JP2007064982A - 反射光を利用して流体の濁度を測定する計測器 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で、製造が単純で、しかも低汚濁の流体を測定する際に良好な感度を有する流体の汚濁を測定する計測器を提供する。
【解決手段】 本発明の計測器は、反射表面に向けて試験される流体を介して光ビームを方向付ける光源と、反射表面で反射され、試験される流体を介して戻される光を検出し、試験される流体の濁度を指示する信号を出力するセンサとからなることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、流体の濁度を測定する計測器に関し、より詳細には、反射光を利用して流体の濁度を測定する計測器に関する。

現代の家庭にはセンサが満ちている。それらは、洗濯機、衣類乾燥機、食器洗浄機、温水器、冷蔵庫、冷凍庫、オーブン、電子レンジのような多くの広範な用途において広く使用されている。家庭用センサの市場における成長は、より高性能でより小型の製品を要求するエンドユーザによって加速されている。この要求に適合することは、概してかさばり、あまり正確でなく、低効率の、信頼性の低い従来の機械的なセンサを置き換える、より小型で、正確で、高効率の、信頼性の高いホトセンサの開発によって可能となった。

カラーセンサにおける進展は、電気製品内のセンサに対するその要求に適合するのにも役立った。ここで、カラーセンサは、多色を同時に検出し識別することができるセンサとして定義される。カラーセンサは、安価で小型とすることができ、かつ最新の制御システムと都合よく相互作用させることができる。それらは、優れた読み取りをもたらし、より高速なデータの獲得を可能とし、電気製品の動作状態により信頼性のあるデータをもたらす。

透過センサが開示されている（例えば特許文献１参照）。センサは、２つの経路に沿って光を当てることによって液体の濁度を測定する。経路の一方は、より長い経路であり、第１の受信機により検出される。他方の経路は、より短い経路であり、第２の受信機によって検出される。光は、光送信機から、流体媒質を介して、受信機へと方向付けられる。

図１は、例えば色付きの水又は混濁した水である流体媒質の濁度を測定するための、従来技術の他の透過型装置101を示し、光105は蛍光体型白色LED光源107から、液体103を介して、カラーセンサ109へと真っ直ぐに透過する。

光源107及びカラーセンサ109は、それらの間に配置されている透明なキャビティ111に向かい合わせで、かつ互いに垂直となるように取り付けられている。光源107はキャビティ111を照らし、透過光105の光学的特性はキャビティ内の液体103によって画定される。

液体103はフィルターとして機能する。例えば、光が青みがかっていれば、カラーセンサ109により受容される透過光105は青みがかって見える。これは、青みがかった液体が青色成分を主に通し、残る大部分の成分を吸収することによる。

洗濯機のような電気製品では、流体から出る光の輝度/強度及び色度/色彩の情報が利用されて、変色又は汚れが発生しているかが判定される。

しかしながら、図１に示す透過センサは幾つかの欠点を有する。

設計が非常にかさばる。図１に示すように、光源107は光センサ109と向かい合わせで取り付けられている。したがって、配置により大きな空間を占め、空間が重要である用途に対して実際的ではない。

設計が複雑であり、難しい工程計画を必要とする。光源107、キャビティ111、光センサの間の相対的な距離が重要であり、わずかな変位も結果の正確さに影響を与える。例えば、光センサ109が光源107と位置合わせされていないならば、検出される透過光105は、水面、汚れもしくは変色を正確に指示することができないであろう。

また透過型センサの設計は、わずかな度合いの汚れや変色の流体を測定する場合、非常に良好な感度を有しているわけではない。所定の装置寸法に対して、透過光ビーム105は、距離「ｄ」に等しい有効ビーム経路で、一度、液体103を通過するにすぎない。わずかな度合いの汚れにより生じる信号の減衰は、どの程度液体が変色し汚れているかを有意又は正確な判定を与えることができない。

上記のManzらの透過センサは、これらの同様な欠点を有し、加えて最新のカラーセンサ又は色テーブルを利用することができない。
Manzらによる米国特許出願公開第US2004/0135089号

小型で、製造が単純で、しかも低汚濁の流体を測定する際に良好な感度を有する流体の汚濁を測定する計測器を提供することが望まれている。

流体の汚濁を測定する計測器は、試験される流体を介して反射表面に光ビームを方向付ける光源及び、反射表面で反射されて試験される流体を介して戻される光を検出するセンサを含む。計測器は、試験される流体の汚濁を示す信号を出力する。

本発明の他の局面及び利点は、本発明の原理を一例として図解する添付の図面に関連する以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。

本発明は、流体の濁度を測定する計測器に関し、この計測器は、反射表面に向けて試験される流体を介して光ビームを方向付ける光源と、反射表面で反射され、試験される流体を介して戻される光を検出するセンサを含む。計測器は、試験される流体の濁度を指示する信号を出力する。

図２は、本発明の、試験される流体207の濁度を測定する計測器201の第１の実施形態を示す。光源203は、光ビーム205を放射し、その光は、試験される流体207を通過し、反射表面209で反射され、再度試験される流体207を通過して、さらにマルチバンドセンサ又はより具体的にはカラーセンサとすることができる光センサ211によって検出される。

本発明は、Manzらの米国特許出願公開第US2004/0135089号及び図１に示す従来技術のように直接透過する光を利用するのではなく、反射光を利用する。その結果、試験される流体207の濁度を測定する計測器201は、小型で、製造するのが簡単で、低濁度の流体を測定する場合でさえも良好な感度を有する。

計測器201は、光源203と光センサ211がどちらも透明なキャビティ213に収容されている試験される流体207の同じ側に配置されていることにより、図１に示す従来技術の装置よりも一層小型となる。これはまた、より経済的かつ一層単純な機械設計を結果生じる。光ビーム205は、従来技術では一度のみしか通過しないのに対して、検出される前に、試験される流体207を二度通過し、したがってより高感度の測定が結果行われる。また光ビーム205を、図３の実施形態に図解するように、二度より多い回数、試験される流体207を通過させることができ、より高い感度を結果生じさせることができる。

本発明において、「光」は「任意の波長の電磁波」を意味する広い意味で定義される。「光」の定義は、「約4000オングストローム（紫色）から約7700オングストローム（赤色）の範囲の波長を有する通常の人の肉眼により関知される電磁波」として狭義の「光」に限定されない。したがって、光源203が発生し、光センサ211が検出する光ビーム205は、所望の用途に応じて、本発明の広い意味での「任意の波長の電磁波」とすることができる。

さらに、本発明をより詳細に記述する。図２に図解する第１の実施形態を再度参照すると、光源203は、試験される流体207を介して反射表面209に向けて光ビーム205を方向付ける。

光源は、所望の用途に応じて、白色又は他の広いもしくは狭い帯域の波長を発生する。利用可能な多くの白色光源が存在する。一例は、黄色蛍光体とともに青色放射体を含む蛍光体変換白色LEDである。この形式のLEDは、蛍光体を利用して青色の光のいくらかを変換し、もともとの青色の光のいくらかと変換された光を混合することによって白色を作り出す。白色LEDの他の例は、UV放射体を利用して蛍光体を刺激して白色光を作り出す。LEDの放射と蛍光物質の放射からなる任意の適する色の配合を利用して、所望の目的及び効果を達成することができる。例えば、UV又は緑色LEDを利用することができる。また緑色又は赤色を放射する蛍光物質を利用することができる。任意の適する色の配合は、本発明の範囲内にある。同様に、赤色、緑色、青色放射体の組み合わせもまた、所望の白色光を作り出すのに利用することができる。蛍光体白色LEDのような利用可能な多くの白色光源が存在する。

蛍光体白色LED光源の特定の一例は、本発明の譲受人から入手可能なAGILENT HLMP-CW78,HLMP-CW79,T-1 3/4 Precision Optical Performance White LEDである。この高強度の白色LEDランプは、InGaN材料技術に基づく。青色LEDダイが蛍光体により覆われて、白色を作り出す。結果生じる標準的な色は、1931 CIE色度図を利用して、座標x=0.32、y=0.32により表現される。

流体を液体又は気体とすることができる。流体は、概して、洗濯機又は食器洗浄機内の汚い水のような家庭電化製品の濁り水である。また流体を、オイルシステム内の油圧油又は潤滑油とすることができる。油内に含まれる水は、特に赤外領域において濁りを生じ、この濁りを測定することによって油内に含まれる水を監視することが可能となる。また流体を、煙又は他の不純物を含む空気とすることができる。これらは、本発明で試験することのできる可能な流体のまさに例示であり、制限するつもりはない。

光センサ211は、反射表面209で反射され、試験される流体207を介して戻される光ビーム205を検出する。さらに光センサは、試験される流体207の濁度を指示する信号217を出力する。光センサ211をマルチバンドセンサとすることができる。例えば、RGBフィルタにより覆われている三波長ホトダイオードとすることができる。代替的に、用途及び精度の必要性に応じて、またRGBCMYフィルタにより覆われているマルチバンドホトダイオードを利用することができる。また、センサをRGBCMYカラーセンサのようなマルチバンドカラーセンサの形態とすることができる。

例えば、光センサ211を、本発明の譲受人から入手可能なAGILENT HDJD-S722-QR999カラーセンサとすることができ、このカラーセンサは、特定の色の存在を検出することができ、全ての色スペクトルにわたって、その正確な座標を識別することが可能である。わずかに５mm×５mm×１mmの程度のクワッドフラットリードレス（QFN）パッケージ内のものを入手可能である。この小型の寸法は、印刷回路板設計を単純化し、空間の制約されている用途を設計する際に、設計者により大きな融通性をもたらす。RGBカラーセンサは、全てが単一のモノシリックCMOS ICに組み込まれている赤色、緑色、青色フィルタにより覆われているホトダイオードアレイ及び、３つのトランスインピーダンスアンプからなる。

可視領域の外側の電磁放射を検出する光センサもまた利用することができる。例えば、センサは赤外又は紫外放射を検出する。試験される特定の流体207に応じて、光センサは、赤外から紫外の任意の波長の一つを検出することが可能である。光源は、白色光又は、赤外から紫外の波長の部分内の何れかの光を発生可能である。光センサの波長部分を光源の波長部分におおよそ対応するように選択することがしばしば有益である。しかしながら、場合によっては、光源が試験される流体207を刺激し、光源とは異なる波長部分に及ぶ波長の光が放射される。この場合には、光センサの波長部分を、光源によって作り出される波長部分とは異なる放射波長に対応するように選択することが有益である。

光センサ211の出力信号217は、アナログ（光電流もしくは電圧）、デジタル、標準色空間形式の形態で表される。

反射表面209は、透明なキャビティ213の壁部215の部分を形成する。反射表面209は完全に連続している必要はなく、幾つかの別個の部分から構成することが可能であることに注意されたい。透明なキャビティ213は、側部壁部219、後部壁部221、前部壁部227を含む。後部壁部は、光源からの直接放射された光が向けられ、光源及び光センサと向かい合う壁として画定可能である。側部壁部219は、後部壁部221に接続され、後部壁部に垂直である。前部壁部227は、後部壁部と対向し、光源223及び光センサ211に近いキャビティの側にある。もちろん、キャビティ213がより少ない又はより多い壁部を有し、多くの異なる形状とすることができる。反射表面は、側部壁部及び後部壁部の少なくとも部分を覆っている。反射側部壁部は、透明なキャビティ213からセンサ211へ、光を導き、焦点を合わせるのに役立つ。透明なキャビティ213は、試験される流体207を収容する。反射表面は、センサ211によって検出されることが望まれる周波数の電磁放射を反射するようにされている。例えば、色付きの光を検出することが望まれる用途では、反射表面を鏡とすることができる。同様に、反射表面が光を反射する目的にかなう限りは、反射表面を任意の材料から構成することができる。

図３は、また反射表面209により少なくとも部分的に覆われている前部壁部327を含む本発明の他の実施形態を示す。前部、後部、側部壁面をそれ自体反射表面とすることができることに注意されたい。光ビーム305は、センサに集中される前に、前部及び後部壁部の間で反射される。光ビーム305は、試験される流体207を４回通過するように図解され、光ビームと試験される流体との間でより多くの相互作用がもたらされ、それによってさらに高い感度が結果得られる。他の構成では、光ビーム305は、後部壁部221から前部壁部327へ反射され、何度も後部壁部へ戻され、したがって、４回より多く流体を通過することを目標とされる。

センサは、試験される流体207の濁度を指示する信号217を出力する。ここで、濁度は広く定義される。したがって、流体に沈殿物又は外来からの微粒子が混入されていれば、流体は不透明となる。流体を気体又は液体とすることができる。したがって、ほこり、石鹸、染料、何らかの他の形式の沈殿物又は外来からの微粒子が、水に混合もしくは溶解されていれば、水は不透明となる。油に水が混入していれば、やはり不透明となる。濁度は、流体内に混入している沈殿物又は外来からの微粒子の総量の測定値をもたらす。

プロセッサ（又は処理回路）223は、信号217を参照信号225と比較し、参照信号225によって指示される濁度と比較した濁度の変化を判定する。参照信号225を、試験される流体207で満たす前に、参照流体で透明なキャビティ213を満たすことによるカラーセンサからの出力とすることができる。代替的に、参照信号225を、プロセッサ223によりアクセスされる予め格納されたものとすることができる。参照信号225は、例えば、濁度が試験される流体207に導入される前に、試験される流体207を通過する際の、センサ211によって受容される光に相当する。したがって、本発明が洗濯機に使用されるならば、もともとの洗浄水及び汚れた水に対する光センサの出力が比較され、水の汚れ又は濁度の度合いが特定される。また、光センサの出力は、分析され、水の中の汚れの種類が判定される。

信号217は、試験される流体の濁度を指示する情報を含む。反射された光の光学的な特性が、照明された流体の輝度、色度、飽和水準により非常にうまく判定される。例示として、青みがかった流体は、他の成分を遮断する一方で、青色の成分をセンサに直接通過させ、又は側部壁部からセンサに反射させる。反射された光の光学的な特性は、センサによって光電流に変換され、出力信号を、電流又は電圧のどちらかの形式とすることができる。アナログの形式に加えて、例えば、出力をデジタルの形式又は色空間形式とすることができる。処理回路は、信号を受容し、検出された光の輝度、色度、飽和水準に基づき、試験される流体の濁度を判定する。

図２及び３に示すように、光源203及びセンサ211をPCボードのような共通の平坦な担体233に取り付けることができる。これにより、結果として、従来技術よりも、より安価に製造し、より都合よく配列することができる。代替的には、光源及びセンサを基板上に取り付けることができる。幾つかの実施形態では、光源及びセンサを、基板に直接取り付けられているパッケージングされていないダイオードとすることができる。

光源203は、後部壁部221に対して垂直ではない角度で光を方向付け、それによって後部壁部221から反射された光はセンサ211によって受容される。図２及び３の双方において図解する実施形態では、光源の角度は、反射された光がセンサに最適に達するように選択されている。

また本発明は、光源203と反射表面209の間に配置され、試験される流体207を介する光205を集中させる第１の光学レンズ229を含む。第２の光学レンズ231が、反射表面209とセンサ211の間に配置され、反射された光205をセンサ211上に集中させる。

本発明の流体の濁度を測定する計測器には可能な多くの用途が存在する。図４ａは、本発明の計測器201を利用して、洗濯サイクルの間、洗濯機内の水の濁度を判定する洗濯機401を示す。濁度を測定する計測器が、閾値の水準を上回る濁度であることを判定すると、洗濯機のドラムに清浄水が加えられる。また、最適な効率及び清浄度が得られるように、測定される濁度に応じて洗濯サイクルが短縮され、又は延長される。

図４ｂは、本発明の計測器201を利用して、洗浄サイクルの間、食器洗浄機内の水の濁度を判定する食器洗浄機403を示す。濁度を測定する計測器が、閾値の水準を上回る濁度であることを判定すると、食器洗浄機のタブに清浄水が加えられる。

本発明の特定の実施形態を説明し、図解してきたが、本発明は、そのような説明され、図解された特定の形態又は部分の配列に制限されない。本発明の範囲は、本明細書に添付する特許請求の範囲の記載及びそれと等価のものによって画定される。

流体媒質の濁度を測定するための、従来技術の透過型装置を示す図である。 本発明の、試験される流体の汚濁を測定する計測器の第１の実施形態を示す図である。 本発明の、試験される流体の汚濁を測定する計測器の複数回反射する実施形態を示す図である。 図４Ａは、洗濯サイクルの間、洗濯機内の水の汚濁を判定するための本発明の計測器を利用する洗濯機を示し、図４Ｂは、洗浄サイクルの間、食器洗浄機内の水の汚濁を判定するための本発明の計測器を利用する食器洗浄機を示す。

符号の説明

２０１ 計測器
２０３ 光源
２０５ 光ビーム
２０７ 試験される流体
２０９ 反射表面
２１１ 光センサ
２１３ キャビティ
２１５ 壁部
２１７ 信号
２１９ 側部壁部
２２１ 後部壁部
２２３ プロセッサ
２２５ 参照信号
２２７ 前部壁部
２２９ 第１の光学レンズ
２３１ 第２の光学レンズ
２３３ 担体

Claims (21)

1. 流体の濁度を測定する計測器であって、
   反射表面に向けて試験される流体を介して光ビームを方向付ける光源と、
   前記反射表面で反射され、前記試験される流体を介して戻される光を検出し、前記試験される流体の濁度を指示する信号を出力するセンサとからなる計測器。
2. 前記センサがカラーセンサである請求項１記載の計測器。
3. 前記センサがマルチバンドセンサである請求項１記載の計測器。
4. 前記センサが、電磁放射の複数の波長を別個にかつ同時に検出する請求項１記載の計測器。
5. 前記光源が蛍光体白色LEDである請求項１記載の計測器。
6. 前記光源が複数の波長のLEDの組み合わせである請求項１記載の計測器。
7. さらに、前記試験する流体を収容する透明なキャビティからなり、前記反射表面が、該透明なキャビティの側部壁部と後部壁部に形成されている請求項１記載の計測器。
8. 前記光源が、前記後部壁部に対して垂直ではない角度で光を方向付け、それによって前記後部壁部で反射された光が前記センサによって受容される請求項７記載の計測器。
9. 前記信号が、参照信号と比較され、その参照信号によって指示される濁度に対する濁度の変化を判定する請求項１記載の計測器。
10. 前記参照信号が、前記試験される流体で満たされる前、参照流体で前記透明なキャビティを充填することにより前記カラーセンサから出力される請求項９記載の計測器。
11. 前記反射表面が付加的に前部壁部からなり、光が、前記センサに集中される前に、前記前部壁部及び後部壁部の間で反射される請求項７記載の計測器。
12. 前記側部壁部が前記反射された光を前記センサに導く請求項７記載の計測器。
13. さらに、前記光源と前記反射表面の間に配置され、前記試験される流体を介する光を集中させる第１の光学レンズと、前記反射表面と前記センサの間に配置され、前記反射された光を前記センサ上に集中させる第２の光学レンズを含む請求項１記載の計測器。
14. 前記光源と前記センサが共通の平坦な担体上に取り付けられている請求項１記載の計測器。
15. 前記信号が、前記試験される流体の濁度を指示する輝度情報を含み、さらに処理回路を含み、この処理回路が、前記信号を受容し、前記検出された光の輝度に基づき、前記試験される流体の濁度を判定する請求項１記載の計測器。
16. 前記信号が、前記試験される流体の濁度を指示する色度情報を含み、さらに処理回路を含み、この処理回路が、前記信号を受容し、前記検出された光の色度に基づき、前記試験される流体の濁度を判定する請求項１記載の計測器。
17. 前記信号が、前記試験される流体の濁度を指示する飽和水準情報を含み、さらに処理回路を含み、この処理回路が、前記信号を受容し、前記検出された光の飽和水準に基づき、前記試験される流体の濁度を判定する請求項１記載の計測器。
18. 洗濯サイクルの間に洗濯機内の水の濁度を判定する請求項１記載の計測器。
19. 前記濁度を測定する計測器が閾値の水準を上回る濁度であることを判定すると、前記洗濯機のドラムに清浄水が加えられる請求項１８記載の計測器。
20. 洗浄サイクルの間に食器洗浄機内の水の濁度を判定する請求項１記載の計測器。
21. 前記濁度を測定する計測器が閾値の水準を上回る濁度であることを判定すると、前記食器洗浄機のタブに清浄水が加えられる請求項２０記載の計測器。

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