(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部空間を有するチューブと、
第一の光ファイバ及び前記第一の光ファイバを包む第一のチューブを備えた第一の導光体であって、前記第一のチューブが、長手方向スロットを有する第一のジャケットと、前記第一のジャケットの長手方向スロット内に配置され且つ前記第一の光ファイバに光学的に結合された第一のレンズとを備え、前記第一の光ファイバが、前記第一のジャケットの長手方向スロットによって区切られた領域内において不均一な表面を有するクラッドを備える、第一の導光体と、
前記第一の光ファイバから離隔された第二の光ファイバを備えた第二の導光体であって、前記第二の光ファイバが、前記第一のジャケットの長手方向スロットに向き合う領域において不均一な表面を有するクラッドを備える、第二の導光体とを備え、
前記第一の導光体及び前記第二の導光体が前記チューブ内に配置されている、光学インピーダンスセンサ。
【請求項２】
前記第二の導光体が、前記第二の光ファイバを包む第二のチューブを更に備え、前記第二のチューブが、長手方向スロットを有する第二のジャケットと、前記第二のジャケットの長手方向スロット内に配置され且つ前記第二の光ファイバに光学的に結合された第二のレンズとを備え、前記第一のジャケットの長手方向スロット及び前記第二のジャケットの長手方向スロットが、前記第一のジャケットの長手方向スロットから放出された光の少なくとも一部が前記第二のジャケットの長手方向スロットに直接入射するように相互に対向して配置される、請求項１に記載の光学インピーダンスセンサ。
【請求項３】
第三の光ファイバ及び前記第三の光ファイバを包む第二のチューブを備えた第三の導光体を更に備え、前記第二のチューブが、長手方向スロットを有する第二のジャケットと、前記第二のジャケットの長手方向スロット内に配置され且つ前記第三の光ファイバに光学的に結合された第二のレンズとを備え、前記第三の光ファイバが、前記第二のジャケットの長手方向スロットによって区切られた領域内において不均一な表面を有するクラッドを備える、請求項１に記載の光学インピーダンスセンサ。
【請求項４】
前記第一の光ファイバと前記第一のジャケットとの間に配置された湾曲反射表面を更に備える請求項１に記載の光学インピーダンスセンサ。
【請求項５】
前記第一のジャケットが、光学的に透明又は半透明ではない材料製である、請求項１に記載の光学インピーダンスセンサ。
【請求項６】
容器内の液体レベルを測定するためのシステムであって、
内部空間を有し、前記容器内に配置されるチューブと、
光を出力するための光源と、
入射光を、前記入射光の光パワーを表す電気信号に変換するための光検出器と、
第一の光ファイバ及び前記第一の光ファイバを包む第一のチューブを備えた第一の導光体であって、前記第一のチューブが、長手方向スロットを有する第一のジャケットと、前記第一のジャケットの長手方向スロット内に配置され且つ前記第一の光ファイバに光学的に結合された第一のレンズとを備え、前記第一の光ファイバがクラッド及び該クラッドの内側のコアを備え、前記第一の光ファイバのクラッドが、前記第一のジャケットの長手方向スロットによって区切られた領域内において不均一な表面を有し、前記第一の光ファイバのコアが前記光源からの光を受信するように光学的に結合されている、第一の導光体と、
前記第一の光ファイバから離隔された第二の光ファイバを備えた第二の導光体であって、前記第二の光ファイバがクラッド及び該クラッドの内側のコアを備え、前記第二の光ファイバのクラッドが、前記第一のジャケットの長手方向スロットを通して前記第一の光ファイバによって放出された光を受信する不均一な表面を有し、前記第二の光ファイバのコアが前記光検出器に光を出力するように光学的に結合されている、第二の導光体とを備え、
前記第一の導光体及び前記第二の導光体が前記チューブ内に配置されている、システム。
【請求項７】
前記光検出器から受信した光パワーデータに基づいて、前記容器内の液体レベルを計算するようにプログラムされたコンピュータシステムを更に備える請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記光源がレーザーを備え、前記光検出器がフォトダイオードを備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記容器が航空機の燃料タンクである、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第二の導光体が、前記第二の光ファイバを包む第二のチューブを更に備え、前記第二のチューブが、長手方向スロットを有する第二のジャケットと、前記第二のジャケットの長手方向スロット内に配置され且つ前記第二の光ファイバに光学的に結合された第二のレンズとを備え、前記第一のジャケットの長手方向スロット及び前記第二のジャケットの長手方向スロットが、前記第一のジャケットの長手方向スロットから放出された光の少なくとも一部が前記第二のジャケットの長手方向スロットに直接入射するように相互に対向して配置される、請求項６に記載のシステム。
【請求項１１】
第三の光ファイバ及び前記第三の光ファイバを包む第二のチューブを備えた第三の導光体を更に備え、前記第二のチューブが、長手方向スロットを有する第二のジャケットと、前記第二のジャケットの長手方向スロット内に配置され且つ前記第三の光ファイバに光学的に結合された第二のレンズとを備え、前記第三の光ファイバが、前記第二のジャケットの長手方向スロットによって区切られた領域内において不均一な表面を有するクラッドを備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第一のレンズ及び前記第二のレンズが異なる高さに配置されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第一の光ファイバと前記第一のジャケットとの間に配置された湾曲反射表面を更に備えた請求項６に記載のシステム。
【請求項１４】
軸及び周面を有する光ファイバと、
前記光ファイバの軸に平行に延伸する長手方向スロットを有するジャケットであって、前記長手方向スロットの領域を除いて前記光ファイバの周面に接触しているジャケットと、
前記ジャケットの長手方向スロット内に配置され、前記光ファイバの周面に接合されたレンズとを備え、
前記光ファイバが、前記ジャケットの長手方向スロットによって区切られた領域内において不均一な表面を有するクラッドを備える、導光体。
【請求項１５】
前記光ファイバと前記ジャケットとの間に配置された湾曲反射表面を更に備えた請求項１４に記載の導光体。
【請求項１６】
前記ジャケットが光学的に透明又は半透明ではない材料製である、請求項１４に記載の導光体。
【請求項１７】
複数のコンパートメントを有する燃料タンク内の燃料レベルを測定するための方法であって、
第一のコンパートメント内に第一のチューブを配置するステップと、
前記第一のコンパートメントが少なくとも部分的に燃料で充填された際の燃料の表面に略垂直な向きで、前記第一のチューブ内に第一の導光体を配置するステップであって、前記第一の導光体が、前記第一の導光体が燃料内に浸漬された際に第一の光ファイバが濡れることを防止するように包まれた第一の光ファイバを備える、ステップと、
前記第一のチューブ内に、前記第一の導光体に略平行に離隔して第二の導光体を配置するステップであって、前記第二の導光体が、前記第二の導光体が燃料内に浸漬された際に第二の光ファイバが濡れることを防止するように包まれた第二の光ファイバを備える、ステップと、
前記第一の導光体の長さ方向に沿って前記第二の導光体の長さ方向に向けて光を放出するステップと、
前記第二の導光体から出力された光パワーを検出するステップと、
前記第二の導光体から出力され検出された光パワーに基づいて、前記第一のコンパートメント内の燃料レベルを決定するステップとを備えた方法。
【請求項１８】
前記燃料レベルを決定するステップが、検出された光パワーを、光パワーに対して較正された燃料レベルのデータベースと比較することを備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第一のコンパートメントの高さよりも低い高さを有する第二のコンパートメント内に第二のチューブを配置するステップと、
前記第二のコンパートメントが少なくとも部分的に燃料で充填された際の燃料の表面に略垂直な向きで、前記第二のチューブ内に第三の導光体を配置するステップであって、前記第三の導光体が、前記第三の導光体が燃料内に浸漬された際に第三の光ファイバが濡れることを防止するように包まれた第三の光ファイバを備える、ステップと、
前記第二のチューブ内に、前記第三の導光体を取り囲むように離隔して第四の導光体を配置するステップであって、前記第四の導光体が、螺旋形状を有し、前記第四の導光体が燃料内に浸漬された際に第四の光ファイバが濡れることを防止するように包まれた第四の光ファイバを備える、ステップと、
前記第三の導光体の長さ方向に沿って、前記第四の導光体の長さ方向に向けて光を放出するステップと、
前記第四の導光体から出力された光パワーを検出するステップと、
前記第四の導光体から出力され検出された光パワーに基づいて、前記第二のコンパートメント内の燃料レベルを決定するステップとを更に備えた請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記燃料タンクが航空機の翼に組み込まれている、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的に、貯蔵タンクや他の容器等の容器中の液体レベル（液面）を測定するためのシステム及び方法に関する。特に、本開示は、光学センサを用いた液体レベル測定用のシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの商業的及び軍事的応用において液体レベルを連続的に測定する必要性がある。例えば、液体レベルセンサは、航空機、自動車、トラックの燃料タンクにおいて一般的に使用されている。また、液体レベルセンサは、給油、廃水処理、化学製品貯蔵、食品処理等に用いられる貯蔵タンク内の液体レベルを監視するのにも使用されている。
【０００３】
液体レベルを測定するための多くのトランスデューサは電気を用いる。このようなトランスデューサの電気出力は、測定されている液体レベルの変化に応答して変化して、典型的には、抵抗、電気容量、電流、磁場、周波数等の変化として表れる。こうしたタイプのトランスデューサは、可変キャパシタ又は抵抗器、光学部品、ホール効果センサ、歪みゲージ、超音波デバイス等を含み得る。
【０００４】
現状では、航空機の燃料センサの多くが電気を用いている。例えば、既存の電気容量センサはタンク内部の電気配線を要し、その電気配線は、特定の電気故障条件下における安全性の問題が起きないように複雑な設置及び保護手段を要する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料タンク内に電流を流さずに燃料タンク内の液体レベルを検出することができるシステム及び方法には改善の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の主題は、燃料タンク内の燃料量を測定するための電気系統を無くす光学インピーダンスセンサを用いたシステム及び方法を対象としている。光学インピーダンスセンサは、メニスカスチューブ内部で離隔された二本の光ファイバを備え、一方の光ファイバがその長さ方向に沿って光を送信し、他方の光ファイバがその長さ方向に沿って光を受信する。メニスカスチューブは燃料レベルのスロッシングを最少にする。タンク内の可変燃料レベルは、二本の光ファイバ間の光学インピーダンスの変化を生じさせて、光検出器によって受信される全ての光の変化をもたらす。
【０００７】
数インチから数フィートにまで及び得る燃料タンクの高さに応じて、光学インピーダンスセンサは異なる実施形態を有し得て、検出装置が、光を一方向性にするか（ファイバの一側面のみにおいて放出及び収集される）、又は全方向性にする。光ファイバは、ガラス又はプラスチック製となり得て、センサの全長に沿って十分な光学出力を有する。
【０００８】
本開示の光学インピーダンスセンサは電気系統を必要とせず、光ファイバがタンク内部の燃料と接触することも要しないので、汚染の危険性がない。光学インピーダンスセンサは、既存の電気容量センサと比較して、精度を維持しながら、複雑な安全対策を単純にして、コスト、重量及び体積を減らす。
【０００９】
以下開示される主題の一態様は光学インピーダンスセンサであり、その光学インピーダンスセンサは、内部空間を有するチューブと；  第一の光ファイバ及びその第一の光ファイバを包む第一のチューブを備えた第一の導光体であって、第一のチューブが、長手方向スロットを有する第一のジャケットと、第一のジャケットの長手方向スロット内に配置され且つ第一の光ファイバに光学的に結合された第一のレンズとを備え、第一の光ファイバが、第一のジャケットの長手方向スロットによって区切られた領域内において不均一な表面を有するクラッドを備える、第一の導光体と；  第一の光ファイバから離隔された第二の光ファイバを備えた第二の導光体とを備え、第二の光ファイバは、第一のジャケットの長手方向スロットに向き合う領域において不均一な表面を有するクラッドを備える。不均一なクラッド表面は、光ファイバの長さ方向に沿って放出／収集される光の量を制御するように設計される。
【００１０】
一部実施形態によると、第二の導光体は、第二の光ファイバを包む第二のチューブを更に備え、その第二のチューブは、長手方向スロットを有する第二のジャケットと、第二のジャケットの長手方向スロット内に配置され且つ第二の光ファイバに光学的に結合された第二のレンズとを備え、第一のジャケットの長手方向スロット及び第二のジャケットの長手方向スロットは、第一のジャケットの長手方向スロットから放出された光の少なくとも一部が第二のジャケットの長手方向スロットに直接入射するように相互に対向して配置される。
【００１１】
他の実施形態によると、光学インピーダンスセンサは、第三の光ファイバ及びその第三の光ファイバを包む第二のチューブを備えた第三の導光体を更に備え、第二のチューブは、長手方向スロットを有する第二のジャケットと、第二のジャケットの長手方向スロット内に配置され且つ第三の光ファイバに光学的に結合された第二のレンズとを備え、第三の光ファイバは、第二のジャケットの長手方向スロットによって区切られた領域内において不均一な表面を有するクラッドを備える。第一の導光体及び第三の導光体は、重ならない又は僅かに重なる長手方向スロットを有し、第二の光ガイドの異なる部分に向けて光を放出し得る。
【００１２】
本開示の主題の他の態様は、容器内の液体レベルを測定するための方法であり、そのシステムは、内部空間を有し、容器内に配置されたチューブと；  光を出力するための光源と；  入射光をその入射光の光パワーを表す電気信号に変換するための光検出器と；  第一の光ファイバ及びその第一の光ファイバを包む第一のチューブを備えた第一の導光体であって、第一のチューブが、長手方向スロットを有する第一のジャケットと、第一のジャケットの長手方向スロット内に配置され且つ第一の光ファイバに光学的に結合された第一のレンズとを備え、第一の光ファイバが、クラッド及びそのクラッドの内側のコアを備え、第一の光ファイバのクラッドが、第一のジャケットの長手方向スロットによって区切られた領域において不均一な表面を有し、第一の光ファイバのコアが、光源からの光を受信するように光学的に結合される、第一の導光体と；  第一の光ファイバから離隔された第二の光ファイバを備えた第二の導光体とを備え、第二の光ファイバは、クラッド及びそのクラッドの内側のコアを備え、第二の光ファイバのクラッドは、第一のジャケットの長手方向スロットを介して第一の光ファイバから放出された光を受信する不均一な表面を有し、第二の光ファイバのコアは、光検出器に光を出力するように光学的に結合される。上記システムは、光検出器から受信した光パワーデータに基づいて、容器内の液体レベルを計算するようにプログラムされたコンピュータシステムを更に備え得る。一実施形態では、光源はレーザーを備え、光検出器はフォトダイオードを備える。本開示のシステムを用いて、航空機の燃料タンク内の燃料レベルを測定することができる。
【００１３】
上記システムの一実施形態によると、第二の導光体は、第二の光ファイバを包む第二のチューブを更に備え、その第二のチューブは、長手方向スロットを有する第二のジャケットと、第二のジャケットの長手方向スロット内に配置され且つ第二の光ファイバに光学的に結合された第二のレンズとを備え、第一のジャケットの長手方向スロット及び第二のジャケットの長手方向スロットは、第一のジャケットの長手方向スロットから放出された光の少なくとも一部が第二のジャケットの長手方向スロットに直接入射するように相互に対向して配置される。
【００１４】
他の実施形態によると、本システムは、第三の光ファイバ及びその第三の光ファイバを包む第二のチューブを備えた第三の導光体を更に備え、その第二のチューブは、長手方向スロットを有する第二のジャケットと、第二のジャケットの長手方向スロット内に配置され且つ第三の光ファイバに光学的に結合された第二のレンズとを備え、第三の光ファイバは、第二のジャケットの長手方向スロットによって区切られた領域内において不均一な表面を有するクラッドを備える。
【００１５】
更なる態様は導光体であり、その導光体は、軸及び周面を有する光ファイバと；  光ファイバの軸に平行に延伸する長手方向スロットを有するジャケットであって、長手方向スロットの領域を除いて光ファイバの周面に接触しているジャケットと；  ジャケットの長手方向スロット内に配置され且つ光ファイバの周面に接合されたレンズとを備え、光ファイバは、ジャケットの長手方向スロットによって区切られた領域において不均一な表面を有するクラッドを備える。本導光体は、光ファイバとジャケットとの間に配置された湾曲反射表面を更に備え得る。好ましくは、ジャケットは、光学的に透明又は半透明ではない材料製である。
【００１６】
本開示の主題の更に他の態様は、複数のコンパートメントを有する燃料タンク内の燃料レベルを測定するための方法であり、その方法は、（ａ）第一のコンパートメント内に第一のチューブを配置するステップ、（ｂ）第一のコンパートメントに少なくとも部分的に燃料が充填された際の燃料表面に略垂直な向きで、第一のチューブ内に第一の導光体を配置するステップであって、第一の導光体が、第一の導光体を燃料内に浸漬した際に第一の光ファイバが濡れることを防止するように包まれた第一の光ファイバを備える、ステップ、（ｃ）第一の導光体に略平行に離隔して第一のチューブ内に第二の導光体を配置するステップであって、第二の導光体が、第二の導光体を燃料内に浸漬した際に第二の光ファイバが濡れることを防止するように包まれた第二の光ファイバを備える、ステップ、（ｄ）第一の導光体の長さ方向に沿って第二の導光体の長さ方向に向けて光を放出するステップ、（ｅ）第二の導光体から出力された光パワーを検出するステップ、及び、（ｆ）第二の導光体から出力され検出された光パワーに基づいて、第一のコンパートメント内の燃料レベルを決定するステップを備える。一部実施形態によると、燃料レベルを決定するステップは、検出された光パワーを、光パワーに対して較正された燃料レベルのデータベースと比較することを備える。本方法は、（ｇ）第一のコンパートメントの高さよりも低い高さを有する第二のコンパートメント内に第二のチューブを配置するステップ、（ｈ）第二のコンパートメントに少なくとも部分的に燃料が充填された際の燃料表面に略垂直な向きで、第二のチューブ内に第三の導光体を配置するステップであって、第三の導光体が、第三の導光体を燃料内に浸漬した際に第三の光ファイバが濡れることを防止するように包まれた第三の光ファイバを備える、ステップ、（ｉ）第三の導光体を取り囲むように離隔して第二のチューブ内に第四の導光体を配置するステップであって、第四の導光体が、螺旋形状を有し、第四の導光体を燃料内に浸漬した際に第四の光ファイバが濡れることを防止するように包まれた第四の光ファイバを備える、ステップ、（ｊ）第三の導光体の長さ方向に沿って第四の導光体の長さ方向に向けて光を放出するステップ、（ｋ）第四の導光体から出力された光パワーを検出するステップ、及び、（ｌ）第四の導光体から出力され検出された光パワーに基づいて、第二のコンパートメント内の燃料レベルを決定するステップを更に備え得る。この方法は、航空機の翼に組み込まれた燃料タンク内の燃料レベルを測定するのに特に適している。
【００１７】
燃料タンクでの使用に適した光学インピーダンスセンサの他の態様について以下説明し、特許請求する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】液体の電気容量を変調させる典型的なセンサの部品の等角図である。センサに広がる非直線的な線は液体レベルを表し、矢印は電荷の流れを表す。
【図２】液体の光学インピーダンスを変調させる光学インピーダンスセンサを備えた液体レベル測定用システムを表す混合図である。この混合図は、光学トランシーバの部品を示すブロック図と、光学インピーダンスセンサの等角図とを備える。センサに広がる非直線的な線は液体レベルを表し、矢印は一方の光ファイバから他方の光ファイバに伝播する光子を表す。
【図３】一実施形態に係る容器内の液体レベルを測定するためのシステムの部品を表すブロック図である。
【図４】ファイバ内部の光の強度を増大させるためにミラーキャップを一端に有する光ファイバの立面図である。
【図５】それぞれジャケットに包まれて、送信光ファイバから受信光ファイバへの光の横向き光結合（矢印によって示される）のための相互に対向する長手方向スロットを有する一対の光ファイバの平面図である。
【図６】それぞれジャケットに包まれて、送信光ファイバから受信光ファイバへの横向き光結合（矢印によって示される）のためにそれぞれレンズに覆われた相互に対向する長手方向スロットを有する一対の光ファイバの平面図である。
【図７】メニスカスチューブ内部の複数の送信光ファイバに囲まれて中心に配置された単一の受信光ファイバを有する光学インピーダンスセンサの平面図であり、各送信光ファイバは、受信光ファイバに向けて光を放出するための側面窓を有する。
【図８】長さの延長された光学インピーダンスセンサにおいて使用される重ならない又は僅かに重なる放出部（スペックルパターンで示される）を有する三本の光ファイバの等角図である。
【図９】翼の燃料タンクの先端等において浅い深さを有する容器で使用される螺旋受信光ファイバを有する光学インピーダンスセンサの等角図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照するが、異なる図面において、同様の要素は同じ参照番号を有する。
【００２０】
以下、例示目的で、容器内の液体レベル測定用のシステム及び方法の多様な実施形態を詳細に説明する。以下で開示される細部の少なくとも一部は、添付の特許請求の範囲から逸脱せずに、一部の応用において省略可能な任意の特徴又は態様に関するものである。
【００２１】
図１は、内側アルミニウムチューブ５４と、その内側アルミニウムチューブ５４を同心状に取り囲む外側アルミニウムチューブ５２とを備えた液体レベルセンサ５０を示す。液体レベルセンサ５０に広がる略水平な非直線的な線は、燃料レベル、つまり、燃料と空気との間の界面を表す。燃料の一部が、アルミニウムチューブとアルミニウムチューブとの間の空間を占める。液体レベルセンサ５０の全電気容量は、周知のように、燃料レベルと共に変化する（空気と燃料とは異なる誘電率を有する）。矢印は、アルミニウムチューブとアルミニウムチューブとの間の空間内の電場の影響下における内側アルミニウムチューブ５４から外側アルミニウムチューブ５２に向かう電荷の流れを表す。外側アルミニウムチューブ５２の外に流れる電流が、アルミニウムチューブとアルミニウムチューブとの間の空間内の燃料容積の高さに応じて変化するので、この液体レベルセンサを用いて、燃料レベルを検出することができる。
【００２２】
図２は、本開示の光学インピーダンス変調のコンセプトの一実施形態に係る容器内の燃料レベルを測定するためのシステムを表す混合図である。図２に示されるシステムは、送信（送光）光ファイバと受信（受光）光ファイバとの間の流体の光学インピーダンスを検出する光学インピーダンスセンサ２を備え、後に燃料レベルを決定するのに使用可能な光パワーデータを取得する。図２に示される実施形態によると、光学インピーダンスセンサ２は、光ファイバ１２によって光源１０に光学的に結合された送信光ファイバ４と、光ファイバ１６によって光検出器１４に光学的に結合された受信光ファイバ６とを備える。光学インピーダンスセンサ２は、燃料タンク（図示せず）内の燃料のスロッシング（燃料が飛び跳ねること）を最少にするメニスカスチューブ８を更に備える。図２の光学インピーダンスセンサ２に広がる非直線的な線は、燃料レベルを表す。送信光ファイバ４及び受信光ファイバ６は、離隔されて（好ましくは、これらファイバは真っ直ぐであり互いに平行である）、メニスカスチューブ内に配置される。燃料タンクが航空機の翼に組み込まれる場合、好ましくは、送信光ファイバ４及び受信光ファイバ６は、空間的に固定されて、しっかりと支持されて、燃料タンク内に形成され得る氷泥粒子と受信光パワーとを対比して最適化された離隔距離を与える。メニスカスチューブ８は、燃料タンクの床まで延伸し、床近くに開口を有し、開口から、燃料が、メニスカスチューブ８によって区切られた空間内に流れ込むことができる。燃料レベルは、メニスカスチューブ８の中と外とで同じである。
【００２３】
光源１０によってポンピングされると、送信光ファイバ４は、放射状（半径方向）外向きに光を放出する。放出光の軸方向分布は、送信光ファイバ４の長さ方向に沿って実質的に一定であり得る。光の第一の部分は、燃料を通過して、受信光ファイバ６の下部を照らす。送信光ファイバ４によって放出された光の第二の部分は、空気を通過して、受信光ファイバ６の上部を照らす。受信光ファイバ６によって受信された光の少なくとも一部は、受信光ファイバ６のコア内部において、上方に誘導され、他の光は下方に誘導される。下方に誘導された光は、受信光ファイバ６の下端に配置されたミラーから上方に反射され得る（以下の図４の説明を参照）。上方に誘導された光は、受信光ファイバ６の上端から出射する。受信光ファイバ６によって出力された光は、光検出器１４に送られて、光検出器１４が、入射光を電流に変換する。この電流は、ケーブルによって処理ユニット（図２に示さないが、図３を参照）に伝えられる。プロセッサは、光検出器１４からの信号を分析して、空気／燃料界面の高さを計算する。
【００２４】
図２の矢印は、光源１０の動作中に送信光ファイバ４から受信光ファイバ６に伝播する光（つまり、光子）を表す。燃料レベルの監視中において、光源１０が発生させる光（つまり、光パワー）の輝度（つまり、強度）は一定であることが好ましい。空気と燃料とは異なる屈折率を有するので、燃料レベルが変化すると、送信光ファイバ４と受信光ファイバ６との間の空間内の燃料の光学インピーダンスがその燃料レベルに応じて変化する。
【００２５】
空気が燃料の屈折率よりも小さな屈折率を有すること、燃料が光ファイバのクラッドの屈折率よりも小さな屈折率を有すること、クラッドが光ファイバのコアの屈折率よりも小さな屈折率を有することは周知である。屈折率は、界面に達した際に反射される光の量を決める。
【００２６】
空気中よりも液体中においてより多くの光パワーが失われるので（つまり、光学インピーダンスが大きいので）、液体レベルが低下すると共に、受信光ファイバ６によって出力される光パワーは単調増加する。つまり、燃料レベルが変化すると、送信光ファイバ４と受信光ファイバ６との間の光学インピーダンスが変化する。そして、光学インピーダンスの変化は、受信光ファイバ６によって光検出器１４に向けて出力される光パワー（つまり、光の強度）の変化を生じさせる。
【００２７】
図２には示されていないが、各光ファイバは、押し出しガラス又はプラスチック製の柔軟で光学的に透明又は半透明のファイバである。光ファイバは、ファイバの両端の間において光を伝える導波路又は光パイプとして機能することができる。光ファイバは、典型的に、相対的に低い屈折率を有する透明又は半透明のクラッド材料に囲まれた相対的に高い屈折率を有する透明又は半透明のコアを含む。これによって、光ファイバが導波路として機能する。
【００２８】
本開示の実施形態によると、送信光ファイバ４のクラッドは、ファイバの長さ方向に沿った放射状光出力の制御されたレベルを可能にするように修正される（例えば、周面を粗面化することや、周面に刻み目を入れることによって）。より具体的には、送信光ファイバ４のクラッドは、少なくともジャケットの長手方向スロットによって区切られた領域において不均一な表面を生じさせるように処理され得る。例えば、少なくともジャケットの長手方向スロットに重なる領域において、クラッドの外側表面を粗面化すること、又は刻み目を入れることによって、図５及び図６を参照して以下で詳細に説明するように、側面窓を形成する。受信光ファイバ６のクラッドも同様に修正され得て、光学センサを燃料タンク内に設置した際に送信光ファイバ４の側面窓の方を向く側面窓を形成する。
【００２９】
追加的に又は代替的に、受信光ファイバ６は、蛍光ドーパントを含むコアを有する蛍光ファイバであり得て、蛍光ドーパントは、送信光ファイバ４からの光が受信光ファイバ６の側面窓に入射して受信光ファイバ６のコアに入ると、活性化され得る（蛍光発光は、或る種のエネルギーによって高量子状態に励起された軌道電子が光子を放出して基底状態に戻る際に生じる）。蛍光ドーパントは、受信光ファイバ６の長さ方向に沿って伝わりその後光検出器１４に出力される光を発生させる。
【００３０】
送信光ファイバ４の長さ方向に沿った所定の軸方向位置において、放出光の円周方向変化は、送信光ファイバ４のクラッドの修正によって形成された側面窓による狭い角度範囲に強力なピークを有することが好ましい。上述のように、この側面窓は、一側面のみに対して光ファイバのクラッドを修正すること（例えば、刻み目を入れること、スクラッチ、紙やすりでの研磨）によって形成可能であり、受信光ファイバ６のクラッドの修正によって形成された対応する側面窓に入射する角度広がりで光をより簡単に放出するようにする。
【００３１】
図３は、一実施形態に係る燃料タンク内の燃料レベルを測定するためのシステムの部品を示すブロック図である。システムは、図２に示されるタイプの受動的光学センサ２と、光学センサ２に光学的に結合された光学トランシーバ４０と、光学トランシーバ４０に電気的に結合された処理ユニット４２と、グラフ表示及び／又は英数字表示で燃料レベルを示す燃料ゲージ４４とを備える。この例では、光学センサ２は、燃料タンクのコンパートメント内に設置される。光学トランシーバ４０の部品は、送信光学サブアセンブリに接続された送信集積回路の形態の光源（レーザー又はＬＥＤを備える）と、受信光学サブアセンブリに接続された受信集積回路の形態の光検出器（フォトダイオードを備える）とを備え得る。燃料ゲージ４４は、ディスプレイスクリーンが測定結果（例えば、燃料レベル）をグラフ表示及び／又は英数字表示で表示するようにプログラムされたディスプレイプロセッサを有するディスプレイデバイスの形態となり得る。
【００３２】
光学トランシーバ４０の光検出器によって出力される信号の大きさは、受信光ファイバ６の端部から放出される光の強度の増加と共に、単調増加する。処理ユニット４２は、専用マイクロプロセッサ又は汎用コンピュータであり得て、必要に応じて、ルックアップテーブル、較正曲線を用いることによって、又は方程式を解くことによって、燃料の測定レベル（つまり、高さ）を計算し得る。燃料ゲージ４４は、処理ユニット４２が受信した光パワーデータに基づいて、燃料タンク内部に存在する燃料の量を識別する情報を提供し得る。
【００３３】
処理ユニット４２は、コンピュータ、又は航空機に配置された飛行制御システムの一部であり得る。不規則な形状の燃料タンク内に存在する燃料の量を識別する際に、処理ユニット４２は、燃料タンクの多様なコンパートメント内に適切に配置された複数の受信光ファイバから受信した光パワーデータに基づいて、存在している燃料の量を計算する多様なルーチンを実行し得る。燃料情報処理ソフトウェアは、燃料タンク内に残っている燃料の量を決定するように燃料タンクの形状を考慮するルーチンを含み得る。燃料情報処理ソフトウェアは、最初の使用前の基準を定めたり、燃料読み取りの精度を維持したりするための較正プロセス用のルーチンを更に含み得る。処理ユニット４２によって燃料ゲージ４４に提供される読み取り値は、提供前に積分又は平均化され得て、多様な時間間隔で提供され得る。
【００３４】
図３に示される例では、光ファイバを用いて、燃料タンク内の燃料レベルを測定する。他の実施形態では、同じ装置を用いて、他の液体を検出することができる。例えば、上記システムを用いて、容器内の水の存在や、油圧システム用の容器内の油圧油を検出することができる。燃料タンク内の燃料検出の例は、例示目的で与えられたものであって、図３のシステムを使用可能な方法を限定するものではない。
【００３５】
図４に示されるように、反射ミラーキャップ２２を、送信光ファイバ４の下端に取り付けて、送信光ファイバ４を通して光を反射して、光が下端から失われることを防止し得る。同様の反射キャップを受信光ファイバ６の下端に取り付けて、受信光ファイバ６を通して光検出器１４に向けて光を反射し得る（図３を参照）。
【００３６】
図５は、露出した光ファイバを液体内に浸漬した際にその光ファイバを損傷しないように液体レベルを測定するための実施形態に係る光学センサの一対の真っ直ぐな導光体の平面図である。送信導光体は、軸及び周面を有する送信光ファイバ４と、送信光ファイバの全長にわたって送信光ファイバ４の軸に平行に延伸する長手方向スロット２０を有するジャケット１８とを備える。好ましくは、長手方向スロット２０は、送信光ファイバ４のクラッドの不均一な表面によって形成された側面窓と重なる。ジャケット１８は、長手方向スロット２０の領域を除いて、送信光ファイバ４の周面に接触してこれを覆う。送信導光体は、送信光ファイバ４とジャケット１８との間に配置された湾曲反射表面を更に備え得る。好ましくは、ジャケット１８は、金属やポリマー材料等の光学的に透明又は半透明ではない材料製である。
【００３７】
同様に、受信導光体は、軸及び周面を有する受信光ファイバ６と、受信光ファイバ６の全長にわたって受信光ファイバ６の軸に平行に延伸する長手方向スロット２６を有するジャケット２４とを備える。好ましくは、長手方向スロット２６は、受信光ファイバ６のクラッドの不均一な表面によって形成された側面窓と重なる。ジャケット２４は、長手方向スロット２６の領域を除いて、受信光ファイバ６の周面と接触する。受信導光体は、受信光ファイバ６とジャケット２４との間に配置された湾曲反射表面を更に備え得る。好ましくは、ジャケット２４は、金属やポリマー材料等の光学的に透明又は半透明ではない材料製である。ジャケット２４がポリマー材料製の場合、ジャケット２４は成形加工によって形成可能である。送信光ファイバ４は、円形、正方形、又は六角形の断面を有し得て、成形ジャケットは光ファイバの形状に従う。
【００３８】
図５の矢印は、送信光ファイバ４のクラッドに形成された側面窓を通して送信光ファイバ４によって放出され、介在する流体（例えば、液体、空気）を通って、受信光ファイバ６のクラッドに形成された対応する側面窓に向けて伝播する光を表す。しかしながら、送信光ファイバ４の側面窓に重なる集束レンズが存在しないと、出射光線は、コリメートせずに（平行にならず）、発散し得る。
【００３９】
図６は、一実施形態に係る光学センサの一対の真っ直ぐな導光体の平面図であり、液体が、送信光ファイバ４及び受信光ファイバ６に直接接触していない。図５に示される実施形態からの唯一の相違点は、送信導光体及び受信導光体がそれぞれのジャケット１８及び２４の長手方向スロットに形成された（例えば、成形加工によって）レンズ２８及び３０をそれぞれ更に備える点である。好ましくは、レンズ２８及び３０は、長手方向スロットの全長にわたって延伸する。レンズ２８及びジャケット１８が組み合わさって、送信光ファイバ４を包み、レンズ２８が送信光ファイバ４の側面窓に接合する。同様に、レンズ３０及びジャケット２４が受信光ファイバ６を包み、レンズ３０が受信光ファイバ６の側面窓に接合する。好ましくは、レンズ２８及び３０はエポキシ製である。
【００４０】
図６の矢印は、レンズ２８を通して送信光ファイバ４から放出され、介在する流体（例えば、液体、空気）を通って、受信導光体のレンズ３０に向けて伝播する光を表す。レンズ２８は、出射光線がレンズ３０に向けて平行になるように設計され得る。レンズ３０は、平行な入射光線が受信光ファイバ６内に収束するように設計され得る。レンズは、送信光ファイバ４内にポンピングされる同じ光パワーについて、受信光ファイバ６によって出力される光の強度を増加させることによって、光学インピーダンスセンサの性能を向上させる効果を有する。
【００４１】
高強度ＬＥＤによって送信される光パワーが十分であれば、システムは、一本の受信光ファイバと平行に配置された単一の送信光ファイバを備え得る。ＬＥＤからの光パワーが十分でなければ、放出光の量を多様な方法で増やし得る。一部実施形態では、システムは、中心に配置された受信光ファイバを取り囲む二つ以上の送信光ファイバを備え得る。この場合、受信光ファイバは、全側面から光を集め、各送信光ファイバはそれ自体のＬＥＤ源を有する。こうした代替実施形態では、複数の送信光ファイバ及び／又は受信光ファイバを使用することによって、光学インピーダンスセンサの信号対ノイズ比が上昇する。
【００４２】
図７は、メニスカスチューブ８内部の複数の送信光ファイバ４ａ〜４ｅに取り囲まれて中心に配置された単一の受信光ファイバ６を有する光学インピーダンスセンサの平面図であり、各送信光ファイバ４ａ〜４ｅは、受信光ファイバ６に向けて光を横向きで伝えるたえの長手方向スロットを有するジャケット１８にそれぞれ部分的に包まれている。この場合、受信光ファイバ６のクラッドの周面全体が、受信光ファイバ６内への入光を促進するように修正され得る（例えば、粗面化、刻み目を入れること、紙やすりでの研磨）。動作中に、送信光ファイバ４ａ〜４ｅによって放出された光は、中心に配置された受信光ファイバ６に向けられる。受信光ファイバ６が出力する光パワーは、メニスカスチューブ８内部の液体レベルに依存している。
【００４３】
更なる向上のため、取り囲む各送信光ファイバは、ファイバの長さ方向の一部のみにおいて送信パワーを集中させ得る。図８は、長さの延長された光学インピーダンスセンサ用の重ならない又は僅かに重なる放出部分３４、３６、３８（スペックルパターンによって示される）をそれぞれ有する三本の送信光ファイバ３２ａ〜３２ｃの等角図である。（スペックルで示されていない送信光ファイバ３２ａ〜３２ｃの部分は、側面放出を促進するように修正又は変更されていない光ファイバの部分を示す。）各放出部分３４、３６、３８は、それぞれ側面窓及びレンズ（上述のようなもの）を備えて構成され得て、それぞれの好ましい方向、つまり、中心に位置する受信光ファイバの側面窓に向けて光を放出する（図７に示されるように）。処理ユニットは、各光学トランシーバから受信した信号（その信号は各受信光ファイバが出力した光パワーを表す）を考慮するようにプログラムされ得る。システムは、光パワーデータに基づいて燃料レベルを決定するように較正され得る。燃料タンクのコンパートメント内の空気／燃料界面の高さは、空気ではなくて燃料を通って伝播する光による減衰損失に基づいて周知の方法で、光パワーデータから容易に決定可能である。
【００４４】
航空機の翼は、翼長方向において特に変化する高さを有する。結果として、航空機の翼の内部に組み込まれる燃料タンクは、変化する高さを有する。典型的には、翼の燃料タンクは、複数のコンパートメントを備える。高さの異なる燃料タンクコンパートメントへの設置に適した異なるタイプの燃料レベルセンサを設けることが望ましい。例えば、翼の付け根のコンパートメントは数フィートの高さを有し得て、翼の先端近くの他のコンパートメントは数インチの高さを有し得る。
【００４５】
長いセンサは、典型的には、翼の付け根の燃料タンクコンパートメントに設置される。長さが長いので、受信光ファイバと平行で真っ直ぐな送信光ファイバを使用することによって単純に、１％の精度を可能にする十分な燃料高さの差が存在する。燃料タンク内の氷泥粒子と光学受信パワーとを対比して最適化された二本のファイバ間の制御されたギャップが存在する。
【００４６】
長いセンサが翼の付け根付近の燃料タンクコンパートメントに設置される一方、短いセンサが、翼の先端の燃料タンクコンパートメントに設置され得る。このセンサの長さが短いにも関わらず、精度要求はやはり１％である。図９は、翼の燃料タンクの先端等の深さの浅い容器用の螺旋受信光ファイバ４６を有する光学インピーダンスセンサの等角図である。螺旋受信光ファイバ４６は、メニスカスチューブ８内部に配置され、中心の送信光ファイバ４の周りに巻かれて、単位センサ長当たりの光パワーピックアップを増大させる。
【００４７】
異なる燃料層（異なる燃料密度）に起因する光学応答の線形性を改善するため、可変ピッチの螺旋受信光ファイバや、可変側方漏れの真っ直ぐな受信光ファイバを使用し得る。
【００４８】
電気センサを用いる翼の燃料タンクシステムを、本開示の光学センサに置換することによって改良することができる。電気センサ用の二重シールド電気配線を、軽量で柔軟なプラスチック光ファイバに置換して、配線及び支持ブラケットによる重さを無くして、電気配線の発火、短絡、擦り切れによる電磁的影響を無くすことができる。
【００４９】
本開示の受動的光学センサは、頑丈なプラスチック光ファイバを使用することが好ましい。信号配線のシールド／ボンディング／接地は必要とされない。燃料発火の危険性がない。燃料レベルを測定するのに光学インピーダンスセンサを使用する結果として、航空機の重量及びコストが削減可能である。
【００５０】
多様な実施形態を参照して光学インピーダンスセンサについて説明してきたが、当業者は、本教示から逸脱せずに、多様な変更を行ったり、その構成要素を等価物に置換したりし得ることを理解されたい。また、特定の状況に本開示のコンセプト及び実施を適合させるように多様な修正がなされ得る。従って、特許請求の範囲がカバーする主題は、開示される実施形態に限定されない。
【００５１】
特許請求の範囲で使用されているように、“コンピュータシステム”との用語は、少なくとも一つのコンピュータ又はプロセッサを有するシステムを広範に含むものであり、また、ネットワークやバスを介して通信する複数のコンピュータ又はプロセッサも含み得る。上記で使用されているように、“コンピュータ”及び“プロセッサ”との用語は両方とも、処理ユニット（例えば、中央処理ユニット（ＣＰＵ））と、処理ユニットによって読み取り可能なプログラムを記憶するための或る種のメモリ（つまり、コンピュータ可読媒体）とを有するデバイスを称する。
【００５２】
また、添付の方法クレームは、記載されているステップが英数字順（クレーム中の英数字順は単に既出のステップを参照する目的のためのものである）や記載されている順序で行われることを要するものではなく、二つ以上のステップの任意の部分が同時に又は交互に行われることを排除するものでもない。
【００５３】
以下の段落では、本開示の更なる態様について説明する。
【００５４】
項Ａ１
軸及び周面を有する光ファイバと、
前記光ファイバの軸に平行に延伸する長手方向スロットを有するジャケットであって、前記長手方向スロットの領域を除いて前記光ファイバの周面に接触しているジャケットと、
前記ジャケットの長手方向スロット内に配置され、前記光ファイバの周面に接合されたレンズとを備え、
前記光ファイバが、前記ジャケットの長手方向スロットによって区切られた領域内において不均一な表面を有するクラッドを備える、導光体。
【００５５】
項Ａ２
前記光ファイバと前記ジャケットとの間に配置された湾曲反射表面を更に備えた項Ａ１に記載の導光体。
【００５６】
項Ａ３
前記ジャケットが光学的に透明又は半透明ではない材料製である、項Ａ１に記載の導光体。
【符号の説明】
【００５７】
２    光学インピーダンスセンサ
４    送信光ファイバ
６    受信光ファイバ
８    メニスカスチューブ
１０  光源
１２  光ファイバ
１４  光検出器
１６  光ファイバ
【図１】
0006490554.tif 000002
【図２】
0006490554.tif 000003
【図３】
0006490554.tif 000004
【図４】
0006490554.tif 000005
【図５】
0006490554.tif 000006
【図６】
0006490554.tif 000007
【図７】
0006490554.tif 000008
【図８】
0006490554.tif 000009
【図９】
0006490554.tif 000010