JPH04188047A - 液体濃度センサ - 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９例えば自動車用燃料中のメタノール濃度など
を検出するために用いる。光学式の液体濃度センサに関
する。

〔従来技術〕

近年、自動車用燃料においては、クリーンな排気ガスを
得るために、ガソリン中にメタノール。

エタノール等の他成分を混入することが提案されている
。

そして、この燃料中の他成分の濃度を検出するために、
光の屈折率を利用した光学式の燃料濃度センサが提案さ
れている（例えば、特開昭６２−２３２５３８号公報）
、なお、光の屈折率を利用して水滴等の液体を検知する
光学式液体検出器も提案されている（例えば、特開昭６
３−３３６４５号公報、特開昭６３−１４４２３９号公
報）。

また、従来の光学式の燃料濃度センサは１例えば第７図
に示すごと（光の全反射を用いるため。

プリズム９１を使用している。そして、この燃料濃度セ
ンサ９の構造は、プリズム９１の一方面に発光部９２を
、これと対向する他方面に受光部９３を配置したもので
ある。そして、測定に当っては１発光部９２からプリズ
ム９１内に光を入射させ、燃料Ｆと接触しているプリズ
ム面９１２で全反射を行わせ２その全反射光を対向側に
配置した受光部９３に入射させる方式を採用している。

受元部９３の出力信号は、検出回路部９４に送られる。

この原理を、第８図に示す。即ち１発光素子よりプリズ
ム９１内へ入射させた光９０．９０１゜９０２は、その
生金反射角θ及びよりも大きい角度θ２の光９０．９０
２は、液体としての燃料と接しているプリズム面９１２
で全反射する。そのため、光９０，９０２は外部（燃料
側）に出す。

例えば反射光９０５として全反射してしまう。そこで、
この全反射光を受光素子に受光させる。−方、全反射角
θよりも小さい角度θ、の光９０１は、プリズム面を透
過して、光９０３として、燃料Ｆ中に入る。

即ち、上記の関係は、プリズムの屈折率をｎｌ＋測定す
べき燃料の屈折率をｎ２とすると、ｓｉｎθ＞ｎｚ／ｎ
、で示される。

上記の全反射の原理は、プリズムのみならず１ガラス等
の透明体においても同様である。また。

このことは、燃料のみならず、水７１８液、有機溶媒液
等の液体にっていても同様である。

そして、上記において、測定すべき燃料の屈折率ｎ２が
変化すると、全反射角θが変化するため。

全反射光量が変化する。即ち、燃料の濃度２例えばガソ
リンとメタノールとの混合比が変化すると。

屈折率が変化するため、全反射光量を検出すればメタノ
ールの濃度を知ることができる。

また、上記液体濃度と屈折率との関係は１例えば第９図
により示される。同図は、ガソリン−メタノール燃料中
のメタノール濃度（容量％）と。

燃料の屈折率との関係を示す線間である。

〔解決しようとする課Ｂ］ ところで、従来の光学式センサは、プリズムやガラスロ
ッドなどの光学素子を用いている。

そして、これら光学素子はガラス面にプリズムなどの光
学素子を接着するか、または光学研磨を必要とする素子
（プリズム、ガラスロッドなど）を用いている。

そのため、光学素子のコストが高（、液体濃度センサの
コストが非常に高くなり、量産の障害となっている。ま
た１発光素子や受光素子又は光学素子の組付は精度は、
±１００μｍというかなり高い精度が要求される。

本発明は、上記問題点に鑑み、安価な光学素子を用い１
組付性が良く、かつ量産性に優れた液体濃度センサを提
供しようとするものである。

〔課題の解決手段〕

本発明は、ハウジング内に導入した液体に下面を隣接し
て配置した透明板と、該透明板の上面よりその内部に光
を入射させるための発光部と、透明板の側面に対向させ
て配置し透明板内における全反射光を受光する受光部と
からなり、かつ上記透明板の上面には内部に入射した光
を散乱光とするための光散乱部を有することを特徴とす
る液体濃度センサにある。

本発明において最も注目すべきことは、光散乱部を設け
た透明板を用いること、該透明板の光散乱部上に発光部
を配置し、一方透明板の側面に受光部を配置して上記全
反射光を受光する構成としたことにある。

上記透明板としては５板状の透明ガラス、アクリル樹脂
、ポリカーボネート等の透明プラスチック板などを用い
る。また、その厚みは５通常３〜５ｍｍのものを用いる
。また、該透明板の上面に設ける光散乱部としては１例
えば透明板自体の表面に細かい凹凸表面を形成したもの
、即ちスリガラスがある。また、同様にオパールガラス
（結晶化ガラス）を用いることもできる。このものは片
面が光を内部で散乱させる作用を持つガラスである。以
上のものは、透明板と光散乱部とが一体的となったもの
である。

また、透明板の上面に貼着する光散乱部としては、トレ
ース紙、光散乱樹脂フィルムなどの光散乱膜がある。

また、上記発光部の光源としては、　　ＬＥＤ、　　Ｌ
Ｄ（レーザダイオード）などの発光素子を用いる。

また１発光部は１通常、これらの発光素子を直接に透明
板の上方に配置することにより行う（第１図）。

また１発光部は光ファイバーにより構成することもでき
る（第６図）。この場合、光ファイハーは、その先端を
透明板の上方に位置させ、その後端はＬＥＤ等の発光素
子に光学的に連結する。

また、受光部は、ＣｄＳ、ＰＤ　（フォトダイオード）
などの受光素子を用いる。また、受光部は。

通常これらの受光素子を直接に透明板の側面に配置する
（第１図）。また、受光部は光ファイバーにより構成す
ることもできる（第６図）、この場合、光ファイバーは
その先端を透明板の側面に対向させて配置し、その後端
は信号処理部に接続する。

また、液体の屈折率は、温度変動により変化するので、
温度補償を行うことが好ましい（第２実施例）。また１
発光素子の出力が変動する場合には７発光素子の光出口
付近にモニタ用の受光素子を置き、フィードバック制御
をすることが好ましい（第２実施例）。

また１本発明の液体濃度センサは１例えばガソリン燃料
中に混合したメタノール、エタノール。

更にはペンタン、ヘキサン、ヘプタン、ヘンゼン。

トルエン、キシレン等も測定することができる。

また、上記燃料の外、化学工場における各種水溶液１反
応溶液、混合を機熔媒等の液体中における特定成分の濃
度測定にも利用することができる。

〔作用及び効果〕

本発明の液体濃度センサにおいては１発光部から出た光
を透明板の上面より透明板内に入射させ。

液体と接触している透明板の下面で反射させ、その全反
射光を透明板側面の受光部により受光している。また、
該透明板の上面には光散乱部を設けである。

それ故２発光部より透明板の上面に照射された光は、光
散乱部により透明板の内部で散乱する。

そして、その散乱光は１透明板の下面に達して液体との
接触面で、液体の屈折率に応して、全反射する。この全
反射については前記（第８Ｒ）した。

即ち１本発明においては、ｉ！明板の上面からの入射光
を、透明板の内部で全反射角以上の光とするために、上
記光散乱部を用い、上記入射光を散乱光としている。そ
して、散乱光は２あらゆる角度を持つ光であるため２通
常では得られない全反射角以上の光が容易に得られる。

それ故、このような散乱光を用い、前記のごとく反射光
量を検出することにより、液体濃度を検出することがで
きるのである。

また１本発明においては、透明板の内部で散乱光を発光
させれば良いので、従来のごとき発光素子、受光素子及
び光学素子間の高い組付は精度は必要としない、そのた
め５組付が容易である。

また、透明板は、安価な板ガラスや透明プラスチックを
用いれば良いので、液体濃度センサは安価で、量産性に
優れている。

したがって１本発明によれば、安価な光学素子を用い、
＆［ｌ付性が良く、かつ量産性に優れた液体濃度センサ
を提供することができる。

〔実施例］ 第１実施例 本発明の実施例にかかる液体濃度センサにつき。

第１図〜第４図を用いて説明する。

本例の液体濃度センサは、メタノール含有ガソリン燃料
中における。メタノール濃度の測定に用いるものである
。

まず１本例の液体濃度センサは、第１図に示すごとく、
ハウジング１９内に導入した液体としての燃料Ｆに、下
面１２を隣接した配置した透明板１０と、該透明板１０
の上面】１よりその内部に光を入射させるための発光部
２と、透明板１０の側面に対向させて配置し透明板内に
おける全反射光を受光する受光部３とからなる。そして
、上記透明板１０の上面１１には、内部に入射した光を
散乱光にするための光散乱部１６を有する。

上記透明機工０は、第２図に示すごとく１通常の透明板
ガラスを用い、その上面１１に光散乱部としての微細な
凹凸を形成したスリガラスを用いである。透明板１０の
下面１２．側面１３は研磨面である。なお、透明板１０
には、第３図に示すごとく、その上面１１に、光散乱部
としてのシート状の前記光散乱体１８を貼着することも
できる。

また１発光部２としては、ＬＥＤ　（６６０ｍｍ赤色）
の発光素子２１を用いた。該発光素子２１は、透明板１
０の上面１１に対して傾斜して光照射するよう、ハウジ
ング１９に組付けである。

また、受光部３としては、ＣｄＳの受光素子３１を用い
た。該受光素子３１は、透明板１０の側面と対向しで、
ハウジング１９に取付けである。

上記ハウジング１９は、耐食性のある５ＵＳ３１０３を
用いた。また、ノールリング１９４は。

耐ガソリン、耐アルコール性のフッ素ゴムを用いた。ま
た、ハウジング１９には、燃料を導入するための入口接
続パイプ１９１．出口接続パイプ１９２を設ける。

また、第４図に示すごとく、上記発光部２及び受光部３
は信号処理部４に接続する。該信号処理部４は、前記受
光部３の受光素子３１からの信号を増幅し、センサ出力
信号に変換する出力増幅回路４１と、発光部２の発光素
子２１を駆動するための定電圧発生回路４２とを有する
。

次に作用効果につき説明する。

第１図において５まず発光素子２１から出た光５０は、
光散乱部１６へ入射すると、透明板ｌＯの内部であらゆ
る方向へ散乱し、散乱光５１となる。そして、該散乱光
５１のうち、一定角度、即ち反射角以上の光は、燃料Ｆ
と接触している透明板１０の下面１２において、全て反
射する。一方。

全反射角以下の光５１０は透明板１０を通り抜けて燃料
Ｆ中へ入っていく。また、上記のごとく反射した全反射
光５２は、透明板１０の側面１３より受光素子３１内に
入り、その出力信号は前記信号処理部４の出力増幅回路
４１に送られる。

そして、上記において、燃料Ｆ中のメタノール濃度が変
化すると、燃料Ｆの屈折率ｎ２が変化する（第９図）。

そのため、前記のごとく全反射光角が変わる。それ故、
上記受光素子３１における全反射光の光量を検出するこ
とにより、メタノール濃度を検出できる。

以上のごとく２本例の液体濃度センサ１においては５発
光部２より入射された光は、上記光散乱部１６により透
明板１０内で散乱光とさせれば良い。そのため１従来液
体濃度センサのごとく１発光素子、受光素子、光学素子
（プリズム、ガラスロッド）間の高い組付精度は、必要
とされない。

それ故１組付けが容易である。

また、透明板は、安価なスリガラスを用いているので安
価であり、液体濃度センサは安価で量産性に優れている
。

第２実施例 本例は１第５図に示すごとく、第１実施例において、燃
料Ｆの温度を測定するための温度センサ４５、及び発光
素子２１の出力変動をモニタするモニタ受光素子２６を
設けたものである。

上記温度センサ４５は１例えばサーミスタを用いる。該
温度センサ４５は、前記信号処理部４の温度補償回路に
接続しである（図示路）、これにより、燃料Ｆの温度変
化によって生ずる燃料Ｆの屈折率の変化を補償し、正確
な燃料濃度を検出することができる。

また、上記モニタ受光部２６は、第５図に示すごとく１
発光素子２１の近傍に配置しである。また１発光素子２
１からの光の光路には、ハーフミラ−２５が配置され、
これにより反射した上記光の一部が上記モニタ受光部２
６に入るよう構成しである。

これにより１発光素子２１への電源出力が変化して光量
が変動しても、上記モニタ受光部２６によってその変動
を検出できる。それ故、その光変動を信号処理部４にフ
ィードバックすることにより、上記光変動を補償し、正
確な燃料濃度を検出することができる。

その他は、第１実施例と同様である０本例によれば、上
記の外２第１実施例と同様の作用効果を得ることができ
る。

第３実施例 本例の液体４度センサは、第６図に示すごとく。

第１実施例において１発光部２として入射光用の光ファ
イバー２７を、受光部３として全反射光受光用の光ファ
イバー３７を用いたものである。

上記光ファイバー２７の先端２７１はハウジング１９の
上方より、透明板１０に対して光軸を傾斜させて配置す
る。該光ファイバー２７の後端は。

前記信号処理部４と同し場所（例えば車室内）に配置し
であるＬＥＤ発光素子に連結しである。

一方、光ファイバー３７の先端３７１は、透明板１０の
側面１３に対向して配置する。該光ファイバー３７の後
端は、前記発光素子と同し場所に接続しである。

その他は、第１実施例と同様である。本例においては、
ｆＰ！料濃度を検出するセンサ一部（第６図）と１発光
素子およちび受光素子とを光ファイバー２７．３７によ
って連結している。

それ故、センサ一部が高温の自動車エンジンルーム内に
あるときでも１発光素子及び受光素子を常温下の車室内
等に配置することができる。それ故１発光素子、受光素
子が熱により損傷することがなく、耐久性が向上する。

その他、第１実施例と同様の効果を得ることができる。

なお、光ファイバーは、液体濃度センサが例えばエンジ
ンルーム内にあるときには、１００’Ｃ以上の耐熱性を
有する。ガラス系又は、耐熱樹脂系のものを用いる。ま
た、ガラス系の場合には、コア径が直径１ｍ以上必要で
あるため２曲げ半径が大きくなり、取り回しか困難とな
る。ハンドル型を用いることもできるがコスト高となる
。

また、樹脂の場合、ポリカーボネート系の樹脂。

又はノース（被覆）に耐熱性を持たせたアクリル系のも
のがある。これらは、低コストで、！産量きである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は第１実施例の液体濃度センサを示し、
第１図は液体濃度センサの断面図、第２図は透明板の斜
視図、第３図は他の透明板の斜視図、第４図は液体濃度
センサと信号処理部のブロック線図、第５ノは第２実施
例の液体濃度センサの断面図、第６図は第３実施例の液
体４度センサの断面図、第７図は従来の液体濃度センサ
の断面図、第８図は燃料と接触しているプリズム面の全
反射説明図、第９図はメタノール濃度と燃料屈折率との
関係線図である。 １・・・液体濃度センサ。 １０、、、透明板。 １１・・・上面。 １２、、、下面。 １６、、、光散乱部。 ２１８６発光部。 ２＋、、、発光素子。 ２６・・・モニタ用受光素子。 ２７．３７．、、光ファイバー。 ３１．受光部。 ３１・・・受光素子１ ４・・・信号処理部。 ４５・・・温度センサ。 ５２、、、全反射光。 Ｆ・・・燃料。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ハウジング内に導入した液体に下面を隣接して配置した
   透明板と、該透明板の上面よりその内部に光を入射させ
   るための発光部と、透明板の側面に対向させて配置し透
   明板内における全反射光を受光する受光部とからなり、 かつ上記透明板の上面には内部に入射した光を散乱光と
   するための光散乱部を有することを特徴とする液体濃度
   センサ。