JP6363602B2 - 反射物質センサ - Google Patents

Description

本発明は、反射物質センサに、およびより詳細には反射物質を感知するセンサに、関する。

降水センサは、水の存在をその蒸気、液体および固体の形態で判定するが、センサは、大抵物質に浸漬される。非浸漬検出は、重要な課題である。非浸漬センサの１つの例は、Ｂｏｓｃｈ（登録商標）自動車のフロントガラス用ワイパーの制御に使用される雨センサ（光センサ 米国特許第６，３７６，８２４号 ミヒェンフェルダーら）である。このセンサは、水が外側ガラス表面にある時に、反射された光ビームの屈折の変化に依存する。しかしながら、それは、ガラスに隣接する雪を溶かすほどにガラスが加熱可能でない限り、雪に対する感度に乏しい。これは、自動車の乗員を非常に不快にせずに容易に行うのは難しく、また最初は、寒い環境で、センサが関与する許容基準に加熱が達するまで、全く動作しないであろう。

我々は、屈折よりむしろ反射の技術を使用する、雪、みぞれ、霜、氷または凍雨などの冬季降水の存在を判別するのに非常に良く適しているような、センサを発明した。ＬＥＤなどの放射源は、放射センサに戻る表面反射を引き起こさない角度で、ガラスなどの透明材料を通して放射するように方向づけられる。冬季降水などの反射物質が、透明材料表面上にある時、放射センサは、放射の反射を感知し、放射センサは、例えば、放射源に隣り合う、フォトトランジスタ、フォトダイオードまたは光依存性レジスタであるが、これに限らない。

それに応じて、反射物質を感知するセンサが提供され、センサは、
透明窓を有するハウジング；
ハウジングに位置し、ハウジング壁から離れるように角度が付けられた、センサ搭載部；
放射エミッタであって、センサ搭載部に搭載され、第１軸に沿って透明窓を通じて放射を放出し、透明窓は、その表面に位置するある量の反射物質を有する、放射エミッタ；および
放射ディテクタであって、センサ搭載部に搭載され、放射エミッタに隣り合って位置し、第２軸に沿って反射物質から反射された放射を受けるように位置し、第１軸は、第２軸に向かって角度が付けられる、放射ディテクタ
を備える。

１つの例では、センサは、放射ディテクタの両側にそれぞれ位置する２つの放射エミッタを含み、２つの放射エミッタは、放射を、それぞれの第１軸に沿って、透明窓を通過し、透明窓の外表面上の共通の焦点に向かって、放出するように搭載される。センサ搭載部は、２つの相隔たる空洞を含み、２つの相隔たる空洞は、各第１軸に沿って整合され、放射エミッタが位置し、別の空洞は、第２軸に沿って整合され、放射ディテクタが位置する。

１つの例では、センサ搭載部は、ハウジング壁とハウジングフロアとの間の接合部に位置し、センサ搭載部が、ハウジング壁から離れる方向に角度が付けられるようになっている。

別の例では、バッフルが、ハウジング壁からハウジングに広がる。別の例では、温度センサが、透明窓の下面に位置する。

さらに別の例では、バッフル壁が、ハウジング壁からハウジングに広がり、温度センサが、透明窓の下面に位置する。

１つの例では、放射エミッタは、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。

１つの例では、放射センサは、反射された放射を検出するように放射エミッタに隣り合って位置するフォトダイオードまたはフォトトランジスタである。

別の例では、放射エミッタは、放射が、放射ディテクタに戻る表面反射を引き起こさない角度で、放射窓を通じて放出されるように、配置される。コントローラは、ハウジングに位置し、可変抵抗器、放射ディテクタ、放射エミッタおよび温度センサに接続される。コントローラは、ハウジングに位置し、固定抵抗器、放射ディテクタ、放射エミッタおよび温度センサに接続される。

１つの例では、放射ディテクタは集積回路であり、集積回路は、反射された放射を検出するように放射エミッタに隣り合って位置する、フォトトランジスタ、フォトダイオードまたは光依存性レジスタを有する。

別の例では、反射物質は、冬季降水である。冬季降水は、雪、みぞれ、霜、氷または凍雨である。

１つの例では、反射物質は、非冬季降水である。非冬季降水は、反射液体、汚れ、または液体中に分散している粒子状物質である。

１つの例では、センサは、トラック、自動車、モーターバイク、ＲＶ車、列車、またはボートを含む動力輸送手段用に搭載される。

別の例では、センサは、ソーラーパネルおよびトラフリフレクタ用に搭載される。

さらに別の例では、センサは、歩道、私設車道、通路、道路、屋根、またはインフラプロジェクト用に搭載される。

別の例では、センサは、温室、アトリウム、窓、フリーザーガラスドア、天窓と共に使用するために、飛行機、ヘリコプター、フードサービス、フリーザー／冷蔵庫、宇宙船、建物で使用するために、草地およびガーデンメンテナンスなどの修景、作物のために、または、気象判定、気候、生態系保存のために、または、医療的用途および組織および細胞の保管、殺菌のために、または、食品の調製および保存、および同類のもののために、搭載される。

別の例では、センサは、敷板、壁または屋根板を含む建築材料用にソーラー用途で使用される。

発見が容易に理解され得るように、実施形態は、例として添付の図で示される。

図１Ａはセンサの上面図を示し、図１Ｂは放出された放射および反射された放射を表したセンサの側面図を示す。 センサの分解図を示す。 センサの視野を示す。 センサの１つの例のセンサ部品間の通信の図表示である。 センサの代替的な例のセンサ部品間の通信の図表示である。

装置のさらなる詳細およびその利点は、下記に記載されている詳細な説明から明らかになる。

図１Ａ，１Ｂおよび２を参照すると、全体的に１０で示された反射物質１２を感知するセンサがある。１つの例では、反射物質は、例えば、雪、霜、氷または凍雨などの、冬季降水である。別の例では、反射物質は、反射液体、汚れ、液体中に分散している粒子状物質などの、非冬季降水である。概して、センサ１０は、ハウジング１４と、センサ搭載部１６と、２つの放射エミッタ（放射源）１８，２０と、放射ディテクタ（放射センサ）２２と、を含む。ハウジング１４は、透明窓２４を有し、透明窓２４は、上面２６および下面２８を有し、下面２８は、ハウジング１４の内部に向けて配置される。透明窓２４は、その表面に位置する積もった反射物質１２の量を有する。センサ搭載部１６は、ハウジング１４に位置し、ハウジング壁３０から離れるように角度が付けられる。放射エミッタ１８，２０は、センサ搭載部１６に搭載される。放射エミッタ１８，２０は、それぞれ第１軸３２，３４を有する。放射は、放射エミッタ１８，２０からそれらの各軸３２，３４に沿って、透明窓２４に向かっておよびを通過して、それが反射物質１２に当たるまで、放出される。放射ディテクタ２２は、センサ搭載部１６に、放射エミッタ１８，２０に隣り合っておよび放射エミッタ１８，２０の間に、搭載される。放射ディテクタ２２は、第２軸３６に沿って、透明窓２４に位置する反射物質１２で反射して戻る放射を受けるように位置する。放射エミッタ１８，２０の第１軸３２，３４は、両方とも第２軸３６に向かって角度が付けられる。２つの放射エミッタ１８，２０は、放射を透明窓２４の上面２６の共通の焦点３８に向かって、それらの放射が上または下透明窓面から放射ディテクタ２２に鏡面反射しないように、法線からずらして、放出する。また、法線からのずれは、全ての放射を、反射してハウジング１４に戻るようにさせるほど、大きくない。放射ディテクタ２２は、透明窓の上面の放射エミッタ共通焦点３８に向けられる。

図３を少し参照すると、放射エミッタ１８および２０ならびに放射ディテクタ２２は、領域３７にわたって降水を感知するのに有用な放射および検出の重複フィールドを有する。

なおも図１Ａ，１Ｂおよび２を参照し、センサ搭載部１６は、２つの間隔を置いた空洞４０，４２を含み、空洞４０，４２は、両方ともそれらの各自の第１軸３２，３４に沿ってそろえられ、放射エミッタ１８，２０が位置する。別の空洞４４は、第２軸３６に沿ってそろえられ、放射ディテクタ２２が位置する。

図１Ｂに最も良く示されるように、センサ搭載部１６は、ハウジング壁３０とハウジングフロア４６との間の接合部４５に位置し、センサ搭載部１６がハウジング壁３０から離れる方向に角度が付けられるようになっている。

なおも図１Ｂを参照し、放射バッフル壁４８が、ハウジング壁３０からハウジング１４に広がる。バッフル壁４８が、日光などの外部放射源を放射ディテクタ２２から遮断するのに使用されてもよい。温度センサ５０は、透明窓２４の下面２８に、放射ディテクタ２２の視野外で、位置し、それは、センサに誤った反射をもたらさない。バッフル壁４８は、放射窓５２に対し境界を定めるのに適切な形状で構成可能であり、放射窓５２を、放射エミッタ１８，２０からの放射と、反射物質１２から反射して戻る放射との両方が通過する。

放射エミッタのそれぞれは、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。

放射エミッタ１８，２０は、放射窓２４を通って放出された放射が、放射ディテクタ２２に戻る表面反射を引き起こさない角度であるように、配置される。

今度は図１、図２および図４を参照し、典型的にマイクロプロセッサまたは同等の装置であるコントローラ５４は、可変抵抗５６または固定抵抗５６Ａ、放射ディテクタ２２、放射エミッタ１８，２０および温度センサ５０と通信し、反射物質感知機能を実現する。コントローラ５４は、ハウジング１４内に、または別の適切なハウジングに、位置してもよい。当業者には、他の装置および回路も、感知機能に組み込まれてよいことが分かり、他の装置および回路は、ケーブル、電圧源、グランド、信号バッファリング、ユーザ通信、コントローラプログラミング、および同類のものなどである。

今度は図４を参照し、放射センサ２２は、より高い放射レベルでより高い電流フローを許容する電流弁として動作する。放射信号５８は、基準電圧６０が可変抵抗５６そして放射ディテクタを通ることにより、生成される。放射が増加するにつれて、放射ディテクタ２２を通じた電流フローが増加し、可変抵抗５６における電圧降下を増加させる。広範な放射を可能にするために、コントローラ５４は、可変抵抗５６の値を変更し、使用可能な信号を生成する。環境放射範囲が小さい所での設置の場合、安価な固定抵抗５６Ａが使用されてもよく、それによって、コントローラ５４が抵抗５６Ａの値を変更する必要がなくなる。代替的に、放射センサ２２および固定であるが異なる値の抵抗５６Ａの１つより多くの複製が、感知放射範囲を広げるために使用されてもよい。

今度は図１、２および５を参照し、放射センサ２２は集積回路６２であり、集積回路６２はセンサを含み、センサは、フォトダイオード、フォトトランジスタまたは光依存性レジスタ、および、センサ出力を周波パルスなどのコントローラ５４対応の入力に自律的に変換する手段などである。

なおも図４または５を参照し、コントローラ５４は、感知機能を発揮するよう要求される時に、放射エミッタ１８，２０の１つまたは両方を作動させる。冬季降水と非冬季降水を区別するのを支援するために、コントローラ５４は温度センサ５０と通信し、冬季降水があり得るかどうかを判定する。

センサ１０は、直射日光から夜間まで、広範な環境放射において機能する。それは、冬季降水または低温降水を感知でき、例えば、温室、アトリウム、窓、フリーザーガラスドア、天窓で、飛行機、ヘリコプター、および、トラック、自動車、モーターバイク、ＲＶ車、列車、ボートなどを含む動力輸送手段で、フードサービス、フリーザー／冷蔵庫、宇宙船、建物、光起電性ソーラー（従来パネルおよび従来にないソーラー用途）、トラフリフレクタで、であり、草地およびガーデンメンテナンスなどの修景、作物のため、または、気象判定、気候、生態系保存のため、または、医療的用途および組織および細胞の保管、殺菌のため、または、食品の調製および保存、および同類のもののため、である。非冬季の状況で操作される時に、センサ１０は、これらのような表面上の汚れを検出してもよい。耐久性のある透明カバーがあれば、それは、歩道、私設車道、通路、道路、屋根、インフラプロジェクトおよび同類のものに取り付けられた場合にも、冬季降水を感知できる。センサ１０は、敷板、壁および屋根板などの建築材料用のソーラー用途で使用可能である。

センサ１０は、冬季降水を感知するのに使用可能であるが、それは、例えば、液体、沈殿物、汚染、気体の一部、懸濁物質、および同類のものなどの、他の反射物質を感知するのに容易に適用され、食品、化学製品、燃料、および同類のものの製造および流通プロセスに適用可能である。

動作
今度は図１および４を参照して、センサ１０の動作が説明される。冬季降水は、放射エミッタ１８，２０が「オフ」そして「オン」の時に、放射信号５８の変化を判定することにより感知される。まず、コントローラ５４は、温度センサ５０と通信することにより、冬季降水があり得るかどうかを判定する。冬季降水があり得るならば、それから、コントローラ５４は、最初に放射エミッタ１８，２０のスイッチをオンにせず、それから、放射信号５８が基準電圧６０の約９０％になるまで、可変抵抗５６を変更することにより、基準環境放射信号５８を決定する。コントローラ５４は、その結果得られる可変抵抗５６抵抗を内部格納データと比較することにより、基準環境放射を決定する。固定抵抗器５６Ａが使用されるならば、コントローラ５４は、放射信号５８を内部格納データと比較することにより、基準環境放射を決定する。

今度は図５を参照して、センサ１０の代替的な動作が今度は説明される。冬季降水は、放射エミッタ１８，２０が「オフ」そして「オン」の時に、放射信号５８の変化を判定することにより感知される。まず、コントローラ５４は、温度センサ５０と通信することにより、冬季降水があり得るかどうかを判定する。冬季降水があり得る場合、それから、コントローラ５４は、最初に放射エミッタ１８，２０のスイッチをオンにせず、それから放射ディテクタ６２と通信することにより、基準環境放射信号を決定する。

今度は図４および５を参照し、コントローラ５４は、それから、環境放射に応じて、放射エミッタの１つまたは両方をオンにする。高い環境放射では、両方の放射エミッタ１８，２０が、放射信号５８の十分な変化を達成するように要求されてもよい。コントローラ５４は、それから、放射信号５８の値が、透明窓２４の不純物と透明窓２４の生じ得る汚れとの複合効果以上に、環境放射信号の値から変化したら、冬季降水が存在すると判定する。コントローラ５４は、温度センサ５０と放射信号５８変化の組み合わせに基づいて、冬季降水の種類を判定してもよい。

他の物質を感知するのに非冬季降水モードで使用される場合、温度センサ５０は、省くことができる、または、冬季降水と積もった汚れなどの非冬季降水とを区別するのに使用できる。

上記の説明は、発明者により現在考えられた通りの特定の望ましい実施形態に関するが、当然のことながら、ＷＰＳは、その広い局面において、本明細書に記載された要素の機械的および機能的同等物を含む。

Claims (21)

1. 反射物質を感知するセンサであって、センサは、
   透明窓を有するハウジング；
   ハウジングに位置し、ハウジング壁から離れるように角度が付けられた、センサ搭載部；
   １つ以上の放射エミッタであって、センサ搭載部に搭載され、第１軸に沿って透明窓を通じて放射を放出し、透明窓は、その表面に位置するある量の反射物質を有する、放射エミッタ；および
   放射ディテクタであって、センサ搭載部に搭載され、１つ以上の放射エミッタに隣り合って位置し、反射物質のある量が存在するときに、第２軸に沿って反射物質から反射された放射を受けるように位置し、第１軸は、第２軸に向かって角度が付けられる、放射ディテクタ
   を備え、
   １つ以上の放射エミッタは、第１軸に沿って透明窓の表面に放射を放出し、透明窓の表面は、第３軸に沿った放射反射を生じさせ、第３軸は、第１軸および第２軸から離れる方向に角度が付けられ、
   １つより多い放射エミッタが、放射ディテクタの両側に位置し、それぞれの放射エミッタの各々の第１軸が、第２軸に向かって鋭角に角度が付けられ、１つ以上の放射エミッタは、放射を、各々の第１軸に沿って、透明窓を通じて、透明窓の外表面上の共通の焦点に向かって、放出するように搭載される、センサ。
2. 請求項１に記載のセンサであって、放射ディテクタの両側にそれぞれ位置する２つの放射エミッタを含み、２つの放射エミッタは、放射を、それぞれの第１軸に沿って、透明窓を通じて、透明窓の外表面上の共通の焦点に向かって、放出するように搭載される、センサ。
3. 請求項２に記載のセンサであって、センサ搭載部は、２つの相隔たる空洞を含み、２つの相隔たる空洞は、それぞれの第１軸に沿って整合され、放射エミッタが位置し、別の空洞は、第２軸に沿って整合され、放射ディテクタが位置する、センサ。
4. 請求項１に記載のセンサであって、センサ搭載部は、ハウジング壁とハウジングフロアとの間の接合部に位置し、センサ搭載部が、ハウジング壁から離れる方向に角度が付けられるようになっている、センサ。
5. 請求項１に記載のセンサであって、バッフルが、ハウジング壁からハウジングに広がる、センサ。
6. 請求項１に記載のセンサであって、温度センサが、透明窓の下面に位置する、センサ。
7. 請求項１に記載のセンサであって、バッフルが、ハウジング壁からハウジングに広がり、温度センサが、透明窓の下面に位置する、センサ。
8. 請求項１に記載のセンサであって、放射エミッタは、発光ダイオード（ＬＥＤ）である、センサ。
9. 請求項１に記載のセンサであって、放射ディテクタは、反射された放射を検出するように放射エミッタに隣り合って位置するフォトダイオードまたはフォトトランジスタである、センサ。
10. 請求項６に記載のセンサであって、コントローラは、ハウジングに位置し、可変抵抗器、放射ディテクタ、放射エミッタおよび温度センサに接続される、センサ。
11. 請求項６に記載のセンサであって、コントローラは、ハウジングに位置し、固定抵抗器、放射ディテクタ、放射エミッタおよび温度センサに接続される、センサ。
12. 請求項１に記載のセンサであって、放射ディテクタは集積回路であり、集積回路は、反射された放射を検出するように放射エミッタに隣り合って位置する、フォトトランジスタ、フォトダイオードまたは光依存性レジスタを有する、センサ。
13. 請求項１に記載のセンサであって、反射物質は、冬季降水である、センサ。
14. 請求項１３に記載のセンサであって、冬季降水は、雪、みぞれ、霜、氷または凍雨である、センサ。
15. 請求項１に記載のセンサであって、反射物質は、非冬季降水である、センサ。
16. 請求項１５に記載のセンサであって、非冬季降水は、反射液体、汚れ、または液体中に分散している粒子状物質である、センサ。
17. 請求項１に記載のセンサであって、トラック、自動車、モーターバイク、ＲＶ車、列車、またはボートを含む動力輸送手段用に搭載される、センサ。
18. 請求項１に記載のセンサであって、ソーラーパネルおよびトラフリフレクタ用に搭載される、センサ。
19. 請求項１に記載のセンサであって、歩道、私設車道、通路、道路、屋根、またはインフラプロジェクト用に搭載される、センサ。
20. 請求項１に記載のセンサであって、温室、アトリウム、窓、フリーザーガラスドア、天窓と共に使用するために、飛行機、ヘリコプター、フードサービス、フリーザー／冷蔵庫、宇宙船、建物で使用するために、草地およびガーデンメンテナンスなどの修景、作物のために、または、気象判定、気候、生態系保存のために、または、医療的用途および組織および細胞の保管、殺菌のために、または、食品の調製および保存のために、搭載される、センサ。
21. 請求項１に記載のセンサであって、敷板、壁または屋根板を含む建築材料用にソーラー用途で使用される、センサ。

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