は、その時ガラスに対して４５度の角度で反射され、ガラス２０を介し焦点合わせボディ３４へと向かう。焦点レンズ２８は反射された信号４２をディテクタ４４上で集束させる。
【００１７】
水分２２がフロントガラス上の前記センサ領域２３に集積した場合、平行ビームの一部が焦点合わせボディ３４へ反射されず、またディテクタ４４が検出されたより少量の光の代わりとなる信号を提供し得る。水分センサ回路１６はディテクタ信号をレシーブし、また水分の存在による信号に於ける変化を翻訳し、またそれによってワイパーをコントロールする。
【００１８】
水分センサの光学的部分の動作及びワイパーコントロールシステムに伴うインタフェースに関連する追加的な詳細は、次の米国特許番号第4,620,141号、第5,059,877号、第5,239,244号、及び第5,568,027号、また米国出願番号08/951,922（1997.10.16）より得られてもよい。本出願の目的のために必要な記述及び説明を完全な物にするのに詳細が必要とされる程度に、これらは引用によって本出願の一部とする。上述の水分センサがオプトエレクトロニクス水分センサであるので、どのような適切な水分センサも、ディテクタによってレシーブされる放射信号が透明な物質の表面に於ける水分の存在を検出するために用いられ得る。
【００１９】
ここで図２を参照し、水分センサ１０のブロック図が示される。水分センサの好適な実施例は上述するように水分を検出する目的で一対のディテクタ４４と接続された一対のエミッタ４０を有する。エミッタドライバ５６は、エミッタ信号４２の振幅若しくは強度を決定する量の電力（power）をエミッタへ提供するべくエミッタ４０へと接続される。定期的に繰り返されるゲート信号パルス５７が下に示されるようにエミッタドライバ５６へ提供される。
【００２０】
ディテクタ４４はエミッタ信号４２の少なくとも一部分をレシーブするためにエミッタ４０と接続され、またディテクタ信号（図示せず）を提供することでそれに応答する。好適な実施例に於いては、各ディテクタが上述したものと同様の規則で、各々のエミッタ４０よりエミッタ信号４２をレシーブし、透明な材料上で４つのセンサ領域２３を作り出すために光学的に接続されてもよい。しかし幾つかの適切な数のエミッタ４０及びディテクタ４４が、幾つかの必要なセンサ領域２３を作り出すことに用いられてもよい。
【００２１】
ディテクタ４４は、ディテクタ信号を混合しディテクタ出力信号５９を供給する共通のノード５８へと接続される。好適な実施例に於いては、双方のフォトダイオードディテクタ４４は、それらが提供するディテクタ信号が反対の振幅を有し、またディテクタ出力信号５９を生成するべくそれらが混合された時キャンセルする傾向にあるバランスの保たれた構成で接続される。バランスの保たれた構成は、水分に対する或る程度の追加的な感度、及び改善されたダイナミックレンズを提供する。バランスの取れた構成は、また双方のエミッタ信号４２に於いて共通の周辺光の影響をキャンセルする傾向にあり、それによって周辺光に対する多少のイミュニティーを提供する。しかし、ディテクタ出力信号５９は周辺光及び電磁気的障害によって発生した不必要な信号要素を幾らか含んでいる。
【００２２】
ここでは図３を参照し、エミッタドライバ５６によって開放された周期的に繰り返されるパルスゲート信号５７が示されている。ゲート信号パルス５７は好適には５０マイクロ秒の持続時間を有し、また１２００Ｈｚの周波数で繰り返されるが、その他の適切な持続時間及び周波数が用いられてもよい。エミッタドライバ５６は、好適にはエミッタ４０に対して電流のパルスを供給することによって各ゲート信号パルス５７に応答する電流源である。エミッタ４０は、４２で示されたパルス状のエミッタ信号を提供することにより各々の電流パルスに応答する。
【００２３】
ディテクタ４４は、それらがレシーブする反射されたエミッタ信号４２の強さに比例した量の電流が流れることを許可する。ディテクタの電流（図示せず）は、５９で示されるディテクタ出力信号を供給するためにノード５８で混合される。好適な実施例に於いて、ディテクタ出力信号５９は複数の繰り返し信号間隔Ｉのパルス状の電流信号である。各々の信号間隔Ｉは上述された１２００Ｈｚのゲート信号パルス周波数に基づいておよそ８３３マイクロ秒の持続時間を有する。しかしその他の持続時間が用いられてもよい。各信号間隔Ｉは、ディテクタに障害を与える周辺光の影響は勿論、ディテクタ４４によってレシーブされる反射されたエミッタ信号４２に関する信号情報も含む水分感知信号部分Mを有する。各信号間隔Ｉはまた、エミッタが動作しない場合の、周辺光の影響を有する光の信号部分Ｌを含む。各水分感知信号部Ｍの持続時間は、好適にはゲート信号パルス５７の持続時間に相当する５０マイクロ秒である。
【００２４】
ここで再び図２を参照する。ディテクタ出力信号５９は、必要としない信号要素を取り除くために、高いゲインを有し幅広いバンド長を有するプリ復調増幅器及びフィルタ回路６０の入力６０ａへと接続される。プリ復調増幅器及びフィルタ回路６０は、ディテクタ出力信号５９の低周波数の信号要素を拒否することによって周辺光の障害の影響を減少させるハイパスフィルタリング６１を有する。ハイパスフィルタ６１は、ディテクタ出力信号５９の水分感知部分Ｍの大部分が通過する時、低周波数の障害を鋭く減衰させる１６０Ｈｚのコーナー周波数を有する５番目のフィルタであってもよい。しかし、適切なコーナー周波数を有する、適切な順番の幾つかのハイパスフィルタが用いられてもよい。
【００２５】
プリ復調増幅器及びフィルタ回路６０はまた、フォトダイオード４４に於ける電子や正孔の電磁気的影響及びランダムな再結合のような高い周波数ノイズを拒否するためにローパスフィルタリング６２を有する。ローパスフィルタ６２は、現在のディテクタ出力信号５９のエネルギーの大部分が通過する時、高周波数の障害を減衰させるために、３３ＫＨｚのコーナー周波数を有する２番目のフィルタであってもよい。しかし幾つかの適切なコーナー周波数を有する適切な番号のローパスフィルタが用いられてもよい。プリ復調ゲイン及びフィルタリング回路６０の好適な実施例は、５番目のハイパスフィルタ６１及び２番目のローパスフィルタを成し遂げるべく、２つのバンドパスフィルタ及び３つのハイパスフィルタ（図示せず）を有する多段式のフィルタを用いる。しかし幾つかの適切なフィルタの組合せも用いられ得る。操作可能な増幅器、レジスタ及びコンデンサ（図示せず）は、フィルタ６１及び６２を形成するべく既知の手段を用いて構成される。
【００２６】
プリ復調増幅及びフィルタ回路６０はまた、ディテクタ出力信号５９を増幅させるためのゲインステージ６３を有する。増幅器６３は、好適には既知の手段でバンドパスフィルタの１つへ取り入れられたトランスインピーダンス増幅回路であってよく、しかしその他の既知の信号増幅器も用いられ得る。
【００２７】
プリ復調回路６０は、図３に示すようにパルス状のディテクタ出力電流信号５９を、フィルタされ増幅されたパルス状のプリ復調電圧信号６４へと変換する。プリ復調信号６４は、プリ復調回路の出力６０ｂよりマイクロコンピュータ６５へと送られる。マイクロコンピュータ６５は、好適にはMicrochip Corporation製の製造番号PIC12C672の８ピン装置（8-pin device）であるが、他の好適なマイクロコンピュータが用いられてもよい。
【００２８】
マイクロコンピュータ６５は、アナログ−デジタルコンバータ６６を有し、前記コンバータはアナログプリ復調電圧パルス６４をマイクロプロセッサ６５によって更にプロセッシングするためにデジタル形態へと変換する。このアナログ−デジタルコンバータ６６は、好適には約２０ｍＶの感度限界を有する８ビットのコンバータであればよく、しかしその他の適切な感度限界を有するアナログ−デジタルコンバータが用いられてもよい。
【００２９】
デジタル信号はその時、センサによって検出された水分を表す振幅を有するｄｃ電圧信号６９を形成する目的でパルス状の信号を復調させる復調ステージ６８に於いて復調される。コンピュータに於けるソフトウェアは迅速なサクセッション内で感知された信号を二回サンプリングする。そのうち一回は、水分感知信号及び付随する周辺光の障害が存在する場合の信号間隔Ｉの水分感知部分Ｍに於けるサンプリングであり、もう一回は周辺光のみが存在する場合の信号間隔Ｉの光信号部分Ｌに於けるサンプリングである。周辺光の障害の影響は、タイムシフトされた線微分増幅のソフトウェア的な実現を介して直線的に減少される。それは、米国特許第5,059,877号に於いてTederによってもたらされ、ここに言及したことで本出願の一部とされたい。
【００３０】
復調ステージ６８の出力は、デジタル信号プロセッシング（DSP）フィルタステージ７０の入力７０ａに接続されている。DSPフィルタステージ７０は、ロータスフィルタ７２及びバンドパスフィルタ７４を含む。DSPステージ出力７０ｂは事象検出ソフトウェアを用いる水分事象検出ステージ７６へと接続される。前記ソフトウェアは、好適にはガラス表面上の水分の存在を示す７８の出力信号を供給するために、Tederによって米国特許第5,568,027号で言及されており、ここで言及したことで本明細書の一部とされたい。
【００３１】
水分事象検出ステージ７６の出力７８は水分除去コントローラ８０へと接続され、それは自動車のワイパー制御ユニットであってもよい。自動車のワイパー制御ユニットは水分事象検出信号を用いることで、ガラス表面の水分の存在に応じてフロントガラスのワイパーを制御するマイクロコンピュータを有する。
【００３２】
プリ復調ステージの高いプリ復調ゲイン及び広周波数帯域のフィルタリングは、信号中に大量の広域帯ホワイトノイズを生成する。殆どのノイズは、フォトダイオードに於ける電子及び正孔のランダムな再結合によってもたらされる。その様なノイズは装置中に於いて固有である。その他の水分センサのフォトダイオードも、また広域帯のノイズを生成するが、それらの水分センサは広域帯ハイゲイン増幅器を有していない。プリ復調ステージを通過するノイズの量は、システムの帯域幅と直接的に比例する。従来技術のシステムに於ける帯域幅が低いので、前記システムのホワイトノイズの含有率は非常に低い。
【００３３】
対照的に、本発明は数百KHzの帯域幅を増幅させ、有用な水分信号情報をもたらすようなパルス状の信号の高調波を通過させる。このことはフォトダイオードよりもたらされる大量のホワイトノイズも同様に増幅させる。ノイズのピークの変化が最小の雨滴が検出される影響よりもその振幅に於いてより高いので、結果的なノイズのレベルは極めて著しい。本発明はポスト変調DSPフィルタリング技術を用いて、ノイズ以外の感知された雨の信号を抽出することを可能とする。
【００３４】
ここで図４を参照し、マイクロコンピュータ６５によって実行されるDSPフィルタステージ７０のアルゴリズムを表すブロック図が示される。ローパスフィルタセクション７２は本技術分野中に於いて知られているマイクロコンピュータ６５に於けるファーストインファーストアウト（以下FIFOと示す）シフトレジスタ８２を用いて実行される。シフトレジスタ８２はREG L0〜REG L7で標識（labeled）される８つのレジスタを有する。第一のレジスタREG L0はプリ復調ステージ６８の出力をレシーブするために接続されている。LPFステージ７２はまた８つのレジスタL0〜L7に含まれる値を加算するために、本技術分野中に於いて知られたマイクロコンピュータ６５の中に加算要素８４を有する。加算要素８４の出力はマイクロコンピュータ６５によって実行される既知の除算要素８６へ接続されている。それは合計を８で割り、それによってLPFの出力値を生成する。
【００３５】
LPFステージ７２の出力はBPFステージ７４の入力へと接続される。BPFフィルタステージ７４はマイクロコンピュータ６５の内部にFIFOシフトレジスタ８８を有する。BPFシフトレジスタはREG B0〜REG B31に渡って標識される３２個のレジスタを含んでいる。第一のレジスタREG B0はLPFステージ７２の出力値をレシーブするために接続されている。BPFステージ７４はまた以下に述べるように３２のレジスタB0〜B31に含まれる値を加算するために、本技術分野中に於いて知られたマイクロコンピュータ６５によって実行される加算要素９０を有する。加算要素９０の出力は、合計を４で割るマイクロコンピュータ６５内部の既知の除算要素９２へ接続され、BPFの出力値を生成する。
【００３６】
DSPフィルタステージ７０の動作がここに言及される。マイクロコンピュータは、好適には上述するように１２００Hzのゲートパルスに相当するクロック信号を繰り返して、動作する。１２００Hzのクロック信号は典型的なプログラム命令サイクル定め、好適には上述された信号間隔Iのように約８３３マイクロ秒の同様の持続時間を有する。しかしその他の好適な命令サイクル時間が用いられてもよい。
【００３７】
各命令サイクルに一回復調されたdc出力信号を表すデジタルの値は、LPFシフトレジスタ８２の第一のレジスタL0へと向かう入力である。レジスタL0〜L7の先の信号値は、各命令サイクルに一回次の逐次的なレジスタへとシフトされる。例えば、第一のレジスタL0にストアされた先の復調信号値は、第二のレジスタREG L1へロードされ、第二の値は第三のレジスタREG L2へとロードされこれが繰り返され、最終のレジスタREG L7の値は捨てられる。
【００３８】
これら８つのLPF FIFOレジスタL0〜L7の全ての値は既知の方法に於いて加算要素８４によって加算される。加算された値はその時除算要素８６へと採用され、除算要素はその合計を８で割り、LPF７２の出力を生成する。LPF７２の出力はnの命令サイクルごとに一度だけ用いられ、ここでnはLPFシフトレジスタで用いられるレジスタの数と等しい。好適な実施例に於いて、加算要素８４及び除算要素８６は、LPF出力が８つの命令サイクルごとにのみ用いられるので、８つの命令サイクルごとに一回実行されることのみが要求される。しかし加算要素８４及び除算要素８６は、必要ならば各プログラムサイクルで実現されてもよい。
【００３９】
このように構成されているので、LPFは復調水分信号の先の８つのサンプルの平均を進める。平均化は復調信号に於ける迅速な増減を取り除く普通の（natural）効果を有しており、それによって広周波数を取り除きローパスフィルタを形成する。
【００４０】
各８つの命令サイクルに一回、LPF出力がBPF B0の第一のレジスタへと適用される。各々のレジスタB0〜B31はまた、全ての８つのプログラムサイクルに一回シフトされ、最新のLPF出力値をレシーブするために第一のレジスタに於いてメモリ空間を設ける。加算要素９０は、レジスタB16〜B31に含まれる最も古い１６のサンプルを合計し、B0〜B15に含まれる最新の１６のサンプルを引く。BPFは最も古いサンプルの平均を取り、より最新のサンプルの平均を引くと言っても良い。LPFのケースの場合と同様に、信号の迅速な変化の影響が減少し、それ故第二のローパスフィルタが実現される。
【００４１】
またBPFに対する定常状態の値の入力は、古い定常状態の値の平均が最新の定常状態の値の平均と等しいので完全にキャンセルされ得る。類似の方法で、極低周波数の信号のゆらぎ（fluctuations）が減衰され得る。このように、BPFブロックは高周波数および低周波数の両方を拒絶する傾向にあり、規定のバンドパスフィルタとして作用する。
【００４２】
BPF除算要素９２ブロックは、加算ブロックの出力を４で割る。１６のサンプルがポジティブな合計及びネガティブな合計に依存する平均計算に影響されるので、除算要素は効果的にBPFステージのゲインを４倍に増加させる。このソフトウェアゲインは量子化問題を伴うことなく、必要とする信号のレベルを増加させ、必要とする信号をノイズフロアより取り出すことを助ける。
【００４３】
各FIFOの各レジスタは、シングルの８ビットワードであることのみを必要とする。唯一中間の合計のみが、１６ビットの量として保存される必要がある。最終的な除算ブロック９２の後に、結果は再び８ビットとなる。
【００４４】
図５に、DSPフィルタリングの効果を示したグラフが表される。前記グラフの上部の線は、復調ステージ６８によって提供されたシグナル９４を表したものである。復調信号９４は、プラスマイナス１０カウントの間で変化するランダムに分散するノイズ要素を含む。時刻T1において、グラフ中へ１００のサンプルが存在し、8カウントのステップ関数（step function）が信号９４に導入される。ステップ反応は、センサ領域２３の一つに落ちてくる極めて小さな雨滴から結果として生じる水分事象と比較できる。ステップ関数は、プラスマイナス１０カウントのノイズと比較して、より高い強度を有するノイズの存在によって識別することが困難である。そのような条件下で、水分事象の存在を識別するための単一のしきい値レベルを選択することは容易ではない。
【００４５】
グラフの第２の線が、ローパスフィルタ７２の出力信号を表している。８つのサンプルの進行中の平均が、復調信号９４における高周波数の影響をかなり減少させる。ノイズによって多少のばらつきがあるものの、ステップ関数の存在がより容易な存在となっている。グラフにおける第３の線は、BPF７４の出力信号９８を表すものである。各３２個のサンプルの付加的な平均化は、ノイズの影響をさらに扱いやすいレベルへと減少させる。フィルタの低周波数を拒絶する性質が、ステップファンクションを三角形の形を有するパルスへと変換させる。ソフトウェアゲインは、前記ステップ関数の振幅を増加させてきた。結果として、水分事象の影響がはっきりと識別できる。単純なしきい値検出は、雨滴の存在を検出するためのBPF出力において使用されても良い。
【００４６】
図面の考察において、DSPアルゴリズムの効果が極めて明らかで有ることがわかる。元となる信号中では、人間が信号を吟味し雨の事象の存在を見ることは困難である。DSPの後、雨滴の効果が明らかとなり、またノイズは完全に扱い易くなる。DSPが信号を効果的に識別する理由は、それが出力される全てのポイントにおける２５６の入力データポイントの影響であると考えられるからである。エミッタよりもたらされるどんなシングルパルスも、光路の後のノイズ、フォトダイオードのノイズや、太陽光の影響や、ゲインステージにおけるノイズの存在によって失われうる。しかし、２５６のポイントよりの情報を混合することによって、求める信号は明瞭となる。DSPアルゴリズムの他より優れたパフォーマンスのためのその他の理由は、それがそのように高いオーダーにあるということである。DSPアルゴリズムは、事実上４０番目のフィルタである。そのようなフィルタは、従来のアナログ技術を用いる完全に非実用的なもので有るかもしれない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるフロントガラス内部表面にマウントされた水分センサの透視図である。
【図２】  本発明によるプリ復調ゲイン及びフィルタリング、またポスト復調デジタル信号プロセッシングフィルタリングを有する図１に示した水分センサのブロック図である。
【図３】  図２に示した水分センサの水分センサ信号を示したグラフである。
【図４】  本発明によるマイクロコンピュータによって実現されたデジタル信号プロセッシングフィルタリングのブロック図である。
【図５】  本発明によるデジタル信号プロセッシングフィルタリングの効果を示した水分センサ信号のグラフである。
【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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