(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部に存在する液体の液面レベルを検出する液面レベル検出装置であって、
光を発する発光手段と、
前記発光手段により発せられた光を散乱させる光散乱手段と、
前記光散乱手段によって散乱された散乱光の一部を前記光散乱手段の外部に放射する液面レベル検出部位を有する光放射手段と、
前記光放射手段によって放射せず、前記光散乱手段又は前記光放射手段の外部との境界面で反射して戻ってきた前記散乱光を受ける受光手段と、
前記発光手段からの光が前記受光手段に直接照射しないよう遮光する遮光手段とを有し、
前記外部に前記液体が存在する場合、前記光放射手段の外部への放射光量が変化し、その変化を前記受光手段の受光量により検出することにより、前記液体の前記液面レベルを検出する液面レベル検出装置。
【請求項２】
所定の角度を設けて、前記発光手段又は受光手段を配置することを特徴とする請求項１に記載の液面レベル検出装置。
【請求項３】
前記受光手段を複数配置することを特徴とする請求項１又は２に記載の液面レベル検出装置。
【請求項４】
前記複数の受光手段を略水平面上に配列することを特徴とする請求項３に記載の液面レベル検出装置。
【請求項５】
前記遮光手段による光の吸収を防ぐため、前記遮光手段を光反射用フィルムで覆うことを特徴とする請求項１又は４に記載の液面レベル検出装置。
【請求項６】
前記液体の種類に応じた前記受光手段における基準の受光量の設定を可能とし、前記受光手段の受光量と前記基準の受光量との比較によって、前記液体の前記液面レベルの検出を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の液面レベル検出装置。
【請求項７】
前記発光手段の発光部位周辺に、前記光散乱手段を配置することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の液面レベル検出装置。
【請求項８】
前記発光手段からの前記光が照射される前記液面レベル検出部位周辺に、前記光散乱手段を配置することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の液面レベル検出装置。
【請求項９】
前記光散乱手段が、シリコンゴムであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の液面レベル検出装置。
【請求項１０】
前記光放射手段が、パーフロロアルコキシであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の液面レベル検出装置。
【請求項１１】
前記発光手段にタングステンランプを用い、前記受光手段にガラス光ファイバを用いることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載の液面レベル検出装置。
【請求項１２】
前記液体内に前記光放射手段を浸漬させることによって、前記液体の前記液面レベルを検出することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の液面レベル検出装置。
【請求項１３】
光透過性を有する容器の外壁に前記光放射手段を設置し、前記容器内に収容されている前記液体の前記液面レベルを検出することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の液面レベル検出装置。
【請求項１４】
前記容器の外壁に前記光放射手段を固定可能とする固定手段を有することを特徴とする請求項１３に記載の液面レベル検出装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、タンクやパイプ、ドラム缶などの容器内に入れられ、外側からは容易に確認できない液体の液面レベルを検出する液面レベル検出装置に関し、特に、散乱光を用いて液面レベル検出を行うものに関する。
背景技術
図７は、プリズムによる光の反射を用いた従来の液面レベル検出装置の一例の断面図である。図７に示す液面レベル検出装置１００は、所定の形状に切られた一端（以下、プリズム部１０１と呼ぶ）を有する棒状のフッ素樹脂又はガラスなどからなる光透過部材１０２と、プリズム部１０１に向けて光透過部材１０２の長手方向に光を発する発光手段１０３と、発光手段１０３により発された光がプリズム部１０１で反射され、プリズム部１０１から光透過部材１０２の長手方向に戻ってくる反射光を受光する受光手段１０４と、受光手段１０４で受光した反射光の光量を測定し、その測定結果を出力するＩＣ１０５とにより構成されている。
また、発光手段１０３で発された光を効率良く受光手段１０４が受光できるよう、プリズム部１０１における所定の形状が設定されており、例えば、発された光がプリズム部１０１で全反射して、その全反射光が受光手段１０４まで戻ってくるよう設定されている。すなわち、光透過部材１０２の屈折率をｎt、空気の屈折率をｎs（ｎs≒１）とすると、発光手段１０３からの光の照射角がsinθ0＝ｎs／ｎtとなるよう、プリズム部１０１の下端の所定の形状や発光手段１０３及び受光手段１０４の設置位置が設定されている。
プリズム部１０１の光が照射されている部分に液体１０６の液面１０７が接触した場合、プリズム部１０１の外部の屈折率が変化し（通常、液体１０６の屈折率は空気よりも大きいので、外部の屈折率が大きくなる）、全反射角θ0が変化する。これにより、発光手段１０３からの光が液体１０６内部に放射するようになり、受光手段１０４に戻ってくる光量が大きく減少する。この光量の変化を測定して、下端に液面１０７が接触したことを検出する。
しかしながら、図７の液面レベル検出装置１００は、下端のプリズム部１０１に液面レベル検出部位が存在しているため、液体１０６の液面レベルを一度検出した場合には、液滴が付着し続けてしまい、液面レベル検出に誤作動が起こったり、液面レベル検出が行えなくなってしまったりすることがある。この問題点を改良しようとする液面レベル検出装置が、下記の図８に示す液面レベル検出装置である。
図８は、全反射光を用いた従来の液面レベル検出装置の一例の断面図である。図８に示す液面レベル検出装置２００は、内部が空洞である棒状のフッ素樹脂又はガラスなどからなる光透過部材２０１と、その内部の空洞部に設置された光ファイバなどによる発光手段２０２及び受光手段２０３と、発光手段２０２からの光が受光手段２０３に直接照射しないようにする遮光壁２０４と、受光手段２０３で受光した光量を測定し、その測定結果を出力するＩＣ２０５とにより構成されている。
また、外部に液体２０６が存在しない場合（すなわち、外部が空気の場合）には、光透過部材２０１側面の外壁で光が全反射するよう、この発光手段２０２及び受光手段２０３の角度が設定されている。すなわち、光透過部材２０１の屈折率をｎt、空気の屈折率をｎs（ｎs≒１）とすると、発光手段２０２からの光の照射角がsinθ0＝ｎs／ｎtで定まる臨界角θ0より大きな入射角で光が入射されるよう発光手段２０２が設置されており、また、受光手段２０３も光透過部材２０１の外壁からの全反射光を効率良く受光できるよう、受光手段２０２からの入射角と同一の反射角となる位置に設置されている。
上記のように、外部が空気の場合、発光手段２０２からの光は、光透過部材２０１の外壁に全反射されて受光手段２０３により受光されているが、光透過部材２０１の側面の光が全反射をしている場所（以下、全反射部位と呼ぶ）に液面２０７が接触した場合、上記光透過部材２０１の外部の屈折率が変化し、臨界角θ0が変化する。これにより、発光手段２０２からの光が液体２０６内部に放射するようになり、受光手段２０３に戻ってくる光量が大きく減少する。この光量の変化を測定して、全反射部位に液面２０７が接触したことを検出する。このような全反射を用いた液面レベル検出は、全反射部位に液体２０６が全反射部位に存在する場合には、光の全反射が起こらなくなり、その反射光量が劇的に変化する。したがって、受光手段による光量の変化量が大きく、精度の高い液面レベル検出を行うことができる。
また、特開２０００−３２９６０７号公報や特開２０００−３２１１１６号公報には、伝搬光を散乱させることによって伝搬光の減衰量を計測し、液面レベルを検出する液面レベルセンサが開示されている。例えば、特開２０００−３２９６０７号公報には、図９に示すような伝搬光を散乱させた散乱光を用いた液面レベルセンサ３００が開示されている。
この液面レベルセンサ３００は、光散乱部材（粒状体）３０１内に伝搬光を通過、散乱させて散乱光を作り、センシング部３０２から外部に散乱光を放射させて、外部に存在する液体の影響で減衰する伝搬光の減衰量を測定することによって液面レベルを検出するものである。また、その図９の他にも、例えば、図１０のように、Ｕ字部分全体に屈折率が異なる光透過性物質を配置するものも開示されている。
しかしながら、図８に示す液面レベル検出装置では、全反射による液面レベル検出を行うので、例えば、粘性率の高い液体の液面レベル検出を一度行い、再度、その液面レベル検出装置を用いて液面レベル検出を行う場合には、全反射部位に液滴が付着することになるので、全反射部位における全反射が起こらなくなり、その液滴を除去しない限り、液面レベル検出が不可能となるという問題点がある。また、全反射部位に油膜や汚れが付着した場合も同様に、誤作動を起こす可能性があるという問題点がある。
また、図８に示す液面レベル検出装置は、プリズム部や全反射部位において、全反射を規定する臨界角の設定を行うため、プリズム部の角度、発光手段及び受光手段の設置位置及び設置角度、発光手段から受光手段までの距離（すなわち、遮光壁の長手方向の距離）、発光角度及び受光角度など、様々な条件を設定する必要があり、例えば、これらの条件の１つが欠落しただけでも液面レベル検出が行えなくなるなど、外部からの衝撃による傷や損傷、酸塩基性など様々な使用条件によって起こる液面レベル検出装置の劣化などへの耐久性が非常に弱いという問題点がある。また、こうした様々な条件を設定する必要があるため、液面レベル検出装置の製造も精密かつ難しいものとなるという問題点がある。
また、図８に示す液面レベル検出装置は、例えば、液面レベル検出部位の外部が空気であるという初期状態に関して、全反射が起こり、所定の検出対象（液体）内では、全反射が起こらないよう設定される。一方、こうした検出対象は、利用する環境によって異なってくる。したがって、例えば、臨界角θ0の設定によっては、屈折率の高い液体は検出可能であるが、屈折率の低い液体の検出は不可能であるという問題点がある。また、従来の液面レベル検出装置は、検出対象が着色された液体の場合に誤作動を起こすという問題点がある。
また、図８に示す液面レベル検出装置は、例えば、空気と液体の２層の界面の検出を行うことは可能であるが、空気、油、水の３層の界面を検出しようとする場合、空気と油との界面で全反射の有無の変化が起こるよう設定された液面レベル検出装置、及び、油と水との界面で全反射の有無の変化が起こるよう設定された液面レベル検出装置の２種類の液面レベル検出装置を用いなければならないという問題点がある。なお、本明細書では、液相と気相との界面、異なる２つの液相の界面を液面と呼ぶことにする。
また、図９に示す液面レベルセンサは、発光手段から発された光が受光手段に直接入るような構造となっており、受光手段は、液面レベル検出の前においても、相当量の伝搬光を受光している。この発光手段から受光手段に直接入る光は、液面レベル検出に寄与しないばかりか、液面レベル検出の精度を大きく落とすものとなる。特に、液面レベル検出時に、センシング部から外部に放射される散乱光量（すなわち、受光手段による伝搬光の減衰量）が少ない場合、受光手段による受光量の変動率（＝液面レベル検出後の受光量／液面レベル検出前の受光量）が非常に小さくなり、その変動を計測するのは非常に困難であって、現実的ではないという問題点がある。
したがって、特に、液面レベル検出の精度を向上させるためにセンシング部の距離Ｌを短くした場合、必然的にセンシング部から外部に放射される散乱光量は少なくなるので、受光手段による受光量の変動率はさらに小さくなる。したがって、この液面レベルセンサは、センシング部の距離Ｌをかなり大きく取らなければ液面レベル検出は不可能なものであり、液面レベル検出の精度は非常に低いものであるという問題点がある。
また、図１０のように、Ｕ字部分全体に屈折率の異なる光透過性物質が配置され、Ｕ字部分で光を放射する液面レベルセンサは、光の伝送路が極端に曲げられた構造となっており、伝搬光のほとんどが散乱光として外部に漏れてしまい、受光手段の受光量が非常に少なくなってしまう。また、さらに、液面レベルを検出した場合でも、正確に液面レベルを特定することは不可能なので、極めて精度の低い液面レベル検出しか行えず、現実的ではないという問題点がある。
発明の開示
本発明は、上記問題点に鑑み、検出対象を選ばずに様々な検出対象及び使用環境において使用可能であり、また、例えば、粘性率の高い液体に関しても、確実にその液面の検出を続けて行うことが可能であり、さらに、耐久性に優れて製造も容易な液面レベル検出装置を提供することを目的とする。また、液面レベル検出部位に効率良く光を照射し、受光手段の受光量の変動を感度高く検出できるようにし、実際に感度の良い液面レベル検出を行える液面レベル検出装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するため、発光手段からの光が受光手段に直接照射しないよう遮光手段を設けて、光散乱手段で散乱された散乱光の一部を光放射手段の液面レベル検出部位で外部に放射する一方、放射せず反射して戻ってきた散乱光を受光手段で受け、その受光量の変化の検出を行うようにする。
すなわち、本発明によれば、外部に存在する液体の液面レベルを検出する液面レベル検出装置であって、
光を発する発光手段と、
前記発光手段により発せられた光を散乱させる光散乱手段と、
前記光散乱手段によって散乱された散乱光の一部を前記光散乱手段の外部に放射する液面レベル検出部位を有する光放射手段と、
前記光放射手段によって放射せず、前記光散乱手段又は前記光放射手段の外部との境界面で反射して戻ってきた前記散乱光を受ける受光手段と、
前記発光手段からの光が前記受光手段に直接照射しないよう遮光する遮光手段とを有し、
前記外部に前記液体が存在する場合、前記光放射手段の外部への放射光量が変化し、その変化を前記受光手段の受光量により検出することにより、前記液体の前記液面レベルを検出する液面レベル検出装置が提供される。
また、さらに、所定の角度を設けて、前記発光手段又は受光手段を配置することは、本発明の好ましい態様である。
また、さらに、前記受光手段を複数配置することは、本発明の好ましい態様である。
また、さらに、前記複数の受光手段を略水平面上に配列することは、本発明の好ましい態様である。
また、さらに、前記遮光手段による光の吸収を防ぐため、前記遮光手段を光反射用フィルムで覆うことは、本発明の好ましい態様である。
また、さらに、前記液体の種類に応じた前記受光手段における基準の受光量の設定を可能とし、前記受光手段の受光量と前記基準の受光量との比較によって、前記液体の前記液面レベルの検出を行うことは、本発明の好ましい態様である。
また、さらに、前記発光手段の発光部位周辺に、前記光散乱手段を配置することは、本発明の好ましい態様である。
また、さらに、前記発光手段からの前記光が照射される前記液面レベル検出部位周辺に、前記光散乱手段を配置することは、本発明の好ましい態様である。
また、さらに、前記光散乱手段が、シリコンゴムであることは、本発明の好ましい態様である。
また、さらに、前記光放射手段が、パーフロロアルコキシであることは、本発明の好ましい態様である。
また、さらに、前記発光手段にタングステンランプを用い、前記受光手段にガラス光ファイバを用いることは、本発明の好ましい態様である。
また、さらに、前記液体内に前記光放射手段を浸漬させることによって、前記液体の前記液面レベルを検出することは、本発明の好ましい態様である。
また、さらに、光透過性を有する容器の外壁に前記光放射手段を設置し、前記容器内に収容されている前記液体の前記液面レベルを検出することは、本発明の好ましい態様である。
また、さらに、前記容器の外壁に前記光放射手段を固定可能とする固定手段を有することは、本発明の好ましい態様である。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の液面レベル検出装置の使用状態を示す模式図、
図２は、本発明の液面レベル検出装置に係る第１の実施の形態を示す断面図、
図３は、図２に示す本発明の液面レベル検出装置の液面レベル検出部位付近を拡大した模式図、
図４は、本発明の液面レベル検出装置により液面を検出する場合における受光手段の受光量の変化を示す模式的なグラフ、
図５は、本発明の液面レベル検出装置に係る第２の実施の形態を示す断面図、
図６は、本発明の液面レベル検出装置に係る第３の実施の形態を示す断面図、
図７は、プリズムによる光の反射を用いた従来の液面レベル検出装置の一例の断面図、
図８は、全反射光を用いた従来の液面レベル検出装置の一例の断面図、
図９は、散乱光を用いた従来の液面レベル検出装置の一例の断面図、
図１０は、散乱光を用いた従来の液面レベル検出装置の別の一例の断面図、
図１１は、本発明の液面レベル検出装置の使用状態の第１の例を示す模式図、
図１２（Ａ）は、本発明の液面レベル検出装置において、異なる高さに液面レベル検出部位を設けた第１の例を示す模式図、
図１２（Ｂ）は、本発明の液面レベル検出装置において、異なる高さに液面レベル検出部位を設けた第２の例を示す模式図、
図１２（Ｃ）は、本発明の液面レベル検出装置において、異なる高さに液面レベル検出部位を設けた第３の例を示す模式図、
図１３は、本発明の液面レベル検出装置に係る第４の実施の形態を示す断面図、
図１４は、図１３に示す液面レベル検出装置のガラス光ファイバを複数設けた場合の図であり、図１３のＸ−Ｙ断面図、
図１５は、本発明の液面レベル検出装置の使用状態の第２の例を示す模式図である。
発明を実施するための最良の形態
＜第１の実施の形態＞
以下、図面を参照しながら、本発明の液面レベル検出装置について説明する。まず、本発明の液面レベル検出装置に係る第１の実施の形態について説明する。図１は本発明の液面レベル検出装置の使用状態を示す模式図であり、図２は、本発明の液面レベル検出装置に係る第１の実施の形態を示す断面図である。なお、図２は、図１の点線部の拡大図である。本発明の液面レベル検出装置１０は、例えば、タンクなどの容器の上から略垂直に柱状部を挿入して、下方にある液面レベル検出部位に液体１７を接触させて液面レベル検出を行う。
図２に示す本発明の液面レベル検出装置１０は、全長が数十ｃｍ程度のものであり、内部が空洞である棒状のフッ素樹脂又はガラスなどからなる光透過部材（光放射手段、光透過手段）１１、その内部の空洞部に設置された光ファイバや発光ダイオード（ＬＥＤ）などによる発光手段１２、光学エネルギーを電気信号などの電気エネルギーに変換する受光手段１３、発光手段からの光が、受光手段１３に光が直接照射しないようにする遮光壁（遮光手段）１４、受光手段１３で受光した光量を測定し、その測定結果を出力するＩＣ（Integrated Circuit：集積回路）１５、発光手段１２及び受光手段１３の先端全体を覆い、照射された光を散乱する性質を有する光散乱部材（光散乱手段、シリコンゴム）１６により構成されている。なお、例えば、発光手段１２が光ファイバの場合には、光供給手段と接続しており、発光手段１２が発光ダイオードの場合には、電源などと接続している。また、光散乱部材１６としては、発光手段１２又は受光手段１３の固定を行う接着性を有するシリコンゴム１６が好適であり、特に、吸湿硬化性及び耐熱性を有する半透明軟質シリコンシーラントが最適である。
なお、この液面レベル検出に用いられる光の波長は、特に限定されるものではなく、可視領域、赤外領域、紫外領域や、その他の領域を用いることが可能である。また、プリズムなどを配置して、発光手段１２からの光又は受光手段１３で受ける光に指向性を持たせ、効率良く発光又は受光するようにすることが可能である。また、光透過部材１１としては、化学薬品に対して耐久性が高い、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（パーフロロアルコキシ）、ＦＥＰ（蛍光エチレンプロピレン）、ＥＴＦＥ（エチレンテトラフルオロエチレン）などのフッ素樹脂を用いることが好ましく、特に、高温でも溶融せず安定なＰＴＦＥや、安価で加工が容易なＰＦＡなどを用いることが好ましい。また、光透過部材１１は光透過性を有し、外部環境に光を放射する液面レベル検出部位となるので、光透過部材１１を光放射手段１１と呼ぶこともある。また、光透過部材は、外部環境から装置を保護する役割のみを有しているので、液面レベル検出部位付近に光透過部材１１を設けず、光散乱手段１６が外部環境に直接されされるようにしても（すなわち、光散乱手段１１と光散乱手段１６とを同一のものにする）、本発明の目的を果たすことも可能である。
図３は、図２に示す本発明の液面レベル検出装置の液面レベル検出部位付近を拡大した模式図である。図３を参照しながら、液面レベル検出における動作及び光の流れを説明する。例えばシリコンゴム１６のような物質は、多数の微粒子が不規則に散在する半透明物質であり、このシリコンゴム１６に光を照射すると、光はシリコンゴム１６内部で散乱される。したがって、発光手段１２から照射された光は、シリコンゴム１６の内部の微粒子によって散乱され、ランダムな方向に拡がる。そして、散乱光は、微粒子による散乱を繰り返して、例えば、再び発光手段１２が存在する方向に戻ったり、光透過部材１１の内壁に向かったりする。なお、シリコンゴム１６の代わりに、照射された光を散乱させる性質を有する物質又は部材を用いることも可能である。
また、遮光壁１４によって、受光手段１３が、発光手段１２からの光を直接受光しないようにしている。これにより、発光手段１２から受光手段１３に光が直接照射されず、液面レベル検出の邪魔となる光を遮蔽することが可能となる。なお、発光手段１２から受光手段１３に光が直接照射されないという意味は、シリコンゴム１６の有無にかかわらず、光が直接照射されないよう、発光手段１２と受光手段１３とが相対的に配置されているということである。また、所定の角度を設けて発光手段を配置することにより、発光手段１２と受光手段１３との間で外部に散乱光の一部を放射する光透過部材１１の一部位（以下、液面レベル検出部位と呼ぶ）付近への平均照射光量を高めることが可能となり、同様に、所定の角度を設けて受光手段を配置することにより、受光の効率を高めることが可能となって、液面レベル検出の精度を向上させることができる。
さらに、遮光壁１４に傾斜を設け、光反射板の役割を果たすようにしたり、独立して光反射板を設けたりしても、同様に、液面レベル検出の精度を向上させることが可能である。なお、この液面レベル検出部位の長さは、数ｍｍ程度である。また、遮光壁１４に光が吸収されてしまうことを防ぐため、遮光壁１４を白色にしたり、銀やアルミなどのフィルムで覆ったりして、遮光壁１４の光反射率を高めるようにすることも可能である。
光透過部材１１の内壁に到達した光は、その一部は内壁に反射されるものの、光透過部材１１の内部を透過して光透過部材１１の外壁に達する。光透過部材１１の外部（外部環境）に液体１７が存在しない場合（すなわち、外部が空気の場合）、光透過部材１１の外壁の法線に対して、臨界角より小さな角度の入射光は、外部との境界面を透過して外部に放射され（ただし、その一部は外壁で反射する）、一方、臨界角以上の角度の入射光は、外壁において全反射を起こす。なお、光透過部材１１の内壁及び外壁では、光の進路はその境界面で反射屈折の法則に従う。なお、ＰＦＡなどのフッ素樹脂は、厳密には透明であるとは言えず（すなわち半透明）、光を散乱させる性質を有しているが、説明を簡単にするため、ここでは、その効果の説明は無視することにする。
光透過部材１１の内壁又は外壁で反射して光透過部材１１の内部に戻る光は、さらに、光透過部材１１の内部に存在するシリコンゴム１６内での散乱や、遮光壁１４での反射を繰り返す。その結果、再び、光透過部材１１の外壁に達し、その外壁を透過して外部に放射される光も存在する。このようにして、発光手段１２により照射された光は、シリコンゴム１６によって散乱され、最終的に、光透過部材１１の外部に出るものと、光透過部材１１の内部に戻るものとの２つに大別される。そして、光透過部材１１の内部で散乱を繰り返す光のうちの一部が、受光手段１３により受光される。なお、散乱光はランダムな方向を有するので、静的な状態での平均光量は一定であり、光透過部材１１の外部への放射光量（平均放射光量）、受光手段１３が受光する光量（平均受光量）は一定である。
上記のように、外部環境が変化しない場合、受光手段１３が受光する受光量は一定である。しかし、例えば、液面１８が上昇して液面レベル検出部位に液面が近づく（または、光透過部材１１を液体１７内部に挿入していく）など、外部環境が変化することによって、受光手段１３の受光量は変化する。
また、受光手段の受光量は、外部の液体１７の屈折率だけではなく、その液体１７の吸収・反射スペクトル特性にも大きく依存している。例えば、牛乳などの白色液体や、水銀などの液体金属などは、可視領域光を反射する特性を有する。このような場合には、液面レベル検出の対象となる液体の吸収・反射スペクトル特性に応じて、利用する光の波長領域を選定することによって、液面レベル検出を行うことが可能となる。
図４は、本発明の液面レベル検出装置により液面を検出する場合における受光手段の受光量の変化を示す模式的なグラフである。空気よりも大きな屈折率を有する液体１７が上昇し、その液面１８が液面レベル検出部位に達すると、それまで光透過部材１１の外壁で反射していた散乱光の一部が、液体１７内に放射されるようになる。すなわち、外部環境に存在する媒質の屈折率が大きくなり、液体１７と光透過部材１１との境界面における光反射・透過特性が変化して、その媒質内に放射される光量が増大する。その結果、液体１７と光透過部材１１との境界面で反射して光透過部材１１の内部に戻る光量は減少し、受光手段１３における受光量も減少する。このように伝搬の際に減衰した受光量の変化を測定することによって、液体１７の液面レベルを検出することが可能となる。
以上、説明したように、第１の実施の形態によれば、発光手段１２から照射された光は、シリコンゴム１６内で散乱されることによって、多数の光源からランダムな方向に発された光と同様の効果を有するようになる。これによって、液面レベルを検出する範囲（光が外部に出る範囲、及び、いったん外部に出た光が戻る範囲）が非常に広くなり、液面レベル検出部位付近に液滴や液膜が付着している場合でも、これらの影響を無視して、液面レベルの変動に伴う光量の変化を測定し、確実に液面レベル検出を行うことが可能となる。
また、例えば、受光手段１３の受光量が所定の受光量（基準の受光量）以下になった場合に、ＩＣ１５が液面レベル検出を示す信号を出力するよう設定しておくことによって、液面レベル検出を外部に報知することが可能となる。なお、例えば、トリマーなどの調節手段によって所定の受光量を簡単に調節できるようにしておくことが好ましく、液体の種類に応じて異なる所定の受光量を設定できるようにしておくことで、様々な種類の液体の液面レベル検出を行うことが可能となる。また、所定の受光量として、複数の値を設定しておくことによって、複数の層となった液体１７の各界面の検出を行うことも可能である。また、例えば、受光手段１３の受光量の変動を測定して、所定値以上の変動が起きた場合に、ＩＣ１５が液面レベル検出を示す信号を出力するよう設定しておくことも可能である。
また、上記の白色液体などのように、光を反射する特性を有する液体１７などは、その液面１８が液面レベル検出部位に達すると、それまで光透過部材１１の外部に放射されていた光が全て戻ってくるようなり、受光手段１３の受光量が増大することになる。したがって、例えば、受光手段１３の受光量が所定の受光量以上になった場合に、ＩＣ１５が液面レベル検出を示す信号を出力するよう設定しておくことによって、液面レベル検出を外部に報知することが可能となる。
また、受光手段１３による受光量の変動が測定対象なので、発光手段１２及び受光手段１３の設置位置を厳密に規定する必要はなく、発光手段１２からの光を受光手段１３が受光できるように設置されていればよい。これは、図８に示すような全反射の有無を測定する従来の液面レベル検出装置において、発光手段２０２及び受光手段２０３の設置位置が、全反射の臨界角によって厳密に規定される必要があることと大きく異なっている点である。また、発光手段１２及び受光手段１３に、液面レベル検出部位付近への指向性を持たせ、発光手段１２からの光が効率良く液面レベル検出部位付近に照射され、液面レベル検出部位付近から来る光を受光手段１３が効率良く受光できるように設置することが好ましい態様である。
また、上記の第１の実施の形態において、シリコンゴム１６を液面レベル検出部位付近全体に加えて、発光手段１２及び受光手段１３にまで付着させることにより、発光手段１２、受光手段１３、遮光壁１４などをシリコンゴム１６で固定することが可能となる。特に、シリコンゴム１６は、ＰＦＡやＰＴＦＥなどのフッ素樹脂と接合性が高く、液面レベル検出部位付近の各手段を安定して設置することが可能となり、その結果、液面レベル検出の動作を安定させることが可能となる。
＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の液面レベル検出装置に係る第２の実施の形態について説明する。図５は、本発明の液面レベル検出装置に係る第２の実施の形態を示す断面図である。図５に示す本発明の液面レベル検出装置１０は、図２の液面レベル検出装置と同様、光透過部材２１、発光手段２２、受光手段２３、遮光壁２４、シリコンゴム２６により構成されているが、シリコンゴム２６が発光手段２２付近にのみ存在するようにしている。
この図５に示す本発明の液面レベル検出装置１０では、シリコンゴム２６によって発光手段２２からの光が散乱光となり、その散乱光が液面レベル検出部位に照射されるようにしている。液面レベル検出部位で反射して戻った光は、例えば、遮光壁２４と光透過部材２１との間隙で反射を繰り返しながら受光手段２３の方に伝搬してくるので、受光手段２３による液面レベル検出が可能となる。したがって、図２に示す第１の実施の形態で説明した液面レベル検出装置１０と同様、液面レベル検出部位に散乱光が照射されるようにすることが可能となり、受光手段２３の受光量の変化を測定することによって、液体１７の液面レベル検出することが可能となる。
以上、説明したように、第２の実施の形態によれば、発光手段２２から照射された光は、発光手段２２に配置されたシリコンゴム２６内で散乱されることによって、多数の光源からランダムな方向に発された光と同様の効果を有するようになる。これによって、液面レベルを検出する範囲が非常に広くなり、液面レベル検出部位付近に液滴や液膜が付着している場合でも、これらの影響を無視して、液面レベルの変動に伴う光量の変化を測定し、確実に液面レベル検出を行うことが可能となる。
＜第３の実施の形態＞
さらに、本発明の液面レベル検出装置に係る第３の実施の形態について説明する。図６は、本発明の液面レベル検出装置に係る第３の実施の形態を示す断面図である。図６に示す本発明の液面レベル検出装置１０は、図２の液面レベル検出装置と同様、光透過部材３１、発光手段３２、受光手段３３、遮光壁３４、シリコンゴム３６により構成されているが、シリコンゴム３６が、光透過部材３１の内壁（液面レベル検出部位付近）全体にのみ存在するようにしている。
この図６に示す本発明の液面レベル検出装置１０では、シリコンゴム３６によって液体１７と光透過部材３１との境界面に到達する光が散乱光となるようにしている。したがって、図２及び図５に示す第１及び第２の実施の形態で説明した液面レベル検出装置と同様、液面レベル検出部位に散乱光が照射されるようにすることが可能となり、受光手段３３の受光量の変化を測定することによって、液体１７の液面レベル検出することが可能となる。
以上、説明したように、第３の実施の形態によれば、発光手段３２から照射された光は、光透過部材３１の内壁全体に配置されたシリコンゴム３６内で散乱されることによって、多数の光源からランダムな方向に発された光と同様の効果を有するようになる。これによって、液面レベルを検出する範囲が非常に広くなり、液面レベル検出部位付近に液滴や液膜が付着している場合でも、これらの影響を無視して、液面レベルの変動に伴う光量の変化を測定し、確実に液面レベル検出を行うことが可能となる。
＜第４の実施の形態＞
さらに、本発明の液面レベル検出装置に係る第４の実施の形態について説明する。図１３は、本発明の液面レベル検出装置に係る第４の実施の形態を示す断面図である。図１３に示す本発明の液面レベル検出装置１０は、図２の液面レベル検出装置と同様、光透過部材４１、発光手段４２、遮光壁４４、シリコンゴム４６により構成されており、また、図２に示す受光手段１３として、ガラス光ファイバ５１が用いられている。このガラス光ファイバ５１は、後述のように、高温に強いなどの利点がある。
また、図１４は、図１３に示す液面レベル検出装置のガラス光ファイバを複数設けた場合の図であり、図１３のＸ−Ｙ断面図である。このように、複数のガラス光ファイバ５１を配置し、これらのガラス光ファイバ５１によって、液面レベル検出部位で反射して戻ってくる光を受けるようにすることも可能である。
光の受光部分の面積が小さいと、液面レベル検出部位に水滴が残っている場合などには、誤動作が起こりやすくなる。一方、液面レベル検出装置１０の小型化、軽量化を考慮した場合、光の受光部分をあまり大きくすることはできない。そこで、第４の実施の形態では、図１４に示すように、例えば、直径１ｍｍの複数（図１４では１２本）のガラス光ファイバ５１を配列する。これによって、液面レベル検出部位付近に水滴が付着している場合でも、その水滴の影響を無視して、液面レベルの変動に伴う光量の変化を測定し、確実に液面レベル検出を行うことが可能となる。
以上、説明したように、第４の実施の形態によれば、発光手段４２から照射された光は、シリコンゴム４６内で散乱されることによって、多数の光源からランダムな方向に発された光と同様の効果を有するようになる。これによって、液面レベルを検出する範囲が非常に広くなり、液面レベル検出部位付近に液滴や液膜が付着している場合でも、これらの影響を無視して、液面レベルの変動に伴う光量の変化を測定し、確実に液面レベル検出を行うことが可能となる。
また、特に、図１４に示すように、複数のガラス光ファイバ５１の受光部を光透過部材４１の内壁に沿って、略水平面上に配列することによって、略水平面となっている液面のレベルを高い精度で検出し、液滴や液膜による誤作動を防ぐことが可能となる。なお、図１４では、複数のガラス光ファイバ５１の受光部が、光透過部材４１の内壁に沿って配列される配列パターンが図示されているが、本発明の受光部の配列パターンは、上記の配列パターンに限定されるものではない。例えば、液面レベル検出装置１０の形状に合わせて、複数の受光部の配列パターンを決定することが可能であり、例えば、後述（図１５）のように、液体に浸漬せずに外部から液面レベル検出を行うことが可能な液面レベル検出装置１０では、加圧タンク９１の形状に合わせた配列パターンとなるようにすることが好ましい。
以下に、上記の本発明の液面レベル検出装置の応用例を説明する。図１１は、本発明の液面レベル検出装置の使用状態の第１の例を示す模式図である。なお、液面レベル検出装置１０には、その動作制御や測定結果の処理などを行うコントローラ９０が接続されており、加圧タンク９１内の液体１７に本発明の装置が挿入されている状態が図示されている。下部に液面レベル検出部位を有する柱状部の長さを自由に設定することによって、状況に応じて使用しやすい液面レベル検出装置１０を作成することが可能である。例えば、薬用のガロン瓶、加圧タンク、ペール缶などでは柱状部を最長３３０ｍｍ程度、ドラム缶などでは柱状部を８００ｍｍ程度にすることが好ましい。
また、図１２は、本発明の液面レベル検出装置において、異なる高さに液面レベル検出部位を設けた例を示す模式図である。図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）に示すように、異なる長さを有する柱状部を複数本設け、異なる高さで液面レベル検出を行えるようにすることも可能である。なお、図１２（Ａ）に示す液面レベル検出装置１０では異なる２点での液面レベル検出が可能であり、図１２（Ｂ）に示す液面レベル検出装置１０では異なる４点での液面レベル検出が可能である。また、このように複数の柱状部を設けた場合には、小型タンクなどでの使用が困難になるので、図１２（Ｃ）に示すように、１本の柱状部に異なる高さを有する液面レベル検出部位を設け、複数箇所による液面レベル検出装置１０を小型化することも可能である。
また、図１５は、本発明の液面レベル検出装置の使用状態の第２の例を示す模式図である。図１１に示す使用例では、本発明の液面検出レベル検出装置１０の液面レベル検出部位を液体１７内に直接挿入して、液面１８の検出を行うようにしているが、図１５に示す使用例では、一般的に液面レベルの目視などに利用されている加圧タンク９１のレベルゲージ管９３に液面レベル検出部位を設置して、液面１８の検出を行うようにしている。これにより、液面レベル検出部位を液体１７内に浸漬させることが困難な場合や、液体１７が危険な物質（例えば、反応性が高い物質、高温又は低温の物質）である場合、液体１７に直接浸漬することなく、液面レベルを検出することが可能である。なお、レベルゲージ管９３が存在しない容器（加圧タンク）９１内に収容された液体の液面レベルを検出する場合には、直接、容器９１に液面レベル検出部位を設置することも可能である。
また、液体を収容する容器９１の外壁に液面レベル検出部位を固定するための固定手段（ベルト）９２を設けることが好ましい。例えば、図１５に示すようにベルト９２を用いて、容器の外周にベルト９２を巻きつけることによって、液面レベル検出部位を容器９１の所定の位置に固定することが可能となる。また、固定手段９２として、粘着性を有する接着面を設け、この接着面によって、容器９１に液体レベル検出部位を貼り付けるようにすることも可能である。
また、図１５に示すように、直接、シリコンゴム５６を容器９１の外壁に当てることも可能である。これにより、間隙などからの光の漏れがなくなること（光学的密着性）、シリコンゴム５６の粘着性によってずれなくなり、かつ、ベルト９２を使わずに容器９１の外壁に貼り付けられるようになること、シリコンゴム５６と容器９１との外壁に液体が侵入することを防ぎ、誤作動を防止することなどの利点が生まれる。また、同質のシリコンゴム硬化液を用いて、液面レベル検出部位と容器９１とを接着することも可能である。
また、液面レベル検出の対象となる液体や動作環境が高温の場合もあり、特に、液体が油などの場合、約２００℃近くの液体の液面レベルを検出する必要がある場合も生じる。しかしながら、例えば、発光手段１２、２２、３２、４２に半導体のＬＥＤ光源を用いた場合、約８０℃を超えるとＬＥＤ光源が破損してしまい、検出動作が不可能となってしまう。このような高温時における動作を考慮して、発光手段２２に小型精密ランプ（タングステンランプ）を用い、また、受光手段１３、２３、３３にガラス光ファイバを用いることによって、約３００℃の高温時でも良好に動作し、高温時の液面レベル検出動作が保証される。
産業上の利用可能性
以上、説明したように、本発明によれば、発光手段からの光が受光手段に直接照射しないよう遮光手段を設けて、光散乱手段で散乱された散乱光の一部を光放射手段の液面レベル検出部位で散乱手段又は光透過手段の外部に放射される一方、放射されず反射して戻ってきた散乱光を受光手段で受け、その受光量の変化を検出するので、検出対象を選ばずに様々な検出対象及び使用環境において使用可能であり、液面レベル検出部位に効率良く光を照射し、受光手段の受光量の変動を感度高く検出可能であり、耐久性に優れ、製造も容易であり、現実的に利用可能な液面レベル検出装置を実現することが可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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