赤外線アレイセンサを用いた水位検出装置
【課題】非接触で容易かつ高精度に水位を検出することの可能な水位検出装置及び水位検出方法を提供する。
【解決手段】この水位検出装置１００は、赤外線アレイセンサ２０と、赤外線アレイセンサ２０の出力を２次元情報として出力する出力部１０と、信号処理部３０とを具備し、赤外線アレイセンサ２０の設置高さと、検出角度とに基づき、水位を求めるものである。赤外線アレイセンサ２０は、液体としての水を収納するケースの上方の所定位置に配置され、ケースの内壁とケース内に収納された液体表面からの熱放射に基づく赤外線を検出するものである。そして、出力部１０は、赤外線アレイセンサ２０の出力を、液体とケースとの反射率の差に基づき、２次元情報として出力する。さらに信号処理部３０は、２次元情報と、赤外線アレイセンサ２０の設置高さと、赤外線アレイセンサ２０の検出角度とに基づき、液体の水位を算出する。
【解決手段】この水位検出装置１００は、赤外線アレイセンサ２０と、赤外線アレイセンサ２０の出力を２次元情報として出力する出力部１０と、信号処理部３０とを具備し、赤外線アレイセンサ２０の設置高さと、検出角度とに基づき、水位を求めるものである。赤外線アレイセンサ２０は、液体としての水を収納するケースの上方の所定位置に配置され、ケースの内壁とケース内に収納された液体表面からの熱放射に基づく赤外線を検出するものである。そして、出力部１０は、赤外線アレイセンサ２０の出力を、液体とケースとの反射率の差に基づき、２次元情報として出力する。さらに信号処理部３０は、２次元情報と、赤外線アレイセンサ２０の設置高さと、赤外線アレイセンサ２０の検出角度とに基づき、液体の水位を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線アレイセンサを用いた水位検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の水位検出方法が提案されているが、一般的には、フロートや圧力センサなどを用いて、直接液体に接触する形が一般的であった。しかしながら、炊飯器やポットなど、食品などにかかわる液体の水位検出を行う場合、衛生面から、直接接触しての水位検出は問題がある。
【０００３】
そこで、非接触で水位検出を行う方法が提案されている。例えば非接触で温度検出を行う方法として、従来、熱放射線を検出することで、熱放射量の変化を検出し、湯面レベルを測定するようにした溶鋼湯面レベルの測定方法が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５８−１５０８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の方法では、熱放射量の変化により湯面レベルを測定しているため、溶鋼湯面の温度によっても、熱放射量の変化が生じ、十分な測定精度を得ることができない。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、非接触で容易かつ高精度に水位を検出することの可能な水位検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、液体の収納されたケースの上方の所定位置に配置され、赤外線信号を受信する赤外線アレイセンサと、ケースの内壁と前記ケース内に収納された液体表面からの熱放射に基づく赤外線を検出し、前記液体と前記ケースとの反射率の差に基づく、２次元情報として出力する出力部と、前記２次元情報と、前記赤外線アレイセンサの設置高さと、前記赤外線アレイサンサの検出角度とに基づき、前記液体の水位を求める信号処理部とを有する。
【０００７】
また本発明は、上記水位検出装置であって、前記赤外線センサアレイを前記液体から生成された気体から保護する保護部材を具備したものを含む。
【０００８】
また本発明は、上記水位検出装置であって、前記保護部材は、前記赤外線センサアレイを熱遮断するシャッタであるものを含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の水位検出装置によれば、非接触で高精度の水位検出が可能である。また同時に水温（液温）検知も可能である。さらにまた衛生面での問題も解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１の水位検出装置を示す図(水位が高い時)、（ａ）は装置構成を示す図、（ｂ）は測定結果を示す図
【図２】本発明の実施の形態１の水位検出装置を示す図(水位が低い時)、（ａ）は装置構成を示す図、（ｂ）は測定結果を示す図
【図３】本発明の実施の形態１の水位検出装置を用いた炊飯器を示す図
【図４】本発明の実施の形態１の水位検出装置を用いた炊飯器を示す図
【図５】本発明の実施の形態１の水位検出装置に用いられる赤外線アレイセンサを示す図であり、（ａ）は一部破断概略斜視図、(ｂ)は、パッケージ蓋を外した状態を示す概略斜視図、（ｃ）はパッケージ蓋を外した状態を示す概略側面図、（ｄ）は概略断面図
【図６】本発明の実施の形態１の水位検出装置の赤外線アレイセンサに搭載される赤外線センサチップの要部断面図
【図７】同赤外線センサチップの平面レイアウトを示す図
【図８】同赤外線センサチップの等価回路図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１（ａ）及び図２（ａ）は、本発明の実施の形態の水位検出装置を示す説明図であり、水位検出装置はケース内に収容された液体の水位を計測する８行８列の画素を備えた赤外線アレイセンサを備えている。図２は図１よりも水位が低くなった状態を示す。図３及び図４はこの水位検出装置を搭載した炊飯器を示す説明図及び外観斜視図である。図１（ｂ）及び図２（ｂ）はこの水位検出装置の図１（ａ）及び図２（ａ）の状態に対応する水位の場合の測定結果を示す図である。図５乃至８はここで用いられる赤外線アレイセンサを示す図である。
【００１２】
この水位検出装置１００は、赤外線アレイセンサ２０と、赤外線アレイセンサ２０の出力を２次元情報として出力する出力部１０と、信号処理部３０とを具備し、赤外線アレイセンサ２０の設置高さと、検出角度とに基づき、水位を求めるものである。外線アレイセンサ２０は、液体としての水１１１を収納するケース１１０の上方の所定位置に配置され、ケースの内壁とケース内に収納された液体表面からの熱放射に基づく赤外線を検出するものである。そして、出力部１０は、赤外線アレイセンサ２０の出力を、液体とケースとの反射率の差に基づき、２次元情報として出力する。さらに信号処理部３０は、２次元情報と、赤外線アレイセンサ２０の設置高さと、赤外線アレイサンサ２０の検出角度とに基づき、液体の水位を算出する。このケースは、ポリイミド樹脂製であり、この水１１１とその反射率が異なる。信号処理部３０は、赤外線アレイセンサ２０からの信号を受信するとともに、その信号値と、赤外線アレイセンサ２０の設置高さと、赤外線アレイサンサ２０の検出角度とを用いて、水位を算出する。
【００１３】
そしてこの水位検出装置１００は図３及び図４に示すように、炊飯器１０００に搭載されている。炊飯器はケース１１０を備えた容器本体部２００と、容器本体部２００に符合する蓋部３００とを具備している。そしてこの蓋部３００は、内壁にこの水位検出装置の赤外線アレイセンサ２０が装着され、透明な蒸気遮断部であるシャッタ４０を具備している。
【００１４】
この保護部材としてのシャッタ４０は、赤外線アレイセンサ２０を、この液体から生成された気体から保護するものである。
この測定結果を図１（ｂ）及び図２（ｂ）に示す。図１（ｂ）は図１（ａ）に示したように水位が高い場合で液体面からの赤外線エネルギーのみを検出した、赤外線２次元情報である。図２（ｂ）は図２（ａ）に示したように水位が低くなった状態で赤外線エネルギーのみを検出した赤外線２次元情報である。ここで中央部Ｒ１は液体面からの赤外線エネルギーを、外周部Ｒ２はケース１１０からの赤外線エネルギーを検出したものである。
【００１５】
このとき、放射量の違いで、液体である水１１１と水が収納されているケース１１０とでは、同じ温度であっても、赤外線エネルギー量は異なり、赤外線２次元画像の検出結果に違いが出る。
【００１６】
このようにして、赤外線アレイセンサ２０から検出される赤外線画像を取り出すことで、液体面の高さを検出することができる。たとえば基準水位にある時の赤外線２次元画像を基準画像とし、図１(ｂ)に示したような液体面のみの画像となっているように設定しておく。そしてその水位よりも低くなると、図２(ｂ)に示したように周囲にケース１１０の内壁が見え、赤外線画像における外周部がケース１１０による画像となる。この中央部Ｒ１の外周の半径ａ１と外周部Ｒ２の外周の半径ａ２との比から、赤外線アレイセンサ２０を臨む角度が算出され、水位を算出することができる。
【００１７】
次にこの水位の算出方法について説明する。
まず図１（ａ）および（ｂ）に示すように、基準水位にある時、容器の内壁の検出角がθ０のときのセンサから液面までの高さをｈ０とし、その時の容器内壁から容器中心までの距離をｂ２とする。そしてこのときの出力画像の半径をａ２とする。
そして、水位が低下したとき、出力画像は図２（ｂ）に示すように、周囲にケース１１０の内壁が見え、外周部がケース１１０による画像となる。一方、図２（ａ）に示すように、実際に測定したいのは、容器の内壁の検出角がθのときのセンサから液面までの高さｈであり、その時の容器内壁から容器中心までの距離をｂ１とする。そしてこの中央部Ｒ１の外周の半径ａ１と外周部Ｒ２の外周の半径ａ２に基づき、そしてこのときの出力画像の半径をａ１とすると、次式によってセンサから液面までの高さｈが算出される。
ｈ＝ｈ０・（ｂ２/ｂ１）
＝ｈ０・（ａ２/ａ１）
そして実際の容器の基準面からの深さｈ１は、
ｈ１＝ｈ−ｈ０
となり、容易に液面の高さが検出可能となる。
【００１８】
このようにして、信号処理部３０は出力部１０からの出力データに基づき液面上部に設置した赤外線アレイセンサの検出角度と、検出される温度情報からセンサ設置高さからの液面の位置を検出することができる。
【００１９】
次にこの水位検出装置１００を構成する赤外線アレイセンサ２０について説明する。図５はこの赤外線アレイセンサを示す図であり、（ａ）は一部破断概略斜視図、(ｂ)は、パッケージ蓋を外した状態を示す概略斜視図、（ｃ）はパッケージ蓋を外した状態を示す概略側面図、（ｄ）は概略断面図、図６はこの赤外線アレイセンサに搭載される赤外線センサチップの要部断面図、図７はこの赤外線センサチップの平面レイアウトを示す図、図８はこの赤外線センサチップの等価回路図である。
【００２０】
この赤外線アレイセンサ２０は、赤外線イメージセンサであり、赤外線センサチップ１と、この赤外線センサチップ１の出力信号を信号処理するＩＣチップ２と、赤外線センサチップ１およびＩＣチップ２を収納するパッケージ３とを具備している。ここで、絶対温度を測定するサーミスタ（図示せず）も、このパッケージ３に収納されている。
【００２１】
この赤外線センサチップ１は、ベース基板１１としてのシリコン基板内に熱型赤外線検出部が形成されたものである。熱型赤外線検出部は、異種金属を繋いだ熱電対において、赤外線による熱によりこれら金属の接合点間に温度差を生じさせ、この温度差により接点間に電位差を発生させる熱起電力効果（ゼーベック効果）を利用して、赤外線を電圧として検知するように構成したものである。この熱型赤外線検出部は、受光した赤外線を赤外線吸収膜で熱に変換し、この熱を、直列に多数個接続された熱電対に加え、発生した温接点部の温度変化を、熱電対により電圧として出力する。この熱型赤外線検出部において、赤外線を吸収する赤外線吸収膜の材料としては、赤外線吸収率の高い黒色膜やカーボン膜などが用いられている。
【００２２】
そしてパッケージ３は、赤外線センサチップ１とＩＣチップ２とサーミスタが搭載された配線基板からなるパッケージ本体４と、パッケージ蓋５とが気密的に接合され、水分を遮断する構成となっている。またこのパッケージ蓋５には窓９ａが設けられ、この窓にはレンズ９が設けられ、集光された赤外線が、赤外線センサチップ１に導かれるようになっている。さらにパッケージ３内部では熱伝導性の良好なカバー部材６が設けられ、赤外線センサチップ１の温度変化を緩和するようになっている。また赤外線は赤外線透過窓７を透過し、赤外線センサチップ１に導かれる。
【００２３】
この赤外線センサチップにおいては、図７および８に示すように熱型赤外線検出部Ｔｈと画素選択用スイッチング素子であるＭＯＳトランジスタＴｒとを有する画素Ｃｐがベース基板１１の一表面側においてアレイ状（ここでは、２次元アレイ状）に配列されている。ここで、ベース基板１１は、シリコン基板を用いて形成されている。なお、本実施形態では、１つのベース基板１１の上記一表面側にｍ×ｎ個（図示例では、８×８個）の画素Ｃｐが形成されているが、画素の数や配列は特に限定するものではない。
【００２４】
そしてこの赤外線センサは、複数の垂直読み出し線Ｌｖと、複数の水平信号線ＳＨと、複数のグラウンド線と、共通グラウンド線Ｇndと、複数の基準バイアス線Ｖｒｅｆとを備えており、全ての熱型赤外線検出部Ｔｈの感温部の出力を時系列的に読み出すことができるようになっている。この複数の垂直読み出し線Ｌｖは、各列の複数の熱型赤外線検出部Ｔｈの感温部の一端が上述のＭＯＳトランジスタＴｒを介して各列ごとに共通接続したものである。複数の水平信号線ＳＨは、各行の熱型赤外線検出部Ｔｈの感温部に対応するＭＯＳトランジスタＴｒのゲート電極が各行ごとに共通接続したものである。複数のグラウンド線は、各列のＭＯＳトランジスタＴｒのｐ＋形ウェル領域を各列ごとに共通接続したものである。そして各グラウンド線は共通接続され、共通グラウンド線Ｇndを構成する。また、複数の基準バイアス線Ｖｒｅｆは、各列の複数個の熱型赤外線検出部の感温部の他端を各列ごとに共通接続したものである。
【００２５】
このように、本実施の形態の赤外線センサは、ベース基板１１の上記一表面側に熱型赤外線検出部Ｔｈと当該熱型赤外線検出部Ｔｈに並設され当該熱型赤外線検出部Ｔｈの出力を読み出すためのＭＯＳトランジスタＴｒとを有する複数の画素Ｃｐが形成されている。ここで、ＭＯＳトランジスタＴｒは、ゲート電極が水平信号線に接続され、ソース電極が感温部を介して基準バイアス線Ｖｒｅｆに接続されている。そして、各基準バイアス線Ｖｒｅｆが共通基準バイアス線に共通接続され、ドレイン電極が垂直読み出し線に接続されている。各水平信号線それぞれが各別の画素選択用パッドに電気的に接続される。そして、各垂直読み出し線それぞれが各別の出力用パッドに電気的に接続される。そして、共通グラウンド線がグラウンド用パッドに電気的に接続される。また、共通基準バイアス線が基準バイアス用パッドと電気的に接続され、シリコン基板が基板用パッドに電気的に接続されている。
【００２６】
このようにして、ＭＯＳトランジスタＴｒが順次オン状態になるように各画素選択用パッドＶselの電位を制御することで各画素Ｃｐの出力電圧を順次読み出すことができる。例えば、基準バイアス用パッドの電位を１．６５、グラウンド用パッドの電位を０Ｖ、基板用パッドの電位を５Ｖとしておく。このとき、画素選択用パッドの電位を５Ｖとすれば、ＭＯＳトランジスタＴｒがオンとなり、出力用パッドから画素Ｃｐの出力電圧（１．６５Ｖ＋感温部の出力電圧）が読み出される。一方、画素選択用パッドの電位を０Ｖとすれば、ＭＯＳトランジスタＴｒがオフとなり、出力用パッドから画素Ｃｐの出力電圧は読み出されない。
【００２７】
以下、熱型赤外線検出部ＴｈおよびＭＯＳトランジスタＴｒそれぞれの構造について説明する。なお、本実施形態では、上述のシリコン基板として、導電形がｎ形で上記一表面が（１００）面の単結晶シリコン基板を用いている。
【００２８】
熱型赤外線検出部Ｔｈは、シリコン基板の上記一表面側の各画素Ｃｐそれぞれにおける熱型赤外線検出部Ｔｈの形成用領域に形成されている。そして、ＭＯＳトランジスタＴｒは、シリコン基板の上記一表面側の各画素ＣｐそれぞれにおけるＭＯＳトランジスタＴｒの形成用領域に形成されている。
【００２９】
熱型赤外線検出部Ｔｈは、シリコン基板を基礎とするベース基板１１の上記一表面側においてベース基板１１と空洞１２によって空間的に分離して形成され赤外線を吸収する赤外線吸収部を有する薄膜構造部１３と、熱電対を有し赤外線吸収部とベース基板１１との温度差を検出する熱電対型の感温部とを備えている。この感温部は、赤外線吸収部とベース基板１１とに跨って形成されたｐ形ポリシリコン層１５、ｎ形ポリシリコン層１４、と熱電対とを具備している。この熱電対は、赤外線吸収部の赤外線入射面側でｐ形ポリシリコン層１５とｎ形ポリシリコン層１４とを電気的に接合した接続部（温接点Ｔ１，冷接点Ｔ２）で構成される。
【００３０】
このようにして、赤外線センサによる出力を赤外線画像として撮像することで、容易に図１(ｂ)および図２（ｂ）に示したような２次元赤外線画像を出力することができ、容易に水位を検出することができる。
【００３１】
以上説明してきたように、本発明の水位検出装置によれば、非接触で水位を検出することができることから、炊飯器やポットなど、食品の保存あるいは調理に用いられる用具への適用が極めて有効である。非接触であるため長時間にわたる連続的使用にも劣化を招いたりすることがない。
【００３２】
従って、通信回線を使って、高齢者の安全な暮らしを遠隔的に確認するような安全確認システムなどにおける水位検出装置などにも適用可能である。たとえばポットの水位の変化率を検出し、ポットへの給水、お湯の使用などを確認することで、長期にわたるセンサとして使用可能である。
【００３３】
また、２次元赤外情報により、検出しているため、たとえば８行８列の画素の内のいくつかが劣化したとしても、図１（ｂ）および図２（ｂ）に示したような輪郭情報は獲得できるため、誤動作がきわめて少ないという特徴を有している。
【符号の説明】
【００３４】
１ 赤外線センサチップ
２ ＩＣチップ
３ パッケージ
４ パッケージ本体
５ パッケージ蓋
６ カバー部材
７ 赤外線透過窓
９ レンズ
９ａ 窓
１０ 出力部
１１ ベース基板
１２ 空洞
１３ 薄膜構造部
１４ ｎ形ポリシリコン層
１５ ｐ形ポリシリコン層
２０ 赤外線アレイセンサ
３０ 信号処理部
４０ シャッタ
１００ 水位検出装置
１１０ ケース
１０００ 炊飯器
２００ 容器本体部
３００ 蓋部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線アレイセンサを用いた水位検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の水位検出方法が提案されているが、一般的には、フロートや圧力センサなどを用いて、直接液体に接触する形が一般的であった。しかしながら、炊飯器やポットなど、食品などにかかわる液体の水位検出を行う場合、衛生面から、直接接触しての水位検出は問題がある。
【０００３】
そこで、非接触で水位検出を行う方法が提案されている。例えば非接触で温度検出を行う方法として、従来、熱放射線を検出することで、熱放射量の変化を検出し、湯面レベルを測定するようにした溶鋼湯面レベルの測定方法が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５８−１５０８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の方法では、熱放射量の変化により湯面レベルを測定しているため、溶鋼湯面の温度によっても、熱放射量の変化が生じ、十分な測定精度を得ることができない。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、非接触で容易かつ高精度に水位を検出することの可能な水位検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、液体の収納されたケースの上方の所定位置に配置され、赤外線信号を受信する赤外線アレイセンサと、ケースの内壁と前記ケース内に収納された液体表面からの熱放射に基づく赤外線を検出し、前記液体と前記ケースとの反射率の差に基づく、２次元情報として出力する出力部と、前記２次元情報と、前記赤外線アレイセンサの設置高さと、前記赤外線アレイサンサの検出角度とに基づき、前記液体の水位を求める信号処理部とを有する。
【０００７】
また本発明は、上記水位検出装置であって、前記赤外線センサアレイを前記液体から生成された気体から保護する保護部材を具備したものを含む。
【０００８】
また本発明は、上記水位検出装置であって、前記保護部材は、前記赤外線センサアレイを熱遮断するシャッタであるものを含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の水位検出装置によれば、非接触で高精度の水位検出が可能である。また同時に水温（液温）検知も可能である。さらにまた衛生面での問題も解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１の水位検出装置を示す図(水位が高い時)、（ａ）は装置構成を示す図、（ｂ）は測定結果を示す図
【図２】本発明の実施の形態１の水位検出装置を示す図(水位が低い時)、（ａ）は装置構成を示す図、（ｂ）は測定結果を示す図
【図３】本発明の実施の形態１の水位検出装置を用いた炊飯器を示す図
【図４】本発明の実施の形態１の水位検出装置を用いた炊飯器を示す図
【図５】本発明の実施の形態１の水位検出装置に用いられる赤外線アレイセンサを示す図であり、（ａ）は一部破断概略斜視図、(ｂ)は、パッケージ蓋を外した状態を示す概略斜視図、（ｃ）はパッケージ蓋を外した状態を示す概略側面図、（ｄ）は概略断面図
【図６】本発明の実施の形態１の水位検出装置の赤外線アレイセンサに搭載される赤外線センサチップの要部断面図
【図７】同赤外線センサチップの平面レイアウトを示す図
【図８】同赤外線センサチップの等価回路図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１（ａ）及び図２（ａ）は、本発明の実施の形態の水位検出装置を示す説明図であり、水位検出装置はケース内に収容された液体の水位を計測する８行８列の画素を備えた赤外線アレイセンサを備えている。図２は図１よりも水位が低くなった状態を示す。図３及び図４はこの水位検出装置を搭載した炊飯器を示す説明図及び外観斜視図である。図１（ｂ）及び図２（ｂ）はこの水位検出装置の図１（ａ）及び図２（ａ）の状態に対応する水位の場合の測定結果を示す図である。図５乃至８はここで用いられる赤外線アレイセンサを示す図である。
【００１２】
この水位検出装置１００は、赤外線アレイセンサ２０と、赤外線アレイセンサ２０の出力を２次元情報として出力する出力部１０と、信号処理部３０とを具備し、赤外線アレイセンサ２０の設置高さと、検出角度とに基づき、水位を求めるものである。外線アレイセンサ２０は、液体としての水１１１を収納するケース１１０の上方の所定位置に配置され、ケースの内壁とケース内に収納された液体表面からの熱放射に基づく赤外線を検出するものである。そして、出力部１０は、赤外線アレイセンサ２０の出力を、液体とケースとの反射率の差に基づき、２次元情報として出力する。さらに信号処理部３０は、２次元情報と、赤外線アレイセンサ２０の設置高さと、赤外線アレイサンサ２０の検出角度とに基づき、液体の水位を算出する。このケースは、ポリイミド樹脂製であり、この水１１１とその反射率が異なる。信号処理部３０は、赤外線アレイセンサ２０からの信号を受信するとともに、その信号値と、赤外線アレイセンサ２０の設置高さと、赤外線アレイサンサ２０の検出角度とを用いて、水位を算出する。
【００１３】
そしてこの水位検出装置１００は図３及び図４に示すように、炊飯器１０００に搭載されている。炊飯器はケース１１０を備えた容器本体部２００と、容器本体部２００に符合する蓋部３００とを具備している。そしてこの蓋部３００は、内壁にこの水位検出装置の赤外線アレイセンサ２０が装着され、透明な蒸気遮断部であるシャッタ４０を具備している。
【００１４】
この保護部材としてのシャッタ４０は、赤外線アレイセンサ２０を、この液体から生成された気体から保護するものである。
この測定結果を図１（ｂ）及び図２（ｂ）に示す。図１（ｂ）は図１（ａ）に示したように水位が高い場合で液体面からの赤外線エネルギーのみを検出した、赤外線２次元情報である。図２（ｂ）は図２（ａ）に示したように水位が低くなった状態で赤外線エネルギーのみを検出した赤外線２次元情報である。ここで中央部Ｒ１は液体面からの赤外線エネルギーを、外周部Ｒ２はケース１１０からの赤外線エネルギーを検出したものである。
【００１５】
このとき、放射量の違いで、液体である水１１１と水が収納されているケース１１０とでは、同じ温度であっても、赤外線エネルギー量は異なり、赤外線２次元画像の検出結果に違いが出る。
【００１６】
このようにして、赤外線アレイセンサ２０から検出される赤外線画像を取り出すことで、液体面の高さを検出することができる。たとえば基準水位にある時の赤外線２次元画像を基準画像とし、図１(ｂ)に示したような液体面のみの画像となっているように設定しておく。そしてその水位よりも低くなると、図２(ｂ)に示したように周囲にケース１１０の内壁が見え、赤外線画像における外周部がケース１１０による画像となる。この中央部Ｒ１の外周の半径ａ１と外周部Ｒ２の外周の半径ａ２との比から、赤外線アレイセンサ２０を臨む角度が算出され、水位を算出することができる。
【００１７】
次にこの水位の算出方法について説明する。
まず図１（ａ）および（ｂ）に示すように、基準水位にある時、容器の内壁の検出角がθ０のときのセンサから液面までの高さをｈ０とし、その時の容器内壁から容器中心までの距離をｂ２とする。そしてこのときの出力画像の半径をａ２とする。
そして、水位が低下したとき、出力画像は図２（ｂ）に示すように、周囲にケース１１０の内壁が見え、外周部がケース１１０による画像となる。一方、図２（ａ）に示すように、実際に測定したいのは、容器の内壁の検出角がθのときのセンサから液面までの高さｈであり、その時の容器内壁から容器中心までの距離をｂ１とする。そしてこの中央部Ｒ１の外周の半径ａ１と外周部Ｒ２の外周の半径ａ２に基づき、そしてこのときの出力画像の半径をａ１とすると、次式によってセンサから液面までの高さｈが算出される。
ｈ＝ｈ０・（ｂ２/ｂ１）
＝ｈ０・（ａ２/ａ１）
そして実際の容器の基準面からの深さｈ１は、
ｈ１＝ｈ−ｈ０
となり、容易に液面の高さが検出可能となる。
【００１８】
このようにして、信号処理部３０は出力部１０からの出力データに基づき液面上部に設置した赤外線アレイセンサの検出角度と、検出される温度情報からセンサ設置高さからの液面の位置を検出することができる。
【００１９】
次にこの水位検出装置１００を構成する赤外線アレイセンサ２０について説明する。図５はこの赤外線アレイセンサを示す図であり、（ａ）は一部破断概略斜視図、(ｂ)は、パッケージ蓋を外した状態を示す概略斜視図、（ｃ）はパッケージ蓋を外した状態を示す概略側面図、（ｄ）は概略断面図、図６はこの赤外線アレイセンサに搭載される赤外線センサチップの要部断面図、図７はこの赤外線センサチップの平面レイアウトを示す図、図８はこの赤外線センサチップの等価回路図である。
【００２０】
この赤外線アレイセンサ２０は、赤外線イメージセンサであり、赤外線センサチップ１と、この赤外線センサチップ１の出力信号を信号処理するＩＣチップ２と、赤外線センサチップ１およびＩＣチップ２を収納するパッケージ３とを具備している。ここで、絶対温度を測定するサーミスタ（図示せず）も、このパッケージ３に収納されている。
【００２１】
この赤外線センサチップ１は、ベース基板１１としてのシリコン基板内に熱型赤外線検出部が形成されたものである。熱型赤外線検出部は、異種金属を繋いだ熱電対において、赤外線による熱によりこれら金属の接合点間に温度差を生じさせ、この温度差により接点間に電位差を発生させる熱起電力効果（ゼーベック効果）を利用して、赤外線を電圧として検知するように構成したものである。この熱型赤外線検出部は、受光した赤外線を赤外線吸収膜で熱に変換し、この熱を、直列に多数個接続された熱電対に加え、発生した温接点部の温度変化を、熱電対により電圧として出力する。この熱型赤外線検出部において、赤外線を吸収する赤外線吸収膜の材料としては、赤外線吸収率の高い黒色膜やカーボン膜などが用いられている。
【００２２】
そしてパッケージ３は、赤外線センサチップ１とＩＣチップ２とサーミスタが搭載された配線基板からなるパッケージ本体４と、パッケージ蓋５とが気密的に接合され、水分を遮断する構成となっている。またこのパッケージ蓋５には窓９ａが設けられ、この窓にはレンズ９が設けられ、集光された赤外線が、赤外線センサチップ１に導かれるようになっている。さらにパッケージ３内部では熱伝導性の良好なカバー部材６が設けられ、赤外線センサチップ１の温度変化を緩和するようになっている。また赤外線は赤外線透過窓７を透過し、赤外線センサチップ１に導かれる。
【００２３】
この赤外線センサチップにおいては、図７および８に示すように熱型赤外線検出部Ｔｈと画素選択用スイッチング素子であるＭＯＳトランジスタＴｒとを有する画素Ｃｐがベース基板１１の一表面側においてアレイ状（ここでは、２次元アレイ状）に配列されている。ここで、ベース基板１１は、シリコン基板を用いて形成されている。なお、本実施形態では、１つのベース基板１１の上記一表面側にｍ×ｎ個（図示例では、８×８個）の画素Ｃｐが形成されているが、画素の数や配列は特に限定するものではない。
【００２４】
そしてこの赤外線センサは、複数の垂直読み出し線Ｌｖと、複数の水平信号線ＳＨと、複数のグラウンド線と、共通グラウンド線Ｇndと、複数の基準バイアス線Ｖｒｅｆとを備えており、全ての熱型赤外線検出部Ｔｈの感温部の出力を時系列的に読み出すことができるようになっている。この複数の垂直読み出し線Ｌｖは、各列の複数の熱型赤外線検出部Ｔｈの感温部の一端が上述のＭＯＳトランジスタＴｒを介して各列ごとに共通接続したものである。複数の水平信号線ＳＨは、各行の熱型赤外線検出部Ｔｈの感温部に対応するＭＯＳトランジスタＴｒのゲート電極が各行ごとに共通接続したものである。複数のグラウンド線は、各列のＭＯＳトランジスタＴｒのｐ＋形ウェル領域を各列ごとに共通接続したものである。そして各グラウンド線は共通接続され、共通グラウンド線Ｇndを構成する。また、複数の基準バイアス線Ｖｒｅｆは、各列の複数個の熱型赤外線検出部の感温部の他端を各列ごとに共通接続したものである。
【００２５】
このように、本実施の形態の赤外線センサは、ベース基板１１の上記一表面側に熱型赤外線検出部Ｔｈと当該熱型赤外線検出部Ｔｈに並設され当該熱型赤外線検出部Ｔｈの出力を読み出すためのＭＯＳトランジスタＴｒとを有する複数の画素Ｃｐが形成されている。ここで、ＭＯＳトランジスタＴｒは、ゲート電極が水平信号線に接続され、ソース電極が感温部を介して基準バイアス線Ｖｒｅｆに接続されている。そして、各基準バイアス線Ｖｒｅｆが共通基準バイアス線に共通接続され、ドレイン電極が垂直読み出し線に接続されている。各水平信号線それぞれが各別の画素選択用パッドに電気的に接続される。そして、各垂直読み出し線それぞれが各別の出力用パッドに電気的に接続される。そして、共通グラウンド線がグラウンド用パッドに電気的に接続される。また、共通基準バイアス線が基準バイアス用パッドと電気的に接続され、シリコン基板が基板用パッドに電気的に接続されている。
【００２６】
このようにして、ＭＯＳトランジスタＴｒが順次オン状態になるように各画素選択用パッドＶselの電位を制御することで各画素Ｃｐの出力電圧を順次読み出すことができる。例えば、基準バイアス用パッドの電位を１．６５、グラウンド用パッドの電位を０Ｖ、基板用パッドの電位を５Ｖとしておく。このとき、画素選択用パッドの電位を５Ｖとすれば、ＭＯＳトランジスタＴｒがオンとなり、出力用パッドから画素Ｃｐの出力電圧（１．６５Ｖ＋感温部の出力電圧）が読み出される。一方、画素選択用パッドの電位を０Ｖとすれば、ＭＯＳトランジスタＴｒがオフとなり、出力用パッドから画素Ｃｐの出力電圧は読み出されない。
【００２７】
以下、熱型赤外線検出部ＴｈおよびＭＯＳトランジスタＴｒそれぞれの構造について説明する。なお、本実施形態では、上述のシリコン基板として、導電形がｎ形で上記一表面が（１００）面の単結晶シリコン基板を用いている。
【００２８】
熱型赤外線検出部Ｔｈは、シリコン基板の上記一表面側の各画素Ｃｐそれぞれにおける熱型赤外線検出部Ｔｈの形成用領域に形成されている。そして、ＭＯＳトランジスタＴｒは、シリコン基板の上記一表面側の各画素ＣｐそれぞれにおけるＭＯＳトランジスタＴｒの形成用領域に形成されている。
【００２９】
熱型赤外線検出部Ｔｈは、シリコン基板を基礎とするベース基板１１の上記一表面側においてベース基板１１と空洞１２によって空間的に分離して形成され赤外線を吸収する赤外線吸収部を有する薄膜構造部１３と、熱電対を有し赤外線吸収部とベース基板１１との温度差を検出する熱電対型の感温部とを備えている。この感温部は、赤外線吸収部とベース基板１１とに跨って形成されたｐ形ポリシリコン層１５、ｎ形ポリシリコン層１４、と熱電対とを具備している。この熱電対は、赤外線吸収部の赤外線入射面側でｐ形ポリシリコン層１５とｎ形ポリシリコン層１４とを電気的に接合した接続部（温接点Ｔ１，冷接点Ｔ２）で構成される。
【００３０】
このようにして、赤外線センサによる出力を赤外線画像として撮像することで、容易に図１(ｂ)および図２（ｂ）に示したような２次元赤外線画像を出力することができ、容易に水位を検出することができる。
【００３１】
以上説明してきたように、本発明の水位検出装置によれば、非接触で水位を検出することができることから、炊飯器やポットなど、食品の保存あるいは調理に用いられる用具への適用が極めて有効である。非接触であるため長時間にわたる連続的使用にも劣化を招いたりすることがない。
【００３２】
従って、通信回線を使って、高齢者の安全な暮らしを遠隔的に確認するような安全確認システムなどにおける水位検出装置などにも適用可能である。たとえばポットの水位の変化率を検出し、ポットへの給水、お湯の使用などを確認することで、長期にわたるセンサとして使用可能である。
【００３３】
また、２次元赤外情報により、検出しているため、たとえば８行８列の画素の内のいくつかが劣化したとしても、図１（ｂ）および図２（ｂ）に示したような輪郭情報は獲得できるため、誤動作がきわめて少ないという特徴を有している。
【符号の説明】
【００３４】
１ 赤外線センサチップ
２ ＩＣチップ
３ パッケージ
４ パッケージ本体
５ パッケージ蓋
６ カバー部材
７ 赤外線透過窓
９ レンズ
９ａ 窓
１０ 出力部
１１ ベース基板
１２ 空洞
１３ 薄膜構造部
１４ ｎ形ポリシリコン層
１５ ｐ形ポリシリコン層
２０ 赤外線アレイセンサ
３０ 信号処理部
４０ シャッタ
１００ 水位検出装置
１１０ ケース
１０００ 炊飯器
２００ 容器本体部
３００ 蓋部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体の収納されたケースの上方の所定位置に配置され、赤外線信号を受信する赤外線アレイセンサと、
ケースの内壁と前記ケース内に収納された液体表面からの熱放射に基づく赤外線を検出し、前記液体と前記ケースとの反射率の差に基づく、２次元情報として出力する出力部と、
前記２次元情報と、前記赤外線アレイセンサの設置高さと、前記赤外線アレイサンサの検出角度とに基づき、前記液体の水位を求める信号処理部とを有する水位検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水位検出装置であって、
前記赤外線センサアレイを前記液体から生成された気体から保護する保護部材を具備した水位検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載の水位検出装置であって、
前記保護部材は、前記赤外線センサアレイを熱遮断するシャッタである水位検出装置。
【請求項１】
液体の収納されたケースの上方の所定位置に配置され、赤外線信号を受信する赤外線アレイセンサと、
ケースの内壁と前記ケース内に収納された液体表面からの熱放射に基づく赤外線を検出し、前記液体と前記ケースとの反射率の差に基づく、２次元情報として出力する出力部と、
前記２次元情報と、前記赤外線アレイセンサの設置高さと、前記赤外線アレイサンサの検出角度とに基づき、前記液体の水位を求める信号処理部とを有する水位検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水位検出装置であって、
前記赤外線センサアレイを前記液体から生成された気体から保護する保護部材を具備した水位検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載の水位検出装置であって、
前記保護部材は、前記赤外線センサアレイを熱遮断するシャッタである水位検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−７３０３３（Ｐ２０１２−７３０３３Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１５８８９（Ｐ２０１０−２１５８８９）
【出願日】平成２２年９月２７日（２０１０．９．２７）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２７日（２０１０．９．２７）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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