JP2021056064A

JP2021056064A - 液滴センサ

Info

Publication number: JP2021056064A
Application number: JP2019178499A
Authority: JP
Inventors: 英生黒沢; Hideo Kurosawa
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2021-04-08

Abstract

【課題】構成が簡単で、雨の降り始めを感度よく検出することができ、取り付けや配置の自由度が高い液滴センサを提供する。【解決手段】光を出力する光源５と、入射した光を多重反射させて出力する多重反射部２と、光を検出する光検出器６と、光源から出力された光を多重反射部に入射させる光入射部３と、多重反射部から出力された光を光検出器へ出射する光出射部４と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、雨滴、水滴等の液滴を感知する液滴センサに関する。

透明板の雨滴検出エリアに雨滴が付着したときの反射率の変化を利用して、雨滴を検出する装置が知られている（たとえば、特許文献１、２参照）。これらの装置では、発光素子から放射された光が透明板の表面で反射されて、受光部で受光される。雨滴検出エリアに雨滴が付着すると、透明板の界面で反射率が変化し、受光量が変化して雨滴の存在が検出される。

特許第６０９４３５４号特許第６１６７７９９号

特許文献１では、透明板の他に第１反射手段と第２反射手段を用いて、複数回の反射を繰り返した光が受光部で検出される。第２反射手段の反射面は複雑な形状を有する曲面であり、作製が困難である。

特許文献２では、発光素子から放射された光を平行光にして透明板に入射させる屈折用の光学素子と、透明板で全反射された光を集光して受光素子に導く光学素子が用いられている。検出エリアを広げるためには、検出エリア相当の大きさの屈折用の光学素子が必要になる。屈折用の光学素子は複数に分割された複雑な形状をしており、このような光学素子の作製、装置内への取り付け等の作業は困難である。

このように、従来の液滴センサは、構成が複雑であることから、装置内への取り付けや配置に関する自由度が低いという課題がある。

本発明は、構成が簡単で、雨の降り始めを感度よく検出することができ、取り付けや配置の自由度が高い液滴センサを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の液滴センサは、光を出力する光源と、入射した光を多重反射させて出力する多重反射部と、光を検出する光検出器と、前記光源から出力された光を前記多重反射部に入射させる光入射部と、前記多重反射部から出力された光を前記光検出器へ出射する光出射部と、を有することを特徴とする液滴センサである。

本発明によれば、構成が簡単で、雨の降り始めを感度よく検出することができ、取り付けや配置の自由度が高い液滴センサを提供することができる。

第１実施形態に係るレインセンサの斜視図である。第１実施形態に係るレインセンサの側面図である。第１実施形態に係るレインセンサの平面図である。多重反射について説明する図である。発光素子から出力されて受光素子に入射する光の光路を概略的に示す図である。検出面に雨滴が付着することによる光路の変化を例示する図である。検出面に雨滴が付着していない場合における光路のシミュレーション図である。検出面に雨滴が付着していない場合における光路のシミュレーション図である。第２実施形態に係るレインセンサの斜視図である。第２実施形態に係るレインセンサの側面図である。第２実施形態に係るレインセンサの平面図である。発光素子から出力されて受光素子に入射する光の光路を概略的に示す平面図である。検出面に雨滴が付着していない場合における側面から見た光路のシミュレーション図である。検出面に雨滴が付着していない場合における上方から見た光路のシミュレーション図である。第３実施形態に係るレインセンサの斜視図である。第３実施形態に係るレインセンサの側面図である。発光素子から出力されて受光素子に入射する光の光路を概略的に示す平面図である。発光素子から出力されて受光素子に入射する光の光路を概略的に示す正面図である。検出面に雨滴が付着していない場合における斜めから見た光路のシミュレーション図である。検出面に雨滴が付着していない場合における正面から見た光路のシミュレーション図である。外来光が受光素子により受光される光路を例示する図である。光出射部の側面に散乱面を形成した例を示す図である。散乱面の長さを説明する図である。第４実施形態に係るレインセンサの斜視図である。第４実施形態に係るレインセンサの側面図である。発光素子から出力されて受光素子に入射する光の光路を概略的に示す側面図である。発光素子から出力されて受光素子に入射する光の光路を概略的に示す平面図である。検出面に雨滴が付着していない場合における斜めから見た光路のシミュレーション図である。検出面に雨滴が付着していない場合における上方から見た光路のシミュレーション図である。第４実施形態の変形例を示す図である。レインセンサの原理を説明する図である。受光素子の受光量とレインセンサの検出面に雨滴が付着した面積との関係を示す図である。

＜レインセンサの原理＞
まず、レインセンサの原理について説明する。レインセンサは、発光素子から出力される光がレインセンサの検出面に入射する入射角を、空気との界面で全反射条件を満たし、雨滴との界面で発光素子から出力される光のほとんど（たとえば９０％以上）を透過させる角度としたものであり、受光量の変化から雨滴の付着を感度良く検出することができる。

図２９は、レインセンサの原理を説明する図である。図２９の横軸は、発光素子から出力される光が検出面の界面へ入射する入射角度、縦軸は界面での反射率である。図中、左側の実線のカーブが空気との界面での反射率、右側の実線のカーブが水との界面での反射率である。点線はＰ偏光、破線はＳ偏光の反射率であり、実線が無偏光のときの反射率である。

図２９は、レインセンサの材料としてポリカーボネート（屈折率ｎ＝１．５７）を用いる場合を想定しており、ポリカーボネートから異なる媒質へ入射する場合の反射率の入射角依存性を表しており、例えば、空気の屈折率を１、水の屈折率を１．３３とした場合の反射率を表している。異なる屈折率を有する物質間の界面に光が入射して反射されるときの反射率は、屈折率の差と、入射角とに依存する（フレネル反射）。

ポリカーボネートから空気へ入射するときの全反射が生じる臨界角は３９．６°、ポリカーボネートから水へ入射するときの臨界角は５８．１°である。全反射現象を利用して水滴または雨滴を検出する場合、一般に、界面への入射角が４０°〜５８°の領域でレインセンサを使用する。入射角の領域の範囲は、レインセンサに用いられる材料の屈折率にも依存する。そこで、界面への入射角が、全反射の現象を利用した高感度検出が可能な最適範囲となるように、レインセンサの材料と検出エリアの形状を選択する。

レインセンサは、雨滴の付着の有無について特に感度よく検出することができる。

図３０は、受光素子の受光量とレインセンサの検出面に雨滴が付着した面積との関係を示す図である。

図３０（Ａ）は、例えば、本出願人により出願された特願２０１７−２５４９５６に記載されているように、検出面に一度だけ検出光を入射させる楕円型のレインセンサである場合において、受光素子の受光量比率と検出面に雨滴が付着した面積比率との関係を示す。受光量比率とは、検出面の周囲が空気の場合の受光量を基準とした割合を表す。面積比率は、検出面の全体に雨滴が付着している場合を基準とした割合を表す。

発光素子からの出力光が楕円型の検出面で反射して受光素子で受光する場合には、雨滴付着面積に関して直線的に受光素子の受光量が減少する。これは、楕円型の場合、発光素子から出射された光は検出面に一度だけ入射及び反射して受光素子で受光され、雨滴の付着がない検出面で入射及び反射した光は、雨滴検出に再度利用されることなく受光素子で受光されるためである。

図３０（Ｂ）は、レインセンサは直方体形型である場合における受光素子の受光量と検出面に雨滴が付着した面積との関係を示す。

発光素子５からの出力光が直方体型の検出面で反射して受光素子で受光する場合には、雨滴付着面積が少ない場合において、受光素子の受光量が急激に減少する。これは、直方体型の場合、光は検出面に入射及び反射した後にも反射を繰り返すため、複数回にわたり検出面に入射と反射を繰り返す（すなわち、多重反射を行う）。このような場合、上述の楕円型のレインセンサのように光の入射及び反射が検出面で一度だけ行われるものとは異なり、一度目の光の入射及び反射が雨滴の付着のない検出面の部分で行われたとしても、二度目以降複数回にわたって光の入射及び反射を繰り返すことで、検出面の任意の箇所に付着した雨滴へ入射する光が多くなる。このため、雨滴の付着した検出面の部分に入射して外へ透過する光が増加し、受光素子に受光される光量が減少するため、雨滴付着面積が小さい場合であっても光の受光量が急激に減少する。

なお、図３０（Ｂ）中の符号Ａ，Ｂ，Ｃは、多重反射の回数の差異を表している。符号Ａは、多重反射の回数が少ない場合の特性を示している。符号Ｂは、符号Ａよりも多重反射の回数が多い場合の特性を示している。符号Ｃは、符号Ｂよりも多重反射の回数が多い場合の特性を示している。

このように、レインセンサが直方体形型であって光が多重反射を行う場合には、雨の降り始めの雨量が少なく、検出面に付着する雨滴の量が少ない場合でも、受光量が急激に変化するため、雨の降り始めを感度よく検出することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態は、直方体形型の多重反射部を有するレインセンサに関するものであり、受光量は、図３０（Ｂ）に示すような特性を有する。

本発明の実施形態では、多重反射部の検出面に液体が付着することによる反射光量の変化を利用して、液滴の存在を光学的に検出する。液滴センサは、雨滴以外にも、結露、水滴、インク等の液滴の検出に適用可能である。以下の各実施形態では、液滴センサをレインセンサに適用した例を説明する。以下の各図では、互いに直交の関係にある３方向を、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向としている。

なお、各実施形態に係る明細書及び図面の記載に関して、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重畳した説明を省略する。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るレインセンサ１０の斜視図である。図２は、第１実施形態に係るレインセンサ１０の側面図である。図３は、第１実施形態に係るレインセンサ１０の平面図である。

図１に示すように、レインセンサ１０は、多重反射部２と、光入射部３と、光出射部４と、発光素子５と、受光素子６とを有する。本実施形態では、多重反射部２は、直方体形状であって、上面２ａと、下面２ｂと、端面２ｃ，２ｄと、側面２ｅ，２ｆとを有する。

上面２ａと下面２ｂとは、互いに平行であって、Ｚ方向に対向している。端面２ｃと端面２ｄとは、互いに平行であって、Ｘ方向に対向している。側面２ｅと側面２ｆとは、互いに平行であって、Ｙ方向に対向している。なお、多重反射部２は、少なくとも、上面２ａと下面２ｂとが互いに平行に対向していればよい。

光入射部３は、半球状またはその一部であって、多重反射部２の第１端面としての端面２ｃに、多重反射部２と一体に形成されている。同様に、光出射部４は、半球状またはその一部であって、多重反射部２の第２端面としての端面２ｄに、多重反射部２と一体に形成されている。光入射部３と光出射部４とは、多重反射部２を介してＸ方向に対向している。なお、光入射部３は、球状に限られず、全反射条件を満たす角度で光を検出面に入射させることができる曲面を有するものであればよい。

多重反射部２、光入射部３、及び光出射部４は、同一の材料（たとえば、ポリカーボネート）により成型されたものである。多重反射部２、光入射部３、及び光出射部４は、金型を用いた樹脂成型技術により作成することが可能である。

発光素子５は、たとえば近赤外光を出力する発光ダイオードであり、光入射部３の近傍に配置されている。受光素子６は、たとえば近赤外領域の光に感度を有する量子井戸型の受光素子であり、光出射部４の近傍に配置されている。ここで、発光素子５は光源の一例であり、受光素子６は光検出器の一例である。

図２及び図３に示すように、発光素子５及び受光素子６は、たとえば基板７上に実装されている。基板７上には、発光素子５及び受光素子６を駆動するための駆動回路（図示せず）や、受光素子６からの出力信号をモニタするための監視回路（図示せず）等が実装されている。本実施形態では、基板７は、多重反射部２の下面２ｂに対向するように配置されている。

光入射部３は、球面レンズとして機能し、発光素子５の発光面から出力された光をほぼ平行光として、端面２ｃから多重反射部２へ入射させる。

光出射部４は、球面レンズとして機能し、端面２ｃから入射し、多重反射部２内を多重反射して端面２ｄに達した光を、受光素子６の受光面に集光するように出射させる。

多重反射部２は、発光素子５から光入射部３を介して入射した光が、上面２ａと下面２ｂとの間で多重反射し、光出射部４を介して受光素子６へ出射されるように、発光素子５及び受光素子６との位置関係に基づき、Ｘ方向への長さが設定されている。

また、多重反射部２は、光入射部３から入射した光が、上面２ａ及び下面２ｂへの入射角において周りが空気の場合に全反射する条件を満たし、水滴が付着した場合には全反射する条件を満たさない屈折率を有する材料で形成されている。たとえば、図４に示すように、光入射部３から入射した光が上面２ａ及び下面２ｂで全反射する臨界角をθ_ｍ、多重反射部２の屈折率をｎ１、多重反射部２の外部の屈折率をｎ２とした場合、臨界角θ_ｍは、下式（１）で表される。

ｓｉｎθ_ｍ＝ｎ２／ｎ１・・・（１）
多重反射部２の外部を空気（ｎ２＝１）とし、臨界角θ_ｍを４０°〜５８°とした場合、上式（１）を満たす多重反射部２の屈折率ｎ１は、１．１８〜１．５６となる。すなわち、多重反射部２を、１．１８〜１．５６の屈折率ｎ１を有する材料で形成することにより、光入射部３から入射した光は、上面２ａ及び下面２ｂに対する入射角が少なくとも４０°〜５８°の中に、上面２ａ及び下面２ｂへの入射角において周りが空気の場合に全反射する条件を満たし、水滴が付着した場合には全反射する条件を満たさない光が存在する。これらの条件を満たす入射角と屈折率を選択してレインセンサを構成することで、当該光は、上面２ａ及び下面２ｂとの間で多重反射される。

多重反射部２は、たとえば、屈折率１．５７の樹脂であるポリカーボネートにより形成することが好ましい。なお、多重反射部２は、ポリカーボネートに限られず、アクリル等の樹脂、透明セラミック、ガラス、高屈折率のプラスチック等で形成されてもよい。

多重反射部２及び基板７は、多重反射部２の上面２ａのみを外部に露出させるカバー体（図示せず）により支持されている。本実施形態では、多重反射部２の上面２ａを、雨滴の検出面として使用する。多重反射部２の下面２ｂは、検出面としては使用しないが、空気以外の部材が接触すると上記全反射条件が崩れる可能性があるため、多重反射部２は、側面２ｅ，２ｆがカバー体により支持されていることが好ましい。なお、下面２ｂにミラーコートなどを施してもよく、この場合にはどのような屈折率の部材が接触しても光はすべて反射するため、感度に影響を与えることはない。

図５は、周囲が空気の場合に、発光素子５から出力されて受光素子６に入射する光の光路を概略的に示す図である。図６は、検出面に雨滴が付着することによる光路の変化を例示する図である。

図５に示すように、検出面（上面２ａ）に雨滴が付着していない場合には、発光素子５から出力され、光入射部３を介して多重反射部２に入射した光は、全反射による多重反射が行われて、光出射部４から受光素子６へ導かれる。一方、図６に示すように、検出面に雨滴が付着すると、雨滴が付着した部分において界面における全反射条件が崩れ、多重反射部２外にほとんどの光が透過する。これにより、受光素子６での受光量が低減する。受光素子６での受光量の変化を、受光素子６の出力を監視する監視回路によりモニタすることで、雨滴の存在を感度よく検出することができる。

図７及び図８は、検出面に雨滴が付着していない場合における光路のシミュレーション図である。図７は側面図である。図８は平面図である。

図７及び図８に示すように、実際には、発光素子５は点ではないので、下記（１）及び（２）の条件を満たす全ての光線が雨滴検出の対象となり、発光素子５から出射された光線は次第に分散する。

（１）発光素子５の有限の面積をもつエリアから出射される全ての光線
（２）多重反射の入射角条件を満たす全ての光線
このように、本実施形態に係るレインセンサ１０によれば、多重反射部２の上面２ａを検出面として用いることができる。なお、本実施形態では、多重反射部２の上面２ａを検出面としているが、上面２ａ及び下面２ｂの両方を検出面として使用することも可能である。

また、本実施形態に係るレインセンサ１０は、光入射部３と光出射部４の球面レンズの機能と多重反射部２の検出面の機能とが一体成型によって構成されるので、従来の液滴センサよりも部品点数が少なく、構成が簡単である。これにより、種々の装置内への取り付け等が可能となる。さらに、本実施形態に係るレインセンサ１０は、板状で薄型化が可能な形状を有しているので、取り付けや配置の自由度が高い。また、本実施形態に係るレインセンサ１０は、構成が簡単であるので、低コストで製造が可能である。さらに、本実施形態に係るレインセンサ１０では、多重反射部２には発光素子５からの光が光入射部３を介して斜め方向から入射され、多重反射部２で多重反射された後に光出射部４を介して受光素子６へ斜め方向に出射されるので、発光素子５及び受光素子６を、多重反射部２が平行配置された基板と同一の基板上に配置することができ、装置内に省スペースに実装することができる。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係るレインセンサについて説明する。

図９は、第２実施形態に係るレインセンサ１０ａの斜視図である。図１０は、第２実施形態に係るレインセンサ１０ａの側面図である。図１１は、第２実施形態に係るレインセンサ１０ａの平面図である。

レインセンサ１０ａは、多重反射部２０と、光入射部３と、光出射部４と、発光素子５と、受光素子６とを有する。本実施形態では、多重反射部２０は、上面２０ａと、下面２０ｂと、端面２０ｃ，２０ｄと、側面２０ｅ，２０ｆとを有する。

第１実施形態と同様に、上面２０ａと下面２０ｂとは、互いに平行であって、Ｚ方向に対向している。本実施形態では、端面２０ｃと端面２０ｄとは、Ｘ方向に対向しているが、第１端面としての端面２０ｃが平面であるのに対して、第２端面としての端面２０ｄは湾曲している。側面２０ｅと側面２０ｆとは、互いに平行であって、Ｙ方向に対向している。

光入射部３及び光出射部４は、第１実施形態と同様に、それぞれ半球状であって、多重反射部２０と同一の材料により、多重反射部２０とともに成形されたものである。本実施形態では、光入射部３及び光出射部４は、共に端面２０ｃに形成されており、Ｙ方向に隣接して配置されている。

発光素子５は、光入射部３の近傍に配置されている。受光素子６は、光出射部４の近傍に配置されている。図１０及び図１１に示すように、発光素子５及び受光素子６は、たとえば基板７上に実装されている。本実施形態では、発光素子５及び受光素子６が近接して配置されるため、基板７のサイズを小さくすることが可能である。基板７上には、第１実施形態と同様に、駆動回路、監視回路等が実装されている。

光入射部３は、球面レンズとして機能し、発光素子５の発光面から出力された光を平行光に近い状態にして、端面２０ｃから多重反射部２０へ入射させる。

多重反射部２０は、第１実施形態と同様に、光出射部４から入射した光が、上面２０ａ、下面２０ｂ、及び端面２０ｄで全反射することを可能にする屈折率を有する材料で形成されている。このような条件を満たす多重反射部２０の屈折率は、２^１／２以上である。多重反射部２０は、たとえば、ポリカーボネートにより形成されている。多重反射部２０、光入射部３、及び光出射部４は、同一の材料により成型されたものである。

端面２０ｄは、Ｚ方向に平行な軸を中心軸とした楕円柱面の一部である。この楕円柱面の第１焦点及び第２焦点として実際に機能する位置は、半球状の光入射部３及び光出射部４を介して発光素子５及び受光素子６が配置された位置にほぼ等しい。つまり、楕円柱面に対する第１焦点Ｆ１及び第２焦点Ｆ２の位置は、幾何光学的な焦点位置である。

端面２０ｄには、光入射部３から多重反射部２０に入射し、多重反射により伝搬された光が入射する。端面２０ｄは、上述した焦点位置を有する楕円柱面であるので、入射光を、光出射部４に向けて反射する。なお、多重反射部２０のＸ方向の長さに対して発光素子５と受光素子６との間隔が十分に短い場合には、楕円柱面は円柱面で近似可能であるので、端面２０ｄは円柱面であってもよい。

また、端面２０ｄにはほぼ４５°の入射角で光が入射するので、多重反射部２０の屈折率を２^１／２以上とすることで、多重反射面だけでなく、端面２０ｄでも入射光を全反射させることが可能である。なお、多重反射部２０と端面２０ｄの両入射面で全反射の条件を満たすことができない材料を用いる場合などは、多重反射面側が全反射条件を満たすような入射角で光を入射させ、端面２０ｄに、アルミ蒸着膜などの反射膜を形成してもよい。この場合、端面２０ｄに入射した光は端面２０ｄに対する入射角に関係なく反射される。

多重反射部２０及び基板７は、第１実施形態と同様に、多重反射部２０の上面２０ａのみを外部に露出させるカバー体（図示せず）により支持されている。本実施形態では、多重反射部２０の上面２０ａを、雨滴の検出面として使用するが、上面２０ａ及び下面２０ｂの両方を検出面として使用することも可能である。

図１２は、発光素子５から出力されて受光素子６に入射する光の光路を概略的に示す平面図である。図１２に示すように、発光素子５から出力され、光入射部３を介して多重反射部２０に入射した光は、多重反射が行われて端面２０ｄに入射し、端面２０ｄで反射することにより光出射部４へ向かって再び多重反射し、光出射部４を介して受光素子６により受光される。このように、端面２０ｄは、受光素子６への集光作用を有するので、光入射部３から端面２０ｄに入射する光は、検出面積を大きくするために、発散光として端面２０ｄの全域に照射されることが好ましい。

検出面（上面２０ａ）への雨滴の有無による光路の変化は、第１実施形態と同様である（図５及び図６参照）。第１実施形態と同様に、受光素子６での受光量の変化を、受光素子６の出力を監視する監視回路によりモニタすることで、雨滴の存在と量を検出することができる。

図１３及び図１４は、検出面に雨滴が付着していない場合における光路のシミュレーション図である。図１３は側面図である。図１４は平面図である。

図１３及び図１４に示すように、実際には、発光素子５は点ではないので、下記（１）及び（２）の条件を満たす全ての光線が雨滴検出の対象となり、発光素子５から出射された光線は次第に分散する。なお、本実施形態では、第１実施形態に比べて光路長が長いので、光線がより一層分散する。

（１）発光素子５の有限の面積をもつエリアから出射される全ての光線
（２）多重反射の入射角条件を満たす全ての光線
以上のように、本実施形態に係るレインセンサ１０ａは、第１端面としての端面２０ｃに光入射部３及び光出射部４を設け、端面２０ｃに対向する端面２０ｄを反射面として機能させることで、検出面において光が多重反射する領域を拡大し、検出面積を拡大することができる。したがって、本実施形態に係るレインセンサ１０ａは、第１実施形態で得られる効果に加えて、雨滴の検出可能エリアを広くすることができ、発光素子５と受光素子６との２つの素子がレインセンサの一方の端面側に位置しているため、取り付けや配置の自由度を高くすることができるという効果をさらに奏する。
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係るレインセンサについて説明する。

図１５は、第３実施形態に係るレインセンサ１０ｂの斜視図である。図１６は、第３実施形態に係るレインセンサ１０ｂの側面図である。

レインセンサ１０ｂは、多重反射部２０と、光入射部３０と、光出射部４０と、発光素子５と、受光素子６とを有する。多重反射部２０は、第２実施形態とほぼ同様の構成であり、上面２０ａと、下面２０ｂと、端面２０ｃ，２０ｄと、側面２０ｅ，２０ｆとを有する。

第２実施形態と同様に、上面２０ａと下面２０ｂとは、対向し、互いに平行である。第１端面としての端面２０ｃには、光入射部３０及び光出射部４０が接続されている。本実施形態では、光入射部３０は、シリンドリカル面（円筒面）３１を有し、シリンドリカルレンズとして機能する。同様に、光出射部４０は、シリンドリカル面４１を有し、シリンドリカルレンズとして機能する。シリンドリカル面３１，４１は、それぞれＸ方向にパワーを有する（屈折力を有する）。

多重反射部２０は、上面２０ａ及び下面２０ｂがＺ方向に対して角度φをなすように傾斜している（図１６参照）。たとえば、角度φは４５°である。本実施形態では、φ＝４５°としている。

本実施形態では、光入射部３０及び光出射部４０は、接続されており、互いに平行であって、Ｘ方向に対向する側面４２，４３を共有している。なお、光入射部３０と光出射部４０とは分離されていてもよい。

発光素子５は、光入射部３０のシリンドリカル面３１に対向する位置（焦点位置）に配置されている。受光素子６は、光出射部４０のシリンドリカル面４１に対向する位置（焦点位置）に配置されている。発光素子５及び受光素子６は、第２実施形態と同様に、たとえば基板７上に実装されている。

光入射部３０のシリンドリカル面３１は、発光素子５の発光面から出力された光をＹＺ面にほぼ平行光に、Ｙ軸方向に対して端面２０ｄの全域に照射されるように、端面２０ｃから多重反射部２０へ入射させる。具体的には、光入射部３０は、発光素子５からＸ軸方向に発散する光をＸ軸方向にパワーを有する（屈折力を有する）シリンドリカル面４１によってほぼ平行光（ＹＺ面においてＺ方向に伝搬する平行光）とする。したがって、光入射部３０から多重反射部２０に入射する光は、ＸＺ面において、ほぼ４５°の入射角で上面２０ａに入射する。なお、光入射部３０はＹ軸と平行な中心軸を持つシリンドリカル面でありＹ方向にはパワーを有さない（屈折力を有さない）ため、光入射部３０内を伝搬する光は、ＹＺ面に平行な発散光である。

多重反射部２０は、第２実施形態と同様に、光出射部４から入射した光が、上面２０ａ及び下面２０ｂで全反射する条件を満たす屈折率を有する材料で形成されている。多重反射部２０の屈折率は、２^１／２以上である。多重反射部２０は、たとえば、ポリカーボネートにより形成されている。多重反射部２０、光入射部３０、及び光出射部４０は、同一の材料により成型されたものである。

端面２０ｄは、第２実施形態と同様に、湾曲面であって、たとえば楕円柱面の一部である。この楕円柱面は、発光素子５及び受光素子６の位置を幾何光学的な焦点位置としている。端面２０ｄには、光入射部３０から多重反射部２０に入射し、多重反射により伝搬された光が入射する。端面２０ｄは、入射光を光出射部４０に向けて反射する。端面２０ｄは、楕円柱面に限られない。発光素子５と受光素子６の間隔に対して、発光素子５及び受光素子６から楕円面までの距離が十分に長い場合には、端面２０ｄは円柱面であってもよい。

第２実施形態と同様に、端面２０ｄにはほぼ４５°の入射角で光が入射するので、多重反射部２０の屈折率を２^１／２以上とすることで、端面２０ｄで入射光を全反射させることが可能である。なお、端面２０ｄに、アルミ蒸着膜などの反射膜を形成してもよい。

多重反射部２０は、上面２０ａを検出面として用いるので、下面２０ｂ側に支持体を設けてもよい。

図１７Ａは、発光素子５から出力されて受光素子６に入射する光の光路を概略的に示す平面図である。図１７Ｂは、発光素子５から出力されて受光素子６に入射する光の光路を概略的に示す正面図である。図１７Ａに示すように、発光素子５から出力された光は、光入射部３０のシリンドリカル面３１により集光され、ＹＺ面において平行光となり、光入射部３内をＺ方向に進行する。この平行光は、多重反射部２０の上面２０ａにほぼ４５°の入射角で入射し、多重反射部２０内を多重反射する。

多重反射部２０内を多重反射した光は、端面２０ｄにほぼ４５°の入射角で入射し、端面２０ｄにより全反射される。端面２０ｄにより全反射された光は、光出射部４０へ向かって、再び多重反射部２０内を多重反射する。多重反射部２０から光出射部４０に入射した光は、ＸＺ面においてＺ方向と平行に進行し、シリンドリカル面４１により、受光素子６上に集光するように出力される。

図１８及び図１９は、検出面に雨滴が付着していない場合における光路のシミュレーション図である。図１８は斜視図である。図１９は正面図である。

以上のように、本実施形態に係るレインセンサ１０ｂは、光入射部３０をシリンドリカルレンズとしているので、Ｙ方向に対しては発光素子５から直接放射状に発散し、検出面において光が多重反射する領域が拡大する。したがって、本実施形態に係るレインセンサ１０ｂは、検出領域が広く、雨滴の検出感度が高いという利点を有する。加えて、本実施形態に係るレインセンサ１０ｂは、検出面が斜め４５度の姿勢であるので、取り付けや配置がし易く、さらに上方からの雨滴が検出面への付着後に流れ落ち、再び次の雨滴付着に備える、といった雨滴の一連の計測に適している。

なお、本実施形態に係るレインセンサ１０ｂでは、多重反射部２０は、検出面が光出射部４０の光路に対して４５°傾斜しているので、図２０に示すように、太陽光等の外来光が、検出面（上面２０ａ）から光出射部４０へ入射し、受光素子６により受光される可能性がある。このような外来光は、検出ノイズの原因となるため、可能な限り抑制することが好ましい。図２０は、上面２０ａから多重反射部２０内に入射した外来光が、光出射部４０に入射し、側面４２，４３で全反射されて受光素子６に入射する例を示している。光出射部４０のＺ方向への長さが短い場合には、光出射部４０に入射した外来光が、側面４２，４３で全反射されずに直接受光素子６に入射する場合もある。

図２１は、光出射部４０に入射した外来光が受光素子６に入射することを抑制するために、側面４３の一部を散乱面４３ａとした例を示す図である。

散乱面４３ａは、いわゆる砂面である。散乱面４３ａは、多重反射部２０の上面２０ａから入射した外来光が入射する可能性のある領域に形成されている。具体的には、散乱面４３ａは、光出射部４０の側面４３において、側面４３と多重反射部２０の下面２０ｂとの接続部から、Ｚ方向に所定の長さＬを有する領域に形成されている。散乱面４３ａは、入射した外来光を散乱させることにより、受光素子６に入射する外来光を抑制する。

図２２は、散乱面４３ａの長さＬを説明する図である。図２２に示すように、多重反射部２０の上面２０ａに入射する外来光のうち、上面２０ａと光出射部４０の側面４２との接続部４２ａに入射する外来光が、側面４３において接続部４３ｂから最も遠方に入射する。したがって、少なくとも側面の接続部４３ｂから、最も遠方まで外来光が届く位置までの領域までを散乱面にすることで、側面に入射した光は散乱し、この結果、受光素子６に届く光は極めて小さくなり、外来光の影響が抑制される。

図２２に示すＬ（α）は、接続部４２ａに入射角αで入射した外来光が、側面４３に入射する位置と接続部４３ｂとの間の距離を表している。側面４２，４３の間隔をｄ、側面４３に入射する外来光と側面４３との角度をδとすると、Ｌ（α）は、下式（２）で表される。

Ｌ（α）＝ｄ／ｔａｎδ ・・・（２）
角度δは、外来光の出射角（屈折角）をβとした場合、下式（３）で表される。

δ＝π／２−（β＋φ）・・・（３）
また、屈折角βは、多重反射部２０の屈折率をｎ、多重反射部２０の外部の空気の屈折率を１とした場合、スネルの法則に基づき、下式（４）で表される。

β＝ｓｉｎ^−１［（ｓｉｎα）／ｎ］・・・（４）
φ＝π／４とし、式（２）〜（４）をまとめると、Ｌ（α）は、下式（５）で表される。

Ｌ（α）＝ｄ／ｔａｎ［π／４−ｓｉｎ^−１［（ｓｉｎα）／ｎ］］・・・（５）
Ｌ（α）は、入射角αが９０°に近づくほど大きくなる。したがって、Ｌ（α）の最大値Ｌ_ｍａｘは、上式（５）においてα＝π／２とすることにより、下式（６）で表される。

Ｌ_ｍａｘ＝ｄ／ｔａｎ［π／４−ｓｉｎ^−１（１／ｎ）］・・・（６）
よって、上述の散乱面４３ａの長さＬは、上式（６）で算出されるＬ_ｍａｘとすればよい。

なお、散乱面４３ａの長さＬは、少なくともＬ_ｍａｘとすればよく、Ｌ_ｍａｘよりも大きくてもよい。

また、光出射部４０のシリンドリカル面４１を散乱面（透過散乱面）としてもよい。受光素子６は、シリンドリカル面４１の焦点位置に配置することが好ましいが、シリンドリカル面４１を散乱面とすることにより、シリンドリカル面４１から受光素子６に向けて射出される光の強度分布が広がるので、受光量は低下するものの受光素子６の焦点位置からの位置ずれの許容量が拡大する。

さらに、シリンドリカル面４１をＺ軸方向に湾曲するよう曲率を持たせることで、Ｙ方向に屈折作用を生じさせ、発光素子５から出射される光のＹ方向への広がり方を制御するようにしてもよい。
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係るレインセンサについて説明する。

図２３は、第４実施形態に係るレインセンサ１０ｃの斜視図である。図２４は、第４実施形態に係るレインセンサ１０ｃの側面図である。

レインセンサ１０ｃは、第１多重反射部２０と、光入射部３０と、光出射部４０と、第１導光部５０と、第２多重反射部６０と、第２導光部７０と、発光素子５と、受光素子６とを有する。第１多重反射部２０、光入射部３０、光出射部４０、第１導光部５０、第２多重反射部６０、及び第２導光部７０は、いわゆるアーチ型であり、樹脂等の同一の材料により一体に成形されている。発光素子５及び受光素子６の配置等については、第３実施形態と同様である。

第１多重反射部２０、光入射部３０、及び光出射部４０の構成は、第１多重反射部２０の端面２０ｄに第１導光部５０が接続されていること以外については、第３実施形態における多重反射部２０、光入射部３０、及び光出射部４０の構成と同様である。本実施形態においても、第１多重反射部２０は、光入射部３０及び光出射部４０の光軸（Ｚ方向）に対して４５°の角度をなすように傾斜している。

本実施形態では、第１多重反射部２０は互いに対向する上面２０ａ及び下面２０ｂを有し、端面２０ｄは平面状かつ垂直であって、平板状の第１導光部５０が接続されている。第１導光部５０は、互いに対向する上面５０ａ及び下面５０ｂを有する。第１導光部５０は、上面５０ａ及び下面５０ｂが、第１多重反射部２０の上面２０ａ及び下面２０ｂに対して４５°の角度をなすように、第１多重反射部２０の端面２０ｄに接続されている。

第２多重反射部６０は、互いに対向する上面６０ａ及び下面６０ｂを有する。第２多重反射部６０は、上面６０ａ及び下面６０ｂが、第１導光部５０の上面５０ａ及び下面５０ｂに対して４５°の角度をなすように、第１導光部５０の第１多重反射部２０とは反対側の端面５０ｃに接続されている。

第２導光部７０は、互いに対向する側面７０ａ及び７０ｂを有する。第２導光部７０は、上面５０ａ及び下面５０ｂが、第２多重反射部６０の上面６０ａ及び下面６０ｂに対して４５°の角度をなすように、第２多重反射部６０の第１導光部５０とは反対側の端面６０ｃに接続されている。

本実施形態では、第２導光部７０は、第３実施形態における多重反射部２０の端面２０ｃと同様の湾曲した端面７０ｃを有する。端面７０ｃは、楕円柱面であることが好ましいが、発光素子５及び受光素子６からの端面７０ｃまでの距離が、発光素子５と受光素子６の素子間の距離に比べて十分に長い場合には、円柱面であってもよい。また、端面７０ｃにはアルミ蒸着膜などの反射膜が形成されている。

図２５Ａは、発光素子５から出力されて受光素子６に入射する光の光路を概略的に示す側面図である。図２５Ｂは、発光素子５から出力されて受光素子６に入射する光の光路を概略的に示す平面図である。図２５Ａに示すように、発光素子５から出力された光は、光入射部３０のシリンドリカル面３１により集光され、ＸＺ面において平行光となり、光入射部３０内をＺ方向に進行する。この平行光は、第１多重反射部２０の上面２０ａにほぼ４５°の入射角で入射し、第１多重反射部２０内を多重反射する。

第１多重反射部２０内を多重反射した光は、ＸＹ面に対してほぼ平行光として第１導光部５０に入射する。第１多重反射部２０から第１導光部５０に入射した光は、Ｘ方向にほぼ平行に進行し、第２多重反射部６０の上面６０ａにほぼ４５°の入射角で入射する。第２多重反射部６０に入射した光は、第２多重反射部６０内を多重反射する。

第２多重反射部６０内を多重反射した光は、ＹＺ面に対してほぼ平行光として第２導光部７０に入射する。第２多重反射部６０から第２導光部７０に入射した光は、Ｚ方向にほぼ平行に進行して端面７０ｃに入射し、端面７０ｃにより反射される。端面７０ｃにより反射された光は、第２多重反射部６０、第１導光部５０、及び第１多重反射部２０を介して光出射部４０に入射する。多重反射部２０から光出射部４０に入射した光は、シリンドリカル面４１により、受光素子６上に集光するように出力される。

本実施形態では、第１多重反射部２０の上面２０ａと、第２多重反射部６０の上面６０ａとが、雨滴の検出面として機能する。検出面（上面２０ａ，６０ａ）への雨滴の有無による光路の変化は、第１実施形態と同様である（図５及び図６参照）。第１実施形態と同様に、受光素子６での受光量の変化を、受光素子６の出力を監視する監視回路によりモニタすることで、雨滴の存在と量を検出することができる。

図２６及び図２７は、検出面に雨滴が付着していない場合における光路のシミュレーション図である。図２６は斜視図である。図２７は平面図である。

以上のように、本実施形態に係るレインセンサ１０ｃは、第１多重反射部２０の上面２０ａと第２多重反射部６０の上面６０ａとが検出面として機能するので、検出領域が広く、雨滴の検出感度が高いという利点を有する。

なお、本実施形態に係るレインセンサ１０ｃにおいても、光出射部４０に入射した外来光が受光素子６に入射することを抑制するために、側面４３の一部を散乱面としてもよい。

図２８は、第４実施形態の変形例を示す図である。第４実施形態では、第２導光部７０の端面７０ｃに入射した光を、端面７０ｃに形成された反射膜により反射しているが、この反射膜に代えて、端面７０ｃに対して４５°の角度をなす反射部７１を接続してもよい。

この反射部７１は、側面７０ａ，７０ｂに平行なＺ方向に対して４５°の角度をなし、先端が９０°の角度をなすように形成されている。また、反射部７１は、Ｙ方向に湾曲した形状を有する。反射部７１は、ＸＺ面においてほぼ４５°の入射角で光が入射し、入射した光を全反射するので、反射膜を設ける必要はなく、レインセンサ１０ｄをより低コストに実現可能な形状とする。

なお、本発明に係る液滴センサは、レインセンサ、結露センサ等に適用することができる。レインセンサは、たとえば、街路樹、街灯等に設置して局所的な雨量分布の測定や天候情報の収取や、車両のワイパー制御に用いることができる。結露センサは、コピー機、サーバ装置等のオフィスオートメーション機器に用いることができる。さらに、レインセンサを環境センサに組み込んで、他のセンサ（温度センサ、風向風量センサ等）と組み合わせて用いることもできる。

２多重反射部、２ａ上面、２ｂ下面、２ｃ，２ｄ端面、２ｅ，２ｆ側面、３光入射部、４光出射部、５発光素子、６受光素子、７基板１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃレインセンサ、２０多重反射部、２０ａ上面、２０ｂ下面、２０ｃ，２０ｄ端面、２０ｅ，２０ｆ側面、３０光入射部、３１シリンドリカル面、４０光出射部、４１シリンドリカル面、４２，４３側面、４３ａ散乱面、５０第１導光部、５０ａ上面、５０ｂ下面、５０ｃ端面、６０第２多重反射部、６０ａ上面、６０ｂ下面、６０ｃ端面、７０第２導光部、７０ａ，７０ｂ側面、７０ｃ端面、７１反射部

Claims

光を出力する光源と、
入射した光を多重反射させて出力する多重反射部と、
光を検出する光検出器と、
前記光源から出力された光を前記多重反射部に入射させる光入射部と、
前記多重反射部から出力された光を前記光検出器へ出射する光出射部と、
を有することを特徴とする液滴センサ。
前記多重反射部は、互いに対向する第１端面及び第２端面を有し、
前記第１端面には前記光入射部が形成されており、
前記第２端面には前記光出射部が形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の液滴センサ。
前記多重反射部は、互いに対向する第１端面及び第２端面を有し、
前記第１端面には前記光入射部及び前記光出射部が形成されており、
第２端面は、楕円柱面又は円柱面状に湾曲した湾曲面である
ことを特徴とする請求項１に記載の液滴センサ。
前記光入射部及び前記光出射部は、それぞれ曲面であることを特徴とする請求項２又は３に記載の液滴センサ。
前記光入射部及び前記光出射部は、それぞれ半球状であることを特徴とする請求項４に記載の液滴センサ。
前記多重反射部は、前記光入射部及び前記光出射部の光軸に対して４５°の角度に傾斜していることを特徴とする請求項４に記載の液滴センサ。
前記光出射部の曲面はシリンドリカル面であり、散乱面であることを特徴とする請求項６に記載の液滴センサ。
前記多重反射部、前記光入射部、及び前記光出射部は、同一の材料により一体に成形されていることを特徴とする請求項１ないし７いずれか１項に記載の液滴センサ。
前記多重反射部は、互いに対向する第１端面及び第２端面を有し、
前記第１端面には前記光入射部及び前記光出射部が形成されており、
前記第２端面には４５°の角度をなすように第１導光部が接続されており、
前記第１導光部の前記多重反射部とは反対側の端面には４５°の角度をなすように第２多重反射部が接続されており、
前記第２多重反射部の前記第１導光部とは反対側の端面には４５°の角度をなすように第２導光部が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の液滴センサ。
前記第２導光部の前記第２多重反射部とは反対側の端面は、楕円柱面又は円柱面状に湾曲した湾曲面であって、反射膜が形成されていることを特徴とする請求項９に記載の液滴センサ。
前記多重反射部、前記光入射部、前記光出射部、前記第１導光部、前記第２多重反射部、及び前記第２導光部は、同一の材料により一体に成形されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の液滴センサ。