CN111512144B - 液滴传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种结构简单且具有较宽广的检测面积和较高的灵敏度的液滴传感器。液滴传感器具有:具有形成旋转椭圆体的一部分的弯曲面的光学罩;配置于与上述弯曲面对置的椭圆的第一焦点位置的光源;以及配置于上述椭圆的第二焦点位置的光检测器,以上述弯曲面具有有效检测区域的方式设定上述椭圆的离心率,上述有效检测区域在与气体的界面满足全反射条件并在与液体的界面不满足全反射条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种感知雨滴、水滴等液滴的液滴传感器。
背景技术
公知一种利用雨滴附着于透明板的雨滴检测区域时的反射率的变化来检测雨滴的装置(例如参照专利文献1及专利文献2)。在上述装置中,从发光元件放射出的光被透明板的表面反射,之后被受光部接受。若雨滴附着于雨滴检测区域,则在透明板的界面处反射率变化,并且受光量变化而检测到雨滴的存在。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利第6094354号
专利文献2:日本专利第6167799号
发明内容
发明所要解决的课题
在专利文献1中,除透明板以外还使用第一反射单元和第二反射单元,由受光部检测反复多次反射后的光。第二反射单元的反射面是具有复杂形状的曲面,制作困难。并且,全反射后的光和未全反射而通常反射后的光混在一起向受光部射入。另外,在装置内,根据反射模式不同,从发光元件至受光元件的光路长度产生差异,尤其多重反射后的光的光路长度变长。因此,根据雨滴的附着位置不同,灵敏度产生偏差,检测精度变低。
在专利文献2中,使用了使从发光元件放射出的光为平行光并向透明板射入的折射用的光学元件和将被透明板全反射后的光聚光并引导至受光元件的光学元件。为了扩大检测区域,需要与检测区域相当大小的折射用的光学元件。折射用的光学元件成为被分割成多个的复杂形状,这样的光学元件的制作、在装置内的安装、固定等作业是困难的。
本发明的目的在于提供一种结构简单且具有宽广的检测面积和较高的灵敏度的液滴传感器。
用于解决课题的方案
为了解决上述的课题,液滴传感器具有:
光学罩,其具有形成旋转椭圆体的一部分的弯曲面;
光源,其配置于与上述弯曲面对置的椭圆的第一焦点位置;以及
光检测器,其配置于上述椭圆的第二焦点位置,
以上述弯曲面具有有效检测区域的方式设定上述椭圆的离心率,上述有效检测区域在与气体的界面满足全反射条件并在与液体的界面不满足全反射条件。
发明的效果如下。
根据本发明,实现一种结构简单且具有较宽广的检测面积和较高的灵敏度的液滴传感器。
附图说明
图1A是示出实施方式的雨水传感器的基本结构的图,且是示出未附着雨滴的状态的图。
图1B是示出实施方式的雨水传感器的基本结构的图,且是示出附着有雨滴的状态的图。
图2A是在图1A及图1B的雨水传感器中使用的光学罩的从顶点侧观察的立体图。
图2B是在图1A及图1B的雨水传感器中使用的光学罩的从底面侧观察的立体图。
图3是说明实施方式的雨水传感器的原理的图。
图4是示出光学罩使用折射率1.60的树脂时的使用条件的图。
图5是示出入射角的范围与由离心率表示的椭圆图案的关系的图。
图6A是示出离心率比最佳范围小时的旋转椭圆体的形状的图。
图6B是示出离心率比最佳范围大时的旋转椭圆体的形状的图。
图7是示出离心率与有效面积的关系的图。
图8A是示出折射率为1.60、有效检测区域的面积最大时的旋转椭圆体的形状的图。
图8B是示出从上面观察图8A时的有效检测区域的图。
图8C是示出图8A的旋转椭圆体的各种规格的图。
图9A是示出折射率为1.60、离心率较大时的旋转椭圆体的形状的图。
图9B是示出从上面观察图9A时的有效检测区域的图。
图9C是示出图9A的旋转椭圆体的各种规格的图。
图10A是示出折射率为1.60、离心率较小时的旋转椭圆体的形状的图。
图10B是示出从上面观察图10A时的有效检测区域的图。
图10C是示出图10A的旋转椭圆体的各种规格的图。
图11A是示出折射率为1.8时的有效面积的离心率依存性的图。
图11B是示出折射率为1.6时的有效面积的离心率依存性的图。
图11C是示出折射率为1.4时的有效面积的离心率依存性的图。
图12是示出以有效检测区域的表面积为最大的方式使离心率最佳化时的表面积以及正投影面积的折射率依存性的图。
图13A是示出在折射率为1.57时使有效检测区域变得最大的旋转椭圆体的形状的图。
图13B是示出从上面观察图13A时的有效检测区域的图。
图13C是示出图13A的旋转椭圆体的各种规格的图。
图14A是示出变形例1的雨水传感器的未附着雨滴的状态的图。
图14B是示出变形例1的雨水传感器的附着有雨滴的状态的图。
图15A是在图14A及图14B的雨水传感器中使用的光学罩的从顶点侧观察的立体图。
图15B是在图14A及图14B的雨水传感器中使用的光学罩的从底面侧观察的立体图。
图16是变形例1的雨水传感器的分解立体图。
图17是示出变形例1中的在底罩内收纳有基板的状态的图。
图18A是变形例1的组装后的雨水传感器的立体图。
图18B是变形例1的组装后的雨水传感器的侧视图。
图19是变形例2的雨水传感器的示意图。
图20是变形例3的雨水传感器的示意图。
图21是变形例4的雨水传感器的示意图。
图22A是在雨水传感器中使用的光学罩的变形例的立体图。
图22B是在雨水传感器中使用的光学罩的变形例的侧视图。
图22C是在雨水传感器中使用的光学罩的变形例的俯视图。
具体实施方式
在实施方式中,利用气体与液体的折射率的不同的反射变化,来光学地检测液滴的存在。为了正确且有效地检测液体在传感器上的附着,研究使传感器面的形状为能够加大液滴的有效检测区域的最佳形状。
图1A和图1B是示出实施方式的液滴传感器的基本结构的图。液滴传感器例如能够作为雨水传感器10A来使用,检测雨滴的附着。根据雨滴的检测结果,能够计测例如每单位时间以及/或者每单位面积的雨量。液滴传感器除雨滴以外,还能够应用于结露、水滴、油墨等液滴的检测,但在以下的例子中以雨水传感器10A为例进行说明。
雨水传感器10A具有:具有弯曲面13的光学罩11A;配置于与弯曲面13对置的第一位置的发光元件15;以及配置于与弯曲面13对置的第二位置的受光元件16。此处,发光元件15是光源的一例,受光元件16是光检测器的一例。
光学罩11A是形成旋转椭圆体的一部分的固体罩,由针对发光元件15的输出光的波长为透明的材料形成。在图1的例子中,将使在X方向上具有长轴并在Y方向上具有短轴的椭圆绕长轴(X轴)旋转后所获得的立体作为旋转椭圆体。光学罩11A具有用与X-Y平面水平的面切断旋转椭圆体而获得的形状。图1A及图1B中,为便于说明,将光学罩11A的高度方向作为Z方向。
发光元件15例如是输出近红外光的发光二极管。受光元件16例如是对近红外区域的光具有灵敏度的量子阱型受光元件。发光元件15和受光元件16在与光学罩11A的弯曲面13对置的面内,相对于弯曲面13的顶点而相互位于相反侧。
受光元件16对从发光元件15输出并在光学罩11A的弯曲面13反射后的光进行受光。弯曲面13具有在与空气的界面使来自发光元件的光全反射并且在与水的界面使来自发光元件的光透射的形状。如在下文中所说明,弯曲面13的形状设计为确保满足全反射条件的有效检测区域的面积较宽广。
如图1A所示,在雨滴未附着于雨水传感器10A的状态下,由受光元件16检测从发光元件15输出并在弯曲面13的有效检测区域内全反射后的光。
如图1B所示,若雨滴附着于雨水传感器10A的表面,则在光学罩11A与液体的界面,全反射条件被破坏,在雨滴所附着的位置,发光元件15的输出光大部分透射。由此,在受光元件16的受光量减少。通过监视在受光元件16的受光量的变化,能够检测雨滴的存在和量。光学罩11A的弯曲面13具有相对于顶点各向同性的形状,能够不依存于雨滴所附着的位置地检测雨滴。
图2A及图2B是雨水传感器10A的光学罩11A的立体图。图2A是从顶点侧或者弯曲面13侧观察的立体图,图2B是从底面14侧观察的立体图。光学罩11A例如也可以由透明陶瓷、玻璃、高折射率的塑料等形成。光学罩11A在底面14具有第一焦点F1和第二焦点F2。在第一焦点F1和第二焦点F2的任一方配置发光元件15,并在另一方配置受光元件16。
在X-Y面内,距第一焦点F1的距离与距第二焦点F2的距离的和为恒定的点的轨迹对应于光学罩11A的底面14的椭圆形。从设置于旋转椭圆体的一个焦点(例如第一焦点F1)的点光源发出的光在弯曲面13反射,并在另一个焦点(例如第二焦点F2)聚光。因此,将发光元件15配置于一个焦点(第一焦点F1),并将受光元件16配置于另一个焦点(第二焦点)。
在发光元件15和受光元件16在图1A及图1B所示的方式中使用时,也可以以发光面位于第一焦点F1、受光面位于第二焦点F2的方式在光学罩11A中埋入发光元件15和受光元件16。或者,也可以配置为发光元件15的发光面在第一焦点F1与光学罩11A的底面14面接触,受光元件16的受光面在第二焦点F2与光学罩11A的底面14面接触。
使固体的光学罩11A的弯曲面13为在与气体的界面满足全反射条件并在与液体的界面不满足使发光元件15的输出光全反射的条件的形状(例如90%以上透射的状态),从而能够根据受光量的变化而高灵敏度地检测雨滴的附着。即使在屋外使用雨水传感器10A的情况下,如在下文中所说明,也能够防止太阳光所包含的红外光成分的一部分混入来自发光元件15的红外光中,能够正确地检测雨滴的存在。此外,即使太阳光等外来光向受光元件射入,在检测时,也可以通过进行即将发光前和发光中的比较来消除外来光。
图3是说明图1A及图1B所示的雨水传感器10A的原理的图。对于雨水传感器10A的光学罩11A的形状而言,利用向椭圆体的界面射入的入射角度与依存于折射率的反射率的关系,来将椭圆光学系最佳化。图3的横轴是发光元件15的输出光向旋转椭圆体的界面射入的入射角度,纵轴是在界面的反射率。图中,左侧的实线曲线是与空气的界面的反射率,右侧的实线曲线是与水的界面的反射率。点线是P偏振光的反射率,虚线是S偏振光的反射率,实线是无偏振光时的反射率。
图3中假定使用聚碳酸酯(折射率n=1.57)作为光学罩11A的材料的情况,并表示从聚碳酸酯向空气或水射入时的反射率的入射角依存性。将空气的折射率设为1,将水的折射率设为1.33。光向具有不同折射率的物质间的界面射入并被反射时的反射率依存于折射率之差和入射角(菲涅尔反射)。
从聚碳酸酯向空气射入时的临界角为39.6°,从聚碳酸酯向水射入时的临界角为58.1°。在利用全反射现象来检测水滴或雨滴的情况下,一般考虑在向界面射入的入射角为40°~58°的区域A使用雨水传感器10A。但是,在入射角度超过52°的区域C,无法说向与水的界面射入时的反射率充分小。即,在与水的界面无法获得充分高的透射率。因此,也可以不使用因菲涅尔反射的影响而产生某程度的灵敏度降低的区域C,而将向界面射入的入射角为40°~52°的区域B作为雨水传感器10A所使用的区域。通过使用区域B的入射角范围,提高检测灵敏度。
区域B的范围也依存于光学罩11A所使用的材料的折射率。因此,以向界面射入的入射角成为能够进行高灵敏度检测的最佳范围的方式选择光学罩11A的材料和检测区域的形状。
图4是示出光学罩11A使用折射率为1.60(n=1.60)的树脂时的使用条件的图。光从树脂向空气射入时的临界角为38.7°,光从树脂向水射入时的临界角为56.4°。能够利用全反射现象来检测雨滴或水滴的入射角θi的范围为8.7°<θi<56.4°。如图3所示,也可以将θi的上限调整为在与水的界面的反射率为10%(0.1)以下(透射率为90%以上)的入射角范围。在该情况下,入射角范围的上限比56.4°小几度。
图5是示出入射角的范围与由离心率表示的椭圆图案的关系的图。如图5的上图所示,在将发光元件15配置于椭圆的焦点F1、并将受光元件16配置于焦点F2,则在椭圆的周向上,入射角成为最大(θmax)的点是X=0的点(椭圆的顶点)。在其它周向上,入射角θi一定为θi<θmax。
图5的中图是从上方或Z方向观察旋转椭圆体的形状。椭圆内的斜线区域是能够利用全反射现象来检测雨滴或水滴的有效检测区域。
图5的下图的横轴H1示出θmax,横轴H2示出椭圆的离心率。椭圆的离心率e由从椭圆的中心“0”至焦点F(F1或F2)的距离与长轴半径a之比决定(e=|OF|/a)。在离心率为零时,两个焦点在原点一致而成为圆。此时,在圆周上的任一点处,入射角θi都为零,光保持原样地透射。θmax=0。
若圆的形状在X轴方向上变长(在Z方向上变短),则离心率变大,焦点F1和F2的位置接近长轴的两端。在离心率较大的椭圆体中,有效检测区域在沿X轴方向的两端被截断,无法利用全反射现象来检测雨滴的区域占主导。
若着眼于有效检测区域的表面积,则在折射率为1.6、向界面射入的入射角θi为38.7°<θi<56.4°的范围,最大入射角为θmax=50.6°时,有效检测区域的表面积成为最大。因此,以存在有效检测区域并且满足能够确保表面积充分大的离心率的方式设计光学罩11A的弯曲面13的形状。
图6A及图6B是示出离心率不在适当的范围内时的旋转椭圆体的形状的图。图6A示出离心率比预定范围小时的旋转椭圆体的形状,图6B示出离心率超过预定范围时的旋转椭圆体的形状。
若如图6A所示地旋转椭圆体的离心率较小,则向界面射入的入射角变小,在旋转椭圆体与空气接触的情况和与水接触的情况下,都不满足全反射的条件,光的至少一部分在界面透射。在该情况下,因水的附着的有无,反射率稍微产生差异,其检测灵敏度较低,无法高精度地检测水滴的附着。
若如图6B所示地旋转椭圆体的离心率较大,则在旋转椭圆体的大部分,与空气接触的情况和与水接触的情况都进行全反射。在该情况下,无法利用受光量的变化来检测水滴的附着。
相对于此,实施方式的雨水传感器10A的弯曲面13设计成全反射条件仅在附着有雨滴时被破坏的形状。为了实现该形状,特定能够利用全反射现象来检测雨滴(水滴)的离心率的范围。
图7是示出旋转椭圆体的折射率为1.60时的离心率与有效面积的关系的图。在实施方式中,折射率为“1.60”时是指针对近红外波长的折射率,包含光源波长的误差、旋转椭圆体的材料误差、测定误差等在内而包含1.60±0.01的范围。图7的横轴是离心率,纵轴是有效检测区域的面积。有效检测区域的面积将长轴半径作为1来进行标准化,并由表面积(虚线)和正投影面积(实线)的两种示出。在雨水传感器10A的情况下,雨通常从上方或斜上方附着,从自正上方滴落的雨观察时的有效面积为正投影面积。
在旋转椭圆体的折射率为1.60时,对于有效检测区域的面积而言,表面积、正投影面积均在离心率0.75~0.8的范围内成为最大。在离心率为0.60以下时,不存在有效检测区域,全部成为“非全反射区域”。在“非全反射区域”中,如参照图6A所说明的那样,根据与旋转椭圆体在界面接触的介质是空气还是水,得到一些反射率的差,但其检测灵敏度较低。
在离心率为0.833至0.95的范围,存在有效检测区域,但在旋转椭圆体之上断开。即使有效检测区域断开,也能够检测水滴的附着。若离心率为0.95以上,则无论与旋转椭圆体在界面接触的介质是空气还是水,全反射的区域都变大,有效检测区域都变小。详细而言,在光学罩11A的中央部分产生无法检测的区域,随着离心率变大而无法检测的区域变大。相伴随地,有效检测区域朝向光学罩11A的两端变小。
从图7可知,折射率为1.60±0.01时的能够使用的离心率的范围为0.625~0.95。从较宽广地取得有效检测面积的观点出发,更优选将离心率的范围设定为0.65~0.85。
图8A~图8C示出折射率为1.60、有效检测区域的尺寸为最大时的旋转椭圆体的形状和各种规格。图8A是旋转椭圆体的立体图像,图8B是旋转椭圆体的俯视图像,图8C是以标准化值和实际尺寸例子来示出各种规格的图。
图8A的三轴及图8B的两轴由标准化值示出。在有效检测区域的尺寸最大时,如图8B所示,有效检测区域a位于旋转椭圆体的中央。在有效检测区域a,进入旋转椭圆体的光在与空气的界面进行全反射,并在与水的界面不进行全反射。旋转椭圆体的两端是无效区域b。在无效区域b,与旋转椭圆体接触的介质是水时还是空气时,都不进行全反射。
折射率为1.60且有效检测区域的尺寸成为最大是在离心率为0.773时。将长轴半径标准化为1时的短轴半径的标准化值为0.634,有效表面积为2.82,正投影面积为1.71。图8B中,在将长轴半径设为1时,沿长轴的标准化后的有效检测区域的范围是﹣0.754~﹢0.754的范围。
在实际尺寸例子中,若使长轴半径为30mm,则短轴半径为19.0mm,有效表面积为2540mm2,正投影面积为1540mm2。
图9A~图9C是示出在折射率为1.60时并使离心率比图8A的离心率大时的旋转椭圆体的形状和各种规格。图9A是旋转椭圆体的立体图像,图9B是旋转椭圆体的俯视图像,图9C是以标准化值和实际尺寸例子来示出各种规格的图。
图9A的三轴及图9B的两轴由标准化值示出。在离心率较大的情况下,如图9B所示,有效检测区域a分开地位于旋转椭圆体的两端侧,但合计的有效检测区域a的面积作为液滴传感器的有效检测区域而充分大。在有效检测区域a,进入旋转椭圆体的光在与空气的界面进行全反射,并在与水的界面不进行全反射。旋转椭圆体的中央部和两端是无效区域。在两端的无效区域b1,与旋转椭圆体接触的介质是水时还是空气时,都不进行全反射。并且,在中央部的无效区域b2,在空气时还是水时都进行全反射。
若折射率为1.60并将离心率设定为0.850,则将长轴半径标准化为1时的短轴半径的标准化值为0.527,有效表面积为1.42,正投影面积为0.823。图9B中,在将长轴半径设为1时,长轴方向的有效检测区域a的大小|x|为,0.358<|x|<0.868。
在实际尺寸例子中,若使长轴半径为30mm,则短轴半径为15.8mm,有效表面积为1280mm2,正投影面积为741mm2。
与图8C比较可知,有效表面积和正投影面积均减少约一半,但仍能够使用有效检测区域a来检测雨滴或水滴。但是,若离心率超过0.95,则几乎没有有效检测区域,无法作为雨水传感器而有效地发挥功能。
图10A~图10C示出在折射率为1.60时并使离心率比图8A的离心率小时的旋转椭圆体的形状和各种规格。图10A是旋转椭圆体的立体图像,图10B是旋转椭圆体的俯视图像,图10C是以标准化值和实际尺寸例子来示出各种规格的图。
图10A的三轴及图10B的两轴由标准化值示出。若离心率为预定值以下,则如图10B所示,不存在有效检测区域。在该例子中,离心率为0.600,旋转椭圆体成为近似于半球的形状。
在折射率为1.60并将离心率设定为0.600的情况下,将长轴半径标准化为1时的短轴半径的标准化值为0.800。在实际尺寸例子中,若使长轴半径为30mm,则短轴半径为24mm。无法取得有效检测区域,因而有效检测区域的表面积、正投影面积均为零。
这样,特定在将折射率为1.60的材料用于光学罩11A中时的适当的离心率的范围,决定弯曲面13的形状。适当的离心率的范围根据材料的折射率不同而不同。因此,对于多个折射率,求出适当的离心率的范围。
图11A~图11C是示出改变折射率时的离心率与有效面积的关系的图。图11A表示折射率为1.8时的有效面积的离心率依存性,图11B表示折射率为1.6时的有效面积的离心率依存性,图11C表示折射率为1.4时的折射率依存性。图11A~图11C中,折射率为“1.8”、“1.4”时均是针对近红外光的折射率,分别包含误差在内而包含1.8±0.01、1.4±0.01的范围。
在图11A~图11C的各图中,作为有效面积,示出有效检测区域的表面积和正投影面积的双方。图中,虚线所示的有效检测区域的表面积记载为“有效检测面积”。
从图11A~图11C可知,光学罩11A的折射率越小(与空气及水的折射率差变小),向适当的离心率的范围越向变大的一方移动。在使用折射率较小的材料时,虽然能够通过加大离心率来较大地取得有效面积,但折射率较大的话,能够增大有效面积的绝对量。
在图11A中,在折射率为1.8±0.01时,以离心率e在比0.556大且为0.9以下的范围的方式设计光学罩11A(0.556<e≤0.9)。在折射率超过1.8时,离心率进一步向较小的方向移动,在离心率0.55的情况下也能够取得充足的有效检测区域的面积。
在图11B中,在折射率为1.6±0.01时,以离心率e在比0.625大且为0.95以下的范围的方式设计光学罩11A(0.625<e≤0.95)。
在图11C中,在折射率为1.4±0.01时,以离心率e比0.714大的方式设计光学罩11A(0.714<e)。
在光学罩的材料使用折射率为1.4~1.8的任意材料的情况下,期望在离心率比0.7大且为0.85以下的范围进行设计。但是,通常光学罩11A的材料是已知的,因而与该材料的折射率相符地选择离心率的范围即可。此时,可以选择有效检测面积为最大的离心率,也可以根据雨水传感器10A的使用方式,只要在已设定的离心率的范围内,不一定选择最大有效面积的离心率。例如,也能够选择将有效检测区域断开为两个的图案。
图12是示出以有效检测区域的表面积为最大的方式使离心率最佳化时的表面积以及正投影面积的折射率依存性的图。图中,左侧的纵轴和黑色圆圈的数据是有效检测区域的表面积,右侧的纵轴和白色圆圈的数据是正投影面积,均由将长轴半径作为1而标准化后的值。
如参照图12所说明,光学罩11A的折射率越变大,越能够较大地取得有效检测区域的表面积和正投影面积。例如,若比较丙烯酸树脂和聚碳酸酯,丙烯酸树脂的针对近红外光的折射率为1.485,聚碳酸酯的针对近红外光的折射率为1.57,因而通过由聚碳酸酯形成光学罩11A,从而能够较大地取得有效检测区域的尺寸。并且,在使用高密度、高极化率的有机聚合物时,针对近红外光的折射率为1.8左右。即使在使用廉价且折射率较低的树脂材料的情况下,也能够设定能够用该树脂材料充分取得有效检测区域的离心率,能够根据受光量的变化来高精度地检测雨滴。
图13A~图13C示出在折射率为1.57时以有效检测区域的尺寸为最大的方式使离心率最佳化时的旋转椭圆体的形状和各种规格。图13A是旋转椭圆体的立体图像,图13B是旋转椭圆体的俯视图像,图13C是以标准化值和实际尺寸例子来示出各种规格的图。
图13A的三轴及图13B的两轴由标准化值示出。在有效检测区域的尺寸最大化时,如图13B所示,有效检测区域a除了旋转椭圆体的两端以外几乎遍及整体地扩大。在有效检测区域a,进入旋转椭圆体的光在与空气的界面进行全反射,并在与水的界面不进行全反射。旋转椭圆体的两端是无效区域b。在无效区域b,与旋转椭圆体接触的介质是水时还是空气时,都不进行全反射。
在折射率为1.57时有效检测区域的尺寸为最大是离心率为0.781时。在将长轴半径标准化为1时的短轴半径的标准化值为0.625,有效表面积为2.77,正投影面积为1.68。在图13B中,在将长轴半径设为1时,沿长轴的有效检测区域的范围为±0.751的范围。
在实际尺寸例子中,若将长轴半径设为30mm,则短轴半径为18.7mm,有效表面积为2490mm2,正投影面积为1510mm2。
在图13A~图13C的模拟中,由于选择与有效面积成为最大的入射角θmax对应的离心率,所以与在图3中选择了在向空气射入时和向水射入时的反射率差异充分大的区域B相比,获得相同的效果。
在折射率为1.57的情况下,使有效检测区域变得最大的形状是图13A~图13C的形状,但此时,向椭圆面射入的入射角的最大值为51°左右,即使考虑菲涅尔反射的影响,附着有水时的反射率也降低至5%左右。因此,灵敏度几乎不会变差。因此,在折射率为1.57的情况下,即使考虑菲涅尔反射的影响,最佳化后的形状也成为与图13A~图13C的有效检测区域相比没有变化的形状。
<变形例1>
图14A~图18B示出雨水传感器10B的结构作为雨水传感器10A的变形例1。雨水传感器10B在固体的光学罩11B的内部具有包围第一焦点F1和第二焦点F2的空间。
图14A和图14B是示出雨水传感器10B的基本结构的图。雨水传感器10B具有:具有弯曲面13的光学罩11B;配置于与弯曲面13对置的第一位置的发光元件15;以及配置于与弯曲面13对置的第二位置的受光元件16。
光学罩11B是形成旋转椭圆体的一部分的固体罩,并在与焦点对应的位置具有空间12。空间12具有呈球状地挖空的形状。空间12与光学罩11B的界面的形状呈球面。
发光元件15和受光元件16分别收纳在空间12的内部。使空间12与光学罩11B的界面为球面,从而在来自发光元件15的输出光向光学罩11B射入时,或者在全反射后的光从光学罩11B向空间12内的受光元件16射入时,能够避免光折射。根据该结构,能够有效地利用具有两个焦点的椭圆的性质。
与实施方式相同,光学罩11B具有弯曲面13。以如上所述地较宽广地确保有效检测区域的面积的方式设计弯曲面13。
如图14A所示,在雨滴未附着于雨水传感器10B的状态下,由受光元件16检测从发光元件15输出并在弯曲面13的有效检测区域内全反射后的光。如图14B所示,若雨滴附着于雨水传感器10B的表面,则在光学罩11B与液体的界面,全反射条件被破坏,在受光元件16的受光量减少。通过监视在受光元件16的受光量的变化,能够检测雨滴的存在和量。
图15A和图15B是雨水传感器10B的光学罩11B的立体图。图15A是从顶点侧或者弯曲面13侧观察的立体图,图15B是从底面14侧观察的立体图。光学罩11B由针对使用波长为透明的材料形成,其折射率是已知的。
光学罩11B在底面14具有第一焦点F1和第二焦点F2,并在第一焦点F1的周围和第二焦点F2的周围具有半球状的空间12。利用空间12的球面形状,能够避免向光学罩11B射入的光以及从光学罩11B向空间12射出的光的折射。由此,能够维持从椭圆的一个焦点放射并在另一个焦点聚光的雨水传感器10B的基本性质。
图16是雨水传感器10B的分解立体图。能够将发光元件15和受光元件16配置或内设于基板20。发光元件15和受光元件16配置于在组装后的状态下与光学罩11B的空间12对置的位置。也可以在基板20形成有与发光元件15和受光元件16分别连接的布线、通孔塞(Via plug)等。通过将基板20收纳在底罩21内并将光学罩11B覆盖在基板20上,来组装雨水传感器10B。
光学罩11B例如由聚碳酸酯形成,作为一例,底面14的长轴半径为30mm,短轴半径为18.7mm。光学罩11B的椭圆形状由式(1)表示。
x2/302+y2/18.72+z2/18.72+=1 (1)
空间12的中心例如配置于沿长轴距底面14的中心24mm的位置。空间12的直径为3mm。
底罩21与光学罩11B的椭圆形状相符地形成。将基板20加工为收纳在底罩21的内部的形状。
图17示出在底罩21内收纳有基板20的状态。在底罩21内收纳有基板20时,也可以以基板20的表面与底罩21的边缘的高度位置对齐的方式设计雨水传感器10B。
图18A和图18B示出在底罩21上覆盖光学罩11B来组装雨水传感器10B后的状态。光学罩11B作为顶罩来使用。在使用上述尺寸的光学罩11B的情况下,底罩21的边缘的高度C例如为5mm。在雨水传感器10B整体中,高度也为二十几毫米左右,能够实现椭圆形状的简单且小型的雨水传感器。
在使用该雨水传感器10B的情况下,能够将光学罩11B的除沿长轴的两端部的一部分区域以外的宽广的区域用作有效检测区域。并且,由于考虑菲涅尔反射的影响来设定离心率,所以能够变得小型,并且高灵敏度地检测雨滴。
〈其它变形例〉
图19示出雨水传感器10C的结构作为变形例2。在雨水传感器10C中,在光学罩11B中的不是有效检测区域的区域内形成涂层膜17。涂层膜是光吸收膜或光反射膜。
在旋转椭圆体的表面,在将满足“在与空气的界面进行全反射、在与水的界面进行非全反射”这一条件的区域作为有效检测区域时,有期望不使用有效检测区域以外的区域的情况。例如是雨水传感器10C设置于来自外部的光有可能进入的场所的情况等。
作为雨水传感器的特性,期望具有噪声较少的平滑的灵敏度特性。通过对有效检测区域以外的区域实施涂层膜17,能够防止太阳光所包含的近红外线混入从发光元件15输出的红外线中。并且,即使在雨滴附着在涂层膜17之上时,也不会影响在受光元件16的受光量的变化。会导致受光量的变化的是附着于有效检测区域的雨滴。由于有效检测区域的面积是预先可知的,所以根据受光量的变化,能够高精度地计算每单位面积的雨滴的量。
图20示出雨水传感器10D的结构作为变形例3。在雨水传感器10D中,对有效检测区域的表面的全部或者一部分涂覆憎水膜18。通过用憎水膜18进行涂覆,在雨滴附着于有效检测区域后,雨滴沿旋转椭圆体的表面迅速地流下。由此,在下一个雨滴落下到相同部位而附着于光学罩11B时,能够准确地检测全反射的充足状态产生了变化的情况。
雨水传感器10D的结构在能够提高或恢复刚停雨后的检测精度的方面是有利的。
图21示出雨水传感器10E的结构作为变形例4。雨水传感器10E使用光学罩11C。与光学罩11B相同,光学罩11C在旋转椭圆体的内部具有空间12。在光学罩11C中,使受光侧的空间12的内壁作为透射散射面19。
在受光元件16的受光面积较小时,不容易导入来自椭圆的弯曲面13的反射光,也有另外需要用于调整的处理或光学部件的情况。在雨水传感器10E中,通过使空间12的球面为透射散射面19,能够扩大来自椭圆面的聚光面积。由此,不需要用于将在弯曲面13全反射后的光引导至受光元件16的用于调整的工序或结构,或者能够进行粗调整。
通过由透射散射面19使来自旋转椭圆体的光散射,能够减少在受光元件16的总受光量,但需要的信号成分不会被掩埋在噪声中,若能够检测由雨滴的附着引起的信号的变化,则没有问题。
图22A~图22C示出雨水传感器所使用的光学罩11F作为变形例5。光学罩11F是保留作为有效检测区域发挥功能的椭圆面并切断其它部分后的罩。图22A~图22C的例子中,旋转椭圆体的沿长轴的两端被切断。用于收纳发光元件15和受光元件16的空间12F呈用与底面垂直的面切割半球而获得的形状。
通过使光学罩11F为这样的形状,预先排除不满足“在与空气的界面进行全反射,在与水的界面进行非全反射”这一条件的区域,能够平稳地维持灵敏度特性。
在使用图22A~图22C的光学罩11F的情况下,底罩21具有与光学罩11F的形状对应的形状。通过使底罩21的边缘的高度与光学罩11F的空间12F的高度位置一致,并将光学罩11F的底面侧收纳在底罩21中,能够防止发光元件15和受光元件16暴露。
以上,参照特定的实施例和变形例对本发明的液滴传感器进行了说明,但本发明不限定于上述的例子。例如,在变形例2~5中,基于在内部具有空间12的光学罩11B的结构进行了说明,但涂层膜17(变形例2)、憎水膜18(变形例3)也能够应用于不具有空间12的光学罩11A。并且,也能够并用涂层膜17和憎水膜18。除此以外,也可以适当地组合实施例以及变形例1~5中的两个例子以上。
空间12不一定设于第一焦点和第二焦点双方的位置,也可以仅形成于任一个的焦点位置。在该情况下,在另一个焦点位置,受光元件或发光元件埋入在光学罩中,或者配置为其光作用面与光学罩的底面面接触。也可以将发光元件15和受光元件16中的任一方埋入在光学罩11中,并将另一方受光面或发光面配置为与光学罩的底面14面接触。
实施方式的液滴传感器能够应用于雨水传感器、结露传感器等。雨水传感器例如能够设置于路边树、路灯等来用于局部的雨量分布的测定、天气信息的获取,或者能够用于车辆的雨刮器控制。结露传感器能够用于复印机、服务装置等办公室自动化设备。另外,也能够将雨水传感器设置于环境传感器,并与其它传感器(温度传感器、风向风量传感器等)组合来使用。
本申请基于2017年12月28日在日本专利局提交的日本专利申请第2017-254956号,并包括其全部内容。
符号的说明
10—液滴传感器,10A~10E—雨水传感器,11A、11B、11C、11F—光学罩,12—空间,13—弯曲面,14—底面,15—发光元件,16—受光元件,17—涂层膜,18—憎水膜,19—透射散射面。
Claims (14)
1.一种液滴传感器,其特征在于,具有:
光学罩,其具有形成旋转椭圆体的一部分的弯曲面;
光源,其配置于与上述弯曲面对置的椭圆的第一焦点位置;以及
光检测器,其配置于上述椭圆的第二焦点位置,
以上述弯曲面具有有效检测区域的方式设定上述椭圆的离心率,上述有效检测区域在与气体的界面满足全反射条件并在与液体的界面不满足全反射条件,
上述光学罩是针对上述光源的波长为透明的固体,
上述固体至少在上述第二焦点位置具有预定的空间,
上述光检测器配置在上述空间内,上述空间与上述固体的界面是透射散射面。
2.一种液滴传感器,其特征在于,具有:
光学罩,其具有形成旋转椭圆体的一部分的弯曲面;
光源,其配置于与上述弯曲面对置的椭圆的第一焦点位置;以及
光检测器,其配置于上述椭圆的第二焦点位置,
以上述弯曲面具有有效检测区域的方式设定上述椭圆的离心率,上述有效检测区域在与气体的界面满足全反射条件并在与液体的界面不满足全反射条件,
上述光学罩是针对上述光源的波长为透明的固体,在底面具有球状的空间,
上述光源与上述光检测器分别配置在上述空间内。
3.根据权利要求1所述的液滴传感器,其特征在于,
上述光源在上述第一焦点位置埋入上述固体中。
4.根据权利要求1所述的液滴传感器,其特征在于,
上述光源的发光面在上述第一焦点位置与上述光学罩的底面面接触。
5.根据权利要求1所述的液滴传感器,其特征在于,
上述空间与上述固体的界面是球面。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的液滴传感器,其特征在于,
上述弯曲面的除上述有效检测区域以外的面由光吸收膜或光反射膜涂覆。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的液滴传感器,其特征在于,
上述旋转椭圆体的除上述有效检测区域以外的区域被与上述椭圆垂直的面切断。
8.根据权利要求1至5中任意一项所述的液滴传感器,其特征在于,
上述有效检测区域的一部或者全部由憎水膜覆盖。
9.根据权利要求1至5中任意一项所述的液滴传感器,其特征在于,
从上述光源向上述弯曲面射入的入射角设定为向上述液体射入时的反射率为0.5以下的角度范围。
10.根据权利要求9所述的液滴传感器,其特征在于,
从上述光源向上述弯曲面射入的入射角设定为向上述液体射入时的反射率为0.1以下的角度范围。
11.根据权利要求1至5中任意一项所述的液滴传感器,其特征在于,
上述光学罩的折射率为1.4~1.8,上述椭圆的离心率为0.7~0.85。
12.根据权利要求1至5中任意一项所述的液滴传感器,其特征在于,
上述光学罩的折射率为1.4±0.01,上述椭圆的离心率比0.7大。
13.根据权利要求1至5中任意一项所述的液滴传感器,其特征在于,
上述光学罩的折射率为1.6±0.01,上述椭圆的离心率比0.6大且为0.9以下。
14.根据权利要求1至5中任意一项所述的液滴传感器,其特征在于,
上述光学罩的折射率为1.8±0.01,上述椭圆的离心率比0.55大且比0.9小。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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