KR100936576B1 - 광 파이버 센서 - Google Patents

Abstract

진동이 많은 환경에서도 신뢰성 높게 액면을 검출하거나 또는 액체의 성상을 검출할 수 있는 광 파이버 센서를 얻는 것이다. 그레이팅이 형성된 영역을 갖는 코어와 클래드를 구비하고, 그레이팅이 형성된 영역의 적어도 일부가 액체에 침지되는 위치에 배치된 광 파이버와, 그레이팅이 형성된 영역의 클래딩 모드의 파장 대역의 광을 광 파이버에 입사하는 광원과, 광원으로부터 광 파이버에 입사되어 상기 그레이팅을 투과한 광의 강도를 검출하는 수광부를 구비하고, 액체의 액면의 검출 또는 상기 액체의 성상(性狀)의 검출에 이용되는 광 파이버 센서로 했다.

Description

광 파이버 센서{OPTICAL FIBER SENSOR}

본 발명은, 자동차의 연료 탱크의 연료 게이지 등에 이용할 수 있는 액면의 검출, 또는 액체의 성상 검출에 이용되는 광 파이버 센서에 관한 것이다.

종래의 연료 게이지용의 액면 검출 센서에 있어서는, 연료의 액면의 높이와 동시에 변위하는 플로트(float)에 연결된 바(bar)가 액면의 높이에 따라 회전하고, 이 바의 가동축에 마련된 가변 저항의 저항값의 변화에 근거하여 액면의 높이를 검출하고 있었다(예컨대, 특허 문헌 1 참조). 이와 같이 구성된 액면 검출 센서에서는, 연료 게이지 삽입 구경보다 플로트에 연결된 바가 크기 때문에, 이 액면 검출 센서를 연료 게이지 삽입구에 부착할 때의 작업성이 나쁘다고 하는 문제나, 더욱이 연료 탱크 내에 슬라이딩 부분이 있기 때문에, 금속 가루의 발생이나 가변 저항의 단락 등의 불량이 발생할 가능성이 있는 등의 문제가 있었다. 상기한 바와 같은 문제를 피하는 액면 검출 센서로서, 광 파이버를 이용한 것이 있으며, 예컨대, 액면의 높이를 검지하고 싶은 위치에 마련한 광 파이버와, 이 광 파이버의 한쪽 단부로부터 레이저광을 조사하는 발광 수단과, 이 발광 수단으로부터 조사한 레이저광의 후방 산란광의 강도에 근거하여 광 파이버의 온도 분포를 구하고, 이 온도 분포로부터 액면의 높이를 구하는 제어 수단을 구비한 것이 있었다(예컨대, 특허 문헌 2 참조).

한편, 연료의 성상을 검출하는 광 파이버를 이용한 센서에 대하여 특허 문헌 3에 나타내고 있다. 특허 문헌 3에서는, 광 파이버를 소정 길이에 걸쳐 용융 연신 처리에 의해 형성한 테이퍼형의 검지부를 구비한 센서 프로브와, 상기 센서 프로브의 입력단에 접속되고, 해당 입력단에 적어도 2개의 파장의 광을 입사하기 위해서 적어도 2개의 파장의 광을 합파하는 합파용 광 커플러(coupler)와, 상기 센서 프로브의 출력단에 접속되고, 해당 센서 프로브를 투과한 적어도 2개의 파장의 광을 분파하는 분파용 광 커플러와, 상기 분파용 광 커플러의 출력단에서 출사된 적어도 2개의 파장의 광량을 검지하는 수광 수단을 갖고, 상기 센서 프로브는, 이 센서 프로브가 침지된 액체의 성상에 따라, 입력단으로부터 입사된 광의 투과 광량이 달라지는 액체 성상 판정 센서이다.

특허 문헌 1 : 일본국 특허 공개 평성10-26552호 공보(5쪽, 도 4)

특허 문헌 2 : 일본국 특허 공개 제2004-294375호 공보(3쪽, 도 1)

특허 문헌 3 : 일본국 특허 공개 평성6-58878호 공보(5쪽, 도 1)

발명의 개시발명이 해결하고자 하는 과제

종래의 광 파이버를 이용한 액면 검출 센서에 있어서는, 레이저광의 후방 산란광은 온도에 의존하여 강도가 변화되는 라먼(Raman) 산란광이며, 기상 부분과 액상 부분에서 온도가 다른 것을 전제로 하고 있고, 기상 부분과 액상 부분의 경계(액면)에서 광 파이버에 온도차가 발생하고, 이 온도차에 의한 후방 산란광의 강도의 변화에 근거하여 액면을 검출하고 있다. 그러나, 기상 부분과 액상 부분의 온도차가 작은 경우에는, 광 파이버의 온도 분포가 평탄해지기 때문에 후방 산란광의 강도 변화도 작아져, 액면의 검출이 곤란해진다는 문제가 있었다. 더욱이, 기상 부분과 액상 부분의 온도차가 크더라도, 진동 등으로 액면이 끊임없이 상하로 변화되는 경우에는, 광 파이버의 온도 분포가 완만해지기 때문에, 후방 산란광의 강도 분포도 완만해져, 액면 높이의 검출 오차가 커진다고 하는 문제도 있었다.

또한, 액체의 성상을 검출하는 센서로서 용융 연신 처리에 의해 형성된 테이퍼형의 검지부를 구비한 센서 프로브를 이용한 경우에는, 센서부의 직경은 용융 연신 전보다 가는 부분이 형성되기 때문에, 기계적으로 약하고, 특히 연료 탱크와 같이 진동이 많은 환경에서의 사용에는 신뢰성에 문제가 있었다.

본 발명은, 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 진동이 많은 환경이더라도 신뢰성 높게 액면의 검출 또는 액체의 성상을 검출할 수 있는 광 파이버 센서를 얻는 것이다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명에 따른 광 파이버 센서는, 그레이팅이 형성된 영역을 갖는 코어와 클래드를 구비하고, 그레이팅이 형성된 영역의 적어도 일부가 액체에 침지되는 위치에 배치된 광 파이버와, 그레이팅에 의해, 어떤 파장 영역을 가진 클래딩 모드의 광이 발생되도록, 광 파이버에 광을 입사하는 광원과, 광원으로부터 광 파이버에 입사되어 상기 그레이팅을 투과한 광의 강도를 검출하는 수광부를 구비하고, 액체의 액면의 검출 또는 상기 액체의 성상의 검출에 이용되는 광 파이버 센서이다.

발명의 효과

본 발명의 광 파이버 센서는, 그레이팅이 형성된 영역 주위의 액체 또는 기체의 굴절율의 크기에 의존하는 그레이팅이 형성된 영역을 투과한 클래딩 모드의 광의 강도를 검출하기 때문에, 액면의 검출 또는 액체의 성상을 검출할 수 있다. 굴절율의 차이에 근거하여 검출되기 때문에, 이 광 파이버 센서에 의하면, 진동 등으로 액면이 끊임없이 변화되어 기상 부분과 액상 부분의 온도차가 완만해지는 경우라도 액면의 검출이 가능해진다. 또한, 용융 연신 처리 등으로 광 파이버의 굵기가 대폭 가늘어진 부분을 형성하는 방법에 비해서 광 파이버의 강도가 크고, 진동이 큰 환경에서도 파손되기 어렵기 때문에, 신뢰성 높게 액면의 검출 또는 액체의 성상을 검출하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 광 파이버 센서의 모식도이다.

도 2는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 클래딩 모드의 설명도이다.

도 3은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 광 커플러와 스펙트럼 분석기의 접속을 나타내는 설명도이다.

도 4는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 투과 스펙트럼이다.

도 5는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 특성도이다.

도 6은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 특성도이다.

도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 광 파이버 센서의 모식도이다.

도 8은 본 발명의 실시예 2에 있어서의 광 필터의 특성도이다.

도 9는 본 발명의 실시예 3에 의한 광 파이버 센서의 모식도이다.

도 10은 본 발명의 실시예 3에 있어서의 종단기(終端器)의 모식도이다.

도 11은 본 발명의 실시예 4에 있어서의 클래드와 액체의 계면의 설명도이다.

도 12는 본 발명의 실시예 4에 있어서의 클래드와 액체의 계면의 설명도이다.

도 13은 본 발명의 실시예 6에 따른 광 파이버 센서의 모식도이다.

도 14는 본 발명의 실시예 7에 따른 광 파이버 센서의 모식도이다.

도 15는 본 발명의 실시예 7에 있어서의 반사용 그레이팅의 특성도이다.

도 16은 본 발명의 실시예 7에 있어서의 광 파이버 센서의 특성도이다.

도 17은 본 발명의 실시예 8에 따른 연료 게이지의 모식도이다.

도 18은 본 발명의 실시예 9에 따른 연료 게이지의 모식도이다.

도 19는 본 발명의 실시예 10에 따른 연료 게이지의 모식도이다.

도 20은 본 발명의 실시예 11에 따른 연료 게이지의 모식도이다.

도 21은 본 발명의 실시예 12에 따른 광 파이버 센서의 모식도이다.

도 22는 연료의 굴절율비와 증류 성상의 관계에 대한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.

도 23은 본 발명의 실시예 13에 따른 광 파이버 센서의 구성과 사용 방법을 나타내는 모식도이다.

도 24는 본 발명의 실시예 13의 그레이팅의 투과율의 파장 특성을 나타내는 그래프이다.

도 25는 본 발명의 실시예 13의 그레이팅의 투과율의 액체의 굴절율 의존성을 나타내는 그래프이다.

도 26은 본 발명의 실시예 13의 그레이팅의 투과율의 액체의 굴절율 의존성을 나타내는 그래프이다.

도 27은 본 발명의 실시예 13의 액체의 굴절율과 광원의 파장과의 조합을 나타낸 그래프이다.

도 28은 본 발명의 실시예 14의 광 파이버 센서의 구성과 사용 방법을 나타내는 모식도이다.

도 29는 본 발명의 실시예 14의 액체의 굴절율과 투과율의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 30은 본 발명의 실시예 15의 광 파이버 센서의 구성과 사용 방법을 나타내는 모식도이다.

도 31은 본 발명의 실시예 15의 광 픽업(300)의 구성을 나타낸 개략도이다.

도 32는 본 발명의 실시예 16의 광 파이버 센서의 수광부의 구성을 나타낸 개략도이다.

도 33은 본 발명의 실시예 16의 광 파이버 센서의 광원의 구성을 나타낸 개략도이다.

도 34는 본 발명의 실시예 16의 액체의 굴절율과 투과율의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 35는 본 발명의 실시예 17의 광 파이버 센서의 구성과 사용 방법을 나타내는 모식도이다.

도 36은 본 발명의 실시예 17의 광 파이버 센서의 수광부의 구성을 도시한 개략도이다.

도 37은 본 발명의 실시예 17의 그레이팅의 투과율의 파장 의존성을 나타내는 그래프이다.

도 38은 본 발명의 실시예 18의 보정 전의 수광부의 출력 강도와 액면 위치의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 39는 본 발명의 실시예 19의 광 파이버 센서의 부착 상태를 나타내는 모식도이다.

도 40은 본 발명의 실시예 19의 인라인(inline) 액체 성상 검출 센서의 내부 구조를 도시한 개략도이다.

도 41은 본 발명의 실시예 20의 광 파이버 센서의 부착 상태를 나타내는 모식도이다.

도 42는 본 발명의 실시예 20의 광 파이버 센서의 부착 상태를 나타내는 모식도이다.

도 43은 본 발명의 실시예 20의 광 파이버 센서의 부착 상태를 나타내는 모식도이다.

도 44는 본 발명의 실시예 20의 광 파이버 센서의 부착 상태를 나타내는 모식도이다.

도 45는 본 발명의 실시예 21의 광 파이버 센서의 부착 상태를 나타내는 모식도이다.

도 46은 본 발명의 실시예 22의 광 파이버 센서의 광원의 특성을 나타내는 그래프이다.

도 47은 본 발명의 실시예 22의 광 파이버 센서의 그레이팅의 특성을 나타내는 그래프이다.

도 48은 본 발명의 실시예 22의 광 파이버 센서의 특성을 나타내는 그래프이다.

부호의 설명

1 : 광 파이버 2 : 광원

3 : 수광부 4 : 코어

5 : 클래드 6 : 파이버 자켓(fiber jacket)

7 : 액면 8 : 액체

9 : 그레이팅 9a, 9b, 9c : 분할 그레이팅

10 : 용기 21 : 공기

22 : 전파광 23 : 반사광

24 : 투과광 25 : 클래딩 모드의 광

26 : 계면 27 : 물

28 : 계면 31, 33 : 광 커플러

32, 34 : 스펙트럼 분석기 71 : 광 필터

91 : 서큘레이터 91a, 91b, 91c : 포트

92 : 종단기 93 : 광 파이버

101 : 코팅 102 : 접촉선

141 : 반사용 그레이팅 142 : 서큘레이터

142a, 142b, 142c : 포트 143, 144 : 광 파이버

171 : 연료 탱크 171a : 개구부

172 : 연료 펌프 173 : 토출 파이프

174 : 광 파이버 센서 174a, 174b : 그레이팅

175 : 플레이트 176 : 지지 부재

177 : 액면 178 : 커버

179 : 저압측 필터 191 : 고압측 필터

192 : 연료 펌프 모듈 210 : 안장형부(鞍型部)

250 : 인라인 액체 성상 검출 센서

251 : 광 센서 프로브 252 : 케이스

254 : 연료 펌프측 입구 256 : 인젝터측 출구

300 : 광 픽업 301 : 회절 격자

302, 302a, 302b, 302c, 302d, 302e : 수광 소자

305, 305a, 305b, 305c : 레이저 다이오드

306 : 하프 미러 307 : 콜리메이터 렌즈

308 : 대물 렌즈 309 : 광 합파부

(실시예 1)

도 1은 본 발명을 실시하기 위한 실시예 1에 있어서의, 액면 검출용 광 파이버 센서의 모식도이다. 도 1에 있어서, 광 파이버(1)의 한쪽 단부에 광원(2)이 배치되어 있고, 다른쪽 단부에 수광부(3)가 배치되어 있다. 광 파이버(1)는, 광원(2)으로부터 출사되는 광이 전파하는 코어(4)와, 광을 코어(4) 내에 가두기 위해서 코어(4)를 덮고 있는 클래드(5)와, 이들을 덮어 보호하는 파이버 자켓(6)을 구비하고 있고, 액면(7)의 높이를 측정하기 위해서 클래드(5)가 직접 액체(8)와 접하도록, 파이버 자켓(6)의 일부가 제거되어 있다. 이 파이버 자켓(6)의 일부가 제거되어 있는 부분은, 액면(7)이 변화되는 방향에 대략 평행하게 배치되어 있고, 이 부분에 대응하는 코어(4)에는 그레이팅(9)이 형성되어 있다. 광 파이버(1)는, 액체(8)를 저장하는 용기(10)의 바닥면 가까운데서 U자형으로 굴곡되어 있고, 광원(2)과 수광부(3)는, 용기(10)의 외부에 배치된다.

광원(1)은 예컨대 발광 다이오드(LED)나 레이저 다이오드(LD) 등을 이용할 수 있고, 수광부(3)는 스펙트럼 분석기나 포토 다이오드와 같은 수광 소자 등을 이용할 수 있다. 코어(4) 및 클래드(5)에는, 석영 유리 등의 무기 유리 또는 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate) 등의 플라스틱계의 재료를 이용할 수 있고, 파이버 자켓(6)에는, 불소계, 나일론계, 페놀계, 에폭시계, 멜라닌계 등의 수지를 이용할 수 있다.

코어(4)에 그레이팅(9)을 형성하는 방법으로서는, 예컨대, 파이버 자켓(6)을 제거한 부분에 위상 마스크를 설치하고, 위상 마스크의 위에서 엑시머 레이저광을 조사하여 위상 마스크의 릴리프(relief)에 대응한 그레이팅의 패턴을 코어(4)에 형성하는 방법을 이용할 수 있다. 위상 마스크는, 석영 유리로 가능한 평행 평판의 한쪽의 면에 릴리프라고 불리는 복수의 일정 간격의 홈이 형성된 것으로, 릴리프에 의해서 주기적으로 레이저광이 변조된다. 코어(4)에서는, 레이저광이 조사된 부분의 굴절율이 미조사 부분에 비해 높아지는 광 유기 굴절율 변화가 발생하기 때문에, 굴절율이 주기적으로 변화된 그레이팅(9)이 형성된다. 또, 위상 마스크의 릴리프의 피치나 홈의 깊이를 바꿈으로써 소망하는 패턴의 그레이팅(9)을 코어(4)에 형성할 수 있다. 또, 그레이팅에는 일반적으로 그 굴절율 변화의 주기가 O.1∼1㎛ 정도의 단주기 그레이팅과, 100∼100O㎛ 정도의 장주기 그레이팅으로 분류된다. 본 발명에 있어서의 그레이팅은, 전자의 단주기 그레이팅으로 한정한 것으로, 본 명세서에서 기술하는 그레이팅이란 전부 단주기 그레이팅을 의미한다.

다음에, 본 실시예에 있어서의, 동작에 대하여 설명한다. 일반적으로, 광 통신 시스템에 있어서는, 광 파이버 전송로를 전파하는 임의의 특정한 파장의 광 신호를 출력하기 위해서, 임의의 신호만을 반사시킬 수 있는 그레이팅이 이용된다. 그레이팅의 투과 특성에는 후술하는 클래딩 모드가 존재하고, 이 클래딩 모드는 손실 리플이 되기 때문에 문제가 된다. 본 발명은, 광 통신 시스템에서는 불필요한 것으로 취급되어 온 클래딩 모드를 반대로 이용하는 것이다. 액면을 측정하는 원리는, 코어(4) 내를 전파하는 광이 그레이팅(9)에서 반사 또는 투과할 때에 발생하는 클래딩 모드라고 불리는 광의 강도가, 클래드(5)의 외측에 접하는 재질의 굴절율에 따라 다른 것을 이용하는 것이다. 코어(4) 내를 전파하는 광은, 그레이팅(9)이 형성되어 있지 않은 부분에서는 코어(4)와 클래드(5)의 경계면에서 반사를 반복하면서 코어(4) 내만을 전파하지만, 이 광이 그레이팅(9)에 도달하면, 그레이팅(9)을 투과하여 코어(4) 내를 전파하여 가는 광과, 그레이팅(9)에서 브래그 반사되어 코어 내(4)를 반대 방향으로 전파하여 가는 광과, 코어(4)로부터 튀어나와 클래드(5) 내를 동일하게 반대 방향으로 전파하는 후방 전파 클래딩 모드의 광으로 분리된다. 이와 같이 본 발명에서 이용하는 단주기 그레이팅에서는 클래딩 모드는 후방 전파하지만, 장주기 그레이팅에서 발생하는 클래딩 모드는 전방 전파하는 것이다.

도 2는, 클래딩 모드의 광과 클래드의 외측에 접하는 재질의 굴절율의 관계를 설명하기 위한 설명도이다. 이하, 액체(8)로서는 물을, 기체로서는 공기를 예로 들어 설명한다. 도 2(a)는 클래드의 외측에 접하는 재질이 공기인 경우, 도 2(b)는 클래드의 외측에 접하는 재질이 물인 경우에 있어서의 광의 전파를 모식적으로 나타내고 있다. 공기의 굴절율은 1.0, 물의 굴절율은 1.3이며, 코어(4)의 굴 절율을 1.36, 클래드(5)의 굴절율을 1.35로 한다. 도 2(a)에 도시하는 바와 같이 클래드(5)의 외측이 공기(21)인 경우, 광원으로부터 전파하여 온 전파광(22)은, 그레이팅(9)에서 브래그 반사되는 반사광(23)과, 그레이팅(9)을 투과하여 코어(4) 내를 전파하여 가는 투과광(24)과, 그레이팅(9)에서 발생하는 클래딩 모드의 광(25)으로 분리된다. 클래딩 모드의 광(25)은, 클래드(5)와 공기(21)의 굴절율의 차가 0.35로 크기 때문에, 클래드(5)와 공기(21)의 계면(26)에서 반사되어, 클래드(5) 내를 전파하여 간다. 광이 클래드 내에 가둬지기 때문에 클래딩 모드 특유의 손실 리플이 투과 특성에 나타난다. 한편, 도 2(b)에 도시하는 바와 같이 클래드(5)의 외측이 물(27)인 경우, 그레이팅(9)의 단부에서 발생한 클래딩 모드의 광(25)은, 클래드(5)와 물(27)의 굴절율의 차가 0.05로 작기 때문에, 클래드(5)와 물(27)의 계면(28)에서는 거의 반사되지 않고 계면(28)을 통과하여 물(24)쪽으로 전파하고, 클래드(5) 내에는 거의 전파하지 않는다. 그 때문에 광이 클래드 내에 가둬지지 않아 클래딩 모드 특유의 투과 특성에서의 손실 리플이 나타나지 않는다.

또한, 본 실시예의 동작을 상세히 설명한다. 도 1에 있어서, 광 파이버(1)의 광원(2)과 액면(7) 사이의 A점에, 도 3에 도시하는 바와 같이 2×2의 광 커플러(31)를 접속하여 스펙트럼 분석기(32)에서 그레이팅(9)으로부터 반사된 광의 반사 스펙트럼을 측정하고, 또한, 광 파이버(1)의 액면(7)과 수광부(3) 사이의 B점에, 도 3에 도시하는 바와 같이 2×2의 광 커플러(33)를 접속하여 스펙트럼 분석기(34)에서 그레이팅(9)을 투과하여 온 광의 투과 스펙트럼을 측정했다. 도 4는, 이렇게 하여 측정한 반사 스펙트럼과 투과 스펙트럼이며, 도 4(a)는 클래드의 외측 에 접하는 재질이 공기인 경우, 즉, 용기(10)에 물이 들어가 있지 않는 경우, 도 4(b)는 클래드의 외측에 접하는 재질이 물인 경우, 즉, 용기(10)에 물이 채워져 있는 경우에 있어서의 반사 스펙트럼과 투과 스펙트럼을 나타내고 있다. 도 4(a)로부터 알 수 있는 바와 같이, 클래드의 외측에 접하는 재질이 공기인 경우, 투과 스펙트럼의 중앙에 보이는 손실이 큰 파장 영역보다 단파장측에, 수개부터 수십개의 클래딩 모드에 의한 손실의 피크가 보인다. 한편, 도 4(b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 클래드의 외측에 접하는 재질이 물인 경우, 투과 스펙트럼에 도 4(a)에서 보이는 바와 같은 클래딩 모드에 의한 손실의 피크는 보이지 않는다.

이와 같이, 클래딩 모드에 의한 투과 스펙트럼 중 손실의 피크가, 클래드의 외측에 접하는 재질의 굴절율의 차이에 의해서 발생하는 것으로 액체의 유무를 검출할 수 있다. 또한, 그레이팅의 일부가 물에 침지되어 있는 경우, 그 침지되어 있는 길이에 비례하여 클래딩 모드에 따른 투과 스펙트럼의 피크의 높이가 변화되기 때문에, 그 피크의 높이에 근거하여, 액면의 높이를 측정할 수 있다.

도 5는, 광원(2)으로서 EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)의 자연 방출광을 이용한 광대역 광원을 이용하여, 수광부(3)로서 스펙트럼 분석기를 이용하고 싶은 경우의, 그레이팅(9)의 액체로의 침지 길이에 대응한 액면의 높이와 스펙트럼 분석기에서 측정된 투과광의 투과 스펙트럼의 관계를 나타낸 것이다. 파장 1547∼1556㎚의 영역에 다수 보이는 투과율이 낮은 계곡형의 피크가 클래딩 모드에 의한 손실이며, 액면의 높이에 따라 각 피크의 깊이가 변화하고 있다.

도 6은, 수광부(3)의 스펙트럼 분석기로 측정한 손실 피크의 한개에 해당하 는 파장 1547.4㎚의 광의 상대 강도와 액면의 높이의 관계를 나타낸 특성도이다. 액면이 높을 때는, 물에 침지한 그레이팅의 길이가 길어져, 클래딩 모드의 발생이 줄어들기 때문에, 클래딩 모드에 의한 손실이 적고, 수광부에서의 광의 강도가 커진다. 액면이 낮아지면, 클래딩 모드에 의해 손실이 불어나 수광부에서의 광의 강도가 작아진다. 따라서, 클래딩 모드에 의한 투과 스펙트럼의 손실 피크의 깊이를 측정하는 것에 의해 액면의 높이를 검출할 수 있다.

또한, 수광부로서 포토 다이오드를 이용한 경우에는, 클래딩 모드에 의한 투과 스펙트럼의 피크의 깊이에 따라 투과광의 강도가 저하됨으로써, 투과광의 상대 강도를 측정하는 것에 의해 액면의 높이를 검출할 수 있다.

이와 같이 구성된 액면 검출용 광 파이버 센서에 있어서는, 기상 부분인 공기와 액상 부분인 물의 굴절율 차이에 의해서, 투과광의 강도가 변화하는 것에 근거하여 액면을 검출하기 때문에, 기상 부분과 액상 부분의 온도차가 작더라도 액면을 검출할 수 있다. 또한, 진동 등으로 액면이 끊임없이 변화되는 경우에도, 클래드의 외측의 굴절율은 기체 또는 액체의 굴절율 중 어느 쪽이든 되어 중간의 값을 취하는 경우가 없기 때문에, 액면의 높이를 정확히 검출할 수 있다. 따라서, 그레이팅이 형성된 영역은, 액면이 변화되었을 때에 그 액면이 가로지르는 위치에 배치되어 있으면 좋고, 배치의 방향은 반드시 액면이 변화하는 방향에 평행할 필요는 없고, 기울기나 액면에 평행하더라도 좋다. 예컨대, 그레이팅이 형성된 영역을 액면이 가로지르는 위치에 액면과 대략 평행하게 설치한 경우에는, 액면이 그 위치보다 위에 있는지 밑에 있는지를 투과광의 강도에 의해서 검출할 수 있다.

또, 본 실시예에서는, 액체로서 굴절율이 1.35의 물을 예로 들어 설명했지만, 액체가 물 이외인 경우에는, 측정 대상으로 되는 액체의 굴절율에 맞춰 클래드의 굴절율을 적절히 설정해야 한다. 이 때, 전파하는 광을 코어 내에 가두기 위해서, 코어의 굴절율도 동시에 적절히 설정해야 한다. 예컨대, 가솔린의 굴절율은 약 1.4, 액화 프로판 및 트리클로로에탄의 굴절율은 약 1.45이며, 이들 액체의 액면 검출용 광 파이버 센서로서 이용되는 경우에는, 이들 액체의 굴절율과 거의 같은 굴절율을 갖는 클래드를 선택할 필요가 있다.

또한, 본 실시예에서는, 굴절율이 주기적으로 변화된 굴절율 변조형이라고 불리는 그레이팅을 이용했지만, 홈이 주기적으로 나열되도록 가공된 그레이팅을 이용할 수도 있다.

(실시예 2)

실시예 1에 있어서는, 수광부에 도달하는 광은, 클래딩 모드의 발생에 관계가 없는 투과 스펙트럼의 중앙에 보이는 손실이 큰 파장 영역의 광도 포함되어 있다. 수광부에 광 강도를 측정하는, 예컨대 포토 다이오드를 이용한 경우, 측정하는 광 강도의 일부는, 클래딩 모드의 발생에 관계가 없는 광의 강도이며, 클래딩 모드에 의한 손실에 의해서 광 강도가 변화되는 양이 상대적으로 작아져, 측정 감도를 높일 수 없는 경우가 있다. 실시예 2에 있어서는, 클래딩 모드의 발생에 관계가 없는 파장 영역의 광을 측정으로부터 제외하는 것이다.

도 7은 본 실시예에서의 액면 검출 센서의 모식도이다. 본 실시예에서는, 실시예 1과 동일한 구성에 있어서, 수광부(3)에 광 파이버(1)가 접속되는 부분에 광 필터(71)를 배치한 것이다. 수광부(3)는 광 강도를 측정하는 포토 다이오드를 이용하고 있다. 도 8은 광 필터(71)의 반사 스펙트럼과 클래딩 모드에 의한 손실이 포함되는 투과광의 스펙트럼의 관계를 나타내는 특성도이다. 도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 광 필터(71)는, 광의 스펙트럼에 보이는 클래딩 모드에 의한 손실의 피크가 있는 파장 영역은 반사하지 않고, 그 이외의 파장 영역을 반사하는 특성을 갖는 것으로, 클래딩 모드에 의한 손실의 피크가 있는 파장 영역에서는 반사 특성은 25㏈로 낮게 되어 있다.

이와 같이 클래딩 모드의 파장 영역에 투과 영역을 갖는 광 파장 필터를 구비한 구성으로 하는 것에 의해, 광원(2)으로부터 출사된 광은 그레이팅(9)을 투과한 후에 광 파이버(1)를 전파하여 수광부(3)에 도달하지만, 수광부(3) 앞에 배치된 광 필터(71)는, 클래딩 모드에 의한 손실이 있는 파장 영역의 광만을 투과하여 수광부(3)에 도달시키고, 그 이외의 파장 영역의 광을 반사한다. 그 결과, 수광부(3)에서는, 클래딩 모드에 의한 손실의 피크가 있는 파장 영역만의 광 강도를 측정하기 때문에, 광 강도의 변화량이 상대적으로 커져, 변화량을 검출하는 감도를 높게 할 수 있다.

(실시예 3)

실시예 2에 있어서는, 광 필터에서 반사된 광이, 광원이나 그레이팅으로 되돌아가, 불필요한 간섭을 발생시켜 노이즈 성분이 되는 경우가 있다. 실시예 3에서는, 광 필터에서 반사된 광을, 광원이나 그레이팅측으로 되돌아가지 않도록 한 것이다.

도 9는 본 실시예에서의 액면 검출용 광 파이버 센서의 모식도이다. 본 실시예에 있어서는, 실시예 2와 동일한 구성에 있어서, 액면(7)과 광 필터(71) 사이에 서큘레이터(91)를 배치하고, 이 서큘레이터(91)에서 광 필터(71)로부터 반사된 광을 종단기(92)로 유도하도록 구성된 것이다. 서큘레이터(91)는, 91a, 91b 및 91c의 3개의 포트를 갖는 것이다. 종단기(92)는 직경 10㎜ 이하의 파이버 코일이다. 수광부(3)는 광 강도를 측정하는, 예컨대 포토 다이오드를 이용하고 있다.

다음에, 본 실시예의 동작에 대하여 설명한다. 광원(2)으로부터 출사된 광은 그레이팅(9)을 투과한 후에 광 파이버(1)를 전파하여 포트(91a)에 입사하고, 또한 포트(91b)로부터 광 필터(71)측으로 출사된다. 광 필터(71)에서는, 클래딩 모드에 의한 손실의 피크가 있는 파장 영역의 광은 투과하여 수광부(3)측으로 진행하지만, 그 이외의 파장 영역의 광은 반사되어 포트(91b)로 되돌려진다. 포트(91b)에 되돌아온 광은, 포트(91c)에서 출사되어 종단기(92)에 도달한다. 종단기(92)는 입사한 광의 반사를 방지하는 것이다.

도 10은 본 실시예에 있어서의 종단기(92)의 모식도이다. 포트(91c)에 접속된 광 파이버(93)를, 직경 D로 하중에도 감은 것이다. 직경 D를 10㎜ 이하로 감음으로써 광 파이버(93)의 밴딩 손실을 크게 하여, 반사를 방지할 수 있다.

이와 같이 구성된 액면 검출 센서에 있어서는, 수광부(3)의 입사측에 광 필터(71)를 배치함으로써 검출 감도를 높게 할 수 있는 동시에, 광 필터(71)에서 반사된 광이 광원(2)이나 그레이팅(9)으로 되돌아가 불필요한 간섭을 발생시켜 노이즈 성분이 되는 것을 막을 수 있다. 또한, 광 파이버(1)와 수광부(3) 사이에 서큘 레이터(91)를 설치하는 것은, 도 9에 있어서 광 필터(71)가 없는 구성에서도, 광 파이버(1)로부터 수광부(3)에 입사한 광 중, 수광부(3)의 표면에서 반사하여 두 번째 광 파이버(1)에 입사한 광이 광원(2)측으로 되돌아가는 것을 막을 수 있기 때문에, 마찬가지의 효과가 있다.

또, 본 실시예에 있어서, 종단기로서 파이버 코일을 이용했지만, 광 파이버의 종단에 반사 방지막을 형성하여, 반사를 방지하더라도 좋다.

(실시예 4)

도 11은 광 파이버의 클래드(5)와 액체(8)의 계면의 상태를 설명하는 설명도이다. 도 11에 있어서, 액체(8)와 접하는 클래드(5)의 표면에서는, 액체(8)의 표면 장력이나 클래드(5)와의 습윤성으로 인해, 액면(7)보다 높은 위치까지 액체가 상승하는 경우가 있다. 통상 이러한 액체의 상승은, 1∼2mm이지만, 습윤성이 좋은 경우에는 더 높아지게 된다. 이러한 현상이 일어나면, 실제의 액면의 높이보다 높은 위치가 액면으로서 측정되게 된다. 실시예 4에 있어서는, 액체와 클래드의 접촉각을 크게 하여, 정확히 액면의 높이를 측정하는 것이다.

도 12는 본 실시예에 있어서의 클래드(5)와 액체(8)의 계면 상태를 설명하는 설명도이다. 도 12에 있어서, 석영계의 유리로 가능한 클래드(5)의 표면에 액체(8)에 대하여 발수성을 갖는 코팅(101)을 형성한 것이다. 이 코팅(101)은, 측정 대상인 액체(8)의 종류에 따라 분리하여 사용할 필요가 있다. 예컨대, 액체가 가솔린인 경우, 가솔린의 임계 표면 장력이 3.0mJ/㎡이기 때문에, 임계 표면 장력이 6∼2OmJ/㎡인 불소계 수지나, 임계 표면 장력이 대략 45mJ/㎡인 그라파이트 등의 재료가 적합하다. 코팅(101)의 막 두께는, 너무 두꺼우면 코팅(101)과 클래드(5)의 굴절율의 차가 현저해져 클래딩 모드가 발생해 버리기 때문에, 너무 두텁게 할 수 없다. 클래딩 모드가 발생하지 않고서 접촉각을 크게 하기 위해서는, 코팅(101)의 막 두께는, 50∼1000Å의 범위로 하는 것이 바람직하다. 이러한 코팅을 형성한 광 파이버를 이용하여, 실시예 1과 마찬가지의 액면 검출용 광 파이버 센서를 구성했다.

이와 같이 구성된 액면 검출용 광 파이버 센서에 있어서는, 도 12에 도시하는 바와 같이 실제의 액면(7)과, 클래드(5)와 액체(8)가 접촉하는 접촉선(102)의 높이의 차가 1mm 이하이기 때문에, 코팅이 없는 경우보다 정확히 액면의 높이를 측정할 수 있다.

또, 본 실시예에 있어서는, 석영계의 유리로 가능한 클래드를 이용하여 설명했지만, 폴리메틸 메터아크릴레이트 등의 플라스틱계의 재료로 가능한 클래드라도 마찬가지의 효과가 있다.

(실시예 5)

실시예 5에 있어서는, 실시예 1∼4에 있어서, 파이버 자켓의 재질을 규정하는 것이다. 통상, 광 파이버의 코어와 클래드는 무기계 또는 유기계의 유리 재료로 구성되어 있지만, 약간의 접촉각에서도 클래드의 표면에 상처가 나기 쉽고, 또한 그 상처가 신장되기 쉽다. 그 때문에, 클래드를 보호할 목적으로 클래드의 주위에 유기계의 재료로 구성된 파이버 자켓이 형성되어 있다. 본 실시예에 있어서는, 파이버 자켓이 액체에 대하여 화학적으로 안정된 재료로 구성되도록, 액체의 종류와 파이버 자켓의 재질과의 조합을 규정한다. 예컨대, 액체가 가솔린인 경우, 파이버 자켓은 가솔린에 대하여 화학적으로 안정된, 불소 수지계, 나일론계, 페놀계, 에폭시계, 멜라닌계 등의 재료를 이용한다.

이와 같이 구성함으로써, 파이버 자켓이 가솔린에 용출되지 않고, 안정적으로 액면의 높이를 측정할 수 있는 동시에, 액체에 불필요물이 섞이지도 않는다.

(실시예 6)

도 13은 실시예 6에 있어서의 액면 검출용 광 파이버 센서의 모식도이다. 본 실시예에서는, 실시예 1과 마찬가지의 구성에 있어서, 광 파이버(1)에 형성되어 있는 그레이팅(9)이 4개의 영역으로 분할되어 있다. 그레이팅(9)은, 광원(2)에 가까운 쪽으로부터, 각각 분할 그레이팅(9a, 9b, 9c, 9d)으로 구성되어 있다. 각각의 분할 그레이팅의 사이에는 그레이팅이 형성되어 있지 않은 영역을 구비하고 있다.

다음에, 본 실시예에 있어서의 액면 검출용 광 파이버 센서의 동작에 대하여 설명한다. 본 실시예에 있어서는, 액면의 높이를 5단계로 검출하는 경우에 유효하다. 액면(7)이 용기(10)의 바닥면에 가장 가까운 분할 그레이팅(9d)보다 아래에 위치할 때는, 모든 분할 그레이팅에서 클래딩 모드가 발생하여, 투과광의 강도는 최소값이 된다. 다음에, 액면(7)이 상승하여, 액체(8)가 분할 그레이팅(9d)을 서서히 침지해가면, 그 액면(7)의 높이에 따라 투과광의 강도는 상승하지만, 액면(7)이 분할 그레이팅 9d와 9c 사이의 그레이팅이 형성되어 있지 않은 영역에 도달하면, 투과광의 강도는 일정한 값이 된다. 또한 액면(7)이 상승하여, 분할 그레이 팅(9c)에 도달하면, 투과광의 강도는 상승을 시작한다. 이와 같이, 액면(7)이 각각의 분할 그레이팅의 영역에 도달했을 때에 단계적으로 투과광의 강도가 변화된다.

이와 같이, 각각의 분할 그레이팅의 사이에, 그레이팅이 형성되어 있지 않은 영역이 있기 때문에, 액체(8)가 분할 그레이팅을 침지함에 따라서, 단계적으로 투과광의 강도가 변화된다. 그 때문에, 수광부(3)에 분해능이 낮은 수광 소자를 이용한 경우에도, 단계적으로 강도가 변화하는 것을 검지하여, 액면의 높이를 5단계로 검출할 수 있다.

또한, 각각의 분할 그레이팅의 격자 간격을 다르게 구성함으로써, 각 분할 그레이팅에서 발생하는 클래딩 모드의 손실 피크 파장이 다르기 때문에, 수광부에 스펙트럼 분석기를 이용하여 손실의 피크 파장을 검출함으로써, 액면의 높이를 5단계로 검출할 수도 있다.

(실시예 7)

도 14는, 실시예 7에 있어서의, 액면 검출용 광 파이버 센서의 모식도이다. 도 14에 있어서, 광 파이버(1)의 파이버 자켓(6)의 일부가 제거되어 있는 부분이, 액면(7)이 변화되는 방향에 대략 평행하게 배치되어 있고, 이 부분에 대응하는 코어(4)에는 그레이팅(9)이 형성되어 있다. 광 파이버(1)의 액체(8)에 침지한 한쪽 단부에는, 그레이팅(9)을 투과하여 온 투과광을 반사하기 위한 반사용 그레이팅(141)이 형성되어 있다. 반사용 그레이팅(141)은 그레이팅(9)이 형성된 영역에 대하여 광원(2)과 반대쪽의 광 파이버(1)에 마련되고, 반사용 그레이팅(141)의 브 래그 반사의 파장 대역은 클래딩 모드의 광의 파장을 포함하여, 그레이팅(9)이 형성된 영역을 투과한 클래딩 모드의 파장 대역의 광을 반사한다. 광 파이버(1)의 다른쪽 단부는, 서큘레이터(142)의 포트(142b)에 접속되어 있다. 서큘레이터(142)의 포트(142a)에는 광 파이버(143)를 거쳐서 광원(2)이 접속되어 있고, 포트(142c)에는 광 파이버(144)를 거쳐서 수광부(3)가 접속되어 있다.

다음에, 본 실시예에 있어서의, 동작에 대하여 설명한다. 광원(2)으로부터 출사된 광은, 광 파이버(143)를 통하여 포트(142a)에 들어가고, 포트(142b)로부터 광 파이버(1)에 출사된다. 광 파이버(1)의 코어(4)를 전파하는 광은 그레이팅(9)을 투과하여 코어(4) 내를 전파하여 가는 광과, 브래그 반사되는 광과, 클래딩 모드의 광으로 분리된다. 클래딩 모드의 광은, 그레이팅(9)이 액체(8)에 침지되는 길이에 따라 강도가 변화되고, 결과적으로, 코어(4) 내를 전파하는 투과광의 강도가 변화된다. 그레이팅(9)을 투과한 투과광은, 반사용 그레이팅(141)에서 반사되어, 코어(4) 내를 서큘레이터(142)측으로 전파하여 간다. 이 반사된 광은, 두 번째 그레이팅(9)을 통과할 때에, 그레이팅(9)이 액체(8)에 침지되는 길이에 따라 강도가 변화된다. 서큘레이터(142)에 도달한 광은, 포트(142b)로부터 포트(142c)로 보내지고, 광 파이버(144)를 통하여 수광부(3)에 입사된다. 서큘레이터(142)는 그레이팅(9)이 형성된 영역에 대하여 반사용 그레이팅(141)과 반대쪽의 광 파이버(1)의 끝에 구비되고, 광원(2)으로부터 광을 광 파이버(1)의 끝으로부터 입사하여, 그 광 파이버의 끝으로부터 출사하는 광을 수광부측에 수광시키도록 기능한다.

도 15는 본 실시예에 있어서의 반사용 그레이팅(141)의 반사 스펙트럼이다. 반사용 그레이팅(141)은, 파장 1548.1㎚ 근방의 광을 반사한다. 도 16은, 광원(2)으로서 실시예 1과 같이, EDFA의 자연 방출광을 이용한 광대역 광원을 이용하고, 수광부(3)에 스펙트럼 분석기를 이용하여, 액면(7)의 높이를 바꾸어 수광부(3)에서 1548.1㎚ 근방의 광의 강도를 측정했을 때의 특성도이다. 본 실시예에 있어서는, 클래딩 모드가 존재하는 영역이 변화함으로써, 액면의 높이가 높아짐에 따라서 클래딩 모드에 의한 손실이 증가하여, 그레이팅을 투과하는 투과광의 강도가 감소한다. 따라서, 실시예 1과는 반대로, 도 16에 도시하는 바와 같이 액면의 높이가 높아짐에 따라서 수광부에서 측정되는 광의 강도가 저하된다.

이와 같이 구성된 광 파이버 센서에 있어서는, 그레이팅을 투과하는 광이, 반사용 그레이팅에서 반사되어 2회 그레이팅을 투과하기 때문에, 광의 강도의 변화가 2배가 되어, 측정 감도가 향상된다. 또한, 광 파이버를 접을 필요가 없게 구조가 간편하기 때문에, 장치를 소형에 할 수 있다.

(실시예 8)

도 17은, 실시예 8에 있어서의, 액면 검출용 광 파이버 센서를 이용한 연료 게이지의 모식도이다. 차재용 연료 탱크(171)의 개구부(171a)에, 연료 펌프(172), 토출 파이프(173) 및 광 파이버 센서(174)가 구비된 플레이트(175)가 배치되어 있다. 광 파이버 센서(174)는, 실시예 1과 마찬가지의 액면 검출용 광 파이버 센서로서, 연료 펌프(172)와 함께 지지 부재(176)에 의해 플레이트(175)에 고정되어 있다. 이 플레이트(175)에 고정된 연료 펌프(172), 토출 파이프(173) 및 광 파이버 센서(174)로 연료 게이지가 구성되어 있다. 광 파이버 센서(174)의 그레이 팅(174a)이 형성된 부분은, 연료 탱크(171) 내부의 가솔린의 액면(177)이 변화되는 방향에 대략 평행하게 배치되어 있다. 또한, 광 파이버 센서(174)는, 보호를 위해 구멍이 열린 커버(178)로 덮여 있다. 가솔린 보급시에는, 연료 탱크(171)로의 연료 공급관(도시하지 않음)을 경유하여 연료 탱크에 가솔린이 공급된다.

연료 탱크(171) 내에 저장된 가솔린은, 엔진 동작 중에는 연료 펌프(172)로 빨아 올려져, 토출 파이프(173)를 경유하여 엔진에 보내진다. 연료 탱크(171) 내의 먼지 등의 이물이 연료 펌프(172)에 들어가는 것을 방지하기 위해, 연료 펌프(172)의 흡입구에는 저압측 필터(179)가 부착되어 있다. 가솔린의 보급 또는 사용에 의해서 가솔린의 액면(177)이 상하로 되지만, 액면이 변화되는 방향에 대략 평행하게 배치된 그레이팅(174a)에서 실시예 1에서 설명한 바와 같이 액면(177)의 높이를 검지하여, 연료 탱크(171) 내의 가솔린의 양을 측정할 수 있다.

이와 같이 구성된 연료 게이지에 있어서는, 가솔린의 액면(177)이 상하로 되는 것을 광 파이버 센서(174)로 검출할 수 있기 때문에, 가솔린(52)과 연료 탱크(171)의 기상 부분(통상은 공기)의 온도차가 작더라도 액면을 검출할 수 있는 동시에, 진동 등으로 가솔린의 액면(177)이 끊임없이 변화되는 경우라도 정확히 액면의 높이를 검출할 수 있다.

또한, 연료 게이지의 삽입 단면적(광 파이버 센서와 연료 펌프의 폭과 깊이)이 작기 때문에, 연료 탱크의 개구부(171a)의 면적을 작게 할 수 있는 동시에, 연료 게이지 부착시의 작업성이 향상된다.

또한, 광 파이버 센서에 가동부가 없기 때문에, 슬라이딩에 수반되는 마모에 의한 먼지의 발생 등의 불량도 없다.

(실시예 9)

도 18은, 실시예 9에 있어서의, 액면 검출용 광 파이버 센서를 이용한 연료 게이지의 모식도이다. 본 실시예에 있어서는, 실시예 8에 있어서, 광 파이버 센서(174)의 그레이팅이 형성되어 있지 않은 부분의 광 파이버를 연료 펌프(172)에 감은 것이다. 광 파이버 센서(174)의 그레이팅(174a)이 형성된 부분은, 연료 탱크(171) 내부의 가솔린의 액면(177)이 변화되는 방향에 대략 평행하게 배치되어 있다.

이와 같이 구성함으로써, 연료 게이지를 더욱 소형화할 수 있다.

(실시예 10)

도 19는, 실시예 10에 있어서의, 액면 검출용 광 파이버 센서를 이용한 연료 게이지의 모식도이다. 연료 펌프(172)로 빨아 올려진 가솔린이 가압되어 토출 파이프(173)로 보내지지만, 본 실시예에 있어서는, 연료 펌프(172)의 출구측에 고압측 필터(191)를 배치하여, 연료 펌프(172) 내에서 발생한 먼지 등의 이물이 토출 파이프(173)로 보내지는 것을 막고 있다. 연료 펌프(172)나 고압측 필터(191)는 연료 펌프 모듈(192) 내에 수납되어 있다. 광 파이버 센서(174)는, 이 연료 펌프 모듈(192)에 지지 부재(176)에 의해 고정되어 있다. 광 파이버 센서(174)의 그레이팅(174a)이 형성된 부분은, 연료 탱크(171) 내부의 가솔린의 액면(177)이 변화되는 방향에 대략 평행하게 배치되어 있다.

이와 같이 구성된 연료 게이지에 있어서는, 실시예 8과 같이, 가솔린의 액 면(177)이 상하로 되는 것을 광 파이버 센서(174)로 검출할 수 있기 때문에, 가솔린과 연료 탱크(171)의 기상 부분(통상은 공기)의 온도차가 작더라도 액면을 검출할 수 있는 동시에, 진동 등으로 가솔린의 액면(177)이 끊임없이 변화되는 경우에도 정확히 액면의 높이를 검출할 수 있다.

(실시예 11)

도 20은, 실시예 10에 있어서의, 액면 검출용 광 파이버 센서를 이용한 연료 게이지의 모식도이다. 본 실시예에 있어서는, 실시예 10에 있어서, 광 파이버 센서(174)의 그레이팅이 형성되어 있지 않은 부분의 광 파이버를 연료 펌프 모듈(192)에 감은 것이다. 광 파이버 센서(174)의 그레이팅(174a)이 형성된 부분은, 연료 탱크(171) 내부의 가솔린의 액면(177)이 변화되는 방향에 대략 평행하게 배치되어 있다.

이와 같이 구성함으로써, 연료 게이지를 더욱 소형화할 수 있다.

(실시예 12)

도 21은, 실시예 12에 있어서의, 액면 검출용 광 파이버 센서를 이용한 연료 게이지의 모식도이다. 자동차의 연료 탱크로서는, 자동차 중앙 부분에 배치된 구동 샤프트를 피하기 위해서 연료 탱크의 바닥면의 일부가 내측으로 돌출된 안장형부(210)를 갖는 탱크가 있다. 이러한 복잡한 형상의 연료 탱크에 있어서는, 종래의 플로트식의 연료 게이지를 배치하는 것이 불 가능하거나 또는 조립에 손이 많이 간다고 하는 문제가 있었다. 본 실시예에서는, 광 파이버 센서(174)를 연료 탱크(171)의 내측 측면으로부터 안장형부(210)를 타고 넘도록 연료 탱크(171)의 내면 을 따라 배치하여, 그레이팅(174a)이 형성된 부분을 액면(177)이 변화되는 방향에 대략 평행하게 배치한 것이다.

이와 같이 구성함으로써, 연료 게이지를 복잡한 형상의 탱크나 소형의 탱크에도 장착할 수 있다.

(실시예 13)

자동차용 엔진의 연료로서 사용되고 있는 순정 가솔린에는, 헵탄(heptane), 펜탄(petane) 등의 탄화수소를 주성분으로 하는 경질 가솔린과, 벤젠 등의 탄화수소를 주성분으로 하는 중질 가솔린과, 그들의 중간의 중질가솔린(통상의 레귤러 가솔린)이 있다. 예컨대 경질 가솔린에 매칭시켜, 점화 시기 등을 제어하도록 설정된 엔진에, 중질 가솔린을 연료로서 사용한 경우에는 착화 시기가 늦어, 저온시의 시동성의 악화나, 엔진 부조 현상 등의 운전 성능의 악화를 초래할 뿐만 아니라, 불완전 연소에 의해서 배기 가스 중의 유해 성분이 증대하는 등의 문제가 발생한다. 미국이나 구라파 등의 각국에서는, 석유의 소비량의 저감을 도모하기 위해서, 가솔린 중에 알콜을 혼합한 연료가 자동차용으로서 보급되고 있다. 이러한 알콜 혼합 연료를 가솔린 연료의 공연비에 매칭된 엔진에 그대로 이용하면, 알콜이 가솔린에 비해 이론 공연비가 작은 것 등으로 인하여 공연비가 린화하기 위해서, 알콜 혼합 연료중의 알콜 함유율을 검출하여 연료 분사 밸브 등의 액츄에이터를 제어하여, 알콜 함유율에 따라 공연비, 점화 시기 등을 조정해야 한다. 상기로 인해 가솔린의 경질, 중질 또는 알콜 농도의 검출이 필요해지고, 또한 그 검출값에 따라 공연비나 점화 시기 등을 제어할 필요가 있게 된다.

도 22는 가솔린, 레귤러 가솔린에 에탄올을 20% 혼합한 가솔린, 레귤러 가술린에 톨루엔을 40% 혼합한 가솔린의 각각에 대하여, 레귤러 가솔린에 대한 굴절율비와 증류 성상인 50% 유출 온도의 관계에 대하여 나타낸 그래프이다. 또, 증류 성상은 JIS K 2254 「석유 제품의 증류 시험 방법」에 기인하여 측정했다. 톨루엔을 혼합한 경우에는, 결과가 도시하는 바와 같이 굴절율비는 크고, 50% 유출 온도도 커져 중질 가솔린이 된다. 한편, 에탄올을 혼합한 경우에는, 굴절율비는 작고, 50% 유출 온도도 작아져 경질 가솔린이 된다. 이상과 같이 가솔린의 중질, 경질은 그 굴절율과 상관이 있고, 중질 가솔린에서는 굴절율이 크고, 경질 가솔린에서는 굴절율이 작아진다. 따라서 굴절율을 검출함으로써, 액체 성상을 검출할 수 있다는 것을 알 수 있다.

도 23은, 실시예 13의 액체 성상 검출용 광 파이버 센서의 구성과 사용 방법을 나타내는 모식도이다. 광 파이버 센서는 광원(2), 수광부(3), 광 파이버(1)를 구비하고 있다. 광 파이버(1)의 한쪽 단부에 광원(2)이 배치되어 있고, 다른쪽 단부에 수광부(3)가 배치되어 있다. 광 파이버(1)는, 광원(2)으로부터 출사되는 광이 전파하는 코어(4)와, 광을 코어(4) 내에 가두기 위해서 코어(4)를 덮고 있는 클래드(5)와, 이들을 덮어 보호하는 파이버 자켓(6)을 구비하고 있고, 액체의 성상을 검출하기 위해서 클래드(5)가 직접 액체(8)와 접하도록, 파이버 자켓(6)의 일부가 제거되어 있다. 이 파이버 자켓(6)의 일부가 제거되어 있는 부분에 대응하는 코어(4)에는 그레이팅(9)이 형성되어 있다.

이 광 파이버 센서는, 예컨대 도 23과 같이 광 파이버(1)의 파이버 자켓(6) 의 일부가 제거되고 그레이팅(9)이 형성된 부분을 용기(10)에 담긴 액체(8)에 침지하도록 하여 사용된다. 광 파이버(1)는, 액체(8)를 저장하기 위한 용기(10)의 바닥면 가까운데서 U 자형으로 굴곡되어 있고, 광원(2)과 수광부(3)는, 용기(10)의 외부에 배치된다. 용기(10) 내의 액체(8)의 양에 관계없이 액체(8)의 성상을 측정하기 위해서는, 가급적 용기(10)의 바닥면 가까이에 그레이팅이 배치되는 것이 바람직하다. 예컨대 바닥면에 따라 그레이팅(9)이 배치되는 구성이라도 좋다.

또, 파이버 자켓(6)의 일부가 제거되어 있는 부분은, 액체(8)에 담겨 있는 상태라면 액면에 대하여 어떠한 방향에서도 검출이 가능하다.

또한, 파이버 자켓(6)이 제거된 부분이더라도, 그레이팅이 형성된 영역이 아닌 부분에서는, 클래딩 모드가 거의 발생하지 않기 때문에, 주위의 굴절율의 영향은 거의 받지 않는다.

광원(2)은, 예컨대 LED나 LD 등을 이용할 수 있고, 수광부(3)는 포토 다이오드와 같은 수광 소자 등을 이용할 수 있다. 코어(4) 및 클래드(5)에는, 석영 유리 등의 무기 유리 또는 폴리메틸 메타크릴레이트 등의 플라스틱계의 재료를 이용할 수 있고, 파이버 자켓(6)에는, 불소계, 나일론계, 페놀계, 에폭시계, 멜라닌계 등의 수지를 이용할 수 있다.

광원(2)으로부터 광 파이버(1)에 입사된 광은, 광 파이버의 코어 내를 전파하여, 그레이팅(9)에 도달한다. 그레이팅(9)에 도달한 광은, 그 파장에 의해서 그레이팅(9)을 투과하여 코어 내를 전파하여 가는 광과, 그레이팅(9)에서 브래그 반사되어 코어 내를 반대 방향으로 전파하여 가는 광과, 코어로부터 튀어나와 클래드 내를 전파하는 클래딩 모드의 광으로 분리된다. 광 파이버(1)의 광이 전파하여 가는 먼저는 수광부(3)를 갖추었기 때문에, 그레이팅(9)을 투과하여 코어 내를 전파하여 가는 광과 코어로부터 튀어나와 클래드 내를 전파하는 클래딩 모드의 광의, 광의 강도를 검출할 수 있다.

특히, 광원(2)으로부터 광 파이버(1)에 입사하는 광의 파장 대역, 또는 수광부(3) 앞에 수광하는 광의 파장 대역을 광 필터 등을 삽입하는 등의 방법으로 클래딩 모드의 광이 전파하는 파장 대역만으로 하면, 코어로부터 튀어나와 클래드 내를 전파하는 클래딩 모드의 광만의 투과광 강도를 검출하는 것이 가능하다.

그레이팅을 형성한 부분의 클래딩 모드의 투과광 강도의 파장 특성은, 상술한 바와 같이, 주기적으로 손실의 피크를 갖는 투과 특성을 구비하고 있다. 이 손실의 피크는 클래드와 그 외측의 매질의 굴절율의 차에 의존하여 크기가 변화된다.

실시예 1에서는, 액체와 기체의 큰 굴절율 차이에 근거하여 클래딩 모드의 투과광 강도가 크게 변화했지만, 외측의 매질이 약간 다른 액체끼리의 경우에 있어서도, 클래딩 모드의 투과광의 강도가 다르다. 도 23에서는 그레이팅(9)을 형성한 영역은 그 전체가 액체에 침지되어 있기 때문에, 그레이팅 부분의 투과광 강도는 액체의 굴절율에 따른 값이 된다.

도 24는 액체의 굴절율을 변화시켰을 때의 그레이팅의 투과율의 파장 특성을 나타내는 그래프이다. 또 그레이팅으로서, 코어 굴절율 1.459, 클래드 굴절율 1.444, 그레이팅 길이 10㎜, 그레이팅 주기 274㎚, 대략 796㎚ 부근에 브래그 반사 파장을 가지는 그레이팅을 이용했다. 그레이팅의 투과율의 파장 특성의 측정에서 는 그래프의 파장 영역을 커버하는 광대역 광원을 광원으로 이용하고, 수광부에 스펙트럼 분석기를 이용했다. 또, 투과율로서는 투과광 강도가 가장 커지는 조건, 여기서는 클래드의 굴절율보다 큰 굴절율을 갖는 액체에 그레이팅 부분을 침지한 경우에서의 투과광 강도를 1.0의 기준값으로서 투과율을 계산했다. 도 24와 같이, 액체의 굴절율이 1.43으로부터 1.436으로 서서히 커지는 것에 따라서 클래딩 모드의 손실의 피크가 저파장측으로부터 서서히 작아지거나, 결국 소실하는 경향을 보인다. 또한, 클래드 외의 액체의 굴절율이 클래드 이상으로 되면, 클래딩 모드는 방사되어 존재하지 않게 되기 때문에, 이 클래딩 모드의 손실의 피크는 모두 소실된다. 이들 현상을 이용하여 도 23의 구성에 의해, 클래딩 모드의 파장 대역의 그레이팅의 투과광 강도를 측정하는 것에 의해, 액체의 굴절율, 즉 액체의 성상을 검출하는 것이 가능해진다.

도 25는, 광 파이버(1)에 입력되는 광의 파장 대역을 791±0.2㎚로 한 경우에 있어서의, 그레이팅의 투과율의 액체의 굴절율 의존성을 나타낸 그래프이다. 791±0.2㎚의 파장 대역은 도 24의 그래프 상에서 왼쪽으로부터 3번째의 클래딩 모드의 손실의 피크를 포함한 파장 대역이다. 광원(1)의 파장 대역이 넓은 경우에는 791±0.2㎚의 파장 대역만을 투과시키는 광 필터를 수광기의 전단 등에 배치하더라도 동일한 결과를 얻을 수 있다.

도 25와 같이, 액체의 굴절율을 변화시킨 경우의 그레이팅의 투과광 강도는, 액체의 굴절율이 1.43 이하에서는 투과율이 0.933으로 일정하지만, 액체의 굴절율이 1.432 이상 1.434 이하의 범위에서는 급격히 투과율이 증가하고, 1.434 이상에 서는 거의 1.0으로 일정해진다. 이 투과율의 파장 의존 특성은, 도 24의 그래프 상에서 왼쪽으로부터 3번째의 클래딩 모드의 손실의 피크의 크기의 변화에 대응한 것이다.

이와 같이 있는 하나의 클래딩 모드의 손실의 피크를 포함한 파장 대역의 투과율을 검출하도록 광원(2) 또는 수광부(3)를 설정한 경우에는, 특정한 굴절율을 경계로 투과광 강도가 단계 형상으로 변화된다. 따라서, 액체가 소정의 굴절율보다 큰지 작은지를 판별함으로써, 액체, 예컨대 가솔린이 경질인지 중질인지 등의 성상을 판별할 수 있다.

그 경우, 우선, 성상을 검출하고 싶은 액체의 굴절율, 예컨대 도 25에서 1.433을 경계로 크게 강도가 변화되는 적당한 하나의 클래딩 모드의 손실의 피크를 포함한 파장 대역의 투과율을 검출하도록, 광원(2)에 그 파장의 LD를 사용하는, 또는 그 파장의 광만을 투과하는 광 필터를 수광부(3)의 앞에 설치한다. 또한, 수광부(3)에서 검출한 투과광 강도가 적당한 임계값, 예컨대 도 25의 경우에는 굴절율이 0.96에 상당하는 투과광 강도를 넘은 시점에서 신호를 발생하기 위한 회로를 수광부(3)에 구비하여 놓는다. 이것에 의해서, 침지한 액체의 굴절율이 특정한 굴절율보다 큰 경우에, 수광부(3)로부터 신호가 출력되기 때문에, 액체의 성상을 용이하게 검지할 수 있다.

도 26은, 광 파이버(1)에 입력되는 광의 파장 대역을 791±0.5㎚로 한 경우에 있어서의, 그레이팅의 투과율의 액체의 굴절율 의존성을 나타낸 그래프이다. 791±0.5㎚의 파장 대역은 도 24의 그래프 상에서 왼쪽으로부터 1번째로부터 5번째 까지의 클래딩 모드의 손실의 피크를 포함한 파장 대역이다. 광원(1)의 파장 대역이 넓은 경우에는 791±0.5㎚의 파장 대역만을 투과시키는 필터를 수광기의 전단 등에 배치하더라도 좋다.

이와 같이 한 경우, 도 24의 그래프 상에서 왼쪽으로부터 1번째로부터 5번째까지의 액체의 굴절율이 변함에 따라서 순차적으로 생성 또는 소실하는 클래딩 모드의 손실의 피크를 포함한 파장 영역 전체의 투과광 강도가 수광기에서 검출된다. 따라서 도 26과 같이, 액체의 굴절율을 변화시킨 경우의 그레이팅의 투과광 강도는, 액체의 굴절율이 1.431 이하에서는 투과율은 0.936으로 일정하지만, 액체의 굴절율이 1.431 이상 1.435 이하의 범위에서는 액체의 굴절율에 대하여 직선적으로 투과율이 증가하고, 1.435 이상에서는 거의 1.0으로 일정해지는 변화를 나타낸다.

이와 같이 복수의 클래딩 모드의 손실의 피크를 포함한 파장 대역의 투과율을 검출하도록 광원(2) 또는 수광부(3)의 파장 대역을 설정한 경우에는, 액체의 굴절율에 대한 투과율 변화가 선형적으로 되는 것을 알 수 있다. 하나의 클래딩 모드의 손실의 피크를 포함한 파장 대역으로 투과율을 검출한 도 25의 경우와 비교해서, 보다 넓은 굴절율 범위에 있는 액체에 대하여, 그 굴절율의 크기를 연속적으로 측정하는 것이 가능해진다. 그 경우, 성상을 검출하고 싶은 액체의 굴절율의 범위, 예컨대 도 26에서 1.431로부터 1.435로 직선적으로 투과율이 변화되도록, 복수의 클래딩 모드의 손실의 피크를 포함한 파장 대역을 골라, 광원(2)에 그 파장의 LD를 사용한다, 또는 그 파장의 광만을 투과하는 광 필터를 수광부(3)의 앞에 설치하여, 클래딩 모드의 투과광 강도를 수광부(3)에서 검출한다. 그레이팅이 형성된 영역이 침지되는 액체의 굴절율이 상기 굴절율의 범위에 있는 경우에는, 굴절율에 따라 투과율 0.936으로부터 1.0에 상당하는 투과광 강도가 수광부(3)에서 검출되기 때문에 굴절율, 또는 액체의 성상을 검출할 수 있다. 수광부(3)에서 검출한 투과광 강도를 나타내는 출력 신호를 굴절율, 또는 액체의 성상을 나타내는 신호로 변환하는 회로 등을 구비하여 두면, 더욱 검출이 용이하다.

상기에서는, 코어 굴절율 1.459, 클래드 굴절율 1.444로 했지만, 이들 굴절율을 변경함으로써 측정할 수 있는 액체의 굴절율을 조정할 수 있어, 다양한 종류의 액체에 대응할 수 있다. 도 27은 클래드 굴절율을 변화시킨 경우에, 검출할 수 있는 액체의 굴절율과 그 때에 사용하는 광원의 파장의 조합의 예를 나타낸 그래프이다. 굴절율차는 1%로서 코어의 굴절율을 정했다. 도 27의 그래프가 도시하는 바와 같이, 클래드의 굴절율이 커짐과 동시에, 검출할 수 있는 액체의 굴절율도 커진다. 그 때, 파장 스펙트럼이 전체적으로 고파장쪽으로 시프트하기 때문에, 그에 따른 광원의 파장도 도 27과 같이 길게 했다. 가솔린류의 굴절율은, 작은 것으로 1.4, 큰 것으로 1.46 정도이며, 클래드의 굴절율을 조정하는 것에 의해, 가솔린의 중질, 경질 및 알콜 농도를 검출하는 것이 가능해진다. 또, 도 27의 그래프에 도시되는 이외의 조합에서도, 그레이팅의 주기 등을 바꾸는 등에 의해서 검출할 수 있는 액체의 굴절율을 바꾸는 것이 가능하다.

이상과 같이, 그레이팅이 형성된 영역 전체가 액체에 침지되도록 설치되었기 때문에, 그레이팅이 형성된 영역을 통과하는 클래딩 모드의 광의 강도를 수광부에서 검출하는 것에 의해 액체의 성상을 검출할 수 있다. 또한, 용융 연신 처리 등으로 광 파이버의 굵기가 대폭 가늘게 된 부분을 갖지 않기 때문에, 강도가 크고, 진동에 의한 응력에 의해 파손되기 어렵다. 따라서 진동이 큰 환경에서도 신뢰성이 높게 액체의 성상을 검출할 수 있다.

또, 여기서는 800㎚대 부근의 파장에 대응한 그레이팅을 이용했지만, 실시예 1과 같은 1500㎚대 등, 다른 파장에 대응한 그레이팅을 이용하여도 좋다.

(실시예 14)

실시예 13에서는, 그레이팅을 한번 투과하는 투과형의 구성으로 했지만, 그레이팅이 형성된 영역에 대하여 광원(2)과 반대쪽의 광 파이버(1)에 반사 수단을 마련하여, 광원으로부터 입사된 광이 반사 수단에서 접히는 반사형의 구성으로 해도 좋다. 도 28은 실시예 14의 액체 성상 검출용 광 파이버 센서의 구성과 사용 방법을 나타내는 모식도이다. 도 28에 있어서, 광 파이버(1)의 파이버 자켓(6)의 일부가 제거되어 있는 부분 전체가, 액체(8)에 침지되도록 되어 있고, 이 부분에 대응하는 코어(4)에는 그레이팅(9)이 형성되어 있다. 광 파이버(1)의 액체(8)에 침지한 한쪽 단부에는, 그레이팅(9)을 투과하여 온 투과광을 반사하기 위한 반사용 그레이팅(141)이 형성되어 있다. 반사용 그레이팅(141)은 그레이팅(9)이 형성된 영역에 대하여 광원(2)과 반대쪽의 광 파이버(1)에 마련되고, 반사용 그레이팅(141)의 브래그 반사의 파장 대역은 클래딩 모드의 광의 파장을 포함하여, 그레이팅(9)이 형성된 영역을 투과한 클래딩 모드의 파장 대역의 광을 반사한다. 광 파이버(1)의 다른쪽 단부는, 서큘레이터(142)의 포트(142b)에 접속되어 있다. 서큘레이터(142)의 포트(142a)에는, 광 파이버(143)를 거쳐서 광원(2)이 접속되어 있 고, 포트(142c)에는, 광 파이버(144)를 거쳐서 수광부(3)가 접속되어 있다.

다음에, 동작에 대하여 설명한다. 광원(2)으로부터 출사된 광은, 광 파이버(143)를 통하여 포트(142a)에 들어가고, 포트(142b)로부터 광 파이버(1)에 출사된다. 광 파이버(1)의 코어(4)를 전파하는 광은 그레이팅(9)을 투과하여 코어(4) 내를 전파하여 가는 광과, 브래그 반사되는 광과, 클래딩 모드의 광으로 분리된다. 클래딩 모드의 광은, 그레이팅(9)이 침지되는 액체(8)의 굴절율에 따라서 그 강도가 변화되고, 결과적으로, 코어(4) 내를 전파하는 투과광의 강도가 변화된다. 그레이팅(9)을 투과한 투과광은, 반사용 그레이팅(141)에서 반사되어, 코어(4) 내를 서큘레이터(142)측으로 전파하여 간다. 이 반사된 광은, 두 번째 그레이팅(9)을 통과할 때에, 그레이팅(9)이 침지된 액체(8)의 굴절율에 따라 강도가 변화된다. 서큘레이터(142)에 도달한 광은, 포트(142b)로부터 포트(142c)로 보내지고, 광 파이버(144)를 통하여 수광부(3)에 입사되어, 그 강도가 검출된다. 따라서, 액체(8)의 굴절율과 수광부(3)에 입사한 광의 강도의 관계를 미리 조사하여 놓으면, 수광부(3)에 입사한 광의 강도로부터 액체(8)의 굴절율을 검출할 수 있는 반사 수단으로서 반사용 그레이팅(141) 대신에 광 파이버의 말단에 금증착한 것 등도 이용할 수 있다.

반사 수단으로서 반사용 그레이팅(141)을 이용하는 경우에는, 반드시 광 파이버의 말단에 있을 필요는 없고, 그레이팅이 형성된 영역에 대하여 광원과 반대쪽의 광 파이버의 어딘가에 반사용 그레이팅(141)이 형성되어 있으면 좋다.

상기한 바와 같이, 그레이팅이 형성된 영역에 대하여 광원과 반대쪽의 광 파 이버에 반사 수단을 마련하는 구성에서는 그레이팅을 광이 2회 통과하기 때문에 센서로서의 감도가 향상된다. 도 29는 그레이팅이 형성된 영역에 대하여 광원과 반대쪽의 광 파이버에 반사 수단을 마련한 반사형의 구성과, 도 23과 같은 반사 수단을 마련하지 않는 투과형의 구성에 대하여, 액체의 굴절율과 투과율의 관계의 일례를 나타낸 그래프이다. 도 29와 같이 반사형의 구성쪽이, 액체의 굴절율의 변화에 대한 투과율의 변화가 커져, 굴절율의 변화를 검출하기 쉬워지는 것을 알 수 있다.

또한, 반사 수단을 클래딩 모드의 광의 파장 영역을 브래그 반사의 파장 영역에 갖는 그레이팅을 이용하는 것에 의해, 도 7에서 수광부(3)의 앞에 광 필터를 삽입한 경우와 같이 노이즈가 되는 클래딩 모드 이외의 광을 제거하는 효과가 있다.

(실시예 15)

도 30은 본 실시예 15의 액체 성상 검출용 광 파이버 센서의 구성과 사용 방법을 나타내는 모식도이다. 실시예 14의 도 28의 광원(2), 광 파이버(142a, 142c), 서큘레이터(142), 수광부(3)를 광 픽업(300)으로 대체한 구성으로 되어있다. 이와 같이, 반사 수단을 이용하는 경우에는 서큘레이터를 마련하여 입사광과 출사광을 분리하는 방법 이외에도, 수광 소자를 일체적으로 한 광 픽업 등을 사용하더라도 좋다.

도 31은 광 픽업(300)의 구성을 도시한 개략도이다. 광 픽업(300)은 CD의 판독이나 기록 등에 이용되는 것으로, 수광 소자(302), 레이저 다이오드(305), 하프 미러(306), 콜리메이터 렌즈(307), 대물 렌즈(308) 등으로 구성된다. 레이저 다이오드(305)로부터의 광 파이버에 입사되도록 하프 미러(306)에 의해서 반사되고, 한편, 광 파이버로부터 출사되는 광은 하프 미러(306)를 투과하여 수광 소자(302)에 입사되게 되어 있다. 하프 미러(306)에 의해서 광 파이버에 입사되는 광과 광 파이버로부터 출사되는 광을 분리하는 간단한 구성으로, 각 소자를 집적화하는 것에 의해 소형 경량화가 가능하다. 또한, 광 파이버와 광원 또는 수광부 등의 접속 부품을 소형 경량화하는 것은, 진동이 큰 환경에서 그 부분에 발생하는 응력을 경감할 수 있기 때문에, 신뢰성을 향상하는 데 효과가 있다. 또, 실시예 7에 나타낸 액면 검출용 광 파이버 센서의 광원(2), 광 파이버(142a, 142c), 서큘레이터(142), 수광부(3)를 광 픽업(300)으로 대체하더라도 마찬가지의 효과가 있다.

(실시예 16)

도 32는 실시예 16의 액체 성상 검출용 광 파이버 센서의 수광부의 구성을 나타낸 개략도이며, 도 33은 실시예 16의 액체 성상 검출용 광 파이버 센서의 광원의 구성을 나타낸 개략도이다. 실시예 16의 액체 성상 검출용 광 파이버 센서는 실시예 13의 도 23의 수광부(3)를 도 32의 수광부(3), 또한 광원(1)을 도 33의 수광부(2)로 대체한 것이다.

도 32의 수광부(3)는, 회절 격자(301)와 3개의 수광 소자(302a, 302b, 302c)를 구비하고 있다. 광 파이버(1)로부터 출사되는 광은 회절 격자(301)에 의해서, 광의 파장에 의해서 그 진행 방향이 바뀌어진다. 수광 소자(302a, 302b, 302c)는 각각, 다른 파장의 클래딩 모드의 광이 진행하는 위치에 배치되어, 다른 파장의 클래딩 모드의 광을 수광한다.

도 33의 광원(2)은 3개소의 입력광을 하나로 합쳐 출력하는 광 합파부(309)와, 다른 파장의 광을 발생하는 3개의 LD(305a, 305b, 305c)를 구비하고 있다. 3개의 LD 각각이 발생하는 광은 광 합파부(309)에 의해서 합쳐져 광 파이버(1)에 입사되도록 설치되어 있다. 3개의 LD(305a, 305b, 305c) 각각이 발생하는 광의 파장은 다른 파장의 클래딩 모드의 광의 파장이며, 3개의 수광 소자(302a, 302b, 302c)가 수광하는 광의 파장과 일치하도록 했다. 이러한 구성에 의해 복수의 파장의 광에 있어서의 그레이팅의 투과광 강도를 검출할 수 있다.

도 34는 실시예 16의 액체 성상 검출용 광 파이버 센서의 3개의 수광 소자에 의해서 다른 액체의 굴절율을 검출했을 때의 투과율의 일례를 나타낸 그래프이다. 또 투과율은, 클래드의 굴절율보다 큰 굴절율을 갖는 액체에 그레이팅 부분을 침지했을 때의 각각의 수광 소자의 출력값을 기준으로 하여 비교 계산 처리시키는 수단을 이용했다. 3개의 LD 및 3개의 수광 소자가 검출하는 파장 대역은, 789±0.2㎚, 791±0.2㎚, 793±0.2㎚이며, 각각의 파장 대역에 1개의 클래딩 모드의 손실의 피크가 포함된다.

클래딩 모드의 손실의 피크는 액체의 굴절율의 상승에 따라 저파장쪽으로부터 순차적으로 소실하기 때문에, 입력광의 파장을 저파장으로 하면 판별할 수 있는 굴절율이 작아지고, 입력광의 파장을 장파장으로 하면 판별할 수 있는 굴절율은 커진다. 따라서, 도 34로부터 분명한 바와 같이, 각각의 파장에 대하여 투과율이 급격히 변화되는 액체의 굴절율이 존재하게 된다.

이러한 구성에 의해 복수의 파장의 클래딩 모드의 투과광 강도를 검출했기 때문에, 실시예 13보다 넓은 범위의 액체의 굴절율을 검출하는 것이 가능해진다.

또, 실시예 16에서는, 광원에 3개의 LD 이용한 것을 사용했지만, 대신에 예컨대 LED와 같이 넓은 파장 대역에 발광 소자로 대체하더라도 좋다.

또한, 광원을 복수개의 LD, 수광부를 1개의 수광 소자로 한 구성에, LD의 발광하는 시간을 조금씩 옮기는 수단을 구비하는 것에 의해, 수광 소자로부터 LD 각각의 파장 대역의 투과광 강도가 시간적으로 순차적으로 출력되도록 하더라도 좋다.

또한, 상기한 바와 같이, 복수의 파장 대역을 갖는 발광 소자, 또는 다른 파장 대역을 수광하는 복수의 수광 소자를 구비한 것에 의해, 복수의 파장 대역의 클래딩 모드의 투과광 강도를 검출하는 구성은, 도 28에서와 같이 광 파이버의 선단에 반사 부분을 형성한 경우에도 실현할 수 있다.

(실시예 17)

도 35는, 실시예 17에 있어서의, 액면 검출용 광 파이버 센서와 액체 성상 검출용 광 파이버 센서를 일체화한 광 파이버 센서의 구성 및 그 사용 방법을 나타내는 모식도이다. 본 실시예는, 실시예 6의 분할 그레이팅을 적용한 액면 검출용 광 파이버 센서와, 실시예 13의 액체 성상 검출용 광 파이버 센서를 조합한 구성이다. 그레이팅(9a, 9b, 9c, 9d)은 액면 검출용의 그레이팅이며, 이들은 액면이 변화되는 방향으로 나열될 필요가 있다. 한쪽(9e)은 액체 성상 검출용의 그레이팅이며, 액체(8)에 담겨 있는 상태라면 액면에 대하여 어떠한 방향에서도 검출이 가능하다. 광 파이버(1)는, 액체(8)를 저장하기 위한 용기(10)의 바닥면 가까운데서 굴곡되어 있고, 광원(2)과 수광부(3)는, 용기(10)의 외부에 배치된다. 용기(10)의 바닥면 가까이 그레이팅(9e)이 배치되는 것에 의해, 용기(10) 내의 액체(8)의 양에 관계없이 액체(8)의 성상을 측정할 수 있다.

본 실시예에 있어서는, 액면의 변화와 액체 성상의 변화를 구분하기 위해서, 액면 검출용 광 파이버 센서와 액체 성상 검출용 광 파이버 센서가, 각각 다른 파장의 투과광 강도를 검출 가능한 구성으로 되어 있다. 그 때문 광원에는 LED 등 광대역인 것이 적합하다. 도 36은 실시예 17의 광 파이버 센서의 수광부(3)의 구성을 도시한 개략도이다. 회절 격자(301)는 광 파이버(1)로부터 출사되는 광을, 액면 검출용의 그레이팅의 투과 손실을 검출하는 파장 영역의 광이 액면 검출용 수광 소자(302-1)로, 또한, 액체 성상 검출용의 그레이팅의 투과 손실을 검출하는 파장 영역의 광이 액체 성상 검출용 수광 소자(302-2)로 분리되도록 설치되어 있다.

여기서는 광원으로서 광 대역인 LED를 이용하고, 수광부에서 회절 격자에 의해 각 파장을 분리했지만, 다른 파장의 LD를 광 합파기에 의해 합파하고, 파이버형의 분파기를 이용하여 분파하고 나서 수광 소자에서 검출하더라도 좋다.

또한, 클래딩 모드가 나타나는 파장 범위가 액면 검출용 광 파이버 센서와 액체 성상 검출용 광 파이버 센서에 있어서 다른 파장 범위에 나타나도록 하기 위해서, 그레이팅의 주기가 각각 다르도록 하더라도 좋다.

상기한 바와 같은 구성에 의해 액면 검출과 액체 성상 검출에 대응하는 2종의 파장의 광에 있어서의 그레이팅의 투과광 강도를 검출할 수 있다. 도 37은 액면 검출용의 그레이팅 및 액체 성상 검출용의 그레이팅의 투과율의 파장 특성을 나 타낸 그래프이다. 액면 검출용의 그레이팅 및 액체 성상 검출용의 그레이팅의 주기는 각각 274㎚, 270㎚으로 되어 있다. 도 37과 같이 각각의 클래딩 모드는 다른 파장 대역에 나타나 있고, 액면 검출용으로서 790㎚ 부근, 액체 성상 검출용으로서 780㎚ 부근의 파장의 광원을 이용하는 것에 의해 액면과 액체 성상의 양쪽을 독립적으로 검출할 수 있다. 이와 같이 액면 검출용 광 파이버 센서와 액체 성상 검출용 광 파이버 센서에 대응하는 그레이팅 주기를 각각 다르게 설정하는 것에 의해, 1개의 광 파이버에 양쪽의 센서를 형성한 구성으로 할 수 있어, 소형화와 저가격화를 실현할 수 있다.

(실시예 18)

액체의 굴절율 차이에 의해서 클래딩 모드의 투과광 강도가 다르기 때문에, 액면 검출용 광 파이버 센서의 수광부에서 출력되는 투과광 강도에 따른 신호 강도는, 액체의 굴절율에 의해서 다른 크기로 된다.

그래서, 실시예 18에서는 실시예 17에, 액체 성상 검출용 광 파이버 센서의 출력 신호 강도에 근거하여, 액면 검출용 광 파이버 센서의 출력 신호 강도를 보정하는 수단을 갖추었다.

도 38(a)는 실시예 18의 보정 전의 중질 가솔린, 레귤러 가솔린, 경질 가솔린에 대하여, 액면 검출용 광 파이버 센서의 수광부의 출력 강도와 액면 위치의 관계를 나타내는 그래프이다. 이와 같이 가솔린은 그 굴절율이 종류에 따라 조금 다르기 때문에, 도 38(a)와 같이 액면 위치에 대한 신호 강도의 관계가 조금씩 다르다. 액면 위치를 판독할 때 얻어진 신호 강도를 액면 위치로 환산하기 때문에, 액 체의 굴절율이 변화되었을 때에 발생하는 신호 강도의 편차는 측정 오차가 된다.

실시예 18에서는 실시예 17의 도 35 및 도 36의 구성에 더하여, 액면 검출용 수광 소자(302d)의 출력 신호 및 액체 성상 검출 수광 소자(302e)의 출력 신호가 각각 액면 보정 연산 장치에 입력되도록 접속하고, 액체 성상 검출 수광 소자(302e)의 신호 강도에 근거하여, 액체 성상 검출 수광 소자(302-2)의 신호 강도가 액면 보정 연산 장치에 의해서 보정 연산되어 출력되도록 했다. 액면 보정 연산 장치에는 미리, 다른 굴절율을 가진 액체라도 같은 액면을 나타내는 출력 신호 강도가 되도록 보정 연산할 때의, 비례 게수의 테이블을 메모리에 저장했다.

이 테이블은, 도 38(a)와 같은 데이터를 미리 취득한 간격, 각각의 액면 위치와 신호 강도의 관계로부터, 비례 정수를 구하여 테이블로 한 것이다. 예컨대, 중질 가솔린의 비례 정수를 a, 레귤러 가솔린의 비례 정수를 b, 경질 가솔린의 비례 정수를 c로 한다. 이 경우, 액면 보정 연산 장치에서는 아래와 같이 연산된다. 예컨대 액면 보정 연산 장치 내에서 액체 성상 검출 수광 소자(302e)의 출력 신호가 중질 가솔린과 동등하다고 판단된 경우에는, 테이블로부터 a를 선택할 수 있는 액면 검출용 수광 소자(302d)의 신호 강도에 a를 승산한다. 마찬가지로, 레귤러 가솔린과 동등하다고 판단되면 b를, 경질 가솔린과 동등하다고 판단되면 c를 승산한다. a, b, c는 각각, 미리 다른 굴절율을 갖는 액체에 대하여 승산에 의해서 같은 액면의 출력 신호가 되도록 한 비례 계수이기 때문에, 도 38(b)와 같이, 액면 보정 연산 장치로부터는 다른 굴절율의 액체에 대해서도 같은 액면에 대하여 같은 신호 강도의 신호가 출력된다. 이상과 같이 광 파이버(1)는 액체에 침지되는 위치 에 액체 성상 검출용의 그레이팅(9e)이 형성된 영역 및 액면을 가로지르는 위치에 액면 검출용의 그레이팅(9a, 9b, 9c, 9d)을 구비하고, 또한 수광부에 액체 성상 검출용 그레이팅(9e)이 형성된 영역을 투과하는 그레이팅(9e)의 클래딩 모드의 파장 영역의 광의 강도를 검출하는 액체 성상 검출용 수광 소자(302-2), 및 액면 검출용의 그레이팅(9a, 9b, 9c, 9d)이 형성된 영역을 투과하는 그레이팅(9a, 9b, 9c, 9d)의 클래딩 모드의 파장 영역의 광의 강도를 검출하는 액면 검출용 수광 소자(302-1)를 구비하고, 액체 성상 검출용 수광 소자(302-2)의 신호 강도와 액면 검출용 수광 소자(302-1)의 출력 강도에 기인하여 액면의 위치를 나타내는 신호를 출력하는 액면 보정 연산 장치를 구비했기 때문에 굴절율 차이에 의한 액면 위치의 오차를 감소할 수 있다.

또, 보정을 행하는 경우, 도 35와 같이, 반드시 액면을 검출하는 광 파이버와 액체의 굴절율을 검출하는 광 파이버가 1개로 구성되어 있을 필요는 없고, 각각의 광 파이버를 이용하는 광 파이버 센서이더라도 상관없다.

또한, 본 실시예의 파장 대역 이외에도, 예컨대 1550㎚대의 광원과 그레이팅을 이용하여 구성하더라도 좋다.

(실시예 19)

도 39는, 실시예 19의 연료 탱크의 외부에 설치되는 액체 성상 검출용 광 파이버 센서의 부착 상태를 나타내는 모식도이다. 차재용의 연료 탱크(171)의 개구부(171a)에, 연료 펌프(172), 토출 파이프(173)가 구비된 플레이트(175)가 배치되어 있다. 연료 펌프(172)는 지지 부재(176)로 플레이트(175)에 유지되고, 연료의 액면(177)에 침수되도록 설치된다. 액체 성상 검출 센서는 인라인 액체 성상 검출 센서(250)에 조립되어 있다. 인라인 액체 성상 검출 센서(250)는 연료 펌프측 입구(254)에서 토출 파이프(173)와 접속되고, 인젝터측 출구(256)에서, 도시하지 않지만, 연료를 분사하는 인젝터로 연결되는 파이프 등에 접속되어 있다. 도 40은 인라인 액체 성상 검출 센서(250)의 내부 구조를 도시한 개략도이다. 인라인 액체 성상 검출 센서(250)는, 한쪽에 연료 펌프측 입구(254)가 있고, 다른쪽에 인젝터측 출구(256)가 있는 케이스(252) 중에, 광 센서 프로브(251)가 삽입되고, 광 센서 프로브(251)의 케이스(252)의 출구 부분에는 광 센서 프로브(251)의 광 파이버에 광학적으로 접속된 광원 및 수광부 등으로 구성된 광 픽업(300)이 고정되어 있다. 여기서, 광 센서 프로브(251)는, 실시예 14의 도 30에 도시된, 일부에 그레이팅(9)을 형성한 광 파이버(1)로서, 그레이팅(9) 부분의 파이버 자켓(6)이 제거되고, 그 부분의 광 파이버(1)의 클래드(5)가 연료의 액체에 접하도록 한 것이다. 또, 도 40에 있어서 케이스(252) 안은, 거의 연료로 충전되기 때문에 그레이팅(9)을 형성한 클래드(5)는 연료에 접하고 있다. 또한, 실시예 19에서는 광 센서 프로브(251)는 광 픽업(300)과 접속된 반대쪽의 끝 부근에 그레이팅(9)의 클래딩 모드의 손실의 피크의 파장을 포함하는 파장 영역을 브래그 반사하는 그레이팅(141)이 형성되어 있다. 또, 실시예 13의 도 23과 같이, 광 센서 프로브(251)에 클래딩 모드의 손실의 피크를 반사하는 부분을 마련하지 않고, 광 픽업(300)을 대신하여 광원(2)과 수광부(3)를 이용하는 투과형의 구조이더라도 괜찮다.

연료 탱크(171) 내에 저장된 연료는, 엔진 동작 중에는 연료 펌프(172)의 하 부에서 저압측 필터(179)를 지나서 빨아 올려져, 토출 파이프(173)를 경유하여 엔진의 인젝터로 보내진다. 이때, 인라인 액체 성상 검출 센서(250)를 광 센서 프로브(251) 주변을 연료가 통과한다.

이러한 구성으로 액체 성상 검출용 광 파이버 센서가 설치되어 있기 때문에, 연료의 굴절율을 검출하는 것이 가능하다. 검출된 연료의 굴절율에 근거하여 연료의 굴절율 이외의 성상, 예를들면 가솔린이 경질인지 중질인지 등의 연료의 종류, 또는 가솔린에 포함되는 알콜 농도 등의 연료의 조성을 검출할 수도 있다. 또, 그들의 경우, 연료의 종류와 굴절율의 관계, 또는 연료의 조성과 굴절율의 관계를 테이블로서 미리 메모리에 저장해 두고, 검출된 굴절율을 메모리의 테이블과 참조하여, 굴절율이 가장 가까운 종류, 또는 조성을 출력하기 위한 수단을 구비하는 것에 의해 검출이 용이해진다.

이와 같이 구성된 인라인 액체 성상 검출 센스(250)에 있어서는, 설치 위치가 연료 배관의 일부가 되기 때문에 연료 펌프의 구동 중에는 광 센서 프로브가 유동하는 연료에 닿아 있다. 연료에 의해서 파이버 표면이 청정되기 때문에, 센서로서의 특성 열화가 줄어들어, 안정된 성상 검출이 가능해진다. 또한, 파이프 사이에 접속되어 있기 때문에, 인라인 액체 성상 검출 센서(250)는 탈착이 용이하다.

(실시예 20)

실시예 20에서는 액체 성상 검출용 광 파이버 센서의 일부인 광 센서 프로브(251)를 연료 탱크(171) 내에 삽입하여, 광 센서 프로브(251)에 접속되는 광 픽업(300)은 연료 탱크(171)의 외부에 고정하도록 했다.

이하에서는, 상기한 바와 같은 구성을 구비하는 액체 성상 검출용 광 파이버 센서의 부착 상태를 나타내는 복수의 예에 대하여 기술한다.

도 41은, 실시예 20의 연료 탱크의 일부에 설치되는 액체 성상 검출용 광 파이버 센서의 부착 상태의 예를 나타내는 모식도이다. 또한 도 42는 실시예 20의 연료 탱크의 일부에 설치되는 액체 성상 검출용 광 파이버 센서의 부착 상태의 다른 예를 나타내는 모식도이다. 또한 도 43은 실시예 20의 연료 탱크의 일부에 설치되는 액체 성상 검출용 광 파이버 센서의 부착 상태의 또 다른 예를 나타내는 모식도이다. 또한 도 44는 실시예 20의 연료 탱크의 일부에 설치되는 액체 성상 검출용 광 파이버 센서의 부착 상태의 또 다른 예를 나타내는 모식도이다.

어느 쪽의 부착 상태에 있어서도, 광 센서 프로브(251)는 연료 탱크(171)의 밑바닥 부근까지 삽입되고, 광 센서 프로브(251)에 형성된 그레이팅 영역이 연료 탱크(171)의 밑바닥 부근에 위치하도록 설치된다. 따라서, 그레이팅 영역은 그 전체가 연료에 침지되어 있다.

도 41에 도시되는 부착 상태에서는 광 센서 프로브(251)는 연료 탱크(171) 상부의 전용의 부착 구멍으로부터 삽입되어 연료 탱크(171)의 바닥부 부근까지 도달하도록 된다. 또한 광 픽업(300)은 전용 구멍을 닫는 덮개 상부에 고정된다.

도 42에 도시되는 부착 상태에서는 광 센서 프로브(251)는 연료 탱크(171) 상부의 플레이트(175)에 형성된 부착 구멍으로부터 삽입되어 연료 탱크(171)의 바닥부 부근까지 도달하도록 된다. 또한, 광 센서 프로브(251)의 일부가 연료 탱크(171) 내부에서 연료 펌프(172)를 유지하는 지지 부재(176)의 일부에 유지되도록 설치된다. 또한 광 픽업(300)은 플레이트(175)에 형성된 부착 구멍의 상부에 고정된다.

도 43에 도시되는 부착 상태에서는 광 센서 프로브(251)는 연료 탱크(171) 상부의 플레이트(175)에 형성된 부착 구멍으로부터 삽입되어 연료 탱크(171)의 바닥부 부근까지 도달하도록 된다. 또한, 광 센서 프로브(251)의 일부가 연료 탱크(171) 내부에서 플레이트(175)에 유지된 연료 펌프 모듈(192)의 일부에 유지되도록 설치된다. 또한 광 픽업(300)은 플레이트(175)에 형성된 부착 구멍의 상부에 고정된다. 또 연료 펌프 모듈(192)은 연료 펌프(172)와 펌프의 연료 출구측에 고압측 필터(191)를 구비하여 일체로 한 것이다.

도 44에 도시되는 부착 상태에서는 광 센서 프로브(251)는 연료 탱크(171) 상부의 플레이트(175)에 형성한 부착 구멍으로부터 삽입되어, 연료 펌프 모듈(192)의 내부의 관통 구멍을 지나서, 연료 탱크(171)의 바닥부 부근까지 도달하도록 설치된다. 관통 구멍의 바닥부로부터 광 센서 프로브(251)의 일부가 연료 탱크 바닥부로 향하여 신장되어 있고, 이 부분에 그레이팅 영역이 형성되어 있다. 또한 광 픽업(300)은 플레이트(175)에 형성한 부착 구멍의 상부에 고정된다.

이상과 같은 어느 하나의 부착 상태로 하는 것에 의해, 액체 성상 검출용 광 파이버 센서의 탱크에의 부착, 탈착이 용이해진다. 어느 쪽의 부착 상태에서도, 그레이팅이 형성된 영역은 연료 탱크의 바닥부에 설치되어 있기 때문에, 연료의 성상을 안정적으로 검출할 수 있다. 또한, 도 42로부터 도 44에 나타내는 부착 상태에서는 연료 탱크 내에서 연료 펌프와 함께 광 파이버가 고정되기 때문에, 광 센서 프로브(251)가 연료의 유동에 의한 영향을 받기 어려워지기 때문에, 신뢰성이 높은 검출이 가능해진다.

(실시예 21)

도 45는, 실시예 21의 액면 검출용 광 파이버 센서의 그레이팅 영역과 액체 성상 검출용 광 파이버 센서의 그레이팅 영역을 하나의 광 파이버에 형성하여 액면의 검출과 액체의 성상의 검출을 실행하는 광 파이버 센서를, 연료 탱크에 부착한 상태를 나타내는 모식도이다.

광 센서 프로브(251)가 연료 탱크(171)의 상부의 개구부보다 밑바닥부근까지 삽입된다. 개구부의 덮개에 광 픽업(300)이 고정되고, 광 픽업(300)은 광 센서 프로브(251)에 광의 입출력을 행하도록 접속되어 있다. 광 센서 프로브(251)에는 액면 검출용의 그레이팅(174a)과 액체 성상 검출용의 그레이팅(174b)이 형성되어 있다. 액면 검출용의 그레이팅(174a)은, 연료 탱크(171) 내부의 가솔린의 양이 변화되었을 때에 액면(177)이 가로지르는 위치에, 액면이 변화되는 방향으로 배치되어 있다. 액체 성상 검출용의 그레이팅(174b)은 연료 탱크(171)의 바닥부에 가까운 부분에 설치되어 있다.

액면 검출용의 그레이팅(174a)과 액체 성상 검출용의 그레이팅(174b)은 그들의 클래딩 모드가 다른 파장 대역이 되도록, 그레이팅의 주기가 다르다. 또한 광 픽업(300)은 액면 검출용의 그레이팅(174a)의 클래딩 모드 및 액체 성상 검출용의 그레이팅(174b)의 클래딩 모드의 투과광 강도를 따로따로 검출할 수 있도록, 각각의 클래딩 모드의 파장 대역을 포함하는 광 대역 발광 소자, 회절 격자를 거쳐서 수광하도록 설치된 2개의 수광 소자를 구비하고 있다.

이와 같이 구성된 연료 게이지 및 광 파이버 센서에 있어서는, 가솔린의 액면(177)이 상하로 되는 것을 액면 검출용의 그레이팅(174a)의 클래딩 모드의 투과광 강도로 검출할 수 있고, 또한 가솔린이 적더라도 가솔린의 성상을 액체 성상 검출용의 그레이팅(174b)의 클래딩 모드의 투과광 강도로 검출할 수 있다. 또한, 가령 가솔린의 성상이 다른 것에 의해 액면의 정밀도가 나쁠 때에도, 실시예 18과 같이 보정하는 수단을 갖추면, 성상에서 높이를 보정할 수 있어 액면의 정밀도를 높일 수 있다.

이상과 같이, 그레이팅이 형성된 영역을 갖는 코어와 클래드를 구비하고, 그레이팅이 형성된 영역의 적어도 일부가 액체에 침지되는 위치에 배치된 광 파이버와, 그레이팅의 클래딩 모드의 파장 대역의 광을 상기 광 파이버에 입사하는 광원과, 광원으로부터 광 파이버에 입사되어, 그레이팅이 형성된 영역을 투과한 광의 강도를 검출하는 수광부를 구비했기 때문에, 클래드와 액체 또는 클래드와 기체 사이의 굴절율 차이에 의해서 발생하는 그레이팅 부분의 클래딩 모드의 투과광 강도를 측정함으로써, 액면 검출용 또는 액체 성상 검출용으로서 사용할 수 있는 광 파이버 센서를 실현할 수 있었다.

이와 같이, 광 파이버와 액체 또는 광 파이버와 기체 사이의 굴절율 차이에 의해서 검출하기 때문에, 광 파이버에 진동 등으로 액면이 끊임없이 변화되어 기상 부분과 액상 부분의 온도차가 느슨하게 되는 경우라도 액면을 검출하는 것이 가능하다. 또한, 용융 연신 처리 등으로 광 파이버의 굵기가 대폭 가늘어진 부분을 형 성하지 않기 때문에, 광 파이버에 가는 부분을 형성하는 방식에 비해서 강도가 크고, 진동이 큰 환경에서도 신뢰성 높게 액면 또는 액체의 성상을 검출하는 것이 가능하다.

상기한 바와 같이, 액면 검출용 광 파이버 센서와 액체 성상 검출용 광 파이버 센서는, 그레이팅을 형성한 부분의 클래드 외부의 굴절율과 클래딩 모드의 투과 특성의 관계를 이용한다고 하는 기본적으로 같은 원리로 검출 동작한다. 따라서, 양자를 교체하여 사용할 수도 있다.

또한, 상기의 실시예에서는, 주로 클래딩 모드의 손실의 피크의 크기에 근거하는 투과광 강도를 수광부에서 검출했지만, 클래딩 모드의 손실의 피크와 이웃하는 파장의 손실의 피크 사이의 파장 대역의 광의 투과광 강도를 검출하더라도 좋다. 액면 검출용 광 파이버 센서의 투과 스펙트럼을 나타낸 도 5로부터도 알 수 있는 바와 같이, 손실의 피크와 이웃하는 파장의 손실의 피크 사이의 파장 대역의 광의 투과율은 손실의 피크가 작아질수록 서서히 낮아지는 경향이 있기 때문에, 액면의 위치 또는 액체의 굴절율과 투과광 강도의 대소 관계가, 손실의 피크를 포함한 파장 대역의 투과광 강도를 검출하는 경우와는 반대의 경향이 되지만, 손실의 피크와 이웃하는 파장의 손실의 피크 사이의 파장 대역의 광의 투과광 강도의 검출에 의해서 액면의 검출이나 액체의 굴절율을 검출하는 것은 가능하다.

(실시예 22)

본 실시예 22의 액체 성상 검출용 광 파이버 센서는, 실시예 13의 액체 성상 검출용 광 파이버 센서의 구성을 기본으로 하여, 광원(2)을 클래딩 모드에 연유하 는 손실의 피크가 나타나는 클래딩 모드의 파장 대역보다 넓은 발광 파장 영역을 갖는 LED로서, 수광부(3)를 그 클래딩 모드의 파장 대역보다 넓은 파장 영역 전체의 광 강도를 검출하는 포토 다이오드로 한 구성을 갖고 있다. 따라서 광원(2)의 발광 파장 영역 및 수광부(3)의 검출 파장 영역은 그레이팅의 클래딩 모드의 파장 대역보다 넓다. 또한 LED에는 발광 파장이 800㎚대의 것을 이용하고, 광 파이버(1)에는 800㎚대에서 싱글 모드가 되는 코어의 직경이 대략 2마이크론에서 코어와 클래드의 굴절율차가 대략 2%인 것을 사용했다

도 46은 본 실시예 22의 광원(2)의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 광원(2)은 대략 795㎚을 중심 파장으로 하여 반값 폭으로서 대략 40㎚의 폭, 775㎚로부터 815㎚까지의 발광 파장 영역을 갖고 있다. 이 광원(2)은 가장 광 강도가 큰 파장에서의 광 출력은 -45㏈m이며, 발광 파장 영역 전체에서의 광 출력은 1㎽보다 작다. 광 출력을 1㎽ 미만으로 하여 액체측에 산란하는 클래딩 모드의 광에 의해서 액체의 온도가 상승하는 것을 막고 있다.

도 47(a)는 그레이팅(9)이 형성된 클래드(5)의 주위에 굴절율 1.362의 액체를 접한 경우에, 광 파이버(1)에 입사된 광원(2)부터의 광이 그레이팅(9)을 지나서 수광부(3)측에 출사하는 광의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 클래드(5)의 주위가 공기인 경우도 도 47(a)와 거의 같은 스펙트럼을 하고, 이 스펙트럼은 굴절율 1.362 이하의 액체에 접한 경우에도 거의 변화는 없다. 도 47(a)와 같이 이 그레이팅(9)의 클래딩 모드의 파장 대역은 대략 780㎚로부터 대략 800㎚까지의 영역이다. 따라서 광원(2)의 발광 파장 영역은 클래딩 모드의 파장 대역보다 넓어 그 클 래딩 모드의 파장 영역 전체를 포함하고 있다. 또한, 코어와 클래드의 굴절율차가 대략 2%로 비교적 큰 광 파이버(1)를 이용했기 때문에, 그레이팅 형성시의 코어의 광 유기 굴절율 변화도 크게 할 수 있다. 본 실시예 22의 그레이팅은, 상기한 바와 같이 코어와 클래드의 굴절율차가 큰 광 파이버를 이용하여, 클래딩 모드 손실의 피크가 커지도록, 예컨대, 이웃이 되는 손실의 피크 사이의 투과율에 비해서 손실의 피크의 광의 투과율이 클래딩 모드의 파장 대역의 중앙 부근에서 1/10 이하로 작아지도록, 코어를 전파하는 모드로부터 클래딩 모드로의 결합을 크게 한 그레이팅으로 하고 있다.

도 47(b) 및 도 47(c)는 각각 그레이팅(9)이 형성된 클래드(5)의 주위에 굴절율 1.429, 1.497의 액체를 접했을 때에 수광측에서 검출되는 광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 광 스펙트럼은 클래드(5)에 접하는 액체의 굴절율이 커짐에 따라서 단파장측의 흡수의 피크가 없어져가도록 변화된다. 한편, 이웃하는 흡수의 피크 사이의 투과율은 클래드(5)에 접하는 액체의 굴절율이 커짐에 따라서 서서히 감소한다.

수광부(3)에서 검출하는 광 강도는 클래드(5)에 접하는 액체의 굴절율에 따른 그레이팅(9)의 LED의 발광 파장 영역 전체의 투과율의 변화에 영향이 미친다. 도 48은 클래드(5)에 접하는 액체의 굴절율과 수광부(3)의 포토 다이오드의 출력 전압의 관계를 나타낸 그래프이다. 액체의 굴절율이 1.36으로부터 1.39 사이, 및 1.47로부터 1.50 사이는 출력 전압은 거의 변화하지 않지만, 굴절율이 1.39로부터 1.47 사이는 굴절율이 상승함에 따라서 출력 전압이 저하된다. 이것은 액체의 굴 절율의 상승에 따라, 클래딩 모드에 특유의 손실의 피크가 없어지는 한편, 이웃이 되는 흡수의 피크 사이의 투과율이 감소하는 결과, 그레이팅(9)의 클래딩 모드의 파장 영역 전체의 투과율이 저하되는 것을 나타내고 있다. 이와 같이 클래드(5)에 접하는 액체의 굴절율 변화로 수광부(3)의 출력 전압이 변화되기 때문에, 거꾸로 수광부(3)의 출력 전압을 검출하는 것에 의해 클래드(5)에 접하는 액체의 굴절율 변화를 검출하는 것이 가능하다.

이상과 같은 클래드(5)에 접하는 액체의 굴절율이 높아지면 클래딩 모드의 파장 영역 전체의 투과율이 저하되는 현상은, 본 실시예 22의 그레이팅이, 코어와 클래드의 굴절율차가 대략 2%로 비교적 큰 광 파이버(1)를 이용하여 코어의 광 유기 굴절율 변화가 커지도록 형성되었기 때문에 현저해졌다고 생각된다.

본 실시예 22의 광 파이버 센서는, 액체 성상 검출용 광 파이버 센서로 했지만, 마찬가지의 구성으로 그레이팅이 형성된 영역이 액면이 변화될 때에 액면이 가로지르는 위치에 배치하면 액면 검출용 광 파이버 센서로 할 수도 있다.

본 실시예 22와 같이 광원(2)의 발광 파장 영역 및 수광부(3)의 검출 파장 영역은 그레이팅의 클래딩 모드의 파장 대역보다 넓혔기 때문에, 구성이 단순해지고 온도나 진동 등의 환경 변화에 대하여 영향을 받기 어려운 광 파이버 센서로 할 수 있다.

본 실시예 22의 구성에 다른 실시예의 구성을 조합시키더라도 좋고, 예컨대 실시예 7이나 14와 같이 광 파이버(1)의 한쪽에 반사 수단을 갖추더라도 좋다. 그 경우, 반사 수단을 클래딩 모드의 파장 영역의 일부의 영역을 브래그 반사의 파장 영역으로 하는 반사용 그레이팅으로 하는 것에 의해, 그 파장 영역에서의 검출감을 향상시킬 수 있다.

또한, 이상의 실시예 1 로부터 22에서 사용한 그레이팅은 상술한 단주기 그레이팅을 이용했다. 단주기 그레이팅은, 클래드에 접하는 액체의 굴절율이 변화되더라도, 클래딩 모드의 손실의 피크의 파장은 거의 변화되지 않고, 피크의 크기가 변화된다. 이 때문에 피크의 파장 시프트를 평가하는 수단은 불필요하며, 투과하는 광의 강도를 검출하면 액체의 액면 위치나 성상을 검출할 수 있기 때문에 구성이 간단하다.

Claims (19)

1. 그레이팅(grating)이 형성된 영역을 갖는 코어(core)와 클래드(clad)를 구비하고, 상기 그레이팅이 형성된 영역의 적어도 일부가 액체에 침지되는 위치에 배치된 광 파이버와,

   상기 그레이팅에 의해, 임의의 파장 대역을 가진 클래딩 모드의 광이 발생되도록, 상기 광 파이버에 광을 입사하는 광원과,

   상기 광원으로부터 상기 광 파이버에 입사되어, 상기 그레이팅이 형성된 영역을 투과한 광의 강도를 검출하는 수광부

   를 구비하고,

   상기 액체의 액면이 변화할 때, 상기 그레이팅이 형성된 영역을 상기 액면이 가로지르는 위치에 상기 그레이팅이 형성된 영역이 배치되고, 이 영역에서의 상기 클래드 또는 그 코팅의 굴절률과 그것에 접촉하는 매체의 굴절률의 차가, 상기 매체가 상기 액면 아래의 액체인 부분과, 상기 매체가 상기 액면 위의 기체인 부분에서 상이하고, 상기 액면이 변화하는 것에 따라 상기 수광부에서 검출되는 광의 강도가 변화하는 것에 근거하여 상기 액면을 검출하는

   것을 특징으로 하는 광 파이버 센서.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   그레이팅이 형성된 영역이 복수부로 분할된 것을 특징으로 하는 광 파이버 센서.
4. 제 1 항에 있어서,

   그레이팅이 형성된 영역의 클래드의 표면에, 액체와의 접촉각이 상기 클래드보다도 큰 코팅을 실시한 것을 특징으로 하는 광 파이버 센서.
5. 그레이팅이 형성된 영역을 갖는 코어와 클래드를 구비하고, 상기 그레이팅이 형성된 영역 전체가 연료 탱크 내 또는 연료 배관 내의 연료에 침지되도록 배치된 광 파이버와,

   상기 그레이팅에 의해, 임의의 파장 대역을 가진 클래딩 모드의 광이 발생되도록, 상기 광 파이버에 광을 입사하는 광원과,

   상기 광원으로부터 상기 광 파이버에 입사되어, 상기 그레이팅이 형성된 영역을 투과한 광의 강도를 검출하는 수광부

   를 구비하고,

   상기 그레이팅이 형성된 영역에서의 상기 클래드 또는 그 코팅의 굴절률과 그것에 접촉하는 연료의 굴절률의 차가 상기 연료의 성상(性狀)에 따라 변화하고, 상기 수광부에서 검출하는 광의 강도가 변화하는 것에 근거하여 상기 연료의 성상을 검출하는

   것을 특징으로 하는 광 파이버 센서.
6. 제 1 항에 있어서,

   수광부에 각각 다른 파장의 광을 수광하는 복수의 수광 소자를 구비하거나,

   또는 광원에 각각 다른 파장의 광을 발광하는 복수의 발광 소자를 구비하여,

   다른 파장의 그레이팅을 투과한 클래딩 모드의 광의 강도를 검출하는 것을 특징으로 하는 광 파이버 센서.
7. 제 5 항에 있어서,

   연료가 보내지는 입구와 상기 연료의 출구를 갖는 케이스의 내부에, 그레이팅이 형성된 영역이 설치되고, 광원과 수광부는 상기 케이스의 외부에 고정되는 것을 특징으로 하는 광 파이버 센서.
8. 제 5 항에 있어서,

   그레이팅이 형성된 영역이, 연료 탱크의 바닥부에 설치된 것을 특징으로 하는 광 파이버 센서.
9. 제 1 항에 있어서,

   광 파이버는 전체가 액체에 침지되는 위치에 설치된 제 1 그레이팅이 형성된 영역 및 상기 액체의 액면이 변화될 때에 상기 액면이 가로지르는 위치에 배치된 제 2 그레이팅이 형성된 영역을 구비하고,

   수광부는, 상기 제 1 그레이팅이 형성된 영역을 투과한 상기 제 1 그레이팅에 의한 클래딩 모드의 파장 영역의 광의 강도를 검출하는 제 1 수광 소자 및 상기 제 2 그레이팅이 형성된 영역을 투과한 상기 제 2 그레이팅에 의한 클래딩 모드의 파장 영역의 광의 강도를 검출하는 제 2 수광 소자를 구비하는 것

   을 특징으로 하는 광 파이버 센서.
10. 제 9 항에 있어서,

    제 1 그레이팅에 의해 발생된 클래딩 모드의 광의 파장 영역과 제 2 그레이팅에 의해 발생된 클래딩 모드의 광의 파장 영역이 다른 것을 특징으로 하는 광 파이버 센서.
11. 제 9 항에 있어서,

    상기 제 1 수광 소자의 신호 강도와 상기 제 2 수광 소자의 신호 강도에 따라서 액면의 위치를 나타내는 신호를 출력하는 수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 광 파이버 센서.
12. 제 1 항에 있어서,

    수광부와 광 파이버 사이에 클래딩 모드의 파장 영역에 투과 영역을 갖는 광 파장 필터를 배치한 것을 특징으로 하는 광 파이버 센서.
13. 제 1 항에 있어서,

    수광부와 광 파이버 사이에 광 서큘레이터(circulator)를 구비한 것을 특징으로 하는 광 파이버 센서.
14. 제 1 항에 있어서,

    광 파이버는 연료 탱크 내에서 연료 펌프와 함께 고정되는 것을 특징으로 하는 광 파이버 센서.
15. 제 1 항에 있어서,

    광원은 상기 광원으로부터의 광이 광 파이버의 한쪽의 끝에 입사하도록 설치되고,

    수광부는 상기 한쪽의 끝으로부터 출사되는 광의 강도를 검출하도록 설치되며,

    상기 광 파이버의 그레이팅이 형성된 영역에 대하여 상기 한쪽의 끝과 반대쪽에, 상기 영역을 투과한 클래딩 모드의 파장 대역의 광을 반사하는 반사 수단을 설치한 것

    을 특징으로 하는 광 파이버 센서.
16. 제 15 항에 있어서,

    반사 수단은, 그레이팅이 형성된 영역을 투과한 클래딩 모드의 광의 파장을 브래그(Bragg) 반사의 파장 대역에 포함하는 별도의 그레이팅인 것을 특징으로 하는 광 파이버 센서.
17. 제 15 항에 있어서,

    광 파이버의 한쪽의 끝, 광원, 수광부는 각각 다른 포트에 접속된 광 서큘레이터를 구비한 것을 특징으로 하는 광 파이버 센서.
18. 제 15 항에 있어서,

    광원 및 수광부는 광원 및 수광부가 집적된 광 픽업인 것을 특징으로 하는 광 파이버 센서.
19. 제 1 항에 있어서,

    광원의 발광 파장 영역 및 수광부의 검출 파장 영역은 그레이팅에 의한 클래딩 모드의 파장 대역보다 넓은 것을 특징으로 하는 광 파이버 센서.

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