JP2005274221A - 液面検出センサー - Google Patents

Abstract

【課題】 導光体に光を入射させ、導光体と液体との界面からの反射を利用した液面検出センサーにおいて、測定誤差や経時劣化による検出精度低下を防ぐ。
【解決手段】 一部に切り込みが設けられた導光体に、光源からの光を入射させ、入射面で反射された光源からの光強度と、切り込みの界面で反射された反射光の光強度とをそれぞれの受光器で受け、これらの受光器からの信号を除算器入力してその除算値が検出信号となり、切り込みが液体に浸漬した場合に反射光の強度変化で液面の高さを検出する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、液体の液面を光学的に検出する液面検出センサーに関するものである。

従来の液面検出センサーは、光源から出射した光をハーフミラーで反射させて、導波方向に所定の間隔をおいて複数の液面検出用刻目を形成した透光性導波路に入射させ、液面検出用刻目でハーフミラー方向に反射された光をハーフミラーの背後に設置した受光器で検知し、液面検出用刻目が液体に接触した場合の反射光強度の変化で液面の高さを検知している（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−３０６９５１号公報（第２頁、第３−４図）

従来の液面検出センサーでは、光源から出射した光をハーフミラーで反射させて導波路に入射させ、液面検出用刻目から反射された光もハーフミラーを通過させて検知するために光の利用効率が低いという問題があった。とくに液面が上昇すると液面検出用刻目での反射が低くなり、検出用の反射光はさらに弱くなるため、測定誤差が大きくなるという問題があった。また、光源からの光強度あるいは導波路の透過率などの経時劣化による反射光強度の低下により検出精度が低下するという問題もあった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、光源と、一部に切り込みが設けられ、光源から出射される光線が入射する入射面を備える導光体と、入射面で反射される光線を受ける第１の受光器と、入射面から導光体内へ入射して導光体内を伝播し、切り込みの界面で反射される光線を導光体の外部で受ける第２の受光器と、第１の受光器および第２の受光器から信号を受ける除算器とを、備えたものである。

この発明は、光源から出射される光線を所定の角度で導光体へ入射させることで、効率よく光を利用することができる。また、光源から出射される光線強度と切り込みで反射される光線強度とを除算器で演算することで、光源、導光体などの劣化による検出信号の低下による検出精度の低下を防ぐことができる。

実施の形態１．
従来の液面検出センサーでは、光源から出射された光がハーフミラーを２回通過するために、光の利用効率が低い。例えば、ハーフミラーの反射率をＲ（０≦Ｒ≦１）とすると、受光器で検出できる光の利用効率は、Ｒ×（１−Ｒ）×１００から計算されるが、Ｒ＝０．５のときに最大値２５％となり、これ以上の利用効率は得られないことがわかった。この実施の形態は効率よく光源から出射された光を利用するものであり、以下、図に基づいて説明する。

図１は、この発明を実施するための実施の形態１における液面検出センサーを示す模式図である。図１において、光源１から出射された光線１００は、略棒状の導光体２に入射する。入射面２ａは光線１００に対して所定の角度をもつように設定される。光線１００は入射面２ａで表面反射光２００と屈折して導光体２の内部へ伝播する透過光１０１とに分割される。ここで、界面を透過する光の伝播方向は、実際には界面で屈折されて角度が変るが、図１では煩雑を避けるために入射光と同一方向で示している。反射光２００は第１の受光器３に入射する。透過光１０１は導光体２に形成された断面が矩形状をした第１の切り込み２１の方向へ伝播し、第１の界面２１ａに達する。第１の界面２１ａに到達した透過光１０１は、導光体２と切り込み２１を満たす媒体（空気または液体）との屈折率によって決まる反射率で一部が反射され、反射光２０１と媒体へ伝播する透過光１０２とに分割される。反射光２０１は、入射面２ａの導光体２側内面で反射され導光体２の外部へ出射される。導光体２を出射した反射光２０１は第２の受光器４に入射する。一方、第１の界面２１ａを通過した透過光１０２は、第２の界面２１ｂに達する。この界面２１ｂに到達した透過光１０２は、導光体２と第１の切り込み２１を満たす媒体（空気または液体）との屈折率によって決まる反射率で一部が反射され、反射光２０２と導光体２の内部へ伝播する透過光１０３とに分割される。反射光２０２は、第１の界面２１ａを通過して（第１の界面２１ａで一部が反射されるがこれは十分弱くて無視できる）入射面２ａの導光体２側内面で反射され、第２の受光器４に入射する。第２の界面２１ｂを通過した透過光１０３は、断面が矩形状をした第２の切り込み２２に到達し、第３の界面２２ａおよび第４の界面２２ｂで順次反射光と透過光とに分割される。最終的に導光体２の端面２ｂに達した光も反射光と透過光とに分割される。

図２はこの実施の形態における、光源１、導光体２、第１の受光器３および第２の受光器４との位置関係を示す斜視図である。光源１は、例えば発光ダイオードを用いることができる。導光体２は、例えばガラスを用いることができる。測定する液体が腐食性であった場合は石英ガラスなどの耐薬品性の高いものを用いていもよい。さらにはポリカーボネイトなどの透明樹脂などを用いることもできる。第１および第２の受光器は、例えばフォトダイオードを用いることができる。

導光体２は、第１のシーリング材５とフランジ６とで保持され、フランジ６は第２のシーリング材７を介して、液体を貯蔵する容器８に密着固定されている。このため、導光体２以外の構成部品は容器８の外部に設置されている。

第１の受光器３では、光源１から出射され入射面２ａで反射された反射光２００の光強度が検知され、第２の受光器４では、切り込みの界面で反射された反射光の積分強度が検知される。これらの光強度は除算器９に入力され、その除算値が検出値となる。

このように構成された液面検出センサーにおいて、図３を用いて液面検出動作について説明する。例えば、空気の屈折率を１．０、導光体および液体の屈折率を１．５とし、液面１０が第１の切り込み２１と第２の切り込み２２との間にある場合について説明する。第１の切り込み２１に到達した光は、第１の界面２１ａと第２の界面２１ｂとでそれぞれ反射光と透過光とに分割される。このとき、界面の反射率は、空気と導光体２の屈折率から決まり約４％である。第２の切り込み２２に到達した光は、導光体２の第３の界面２２ａと第４の界面２２ｂとは導光体と液体との屈折率が同じであるため、反射率は０となり、反射光は存在せず、すべて通過する。この結果、第２の受光器４に入射する反射光の光強度が減少し、検出信号が変化することで、液面の高さを検知できる。液面がさらに上昇し、第１の切り込み２１まで液体に浸漬された場合には、第２の受光器４での光強度がさらに減少するために液面の上昇が検知できる。実際に、導光体と液体との屈折率を同一に設定することが困難であっても、液体と空気の屈折率が異なるために、切り込みが液体に浸漬されれば界面の反射率変化が生じ、第２の受光器の検出信号は変化するため、上述のような液面検出の動作は可能である。

さらに、検出信号として、光源１から出射され入射面２ａで反射された反射光２００の光強度と、各界面からの反射光強度の除算値を用いているため、光源１からの光強度が時間とともに変化しても検出信号に影響を与えず、Ｓ／Ｎ比の高い検出が可能となり、精度の高い液面検出センサーが得られる。

なお、本実施の形態では切り込みの数が２つの場合の例を示したが、切り込みの数は１つでもよい。また、切り込みの数を多くすることで光の利用効率をさらに高く設定できる。例えば、切り込みが５つあり、液面が導光体より低い位置にある場合、反射率Ｒ（０≦Ｒ≦１）をもつ各界面で反射される光利用効率を計算すると、［Ｒ＋Ｒ×（１−Ｒ）^２＋Ｒ×（１−Ｒ）^４＋・・・＋Ｒ×（１−Ｒ）^２０］×１００で得られ、Ｒ＝０．０４のときは、３０．２％となり、高い利用効率が得られる。なお、切り込みの数を増やすことで、液面の高さ検出の分割を増やす利点もある。

また、本実施の形態では、切り込みは断面が矩形状をした例を示したが、切り込みによって界面が形成され、この界面で反射された反射光が第２の受光器に到達すればよいことから、断面が楔型など別の形状であってもよい。

実施の形態２．
実施の形態２においては、第２の受光器４に入射する反射光の損失を少なくするために、入射面２ａの導光体２側内面が反射光に対して全反射となるように入射面２ａの角度を設定したものである。図４は、入射面２ａの設定角度を説明する構成図である。例えば、導光体２の屈折率を１．５、空気の屈折率を１．０とし、第１の界面２１ａへの透過光１０１の入射角Ａ（界面の法線方向からの角度）を５度とする。このとき、光源１から出射された光線１００は入射面２ａへの入射角が５２．２度、入射面２ａは水平線（液面）に対して左回りに３６．８度、に設定すれば、入射面２ａの導光体２側内面での反射光は全反射する条件となる。この場合、導光体２から第２の受光器３方向への反射光の出射角度は水平線に対して右回りに１７．２度になるため、第２の受光器３はこの延長線上に設置する。

このように構成することで、切り込みの界面で反射された反射光が第２の受光器４に入射する割合が増え、測定誤差が少なくなる効果がある。

実施の形態３．
図５は、この発明を実施するための実施の形態３における液面検出センサーを示す模式図である。この実施の形態においては、切り込みの界面で反射された光を導光体２の外部に取り出すために、導光体２に欠切部２４を設け、その導光体２側内面を全反射面２ｃとしたものである。このように構成することにより、入射する光線１００と入射面２ａとのなす角度に関係なく全反射面２ｃの角度を設定することができる。

実施の形態４．
なお、実施の形態１では、導光体を第１のシーリング材とフランジとで保持して、さらにこのフランジを第２のシーリング材で容器に密着固定しているが、本実施の形態４では、図６に示すように、導光体２に、フランジと同じ機能をもつ外周部１６を備えたものである。このように構成することで、第１のシーリング材およびフランジ６が不要となり、部品点数を削減でき、低コスト化できる。

実施の形態５．
図７は、この発明を実施するための実施の形態５における液面検出センサーを示す模式図である。この実施の形態においては、切り込みによってできる界面２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂおよび導光体２の端面２ｂを水平線（液面）に対して所定の角度θ傾斜させたものである。

このように構成することにより、液面が一度上昇して切り込みが液体に浸漬したのちに液面が下がり、再度切り込みが液面より上に露出したときに、切り込みの下方の界面に液体が残留することがなく、液面高さの誤検出を防ぐことができる。

なお、実施の形態１から実施の形態３に示したいずれかの液面検出センサーにおいて、液面検出センサー全体を切り込みの開口部が下向きになるように傾斜させても、液面が下がったときに切り込みに液体が残留することを防ぐ効果がある。

実施の形態６．
図８は、この発明を実施するための実施の形態６における液面検出センサーを示す模式図である。この実施の形態においては、光源１と導光体２の間にビームスプリッター１１を備えたもので、光源１はビームスプリッター１１に略密着して配置される。光源１を出射した光線１００は、ビームスプリッター１１の出射面１１ａで一部が反射され第１の受光器３に入射する。ビームスプリッター１１の出射面１１ａから出た光線１００は導光体２の入射面２ａに入射して導光体２内を伝播する。その他の構成および光の伝播、反射および透過などは実施の形態１と同様である。

このように構成することにより、導光体２の入射面２ａがゴミやほこりなどで汚れて導光体２へ入射する光強度および第１の受光器への光強度が低下することを防ぐことができ、液面検出センサーの信頼性が向上する。

なお、上記の実施の形態１から５において、液体が腐食性のものである場合を考慮して、導光体以外の構成部品を液体を貯蔵する容器の外部に設置する構成で説明したが、これに限定するものではなく、例えば、液体と接触する導光体以外の構成部品を密閉容器に収めて液体を貯蔵する容器の中に設置することもできる。

この発明の実施の形態１を示す液面検出センサーの模式図である。 この発明の実施の形態１における導光体の斜視図である。 この発明の実施の形態１における液面検出動作を説明する構成図である。 この発明の実施の形態２における導光体２の構成図である。 この発明の実施の形態３を示す液面検出センサーの模式図である。 この発明の実施の形態４を示す液面検出センサーの模式図である。 この発明の実施の形態５を示す液面検出センサーの模式図である。 この発明の実施の形態６を示す液面検出センサーの模式図である。

符号の説明

１ 光源
２ 導光体
２ａ 入射面
３ 第１の受光器
４ 第２の受光器
６ フランジ
９ 除算器
１０ 液面
２１、２２ 切り込み
２４ スリット状の切り込み

Claims (5)

1. 光源と、
   一部に切り込みが設けられ、上記光源から出射される光線が入射する入射面を備える導光体と、
   上記入射面で反射される光線を受ける第１の受光器と、
   上記入射面から上記導光体内へ入射して上記導光体内を伝播し、上記切り込みの界面で反射される光線を上記導光体の外部で受ける第２の受光器と、
   上記第１の受光器および上記第２の受光器から信号を受ける除算器とを、
   備えることを特徴とする液面検出センサー。
2. 切り込みが、複数設けられることを特徴とする請求項１に記載の液面検出センサー。
3. 切り込みの界面で反射された光線に対する全反射面を備えることを特徴とする請求項１に記載の液面検出センサー。
4. 全反射面は、入射面の導光体側内面であることを特徴とする請求項３に記載の液面検出センサー。
5. 全反射面は、導光体に設けられる欠切部の界面であることを特徴とする請求項３に記載の液面検出センサー。

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