JPS6134091B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液体の屈折率測定装置、即ちシステム
に関する。

多くの工程において、流体媒質の状態変化を検
出することが要求されており、この変化には流体
状態の不連続変化（例えば液体の存在あるいは不
存在）あるいは流体の物理的または化学的性質の
連続変化（例えば、溶液の濃度または複合流体の
成分の１つの濃度、あるいは流体の温度変化）が
含まれる。このような検出は測定、制御あるいは
試験操作、および調節を行なうような種々の応用
分野において利用されている。

流体媒質の特徴とその屈折率との間に相互関係
が存在するとき、種々の光学的方法によつてこの
屈折率の変化を測定し、これによつてこれらの特
徴の変化を検出することはすでに提案されてい
る。これらの光学的方法の殆んどは、臨界角付近
に生ずる反射および屈折現象の利用に基づいてい
る。これらの方法は流体媒質に浸漬されている透
明な光伝導構造を通して光を透過し、その時光が
この光伝導構造の壁に対して多数回内部反射する
ことを本質としている。多数回の反射により透過
される光の強さおよび臨界角付近のこの光度の突
然の変化を測定することによつて、流体の屈折率
が検出される。

屈折率を連続的に測定するために、例えば直線
状の透明なロツドからなるタイプの装置があり、
このロツドは一端において明確な入射角でロツド
内に光束を導入する光機械システムを有し、また
その他端においては明確な入射角の多数回の内部
反射によつてロツドを通して透過される光の強度
を測定する光電検出器を有する。測定すべき流体
媒質中にロツドを浸漬すると、透過された光の強
さを観察している間に、ロツド内に導入された光
束の入射角は連続的に減少する。多数回反射する
入射角が流体に対して臨界角を越える時に起こる
突然の光度の低下によつて、この臨界角、つまり
流体の屈折率が測定される。しかしながら、この
種の装置は極端に複雑であるという大きな欠点を
有する。なぜならばこの種の装置はとりわけ比較
的精密な光導入システムを要求し、入射光束を光
学手段により平行にしなければならず、またこの
入射光束の角度を機械手段によつて連続的に変化
させなければならないからである。

さらに、液体レベルを測定する種々の公知の装
置は液体を含む容器中に入れる透明なロツドの底
部にプリズム（あるいは円錐体）を有しており、
これにより上記液体のレベルが測定される。この
レベルの指示は、ロツドの上端に光を導入し、プ
リズムにより反射され上端に戻された光を視覚に
より観察することにより得られる（この端部はプ
リズムの高さにおいて液体が不在の場合は光を反
射して発光し、そうでない場合には暗いままであ
る）。

この種の装置はいくつかの欠点を有する。即
ち、第１には生ずる反射の回数が少ないので（１
回か２回の反射）、得られる光コントラストが低
く、また光透過率も比較的低い。さらにこのよう
な装置の構造は比較的複雑である。特に、これら
の装置は入射光が決められているので２つの異な
つた流体状態の場合のみにしか使用できないとい
う欠点があり、そのためこれら装置は屈折率を連
続的に測定するのに殆んどふさわしくなく、従つ
てこれらの用途はレベル指示器のような状態変化
の測定に限定されている。

上記欠点を解消するため、試験すべき液体に浸
漬する中間Ｕ字形湾曲部を含む簡単な透明ロツド
からなる装置を使用することが提案されており、
この装置の場合、液体の屈折率はロツドの一端に
おいて光を導入し、その他端に透過された光を観
察することにより測定される。このロツドの湾曲
部は或る量の光を屈折により液体中に通過させ
る。この光の量は本質的にその液体の屈折率の関
数であることがわかつている。そのため、ロツド
の他端に透過された光の量はこの屈折率の特性で
あるパラメーターを構成する。この種の装置は例
えば文献E.KarrerおよびR.Orr共著、Ａ
photoelectric refractometer、Journal of the
Optical Society of America 36巻、１号、42〜
46頁、1946年１月に述べられている。このような
装置は結果的にみて充分な簡略化、低コスト、お
よび試験すべき液体の特性の連続および不連続変
化の両方の検出に主に使用できる事実により特に
有利である。しかしながら、これら装置は感度が
非常に低いという欠点を有し、このため屈折計と
してのこれら装置の用途はかなり制限を受けてい
る（試験すべき液体の屈折率のわずかな変化を検
出することが不可能であるため）。さらに簡単な
液体レベル指示器としてのこれら用途でさえ満足
なものではない（測定されるコントラストが低い
ため）。

最近では湾曲透明ロツドからなる装置の種々の
変形が提案されているが、これら変形は感度につ
いてはあまり改善がなされていない。例えば、Ｕ
字形ロツドの代わりに少くとも360゜の湾曲部を
有するロツドを使用することが提案されている
（米国特許第3282149号）が、これは感度を改良す
るものでなく、単に測定様式を直線状としたにす
ぎない。また、例えば透明なロツドの代わりに湾
曲した光フアイバー（フランス特許第2130037
号）を使用することが提案されている。しかしこ
れは装置の小型化を意図するもので、従つて感度
についての改良は実際に認められない。

本発明の目的は、著しく改良された感度を有
し、流体の不連続状態変化および屈折率に関係づ
けられている流体の種々の特徴の連続変化の両方
を測定することのできる簡潔な装置を提供し、上
記欠点を解消することにある。

本発明の他の目的は、液体の屈折率に応答しか
つ本願に対応する米国特許出願第081351号の同時
係属米国特許出願第919981号および米国特許第
4187025号よりも優れた装置あるいはシステムを
提供することにある。

さらに本発明の目的は検出器が使用中懸濁液の
問題をあまり受けないシステムを提供することに
ある。

本発明は次の装置を提供する。すなわち、細長
い光伝導体と、光源と、光電変換器とを有し、光
伝導体が、入力部と、この入力部に接続した中間
部と、この中間部に接続した入力部とを有し、中
間部が順次反対方向を指向するＵ形またはＶ形の
複数の彎曲部からなるＳ形またはＷ形をなし、入
力部が光伝導体に光を導入し、中間部が液体に浸
漬し、出力部が液体の屈折率に対応する強度の光
を導出するように設けてあり、光源が光伝導体の
入力部に接続し、光電変換器が光伝導体の出力部
に接続して、出力部から導出する光の強度を表わ
す電気信号を発する、液体に浸漬してこの液体の
屈折率を測定する装置であつて、第９図に示すよ
うに、光電変換器８２に接続した増幅器８４と、
この増幅器８４に接続したフイルター８５であつ
て、前記電気信号を第１および第２の成分に分離
し、この第１の成分が屈折率に対応して時間とと
もに緩かに変化し、第２の成分が不連続であつて
光伝導体の中間部に気泡が一時的に接触すること
により時間とともに速かに変化するように設けた
フイルター８５と、このフイルタ８５に接続した
積分器およびレベル識別器８６であつて、前記第
２の成分の積分値が所定のしきい値を超えるとき
に、警報信号を発するように設けた積分器とレベ
ル識別器８６と、このレベル識別器８６に接続
し、気泡の存在を示すように配置した第１の表示
手段８７と、前記フイルター８５に接続し、前記
第１の成分を受取つて、液体の屈折率に対応する
量を示す第２の表示手段８８とを有することを特
徴とする液体に浸漬してこの液体の屈折率を測定
する装置を提供する。

本発明の装置は液体の存在あるいは不存在を確
認するために、あるいは液体の屈折率に関係付け
られた特徴を測定するために使用できる。

この明細書の記載において、「細長い光伝導
体」即ち「光ガイド部材」は多数回の内部反射に
よつて光を伝送することのできる細長いものを含
むものとする。このものは特に透明なロツドある
いは光フアイバーからなる光ガイド部材を含む
（これらロツドおよびフアイバーは望ましい外形
を有する中間湾曲部を含むように形成されてい
る）。

従つて、本発明の装置で使用する光伝導体は中
間湾曲部分すなわちいくつかの（少くとも２つ
の）交互の湾曲部を含む光ガイド部材を使用する
ことにある。交互に湾曲部を有するこのような構
造は、本発明の装置に特に高い感度を与え（この
ような構造の感度の程度は測定すべき流体の屈折
率の変化によつて測定される）、またすべての場
合に単一湾曲部（Ｕ字形湾曲部あるいは少くとも
360゜の湾曲部）を有する構造よりもはるかに優
れている。

上記中間部の種々の湾曲部が隣接する湾曲部に
対し連続して反対の方向に曲げられている限り、
本発明装置の構成要件である光ガイド部材の交互
に湾曲部を有する中間部はさまざまな形を取るこ
とができる。考えられる可能な形のうち、２つの
湾曲部を有する構造は使用可能であり、この場合
一方の湾曲部は他方の湾曲部に対して反対方向に
曲げられており、また３つの湾曲部を有する構造
も使用可能であり、この場合中間湾曲部は第１湾
曲部と最終湾曲部とに対して反対方向に曲げられ
ており、さらにまた多数の湾曲部を有する構造も
使用可能である。上記構造のすべての場合におい
て、各々の湾曲部は相互に中間直線部によつて接
続されるか、あるいは直接接続される（直線部分
によつて相互に分離されることなく直接接続され
る）。直線部分によつて相互に接続されている湾
曲部の場合、これら直線部分はこれらの長さが湾
曲部の大きさに対して比較的小さくなるように選
ばれるのが有利である。

上記した交互の湾曲部を有するこのような構造
の場合、各湾曲部は、充分な効果を得えるもので
あれば、どんな形状を取ることもできる。従つ
て、一定の半径を有する円弧状の湾曲部を選ぶこ
ともでき、この円弧の長さは1/4の円、1/2の円あ
るいは完全な円であつてもよい。また、半径が一
定でなく、次第に大きくなつたり小さくなつたり
する湾曲部を選ぶこともできる。種々の湾曲域の
湾曲部の半径Ｒは光ガイド部材の横断寸法に対し
て小さく選ばれるのが有利であり、その方が作用
効果が大きい（湾曲部による効果は湾曲部の半径
が小さいほど大きい）。別々の交互の湾曲部の曲
率半径は、円筒形光ガイド部材の半径ｒを考慮し
て選ぶのが好ましく、Ｒ／ｒの比が約３〜５であ
るのが好ましい。

光ガイド部材が簡単な透明ロツドからなる場
合、このロツドは適切な透明材料から作られる。
連続屈折率変化を測定するために本発明装置を使
用する場合、選ばれる材料は測定すべき液体より
高い屈折率を有していなければならない。しかし
ながら、本発明装置をレベル指示器として使用す
る時には、ロツド材料の屈折率は測定すべき液体
のものより大きくても小さくてもよい。使用可能
な透明材料としては、ポリスチレン（ｎ＝
1.59）、ポリエチレンエチルメタクリレート（ｎ
＝1.49）等のようなプラスチツク材料、あるいは
シリカ（ｎ＝1.458）、ほうけい酸ガラス（主要ｎ
＝1.5）、鉛ガラス（主要ｎ＝1.7）、ふつ化物ガラ
ス（主要ｎ＝1.35）等のようなガラス類が挙げら
れる。

本発明で使用する交互に湾曲を有する光伝導ロ
ツドの断面の大きさはそれ自体殆んど重要ではな
い。なぜならば望ましい効果を達成する決定因子
は実際ロツドの半径ｒに対する別々の湾曲部の曲
率半径Ｒの比Ｒ／ｒであるからである。従つて、
実際に非常に小さな断面あるいは比較的大きな断
面を有するロツドも使用可能であり、その時考慮
すべきことは選定されたロツド断面に対する湾曲
部の各半径のみである。さらに、ロツドの断面は
円形でなくともよく、正方形、六角形、楕円形の
断面を有するロツドも充分に使用できる（このよ
うな場合、曲率半径Ｒは湾曲部の平面におけるロ
ツド断面の大きさに対して充分に小さくなければ
ならない）。

光ガイド部材が光フアイバーからなる場合、本
発明は原則的にはどの適切なフアイバーによつて
も達成される（これらフアイバーはガラス基礎材
あるいはプラスチツク基礎材から作られてい
る）。しかしながら、特にいわゆるステツプ−イ
ンデツクス（step−index）フアイバーを選定す
ることは格別有利である。光伝導ロツド、即ちコ
アの非湾曲部分の回りに外装を設けることは、多
分存在する寄生（parasitic）媒体による妨害作
用を防止する利点がある。これらフアイバーの湾
曲部に関しては、この湾曲中心コアをテストすべ
き流体媒質と接触させるために外装を取り除き完
全に露出させることもでき、他方逆にこれら湾曲
部を外装により完全に被覆することもできる。実
際、フアイバーの湾曲部の回りに外装を設けるこ
とは屈折によりこれら湾曲部を通して通過する光
の損失の現象を根本的に変更するものではない、
ということを結果が示している。実際にこの外装
の存在はわずかなコントラストの低下をもたらす
にすぎず、透過された光の強さは常にテストすべ
き周囲の液体媒質の特徴を保持している。この外
装部分を有する場合、比較的薄い外装を有するフ
アイバーが好適に使用される。

この明細書において、「面への光線の入射角」
という用語は通常の定義、即ち面における法線に
対する入射光線の角度という定義の下で用いられ
る。この定義によれば、面に対する入射光線の傾
斜角の増加は入射角の減少に等しい。

最後に２つのパラメーター、即ち「空気中にお
ける透過率」および「コントラスト係数」につい
て定義を与える。これらパラメーターは、本発明
の装置の湾曲部分によつて得られる効果をわかり
易く説明するために下記においてしばしば用いら
れる。これに関し、I₀は湾曲光ガイド部材の入口
において導入される光度であり、Ｉ_taは、湾曲部
を包囲している媒体が空気である時、光ガイド部
材によつて伝送された光度であり、Ｉ_t1は、湾曲
部を包囲する媒体が屈折率ｎを有する液体（これ
はテストすべき液体あるいは照合標準の液体であ
る）である時、光ガイド部材によつて伝送された
光度である。「空気中における透過率」は光ガイ
ド部材に導入する光度I₀に対する空気の存在下で
光ガイド部材によつて伝送された光度Ｉ_taの比Ｉ_t
ａ／I₀であり（この係数により空気の存在下にお
ける屈折による光の損失を明確にすることができ
る）、「コントラスト」あるいは「コントラスト係
数」は液体の存在下において透過された光度にＩ
_t1に対する空気の存在下で透過された光度Ｉ_taの
比Ｉ_ta／Ｉ_t1であり、装置の「感度」とは屈折率
の所定の変化に対して得られるコントラストの変
化の大きさと定義される（感度は第６図の曲線の
傾きに相当する）。

次に図面に従つて本発明の具体例を説明する。

第１ａ図および第１ｂ図は実例として２つの通
常の装置を図示している。これらの２つの図面は
通常の装置と本発明で使用する装置との主な相違
点を説明するためのものであり、本発明で使用す
る装置の具体例は後に述べる。第１ａ図に表わさ
れた装置は透明なＵ字ロツド１から成り、このロ
ツドは半円形湾曲部２を有し、直線部３および４
により各端まで延びている。

直線部３の自由端３ａはロツド１に光を導入す
るためのものであり、一方他の直線部４の自由端
４ａはロツド１を透過した光を検出するためのも
のである（光を導入および排出は図面において矢
印で示されている）。

湾曲部２は試験すべき液体９の中に浸漬され、
これにより端部４ａに現われる光の量は液体９の
屈折率の関数であると知られている。第１ｂ図に
表わされた装置は第１ａ図のものと類似するが、
半円形の湾曲部２のかわりに360゜湾曲した輪部
２′が利用されている。

第２図は本発明で使用する光伝導体の最初の具
体例を図示しており、この装置は簡単な透明ロツ
ドからなる光ガイドを含んでおり、このロツドに
は反対方向に曲げられた２つの交互の湾曲部が設
けられている。この図面に表わされた装置は透明
材料から作られたロツド１０を有し、このロツド
は中間で湾曲されたＳ字域１１と、この部分の各
端部からほぼ垂直に延びている２つの直線部１５
および１６とからなつている。直線部１５および
１６はそれぞれロツド１０の入力部および出力部
として作用する。

Ｓ字域１１は中間の直線部１４によつて相互に
連結された円弧形の２つの連続湾曲部１２および
１３からなり、また、これらの２つの湾曲部１２
および１３は相互に反対方向に曲げられているけ
れども、相互対称に配列されている。透明ロツド
１０は半径ｒの円形断面を有し、湾曲部１２およ
び１３は一定の曲率半径Ｒを有する。

入力部１５の平坦な端面１５ａの付近には、透
明ロツド１０に光を導入する光源５が配列され、
一方、出力部１６の端面１６ａの付近には、ロツ
ド１０によつて伝送された光度を測定する検出シ
ステム６が配置されている。例えば、この検出シ
ステム６は測定および（または）表示装置８に電
気接続された光電検出器７からなつている。この
装置の湾曲部は屈折率ｎを有する液体９の中に浸
漬され、この屈折率に関連した特徴の１つが測定
される。ロツド１０の透明材料は、試験すべき液
の屈折率ｎより大きな屈折率n₁を有するように選
ばれる。

上記した二重湾曲構造は３つのパラメーターに
よつて本質的に制御される。即ち、湾曲部１２お
よび１３の各々の曲率半径Ｒ（あるいはＲ／ｒの
比、ここでｒはロツドの半径）、これら湾曲部の
各々の湾曲中心間の距離Ｄ、およびそれらのずれ
Ｈである。曲率半径Ｒは、装置のコントラストお
よび感度を増加させ最適にするようにｒの関数と
して比較的小さく選ばれるのが好ましい、Ｒ／ｒ
の比は約３〜５の間にあるのが有利である。また
同じ理由で、湾曲部の半径を調節して距離Ｄを最
小値（即ち、約2R＋2r）付近に保持することは
有利である。コントラストおよび感度について
も、同じ理由で、常にずれＨがほぼゼロかあるい
はわずかに実在（第２図に表わされているよう
に）するように選ぶことは重要なことである。

上記装置の操作は次の通りである。

この装置の湾曲部１１が試験すべき液体９に浸
漬されている間、光が光源５によつて透明ロツド
１０に導入される。透明なロツド１０によつて効
果的に捕獲される光量がこのロツドの「開口数」
のみに存在し、入射ビームの発散量によらないと
すれば、この光源５によつて送られる光はどのよ
うな発散量を有していてもかまわない。ロツド内
に捕獲される入射光線のみが周囲媒体（空気）に
対する臨界角より大きな入射角でロツドの壁に打
ち当たり、より小さい入射角を有する他の光線は
直線部１５から屈折され追い出される。この現象
は公知である。このように透明ロツド１０内に捕
獲された光は、次に多数回の内部反射によつて送
られ、直線部１５を通つて試験すべき液体９に浸
漬された湾曲域１１に達する。この場合、いくら
かの光線は浸漬地点における外部屈折率の変化に
より直線部１５から早期に逃散する。

この湾曲域１１の第１湾曲部１２は、この壁に
当たる光線の入射を変更させる効果を有し、他方
ではこの外面に当るこれら光線の入射角を特に減
少させる（この入射角の減少はまた湾曲部の大き
さの関数である）。この結果、周囲の液体９に対
して臨界角を超える角度の入射光線は次に屈折に
よつて液体中に追い出される（図面における光線
p₁によつて図示されている作用）。湾曲部１２に
達する光線は同じ入射角であるにもかかわらず、
上記入射角の減少は、与えられた湾曲部のために
同じにはならない。なぜならば入射角減少はこれ
ら光線が湾曲部の外面に当る前にこの湾曲部内に
入り込む深さによつて決まるからである。同じ入
射操作の下で到達する光線のうちのほんの一部は
屈折によりロツド１０から周囲の液体中に入り込
む。周囲の液体中に屈折される光線の割合は、明
らかにこの液体の屈折率の関数である。なぜなら
ば全反射の臨界角はこの率によつて決まるからで
ある。第１湾曲部への入射の際ロツドから逃散し
なかつた残りの光線は、次にロツドの内部ですべ
て反射され、さらに連続内部屈折により第２湾曲
部１３へ送られる（光線が周囲の媒体に入り込む
可能性を決定するのは他でもなく湾曲域への第１
入射角である、ということは容易に明らかであ
る。なぜならばこの第１入射後に反射される光は
すべて、その後第１入射角に等しい一定の入射角
で第１湾曲部に沿つて反射され、この角度の光は
次の湾曲部に至るまでロツドから逃散することが
できないからである）。

この第１湾曲部の外面に沿つて多くの反射によ
つて送られるすべての光線は、次に第２湾曲部１
３に到着し、この第２湾曲部のために、これらの
光線の大部分は極端に小さい入射角でこの壁に当
り、屈折により周囲の媒体中へ追い出される（図
面において光線p₂によつて図示されている作
用）。また、全反射の臨界角はこの媒体の屈折率
によつて決まつているので、屈折によつて周囲の
液体中へ追い出される光線の割合は明らかにこの
液体の屈折率の関数である。第２湾曲部１３上に
おいて、第１入射中にロツドから逃散しなかつた
残りの光線はロツドの内部へすべて反射される
（その後の入射は実際第１入射の角度と等しい角
度で生じる）。それ故、これら光線は連続内部反
射によつてロツドの他端１６ａに送られる（図面
において光線ｔによつて図示されている）。

結局、ロツド内に導入された光の強度から湾曲
部１２および１３において最初に生じた屈折によ
る損失を差し引いた値（ロツド内における吸収損
失は別として）にほぼ等しいロツドの他端１６ａ
に上記のように現われる光の強度は、また湾曲域
を包囲する媒体の屈折率の関数である。従つて、
この透過された光度はロツドの湾曲域の回りの媒
体の屈折率の特性であると共にこの屈折率に対応
する光信号を与える。

上記装置によつてこのようにして得られた光信
号は、ずつと高い感度を表わすので、第１ａ図お
よび第１ｂ図の通常の装置によつて得られた信号
（いずれの場合も試験すべき流体の屈折率の特性
であるけれども）と本質的に異なる。この全く予
期しない結果は第１湾曲部１２と反対方向に曲げ
られた第２湾曲部１３の存在のためであり、この
第２湾曲部は第１湾曲部１２を通過中の作用に対
する言わば増幅作用を有する。反対方向に曲げら
れているこの第２湾曲部１３は第１湾曲部１２を
通過中に得られた効果を実際に増加させる。この
ことは、第２湾曲部中に入り込む光線が大きく傾
斜して（小さな入射角で）第２湾曲部に当るよう
に第１湾曲部の通過中に充分修正された通路をす
でに有しているという事実のためである。従つ
て、これら光線の大部分は第２湾曲部において屈
折によりロツドから追い出される（反対にこのよ
うな大きな傾斜を第１湾曲部通過中に得ること
は、透明ロツドの入力部１５の限定「開口数」の
ために不可能である）。

本発明で使用する光伝導体によれば特に高い感
度（つまり、さらに高いコントラスト）が得られ
るという事実は、下記に与えられる実施例におい
て明らかに証明されるであろう。

第１湾曲部における屈折損失を決定するものは
他ならぬ第１湾曲部への導入時の第１入射角であ
る。なぜならばこの第１入射後に反射される光線
は、すべて次に多数回の反射により小さな一定の
入射角で湾曲外面に沿つて送られるからである。
このことはすでに上記した通りである。従つて、
いくつかの湾曲部を同じ方向に回転させることに
よつて湾曲部の長さを増加させることは不必要で
あることがわかる（第１ｂ図の公知の装置の場
合）。なぜならばそのような方法はコントラスト
および感度を少しも増加させず、（透明材料中の
吸収を増加させるため）光の透過を減少させるだ
けである。コントラストおよび感度を著しく増加
させるのに有効な唯一の方法は、本発明に従つて
第１湾曲部およびこれに続きかつこれと反対方向
に曲げられた少くとも１つの第２湾曲部を設ける
ことである。

湾曲部の効果に関する上記定性的な説明は、実
際ほんの概略的なものであるが、メリジオナル光
線（即ち、導光器の軸を横切る光線）にも本質的
に適応する。しかしながら、スキユー光線（上記
軸を横切らないはずれ光線）は透明ロツドに導入
される光の大部分を伝送させる。しかも、これら
スキユー光線の著しく複雑な作用のため、この現
象を全体的にわたつて理論的に分析することは実
際上不可能である。これらスキユー光線の作用を
考慮し、透明ロツド内における異なつた伝送様式
の分析に基づく数学的な論述によつて、より完全
な理論的研究方法が試みられた。しかしそのよう
な方法の確立は、均一分布放射の侵入を受ける単
一湾曲部の場合困難であり、また第２湾曲部の場
合も、この湾曲部に侵入する光の不均一な空間配
列のため（第２湾曲部の外面付近に光エネルギー
を濃縮する第１湾曲部の作用による不均一性）、
非常に困難あるいは不可能に思える。

上記定性的な説明は、ほんの概略的なものであ
るけれども、下記の実施例によつて明確に示され
るように、（スキユー光線およびメリジオナル光
線の両方を考慮に入れた）透過光度の測定により
得られる種々の実験結果によつて実際充分に確証
される。

第３図は第２図の他の具体例を図示し、３つの
交互の湾曲部を有する透明ロツド２１からなつて
いる。この図面に示されているＷ字形ロツド２１
は３つの湾曲部２２，２３および２４からなり、
これら湾曲部はそれぞれ２つの中間部２５および
２６によつて相互に接続された弓形状をしており
（湾曲中央部２３は外側湾曲部２２および２４と
反対の方向に曲げられている）、外側湾曲部２２
および２４の自由端は直線部２７および２８によ
つて延長されている。

第４図は本発明で使用する光伝導体の第２の具
体例を図示しており、二重湾曲部を有する光フア
イバーからできている。この構造は第２図のもの
に似ているが、第２図の単一材料から作られた透
明ロツド１０のかわりに光フアイバー３１が利用
されており、この光フアイバーは、このフアイバ
ーの全長に沿う薄い外装３３によつて包囲された
中央の芯３２を含んでいる。この構造は、湾曲部
１２および１３が直接隣接している点（湾曲部間
の中間部なしの連結構造）で第２図と異なり、か
つ半円形を有し、一方ずれＨはこの場合ゼロに等
しい。

第５図は第４図の装置の変形を図示しており、
ここにおける光フアイバー３１には４つの交互の
湾曲部からなる湾曲域３５が設けられており（第
４図におけるように２つの湾曲部ではなく）、さ
らにこの湾曲部３５は外装３３が完全にはぎ取ら
れている（芯３２は裸である）。

例 １ この例は本発明で使用する光伝導体と通常の光
伝導体とから得られた結果により両者を比較する
ものである。

使用する材料は、ポリスチレン（屈折率1.59）
から作られた直径1.03mmの芯およびポリメチルメ
タクリレート（屈折率1.49）から作られた厚さ60
ミクロンの外装からなる外径1.15mmのプラスチツ
ク光フアイバーPS／PMMAである。このフアイ
バーは次の構造を作るために使用された（次のす
べての構造は湾曲部が外装により包囲されてい
る）。

(a) 180゜の単一湾曲部を含む第１構造（第１ａ
図のものに類似）。この湾曲半径Ｒは1.75mm。

(b) 360゜の単一湾曲部を含む第２構造（第１ｂ
図のものに類似）。この湾曲半径は1.75mm。

(c) ２つの交互の湾曲部を含む第３構造（第２図
のものに類似）。Ｒは1.75mm。Ｄは4.65mm（2R
＋2r）。Ｈは＋0.97mm。

(d) ４つの交互の湾曲部を含む第４構造（第５図
のものに類似）。Ｒは1.75mm。Ｄは4.65mm（2R
＋２）。Ｈはほぼゼロ。

上記構造は例えばフアイバーを100〜200℃の間
の温度まで加熱し、このように加熱されたフアイ
バーを所定の大きさの円筒形マンドレルの回りで
成形する。

これら構造の各々を通過する光は、次に150W
の石英−ヨウ化物ランプおよび700nｍのピーク
を有するスペクトル感度400〜950nｍのケイ素フ
オトダイオード検出器からなる装置により測定さ
れる。一連の測定は種々の公知の屈折率（1.33〜
1.47の範囲に及ぶ）の液体中に上記構造を浸漬す
ることにより行なわれる。このようにして得られ
た結果は第６図の線図に示され、この線図は別々
の上記構造体を浸漬する液体の屈折率ｎの関数と
してコントラストΓの係数の変化を図示してい
る。第６図における曲線ＡおよびＢは、通常の第
１および第２構造による測定値にそれぞれ相当
し、曲線ＣおよびＤは本発明で使用する第３およ
び第４構造に関する（曲線ＡおよびＢは図面の目
盛の関係上実際に区別できない）。この線図は本
発明の構造の性能（コントラストおよび感度の両
方に関して）が通常の構造に比べて優れているこ
とのみならず、全く予想しなかつた相剰効果が本
発明で使用する交互の湾曲部によつて与えられる
ことを明示している。即ち、これら交互の湾曲部
によれば、通常使用された単一湾曲部に比べずつ
と優れた効率が得られ、従来の効率の２倍あるい
は４倍よりも大きい。

例 ２ この例は本発明で使用する光伝導体により伝送
される光度が光透過ロツドの湾曲の大きさの関数
としていかに変化するかを説明するためのもので
ある。

使用する材料は、屈折率ｎが1.49の第１プラス
チツク（ポリエチルメタクリレート）から作られ
た芯および屈折率ｎが1.39の第２プラスチツクか
ら作られた外装（厚さ50ミクロン以下）からなる
外径１mmの光フアイバー（Company Dupont de
NemoursからCROFONの名で市販されている）
である。

２つの湾曲部を有する３つの光フアイバー構造
が作られ、これらは第４図のものと同じである。
即ち、これら構造の場合、距離Ｄは（2R＋2r）
に等しく、ずれＨはゼロに等しい。これらの湾曲
部はそれぞれ異なり、湾曲部の半径Ｒはそれぞれ
２mm、1.75mmおよび1.5mmであり、距離Ｄはそれ
ぞれ５mm、4.5mmおよび４mmである。これら構造
体のそれぞれは空気および屈折率1.39の対照標準
の液体中にそれぞれ浸漬され、上記と同じ方法に
よりこれら構造を通過する光を測定する。各構造
により得られた測定値から、コントラスト係数約
８、18および75ならびに空気中における透過率55
％、50％および43％が決定される。この結果か
ら、コントラストは湾曲の度合いの関数として著
しく増加し、この増加には空気中における透過率
のわずかな減少を伴う、ということが理解され
る。

本発明で使用する光伝導体によつて得られる光
信号は、この装置を浸漬する流体の屈折率特性で
あり、従つてこの流体の状態の不連続変化を検出
しかつ屈折率に関係した流体の他の特性（あるい
はこれら特性の連続変化）を検出するために用い
られる。

上記の応用範囲において、本発明で使用する光
伝導体はまず第１に所定の場所に流体が存在する
かどうかを検査するために有利に使用され、特に
所定の容器中の液体の高さ即ちレベルを測定する
のに使用され、この場合光伝導体の湾曲域を構成
する種々の湾曲部が測定すべきレベルに配置され
る。この応用例におけるレベル指示器としての装
置は、かなり簡単なものである。なぜならばその
装置は２つの異なつた状態のみを測定すればよい
からである。即ち、この装置の場合透過光を検出
するシステムが取りはずされ、その代わりに簡単
な視覚観察体が用いられる。湾曲域の湾曲部は液
体の不存在の下で光の損失を最小にするように有
利に選ばれる。この結果、液体が望ましい高さに
あるならば光伝導体の観察される端部は暗く、逆
に液体が不存在であるならば明るくなる。また、
レベルの高さを簡単に確認したい場合には、光伝
導体の入力端部に設けられた光源が簡単な補助光
源（例えば懐中電燈のような携帯用ランプ）と置
き換えられ、この補助光源によりこの入力端部を
照らすのである。この液体面検出はさらに不連続
面の検出（単一面の測定）の他に見掛け上連続し
ている面の検出（同じ容器中におけるいくつかの
面の測定、例えば最高レベルと最低レベル）を行
うことができ、この場合装置は検出すべき面の各
各に配置される。

第７図にこの光伝導体を使用して容器４０内に
おける３つの異なつたレベルを測定する装置が例
示されている（最高レベル、中間レベルおよび最
低レベル）。この装置は本発明の３つの光フアイ
バー４１，４２および４３からなり、これらは容
器４０に浸漬された管４４内に設けられている。
これら３つの光フアイバーはＷ字形の湾曲域４１
ａ，４２ａおよび４３ａを有し、これらは測定す
べきレベルの位置に配置される。この装置におい
て、光は普通の単一光源４５によつて光フアイバ
ーの入力端部に導入され、一方レベル指示はこれ
らフアイバー出力の自由端における簡単な視覚観
察体によつて得られる。例えば図面に示されてい
るように、容器が3/4ほど満たされている時、フ
アイバー４１の出力端部のみが明かるくなり他の
２つのフアイバー４２および４３の出力端部は暗
いままである。

本発明の装置はレベル指示器として広い応用範
囲を有し、自動車（あるいは航空機）の分野にお
いては、ガソリンタンク、モータ、トランスミツ
シヨンオイル、ブレーキ流体、バツテリー電解
液、フロントガラス洗浄液等のレベルを検出する
のに利用される。これらのレベルを検出するため
に使用される光フアイバーのそれぞれの出力端部
は、例えば車両の計器板上に設けられる。本発明
装置はレベル指示器として多くの応用分野を有
し、例えば液化ガスの貯蔵（ここにおいては火災
の危険性、低温および腐食条件のためにレベル測
定は一般的に困難である）、化学製品の貯蔵タン
ク等に利用可能である。

また本発明の装置は屈折計としても利用され、
流体の屈折率を測定したり、溶液の濃度、複合流
体の成分の１つの割合、液化流体の温度のような
屈折率に関連する流体の他の特性を測定する。こ
のような屈折計としての透過光検出手段は、例え
ば測定装置に接続されたフオトトランジスター
（これは測定すべき特性の値を直接与える）から
なる電気システムあるいは強度の減衰または色彩
変化の観察に基づく簡単な可視システム（これは
照合標準の光フアイバーによる状態と比較され
る）からなつている。

このような屈折計の利用範囲は多方面にわた
り、例えば化学工業、薬品工業、通常自動車ある
いは航空機の器械工業等にもおよぶ。航空機の分
野において、この屈折計は鉛−酸バツテリーの充
電状態の測定あるいは不凍液の濃度の測定に利用
される。上記バツテリーへの利用の場合、従来の
鉛−酸バツテリーの状態は電解液の屈折率の変化
を測定することにより確認され、バツテリーが放
電されている時、屈折率は充分な充電時の1.378
から1.348まで低下する。この屈折率変化は第６
図の曲線Ｄの光フアイバーに関するコントラスト
係数約88から35までの変化（曲線Ｃの光フアイバ
ーに関するコントラスト係数約35から19までの変
化）に相当し、上記屈折率の変化は視覚により、
あるいは電気的に容易に測定される。上記不凍液
への利用の場合、ポリエチレングリコールは次第
にエチレングリコールに変化することが知られて
おり、このエチレングリコールは現在その高い有
毒性のために多くの国で使用が禁止されているも
のである。屈折計によるエチレングリコール含有
パーセントの測定方法はプロピレングリコールに
対して不運にも応用できない。なぜならばその密
度が水の密度に非常に近いからである。このため
本発明の装置は、この場合特に有利な他の溶液を
利用する。

本発明の装置は公知の液面計あるいは屈折計と
比べ多くの利点、即ち構成および操作の簡潔化、
低コスト、レベル指示器として使用する場合特に
有利な高いコントラスト、屈折率変化に対する高
感度性および屈折計としての高い性能性を有す
る。

液体の屈折率特性により光信号を与える本発明
の上記装置は、液中における懸濁固体粒子の存在
により妨害されることがある。この原因は固体粒
子が装置の検出部分、即ち交互に湾曲した光透過
ロツド上に沈着し、このロツドを汚すからであ
る。この現象は特にこのような粒子が検出部分上
に次第に蓄積される場合に生じる。

この種の汚染は、最初から固体を懸濁液の状態
で含む種々の液体媒質の場合あるいは時間の経過
と共に固体が生成される場合に特に問題となる。

代表的な例は従来の鉛−酸バツテリーの電解液
中に検出器を浸漬する場合である。このような電
解液は、バツテリーの極板および（または）溶器
の壁から次第に分離する粒子の付帯的な懸濁液生
成によつて少くとも部分的に時間の経過と共に変
化する。このような粒子はコロイド状の鉛、硫酸
鉛および他の不純物を含み、約１ミクロン以上の
大きさになる。

本発明の装置による測定がこのような粒子によ
つて妨害されないようにするためには、液体に浸
漬される光線ロツドの検出部分を保護包囲体で囲
うことが必要であり、この包囲体の少くなくとも
一部は、固体粒子が液体中を自由に行き来してい
る間に光線ロツドの検出部分に沈着しないように
設計された過材から作られる。

第８図は本発明で利用できる包囲体の具体例を
示しており、この包囲体は第２図、第３図、第４
図、第５図、第７図および第９図に示された装置
の検出部に対して利用され得る。

装置の検出部分は入力延伸部５１と出力延伸部
５２と交互湾曲部５３とからなる光フアイバーユ
ニツト５０であり、上記湾曲部は入力および出力
延伸部の間に位置し、通常Ωの形をした３つの湾
曲部からなる。

平行六面体５４は中間部分５３を密封状に包囲
し、ナイロンあるいはデルリン（Delrin）のよう
な液体に対して化学的に不活性な材料からなり、
また包囲体５４とこの壁を貫通する光フアイバー
の部分との間はアラルダイトエポキシ樹脂のよう
な化学的に不活性な接着剤によつて密封されてい
る。

包囲体５４の２つの相対する主要面には円形開
口部、即ち窓５５が設けられており、この窓内に
は薄い円盤５６が設けられており、これら円盤５
６は適切な過材からなつている。これら円盤は
カラー５７によつて適切な位置に保持され、これ
らカラーの１つは図面に示されている。保護包囲
体５４を有するフアイバー５０の検出部分５３
は、図示されているように測定される液体５８中
に浸漬される。

過円盤は液体が包囲体５４内を自由に行き来
し、それにより検出部５３と接触するように設計
され、この結果光フアイバーの出口延伸部に発光
信号が現われる。この信号は液体５８の屈折率の
特性である（上記原理による）。これと同時に上
記円盤は液体中の固体懸濁粒子の少くとも大部分
が検出部５３に達しないようにし、これにより測
定が妨害されないようにしている。

円板５６を構成している過材は、上記作用を
有することに加えて、包囲体を浸漬する液体に対
して化学的に不活性でなければならない。

一般的に、過材は粒子を締め出す必要性と液
体に対する充分な透過性の要求との間の兼ね合い
によつて決まる。なぜならば液体中の屈折率変化
の正確な測定は、このような変化が検出部分と接
触している液体に伝達される速度、つまり材を
通過する拡散速度によつて決まるからである。

殆どの目的に対して満足な種々の市販過材
は、結合材を含んでおらず、厚さ約0.25mmのほう
けい酸ガラスフアイバーの細かいメツシユから作
られたワツトマンフイルターGF／ＡおよびGf／
Ｃのようなガラスフアイバーフイルターであり、
上記の厚さによれば約１ミクロン以上の大きさを
有するすべての粒子を締め出すことができる。

もう１つの例として、ポリエステル樹脂によつ
て接着されかつ1.5mmの厚さを有するケンブリツ
ジフアイバーガラスフイルターが0.1ミクロン以
上の大きさの粒子をさえぎるために使用される。
ソヴイレルフイルターＧ１およびＧ２のような多
孔性粉砕ガラスフイルターも使用でき、この種の
フイルターは焼結ほうけい酸ガラスフリツトから
作られかつ約３mmの厚さを有し、これによれば90
〜200ミクロン以上の大きさの粒子の通過を阻止
することができる。

もちろん他の過材も使用可能であるが、一般
的に特殊な用途のために設計されている。例え
ば、電解液の屈折率つまり密度あるいは変化条件
を連続的に監視するために本発明装置が蓄電池内
で使用される時、特殊なフイルターによれば本発
明装置は活性な電解液間のセパレーターによつて
導入される屈折率に対して応答することができ
る。この場合フイルターはこのようなセパレータ
ーと同じ材料から作られる。

この目的のための代表的な材料はPORVIC1の
ポリ塩化ビニルであり、これはダゲナイト蓄電池
内のセパレーターとして使用される材料であり、
細孔構造および約0.8mmの厚さを有する焼結シー
トを構成している。このようなフイルターは約５
ミクロン以上の大きさの粒子の通過を阻止するこ
とができる。

この目的にふさわしいもう１つの材料はユアサ
セパレーターYT100BおよびY3115のようなバツ
テリーセパレーター用のポリエステルフイルムあ
るいはポリエステルはくであり、これらYT100B
およびY3115はそれぞれ約0.17mmおよび0.10mmの
厚さを有し、約0.1ミクロンの小さい粒子の通過
を阻止することができる。またこれら材料は可撓
性があり、種々の形に曲げられかつカプセル状に
はんだ付けすることもできる。

第８図に示されている保護包囲体の構造は、特
別な目的のために本発明に従つて変更できる。例
えば、保護包囲体の全体を過材から作ることも
可能であり、あるいは包囲体は２重の過材から
作ることもでき、このうちの１つの層は光透過管
の検出湾曲部からかなり離れている。この場合、
外側フイルターはプレフイルターとして作用し、
内側フイルターは最終フイルターとして作用す
る。プレフイルターは粗い粒子の通過を阻止し、
他方最終フイルターは細かい粒子の通過を阻止す
る。

包囲体は検出湾曲部上に直接塗布した過材に
よつて構成されることもでき、これによれば特に
コンパクトな装置が形成される。

５４で示されている包囲体は第８図に例示しか
つすでに説明した複合湾曲光学検出器に応用でき
るのみならず、懸濁固体粒子を含む、あるいは含
むようになる液状媒体中に浸漬される光学検出器
にも応用できる。このことは注目すべきことであ
る。後者のような光学検出器は（第１ａ図におけ
るような）単一の湾曲部を有し、あるいはプリズ
ム等によつて形成された検出部分を有する。

本発明で利用できる保護包囲体は、光学検出器
の検出部の汚染による混乱を防止する主な利点の
他に、周囲の現象が結果に影響しないようにする
他の多くの利点を有する。

例えば、過包囲体は光伝導体および液体によ
つて形成される界面上のあらゆる種類の発振、例
えば振動、車輛の運動等の作用を減じ、また装置
の検出部分を液体中にほんの一部浸漬する場合に
特に生じる寄生変動のない光信号を提供する。

また包囲体は、気泡と検出部分との接触によつ
て生じる光信号の寄生変動を防止し、上記気泡は
液体中に形成されるものである。

この過材が不透明である時、その過材は周
囲光あるいは迷走光による誤差の問題を取り除く
周囲光遮蔽体として作用する。

第９図は本発明の装置を示し、例えば液状媒体
中の気泡の存在を検出するシステムに使用され得
る。この気泡検出器は種々の目的、例えば充電中
に蓄電池内に生ずる気泡を検出するために使用さ
れ、つまり過充電警告装置として機能する。なぜ
ならば過充電は電解液中に気泡を増加させるから
である。

例 ３ 第９図の装置は光フアイバー光伝導体７５を含
み、この管は入力延伸部７６と出力延伸部７７と
鉛−酸バツテリー８０の電解液７９の中に浸漬さ
れる多数回湾曲したΩ形中間部７８とを有してい
る。

入力部７６の自由端には光束をフアイバーのこ
の端に導入する光源８１が設けられており、他
方、フアイバーの他端には光電変換器８２が設け
られており、この変換器からの出力Ｓは出力部７
７に現われる光強度を表わす電気信号である。光
源８１はLEDによつて構成され、他方変換器８
２はフオトダイオードによつて構成されている。

バツテリー８０の状態変化の関数としての電気
信号Ｓの変化は第１０図の曲線Ｅによつて表わさ
れ、この図面においては単一電流が横軸の時間に
対する縦軸に沿つてプロツトされている。

この線図における他の曲線Ｆは時間の関数とし
ての充電、即ち他の縦軸に沿つてプロツトされた
電圧Ｖを表わしており、この電圧は充填中に約
1.5ボルトから充填終了時の約2.7ボルトまで上昇
している。この曲線の上部平坦域において気泡が
生じる。

曲線Ｅは電気信号Ｓが時間と共にゆつくり減少
する第１成分と時間と共に急速に変化する第２不
連続成分とによつて構成されていることを示して
いる。上記第１成分は屈折率の特徴を示し、例え
ば2.5ボルトにおける充電終了直前の安定状態に
あり、また上記第２成分は気泡の発生および光フ
アイバー７５の検出部７８への気泡の到達を表わ
す。気泡と検出部７８との一時的な接触は、フア
イバー７５を通過する光伝送を急激に増加させ
る。

原信号Ｓは電子測定回路８３に送られ、この回
路は信号Ｓを分析し、ガス発生を表わす不連続第
２成分の状態を測定する。

回路８３は変換器８２の出力に直接接続されて
いる信号増幅器８４を含んでおり、この増幅器は
信号Ｓを増幅する。増幅器８４の出力に接続され
たフイルター８５は信号の２つの成分を分離し、
高周数成分のみを通過させる。この成分はフイル
ター８５の出力に接続された積分器内蔵レベル識
別器８６に送られる。過充電による気泡の生成を
表わすのではない一時的な寄生変動による警告信
号の発生を防止する所定のしきい値を積分された
成分が越える時、上記識別器が警告信号を発す
る。

この信号は表示装置８７、例えばLEDに送ら
れ、さらに充電器８９の制御回路に送られ、充電
操作を終結させる。信号の他の成分はデイスプレ
ー８８に送られ、このデイスプレーは充電継続の
指示を与える。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図および第１ｂ図は通常の光伝導体の断
面図である。第２〜第５図は本発明で使用する光
伝導体の断面図である。第６図は第５図の光伝導
体および通常の光伝導体によつて得られた結果を
示す図表である。第７図は複数のレベルを検出す
る共通の断面図である。第８図は光伝導体を含む
包囲体の斜視図である。第９図は本発明の屈折率
測定装置の説明図である。第１０図は第９図の屈
折率測定装置の作用を説明する図表である。 ８１……光源、８２……光電変換器、８４……
増幅器、８５……フイルター、８６……レベル識
別器、８７，８８……表示手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 細長い光伝導体と、光源と、光電変換器とを
   有し、 光伝導体が入力部と、この入力部に接続した中
   間部と、この中間部に接続した出力部とを有し、
   中間部が順次反対方向を指向するＵ形またはＶ形
   の複数の彎曲部からなるＳ形またはＷ形をなし、
   入力部が光伝導体に光を導入し、中間部が液体に
   浸漬し、出力部が液体の屈折率に対応する強度の
   光を導出するように設けてあり、 光源が光伝導体の入力部に接続し、 光電変換器が光伝導体の出力部に接続して、出
   力部から導出する光の強度を表わす電気信号を発
   する、 液体に浸漬してこの液体の屈折率を測定する装
   置であつて、 光電変換器８２に接続した増幅器８４と、 この増幅器８４に接続したフイルター８５であ
   つて、前記電気信号を第１および第２の成分に分
   離し、この第１の成分が屈折率に対応して時間と
   ともに緩かに変化し、第２の成分が不連続であつ
   て光伝導体の中間部に気泡が一時的に接触するこ
   とにより時間とともに速かに変化するように設け
   たフイルター８５と、 このフイルター８５に接続した積分器およびレ
   ベル識別器８６であつて、前記第２の成分の積分
   値が所定のしきい値を超えるときに、警報信号を
   発するように設けた積分器とレベル識別器８６
   と、 このレベル識別器８６に接続し、気泡の存在を
   示すように配置した第１の表示手段８７と、 前記フイルター８５に接続し、前記第１の成分
   を受取つて、液体の屈折率に対応する量を示す第
   ２の表示手段８８と、 を有することを特徴とする液体に浸漬してこの液
   体の屈折率を測定する装置。 ２ 電解液の屈折率に対応する前記第１の成分を
   使用して、電池の充電状態を示し、前記第２の成
   分を使用して、警報信号を発して過充電による気
   泡の発生を示して充電の終りを制御するように、
   電池の充電状態を検知して制御する、特許請求の
   範囲第１項記載の装置。