JP2003106891A - 液体検出センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【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を可能にする。 【解決手段】 液体検出センサを起動させると、投光用
光ファイバＦ１から光が出射され偏光フィルタ３０によ
りＰ偏光だけが反射板２８を介して液体収容容器の側壁
２５に照射される。このＰ偏光は側壁２５に対してブリ
ュースター角で入射するから、側壁２５の外側面では反
射せずに側壁２５内に入光することになる。入光した光
は偏光面が保存されずにＰ偏光及びＳ偏光を含む光とし
て側壁２５の内壁面に入射する。内壁壁に接する液体が
なければ、この入射光のうちＳ偏光は側壁２５面で反射
して再び側壁２５内を通過して受光窓２９及び反射板を
介して受光部２４に到達することになる。内側壁に接す
る液体３１（屈折率ｎ3）があれば、ほとんど全ての入
射光が液体内に進行し受光部２４に到達することはな
い。

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センサに関する。 【０００２】 【従来の技術】この種の液体検出センサとしては、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８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、特開平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８参
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９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、容器のなか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を用いた液体検出センサを使って検出
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
１０に示すように側壁１の厚さが異なる２種類（厚さｔ
１＜ｔ２）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Ｒ２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、気泡や水滴の影響を受け易く
なり正確な液体検出が行えないという問題が再び発生す
るのである。 【０００８】また、液体検出センサ自体が正規の位置に
配置されていない場合にもやはりＳ／Ｎ比の低下を招く
結果になり得る。即ち、例えば図１１（Ａ）に示す位置
に投光部２及び受光部３が配置された状態を正規の位置
とする。この位置では受光部３に、内壁反射光４のほと
んどが入光すると共に、外壁反射光５の一部が入光する
ことになる。これに対して液体検出センサが容器の側壁
１から離れた位置（同図でｇ2（＞ｇ1））に配置される
と、今度は受光部３に、内壁反射光４の一部だけが入光
すると共に、外壁反射光５のほとんどが入光することに
なるから、上記正規の位置の場合に比べてＳ／Ｎ比が低
下することになってしまうのである。このことは上述し
た非透光部材６Ｂ等を設けたものであっても同様であ
る。つまり、このものが容器の側壁１から離れた位置に
配置されると、図１２（Ｂ）に示すように非投光部材６
Ｂと容器の側壁１との間に隙間が生じてしまい、外壁反
射光５の全てを遮光することができなくなりやはりＳ／
Ｎ比の低下という問題が生じることになる（同図（Ａ）
（Ｂ）参照）。 【０００９】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
体検出センサを提供するところにある。 【００１０】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る液体検出センサは、光を透過可能で、
かつ少なくとも光が照射される部分について入射した光
の偏光面が保存されない材質で形成された液体収容容器
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可能な受光部
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センサにおい
て、投光部は、当該投光部から出射され液体収容容器に
至る光の液体収容容器に対する入射角が略ブリュースタ
ー（Brewster）角になるよう配されていると共に、投光
部から液体収容容器へ向う光、及び、液体収容容器から
受光部へ向う光の少なくともいずれか一方の光路途中に
配されて、入射面の面方向に平行な偏光面を有する成分
の光の通過を許容し、かつ入射面の面方向に垂直な偏光
面を有する成分の光の通過を阻止する偏光手段を備えて
いるところに特徴を有する。 【００１１】なお、「入射面」とは、液体収容容器への
入射光の光軸と、出射光の光軸とを含む平面をいう。 【００１２】 【発明の作用及び効果】本発明の作用について図１及び
図２を参照しつつ説明する。なお、同図は説明を簡単に
するために、投光部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 、及び内壁で正反
射される内壁反射光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。本発明の構成によれば、投
光部は、そこから出射され液体収容容器に至る光の液体
収容容器に対する入射角が略ブリュースター角になるよ
う配されている。また、入射面の面方向に平行な偏光面
を有する成分の光（以下、「Ｐ偏光」という）の通過を
許容し、かつ入射面に垂直な偏光面を有する成分の光
（以下、「Ｓ偏光」という）の通過を阻止する偏光手段
が、投光部から液体収容容器へ向う光、及び、液体収容
容器から受光部へ向う光の少なくともいずれか一方の光
路途中に配されている。 【００１３】ここで、例えば、図１に示すように、偏光
手段１１を投光部から液体収容容器１２へ向う光の光路
途中に配した場合、その偏光手段１１により液体収容容
器１２に向う光はＰ偏光（同図で点線両矢印）だけとな
る。そして、その光の液体収容容器１２に対する入射角
θ1が略ブリュースター角になるよう構成されているか
ら、そのＰ偏光は液体収容容器１２の外壁では反射せず
に液体収容容器内１２に入射する。そして、この入射し
た光は液体収容容器１２内で偏光面が保存されずにＰ偏
光及びＳ偏光（同図で実線両矢印）を偏光方向が不規則
な光として内壁面に向う。このとき、内壁面に接する液
体がなければ偏光方向が不規則な光のうちＳ偏光はその
内壁面で反射して再び液体収容容器１２の外部に出射さ
れ受光部に到達することになる（同図（Ａ）参照）。一
方、内壁面に接する液体１３があれば内壁面での正反射
率が大きく減少し受光部に到達しなくなり（同図（Ｂ）
参照）、もって受光部に入射する光量を測定することで
液体収容容器１２内の液体１３の有無や液位等の判別が
可能になる。 【００１４】また、例えば図２に示すように、偏光手段
１１を液体収容容器１２から受光部へ向う光の光路途中
に配した場合、投光部からの光のうちＳ偏光のみが外壁
反射光として受光部側に向うことになり、Ｐ偏光は液体
収容容器１２内に進行することになる。ここで、内壁面
に接する液体がない場合には当該内壁面で反射して偏光
面が保存されず、Ｐ偏光及びＳ偏光を含む偏光方向が不
規則な光として受光部側に向う。そして、Ｓ偏光のみを
含む外壁反射光及び偏光方向が不規則な光のうちのＳ偏
光が偏光手段１１によりその通過が阻止され、偏光方向
が不規則な光のうちＰ偏光のみ受光部に到達することに
なる。一方、内壁面に接する液体１３があれば内壁面で
の正反射率が大きく減少し受光部に到達しなくなり（同
図（Ｂ）参照）、もって受光部に入射する光量を測定す
ることで液体収容容器１２内の液体１３の有無や液位等
の判別が可能になる。 【００１５】このような構成であれば、外壁反射光が受
光部に入射することはない。従って、従来の液体検出セ
ンサのように投光部及び受光部間に非透光部材を設ける
構成を採ることなくＳ／Ｎ比向上を図ることができると
共に、側壁が薄い液体収容容器についても気泡及び水滴
による影響を加味した検出領域を確保することができ
る。更に、液体検出センサ自体が正規の位置から多少ず
れた位置に配されても、従来のものとは異なりＳ／Ｎ比
低下を抑制することができる。 【００１６】 【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を図１及び図
３ないし図７によって説明する。本実施形態に係る液体
検出センサ２０は、図３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、投光部２２及び受光部２４は共に液体収容容器
側に向けられて液体収容容器内の液面と平行な方向に並
列状態で配置され、それらの前方には表面が金属（例え
ば、ステンレスやアルミ等）製の一対の反射板２８，２
８がそれぞれ設けられている。投光部２２から出射され
た光は一方の反射板２８によって投光窓２７の方向に導
かれて液体収容容器の側壁２５に至り、そこで反射して
受光窓２９を通過した光が他方の反射板２８により受光
部２４に導かれるよう構成されている。また、液体検出
センサ２０は、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。 【００１７】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。 【００１８】さて、本実施形態では、図３に示すよう
に、投光部２２は、その投光部２２から出射され液体収
容容器に至る光の、液体収容容器に対する入射角θ1が
ブリュースター角になるように配置されている。ここ
で、ブリュースター角とは、Ｐ偏光の反射光がなくなる
入射角という。より詳しくは、図５に示すように、屈折
率ｎ1の透明物質と屈折率ｎ2の透明物質とが滑らかな面
で接した状態で、その界面に光が入射すると、その一部
は反射し他の一部は透過する。この入射光と反射光との
パワー比（以下、「反射率」という）は、各透明物質の
屈折率、光の偏光方向及び入射角によって異なる。屈折
率ｎ1の媒質を進行した光の入射角をθ1、屈折率ｎ2の
媒質に進行した光の屈折角をθ2とすると、Ｐ偏光の反
射率Ｒp及びＳ偏光の反射率Ｒsは、 【００１９】 【数１】 でそれぞれ現すことができる。 【００２０】図６は、屈折率ｎ1が”１”の透明物質と
屈折率ｎ2が”１．５”の透明物質との界面に光を照射
した場合の入射角及び反射率の関係を示したグラフであ
る。同図からも分かるように、入射角が大きくなるにつ
れて、Ｓ偏光の反射率Ｒsは増大するのに対して、Ｐ偏
光の反射率Ｒpは一旦０％に低下した後に増大すること
が分かる。つまり、Ｐ偏光の反射率Ｒpが０％になると
きの入射角がブリュースター角であり、この入射角θ1
は、tanθ1＝ｎ2／ｎ1を演算することで求めることがで
きる。 【００２１】また、投光部２２の前面に、入射面の面方
向に平行な偏光面（図３及び図７で紙面方向に平行な偏
光面）を有する成分の光（以下、「Ｐ偏光」という）の
通過を許容し、かつ入射面に垂直な偏光面（同図で奥行
き方向の偏光面）を有する成分の光（以下、「Ｓ偏光」
という）の通過を阻止する偏光フィルタ３０（本発明の
「偏光手段」に相当する）が設けられている。 【００２２】また、本発明で使用される液体収容容器
は、光を透過可能で、かつ入射した光の偏光面が保存さ
れない材質で形成されたものであり、例えば溶融したプ
ラスチックを金型等によって成形したのちに急速冷却し
て製造されたものが一般的である。なお、この方法に
は、射出成形、押出し成形、ブロー成形、真空成形や圧
空成形等が用いられ、急速冷却の際に内部に不均一な応
力がかかることで例えば屈折率にムラが生じる。これが
原因で入射した光の偏光面が保存されないといった現象
が起こる。また、結晶性樹脂では、透明性が低く、光が
散乱されることによりやはり偏光面が保存されないとい
った現象が一般的に生じる。 【００２３】次いで本実施形態に係る液体検出センサ２
０の作用効果について図３及び図７を参照しつつ説明す
る。なお、図７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 、及び内壁で正反射される内壁反射光
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。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から光が出射され、その光は
投光レンズ２１を介して略平行光に変えられた後、偏光
フィルタ３０によりＰ偏光だけが反射板２８を介して液
体収容容器の側壁２５に照射されることになる（図７参
照）。ここで、上述したように、このＰ偏光は側壁２５
に対してブリュースター角で入射するから、側壁２５の
外側面では反射せずに側壁２５内に入光することにな
る。入光した光は偏光面が保存されずにＰ偏光及びＳ偏
光を含む光として側壁２５の内壁面に入射する。ここ
で、内壁壁に接する液体がなければ、この入射光のうち
Ｓ偏光は側壁２５面で反射して再び側壁２５内を通過し
て受光窓２９及び反射板を介して受光部２４に到達する
ことになる（同図（Ａ））。一方、内側壁に接する液体
３１（屈折率ｎ3）があれば、ほとんど全ての入射光が
液体内に進行し受光部２４に到達することはない（同図
（Ｂ））。 【００２４】このような構成であれば、液体収容容器の
外壁で反射する外壁反射光が受光部２４に入射すること
はない。従って、外壁反射光が受光部２４に入光するこ
とによるＳ／Ｎ比の低下という問題を回避するすること
ができる。また、外壁反射光が受光部２４に入光するの
を阻止するために非透光部材を設ける必要もないから、
たとえ液体収容容器の側壁２５が薄いものであっても検
出領域の面積が制約されることはなく、もって気泡及び
水滴による影響を加味した検出領域を確保することがで
きる。更に、従来説明の欄で述べたように液体検出セン
サ２０自体が正規の位置から多少ずれた位置に配された
場合でも、受光部２４に入光する外壁反射光の占率の増
大によりＳ／Ｎ比を低下させるといった問題を回避する
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）上記実施形態では、偏光フィルタ３０は投光部２
２側に設けた構成を説明したが、これに限らず、本発明
の作用効果の欄で説明したように受光部２４側に設けた
構成であってもよい。また、投光部２２側及び受光部２
４側の両方に設ける構成であってもよい。 【００２６】（２）上記実施形態では、偏光フィルタ３
０は投光部２２の前面に設けた構成を説明したが、投光
部２２から出射され液体収容容器の側壁２５に至る光の
光路途中であれば、例えば投光窓２７に配置する構成で
あってもよい。 【００２７】（３）上記実施形態で、液体収容容器は、
全体が光を透過可能でかつ入射した光の偏光面が保存さ
れない材質で形成されたものを例に挙げて説明したが、
これに限らず、例えば液体収容容器のうち光が照射され
る部分についてのみこのような材質で形成されたもので
あってもよく、あるいは、液体収容容器の内壁を粗面に
した構成であってもよい。 【００２８】（４）上記実施形態では、液体収容容器に
入射する光の入射角が正確にブリュースター角とになる
ように投光部２２を配したが、必ずしも正確にその角度
に設定しなくても、ブリュースター角の近傍の角度でも
Ｐ偏光の反射率が小さく側壁２５内に入光するから、本
発明の作用・効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】投光部側に偏光手段を設けた場合のＰ偏光及び
Ｓ偏光の光路を説明するための模式図 【図２】受光部側に偏光手段を設けた場合のＰ偏光及び
Ｓ偏光の光路を説明するための模式図 【図３】本発明の第１実施形態に係る液体検出センサの
平断面図 【図４】その正面図 【図５】光の反射及び屈折の関係を示す簡略図 【図６】反射率と入射角との関係を示すグラフ 【図７】Ｐ偏光及びＳ偏光の光路を説明するための模式
図 【図８】液体検出センサの原理を示す断面図 【図９】非透光部材を設けた従来の液体検出センサの断
面図 【図１０】液体収容容器の側壁２５の厚さと検出領域の
広狭との関係を示す模式図 【図１１】液体検出センサが側壁２５から離れて配置さ
れた場合の光路を示す模式図 【図１２】非透光部材を備えた液体検出センサが側壁２
５から離れて配置された場合の光路を示す模式図 【符号の説明】 ２０…液体検出センサ ２２…投光部 ２４…受光部 ２５…側壁 ３０…偏光フィルタ ３１…液体 Ｆ１，Ｆ２…光ファイバ θ1…入射角

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 光を透過可能で、かつ少なくとも光が照
   射される部分について入射した光の偏光面が保存されな
   い材質で形成された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
   反射光を受光可能な受光部とを備えて、 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センサにおい
   て、 前記投光部は、当該投光部から出射され前記液体収容容
   器に至る光の、前記液体収容容器に対する入射角が略ブ
   リュースター角になるよう配されていると共に、 前記投光部から前記液体収容容器へ向う光、及び、前記
   液体収容容器から受光部へ向う光の少なくともいずれか
   一方の光路途中に配されて、入射面の面方向に平行な偏
   光面を有する成分の光の通過を許容し、かつ前記入射面
   の面方向に垂直な偏光面を有する成分の光の通過を阻止
   する偏光手段を備えていることを特徴とする液体検出セ
   ンサ。