状態検出装置
【課題】発光素子と受光素子を用いた雨滴検出装置において、外部光成分を効果的に低減して高精度に雨滴を検出できるとともに、安価な構成とする。
【解決手段】フォトダイオードＰＤ１１からの受光信号が電流ハイパスフィルタ回路２０、電流−電圧変換回路３０、電圧ハイパスフィルタ回路４０、ピークホールド回路５０、非反転増幅回路６０を経て雨滴情報を生成する制御部７０に入力される。電圧ハイパスフィルタ回路のオフセット部４１はフィルタリングにより発生するアンダーシュートがピークホールド回路に入力可能な最低入力電圧以上になるように受光信号をオフセットさせるので、アンダーシュートの入力を阻止するための高価なアナログスイッチが不要である。非反転増幅回路は出力バッファの機能も兼ねるので出力バッファも不要となる。電流ハイパスフィルタ回路により電流−電圧変換回路の変換効率が高く、高精度に検出ができる。
【解決手段】フォトダイオードＰＤ１１からの受光信号が電流ハイパスフィルタ回路２０、電流−電圧変換回路３０、電圧ハイパスフィルタ回路４０、ピークホールド回路５０、非反転増幅回路６０を経て雨滴情報を生成する制御部７０に入力される。電圧ハイパスフィルタ回路のオフセット部４１はフィルタリングにより発生するアンダーシュートがピークホールド回路に入力可能な最低入力電圧以上になるように受光信号をオフセットさせるので、アンダーシュートの入力を阻止するための高価なアナログスイッチが不要である。非反転増幅回路は出力バッファの機能も兼ねるので出力バッファも不要となる。電流ハイパスフィルタ回路により電流−電圧変換回路の変換効率が高く、高精度に検出ができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子から出射された光を受光素子で受光して、その受光信号に基づいて発光素子と受光素子間に存する検出対象の状態を検出する状態検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
受光信号に基づく状態検出装置として、例えば特開２００４−３４０７１２号公報に開示された雨滴検出装置がある。この雨滴検出装置では、発光素子からパルス光をウインドシールドに照射し、その反射光を受光素子で受光して、信号処理することによりウインドシールドにおける雨滴の有無状態を検出するようにしている。
ところで、このような雨滴検出装置は発光素子と受光素子を組み込んだセンサ部がウインドシールドに組み付けられるので、ウインドシールドで反射した発光素子からの光だけでなく、例えば直射日光など車両外からの外部光もウインドシールドを通して受光素子に入射することが避けられず、受光素子の出力にはパルス光成分にノイズとしての外部光成分が重畳される。この外部光の周波数成分は、直流成分および木漏れ日などの太陽とセンサ間に存在する障害物の時間的変化による交流成分を含み、外部光の強度は周波数が低いほど強い。
【０００３】
この結果、受光素子の受光電流を電圧に変換した出力が上昇して、飽和電圧を超えるような場合には、パルス光の信号成分がつぶれてしまい、正しい降雨状況の判断ができなくなる。
そこで、上記公報の雨滴検出装置では、電流−電圧変換回路に外光成分低減回路を付設するとともに、電流−電圧変換回路の後にバンドパスフィルタ／増幅回路を設けて外部光成分を周波数分離することにより外部光成分を低減して、飽和電圧を超えないようにし、その後ピークホールドした信号をマイクロコンピュータへ入力するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３４０７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の装置では、外光成分低減回路は電圧に変換した信号から外部光成分を抽出しこれをさらに電流に変換して電流−電圧変換回路の入力側にフィードバックするので高価な構成となること、また、上記の外光成分低減回路を含む電流−電圧変換回路では、入力電流に対するフィードバック電流の比率までしか直流成分の電流を除去できないため、出力が飽和しないように電流−電圧変換回路での利得を充分に上げることができず、後段のピークホールド回路に入力するまでにはさらなる増幅回路が数段必要になること、そして、バンドパスフィルタの出力は増幅回路またはピークホールド回路を構成するオペアンプの非反転入力端子に直接接続され、バンドパスフィルタに含まれるハイパスフィルタがオペアンプの負電源であるグラウンド電位にバイアスされているので、パルス信号がハイパスフィルタを通過時に発生するアンダーシュートがオペアンプの最小入力電圧以下（グラウンド電位以下）となると、そのアンダーシュートが発生している期間オペアンプが正常動作しないかあるいはオペアンプを破壊することがあるため、そのアンダーシュート部分がオペアンプに入力されないように非常に高価となるアナログスイッチを設けていること、さらには、図示されていないがピークホールド信号はマイクロコンピュータなどに直接入力できないので、実際には出力バッファを介する必要があって高コストとなること等の問題がある。このため、直ちに採用することが困難であるのが実情である。
受光信号による検出対象の状態検出では、上に例示した雨滴検出装置の場合に限らず外部光の混入が避けられないため、種々の状態検出装置において検出の高精度化とともにコストの低減が課題となっている。
【０００６】
したがって、本発明は、外部光成分を効果的に低減して高精度に検出対象の状態を検出できるとともに、より安価に実現される状態検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、発光素子から出射されたパルス光を受光素子で受光して、受光素子から出力されるパルス光成分に外部光成分が重畳されている受光信号に基づいて発光素子と受光素子間に存する検出対象の状態を検出する状態検出装置であって、
受光信号を電流から電圧に変換する電流−電圧変換回路と、
受光信号からパルス光成分を抽出するハイパスフィルタ回路と、
電流−電圧変換回路とハイパスフィルタ回路とを通過した受光信号をピークホールドするピークホールド回路と、
ピークホールド回路の出力を増幅する非反転増幅回路と、
非反転増幅回路で増幅された受光信号のピーク値を基に検出対象の状態を判定する状態判定手段と、
ハイパスフィルタ回路通過により発生するアンダーシュートがピークホールド回路に入力可能な最低入力電圧以上になるように受光信号をオフセットさせるオフセット手段とを備え、
非反転増幅回路は、オフセット校正部を備えて、上記オフセットを吸収する方向に再度オフセットさせてピークホールド回路の出力を増幅するものとした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、受光信号のアンダーシュートがピークホールド回路に入力可能な最小入力電圧以上となるように受光信号をオフセットさせ、ピークホールド回路通過後にオフセットを吸収するようにしているので、アンダーシュートの入力を阻止する高価なアナログスイッチ等を用いた阻止回路が不要となり、また、ピークホールド回路の後に非反転増幅回路を設けることにより電圧バッファも不要として増幅した受光信号のピーク値を状態判定手段に入力できるので、ハイパスフィルタ回路による外部光成分の低減とも相俟って、安価にかつ高精度に検出対象の状態を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図２】センサ部の構造概念図である。
【図３】受光信号処理系統の具体的な回路構成例を示す図である。
【図４】主要部における信号状態の変化を示す波形図である。
【図５】主要部における信号状態の変化を示す波形図である。
【図６】主要部における信号状態の変化を示す波形図である。
【図７】電流ハイパスフィルタ回路だけで外部光成分が除去された場合の電流−電圧変換回路の出力波形を示す図である。
【図８】電流ハイパスフィルタ回路の変形例を示す図である。
【図９】電圧ハイパスフィルタ回路の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、本発明を雨滴検出装置に適用した実施の形態について説明する。
図１は実施の形態の構成を示すブロック図であり、図２はセンサ部の配置構成を示す概念図である。
まず、図２により雨滴検出装置１のセンサ部１０の構成を説明する。
センサ部１０は、互いに対向する前壁３と後壁４を有するケーシング２にユニット化されて、車両のウインドシールドＷの内面に取り付けられる。
すなわち、前壁３に形成した窓にプリズム５が設けられ、後壁４には発光素子１１と受光素子１２が設置される。
発光素子１１と受光素子１２はそれぞれの光軸をウインドシールドＷの所定部位（検知面）Ｓに向けて配置され、発光素子１１から照射された光がプリズム５を通してウインドシールドＷの上記所定部位Ｓの外面側境界面で反射して受光素子１２に受光されるようになっている。そして、プリズム５は発光素子１１から受光素子１２への光路上にレンズ部６ａ、６ｂを備えている。
センサ部１０はプリズム５を発光素子１１の発光波長において透明かつプリズム５またはウインドシールドＷの屈折率と同等な屈折率をもつ透明接着剤などによりウインドシールドＷ内面に密着させて取り付けられている。
【００１１】
つぎに、図１に基づいて、状態検出装置としての雨滴検出装置全体の構成を説明する。
発光素子１１は例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）で、発光素子駆動部１５に接続され、発光素子駆動部１５はマイクロコンピュータからなる制御部７０に接続されている。発光素子駆動部１５は制御部７０からの信号を受けて発光素子１１を駆動しパルス光を出力させる。
受光素子１２は例えばフォトダイオード（ＰＤ）で、電流ハイパス（高域通過）フィルタ回路２０に接続され、電流ハイパスフィルタ回路２０の後段には順次電流−電圧変換回路３０、電圧ハイパスフィルタ回路４０、ピークホールド回路５０および非反転増幅回路６０が接続されて、非反転増幅回路６０の出力側が制御部７０に接続されている。
【００１２】
受光素子１２が出力する受光電流には、前述のように、パルス光成分と外部光成分とが含まれている。外部光成分は直流を含む低周波領域にあり、とくに直流成分が大半を占める。
電流ハイパスフィルタ回路２０は受光素子１２の受光電流から所定の遮断周波数以下の成分を遮断することにより、外部光成分を除去する。
電流ハイパスフィルタ回路２０を通過した電流には、パルス光成分（パルス光電流）とその通過により発生するアンダーシュートとが含まれている。電流ハイパスフィルタ回路２０を通過したこの電流は電流−電圧変換回路３０により電圧変換されるが、その変換出力がパルス光成分とアンダーシュートとを含めて飽和しないように、電流−電圧変換回路３０に付設の電圧オフセット部３１により出力電圧がオフセットされて電流−電圧変換される。
【００１３】
電圧ハイパスフィルタ回路４０では、電流−電圧変換回路３０の出力電圧に残留する外部光の交流成分をさらに除去する。
電圧ハイパスフィルタ回路４０を通過する際にもアンダーシュートが発生するため、電圧ハイパスフィルタ回路４０ではその出力がピークホールド回路５０の最小入力電圧以上（最大入力電圧以下）となるように、付設の電圧オフセット部４１により出力電圧がオフセットされて、フィルタリングされる。
【００１４】
ピークホールド回路５０はオフセットされた受光信号のピーク値をホールドする。
電圧ハイパスフィルタ回路４０からピークホールド回路５０へ入力される電圧は、パルス光成分とアンダーシュートに、電圧オフセット部３１および電圧オフセット部４１によるオフセット電圧を加えたものとなるが、制御部７０からピークホールド回路５０へのピークホールド解除信号は、発光素子１１のパルス発光のタイミングに同期して、パルス発光開始のタイミングでオン（ピークホールド解除）からオフ（ピークホールド有効）し、予め決められた最低でもアンダーシュートが収まるまでの時間を経過後オフ（ピークホールド有効）からオン（ピークホールド解除）するように制御され、ピークホールド回路５０ではアンダーシュートには影響されない電圧がピークホールドされる。
【００１５】
非反転増幅回路６０はピークホールド回路５０の出力（受光信号のピーク値）を入力するが、オフセット校正部６１を備えて、先の電圧オフセット部４１によるオフセット電圧分を吸収するように再度オフセットさせてから、パルス光成分のピーク値のみを所定の振幅レベルまで増幅する。
制御部７０は雨滴検出装置１内各部の制御を行なうとともに、増幅されたピーク値を取り込んで、当該ピーク値を基に雨滴情報を生成する。
【００１６】
図３は上述の雨滴検出装置１における受光信号処理系統の具体的な回路構成を示し、図４〜図６は主要部における信号状態の変化を示す。
受光素子１２としてフォトダイオードＰＤ１１がそのアノードをグラウンドＧＮＤに接続され、カソードを電流ハイパスフィルタ回路２０における例えば５Ｖの電源電圧ＶＣＣに一端が接続された抵抗Ｒ２１の他端に接続されて逆バイアスを受けており、受光するとカソードからアノード方向へ流れる受光電流が生成されてアノードからグラウンドＧＮＤへ流れ出る。
【００１７】
電流ハイパスフィルタ回路２０は、上述の抵抗Ｒ２１と、抵抗Ｒ２１の他端とフォトダイオードＰＤ１１のカソードとの接続点に一端を接続したコンデンサＣ２１とを備え、コンデンサＣ２１の他端を後段の電流−電圧変換回路３０の後述するオペアンプＯＰＡＭＰ３１の反転入力端子に接続して構成され、アクティブ電流ハイパスフィルタとして作用する。
抵抗Ｒ２１の抵抗値Ｒａは、当該抵抗に流れる外部光などによる直流電流による電位差が電源電圧ＶＣＣを超えないように余裕をもって選択され、コンデンサＣ２１の容量値Ｃａは、ハイパスフィルタの遮断周波数ｆｃを発光素子１１からのパルス光による交流成分の通過を許すように設定したとして、Ｃａ＝１／（２πｆｃＲａ）となるように選択されて、抵抗値Ｒａと容量値Ｃａによる１次ハイパス電流フィルタが構成される。
フォトダイオードＰＤ１１の受光電流の直流成分は抵抗Ｒ２１を流れ、交流成分はコンデンサＣ２１を流れる。各成分の流れ方向はフォトダイオードＰＤ１１における流れにしたがって、それぞれ抵抗Ｒ２１からフォトダイオードＰＤ１１（のカソード）へ、後段の電流−電圧変換回路３０からコンデンサＣ２１を介してフォトダイオードＰＤ１１（のカソード）へ流れる。
【００１８】
電流−電圧変換回路３０は、オペアンプＯＰＡＭＰ３１を備え、その反転入力端子（−）が前述のように電流ハイパスフィルタ回路２０のコンデンサＣ２１に接続している。そしてオペアンプＯＰＡＭＰ３１の出力端子と反転入力端子間に抵抗Ｒ３３を接続し、出力端子から出力される電流が抵抗Ｒ３３を通って電流ハイパスフィルタ回路２０へ流れ出す。
この抵抗Ｒ３３に流れる電流による電位差（振幅）ΔＶｐはパルス光成分ΔＶｐ-ｓｉｇとアンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒを含む。
【００１９】
電圧オフセット部３１は、オペアンプＯＰＡＭＰ３１の非反転入力端子（＋）と電源電圧ＶＣＣに接続された抵抗Ｒ３１と同じく非反転入力端子とグラウンドＧＮＤの間に接続された抵抗Ｒ３２により構成され、抵抗Ｒ３１とＲ３２の分圧したオフセット電圧Ｖｏｓ１に、上述の電位差ΔＶｐが加算された電圧が、電流−電圧変換回路３０の出力電圧となる。オフセット電圧Ｖｏｓ１は、抵抗Ｒ３１とＲ３２の比が、電位差ΔＶｐにおけるパルス光成分ΔＶｐ-ｓｉｇとアンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒとの比と等価となるように設定される。例えば、パルス光成分ΔＶｐ-ｓｉｇとアンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒが同量のとき、電源電圧ＶＣＣが５Ｖでは、オフセット電圧Ｖｏｓ１は２．５Ｖに設定される。
【００２０】
さらに、電流−電圧変換回路３０の電流電圧変換率も、その出力電圧がパルス光成分ΔＶｐ-ｓｉｇとアンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒで飽和しないように、抵抗Ｒ３３の抵抗値を選択して設定される。例えば、パルス光成分ΔＶｐ-ｓｉｇとアンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒが同量のとき、電源電圧ＶＣＣが５Ｖでは、電位差ΔＶｐは２．５Ｖまで広げられる。
なお、抵抗Ｒ３３に並列にコンデンサを接続し、ローパスフィルタを構成してもよい。この場合ローパスフィルタの遮断周波数は、前段の電流ハイパスフィルタ回路２０の遮断周波数より高く設定される。
【００２１】
電流−電圧変換回路３０の出力電圧は電圧ハイパスフィルタ回路４０へ出力される。
電圧ハイパスフィルタ回路４０は、コンデンサＣ４１と、コンデンサＣ４１と電源電圧ＶＣＣとの間に設けた抵抗Ｒ４１とコンデンサＣ４１とグラウンドＧＮＤとの間に設けた抵抗Ｒ４２とからなり、電流−電圧変換回路３０の出力電圧（受光信号）からさらに外部光成分を除去する。
ここで、コンデンサＣ４１の容量Ｃａと抵抗Ｒ４１とＲ４２による合成抵抗値Ｒａは、遮断周波数ｆｃを発光素子１１からのパルス光による交流成分の通過を許す値に設定したとして、ｆｃ＝１／（２πＣａＲａ）となるように選択され、１次ハイパス電圧フィルタが構成される。
【００２２】
フォトダイオードＰＤ１１を流れる受光電流は、図４の（Ａ）に示すように、外部光成分Ｆｇに発光素子１１によるパルス光成分Ｆｐが重畳されており、外部光成分Ｆｇの振幅レベルはパルス光成分Ｆｐに比較して格段に大きいが、電流ハイパスフィルタ回路２０を通過させてから電流−電圧変換回路３０で変換した出力電圧は、（Ｂ）に示されるように、アンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒを伴ってはいるがパルス光成分ΔＶｐ-ｓｉｇが増大し、外部光成分（低周波交流成分ΔＶｇ−ａｃ）の変化が大きく減衰されたものとなる。
電流−電圧変換後の受光信号は、オペアンプＯＰＡＭＰ３１の非反転入力端子に入力している抵抗Ｒ３１とＲ３２の分圧比によるオフセット電圧Ｖｏｓ１分だけオフセットしている。
【００２３】
電圧ハイパスフィルタ回路４０に付設のオフセット部４１は、電源電圧ＶＣＣに接続された抵抗Ｒ４１とグラウンドＧＮＤに接続された抵抗Ｒ４２とを直列接続することにより構成され、すなわち、抵抗Ｒ４１とＲ４２を電圧ハイパスフィルタ回路４０と共用している。
抵抗Ｒ４１とＲ４２との接続点に、図５の（Ａ）に示すような、ＧＮＤ電位から高電圧側へオフセットした出力電圧（受光信号）を得る。
出力電圧のオフセット電圧Ｖｏｓ２は、アンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒの下端（最低値）がピークホールド回路５０におけるオペアンプＯＰＡＭＰ５１の最小入力電圧（例えば０Ｖ）以上になるように抵抗Ｒ４１とＲ４２の分圧比を調整して余裕をもた
せて設定される。
【００２４】
ピークホールド回路５０は、オペアンプＯＰＡＭＰ５１を備え、その非反転入力端子に電圧ハイパスフィルタ回路４０の出力電圧を受光信号として入力している。
オペアンプＯＰＡＭＰ５１の出力端子からグラウンドＧＮＤの間には順次直列にダイオードＤ５１とコンデンサＣ５１が設けられ、またダイオードＤ５１とコンデンサＣ５１との接続点はオペアンプＯＰＡＭＰ５１の反転入力端子に接続している。
さらに、ダイオードＤ５１とコンデンサＣ５１との接続点とグラウンドＧＮＤとの間には、抵抗Ｒ５１とスイッチ素子Ｓ５１が直列に設けてある。スイッチ素子Ｓ５１は制御部７０のピークホールド解除信号制御端子ｐ１からのピークホールド解除信号を受けたときにオン（ＯＮ）してコンデンサＣ５１を放電させ、ピークホールド解除信号がオフ（ＯＦＦ）を受けたときにオフしてピークホールド回路５０の入力電圧にコンデンサＣ５１が充電されるようになっている。
【００２５】
電圧ハイパスフィルタ回路４０からピークホールド回路５０へ入力される電圧は、パルス光成分ΔＶｐ-ｓｉｇとアンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒに、電圧オフセット部４１によるオフセット電圧Ｖｏｓ２を加えたものとなるが、制御部７０からのピークホールド解除信号は、制御部７０が制御する発光素子１１のパルス発光に同期し、パルス発光開始のタイミングでオン（ピークホールド解除）からオフ（ピークホールド有効）し、予め決められた最低でもアンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒが収まるまでの時間を経過後オフ（ピークホールド有効）からオン（ピークホールド解除）するように制御される。これにより、アンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒには影響されず、電圧オフセット部４１のオフセット電圧Ｖｏｓ２にパルス光成分ΔＶｐ-ｓｉｇの電圧が加算された電圧がピークホールドされる。
この結果、ピークホールド回路５０でピークホールドされた受光信号は、図５の（Ｂ）に示されるように、パルス光成分のみが歪みなく抽出されたものとなる。
なお、制御部７０は発光素子駆動部１５への制御信号を送出する端子など他の制御端子も備えているが、図示省略する。
【００２６】
非反転増幅回路６０は、オペアンプＯＰＡＭＰ６１を備え、その非反転入力端子をダイオードＤ５１とコンデンサＣ５１との接続点に接続してピークホールド回路５０の出力を入力している。また、電源電圧ＶＣＣとグラウンドＧＮＤとの間に直列の抵抗Ｒ６１、Ｒ６２を設けて、両抵抗の接続点をオペアンプＯＰＡＭＰ６１の反転入力端子に接続するとともに、反転入力端子と出力端子間に抵抗Ｒ６３を接続している。
ここでは、非反転増幅回路６０はピークホールド回路５０のコンデンサＣ５１をオペアンプＯＰＡＭＰ６１の非反転入力端子に入力接続しており、非反転入力端子の入力インピーダンスが高いので、コンデンサＣ５１から非反転増幅回路６０へ電流を流出させることなく、したがってピークホールド回路５０に負担をかけることなくピークホールドさせることができる。
【００２７】
さらに、オフセット校正部６１は抵抗Ｒ６１、Ｒ６２による分圧比を調整することにより実現され、前のオフセット部４１の抵抗Ｒ４１とＲ４２によるオフセット電圧Ｖｏｓ２を吸収して、図６に示すように、ＧＮＤ電位からの振幅値とした増幅ピーク値ΔＶｓｉｇをオペアンプＯＰＡＭＰ６１の出力端子から出力させることができる。また、抵抗６３の抵抗値と抵抗Ｒ６１とＲ６２の並列合成抵抗値との比の設定により、振幅レベルもオペアンプＯＰＡＭＰ６１の出力電圧範囲内にひずみなく収まる所望のレベルとすることができる。
【００２８】
オペアンプＯＰＡＭＰ６１の出力端子は制御部７０のＡ／Ｄ入力端子ｐ２に接続されている。
制御部７０では上記受光信号のピーク値を所定間隔でサンプリングしてＡ／Ｄ変換した上、雨滴情報を生成し、降雨状況を判断してワイパーのオン、オフあるいはワイパー速度を制御するワイパー制御信号をワイパー制御信号出力端子ｐ３から不図示のワイパ制御装置等へ送出する。
【００２９】
本実施の形態においては、電流ハイパスフィルタ回路２０および電圧ハイパスフィルタ回路４０の少なくともいずれかが請求項１の発明におけるハイパスフィルタ回路に該当するとともに、電圧ハイパスフィルタ回路４０は請求項３の発明におけるハイパスフィルタ回路および請求項５の発明における後段ハイパスフィルタ回路に該当し、電流ハイパスフィルタ回路２０は請求項４の発明におけるハイパスフィルタ回路および請求項５の発明における前段ハイパスフィルタ回路に該当している。
制御部７０が状態判定手段に該当する。
電圧オフセット部４１が請求項２の発明におけるオフセット手段に該当し、とくにその抵抗Ｒ４１が第１の抵抗に、Ｒ４２が第２の抵抗に該当する。そして、オペアンプＯＰＡＭＰ５１の非反転入力端子がピークホールド回路の受光信号入力端子に該当する。
また、電圧オフセット部３１が請求項４の発明におけるオフセット手段に該当し、とくにその抵抗Ｒ３１が第１の抵抗に、Ｒ３２が第２の抵抗に該当する。そして、オペアンプＯＰＡＭＰ３１の非反転入力端子が電流−電圧変換回路の基準信号入力端子に該当する。
また抵抗Ｒ６１が請求項６の発明における第３の抵抗に、抵抗Ｒ６２が第４の抵抗に該当する。
【００３０】
実施の形態は以上のように構成され、車両のウインドシールドＷ表面の検知面Ｓに向けてパルス光を照射する発光素子１１と、検知面で反射された光を受光する受光素子としてのフォトダイオードＰＤ１１とを有して、フォトダイオードＰＤ１１の出力に基づいて雨滴を検出する雨滴検出装置１において、フォトダイオードＰＤ１１から出力されるパルス光成分に外部光成分が重畳されている受光信号を電流から電圧に変換する電流−電圧変換回路３０と、受光信号からパルス光成分を抽出する電流ハイパスフィルタ回路２０および電圧ハイパスフィルタ回路４０と、電流−電圧変換回路３０と各ハイパスフィルタ回路２０、４０とを通過した受光信号をピークホールドしてピーク値ΔＶｐ／ｈ−ｓｉｇを出力するピークホールド回路５０と、ピークホールド回路５０の出力を増幅する非反転増幅回路６０と、非反転増幅回路６０で増幅された受光信号の増幅ピーク値ΔＶｓｉｇを基に雨滴の付着状態を判定し、雨滴情報を生成する制御部７０と、ハイパスフィルタ回路４０通過により発生するアンダーシュートがピークホールド回路５０に入力可能な最低入力電圧以上になるように受光信号をオフセットさせるオフセット部４１とを備え、非反転増幅回路６０は、オフセット校正部６１を備えて上記オフセットを吸収する方向に再度オフセットさせてピークホールド回路５０の出力を増幅するものとした。
電流−電圧変換回路３０の前段に電流ハイパスフィルタ回路２０を設けることにより、外部光により飽和させることなく電流−電圧変換回路３０の電流電圧変換率を上げることができ、ピークホールド回路５０の前段に必要であった高い増幅率の増幅回路が不要となるので、その高い増幅率の増幅回路で発生し得る回路ノイズの影響がなくなる。
また電流−電圧変換回路３０の後段にも電圧ハイパスフィルタ回路４０を設けて、外部光成分の低減が一層確実になる。
【００３１】
また、電圧ハイパスフィルタ回路４０の電圧オフセット部４１と非反転増幅回路６０のオフセット校正部６１を設け、ピークホール回路５０へ入力される受信信号（パルス光成分ΔＶｐ-ｓｉｇ）が電圧オフセットされてもオフセット電圧を吸収できるため、ピークホールド回路５０の入力の前段に従来必要とされた、ピークホールド回路の負電源であるグラウンド電位にバイアスされたハイパスフィルタと、パルス信号が該ハイパスフィルタを通過時に発生するアンダーシュートをピークホール回路の最小入力電圧以下（グラウンド電位以下）としないためのアナログスイッチなどの阻止回路と、これらのハイパスフィルタと阻止回路が直接ピークホールド回路に接続しない場合のバッファ回路または増幅回路とが不要となる。
また、非反転増幅回路６０をピークホールド回路５０の後段におくことにより、ピークホールド回路５０の後段に従来必要とされた電圧バッファが不要となる。
以上のように、ノイズの少ない受光信号を制御部７０に入力できるので、高精度に雨滴の付着状態を検出できるとともに、安価な構成となる。
【００３２】
非反転増幅回路６０のオフセット校正部６１は、電圧ハイパスフィルタ回路４０の電圧オフセット部４１によるオフセットを吸収する方向に再度オフセットさせてピークホールド回路５０の出力を増幅するので、グラウンドからの増幅振幅値としたピーク値信号を出力することができる。
【００３３】
電圧ハイパスフィルタ回路４０の電圧オフセット部４１は、電源電圧に接続された抵抗Ｒ４１とグラウンドに接続された抵抗Ｒ４２を直列に配置し、抵抗Ｒ４１との接続点をピークホールド回路５０のオペアンプＯＰＡＭＰ５１の非反転入力端子に接続して構成されているので、高価なアナログスイッチを用いてアンダーシュートのピークホールド回路への入力を阻止するものに比較して簡単構成であるとともに、電圧ハイパスフィルタ回路４０のフィルタ定数形成用としても共用され、従来のグラウンド電位にバイアスされるフィルタに比較しても抵抗１個の追加で安価に構成できる。
【００３４】
なお、実施の形態では、電流ハイパスフィルタ回路２０に加えて、電流−電圧変換回路３０の後に電圧ハイパスフィルタ回路４０を設けたが、図４の（Ｂ）に現れている低周波交流成分ΔＶｇ−ａｃが消滅して、図７に示すように、電流ハイパスフィルタ回路２０だけで外部光成分が十分除去されるときには、電圧ハイパスフィルタ回路４０およびオフセット部４１を省いてもよい。
この場合には、オフセット部４１に代わってオフセット部３１によるオフセット電圧Ｖｏｓ１をとくに、電流−電圧変換回路３０の出力電圧におけるアンダーシュートの下端（最低値）がピークホールド回路５０におけるオペアンプＯＰＡＭＰ５１の最小入力電圧以上になるように設定すればよい。
【００３５】
また、実施の形態における電流ハイパスフィルタ回路２０は１次のハイパスフィルタとして示したが、図８に示すように、コンデンサＣ２１の後（電流−電圧変換回路３０側）にコンデンサＣ２２を設け、コンデンサＣ２１とコンデンサＣ２２の接続点とグラウンドＧＮＤの間に抵抗Ｒ２２を設けた電流ハイパスフィルタ回路２０Ａとすれば、簡易かつ低価で２次のハイパスフィルタを構成でき、次数が上がる分だけノイズである外部光成分を減衰させる性能が向上する。
【００３６】
電圧ハイパスフィルタ回路４０についても１次のハイパスフィルタとして示したが、図９に示すように、抵抗Ｒ４１と抵抗Ｒ４２の接続点とコンデンサＣ４１との間にコンデンサＣ４２を設け、コンデンサＣ４１とコンデンサＣ４２の接続点とグラウンドＧＮＤの間に抵抗Ｒ４３を設けた電圧ハイパスフィルタ回路４０Ａとすれば、同様に、簡易かつ低価で２次のハイパスフィルタを構成でき、次数が上がる分だけノイズである外部光成分を減衰させる性能が一層向上する。
なお、電圧ハイパスフィルタ回路４０（４０Ａ）におけるフィルタは、１次以上のハイパスフィルタが構成されていれば、ハイパスフィルタの遮断周波数より大きい遮断周波数のローパスフィルタを持つバンドパスフィルタであってもよい。
【００３７】
なお、実施の形態は雨滴検出装置に適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されず、外部光が存在する環境下で受光信号に基づいて検出対象の状態を検出する種々の状態検出装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１ 雨滴検出装置
２ ケーシング
３ 前壁
４ 後壁
５ プリズム
６ａ、６ｂ レンズ部
１０ センサ部
１１ 発光素子
１２ 受光素子
１５ 発光素子駆動部
２０、２０Ａ 電流ハイパスフィルタ回路
３０ 電流−電圧変換回路
３１ 電圧オフセット部
４０、４０Ａ 電圧ハイパスフィルタ回路
４１ 電圧オフセット部
５０ ピークホールド回路
６０ 非反転増幅回路
６１ オフセット校正部
７０ 制御部
Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ４１、Ｃ４２、Ｃ５１、 コンデンサ
Ｄ５１ ダイオード
Ｆｐ パルス光成分
Ｆｇ 外部光成分
ＧＮＤ グラウンド
ＯＰＡＭＰ３１、ＯＰＡＭＰ５１、ＯＰＡＭＰ６１ オペアンプ
ＰＤ１１ フォトダイオード
Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ３３、Ｒ３４ 抵抗
Ｒ４１、Ｒ４２、Ｒ４３、Ｒ５１、Ｒ６１、Ｒ６２、Ｒ６３ 抵抗
Ｓ５１ スイッチ素子
ｐ１ ピークホールド解除信号制御端子
ｐ２ Ａ／Ｄ入力端子
ｐ３ ワイパー制御信号出力端子
ＶＣＣ 電源電圧
Ｖｏｓ１、Ｖｏｓ２ オフセット電圧
ΔＶｇ−ａｃ 低周波交流成分
ΔＶｐ 電位差
ΔＶｐ-ｓｉｇ パルス光成分
ΔＶｐ-ｕｎｄｅｒ アンダーシュート
ΔＶｐ／ｈ−ｓｉｇ ピーク値
ΔＶｓｉｇ 増幅ピーク値
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子から出射された光を受光素子で受光して、その受光信号に基づいて発光素子と受光素子間に存する検出対象の状態を検出する状態検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
受光信号に基づく状態検出装置として、例えば特開２００４−３４０７１２号公報に開示された雨滴検出装置がある。この雨滴検出装置では、発光素子からパルス光をウインドシールドに照射し、その反射光を受光素子で受光して、信号処理することによりウインドシールドにおける雨滴の有無状態を検出するようにしている。
ところで、このような雨滴検出装置は発光素子と受光素子を組み込んだセンサ部がウインドシールドに組み付けられるので、ウインドシールドで反射した発光素子からの光だけでなく、例えば直射日光など車両外からの外部光もウインドシールドを通して受光素子に入射することが避けられず、受光素子の出力にはパルス光成分にノイズとしての外部光成分が重畳される。この外部光の周波数成分は、直流成分および木漏れ日などの太陽とセンサ間に存在する障害物の時間的変化による交流成分を含み、外部光の強度は周波数が低いほど強い。
【０００３】
この結果、受光素子の受光電流を電圧に変換した出力が上昇して、飽和電圧を超えるような場合には、パルス光の信号成分がつぶれてしまい、正しい降雨状況の判断ができなくなる。
そこで、上記公報の雨滴検出装置では、電流−電圧変換回路に外光成分低減回路を付設するとともに、電流−電圧変換回路の後にバンドパスフィルタ／増幅回路を設けて外部光成分を周波数分離することにより外部光成分を低減して、飽和電圧を超えないようにし、その後ピークホールドした信号をマイクロコンピュータへ入力するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３４０７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の装置では、外光成分低減回路は電圧に変換した信号から外部光成分を抽出しこれをさらに電流に変換して電流−電圧変換回路の入力側にフィードバックするので高価な構成となること、また、上記の外光成分低減回路を含む電流−電圧変換回路では、入力電流に対するフィードバック電流の比率までしか直流成分の電流を除去できないため、出力が飽和しないように電流−電圧変換回路での利得を充分に上げることができず、後段のピークホールド回路に入力するまでにはさらなる増幅回路が数段必要になること、そして、バンドパスフィルタの出力は増幅回路またはピークホールド回路を構成するオペアンプの非反転入力端子に直接接続され、バンドパスフィルタに含まれるハイパスフィルタがオペアンプの負電源であるグラウンド電位にバイアスされているので、パルス信号がハイパスフィルタを通過時に発生するアンダーシュートがオペアンプの最小入力電圧以下（グラウンド電位以下）となると、そのアンダーシュートが発生している期間オペアンプが正常動作しないかあるいはオペアンプを破壊することがあるため、そのアンダーシュート部分がオペアンプに入力されないように非常に高価となるアナログスイッチを設けていること、さらには、図示されていないがピークホールド信号はマイクロコンピュータなどに直接入力できないので、実際には出力バッファを介する必要があって高コストとなること等の問題がある。このため、直ちに採用することが困難であるのが実情である。
受光信号による検出対象の状態検出では、上に例示した雨滴検出装置の場合に限らず外部光の混入が避けられないため、種々の状態検出装置において検出の高精度化とともにコストの低減が課題となっている。
【０００６】
したがって、本発明は、外部光成分を効果的に低減して高精度に検出対象の状態を検出できるとともに、より安価に実現される状態検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、発光素子から出射されたパルス光を受光素子で受光して、受光素子から出力されるパルス光成分に外部光成分が重畳されている受光信号に基づいて発光素子と受光素子間に存する検出対象の状態を検出する状態検出装置であって、
受光信号を電流から電圧に変換する電流−電圧変換回路と、
受光信号からパルス光成分を抽出するハイパスフィルタ回路と、
電流−電圧変換回路とハイパスフィルタ回路とを通過した受光信号をピークホールドするピークホールド回路と、
ピークホールド回路の出力を増幅する非反転増幅回路と、
非反転増幅回路で増幅された受光信号のピーク値を基に検出対象の状態を判定する状態判定手段と、
ハイパスフィルタ回路通過により発生するアンダーシュートがピークホールド回路に入力可能な最低入力電圧以上になるように受光信号をオフセットさせるオフセット手段とを備え、
非反転増幅回路は、オフセット校正部を備えて、上記オフセットを吸収する方向に再度オフセットさせてピークホールド回路の出力を増幅するものとした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、受光信号のアンダーシュートがピークホールド回路に入力可能な最小入力電圧以上となるように受光信号をオフセットさせ、ピークホールド回路通過後にオフセットを吸収するようにしているので、アンダーシュートの入力を阻止する高価なアナログスイッチ等を用いた阻止回路が不要となり、また、ピークホールド回路の後に非反転増幅回路を設けることにより電圧バッファも不要として増幅した受光信号のピーク値を状態判定手段に入力できるので、ハイパスフィルタ回路による外部光成分の低減とも相俟って、安価にかつ高精度に検出対象の状態を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図２】センサ部の構造概念図である。
【図３】受光信号処理系統の具体的な回路構成例を示す図である。
【図４】主要部における信号状態の変化を示す波形図である。
【図５】主要部における信号状態の変化を示す波形図である。
【図６】主要部における信号状態の変化を示す波形図である。
【図７】電流ハイパスフィルタ回路だけで外部光成分が除去された場合の電流−電圧変換回路の出力波形を示す図である。
【図８】電流ハイパスフィルタ回路の変形例を示す図である。
【図９】電圧ハイパスフィルタ回路の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、本発明を雨滴検出装置に適用した実施の形態について説明する。
図１は実施の形態の構成を示すブロック図であり、図２はセンサ部の配置構成を示す概念図である。
まず、図２により雨滴検出装置１のセンサ部１０の構成を説明する。
センサ部１０は、互いに対向する前壁３と後壁４を有するケーシング２にユニット化されて、車両のウインドシールドＷの内面に取り付けられる。
すなわち、前壁３に形成した窓にプリズム５が設けられ、後壁４には発光素子１１と受光素子１２が設置される。
発光素子１１と受光素子１２はそれぞれの光軸をウインドシールドＷの所定部位（検知面）Ｓに向けて配置され、発光素子１１から照射された光がプリズム５を通してウインドシールドＷの上記所定部位Ｓの外面側境界面で反射して受光素子１２に受光されるようになっている。そして、プリズム５は発光素子１１から受光素子１２への光路上にレンズ部６ａ、６ｂを備えている。
センサ部１０はプリズム５を発光素子１１の発光波長において透明かつプリズム５またはウインドシールドＷの屈折率と同等な屈折率をもつ透明接着剤などによりウインドシールドＷ内面に密着させて取り付けられている。
【００１１】
つぎに、図１に基づいて、状態検出装置としての雨滴検出装置全体の構成を説明する。
発光素子１１は例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）で、発光素子駆動部１５に接続され、発光素子駆動部１５はマイクロコンピュータからなる制御部７０に接続されている。発光素子駆動部１５は制御部７０からの信号を受けて発光素子１１を駆動しパルス光を出力させる。
受光素子１２は例えばフォトダイオード（ＰＤ）で、電流ハイパス（高域通過）フィルタ回路２０に接続され、電流ハイパスフィルタ回路２０の後段には順次電流−電圧変換回路３０、電圧ハイパスフィルタ回路４０、ピークホールド回路５０および非反転増幅回路６０が接続されて、非反転増幅回路６０の出力側が制御部７０に接続されている。
【００１２】
受光素子１２が出力する受光電流には、前述のように、パルス光成分と外部光成分とが含まれている。外部光成分は直流を含む低周波領域にあり、とくに直流成分が大半を占める。
電流ハイパスフィルタ回路２０は受光素子１２の受光電流から所定の遮断周波数以下の成分を遮断することにより、外部光成分を除去する。
電流ハイパスフィルタ回路２０を通過した電流には、パルス光成分（パルス光電流）とその通過により発生するアンダーシュートとが含まれている。電流ハイパスフィルタ回路２０を通過したこの電流は電流−電圧変換回路３０により電圧変換されるが、その変換出力がパルス光成分とアンダーシュートとを含めて飽和しないように、電流−電圧変換回路３０に付設の電圧オフセット部３１により出力電圧がオフセットされて電流−電圧変換される。
【００１３】
電圧ハイパスフィルタ回路４０では、電流−電圧変換回路３０の出力電圧に残留する外部光の交流成分をさらに除去する。
電圧ハイパスフィルタ回路４０を通過する際にもアンダーシュートが発生するため、電圧ハイパスフィルタ回路４０ではその出力がピークホールド回路５０の最小入力電圧以上（最大入力電圧以下）となるように、付設の電圧オフセット部４１により出力電圧がオフセットされて、フィルタリングされる。
【００１４】
ピークホールド回路５０はオフセットされた受光信号のピーク値をホールドする。
電圧ハイパスフィルタ回路４０からピークホールド回路５０へ入力される電圧は、パルス光成分とアンダーシュートに、電圧オフセット部３１および電圧オフセット部４１によるオフセット電圧を加えたものとなるが、制御部７０からピークホールド回路５０へのピークホールド解除信号は、発光素子１１のパルス発光のタイミングに同期して、パルス発光開始のタイミングでオン（ピークホールド解除）からオフ（ピークホールド有効）し、予め決められた最低でもアンダーシュートが収まるまでの時間を経過後オフ（ピークホールド有効）からオン（ピークホールド解除）するように制御され、ピークホールド回路５０ではアンダーシュートには影響されない電圧がピークホールドされる。
【００１５】
非反転増幅回路６０はピークホールド回路５０の出力（受光信号のピーク値）を入力するが、オフセット校正部６１を備えて、先の電圧オフセット部４１によるオフセット電圧分を吸収するように再度オフセットさせてから、パルス光成分のピーク値のみを所定の振幅レベルまで増幅する。
制御部７０は雨滴検出装置１内各部の制御を行なうとともに、増幅されたピーク値を取り込んで、当該ピーク値を基に雨滴情報を生成する。
【００１６】
図３は上述の雨滴検出装置１における受光信号処理系統の具体的な回路構成を示し、図４〜図６は主要部における信号状態の変化を示す。
受光素子１２としてフォトダイオードＰＤ１１がそのアノードをグラウンドＧＮＤに接続され、カソードを電流ハイパスフィルタ回路２０における例えば５Ｖの電源電圧ＶＣＣに一端が接続された抵抗Ｒ２１の他端に接続されて逆バイアスを受けており、受光するとカソードからアノード方向へ流れる受光電流が生成されてアノードからグラウンドＧＮＤへ流れ出る。
【００１７】
電流ハイパスフィルタ回路２０は、上述の抵抗Ｒ２１と、抵抗Ｒ２１の他端とフォトダイオードＰＤ１１のカソードとの接続点に一端を接続したコンデンサＣ２１とを備え、コンデンサＣ２１の他端を後段の電流−電圧変換回路３０の後述するオペアンプＯＰＡＭＰ３１の反転入力端子に接続して構成され、アクティブ電流ハイパスフィルタとして作用する。
抵抗Ｒ２１の抵抗値Ｒａは、当該抵抗に流れる外部光などによる直流電流による電位差が電源電圧ＶＣＣを超えないように余裕をもって選択され、コンデンサＣ２１の容量値Ｃａは、ハイパスフィルタの遮断周波数ｆｃを発光素子１１からのパルス光による交流成分の通過を許すように設定したとして、Ｃａ＝１／（２πｆｃＲａ）となるように選択されて、抵抗値Ｒａと容量値Ｃａによる１次ハイパス電流フィルタが構成される。
フォトダイオードＰＤ１１の受光電流の直流成分は抵抗Ｒ２１を流れ、交流成分はコンデンサＣ２１を流れる。各成分の流れ方向はフォトダイオードＰＤ１１における流れにしたがって、それぞれ抵抗Ｒ２１からフォトダイオードＰＤ１１（のカソード）へ、後段の電流−電圧変換回路３０からコンデンサＣ２１を介してフォトダイオードＰＤ１１（のカソード）へ流れる。
【００１８】
電流−電圧変換回路３０は、オペアンプＯＰＡＭＰ３１を備え、その反転入力端子（−）が前述のように電流ハイパスフィルタ回路２０のコンデンサＣ２１に接続している。そしてオペアンプＯＰＡＭＰ３１の出力端子と反転入力端子間に抵抗Ｒ３３を接続し、出力端子から出力される電流が抵抗Ｒ３３を通って電流ハイパスフィルタ回路２０へ流れ出す。
この抵抗Ｒ３３に流れる電流による電位差（振幅）ΔＶｐはパルス光成分ΔＶｐ-ｓｉｇとアンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒを含む。
【００１９】
電圧オフセット部３１は、オペアンプＯＰＡＭＰ３１の非反転入力端子（＋）と電源電圧ＶＣＣに接続された抵抗Ｒ３１と同じく非反転入力端子とグラウンドＧＮＤの間に接続された抵抗Ｒ３２により構成され、抵抗Ｒ３１とＲ３２の分圧したオフセット電圧Ｖｏｓ１に、上述の電位差ΔＶｐが加算された電圧が、電流−電圧変換回路３０の出力電圧となる。オフセット電圧Ｖｏｓ１は、抵抗Ｒ３１とＲ３２の比が、電位差ΔＶｐにおけるパルス光成分ΔＶｐ-ｓｉｇとアンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒとの比と等価となるように設定される。例えば、パルス光成分ΔＶｐ-ｓｉｇとアンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒが同量のとき、電源電圧ＶＣＣが５Ｖでは、オフセット電圧Ｖｏｓ１は２．５Ｖに設定される。
【００２０】
さらに、電流−電圧変換回路３０の電流電圧変換率も、その出力電圧がパルス光成分ΔＶｐ-ｓｉｇとアンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒで飽和しないように、抵抗Ｒ３３の抵抗値を選択して設定される。例えば、パルス光成分ΔＶｐ-ｓｉｇとアンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒが同量のとき、電源電圧ＶＣＣが５Ｖでは、電位差ΔＶｐは２．５Ｖまで広げられる。
なお、抵抗Ｒ３３に並列にコンデンサを接続し、ローパスフィルタを構成してもよい。この場合ローパスフィルタの遮断周波数は、前段の電流ハイパスフィルタ回路２０の遮断周波数より高く設定される。
【００２１】
電流−電圧変換回路３０の出力電圧は電圧ハイパスフィルタ回路４０へ出力される。
電圧ハイパスフィルタ回路４０は、コンデンサＣ４１と、コンデンサＣ４１と電源電圧ＶＣＣとの間に設けた抵抗Ｒ４１とコンデンサＣ４１とグラウンドＧＮＤとの間に設けた抵抗Ｒ４２とからなり、電流−電圧変換回路３０の出力電圧（受光信号）からさらに外部光成分を除去する。
ここで、コンデンサＣ４１の容量Ｃａと抵抗Ｒ４１とＲ４２による合成抵抗値Ｒａは、遮断周波数ｆｃを発光素子１１からのパルス光による交流成分の通過を許す値に設定したとして、ｆｃ＝１／（２πＣａＲａ）となるように選択され、１次ハイパス電圧フィルタが構成される。
【００２２】
フォトダイオードＰＤ１１を流れる受光電流は、図４の（Ａ）に示すように、外部光成分Ｆｇに発光素子１１によるパルス光成分Ｆｐが重畳されており、外部光成分Ｆｇの振幅レベルはパルス光成分Ｆｐに比較して格段に大きいが、電流ハイパスフィルタ回路２０を通過させてから電流−電圧変換回路３０で変換した出力電圧は、（Ｂ）に示されるように、アンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒを伴ってはいるがパルス光成分ΔＶｐ-ｓｉｇが増大し、外部光成分（低周波交流成分ΔＶｇ−ａｃ）の変化が大きく減衰されたものとなる。
電流−電圧変換後の受光信号は、オペアンプＯＰＡＭＰ３１の非反転入力端子に入力している抵抗Ｒ３１とＲ３２の分圧比によるオフセット電圧Ｖｏｓ１分だけオフセットしている。
【００２３】
電圧ハイパスフィルタ回路４０に付設のオフセット部４１は、電源電圧ＶＣＣに接続された抵抗Ｒ４１とグラウンドＧＮＤに接続された抵抗Ｒ４２とを直列接続することにより構成され、すなわち、抵抗Ｒ４１とＲ４２を電圧ハイパスフィルタ回路４０と共用している。
抵抗Ｒ４１とＲ４２との接続点に、図５の（Ａ）に示すような、ＧＮＤ電位から高電圧側へオフセットした出力電圧（受光信号）を得る。
出力電圧のオフセット電圧Ｖｏｓ２は、アンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒの下端（最低値）がピークホールド回路５０におけるオペアンプＯＰＡＭＰ５１の最小入力電圧（例えば０Ｖ）以上になるように抵抗Ｒ４１とＲ４２の分圧比を調整して余裕をもた
せて設定される。
【００２４】
ピークホールド回路５０は、オペアンプＯＰＡＭＰ５１を備え、その非反転入力端子に電圧ハイパスフィルタ回路４０の出力電圧を受光信号として入力している。
オペアンプＯＰＡＭＰ５１の出力端子からグラウンドＧＮＤの間には順次直列にダイオードＤ５１とコンデンサＣ５１が設けられ、またダイオードＤ５１とコンデンサＣ５１との接続点はオペアンプＯＰＡＭＰ５１の反転入力端子に接続している。
さらに、ダイオードＤ５１とコンデンサＣ５１との接続点とグラウンドＧＮＤとの間には、抵抗Ｒ５１とスイッチ素子Ｓ５１が直列に設けてある。スイッチ素子Ｓ５１は制御部７０のピークホールド解除信号制御端子ｐ１からのピークホールド解除信号を受けたときにオン（ＯＮ）してコンデンサＣ５１を放電させ、ピークホールド解除信号がオフ（ＯＦＦ）を受けたときにオフしてピークホールド回路５０の入力電圧にコンデンサＣ５１が充電されるようになっている。
【００２５】
電圧ハイパスフィルタ回路４０からピークホールド回路５０へ入力される電圧は、パルス光成分ΔＶｐ-ｓｉｇとアンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒに、電圧オフセット部４１によるオフセット電圧Ｖｏｓ２を加えたものとなるが、制御部７０からのピークホールド解除信号は、制御部７０が制御する発光素子１１のパルス発光に同期し、パルス発光開始のタイミングでオン（ピークホールド解除）からオフ（ピークホールド有効）し、予め決められた最低でもアンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒが収まるまでの時間を経過後オフ（ピークホールド有効）からオン（ピークホールド解除）するように制御される。これにより、アンダーシュートΔＶｐ-ｕｎｄｅｒには影響されず、電圧オフセット部４１のオフセット電圧Ｖｏｓ２にパルス光成分ΔＶｐ-ｓｉｇの電圧が加算された電圧がピークホールドされる。
この結果、ピークホールド回路５０でピークホールドされた受光信号は、図５の（Ｂ）に示されるように、パルス光成分のみが歪みなく抽出されたものとなる。
なお、制御部７０は発光素子駆動部１５への制御信号を送出する端子など他の制御端子も備えているが、図示省略する。
【００２６】
非反転増幅回路６０は、オペアンプＯＰＡＭＰ６１を備え、その非反転入力端子をダイオードＤ５１とコンデンサＣ５１との接続点に接続してピークホールド回路５０の出力を入力している。また、電源電圧ＶＣＣとグラウンドＧＮＤとの間に直列の抵抗Ｒ６１、Ｒ６２を設けて、両抵抗の接続点をオペアンプＯＰＡＭＰ６１の反転入力端子に接続するとともに、反転入力端子と出力端子間に抵抗Ｒ６３を接続している。
ここでは、非反転増幅回路６０はピークホールド回路５０のコンデンサＣ５１をオペアンプＯＰＡＭＰ６１の非反転入力端子に入力接続しており、非反転入力端子の入力インピーダンスが高いので、コンデンサＣ５１から非反転増幅回路６０へ電流を流出させることなく、したがってピークホールド回路５０に負担をかけることなくピークホールドさせることができる。
【００２７】
さらに、オフセット校正部６１は抵抗Ｒ６１、Ｒ６２による分圧比を調整することにより実現され、前のオフセット部４１の抵抗Ｒ４１とＲ４２によるオフセット電圧Ｖｏｓ２を吸収して、図６に示すように、ＧＮＤ電位からの振幅値とした増幅ピーク値ΔＶｓｉｇをオペアンプＯＰＡＭＰ６１の出力端子から出力させることができる。また、抵抗６３の抵抗値と抵抗Ｒ６１とＲ６２の並列合成抵抗値との比の設定により、振幅レベルもオペアンプＯＰＡＭＰ６１の出力電圧範囲内にひずみなく収まる所望のレベルとすることができる。
【００２８】
オペアンプＯＰＡＭＰ６１の出力端子は制御部７０のＡ／Ｄ入力端子ｐ２に接続されている。
制御部７０では上記受光信号のピーク値を所定間隔でサンプリングしてＡ／Ｄ変換した上、雨滴情報を生成し、降雨状況を判断してワイパーのオン、オフあるいはワイパー速度を制御するワイパー制御信号をワイパー制御信号出力端子ｐ３から不図示のワイパ制御装置等へ送出する。
【００２９】
本実施の形態においては、電流ハイパスフィルタ回路２０および電圧ハイパスフィルタ回路４０の少なくともいずれかが請求項１の発明におけるハイパスフィルタ回路に該当するとともに、電圧ハイパスフィルタ回路４０は請求項３の発明におけるハイパスフィルタ回路および請求項５の発明における後段ハイパスフィルタ回路に該当し、電流ハイパスフィルタ回路２０は請求項４の発明におけるハイパスフィルタ回路および請求項５の発明における前段ハイパスフィルタ回路に該当している。
制御部７０が状態判定手段に該当する。
電圧オフセット部４１が請求項２の発明におけるオフセット手段に該当し、とくにその抵抗Ｒ４１が第１の抵抗に、Ｒ４２が第２の抵抗に該当する。そして、オペアンプＯＰＡＭＰ５１の非反転入力端子がピークホールド回路の受光信号入力端子に該当する。
また、電圧オフセット部３１が請求項４の発明におけるオフセット手段に該当し、とくにその抵抗Ｒ３１が第１の抵抗に、Ｒ３２が第２の抵抗に該当する。そして、オペアンプＯＰＡＭＰ３１の非反転入力端子が電流−電圧変換回路の基準信号入力端子に該当する。
また抵抗Ｒ６１が請求項６の発明における第３の抵抗に、抵抗Ｒ６２が第４の抵抗に該当する。
【００３０】
実施の形態は以上のように構成され、車両のウインドシールドＷ表面の検知面Ｓに向けてパルス光を照射する発光素子１１と、検知面で反射された光を受光する受光素子としてのフォトダイオードＰＤ１１とを有して、フォトダイオードＰＤ１１の出力に基づいて雨滴を検出する雨滴検出装置１において、フォトダイオードＰＤ１１から出力されるパルス光成分に外部光成分が重畳されている受光信号を電流から電圧に変換する電流−電圧変換回路３０と、受光信号からパルス光成分を抽出する電流ハイパスフィルタ回路２０および電圧ハイパスフィルタ回路４０と、電流−電圧変換回路３０と各ハイパスフィルタ回路２０、４０とを通過した受光信号をピークホールドしてピーク値ΔＶｐ／ｈ−ｓｉｇを出力するピークホールド回路５０と、ピークホールド回路５０の出力を増幅する非反転増幅回路６０と、非反転増幅回路６０で増幅された受光信号の増幅ピーク値ΔＶｓｉｇを基に雨滴の付着状態を判定し、雨滴情報を生成する制御部７０と、ハイパスフィルタ回路４０通過により発生するアンダーシュートがピークホールド回路５０に入力可能な最低入力電圧以上になるように受光信号をオフセットさせるオフセット部４１とを備え、非反転増幅回路６０は、オフセット校正部６１を備えて上記オフセットを吸収する方向に再度オフセットさせてピークホールド回路５０の出力を増幅するものとした。
電流−電圧変換回路３０の前段に電流ハイパスフィルタ回路２０を設けることにより、外部光により飽和させることなく電流−電圧変換回路３０の電流電圧変換率を上げることができ、ピークホールド回路５０の前段に必要であった高い増幅率の増幅回路が不要となるので、その高い増幅率の増幅回路で発生し得る回路ノイズの影響がなくなる。
また電流−電圧変換回路３０の後段にも電圧ハイパスフィルタ回路４０を設けて、外部光成分の低減が一層確実になる。
【００３１】
また、電圧ハイパスフィルタ回路４０の電圧オフセット部４１と非反転増幅回路６０のオフセット校正部６１を設け、ピークホール回路５０へ入力される受信信号（パルス光成分ΔＶｐ-ｓｉｇ）が電圧オフセットされてもオフセット電圧を吸収できるため、ピークホールド回路５０の入力の前段に従来必要とされた、ピークホールド回路の負電源であるグラウンド電位にバイアスされたハイパスフィルタと、パルス信号が該ハイパスフィルタを通過時に発生するアンダーシュートをピークホール回路の最小入力電圧以下（グラウンド電位以下）としないためのアナログスイッチなどの阻止回路と、これらのハイパスフィルタと阻止回路が直接ピークホールド回路に接続しない場合のバッファ回路または増幅回路とが不要となる。
また、非反転増幅回路６０をピークホールド回路５０の後段におくことにより、ピークホールド回路５０の後段に従来必要とされた電圧バッファが不要となる。
以上のように、ノイズの少ない受光信号を制御部７０に入力できるので、高精度に雨滴の付着状態を検出できるとともに、安価な構成となる。
【００３２】
非反転増幅回路６０のオフセット校正部６１は、電圧ハイパスフィルタ回路４０の電圧オフセット部４１によるオフセットを吸収する方向に再度オフセットさせてピークホールド回路５０の出力を増幅するので、グラウンドからの増幅振幅値としたピーク値信号を出力することができる。
【００３３】
電圧ハイパスフィルタ回路４０の電圧オフセット部４１は、電源電圧に接続された抵抗Ｒ４１とグラウンドに接続された抵抗Ｒ４２を直列に配置し、抵抗Ｒ４１との接続点をピークホールド回路５０のオペアンプＯＰＡＭＰ５１の非反転入力端子に接続して構成されているので、高価なアナログスイッチを用いてアンダーシュートのピークホールド回路への入力を阻止するものに比較して簡単構成であるとともに、電圧ハイパスフィルタ回路４０のフィルタ定数形成用としても共用され、従来のグラウンド電位にバイアスされるフィルタに比較しても抵抗１個の追加で安価に構成できる。
【００３４】
なお、実施の形態では、電流ハイパスフィルタ回路２０に加えて、電流−電圧変換回路３０の後に電圧ハイパスフィルタ回路４０を設けたが、図４の（Ｂ）に現れている低周波交流成分ΔＶｇ−ａｃが消滅して、図７に示すように、電流ハイパスフィルタ回路２０だけで外部光成分が十分除去されるときには、電圧ハイパスフィルタ回路４０およびオフセット部４１を省いてもよい。
この場合には、オフセット部４１に代わってオフセット部３１によるオフセット電圧Ｖｏｓ１をとくに、電流−電圧変換回路３０の出力電圧におけるアンダーシュートの下端（最低値）がピークホールド回路５０におけるオペアンプＯＰＡＭＰ５１の最小入力電圧以上になるように設定すればよい。
【００３５】
また、実施の形態における電流ハイパスフィルタ回路２０は１次のハイパスフィルタとして示したが、図８に示すように、コンデンサＣ２１の後（電流−電圧変換回路３０側）にコンデンサＣ２２を設け、コンデンサＣ２１とコンデンサＣ２２の接続点とグラウンドＧＮＤの間に抵抗Ｒ２２を設けた電流ハイパスフィルタ回路２０Ａとすれば、簡易かつ低価で２次のハイパスフィルタを構成でき、次数が上がる分だけノイズである外部光成分を減衰させる性能が向上する。
【００３６】
電圧ハイパスフィルタ回路４０についても１次のハイパスフィルタとして示したが、図９に示すように、抵抗Ｒ４１と抵抗Ｒ４２の接続点とコンデンサＣ４１との間にコンデンサＣ４２を設け、コンデンサＣ４１とコンデンサＣ４２の接続点とグラウンドＧＮＤの間に抵抗Ｒ４３を設けた電圧ハイパスフィルタ回路４０Ａとすれば、同様に、簡易かつ低価で２次のハイパスフィルタを構成でき、次数が上がる分だけノイズである外部光成分を減衰させる性能が一層向上する。
なお、電圧ハイパスフィルタ回路４０（４０Ａ）におけるフィルタは、１次以上のハイパスフィルタが構成されていれば、ハイパスフィルタの遮断周波数より大きい遮断周波数のローパスフィルタを持つバンドパスフィルタであってもよい。
【００３７】
なお、実施の形態は雨滴検出装置に適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されず、外部光が存在する環境下で受光信号に基づいて検出対象の状態を検出する種々の状態検出装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１ 雨滴検出装置
２ ケーシング
３ 前壁
４ 後壁
５ プリズム
６ａ、６ｂ レンズ部
１０ センサ部
１１ 発光素子
１２ 受光素子
１５ 発光素子駆動部
２０、２０Ａ 電流ハイパスフィルタ回路
３０ 電流−電圧変換回路
３１ 電圧オフセット部
４０、４０Ａ 電圧ハイパスフィルタ回路
４１ 電圧オフセット部
５０ ピークホールド回路
６０ 非反転増幅回路
６１ オフセット校正部
７０ 制御部
Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ４１、Ｃ４２、Ｃ５１、 コンデンサ
Ｄ５１ ダイオード
Ｆｐ パルス光成分
Ｆｇ 外部光成分
ＧＮＤ グラウンド
ＯＰＡＭＰ３１、ＯＰＡＭＰ５１、ＯＰＡＭＰ６１ オペアンプ
ＰＤ１１ フォトダイオード
Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ３３、Ｒ３４ 抵抗
Ｒ４１、Ｒ４２、Ｒ４３、Ｒ５１、Ｒ６１、Ｒ６２、Ｒ６３ 抵抗
Ｓ５１ スイッチ素子
ｐ１ ピークホールド解除信号制御端子
ｐ２ Ａ／Ｄ入力端子
ｐ３ ワイパー制御信号出力端子
ＶＣＣ 電源電圧
Ｖｏｓ１、Ｖｏｓ２ オフセット電圧
ΔＶｇ−ａｃ 低周波交流成分
ΔＶｐ 電位差
ΔＶｐ-ｓｉｇ パルス光成分
ΔＶｐ-ｕｎｄｅｒ アンダーシュート
ΔＶｐ／ｈ−ｓｉｇ ピーク値
ΔＶｓｉｇ 増幅ピーク値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子から出射されたパルス光を受光素子で受光して、前記受光素子から出力されるパルス光成分に外部光成分が重畳されている受光信号に基づいて発光素子と受光素子間に存する検出対象の状態を検出する状態検出装置であって、
前記受光信号を電流から電圧に変換する電流−電圧変換回路と、
受光信号から前記パルス光成分を抽出するハイパスフィルタ回路と、
前記電流−電圧変換回路と前記ハイパスフィルタ回路とを通過した受光信号をピークホールドするピークホールド回路と、
該ピークホールド回路の出力を増幅する非反転増幅回路と、
該非反転増幅回路で増幅された受光信号のピーク値を基に検出対象の状態を判定する状態判定手段と、
前記ハイパスフィルタ回路通過により発生するアンダーシュートが前記ピークホールド回路に入力可能な最低入力電圧以上になるように受光信号をオフセットさせるオフセット手段とを備え、
前記非反転増幅回路は、オフセット校正部を備えて前記オフセットを吸収する方向に再度オフセットさせて前記ピークホールド回路の出力を増幅するものであることを特徴とする状態検出装置。
【請求項２】
前記オフセット手段が、電源電圧に接続された第１の抵抗とグラウンドに接続された第２の抵抗を直列に配置し、該第１の抵抗と第２の抵抗との接続点を前記ピークホールド回路の受光信号入力端子に接続したものであることを特徴とする請求項１記載の状態検出装置。
【請求項３】
前記ハイパスフィルタ回路がコンデンサと抵抗とで構成され、前記電流−電圧変換回路と前記オフセット手段の間に設けられて、
前記抵抗を前記オフセット手段の第１及び第２の抵抗と共用していることを特徴とする請求項２に記載の状態検出装置。
【請求項４】
前記ハイパスフィルタ回路が前記電流−電圧変換回路の前のみに設けられ、
前記オフセット手段が、電源電圧に接続された第１の抵抗とグラウンドに接続された第２の抵抗を直列に配置し、該第１の抵抗と第２の抵抗との接続点を前記電流−電圧変換回路の基準信号入力端子に接続したものであることを特徴とする請求項１に記載の状態検出装置。
【請求項５】
前記ハイパスフィルタ回路が、前記電流−電圧変換回路の前に設けられた前段ハイパスフィルタ回路と、前記電流−電圧変換回路と前記オフセット手段の間に設けられた後段ハイパスフィルタ回路とを含み、
前記後段ハイパスフィルタ回路はコンデンサと抵抗とで構成され、前記抵抗を前記オフセット手段の第１及び第２の抵抗と共用していることを特徴とする請求項２に記載の状態検出装置。
【請求項６】
前記非反転増幅回路にはオペアンプが設けられ、前記ピークホールド回路の出力信号端子が前記オペアンプの非反転入力端子に接続され、前記オペアンプの反転入力端子と電源電圧間に接続される第３の抵抗とグラウンドに接続された第４の抵抗とを直列に配置し、
前記第３の抵抗と第４の抵抗が前記オフセット校正部を形成していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の状態検出装置。
【請求項７】
前記発光素子が車両のウインドシールド表面の検知面に向けてパルス光を出射し、前記受光素子が前記検知面で反射された光を受光するように配置され、
前記状態判定手段が前記受光信号のピーク値を基にウインドシールドの雨滴の付着状態を判定するものであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１に記載の状態検出装置。
【請求項１】
発光素子から出射されたパルス光を受光素子で受光して、前記受光素子から出力されるパルス光成分に外部光成分が重畳されている受光信号に基づいて発光素子と受光素子間に存する検出対象の状態を検出する状態検出装置であって、
前記受光信号を電流から電圧に変換する電流−電圧変換回路と、
受光信号から前記パルス光成分を抽出するハイパスフィルタ回路と、
前記電流−電圧変換回路と前記ハイパスフィルタ回路とを通過した受光信号をピークホールドするピークホールド回路と、
該ピークホールド回路の出力を増幅する非反転増幅回路と、
該非反転増幅回路で増幅された受光信号のピーク値を基に検出対象の状態を判定する状態判定手段と、
前記ハイパスフィルタ回路通過により発生するアンダーシュートが前記ピークホールド回路に入力可能な最低入力電圧以上になるように受光信号をオフセットさせるオフセット手段とを備え、
前記非反転増幅回路は、オフセット校正部を備えて前記オフセットを吸収する方向に再度オフセットさせて前記ピークホールド回路の出力を増幅するものであることを特徴とする状態検出装置。
【請求項２】
前記オフセット手段が、電源電圧に接続された第１の抵抗とグラウンドに接続された第２の抵抗を直列に配置し、該第１の抵抗と第２の抵抗との接続点を前記ピークホールド回路の受光信号入力端子に接続したものであることを特徴とする請求項１記載の状態検出装置。
【請求項３】
前記ハイパスフィルタ回路がコンデンサと抵抗とで構成され、前記電流−電圧変換回路と前記オフセット手段の間に設けられて、
前記抵抗を前記オフセット手段の第１及び第２の抵抗と共用していることを特徴とする請求項２に記載の状態検出装置。
【請求項４】
前記ハイパスフィルタ回路が前記電流−電圧変換回路の前のみに設けられ、
前記オフセット手段が、電源電圧に接続された第１の抵抗とグラウンドに接続された第２の抵抗を直列に配置し、該第１の抵抗と第２の抵抗との接続点を前記電流−電圧変換回路の基準信号入力端子に接続したものであることを特徴とする請求項１に記載の状態検出装置。
【請求項５】
前記ハイパスフィルタ回路が、前記電流−電圧変換回路の前に設けられた前段ハイパスフィルタ回路と、前記電流−電圧変換回路と前記オフセット手段の間に設けられた後段ハイパスフィルタ回路とを含み、
前記後段ハイパスフィルタ回路はコンデンサと抵抗とで構成され、前記抵抗を前記オフセット手段の第１及び第２の抵抗と共用していることを特徴とする請求項２に記載の状態検出装置。
【請求項６】
前記非反転増幅回路にはオペアンプが設けられ、前記ピークホールド回路の出力信号端子が前記オペアンプの非反転入力端子に接続され、前記オペアンプの反転入力端子と電源電圧間に接続される第３の抵抗とグラウンドに接続された第４の抵抗とを直列に配置し、
前記第３の抵抗と第４の抵抗が前記オフセット校正部を形成していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の状態検出装置。
【請求項７】
前記発光素子が車両のウインドシールド表面の検知面に向けてパルス光を出射し、前記受光素子が前記検知面で反射された光を受光するように配置され、
前記状態判定手段が前記受光信号のピーク値を基にウインドシールドの雨滴の付着状態を判定するものであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１に記載の状態検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−２４６１８（Ｐ２０１３−２４６１８Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５７３６６（Ｐ２０１１−１５７３６６）
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（３９０００１２３６）ナイルス株式会社 (136)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（３９０００１２３６）ナイルス株式会社 (136)
【Ｆターム（参考）】
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