JP2002214021A - 液面検出センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構造で、液面レベルを光学的に精度良
く検出できる液面検出センサを提供することを目的とす
る。 【解決手段】 測定液体とは異なる屈折率を有する中実
棒状の導光体１０を備え、導光体１０は、途中に形成さ
れる半円形状部１０ａが前記測定液体に浸るように配置
されるとともに、一端にセンシング光を入射させる投光
部１１が設けられ、他端に前記半円形状部を経由して伝
搬してきたセンシング光が検出する受光部１３が設けら
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学的に液面を検
出する液面検出センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】光学的に液面を検出する液面検出センサ
としては、従来、例えば特開平９−４３０２９号公報に
記載された液面検出装置が知られている。以下、その概
要を図１０を用いて説明する。

【０００３】この公報記載の液面検出装置９０は、液面
検出体を光透過性を有するプリズム９１から構成し、こ
のプリズム９１に入光用ファイバー９２を通して光線を
入射可能な発光ダイオード９３と、プリズム９１から受
光用ファイバー９４を通して受光した光量に相当する電
気信号を出力可能なフォトダイオード９５を含み、プリ
ズム９１に入光用ファイバー９２を通して光線が入射さ
れた場合にプリズム９１の下部９６が液面ＬＦ下に没し
ているか否かで相対屈折率が変化してフォトダイオード
９５から出力される受光量相当の電気信号が変動したこ
とに基づき液面位置を検出する液面位置検出部９７が設
けられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記公報記載
の液面検出センサでは、構造上平行光束を出射しなけれ
ばならないので、高精度な組み立てを要する光学的部品
が増加する。また、プリズム下部の尖頭部分の角度の誤
差が大きくなると、臨界角の条件が保てなくなるどの問
題がある。

【０００５】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、簡単な構造で、液面レベルを光学的に精
度良く検出できる液面検出センサ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】上記目的を達成するため
に、本発明の液面検出センサは、測定液体とは異なる屈
折率を有する中実棒状の導光体を備え、前記導光体は、
途中に形成される半円形状部が前記測定液体に浸るよう
に配置されるとともに、一端にセンシング光を入射させ
る投光部が設けられ、他端に前記半円形状部を経由して
伝搬してきたセンシング光が検出する受光部が設けられ
ることを特徴とする。

【０００７】この構成によれば、半円形状部では、測定
液体中に在る部分において反射しつつ伝搬するセンシン
グ光の一部が測定液体中へ屈折透過することが起こるの
で、その分受光部で検出される光量が減少する。この減
少光量は、ほほ半円形状部と交差する液面レベルと線形
的に対応する。

【０００８】したがって、液面を精度良く、かつ安定的
に検出することができる。また、光学部品は単純な導光
体のみであり、簡単な構造とすることができる。さら
に、屈折率の関係を満たす測定液体であれば、測定液体
の種類を問わず測定できる。

【０００９】また、本発明の液面検出センサは、請求項
１に記載の液面検出センサの複数個が、測定範囲が連続
するような位置に、又はそれぞれ独立した測定位置に配
置されることを特徴とする。

【００１０】この構成によれば、測定範囲を広げること
ができ、また異なる任意の複数位置で測定できるように
なる。

【００１１】また、本発明の液面検出センサは、請求項
２に記載の液面検出センサにおいて、前記請求項１に記
載の液面検出センサの複数個が、前記導光体の端部から
前記半円形状部に至る直線状部の長さを異ならせること
により前記位置に配置されるとともに、前記複数の液面
検出センサの導光体の両端部がそれぞれ１つにまとめら
れていることを特徴とする。

【００１２】この構成によれば、投光部及び受光部を共
通化することができ、構成の簡素化が図れる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して詳細に説明する。

【００１４】図１は、本発明の実施の形態１に係る液面
検出センサの構成を示す図である。

【００１５】図１に示すように、本実施の形態１に係る
液面検出センサ１は、直線状の導光体１０の中間部分に
半円形状部分１０ａを形成し、この半円形状部分１０ａ
を液位を検出するセンシング部としたものである。以
下、この半円形状部分１０ａをセンシング部１０ａと記
す。

【００１６】導光体１０は、アクリル樹脂やガラスなど
光透過性を有する中実棒部材からなり、断面が円状、四
角形状など任意の形状をしたものである。

【００１７】導光体１０の一端には、発光素子１１が設
けられる。発光素子１１は、発光制御回路１２により発
光制御されるようになっている。即ち、発光制御回路１
２は、発光素子１１を発光させるための定電流パルスを
発生する定電流パルス発生回路を備えている。なお、発
光素子１１の発光（センシング光）を光ファイバーによ
り導光体１０の一端に導入するようにしてもよい。

【００１８】また、導光体１０の他端には、受光素子１
３が設けられ、受光素子１３は、液位検出回路１４に接
続されている。なお、導光体１０の他端から出射するセ
ンシング光を光ファイバーにより受光素子１３に導入す
るようにしてもよい。

【００１９】液位検出回路１４は、例えば図３に示すよ
うに構成により液位値を検出するが、その検出液位値が
表示器１５に出力され、表示されるようになっている。

【００２０】以上の構成において、発光制御回路１２で
パルス状の定電流信号を発生し、発光素子１１をパルス
発光させる。発光素子１１が出射する適当な指向範囲を
持ったセンシング光は、導光体１０の一端に入射し、直
線状部分１０ｂ，センシング部１０ａ及び直線状部分１
０ｃを経て他端に到達し、受光素子１３に入射する。

【００２１】このとき、導光体１０内を伝搬するセンシ
ング光は、直線状部分１０ｂ，１０ｃではスネルの法則
に基づく条件を満たす光であれば全反射を繰り返し直進
する。一方、センシング部１０ａでは、光路が湾曲して
いるので側壁面で反射しながら伝搬する。なお、上記ス
ネルの法則に基づく条件とは、例えば、アクリル樹脂を
第１媒質、空気または水を第２媒質としたとき、「入射
光が６２度以上の場合に、入射光は第２媒質が空気また
は水の何れにせよ第１媒質内で全反射する」という条件
を指す。

【００２２】液面検出センサ１の検出範囲１６は、セン
シング部１０ａの上下方向の長さ範囲を示すが、この検
出範囲１６では、伝搬光は、広範囲な反射角で反射を繰
り返している。この検出範囲１６内に液面が在るる場合
には、導光体１０の屈折率が、測定液体のそれと異なる
とき、液中の部分においセンシング光の一部が屈折して
液中へ透過する臨界角が得られる。

【００２３】そうすると、センシング部１０ａを通過し
て受光素子１３に到達するセンシング光の光量は、セン
シング部１０ａにおける透過光の分だけ減少する。この
センシング部１０ａでは、広範囲な反射角で反射が繰り
返されるので、センシング部全体で臨界角が得られ、顕
著な光量の減少が見られる。

【００２４】したがって、センシング部１０ａを測定液
に浸すことにより、液面レベルを検出することができ
る。

【００２５】また、直線部分１０ｂ，１０ｃでは、外部
への透過は起きないので、直線部分１０ｂ，１０ｃの長
さを任意に定めて検出位置を自由に決めることができ
る。

【００２６】図２は、受光素子の入射光量と液面レベル
との関係図である。図２において、導光体１０の全体が
空気中に在るる場合は、発光素子１１の投光は、ほぼ全
部が受光素子１３に到達するので、受光素子１３の受光
レベルは最大値となる（１）。

【００２７】導光体１０のセンシング部１０ａが、測定
液に浸りだすと、受光素子１３の受光量が減少しだし、
検出範囲１６の全体が液中に入ると、減少量が最大とな
る（２）。

【００２８】直線部分１０ｂ，１０ｃでは、外部への透
過は起きず、光量変化に影響しないので、その後は、受
光素子１３の受光レベルは、最小値で安定する（３）。

【００２９】図２の特性図から理解できるように、セン
シング部１０ａでの光量変化は、交差する液面レベルと
線形的に対応しているので、微小な変化でも比較的精度
良く検出でき、かつ安定的に測定することができる。

【００３０】また、光学部品は単純な導光体のみであ
り、簡単な構造とすることができる。さらに、屈折率の
関係を満たす測定液体であれば、測定液体の種類を問わ
ず測定できる。

【００３１】図３は、液位検出回路１４の構成図であ
る。

【００３２】図３において、上述のように光量が変化し
た伝搬光が受光素子１３にて検出される。受光素子１３
の出力（パルス信号）は、オフセット回路３１にて、最
適値に設定するためにシフト操作され、電圧増幅回路３
２にて適宜レベルに増幅される。

【００３３】増幅されたパルス信号は、パルス／電圧変
換回路３３にて直流電圧に変換されて、比較回路３４に
入力する。

【００３４】比較回路３４では、入力した検出電圧と基
準電圧との比較を行い、液面レベルが検出範囲１６のど
こにあるかが表示器１５に出力される。

【００３５】次に、図４は、本発明の実施の形態２に係
る液面検出センサの構成を示す図である。

【００３６】図４に示すように、本実施の形態２に係る
液面検出センサは、実施の形態１で示した液面検出セン
サを複数本（図示例では３本）用いて広い範囲の液位を
連続して検出できるようにしたものである。

【００３７】図４において、３つの液面検出センサ４
１，４２，４３は、例えばセンシング部４１ａ，４２
ａ，４３ａが、それぞれ同じ大きさの半円形状になって
いるが、直線状部分の長さを違えて作り、検出範囲４４
をセンシング部４１ａ，４２ａ，４３ａの検出範囲で連
続してカバーするようにしてある。

【００３８】液面検出センサ４１の入射端に設けられる
発光素子４５は発光制御回路４６により発光駆動され
る。

【００３９】液面検出センサ４２の入射端に設けられる
発光素子４７は発光制御回路４８により発光駆動され
る。

【００４０】液面検出センサ４３の入射端に設けられる
発光素子４９は発光制御回路５０により発光駆動され
る。

【００４１】そして、３つの液面検出センサ４１，４
２，４３の出射端に設けられる受光素子５１，５２，５
３の出力は、液位検出回路５４に入力する。

【００４２】液位検出回路５４は、例えば図６に示すよ
うに構成され、３つの受光素子５１，５２，５３が検出
した液位値をそれぞれ検出するが、３つの受光素子５
１，５２，５３の出力と液面レベルとの関係は、例えば
図５に示すようになる。図５では、検出範囲４４内での
液面レベルが、連続して測定できることが示されてい
る。

【００４３】図６は、液位検出回路５４の構成図であ
る。

【００４４】図６において、３つの受光素子５１，５
２，５３の出力は、合成回路６１にて合成され、電圧増
幅回路６２にて適宜レベルに増幅される。

【００４５】増幅されたパルス信号は、パルス／電圧変
換回路６３にて直流電圧に変換されて、温度補正回路６
４にて光学系や回路の温度特性が補償された後、液面レ
ベルが検出範囲４４のどこにあるかが表示器１５に出力
される。

【００４６】次に、図７は、本発明の実施の形態３に係
る液面検出センサの構成を示す図である。

【００４７】図７に示すように、本実施の形態３に係る
液面検出センサは、実施の形態１で示した液面検出セン
サを複数本（図示例では３本）用いて複数の液位を個別
に検出できるようにしたものである。

【００４８】図７において、３つの液面検出センサ７
１，７２，７３は、例えばセンシング部７１ａ，７２
ａ，７３ａが、それぞれ同じ大きさの半円状になってい
るが、直線状部分の長さを違えて作り、それぞれ検出し
たい液位に配置されている。その他は、実施の形態２と
同様である。

【００４９】液面検出センサ７１の入射端に設けられる
発光素子４５は発光制御回路４６により発光駆動され
る。

【００５０】液面検出センサ７２の入射端に設けられる
発光素子４７は発光制御回路４８により発光駆動され
る。

【００５１】液面検出センサ７３の入射端に設けられる
発光素子４９は発光制御回路５０により発光駆動され
る。

【００５２】そして、３つの液面検出センサ７１，７
２，７３の出射端に設けられる受光素子５１，５２，５
３の出力は、液位検出回路７４に入力する。

【００５３】液位検出回路７４は、例えば図８に示すよ
うに構成され、３つの受光素子５１，５２，５３が検出
した液位値をそれぞれ検出する。すなわち、図８に示す
ように、３つの受光素子５１，５２，５３の出力は、合
成回路６１にて合成され、電圧増幅回路６２にて適宜レ
ベルに増幅される。

【００５４】増幅されたパルス信号は、パルス／電圧変
換回路６３にて直流電圧に変換されて、温度補正回路６
４にて光学系や回路の温度特性が補償されて、３つの比
較回路６５，６６，６７に入力する。

【００５５】比較回路６５，６６，６７では、それぞれ
決められた閾値を持っていて、入力した検出電圧との比
較を行い、液面レベルが検出範囲のどこにあるかが表示
器１５に出力される。

【００５６】本実施の形態３に係る液面検出センサで
は、受光素子の入射光量と液面レベルとの関係は、例え
ば図９に示すようになる。図９では、各液面検出センサ
が、独立した液位をそれぞれ検出することが示されてい
る。

【００５７】なお、実施の形態２と実施の形態３では、
各センサの入射端及び出射端を別個独立に配置した例を
示したが、それぞれ１つにまとめてしまい、発光素子を
１つとし、導光体を分岐して入射光を分光し、センシン
グ部７１ａ，７２ａ，７３ａを通過に再び１つにまとめ
て光を合波し、１つの受光素子で受けるようにしてもよ
い。このようにすれば、構成の簡素化が図れる。

【００５８】以上のように、本実施の形態によれば、液
面を精度良く測定でき、かつ安定的に測定できるように
なる。

【００５９】また、光学部品は導光体のみであり、構造
が簡単となり、機械的な可動部分がないので、高信頼な
液面検出センサが提供できる。

【００６０】さらに、屈折率が異なる液体であれば、種
類を問わず測定できるので、広く応用可能な液面検出セ
ンサが提供できる。例えば、自動車用各種、工業用、一
般用などが考えられる。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
簡単な構造で、液面レベルを光学的に精度良く検出でき
る液面検出センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る液面検出センサの
構成を示す図である。

【図２】本発明の実施の形態１に係る液面検出センサで
の受光素子の入射光量と液面レベルとの関係図である。

【図３】本発明の実施の形態１で用いる液位検出回路の
構成図である。

【図４】本発明の実施の形態２に係る液面検出センサの
構成を示す図である。

【図５】本発明の実施の形態２に係る液面検出センサで
の受光素子の入射光量と液面レベルとの関係図である。

【図６】本発明の実施の形態２で用いる液位検出回路の
構成図である。

【図７】本発明の実施の形態３に係る液面検出センサの
構成を示す図である。

【図８】本発明に実施の形態３で用いる液位検出回路の
構成図である。

【図９】本発明の実施の形態３に係る液面検出センサで
の受光素子の入射光量と液面レベルとの関係図である。

【図１０】従来の液面検出センサの構成例である。

【符号の説明】 １，４１，４２，４３，７１，７２，７３ 液面検出セ
ンサ １０ 導光体 １０ａ，４１ａ，４２ａ，４３ａ，７１ａ，７２ａ，７
３ａ 半円形状部分（センシング部） １１，４５，４７，４９ 発光素子 １２，４６，４８，５０ 発光制御回路 １３，５１，５２，５３ 受光素子 １４，５４，７４ 液位検出回路 １５ 表示器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定液体とは異なる屈折率を有する中実
   棒状の導光体を備え、前記導光体は、途中に形成される
   半円形状部が前記測定液体に浸るように配置されるとと
   もに、一端にセンシング光を入射させる投光部が設けら
   れ、他端に前記半円形状部を経由して伝搬してきたセン
   シング光が検出する受光部が設けられることを特徴とす
   る液面検出センサ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の液面検出センサの複数
   個が、測定範囲が連続するような位置に、又はそれぞれ
   独立した測定位置に配置されることを特徴とする液面検
   出センサ。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の液面検出センサにおい
   て、前記請求項１に記載の液面検出センサの複数個が、
   前記導光体の端部から前記半円形状部に至る直線状部の
   長さを異ならせることにより前記位置に配置されるとと
   もに、前記複数の液面検出センサの導光体の両端部がそ
   れぞれ１つにまとめられていることを特徴とする液面検
   出センサ。