JP4996369B2 - 液体検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体検出装置に関する。

従来、容器内の液体の有無を検出する光学式の液体検出装置がある。この種のセンサは下記特許文献にも開示があるように、液体の界面に照射された光の界面における反射光、或いは界面を透過した透過光の光量変化に基づいて液体の有無を判定している。
特開平０４−６６８２０公報

しかし、界面部分に気泡があると、光量の変化が予定したものと異なる変化をするため、液体の有無を正確に行うことが出来ないという問題があった。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、容器内における液体の有無について、信頼性の高い判定結果を得ることが可能な液面検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、容器内の所定範囲における液体の有無を検出する液体検出装置であって、前記容器の所定範囲内において、ある液位における液体の有無を、前記液体に接する検出面へ照射された光の光路が液体の有無によって変化することによる光量変化に基づいて判定する光検出部を、前記容器の上下方向に沿って一列状に複数設けて前記所定範囲内の複数の液位点について前記液体の有無を判定すると共に、前記複数の液位点のうち、少なくとも２以上の液位点についていずれも液体無しと判定されることを条件に、前記所定範囲内に前記液体が無いと判定し、前記複数の光検出部の中から、測定対象となる少なくとも２以上の光検出部を指定可能な指定手段を備えると共に、前記指定手段で指定された少なくとも２以上の光検出部が、いずれも液体無しと判定することを条件に、前記所定範囲内に前記液体が無いと判定するところに特徴を有する。このような構成であれば、検出範囲の変更等にも容易に対応できる構成となり、使い勝手がよい。

本発明の実施態様として、以下の構成が好ましい。

・前記指定手段は複数の光検出部の中から、並び方向に連続する少なくとも２以上の光検出部を指定する。このような構成であれば、帯状の検出ラインを構成できる結果、液体の有無についてより信頼性の高い検出結果を得ることが可能となる。

・上下方向に広がる光を前記容器の検出面に向けて照射する一つの投光手段と、前記容器に対して前記投光手段を間に挟んで上下に配置され、前記検出面からの反射光を受光する複数の受光手段と、前記受光手段のそれぞれに設けられ前記受光手段と共に前記光検出部を構成し、各受光手段の受光量の変化に基づいて各液位点における液体の有無を判定する判定手段と、を備える。このようにしておけば、複数の受光手段間で、受光手段を兼用することができ、部品点数を削減できる。

・前記指定手段は複数の光検出部の中から、少なくとも２以上の光検出部を、光検出部同士が並び方向に連続しないように指定する。

本発明によれば、少なくとも２以上の液位点についていずれも液体無しと判定されることを条件に、前記所定範囲内に前記液体が無いと判定することとしている。言い換えれば、一部の液位点において気泡の影響により、「液体無し」と判定されたとしても、他の液位点について、いずれも「液体無し」と判定されない限り、所定範囲内に「液体無し」と判定されない。よって、液体中に発生する気泡の影響をある程度排除することが可能となり、所定範囲内における液体の有無について信頼性の高い判定結果を得ることが可能となる。

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を図１ないし図８によって説明する。
本実施形態は透明容器１０内における液体残量を、光学式の液体検出装置２０によって検出するものである。

図１に示すように容器１０は筒型をなしており、外周面１２には２組の光センサ３０、４０が高さ方向に位置をずらしつつ上下に並んで配置されている。より具体的に説明すると、本例では、図１中に示す検出範囲（本発明の「所定範囲」に相当）を液体残量の検出対象範囲としており、光センサ３０を検出範囲の最下端位置に配置し、光センサ４０を光センサ３０の真上であって検出範囲の中央やや上部寄りの位置に設置している。

尚、光センサ３０、４０の構成は双方とも同一であるため、ここでは上側に位置する光センサ３０を例にとって説明を行う。

光センサ３０は２つの凹部３５、３６を有するハウジング３１を備える。両凹部３５、３６は水平方向（図２の左右方向）に一定距離を隔てて設けられており、図２において左側の凹部３５に投光素子３２が固定され、図２において右側の凹部３６に受光素子３３が固定されている。

そして、係る光センサ３０は、図２に示すように投受光面３２ａ、３３ａを容器１０の内方に向けてセットされており、投光素子３２が点灯されると、その光は容器１０の外周面１２を通過し内周面（本発明の「検出面」に相当）１１に向かう。

このとき、容器１０中の液体が光センサ３０の設置高さに達していないと、図３に示すように、容器１０の内周面１１では光のうちの多くが、反射される状態となる。そして、内周面１１で反射した光はその後、容器１０の壁面で２度反射した後、光の一部が容器１０の外周面１２を抜けて受光素子３３で受光される。

一方、容器１０中の液体が、光センサ３０の設置高さに達していると、図４に示すように投光素子３２から出射された光のうちの多くが、容器１０の内周面１１を透過する結果、受光素子３３で光がほとんど受光されない状態となる。

すなわち、容器１０中の液体が光センサ３０の設置高さに達していない場合には受光素子３３による受光される光量が多い状態（以下、入光状態とも言う）になるのに対して、容器１０中の液体が光センサ３０の設置高さに達している場合には受光素子３３による受光される光量が少ない状態（以下、非入光状態とも言う）になる。

尚、液体が光センサ３０の設置高さに達している場合と、達していない場合とで、内周面１１で反射される光量が変化するのは、内周面１１に接する媒質が変わるからである。わかりやすく言えば、液体が光センサ３０の設置高さに達している場合には、液体（すなわち、屈折率の大きな媒質）が内周面１１に接した状態となるし、液体が光センサ３０の設置高さに達していない場合には、空気（すなわち、屈折率の小さな媒質）が内周面１１に接した状態となるからである。

また、本発明で言うところの「前記液体に接する検出面へ照射された光の光路が液体の有無によって変化することによる光量変化」とは、上記例であれば、「容器１０の内周面１１に照射された光の光路が、液体の有無により反射光路となったり、透過光路となることで受光素子３３の受光量が変化する」ことに対応している。

次に、図５を参照して液体検出装置２０の電気的構成を説明する。
図５に示す符号５０は装置本体である。装置本体５０は光センサ３０、４０と共に液体検出装置２０を構成するものであり、両光センサ３０、４０と電気ケーブルにより接続されている。係る装置本体５０は投光駆動回路５１、一次判定部５３、５４、二次判定部６１から構成されている。

投光駆動回路５１は上記した上記各投光素子３２、４２に所定のタイミングで駆動電流を供給し、両投光素子３２、４２をパルス点灯させる機能を担うものである。

一次判定部５３、５４は、例えばコンパレータなどから構成され、設定された閾値と受光素子３３、４３から出力される受光信号の信号レベルとを大小比較して、比較結果に応じた一次判定信号を出力する機能を担うものである。より具体的に説明すると、本実施形態のものは、入光状態に対応する受光信号の信号レベルと、非入光状態に対応する受光信号の信号レベルのほぼ中間のレベルに閾値を設定しており、各一次判定部５３、５４は対応する受光素子３３、４３の受光信号が閾値を上回っている場合には、Ｈレベルの一次判定信号を出力し、これとは反対に対応する受光素子３３、４３の受光信号が閾値を下回っている場合には、Ｌレベルの一次判定信号を出力する。尚、以下の説明において、一次判定部５３から出力される一次判定信号をＳ３とし、一次判定部５４から出力される一次判定信号をＳ４とする。

二次判定部６１は、一次判定部５３、５４が出力する一次判定信号Ｓ３、Ｓ４の信号レベルが、双方ともＨレベルであることを条件に、「検出範囲内に液体が無い」と判定するものであり、係る判定処理を論理積演算により実現している。すなわち、二次判定部６１は論理積回路からなり、図６に示すように両判定信号Ｓ３、Ｓ４がいずれもＨレベルの状態にある場合に、Ｈレベルの出力信号（液体無しに対応する信号）を出力し、それ以外の場合にはＬレベルの出力信号（液体有に対応する信号）を出力する。

次に、上記の如く構成された液体検出装置２０による具体的な検出動作について、図７を参照しつつ説明を行う。

例えば、図７の左手にあるように、液体が検出範囲内から完全に無くなると、両光センサ３０、４０ともに「入光状態」となる。すると、両光センサ３０、４０の両受光素子３３、４３から出力される受光信号の信号レベルはいずれも、閾値を上回る状態となるから、両判定部５３、５４からいずれも一次判定信号Ｓ３、Ｓ４として「Ｈレベル」の信号が出力される状態となる。

そして、二次判定部６１は、両一次判定部５３、５４を通じて出力された一次判定信号Ｓ３、Ｓ４の論理積を出力するから、係る場合には「Ｈレベル」の信号が二次判定部６１より出力され、検出範囲内における液体の有無を正しく判別できる。

一方、検出範囲内に液体が存在する場合には、以下に説明する気泡の影響を受ける場合を除いて、最下端に位置する光センサ４０が必ず非入光状態となり、一次判定部５４から一次判定信号Ｓ４として「Ｌレベル」の信号が出力される。よって、二次判定部６１からは「Ｌレベル」の信号が出力されることとなり、やはり、検出範囲内における液体の有無を正しく判別できる。

また、上述判別法を行うことで、判定結果の信頼性を高めることが可能となる。というのも、例えば、光センサを１つだけ使用して検出範囲内における液体の有無を検出する場合、図８の左手にあるように検出範囲の最下端位置に光センサを設け、係るセンサの検出結果に基づいて液体の有無を判定する構成となる。

しかし、係る場合に、検出範囲の最下端位置に気泡があると、光センサは入光状態となり、検出範囲内に液体があるにも拘わらず、液体無しと誤判定してしまう。

この点、本実施形態であれば、図８の右手にあるように、最下端に位置する光センサ４０に加え、高さ方向に位置をずらして光センサ３０を設けることとし、しかも両光センサ３０、４０がいずれも入光状態である場合（すなわち、両一次判定部５３、５４からいずれもＨレベルの信号が出力される場合）に限り、二次判定部６１がＨレベルの出力を行う。

従って、図８の右手に示すように、下側の光センサ３０が、正しくは非入光状態となるところ、気泡の影響を受けて入光状態になったとしても、上側の光センサ３０が非入光状態となってさえいれば、二次判定部６１は「Ｌレベル」の出力を行うこととなり、「検出範囲内に液体が有る」と正しく判定される。従って、単一の光センサに基づいて検出範囲内における液体の有無を検出する場合、信頼性の高い判定結果を得ることが可能となる。

尚、光センサ３０が液体の有無を判定する図７、図８に示す液面の高さＰ１、及び光センサ４０が液体の有無を判定する図７、図８に示す液面の高さＰ２が、本発明の「所定範囲内の複数の液位点」に相当している。

また、図７に示すように、液体が検出範囲に満ちている状態から減ってゆく場合、まず、上側に位置する光センサ３０が非入光状態から入光状態となる。そのため、係る状態の切り替えを検出し、液体が減少しつつある旨を伝えるアラーム出力を行う構成としてやれば、液体の残量に関するより多くの情報をユーザに与えることが可能となり、より好ましい。

また、上側に位置する光センサ３０が非入光状態から入光状態に切り替わるケースとして、図９に示すような気泡の影響も考えられる。しかし、気泡は下から上に浮いてゆくから、この場合には、まず、下側の光センサ４０が非入光状態から入光状態に切り替わる。従って、両光センサ３０、４０における非入光、入光の状態を連続的に監視しておけば、上側に位置する光センサ３０が非入光状態から入光状態に切り替わった原因が気泡によるものか、液体の減少によるものか判別することも可能となる。

よって、原因が気泡による場合にはアラーム出力を行わない構成としておけば、適正なアラーム出力のみ行うことが可能となり、より一層好ましい。

尚、実施形態１の例では、本発明の「光検出部」の機能を「光センサ」と「一次判定部」が担っており、また、本発明の「前記複数の液位点のうち、少なくとも２以上の液位点についていずれも液体無しと判定されることを条件に、前記所定範囲内に前記液体が無いと判定する」機能を「二次判定部」が担っている。

上記では、容器１０の外周面１２に２つの光センサ３０、４０を設置した例を説明したが、図１０に示すように、容器１０の外周面１２に複数個の光センサ１１０〜１９０を高さ方向に一列状に配置するとよい。

図１１は、図１０に示すように複数個の光センサ１１０〜１９０を設けた場合の液体検出装置１００の電気的構成を示すブロックである。液体検出装置１００の電気的構成は、図１の液体検出装置１００の電気的構成と基本構造は同じであり、各光センサ１１０〜１９０に対応してそれぞれ個別に一次判定部２１０〜２９０を設けている。そして、各一次判定部２１０〜２９０より出力される判定信号が全て二次判定部３１０に取り込まれる構成となっている。

また、この例では、図１１に示すように、選択操作部３２０を設けている。選択操作部３２０は一列状に配置された光センサ１１０〜１９０の中から、液体の残量検出に使用する光センサ（測定対象の光センサ）を指定するためのものであり、ユーザが外部操作可能な構成となっている。

選択操作部３２０がユーザにより操作され、特定の光センサが指定されると、その情報が選択操作部３２０から二次判定部３１０に伝えられる構成となっている。

そして、二次判定部３１０は選択操作部３２０から情報を得ると、指定された特定の光センサを計測対象として認識し、認識した光センサに対応する判定信号を対象に、実施形態１で説明した論理積演算を行う。その結果、指定された特定の光センサ以外のものは、処理の対象から除外されることとなる。

このような構成とすることで、例えば、検出範囲に対応する帯状の検出エリアを構成することが可能となる。すなわち、図１０の例であれば、検出範囲Ａにはハッチングで示す光センサ１２０〜１７０が対応しているから、これらを各光センサ１２０〜１７０を選択操作部３２０によって選択操作してやれば、検出範囲Ａに合わせた帯状の検出エリアを形成できる。

このように検出エリアを構成することが出来れば、検出エリアを構成する全ての光センサが気泡の影響を受けて非入光状態にならない限り、液体残量を正しく判定できる。

また、上記構成であれば、検出範囲が変更された場合にも無理なく対応することが可能となり、使い勝手がよい。例えば、図１０に示す検出範囲Ａが図１２に示す検出範囲Ｂに変更された場合、液体残量を正しく判定するには少なくとも、検出範囲Ｂから下方に外れた位置にある光センサ１７０は検出の対象から除外しておく必要がある。

この点、選択操作部３２０を操作することで、光センサ１７０を処理の対象から簡単に除外でき、検出範囲の変更にも無理なく対処できる。

尚、選択操作部３２０は、既に述べたように計測に使用する特定の光センサを指定するものであるが、本例では、選択操作部３２０を入力部３２１と処理部３２３とから構成しており、選択操作部３２０の処理部３２３が、不連続的に光センサが指定されないように指定内容を管理している。

具体的には、ユーザが入力部３２１を通じて１２０、１４０、１６０など飛び飛びに光センサを指定した場合には、処理部３２３が係る指定をキャンセルして、その情報を二次判定部６１に伝達しない構成としてある。このようにしておけば、不連続的に光センサが指定されることを回避でき、常に光センサを連続的に指定可能となる。

尚、上記処理部３２３が実行する処理により、本発明の「前記指定手段は複数の光検出部の中から、並び方向に連続する少なくとも２以上の光検出部を指定する」が実現されている。

また、上述の他にも処理部３２３に自動抽出機能を持たせておけば、以下のような半自動指定も可能となる。

すなわち、ユーザには入力部３２１によって最下位の光センサと、光センサの使用個数だけ入力させる構成とする。そして、処理部３２３には、入力された情報を受けて、最下位の光センサを含め、同センサに対して上方に位置する光センサを並び方向に連続するように使用個数分だけ自動抽出させる機能を与えておく。

このようにしておけば、最下位の位置センサとして、図１２における光センサ１６０が選択され、個数として５個の入力があった場合、処理部３２３により光センサ１６０〜１２０が自動抽出される。そして、自動抽出が完了すると、抽出された光センサ１２０〜１６０に関する情報が処理部３２３から二次判定部３１０に伝えられる。以上により、使用する光センサ１２０〜１６０を半自動的に抽出して指定することができる。

このような構成としておけば、計測に用いられる光センサの使用個数が多い場合であっても、手間をかけずに指定作業を行うことが可能であり、使い勝っ手がよい。

＜実施形態２＞
次に、本発明の実施形態２を図１３〜図１５によって説明する。
実装形態２では、容器１０の外周面１２に複数個の光センサ１１０〜１９０を高さ方向に一列状に配置すると共に、一列状に配置された各光センサ１１０〜１９０から、連続する複数の光センサ１２０〜１７０を指定して検出ラインを形成した。これに対して、実施形態３のものは、一列状に配置された各光センサ１１０〜１９０から不連続的に光センサを指定している。

尚、不連続的の光センサを指定する場合、指定する光センサの間隔、個数は気泡の大きさに基づいて決定することが好ましく、例えば、気泡がある程度大きい場合には、図１３に示すように、光センサの間隔を十分広くとるか、或いは図１４に示すように、光センサを１つおきに指定するなどしてやれば、気泡の影響を受け難くできる。

また、図１５は本例における液体検出装置の電気的構成を示すブロック図であるが、選択操作部３２０の処理部３２５が、連続的に光センサが指定されないように指定内容を管理している。

具体的には、ユーザが入力部３２１を通じて１２０〜１６０など光センサを連続して指定した場合には、処理部３２５が係る指定をキャンセルして、その情報を二次判定部６１に伝達しない構成としてある。このようにしておけば、連続的に光センサが指定されることを回避でき、常に光センサを不連続的に指定可能となる。

尚、上記処理部３２５が実行する処理により本発明の「前記指定手段は複数の光検出部の中から、少なくとも２以上の光検出部を、光検出部同士が並び方向に連続しないように指定する」が実現されている。

＜実施形態３＞
次に、本発明の実施形態３を図１６によって説明する。
実装形態１の図１０では、容器１０の外周面１２に複数個の光センサ１１０〜１９０を高さ方向に一列状に配置すると共に、一列状に配置された各光センサ１１０〜１９０から、連続する複数の光センサ１２０〜１７０を指定して検出ラインを形成した。これに対して、実施形態３のものは、一列状に配置された各光センサ１１０〜１９０から連続的に光センサを指定するものの、個数を２個とし、検出範囲の下端寄りに位置する光センサ１５０、１６０を指定することとしている。図１６に示すように、液体中に発生する気泡がある程度小さいことが予想できる場合であれば、係る指定の仕方でも、ある程度、気泡の影響を受け難くできる。

＜実施形態４＞
次に、本発明の実施形態４を図１７によって説明する。
実施形態１の図１では、投光素子と受光素子とを同一高さに配置する構成をとっており、受光素子３３に対応して専用に投光素子３２を設け、受光素子４３に対応して専用に投光素子４２を設けた。

これに対して、実施形態４のものは、高さ方向について両受光素子３３、４３のほぼ中間となる位置に投光素子３７を配置している点が実施形態１と相違しており、他の構成は同じ構成としてある。

このようにしておけば、投光素子３７が点灯されると、投光素子３７から容器１０に向けて光線が放射状に出射されるが、図１７に示すように容器１０の内周面１１で反射が起きると、一部の光線Ｄａが受光素子３３に入光し、一部の光線Ｄｂが受光素子３３に入光する状態となる。

よって、両受光素子３３、４３で投光素子３７を共用化しつつ、実施形態１の図１と同様の検出動作が可能となる。このような構成であれば、部品点数が削減できるので、実施形態１の構成に比べてコストメリットがある。

尚、上記構成により本発明の「上下方向に広がる光を前記容器の検出面に向けて照射する一つの投光手段（ここでは、投光素子３７）と、前記容器に対して前記投光手段を間に挟んで上下に配置され、前記検出面からの反射光を受光する複数の受光手段（ここでは、受光素子３３、４３）と、前記受光手段のそれぞれに設けられ前記受光手段と共に前記光検出部を構成し、各受光手段の受光量の変化に基づいて各液位点における液体の有無を判定する判定手段（ここでは、一次判定部５３、５４）と、を備える液体検出装置」が実現されている。

＜実施形態５＞
次に、本発明の実施形態５を図１８によって説明する。
実施形態１の図１では、投光素子３２と受光素子３３を同一ハウジング内に横並び状に配置して、投光素子３２から出射された光の反射光、詳しくは容器１０の内周面１１で反射された反射光を受光素子３３で受光する構成を採用した（いわゆる反射タイプ）。

これに対し実施形態５では、容器１０の両側に投光素子３２と受光素子３３を分けて配置し、投光素子３２から出射され、筒体を透過した透過光を受光素子３３で受光する構成を採用した（いわゆる透過タイプ）。

このような構成とした場合であっても、実施形態１と同様の検出動作を行うことが可能である。尚、透過タイプとした場合には、検出範囲に液体がない場合（図１８の左手の場合）に、両受光素子３３、４３はいずれも非入光状態となるのに対して、検出範囲に液体がある場合（図１８の右手の場合）に、両受光素子３３、４３はいずれも入光状態となる。すなわち、反射タイプの場合と、入光／非入光が全て反転する。

従って、実施形態１の装置本体の回路構成、すなわち一次判定部５３、５４、二次判定部６１をそのまま使用する場合には、信号処理の過程のいずれかに出力を反転させる回路を設ける必要があり、これを行うと、実施形態１の場合と同様に、検出範囲内に液体が無い場合に、二次判定部６１から「Ｈレベル」の信号が出力されることとなる。

本発明の実施形態１を示す容器の斜視図 光センサの構成を示す水平断面図 光センサの検出動作を示す図（液体無し） 同じく光センサの検出動作を示す図（液体有り） 液体検出装置の電気的構成を示すブロック図 一次判定部、二次判定部の出力状態をまとめた図表 液面の高さごとに光センサの受光状況（入光／非入光）をまとめた図 容器中に気泡が発生した場合の光センサの受光状況（入光／非入光）を示す図 容器中に気泡が発生した場合の光センサの受光状況（入光／非入光）を示す図 連続する光センサにより検出ラインを構成した状態を示す図 液体検出装置の電気的構成を示すブロック図 検出範囲に合わせて光センサの選択を変更した状態を示す図 実施形態２において、光センサを一定距離離して選択した状態を示す図 同じく、光センサを１つおきに選択した状態を示す図 液体検出装置の電気的構成を示すブロック図 実施形態３において、検出範囲の下端より２つの光センサを選択した状態を示す図 実施形態４において筒体に対して投光素子、受光素子を高さ方向に交互に配置した状態を示す図 実施形態５において、筒体の両側に投光素子と受光素子を対向させた配置した状態を示す図

１０…容器
２０…液体検出装置
３０…光センサ（本発明の「光検出部」に相当）
３２…投光素子
３３…受光素子
４０…光センサ（本発明の「光検出部」に相当）
４２…投光素子
４３…受光素子
５０…装置本体
５１…投光駆動回路
５３…一次判定部（本発明の「光検出部」に相当）
５４…一次判定部（本発明の「光検出部」に相当）
６１…二次判定部
３２０…選択操作部（本発明の「指定手段」に相当）

Claims (4)

1. 容器内の所定範囲における液体の有無を検出する液体検出装置であって、
   前記容器の所定範囲内において、ある液位における液体の有無を、前記液体に接する検出面へ照射された光の光路が液体の有無によって変化することによる光量変化に基づいて判定する光検出部を、前記容器の上下方向に沿って一列状に複数設けて前記所定範囲内の複数の液位点について前記液体の有無を判定すると共に、
   前記複数の液位点のうち、少なくとも２以上の液位点についていずれも液体無しと判定されることを条件に、前記所定範囲内に前記液体が無いと判定し、
   前記複数の光検出部の中から、測定対象となる少なくとも２以上の光検出部を指定可能な指定手段を備えると共に、
   前記指定手段で指定された少なくとも２以上の光検出部が、いずれも液体無しと判定することを条件に、前記所定範囲内に前記液体が無いと判定することを特徴とする液体検出装置。
2. 前記指定手段は複数の光検出部の中から、並び方向に連続する少なくとも２以上の光検出部を指定することを特徴とする請求項１に記載の液体検出装置。
3. 上下方向に広がる光を前記容器の検出面に向けて照射する一つの投光手段と、
   前記容器に対して前記投光手段を間に挟んで上下に配置され、前記検出面からの反射光を受光する複数の受光手段と、
   前記受光手段のそれぞれに設けられ前記受光手段と共に前記光検出部を構成し、各受光手段の受光量の変化に基づいて各液位点における液体の有無を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液体検出装置。
4. 前記指定手段は複数の光検出部の中から、少なくとも２以上の光検出部を、光検出部同士が並び方向に連続しないように指定することを特徴とする請求項１に記載の液体検出装置。

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