JP7339524B2

JP7339524B2 - 液滴センサ

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Publication number: JP7339524B2
Application number: JP2019178498A
Authority: JP
Inventors: 英生黒沢
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2023-09-06
Anticipated expiration: 2039-09-30
Also published as: CN112578472A; US20210096073A1; US11486827B2; JP2021056063A

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

しかしながら、特許文献１、２に記載の装置で用いられている光学素子は、形状が複雑であるため作製が容易でないという問題がある。

そこで、本出願人は、構成が簡単で、かつ製造が容易である新規な液滴センサを提案している（特願２０１７－２５４９５６）。この液滴センサは、例えば、回転楕円体を、その長軸を含む平面で切断した形状を有する光学カバーと、回転楕円体の第１焦点位置に配置された光源と、回転楕円体の第２焦点位置に配置された光検出器とを有する。

この液滴センサは、構成が簡単で製造が容易であるだけでなく、回転楕円体の離心率を調整することにより、気体（例えば空気）との界面で全反射条件を満たし、かつ液体（例えば水）との界面で全反射条件を満たさないという２つの条件が成立するエリア（以下、有効検出エリアという）を最大にすることで、広い検出エリアを有する高感度な液滴センサを実現するものである。

液滴の検出感度は、有効検出エリアに液滴が付着している場合と付着していない場合とにおける光検出器による受光量の比で表される。このため、液滴の検出感度は、光源から有効検出エリアに照射される光の放射照度分布に依存する。

有効検出エリア上の放射照度は、「光源に起因する出射光の放射プロファイル」、「光源から有効検出エリア内の各領域までの距離」、および「光源から有効検出エリア内の各領域への入射角度」の各要因に主に依存する。

「光源に起因する出射光の放射プロファイル」は、一般に発光素子の発光プロファイルは角度依存性を有しているために、出射角度によって放射照度が異なることによる。

「光源から有効検出エリア内の各領域までの距離」は、光が光源を中心に放射状に進むために、光線に垂直な面の放射照度は光源からの距離の２乗に反比例して小さくなることによる。

「光源から有効検出エリア内の各領域への入射角度」は、光が照射する面への入射角をθとおくと、入射角が大きくなるに従い照射面上の放射照度はｃｏｓθに従って小さくなることによる。

上記の光学カバーでは有効検出エリアは楕円面であり、光源からの距離は有効検出エリア内の領域によって異なるので、たとえ光源の放射プロファイルが一様であっても有効検出エリア面の放射照度は均一ではなく、一般に検出感度が不均一となる。具体的には、放射プロファイルが一様である場合には、有効検出エリアのうち光源に近い領域は、放射照度が大きいので検出感度が高くなる。一方、離心率によって、有効検出エリアのうち光源から遠い領域は、放射照度が小さいので検出感度が低くなりやすい。

本発明は、検出感度を均一化またはコントロール（制御）することを可能と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、本液滴センサは、回転楕円体の一部であって楕円面を有する光学カバーと、前記楕円面の第１焦点又はその近傍に配置された光源と、前記楕円面の第２焦点又はその近傍に配置された光検出器と、を有し、前記楕円面は、前記光源から出力された光を前記光検出器に向けて反射し、前記楕円面への液滴の付着により反射光量が変化する有効検出エリアを含み、前記光学カバーには、前記光検出器が配置される前記第２焦点を中心とした半球状の空間が形成されており、前記光学カバーと前記半球状の空間との界面において、前記有効検出エリアからの光が入射する領域に透過散乱面が形成されており、前記透過散乱面は、表面粗さが異なる複数の領域を有する。

本発明によれば、検出感度を均一化することを可能とする液滴センサが実現される。

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斜視図である。レインセンサの断面図である。光学カバーを底面側から見た斜視図である。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示す図である。有効検出エリア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。発光素子の放射プロファイルを一様とした場合における光路のシミュレーション図である。図７に示すシミュレーション結果を受光素子で受光した光成分による有効検出エリアの放射照度分布として表した図である。第２空間と光学カバーとの界面を示す斜視図である。透過散乱面と有効検出エリアとの関係を示す図である。透過散乱面の各領域を反射光が通過したきの強度分布を例示する図である。図１１に示す強度分布を有する透過散乱面を第２空間の境界面に適用した場合における受光素子で受光した光成分による有効検出エリアの放射照度分布のシミュレーション結果である図である。発光素子の放射プロファイルが極めて強い指向性を有する場合の光路のシミュレーション図である。図１３に示すシミュレーション結果を受光素子で受光した光成分による有効検出エリアの放射照度分布として表した図である。変形例に係る第２空間と光学カバーとの界面を示す斜視図である。変形例における受光素子の第２焦点に対する位置関係を示す図である。透過散乱面を透過した透過散乱光の強度分布を例示する図である。透過散乱面及び受光素子による作用を考慮した受光素子で受光した光成分による有効検出エリアの放射照度分布のシミュレーション結果である図である。

本発明の実施形態では、気体と液体の屈折率の差異による光学カバーとの境界面における反射率の変化を利用して、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。
＜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の側面図である。図２は、第１実施形態に係るレインセンサ１０の斜視図である。レインセンサ１０は、雨滴の付着を検出する。雨滴の検出結果から、たとえば単位時間当たり、及び／又は単位面積あたりの雨量を計測することができる。

レインセンサ１０は、光学カバー２と、発光素子３と、受光素子４とを有する。光学カバー２は、楕円面２ａと、鍔部２ｂとを有する。発光素子３は、楕円面２ａの第１焦点Ｆ１又はその近傍に配置されている。受光素子４は、楕円面２ａの第２焦点Ｆ２又はその近傍に配置されている。ここで、発光素子３は光源の一例であり、受光素子４は光検出器の一例である。

光学カバー２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３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１の例では、Ｘ方向に長軸、Ｙ方向に短軸を持つ楕円を長軸Ｌａの周りに回転させることにより得られる回転楕円体を、長軸Ｌａを含むＸＹ平面と水平な面で切り取った形状を有する。図１では、便宜上、光学カバー２の高さ方向をＺ方向とする。

光学カバー２は、ポリカーボネート、アクリル等の樹脂の他、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。

鍔部２ｂは、光学カバー２の下部からＸＹ平面方向に延出した部分であり、平面形状は例えば、円形や楕円形である。なお、鍔部２ｂの平面形状は、これに限定されず、四角形状やその他形状であってもよい。鍔部２ｂは、Ｚ方向に一定の厚みＷを有する。鍔部２ｂの厚みＷは、例えば、光学カバー２の高さＨの約２５％である。鍔部２ｂは、光学カバー２を本体側等に固定するための取り付け部として機能する。鍔部２ｂの厚みＷは、例えば、取り付け部をネジ止めして光学カバーを固定する際にネジ止めの締め付けによって破損しないなど、固定にかかる応力に対する強度を確保することが可能であれば、光学カバー２の高さＨの２５％以下であってもよい。

発光素子３は、たとえば近赤外光を出力する発光ダイオードである。受光素子４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３は、光学カバー２の楕円面２ａに向けて光を出力する。受光素子４は、発光素子３から出力され、光学カバー２の楕円面２ａで反射された光を受光する。発光素子３及び受光素子４は、図示しない基板に実装されている。

図１においてドット状のハッチングを施した領域Ｄは、有効検出エリアであり、楕円面２ａに含まれる。有効検出エリアＤは、光学カバー２の周囲が空気である場合に、発光素子３からの出力された光を全反射する楕円面２ａ上の領域である。この有効検出エリアＤは、雨滴が付着したときだけ全反射条件が崩れるように形状が決定されている。すなわち、有効検出エリアＤ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領域である。これを実現する有効検出エリアＤの面積は、光学カバー２の屈折率、及び楕円面２ａの離心率に依存する。

光学カバー２を、屈折率が１．５７の樹脂（例えば、ポリカーボネート）を用いて形成した場合には、雨滴の付着を検出できる検出可能エリアの入射角θｍの範囲は、およそ、３９．６°＜θｍ＜５７．９°に存在するが、本実施形態においては、離心率を０．７８１とし、４４．３°＜θi＜５１．４°を満たす入射角θｉの範囲を有効検出エリアＤとして使用している。

３９．６＜θ＜４４．３を有効検出エリアとして使用しないのは、光学カバー２の成形誤差や熱膨張などその他要因による変形、光学素子の波長ばらつきによって、全反射条件を利用した雨滴検出できなくなる可能性があるエリアだからである。

有効検出エリアＤの外側（θｉ＜４４．３°）のエリアは検出可能エリアを含んでいるため、受光素子４は有効検出エリアＤ以外の検出可能エリアからの反射光も検出してしまう。このため、有効検出エリアＤからの反射光に有効検出エリアＤ以外の検出可能エリアの反射光が混在して受光素子４は受光してしまうため、有効検出エリアＤの雨滴検出結果に影響を与えてしまう。そこで、有効検出エリアＤの外側に遮光コートを施して、有効検出エリアＤの外側の検出可能エリアからの反射光を一定の光量とすることで有効検出エリアＤの水滴付着を正確に検出することができる。また、遮光コートすることによって検出可能エリア外からの外来光ノイズの侵入をも防止することができる。

離心率とは、楕円面２ａの中心から焦点までの距離と長軸半径との比で決まる値である。光学カバー２の屈折率が１．５７の場合には、検出可能エリアとして機能する面積は、離心率０．７８１で最大となる。検出可能エリアの形状については、本出願人により出願された先願（特願２０１７－２５４９５６号）において、詳述されている。

上述したように鍔部２ｂは光学カバー２を本体側や基板等に取り付けるための取り付け部として機能する。光学カバー２の高さＨの約２５％以下の領域から反射される光は、受光素子４で検出することがほとんどできないことから、この高さＨの約２５％以下の領域を、取り付け部としての鍔部２ｂとしている。これは、受光素子４は、受光面が上側になるように配置した場合に、上方向からの光に対する検出感度が高く、横方向（ＸＹ方向）からの光に対する検出感度が低いためである。この感度の低い領域を鍔部として使用することで、上方向からの滴下が想定されるレインセンサとして、雨滴付着の情報に寄与する検出面積を殆ど損なうことなく、雨滴の滴下有無や雨滴付着量の収集にも影響を与えることは殆どない。そのため、検出感度をほとんど低下させることなく、取り付け部としての鍔部２ｂを形成することができる。

図３は、レインセンサ１０を、長軸Ｌａを含むＸＺ平面で切断した断面図である。図４は、光学カバー２を底面２ｃ側から見た斜視図である。

図３及び図４に示すように、光学カバー２の内部には、第１空間５ａ及び第２空間５ｂが形成されている。第１空間５ａは、発光素子３が配置される第１焦点Ｆ１を中心とした半球状の空間であり、光学カバー２との界面（球面）は透過鏡面（滑らかで凹凸がなく、光が散乱なく通過する面）である。第２空間５ｂは、受光素子４が配置される第２焦点Ｆ２を中心とした半球状の空間であり、光学カバー２との界面（球面）は透過散乱面（砂面などの凹凸があって、光が散乱して通過する面）及び透過鏡面を有する。第２空間５ｂと光学カバー２との界面の詳細については後述する。

本実施形態では、第１空間５ａ及び第２空間５ｂの半径は、鍔部２ｂの厚みＷとほぼ同一である。

このように、第１空間５ａは球面を有するので、発光素子３から出力された光を屈折させることなく光学カバー２の内部へ入射させる。同様に、第２空間５ｂは球面を有するので、楕円面２ａにより反射された光を屈折させることなく第２空間５ｂへ入射させる（第２空間５ｂが透過散乱面の場合には、光は第２空間５ｂに入射した際に散乱するが、その強度分布の中心の光が屈折されることなく第２空間５ｂへ入射する）。これにより、楕円の一方の焦点から出力された光を、他方の焦点で集光するという回転楕円体の基本性質を利用したレインセンサが実現できる。

図５は、発光素子３から出力されて受光素子４に入射する光の光路を示す図である。図６は、有効検出エリアＤ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、有効検出エリアＤに雨滴が付着していない場合には、発光素子３から出力され、有効検出エリアＤに入射した光はすべて全反射されて、受光素子４へ導かれる。一方、図６に示すように、有効検出エリアＤに雨滴が付着すると、雨滴が付着した部分において、有効検出エリアＤの界面における全反射条件が崩れることによって反射率が変化し、発光素子３からの入射光が殆ど透過する。これにより、受光素子４での受光量が低減する。受光素子４での受光量の変化を、受光素子４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７は、発光素子３の放射プロファイルを一様（等方的）とした場合における光路のシミュレーション図である。図７では、発光素子３の放射プロファイルが一様に出力されていることを等間隔の角度の光線によって表し、受光素子４で受光されるまでの光路を表している。

図８は、図７に示すシミュレーション結果を有効検出エリアＤの放射照度として表した図である。図８（Ａ）は側面図であり、図８（Ｂ）は平面図である。図８では、放射照度を濃淡によって表しており、白色に近い領域ほど放射照度が高いことを表している。また、この放射照度分布は、周りが空気である場合に発光素子３から出射した光が有効検出エリアＤで反射され、受光素子４で受光される光成分のみによって表された放射照度分布である。なお、放射照度の濃淡が斑状になっているが、これはシミュレーション時に設定する光線の本数等の条件に依存するもので、より光線の本数を増やすなど実際の使用環境の条件に近いシミュレーションを行うことで、斑状が薄くなり濃淡が滑らかになる。

図７に示すように、発光素子３の放射プロファイルを一様（すなわち発光素子３からの放射光が角度依存性が少ない）とした場合には、ＸＺ面でみると、有効検出エリアＤ中の光線密度は、発光素子３に近い（第１焦点Ｆ１に近い）ほど大きくなる。これは、放射照度は距離の二乗に反比例することに対応しており、図８に示すように、発光素子３に近い（第１焦点Ｆ１に近い）ほど放射照度が大きくなる。

なお、上述したように光が検出面へ入射する角度によっても放射照度は変化するが、距離による影響が支配的となっている。より具体的には、本実施形態で想定している液滴センサの検出面は回転楕円体を有しているので、光源から有効検出エリアまでの距離は、光源に近い領域と遠い領域とで約２．８倍の違いがあることで光線に垂直な面での放射照度の差は７．８倍になる。一方、光源から有効検出面への入射角度は、短軸上の頂点が５１．４°で最も大きく、両側の長軸側の頂点に近づくにつれて小さくなり有効検出エリア端部における最小入射角度は４４．３°となり、この影響による放射照度の差は１．１５倍である。

また、図８によれば、有効検出エリアＤ中の放射照度は、Ｌａ軸に垂直な面で比較すると、鍔部２ｂに近いほど（長軸ＬａからＹ方向に離れるほど）低くなっていることがわかる。これは、受光素子４の受光面がＸＹ面に平行であって、＋Ｚ方向を向いているためである。

本実施形態において、受光面を＋Ｚ方向に向けている理由は、雨滴は有効検出エリアＤに対して上方向（垂直方向）から降雨し付着する量が多く、側面から付着する量が少ないため、側面の雨滴付着により得られる情報に優先して上方向（垂直方向）からの雨滴付着時の変化情報を取集することを目的としているからである。なお、長軸に垂直な面内における感度の均一化を図りたい場合には、例えば受光素子４の受光面を－Ｘ方向に向けて配置してもよい。

次に、第２空間５ｂと光学カバー２との界面について説明する。

図９は、第２空間５ｂと光学カバー２との界面６を示す斜視図である。図９に示すように、球面状の界面６には、入射光を散乱させる透過散乱面７が形成されている。なお、本実施形態では、界面６のうち、透過散乱面７以外の領域は、透過鏡面であるが、透過散乱面であっても良い。または、その他の表面処理が施されていても良い。

透過散乱面７は、微小な凹凸構造が形成された、いわゆる砂面である。透過散乱面７には、表面粗さが異なる複数の領域が形成されている。本実施形態では、透過散乱面７は、第１領域７ａ、第２領域７ｂ、及び第３領域７ｃからなる。

第１領域７ａ、第２領域７ｂ、及び第３領域７ｃは、それぞれ長軸Ｌａを回転軸とした回転対称の領域である。表面粗さは、第１領域７ａが最も大きく、第３領域７ｃが最も小さい。

図１０は、透過散乱面７と有効検出エリアＤとの関係を示す図である。図１０に示すように、本実施形態では、透過散乱面７の第１領域７ａが第１検出エリアＤ１に対応し、第２領域７ｂが第２検出エリアＤ２に対応し、第３領域７ｃが第３検出エリアＤ３に対応している。第１検出エリアＤ１、第２検出エリアＤ２、及び第３検出エリアＤ３は、それぞれ長軸Ｌａを回転軸とした回転対称の領域である。

発光素子３からの距離は、第１検出エリアＤ１が最も近く、第３検出エリアＤ３が最も遠い。このため、第１検出エリアＤ１、第２検出エリアＤ２、第３検出エリアＤ３の順に放射照度が小さくなる（図８参照）。

第１領域７ａは、発光素子３から出力され、第１検出エリアＤ１で反射された光が入射する領域である。第２領域７ｂは、発光素子３から出力され、第２検出エリアＤ２で反射された光が入射する領域である。第３領域７ｃは、発光素子３から出力され、第３検出エリアＤ３で反射された光が入射する領域である。

有効検出エリアＤから透過散乱面７に入射する光は、透過時に透過散乱面７で散乱することにより、その表面粗さに応じて出射角（散乱角）が分散し、中心強度が低下する。透過散乱光の中心強度の低下量は、透過散乱面７における表面粗さが大きいほど大きくなる。

図１１は、透過散乱面７の各領域を反射光が通過したきの強度分布を例示する図である。砂面での散乱光は、散乱角は面粗さに依存するが、そのプロファイルはガウス分布（正規分布）に近い性質を示す場合が多いことから、ここでは散乱光がガウス分布に従うと想定している。

図１１において、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、それぞれ第１領域７ａ、第２領域７ｂ、第３領域７ｃに対応し、それぞれの領域に同光量を入射させたときの散乱時の強度分布（放射照度）の相対値を示したものである。第１領域７ａ、第２領域７ｂ、及び第３領域７ｃは、例えば、散乱角度の標準偏差σが、順に１５°、１２°、１０°となるように表面粗さが設定されている。したがって、透過散乱光の中心強度を低下させる作用は、第１領域７ａが最も大きく、第３領域７ｃが最も小さい。

以上の構成により、放射照度の最も大きい第１検出エリアＤ１からの光は、第１領域７ａで中心強度が大きく低下して受光素子４に入射する。一方、放射照度の最も小さい第３検出エリアＤ３からの光は、第３領域７ｃで中心強度が低下して受光素子４に入射するが、中心強度の低下量は第１検出エリアＤ１からの光よりも小さい。

このように、有効検出エリアＤからの光は、放射照度の大きい検出エリアからの光ほど、透過散乱面７を透過することによる中心強度の低下量が大きいので、受光素子４の検出面上で生じていた放射照度の差異が、透過散乱面７を通過後の受光素子４上で相殺され、受光素子４による受光量のエリア依存性が低減する。これにより、長軸方向に沿った検出面上（例えば、長軸Ｌａを含むＸＺ平面上に存在する検出面）に対して、液滴の検出感度が均一化される。

図１２は、図１１に示す強度分布を有する透過散乱面を第２空間の境界面に適用した場合における受光素子４で受光された光成分による検出面上の放射照度のシミュレーション結果を示した図である。図１２（Ａ）は側面図であり、図１２（Ｂ）は平面図である。このように、図１２を図８と比較すると、透過散乱面７の作用により長軸方向に沿った液滴の検出感度が均一化されることがわかる。

なお、上記実施形態では、透過散乱面７を、表面粗さが異なる３つの領域に分割しているが、この分割数は３つに限られず、分割数や各領域の大きさは適宜変更可能である。

本実施形態では、垂直（上方向から）に落下する雨滴を想定し、効率的に雨滴付着情報が収集できると考えられる長軸方向の頂点に沿った、感度の均一化に関して説明してきたが、±Ｙ方向にも表面粗さの変化を設定することで、短軸方向側（±Ｙ方向）に対しても感度の均一化、またはコントロールを行うことも可能である。ただし、この場合には、受光素子４の受光面が＋Ｚ方向に配置されているため、受光面の入射角度が９０度に近いような光は受光効率が極めて低くなり、散乱面の調整で均一化を図ることが困難になることに注意する必要がある。受光面の入射角度が９０度に近いような雨滴付着の情報収集に殆ど寄与しない検出面は、遮光コートを設ける、または鍔の高さを高くするなどし、予め検出面の対象から外すようにし、カバーの固定用の部位として利用してもよい。

また、上述したように、放射プロファイルが一様（すなわち発光素子３からの放射光の角度依存性が少ない）な発光素子３を実装することで、強度中心が長軸Ｌａに対して上下左右方向に角度がずれたとしても、角度ずれよって発生する有効検出エリアＤへ入射される発光素子３の放射プロファイルの変化が小さいため、検出誤差が抑制できる。
＜変形例＞
次に、上記実施形態の変形例について説明する。

図１３は、発光素子３の放射プロファイルが極めて強い指向性を有する場合の光路のシミュレーション図である。具体的には、図１３では、発光素子３の放射角を狭くし、発光素子３からの光の出力方向を、矢印Ａで示すように、長軸Ｌａに平行で、かつ第２焦点Ｆ２に向けている。なお、図１３では、発光素子３から出力され、受光素子４で受光される光の光路を示している。発光素子３の放射プロファイルを極めて強い指向性を有する場合、ＸＺ面でみると、有効検出エリアＤ中の光線密度は、発光素子３に近い（第２焦点Ｆ２に近い）ほど大きくなる。

図１４は、図１３に示すシミュレーション結果を有効検出エリアＤの放射照度として表した図である。図１３（Ａ）は側面図であり、図１３（Ｂ）は平面図である。図１２では、放射照度を濃淡によって表しており、白色に近い領域ほど放射照度が高いことを表している。なお、この放射照度は、発光素子３から出力され、有効検出エリアＤで反射されて受光素子４で受光される光を対象とした有効検出エリアＤ上における放射照度である。

図１３に示すように、発光素子３の放射プロファイルが極めて強い指向性を有する場合には、発光素子３の中心強度が極めて大きいため有効検出エリアＤ中の光線密度は、長軸Ｌａに沿って、発光素子３から遠い検出エリアで大きくなっている。この場合には、図１４に示すように、長軸Ｌａに沿って、発光素子３から遠い検出エリアの方が近い検出エリアのよりも放射照度が大きくなっている。

図１５は、本変形例に係る第２空間５ｂと光学カバー２との界面６を示す斜視図である。図１５に示すように、本変形例では、界面６には、入射光を散乱させる透過散乱面８が形成されている。なお、界面６のうち、透過散乱面８以外の領域は、透過鏡面であるが、透過散乱面であっても良い。または、その他の表面処理が施されていても良い。

上記実施形態のように、透過散乱面８を、表面粗さが異なる複数の透過散乱面とすることにより検出感度の均一化を図ることが可能であるが、本変形例では、図１５に示すように、透過散乱面８の表面粗さを一様としている。透過散乱面８は、発光素子３から出力され、有効検出エリアＤで反射された光が入射する領域である。透過散乱面８を透過した透過散乱光の強度分布は、例えば、図１１に示す強度分布Ｓ３となる。

図１６は、本変形例における受光素子４の第２焦点Ｆ２に対する位置関係を示す図である。本変形例では、図１６に示すように、受光素子４の位置を第２焦点Ｆ２から長軸Ｌａに沿って、－Ｘ方向に変位させている。図１６において、Δは変位量を表している。

上記実施形態のように受光素子４を第２焦点Ｆ２に配置した場合には、受光素子４は、透過散乱面８を透過した透過散乱光のうち、散乱角度が０°の光を中心に受光することになるが、受光素子４を第２焦点Ｆ２から変位させることにより、散乱角度が０°以外の光を中心に受光することになる。

また、このように受光素子４を第２焦点Ｆ２から変位させた場合には、受光素子４が受光する透過散乱光の散乱角度は、有効検出エリアＤからの反射光が透過散乱面８を透過する位置によって異なる。図１６に示すように受光素子４を第２焦点Ｆ２から変位させた場合には、透過散乱面８の上端部８ａを透過した透過散乱光については、散乱角度θａ付近の光が受光素子４によって選択的に受光され、透過散乱面８の下端部８ｂを透過した透過散乱光については、散乱角度θｂ付近の光が受光素子４によって選択的に受光される。ここで、θａ＞θｂである。

図１７は、透過散乱面８を透過した透過散乱光の強度分布を例示する図である。図１７において、実線は上端部８ａから入射する光の強度であり、二点鎖線は下端部８ｂから入射するの光の強度である。図１７に示すように、θａ＞θｂであることにより、散乱角度θａ付近の光の強度は、散乱角度θｂ付近の光の強度よりも小さい。したがって、受光素子４により受光される光の強度は、散乱角度が大きいほど、すなわち透過散乱面８中の透過領域が上端部８ａに近いほど小さくなる。

上述したように、本変形例では、発光素子３から遠い方が、有効検出エリアＤの放射照度は大きくなっている。このため、本変形例では、放射照度が大きいエリアから光が、透過散乱面８中の上端部８ａに近い領域を透過し、発光素子３により受光される光の強度が低下するので、有効検出エリアＤ上における放射照度の差異が相殺され、液滴の検出感度が均一化される。

図１８は、透過散乱面８及び受光素子４による作用を考慮した放射照度のシミュレーション結果である図である。図１８（Ａ）は側面図であり、図１８（Ｂ）は平面図である。このように、図１８を図１４と比較すると、透過散乱面８及び受光素子４の作用により液滴の検出感度が均一化されることがわかる。

なお、図１６では、第２焦点Ｆ２に対して受光素子４を－Ｘ方向に変位させているが、＋Ｘ方向に変位させてもよい。また、本変形例とは逆に検出面の左側の放射照度が右側に比べて大きい場合には、受光素子４を±Ｚ方向に変位させることによって、感度の均一化を図ることができる。

本発明に係る液滴センサは、発光素子３及び受光素子４は、それぞれ第１焦点Ｆ１及び第２焦点Ｆ２又はその近傍に配置されるが、発光素子３の発光部の形状や大きさ、出射光プロファイル、及び受光素子４の受光部の形状や大きさを考慮して最適な位置に調整する必要があり、有効検出エリアＤ上における感度特性ができるだけ均一化、またはコントロールできるようにそれぞれ配置することが好ましい。

また、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光学カバー、２ａ楕円面、２ｂ鍔部、２ｃ底面、３発光素子（光源）、４受光素子（光検出器）、５ａ第１空間、５ｂ第２空間、６界面（球面）、７透過散乱面、７ａ第１領域、７ｂ第２領域、７ｃ第３領域、８透過散乱面、８ａ上端部、８ｂ下端部、１０レインセンサ

Claims

回転楕円体の一部であって楕円面を有する光学カバーと、
前記楕円面の第１焦点又はその近傍に配置された光源と、
前記楕円面の第２焦点又はその近傍に配置された光検出器と、
を有し、
前記楕円面は、前記光源から出力された光を前記光検出器に向けて反射し、前記楕円面への液滴の付着により反射光量が変化する有効検出エリアを含み、
前記光学カバーには、前記光検出器が配置される前記第２焦点を中心とした半球状の空間が形成されており、
前記光学カバーと前記半球状の空間との界面において、前記有効検出エリアからの光が入射する領域に透過散乱面が形成されており、
前記透過散乱面は、表面粗さが異なる複数の領域を有することを特徴とする液滴センサ。
前記複数の領域は、それぞれ前記楕円面の長軸を回転軸とした回転対称の領域であることを特徴とする請求項１に記載の液滴センサ。
前記複数の領域は、前記有効検出エリアにおいて放射照度が大きいエリアからの光が入射する領域ほど表面粗さが大きいことを特徴とする請求項２に記載の液滴センサ。
前記界面のうち、前記透過散乱面以外の領域は、透過鏡面である請求項１ないし３いずれか１項に記載の液滴センサ。
前記光学カバーは、前記回転楕円体を、長軸を含む平面で切断した形状であることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項に記載の液滴センサ。