JP2004506211A - 光学変換器 - Google Patents

Abstract

光学変換器（２００）は、放射エネルギーを放出する光源（２３０）及び光源（２３０）から放射エネルギーを受ける細長い集光体（２０４）を有する。光源（２３０）からの放射エネルギーは集光体（２０４）の長さ方向に伝送される。伝送される放射エネルギーの一部は集光体（２０４）からその長さに沿いギャップ（２０５）から流出するため、集光体の長さに沿って光強度が変化する。少なくとも１つの光センサー（２３２）を配置して集光体（２０４）上の特定の場所に入射する放射エネルギーの強度を検知させる。このようにすると、少なくとも１つの光センサー（２３２）により検知される放射エネルギーの強度が、入射する放射エネルギーと少なくとも１つの光センサー（２３２）との間の少なくとも相対的な位置を指示する。

Description

【０００１】
【発明の背景】
【０００２】
【発明の分野】
本発明は、光学変換器に関し、さらに詳細には、位置、方位、方向、回転数、加速度、流体、流体レベル、トルク、圧力、不透明度などを測定する光学変換器に関する。
【０００３】
【関連技術の説明】
１またはそれ以上の軸線に沿う線形または角度位置、方位、方向、回転数、加速度、流体、流体レベル、トルク、圧力などを測定する変換器は、車両、産業機器及び他のシステム及びコンポーネントに使用されることが多い。かかる変換器は通常、抵抗、容量、電流、磁界などの変化のような変換器の電気的特性の変化を検知することによって動作するが、これは、可変の容量または抵抗を有する機構、光学的システムまたはホール効果型センサーにより実現することができる。
【０００４】
例えば、自動車用燃料センサーのような従来型液体レベルセンサーは通常、燃料タンク内の燃料の上面に浮遊する浮きを備えている。典型的な例として、浮きは枢動アームの一端に接続され、枢動アームの他端は、アームがタンク内の燃料レベルの変化により回転すると抵抗器ストリップに対して摺動するワイパー機構を備えている。かかるセンサーは磨耗し易く、機械的及び／または電気的故障に弱く、少なくとも液体レベルの検知が不正確になりやすい。これらの問題点を解消するために可変容量型プローブが開発されているが、多くの用途でコストが極めて高く、液体にはそれぞれ異なる誘電特性があるためある特定の液体の測定に限定されるのが一般的である。例えば、通常は、燃料レベル用の可変容量型プローブは、水レベルの測定には向かない。
【０００５】
線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）のような従来型線形変換器は通常、可動機械要素または組立体と静止機械支持部との間の相対的な運動のような物体間の相対的な運動を検知するために使用する。これらの変換器は所期の機能については問題ないが、比較的重く、製造が容易でなく、高コストであるため、多くの低コストの用途への使用は実用的でない。
【０００６】
従来型角度位置変換器及び回転式センサーには通常、透明なエンコーダーディスクと、その周面に刻印されたトラックとが設けられている。ディスクの一方の側にはトラックと整列するように光源が配置され、光源とは反対のディスクのもう一方の側には一対の光検出器が離隔して設けられている。通常、各トラックは、透明部により分離された等間隔の一連の不透明棒状部より成る。ディスクが回転すると、棒状部と透明部とにより光検出器が高出力状態と低出力状態との間で交番する。典型的な例では、マイクロプロセッサーが各光検出器の高及び低出力状態を示す信号を受信し、光検出器が最初に高出力状態または低出力状態になるかに応じてディスクの回転方向を検知する。その後、ディスクの回転方向に応じて高出力または低出力状態の数を加算または減算することにより、エンコーダーディスクの角度位置を求める。このようなタイプの変換器は、比較的製造が困難で高コストであり、分解能は通常、円周トラックの棒状部の数、棒状部間の間隔、変換器の相対的サイズ及び他のファクターにより制約される。ディスクの回転方向を突き止めるには、ディスク上における棒状部の位置を正確に決定し、光源及び光検出器を棒状部に対して正確に位置決めする必要がある。
【０００７】
【発明の概要】
本発明によると、光学変換器は、放射エネルギーを放出する光源と、基礎部材と、光源から放射エネルギーを受けるように配置された細長い集光体とより成る。細長い集光体は、基礎部材に形成されたトンネルと、トンネルの長さ方向に延びる窓とを有し、光源から窓を介してトンネル内に入射する放射エネルギーがトンネルの長さ方向に伝送されると、その一部がトンネルから流出するためトンネルの長さに沿って光の強度が変化する。少なくとも１つの光センサーは、トンネル内の或る場所における放射エネルギーの量を検知するように配置されている。このようにして、トンネルの或る場所における放射エネルギーの強度は入射する放射エネルギーと少なくとも１つの光センサーとの間の少なくとも相対位置を示す。
【０００８】
さらに、本発明によると、第１の物体と第２の物体との間の相対位置を検知する方法は、トンネルと、トンネルの長さ方向に延びる窓とを有する細長い集光体を第１の物体上に形成し、第２の物体からトンネル内に放射エネルギーを投射し、放射エネルギーをトンネルの長さ方向に伝送して、伝送される放射エネルギーの一部がトンネルを流出するためトンネルの長さに沿って光の強度が変化するようにし、トンネルの或る場所における放射エネルギーの量を検知するステップより成る。このようにして、トンネルの或る場所における放射エネルギーの強度は第１と第２の物体との間の相対位置を示す。
【０００９】
さらに、本発明によると、光学変換器は、放射エネルギーを放出する光源と、細長い集光体と、光遮断部材とより成る。細長い集光体は、光源から放射エネルギーを受けるように光源に関して配置されている。集光体は、互いに反対の端部を有し、光源から集光体の長さ部分に入射する放射エネルギーが端部の方へ伝送されるように形成されている。集光体の一方の端部における放射エネルギーの強度は、入射する放射エネルギーが集光体の長さ方向に沿って一方の端部の方へ進むにつれて増加する。光遮断部材は、光源と細長い集光体の少なくとも一部との間を延びて、集光体からの放射エネルギーの少なくとも一部を遮断する。光遮断部材と集光体とは、相対的に可動であるため、集光体に入射する放射エネルギーの位置を変化させることにより集光体の一方の端部に伝送される放射エネルギーの量を変化させることができる。少なくとも１つの光センサーは、少なくとも一方の端部に伝送される放射エネルギーの量を検知するように配置されている。少なくとも１つの集光体が受け、光センサーが検出する放射エネルギーの強度は、その相対的運動を指示する。
【００１０】
さらに、本発明によると、光学角度位置変換器は、前壁、後壁及び前壁と後壁の間を延びて内部にコンパートメントを形成する連続する側壁を有するハウジングを有する。内部のコンパートメントには光源が装着されて放射エネルギーを放出する。細長い集光体は、光源に対向するように内部のコンパートメントに装着されて、光源から放射エネルギーを受ける。集光体は、互いに反対の端部と、これらの端部間に位置する弓状部分とを有し、光源から放出される放射エネルギーが集光体の長さに沿って集光されてそれらの端部へ伝送されるように形成されている。シャフトは、縦方向軸を中心として回転可能なように内部のコンパートメント内に装着された第１の端部と、ハウジングから延びる第２の端部とを有する。シャフトには、該シャフトと共に回転するように光遮断ディスクが装着されている。光遮断ディスクは、光源と細長い集光体との間を延びて光源から集光体へ伝送される放射エネルギーを実質的に遮断する。光遮断ディスクは、光源が投射し集光体の一部が受ける放射エネルギーが通過する、集光体の弓状部分と整列関係にある比較的透明な窓を備えるため、縦方向軸を中心としてハウジングに関してディスクが回転すると、集光体の弓状部分に入射する放射エネルギーの位置が変化して、集光体の端部へ伝送される放射エネルギーの量が変化する。少なくとも１つの光センサーは、伝送される放射エネルギーの量を検知するように集光体の少なくとも一方の端部に隣接して配置されている。集光体が受け少なくとも１つの光センサーが検知する放射エネルギーの量は、縦方向軸を中心とするシャフトの角度位置を示す。
【００１１】
【好ましい実施例の詳細な説明】
添付図面を参照して、特に図１及び２は本発明の流体レベル変換器１０を示す。流体レベル変換器１０は、自動車の燃料タンクのような容器１４（想像線で示す）に取り付けられる細長い管状部材またはハウジング１２を有する。管状部材１２は、中央孔部１６と、その中央孔部を取り囲む連続した壁部１８とを有する。管状部材１２は、浸漬される液体に対する耐性を備えた透明または半透明の材料で形成するのが好ましい。管状部材の壁部１８の内壁面２８と外壁面３０との間には、複数の導管２０、２２、２４、２６が好ましくは円周方向に等間隔に形成されており、それらは管状部材の中心軸３１にほぼ平行に延びている。これらの導管は、押出し成形または他の成形プロセス時に管状部材と同時に形成することができる。あるいは、管状部材の内壁面及び／または外壁面に小さなチューブ（図示せず）を接着するか、または管状部材と共に押出し成形してもよい。
【００１２】
管状部材１２の上端部４８には、タンク取付けフランジ３２がある。取付けフランジ３２は、接着剤、超音波溶接または他のよく知られた固着手段により管状部材に固定することができる。タンク取付けフランジ３２の下部３４には、容器１４の螺設部と係合する螺設部がある。螺設部を有する下部３４近くには、タンク１４の取付けフランジ３２を封止するためのＯリング３６が設けられている。フランジの上部４０にはキャップ部材３８を螺着可能である。
【００１３】
各導管２２−２６には、好ましくは、蛍光体をドープした一般的に細長い光ファイバーより成る集光体４２が設けられている。蛍光体をドープした適当な光ファイバーには、１またはそれ以上の蛍光体ドーパントを含むポリスチレン系のコアをポリメタクリル酸メチルの被覆で取り囲んだものがある。かかる光ファイバーがその長さに沿って放射エネルギーを受けると、ある特定波長のエネルギーが光ファイバーに吸収され、光ファイバーの両端部においてより高いエネルギー且つより長い波長でこのエネルギーが再放射される。従って、光ファイバーの長さに沿って吸収される放射エネルギーの量に比例する放射エネルギーが、その光ファイバーの端部から放射される。光ファイバーの断面は円形であるのが好ましいが、卵形、三角形、矩形、弓形などの他の断面形状でもよい。さらに、集光体４２は実施例に記載された特定の材料に限定されないことを理解されたい。コア材料の屈折率が被覆材料の屈折率より大きい限り、コアと被覆とは任意適当な透明または半透明の材料で形成することが可能である。被覆材料それ自体は、コアと取り囲む空気または他の流体でもよい。透明または半透明の材料に蛍光体ドーパントを組み合わせて導管内に注入することにより、集光体４２として用いることも可能である。
【００１４】
各集光体４２の上端部４４のような少なくとも一方の端部は光センサー４６の近くに位置し、この光センサー４６は露光レベルの変化に応答して電気的出力を変化させるのが好ましい。適当な光センサーには、フォトセル、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトコンダクターなど（これらに限定されない）が含まれる。図１に示すように、光センサー４６が１個だけキャップ部材３８内の管状部材１２の上端部４８に配置され、全ての集光体４２の上端部４４に入射する放射エネルギーを測定する。しかしながら、２個以上の光センサーを１個またはそれ以上の集光体と整列されて管状部材の上端部４８に配置してもよいことがわかるであろう。さらに、集光体４２として４つの別個の集光体を示すが、所望される測定出力の強度及び感度に応じてそれより多いまたは少ない集光体を使用してもよい。１個またはそれ以上の集光体４２の下端部５２の近くの管状部材１２の下端部５０に光センサーを配置して、１個またはそれ以上の下端部５２における放射エネルギーの強度を測定するようにしてもよい。光センサーを１個またはそれ以上の集光体の端部に配置して、そこから出る光だけを検知するのが好ましい。
【００１５】
光源５４は、好ましくはキャップ３８内の管状部材１２の上端部４８に位置し、中央孔部１６内の集光体４２の間に光が投射されるようにする。１つの好ましい実施例において、光源５４からの光は、管状部材１２の上に、また集光体４２の長さに沿って投射されるような角度で放射される。この目的のために、管状部材１２内には光源５４に隣接して発散レンズ５６を設けるとよい。図示のように、このレンズは管状部材と一体的に成形するのが好ましいが、別個に形成して管状部材の上端部に固着してもよい。
【００１６】
光源５４は、１またはそれ以上の蛍光灯、白熱電球、発光ダイオード、レーザーダイオード、または可視スペクトル、紫外線スペクトルまたは赤外線スペクトルのうち１またはそれ以上の放射エネルギーを放出する任意の他の光源でよい。赤外線光源を用いる場合、各光センサーに昼光フィルターを組み込むことがある。光源５４として管状部材１２の上端部４８に配置したもの示すが、代わりに、または追加的に、管状部材の下端部５０に設けてもよい。管状部材の両端部に２つの光源を取り付ける場合、これらの光源間の識別が可能なように異なるパルス周波数及び／または波長で光を放出させる必要がある。
【００１７】
管状部材１２の壁部１８に複数の貫通開口５８を設け、中央孔部１６と容器１４との間を液体が移動できるようにするのが好ましい。開口５８は管状部材に沿う軸方向離隔位置に設けるのが好ましく、管状部材の円周方向に離隔させてもよい。開口５８のサイズ及び数に応じて、液体が管状部材へ流入しまた流出する速度を制御することができる。これは、容器内の液体がスロッシングを受ける場合に特に有利である。平衡状態において、管状部材内の液体レベルは容器内の液体レベルに等しい。容器内の液体にスロッシングが生じる場合、管状部材の開口のサイズを、容器と管状部材との間の液体の移動に遅延が生じるようにして管状部材内の液体レベルの変動が減衰されるような大きさにするとよい。
【００１８】
図１には図示しないが、不透明な材料で管状部材を取り囲むかあるいは管状部材を不透明なハウジング内に配置することにより、特に、可視スペクトルの光を放射する光源を用いる場合に半透明材料で構成された容器を透過できる望ましくない外部の光が遮断されるようにしてもよい。
【００１９】
液体の光吸収率と、空気中の光吸収率とは、測定すべき液体の不透明度に応じて全く異なる。この差は、光源からの光がどの程度反射し、そして／または液体により吸収されるかを測定すると検出可能である。光源からの光の少なくとも一部が測定中の液体により吸収される場合、容器１４が満杯の時の方が集光体４２に到達する光の量が少ない。容器が空に近づくにつれて、管状部材内の液体レベルが低下し、露光される光ファイバーの長さが増加する。露光される光ファイバーの長さが増加すると、光ファイバーの端部における光強度が増加する。光センサー４６により測定される強度のこの変化は、容器内の液体レベルを反映するものである。
【００２０】
図３は、本発明の別の実施例による流体レベル変換器６０を示す。この図では、前の実施例と同じ部分を同じ参照番号で指示する。この実施例には、管状部材１２内に浮き６２が配置されているが、この浮きはほぼ球形であるのが好ましい。浮き６２の外径は、浮きが管状部材内を自由に移動できるように管状部材の内径よりもわずかに小さい。浮きは、不透明な材料で形成するのが好ましく、変形例として外側に反射性被覆を設けたものでもよい。浮き６２は、管状部材内の液体の上面６４（想像線で示す）に浮いた状態で、液体レベルより下方の集光体４２の長さ部分から光を実質的に遮断するように働く。これは、測定中の液体が、透明なまたは多くの半透明な液体において顕著な低い光吸収特性を呈する場合に特に有利である。浮き６２はまた、それぞれ異なる光吸収特性を有する種々の液体に応じて行われるプローブの較正を不要にする。浮き６２は球形であって管状部材１２内を自由に浮遊するため、従来技術の浮き及びそれらに固着される枢動アームに付随する問題点による制約を受けない。さらに、浮き６２が球形であるため、管状部材１２内の液体が重力による力または加速度による力を受ける場合に生じる測定の不正確性が減少する。管状部材１２は、集光用導管８２及び導体用導管８４、８６を有し、これらは管状部材の壁部に中央孔部１６にほぼ平行に延びるように形成されている。導体用導管８４、８６は互いに隣接配置するのが好ましく、一方、集光用導管８２は管状部材の直径方向で反対側に配置するが、変形例として導体用導管の近くに配置してもよい。不透明なカバー８８で管状部材１２を取り囲むようにすることにより、容器１４が光透過性材料で形成されている場合に生じる望ましくない外部の光の透過を遮断するようにする。導管８２、８４及び８６は不透明なカバー８８と共に、押出し成形または他の周知の成形プロセス時に管状部材と同時に形成することが可能である。
【００２１】
好ましくは上述の集光体と同一構成である集光体４２を、集光用導管８２に配置する。集光体を管状部材と同時に押出し成形するか、導管８２内に射出成形するか、もしくは管状部材形成後に導管８２にねじ込むことができる。
【００２２】
上方の光センサー４６Ａは集光体４２の上端部４４の近くに位置し、一方、下方の光センサー４６Ｂは集光体の下端部５２の近くに位置して、集光体の両端部における光の強度をモニターする。下方の光センサー４６Ｂからの電気リード線９２、９４は、それぞれ導体用導管８４、８６を介してキャップ３８内へ延びる。図４１を参照して後で詳しく述べるように、上方の光センサー４６Ａからの電気リード線９６、９８は電気リード線９２、９４と共に信号処理回路８００に接続される。電気リード線は、管状部材１２と共に押出し成形することが可能である。
【００２３】
流体充填用開口１０２は、管状部材１２の下端部５０の壁部１８を貫通し、一方、通気用開口１０４は上端部４８の壁部１８を貫通する。前の実施例と同様に、容器内の流体がスロッシングまたは他の運動を受けやすい場合には、管状部材内の流体が所定の減衰効果を受けるように開口のサイズ及び形状を調整することができる。
【００２４】
光源５４は、管状部材の上端部４８内に位置し、好ましくは、反射器１０８により囲まれた長寿命の白熱電球１０６より成る。しかしながら、上述したような他の光源を用いることも可能である。反射器１０８は、電球１０６からの光を反射し平行にして、この実施例では反射材料を被覆された浮き６２に直接当てるように構成されている。浮きは、入射光を浮きの近くの集光体４２上に反射する。別の実施例では、反射器または他の光源が、集光体４２及び浮き６４の両方に投射するように構成されている。
【００２５】
蛍光体ドープ光ファイバーはその長さに沿って光を吸収し、失うため、集光体の各端部における光強度は、集光体の長さ方向に沿う浮きの位置に応じて変化する。一例として、容器が満杯の時、浮きは想像線６２Ａで表す、管状部材１２の上端部４８に位置する。平行にされた光は、この浮きに当たり、集光体４２の上に反射する。集光体は入射した光を集光体の上端部４４及び下端部５２を介して光センサー４６Ａ及び４６Ｂへ伝送する。集光体４２が受ける光の一部は内部で反射するが、その光の一部は屈折して集光体から放出される。集光体４２の上端部４４における光強度は下端部５２における光強度よりも大きいが、その理由は、光が屈折して集光体から外に出る入射光からの距離が長いからである。入射光と集光体の上端部４４との間の距離が増加すると、例えば、容器内の液体の減少により浮きが下降すると、光が屈折して集光体から外に出る距離が増加するため、集光体の上端部における光強度は減少する。同様に、集光体の下端部における光強度は、光が屈折して集光体から外に出る距離が減少するため、増加する。
【００２６】
容器から液体を取り出す場合のように、浮き６２が管状部材１２の下端部５０の方へ下降して想像線６２Ｂで示す位置に来ると、集光体の下端部５２における光強度がその上端部における光強度に比べて大きくなる。集光体の一方の端部または両方の端部における光強度を光センサー４６Ａ、４６Ｂにより測定すると、集光体に対する浮きの位置、従って容器内の液体レベルを求めることができる。
【００２７】
光源が光を集光体上に直接投射するように構成されている場合、異なる効果が生じる。光源５４及び浮き６２が管状部材４２の上端部４８にある場合、集光体４２の上端部４４における光強度は下端部５２における光強度よりも大きい。これは、光が光源５４から集光体４２の上端部４４に既に入射しているためである。集光体の下端部５２の方へ伝播する光の一部は、光源５４と集光体の下端部５２との間の長さ部分で屈折して集光体から外に出る。その結果、集光体の下端部５２における光強度は比較的小さいものとなる。浮き６２が管状部材の下端部５０の方へ下降すると、集光体の下端部５２における光強度は、露光される集光体の長さが増加するため増加する。集光体の上端部４４における光強度は、最初に露光される集光体の上部がほぼ飽和状態であるためその増加はそれほど劇的ではない。
【００２８】
上述した各構成において、上方及び下方の光センサーからの信号を比較し、正規化などを行うと、図４１に関連して後で詳しく説明するように、材料の経年変化、光強度のばらつき、光センサーに対する温度の影響及び他の効果に起因する信号のばらつきをなくすことができる。
【００２９】
別の好ましい構成では、上方の光センサー４６Ａを光源５４から直接光を受ける位置に配置し、両方の光センサーからの信号を用いて上述したばらつきに対する補償を行うことができる。
【００３０】
上述した各実施例について、浮き６２を１個だけ示したが、小さい直径または種々の形状の複数の浮き７６（図３において想像線で示す）を用いることが可能である。浮きを複数個用いると、１個だけ用いた場合と比較して、表面張力、温度、湿度による寸法変化、堆積物などにより浮きが管状部材に対して一時的に膠着状態になる可能性が減少する。
【００３１】
図５及び６は，さらに別の実施例による流体レベル変換器１５０を示す。この流体レベル変換器１５０は、内側の反射面１５４が孔部１５５を画定するハウジングまたは管状部材１５２を有する。管状部材１５２には、その側部に沿って管状の光ガイド１５６が設けられている。管状部材１５２は、内面を電解研摩のような方法で高度に研摩できる金属材料で形成するのが好ましい。あるいは、管状部材１５２を、周知の方法で内面１５４上に反射性被覆を施したプラスチック材料で構成してもよい。管状部材１５２の断面を円形として示すが、矩形、三角形、卵形のような他の種々の断面形状でもよい。
【００３２】
内面１５４に形成された溝１６０内には、好ましくは上述の集光体４２と同様な構成の１またはそれ以上の集光体１５８が配置されている。各集光体１５８は、内面１６２が管状部材１５２の内面１５４と同一平面となるように構成するのが好ましい。集光体１５８は、液体と直接接触するため、測定される液体との適合性を有する基礎材料で形成するのが好ましい。
【００３３】
管状の光ガイド１５６の下端部１６４は管状部材１５２と接続され、また、その上端部１６８は光が管状の光ガイドの孔部１７２内に投射されるように光源１７０に隣接している。孔部１７２内の反射性表面１７６は、光１７５を水平面に関して鋭角に管状部材内に差し向ける。光ガイド１５６は、光源１７０から管状部材の下端部へ延びる光ファイバーで形成することも可能である。レーザーダイオードまたは平行にした光が好ましいが、他の光源も使用可能である。
【００３４】
光源１７０から管状部材１５２の下部に入射する光は、例えば、垂線に関して約８９度の角度で上方に投射することができる。このようにすると、光は管状部材１５２内の液体を透過して液体の上面１７６に到達するまで、内面１５４による上方に反射される。液体の屈折率がその上の空気、ガスまたは蒸気よりも大きく、液体の上面１７６への光の入射角が垂線に関する所定の臨界角より大きいかそれに等しい場合、光は上面で全反射する。従って、液体を介して伝送される光だけが集光体１５８に入射する。管状部材の液体レベルが下降すると、集光体の露光長さが小さくなる。同様に、管状部材の液体レベルが上昇するにつれて露光長さが増加する。上述した実施例と同様に、集光体の端部には１またはそれ以上の光センサーが配置されている。
【００３５】
一例として、測定中の液体がＣ_８Ｈ_１８のオクタンである場合、臨界角は垂線に関して約４５１である。管状部材１５２に垂線に関して８９１で光が入射すると、たとえオクタンが、車両の登坂、下降、加速、減速時などに生じるであろう垂線に関して最大約４４１の角度で傾斜していても光が内部で全反射する。もちろん、光ガイド１５６から孔部１５５に入射する光は他の角度にしてもよいことを理解されたい。液体レベルの測定には管状部材が好ましいが、図１１を参照して後で詳しく説明するように、光源を、壁部に１またはそれ以上の集光体を設けた容器内に放射エネルギーを直接投射するように構成してもよい。
【００３６】
別の構成では、１またはそれ以上の浮きを孔部１５５内に配置して、光が液体レベル１７６の上方で集光体１５８に到達するのを阻止することができる。
【００３７】
図７及び８は、本発明のさらに別の実施例による光学液体レベル変換器２００を示す。この変換器２００は、細長い管状部材２０２を有し、集光体は、この管状部材の壁部に形成された細長い集光トンネルまたチャンネル２０４として構成されている。集光トンネル２０４は、ギャップ２０５を介して管状部材２０２の孔部２０６に開いており、管状部材の中心軸に平行に延びるのが好ましいが、管状部材の周りをらせん状に延びるようにしてもよい。特定の用途に応じて、２個以上の集光トンネルまたはチャンネルを設けてもよい。チャンネル２０４を含む管状部材２０２は不透明な材料で形成するのが好ましく、内側に反射性被覆を施すこともできる。不透明な材料の浮き２０８（想像線で示す）を孔部２０６内に配置し、管状部材の長さ方向に自由に摺動できるようにしてもよい。上端部のキャップ２１０は管状部材２０２の上端部に固着するのが好ましく、下端部のキャップ２１２は管状部材の下端部に固着して、浮き２０８が捕捉されるようにするのが好ましい。適当な開口（図示せず）を管状部材及び／または端部キャップに形成して、管状部材内に液体及び蒸気が流入／流出できるようにしてもよい。
【００３８】
下端部のキャップ２１２は、好ましくは、集光チャンネル２０４と整列関係にある光センサー（図示せず）を有する。燃料フィルターのようなフィルター２１５（想像線で示す）を下端部のキャップ２１２と共にインサート成形するか、またはキャップに固着して、液体が管状部材２０２に流入する前に汚染物をろ過して除去するようにしてもよい。
【００３９】
図８に最も明瞭に示すように、上端部のキャップ２１０は、管状部材２０２の上端部を受容する管取付け部２１４と、下方の管取付け部と好ましくは一体的に形成されたタンク取付け部２１６とを有する。タンク取付け部２１６は、タンクまたは他の容器に付随する取付けスタッド（図示せず）を受容する開口２１８を備える。上端部のキャップ２１０には凹部２２０を形成するのが好ましいが、この凹部は、光センサー２２８、光源２３０及び光センサー２３２をそれぞれ受容するための開口２２２、２２４、２２６を有する。開口２２４、２２６は管状部材の内部と光連通関係にあり、一方、開口２２４は管の中心軸と整列関係に、開口２２６は集光チャンネル２０４と整列関係にある。あるいは、開口２２４を管の中心軸からずらしてもよい。この構成によると、上述の光源５４と同じ構成の光源２３０が放射エネルギーを管状部材２０２及びチャンネル２０４内に投射する。
【００４０】
図７を再び参照して、浮き２０８は、管状部材内の液体の上面に沿って浮遊し、液体レベルの下方の集光チャンネル２０４の長さ部分から光を実質的にブロックするように働く。チャンネル２０４内の光の少なくとも一部はチャンネルの端部に伝送されるため、そこで、上方の光センサー２１６及び／または好ましくは下端部のキャップ２１２に配置された下方の光センサー（図示せず）により検知することができる。ここで驚くべきは、チャンネル２０４は上述の蛍光体をドープした光ファイバーより成る集光体と同じように作用し、チャンネルの端部における光の強度はチャンネルの端部からの入射光の距離だけでなくチャンネルに入射する光量に比例して変化することが判明している。従って、浮き２０８が管状部材２０２の上端部から下端部へ移動するにつれて、チャンネル２０４の下端部における光強度がそれに比例して増加する。図１０に示すように、ギャップ２０５の幅Ｗは、チャンネル２０４の断面寸法Ｘよりも小さくするのが好ましい。ギャップ２０５の幅Ｗを、動作時におけるチャンネル２０４の端部における光の強度を変化させるように変えることができると思われる。ギャップが小さいと、大きい場合と比べ、反射してチャンネルから出る光が少なくなると思われる。チャンネルの内側に光反射性被覆を施すと、チャンネルの長さに沿って反射する光が増加するが、光吸収性の被覆では屈折してチャンネルを出る光が増加する。従って、ギャップの幅とチャンネル内面の反射率とを変えることにより、種々の用途に合うように、浮きが移動する所与の長さについてチャンネル２０４の端部における光強度の範囲を調整することができる。
【００４１】
最良の分解能は、浮きが光源と光検知器との間に位置する時に得られることが判明している。電子部品をタンクから隔離するのが望ましい場合は、図１０に示すような管状部材２０２Ａを使用すればよく、前の実施例と同じ部分を同一の参照番号で示す。管状部材２０２Ａは、好ましくは集光チャンネル２０４に隣接して管状部材を長さ方向に延びるトンネル２４０を有する。このトンネル２４０は、下端部のキャップに配置可能でチャンネル２０４及びトンネル２４０を横方向に延びる反射器（図示せず）を介してチャンネル２０４から反射光を受けるように構成されている。このようにすると、チャンネルの下端部に入射する光が管状部材２０２Ａの上端部に再び向けられ、そこで光センサーにより検知される。トンネル２４０の内面に反射性被覆を施すことも可能である。
【００４２】
さらに別の実施例において、トンネル２４０の代わりに光ファイバーまたは他の光ガイドを用いてもよい。このトンネル内に下方の光センサーから延びる電気ワイヤーを収容して、ワイヤーを測定中の液体から隔離するようにしてもよい。
【００４３】
本発明のさらに別の実施例では、光センサー２３２と鏡または他の反射面（図示せず）をチャンネル２０４の両端部に配置する。このようにすると、チャンネル２０４を伝送される放射エネルギーがチャンネルを反対方向に反射して、光センサー２３２により検知される。
【００４４】
図８を参照すると、後で詳しく述べるように、光センサー２２８は、較正目的で光源２３０から光を直接受けるように構成されている。光センサー２２８、２３２及び光源２３０は印刷回路板２４２の一方の側にそれらの関連開口に整列させて装着し、電気コネクター２４４は印刷回路板のもう一方の側に装着する。他の電子部品（図示せず）も回路板２４２上に装着可能である。回路板２４２は凹部２２０内に受容可能なサイズであるのが好ましく、エポキシまたは他の材料で封止して電子部品を外部環境から保護することができる。透明な封止材を開口２２２、２２４、２２６内または管状部材の上端部のキャップに隣接した所に配設して、光センサー及び光源を管状部材内の液体及び蒸気から隔離することも可能である。
【００４５】
図９は、本発明のさらに別の実施例による線形変換器２５０を示すが、図８の実施例と同じ部品は同一の参照番号で示す。線形変換器２５０は、集光チャンネル２０４を備えた管状部材２０２を有する。上端部のキャップ２５２は管状部材の上端部に接続するのが好ましく、下端部のキャップ２５４はその下端部に接続するのが好ましい。上端部及び／または下端部のキャップ２５２、２５４は、上述したような１またはそれ以上の光源及び光センサーを備えている。下端部のキャップ２５４は、棒状体またはシャフト２５８が摺動自在に受容される開口２５６を有する。光遮断部材２６０をシャフトの内端部に接続して、管状部材２０２内においてシャフトの内端部と共に移動できるようにする。この構成では、シャフトは１つの構造体に連結され、管状部材は別の構造体に連結されている。光遮断部材２６０が端部キャップの方へ、またはそれから離れる方向に移動すると、これら構造体間の相対的な線形運動を検知することができる。
【００４６】
本発明のさらに別の実施例によると、シャフト２５８は外側に螺設部（図示せず）を、また開口２５６は外側の螺設部と係合する螺設部（図示せず）を内側に備えるようにしてもよい。シャフト２５８と端部キャップ２５４とが相対的に回転すると、光遮断部材２６０が管状部材内を移動し、かかる運動が上述の１またはそれ以上の光センサーにより検知される。
【００４７】
上述した各実施例において、管状部材内の光遮断部材に管状部材から延びるシャフトを設けることにより、液体レベル変換器を線形変換器として用いることができる。
【００４８】
本発明のさらに別の実施例によると、図１１及び１２に示すように、光学流体レベル変換器２７０が流体を容れた容器またはタンク２７２内に設けられる。流体レベル変換器２７０は、タンクの壁部２７６に接続された光源２７４と、タンクの別の壁部２８０上に位置する細長い集光体２７８とを有する。上述の光源５４と同一構成でよい光源２７４は、放射エネルギーをタンク内の液体２８２を介して集光体２７８の方へ投射するように構成されている。光源２７４をタンクの外側に取付ける場合、窓２８４をタンクの壁部２７６に形成する。図１２に最も良く示されるように、細長い集光体は開いたトンネルまたはチャンネル２８６として壁部２８０に一体的に形成するのが好ましい。開いたチャンネル２８６は、図１０の実施例の開いたチャンネル２０４と同一の形状でよく、タンク２７２の底壁２８８と頂壁２９０との間を延びる。チャンネル２８６は壁部２７６の幾何学的形状に追従するため、タンク内に突出する度合いが少ない。チャンネル２８６を光源とは反対側の壁に設けるものとして示したが、このチャンネルをタンクの他の壁部に形成するか、またはタンクに取付けた別のプレートまたは他の部材上に形成してもよいことを理解されたい。さらに、多数の測定値を得るために、２個以上のトンネルまたはチャンネルを形成することもできる。上述の光センサーと同じものでよい光センサー２９２を、チャンネル２８６の上端部に配置して、集光体２７８の上端部における放射エネルギーの強度を検知させる。図示しないが、さらに別に光センサーを集光体２７８の下端部に配置してもよい。光センサー２９２をタンク２７２の外側に取付ける場合、タンクの集光体２７８の上端部に隣接した所に窓２９４を形成して、集光体の端部に入射する放射エネルギーが窓を通して光センサーへ送られるようにすることができる。
【００４９】
使用方法について説明すると、光源２７４からの放射エネルギーは、液体２８２を介して集光体２７８の方へ投射されるが、その投射角度は放射エネルギーが液体２８２の上面２９６の上に内部で全反射するための臨界角に実質的に等しいかそれよりも小さい。上述したように、この臨界角は、液体２８２の屈折率及び液体上方の蒸気または空気の屈折率の両方に依存する。タンク内の液体レベルが下降すると、集光体の長さに沿って入射する光の量が減少する。その結果、光センサー２９２により測定される、集光体２７８の上端部における放射エネルギーのレベルが減少する。
【００５０】
図１３を参照して、透明な管体３００などをチャンネル２８６内に配置してもよい。この透明な管体は、ある特定の液体により薄膜が形成されないようにチャンネルを保護する作用がある。透明な管体を、比較的不透明な液体または他の流体物質の測定に用いることも可能である。この例では、光源２７４を、液体表面２９６の上方から放射エネルギーを管体内に投射するように配置することができる。透明なＦＥＰ材料などで形成された管体は、種々のタイプの液体にとって好適である。
【００５１】
図示しないが、透明な管体または棒などを図７−１０の実施例のそれぞれの開いたチャンネル内に取付けることが可能である。
【００５２】
図１４及び１５は、本発明のさらに別の実施例による光学角度変換器４００を示す。光学変換器４００は、ハウジングの第１半部４１４、第２半部４１６、放射エネルギーを集光体４１２上に投射する光源４１８、集光体４２０と光源４１８との間に介在する光遮断ディスク４２２、及び集光体４２０の端部４２６、４２８に配置した光センサーモジュール４２４を有する。光源４１８、集光体４２０、光遮断体４２２及び光センサーモジュール４２４は全てハウジング４１２内に収容するのが好ましい。
【００５３】
ハウジング４１２は、第１半部４１４上の前壁４１５、第２半部４１６上の後壁４１７及び両半部上の連続する側壁４１９を有する。組立てを完了した状態で、連続する側壁４１９は前壁４１５と後壁４１７の間を延びて、内部にコンパートメントを形成する。
【００５４】
シャフト４３０は、回転軸４３１を中心として回転可能なようにハウジング４１２に装着されており、好ましくは、ハウジングの第１半部４１４の前壁４１５の開口４３０を貫通して第２半部４１６の後壁４１７上に形成された突起部４３２内に延びる内側部分４３９を有する。ディスク４２２は、シャフト４３０と共に回転するようにそのシャフトに固着されている。大径ヘッド４３７をシャフト４３０の外側部分４４１に形成して、ハウジング４１２に関して回転可能かまたはハウジング４１２の回転に関して静止状態のアーム、ホイール、ギアなどのような他の機械要素と係合させる。開口４３３内には、ハウジング４１２内に湿気、埃及び他の粒子が侵入しないようにＯリング４３５、ブッシングなどを取付けるとよい。
【００５５】
ハウジングの第１半部４１４及び第２半部４１６は、接合、超音波溶接及び／または機械的固着による周知の方法で連結して、ハウジングの２つの半部間の縫い目４３８（図１５）から埃や湿気が侵入しないようにする。
【００５６】
集光体４２０は、弓状部分４２５と直線部分４２７、４２９とを有し、直線部分の端部４２６、４２８が好ましくは共通平面内で終端するように形成された、一般的に細長い、蛍光体ドープまたはシンチレーション光ファイバーで構成するのが好ましい。図示しないが、弓状部分４２５をオーバーラップさせてもよい。弓状部分４２５は、中心に回転軸４３１があるような所定の半径Ｒのものが好ましい。集光体４２０は、上述の集光体４２と同じ構成でよい。
【００５７】
光センサーモジュール４２４は、各々の電気出力が露光レベルの変化に応答して変化する一対の離隔したモノリシック光ダイオードのような一対の離隔した光センサー４４６、４４８（図１６において想像線で示す）より成るのが好ましい。このモジュール４２４は、光センサー４４６、４４８のそれぞれについて電源またはアース接続部４３４と、信号出力接続部４３６、４３８とを有する。あるいは、モジュール４２４の代わりに別体の光センサーを用いることも可能である。光ダイオードだけでなく他の適当な光センサーを使用することが可能であるが、それにはフォトセル、フォトトランジスタ、フォトコンダクターなどが含まれる（これらに限定されない）。
【００５８】
光センサーモジュール４２４は、光センサー４４６、４４８がそれぞれ集光体４２０の端部４２６、４２８に隣接するようにハウジング４１２内に配置するのが好ましい。このようにすると、一方のセンサー４４６が端部４２６における光レベルを検知し、もう一方のセンサー４４８が端部４２８における光レベルを検知する。
【００５９】
光遮断部材４２２は、中央開口４４２及びそれから離隔した窓４４４を有する円形のプレート状ディスク４４０より成るのが好ましい。このディスク４４０は、光源４１８からの光が実質的に遮断されて集光体４２０の実質的な部分に到達しないように、不透明かまたは他の方法でそのように構成するのが好ましい。シャフト４３０は中央開口４４２を貫通し、好ましくは、溶接、接着剤または他の周知の固着方法によりディスク４４０に固着されて、シャフトの回転によりディスクが同時に回転するようにする。窓４４４はディスク４４０を貫通する弓状または円形の開口として形成するのが好ましいが、ディスク上の透明な部分として形成してもよい。透明な部分として形成する場合、ディスク４４０を透明な材料で形成し、一方または両方のディスク表面の窓以外の領域に不透明な被覆を施す。窓４４４は回転軸４３１から所定の距離Ｌだけ離隔しているが、この所定距離Ｌは、ディスク４４０の回転時に窓が集光体の弓状部分と整列するように、弓状部分４２５の半径Ｒと少なくとも実質的に等しくするのが好ましい。このようにすると、ディスク４４０の回転時に、光源４１８からの光が窓を通過して集光体４２０の所定の領域に入射する。集光体４２０に入射する光の領域は、窓のサイズを変えることにより調整することができる。窓４４４を弓状のものとして示したが、円形、正方形または他の任意適当な形状にできることを理解されたい。
【００６０】
図示のように、光源４１８は、放射エネルギーを光遮断ディスク４２２及び集光体４２０の方へ投射するように向けられた一対の白熱電球４５０により構成するのが好ましい。光源４１８は、１またはそれ以上の蛍光灯、発光ダイオード、レーザーダイオードまたは可視スペクトル、紫外スペクトルまたは赤外スペクトル領域で放射エネルギーを放出する他の任意の光源で構成することもできる。
【００６１】
光拡散ディスク４５２を、光源４１８と光遮断ディスク４２２との間でハウジングの第１半部４１４に固着するのが好ましい。光拡散ディスク４５２は、透明または半透明の材料で構成するのが好ましく、光源４１８からの光を光遮断ディスク４２２及び集光体４２０へより均一な態様で分配する粗い表面４５４を有する。この粗い表面４５４を光源４１８と対向する側にあるものとして示したが、この粗い表面を光源から遠い方のディスクの側に追加的にまたは択一的に形成してもよい。光拡散ディスク４５２の中央に、シャフト４３０が十分なクリアランスで貫通するように開口４５６を設ける。
【００６２】
回路板４６０（想像線で示す）は、ハウジングの第１半部４１４に取付けるのが好ましく、光センサーモジュール４２４からの信号を処理する回路（図１４、１５には図示せず）を有する。端子ブロック４６２をハウジングに取付けるが、これは電源端子４６４、アース端子４６６及び回路から処理済み信号を受ける出力端子４６８より成る。信号処理回路を光学変換器から遠く離れた所に設ける場合、この回路板はなくてもよいことがある。この場合、光ダイオードから遠隔の回路へ信号を送る端子だけでなく給電及びアース用端子として４つの端子が必要である。測定用に光ダイオードをただ１個用いる場合、信号処理回路が離れた所にある時は３つの端子があればよい。回路からの信号を遠隔場所で受けるために電源またはアース端子に印加するかまたは無線で伝送する場合、特にハウジングが車両またはそれを取付けた他の物体にアースされている時は、端子はただ１つまたは２個必要であろう。
【００６３】
ハウジングの第２半部４１６は、集光体４２０を収容するための溝４７０を有する。この集光体は接着剤または他の接合方法により溝内に取付けるのが好ましいが、適当なブラケット及び／または締着具（図示せず）により、もしくは摩擦ばめにより取付けてることができる。半円筒状の凹部４７２をハウジングの第２半部４１６の溝４７０の上方に形成して、光センサーモジュール４２０を収容する。電気ワイヤーまたはトレース（図示せず）は、モジュール４２４の端子４３４、４３６、４３８と回路板４６０との間を延びる。コネクタータブ４７６をハウジングの第１半部４１４の上端部に形成し、また同様なタブ（図示せず）をハウジングの第２半分４１６の上端部に形成してもよい。
【００６４】
コネクタープラグ４７８は、ハウジング４１２の上端部に嵌着可能な大きさであり、光学変換器４１０へ電源及びアース電位を供給し、光学変換器４１４からの処理済み信号を受信し、さらに処理済み信号をディスプレイまたは他の出力装置に転送するための端子４６４、４６６、４６８と係合する内部端子（図示せず）を備えている。コネクタープラグ４７８には、ハウジング４１２のコネクタータブ４７６と係合するための凹部（図示せず）が形成されている。これらの凹部はタブと協働して、コネクタープラグ４７８と光学変換器４１０との間の係止可能な接続部を周知の態様で形成する。
【００６５】
本発明のさらに別の実施例によると、集光体４２０は、蛍光体をドープした光ファイバーの代わりに、図７−１３の実施例に関連して述べたハウジング部分４１６のギャップ（図示せず）のある開いたトンネルまたはチャンネルとして形成される溝４７０を有する。
【００６６】
光学変換器４１０の動作を、図１６−１９を参照して説明する。図１６に示すように、光遮断ディスク４２２は、窓４４４が集光体４２０の直線部分４２９に隣接する第１の位置にある。光源４１８からの放射エネルギーは、窓４４４を介して露出された集光体４２０の部分に入射する。集光体４２０の特異な特性により、集光体の端部４２８における光量は端部４２６における光量よりも多い。これは、窓４４４から端部４２８までの光路が窓４４４から端部４２６までの光路よりも短いためである。長い光路を伝送される光は、短い光路を伝送される光よりも多くの屈折または反射を受ける。集光体４２０の各端部４２６、４２８における光強度をそれぞれ光センサー４４６、４４８により測定すると、集光体に関する窓４４４の位置、従ってハウジング４１２に関するシャフト４３０の回転位置が得られる。
【００６７】
光遮断ディスク４２２が矢印４８０の方向に回転すると、集光体４２０に入射する光と端部４２８との間の距離が増加するため、端部４２８における光量が減少する。同様に、集光体４２０に入射する光と端部４２６との間の距離が減少するため、端部４２６における光量が増加する。それぞれ光センサー４４６、４４８を用いて光の強度の増減を測定することにより、ハウジング４１２に関するシャフト４３０の角度位置を表す新しい信号が得られる。
【００６８】
光遮断ディスク４２２の窓４４４が図１７に示す位置に到達すると、端部４２６、４２８における光強度は、集光体４２０に入射する光と端部４２６、４２８との間の光路が実質的に等しくなるため、実質的に等しくなる。光遮断ディスク４２２の窓４４４が図１７の位置から図１８の位置へ移動すると、端部４２６における光強度は、光路が短くなるため集光体４２０の端部４２８における光強度よりも大きくなる。最後に、光遮断ディスク４２２の窓４４４が図１９の位置に来ると、両端部４２６、４２８における光強度は実質的に等しくなり、この光強度は窓４４４と端部４２６、４２８との間の光路が短いため図１７の位置における光強度よりも大きい。
【００６９】
上述の構成は、シャフトの回転方向だけでなくシャフトとハウジングの間の回転または角度位置を連続して求めることができるため、特に有利である。さらに、窓が上方位置にある場合（図１９）と下方位置にある場合（図１７）との間で端部４２６、４２８における光強度が異なるため、シャフトの回転数をモニターすることも可能である。
【００７０】
２つの光センサーを用いるのが好ましいが、特に、光源４１８からの光強度、温度及び他の影響が実質的に一定である環境下において、または光学変換器の断続的な較正を比較的容易に行うことができる場合には、シャフトの位置及び回転方向をシャフトの回転数と共に求めるには、集光体４２０の端部４２６、４２８の一方に隣接して光センサーを一個設けるだけで十分であることを理解されたい。
【００７１】
上述の実施例は方向及び回転を突き止めるのに有用であるだけでなく、磁北に関する方位を求めるコンパスとして使用することもできる。ディスク４４０を磁化するか、または別の磁石をディスクにそれと共に回転可能なように接続して、ディスクが磁北の方に回転するようにしてもよい。
【００７２】
図２０−２２は、本発明のさらに別の実施例による光学角度変換器５０の概略図である。この光学角度変換器５０は、弓形の密封容器５５２、密封容器の第１の側５５５に隣接し密封容器の形状に従う細長い集光体５５４、集光体５５４とは反対の密封容器の第２の側５５７にあり密封容器の方へ光を放射する光源５５６、及び集光体５５４のそれぞれの端部５６２及び５６４に隣接する光センサー５５８、５６０を有する。密封容器５５２は不透明な光遮断性液体５６６、または砂もしくは他の粒状物のような液体のような性質を呈する他の流動性物質を含むのが好ましいが、密封容器を満杯にしないため比較的透明なバブルまたは窓５６８が密封容器内を第１の側部５５５から第２の側部５５７へ延びている。
【００７３】
集光体５５４は、蛍光体をドープした光ファイバーより成る、図１を参照して説明した集光体と同様な構成を備えたものでよい。本発明の別の好ましい実施例におけるこの集光体５５４は、開いたトンネルまたはチャンネルより成る、図７−１４の実施例に関連して説明した集光体と類似の構成を有する。集光体５５４が蛍光体をドープした光ファイバーかまたは開いたチャンネルより成るかには無関係に、集光体５５４が受ける光はその端部５６２、５６４へ伝送され、光センサーにより検知される。光源５５６及び光センサー５５８、５６０は、任意の変形例を含む上述した構成でよい。
【００７４】
放射エネルギーが光源５５６から密封容器５５２へ伝送されると、放射エネルギーの一部は窓５６８を介して集光体５５４へ透過するが、不透明な液体により放射エネルギーが少なくとも実質的に遮断され、集光体５５４へ到達できない。
【００７５】
図２０に示すように、窓５６８は、密封容器５５２の端部間のほぼ中間位置、従って、集光体５５４の端部５６２と５６４の間の中間位置にある。この位置では、光センサーからの信号はほぼ等しい。光学変換器が傾斜して図２０に示す姿勢から図２１の姿勢に変化すると、不透明な液体５６６が重力の作用により密封容器の最下点へ流動するため、窓５６８が密封容器の端部５６４の方へ移動して、密封容器の最上点に到達する。従って、端部５６４における光量が増加し、端部５６２における光量が減少する。集光体５５４の端部５６４、５６２における光強度の増加及び減少は、それぞれ光センサー５６０、５５８により測定されるが、これが水平または垂直方向に関する光学変換器５５６の角度位置を表す新しい信号を与える。
【００７６】
同様に、光学変換器が反対方向に傾斜して図２２の姿勢になると、不透明な液体５５６が重力の作用下で最下点へ流れるため、窓５６８は密封容器の端部５６２の方へ移動して、最後に密封容器内の最上点に到達する。従って、端部５６４における光量は減少するが、端部５６２における光量は増加する。集光体５５４の端部５６２、５６４における光強度の増加及び減少を光センサー５５８、５６０がそれぞれ測定するため、水平または垂直方向に関する光学変換器５５０の角度位置を表す新しい信号が得られる。
【００７７】
上述の実施例におけると同様に、信号強度が光センサーの一方または両方で増加するか減少するかをチェックすることにより傾斜方向を容易に突き止めることができる。
【００７８】
所望であれば、かかる光学変換器５５０を２個、互いに横断する平面に配置することにより、光学変換器が連結された物体の傾斜量及び回転量を求めることができる。
【００７９】
光学変換器５５０を弓状の密封容器を備えたものとして示すが、密封容器は実質的に直線状の部材として形成できることを理解されたい。前の実施例と同様に、光センサーをただ１個用いて、光学変換器５５０の角度方位を求めることができる。さらに、光源及び集光体の位置を密封容器に関して逆転させてもよい。
【００８０】
図２３は、本発明のさらに別の実施例による光学変換器５８０を略示する。光学変換器５８０は、ハウジングまたは基礎部材５８１、基礎部材に装着されたリング状密封容器５８２、リング状部分５８９が密封容器の外周側５８５に隣接しその容器の形状に従う細長い集光体５８４、集光体５８４とは反対の密封容器の内周側５８７の中心に位置し密封容器の方へ光を送る光源５８６、及び集光体５８４の端部５９２、５９４にそれぞれ配置された光センサー５８８、５９０を有する。密封容器５８２内には不透明な液体５９６または砂もしくは他の粒状物質などのような液体類似の性質を有する他の流動性材料を容れるが、密封容器の外側５８５から内側５８７へ比較的透明なバブルまたは窓５９８が延びるように密封容器は満杯までは充填しない。
【００８１】
集光体５８４は、蛍光体をドープした光ファイバーより成る、図１を参照して上述した集光体と同一構造のものでよい。本発明の別の好ましい実施例における集光体５８４は、開いたトンネルまたはチャンネルより成る、図７−１４の実施例に関連して上述した集光体と同一の構成である。集光体５８４が蛍光体をドープした光ファイバーかまたは開いたチャンネルより成るかには無関係に、集光体５８４が受ける光はその端部５６２、５６４へ伝送されて光センサーにより検知される。
【００８２】
図示はしないが、集光体５８４のリング状部分５８９は、３６０度にわたる連続測定が可能なようにそれ自体オーバーラップさせてもよい。光源５８６は、放射エネルギーが内周側５８７の全体にわたる入射するように円形の光パターンを放射するのが好ましい。光センサー５８８、５９０もまた、任意の変形例を含む図１の実施例に関連して上述した構成のものでよい。
【００８３】
光源５８６からの放射エネルギーが密封容器へ伝送されると、その一部は窓５９８を介して集光体５８４へ伝送されるが、不透明な液体により実質的に遮断されるため、集光体５８４に到達できない。角度変換器５８０が傾斜または回転運動を受けると、窓５９８は常に密封容器の最上点を維持する。集光体５８４は窓に対して回転するため、窓と集光体５８４の端部５９２、５９４との間の光路の長さが変化し、それによる各端部５９２、５９４における光強度が変化する。集光体の各端部５９２、５９４における光強度をそれぞれ光センサー５８８、５９０により測定すると、窓５９８の位置、従って、光学変換器５８０の傾斜または回転を測定することができる。この実施例は、測定可能な角度範囲が大きいこと及び図１４の実施例と同様な態様で変換器５８０の回転数を測定可能である点で、図２０−２２の実施例より特に優れている。
【００８４】
図２４−２７は、本発明のさらに別の実施例に光学変換器６００の概略図である。光学変換器６００は、中空の容器または密封容器６０２、この密封容器に取付けるかその上に形成された一対の集光体６０４、６０６、容器内に放射エネルギーを投射するように装着された光源６０３（想像線で示す）、集光体６０４の端部６０５、６０７にそれぞれ設けられた光センサー６０８、６１０、及び集光体６０６の端部６０９、６１１にそれぞれ配置された光センサー６１２、６１４を有する。
【００８５】
容器６０２は円筒形であるのが好ましく、底壁６２０と頂壁６２２との間に接続されて中空の内部空間６１８を形成する連続した壁部６１６を有する。この中空の内部空間６１８には、不透明な光遮断性液体６２４または砂もしくは他の粒状材料などのような液体類似の性質を呈する流動性材料が入っており、好ましくはその容器を半分位満たしている。図２５に示すように、この容器６０２は透明な材料で形成するのが好ましく、周囲の光が集光体６０４、６０６に入射するのを阻止するため不透明な材料の外側層６２６で覆われている。
【００８６】
集光体６０４、６０６は、蛍光体をドープした光ファイバーより成る、図１を参照して上述した集光体と同じ構成のものでよい。本発明の別の好ましい実施例における集光体６０４、６０６は、実質的に透明な棒または管体を挿入した開いたトンネルまたはチャンネルより成る、図１３の実施例に関連して上述した集光体と同一構成である。集光体６０４、６０６は、好ましくは、容器の中心軸６２８と平行に、連続する壁部６１６に装着するか、またはその上に形成される。集光体６０６は、集光体６０４から円周方向に９０度の角度離隔させるのが好ましい。
【００８７】
動作について説明すると、光源６０３は放射エネルギーを容器６０２内に、そして不透明な液体６２４により覆われていない集光体６０４、６０６上に投射する。光学変換器が水平な表面の上に位置する場合、これらの集光体は実質的に同じように不透明な液体により覆われるかまたは覆われない状態にある。この姿勢では、集光体の上端部６０５、６０９における光量は実質的に等しく、集光体の下端部６０７、６１１における実質的に等しい光量よりも多い。集光体の上端部と下端部との間の光度差は、集光体に入射する光源６０３の位置による。従って、上方の光センサー６０８、６１２が発生する信号は実質的に等しく、下方の光センサー６１０、６１４が発生する実質的に等しい信号よりも大きい。
【００８８】
光学変換器６００が第１の平面内で傾斜して図２４の姿勢から図２６の姿勢になると、光源６０３からの放射エネルギーに露光される集光体６０４の部分が大きくなる。従って、集光体６０４の端部における光強度が増加し、それに応じて光センサー６０８、６１０の信号出力が増加する。図２６に示す姿勢において、光センサー６０８の信号出力は光源２０３の位置により既にその最大値に近いため、信号出力の変化量は下方の光センサー６１０の信号出力の変化量よりも格段に小さい。同様に、光学変換器６００が１つの表面内で傾斜して図２４の姿勢から図２７の姿勢へ変化すると、光源６０３からの放射エネルギーに露光される集光体６０４の部分が減少する。従って、集光体６０４の端部における放射エネルギーの強度が減少し、それに応じて信号出力が減少する。再び、光源６０３の位置により、集光体６０４の下端部６０７における放射エネルギーの減少量は通常、上端部６０５における放射エネルギーの減少量に比べると格段に大きい。
【００８９】
光学変換器が第１の平面内で傾斜する際、集光体６０６の端部における光強度は実質的に変化しない。光学変換器が第１の平面とは垂直の第２の平面内で傾斜すると、集光体６０６の端部における光強度は上述した集光体６０４と同じような態様で変化するが、集光体６０４の光強度は実質的に変化しない。両方の平面内で同時に傾斜が生じると、集光体６０４、６０６の端部における光強度は傾斜の大きさに比例して同時に変化する。
【００９０】
各集光体につき２つの光センサーを設けているが、各集光体に１個の光センサーを用いてもよい。各集光体について１個の光センサーを用いる場合、測定帯域幅を最大にするために集光体の下端部６０７、６１１に光センサーを設けるのが好ましい。
【００９１】
図２８−３０は、本発明のさらに別の実施例による光学変換器６４０を示す。この光学変換器６４０は、加速度、流体の流れ、重力などによる力の測定に有用である。光学変換器６４０は、ハウジング６４２、ハウジングに装着された集光体６４４、ハウジングに装着され集光体上に放射エネルギーを投射する光源６４６、ハウジングの光源近くに固着された光遮断部材６４８、及び集光体の端部６５４、６５６にそれぞれ位置する一対の光センサー６５０、６５２を有する。集光体６４４、光センサー６５０、６５２及び光源６４６は、図１の実施例に関連して上述したように構成可能である。本発明の別の実施例によると、集光体６４４は、開いたトンネルまたはチャンネルより成る、図７−１４の実施例に関連して上述した集光体と同じ構成である。
【００９２】
ハウジング６４２は半球状であるのが好ましく、内部に円弧状表面６６２のある上方の円弧状壁部６５８と、内部の円弧状表面６６２と協働して中空の内部空間６６６を形成する内側表面６６４を備えた下方の壁部６６０とを有する。ハウジングの直径方向に対向する側部には、一対の開口６６８、６７０が形成されている。
【００９３】
集光体６４４は内部の円弧状表面６６２に設けるのが好ましく、一方、光源６４６は下方の壁部６６０に取付けるのが好ましい。
【００９４】
光遮断部材６４８は、金属またはプラスチックのような薄いシート材で形成するのが好ましく、直接の印加または誘導による力を受けると、ある量の撓みを示す。この撓み量は、測定すべき力の特定の範囲に応じて異なる。光遮断部材６４８は、下方の壁部６６０に片持ばり式で固着するのが好ましく、第１の端部６７２は内側表面６６４上の段部６７４に固着され、外側の自由端部６７６は中立位置において常態では集光体６４４に隣接する。
【００９５】
風速のような流体流量計として用いる場合、ハウジング６４２を基部（図示せず）上に回転可能に装着し、翼６７８（図２８で想像線により示す）を一方の開口が常に風の方向に向くようにハウジングに装着する。パイプまたは導管内のような同一方向または互いに反対方向に常に流れる流体の流れを測定するには、翼を取外し、開口が流体の流れ方向に向くようにして、ハウジング６４２をパイプまたは導管内で移動しないように装着すればよい。
【００９６】
動作について説明すると、光遮断部材６４８は、流体の流れまたは他の力を受けない時、最初は図２９に示す中立位置にある。この位置において、光源６４６からの放射エネルギーは集光体６４４のほぼ半分に到達しないように遮断される。光センサー６５０、６５２が集光体に入射する光の量を検知する。流体が６８０で示す方向に開口６６８を流れ、ハウジングの中空内部空間６６９に流入すると、光遮断部材は図３０で示すように押されて撓曲位置にくる。撓み量は、光遮断部材の剛性と流体速度または加速度の関数である。光遮断部材が撓むと、放射エネルギーに露光される集光体の部分が増加し、それに応じた、集光体の端部６５４、６５６における光強度の増加が光センサー６５０、６５２により測定される。前の実施例と同様に、集光体の端部６５６における光強度の増加量は、集光体６４４に入射する光源６４６の位置により、端部６５４における光強度の増加量よりも大きい。従って、光センサー６５２は光センサー６５０よりも大きな信号変化を示す。流体の流れが反対方向である場合、光遮断部材６４８は反対方向に撓み、放射エネルギーに対して集光体の大きな部分を遮断する。
【００９７】
光学変換器６４０を加速度（減速度を含む）、振動などを測定する力変換器として用いる場合、開口６６８、６７０をなくして、鉱油のような比較的透明な制動用流体を中空内部空間６１６内に容れるとよい。光減衰部材６４８が片持ばり方式で装着されているため、力が加わると、光遮断部材につき選択された特定の可撓性に応じて、所定量の撓みが発生する。力と直接関係がある撓み量は、１またはそれ以上の光センサー６５０、５６２により測定可能である。所望であれば、印加される力の応答性を増加させるように、光遮断部材６４８の外側自由端部６７６に錘（図示せず）を装着してもよい。
【００９８】
上述した構成は、水平方向または垂直方向に関する光学変換器６４０の方位及び回転方向の測定にも利用できる。光学変換器が回転中である場合、特に外側自由端部に錘を装着した光遮断部材は、重力による力が増加すると大きく撓む。再び、撓み量は、光遮断部材の可撓性とその部材に装着した錘の重量との関数である。
【００９９】
さらに別の実施例において、光源を光遮断部材と共に運動するように装着するか、または光遮断部材それ自体が可撓性の光ファイバー、光パイプなどを備えるようにするか、もしくは光遮断部材を放射エネルギーを集光体２４４上に投射する可撓性の光ファイバーにより構成することが可能である。
【０１００】
図３１及び３２は、本発明のさらに別の実施例による光学変換器６８０を示し、前の実施例と同じ部分は同一の参照番号で指示する。この実施例の下方の壁部６６０には、制動チェンバー６８６が形成されている。この壁部６６０の枢動接続部６８４には比較的剛性の光遮断部材６８２が枢着され、光遮断部材の下端部６８８は制動チャンバー内に延びる。この下端部６８８には、力の印加または誘導がない時には制動部材が中立位置に復帰するように錘６９０が装着されている。この錘６９０の代わりに復帰ばねまたは同様な機構を使用してもよい。制動流体を制動チェンバー６８６内に容れて、光遮断部材６８２の回転運動が減衰するようにするのが好ましい。
【０１０１】
光学変換器６８０の動作は、光遮断部材６８２が力の印加または誘導時に枢動接続部６９０を中心として枢動するという点を除けば、前の実施例と同じである。このように、枢動方向に応じて、光源６４６からの放射エネルギーに露光される集光体６４０の部分が増加したり減少したりする。放射エネルギーに露光される集光体の長さを、光センサー６５０、５６２の一方または両方で測定する。
【０１０２】
本発明のさらに別の実施例では、光源６４６を光遮断部材と共に運動するようにその部材の外側自由端部６７６に配置する。さらに別の構成では、光遮断部材それ自体が、集光体２４４上に放射エネルギーを投射する光ファイバー、光パイプなどを備えるようにしてもよい。
【０１０３】
図３３、３４は、本発明のさらに別の実施例による光学回転変換器７１０を示す。この光学回転変換器７１０は、基部７１２、中心軸７１６を中心として基部に関し回転する光遮断部材７１４、及び矢印７１８で示すように光を実質的に均一な態様で光遮断部材７１４の方へ投射するのが好ましい光源を有する。
【０１０４】
連続する開いた集光トンネルまたはチャンネル７２０として構成された集光体は、基部７１２に形成されている。図示のように、集光チャンネル７２０は、窓またはギャップ７２２を介して光遮断部材７１４の方へ開いている。特定の用途に応じて、異なる直径の２つ以上の集光チャンネルを基部７１２に設けてもよい。チャンネル７２０を含む基部７１２は不透明な材料で形成するのが好ましいが、内側に反射性被覆を設けてもよい。前の実施例と同様に、ギャップ７２２の幅Ｗは、チャンネル７２０の断面寸法Ｘよりも小さいのが好ましい。チャンネルの断面が実質的に円形である場合、幅Ｗは、断面寸法Ｘで示すチャンネルの直径よりも小さいのが好ましい。孔部７２４が集光チャンネル内に延びるが、その位置における入射光の量を検知するために光センサー７２６をチャンネル内の孔部内に配置するのが好ましい。光センサー７２６は上述した光センサーと同じものでよい。光センサー７２６は、チャンネルを進行する光を検知するために孔部及び／またはチャンネル７２０内に十分に延びるようにするのが好ましい。あるいは、光ファイバーまたは光ファイバーの束（図示せず）の一端を孔部及び／またはチャンネル内に位置させ、光センサーを光ファイバーまたは光ファイバーの束の反対端部に配置して、チャンネル内のその位置における入射光の量を検知するようにしてもよい。さらに別に光センサー７２８及び孔部７３０を孔部７２４及び光センサー７２６から１８０度離れた所に設けることにより、チャンネル７２０の周りにおける入射光の移動方向を検知または検証するようにすると好ましい。チャンネル７２０の周りの離隔した位置に他の光センサーを配置することも可能である。例えば、４個の光センサーを用いる場合、これらを９０度のインターバルでチャンネル７２０の周りに配置するとよい。
【０１０５】
光センサー７２６、７２８をチャンネル７２０の底部における光を検出するものとして示したが、１個またはそれ以上の光センサーを、想像線で示す光センサー７２６、７２８のようにチャンネルの側部における光を検出するように配置することも可能である。
【０１０６】
光遮断ディスク７１４は、不透明な材料で形成するのが好ましい。開口または窓７３０は光遮断ディスク７１４を軸方向にその上面７３２から下面７３４へ貫通するのが好ましい。このようにすると、光遮断ディスク７１４に入射する光は窓７３０を通過して基部７１２のチャンネル７２０に入射する。シャフト７３６は、シャフトにかかる回転方向の力に応答してディスクをその中心軸を中心として回転させるために光遮断ディスク７１４に固定するのが好ましい。傾斜を測定するためにディスクの一方の側に錘をつけるか、または磁北に関する方位を求めるために磁化するか、もしくは回転角度及び回転数を測定するために平衡させることができる。
【０１０７】
光学回転変換器７１０は、図１６−１９を参照して上述した光学変換器４１０と同じように動作する。光遮断ディスク７１４が窓７１０が孔部７２４に隣接する第１の位置にある時、光源から窓７３０を介して投射される放射エネルギーはチャンネル７２０に入射する。チャンネル７２０の特異な構成により、光センサー７２６には光センサー７２８と比較して多量の光が流入する。入射光がチャンネルを介して光センサー７２８の方へ反射及び／または屈折すると、光はチャンネル７２０から反射してギャップ７２２を通る。従って、光センサー７２６により検知される光強度は光センサー７２８により検知される光強度より大きいため、チャンネル７２２に対する窓の位置、従って、基部７１２に関するディスク７１４の回転位置を表す信号が得られる。
【０１０８】
ディスクが図３３で見て時計（または反時計）方向に回転すると、窓７３０を介して投射される光は光センサー７２８の方へ、そして、光センサー７２６から離れる方向へチャンネルに沿って進む。チャンネル７２０に入射する光と光センサー７２６との間の距離が増加し、入射光と光センサー７２８との間の距離が減少する。このため、光センサー７２６における光強度が減少すると共に光センサー７２８における光強度が増加する。光センサー７２８、７２６のそれぞれにおける光強度の増加及び減少は、基部７１２に関するディスク７１４の回転位置及び進行方向を示すものである。窓７３０が回転して光センサー７２８を通過すると、チャンネル７２０への入射光と光センサー７２８との間の距離が増加するため、光センサー７２８における光量が減少する。同様に、チャンネル７２２に入射する光と光センサー７２６との間の距離が減少するため、光センサー７２６における光量が増加する。
【０１０９】
上記構成は、光遮断部材と基部と間の相対的な回転または角度位置だけでなく回転方向を連続測定できる点で有利である。さらに、光センサーにおける光強度の差により、シャフトの完全回転数もモニターすることができる。
【０１１０】
２つの光センサーを用いることが好ましいが、チャンネル７２０の特定位置における光量を検知するために配置された単一の光センサーにより十分にディスクの位置、回転方向、完全回転数を測定可能であることがわかる。
【０１１１】
図３５は、本発明のさらに別の実施例による基部７４０の断面図であり、前の実施例と同じ部分を同一の参照番号で示す。基部７４０は、集光チャンネル７２０の断面が矩形である点を除き、上述した基部７１２と同一構成である。集光チャンネル７２０の断面を三角形、卵形、八角形または他の多角形だけでなく他の形状にしてもよいことがわかるであろう。ギャップ７２２の幅Ｗは、断面寸法Ｘよりも小さいのが好ましい。チャンネル７２０が矩形である場合、断面寸法はチャンネル幅である。
【０１１２】
図３６、３７は、本発明のさらに別の実施例による光遮断ディスク７５０を示す。光遮断ディスク７５０は、開口または窓７５２がディスクをその上面７５４と下面７５６との間で下面７５６に関して角度Ａで貫通する点を除き、上述した光遮断ディスク７１４と同一構成である。このようにすると、光が窓７５２を通って投射されることにより、集光チャンネル７２０に流入する光の角度が変化する。
【０１１３】
光遮断部材を上述の実施例の各々について説明したが、この光遮断部材を取去り、光源と集光体とを相対運動可能にし、集光体に入射する光の位置を変化してもよいことがわかるであろう。
【０１１４】
図３８、３９は、２つの互いに垂直な軸に沿う運動を測定するための本発明のさらに別の実施例による光学変換器７６０を示す。この光学変換器７６０は基部７６２を備えており、その基部には集光トンネルまたはチャンネル７６４のアレイが形成されている。図示のように、各チャンネル７６４は幅Ｗの窓またはギャップ７６６を有し、この幅は上述したチャンネルの断面寸法Ｘよりも小さいのが好ましい。チャンネルの断面が図示のように円形である場合、断面寸法はチャンネルの直径であるのが好ましい。チャンネルが図３５のチャンネル７２０のように別の断面形状を有する場合、断面寸法Ｘはチャンネルの幅であるのが好ましい。各チャンネルの上端部及び下端部にそれぞれ上方の光センサー７７０及び下方光センサー７７２を設けて、上端部及び下端部における放射エネルギーの強度を検知すると好ましい。上方及び下方の光センサーを別個のコンポーネントとして示したが、それらは光センサーのアレイとして実現することも可能である。あるいは、光ファイバーまたは他の光ガイドの端部を各チャンネルの端部に配置して、チャンネルの端部における放射エネルギーを遠隔場所に導き、遠隔の光センサーまたは光センサーアレイで測定できるようにしてもよい。
【０１１５】
使用方法について説明すると、平行にした光ビームのような光ビーム７７４を、１またはそれ以上のチャンネル上に投射する。光ビームが矢印７７６で示すようにチャンネルと平行な第１の方向に進むと、関連のチャンネルの上端部における光が光強度は増加するが、関連のチャンネルの下端部における光強度は減少する。同様に、光ビーム７７４が矢印７７８で示す、第１の方向とは反対の第２の方向に進むと、関連のチャンネルの上端部における光強度は減少するが、関連のチャンネルの下端部における光強度は増加する。光ビーム７７４が矢印７８０、７８２で示す方向でチャンネルを横切ると、１つのチャンネルの上端部及び下端部における光強度はそれに応じて減少するが、隣接チャンネルの上端部及び下端部における光強度はそれに応じて増加する。光強度のこの比例的な減少及び増加は、チャンネルを横切る光ビーム７７４の進行方向と位置とを共に示すものである。従って、光ビーム７７４の運動を光学変換器７６０上の任意の位置で検知することにより２つの物体間の２つの互いに垂直な軸における相対運動を測定することができる。同様なアレイまたは単一のチャンネルを基部７６２に垂直に配向することにより、３つの互いに垂直な軸における運動を測定することが可能である。
【０１１６】
本発明の別の好ましい実施例によると、蛍光体をドープした複数の光ファイバーを互いに平行に並置して、光ビームの運動方向を求めることができる。好ましくは、直径が０．２５ｍｍの光ファイバーのような比較的細い、蛍光体をドープした光ファイバーを使用する。各光ファイバーの端部を、それぞれ異なる光センサーまたは光センサーアレイ上の光センサー素子と接続するために、隣接する光ファイバーから分離することができる。
【０１１７】
図４０は、本発明のさらに別の実施例による集光体７９０を示す。この集光体７９０は、好ましくは、基体７９４の閉じたトンネル７９２として形成される。透明または半透明の窓７９６を基体と一体的に形成して、窓を介してトンネル７９０が受ける光の一部が、上述したようにトンネルの長さに沿って反射及び／または屈折するようにする。窓７９６を基体の薄壁として形成するかまたは窓が周囲の基体と比べて大きい半透明度または透明度を有するように周りの基体よりも密度を少なくする。あるいは、窓を別個に形成して基体に固着するか、もしくは押出し成形、射出成形または他の成形作業時に同時に形成してもよい。トンネル７９２の内側表面を反射面にしてもよい。基体をプラスチック材料で形成する場合、トンネルの表面上に真空蒸着または他の周知の被覆方法により反射性被覆を形成することができる。基体を金属材料で形成する場合、トンネルの表面を電気研磨またはメッキすることにより反射性表面を形成することができる。
【０１１８】
上記実施例の各々における蛍光体をドープした光ファイバー及び開いたトンネルの代わりに、集光体７９０を用いて、集光体上に入射する光の一部がその長さに沿って進む間に光の一部がその長さに沿って失われるようにしてもよい。
【０１１９】
図４１は、上述の実施例の各々に使用可能な電気的処理回路８００の概略図である。この回路８００は、回路板２４２（図８）、回路板（図１４）上に、または光学変換器から離れた場所に設けることが可能であり、好ましくは、マイクロプロセッサー８０２、マイクロプロセッサーに接続された電源８０４、マイクロプロセッサーにそれぞれ信号増幅器８１０、８１２を介して接続された光センサー８０６、８０８、及びマイクロプロセッサーにディスプレイドライバー８１６を介して接続されたディスプレイ８１４を有する。信号増幅器には種々のタイプが多数あるが、低コスト、単一の電源で動作できる点及び所望の利得を設定するのが比較的容易な点で、デュアルタイプの演算増幅器を信号増幅器８１０、８１２として用いるのが好ましい。多くの例において光センサーに信号増幅器が必要であろうが、光センサーの信号はマイクロプロセッサーが受信するに十分な大きさであればこの増幅器は不要であろう。信号強度は、光源の光の強度、センサーのタイプ、光源にさらされる集光面積の大きさだけでなく集光体の直径及び他の断面寸法に応じて変化させることが可能である。
【０１２０】
光センサー８０６、８０８が発生するアナログ信号を増幅して、マイクロプロセッサー８０２の種々の入力ポートに送るのが好ましい。マイクロプロセッサーの入力ポートは、信号を受信してさらに処理を行う前にデジタル信号に変換するアナログ入力ポートであるのが好ましい。あるいは、別個のＡ／Ｄコンバーターまたは単一のＡ／Ｄコンバーターを備えたマルチプレクサーを設けてもよい。光センサー８０６、８０８からの変換済み信号をマイクロプロセッサー８０２において正規化すると、経年変化及び他のファクターだけでなく温度の変動に起因する光源の光出力のばらつきを補償することができる。光ダイオードの正規化は、変換済み光センサー信号を数学的に操作することにより行う。一例として、下記の正規化方程式をマイクロプロセッサーにプログラムすることができる。
【０１２１】
Ｄ_Ｎ＝Ｄ_１−Ｄ_２／Ｄ_１＋Ｄ_２
上式において、Ｄ_Ｎは正規化出力、Ｄ_１は光センサー８０６からの信号、Ｄ_２は光センサー８０８からの信号である。集光体に関する入射光の位置に応じて、正規化出力は正または負である。必要に応じて正規化出力をさらに処理し、周知の態様でディスプレイドライバー８１４を介してディスプレイ８１６へ送ることができる。
【０１２２】
本明細書中の用語「不透明」は、光遮断部材の運動を検知可能にするために集光体からの十分な量の光を遮断する任意の材料を意味する。従って、ある特定波長の放射エネルギーをフィルタリングにより除去する半透明の光遮断部材も上記実施例への使用に好適であろう。上述の実施例に浮き及び光遮断部材を球形、円弧状及びディスク状のものとして図示したが、それらは、集光体の一部が光遮断部材の運動時に光源からブロックされる限り円筒状でも他の任意の形状でもよい。
【０１２３】
本明細書中の用語「上方」、「下方」、「内側」、「外側」、「水平」及び「垂直」だけでなくそれらから派生する用語及び表現及び方向及び位置に関する他の用語は、絶対的な方向または位置でなくて相対的な方向または位置を示すものと理解されたい。
【０１２４】
さらに、本明細書中の用語「光」は電磁スペクトルの可視領域に限定されず、赤外領域、可視領域、紫外領域の電磁エネルギーを含むものであり、また他の領域も包含することを理解されたい。
【０１２５】
本発明を上記の実施例に関連して説明したが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形状及び詳細事項についての変形例を想到できるであろう。
【０１２６】
さらに、上述の実施例の各々において、１またはそれ以上の光センサーを、光ファイバー、光パイプ、導管または他の光透過手段のような１またはそれ以上の中間構造体により集光体の端部から分離してもよい。さらに、光源及び／または光センサーを上述したものとは異なる方向及び／または位置に配置することが可能であり、また鏡、レンズ、光ファイバーなどを組み込んで放射エネルギーを集光体へ送るかまたは集光体から受けるようにしてもよい。
【０１２７】
液体レベルを検知または測定する上記実施例に関連して、液体のような流れ特性を呈する他の物質のレベルを粒子、砂などのように本発明により測定することができる。従って、明細書中の用語「液体」はかかる物質にも適用することができる。さらに、集光体を管状部材の壁に配置したものを示したが、この集光体をその内側表面または外側表面に配置してもよいことがわかるであろう。加えて、集光体を管状部材の周りにらせん状に配置して、集光体の長さを増加させ、従って液体レベルの変化に対する変換器の感度を増加することも可能である。
【０１２８】
さらに、上述した一部の実施例における管状部材及び集光体の断面形状は実質的に円形であるが、卵形、三角形、矩形または他の多角形、円弧状などのような他の断面形状を管状部材及び／または集光体に使用することができる。
【０１２９】
かくして、上述した実施例は全ての点において例示的であるにすぎず、限定的なものではない。従って、本発明の範囲は、上記説明でなくて頭書の特許請求の範囲によって示されるものである。特許請求の範囲の均等物の意味及び範囲内に含まれる全ての変形例及び設計変更は、本発明の範囲内に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、容器に取付ける本発明の第１の実施例による光学流体レベル変換器の断面立面図である。
【図２】
図２は、図１の線２−２に沿う光学流体レベル変換器の拡大断面図である。
【図３】
図３は、本発明の別の実施例による光学流体レベル変換器の断面立面図である。
【図４】
図４は、図３の線４−４に沿う光学流体レベル変換器の拡大断面図である。
【図５】
図５は、本発明の別の実施例による光学流体レベル変換器の断面立面図である。
【図６】
図６は、図５の線６−６に沿う光学流体レベル変換器の断面図である。
【図７】
図７は、本発明のさらに別の実施例による光学変換器の裏面斜視図である。
【図８】
図８は、図７の光学変換器に用いる端部キャップの拡大正面斜視図である
【図９】
図９は、本発明のさらに別の実施例による光学線形変換器の斜視図である。
【図１０】
図１０は、本発明のさらに別の実施例による変換器の拡大平面図である。
【図１１】
図１１は、本発明のさらに別の実施例による一体的に形成した光学流体レベル変換器及び流体を入れた容器の断面図である。
【図１２】
図１２は、図１の線１２−１２に沿う液体を入れた容器及び流体レベル変換器の一部を示す断面図である。
【図１３】
図１３は、液体を入れた容器及び本発明のさらに別の実施例による流体レベル変換器の一部を示す、図１２に類似の断面図である。
【図１４】
図１４は、本発明のさらに別の実施例による光学変換器の展開斜視図である。
【図１５】
図１５は、図１４の光学変換器を組立てた状態で示す斜視図である。
【図１６】
図１６は、図１４の光学変換器の一部の正立面図であり、光遮断部材を第１の回転位置で示す。
【図１７】
図１７は、図１６に類似の図であり、光遮断部材を第２の回転位置で示す。
【図１８】
図１８は、図１６に類似の図であり、光遮断部材を第３の回転位置で示す。
【図１９】
図１９は、図１６に類似の図であり、光遮断部材を第４の回転位置で示す。
【図２０】
図２０は、本発明の別の実施例による光学変換器を第１の姿勢で示す正立面図である。
【図２１】
図２１は、図２０に類似の、光学角度変換器を第２の姿勢で示す正立面図である。
【図２２】
図２２は、光学変換器を第３の姿勢で示す、図２０に類似の正立面図である。
【図２３】
図２３は、さらに本発明のさらに別の実施例による光学角度変換器の正面図である。
【図２４】
図２４は、本発明のさらに別の実施例の光学角度変換器を第１の配向で示す正立面図である。
【図２５】
図２５は、図２４の線２５−２５に沿う光学角度変換器の断面図である。
【図２６】
図２６は、光学角度変換器を第２の姿勢で示す図２４に類似の図である。
【図２７】
図２７は、光学角度変換器を第３の姿勢で示す図２４に類似の図である。
【図２８】
図２８は、本発明のさらに別の実施例による光学力／流れ変換器の斜視図である。
【図２９】
図２９は、図２８の線２９−２９に沿う光学変換器の断面図であり、光遮断部材を第１即ち中立位置で示す。
【図３０】
図３０は、光遮断部材が第２の位置にある、図２９に類似の断面図である。
【図３１】
図３１は、光遮断部材が第１即ち中立位置にある、本発明のさらに別の実施例による光学変換器を示す、図２９に類似の断面図である。
【図３２】
図３２は、光遮断部材が第２の位置に回転した状態の光学変換器を示す、図３１に類似の断面図である。
【図３３】
図３３は、本発明による光学回転変換器の斜視図である。
【図３４】
図３４は、図３３の線３４−３４に沿う光学回転変換器の断面図である。
【図３５】
図３５は、図３４の光学回転変換器のための本発明のさらに別の実施例による集光体を示す断面図である。
【図３６】
図３６は、図３４の光学回転変換器に用いる本発明の別の実施例による光遮断部材の平面図である。
【図３７】
図３７は、図３６の線３７−３７に沿う光遮断部材の一部を示す断面図である。
【図３８】
図３８は、本発明のさらに別の実施例による複軸光学位置変換器の平面図である。
【図３９】
図３９は、図３８の線３９−３９に沿う複軸光学位置変換器の断面図である。
【図４０】
図４０は、上記実施例のうち任意の実施例に用いることのできる本発明のさらに別の実施例による集光体の断面図である。
【図４１】
図４１は、本発明の光学変換器の全ての実施例に使用可能な電気的信号処理回路のブロック図である。

Claims (52)

1. 放射エネルギーを放出する光源と、
   基礎部材と、
   光源から放射エネルギーを受けるように配置された細長い集光体であって、基礎部材に形成されたトンネルと、トンネルの長さ方向に延びる窓とを有し、光源から窓を介してトンネル内に入射する放射エネルギーがトンネルの長さ方向に伝送されると、その一部がトンネルから流出するためトンネルの長さに沿って光の強度を変化させる細長い集光体と、
   トンネル内の或る場所における放射エネルギーの量を検知するように配置された少なくとも１つの光センサーとより成り、
   トンネルの或る場所における放射エネルギーの強度が入射する放射エネルギーと少なくとも１つの光センサーとの間の少なくとも相対位置を示す光学変換器。
2. 窓は、基礎部材の開いたギャップとして形成されている請求項１の光学変換器。
3. ギャップの幅は、トンネルの断面寸法より小さい請求項２の光学変換器。
4. 窓の幅は、トンネルの断面寸法より小さい請求項１の光学変換器。
5. 光源と集光体とは相対的に可動であるため、トンネルの或る場所における放射エネルギーの強度が変化する請求項１の光学変換器。
6. 光源と細長い集光体の少なくとも一部との間を延びて集光体から放射エネルギーの少なくとも一部を遮断する光遮断部材をさらに備えており、光遮断部材と集光体とは集光体に入射する放射エネルギーの位置を変化させることによりトンネルの或る場所へ伝送される放射エネルギーの量を変化させるように相対的に可動である請求項１の光学変換器。
7. 基礎部材は中心軸と、その中心軸に平行に延びる細長い管状部材とより成り、細長い集光体は管状部材の長さ方向に延びて光源から放射エネルギーを少なくとも間接的に受け、また、集光体はその長さ部分に入射する放射エネルギーが伝送される互いに反対の端部を備えており、
   光遮断部材は孔部内に位置して集光体からの放射エネルギーの少なくとも一部を遮断し、光遮断部材は集光体に入射する放射エネルギーの位置を変化させてトンネルの或る場所へ伝送される放射エネルギーの量を変化させるように集光体に関して孔部内で可動であり、
   集光体が受け、少なくとも１つの光センサーが検知する放射エネルギーの量は、管状部材と光遮断部材との間の相対運動を指示する請求項６の光学変換器。
8. 光遮断部材は、管状部材内の液体の上面に浮かぶ少なくとも１つの浮きより成る請求項７の光学変換器。
9. 光源は、孔部と同一空間を占める管状部材の上端部に位置する請求項８の光学変換器。
10. 一方の端部が光遮断部材に接続され、もう一方の端部が管状部材から延びるシャフトをさらに備え、集光体が受け少なくとも１つの光センサーが検知する放射エネルギーの量がシャフトの線形運動を指示する請求項７の光学変換器。
11. 光遮断部材は、光源と少なくとも１つの光センサーとの間に位置する請求項１０の光学変換器。
12. 光遮断部材は、一部を満たす流動性光遮断物質を容れた密封容器より成り、流動性物質が存在しない密封容器内の位置に窓が形成されており、
    光学変換器が回転すると、流動性物質が重力の作用下で流動して、光遮断部材の窓の位置、従って集光体に入射する放射エネルギーの位置を変化させる請求項６の光学変換器。
13. 流動性物質は、比較的不透明な液体より成る請求項１２の光学変換器。
14. 流動性物質は粒状物質より成る請求項１３の光学変換器。
15. 密封容器は弓形であり、集光体は密封容器に隣接する弓形部分を有する請求項１２の光学変換器。
16. 密封容器はリング状であり、集光体は密封容器に隣接するリング状部分を有する請求項１２の光学変換器。
17. 光遮断部材は、光源と少なくとも１つの光センサーとの間に位置する請求項６の光学変換器。
18. 基礎部材は液体中に位置して液体の上面を超えて延び、光遮断部材は液体の上面により構成され、集光体が受け少なくとも１つの光センサーが検知する放射エネルギーの量が液体レベルを指示する請求項１７の光学変換器。
19. 光遮断部材は、中心軸を中心として回転可能なディスクと、ディスク上に形成された窓とより成り、さらに、集光体は光遮断部材の窓と整列関係にある弓状部分を有し、ディスクが集光体に関して中心軸を中心として回転すると、集光体の弓状部分に入射する放射エネルギーの位置が変化して、ディスクと集光体との間の相対的な角度変位を指示する請求項６の光学変換器。
20. 集光体は連続する円を形成するように延び、このため、集光体に関するディスクの回転位置が３６０度にわたり検知可能である請求項１９の光学変換器。
21. 光遮断部材の窓は、放射エネルギーをトンネル内にトンネルの中心軸に関して鋭角で投射するよう構成されている請求項２０の光学変換器。
22. 光源は、放射エネルギーをトンネル内にトンネルの中心軸に関し鋭角で投射するよう構成されている請求項１の光学変換器。
23. 複数の集光体が並置関係に設けられ、このため、集光体を横切る方向及びそれに沿う方向における入射放射エネルギーの運動を検知できる請求項１の光学変換器。
24. 各集光体は互いに反対の端部を有し、少なくとも１つの光センサーは、各集光体の互いに反対の端部における放射エネルギーの強度を検知するように配置された第１及び第２の光センサーより成る請求項２３の光学変換器。
25. 少なくとも１つの光センサーは、トンネル内の離隔した場所における放射エネルギーの強度を検知するように配置された第１及び第２の光センサーより成る請求項１の光学変換器。
26. 可撓性プレートを有する光遮断部材をさらに備え、可撓性プレートの第１の端部は光源に関して固着され、第２の自由端部は集光体に隣接し、自由端部は印加される力に応答して移動するため放射エネルギーに露光される集光体の長さが変化する請求項１の光学変換器。
27. 比較的剛性のプレートを有する光遮断部材をさらに備え、このプレートの第１の端部は枢動接続部を中心として回転可能なように光源に装着され、このプレートの第２の自由端部は集光体に隣接し、このプレートは印加される力に応答して枢動接続部を中心として回転するため、放射エネルギーに露光される集光体の長さが変化する請求項１の光学変換器。
28. 伝送される放射エネルギーの一部は、トンネルから窓を介して流出する請求項１の光学変換器。
29. 第１の物体と第２の物体との間の相対位置を検知する方法であって、
    トンネルと、トンネルの長さ方向に延びる窓とを有する細長い集光体を第１の物体上に形成し、
    第２の物体からトンネル内に放射エネルギーを投射し、
    放射エネルギーをトンネルの長さ方向に伝送して、伝送される放射エネルギーの一部がトンネルを流出するためトンネルの長さに沿って光の強度が変化するようにし、
    トンネルの或る場所における放射エネルギーの量を検知するステップより成り、
    トンネルの或る場所における放射エネルギーの強度が第１と第２の物体との間の相対位置を示す相対位置の検知方法。
30. 伝送される放射エネルギーの一部が窓を介してトンネルから流出する請求項２９の方法。
31. 窓は基礎部材の開いたギャップとして形成される請求項２９の方法。
32. ギャップの幅は開いたチャンネルの断面寸法より小さい請求項３１の方法。
33. 窓の幅は開いたチャンネルの断面寸法より小さい請求項２９の方法。
34. 放射エネルギーを放出する光源と、
    光源から放射エネルギーを受けるように光源に関して配置され、互いに反対の端部を有する細長い集光体であって、光源から集光体の長さ部分に入射する放射エネルギーを端部の方へ伝送し、集光体の一方の端部における放射エネルギーの強度が、入射する放射エネルギーが集光体の長さ方向に沿って一方の端部の方へ進むにつれて増加するようにする細長い集光体と、
    光源と細長い集光体の少なくとも一部との間を延びて集光体からの放射エネルギーの少なくとも一部を遮断する光遮断部材であって、集光体との間で相対的に可動であるため、集光体に入射する放射エネルギーの位置を変化させることにより集光体の一方の端部に伝送される放射エネルギーの量を変化させる光遮断部材と、
    少なくとも一方の端部に伝送される放射エネルギーの量を検知するように配置された少なくとも１つの光センサーとより成り、
    少なくとも１つの集光体の一方の端部が受け、光センサーが検出する放射エネルギーの強度はその相対的運動を指示する光学変換器。
35. 集光体のもう一方の端部における放射エネルギーの強度は、入射する放射エネルギーが集光体の長さ方向に一方の端部の方へ進むにつれて減少する請求項３４の光学変換器。
36. 光遮断部材は、光源が投射し、集光体が受ける放射エネルギーが通過する、集光体と整列関係の比較的透明な窓を有し、集光体と光遮断部材との間で相対的な運動が発生するとこの窓は集光体の長さ方向に移動するため、集光体に入射する放射エネルギーの位置が変化する請求項３４の光学変換器。
37. 光遮断部材は、中心軸を中心として回転可能であって窓が形成されたディスクより成り、さらに、集光体は窓と整列関係にある弓状部分を備えているため、中心軸を中心とし集光体に関してディスクが回転すると、集光体の弓状部分に入射する放射エネルギーの位置が変化する請求項３６の光学変換器。
38. 光遮断部材は、中心軸と中心として回転可能であって窓が形成された管体より成り、さらに、集光体は窓と整列関係にある弓状部分を備えているため、中心軸を中心としてハウジングに関して管体が回転すると、集光体の弓状部分に入射する放射エネルギーの位置が変化する請求項３６の光学変換器。
39. 光遮断部材は、一部を満たす流動性光遮断物質を容れた密封容器より成り、密封容器の流動性物質の存在しない位置に窓が形成されており、光学変換器が回転すると、流動性物質が重力の作用下で流動して窓の位置、従って集光体に入射する放射エネルギーの位置を変化させる請求項３６の光学変換器。
40. 流動性物質は、比較的不透明な液体より成る請求項３９の光学変換器。
41. 流動性物質は粒状物質より成る請求項３９の光学変換器。
42. 密封容器は弓形であり、集光体は密封容器に隣接する弓状部分を有する請求項３９の光学変換器。
43. 密封容器はリング状であり、集光体は密封容器に隣接するリング状部分を有する請求項３９の光学変換器。
44. 密封容器は円筒状であり、集光体は密封容器の縦方向軸に実質的に平行に延び、
    光学変換器が第１の回転軸を中心として回転すると、流動性物質が重力の作用下で流動して放射エネルギーに露光される集光体の長さを変化させる請求項３９の光学変換器。
45. 互いの反対の端部を有し、密封容器に接続され、密封容器の縦方向軸に実質的に平行に延び、前記の集光体から約９０度円周方向に離隔した第２の集光体と、
    第２の集光体に伝送される放射エネルギーの量を検知するように第２の集光体の少なくとも一方の端部近くに配置された少なくとも第２の光センサーとをさらに備え、
    第１の回転軸に垂直な第２の回転軸を中心とする光学変換器の回転を第２の光センサーが検知する請求項４４の光学変換器。
46. 基礎部材をさらに備え、さらに、光遮断部材が、基礎部材に固着された第１の端部と、集光体に隣接する第２の自由端部とを有する可撓性プレートより成り、第２の自由端部は、印加される力に応答して移動することにより、放射エネルギーに露光される集光体の長さを変化させる請求項３４の光学変換器。
47. 基礎部材をさらに備え、さらに、光遮断部材が、基礎部材に枢動接続部を中心として回転可能なように装着された第１の端部と、集光体に隣接する第２の自由端部とを有する比較的剛性のプレートより成り、プレートは、印加される力に応答して枢動接続部を中心として回転すると、放射エネルギーに露光される集光体の長さを変化させる請求項３４の光学変換器。
48. 基礎部材には制動チェンバーが形成され、さらに、第１の端部が制動チェンバー内に延びて光遮断部材の運動を減衰させる請求項４７の光学変換器。
49. 光遮断部材を中立位置に付勢するための手段をさらに備えた請求項４８の光学変換器。
50. 集光体は、蛍光体をドープした光ファイバーより成る請求項３４の光学変換器。
51. 前壁、後壁及び前壁と後壁の間を延びて内部にコンパートメントを形成する連続する側壁を有するハウジングと、
    内部のコンパートメントに装着されて放射エネルギーを放出する光源と、
    光源に対向するように内部のコンパートメントに装着された細長い集光体であって、互いに反対の端部と、これらの端部間に位置する弓状部分とを有し、光源から放出される放射エネルギーが集光体の長さに沿って集光されてそれらの端部へ伝送される細長い集光体と、
    第１の端部が縦方向軸を中心として回転可能なように内部のコンパートメント内に装着され、第２の端部がハウジングから延びるシャフトと、
    シャフトと共に回転するように該シャフトに装着され、光源と細長い集光体との間を延びて光源から集光体へ伝送される放射エネルギーを実質的に遮断する光遮断ディスクであって、光源が投射し集光体の一部が受ける放射エネルギーが通過する、集光体の弓状部分と整列関係にある比較的透明な窓を備え、縦方向軸を中心としてハウジングに関してディスクが回転すると、集光体の弓状部分に入射する放射エネルギーの位置が変化して、集光体の端部へ伝送される放射エネルギーの量が変化する光遮断ディスクと、
    伝送される放射エネルギーの量を検知するように集光体の少なくとも一方の端部に隣接配置された少なくとも１つの光センサーとより成り、
    集光体が受け少なくとも１つの光センサーが検知する放射エネルギーの量が縦方向軸を中心とするシャフトの角度位置を示す光学角度位置変換器。
52. 集光体は、蛍光体をドープした光ファイバーより成る請求項５１の光学変換器。

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