JP2003035588A - 液体検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液体収容容器内に付着する気泡及び水滴によ
る影響を加味した検出領域を確保しつつ、外壁反射光等
による影響を低減して正確な液体検出が可能な液体検出
装置を提供する。 【解決手段】 受光レンズ２３はそのレンズ中心軸Ｌ１
が内壁反射光Ｍ１の光束の中心軸にほぼ一致させるよう
に配置されている。従って、内壁反射光Ｍ１は、ほとん
ど外向性コマ収差の影響を受けることなく焦点位置に結
像する。一方、受光レンズ２３上において、外壁反射光
Ｍ２の光束の中心の照射点は内壁反射光Ｍ１のそれより
もレンズ中心軸Ｌ１から離れた位置になる。従って、外
向性コマ収差の影響を受けて焦点から反れた位置に彗星
状の像を結ぶことなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体の液位や有無
を光学的に検出する液体検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の液体検出装置としては、例えば
特開平8-320248号等に開示されたものがあるが、その基
本的原理は、いずれも図７に示すように透光性の容器の
側壁１に投光部２から光を照射し、側壁１の内側で反射
した光を受光する位置に受光部３を設けた構成である。
同図（Ａ）に示すように、投光部２からの光の照射域に
液体が存在しない場合には、側壁１の内側で光が正反射
して受光部３に到達するが、同図（Ｂ）に示すように、
液体が存在すると、その正反射率が大きく減少するため
に、投光部２からの光の大部分は側壁１を貫通するよう
になって受光部３に到達しなくなる。従って、受光部３
に入射する光量を計測することにより、液体の有無を判
別できるのである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、投光部２か
らの光は容器の側壁１の外側でも反射するから、受光部
３には容器の側壁１の内側で正反射した光（以下「内壁
反射光４」）だけでなく、側壁１の外側で正反射した光
（以下「外壁反射光５」）も入射することがある。この
外壁反射光５は容器内の液体の有無にかかわらず常に受
光部３に入射するからＳ／Ｎ比が低下し正確な液体検出
を行うことができないおそれがある。

【０００４】そこで、特開4-66820号では、容器の側壁
面に対する投光部２及び受光部３の入射角θ（図７参
照）を６０度以上にすると液体の有無による受光部３で
の受光量レベルの差が大きくなるという実験結果に基づ
いて、この入射角θを大きくすることでＳ／Ｎ比の向上
を図ったものが開示されている。しかしながら、こうし
た構成では投光部２から出射された光が受光部３に直接
入射することがあり、前記外壁反射光５と共にやはりＳ
／Ｎ比低下の要因になり得る。

【０００５】このような問題に対して、投光部２と受光
部３との間に遮光部を設けたり、或いは投光部２からの
光を絞ったりすることで、投光部２からの直接光や外壁
反射光５が受光部３に入射するのを防止する方法が考え
られる。実開昭51-51766号には、前者の方法が開示され
ている。図８に示すように、投光部２及び受光部３の間
に非透光部材６Ａを設けて、投光部２からの直接光及び
外壁反射光５の光路を遮断して、内壁反射光４のみ通過
可能に構成されている。このような構成であれば受光部
３には内壁反射光４のみが入射することになるからＳ／
Ｎ比を向上させることができ、もってより正確な液体検
出を行うことが可能になる。

【０００６】ところで、正確な液体検出を行うために
は、投光部２からの直接光や外壁反射光５による影響だ
けでなく、検出領域の範囲についても考慮する必要があ
る。即ち、容器に液体が供給されたり、液体を排出した
りすると、液体内に気泡が生じて容器の側壁１の内側に
付着する。気泡が付着した部分では液体がない場合と同
様に投光部２からの光は側壁１の内側で正反射して受光
部３に至ることになる。従って検出領域に液体が存在す
る場合でも気泡の付着によって受光部３での受光量レベ
ルが液体がないときの受光量レベル側に近づいてしま
う。逆に、検出領域に液体が存在しないときには、容器
の側壁１の内側に水滴が付着して受光部３での受光量レ
ベルが液体の存在するときの受光量レベル側に近づくこ
ともある。従って、気泡や水滴の影響を避けるために検
出領域をある程度広く確保する必要がある。

【０００７】ところが、容器の中にはその側壁が極めて
薄いものも多く、このような容器内の液体を、上述した
非透光部材６Ａを用いた液体検出装置を使って検出する
場合には、確保できる検出領域の面積に制約が生じると
いう新たな問題が発生する。このことについて、図９に
示すように側壁１の厚さが異なる２種類（厚さｔ１＜ｔ
２）の容器を例に挙げて詳説する。同図（Ａ）に示すよ
うに、容器の側壁１がある程度の厚み（ｔ２）があれば
内壁反射光４の光路Ｒ１と、外壁反射光５の光路Ｒ２と
はほどんど重複することがなく、外壁反射光５の光路Ｒ
２を前記非透光部材６Ａ等で遮断しても検出領域Ｗ１に
影響を与えることはない。ところが、同図（Ｂ）に示す
ように、側壁１が薄くなると（ｔ１）、内壁反射光４の
光路Ｒ１と外壁反射光５の光路Ｒ２とが重なり合うこと
になる。ここで、同図（Ｃ）に示すように外壁反射光５
の光路を遮断して内壁反射光４のみ通過する光路Ｒ３の
み開放するように非透光部材６Ｂを設けると、検出領域
がＷ１からＷ２へと狭くなってしまうのである。従っ
て、側壁１が薄いと、気泡や水滴の影響により正確な液
体検出を行えないという問題が再び発生するのである。

【０００８】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、液体収容容器内に付着する気泡及び水
滴による影響を加味した検出領域を確保しつつ、外壁反
射光等による影響を低減して正確な液体検出が可能な液
体検出装置を提供するところにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明に係る液体検出装置は、光を透過可
能な液体収容容器に対して、外部から光を照射する投光
部と、投光部からの光のうち液体収容容器の内壁面で反
射して再び液体収容容器の外部に出射される内壁反射光
を、受光レンズを通して受光する受光部とを備えて、液
体収容容器のうち投光部からの光の照射部分の内壁面に
接する液体の有無により変化する受光部での受光量に基
づいて動作する液体検出装置において、受光レンズは、
外向性コマ収差の特性を有する形状で形成されると共
に、投光部から出射され液体収容容器の外壁面で反射し
て受光部側に向う外壁反射光の光束の中心が内壁反射光
の光束の中心よりも受光レンズの中心から離れた位置を
通過するように配置されているところに特徴を有する。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１に記載の液体
検出装において、受光レンズは、内壁反射光の光束の中
心軸に対して投光部側又は液体収容容器側に傾けて配置
されているところに特徴を有する。

【００１１】

【発明の作用及び効果】レンズの特性の１つとして、外
向性コマ（彗星）収差が従来から知られている。即ち、
レンズに対して、そのレンズ中心軸上の点（以下「軸上
物点」）から照射された光は同じくレンズ中心軸上に焦
点を結像する。これに対して、図１に示すように、レン
ズ中心軸Ｌ上以外の点（以下「軸外物点」）から照射さ
れた光は一点に集まらずに、レンズ中心から離れた位置
に入射する光ほどレンズ１０の焦点から遠く離れる方向
に発散し、彗星状にぼけた像１１を結ぶのである。この
外向性コマ収差による影響は、照射点がレンズ１０の中
心から離れるほど著しく大きくなる。なお、次式はレン
ズのコマ収差の大小の要因となるレンズ形状に関する式
である。

【００１２】「数１」 Ｓ＝（１／Ｒ1＋１／Ｒ2）・ｆ Ｒ1：レンズの第１面（前面）の曲率半径 Ｒ2：レンズの第２面（後面）の曲率半径 ｆ：レンズの焦点距離

【００１３】外向性コマ収差の特性を有するレンズと
は、数１中のＳが１より小さいという条件を満たす形状
のものをいう。本発明は、この外向性コマ収差というレ
ンズの特性に基づいて創作されたものである。

【００１４】＜請求項１の発明＞請求項１の構成によれ
ば、受光レンズは、外向性コマ収差の特性を有する形状
で形成されており、外壁反射光の光束の中心が内壁反射
光のそれよりも受光レンズの中心から離れた位置を通過
するように配置されている。従って、外壁反射光は、内
壁反射光に比べて外向性コマ収差による影響が大きく受
光レンズの焦点からより遠く離れる方向に発散する。こ
れにより受光部には、例えば外向コマ収差の特性を有し
ない形状の受光レンズを使用する場合に比べて内壁反射
光の占有率の高い光が入射することになり、もってＳ／
Ｎ比の向上を図ることができる。このような構成であれ
ば、投光部及び受光部間に非透光部材を設けた従来の液
体検出装置のように検出領域の範囲に制約が加わるとい
うことなく、気泡及び水滴の影響を加味した検出領域を
確保しつつ、外壁反射光による影響を低減させることが
でき、もって正確な液体検出を行うことが可能になる。

【００１５】＜請求項２の発明＞例えば液体収容容器の
側壁が極めて薄い場合、内壁反射光の光束中心と、外壁
反射光の光束中心との間隔が極めて狭くなり、両反射光
の受光レンズにおける照射点距離も狭くなる。このよう
な場合には、外向性コマ収差による影響の差がそれ程生
じないために、受光部に入射する外壁反射光の低減を十
分に図ることができない。ここで、前述したように、外
向性コマ収差による影響は、照射点がレンズ１０の中心
から離れるほど著しく大きくなる。そこで、請求項２の
構成によれば、受光レンズを、内壁反射光の光束の中心
軸に対して投光部側又は液体収容容器側に傾けること
で、内壁及び外壁の両反射光の受光レンズ上における各
照射点をレンズ中心軸からより遠くなるようにした。こ
のように、受光レンズを傾けることが内壁反射光の占有
率の高い光を受光部に入射させることができ、もってよ
り精度の高い液体検出が可能になる。

【００１６】

【発明の実施の形態】＜第１実施形態＞本発明の第１実
施形態を図２ないし図５によって説明する。本実施形態
に係る液体検出装置２０は、図２に示すように、投光用
光ファイバＦ１からの光を投光レンズ２１を通して出射
する投光部２２と、投光部２２から出射された光のうち
液体収容容器の側壁２５で反射した光を受光レンズ２３
を通して集光して受光用光ファイバＦ２に与える受光部
２４とがケース２６内に収容された構成となっている。
本実施形態では、液体検出装置２０は、液体収容容器の
所定の側壁２５面上に、液体収容容器内の液面と平行な
方向に投光部２２及び受光部２４が並ぶように配置さ
れ、例えばケース２６に貫通形成された取付穴Ｈ，Ｈに
図示しないボルト等を通して図示しない支持部に固着さ
れる。液体検出の基本的原理は従来のものと同様であ
り、液体収容容器のうち投光部２２からの光の照射領域
に液体が存在しない場合には、投光部２２からの光の一
部は側壁２５内に入射して内壁で反射して再び外部に出
射されて受光部２４に到達する。一方、液体収容容器の
照射領域まで液体が満たされた場合には、内壁面での正
反射率が大きく減少するために、投光部２２からの光の
大部分は側壁２５を貫通し受光部２４に到達しなくな
る。従って、受光用光ファイバＦ２の端部に接続された
図示しないコントローラ部において受光部２４から伝送
される受光量レベルを測定することで液体収容容器内の
液体の有無を検出することができるのである。

【００１７】さて、本実施形態では、受光レンズ２３は
外向性コマ収差の特性を有する形状をなしている。即ち
次式においてＳが１より小さいという条件を満たす形状
である。

【００１８】「数２」 Ｓ＝（１／Ｒ1＋１／Ｒ2）・ｆ Ｒ1：レンズの第１面（前面）の曲率半径 Ｒ2：レンズの第２面（後面）の曲率半径 ｆ：レンズの焦点距離 なお、本実施形態の受光レンズ２３は例えばＲ1＝∞、
Ｒ2＝-2.34ｍｍ、ｆ＝4ｍｍのレンズを用いた。（Ｓ＝-
1.709＜１だから外向性コマ収差の特性を有することに
なる。）

【００１９】次に前記受光部２４と投光部２２との配置
関係について図４に基づいて説明する。なお、同図は説
明を簡単にするために、投光部２２から出射された光の
うち液体収容容器の外壁で正反射される外壁反射光Ｍ
２、及び内壁で正反射される内壁反射光Ｍ１については
それらの光束の中心の光路のみを矢印で示してある。同
図に示すように、受光レンズ２３は、そのレンズ中心軸
Ｌ１が内壁反射光Ｍ１の光束の中心軸にほぼ一致させる
ように配置されている。

【００２０】次いで本実施形態に係る液体検出装置２０
の作用効果について説明する。投光用及び受光用の光フ
ァイバＦ１，Ｆ２の端部に接続された図示しないコント
ローラ部を起動させると、投光用光ファイバＦ１から投
光レンズ２１を介して略平行光が液体収容容器の側壁２
５に照射される。すると、この平行光の一部は内壁に向
うが、他の一部はやはり外壁面で反射して受光部２４側
に向うことになる。照射領域に液体がない場合、内壁に
向った光は正反射して受光部２４側に向う。ここで、受
光レンズ２３はそのレンズ中心軸Ｌ１が内壁反射光Ｍ１
の光束の中心軸にほぼ一致させるように配置されてい
る。従って、内壁反射光Ｍ１は、図５（Ａ）に示すよう
に、ほとんど外向性コマ収差の影響を受けることなく焦
点位置に結像する。一方、同図（Ｂ）に示すように、受
光レンズ２３上において、外壁反射光Ｍ２の光束の中心
の照射点は内壁反射光Ｍ１のそれよりもレンズ中心軸Ｌ
１から離れた位置になる。従って、外向性コマ収差の影
響を受けて焦点から反れた位置に彗星状の像を結ぶこと
なる。

【００２１】このように、受光レンズ２３上において、
外壁反射光Ｍ２の光束中心の照射点を、内壁反射光Ｍ１
のそれよりレンズ中心軸Ｌ１から離れた位置にすること
で、受光レンズ２３を通過する外壁反射光Ｍ２を焦点か
ら反れた位置に発散させて、もって受光用光ファイバＦ
２に入射する光における内壁反射光Ｍ１の占有率を高く
することができる。従って、コントローラ部で測定され
る受光量は液体収容容器内の液体の有無によって大きく
変化することになり、精度のよい液体検出が可能にな
る。また、投光部及び受光部間に非透光部材を設けた従
来の液体検出装置のように検出領域の範囲に制約が加わ
るということなく、気泡及び水滴の影響を加味した検出
領域を確保しつつ、外壁反射光Ｍ２による影響を低減さ
せることができ、もって正確な液体検出を行うことが可
能になる。

【００２２】＜第２実施形態＞図６は（請求項２の発明
に対応する）第２実施形態を示す。前記実施形態との相
違は、受光レンズ２３を内壁反射光Ｍ１の光束中心方向
に対して傾けて配置したところにあり、その他の点は前
記第１実施形態と同様である。従って、第１実施形態と
同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところ
のみを次に説明する。

【００２３】例えば液体収容容器の側壁２５が極めて薄
い場合、内壁反射光Ｍ１の光速中心と、外壁反射光Ｍ２
の光束中心との間隔Ｄ１が極めて狭くなり、両反射光の
受光レンズ２３における照射点距離Ｄ２も狭くなる。こ
のような場合には外向性コマ収差による影響の差がそれ
程生じないために受光用光ファイバＦ２に入射する外壁
反射光Ｍ２の光量を低減させることができないこともあ
る。ここで、前述したように、外向性コマ収差による影
響は照射点が受光レンズ２３の中心から離れるほどより
著しく大きくなる。そこで、本実施形態では、図６に示
すように、受光レンズ２３を内壁反射光Ｍ１の光束中心
方向に対して液体収容容器側又は投光部２２側（本実施
形態では液体収容容器側）に角度αだけ傾けて配置する
ことで、内壁及び外壁の両反射光Ｍ１，Ｍ２の受光レン
ズ２３上における各照射点をレンズ中心からより遠くに
離すと共に、前記照射点距離Ｄ２が広くなるように構成
してある。

【００２４】このような構成であれば、受光レンズ２３
を通過する外壁反射光Ｍ２は内壁反射光Ｍ１に比べて外
向性コマ収差の影響を強く受けて受光レンズ２３の焦点
からより遠くの位置に彗星状の像を結ぶことになる。従
って、受光レンズ２３を傾けない場合に比べて受光用光
ファイバＦ２に入射する外壁反射光Ｍ２をより多く低減
させることができる。

【００２５】＜他の実施形態＞本発明は、前記実施形態
に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するよ
うな実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、
下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実
施することができる。 （１）上記各実施形態では、受光レンズ２３は、内壁反
射光Ｍ１の光束中心がレンズ中心に入射するように配置
したが、請求項１に記載でいうように「外壁反射光の光
束の中心が内壁反射光の光束の中心よりも受光レンズの
中心から離れた位置を通過するように」配置すれば本発
明の効果を得ることができる。また、外向性コマ収差に
よる影響は、照射点がレンズの中心から離れるほど著し
く大きくなるという特性を生かして、受光レンズを、内
壁反射光の光束中心が受光レンズの中心軸から離れた位
置を通過するように配置してもよい。このように配置す
ることで、内壁反射光と外壁反射光との外向性コマ収差
による影響差を大きくすることができ、もって受光部に
入射する外壁反射光の低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】外向性コマ収差を説明するための概略図

【図２】本発明の第１実施形態に係る液体検出装置の平
断面図

【図３】その正面図

【図４】投光部及び受光部の配置関係を説明するための
概略図

【図５】内壁反射光及び外壁反射光の外向性コマ収差に
よる影響を説明するための模式図

【図６】本発明の第２実施形態に係る液体検出装置の投
光部及び受光部の配置関係を説明するための概略図

【図７】従来の液体検出装置の原理を示す断面図

【図８】非透光部材を設けた従来の液体検出装置の断面
図

【図９】液体収容容器の側壁の厚さと検出領域の広狭と
の関係を示す模式図

【符号の説明】

２０…液体検出装置 ２１…投光レンズ ２２…投光部 ２３…受光レンズ ２４…受光部 ２５…側壁 Ｄ２…照射点距離 Ｌ１…レンズ中心軸 Ｍ１…内壁反射光 Ｍ２…外壁反射光

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光を透過可能な液体収容容器に対して、
   外部から光を照射する投光部と、 前記投光部からの光のうち前記液体収容容器の内壁面で
   反射して再び前記液体収容容器の外部に出射される内壁
   反射光を、受光レンズを通して受光する受光部とを備え
   て、 前記液体収容容器のうち前記投光部からの光の照射部分
   の内壁面に接する液体の有無により変化する前記受光部
   での受光量に基づいて動作する液体検出装置において、 前記受光レンズは、外向性コマ収差の特性を有する形状
   で形成されると共に、前記投光部から出射され前記液体
   収容容器の外壁面で反射して前記受光部側に向う外壁反
   射光の光束の中心が前記内壁反射光の光束の中心よりも
   前記受光レンズの中心から離れた位置を通過するように
   配置されていることを特徴とする液体検出装置。
2. 【請求項２】 前記受光レンズは、前記内壁反射光の光
   束の中心軸に対して前記投光部側又は前記液体収容容器
   側に傾けて配置されていることを特徴とする請求項１に
   記載の液体検出装置。