(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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１〜６のいずれか１項に記載の液滴センサ。
【請求項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１〜６のいずれか１項に記載の液滴センサ。
【請求項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１〜８のいずれか１項に記載の液滴センサ。
【請求項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１〜９のいずれか１項に記載の液滴センサ。
【請求項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。
【請求項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１〜１１のいずれか１項に記載の液滴センサ。
【請求項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１〜１１のいずれか１項に記載の液滴センサ。
【請求項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１〜１１のいずれか１項に記載の液滴センサ。
【請求項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１〜１１のいずれか１項に記載の液滴センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第６０９４３５４号
【特許文献２】特許第６１６７７９９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【発明の効果】
【０００８】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態のレインセンサの基本構成を示す図である。
【図２】図１のレインセンサで用いられる光学カバーの斜視図である。
【図３】実施形態のレインセンサの原理を説明する図である。
【図４】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。
【図５】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６】離心率が最適範囲外にあるときの回転楕円体の形状を示す図である。
【図７】離心率と有効面積の関係を示す図である。
【図８】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と諸元を示す図である。
【図９】屈折率が１．６０で、離心率が大きいときの回転楕円体の形状と諸元を示す図である。
【図１０】屈折率が１．６０で、離心率が小さいときの回転楕円体の形状と諸元を示す図である。
【図１１】屈折率を変えたときの有効面積の離心率依存性を示す図である。
【図１２】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１３】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と諸元を示す図である。
【図１４】変形例１のレインセンサを示す図である。
【図１５】図１４のレインセンサで用いられる光学カバーの模式図である。
【図１６】変形例１のレインセンサの分解斜視図である。
【図１７】ボトムカバーに基板を収容した状態を示す図である。
【図１８】組み立て後のレインセンサを示す模式図である。
【図１９】変形例２のレインセンサの模式図である。
【図２０】変形例３のレインセンサの模式図である。
【図２１】変形例４のレインセンサの模式図である。
【図２２】変形例５として、レインセンサに用いる光学カバーの変形例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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１では、便宜上、光学カバー１１Ａの高さ方向をＺ方向とする。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
図１（Ａ）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。
【００１７】
図１（Ｂ）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。
【００１８】
図２は、レインセンサ１０Ａの光学カバー１１Ａの斜視図である。図２（Ａ）は、湾曲面１３からみたときの斜視図、図２（Ｂ）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。
【００１９】
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。
【００２０】
発光素子１５と受光素子１６が、図１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。
【００２１】
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。
【００２２】
図３は、図１のレインセンサ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。
【００２３】
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）。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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（Ａ）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。
【００２８】
図５（Ｂ）の上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。
【００２９】
図５（Ｂ）の中段の横軸Ｈ１はθmaxを示し、下段の横軸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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
図６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６（Ａ）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６（Ｂ）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。
【００３３】
図６（Ａ）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。
【００３４】
図６（Ｂ）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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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６（Ａ）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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
図８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８（Ａ）は回転楕円体の立体画像、図８（Ｂ）は回転楕円体の上面画像であり、図８（Ｃ）は諸元を規格化値と実寸例で示す図である。
【００４１】
図８（Ａ）の３軸、及び図８（Ｂ）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８（Ｂ）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。
【００４２】
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８（Ｂ）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。
【００４３】
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。
【００４４】
図９は、屈折率が１．６０のときに、離心率を図８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９（Ａ）は回転楕円体の立体画像、図９（Ｂ）は回転楕円体の上面画像であり、図９（Ｃ）は諸元を規格化値と実寸例で示す図である。
【００４５】
図９（Ａ）の３軸、及び図９（Ｂ）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９（Ｂ）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。
【００４６】
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９（Ｂ）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。
【００４７】
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。
【００４８】
図８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。
【００４９】
図１０は、屈折率が１．６０のときに離心率を小さくしたときの回転楕円体の形状と諸元を示す。図１０（Ａ）は回転楕円体の立体画像、図１０（Ｂ）は回転楕円体の上面画像であり、図１０（Ｃ）は諸元を規格化値と実寸例で示す図である。
【００５０】
図１０（Ａ）の３軸、及び図１０（Ｂ）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９（Ｂ）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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
図１１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１１（Ａ）は屈折率が１．８のときの有効面積の離心率依存性、図１１（Ｂ）は屈折率が１．６のときの有効面積の離心率依存性、図１１（Ｃ）は屈折率が１．４のときの屈折率依存性を表わす。図１１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。
【００５４】
図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）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。
【００５５】
図１１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。
【００５６】
図１１（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、０．９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。
【００５７】
図１１（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）。
【００５８】
図１１（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）。
【００５９】
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。
【００６０】
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、左側の縦軸が有効検出エリアの表面積、右側の縦軸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。
【００６１】
図１１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。
【００６２】
図１３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１３（Ａ）は回転楕円体の立体画像、図１３（Ｂ）は回転楕円体の上面画像であり、図１３（Ｃ）は諸元を規格化値と実寸例で示す図である。
【００６３】
図１３（Ａ）の３軸、及び図１３（Ｂ）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１３（Ｂ）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。
【００６４】
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１３（Ｂ）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。
【００６５】
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。
【００６６】
図１３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では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。
【００６７】
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１３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１３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１４〜図１８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。
【００６８】
図１４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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
図１４（Ａ）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１４（Ｂ）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。
【００７３】
図１５は、レインセンサ１０Ｂの光学カバー１１Ｂの斜視図である。図１５（Ａ）は、湾曲面１３からみたときの斜視図、図１５（Ｂ）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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
図１８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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
図２２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２３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。
【００９０】
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。
【００９１】
図２２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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【符号の説明】
【００９５】
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
【図１】
2019120567.tif 000003
【図２】
2019120567.tif 000004
【図３】
2019120567.tif 000005
【図４】
2019120567.tif 000006
【図５】
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【図６】
2019120567.tif 000008
【図７】
2019120567.tif 000009
【図８】
2019120567.tif 000010
【図９】
2019120567.tif 000011
【図１０】
2019120567.tif 000012
【図１１】
2019120567.tif 000013
【図１２】
2019120567.tif 000014
【図１３】
2019120567.tif 000015
【図１４】
2019120567.tif 000016
【図１５】
2019120567.tif 000017
【図１６】
2019120567.tif 000018
【図１７】
2019120567.tif 000019
【図１８】
2019120567.tif 000020
【図１９】
2019120567.tif 000021
【図２０】
2019120567.tif 000022
【図２１】
2019120567.tif 000023
【図２２】
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