JP5199083B2 - 流路センサ及びそれに用いるチューブ固定具 - Google Patents

Description

本発明は、気体と液体の屈折率の差を利用して簡便にチューブ内の液体の有無を検知することができる流路センサ及びそれに用いるチューブ固定具に関するものである。

例えば半導体の洗浄工程では流路内を流れる洗浄用薬液が途切れないように監視されているが、流路を構成するチューブ等の管内を流れる液体の有無の識別には、液体の流動を検知する方法や、液体の色の変化を検知する方法や、液体中に浸漬した電極間の伝導率を検知する方法等がある。

このうち、液体の流動による物理的エネルギーを検出してチューブ等の管内の液体の有無を識別する装置では、例えばプロペラを回転させる等の機構が必要なので装置が大掛かりになり少量の液体が流動する流路には向かない。また、液体の色の変化を検知してチューブ等の管内の液体の有無を識別する装置は透明な液体には使用できない上、検出結果はチューブ等の管内の汚れ等の影響も受ける。

一方、チューブ等の管内に電極を設けその電極間の伝導率を検知する方法では、液体に電流を流すため、流れる液体の性質が変化したり、化学反応が起こったりすることがある。また、チューブ等の管内へセンサを取り付けることも必要となる。

これに対して、光の屈折率を利用した液切れセンサはすでに考案されているが（特許文献１）、当該センサは複数の発光素子及び受光素子を必要とする上、ＣＣＤ等の高価なフォトセンサも必要とする。また、透明性や屈折率の高いプラスチックセルを別途流路の途中に配管し、光学的な分析を行なう方法もあるが、当該方法では、セルの内部構造が複雑になり成型も難しくコスト面にも問題がある。加えてプラスチックセルが流路を構成するチューブ等から外れる可能性もある。
特開２００６−１０５９７

そこで本発明は、気体と液体の屈折率の差を利用して簡便にチューブ内の液体の有無を検知することができる流路センサ及びそれに用いるチューブ固定具を提供すべく図ったものである。

すなわち本発明に係る流路センサは、光透過性かつ可撓性を有するチューブ内の液体の有無を検知するものであって、チューブ固定部と、発光部と、受光部と、を備えており、前記チューブ固定部は、光透過性の材料からなり、互いに対向する一対の面で前記チューブを挟持して、前記チューブ内に液体が流動可能な空間を維持しつつ前記チューブを圧着することが可能なように構成してあり、前記互いに対向する一対の面の一方は、前記発光部から発した光の光軸に対して、前記発光部から発した光が全反射するような角度に傾斜した入射面であることを特徴とする。ここで、「圧着」とは、圧することによって、部材と部材とを離れないように固定することをいう。

光は、均一な媒質中では直進し、媒質の境界面においては一部が反射し残りは屈折して他方の媒質中を直進する性質を有する。媒質の境界面に対する光の入射角をθ_Ｉ、屈折角をθ_Ｒとし、境界面の前後の媒質（媒質_Ｉ及び媒質_Ｒ）の屈折率をそれぞれｎ_Ｉ、ｎ_Ｒとすると、スネルの法則より、sinθ_I／sinθ_Ｒ＝ｎ_Ｒ／ｎ_Ｉが成り立つ。そして、ｎ_Ｉ＞ｎ_Ｒである時、sinθ_I＝ｎ_Ｒ／ｎ_Ｉが成り立つθ_I（臨界角）より入射角が大きい光は境界面において全反射される。

ここで、気体の屈折率とガラスやプラスチック等の光透過性の固体の屈折率とを比較すると、光透過性の固体の屈折率の方が大きいので、媒質_Ｉとしてこれらの固体中を直進した光は、媒質_Ｒが気体の場合には固体と気体との境界面において、一定の入射角（臨界角）の際に全反射する。

従って、本発明における「光が全反射するような角度」とは、前記入射面に対する前記発光部から発した光の入射角をθ_Ｉとし、かつ、前記チューブ固定部の材料の屈折率をｎ_Ｉとし、空気の屈折率をｎ_Ｒとする時、sinθ_I＝ｎ_Ｒ／ｎ_Ｉが成り立つ臨界角θ_Iより大きい角度である。

更に、気体の屈折率と液体の屈折率とを比較すると、気体の屈折率よりも液体の屈折率の方が大きいので、媒質_Ｒが気体である場合の前記臨界角において、媒質_Ｒを液体に置き換えると、前記固体中を直進した光の少なくとも一部は固体と液体との境界面において、屈折して液体を透過する。

本発明は、このような気体と液体との屈折率の差を利用したものであり、可撓性を有するチューブがチューブ固定部に挟持されると当該チューブはチューブ固定部の入射面に沿って変形し、チューブ壁の厚みが均一である場合はチューブ壁内面に入射面と同じ角度に傾斜した傾斜面が形成される。このため、チューブ内に液体がない時は発光部から発した光は前記傾斜面（チューブと空気との境界面）で全反射するものの、チューブ内が液体で満たされている時は発光部から発した光の少なくとも一部は前記傾斜面（チューブと液体との境界面）で屈折して液体を透過する。そして、受光部において光の遮断又は到達を検出することにより、チューブ内の液体の有無を検知することができる。

即ち、図５に示すように、チューブ固定部の入射面に対する光Ｌの入射角をθ_αとし_、チューブ固定部の材料の屈折率をｎ_αとし、空気の屈折率をｎ_γとすると、前記θ_αが臨界角であって前記入射面において前記光Ｌが全反射するときは、スネルの法則より、sinθα＝ｎ_γ／ｎ_α（１）が成り立つ。

光Ｌがこのような角度（前記θ_αが臨界角となる角度）で進行するとき、チューブ固定部にチューブを挟持させて、チューブ固定部からチューブ壁内へ進行する光Ｌの屈折角をθ_βとし、チューブの材料の屈折率をｎ_βとすると、スネルの法則より、sinθ_α／sinθ_β＝ｎ_β／ｎ_α（２）が成り立つ。そしてこの際、チューブ壁が均一な厚みであると、チューブ壁内を直進した光Ｌのチューブ壁内面に対する入射角は、前記屈折角と同じθ_βである。このとき、チューブ内が空気で満たされている場合にチューブ壁内面から空気中に進行する光Ｌの屈折角をθ_γとすると、sinθ_β／sinθ_γ＝ｎ_γ／ｎ_β（３）が成り立つ。

上記式（１）と上記式（２）とから、sinθ_β＝ｎ_γ／ｎ_βが得られ、これを式（３）に代入すると、sinθ_γ＝１となりθ_γ＝９０°であることがわかる。従って、チューブ壁が均一な厚みであれば、チューブ固定部の入射面で全反射する角度で進行する光Ｌは、チューブ内が空気で満たされているとチューブ固定部に挟持されているチューブ壁内面でも全反射することがわかる。そして、光がこのような角度で進行するとき、チューブ内が液体で満たされれば、少なくとも当該光Ｌの一部はチューブ壁内面で屈折して液体内を透過して受光部に到達する。

このような本発明によれば、測定対象の液体に物理的・化学的な影響を与えず、また液体の透明度にも依存せずに、流路内の液体の有無を検査することができる。また、本発明に係る流路センサは、流路内の任意の箇所に設置することができるので、流路内の任意の箇所を検査対象とすることができる。

本発明においては、一対の発光素子と受光素子とで液体の有無の検知が可能であり、複数の発光素子及び受光素子や、ＣＣＤ等の高価なセンサを必要としない。このため、前記発光部及び受光部として、フォトインタラプタを使用することができる。そして、前記発光部及び受光部として、フォトインタラプタを使用することにより、センサの小型化が可能となり、微細な流路であっても検査対象とすることができる。また、製造コストを低減することも可能となる。

前記フォトインタラプタには、遮光型のものと反射型のものとがある。ここで遮光型とは、発光部と受光部とが対向するように設けてあり、発光部から発した光が透過又は遮断されたことを受光部で検出するタイプであり、透過型ともいわれる。ここで、全反射すると、発光部から発した光が遮断されることから、チューブ内に液体がないことを検知することができる。このため遮光型のフォトインタラプタを用いることにより、本発明に係る流路センサを発光素子と受光素子とでチューブをはさむ簡便な構造にすることができるので、より一層の小型化が可能となる。

本発明に係る流路センサに用いるチューブ固定具もまた、本発明の１つである。すなわち、このようなチューブ固定具は、本発明に係る流路センサに用いてチューブを固定するものであって、光透過性の材料からなり、互いに対向する一対の面で前記チューブを挟持して、前記チューブ内に液体が流動可能な空間を維持しつつ前記チューブを圧着することが可能なように構成してあり、前記互いに対向する一対の面の一方は、前記発光部から発した光の光軸に対して、前記発光部から発した光が全反射するような角度に傾斜した入射面であることを特徴とする。

本発明に係るチューブ固定具において、前記互いに対向する一対の面の他方は、前記入射面に平行な出射面であることが好ましい。このように構成してあると、チューブを挟み込みやすく、また成型も容易である。

本発明はこのような構成を有することにより、測定対象の液体に物理的・化学的な影響を与えず、液体の透明度にも依存せずに検査を行なうことが可能な流路センサを提供することができる。本発明に係る流路センサは、流路内の任意の箇所に設置することができるので、本発明によれば、任意に検査箇所を設定することができる。また、本発明によれば、一対の発光素子と受光素子とで液体の有無の検知が可能であり、複数の発光素子及び受光素子やＣＣＤ等の高価なセンサを必要としないので、センサの製造コストを低減することができる。また、本発明は発光素子と受光素子とでチューブをはさむ簡便な構成からなるので、センサの小型化を可能とし、微細な流路であっても検査対象とすることができる。

本発明の一実施形態に係る流路センサの構成を示す模式的斜視図。 同実施形態におけるチューブ固定具の斜視図。 同実施形態におけるチューブ固定具内を進行する光線を示す動作説明図。 図３のＡ−Ａ線における断面図。 チューブ固定部内及びチューブ壁内を進行する光線を示す概念図。

符号の説明

１・・・流路センサ
２・・・チューブ固定具
２１・・・溝
２２・・・入射面
３・・・フォトインタラプタ
３１・・・発光部
３２・・・受光部

以下に本発明に係る流路センサの一実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図面において、チューブ内の液体は図示しない。

本実施形態に係る流路センサ１は、図１及び図２に示すように、所定の流路を構成するチューブ４内の液体の有無を検知するものであって、チューブ４を固定するチューブ固定具２と、対向する発光部３１と受光部３２とを有する遮光型フォトインタラプタ３と、を備えている。

チューブ固定具２は、光透過性の材料からなり、チューブ４を嵌め込んで固定するための溝２１が形成されている。溝２１の幅（入射面２２と出射面２３との間隔）はチューブ４の外径より小さく、チューブ４壁の厚みの２倍よりも大きくなるように構成されているので、チューブ４をその長手方向に対して直交するように溝２１に嵌め込むと、チューブ４は内部に液体が流動する空間を維持しつつ溝２１に圧着される。

前記溝２１の内面には、入射面２２と、出射面２３とが設けてある。入射面２２は、遮光型フォトインタラプタ３の発光部３１から発した光が全反射するような角度に光軸に対して傾斜している。出射面２３は、入射面２２に対向して平行に形成されている。

遮光型フォトインタラプタ３には、発光部３１と受光部３２とが対向して設けてあり、発光部３１と受光部３２との間に遮るものがない場合は、発光部３１から発した光は受光部３２に到達する。発光部３１には発光素子として例えばＬＥＤが備えてあり、受光部３２はフォトトランジスタやフォトＩＣからなる。

発光部３１には、スリット３３が設けてあり、光線幅を制限することにより、受光部３２における検出分解能が向上するように構成してある。受光部３２にも同様にスリットが設けてある（図示しない。）。

更に遮光型フォトインタラプタ３には、コネクタ３４が設けてあり、図示しない出力機器に接続可能に構成してある。

本実施形態に係る流路センサ１を用いて、チューブ４内の液体の有無を検知するには、まず、チューブ固定具２の溝２１にチューブ４を嵌め込む。本流路センサ１に適用しうるチューブ４は光透過性と可撓性とを併せ持つものである。このため、図３に示すように、チューブ４を溝２１に嵌め込むと、その可撓性に起因してチューブ４の内面にも入射面２２と同じ角度に傾斜した傾斜面４１が形成される。

そして、遮光型フォトインタラプタ３の発光部３１から受光部３２に向けて光Ｌを発すると、チューブ４内に液体がない場合は、発光部３１から発した光Ｌは、傾斜面４１で全反射することから、受光部３２に到達しない。これに対して、チューブ４内が液体で満たされている場合は、発光部３１から発した光は、チューブ４内を透過し、受光部３２に到達する。

チューブ４内に液体がない場合とチューブ４内が液体で満たされている場合とにおいて、このような相違が生じるのは、空気と液体との屈折率の差による。

然して、チューブ４からなる流路内を液体が流動している時は、常時受光部３２に光が到達するが、液漏れ等により流路内を流動する液体が途切れた時は、光が全反射することにより遮断され受光部３２に到達しなくなり、これが受光部３２で検出されて図示しない出力機器に伝達されると、出力機器は光や音等でオペレータに液漏れ等を通知する。

このように構成した本実施形態に係る流路センサ１によれば、液体と空気との屈折率の差を利用して、チューブ４内の液体の有無を検知するので、測定対象の液体に物理的・化学的な影響を与えず、液体の透明度にも依存せずに、流路内の液体のモニタリングを行なうことができる。

また、本実施形態では、可撓性を有するチューブ４を変形させて、チューブ４の内面に傾斜面４１を形成し、当該傾斜面４１において、空気と液体の屈折率の差に基づいて、発光部３１から発した光を全反射させるか又は透過させることによって液体の有無の検知を行なうので、一対の発光部３１と受光部３２とで液体の有無の検知が可能であり、複数の発光素子や受光素子を必要とせず、またＣＣＤ等の高価なセンサを必要としない。このため、センサの製造コストを低減することが可能である。

また、本実施形態は、発光部３１と受光部３２との間にチューブ４を介在させる簡便な機構であるので、センサの小型化も可能である。

なお、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

前記実施形態におけるフォトインタラプタは遮光型であるが、フォトインタラプタが反射型であってもよい。反射型フォトインタラプタを使用する場合は、チューブ内に液体がない場合は発光部から発した光はチューブ内面に形成された傾斜面で全反射して受光部に入射して検出され、一方、チューブ内が液体で満たされている場合は、発光部から発した光はチューブ内を透過してしまうので受光部へは到達しない。

本実施形態では、図３において、向かって左側に発光部を配置しているが、向かって右側に発光部を配置しても良い。

また、溝２１の幅は均一でなくともよく、例えば図４に示すように、液体の流通方向に従って溝２１の幅が狭くなるように構成してあってもよい。その手段としては、溝２１内に段差が形成されていてもよく（図４（ａ））、また、溝２１内がテーパ状に形成されていてもよい（図４（ｂ））。このようなものであると、液体の流通方向に従って溝２１の幅が狭くなることにより、溝２１内に狭小部ができることによる流速の増加や毛細管現象等に起因して、液体が流通方向に吸引されるので、溝２１内での液体の滞留を防止することができる。このことにより、滞留による誤検知を防ぐことができ、結果として液体の有無をより正確に検知することが可能となる。

更に、溝２１に代えて、チューブ固定部２が２つの部材からなり、これらの部材をボルト等で固定することにより当該２つの部材でチューブを挟み込むように構成してあってもよい。

その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明に係る流路センサは、少量の液体が流れる流路に好適に用いることができるので、例えば各種工場や医療現場等において有用である。

Claims (6)

1. 光透過性かつ可撓性を有するチューブ内の液体の有無を検知するものであって、チューブ固定部と、発光部と、受光部と、を備えており、
   前記チューブ固定部は、光透過性の材料からなり、その間隔が前記チューブの外径より小さい互いに対向する一対の面で前記チューブを挟持して、前記チューブ内に液体が流動可能な空間を維持しつつ、前記チューブを圧着することが可能なように構成してあり、
   前記互いに対向する一対の面の一方は、前記発光部から発した光の光軸に対して、前記発光部から発した光が全反射するような角度に傾斜した入射面であり、当該入射面は、圧着された前記チューブの長手方向に直交する断面において、少なくとも一部が直線状をなしている流路センサ。
2. 前記光が全反射するような角度は、前記入射面に対する前記発光部から発した光の入射角をθ_Ｉとし、かつ、前記チューブ固定部の材料の屈折率をｎ_Ｉとし、空気の屈折率をｎ_Ｒとする時、sinθ_I＝ｎ_Ｒ／ｎ_Ｉが成り立つ臨界角θ_Iより大きい角度である請求項１記載の流路センサ。
3. 前記発光部及び受光部は、フォトインタラプタを構成している請求項１又は２記載の流路センサ。
4. 前記フォトインタラプタは、遮光型又は透過型のものである請求項３記載の流路センサ。
5. 請求項１、２、３又は４記載の流路センサに用いてチューブを固定するものであって、
   光透過性の材料からなり、
   互いに対向する一対の面で前記チューブを挟持して、前記チューブ内に液体が流動可能な空間を維持しつつ前記チューブを圧着することが可能なように構成してあり、
   前記互いに対向する一対の面の一方は、前記発光部から発した光の光軸に対して、前記発光部から発した光が全反射するような角度に傾斜した入射面であるチューブ固定具。
6. 前記互いに対向する一対の面の他方は、前記入射面に平行な出射面である請求項５記載のチューブ固定具。

Images