JP3134221B2

JP3134221B2 - 液面検出子

Info

Publication number: JP3134221B2
Application number: JP16791897A
Authority: JP
Inventors: 宏和田中; 貞次長谷川
Original assignee: 株式会社オプトテクノ; 宏和田中
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1997-06-11
Publication date: 2001-02-13
Anticipated expiration: 2017-06-11
Also published as: JPH112554A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、水、灯油等の液
体の有無を光学的に検出する検出子に関し、例えば、石
油スト−ブの燃料タンクに設置し燃料である液体の多少
を検出し、運転停止の処置等を行なうために用いられる
液面検出子に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１１、図１２は、特開昭５５−７５６
２０号公報によって公開されている従来の光学的液面検
出子の一例を示すもので、図１１はこの液面検出子の斜
視図、図１２は同液面検出子のプリズム部を横断した断
面図である。これら図１１、図１２で示すように、断面
形状が長方形の透明柱１を有し、この透明柱１の長手方
向の中程には、透明柱１の軸線０、０´に対して４５°
の平行な臨界面２、３を有する液体通孔４が貫通してお
り、また透明柱１の一端には発光素子５を、その他端に
は受光素子６を各々収容した有底の孔部７、１０が透明
柱１の軸線方向に形成してある。なお、プリズム部で形
成される臨界面２、３は透明柱１と空気との境界面であ
る。

【０００３】上記の液面検出子は、発光素子５に給電し
発光させる。この発光光の光線８は、透明柱１と同じ屈
折率の液体が上記液体通孔４内に充満しているとき、臨
界面２、３によって反射、屈折、減衰が生じることなく
直進して受光素子６に入射し光電流が流れる。

【０００４】また、上記臨界面２、３が空気と接してい
るとき、光線８は臨界面２で反射し受光素子６に入射し
ないが、光線８と異なる方向の光線９はこの臨界面２、
３で透過屈折し受光素子６に入射する。なお、この光線
９は液体通孔４に液体が充満しているときは直進し受光
素子６に入射しない。

【０００５】光線９の光路の長さは、光線８が受光素子
６に入射する光路の長さに比べて長く、更に、光線９は
臨界面２、３で透過屈折する等のため、受光素子６に入
射する受光量は、液体通孔４に液体が充満しているとき
の受光量に比べて少なく、従って光電流も少なくなる。

【０００６】したがって、受光素子６に入射する光量が
大きいときは液体通孔４に液体が充満し、その光量が少
ないときは液体通孔４に液体がないことになるから、受
光素子６に入射する光量の大小に応じて出力する受光素
子６の光電流を適宜処理することにより、液体通孔４に
液体が充満しているか否かの検出信号を得ることができ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記した液面検出子の
液体検出部は、透明柱１に設けたプリズム状の平行な臨
界面２、３である。この臨界面２、３が空気と接してい
るとき、光線８が、臨界面２で反射し、受光素子６には
入射しないが、光線９は臨界面２、３を透過、屈折して
受光素子６に入射する。すなわち、光線９のような臨界
面２に対する入射角が臨界角以下の光線は空気中に射出
される。

【０００８】この空気中に射出された光線のうち臨界面
２を通った一部の光線は臨界面２と３が平行でなくても
臨界面３を透過、屈折して受光素子６に入射する。した
がって、平行な臨界面２、３を有する液体通孔４の液体
の有無に対応する検出信号は、受光素子６の光電流の大
小であり、謂わゆるＳ／Ｎ比の低いものとなる。本発明
は、液面検出子が空気中にあるとき、受光素子への光の
入射を無くしＳ／Ｎ比の高い良質な検出信号の得られる
液面検出子を提供することを第１の目的とする。

【０００９】さらに、上記液面検出子は発光素子と、受
光素子とを結ぶ線の付近に液面があるとき、この液面が
ゆらぐと検出信号も変化したものとなり、安定した検出
信号を得ることができない。本発明は、ゆらいでいる液
面でも安定した検出信号の得られる液面検出子を提供す
ることを第２の目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による液面検出子
は、所定間隔で配設した発光素子と受光素子を透明材よ
り形成したパッケ−ジの内部に埋設し、このパッケ−ジ
を上記発光素子と受光素子の中間に空間部を設けた形状
とし、受光素子方向となる発光素子側パッケ−ジの断面
曲線を、発光素子と上記断面曲線との長さをｒ、発光素
子の光線の方向をθ、定数をａとしてｒ＝ＥＸＰａθと
したことを特徴とする液面検出子として構成してある。
このように構成した液面検出子は小形と量産化に適する
ものとなる。

【００１１】また、本発明の液面検出子は、上記定数ａ
が、発光素子が埋設してある透明材の屈折率をｎ、空気
その他の媒体の屈折率をｎ₀として

【数２】として構成することができる。このように構成した液面
検出子はＳ／Ｎ比の高い良好な検出信号が得られる。

【００１２】さらに、本発明の液面検出子は、受光素子
方向となる上記発光素子側パッケ−ジの境界面を上記断
面曲線からなる柱状曲面とし、発光素子から見た受光素
子の方向をθＬとしてθＬ＞θ＞（θＬ−π／２）の範
囲に上記柱状曲面に連続する凹溝を設ける構成とするこ
とができる。このように構成した液面検出子は、液面が
ゆらいでも検出信号が変化することなく、安定した信号
出力が得られる。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面に沿って説明する。図１は液面検出子の構成を示す
正面図、図２は図１上のＡ−Ａ線断面図である。これ等
の図において、ＬＥＤ等の発光素子５とフォトダイオ−
ド等の受光素子６は所定の間隔で配設され、発光素子５
は透明材で形成したパッケ−ジ１１の一方脚１１ａに埋
設されており、受光素子６はそのパッケ−ジ１１の他方
脚１１ｂに埋設されている。

【００１４】なお、この実施形態のパッケ−ジ１１は、
空間部１２を設けるようにして各脚１１ａ、１１ｂを連
結部１１ｃで一体形成したものを示しているが、各脚部
１１ａ、１１ｂは別体形成し連結部１１ｅで一体化する
こともできる。ここで、発光素子５と受光素子６への導
電手段はリ−ドフレ−ム等による公知の手段が用いられ
る。

【００１５】このように構成した液面検出子は、この液
面検出子が液中にあるとき、すなわち、上記空間部１２
が液体で満たされているとき、発光素子５の光は、パッ
ケ−ジ１１の一方脚１１ａと空間部１２の境界面１３
と、パッケ−ジ１１の他方脚１１ｂと空間部１２の境界
面１４の形状に関係なく受光素子６に入射し光電流が流
れる。

【００１６】この場合、発光素子５から受光素子６に入
射する光の光路は、空間部１２を満たす液体の屈折率
と、パッケ−ジ１１の一方脚１１ａと他方脚１１ｂを形
成している透明材の屈折率とが同じときは、発光素子５
と受光素子６を結ぶ直線路となる。また、この液体の屈
折率と、パッケ−ジ１１の屈折率とが近似している場合
は、境界面１３、１４で僅かに屈折した光路で光が受光
素子６に入射する。

【００１７】一方、液面検出子が空気中にあるときは、
発光素子５から境界面１３に向かった光は全て境界面１
３で反射する。そのため受光素子６に入射する光は無く
光電流が流れない。

【００１８】図３は、上記境界面１３の断面形状を説明
するための説明図で、図２に示す液面検出子の部分拡大
断面図である。ここで、パッケ−ジ１１の一方脚１１ａ
は屈折率ｎの透明材で発光素子５が埋設してある。発光
素子５の光の照射方向、即ち、受光素子６の方向に境界
面１３がある。曲線１５は境界面１３の断面曲線であ
る。

【００１９】発光素子５の放射状に広がった光線のうち
光軸から所定角だけ離れた光線と曲線１５の交点をＡと
し、発光素子５とＡ間の距離をｒ₀とし、発光素子５を
中心としたＡの方向角度をθ₀としてＡの極座標をｒ₀＝
ＥＸＰａθ₀とする。なお、自然対数の底ｅのａθ₀乗を
ＥＸＰａθ₀と表わす。

【００２０】上式のａは定数でパッケ−ジ１１の一方脚
１１ａの屈折率ｎと空気の屈折率１とによって定まる臨
界角、即ち、光の全反射が生じ始める入射角度のｔａｎ
（正接）の値、或いはそれより大きい値である。即ち、
ａは、

【数３】である。

【００２１】上記実施形態では空気の有無によって液体
の存在を検出していたが、この空気は液体と異なる屈折
率の種々の媒体であってもよい。この場合、媒体の屈折
率をｎ₁とすれば、上式は、

【数４】となる。ただし、ｎ₁＜ｎとなる。また、上記ｒ₀は液面
検出子の構造設計で定まる値である。従って、Ａの方向
角度θ₀は上式よりθ₀＝｛Ｌｎ（ｒ₀）｝／ａである。
なお、Ｌｎは自然対数を表わす。

【００２２】ここで、曲線１５上に点Ｐを定め、点Ｐと
発光素子５間の距離をｒとし、上記交点Ａと、点Ｐとの
角度をθ₁とする。また、θ＝θ₀＋θ₁として点Ｐの極
座標、即ち、曲線１５をｒ＝ＥＸＰａθ ・・・・・・・・（１）とする。上記（１）式のように設定した曲線１５は、ど
の点に於いても発光素子５からの光線の入射角ｉ´が一
定になる。

【００２３】このことは、次のように説明することがで
きる。上記（１）式をθで微分する。ｄｒ／ｄθ＝ａＥＸＰａθ＝ａｒ両辺をｒで除してｄｒ／（ｒ・ｄθ）＝ａ・・・・・・・・（２）

【００２４】図４は式（２）を図形的に示したもので、
１５は図３に示した曲線１５と同じ曲線である。Ｌは発
光素子５の位置である。曲線１５に点Ｐを取る。線分Ｐ
Ｌの長さをｒとする。ＰＬより微小角ｄθ離れた曲線１
５上の点をＰ´とする。Ｌよりｒ離れた線分Ｐ´Ｌ上の
位置をＤとする。線分Ｐ´Ｄはｄｒである。また、角Ｐ
´ＰＤをｉとする。

【００２５】ここで、ｄθは零に近い微小角であるから
線分ＰＤはｒｄθであり、また、角ＰＤＰ´はπ／２
（ｒａｄ）である。従って式（２）はｄｒ／（ｒ・ｄθ）＝ｔａｎｉ＝ａ・・・・・・・・（３）となる。

【００２６】また、ｄθを零に近づけたときの点Ｐ、Ｐ
´を共有する線は、曲線１５のＰ点における接線ｔであ
り、角ＤＰＬもπ／２（ｒａｄ）と見做すことができる
から、曲線１５のＰ点における法線と線分ＰＬとの交角
ｉ´はｉとなる。即ち、ｉ´＝ｉである。

【００２７】線分ＰＬは発光素子５から点Ｐへ向かう光
線でもあるから、曲線１５に対する発光素子５の光の入
射角はｉ´となる。従って入射角ｉ´を臨界角以上に設
定することによって発光素子５から曲線１５に向かう光
は全て全反射することになる。入射角ｉ´は、またｉで
もあるから上式（３）をｔａｎｉ´＝ａとすることによ
って曲線１５の関数式である上式（１）の定数ａを定め
ることができる。

【００２８】また、図１、図２に示すように、境界面１
３の断面を曲線１５である柱状曲面とすれば、発光素子
５から曲線１５に向かう光以外の光の入射角は、曲線１
５に向かう光の入射角より大きくなる。そのため発光素
子５の光は全て全反射して、境界面１３、１４を透過す
る光が無くなり、受光素子６に入射する光が無い。

【００２９】さらに、発光素子５を通る図３に示す軸Ｓ
を中心にして曲線１５を回転して得られる回転境界面で
は、この回転境界面に入射する発光素子５の光の入射角
は全て同じであり、上記と同様に受光素子６に入射する
光が無く光電流も流れない。

【００３０】以上の説明のように、本発明の境界面１３
を備えた液面検出子は、図１、図２に示す空間部１２に
液体が充満しているとき、即ち、液面検出子が液中にあ
るとき光電流が流れ、空間部１２に液体がないとき、即
ち、液面検出子が空気中にあるとき光電流が流れない。
したがって、この光電流を処理することによって高いＳ
／Ｎ比の検出信号を得ることができる。

【００３１】また、図５は、図３の点Ａに於いて発光素
子５からの光の入射角が臨界角となるようなプリズム状
の境界面１６の一例を示したものであるが、このような
境界面１６の場合、点Ａより矢印で示す時計回りの領域
にある光線の入射角は、境界面１６に対し臨界角以上と
なり、光は全て全反射することになる。

【００３２】しかし、この境界面１６の構成では発光素
子５と受光素子６との距離を長く構成しなければならな
い。このようなプリズム状の境界面１６に対し本発明の
境界面１３を用いた液面検出子は、境界面１３に対する
入射角が一定となるので、発光素子５と受光素子６との
距離を短くでき小形に構成することができる。

【００３３】また、従来例である図１１で、光線８はこ
の液面検出子が空気中にあるとき、プリズム部の臨界面
２で反射し、また、それが液中にあるときは受光素子６
に入射する光となる。したがって、Ｓ／Ｎ比を高めるに
は光線８のみを利用することが望ましく、そのために
は、光線８以外の光線を遮光するための遮光板、あるい
は、ビ−ム状の光とする光学素子等が必要となる。さら
にまた、上記したように光線８のみを利用するようにし
た液面検出子は、検出する液体の屈折率が予め設定した
値以外では、光線８が受光素子６に入射しないことが起
こり得るため汎用性の狭いものとなる。

【００３４】このような構成に対し、本発明の境界面１
３を用いた液面検出子は、遮光板、ビ−ム状の光にする
ための光学素子等が不要であるので量産に適したものと
なり、また、コストも低減する。汎用性に於いても、広
い範囲の光線が利用できるため、検出する液体の屈折率
が予め設定した値以外のときでも受光素子６に入射する
光線が存在するため、汎用性の広いものとなる。

【００３５】また、図６は、本発明の境界面１３を用い
た液面検出子の検出信号Ｓ／Ｎ比をさらに高める手段を
示したもので、図２と同様の断面図であり、同一部材及
び部所には同一符号が付してある。この液面検出子には
受光素子６の前面に凹面の空気レンズ１７が設けられて
いる。この液面検出子が空気中にあるとき、即ち境界面
１３が空気と接しているときは図１、図２に示した液面
検出子と同様に発光素子５の光は境界面１３で全て反射
する。

【００３６】さらに、液面検出子が液中にあるとき、即
ち空間部１２に液体が充満しているときは、発光素子５
から放射された光は空気レンズ１７によって集光され受
光素子６に入射する。集光されて受光素子６に入射する
光の光量は、空気レンズ１７が無い場合に比べて多くな
り、光電流も多く流れる。このため、より良いＳ／Ｎ比
が得られる。

【００３７】図７は、図１、図２に示す液面検出子の検
出信号に、液面の高低に対してヒステリシス特性を持た
せた液面検出子の断面形状を示すものである。ここで、
５は発光素子、６は受光素子、１１ａはパッケ−ジ１１
の一方脚、１１ｂはその他方脚、１１ｃは発光素子側の
一方脚１１ａと受光素子側の他方脚１１ｂを空間部１２
を設けるようにして一体化させている連結部であり、こ
れ等構成は図１、図２に示すものと同様である。

【００３８】さらに、上記の構成に加え、境界面１３の
端部に壁面１３ａ、１３ｂ、１３ｃで構成される凹溝１
８が設けてある。この凹溝１８の開放部は受光素子６の
方向となっている。また、凹溝１８は、発光素子５から
見た受光素子６の方向をθＬとした場合、（θＬ−π／
２）からθＬまでの方向の中に設けられている。

【００３９】図８は燃料タンク等の液体を貯蔵するタン
クに、液面検出子を装備したときの液面検出子と液面の
関係を鉛直面で示したもので、連結部１１ｃを上方にし
て設置される。図７に示した凹溝１８を備えた液面検出
子は、液面１９ａが上昇して、１９ｂで示す発光素子５
の近傍の液面になると、凹溝１８の中に表面張力によつ
て上昇していた液体の上部が連結部１１ｃの下面１１ｄ
に接するようになり、下面１１ｄによる表面張力が加わ
り凹溝１８の中の液量が増加する。

【００４０】図９は、凹溝１８の中の液量が増加した状
態と、発光素子５から凹溝１８に向かう光線２２の光路
とを示した図７の液面検出子の一部拡大断面図である。
この図において、２０は表面張力により凹溝１８中を上
昇した液体で、２１は液体と空気との境界面である。

【００４１】発光素子５からの光線２２は、境界面２１
で屈折して受光素子６に入射し、光電流が流れる。図８
に示した液面１９ｂがさらに上昇して発光素子５、受光
素子６を越えた位置１９ｃになると、発光素子５の光が
受光素子６に直接入射して光電流が流れる。したがっ
て、液面が液面１９ｂより上位にある場合、受光素子６
に光電流が流れる。

【００４２】また、液面が液面１９ｂより下がると、連
結部１１ｃの下面１１ｄに接触している液体の表面張力
と、凹溝１８中の液体重量との平衡が崩れ液体が下に落
ちて凹溝１８中の液体量が少なくなる。そのため、図９
に示す光線２２の屈折方向が変化し受光素子６に入射し
なくなり、光電流が流れなくなる。したがって、液面が
液面１９ｂより下位にある場合、受光素子６に光電流が
流れなくなる。

【００４３】上記した液面の位置と光電流の関係を図１
０に示す。液面が上昇した後下降するまでの光電流の変
化は、ヒステリシス特性となっている。このヒステリシ
スが生じる液面の変化範囲は、各種要件によって異なる
が、一例として、実験結果について述べると、液体を灯
油とし、図７に示す凹溝１８の壁面１３ｂの巾を１．３
ｍｍとし、壁面１３ｃの巾を１．５ｍｍとして、さら
に、発光素子５、或いは、受光素子６から図８に示した
連結部１１ｃの下面１１ｄまでの距離を１．２ｍｍとし
たとき、０．５ｍｍのヒステリシスを得ることができ
た。したがって、液面がゆらいでも、その波高値が０．
５ｍｍ以内であれば検出信号が変化することが無く、安
定した信号出力が得られる。

【００４４】さらに、上記したこれ等の液面検出子は、
受光素子に光電流が流れたとき、液面検出子が液中にあ
るとして、その検出信号を出力する方式である。この液
面検出子の使用例として石油ファンヒ−タ−について述
べれば、燃料タンク内に設けた液面検出子で燃料量の多
少を検出し、所定量以上に燃料があるとき燃焼装置、燃
料供給装置等を運転させ、燃料が所定量以下のときは、
これら装置等の運転を停止させて、異常燃焼や空運転を
防止するように制御する制御信号の出力検出子として使
用される。

【００４５】このように石油ファンヒ−タ−に使用した
場合、液面検出子に備えた光源が万一不点灯になったと
き、この液面検出子が液中にあるか否かに関わらず受光
素子に光電流が流れない。そのため、光源の不点灯時の
検出信号は燃料量不足の検出信号と同じ信号となり、燃
焼装置、燃料供給装置等の運転を停止させる。この例の
ような、液面検出子の検出信号の出力方法は、石油ファ
ンヒ−タ−の動作を安定な状態に保障するフェイルセ−
フ(fail-safe)となっている。

【００４６】以上、本発明の実施形態について説明した
が、その他に本発明を実施するに当って発光素子５とし
て赤外発光素子、紫外発光素子を用いるときは、その発
光波長に対しての透明な材料でパッケ−ジを形成する。
さらに、発光素子５の光が受光素子６に入射する光路は
上記した直線路に限らず、金属反射鏡等によって、光路
を曲げたものであってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液面検出子の簡略正面図である。

【図２】図１上のＡ−Ａ線で切断した液面検出子の断面
図である。

【図３】上記液面検出子に備える境界面１３の断面形状
の説明図である。

【図４】同境界面１３の断面上の曲線１５を関数式で表
すための説明図である。

【図５】平面状に形成した境界面の問題点を説明するた
めの説明図である。

【図６】空気レンズを設けた液面検出子の実施形態を示
す断面図である。

【図７】検出信号にヒステリシス特性を持たせた液面検
出子の実施形態を示す断面図である。

【図８】図７に示す液面検出子を液体タンク内に装備
し、この液面検出子と液面との関係を示した説明図であ
る。

【図９】図７に示した液面検出子に備えた凹溝の機能を
説明するための説明図である。

【図１０】図７に示す液面検出子の液面の位置に対する
光電流の特性図である。

【図１１】従来の液面検出子の構成を示す簡略斜視図で
ある。

【図１２】上記従来の液面検出子を横断した断面図であ
る。

【符号の説明】

５発光素子６受光素子８、９光線１１パッケ−ジ１１ａ一方脚１１ｂ他方脚１１ｃ連結部１１ｄ連結部１１ｃの下面１２空間部１３境界面１３ａ、１３ｂ、１３ｃ凹溝を形成する壁面１４境界面１５曲線１７空気レンズ１８凹溝１９ａ、１９ｂ、１９ｃ液面の各位置２０表面張力により上昇した液体２１液体の境界面２２光線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭52−146266（ＪＰ，Ａ) 実開昭58−71121（ＪＰ，Ｕ) 実開昭55−84536（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 23/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定間隔で配設した発光素子と受光素子
を透明材より形成したパッケ−ジの内部に埋設し、この
パッケ−ジを上記発光素子と受光素子の中間に空間部を
設けた形状とし、受光素子方向となる発光素子側パッケ
−ジの断面曲線を、発光素子と上記断面曲線との長さを
ｒ、発光素子の光線の方向をθ、定数をａとしてｒ＝Ｅ
ＸＰａθとしたことを特徴とする液面検出子。
【請求項２】上記定数ａは、発光素子が埋設してある
透明材の屈折率をｎ、空気その他の媒体の屈折率をｎ₀
として【数１】としたことを特徴とする請求項（１）に記載した液面検
出子。
【請求項３】受光素子方向となる上記発光素子側パッ
ケ−ジの境界面を上記断面曲線からなる柱状曲面とし、
発光素子から見た受光素子の方向をθＬとしてθＬ＞θ
＞（θＬ−π／２）の範囲に上記柱状曲面に連続する凹
溝を設けることを特徴とする請求項（１）に記載した液
面検出子。