JPH05157691A

JPH05157691A - センサ

Info

Publication number: JPH05157691A
Application number: JP34791491A
Authority: JP
Inventors: Masanori Kaya; 雅詔賀屋
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1991-12-03
Filing date: 1991-12-03
Publication date: 1993-06-25

Abstract

(57)【要約】【構成】発光素子２１および受光素子３１と基体１１
とを有し、前記発光素子から前記基体内に照射された光
が少なくとも１回前記基体表面で反射して前記受光素子
に入射するよう構成されており、前記光の反射率変化を
検出することにより、前記基体表面に接触した水の状態
を検知する。【効果】構成が極めて単純なので著しく安価に製造で
きる。しかも、小型であり、センサとしての応答が速
く、また、特性の変化しやすい所謂センサ膜をもたない
ので、信頼性、耐久性に優れる。さらに、水の状態変化
を検知可能なので、用途が広い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、結露、水付着、結氷等
を検知することが可能なセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】ＶＴＲ、電子レンジ、コピー機などに
は、結露センサが使われている。例えば、ＶＴＲでは、
急激な温度変化により回転シリンダに結露が発生する
と、ビデオテープの貼り付きが発生するため、センサに
よって結露を検知している。

【０００３】従来、結露センサとしては、例えば、クシ
型電極上にイオン電導性高分子膜を形成したものが用い
られている。この結露センサでは、イオン電導性高分子
膜が水分を含むと導電性が増加する。そこで、抵抗値が
一定値以上となったときに結露したと判断するように構
成されている。

【０００４】しかし、このような結露センサには、感応
速度が遅いという問題があり、また、繰り返し使用時の
安定性に不安がある。すなわち、一旦結露すると、乾燥
後にイオンが高分子膜表面に残存してしまい、導電性が
安定しない恐れがある。

【０００５】また、温度変化により結氷が生じることが
あるが、上記した結露センサでは結露と結氷とを区別す
ることができない。

【０００６】さらに、上記した結露センサはコストが高
く、安価な機器には利用しずらい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、感応速度が
速く、特性が安定しており、結露、水付着、結氷等の水
の状態変化を検知可能であり、しかも著しく安価なセン
サを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（８）の構成によって達成される。

【０００９】（１）発光素子および受光素子と基体とを
有し、前記発光素子から前記基体内に照射された光が少
なくとも１回前記基体表面で反射して前記受光素子に入
射するよう構成されており、前記光の反射率変化を検出
することにより、前記基体表面に接触した水の状態を検
知することを特徴とするセンサ。

【００１０】（２）前記基体が樹脂またはガラスから構
成される上記（１）に記載のセンサ。

【００１１】（３）前記基体表面における結露を検知す
る上記（１）または（２）に記載のセンサ。

【００１２】（４）前記基体表面への水の付着を検知す
る上記（１）または（２）に記載のセンサ。

【００１３】（５）前記基体表面における結氷を検知す
る上記（１）または（２）に記載のセンサ。

【００１４】（６）前記発光素子および前記受光素子が
前記基体に密着して設けられている上記（１）ないし
（５）のいずれかに記載のセンサ。

【００１５】（７）前記基体に照射される光の強度が経
時的に変化するよう構成された上記（１）ないし（６）
のいずれかに記載のセンサ。

【００１６】（８）前記受光素子に検出回路が接続され
ており、この検出回路が、交流成分検出回路部と、増幅
回路部と、出力レベルシフト回路部と、平滑回路部とを
有し、さらに、光強度制御手段を有し、この光強度制御
手段にて光強度を経時的に変化させながら、発光素子か
ら前記基体に光を照射し、前記基体からの反射光を受光
素子に入射させ、この反射光の光強度に対応する電気的
信号を前記検出回路にて平滑化して検出する上記（７）
に記載のセンサ。

【００１７】

【作用】ガラスや樹脂等から構成される基体表面におい
て結露、水濡れ、結氷等が生じると、それぞれの状態に
応じて反射率が変化する。本発明のセンサでは、基体を
通して照射された光の基体表面での反射率変化を検出
し、基体表面の水の状態を検知する。

【００１８】

【具体的構成】以下、本発明の具体的構成について詳細
に説明する。

【００１９】本発明のセンサは、発光素子および受光素
子と基体とを有する。発光素子は基体内に光を照射可能
な位置に設けられ、発光素子からの光は基体内を通って
基体の表面で少なくとも１回反射し、再び基体内を通っ
て基体外へ出射し、受光素子へ入射する。基体内を通っ
た光の基体表面での反射率は、上記したように基体表面
の状態に依存して変化するため、反射率を検出すること
により基体表面における水の状態を検知することができ
る。

【００２０】基体の材質に特に制限はなく、例えば、ガ
ラスや、硬質塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレート
（ＰＥＴ）、ポリオレフィン、ポリメチルメタクリレー
ト（ＰＭＭＡ）、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリカ
ーボネート樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエーテルサ
ルフォン、メチルペンテンポリマー、ビスフェノールＡ
−テレフタル酸共重合体等の各種樹脂などを好ましく用
いることができる。

【００２１】基体の表面は実質的に平滑、すなわち、鏡
面状であることが好ましいが、基体表面の反射率は基体
の表面粗さに依存するため、必要に応じて所定の表面粗
さをもたせてもよい。

【００２２】また、例えば結露センサとして用いる場
合、湿度が同じであっても、結露するか否かは基体の材
質や表面粗さ等の表面状態によって異なるので、ＶＴＲ
の回転シリンダなどの結露検知対象物の結露とセンサの
基体表面における結露とがほぼ同時に生じない恐れがあ
るが、センサの基体の表面粗さを適宜設定することによ
り、結露検知対象物の結露条件に適応させることが可能
である。

【００２３】基体の形状に特に制限はないが、製造が簡
単であることから、板状、フィルム状とすることが好ま
しいが、必要に応じて他の形状としてもよい。例えば、
基体としてガラスファイバを用いてもよく、ガラスファ
イバを複数束ねて用いてもよく、発光素子から基体に入
射した光の反射光が受光素子に入射できる構成であれば
いずれの形状であってもよい。

【００２４】本発明のセンサの１構成例を図１に示す。
図１に示される例では、透明な基体１１の一方の面に、
発光素子２１と受光素子３１とが密着して設けられてい
る。基体１１の他方の面は被検雰囲気と接触しており、
結露、水の付着、結氷等は、少なくとも前記他方の面に
おいて生じる。前記一方の面から基体１１に入射した発
光素子２１からの光は、前記他方の面において反射し、
反射光が受光素子３１へ入射する。受光素子３１に接続
された検出回路により反射光の強度変化を検出し、前記
他方の面上の水の状態変化を検知する。なお、反射光強
度に対応する出力電圧は結露等の水の状態変化により急
激に変化し、数秒以内にほぼ一定値に落ち着くので、水
の状態変化の判断は容易であるが、細かい制御を行ない
たい場合には必要に応じてスラッシュレベルを適宜設定
してもよい。

【００２５】発光素子２１と受光素子３１とは近接して
設置することが好ましい。２０°以下、特に５°以下の
鏡面反射による反射を測定することにより、高い感度が
得られ、また、素子のコンパクト化をはかることができ
る。

【００２６】また、発光素子２１と受光素子３１とは、
図示のように基体１１に密着して設けられることが好ま
しい。このような構成とすれば、発光素子表面および受
光素子表面の影響を受けず基体の表面状態だけを検出で
きるため、測定精度が向上する。

【００２７】発光素子２１の構成および発光する光の波
長は特に限定されないが、小型化できることから、通
常、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（Ｌ
Ｄ）等を用いることが好ましい。また、受光素子３１に
は、フォトトランジスタなどを用いることが好ましい。

【００２８】本発明では、基体に照射される光の強度が
経時的に変化する構成とすることが好ましい。光強度を
経時的に変化させることにより、基体の温度上昇を抑え
ることができるので、基体表面における結露や結氷が熱
によって影響されにくくなり、特に連続的な測定に際し
ての測定精度が顕著に向上する。

【００２９】基体に照射される光の強度を経時的に変化
させる態様としては、基体への光照射とその休止を繰り
返す間けつ照射としてもよく、また、光照射を休止せず
に照射光強度を変化させる構成としてもよい。すなわ
ち、基体の温度上昇を抑えることができれば、どのよう
な構成としてもよい。

【００３０】照射を間けつ的に行なう場合、照射時間に
特に制限はないが、反射率が測定可能な範囲でできるだ
け短く設定することが好ましく、例えば０．０１〜１０
０msec程度とすることが好ましい。また、間けつ照射の
場合の照射間隔にも特に制限はないが、基体の温度上昇
を避けるためには、必要とされる測定間隔を満足する範
囲で可能な限り長く設定することが好ましく、通常、照
射間隔は０．１〜１０msec程度とすることが好ましい。

【００３１】間けつ的照射を行なう手段等に特に制限は
ない。例えば、発光素子への通電を間けつ的に行なうこ
とにより発光光を直接制御してもよい。また、連続発光
光を、チョッパープレート等を介して基体に照射するよ
うな間接的制御を行なってもよい。

【００３２】図２に、本発明のセンサにおける光学的セ
ンシング回路の好適例を示す。この光学的センシング回
路は、電源回路６、発光部２、センサ部１、受光部３お
よび検出回路７を有する。センサ部１は、例えば、図１
に示される構成における基体１１である。

【００３３】電源回路６は、発光部の発光時間、発光間
隔、発光強度等を制御でき、照射光の光強度を経時変化
させうる光強度制御回路部を有するものである。図示例
の電源回路６は、発振回路部６１と、ドライバ回路部６
３とからなる光強度制御回路部を有し、発振回路部６１
の前段の端子８１、８３間には直流電源が設けられてい
る。この場合、直流電源は、シングルモードでもデュア
ルモードでもよいが、図示例ではシングルモード直流電
源を用い、端子８１に接続し、端子８３を接地してい
る。なお、電源電圧には特に制限がなく、通常５〜３０
ボルト程度とすればよい。

【００３４】発振回路部６１は、発振器６１１、トラン
ジスタ６１３、抵抗器および両極性コンデンサにて構成
され、ドライバ回路部６３は、トランジスタ６３１およ
び抵抗器にて構成される。そして、トランジスタ６１３
と６３１とは、エミッタとエミッタ間、コレクタとベー
ス間にて接続されている。なお、トランジスタにかえ
て、ＦＥＴ等の各種スウィッチング素子を用いてもよ
い。

【００３５】ドライバ回路部６３には発光部２が接続さ
れている。この場合、図示例では発光素子２１に発光ダ
イオード（ＬＥＤ）を用いて発光部２を構成している
が、このほか、レーザダイオード（ＬＤ）等の各種発光
素子やこれらを用いた発光回路等にて構成してもよい。

【００３６】このような構成にて、発振器６１１から発
振信号、例えば矩形状のパルス信号をトランジスタ６１
３のベースに印加すると、トランジスタ６１３のエミッ
タ・コレクタ間には、パルス信号に応じて電流が流れ
る。また、トランジスタ６１３のオン・オフに伴なっ
て、トランジスタ６３１のベースには、トランジスタ６
１３とは反対のパルス信号が印加される。すなわち、ト
ランジスタ６３１と６１３は、互いにオン、オフ動作が
逆になる。そして、発光部２およびトランジスタ６３１
のエミッタ・コレクタ間にほぼ矩形状のパルス電流が流
れ、発光部２は、パルス電流によって、間けつ的に発光
する。

【００３７】図３に、発光部２、すなわち発光素子２１
（発光ダイオード）の電圧の時間変化を示す。図中、電
圧が降下している時間ｔ₀ 〜ｔ₁ に電流が流れ、発光素
子２１が発光し、センサ部１への間けつ照射が行なわれ
る。なお、上記のとおり、照射とその休止とを交互に繰
り返す間けつ照射に限らず、照射光強度が経時変化する
ように制御を行なってもよい。ただし、センサ部１の温
度上昇をより一層防止でき、しかも制御が容易である点
で、間けつ的に光照射を行なうことが好ましい。

【００３８】また、本発明では、この他、上記のとお
り、連続発光光をチョッパープレート等を介してセンサ
部１に照射するような間接的制御により間けつ的な照射
を行なうこともでき、各種の光強度制御手段の形態が可
能である。

【００３９】検出回路７には、受光部３が接続されてい
る。受光部３は、受光素子３１としてフォトトランジス
タを用いているが、これに限定されるものではなく、こ
のほか、フォトダイオード等の各種受光素子やこれらを
用いた受光回路等で構成してもよい。なお、前記の発光
部２および受光部３は、受光発光素子等を用いて一体的
に構成してもよい。

【００４０】また、本発明では、図９に示されるよう
に、発光部２とセンサ部１および受光部３とセンサ部１
を、それぞれ光ファイバ５５にて光学的に連結させるこ
ともできる。このような構成とすることにより、発光部
２および受光部３とセンサ部１とを分離して配置するこ
とが可能となる。

【００４１】このため、測定空間にはセンサ部１だけを
配置することができ、また、センサ部１と発光部２およ
び受光部３との間の情報伝達は光により行なわれるた
め、強電界下や電気的ノイズの発生が多い条件下におい
ても信頼性の高い測定が可能である。また、このため、
可燃性ガス中において使用された場合でも、発火や爆発
の危険性がない。

【００４２】ただし、センサを小型化するためには、図
１に示されるように発光素子および受光素子を基体に密
着して設ける構成とすることが好ましい。

【００４３】検出回路７は、交流成分検出回路部７１、
増幅回路部７３、出力レベルシフト回路部７５および平
滑回路部７７を順次有する。

【００４４】交流成分検出回路部７１は、次段の増幅回
路部７３にて反射光の光強度に対応する信号、すなわち
受光部３の電圧減少量を増幅させる際、直流成分によっ
てトランジスタ７３１がオン状態になるのを防止するた
めに設けられる。交流成分検出回路部７１は、直列結合
した両極性コンデンサ７１１と、抵抗器７１３とで構成
されている。

【００４５】また、増幅回路部７３はトランジスタ７３
１と抵抗器とで構成され、トランジスタ７３１をエミッ
タ接地した反転増幅回路を形成している。この場合、前
記交流成分検出回路部７１の出力端は、トランジスタ７
３１のベースに接続されている。なお、増幅回路部７３
は、このほか、正相増幅回路や、これらを組み合わせた
多段式のものであってもよい。出力レベルシフト回路部
７５は、前段の増幅回路部７３にて増幅された出力電圧
をそのまま平滑化した場合、プラス側の電圧とマイナス
側の電圧とが打ち消し合って零になるのを防止するため
に設けられる。

【００４６】出力レベルシフト回路部７５は、両極性コ
ンデンサ７５１とダイオード７５３とで構成され、前記
トランジスタ７３１のコレクタとコンデンサ７５１とが
接続されている。そして、コンデンサ７５１の他端には
ダイオード７５３が接続され、ダイオード７５３の他端
は、接地されている。

【００４７】平滑回路部７７は、抵抗器および両極性コ
ンデンサ７７１で構成される第１の積分回路と、抵抗器
および両極性コンデンサ７７３で構成される第２の積分
回路とを有し、第２の積分回路の後段に、コンデンサ７
７３と並列に抵抗器を接続して構成される。

【００４８】なお、図示例の２段式の構成のほか、１段
式あるいは３段式以上の構成としてもよいが、より一層
平滑化された出力が得られる点で２段式以上が好まし
い。このような構成にて、光照射によりセンサ部１から
反射した光は、受光部３に入射し、反射光の光強度に応
じた電流が受光部３に流れる。この結果、受光部３の電
圧、すなわち発光素子３１（フォトトランジスタ）のコ
レクタ・エミッタ間の電圧は、反射光の光強度に応じて
減少する。

【００４９】図４に、このフォトトランジスタのコレク
タ・エミッタ間の電圧の時間変化を示す。図中、前記発
光ダイオードに流れる電流が零になる時間ｔ₁ において
電圧値がもとにもどらないのは、発光ダイオードが残留
発光しているためである。

【００５０】交流成分検出回路部７１では、コンデンサ
７１１により直流成分がカットされ、交流成分のみが取
り出される。この結果、端子９１、８３間の出力電圧
は、図５に示されるように下側（低電圧側）にシフトす
る。

【００５１】反転増幅回路にて構成される増幅回路部７
３では入力電圧を反転増幅する。

【００５２】端子９１、８３間の出力電圧は、図６に示
されるような波形となる。出力レベルシフト回路部７５
では、コンデンサ７５１およびダイオード７５３によっ
て構成されるクランプ回路により、最も小さい電圧が零
となるように電圧値をシフトさせる。この結果、端子９
５、８３間の出力電圧は、図７に示されるように上側
（高電圧側）にシフトする。

【００５３】平滑回路部７７では、チャージをコンデン
サ７７１へ一度充電した後、放電し、さらにコンデンサ
７７３でも同様に充放電して出力する。この結果、図７
に示されるパルス状の電圧波形が平滑化し、端子９７、
８３間の出力電圧は、図８に示されるようにほぼ直線状
の安定したものになる。

【００５４】なお、検出回路７の各回路部７１、７３、
７５および７７は、それぞれ図示例に限定されるもので
はなく、これらと電気回路的に等価なものや、前述した
ものと同様な作用が実現するものであればよい。検出回
路７の平滑回路部７７の後段には、通常、図２に示され
るように増幅回路部７８が形成されている。増幅回路部
７８の構成に特に制限はなく、公知の増幅器７８１を用
いる構成とすればよい。

【００５５】また、増幅回路部７８の後段には、通常、
図示されるように出力用回路部７９がゼロ調整のために
設けられる。出力用回路部７９の構成には特に制限がな
く、公知の構成とすればよい。このような構成にて最終
的な出力電圧が端子８５、８７から得られる。

【００５６】このような検出回路では、パルス発光によ
って経時的に変動する受光素子の出力電圧が検出回路に
て平滑化され、受光素子の電圧減少量の平均値、すなわ
ち反射光の強度の平均値に比例した出力電圧に変換され
る。このため、パルス発光に起因する出力変化、ノイズ
等が除去でき、安定した出力が得られる。また、上記回
路には、サンプルホールド回路等が不要なため、構成が
簡易であり、量産上有利である。

【００５７】本発明のセンサを結露センサとして用いる
場合、例えば、ＶＴＲ、電子レンジ、コピー機などに好
適であり、水付着センサとして用いる場合、自動車用ワ
イパ用の水滴付着センサ、洗濯機等用の水位センサ、水
漏れセンサなどに好適であり、結氷センサとして用いる
場合、冷凍庫の氷結、道路の氷結、自動車のラジエータ
の氷結、水道管の氷結等の検知に好適である。また、こ
の他、基体表面の結露が進行して水滴状に変化し、さら
に結氷するような経時的な状態変化を検知することもで
きる。

【００５８】なお、本発明における水とは、例えば海水
等の各種水溶液も含む概念である。

【００５９】

【実施例】以下、本発明を実施例によって具体的に説明
する。

【００６０】表面が鏡面状のガラス基体（１cm角、厚さ
１．１mm）の主面に、発光部２の発光素子２１（発光光
の中心波長約９４０nmの発光ダイオード）および受光部
３の受光素子３１（フォトトランジスタ）を、エポキシ
系接着剤により接着し、図１および図２に示される構成
を有するセンサを得た。

【００６１】このセンサを、超音波を利用した加湿器の
吹き出しノズル付近に置いてセンサ膜表面で結露させ、
直後に吹き出しノズルから離して自然乾燥させる作業を
繰り返した。このときの時間経過とセンサ出力との関係
を図１０に示す。図１０から、基体表面における結露に
より、反射率が増大（出力が増大）していることがわか
る。なお、図１０において、結露後に電圧が一時的に一
定値となっているのは、測定装置の測定限界値を超えた
ためである。

【００６２】また、このセンサの基体表面に水滴を付着
させ、センサ出力の変化を調べた。水滴付着によるセン
サ出力の変化を図１１に示す。図１１から、水滴付着に
より反射率が低下することがわかる。

【００６３】また、測定環境の温度を、−２２℃・１４
分間→２５℃・１０分間のサイクルで変化させ、基体表
面の結氷とその乾燥を繰り返した。なお、環境温度は、
センサを冷凍庫に出し入れすることにより瞬間的に変化
させた。この結氷および乾燥とセンサ出力との関係を図
１２に示す。図１２から、結氷した場合には反射率が増
大すること、そして、その場合の増大の程度は結露によ
る反射率増大よりも小さいことがわかる。

【００６４】上記各測定から、本発明のセンサは感応速
度が極めて速いことがわかる。

【００６５】なお、上記各測定に際して、発光ダイオー
ドは、発光時間０．１msec、発光間隔０．９msecにて作
動させた。

【００６６】以上の実施例の結果から、本発明の効果が
明らかである。

【００６７】

【発明の効果】本発明のセンサは、樹脂板やガラス板等
から構成される基体の反射率変化を検出するものであ
り、構成が極めて単純なので著しく安価に製造できる。
しかも、小型であり、センサとしての応答が速く、ま
た、特性の変化しやすい所謂センサ膜をもたないので、
信頼性、耐久性に優れる。さらに、水の状態変化を検知
可能なので、用途が広い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセンサの断面図である。

【図２】本発明のセンサの光学的センシング回路の１例
が示される回路図である。

【図３】図２における発光素子２１の電圧の経時変化が
示される電圧波形のグラフである。

【図４】図２における受光素子３１のコレクタ・エミッ
タ間の電圧の経時変化が示される電圧波形のグラフであ
る。

【図５】図２における端子９１、８３間の電圧の経時変
化が示される電圧波形のグラフである。

【図６】図２における端子９３、８３間の電圧の経時変
化が示される電圧波形のグラフである。

【図７】図２における端子９５、８３間の電圧の経時変
化が示される電圧波形のグラフである。

【図８】図２における端子９７、８３間の電圧の経時変
化が示される電圧波形のグラフである。

【図９】本発明における光学的センシング回路のセンサ
部と発光部、センサ部と受光部の光学的連結方法の１例
が示される側面図である。

【図１０】本発明のセンサにおける結露および乾燥と出
力との関係を示すグラフである。

【図１１】本発明のセンサにおける水付着と出力との関
係を示すグラフである。

【図１２】本発明のセンサにおける結氷および乾燥と出
力との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１センサ部１１基体２発光部２１発光素子３受光部３１受光素子５５光ファイバ６電源回路６１発振回路部６１１発振器６３ドライバ回路部６１３、６３１、７３１トランジスタ７検出回路７１交流成分検出回路部７１１、７５１、７７１、７７３両極性コンデンサ７１３抵抗器７３、７８増幅回路部７５出力レベルシフト回路部７５３ダイオード７７平滑回路部７８１増幅器７９出力用回路部８１、８３、８５、８７、９１、９３、９５、９７端
子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光素子および受光素子と基体とを有
し、前記発光素子から前記基体内に照射された光が少な
くとも１回前記基体表面で反射して前記受光素子に入射
するよう構成されており、前記光の反射率変化を検出す
ることにより、前記基体表面に接触した水の状態を検知
することを特徴とするセンサ。
【請求項２】前記基体が樹脂またはガラスから構成さ
れる請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】前記基体表面における結露を検知する請
求項１または２に記載のセンサ。
【請求項４】前記基体表面への水の付着を検知する請
求項１または２に記載のセンサ。
【請求項５】前記基体表面における結氷を検知する請
求項１または２に記載のセンサ。
【請求項６】前記発光素子および前記受光素子が前記
基体に密着して設けられている請求項１ないし５のいず
れかに記載のセンサ。
【請求項７】前記基体に照射される光の強度が経時的
に変化するよう構成された請求項１ないし６のいずれか
に記載のセンサ。
【請求項８】前記受光素子に検出回路が接続されてお
り、この検出回路が、交流成分検出回路部と、増幅回路
部と、出力レベルシフト回路部と、平滑回路部とを有
し、さらに、光強度制御手段を有し、この光強度制御手段に
て光強度を経時的に変化させながら、発光素子から前記
基体に光を照射し、前記基体からの反射光を受光素子に
入射させ、この反射光の光強度に対応する電気的信号を
前記検出回路にて平滑化して検出する請求項７に記載の
センサ。