JP6064161B2

JP6064161B2 - 非接触液体検知構成

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Publication number: JP6064161B2
Application number: JP2012142643A
Authority: JP
Inventors: 正芳宮原
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2032-06-26
Also published as: JP2014006171A

Description

本発明は、容器の内部に蓄えた水等の透明な液体を利用する電気機器に搭載する容器の内部の液体の有無を容器の外部から液体に非接触で検知する非接触液体検知構成に関する。

従来、この種の透明液体の非接触の液体検知構成としては超音波信号を液体の表面に向けて照射し、このとき液体の表面からの超音波信号の反射時間の変化から液体の有無を検知する構成が代表的な方式として知られているが、同構成は超音波信号を送受信する超音波素子の価格が非常に高価であることから高価な計測機や液体検知に高い精度が要求される機器においてのみ活用され、例えば水を使用して空気加湿を行う加湿機等の一般的な電気機器において広く活用されている構成ではなかった。

比較的安価で一般的な電気機器において活用できる構成としては蓄える液体と空気の光の絶対屈折率の違いにより、空気と液体の界面に斜め方向から入射する光は界面において屈折する屈折の法則を応用した構成があり、一例としては、発光素子と受光素子とを光透過体で構成した容器の外部において対向配置し、発光素子から光を出力して、この出力した光が容器を透過して容器と液体との境界面にて屈折することにより受光素子において受光される光量が変化する作用を活用することで液体の有無を検出するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、その非接触液体検知構成について図９および図１０を参照しながら説明する。

図９に示すように、従来の構成はポリエチレン等の赤外光が透過する材料で構成された液体を蓄える容器体１００の角部の外側に、容器体１００の内部に蓄える被検出液体１０１と容器体１００の内面が接する境界面１０２に対して赤外光を放射する赤外発光素子１０３を垂直以外の角度で赤外光が入射するように配置し、また前記の入射方向の延長方向に赤外光の受光量に比例した電気出力信号を出力する赤外受光素子１０４を容器体１００の角部を外側から挟み込む形態で配置して、さらに赤外受光素子１０４から出力される電気出力信号の変化から液体の有無の判定処理を行う制御回路部１０５を備えていた。

この、構成により赤外発光素子１０３から出力された赤外光は、容器体１００の内部に被検出液体１０１が無いときには、図上、点線の矢印線で示しているように、ほぼ入射方向の延長線上に容器体１００の角部を透過して、また容器体１００の内部に被検出液体１０１が有るときには容器体１００と被検出液体１０１の境界面１０２にて空気と被検出液体１０１の絶対屈折率の違いから屈折の法則に基づいて屈折することで、図上、実線の矢印線で示しているように、容器体１００の内部に被検出液体１０１が無い状態とは異なる延長線上に至ることとなる。

よって、赤外受光素子１０４の側への赤外光の透過光量は被検出液体１０１が有無により赤外光の屈折により変化することとなり、赤外受光素子１０４からは被検出液体１０１が有無に応じて異なる電気出力信号が出力されることから、この電気出力信号の変化を制御回路部１０５で判定することで容器体１００の内部の被検出液体１０１の有無を検知する構成であった。

また、図１０に示すように、被検出液体１０１を通す透明パイプ１０６を斜めに挟んで赤外発光素子１０３と赤外受光素子１０４とが対向配置することで、前記同様に判定することで容器体１００の内部の被検出液体１０１の有無を検知する構成であった。

特開２０００−３２９６０９号公報

このような従来の非接触液体検知構成においては、透明な容器体１００の角部や、あるいは透明パイプ１０６を斜めに挟んで赤外発光素子１０３と赤外受光素子１０４を対向させて配置して被検出液体１０１との境界面１０２に対して赤外発光素子１０３が放射する赤外光を垂直以外の角度で入射させることで、容器体１００や透明パイプ１０６の内部に入射した赤外光の進行方向が内部の被検出液体１０１の有無により屈折することにより赤外受光素子１０４の側への赤外光の透過光量が変化することに基づいて液体の有無を非接触状態で検知できる構成であった。

しかしながら、光の絶対屈折率は空気中においてはほぼ１であり、水を代表とする液体や、樹脂やガラス等の個体中においては１．３以上であることから容器の角部やパイプの並行となる外壁に対して光を斜めに入射させた場合、光は周囲空間の空気から内部の液体の方向への入射界面においては入射角に対してより鋭角方向に屈折するが、液体から周囲空間の空気の方向への入射界面においては入射角に対してより広角方向に屈折して空間の方向に透過して進む一方、一部は液体の方向に反射されて戻ることとなる。

例えば液体が水であるときには入射の角度が一般的に臨界角と呼ばれる約４９°以上であれば全反射されて容器やパイプの内部に留まり、この臨界角の以内においても液体の中に入射した光の多くの部分が液体の方向に反射されて、透過する光が減少することとなる。

また、長期使用における容器の埃や汚れ付着に基づく透過光量の減少も考慮する必要があるが、搭載する電気機器が例えば検知対象となる水があれば運転を継続させる加湿機等の水利用機器であれば、受光素子の受光量の減少は、水が無い状態と埃や汚れに基づき透過光量が減少した状態も同意として水が無い状態の判定を行うことで、機器の運転を停止して利用者に給水や機器の清掃等のメンテンナンスを促すことがフェールセーフの動作となる。

このことから、液体があれば運転を継続させる加湿機等の機器が搭載対象であれば発光素子と受光素子は液体が有るとき、すなわち入射光が屈折するときに受光素子の受光量が増加する配置が必要となり、液体が無い状態に対して有る状態の方が受光素子の受光量がより大きく変化し、そのときの受光量の差がより大きい方が安定した液体の検知に有利となる。

よって、安定的な液体の検知のためには光の発光素子と受光素子の容器に対する配置角度の設定が重要であるが、この角度設定以上に反射による透過光量の減少を考慮した設定が必要となる。

以上のことから、この透過光量の減少を考慮して一般的には発光素子に高発光効率の物を使用したり、また印加電力を増やすことで発光強度を高めたり、あるいは高受光変換効率の受光素子を用いる対策を施す等、検知のために高価で入手性に劣る部品を選定する必要が有り、また、より多くの電力を要することから、一般的な家電機器に広く搭載する活用性の面で劣る課題を有していた。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、液体から受光素子の方向への光の透過光量の減少を抑制することにより、発光素子の発光効率と受光素子の受光変換効率に対する選定の仕様条件の幅を広げて用いることができる素子の入手性が高め、また検知のための電力消費の低減を可能とすることで、一般的な電気機器により広く搭載できる非接触液体検知構成を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明は、光を透過し内部に液体を蓄えるための空間を設けた容器体と、この容器体の外部から内部に光を照射する発光素子と、前記の発光素子の照射した光を前記容器体の内部から外部へ透過させて、その光の受光量に応じた電気信号を出力する受光素子を容器体の外部に配置して備えた構成において、前記発光素子は、前記容器体の表面に垂直以外の角度で光を入射する配置とし、前記受光素子は、前記容器体の内部に液体が有る状態で入射した光が到達する位置にあって、光の進行軸の中心の延長方向において光を受光する配置とし、前記容器体には、前記受光する光の光軸の中心が前記容器体の内部から外部へ透過するときに略垂直となる平面形状の光透過平面部を備えて、前記受光量の増加が判断される状態にあれば容器体の内部に液体が有ると判定するようにしたものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

また本発明は、光を透過し内部に液体を蓄えるための空間を設けた容器体と、この容器体の外部に光を照射する発光素子と、また前記発光素子の照射した光を受光して受光量に応じた電気信号を出力する受光素子を液体表面の上方向に配置して備えて、前記発光素子は、前記容器体の表面に垂直以外の角度で上方向に向かい光を入射させたときに、前記の入射した光が容器体の内部に液体が有る状態で進行する延長方向において規定する深さの液体表面において全反射を生じる配置とし、また前記容器体の内部には前記の全反射により進行方向が変化した光の進行軸の中心が液体表面に対して略垂直に入射するように反射する反射面を備え、さらに前記受光素子は前記反射面で反射されて進行方向が変化した光を受光する配置として、受光素子の出力する電気信号の変化から受光量の増加が判断される状態にあれば容器体の内部に液体が有ることを判定するようにした。

本発明によれば、光を透過し内部に液体を蓄えるための空間を設けた容器体と、この容器体の外部から内部に光を照射する発光素子と、前記の発光素子の照射した光を前記容器体の内部から外部へ透過させて、その光の受光量に応じた電気信号を出力する受光素子を容器体の外部に配置して備えた構成において、前記発光素子は、前記容器体の表面に垂直以外の角度で光を入射する配置とし、前記受光素子は、前記容器体の内部に液体が有る状態で入射した光が到達する位置にあって、光の進行軸の中心の延長方向において光を受光する配置とし、前記容器体には、前記受光する光の光軸の中心が前記容器体の内部から外部へ透過するときに略垂直となる平面形状の光透過平面部を備えて、前記受光量の増加が判断される状態にあれば容器体の内部に液体が有ると判定するようにしたことにより、液体の無い状態と有る状態の受光量の差をより顕著にすることができるので、発光素子の発光効率と受光素子の受光変換効率に対する選定の仕様条件の幅が広がることで用いることができる素子の入手性が高まり、また検知のための電力消費の低減が可能となるために、一般的な電気機器に対してより広く搭載して活用し易くすることができるという効果を奏する。

また本発明によれば、光を透過し内部に液体を蓄えるための空間を設けた容器体と、この容器体の外部に光を照射する発光素子と、また前記発光素子の照射した光を受光して受光量に応じた電気信号を出力する受光素子を液体表面の上方向に配置して備えて、前記発光素子は、前記容器体の表面に垂直以外の角度で上方向に向かい光を入射させたときに、前記の入射した光が容器体の内部に液体が有る状態で進行する延長方向において規定する深さの液体表面において全反射を生じる配置とし、また前記容器体の内部には前記の全反射により進行方向が変化した光の進行軸の中心が液体表面に対して略垂直に入射するように反射する反射面を備え、さらに前記受光素子は前記反射面で反射されて進行方向が変化した光を受光する配置として、受光素子の出力する電気信号の変化から受光量の増加が判断される状態にあれば容器体の内部に液体が有ることを判定する構成にしたことにより、液体の無い状態と有る状態の受光量の差をより顕著にすることができるので、発光素子の発光効率と受光素子の受光変換効率に対する選定の仕様条件の幅が広がることで用いることができる素子の入手性が高まり、また検知のための電力消費の低減が可能となるために、一般的な電気機器に対してより広く搭載して活用し易くすることができるというという効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１の非接触液体検知構成の主要部分の構成を破断させて示した正面図同非接触液体検知構成の主要部分の別の構成を破断させて示した正面図同非接触液体検知構成の主要部分の一部分を破断させて簡略化して示した正面図同液体検知構成の主要部分の他の一例の構成を破断させて示した正面図同液体検知構成の主要部分のもう１つの一例の構成を破断させて示した正面図本発明の実施の形態２の非接触液体検知構成の主要部分の構成を破断させて示した正面図同非接触液体検知構成の主要部分の一部分を破断させて簡略化して示した正面図同液体検知構成の他の一例の主要部分の構成を破断させて示した正面図従来の非接触液体検知構成の主要部分の構成を拡大して示した断面構成図同非接触液体検知構成の主要部分の構成を破断させて示した断面構成図

本発明の非接触液体検知構成は、光を透過し内部に液体を蓄えるための空間を設けた容器体と、この容器体の外部から内部に光を照射する発光素子と、前記の発光素子の照射した光を前記容器体の内部から外部へ透過させて、その光の受光量に応じた電気信号を出力する受光素子を容器体の外部に配置して備えた構成において、前記発光素子は、前記容器体の表面に垂直以外の角度で光を入射する配置とし、前記受光素子は、前記容器体の内部に液体が有る状態で入射した光が到達する位置にあって、光の進行軸の中心の延長方向において光を受光する配置とし、前記容器体には、前記受光する光の光軸の中心が前記容器体の内部から外部へ透過するときに略垂直となる平面形状の光透過平面部を備えて、前記受光量の増加が判断される状態にあれば容器体の内部に液体が有ると判定するようにしたという構成を有する。

すなわち、容器体に受光素子の受光する光の光軸の中心に略垂直となる平面形状の光透過平面部を備えて、内部に液体が有る状態において、受光素子は、発光素子が照射した光であって透過平面部を透過した光を受光して、この受光素子の出力する電気信号の変化から受光量の増加が判断できるときには液体の有る状態を判定する構成としている。

これにより、内部に液体が有る状態では光透過平面部を透過する光は略垂直に入射するので、液体内側への反射が最小となって透過光量の減少は抑制されるので、液体の無い状態に対して、液体の有る状態の受光量を大きくすることができる。

つまり、液体の無い状態と有る状態の受光量の差をより顕著にすることができるので、発光素子の発光効率と受光素子の受光変換効率に対する選定の仕様条件の幅が広がることで用いることができる素子の入手性が高まり、また検知のための電力消費の低減が可能となるために、一般的な電気機器に対してより広く搭載して活用し易くすることができるという効果を奏する。

また、光素子は容器体の内部に液体が無い状態で入射した光が到達する位置にあって、光の進行軸の中心の延長方向において光を受光する配置とし、前記容器体には、前記受光する光の光軸の中心が前記容器体の内部から外部へ透過するときに略垂直となる平面形状の光透過平面部を備えて、前記受光量の増加が判断される状態にあれば容器体の内部に液体が無いことを判定するという構成にしてもよい。

すなわち、容器体に受光素子の受光する光の光軸の中心に略垂直となる平面形状の光透過平面部を備えて、内部に液体が無い状態において、受光素子は、発光素子が照射した光であって透過平面部を透過した光を受光して、この受光素子の出力する電気信号の変化から受光量の増加が判断できるときには液体の無い状態を判定する構成としている。

これにより、内部に液体が無い状態では光透過平面部を透過する光は容器体の内部の方向への反射が最小となって透過光量の減少は抑制されるので、液体の有る状態に対して、液体の無い状態の受光量を大きくすることができる。

つまり、液体の有る状態と無い状態の受光量の差をより顕著にすることができるので、発光素子の発光効率と受光素子の受光変換効率に対する選定の仕様条件の幅が広がることで用いることができる素子の入手性が高まり、また検知のための電力消費の低減が可能となるために、一般的な電気機器に対してより広く搭載して活用し易くすることができるという効果を奏する。

また、光を透過し内部に液体を蓄えるための空間を設けた容器体と、この容器体の外部に光を照射する発光素子と、また前記発光素子の照射した光を受光して受光量に応じた電気信号を出力する受光素子を液体表面の上方向に配置して備えて、前記発光素子は、前記容器体の表面に垂直以外の角度で上方向に向かい光を入射させたときに、前記の入射した光が容器体の内部に液体が有る状態で進行する延長方向において規定する深さの液体表面において全反射を生じる配置とし、また前記容器体の内部には前記の全反射により進行方向が変化した光の進行軸の中心が液体表面に対して略垂直に入射するように反射する反射面を備え、さらに前記受光素子は前記反射面で反射されて進行方向が変化した光を受光する配置として、受光素子の出力する電気信号の変化から受光量の増加が判断される状態にあれば容器体の内部に液体が有ることを判定するという構成にしてもよい。

すなわち、容器体の内部に液体が規定する深さにあるときに液体表面において全反射された後に反射面において反射される発光素子から照射した光を受光素子で受光して、この受光素子の出力する電気信号の変化から受光量の増加が判断できるときには液体の有る状態を判定する構成としている。

これにより、内部に液体が有る状態では反射面における反射により液体表面を透過する光は略垂直に入射するので、液体内側への反射が最小となって透過光量の減少は抑制されるので、液体の無い状態に対して、液体の有る状態の受光量を大きくすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１と図２は機器に搭載する液体を蓄えるための容器を側面から一部分を拡大して示した断面図であるが、この容器は外郭を成す容器体１の内部に空間を備えて、この空間に機器で活用するための被検出液体２を蓄えられるように構成している。

この、容器体１に蓄える被検出液体２は図上において下方向に重力で引かれることで、上方向は空間部３として空気で満たされた状態となる。

ここで、この被検出液体２は対象としては透明体であるところの、例えば水であり、以下の説明においては被検出液体２が水であるときを一例として説明を行うものとする。

この、被検出液体２であるところの水を活用する機器としては、例えば加湿機が挙げられる。

搭載する機器が例えば、この加湿機であれば容器体１は加湿のための水を蓄えるタンクや加湿空気を生成するために水を蒸発させるための上方向が開放した形状のトレーに当たり、機器の主体と成る本体から取り外し可能として、使用者がタンクに水を給水し、またトレーの清掃が行えるように構成されていることが一般的である。

ここで、容器体１は光透過性で、且つ、絶対屈折率が空気よりも大きく、被検出液体２と同等以上となる材料で構成するものである。

よって、容器体１は被検出液体２が水であるときは絶対屈折率が約１．３３であることから、光透過性に優れて水に犯され難いポリエチレン（絶対屈折率：約１．５）やポリエチレンテレフタレート（絶対屈折率：約１．６）や、またポリスチレン（絶対屈折率：約１．６）等の樹脂材を用いて、約０．５ｍｍから約２ｍｍの厚さでブロー成形や金型成形により形成して構成するものである。

この、容器体１の内部に被検出液体２が無いときには機器の周囲と同様に一般的な空気で満たされることから空間部３の絶対屈折率はおおよそ１となる。

なお、容器体１もその構成材料に備える絶対屈折率によりその周囲の空気や被検出液体２との界面において光の屈折を生じることから実際の構成においてはこの屈折の状況も考慮する必要があるが、本実施の形態の説明の要旨には影響しないことから、以降は同考慮を省いて被検出液体２と空気の関係にのみ基づいて説明する。

この、容器体１の外側には光を照射する発光素子４と、この発光素子４が照射した光を受光して、その受光量に応じた電気信号を出力する受光素子５を発光面と受光面が対向するように配置している。

また、この発光素子４は照射する光が容器体１の表面に対して垂直以外の角度で入射するような配置とし、受光素子５はこの容器体１に入射する光の進行する延長方向において光を受光する配置としている。

このことから、発光素子４と受光素子５は図に示しているように例えば容器体１の角部を対角に挟み込んだ状態の配置となる。

また、容器体１に対する発光素子４と受光素子５の配置の位置は安定した液体の検知のためには固定されていなければならないために、例えば容器体１のそのものに取り付け部位を設ける等して固設する必要がある。

しかしながら、例えば搭載する機器が一例として示した加湿機であれば容器体１が機器の本体から取り外されて使用される点を考慮して機器の側に固設した構成とする必要がある。

この時、機器の本体を成す外郭が絶縁性を備えた樹脂で形成されたものにあってはその構成の一部に取り付け部位を設けて、この部位に固設することで、容器体１が機器の規定位置に装着された状態においては規定した位置関係を保てるように構成するものである。

図１はこのように機器の本体の規定の部位に容器体１を装着した状態を示しており、発光素子４と受光素子５は機器の本体の外郭を成す外郭体６の規定した位置の２ヶ所に固定のための挿入孔７を設けて、この挿入孔７に装着することにより規定の位置関係を保つようにした構成を示している。

また、この発光素子４と受光素子５を装着した挿入孔７には光透過体により構成した保護シート８を外郭体６の表面に接着材で貼着して覆うことで埃や液体の進入を防いでいる。

ここで、保護シート８の材質は透明で受光素子５の照射する光の波長に対して透過性に優れ、薄板シート状においても強靱なものが好ましく、例えばメタクリル系樹脂の０．３ｍｍから０．７ｍｍ厚さのシート材を金型でカットして構成するものであり、アクリル系の接着剤を用いて容検知構成の外郭体６に接着して固定する。

また、容器体１における発光素子４の照射した光の入射面と入射した光の受光素子５への透過面は光の分散や収束を生じないことが重要であり、基本的には厚さが一定で、その表面は凹凸のない平滑面とする必要があることから、例えば容器体１が円筒や球面等の形状であっても平面化することが望ましい。

ここで、発光素子４は照射する光が機器の状態の表示や報知を目的としたものではないことから使用者に煩わしさを与えない可視光以外の光が望ましく、また比較的で安価で入手性の高い素子が望ましいことから、例えば一般的にリモコン装置にて使用されている直流電流を流すことで９００ｎｍ前後の波長の赤外線光を発する赤外線ＬＥＤを用いるものである。

ここで、受光素子５は発光素子４の照射する赤外線光を受光して、この受光量に応じた電気信号を出力するものであるが、安価で入手性の高い素子が望ましいことから、例えば可視光線を減衰させる光学フィルター性能を持たせた樹脂にて受光量に合わせて導通電流が変化するフォトトランジスター素子を封入したものを用いるものである。

受光素子５が前記のフォトトランジスター素子を基本としたものを用いたものであれば、例えば直流電源とおよび抵抗素子を直列に接続すれば、受光素子５の備える特性に応じて受光量に応じた導通電流が直流電源を電力源として抵抗素子に流れて抵抗素子の両端には導通電流に比例した電圧が生じることとなる。

よって、抵抗素子の両端に生じる電圧は受光量に応じて変化することとなり、この電圧の変化を受光量に応じた電気信号として、Ａ／Ｄ変換機能を備えた、例えば１チップマイクロコンピューターで読み込む構成を用いれば、電気信号の変化から受光量の変化をソフト処理により認識して、さらには受光量の変化から液体の有無を判定できることとなる。

ところで、光の屈折の角度は屈折の法則により光の透過する前後の媒質の絶対屈折率と入射角度に基づいて下記に示した式１によって求めることができることが知られている。

ｓｉｎｉ／ｓｉｎｒ ≒ ｎｂ／ｎａ・・・・・・（式１）
上記の数式において、ｉは光の入射界面に垂直な法線に対する光の入射角度、ｒは入射後の前記法線に対する屈折角度、ｎａは入射側の光の絶対屈折率、そしてｎｂは入射後の媒質の光の絶対屈折率であり、よって光の入射角度と屈折角度の関係は入射前後の媒質の絶対屈折率の比に比例して一定となることが解る。

よって、発光素子４が照射する光を容器体１の表面に対して垂直以外の角度で入射させると、容器体１の構成材の影響を除けば容器体１の内部に被検出液体２が無いときには容器体１の周囲と内部の空間部３は空気により占められて絶対屈折率が同一であることから、光は屈折することなく図において点線の矢印線で示しているように入射された延長方向に進行していくこととなる。

容器体１の内部に被検出液体２が有るときには容器体１の周囲の空気に対して被検出液体２の絶対屈折率が大きいいために、光は図において実線の矢印線で示しているように前記の法線に対する角度が狭まる方向に屈折して、入射角度が大きい程、入射角度に対する屈折角度の変化幅が大きくなることが解る。

例えば、被検出液体２が水であれば絶対屈折率は前述の通り、水が約１．３３であり空気は約１であることから、入射角度が３０°であれば屈折角度は約２２°と−８°狭まり、入射角度が約６０°であれば屈折角度は約４１°と−１９°とより大きく狭まることとなる。

ところで、発光素子４や受光素子５が前述した通り、入手性に優れる一般的な赤外線ＬＥＤやフォトトランジスター素子であれば光の照射や受光の範囲に最低でも±１５°前後の広がりが存在する。

ことから、被検出液体２の有無による屈折角度の違いに基づいて液体の有無を判定する点においては光の入射角度がより大きくなるように発光素子４の配置を設定すれば屈折角度の変化幅が大きくなることとなる。

このことにより、光の進行する受光素子５の方向において被検出液体２の有無による受光量の変化幅も大きくなって、これに伴って受光素子５の出力する電気信号の差もより明確化することとなり、検知の判定上、有利となることが解る。

しかしながら、容器体１の表面に対して斜めに入射する光は、反射の法則と、および下記に示した式２、３によって示されるフレネルの式によれば入射角度が広がれば広がるほど入射角度と同一の角度で入射の反対方向に反射される光の割合が大きくなることが知られている。

ｒｐ＝〔ｃｏｓｉ − （（ｎｂ／ｎａ）＾２ − （ｓｉｎｉ）＾２）＾０．５〕／〔ｃｏｓｉ＋（（ｎｂ／ｎａ）＾２ − （ｓｉｎｉ）＾２）＾０．５〕・・・・・・（式２）
ｒｓ＝〔−ｃｏｓｉ（ｎｂ／ｎａ）＾２＋（（ｎｂ／ｎａ）＾２ｉ（ｓｉｎｉ）＾２）＾０．５〕／〔ｃｏｓｉ（ｎｂ／ｎａ）＾２＋（（ｎｂ／ｎａ）＾２ − （ｓｉｎｉ）＾２）＾０．５〕・・・・・・（式３）
上記式２、３において、ｉは光の入射界面に垂直な法線に対する光の入射角度、ｎａは入射側の光の絶対屈折率、そしてｎｂは入射後の媒質の光の絶対屈折率であり、ｒｐとｒｓは各、Ｐ波およびＳ波の偏光波における反射率である。

このことは液体の検知のために必要となる被検出液体２への光の透過量が減ることを示しており、受光素子５の受光量の差から被検出液体２の有無を判定する構成においては、安定した検知のためには、より高効率で高感度な発光素子４や受光素子５の使用や、また光の照射のための電力の増加が必要となる可能性が高まることに繋がる。

なお、光が絶対反射率が１の空気より１．３から１．６程度の水や樹脂に進むときは反射の法則と、およびフレネルの式によれば入射界面に垂直な法線に対する入射角度が６０°以下であれば、総合でほぼ７５％以上程度は透過することとなる。

よって、この反射の影響も考慮すると被検出液体２が水であるときには発光素子４が照射した光の範囲の中心軸が容器体１に対して５０°から６０°の入射角度となる配置とすることが液体の安定した検知のためには望ましこととなる。

例えば、図３において本実施の形態の構成における配置の一例を示しているように、容器体１に対する光の入射角度が５５°になるように配置すれば被検出液体２における屈折角度は約３８°となるために容器体１に入射する光は内部に被検出液体２が無いときに対してある時は１７°屈折して進行することとなる。

この、屈折前後のどちらかの光が進行する延長方向に受光素子５を配置すれば受光量に応じて受光素子５が出力する電気信号の値の違いから、被検出液体２の有無を判定することができることとなる。

ここで、受光素子５を屈折前の光が進行する延長方向に配置すれば受光素子５の受光量と、および出力する電気信号は被検出液体２が無いときは大きく、有れば小さい方向に変化する。

また、受光素子５を屈折後の光が進行する延長方向に配置すれば受光素子５の受光量と、および出力する電気信号は被検出液体２が有るときは大きく、無ければ小さい方向に変化することとなる。

よって、前記２通りの受光素子５の配置において、それぞれ受光素子５から出力される被検出液体２の有無に応じた電気信号の値を予め測定し、例えば各測定値の中間値を閾値として予め規定しておき、この閾値に対して大小関係を比較すれば電気信号の違いから被検出液体２の有無を判定することができることとなる。

ところで、受光素子５を配置する側の容器体１の内部から外部に光が透過する面においても反射の法則と、およびフレネルの式に基づいて、透過面に対して斜めに光が入射するとその表面において容器体１の内部方向への反射が生じることで、透過する光量が減少することになる。

この時、光は絶対反射率が１．３から１．６程度の水や樹脂から容器体１の周囲の空気の方向に向けて光は透過することとなり、容器体１の内部に被検出液体２が有る時には、ほぼ容器体１の外側表面の１ヶ所で光が反射され、また容器体１の内部に被検出液体２が無い時には、容器体１の内側表面と外側表面の２ヶ所で光は反射される。

また、絶対反射率が１．３から１．６程度の水や樹脂から絶対反射率が１の空気の方向に光が透過するときには屈折の法則に基づいて、入射界面に垂直な法線に対する入射角度が約４９°以上であれば光はその界面において全反射を生じて透過しないことも知られている。

この、全反射のように、進行する光が容器体１の内部方向に全て反射される状況においては、全反射が生じる前の光が進行する延長方向において容器体１の外部に受光素子５を配置しても、発光素子４は照射した光は受光素子５には到達しないことなり、受光素子５の出力する電気信号にも液体の有無で変化が生じないこととなる。

例えば、図１で示しているように略直角となる容器体１の角部を発光素子４と受光素子５で挟み込んだ構成において、前述したように発光素子４の入射角度が５５°となる配置としたときには、被検出液体２であるところの水が有れば屈折角度は約３８°となり、容器体１の内部から外部に透過する光の入射界面に垂直な法線に対する入射角度は約５２°となる。

よって、前記の構成では容器体１の内部に被検出液体２が有る状態においては容器体１の内部から外部への光の透過方向の入射角度は約４９°以上となることから全反射が生じることで光は、ほぼ透過できないこととなる。

このことから、被検出液体２によって屈折した光の進行する延長方向の容器体１の外部に受光素子５を配置する構成においては、被検出液体２の有無では受光量は変化しないこととなるために、受光量の増加により被検出液体２の有る状態を判定する構成は実際上においては機能しないことが解る。

この、全反射の発生を防止するためには発光素子４の容器体１に対する光の入射角度を約６１°以上とすることで被検出液体２が有る状態における光の屈折角を４１°以上として、容器体１の内部から外部への透過方向の光の入射角度が約４９°以下となるように構成する必要がある。

しかしながら、前述した通り、容器体１の表面に対して光を斜めに入射する際、この入射角度が大きくなればなるほど反対方向に反射される光の割合も大きくなり容器体１の内部に透過する光量が減ることとなるために、この入射角度は６０°以下とすることが望ましいことから、容器体１の内部から外部への光の透過方向の入射角度を４９°以下として、さらに大幅に狭めることは難しいこととなる。

このように、容器体１の内部から外部への光の透過方向の入射角度は全反射が生じる４９°に近い角度に調整することは難しいことから、全反射の状態は防げたとしても実際上は容器体１の内部から外部へは光の大部分は容器体１の内部の方向に反射されて、一部分が容器体１の外部に透過することとなるために、被検出液体２の有無による受光素子５の受光量の差は非常に小さくなることとなる。

しかしながら、被検出液体２の有無による受光素子５の受光量の差から被検出液体２の有無を判定する方式においては、受光素子５の受光量の差がより大きいほど、その違いが明確となって被検出液体２の有無の判定に有利となり、より安定した液体の有無の判定が可能となる。

よって、この透過光量の減少を考慮して、発光素子４に高発光効率の物を使用したり、また印加電力を増やすことで発光強度を高めたり、あるいは受光素子５を高受光変換効率のものを用いる等の対策を施すことが一般的であった。

ところで、絶対屈折率が異なる媒質の界面に対して光が垂直に入射するときは反射の法則に基づいて下記に示した式４によって求められる反射率Ｒに従って光が反射されることも一般的に知られている。

Ｒ＝（ｎａ − ｎｂ）＾２／（ｎａ＋ｎｂ）＾２・・・・・・（式４）
上記式４において、ｎａは入射側の光の絶対屈折率、そしてｎｂは入射後の媒質の光の絶対屈折率である。

よって、例えば絶対反射率が１．３から１．６程度の水や樹脂から絶対反射率が１の空気の方向に界面に対して光が垂直に入射するときは全体の約３．４％前後のみが反射され、残りの約９６％以上は空間の方向に透過することとなる。

このことから、光を透過させる面を平面として光の進行軸に対して垂直に配置すれば入射する光をほぼ減衰させることなく透過させることができることが解る。

そこで、本構成においては、受光素子５を配置する側の容器体１の内部から外部へ光を透過させる面には光の進行軸に対して略垂直となる平面形状の光透過平面部９を設けることで、受光素子５によって容器体１の内部を進行する光のほぼ全てを受光できるようにしている。

ここで、図１は受光素子５を屈折後の光が進行する延長方向に配置して受光素子５の受光量が増加すれば被検出液体２が有る状態であることを判定する構成を示し、図２は、受光素子５を屈折前の光が進行する延長方向に配置して受光素子５の受光量が減少すれば被検出液体２が無い状態であることを判定する構成を示している。

なお、光透過平面部９は、例えば容器体１の製造時にブロー成形や金型成形において同時成形により容器体１の位置部分を凸設させて形成して設けるものである。

上記構成において、光透過性の材料で構成した透明な被検出液体２を蓄える容器体１の外部には容器体１の表面に対して垂直以外の角度で光を入射させる発光素子４と、この発光素子４が照射した光が被検出液体２の有無において屈折後、あるいは屈折前の状態において進行する延長方向に容器体１を透過した光を受光するための発光素子４とを容器体１の角部を挟み込む配置で対向させて備えて、また受光素子５を配置する側の容器体１の内部から外部へ光を透過させる面には光の進行軸に対して略垂直となる平面形状の光透過平面部９を設けており、受光素子５から受光量に応じて出力される電気信号を予め規定している値と比較することで被検出液体２の有無を判定する構成としている。

このことから、容器体１の内部から外部へ光を透過させる面においては光透過平面部９の配置していることで光の内部方向への反射を抑制して、ほぼ全てを透過させて受光素子５において受光させることができる。

よって、受光素子の液体の無い状態に対する有る状態の受光量の差や、受光素子の液体の有る状態に対する無い状態の受光量の差をより大きくできることから、被検出液体２から周囲空間の方向の光の透過において透過光量が減少する構成に対して発光素子４の発光効率と受光素子５の受光変換効率に対する選定の仕様条件の幅が広がることで用いることができる素子の入手性が高まり、また検知のための電力消費の低減が可能となるために、一般的な電気機器に対してより広く搭載して活用することができる。

なお、受光素子５を屈折後の光が進行する延長方向に配置する構成とすれば、長期使用伴う容器体１の表面への埃や汚れ付着に基づいて透過する光量が減少する状態においても被検出液体２が無い状態と同意の判定をすることができる。

この時には、搭載する機器の運転を停止することで利用者に給水や機器の清掃等のメンテンナンスを促す等、加湿機等の水利用機器であればフェールセーフの動作対応が可能となることは言うまでもない。

なお、容器体１は光透過性の材料で構成するものであるが、金属等の非光透過性の材料にて構成されたものであっても光を透過させる必要がある部分のみに開口部を設け、この開口部を光透過性の板材で塞いで、被検出液体２の漏れが生じないように容器体１に対して接着剤や溶着にて貼り付ける、あるいは同時成形により固設する構成とすれば被検出液体２の有無の検知判定が可能となり、本構成においてもその作用効果に差異を生じない。

なお、容器体１は以上説明した発光素子４からの照射光の入射と透過光の受光素子５による受光の関係を満たす配置であればその形状は問わず、図４に示しているような上方向も覆われたタンク形状や図５に示す導管の一部分の形状であっても、その作用効果に差異を生じない。

（実施の形態２）
図６から図８において、実施の形態１と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図６は機器の搭載する液体を蓄えるための容器体１の一例において側面の構成を示した断面図である。

発光素子４は照射する光が容器体１の表面に垂直以外の角度で上方向に向かい入射するように容器体１の外部に配置している。

また、発光素子４は容器体１の内部に入射した光が容器体１の内部に被検出液体２が有る状態で進行する延長方向の予め規定する深さの被検出液体２の表面となる空間の空気との界面において、光が前述した通り、反射の法則と、およびフレネルの式で示されているように上部の空間の方向には透過することなく、入射角度の同一の角度で入射した反対方向に全て反射されることで進行方向が変化する全反射が生じるように容器体１に対して配置している。

なお、被検出液体２の深さは、容器体１の形状が図６に示しているように側面から見て直方体であり、発光素子４を容器体１に側面に配置する構成であれば、容器体１に対する光の入射の位置から被検出液体２の表面までの距離にあたる。

この、全反射により進行方向が変化した光の延長線上には、被検出液体２の表面に対して略垂直に光を入射させることで、被検出液体２の表面おける被検出液体２の方向への反射の発生を抑制することにより、ほぼ減衰を生じさせること無く光を被検出液体２の上方向の空間部３に導いて透過させるための傾斜させた反射面１０を設けている。

ここで、この反射面１０の傾斜角度は、前述した通り全反射において光は入射角度と同一の角度で入射の反対方向に反射さることから、被検出液体２の表面において全反射された光の入射角度の半分の角度をもって被検出液体２の表面に対して傾斜させれば光の進行軸が被検出液体２の表面に対して略垂直に入射するように光を反射させることができることとなる。

この、反射面１０は光を効率良く反射させるために白色や銀色系の光の反射性に優れた色や材質で構成するものであり、例えば容器体１の対象面を反射面１０の形状に隆起させるように容器体１の金型を構成することにより容器体１と同時に反射面１０を形成して、後に白色ＡＢＳ等の樹脂材の切断した平板を反射面１０の表面に接着する、あるいはアルミ等の金属粉末を混濁させた透明アクリル樹脂等の高光反射性の塗装を塗布して構成する。

受光素子５は、この反射面１０により被検出液体２の表面に対して略垂直に入射するように進行軸が変化した光の進行方向の延長線上で光を受光するように受光面を配置するものである。

ここで、発光素子４と受光素子５の配置の位置は、前述した通り、安定した液体の検知のためには容器体１に対して固定されていなければならず、搭載する機器が例えば、容器体１が取り外される構成で、この機器の本体を成す外郭体６が絶縁性を備えた樹脂で形成されるものにあっては、この外郭体６の規定した位置の２ヶ所に固定のための挿入孔７を設けて装着することで規定の位置関係を保つように構成する点は変わらない。

よって、以上の構成により、被検出液体２が容器体１の内部に無い、あるいは規定した深さに至らない状態であれば発光素子４から照射して容器体１に入射した光は全反射が生じずに、ほぼ入射角を保ちながら進行することから、反射面１０にて反射された光を受光するように配置された受光素子５には導かれないこととなる。

しかしながら、容器体１の内部に被検出液体２が有れば容器体１に入射した光は被検出液体２の表面での全反射された後に反射面１０にて反射されることから、被検出液体２の表面における空間部３の方向への透過による減衰を生じること無く受光素子５に導かれることとなるために、受光素子５において発光素子４から照射した光が受光される状態にあれば容器体１の内部に被検出液体２が有ることを判定できることとなる。

次に、構成の具体例として被検出液体２が水であるときの配置の具体的な一例を図７に基づいて説明する。

図７は機器に搭載する液体を蓄えるための容器を側面から一部分を簡略化して示した断面図である。

ここで、前述した通り、媒質が異なる界面における全反射が生じる光の入射角度は、反射の法則とフレネルの式により光の透過する前後の媒質の絶対屈折率によって規定され、例えば被検出液体２が水であれば絶対反射率は約１．３３となり絶対反射率が約１となる空気の方向に光が透過するときには、入射界面に垂直な法線に対する入射角度が約４９°以上であれば光はその界面において全反射が生じることとなる。

よって、発光素子４を容器体１に対して光の入射界面に垂直な法線に対する光の入射角度を例えば５５°となるように配置すると、容器体１の内部に入射した光は被検出液体２との界面において約３８°の屈折角度で屈折して進行する。

この、屈折して進行する光は被検出液体２の表面に垂直な法線に対して約５２°の入射角度で入射することとなり、この角度は入射界面に対して約４９°以上となることから全反射が生じることとなる。

被検出液体２の表面において全反射が生じると、光は被検出液体２の上部の空間部３の方向には透過することなく、全て入射した反対方向に入射角度の同一の角度で反射されて進行方向が変化することとなる。

ここで、被検出液体２の深さを、例えば１８ｍｍに規定すると、三角関数の関係から発光素子４から照射した光は容器体１への入射面から横方向に約２２ｍｍの位置を光軸の中心として全反射が生じることとなる。

よって、反射面１０の傾斜角度は被検出液体２の表面に対する光の入射角度が約５２°であることから水平面から約２６°傾斜させれば良いこととなる。

ここで、この受光素子５の被検出液体２の表面における全反射が生じる位置からの横方向の距離は、反射面１０に対して全反射した光の光軸の中心となる位置の被検出液体２の表面からの深さを、例えば２０ｍｍに設定すれば三角関数の関係から約２６ｍｍとなる。

よって、受光素子５は発光素子４から照射した光の容器体１への入射面から約４８ｍｍの横方向の位置には配置することとなる。

ここで、容器体１の内部に被検出液体２が無い状態においては、発光素子４を容器体１に対して光の入射角度が５５°になるように配置していることから、三角関数の関係より、容器体１の内部の空間を屈折すること進む光の光軸の中心は、図７において点線の円で囲んで示している容器体１への光の入射位置から縦方向に約６９ｍｍの高さの位置で受光素子５の受光軸と斜め方向から交差することとなる。

この、交差する高さに受光素子５を配置すると被検出液体２が無い状態にも関わらずに受光素子５は発光素子４から照射した光を斜め方向からではあるが受光して、受光の状態によっては被検出液体２の有無における受光量の差が狭まり被検出液体２の有無の判定が難しくなる可能性も有る。

また、前述した通り、発光素子４の光の照射や受光素子５の受光の範囲は最低でも±１５°前後の広がりが存在することから、被検出液体２が無い状態において発光素子４が照射した光が受光素子５で受光される可能性は使用する素子にも影響されて規程が難しく、被検出液体２の有無の判定を同様に難しくする要因となる。

よって、上記の被検出液体２の無い状態における発光素子４の照射光の受光素子５での受光を防ぐために、受光素子５の容器体１への光の入射位置に対する縦方向の配置位置は前記において示した交差位置であるところの約６９ｍｍの高さを避けて、例えば４０ｍｍの高さに配置するものである。

この、受光素子５の配置の高さは、実際の構成の設計においては受光素子５の受光の状態を確認しながら被検出液体２の有無の判定に影響を与えない高さに設定するものである。

また、容器体１に対する受光素子５の配置は、例えば機器の本体を成す外郭体６に設けた挿入孔７に装着して規定の位置を保つように構成することから、受光素子５に斜めから入射する光は外郭体６と、および挿入孔７に遮られることで受光素子５には、ほぼ到達しないことから、実際の構成の設計においてはこの点も考慮して受光素子５の配置の高さは、被検出液体２の有無の判定に影響を与えない高さに設定すれば良いこととなる。

上記構成において、容器体１の内部に被検出液体２が規定する深さに有るときには、発光素子４から照射して容器体１に入射した光は被検出液体２の表面で減衰すること無く全反射され反射面１０に導かれ、さらに反射面１０で反射されて被検出液体２の表面に対して略垂直に入射するように進行軸が変化して、この進行軸が変化した光の進行する延長線上において受光素子５で受光されることとなる。

このとき、被検出液体２が容器体１の内部に有る状態においては被検出液体２の表面から受光素子５の方向の空間に向かい透過する光は被検出液体２の表面に対して略垂直に入射することで絶対屈折率が異なる２つの媒質の界面における反射が生じないために、透過光量が減少することなく受光素子５に到達することとなる。

よって、被検出液体２から周囲空間の方向の光の透過において透過光量が減少する構成に対して発光素子４の発光効率と受光素子５の受光変換効率の選定の幅を広げることができることから、用いる素子の仕様条件の緩和が可能となって入手性が高まり、また検知のための電力消費の低減が可能となるために、一般的な電気機器に対してより広く搭載して活用することができる。

なお、容器体１の外郭を被検出液体２の表面に並行となる平面を受光素子５との間に備えた構成とすれば、被検出液体２の表面の光の透過と同様に反射面１０にて反射された光は減衰することなくほぼ全てが容器体１を透過することとなるために、容器体１は図８に示しているような上方向も覆われたタンク形状の構成であっても、その作用効果に差異を生じない。

なお、反射面１０の表面は平滑な面であることが望ましいが、光を分散反射する微細な凸凹を備えた表面とすることも可能であり、分散反射においても判定に充分な受光量を受光素子５において得られるときには反射面１０の傾斜は任意の角度に設定できることは言うまでもない。

本発明にかかる非接触液体検知構成は透明な液体の検知のために用いる素子の入手条件を緩和させて、および検知のための電力消費の低減も可能とすることで一般的な電気機器に対してより広く搭載して活用できる構成であるために、家庭向けの加湿機や除湿機における水の有無を判定するための非接触液体検知構成等として有用である。

１容器体
４発光素子
５受光素子
９光透過平面部
１０反射面

Claims

光を透過し内部に液体を蓄えるための空間を設けた容器体と、この容器体の外部に光を照射する発光素子と、また前記発光素子の照射した光を受光して受光量に応じた電気信号を出力する受光素子を液体表面の上方向に配置して備えて、前記発光素子は、前記容器体の表面に垂直以外の角度で上方向に向かい光を入射させたときに、前記の入射した光が容器体の内部に液体が有る状態で進行する延長方向において規定する深さの液体表面において全反射を生じる配置とし、また前記容器体の内部には前記の全反射により進行方向が変化した光の進行軸の中心が液体表面に対して略垂直に入射するように反射する反射面を備え、さらに前記受光素子は前記反射面で反射されて進行方向が変化した光を受光する配置として、受光素子の出力する電気信号の変化から受光量の増加が判断される状態にあれば容器体の内部に液体が有ることを判定するようにした非接触液体検知構成。