JP5773770B2

JP5773770B2 - 液体センサ

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Publication number: JP5773770B2
Application number: JP2011131348A
Authority: JP
Inventors: 竜秋元; 隆小橋; 小池　哲夫; 哲夫小池; 田中　実; 実田中
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2031-06-13
Also published as: JP2013002842A; CN102853879B; US20120314217A1; CN102853879A

Description

この発明は、パイプ内の液体の有無および気泡の有無などを検知する液体センサに関するものである。

従来の液体センサは、互いに対向して設けられた投光素子と受光素子の光路中に透光性パイプを配置し、このパイプ内に液体が存在する場合と存在しない場合の透過光の屈折率の違いを利用して、光学的にパイプ内の液体の有無を検知していた（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２５３４２５号公報

従来の液体センサは以上のように構成されているので、センサ設計時の想定より細径のパイプを検出対象として用いると、パイプへの出射光量が過大になり、液体が存在する場合と存在しない場合の受光量の変化が十分得られず、液体の有無を検知することが困難になるという課題があった。この課題を解決するために、センサ自体をパイプ径に合わせて小型化することが考えられるが、小型化には製造技術上の限度があるうえ、パイプ径毎に大きさの異なるセンサを用意する必要があり不合理であった。

また、１／１６インチ以下の極細径のパイプを検出対象として用いる場合、従来は投光素子からパイプまでの光路中にパイプ径よりも狭いスリットを設置していたが、この構成の場合、パイプ内径が変わるとパイプで屈折した光が必ずしも受光素子へ到達するとは限らず、液体の有無を検知することが困難であるという課題もあった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、内径が異なる極細径のパイプであっても液体の有無を検出することのできる液体センサを提供することを目的とする。

この発明の請求項１に係る液体センサは、投光素子からの出射光を第１のスリットを通して透光性の管体の方向へ出射する投光部と、投光部から管体の方向へ出射された出射光を、第２のスリットを通して受光素子で受光する受光部と、管体と第２のスリットとの間に配置され、投光部から管体の方向へ出射された出射光を、管体内の液体が無いときに第２のスリットの方向へ選択的に通過させる第３のスリットとを備え、第３のスリットは、管体の半径より小さく開口した形状であって、当該開口縁部に管体の中心軸が位置合わせされるものである。

この発明の請求項２に係る液体センサは、管体の中心軸が第３のスリットの開口縁部に沿うよう、当該管体を位置決めする位置決め部を備えるものである。

この発明の請求項３に係る液体センサは、第１のスリットと第３のスリットとの間に設けられ、当該管体を第３のスリットに押し当てて保持する透光性の保持部を備えるものである。

この発明の請求項４に係る液体センサは、窪んだ部分を間に挟んだ一対の凸構造にそれぞれ投光素子と受光素子を収容し、窪んだ部分を挟んで向かい合う一対の凸構造の壁面に第１のスリットおよび第２のスリットを設けたハウジングと、ハウジングの窪んだ部分に取り付け可能なアタッチメントとを備え、アタッチメントに第３のスリットを設けるようにしたものである。

この発明の請求項１〜３によれば、管体と受光部側の第２のスリットとの間に第３のスリットを設けるようにしたので、内径が異なる極細径のパイプであっても液体の有無を検出することができる。

この発明の請求項４によれば、第３のスリットを形成したアタッチメントを、ハウジングとは別体で設けるようにしたので、ハウジング本体側は共通のまま、アタッチメントの無い状態では大径パイプの液体の有無を検出でき、アタッチメントを取り付けた状態では極細径パイプの液体の有無を検出できるようになる。

この発明の実施の形態１に係る液体センサの構成を示す外観斜視図であり、パイプが取り付いた状態を示す。実施の形態１に係る液体センサの構成を示す外観斜視図であり、パイプがない状態を示す。実施の形態１に係る液体センサの主要部を示し、図３（ａ）は図１のＡＡ線に沿って切断した断面図、図３（ｂ）は平面図である。実施の形態１に係る液体センサの検出方法を説明する図であり、図４（ａ）は内径０．５０ｍｍのパイプ内に液体無し、図４（ｂ）は液体ありの場合の出射光を示す。実施の形態１に係る液体センサの検出方法を説明する図であり、図５（ａ）は内径０．７５ｍｍのパイプ内に液体無し、図５（ｂ）は液体ありの場合の出射光を示す。実施の形態１に係る液体センサの検出方法を説明する図であり、図６（ａ）は内径１．００ｍｍのパイプ内に液体無し、図６（ｂ）は液体ありの場合の出射光を示す。実施の形態１に係る液体センサの変形例を示す断面図である。

実施の形態１．
図１および図２に示す液体センサは、ハウジング１の一辺を窪ませて、この窪んだ部分を検出領域２とし、検出領域２を間に挟んだ一方の凸構造を投光部１０、他方の凸構造を受光部２０にしている。また、ハウジング１の側壁面には、アタッチメント３０と検出対象である極細径のパイプＰとを一体的に固定するための保持部４０が形成されている。図示例では、アタッチメント３０とパイプＰをハウジング１に固定するために、保持部４０に設けた２つの穴を通したバンド４１を、パイプＰごとアタッチメント３０に巻きつける構成にしている。なお、アタッチメント３０の無い状態の液体センサは、図１に示すパイプＰより外径の大きいパイプ（不図示）について液体の有無を検出するのに最適に設計されている。

図３（ａ）は、液体センサを図１に示すＡＡ線に沿って切断した断面図を示し、図３（ｂ）に平面図を示す。なお、図３（ｂ）ではハウジング１の本体部分の図示を省略している。
図１〜図３に示すように、ハウジング１の検出領域２に面するハウジング壁面１１，２１は、透光性部材とする。そして投光部１０の内部には、検出領域２の方向へ投光する投光素子１２と、レンズ１３と、スリット（第１のスリット）１４とが収容されている。一方の受光部２０の内部には、検出領域２の方向からくる光を受光する受光素子２２と、レンズ２３と、スリット（第２のスリット）２４とが収容されている。ハウジング壁面１１，２１に挟まれた部分が検出領域２となり、ここにアタッチメント３０が取り付けられて、極細径のパイプＰが設置される。

なお、投光部１０は、ＬＥＤ（発光ダイオード）などの投光素子１２にレンズ１３を取り付け、スリット１４の手前に配置する構成にしたが、これに限定されるものではなく、例えばスリット１４に光ファイバを接合して、投光素子１２から光ファイバを介してスリット１４へ導光してもよい。また、受光部２０は、フォトダイオードなどの受光素子２２にレンズ２３を取り付け、スリット２４の手前に配置する構成にしたが、これに限定されるものではなく、投光部１０と同様に、スリット２４に光ファイバを接合して、スリット２４を通過した出射光を光ファイバを介して受光素子２２へ導光してもよい。
また、ハウジング壁面１１，２１は無くてもよい。

アタッチメント３０には、検出領域２を通過する出射光を遮るように立設した板状部材にスリット（第３のスリット）３１が形成されると共に、パイプＰをスリット３１に対して位置決めするための位置決め部３２が形成されている。このスリット３１は、パイプＰとスリット２４との間に配置され、投光部１０からの出射光はパイプＰを透過してスリット３１へ入る。なお、図示例ではスリット３１を形成した板状部材とパイプＰとが接触した状態になっているが、必ずしも接触させる必要はなく、若干の隙間があっても構わない。

パイプＰは、透光性の管体であり、その中心軸Ｘとスリット３１の上側の開口縁部３３とが同じ高さになるように位置決め部３２に位置決めされている。なお、図示例では、パイプＰの外径は１／１６インチ（１．５９ｍｍ）、スリット３１の高さ方向の幅は０．５ｍｍとした。大きさの関係性はこれに限定されるものではないが、スリット３１がパイプＰの半径以下となるよう小さく開口した形状であり、開口縁部３３にパイプＰの中心軸Ｘが位置合わせされた状態でパイプＰがスリット３１を覆うよう構成されることが好ましい。スリット３１の開口部分がパイプＰに覆われていれば、投光部１０からの出射光が直接スリット３１に入ることはない。このため、投光部１０からの出射光は、パイプＰを透過して屈折してからスリット３１に入ることになる。液体が無いパイプＰを透過する際に屈折した出射光のみが選択的にスリット３１を通過して受光部２０の方向へ進み、一方、液体があるパイプＰを透過する際に屈折した出射光はアタッチメント３０の板状部材に遮られて、受光部２０へ到達できない。従って、受光部２０で受光する光量に基づき、極細径のパイプＰの内部に液体があるか無いか、または気泡があるか無いかを検出できるようになる。

図４は、外径１．５９ｍｍおよび内径０．５０ｍｍのパイプＰを用いた場合の出射光を示す図であり、図４（ａ）はパイプＰ内に液体が無い場合、図４（ｂ）は液体がある場合を示す。なお、図４〜図６では液体として水を想定し、液体がない場合はパイプＰ内を空気が満たしているものとする。
不図示の位置決め部３２により、パイプＰの中心軸Ｘがスリット３１の開口縁部３３と同じ高さ位置に位置決めされている。図４（ａ）において、パイプＰ内に水が無い場合、投光素子１２から投光された出射光はレンズ１３およびスリット１４を通過すると共にハウジング壁面１１を透過して検出領域２に出射され（図４（ａ）に最も薄いグレーで示す）、パイプＰの外周面で所定の屈折率で屈折し（図４（ａ）にやや濃いグレーで示す）、さらに内周面で所定の屈折率で屈折して（図４（ａ）に最も濃いグレーで示す）、一部の出射光がスリット３１を通過する。そして、スリット３１を通過した出射光が、ハウジング壁面２１を透過すると共にスリット２４を通過し、レンズ２３で集光されて受光素子２２へ到達する。受光素子２２で受光した光は、不図示の信号処理部で電気信号に変換され、予め設定された閾値と比較され、液体の有無が判定される。具体的には、受光量を表す電気信号の値が閾値を超えた場合、投光部１０から出射された光がパイプＰ内を透過して受光部２０に到達したと判断して、パイプＰ内に液体が無いことを表す信号を出力する。

一方、図４（ｂ）において、パイプＰ内に水がある場合、パイプＰ内に水がない場合に比べてパイプＰ内の屈折率が大きくなるので、投光部１０から検出領域２に出射された出射光は（図４（ｂ）に最も薄いグレーで示す）、主にパイプＰの外周面で屈折し（図４（ｂ）にやや濃いグレーで示す）、内周面と水との境界面ではほとんど屈折せずに進む（図４（ｂ）に最も濃いグレーで示す）。そのため、出射光はアタッチメント３０の板状部材に遮られ、スリット３１を通過できない。よって、受光部２０には外乱光が入射することはあっても、閾値を超える十分な量の受光量が入射することはない。この場合、不図示の信号処理部は、パイプＰ内に液体があることを表す信号を出力する。

なお、ここではパイプＰの材質としてＰＦＡ（フッ素樹脂、絶対屈折率１．３４）、およびパイプＰ内を通過する液体を単に水（絶対屈折率１．３３）とし、パイプＰ内に水がない場合、パイプＰ内は空気（絶対屈折率１．００）で満たされるものとして述べたが、これらの組み合わせに限られるものではなく、要はパイプＰ内に液体があるときと無いとき（パイプＰ内が何等かの気体で満たされるとき）の両者を比して当該液体と気体との屈折率が異なる場合であれば、同様に本発明を適用可能である。

図５は、外径は１．５９ｍｍのまま、内径を０．７５ｍｍにしたパイプＰを用いた場合の出射光を示す図であり、図５（ａ）はパイプＰ内に液体が無い場合、図５（ｂ）は液体がある場合を示す。
また、図６は、外径は１．５９ｍｍのまま、内径を１．００ｍｍにしたパイプＰを用いた場合の出射光を示す図であり、図６（ａ）はパイプＰ内に液体が無い場合、図６（ｂ）は液体がある場合を示す。
いずれの場合も、図４と同様に、パイプＰ内に液体が無いときは、出射光がパイプＰの内周面で屈折してスリット３１を通過し、受光部２０に到達する。一方、パイプＰ内に液体があるときは、出射光はパイプＰの内周面（と水との境界面）での屈折率が変わり、スリット３１を通過できなくなるので受光部２０に到達しない。このように、パイプＰとスリット２４との間にスリット３１を設けることにより、１／１６インチ以下の極細径のパイプＰの内径が異なる場合であっても、液体の有無を検出可能である。

なお、図４〜図６に示すように、パイプＰ内に液体があっても無くても屈折した光の一部がスリット３１の一端部にわずかに進入するため、スリット３１を形成する板状部材にある程度の厚みを持たせることが望ましい。ただし、この板状部材を厚くしてスリット３１をスリット２４に連結させてしまうと、連結したスリットの内壁面で出射光が多重反射するなど、外乱光が発生する可能性があるため、スリット３１を形成する板状部材とスリット２４を形成する板状部材とは別体にし、かつ、離間させておく。

なお、図示例の液体センサにおいては、ハウジング壁面１１からハウジング壁面２１までの距離を１３ｍｍにしている。また、スリット１４の開口幅を高さ方向２．０ｍｍ、左右方向１．０ｍｍ、スリット２４の開口幅を高さ方向１．３ｍｍ、左右方向１．０ｍｍ、スリット３１の開口幅を高さ方向０．５ｍｍ、左右方向２．０ｍｍにしている。このうち、スリット３１の高さ方向の開口幅（０．５ｍｍ）は、パイプＰの外径（１．５９ｍｍ）が小さくなるにつれて狭めることが好ましい。
また、図示例のように、スリット２４の開口面積をスリット３１の開口面積より大きくした場合、スリット３１を通過した出射光がスリット２４から受光素子２２側へ入りやすくなるため、受光素子２２における受光量が増えて検出感度が向上する。一方、スリット２４の開口面積をスリット３１の開口面積より小さくしてもよく、この場合、スリット２４から受光素子２２側へ外乱光が入りにくくなるため誤判定を防止できるようになる。

また、図示例の液体センサでは、投光部１０からの出射光のうち、図面紙上において上方の出射光を利用してパイプＰの液体の有無を検出しているが、これに限定されるものではなく、図示した液体センサのハウジング１以外の各部を上下方向に反転した構成にして、投光部１０からの射出光のうち、下方の出射光を利用してパイプＰの液体の有無を検出するようにしてもよい。この構成の場合、パイプＰの中心軸Ｘがスリット３１の下側の開口縁部に沿う位置に位置合わせされることになる。

以上より、実施の形態１によれば、液体センサは、投光素子１２の出射光をスリット１４からパイプＰの方向へ出射する投光部１０と、投光部１０からパイプＰの方向へ出射された出射光を、スリット２４を通して受光素子２２で受光する受光部２０と、パイプＰとスリット２４との間に配置され、投光部１０からパイプＰの方向へ出射された出射光を、パイプＰ内の液体が無いときにスリット２４の方向へ選択的に通過させるスリット３１とを備え、スリット３１はパイプＰの半径より小さく開口した形状であって、位置決め部３２が、当該開口縁部３３にパイプＰの中心軸Ｘが沿うようにパイプＰを位置決めするように構成した。このため、本来は大径パイプの液体の有無を検出する用に設計された液体センサであっても、スリット３１を設けることにより、より細径のパイプＰの液体の有無を検出することができる。さらに、内径が異なる極細径のパイプＰであっても液体の有無を検出することができる。

また、本実施の形態１ではアタッチメント３０をハウジング１とは別体で構成している。そのため、ハウジング１に対してアタッチメント３０を着脱可能にでき、例えば、パイプＰの外径に応じてアタッチメント３０を取り替えて、適切な開口幅のスリット３１が形成されたアタッチメント３０を用いて液体の有無を検出することもできる。さらに、アタッチメント３０を取り外した状態で、検出領域２に大径のパイプＰを固定すれば、大径のパイプＰの液体の有無を検出できるようになる。従って、極細径から大径まで、様々な径のパイプＰについて液体の有無を検出可能な、汎用的な液体センサを構成できる。

他方、スリット３１および位置決め部３２などをアタッチメント３０として構成せず、ハウジング１と一体に構成してもよい。この構成の場合には、アタッチメント３０をハウジング１に固定するための保持部４０およびバンド４１などが不要となり、液体センサを小型化できる。

さらに、保持部４０は図示例に限定されるものではなく、アタッチメント３０とパイプＰとをハウジング１に固定できる構成であればよい。
図７に、変形例として、別形状の保持部を備える液体センサを示す。この変形例では、板状の保持部５０および蓋体５１を用いてパイプＰをアタッチメント３０の所定位置に固定する。具体的には、板状の保持部５０をスリット１４とパイプＰとの間に形成して、スリット３１を形成した板状部材にパイプＰを押し当てた状態に保持させる。加えて、パイプＰの高さ方向の位置を位置決め部３２で決定して、蓋体５１でパイプＰを覆って高さ方向を固定させる。なお、保持部５０は、透光性部材で構成するか、または十分な開口面積のスリットを形成するかして、投光部１０からの出射光を遮らないようにする。

なお、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、上述した実施の形態の構成に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更などがあっても本発明に含まれることは言うまでもない。

１ハウジング
２検出領域
１０投光部
１１，２１ハウジング壁面
１２投光素子
１３，２３レンズ
１４スリット（第１のスリット）
２０受光部
２２受光素子
２４スリット（第２のスリット）
３０アタッチメント
３１スリット（第３のスリット）
３２位置決め部
３３開口縁部
４０，５０保持部
４１バンド
５１蓋体
Ｐパイプ

Claims

投光素子からの出射光を第１のスリットを通して透光性の管体の方向へ出射する投光部と、
前記投光部から前記管体の方向へ出射された前記出射光を、第２のスリットを通して受光素子で受光する受光部とを備え、
前記管体内に液体があるか無いかを、前記受光部における受光量に基づいて検出する液体センサにおいて、
前記管体と前記第２のスリットとの間に配置され、前記投光部から前記管体の方向へ出射された前記出射光を、前記管体内の液体が無いときに前記第２のスリットの方向へ選択的に通過させる第３のスリットを備え、
前記第３のスリットは、前記管体の半径より小さく開口した形状であって、当該開口縁部に前記管体の中心軸が位置合わせされることを特徴とする液体センサ。
管体の中心軸が第３のスリットの開口縁部に沿うよう、当該管体を位置決めする位置決め部を備えることを特徴とする請求項１記載の液体センサ。
第１のスリットと第３のスリットとの間に設けられ、当該管体を第３のスリットに押し当てて保持する透光性の保持部を備えることを特徴とする請求項１記載の液体センサ。
窪んだ部分を間に挟んだ一対の凸構造にそれぞれ投光素子と受光素子を収容し、前記窪んだ部分を挟んで向かい合う前記一対の凸構造の壁面に第１のスリットおよび第２のスリットを設けたハウジングと、
前記ハウジングの窪んだ部分に取り付け可能なアタッチメントとを備え、
前記アタッチメントに第３のスリットを設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の液体センサ。