JPH05322755A - 流体成分センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 発光ダイオード（ＬＥＤ）の光軸変動や光量
変動、あるいはプリズム汚染等により検出精度が影響さ
れない。 【構成】 ＬＥＤ１と、検出流体に接して設けられ、こ
れよりも屈折率が大きいプリズム２と、ＬＥＤ１の出力
光のうち、検出流体とプリズム２の界面２ａに所定角度
範囲で入射する光線のみを通過せしめる光透過孔３１
と、上記界面２ａで全反射された反射光を受光し、その
受光面積の重心位置に比例した出力を発する光ポテンシ
ョ素子４とを有している。ＬＥＤ１の出力光軸が変化し
ても、光透過孔３１により界面２ａには常に所定角度範
囲の光線のみが入射せしめられるから、光軸変動による
検出誤差は生じない。受光面積の重心位置より検出流体
の成分を検出するから、ＬＥＤ１の発光量の変動や界面
２ａの汚染による受光量変動により検出精度が左右され
ない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は屈折率変化を利用してガ
ソリン中のメタノール混入量等を検出する流体成分セン
サに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の流体成分センサとしては、例え
ば特開昭６２−２３２５３８号公報に記載された燃料成
分センサが知られている。このセンサは流通する燃料に
底辺が接するガラスプリズムを設け、該プリズムの斜辺
の一方に設けた発光部より上記底辺に向けて発した光
が、全反射されてプリズム斜辺の他方に設けた受光部に
入射する量を検出するものであり、燃料成分によりその
屈折率が変化し、全反射する臨界角が変化して受光部へ
の入射光量が増減することにより燃料成分の変動を検出
している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
センサにおいて、発光部としては安価かつ手軽な点で発
光ダイオード（ＬＥＤ）を使用することが多いが、その
出力光軸にバラ付きがあるため、測定に誤差を生じると
いう問題がある。これを図２３で説明すると、図の
（１）はＬＥＤ１の光軸に振れがない場合、図の（２）
は光軸が上方へ振れている場合、図の（３）は光軸が下
方へ振れている場合を示し、プリズム２と燃料の界面２
ａで全反射して受光部４５へ至る光量（図中斜線部）が
光軸の振れにより変動し、検出誤差となる。この場合の
誤差は発明者の実験によれば±５０％にもなる。

【０００４】また、雰囲気温度によりＬＥＤ１の光量が
変動し誤差を生じるため、図２４に示すように、ＬＥＤ
１の近傍にモニター用のフォトトランジスタ６２を設け
てＬＥＤ１の発光量を一定に維持する必要がある。さら
には、このようにＬＥＤの発光量を一定に維持しても、
流体に接するプリズム底面が汚染すると反射光量が変動
し、誤差を生じる懸念があった。

【０００５】本発明はかかる課題を解決するもので、Ｌ
ＥＤの光軸変動や光量変動、あるいはプリズム汚染等に
より検出精度が影響されない流体成分センサを提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の構成を説明する
と、流体成分センサは、発光手段１と、検出流体に接し
て設けられ、これよりも屈折率が大きい透光性部材２
と、上記発光手段１の出力光のうち、上記検出流体と透
光性部材の界面２ａに所定角度範囲で入射する光線のみ
を通過せしめる入射制限部材３と、上記界面２ａで全反
射された反射光を受光して、その受光位置に応じた信号
を出力する受光手段４とを具備し、上記受光位置より上
記検出流体の成分を検出するものである。

【０００７】また、他の構成では、上記検出流体中に、
検出流体の動圧を受けて上記透光性部材２の界面２ａに
衝突しこれに付着した汚れを除去するクリーニングボー
ルを５８を設けてある。

【０００８】

【作用】上記構成において、発光手段１の出力光軸が変
化しても、入射制限部材３により界面２ａには常に所定
角度範囲の光線のみが入射せしめられるから、光軸変動
による検出誤差は生じない。

【０００９】受光手段４上の受光位置より検出流体の成
分を検出するから、発光手段１の発光量の変動や界面２
ａの汚染による受光量変動により検出精度が左右される
ことはない。

【００１０】また、本発明の他の構成においては、界面
２ａの汚染が有効に防止される。

【００１１】

【実施例１】図１、図２において、センサ本体は矩形ブ
ロック状の上側ハウジング３と下側ハウジング５を衝合
して構成され、上側ハウジング３の凹状空間内には厚肉
の台形プリズム２が配設してある。この台形プリズム２
の底面２ａは、Ｏリング５３を介して下側ハウジング５
の凹状空間を液密的に閉鎖して接液空間５ａを形成し、
該接液空間５ａ内に下方の接続パイプ５１を経てガソリ
ン燃料が流入し、側方へ突出する接続パイプ５２へ流出
する。接続パイプに至る流路には途中測温用のサーミス
タ６１が設けられて、燃料屈折率の温度依存性を補償し
ている。

【００１２】上側ハウジング３の側壁内には、プリズム
２の斜面に向けてＬＥＤ１が設けてあり、ＬＥＤ１より
発した光は、ハウジング３側壁に設けた詳細を後述する
光透過孔３１を経てプリズム斜面に入射し、屈折して底
面２ａに向かいガソリン燃料との界面で全反射されて他
方のプリズム斜面に至る。ここには斜面に沿って詳細を
後述する光ポテンショ素子４が配設してあり、入射領域
の重心位置が電圧値として出力される。この出力電圧は
上側ハウジング３上に設けたプリント基板６の回路部に
入力している。プリント基板６はカバー体３２で覆わ
れ、その外部へ延びるリード線先端のコネクタ６４を介
して上記基板６上の回路に給電され、あるいは回路の出
力信号が取り出される。

【００１３】なお、上記プリズム２の頂面と上側ハウジ
ング３の内壁面との間にはバネ座金３３が挿入されて両
者の熱膨張の差を吸収し、プリズム２の破損を防止して
いる。バネ座金以外にシリコンラバー、テフロンシート
等の吸収材を使用できる。

【００１４】プリズム２の材質としては、使用燃料に対
して耐久性があり、光学的に屈折率が均一で、ＬＥＤ光
（例えば６６０ｎｍの赤色）に対して透明なものであれ
ば良い。例えばガソリンに対してはガラスが良く、この
うち、安定供給可能で屈折率も安定なＢＫ−７（屈折率
１．５１６）等が好適である。また、検出流体によって
はプリズム２を樹脂成形品として、さらに低コスト化が
可能である。

【００１５】図３には上記光透過孔３１の設計例を示
す。プリズム２の材質に既述のＢＫ−７を使用し、燃料
として重質ガソリン（屈折率１．４５４）から軽質ガソ
リン（屈折率１．４００）までを使用する場合、重質ガ
ソリン使用時と軽質ガソリン使用時の界面２ａにおける
全反射角θH ，θL はそれぞれ以下のようになる。 θH ＝ｓｉｎ-1（１．４５４／１．５１６）＝７３°３
４′ θL ＝ｓｉｎ-1（１．４００／１．５１６）＝６７°２
６′

【００１６】燃料にメタノールが混入しても検出できる
ように余裕を持たせて、図示の如く、全反射角を６１°
１４′〜７３°３４′の間に制限すると、この角度範囲
で入射する光を得るためのＬＥＤ出力光の拡がり角は２
１°２５′となる（これはプリズム面での屈折を考慮し
ている）。かかる拡がり角は、光透過孔３１をφ３．５
ｍｍとし、光の発散点より光透過孔までの距離を５ｍｍ
とすることにより得られる。

【００１７】このように、ＬＥＤ１の光の発散点から光
透過孔３１までの距離および光透過孔３１の径を適宜選
択することで、界面に所定の角度範囲で入射する光を得
ることができる。

【００１８】ＬＥＤ１の光発散角は拡がり角（上記例で
は２１°２５′）以上あれば良いが、±８°以上の光軸
の振れを考慮して３７°以上のもの、できれば５０°程
度のものが望ましい。これは、発散角が広いほど光透過
孔３１を通過後の光の均一性が向上するからである。

【００１９】光ポテンショ素子４は図４、図５に示す如
く、光入射時に抵抗値が低下するａ−Ｓｉ（アモルファ
スシリコン）膜４１の上に通電した帯状の抵抗体膜４２
を形成したもので、ａ−Ｓｉ膜４１を介して抵抗体膜４
２と反対側に接合した出力電極膜４３より、受光部４１
１面積の重心位置に応じた電圧出力が得られる。

【００２０】かかる構造において、屈折率の小さい軽質
ガソリンを使用した場合には界面２ａに入射する大部分
の光が全反射されて光ポテンショ素子４の広い範囲に入
射し、一方、屈折率の大きい重質ガソリンを使用した場
合には界面２ａに入射した一部の光のみが全反射されて
光ポテンショ素子４の狭い範囲に入射する。これによ
り、光ポテンショ素子４の、受光範囲の重心位置に応じ
た出力電圧が変化して、ガソリンの種類が検出できる。
これは、メタノールをガソリン燃料に混入してその濃度
を変え、屈折率を変化せしめた場合も同様であり、図６
に示す如く、メタノール濃度に応じてセンサ出力は一義
的に変化する。

【００２１】この測定にはＬＥＤ１の光軸にバラ付きの
ある複数のセンサを使用したが、光透過孔３１を設けた
ことにより、図のように、検出誤差はメタノール濃度換
算で±２％以下に収まっている。

【００２２】また、本実施例では、全反射光の光量では
なく、受光範囲の重心位置により燃料成分を検出してい
るから、ＬＥＤ１の光出力が変動しあるいは界面２ａの
汚れにより受光量が変化しても、上記重心位置は燃料成
分（すなわちその屈折率）にのみ依存しているから、検
出精度への影響は小さい。これを図７に示す。

【００２３】図は汚染した複数のセンサで、メタノール
濃度の異なるガソリン燃料を測定したもので、検出誤差
はメタノール濃度換算で±４％以内に収まっている。な
お、汚染条件は、ガソリンにメタノールを８５ｖｏｌ
％、および不純物として酸化剤を１ｖｏｌ％混入した燃
料にプリズムを１８時間（１００℃）浸漬した後、大気
中（１００℃）で６時間乾燥するのを１サイクルとし
て、これを２０サイクル繰り返したものである。

【００２４】なお、本実施例では、流入燃料が直接プリ
ズム２の底面２ａに当たるから、底面２ａの汚染は最小
限に抑えられる。

【００２５】

【実施例２】台形プリズムの場合、図８に示す如く、底
面２ａでの全反射角の中心角度にＬＥＤ１の光軸を一致
せしめた時に、この光軸と底面２ａの法線とのなす角
（図では６７°２４′）がプリズム２の底角となるよう
な台形に成形すると、ＬＥＤ１の光軸がプリズム２の斜
面に垂直となり、最も効率良く出力光をプリズム２内に
入射せしめることができる。

【００２６】

【実施例３】光透過孔３１に代えて、図９に示す如く、
先端に向けてテーパ状に縮径する透明ガラス柱体７１を
ＬＥＤ１の前方に設けて、ＬＥＤ１の発散光を所定角度
内に絞るようにしても良い。なお、柱体７１は合成樹脂
等により成形しても良い。

【００２７】

【実施例４】また、発散光を絞るのに、図１０に示す如
き凸レンズ７２を使用することもできる。

【００２８】

【実施例５】さらに、発散光を絞るのに光ファイバーを
使用しても良く、これを図１１に示す。図において、Ｌ
ＥＤ１をプリント基板６上に設け、その前面より下方へ
屈曲してプリズム２の斜面に対向する位置へ延びる光フ
ァイバー７３を設ける。必要な光の拡がり角は光ファイ
バー７３の開口数によって決定される。

【００２９】

【実施例６】プリズム２の形状は台形に限られず、三角
形、あるいは図１２に示す如き四角形のもの等が使用で
きる。

【００３０】

【実施例７】光ポテンショ素子４に代えて、図１３に示
す如く、フォトダイオードをプリズム２斜面に沿って並
べたダイオードアレイ４４を使用することもできる。こ
の場合、入射光の位置検出精度はフォトダイオードの設
置数で決まるが、測定精度をそれほど要求されない場合
に、安価かつ手軽に実現できる。

【００３１】

【実施例８】サーミスタ６１を燃料流路内に突出位置せ
しめるのに代えて、図１４に示す如く、熱伝達性の良い
金属製下側ハウジング５に形成した凹所５４内に埋設す
る構造としても良い。

【００３２】

【実施例９】燃料によるプリズム底面２ａの汚染がそれ
ほど問題にならない場合には、図１５に示す如く、接続
パイプ５１，５２間の流路を下側ハウジング５内に水平
方向へ形成しても良い。

【００３３】

【実施例１０】図１６には更に量産性に優れ、低コスト
化が可能なセンサ構造を示す。図において、容器状に成
形したハウジング５は下面中心を下方へ延出せしめて接
続パイプ５１としてあり、該ハウジング５内の下段小径
空間を、耐溶剤性に優れた板ガラス２１により液密的に
閉鎖して接液空間５ａとしてある。

【００３４】ハウジング５の上段大径空間内には、略台
形の合成樹脂製プリズム２が倒立状態で収納してあり、
その下面は上記板ガラス２１に接着してある。カバー体
３２で覆った上記プリズム２の上方空間内にはプリント
基板６が配設してあり、その周縁下面の一方にはＬＥＤ
１が基板上の回路に直接接続されて固定されるととも
に、ＬＥＤ１の下方は光透過孔を形成した入射制限用カ
バー６３で覆ってある。

【００３５】プリント基板６の周縁下面の他方には、光
ポテンショ素子４が基板上の回路に直接接続されて固定
してあり、さらにプリント基板６の下面中心からは上記
プリズム２の中心に形成した凹陥部２２内にサーミスタ
６１のリード線が延びている。また、プリント基板６上
に給電用のコネクタ６４が設けてある。

【００３６】ＬＥＤ１より発した光は、光透過孔を形成
した入射制限カバー６３で所定角度範囲のもののみがプ
リズム２の一方の斜面に入射し、ここで全反射されて板
ガラス２１内に入射して燃料との界面２ａで反射され
る。反射光はプリズム２１の他方の斜面で全反射して光
ポテンショ素子４に至る。

【００３７】かかる構造によれば、プリズム２を樹脂成
形により安価に量産できるとともに、ＬＥＤ１、入射制
限用カバー６３、光ポテンショ素子４等を一体にプリン
ト基板６に設けたから、組付けも容易である。

【００３８】発光手段としては、ＬＥＤ１に代えてレー
ザダイオード等の他の発光体を使用することも可能であ
り、その赤色光あるいは赤外光が適している。

【００３９】また、受光手段の光ポテンショ素子をプリ
ズム上に直接成膜することも可能である。このようにす
るとさらに構成の簡易化が可能である。また、光ポテン
ショ素子の形状を例えば、三角形状とすることによって
出力電圧をリニアとすることが可能となる。

【００４０】

【実施例１１】図１７，図１８において、ガソリン燃料
は下側ハウジング５の底面に開口する流入ポート５５か
ら接液空間５ａ内に供給され、側面に開口する流出ポー
ト５６から排出される。

【００４１】接液空間５ａ内には、ガソリン燃料が流通
可能な多数の網目を形成した矩形の金網カバー体５７
が、その開口をプリズム底面２ａに密接せしめて設けて
あり、該カバー体５７内にゴム等よりなるクリーニング
ボール５８が挿置してある。

【００４２】クリーニングボール５８は流入するガソリ
ン燃料の動圧を受けてプリズム底面２ａに衝突を繰り返
して、これにより底面２ａに付着した汚れが除去され
る。

【００４３】ＬＥＤ１より発し上記底面２ａ（界面）で
全反射された光を入射する受光素子として、本実施例で
は光ポテンショ素子４に代えて、一次元ポジションセン
シティブディテクタ８（ＰＳＤ，例えば浜松ホトニクス
（株）社製）を使用している。

【００４４】ＰＳＤ８は、図１９に示す如く、平板状シ
リコンの表面部をＰ層８２、中間部をＩ層８１、裏面部
をＮ層８３としたもので、入射光が光電変換され光電流
としてＰ層８２の両端の電極８４，８５から取り出され
る。

【００４５】すなわち、電極８４からｘの位置に光が入
射した場合に、各電極８４，８５の光電流Ｉ1 ，Ｉ2 は
以下の式で表される。 Ｉ1 ＝Ｉ0 （Ｌ−ｘ）／Ｌ Ｉ2 ＝Ｉ0 ｘ／Ｌ ここで、Ｉ0 ＝Ｉ1 ＋Ｉ2 であり、Ｌは電極間距離であ
る。

【００４６】上式より（２ｘ−Ｌ）／Ｌ＝（Ｉ2 −Ｉ1
）／（Ｉ2 ＋Ｉ1 ）となって、光電流の和および差の
比が反射光の入射位置（受光位置）に一対一に対応す
る。

【００４７】そこで、プリント基板６上の回路は、図２
１に示すように、ＰＳＤ８の上記各電極８４，８５に得
られる光電流Ｉ1 ，Ｉ2 をこれに比例した電圧Ｖ1 ，Ｖ
2 に変換する電流電圧変換回路６１１，６１２と、電圧
増幅回路６１３，６１４とより構成されている。

【００４８】しかして、上記電圧Ｖ1 ，Ｖ2 を入力した
外部の演算装置において（Ｖ1 −Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋Ｖ2
）を算出すると、これと屈折率（すなわち燃料成分）
は高い精度で対応する（図２２）。

【００４９】本発明は、燃料成分の検出のみに限られ
ず、工業用水の金属イオン濃度、炭酸飲料製造での原液
と水の混合比、バッテリ液の比重等、種々の流体の成分
検出をオンラインリアルタイムで行う用途に広く適用で
きる。

【００５０】

【発明の効果】以上の如く、本発明の流体成分センサに
よれば、発光手段の光軸のバラ付き、光量の変動、ある
いは透光性部材の汚染等の影響を受けることなく、常に
高精度の検出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１におけるセンサの断面図で、
図２のI −I 線断面図である。

【図２】図１のII−II線断面図である。

【図３】光路を示す説明図である。

【図４】光ポテンショ素子の斜視図である。

【図５】光ポテンショ素子の概念図である。

【図６】センサの出力特性を示すグラフである。

【図７】センサの出力特性を示すグラフである。

【図８】本発明の実施例２におけるプリズム光路を示す
説明図である。

【図９】本発明の実施例３における光路を示す説明図で
ある。

【図１０】本発明の実施例４における光路を示す説明図
である。

【図１１】本発明の実施例５におけるセンサの断面図で
ある。

【図１２】本発明の実施例６におけるセンサの断面図で
ある。

【図１３】本発明の実施例７におけるセンサの断面図で
ある。

【図１４】本発明の実施例８におけるセンサの断面図で
ある。

【図１５】本発明の実施例９におけるセンサの断面図で
ある。

【図１６】本発明の実施例１０におけるセンサの断面図
である。

【図１７】本発明の実施例１１におけるセンサの断面図
である。

【図１８】図１７のXVIII −XVIII 線断面図である。

【図１９】一次元ポジションセンシティブディテクタの
断面図である。

【図２０】一次元ポジションセンシティブディテクタの
概念的断面図である。

【図２１】電気回路のブロック構成図である。

【図２２】センサの出力特性を示すグラフである。

【図２３】従来例における光路の説明図である。

【図２４】従来例におけるセンサの構成図である。

【符号の説明】

１ 発光ダイオード（発光手段） ２ プリズム（透光性部材） ２ａ 底面（界面） ３ 上側ハウジング ３１ 光透過孔名（入射制限部材） ４ 光ポテンショ素子（受光手段） ５８ クリーニングボール ８ 一次元ポジションセンシティブディテクタ（受光手
段）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光手段と、検出流体に接して設けら
   れ、これよりも屈折率が大きい透光性部材と、上記発光
   手段の出力光のうち、上記検出流体と透光性部材の界面
   に所定角度範囲で入射する光線のみを通過せしめる入射
   制限部材と、上記界面で全反射された反射光を受光し
   て、その受光位置に応じた信号を出力する受光手段とを
   具備し、上記受光位置より上記検出流体の成分を検出す
   ることを特徴とする流体成分センサ。
2. 【請求項２】 上記検出流体中に、検出流体の動圧を受
   けて上記透光性部材の界面に衝突しこれに付着した汚れ
   を除去するクリーニングボールを設けた請求項１記載の
   流体成分センサ。