JP7339523B2

JP7339523B2 - 液滴センサ

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Publication number: JP7339523B2
Application number: JP2019178497A
Authority: JP
Inventors: 英生黒沢
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2023-09-06
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Description

本発明は、雨滴、水滴等の液滴を感知する液滴センサに関する。

透明板の雨滴検出エリアに雨滴が付着したときの反射率の変化を利用して、雨滴を検出する装置が知られている（たとえば、特許文献１、２参照）。これらの装置では、発光素子から放射された光が透明板の表面で反射されて、受光部で受光される。雨滴検出エリアに雨滴が付着すると、透明板の界面で反射率が変化し、受光量が変化して雨滴の存在が検出される。

特許第６０９４３５４号特許第６１６７７９９号

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

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

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

この液滴センサを屋外で使用する等の場合には、太陽光など外来光が有効検出エリア外から光学カバー内に侵入し、光検出器に入射する可能性がある。このような外来光の入射はノイズの原因となり、必要なダイナミックレンジが確保できない場合には、液滴センサとして使い難いため、本出願人は、光学カバーの表面の有効検出エリアではない領域に、光吸収膜又は光反射膜からなるコーティング膜を形成することを提案している。

このようなコーティング膜の形成は、外来光に起因するノイズ対策として効果的であるが、コーティング膜を形成するための製造工程を追加する必要があるため、高コスト化を招いてしまう。

本発明は、上述したようなコーティング膜を用いることなく、低コストで、かつ光検出器への外来光の入射を抑制することを可能とする液滴センサを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本液滴センサは、回転楕円体の一部である楕円面と、曲率が前記楕円面よりも大きい曲面と、を有する光学カバーと、前記楕円面の第１焦点又はその近傍に配置された光源と、前記楕円面の第２焦点又はその近傍に配置された光検出器と、を有し、前記楕円面は、前記光源から出力された光を前記光検出器に向けて反射し、前記楕円面への液滴の付着により反射光量が変化する有効検出エリアであり、前記曲面は、前記楕円面の長軸上の点を中心とする球体の表面の一部であり、前記曲面は、前記有効検出エリアの外側に接線接続されている。

本発明によれば、低コストで、かつ光検出器への外来光の入射を抑制することを可能とする液滴センサが実現される。

第１実施形態に係るレインセンサの側面図である。第１実施形態に係るレインセンサの斜視図である。レインセンサの断面図である。光学カバーを底面側から見た斜視図である。発光素子から出力されて受光素子に入射する光の光路を示す図である。有効検出エリアに雨滴が付着することによる光路の変化を例示する図である。第１実施形態に係るレインセンサの効果を説明する図である。第２焦点に仮想的光源を配置した場合における光路を示すシミュレーション図である。第２実施形態に係るレインセンサの構成を示す断面図である。第２実施形態に係る第２空間の拡大図である。第２焦点に仮想的光源を配置した場合における光路を示すシミュレーション図である。第３実施形態に係るレインセンサの構成を示す断面図である。第３実施形態に係る第２空間の拡大図である。第３実施形態に係る第２空間を示す斜視図である。第２焦点に仮想的光源を配置した場合における光路を示すシミュレーション図である。第２焦点に仮想的光源を配置した場合における光路を、長軸に平行な方向から見たシミュレーション図である。第４実施形態に係るレインセンサの構成を示す断面図である。第４実施形態に係る第２空間６ｂの拡大図である。第４実施形態に係る第２空間を示す斜視図である。第２焦点に仮想的光源を配置した場合における光路を示すシミュレーション図である。第２空間が有する第１平面、第２平面、及び第３平面の設定条件を説明する図である。第１平面の傾斜角度の設定条件を説明する図である。

本発明の実施形態では、気体と液体の屈折率の差異による光学カバーとの境界面における反射率の変化を利用して、液滴の存在を光学的に検出する。液滴センサは、雨滴以外にも、結露、水滴、インク等の液滴の検出に適用可能である。以下の各実施形態では、液滴センサをレインセンサに適用した例を説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るレインセンサ１０の側面図である。図２は、第１実施形態に係るレインセンサ１０の斜視図である。レインセンサ１０は、雨滴の付着を検出する。雨滴の検出結果からたとえば単位時間当たり、及び／又は単位面積あたりの雨量を計測することができる。

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

光学カバー２は、固体のカバーであり、発光素子３の出力光の波長に対して透明な材料で形成されている。光学カバー２は、ポリカーボネート、アクリル等の樹脂の他、透明セラミック、ガラス、高屈折率のプラスチック等で形成されてもよい。

楕円面２ａは、後述する有効検出エリアＤに対応する領域である。球面２ｂ，２ｃは、楕円面２ａの長軸方向における外側に、楕円面２ａと滑らかに傾きが連続するように接続されている。具体的には、楕円面２ａと球面２ｂとは、両者の境界線５ａにおいて接線が一致するように接続（接線接続）されている（図３参照）。同様に、楕円面２ａと球面２ｃとは、両者の境界線５ｂにおいて接線が一致するように接続（接線接続）されている。

楕円面２ａは、Ｘ方向に長軸（図１に示すＬａ）、Ｙ方向に短軸を持つ楕円を、長軸Ｌａの周りに回転させることにより得られる回転楕円体の表面の一部である。球面２ｂは、長軸Ｌａ上の点を中心Ｃ１とする球体の表面の一部である。同様に、球面２ｃは、長軸Ｌａ上の点を中心Ｃ２とする球体の表面の一部である。

光学カバー２は、鍔部２ｄ以外の部分については、楕円面２ａ及び球面２ｂ，２ｃを有する平面形状を、長軸Ｌａを軸として回転させることにより得られる回転体を、長軸Ｌａを含むＸＹ平面と水平な面で切り取った立体形状を有する。図１及び図２では、便宜上、光学カバー２の高さ方向をＺ方向としている。

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

発光素子３は、たとえば近赤外光を出力する発光ダイオードである。受光素子４は、たとえば近赤外領域の光に感度を有する量子井戸型の受光素子である。発光素子３は、光学カバー２の楕円面２ａに向けて光を出力する。受光素子４は、発光素子３から出力され、光学カバー２の楕円面２ａで反射された光を受光する。発光素子３及び受光素子４は、図示しない基板に実装されている。

図１においてドット状のハッチングで示した有効検出エリアＤは、光学カバー２の周囲が空気である場合に、発光素子３からの出力された光を全反射する領域であり、楕円面２ａに対応する。この有効検出エリアＤは、雨滴が付着したときだけ全反射条件が崩れるように形状が決定されている。すなわち、有効検出エリアＤは、気体との界面で全反射条件を満たし、かつ液体との界面で全反射条件を満たさない領域である。これを実現する有効検出エリアＤは、光学カバー２の屈折率、及び楕円面２ａの離心率に依存する。

光学カバー２の曲面部が単一の楕円で形成されている場合、屈折率が１．５７の樹脂（例えば、ポリカーボネート）を用いて形成した場合には、光学カバー２で雨滴の付着を検出できる検出可能エリアの入射角θｍの範囲は、およそ、３９．６°＜θｍ＜５７．９°に存在するが、本実施形態においては、４４．３°＜θi＜５１．４°を満たす入射角θｉの範囲を有効検出エリアＤとして使用している。図１において、上記の入射角θｉを満たす範囲を楕円面２ａとし、その外側に球面２ｂ，２ｃを接線接続している。

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

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

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

図３及び図４に示すように、光学カバー２の内部には、第１空間６ａ及び第２空間６ｂが形成されている。第１空間６ａは、発光素子３が配置される第１焦点Ｆ１を中心とした半球状の空間であり、光学カバー２との界面は透過鏡面（滑らかで凹凸がなく、光が散乱なく通過する面）である。第２空間６ｂは、受光素子４が配置される第２焦点Ｆ２を中心とした半球状の空間であり、光学カバー２との界面は透過鏡面又は透過散乱面（砂面などの凹凸があって、光が散乱して通過する面）である。

本実施形態では、第１空間６ａ及び第２空間６ｂの半径は、鍔部２ｄの厚みＷとほぼ同一である。

このように、第１空間６ａは表面が球面状であるので、発光素子３から出力された光を屈折させることなく光学カバー２の内部へ入射させる。同様に、第２空間６ｂは表面が球面状であるので、楕円面２ａ（有効検出エリアＤ）において反射された光を屈折させることなく第２空間６ｂへ入射させる。これにより、楕円の一方の焦点から出力された光を、他方の焦点で集光するという回転楕円体の基本性質を利用したレインセンサが実現できる。

図５は、発光素子３から出力されて受光素子４に入射する光の光路を示す図である。図６は、有効検出エリアＤに雨滴が付着することによる光路の変化を例示する図である。

図５に示すように、有効検出エリアＤに雨滴が付着していない場合には、発光素子３から出力され、有効検出エリアＤに入射した光はすべて全反射されて、受光素子４へ導かれる。一方、図６に示すように、有効検出エリアＤに雨滴が付着すると、雨滴が付着した部分において、有効検出エリアＤの界面における全反射条件が崩れることによって反射率が変化し、発光素子３からの入射光が透過する。これにより、受光素子４での受光量が低減する。受光素子４での受光量の変化をモニタすることで、雨滴の存在と量を検出することができる。

図７は、第１実施形態に係るレインセンサ１０の効果を説明する図である。図７（Ａ）は、比較例として、光学カバーの有効検出エリアＤ外の領域が楕円面である場合を示している。図７（Ａ）に示される有効検出エリアＤ外の楕円面２ｆと、有効検出エリアＤを構成する楕円面２ａとは、同一の回転楕円体の表面の一部である。有効検出エリアＤ外の楕円面２ｆは、全反射条件を満たさない領域が存在するため、太陽光など外来光が楕円面２ｆから光学カバー内へ入射して受光素子４に到達する光路が存在する。

図７（Ｂ）は、光学カバーの有効検出エリアＤ外の領域が球面である場合を示している。図７（Ｂ）に示すように、本実施形態では、有効検出エリアＤ外の球面２ｃの曲率が上記楕円面２ｆの曲率より大きいので、球面２ｃから光学カバー２内へ入射する外来光の光路は、図７（Ａ）に示す比較例の場合と比べて、光学カバー２の内部方向へずれるので、受光素子４への外来光の入射が抑制される。

図８は、外来光の侵入経路を確認するために、第２焦点Ｆ２に仮想的な光源（以下、仮想的光源という。）を配置した場合における光路をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。これは、光線逆進の原理に基づき、受光素子４の位置に配置された仮想的光源から出射した光が、外部へと漏れ出る光が存在するのであれば、それは外部から逆方向に進行する光が受光素子４に入射する光路が存在することを意味し、逆に、外部へ漏れ出る光が存在しないのであれば（例えば、最終的に光学カバーの下側方向へ全て光線が進むのであれば）、光学カバーの上方向からの光には受光素子４に入射するような光路は存在しないことを意味する。ここで、光学カバーの屈折率を１．５７とし、光学カバーの周囲を空気（屈折率１．０）としている。仮想的光源から出力された光が光学カバーと空気との界面で全反射され、光学カバーの外部の上方向に漏れ出ないことにより、外来光が第２焦点Ｆ２に配置される受光素子４に入射することはないことを確認することができる。

図８（Ａ）は、比較例として、光学カバーの有効検出エリアＤ外の領域が楕円面である場合を示している。図８（Ａ）に示すように、有効検出エリアＤ外の楕円面２ｆでは、仮想的光源から出力された光が光学カバー外の上方向に漏れ出る光路が多数存在する。すなわち、楕円面２ｆには、外来光を第２焦点Ｆ２に導く領域が広く存在する。

図８（Ｂ）は、光学カバー２の有効検出エリアＤ外の領域が球面である場合を示している。図８（Ｂ）に示すように、本実施形態では、仮想的光源から出力され、球面２ｃに入射した光は、ほとんどが全反射され、領域Ａ付近を除き、光学カバー２の外部（上方向）に漏れ出る光路は存在していない。すなわち、球面２ｃには、外来光を第２焦点Ｆ２に導く領域は殆ど存在しない。但し、球面２ｃの鍔部２ｄとの接続部付近には、仮想的光源から出力された光が光学カバー外に漏れ出る領域（図８（Ｂ）に示す領域Ａ）が僅かながら存在する。この領域Ａから第２焦点Ｆ２に向けて外来光が入射する可能性があるが、第２実施形態以降で具体的に詳述するが、鍔部２ｄの厚みＷや空間６ｂの半径の変更等により、領域Ａを減少させることが可能である。

以上のように、本実施形態に係るレインセンサ１０は、有効検出エリアＤである楕円面２ａの長軸方向の外側を球面２ｂ，２ｃとした光学カバー２を有するので、受光素子４への外来光の入射が抑制される。また、本実施形態に係るレインセンサ１０は、受光素子４への外来光の入射を抑制するために光学カバー２に入射光を制限するための遮光コーティング膜を形成する必要がなく、製造工程を追加する必要がないため、低コストで製造することができる。光学カバー２は、例えば、金型を用いた樹脂射出成形により製造することが可能である。

また、楕円面２ａと球面２ｂ，２ｃとが接線接続されていることにより、光学カバー２の表面に付着した水滴が、当該表面に沿って自然に流れ落ちるという性質が維持される。

上記第１実施形態において、図８（Ｂ）の領域Ａから第２焦点Ｆ２に向けて外来光が入射する可能性について述べたが、以下に、領域Ａからの外来光の入射をも防止するための各種実施形態について説明する。
＜第２実施形態＞
図９は、第２実施形態に係るレインセンサ１０ａの構成を示す断面図である。本実施形態に係るレインセンサ１０ａは、受光素子４が配置される第２空間６ｂの構成が異なること以外は、第１実施形態に係るレインセンサ１０と同様の構成である。

図１０は、本実施形態に係る第２空間６ｂの拡大図である。図１０に示すように、本実施形態では、第２空間６ｂは、第２焦点Ｆ２を中心とする球体を、第２焦点Ｆ２を含むＸＹ平面で切断することにより得られる半球体を、ＹＺ平面で切断することにより得られる形状である。したがって、第２空間６ｂと光学カバー２との間には、球面６０と、平面６１とが形成される。この平面６１は、第２焦点Ｆ２よりも外側（図１１に示す鍔部２ｄ側）に位置している。すなわち、第２焦点Ｆ２は、第２空間６ｂ内に位置している。

また、図９に示すように、本実施形態では、第２空間６ｂの大きさである球面６０の半径を、第１実施形態の第２空間６ｂよりも小さい値に設定しており、鍔部２ｄの厚みＷよりも小さい。

球面６０は、発光素子３から出射した光を楕円面２ａにより反射して第２焦点Ｆ２へ光を導くため、第１実施形態と同様に透過鏡面又は透過散乱面である。平面６１は、外部から入射して第２焦点Ｆ２に向かう光を全反射又は屈折させることによって、光が受光素子４へ到達することを回避する機能を担う。平面６１と、球面６０の半径の縮小化によって、第１実施形態で説明した領域Ａを消滅させる作用を有する。

図１１は、外来光の侵入経路を確認するために、第２焦点Ｆ２に仮想的光源を配置した場合における光路をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。本実施形態では、仮想的光源から出力される光路を、領域Ａよりも右側の鍔部２ｄへ、鍔部２ｄ内で全反射条件が満たされる方向に光路を変更させることで領域Ａを消滅させている。図１１に示すように、第２焦点Ｆ２に配置された仮想的光源から出力され平面６１に入射する光は、平面６１で屈折されて鍔部２ｄへ向かう。図１０にも示されるように、平面６１の下端点Ｋ１は、焦点Ｆ２よりも右側に位置されている。つまり、第１実施形態において仮想的光源から球面２ｃの領域Ａに向かっていた光（図８（Ｂ）参照）は、図１０の平面６１で屈折することにより、球面２ｃの外側に位置する鍔部２ｄへ向かい、鍔部２ｄ内で全反射条件が満たされるような方向へ光路が変更されていることから、外来光が受光素子４へ到達することが回避されていることが確認できる。なお、平面６１で屈折した光をすべて球面２ｃの外側へ導くには、第２空間６ｂの大きさ（球面６０の半径）及び平面６１の位置を適切に設定する必要がある。

一方、第２焦点Ｆ２に配置された仮想的光源から出力され球面６０に入射する光は、球面６０を通過し、楕円面２ａ（有効検出エリアＤ）又は球面２ｃで全反射される。

このように、本実施形態では、球面２ｃの領域Ａから入射して第２焦点Ｆ２に向かう外来光は、光路変更部として機能する平面６１によって光路が変更され、第２焦点Ｆ２に位置する受光素子４に入射することが防止される。
＜第３実施形態＞
図１２は、第３実施形態に係るレインセンサ１０ｂの構成を示す断面図である。本実施形態に係るレインセンサ１０ｂは、受光素子４が配置される第２空間６ｂの構成が異なること以外は、第１実施形態に係るレインセンサ１０と同様の構成である。

図１３は、本実施形態に係る第２空間６ｂの拡大図である。図１４は、本実施形態に係る第２空間６ｂを示す斜視図である。図１３及び図１４に示すように、本実施形態では、第２空間６ｂは、第２焦点Ｆ２を中心とする球体を、第２焦点Ｆ２を含むＸＹ平面で切断することにより得られる半球体に楔形の切り込みを形成することにより得られる形状である。

したがって、第２空間６ｂと光学カバー２との間には、球面７０と、第１平面７１と、第２平面７２とが形成される。第１平面７１及び第２平面７２は、それぞれＸＺ平面に直交している。第１平面７１と第２平面７２との交線は、Ｙ方向に平行である。第２焦点Ｆ２は、第２空間６ｂ内に位置している。

本実施形態では、第２空間６ｂの大きさである球面７０の半径は、第１実施形態と同様に鍔部２ｄの厚みＷと同一としている。

球面７０は、発光素子３から出射した光を楕円面２ａにより反射して第２焦点Ｆ２へ導くため、第１実施形態と同様に透過鏡面又は透過散乱面である。第１平面７１及び第２平面７２は、外部から入射して第２焦点Ｆ２に向かう光を全反射又は屈折させることによって、光が受光素子４へ到達することを回避する機能を担う。第１平面７１及び第２平面７２は、第１実施形態で説明した領域Ａを消滅させる作用を有する。

図１５は、外来光の侵入経路を確認するため、第２焦点Ｆ２に仮想的光源を配置した場合における光路をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。本実施形態では、仮想的光源から出力される光路を、領域Ａよりも左側（楕円面２ａの方向）へ光路を変更させることで領域Ａを消滅させている。図１５に示すように、第２焦点Ｆ２に配置された仮想的光源から出力され第１平面７１に入射する光は、第１平面７１で屈折されて球面２ｃへ向かう。図１３にも示されるように、平面７２を延長した面と長軸Ｌａとの交点Ｋ２は、焦点Ｆ２よりも左側に位置されている。つまり、第１実施形態において仮想的光源から球面２ｃの領域Ａに向かっていた光（図８（Ｂ）参照）は、第１平面７１で屈折することにより、球面２ｃの領域Ａより内側の領域の楕円面２ａや球面２ｃに対して全反射条件を満たす角度で入射するように光路が変更されていること（すなわち、外来光が受光素子４へ到達する光路が回避されていること）が確認できる。また、第１平面７１で屈折された光の一部は、第２平面７２に向かい、第２平面７２により全反射される。第２平面７２で反射された光は、球面２ｃの領域Ａより内側の領域へ向かう。

このように、本実施形態では、球面２ｃの領域Ａから入射して第２焦点Ｆ２に向かう外来光は、光路変更部として機能する第１平面７１及び第２平面７２によって光路が変更され、第２焦点Ｆ２に位置する受光素子４に入射することが防止される。なお、球面７０の半径、第１平面７１及び第２平面７２の傾斜角度等は、楕円の屈折率、離心率、第１及び第２空間６ａ，６ｂの半径、鍔部２ｄの高さ等の条件に応じて、遮光性能が最も有効に作用するように、適宜変更してよい。

図１６は、第２焦点Ｆ２に仮想的光源を配置した場合における光路を、長軸Ｌａに平行な方向から見たシミュレーション図である。図１６に示すように、ＸＺ平面に平行な光路に限られず、ＸＺ平面に平行でない光路についても、球面２ｃから光が上方向に漏れ出る光路が存在しないことから、外来光が第２焦点Ｆ２に配置された受光素子４へ入射する光路が存在しないことが確認できる。
＜第４実施形態＞
図１７は、第４実施形態に係るレインセンサ１０ｃの構成を示す断面図である。本実施形態に係るレインセンサ１０ｃは、受光素子４が配置される第２空間６ｂの構成が異なること以外は、第１実施形態に係るレインセンサ１０と同様の構成である。本実施形態は、上記の実施形態の特徴と有効性を踏まえ、より形成し易く実現性の高い実施形態である。

図１８は、本実施形態に係る第２空間６ｂの拡大図である。図１９は、本実施形態に係る第２空間６ｂを示す斜視図である。本実施形態では、仮想的光源から出力される光の光路を、領域Ａよりも左側（楕円面２ａの方向）へ変更することで、領域Ａを消滅させている。図１８及び図１９に示すように、本実施形態では、第２空間６ｂは、第２焦点Ｆ２を中心とする球体を、第２焦点Ｆ２を含むＸＹ平面で切断することにより得られる半球体に、先端が平坦な楔形の切り込みを形成することにより得られる形状である。

したがって、第２空間６ｂと光学カバー２との間には、球面８０と、第１平面８１と、第２平面８２と、第３平面８３とが形成される。第１平面８１、第２平面８２、及び第３平面８３は、それぞれＸＺ平面に直交している。第３平面８３は、例えばＸＹ平面に平行である。第３平面８３は第１平面８１と交わっており、その交線はＹ方向に平行である。第３平面８３は第２平面８２と交わっており、その交線はＹ方向に平行である。第２焦点Ｆ２は、第２空間６ｂ内に位置している。

本実施形態では、第２空間６ｂの大きさである球面８０の半径は、鍔部２ｄの厚みＷと同一としている。

球面８０は、発光素子３から出射した光を楕円面２ａにより反射して第２焦点Ｆ２へ導くため、第１実施形態と同様に透過鏡面又は透過散乱面である。第１平面８１、第２平面８２第３平面８３は、第３実施形態の第１平面７１及び第２平面７２と同様に、外部からの光が第２焦点Ｆ２に向かう光を全反射又は屈折させることによって、光が受光素子へ到達するのを回避する機能を担う。第１平面８１、第２平面８２、第３平面は、第１実施形態で説明した領域Ａを消滅させる作用を有する。

図２０は、外来光の侵入経路を確認するために、第２焦点Ｆ２に仮想的光源を配置した場合における光路をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。図２０に示すように、第２焦点Ｆ２に配置された仮想的光源から出力され第１平面８１に入射する光は、第１平面８１で屈折されて球面２ｃへ向かう。同様に、第２焦点Ｆ２に配置された仮想的光源から出力され第３平面８３に入射する光は、第３平面８３で僅かに屈折されて球面２ｃへ向かう。図１８にも示されるように、平面８１を延長したＬａとの交点Ｋ３は、焦点Ｆ２よりも左側に位置されている。つまり、第１実施形態において仮想的光源から球面２ｃの領域Ａに向かっていた光（図８（Ｂ）参照）は、第１平面８１又は第３平面８３で屈折することにより、球面２ｃの領域Ａより内側の領域へ、全反射条件を満たす角度で入射するように光路が変更されていることから、外来光が受光素子４へ到達する光路が回避されていることが確認できる。

このように、本実施形態では、球面２ｃの領域Ａから入射して第２焦点Ｆ２に向かう外来光は、光路変更部として機能する第１平面８１、第２平面８２、及び第３平面８３によって光路が変更され、第２焦点Ｆ２に位置する受光素子４に入射することが防止される。なお、球面８０の半径、第１平面８１、第２平面８２、及び第３平面８３の傾斜角度等は、楕円の屈折率、離心率や第１及び第２空間６ａ，６ｂの半径、鍔部２ｄの高さ等の条件に応じて、遮光性能が最も有効に作用するように、適宜変更してよい。

次に、第１平面８１、第２平面８２、及び第３平面８３の設定条件について説明する。図２１は、第２空間６ｂが有する第１平面８１、第２平面８２、及び第３平面８３の設定条件を説明する図である。

図２１に示すように、ＸＺ平面において、球面２ｃと鍔部２ｄとが交わる交点をＰ１とし、交点Ｐ１と第２焦点Ｆ２とを結ぶ直線をＬ１とする。第１平面８１は、点Ｐ２と球面８０上の点Ｐ３とを結ぶ直線を含むＸＺ平面に直交する平面である。

なお、点Ｐ２から第２焦点Ｆ２までの距離は、球面８０の半径よりも小さい。また、点Ｐ３は、直線Ｌ１よりも鍔部２ｄ側に位置している。すなわち、点Ｐ３と第２焦点Ｆ２とを結ぶ直線Ｌ２と長軸Ｌａとがなす角度αは、直線Ｌ１と長軸Ｌａとがなす角度βよりも小さい。

第３平面８３は、点Ｐ２を含むＸＹ平面に平行な面である。第２平面８２は、長軸Ｌａ側へ延長した仮想的な延長線Ｌ３と長軸Ｌａとが交わる交点Ｐ４が、第２焦点Ｆ２よりも内側（鍔部２ｄとは反対側）に位置するように設定されている。

また、図２２に示すように、第１平面８１とＸＹ平面とのなす角度γは、少なくとも０より大きい値である必要がある。
＜その他の実施形態＞
上記実施形態では、光学カバーの有効検出エリアＤとしての楕円面２ａの外側に、球面２ｂ，２ｃを接線接続しているが、球面以外の形状を有する曲面を接線接続してもよい。この曲面は、楕円面２ａの長軸Ｌａを中心軸とする回転体の表面の一部であって、曲率が楕円面２ａよりも大きければよい。

また、受光素子４が配置される第２空間６ｂに、上記第２～第４実施形態で示したような光路変更部を形成する場合には、光学カバーの有効検出エリアＤ外の領域を楕円面（図７（Ａ）に示す楕円面２ｆ）としてもよい。楕円面２ａと楕円面２ｆとは、同一の回転楕円体の表面の一部である。この場合、屈折率や離心率、鍔部２ｄの高さ等の条件によっては、光路変更部が外来光の光路を変更することで、受光素子４への外来光の入射を抑制するだけでなく、外来光の入射を防止することができる可能性もある。

また、上記各実施形態では、発光素子３の発光面及び受光素子４の受光面は、それぞれ第１焦点Ｆ１及び第２焦点Ｆ２に存在するとして単純化して光路を説明してきたが、実際に機能する発光素子３の発光面及び受光素子４の受光面は有限の大きさを有するため、発光面や受光面の実際の大きさを考慮して、必要な遮光性能が得られるように、光路変更部を形成することが好ましい。

本発明に係る液滴センサは、発光素子３及び受光素子４は、それぞれ第１焦点Ｆ１及び第２焦点Ｆ２又はその近傍に配置されるが、発光素子３の発光部の形状や大きさ、出射光プロファイル、及び受光素子４の受光部の形状や大きさに応じて配置することが好ましい。

また、レインセンサ、結露センサ等にも適用することができる。レインセンサは、たとえば、街路樹、街灯等に設置して局所的な雨量分布の測定や天候情報の収取や、車両のワイパー制御に用いることができる。結露センサは、コピー機、サーバ装置等のオフィスオートメーション機器に用いることができる。さらに、レインセンサを環境センサに組み込んで、他のセンサ（温度センサ、風向風量センサ等）と組み合わせて用いることもできる。

２光学カバー、２ａ楕円面、２ｂ，２ｃ球面、２ｄ鍔部、２ｅ底面、２ｆ楕円面、３発光素子、４受光素子、５ａ，５ｂ境界線、６ａ第１空間、６ｂ第２空間、１０，１０ｂ，１０ｃレインセンサ、６０球面、６１平面、７０球面、７１第１平面、７２第２平面、８０球面、８１第１平面、８２第２平面、８３第３平面

Claims

回転楕円体の一部である楕円面と、曲率が前記楕円面よりも大きい曲面と、を有する光学カバーと、
前記楕円面の第１焦点又はその近傍に配置された光源と、
前記楕円面の第２焦点又はその近傍に配置された光検出器と、
を有し、
前記楕円面は、前記光源から出力された光を前記光検出器に向けて反射し、前記楕円面への液滴の付着により反射光量が変化する有効検出エリアであり、
前記曲面は、前記楕円面の長軸上の点を中心とする球体の表面の一部であり、
前記曲面は、前記有効検出エリアの外側に接線接続されていることを特徴とする液滴センサ。
前記光学カバーは、前記回転楕円体及び前記球体を、前記長軸を含む平面で切断した形状であることを特徴とする請求項１に記載の液滴センサ。
前記光学カバーには、前記光源が配置される前記第１焦点を中心とした半球状の第１空間と、前記光検出器が配置される前記第２焦点を中心とした半球状の第２空間とが形成されていることを特徴とする請求項２に記載の液滴センサ。
前記第２空間は、前記光学カバーとの界面において、前記光学カバーの外部から前記曲面に入射して前記第２焦点に向かう外来光の光路を変更する光路変更部を有することを特徴とする請求項３に記載の液滴センサ。
前記光路変更部は、前記外来光を屈折又は反射させる少なくとも１つの平面からなることを特徴とする請求項４に記載の液滴センサ。
前記光路変更部は、前記外来光を屈折又は反射させる第１平面及び第２平面を有し、前記第１平面と前記第２平面とは互いに交わっていることを特徴とする請求項４に記載の液滴センサ。
前記光路変更部は、前記外来光を屈折又は反射させる第１平面、第２平面、及び第３平面を有し、前記第１平面及び前記第２平面は、それぞれ前記第３平面と交わっていることを特徴とする請求項４に記載の液滴センサ。
前記光学カバーには、前記長軸を含む下部から外側に延出した鍔部が形成されていることを特徴とする請求項２ないし７いずれか１項に記載の液滴センサ。
回転楕円体の一部である楕円面と、曲率が前記楕円面よりも大きい曲面と、を有する光学カバーと、
前記楕円面の第１焦点又はその近傍に配置された光源と、
前記楕円面の第２焦点又はその近傍に配置された光検出器と、
を有し、
前記楕円面は、前記光源から出力された光を前記光検出器に向けて反射し、前記楕円面への液滴の付着により反射光量が変化する有効検出エリアであり、
前記光学カバーには、前記光源が配置される前記第１焦点を中心とした半球状の第１空間と、前記光検出器が配置される前記第２焦点を中心とした半球状の第２空間とが形成されており、
前記第２空間は、前記光学カバーとの界面において、前記光学カバーの外部から前記曲面に入射して前記第２焦点に向かう外来光の光路を変更する光路変更部を有することを特徴とする液滴センサ。
前記光路変更部は、前記外来光を屈折又は反射させる少なくとも１つの平面からなることを特徴とする請求項９に記載の液滴センサ。
前記光路変更部は、前記外来光を屈折又は反射させる第１平面及び第２平面を有し、前記第１平面と前記第２平面とは互いに交わっていることを特徴とする請求項９に記載の液滴センサ。
前記光路変更部は、前記外来光を屈折又は反射させる第１平面、第２平面、及び第３平面を有し、前記第１平面及び前記第２平面は、それぞれ前記第３平面と交わっていることを特徴とする請求項９に記載の液滴センサ。