JPH04194730A - 液体濃度センサ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は１例えば自動車用燃料中のメタノール濃度など
を検出するために用いる。光学式の液体濃度センサに関
する。

〔従来技術〕

近年、自動車用燃料においては、排気ガス浄化のために
、ガソリン中にメタノール、エタノール等の他成分を混
入することが提案されている。

そして、この燃料中の他成分の濃度を検出するために、
光の屈折率を利用した光学式の燃料濃度センサが提案さ
れている（例えば、特開昭６２−２３２５３８号公報、
特開昭６２−１１２０４０号公報）、なお、光の屈折率
を利用して水滴等の液体を検知する光学式液体検出器も
提案されている（例えば、特開昭６３−３３６４５号公
報、特開昭６３−１４４２３９号公報）。

これら公報に示される光学式センサは、光の全反射を用
いるため、プリズム（或いはガラスロンド）を使用して
いる。そして、このセンサの構造は、プリズムの一方面
に発光端部を、これと対向する他方面に受光端部を配置
したものである。そして、測定に当っては８発光端部か
らプリズム内に光を入射させ、燃料等の液体と接触して
いるプリズム面で全反射を行わせ２その全反射光を対向
側に配置した受光端部に入射させる方式を採用している
。

この原理を、第１３図に示す、即ち３発光素子よりプリ
ズム９１内へ入射させた光９０，９０１゜９０２は、そ
の中で全反射角θ及びこれよりも大きい角度θよの光９
０．９０２は、液体としての燃料と接しているプリズム
面９１２で全反射する。

そのため、光９０．９０２は外部（燃料側）に出す２例
えば反射光９０５として全反射してしまう。

そこで、この全反射光を受光素子に受光させる。

一方、全反射角θよりも小さい角度θ、の光９０１は、
プリズム面を透過して、光９０３として。

燃料Ｆ中に入る。

即ち５上記の関係は、プリズムの屈折率をｎｌ＋測定す
べき燃料の屈折率をｎｔとすると、ｓｉｎθ＞ｎｌ／ｎ
ｌで示される。

上記の全反射の原理は、プリズムのみならず。

ガラス等の透明板においても同様である。また。

二のことは、燃料のみならず、水溶液、存Ｓ熔媒液等の
液体についても同様である。

そして、上記において、′Ｓ定すべき燃料の屈折率ｎ！
が変化すると、全反射角θが変化するため１全反射光量
が変化する。即ち、燃料のｉｌ！！、例えばガソリンと
メタノールとの混合比が変化すると。

屈折率が変化するため、全反射光量を検出すればメタノ
ールの濃度を知ることができる。

また、上記液体濃度と屈折率との関係は９例えば第１４
図により示される。同図は３ガソリン−メタノール燃料
中のメタノール濃度（容量％）と、燃料の屈折率との関
係を示す線図である。

〔解決しようとする課題］ ところで、従来の光学式センサは１発光素子と受光素子
の配役位置が、プリズム等の光学素子を介して反対側に
分離されている。そのため、これら三者間の組付は精度
は、±１００μｍ程度という、かなり高い精度が要求さ
れている。

また、従来はプリズムやガラスロッドなどの光学素子を
用いている。そして、これら光学素子はガラス面にプリ
ズムなどの光学素子を接着するか。

または光学研磨を必要とする素子（プリズム、ガラスロ
ッドなど）を用いている。そのため、光学素子のコスト
が高く、液体濃度センサのコストが非常に高くなり、量
産の障害となっている。

本発明は、上記問題点に鑑み１組付性が良く。

量産性に優れた液体濃度センサを提供しようとするもの
である。

〔課題の解決手段〕

本発明は、ハウジング内に導入した液体に下面を隣７接
して配置した透明板と、該透明板の上面よりその内部に
、光を入射させるための発光端部と。

該発光端部と同一又は近接した位置に配置した受光端部
と、上記透明板の上面に設けた光収束用のホログラムと
よりなり、また該ホログラムは、上記発光端部からの入
射光を透明板の内部で全反射光とすると共に透明板の下
面の一点に上記全反射光を収束させ、また該下面におけ
る全反射光を再び収束させて上記受光端部に送る機能を
有することを特徴とする液体濃度センサにある。

本発明において最も注目すべきことは、下面に液体を接
触さセた透明板と、該透明板の上面に配置した上記光収
束用ホログラムとを設けると共に。

発光端部と同一又は近接した位置に受光端部を設けるこ
とにより、上記発光端部からの入射光を上記ホログラム
により収束させて透明板の下面に送り、該下面における
全反射光を再び該ホログラムにより収束させて、受光端
部へ入射させるようにしたことにある。

上記透明板としては板状の透明ガラス、アクリル樹脂、
ボリカーボ２−）樹脂等の透明プラスチック板などを用
いる。また、透明板の厚ろは通常３〜５−である、そし
て、この透明板の上面の上方に発光端部及び受光端部を
上記のごとく配設する。

また、上記透明板の上面に配置する光収束用のホログラ
ムは１発光端部からの入射光を透明板の内部で全反射光
とすると共に、透明板の下面（液体との接触面）の−点
に上記全反射光を収束させ。

また該下面における全反射光を再び収束させて上記受光
端部に送る機能を有するホログラムである。

上記機能を有するホログラムは５例えば第１実施例に示
す方法により作製できる。

また、上記ホログラムとしては、透光性の良い感光性ポ
リマを用いて、光の干渉縞をポリマーの疎密として記録
したものがある。また１重クロム酸ゼラチン（ＤＣＧ）
などのゼラチン系感光材料を用いたものがある。更に、
若干透光性は劣るが。

銀塩系の感光材料を用いたものもある。

なお、ホログラム作製時における記録レーザの波長は９
例えば再生時のＬＥＤの波長（６６０閣赤）に近いクリ
プトンイオンレーザの６４７．１ｎｍの光を用いること
が好ましい。

また、上記ホログラムとしては、干渉縞のパターンを計
算機によって描絵させる計算機ホログラムを用いること
ができる。

この計算機ホログラムは、一般にエンボスホログラムと
呼ばれるもので、ＩＤカードや、テレホンカードなどに
利用されている。かかるエンボスホログラムは３透明プ
ラスチツク板の表面に凹凸を作り、これの回折現象を利
用するもので１回折効率は低いが、凹凸模様であるため
、プレス型等の成形型で作製できる。それ故、量産性に
優れている。

また、ホログラムは、入射光を収束させると共に全反射
光を再び収束させるために、１枚のホログラムを用いる
こと（第１図参照）、或いは両者の収束をそれぞれ行わ
せる２枚のホログラムを用いること（第１Ｏ図参照）の
いずれかの１１様で配置する。

また、上記ホログラムは、透明板の上面に透明な接着剤
を用いて粘着する。該接着剤は透明で。

かつ高温耐久性を有することが好ましい。

また、上記発光端部は、光ファイバーにより構成するこ
とが好ましい、この場合該光ファイバーの先端は透明板
の上面に対面して配置し、その後端は光源に光学的に連
結する。上記光源としては。

ＬＥＤ、ＬＤ　（レーザダイオード）などの発光素子を
用いる。

また、受光端部は、光ファイバーにより構成することが
好ましい、この場合７光フアイバーの先端は、透明板の
上面に対面させて１発光端部と同位置又はその近傍に配
置する。また、光ファイバーの後端は光検出器に光学的
に連結する。光検出器としては、ＣｄＳ、ＦＤ　（フォ
トダイオード）などの受光素子を用いる。

そして、ここに重要なことは１発光端部と受光端部が、
ｉ！ｉ明板の上方において、同−場所又は近接位置に配
置されていることである（第１図、第８図、第１Ｏ図）
、そして１発光端部及び受光端部が、それぞれ光ファイ
バーである場合には５　この光ファイバーは１本（１束
）とすることもできる、この場合には、１本の光フアイ
バー内を透明板への入射光、透明板からの反射光が通過
するよう構成する（第１図）。

また、上記光ファイバーは、それぞれ発光端部用５受光
端部用として、それぞれ１本づつ用いることもできる（
第８図、第１０図）。

また９発光端部及び受光端部に光ファイバーを用いる場
合には、透明板の同一面に一本又は２本の光ファイバー
を配置すれば良いので、−１組付性が向上し、また液体
濃度センサ全体がコンパクトになる。更に、光ｓ１光検
出器等の受発光回路部を、高温部から遠ざけることがで
き、耐久性が向上する。

また、上記のごと（光ファイバーを用いない場合には８
発光端部は光源である発光素子自体を透明板に対面して
直接配置し、また、受光端部は受光端部等の光検出器自
体を上記発光素子と隣接させて、透明板に対面して直接
配置する（第１１図。

第１２図）。

また１本発明の液体濃度センサは１例えばガソリン燃料
中に混合したメタノール、エタノール。

更にはペンタン、ヘキサン、ヘプタン、ベンゼン。

トルエン、キンレン等も測定することができる。

また、上記燃料の外、化学工場における各種水溶液１反
応溶液、混合有機溶媒等の液体中における特定成分の濃
度測定にも利用することができる。

〔作用及び効果〕

本発明の液体濃度センサにおいては７発光端部から出た
光を光収束用のホログラムを通過させて透明板内に入射
させ、液体と接触している透明板の下面で反射させ、そ
の全反射光を上記ホログラムにより収束させて受光端部
に受光している。

また、上記において発光端部から出た発散光は。

上記ホログラムにより透明板の内部で全反射させる程度
に収束光へ変換させている。それ故、！ｆ収束光は液体
と接触している透明板下面の一点（濃度検出点）に照射
される。そして、該下面で反射した全反射光は再びホロ
グラムによって収束されて受光端部に受光される。した
がって、前記全反射の原理（第１３図）により、液体濃
度を検出できるのである。

それ故、従来のごとく、特別なプリズム、ガラスロッド
等を用いることな（、上記ホログラムによって全反射角
を発生させ、液体濃度を測定することができる。また、
そのため、ガラス、プラスチック等の安価な透明板を用
いることができる。

そのため、液体濃度センサが安価で量産性に優れる。

また、上記受光端部は１発光端部と近接して透明板の同
一面側に配置しである。そのため１組付端度に関しては
、透明板の同一面側に対して発光端部と受光端部の組付
位置を配慮すれば良（、従来のごとく高度な組付精度が
要求されない、そのため３組付が容易である。

また１発光端部と受光端部をプリズムの同一面側に配置
するため１部品点数が少なく、液体濃度センサ全体がコ
ンパクトになる。

したがって３本発明によれば１組付性が良く。

量産性に優れ、かつコンパクトな液体濃度センサを提供
することができる。

〔実施例〕

第１実施例 本発明の実施例にかかる液体濃度センサにつき。

第１図〜第７図を用いて説明する。

本例の液体濃度センサは、メタノール含有ガソリン燃料
中のメタノール濃度の測定に用いるものである。

まず１本例の液体濃度センサは、第１図に示すごと（、
ハウジング１６内に導入した液体としての燃料Ｆに下面
を隣接して配置した透明板１１と。

該透明Ｆ１１１の上面１１１よりその内部に入射光３１
を照射するための１発光端部及び全反射光受光用の受光
端部としての、光ファイバー２と、上記透明板１１の上
面＋１１に設けた光収束用のホログラム５とよりなる。

また、光ファイバー２の後端は、第３図に示すごとく、
受発光回路部４に接続しである。譲受発光回路部４は受
発光部４０と９回路部４５とよりなる。上記受発光部４
０は、ＬＥＤ等の発光素子４１と上記光ファイバー２の
後端２２との間に配置したハーフミラ−４４と、該ハー
フミラ−４４の左右に配置したモニタ用受光素子４２と
検出用受光素子４３とを有する。

また１回路部４５は、光源出力部４１０とモニタ入力部
４２０と検出信号入力部４３０と、液体濃度に応じた信
号を出力するセンサ出力部４５０とを有する。

上記より知られるごと（３本例では、透明板ｌｌに光を
入射する発光端部１及び透明板１１からの全反射光を受
信する受光端部は、同し光ファイバー２によって構成し
ている。

また、第１図に示すごとく、上記透明板１１は上下のハ
ウジング１６の間にシールリング１８を介して組付けで
ある。また、ハウジング１６には。

燃料Ｆを測定室１６０内に流入、ｆＬ出させるための接
続パイプ１４１．１４２を設ける。

次に、上記液体濃度センサ１の具体的構成につき説明す
る。

まず、ホログラム５につき説明する。ホログラム５には
、第２図に示すごとく、入射光（発散光）３１を、ホロ
グラム通過後に透明板１１内で。

成る設計角度θ（本例では６０〜７０度）となる収束光
に変換する機能を持たせである。即ち、ホログラム５は
、波面交換作用を有し５上記人射光３１を透明板１１の
下面１１２の一点１１５に収束させる機能を有する。こ
のようなホログラムは。

透過型ホログラムと称されている。

次に、上記ホログラ？、５の作製法、即ちホログラム撮
影光学系につき、第６図及び第７図を用いて説明する。

まず、ホログラムの回折光（ホログラム通過後。

ホログラムの回折作用を受けた光）が透明板１１と空気
との界面で全反射するような角度にするため、光束Ｃ１
は通常の発散光であるが５光束Ｃ２は全反射角となるよ
うな急な角度（本例では、透明板としてのガラス内部で
６０〜７０度）とするため、楕円体績５１を準備する。

該楕円体績５１は内部に鏡面５１１を有し、また屈折率
調整液５５を内蔵している。また、上記楕円体績５１の
下部にはホログラム５を作製するためのホログラム乾板
５０を配置する。

そして、楕円体績５１の上部に対物レンズ５３を配置す
る。即ち、対物レンズ５３を第１焦点Ａｌとして、ここ
に光の発散点を置き、第２焦点Ａ２に丁度検出光が一点
となるように光を収束させる。！ＩＩち、ホログラム乾
板５０は、第２焦点よりも透明板厚みＴの長さだけ内側
に配置しである。

ただし、第６図では、空気中にＡ２があるため。

実際には光の屈折によりＡ２はさらに手前に来るが、概
念図のため省略しである。

そして、ホログラム作製に当たっては、同図に示すごと
く記録用のレーザ光５２を照射する。これにより５ホロ
グラム乾板５０にホログラムが形成される。このレーザ
光としては、再生時のＬＥＤの波長（６６０ｎｍ赤）に
近いクリプトンイオンレーザの６４７．ｌｎｍの光を用
いた。

このように光束ＣＩと光束Ｃ２で作製したホログラムに
対して、その再生時には第７図に示すごとく５第１焦点
位置Ａ１に光ファイバーの先端２１を配置する。そして
、そこから出た入射光（発散光）が、ホログラム５によ
って光束Ｃ２と同し方向へ回折され、これが検出光とな
る。

本例においては、上記ホログラム乾板はフォトポリマー
を用いた。この場合は、上記ホログラム作製時に光が当
たった部分が架橋反応し、密度が高くなる。また、光の
当たらなかった部分は反応が進まないため、変化しない
、このようにして。

光の干渉縞をポリマーの疎密として記録し、ホログラム
とするのである。また、上記楕円体［５１の形状を変え
ることにより、所望する全反射角を有するホログラムを
任意に作製することができる。

次に、透明板１１としては、厚み３ｍｍのガラス板を用
いた。そして、該透明板１１の上面１１１に、上記ホロ
グラム５を無色透明な紫外線硬化型光学接着剤により接
着した。

次に、光ファイバー２から透明板ｌｌ内に入った入射光
３１が、メタノール濃度の変化により。

透明板１１の下面１１２でどのように反射するかにつき
、第４図、第５図により説明する。

まず、第４図に示すごとく、メタノール濃度が低いとき
には、燃料の屈折率ｎ、が大きいため（第１４図）、全
反射角θが太き（なる、そのために、燃料Ｆと接触して
いる透明板下面１１２における反射光量は斜線２０で示
すごと（少ない。

一方、メタノール濃度が高いときには、第５図に示すご
とく、上記とは逆に、全反射角θが小さくなるために１
反射光量は斜線２０で示すごとく太き（なる、なお、こ
れらのことは、前記ｓｉｎθ＞　ｎ　ｔ　／　ｎ　ｌの
関係式より知られる。

モして５上記の全反射光３２は１両図及び前記第１図、
第２図にも示すごとく、ホログラム５により収束され、
更に光フアイバー２内に入って光量検出用の受光素子４
３（第３図）に入る。

したがって１反射光量を測定すれば、メタノール濃度を
知ることができるのである。

次に、光ファイバー２につき説明する。

光ファイバー２は、液体濃度センサがエンジンルーム内
にあるため、１００°Ｃ以上の耐熱性を有する。ガラス
系又は、耐熱樹脂系のものを用いる。

なお、ガラス系の場合には、コア径が直径１■以上必要
であるため３曲げ半径が大きくなり、取り回しか困難と
なる。バンドル型を用いることもできるがコスト高とな
る。

また、樹脂の場合、ポリカーボネート系の樹脂。

又はシース（被覆）に耐熱性を持たせたアクリル系のも
のがある。これらは、低コストで、量産向きである。

また、上記ハウジング１６は、耐食性のあるＳＵＳ３１
Ｏ５を用いた。また、シールリング１８は耐ガソリン、
耐アルコール性のフッ素ゴムを用いた。

次に１本例の液体濃度センサｌ及び受発光回路部４の作
用効果を第１図〜第３図により説明する。

まず、受発光回路部４においては、第３図に示すごとく
１発光素子４１の光はハーフミラ−４４を通過した後、
光ファイバー２の後端２２に入射される。そして、光フ
ァイバー２の先端２１からホログラム５に達した入射光
３１は、透明板１１内において収束され、燃料Ｆと接触
している透明板下面１１２に達する（第１図、第２図）
、そして、前記第４図、第５図に示したごとくメタノー
ル濃度に応じて、一部の光３１１は、燃料Ｆ側に抜け、
他の光は透明板下面１１２で全反射してその全反射光３
２はホログラム５に達する。そして。

該ホログラム５により収束され、再び光フアイバー２内
に入る（第１図、第３図）。

そして、光ファイバー２により受発光回路部４へ戻って
きた全反射光３２は、第３図に示すごとくハーフミラ−
４４により右側へ反射され、検出用受光素子４３に入る
。そして９回路部４５において、検出光を増幅し規定出
力電圧として出力する。

なお２発光素子４１としてＬ　Ｅ　Ｄを用いる場合には
、電圧変動、温度変化などにより、その光量が変動する
。そのため、受発光部４０にモニタ用受光素子４２を設
け１発光素子４１の光の一部をハーフミラ−４４により
採取し、その光量を上記回路部４５にフィードバックし
て上記変動量を調整する。ハーフミラ−は、透過率５０
％１反射率５０％のものが好ましい。

以上のごとく１本例の液体濃度センサによれば。

受光端部と発光端部とは同一の光ファイバー２を用いて
、透明板１１の上方の同一場所に配設している。そのた
め１組付端度に関しては、光ファイバー２の組付を考慮
すれば良く５前記従来のごとく、高度な組付精度は要求
されない、それ故１組付けが容易である。また、光ファ
イバーは１本であるため、液体濃度センサの部品点数も
少なく。

全体がコンパクトである。また、そのため、量産性に優
れている。

また、受発光回路部４は、光ファイバー２によって２液
体濃度センサｌから離して配置できる。

そのため、エンジンルーム内などの高温場所に受発光回
路部を配設する必要がな（、受発光回路部４の熱障害が
ない。

なお、燃料は温度により屈折率が若干変動する。

それ故、燃料Ｆの通路内に温度センサーを設けて。

その信号を受発光回路部４ヘフイードバツクし。

屈折率の温度補償をすることが好ましい。

第２実施例 本例は、第８図に示すごとく、第１実施例の光ファイバ
ー２に代えて１発光端部用の光ファイバー２５と受光端
部用の光ファイバー２６を用いたものである。

両者はその光軸を中心軸より僅かにずらしてあり、ホロ
グラム５からの全反射光を光ファイバー２６が受光でき
るようにしたものである。そのほかは、第１実施例と同
様である。

これにより、受発光回路部４のハーフミラ−４４を省略
することもできる。また、第１実施例と同様の効果を得
ることができる。

第３実施例 本例は、第９図に示すごとく、ホログラムとしてエンボ
スホログラム５８を用いたものである。

該エンボスホログラム５８は透明樹脂板にプレス等によ
り作製したものである。そして、このエンボスホログラ
ム５日をガラス板である透明板１１に接着しである。

なお、このエンボスホログラム５８は、透明樹脂板の表
面に直接プレス形成しても良い、この場合、透明樹脂板
は、直接燃料に接触するため、耐ガソリン、耐アルコー
ル性を有する必要がある。

その他は、第１実施例と同様である０本例によれば第１
実施例と同様の作用効果を得ることができる。

第４実施例 本例は第１Ｏ図に示すごとく１発光端部としての光ファ
イバー２５と、受光端部としての光ファイバ−２６を少
し離して配置すると共に、ホログラムを入射光用ホログ
ラム５９１と受光用ホログラム５９２の２枚用いたもの
である。

その他は、第１実施例と同様である０本例によれば、第
２実施例と同様の効果を得ることができる。

第５実施例 本例は、第１１図に示すごと（、第１実施例において光
ファイバー２を用いず、受発光部４０における発光素子
４１及び受光素子４３を、直接に透明板１１の上方に対
向配置したものである。

即ち１発光端部及び受光端部を直接に透明板１１に対面
して、配設したものである。

本例は、液体濃度センサｌを、余り高温でない場所に配
置する場合に好適である。また１本例によれば、光ファ
イバー２を用いる点を除き、第１実施例と同様の効果が
得られる。

第６実施例 本例は、第１２図に示すごとく、第４実施例（第１０図
）において、光ファイバー２５．２６を用いず９発光素
子４１．受光素子４２を直接に透明板１１の上面に対向
配置したものである。

本例によれば、第４実施例及び第５実施例と同様の効果
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図は第１実施例の液体濃度センサを示し、
第１図は液体濃度センサの断面図、第２図はその原理説
明図、第３図は受発光回路部の全体図、第４図はメタノ
ール濃度が低い場合の反射光量を示す説明図、第５図は
メタノール濃度が高い場合の反射光量を示す説明図、第
６図及び第７図はホログラム作製時の説明図、第８図は
第２実施例の液体濃度センサの説明図、第９図は第３実
施例の液体濃度センサの説明図、第１０図は第４実施例
の液体濃度センサの説明図、第１１図は第５実施例の液
体濃度センサの説明図、第１２図は第６実施例の液体濃
度センサの説明図、第１３図は燃料と接触しているプリ
ズム面の反射説明図。 第１４図は、メタノール濃度と燃料屈折率との関係ｍ図
である。 １・・・液体濃度センサ。 １１・・・透明板。 ＋１２・・・透明板の下面。 ２．２５．２６・・・光ファイバー。 ３１・・・入射光。 ３２・・・全反射光。 ４・・・受発光回路部。 ４０・・・受発光部。 ４１・・・発光素子２ ４２・・・モニタ用受光素子。 ４３・・・検出用の受光素子。 ４５・・・回路部。 ５・・・ホログラム。 ｎｌ−・・・プリズムの屈折率。 ｎ、・・・燃料の屈折率。 Ｆ・・・燃料。 第２図 寸 味 へ αつ 線 へ 第８図 第１１図 第１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ハウジング内に導入した液体に下面を隣接して配置した
   透明板と、該透明板の上面よりその内部に光を入射させ
   るための発光端部と、該発光端部と同一又は近接した位
   置に配置した受光端部と、上記透明板の上面に設けた光
   収束用のホログラムとよりなり、 また該ホログラムは、上記発光端部からの入射光を透明
   板の内部で全反射光とすると共に透明板の下面の一点に
   上記全反射光を収束させ、また該下面における全反射光
   を再び収束させて上記受光端部に送る機能を有すること
   を特徴とする液体濃度センサ。