JPS63286751A - 気泡センサ装置及び気泡の検出方法 - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、泡センサ、特に、液体中の気泡の有無を検出
するセンサ及びかかる検出方法に関し、より具体的には
管を流動する液体中の気泡の有無を検出するセンサ及び
かかる検出方法に関する。

（ロ）従来の技術 泡センサは科学用、実験用及び医学用の各種機器に使用
されている。例えば、生物及び化学液体の分析に使用す
る自動化学分析装置において、試料中の検査しようとす
る液体の量を所定の精度にて制御しなければならない。

特別の化学的及び生物学的成分の含有率を検査するため
、液体試料を分析する場合、液状試料の量は最終分析結
果の重要なファクターである。又、大量の試料バッチを
分析する場合、純粋たる分析のため又は統計のための分
析であるか否か−を問わず、検査する各試料の量は全て
の試料を通じて一定に保つ必要のあることが多い。

自動化学分析装置の多くは、移変え管等を利用して試料
をウェル又は容器内に移し、分析を行う。

この移変え及び同様の液体操作時、液体はポンプ又は真
空装置を利用して移し変え管内に吸引する。

移変えようとする液体の液面が低い場合、又は、システ
ム内にエアギャップが存在する等の場合、液体試料中に
空気が混入することがある。かかる場合、検査しようと
する液体量の精度に誤差が生じ、そのため、空気又は泡
の混入した液体試料の分析結果は不正確になる。

泡センサは、現在、自動化学分析装置のような市販の機
器に使用されている。典型的な泡センサは発光ダイオー
ド（Ｌ　Ｅ　Ｄ）のような光源に対し、直径方向に対向
させた（１８０°）フォトダイオード又は７オトトラン
ジスタのような光検出機構を備え、液体が流動する管内
の空気又は泡の有無を検出する。ＬＥＤと管の間、及び
管とフォトダイオード間にピンホールがある場合、ＬＥ
Ｄとフォトダイオード間で検出される光路の径は管の内
径以下に制限される。管が液体で満たされている場合、
光は管の径に従ってＬＥＤから光検出機構に結合される
。泡が存在する場合、光結合は恐らく２５乃至５０％少
なくなる。

（ハ）発明が解決しようとする課題 光結合の効率向上等多くの理由により、液体を移す管内
の空気又は気泡の有無を検出する能力を改良する必要性
がある。かかる改良した泡センサは、１９８５年１１月
１８日に出願され、当山願人に譲渡された米国特許出願
第７９９，２３８号に開示される自動ランダム・アクセ
ス分析装置のような自動分析装置に最も適しているであ
ろう。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明の気泡センサ装置は、センサブロックと、中空管
をブロック上の比較的固定された位置に保持する保持手
段とを備えている。センサブロックに位置決めしようと
する管は中空であるため、液体がこの内部を流動し、又
、内面及び外面を備えている。このセンサ装置は、ブロ
ック上に位置決めしたとき、ブロックと関係し、光を管
に向け、光線が内面の法線に対し一定の角度にて照射さ
れるようにする手段を備えている。管内部に気泡が存在
するとき、ブロックと関係し、内面にて屈折された光を
検出する手段が設けられている。検出された光に応答し
て信号を発生させ、管内に気泡が存在することを示す為
の手段が設けられている。

本発明の別の態様は液体中の気泡の有無を検出する方法
である。この検出方法は、液体の入った中空管に光を向
け、光線が内面の法線に対し所定の角度にて照射される
ようにする段階を備えている。この方法はさらに、気泡
が管内に存在するとき、内面にて反射された光を検出す
るが、液体が管内に存在するとき、内面にて屈折する光
を検出しない段階を備えている。この検出された光を利
用して信号を発生させ、管内に気泡が存在することを示
す。

本発明の基本的者えによると、気泡の検出能力の改良が
可能になる。本発明の気泡センサ装置及びその方法は最
も簡単な機器に対して２０以上及び本発明に有用な、よ
り複雑な機器に対し２００以上の信号変調比（空気信号
／液体信号）を提供する。既存の泡センサシステムの信
号変調比は約１．５であるから、上記信号変調比は著し
く優れた値である。さらに、本発明の信号変調比は装置
での整合手順及びその他の調節手順を不要にするのに十
分大きい値である。本発明によると、方向いかんにより
中空管内を流動する液体中の直径５０ｍ程度の気泡を正
確に検出することが出来る。

さらに、本発明の装置及び技術が満足し得る結果を得る
ためには、液体は透明である必要はない。

本発明の泡センサ装置はその好適実施態様において、検
査する管に単に固定し、その組立体全体を平坦な表面に
クランプ止めすればよい。構成要素及び関係する機器の
コストは低廉であり、機器又は管は必要なとき、容易に
交換することが出来る。

（ホ）実施例 本発明の他の特徴及び利点は、実施例に関する以下の詳
細な説明から明らかになるであろう。

本発明は各種の形態にて具体化することが出来るが、以
下本発明の好適実施態様に関して詳細に説明する。但し
、以下の開示内容は本発明の基本的考えの一例として掲
げたものであり、本発明の範囲がこの実施態様にのみ限
定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範
囲の記載及びその均等物によってのみ判断すべきである
。

添付図、特に、第１図を参照すると、特に、液体が管内
を流動するとき、液体中の気泡の有無を検出するのに適
した気泡センサ装置１０が示しである。このセンサ装置
１０の主な構成要素はセンサブロック１２であり、この
センサブロック１２は、以下に説明するように、光学要
素及びプリント配線板１４を保持し、電気的接点又は経
路を提供し、以下に説明する自動化学分析装置のような
大形の機器と気泡センサ装置を電気的に接続させ得るよ
う設計し、かつ製造することが望ましい。

°本発明の気泡センサ装置の主たる機能の１つは、中空
管内を流動する液体中に、通常１又は２の泡の形態にて
存在する空気を検出することである。

管１５内にあり、又は管１５内を流動する液体を監視し
得るよう、センサブロック１２はこのセンサブロック１
２の幅全体にわたって伸びることが望ましい細長い凹所
１６を備えている。第１図及び第２図において、凹所１
６はセンサブロックの平坦面１８から僅かに内方に伸長
すると共に、弧状の形状の輪郭を備えている。凹所１６
の輪郭は図示するような、丸い外面の管１５を嵌入させ
易い形状にしである。さらに、凹所１６の形状は特別な
寸法の管を圧入状態に嵌入させ、センサブロック１２を
監視する管に固定し、管内部の液体中の気泡の有無を検
出し得るよう構成することが出来る。細長い溝１９の形
態とした別の凹所がセンサブロック１２の本体中に伸長
しており、この凹所は泡センサと関係する別の管の歪み
除去クランプとして利用する。

次いで、第１図−第４図を参照すると、センサブロック
１２、及びセンサ装置１０の光学及び電気的構成要素の
詳細が明確に示しである。センサブロック１２内には２
つの主流路２０．２２が設けられている。これら主流路
２０．２２は穿孔又は可能であれば成形といった便宜な
任意の方法にて形成することの出来る円形の管状穴とす
ることが望ましい。

両流路２０．２２はセンサブロック内にて斜めに配設さ
れているため、流路２０の軸心２４と流路２２の軸心２
５は、各々センサブロックの平坦面１８の位相に対し角
度ａを形成する。軸心２４．２５を斜めに配設すること
は管１５の製造材料と空気間に生じる全円反射臨界角と
関係するファクターであり、これについては後でより詳
細に説明する。管の材料と金白反射臨界角間のかかる７
アクターいかんにより、軸心２４．２５の角度ａは変化
する。上述し、図面に示した実施態様において、この角
度は約２５°にしである。

流路２０，２２は管１５を嵌入させる凹所１６と連通し
得るよう斜めに位置決めしである。大きいキャビティ２
６が流路２０と連通し、同様の大きいキャビティ２８は
流路２２と連通している。

上記流路及び大きいキャビティ（縦穴の形態とすること
が望ましい）を形成する能力を備え得るよう、センサブ
ロック１２は切欠き部２９．３０を備えている。これら
切欠き部２９．３０は上述のセンサブロックの製造作業
が容易であるようフライス削り又は鋳造にて形成するこ
とができる。

図示するように、センサブロック１２は又ブロックの各
隅部に穴３１を備えている。穴３１は印刷配線板１４を
センサ装置に取付けるための取付は穴である。使用中、
センサ装置を計器内に取付けるため、又は、必要な場合
、センサ装置の一部の構成要素にアクセスするための別
の穴３２を設けることが出来る。

モトローラが製造販売する部品番号ＭＦＯＥＩ２００の
ような発光ダイオード（Ｌ　Ｅ　Ｄ）を光源としてキャ
ビティ２６内に位置決めしである。ロッドレンズ３４の
ようなレンズを流路２０内に位置決めすることが望ま°
しい。この型式のロッドレンズはメレズグロイト（Ｍｅ
ｌｌｅｓ　Ｇｒｏｉｔ）から部品番号０６ＬＧＥ２１４
　（縮小率１．３０）にて入手することができる。キャ
ビティ２８内の反対側にはモトローラから部品番号ＭＦ
ＯＤ２２００の光フアイバフォトトランジスタを位置決
めし、光検出機構として使用することが出来る。

上述のロッドレンズ３４と同−型式及び仕様であること
が望ましいロッドレンズ３６が流路２２内に位置決めさ
れている。ＬＥＤ３３は第２図により明確に示すように
、プリント配線板１４と電気的に接続するための１又は
複数の電気接続部３８を備えている。同様に、フォトト
ランジスタ３５はｌ又は複数の電気接続部３９を備えて
おり、主として、光信号を電気信号に変換し、管内の流
体内の気泡の有無を示すため、プリント配線板１４と電
気的に接続させることが出来る。

第２図からは又、プリント回路板１４がブロック各隅部
の取付は離隔絶縁器４０及び適当なねじ又は機器４１に
よってセンサブロック１２に取付けられているのが分か
る。プリント回路板１４は所期の目的のため電気回路又
は電気的接続を為す一般的で、かつ周知の電気パッド、
コネクタ又は導線（図示せず）を備えている。この場合
、センサ装置１０を自動分析装置のような機器内に取付
けたとき、電気的接続が行われる。以下に説明するよう
に、検知された光信号と関係する電気信号を機器に供給
し、適当な表示装置、警報装置又は制御装置を作動させ
、監視中の管内の液体に空気又は気泡が存在することを
ユーザに知らせることが出来る。

次いで、第４図と共に第５図を参照すると、管を通って
流動する液体内の空気の有無を監視しているときの光路
に対する管１５の配設状態が示しである。管１５につい
ては、この管１５は外面４４、管壁４５、内面４６、及
び液体が流動するように管を通って伸長する中空内腔４
８を備えている。管１５はその外面４４がセンサブロッ
クの凹所１６の正確な形状の輪郭部内に定坐するように
位置決めされている。管１５の中心点４９は、本発明に
従い、入射光及び反射光が進む主な光路である軸心２４
．２５の収斂点から偏心させた位置にある。

具体的には、ＬＥＤ３３によって送られた光はロッドレ
ンズ３４を通って進み、光線５０　ａ、５０ｂ及び５０
ｃはレンズ内に集光され、レンズ３４の表面５１から出
ると収斂する。光線５０　ａ、５０ｂ及び５０ｃはレン
ズから出ると、最初、管１５の外面４４に当たる。次い
で、これら光線は管周囲の空気と管材料間の屈折率の差
により管１５の壁を経て回折される。本発明の基本的考
えによれば、各種材料の管を監視することが可能である
が、かかる管内を流動する液体中の気泡の有無を感知す
るには、４ふつかエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）製の管が最
適であることを確認した。ＰＴＦＥの屈折率は約１．３
５であり、内腔４８を通る監視せんとする典型的な液体
の屈折率も約も約１．３５である。一方、空気は、気泡
を含み、屈折率が１．００である。

上記特性を基にすると、レンズ３４を介して集光された
光は管１５に向けられ、光線５０　ａ、５０ｂ１及び５
０ｃは局部的箇所にて管の内表面４６に当たる。照射領
域を管の内表面の局所に限定することにより、信号変調
比（空気信号／液体信号）を大きくすることが出来、空
気が管内に存在することをより容易に検出することが可
能となる。管１５が、内径０．０９５ｃｍ　（０，０３
８ｉｎ）、外径０．１７５ｃｍ（０，０７０ｉｎ）の半
透明のテフロン製管である場合、管の内面の局部的箇所
の寸法は約１００−１５０μｍとすることが望ましい。

局部的照射箇所の寸法がこの程度である場合、信号変調
比は２０程度になる。

勿論、管の寸法が異なれば、局部的照射箇所の寸法を上
記以外の値にし、所期の大きい信号変調比となるように
することが出来る。信号変調比をさらに大きくする別の
方法は、第４図に示すように、キャビティ２６内でＬＥ
Ｄ３３とレンズ３４間に位置決めしたプレート５４を設
げることである。

約５０μｍのピンホール５５を設けることにより、管内
面の局部的照射箇所の寸法を約４０７ｆｍに小さくする
ことが出来る。この場合、信号変調比は２００近くなり
、又これ以上となる。このように、信号は極めて強力で
あるため、管内に気泡が存在するか否かより容易に検出
出来、直径５０μｍ程度の気泡でさえ比較的容易に検出
することが可能である。

次いで、第４図の細部と共に、第５図を参照すると、光
線が局部的箇所５６を照射する間、内面４６に一定の角
度にて当たるよう入射光又は照射光（５０ａ、５０　ｂ
及び５０ｃ）が配設されてい　゛るのが分かる。上記角
度は、空気と管材料間に生ずる内反射総臨界角度との関
係で選択する。この内反射総臨界角度は、材料及び周囲
の媒質（通常空気）との境界面における屈折率の差によ
り光を反射させる全ての表面に適用出来る。ＰＴＦＥ製
の管の場合、ＰＴＦＥ−空気の境界の内面反射総臨界角
度は、約４７．８ｃであり、かかる境界の固有の特性値
として設定することが可能である。各光線５０　ａ、　
５０　ｂ、及び５０ｃが内面４６に当たる箇所にて、内
面の接触点における接線に対し垂直な軸として定められ
る、通常、法線と称される上下軸がある。光線５０ａに
対する法線は５６ａ１光線５０ｃに対する法線は５６ｃ
として示しである。各場合共、照射光又は入射光５０と
法線間にはｂｌ、ｂ２及びｂ３で示した角度が生ずる。

照射光の光線５０と法線５６間の最小角度が望ましくは
内面反射総臨界角度を上回るようレンズ３４を湧る入射
光とこの光が管の内面４６に当たる位置間の配設関係に
しである。上述のように、ＰＴＦＥ−空気の境界の対し
、この臨界角度は４７．８°であり、上述の実施態様に
おいて、角度ｂ１、ｂ２、及びｂ３は全て４７．８°以
上である。

上述のように、センサブロック１２は、角度ａが約２５
°となる軸心２４．２５の配設状態であるように構成さ
れている。この軸心の配向状態にて、軸心２４に対し略
一致した状態にて出る光線の中心線に対する角度ｂ２は
、第５図に示すよう、約６５°となるであろう。角度ｂ
ｌは６５゜より若干小さく、角度ｂ３は６５″より若干
大きい。しかし、全ての場合、別の光線の関係する全て
の角度すはＰＴＦＥ−空気境界にて生ずる内面反射総臨
界角度以上となる。

上述に状態及び性質によると、光線５０ａ、５０ｂ１及
び５０ｃを含む全照射光は、管の内腔４８内に空気又は
気泡が存在するとき、内面４６の箇所５２にて反射され
る。反射された光線は第５図にて５８　ａ、　５８　ｂ
、　５８　ｃで示しである。反射光５８ａ、５８ｂ、５
８ｃはレンズ内に進み、ここで、集められ、フォトトラ
ンジスタ３５に進む。これら光信号がフォトトランジス
タ３５内で集められると、センサ装置の印刷配線板を介
して処理され、次いでこれら信号を利用して、管内に気
泡が存在することを示す。上述のように、自動化学分析
装置のような機器に表示装置、警報装置、又はその他の
指示装置を設け、管内の気泡の存在に関係する反射光に
応答する信号を受信することが出来る。

一方、管の内腔４８に空気が存在せず、液体しか入って
いない場合、光線５０　ａ、　５０　ｂｌ及び５０ｃは
局部箇所５２にて反射され、液体と管の屈折率が略同−
である限り、液体中を進む。これら反射光線は６０ａ、
６０ｂ及び６０ｃで示しである。第５図に示すように、
反射光線６０ａ、６０ｂ及び６０ｃはレンズ３６及びフ
ォトトランジスタの集光軸２５から離反する方向に進む
。従って、反射光線は集光過程にて無視され、これら反
射光線はその表面１８から伸長する流路の延長部を経て
センサブロックから出る。この点に関し、フォトトラン
ジスタ３５が受信し信号管内の空気ではなく、液体によ
って略１００％変調される。

このように、本発明は液体、特に、管内を流動する液体
中の気泡の有無を検出するセンサ及び検出方法を提供す
るもの出ある。本発明は最も簡単な光学要素の場合２０
以上、及びより複雑な形態の光学要素の場合２００以上
の信号変調比（空気信号／液体信号）を達成する。これ
は、現在のシステムの典型的な信号変調比が約１．５で
あることを考えると、著しい改良である。さらに、本発
明の基本的考えのため、管内を流動する液体が透明でな
くとも、良好な結果を得ることが出来る。

従って、本発明のセンサは機能上信頼性が高いのみなら
ず、低源かつ容易に製造し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は監視しようとする管が所定位置にある、本発明
の気泡センサの好適実施態様を示す、平面図、 第２図は第１図の線２−２に関する気泡センサの断面図
、 第３図は印刷配線板を取外した第１図の気泡センサ装置
のセンサブロックを示す、平面図、第４図は管が監視位
置にある気泡センサ装置の光学要素及び光路の拡大断面
図、及び 第５図は気泡の有無を監視する液体を入れた中空管から
反射され、及びこの中空管を通って屈折される光線及び
光路の拡大略図である。 （主要符号の説明） ｌＯ：気泡センサ装置 １２：センサブロック １４：印刷回路板 １５：中空管 １６：凹所 １７：平坦面 １９：溝 ２０．２２：流路 ２４．２５：軸心 ２８：キャビティ ２９．３０：切欠き部 ３１：穴 ３３：発光ダイオード（Ｌ　Ｅ　Ｄ） ３５：フォトトランジスタ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）ａ）センサブロックと、 ｂ）内面及び外面を有し、液体が内部を流動する中空管
   を収容するため、前記センサブロックに形成した凹所と
   、 ｃ）前記凹所内に位置決めされた前記中空管に光を向け
   、光線が前記内面の法線に対し、一定の角度にて前記内
   面に当たるよう前記センサブロック内に配設された光源
   と、 ｄ）前記管内に気泡が存在するとき、前記内面にて反射
   された光を受理し、前記管内に液体が存在するときに前
   記内面にて反射する光を実質的に受理しないようになさ
   れ、かつ前記センサブロック内に配設された光検出器と
   、及び ｅ）前記光検出器によって受理された光を基に前記管内
   に気泡が存在することを指示する信号を発生させる手段
   とを備えることを特徴とする気泡センサ装置。
2. （２）前記管を前記凹所内に位置決めしたとき、前記光
   源からの光が前記内面の局部的箇所に当たるよう、前記
   管を嵌入させる凹所及び光源を配設することを特徴とす
   る請求項１に記載のセンサ装置。
3. （３）前記管内面の前記局部的箇所に集光されるよう、
   前記光源と前記凹所間にレンズを位置決めすることを特
   徴とする請求項２に記載のセンサ装置。
4. （４）前記凹所内に前記管を位置決めしたとき、前記内
   面に当たる全ての光線と前記光が当たる前記内面の法線
   間の最小角度が、空気と前記管の材料間の全内反射臨界
   角以上となるように、前記管を収容する凹所と光源を配
   設することを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
5. （５）空気と４ふっ化エチレン樹脂製管の内面間におけ
   る全内反射臨界角度が約４７．８°であり、前記内面に
   当たる全ての光線と前記法線間の前記最小角度が、４７
   ．８°以上となるように、前記４ふっ化エチレン樹脂製
   管を収容する凹所と光源を配設し、及び前記凹所が丸形
   管を嵌入させ易いよう、弧状の形状を備えることを特徴
   とする請求項４に記載のセンサ装置。
6. （６）ａ）センサブロックと、 ｂ）内面及び外面を有し、内部を液体が流動するよう中
   空の管を前記センサブロックの比較的固定位置に保持す
   る手段と、 ｃ）前記センサブロックに位置決めされた前記管に光を
   当て、光線が前記内面の法線に対し一定の角度にて前記
   内面に当たるよう、前記センサブロック内に配設された
   手段と、 ｄ）前記管内に気泡が存在するとき、前記センサブロッ
   クと関係し、前記内面にて反射された光を検出するが、
   前記管内に液体が存在するとき、前記内面にて屈折する
   略全ての光を検出しない手段と、及び ｅ）前記検出された光と関係し、前記管内に気泡が存在
   することを指示する信号を発生させる手段とを備えるこ
   とを特徴とする気泡センサ装置。
7. （７）ａ）センサブロックと、 ｂ）略丸形の外面、液体が流動し得る中空の流路、及び
   前記流路を囲繞する内面を有する管を収容する、前記セ
   ンサブロックに形成した弧状の凹所と、 ｃ）前記凹所内に位置決めされた前記管に光が当たるよ
   う、前記センサブロック内に配設された光源と、 ｄ）前記光源からの光線が前記内面の法線に対し、一定
   の角度にて前記管内面の局部的箇所に当たるよう、前記
   光源と前記凹所間に位置決めされた第１レンズと、 ｅ）前記管内に気泡が存在するとき、前記内面にて反射
   された光を受理するが、前記管内に液体が存在するとき
   、前記内面にて屈折された略全ての光を受理しないよう
   、前記センサブロック内に配設された光検出器と、 ｆ）前記先出器内に光を受理し易いよう、前記凹所と前
   記光検出器間に位置決めされた第２レンズと、及び ｇ）前記光検出器が受理した光を基に前記管内に気泡が
   存在することを指示する信号を発生させる手段とを備え
   、 前記内面に当たる全ての光線と前記光が当 たる前記内面の法線間の最小角度が、空気と前記管の材
   料間に生じる全内反射臨界角度以上であるようにしたこ
   とを特徴とする、管内を流動する液体中の空気の有無を
   検出するセンサ装置。
8. （８）ａ）光線が、液体の入った中空の管の局部的箇所
   において、かつ前記管の内面の法線に対し一定の角度に
   て前記内面に当たるよう、前記中空管に光を向ける段階
   と、 ｂ）前記管内に気泡が存在するとき、前記内面にて反射
   された光を検出するが、前記管内に液体が存在するとき
   、前記内面にて屈折された略全ての光を検出しないよう
   にする段階と、及び ｃ）前記検出された光を利用して、前記管内に空気が存
   在することを指示する信号を発生させる段階とを備える
   ことを特徴とする、液体中の気泡の有無を検出する方法
   。
9. （９）前記中空管の内面に光を当てる段階が、前記内面
   に当たる全ての光線と前記光が当たる前記内面の法線間
   の最小角度を空気と前記管の材料間に生ずる全内反射臨
   界角度以上であるようにする段階を備えることを特徴と
   する請求項８に記載の検出方法。
10. （１０）空気と４ふっ化エチレン樹脂製管の内面間の境
    界における全内反射臨界角度が、約４７．８°であり、
    前記中空管の内面に光を当てる段階が、前記内面に当た
    る光線と前記法線間の最小角度を４７．８°以上である
    ようにする段階を備えることを特徴とする請求項９に記
    載の検出方法。