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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-30
(45)【発行日】2024-02-07
(54)【発明の名称】ＴｏＦ型距離センサ及び電子機器
(51)【国際特許分類】
G01S 7/481 20060101AFI20240131BHJP
G01S 17/88 20060101ALI20240131BHJP
G01C 3/06 20060101ALI20240131BHJP
G01F 23/292 20060101ALI20240131BHJP
【ＦＩ】
G01S7/481 A
G01S17/88
G01C3/06 120Q
G01F23/292 B
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2020095305
(22)【出願日】2020-06-01
(65)【公開番号】P2021189055
(43)【公開日】2021-12-13
【審査請求日】2023-03-22
(73)【特許権者】
【識別番号】319006047
【氏名又は名称】シャープセミコンダクターイノベーション株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000338
【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】岡田 教和
(72)【発明者】
【氏名】岩森 光司
(72)【発明者】
【氏名】高田 敏幸
【審査官】藤田 都志行
(56)【参考文献】
【文献】韓国公開特許第１０－２０１９－０１１０２３１（ＫＲ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１３２６４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１６／０７９８７０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２０／０６４７９４（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｓ ７／４８－ ７／５１
Ｇ０１Ｓ １７／００－１７／９５
Ｇ０１Ｃ ３／００－ ３／３２
Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０
Ｇ０１Ｆ ２３／２９２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
パルス光を発する発光素子と、前記発光素子から発せられた前記パルス光を集光する第１集光部と、
受光素子と、
前記第１集光部により集光された前記パルス光を外部に出射させる第１領域と、測定対象物で反射された前記パルス光を前記受光素子に向けて入射させる第２領域とが設けられたカバーと、を備え、
前記第１領域は前記パルス光を散乱させる散乱領域であり、
前記カバーの前記第１領域と前記第２領域との間に、分離窓が形成されていることを特徴とする、ＴｏＦ型距離センサ。
【請求項2】
前記受光素子に向けて入射した前記パルス光を集光する第２集光部を備えることを特徴とする、請求項１に記載のＴｏＦ型距離センサ。
【請求項3】
パルス光を発する発光素子と、受光素子と、
前記発光素子から発せられた前記パルス光を外部に出射させる第１領域と、測定対象物で反射された前記パルス光を前記受光素子に向けて入射させる第２領域とが設けられたカバーと、
前記受光素子に向けて入射した前記パルス光を集光する第２集光部と、を備え、
前記第２領域は前記パルス光を散乱させる散乱領域であることを特徴とする、ＴｏＦ型距離センサ。
【請求項4】
前記発光素子から発せられ前記第１領域に至る前記パルス光を集光する、第１集光部を備えることを特徴とする、請求項３に記載のＴｏＦ型距離センサ。
【請求項5】
前記カバーの前記第１領域と前記第２領域との間に、分離窓が形成されていることを特徴とする、請求項３または４に記載のＴｏＦ型距離センサ。
【請求項6】
前記カバーの前記第１領域と前記第２領域との間に、遮光領域が設けられていることを特徴とする、請求項３または４に記載のＴｏＦ型距離センサ。
【請求項7】
前記発光素子は、垂直共振器型面発光レーザであることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のＴｏＦ型距離センサ。
【請求項8】
請求項１から７のいずれか１項に記載のＴｏＦ型距離センサを備えることを特徴とする、電子機器。
【請求項9】
前記ＴｏＦ型距離センサで液面の位置を検知することを特徴とする、請求項８に記載の電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ＴｏＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）を用いて測距を行うＴｏＦ型距離センサ及びこれを備える電子機器に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、液面を検知するＴｏＦ型距離センサと、これを備える電子機器としての空気調和器が提案されている（特許文献１参照）。このＴｏＦ型距離センサは、カバーが、発光部を覆う透過領域と、測定光受光部を覆う散乱領域とを有するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】国際公開第２０２０／０３２１１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１に開示の従来技術を、例えば、浄水器に適用しようとした場合、次のような未だ解決できない課題があることが発見された。浄水器は、貯水容器に液体が追加的に勢いよく注がれる場合がある。液体が勢いよく注がれ測定対象物の液面が変動すると、測距の際に精度及び安定性よく推移を検出ことができないときがあった。
【0005】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、測定対象物の液面が変動した場合でも、精度及び安定性よく推移を検出することができるＴｏＦ型距離センサ、及びこれを備える電子機器を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る、ＴｏＦ型距離センサは、パルス光を発する発光素子と、前記発光素子から発せられた前記パルス光を集光する第１集光部と、受光素子と、前記第１集光部により集光された前記パルス光を外部に出射させる第１領域と、測定対象物で反射された前記パルス光を前記受光素子に向けて入射させる第２領域とが設けられたカバーと、を備え、前記第１領域は前記パルス光を散乱させる散乱領域である構成を備える。
【0007】
上記の課題を解決するために、本発明の別の一態様に係る、ＴｏＦ型距離センサは、パルス光を発する発光素子と、受光素子と、前記発光素子から発せられた前記パルス光を外部に出射させる第１領域と、測定対象物で反射された前記パルス光を前記受光素子に向けて入射させる第２領域とが設けられたカバーと、前記受光素子に向けて入射した前記パルス光を集光する第２集光部と、を備え、前記第２領域は前記パルス光を散乱させる散乱領域である構成を備える。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、測定対象物の液面が変動した場合でも、精度及び安定性よく推移を検出することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】実施形態１の浄水器の一例を示す説明図である。
【図2】実施形態１におけるＴｏＦ型距離センサを示す斜視図である。
【図5】発光素子から発せられたパルス光と、受光素子に向けて入射したパルス光を模式的に示す説明断面図である。
【図6】実施形態１の浄水器の水注ぎの際の測定時間とＴｏＦ型距離センサの出力距離変動を示すグラフである。
【図7】実施形態２のＴｏＦ型距離センサと、発光素子から発せられたパルス光を模式的に示す説明断面図である。
【図8】実施形態３のＴｏＦ型距離センサのカバーを示す斜視図である。
【図10】実施形態３のＴｏＦ型距離センサと、発光素子から発せられたパルス光を模式的に示す説明断面図である。
【図11】実施形態５のＴｏＦ型距離センサと、発光素子から発せられたパルス光を模式的に示す説明断面図である。
【図12】実施形態６のＴｏＦ型距離センサを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に何ら限定されない。
【0011】
〔実施形態１〕
以下、本発明の実施形態１について、図１～図６を参照しつつ、詳細に説明する。実施形態１では、本発明の一態様であるＴｏＦ型距離センサ１００、及び、ＴｏＦ型距離センサ１００を用いた本発明の電子機器の一態様である浄水器１１０が示される。
以下、本発明の実施形態１について、図１～図６を参照しつつ、詳細に説明する。実施形態１では、本発明の一態様であるＴｏＦ型距離センサ１００、及び、ＴｏＦ型距離センサ１００を用いた本発明の電子機器の一態様である浄水器１１０が示される。
【0012】
（浄水器１１０の構成）
浄水器１１０は、図１に示すように、前ろ過部１０１と、活性炭処理部１０２と、逆浸透膜処理部１０３と、注ぎ口１０４と、貯水器１０５と、ＴｏＦ型距離センサ１００とを備えている。逆浸透膜はＲＯ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ）膜ともいい、逆浸透膜処理部１０３は、ＲＯ膜処理部ともいう。浄水器１１０では、原水が、前ろ過部１０１、活性炭処理部１０２及び逆浸透膜処理部１０３をこの順に通る。逆浸透膜処理部１０３を通った後の液体が、浄水又はろ過した水として、注ぎ口１０４を介して貯水器１０５に注がれ、直接取り外し式の貯水器１０５に蓄えられる。
浄水器１１０は、図１に示すように、前ろ過部１０１と、活性炭処理部１０２と、逆浸透膜処理部１０３と、注ぎ口１０４と、貯水器１０５と、ＴｏＦ型距離センサ１００とを備えている。逆浸透膜はＲＯ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｏｓｍｏｓｉｓ）膜ともいい、逆浸透膜処理部１０３は、ＲＯ膜処理部ともいう。浄水器１１０では、原水が、前ろ過部１０１、活性炭処理部１０２及び逆浸透膜処理部１０３をこの順に通る。逆浸透膜処理部１０３を通った後の液体が、浄水又はろ過した水として、注ぎ口１０４を介して貯水器１０５に注がれ、直接取り外し式の貯水器１０５に蓄えられる。
【0013】
浄水器１１０は、貯水器１０５が浄水器１１０から取り外し可能な構成とされているため、ろ過した水が貯水器１０５の上方から注がれる構成を採っている。また、浄水器１１０は、満水までの時間を短縮するため、注ぎ口１０４から放出される液体の流量を可能な限り多くしている。
【0014】
このため、浄水器１１０においては、貯水器１０５内に貯留された水の液面の変動が、例えば加湿器といったような貯水部を持つ他の一般的な電子機器より大きい。図１では、貯水器１０５内に貯留された水が、ＴｏＦ型距離センサ１００の測定対象物１０６である。浄水器１１０では、その液面位置を検出するために、注ぎ口１０４とほぼ同じ高さにＴｏＦ型距離センサ１００が設置されている。
【0015】
（ＴｏＦ型距離センサ１００の構成）
ＴｏＦ型距離センサ１００は、飛行時間（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式により距離を検出するセンサである。実施形態１におけるＴｏＦ型距離センサ１００は、発光素子１０と、第１集光部２０と、受光素子３０と、カバー４０と、第２集光部５０とを備えている（図４及び５参照）。ＴｏＦ型距離センサ１００の外形を図２に示す。
ＴｏＦ型距離センサ１００は、飛行時間（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式により距離を検出するセンサである。実施形態１におけるＴｏＦ型距離センサ１００は、発光素子１０と、第１集光部２０と、受光素子３０と、カバー４０と、第２集光部５０とを備えている（図４及び５参照）。ＴｏＦ型距離センサ１００の外形を図２に示す。
【0016】
ＴｏＦ型距離センサ１００は、図２に示すように、カバー４０に、パルス光が通過する第１領域４１及び第２領域４２を有する。さらに、カバー４０において、少なくとも第１領域４１と第２領域４２の間にパルス光の透過を遮蔽する遮蔽部４５を有する。カバー４０を取り外した状態のＴｏＦ型距離センサ１００を図３に示す。
【0017】
ＴｏＦ型距離センサ１００は、図３に示すように、基板１の上に遮光性材料を有する不透明樹脂２が覆う構成を採っている。また、ＴｏＦ型距離センサ１００は、不透明樹脂２に、出射開口３と受光開口４を有する。出射開口３と受光開口４は、不透明樹脂２を貫通する貫通孔で構成されている。
【0018】
また、出射開口３の開口径は、受光開口４の開口径より大きい。カバー４０を取り外した状態のＴｏＦ型距離センサ１００の外形サイズは、厚み０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下程度である。その長辺は２ｍｍ以上１０ｍｍ以下程度であり、短辺は１ｍｍ以上５ｍｍ以下程度である。図２のＡ－Ａ線における断面図を図４に示す。ＴｏＦ型距離センサ１００は、不透明樹脂２と基板１の間に透明樹脂８が充填されている。透明樹脂８が充填されたＴｏＦ型距離センサ１００の内部には、発光素子１０を有する。
【0019】
（発光素子１０の構成）
発光素子１０は、超高速変調が可能な垂直共振器型面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）であることが好ましい。発光素子１０は、発光波長として、例えば９４０ｎｍ帯の赤外光を選択することができる。発光素子１０にＶＣＳＥＬを用いた場合、発光素子１０から発せられたパルス光は、発光素子１０の光軸から広がる。例えば、そのパルス光は、半値半角で１５度の指向性を有する。この場合のパルス光をレーザ光ともいう。
発光素子１０は、超高速変調が可能な垂直共振器型面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）であることが好ましい。発光素子１０は、発光波長として、例えば９４０ｎｍ帯の赤外光を選択することができる。発光素子１０にＶＣＳＥＬを用いた場合、発光素子１０から発せられたパルス光は、発光素子１０の光軸から広がる。例えば、そのパルス光は、半値半角で１５度の指向性を有する。この場合のパルス光をレーザ光ともいう。
【0020】
以下、発光素子１０から発せられたパルス光が測定対象物１０６（図１参照）に達するまでのものを「発光パルス」という。発光パルスには、ＴｏＦ型距離センサ１００の内部におけるパルス光と、ＴｏＦ型距離センサ１００の外部におけるパルス光を含む。また、測定対象物１０６（図１参照）で反射されたパルス光を「反射光」という。さらに、受光素子３０に向けて入射したパルス光を「受光パルス」という。
【0021】
（第１集光部２０の構成）
第１集光部２０は、発光素子１０から発せられたパルス光をＴｏＦ型距離センサ１００の内部において集光するものである。具体的に、第１集光部２０は、発光素子１０側から出射開口３側へ突出する凸レンズである。
第１集光部２０は、発光素子１０から発せられたパルス光をＴｏＦ型距離センサ１００の内部において集光するものである。具体的に、第１集光部２０は、発光素子１０側から出射開口３側へ突出する凸レンズである。
【0022】
第１集光部２０は、透明樹脂８と同様のエポキシ等の透光性を有する材料からなる。第１集光部２０は、出射開口３の下部に接しており、透明樹脂８と一体的に構成されている。しかし、第１集光部２０は、透明樹脂８とは別の部材で構成されていてもよい。そして、出射開口３の中心軸上に第１集光部２０の最凸部が位置している。さらに、第１集光部２０の焦点に発光素子１０の中心が位置している。発光素子１０と受光素子３０は、所定間隔を存して基板１上にダイボンドされている。
【0023】
（受光素子３０の構成）
受光素子３０は、パルス光を受光する半導体チップである。受光素子３０には受光部として、微弱な光を超高速で検出可能な単一格子アバランシェダイオード（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ：ＳＰＡＤ）のアレイが設けられていることが好ましい。受光素子３０の受光部上には、基準光フィルタ５と測定光フィルタ６でなる２つのフィルタが設けられている。基準光フィルタ５の直下が基準光の受光部であり、測定光フィルタ６の直下が測定光の受光部である。
受光素子３０は、パルス光を受光する半導体チップである。受光素子３０には受光部として、微弱な光を超高速で検出可能な単一格子アバランシェダイオード（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ：ＳＰＡＤ）のアレイが設けられていることが好ましい。受光素子３０の受光部上には、基準光フィルタ５と測定光フィルタ６でなる２つのフィルタが設けられている。基準光フィルタ５の直下が基準光の受光部であり、測定光フィルタ６の直下が測定光の受光部である。
【0024】
基準光フィルタ５と測定光フィルタ６は、可視光カットのガラスフィルタである。また、基準光フィルタ５には、表面に、発光素子１０の発光波長を選択的に透過するバンドパスフィルタが設けられることが好ましい。基準光フィルタ５は、発光素子１０の近くに配置されている。
【0025】
基準光フィルタ５と測定光フィルタ６の間には、パルス光を遮光する遮光部７が設けられている。また、基準光フィルタ５と発光素子１０の間には、透明樹脂８が充填されており、パルス光の経路を形成している。以下、この経路を、「基準光経路」という。受光素子３０は、基準光経路を介して基準光の受光部で、発光素子１０から発せられたパルス光を受光する。一方、受光素子３０は、測定光の受光部で受光パルスを受光する。
【0026】
（カバー４０の構成）
カバー４０は、ＴｏＦ型距離センサ１００の保護のために設けられているものである。カバー４０は、不透明樹脂２の上面との間に所定距離を存して設けられている。また、カバー４０は、ＴｏＦ型距離センサ１００の水濡れを防止しつつ、不透明樹脂２及び基板１の両側面にそれぞれ適宜の２つの連結部材９を設けて固定されている。
カバー４０は、ＴｏＦ型距離センサ１００の保護のために設けられているものである。カバー４０は、不透明樹脂２の上面との間に所定距離を存して設けられている。また、カバー４０は、ＴｏＦ型距離センサ１００の水濡れを防止しつつ、不透明樹脂２及び基板１の両側面にそれぞれ適宜の２つの連結部材９を設けて固定されている。
【0027】
カバー４０と不透明樹脂２との所定距離は、０ｍｍを超え５ｍｍ以下の範囲内から選択し得る。またカバー４０の厚みは０．５以上３ｍｍ以下の範囲内から選択し得る。典型的には、その距離が０．７ｍｍであり、その厚みが１ｍｍである。
【0028】
カバー４０においては、出射開口３に対応する第１領域４１と、受光開口４に対応する第２領域４２とで、パルス光を透過するよう材料や厚みを調整してある。図４では、カバー４０の表裏両面のうち一方の面に第１領域４１を有し、第１領域４１を有する面とは反対の他の面に第１凹部４３を設けて厚みを調整している。
【0029】
第１凹部４３は、内部側に位置する他方の面に設けられている。第１領域４１は、出射開口３と発光素子１０を覆う。また、カバー４０の表裏両面のうち一方の面に第２領域４２を有し、第２領域４２を有する面と反対の他の面に第２凹部４４を設けて厚みを調整している。第２領域４２は、受光開口４と測定光の受光部及びその近傍を覆う。
【0030】
（実施形態１の第１領域の構成）
カバー４０において、第１領域４１は、パルス光を散乱させる散乱領域である。散乱領域である第１領域４１では、パルス光がカバー４０を透過するだけでなく、散乱される。ここで、散乱領域である第１領域４１は、一方の面に凹凸が設けられて構成される。具体的に、第１領域４１は、外部側に位置する一方の面にシボを取り付けて散乱領域の凹凸が形成されている。
カバー４０において、第１領域４１は、パルス光を散乱させる散乱領域である。散乱領域である第１領域４１では、パルス光がカバー４０を透過するだけでなく、散乱される。ここで、散乱領域である第１領域４１は、一方の面に凹凸が設けられて構成される。具体的に、第１領域４１は、外部側に位置する一方の面にシボを取り付けて散乱領域の凹凸が形成されている。
【0031】
第２領域４２は、単にパルス光を透過する透過領域である。透過領域である第２領域４２におけるカバー４０の表裏両面は平面で構成されている。具体的に、第２領域４２は、カバー４０の外部側に位置する一方の面に設けられている。他方、第２凹部４４は、カバー４０の内部側に位置する他方の面に設けられている。
【0032】
（第２集光部の構成）
第２集光部５０は、受光パルスを集光するものである。具体的に、第２集光部５０は、受光素子３０側から受光開口４側へ突出する凸型集光レンズである。第２集光部５０は、透明樹脂８と同様のエポキシ等の透光性を有する材料からなる。第２集光部５０は、図４の縦断面視において受光開口４より大径で、かつ、透明樹脂８から受光開口４の上下高さの略半分程度の高さを有する。
第２集光部５０は、受光パルスを集光するものである。具体的に、第２集光部５０は、受光素子３０側から受光開口４側へ突出する凸型集光レンズである。第２集光部５０は、透明樹脂８と同様のエポキシ等の透光性を有する材料からなる。第２集光部５０は、図４の縦断面視において受光開口４より大径で、かつ、透明樹脂８から受光開口４の上下高さの略半分程度の高さを有する。
【0033】
第２集光部５０は、受光開口４に接し、透明樹脂８と一体的に構成されている。しかし、第２集光部５０は、透明樹脂８とは別の部材で構成されていてもよい。そして、第２集光部５０の焦点に測定光の受光部が位置している。ただし、第２集光部５０の最凸部は受光開口４の中心軸から遮光部７側へずれて配置されている。また、遮光部７の上方に対応する第２集光部５０の一部に不透明樹脂２が覆いかぶさっている。
【0034】
（実施形態１の発光側の光学的関係）
ＴｏＦ型距離センサ１００は、発光パルスの光路において、発光素子１０に次いで第１集光部２０が存在し、出射開口３と第１凹部４３を通過し、第１集光部２０の次に散乱領域である第１領域４１が存在する。換言すれば、発光側の光学的関係は、発光素子１０、第１集光部２０、散乱領域である第１領域４１の順となっている。
ＴｏＦ型距離センサ１００は、発光パルスの光路において、発光素子１０に次いで第１集光部２０が存在し、出射開口３と第１凹部４３を通過し、第１集光部２０の次に散乱領域である第１領域４１が存在する。換言すれば、発光側の光学的関係は、発光素子１０、第１集光部２０、散乱領域である第１領域４１の順となっている。
【0035】
（実施形態１の受光側の光学的関係）
また、ＴｏＦ型距離センサ１００は、受光パルスの光路において、透過領域である第２領域４２に次いで第２集光部５０が存在する。そして、第２集光部５０の次に測定光フィルタ６、受光素子３０の測定光の受光部の順で存在する。
また、ＴｏＦ型距離センサ１００は、受光パルスの光路において、透過領域である第２領域４２に次いで第２集光部５０が存在する。そして、第２集光部５０の次に測定光フィルタ６、受光素子３０の測定光の受光部の順で存在する。
【0036】
（水位検知動作）
以下に、ＴｏＦ型距離センサ１００を用いた水位検知動作について、図１及び図５を参照しつつ詳細に説明する。水位検知動作は、ＴｏＦ型距離センサ１００で測定対象物１０６（図１参照）の液面の位置を検知する動作である。
以下に、ＴｏＦ型距離センサ１００を用いた水位検知動作について、図１及び図５を参照しつつ詳細に説明する。水位検知動作は、ＴｏＦ型距離センサ１００で測定対象物１０６（図１参照）の液面の位置を検知する動作である。
【0037】
発光素子１０は、短パルス光（パルス光）を外部に向けて放出する。発光素子１０から発せられてその光軸から広がったパルス光は、図５に示すように、第１集光部２０を通ることで、出射開口３を通過する光エネルギーが発光素子１０の光軸と平行方向に集光される。
【0038】
そして、この集光された発光パルスｆは、第１凹部４３を通過し、第１領域４１を通じ、散乱しつつ外部に出射される。カバー４０を通じて、発光パルスｆが測定対象物１０６（図１参照）に照射される。なお、図示しないが、そのパルス光の一部は、ＴｏＦ型距離センサ１００の内部で、基準光経路を通じ、受光素子３０で基準光として受光される。
【0039】
第１集光部２０と第１領域４１を通じて、ＴｏＦ型距離センサ１００の外部に放出された発光パルスｆは、測定対象物１０６（図１参照）の測定面で反射する。貯水器１０５（図１参照）の液面等の測定面での反射光が、ＴｏＦ型距離センサ１００に戻る。反射光の一部は、測定光として第２領域４２を通り、第２集光部５０、測定光フィルタ６、受光素子３０の測定光の受光部の順に入射し、受光される。これが受光パルスｉである。
【0040】
受光パルスｉは、具体的に、第２領域４２を通じ、受光素子３０に向けて入射する。第２領域４２から入射した受光パルスｉは、第２凹部４４と受光開口４を通過し、第２集光部５０により、測定光の受光部へ集められる。集められた受光パルスｉは、受光素子３０が検出する。このとき、基準光の受光部と測定光の受光部を介した受光素子３０の検出に基づき、測定対象物１０６（図１参照）の液面の位置を検知する水位検知動作が行われる。
【0041】
水位検知動作において、ＴｏＦ型距離センサ１００から測定面が離れると、光の往復に要する時間（飛行時間）が長くなる。また、ＴｏＦ型距離センサ１００から測定面が離れると、受光素子３０で基準光が検出されてから受光素子３０で反射光が検出されるまでの時間が長くなる。
【0042】
ＴｏＦ型距離センサ１００は、多数の短パルス光について飛行時間を測定し統計処理することで、迷光の影響を抑制する。ＴｏＦ型距離センサ１００によれば、基準光が検出されるタイミングを基準として参照し、飛行時間を相対的に測定することで、精度の高い測距が可能となる。
【0043】
（発光側構成の変更テスト）
発光側構成は、発光側の光学的関係を構成し得るものをいう。実施形態１では、発光側構成は、発光素子１０と、第１集光部２０と、出射開口３と、第１凹部４３と、第１領域４１とを含む。実施形態１のＴｏＦ型距離センサ１００を製造する際に、発光側構成を種々変更し、ＴｏＦ型距離センサ１００による距離検出結果を調べた。
発光側構成は、発光側の光学的関係を構成し得るものをいう。実施形態１では、発光側構成は、発光素子１０と、第１集光部２０と、出射開口３と、第１凹部４３と、第１領域４１とを含む。実施形態１のＴｏＦ型距離センサ１００を製造する際に、発光側構成を種々変更し、ＴｏＦ型距離センサ１００による距離検出結果を調べた。
【0044】
図６に、浄水器１１０における水注ぎの際の測定時間とＴｏＦ型距離センサ１００の出力距離変動のグラフを示す。図６の破線が理想変動である。即ち、空水状態のときは貯水器１０５（図１参照）の底までの検出距離１００ｍｍを検出し、水が注がれるに従い、満水位置まで徐々に右下がりのカーブを描いている。
【0045】
（変更テストの方法と評価方法）
この変更テストでは、貯水器１０５（図１参照）に水を注ぎながら、ＴｏＦ型距離センサ１００を用いて測距を行い、出力距離変動の評価を行った。評価方法は、次の通りである。出力距離変動が理想変動のようなカーブを描く場合、距離検出が正しく行われていると判断した。
この変更テストでは、貯水器１０５（図１参照）に水を注ぎながら、ＴｏＦ型距離センサ１００を用いて測距を行い、出力距離変動の評価を行った。評価方法は、次の通りである。出力距離変動が理想変動のようなカーブを描く場合、距離検出が正しく行われていると判断した。
【0046】
（実施形態１と比較例の発光側構成の内容）
この変更テストで用いた発光側構成は、次の通りである。
この変更テストで用いた発光側構成は、次の通りである。
【0047】
（実施形態１）
発光側にレンズ有及び散乱領域有：即ち、実施形態１に係るＴｏＦ型距離センサ１００の同様の構成を備える。
発光側にレンズ有及び散乱領域有：即ち、実施形態１に係るＴｏＦ型距離センサ１００の同様の構成を備える。
【0048】
（比較例１）
散乱領域無及びレンズ無：比較例１は、実施形態１に係るＴｏＦ型距離センサ１００の第１領域４１を透過領域に変更した。さらに、比較例１は、実施形態１に係る第１集光部２０を設けないで出射開口３と透明樹脂８の間を平面に変更した。比較例１は、これらの変更の他は、ＴｏＦ型距離センサ１００と同様の構成を備える。
散乱領域無及びレンズ無：比較例１は、実施形態１に係るＴｏＦ型距離センサ１００の第１領域４１を透過領域に変更した。さらに、比較例１は、実施形態１に係る第１集光部２０を設けないで出射開口３と透明樹脂８の間を平面に変更した。比較例１は、これらの変更の他は、ＴｏＦ型距離センサ１００と同様の構成を備える。
【0049】
（比較例２）
発光側に散乱領域有：比較例２は、実施形態１に係るＴｏＦ型距離センサ１００の第１集光部２０を設けないで出射開口３と透明樹脂８の間を平面に変更した他は、ＴｏＦ型距離センサ１００と同様の構成を備える。
発光側に散乱領域有：比較例２は、実施形態１に係るＴｏＦ型距離センサ１００の第１集光部２０を設けないで出射開口３と透明樹脂８の間を平面に変更した他は、ＴｏＦ型距離センサ１００と同様の構成を備える。
【0050】
（実施形態１に係るＴｏＦ型距離センサ１００の結果）
発光側にレンズ有及び散乱領域有とした実施形態１の場合、発光側構成に第１領域４１と第１集光部２０とを備えている。この場合、図６に示すように、ＴｏＦ型距離センサ１００の出力は理想変動と同じ結果を示しており、正しく距離検出が正しく行われている。この実験事実から、実施形態１に係るＴｏＦ型距離センサ１００は、水が注がれて水位が急激に変動するような場合にあっても精度が良好であることが判明した。
発光側にレンズ有及び散乱領域有とした実施形態１の場合、発光側構成に第１領域４１と第１集光部２０とを備えている。この場合、図６に示すように、ＴｏＦ型距離センサ１００の出力は理想変動と同じ結果を示しており、正しく距離検出が正しく行われている。この実験事実から、実施形態１に係るＴｏＦ型距離センサ１００は、水が注がれて水位が急激に変動するような場合にあっても精度が良好であることが判明した。
【0051】
（比較例の結果）
散乱領域無及びレンズ無とした比較例１の場合、発光側構成に散乱領域の第１領域４１がなく、かつ、第１集光部２０が無い。この場合、図６に示すように、ＴｏＦ型距離センサ１００の出力は変動が激しく、距離検出が正しく行われない。
散乱領域無及びレンズ無とした比較例１の場合、発光側構成に散乱領域の第１領域４１がなく、かつ、第１集光部２０が無い。この場合、図６に示すように、ＴｏＦ型距離センサ１００の出力は変動が激しく、距離検出が正しく行われない。
【0052】
また、発光側に散乱領域有とした比較例２の場合、即ち、発光側構成に第１領域４１に散乱領域を設けた場合、図６に示すように、水位が低い場合は距離検出がほぼ正しく行われていた。しかし、水位が高くなるとＴｏＦ型距離センサ１００の出力は、変動が激しくなり、距離検出が正しく行われなかった。この実験事実から、比較例１と比較例２のＴｏＦ型距離センサでは、距離検出が正しく行われない場合があり、精度は実施形態１よりよくなかった。
【0053】
比較例１のＴｏＦ型距離センサは、発光側構成に散乱領域とレンズの構成を欠く。このように、発光側構成に散乱領域とされる第１領域４１と第１集光部２０の両構成を欠くと、最も精度が悪かった。また、比較例２のＴｏＦ型距離センサは、発光側に構成にレンズの構成を欠く。このように、散乱領域とされる第１領域４１を有するが、第１集光部２０を欠いても、精度が悪かった。
【0054】
比較例１では、満水状態での液面の揺れが激しい上、貯水器１０５が鏡面反射で受光量が大きい為、検出信号比が逆転し、貯水器１０５の底面を検出している。これを改善するため比較例２のように、発光側に散乱領域を設け、液面への照射領域を増やしたとしても、液面検出信号が得られない理由は、次のように考察される。垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は光軸から広がるにつれ、放射時間に遅れが生じ、広角成分が本来の液面への光の伝達時間に対して、放射遅れ時間が加算されて、液面検出信号として寄与していないためである。これにより、検出信号は、光軸成分のみの光線挙動の影響を大きく受け、発光散乱の効果が得られず、液面信号が得られない。この症状を改善するため、発光素子１０と第１領域４１に有するシボパネルの間に第１集光部２０を設け、発光の放射時間ばらつきを平均化する。
【0055】
具体的には、t1,t2・・・を単位角度辺りの放射時間、nをレンズによる集光率として、単位角度毎に異なっていた放射時間を、式（t1+t2+・・・・・）/nのように平均化する。これによりシボで散乱された成分はそれぞれ放射時間が平均化されており、満水と貯水器１０５の底の伝達時間の差のみを取り出すことが出来るため、図６に示すように更に特性が改善される。
【0056】
即ち、図６に示すように、発光側にレンズ有及び散乱領域有の実施形態１の場合は、発光側に散乱領域有の比較例２の場合より、更に特性が改善される。
【0057】
具体的には、図４及び図５に示すように、発光素子１０の中心を第１集光部２０の焦点位置に配置する。この事により、発光素子１０から発せられて発光素子１０の光軸から広がったパルス光は平行光へと変換され、発光の放射時間ばらつきを平均化する。また、受光側の第２集光部５０は、測定対象物１０６で反射して帰ってきた受光パルスを集光し、測定光の受光部を介して受光素子３０へ集める効果を果たしている。
【0058】
上記のように、ＴｏＦ型距離センサ１００によれば、測定対象物１０６の液面が変動した場合でも、精度及び安定性よく推移を検出することができる。また、浄水器１１０によれば、測定対象物１０６の液面が変動した場合でも、精度及び安定性よく推移を検出することができる。
【0059】
〔実施形態２〕
本発明の実施形態２について、図７を参照して、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
本発明の実施形態２について、図７を参照して、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
【0060】
実施形態２のＴｏＦ型距離センサ２００は、図７に示すように、実施形態１のＴｏＦ型距離センサ１００とは、カバーの第１領域及び第２領域が異なる他は、同様の構成を備える。即ち、ＴｏＦ型距離センサ２００は、発光素子１０と、第１集光部２０と、受光素子３０と、第２集光部５０と、カバー２４０とを備えている。
【0061】
（カバー２４０の構成）
カバー２４０は、図７に示すように、出射開口３と発光素子１０を覆う第１領域２４１と、受光開口４と測定光の受光部及びその近傍を覆う第２領域２４２とを有する。カバー２４０において、第１領域２４１は、単にパルス光を透過する透過領域である。透過領域である第１領域２４１は、外部側に位置する一方の面を平面で構成すると共に、内部側に位置する他方の面に第１凹部２４３を設けて表裏両面とも平面で構成されている。
カバー２４０は、図７に示すように、出射開口３と発光素子１０を覆う第１領域２４１と、受光開口４と測定光の受光部及びその近傍を覆う第２領域２４２とを有する。カバー２４０において、第１領域２４１は、単にパルス光を透過する透過領域である。透過領域である第１領域２４１は、外部側に位置する一方の面を平面で構成すると共に、内部側に位置する他方の面に第１凹部２４３を設けて表裏両面とも平面で構成されている。
【0062】
第１凹部２４３は、実施形態の第１凹部４３に対応する。他方、第２領域２４２は、パルス光を散乱させる散乱領域である。散乱領域である第２領域２４２は、実施形態１の第１領域４１と同様、外部側に位置する一方の面に凹凸が設けられて構成されている。これにより、散乱の効果を奏する。なお、カバー２４０の内部側に位置する他方の面に第２凹部２４４が設けられている。第２凹部２４４は、実施形態１の第２凹部４４に対応する。
【0063】
（実施形態２の発光側の光学的関係）
ＴｏＦ型距離センサ２００は、発光パルスｆの光路において、発光素子１０に次いで第１集光部２０が存在し、第１集光部２０の次に透過領域である第１領域２４１が存在する。換言すれば、発光側の光学的関係は、発光素子１０、第１集光部２０、透過領域である第１領域２４１の順となっている。
ＴｏＦ型距離センサ２００は、発光パルスｆの光路において、発光素子１０に次いで第１集光部２０が存在し、第１集光部２０の次に透過領域である第１領域２４１が存在する。換言すれば、発光側の光学的関係は、発光素子１０、第１集光部２０、透過領域である第１領域２４１の順となっている。
【0064】
（実施形態２の受光側の光学的関係）
また、ＴｏＦ型距離センサ２００は、受光パルスｉの光路において、散乱領域である第２領域２４２に次いで第２集光部５０が存在し、第２集光部５０の次に測定光フィルタ６、受光素子３０の測定光の受光部の順に存在する。
また、ＴｏＦ型距離センサ２００は、受光パルスｉの光路において、散乱領域である第２領域２４２に次いで第２集光部５０が存在し、第２集光部５０の次に測定光フィルタ６、受光素子３０の測定光の受光部の順に存在する。
【0065】
カバー２４０の第２領域２４２が散乱領域であるので、カバー２４０へ到達するパルス光が分散される。換言すれば、パルス光が第２領域２４２で散乱されるため、受光部の一定箇所への受光量集中が抑制される。このため、測定対象物１０６（図１参照）の液面の変動により乱反射した場合、その乱反射したパルス光の受光部への偏りや受光部外へ屈折する影響を防ぐことができる。これと共に、ＴｏＦ型距離センサ２００によれば、カバー２４０の第２領域２４２での反射を防ぐことができる。
【0066】
このようにして実施形態１より多くの第２領域２４２を通過した受光パルスｉは、受光側の第２集光部５０で集光され、受光素子３０へ集められる。即ち、第２領域２４２では、第２集光部５０へ到達するパルス光が透過領域を通過する場合より増加すると共に、第２集光部５０で受光素子３０への余分な方向からの雑多なパルス光の入射を防止し、感度をよくしている。このため、ＴｏＦ型距離センサ２００によれば、測定対象物１０６（図１参照）の液面が変動した場合でも、精度及び安定性よく推移を検出することができる。
【0067】
〔実施形態３〕
本発明の実施形態３について、図８及び図１０を参照して、以下に説明する。実施形態３のＴｏＦ型距離センサ３００は、図８及び１０に示すように、実施形態１のＴｏＦ型距離センサ１００とは、カバー及び第１集光部が異なる他は、同様の構成を備える。即ち、実施形態３のＴｏＦ型距離センサ３００は、発光素子１０と、第１集光部３２０と、受光素子３０と、第２集光部５０と、カバー３４０とを備えている。
本発明の実施形態３について、図８及び図１０を参照して、以下に説明する。実施形態３のＴｏＦ型距離センサ３００は、図８及び１０に示すように、実施形態１のＴｏＦ型距離センサ１００とは、カバー及び第１集光部が異なる他は、同様の構成を備える。即ち、実施形態３のＴｏＦ型距離センサ３００は、発光素子１０と、第１集光部３２０と、受光素子３０と、第２集光部５０と、カバー３４０とを備えている。
【0068】
（カバー３４０の構成）
カバー３４０は、図８に示すように、第１集光部３２０と、分離窓６０とを有する。カバー３４０において、第１領域３４１は、実施形態１の第１領域４１に対応する。第２領域３４２は、実施形態１の第２領域４２と対応する。第１凹部３４３は、実施形態１の第１凹部４３と対応する。第２凹部３４４は、実施形態１の第２凹部４４と対応する。
カバー３４０は、図８に示すように、第１集光部３２０と、分離窓６０とを有する。カバー３４０において、第１領域３４１は、実施形態１の第１領域４１に対応する。第２領域３４２は、実施形態１の第２領域４２と対応する。第１凹部３４３は、実施形態１の第１凹部４３と対応する。第２凹部３４４は、実施形態１の第２凹部４４と対応する。
【0069】
（実施形態３の第１集光部３２０の構成）
第１集光部３２０は、第１凹部３４３側から出射開口３側へ突出する凸レンズである。また、第１集光部３２０は、透明樹脂８と同様のエポキシ等の透光性を有する材料からなる。第１集光部３２０は、透明樹脂８とは別の部材である。第１集光部３２０は、第１凹部３４３に一体的に形成されている。しかし、第１集光部３２０は、第１凹部３４３とは別の部材で構成されていてもよい。
第１集光部３２０は、第１凹部３４３側から出射開口３側へ突出する凸レンズである。また、第１集光部３２０は、透明樹脂８と同様のエポキシ等の透光性を有する材料からなる。第１集光部３２０は、透明樹脂８とは別の部材である。第１集光部３２０は、第１凹部３４３に一体的に形成されている。しかし、第１集光部３２０は、第１凹部３４３とは別の部材で構成されていてもよい。
【0070】
実施形態３では、出射開口３及び透明樹脂８には第１集光部３２０は形成されていない。出射開口３の中心軸の延長線上に第１集光部３２０の最凸部が位置している。さらに、第１集光部３２０の焦点に発光素子１０の中心が位置する。この事により、第１集光部３２０において、発光素子１０の光軸から広がるレーザ光は平行光へと変換され、発光の放射時間ばらつきが平均化される。
【0071】
（分離窓６０の構成）
分離窓６０は、カバー３４０の内外を貫通する角形の貫通孔を有し、透光性材料からなる直方体で構成されている。分離窓６０は、第１領域３４１と第２領域３４２との間に形成されており、カバー３４０から透明樹脂８までの高さを有する。分離窓６０は、長手方向長さがカバー３４０を取り除いた状態のＴｏＦ型距離センサ３００の短手方向長さと一致する。また、分離窓６０は、短手方向長さが第１領域３４１及び第２領域３４２の内側両端部間の長さと一致する。なお、ＴｏＦ型距離センサ３００は、分離窓６０から内部へゴミや埃等が混入することを防止する構成が採られている。
分離窓６０は、カバー３４０の内外を貫通する角形の貫通孔を有し、透光性材料からなる直方体で構成されている。分離窓６０は、第１領域３４１と第２領域３４２との間に形成されており、カバー３４０から透明樹脂８までの高さを有する。分離窓６０は、長手方向長さがカバー３４０を取り除いた状態のＴｏＦ型距離センサ３００の短手方向長さと一致する。また、分離窓６０は、短手方向長さが第１領域３４１及び第２領域３４２の内側両端部間の長さと一致する。なお、ＴｏＦ型距離センサ３００は、分離窓６０から内部へゴミや埃等が混入することを防止する構成が採られている。
【0072】
カバー３４０の変形例として、分離窓６０を有しないカバー４４０を図９に示す。変形例のＴｏＦ型距離センサ４００は、図９に示すように、実施形態３のＴｏＦ型距離センサ３００とは、分離窓６０が異なる他は、同様の構成を備える。即ち、カバー４４０を備えたＴｏＦ型距離センサ４００は、図９に示すように、分離窓６０を備えておらず、カバー４４０に遮蔽部４５を備えている。ＴｏＦ型距離センサ４００では、実施形態１のような第１集光部２０を有しないので、ＴｏＦ型距離センサ４００の内部における発光パルスｆの一部が出射開口３からカバー４４０まで到達し、遮蔽部４５で反射して受光素子３０へ到達することがある。この場合には、クロストーク成分が発生する。
【0073】
具体的に、発光素子１０がＶＣＳＥＬの場合、発光素子１０から発せられて発光素子１０の光軸から広がったパルス光のうち、例えば指向角で３０度以上のパルス光は、出射開口３から第１集光部３２０を通過することなく、遮蔽部４５で反射される。そして、ＴｏＦ型距離センサ４００の不透明樹脂２とカバー４４０との間を通過し、受光開口４から第２集光部５０を経由して受光素子３０に入射する。
【0074】
これに対して、分離窓６０を有するカバー３４０の場合には、図１０に示すように、分離窓６０により、発光パルスｆがカバー３４０で反射することなく、分離窓６０から抜ける。このため、実施形態３のＴｏＦ型距離センサ３００によれば、さらに、クロストーク成分を低減できる。
【0075】
〔実施形態５〕
本発明の実施形態５について、図１１を参照して、以下に説明する。実施形態５のＴｏＦ型距離センサ５００は、図１１に示すように、実施形態１のＴｏＦ型距離センサ１００とは、カバー及び第１領域が異なる他は、同様の構成を備える。即ち、実施形態５のＴｏＦ型距離センサ５００は、発光素子１０と、第１集光部３２０と、受光素子３０と、第２集光部５０と、カバー５４０とを備えている。
本発明の実施形態５について、図１１を参照して、以下に説明する。実施形態５のＴｏＦ型距離センサ５００は、図１１に示すように、実施形態１のＴｏＦ型距離センサ１００とは、カバー及び第１領域が異なる他は、同様の構成を備える。即ち、実施形態５のＴｏＦ型距離センサ５００は、発光素子１０と、第１集光部３２０と、受光素子３０と、第２集光部５０と、カバー５４０とを備えている。
【0076】
（カバー５４０の構成）
カバー５４０は、遮光領域７０を備えている。遮光領域７０は、遮光材料からなる直方体で構成されている。遮光領域７０は、第１領域３４１と第２領域３４２の間に設けられており、カバー３４０から透明樹脂８までの高さを有する。遮光領域７０は、長手方向長さがカバー５４０を取り除いた状態のＴｏＦ型距離センサ５００の短手方向長さと一致する。また、短手方向長さが第１領域３４１及び第２領域３４２内側両端部間の長さと一致する。
カバー５４０は、遮光領域７０を備えている。遮光領域７０は、遮光材料からなる直方体で構成されている。遮光領域７０は、第１領域３４１と第２領域３４２の間に設けられており、カバー３４０から透明樹脂８までの高さを有する。遮光領域７０は、長手方向長さがカバー５４０を取り除いた状態のＴｏＦ型距離センサ５００の短手方向長さと一致する。また、短手方向長さが第１領域３４１及び第２領域３４２内側両端部間の長さと一致する。
【0077】
実施形態５においても、実施形態３の変形例と同様、実施形態１のような第１集光部２０を有しないので、発光素子１０から発せられて発光素子１０の光軸から広がったパルス光が生じる。しかし、実施形態５では、そのパルス光のうち、例えば指向角で３０度以上のものは、出射開口３からカバー５４０まで到達する前に、遮光領域７０で反射される。
【0078】
反射されたパルス光は、第１領域３４１を通過し、ＴｏＦ型距離センサ５００の外部へ発射される。このため、発光素子１０から発せられて発光素子１０の光軸から広がったパルス光を、遮光領域７０により、ＴｏＦ型距離センサ１００の内部で受光側構成へ入射することを阻止する。このため、ＴｏＦ型距離センサ５００によれば、クロストーク成分を低減できる。
【0079】
〔実施形態６〕
本発明の実施形態６について、図１２を参照して、以下に説明する。実施形態６のＴｏＦ型距離センサ６００は、図１２に示すように、実施形態１のＴｏＦ型距離センサ１００とは、発光素子１０の上に散乱性透明樹脂１５をポッテングした構成を採っている点で異なる他は、同様の構成を備える。散乱性透明樹脂１５は、シリコーン樹脂に散乱体が混入された樹脂である。発光素子１０から上方に向かって出射されたパルス光は、散乱性透明樹脂１５を通過して散乱される。
本発明の実施形態６について、図１２を参照して、以下に説明する。実施形態６のＴｏＦ型距離センサ６００は、図１２に示すように、実施形態１のＴｏＦ型距離センサ１００とは、発光素子１０の上に散乱性透明樹脂１５をポッテングした構成を採っている点で異なる他は、同様の構成を備える。散乱性透明樹脂１５は、シリコーン樹脂に散乱体が混入された樹脂である。発光素子１０から上方に向かって出射されたパルス光は、散乱性透明樹脂１５を通過して散乱される。
【0080】
実施形態６のように、散乱性透明樹脂１５を用いる場合には、カバー４０のうち散乱領域である第１領域４１の表面のみに凹凸を設ける構造は、金型成形で製造することができる。また、カバー４０の材質がガラスまたは光透過性樹脂である場合は、表面のエッチング処理などの化学的加工手法を用いて製造することができる。あるいは、第１領域４１の散乱領域を、サンドブラストや研削などの物理的加工手法を用いて製造することができる。
【0081】
カバー４０の材質がガラス又は光透過性樹脂の場合、散乱領域である第１領域４１の表面のみに凹凸を形成することで製造することができる。さらには、散乱領域である第１領域４１が、板材の表面に凹凸を設けることで構成されることに限らず、材料自体が光を散乱する材料、例えば屈折率の異なる物質が入り混じった材料からなることで得られるものであっても良い。散乱の程度を示す指標として、日本工業規格ＪＩＳＫ７１３６で規定されるヘーズを用いることができる。実施形態６において適したヘーズは、１０～９５％である。典型的には、ヘーズを９０％とすることができる。
【0082】
〔変形例〕
本発明のＴｏＦ型距離センサは、実施形態１の浄水器１１０以外にも応用可能である。例えば、灯油等の燃料タンクの残量検知、加湿器の水位検知、コーヒーメーカーでの水位検知、医療機器（点滴等）の残量検知等に応用可能である。
本発明のＴｏＦ型距離センサは、実施形態１の浄水器１１０以外にも応用可能である。例えば、灯油等の燃料タンクの残量検知、加湿器の水位検知、コーヒーメーカーでの水位検知、医療機器（点滴等）の残量検知等に応用可能である。
【0083】
また、上記実施形態では、発光素子１０は、垂直共振器型面発光レーザである場合を例示したが、何らこれに限定されるものではない。例えば、発光素子１０は、端面発光レーザなど、他の光源であっても良い。この場合、実施形態で挙げた波長帯に限定されるものではなく、他の波長帯の赤外光や、赤外光に限らず可視光を用いることも可能である。
【0084】
さらに、第１集光部２０、３２０は凸レンズの例を挙げたが、何らこれに限定されるものではない。第１集光部２０、３２０は、発光素子から発せられたパルス光を集光するものであれば、どのような構成であってもよい。第１集光部２０、３２０は、例えば、凸レンズ以外のレンズ、凹面鏡であってもよい。
【0085】
さらにまた、第１集光部２０、３２０は、発光素子と第１領域の間に設けられておればよく、上記実施形態のように出射開口の下部や第１凹部に設けることに何ら限定されるものではない。この場合には、上記実施形態と同様、発光素子１０から発せられて発光素子１０の光軸から広がったパルス光に指向性を与え、エネルギーが測定対象物の方向に集中されるので、効率がよい。
【0086】
上記実施形態では、第２集光部５０は凸型集光レンズの例を挙げたが、何らこれに限定されるものではない。第２集光部５０は、受光素子に向けて入射したパルス光を集光するものであれば、どのような構成であってもよい。第２集光部５０は、例えば、凸レンズ、凸レンズ以外のレンズ、凹面鏡であってもよい。
【0087】
また、第２集光部５０は、受光素子と第２領域の間に設けられておればよく、上記実施形態のように受光開口の下部に何ら限定されるものではない。例えば、第２集光部は、受光開口の上部に設けてもよいし、第２凹部に設けてもよい。この場合には、上記実施形態と同様、受光パルスに指向性を与え、余分な方向から雑多なパルス光が入りにくく、感度がよくなる。
【0088】
さらに、上記実施形態では、第１領域４１、２４１、３４１が散乱領域である場合、一方の面に凹凸を設ける一例を挙げたが、何らこれに限定されるものではない。散乱領域は、例えば、他方の面を含む両面に凹凸を設けてもよい。散乱の効果は、一方の面に凹凸を設けることで得られることに限られるものではなく、他方の面を含む両面に凹凸を設けることで得ても良いのである。
【0089】
同様にして、上記実施形態では、第２領域４２、２４２、３４２が散乱領域である場合、一方の面に凹凸を設ける一例を挙げたが、何らこれに限定されるものではない。散乱領域は、例えば、他方の面を含む両面に凹凸を設けてもよい。散乱の効果は、一方の面に凹凸を設けることで得られることに限られるものではなく、他方の面を含む両面に凹凸を設けることで得ても良いのである。
【0090】
また、分離窓６０及び遮光領域７０は、第１領域と第２領域の間に設けられており、次の機能を発揮すれば、上記実施形態の形状、構造に何ら限定されるものではない。分離窓６０は、発光素子からのパルス光がカバーで反射することなく、抜けるものであれば、どのような形状、構造であってもよい。遮光領域７０は、発光素子からのパルス光が受光側構成へ入射することを阻止し、遮光するものであれば、どのような形状、構造であってもよい。
【0091】
〔まとめ〕
本発明の態様１に係るＴｏＦ型距離センサは、パルス光を発する発光素子と、前記発光素子から発せられた前記パルス光を集光する第１集光部と、受光素子と、前記第１集光部により集光された前記パルス光を外部に出射させる第１領域と、測定対象物で反射された前記パルス光を前記受光素子に向けて入射させる第２領域とが設けられたカバーと、を備え、前記第１領域は前記パルス光を散乱させる散乱領域である構成である。
本発明の態様１に係るＴｏＦ型距離センサは、パルス光を発する発光素子と、前記発光素子から発せられた前記パルス光を集光する第１集光部と、受光素子と、前記第１集光部により集光された前記パルス光を外部に出射させる第１領域と、測定対象物で反射された前記パルス光を前記受光素子に向けて入射させる第２領域とが設けられたカバーと、を備え、前記第１領域は前記パルス光を散乱させる散乱領域である構成である。
【0092】
この場合、発光素子の光軸から広がるパルス光は、第１集光部で平行光へと変換され、発光の放射時間ばらつきを平均化する。平均化された発光パルスは測定対象物で反射し、反射光の一部が受光パルスとして受光素子で検知される。このため、測定対象物の液面が変動した場合でも、精度及び安定性よく推移を検出することができる。
【0093】
本発明の態様２に係るＴｏＦ型距離センサは、上記の態様１において、前記受光素子に向けて入射した前記パルス光を集光する第２集光部を備える構成としてもよい。
【0094】
この場合、受光側の第２集光部は、測定対象物で反射して帰ってきたパルス光を集光し、受光素子へ集める効果を果たす。このため、さらに、受光素子への余分な方向からの雑多なパルス光の入射を防止でき、感度がよくなる。
【0095】
本発明の態様３に係るＴｏＦ型距離センサは、パルス光を発する発光素子と、受光素子と、前記発光素子から発せられた前記パルス光を外部に出射させる第１領域と、測定対象物で反射された前記パルス光を前記受光素子に向けて入射させる第２領域とが設けられたカバーと、前記受光素子に向けて入射した前記パルス光を集光する第２集光部と、を備え、前記第２領域は前記パルス光を散乱させる散乱領域である構成である。
【0096】
この場合、散乱領域である第２領域では、第２集光部へ到達するパルス光が透過領域を通過する場合より増加すると共に、第２集光部で受光素子への余分な方向からの雑多なパルス光の入射を防止し、感度をよくする。このため、測定対象物の液面が変動した場合でも、精度及び安定性よく推移を検出することができる。
【0097】
本発明の態様４に係るＴｏＦ型距離センサは、上記の態様３において、前記発光素子から発せられ前記第１領域に至る前記パルス光を集光する、第１集光部を備える構成としてもよい。
【0098】
この場合、発光素子の光軸から広がるレーザ光は、第１集光部で平行光へと変換され、発光の放射時間ばらつきを平均化する。このため、さらに、測定対象物の液面が変動した場合でも、精度及び安定性よく推移を検出することができる。
【0099】
本発明の態様５に係るＴｏＦ型距離センサは、上記の態様１から４のいずれかにおいて、前記カバーの前記第１領域と前記第２領域との間に、分離窓が形成されている構成としてもよい。
【0100】
この場合は、分離窓が形成されていることにより、発光素子からのパルス光が、カバーで反射することなく分離窓から抜ける。このため、さらに、クロストーク成分を低減できる。
【0101】
本発明の態様６に係るＴｏＦ型距離センサは、上記の態様１から４のいずれかにおいて、前記カバーの前記第１領域と前記第２領域との間に、遮光領域が設けられている構成としてもよい。
【0102】
この場合は、遮光領域により、発光素子から発せられて発光素子の光軸から広がったパルス光のうち、例えば指向角で３０度以上のパルス光が反射される。この反射成分は、遮光領域により、受光側構成へ入射することが阻止され、遮光される。このため、さらに、クロストーク成分を低減できる。
【0103】
本発明の態様７に係るＴｏＦ型距離センサは、上記の態様１から６のいずれかにおいて、前記発光素子は、垂直共振器型面発光レーザである構成としてもよい。
【0104】
この場合は、垂直共振器型面発光レーザは、半導体基板に垂直に光出射し、既存のレーザに比べて低消費電力でアレイ集積が可能である。また、垂直共振器型面発光レーザは、光軸から広がるにつれ、放射時間に遅れが生じるため、軸成分の光線挙動の影響を大きく受ける。この場合においても、発光の放射時間ばらつきが平均化され、正しく距離検出を行うことができる。
【0105】
本発明の態様８に係るＴｏＦ型距離センサを備えることを特徴とする、電子機器は、上記の態様１から７のいずれかにおいて、態様１から７のいずれか１項に記載のＴｏＦ型距離センサを備える構成としてもよい。
【0106】
この場合は、ＴｏＦ型距離センサを備えるので、精度及び安定性よく測距を行うことができる。
【0107】
本発明の態様９に係る電子機器は、上記の態様８において、前記ＴｏＦ型距離センサで液面の位置を検知する構成としてもよい。
【0108】
この場合は、前記ＴｏＦ型距離センサで液面の位置を検知するので、測定対象物の液面が変動した場合でも、精度及び安定性よく推移を検出することができる。
【符号の説明】
【0109】
６ 測定光フィルタ
１０ 発光素子
１５ 散乱性透明樹脂
２０、３２０ 第１集光部
３０ 受光素子
４０、２４０、３４０、４４０、５４０ カバー
４１、２４１、３４１ 第１領域
４２、２４２、３４２ 第２領域
５０ 第２集光部
６０ 分離窓
７０ 遮光領域
１００、２００、３００、４００、５００、６００ ＴｏＦ型距離センサ
１０１ ろ過部
１０２ 活性炭処理部
１０３ 逆浸透膜処理部
１０５ 貯水器
１０６ 測定対象物
１１０ 浄水器
ｆ 発光パルス（発光素子から発せられたパルス光）
ｉ 受光パルス（受光素子に向けて入射したパルス光）
１０ 発光素子
１５ 散乱性透明樹脂
２０、３２０ 第１集光部
３０ 受光素子
４０、２４０、３４０、４４０、５４０ カバー
４１、２４１、３４１ 第１領域
４２、２４２、３４２ 第２領域
５０ 第２集光部
６０ 分離窓
７０ 遮光領域
１００、２００、３００、４００、５００、６００ ＴｏＦ型距離センサ
１０１ ろ過部
１０２ 活性炭処理部
１０３ 逆浸透膜処理部
１０５ 貯水器
１０６ 測定対象物
１１０ 浄水器
ｆ 発光パルス（発光素子から発せられたパルス光）
ｉ 受光パルス（受光素子に向けて入射したパルス光）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】