(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ことを特徴とする液体検出装置。
【発明の詳細な説明】
【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
【図１】
0004782950.tif 000002
【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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