JPWO2020105540A1 - 流体検出センサおよび流体検出装置 - Google Patents

Abstract

本開示の流体検出センサは、基板上に長手方向に沿って配置された複数の発光素子からなる発光素子列および複数の受光素子からなる受光素子列を有する光学センサと、光学センサに対向して長手方向に沿って配置された透光性の管状体からなり、管状体の内側が、実質的に混じり合わない複数の流体がスラグ流として流れる流路である、流路部材と、流路に対して光学センサの反対側に配置された反射部材とを備え、発光素子列が流路のスラグ流に照射して反射部材で反射した光を受光素子列で受光して、流体の移動に応じて生じる光の変化を検出する。

Description

本開示は、細管状の流路を実質的に混じり合わない流体が流れることによって形成されるスラグ流について、その移動速度などの変化の様子を検出するのに好適な流体検出センサおよび流体検出装置に関する。

内径が数ｍｍ程度までの円管などの管状体で形成される流路を、気体と液体と、あるいは水性の液体と油性の液体と、などのような互いに実質的に混じり合わない流体が交互にスラグと言われる塊となって並んで流れる状態の流れをスラグ流という。スラグ流は、互いに溶け合わない流体が独立して流路内を流れていくことから、それぞれのスラグ内において循環流が生じ、その循環流による高い局所混合性能と低剪断性による穏やかな撹拌条件との両立が可能となる。また、スラグの循環流によって、気体と液体との界面、または液体と液体との界面における濃度更新も頻繁に行なわれるため、互いの流体相間の物質移動の促進効果も有し、さらに物質移動の促進によって反応効率の向上効果も有している。そのためスラグ流は、マイクロリアクターとしての各種の反応、配管の洗浄など、あるいはバイオ系分野などおける撹拌操作など、あるいは希少金属の分離・回収などの種々の分野への応用が期待されている。

また、スラグ流の応用に際しては、その流れの検出が重要である。そこで、光学センサを使用してスラグ流の検出を行なう種々の構成が提案されている。例えば、特開2005−216730号公報には、ダイレクトメタノール型燃料電池から排出される気液二層流のスラグ流におけるメニスカスの液相または気相を検出するための流体検出手段として、流出路の一部に透明部を備えるとともに、その上流側と下流側とにそれぞれ対をなす光学センサを配置することが記載されている。これによれば、スラグ流においてのメニスカスの液相および気相を検出することができ、燃料電池の排出側における液体、気体を簡易な構成でもって検出することができるというものである。

また、特開2010−71711号公報には、血液フィルタにおける血液（第１流体）の移動速度あるいは血液に対する空気（第２流体）の導入量を測定するため、直線部を有する管状部材と、直線部を移動する第１流体と第２流体との界面を検出するための複数のフォトセンサを有する流量センサが記載されている。これによれば、複数のフォトセンサによって、界面の移動速度を検出することができ、また移動速度の経時的変化を測定することができるというものである。

これらの特許公報に記載された流体検出手段および流量センサは、それぞれ固有の目的に特化して、いずれも受光センサのみを用いて流体の界面を検出しようとするものであった。そのため、種々の流体の組合せによって形成される様々なスラグ流に対して、そのスラグの移動速度、大きさ、およびそれらの変化を検出するのに好適な、良好なセンシング性能を有する流体検出センサおよびそれを用いた流体検出装置が望まれている。

本開示の流体検出センサは、基板上に長手方向に沿って配置された複数の発光素子からなる発光素子列および複数の受光素子からなる受光素子列を有する光学センサと、該光学センサに対向して長手方向に沿って配置された透光性の管状体からなり、該管状体の内側が、実質的に混じり合わない複数の流体がスラグ流として流れる流路である、流路部材と、前記流路に対して前記光学センサの反対側に配置された反射部材とを備える。前記発光素子列が前記流路の前記スラグ流に照射して前記反射部材で反射した光を前記受光素子列で受光して、複数の前記流体の移動に応じて生じる光の変化を検出する。

本開示の流体検出装置は、上記の流体検出センサと、前記発光素子列の複数の前記発光素子における発光を制御し、前記受光素子列の複数の前記受光素子における複数の前記流体の移動に応じて生じる光の変化に応じた出力電流の変化を検出し、検出した該出力電流の変化から前記スラグ流に関する情報を取得する処理部とを備える。

本開示の流体検出センサの実施の形態の一例を示す図であり、（ａ）は部分透視斜視図、（ｂ）は長手方向に沿った側面図、（ｃ）は長手方向に直交する断面で見た断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ本開示の流体検出センサの実施の形態の他の例を示す、図１（ｃ）と同様の断面図である。 本開示の流体検出センサの実施の形態の他の例を示す、図１（ｃ）と同様の断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ本開示の流体検出センサの実施の形態の他の例を示す、図１（ｃ）と同様の断面図である。 本開示の流体検出センサの実施の形態の他の例を示す、図１（ｃ）と同様の断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ本開示の流体検出センサにおける光学センサの実施の形態の一例を示す平面図である。 本開示の流体検出センサにおける光学センサの実施の形態の他の例を示す平面図である。 本開示の流体検出センサの実施の形態の他の例を示す、図１（ｃ）と同様の断面図である。 本開示の流体検出センサの実施の形態の他の例を示す図であり、（ａ）は図３と同様の断面図、（ｂ）はその一部を横から見上げた状態の斜視図である。 本開示の流体検出センサの実施の形態の他の例を示す、図３と同様の断面図である。 本開示の流体検出センサの実施の形態の他の例を示す、一部を斜視図にした図３と同様の断面図である。 本開示の流体検出センサにおける光学センサに対する反射部材の配置についての実施の形態の他の例を示す、図７と同様の平面図である。

本開示の流体検出センサは、発光素子列が流路のスラグ流に照射して反射部材で反射した光を受光素子列で受光して、複数の流体の移動に応じて生じる光の変化を検出する。これにより、様々なスラグ流に対して、スラグの移動速度、大きさ、およびそれらの変化を検出するのに好適であり、良好なセンシング性能を得ることができる。

本開示の流体検出装置は、本開示の流体検出センサと、発光素子列の複数の発光素子における発光を制御し、受光素子列の複数の受光素子における出力電流の変化を検出し、出力電流の変化からスラグ流に関する情報を取得する処理部とを備える。これにより、様々なスラグ流に対して、スラグの移動速度、大きさ、およびそれらの変化を検出するのに好適であり、良好なセンシング性能を得ることができる。

以下、本開示の流体検出センサおよび流体検出装置の実施の形態の例について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の例は本開示の実施の形態を例示するものであって、本開示はこれらの実施の形態に限定されるものではない。

図１（ａ）は本開示の流体検出センサの実施の形態の一例を示す部分透視斜視図である。図１（ｂ）は流路部材の長手方向に沿った側面図である。図１（ｃ）は流路部材の長手方向に直交する断面で見た断面図である。本開示の流体検出センサ１は、基板２上に長手方向に沿って配置された複数の発光素子３ａからなる発光素子列３および複数の受光素子４ａからなる受光素子列４を有する光学センサ５を備えている。また、この光学センサ５に対向して長手方向に沿って配置された透光性の管状体６からなり、この管状体６の内側が、実質的に混じり合わない複数の流体７（７ａ，７ｂ）がスラグ流として流れる流路８である、流路部材９を備えている。また、流路８に対して光学センサ５の反対側に配置された反射部材10を備えている。

なお、図１（ａ）において、基板２の下面に配置されている複数の発光素子３ａによる発光素子列３および複数の受光素子４ａによる受光素子列４を透視した状態で示している。また、スラグ流を構成する互いに実質的に混じり合わない複数の流体７ａ，７ｂについては、それぞれにハッチングを施して示している。流路８の左右に示した白抜き矢印は、流体７の流れの方向を示しており、図１（ａ）においては、流体７は図の左から右方向に向かって流れる。図１（ｂ）および（ｃ）に示した一点鎖線の矢印は、発光素子３ａから発して流路部材９を通過して反射部材10で反射した光が、再び流路部材９を通過して受光素子４ａに向かう様子を仮想的に示している。なお、この一点鎖線は、必ずしも光路を正確に示しているものではない。また、流路８を通過する流体７（７ａ，７ｂ）の屈折率が異なると、この光路は屈折率の違いに応じて変化することになる。

このような流体検出センサ１によれば、発光素子列３の発光素子３ａが流路部材９の流路８を流れるスラグ流に照射して反射部材10で反射した光を受光素子列４の受光素子４ａで受光して、複数の流体７（７ａ，７ｂ）の移動に応じて生じる光の変化を検出する。これにより、種々の流体７（７ａ，７ｂ）によって形成される様々なスラグ流に対して、スラグ（それぞれの流体７（７ａ，７ｂ））の移動速度、大きさ、およびそれらの変化を光学的に検出することができる。

ここで、複数の流体７（７ａ，７ｂ）の移動に応じて生じる光の変化は、実質的に混じり合わない複数の流体７（７ａ，７ｂ）の種々の特性の違いに起因するものである。そのような特性の違いとしては、例えば、屈折率、透明度および色の違いなどが例示できる。あるいは流体７中の粒子などの有無または大きさ、量、色調などの違い、具体的にはコロイド粒子を含む懸濁液またはエマルジョンなどといった違いによる光の透過率の違いなども例示できる。あるいは流体７中の気泡の有無または大きさ、量の違いによる光の透過率の違いなども例示できる。このような流体７の組合せとしては、互いに混じり合わずに流路８内でスラグ流を形成する組合せであれば、気体と液体との組合せ、または水性の液体と油性の液体との組合せなど、種々の組合せに適用することができる。

本開示の流体検出センサ１が好適に適用できるスラグ流を形成する液体−液体による流体７（７ａ，７ｂ）の組合せとしては、例えば、リチウム（Ｌｉ）などのアルカリ金属イオン水溶液からリチウムを抽出するための反応として、水とシクロヘキサンとの組合せが挙げられる。

また、スラグ流を使用して有機合成を行なう目的においては、有機溶媒としては、ヘキサン、ヘプタンといった脂肪族炭化水素の溶媒、トルエン、キシレン、エチルベンゼンといった芳香族炭化水素の溶媒、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素といった含ハロゲン炭化水素の溶媒、またはＮ，Ｎ−ジメチルホルムアルデヒド、スルホキシド、アセトニトリル、ピリジンといった含ヘテロ原子炭化水素の溶媒が挙げられる。これらの有機溶媒を第１の流体７ａに用い、第２の流体７ｂにそれらと実質的に混じり合わない液体または気体を用いることにより、流路８においてスラグ流を形成して、種々の合成反応などを行なうことができる。

また、スラグ流を形成する気体−液体による流体７（７ａ，７ｂ）の組合せとしては、例えば、用途としてピルビン酸エチルを得るための乳酸エチルの酸化反応として、気体である酸素または空気と液体である乳酸エチルとの組合せ、ニトロベンゼンの直接カルボニル化によりイソシアン酸フェニルを得る反応として、気体である一酸化炭素と触媒を溶かした液体であるニトロベンゼンとの組合せ、１−インダノンを得るためのインダンの光酸化反応として、気体である酸素と液体であるインダンとの組合せ、といったものが挙げられる。

流路部材９は、透光性の管状体６からなり、光学センサ５の発光素子列３および受光素子列４の並びに沿って対向するように、基板２の長手方向に沿って配置されている。この管状体６の内側が、複数の流体７（７ａ，７ｂ）がスラグ流として流れる流路８である。管状体６は、スラグ流が流れる流路８を確保するのに適切な寸法のものが用いられる。通常は、例えば、内径（流路８の径）が0.5〜２ｍｍ程度で、外径がそれに対応して１〜４ｍｍ程度のものが用いられる。流路部材９の長さは、スラグ流の目的に応じて適宜設定されるが、本開示の流体検出センサ１に必要な長さは、光学センサ５の長さと同程度であればよい。

管状体６は、光学センサ５を用いてスラグ流の検出を行なうために、透光性であることが必要である。なお、透光性であるということは完全に透明であることを必要とするものではなく、光学センサ５によって流体７の移動に応じて生じる光の変化を検出する上で必要な光の透過性を有していればよく、光の透過性が良好ないわゆる透明であっても、半透明であってもよい。また、管状体６は、本例では断面形状が円形状の円管であるが、これに限られるものではなく、断面形状が四角形状、三角形状あるいは六角形状などの角管であってもよい。流体７、光学センサ５および反射部材10との光学的な組合せに応じて、検出に適切な光路を設定できるような形状および寸法の管状体６を選定して流路部材９を構成すればよい。

管状体６の材質としては、例えば、各種のガラス、石英、水晶、サファイア、またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）といった各種の樹脂などを用いることができる。管状体６の材質は、流体７との親和性あるいは耐性などのスラグ流を形成する上での条件も考慮して選定される。例えば、ＰＴＦＥといった疎水性の材質の管状体６を用いる場合には、流体７として水相のものがスラグ（液滴）になり、油相のものが分散相になってスラグ流を形成することになる。これに対して、ガラスのような親水性の材質の管状体６を用いる場合には、流体７として水相のものが分散相になり、油相のものがスラグ（液滴）になってスラグ流を形成することになる。

流路部材９を構成する管状体６は、その屈折率が、複数の流体７（７ａ，７ｂ）の少なくとも１つの屈折率とは異なっていることが好ましい。これにより、流体７の移動に伴って屈折率の違いに起因して生じる光の変化の検出に好適となる。屈折率が異なっている程度としては、屈折率の違いによって光の変化を検出しようとする場合であれば、例えば少なくともおよそ0.05以上で値が異なっていることが好ましい。

流路部材９の管状体６と流体７との組合せおよびその屈折率の関係としては、例えば、管状体６に屈折率が1.35のＰＴＦＥを用いる場合であれば、流体７ａとして水（屈折率が1.33）を、流体７ｂとしてシクロヘキサン（屈折率が1.426）を用いてスラグ流を形成すると、その移動に応じて生じる光の検出を光学センサ５で良好に検出することができる。

また、流体７の組合せとしてはこの他にも、一方の流体７ａとして水を用い、抽出用の流体７ｂとしてヘキサン（屈折率が1.372〜1.3754）またはケロシン（灯油）（屈折率が1.44）を、あるいは有機反応用溶媒としての流体７ｂとしてトルエン（屈折率1.496）またはｐ−キシレン（屈折率が1.493〜1.4958）を用いることによって、良好なスラグ流を形成することができる。なお、以上の屈折率としては、最も広く用いられているｎｄ25を用いればよい。屈折率ｎｄ25は、25℃の環境下で、ナトリウムのＤ線を光源として測定した屈折率の値である。

光学センサ５は、例えば長方形状の基板２上に、複数の発光素子３ａおよび複数の受光素子４ａがそれぞれ長手方向に沿って配置された、発光素子列３および受光素子列４を有している。発光素子３ａおよび受光素子４ａは、後述するように基板２に直接形成されているものであってもよく、個別の素子を基板２上に搭載したものであってもよい。

発光素子３ａとしては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザダイオード（半導体レーザ）（ＬＤ）、ＥＬ（Electro Luminescence）素子などの周波数応答性に優れた光源を用いる。本例の発光素子３ａには、発光ダイオードを用いることが好適である。発光ダイオードは、発光波長の選択の幅が広く、周波数応答性に優れ、発光の広がりも適度に有していることから、流路８に対して極端な偏りなく光を照射することができ、検出のための光学的な配置の許容度も良好であることから、種々の流体７に対して好適な光源の選定が容易である。

受光素子４ａとしては、例えばフォトダイオード（ＰＤ）のような、発光素子３ａの発光とのマッチングが良好で周波数応答性に優れた素子を用いればよい。

反射部材10は、流路８に対して光学センサ５の反対側に配置されている。光学センサ５の発光素子３ａから流路８のスラグ流に照射された光は、流路８を含む流路部材９を通過して反射部材10に入射し、反射部材10の表面で反射され、再び流路部材９を通過して、光学センサ５の受光素子４ａで受光される。流路部材９からの距離、流路部材９を介した光学センサ５との位置関係および角度などを調整して、反射部材10の配置を適切に設定することによって、発光素子３ａから受光素子４ａに到る光路を調整して、流路８におけるスラグ流の移動に応じた光の変化を良好に検出することができる。この反射部材10による反射においては、正反射による反射光を利用して、光学的な検出に十分な光量を確保する。反射部材10としては、例えば通常の鏡のように鏡面反射する表面を有する部材（ミラー部材）を用いることができる。また、光学センサ５および流体７（７ａ，７ｂ）の条件によっては、所定量の光量を減衰させる減光反射面を有するものを用いてもよい。

以上のような本開示の流体検出センサ１においては、種々の好適な形態が考えられる。

例えば、図１（ｃ）に示す例においては、光学センサ５の発光素子列３および受光素子列４と流路部材９の流路８とは、流路８の中央の位置を、発光素子列３と受光素子列４との並びの中央に重なるように配置している。これに対して、流路部材９は、流路８の中央の位置を、発光素子列３と受光素子列４との並びの中央から受光素子列４側にずらして配置してもよい。これにより、発光素子列３から流路部材９に照射され、管状体６および流体７（７ａ，７ｂ）によって光路が屈折し、反射部材10で反射して再び流路部材９に入射し、管状体６および流体７（７ａ，７ｂ）によって光路が屈折して、その光路の屈折の様子が変化することによって、流路部材９に近接することになる受光素子列４に受光させることができるようになる。この際に配置をずらせる量については、流路８の中央の位置が受光素子列４の位置を越えない範囲において、受光素子列４による受光の状況を確認しながら、適宜設定すればよい。

また、反射部材10がミラー部材の場合は、例えば図８に図１（ｃ）と同様の断面図で示すように、流路部材９は、流路８の中央の位置を、発光素子列３と受光素子列４との並びの中央から発光素子列３側にずらして配置してもよい。この場合には、発光素子列３から流路部材９に照射され、管状体６および流体７（７ａ，７ｂ）によって光路が屈折し、反射部材10に入射して反射した光は、直接に受光素子列４に入射させて受光させることができるようになる。このように、反射部材10で反射した光は、必ずしも再び流路部材９に入射させる必要はなく、反射部材10に入射する前に流体７（７ａ，７ｂ）の動きによって変化した光は、反射部材10で反射して、そのまま受光素子列４に入射させるようにしてもよい。これにより、光学センサ５に対する光路の調整が容易になる傾向がある。

なお、以上の例のように反射部材10にミラー部材を用いる場合には、流体７の移動に応じて生じる光の変化を光学センサ５によって安定して検出するためには、各部材の配置を精度よく位置合わせして調整することに留意する必要がある。例えば、流路部材９とミラー部材である反射部材10との配置公差は、受光素子４ａの受光部のサイズが200μｍ角であり、発光素子３ａが発する光のビーム径が100μｍφであり、受光素子４ａに入射するビームのずれの許容値が50μｍであるとする。この場合には、光学センサ５を反射部材10から15ｍｍ離して配置したときにビームがずれない条件としては、反射部材10の傾き角θを0.1°以内（許容公差で±0.1°）程度に調整することが必要になることがある。

反射部材10は、図１に示す例では流路部材９に対して光学センサ５の反対側に、流路部材９から離して配置しているが、流路部材９に一体的に配置してもよい。例えば図２（ａ）に図１（ｃ）と同様の断面図で示すように、反射部材10は、流路部材９の管状体６の外面に配置されているのが好ましい。これにより、流体検出センサ１の小型化を図るとともに、流路部材９の管状体６の外面における表面反射の影響を低減することができ、受光素子列４による受光の光量を十分に確保して信号強度を向上させることができるようになる。

また、例えば図２（ｂ）に図２（ａ）と同様の断面図で示すように、反射部材10は、流路部材９の管状体６の内面に配置されているのが好ましい。これによっても、流体検出センサ１の小型化を図るとともに、管状体６の外面における表面反射の影響を低減することができる。また、流路部材９の管状体６の下側を通過する光路を無くすことによって、受光素子列４による受光の光量をさらに十分に確保して信号強度を向上させることができるようになる。

反射部材10は、通常の反射面を有するものの他に、図３に図１（ｃ）と同様の断面図で示すように、再帰反射する反射面を有するものであることが好ましい。図３に示す例では、反射部材10は、再帰反射する反射面として、プリズムシート11を有している。これにより、再帰反射においては入射した光がその方向にほぼ戻るように反射することから、流路部材９を通過して反射部材10に入射した光が流路部材９以外の他の方向に反射されてしまうのを低減することができるので、反射部材10に入射した光の大部分を流路部材９に戻すことができ、再び流路部材９を通過した光を十分な光量で受光素子列４に受光させることができる。このプリズムシート11としては、プリズムの形に、三角形のものと、四角形を組み合わせたもの（フルキューブまたはコーナーキューブ）との２種類がある。また、反射膜にアルミフィルムシートなどを用いた軟質プリズムタイプ、反射膜に樹脂板などを用いた硬質プリズムタイプ、または反射膜に直接に金属を蒸着したものを用いた金属蒸着プリズムタイプのものがある。さらに、それぞれプリズムを空気層を挟んで透明プラスチックフィルムで被覆した高輝度型のものなどがある。これらの中から所望の反射特性に応じて選択して、プリズムシート11として使用すればよい。

プリズムシート11としては、例えば入射する光のスポット径が200μｍ程度の場合であれば、頂角（または内角）が60°程度で、一辺が50μｍ程度のプリズム（またはキューブ）を用いて、スポット径の中に３〜30個程度のプリズムが含まれるようなものを用いることが好ましい。

このような再帰反射する反射面を有する反射部材10は、流路部材９から離して配置されて、光の入射および反射方向は、光学センサ５および流路部材９との位置関係に応じて、受光素子列４が十分な光量を受光することができるようにその位置および角度などが調整される。

再帰反射する反射部材10としては、プリズムタイプのプリズムシート11を用いる他にも、ガラスビーズを用いたものも使用できる。例えば、反射膜に真円球状の多数（１ｃｍ²に5000〜8000個程度）の高屈折ガラスビーズ（直径30〜100μｍ程度）を装着した露出レンズ型またはオープンタイプといわれるもの、反射膜に同じく多数のガラスビーズを装着した上に樹脂をコートした封入レンズ型といわれるもの、あるいは反射膜に同じく多数のガラスビーズを装着した上に空気層を挟んで透明プラスチックフィルムで被覆したカプセルレンズ型または反射式カプセル型といわれるものなどを用いることができる。

また、以上のプリズムシート11は、シートに入射して再帰反射される光の角度に特に異方性がなく、基本的に広範囲の方向への再帰反射に対応するものであるが、この他にも、例えばシート基材の表面に断面形状が略三角形状、略台形状、略楕円状であるプリズム条列がアレイ状に配列しているような、再帰反射の方向に異方性を有する光学シートを用いてもよい。このような光学シートとしては、例えばプリズム条列の頂角が60〜90°程度で、プリズム条列の周期が30〜100μｍ程度のものが用いられる。このようなプリズムシート11は、再帰反射性によって入射光を正面へ集光する機能を有するものであり、概ねプリズム条列の長手方向に直交する方向の入射光に対して再帰反射することから、そのプリズム条列の向きを流路８の向きに対して調整することで、光学センサ５による検出に対する良好な光路の設定に寄与できるものとなる。

なお、プリズムシート11による再帰反射においては、厳密に見れば光が正確に入射方向に反射するとは限らず、反射に際して光路の微小なずれが生ずることになるが、光学センサ５と反射部材10との間に流路部材９が配置され、曲面を界面とする屈折率の異なる媒質を光が進むことによって、屈折率差による光路の変化が顕著となって光学的な検出を効果的に行なうことができ、良好なセンシング性能を得ることができる。

本開示の流体検出センサ１において、このようなプリズム条列を有するプリズムシート11を使用する場合は、図３に示す例のように、基本的にはプリズム条列の断面が図３に示すように見える状態で、プリズム条列の長手方向を、流路８の長手方向あるいは光学センサ５における発光素子列３および受光素子列４の並びの方向に平行に配置するとよい。また、発光素子列３の発光素子３ａおよび受光素子列４の受光素子４ａが、後述するように複数の対をなしており、対をなす素子同士の配置が流路８に対して斜め方向になっていたり、あるいはその配置が流路８に対して直交する方向であっても光路が流路部材９を通過することによって流路８の長手方向に対して斜めになったりするときには、プリズム条列の長手方向を、流路８の長手方向あるいは光学センサ５における発光素子列３および受光素子列４の並びの方向に対して60°程度までの斜めに配置するとよい。さらに、流体検出センサ１における受光素子４ａによる光学的な検出の調整の関係で、プリズム条列の長手方向を流路８の長手方向に対して直交するように配置する場合があってもよい。

これらのプリズムシート11を配置した、再帰反射する反射部材10を用いる場合には、スラグ流の検出に用いる光が適度な指向性と広がりとを有するという点からも、発光素子３ａには発光ダイオードを用いることが好ましい。

プリズム条列を有するプリズムシート11を使用する場合であって、反射部材10が透光性の樹脂等からなる場合は、図９に示す例のように、反射部材10においてプリズムシート11を流路部材９の反対側（図における下側）に配置するようにしてもよい。図９（ａ）は図３と同様の断面図であり、図９（ｂ）はそのうちの一部である流路部材９と反射部材10との関係を横から見上げた状態で示す斜視図である。これらの図に示すように、反射部材10においてプリズムシート11は、図３に示す例に対して裏返すように流路部材９の反対側（図における下側）に配置してもよい。この場合は、さらに、プリズムシート11におけるプリズム条列を、平面内で90°回転させて、流路８の長手方向に対して直交するように配置することが好ましい。このような再帰反射する反射部材10を用いても、反射部材10に入射した光の大部分を流路部材９に戻すことができ、再び流路部材９を通過した光を十分な光量で受光素子列４に受光させることができる。また、この場合には、管状の流路部材９に対してシート状の反射部材10を設置する場合の互いの平行度に関するロバスト性が改善することになり、配置公差に対する許容度が向上することになる。例えば、反射部材10におけるプリズムシート11の再帰反射構造が45°であり、発光素子３ａから流路部材９を通って反射部材10に入射する光のビーム振れ幅が５°である場合に、ビームがずれない条件としては、反射部材10の傾き角θを40°以内（許容公差で±40°）程度まで許容して配置することができるようになる。

また、プリズムシート11を配置した、再帰反射する反射部材10を用いる場合には、例えば図10に図３と同様の断面図で示す例のように、反射部材10のサイズを小さくすることもできる。このように再帰反射する反射部材10のサイズを小さくすることで、流路部材９において流体７（７ａ，７ｂ）の移動による屈折率の変化によって生じる光路のずれに対して、反射部材10から受光素子列４への戻り光の変化に加えて、流路部材９から反射部材10に入射する光のビームが光路のずれによって反射部材10から外れるようにすることができるため、流体７（７ａ，７ｂ）の移動による屈折率の変化に応じて受光素子列４で受光する光の強度変化（シグナル差）を際立たせる効果を得ることができる。この効果は、反射部材10のサイズを受光素子４ａの受光部サイズと同等程度にすることで顕著となるため、各部材の配置公差を小さく設定できる場合には、センシング性能の向上に対して有効である。

再帰反射する反射部材10としては、前述のように種々のタイプのものを使用することができる。その一例を図11に示す。図11は、図３と同様の断面図であり、そのうちの一部である反射部材10については斜め上から見た斜視図で示したものである。図11に示す例は、反射部材10における再帰反射シートであるプリズムシート11として、３面タイプの再帰反射シートを用いたものである。このような再帰反射シートを用いた場合には、同様に良好なセンシング性能が得ることができるとともに、シート状の反射部材10の設置に際して、面内の回転に対する配置公差の許容度が大きくなってロバスト性を改善することもできる。このような３面タイプの再帰反射シートであるプリズムシート11としては、例えば、デクセリアルズ株式会社の商品名アルビード（登録商標）の型番IRAVK700などを使用することができる。

本開示の流体検出センサ１においては、図４（ａ）に図１（ｃ）と同様の断面図で示すように、発光素子列３および受光素子列４と流路部材９との間に配置された偏光フィルタ12を備えていることが好ましい。これにより、発光素子列３（発光素子３ａ）から流路部材９に入射する光および流路部材９を通過して受光素子列４（受光素子４ａ）で受光される光の振動方向を所望の一方向に設定することができるので、受光素子列４（受光素子４ａ）で受光できる光量が減少するものの、流路部材９の各部などで反射・散乱してスラグ流の検出に際してノイズとなる光あるいは外部からの迷光または外乱光の影響を低減することができる。

このような偏光フィルタ12としては、染料系偏光フィルム、ヨウ素系偏光フィルムまたは２色性色素フィルムなどの偏光フィルム、あるいはこれら偏光フィルムを光学ガラスで挟んだ偏光フィルタなどを用いることができる。その偏光方向は、ノイズ光あるいは迷光または外乱光の影響の低減状況を確認しながら、偏光フィルタ12の配置を調整して適宜設定すればよい。

また、図４（ｂ）に同様の断面図で示すように、発光素子列３および受光素子列４と流路部材９との間に配置する偏光フィルタ12を、管状体６として断面形状が四角形状の角管を用いた流路部材９の上面に配置してもよい。これにより、偏光フィルタ12を配置することによる効果を奏しつつ、流体検出センサ１の小型化を図ることができる。またこの場合、反射部材10を流路部材９の下面に配置してもよく、これにより、反射部材10の機能を確保しつつ、流体検出センサ１の小型化を図ることができる。

本開示の流体検出センサ１においては、図５に図１（ｃ）と同様の断面図で示すように、発光素子列３および受光素子列４と流路部材９との間に配置されたレンズ13を備えていることが好ましい。これによれば、レンズ13によって発光素子列３（発光素子３ａ）から流路部材９に照射される光および流路部材９を通過して受光素子列４（受光素子４ａ）で受光される光を集束して、スラグ流の検出に利用できる光量を増加させることができるので、検出感度を向上させることができる。このようなレンズ13は、図５に示すように、および図６（ｂ）に光学センサ５の平面図で示すように、発光素子列３の発光素子３ａのそれぞれおよび受光素子列４の受光素子４ａのそれぞれに対応させて、個別に配置させるのが好ましい。これにより、各素子に応じて個別に集光状態を調整することができ、レンズ13の効果を良好に奏することができるものとなる。このような複数のレンズ13は、個々に作製して、図示しないレンズホルダで所望の位置に配置すればよい。また、例えば発光素子列３および受光素子列４の全体を覆うような１枚の透光性基板内に、発光素子３ａおよび受光素子４ａのそれぞれに対応したレンズ部を形成して、複数のレンズ13が一体的に構成されたレンズ部材として配置してもよい。

本例のレンズ13としては、両方の主面が凸状になっている両凸レンズを示しているが、レンズ13はこれに限られるものではない。例えば、一方主面が凸状で、他方主面が平面状になっている平凸レンズを用いてもよい。レンズ13の材質としては、例えばシリコーン、ウレタンもしくはエポキシなどの熱硬化性樹脂、またはポリカーボネート、アクリルなどの熱可塑性樹脂といったプラスチック、または石英、水晶、サファイアなどの透光性無機材料、または光学ガラスのような無機ガラスなどが挙げられる。

また、本例のレンズ13は、光学センサ５の基板２の表面に平行な向きに配置しているが、光路の調整を目的として、レンズ13を基板２の表面に対して傾けて配置してもよい。

本開示の流体検出センサ１における光学センサ５においては、図１（ａ）に示すように、ならびに図６（ａ）および図６（ｂ）に光学センサの平面図で示すように、発光素子列３の複数の発光素子３ａと受光素子列４の複数の受光素子４ａとが、複数の対をなしていることが好ましい。また、これら複数の対をなす発光素子３ａおよび受光素子４ａが、１つの基板２上に配置されていることが好ましい。これにより、光学センサ５の小型化を図りつつ、スラグ流における流体７（７ａ，７ｂ）の流れによる光の変化を流路８の流れ方向に沿った経時的変化として検出することができる。また、光源である発光素子３ａと受光部である受光素子４ａとの位置関係が一定となって、測定毎の調整などが必要なくなるので、安定した測定によるスラグ流の検出を行なうことができる。

また、発光素子３ａと受光素子４ａとが複数の対をなしている場合、図１（ａ）ならびに図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、発光素子列３の発光素子３ａおよび受光素子列４の受光素子４ａは、それぞれ３個以上であり、３対以上あることが好ましい。複数の対を成す発光素子３ａおよび受光素子４ａによってスラグ流の検出のための測定を行なう場合に、測定データの解析を行なう際に、対が２つだけでは、スラグ流を形成する複数の流体７（７ａ，７ｂ）の把握に誤検出のおそれがあるからである。これに対し、発光素子３ａおよび受光素子４ａが３個以上で対をなしている場合は、流路８を流れていく複数の流体７（７ａ，７ｂ）のそれぞれを検出して把握することができるので、検出精度を向上させることができる。また、それぞれ３個以上の発光素子３ａおよび受光素子４ａの対によって得られる測定データを連続的に処理することによって、あたかも画像で認識しているかのような測定結果でもって複数の流体７（７ａ，７ｂ）の移動によって生じる光の変化を検出して、スラグ流の動きを検出することができるようになる。

このように複数の対をなす発光素子３ａおよび受光素子４ａによって複数の流体７（７ａ，７ｂ）の移動による光の変化を検出するには、スラグ流を形成する各流体７（７ａ，７ｂ）の大きさおよび移動速度などに応じて、個々の発光素子３ａの発光時間および発光間隔ならびに各対間の発光時間差を調整することになる。例えば、各発光素子３ａが基板２の長手方向に0.5ｍｍ間隔で配置されている場合であれば、各発光素子３ａの発光時間を例えば１〜10ｍ秒とし、発光間隔を同じく例えば１〜10ｍ秒として、各対間の発光時間差を例えば２ｍ秒とすれば、スラグの長さが１〜２ｍｍ程度で、移動速度が750ｍｍ／秒程度のスラグ流を検出することができる。

このような複数の対をなす発光素子３ａおよび受光素子４ａの対の数の設定は、検出対象のスラグ流の特性に応じて行なえばよいが、その上限としては、10対程度まで、好適には７対または８対であれば、スラグ流の移動速度の限界を考慮して、適切な対の数であるといえる。これ以上の対の数は、検出した信号の処理によってスラグ流の検出は可能であるが、スラグ流における同じ流体７（７ａ，７ｂ）を繰り返し検出するだけのことになるため、不要であるといえる。

ここで、８対の発光素子３ａおよび受光素子４ａからなる発光素子列３および受光素子列４を有する光学センサの例を図７に平面図で示す。図７に示す光学センサ５は、基板２と、基板２の上面に長手方向に沿って１列に配置された８個の発光素子３ａと、基板２の上面に発光素子３ａのそれぞれに対応して長手方向に沿って１列に配置された８個の受光素子４ａとを有している。この基板２と複数の発光素子３ａのそれぞれとは一体的に形成されている。同様に、基板２と受光素子４ａとは一体的に形成されている。すなわち、同一の基板２に８個ずつの発光素子３ａと受光素子４ａとが作り込まれて、一体的に形成されている。本例の光学センサ５は、この基板２の上面を流路部材９に対向させて用いられる。

本例の光学センサ５では、基板２として、例えばシリコン（Ｓｉ）などの一導電型（例えばｎ型）の半導体材料を用い、発光素子３ａは、その上面に積層した複数の半導体層を有する発光ダイオードとしている。また、受光素子４ａは、基板２の上面の一部に作り込まれた逆導電型（例えばｐ型）半導体領域と、それに隣接する基板２の一導電型の領域とでｐｎ接合を形成して、フォトダイオードを構成している。このように構成することで、基板２と発光素子３ａと受光素子４ａとを同一基板に一体的に作り込むことができる。

前述のように、複数の発光素子３ａは、流路８をスラグ流として流れる複数の流体７（７ａ，７ｂ）に照射する光の光源として機能する。そして、発光素子３ａから発せられた光が、流路部材９を通過し、反射部材10で反射され、再び流路部材９を通過して、対応する複数の受光素子４ａに入射して受光される。受光素子４ａは、複数の流体７（７ａ，７ｂ）の移動に応じて生じる光の変化を検出する光検出部として機能する。

なお、図７において、30Ａは発光素子側第１電極、30Ｂとは発光素子側第１電極パッド、30Ｃは発光素子側第２電極、30Ｄは発光素子側第２電極パッドである。複数の発光素子３ａは、対応する発光素子側第１電極パッド30Ｂと発光素子側第２電極パッド30Ｄとの間にバイアスを印加することによって、それぞれ発光して光源として機能する。図示はしないが、金（Ａｕ）線などによるワイヤボンディングによって発光素子側第１電極パッド30Ｂと外部電源とが接続されている。また、40Ａは第２受光素子側第１電極、40Ｂは第２受光素子側第１電極パッド、40Ｃは基板２に接続されている第２受光素子側第２電極パッドである。複数の受光素子４ａは、受光した光に応じて、対応する第２受光素子側第１電極パッド40Ｂと第２受光素子側第２電極パッド40Ｃとの間で出力電流を出力する。

なお、３対〜８対の発光素子３ａおよび受光素子４ａによってスラグ流の検出を行なう場合に、スラグ流を形成する複数の流体７（７ａ，７ｂ）の大きさが小さくなり、または移動速度が速くなるように変動したときには、発光素子３ａの発光時間および発光間隔、ならびに各対間の発光時間差を短くして、サンプリング周期を短くすることによって検出精度を確保することが可能となる。また、複数の流体７（７ａ，７ｂ）の大きさが大きくなり、または移動速度が遅くなるように変動したときには、発光時間および発光間隔ならびに発光時間差を上記と逆に調整することによって、または発光素子３ａおよび受光素子４ａの対の数を増やすことによって、検出の精度を確保することが可能となる。このような検出条件の調整は、実際の検出を行ないながら、適切な条件を見出すようにして進めることになる。

本開示の流体検出センサ１において、複数対の発光素子３ａおよび受光素子４ａを有する光学センサ５を用いる場合には、その複数対のうちの一部の対を光学センサ５と流路部材９との位置合わせに利用することもできる。そのような一例を図12に示す。図12は、本開示の流体検出センサにおける光学センサに対する反射部材の配置についての実施の形態の他の例を示すものであり、図７と同様の平面図について、流路部材（図示せず）を挟んで対向するように配置される反射部材10を透視して示した図である。図12において、反射部材10は、発光素子３ａと受光素子４ａとの対のうち図において左端に位置する対に対向する短い反射部材10と、その右側に位置してその他の対に対向する長い反射部材10との組合せを示している。ここで、左側に位置する短い反射部材10は、ミラー部材としており、右側に位置する長い反射部材10は、再帰反射するプリズムシート11（符号は示しているが図示は省略している）を有するものとしている。このように光学センサ５と反射部材10とを配置することにより、図において左端に位置する発光素子３ａおよび受光素子４ａの対に対向する反射部材10をミラー部材とすることで、光学配置に敏感な組合せとなるため、初期状態の位置合わせの際に、光学センサ５、流路部材および反射部材10を精度よく配置することができる。また、その他の発光素子３ａおよび受光素子４ａの対に対向する反射部材10にはプリズムシート11を配置して再帰反射するものとしていることから、流路部材における複数の流体によるスラグ流の移動速度、大きさ、およびそれらの変化を良好なセンシング性能で光学的に検出することができる。なお、この複数の流体についての光学的な検出に際しては、左端に位置する発光素子３ａおよび受光素子４ａの対は使用しない。

本開示の流体検出装置は、本開示の流体検出センサ１と、発光素子列３の複数の発光素子３ａにおける発光を制御し、受光素子列４の複数の受光素子４ａにおける複数の流体７（７ａ，７ｂ）の移動に応じて生じる光の変化に応じた出力電流の変化を検出し、検出したこの出力電流の変化からスラグ流に関する情報を取得する処理部とを備える。

この処理部においては、発光素子３ａにおける発光を制御する制御部により、それぞれの発光素子３ａを所定のタイミングおよび所定の光量で発光させる。また、スラグ流を形成する複数の流体７（７ａ，７ｂ）の移動に応じて生じる光の変化によって、受光素子４ａの受光量に応じた光電流を、それぞれの受光素子４ａからの出力電流として検出部で検出する。

検出部で検出される出力電流は、１つ目の発光素子３ａを発光させたときの対を成す１つ目の受光素子４ａが受光して出力する出力電流と、２つ目の発光素子３ａを発光させたときの対をなす２つ目の受光素子４ａが受光して出力する出力電流と、…というような、それぞれの発光素子３ａの発光に応じて対をなす受光素子４ａのそれぞれが検出する出力電流を時分割で含むものとなる。なお、検出部はアナログスイッチあるいは電流増幅アンプを有することもある。

検出部で検出された出力電流は、判定部に送られる。判定部は、例えばデータ変換部と、データ格納部と、標準データ格納部と、比較部とを有している。データ変換部は、検出部からの出力電流を電圧値に変換し、アナログ信号からデジタル信号へと変換する。この過程でアンプ等を追加して信号を増幅したり、フィルタを用いてノイズを除去したりしてもよい。データ格納部は、データ変換部によって処理された信号を格納する。このデータ変換部に格納されたデータと、標準データ格納部に格納されたデータとの比較を比較部によって行なう。標準データ格納部には、流体７（７ａ，７ｂ）の移動に伴って生じる光の変化に応じた出力電流に対応する信号の分布を格納している。これにより、実測データであるデータ格納部に収容されたデータと、標準データ格納部に格納されたデータとの比較により、流体７（７ａ，７ｂ）の移動に伴って生じる光の変化を判定することができる。

さらに、判定部内のデータ変換部によって変換された信号の時間的な変化を連続的に解析する解析部を備えていてもよい。

ここで、スラグの間隔（流体７ａ（７ｂ）と次の流体７ａ（７ｂ）との間隔）をＬ（ｍｍ）とし、スラグ流が流れる流路８に平行に配置した２対以上の発光素子３ａおよび受光素子４ａにおける受光素子４ａの間隔をＤ（ｍｍ）とし、スラグ流の速度（流体７ａ（７ｂ）の移動速度）をｖ（ｍｍ／秒）とする。また、隣接する２つの受光素子４ａ，４ａについて出力電流にそれぞれシグナル変動が発生し、スラグ界面（メニスカス：流体７ａと流体７ｂとの界面）の通過を検知した際のシグナル変動発生時刻の差をＳ（秒）とする。このとき、Ｌ≧Ｄの場合は、スラグ流の速度ｖはｖ＝Ｄ／Ｓで求められる。

また、Ｌ＜Ｄの場合は、１つの受光素子４ａが受光して出力する出力電流におけるシグナル変動の波形を記録し、その波形を隣接する受光素子４ａ，４ａの間で比較する。スラグ界面によって生じる波形は均質ではないので、特徴を持った波形として受光素子４ａが検出し、必要に応じて増幅アンプを介して、データ格納部に保存する。このようにしてデータ格納部に保存された複数の波形を比較することで、所定の受光素子４ａに対応する位置を検出対象のスラグ流（流体７ａまたは流体７ｂ）が通過したのかどうかの判定と、そのスラグ流が次の受光素子４ａに対応する位置を通過するまでの時間Ｔ（秒）の検出とが可能となる。この時間Ｔを用いて、スラグ流の速度ｖはｖ＝Ｄ／Ｔで求められる。

以上のような検出、判定、解析は、処理部における検出部および判定部によって、また必要に応じて解析部にもよって、適宜実施することができる。

以上、本開示の具体的な実施の形態の例を示したが、本開示は上記の例に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

１…流体検出センサ
２…基板
３…発光素子列
３ａ…発光素子
４…受光素子列
４ａ…受光素子
５…光学センサ
６…管状体
７，７ａ，７ｂ…流体
８…流路
９…流路部材
10…反射部材
11…プリズムシート
12…偏光フィルタ
13…レンズ

Claims (12)

1. 基板上に長手方向に沿って配置された複数の発光素子からなる発光素子列および複数の受光素子からなる受光素子列を有する光学センサと、
   該光学センサに対向して長手方向に沿って配置された透光性の管状体からなり、該管状体の内側が、実質的に混じり合わない複数の流体がスラグ流として流れる流路である、流路部材と、
   前記流路に対して前記光学センサの反対側に配置された反射部材とを備え、
   前記発光素子列が前記流路の前記スラグ流に照射して前記反射部材で反射した光を前記受光素子列で受光して、複数の前記流体の移動に応じて生じる光の変化を検出する、流体検出センサ。
2. 前記流路部材の前記管状体は、複数の前記流体の少なくとも１つと屈折率が異なる、請求項１に記載の流体検出センサ。
3. 前記流路部材は、前記流路の中央の位置を、前記発光素子列と前記受光素子列との並びの中央から前記受光素子列側にずらして配置されている、請求項１に記載の流体検出センサ。
4. 前記流路部材は、前記流路の中央の位置を、前記発光素子列と前記受光素子列との並びの中央から前記発光素子列側にずらして配置されている、請求項１に記載の流体検出センサ。
5. 前記反射部材は、前記流路部材の前記管状体の外面または内面に配置されている、請求項１に記載の流体検出センサ。
6. 前記反射部材は、再帰反射する反射面を有する、請求項１に記載の流体検出センサ。
7. 複数の前記発光素子は、発光ダイオードである、請求項１に記載の流体検出センサ。
8. 前記発光素子列および前記受光素子列と前記流路部材との間に配置された偏光フィルタを備えている、請求項１に記載の流体検出センサ。
9. 前記発光素子列および前記受光素子列と前記流路部材との間に配置されたレンズを備えている、請求項１に記載の流体検出センサ。
10. 前記発光素子列の複数の前記発光素子と前記受光素子列の複数の前記受光素子とが、複数の対をなしている、請求項１に記載の流体検出センサ。
11. 前記発光素子列の前記発光素子および前記受光素子列の前記受光素子は、それぞれ３個以上である、請求項１０に記載の流体検出センサ。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の流体検出センサと、
    前記発光素子列の複数の前記発光素子における発光を制御し、前記受光素子列の複数の前記受光素子における複数の前記流体の移動に応じて生じる光の変化に応じた出力電流の変化を検出し、検出した該出力電流の変化から前記スラグ流に関する情報を取得する処理部とを備える、流体検出装置。

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