CN111751329A - 液滴传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供可实现低成本化及轻量化的液滴传感器，其特征在于，具有：光学罩，其为旋转椭圆体的一部分，且具有椭圆面；光源，其配置于上述椭圆面的第一焦点或其附近；以及光检测器，其配置于上述椭圆面的第二焦点或其附近，上述椭圆面包括有效检测区，该有效检测区将从上述光源输出的光朝向上述光检测器反射，并根据液滴向上述椭圆面的附着而反射光量发生变化，在上述光学罩形成有挖空部，该挖空部是将从上述光源输出且在上述有效检测区反射并射入上述光检测器的光的光路外挖除而成。
Description
技术领域
本发明涉及检测雨滴、水滴等的液滴的液滴传感器。
背景技术
已知利用雨滴附着于透明板的雨滴检测区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、2)。在这些装置中，从发光元件放射的光在透明板的表面反射，并被受光部接受。若雨滴附着于雨滴检测区，则在透明板的界面反射率变化，受光量变化，从而可检测雨滴的存在。
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
但是，专利文献1、2记载的装置使用的光学元件由于形状复杂，因此存在难以制作的问题。
因此，本申请人提出了结构简单且制造容易的新的液滴传感器(日本特愿2017－254956)。该液滴传感器例如具有：具有将旋转椭圆体用包含其长轴的平面切割而成的形状的光学罩；配置于旋转椭圆体的第一焦点位置的光源；以及配置于旋转椭圆体的第二焦点位置的光检测器。
该液滴传感器不仅结构简单且制造容易，而且能够通过调整旋转椭圆体的离心率来使在与气体(例如空气)的界面满足全反射条件且在与液体(例如水)的界面不满足全反射条件的有效检测区最大，实现高灵敏度的液滴传感器。该液滴传感器制造容易，因此有利于低成本化，但是，人们期望更加低成本化及轻量化。
本发明的目的在于提供可以实现低成本化及轻量化的液滴传感器。
用于解决课题的方案
为了解决上述课题，液滴传感器具有：光学罩，其为旋转椭圆体的一部分，且具有椭圆面；光源，其配置于上述椭圆面的第一焦点或其附近；以及光检测器，其配置于上述椭圆面的第二焦点或其附近，上述椭圆面包括有效检测区，该有效检测区将从上述光源输出的光朝向上述光检测器反射，并根据液滴向上述椭圆面的附着而反射光量发生变化，在上述光学罩形成有挖空部，该挖空部是将从上述光源输出且在上述有效检测区反射并射入上述光检测器的光的光路外挖除而成。
发明的效果
根据本发明，可实现能够实现低成本化及轻量化的液滴传感器。
附图说明
图1是第一实施方式的雨滴传感器的外观图。
图2是将雨滴传感器用包括长轴的XZ平面切割得到的剖视图。
图3是从底面侧观察光学罩的立体图。
图4是表示从发光元件输出并射入受光元件的光的光路的图。
图5是示例因雨滴附着于有效检测区而引起的光路的变化的图。
图6是表示第一变形例的雨滴传感器的结构的剖视图。
图7是说明第二变形例的雨滴传感器的效果的图。
图8是表示第三变形例的雨滴传感器的结构的剖视图。
图9是表示从发光元件输出并射入受光元件的光的光路及外来光的光路的图。
图10是作为比较例表示在第一实施方式的雨滴传感器设有接受外来光的传感器的例的图。
图11是表示第四变形例的雨滴传感器的结构的剖视图。
图12是从底面侧观察第四变形例的雨滴传感器的光学罩的仰视图。
图13是说明构成切口部的多个旋转扇体的顶角及半径的关系的图。
图14是表示从发光元件输出并射入受光元件的光的光路的图。
图15是表示在第四变形例中对第一旋转扇体的形状进行了变形的例子的图。
图中：
2—光学罩，2a—椭圆面，2b—凸缘部，2c—底面，3发光元件，4—受光元件，5a—第一空间，5b—第二空间，6—挖空部，6a—第一半圆锥形状部，6b—第二半圆锥形状部，6c—表面，10、10a～10d—雨滴传感器，20—挖空部，21—椭圆面，30—传感器，41a、41b—第一旋转扇体，42a、42b—第二旋转扇体，43a、43b—第三旋转扇体，51a～53a、51b～53b—底面。
具体实施方式
在本发明的实施方式中，利用因气体和液体的折射率的差异而引起的与光学罩的边界面的反射率的变化，光学地检测液滴的存在。液滴传感器除了雨滴以外，也可以应用于结露、水滴、墨水等液滴的检测。在以下的各实施方式中，说明将液滴传感器应用于雨滴传感器的例。
＜第一实施方式＞
图1是第一实施方式的雨滴传感器10的外观图。雨滴传感器10检测雨滴的附着。根据雨滴的检测结果，例如能够计测每单位时间和/或每单位体积的雨量。
雨滴传感器10具有光学罩2、发光元件3、以及受光元件4。光学罩2具有椭圆面2a和凸缘部2b。发光元件3配置于椭圆面2a的第一焦点F1或其附近。受光元件4配置于椭圆面2a的第二焦点F2或其附近。在此，发光元件3是光源的一例，受光元件4是光检测器的一例。
光学罩2是形成旋转椭圆体的一部分的固体的罩，由相对于发光元件3的输出光的波长透明的材料形成。图1的例中，将通过使在X方向上具有长轴、在Y方向上具有短轴的椭圆绕长轴La旋转而得到的立体设为旋转椭圆体。光学罩2具有将旋转椭圆体用包括长轴La的XY平面和水平的面切开得到形状。图1中，为了便于说明，将光学罩2的高度方向设为Z方向。
光学罩2除了聚碳酸酯、丙烯等树脂，也可以由透明陶瓷、玻璃、高折射率的塑料等形成。
凸缘部2b是从光学罩2的下部沿XY平面方向伸出的部分，平面形状例如为圆形、椭圆形。此外，凸缘部2b的平面形状不限于此，也可以为四边形、其它形状。凸缘部2b在Z方向上具有固定的厚度W。凸缘部2b的厚度W例如为光学罩2的高度H的约25％。凸缘部2b作为用于将光学罩2固定于主体侧等的安装部而发挥功能。凸缘部2b的厚度W例如只要能够在对安装部进行螺纹紧固而将光学罩固定时不会因螺纹紧固的拧紧而破损等、确保对固定施加的应力的强度，也可以为光学罩2的高度H的25％以下。
发光元件3例如是输出近红外光的发光二极管。受光元件4例如是对近红外区域的光具有灵敏度的量子阱型的受光元件。发光元件3朝向光学罩2的椭圆面2a输出光。受光元件4接受从发光元件3输出且在光学罩2的椭圆面2a进行了反射的光。发光元件3及受光元件4安装于未图示的基板。
图1中，施加了点状的剖面线的区域D为有效检测区，包含于椭圆面2a。有效检测区D是在光学罩2的周围为空气的情况下，将从发光元件3输出的光全反射的椭圆面2a上的区域。即，有效检测区D是满足全反射条件的区域。该有效检测区D以仅在附着有雨滴时全反射条件崩溃方式决定形状。即，有效检测区D为在与气体的界面满足全反射条件且在与液体的界面不满足全反射条件的区域。实现该目的的有效检测区D依赖于光学罩2的折射率及椭圆面2a的离心率。
在使用折射率为1.57的树脂(例如，聚碳酸酯)形成光学罩2的情况下，有效检测区D的入射角θi为44.3°＜θi＜51.4°。此外，通过光学罩2能够检测雨滴的附着的最大检测区的入射角θm约为39.6°＜θm＜57.9°，但在本实施方式中，将满足44.3°＜θi＜51.4°的入射角θi的区用作有效检测区D。该情况下，比44.3°＜θi＜51.4°靠外侧的两端的区需要遮光，以便不会作为有效检测区发挥功能。
离心率是通过从椭圆面2a的中心到焦点的距离与长轴半径的比决定的值。在光学罩2的折射率为1.57的情况下，有效检测区D的面积在离心率0.781成为最大。关于有效检测区D的形状，在本申请人申请的在先申请(日本特愿2017－254956号)中进行了详细叙述。
如上述地，凸缘部2b作为用于将光学罩2安装于基板等的安装部发挥功能。从光学罩2的高度H的约25％以下的区域反射的光基本不会由受光元件4检测，因此将该高度H的约25％以下的区域设为作为安装部的凸缘部2b。这是因为，受光元件4对来自上方向的光的检测灵敏度高，对来自横方向(XY方向)的光的检测灵敏度低。将该灵敏度低的区域用作凸缘部，从而使作为传感器的检测灵敏度基本不会降低，能够形成作为安装部的凸缘部2b。
图2是将雨滴传感器10用包括长轴La的XZ平面切割得到剖视图。图3是从底面2c侧观察光学罩2的立体图。
如图2及图3所示，在光学罩2的内部形成有第一空间5a、第二空间5b、以及挖空部6。第一空间5a是以配置发光元件3的第一焦点F1为中心的半球状的空间，与光学罩2的界面为透射镜面。第二空间5b是以配置受光元件4的第二焦点F2为中心的半球状的空间，与光学罩2的界面是透射镜面或透射漫射面。
在本实施方式中，第一空间5a及第二空间5b的半径与凸缘部2b的厚度W大致相同。
这样，第一空间5a具有球面，因此不会使从发光元件3输出的光折射，而是使其射入光学罩2的内部。同样地，第二空间5b具有球面，因此不会使通过椭圆面2a反射的光折射，而是使其射入第二空间5b。由此，能够实现利用了旋转椭圆体的基本性质的雨滴传感器，该旋转椭圆体的基本性质为，将从椭圆的一方的焦点输出的光在另一方的焦点汇聚。
挖空部6是在光学罩2的内部挖除了不会影响向有效检测区D射入光、及在有效检测区D反射的光的光路的部分的区域。在本实施方式中，挖空部6为将以长轴La为中心轴的双圆锥用包括长轴La的XZ平面切割得到的形状。具体而言，挖空部6为将第一半圆锥形状部6a和第二半圆锥形状部6b用包括椭圆面2a的短轴的YZ面连接底面彼此的形状。第一半圆锥形状部6a和第二半圆锥形状部6b为相同的大小。此外，半圆锥形状是指将圆锥用包括其中心轴的平面切割得到的形状。另外，也可以在比图4所示的点划线靠下侧以使光学罩2加厚的方式变更第一半圆锥形状部6a或第二半圆锥形状部6b的形状，由此将第一半圆锥形状部6a和第二半圆锥形状部6b设为不同的大小。
图4是表示从发光元件3输出并射入受光元件4的光的光路的图。如图4所示，挖空部6优选为了将光学罩2低成本化及轻量化而在光路外尽可能增大。
具体而言，如图4所示，挖空部6的最大形状为，将通过使由朝向相距发光元件3最远的有效检测区D的端部的光路A、在相距发光元件3最近的有效检测区D的端部反射并朝向受光元件4的光路B以及椭圆面2a的长轴La形成的三角形绕长轴La旋转而得到的双圆锥形状用包括长轴La的XZ平面切割得到的形状。也可以通过从光学罩2挖除该最大形状而形成挖空部6。实际上，以不包括光路A及光路B的方式，例如将图4的点划线部分设为挖空部6的形状，由此能够设定为最大形状。此外，在本实施方式中，考虑发光元件3的发光部实际上具有有限的大小，将挖空部6的形状设定为比上述最大形状小。
图5是示例因雨滴附着于有效检测区D而引起的光路的变化的图。如图5所示，若雨滴附着于有效检测区D，则由于有效检测区D的界面的反射率差变化，全反射条件崩溃，来自发光元件3的入射光透过。由此，有效检测区D的反射光量减少，在受光元件4的受光量降低。通过监在视受光元件4的受光量的变化，能够检测雨滴的存在和量。
此外，未射向有效检测区D的来自发光元件3的光的一部分射向挖空部6的表面，但这样的光为不参与检测的无效光。在假设这样的光射入受光元件4的情况下，成为对检测信号的DC偏移。只要确保了检测所需的动态范围，DC偏移就不会影响雨滴传感器10的功能、性能。
如以上那样，在光学罩2中，在光路外形成挖空部6，从而能够不对雨滴传感器10的功能、性能产生影响，并且实现低成本化及轻量化。另外，在通过注射成形形成光学罩2的情况下，成形时间缩短，制造单位的成本降低。
另外，注射成形中，产生称为凹痕的现象，即，在成形后进行冷却的过程中，树脂收缩，由此厚壁部分凹陷而变形。本实施方式中，通过形成挖空部6，将光学罩2薄壁化，因此可得到能够降低凹痕的产生，降低成本的效果。
以下，对上述第一实施方式的各种变形例进行说明。
＜第一变形例＞
图6是表示第一变形例的雨滴传感器10a的结构的剖视图。本变形例的雨滴传感器10a与第一实施方式的雨滴传感器10的不同点仅在于，在光学罩2形成有具有比凸缘部2b的厚度W大的半径的第一空间5a及第二空间5b的半径。图6中，使第一空间5a及第二空间5b的半径尽可能大。由此，可实现进一步低成本化及轻量化。
即使将第一空间5a及第二空间5b的半径增大，只要第一空间5a及第二空间5b的表面为球面，就不会对光路产生影响，不会对检测产生影响。
＜第二变形例＞
作为第二变形例，使光学罩2的挖空部6的表面成为使入射光漫射的砂面(漫射面)。如上述地，即使光从发光元件3射向挖空部6的表面，在充分确保了检测所需的动态范围的情况下，也不会影响雨滴传感器的功能、性能，但在DC偏移大且不能充分确保检测所需的动态范围的情况下，通过使挖空部6的表面为漫射面，能够降低DC偏移。由此，能够确保检测所需的动态范围。
图7是说明第二变形例的雨滴传感器10b的效果的图。如图7所示，在挖空部6的表面不是漫射面的情况下，从发光元件3输出的光的一部分有可能如两点划线所示的路径那样在挖空部6的表面6c反射后，在椭圆面2a反射并射入受光元件4。这样的光根据条件的不同，可能使动态范围降低，使检测灵敏度降低。
通过使挖空部6的表面6c为漫射面，能够使向表面6c的入射光漫射，降低检测不需要的光射入受光元件4的量。此外，表面6c的面粗糙度只要考虑漫射效果适当设定即可。
＜第三变形例＞
图8是表示第三变形例的雨滴传感器10c的结构的剖视图。在本变形例的雨滴传感器10c的光学罩2形成有与形成于第一实施方式的雨滴传感器10的光学罩2的挖空部6不同的形状的挖空部20。另外，在本变形例的雨滴传感器10c中，在光学罩2的椭圆面2a的中心部设有以接受外来光为目的的照度计等传感器30。
如图8所示，在雨滴传感器10c的光学罩2形成有具有椭圆面21的挖空部20。挖空部20具有将通过使在Y方向具有短轴的椭圆绕长轴La旋转而得到的旋转椭圆体用包括长轴La的XY平面和水平的面切开的形状。挖空部20的椭圆面21的中心与光学罩2的椭圆面2a的中心一致。
挖空部20与第一实施方式同样地为将不用影响向向有效检测区D射入的光及在有效检测区D反射的光的光路的部分挖除的区域。挖空部20优选以内切作为第一实施方式的挖空部6的形状的双圆锥的方式决定离心率。
另外，也可以使作为光学罩2的挖空部20的表面的椭圆面21成为使入射光漫射的砂面(漫射面)。该情况下，通过考虑漫射效果适当设定椭圆面21的面粗糙度，能够得到与第二变形例同样的效果。
图9是表示从发光元件3输出并射入受光元件4的光的光路、及外来光的光路的图。如图9所示，在本变形例的雨滴传感器10c中，光学罩2的椭圆面2a和挖空部20的椭圆面21通过它们的形状能够提高外来光射入传感器30的概率，提高雨滴传感器10c的周围的明亮度的检测灵敏度。
图10是作为比较例表示在第一实施方式的雨滴传感器10设有接受外来光的传感器30的例的图。传感器30配置基于光学罩2的椭圆面2a的中心部。在本比较例中，挖空部6的形状为双圆锥，因此来自上方的外来光在挖空部6的表面向从传感器30分离的方向折射。因此，在比较例中，外来光难以射入传感器30，不适于雨滴传感器10的周围的明亮度的检测。
这样，本变形例的雨滴传感器10c除了低成本化及轻量化，还可得到能够基于照度计等传感器检测外来光的附加的作用。
＜第四变形例＞
图11是表示第四变形例的雨滴传感器10d的结构的剖视图。图12是从底面2c侧观察第四变形例的雨滴传感器10d的光学罩2的仰视图。本变形例的雨滴传感器10d在光学罩2除了在光路外形成挖空部6，还以不变更光的行进路的方式在光路上形成有切口部。
如图11及图12所示，形成于光学罩2的挖空部6是与第一实施方式相同的双圆锥形状。本变形例的第一空间5a及第二空间5b为半球状，但如第一变形例那样，使半径尽可能大。
切口部由以第一焦点F1为顶点的多个旋转扇体和以第二焦点F2为顶点的多个旋转扇体构成。在此，旋转扇体是使扇形状绕通过顶点的中心轴旋转而得到的立体形状。旋转扇体的底面为球面的一部分。
在本变形例中，以第一焦点F1为顶点的多个旋转扇体包括第一旋转扇体41a、第二旋转扇体42a以及第三旋转扇体43a。第一旋转扇体41a、第二旋转扇体42a以及第三旋转扇体43a的顶点与第一焦点F1一致，旋转轴与长轴La一致。
如图13所示，第一旋转扇体41a的顶角D1比第二旋转扇体42a的顶角D2大，且第二旋转扇体42a的顶角D2比第三旋转扇体43a的顶角D3。第一旋转扇体41a的半径R1比第二旋转扇体42a的半径R2短，且第二旋转扇体42a的半径R2比第三旋转扇体43a的半径R3短。此外，旋转扇体的半径对应于在将旋转扇体展开的情况下形成的扇形的半径。
第一旋转扇体41a的底面51a、第二旋转扇体42a的底面52a、第三旋转扇体43a的底面53a分别为以第一焦点F1为中心的球面状。
另外，以第二焦点F2为顶点的多个旋转扇体包括第一旋转扇体41b、第二旋转扇体42b、以及第三旋转扇体43b。第一旋转扇体41b、第二旋转扇体42b、以及第三旋转扇体43b为与第一旋转扇体41a、第二旋转扇体42a、以及第三旋转扇体43a分别相同的形状，相对于椭圆面2a的短轴线对称。此外，也可以通过将图15所示的第一半圆锥形状部6a或第二半圆锥形状部6b的形状以在比图4所示的点划线靠下侧使光学罩2加厚的方式变更，将第一半圆锥形状部6a和第二半圆锥形状部6b做成不是线对称的形状。
本变形例中，在光学罩2除了挖空部6、第一空间5a、第二空间5b，还形成有作为切口部的旋转扇体41a～43a、41b～43b，整体形成一个空间。
图14是表示从发光元件3输出并射入受光元件4的光的光路的图。如图14所示，在本变形例的雨滴传感器10d中，从发光元件3输出的光的一部分穿过旋转扇体41a～43a的底面51a～53a射入有效检测区D，在有效检测区D反射的光穿过旋转扇体41b～43b的底面51b～53b。
底面51a～53a是以第一焦点F1为中心的球面状，底面51b～53b是以第二焦点F2为中心的球面状，因此光垂直射入各底面。因此，不会因切口部而变更光的行进路，不会因形成切口部而对检测灵敏度产生影响。
此外，构成切口部的旋转扇体的数不受限定，各旋转扇体的顶角及半径能够适当变更。例如，也可以如图15所示地，增大第一旋转扇体41a、41b的顶角，将底面51a、51b扩展至有效检测区D的外侧。有效检测区D外并非参与检测的光穿过的区域，因此有效检测区D外的底面51a、51b的形状也可以不是球面状。同样地，有效检测区D外的第一空间5a及第二空间5b的表面的形状也可以不是球面状。
另外，也可以使旋转扇体的底面(底面51b～53b)为砂面(漫射面)。由此，能够抑制因发光元件3及受光元件4的错位而引起的检测灵敏度的变动。
另外，上述多个变形例只要不矛盾就能够彼此组合。
本发明的液滴传感器将发光元件3及受光元件4分别配置于第一焦点F1及第二焦点F2或其附近，但优选根据发光元件3的发光部的形状、大小、出射光轮廓、以及受光元件4的受光部的形状、大小，以使有效检测区D上的灵敏度特性尽可能一致的方式分别配置。
另外，本发明能够应用于雨滴传感器、结露传感器等。雨滴传感器例如能够用于设置于路边树木、街灯等进行局部的雨量分布的测量、天气信息的采集、车辆的雨刷控制。结露传感器能够用于复印机、服务器装置等办公自动化设备。而且，也可以将雨滴传感器装入环境传感器，与其它传感器(温度传感器、风向风量传感器等)组合而使用。
Claims (13)
1.一种液滴传感器，其特征在于，具有：
光学罩，其为旋转椭圆体的一部分，且具有椭圆面；
光源，其配置于上述椭圆面的第一焦点或其附近；以及
光检测器，其配置于上述椭圆面的第二焦点或其附近，
上述椭圆面包括有效检测区，该有效检测区将从上述光源输出的光朝向上述光检测器反射，并根据液滴向上述椭圆面的附着而反射光量发生变化，
在上述光学罩形成有挖空部，该挖空部是将从上述光源输出且在上述有效检测区反射并射入上述光检测器的光的光路外挖除而成。
2.根据权利要求1所述的液滴传感器，其特征在于，
上述光学罩为将上述旋转椭圆体用包括长轴的平面切割的形状。
3.根据权利要求2所述的液滴传感器，其特征在于，
上述挖空部为将以上述长轴为中心轴的双圆锥用上述平面切割的形状。
4.根据权利要求3所述的液滴传感器，其特征在于，
上述挖空部是将双圆锥用上述平面切割得到的形状，上述双圆锥是通过将三角形绕上述长轴旋转而得到的，上述三角形由朝向相距上述光源最远的上述有效检测区的端部的光路、在相距上述光源最近的上述有效检测区的端部反射而朝向上述光检测器的光路以及上述长轴形成。
5.根据权利要求3所述的液滴传感器，其特征在于，
上述挖空部比将双圆锥形状用上述平面切割得到的形状小，上述双圆锥形状是通过将三角形绕上述长轴旋转而得到的，上述三角形由朝向相距上述光源最远的上述有效检测区的端部的光路、在相距上述光源最近的上述有效检测区的端部反射而朝向上述光检测器的光路以及上述长轴形成。
6.根据权利要求2所述的液滴传感器，其特征在于，
上述挖空部是将以上述长轴为中心轴的旋转椭圆体用上述平面切割得到的形状。
7.根据权利要求6所述的液滴传感器，其特征在于，
上述旋转椭圆体为内接于以上述长轴为中心轴的双圆锥的形状。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的液滴传感器，其特征在于，
上述挖空部的表面为漫射面。
9.根据权利要求1～7中任一项所述的液滴传感器，其特征在于，
上述椭圆面的中心和上述挖空部的中心一致，在上述椭圆面的中心配置有接受外来光的传感器。
10.根据权利要求1～7中任一项所述的液滴传感器，其特征在于，
在上述光学罩以不变更上述光的行进路的方式在光路上形成有切口部。
11.根据权利要求10所述的液滴传感器，其特征在于，
切口部由以上述第一焦点为顶点的多个旋转扇体和以上述第二焦点为顶点的多个旋转扇体构成，
上述光穿过各上述旋转扇体的球面状的底面。
12.根据权利要求11所述的液滴传感器，其特征在于，
上述底面为漫射面。
13.根据权利要求12所述的液滴传感器，其特征在于，
在上述光学罩形成有以上述第一焦点为中心的半球状的第一空间和以上述第二焦点为中心的半球状的第二空间。
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