JP4782950B2 - Liquid detector - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体の液位や有無を光学的に検出する液体検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の液体検出装置としては、例えば特開平8-320248号等に開示されたものがあるが、その基本的原理は、いずれも図7に示すように透光性の容器の側壁1に投光部2から光を照射し、側壁1の内側で反射した光を受光する位置に受光部3を設けた構成である。同図(A)に示すように、投光部2からの光の照射域に液体が存在しない場合には、側壁1の内側で光が正反射して受光部3に到達するが、同図(B)に示すように、液体が存在すると、その正反射率が大きく減少するために、投光部2からの光の大部分は側壁1を貫通するようになって受光部3に到達しなくなる。従って、受光部3に入射する光量を計測することにより、液体の有無を判別できるのである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、投光部2からの光は容器の側壁1の外側でも反射するから、受光部3には容器の側壁1の内側で正反射した光(以下「内壁反射光4」)だけでなく、側壁1の外側で正反射した光(以下「外壁反射光5」)も入射することがある。この外壁反射光5は容器内の液体の有無にかかわらず常に受光部3に入射するからS/N比が低下し正確な液体検出を行うことができないおそれがある。
【0004】
そこで、特開4-66820号では、容器の側壁面に対する投光部2及び受光部3の入射角θ(図7参照)を60度以上にすると液体の有無による受光部3での受光量レベルの差が大きくなるという実験結果に基づいて、この入射角θを大きくすることでS/N比の向上を図ったものが開示されている。しかしながら、こうした構成では投光部2から出射された光が受光部3に直接入射することがあり、前記外壁反射光5と共にやはりS/N比低下の要因になり得る。
【0005】
このような問題に対して、投光部2と受光部3との間に遮光部を設けたり、或いは投光部2からの光を絞ったりすることで、投光部2からの直接光や外壁反射光5が受光部3に入射するのを防止する方法が考えられる。実開昭51-51766号には、前者の方法が開示されている。図8に示すように、投光部2及び受光部3の間に非透光部材6Aを設けて、投光部2からの直接光及び外壁反射光5の光路を遮断して、内壁反射光4のみ通過可能に構成されている。このような構成であれば受光部3には内壁反射光4のみが入射することになるからS/N比を向上させることができ、もってより正確な液体検出を行うことが可能になる。
【0006】
ところで、正確な液体検出を行うためには、投光部2からの直接光や外壁反射光5による影響だけでなく、検出領域の範囲についても考慮する必要がある。即ち、容器に液体が供給されたり、液体を排出したりすると、液体内に気泡が生じて容器の側壁1の内側に付着する。気泡が付着した部分では液体がない場合と同様に投光部2からの光は側壁1の内側で正反射して受光部3に至ることになる。従って検出領域に液体が存在する場合でも気泡の付着によって受光部3での受光量レベルが液体がないときの受光量レベル側に近づいてしまう。逆に、検出領域に液体が存在しないときには、容器の側壁1の内側に水滴が付着して受光部3での受光量レベルが液体の存在するときの受光量レベル側に近づくこともある。従って、気泡や水滴の影響を避けるために検出領域をある程度広く確保する必要がある。
【0007】
ところが、容器の中にはその側壁が極めて薄いものも多く、このような容器内の液体を、上述した非透光部材6Aを用いた液体検出装置を使って検出する場合には、確保できる検出領域の面積に制約が生じるという新たな問題が発生する。このことについて、図9に示すように側壁1の厚さが異なる2種類(厚さt1<t2)の容器を例に挙げて詳説する。同図(A)に示すように、容器の側壁1がある程度の厚み(t2)があれば内壁反射光4の光路R1と、外壁反射光5の光路R2とはほどんど重複することがなく、外壁反射光5の光路R2を前記非透光部材6A等で遮断しても検出領域W1に影響を与えることはない。ところが、同図(B)に示すように、側壁1が薄くなると(t1)、内壁反射光4の光路R1と外壁反射光5の光路R2とが重なり合うことになる。ここで、同図(C)に示すように外壁反射光5の光路を遮断して内壁反射光4のみ通過する光路R3のみ開放するように非透光部材6Bを設けると、検出領域がW1からW2へと狭くなってしまうのである。従って、側壁1が薄いと、気泡や水滴の影響により正確な液体検出を行えないという問題が再び発生するのである。
【0008】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、液体収容容器内に付着する気泡及び水滴による影響を加味した検出領域を確保しつつ、外壁反射光等による影響を低減して正確な液体検出が可能な液体検出装置を提供するところにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1の発明に係る液体検出装置は、光を透過可能であって、断面円弧状の液体収容容器に対して、外部から光を照射する投光部と、前記投光部からの光のうち前記液体収容容器の内壁面で反射して再び前記液体収容容器の外部に出射される内壁反射光を、受光レンズを通して受光する受光部とを備えて、前記液体収容容器のうち前記投光部からの光の照射部分の内壁面に接する液体の有無により変化する前記受光部での受光量に基づいて動作する液体検出装置において、前記受光レンズは、外向性コマ収差の特性を有する形状で形成されると共に、前記投光部から出射され前記液体収容容器の外壁面で反射して前記受光部側に向う外壁反射光の光束の中心が前記内壁反射光の光束の中心よりも前記受光レンズの中心から離れた位置を通過し、且つ、前記内壁反射光の光束の中心軸と前記受光レンズの中心軸とが平行になるように配置されているところに特徴を有する。
【0011】
【発明の作用及び効果】
レンズの特性の1つとして、外向性コマ(彗星)収差が従来から知られている。即ち、レンズに対して、そのレンズ中心軸上の点(以下「軸上物点」)から照射された光は同じくレンズ中心軸上に焦点を結像する。これに対して、図1に示すように、レンズ中心軸L上以外の点(以下「軸外物点」)から照射された光は一点に集まらずに、レンズ中心から離れた位置に入射する光ほどレンズ10の焦点から遠く離れる方向に発散し、彗星状にぼけた像11を結ぶのである。この外向性コマ収差による影響は、照射点がレンズ10の中心から離れるほど著しく大きくなる。なお、次式はレンズのコマ収差の大小の要因となるレンズ形状に関する式である。
【0012】
「数1」
S=(1/R1+1/R2)・f
R1:レンズの第1面(前面)の曲率半径
R2:レンズの第2面(後面)の曲率半径
f:レンズの焦点距離
【0013】
外向性コマ収差の特性を有するレンズとは、数1中のSが1より小さいという条件を満たす形状のものをいう。
本発明は、この外向性コマ収差というレンズの特性に基づいて創作されたものである。
【0014】
<請求項1の発明>
請求項1の構成によれば、受光レンズは、外向性コマ収差の特性を有する形状で形成されており、外壁反射光の光束の中心が内壁反射光のそれよりも受光レンズの中心から離れた位置を通過するように配置されている。従って、外壁反射光は、内壁反射光に比べて外向性コマ収差による影響が大きく受光レンズの焦点からより遠く離れる方向に発散する。これにより受光部には、例えば外向コマ収差の特性を有しない形状の受光レンズを使用する場合に比べて内壁反射光の占有率の高い光が入射することになり、もってS/N比の向上を図ることができる。
このような構成であれば、投光部及び受光部間に非透光部材を設けた従来の液体検出装置のように検出領域の範囲に制約が加わるということなく、気泡及び水滴の影響を加味した検出領域を確保しつつ、外壁反射光による影響を低減させることができ、もって正確な液体検出を行うことが可能になる。
【0016】
【発明の実施の形態】
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態を図2ないし図5によって説明する。
本実施形態に係る液体検出装置20は、図2に示すように、投光用光ファイバF1からの光を投光レンズ21を通して出射する投光部22と、投光部22から出射された光のうち液体収容容器の側壁25で反射した光を受光レンズ23を通して集光して受光用光ファイバF2に与える受光部24とがケース26内に収容された構成となっている。本実施形態では、液体検出装置20は、液体収容容器の所定の側壁25面上に、液体収容容器内の液面と平行な方向に投光部22及び受光部24が並ぶように配置され、例えばケース26に貫通形成された取付穴H,Hに図示しないボルト等を通して図示しない支持部に固着される。液体検出の基本的原理は従来のものと同様であり、液体収容容器のうち投光部22からの光の照射領域に液体が存在しない場合には、投光部22からの光の一部は側壁25内に入射して内壁で反射して再び外部に出射されて受光部24に到達する。一方、液体収容容器の照射領域まで液体が満たされた場合には、内壁面での正反射率が大きく減少するために、投光部22からの光の大部分は側壁25を貫通し受光部24に到達しなくなる。従って、受光用光ファイバF2の端部に接続された図示しないコントローラ部において受光部24から伝送される受光量レベルを測定することで液体収容容器内の液体の有無を検出することができるのである。
【0017】
さて、本実施形態では、受光レンズ23は外向性コマ収差の特性を有する形状をなしている。即ち次式においてSが1より小さいという条件を満たす形状である。
【0018】
「数2」
S=(1/R1+1/R2)・f
R1:レンズの第1面(前面)の曲率半径
R2:レンズの第2面(後面)の曲率半径
f:レンズの焦点距離
なお、本実施形態の受光レンズ23は例えばR1=∞、R2=-2.34mm、f=4mmのレンズを用いた。(S=-1.709<1だから外向性コマ収差の特性を有することになる。)
【0019】
次に前記受光部24と投光部22との配置関係について図4に基づいて説明する。なお、同図は説明を簡単にするために、投光部22から出射された光のうち液体収容容器の外壁で正反射される外壁反射光M2、及び内壁で正反射される内壁反射光M1についてはそれらの光束の中心の光路のみを矢印で示してある。同図に示すように、受光レンズ23は、そのレンズ中心軸L1が内壁反射光M1の光束の中心軸にほぼ一致させるように配置されている。
【0020】
次いで本実施形態に係る液体検出装置20の作用効果について説明する。
投光用及び受光用の光ファイバF1,F2の端部に接続された図示しないコントローラ部を起動させると、投光用光ファイバF1から投光レンズ21を介して略平行光が液体収容容器の側壁25に照射される。すると、この平行光の一部は内壁に向うが、他の一部はやはり外壁面で反射して受光部24側に向うことになる。照射領域に液体がない場合、内壁に向った光は正反射して受光部24側に向う。ここで、受光レンズ23はそのレンズ中心軸L1が内壁反射光M1の光束の中心軸にほぼ一致させるように配置されている。従って、内壁反射光M1は、図5(A)に示すように、ほとんど外向性コマ収差の影響を受けることなく焦点位置に結像する。一方、同図(B)に示すように、受光レンズ23上において、外壁反射光M2の光束の中心の照射点は内壁反射光M1のそれよりもレンズ中心軸L1から離れた位置になる。従って、外向性コマ収差の影響を受けて焦点から反れた位置に彗星状の像を結ぶことなる。
【0021】
このように、受光レンズ23上において、外壁反射光M2の光束中心の照射点を、内壁反射光M1のそれよりレンズ中心軸L1から離れた位置にすることで、受光レンズ23を通過する外壁反射光M2を焦点から反れた位置に発散させて、もって受光用光ファイバF2に入射する光における内壁反射光M1の占有率を高くすることができる。従って、コントローラ部で測定される受光量は液体収容容器内の液体の有無によって大きく変化することになり、精度のよい液体検出が可能になる。また、投光部及び受光部間に非透光部材を設けた従来の液体検出装置のように検出領域の範囲に制約が加わるということなく、気泡及び水滴の影響を加味した検出領域を確保しつつ、外壁反射光M2による影響を低減させることができ、もって正確な液体検出を行うことが可能になる。
【0022】
<関連技術>
図6は本発明に係る関連技術を示す。前記実施形態との相違は、受光レンズ23を内壁反射光M1の光束中心方向に対して傾けて配置したところにあり、その他の点は前記第1実施形態と同様である。従って、第1実施形態と同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。
【0023】
例えば液体収容容器の側壁25が極めて薄い場合、内壁反射光M1の光速中心と、外壁反射光M2の光束中心との間隔D1が極めて狭くなり、両反射光の受光レンズ23における照射点距離D2も狭くなる。このような場合には外向性コマ収差による影響の差がそれ程生じないために受光用光ファイバF2に入射する外壁反射光M2の光量を低減させることができないこともある。ここで、前述したように、外向性コマ収差による影響は照射点が受光レンズ23の中心から離れるほどより著しく大きくなる。そこで、本関連技術では、図6に示すように、受光レンズ23を内壁反射光M1の光束中心方向に対して液体収容容器側又は投光部22側(本関連技術では液体収容容器側)に角度αだけ傾けて配置することで、内壁及び外壁の両反射光M1,M2の受光レンズ23上における各照射点をレンズ中心からより遠くに離すと共に、前記照射点距離D2が広くなるように構成してある。
【0024】
このような構成であれば、受光レンズ23を通過する外壁反射光M2は内壁反射光M1に比べて外向性コマ収差の影響を強く受けて受光レンズ23の焦点からより遠くの位置に彗星状の像を結ぶことになる。従って、受光レンズ23を傾けない場合に比べて受光用光ファイバF2に入射する外壁反射光M2をより多く低減させることができる。
【0025】
<他の実施形態>
本発明は、前記実施形態及び前記関連技術に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
(1)上記各実施形態では、受光レンズ23は、内壁反射光M1の光束中心がレンズ中心に入射するように配置したが、請求項1に記載でいうように「外壁反射光の光束の中心が内壁反射光の光束の中心よりも受光レンズの中心から離れた位置を通過するように」配置すれば本発明の効果を得ることができる。また、外向性コマ収差による影響は、照射点がレンズの中心から離れるほど著しく大きくなるという特性を生かして、受光レンズを、内壁反射光の光束中心が受光レンズの中心軸から離れた位置を通過するように配置してもよい。このように配置することで、内壁反射光と外壁反射光との外向性コマ収差による影響差を大きくすることができ、もって受光部に入射する外壁反射光の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 外向性コマ収差を説明するための概略図
【図2】 本発明の第1実施形態に係る液体検出装置の平断面図
【図3】 その正面図
【図4】 投光部及び受光部の配置関係を説明するための概略図
【図5】 内壁反射光及び外壁反射光の外向性コマ収差による影響を説明するための模式図
【図6】 本発明の関連技術に係る液体検出装置の投光部及び受光部の配置関係を説明するための概略図
【図7】 従来の液体検出装置の原理を示す断面図
【図8】 非透光部材を設けた従来の液体検出装置の断面図
【図9】 液体収容容器の側壁の厚さと検出領域の広狭との関係を示す模式図
【符号の説明】
20…液体検出装置
21…投光レンズ
22…投光部
23…受光レンズ
24…受光部
25…側壁
D2…照射点距離
L1…レンズ中心軸
M1…内壁反射光
M2…外壁反射光[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid detection apparatus that optically detects a liquid level and presence / absence of a liquid.
[0002]
[Prior art]
This type of liquid detection device is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-320248. However, the basic principle of this type of liquid detection device is that it is applied to the
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, since the light from the
[0004]
Therefore, in Japanese Patent Laid-Open No. 4-66820, when the incident angle θ (see FIG. 7) of the
[0005]
For such a problem, by providing a light shielding part between the
[0006]
By the way, in order to perform accurate liquid detection, it is necessary to consider not only the influence of the direct light from the
[0007]
However, many containers have very thin sidewalls, and when the liquid in such a container is detected using the above-described liquid detection device using the
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to reduce the influence of the reflected light from the outer wall while securing a detection region that takes into account the influence of bubbles and water droplets adhering to the liquid container. A liquid detection apparatus capable of accurate liquid detection is provided.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a liquid detection device according to the invention of
[0011]
[Action and effect of the invention]
As one of the characteristics of the lens, extroverted coma (comet) aberration has been conventionally known. That is, the light emitted from a point on the lens central axis (hereinafter referred to as “on-axis object point”) is focused on the lens central axis. On the other hand, as shown in FIG. 1, light emitted from points other than the lens center axis L (hereinafter referred to as “off-axis object point”) does not converge on one point but enters a position away from the lens center. The light diverges away from the focal point of the
[0012]
"
S = (1 / R1 + 1 / R2) · f
R1: radius of curvature of the first surface (front surface) of the lens R2: radius of curvature of the second surface (rear surface) of the lens f: focal length of the lens
The lens having the characteristic of outward coma is a lens having a condition that satisfies the condition that S in
The present invention was created on the basis of this lens characteristic called outward coma.
[0014]
<Invention of
According to the configuration of the first aspect, the light receiving lens is formed in a shape having the characteristic of outward coma, and the center of the light flux of the outer wall reflected light is further away from the center of the light receiving lens than that of the inner wall reflected light. It is arranged to pass through the position. Therefore, the outer wall reflected light is more influenced by outward coma than the inner wall reflected light and diverges in a direction farther away from the focus of the light receiving lens. As a result, light having a higher occupancy ratio of the inner wall reflected light is incident on the light receiving portion than when a light receiving lens having a shape having no outward coma characteristics is used, for example, so that the S / N ratio is improved. Can be achieved.
With such a configuration, the influence of bubbles and water droplets is taken into consideration without adding restrictions to the range of the detection region as in the conventional liquid detection device in which a non-translucent member is provided between the light projecting unit and the light receiving unit. Thus, it is possible to reduce the influence of the reflected light from the outer wall while securing the detection area, and thus it is possible to perform accurate liquid detection.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<First Embodiment>
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 2, the
[0017]
In the present embodiment, the
[0018]
"
S = (1 / R1 + 1 / R2) · f
R1: radius of curvature of the first surface (front surface) of the lens R2: radius of curvature of the second surface (rear surface) of the lens f: focal length of the lens The
[0019]
Next, the arrangement relationship between the
[0020]
Next, functions and effects of the
When a controller unit (not shown) connected to the ends of the projecting and receiving optical fibers F1 and F2 is activated, substantially parallel light is transmitted from the projecting optical fiber F1 through the projecting
[0021]
In this way, on the
[0022]
< Related technologies >
FIG. 6 shows a related technique according to the present invention . The difference from the above embodiment is that the
[0023]
For example, when the
[0024]
With such a configuration, the outer wall reflected light M2 passing through the
[0025]
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the above- described embodiment and the related technology . For example, the embodiments described below are also included in the technical scope of the present invention, and further, other than the following, the gist is not deviated from. Various modifications can be made within the range.
(1) In each of the above embodiments, the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining outward coma aberration. FIG. 2 is a cross-sectional plan view of a liquid detection device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a front view thereof. FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the arrangement relationship of the light receiving parts. FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the influence of outward coma on the inner wall reflected light and the outer wall reflected light. FIG. 6 is a liquid detection according to the related art of the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating the principle of a conventional liquid detection device. FIG. 8 is a cross-sectional view of the conventional liquid detection device provided with a non-translucent member. Sectional view [Fig. 9] Schematic diagram showing the relationship between the thickness of the side wall of the liquid container and the width of the detection region
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記投光部からの光のうち前記液体収容容器の内壁面で反射して再び前記液体収容容器の外部に出射される内壁反射光を、受光レンズを通して受光する受光部とを備えて、
前記液体収容容器のうち前記投光部からの光の照射部分の内壁面に接する液体の有無により変化する前記受光部での受光量に基づいて動作する液体検出装置において、
前記受光レンズは、外向性コマ収差の特性を有する形状で形成されると共に、前記投光部から出射され前記液体収容容器の外壁面で反射して前記受光部側に向う外壁反射光の光束の中心が前記内壁反射光の光束の中心よりも前記受光レンズの中心から離れた位置を通過し、且つ、前記内壁反射光の光束の中心軸と前記受光レンズの中心軸とが平行になるように配置されていることを特徴とする液体検出装置。A light projecting unit that is capable of transmitting light and irradiates light from the outside with respect to the liquid container having a circular arc cross section ;
A light receiving unit that receives light reflected from the inner wall surface of the liquid storage container out of the light from the light projecting part and is emitted to the outside of the liquid storage container again through a light receiving lens;
In the liquid detection device that operates based on the amount of light received by the light receiving unit that varies depending on the presence or absence of liquid in contact with the inner wall surface of the portion irradiated with light from the light projecting unit in the liquid container,
The light receiving lens is formed in a shape having a characteristic of outward coma, and is reflected from the outer wall surface of the liquid container and is reflected from the outer wall surface of the liquid container and is reflected by the outer wall reflected light toward the light receiving unit. The center passes through a position farther from the center of the light receiving lens than the center of the light beam of the inner wall reflected light , and the central axis of the light beam of the inner wall reflected light and the center axis of the light receiving lens are parallel to each other. A liquid detection apparatus characterized by being arranged .
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