JP2007309744A - 光式位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低廉な装置構成で高い信頼性を実現可能な光式位置検出装置を提供する。
【解決手段】発光素子１２から出射された光は、ハーフミラー１６を介して光ファイバ２０の一方端に入射されると、光ファイバ２０の他方端に接続されたセンサ部３０に伝搬する。センサ部３０では、フェルール３２とロッドレンズ３４とを収納するケース３６に板バネ４４を介して平面ミラー４０が取り付けられる。フロート７０がセンサ部３０に近接していない初期状態において、平面ミラー４０で反射された光は全てロッドレンズ３４に戻される。一方、フロート７０がセンサ部３０に近接すると、軟磁性体７２の磁界と磁石４６の磁界との間に生じた磁気吸引力を受けて板バネ４４が湾曲して平面ミラー４０が傾斜する。信号処理回路６０は、ロッドレンズ３４に戻される反射光の強度の変動に基づいてフロート７０の位置を検出する。
【選択図】図１

Description

この発明は、光式位置検出装置に関し、特に、低廉な装置構成で高い信頼性を実現可能な位置検出装置に関する。

従来より、液面の変位を検出するための位置検出装置として、磁気抵抗素子やリードスイッチを用いた位置検出装置が用いられている。これによれば、液中に浸漬されたステムの内部に磁気抵抗素子やリードスイッチを設け、フロートに内蔵した磁石が液面とともに移動してこれらに磁力を及ぼしたときに出力される電気信号に基づいて、フロートの位置が検出される。

しかしながら、従来の位置検出装置においては、物理現象を電気信号に変換して計測することから、変換された電気信号を取り込むまでの伝送経路中で電気抵抗や温度の影響を受け、伝送誤差が生じやすいという問題があった。

また、ガソリン等の引火性の液体が収納された容器内で使用する場合には、リードスイッチ等の作動時に発生する電気火花を回避するための特殊な防爆構造が必要とされる。そのため、装置が大型で高価なものとなるという問題があった。

かかる問題を解消すべく、最近では、光学式手段を用いて液面の変位を検出する位置検出装置が検討されている（たとえば特許文献１，２参照）。

図１４（ａ）は、特許文献１に開示される光磁気液面計の模式的な断面図である。
図１４（ａ）を参照して、光磁気液面計は、ステム１０１内部に設けられた磁気光学センサ１０４と、磁気光学センサ１０４に接続され、かつ、ステム１０１の上端部まで引出された光ファイバ１１１，１１２と、光ファイバ１１１，１１２にそれぞれ取り付けられた発光素子１１３および受光素子１１４と、制御回路１１５とを備える。

ステム１０１の外周には、内部に磁石１０３を収納した環状のフロート１０２が設けられる。フロート１０２は、液面に浮遊され、液面と同一の移動をするものである。

ステム１０１の内部の所定高さには、磁気光学センサ１０４が固定されている。図１４（ｂ）は、磁気光学センサ１０４の断面図である。磁気光学センサ１０４は、磁気光学素子（たとえばファラデー素子）１０５の両側に偏光子１０６と検光子１０７とが配置される。さらにその外側には集光用のボールレンズ１０８，１０９が配置されており、これらが一体化されてケース１１０に封入される。

以上の構成において、フロート１０２が磁気光学センサ１０４から離れた位置にあるときには磁気光学素子１０５での偏光面の回転が小さいため、発光素子１１３からの入力光は減衰することなく、受光素子１１４に到達する。しかしながら、液面の移動によりフロート１０２が磁気光学センサ１０４の近傍に来ると、磁気光学素子１０５が磁石１０３の磁気を検出して偏光面を回転させるため、発光素子１１３からの入力光は減衰して受光素子１１４に達する。

そこで、受光素子１１４において磁気光学センサ１０４からの出力光の強度を電気信号に変換し、制御回路１１５で演算処理をすることにより、液面が磁気光学センサ１０４の設置高さと一致したことを検出できる。これによれば、発光素子１１３および受光素子１１４をステム１０１外部に設置したことにより、ステム１０１内部は全て光信号で処置される。そのため、電気火花を発生させるおそれがないため、爆発の危険のある液体に使用する場合においても特殊な防爆構造を必要とせず、装置の小型化を図ることができる。

また、特許文献２には、光学式レベルセンサを用いた液面検出装置が開示される。
詳細には、図１５を参照して、液面検出装置は、タンク２０２の高さ方向に配設された複数の光学式レベルセンサ２００と、光学式レベルセンサ２００の発光素子２０１ａを制御する投光制御回路２０３と、受光素子２０１ｂを制御する受光制御回路２０４と、液面レベルを検出する液位検出回路２０５とを備える。

複数の光学式レベルセンサ２００の各々は、直線状の棒状に形成されたケース２０１Ａと、ケース２０１Ａにより相対向して配置された発光素子２０１ａおよび受光素子２０１ｂとを含む。ケース２０１Ａの中間部分には切欠き空間部が形成され、その両端部には、発光素子２０１ａと受光素子２０１ｂとがそれぞれ取り付けられる保持部が形成されている。切欠き空間部と保持部との境界には、保持部を閉塞するための光透過部材が配されている。

以上の構成において、ケース中間部分の切欠き空間部に液体Ａが存在しない場合には、発光素子２０１ａから発せられる光は直進し、受光素子２０１ｂによって受光される。一方、切欠き空間部に液体Ａが存在する場合には、発光素子から発せられる光は、斜面部を形成する光透過部材と液体との界面において屈折し、受光素子に至ることがない。

そこで、液位検出回路２０５は、下側の光学式レベルセンサ２００および上側の光学式レベルセンサ２００が共に発光素子２０１ａからの光を受光素子２０１ｂが受光したときには、タンク２０２内の液面が下側の光学式レベルセンサ２００よりも下側に位置していると判断する。

また、下側の光学式レベルセンサ２００の受光素子２０１ｂが受光せず、上側の光学式レベルセンサ２００の受光素子２０１ｂが受光したときには、液位検出回路２０５は、タンク２０２内の液面は、上側の光学式レベルセンサ２００と下側の光学式レベルセンサ２００との中間に位置していると判断する。

さらに、下側の光学式レベルセンサ２００および上側の光学式レベルセンサ２００が共に発光素子２０１ａからの光を受光素子２０１ｂが受光しないときには、タンク２０２内の液面が上側の光学式レベルセンサ２００よりも上側に位置していると判断する。

これによれば、光学式レベルセンサを安価に製造でき、かつ、その組立てを容易に行なうことができる。
特開２００１−１０８５１０号公報 特開２００５−１４０７４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光磁気液面計は、ファラデー素子のような磁気光学素子や偏光子といった高価な光学素子を複数個用いて磁気光学センサを構成しているため、装置コストが嵩んでしまうという問題があった。

また、これらの光学素子は液中に浸漬されたステムの内部に設けられるため、液温の変化に応じて各々の光学特性が変化し、装置全体の検出精度を一定に保つことが困難とされていた。

さらに、ファラデー素子は、本来、直線偏光の偏光面を磁界の強さに比例して回転させる特性を有するものであるが、特許文献１に記載の光磁気液面計では、ステムの外周に配された環状の磁石の磁気を検出して偏光面を回転させる構成が採られている。そのため、磁石の磁気は、ファラデー素子が位置する環状の中心部分では相対的に弱くなり、磁界の検出感度が落ちてしまうという不具合を有していた。

また、特許文献２に記載の液面検出装置では、光式レベルセンサの構成が簡素化されるものの、光透過部材が直接液面に触れることから、長期間の使用においては液中に含まれる不純物が光透過部材に付着し、その透過性が劣化することが予測される。結果として、光式レベルセンサの検出精度が使用期間に応じて低下することとなり、耐用年数が制限されるという問題があった。

さらに、特許文献２の液面検出装置において、光式レベルセンサは液中に浸漬されるため、内蔵される発光素子および受光素子に電気火花が発生するのを防止するためには防爆装置が別途必要となる。

それゆえ、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、低廉な装置構成で高い信頼性を実現可能な光式位置検出装置を提供することである。

この発明によれば、光式位置検出装置は、光を出射する発光素子と、一方端から入射された発光素子の出射光を伝達させる光ファイバと、第１の磁性体を有し、光ファイバの長手方向に移動可能な被検出体と、光ファイバの他方端に配され、被検出体の磁界を検出する磁界検出部と、光ファイバの一方端に配され、光ファイバを伝達した磁界検出部からの反射光を受光する受光素子と、受光素子が受光した反射光の強度に基づいて被検出体の位置を検出する信号処理回路とを備える。磁界検出部は、初期状態において、光ファイバの他方端から出射された光を光ファイバの他方端に反射するように配されたミラーと、第２の磁性体を有し、光ファイバの他方端に対してミラーを変位可能に支持する弾性支持部材とを含む。弾性支持部材は、被検出体が近接したことに応じて第１の磁性体と第２の磁性体との間に作用する磁気吸引力を受けて変形する。ミラーは、弾性支持部材が変形したことに連動して初期状態から変位する。信号処理回路は、変位したミラーからの反射光の強度に基づいて被検出体の位置を検出する。

好ましくは、光ファイバの他方端は、光信号端子に挿通される。磁界検出部は、光信号端子からの出射光を集光してミラーに入射するための光学部材をさらに含む。ミラーは、初期状態において、光学部材からの入射光の全てが光学部材に反射されるように配された平面ミラーである。

好ましくは、光ファイバの他方端は、光信号端子に挿通される。ミラーは、初期状態において、光信号端子の先端部がミラーの光軸上での球面の中心に一致するように配された凹面ミラーである。

好ましくは、第１の磁性体および第２の磁性体は、一方が磁石からなり、他方が軟磁性体からなる。

好ましくは、被検出体は、液面に浮遊され、かつ、液面と同一の移動を行なう。光ファイバおよび磁界検出部は、液中に浸漬されるステムの内部に設置される。発光素子および受光素子は、ステムの外部に設置され、かつ、ステムの端部から引出された光ファイバの一方端に接続される。

この発明によれば、低廉な装置構成で高い信頼性を備えた光式位置検出装置を実現することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による光式位置検出装置の全体構成図である。

図１を参照して、光式位置検出装置は、光入出力部１０と、光ファイバ２０と、センサ部３０と、ステム５０と、信号処理回路６０と、フロート７０とを備える。

光入出力部１０は、発光素子１２と、受光素子１４と、ハーフミラー１６とを含む。
発光素子１２は、たとえばＬＥＤ（Light Emitting Diode）からなり、受光素子１４は、たとえばＰＤ（Photo Diode）からなる。発光素子１２から出射された光は、ハーフミラー１６を介して光ファイバ２０に導かれる。受光素子１４は、光ファイバ２０を通過したセンサ部３０からの反射光をハーフミラー１６を介して受光する。

光ファイバ２０は、一方端が光入出力部１０に接続され、他方端がセンサ部３０に接続される。光ファイバ２０は、一方端に発光素子１２からの光が入射されると、この入射光をセンサ部３０へ伝搬する。

センサ部３０は、フェルール３２と、ロッドレンズ３４と、ケース３６と、平面ミラー４０と、支持部材４２と、板バネ４４と、磁石４６とを含む。センサ部３０は、後述するように、この発明による光式位置検出装置における「磁界検出部」を構成する。

フェルール３２は、中心部分に光ファイバ２０の他方端が挿入される。フェルール３２は、通常、光ファイバのコネクタ接続に用いられ、光信号端子を構成する。

ロッドレンズ３４は、フェルール３２に接続される。ロッドレンズ３４は、所定のレンズ長を有しており、フェルール３２から出射された光を平行光に変換する。平行光に変換された光は、平面ミラー４０に入射される。なお、フェルール３２とロッドレンズ３４とは、外周が筒状のケース３６によって覆われている。

平面ミラー４０は、鏡面がロッドレンズ３４の光軸に対して垂直方向となるように設置される。より具体的には、平面ミラー４０は、支持部材４２の上面に設置される。支持部材４２は、板バネ４４によりケース３６に接続固定される。板バネ４４は、一方端がケース３６に接続され、他方端が支持部材４２に接続される。さらに、板バネ４４の他方端には、図１に示すように、磁石４６が接着される。

板バネ４４は、ケース３６に接続された一方端を固定端とし、かつ、平面ミラー４０および磁石４６が取り付けられた他方端を自由端として変形可能とする。そして、板バネ４４が変形するのに応じて、平面ミラー４０は、ロッドレンズ３４の光軸を法線とする初期の状態から変位する。すなわち、本実施の形態によれば、平面ミラー４０は、ロッドレンズ３４に対して変位可能に支持される。

ロッドレンズ３４から出射された平行光は、平面ミラー４０で反射されてロッドレンズ３４に戻される。このとき、平面ミラー４０が上記の初期状態にあるときには、平行光は入射角を略０°として平面ミラー４０に入射された後、略０°の反射角で反射される。すなわち、反射光の全てがロッドレンズ３４に戻されることになる。

そして、平面ミラー４０からの反射光は、ロッドレンズ３４、フェルール３２、および光ファイバ２０の順に伝送し、その後ハーフミラー１６に入射される。ハーフミラー１６は、光軸に対して４５°傾いて設けられており、ハーフミラー１６によって反射光の進路が９０°変えられ、受光素子１４へ向かう。

受光素子１４は、受光した反射光の強度を電気信号に変換して信号処理回路６０へ出力する。信号処理回路６０は、後述する方法によって受光素子１４により検出される反射戻り光の強度に基づいてフロート７０の位置を検出する。

光ファイバ２０とセンサ部３０とは、円筒状のステム５０内部に収納される。ステム５０は、非磁性材料からなり、液中に浸漬される。ステム５０の外周には、フロート７０がステム５０に沿って長手方向に移動可能に設けられる。

フロート７０は、液面に浮遊されており、ステム５０に沿って液面と同一の移動をする。フロート７０の内部には、略環状の軟磁性体７２が埋設される。したがって、軟磁性体７２は、ステム５０に沿って液面と同一の移動を行なう。

次に、図１の光式位置検出装置における測定原理について説明する。
最初に、液面が変位（上昇または下降）すると、この液面の変位に従ってフロート７０がステム５０の外周を移動する。このとき、フロート７０が、図１に示す位置から図２に示す位置に移動したものとする。

図２を参照して、フロート７０内部の軟磁性体７２がセンサ部３０の磁石４６に近接すると、軟磁性体７２の磁界と磁石４６の磁界との間には磁気吸引力が発生し、この磁気吸引力を受けて磁石４６が軟磁性体７２に引き寄せられる。具体的には、板バネ４４が磁気吸引力に応じて湾曲することにより、磁石４６が軟磁性体７２に接近する。

そして、板バネ４４が湾曲したことにより、支持部材４２と支持部材４２上に設置された平面ミラー４０とが変位する。これにより、平面ミラー４０は、鏡面が入射光の光軸に垂直となるように設置された初期状態から傾斜することになる。

平面ミラー４０が傾斜したことにより、ロッドレンズ３４から出射された光は、図２に示すように、０°よりも大きい入射角で平面ミラー４０に入射され、その後、０°よりも大きい反射角で反射される。したがって、ロッドレンズ３４には、反射光の一部が戻されることになる。ロッドレンズ３４に戻された反射光は、フェルール３２、光ファイバ２０およびハーフミラー１６を介して受光素子１４に入力される。

このように、フロート７０がセンサ部３０に近接することにより、センサ部３０内部の平面ミラー４０が傾斜し、この傾斜に伴ないロッドレンズ３４に戻される反射光の光量が減少する。信号処理回路６０は、受光素子１４にて検出される反射光の強度を測定し、その強度の変動に基づいてフロート７０の位置を検出する。

図３は、信号処理回路６０で測定される反射光の時間的変化を示すタイミングチャートである。

図３を参照して、時刻ｔ＝０にて液面が変位を開始すると、これに連動してフロート７０も移動する。移動開始直後のフロート７０がセンサ部３０から十分に離れている状態では、センサ部３０内の平面ミラー４０からの反射光は、一定の強度を示す。これは、平面ミラー４０が初期状態にあり、平面ミラー４０の入射光の全てがロッドレンズ３４に戻されていることを示している。

そして、液面が変位するに従ってフロート７０がセンサ部３０の近傍にまで移動すると、フロート７０がセンサ部３０に近づくにつれて、反射光の強度が低下する。信号処理回路６０は、時刻ｔにおいて反射光の強度が所定の基準値Ａ１以下となったことに応じて、フロート７０の位置（すなわち、液面）がセンサ部３０の設置高さに一致したと判定する。そして、信号処理回路６０は、その判定結果を示すＨ（論理ハイ）レベルの信号を生成して装置外部へ出力する。

以上のように、この発明の実施の形態１による光式位置検出装置は、センサ部３０に設けた平面ミラー４０を液面の変位に応じて物理的に傾斜させることによって反射光の強度を変化させ、その強度の変化に基づいて液面の位置を検出することを特徴的な構成とする。

このような構成とすることにより、ステム５０の外部に発光素子１２および受光素子１４を配し、ステム５０の内部は全て光信号で処理されるため、電気火花が発生する可能性がない。したがって、防爆装置の設置が不要となり、装置の小型化を図ることができる。

また、フロート７０に内蔵された軟磁性体７２の磁気を検出するために磁気光学素子や偏光子といった高価な光学素子を必要としないことから、液温の変化に拘らず検出精度を確保することができる。また、装置を安価に構成できるという利点も有する。

さらに、光入出力部とセンサ部とを単一の光ファイバで結ぶことによってセンサ部からの反射光が低損失で光入出力部に戻されるため、光伝送効率が増し、検出精度の更なる向上が実現される。この結果、低廉な装置構成で信頼性の高い位置検出装置を実現することができる。

［変更例１］
図４は、この発明の実施の形態１の変更例１による光式位置検出装置の主要部の構成を示す図である。なお、図４の光式位置検出装置は、図１の光式位置検出装置におけるセンサ部３０を、センサ部３０Ａに変更し、かつ、フロート７０をフロート７０Ａに変更したものである。よって、共通する部分についての詳細な説明は繰り返さない。

図４を参照して、センサ部３０Ａは、フェルール３２と、ロッドレンズ３４と、ケース３６と、平面ミラー４０と、軟磁性支持部材４８と、スプリング４４Ａとを含む。

光ファイバ２０の先端に設けられたフェルール３２とロッドレンズ３４とは、ケース３６内に収納される。ケース３６にはスプリング４４Ａの一方端が接続固定される。

平面ミラー４０は、軟磁性支持部材４８の上面に設置される。平面ミラー４０と軟磁性支持部材４８とは、スプリング４４Ａの他方端に接続される。すなわち、スプリング４４Ａは、平面ミラー４０と軟磁性支持部材４８とを変位可能に支持する。

フロート７０Ａは、略環状の非磁性材料からなり、ステム５０の外周に長手方向に沿って移動可能に設けられる。そして、図５に示すように、その一部分に磁石７２Ａを含む。磁石７２Ａは、環状のフロート７０Ａの内周側と外周側とで極性が異なるように配される。

平面ミラー４０は、先の実施の形態１と同様に、初期状態において、鏡面がロッドレンズ３４の光軸と垂直となるように支持される。したがって、ロッドレンズ３４からの出射光が平面ミラー４０に入射されると、反射光の全てがロッドレンズ３４に戻される。

そして、図４に示すように、フロート７０Ａがセンサ部３０Ａに近接すると、フロート７０Ａ内部の磁石７２Ａとセンサ部３０Ａの軟磁性支持部材４８との間に働く磁気吸引力を受けてスプリング４４Ａが変形する。この結果、軟磁性支持部材４８に設置された平面ミラー４０が傾斜する。

平面ミラー４０が初期状態から傾斜したことにより、ロッドレンズ３４に入射される平面ミラー４０の反射光の光量が減少する。信号処理回路６０は、受光素子１４（ともに図示せず）にて検出される反射光の強度が所定の基準値Ａ１以下に低下したことに応じて、液面がセンサ部３０Ａの設置高さに一致したと判定し、Ｈレベルの判定結果信号を出力する。

なお、平面ミラー４０の支持部材を軟磁性材料で構成する以外に、スプリング４４Ａを透磁性の高い磁性材料で構成するようにしても、同様の効果を得ることができる。この場合は、軟磁性支持部材４８を省略することができるため、部品点数の削減に有効である。

［変更例２］
図６は、この発明の実施の形態１の変更例２による光式位置検出装置の主要部の構成を示す図である。なお、図６の光式位置検出装置は、図１の光式位置検出装置におけるセンサ部３０を、センサ部３０Ｂに変更し、かつ、フロート７０をフロート７０Ａに変更したものである。よって、共通する部分についての詳細な説明は繰り返さない。

図６を参照して、センサ部３０Ｂは、フェルール３２と、ロッドレンズ３４と、ケース３６と、平面ミラー４０と、軟磁性支持部材４８と、スプリング４４Ｂと、固定部材５２とを含む。

光ファイバ２０の先端に設けられたフェルール３２とロッドレンズ３４とは、ケース３６内に収納される。ケース３６には固定部材５２の一方端が接続固定される。

平面ミラー４０は、軟磁性支持部材４８の上面に設置される。軟磁性支持部材４８の下面は、スプリング４４Ｂにより固定部材５２の他方端に接続されている。すなわち、平面ミラー４０と軟磁性支持部材４８とは、スプリング４４Ｂにより固定部材５２に支持される。

スプリング４４Ｂは、固定部材５２に接続される一方端を固定端とし、かつ、軟磁性支持部材４８に接続される他方端を自由端とする。軟磁性支持部材４８に磁気吸引力が作用していない初期状態において、スプリング４４Ｂは、平面ミラー４０を鏡面がロッドレンズ３４の光軸と垂直となるように支持する。したがって、ロッドレンズ３４からの出射光が平面ミラー４０に入射されると、反射光の全てがロッドレンズ３４に戻される。

なお、フロート７０Ａは、図５に示したものと同様の構造からなる。すなわち、フロート７０Ａは、略環状の非磁性材料の一部分に磁石７２Ａを含んでいる。

図６に示すように、フロート７０Ａがセンサ部３０Ｂに近接すると、フロート７０Ａ内部の磁石７２Ａとセンサ部３０Ｂの軟磁性支持部材４８との間に働く磁気吸引力を受けてスプリング４４Ｂが変形する。この結果、軟磁性支持部材４８の上面に設置された平面ミラー４０が傾斜する。

そして、平面ミラー４０が初期状態から傾斜したことにより、ロッドレンズ３４に入射される平面ミラー４０の反射光の光量が減少する。信号処理回路６０は、受光素子１４（ともに図示せず）にて検出される反射光の強度が所定の基準値Ａ１以下に低下したことに応じて、液面がセンサ部３０Ａの設置高さに一致したと判定し、Ｈレベルの判定結果信号を出力する。

［変更例３］
図７は、この発明の実施の形態１の変更例３による光式位置検出装置の主要部の構成を示す図である。なお、図７の光式位置検出装置は、図１の光式位置検出装置におけるセンサ部３０を、センサ部３０Ｃに変更したものである。よって、共通する部分についての詳細な説明は繰り返さない。

図７を参照して、センサ部３０Ｃは、フェルール３２と、ロッドレンズ３４Ｃと、ケース３６と、平面ミラー４０と、軟磁性支持部材４８と、スプリング４４Ａとを含む。

光ファイバ２０の先端に設けられたフェルール３２とロッドレンズ３４Ｃとは、ケース３６内に収納される。本変更例において、ロッドレンズ３４Ｃは、先述の図１，図６の光式位置検出装置で使用されていたものとは異なるレンズ長を有するものが用いられる。

詳細には、ロッドレンズは、周知のように、半径方向に二次分布状の屈折率を有するため、ロッドレンズに入射した光は、一定の周期でサインカーブを描きながらレンズ内を進行する。ロッドレンズ３４は、当該周期の略１／４に相当するレンズ長とすることにより、一方端から入射された光を平行光に変換して他方端から出力する光学特性を持たせている。これに対し、ロッドレンズ３４Ｃは、略半周期に相当するレンズ長とすることにより、一方端から入射された光が他方端で集光する光学特性を有する。

そして、平面ミラー４０は、鏡面がロッドレンズ３４Ｃの他方端に接するように配される。平面ミラー４０の裏面には軟磁性支持部材４８が設けられる。軟磁性支持部材４８は、スプリング４４Ａの一方端に接続される。スプリング４４Ａの他方端は、ケース３６に接続固定される。スプリング４４Ａは、初期状態において、図７に示すように、平面ミラー４０とロッドレンズ３４Ｃとが接触するように軟磁性支持部材４８と平面ミラー４０と支持する。なお、スプリング４４Ａは、当該初期状態において一方端に所定の張力が作用するように設けられる。これにより、初期状態において平面ミラー４０とロッドレンズ３４Ｃとは確実に接触し、光軸がずれるのを防止することができる。したがって、初期状態においてロッドレンズ３４Ｃの他方端から出射された光は、平面ミラー４０で反射されると、その反射光の全部がロッドレンズ３４Ｃに戻され、再びフェルール３２の先端部に集光する。

図８は、図７の光式位置検出装置における測定原理を説明するための図である。
図８を参照して、ステム５０の底部の下方には、フロート７０Ｃが配される。フロート７０Ｃは、液面に浮遊されており、液面と同一の移動をする。フロート７０Ｃの中央部分には、磁石７２Ｃが埋設される。磁石７２Ｃは、磁極（Ｎ極またはＳ極）がステム５０の底部と対向するように配置される。したがって、磁石７２Ｃは、液面と同一の移動を行なう。

以上の構成において、液面の上昇に従ってフロート７０Ｃがステム５０の底部に近づくと、フロート７０Ｃ内部の磁石７２Ｃとセンサ部３０Ｃの軟磁性支持部材４８との間には磁気吸引力が発生する。そして、この磁気吸引力を受けてスプリング４４Ａが伸長することにより、軟磁性支持部材４８がステム５０の底部に向かって引き寄せられる。このとき、平面ミラー４０は、ロッドレンズ３４Ｃの端面と接着した初期の状態から、軟磁性支持部材４８とともにステム５０の底部に近づくように変位する。

平面ミラー４０がロッドレンズ３４Ｃの端面から離れたことにより、平面ミラー４０に入射されたロッドレンズ３４Ｃからの光は、平面ミラー４０で反射されると、その一部のみがロッドレンズ３４Ｃに戻される。すなわち、平面ミラー４０が初期状態から変位したことにより、ロッドレンズ３４Ｃに入射される平面ミラー４０の反射光の光量が減少する。信号処理回路６０は、受光素子１４（ともに図示せず）にて検出される反射光の強度が所定の基準値Ａ１以下に低下したことに応じて、液面がセンサ部３０Ｃの設置高さに略一致したと判定し、Ｈレベルの判定結果信号を出力する。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、センサ部をフロートに内蔵された磁石の磁界を受けて変位可能な平面ミラーで構成することにより、平面ミラーからの反射光の強度の変化に基づいてフロートの位置を検出することができる。これにより、防爆装置の設置が不要となるとともに、センサ部を簡素かつ安価に構成することができる。この結果、液温の変化にも高い検出精度で対応でき、信頼性の高い位置検出装置を実現することができる。

［実施の形態２］
図９は、この発明の実施の形態２による光式位置検出装置の主要部分の構成を示す図である。図９の光式位置検出装置は、図１の光式位置検出装置のセンサ部３０を、センサ部３０Ｄに変更したものである。よって、共通する部分についての詳細な説明は繰り返さない。

図９を参照して、センサ部３０Ｄは、フェルール３２Ｄと、ケース３６Ｄと、凹面ミラー４０Ｄと、支持部材４２と、板バネ４４と、磁石４６とを含む。

フェルール３２Ｄは、フェルール３２と同一の構造からなり、ケース３６Ｄ内に収納される。フェルール３２Ｄの先端部から所定の距離を隔てて凹面ミラー４０Ｄが設けられる。凹面ミラー４０Ｄは、支持部材４２の上面に設置される。支持部材４２は、板バネ４４によりケース３６Ｄに取り付けられる。板バネ４４は、図１で述べたように、一方端が固定端であり、かつ、他方端が自由端、他方端には、磁石４６が取り付けられる。

ここで、凹面ミラー４０Ｄは、初期状態として、フェルール３２Ｄの先端部が光軸上での球面の中心に一致するように設置される。これにより、フェルール３２Ｄから凹面ミラー４０Ｄに入射された光は、球面の中心に結像する。すなわち、フェルール３２Ｄからの出射光の全てが反射戻り光として再びフェルール３２Ｄに戻される。

なお、フェルール３２Ｄに入射された反射光は、光ファイバ２０を伝送し、その後ハーフミラー１６を介して受光素子１４（ともに図示せず）へ向かう。受光素子１４は、受光した反射戻り光の強度を電気信号に変換して信号処理回路６０へ出力する。信号処理回路６０は、後述する方法によって受光素子１４により検出される反射戻り光の強度に基づいてフロート７０の位置を検出する。

次に、図９の光式位置検出装置における測定原理について説明する。
図１０を参照して、液面の変位（上昇または下降）に従ってフロート７０がステム５０の外周を移動したことにより、フロート７０がセンサ部３０Ｄに近接したものとする。

フロート７０内部の軟磁性体７２がセンサ部３０Ｄの磁石４６に近接すると、軟磁性体７２の磁界と磁石４６の磁界との間には磁気吸引力が発生し、この磁気吸引力を受けて磁石４６が軟磁性体７２に引き寄せられる。具体的には、板バネ４４が磁気吸引力に応じて湾曲することにより、磁石４６が軟磁性体７２に接近する。

そして、板バネ４４が湾曲したことにより、支持部材４２と支持部材４２上に設置された凹面ミラー４０とが変位する。これにより、凹面ミラー４０Ｄは、図１０に示すように、フェルール３２Ｄの先端部が球面の中心に一致するように設置された初期状態から傾斜する。

凹面ミラー４０Ｄが傾斜したことにより、フェルール３２Ｄから凹面ミラー４０Ｄに入射された光は、フェルール３２Ｄの先端部とは異なる位置で結像する。したがって、フェルール３２Ｄには、反射光の一部が戻されることになる。フェルール３２Ｄに戻された反射戻り光は、光ファイバ２０およびハーフミラー１６を介して受光素子１４に入力される。

このように、フロート７０がセンサ部３０Ｄに近接することにより、センサ部３０Ｄ内部の凹面ミラー４０Ｄが傾斜し、この傾斜に伴ないフェルール３２Ｄに戻される反射戻り光の光量が減少する。信号処理回路６０は、受光素子１４にて検出される反射戻り光の強度を測定し、その強度の変動に基づいてフロート７０の位置を検出する。

以上に述べたように、本実施の形態による光式位置検出装置は、図１の光式位置検出装置のセンサ部３０における平面ミラー４０を、凹面ミラー４０Ｄに変更したことが異なるのみで、基本的な測定原理を同じとするものである。しかしながら、平面ミラー４０を凹面ミラー４０Ｄに変更したことによって、フェルールとミラーとの間にロッドレンズを設けることなく、初期状態においてミラーの反射光を全てフェルールに戻すことが可能となる。

この結果、センサ部を構成する光学部品の点数を減らすことができる。これは、センサ部の光学特性に与える液温の影響の低減に繋がることから、光式位置検出装置の検出精度をより一層向上することができる。さらに、光式位置検出装置の低廉化を図ることができる。

［変更例１］
図１１は、この発明の実施の形態２の変更例１による光式位置検出装置の主要部の構成を示す図である。なお、図１１の光式位置検出装置は、図４で説明した光式位置検出装置におけるセンサ部３０Ａを、センサ部３０Ｅに変更したものである。

詳細には、センサ部３０Ｅは、フェルール３２Ｄと、ケース３６Ｄと、凹面ミラー４０Ｄと、軟磁性支持部材４８と、スプリング４４Ａとを含む。図４のセンサ部３０Ａと比較して明らかなように、センサ部３０Ｅは、ロッドレンズ３４を含まないこと、および、平面ミラー４０を凹面ミラー４０Ｄに変更したことでのみ異なっている。なお、凹面ミラー４０Ｄは、初期状態において、光軸上での球面の中心がフェルール３２Ｄの先端部に一致するようにスプリング４４Ａおよび軟磁性支持部材４８によって支持されている。

以上の構成からなる光式位置検出装置において、液面の位置検出は、図４の光式位置検出装置と同等の測定原理に従って実行される。すなわち、図１１に示すように、フロート７０Ａがセンサ部３０Ｅに近接すると、フロート７０Ａ内部の磁石７２Ａとセンサ部３０Ｅの軟磁性支持部材４８との間に働く磁気吸引力を受けてスプリング４４Ａが変形する。この結果、軟磁性支持部材４８に設置された凹面ミラー４０Ｄが傾斜する。

凹面ミラー４０Ｄが初期状態から傾斜したことにより、フェルール３２Ｄに入射される凹面ミラー４０Ｄの反射光の光量が減少する。信号処理回路６０は、受光素子１４（ともに図示せず）にて検出される反射戻り光の強度が所定の基準値Ａ１以下に低下したことに応じて、液面がセンサ部３０Ｅの設置高さに一致したと判定し、Ｈレベルの判定結果信号を出力する。

［変更例２］
図１２は、この発明の実施の形態２の変更例２による光式位置検出装置の主要部の構成を示す図である。なお、図１２の光式位置検出装置は、図６で説明した光式位置検出装置におけるセンサ部３０Ｂを、センサ部３０Ｆに変更したものである。

詳細には、センサ部３０Ｆは、フェルール３２Ｄと、ケース３６Ｄと、凹面ミラー４０Ｄと、軟磁性支持部材４８と、スプリング４４Ｂと、固定部材５２とを含む。図６のセンサ部３０Ｂと比較して明らかなように、センサ部３０Ｆは、ロッドレンズ３４を含まないこと、および、平面ミラー４０を凹面ミラー４０Ｄに変更したことでのみ異なっている。なお、凹面ミラー４０Ｄは、初期状態において、光軸上での球面の中心がフェルール３２Ｄの先端部に一致するようにスプリング４４Ｂおよび軟磁性支持部材４８によって支持されている。

以上の構成からなる光式位置検出装置において、液面の位置検出は、図６の光式位置検出装置と同等の測定原理に従って実行される。すなわち、図１２に示すように、フロート７０Ａがセンサ部３０Ｆに近接すると、フロート７０Ａ内部の磁石７２Ａとセンサ部３０Ｆの軟磁性支持部材４８との間に働く磁気吸引力を受けてスプリング４４Ｂが変形する。この結果、軟磁性支持部材４８とその上面に設置された凹面ミラー４０Ｄとが傾斜する。

凹面ミラー４０Ｄが初期状態から傾斜したことにより、フェルール３２Ｄに入射される凹面ミラー４０Ｄの反射光の光量が減少する。信号処理回路６０は、受光素子１４（ともに図示せず）にて検出される反射戻り光の強度が所定の基準値Ａ１以下に低下したことに応じて、液面がセンサ部３０Ｆの設置高さに一致したと判定し、Ｈレベルの判定結果信号を出力する。

［変更例３］
図１３は、この発明の実施の形態２の変更例３による光式位置検出装置の主要部の構成を示す図である。なお、図１３の光式位置検出装置は、図７で説明した光式位置検出装置におけるセンサ部３０Ｃを、センサ部３０Ｇに変更したものである。

詳細には、センサ部３０Ｇは、フェルール３２Ｄと、ケース３６Ｄと、凹面ミラー４０Ｄと、軟磁性支持部材４８と、スプリング４４Ａと、保護カバー５４とを含む。図７のセンサ部３０Ｃと比較して明らかなように、センサ部３０Ｇは、ロッドレンズ３４Ｃを含まないこと、平面ミラー４０を凹面ミラー４０Ｄに変更したこと、およびスプリング４４Ａの外周を保護カバー５４で覆ったことを特徴とする。

なお、凹面ミラー４０Ｄは、初期状態において、光軸上での球面の中心がフェルール３２Ｄの先端部に一致するようにスプリング４４Ａおよび軟磁性支持部材４８によって支持されている。

そして、保護カバー５４は、スプリング４４Ａの変位方向をステム５０の長手方向に規制する機能を備える。すなわち、保護カバー５４によってスプリング４４Ａの変位方向がステム５０の長手方向に規制されることにより、これに支持される凹面ミラー４０Ｄの変位もステム５０の長手方向に自ずと規制される。この結果、凹面ミラー４０Ｄがステム５０の長手方向に垂直に揺れる、いわゆる横揺れを防止することができ、凹面ミラー４０Ｄのフェルール３２Ｄに対する位置精度を確保することができる。

以上の構成からなる光式位置検出装置において、液面の位置検出は、図８の光式位置検出装置と同等の測定原理に従って実行される。すなわち、図１３に示すように、ステム５０の底部の下方に、液面と同一の移動が可能なように配されたフロート７０Ｃが、ステム５０の底部に近づくと、フロート７０Ｃ内部の磁石７２Ｃとセンサ部３０Ｇの軟磁性支持部材４８との間には磁気吸引力が発生する。そして、この磁気吸引力を受けてスプリング４４Ａが伸長することにより、軟磁性支持部材４８がステム５０の底部に向かって引き寄せられる。このとき、凹面ミラー４０Ｄは、球面の中心がフェルール３２Ｄの先端部から遠のくように軟磁性支持部材４８とともに変位する。なお、凹面ミラー４０Ｄの変位は、保護カバー５４によってステム５０の長手方向に規制されている。

凹面ミラー４０Ｄの球面の焦点がフェルール３２Ｄの先端部から変位したことにより、凹面ミラー４０Ｄに入射された光は、フェルール３２Ｄの先端部とは異なる位置で結像するため、反射光の一部のみがフェルール３２Ｄに戻される。その結果、フェルール３２Ｄに入射される凹面ミラー４０の反射光の光量が減少する。信号処理回路６０は、受光素子１４（ともに図示せず）にて検出される反射戻り光の強度が所定の基準値Ａ１以下に低下したことに応じて、液面がセンサ部３０Ｇの設置高さに略一致したと判定し、Ｈレベルの判定結果信号を出力する。

以上のように、この発明の実施の形態２によれば、センサ部をフロートに内蔵された磁石の磁界を受けて変位可能な凹面ミラーで構成することにより、凹面ミラーからの反射光の強度の変化に基づいてフロートの位置を検出することができる。これにより、センサ部をより一層簡素かつ安価に構成することができる。この結果、液温の変化にも高い検出精度で対応でき、信頼性の高い位置検出装置を実現することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態１による光式位置検出装置の全体構成図である。 図１の光式位置検出装置における測定原理を説明するための図である。 図１の信号処理回路で測定される反射光の時間的変化を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態１の変更例１による光式位置検出装置の主要部の構成を示す図である。 図４におけるフロートの構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態１の変更例２による光式位置検出装置の主要部の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１の変更例３による光式位置検出装置の主要部の構成を示す図である。 図７の光式位置検出装置における測定原理を説明するための図である。 この発明の実施の形態２による光式位置検出装置の主要部分の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２による光式位置検出装置の測定原理を説明するための図である。 この発明の実施の形態２の変更例１による光式位置検出装置の主要部の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２の変更例２による光式位置検出装置の主要部の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２の変更例３による光式位置検出装置の主要部の構成を示す図である。 特許文献１に開示される光磁気液面計の構成を示す模式図である。 特許文献２に開示される光学式レベルセンサを用いた液面検出装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０ 光入出力部、１２，１１３，２０１ａ 発光素子、１４，１１４，２０１ｂ 受光素子、１６ ハーフミラー、２０，１１１，１１２ 光ファイバ、３０，３０Ａ〜３０Ｇ センサ部、３２，３２Ｄ フェルール、３４，３４Ｃ ロッドレンズ、３６，３６Ｄ，１１０，２０１Ａ ケース、４０ 平面ミラー、４０Ｄ 凹面ミラー、４２ 支持部材、４４ 板バネ、４４Ａ，４４Ｂ スプリング、４６，７２Ａ，７２Ｃ，１０３ 磁石、４８ 軟磁性支持部材、５０，１０１ ステム、５２ 固定部材、５４ 保護カバー、６０ 信号処理回路、７０，７０Ａ，７０Ｃ，１０２ フロート、７２ 軟磁性体、１０４ 磁気光学センサ、１０５ 磁気光学素子、１０６ 偏光子、１０７ 検光子、１０８，１０９ ボールレンズ、１１５ 制御回路、２００ 光学式レベルセンサ、２０２ タンク、２０３ 投光制御回路、２０４ 受光制御回路、２０５ 液位検出回路、Ａ 液体。

Claims (5)

1. 光を出射する発光素子と、
   一方端から入射された前記発光素子の出射光を伝達させる光ファイバと、
   第１の磁性体を有し、前記光ファイバの長手方向に移動可能な被検出体と、
   前記光ファイバの他方端に配され、前記被検出体の磁界を検出する磁界検出部と、
   前記光ファイバの一方端に配され、前記光ファイバを伝達した前記磁界検出部からの反射光を受光する受光素子と、
   前記受光素子が受光した前記反射光の強度に基づいて前記被検出体の位置を検出する信号処理回路とを備え、
   前記磁界検出部は、
   初期状態において、前記光ファイバの他方端から出射された光を前記光ファイバの他方端に反射するように配されたミラーと、
   第２の磁性体を有し、前記光ファイバの他方端に対して前記ミラーを変位可能に支持する弾性支持部材とを含み、
   前記弾性支持部材は、前記被検出体が近接したことに応じて前記第１の磁性体と前記第２の磁性体との間に作用する磁気吸引力を受けて変形し、
   前記ミラーは、前記弾性支持部材が変形したことに連動して前記初期状態から変位し、
   前記信号処理回路は、変位した前記ミラーからの前記反射光の強度に基づいて前記被検出体の位置を検出する、光式位置検出装置。
2. 前記光ファイバの他方端は、光信号端子に挿通され、
   前記磁界検出部は、前記光信号端子からの出射光を集光して前記ミラーに入射するための光学部材をさらに含み、
   前記ミラーは、前記初期状態において、前記光学部材からの入射光の全てが前記光学部材に反射されるように配された平面ミラーである、請求項１に記載の光式位置検出装置。
3. 前記光ファイバの他方端は、光信号端子に挿通され、
   前記ミラーは、前記初期状態において、前記光信号端子の先端部が前記ミラーの光軸上での球面の中心に一致するように配された凹面ミラーである、請求項１に記載の光式位置検出装置。
4. 前記第１の磁性体および前記第２の磁性体は、一方が磁石からなり、他方が軟磁性体からなる、請求項２または請求項３に記載の光式位置検出装置。
5. 前記被検出体は、液面に浮遊され、かつ、前記液面と同一の移動を行ない、
   前記光ファイバおよび前記磁界検出部は、液中に浸漬されるステムの内部に設置され、
   前記発光素子および前記受光素子は、前記ステムの外部に設置され、かつ、前記ステムの端部から引出された前記光ファイバの一方端に接続される、請求項２または請求項３に記載の光式位置検出装置。

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