JP7408147B2 - 液体検知センサ - Google Patents

Description

本発明は、透光性を有するチューブ内における液体の有無を非接触で検知する液体検知センサに関するものである。

従来、透光性を有するチューブ内における液体の有無を検知する液体検知センサとしては、液体の有無による光の屈折率の変化を利用した光屈折方式のものが知られている。このような液体検知センサとして、例えば特許文献１には、チューブに対して光を出射する光源と、チューブの内壁面で反射した光を受光する受光素子とを備えるものが開示されている。この液体検知センサでは、チューブ内に液体が無い場合には液体チューブと空気の屈折率の差が大きいため、チューブの内壁面で光が反射し、受光素子での受光量が大きくなる。一方で、チューブ内に液体が有る場合には、液体チューブと液体の屈折率の差が小さくなるため、光源から出射された光はチューブ内の内壁面で反射されることなく通り抜け、受光素子での受光量が小さくなる。液体検知センサは、受光素子における受光量の違いにより、チューブ内における液体の有無を判定するように構成されている。

しかしながら、上記した液体検知センサでは、チューブ内に水滴が残っている場合や液体中に気泡が存在している場合に誤検知を生じてしまうという問題がある。すなわち、チューブ内に僅かな水滴が残っている場合には、光源からの光がチューブの内壁面で反射することなく通り抜けてしまうことにより受光素子の受光量が低下し、チューブ内に液体が有ると判定してしまうことがある。逆に、チューブ内を液体があるものの、液体中に気泡が存在している場合、光源からの光がチューブの内壁面で反射されてしまい、チューブ内に液体が無いと判定してしまうことがある。光源と受光素子とを複数対設けることにより水滴や気泡による誤検知を低減することができるが、設置スペースが大きくなるため望ましくない。

特開平０４－０６６８２０号公報

本発明は上記した問題に鑑みてなされたものであり、省スペース化を図りつつ、チューブ内に残った水滴や液体中の気泡に起因する誤検知を低減できる液体検知センサを提供することを主たる課題とするものである。

すなわち、本発明に係る液体検知センサは、透光性を有するチューブ内における液体の有無を非接触で検知する液体検知センサであって、前記チューブに向かって光を出射する光源と、前記チューブ内で反射した光を受光するように配置され、受光した光量に比例した信号を出力する第１受光素子と、前記チューブを透過した光を受光するように配置され、受光した光量に比例した信号を出力する第２受光素子と、前記第１受光素子の出力と前記第２受光素子の出力とに基づいて液体の有無を検知する検知部とを備えることを特徴とする。

このような構成であれば、チューブ内で反射した光をセンシングする第１受光素子と、チューブを透過した透過光をセンシングする第２受光素子とを備えるので、これら複数の受光素子の出力結果に基づいて液体の有無を判定するので、チューブ内に残った水滴や液体中の気泡に起因する誤検知を低減することができる。また、光源と受光素子を複数対設けるのではなく、１つの光源に対して２つの受光素子でセンシングするようにしているので、省スペース化に寄与することができる。

前記液体検知センサの具体的態様としては、前記チューブ内に液体が存在しない場合又は液体で満たされている場合の出力を基準とする前記第１受光素子の出力の比率を第１出力変化率とし、前記チューブ内に液体が存在しない場合又は液体で満たされている場合の出力を基準とする前記第２受光素子の出力の比率を第２出力変化率として、前記検知部が、前記第１出力変化率と前記第２出力変化率との比に基づいて、液体の有無を検知するものが挙げられる。この場合、前記検知部が、前記第１出力変化率に対する前記第２出力変化率の比が所定範囲内にある場合に、前記チューブ内に液体が有ると判定することが好ましい。

前記液体検知センサは、前記検知部が、前記第１出力変化率が所定の第１閾値以上であり、かつ前記第２出力変化率が所定の第２閾値以上であり、かつ前記第１出力変化率に対する前記第２出力変化率の比が前記所定範囲内にある場合に、前記チューブ内に液体が有ると判定することが好ましい。
このようにすれば、液体の有無の判定基準を増やすことにより、誤検知をより一層低減することができる。

チューブ内で反射した光と、チューブを透過した光とを効率よく受光するには、前記光源及び前記第１受光素子と、前記第２受光素子とは、前記チューブを挟んで互いに反対側に位置するように配置されていればよい。

前記液体検知センサにおいて、前記光源の光軸と、前記第１受光素子の光軸とが、前記チューブの外壁面における、前記第２受光素子と対向する面の近傍で一致するように配置されていることが好ましい。
このようにすれば、一つの光源から出た光の反射光と透過光を、第１受光素子と第２受光素子のそれぞれで効率よく受光することができるので、誤検知をより一層低減することができる。

前記液体検知センサの特徴の一つとして、前記第１受光素子及び前記第２受光素子が、前記チューブ内に液体が満たされている場合の出力が、前記チューブ内に液体が存在しない場合の出力よりも大きくなるように配置されていることが挙げられる。

このようにした本発明によれば、省スペース化を図りつつ、チューブ内に残った水滴や液体中の気泡に起因する誤検知を低減できる液体検知センサを提供することができる。

本発明の一実施形態における液体検知センサの構成を模式的に示す斜視図。 同実施形態の液体検知センサの構成を模式的に示す平面図。 同実施形態の液体検知センサの使用時における光の進行方向を説明する平面図。 同実施形態の液体検知センサの使用時における光の進行方向を説明する平面図。 同実施形態の液体検知センサの使用時における光の進行方向を説明する平面図。 他の実施形態における液体検知センサの構成を模式的に示す斜視図。 他の実施形態の液体検知センサの構成を模式的に示す平面図。

以下に、本発明の一実施形態に係る液体検知センサ１００について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る液体検知センサ１００は、例えば病院等において薬液等の液体を供給する透光性を有するチューブＴに取り付けられて、当該チューブＴ内における液体の有無を検知するためのものである。具体的にこの液体検知センサ１００は、図１に示すように、チューブＴがセットされる検知空間Ｓを形成するホルダ４と、検知空間Ｓを取り囲むようにホルダ４に取り付けられた光源１及び受光素子２とを備えている。この液体検知センサ１００は、検知空間ＳにセットされたチューブＴ向けて光源１から出射した光を受光素子２によりセンシングするように構成されている。チューブＴ内に液体が有る場合と無い場合とで受光素子２の受光量が変化し、これによりチューブＴ内における液体の有無を検知することができる。

以下、液体検知センサ１００を構成する各部について説明する。なお以下の説明においては、セットされるチューブＴの軸方向をｚ方向とし、ｚ方向に垂直な方向であって互いに直交する２方向をそれぞれｘ方向及びｙ方向とする。

ホルダ４は、透光性の低い樹脂からなる概略箱状のものである。図２に示すように、このホルダ４は、ｚ方向から視ると、その一辺に凹部４１が形成されたＵ字形状を成している。この凹部４１の内側に形成される空間が、チューブＴがセットされる検知空間Ｓとなる。凹部４１の側面には、光を出射する投光面４２と、投光面４２から出射された光を受光する受光面４３とが形成されている。投光面４２と受光面４３は、互いに平行であり、かつｚ方向に平行になるように形成されている。

光源１は、検知空間Ｓに向けて光を出射するものであり、具体的には発光ダイオードである。この光源１は、ホルダ４の投光面４２に設けられた光源収容部４２ａに、その主光線の光路がｚ軸と直交するように収容されている。この光源収容部４２ａは、具体的には投光面４２に開口するように形成された凹部からなる。この凹部内における光源１の光射出方向の前方には、光源１から出た光を集光するレンズが設けられている。

受光素子２は、光源１から出射された光をセンシングするものである。この受光素子２は光起電力効果を利用するものであり、具体的には例えばフォトダイオードやフォトトランジスタ等である。受光素子２は、光を受光する受光部を有しており、この受光部で受光した光量に比例した信号を出力するように構成されている。受光素子２は、ホルダ４の受光面４３に設けられた受光素子収容部４３ａに収容されている。この受光素子収容部４３ａは、受光面４３に開口するように形成された凹部からなる。受光素子２は、その受光面４３がｚ方向と平行になるように凹部内に収容されている。

液体検知センサ１００は、受光素子２の出力に基づいて液体の有無を検知する検知部３を更に備えている。検知部３は、ＣＰＵ及びメモリ等を備えた汎用乃至専用のコンピュータであり、メモリの所定領域に格納された所定プログラムに従ってＣＰＵや周辺機器を協働させることによりその機能が実現されるものである。検知部３は、ここではホルダ４内に収容されて、受光素子２から出力された信号を受け付けるように構成されている。

しかして、本実施形態の液体検知センサ１００は、省スペース化を図りつつも、チューブＴ内に残った水滴や液体中の気泡に起因する誤検知を低減すべく、受光素子２として、チューブＴ内で反射した光（以下、単に反射光ともいう）を受光するように配置された第１受光素子２１と、チューブＴを透過した光（以下、単に透過光ともいう）を受光するように配置された第２受光素子２２とを備え、検知部３が第１受光素子２１の出力と第２受光素子２２の出力とに基づいてチューブＴ内における液体の有無を検知するように構成されている。

具体的にこの液体検知センサ１００では、図２に示すように、凹部４１の側面には、反射光を受光する第１受光面４３１と、透過光を受光する第２受光面４３２とが受光面４３として形成されている。第１受光面４３１に設けられた受光素子収容部４３ａに第１受光素子２１が収容され、第２受光面４３２に設けられた受光素子収容部４３ａには第２受光素子２２が収容されている。前記投光面４２及び第１受光面４３１と、第２受光面４３２とは、検知空間Ｓを挟んで対向するように形成されている。これにより、光源１及び第１受光素子２１と、第２受光素子２２とは、チューブＴを挟んで互いに反対側に位置するようにホルダ４に取り付けられている。ここでは、第２受光素子２２は、光源１と第１受光素子２１のそれぞれからの距離が略均等になるように配置されている。

図２に示すように、光源１と第１受光素子２１は、互いの光軸が、チューブＴの外壁面Ｗ_оにおける、第２受光素子２２と対向する面（以下において、出射面Ｔ_оともいう）の近傍（あるいは、第２受光面４３２の近傍）で一致するように配置されている。これにより第１受光素子２１は、光源１から出射され、チューブＴ内を通ってその外壁面Ｗ_оと空気との境界で反射した反射光を効率よく受光することができる。そして第２受光素子２２は、光源１から出射され、チューブＴ内を透過した透過光を効率よく受光することができる。また、光源１、第１受光素子２１及び第２受光素子２２をこのように配置することで、第１受光素子２１及び第２受光素子２２は、チューブＴ内に液体が満たされている場合の出力がチューブＴ内に液体が存在しない場合の出力よりも大きくなる。またここでは、光源１と第１受光素子２１は、互いを結ぶ光軸線によって形成される仮想的な面がｚ方向に対して直交するように設けられている。

ここで使用時における光源１から出射された光の進行方向のイメージを、図３～図５を用いて説明する。

（チューブＴ内に液体が有る場合）
図３に示すように、チューブＴ内に液体が有る（すなわち液体が十分に満たされている）場合、チューブＴの屈折率と液体の屈折率が同程度であるため、光源１から出た光の大部分は、チューブＴの外壁面Ｗ_оにおける入射面Ｔ_ｉ（投光面４２と対向する面）から入射し、内壁面Ｗ_ｉで反射されることなくチューブＴ内を通り抜ける。そして入射した光の一部は、チューブＴの外壁面Ｗ_оの出射面Ｔ_оを透過して第２受光素子２２で受光される。また入射した光の別の一部は、チューブＴの外壁面Ｗ_оの出射面Ｔ_оにおいて反射され、第１受光素子２１で受光される。

（チューブＴ内に液体が無い場合）
図４に示すように、チューブＴ内に液体が無い場合、チューブＴの屈折率とチューブＴ内の空気との屈折率の差が大きいため、チューブＴの入射面Ｔ_ｉから入射した光の大部分は、チューブＴの内壁面Ｗ_ｉで反射及び拡散される。このため、第１受光素子２１と第２受光素子２２の受光量は小さくなる。

（チューブＴ内に水滴が残っている場合）
図５に示すように、チューブＴ内（特に光源１の光軸上）に水滴が残っている場合、水滴の屈折率とチューブＴ内の空気との屈折率の差が大きいため、チューブＴの入射面Ｔ_ｉから入射した光は、チューブＴ内を通り抜けることなく水滴と空気との境界で反射及び拡散される。

そして本実施形態の検知部３は、チューブＴ内に液体がない場合の出力を基準とする第１受光素子２１の出力の比率を第１出力変化率とし、チューブＴ内に液体がない場合の出力を基準とする第２受光素子２２の出力の比率を第２出力変化率として、第１出力変化率と前記第２出力変化率との比（以下、出力変化率比ともいう）に基づいて、液体の有無を検知する。具体的にこの検知部３は、出力変化率比の値が予め設定した所定範囲内にある場合に、チューブＴ内に液体が有ると判定し、出力変化率比が所定範囲から外れる場合に、チューブＴ内に液体が無いと判定する。この所定範囲は、チューブＴの設置環境（具体的には、チューブの径、材質、検知する液体の種類等）に応じて、ユーザにより任意に設定されてよい。つまりこの検知部３は、第１受光素子２１と第２受光素子２２の出力変化率の偏りが大きい場合（すなわち、第１受光素子２１と第２受光素子２２の一方に十分な量の光が到達しない場合）に、チューブＴ内に液体が無いと判定するように構成されている。

このように構成された本実施形態の液体検知センサ１００によれば、チューブＴ内で反射した光をセンシングする第１受光素子２１と、チューブＴを透過した透過光をセンシングする第２受光素子２２とを備え、これら複数の受光素子２１、２２の出力結果に基づいて液体の有無を判定するので、チューブＴ内に残った水滴や液体中の気泡に起因する誤検知を低減し、液体の有無を精度よく検知することができる。また、光源１と受光素子２を複数対設けるのではなく、１つの光源１に対して２つの受光素子２１、２２でセンシングするようにしているので、省スペース化に寄与することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

前記実施形態の検知部３は、出力変化率比のみに基づいて液体の有無を検知するものであったが、これに限らない。他の実施形態の検知部３は、第１出力変化率が所定の第１閾値以上であり、かつ第２出力変化率が所定の第２閾値以上であり、かつ出力変化率比が前記所定範囲内にある場合に、チューブＴ内に液体が有ると判定するように構成されていてもよい。
このようにすれば、液体の有無の判定基準が増えることで、誤検知をより低減することができる。

また前記実施形態では、検知部３は、チューブＴ内に液体がない場合の出力を基準とした第１出力変化率と第２出力変化率により液体の有無を判定していたが、これに限らない。他の実施形態では、検知部３は、チューブＴ内に液体が満たされている場合の出力を基準とする第１受光素子２１の出力の比率を第１出力変化率とし、チューブＴ内に液体が満たされている場合の出力を基準とする第２受光素子２２の出力の比率を第２出力変化率として、この第１出力変化率と前記第２出力変化率との比に基づいて液体の有無を検知するように構成されてもよい。

前記実施形態において光源１は発光ダイオードであったが限らない。他の実施形態では、光源１は、例えばレーザダイオード等のレーザー光を発するものであってもよい。またこれに限らず、光源１は拡散光を出射するハロゲンランプ等であってもよい。

前記実施形態では、検知部３はホルダ４内に収容されていたが、これに限らない。他の実施形態では、検知部３は、ホルダ４外に設けられたコンピュータ等によりその機能が発揮されてもよい。

前記実施形態では、光源１と第１受光素子２１は、互いを結ぶ光軸線によって形成される仮想的な面がｚ方向に対して垂直になるように設けられていたがこれに限らない。他の実施形態では、図６及び図７に示すように、光源１と第１受光素子２１はｚ方向に沿って設けられ、互いを結ぶ光軸線によって形成される仮想的な面がｚ方向に対して平行になるように設けられていてもよい。

その他、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。

１００・・・液体検知センサ
１ ・・・光源
２１ ・・・第１受光素子
２２ ・・・第２受光素子
３ ・・・検知部
Ｓ ・・・検知空間
Ｔ ・・・チューブ

Claims (8)

1. 透光性を有するチューブ内における液体の有無を非接触で検知するものであって、
   前記チューブに向けて光を出射する光源と、
   前記チューブ内で反射した光を受光するように配置され、受光した光量に比例した信号を出力する第１受光素子と、
   前記チューブを透過した光を受光するように配置され、受光した光量に比例した信号を出力する第２受光素子と、
   前記第１受光素子と前記第２受光素子の両方の出力結果に基づいて液体の有無を検知する検知部とを備える液体検知センサ。
2. 前記チューブ内に液体が存在しない場合又は液体で満たされている場合の出力を基準とする前記第１受光素子の出力の比率を第１出力変化率とし、
   前記チューブ内に液体が存在しない場合又は液体で満たされている場合の出力を基準とする前記第２受光素子の出力の比率を第２出力変化率として、
   前記検知部が、前記第１出力変化率と前記第２出力変化率との比に基づいて、液体の有無を検知する請求項１に記載の液体検知センサ。
3. 前記検知部が、前記第１出力変化率に対する前記第２出力変化率の比が所定範囲内にある場合に、前記チューブ内に液体が有ると判定する請求項２に記載の液体検知センサ。
4. 前記光源及び前記第１受光素子と、前記第２受光素子とは、前記チューブを挟んで互いに反対側に位置するように配置されている請求項１～３の何れか一項に記載の液体検知センサ。
5. 前記光源の光軸と、前記第１受光素子の光軸とが、前記チューブの外壁面における、前記第２受光素子と対向する面の近傍で一致するように配置されている請求項４に記載の液体検知センサ。
6. 前記第１受光素子及び前記第２受光素子が、前記チューブ内に液体が満たされている場合の出力が、前記チューブ内に液体が存在しない場合の出力よりも大きくなるように配置されている請求項１～５のいずれか一項に記載の液体検知センサ。
7. 透光性を有するチューブ内における液体の有無を非接触で検知するものであって、
   前記チューブに向けて光を出射する光源と、
   前記チューブ内で反射した光を受光するように配置され、受光した光量に比例した信号を出力する第１受光素子と、
   前記チューブを透過した光を受光するように配置され、受光した光量に比例した信号を出力する第２受光素子と、
   前記第１受光素子の出力と前記第２受光素子の出力とに基づいて液体の有無を検知する検知部とを備えるものであり、
   前記光源及び前記第１受光素子と、前記第２受光素子とは、前記チューブを挟んで互いに反対側に位置するように配置されており、
   前記光源の光軸と、前記第１受光素子の光軸とが、前記チューブの外壁面における、前記第２受光素子と対向する面の近傍で一致するように配置されている液体検知センサ。
8. 透光性を有するチューブ内における液体の有無を非接触で検知するものであって、
   前記チューブに向けて光を出射する光源と、
   前記チューブ内で反射した光を受光するように配置され、受光した光量に比例した信号を出力する第１受光素子と、
   前記チューブを透過した光を受光するように配置され、受光した光量に比例した信号を出力する第２受光素子と、
   前記第１受光素子の出力と前記第２受光素子の出力とに基づいて液体の有無を検知する検知部とを備え、
   前記第１受光素子及び前記第２受光素子が、前記チューブ内に液体が満たされている場合の出力が、前記チューブ内に液体が存在しない場合の出力よりも大きくなるように配置されている液体検知センサ。