JP7071634B2

JP7071634B2 - 液滴センサ

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Publication number: JP7071634B2
Application number: JP2018132047A
Authority: JP
Inventors: 祐也川崎; 英生黒沢
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2018-07-12
Filing date: 2018-07-12
Publication date: 2022-05-19
Anticipated expiration: 2038-07-12
Also published as: US11525776B2; CN110779892B; JP2020008505A; CN110779892A; US20200018699A1

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及び特許文献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。また、受光部には、全反射した光と、全反射せずに通常反射した光が混在して入射する。さらに装置内で反射パターンによって発光素子から受光素子までの光路長に差が生じ、特に多重反射した光の光路長が長くなる。そのため、雨滴の付着位置によっては感度にばらつきが生じ、検出精度が低くなる。

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、装置内への取付け、固定等の作業は困難である。

本発明は、簡単な構成で広い検出面積と高い感度を有する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、液滴センサは、
回転楕円体の一部で形成され前記回転楕円体の長軸を垂直軸とする光学カバーと、
前記回転楕円体の第１の焦点から前記長軸に沿ってオフセットした位置に配置される受発光部と、
前記回転楕円体の第２の焦点の側に位置する反射部と、
を有し、
前記光学カバーは、前記受発光部と前記反射部との間に有効検出エリアを有し、
前記有効検出エリアは、気体との界面で全反射条件を満たし、かつ液体との界面で全反射条件を満たさず、
前記反射部は、前記有効検出エリアで全反射された光を前記受発光部の受光面へと反射し、または前記受発光部から前記反射部に直接入射した光を前記有効検出エリアへと反射することを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で広い検出面積と高い感度を有する液滴センサが実現される。

実施形態のレインセンサの基本構成を示す図である。レインセンサで用いられる光学カバーの構成図である。実施形態のレインセンサで用いられる受発光部の概略図である。実施形態のレインセンサの検出原理を説明する図である。回転楕円体の有効検出エリアと離心率の関係を説明する図である。屈折率を変えたときの有効検出エリアの離心率依存性を示す図である。回転楕円体の焦点位置と光路の関係を説明する図である。実施形態で用いる回転楕円体の３次元画像と諸元を示す図である。レインセンサの変形例１を示す図である。レインセンサの変形例２を示す図である。受発光部の不感帯（無効部分）を説明する図である。受光状態の出射光角度依存性を示す図である。出射角が０～１．９°の光成分の光路を示す図である。出射角が２．０～３．４°の光成分の光路を示す図である。出射角が３．５～６．８°の光成分の光路を示す図である。出射角が６．９～１４．８°の光成分の光路を示す図である。出射角が１４．９～３６°の光成分の光路を示す図である。出射角が３６．１～９０．０°の光成分の光路を示す図である。レインセンサの変形例３の有効検出エリアに入射した出射光の光路と受光強度分布を示す図である。受発光部の変形例を示す図である。焦点と受発光部との位置関係を説明する図である。

実施形態では、気体と液体の屈折率の違いによる反射の変化を利用して、液滴の存在を光学的に検出する。センサへの液滴の付着を正確かつ効率的に検出するために、センサの検出面の形状を工夫する。

図１は、実施形態の液滴センサの基本構成を示す図である。液滴センサは、たとえばレインセンサ１０として用いることができ、雨滴の付着を検出する。雨滴の検出結果から、単位時間当たり、及び／または単位面積あたりの雨量を計測することができる。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が、以下の例ではレインセンサ１０を例にとって説明する。

レインセンサ１０は、回転楕円体の一部で形成される光学カバー１１と、回転楕円体の第１の焦点Ｆ１の近傍に配置される受発光部２０と、回転楕円体の第２の焦点Ｆ２の側に設けられる反射部１２とを有する。光学カバー１１は、第１の焦点Ｆ１の近傍で回転楕円体の一部を切り取った形状をしており、回転楕円体の長軸を垂直方向（Ｚ方向）の軸として有する。反射部１２は、たとえばメタルコーティングされたミラー面である。

受発光部２０は、光源と光検出器を含み、この例では小型化のために、発光素子２１と受光素子２２が一つの基板に組み込まれてチップ化されている。図１の構成例では、受発光部２０の発光面と受光面は、回転楕円体の長軸に沿って、第１の焦点Ｆ１よりもわずかに回転楕円体の中心に近い位置または遠ざかる位置に配置されている。

回転楕円体には、一方の焦点から出射した光は、楕円の表面で反射して他方の焦点を通過後に、もう一度楕円の表面で反射して、もとの焦点に戻るという基本的な性質がある。レインセンサ１０はこの基本原理を利用して、一方の焦点の近傍に位置する発光素子２１から出射した光が楕円面で２回反射した後に、発光素子２１の周囲の受光素子２２に光が戻るように設計されている。

光学カバー１１は、受発光部２０と反射部１２との間に、有効検出エリア１１０を有する。有効検出エリア１１０は、回転楕円体の湾曲面の一部であり、気体との界面で全反射条件を満たし、かつ液体との界面で全反射条件を満たさない。有効検出エリア１１０は、少なくとも回転楕円体のＺ方向に沿った上半分の領域を含む。

図１（Ａ）のように、レインセンサ１０に雨滴が付着していない状態では、発光素子２１から出力され、光学カバー１１の有効検出エリア１１０で全反射された光は、反射部１２でもう一度反射されて、受光素子２２に入射する。あるいは、後述するように、発光素子２１から出力され、反射部１２で反射された後に、有効検出エリア１１０で全反射されて受光素子２２に入射する。発光素子２１の発光面が第１の焦点Ｆ１と同じ位置にある場合、楕円の性質上、有効検出エリア１１０で全反射され、第２の焦点Ｆ２を通過して反射部１２で反射された光は、第１の焦点Ｆ１に戻ってくる。発光素子２１から出力され、反射部１２で反射した後に第２の焦点Ｆ２を通過した光も、第１の焦点Ｆ１に戻ってくる。反射戻り光が受光素子２２の受光面に入射するように、受発光部２０は、第１の焦点Ｆ１から長軸に沿ってずれた位置に配置されている。

図１（Ｂ）のように、レインセンサ１０の表面に雨滴が付着すると、光学カバー１１と液体の界面で全反射条件が崩れ、雨滴が付着した位置で、発光素子２１の出力光のほとんどが透過する。これにより、受光素子２２での受光量が低減する。受光素子２２での受光量の変化をモニタすることで、雨滴の存在と量を検出することができる。回転楕円体の一部を用いた光学カバー１１は天頂部に対して等方的な形状を有し、雨滴が付着する位置に依存せずに、雨滴を検出することができる。

雨滴は、一般的に垂直方向からだけではなく、斜め上方から付着することが多い。図１の例では、反射部１２と受発光部２０の間の回転楕円体の表面を有効検出エリア１１０としているが、実際は、縦置きにされた回転楕円体の上半分が主要な検出エリアとして用いられる。有効検出エリア１１０に直接付着した雨滴だけではなく、反射部１２に付着した雨滴も、楕円の表面をつたって有効検出エリア１１０に入った時点で、検出される。後述するように、光学カバー１１の有効検出エリア１１０の表面に撥水膜を適用することで、有効検出エリア１１０で検出された雨滴は速やかに下方に流れ落ちて、次の雨滴の検出に備えることができる。

図２は、光学カバー１１の構成図である。図２（Ａ）は側面図、図２（Ｂ）は斜め下方からみた斜視図である。光学カバー１１は、回転楕円体の一部を形成する固体のカバーであり、発光素子２１の出力光の波長に対して透明な材料で形成されている。

図２の例では、Ｚ方向に長軸ＬＡ、Ｘ方向に短軸ＳＡを持つ楕円を長軸ＬＡのまわりに回転させて得られる立体を回転楕円体としている。光学カバー１１は、回転楕円体をＺ軸と直交する面、すなわちＸ－Ｙ面と平行な面で切り取られた形状を有する。切り取られる位置は、回転楕円体の第１の焦点Ｆ１からオフセットした位置、たとえば、長軸ＬＡに沿って回転楕円体の中心Ｏに近寄った位置である。切り取られた面が、光学カバー１１の底面１１２となる。第２の焦点Ｆ２は、光学カバー１１の内部に位置する。第２の焦点Ｆ２の側で、天頂を覆う反射部１２が設けられている。

反射部１２が形成される天頂近傍の領域では、「気体との界面で全反射条件を満たし、かつ液体との界面で全反射条件を満たさない（たとえば９０％以上が透過する）」という条件が充足されず、有効検出エリアとして利用することができない。しかし、上述した回転楕円体の性質を利用して、天頂近傍の領域を反射領域として用いることができる。第２の焦点Ｆ２の近傍の天頂領域に反射部１２を設けて、有効検出エリア１１０で全反射された光を受光面へ導き、あるいは、発光素子２１から直接反射部１２に入射した光の一部を有効検出エリア１１０へと反射する。後述するように、反射部１２に直接入射した光は、入射角度に応じて異なるパスを通り、受光状態をいくつかのパターンに分けることができる。この構造の詳細については、後述する。

図３は、レインセンサ１０で用いられる受発光部２０の概略図である。図３（Ａ）は上面図、図３（Ｂ）と図３（Ｃ）は断面構成図である。受発光部２０は、基板２３に作り込まれた、あるいは一体的に搭載された発光素子２１と受光素子２２を有する。発光素子２１は、たとえば近赤外光を出力する発光ダイオード、無偏光のＶＣＳＥＬ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser：面発光レーザ）等のデバイスである。受光素子２２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る。

発光素子２１の発光面と受光素子２２の受光面は、図３（Ｂ）のように同一面内にあってもよい。この場合、発光面と受光面は、図２の光学カバー１１の底面１１２と面接触してもよい。図３（Ｃ）のように、発光素子２１の発光面を、受光素子２２の受光面よりも回転楕円体の中心寄りの位置に配置してもよい。この場合は、発光素子２１を光学カバー１１の内部に埋め込み、受光素子２２が光学カバー１１の底面１１２と面接触する構成としてもよい。いずれの構成でも、受発光部２０の受発光面を第１の焦点Ｆ１から長軸に沿ってプラスまたはマイナスのＺ方向にオフセットさせることで、有効検出エリア１１０で全反射され、かつ反射部１２で反射された戻り光、あるいは直接反射部１２に入射した後に有効検出エリア１１０で全反射された光の成分を受光面に導くことができる。発光素子２１の全周に受光素子２２を配置することで、反射戻り光を効率的に検出することができる。

図４は、実施形態のレインセンサ１０の検出原理を説明する図である。図４の横軸は、発光素子２１の出力光が回転楕円体の界面へ入射するときの入射角度、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偏光の反射率、破線はＳ偏光の反射率、実線は無偏光のときの反射率である。

反射率は、界面への入射角度と屈折率とに依存する。図４は、光学カバー１１の材料としてポリカーボネート（屈折率ｎ＝１．５７）を用いており、ポリカーボネートから、空気または水へ入射する時の反射率の入射角依存性を表わしている。空気の屈折率を１、水の屈折率を１．３３とする。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Ａでレインセンサ１０Ａを使用することが考えられる。ただし、入射角度が５２°を超える領域Ｃでは、水との界面に入射するときの反射率が十分に小さと言えない。すなわち、水との界面で十分に高い透過率を得ることができない。そこで、フレネル反射の影響による感度低下がある程度発生する領域Ｃを用いずに、界面への入射角が４０°～５２°の領域Ｂをレインセンサ１０Ａで用いる領域としてもよい。領域Ｂの入射角範囲を用いることで、検出感度が向上する。

領域Ｂの範囲は、光学カバー１１に用いられる材料の屈折率にも依存する。そこで、高感度な検出を可能にする適切な角度で光が界面に入射するように、光学カバー１１の材料と形状を選択する。光学カバー１１の形状は、楕円の離心率で特定することができる。離心率ｅは、楕円の中心「Ｏ」から焦点Ｆ（Ｆ１またはＦ２）までの距離と、長軸半径ａとの比で決まる（ｅ＝|ＯＦ|／ａ）。

図５は、有効検出エリアの離心率依存性を示す図である。なお、実際の仕様では、受発光部２０は回転楕円体の焦点から光軸に沿って（±Ｚ方向に）オフセットした位置に配置されるが、図５以降の実施形態や変形例の説明においては便宜上、受発光部２０が焦点の近傍にあるものとして説明する。図５の上段は、縦置きした楕円を天頂から見たときの有効検出エリアをハッチングされた領域として示す。下段は、回転楕円体の屈折率が１．６０のときの離心率と有効検出エリアサイズ（点線）、及び正射影のエリアサイズ（実線）の関係を示す。縦軸の面積は、長軸半径を１として規格化した面積を示す。

有効エリアサイズは、離心率が０．７７３付近で最大になる。離心率が０．６２５以下では有効検出エリアは存在せず、すべて「非全反射エリア」、すなわち空気でも水でも全反射しない領域となる。離心率が０．８３３を超えると、有効検出エリアが最外周よりも内側に存在する。離心率が１に近づくにつれて（縦長になるにつれて）有効検出エリアは小さくなるが、離心率０．９５以下では雨滴の付着を有効に検出することができる。但し、図５に図示はされないが、０．９５以上においても、液滴センサの有効検出エリアとして実用できる範囲は非常に小さくはなっていくが、有効検出エリアは存在している。

図６は、屈折率を変えたときの離心率と有効検出エリアサイズの関係を示す図である。図６（Ａ）は、屈折率が１．８のときの有効検出エリアサイズの離心率依存性、図６（Ｂ）は、屈折率が１．６のときの有効検出エリアサイズの離心率依存性、図６（Ｃ）は、屈折率が１．４のときの有効検出エリアサイズの離心率依存性を表わす。図６（Ａ）～図６（Ｃ）で、破線は縦軸の有効検出エリアサイズ、実線は正射影の面積を示す。縦軸の面積は、長軸半径を１として規格化されている。

図６において、屈折率が「１．８」、「１．６」、「１．４」というときは、実施形態のレインセンサ１０で使用される近赤外波長に対する屈折率であり、それぞれ誤差を含めて、１．８±０．０１、１．６±０．０１、１．４±０．０１の範囲を含むものとする。

図６（Ａ）で、屈折率が１．８±０．０１のときは、離心率ｅが０．５５６よりも大きく、０．９５未満の範囲になるように、光学カバー１１は設計されることが好ましい（０．５５６＜ｅ＜０．９５）。屈折率が１．８を超える材料を用いるときは、離心率はさらに小さい方向へシフトし、離心率０．５５でも十分な有効検出エリアサイズを取り得る。

図６（Ｂ）で、屈折率が１．６±０．０１のときは、離心率ｅが０．６２５よりも大きく、０．９５未満の範囲になるように、光学カバー１１Ａは設計される（０．６２５＜ｅ＜０．９５）。

図６（Ｃ）で、屈折率が１．４±０．０１のときは、離心率ｅが０．７１４よりも大きくなるように光学カバー１１Ａは設計される（０．７１４＜ｅ）。

光学カバーの材料に、屈折率が１．４～１．８までの任意の材料を用いる場合は、離心率が０．７よりも大きく０．９以下の範囲、より好ましくは、０．７～０．８５の範囲で設計するのが望ましい。通常は光学カバー１１の材料はわかっているので、その材料の屈折率に合わせて離心率の範囲を選択すればよい。そのときに、有効検出エリアサイズが最大となる離心率を選択してもよいし、レインセンサ１０Ａの使用態様によっては、設定された離心率の範囲内にあるかぎり、必ずしも最大有効エリアサイズとなる離心率を選択しなくてもよい。

図６から、光学カバー１１の屈折率が小さくなるほど、すなわち空気及び水との屈折率差が小さくなるほど、適切な離心率の範囲が大きい方へシフトする。屈折率が小さい材料を用いるときは、離心率を大きくすることで有効面積を大きくとることができるが、屈折率が大きい方が、有効面積の絶対量を大きくすることができる。

アクリル樹脂とポリカーボネートを比較すると、アクリル樹脂の近赤外光に対する屈折率は１．４８５、ポリカーボネートの近赤外光に対する屈折率は１．５７なので、ポリカーボネートで光学カバー１１を形成することで、有効検出エリアのサイズを大きくとることができる。また、高密度、高分極率の有機ポリマーを用いるときは、近赤外光に対する屈折率が１．８前後になり、有効検出エリアをさらに大きくすることができる。製造コストの観点から、安価で屈折率の低い樹脂材料を用いる場合でも、その樹脂材料で有効検出エリアを最大にする離心率を設定することができる。

光学カバー１１を、その屈折率に応じて有効検出エリア１１０を十分にとることのできる形状に設計することで、全反射条件の成否に応じて雨滴の付着を精度良く検出することができる。

図７は、水滴が付着していないときの回転楕円体の焦点位置と光路の関係を説明する図である。太い実線の楕円部分は有効検出エリアを示す。太い破線は非検出エリアを示し、反射部１２としてミラーコーティングが施されている。

図７（Ａ）は、有効検出エリアが焦点Ｆ１とＦ２の外側まで延びる場合の光路である。有効検出エリアのうち、楕円の中央部分を占める検出エリアＡ１に入射する光は、水滴が付着していない状態の有効検出エリアで一回全反射され、その後、反射部１２で反射され受発光部２０で受光される。有効検出エリアのうち、天頂部からみて検出エリアＡ１の内側にある検出エリアＡ１'に入射する光は、有効検出エリアで２回全反射されて、受発光部２０で受光される。

検出光通過エリアＡ２に直接入射した光は、ミラーコーティングで反射されて有効検出エリアＡ１に入射し、有効検出エリアＡ１で一回全反射されて受発光部２０で受光される。楕円の天頂部と底部は検出不可エリアＡ３であり、不感帯となる。

図７（Ｂ）は、有効検出エリアが焦点Ｆ１とＦ２の内側にある場合の光路である。検出エリアＡ１に入射した光は、有効検出エリアで一回全反射され、ミラーコートで反射されて受発光部２０で受光される。天頂部から見て検出エリアＡ１の内側にある検出不可エリアＡ３は不感帯であり、この部分に入射した光は検出されない。天頂部の近傍で検出不可エリアＡ３の間に挟まれる検出光通過エリアＡ２に入射した光は、ミラーコートにより有効検出エリアへと反射され、有効検出エリアで一回全反射されて受発光部２０で受光される。

このように、
(i) 直接有効検出エリアに入射して、一回全反射されて天頂近傍の検出光通過エリアＡ２に施されたミラーコートに入射して全反射された後に受発光部２０で検出される光と、
(ii) 直接有効検出エリアに入射して、全反射されたあとに再び有効検出エリアに全反射されて受発光部２０で検出される光と、
(iii) 天頂近傍の検出光通過エリアＡ２に施されたミラーコートに入射して有効検出エリアへと反射され、有効検出エリアで全反射された後に受発光部２０で検出される光、
がある。

図８は、実施形態で用いる回転楕円体の３次元画像と諸元を示す図である。図８（Ａ）は、屈折率が１．５７の材料で形成した離心率０．８２６の回転楕円体の立体図、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の回転楕円体を天頂から見た上面図、図８（Ｃ）は、回転楕円体の諸元である。図８（Ａ）と図８（Ｂ）は、長軸半径を１に規格化したスケーリングで示されている。図８（Ｃ）では、長軸半径を１に規格化したときの諸元と、一例として、長軸半径を３０ｍｍに設定したときの諸元を示している。

図８（Ｂ）の横軸と縦軸をｘｙ座標で表すと、
０．３１８²＜ｘ²＋ｙ²＜０．５６４²
で表されるドーナツ状の領域が有効検出エリアである。実施形態のレインセンサの光学カバー１１は、用いる材料の屈折率と、必要な有効検出エリアサイズに応じて離心率を設定することで、効率的に雨滴の付着を検出することができる。

＜変形例１＞
図９は、変形例１として、レインセンサ１０Ａの構成を示す。レインセンサ１０Ａは、回転楕円体のＺ方向の上半分を使用した光学カバー１１Ａを有する。一般的な雨滴の付着方向と、回転楕円体の形状とを考えると、回転楕円体の上半分の領域が、主としてセンシングに用いられる。反射部１２と受発光部２０の間で、光学カバー１１Ａの下端までの領域が有効検出エリア１１０Ａとなる。

図９の構成で、受発光部２０は、回転楕円体の第１の焦点Ｆ１の近傍に配置される。光学カバー１１Ａは、フレーム、支柱等の適切な支持部材によって、受発光部２０の上方に支持され得る。

図９の構成では、発光素子２１から出力された光は、空気層を介して光学カバー１１Ａに入射する。この場合、光学カバー１１Ａと空気の界面で屈折の影響が現れる。そこで、光学カバー１１Ａの底面を、第１の焦点Ｆ１を中心とする、または焦点Ｆと発光素子２１を結ぶ直線上の点を中心とする球面１１１でくり抜いた形状とする。焦点Ｆ１または焦点Ｆ１と発光素子２１を結ぶ直線上の点を中心とする球でくり抜くことで、空気層と光学カバー１１Ａの界面での屈折の影響を抑制することができる。光学カバー１１Ａと受発光部２０の間の空間を、ポリカーボネート等の光学カバー１１Ａと同等の屈折率を有する材料で埋め込む必要がないので、製造工程が簡易になる。

図９（Ａ）のように、レインセンサ１０Ａに雨滴が付着していないとき、発光素子２１から出力された光は、光学カバー１１Ａの底面側から入射して、有効検出エリア１１０Ａで全反射され、反射部１２で再度反射される。あるいは、光学カバー１１Ａの底面側から直接反射部１２に入射して反射された後に有効検出エリア１１０Ａで全反射される。いずれの場合も光学カバー１１Ａの底面側から出射する光の少なくとも一部は受発光部２０で受光される。

光学カバー１１Ａの底面側は、第１の焦点Ｆ１、または発光素子２１と第１の焦点Ｆ１を結ぶ線上の点を中心とする球面１１１なので、出射光は球面１１１に対してほぼ垂直に入射し、屈折の作用をほとんど受けない。反射部１２からの戻り光が空気中に出射するときも、球面１１１からほぼ垂直に出射するので、屈折の影響をほとんど受けずに受光素子２２に入射する。

図９（Ｂ）のように、有効検出エリア１１０Ａに雨滴が付着したときは、空気層から光学カバー１１Ａに入射した光、あるいは反射部１２によって有効検出エリア１１０Ａへと反射された光は、雨滴が付着した部分で全反射せずに、ほとんどが透過する。透過した光の量に対応して受光素子２２での受光量が低減する。この場合も、光学カバー１１Ａの球面１１１では屈折の影響がほとんどないため、反射部１２からの戻り光を効率的に受光面へ導くことができる。

＜変形例２＞
図１０は、変形例２としてレインセンサ１０Ｂの構成を示す。図１０（Ａ）において、レインセンサ１０Ｂは、回転楕円体の一部を有する光学カバー１１Ｂと、回転楕円体の第１の焦点Ｆ１の近傍に配置される受発光部２０と、回転楕円体の天頂付近に設けられる反射部１２を有する。

光学カバー１１Ｂは、回転楕円体の一部と円柱を組み合わせた形状を有する固体カバーであり、３つの領域を有する。天頂部の近傍の反射部１２と、回転楕円体の湾曲面で形成される有効検出エリア１１０Ｂと、光吸収材または散乱材などからなるコーティング部３２である。なお、コーティング部３２の光吸収材または散乱剤に変えて、表面を砂面加工などして散乱加工面として吸収または散乱させるようにしてもよい。図９の変形例１と同様に、回転楕円体のＺ方向に沿った上半分の領域を有効検出エリア１１０Ｂとして用いている。

反射部１２は、発光素子２１から出射し有効検出エリア１１０Ｂで全反射された光を、受発光部２０の受光面に向けて反射する。あるいは、発光素子２１から直接反射部１２に入射した光の成分の少なくとも一部を、有効検出エリア１１０Ｂへと反射する。雨滴検出に寄与する光の成分を効率的に受光面に導くことで、レインセンサ１０Ｂの感度を向上する。

有効検出エリア１１０Ｂは、液滴が付着していない状態で発光素子２１からの出射光あるいは反射部１２からの反射光を全反射し、液滴が付着した状態では、ほとんどの光（たとえば９０％以上の光）を透過させる。

コーティング部３２は、光学カバー１１Ｂのうち、有効検出エリア１１０Ｂの下方に位置する円柱領域であり、円柱の表面にコーティングが適用されている。

コーティング部３２に、光吸収剤が適用されている場合は、発光素子２１から直接入射する光と、反射部１２で反射されてコーティング部３２に入射する光を吸収する。コーティング部３２が散乱面を有する場合は、発光素子２１から直接入射する光と、反射部１２で反射されてコーティング部３２に入射する光を散乱する。なお、コーティング部３２の光吸収材や散乱材に変えて、光学カバー１１Ｂの表面を砂面加工した散乱加工面としてもよい。

コーティング部３２を散乱面にする場合は、散乱光の一部が受光素子２２に入射する場合がある。この場合は、あらかじめ散乱面の散乱状態を測定して、受発光部２０にＤＣオフセットを設定しておく、または測定直前の値と測定中の値を比較することで、雨滴の付着を正しく検出することができる。

アセンブリ後の状態で、受発光部２０は、ボトムカバー３１の中に収容される。光学カバー１１Ｂは、ボトムカバー３１と嵌合するリム３３を有し、トップカバーとしても機能する。アセンブリ後に、ボトムカバー３１及びリム３３で、レインセンサ１０Ｂのベース３０を形成する。

図１０（Ｂ）は、レインセンサ１０Ｂの形状パラメータを説明する図である。一例として、光学カバー１１Ｂを、長軸半径（ｄ１＋ｄ２）が３０ｍｍ、短軸半径（ｄ５）が１６．９ｍｍの回転楕円体のＺ方向に沿った上半分で形成し、反射部１２を天頂から長軸に沿ってｄ１（ｄ１＝５．２ｍｍ）の位置まで形成し、コーティング部３２の高さｄ３を２３ｍｍとする。

上述したパラメータのレインセンサ１０Ｂでは、後述するように、発光素子２１の出射光のうち、所定の角度範囲の入射光の成分が、直接または反射部１２での反射の後に有効検出エリア１１０Ｂに入射して、雨滴の検出に寄与する。

図１１は、受発光部２０の不感帯を説明する図である。受発光部２０は、発光素子２１と受光素子２２がひとつのチップとして形成される集積型の素子である。発光素子２１と受光素子２２は同一面内に形成されていてもよいし、発光素子２１の方が楕円の中心に近づくように受光素子２２の上側の層に配置されていてもよい。受発光部２０は他の電子部品とともに基板２０１にされて、光学カバー１１Ｂの底面に配置される。

発光素子２１は、たとえば赤外波長のＬＥＤであり、点光源に相当する。受光素子２２は、たとえばフォトダイオードであり、たとえば、直径Ｄ１のドーナツ状の受光エリアを形成する。Ｄ１はたとえば２０ｍｍである。基板２０１の直径は、３３．８ｍｍであり、受発光部２０は、基板２０１の直径の約６０％程度の直径で設定される。点光源を囲んで無効部分Ｂが存在する。無効部分Ｂの径Ｄ２は小さいほど好ましいが、発光素子２１と受光素子２２をチップ化するときにゼロにすることはできない。一例として、Ｄ２は０＜Ｄ２≦１ｍｍである。

図１２は、図１０のパラメータで形成されたレインセンサの出射光角度と受光状態の関係を示す図である。受光エリアの径Ｄ１は２０ｍｍ、無効部分Ｂの径は１ｍｍに設定されている。図１２の最上段はＬＥＤの放射角（基板の法線からの角度）、２段目は光路図、３段目は水滴が付着していないときのＰＤ受光部の画像、４段目は受光状態の説明である。

図１２の（Ａ）は放射角が０～１．９°のときの状態、図１２の（Ｂ）は放射角が２．０～３．４°のときの状態、図１２の（Ｃ）は放射角が３．５～６．８°のときの状態、図１２の（Ｄ）は放射角が６．９～１４．８°のときの状態、図１２の（Ｅ）は放射角が１４．９～３６．０°のときの状態、図１２の（Ｆ）は放射角が３６．１～９０．０°のときの状態である。図１３～図１８は、図１２の出射光の角度範囲（Ａ）～（Ｆ）に対応する光路図と画像の拡大図である。

図１２の（Ａ）及び図１３で、放射角が０～１．９°のときは、ＬＥＤ出射後に反射部１２で反射され、円柱状のコーティング部３２の底面の基板２０１の領域に入射し、センサ光として活用されない（無効光）。なお、基板２０１の領域のうち、受光素子２２（またはＰＤ）に入射した光はＤＣオフセットとなる。画像では、基板２０１の全体を覆うぼんやりとした光が観察されるだけである。これは反射部１２で反射された反射光は拡散されて広範囲に淡い光となり、受光素子２２全体に光が届いているためである。入射光は、基板２０１の直径３３．８ｍｍの領域に入射され、受光素子２２の直径２０ｍｍの領域でＤＣオフセットとして検出される。

図１２の（Ｂ）及び図１４で，放射角が２．０～３．４°のときは、ＬＥＤ出射後に反射部１２で反射され、円柱状のコーティング部３２の側面全域に入射する。コーティング部３２の側面は基板２０１の直径３３．８ｍｍに位置する。コーティング部３２の側面が吸収面であるときは、光は吸収され（無効光）、センシングに影響はない。コーティング部３２が散乱面のときは、ＰＤに入射した光はＤＣオフセットとなる。画像では受光エリアの強度分布は観察されない。

図１２の（Ｃ）及び図１５で，放射角が３．５～６．８°のときは、ＬＥＤ出射光は反射部１２で反射され、有効検出エリア１１０で全反射された後に、図１１のドーナツ状の受光エリアで受光される。この場合、すべての入射光が検出光としてＰＤで受光され、無効部分Ｂには入射しない。受光画像のうち、右側の画像は左側の画像の拡大画像である。ドーナツ型の高輝度の領域が受光エリアである。入射光は、無効部分Ｂ（図１１参照）の直径１ｍｍの領域を除く受発光部２０の直径２０ｍｍの受光素子領域に入射される。

図１２の（Ｄ）及び図１６で，放射角が６．９～１４．８°のときは、ＬＥＤ出射光は、反射部１２で反射され有効検出エリア１１０で全反射された後に、あるいは、有効検出エリア１１０で全反射され反射部１２で反射された後に、基板２０１上の無効部分Ｂに入射する。この場合、すべての光が無効部分Ｂに集中するので、画像では中央に集まったぼやけた光が観察される。無効部分Ｂは直径１ｍｍの領域である。なお、有効検出エリアとしているエリアからの光の一部が無効部分Ｂに集まるが、これは楕円の焦点Ｆ１と送光部２１にある程度の距離が存在しているためで、この距離をより小さくコントロールすることで有効検出エリアをさらに広く利用することが可能となる（ただし、焦点と送光部を同一位置にすると、光は元の位置に戻ってしまうので、焦点と送光部は僅かに離れている必要がある）。

図１２の（Ｅ）及び図１７で，放射角が１４．９～３６．０°のときは、ＬＥＤ出射光は、有効検出エリア１１０で全反射され、その後反射部１２で反射された後に、ドーナツ型の受光エリア（ＰＤ領域）で受光される。この場合、すべての光が無効部分Ｂを除くドーナツ状の受光強度分布が観察される。入射光は、無効部分Ｂの直径１ｍｍの領域を除く受発光部２０の直径２０ｍｍの受光素子領域に入射される。

図１２の（Ｆ）及び図１８で，放射角が３６．１～９０．０°のときは、ＬＥＤ出射光は、円柱状のコーティング部３２の側面全域に入射する。コーティング部３２の側面は基板２０１の直径３３．８ｍｍに位置する。コーティング部３２が吸収面のときは検出に影響しない。コーティング部３２が散乱面のときは、ＰＤに入射した光はＤＣオフセットとなる。

発光素子２１の出射光は図１２の（Ａ）～（Ｆ）の光成分を含み、出射角によって光路が異なる。前述したように、楕円の焦点Ｆ１と送光部２１との距離を小さくコントロールすることで、無効部分Ｂの径をより小さくすることが可能となり、検出光が得られる出射角度範囲を広げることができる。

＜変形例３＞
図１９は、変形例３として、レインセンサ１０Ｃの構成を示す。図１９の（Ａ）図がレインセンサ１０Ｃの模式図、(Ｂ)図は受光部での輝度分布である。レインセンサ１０Ｃは回転楕円体の一部を有する光学カバー１１Ｃと、回転楕円体の一方の焦点の近傍に配置される受発光部２０と、光学カバー１１Ｃの上端に設けられる反射部１２を有する。反射部１２は、ミラーコーティングしてあってもよいし、またはコーティングせずに全反射条件を満たす表面形状とすることでもよい。

光学カバー１１Ｃは、回転楕円体の他方の焦点またはその近傍で、長軸に対して垂直な平面（図１２ではＸ－Ｙ面）または全反射条件を満たす面で上端部が切り取られており、反射部１２は、切り取られた面に形成されている。

回転楕円体の湾曲面が有効検出エリア１１０Ｃとなる。有効検出エリア１１０Ｃの下方の円柱部分には、吸収または散乱のためのコーティングが適用されてコーティング部３２となっている。

受発光部２０は、回転楕円体の一方の焦点Ｆ１から長軸に沿ってオフセットした位置に配置されている。光学カバー１１Ｃは、ボトムカバー３１と嵌合するリム３３を有し、トップカバーとしても機能する。アセンブリ後に、ボトムカバー３１及びリム３３で、レインセンサ１０Ｃのベース３０を形成する。

受光部では、中心部を除く領域に光線がドーナツ状に集光されている。図１９の構成でも、発光素子２１からの出射光は、図１２～図１８で示したのと同様に発光素子２１の出射角に応じた挙動から、液滴の付着を高感度で検出することができる。

＜その他の変形例＞
図２０は、受発光部２０の変形例を示す。受光素子２２を、複数の受光領域２２ａ～２２ｈに分割して、有効検出エリアで全反射された光を検出してもよい。図２０の例では、受光素子２２を放射状に分割して複数の検出領域を形成しているが、同心円状に複数の領域に分割してもよい。

分割された受光領域２２ａ～２２ｈの各々で信号（光電流）が検出される。受光領域２２ａ～２２ｈの各々は、有効検出エリアのそれぞれ対応する領域での雨滴の有無を検出するので、風向き等を同時に検知することができる。

図２１は、焦点と受発光部２０との位置関係を説明する図である。検出エリアに雨滴を検出できる領域が存在するという条件で、受発光部２０の位置を焦点から楕円の長軸に沿ってどの範囲まで移動できるかを検討する。図２１の（Ａ）で、縦置きされた回転楕円体の上側が検出エリア、下側が非検出エリアである。回転楕円体の非検出エリアの長軸半径Ｅを１に正規化する。また、検出エリアでの雨滴の検出を可能にする受発光部２０の焦点位置からの長軸方向の位置の最大値をＡとする。位置Ａは、焦点位置よりも上方向をプラス、下方向をマイナスとする。

図２１の（Ｂ）は、回転楕円体の屈折率ｎと、離心率ｅと、受発光部２０の焦点からの位置Ａの関係を示す３次元グラフである。ｅ－ｎ平面と直交する垂直軸が、位置Ａを表わす。焦点位置よりも上方向をプラス、下方向をマイナスとする。図２１（Ｂ）の３次元グラフは、図２１（Ｃ）の表の値からグラフ形式にしたものである。

離心率ｅを０．６５～０．８５の範囲で変え、屈折率ｎを１．２～１．８の範囲で変える。離心率ｅが０．８５、屈折率ｎが１．８（誤差を含めると１．８±０．０１）のときは、位置Ａの上限が０．８１になる。すなわち、回転楕円体の長軸半径を１とするとき、受発光部２０の位置を、回転楕円体の下側の焦点から０．８１以下の範囲（Ａ≦０．８１）で設定可能である。

雨滴検出センサとして使用可能な受発光部２０の位置Ａは、屈折率ｎが１．８、離心率ｅが０．８５のときに焦点から上方向に最も離れた位置Ａとなり、屈折率ｎに関わらず、離心率ｅを小さくしていくと、受発光部２０の位置Ａは下方向に移動する。また、離心率ｅに関わらず、屈折率ｎを小さくしていくと、同様に受発光部２０の位置Ａは下方向に移動する。屈折率ｎが１．２、離心率ｅが０．６５のときに焦点から下方向に最も離れた位置Ａとなる。

以上、特定の実施例に基づいて本発明を説明してきたが、本発明は上記の例に限定されない。上述したすべての構成例において、有効検出エリア１１０の全部または一部に、撥水膜をコーティングしてもよい。撥水膜をコーティングすることで、雨滴は有効検出エリア１１０に付着した後に、回転楕円体の表面に沿って速やかに流れ落ちる。これにより、次の雨滴が同じ箇所に落下して光学カバー１１に付着したときに、全反射の充足状態が変化したことを的確に検出することができる。

変形例１～３は、任意の組み合わせが可能である。たとえば、変形例２と変形例１の構成を組み合わせてもよい。底面に発光素子２１を中心とする球面１１１を有する光学カバー１１Ａの下端部を円筒の支持体で保持し、支持体の内面または外面に吸収コーティングまたは散乱コーティングを施す。発光素子２１から直接、円筒領域に入射した光と、有効検出エリア１１０Ｂを経ずに反射部１２で反射された光を吸収または散乱するようにしてもよい。また、変形例１と変形例３を組み合わせて、反射部１２を平坦面としてもよい。

実施形態の液滴センサは、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に用いたり、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。

１０、１０Ａ～１０Ｃレインセンサ（液滴センサ）
１１、１１Ａ～１１Ｃ光学カバー
１１０、１１０Ａ～１１０Ｃ有効検出エリア
１１１球面
１１２底面
１２反射部
２０受発光部
２１発光素子
２２受光素子
２２ａ～２２ｇ分割された受光領域
３０ベース
３１ボトムカバー
３２コーティング部
３３リム
Ｆ１第１の焦点
Ｆ２第２の焦点

Claims

回転楕円体の一部で形成され前記回転楕円体の長軸を垂直軸とする光学カバーと、
前記回転楕円体の第１の焦点から前記長軸に沿ってオフセットした位置に配置される受発光部と、
前記回転楕円体の第２の焦点の側に位置する反射部と、
を有し、
前記光学カバーは、前記受発光部と前記反射部との間に有効検出エリアを有し、
前記有効検出エリアは、気体との界面で全反射条件を満たし、かつ液体との界面で全反射条件を満たさず、
前記反射部は、前記有効検出エリアで全反射された光を前記受発光部の受光面へと反射し、または前記受発光部から前記反射部に直接入射した光を前記有効検出エリアへと反射することを特徴とする液滴センサ。
前記受発光部は、前記第１の焦点よりも前記回転楕円体の中心に近い位置または前記中心から離れる位置で、前記長軸と直交する面内に配置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。
前記受発光部は発光素子と受光素子を有し、前記発光素子の発光面と前記受光素子の受光面は同一面内に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の液滴センサ。
前記受発光部は発光素子と受光素子を有し、前記発光素子の発光面は、前記受光素子の受光面よりも前記回転楕円体の中心に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の液滴センサ。
前記反射部は、前記回転楕円体の天頂を含む領域に設けられたミラー面であることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の液滴センサ。
前記光学カバーは、前記第２の焦点の近傍で前記長軸と直交する水平面で切り取られており、
前記反射部は、前記水平面に設けられたミラー面であることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の液滴センサ。
前記受発光部と前記有効検出エリアの間に設けられるコーティング部、
をさらに有し、
前記受発光部から前記コーティング部に直接入射した光、または前記反射部で反射された後に前記コーティング部に入射した光は、前記コーティング部によって吸収または散乱されることを特徴とする請求項６に記載の液滴センサ。
前記コーティング部が散乱面である場合は、前記受発光部には、コーティング面の散乱特性に応じたＤＣオフセットが設定されていることを特徴とする請求項７に記載の液滴センサ。
前記光学カバーは、前記受発光部の波長に対して透明な固体であることを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の液滴センサ。
前記光学カバーの前記受発光部と対向する面は、前記第１の焦点、または前記第１の焦点と前記受発光部を結ぶ線上の点を中心とする球面でくり抜か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。
前記有効検出エリアの一部または全部は、撥水膜で覆われていることを特徴とする請求項１～１０のいずれか１項に記載の液滴センサ。
前記光学カバーの屈折率は１．４～１．８であり、前記回転楕円体の離心率は０．７～０．８５であることを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載の液滴センサ。
前記光学カバーの屈折率は１．４±０．０１であり、前記回転楕円体の離心率は０．７よりも大きいことを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載の液滴センサ。
前記光学カバーの屈折率は１．６±０．０１であり、前記回転楕円体の離心率は０．６よりも大きく、０．９５よりも小さいことを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載の液滴センサ。
前記光学カバーの屈折率は１．８±０．０１であり、前記回転楕円体の離心率は０．５５よりも大きく、０．９５よりも小さいことを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載の液滴センサ。
前記回転楕円体の長軸半径を１に正規化したときに、前記受発光部は、前記第１の焦点から０．８１以下の範囲で前記第１の焦点からオフセットして配置されることを特徴とする請求項１に記載の液滴センサ。
前記回転楕円体の離心率は０．８５以下であることを特徴とする請求項１６に記載の液滴センサ。
前記光学カバーの屈折率は１．８±０．０１より小さいことを特徴とする請求項１６または１７に記載の液滴センサ。