JP2009145308A - 屈折率センサおよび液位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化および低価格化を図ることが可能な屈折率センサおよび液位センサを提供する。
【解決手段】屈折率センサ１０１は、測定対象４を入れるための容器１と、容器１内の測定対象４に光を照射する発光素子２と、容器１内の測定対象４を介して発光素子２から受けた光の強度を検出する受光素子５と、発光素子２の発光強度および受光素子５が検出した光の強度に基づいて測定対象４の屈折率を算出する演算回路８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、屈折率センサおよび液位センサに関し、特に、測定対象を介して受けた光の強度に基づいて各種測定を行なう屈折率センサおよび液位センサに関する。

従来の屈折率センサでは、液体の屈折率を測定するために、ラインセンサを用いて屈折による光の変位を計測している（たとえば、特許文献１および２参照）。

また、従来の屈折率センサでは、液体の屈折率を測定するために、複数の光ファイバと受光位置を検出する受光回路とを用いて屈折による光の変位を計測している（たとえば、特許文献３参照）。
特開昭６０−２０１２３６号公報 特開昭６０−２０２３３０号公報 特開平２−１７００３９号公報

しかしながら、特許文献１および２記載の屈折率センサでは、検出範囲を広げ、かつ分解能を高めるために、大型かつ精密なラインセンサが必要となる。また、特許文献３記載の屈折率センサでは、検出範囲を広げ、かつ分解能を高めるために、複数の光ファイバおよび複数の受光回路が必要となる。その結果、小型化および低価格化を図ることが困難であるという問題点があった。

それゆえに、本発明の目的は、小型化および低価格化を図ることが可能な屈折率センサおよび液位センサを提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる屈折率センサは、測定対象を入れるための容器と、容器内の測定対象に光を照射する発光素子と、容器内の測定対象を介して発光素子から受けた光の強度を検出する第１の受光素子と、発光素子の発光強度および第１の受光素子が検出した光の強度に基づいて測定対象の屈折率を算出する演算回路とを備える。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる液位センサは、測定対象を入れるための容器と、発光素子と、発光素子に結合され、発光素子が照射した光を受ける第１端と、第２端とを有し、所定間隔で間隙が設けられ、容器に入れることが可能な導波路と、導波路の第２端に結合され、導波路の第２端から受けた光の強度を検出する受光素子と、発光素子の発光強度および受光素子が検出した光の強度に基づいて、容器内の測定対象によって満たされた間隙の個数を検出し、検出した間隙の個数に基づいて容器内の測定対象の液面の位置を検出する演算回路とを備える。

本発明によれば、小型化および低価格化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る屈折率センサの構成を示す図である。図１において、ＬＡは、発光素子２の光軸である。

図１を参照して、屈折率センサ１０１は、容器１と、光源モジュール３と、受光モジュール６と、演算回路８とを備える。光源モジュール３は、発光素子２と、モニター受光モジュール（第２の受光素子）７とを含む。受光モジュール６は、受光素子（第１の受光素子）５を含む。

容器１に光源モジュール３が取り付けられている。また、被測定物（測定対象）４に対して光源モジュール３と反対側の位置において受光モジュール６が容器１に取り付けられている。容器１は測定室Ｒを形成し、たとえば液体である被測定物４が入れられる。

発光素子２は、容器１内の被測定物４に光を照射する。なお、発光素子２としては、指向性を有する半導体レーザー（ＬＤ：Laser Diode）およびスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＥＤ：Super Luminescent Diode）等が好ましい。また、発光素子２は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）とレンズとを組み合わせることで指向性を高めた素子であってもよい。

受光素子５は、発光素子２から伝播してくる光の一部、すなわち容器１内の被測定物４を介して発光素子２から受けた光の強度を検出し、検出した光の強度を電気信号に変換して演算回路８へ出力する。

モニター受光モジュール７は、少なくとも受光素子を含み、光源モジュール３の出力を監視する。すなわち、モニター受光モジュール７は、容器１内の被測定物４を介さずに発光素子２から受けた光の強度を発光素子２の発光強度として検出し、検出した光の強度を電気信号に変換して演算回路８へ出力する。

演算回路８は、モニター受光モジュール７が検出した発光素子２の発光強度および受光素子５が検出した光の強度に基づいて被測定物４の屈折率を算出する。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係る屈折率センサにおける光の伝搬経路および光強度分布を示す図である。図２において、Ｄ１は、発光素子２から照射される光の強度分布である。

図２を参照して、発光素子２から照射された光は、被測定物４へ入射すると屈折により進行方向を変え、被測定物４を伝播する。

ここで、測定室Ｒ側の屈折率すなわち被測定物４の屈折率をｎ１とし、光源モジュール３側の屈折率をｎ０とし、発光素子２から照射された光の測定室Ｒへの入射角をφ０とし、被測定物４を伝搬する光の測定室Ｒからの出射角すなわち受光モジュール６への入射角をφ１とすると、スネルの法則より、以下の式が成り立つ。

ｎ０×ｓｉｎφ０＝ｎ１×ｓｉｎφ１・・・（１）
なお、図２は、ｎ０＜ｎ１であると仮定した場合を示している。

式（１）より、受光モジュール６の受光面における光強度分布Ｄ２は被測定物４の屈折率ｎ１に応じて変化する。したがって、受光素子５の受光エリアＲＬにおける光の強度は屈折率ｎ１に応じて変化する。すなわち、受光素子５から出力される、受光強度を示す電気信号は屈折率ｎ１に応じて変化する。このように、発光素子２から照射される光の一部を検出することによって、被測定物４の屈折率ｎ１に応じた電気信号を得ることができる。

そして、演算回路８が、受光素子５から受けた電気信号を、屈折率を示す何らかの信号に変換して出力する。より詳細には、演算回路８は、受光素子５が検出した光の強度を、モニター受光モジュール７が検出した発光素子２の発光強度で割ることにより、受光素子５から照射された光の強度の変化割合を算出する。そして、演算回路８は、変化割合と屈折率との対応表を用いて、算出した変化割合を屈折率に換算する。ここで、変化割合と屈折率との対応表は、たとえば事前に測定を行なって作成し、演算回路８または図示しない記憶回路に保存する。

ところで、特許文献１〜３記載の屈折率センサでは、小型化および低価格化を図ることが困難であるという問題点があった。しかしながら、本発明の第１の実施の形態に係る屈折率センサでは、受光素子５は、容器１内の被測定物４を介して発光素子２から受けた光の強度を検出する。また、モニター受光モジュール７は、容器１内の被測定物４を介さずに発光素子２から受けた光の強度を発光素子２の発光強度として検出する。そして、演算回路８は、モニター受光モジュール７が検出した発光素子２の発光強度および受光素子５が検出した光の強度に基づいて被測定物４の屈折率を算出する。このような構成により、検出範囲を広げ、かつ分解能を高めるために、大型かつ精密なラインセンサを備える必要がなくなり、また、複数の光ファイバおよび複数の受光回路を備える必要もなくなる。

したがって、本発明の第１の実施の形態に係る屈折率センサでは、小型化および低価格化を図ることができる。

次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第２の実施の形態＞
本実施の形態は、第１の実施の形態に係る屈折率センサと比べて発光素子の発光強度を一定に制御する屈折率センサに関する。以下で説明する内容以外は第１の実施の形態に係る屈折率センサと同様である。

図３は、本発明の第２の実施の形態に係る屈折率センサの構成を示す図である。
図３を参照して、屈折率センサ１０２は、本発明の第１の実施の形態に係る屈折率センサと比べて、さらに、発光制御回路２１を備える。

発光制御回路２１は、発光素子２の発光強度が所定値になるように発光素子２を制御する。たとえば、発光制御回路２１は、発光素子２の発光強度が所定値になるように、発光素子２に供給される駆動電流を制御する。

演算回路８は、上記所定値および受光素子５が検出した光の強度に基づいて被測定物４の屈折率を算出する。

その他の構成および動作は第１の実施の形態に係る屈折率センサと同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。したがって、本発明の第２の実施の形態に係る屈折率センサでは、小型化および低価格化を図ることができる。

次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第３の実施の形態＞
本実施の形態は、第１の実施の形態に係る屈折率センサと比べて容器１への光の導入経路を変更した屈折率センサに関する。以下で説明する内容以外は第１の実施の形態に係る屈折率センサと同様である。

図４は、本発明の第３の実施の形態に係る屈折率センサの構成を示す図である。ＬＡは、光ファイバ９の光軸である。

図４を参照して、屈折率センサ１０３は、本発明の第１の実施の形態に係る屈折率センサと比べて、さらに、光ファイバ９，１０を備える。

光ファイバ９，１０は、容器１に取り付けられることにより固定される。より詳細には、光ファイバ９は、発光素子２に結合され、発光素子２が照射した光を受ける第１端と、容器１に挿入された第２端とを有する。光ファイバ１０は、受光素子５に結合された第１端と、容器１に挿入され、光ファイバ９の第２端からの光を受ける第２端とを有する。光ファイバ９，１０は、光ファイバ９の第２端から照射される光の光軸と光ファイバ１０の第２端の受光面とが略垂直になるように配置される。これにより、光ファイバ１０が第２端において光ファイバ９の第２端からの光を受けることができる。

発光素子２は、光ファイバ９を介して容器１内の被測定物４に光を照射する。
受光素子５は、光ファイバ１０の第１端から受けた光の強度を検出する。すなわち、受光素子５は、発光素子２から伝播してくる光の一部、すなわち光ファイバ９、容器１内の被測定物４および光ファイバ１０を介して発光素子２から受けた光の強度を検出し、検出した光の強度を電気信号に変換して演算回路８へ出力する。

ここで、光信号は電磁ノイズの影響を受けない。このため、本発明の第３の実施の形態に係る屈折率センサでは、容器１が電磁ノイズを受ける環境にある場合、あるいは光源モジュール３およびモニター受光モジュール７に対して容器１が遠く離れて配置される場合であっても、高い精度で被測定物４の屈折率を測定することができる。

その他の構成および動作は第１の実施の形態に係る屈折率センサと同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。したがって、本発明の第３の実施の形態に係る屈折率センサでは、小型化および低価格化を図ることができる。

なお、本発明の第３の実施の形態に係る屈折率センサは、光ファイバ９，１０を備える構成であるとしたが、これに限定するものではなく、光ファイバ９，１０のいずれか一方を備える構成であってもよい。

次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第４の実施の形態＞
本実施の形態は、第３の実施の形態に係る屈折率センサと比べて２本の光ファイバを固定する部品を追加した屈折率センサに関する。以下で説明する内容以外は第３の実施の形態に係る屈折率センサと同様である。

図５は、本発明の第４の実施の形態に係る屈折率センサにおいて２本の光ファイバを固定するための構成を示す図である。

図５を参照して、屈折率センサ１０４は、本発明の第３の実施の形態に係る屈折率センサと比べて、さらに、コネクタ１１を備える。

コネクタ１１には、光ファイバ１０が第２端において光ファイバ９の第２端からの光を受けるように、光ファイバ９の第２端と光ファイバ１０の第２端とが離間して取り付けられる。コネクタ１１は、容器１に入れることが可能な大きさである。

このような構成により、光ファイバ９，１０を、容器１に取り付けて固定する必要がなくなるため、光ファイバの細さおよび屈曲性を利用することにより、本発明の第３の実施の形態に係る屈折率センサと比べて、より任意の場所で被測定物４の屈折率を測定することができる。すなわち、光ファイバは液体にそのまま浸すことができるため、遠方で、狭い場所であっても、屈折率を容易に測定することができる。また、本発明の第３の実施の形態に係る屈折率センサと比べて、センシング部分をさらに小型化することができる。

その他の構成および動作は第１の実施の形態に係る屈折率センサと同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。したがって、本発明の第４の実施の形態に係る屈折率センサでは、小型化および低価格化を図ることができる。

次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第５の実施の形態＞
本実施の形態は、第１の実施の形態に係る屈折率センサと比べて容器１への光の導入経路を変更した屈折率センサに関する。以下で説明する内容以外は第１の実施の形態に係る屈折率センサと同様である。以下で説明する内容以外は第１の実施の形態に係る屈折率センサと同様である。

図６は、本発明の第５の実施の形態に係る屈折率センサの構成を示す図である。図７は、本発明の第５の実施の形態に係るシリコン基板の構成を示す図である。

図６および図７を参照して、屈折率センサ１０５は、本発明の第１の実施の形態に係る屈折率センサと比べて、さらに、光ファイバ９，１０と、シリコン基板１２とを備える。

シリコン基板１２は、第１の導波路１３と、第２の導波路１４と、間隙１５とを有する。シリコン基板１２は、容器１に入れることが可能な大きさである。

光ファイバ９は、発光素子２に結合され、発光素子２が照射した光を受ける第１端と、第１の導波路１３に結合された第２端とを有する。光ファイバ１０は、受光素子５に結合された第１端と、第２の導波路１４に結合された第２端とを有する。

第１の導波路１３は、シリコン基板１２上に形成される。第１の導波路１３は、光ファイバ９の第２端に結合される第１端と、第２端とを有する。第２の導波路１４は、シリコン基板１２上に形成される。第２の導波路１４は、光ファイバ１０の第２端に結合される第１端と、第１の導波路１３の第２端からの光を受ける第２端とを有する。

間隙１５は、第１の導波路１３の第２端と第２の導波路１４の第２端との間に形成される。

受光素子５は、光ファイバ１０の第１端から受けた光の強度を検出する。すなわち、受光素子５は、発光素子２から伝播してくる光の一部、すなわち光ファイバ９、第１の導波路１３、間隙１５を満たしている被測定物４、第２の導波路１４および光ファイバ１０を介して発光素子２から受けた光の強度を検出し、検出した光の強度を電気信号に変換して演算回路８へ出力する。

このように、本発明の第５の実施の形態に係る屈折率センサでは、シリコン基板１２に導波路を形成した平面光回路（ＰＬＣ：Planar Light Wave Circuit）において、この導波路を切断することにより間隙を設ける。このような構成により、光ファイバ９，１０を、容器１に取り付けて固定する必要がなくなるため、光ファイバの細さおよび屈曲性を利用することにより、本発明の第３の実施の形態に係る屈折率センサと比べて、より任意の場所で被測定物４の屈折率を測定することができる。すなわち、光ファイバは液体にそのまま浸すことができるため、遠方で、狭い場所であっても、屈折率を容易に測定することができる。また、本発明の第３の実施の形態に係る屈折率センサと比べて、センシング部分をさらに小型化することができる。

その他の構成および動作は第１の実施の形態に係る屈折率センサと同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。したがって、本発明の第５の実施の形態に係る屈折率センサでは、小型化および低価格化を図ることができる。

次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第６の実施の形態＞
本実施の形態は、第１の実施の形態に係る屈折率センサと比べて検出精度を高めた屈折率センサに関する。以下で説明する内容以外は第１の実施の形態に係る屈折率センサと同様である。

図８は、本発明の第６の実施の形態に係る屈折率センサにおける光の伝搬経路および光強度分布を示す図である。図８は、ｎ０＜ｎ１であると仮定した場合を示している。図１において、Ｄ１は、発光素子２から照射される光の強度分布である。ＬＡは、発光素子２の光軸である。

図８を参照して、屈折率センサ１０６では、発光素子２の光軸ＬＡが発光素子２からの光を受ける測定室Ｒの側面Ｓ１と平行でなくかつ直交しないように、発光素子２および容器１が配置される。

また、発光素子２の光軸ＬＡが受光素子５の受光面Ｓ３と平行でなくかつ直交しないように、発光素子２および受光素子５が配置される。

ここで、被測定物４の液面に平行な線ＰＬと光軸ＬＡとのなす角をα１とし、被測定物４へ入射して屈折した発光素子２からの光と線ＰＬとのなす角をα２とし、発光素子２からの光軸ＬＡ上の光が測定室Ｒへ入射する位置における測定室Ｒの幅、すなわち線ＰＬのうち光軸ＬＡと測定室Ｒの側面Ｓ１との交点から受光モジュール６の受光面Ｓ２までの長さをＬとする。このとき、光強度分布Ｄ２のピーク位置のシフト量ｄは、以下の式で表わされる。

ｄ＝Ｌ×ｔａｎ（α２）＝Ｌ×（ｎ０／ｎ１）×ｓｉｎ（α１）／√［１−（（ｎ０／ｎ１）×ｓｉｎ（α１））²］・・・（２）
図９は、被測定物４の屈折率と受光素子５の受光強度との関係を示すグラフ図である。図９において、グラフＡは、α１＝０すなわち本発明の第１の実施の形態に係る屈折率センサにおける、被測定物４の屈折率ｎ１に対する受光素子５の受光強度の変化を示す。グラフＢは、α１≠０すなわち本発明の第６の実施の形態に係る屈折率センサにおける、被測定物４の屈折率ｎ１に対する受光素子５の受光強度の変化を示す。

図９を参照して、式（２）より、屈折率ｎ１の変化に応じて光強度分布Ｄ２は変形するとともにそのピーク位置がシフトする。したがって、本発明の第６の実施の形態に係る屈折率センサでは、被測定物４の屈折率ｎ１に対する受光素子５の受光強度の変化が、本発明の第１の実施の形態に係る屈折率センサと比べて大きくなるため、より高い精度で被測定物４の屈折率を測定することができる。

ここで、α１≠０である場合、受光素子５の受光強度は所定の屈折率ｎαでピークをもつ。したがって、検出したい屈折率ｎ１の範囲の最小値、あるいは最大値において受光素子５の受光強度が最大になるように受光素子５の位置を設定することにより、受光素子５の受光強度から屈折率ｎ１の最小値または最大値を一意的に検出することができる。

その他の構成および動作は第１の実施の形態に係る屈折率センサと同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。したがって、本発明の第６の実施の形態に係る屈折率センサでは、小型化および低価格化を図ることができる。

次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜第７の実施の形態＞
本実施の形態は、第６の実施の形態に係る屈折率センサと比べて受光素子の数を増やした屈折率センサに関する。以下で説明する内容以外は第６の実施の形態に係る屈折率センサと同様である。

図１０は、本発明の第７の実施の形態に係る屈折率センサにおける光の伝搬経路および光強度分布を示す図である。図１０は、ｎ０＜ｎ１であると仮定した場合を示している。図１０において、Ｄ１は、発光素子２から照射される光の強度分布である。ＬＡは、発光素子２の光軸である。

図１０を参照して、屈折率センサ１０７は、本発明の第６の実施の形態に係る屈折率センサと比べて、さらに、受光素子３１，３２を備える。

発光素子２の光軸ＬＡが受光素子５，３１，３２の受光面Ｓ３と平行でなくかつ直交しないように、発光素子２および受光素子５，３１，３２が配置される。また、受光素子５，３１，３２は、同じ屈折率ｎ１に対して容器１内の被測定物４を介して発光素子２から受けた光の強度がそれぞれ異なるような位値に、たとえば容器１内の被測定物４の深さ方向に並んで配置される。

受光素子５，３１，３２の各々は、発光素子２から伝播してくる光の一部、すなわち容器１内の被測定物４を介して発光素子２から受けた光の強度を検出し、検出した光の強度を電気信号に変換して演算回路８へ出力する。

演算回路８は、モニター受光モジュール７が検出した発光素子２の発光強度および受光素子５，３１，３２がそれぞれ検出した光の強度に基づいて被測定物４の屈折率を算出する。

図１１は、被測定物４の屈折率と受光素子５の受光強度との関係を示すグラフ図である。図１１において、グラフＡは、α１＝０すなわち本発明の第１の実施の形態に係る屈折率センサにおける、被測定物４の屈折率ｎ１に対する受光素子５の受光強度の変化を示す。グラフＢ，Ｃ，Ｄは、α１≠０すなわち本発明の第７の実施の形態に係る屈折率センサにおける、被測定物４の屈折率ｎ１に対する受光素子５，３１，３２の受光強度の変化を示す。

図１１を参照して、グラフＢ，Ｃ，Ｄで示されるように、受光素子５，３１，３２の受光強度分布はそれぞれ異なる。すなわち、受光素子５，３１，３２からの電気信号を用いることにより、本発明の第６の実施の形態に係る屈折率センサと比べて屈折率ｎ１の検出範囲を拡大し、かつ屈折率ｎ１の検出精度を高めることができる。

その他の構成および動作は第６の実施の形態に係る屈折率センサと同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。したがって、本発明の第６の実施の形態に係る屈折率センサでは、小型化および低価格化を図ることができる。

＜第８の実施の形態＞
図１２は、本発明の第８の実施の形態に係る液位センサの構成を示す図である。

図１２を参照して、液位センサ２０１は、容器１と、光源モジュール３と、受光モジュール６と、演算回路８と、導波路１６とを備える。光源モジュール３は、発光素子２と、モニター受光モジュール（第２の受光素子）７とを含む。受光モジュール６は、受光素子（第１の受光素子）５を含む。

容器１は、測定室Ｒを形成し、たとえば液体である被測定物（測定対象）４が入れられる。

導波路１６は、発光素子２に結合され、発光素子２が照射した光を受ける第１端と、受光素子５が結合される第２端とを有し、所定間隔でセンシング部分である間隙１５が設けられる。また、導波路１６は、容器１に入れることが可能である。導波路１６は、たとえば本発明の第４の実施の形態に係るコネクタ１１および光ファイバ９，１０を複数組用いて製作することができる。

発光素子２は、導波路１６の第１端に光を照射する。
受光素子５は、導波路１６の第２端から受けた光の強度を検出する。すなわち、受光素子５は、発光素子２から伝播してくる光の一部、すなわち間隙１５に満たされた被測定物４を含む導波路１６を介して発光素子２から受けた光の強度を検出し、検出した光の強度を電気信号に変換して演算回路８へ出力する。

モニター受光モジュール７は、少なくとも受光素子を含み、光源モジュール３の出力を監視する。すなわち、モニター受光モジュール７は、容器１内の被測定物４を介さずに発光素子２から受けた光の強度を発光素子２の発光強度として検出し、検出した光の強度を電気信号に変換して演算回路８へ出力する。

演算回路８は、モニター受光モジュール７が検出した発光素子２の発光強度および受光素子５が検出した光の強度に基づいて、容器１内の被測定物４によって満たされた間隙の個数を検出する。そして、演算回路８は、検出した間隙の個数に基づいて容器１内の被測定物４の液面の位置を検出する。

図１３は、本発明の第８の実施の形態に係る液位センサにおける被測定物の液位と受光素子５の受光強度との関係を示す図である。

導波路１６に含まれる光ファイバから出射した光は、センシング部分である自由空間すなわち間隙１５を伝播後、導波路１６に含まれる光ファイバに再入射し伝播してゆく。この自由空間の屈折率と、出射側の光ファイバおよび入射側の光ファイバの相対角度とに応じて再入射する光の結合効率が変化するため、光ファイバ１０の伝播強度が増減する。

図１３を参照して、１より大きい屈折率の液体中にセンシング部分があるとき、すなわち１より大きい屈折率の被測定物４によって間隙１５が満たされているとき、間隙１５が空気中にあるときよりも光ファイバに再入射する光の結合効率が高くなるように出射側の光ファイバおよび入射側の光ファイバの相対角度等を調整する。

ここで、任意の屈折率を有する液体における光の伝播強度の差異をΔＸとする。このとき、被測定物４の液位と受光素子５の出力すなわち受光強度との関係は図１３で示すようになる。すなわち、被測定物４の液位に応じて受光素子５の受光強度は階段状に変化する。つまり、被測定物４の液位に応じて導波路１６全体としての屈折率が変化する。これにより、被測定物４の液面の上下にある間隙１５の個数に応じて受光素子５の受光強度が一意的に決まる。したがって、本発明の第８の実施の形態に係る液位センサでは、被測定物４によって満たされた間隙１５の個数に応じた離散値を被測定物４の液位として得ることができる。

ところで、特許文献１〜３記載の屈折率センサでは、小型化および低価格化を図ることが困難であるという問題点があった。しかしながら、本発明の第８の実施の形態に係る液位センサでは、受光素子５は、間隙１５に満たされた被測定物４を含む導波路１６を介して発光素子２から受けた光の強度を検出する。そして、演算回路８は、モニター受光モジュール７が検出した発光素子２の発光強度および受光素子５が検出した光の強度に基づいて、容器１内の被測定物４によって満たされた間隙１５の個数を検出する。このような構成により、検出範囲を広げ、かつ分解能を高めるために、大型かつ精密なラインセンサを備える必要がなくなり、また、複数の光ファイバおよび複数の受光回路を備える必要もなくなる。

したがって、本発明の第８の実施の形態に係る液位センサでは、小型化および低価格化を図ることができる。

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て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。

本発明の第１の実施の形態に係る屈折率センサの構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る屈折率センサにおける光の伝搬経路および光強度分布を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る屈折率センサの構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る屈折率センサの構成を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る屈折率センサにおいて２本の光ファイバを固定するための構成を示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係る屈折率センサの構成を示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係るシリコン基板の構成を示す図である。 本発明の第６の実施の形態に係る屈折率センサにおける光の伝搬経路および光強度分布を示す図である。 被測定物４の屈折率と受光素子５の受光強度との関係を示すグラフ図である。 本発明の第７の実施の形態に係る屈折率センサにおける光の伝搬経路および光強度分布を示す図である。 被測定物４の屈折率と受光素子５の受光強度との関係を示すグラフ図である。 本発明の第８の実施の形態に係る液位センサの構成を示す図である。 本発明の第８の実施の形態に係る液位センサにおける被測定物の液位と受光素子５の受光強度との関係を示す図である。

符号の説明

１ 容器、２ 発光素子、３ 光源モジュール、４ 被測定物（測定対象）、５ 受光素子（第１の受光素子）、６ 受光モジュール、７ モニター受光モジュール（第２の受光素子）、８ 演算回路、９，１０ 光ファイバ、１１ コネクタ、１２ シリコン基板、１３ 第１の導波路、１４ 第２の導波路、１５ 間隙、１６ 導波路、２１ 発光制御回路、１０１〜１０７ 屈折率センサ、２０１ 液位センサ、Ｒ 測定室。

Claims (9)

1. 測定対象を入れるための容器と、
   前記容器内の前記測定対象に光を照射する発光素子と、
   前記容器内の前記測定対象を介して前記発光素子から受けた光の強度を検出する第１の受光素子と、
   前記発光素子の発光強度および前記第１の受光素子が検出した光の強度に基づいて前記測定対象の屈折率を算出する演算回路とを備える屈折率センサ。
2. 前記屈折率センサは、さらに、
   前記容器内の前記測定対象を介さずに前記発光素子から受けた光の強度を検出する第２の受光素子を備え、
   前記演算回路は、前記第１の受光素子が検出した光の強度および前記第２の受光素子が検出した光の強度に基づいて前記測定対象の屈折率を算出する請求項１記載の屈折率センサ。
3. 前記屈折率センサは、さらに、
   前記発光素子の発光強度が所定値になるように前記発光素子を制御する発光制御回路を備え、
   前記演算回路は、前記所定値および前記第１の受光素子が検出した光の強度に基づいて前記測定対象の屈折率を算出する請求項１記載の屈折率センサ。
4. 前記屈折率センサは、さらに、
   前記第１の発光素子に結合され、前記発光素子が照射した光を受ける第１端と、前記容器に挿入された第２端とを有する第１の光ファイバと、
   前記第１の受光素子に結合された第１端と、前記容器に挿入され、前記第１の光ファイバの第２端からの光を受ける第２端とを有する第２の光ファイバとを備え、
   前記第１の受光素子は、前記第２の光ファイバの第１端から受けた光の強度を検出する請求項１記載の屈折率センサ。
5. 前記屈折率センサは、さらに、
   前記発光素子に結合され、前記発光素子が照射した光を受ける第１端と、第２端とを有する第１の光ファイバと、
   前記第１の受光素子に結合された第１端と、第２端とを有する第２の光ファイバと、
   前記第２の光ファイバが第２端において前記第１の光ファイバの第２端からの光を受けるように前記第１の光ファイバの第２端と前記第２の光ファイバの第２端とが離間して取り付けられ、前記容器に入れることが可能なコネクタとを備え、
   前記第１の受光素子は、前記第２の光ファイバの第１端から受けた光の強度を検出する請求項１記載の屈折率センサ。
6. 前記屈折率センサは、さらに、
   前記発光素子に結合され、前記発光素子が照射した光を受ける第１端および第２端を有する第１の導波路と、前記第１の受光素子に結合された第１端および前記第１の導波路の第２端からの光を受ける第２端を有する第２の導波路と、前記第１の導波路の第２端と前記第２の導波路の第２端との間に形成された間隙とを含み、前記容器に入れることが可能な基板を備え、
   前記第１の受光素子は、前記第２の導波路の第１端から受けた光の強度を検出する請求項１記載の屈折率センサ。
7. 前記発光素子の光軸が前記発光素子からの光を受ける前記容器の面と平行でなくかつ直交せず、前記発光素子の光軸が前記第１の受光素子の受光面と平行でなくかつ直交しない請求項１記載の屈折率センサ。
8. 前記屈折率センサは、
   互いに異なる位置に配置された複数個の前記第１の受光素子を備え、
   前記演算回路は、前記発光素子の発光強度および前記複数個の第１の受光素子がそれぞれ検出した光の強度に基づいて前記測定対象の屈折率を算出する請求項７記載の屈折率センサ。
9. 測定対象を入れるための容器と、
   発光素子と、
   前記発光素子に結合され、前記発光素子が照射した光を受ける第１端と、第２端とを有し、所定間隔で間隙が設けられ、前記容器に入れることが可能な導波路と、
   前記導波路の第２端に結合され、前記導波路の第２端から受けた光の強度を検出する受光素子と、
   前記発光素子の発光強度および前記受光素子が検出した光の強度に基づいて、前記容器内の前記測定対象によって満たされた前記間隙の個数を検出し、前記検出した前記間隙の個数に基づいて前記容器内の前記測定対象の液面の位置を検出する演算回路とを備える液位センサ。

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