JPS5918654B2 - 流体の屈折率に相応する光信号の発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 多くの処理工程においては、流動性媒質の状態変化を、
それが流体の状態（例えば流体の有無）の不連続変化で
あれあるいはまた流体の物理的あいいは化学的特性（例
えば溶液濃度または混合流体の成分の１つの割合）の連
続変化であれ、検出する必要のあることが多い。

本発明はこのような測定、制御または試験および調整の
実施に適用可能なものである。流動性媒質の特性とそれ
の屈折率との間に相互関係が存在する場合に屈折率の変
化を種々の光学的方法によつて検出することによりそれ
らの特性変化を検出することは既に提案されている。

これら光学的方法の多くは、臨界角付近で生ずる反射お
よび屈折現象の利用にもとずくものである。これらの方
法は本質的に、光を流動性媒質中へ没入した透明な光伝
導体中を伝達させて光を光伝導体の界面上で繰返し内反
射させるものである。このような繰返し内反射によつて
伝達された光の強度の測定および臨界角付近における急
激な強度変化によつて流体の屈折率を確定することがで
きる。連続の屈折率測定を行うために、例えば、直線の
透明ロツドの一端に該ロツドへ光線束を適切な入射角に
て入射させるための光学機械系装置を設け、また該ロツ
ドの他端には適切な入射角での繰返し内反射によつてロ
ツド中を伝達された光の強度を測定するための光電検出
器を設けた装置がある。ロツドを被測定流動性媒質中へ
没入すると、ロツド内へ入射される光線束の入射角は連
続的に減小し、伝達された光の強度ならびに繰返し内反
射の入射角が流体に対する臨界角を越えた時に生ずる急
激な強度変化を観察することによつてこの臨界角を、し
たがつては流体の屈折率を確定できる。しかしながらこ
の型式の装置は非常に複雑であるという重大な欠点を有
する。これは、就中、光学系による平行入射光ならびに
機械系による光線束入射角の連続変化の両方を確保しな
ければならないためにかなり精巧な光投射装置を必要と
することによる〇更に、公知の液面レベル測定用装置に
は、レベルを測定すべき液体を入れた容器に挿入される
透明ロツドの底端にプリズム（またはコーン）を取り付
け、ロツドの頂端へ光を入射させ、プリズムで反射して
頂端へ戻つてくる光（プリズムのレベルに液体が存在し
なければ頂端は反射光によつて照明され、逆の場合は暗
くなる）を目視観察することによつてレベル検知ができ
るようにした型式のものがある。

しかしこの種の装置はいくつかの欠点を有する。第一に
反射回数が少ない（１回または２回反射）ので光のコン
トラストが低く、しかも光伝達系数はかなり小さいまま
である。またこの装置はかなり複数であることが立証さ
れている。しかしこれらの装置の重大な欠点は、固定入
射角のために２つの異なる流体状態でしか機能せず、従
つて連続の屈折率渭淀の実質にはまつたく適合せず、ほ
とんどレベル検知のような状態変化検出に用途が限定さ
れていることにある。このような欠点を除くために、被
測定流体中へ没入するようにしたＵ形の中間湾曲部を有
する単純な透明ロツドから成り、このロツドの一端に光
を入射させて他端で伝達光を観察して流体の屈折率を湧
淀できるようにした装置が提案されている。

この装置においては、ロツドの湾曲部のため本質的に液
体の屈折率の関数となる量の光が屈折によつて液体中へ
透過することになり、従つてロツドの他端へ伝達される
光の量が屈折率の特性を示すパラメータとなる（この型
式の装置は例えば、論文６Ａｐｈ０ｔ０−Ｅｌｅｃｔｒ
ｉｃｒｅｆｒａｃｔＯｍｅｔｅｒ″、Ｅ．Ｋａｒｒｅｒ
．ｆＬＯｒｒ．６ＪＯｕｒｎａｌＯｆｔｈｅＯｐｔｉｃ
ａｌＳＯｃｉｅｔｙＯｆＡ！Ｍｅｒｉｃａ″、第３６巻
第１号，第４２頁〜第４６頁，１９６４年１月．に記載
されている）。この装置は、構造が簡単でコストも安く
、また原理的に被測定液体の特性の不連続変化および連
続変化のいずれの検出にも使用できる点で特に有利であ
るように思われる。しかしこの装置には感度が非常に低
いという重大欠点が有り、従つて屈折計としての用途は
全く制限され（これは被測淀液体の屈折率の微小変化を
検出する能力がないことによる）、また単純な液面レベ
ル検知器として使用する場合でも満足にはほど遠い（こ
れは測定できるコントラストが低いためである）。最近
、かかる湾曲透明ロツドからなる装置の異る変形例が提
案されているが、これまでのものはどれも著しい感度向
上を達成していない。すなわち、例えばＵ形ロツドを少
くとも３６０′湾曲を有するロツドに代えることが提案
された（米国特許第３２８２１４９号）。しかしこれは
単に測定を線型化するだけで、著しい感度変化は伴わな
い。また例えば、装置の小形化を図つて透明ロツドを湾
曲オプチカルフアイバに代えることが提案された（フラ
ン゛ス特許第２１３００３７号）。しかしこの単なる交
換も実際には感度にはなんら影響がない。従つて本発明
は、著しく増大した感度を有し且つ屈折率と関連した流
体状態の不連続変化および流体の種々の特性の連続変化
の両方を検出できる簡単な装置を提供することによつて
前述の如き欠点を回避することを目的とする。

この目的を達成するため本発明は流体の屈折率に相応す
る光信号を発生させる装置を提供するものであり、この
装置は流体中へ没入するようにした中間湾曲部によつて
入力部と出力部とを相互結合してなる細長光伝導体を有
し、前記入力部の先端に光を入射させた時に屈折による
液体中への光の透過が流体の屈折率の関数となり、また
前記出力部の先端から射出する光が流体の屈折率に相応
する光信号となるようにした装置において、前記中間湾
曲部が複数の湾曲を有していて、該湾曲が交互に互いに
反対方向へ曲るよう連続的に配置されることを特徴とす
るものである。

これにより複数の湾曲が総合的に、流体の屈折率の関数
として変化する量の光の屈折による流体中への透過をも
たらし、そしてこの光量変化は単一方向へ曲がる湾曲部
によつて得られる変化よりも著しく大きいので、高い感
度の光信号が得られるのである。本発明はまたかかる装
置を流体の有無の検出、または流体の屈折率と関連する
特性の測定に使用することを目的とする。本発明におい
て、「細長光伝導体」または「光ガイド」とは、繰返し
内反射によつて光を伝導可能なすべての細長い物を含む
ものである。

すなわちこれらの表現は特に透明ロツドまたはオプチカ
ルフアイバ（両方とも所望のプロフイルを有する中間湾
曲部を有する如く形成される）からなる光ガイドを指す
ものである。本発明による装置の本質的な特徴は、いく
つか（少なくとも２つ）の交互湾曲からなる中間湾曲部
を有する光ガイドの使用にある。

この交互湾曲構造により本発明の装置が格別高い感度（
この構造の感度等級は被測定流体の屈折率の或る所与の
変化に対する伝達光の強度変化によつて決定できる）を
有し、且つすべての場合に単一湾曲構造（Ｕ形あるいは
少くとも３６０′湾曲のいずれであれ）によつて得られ
る感度よりも著しく高いという重大な利点が得られる。
本発明の装置を構成する光ガイドの交互湾曲を有する中
間部は、個々の湾曲が隣りの湾曲に対し必ず反対方向へ
曲がるように連続配置されている限りは種々の形状とな
すことができる。

考えられうる形状としては、第２湾曲を第１湾曲に対し
反対方向へ曲げた２連湾曲構造や、あるいは第２湾曲を
第１湾曲および第３湾曲に対し反対方向へ曲げた３連湾
曲構造またはそれ以上の数の湾曲を有する構造がある。
これらの構造において、個々の湾曲は更に互に直線中間
部を介して接続することもできるし、あるいは互に直結
することもできる（すなわち直線部によつて引き離さず
に直かに接続する）。湾曲を直線部を介して相互接続し
た場合は、直線部の長さを、それが接続される湾曲の寸
法に比較してかなり小さくなるように選択するのが有利
である。上述したような交互湾曲構造においては、個々
の湾曲はそれが十分に顕著である限りどんな形状にでも
することができる。

考えられる湾曲形状として、四半分円、半円または完全
円など種々の長さの円弧の形の定常半径を有する湾曲や
、あるいはまた曲率半径が漸次増加または減少する可変
曲率湾曲がある。個々の湾曲部の曲率半径Ｒは光ガイド
の横断面寸法と関連させて小さくするのが有利であり、
これにみつて顕著な効果がもたらされる（湾曲による効
果は曲率半径が小さい程大きくなる）。個々の交互湾曲
の曲率半径は、円柱状光ガイドの或る所与の半径ｒに対
する半径比Ｒ／ｒが約３〜５の間の値となるように選定
するのが好ましい。単純な透明ロツドからなる光ガイド
の場合は、このロツドを適当などんな透明材料からでも
作ることができる。

しかし、装置を連続屈折率変化の測定に使用する場合は
被測定液体の屈折率よりも大きな屈折率を有するように
材料を選定しなければならず、一方、装置をレベル検知
器に使用する場合は被測定液体の屈折率よりも大きなあ
るいは小さな屈折率を有するように材料を選定すると非
常に具合が良い。考えられる透明材料として、ポリスチ
レン（ｎ＝１．５９）、ポリメチルメタクリレート（ｎ
＝１．４９）などのブラスチツク材料や、あるいはまた
シリカ（ｎ二１．４５８）、ボロシリケートガラス（代
表ｎ＝１．５）、リードガラス（代表ｎ＝１．７）、ブ
ルーラードガラス（代表ｎ＝１．３５）などのガラスが
使用可能である。本発明による交互湾曲を有する光伝導
ロツドの断面寸法はほとんど重要ではない。これは個々
の湾曲の曲率半径Ｒのロツドの半径ｒに対する比Ｒ／ｒ
が実際には所期の効果を得るための要因であるからであ
る。従つて、実用上は、小さな断面のロツドでも、ある
いはまた大きな断面のロツドでも使用でき、ただその場
合に選定したロツドの断面に合せて曲率半径を選定すれ
ば良い。またロツドの断面は円形である必要はなく、四
角形、六角形あるいは楕円形の断面のロツドを使用でき
る（ただしこの場合には、曲率半径Ｒを湾曲面内におけ
るロツドの斯面寸法に関して十分小さくしなければなら
ない）。オプチカル・フアイバからなる光ガイドの場合
には、本発明の実施に際し原理的にはどんな型式のフア
イバを使用できる（これらのフアイバはガラスベース材
料またはプラスチツクベース材料のいずれからでも作る
ことができる）。

しかしながら、実用上はいわゆる「ステツプ．インデツ
クス・フアイバ」を使用すると有利である。オプチカル
フアイバを使用する場合は、光伝導コアの周囲にクラッ
ドを被覆してあるので、フアイバの非湾曲部分において
、おそらく存在するであろう寄生媒質による外乱的影響
を妨止できるという付加利点が得られる。これらのフア
イバの湾曲部については、その部分のクラツドを完全に
除去して中心コアを被測定流動性媒質と直かに接触させ
るようにしても良いし、あるいはまたクラツドで完全に
被覆したままにしておいても良い。フアイバの湾曲部の
周囲にクラツドが存在していても、屈折によつてこの湾
曲部を透過する光損失現象は基本的に変化しないことが
実際に立証されている。クラツドの存在は実際にはわず
かなコントラスト低下をもたらすのみであり、伝達され
る光の強度は必ず周囲の被測定流動性媒質の特性を保有
している。しかし、最後に述べた例（クラツドを有する
湾曲部）の場合には、クラツドの厚さがかなり薄いフア
イバを使用するのが好ましい。なお、本願明細書におい
て、「界面への光線東の入射角］なる用語は、一般の定
義にしたがつて、光線束が界面の法線に関してなす角度
を意味する。

この定義によれば、入射光の界面に関する傾斜の増加と
は、入射角の減小と同等の意味である。更にここで２つ
のパラメータについて定義しておきたい。これは以下の
説明において、本発明による装置の湾曲部によつてもた
らされる効果をより解りやすく説明するために使用され
るもので、それは装置の「空気中の伝達係数」および「
コントラスト係数」である。なお、これに関し、ＩＯは
湾曲させた光ガイドの入力部への入射光の強度であり、
Ｉｔａは湾曲の周囲の媒質が空気である場合のガイドに
よる伝達光の強度であり、そしてＩｔｌは湾曲部の周囲
の媒質が屈折率ｎの液体（この液体が被測定液体または
基準液体となる）である場合のガイドによる伝達光の強
度である。

「空気中の伝達係数」は、空気の存在のもとでのガイド
による伝達光の強度１ｔａとガイドへの入射光の強度１
０との比１ｔａ／ＩＯで表わされる（この係数は空気の
存在のもとでの屈折による光損失を定義できる）。一方
、「コントラスト」または「コントラスト効率」ｒは、
空気の存在のもとでの伝達光の強度［Ｔａと液体の存在
のもとでの伝達光の強度１ｔ１との比［Ｔａ／［ｔｌで
表わされる。この後者の定義にしたがえば、装置の「感
度」はまた、所定の折折率変化に対し得られるコントラ
スト変化の大きさによつて表わされるものと定義できる
。以下、本発明につき、添付図面を参照し実施例にもと
づいて詳細に説明する。

第１ａ図および第１ｂ図に２つに従来公知の装置を例示
してある。

これら両図の目的は公知装置と後述する本発明の装置と
の主な相違点を説明することにある。第１ａ図に示す装
置は透明のＵ形ロツド１を有し、このロツドは半円形の
湾曲部２を有していてその両端から直線部３および４が
延出している。直線部３の先端３ａがロツド１への光の
入射端であり、他方の直線部４の自由端４ａｔ）釦ツド
１を伝達される光の射出端である（光の入射および射出
は図に矢印で示してある）。湾曲部２を被測定液体９に
沈入すると、射出端４ａから射出される光の量は液体９
の屈折率の関数となる。第１ｂ図に示す装置は第１ａ図
の装置と類似しているが、半円形の湾曲部２の代わりに
３６０′の湾曲部２′を有する点が相違している。第２
図は本発明による装置の第１実施例を示し、この装置は
互に反対方向へ曲げられた２つの交互湾曲を有する単純
な透明ロツドからなる光ガイドを具備している。

すなわちこの図に示す装置は透明材料から作られたロツ
ド１０を有し、そしてこのロツドはＳ形中間湾曲部１１
と，この湾曲部１１両端の各々からほぼ鉛直に延びる２
つの直線部１５および１６とから構成されている。直線
部１５および１６はそれぞれロツド１０の人力部および
出力部をなすようにしてある。Ｓ形湾曲部１１は２つの
いずれも円弧の形の連続湾曲１２および１３を有し、こ
れらの湾曲１２，１３は互に中間直線部１４を介して接
続されていると共に、互いにほぼ点対称的に配置され且
つ互に反対方向へ曲げられている。透明ロツド１０は半
径ｒの円形断面を有し、且つ湾曲１２，１３は一定の曲
率半径Ｒを有する。直線部すなわち入力部１５の平端面
１５ａの付近には透明ロツド１０へ光を入射させるため
の光源５を設けてあり、また他方の直線部すなわち出力
部１６の端面１６ａの付近にはロツド１０を伝達された
光の強度を測定するための検出システム６を設けてある
。

この検出システム６は例えば、測定ないし表示装置８に
電気的に接続された光電検出器７から構成することがで
きる。図示の装置の湾曲部は、屈折率と関連する特性の
１つを測定しようとする屈折率ｎの液体９に沈入される
ようにしてある。ロツド１０の透明材料はそれの屈折率
ｎ１が被測定液体の屈折率ｎよりも大きくなるように選
定する。上述した二連湾曲構造の形状寸法は実質的に３
つのパラメータによつて調整される。

第１は湾曲１２および１３のそれぞれの曲率半径Ｒ（ま
たはロツドの半径ｒに対する比Ｒ／ｒ）、第２は両湾曲
の曲率中心の離間距離Ｄ、第３はずれＨである〇曲率半
径Ｒは装置のコントラストおよび感度の適切な増大を保
証するようにｒの関数として比較的小さく選ぶのが好ま
しい。具体的にはＲ／ｒが３〜５の値となるようなＲは
選定するのが好ましい。また、同様の理由から、距離Ｄ
は曲率半径によつて許容される最小限付近（すなわら約
２Ｒ＋２ｒ）に維持するのが有利である。更にコントラ
ストおよび感度についての同様の理由から、ずれＨは実
質上ゼロかあるいはわずかに正値…（第２図の場合）と
なるように選ぶのが有利である。上述の装置の作用につ
いて以下に説明する。

この装置の湾曲部１１は被測定液体９中へ沈入され、光
源５によつて光が透明ロツド１０へ入射される。光源５
から出る光はどんな発散としても良い。それは透明ロツ
ド１０によつてつかまえられる光の量はこのロツドの「
開口数」に依存するだけで、入射光の発散には依存しな
いからである。ロツド内へつかまえられる入射光はロツ
ドの界面に周囲媒質（空気）に関する臨界角よりも大き
な入射角で入射する光線だけであり、それ以外の小さな
入射角を有する光線は直線部１５から屈折により透過さ
せられることは周知である。このように透明ロツド１０
内につかまえられた光は繰返し内反射によつて直線部１
５を伝達されて、被測定液体９に沈入された湾曲部１１
へ伝えられる。湾曲部１１の第１の湾曲１２は、それの
界面への光の入射角を変更させる作用をなすものであり
、特に半径方向外側の界面への入射光線の入射角を減小
せしめて（この入射角の減小は曲率の大きさの関数であ
る）、周囲の液体９に関する臨界角を越える入射角の光
を屈折によつて強制的に液体中へ透過させる（図に光線
Ｐ１で示してある）。

或る所与の曲率におけるこの入射角の減小は、湾曲部１
２へ同じ入射角で伝達する全ての光線に対し同一ではな
い。その理由は、入射角の減少は光線が湾曲部中をそれ
の外周界面へ入射するまでに進行する距離（深さ）に依
存するからである。従つて同じ入射角でもつて到達する
光線の一部分のみが屈折によつて周囲液体中へ放射させ
られることになる。かかる周囲液体中へ屈折により透過
されるべき光線のかなりの部分が明らかに当該液体の屈
折率の関数である。それは全反射の臨界角は屈折率に依
存するからである。湾曲部への最初の入射においてロツ
ドから液体中へ透過されなかつた残余光線はＯツド内部
へ全反射させられ、繰返し内反射によつて第２の湾曲１
３へ伝達される（周囲媒質への光線の透過の可能性を決
定するのが湾曲部への最初の入射であることは容易に理
解できる。この最初の入射の後に全反射させられた光線
ほ引き続き第１の湾曲に沿つて最初の入射角に等しい一
定の入射角でもつて反射させられるので、もはや次の湾
曲まではロツドからの透過は不可能である。第１の湾曲
１２によつて全反射された光線、すなわち第１の湾曲の
半径方向外測の界面に沿つて繰返し反射により伝達され
た光線は、その反転構造故に第２の湾曲１３へ到達し、
この光線の大部分がそれの界面に極めて小さな入射角で
入射して屈折により周囲媒質中へ透過させられる（図に
光線Ｐ２で示す）。

この屈折によつて周囲液体中へ透過させられる光線量は
明らかにこの液体の屈折率の関数である。それは全反射
の臨界角は屈折率に依存するからである。この第２の湾
曲１３への最初の入射の際にロツドから透過されなかつ
た残余光線はロツド内部へ全反射され（以後の入射は最
初の入射角に等しい入射角で行われる）、繰返し内反射
によつて他方の端部１６ａまで伝達される（図に光線ｔ
で示す）。この結果、ロツドの他端１６ａから射出され
る光の強度は、ロツドへの入射光の強さから湾曲部１２
および１３において生じた屈折による損失（ロツド内で
の吸収損失を除く）を差し引いた強度とほぼ等しく、こ
れまた同様に湾曲部周囲の媒質の屈折率の関数である。

このようにして伝達光の強度は、ロツドの湾曲部周囲の
媒質の屈折率に相当する特定の光信号を提供することに
なる。上述した装置によつて発生される光信号は、第１
ａ図および第１ｂ図の公知装置によつて発生される信号
とは（いずれも流体の屈折率を測定する場合としても）
、非常に高い感度を呈する点で本質的に異る。このまつ
たく予期しなかつた効果は、第１の湾曲１２と反対方向
へ曲げた第２の湾曲１３の存在によるものであり、これ
が第１の湾曲を通過中に得られる第一段階の効果に対し
ていわば増幅作用をなすことによる。この反対方向へ曲
げた第２湾曲１３が実際に第１湾曲１２の通過時に得ら
れる効果を増大することを可能ならしめる。これはこの
第２湾曲内へ進入する光線が既に第１湾曲中を通過中に
進路を十分に変更させられて大きな傾斜（小さな入射角
）でもつて第２湾曲に入射し、この大きな傾斜が第２湾
曲へおいて光線の大部分を屈折によつてロツドから液体
中へ透過させるためである 他方、この大きな傾斜を第
１湾曲への進入の際に得ることは、透明ロツドの入口部
１５の限定された［開口数］のために不可能である）。
本発明による装置は格別高い感度（すなわち高いコント
ラスト）を達成可能であり、これについては例を挙げて
後述する。前述したように、第１湾曲によける屈折損失
を決定するのはその入口における最初の入射であり、こ
の最初の入射以後の全反射光線は湾曲の半径方向外側の
界面に沿つて小さな一定の入射角でもつて繰返し反射に
より伝達されることになる。

従つて湾曲を第１ｂ図の公知装置の場合のように同一方
向へ幾回も巻いてその長さを増すことは不必要であるこ
とがわかる。このような長さを増す対策は、（透明材料
内での吸収増大のために）光伝達を低減させるだけで、
コントラストおよび感度の増大をもたらさない。コント
ラストおよび感度の著しい増大に効果のある対策が本発
明による構造、すなわち第１湾曲の後に少くともそれと
反対方向へ曲げた第２湾曲を設ける構造である。複数の
湾曲の作用効果に関する上述の定性的説明は実際は近似
的に過ぎず、また本質的には子午光線（すなわち、光ガ
イドの軸線と交差する光線）に適合するものである。

しかるに、透明ロツド内へ入射した光の大部分は光ガイ
ドの軸線と交差しない非対称光線によつて搬送される。
しかしながら、これら非対称光線のかなり複雑な性質の
ために、現象の理論的全体解析は実際上不可能である。
透明ロツド内のそれぞれ伝播モードの解析にもとづいた
数学的処理を行えば、非対称光線の性質を考慮した一層
完全な理論的アプローチを試みることができるだろう。
しかし、かかる数学的処理は、均一分布放射の進行に従
う単一湾曲の場合において既に困難であり、第２の交互
湾曲の場合にあつては該第２湾曲へ入つてくる光の空間
的分布の非均一性（第１湾曲の半径方向外側の界面付辺
における光エネルギーの集中現象を伴う第１湾曲の効果
にもとづく非均一性）のために極めて困難であるかまた
は不可能に近い。上述の定性的説明は近似的に過ぎない
けれども、伝達光の強度の測定（これは非対称光線およ
ば子午光線の両方を考慮に入れている）によつて得られ
た多くの実験結果によつて実用上は十分に実証されてお
り、これは後述の例から明白である。

第３図は前述した第２図の実施例の変形例を示し、これ
は３連交互湾曲を有する透明ロツド２１から構成されて
いる。すなわち図示の全体的にＷ形のロツド２１は３つ
のそれぞれ円弧の形の湾曲２２，２３，２４を有し、こ
れらの湾曲は２つの中間直線部２５，２６によつて相互
に接続されており（中央湾曲２３は両側の湾曲２２およ
び２４とは反対方向へ曲げられている）、両側の湾曲２
２および２４の自由端は直線部２７，２８によつて延長
されている。第４図は本発明の装置の第２実施例を示し
、これは２連湾曲を有するオブテイカルフアイバで構成
されている。

この構造は第２図のものと似ているが、単一部材から作
つた透明ロツド１０の代りにオプチカルフアイバ３１を
用いている０このオプチカルフアイバは全長に亘り中心
コア３２を薄いクラツド３３で被覆して構成してある。
またこの構造の形状は、第２図に示した形状に対し、湾
曲１２および１３が直結（すなわち、両湾曲間に中間部
分が介在してない）されており、また半円形状であり、
更にずれＨをゼロとした点で相違している。第５図は第
４図の装置の変形例を示す。

この場合のオプチカルフアイバ３１は（第４図における
２連湾曲に代わる）４連の交互湾曲を含む湾曲部３５を
有し、この湾曲部３５はクラツド３３を完全に除去して
ある（コア３２が露出）。例１ この例は、本発明による装置で得られる結果と、従来公
知の装置で得られる結果との比較を行い、両者の本質的
相違を示すためのものである。

素材としては、ポリスチレン（屈折率１．５９）から作
られた直径１．０３ｕの中心コアがポリメチルメタクリ
レート（屈折率１．４９）から作られた厚さ６０ミクロ
ンのクラツドとからなる、外径１．１５ｕのオプチカル
フアイバＰＳ／ＰＭＭＡを使用する。このフアイバを使
用して以下のような構造を作る（これらの構造は全て湾
曲部のクラツドを付けたままである）。（ａ）第１の構
造は単純な１８０′湾曲（第１ａ図のものと類似の形状
）を有し、その曲率半径Ｒは１．７５１！恥（ｂ）第２
の構造は単一の３６０゜湾曲（第１ｂ図のものと類似の
形状）を有し、その曲率半径Ｒは１．７５１１！０（ｃ
）第３の構造は２連交互湾曲（第２図のものと類似の形
状）を有し、その諸元は、Ｒが１．７５」Ｄが４．６５
１１（２Ｒ＋２ｒ）、Ｈが０．９７ｕである。

（ｄ）第４の構造は４連交互湾曲（第５図のものと類似
の形状）を有し、その諸元は、Ｒが１．７５薦』Ｄが４
．６５ｍ１（２Ｒ＋２ｒ）、Ｈが実質上ゼロである。

以上の構造は例えば、フアイバを１００〜２００℃の温
度に加熱し、そしてこの加熱したフアイバを適当な寸法
（特に外法半径が１．７５１１）の円柱状マンドレルの
まわりで成形することによつて製作される。

これら各々の構造中の光伝達は、１５０Ｗの石英ヨード
ランプからなる光源と、スペクトル感応が４００〜９５
０ｎｒｎの範囲にあつてピークが７００ｎｍのシリコン
・フオトダイオート検出器とを使用して測定される。

一連の測定は前記の構造を異る既知の屈折率（１．３３
〜１．４７の範囲）の液体へ沈入して実施した。このよ
うにして得られた結果を第７図の線図に示してある。こ
の線図はコントラスト係数ｒの変化を、前述の構造を没
入した液体の屈折率ｎの関数として示している。第７図
の曲線ＡおよびＢはそれぞれ第１番目および第２番目の
公知構造の測定値であり、曲線ＣおよびＤがそれぞれ第
３番目および第４番目の本発明の構造の測定値である（
なお、曲線Ａと曲線Ｂとは図面のスケールの関係で区別
できない）。この線図は従来公知の構造に対する本発明
の構造の（コントラストおよび感度の両方に関する）性
能の優位性を明確に示しているだけでなく、本発明の交
互湾曲によつて得られる全く予期しなかつた相乗効果を
顕著に示している。これらの交互湾曲は、従来使用され
ている単一湾曲に対し大巾な性能向上を可能となし、ま
た単純に２倍または４倍するよりもはるかに高い性能を
得ることができる。例２ この例は、本発明の装置によつて伝達される光の強度が
光伝導ロツドの湾曲の大きさの関数としてどのように変
化するかを説明するためのものである。

素材としては、屈折率ｎが１．４９の第１プラスチツク
材料（ポリチメルメタクリレート）から作られたコアと
屈折率ｎが１．３９の第２プラスチツク材料から作られ
たクラツド（厚さは５０ミクロン以下）とからなる外径
１？露のオプチカルフアイバ（デユポン社から「ＣＲＯ
ＦＯＮＩの商品名で市販されている）を使用する。

第４図に示すものと同一の二連湾曲を有する３つのオプ
チカルフアイバ構造を作る（すなわち、Ｄが（２Ｒ＋２
ｒ）、Ｈがゼロ）。

これらの湾曲は曲率半径Ｒがそれぞれ２鵡、１．７５ｎ
，１．５ｎ（従つてＤはそれぞれ５ｕ，４．５ｎ，４ｕ
）と異つている点で互に相違している。これらの構造を
それぞれ空気および屈折率が１．３９の基準液体（ベン
ジン）に沈め、これらの構造中を伝達される光を前述し
たのと同じ方法で測定する。測定結果から各各の構造に
つきそのコントラスト係数がそれぞれ約８，１８，７５
と確定され、同時にまた空気中での伝達係数がそれぞれ
５５％、５０％、４３％と確定された。すなわち、コン
トラストは湾曲の程度の関数として大巾に増大し、そし
てこのコントラストの大巾な増大に伴う空気中での伝達
効率の低下は微小であることが明白である〇本発明の装
置による流体の屈折率の特性である光信号の発生は、こ
の流体の状態の不連続変化の検出にも、また流体の屈折
率と関連する異る特性（またはこれらの特性の連続変化
）の測定にも応用できる〇上述した応用の前者の場合に
おいては、本発明の装置は或る所与の場所における流体
の有無、特に或る容器内の液体の高さまたはレベルを検
知するのに非常に有利である。

この場合は光伝導体の湾曲部のそれぞれの湾曲が検知す
べきレベル位置に配置される。このレベル検知器への応
用においては、２つの異る状態を検出するだけなので装
置は極めて簡略化が可能である。すなわち、伝達された
光を検出する装置を完全に排除して、単純な目視観察と
することができる。また、湾曲部の湾曲は、液体が存在
しない場合の光の損失を最小限にするように選定するの
が有利であり、これにより光伝導の検出端はもし所期の
レベルに液体が存在すれば暗くなり、反対に液体が存在
しなければ照明されることになる。光伝導体の入力端に
光源を恒久的に取り付けることをやめて、その代りに簡
単な補助光源（例えばフラツシユ・ライトのようなポー
タブルランプ）を使用して、レベルを確認したいときに
だけ入力端を照射するようにすることもできる。この液
面レベル検知に関してはまた、個別検知（単一レベルの
測定）および準連続検知（同一容器内でのいくつかのレ
ベル、例えば最高および最低レベルの測定）のいずれも
実施するようにできるし、また検知すべきレベルの各々
に装置を配設することもできる。第７図は、容器４０内
の３つの異るレベル（最高、中位および最低レベル）を
沖淀するための装置の一例を示す。

この装置は本発明による３本のオプチカルフアイバ４１
，４２，４３からなり、これらのフアイバは容器４０内
に没入させた管４４内に収納してある。これら３本のオ
プチカルフアイバは被測定レベルの高さ位置に配置され
たＷ形の湾曲部４１ａ，４２ａ，４３ａを有する。この
装置においては、光は１つの共通の光源４５によつてフ
アイバの入力部に入射され、レベルの指示はフアイバの
出力部の先端を目視観察することによつて得られる。容
器が図示のように３／４まで満たされているときは、フ
アイバ４１の出力端だけが照明され、他の２本のフアイ
バ４２および４３の出力端は暗いままである。本発明に
よる装置はレベル検知器として多方面への応用がある。

まず第１に自動車（航空気）の計器の分野において燃料
タンク、モータまたはトランスミツシヨンオイル、ブレ
ーキ作動流体、バツテリ電解液、ウインドウオツシヤ一
液などのレベル周知に使用することが考えられる。これ
らのレベル検知に使用するオプチカルフアイバのそれぞ
れの出力端は例えば車輌のダツシユボードに取り付けら
れる。また、かかるレベル検知器を液化ガス貯蔵（レベ
ル測定は火災の危険、低温および腐食環境のために実施
が概して困難である）や、化学生成物の貯蔵タンクなど
、他の多くの分野に使用することも考えられる〇本発明
による装置はまた、流体の屈折率を直接的に測定するか
、あるいは溶液の濃度、混合流体の成分の１つの割合、
液化流体の温度などのように流体の屈折率と関連した他
の流体特性を測定することにより、屈折計としても使用
できる。

屈折計としての応用にあつては、伝達光の検出器を例れ
ば測定装置に接続されたホトトランジスタなどを有する
電子システム（これは被測定特性の値が直接的に与えら
れるようにすることができる）から構成することもでき
るし、あるいはまた強度の低減ないし色変化の観察（こ
れは多分、制御フアイバのそれらと対比される）にもと
づく単純な目視システムで構成することもできる。かか
る屈折計の応用分野は、化学工業、医学、一般計器、自
動車または航空機用計器など多様である。

自動車用計器の分野においては、この屈折計を鉛蓄電池
の充電状態の測定または不凍液の濃度の測定などに応用
することが考えられる。この蓄電池への応用のうち前者
に関しては、通常の鉛蓄電池の電解液は放電状態の屈折
率が充電状態の１．３７８から１．３４８に低下するの
で、電解液の屈折率の変化を洞淀することによつて鉛蓄
電池の状態を測定することができる。第６図の線図によ
れば、かかる屈折率の変化は曲線Ｄのオプチカルフアイ
バについては約８８から３５へのコントラスト効率の変
化に相応するものであることがわかる（曲線Ｃのオプチ
カルフアイバについては約３５から１９へのコヲトラス
ト効率の変化に相応）。これは目視あるいは電子的に容
易に測定できる。第２の不凍液への応用に関しては、周
知の如く現在多数の国においてはエチレン・グリコール
がその毒性のために禁止され、これに代つてプロピレン
・グリコールがますます多用されている。しかし比重計
を用いたエチレン・グリコールの割合測定方法はもはや
プロピレン・グリコールには適用できない。その理由は
それの比重が水の比重と非常に近似しているからである
。本発明の装置はこの問題に対しても非常に有効な解決
をもたらすものである。本発明の装置は公知のレベルゲ
ージまたは屈折計に対して多くの利点を有する。

すなわち、構造および作用が簡単、低コスト、特にレベ
ル検知器としての応用に有効な高いコントラスト、そし
て高性能屈折計としての適格性をたかめるすぐれた屈折
変化に対する感度などである。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図および第１ｂ図は従来公知の２つの装置を示す
概略縦断面図、第２図は本発明による装置の第１実施例
を示す概略縦断面図、第３図は第１実施例の変形例を示
す部分縦断面図、第４図は第２実施例の部分縦断面図、
第５図は第２実施例の変形例を示す部分縦断面図、第６
図は本発明の装置によつて得られた結果を従来公知装置
による結果と比較して示す線図、第７図は本発明による
装置をいくつか使用した複数の液面レベルを検出する装
置の縦断面図である。 図において、５は光源、６は検出システム、９は液体、
１０はロツド、１１は中間湾曲部、１２，１３は湾曲、
１４は中間直線部、１５，１６は直線部（または入力部
および出力部）、２１はロツド、２２，２３，２４は湾
曲、２５，２６は中間直線部、２７，２８は直線部、３
１はオプチカルフアイバ、３２はコア、３３はクラツド
、３５は湾曲部、４０は容器、４１，４２，４３はオプ
チカルフアイバ、４１ａ，４２ａ，４３ａは湾曲部、４
５は光源、をそれぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体中へ没入するようにした中間湾曲部によつて入
   力部と出力部とを相互結合してなる細長光伝導体を有し
   、前記入力部の先端に光を入射させた時に屈折による流
   体中への光の透過が流体の屈析率の関数となり、また前
   記出力部の先端から射出する光が流体の屈折率に相応す
   る光信号となるようにした流体の屈析率に相応する光信
   号の発生装置において、前記中間湾曲部が複数の連続配
   置された湾曲を有し、これらの湾曲が交互に互に反対方
   向へ曲げられていることを特徴とする流体の屈折率に相
   当する光信号の発生装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記中
   間湾曲部が反対方向へ曲げられた少くとも２つの湾曲を
   有する装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記中
   間湾曲部が少くとも３つの湾曲を有し、それの中央湾曲
   が他の２つの湾曲に対し半対方向へ曲げられている装置
   。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記交
   互に曲げられた湾曲がそれぞれ中間直線部分によつて相
   互接続されている装置。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記湾
   曲が互いに直結している装置。 ６ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記湾
   曲の曲率半径を前記細長光伝導体の横断面と関連させて
   できるだけ小さくした装置。 ７ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記細
   長光伝導体が透明材料のロッドからなる装置。 ８ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記細
   長光伝導体はオプチカルフアイバから構成され、該オプ
   チカルフアイバは第１の透明材料から作られたコアを有
   し、該コアは該第１透明材料の屈折率よりも小さな屈折
   率の第２の透明材料がら作られたクラッドで被覆されて
   いる装置。 ９ 特許請求の範囲第８項記載の装置において、前記オ
   プチカルフアイバの中間湾曲部からクラッドを除去した
   装置。