JPH02310447A - 液体の混合比検出センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、バッテリーの充電状態検出センサ、ガソリン
の重質度検出センサ、ガソリンとアルコール液体の混合
比検出センサとして利用でき、２種以上の液体の混合割
合を光学的に検出する液体の混合比検出センサに関する
。

［従来の技術］ バッテリ・−は、充電された状態では電解液の比重が大
きく、放電が進む程小さくなっていく、比重と屈折率と
は比例しているので電解液の屈折率を測定すればバッテ
リーの充電状態が検出できる。

従来よりこの混合比（屈折率）を測定する検出センサと
して次にあげるものがある。

（ア）第４図に示す如く、光源１００と、感光素子１１
０と、前記光源１００から感光素子１１０に至る入射光
１２０、反射光１３０の形成する光軸の界面への入射角
度を、透明合成樹脂１４０とガラス１５０とからなる光
透過性物質１６０より流体への臨界角以下の一定角度に
設定するとともに、光路を反対方向でほぼ平行にする光
反射鏡１７０を備える検出センサがある（特公昭５６−
３７４９８号）。

（イ）第５図に示す如く、被測定液体２００中に配され
た三角プリズム２１０（ガラス）および台形プリズム２
２０（ポリスチレン）と第１光源２３０、第２光源２４
０および第１光電変換器２５０、第２光電変換器２６０
と、各々を接続する光導体と、第１、第２光電変換器２
５０．２６０に接続される減算器２７０と、表示手段２
８０とを備える検出センサがある（特開昭５７−８４３
３７号）。

［発明が解決しようとする課題］ しかるに、従来の検出センサでは、次のような欠点があ
る。

上記（ア）では、光透過性物質（固体）の屈折率の温度
係数が−Ｉ　Ｘ　１０−’／”Ｃに対し、被測定液の屈
折率の温度係数が一２Ｘ１０−’／”Ｃ〜−６Ｘ　１０
−’／”Ｃであるので、温度が変化すると界面での臨界
角が変わり測定誤差が生じる。

上記（イ）では、温度による誤差は補正できるが、プリ
ズムを２個使うので検出センサの大型化を招き、かつ、
温度補正をするための複雑な計算を行う必要があり、製
造するための手間やコストがかかる。

本発明の目的は、上記課題を解決し、２種以上の液体を
混合してなる被測定液体の混合比の検出にあたり、 小型かつシンプル、低価格であり、液体混合比の変化を
高精度に検出でき、 被測定混合液体の温度変化に対し、混合比の検出誤差が
少なく、温度補償手段の付加を必要としない、液体の混
合比検出センサの提供にある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の液体の混合比検出センサは、」二記目的を達成
するために、 （１）板状透光体の一端面を被測定液体に接触させて境
界面とし、発光素子、受光素子を用いて、境界面での光
の反射の変化から、２種以」二の物質を混合してなる被
測定液体の混合比を検出する液体の混合比検出センサに
おいて、 （あ）前記板状透光体は、板状透光体の前記一端面に平
行な他端面を、前記被測定液体の検出したい混合比のと
きの屈折率に等しいか、または近似した屈折率をもつシ
リコンオイル、シリコンゲルなど液体またはゲル状の透
光基準物質に接触させて基準境界面となし、 （い）前記発光素子と反射面とは、前記透光基準物質中
に設けた板状透光体の前記一端面および前記他端面に垂
直な壁面に対向して配し、該反射面は、発光素子から出
射し、前記境界面で反射した光をさらに前記基準境界面
に向けて反射する位置に設定し、 くう）光の遮蔽物は、前記発光素子から出射した光のう
ち境界面で反射しなかった光が直接前記反射面に入射す
るのを阻止する為に、発光素子および反射面の配置に対
応する前記板状透光体の所定位置に設けられ、 （え）前記受光素子は、板状透光体の前記基準境界面の
外側に、前記反射面に対向して設けられ、発光素子から
出射した光が、被測定液体の屈折）Ｖが透光基準物質の
屈折率以下のときに境界面で反射し、さらに反射面で反
射し、さらに基準境界面から屈折して出射し、受光素子
に入射する、反射面の対向位置に配されることを技術的
手段とする。

さらに、（２）前記基準境界面から屈折して出射した光
に対応する前記受光素子と共に、基準境界面で反射した
光に対応する第２受光素子を設けたことを技術的手段と
する。

さらに、（３）前記板状透光体を前記光の遮蔽物でもっ
て、基準境界面側透光体と境界面側透光体との２体に分
割し、該境界面側透光体と被測定液体の検出値とで決ま
る臨界角と該基準境界面側透光体と透光基準物質とで決
まる臨界角とが等しくなるようにしたことを技術的手段
とする。

［作用および発明の効果］ 上記構成の技術的手段（１）により、本発明の液体の混
合比検出センサは、 境界面に被測定液体を接触させて、被測定液体の液体混
合比を検出する場合、 発光素子から出射した光は、透光体の側面から入射し、
境界面（透光体一端面と被測定液体との境界面）で反射
し、さらに反射面で反射し、透光体の側面から入射し、
さらに境界面に平行な基準境界面（透光体他端面と透光
基準物質との境界面）に入射する。

このとき、基準境界面での臨界角（透光体と透光基準物
質の屈折率から決まる）以」−の入射角の光は、基準境
界面で全反射し、基準境界面での臨界角以下の入射角の
光は、基準境界面から屈折して出射する。

被測定液体の屈折率が透光基準物質の屈折率より小さい
場合、境界面での臨界角も小さくなるので、基準境界面
へ入射する光の中には、基準境界面での臨界角より小さ
い入射角の光が存在し、その光は基準境界面から屈折し
て出射し、受光素子に入射する。

被測定液体の屈折率が透光基準物質の屈折率より大きい
場合、境界面での臨界角も大きくなるので、基準境界面
へ入射する光の入射角は、臨界角以上となり基準境界面
で全反射するので、受光素子へ入射する光はなくなる。

上記の作用により下記の効果を表す。

（か）混合比（すなわち屈折率）が可変である被測定液
体の屈折率を検出する場合、検出したい屈折率である透
光基準物質を選択して用いれば、被測定液体の屈折率が
透光基準物質の屈折率以上か以下かの変化（すなわち混
合比の変化）を高精度に検出できる。

（き）屈折率の温度変化が、被測定液体と同等である透
光基準物質を用いれば、被測定液体の温度変化に対応し
て混合比の変化を高精度に検出でき、温度補償手段を付
加する必要がなくなる。これにより高精度で小型かつシ
ンプルにできる。

上記構成の技術的手段（２）を付加することににより、 基準境界面から屈折して出射した光は、受光素子に入射
し、基準境界面で反射した光は、第２受光素子に入射す
るので、受光素子と第２受光素子の出力比較から屈折率
の変化を判定できる。

この作用により、次の効果を表す。

（＜）発光素子、受光素子の効率が低下した場合にも、
比較判定により検出値が安定するので耐久性が向上する
。

（け）乱反射により周囲から光線が受光素子に入射する
場合にも、比較判定により検出値が安定する。

上記構成の技術的手段（３）を付加することににより、 被測定液体の検出したい屈折率に透光基準物質の屈折率
を合致させることが困難な場合でも、基準境界面側透光
体の屈折率を選択することにより、選択可能な透光基準
物質の屈折率と基準境界面側透光体の屈折率とから決ま
る臨界角を、被測定液体の検出したい屈折率と境界面側
透光体の屈折率とから決まる臨界角に合わせることがで
きる。

この作用により、次の効果を表す。

（こ）透光基準物質と２種の透光体との組合せを選択し
て用いれば、被測定液体の検知したい値を設定する自由
度が大幅に増加する。

以上述べた如く本発明によれば、小型かつシンプルで、
液体混合比の変化を高精度に検出でき、また温度補償手
段を付加しなくても被測定混合液体の温度変化による検
出誤差が少ない、すなわち高精度で小型かつシンプルで
あり耐久性にも優れる液体の混合比検出センサを提供で
きるという効果を表す。

これらの効果を有するので、バッテリーの充電状態検出
センサ、ガソリンの重質度検出センサ、ガソリンとアル
コール液体の混合比検出センサとして広範囲に利用でき
る。

［実施例］ 次に、本発明にかかる液体の混合比検出センサ（バッテ
リーの充電状態検出センサ）の第１実施例を第１図に基
づき説明する。

液体の混合比検出センサ（バッテリーの充電状態検出セ
ンサ）Ａは、バッテリーの注入口に挿入する円筒状ホル
ダ１（直径φ４　ｍ　）と、該円筒状ホルダ１内のそれ
ぞれ所定位置に保持される発光素子（発光ダイオ−ド）
２、反射面３、受光素子（ホトダイオード）４、遮蔽物
６を挟んだ板状透光体５と、円筒状ホルダ１内に内封さ
れる透光基準物質（本実施例ではシリコンオイル）７と
からなる。

円筒状ホルダ１には、被測定液体く希硫酸）９に当接さ
ぜる端面１１に穴１２が設けられている。

本実施例の板状透光体５は、下側ガラス円板５１と上側
ガラス円板５２の中間に肉厚円板状の光の遮蔽物６を挟
んでなり、該下上側ガラス円板５１．５２は光学用の鉛
ガラス（屈折率１．６４）製である。また、下側ガラス
円板５１の下側端面（板状透光体５の一端面）５３が、
被測定液体（希硫酸）９に接して境界面Ｈを形成する。

上側ガラス円板５２の上側端面（板状透光体５の他端面
）５４が、シリコンオイル７に接して基準境界面Ｇを形
成する。一端面５３と他端面５４は平行である。また板
状透光体５は、被測定液体（希硫酸）９に接する一端面
５３を前記穴１２から露呈して、該穴１２に封着ガラス
１０を介して固定される。封着ガラス１０によりシリコ
ンオイル７の液密を保持している。

板状透光体５の前記一端面５３に垂直な側面５５と、円
筒状ホルダ１の内周面１３との間には、環状の隙間が形
成されている。この環状の隙間には、基板８に取付けら
れた発光素子２および受光素子４と、反射面３とが相対
向して配されている。

円筒状ホルダ１内の余剰の空間は、透光基準物質（シリ
コンオイル）７が封入されている。

発光素子２は、基板８上の前記光の遮蔽物６に対面する
位置に取付けられ、発光素子２から出射した光のうち境
界面Ｈで反射しなかった光が反射面３に入射するのを防
止している。

受光素子４は、上側ガラス円板５２の」一方に対応する
基板８上に取付けられ、発光素子から出射し、境界面Ｉ
（で反射し、反射面３で反射し、基準境界面Ｇで屈折し
て出射する光に対応する。

また、反射面３および受光素子４は、境界面Ｈおよび基
準境界面Ｇに直角に配設されている。

透光基準物質（シリコンオイル）７は、屈折率を被測定
液体（希硫酸）９が放電状態となったときの屈折率１．
３４と同じにしである。

発光素子（発光ダイオード）２はガリウム砒素タイプで
、赤外光２１を発光させている。

被測定液体く希硫酸）９はバッテリーの電解液であり、
車載されている起電力１２Ｖの鉛蓄電池の各電槽中に入
れられている。

次に、希硫酸９の屈折率を測定する場合、バッテリーの
充電状態検出センサＡにおける発光ダイオード２から発
光する赤外光２１の光路について説明する。

発光ダイオード２から発光した赤外光２１は、まず前記
シリコンオイル７中を進み、下側ガラス円板５１に侵入
し、下側ガラス円板５１中を進み、下側ガラス円板５１
と希硫酸９との前記境界面Ｈで反射し、↑側ガラス円板
５１中を進み、シリコンオイル７中を進み、反射面３で
全反射し、シリコンオイル７中を進み、上側ガラス円板
５２に侵入し、上側ガラス円板５２中を進み、上側ガラ
ス円板５２とシリコンオイル７との前記基準境界面Ｇに
入射する。

このとき、板状透光体５の屈折率と透光基準物質（シリ
コンオイル）７の屈折率から決まる基準境界面Ｇでの臨
界角１以上の光２１ｂは、基準境界面Ｇで全反射し、臨
界角ｉ以下の光２１ａは、屈折して出射する。

バッテリーが放電状態で、希硫酸９の屈折率が１．３４
以下の場合、シリコンオイル７の屈折率（１，３４）よ
り小さくなるので、境界面Ｈでの臨界角りも小さくなる
。基準境界面Ｇへ入射する赤外光２１の中には、基準境
界面Ｇでの臨界角ｉより小さい入射角の光２１ａが存在
し、該光２１ａは基準境界面Ｇから屈折して出射し、受
光素子４に入射する。受光素子４に入射する光２１ａの
量は、希硫酸９の屈折率が小さくなるほど増加する。な
お、希硫酸９が蒸発により減少して空気に置き換わった
場合も同様である。

また、バッテリーが十分充電されており、希硫酸９の屈
折率が１．３４以上の場合、シリコンオイル７の屈折率
（１，３４）より大きくなるので、境界面Ｈでの臨界角
りも大きくなる。基準境界面Ｇへ入射する赤外光２１の
入射角は、基準境界面Ｇでの臨界角ｉより大きくなり全
反射するので、受光素子４に入射する光２１ａはなくな
る。

上記実施例における透光基準物質（シリコンオイル）７
の屈折率に対し、被測定液体（希＠酸）９の屈折率と受
光素子（ホトダイオード）４からの出力の対応する変化
を、第２図のグラフに示す。

本発明にかかるバッテリーの充電状態検出センサＡは、
次の作用および効果を奏する。

（さ）希硫酸９の量および電気量（比重、屈折率）を光
の臨界角を使って検出している。このため、これらを、
バッテリーの実例状態で常時監視が可能である。

（シ）温度変化により同じ充電状態であっても、希硫酸
９の屈折率は変化する。しかし、シリコンオイル７も同
じように温度変化を受け、シリコンオイル７の屈折率も
ほぼ同様に変化する。このため温度変化に対応して常に
、上側ガラス円板５２とシリコンオイル７との基型境界
面Ｇで屈折して出射する赤外光２１の入射角を、はぼ過
放電時の希硫酸９（屈折率１．３４）と１側ガラス円板
５１とから決まる臨界角以下となるように制限させるこ
とができる。よって、温度変化に対し誤差が少ない、ま
た特別な温度補正が不要なため、バッテリーの充電状態
検出センサＡは、小型で製造が容易であり、低コストと
なる。

次に、士、記第１実施例の変形例を説明する。

上記第１実施例では、下側ガラス円板５１と上側ガラス
円板５２とは、同じ屈折率（１，６４＞である光学用の
鉛ガラスが用いられている。

変形例では、下側ガラス円板５１と上側ガラス円板５２
とは、異なる屈折率の透光体を選択して用いる。

透光体の選択は、次のようにする。

下側ガラス円板５１の屈折率と被測定液体の検出したい
屈折率とで決まる臨界角が、上側ガラス円板５２の屈折
率と透光基準物質の屈折率とで決まる臨界角と等しくな
るような屈折率の透光体を用いる。

変形例特有の作用および効果を説明する。

披個定液体の検出したい屈折率に透光基準物質の屈折率
を合致させることが困難な場合でも、上側ガラス円板（
基準境界面側透光体）５２の屈折率を選択することによ
り、選択可能な透光基準物質の屈折率と上側ガラス円板
５２の屈折率とから決まる臨界角を、被測定液体の検出
したい屈折率と下側ガラス円板（境界面側透光体）５１
の屈折率とから決まる臨界角に合わせることができる。

この作用により、次の効果（す）を表す。

（す）透光基準物質と２種の透光体との組合せを選択し
て用いれば、被測定液体の検知したい値を設定する自由
度が大幅に増加する。

次に、本発明にかかる液体の混合比検出センサ（バッテ
リーの充電状態検出センサ）の第２実施例を第３図に基
づき説明する。

第３図に示す如く、バッテリーの充電状態検出センサＢ
は、第１実施例のバッテリーの充電状態検出センサＡに
第２受光素子（ホトダイオード）４Ｂを付加するもので
あり、第１実施例と同等物は同一符号で表す。

受光素子（ホトダイオード）４は、第１実施例の受光素
子と同様に、上側ガラス円板５２の土、方に対応する基
板８上に取付けられ、発光素子から出射し、境界面Ｈで
反射し、反射面３で反射し、基準境界面Ｇで屈折して出
射する光に対応する。

第２受光素子４Ｂは、上側ガラス円板５２の側面に対応
する基板８上に取付けられ、発光素子から出射し、境界
面Ｈで反射し、反射面３で反射し、基準境界面Ｇで反射
する光に対応する。

′　　次に、希硫酸９の屈折率を測定する場合、バッテ
リーの充電状態検出センサＢにおける発光ダイオード２
から発光する赤外光２１の光路について説明する。

発光ダイオード２から発光した赤外光２１は、第１実施
例と同様の経路で基準境界面Ｇに入射する。

このとき、板状透光体５の屈折率と透光基準物質（シリ
コンオイル）７の屈折率から決まる基準境界面Ｇでの臨
界角１以上の光２１ｂは、基準境界面Ｇで全反射し、臨
界角ｉ以下の光２１ａは、屈折して出射する。

バッテリーが放電状態で、希硫酸９の屈折率が１．３４
以下の場合、シリコンオイル７の屈折率（１，３４＞よ
り小さくなるので、境界面夏１での臨界角りも小さくな
る。基準境界面Ｇへ入射する赤外光２１の中には、基準
境界面Ｇでの臨界角ｉより小さい入射角の光２１ａが存
在し、該光２１ａは基準境界面Ｇから屈折して出射し、
受光素子４に入射する。基準境界面Ｇでの臨界角ｉより
大きい入射角の光２１ｂは全反射して、第２受光素子４
Ｂに入射する。受光素子４に入射する光２１ａの量は、
希硫酸９の屈折率が小さくなるほど増加し、光２１ａの
増加に対応して光２１ｂは減少する。なお、希硫酸９が
蒸発により減少して空気に置き換わった場合も同様であ
る。

また、バッテリーが十分充電されており、希硫酸９の屈
折率が１．３４以」−の場合、シリコンオイル７の屈折
率（１，３４）より大きくなるので、境界面Ｈでの臨界
角りも大きくなる。基準境界面Ｇへ入射する赤外光２１
の入射角は、基準境界面Ｇでの臨界角ｉより大きくなり
全反射するので、受光素７−４に入射する光２１ａはな
くなり、光２１ｂとなって第２受光素子４Ｂに入射する
。

次に、第２実施例特有の効果を説明する。

第２実施例の液体の混合比検出センサ（バッテリーの充
電状態検出センサ）Ｂは第１実施例の効果（さ）ｌ）（
す）に加え次の効果を奏する。

受光素子４と第２受光素子４Ｂの出力比較から屈折率の
変化を判定できる。この作用により、次の効果を表す。

（せ）発光素子２、受光素子４、第２受光素子４Ｂの効
率が低下した場合にも、比較判定により検出値が安定す
るので耐久性が向上する。

（そ）乱反射により周囲から光線が受光素子４、第２受
光素子４Ｂに入射する場合にも、比較判定により検出値
が安定する。

本発明は、上記実施例以外に次の実施態様を含む。

ａ、被測定液体は、異なる液体が混合するもの、あるい
は固体が液体に溶けているものであれば良く、静止して
いても流動していても良い。

ｂ、透光体は、被測定液体に侵されないものであれば良
く、ソーダガラス、パイレックスガラス、ホウケイ酸ガ
ラス等を使用しても良い、また、ガラス以外にも透明な
アクリル樹脂などでも良い。

Ｃ０透光体は、上記実施例では加工のしやすさがら円板
状のものを使用したが、多角板状のもの、楕円板状のも
のなどを使用しても良い、ただし多角板状のものの場合
、発光素子と受光素子に対面する外側面と反射面に対面
する外側面とは平行であることが条件である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明１こかかる液体の混合比検出センサの第
１実施例を示す断面図で、第２図はその透光基準物質〈
シリコンオイル）の屈折率に対し、被測定液体く希硫酸
）の屈折率と受光素子（ホトダイオード）の対応する変
化を示すグラフである。 第３図は液体の混合比検出センサの第２実施例を示す断
面図である。第４図および第５図は従来の検出センサの
断面図および原理図である。 図中　Ａ、Ｂ・・・液体の混合比検出センサ　Ｇ・・・
基準境界面　Ｈ・・・境界面　１・・・円筒状ホルダ　
２・・・発光素子（発光ダイオード）　３・・・反射面
　４．４Ｂ・・・受光素子（ホトダイオード）　５・・
・板状透光体　６・・・遮蔽物　７・・・透光基準物質
（シリコンオイル）　８・・・基板　９・・・被測定液
体（希硫酸）１０・・・封着ガラス　２１・・・赤外光
　５１・・・下側ガラス円板（基準境界面側透光体）５
２・・・上側ガラス円板（境界面側透光体）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）板状透光体の一端面を被測定液体に接触させて境界
   面とし、発光素子、受光素子を用いて、境界面での光の
   反射の変化から、２種以上の物質を混合してなる被測定
   液体の混合比を検出する液体の混合比検出センサにおい
   て、 （あ）前記板状透光体は、板状透光体の前記一端面に平
   行な他端面を、前記被測定液体の検出したい混合比のと
   きの屈折率に等しいか、または近似した屈折率をもつシ
   リコンオイル、シリコンゲルなど液体またはゲル状の透
   光基準物質に接触させて基準境界面となし、 （い）前記発光素子と反射面とは、前記透光基準物質中
   に設けた板状透光体の前記一端面および前記他端面に垂
   直な壁面に対向して配し、該反射面は、発光素子から出
   射し、前記境界面で反射した光をさらに前記基準境界面
   に向けて反射する位置に設定し、 （う）光の遮蔽物は、前記発光素子から出射した光のう
   ち境界面で反射しなかった光が直接前記反射面に入射す
   るのを阻止する為に、発光素子および反射面の配置に対
   応する前記板状透光体の所定位置に設けられ、 （え）前記受光素子は、板状透光体の前記基準境界面の
   外側に、前記反射面に対向して設けられ、発光素子から
   出射した光が、被測定液体の屈折率が透光基準物質の屈
   折率以下のときに境界面で反射し、さらに反射面で反射
   し、さらに基準境界面から屈折して出射し、受光素子に
   入射する、反射面の対向位置に配されることを特徴とす
   る液体の混合比検出センサ。 ２）前記基準境界面から屈折して出射した光に対応する
   前記受光素子と共に、基準境界面で反射した光に対応す
   る第２受光素子を設けたことを特徴とする請求項１記載
   の液体の混合比検出センサ。 ３）前記板状透光体を前記光の遮蔽物でもって、基準境
   界面側透光体と境界面側透光体との２体に分割し、該境
   界面側透光体と被測定液体の検出値とで決まる臨界角と
   該基準境界面側透光体と透光基準物質とで決まる臨界角
   とが等しくなるようにしたことを特徴とする請求項１お
   よび２記載の液体の混合比検出センサ。