(57)【要約】【課題】  光源と受光素子による簡易な構成で液面を正確に検知可能な液面検知装置を提供する。【解決手段】  この水面検知装置１５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成され装置全体を制御する制御部２０と、受光素子により光電変換された信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部２１と、光の強弱を電気信号に変換する受光素子２２と、受光素子２２の受光面に受光する光を所定の範囲に絞るスリット２３と、光源を駆動するドライバ２４と、受光素子２２に光を照射する光源２５を備えて構成される。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定波長の光を発光する光源と、大気中に於いて該光源から発光された光を受光することができる受光素子と、を備えた水面検知装置であって、
前記光源及び受光素子の何れか一方若しくは両方が水中に没した場合、前記光源から発光された光を前記受光素子が検知不能となるように構成したことを特徴とする水面検知装置。
【請求項２】
前記光源から発光される光が水中を透過する過程で、前記光の波長の少なくとも一部が水によって吸収されることにより、前記受光素子が該光を検知不能となるように前記光の波長を所定の範囲に設定したことを特徴とする請求項１に記載の水面検知装置。
【請求項３】
前記光源は、波長が６００ｎｍ以上の光を出射するＬＥＤ若しくは半導体レーザであることを特徴とする請求項１又は２に記載の水面検知装置。
【請求項４】
前記光源を密封手段により密封すると共に光源からの発光光が前記密封手段の透明な出射面を介して外部に出射されるように構成したことを特徴とする請求項１乃至３に記載の水面検知装置。
【請求項５】
前記光源から発光された光は、前記密封手段の出射面と水との境界面で屈折されることにより、前記光が前記受光素子面へ向かう光路からはずれるように構成したことを特徴とする請求項４に記載の水面検知装置。
【請求項６】
前記密封手段は、前記光源の出射面を透明な材質により構成し、該出射面の法線に対して所定の入射角をもって前記光が入射するように前記光源が構成されることを特徴とする請求項４又は５に記載の水面検知装置。
【請求項７】
前記受光素子の受光面に所定の径を有するスリットを備えたことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の水面検知装置。
【請求項８】
所定波長の光を発光する光源と、大気中に於いて該光源から発光された光を受光することができる受光素子と、前記光源の光を導く光源用光ファイバと、前記受光素子に光を導く受光用光ファイバと、所定の形状を有するプリズムと、を備えた水面検知装置であって、
該水面検知装置は、前記プリズムの所定の面に前記光源からの光を前記光源用光ファイバにより入射させ、該入射された光を前記プリズムにより屈折させた後、前記受光用光ファイバに導いて前記受光素子により受光するように前記各構成要素を配置し、前記プリズムが大気中にあるときは前記光源から発光された光の大部分を前記受光素子が検知し、前記プリズムが水中にあるときは前記光源から発光された光が前記水中に放射されることにより前記受光素子が前記光を検知不能となるように構成したことを特徴とする水面検知装置。
【請求項９】
前記プリズムは直角二等辺三角形状の四面体形状を有し、直角二等辺以外の面に前記光源からの光を前記光源用光ファイバにより入射させ、該入射した光が前記プリズムの直角二等辺の２面により屈折して再び前記直角二等辺以外の面から出射し、該出射した光を前記受光用光ファイバにより導いて前記受光素子に受光するように構成したことを特徴とする請求項７に記載の水面検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水面検知装置に関し、さらに詳しくは、所定の波長の光を発光する光源と、その光を受光する受光素子を備え、光が空気中にあることと、水中にあることを識別して水面の位置を検知する水面検知装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から海や湖沼、河川の水面の位置を検知する手法として深度計が用いられている。これは、海面（水面）からの深度が水圧に比例することを利用して、水圧により海面から深度計までの深度を計測してその値から逆算して海面の位置を求めるものである。しかし水圧による計測の場合、深度計を浅い位置に設置して計測しようとすると、水面にかかる気圧の変化による影響により数十センチメートルから数メートルの誤差を生じることがあり、深度計の値から海面までの距離を正確に測定することは困難であった。
また他の水面位置測定方法として、浮きを用いたフロート式のものが知られている。これは浮き自体の変位量や、浮きを支えるアームの変位量によって、容器内の液面の位置を知ろうとするものである。しかし、フロート式の液面検知では、液面に振動があると正確な検知ができず、しかもフロートを支持する部位などに不具合を生じ易く、その信頼性は低いものであった。
また、特開平７−１９９３３号公報には、異種金属よりなる一対の電極と、各電極間に生じた起電力による電流を増幅する電流増幅手段と、により構成され、上記電流増幅手段によって増幅された電流に基づき液体及び液面を検知する技術が開示されている。
また特開平５−６０５９０号公報には、流体を用いて被測定液体の液位を検知する液位検知装置にであって、被測定液体に汚染を発生させることなく安定した液位検知を行う技術について開示されている。それによると、一定圧の流体を供給する流体供給装置と、流体の流量を測定する流量測定装置と、管状部材に所定の間隔で複数の孔が形成されると共に、上記流体供給装置より流体が供給される構成とされており、液位を測定される被測定液体内に挿入される受光素子ヘッドとにより構成する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１９９３３号公報
【特許文献２】特開平５−６０５９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されている従来技術は、一対の異種金属より成る電極間に生じた起電力により液面を検出するものであり、海水の液面を測定する場合には電極表面が腐食して検出の信頼度を低下させるといった問題がある。
また、特許文献２に開示されている従来技術は、管状部材に所定の間隔で複数の孔が形成されると共に、上記流体供給装置より管状部材内に流体が供給される際の流体の流量変化から液位を検出するものであり、装置が大型となるために装置コストが高価になるといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑み、光源と受光素子による簡易な構成で液面を正確に検知可能な液面検知装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、所定波長の光を発光する光源と、大気中に於いて該光源から発光された光を受光することができる受光素子と、を備えた水面検知装置であって、前記光源及び受光素子の何れか一方若しくは両方が水中に没した場合、前記光源から発光された光を前記受光素子が検知不能となるように構成したことを特徴とする。
本発明の原理は、大気中で光源から発光された光を受光素子が正確に検出できるように光源と受光素子を配置しておき、その状態で光源と受光素子の間に水が介在した場合、光を構成する波長や大気と水の屈折率の違いにより光が大気中と異なる挙動を呈する現象を利用するものである。これらの違いを受光素子が検知できれば水面検知装置が水面の位置を正確に検知することが可能となる。尚、この原理は水以外の液体であって特定の波長を吸収するものにも適用可能である。
かかる発明によれば、光源から発光された光が大気中と水中で異なる挙動を呈することを利用して、検知光が受光素子によって受光されなくなる状態に基づいて水面の位置を判定するので、簡易な構成により正確に且つ確実に水面を検知することができる。
請求項２は、前記光源から発光される光が水中を透過する過程で、前記光の波長の少なくとも一部が水によって吸収されることにより、前記受光素子が該光を検知不能となるように前記光の波長を所定の範囲に設定したことを特徴とする。
光源と受光素子との間における水の有無による光の受光量の変化を検出するためには、光源の発光部と受光素子の受光部とが対向配置される必要がある。そして本発明は水が特定の波長成分を吸収する性質を利用して、光源と受光素子との間に水が介在する場合には、光源から発光された特定波長の光が水を透過する過程で吸収されることにより、受光素子に到達する光エネルギーを減衰させて検知不能とするものである。
かかる発明によれば、光源と受光素子の間に水が存在する場合、水が特定の波長を吸収することにより受光素子に到達する光エネルギーが減衰して受光素子が大気と異なる信号レベルを検知するので、大気と水との境界、即ち水面の位置を測定することができる。
【０００６】
請求項３は、前記光源は、波長が６００ｎｍ以上の光を出射するＬＥＤ若しくは半導体レーザであることを特徴とする。
水は光の波長により吸収率が異なることは前述した。具体的には、４００ｎｍを下限として波長が長くなると（赤色の光）急激に吸収率が高まることが知られている。そこで本発明では大気と水との受光素子に到達する光エネルギーの差を大きくするために光源の波長を６００ｎｍ以上とし、その光源素子としてＬＥＤ，半導体レーザを使用する。
かかる発明によれば、光源に波長が６００ｎｍ以上のＬＥＤ若しくは半導体レーザを使用するので、水を検知したときに光の減衰量を大きくして信号のＳ／Ｎ比を高めることができる。
請求項４は、前記光源を密封手段により密封すると共に光源からの発光光が前記密封手段の透明な出射面を介して外部に出射されるように構成したことを特徴とする。
光は、大気と水では、夫々異なった屈折率を示す。大気（空気中及び真空）では光の屈折率はほぼ１である。しかし、水中での屈折率は１．３３〜１．３４であり、明らかに大気より大きい。本発明は、光が大気中から水中に所定の角度で入射した際、（入射角：水面の法線に対する角度）光はその境界面で入射角と異なる角度で（屈折角）屈折する性質を利用するものである。即ち、光源からの光の光路が変化して大気中で検知した光を水中では検出できなくなる。これにより、受光素子が光を検知しているときは大気中であり、検知しなくなった時点で水中と判断することができる。
かかる発明によれば、光の屈折率の違いにより水面の位置を検知するので、光源の波長の使用範囲を広くすることができ、水に吸収されにくい波長も使用することができる。
【０００７】
請求項５は、前記光源から発光された光は、前記密封手段の出射面と水との境界面で屈折されることにより、前記光が前記受光素子面へ向かう光路からはずれるように構成したことを特徴とする。
光源が密封手段内に密封された場合、空気と水との境界面は密封手段の光の出射面となる。従って、その出射面に水が到達して光が屈折されると、その光が受光素子面の光路からはずれることになる。即ち、水面を検知する位置は密封手段の光の出射面となる。
かかる発明によれば、光と水との境界面は密封手段の光の出射面であるので、水面を検知する基準点を正確に特定することができる。
請求項６は、前記密封手段は、前記光源の光が出射する出射面を透明な材質により構成し、該出射面の法線に対して所定の入射角をもって前記光が入射するように前記光源が構成されることを特徴とする。
光が２つの媒質の境界を通過する時、その一部は反射し一部は屈折する。また入射角と反射角が等しいため、出射面に対して垂直に光を入射すると水中との境界で一部はそのまま反射して戻り、一部はそのまま屈折しないで直進する。従って、屈折の変化を検出することができない。そこで本発明では、光源からの光を出射面の法線に対して所定の入射角になるように設定する。
かかる発明によれば、光源からの光を出射面の法線に対して所定の入射角になるように設定するので、水により光が変化して大気と水面とを確実に検知することができる。
【０００８】
請求項７は、前記受光素子の受光面に所定の径を有するスリットを備えたことを特徴とする。
受光素子は所定の面積を有する受光面で光を受光して光電変換する。従って、屈折角が多少変化してもある程度の光が受光素子の面に照射されていれば、受光した旨の信号を出力する場合がある。そこで本発明では、屈折角の変化の感度を高めるために、受光素子の受光面にスリットを備えて受光面積を小さくすることにより、屈折角の微妙な変化を捉えることができる。
かかる発明によれば、受光素子の受光面に所定の径を有するスリットを備えて、スポットを絞ることにより屈折角の変化の感度を高めることができる。
請求項８は、所定波長の光を発光する光源と、大気中に於いて該光源から発光された光を受光することができる受光素子と、前記光源の光を導く光源用光ファイバと、前記受光素子に光を導く受光用光ファイバと、所定の形状を有するプリズムと、を備えた水面検知装置であって、該水面検知装置は、前記プリズムの所定の面に前記光源からの光を前記光源用光ファイバにより入射させ、該入射された光を前記プリズムにより屈折させた後、前記受光用光ファイバに導いて前記受光素子により受光するように前記各構成要素を配置し、前記プリズムが大気中にあるときは前記光源から発光された光の大部分を前記受光素子が検知し、前記プリズムが水中にあるときは前記光源から発光された光が前記水中に放射されることにより前記受光素子が前記光を検知不能となるように構成したことを特徴とする。
本発明は、光ファイバとプリズムを使用して水面を検知するものである。即ち、プリズムは屈折率１．５以上であり、その境界面における媒質の屈折率との比率が大きい程、光が境界面に当たったときに屈折する光のエネルギーが大きくなる。例えば、プリズムと空気の場合は最も多くの光が屈折し、プリズムと水の場合は屈折率の比率が小さくなるので（水の屈折率は約１．３４）、その分だけ水に放射される光量が大きくなり、屈折される光のエネルギーは小さくなる。本発明はこの原理を利用してプリズムが大気中にあるときと、水中にあるときの光のエネルギーの差を検出するものである。また、これらの光は光ファイバにより導かれるため、光源、受光素子、及びプリズムの位置関係を固定的にする必要が無くなる。
かかる発明によれば、光を光ファイバによりプリズムに入射してプリズムの境界面における媒質の屈折率との違いにより、戻ってくる光のエネルギーの違いを光ファイバで導いて受光素子で検出するので、光源、受光素子、及びプリズムの位置関係を固定的にする必要が無く、しかも光源と受光素子を水から確実に隔離することができる。
【０００９】
請求項９は、前記プリズムは直角二等辺三角形状の四面体形状を有し、直角二等辺以外の面に前記光源からの光を前記光源用光ファイバにより入射させ、該入射した光が前記プリズムの直角二等辺の２面により屈折して再び前記直角二等辺以外の面から出射し、該出射した光を前記受光用光ファイバにより導いて前記受光素子に受光するように構成したことを特徴とする。
一般にプリズムは直角二等辺三角形の形状である。即ち、４５度、９０度、４５度の頂角を有する。そして二等辺の一辺の面に４５度の角度で光を入射すると、反射角は４５度となり、結果的に９０度屈折されてもう１辺の二等辺の面に４５度で入射する。この面でも同じように４５度で反射するので、入射した光と平行に逆向きにプリズムから出射される。即ち、光ファイバにより光源からプリズムに入射させ、出射した光を光ファイバにより導いて受光素子によりその光を検知する。大気中では入射光のほとんどは受光素子により検知されるが、プリズムが水中にあるときは水の中にほとんどの光が吸収されてしまい、受光素子で検知される光のレベルは非常に小さくなる。
かかる発明によれば、プリズムの形状が直角二等辺三角形の四面体形状であるので、入射光がプリズムで屈折されて入射光と平行で、且つ逆向き方向に出射されるので、光ファイバの構成が一体化されやすく、装置を小型に構成することができる。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の発明によれば、光源から発光された光が大気中と水中で異なる挙動を呈することを利用して、検知光が受光素子によって受光されなくなる状態に基づいて水面の位置を判定するので、簡易な構成により正確に且つ確実に水面を検知することができる。
また請求項２では、光源と受光素子の間に水が存在する場合、水が特定の波長を吸収することにより受光素子に到達する光エネルギーが減衰して受光素子が大気と異なる信号レベルを検知するので、大気と水との境界、即ち水面の位置を測定することができる。
また請求項３では、光源に波長が６００ｎｍ以上のＬＥＤ若しくは半導体レーザを使用するので、水を検知したときに光の減衰量を大きくして信号のＳ／Ｎ比を高めることができる。
また請求項４では、光の屈折率の違いにより水面を検知するので、光源の波長の使用範囲を広くすることができ、水に吸収されにくい波長も使用することができる。
また請求項５では、光と水との境界面は密封手段の光の出射面であるので、水面を検知する基準点を正確に特定することができる。
また請求項６では、光源からの光を出射面の面の法線に対して所定の入射角になるように設定するので、水により光が変化して大気と水面とを確実に検知することができる。
また請求項７では、受光素子の受光面に所定の径を有するスリットを備えて、スポットを絞ることにより屈折角の変化の感度を高めることができる。
また請求項８では、光を光ファイバによりプリズムに入射してプリズムの境界面における媒質の屈折率との違いにより、戻ってくる光のエネルギーの違いを光ファイバで導いて受光素子で検出するので、光源、受光素子、及びプリズムの位置関係を固定的にする必要が無く、しかも光源と受光素子を水から確実に隔離することができる。
また請求項９では、プリズムの形状が直角二等辺三角形であるので、入射光がプリズムで屈折されて入射光と平行で、且つ逆向き方向に放射されるので、光ファイバの構成が一体化されやすく、装置を小型に構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の水面検知装置の第１の実施形態の原理を説明する図である。本発明の第１の実施形態は、光源から発光される所定波長の光の吸収率が大気中と水中とで異なることを利用して、大気と水との境界面、即ち水面の位置を検知、判定するものである。なお、ここで水とは、淡水、海水を問わない。
即ち、本実施形態は、図１（ａ）のように大気中において光源３から検知光としての赤色光（波長６００ｎｍ以上）２を発光し、受光素子１により赤色光２を受光して光電変換し、図示は省略するが増幅器によりその信号を所定のレベルに増幅してＰＣ等により信号処理されるように光源３と受光素子１の位置関係を設定しておく。次に図１（ｂ）のように受光素子１、光源３を水中に没すると、赤色光２の波長成分が水により吸収され（図４参照）、受光素子１に光源３の光のエネルギーの大半が到達しなくなる。それにより受光素子１は信号を検知しなくなり、信号が受光素子１から出力されなくなることにより、受光素子１の信号を監視すれば水面が受光素子１に到達したか否かを検知することができる。尚、上記では、光源３と受光素子１の双方を水没させて水面検知を行うように説明したが、何れか一方が水没すれば検知が可能なように設定しても構わない。
【００１２】
図２は本発明の水面検知装置の第２の実施形態の原理を説明する図である。本発明の第２の実施形態は、光源から発光される光の屈折率が大気中と水中とで異なる現象を利用したものである。即ち、光源７を光の出射面８を備えた密封された箱６に入れ、光源７から出射された光９が出射面８と所定の角度を成すように設置する。そして図２（ａ）のように大気中において光源７から光９を発光し、大気中の受光素子５によりその光９を受光して光電変換し、図示は省略するが増幅器によりその信号を所定のレベルに増幅してＰＣ等により信号処理されるように光源７と受光素子５の位置関係を設定しておく。次に図２（ｂ）では受光素子５、光源７の双方を水中に没した例を示しており、この例では、光９は出射面８で屈折されて光１０となり（図５、６参照）、受光素子５に光源７の光１０が到達しなくなる。それにより受光素子５は信号を出力しなくなり、受光素子５の信号を監視すれば水面が受光素子５に到達したか否かを検知することができる。尚、この例では、光源７と受光素子５の双方を水没させて検知するように説明しているが、何れか一方を水没させれば検知が可能なように設定されても構わない。
ここで、光源７が故障した場合に、受光素子側から見れば水面を検出したと誤って判断してしまうことがある。このような不具合を防ぐには、図２（ｂ）に示すように受光素子５の近傍にもう１つ受光素子５ａを備え、受光素子５がＯＦＦで受光素子５ａがＯＮの場合に限り水面を検知したと判断するようにすれば誤検知を防ぐことができる。
【００１３】
図３は本発明の水面検知装置の第３の実施形態の原理を説明する図である。本発明の第３の実施形態は、大気中或いは水中にある光源から発光されてプリズムを透過する光の屈折率が、プリズムの境界面に接する媒質により異なることを利用したものである。本実施形態は、光源１６からの光１４を光ファイバ１３によりプリズム１２の面１２ｃから入射し、面１２ａと１２ｂにより屈折して面１２ｃから取り出し、光ファイバ１１により光１５を導いて受光素子１０に受光するものである。即ち、図３（ａ）のように大気中においては、プリズム１２の屈折率（約１．５２）と空気の屈折率（約１．０）は大きく異なるため屈折率の比は大きくなり、光源１６から発光された光１４はプリズム１２の面１２ａにより殆どの光が４５度に屈折されて面１２ｂに到達し、同じく面１２ｂにより４５度に屈折されて面１２ｃから光１５として光ファイバ１１により導かれて受光素子１０に到達する。そして受光素子１０によりその光１５を受光して光電変換し、図示は省略するが増幅器によりその信号を所定のレベルに増幅してＰＣ等により信号処理される。
次に図３（ｂ）のように受光素子１０、光ファイバ１１，１３、プリズム１２、光源１６を水中に没すると、プリズム１２の屈折率（約１．５２）と水の屈折率（約１．３４）の比は小さくなり、光源１６から発光された光１４の大部分がプリズム１２の面１２ａから水に吸収されその一部の光が４５度に屈折されて面１２ｂに到達し、同じく面１２ｂにより更に水に吸収され、残りの一部の光が４５度に屈折されて面１２ｃから光１５として光ファイバ１１により導かれて受光素子１０に到達するが、殆どの光がプリズムの面１２ａと１２ｂから水に吸収されてしまい、受光素子１０ではレベルの低い信号が光電変換される（図７参照）。尚、受光素子１０、光ファイバ１１，１３、プリズム１２、光源１６全てを水没させて検知するように説明しているが、プリズム１２のみを水没させれば検知が可能であることは言うまでもない。
【００１４】
図４は図１の第１の実施形態における光の波長と水の吸収係数の関係を説明する図である。縦軸に水の吸収係数、横軸に光の波長を表している。縦軸の吸収係数は数値が大きい程吸収が大きいことを表している。この図から明らかなように、波長が４００ｎｍを下限として波長が長くなるとほぼ直線的に吸収係数が大きくなっていることが分る。本実施形態では波長６００ｎｍ以上のＬＥＤ若しくは半導体レーザを使用する。
【００１５】
図５は図２の第２の実施形態の原理を更に詳細に説明するための図であり、光源から水没した場合を説明する図である。図では光源をＬ，受光素子をＳとして表現し、直交するｘ、ｙ軸のｙ軸を箱６の出射面８として表している。従って、水はｙ軸の右側には入ってこないものとする。図５（ａ）は大気中における光１の振る舞いを表す図である。光源Ｌから発光した光１は（Ａ）事象からｙ軸のａ点を通る法線に対して入射角αにより入射して（Ｂ）事象に進む。（Ｂ）事象は同じく大気であるので、法線に対して同じ角度αで出射して受光素子Ｓに到達する。このように大気中において光源Ｌからの光１を受光素子Ｓが受光できるように設定しておく。
図５（ｂ）は水面ｗがａ点のすぐ上まで到達した場合の光１の振る舞いを表す図である。光源Ｌから発光した光１は（Ａ）事象からｙ軸のａ点を通る法線に対して入射角αにより入射して（Ｃ）事象に進む。（Ｃ）事象は水であるので、法線に対して異なる角度βで屈折して光２は水面ｂ点に到達する。水面の上は大気の（Ｂ）事象であるので、入射角αと同じ角度で屈折して光３として放射される。この光３は結果的に光１と平行となる。このようにｂ点において水から大気に媒質が変わるために光４が屈折されて光３のようになり、結果的に受光素子Ｓには光３が到達しなくなり、信号を検知できなくなる。
図５（ｃ）は水面ｗが受光素子Ｓの上まで到達した場合の光１の振る舞いを表す図である。光源Ｌから発光した光１は（Ａ）事象からｙ軸のａ点を通る法線に対して入射角αにより入射して（Ｃ）事象に進む。（Ｃ）事象は水であるので、法線に対して異なる角度βで屈折して光２となり水中を進む。そして結果的に受光素子Ｓには光２が到達しなくなり、信号を検知できなくなる。
以上の説明から装置を光源から水没させるように設置した場合（受光素子より光源が下の場合）、光１はｙ軸のａ点を臨界点として水面であるか否かを検知できることが理解できる。
【００１６】
図６は図２の第２の実施形態の原理を更に詳細に説明するための図であり、図５とは逆に受光素子から水没した場合を説明する図である。図では光源をＬ，受光素子をＳとして表現し、直交するｘ、ｙ軸のｙ軸を箱６の出射面８として表している。従って、水はｙ軸の左側には入ってこないものとする。図６（ａ）は大気中における光１の振る舞いを表す図である。光源Ｌから発光した光１は（Ｂ）事象からｙ軸のａ点を通る法線に対して入射角αにより入射して（Ａ）事象に進む。（Ａ）事象は同じく大気であるので、法線に対して同じ角度αで出射して受光素子Ｓに到達する。このように大気中において光源Ｌからの光を受光素子Ｓが受光できるように設定しておく。
図６（ｂ）は水面ｗが受光素子Ｓのすぐ上まで到達した場合の光１の振る舞いを表す図である。光源Ｌから発光した光１は（Ｂ）事象からｙ軸のａ点を通る法線に対して入射角αにより入射して（Ａ）事象を通過して更に（Ｄ）事象に進む。（Ｄ）事象は水であるので、ｂ点を通る法線に対して異なる角度βで屈折して光２となり水中を進む。結果的に受光素子Ｓには光２が到達しなくなり、信号を検知できなくなる。
図６（ｃ）は水面ｗが更にａ点のすぐ上まで到達した場合の光１の振る舞いを表す図である。光源Ｌから発光した光１は（Ｂ）事象からｙ軸のａ点を通る法線に対して入射角αにより入射して（Ｄ）事象に進む。（Ｄ）事象は水であるので、法線に対して異なる角度βで屈折して光２となり水中を進む。結果的に受光素子Ｓには光２が到達しなくなり、信号を検知できなくなる。
以上の説明から装置を受光素子から水没させるように設置した場合（受光素子より光源が上の場合）、光１は受光素子Ｓを臨界点として水面であるか否かを検知できることが理解できる。
【００１７】
図７は図３の第３の実施形態の原理を更に詳細に説明するための図である。プリズム１２は４５度、９０度、４５度の頂角を有する直角二等辺三角形の形状である。この三角形の各点を便宜上Ｘ，Ｙ，Ｚとする。まずプリズム１２が大気中にある場合について説明する。光１３が面Ｘ−Ｚに対して垂直に入射すると面Ｘ−Ｙには必然的に法線Ａ−Ａに対して４５度で入射する。そして反射の法則により入射角と反射角は等しくなるので、法線Ａ−Ａに対して４５度で入射した光１３は同じく４５度で反射する。つまり、光１３は面Ｘ−Ｙで９０度に屈折して面Ｙ−Ｚに到達する。面Ｙ−Ｚでは同様にして法線Ｂ−Ｂに対して４５度で屈折して光１５として面Ｘ−Ｚに対して垂直に放射される。次に、光１３が面Ｘ−Ｙに入射する入射角をα、屈折角をβ，プリズム１２の屈折率をｎ１，大気の屈折率をｎ２とすると、公知のスネルの法則により、ｓｉｎβ／ｓｉｎα＝ｎ１／ｎ２・・・（１）となる。一般にプリズムの屈折率はｎ１＝１．５２，大気の屈折率ｎ２＝１であるから、プリズム１２が大気中にあるときは（１）式はｎ１／ｎ２＝１．５２・・・（２）となる。このように屈折率の比の値が大きい程、光１３が殆ど空気に吸収されることなく光１５として放射されることを表している。次にプリズム１２を水中に入れた場合について説明する。光１３の光路は前と同じであるが、（１）式の屈折率ｎ２が水になるとｎ２＝１．３４となり、（１）式はｎ１／ｎ２＝１．１３・・・（３）となる。明らかに（２）式と（３）式では値が大きく異なり、（３）式のほうが屈折率の比が小さくなっている。この結果、光１３の一部は面Ｘ−Ｙで水に屈折し、残りの光も面Ｙ−Ｚにより更に水に屈折して光１５として放射するときは大部分の光が水に屈折して光量として大気中に比較して小さくなってしまう。この光量の変化を受光素子１０により電気信号として検知することによりプリズム１２に水面が接触したことを検知できる。
【００１８】
図８は本発明の水面検知装置の制御部分の一例を示す概略ブロック図である。この水面検知装置１５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ，ＲＡＭ等で構成され装置全体を制御する制御部２０と、受光素子により光電変換された信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部２１と、光の強弱を電気信号に変換する受光素子２２と、受光素子２２の受光面に受光する光を所定の範囲に絞るスリット２３と、光源を駆動するドライバ２４と、受光素子２２に光を照射する光源２５を備えて構成される。尚、受光素子２２としてはシリコンフォトダイオード、シリコンフォトトランジスタ、Ｃｄｓ等どれを使用しても構わない。また、光源は第１の実施形態の場合は、波長６００ｎｍから８００ｎｍ前後の赤色ＬＥＤを使用し、第２の実施形態では半導体レーザを使用するが、第１の実施形態で半導体レーザを使用しても構わない。またスリット２３に開口する穴２３ａの形状は、丸でも方形でも構わない。また図では光源の密閉箱は省略している。
【００１９】
図９は図８の水面検知装置１５０の概略動作を説明するフローチャートである。図８を参照して説明する。まずドライバ２４から電流を供給して光源２５を点灯する（Ｓ１）。尚、予め大気中において光源からの光２６を受光素子２２で確実に検知できるように調整しておく。その状態で受光素子２２が光２６を受光したか否かをチエックし（Ｓ２）、受光素子２２が光２６を検知すると（Ｓ２でＹＥＳのルート）、制御部２０内の図示しないタイマ（ｔ）をリセットして（Ｓ７）ステップＳ２を繰り返す。ステップＳ２で受光素子２２が光２６を検知しなくなると（Ｓ２でＮＯのルート）、制御部２０内の図示しないタイマ（ｔ）をスタートさせる（Ｓ３）。このタイマ（ｔ）はノイズや動作不安定領域をカットするための時間を計測するためである（図１０により詳細は後述する）。そして所定の時間（ｔ）が経過したか否かを判断し（Ｓ４）、所定の時間が経過していなければ（Ｓ４でＮＯのルート）、ステップＳ２に戻って受光素子２２の状態を再チエックする。その過程においてステップＳ４で所定の時間（ｔ）が経過すると（Ｓ４でＹＥＳのルート）、光源２５をＯＦＦし（Ｓ５）、受光素子２５が水面を検知したことを制御部２０が認識して外部に通報する（Ｓ６）。
【００２０】
図１０は図９のフローチャートにおいて、タイマ（ｔ）が計測する所定の時間の必要性を説明する図である。大気中では光源２５から発光された光２６は受光素子２２との間に障害物がないので安定した光を受光素子２２が受光している。即ち時間ｔ０間では受光素子２２からは安定した信号が出力される。そして時間ｔ１間で例えば水面を検知し始めた場合、水面は周囲の状況により高さが上下して安定しないため図のように信号もＯＮ／ＯＦＦを繰り返す。そして時間ｔ２で安定して水面を検知する周期にはいる。従って、タイマ（ｔ）の時間設定は図のように水面を検知し始めてから十分安定するまでの時間Ｔ０に設定すれば、ノイズや不安定領域をカットして正確に水面を検知することができる。同様にして水面が低くなって検知しなくなった場合も、不安定領域ｔ３をカットできる時間Ｔ２に設定することができる。
【００２１】
（実施例）
図１１は本発明の第１と第２の実施形態の水面検知装置の具体的な実施例を示す図である。図１１（ａ）は第１の実施形態の実施例の斜視図であり、図１１（ｂ）はその側断面図である。この水面検知装置１６０は、光源８１に電力を供給するコネクタ８０と、赤色光の光を発光する光源８１と、光源からの光９０を受光素子８９に焦点を合わせるレンズ８４と、外部から光源８１への水の浸入を防ぐ隔壁ガラス８５と、受光素子に水が浸入するのを防ぐ隔壁ガラス８７と、スリット８８と、光９０を光電変換する受光素子８９と、光源８１と受光素子８９とを一体化するステイ８３を備えて構成される。尚、光源８１と受光素子８９との間の空間８６は水が自由に侵入できるように構成されている。尚、本実施例では光９０を受光素子８９に焦点を合わせるためにレンズ８４を使用しているが、光源８１と受光素子８９の距離が近ければレンズが無くても構わない。
また図１１（ｃ）は第２の実施形態の実施例の側断面図である。この水面検知装置１７０は、光源９６に電力を供給するコネクタ１０３と、半導体レーザの光を発光する光源９６と、外部から光源９６への水の浸入を防ぐ隔壁ガラス９８と、受光素子に水が浸入するのを防ぐ隔壁ガラス１０１と、光９９を光電変換する受光素子１０２と、光源９６と受光素子１０２とを一体化するステイ９７を備えて構成される。尚、光源９６からの光９９は隔壁ガラス９８に対して所定の角度で出射されるように備えられている。また光源９６と受光素子１０２との間の空間１００は水が自由に侵入できるように構成されている。図１１の動作は図５，６により説明したのでここでは省略する。
【００２２】
図１２は本発明の水面検知装置を風呂の水位検知器として応用した例について説明する図である。図１２（ａ）は風呂の浴槽３０の一方に光源３１を備え、そこから出射された光３２が対向する位置に備えられた受光素子３４に到達するようにしておく。この状態で水面３３が光３２よりも上方に上昇することにより、光源３１に赤色光を使用すれば水に波長が吸収されて受光素子３４が光３３を検知不能となる。これにより浴槽３０の水面が所定の位置に到達したことを検知して図示しないバルブと連動しておくことにより、水を止めることができる。また、図１２（ｂ）は浴槽３５の外側にパイプ３７を備え、パイプ内の水位が浴槽３５の水面３６と一致することを利用して、パイプ３７内に光源と受光素子を備えた構成である。Ａ部の拡大図により説明する。パイプ３７の一方に光源３９を備え、そこから出射された光４２が対向する位置に備えられた受光素子４０に到達するようにしておく。これにより水面４１が光４２より上に上昇することにより、光源３９に赤色光を使用すれば水に波長が吸収されて受光素子４０が光４２を検知不能となる。このように、パイプ３７を使用することにより、短い距離で光を検知することができ、発光パワーを少なくて済むので電力の節約に貢献することができる。
【００２３】
図１３は海面の潮位を検知するために本発明の水面検知装置を応用した例を説明する図である。海面は干潮と満潮により海面の水位が大きく異なる。そこで水面検知装置５１を満潮時の高さになるように海底から柱５２により高さを調節して設置する。図１３（ａ）は干潮時の図であり、海面５３ａは水面検知装置５１より低い位置（ｈ１）にあるので海面を検知しない。図１３（ｂ）は満潮時の図であり、海面５３ｂは水面検知装置５１より高い位置（ｈ２）にあるので海面を検知する。このように常時水面検知装置５１の状態を監視することにより、海面の潮位のデータを測定することができる。また、津波等の異常事態に対しても本実施例を有効に利用することができる。
【００２４】
図１４は海洋の研究において本発明の水面検知装置が自動昇降式ブイに使用される例を説明する図である。これは自動昇降式ブイ６１にはデータ採集装置が備えられ、その上に本発明の水面検知装置６０が備えられている。そしてエレベータ６４により海中に降下して深度による海水の成分や温度といったデータを採集する。そしてデータの採集が終了すると自動的にエレベータ６４を伝わって海面６５に上昇する。そのとき水面検知装置６０が海面６５を検知することにより採集したデータを衛星６３に自動的に送信することができる。
【００２５】
図１５は本発明の水面検知装置を水準器に使用した例を説明する図である。この水準器１８０は、容器７１の一方の端に光源７０を備え、対向する他方の端に受光素子７４を備える。そして図１５（ａ）のように水平の時に水７３の水面７５が光７２に接触しないで且つ可能な限り近接するように水７３を満たす。図１５（ｂ）は水準器１８０が水平でない場合の動作を説明する図である。水平が崩れると水面７５が光７２を水没するので、波長が水７３により吸収されて受光素子７４で光速７２を検出できなくなる。従って、この水準器が水平になったときに音或いは光により知らせるようにすれば、簡単に水平を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の水面検知装置の第１の実施形態の原理を説明する図である。
【図２】本発明の水面検知装置の第２の実施形態の原理を説明する図である。
【図３】本発明の水面検知装置の第３の実施形態の原理を説明する図である。
【図４】本発明の図１の第１の実施形態において光の波長と水の吸収係数の関係を説明する図である。
【図５】本発明の図２の第２の実施形態の原理を更に詳細に説明するための図であり、光源から水没した場合を説明する図である。
【図６】本発明の図２の第２の実施形態の原理を更に詳細に説明するための図であり、図５とは逆に受光素子から水没した場合を説明する図である。
【図７】本発明の図３の第３の実施形態の原理を更に詳細に説明するための図である。
【図８】本発明の水面検知装置の制御部分の一例を示す概略ブロック図である。
【図９】本発明の図８の水面検知装置１５０の概略動作を説明するフローチャートである。
【図１０】本発明の図９のフローチャートにおいて、タイマ（ｔ）が計測する所定の時間の必要性を説明する図である。
【図１１】本発明の第１と第２の実施形態の水面検知装置の具体的な実施例を示す図である。
【図１２】本発明の水面検知装置を風呂の水位検知器として応用した例について説明する図である。
【図１３】本発明の水面検知装置を海面の潮位検知器として応用した例について説明する図である。
【図１４】本発明の水面検知装置が海洋の研究において自動昇降式ブイに使用される例を説明する図である。
【図１５】本発明の水面検知装置を水準器に使用した例を説明する図である。
【符号の説明】
【００２７】
２０  制御部、２１  Ａ／Ｄ変換部、２２  受光素子、２３  スリット、２４  ドライバ、２５  光源、１５０  水面検知装置
【図１】
2005064250.tif 000003
【図２】
2005064250.tif 000004
【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】
2005064250.tif 000009
【図８】
2005064250.tif 000010
【図９】
2005064250.tif 000011
【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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