JP2004144502A

JP2004144502A - 液面位置検出装置

Info

Publication number: JP2004144502A
Application number: JP2002306799A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Ueda; 上田　良司; Yuichi Tamura; 田村　雄一; Atsushi Shimoura; 下浦　厚志
Original assignee: NIPPON GIJUTSU CENTER KK; NIPPON GIJUTSU CT KK
Current assignee: NIPPON GIJUTSU CENTER KK; NIPPON GIJUTSU CT KK
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2004-05-20

Abstract

【課題】容器のテーパー部分に液体表面を有する場合でも、液体表面の水平面位置を確実に検出できる。
【解決手段】水平液面５１に垂直な方向を縦方向とする縦長ライン状かつ平行のレーザ光４１を、液体５０の入った透明または半透明の容器に、容器のチップ２０表面の入射点で液面５１に平行な接線に垂直をなす平面に角度をもって照射している。すなわち、液体５０内部の透過光をライン状に限定することにより、容器の入射点の入射角度を所定値に設定して水平面方向で空気層透過光から逸らすことができる。このような、空気層透過光での液面位置を示す直線状境界線から排除すべき液体層透過光はこのほかにない。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下部にテーパー部分を有し、光を透過する容器の内部にある液体の水平液面位置を検出する液面位置検出装置に関し、特に、テーパー部分に液面位置を有する場合でも確実に正しい位置を検出できる液面位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の液面位置検出装置では、例えば、図７及び図８に示されるように、投光器１１０から水平方向に放射された光線がビームを形成して円筒容器１２０の中心軸から外れた方向に照射される。この照射光線は円筒容器１２０の空気層を通過して受光器１３０によりビームスポットとして受光される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この構成では、投光器１１０及び受光器１３０と円筒容器１２０との相対位置を移動させて光線が液面以下に達した際には空気層と液体層との屈折率の差異により、投光器１１０から放射された光線は大きく屈折して受光器１３０に到達できない。従って、受光器１３０における受光ビームスポットの消滅位置が液面位置として検出される。
【０００４】
また、別の液面位置検出装置では、例えば、図９及び図１０に示されるように中心軸方向が鉛直方向をなしかつ液体の入った円筒容器２２０の背面側に円筒容器２２０の中心軸と平行な縦線により二分割された色分け模様を有する背景板２１０を設け、液体の入った円筒容器２２０を透過して形成される像を撮像装置２３０が撮影し、この画像信号に基づいて液体の界面位置を検出しているものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−１９３５号公報（図１、図２）
【０００６】
【特許文献２】
特開２０００−２４１２２９号公報（図１、図３）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の液面位置検出装置では、液面が円筒容器の円筒部分とテーパー部分との境界部より下部にある場合、すなわち、図８に示されるようなテーパー部分１２２にあるような場合には、確実な位置が検出できないという問題点がある。
【０００８】
その理由は、円筒容器のテーパー部分では、円筒容器の中心軸に対して容器表面が角度を有するため、この光線入射角度によっては透明容器でも容器材質の屈折率の影響により容器への入射方向とは異なる方向に屈折する。従って、円筒容器を透過した光線は入射光線と同一直線上にあるとは限らないからである。通常は、光線の方向がずれるので、図８に示されるような投光器１１０からの光線は円筒容器１２０の円筒部分１２１からテーパー部分１２２に移動する際、徐々に透過光がそれて受光器１３０で受けることができなくなる可能性がある。すなわち、液面付近での入射光線には、液面より下の入射でも上方への屈折により液面付近で受光器１３０に到達する、屈折により容器を通過して実際の液面より上に境界位置を示す、または液面の全反射によりテーパー部分を透過できないなどの現象を生じ、正確な液面判定は不可能である。
【０００９】
また、背景板の撮像においては、テーパー部分の液体の透過光は上方向に屈折するため、図１０に示される背景板の撮像にはこの液体透過による屈折光が空気層の透過光に重複して現われる。すなわち、液体透過による屈折光が、空気層の透過光に重なるため、その界面位置が不明確になるからである。このため、通常の液面位置検出には容器２２０の円筒部分のみの透過光が用いられ、障害となる屈折光はテーパー部分を遮蔽することによって除去される。
【００１０】
本発明の課題は、このような問題点を解決し、容器のテーパー部分に液面を有する場合でも、液体の水平面位置を確実に検出できる液面位置検出装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による液面位置検出装置は、下部にテーパー部分を有し、レーザ光などの光を透過する容器の内部液体の水平液面位置を、液面上部の空気層を透過する光（光線）により確実に検出するものである。
【００１２】
この液面位置検出装置は、光放射部と液面位置検出部とを備えている。光放射部は、レーザまたは発光ダイオードなどの発光器から発生する光を前記液面の垂直方向に縦長なライン状平行光に生成し、テーパー部分を含む容器表面を照射する。ここで、テーパー部分を含む容器表面で、入射点における法線を含む平面として、入射点での接線に垂直な面を設定する。液面の垂直方向のライン状平行光は、この垂直面に対して所定の角度をもって容器表面を照射する。液面位置検出部は、前記容器で液面上部の空気層を通過した光を光検出器面上に結像し、光の直線状境界線を内部液面位置として検出する。光を液面の垂直方向に縦長なライン状平行光に形成するために、シリンドリカルレンズ、リニアフレネルレンズ、これらの組合わせなどの光学機構を用いている。
【００１３】
この液面位置検出装置は、縦長で狭い幅の平行光を光源としており、更に容器表面の入射点で、液面に平行な接線に垂直をなす面、換言すれば、入射点の法線を含みかつ液面に垂直な面に対して交差する角度をもってライン状光を入射しているため、テーパー部分の液体による屈折光は、空気層を通過して結像する部分から逸れている。また、この縦長ライン状平行光以外に液体へ入射する光はないので、液面を境界とする空気層を通過する光の結像を阻害するような屈折光は皆無である。
【００１４】
また、光検出部は、空気層を通過する光線のみを検出すると共に、シリンドリカルレンズ、リニアフレネルレンズなどを用いて通過光線の縦方向のみを結像することにより光源スポットを結像できるので、液面が直線状の境界線として検出できる。更に、光検出器としてＣＣＤ（電荷結合素子）センサーを用い、かつ、このＣＣＤセンサーの受光レベルの高低差から境界線を検出して液面位置を判定する液面検出手段を用いることにより、液面位置を明確にかつ容易に検出することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施の一形態を示す装置構成図である。ここで、光または光線には、レーザ光を用いるものとする。
【００１７】
図１に示された液面位置検出装置は、レーザ光放射部１０が内部液体の液面位置被検出容器であるチップ２０を照射して容器内部の空気層を透過したレーザ光を液面検出部３０により検出して容器内部の液体面位置を判定するように構成されている。
【００１８】
レーザ光放射部１０は、レーザ光発生器１１、縦長光形成機構１２、及び平行光生成機構１３から構成される。この平行光生成機構１３は、結像面上での分解能を高くするため、放射ビームを平行化するものである。チップ２０は円筒部２１及びテーパー部２２を有している。また、液面位置検出部３０は、結像機構３１、レーザ光検出器３２、及び液面検出手段３３により構成される。
【００１９】
レーザ光放射部１０のレーザ光発生器１１は、断面が円形のレーザビームを縦長光形成機構１２に出射するものとする。縦長光形成機構１２及び平行光生成機構１３それぞれには、例えばシリンドリカルレンズ、リニアフレネルレンズなどが用いられる。以後、これら機構に、シリンドリカルレンズが用いられているものとして説明する。縦長光形成機構１２は、シリンドリカルレンズによりスポット光である円形レーザビームを水平面に垂直な方向に拡大して平行光生成機構１３に入射させる。平行光生成機構１３は、凸レンズタイプのシリンドリカルレンズにより、縦長光形成機構１２から縦方向に拡散する入射ビームを平行方向に生成し、断面が縦に細長いライン状平行レーザ光４１（以後、レーザ光４１と略称する）としてビームの進行方向に平行に出射する。
【００２０】
被測定物となるチップ２０は、ほぼ等しい厚さを有し、透明または半透明でレーザビームを透過する材質の容器である。内部に液体５０を入れて水平液面５１の位置を検出することによりその液量を計測するのでチップ２０の中心軸は水平面に垂直に配置される。円筒部２１はチップ２０の上方部分を形成し、またテーパー部２２はその下方部分を形成する。
【００２１】
液面位置検出部３０では結像機構３１が、例えば凸レンズタイプのシリンドリカルレンズを用いて、チップ２０の空気層を透過した縦長平行レーザビームを入射し、水平面に対して縦方向光のみをレーザ光検出器３２の平面上に結像してビーム形状をより明確に形成させる。この際、上述したように、ビームの容器への入射角を、中心軸を外して予め設定することにより、液体を透過するビームを、空気層を透過したビームから横方向に逸らせることができるので、空気層透過ビームの結像のみを得ることができる。
【００２２】
レーザ光検出器３２には、ＣＣＤ（電荷結合素子）センサーを用いるものとする。レーザ光検出器３２では空気層を透過したレーザビームにより照射された受光素子（ピクセル）で高レベルの光量を検出して、非照射範囲の受光素子と明確に区別できる。従って、液面検出手段３３はレーザ光検出器３２で得られるレーザビームの結像を受光素子の信号レベルで処理して液面位置を検出できる。
【００２３】
液面の検出では、上述するように、ラインＣＣＤセンサーを用いて受光素子の光量差を観測することによりコストの低減を図ったが、レーザ光検出器での結像を、液面検出手段で例えばディジタル画像処理して液面位置を判定する周知の技術を用いることもできる。
【００２４】
次に、図１に図２から図４までを併せ参照して、液体層を透過するレーザビームが空気層を透過するレーザビームから逸れる機能、及びレーザ光４１によるチップ２０内部の液面位置検出機能について説明する。
【００２５】
まず、図２を参照してチップの円筒部２１における空気層及び液体層それぞれの透過レーザビームについて説明する。図２は水平面に対し垂直方向から見た平面図である。
【００２６】
レーザ光放射部１０から出射された縦長ライン状のレーザ光４１は、その縦長方向がチップ２０の中心軸に平行であり、チップ２０の中心軸から外れた方向でチップ２０へ入射する。一方、中心軸を持たない形状の容器、角柱形状の容器、容器のテーパー部分などの場合では、この入射方向は、入射光であるレーザ光４１の光路となる平面がチップ２０表面の入射点における接線２３に対する垂直面２４に角度αを有する方向である。
【００２７】
この垂直面２４は入射点における法線を含む平面でもある。レーザ光４１がこの法線を含む平面と一致する方向で入射するとテーパー部分では縦長のレーザ光平面内で屈折し、左右横方向の分離ができないため、境界線が不明瞭になる。従って、上述した角度を有することにより、液体層を透過するレーザ光を、空気層を透過するレーザ光から完全に逸らすことができる。
【００２８】
チップ２０内部の空気層に入射するレーザ光４１はチップ２０の厚みで入射及び出射の際に屈折する。しかし、円筒部２１では入射方向とほぼ同一方向にレーザ光４２として出射する。レーザ光４２は、結像機構３１のシリンドリカルレンズを介すことによりレーザ光検出器３２の結像面４０上にレーザ光の結像４３を形成する。レーザ光検出器３２のＣＣＤセンサーはその受光素子をレーザ光の結像４３部分のみに備えればよい。
【００２９】
他方、チップ２０内部の液体層に入射するレーザ光４１は、チップ２０内の液体の屈折率が空気の屈折率より大きいため、円筒部２１では、レーザ光４２と同一の水平面上で中心軸側にレーザ光４４として屈折する。したがって、レーザ光４４は、レーザ光４２と液面を共通の直線状境界線として上下に切離されて左右に並ぶ位置（図４−Ｂ参照）にある。次いで、結像機構３１のシリンドリカルレンズを介してレーザ光検出器３２上のレーザ光結像４５は、結像面４０上で上述したレーザ光の結像４３と横方向で左右に並ぶ位置に、レーザ光４４の形状とは反転（図４−Ｃ参照）して形成されている。この間隔は液体の屈折率に左右される。不透明な液体の場合には空気層を通過したレーザ光のみが結像４３される。
【００３０】
図３は図２の状態を水平方向である横から見た側面図である。チップ２０の内部には液体５０が空気層と接する液面５１を形成している。
【００３１】
図示されるように、縦長ライン状のレーザ光４１は、その光路である平面でチップ２０の上方部分にある空気層を透過し、液面５１で切断されたレーザ光４１の上方部分であるレーザ光４２をチップ２０から出射する。また、上述したように、レーザ光４１が液体５０を透過する場合には下方部分にレーザ光４４（図示を省略）を出射する。これら出射光は左右に分離される（図４−Ｂ参照）ので、液面位置の計測には、空気層を透過したレーザ光４２のみが対象にされている。従って、結像機構３１のシリンドリカルレンズにより反転結像されたレーザ光はレーザ光検出器３２の結像面４０上に、上部に直線状境界線を示す結像４３（図４−Ｃ参照）で現れる。
【００３２】
次に、図５は、上記結像４３のレーザ光スポット位置にＣＣＤセンサーを配置した際の受光素子（ピクセル）におけるセンサー強度と液面位置に対応するピクセル数との関連の一例を示す図である。図５に示されるように、水平面に平行に並ぶ受光素子により、ＣＣＤセンサーでは、他の領域からレーザ光スポットの領域に達した光強度は低レベルから一挙に高レベルに達する。従って、図１における液面検出手段３３でのソフトウェア処理が、ＣＣＤセンサーで強度変化する境界を液面による境界線と判定するような、単純なレベル比較でその変化点を求めるに過ぎない。この結果、特別なディジタル処理を不要にすることができる。
【００３３】
次に、チップ内に透明な屈折率１．３を有する液体である水を用いて液面位置の検出実験を行った例について説明する。
【００３４】
この実験では、半導体レーザをシリンドリカルレンズで縦長ビームに形成し、このビームをチップの中心軸からずらして照射した。このビームはシリンドリカルレンズを通してレーザスポットに形成された像としてＣＣＤカメラにより検出されている。この水面は、チップのテーパー部分にある。
【００３５】
図６は、空気層を通過したレーザスポットをＣＣＤカメラで観測したものを示す図である。白色により感光を示されるほぼ半円形状の部分は、図４−Ｃでのレーザ光の結像４３に相当する。中央の白黒により明確に現れている境界直線が液面の位置を示している。液体が増加して液面が上がる際、この直線状境界線は下方向に下がって行く。ＣＣＤカメラにより実測した例では、１７０ピクセル付近で急峻な変化が生じている。その変化は３ピクセル程度であり、実質寸法に換算してほぼ２５μｍになる。このことから、検出分解能はほぼ２５μｍであるといえる。
【００３６】
このような液体内部の透過光のみが影響を与えるので、液体の屈折率に基づいてチップと液体位置検出部との相対位置を適切に調整することにより、空気層を通過したレーザ光のみを観測することができる。従って、液面検出手段がその境界線を容易に確実に、液面の位置データとして捕らえることができる。
【００３７】
上記説明では、高密度なスポット形成のためレーザ光を透過するとしたが、透過光には発光ダイオードなどによる放射光を用いることもできる。
【００３８】
また、上記説明では、コスト低減のため、縦長形成機構、平行光生成機構、及び結像機構それぞれをレンズで形成するとしたが、レンズ以外の光路屈曲機構を用いることもできる。
【００３９】
また、上記説明では、円筒容器とのみ説明したが、他の形状、例えばテーパー部を有する角柱であってもよい。この場合も、縦長ライン状平行光を、容器表面の入射点で液面に平行な接線に垂直をなす平面に角度をもって照射することにより同等の機能を実現することができる。
【００４０】
また、上記説明では容器内の液量を正確に計測するために中心軸を有する容器を対象とし、容器の中心軸を水平面に垂直に置くとしたが、中心軸を持たない容器などに対しても、液面となる水平面に垂直方向を縦方向とする縦長ライン状の光を用いることにより確実な液面の検出が可能である。
【００４１】
また、上記説明では、図示された機能ブロックおよび構成を参照しているが、機能の分離併合による配分などの変更は上記機能を満たす限り自由であり、上記説明が本発明を限定するものではなく、更に、液面位置検出装置の全般に適用可能なものである。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、容器のテーパー部分に液体表面を有する場合でも、液体表面の平面位置を確実に検出できるという効果を有する液面位置検出装置を得ることができる。
【００４３】
その理由は、液面となる水平面に垂直な方向を縦方向とする縦長ライン状のレーザ光を、液体の入った透明または半透明の容器に、容器表面の入射点で液面に平行な接線に垂直をなす平面に角度をもって照射するからである。
【００４４】
すなわち、液面下の液体層透過光を縦長のライン形状と限定しているので、容器の入射点の入射角度を上述した角度に設定して水平面方向で空気層の透過光から逸らすことができる。このような排除すべき液体層透過光はこのほかにないので、液面として明確な境界線を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明でのブロック構成及びその位置関係の実施の一形態を示す図である。
【図２】図１でのレーザ光経路の一形態を水平面に垂直な方向から示す図である。
【図３】図２でのレーザ光経路の一形態を側面から示す図である。
【図４】図２における各所定点でのビーム光の一形態を示す図である。
【図５】レーザ光のスポットにＣＣＤセンサーを配置した際の受光素子（ピクセル）におけるセンサー強度と液面位置に対応するピクセル数との関連の一形態を示す図である。
【図６】実験のための構成により、空気層を通過したレーザスポットをＣＣＤカメラで観測したものを示す図である。
【図７】従来の一例において、光経路を水平面に垂直な方向から示す図である。
【図８】図７での光経路を側面から示す図である。
【図９】図７とは異なる従来の装置構成の一例を示す図である。
【図１０】図９で照射光により出現する画像の一例示す図である。
【符号の説明】
１０　　レーザ光放射部
１１　　レーザ光発生器
１２　　縦長光形成機構
１３　　平行光生成機構
２０　　チップ（容器）
２１　　円筒部
２２　　テーパー部
２３　　接線
２４　　垂直面
３０　　液面位置検出部
３１　　結像機構
３２　　レーザ光検出器
３３　　液面検出手段
４０　　結像面
４１　　レーザ光（縦長ライン状レーザ光）
４３　　結像
５０　　液体
５１　　液面

Claims

下部にテーパー部分を有し光を透過する容器の内部にある液体の水平液面位置を検出する液面位置検出装置であって、前記液面に対して垂直方向に縦長のライン状平行光を生成し、前記ライン状平行光を、前記テーパー部分を含み、容器表面の入射点で、液面に平行な接線に垂直をなす平面に対して所定の角度をもって照射する平行光放射部と、光検出器を有し、前記容器で液面上部の空気層を通過した光を前記光検出器面上に結像し、結像した光の直線状境界線を内部液面位置として検出する液面位置検出部とを備えることを特徴とする液面位置検出装置。
請求項１において、前記平行光放射部は、光を発生する光発生器と、前記光発生器の発生する光を縦長ライン状光に形成する縦長光形成機構と、前記縦長ライン状光を平行光に形成する平行光生成機構とを備えることを特徴とする液面位置検出装置。
請求項２において、前記光発生器はレーザ及び発光ダイオードを含む各種発光手段のうちの一つであることを特徴とする液面位置検出装置。
請求項２において、前記縦長光形成機構及び前記平行光生成機構それぞれはシリンドリカルレンズ、リニアフレネルレンズ、及びその組合せを含む各種光学機構のうちの少なくとも一つであることを特徴とする液面位置検出装置。
請求項１において、前記液面位置検出部は前記容器を通過した光の縦長方向のみを前記光検出器面上に結像させる結像機構を更に備え、前記結像機構はシリンドリカルレンズ、リニアフレネルレンズ、及びその組合せを含む各種光学機構のうちの少なくとも一つであることを特徴とする液面位置検出装置。
請求項１において、前記光検出器はＣＣＤ（電荷結合素子）センサーであり、かつ前記液面位置検出部は、前記ＣＣＤセンサーが受光した各素子の光レベルを計測して急変する直線状境界線を検出し液面位置と判定する液面検出手段を更に備えることを特徴とする液面位置検出装置。
請求項１において、少なくとも前記液体が前記光を透過する場合には、前記所定の角度は「ゼロ」を除くものであって、液面に垂直方向をなす前記ライン状平行光が入射点で液面に平行な接線に垂直をなす平面と前記入射点で交差して、前記液体の屈折率により屈折する液体層の透過光を前記空気層の透過光から別離させることを特徴とする液面位置検出装置。