JPH0811991A

JPH0811991A - 液体供給装置

Info

Publication number: JPH0811991A
Application number: JP14178994A
Authority: JP
Inventors: Izumi Adachi; 泉安達; Koichi Suzuki; 弘一鈴木
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1994-06-23
Filing date: 1994-06-23
Publication date: 1996-01-16

Abstract

(57)【要約】【目的】光学的に容器の有無と注液の完了を検出する
全自動の液体供給装置を提供する。【構成】投光器（３）から投射されたビーム光によっ
て容器（５）に光スポットが生成されるが、容器（５）
が紙、不透明プラスチック製などの光拡散性材料からな
る場合に、光スポット位置から容器（５）の外に透過拡
散光が放射される。透光性の液体が注入されるとビーム
光は液面で屈折し、このため光スポットの位置が移動す
る。そして、上記の照明位置からの透過拡散光が受光器
（４）で検出されたときは容器（５）が載置されたと判
定し、注入開始制御手段からの指令によってノズル（１
４）からの液体の注入を開始する。一方、上記の照明位
置の近傍の屈折照明位置から透過拡散光が検出されると
き（または照明位置からの透過拡散光が検出されなくな
ったとき）は、液位が目標レベル（目標液位）に達した
と判定し、注入停止制御手段からの指令によってノズル
（１４）からの液体の注入を停止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液体供給装置に係り、特
に詳細には、紙コップ等の光拡散性の材料からなる容器
に透光性の液体、例えば水、飲料などを注入する装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、金属製、紙製、ガラス製ある
いはプラスチック製のコップ類に、自動的に水や飲料、
薬液を供給する装置が知られている。例えば歯科医療用
の給水装置の場合には、まず金属製カップが置かれたこ
とを重量センサで検知し、次にノズルから給水し、重量
センサで目標水位となったら給水を停止する。すなわ
ち、容器が置かれたこと、目標水位となったこと等が重
量センサで検出され、その検出出力に従って給水が制御
される。

【０００３】ここで、目標水位となったことを検出する
センサとしては、重量センサの他に光センサを用いるこ
とも可能であり、特開昭６２−１４００２９号、同６３
−２８１０２１号は、このような従来技術を示してい
る。上記のいずれも、容器内の液面に対して斜め方向か
ら光を入射し、液面での光の屈折を利用して液面位置を
検出している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来技術（液面検出技術）を用いた液体供給装置
（例えば給水装置）では、液面センシングのために一対
の受光素子と発光素子が必要になるだけでなく、容器が
置かれたことを検知するセンサも別に必要になる。そし
て、この容器が載置されたことの検知のために重量セン
サを用いると、紙コップなどの軽量の容器では誤動作し
やすい。一方、容器が載置されたことの検知のために、
上記特許公報の光センサ（液面センシング用のもの）の
他に別の光センサを用いると仮定すると、回路構成およ
びセンサの配置などが複雑化する。

【０００５】本発明は、このような従来技術の欠点を克
服するためになされたもので、検出系を簡単な構成と
し、容器の載置から給液（給水）の完了までを光学的に
検出し、かつ給液動作を自動的に制御できる液体供給装
置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る液体供給装
置は、容器を載置する載置部と、載置された容器に所定
の目標液位まで透光性の液体を注入する注入手段と、載
置された容器内面の目標液位の下側の照明位置の方向に
斜め上方からビーム光を投射する投光手段と、載置され
た容器外面の照明位置またはその近傍を臨むように配設
され、ビーム光の透過拡散光を検出する受光手段と、受
光手段により透過拡散光が検出されたときに注入手段に
よる液体の注入を開始させる注入開始制御手段と、注入
開始制御手段により液体の注入が開始された後、透過拡
散光の生成する位置がビーム光の液体による屈折により
照明位置近傍の所定の屈折照明位置に移動したことを受
光手段の出力により検知する移動検知手段を含み、この
移動検知手段が移動を検知したときに注入手段による液
体の注入を停止させる注入停止制御手段とを備えること
を特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明の液体供給装置によれば、投光手段から
投射されたビーム光によって容器に光スポットが生成さ
れるが、容器が紙、不透明プラスチック製などの光拡散
性材料からなる場合に、光スポット位置から容器の外に
透過拡散光が放射される。この光スポット位置について
は、液体が未注入のときと注入済みのときで位置が異な
り（照明位置から屈折照明位置に変わり）、これが受光
手段により検知される。つまり、透光性の液体が注入さ
れるとビーム光は液面で屈折し、このため光スポットの
位置が移動する。そして、上記の照明位置からの透過拡
散光が検出されたときは容器が載置されたと判定し、注
入開始制御手段からの指令によって注入手段は液体の注
入を開始する。一方、上記の照明位置の近傍の屈折照明
位置から透過拡散光が検出されるとき（または照明位置
からの透過拡散光が検出されなくなったとき）は、液位
が目標レベル（目標液位）に達したと判定し、注入停止
制御手段からの指令によって注入手段は液体の注入を停
止する。

【０００８】なお、投光手段はパルスビーム光を投射す
るパルス光源を有し、受光手段はパルス光源の発光波長
の光を選択的に透過するフィルタを有するものとしても
よい。このようにすれば、外乱光によって誤動作するこ
とがなくなる。

【０００９】また、受光手段は照明位置を中心として屈
折照明位置を受光範囲に含む指向性を有し、注入開始制
御手段は受光手段の出力レベルが所定のレベルを越えた
ときに液体を注入し、注入停止制御手段は受光手段の出
力レベルが所定のレベル以下となったことを移動検知手
段が検知したときに液体の注入を停止するとしてもよ
く、一方、受光手段は屈折照明位置を中心として照明位
置を受光範囲に含む指向性を有し、注入開始制御手段は
受光手段の出力レベルが第１のレベルを越えたときに液
体を注入し、注入停止制御手段は受光手段の出力レベル
が第１のレベルより高い第２のレベル以上となったこと
を移動検知手段が検知したときに液体の注入を停止する
としてもよい。このようにすれば、受光手段の受光素子
は１個のフォトダイオード等とできるので、構成が簡単
となる。

【００１０】また、受光手段は、照明位置またはこれに
近い第１の位置を中心とする指向性を有する第１の受光
素子と、屈折照明位置またはこれに近い第２の位置を中
心とする指向性を有する第２の受光素子とを有し、注入
開始制御手段は少なくとも第１の受光素子の出力にもと
づき液体の注入を開始し、注入停止制御手段は少なくと
も第２の受光素子の出力にもとづき移動検知手段が移動
を検知したときに液体の注入を停止するものとしてもよ
い。このようにすれば、受光手段の受光素子は２個のフ
ォトダイオード等になるが、容器が載置されたことの検
知と、容器が目標水位となったことの検知とを、より正
確に行なえる。

【００１１】また、受光手段は、照明位置から屈折照明
位置までの範囲において放射された透過拡散光を集光し
て光スポットとして入射する集光レンズと、この光スポ
ットの入射位置を検出する光入射位置検出手段を有し、
注入開始制御手段および注入停止制御手段は光入射位置
検出手段の出力にもとづき液体の注入の開始および停止
を制御するとしてもよい。光入射位置検出手段として
は、例えばＰＳＤ（半導体光入射位置検出素子）を用い
得るが、これによれば液位の変位による光スポット位置
の移動を、逐次、検出できるので、より正確な液体供給
コントロールが実現できる。また、光入射位置検出手段
として、指向角の範囲が重複する２分割ホトダイオード
を用い、その出力の差分をとることによっても位置判別
できるので、目標液位を適宜に変更させたフレキシブル
なコントロールが可能になる。

【００１２】

【実施例】以下、図に従って、本発明の実施例を説明す
る。なお、図の説明において同一要素には同一符号を付
し、重複する説明を省略する。

【００１３】図１は実施例に係る歯科医療用の給水装置
を示し、それぞれ上面図、正面図、側面図およびＡ−Ａ
線端面図である。図示の通り、この給水装置は給水のた
めの給水部１と、患者が使用後の水を廃棄するためのベ
ースン２を備えている。ベースン２は滑らかに成形され
た凹部のほぼ中央に排水口２１を有し、側面で給水部１
と固定されている。

【００１４】給水部１はベースン２に側面が固定される
基台１１と、基台１１の端部から上方に伸びる支柱１２
と、支柱１２の先端から基台１１を覆うように横方向に
伸びる支持板１３を有し、支持板１３の略中心部分には
給水用のノズル１４が貫通している。支持板１３の先端
部の下面には投光器３が取り付けられ、支柱１２の下部
内面には受光器４が取り付けられている。そして、基台
１１の上面にはリング状の突起１５が形成され、その内
側は不要となった水を排出するための排水口１６に連通
している。

【００１５】環状の突起１５は、容器としての紙コップ
５を定位置に保持する役割を有し、この紙コップ５の側
面に向かって内側から、投光器３からのビーム光が投射
される。ノズル１４は透光性の液体すなわち水を紙コッ
プ５に注入するもので、液面で投光器３からのビーム光
を屈折させる。したがって、ビーム光が紙コップ５に光
スポットを形成させる位置は、紙コップ５内の水位５１
により異なる。

【００１６】紙コップ５に光スポットが形成されると、
この位置からの透過拡散光が紙コップ５の外方に放射さ
れ、受光器４に検出される。このような透過拡散光は、
紙コップ５の材料内部での光散乱、多重屈折、多重反射
等により生じるが、いずれにせよ光スポットによって二
次光源が生成され、この二次光源からの光（透過拡散
光）が受光器４で検出される。

【００１７】したがって、容器が光を透過しない金属製
コップ、光を拡散させることなく透過させる平滑面のク
リスタル製グラス等の場合には、受光器４は光スポット
が検出できない。このため、本発明の給水装置で用いら
れる容器は、紙製、不透明プラスチック製、表面に微細
な凹凸加工がされたガラス製などからなる。なお、一定
の着色がされていてもよい。

【００１８】一方、注入される液体は透光性のものであ
れば、着色されていてもよいが、微粒子などの散乱体を
多く含む液体は、光スポットが形成できないので好まし
くない。したがって注入される液体は、光を著しく散乱
させたり、あるいは投光器３からの光の波長を吸収する
ものでなければよく、例えば清涼飲料水、薬品、燃料、
酒類などが使用できる。

【００１９】図２は、紙コップ５に向けて投光器３から
ビーム光が投射され、これによる光スポットが受光器４
で検出される様子を斜視図で示している。投光器３から
のビーム光は矢印実線Ｂ₁のように照明位置Ｃ₁に向か
って進行するが、紙コップ５に水が注入されていないと
きは、真っすぐに進み（Ｂ₂）、照明位置Ｃ₁に光スポ
ットが形成される。紙コップ５に水が注入されるとビー
ム光は水面５１で屈折し（Ｂ₃）、照明位置Ｃ₁の下側
の屈折照明位置Ｃ₂に光スポットが形成される。

【００２０】ここで、受光器４は一定の指向性を有し、
照明位置Ｃ₁を中心として屈折照明位置Ｃ₂を端部に含
む範囲に感度を有している。したがって、紙コップ５に
水が注入されていないときは受光器４の出力レベルは高
く、水が注入されると徐々に受光器４の出力レベルは低
くなる。

【００２１】図３は、この関係を側面図で示している。
同図において、受光器４が感度を有する角度範囲（指向
角）Ｄはハッチングで示してあるが、中心部において感
度が高く、周辺ほど低感度になっている。

【００２２】図３（ａ）のように、紙コップ５が載置さ
れていないときは、受光器４の指向角Ｄの範囲内では二
次光源が形成されず、従って受光器４は透過拡散光を検
出できない。そこで、これをもって「紙コップ無し」と
判定する。図３（ｂ）のように、空の紙コップ５が載置
されると、受光器４の指向角Ｄの略中心で紙コップ５に
より二次光源が形成され、従って受光器４は高レベルの
光検出をする。そこで、これをもって「空の紙コップ有
り」と判定する。図３（ｃ）のように、紙コップ５に水
が目標水位まで注入されると、二次光源の位置は受光器
４の指向角Ｄの端部に移動し、従って受光器４の光検出
出力は一定レベルまで低下する。そこで、これをもって
「給水完了」と判定する。

【００２３】次に、図４〜図７を参照して第１実施例の
回路構成と動作を詳細に説明する。

【００２４】図４はその回路図である。図１の発光器３
は図４の赤外発光ダイオードＬＥＤに対応し、図１の受
光器４は図４のフォトダイオードＰＤを一体に形成した
光変調型のフォトＩＣ４１に対応する。間欠電源４２は
０．０７２秒間隔のパルス電力を出力し、発振器４３は
間欠電源４２のパルス出力がＯＮのときのみ、より高周
波のパルスを出力する。したがってＬＥＤ駆動回路４４
でドライブされる発光ダイオードＬＥＤは、０．０７２
秒の周期で間欠的に発光し、しかも発振器４３の周波数
で光変調されることになる。これにより、外乱光（ノイ
ズ）による誤動作が少なくなる。

【００２５】発光ダイオードＬＥＤの発光出力は図示し
ない投光レンズを介することにより、ビーム光となって
紙コップ５に投射され、これによる透過拡散光がフォト
ダイオードＰＤで検出され、フォトＩＣ４１で信号処理
される。すなわち、所定のスレッショルドレベル（紙コ
ップ判定レベル）以上の光入力があったときのみ、間欠
電源４２の出力周期（０．０７２秒）のパルスを出力す
る。なお、フォトダイオードＰＤの前面には発光ダイオ
ードＬＥＤからの光の波長のみを選択するフィルタ（図
示せず）が設けられ、またフォトＩＣ４１は発振器４３
の発振周波数のみの信号を抽出するフィルタリング機能
を有している。

【００２６】フォトＩＣ４１の出力パルス（間欠電源４
２に同期したパルス）はカウンタ４５、第１タイマ４６
１および第２タイマ４６２に与えられ、カウンタ４５の
出力パルスは第３タイマ４６３に与えられる。そして、
第１タイマ４６１の出力とカウンタ４５の出力はＯＲゲ
ート４７を介してカウンタ４５のリセット端子Ｒ₁に入
力される。さらに、第３タイマ４６３の出力パルスは出
力トランジスタ４８のベースに与えられ、この出力トラ
ンジスタ４８は電源Ｖｃとアースとの間で、バルブ開閉
リレー４９との直列回路を形成している。したがって、
出力トランジスタ４８が第３タイマ４６３の出力パルス
でＯＮになると、バルブ開閉リレー４９が動作して図１
のノズル１４から紙コップ５に給水がされる。

【００２７】ここで、カウンタ４５はフォトＩＣ４１か
らのパルスをカウントし、カウント値が「２８」になる
とパルスを第３タイマ４６３に出力し、同時にＯＲゲー
ト４７を介してカウンタ４５自身をリセットする（カウ
ント値を「０」にする）。第１タイマ４６１は出力パル
ス幅Ｔ₁＝２．０秒のリトリガー不可能なワンショット
（単安定マルチバイブレータ）から構成され、したがっ
てリセット状態（出力がＯＦＦ）でフォトＩＣ４１から
パルス入力があったときのみトリガされ、このトリガ時
点からＴ₁＝２．０秒の時間幅のパルスを出力し、オア
ゲート４７を介してカウンタ４５に与える。第２タイマ
４６２はリトリガー可能なワンショットから構成され、
したがってフォトＩＣ４１からのパルス入力がされるた
びにトリガされ、最後のトリガ時点からＴ₂＝０．２秒
の時間間隔のパルスを出力し、第３タイマ４６３のリセ
ット端子Ｒ₂に与える。第３タイマ４６３もリトリガー
可能なワンショットから構成され、出力パルス幅Ｔ₃は
５．０秒に設定されている。

【００２８】上記の構成において、カウンタ４５および
第１タイマ４６１は主として給水開始をコントロールす
る役割を持ち、第２タイマ４６２は主として給水停止を
コントロールする役割を持ち、第３タイマ４６３は第
１，第２タイマ４６１，４６２の出力に応じて給水をコ
ントロールすると共に、最大給水時間が設定されて給水
を規定時間以上むやみに継続させない役割を持ってい
る。

【００２９】この役割の概要をフローチャートに示す
と、図５のようになる。

【００３０】まず、給水開始前において、フォトダイオ
ードＰＤが透過拡散光を検出したことによるパルス出力
（ステップＳ１）が、第１タイマ４６１に設定されたＴ
₁＝２．０秒以上継続しないとき（例えば１．９秒で途
切れるとき）には、フォトＩＣ４１からのパルス間隔は
間欠電源４２の出力と同様に０．０７２秒であるため、
カウンタ４５のカウント値は「２７」で止まってしま
い、その後、第１タイマ４６１の出力がＯＦＦになって
カウンタ４５はリセットされる（カウント値が「０」に
なる）。したがって、給水が開始されることはない。こ
れに対し、パルス検出が第１タイマ４６１に設定された
Ｔ₁＝２．０秒（正確には１．９４４秒）継続すると、
カウンタ４５のカウント値は「２８」になると共にその
出力パルスが第３タイマ４６３に与えられ、第３タイマ
４６３がトリガされることでその出力により出力トラン
ジスタ４８がＯＮになって給水が開始される（ステップ
Ｓ２）。

【００３１】以上のように第１タイマ４６１がＴ₁＝
２．０秒間パルスをフォトＩＣ４１から受け続けない限
り、その出力がＯＮにならないようにしたことで、外乱
光による誤動作が防止できる。すなわち、指を光路に差
し入れた場合などに、フォトＩＣ４１からパルスが出力
されて誤って給水されてしまうのを防げる。

【００３２】次に、給水開始後において、フォトダイオ
ードＰＤが透過拡散光を検出できなかったことによるパ
ルス出力（ステップＳ３）の途切れが、第２タイマ４６
２に設定されたＴ₂＝０．２秒を越えたときには、第２
タイマ４６２からのパルスによって第３タイマ４６３が
リセットされ、出力トランジスタ４８がＯＦＦになって
給水が停止される（ステップＳ４）。したがって、紙コ
ップに目標水位まで給水された場合はもちろん、給水中
に紙コップが取り去られた時なども、短時間で給水停止
される。つまり、より長時間パルス検出されたときに給
水を開始し、より短時間パルス検出できなかったとき給
水を停止することで、給水装置をオフィスやビル内に設
置したときの水漏れ事故からの安全性（フェイルセー
フ）が保証される。

【００３３】ステップＳ３において、パルス出力が０．
２秒以上途切れないときは、給水が継続されるが、その
時間は第１タイマ４６１からパルスが出力されてから
５．０秒を越えない（ステップＳ５）。すなわち、第３
タイマ４６３を構成するリトリガー可能なワンショット
の出力パルス幅が、前述のようにＴ₃＝５．０秒に設定
されているからである。このため、故障あるいは操作上
のミスにより第２タイマ４６２から第３タイマ４６３を
リセットするためのパルス出力がされなくなっても、給
水され続けることはない。なお、第３タイマ４６３を構
成するワンショットがリトリガー不可能の場合には、紙
コップが不正常（例えば底に穴が開いている）でフォト
ダイオードＰＤが透過拡散光を検出し続けても、給水時
間は５秒で制限されることになる。したがって、リトリ
ガー可能あるいは不可能なワンショットを使い別けるこ
とで、種々の用途に好適に対応させることが可能であ
る。

【００３４】図６は、フォトダイオードＰＤの受光量の
変化と、紙コップ５の水位の変化との関係を模式的に示
している。紙コップ５が載置されていないときは、フォ
トダイオードＰＤの指向角Ｄの範囲内に二次光源は現れ
ず、フォトダイオードＰＤの受光量は所定レベル（紙コ
ップ判定レベル）以下である。時点ｔ₁で紙コップ５が
置かれると指向角Ｄの略中心に二次光源が現れ、フォト
ダイオードＰＤの受光量は判定レベルを越える。そし
て、これが一定時間（Ｔ₁＝２．０秒間）続くと給水が
始まり（時点ｔ₂）、水位が増加し始める。ビーム光が
水面に届くようになると（時点ｔ₃）、ビーム光は屈折
して二次光源の位置が下方に移動し、フォトダイオード
ＰＤの受光量は減少し始める。そして、受光量が目標水
位到達判定レベル以下になると（時点ｔ₄）、Ｔ₂＝
０．２秒後（時点ｔ₅）に給水が停止される。

【００３５】このような動作をタイミングチャートで示
すと、図７のようになる。なお、図７中の時点ｔ₁〜ｔ
₅は図６中の時点ｔ₁〜ｔ₅に対応している。

【００３６】時点ｔ₁以前では、間欠電源４２からの出
力および発光タイオードＬＥＤの発光出力は存在するも
のの、紙コップ５による二次光源が現れていない（紙コ
ップ５が置かれていない）ため、フォトＩＣ４１からの
パルス出力はない。このとき、カウンタ４５の計数値は
「０」である。

【００３７】時点ｔ₁で紙コップ５が置かれると、二次
光源が生成されて透過拡散光が検出されることで、フォ
トＩＣ４１から間欠電源４２の出力に同期した０．０７
２秒間隔のパルスが出力される。これにより、第１タイ
マ４６１と第２タイマ４６２がトリガされ、かつカウン
タ４５の計数値は「１」となる。このカウンタ４５はパ
ルス入力ごとに「１」づつ計数値をアップする。

【００３８】時点ｔ₂になると、カウンタ４５の計数値
は「２８」となり、パルスを出力して第３タイマ４６３
をセットすると共に、ＯＲゲート４７を介して自身をリ
セットする。すなわち、カウンタ４５は計数値が「２
８」になるとパルスを出力するよう設定されているが、
計数値が「１」になってから「２８」になるまでの時間
間隔は、０．０７２×（２８−１）＝１．９４４秒であり、したがって第１タイマ４６１に設定されたＴ₂
＝２．０秒の経過する直前にカウンタ４５は「１」から
「２８」までの計数を終了する。そして、２９個目のパ
ルスが到来するときには、０．０７２×（２９−１）＝２．０１６秒経過しているので、カウンタ４５は第１タイマ４６１
（Ｔ₁＝２．０秒）により既にリセットされており、コ
ントロールに中断が生じることはない。

【００３９】ここで、仮に時点ｔ₁〜ｔ₂の間でフォト
ＩＣ４１からのパルスに途切れがあると、カウンタ４５
は第１タイマ４６１によってリセットされるまでのＴ₁
＝２．０秒間に計数値を「２８」にすることができな
い。したがって、誤って給水開始される不具合が生じな
いように設計されている。

【００４０】以下、フォトＩＣ４１からのパルス出力に
途切れがなければ、カウンタ４５と第１タイマ４６１は
同様の動作を繰り返すが、Ｔ₂＝０．２秒の第２タイマ
４６２はリトリガー可能であるためフォトＩＣ４１のパ
ルス出力（０．０７２秒間隔）ごとにトリガされ、出力
は「Ｈ」のままである。また、第３タイマ４６３もリト
リガー可能であるため、カウンタ４５の出力パルスごと
（２．０秒間隔）にトリガされ、出力は「Ｈ」のままで
ある。

【００４１】時点ｔ₄で紙コップ５の水位が目標水位に
なると、フォトダイオードＰＤの受光量は所定レベル以
下となり、フォトＩＣ４１からパルスが出力されなくな
る。すると、第２タイマ４６２は再びトリガされること
がなくなり、最後のフォトＩＣ４１のパルス出力時点か
らＴ₂＝０．２秒後に第３タイマ４６３は第２タイマ４
６２によってリセットされる（時点ｔ₅）。この間にお
ける間欠電源４２の出力パルス数は０．０７２×２＜０．２＜０．０７２×３であるから２個である。

【００４２】このようにして、紙コップ５が目標水位に
なると給水は停止されるが、これが正常に動作しないと
きには、第３タイマ４６３の回路の時定数はＴ₃＝５．
０秒となっているので、最大給水時間を越えて給水がさ
れることはない。さらに、フォトＩＣ４１からの出力パ
ルスが２個分途切れたときに給水停止するため、第１
に、パルス１個分の誤検知によって給水が停止する不具
合をなくし、かつ、第２に、患者の指が光路に入った
り、あるいは不注意で紙コップ５を倒したりするなどの
トラブルがあったとき、すみやかに給水を停止できる。

【００４３】図８は前述の第１実施例の変形例を示して
おり、図６の説明と対応している。この変形例では、フ
ォトダイオードＰＤの指向角Ｄの範囲、すなわち受光範
囲の中心位置が異なっている。図６の第１実施例では、
フォトダイオードＰＤの受光範囲は、水が未注入のとき
の二次光源の位置（照明位置）が中心になっていたが、
図８の変形例では、紙コップ５に水が目標水位まで注入
されたときの二次光源の位置（屈折照明位置）が中心と
なっている。したがって、図８に示すように、紙コップ
検知のための受光量の判定レベルが低く、目標水位にな
ったことを検知するための受光量の判定レベルが高くな
っている。このため、フォトダイオードＰＤの出力を処
理する回路は、紙コップ判定レベルとフォトダイオード
ＰＤの出力レベルとの比較をする第１のコンパレータ機
能と、目標水位到達判定レベルとフォトダイオードＰＤ
の出力レベルとの比較をする第２のコンパレータ機能を
有している。

【００４４】次に、図９〜図１１を参照して、第２実施
例に係る給水装置を説明する。この実施例は、受光器に
２個のフォトダイオードＰＤ（例えば２分割型フォトダ
イオード）を用いたものである。

【００４５】使用されるフォトダイオードＰＤは、例え
ば図９（ａ）のように、２つの受光部ＰＤ_A，ＰＤ_Bを
有する２分割フォトダイオードＰＤに単一のプラスチッ
クレンズ９１を取り付けた構造からなり、あるいは同図
（ｂ）のようにそれぞれのフォトダイオードＰＤ_A，Ｐ
Ｄ_Bにプラスチックレンズ９１_A、９１_Bをマウントし
て指向角の方向を異ならせた構造からなる。

【００４６】図１０は、この第２実施例の回路図であ
る。駆動回路４４は発振器４３の発振周波数で発光ダイ
オードＬＥＤを発光駆動し、その出力ビーム光は紙コッ
プ５に投射される。ここで、紙コップ５に現れる二次光
源の位置は水が未注入のときに上側の照明位置、注入後
のときに下側の屈折照明位置となって互いに異なり、こ
こからの透過拡散光はレンズ９１を介してフォトダイオ
ードＰＤ_A，ＰＤ_Bに受光される。なお、フォトダイオ
ードＰＤ_A，ＰＤ_Bの指向角すなわち受光範囲について
は、互いに異なりながら一部で重複しているものとす
る。

【００４７】フォトダイオードＰＤ_A，ＰＤ_Bの出力は
Ｉ／Ｖ変換回路９２_A，９２_Bで電圧信号に変換され、
それぞれ差動増幅回路９３に入力される。この差動増幅
回路９３では出力の差分が得られ、これが比較器９４に
入力される。比較器９４には抵抗Ｒ_O，Ｒ_Vで分圧した
基準レベル電圧が入力されており、上記の差分電圧と比
較され、結果の出力（「Ｈ」または「Ｌ」レベルの信
号）がＡＮＤゲート９５に与えられる。

【００４８】このＡＮＤゲート９５には発振器４３の発
振出力も与えられており、したがって発光ダイオードＬ
ＥＤの発光と同期したゲート動作をしている。このＡＮ
Ｄゲート９５の出力は出力トランジスタ４８のベースに
与えられ、このトランジスタ４８がＯＮすると給水バル
ブ用リレー４９が動作する。

【００４９】図１０の実施例において、比較器９４への
基準電圧は抵抗Ｒ_O，Ｒ_Vの分圧比で決まるので、可変
抵抗Ｒ_Vの値を調整することにより、紙コップ５での目
標水位を調整することが可能になる。図１０において、
差動増幅回路９３の差分がゼロとなったときに給水バル
ブをＯＦＦにする場合を例として、給水コントロールを
示すと図１１のようになる。

【００５０】図１１は、第１実施例に係る図６と、その
変形例に係る図８と同様の手法により、この第２実施例
における水位と受光量の関係を説明する図である。図１
１に示す通り、フォトダイオードＰＤ_A，ＰＤ_Bの指向
角すなわち感度のある範囲は、フォトダイオードＰＤ_A
についてはビーム光が水面に届かないときの二次光源の
位置（照明位置）により近く、フォトダイオードＰＤ_B
については給水済みの紙コップ５中で屈折されたビーム
光による二次光源の位置（屈折照明位置）により近い。

【００５１】したがって、空の紙コップ５が置かれたと
きには、フォトダイオードＰＤ_Aの出力レベルはフォト
ダイオードＰＤ_Bの出力レベルより高い。そして、給水
後に目標水位まで到達すると、双方の出力レベルが同一
になり、給水完了が判定される。

【００５２】次に、図１２〜図１４を参照することによ
り、第３実施例に係る給水装置を説明する。

【００５３】この実施例では、投光器３に発光ダイオー
ドＬＥＤが用いられる点で、第１，第２実施例と同一で
あるが、受光器４には光入射位置検出素子(PSD;Positio
n Sensitive detector) が用いられている。このＰＳＤ
は図１２に正面図、縦断面図で示すように、ｉ型のＳｉ
（シリコン）基板の表面にｐ層（受光面）、裏面にｎ層
を形成し、受光面の両端に位置信号Ｉ₁，Ｉ₂を出力す
る電極Ｅ₁，Ｅ₂を設けて構成される。

【００５４】ここで、受光面の長さをＬ、入射光スポッ
トの受光面中心からの距離をＸとすると、電極Ｅ₁，Ｅ
₂からの出力光電流Ｉ₁，Ｉ₂との間において（Ｉ₂−Ｉ₁）／（Ｉ₁＋Ｉ₂）＝２Ｘ／Ｌ …（１）の式（１）が成立する。つまり、出力光電流Ｉ₁，Ｉ₂
に対して加算・減算および割算を行えば、光スポットの
位置を示す距離Ｘの値を求めることができる。

【００５５】そこで本実施例では、図１３のように回路
を構成する。なお、投光系は図１０と同様になる。図１
３に示すように、紙コップ５に注水されているか否かで
ビーム光の光路が異なり、したがって二次光源の位置も
異なる。したがって、ＰＳＤの出力光電流Ｉ₁，Ｉ
₂は、紙コップ５における水位の高低に対応することに
なる。

【００５６】ＰＳＤの出力光電流Ｉ₁，Ｉ₂はＩ／Ｖ変
換回路９２₁，９２₂で電圧値Ｖ₁，Ｖ₂に変換され、
加算回路９７で加算（Ｖ₁＋Ｖ₂）演算されると共に、
減算回路９６で減算（Ｖ₂−Ｖ₁）演算される。そし
て、直流再生回路９８によって交流信号が直流信号に変
換され、割算回路９９において（Ｖ₂−Ｖ₁）／（Ｖ₁＋Ｖ₂） …（２）の演算がされる。すると、式（１）と式（２）から明ら
かなように、入射スポット位置の中心からの距離Ｘの値
が求まる。すなわち、紙コップ５にビーム光が投射され
ることで形成された二次光源の位置が、アナログ的な値
として求まる。

【００５７】本実施例においては、このアナログデータ
はコンパレータ１００に入力され、基準レベルＶ_REFと
比較する。したがって、Ｖ_REF値を紙コップ５における
目標水位と対応するよう調整すれば、水位がこのレベル
に到達したときの給水停止制御が可能になる。

【００５８】なお、紙コップ５が載置されたことの検知
は、例えばＰＳＤの裏面電極に供給される光電流（Ｉ₁
＋Ｉ₂）をＩ／Ｖ変換して電圧信号とし、これをコンパ
レータ１０１で一定レベルと比較すればよい。紙コップ
５に二次光源が形成されて透過拡散光が検出されれば、
水位によって二次光源の位置が変化して光電流Ｉ₁，Ｉ
₂の比は異なることになるが、その和（Ｉ₁＋Ｉ₂）は
二次光源の位置によらず略一定である。したがって、単
一のＰＳＤを用いて、空の紙コップの有無とその水位を
判別し、好適な給水コントロールをなし得る。

【００５９】本発明については、上記の実施例に限るこ
となく、様々な変形が可能である。

【００６０】例えば、実施例では紙コップの側壁部に二
次光源を形成するタイプとなっているが、斜め上方より
ビーム光を投射するものであれば、例えば二次光源は紙
コップの底面に形成してもよい。この場合には、受光器
は底面からの透過拡散光を検出すべく、その下方に配置
される。なお、この場合には、底面での透過拡散光を光
ファイバで導いて光センサに入光するようにしてもよ
い。

【００６１】また、光入射位置検出型の素子としては、
例えば一次元フォトダイオードアレイセンサのような、
複数の画素（受光要素）からなるものを用いてもよい。
さらに、紙コップを載置する載置部は、凹凸形状とする
ことなく、目視できるマークを付してもよい。

【００６２】

【発明の効果】以上、詳細に説明した通り本発明によれ
ば、一組の投光器と受光器の組み合せにより、容器の有
無と目標液位まで液体が注入されたことを検知できる。
したがって、容器の載置から液体供給の完了までを、自
動的にコントロールできる液体供給装置を実現すること
ができる。また、目標水位となった容器中の液体の一部
を使用し、再び載置部にセットすれば、いわゆる「注ぎ
足し」を行なえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係る給水装置の外観構成を示す図であ
る。

【図２】ビーム光による検出原理を示す斜視図である。

【図３】図１の装置における水位とビーム光の光路の関
係を示す図である。

【図４】本発明の給水装置に適用されるコントロール回
路の第１実施例を示す図である。

【図５】第１実施例の動作の概要を示すフローチャート
である。

【図６】第１実施例における給水コントロールの概要を
示す図である。

【図７】図４の回路の動作を示す信号波形図である。

【図８】第１実施例の変形例における給水コントロール
の概要を示す図である。

【図９】第２実施例に用いられる投光器を示す図であ
る。

【図１０】第２実施例のコントロールのための信号処理
回路図である。

【図１１】第２実施例における給水コントロールの概要
を示す図である。

【図１２】第３実施例に用いられる投光器を示す図であ
る。

【図１３】第３実施例の信号処理回路図である。

【図１４】第３実施例における給水コントロールの概要
を示す図である。

【符号の説明】

１…給水部、２…ベースン、３…投光器、４…受光器、
５…紙コップ、ＰＤ…フォトダイオード、ＬＥＤ…発光
ダイオード。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】容器を載置する載置部と、載置された前記容器に所定の目標液位まで透光性の液体
を注入する注入手段と、載置された前記容器内面の前記目標液位の下側の照明位
置の方向に斜め上方からビーム光を投射する投光手段
と、載置された前記容器外面の前記照明位置またはその近傍
を臨むように配設され、前記ビーム光の透過拡散光を検
出する受光手段と、前記受光手段により前記透過拡散光が検出されたときに
前記注入手段による前記液体の注入を開始させる注入開
始制御手段と、前記注入開始制御手段により前記液体の注入が開始され
た後、前記透過拡散光の生成する位置が前記ビーム光の
前記液体による屈折により前記照明位置近傍の所定の屈
折照明位置に移動したことを前記受光手段の出力により
検知する移動検知手段を含み、この移動検知手段が前記
移動を検知したときに前記注入手段による前記液体の注
入を停止させる注入停止制御手段と、を備えることを特徴とする液体供給装置。
【請求項２】前記投光手段はパルスビーム光を投射す
るパルス光源を有し、前記受光手段は前記パルス光源の
発光波長の光を選択的に透過するフィルタを有する請求
項１記載の液体供給装置。
【請求項３】前記受光手段は前記照明位置を中心とし
て前記屈折照明位置を受光範囲に含む指向性を有し、前記注入開始制御手段は前記受光手段の出力レベルが所
定のレベルを越えたときに前記液体を注入し、前記注入停止制御手段は、前記受光手段の出力レベルが
前記所定のレベル以下となったことを前記移動検知手段
が検知したときに前記液体の注入を停止する請求項１記
載の液体供給装置。
【請求項４】前記受光手段は前記屈折照明位置を中心
として前記照明位置を受光範囲に含む指向性を有し、前記注入開始制御手段は前記受光手段の出力レベルが第
１のレベルを越えたときに前記液体を注入し、前記注入停止制御手段は前記受光手段の出力レベルが前
記第１のレベルより高い第２のレベル以上となったこと
を前記移動検知手段が検知したときに前記液体の注入を
停止する請求項１記載の液体供給装置。
【請求項５】前記受光手段は、前記照明位置またはこ
れに近い第１の位置を中心とする指向性を有する第１の
受光素子と、前記屈折照明位置またはこれに近い第２の
位置を中心とする指向性を有する第２の受光素子とを有
し、前記注入開始制御手段は少なくとも前記第１の受光素子
の出力にもとづき前記液体の注入を開始し、前記注入停止制御手段は少なくとも前記第２の受光素子
の出力にもとづき前記移動検知手段が前記移動を検知し
たときに前記液体の注入を停止する請求項１記載の液体
供給装置。
【請求項６】前記受光手段は、前記照明位置から前記
屈折照明位置までの範囲において放射された透過拡散光
を集光して光スポットとして入射する集光レンズと、こ
の光スポットの入射位置を検出する光入射位置検出手段
を有し、前記注入開始制御手段および前記注入停止制御手段は前
記光入射位置検出手段の出力にもとづき前記液体の注入
の開始および停止を制御する請求項１記載の液体供給装
置。
【請求項７】前記注入開始制御手段は、前記受光手段
による前記透過拡散光の検出が所定の時間継続したとき
に前記液体の注入を開始する請求項１記載の液体供給装
置。