JPS6365321A

JPS6365321A - 光学式液面レベルセンサ

Info

Publication number: JPS6365321A
Application number: JP21106086A
Authority: JP
Inventors: Hajime Hattori; 肇服部; Takashi Takeo; 竹尾　隆; Koji Shibata; 浩司柴田; Atsushi Okamoto; 淳岡本; Kazuyuki Nishiyama; 和幸西山
Original assignee: NAGOYASHI; Tsuchiya KK
Current assignee: NAGOYASHI; Tsuchiya KK
Priority date: 1986-09-08
Filing date: 1986-09-08
Publication date: 1988-03-23
Also published as: JPH0367579B2

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）本発明は光伝送路内を伝搬する光が気相と液相の屈折率
差に対応して漏洩する性質を利用した光学式液面レベル
センサに関する。

（従来の技術）近年、産業計測分野における液面計測において光ファイ
バなどの光伝送路を用いた計測センサが種々提案されて
いる。例えば、光ファイバのクラッド部の一部を剥離し
てコア部を露出させ、光フアイバ中の光透過量の変化に
より液体の有無もしくは液面を検出するセンサ、もしく
は特開昭５８−１８１２６号公報には入射光を伝送する
第１の光路と反射光を伝送する第２の光路を光ファイバ
で形成し、前記光路の開放端となる光ファイバの一端に
プリズムを付設した液面センサなどが開示されている。

（発明が解決しようとする問題点）上記従来の液面計測センサの前者においては、光ファイ
バのクラッド剥離部が、後者においてはプリズムの部分
がセンサとして機能している。このため液面レベルの測
定領域はポイントであり、１個のセンサで連続した液面
レベルの変化を測定することは不可能であった。仮に連
続した液面レベルの変化を測定するためには、同様のセ
ンサを多数並べる必要があり、コストが高く分解能も不
十分であるという問題があった。

そこで本発明は、１本の光伝送路をある曲率半径で曲げ
ることにより、連続した液面レベルの変化を測定可能と
した簡易で安価な光伝送路を用いた光学的液面レベルセ
ンサを提供することを解決すべき技術的課題とするもの
である。

（問題点を解決するための手段）上記課題解決のための技術的手段は、光源から発光され
た信号光の透過光射が気相と液相の屈折率差に対応して
変化することを利用し、液面の連続した変位を広範囲に
測定するための光伝送路を使用した光学式液面レベルセ
ンサを、前記光伝送路を任意の曲率半径で曲げることに
よって形成することである。

または、前記光伝送路を案内部材に添設させることによ
り任意め曲率半径で光伝送路を曲げ形成した構成にする
ことである。

（作用、原理）次に、本発明の光学的液面レベルセンサにおける液面計
測の原理を第１図〜第３図に従って説明する。

最初に第１図を参照し屈折率ｎｆを有する光伝送路１の
空気２中での光３の伝搬を考える。光伝送路１と空気２
との境界面に対して角度θで光３が入射した場合、入射
角θに対して光３の伝搬角はθａ＝ｓ　ｉ　ｎ”（ｎａ
／ｎｆ）（但Ｌ／　ｎ　ａ　Ｇｅｔ空気の屈折率）で与
えられる。すなわち入射角θがθａくθ≦９０’の範囲
では光３は左右の境界面で全反射を繰り返し、光伝送路
１内を伝搬していく。

次に第２図に示すように、上記光伝送路１の一部が屈折
率ｎＪを有する液相４と接している場合を考える。液相
４では光３の伝搬角はθＪ　＝ｓ　ｉｎ”（ｎｊｌ／ｎ
ｆ）で与えられ、入射角θが０ｇくθ≦９０°の範囲で
は光３は減衰することなく伝搬していく。しかし入射角
θがθａくθくθｐの範囲の光３は放射モードとなり急
速に減衰して−〇　− いく。換言すれば、光伝送路１のある範囲が液に浸され
ることにより、放射モードとなった光３が漏洩光６とし
て漏洩してしまえば、あとは液面レベル５によらず一定
光量が伝搬する。このため所望の高さにわたる液面レベ
ル５の変化を、透過光強度により測定することはできな
い。

次に第３図に示すように、前記光伝送路１を半径Ｒで曲
げた場合を考える。光伝送路１の直線部より無反射で伝
搬してぎた光７は、光伝送路１のＲ部の外側面で反射さ
れる。同様に液相４中を反射しながら伝搬してきた光８
も、光伝送路１の外側及び内側Ｒ部で反射され伝搬して
いく。このとき光伝送路１が半径Ｒで曲がっているため
に、伝搬光の反射角度が変化する。このため反射角がθ
ａ〈θくθ」の範囲に変換されたものは新たに液相放射
モードとなり、液面レベル５の上昇に伴い、透過光量が
減少することになる。

この原理を応用して光伝送路１を大きな半径から徐々に
小さな半径となるように曲げることにより液面レベル５
に応じて透過光量を減少させることが可能となり、この
透過光量を計測することにより液面レベル５を連続的に
測定することができる。

（実施例）次に本発明による光伝送路を用いた光学式液面レベルセ
ンサの実施例を図面に従って説明する。

第４図（ａ）、（ｂ）は光ファイバ１３を円柱１４に巻
き付け、連続的に任意の曲率半径を持たせることにより
形成した液面レベルセンサである。

この液面レベルセンサは図示していない発光ダイオード
などの光源からの光を光ファイバ１３の一端１１より入
射し、光ファイバ１３を透過した光を受光するための例
えばフォトトランジスタを光ファイバ１３の他端１２側
に設けたものである。

第４図（ａ）は光ファイバ１３の巻きピッチを一定にし
た液面レベルセンサである。この液面レベルセンサの出
力は、第５図（ａ）のような特性を有し、液面レベルセ
ンサの下部が、液相に浸っているときの光の漏洩量が多
く、液面レベルが上部に達するに従い透過光量変化は少
なくなる。そこぐ、第４図（ｂ）に示すように光ファイ
バの巻きピッチを始めは大きくそして上になるに従って
徐々に小さくしていくことにより、液面が低い場合の光
の急激な漏洩を防ぎ、液面が高い場合の光の漏洩量を増
加させ、全体として第５図（ｂ）のようなリニアな出力
特性が得られる。

また、光ファイバ１３を巻く支柱の形状を第６図に示す
ような上方になるに従って徐々に曲率半径が小さくなる
形状の支柱１４ａ、１４ｂとすることによってもリニア
な出力特性が得られる。第６図（ａ）及び（Ｃ）は円錐
状の支柱１４ａの平面図及び正面図であり、第６図（ｂ
）及び（ｄ）は四角柱状の支柱１４ｂの平面図及び正面
図である。

第６図（ｂ）は四角柱のコーナーにＲを持たｕｌぞの曲
率半径を上にいくに従い小さくしたものである。この支
柱に巻かれた光ファイバは直線部とＲ部を持つことにな
る。このように直線部とＲ部を組合せてセンサ部を構成
することにより光の漏洩量を制御しやすく、より広範囲
の液面計測ができる。

第７図は光ファイバ１３を蛇行状にくねらせ連続的に任
意の曲率半径を持たせた液面レベルセンサであり、並列
に並べた支柱１４に沿って光ファイバ１３を蛇行状にく
ねらせている。

また、光ファイバとしてプラスチックファイバを用いる
場合は、これを円柱１４に巻いて熱変形させた後、支柱
１４を取り除いてもよい。尚、支柱１４は１本の棒でな
く何本もの細い棒で構成してもよい。このことにより、
光ファイバの液切れがよくなり、応答時間が短かくなる
。しかし自動車のガソリン液面レベル測定用としては、
一般に応答時間が遅い方が良いのでこの必要はない。

第８図は、光学的に透明な誘電体基板１０上に、任意の
曲率半径で曲げたリッジ形光伝送路９を形成した液面レ
ベルセンサである。発光ダイオードなどの光源からの光
をリッジ形光伝送路９の一端１１より入射し、透過光を
受光する例えばフォトトランジスタをリッジ形光伝送路
９の他端側１２に設けるものである。また、リッジ形光
伝送路９の曲率半径は、タンク底面で大きく、上にいく
に従って徐々に小さくしていく。このことにより液面が
低い位置での光の漏洩量を少なくし、液面レベルに対し
てリニアな出力特性が得られる。この光の漏洩間はリッ
ジ形光伝送路９の曲率半径、ｌ〕。

屈折率及び被測定液体の屈折率によって決まる。

また第８図のリッジ形光伝送路９（屈折率ｎｆ）に屈折
率ｎｃ　（ｎｃ＜ｎｆ）の光学的に透明な材質によりク
ラッド層を設けると、クラッド層の作用により、光伝送
路より大きな屈折率を持つ液相に対しても液面レベルの
連続した変化を測定できる。

（発明の効果）次に本発明の効果について述べる。第１に液面の連続し
た変位量を一本の光伝送路の透過光量強度として計測で
き、構造が単純でかつ小型化が可能である。第２に光伝
送路の曲率半径、巾を変化させることにより様々な屈折
率を持つ液面レベルが計測できる。また、クラッド層を
設けることにより、光伝送路より大きな屈折率を持つ液
面のレベルも計測できる。第３に純光学的な手法を用い
て液面レベルを計測するため、ガソリンタンクなど爆発
の危険がある所でも使用できる。第４に光伝送路の曲率
半径を変えることによりセンサ出力特性を自由に変える
ことができるので、ガソリンタンクなどのタンク形状に
合せた出力特性を簡単に設計できる。

なお、本発明の適用範囲は、前記記載の実施例に限定さ
れるものでな（特許請求の範囲に記載したすべての事項
に言い及ぶものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は光伝送路の光の伝搬特性を示す原理説明図、第
２図は光伝送路の１部が液相と接しているときの光の伝
搬特性を示す原理説明図、第３図は半径Ｒで曲げた光伝
送路の１部を液相に浸したときの光の伝搬特性を示す原
理説明図である。以下図面は実施例に係り、第４図（ａ）は光ファイバを
円柱面にピッチ一定で巻いた液面レベルセンザの外観図
、第４図（ｂ）は光ファイバを円柱面にピッチを徐々に
変化させて巻いた液面レベルセンサの外観図、第５図（
ａ）は第４図（ａ）に示した液面レベルセンサの出力特
性図、第５図（ｂ）は第４図（ｂ）に示した液面レベル
センサの出力特性図、第６図（ａ）は液面レベルセンサ
にリニアな出力特性を持たせるための円錐形支柱の平面
図、第６図（Ｃ）は第６図（ａ）の正面図、第６図（ｂ
）は四角柱状支柱の平面図、第６図（ｄ）は第６図（ｂ
）の正面図て・ある。第７図は光ファイバを蛇行状に形
成した液面レベルセンサの外観図、第８図（ａ）は基板
上に形成されたりッジ形光伝送路を備えた液面レベルセ
ンサの外観図、第８図（ｂ）は第８図（ａ）のＡ−Ａ　
′矢視断面図である。９・・・リッジ形光伝送路１０・・・基板１１・・・光入射位置１２・・・フォトトランジスタ取付位置１３・・・光フ
ァイバ１４・・・円柱１４ａ・・・円錐形支柱１４ｂ・・・四角柱状支柱

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光源から発光された信号光の透過光量が気相と液
相の屈折率差に対応して変化することを利用し、液面の
連続した変位を広範囲に測定するための光伝送路を使用
した光学式液面レベルセンサであって、前記光伝送路を
任意の曲率半径で曲げたことを特徴とする光学式液面レ
ベルセンサ。
（２）前記光伝送路を光ファイバで形成したことを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の光学式液面レベルセ
ンサ。
（３）前記光ファイバを蛇行状にくねらすことにより連
続的に任意の曲率半径を持たせたことを特徴とする特許
請求の範囲第２項記載の光学式液面レベルセンサ。
（４）前記光ファイバの曲げ部分のクラッドを部分的に
もしくは全部を剥離したことを特徴とする特許請求の範
囲第２項記載の光学式液面レベルセンサ。
（５）光源から発光された信号光の透過光量が気相と液
相の屈曲率差に対応して変化することを利用し、液面の
連続した変位を広範囲に測定するための光伝送路を使用
した光学式液面レベルセンサであって、前記光伝送路を
添設させることにより任意の曲率半径で光伝送路を曲げ
形成するための案内部材を用いたことを特徴とする光学
式液面レベルセンサ。
（６）前記案内部材を透明な基板とすることを特徴とす
る特許請求の範囲第５項記載の光学式液面レベルセンサ
。
（７）前記案内部材を一軸回転体支柱とすることを特徴
とする特許請求の範囲第５項記載の光学式液面レベルセ
ンサ。
（８）前記光伝送路を光ファイバで形成したことを特徴
とする特許請求の範囲第５項または第７項記載の光学式
液面レベルセンサ。
（９）前記基板上に形成された光伝送路をリッジ型にす
るとともに同リッジ型光伝送路を任意の曲率半径で曲げ
たことを特徴とする特許請求の範囲第６項記載の光学式
液面レベルセンサ。
（１０）前記一軸回転体支柱に埋込式で光伝送路を形成
し、連続的に任意の曲率半径を持たせたことを特徴とす
る特許請求の範囲第７項記載の光学式液面レベルセンサ
。
（１１）前記一軸回転体支柱にリッジ形光伝送路を形成
し、連続的に任意の曲率半径を持たせたことを特徴とす
る特許請求の範囲第７項記載の光学式液面レベルセンサ
。
（１２）前記光ファイバの曲げ部分のクラッドを部分的
にもしくは全部を剥離したことを特徴とする特許請求の
範囲第８項記載の光学式液面レベルセンサ。
（１３）前記光伝送路の曲げ部分に光学的に透明なクラ
ッド層を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第５項
記載の光学式液面レベルセンサ。