WO2019130844A1 - 液滴センサ - Google Patents

液滴センサ Download PDF

Info

Publication number
WO2019130844A1
WO2019130844A1 PCT/JP2018/041377 JP2018041377W WO2019130844A1 WO 2019130844 A1 WO2019130844 A1 WO 2019130844A1 JP 2018041377 W JP2018041377 W JP 2018041377W WO 2019130844 A1 WO2019130844 A1 WO 2019130844A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
optical cover
eccentricity
sensor according
droplet sensor
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/041377
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
祐也 川崎
英生 黒沢
Original Assignee
ミツミ電機株式会社
祐也 川崎
英生 黒沢
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ミツミ電機株式会社, 祐也 川崎, 英生 黒沢 filed Critical ミツミ電機株式会社
Priority to CN201880084186.XA priority Critical patent/CN111512144B/zh
Priority to US16/772,250 priority patent/US11300506B2/en
Publication of WO2019130844A1 publication Critical patent/WO2019130844A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60S—SERVICING, CLEANING, REPAIRING, SUPPORTING, LIFTING, OR MANOEUVRING OF VEHICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60S1/00—Cleaning of vehicles
    • B60S1/02—Cleaning windscreens, windows or optical devices
    • B60S1/04—Wipers or the like, e.g. scrapers
    • B60S1/06—Wipers or the like, e.g. scrapers characterised by the drive
    • B60S1/08—Wipers or the like, e.g. scrapers characterised by the drive electrically driven
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/43—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length by measuring critical angle
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/43—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length by measuring critical angle
    • G01N2021/435—Sensing drops on the contact surface

Definitions

  • the present invention relates to a droplet sensor that senses droplets such as raindrops and water droplets.
  • Patent Literature 1 and Patent Literature 2 There is known an apparatus for detecting raindrops by utilizing a change in reflectance when raindrops adhere to a raindrop detection area on a transparent plate (see, for example, Patent Literature 1 and Patent Literature 2).
  • Patent Literature 1 and Patent Literature 2 light emitted from the light emitting element is reflected by the surface of the transparent plate and received by the light receiving unit.
  • the reflectance changes at the interface of the transparent plate, the amount of received light changes, and the presence of raindrops is detected.
  • Patent No. 6094354 Patent No. 6167799
  • the light which repeated reflection in multiple times is detected by a light-receiving part using a 1st reflection means and a 2nd reflection means other than a transparent plate.
  • the reflecting surface of the second reflecting means is a curved surface having a complicated shape, which is difficult to manufacture.
  • the light which is totally reflected and the light which is usually reflected without being totally reflected are mixedly incident on the light receiving section.
  • a reflection pattern causes a difference in the optical path length from the light emitting element to the light receiving element, and in particular, the optical path length of the multiply reflected light becomes long. Therefore, the sensitivity varies depending on the location of the raindrop, and the detection accuracy decreases.
  • Patent Document 2 a refracting optical element that collimates light emitted from a light emitting element and causes the light to be incident on a transparent plate and an optical element that condenses light totally reflected by the transparent plate and guides it to a light receiving element are used. It is done. In order to widen the detection area, a refractive optical element having a size equivalent to the detection area is required.
  • the refractive optical element has a complex shape divided into a plurality of parts, and it is difficult to perform such operations as preparation of the optical element, attachment to the apparatus, and fixation.
  • An object of the present invention is to provide a droplet sensor having a wide detection area and high sensitivity with a simple configuration.
  • the droplet sensor An optical cover having a curved surface forming part of a spheroid, A light source disposed at a first focal position of an ellipse facing the curved surface; A photodetector disposed at a second focal position of the ellipse; Have The eccentricity of the ellipse is set such that the curved surface has an effective detection area that satisfies the total reflection condition at the interface with the gas and does not satisfy the total reflection condition at the interface with the liquid.
  • a droplet sensor having a wide detection area and high sensitivity with a simple configuration is realized.
  • FIG. 6 is a diagram showing the shape of a spheroid maximizing the effective detection area when the refractive index is 1.57. It is a figure which shows the effective detection area when the FIG. 13A is seen from an upper surface. It is a figure which shows the item of the spheroid of FIG. 13A.
  • FIG. 14A and 14B It is a disassembled perspective view of a rain sensor of modification 1.
  • FIG. 14A It is a figure which shows the state which accommodated the board
  • FIG. It is a perspective view of a rain sensor after an assembly of modification 1.
  • FIG. It is a side view of a rain sensor after an assembly of modification 1.
  • FIG. 10 is a schematic view of a rain sensor of a fourth modification. It is a perspective view of the modification of the optical cover used for a rain sensor. It is a side view of the modification of the optical cover used for a rain sensor. It is a top view of the modification of the optical cover used for a rain sensor.
  • the change in reflection due to the difference in refractive index between the gas and the liquid is used to optically detect the presence of the droplet.
  • the shape of the sensor surface is designed to be an optimal shape that can increase the effective detection area of droplets.
  • FIG. 1A and FIG. 1B are diagrams showing the basic configuration of the droplet sensor of the embodiment.
  • the droplet sensor can be used, for example, as a rain sensor 10A, and detects adhesion of raindrops. For example, rainfall per unit time and / or unit area can be measured from the detection result of the raindrops.
  • the droplet sensor is applicable to the detection of droplets such as dew condensation, water droplets, and ink as well as raindrops, but in the following example, the rain sensor 10A will be described as an example.
  • the rain sensor 10A includes an optical cover 11A having a curved surface 13, a light emitting element 15 disposed at a first position facing the curved surface 13, and a light receiving element disposed at a second position facing the curved surface 13. It has sixteen.
  • the light emitting element 15 is an example of a light source
  • the light receiving element 16 is an example of a light detector.
  • the optical cover 11A is a solid cover that forms a part of a spheroid, and is formed of a material that is transparent to the wavelength of the output light of the light emitting element 15.
  • a solid obtained when an ellipse having a major axis in the X direction and a minor axis in the Y direction is rotated around the major axis (X axis) is a spheroid.
  • the optical cover 11A has a shape obtained by cutting the spheroid at a plane horizontal to the XY plane.
  • the height direction of the optical cover 11A is taken as the Z direction for the sake of convenience.
  • the light emitting element 15 is, for example, a light emitting diode that outputs near infrared light.
  • the light receiving element 16 is, for example, a quantum well type light receiving element having sensitivity to light in the near infrared region.
  • the light emitting element 15 and the light receiving element 16 are located opposite to each other with respect to the vertex of the curved surface 13 in the surface facing the curved surface 13 of the optical cover 11A.
  • the light receiving element 16 receives the light output from the light emitting element 15 and reflected by the curved surface 13 of the optical cover 11A.
  • the curved surface 13 has a shape that totally reflects light from the light emitting element at the interface with air and transmits light from the light emitting element at the interface with water. As described later, the shape of the curved surface 13 is designed such that the area of the effective detection area satisfying the total reflection condition is secured wide.
  • the total reflection condition collapses at the interface between the optical cover 11A and the liquid, and most of the output light of the light emitting element 15 is transmitted at the position where the raindrops adhere. As a result, the amount of light received by the light receiving element 16 is reduced. By monitoring changes in the amount of light received by the light receiving element 16, the presence and amount of raindrops can be detected.
  • the curved surface 13 of the optical cover 11A has an isotropic shape with respect to the apex, and can detect raindrops without depending on the position where the raindrops adhere.
  • FIG. 2A and 2B are perspective views of the optical cover 11A of the rain sensor 10A.
  • FIG. 2A is a perspective view as viewed from the vertex side or the curved surface 13
  • FIG. 2B is a perspective view as viewed from the bottom surface 14.
  • the optical cover 11A may be made of, for example, transparent ceramic, glass, plastic of high refractive index, or the like.
  • the optical cover 11A has a first focus F1 and a second focus F2 on the bottom surface 14.
  • the light emitting element 15 is disposed at one of the first focal point F1 and the second focal point F2, and the light receiving element 16 is disposed at the other.
  • the locus of a point at which the sum of the distance from the first focal point F1 and the distance from the second focal point F2 is constant corresponds to the oval shape of the bottom surface 14 of the optical cover 11A.
  • the light emitted from the point light source placed at one focal point (for example, the first focal point F1) of the spheroid is reflected by the curved surface 13 and collected at another focal point (for example, the second focal point F2). Therefore, the light emitting element 15 is disposed at one focal point (first focal point F1), and the light receiving element 16 is disposed at the other focal point (second focal point).
  • the light emitting element 15 and the light receiving element 16 are used in the mode shown in FIGS. 1A and 1B, the light emitting element 15 is positioned such that the light emitting surface is located at the first focus F1 and the light receiving surface is located at the second focus F2.
  • the light receiving element 16 may be embedded in the optical cover 11A.
  • the light emitting surface of the light emitting element 15 is in surface contact with the bottom surface 14 of the optical cover 11A at the first focus F1 and the light receiving surface of the light receiving element 16 is in surface contact with the bottom surface 14 of the optical cover 11A at the second focus F2. It may be done.
  • FIG. 3 is a view for explaining the principle of the rain sensor 10A shown in FIGS. 1A and 1B.
  • the shape of the optical cover 11A of the rain sensor 10A optimizes the elliptical optical system using the relationship between the incident angle to the interface of the ellipsoid and the reflectance depending on the refractive index.
  • the horizontal axis in FIG. 3 is the incident angle at which the output light of the light emitting element 15 enters the interface of the spheroid, and the vertical axis is the reflectance at the interface.
  • the curve of the solid line on the left is the reflectance at the interface with air
  • the curve of the solid line on the right is the reflectance at the interface with water.
  • the dotted line shows the reflectance of P-polarized light
  • the broken line shows the reflectance of S-polarized light
  • the solid line shows the reflectance when not polarized.
  • the refractive index of air is 1.
  • the refractive index of water is 1.33.
  • the reflectance when light is incident on and reflected at the interface between materials having different refractive indices depends on the difference in refractive index and the incident angle (Fresnel reflection).
  • the critical angle when entering polycarbonate from air is 39.6 °
  • the critical angle when entering polycarbonate from water is 58.1 °.
  • the reflectance when incident on the interface with water can not be said to be sufficiently small. That is, a sufficiently high permeability can not be obtained at the interface with water.
  • the region B where the incident angle to the interface is 40 ° to 52 ° may be used as the region used by the rain sensor 10A, without using the region C in which the sensitivity reduction due to the influence of the Fresnel reflection occurs to some extent.
  • the detection sensitivity is improved.
  • the range of the region B also depends on the refractive index of the material used for the optical cover 11A. Therefore, the material of the optical cover 11A and the shape of the detection area are selected so that the incident angle to the interface is in the optimum range where high sensitivity detection is possible.
  • the critical angle when light enters the air from the resin is 38.7 °
  • the critical angle when light enters the water from the resin is 56.4 °.
  • the range of the incident angle ⁇ i where raindrops or water droplets can be detected using the phenomenon of total reflection is 38.7 ° ⁇ i ⁇ 56.4 °.
  • the upper limit of ⁇ i may be adjusted to an incident angle range in which the reflectance is 10% (0.1) or less (the transmittance is 90% or more) at the interface with water. In that case, the upper limit of the incident angle range is several degrees smaller than 56.4 °.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the range of incident angles and the elliptical pattern represented by the eccentricity.
  • the incident angle becomes maximum ( ⁇ max) on the circumference of the ellipse. It is a point of 0 (the vertex of an ellipse).
  • the incident angle ⁇ i is always ⁇ i ⁇ max.
  • the middle part of FIG. 5 shows the shape of the spheroid as viewed from above or in the Z direction.
  • the shaded area in the ellipse is an effective detection area where raindrops or water droplets can be detected using total reflection.
  • the horizontal axis H1 at the bottom of FIG. 5 indicates ⁇ max
  • the horizontal axis H2 indicates the eccentricity of the ellipse.
  • the eccentricity is zero, the two foci coincide at the origin and become a circle.
  • the incident angle ⁇ i is zero at any point on the circumference, and the light is transmitted as it is.
  • ⁇ max 0.
  • the eccentricity becomes larger, and the positions of the focal points F1 and F2 approach both ends of the major axis.
  • the effective detection area is divided at both ends along the X-axis direction, and a region where raindrops can not be detected using the total reflection phenomenon is dominant.
  • the shape of the curved surface 13 of the optical cover 11A is designed so that the effective detection area exists and the eccentricity capable of securing a sufficiently large surface area is satisfied.
  • 6A and 6B are diagrams showing the shape of the spheroid when the eccentricity is not within the appropriate range.
  • 6A shows the shape of the spheroid when the eccentricity is smaller than a predetermined range
  • FIG. 6B shows the shape of the spheroid when the eccentricity exceeds the predetermined range.
  • the curved surface 13 of the rain sensor 10A of the embodiment is designed in a shape such that the total reflection condition is broken only when the raindrops adhere.
  • a range of eccentricity that enables detection of raindrops (water droplets) using the total reflection phenomenon is specified.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the eccentricity and the effective area when the refractive index of the spheroid is 1.60.
  • the refractive index is “1.60”, it is the refractive index with respect to the near infrared wavelength, and the error of the light source wavelength, the material error of the spheroid, the measurement error, etc.
  • the range of 01 shall be included.
  • the horizontal axis in FIG. 7 is the eccentricity
  • the vertical axis is the area of the effective detection area.
  • the area of the effective detection area is normalized with the major axis radius set to 1, and is indicated by two types of surface area (dotted line) and orthographic projection area (solid line).
  • the rain sensor 10A rain usually adheres from above or diagonally above, and the effective area as viewed from the rain falling from directly above becomes the orthographic projection area.
  • the area of the effective detection area is maximized in the range of the eccentricity of 0.75 to 0.8 for both the surface area and the orthographic projection area.
  • the eccentricity is 0.60 or less, there is no effective detection area, and all become “non-total reflection areas”.
  • the “non-total reflection area” as described with reference to FIG. 6A, although a slight difference in reflectance is obtained depending on whether the medium in contact with the spheroid at the interface is air or water, its detection sensitivity is low.
  • the effective detection area is present but is segmented on the spheroid. Even if the effective detection area is divided, the adhesion of water droplets can be detected.
  • the eccentricity is 0.95 or more, the area in which the medium in contact with the spheroid at the interface is air or water is totally reflected, and the effective detection area is reduced. Specifically, an undetectable area occurs at the central portion of the optical cover 11A, and the undetectable area increases as the eccentricity increases. Along with this, the effective detection area becomes smaller toward both ends of the optical cover 11A.
  • the range of usable eccentricity when the refractive index is 1.60 ⁇ 0.01 is 0.625 to 0.95. From the viewpoint of widening the effective detection area, it is more preferable to set the range of eccentricity to 0.65 to 0.85.
  • FIG. 8A to 8C show the shape and specifications of the spheroid when the refractive index is 1.60 and the size of the effective detection area is maximum.
  • FIG. 8A is a three-dimensional image of a spheroid
  • FIG. 8B is a top image of the spheroid
  • FIG. 8C is a diagram showing specifications in terms of standardized values and actual dimensions.
  • the three axes in FIG. 8A and the two axes in FIG. 8B are indicated by standardized values.
  • the effective detection area a When the size of the effective detection area is the largest, as shown in FIG. 8B, the effective detection area a is located at the center of the spheroid. In the effective detection area a, light traveling on the spheroid is totally reflected at the interface with air and not totally reflected at the interface with water. Both ends of the spheroid are invalid areas b. In the invalid area b, total reflection does not occur even when the medium in contact with the spheroid is water or air.
  • the refractive index is 1.60 and the size of the effective detection area is maximum when the eccentricity is 0.773.
  • the normalized value of the minor radius when the major radius is normalized to 1 is 0.634, the effective surface area is 2.82, and the orthogonal projection area is 1.71.
  • the range of the normalized effective detection area along the long axis is in the range of ⁇ 0.754 to +0.754.
  • orthogonal projection area is 1540mm 2.
  • FIG. 9A to 9C show the shape and specifications of the spheroid when the eccentricity is larger than that of FIG. 8A when the refractive index is 1.60.
  • FIG. 9A is a three-dimensional image of a spheroid
  • FIG. 9B is a top image of the spheroid
  • FIG. 9C is a diagram showing specifications in terms of standardized values and actual dimensions.
  • the three axes in FIG. 9A and the two axes in FIG. 9B are indicated by standardized values.
  • the effective detection area a is separately located at both ends of the spheroid, but the area of the total effective detection area a is sufficient as the effective detection area of the droplet sensor Great.
  • the effective detection area a light traveling on the spheroid is totally reflected at the interface with air and not totally reflected at the interface with water.
  • the central part and both ends of the spheroid are invalid areas.
  • total reflection is not performed when the medium in contact with the spheroid is water or air. Further, in the central invalid area b2, total reflection is performed both in the case of air and in the case of water.
  • the refractive index is 1.60 and the eccentricity is set to 0.850
  • the normalized value of the minor radius when the major radius is normalized to 1 is 0.527
  • the effective surface area is 1.42
  • of the effective detection area a in the long axis direction is 0.358 ⁇
  • the actual size example, the short-axis radius and the length axis radius is 30mm is 15.8 mm, the effective surface area of 1280 mm 2, orthogonal projection area is 741mm 2.
  • FIG. 10A to 10C show the shape and specifications of the spheroid when the eccentricity is smaller than that of FIG. 8A when the refractive index is 1.60.
  • FIG. 10A is a three-dimensional image of a spheroid
  • FIG. 10B is a top image of the spheroid
  • FIG. 10C is a diagram showing specifications with standardized values and actual dimensions.
  • the three axes in FIG. 10A and the two axes in FIG. 10B are indicated by standardized values.
  • the eccentricity becomes lower than a predetermined value, as shown in FIG. 10B, the effective detection area is not present.
  • the eccentricity is 0.600, and the spheroid has a near hemispherical shape.
  • the normalized value of the minor radius when the major axis radius is normalized to 1 is 0.800.
  • the major axis radius is 30 mm
  • the minor axis radius is 24 mm. Since the effective detection area can not be taken, the surface area of the effective detection area and the orthographic projection area are both zero.
  • the range of eccentricity appropriate when using a material having a refractive index of 1.60 for the optical cover 11A is specified, and the shape of the curved surface 13 is determined.
  • the appropriate eccentricity range depends on the refractive index of the material. Therefore, an appropriate eccentricity range is determined for a plurality of refractive indexes.
  • FIGS. 11A to 11C are diagrams showing the relationship between the eccentricity and the effective area when the refractive index is changed.
  • 11A shows the eccentricity dependence of the effective area when the refractive index is 1.8
  • FIG. 11B shows the eccentricity dependence of the effective area when the refractive index is 1.6
  • FIG. 11C shows the refractive index of 1.4 It shows the refractive index dependence of the time.
  • the refractive indexes when the refractive indexes are “1.8” and “1.4”, the refractive indexes for near infrared light are also 1.8 ⁇ 0.01, including errors, respectively.
  • the range of 4 ⁇ 0.01 shall be included.
  • both of the surface area of the effective detection area and the orthographic projection area are shown as the effective area.
  • the surface area of the effective detection area indicated by the broken line is described as "effective detection area”.
  • the range of the appropriate eccentricity shifts to the larger side.
  • the effective area can be made large by increasing the eccentricity, but the larger the refractive index, the larger the absolute amount of the effective area.
  • the optical cover 11A when the refractive index is 1.8 ⁇ 0.01, the optical cover 11A is designed such that the eccentricity e is in the range of larger than 0.556 and smaller than or equal to 0.9 (0. 556 ⁇ e ⁇ 0.9).
  • the refractive index exceeds 1.8, the eccentricity shifts to a smaller direction, and an eccentricity of 0.55 can take an area of a sufficient effective detection area.
  • the optical cover 11A is designed so that the eccentricity e is in the range of larger than 0.625 and smaller than or equal to 0.95 (0.625). ⁇ E ⁇ 0.95).
  • the optical cover 11A is designed such that the eccentricity e is larger than 0.714 (0.714 ⁇ e).
  • the eccentricity When any material having a refractive index of 1.4 to 1.8 is used as the material of the optical cover, it is desirable to design the eccentricity in the range of more than 0.7 and 0.85 or less.
  • the range of eccentricity may be selected in accordance with the refractive index of the material.
  • the eccentricity that maximizes the effective detection area may be selected, or depending on the usage of the rain sensor 10A, the eccentricity will necessarily be the maximum effective area as long as it is within the set eccentricity range. You do not have to select. For example, it is also possible to select a pattern in which the effective detection area is divided into two.
  • FIG. 12 is a diagram showing the refractive index dependency of the surface area and the orthographic projection area when the eccentricity is optimized so that the surface area of the effective detection area is maximized.
  • the data on the left vertical axis and the black circle indicate the surface area of the effective detection area
  • the data on the right vertical axis and the white circle indicate the orthographic projection area.
  • the surface area and the orthographic projection area of the effective detection area can be increased.
  • the optical cover 11A is formed of polycarbonate.
  • the size of the effective detection area can be increased.
  • the refractive index to near infrared light is around 1.8. Even when using an inexpensive resin material with a low refractive index, the eccentricity can be set with the resin material that can ensure sufficient effective detection area, and raindrops can be detected with high accuracy from changes in the amount of light received. .
  • FIG. 13A to 13C show the shape and specifications of the spheroid when the eccentricity is optimized so that the size of the effective detection area is maximized when the refractive index is 1.57.
  • FIG. 13A is a three-dimensional image of a spheroid
  • FIG. 13B is a top image of the spheroid
  • FIG. 13C is a diagram showing specifications with standardized values and actual dimensions.
  • the three axes in FIG. 13A and the two axes in FIG. 13B are indicated by standardized values.
  • the effective detection area a extends almost all over except for both ends of the spheroid.
  • light traveling on the spheroid is totally reflected at the interface with air and not totally reflected at the interface with water.
  • Both ends of the spheroid are invalid areas b. In the invalid area b, total reflection does not occur even when the medium in contact with the spheroid is water or air.
  • the maximum size of the effective detection area when the refractive index is 1.57 is when the eccentricity is 0.781.
  • the normalized value of the minor radius when the major radius is normalized to 1 is 0.625, the effective surface area is 2.77, and the orthogonal projection area is 1.68.
  • the range of the effective detection area along the long axis is ⁇ 0.751.
  • the major axis radius is 30 mm
  • the minor axis radius is 18.7 mm
  • the effective surface area is 2490 mm 2
  • the orthographic projection area is 1510 mm 2 .
  • the shape maximizing the effective detection area is the shape shown in FIGS. 13A to 13C.
  • the maximum incident angle to the ellipsoid is about 51 °, and the influence by Fresnel reflection is Even when water is attached, the reflectance decreases to about 5%. Therefore, there is almost no deterioration in sensitivity. Therefore, when the refractive index is 1.57, the optimized shape is the same as the effective detection area shown in FIGS. 13A to 13C even in consideration of the influence of Fresnel reflection.
  • ⁇ Modification 1> 14A to 18B show the configuration of a rain sensor 10B as a first modification of the rain sensor 10A.
  • the rain sensor 10B has a space surrounding the first focus F1 and the second focus F2 inside the solid optical cover 11B.
  • FIG. 14A and FIG. 14B are diagrams showing a basic configuration of the rain sensor 10B.
  • the rain sensor 10B includes an optical cover 11B having a curved surface 13, a light emitting element 15 disposed at a first position facing the curved surface 13, and a light receiving element disposed at a second position facing the curved surface 13. It has sixteen.
  • the optical cover 11B is a solid cover that forms a part of a spheroid, and has a space 12 at a position corresponding to the focal point.
  • the space 12 has a spherically hollowed out shape.
  • the shape of the interface between the space 12 and the optical cover 11B is a spherical surface.
  • the light emitting element 15 and the light receiving element 16 are accommodated in the space 12 respectively.
  • the interface between the space 12 and the optical cover 11B is a spherical surface, when the output light from the light emitting element 15 is incident on the optical cover 11B, or the light totally reflected is from the optical cover 11B to the light receiving element 16 in the space 12.
  • the light is incident on the light, it is possible to prevent the light from being refracted.
  • This configuration makes it possible to effectively utilize the property of an ellipse with two focuses.
  • the optical cover 11B has a curved surface 13.
  • the curved surface 13 is designed to ensure a wide area of the effective detection area as described above.
  • FIG. 15A and 15B are perspective views of an optical cover 11B of the rain sensor 10B.
  • FIG. 15A is a perspective view as viewed from the vertex side or the curved surface 13
  • FIG. 15B is a perspective view as viewed from the bottom surface 14.
  • the optical cover 11B is formed of a material transparent to the used wavelength, and its refractive index is known.
  • the optical cover 11B has a first focus F1 and a second focus F2 on the bottom surface 14, and has a hemispherical space 12 around the first focus F1 and around the second focus F2.
  • the spherical shape of the space 12 can prevent refraction of light entering the optical cover 11B and light exiting the optical cover 11B to the space 12. As a result, it is possible to maintain the basic property of the rain sensor 10B that emits light from one focal point of the ellipse and collects light at the other focal point.
  • FIG. 16 is an exploded perspective view of the rain sensor 10B.
  • the light emitting element 15 and the light receiving element 16 can be disposed or fabricated on the substrate 20.
  • the light emitting element 15 and the light receiving element 16 are disposed at a position facing the space 12 of the optical cover 11B in the assembled state.
  • wires, via plugs, etc. connected to the light emitting element 15 and the light receiving element 16 may be formed.
  • the rain sensor 10B is assembled by housing the substrate 20 in the bottom cover 21 and covering the optical cover 11B on the substrate 20.
  • the optical cover 11B is made of, for example, polycarbonate, and as an example, the major axis radius of the bottom surface 14 is 30 mm, and the minor axis radius is 18.7 mm.
  • the elliptical shape of the optical cover 11B is expressed by equation (1).
  • the center of the space 12 is arranged, for example, at a position of 24 mm along the long axis from the center of the bottom surface 14.
  • the diameter of the space 12 is 3 mm.
  • the bottom cover 21 is formed in accordance with the elliptical shape of the optical cover 11B.
  • the substrate 20 is processed into a shape that fits inside the bottom cover 21.
  • FIG. 17 shows a state in which the substrate 20 is accommodated in the bottom cover 21.
  • the rain sensor 10B may be designed such that when the substrate 20 is accommodated in the bottom cover 21, the height position of the surface of the substrate 20 and the edge of the bottom cover 21 are aligned.
  • the 18A and 18B show a state in which the rain cover 10B is assembled by covering the bottom cover 21 with the optical cover 11B.
  • the optical cover 11B is used as a top cover.
  • the height C of the edge of the bottom cover 21 is 5 mm, for example. Even in the entire rain sensor 10B, the height is about twenty and a few millimeters, and it is possible to realize a simple and small rain sensor having an elliptical shape.
  • FIG. 19 shows the configuration of a rain sensor 10C as a second modification.
  • the rain sensor 10C forms the coating film 17 in the area of the optical cover 11B which is not the effective detection area.
  • the coating film is a light absorbing film or a light reflecting film.
  • the area other than the effective detection area when the area satisfying the condition "total reflection at the interface with air and non-total reflection at the interface with water" is defined as the effective detection area on the surface of the spheroid.
  • the rain sensor 10C may be installed at a place where light from the outside may enter.
  • the coating film 17 By applying the coating film 17 to an area other than the effective detection area, it is possible to prevent near infrared rays contained in sunlight from being mixed in with the infrared rays output from the light emitting element 15. In addition, even when raindrops adhere on the coating film 17, the change in the amount of light received by the light receiving element 16 is not affected. It is the raindrops attached to the effective detection area that contribute to the change in the light reception amount. Since the area of the effective detection area is known in advance, the amount of raindrops per unit area can be accurately calculated from the change in the amount of light received.
  • FIG. 20 shows the configuration of a rain sensor 10D as a third modification.
  • the rain sensor 10D coats the water repellent film 18 on all or part of the surface of the effective detection area.
  • the water repellent film 18 By coating with the water repellent film 18, after the raindrops adhere to the effective detection area, they rapidly flow down along the surface of the spheroid. Thereby, when the next raindrop falls to the same place and adheres to the optical cover 11B, it is possible to accurately detect that the sufficiency state of the total reflection has changed.
  • the configuration of the rain sensor 10D is advantageous in that it can improve or recover the detection accuracy immediately after the rain has stopped.
  • FIG. 21 shows the configuration of a rain sensor 10E as a fourth modification.
  • the rain sensor 10E uses an optical cover 11C.
  • the optical cover 11C like the optical cover 11B, has a space 12 inside the spheroid.
  • the inner wall of the space 12 on the light receiving side is used as a transmission scattering surface 19.
  • the reflected light from the curved surface 13 of the ellipse is difficult to introduce, and in some cases, a process or an optical part for adjustment may be required.
  • the rain sensor 10E by setting the spherical surface of the space 12 as the transmission scattering surface 19, it is possible to widen the light collection area from the elliptical surface. As a result, the process or configuration for adjustment for guiding the light totally reflected by the curved surface 13 to the light receiving element 16 can be unnecessary or the adjustment can be roughened.
  • the total amount of light received by the light receiving element 16 may be reduced, but the necessary signal components are not buried in the noise, and the change of the signal due to the deposition of raindrops If you can detect, there is no problem.
  • FIGS. 22A-22C show an optical cover 11F used for a rain sensor as a fifth modification.
  • the optical cover 11F leaves an elliptical surface functioning as an effective detection area and cuts the other parts.
  • both ends along the major axis of the spheroid are cut.
  • a space 12F for housing the light emitting element 15 and the light receiving element 16 has a shape obtained by cutting a hemisphere with a plane perpendicular to the bottom surface.
  • the optical cover 11F By forming the optical cover 11F in such a shape, a region not satisfying the condition of "total reflection at the interface with air, non-total reflection at the interface with water” is excluded in advance, and the sensitivity characteristic is maintained flat. be able to.
  • the bottom cover 21 has a shape corresponding to the shape of the optical cover 11F.
  • the height of the bottom cover 21 is adjusted to the height position of the space 12F of the optical cover 11F, and the light emitting element 15 and the light receiving element 16 are exposed by housing the bottom side of the optical cover 11F in the bottom cover 21. Can be prevented.
  • the droplet sensor of the present invention has been described above with reference to specific embodiments and modifications, the present invention is not limited to the above-described embodiment.
  • the modifications 2 to 5 have been described based on the configuration of the optical cover 11B having the space 12 inside, the coating film 17 (modification 2) and the water repellent film 18 (modification 3) It is applicable also to optical cover 11A which does not have 12.
  • the coating film 17 and the water repellent film 18 can be used in combination.
  • two or more of the embodiment and the first to fifth modifications may be combined as appropriate.
  • the space 12 does not necessarily have to be provided at both the first focus and the second focus, and may be formed at only one of the focus positions.
  • the light receiving element or the light emitting element is embedded in the optical cover or disposed so that the light action surface is in surface contact with the bottom surface of the optical cover.
  • One of the light emitting element 15 and the light receiving element 16 may be embedded in the optical cover 11 and the other light receiving surface or light emitting surface may be disposed in surface contact with the bottom surface 14 of the optical cover.
  • the droplet sensor according to the embodiment can be applied to a rain sensor, a dew condensation sensor, and the like.
  • the rain sensor can be installed, for example, in a roadside tree, a street lamp, etc., and used for measurement of local rainfall distribution, collection of weather information, or wiper control of a vehicle.
  • the dew condensation sensor can be used for office automation equipment such as a copying machine and a server device.
  • a rain sensor can be incorporated into an environmental sensor and used in combination with other sensors (temperature sensor, air flow sensor, etc.).

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

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。液滴センサは、回転楕円体の一部を形成する湾曲面を有する光学カバーと、前記湾曲面と対向する楕円の第１の焦点位置に配置される光源と、前記楕円の第２の焦点位置に配置される光検出器と、を有し、前記湾曲面が、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を有するように、前記楕円の離心率が設定されている。

Description

液滴センサ
　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、
　回転楕円体の一部を形成する湾曲面を有する光学カバーと、
　前記湾曲面と対向する楕円の第１の焦点位置に配置される光源と、
　前記楕円の第２の焦点位置に配置される光検出器と、
を有し、
　前記湾曲面が、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を有するように、前記楕円の離心率が設定されている。
　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り、雨滴が付着していない状態を示す図である。 実施形態のレインセンサの基本構成を示す図であり、雨滴が付着している状態を示す図である。 図１Ａ及び図１Ｂのレインセンサで用いられる光学カバーの頂点側から見た斜視図である。 図１Ａ及び図１Ｂのレインセンサで用いられる光学カバーの底面側から見た斜視図である。 実施形態のレインセンサの原理を説明する図である。 光学カバーに屈折率１．６０の樹脂を用いたときの使用条件を示す図である。 入射角の範囲と、離心率で表される楕円パターンの関係を示す図である。 離心率が最適範囲よりも小さいときの回転楕円体の形状を示す図である。 離心率が最適範囲よりも大きいときの回転楕円体の形状を示す図である。 離心率と有効面積の関係を示す図である。 屈折率が１．６０、有効検出エリアの面積が最大のときの回転楕円体の形状を示す図である。 図８Ａを上面から見たときの有効検出エリアを示す図である。 図８Ａの回転楕円体の諸元を示す図である。 屈折率が１．６０、離心率が大きいときの回転楕円体の形状を示す図である。 図９Ａを上面から見たときの有効検出エリアを示す図である。 図９Ａの回転楕円体の諸元を示す図である。 屈折率が１．６０、離心率が小さいときの回転楕円体の形状を示す図である。 図１０Ａを上面から見たときの有効検出エリアを示す図である。 図１０Ａの回転楕円体の諸元を示す図である。 屈折率が１．８のときの有効面積の離心率依存性を示す図である。 屈折率が１．６のときの有効面積の離心率依存性を示す図である。 屈折率が１．４のときの有効面積の離心率依存性を示す図である。 有効検出エリアの表面積が最大となるように離心率を最適化したときの表面積及び正射影面積の屈折率依存性を示す図である。 屈折率が１．５７のときに有効検出エリアを最大化する回転楕円体の形状を示す図である。 図１３Ａを上面から見たときの有効検出エリアを示す図である。 図１３Ａの回転楕円体の諸元を示す図である。 変形例１のレインセンサの雨滴が付着していない状態を示す図である。 変形例１のレインセンサの雨滴が付着している状態を示す図である。 図１４Ａ及び図１４Ｂのレインセンサで用いられる光学カバーの頂点側から見た斜視図である。 図１４Ａ及び図１４Ｂのレインセンサで用いられる光学カバーの底面側から見た斜視図である。 変形例１のレインセンサの分解斜視図である。 変形例１でボトムカバーに基板を収容した状態を示す図である。 変形例１の組み立て後のレインセンサの斜視図である。 変形例１の組み立て後のレインセンサの側面図である。 変形例２のレインセンサの模式図である。 変形例３のレインセンサの模式図である。 変形例４のレインセンサの模式図である。 レインセンサに用いる光学カバーの変形例の斜視図である。 レインセンサに用いる光学カバーの変形例の側面図である。 レインセンサに用いる光学カバーの変形例の上面図である。
　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、センサ面の形状を、液滴の有効検出エリアを大きくとることのできる最適な形に工夫する。
　図１Ａと図１Ｂ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１０Ａ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たとえば単位時間当たり、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１０Ａを例にとって説明する。
　レインセンサ１０Ａは、湾曲面１３を有する光学カバー１１Ａと、湾曲面１３と対向する第１の位置に配置される発光素子１５、及び湾曲面１３と対向する第２の位置に配置される受光素子１６を有する。ここで、発光素子１５は光源の一例であり、受光素子１６は光検出器の一例である。
　光学カバー１１Ａ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１５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（Ｘ軸）のまわりに回転させたときに得られる立体を回転楕円体とする。光学カバー１１Ａは、回転楕円体をＸ－Ｙ平面と水平な面で切り取った形状を有する。図１Ａ及び図１Ｂでは便宜上、光学カバー１１Ａの高さ方向をＺ方向とする。
　発光素子１５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１６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１５と受光素子１６は、光学カバー１１Ａの湾曲面１３と対向する面内で、湾曲面１３の頂点に対して互いに反対側に位置する。
　受光素子１６は、発光素子１５から出力され光学カバー１１Ａの湾曲面１３で反射された光を受光する。湾曲面１３は、空気との界面で発光素子から光を全反射し、かつ水との界面で発光素子からの光を透過させる形状を有する。後述するように、湾曲面１３の形状は、全反射条件を満たす有効検出エリアの面積が広く確保されるように設計されている。
　図１Ａのように、レインセンサ１０Ａに雨滴が付着していない状態では、発光素子１５から出力され、湾曲面１３の有効検出エリアで全反射された光が、受光素子１６で検出される。
　図１Ｂのように、レインセンサ１０Ａの表面に雨滴が付着すると、光学カバー１１Ａ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１５の出力光のほとんどが透過する。これにより、受光素子１６での受光量が低減する。受光素子１６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。光学カバー１１Ａの湾曲面１３は頂点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。
　図２Ａ及び図２Ｂは、レインセンサ１０Ａの光学カバー１１Ａの斜視図である。図２Ａは、頂点側または湾曲面１３からみたときの斜視図、図２Ｂは、底面１４からみたときの斜視図である。光学カバー１１Ａは、たとえば透明セラミック、ガラス、高屈折率のプラスチック等で形成されてもよい。光学カバー１１Ａは、底面１４に第１焦点Ｆ１と、第２焦点Ｆ２を有する。第１焦点Ｆ１と第２焦点Ｆ２のいずれか一方に発光素子１５が配置され、他方に受光素子１６が配置される。
　Ｘ―Ｙ面内で、第１焦点Ｆ１からの距離と第２焦点Ｆ２からの距離の和が一定な点の軌跡が、光学カバー１１Ａの底面１４の楕円形に対応する。回転楕円体のひとつの焦点（たとえば第１焦点Ｆ１）においた点光源から出た光は、湾曲面１３で反射されて、もうひとつの焦点（たとえば第２焦点Ｆ２）に集光される。そこで、発光素子１５を一方の焦点（第１焦点Ｆ１）に配置し、受光素子１６を他方の焦点（第２焦点）に配置する。
　発光素子１５と受光素子１６が、図１Ａ及び図１Ｂに示す態様で用いられるときは、第１焦点Ｆ１に発光面が位置し、第２焦点Ｆ２に受光面が位置するように発光素子１５と受光素子１６が光学カバー１１Ａに埋め込まれていてもよい。あるいは、第１焦点Ｆ１で発光素子１５の発光面が光学カバー１１Ａの底面１４と面接触し、第２焦点Ｆ２で受光素子１６の受光面が光学カバー１１Ａの底面１４と面接触するように配置されていてもよい。
　固体の光学カバー１１Ａの湾曲面１３を、気体との界面で全反射条件を満たし、液体との界面で発光素子１５の出力光が全反射条件を満たさない形状（たとえば９０％以上が透過する状態）とすることで、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。レインセンサ１０Ａを屋外で用いる場合でも、後述するように、太陽光に含まれる赤外光の成分の一部が発光素子１５からの赤外光に混入することを防止でき、雨滴の存在を正しく検出することができる。なお、仮に太陽光など外来光が受光素子に入射しても、検出時には発光の直前と発光中との比較を行うことで外来光をキャンセルするようにしてもよい。
　図３は、図１Ａ及び図１Ｂに示したレインセンサ１０Ａの原理を説明する図である。レインセンサ１０Ａの光学カバー１１Ａの形状は、楕円体の界面への入射角度と屈折率に依存した反射率の関係を利用して、楕円光学系を最適化する。図３の横軸は、発光素子１５の出力光が回転楕円体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３は、光学カバー１１Ａ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、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。しかし、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１１Ａに用いられる材料の屈折率にも依存する。そこで、界面への入射角は高感度検出が可能な最適範囲となるように、光学カバー１１Ａの材料と検出エリアの形状を選択する。
　図４は、光学カバー１１Ａに屈折率が１．６０（ｎ＝１．６０）の樹脂を用いたときの使用条件を示す図である。樹脂から空気へ光が入射するときの臨界角は３８．７°、樹脂から水へ光が入射するときの臨界角は５６．４°である。全反射の現象を利用して雨滴または水滴を検出できる入射角θiの範囲は、３８．７°＜θi＜５６．４°である。図３に示したように、θiの上限を、水との界面で反射率が１０％（０．１）以下（透過率が９０％以上）となる入射角範囲に調整してもよい。その場合は、入射角範囲の上限は５６．４°よりも数度小さくなる。
　図５は、入射角の範囲と、離心率で表される楕円パターンの関係を示す図である。図５の上段に示すように、楕円の焦点Ｆ１に発光素子１５を配置し、焦点Ｆ２に受光素子１６を配置すると、楕円の周上で入射角が最大（θmax）となるのは、Ｘ＝０のポイント（楕円の頂点）である。他の周上では、入射角θiは、必ずθi＜θmaxとなる。
　図５の中段は回転楕円体を上方またはＺ方向から見たときの形状である。楕円内の斜線の領域が、全反射現象を利用して雨滴または水滴を検出することのできる有効検出エリアである。
　図５の下段の横軸Ｈ１はθmaxを示し、横軸Ｈ２は楕円の離心率を示す。楕円の離心率ｅは、楕円の中心「０」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）。離心率がゼロのときは、２つの焦点が原点で一致して円になる。このとき、円周上のどの点でも入射角θiはゼロとなり、光はそのまま透過する。θmax＝０である。
　円の形がＸ軸方向に長くなると（Ｚ方向に短くなると）、離心率は大きくなり、焦点Ｆ１とＦ２の位置が長軸の両端に近づく。離心率が大きい楕円体では、有効検出エリアがＸ軸方向に沿った両端に分断され、全反射現象を利用した雨滴の検出ができない領域が支配的になる。
　有効検出エリアの表面積に着目すると、屈折率が１．６、界面への入射角θiが３８．７°＜θi＜５６．４°の範囲で、最大入射角θmax＝５０．６°のときに有効検出エリアの表面積が最大になる。したがって、有効検出エリアが存在し、かつ表面積を十分に大きく確保することのできる離心率を満たすように、光学カバー１１Ａの湾曲面１３の形状を設計する。
　図６Ａ及び図６Ｂは、離心率が適切な範囲内にないときの回転楕円体の形状を示す図である。図６Ａは離心率が所定の範囲よりも小さいときの回転楕円体の形状を、図６Ｂは離心率が所定の範囲を超えるときの回転楕円体の形状を示す。
　図６Ａのように回転楕円体の離心率が小さいと、界面への入射角が小さくなり、回転楕円体が空気と接している場合も、水と接している場合も全反射の条件を満たさず、光の少なくとも一部は界面を透過する。この場合は、水の付着の有無でわずかに反射率の差が発生するが、その検出感度は低く、精度良く水滴の付着を検出することができない。
　図６Ｂのように回転楕円体の離心率が大きいと、回転楕円体のほとんどの部分で、空気と接している場合も、水と接している場合も全反射する。この場合、受光量の変化を利用して水滴の付着を検出することができない。
　これに対し、実施形態のレインセンサ１０Ａの湾曲面１３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に設計される。これを実現するために、全反射現象を利用した雨滴（水滴）の検出を可能にする離心率の範囲を特定する。
　図７は、回転楕円体の屈折率が１．６０のときの離心率と有効面積の関係を示す図である。実施形態で屈折率が「１．６０」というときは、近赤外波長に対する屈折率であり、光源波長の誤差、回転楕円体の材料誤差、測定誤差等を含めて、１．６０±０．０１の範囲を含むものとする。図７の横軸が離心率、縦軸が有効検出エリアの面積である。有効検出エリアの面積は、長軸半径を１として規格化されており、表面積（破線）と、正射影面積（実線）の二種類で示されている。レインセンサ１０Ａの場合、雨は上方または斜め上方から付着するのが通常であり、真上から落ちる雨からみたときの有効面積は正射影面積となる。
　回転楕円体の屈折率が１．６０のとき、有効検出エリアの面積は、表面積、正射影面積ともに、離心率０．７５～０．８の範囲で最大になる。離心率が０．６０以下のときは、有効検出エリアが存在せず、すべて「非全反射エリア」となる。「非全反射エリア」では、図６Ａを参照して説明したように、回転楕円体と界面で接する媒質が空気か水かによって多少の反射率の差は得られるが、その検出感度は低い。
　離心率が０．８３３から０．９５までの範囲では、有効検出エリアは存在するが回転楕円体の上で分断される。有効検出エリアが分断されても水滴の付着は検出可能である。離心率が０．９５以上になると、回転楕円体と界面で接する媒質が空気であろうと水であろうと全反射してしまうエリアが大きくなり、有効検出エリアが小さくなる。詳しくは、光学カバー１１Ａの中央部分に検出できないエリアが発生し離心率が大きくなるにしたがって検出できないエリアが大きくなる。これに伴って、光学カバー１１Ａの両端に向かって有効検出エリアが小さくなっていく。
　図７から、屈折率が１．６０±０．０１のときの使用可能な離心率の範囲は０．６２５～０．９５である。有効検出面積を広くとるという観点から、離心率の範囲を０．６５～０．８５に設定するのが、より好ましい。
　図８Ａ～図８Ｃは、屈折率が１．６０、有効検出エリアのサイズが最大になるときの回転楕円体の形状と諸元を示す。図８Ａは回転楕円体の立体画像、図８Ｂは回転楕円体の上面画像であり、図８Ｃは諸元を規格化値と実寸例で示す図である。
　図８Ａの３軸、及び図８Ｂの２軸は、規格化値で示されている。有効検出エリアのサイズが最大のときは、図８Ｂのように、有効検出エリアａは回転楕円体の中央に位置する。有効検出エリアａでは、回転楕円体を進む光は空気との界面で全反射し、水との界面では全反射しない。回転楕円体の両端は、無効エリアｂである。無効エリアｂでは、回転楕円体と接する媒質が水のときも、空気のときも、全反射しない。
　屈折率が１．６０で有効検出エリアのサイズが最大になるのは、離心率が０．７７３のときである。長軸半径を１に規格化したときの短軸半径の規格化値は０．６３４、有効表面積は２．８２、正射影面積は１．７１である。図８Ｂで、長軸半径を１としたときに長軸に沿った規格化された有効検出エリアの範囲は－０．７５４～＋０．７５４の範囲である。
　実寸例では、長軸半径を３０ｍｍとすると、短軸半径は１９．０ｍｍ、有効表面積は２５４０ｍｍ2、正射影面積は１５４０ｍｍ2である。
　図９Ａ～図９Ｃは、屈折率が１．６０のときに、離心率を図８Ａよりも大きくしたときの回転楕円体の形状と諸元を示す。図９Ａは回転楕円体の立体画像、図９Ｂは回転楕円体の上面画像であり、図９Ｃは諸元を規格化値と実寸例で示す図である。
　図９Ａの３軸、及び図９Ｂの２軸は、規格化値で示されている。離心率が大きい場合、図９Ｂに示すように、有効検出エリアａは回転楕円体の両端側に分かれて位置するが、トータルの有効検出エリアａの面積は液滴センサの有効検出エリアとしては十分に大きい。有効検出エリアａでは、回転楕円体を進む光は空気との界面で全反射し、水との界面では全反射しない。回転楕円体の中央部と両端は、無効エリアである。両端の無効エリアｂ１では、回転楕円体と接する媒質が水のときも空気のときも、全反射しない。また、中央部の無効エリアｂ２では、空気のときも、水のときも全反射する。
　屈折率が１．６０で離心率を０．８５０に設定すると、長軸半径を１に規格化したときの短軸半径の規格化値は０．５２７、有効表面積は１．４２、正射影面積は０．８２３である。図９Ｂで長軸半径を１としたときに、長軸方向の有効検出エリアａの大きさ|ｘ|は、０．３５８＜|ｘ|＜０．８６８である。
　実寸例では、長軸半径を３０ｍｍとすると短軸半径は１５．８ｍｍ、有効表面積は１２８０ｍｍ2、正射影面積は７４１ｍｍ2である。
　図８Ｃと比較して、有効表面積も正射影面積も約半分に低減しているが、なおも有効検出エリアａを用いて雨滴または水滴の検出が可能である。ただし、離心率が０．９５を超えると有効検出エリアはほとんどなくなり、レインセンサとして有効に機能しなくなる。
　図１０Ａ～図１０Ｃは、屈折率が１．６０のときに離心率を図８Ａよりも小さくしたときの回転楕円体の形状と諸元を示す。図１０Ａは回転楕円体の立体画像、図１０Ｂは回転楕円体の上面画像であり、図１０Ｃは諸元を規格化値と実寸例で示す図である。
　図１０Ａの３軸、及び図１０Ｂの２軸は、規格化値で示されている。離心率が所定の値以下になると、図１０Ｂに示すように、有効検出エリアが存在しなくなる。この例では、離心率が０．６００であり、回転楕円体は半球に近い形状をしている。
　屈折率が１．６０で離心率を０．６００に設定した場合、長軸半径を１に規格化したときの短軸半径の規格化値は０．８００である。実寸例では、長軸半径を３０ｍｍとすると、短軸半径は２４ｍｍである。有効検出エリアをとることができないため、有効検出エリアの表面積、正射影面積ともにゼロである。
　このように、屈折率が１．６０の材料を光学カバー１１Ａに用いるときの適切な離心率の範囲が特定され、湾曲面１３の形状が決まる。適切な離心率の範囲は、材料の屈折率によって異なる。そこで、複数の屈折率について、適切な離心率の範囲を求める。
　図１１Ａ～図１１Ｃは、屈折率を変えたときの離心率と有効面積の関係を示す図である。図１１Ａは屈折率が１．８のときの有効面積の離心率依存性、図１１Ｂは屈折率が１．６のときの有効面積の離心率依存性、図１１Ｃは屈折率が１．４のときの屈折率依存性を表わす。図１１Ａ～図１１Ｃにおいて、屈折率が「１．８」、「１．４」というときも、近赤外光に対する屈折率であり、それぞれ誤差を含めて１．８±０．０１、１．４±０．０１の範囲を含むものとする。
　図１１Ａ～図１１Ｃの各図で、有効面積として、有効検出エリアの表面積と正射影面積の双方を示している。図中、破線で示す有効検出エリアの表面積は「有効検出面積」と記載されている。
　図１１Ａ～図１１Ｃから、光学カバー１１Ａの屈折率が小さくなるほど（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。
　図１１Ａ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、０．９以下の範囲になるように、光学カバー１１Ａは設計される（０．５５６＜ｅ≦０．９）。屈折率が１．８を超えるときは、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の面積を取り得る。
　図１１Ｂ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以下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１１Ｃ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０．８５以下の範囲で設計するのが望ましい。ただし、通常は光学カバー１１Ａ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、有効検出面積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、必ずしも最大有効面積となる離心率を選択しなくてもよい。たとえば、有効検出エリアが２つに分断されるパターンを選択することも可能である。
　図１２は、有効検出エリアの表面積が最大となるように離心率を最適化したときの表面積及び正射影面積の屈折率依存性を示す図である。図中、左側の縦軸と黒丸のデータが有効検出エリアの表面積、右側の縦軸と白丸のデータが正射影面積であり、ともに長軸半径を１として規格化した値で表されている。
　図１２を参照して述べたように、光学カバー１１Ａの屈折率が大きくなるほど、有効検出エリアの表面積と正射影面積を大きくすることができる。たとえば、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１１Ａ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前後になる。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十分にとることのできる離心率を設定することができ、受光量の変化から精度良く雨滴を検出することができる。
　図１３Ａ～図１３Ｃは、屈折率が１．５７のとき、有効検出エリアのサイズが最大になるように離心率を最適化したときの回転楕円体の形状と諸元を示す。図１３Ａは回転楕円体の立体画像、図１３Ｂは回転楕円体の上面画像であり、図１３Ｃは諸元を規格化値と実寸例で示す図である。
　図１３Ａの３軸、及び図１３Ｂの２軸は、規格化値で示されている。有効検出エリアのサイズが最大化されているときは、図１３Ｂのように、有効検出エリアａは回転楕円体の両端を除く、ほぼ全体にわたって広がる。有効検出エリアａでは、回転楕円体を進む光は空気との界面で全反射し、水との界面では全反射しない。回転楕円体の両端は、無効エリアｂである。無効エリアｂでは、回転楕円体と接する媒質が水のときも、空気のときも、全反射しない。
　屈折率が１．５７のときに有効検出エリアのサイズが最大になるのは、離心率が０．７８１のときである。長軸半径を１に規格化したときの短軸半径の規格化値は０．６２５、有効表面積は２．７７、正射影面積は１．６８である。図１３Ｂで、長軸半径を１としたときに長軸に沿った有効検出エリアの範囲は±０．７５１の範囲である。
　実寸例では、長軸半径を３０ｍｍとすると、短軸半径は１８．７ｍｍ、有効表面積は２４９０ｍｍ2、正射影面積は１５１０ｍｍ2である。
　図１３Ａ～図１３Ｃのシミュレーションでは、有効面積が最大となる入射角θmaxに対応する離心率を選択しているため、図３で空気への入射時と水への入射時で反射率の差が十分に大きくなる領域Ｂを選んだのと同じ効果が得られている。
　屈折率が１．５７の場合、有効検出エリアを最大化した形状は図１３Ａ～図１３Ｃの形状であるが、このとき楕円面への入射角の最大は５１°程度であり、フレネル反射による影響を考慮しても水が付着したときの反射率は５%程度にまで低下する。そのため、感度の悪化はほとんどない。したがって、屈折率が１．５７の場合では、フレネル反射の影響を考慮しても、最適化された形状は図１３Ａ～図１３Ｃの有効検出エリアと変わりのない形状となる。
＜変形例１＞
　図１４Ａ～図１８Ｂは、レインセンサ１０Ａの変形例１として、レインセンサ１０Ｂの構成を示す。レインセンサ１０Ｂは、固体の光学カバー１１Ｂの内部に、第１焦点Ｆ１と第２焦点Ｆ２を取り巻く空間を有する。
　図１４Ａと図１４Ｂは、レインセンサ１０Ｂの基本構成を示す図である。レインセンサ１０Ｂは、湾曲面１３を有する光学カバー１１Ｂと、湾曲面１３と対向する第１の位置に配置される発光素子１５、及び湾曲面１３と対向する第２の位置に配置される受光素子１６を有する。
　光学カバー１１Ｂは、回転楕円体の一部を形成する固体のカバーであり、焦点に対応する位置に空間１２を有する。空間１２は、球状にくり抜かれた形状を有する。空間１２と光学カバー１１Ｂとの界面の形状は球面である。
　発光素子１５と受光素子１６は、それぞれ空間１２の内部に収容されている。空間１２と光学カバー１１Ｂの界面を球面とすることで、発光素子１５からの出力光が光学カバー１１Ｂに入射するとき、あるいは、全反射された光が光学カバー１１Ｂから空間１２内の受光素子１６に入射するときに、光が屈折することを回避できる。この構成により、２つの焦点をもつ楕円の性質を有効に活用することができる。
　実施形態と同様に、光学カバー１１Ｂは湾曲面１３を有する。湾曲面１３は、上述したように有効検出エリアの面積が広く確保されるように設計されている。
　図１４Ａのように、レインセンサ１０Ｂに雨滴が付着していない状態では、発光素子１５から出力され、湾曲面１３の有効検出エリアで全反射された光が、受光素子１６で検出される。図１４Ｂのように、レインセンサ１０Ｂの表面に雨滴が付着すると、光学カバー１１Ｂと液体の界面で全反射条件が崩れ、受光素子１６での受光量が低減する。受光素子１６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。
　図１５Ａと図１５Ｂは、レインセンサ１０Ｂの光学カバー１１Ｂの斜視図である。図１５Ａは、頂点側または湾曲面１３からみたときの斜視図、図１５Ｂは、底面１４からみたときの斜視図である。光学カバー１１Ｂは、使用波長に対して透明な材料で形成され、その屈折率は既知である。
　光学カバー１１Ｂは、底面１４に第１焦点Ｆ１と、第２焦点Ｆ２を有し、第１焦点Ｆ１の周囲と、第２焦点Ｆ２の周囲に半球状の空間１２を有する。空間１２の球面形状により光学カバー１１Ｂへ入射する光、及び光学カバー１１Ｂから空間１２へ出射する光の屈折を回避することができる。これにより、楕円の一方の焦点から放射し、他方の焦点で集光するというレインセンサ１０Ｂの基本性質を維持することができる。
　図１６は、レインセンサ１０Ｂの分解斜視図である。発光素子１５と受光素子１６を基板２０に配置または作り込むことができる。発光素子１５と受光素子１６は、組み立て後の状態で光学カバー１１Ｂの空間１２と対向する位置に配置されている。基板２０には、発光素子１５と受光素子１６のそれぞれに接続される配線、ビアプラグ等が形成されていてもよい。基板２０をボトムカバー２１に収容し、光学カバー１１Ｂを基板２０に被せることで、レインセンサ１０Ｂが組み立てられる。
　光学カバー１１Ｂは、たとえばポリカーボネートで形成され、一例として、底面１４の長軸半径は３０ｍｍ、短軸半径は１８．７ｍｍである。光学カバー１１Ｂの楕円形状は式（１）で表される。
　　　ｘ2／３０2＋ｙ2／１８.７2＋ｚ2／１８.７2＋＝１      （１）
　空間１２の中心は、たとえば、底面１４の中心から長軸に沿って２４ｍｍの位置に配置される。空間１２の直径は３ｍｍである。
　ボトムカバー２１は、光学カバー１１Ｂの楕円形状に合わせて形成される。基板２０は、ボトムカバー２１の内部に収まる形状に加工されている。
　図１７は、基板２０をボトムカバー２１に収容した状態を示す。基板２０がボトムカバー２１に収容されたときに、基板２０の表面とボトムカバー２１の縁の高さ位置が揃うようにレインセンサ１０Ｂが設計されていてもよい。
　図１８Ａと図１８Ｂは、ボトムカバー２１に光学カバー１１Ｂを被せてレインセンサ１０Ｂを組み立てた状態を示す。光学カバー１１Ｂは、トップカバーとして用いられる。上述したサイズの光学カバー１１Ｂを用いる場合、ボトムカバー２１の縁の高さＣは、たとえば５ｍｍである。レインセンサ１０Ｂ全体でも、高さは二十数ミリ程度で、楕円形状のシンプルで小型のレインセンサを実現することができる。
　このレインセンサ１０Ｂを用いる場合、光学カバー１１Ｂの長軸に沿った両端部の一部領域を除いて、広い領域を有効検出エリアとして用いることができる。また、フレネル反射の影響を考慮して離心率が設定されているので、小型でありながら、高感度に雨滴を検出することができる。
＜その他の変形例＞
　図１９は、変形例２としてレインセンサ１０Ｃの構成を示す。レインセンサ１０Ｃは、光学カバー１１Ｂのうち、有効検出エリアではない領域に、コーティング膜１７を形成する。コーティング膜は、光吸収膜、または光反射膜である。
　回転楕円体の表面で、「空気との界面で全反射、水との界面で非全反射」という条件を満たす領域を有効検出エリアとしたときに、有効検出エリア以外の領域を使用しないほうが望ましい場合がある。たとえば、レインセンサ１０Ｃが外部からの光が入り込む可能性のある場所に設置される場合などである。
　レインセンサと特性としては、ノイズの少ない平滑な感度特性を持つことが望ましい。有効検出エリア以外の領域にコーティング膜１７を施すことで、太陽光に含まれる近赤外線が発光素子１５から出力される赤外線に混入することを防止できる。また、コーティング膜１７の上に雨滴が付着したときでも、受光素子１６での受光量の変化に影響を与えない。受光量の変化に寄与するのは、有効検出エリアに付着した雨滴である。有効検出エリアの面積はあらかじめわかっているので、受光量の変化から単位面積あたりの雨滴の量を精度良く算出することができる。
　図２０は、変形例３としてレインセンサ１０Ｄの構成を示す。レインセンサ１０Ｄは、有効検出エリアの表面の全部または一部に、撥水膜１８をコーティングする。撥水膜１８でコーティングすることで、雨滴が有効検出エリアに付着した後に、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１１Ｂ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。
　レインセンサ１０Ｄの構成は、雨が止んだ直後の検出精度を向上または回復できる点で有利である。
　図２１は、変形例４としてレインセンサ１０Ｅの構成を示す。レインセンサ１０Ｅは、光学カバー１１Ｃを用いる。光学カバー１１Ｃは、光学カバー１１Ｂと同様に回転楕円体の内部に空間１２を有する。光学カバー１１Ｃでは、受光側の空間１２の内壁を、透過散乱面１９にする。
　受光素子１６の受光面積が小さいとき、楕円の湾曲面１３からの反射光が導入されにくく、別途、調整のための処理または光学部品が必要になる場合もある。レインセンサ１０Ｅでは、空間１２の球面を透過散乱面１９にすることで、楕円面からの集光面積を広げることができる。これにより、湾曲面１３で全反射された光を受光素子１６に導くための調整のための工程または構成を不要になるか、または調整をラフにすることができる。
　透過散乱面１９で回転楕円体からの光を散乱させることで、受光素子１６での総受光量は減少し得るが、必要な信号成分がノイズに埋もれることはなく、雨滴の付着による信号の変化を検知できれば、問題はない。
　図２２Ａ～図２２Ｃは、変形例５として、レインセンサに用いる光学カバー１１Ｆを示す。光学カバー１１Ｆは、有効検出エリアとして機能する楕円面を残し、その他の部分を切断したものである。図２２Ａ～図２２Ｃの例では、回転楕円体の長軸に沿った両端が切断されている。発光素子１５と受光素子１６を収容するための空間１２Ｆは、半球を底面と垂直な面で切り取った形状をしている。
　光学カバー１１Ｆをこのような形状にすることで、「空気との界面で全反射、水との界面で非全反射」という条件を満たさない領域をあらかじめ排除して、感度特性をフラットに維持することができる。
　図２２Ａ～図２２Ｃの光学カバー１１Ｆを用いる場合、ボトムカバー２１は光学カバー１１Ｆの形状に対応した形状を有する。ボトムカバー２１のヘリの高さを、光学カバー１１Ｆの空間１２Ｆの高さ位置に合わせ、光学カバー１１Ｆの底面側をボトムカバー２１の中に収容することで、発光素子１５と受光素子１６が露出することを防止できる。
　以上、特定の実施例と変形例を参照して本発明の液滴センサを説明したが、本発明は上述した例に限定されない。たとえば、変形例２～５では、内部に空間１２を有する光学カバー１１Ｂの構成を基にして説明してきたが、コーティング膜１７（変形例２）、撥水膜１８（変形例３）は、空間１２を有しない光学カバー１１Ａにも適用可能である。また、コーティング膜１７と撥水膜１８を併用することもできる。その他、実施例及び変形例１～５の中の２以上を、適宜組み合わせてもよい。
　空間１２は必ずしも第１焦点と第２焦点の双方の位置に設ける必要はなく、いずれか一方の焦点位置にだけ形成してもよい。この場合は、他方の焦点位置では、受光素子または発光素子は光学カバーに埋め込まれるか、その光作用面が光学カバーの底面と面接触するように配置される。発光素子１５と受光素子１６のいずれか一方を光学カバー１１に埋め込み、他方の受光面または発光面を光学カバーの底面１４と面接触するように配置してもよい。
　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。
　この出願は、２０１７年１２月２８日に日本国特許庁に出願された特許出願第２０１７－２５４９５６号に基づき、その全内容を含むものである。
１０　液滴センサ
１０Ａ～１０Ｅ　レインセンサ
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ、１１Ｆ　光学カバー
１２　空間
１３　湾曲面
１４　底面
１５　発光素子
１６　受光素子
１７　コーティング膜
１８　撥水膜
１９　透過散乱面

Claims (15)

  1. 　回転楕円体の一部を形成する湾曲面を有する光学カバーと、
    　前記湾曲面と対向する楕円の第１の焦点位置に配置される光源と、
    　前記楕円の第２の焦点位置に配置される光検出器と、
    を有し、
    　前記湾曲面が、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を有するように、前記楕円の離心率が設定されていることを特徴とする液滴センサ。
  2. 　前記光学カバーは、前記光源の波長に対して透明な固体であり、
    　前記光源と前記光検出器の少なくとも一方は、前記第１の焦点位置、及び／または前記第２の焦点位置で前記固体に埋め込ま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。
  3. 　前記光学カバーは、前記光源の波長に対して透明な固体であり、
    　前記光源の発光面と前記光検出器の受光面の少なくとも一方は、前記第１の焦点位置、及び／または前記第２の焦点位置で前記光学カバーの底面と面接触していることを特徴とする請求項１に記載の液滴センサ。
  4. 　前記光学カバーは、前記光源の波長に対して透明な固体であり、
    　前記固体は、前記第１の焦点位置と前記第２の焦点位置の少なくとも一方に所定の空間を有し、
    　前記光源と前記光検出器の少なくとも一方は、前記空間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。
  5. 　前記空間と前記固体との界面は、球面であることを特徴とする請求項４に記載の液滴センサ。
  6. 　前記光検出器は前記空間内に配置され、前記空間と前記固体との界面は透過散乱面であることを特徴とする請求項４記載の液滴センサ。
  7. 　前記湾曲面は、前記有効検出エリアを除いて光吸収膜または光反射膜でコーティング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。
  8. 　前記回転楕円体の前記有効検出エリアを除く領域は、前記楕円と垂直な面で切断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。
  9. 　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に記載の液滴センサ。
  10. 　前記光源から前記湾曲面への入射角は、前記液体へ入射するときの反射率が０．５以下になる角度範囲に設定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。
  11. 　前記光源から前記湾曲面への入射角は、前記液体へ入射するときの反射率が０．１以下になる角度範囲に設定されていることを特徴とする請求項１０に記載の液滴センサ。
  12. 　前記光学カバーの屈折率は１．４～１．８であり、前記楕円の離心率は０．７～０．８５であることを特徴とする請求項１に記載の液滴センサ。
  13. 　前記光学カバーの屈折率は１．４±０．０１であり、前記楕円の離心率は０．７よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の液滴センサ。
  14. 　前記光学カバーの屈折率は１．６±０．０１であり、前記楕円の離心率は０．６よりも大きく、０．９以下であることを特徴とする請求項１に記載の液滴センサ。
  15. 　前記光学カバーの屈折率は１．８±０．０１であり、前記楕円の離心率は０．５５よりも大きく、０．９よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の液滴センサ。
PCT/JP2018/041377 2017-12-28 2018-11-07 液滴センサ WO2019130844A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201880084186.XA CN111512144B (zh) 2017-12-28 2018-11-07 液滴传感器
US16/772,250 US11300506B2 (en) 2017-12-28 2018-11-07 Droplet sensor

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017-254956 2017-12-28
JP2017254956A JP7041345B2 (ja) 2017-12-28 2017-12-28 液滴センサ

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019130844A1 true WO2019130844A1 (ja) 2019-07-04

Family

ID=67063398

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2018/041377 WO2019130844A1 (ja) 2017-12-28 2018-11-07 液滴センサ

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11300506B2 (ja)
JP (1) JP7041345B2 (ja)
CN (1) CN111512144B (ja)
WO (1) WO2019130844A1 (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021056062A (ja) * 2019-09-30 2021-04-08 ミツミ電機株式会社 液滴センサ
JP2021056063A (ja) * 2019-09-30 2021-04-08 ミツミ電機株式会社 液滴センサ
WO2023119709A1 (ja) * 2021-12-23 2023-06-29 株式会社日立製作所 撮像装置

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7041345B2 (ja) 2017-12-28 2022-03-24 ミツミ電機株式会社 液滴センサ
JP7265133B2 (ja) 2019-03-28 2023-04-26 ミツミ電機株式会社 液滴センサ
JP2022178336A (ja) 2021-05-20 2022-12-02 ミツミ電機株式会社 液滴センサ
CN114354547B (zh) * 2022-03-16 2022-05-20 成都理工大学 介质界面光学传感器及其检测方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5425883U (ja) * 1977-07-22 1979-02-20
JPH08297090A (ja) * 1995-04-25 1996-11-12 Omron Corp 光学式センサおよびその光学式センサが用いられた降水物感応型自動ワイパ並びに光学式センサ付き車両
WO2001086259A1 (fr) * 2000-05-12 2001-11-15 Nippon Sheet Glass Co., Ltd. Detecteur de substance adherente et dispositif de commande faisant appel a ce dernier
US20020154289A1 (en) * 2001-04-18 2002-10-24 Wilks Paul A. Monitor having a polymer internal reflective element
JP2004511757A (ja) * 2000-07-19 2004-04-15 ザ　ゲイツ　コーポレイション 光学降雨センサ
US20060043270A1 (en) * 2004-08-27 2006-03-02 The Toro Company Optical moisture sensor and method of making the same
JP2009150808A (ja) * 2007-12-21 2009-07-09 Yamatake Corp 曇り検出装置および鏡面冷却式露点計

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4102146C1 (en) * 1991-01-25 1991-09-26 Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart, De Rain and dirt sensor for motor vehicle windscreen - uses light source below or at inner side of pane and light measurer at top or outside
US5661303A (en) 1996-05-24 1997-08-26 Libbey-Owens-Ford Co. Compact moisture sensor with collimator lenses and prismatic coupler
JPH10323993A (ja) 1997-02-19 1998-12-08 Canon Inc 検出システム、該検出システムを用いる液体吐出記録装置と液体収納容器、及び、光量変化受光システム
JPH11326185A (ja) * 1998-05-12 1999-11-26 Nippon Sheet Glass Co Ltd 液滴検出装置
DE202006000742U1 (de) 2006-01-18 2007-05-24 Trw Automotive Electronics & Components Gmbh & Co. Kg Optische Sensorvorrichtung
JP6094354B2 (ja) 2013-04-18 2017-03-15 株式会社デンソー 雨滴検出装置
JP6167799B2 (ja) 2013-05-08 2017-07-26 株式会社デンソー 水滴検出センサ
KR101766018B1 (ko) 2015-07-03 2017-08-07 현대자동차주식회사 반사형 센서가 포함된 일체형 레인센서
KR20170115250A (ko) 2016-04-07 2017-10-17 현대자동차주식회사 다초점 레인센서
KR20170115248A (ko) 2016-04-07 2017-10-17 현대자동차주식회사 다중 민감도 영역을 갖는 레인센서
JP7041345B2 (ja) 2017-12-28 2022-03-24 ミツミ電機株式会社 液滴センサ

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5425883U (ja) * 1977-07-22 1979-02-20
JPH08297090A (ja) * 1995-04-25 1996-11-12 Omron Corp 光学式センサおよびその光学式センサが用いられた降水物感応型自動ワイパ並びに光学式センサ付き車両
WO2001086259A1 (fr) * 2000-05-12 2001-11-15 Nippon Sheet Glass Co., Ltd. Detecteur de substance adherente et dispositif de commande faisant appel a ce dernier
JP2004511757A (ja) * 2000-07-19 2004-04-15 ザ　ゲイツ　コーポレイション 光学降雨センサ
US20020154289A1 (en) * 2001-04-18 2002-10-24 Wilks Paul A. Monitor having a polymer internal reflective element
US20060043270A1 (en) * 2004-08-27 2006-03-02 The Toro Company Optical moisture sensor and method of making the same
JP2009150808A (ja) * 2007-12-21 2009-07-09 Yamatake Corp 曇り検出装置および鏡面冷却式露点計

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021056062A (ja) * 2019-09-30 2021-04-08 ミツミ電機株式会社 液滴センサ
JP2021056063A (ja) * 2019-09-30 2021-04-08 ミツミ電機株式会社 液滴センサ
US11486827B2 (en) * 2019-09-30 2022-11-01 Mitsumi Electric Co., Ltd. Droplet sensor
JP7339523B2 (ja) 2019-09-30 2023-09-06 ミツミ電機株式会社 液滴センサ
JP7339524B2 (ja) 2019-09-30 2023-09-06 ミツミ電機株式会社 液滴センサ
WO2023119709A1 (ja) * 2021-12-23 2023-06-29 株式会社日立製作所 撮像装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019120567A (ja) 2019-07-22
US20210102894A1 (en) 2021-04-08
US11300506B2 (en) 2022-04-12
CN111512144B (zh) 2023-08-18
JP7041345B2 (ja) 2022-03-24
CN111512144A (zh) 2020-08-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2019130844A1 (ja) 液滴センサ
US7492459B2 (en) Optical droplet sensor and method
CN101566695B (zh) 光学传感器件
JP4702200B2 (ja) 受光器及び当該受光器を備えたレーダ装置
JP7265133B2 (ja) 液滴センサ
JP2001242079A (ja) 液体を検知又は識別するための光学装置
US11525776B2 (en) Droplet sensor
US11486827B2 (en) Droplet sensor
JP3530078B2 (ja) フローセル及びこのフローセルを用いた粒子測定装置
JP7339523B2 (ja) 液滴センサ
JP2021056064A (ja) 液滴センサ
US20100182595A1 (en) Three dimensional light measuring apparatus
US20160154530A1 (en) Position sensor
JP6064161B2 (ja) 非接触液体検知構成
KR20120012269A (ko) 우적 감지 장치
JPS5948616A (ja) 光学式ロ−タリ−エンコ−ダ
US20030099427A1 (en) Optical conductor
GB2392976A (en) An optical measuring cell with total internal reflection
JPH10311725A (ja) 傾斜角測定機器
JPH06332530A (ja) 無人搬送車用光学式情報検知システム
KR20080064253A (ko) 원격가스탐지기의 중간 광연결장치

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18896234

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18896234

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1