JP2008096269A

JP2008096269A - 反射型液面計

Info

Publication number: JP2008096269A
Application number: JP2006278138A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Ochiai; 真一郎落合
Original assignee: SHIMADA PREC KK; SHIMADA PRECISION KK
Current assignee: SHIMADA PREC KK; SHIMADA PRECISION KK
Priority date: 2006-10-11
Filing date: 2006-10-11
Publication date: 2008-04-24

Abstract

【目的】本発明は、液体容器内の液面位置が外光を利用して広角な方向からより明確に目視でき、より簡単に正確な液体量を確認できる反射型液面計を提供することを目的とする。
【構成】本発明は、液体容器２の側面に覗窓６が設けられ、この覗窓内面と前記液体容器内の液中部が接触する透過境界面では前記覗窓外面からの入射光を透過させ、前記覗窓内面と前記液体容器内の気体部が接触する反射境界面では前記入射光を反射させ、液面位置１４が前記覗窓６を介して前記液体容器外から視認されるように前記覗窓内面に光学構造を形成した液体容器２の反射型液面計において、前記光学構造が所定方向に連続的で同一断面形状を有する微細構造を周期的に配設した回折格子構造８ａである反射型液面計である。
【選択図】図１

Description

本発明は反射型液面計に関し、更に詳細には、液体容器の側面に覗窓が設けられ、前記液体容器の液中部と気体部の屈折率の違いを利用して外光により液面位置が視認できるように前記覗窓内面に光学構造が形成された反射型液面計に関する。

給水ポットに設けられた液量表示用の透明管、加湿器やスチームオーブン等の給水部などを構成する液体容器には、容器内にある液体の液面位置（水レベルなど）が外部から視認できるように透明な覗窓が容器側面に取り付けられている。しかしながら、単に透明な覗窓を設けるだけでは、透明な液体が容器内ある場合、液面位置を明確に視認することは困難であり、覗窓以外が遮蔽される場合、光量の不足により液面位置を視認することが困難となる。特開２００６−２３０７３８公報（特許文献１）に記載される給水ポットには、前記液量表示用透明管の下方に発光ダイオード（ＬＥＤ）が設置され、このＬＥＤからの光を前記液面で反射させ、液面位置を明確に視認できるように構成されている。しかし、ＬＥＤのような発光部を設けることは、液面計の構造と製造工程を複雑にするものであり、製造コストを増大させていた。

特開平０６−４３００３号公報（特許文献２）に記載のボイラ用液面計は、液面計ガラスと称される覗窓の内面に光学構造として三角形状の溝又は凸部が形成されて複数のプリズムが設けられている。図１８は、特許文献２に記載される従来の反射型液面計１０１の横断面図である。反射型液面計１０１は、押え部材１０１ａと受け部材１０１ｂの間にクッション材１０１ｃを介して液面計ガラスからなる覗窓１０６が挟まれて構成されている。覗窓１０６（液面計ガラス）の内面には、液体容器部１０２とプリズム面１０８が形成され、前記液体容器部１０２は、連通孔１０１ｄを介してボイラの缶体（図示せず）に連通し、このボイラの缶水が記液体容器部１０２内に流入する。

図１９は、従来の反射型液面計のプリズム面１１６における入射・反射光路を示した拡大断面図である。（１９Ａ）に示すように、従来の反射型液面計では、前記覗窓１０６の表面から垂直に入射し、前記覗窓１０６の内部を進行する垂直入射光１１７は、プリズム面１１６ａで反射される。前記プリズム１０８の断面形状が二等辺三角形であり、頂角θｐが９０°の場合、前記垂直入射光１１７の入射角αはα＝４５°となる。プリズム１０８はガラス製であり、ガラスの屈折率ｎ_１をｎ_１＝１．５とする。前記液体容器部１０２が水の無い気体部１０３ａである場合、空気の屈折率ｎ_２をｎ_２＝１とすると、プリズム面１１６における臨界角は、スネルの法則から約４１．８°となる。上述にように、入射角αはα＝４５°であるから、垂直入射光１１７はプリズム面１１６で全反射される。

一方、（１９Ｂ）に示すように、前記液体容器部１０２が水で満たされた液中部１０３ｂからなる場合、水の屈折率ｎ_３をｎ_３＝１．３３とすると、前記プリズム面１１６における臨界角はスネルの法則から約６２．５°となる。全反射の条件は破れ、垂直入射光１１７は前記プリズム面１１６で屈折し、透過光１２２として液中部１０３ｂ内に入射する。従って、垂直入射光１１７は、前記気体部１０３ｂに接触するプリズム面１１６で全反射され、前記液中部１０３ａとの境界面では全反射せずに透明化することから、前記液中部１０３ａと前記気体部１０３ｂの境界である液体位置が視認され易くなる。
特開２００６−２３０７３８公報特開平０６−４３００３号公報

しかしながら、前記気体部１０３ｂに接触するプリズム面１１６での全反射条件は、垂直入射光１１７もしくは入射角θｉが小さな傾斜入射光１１８に対して成り立っている。即ち、（１９Ａ）に示すプリズム面１１６ａでは、プリズム面１１６ａに対する傾斜入射光１１８の入射角αがα＝４５°−θｉとなるから、臨界角が４１．８°であるとすると、前記入射角θｉが３．２°より大きな場合には、全反射せずに透過光１２２が前記気体部１０３ｂ内に入射する。

また、（１９Ｃ）に示すように、プリズム面１１６ａに対する傾斜入射光１１８の入射角αがα＞４５°となり、臨界角を超える場合、前記傾斜入射光１１８はプリズム面１１６ａで全反射する。しかし、対向するプリズム面１１６ｂの入射角α’は、α’＝４５°−θｉで表され、この入射角θｉがθｉ＝３．２°より大きい場合には、前記傾斜入射光１１８が全反射せずに前記気体部１０３ｂ内に入射する。従って、前記傾斜入射光１１８の入射角θｉが−３．２°〜の３．２°の範囲に無い場合、全反射の条件は満足されず、覗窓表面１０６ｃに対して斜め方向（図１８の方向ｃ２）から従来の反射型液面計を視た場合、液体位置の視認性が低減していた。換言すれば、正確な液体残量を確認するためには、覗窓１０６を目視する方向を調整する必要があり、従来の反射型液面計を用いて簡単により正確な液体残量を確認することは困難であった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、液体容器内の液面位置が外光を利用して広角な方向からより明確に目視でき、より簡単に正確な液体量を確認できる反射型液面計を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために提案されたものであって、本発明の第１の形態は、液体容器の側面に覗窓が設けられ、この覗窓内面と前記液体容器内の液中部が接触する透過境界面では前記覗窓外面からの入射光を透過させ、前記覗窓内面と前記液体容器内の気体部が接触する反射境界面では前記入射光を反射させ、液面位置が前記覗窓を介して前記液体容器外から視認されるように前記覗窓内面に光学構造を形成した液体容器の反射型液面計において、前記光学構造が所定方向に連続的で同一断面形状を有する微細構造を周期的に配設した回折格子構造である反射型液面計である。

本発明の第２の形態は、第１の形態において、前記回折格子構造による１次回折光の回折角θ_Ｒ１が可視光に対して０．２°〜１０°の範囲にある反射型液面計である。

本発明の第２の形態は、第１又は第２の形態において、前記回折格子構造の周期間隔が０．００５ｍｍ〜０．１ｍｍである反射型液面計である。

本発明の第３の形態は、第１〜第３のいずれかの形態において、前記反射境界面における入射角に対する前記入射光の反射率分布が１次以上の反射回折光による高次成分を含み、前記反射率分布が前記入射角の増大に伴って前記高次成分を増加させる高次成分増大領域を有し、かつ０次及び高次の反射回折効率の和が十分高く、透明素材の回折格子の液面上部が銀色金属光沢の外観を呈するようになる反射型液面計である。

本発明の第４の形態は、第１〜第４のいずれかの形態において、前記各微細構造の前記断面形状が三角形であり、前記内面側の頂角が６０°〜１２０の範囲にある反射型液面計である。

本発明の第５の形態は、第１〜第５のいずれかの形態において、前記回折格子構造の周期方向が前記液面の平均面に対して平行若しくは略平行又は垂直若しくは略垂直となるように配設される反射型液面計である。

本発明の第６の形態は、第１〜第６のいずれかの形態において、前記覗窓内面に前記回折格子構造が形成されたフィルムを配設して、前記覗窓内面に前記回折格子構造を設ける反射型液面計。

本発明の第６の形態は、第１〜第７のいずれかの形態において、前記回折格子構造が射出成型、金型成型又は切削加工により形成される反射型液面計である。

本発明の第１の形態によれば、前記光学構造が所定方向に連続的で同一断面形状を有する微細構造を周期的に配設した回折格子構造であるから、前記気体部が接触する反射境界面では、１次以上の回折効果により広角な範囲から入射する入射光の反射率を増大させる増強することができる。従来の反射型液面計では、覗窓の外表面に対して鉛直でない方向から前記液面位置を視認することが困難であった。本発明に係る回折格子構造によれば、前記反射境界面において、１次以上の回折光として非鉛直な方向からの入射光も高効率に反射されるから、前記覗窓の外部から目視により気体部と液中部の境界を明確に区別して視認することができる。即ち、回折格子の効果が発現するような周期間隔を有する微細構造を覗窓内面に形成することにより、鉛直方向への全反射を利用した従来のプリズム構造と異なり、外光が前記反射境界面で広角な方向へ反射され、視認可能な角度範囲が格段に向上した反射型液面計を提供することができる。

本発明の第２の形態によれば、前記回折格子構造による１次回折光の回折角θ_Ｒ１が可視光に対して０．２°〜１０°の範囲にあるから、１次以上の回折光からなる高次成分を広角に反射させることができ、入射光の反射率を増加させることができる。波長λの光が前記回折格子構造の周期方向に対して入射角θｉで入射する場合、反射回折光の回折角θ_Ｒｍは、次の関係を有している。
ｓｉｎθｉ±ｓｉｎθ_Ｒｍ＝ｍλ／Ｄ（１）
ここで、Ｄは前記回折格子構造の周期間隔、ｍは次数であり、ｍ＝０，±１，±２，・・・である。入射角θｉがθｉ＝０°の場合、その１次の回折角θ_Ｒ１は（１）式から以下の式で表される。
θ_Ｒ１＝ｓｉｎ^−１（λ／Ｄ）（２）
少なくとも可視光の青色側に位置する波長０．４μｍの１次回折光が０．２°より大きな回折角θ_Ｒ１を有する必要がある。即ち、可視光における短波長側の回折光が所定の回折角以上に広がることによって、より高次及び／又は長波長側（赤色側）の可視光はより大きな回折角で反射され、入射光を広角な範囲に反射できる所望の反射率分布が実現される。可視光に対してθ_Ｒ１≧０．２°に設定するには、波長λ＝０．４μｍの場合に、周期間隔Ｄを約０．１１５ｍｍ以下に設定する必要があることが、上記（２）式から概算することができる。更に、１次回折光が１０°より大きくなると、反射角０°近傍に反射光量が著しく低下した反射角領域が形成され得る。従って、覗窓の目視方向を僅かに斜めにずらした場合、好適な量の反射光が目視されず、液面位置が明確に観察されないことが考えられる。可視光に対してθ_Ｒ１≦１０°に設定するには、波長λ＝０．７μｍの場合に、周期間隔Ｄを約０．００４ｍｍ以上に設定する必要があることが、上記（２）式から概算することができる。１次回折光の回折角θ_Ｒ１が可視光に対して０．２°〜１０°の範囲にすれば、上記の概算から、広角な範囲に反射光が放射され、反射角の増大に伴う反射率の低減が回折光により補われ、斜め方向から覗窓を目視した場合においても、前記回折格子構造と前記気体部との反射境界面から好適な量の反射光が観察されることが分かる。換言すれば、斜め方向から覗窓を目視しても前記透過境界面と反射境界面からの反射光量に明確な差異が生じ、反射型液面計における目視角度依存性を改善することができ、液体位置を明確に視認することができる。

本発明の第３の形態によれば、前記回折格子構造の周期間隔が０．００５ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲にあるから、前記高次成分を広角に拡がることにより、前記覗窓の斜め方向から液体位置を観察しても明確に液体量を確認することができる。前述の概算では、前記回折格子構造の周期間隔が０．００４ｍｍ〜０．１１５ｍｍの範囲に設定すべきことが見積もられたが、前記覗窓内面に回折格子構造を形成して種々の回折格子構造パターンに関する実験結果から、本発明者の鋭意研究の結果、反射型液面計における目視角度依存性を改善するために、より好適な周期間隔の範囲が得られている。前記回折格子構造の周期間隔Ｄが０．１ｍｍ以下に設定された場合、回折効果により前記反射境界面における好適な反射率分布を得ることができ、目視角度依存性を改善することが実験的に確認されている。更に、前記周期間隔Ｄが０．００５ｍｍ以上に設定された場合、前記反射境界面における好適な反射率分布が得られることが確認されており、０．００５ｍｍよりも前記周期間隔Ｄが小さくなった場合、前記反射境界面における反射率が低下し、液面位置の視認性が低下する結果が得られている。０．００５ｍｍ以下になると回折による光の分散が大きくなると同時に反射する次数が最大で±１８次までの範囲となることから、反射角の波長依存性が顕著になり、視認できる程度に分光されて虹色になる。また、後述のシミュレーション結果において、気体部と接触する反射境界面では、回折格子の反射率が視野角±２０°で３０％以下になり、気体部による銀色金属光沢を有する反射と液中部による反射のコントラストが不明瞭になって視認性が低下する。従って、前記回折格子構造の周期間隔Ｄを０．００５ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲に設定することにより、反射型液面計における目視角度依存性を格段に改善することができ、液体位置をより明確に視認することができる。

本発明の第４の形態によれば、前記反射境界面での入射角に対する反射率分布が１次以上の反射回折光による高次成分を含み、この反射率分布が入射角の増大に伴って前記高次成分を増加させる高次成分増大領域を有することから、０次の反射回折光が前記入射角の増大に伴って減少することを補い、入射角に対する好適な反射率分布を前記反射境界面に付与することができる。且つ０次及び高次の反射回折効率の和が十分高く、透明素材の回折格子の液面上が銀色の外観を呈するから、前記透過境界面と反射境界面における反射率に明確な差異が生じ、斜め方向から覗窓を目視しても液体位置を明確に視認することができる。
後に詳述する反射率に関するシミュレーション結果では、前記回折格子構造の周期間隔Ｄが好適な範囲にある場合、高次成分増大領域において、入射角θ_ｉが０°から増加するに伴って反射率は顕著に増大する結果が得られている。一方、上記シミュレーション結果において、０次回折の反射率は、入射角０°に鋭いピーク構造を有し、入射角θ_ｉの増加に伴って急激に減少する。従って、前記高次成分により０次回折の減少が補われ、入射角θ_ｉが増大しても好適な反射率で反射光が放射される。

本発明の第５の形態によれば、前記各微細構造の前記断面形状が三角形であり、前記内面側の頂角θｐが６０°〜１２０°の範囲にあるから、前記覗窓内面と気体部の反射境界面が幾何光学に従う全反射条件もしくは高反射率の条件を満足し易くなり、前記反射境界面において入射光が高反射率で反射される。前述のように、ガラスの屈折率ｎ_１をｎ＝１．５、空気の屈折率をｎ_２＝１とすれば、スネルの法則から前記反射境界面の臨界角は約４１．８°となり、水の屈折率をｎ_３＝１．３３とすると、前記透過境界面の臨界角は約６２．５°となる。前記断面形状が三角形である場合、前記頂角を挟む２面における入射角α、α’は、θｐ＝α＋α’の関係を有している。従って、前記頂角θｐが６０°〜１２０°の範囲にあれば、前記透過境界面を形成する前記２面では、確実に入射角を臨界角６２．５°以下にすることができ、前記反射境界面では、入射角α、α’の両方又は一方を臨界角以上に設定することができる。更に、本発明に係る反射型液面計によれば、全反射条件を満たさない角度から入射する光の反射率を、回折格子構造によって好適な反射率で反射させることができ、液面位置の視認性をより向上させることができる。即ち、前記反射境界面では、高次に回折分散される多色光の混合により、銀色金属的な光沢を有し、液中部にある透過境界面とは明瞭な違いが生じている。

本発明の第６の形態によれば、前記回折格子構造の周期方向が前記液面の平均面に対して平行若しくは略平行又は垂直若しくは略垂直となるように配設されるから、前記液面位置をより確実に視認することができる。前記回折格子構造の周期方向が液面と平行になるように設置される場合、目視方向が覗窓外面に垂直な方向から左右にずれても、回折効果が高効率に作用して左右方向に対する前記反射境界面での反射率を増大させるから、透過境界面との違いを明確に視認することができる。周期方向が液面と平行になるように設置されれば、目視方向が覗窓外面に垂直な方向から上下にずれても、液面位置の視認性の低下が抑制され、より確実に液体量を視認することができる。

本発明の第７の形態によれば、前記覗窓内面に前記回折格子構造が形成されたフィルムを配設して、前記覗窓内面に前記回折格子構造を設けるから、種々の形状の液体容器に本発明に係る反射型液面計を配設することができる。液体容器の大きさや形状に応じて覗窓内面の大きさや形状も変化するが、これに合わせて前記回折格子構造の製造工程を設定せずに、前記フィルムを前記液面容器に応じて加工することができ、本発明に係る反射型液面計の製造コストを低減することができる。

本発明の第８の形態によれば、前記回折格子構造が射出成型、金型成型又は切削加工により形成されるから、従来の製造装置を用いて本発明に係る反射型液面計を製造することができると共に、前記回折格子構造の周期間隔や格子構造を設計に従って高精度に設定することができる。従って、目視角度依存性が改善されて液体位置を明確に視認することができる反射型液面計を高効率に低コストで提供することができる。前記回折格子構造が形成された前記覗窓又は前記フィルムの材料には、各種のガラスや透明樹脂などが用いられ、透明樹脂が用いられる場合、ポリカーボネート、アクリル樹脂、ＡＳ、ＰＳ、ＭＳ、シクロオレフィン系樹脂及びＣＲ３９等から適宜選択することができる。

以下、本発明に係る装置の実施の形態を、図１〜図１５に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る反射型液面計を具備する液体容器の構成概略図である。（１Ａ）に示すように、液体容器２は、液体容器本体４、覗窓６及びこの覗窓６の内面に配設された回折格子部８から構成され、前記液体容器２内に液体１０が貯留されている。従って、この液体容器２の内部は、気体部３ａと液中部３ｂから構成され、液面１２を示す液面位置１４が矢印ｂの方向から目視することができる。即ち、後述するように、矢印ｂの方向から目視した場合、回折格子構造が形成された回折格子部８により、覗窓外面を構成する反射部表面６ａと透過部表面６ｂとが区別され、液面位置１４を明瞭に視認することができる。前記反射部表面６ａは金属表面の様に視え、透過部表面６ｂは透明に視えることにより液面位置１４が視認される。（１Ｂ）は、（１Ａ）に示した回折格子部８の拡大斜視図であり、回折格子部８が覗窓６の内面に密着配置され、その表面には三角形状の回折格子構造８ａが形成されている。

図２は、図１に示した液面容器２のＡ−Ａ線断面概略図である。（２Ａ）に示すように、前記気体部３ａと回折格子部８と接触面は反射境界面５となり、方向ｂ１からの入射光が反射部表面から入射し、前記反射境界面５で反射される。一方、方向ｂ２からの入射光は前記透過部表面６ｂに入射し、前記液中部３ｂと回折格子部８と接触面である透過反射部７を透過する。従って、前記反射境界面５と透過反射部７における入射光に対する反射率が明確に異なり、液面位置１４が視認される。ここで、方向ｂ１及びｂ２は、前記覗窓外面に対して垂直な方向のみを示すものではなく、垂直な方向からずれて入射する光の方向も包含している。また、（２Ｂ）に示すように、覗窓６に回折格子部８を形成し、一体構造の覗窓を製造することもできる。尚、図１で説明した同一符号の部材については、必要でない限り、説明を省略する。

図３は、図１の矢印ａ方向から見た回折格子部８の拡大図である。図３の回折格子部８は、液面位置１４に対して周期方向が直交する配置になっている。反射境界表面５における微小領域（二点破線）のＢ−Ｂ断面を図４（４Ａ）に示し、入射角θｉと回折角θ_Ｒｍについて説明する。図４（４Ａ）に示すように、垂線１９に対して入射角θｉで回折格子部を進行する入射光１８ａは、格子構造面１６ａにより反射角θ_Ｒｍで反射されて反射光２０ａとなる。同様に、入射光１８ｂは隣接する格子構造において反射され、反射光２０ｂとなる。入射光１８ａ、１８ｂの光路差Δ２は、周期間隔Ｄを用いてＤ・ｓｉｎ（θｉ）となり、反射光２０ａ、２０ｂの光路差Δ１は、Ｄ・ｓｉｎ（θ_Ｒｍ）で表される。従って、反射光２０ａ、２０ｂが回折光として反射されるためには、以下の（１）式を満足する。
ｓｉｎ（θｉ）＋ｓｉｎ（θ_Ｒｍ）＝ｍλ／Ｄ（１）
ここで、λは波長、ｍ０，±１，±２，・・・は次数を表し、図に示す角度を正の値とし、垂線１９に対してθ_Ｒ０方向への角度を負の値としている。従って、０次の反射回折光２１（ｍ＝０）は、図に示すように、θ_Ｒ０＝−θｉとなる方向に反射される回折光である。

図５〜図１５は、本発明に係る回折格子構造に対して計算された反射率の入射角依存性である。より好適な回折格子構造を設計するため、回折シミュレーションソフト“ＧＯＳＯＬＶＥＲＶｅｒ．４．１２”（Grating Solver Development Company 製）を用いて、回折効率（ＤＥ）の計算を行っている。このソフトでは、Rigorous Vector Coupled-Wave Analysis (M. G. Moharam and T. K. Gaylord, "Rigorous Coupled-Wave Analysis of Planar-Grating Diffraction," J. Opt. Soc. Am. Vol. 71, pp. 811-818, 1981)により回折効率（ＤＥ）の計算が行われており、単色光に対して精密な数値解を得ることができる。回折効率（ＤＥ）は、一般的に以下の式で定義され、その反射成分から反射率を導出することができる。
ＤＥ_ｍ＝｜Ｒ_ｍ｜^２Ｒｅ（ｋ_ｚｍ／ｋ_１ｚ）（２）
ここで、Ｒ_ｍはｍ次回折波の複素振幅、ｋ_ｚｍは回折波の波数ベクトルのｚ成分、ｋ_１ｚは入射光の波数ベクトルのｚ成分である。上記ソフトによる数値計算では、回折格子構造を構成する三角形状を図４に示す２等辺三角形とし、頂角θｐは、９０°としている。更に、図４（４Ｂ）に示すように、この三角形状の回折格子構造８ａは、周期方向の幅が徐々に狭まるように平板を積層した構造により近似されており、格子構造面１６ａが積層された階段形状で近似される。前記平板の厚さが入射光の波長より小さくなるように設計され、積層の数を階数（レベル）と呼べば、以下に示すシミュレーションでは、レベル７０で計算が行われている。ここで、光の波長はλ＝０．７μｍに設定され、回折格子構造はガラスから形成されるものとし、ガラスの屈折率ｎ_１をｎ_１＝１とし、空気の屈折率ｎ_２をｎ_２＝１としている。

図５は、周期間隔（ピッチ）Ｄが０．０１ｍｍの場合のシミュレーション結果をまとめた図表であり、図６はそれらをプロットしたグラフ図である。図５は、０°〜２０°の範囲で入射角θｉに対して、０次〜±３６次回折光の反射率を数値計算したシミュレーション結果である。図５には、０次回折光の反射率（以下、「０次成分」と呼ぶ）、１以上と−１次以下の各反射率を全て足し合わせた高次の反射率（以下、「高次成分」と呼ぶ）及び０次成分と高次成分を足し合わせた全反射率が示されている。図６では、各入射角に対する前記０次成分を白丸（○）で、高次成分を白三角（△）で、全反射率を黒丸（●）で示している。

図５及び図６に示すように、入射角２０°に対応する視野角±２０°で反射率が３５％以上であることがシミュレーション結果から立証されている。反射率に寄与するのは高次成分によるものであり、０次成分の寄与は入射角θｉ＝０°を除いて１０％以下である。図示しないが、周期間隔（ピッチ）Ｄを０．０１ｍｍよりも大きくした場合においても、０．１ｍｍまでは、ほぼ同様の結果が得られている。また、高次成分は、θｉが大きくなると伴に反射率が増大し、θｉ＝５°に１つ目のピークが存在し、反射率が６０％程度まで達している。このような高次成分増加領域がθｉ＞０°の範囲に少なくとも１以上存在することにより、視野角が大きな位置においても好適な反射率が付与される。

図７には、周期間隔（ピッチ）Ｄが０．０１ｍｍの場合に、入射角範囲を０°〜８０°まで拡大して計算したシミュレーション結果を示す。（７Ａ）には反射境界面に対する結果を、（７Ｂ）には、水の屈折率ｎ_３をｎ_３＝１．３３とした場合の透過境界面における反射率分布のシミュレーション結果を示す。更に、（７Ａ）の結果を図８に、（７Ｂ）の結果を図９にプロットしている。また、図５及び図６と同様に、図８及び図９は、０次成分、高次成分及全反射率を示しており、各入射角に対する０次成分を白丸（○）で、高次成分を白三角（△）で、全反射率を黒丸（●）で示している。以下、図１０〜図１５においても同様である。

（７Ａ）及び図８に示すように、入射角８０°に対応する視野角±８０°の場合においても、前記回折格子構造による反射率は低下することがない。即ち、ほぼ全方向から目視しても気体部を形成する空気と接触する反射境界面では、銀色金属光沢有する反射として視認される。（７Ｂ）及び図９に示すように、ガラスからなる回折格子構造と水とが接触する透過境界面では、視野角±４０°までは、反射率が１０％以下であり、視野角±６０°においても２０％以下である。従って、広い視野角に対して光が透過することが回折シミュレーションの結果からも明らかにされており、前記反射境界面との良好なコントラストが実現される。

図１０及び図１１には、周期間隔（ピッチ）Ｄが０．００５ｍｍの場合に、０°〜８０°の入射角範囲に対して計算されたシミュレーション結果を示す。図１０及び図１１に示すように、Ｄが０．０１ｍｍの場合に比べ、各入射角に対する反射率が僅かに低下しているが、入射角の増大に伴う０次成分の急激な減少を補うように、高次成分が増強されて広い視野角に対して反射率が保持されている。即ち、反射率分布のピークが入射角０°より大きな範囲にある高次成分増加領域が明確に存在し、周期間隔（ピッチ）Ｄが０．００５ｍｍの場合では、回折効果により斜め方向から液面位置を目視してもコントラストが保持され、明確に液体量を確認することができる。

図１２及び図１３には、比較例として周期間隔（ピッチ）Ｄが０．００３ｍｍの場合に、０°〜８０°の入射角範囲に対して計算されたシミュレーション結果を示す。図１２及び図１３に示すように、周期間隔（ピッチ）Ｄが０．０１ｍｍより小さくなり、Ｄ＝０．００３ｍｍとなると、各入射角に対する反射率が低下し、高次成分の反射率分布も０°又は０°近傍にピーク位置があり、入射角の増大に伴い反射率も低下している。従って、このシミュレーション結果では、周期間隔（ピッチ）Ｄ＜０．００５ｍとなり、Ｄ＝０．００３ｍｍとなると、好適な反射境界領域が形成されないことが明らかにされている。

図１４及び図１５には、比較例として周期間隔（ピッチ）Ｄが０．００１ｍｍの場合に、０°〜８０°の入射角範囲に対して計算されたシミュレーション結果を示す。Ｄ＝０．００１ｍｍとなると、各入射角に対して反射率が１０％以下となり、特に、入射角０°に近い領域において反射率の著しい低下が見られる。０次成分ですら、入射角０°では反射率が１０％以下になっている。図１２〜図１５の結果は、前記反射境界面において回折効果を利用するために、高次成分として有効な回折次数の数が保持される必要があることを示唆しており、周期間隔（ピッチ）Ｄ＜０．００５ｍでは、所望の反射率が得られないことを示している。

図１６は、本発明に係る反射型液面計の視認性を目視により試験した結果を示す図表である。前記周期間隔が０．００１ｍｍから５ｍｍまでの範囲にある各々の回折格子部（フィルム状）を用いて、液面位置の視認性を試験した。各回折格子部には三角形状の回折格子構造が形成されており、頂角は全て９０°に設定されている。目視方向を上記回折格子部表面に垂直に設定した場合と、垂直方向から約２０°程度ずらした方向（目視方向２０°）から液面位置を観察している。観察は空気中で行われ、液体には水を用いている。液面位置の視認性が良好なものを◎、視認可能なものを○、視認が困難であるものを△とした。目視方向０度では、周期間隔が５ｍｍ〜０．００５ｍｍの範囲において良好な視認性が確認され、０．００３ｍｍでは視認可能であり、０．００１ｍｍでは視認が困難となっている。目視方向２０°では、良好な視認性を有する範囲が狭まり、０．１ｍｍ〜０．００５ｍｍの範囲で良好な視認性が確認されている。この結果は、上述のシミュレーション結果と良い一致を示すと共に、０．１ｍｍ程度から回折格子の効果により目視方向を広げても液体位置が視認できることを実験的に立証するものである。

図１７は、本発明に係る反射型液面計を具備するスチームオーブンレンジ用の液体容器２の概略図である。家電製品のスチームオーブンレンジ５１は、液体容器２（ここでは、「給水容器２」と呼ぶ）に、ほぼ毎回、料理する前に給水を行う必要がある。水が無い状態で料理すると、料理から水分が失われ、料理の味が損なわれる場合が多い。フタ４０付きの給水容器２には、水が入っており、液面に対して周期方向が平行の回折格子部８を覗窓６内面に設けられており、液面位置１４を明確に視認することができる。給水容器２を覗窓６が前方に向くように装着部５２に配置すれば、常時、水の量を明瞭に確認することができる。

本発明は、上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。

本発明に係る反射型液面計によれば、給水ポットに設けられた液量表示用の透明管、加湿器やスチームオーブン等の給水部などを構成する液体容器に用いて、容器内にある液体の液面位置（水レベルなど）を外部からより明確に視認することができる。従って、供給する液体が加熱される場合など、供給水が無くなると熱エネルギーの無駄な消費でるだけでなく、加熱装置自身が危険な温度まで加熱される可能性がある。本発明によれば、反射型液面計における目視角度依存性を改善することができ、液体位置を明確に視認することができるから、液体供給が必要とされる装置を適切な状態で安全かつ効率的に使用することができる。

本発明に係る反射型液面計を具備する液体容器の構成概略図である。図１に示した液面容器のＡ−Ａ線断面概略図である。図１の矢印ａ方向から見た回折格子部の拡大図である。図３の反射境界表面における微小領域のＢ−Ｂ断面図である。周期間隔Ｄが０．０１ｍｍの場合のシミュレーション結果（０°〜２０°）を示す図表である。図５の結果をプロットしたグラフ図である。周期間隔Ｄが０．０１ｍｍの場合のシミュレーション結果（０°〜８０°）を示す図表である。図７（７Ａ）の結果をプロットしたグラフ図である。図７（７Ｂ）の結果をプロットしたグラフ図である。周期間隔Ｄが０．００５ｍｍの場合のシミュレーション結果（０°〜８０°）を示す図表である。図１０の結果をプロットしたグラフ図である。比較例である周期間隔Ｄが０．００３ｍｍの場合のシミュレーション結果（０°〜８０°）を示す図表である。比較例である図１２の結果をプロットしたグラフ図である。比較例である周期間隔Ｄが０．００１ｍｍの場合のシミュレーション結果（０°〜８０°）を示す図表である。比較例である図１４の結果をプロットしたグラフ図である。本発明に係る反射型液面計の視認性を目視により試験した結果を示す図表である。本発明に係る反射型液面計を具備するスチームオーブンレンジ用の液体容器の概略図である。従来の反射型液面計の横断面図である。従来の反射型液面計のプリズム面における入射・反射光路を示した拡大断面図である。

符号の説明

２液体容器
３ａ気体部
３ｂ液中部
４液体容器本体
５反射境界面
６覗窓
６ａ反射部表面
６ｂ透過部表面
７透過反射部
８回折格子部
８ａ回折格子構造
１２液面
１４液面位置
１６ａ格子構造面
１８ａ入射光
１８ｂ入射光
１９垂線
２０ａ反射光
２０ｂ反射光
２１反射回折光
５１スチームオーブンレンジ
５２装着部
１０１反射型液面計
１０１ａ押え部材
１０１ｂ受け部材
１０１ｃクッション材
１０１ｄ連通孔
１０２液体容器部
１０３ａ気体部
１０３ｂ液中部
１０６覗窓
１０８プリズム
１１６プリズム面
１１６ａプリズム面
１１６ｂプリズム面
１１７垂直入射光
１１８傾斜入射光
１２２透過光
θｐ頂角
θｉ入射角
θ_Ｒｍ回折角
Ｄ周期間隔

Claims

液体容器の側面に覗窓が設けられ、この覗窓内面と前記液体容器内の液中部が接触する透過境界面では前記覗窓外面からの入射光を透過させ、前記覗窓内面と前記液体容器内の気体部が接触する反射境界面では前記入射光を反射させ、液面位置が前記覗窓を介して前記液体容器外から視認されるように前記覗窓内面に光学構造を形成した液体容器の反射型液面計において、前記光学構造が所定方向に連続的で同一断面形状を有する微細構造を周期的に配設した回折格子構造であることを特徴とする反射型液面計。
前記回折格子構造による１次回折光の回折角θ_Ｒ１が可視光に対して０．２°〜１０°の範囲にある請求項１に記載の反射型液面計。
前記回折格子構造の周期間隔が０．００５ｍｍ〜０．１ｍｍである請求項１又は２に記載の反射型液面計。
前記反射境界面における入射角に対する前記入射光の反射率分布が１次以上の反射回折光による高次成分を含み、前記反射率分布が前記入射角の増大に伴って前記高次成分を増加させる高次成分増大領域を有し、かつ０次及び高次の反射回折効率の和が十分高く、透明素材の回折格子の液面上部が銀色金属光沢の外観を呈するようになる請求項１〜３のいずれかに記載の反射型液面計。
前記各微細構造の前記断面形状が三角形であり、前記内面側の頂角が６０°〜１２０の範囲にある請求項１〜４のいずれかに記載の反射型液面計。
前記回折格子構造の周期方向が前記液面の平均面に対して平行若しくは略平行又は垂直若しくは略垂直となるように配設される請求項１〜５のいずれかに記載の反射型液面計。
前記覗窓内面に前記回折格子構造が形成されたフィルムを配設して、前記覗窓内面に前記回折格子構造を設ける請求項１〜６のいずれかに記載の反射型液面計。
前記回折格子構造が射出成型、金型成型又は切削加工により形成される請求項１〜７のいずれかに記載の反射型液面計。