JPH06331421A

JPH06331421A - 液面検出装置

Info

Publication number: JPH06331421A
Application number: JP13936193A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Kimura; 茂行木村; Masaro Mikami; 政朗三上
Original assignee: NIPPON BUNKOU GIJUTSU KENKYUSH; NIPPON BUNKOU GIJUTSU KENKYUSHO KK
Current assignee: NIPPON BUNKOU GIJUTSU KENKYUSH; NIPPON BUNKOU GIJUTSU KENKYUSHO KK
Priority date: 1993-05-18
Filing date: 1993-05-18
Publication date: 1994-12-02

Abstract

(57)【要約】【構成】平行光束を出射する光束出射手段１２と、
前記光束出射手段１２より得られる光束を、液面との非
浸漬位置では全反射を行ない、浸漬位置では少なくとも
その一部の液中への放出を行なう液面検出手段１４と、
前記液面検出手段１４より得られる全反射光を受光する
受光手段１６と、を備え、該受光手段１６により得られ
る受光情報より液面位置を検出することを特徴とする液
面検出装置１０。【効果】液面を連続的に、且つ正確に検出することが
可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液面検出装置、特に光学
的に液面の変動を連続的に検出する液面検出装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】例えばタンクの中の液体燃料などの残存
量あるいは増加量を検出するため、液面検出装置が用い
られる。一般的な液面検出装置は、液面に浮遊するフロ
ートと、液面最上位置に対応するフロート位置で該フロ
ートの浮力によりオン作動する検出スイッチを備え、フ
ロートの上昇に伴う検出スイッチのオン作動により、液
面が所定位置まで達したことを報知する。

【０００３】しかしながら、このような液面検出装置に
あっては、所定の液面に達したか否かを検出し得るのみ
であり、液面の変動自体を連続的に把握することができ
ない。そこで、従来においても各種の改良がなされてお
り、例えばフロートにマグネットを設置し、さらに該フ
ロートに近接して上下にわたり複数の磁気作動スイッチ
を配置し、フロートの上下動に伴う特定の磁気作動スイ
ッチのオン作動により、液面の位置を検出するものも開
発されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記フ
ロートを用いた液面検出装置にあっては、何れにしろフ
ロートないしスイッチという可動部を有しており、長期
間の使用により検出精度が悪化することが考えられる。
さらに、液面変動の検出は断続的に行なわれるのみであ
り、連続的に行なうことは極めて困難であった。本発明
は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その
目的は耐久性に優れ、しかも連続的に変動する液面検出
を可能とする液面検出装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明にかかる液面検出装置は、光束出射手段と、
液面検出手段と、受光手段とを備える。そして、光束出
射手段は、所定の平行光束を出射する。また、液面検出
手段は、前記光束出射手段より得られる光束を、液との
非浸漬位置では全反射を行ない、浸漬位置では透過を行
なう。受光手段は、前記液面検出手段より得られる全反
射光を受光する。

【０００６】そして、該受光手段により得られる受光情
報より液面位置を検出することを特徴とする。なお、液
面検出手段は光透過性材質よりなる下向きくさび型の尖
頭状板材よりなり、該尖頭部分に導光される光束に対し
液体非浸漬位置では全反射を生じ、且つ液体浸漬位置で
は該液体中に光束の少なくとも一部を放出する角度で液
面に接するように形成された液面検出面を備えたことが
好適である。

【０００７】また、前記尖頭部分の位置傾斜面が液面検
出面を構成し、該検出面に対向する他方の斜面が傾斜反
射面を構成し、液面検出面で全反射された光束は傾斜反
射面により反射して受光手段に導光されることが好適で
ある。また、前記くさび型の板状液面検出手段はスパイ
ラル状に巻回されることが好適である。

【０００８】また、液面検出手段は先端が斜面に形成さ
れた円筒状の光透過性材料より形成することが好適であ
る。また、光束出射手段から出射された光束はビームス
プリッタを介して受光手段の端部全面に供給され、且つ
同一端部から出射する全反射光は前記ビームスプリッタ
により反射されて受光手段により検出されることが好適
である。

【０００９】

【作用】本発明にかかる液面検出装置は、液体非浸漬位
置で入射光束の全反射を生じ、浸漬位置で一部光束の放
出を行なう液面検出手段を備えたので、液面の上下動に
伴い液面検出手段と液体との浸漬面積が変化し、この結
果全反射される光量すなわち受光手段により検出される
受光量が変動する。

【００１０】従って、前記受光手段による受光量は液面
高さに反比例して変動し、受光手段の出力より液面高さ
を連続的に検出することができる。なお、前記液面検出
手段を径の異なる円筒状にして複数重ね合わせたり、あ
るいは板状の液面検出手段をスパイラル状に巻き取った
りすることにより、小型かつ検出可能範囲の広い液面検
出装置を提供することができる。

【００１１】

【実施例】以下、図面に基づき本発明の好適な実施例を
説明する。図１には本発明の一実施例にかかる液面検出
装置の概略構成が示されている。同図において、液面検
出装置１０は、平行光束出射手段１２と、液面検出手段
１４と、受光手段１６とを備え、前記受光手段１６の出
力は増幅器１８を介して液面表示装置２０に供給されて
いる。ここで、前記平行光束出射手段１２は、光源２２
と該光源２２より出射された光を平行光束とするコリメ
ータレンズ２４とを備え、該コリメータレンズ２４によ
り平行光束とされた光は、本実施例において液面検出手
段１４の図中上端部左半面に形成された入光面２６に導
光される。

【００１２】また、液面検出手段１４は光透過性の例え
ばアクリル樹脂などで略角柱状に形成されている。該角
柱状の液面検出手段１４の先端部はその両側より４５度
の角度で傾斜してくさび型の尖頭状に形成され、該尖頭
部分２８の図中左側斜面が液面検出面３０を構成してい
る。そして、前記入光面２６より入射した光束は、その
まま角柱状部分を透過し、尖頭部分２８の液面検出面３
０で直角に反射されて、さらに対向する傾斜反射面３２
により反射されて、再度角柱状検出手段の図中右側を上
方に進行し、出光面３４より出射して受光手段１６によ
り光電変換される。該受光手段１６からの液面検出信号
は、増幅器１８により増幅され、液面表示装置２０の指
針３６を回転させる。

【００１３】なお、同図（Ａ）に示す状態では、液面３
８は液面検出面３０に至っておらず、このため指針３６
はＥ（液面が下限以下）を示している。一方、同図
（Ｂ）においては、液面３８が上昇し、尖頭部分２８を
一部浸漬している。この場合、入光面２６より入光する
検出光Ｌ₁は前記（Ａ）と同様に液面検出面３０により
直角方向に反射され、さらに傾斜反斜面３２及び出光面
３４を介して受光手段１６に至る。

【００１４】これに対し、光束Ｌ₂は、前記（Ａ）と同
様に液面検出面３２に至るが、該液面検出面３０は液３
８に浸漬されているため、該境界面での屈折率の差が小
さくなり全反射が行なわれず、そのまま液３８中に出射
されてしまう。この結果、光束Ｌ₂に相当する光が受光
手段１６には至らない。すなわち、液面３８の上下位置
に応じて、出光面３４は暗部４０を形成することとな
る。この結果、受光手段１６による受光量が減少し、液
面表示装置２０の指針３６は液面３８が上昇し中位にあ
ることを差し示す。

【００１５】以上のようにして本実施例にかかる液面検
出装置によれば、液面３８の上下位置を暗部４０の面積
として把握することが可能となり、液面の連続的な検出
を行なうことができる。しかも、液面検出装置に駆動部
分が存在せず、液体タンクの中など極めて悪い環境下に
あっても長期にわたり正確な液面検出を行なうことがで
きる。前記図１に示した液面検出装置の液面検出機構
は、図２及び図３に示すように説明される。

【００１６】すなわち、図２において光Ａを屈折率ｎ₁
の第一媒質５０から屈折率ｎ₂の第二媒質５２へ入射角
ｉで入射させると、法線Ｎに対し、入射角Ａと反対側に
角度ｉで反射する反射光Ｒ、及び次の数１

【数１】ｎ₁ｓｉｎ（ｉ）＝ｎ₂ｓｉｎ（θ）により第二媒質５２へ透過する透過光Ｔが生じる。ここ
で、ｎ₁＞ｎ₂とした場合、光Ａの入射角ｉがある角度ｉ
_cよりも大きいと、すべての入射光Ａは第一と第二の媒
質界面で反射し、透過光Ｔ＝０となる。

【００１７】このような現象を全反射といい、ｉ_cを臨
界角という。すなわち、臨界角ｉ_cは次の数２により表
される。

【数２】ｉ_c＝ｓｉｎ^-1（ｎ₂／ｎ₁）このため、例えば媒質５０及び５２の屈折率がｎ₁＝
１．５、ｎ₂＝１．３３であると仮定すれば、臨界角ｉ_c
＝６２．５度となる。またｎ₂＝１．０とすれば、臨界
角ｉ_C＝４１．８度となる。この状態は図３に示され、
一般のプラスチック又はガラスはｎ＝１．５、水はｎ＝
１．３３、空気はｎ＝１．０である。

【００１８】したがって、プラスチック又はガラスの板
あるいは棒を第一の媒質とし、これを光を通す光導波路
として光を導入する。そして、第二媒質を空気又は水
（水でなくてもｎ₁＞ｎ₂ならばよい）とした場合を考え
る。これは丁度液体の深さに変化が生じ、光導波路が液
中に没したりあるいは空気にさらされたりすることと等
価である。そして、前記第一媒質５０をプラスチックと
した場合、例えば前記図１に示した実施例のように液面
３８に対し液面検出面３０が４５度の角度で接するよう
にすると、空気に対しては臨界角が４１．８度であるか
ら全反射を生じるが、水に対しては臨界角ｉ_C＝６２．
５度であるから全反射を生じず、光量が大幅に減少す
る。したがって、光導波路（液面検出手段１４）の液体
に接する先端（尖頭部分２８）を上記全反射の条件を満
足する形状にすれば、光導波路が空気中にあるのか液体
に接しているのかを判別することができ、液面の高さを
連続的に検出することが可能となる。

【００１９】一般に液面検出面に光束が４５度で入射す
ることが好ましく、この角度を満たすように光導波路材
質の屈折率を選択すべきである。なお、図４には図１に
示した装置による水深と受光手段１６の出力の関係が示
されている。同図より明らかなように、水深の増加とと
もにほぼ直線的に出力は低下し、本実施例にかかる液面
検出装置の検出精度が極めて高いことが示唆される。な
お、特に尖頭部分２８に液面が接触した前後、すなわち
液面が非常に低い段階では、やや直線性に欠けるが、こ
れらの誤差はあらかじめ基準液面に対して出力のデータ
を得ておき、電気的に補正することが可能である。

【００２０】図５には本発明の第二実施例にかかる液面
検出装置の主要部が示されており、前記図１と対応する
部分には符号１００を超えて示し説明を省略する。すな
わち、前記図１に示した液面検出装置では、液面検出面
（尖頭部分の斜面）に対応する部分しか液面検出の対象
とならず、液面検出可能範囲が不十分となることが考え
られる。この場合、図５に示したように同様な形状の液
面検出手段１１４ａ〜１１４ｄを複数隣接配置し、一枚
の液面検出手段１１４の検出可能深さｈずつずらせるこ
とにより、図５においては４ｈの液面変動に対して正確
な検出を行なうことが可能となる。

【００２１】さらに、図６には本発明の第３実施例にか
かる液面検出装置の要部が示されており、前記図１と対
応する部分には符号２００を加えて示し、説明を省略す
る。本実施例においては、複数の液面検出手段２１４
ａ，２１４ｂ…２１４ｆをその幅広面で前記同様ｈずつ
上下位置をずらせて積層させている。このため、図６に
示す実施例においては、６ｈの液面変動に対し正確な液
面位置検出を行なうことができる。

【００２２】図７には本発明の第４実施例にかかる液面
検出装置の要部が示されている。すなわち、幅広Ｗの液
面検出手段３１４を作成し、該幅広液面検出手段３１４
を同図（Ｂ）に記すようにスパイラル状に巻回・固定す
る。この場合にも、液面検出手段３１４の大きな幅Ｗに
対応した大きな尖頭部分３２８を得ることができ、液面
検出可能範囲Ｈも非常に大きなものとなる。

【００２３】尚、本実施例においてスパイラル状に巻回
された液面検出手段３１４の光導波路は隣接する光導波
路の壁面とは光学的にアイソレートされた状態にあり、
しかも液面が表面張力によって残留しない間隔であり、
さらにその曲率は全反射の条件を満たして光導波路以外
に光が透過しないことが好適である。しかも、該液面検
出手段３１４はスパイラル状に巻き取られているので、
極めて小型に形成することができる。

【００２４】なお、特に本実施例のように液面検出手段
３１４の入光面が円筒状となっている場合には、前記図
１に示したように尖頭部分に至る両斜面のうち一方のみ
を液面検出面とし、他方を傾斜反射面とすることは極め
て困難である。そこで、本実施例においては図８に示す
ように平行光束出射手段３１２と液面検出手段３１４の
間にビームスプリッタ３６０を配置し、平行光束は該ビ
ームスプリッタ３６０を透過して３１４に供給される。
一方液面検出手段３１４より出光する光は該ビームスプ
リッタ３６０に反射させて、集光レンズ３６２及び受光
器３６４よりなる受光手段３１６に検出させている。

【００２５】すなわち、本実施例においては液面検出面
と傾斜反射面の区別はなく尖頭部分３２８を構成する両
斜面がそれぞれ液面検出面及び傾斜反斜面を兼ねること
となる。このことは、また前記液面検出面と傾斜反射面
を区別して記述したすべての実施例にも適用できる。さ
らに、本実施例にかかる液面検出装置は、該液面検出装
置の液面検出手段３１４の径よりやや大きな円筒状シー
ス３６６内に配置されている。

【００２６】該シース３６６の底部には液導入孔３６８
が形成されており、一方上部には空気抜け孔３７０が形
成されている。このようにシース３６６を液面検出手段
３１４の周囲に配置することで、タンクの揺れなどに基
づく液面の上下動を小さく抑えることができ、より正確
な液面検出を行なうことができる。図９には本発明の第
５実施例にかかる液面検出装置の液面検出手段が示され
ており、前記第一実施例と対応する部分には符号４００
を加えて示し説明を省略する。

【００２７】本実施例にかかる液面検出装置は、先端が
斜に切断された円筒状の液面検出手段４１４ａ，４１４
ｂ，４１４ｃを有しており、液面検出手段４１４ａの内
径と検出手段４１４ｂの外径、及び検出手段４１４ｂの
内径と検出手段４１４ｃの外径とがそれぞれ略一致して
いる。そして、検出手段４１４ａ内に検出手段４１４ｂ
を、さらにその検出手段４１４ｂ内に検出手段４１４ｃ
を、それぞれ各検出手段が検出手段可能な液面変動域が
ｈ₁，ｈ₂，ｈ₃,ずつずれるように配置することで、極め
て広範囲の液面変動Ｈ（＝ｈ₁＋ｈ₂＋ｈ₃）を検出する
ことができる。

【００２８】なお、前記各実施例において、液面検出手
段は板状のものを用いた例について説明したが、液体と
の接触時には全反射の条件が失われ、液体中に光エネル
ギが透過して光導波路としての液面検出手段中のエネル
ギが失われる条件を満足する角度をもった角棒又は丸棒
を用いてもよい。また、前記尖頭部分の角度は液面検出
手段の材質あるいは測定対象とする液体の種類によって
変化させることが必要であるが、通常の場合液面検出手
段及び傾斜反斜面の傾斜角は４５度が好適である。

【００２９】さらに、光導波路を通過する平行光束は光
導波路断面内で一様性を有し、その断面と同程度の大き
さを有する平行光束であることが好適である。なお、前
記実施例において、複数の液面検出手段を用いる場合に
も、該検出手段中を進行する平行光束の光源は一個であ
り、また受光器も一個で十分である。また、実施例４な
いし５記載の液面検出装置の場合、液面検出手段をスパ
イラル状ないし円筒状に形成することが必要であるが、
その曲率があまりに大きい場合には光が液面検出手段の
壁面より漏れてしまうことが考えられる。したがって、
このように液面検出手段の曲率を大きくする場合には、
該液面検出手段の壁面に光反射体を形成し、外部への光
漏れを防止することが好適である。なお、光反射体とし
ては例えばアルミ蒸着膜、アルミ箔などを用いることが
できる。

【００３０】なお、図１１に示すような液体収容容器５
００に対して本発明を適用する場合には、図１２に示す
ような液面液面検出手段５１４ａの、５１４ｂを用いる
ことが好適である。すなわち、図１１（Ａ）示す液体収
容容器５００は段差を有して容量が単位深さ当りの容量
が変化（下方が大容量）し、単に液面を検出したのみで
は、液量の変化を連続的に検出することができない。こ
の場合大容量部分（ｈ₁）に対応して肉厚（ｔ₁）の液面
検出手段５１４ａを、小容量部分（ｈ₂）に対応して肉
薄（ｔ₂）の液面検出手段５１４ｂを用いることができ
る。

【００３１】そして、液面検出手段５１４ａ、５１４ｂ
導光される光量はその断面積すなわち厚さに依存するた
め、大容量部分（ｈ₁）での液面変化に対しては光量が
大きく変化し、小容量部分（ｈ₂）での液面変化に対し
ては光量が小さく変化する。従って、光量は液面の上下
位置ではなく、液量自体を直接表示することができる。
また、図１１（Ｂ）に示すように液体収容容器５００
が同図（Ａ）とは逆の形状、すなわち下方が小容量部分
（ｈ₁）を形成し、上方が、大容量部分（ｈ₂）を形成す
る場合には、液面検出手段５１４ａを肉薄（ｔ₁）と
し、液面検出手段５１４ｂを肉厚（ｔ₂）とすればよ
い。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明にかかる液面
検出装置によれば、液面に接していない場合には光束を
全反射し且つ液面に接している場合には該光束を外部に
放出する液面検出手段を備えたので、液面を連続的に、
且つ正確に検出することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例にかかる液面検出装置の概
略構成の説明図である。

【図２】、

【図３】本発明にかかる液面検出装置の検出原理の説明
図である。

【図４】図１に示した装置による検出結果の説明図であ
る。

【図５】本発明の第二実施例にかかる液面検出装置の説
明図である。

【図６】本発明の第三実施例にかかる液面検出装置の説
明図である。

【図７】，

【図８】本発明の第四実施例にかかる液面検出装置の説
明図である。

【図９】，

【図１０】本発明の第五実施例にかかる液面検出装置に
用いられる液面検出手段の説明図である。

【図１１】，

【図１２】本発明の第六実施例にかかる液面検出装置の
要部の説明図である。

【符号の説明】

１０液面検出装置１２平行光束出射手段１４，１１４，２１４，３１４，４１４液面検出手段１６受光手段３０液面検出面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平行光束を出射する光束出射手段と、前記光束出射手段より得られる光束を、液面との非浸漬
位置では全反射を行ない、浸漬位置では少なくともその
一部の液中への放出を行なう液面検出手段と、前記液面検出手段より得られる全反射光を受光する受光
手段と、を備え、該受光手段により得られる受光情報より変動す
る液面位置を連続的に検出することを特徴とする液面検
出装置。
【請求項２】請求項１記載の装置において、液面検出
手段は光透過性材質よりなる下向くさび型の尖頭状板材
よりなり、該尖頭部分に導光される光束に対し、液体非
浸漬位置では全反射を生じ、且つ液体浸漬位置では該液
体中に光束の少なくとも一部を放出する角度で液面に接
するように形成された液面検出面を備えたことを特徴と
する液面検出装置。
【請求項３】請求項２記載の装置において、尖頭部分
の一傾斜面が液面検出面を構成し、該検出面に対向する
他方の斜面が傾斜反射面を構成し、液面検出面で全反射
された光束は傾斜反射面により再び全反射して受光手段
に導光されることを特徴とする液面検出装置。
【請求項４】請求項２記載の装置において、板状液面
検出手段はスパイラル状に巻回されたことを特徴とする
液面検出装置。
【請求項５】請求項１記載の装置において、液面検出
手段は先端が斜面に形成された円筒状の光透過性材料よ
りなること特徴とする液面検出装置。
【請求項６】請求項１〜５記載の装置において、光束
出射手段から出射された光束はビームスプリッタを介し
て受光手段の一端部全面に供給され、且つ同一端部から
出射する全反射光はビームスプリッタにより反射されて
受光手段により検出されることを特徴とする液面検出装
置。