(57)【要約】【課題】  簡略かつ安価な構成で光学系を汚すことのない光式センサ、これを用いた監視システム及び船舶用水位監視システムを提供する。【解決手段】  ケース３１内の空間３２には、光ファイバ３４ａ，３４ｂに結合された直角プリズム３３ａ，３３ｂが対向配置され、これらによる光学系の下部に形成された空間３５には、液面変動に伴って上下動すると共に永久磁石３７を装着したフロート３６が配設されている。空間３５内には上下を仕切る隔壁３８が設けられ、空間３２と空間３５の間を隔離している。隔壁３８上には上下動可能に且つ永久磁石３７に同一極性で対向するようにして永久磁石３９が配設され、この永久磁石３９に遮光板４０が立設されている。液面変動に応じてフロート３６と永久磁石３７が上昇すると、遮光板４０によって直角プリズム３３ａ，３３ｂによる光路が遮光され、光ファイバ３４ｂに光が出射されないことから液面上昇を検出することができる。【選択図】        図１
2005164557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口を有する第１の空間が下部内に形成されると共に密封された第２の空間が上部内に形成されたケースと、
外部から導入された光が前記第２の空間内を通過するように光路が形成された光学系と、
流動体の表面変動に伴って上下動可能に前記第１の空間内に配設されたフロートと、
前記フロートの片面に装着された第１の永久磁石と、
前記第１の空間を前記フロートの最高浮上位置近傍で２つに分離するように前記第１の空間内に配設された隔壁と、
前記第１の永久磁石に同一極性面が前記隔壁を介して対向すると共に上下動可能に前記第１の空間内に配設された第２の永久磁石と、
前記フロートの上昇に伴って前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石との間に生じる反発力により前記第２の永久磁石が所定の移動量になったときに前記光路を遮るように前記第２の永久磁石に取り付けられた遮光部材とを備えることを特徴とする光式センサ。
【請求項２】
前記光学系は、光軸を合わせて前記遮光部材の両側に対向配置され、一方が発光側、他方が受光側になる第１，第２の直角プリズムと、
前記第１，第２の直角プリズムに結合された第１，第２の光ファイバとを備えることを特徴とする請求項１記載の光式センサ。
【請求項３】
前記光学系は、一方から他方に光が空気中を伝送されるように所定の間隔を設けて一直線上に配置された第１，第２の光ファイバであることを特徴とする請求項１記載の光式センサ。
【請求項４】
前記第１及び第２の永久磁石は、前記同一極性面による対向配置に代えて、異なる極性で向き合うように配置され、
前記遮光部材は、前記フロートの上昇に伴って前記第１と第２の永久磁石の間に生じる吸引力によって前記第２の永久磁石が所定の移動量になったとき、前記光路を遮るように構成されていることを特徴とする請求項１記載の光式センサ。
【請求項５】
開口を有する第１の空間が一方の内部に形成されると共に密封された第２の空間が他方の内部に形成されたケースと、
外部から導入された光が前記第２の空間内を通過するように光路が形成された光学系と、
前記第１の空間内に移動可能に配設された第１の永久磁石と、
前記第１の永久磁石を前記光学系に向けて附勢する弾性部材と、
前記弾性部材の附勢力に抗して前記第１の永久磁石を前記ケースに係着すると共に所定温度以上になったときに溶断する感熱部材と、
前記第１の空間を２つに分離するように前記第１の空間内に配設された隔壁と、
前記第１の永久磁石に同一極性面が前記隔壁を介して対向すると共に前記第１の空間内に移動可能に配設された第２の永久磁石と、
前記第１の永久磁石の移動に伴って前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石の間に生じる反発力によって前記第２の永久磁石が所定の位置まで移動したときに前記光路を遮る形状を有すると共に前記第２の永久磁石に取り付けられた遮光部材とを備えることを特徴とする光式センサ。
【請求項６】
発光部と受光部の組み合わせによる検出器を複数備えた監視部と、
第１の永久磁石、前記第１の永久磁石が装着されると共に測定対象である流動体の表面変動に伴って移動するフロート、前記第１の永久磁石に対して隔離された状態で対向配置されると共に前記第１の永久磁石と共通の軸線上を前記第１の永久磁石の移動に連動して移動する第２の永久磁石、前記第２の永久磁石に取り付けられた遮光板、及び前記第２の永久磁石の移動に応じて移動する前記遮光板により光路が遮断される光学系を備える複数の光式センサと、
前記複数個の光式センサとこれに対応する前記監視部の前記検出器との間の下り側と上り側を接続して光伝送路を形成する各一対の光ファイバとを備え、
前記下り側の光ファイバを介して前記発光部から前記光式センサへ光を伝送し、前記上り側の光ファイバを介して前記光式センサから前記受光部へ光が伝送されたか否かにより測定対象を監視することを特徴とする監視システム。
【請求項７】
発光部と受光部の組み合わせによる検出器を複数備えた監視部と、
第１の永久磁石、前記第１の永久磁石が装着されると共に測定対象である流動体の表面変動に伴って移動するフロート、前記第１の永久磁石に対して隔離された状態で対向配置されると共に前記第１の永久磁石と共通の軸線上を前記第１の永久磁石の移動に連動して移動する第２の永久磁石、前記第２の永久磁石に取り付けられた遮光板、及び前記第２の永久磁石の移動に応じて移動する前記遮光板により光路が遮断される光学系を備え、船内の所定箇所に設置される複数の水位センサと、
前記複数個の水位センサとこれに対応する前記監視部の前記検出器との間の下り側と上り側を接続して光伝送路を形成する各一対の光ファイバとを備え、
前記下り側の光ファイバを介して前記発光部から前記水位センサへ光を伝送し、前記上り側の光ファイバを介して前記水位センサから前記受光部へ光が伝送されたか否かにより船内の水位を監視することを特徴とする船舶用水位監視システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光式センサ、これを用いた監視システム及び船舶用水位監視システムに関し、特に、電源等を必要としない構成にしてコストダウンを図り、また光学系と流動体とを物理的に切り離して光学系に汚れが生じないようにした光式センサ、及び光伝送系に光部品を配置せずに済むようにした監視システム及び船舶に適用する水位監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、都市部の送電網に用いられている地中送電線路では、電力供給の信頼性確保の観点から、ケーブル本体や洞道の保守管理を行うことが極めて重要である。そこで、地中送電線路においては、伝送路に電磁誘導に強い光ファイバを用いた洞道監視システムが導入されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
洞道監視システムは、液位（又は水位）、ドア開閉、火災検知等の接点信号や温度、油量等のアナログ信号を監視するため、送電線路途中に数百メートル毎に信号中継機能を有する光ファイバ多重伝送装置を設置し、これらの伝送装置からの情報を変電所等に設置した中央監視装置に伝送し、集中監視を行なっている。監視情報としては、水位、ドア開閉、火災検知等の接点情報と、油量、電力量、温度等のアナログ情報に大別される。これら情報のうち、温度は光ファイバ温度分布測定器を用いて測定される。その他の検出項目については、それぞれに適したセンサを使い分けている。
【０００４】
図１０は、洞道監視システムの構成例を示す。この洞道監視システムは、半導体レーザ等を光源として光パルスを出力する発光部１０１と、検出信号光（又は測定信号光）を受光する受光部１０２と、発光部１０１及び受光部１０２が光ファイバ１０４，１０５を介して入力端及び出力端に接続されるサーキュレータ１０３と、このサーキュレータ１０３の入出力端に接続された光ファイバ１０６上の複数箇所に配設された光カプラ１０７‐1，１０７‐2，・・・，１０７‐nと、光カプラ１０７‐1〜１０７‐nのそれぞれに光ファイバ１０８‐1，１０８‐2，・・・，１０８‐nを介して接続された光カプラ１０９‐1，１０９‐2，・・・，１０９‐nと、光カプラ１０９‐1〜１０９‐nのそれぞれに光ファイバ１１１‐1，１１１‐2，・・・，１１１‐nを介して接続され、液位（又は水位）やドア開閉等を検出するセンサ１１０‐1，１１０‐2，・・・，１１０‐nとを備えて構成されている。
【０００５】
洞道の監視情報は距離方向に不規則に分布するが、洞道の監視では人孔部に集中する特徴がある。そこで、センサ１１０‐1〜１１０‐nは、１つの人孔部に１又は複数個を割り当てて設置している。
【０００６】
発光部１０１は、図示しない半導体レーザ等を光源として備え、この光源による光をランダムなパルス信号列に変換し、こうして得られた光パルスを光ファイバ１０４及びサーキュレータ１０３を介してセンサ１１０‐1〜１１０‐nに供給する。受光部１０２は、センサ１１０‐1〜１１０‐nからの光を光カプラ１０９‐1〜１０９‐n，１０７‐1〜１０７‐n、光ファイバ１０６、サーキュレータ１０３、及び光ファイバ１０５を介してセンサ１１０‐1〜１１０‐nの反射光を受光する。
【０００７】
受光部１０２は、光電変換を行う受光素子（図示せず）と、その出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（図示せず）と、Ａ／Ｄ変換器によるデジタル信号を処理する処理回路（図示せず）とを備えて構成されている。サーキュレータ１０３は方向性を持ち、光ファイバ１０４からの光は光ファイバ１０６にのみ出光させ、光ファイバ１０６からの光は光ファイバ１０５にのみ出光させる。また、光カプラ１０７‐1〜１０７‐n及び光カプラ１０９‐1〜１０９‐nは、光分岐器として機能する。
【０００８】
図１０において、発光部１０１からは、所定の光パルスが出射される。この光パルスを受けたセンサ１１０‐1〜１１０‐nは、検出対象の水位変化、ドア開閉、火災発生等の接点情報を検出し、検出内容に対応したパルス光を光カプラ１０９‐1〜１０９‐n等を介し、更にサーキュレータ１０３の入出力端及び出力端を経由して光ファイバ１０５に出力させ、受光部１０２に入光させる。受光部１０２は、センサ１１０‐1〜１１０‐nからの反射パルスを受光し、処理回路（図示せず）にて演算処理を行い、センサ１１０‐1〜１１０‐n動作状況、即ち接点情報を検知する。
【０００９】
図１１及び図１２はセンサ１１０‐1〜１１０‐nの詳細を示す。図１１はファラデー（Farady） 素子を構成要素としたセンサ（以下、ファラデー素子利用型センサという。）を示し、具体的には、特許文献１に開示されている。また、図１２はソレノイドを構成要素としたセンサ（以下、ソレノイド利用型センサという。）を示している。図１１の構造のセンサは、ドア開閉、水位等の接点情報を得るのに適し、図１２の構造のセンサは、接点出力を有するセンサに適用される。センサ１１０‐1〜１１０‐nの全てが同一構成であるものとし、センサ１１０‐1についてのみ図示及び説明をする。
【００１０】
図１１に示すように、ファラデー素子利用型センサ１０は、光カプラ１０９‐1に接続される光ファイバ１１１‐1の端面に対向配置されたレンズ１１と、レンズ１１の光軸上に対向配置された複屈折板１２と、レンズ１１の光軸上の複屈折板１２の後段に配置されたファラデー素子１３と、レンズ１１の光軸上のファラデー素子１３の後段に配置された全反射板１４とを備えて構成されている。ファラデー素子１３は、ファラデー効果を用いた光学素子であり、磁界によって光の偏光状態が回転することを利用し、光の通過を制御するものである。
【００１１】
ファラデー素子利用型センサ１０により液位（水位）を検出する場合、磁石１５が上部に装着されたフロート１６を、ファラデー素子利用型センサ１０に対向させた状態で液面に浮上させている。
【００１２】
図１１において、ファラデー素子利用型センサ１０は固定であるが、フロート１６は液面の変動に追従し、図中の矢印Ａのように上下動する。従って、液位（水位）が低いときには、磁石１６とファラデー素子１３との間の距離が離れており、光ファイバ１１１‐1から出射した光は、レンズ１１、複屈折板１２、ファラデー素子１３、及び全反射板１４を往復し、光ファイバに１１１‐1に戻される。一方、水位が上昇し、磁石１５がファラデー素子１３に接近すると光路が変化し、光は光ファイバ１１１‐1に戻らなくなる。これにより光のオン／オフが可能になり、スイッチをオン／オフさせた場合と同様の信号を得ることができる。即ち、接点情報を得ることができる。
【００１３】
図１２に示すように、ソレノイド利用型センサ２０は、光ファイバ１１１‐1の端面に対向配置されたレンズ２１と、レンズ２１の光軸上に対向配置された全反射板２２と、レンズ２１と全反射板２２の間の光路を光軸に直交する方向から遮ることが可能なように配置された遮光板２３と、遮光板２３が取り付けられたアーマチュア２４を通電時に垂直方向へ移動させるソレノイド２５と、電源をソレノイド２５に電源ライン２８を介して供給するＤＣ（直流）電源部２６と、電源ライン２８の途中に設けられて電源ラインをオン／オフさせる接点（スイッチ）２７とを備えて構成されている。遮光板２３は、レンズ２１からの光が表面で反射しないような表面処理が施されている。
【００１４】
接点（スイッチ）２７は、火災検知時や酸素不足検知時にオン動作をするセンサ等の接点出力であり、そのオン動作によって、ＤＣ電源部２６からソレノイド２５への通電が行われ、ソレノイド２５が励磁される。ソレノイド２５が励磁されることによって生じる磁力により、遮光板２３が上昇駆動され、レンズ２１と全反射板２２との間の光路が遮られることにより、光ファイバ１１１‐1からの光が光ファイバ１１１‐1に戻らないようになる。このように、ソレノイド利用型センサ２０では、光軸に遮光板２３が介在するか否かによって、接点情報を得ている。
一般的には、正常時には接点２７をオンさせておきシステムの健全性即ちフェールセーフ機構を働かせておく。
【００１５】
【非特許文献１】「電気現場技術」２０００・４、Ｐ２〜Ｐ７
【特許文献１】特開平１０−２８２４６１号公報（図１参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかし、従来の光式センサによると、図１１の構成の場合、特殊で高価な光部品を多く用いる必要があり、センサが高価になるという問題がある。
【００１７】
また、図１２の構成の場合、ソレノイド２５を駆動するためにＤＣ電源部２６が必要になるほか、電源をオン／オフさせるために更に別の接点（スイッチ）２７が必要になる。加えて、光学系に水が侵入しやすいため、光の損失が大きくなり、性能を長期に維持することが難しい。このほか、図１１の構成の場合と同様の問題が生じることは避けられない。
【００１８】
更に、従来の監視システムによると、各センサをカプラで分岐する必要があり、多数のカプラが必要なためにコストアップになるほか、信頼性も低下する。更に、サーキュレータが必要になり、各センサからの情報を１本の光ファイバを通して収集する構成であるため、発光部及び受光部の構成が複雑になる。このため、部品数が多くなり、システムのコストアップを招くという問題がある。
【００１９】
更に、上記の光式センサ及び監視システムを船舶用水位監視システムとして用いる場合、以下のような問題点があった。
（１）ばら積み運搬船等においては防爆エリアが多数あり、図１２のソレノイド利用型センサではＤＣ電源部を有するため本質的に防爆でないことから適用できない。非防爆エリアに適用する場合にはバリアボックスを設け、二次的な防爆対策が必要となる。即ち、ソレノイド利用型センサの場合にはその使用に制限がある。
（２）更に、ソレノイド利用型センサの場合は、非防爆エリアにおいても電線が何らかの衝撃を受けて絶縁体が外傷した場合でも、船舶が火災を起こさないような厳しい安全規定がなされており、ＤＣ電源部の電線として耐衝撃性の良好なあじろ外装付きの電線を使用している。しかし、この電線の採用によりシステムとして高価になると共に布設作業に労力を要している。
（３）図１１のファラデー素子利用型センサを図１０に示すような監視システムで利用しようとしても、価格において高価なものとなり適用が困難である。また、図１０の監視システムでは１本の光ファイバからカプラを用いて光路を分岐しているため、多数のセンサが接続可能ではあるが、逆に幹線の光ファイバが断線した場合は断線以降のセンサ情報が得られなくなる欠点がある。
【００２０】
従って、本発明の目的は、電源を必要とする部品や高価な部品を用いない簡略で安価な構成とし、更に、光学系を汚すことのない光式センサを提供することにある。
【００２１】
また、本発明の他の目的は、カプラやサーキュレータを用いることなく監視側とセンサ側の接続が行える光式センサを用いた監視システムを提供することにある。
【００２２】
更に、本発明の他の目的は、センサ部に光を応用した光式センサを、伝送路に光ファイバを用いることで防爆エリアにも適用できる安価な船舶用水位監視システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、上記の目的を達成するため、第１の特徴として、開口を有する第１の空間が下部内に形成されると共に密封された第２の空間が上部内に形成されたケースと、外部から導入された光が前記第２の空間内を通過するように光路が形成された光学系と、流動体の表面変動に伴って上下動可能に前記第１の空間内に配設されたフロートと、前記フロートの片面に装着された第１の永久磁石と、前記第１の空間を前記フロートの最高浮上位置近傍で２つに分離するように前記第１の空間内に配設された隔壁と、前記第１の永久磁石に同一極性面が前記隔壁を介して対向すると共に上下動可能に前記第１の空間内に配設された第２の永久磁石と、前記フロートの上昇に伴って前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石との間に生じる反発力により前記第２の永久磁石が所定の移動量になったときに前記光路を遮るように前記第２の永久磁石に取り付けられた遮光部材とを備えることを特徴とする光式センサを提供する。
【００２４】
この構成によれば、流動体の表面変動に伴って上下動するフロートと共に第１の永久磁石が上下動することで、第２の永久磁石と共に遮光部材が移動し、移動した遮光部材によって光学系の光路が遮断され、光式センサからの出力光が途絶える。これにより、測定対象に変化が生じたことを検出することができる。遮光部材の駆動に永久磁石を用いているために構成の簡略化が図れ、コストダウンが可能になり、更に、第１と第２の永久磁石の間は隔壁によって隔離されているため、光学系に汚れが発生せず、反射光のレベルが低下しないことから長期の性能維持が可能になる。
【００２５】
本発明は、上記の目的を達成するため、第２の特徴として、開口を有する第１の空間が一方の内部に形成されると共に密封された第２の空間が他方の内部に形成されたケースと、外部から導入された光が前記第２の空間内を通過するように光路が形成された光学系と、前記第１の空間内に移動可能に配設された第１の永久磁石と、前記第１の永久磁石を前記光学系に向けて附勢する弾性部材と、前記弾性部材の附勢力に抗して前記第１の永久磁石を前記ケースに係着すると共に所定温度以上になったときに溶断する感熱部材と、前記第１の空間を２つに分離するように前記第１の空間内に配設された隔壁と、前記第１の永久磁石に同一極性面が前記隔壁を介して対向すると共に前記第１の空間内に移動可能に配設された第２の永久磁石と、前記第１の永久磁石の移動に伴って前記第１の永久磁石と前記第２の永久磁石の間に生じる反発力によって前記第２の永久磁石が所定の位置まで移動したときに前記光路を遮る形状を有すると共に前記第２の永久磁石に取り付けられた遮光部材とを備えることを特徴とする光式センサを提供する。
【００２６】
この構成によれば、感熱部材が溶断すると、弾性部材の附勢力によって第１の永久磁石が光学系側へ移動し、この移動に応じて第２の永久磁石と遮光部材が移動し、移動した遮光部材によって光学系の光路が遮断され、光式センサからの出力光が途絶える。これにより、雰囲気温度等を検出することができる。遮光部材の駆動に永久磁石を用いているために構成の簡略化及びコストダウンが可能になる。更に、第１と第２の永久磁石の間は隔壁によって隔離されているため、光学系に汚れを生じさせず、反射光のレベル低下を防止できることから長期の性能維持が可能になる。
【００２７】
本発明は、上記の目的を達成するため、第３の特徴として、発光部と受光部の組み合わせによる検出器を複数備えた監視部と、第１の永久磁石、前記第１の永久磁石が装着されると共に測定対象である流動体の表面変動に伴って移動するフロート、前記第１の永久磁石に対して隔離された状態で対向配置されると共に前記第１の永久磁石と共通の軸線上を前記第１の永久磁石の移動に連動して移動する第２の永久磁石、前記第２の永久磁石に取り付けられた遮光板、及び前記第２の永久磁石の移動に応じて移動する前記遮光板により光路が遮断される光学系を備える複数の光式センサと、前記複数個の光式センサとこれに対応する前記監視部の前記検出器との間の下り側と上り側を接続して光伝送路を形成する各一対の光ファイバとを備え、前記下り側の光ファイバを介して前記発光部から前記光式センサへ光を伝送し、前記上り側の光ファイバを介して前記光式センサから前記受光部へ光が伝送されたか否かにより測定対象を監視することを特徴とする監視システムを提供する。
【００２８】
この構成によれば、光式センサは液面変動等に伴ってフロートと第１の永久磁石が変動し、この第１の永久磁石が接近することにより生じる磁力により第２の永久磁石と遮光部材が移動し、移動した遮光部材によって光学系の光路が遮断されることにより測定対象の監視が可能になる。光式センサと監視部との接続は、他の光部品を介することなく光ファイバのみで接続できるため、光伝送系においてはカプラやサーキュレータが不要になり、センサにおいては高価な光部品や電源を用いずに済み、システムのコストダウンが可能になる。
【００２９】
本発明は、上記の目的を達成するため、第４の特徴として、発光部と受光部の組み合わせによる検出器を複数備えた監視部と、第１の永久磁石、前記第１の永久磁石が装着されると共に測定対象である流動体の表面変動に伴って移動するフロート、前記第１の永久磁石に対して隔離された状態で対向配置されると共に前記第１の永久磁石と共通の軸線上を前記第１の永久磁石の移動に連動して移動する第２の永久磁石、前記第２の永久磁石に取り付けられた遮光板、及び前記第２の永久磁石の移動に応じて移動する前記遮光板により光路が遮断される光学系を備え、船内の所定箇所に設置される複数の水位センサと、前記複数個の水位センサとこれに対応する前記監視部の前記検出器との間の下り側と上り側を接続して光伝送路を形成する各一対の光ファイバとを備え、前記下り側の光ファイバを介して前記発光部から前記水位センサへ光を伝送し、前記上り側の光ファイバを介して前記水位センサから前記受光部へ光が伝送されたか否かにより船内の水位を監視することを特徴とする船舶用水位監視システムを提供する。
【００３０】
この構成によれば、水位センサは液面変動に伴ってフロートと第１の永久磁石が変動し、この第１の永久磁石が接近することにより生じる磁力により第２の永久磁石と遮光部材が移動し、移動した遮光部材によって光学系の光路が遮断される。これより、電源部が必要となるソレノイド利用型センサ等を用いることなく船内の水位監視が可能になる。このため、従来用いることができなかった防爆エリアにも適用が可能となり、また高価なあじろ外装付きの電線での布設作業も不要となることから、材料費、工事費を安価なものとすることができ、システム構築費のコストダウンを図ることができる。また、複数個の水位センサのそれぞれに光伝送路を形成する各一対の光ファイバを設けているため、カプラを用いて光路を分岐した場合のように幹線が断線した場合に断線以降のセンサ情報が得られなくなることがない。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の光式センサによれば、測定対象の変化をフロート及び第１の永久磁石に伝え、その磁力により第２の永久磁石及び遮光板を移動させ、この遮光板により光路を遮光することにより測定対象の変化を検出する構成にしたので、構成の簡略化が図れると共に高価な光部品を用いないことでコストダウンが可能になる。更に、隔壁を設けて光学系に汚れが生じないようにしているため、反射光のレベルが低下しないことから長期にわたる性能維持が可能になる。
【００３２】
本発明の他の光式センサによれば、感熱部材の溶断に応じて弾性部材の附勢力により第１の永久磁石を光学系側へ移動させ、その磁力により第２の永久磁石及び遮光板を移動させ、この遮光板により光路を遮光することにより測定対象の変化を検出する構成にしたので、構成の簡略化が図れると共に高価な光部品を用いないことでコストダウンが可能になる。更に、隔壁を設けて光学系に汚れが生じないようにしているため、反射光のレベルが低下しないことから長期にわたる性能維持が可能になる。
【００３３】
本発明の監視システムによれば、液面変動等に伴ってフロートと第１の永久磁石が変動し、この第１の永久磁石が接近することにより生じる磁力により第２の永久磁石が移動しと遮光部材が移動し、移動した遮光部材によって光学系の光路が遮断される構成の光式センサを用い、この光式センサと監視部の発光部及び受光部との接続を光ファイバで接続する構成により、他の光部品を介することなく光ファイバのみで接続できるため、光伝送系においてはカプラやサーキュレータが不要になる。また、光式センサにおいては高価な光部品や電源を用いずに済むため、システムのコストダウンが可能になる。
【００３４】
本発明の船舶用水位監視システムによれば、液面変動に伴ってフロートと第１の永久磁石が変動し、この第１の永久磁石が接近することにより生じる磁力により第２の永久磁石と遮光部材が移動し、移動した遮光部材によって光学系の光路が遮断される構成の光式センサを用い、この光式センサと監視部の発光部及び受光部との接続を光ファイバで接続する構成により、防爆エリアにも適用が可能となり、また高価なあじろ外装付きの電線での布設作業も不要となる。このため、材料費、工事費を安価なものとすることができ、システム構築費のコストダウンを図ることができる。また、カプラを用いて光路を分岐した場合のように幹線が断線した場合に断線以降のセンサ情報が得られなくなることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図１及び図２は、本発明の第１の実施の形態に係る光式センサの構成を示す。図１はセンサとして不動作の状態にあるときを示し、図２は動作状態にあるときを示す。
【００３６】
光式センサ３０は、ケース３１と、ケース３１の上部に形成された空間３２と、空間３２内に配置されると共に直角面が所定の距離をもって向き合うように配置された一対の直角プリズム３３ａ，３３ｂと、直角プリズム３３ａ，３３ｂのそれぞれの上面に端面が結合された光ファイバ３４ａ，３４ｂと、空間３２に連結させ且つ下面が開放するように形成された空間３５と、空間３５内に昇降自在に配置されたフロート３６と、フロート３６の上面に装着された永久磁石３７と、空間３５内のフロート３６の最大上昇位置に設置された隔壁３８と、昇降可能に隔壁３８上に配設された永久磁石３９と、永久磁石３９に立設された遮光部材としての遮光板４０と、遮光板４０を中心に据えて永久磁石３９上に配設された弾性部材としてのコイル状のスプリング４１と、遮光板４０を自由に突出させながらスプリング４１の上端を係止するストッパ４２とを備えて構成されている。直角プリズム３３ａ，３３ｂと光ファイバ３４ａ，３４ｂにより光学系が形成されている。
【００３７】
ケース３１は、天上面が閉鎖されていると共に下面に開口を設けて取液口３１ａが形成されている。その外形は円筒形でも、角筒形でもよいが、鉄などの磁気を帯びやすい金属は不適当であり、樹脂成形品等を用いるのがよい。ケース３１には、図２に示すように、検出対象（水、油、液体と粒体の混合物等の流動体）の液位レベルが最大でも隔壁３８の下側の近傍になるように、下部が水中に浸漬される。このときフロート３６は、液面に浮上し、液面レベルの変動に追従しながら空間３５内を上下動する。
【００３８】
フロート３６は、液面に追従しやすい素材と形状、例えば、防水処理した木材加工品、中空のプラスチック成形品等を用いるのがよい。
【００３９】
永久磁石３７と永久磁石３９はほぼ同サイズにし、それらの外形は一様な厚みの円板、四角板等とすることができる。この形状に空間３５の内面形状及びフロート３６の外形を合わせるのがよい。永久磁石３７と永久磁石３９は、磁力が互いに反発し合うように磁極の向きが設定されており、フロート３６が或る高さ以上に上がると、永久磁石３９が上昇し始める。なお、フロート３６の厚みを薄くでき、かつ永久磁石３７の磁力を大きくできる場合には、永久磁石３７をフロート３６の下面に装着してもよい。
【００４０】
隔壁３８は非磁性体を用いる必要がある。隔壁３８を磁性体にした場合、永久磁石３７と永久磁石３９の間に磁気回路が形成されてしまい、永久磁石３７の磁力が永久磁石３９に及ばなくなり、永久磁石３９を動かすことができなくなる。スプリング４１は、不動作時に永久磁石３９を常に隔壁３８上に固定し、液面に大きな波が発生するなどして遮光板４０が飛び上がり、光ファイバ３４ａ，３４ｂの光路内に入り込むのを防止している。
【００４１】
隔壁３８は、取液口３１ａから空間３５内に入った液体が空間３２内に侵入するのを防止するために設けられている。これにより、液体に含むゴミ等の異物によって直角プリズム３３ａ，３３ｂの表面が汚されるのを防止できる結果、光損失の発生を防止できるようになる。
【００４２】
遮光板４０は、黒色塗装等の塗料が表面に塗布されて反射防止対策が少なくとも光入射面に施されている。これにより、遮光板４０の光入射面で入射光が反射したり、空間３２内に光が散乱するのを防止することができる。スプリング４１の附勢力は、フロート３６が上昇したとき、永久磁石３７と３９の反発による反発力よりも弱いものとし、永久磁石３９が容易に上昇できるようにしている。
【００４３】
図３は、光式センサ３０の各可動部の不動作時と動作時における位置関係、及び光路の形成状態を示す。図３において、（ａ）はフロート３６の下降時（不動作時）の状態を示し、（ｂ）は上昇時（動作時）の状態を示している。
【００４４】
図１〜図３を参照して、光式センサ３０の動作を説明する。ここで、光ファイバ３４ａから光ファイバ３４ｂに向けて光が進行するものとする。まず、検出対象の液位が低く、フロート３６が取液口３１ａの近傍にまで下がっているとする。この状態は、図１及び図３の（ａ）の状態に相当する。この状態では、永久磁石３７と３９の距離が離れているため、永久磁石３７の磁力は永久磁石３９に影響を与えず、永久磁石３９は隔壁３８と接触した状態となり、そのまま動かない。従って、遮光板４０は、直角プリズム３３ａと３３ｂの間に形成されている光路の外にある。
【００４５】
光ファイバ３４ａを出射した光は、直角プリズム３３ａにおいて直角に曲げられた後、水平に出射し、空間３２内を進行して直角プリズム３３ｂに入射する。直角プリズム３３ｂの入射光は、直角プリズム３３ｂで直角に曲げられた後、光ファイバ３４ｂに入射する。すなわち、光ファイバ３４ａからの光は、そのまま光ファイバ３４ｂに送られ、監視側に戻される。
【００４６】
次に、検出対象の液位が上がると、取液口３１ａから空間３５に液体が入り込むようになる。その液面レベルの変動に伴って、フロート３６は図２及び図３の（ｂ）の様に上昇する。最大まで上昇した場合、図２の様に永久磁石３９の上面は隔壁３８の下面に密着する状態になる。
【００４７】
フロート３６と永久磁石３７が上昇することにより、永久磁石３７の磁力が永久磁石３９に影響を及ぼすようになる。図３の（ｂ）のように、永久磁石３７と３９のＮ極同士（又は、Ｓ極同士）を向き合わせて配置しておけば、永久磁石３９は永久磁石３７から受ける反発力によってスプリング４１を圧縮しながら浮き上がる。永久磁石３９には遮光板４０が立設されているため、永久磁石３９の上昇に伴って遮光板４０も上昇する。最終的には、図２の様に、遮光板４０は直角プリズム３３ａと３３ｂの間の光路を遮断する状態になる。この状態では、光ファイバ３４ｂには光ファイバ３４ａからの光が全く入射されなくなり、光ファイバ３４ａからの光が監視側に戻されることはない。光ファイバ３４ｂからの光が消失したことを監視側で検出することにより、液位検出が可能になる。
【００４８】
また、隔壁３８によって検出対象の液体と光学系が物理的に分離し、液体が流入する位置に永久磁石３７を取り付けたフロート３６を設置し、遮光板４０の駆動は永久磁石３９によって行うようにしたことにより、光学系の汚れ、即ち反射光のレベル低下を防ぐことができ、信頼性の向上及び性能維持を図ることができる。また、ソレノイドや電源部を用いないため、構成を簡略化できることによりコストダウンが可能になる。
【００４９】
なお、図１及び図２において、フロート３６及び永久磁石３７が空間３５の内壁に摺動する状態で上下動できるようにすればガス圧や水圧等の検出が可能になり、また、フロート３６をケース３１の下面より十分突出する長さにしておけば地面の隆起等を検出することができる。
【００５０】
図４は、図１及び図２に示した光式センサ３０を用いた監視システムの構成を示す。この監視システム５０は、図１及び図２に示したｎ個の光式センサ３０‐1，３０‐2，・・・，３０‐nと、変電所等の監視側に設置された監視部５１と、監視部５１と光式センサ３０‐1〜３０‐nのそれぞれとを接続する光伝送路としての光ファイバ５２‐1〜５２‐n，５３‐1〜５３‐nとを備えて構成されている。監視部５１は、発光部５４‐1，５４‐2，・・・，５４‐nと、受光部５５‐1，５５‐2，・・・，５５‐nとを備えて構成されている。
【００５１】
発光部５４‐1〜５４‐nは、図示しない半導体レーザ等によって得られた光を光ファイバ３４ａに相当する光ファイバ５２‐1〜５２‐nを介して光式センサ３０‐1〜３０‐nの光入力側端に接続される。受光部５５‐1〜５５‐nは、光式センサ側からの光を光電変換する受光素子（図示せず）及び処理回路（図示せず）を備えており、受光部５５‐1〜５５‐nと光式センサ３０‐1〜３０‐nの光出力側端とは、光ファイバ３４ｂに相当する光ファイバ５３‐1〜５３‐nによって１対１の関係で接続されている。
【００５２】
図４において、監視部５１は、発光部５４‐1〜５４‐nのそれぞれから所定の光パルス又は連続光を出射する。この光は、光式センサ３０‐1〜３０‐nのそれぞれに入光され、遮光板４０の位置状態に応じて光ファイバ３４ｂに出光されたり、遮光されたりする。光式センサ３０‐1〜３０‐nからの光を光ファイバ５３‐1〜５３‐nを介して受ける受光部５５‐1〜５５‐nは、戻り光の有無から検出対象の水位変化、ドア開閉、火災発生等の接点情報を生成する。
【００５３】
図４より明らかなように、監視システム５０は、光式センサ３０‐1〜３０‐nのそれぞれが光ファイバを介して直接に監視部５１と接続されるため、途中に光カプラやサーキュレータを設ける必要がない。このため、系統のロスが低減されると共に信頼性の向上が図れ、光源のパワーを低く抑えることができるほか、受光部のダイナミックレンジを押さえることが可能になる。更に、安価な素子を採用することが可能になるとともに、サーキュレータやカプラ等の高価な光学部品を必要としないシステムの構築が可能になるため、システム全体のコスト低減が可能になる。
【００５４】
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る光式センサの構成を示す。図５の光式センサ６０は図１における光式センサ３０の構成を基本にしており、第１の実施の形態の光式センサ３０で用いていた直角プリズム３３ａ，３３ｂを必要としない構成にしたところに特徴がある。すなわち、遮光板４０に直交するようにして、光ファイバ３４ａと３４ｂを空間３２内に同一線上に配置し、更に、光ファイバ３４ａの端面と遮光板４０との間にレンズ６１を配置し、遮光板４０が光路に介在しないとき、即ち光路を遮らないとき、光ファイバ３４ａからの光がレンズ６１を介して光ファイバ３４ｂに入射されることになる。
【００５５】
図５の光式センサ６０によれば、直角プリズムを用いないため、光軸合わせ等の調整作業が不要になるほか、コストダウンが可能になる。なお、光ファイバ３４ａと３４ｂの間の距離を小さくできる場合には、レンズ６１を除去してもよい。
【００５６】
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る光式センサの構成を示す。図６の光式センサ７０は図１における光式センサ３０の構成を基本にしている。相違するところは、光式センサ３０が永久磁石３７と永久磁石３９の反発力により遮光板４０を駆動していたのに対し、図６の光式センサ７０では永久磁石３７と永久磁石３９の吸引力を用いている。具体的には、光式センサ７０に用いる遮光板７１の形状及び駆動方法が異なっており、この遮光板７１は貫通孔７２を有し、永久磁石３９に立設されている。遮光板７１の全高は遮光板４０より大きく作られており、通常時（水位が低いとき）には直角プリズム３３ａと３３ｂとの間の光路に貫通孔７２が介在し、検出時には遮光板７１の上端部が直角プリズム３３ａと３３ｂとの間の光路に介在するように駆動される。このため、スプリング４１は永久磁石３９の下側に配設され、通常時は永久磁石３９を押し上げるように附勢するものを用いる。
【００５７】
図６の（ａ）に示すように、液位が低いとき（通常時）には、遮光板７１は最上位置にあり、貫通孔７２が直角プリズム３３ａと３３ｂの間に形成される光路中に介在し、光ファイバ３４ａからの光が光ファイバ３４ｂに入射され、監視側では液位の変化を検出することはない。
【００５８】
しかし、液位が上がると、フロート３６が液位に応じて浮上し、永久磁石３７が永久磁石３９を吸引する。すると永久磁石３９がスプリング４１の附勢力に抗して下降し、スプリング４１を圧縮する。これに伴って遮光板７１が図６の（ｂ）のように下降し、貫通孔７２の上部の遮光面が直角プリズム３３ａと３３ｂの間の光路を遮断する。これにより、監視部では、液面位が上がったことを検出できる。
【００５９】
図６の構成では、一旦、永久磁石３７と永久磁石３９が吸引により密着状態になると、その状態が保持される。このため、人為的に永久磁石３７を強制的に引き離さない限り、フロート３６及び永久磁石３７を元の位置に戻すことはできないが、図１の光式センサ３０が液位が下がれば検出信号を生成できないのに対し、図６の光式センサ７０では検出状態を保持することができる。このため、検出信号をホールドしておきたい用途のセンサとして用いるのに適している。
【００６０】
図７は、上記第１の実施の形態に係る光式センサの応用例を示し、具体的には、温度スイッチを示している。この温度スイッチ８０の基本構成は、図１に示した光式センサ３０と同じである。温度スイッチ８０は、図１に示したフロート３６を取り除き、空間３５に代えてＬ字形の断面形状を有する空間８１を形成し、フロート３６に代えて線状の感熱部８２及びスプリング８３を空間８１内に配設したところに特徴がある。感熱部８２が空間８１の開口部を通して外部に触れることで、感熱部８２は雰囲気温度（外気温）を感知し易くなる。
【００６１】
なお、液体に比べて大気中は、ゴミ等の異物が少ない場合が多いので、設置状況によっては隔壁３８を省略してもよい。また、温度スイッチ８０は図７のように横位置で使用することも、縦位置で使用することも可能である。
【００６２】
感熱部８２は、予め設定した温度になると溶断する。感熱部８２が末溶断のとき、永久磁石３７はスプリング８３の附勢力に抗して感熱部８２により牽引されている。一方、永久磁石３９もスプリング４１によって隔壁３８に押圧されている。従って、感熱部８２が末溶断であれば、光ファイバ３４ａと３４ｂとの間に光路が形成され、光ファイバ３４ａからの光は光ファイバ３４ｂに伝達され、異常（測定対象の変化）を検知しない。
【００６３】
温度が上がり、感熱部８２が溶断すると、感熱部８２により強制的に圧縮されていたスプリング８３は開放され、その際の附勢力によって、永久磁石３７は紙面の左方向へ移動する。永久磁石３７が永久磁石３９に接近すると、第１の実施の形態で説明したように、互いの反発力によって永久磁石３９はスプリング４１の附勢力に抗して紙面の左方向へ移動する。永久磁石３９の移動に伴って遮光板４０も移動し、遮光板４０が光ファイバ３４ａと３４ｂの間の光路に進入し、光路を遮断する。この結果、光ファイバ３４ａからの光は光ファイバ３４ｂに到達せず、監視側には光ファイバ３４ｂを通して光が戻されないため、温度検知が可能になる。
【００６４】
図７では温度スイッチへの適用例を示したが、そのほかの適用例として、リミットスイッチをあげることができる。リミットスイッチを構成するには、検出体の移動量を永久磁石３７の移動量に置き換えればよい。また、温度に代えて圧力を検出するセンサとして用いることもできる。
【００６５】
また、図７の構成においては、感熱部８２及びスプリング８３に代えて、形状記憶合金による駆動部材（コイル状、板バネ状等）を空間８１内に配設する構成にしても、温度検出が可能になる。
【００６６】
図８に、図１及び図２に示す光式センサを水位センサとして船舶に適用した場合の構成を示す。この例では、船本体９０の内部に設けられたエンジンルーム９５、荷物倉９３、貨物倉９４のうち、荷物倉９３、貨物倉９４の内壁、及び貨物倉９４の外側にそれぞれ２箇所づつ異なる高さに水位センサ９１が設けられている。これらの水位センサ９１は光ファイバ９２に接続されて船本体９０の上方に設けられたブリッジ９６内の警報表示盤９７に接続されている。
【００６７】
図９は、図８における船舶用水位を監視するための具体的なシステム構成例を示す。この水位監視システム１００は、図８の水位センサ９１に対応するｎ個の水位センサ１３０‐1，１３０‐2，・・・，１３０‐nと、ブリッジ９６内に設置された監視部１５１と、監視部１５１と光式センサ１３０‐1〜１３０‐nのそれぞれとを接続する光伝送路としての光ファイバ１５２‐1〜１５２‐n，１５３‐1〜１５３‐nとを備えて構成されている。監視部１５１は、発光部１５４‐1，１５４‐2，・・・，１５４‐nと、受光部１５５‐1，１５５‐2，・・・，１５５‐nとを備えて構成されている。
【００６８】
発光部１５４‐1〜１５４‐nは、図示しない半導体レーザ等によって得られた光を光ファイバ１５２‐1〜１５２‐nを介して水位センサ１３０‐1〜１３０‐nの光入力側端に接続される。受光部１５５‐1〜１５５‐nは、水位センサ側からの光を光電変換する受光素子（図示せず）及び処理回路（図示せず）を備えており、受光部１５５‐1〜１５５‐nと水位センサ１３０‐1〜１３０‐nの光出力側端とは、光ファイバ１５３‐1〜１５３‐nによって１対１の関係で接続されている。
【００６９】
図９において、監視部１５１は、発光部１５４‐1〜１５４‐nのそれぞれから所定の光パルス又は連続光を出射する。この光は、水位センサ１３０‐1〜１３０‐nのそれぞれに入光され、図１に示す遮光板４０の位置状態に応じて光ファイバ３４ｂに出光されたり、遮光されたりする。水位センサ１３０‐1〜１３０‐n（図１では光式センサ３０‐1〜３０‐n）からの光を光ファイバ１５３‐1〜１５３‐nを介して受ける受光部１５５‐1〜１５５‐nは、戻り光の有無から水位変化の接点情報を生成する。
【００７０】
図９より明らかなように、船舶用水位監視システム１００は、水位センサ１３０‐1〜１３０‐nのそれぞれが光ファイバを介して直接に監視部１５１と接続されるため、途中に光カプラやサーキュレータを設ける必要がない。このため、系統のロスが低減されると共に信頼性の向上が図れ、光源のパワーを低く抑えることができるほか、受光部のダイナミックレンジを押さえることが可能になる。更に、安価な素子を採用することが可能になるとともに、サーキュレータやカプラ等の高価な光学部品を必要としないシステムの構築が可能になるため、システム全体のコスト低減が可能になる。また、電源部が必要となるソレノイド利用型センサ等を用いることなく船内の水位監視が可能になるため、従来用いることができなかった防爆エリアにも適用が可能となり、また高価なあじろ外装付きの電線での布設作業も不要となることから、材料費、工事費を安価なものとすることができ、システム構築費のコストダウンを図ることができる。更に、複数個の水位センサのそれぞれに光伝送路を形成する各一対の光ファイバを設けているため、カプラを用いて光路を分岐した場合のように幹線が断線した場合に断線以降のセンサ情報が得られなくなることがない。
【００７１】
上記各実施の形態においては、光学系、及び光学系と外部との接続に光ファイバを用いたが、他の光伝送手段、例えば、光導波路を用いてもよい。また、遮光板４０，７１の形状は、板状に限定されるものではなく、三角柱状、角柱状等の形状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光式センサの不動作状態における構成を示す正面断面図である。
【図２】図１の光式センサの動作状態にあるときの構成を示す正面断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る光式センサの各可動部の不動作時と動作時における位置関係、及び光路の形成状態を示し、（ａ）はフロートが下降時（不動作時）の状態を示し、（ｂ）は上昇時（動作時）の状態を示している。
【図４】本発明の実施の形態に係る光式センサを用いた監視システムの構成を示す接続図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る光式センサの構成を示す正面断面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る光式センサの構成を示す正面断面図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る光式センサを応用した温度スイッチの構成を示す正面断面図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る光式センサを水位センサとして船舶に適用した構成を示す模式図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る光式センサを用いた船舶用水位監視システムの構成を示す接続図である。
【図１０】従来の監視システムの構成例を示す接続図である。
【図１１】図１０のシステムのセンサにファラデー素子利用型センサを用いた場合の構成を示す模式的断面図である。
【図１２】図１０のシステムのセンサにソレノイド利用型センサを用いた場合の構成を示す模式的構成図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０  ファラデー素子利用型センサ
１１，２１  レンズ
１２  複屈折板
１３  ファラデー素子
１４  全反射板
１５  磁石
１６  フロート
２０  ソレノイド利用型センサ
２２  全反射板
２３  遮光板
２４  アーマチュア
２５  ソレノイド
２６  ＤＣ（直流）電源部
２７  接点（スイッチ）
２８  電源ライン
３０，３０‐1〜３０‐n  光式センサ
３１  ケース
３１ａ  取液口
３２，３５  空間
３３ａ，３３ｂ  直角プリズム
３４ａ，３４ｂ，５２‐1〜５２‐n，５３‐1〜５３‐n  光ファイバ
３６  フロート
３７，３９  永久磁石
３８  隔壁
４０  遮光板
４１，８３  スプリング
４２  ストッパ
５１  監視部
５４‐1〜５４‐n  発光部
５５‐1〜５５‐n  受光部
６０，７０  光式センサ
７１  遮光板
７２  貫通孔
８０  温度スイッチ
８１  空間
８２  感熱部
９０  船本体
９１  水位センサ
９３  荷物倉
９４  貨物倉
９５  エンジンルーム
９６  ブリッジ
９７  警報表示盤
１００  船舶用水位監視システム
１０１  発光部
１０２  受光部
１０３  サーキュレータ
１０４，１０５，１０６，１１１‐1〜１１１‐n  光ファイバ
１０７‐1〜１０７‐n，１０９‐1〜１０９‐n  光カプラ
１０８‐1〜１０８‐n  光ファイバ
１１０‐1〜１１０‐n  センサ
１３０‐1〜１３０‐n  水位センサ
１５２‐1〜１５２‐n，１５３‐1〜１５３‐n  光ファイバ
１５４‐1〜１５４‐n  発光部
１５５‐1〜１５５‐n  受光部
【図１】
2005164557.tif 000003
【図２】
2005164557.tif 000004
【図３】
2005164557.tif 000005
【図４】
2005164557.tif 000006
【図５】
2005164557.tif 000007
【図６】
2005164557.tif 000008
【図７】
2005164557.tif 000009
【図８】
2005164557.tif 000010
【図９】
2005164557.tif 000011
【図１０】
2005164557.tif 000012
【図１１】
2005164557.tif 000013
【図１２】
2005164557.tif 000014