JP4536114B2 - 光ファイバセンサ - Google Patents

Description

この発明は、自動車の燃料タンクの燃料ゲージなどに用いることができる液面の検出、または液体の性状を検出に用いられる光ファイバセンサに関するものである。

従来の燃料ゲージ用の液面検出センサにおいては、燃料の液面の高さとともに変位するフロートに連結されたバーが液面の高さに応じて回転し、このバーの可動軸に設けられた可変抵抗の抵抗値の変化に基づいて液面の高さを検出していた（例えば、特許文献１参照）。このように構成された液面検出センサでは、燃料ゲージ挿入口径よりもフロートに連結されたバーが大きいために、この液面検出センサを燃料ゲージ挿入口に取り付けるときの作業性が悪いという問題や、さらには燃料タンク内に摺動部分があるために、金属粉の発生や可変抵抗の短絡などの不具合が発生する可能性があるなどの問題があった。上記のような問題を回避する液面検出センサとして、光ファイバを用いたものがあり、例えば、液面の高さを検知したい位置に設けた光ファイバと、この光ファイバの一方の端部からレーザ光を照射する発光手段と、この発光手段から照射したレーザ光の後方散乱光の強度に基づいて光ファイバの温度分布を求め、この温度分布から液面の高さを求める制御手段とを備えたものがあった（例えば、特許文献２参照）。

一方、燃料の性状を検出する光ファイバを用いたセンサについて特許文献３に示されている。特許文献３では、光ファイバを所定長さに亘って溶融延伸処理することにより形成されたテーパー状の検知部を備えたセンサープローブと、前記センサープローブの入力端に接続され、該入力端に少なくとも２つの波長の光を入射するために少なくとも２つの波長の光を合波する合波用光カプラと、前記センサープローブの出力端に接続され、該センサープローブを透過した少なくとも２つの波長の光を分波する分波用光カプラと、前記分波用光カプラの出力端から出射された少なくとも２つの波長の光量を検知する受光手段とを有し、前記センサープローブは、このセンサープローブが浸漬された液体の性状により、入力端から入射された光の透過光量が異なるものである液体性状判定センサである。

特開平１０−２６５５２号公報（第５頁、図４） 特開２００４−２９４３７５号公報（第３頁、図１） 特開平６−５８８７８号公報（第５頁、図１）

従来の光ファイバを用いた液面検出センサにおいては、レーザ光の後方散乱光は温度に依存して強度が変化するラマン散乱光であり、気相部分と液相部分とで温度が異なることを前提としており、気相部分と液相部分との境界（液面）で光ファイバに温度差が生じ、この温度差による後方散乱光の強度の変化に基づいて液面を検出している。しかし、気相部分と液相部分との温度差が小さい場合は、光ファイバの温度分布が平坦になるために後方散乱光の強度変化も小さくなり、液面の検出が困難になるという問題があった。さらには、気相部分と液相部分との温度差が大きくても、振動などで液面が絶えず上下に変化する場合は、光ファイバの温度分布が緩やかになるために後方散乱光の強度分布も緩やかになり、液面の高さの検出誤差が大きくなるという問題もあった。

また、液体の性状を検出するセンサとして溶融延伸処理することにより形成されたテーパー状の検知部を備えたセンサープローブを用いた場合は、センサ部の径は溶融延伸前よりも細い部分が形成されるため、機械的に弱く、特に燃料タンクのように振動の多い環境での使用には信頼性に問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、振動が多い環境であっても信頼性高く液面の検出または液体の性状の検出することができる光ファイバセンサを得るものである。

この発明に係る光ファイバセンサは、グレーティングが形成された領域を有するコアとクラッドを備え、グレーティングの形成された領域の少なくとも一部が液体に浸漬する位置に配置された光ファイバと、グレーティングにより、ある波長帯域を持ったクラッドモードの光が発生されるように、前記光ファイバに光を入射する光源と、光源から前記光ファイバに入射され、前記グレーティングが形成された領域を透過した光の強度を検出する受光部とを備え、液体の液面の検出または前記液体の性状の検出に用いられる光ファイバセンサである。

この発明の光ファイバセンサは、グレーティングの形成された領域周囲の液体または気体の屈折率の大きさに依存するグレーティングの形成された領域を透過したクラッドモードの光の強度を検出するので、液面の検出または液体の性状を検出することができる。屈折率の違いに基づいて検出されるので、この光ファイバセンサによれば、振動などで液面が絶えず変化して気相部分と液相部分との温度差が緩やかになる場合でも液面を検出可能となる。また、溶融延伸処理などで光ファイバの太さが大幅に細くなった部分を形成する方法に比べて光ファイバの強度が大きく、振動が大きい環境においても破損しにくいので、信頼性高く液面を検出または液体の性状の検出することが可能となる。

この発明の実施の形態１による光ファイバセンサの模式図である。 この発明の実施の形態１におけるクラッドモードの説明図である。 この発明の実施の形態１における光カプラとスペクトルアナライザーとの接続を示す説明図である。 この発明の実施の形態１における透過スペクトルである。 この発明の実施の形態１における特性図である この発明の実施の形態１における特性図である。 この発明の実施の形態２による光ファイバセンサの模式図である。 この発明の実施の形態２における光フィルタの特性図である。 この発明の実施の形態３による光ファイバセンサの模式図である。 この発明の実施の形態３における終端器の模式図である。 この発明の実施の形態４におけるクラッドと液体との界面の説明図である。 この発明の実施の形態４におけるクラッドと液体との界面の説明図である。 この発明の実施の形態６による光ファイバセンサの模式図である。 この発明の実施の形態７による光ファイバセンサの模式図である。 この発明の実施の形態７における反射用グレーティングの特性図である。 この発明の実施の形態７における光ファイバセンサの特性図である。 この発明の実施の形態８による燃料ゲージの模式図である。 この発明の実施の形態９による燃料ゲージの模式図である。 この発明の実施の形態１０による燃料ゲージの模式図である。 この発明の実施の形態１１による燃料ゲージの模式図である。 この発明の実施の形態１２による光ファイバセンサの模式図である。 燃料の屈折率比と蒸留性状の関係についての測定結果を示すグラフである。 この発明の実施の形態１３による光ファイバセンサの構成と使用方法を示す模式図である。 この発明の実施の形態１３のグレーティングの透過率の波長特性を示すグラフである。 この発明の実施の形態１３のグレーティングの透過率の液体の屈折率依存性を示すグラフである。 この発明の実施の形態１３のグレーティングの透過率の液体の屈折率依存性を示すグラフである。 この発明の実施の形態１３の液体の屈折率と光源の波長との組合せを示したグラフである。 この発明の実施の形態１４の光ファイバセンサの構成と使用方法を示す模式図である この発明の実施の形態１４の液体の屈折率と透過率の関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態１５の光ファイバセンサの構成と使用方法を示す模式図である。 この発明の実施の形態１５の光ピックアップ３００の構成を示した概略図である。 この発明の実施の形態１６の光ファイバセンサの受光部の構成を示した概略図である。 この発明の実施の形態１６の光ファイバセンサの光源の構成を示した概略図である。 この発明の実施の形態１６の液体の屈折率と透過率の関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態１７の光ファイバセンサの構成と使用方法を示す模式図である。 この発明の実施の形態１７の光ファイバセンサの受光部の構成を示す概略図である。 この発明の実施の形態１７のグレーティングの透過率の波長依存性を示すグラフである。 この発明の実施の形態１８の補正前の受光部の出力強度と液面位置の関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態１９の光ファイバセンサの取り付け状態を示す模式図である。 この発明の実施の形態１９のインライン液体性状検出センサの内部構造を示す概略図である。 この発明の実施の形態２０の光ファイバセンサの取り付け状態を示す模式図である。 この発明の実施の形態２０の光ファイバセンサの取り付け状態を示す模式図である。 この発明の実施の形態２０の光ファイバセンサの取り付け状態を示す模式図である。 この発明の実施の形態２０の光ファイバセンサの取り付け状態を示す模式図である。 この発明の実施の形態２１の光ファイバセンサの取り付け状態を示す模式図である。 この発明の実施の形態２２の光ファイバセンサの光源の特性を示すグラフである。 この発明の実施の形態２２の光ファイバセンサのグレーティングの特性を示すグラフである。 この発明の実施の形態２２の光ファイバセンサの特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 光ファイバ、２ 光源、３ 受光部、４ コア、５ クラッド、６ ファイバジャケット、７ 液面、８ 液体、９ グレーティング、９ａ、９ｂ、９ｃ 分割グレーティング、１０ 容器、２１ 空気、２２ 伝播光、２３ 反射光、２４ 透過光、２５ クラッドモードの光、２６ 界面、２７ 水、２８ 界面、３１、３３ 光カプラ ３２、３４ スペクトルアナライザー、７１ 光フィルタ、９１ サーキュレータ、９１ａ、９１ｂ、９１ｃ ポート、９２ 終端器、９３ 光ファイバ、１０１ コーティング、１０２ 接触線、１４１ 反射用グレーティング、１４２ サーキュレータ、１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ ポート、１４３、１４４ 光ファイバ、１７１ 燃料タンク、１７１ａ 開口部、１７２ 燃料ポンプ、１７３ 吐出パイプ、１７４ 光ファイバセンサ、１７４ａ、１７４ｂ グレーティング、１７５ プレート、１７６ 支持部材、１７７ 液面、１７８ カバー、１７９ 低圧側フィルタ、１９１ 高圧側フィルタ、１９２ 燃料ポンプモジュール、２１０ 鞍型部、２５０ インライン液体性状検出センサ、２５１ 光センサプローブ、２５２ ケース、２５４ 燃料ポンプ側入口、２５６ インジェクタ側出口、３００ 光ピックアップ、３０１ 回折格子、３０２、３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄ、３０２ｅ 受光素子、３０５、３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ レーザダイオード、３０６ ハーフミラー、３０７ コリメータレンズ、３０８ 対物レンズ、３０９ 光合波部

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における、液面検出用光ファイバセンサの模式図である。図１において、光ファイバ１の一方の端部に光源２が配置されており、他方の端部に受光部３が配置されている。光ファイバ１は、光源２から出射される光が伝播するコア４と、光をコア４内に閉じ込めるためにコア４を覆っているクラッド５と、これらを覆って保護するファイバジャケット６とを備えており、液面７の高さを測定するためにクラッド５が直接液体８と接するように、ファイバジャケット６の一部が取り除いてある。このファイバジャケット６の一部が取り除いてある部分は、液面７が変化する方向に略平行に配置されており、この部分に対応するコア４にはグレーティング９が形成されている。光ファイバ１は、液体８を貯蔵する容器１０の底面の近くでＵ字型に屈曲されており、光源２と受光部３とは、容器１０の外部に配置される。

光源１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）などを用いることができ、受光部３は、スペクトルアナライザーやフォトダイオードのような受光素子などを用いることができる。コア４およびグラッド５には、石英ガラスなどの無機ガラスあるいはポリメチルメタアクリレートなどのプラスチック系の材料を用いることができ、ファイバジャケット６には、フッ素系、ナイロン系、フェノール系、エポキシ系、メラニン系などの樹脂を用いることができる。

コア４にグレーティング９を形成する方法としては、例えば、ファイバジャケット６を除去した部分に位相マスクを設置し、位相マスクの上からエキシマレーザ光を照射して位相マスクのレリーフに対応したグレーティングのパターンをコア４に形成する方法を用いることができる。位相マスクは、石英ガラスでできた平行平板の一方の面にレリーフと呼ばれる複数の一定間隔の溝が形成されたものであり、レリーフによって周期的にレーザ光が変調される。コア４では、レーザ光が照射された部分の屈折率が未照射の部分に比べて高くなる光誘起屈折率変化が生じるため、屈折率が周期的に変化したグレーティング９が形成される。なお、位相マスクのレリーフのピッチやみぞの深さを変えることで、所望のパターンのグレーティング９をコア４に形成することができる。なお、グレーティングには一般にその屈折率変化の周期が０．１〜１μｍ程度の短周期グレーティングと、１００〜１０００μｍ程度の長周期グレーティングに分類される。本発明におけるグレーティングは、前者の短周期グレーティングに限ったものであり、本明細書で記述するグレーティングとはすべて短周期グレーティングを意味する。

次に、本実施の形態における、動作について説明する。一般に、光通信システムにおいては、光ファイバ伝送路を伝播するある特定の波長の光信号を取り出すために、ある信号のみを反射させることができるグレーティングが用いられる。グレーティングの透過特性には後述するクラッドモードが存在し、このクラッドモードは損失リップルとなるために問題となる。本発明は、光通信システムでは不要なものとして取り扱われてきたクラッドモードを逆に利用するものである。液面を測定する原理は、コア４内を伝播する光がグレーティング９で反射あるいは透過するときに生じるクラッドモードと呼ばれる光の強度が、クラッド５の外側に接する材質の屈折率によって異なることを利用するものである。コア４内を伝播する光は、グレーティング９の形成されていない部分ではコア４とクラッド５との境界面で反射を繰り返しながらコア４内のみを伝播するが、この光がグレーティング９に到達すると、グレーティング９を透過してコア内４を伝播していく光と、グレーティング９でブラッグ反射されてコア４内を反対方向に伝播していく光と、コア４から飛び出してクラッド５内を同じく反対方向へ伝播する後方伝搬クラッドモードの光とに分かれる。このように本発明で用いる短周期グレーティングではクラッドモードは後方伝搬するが、長周期グレーティングで発生するクラッドモードは前方伝搬するものである。

図２は、クラッドモードの光とクラッドの外側に接する材質の屈折率との関係を説明するための説明図である。以下、液体８としては水を、気体としては空気を例にとって説明する。図２（ａ）はクラッドの外側に接する材質が空気の場合、図２（ｂ）はクラッドの外側に接する材質が水の場合における光の伝播を模式的に表している。空気の屈折率は１．０、水の屈折率は１．３であり、コア４の屈折率を１．３６、クラッド５の屈折率を１．３５とする。図２（ａ）に示すように、クラッド５の外側が空気２１の場合、光源から伝播してきた伝播光２２は、グレーティング９でブラッグ反射される反射光２３と、グレーティング９を透過してコア４内を伝播していく透過光２４と、グレーティング９で発生するクラッドモードの光２５とに分かれる。クラッドモードの光２５は、クラッド５と空気２１との屈折率の差が０．３５と大きいため、クラッド５と空気２１との界面２６で反射され、クラッド５内を伝播して行く。光がクラッド内に閉じ込められためにクラッドモード特有の損失リップルが透過特性に現れる。一方、図２（ｂ）に示すように、クラッド５の外側が水２７の場合、グレーティング９の端部で発生したクラッドモードの光２５は、クラッド５と水２７との屈折率の差が０．０５と小さいため、クラッド５と水２７との界面２８ではほとんど反射されず界面２８を通過して水２４の方へと伝播し、クラッド５内にはほとんど伝播しない。そのため光がクラッド内に閉じ込められることがなくクラッドモード特有の透過特性での損失リップルが現れない。

さらに、本実施の形態の動作を詳細に説明する。図１において、光ファイバ１の光源２と液面７との間のＡ点に、図３に示すように、２×２の光カプラ３１を接続してスペクトルアナライザー３２でグレーティング９から反射された光の反射スペクトルを測定し、また、光ファイバ１の液面７と受光部３との間のＢ点に、図３に示すように、２×２の光カプラ３３を接続してスペクトルアナライザー３４でグレーティング９を透過してきた光の透過スペクトルを測定した。図４は、このようにして測定した反射スペクトルと透過スペクトルとであり、図４（ａ）はクラッドの外側に接する材質が空気の場合、つまり容器１０に水が入っていない場合、図４（ｂ）はクラッドの外側に接する材質が水の場合、つまり容器１０に水が満たされている場合における反射スペクトルと透過スペクトルとを示している。図４（ａ）からわかるように、クラッドの外側に接する材質が空気の場合、透過スペクトルの中央に見られる損失の大きい波長領域よりも短波長側に、数個から数１０個のクラッドモードによる損失のピークが見られる。一方、図４（ｂ）からわかるように、クラッドの外側に接する材質が水の場合、透過スペクトルに図４（ａ）で見られるようなクラッドモードによる損失のピークは見られない。

このように、クラッドモードによる透過スペクトル中の損失のピークが、クラッドの外側に接する材質の屈折率の違いによって生じることで液体の有無を検出することができる。また、グレーティングの一部が水に浸漬されている場合、その浸漬されている長さに比例してクラッドモードよる透過スペクトルのピークの高さが変化するため、そのピークの高さに基づいて、液面の高さを測定することができる。

図５は、光源２としてＥＤＦＡ（Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の自然放出光を利用した広帯域光源を用い、受光部３としてスペクトルアナライザーを用いたい場合の、グレーティング９の液体への浸漬長さに対応した液面の高さとスペクトルアナライザーで測定された透過光の透過スペクトルとの関係を示したものである。波長１５４７〜１５５６ｎｍの領域に多数見られる透過率の低い谷状のピークがクラッドモードによる損失であり、液面の高さに応じて各ピークの深さが変化している。

図６は、受光部３のスペクトルアナライザーで測定した損失ピークのひとつに当たる波長１５４７．４ｎｍの光の相対強度と液面の高さとの関係を示した特性図である。液面が高いときは、水に浸漬したグレーティングの長さが長くなり、クラッドモードの発生が少なくなるので、クラッドモードによる損失が少なく、受光部での光の強度が大きくなる。液面が低くなると、クラッドモードにより損失が増えて受光部での光の強度が小さくなる。したがって、クラッドモードによる透過スペクトルの損失ピークの深さを測定することで液面の高さを検出できる。

また、受光部としてフォトダイオードを用いた場合には、クラッドモードによる透過スペクトルのピークの深さに応じて透過光の強度が低下することから、透過光の相対強度を測定することで液面の高さを検出できる。

このように構成された液面検出用光ファイバセンサにおいては、気相部分である空気と液相部分である水との屈折率の違いによって、透過光の強度が変化することに基づいて液面を検出するので、気相部分と液相部分との温度差が小さくても液面を検出することができる。また、振動などで液面が絶えず変化する場合でも、クラッドの外側の屈折率は気体または液体の屈折率のどちらかであり中間の値をとることがないので、液面の高さを正確に検出することできる。従って、グレーティングの形成された領域は、液面が変化した際にその液面が横切る位置に配置されていれば良く、配置の方向は必ずしも液面が変化する方向に平行である必要は無く、斜めや液面に平行でも良い。例えば、グレーティングの形成された領域を液面が横切る位置に液面と略平行に設置した場合には、液面がその位置より上にあるか下にあるかを透過光の強度によって検出することができる。

なお、本実施の形態においては、液体として屈折率が１．３５の水を例にとって説明したが、液体が水以外の場合は、測定対象となる液体の屈折率に合わせてクラッドの屈折率を適宜設定する必要がある。このとき、伝播する光をコア内に閉じ込めるために、コアの屈折率も同時に適宜設定する必要がある。例えば、ガソリンの屈折率は約１．４、液化プロパンのおよびトリクロロエタンの屈折率は約１．４５であり、これらの液体の液面検出用光ファイバセンサとして用いる場合は、これらの液体の屈折率にほぼ等しい屈折率をもつクラッドを選ぶ必要がある。

また、本実施の形態においては、屈折率が周期的に変化した屈折率変調型と呼ばれるグレーティングを用いたが、溝が周期的に並ぶように加工されたグレーティングを用いることもできる。

実施の形態２．
実施の形態１においては、受光部に到達する光は、クラッドモードの発生に関係のない透過スペクトルの中央に見られる損失の大きい波長領域の光も含まれている。受光部に光強度を測定する、例えばフォトダイオードを用いた場合、測定する光強度の一部は、クラッドモードの発生に関係のない光の強度であり、クラッドモードによる損失によって光強度が変化する量が相対的に小さくなり、測定感度を高くできない場合がある。実施の形態２においては、クラッドモードの発生に関係のない波長領域の光を測定から除外するものである。

図７は、本実施の形態における、液面検出センサの模式図である。本実施の形態においては、実施の形態１と同様の構成において、受光部３に光ファイバ１が接続される部分に光フィルタ７１を配置したものである。受光部３は光強度を測定するフォトダイオードを用いている。図８は、光フィルタ７１の反射スペクトルとクラッドモードによる損失が含まれる透過光のスペクトルとの関係を示す特性図である。図８からわかるように、光フィルタ７１は、光のスペクトルに見られるクラッドモードによる損失のピークのある波長領域は反射せず、それ以外の波長領域を反射する特性をもつもので、クラッドモードによる損失のピークのある波長領域では反射特性は２５ｄＢと低くなっている。

このようにクラッドモードの波長領域に透過領域を有する光波長フィルタを備えた構成とすることにより、光源２から出射された光はグレーティング９を透過したのちに光ファイバ１を伝播して受光部３に到達するが、受光部３の前に配置された光フィルタ７１は、クラッドモードによる損失のある波長領域の光のみを透過して受光部３に到達させ、それ以外の波長領域の光を反射する。その結果、受光部３では、クラッドモードによる損失のピークのある波長領域のみの光強度を測定するので、光強度の変化量が相対的大きくなり、変化量を検出する感度を高くすることができる。

実施の形態３．
実施の形態２においては、光フィルタで反射された光が、光源やグレーティングに戻り、不要な干渉を発生させてノイズ成分となる場合がある。実施の形態３においては、光フィルタで反射された光を、光源やグレーティング側へ戻らないようにしたものである。

図９は、本実施の形態における、液面検出用光ファイバセンサの模式図である。本実施の形態においては、実施の形態２と同様の構成において、液面７と光フィルタ７１との間にサーキュレータ９１を配置し、このサーキュレータ９１で光フィルタ７１から反射された光を終端器９２に導くように構成したものである。サーキュレータ９１は、９１ａ、９１ｂおよび９１ｃの３つのポートをもつものである。終端器９２は、直径１０ｍｍ以下のファイバコイルである。受光部３は光強度を測定する、例えばフォトダイオードを用いている。

次に、本実施の形態の動作について説明する。光源２から出射された光はグレーティング９を透過したのちに光ファイバ１を伝播してポート９１ａ入射し、さらにポート９１ｂから光フィルタ７１側へ出射される。光フィルタ７１では、クラッドモードによる損失のピークのある波長領域の光は透過して受光部３側へ進むが、それ以外の波長領域の光は反射されてポート９１ｂへ戻される。ポート９１ｂに戻ってきた光は、ポート９１ｃから出射されて終端器９２に到達する。終端器９２は入射した光の反射を防ぐものである。

図１０は、本実施の形態における終端器９２の模式図である。ポート９１ｃに接続された光ファイバ９３を、直径Ｄで何重にも巻いたものである。直径Ｄを１０ｍｍ以下で巻くことで、光ファイバ９３の曲げ損失を大きくして、反射を防ぐことができる。

このように構成された液面検出センサにおいては、受光部３の入射側に光フィルタ７１を配置することにより検出感度を高くすることができるとともに、光フィルタ７１で反射された光が光源２やグレーティング９に戻って不要な干渉を発生させてノイズ成分となることを防ぐことができる。また、光ファイバ１と受光部３との間にサーキュレータ９１を設置することは、図９において光フィルタ７１がない構成でも、光ファイバ１から受光部３に入射した光のうち、受光部３の表面で反射して再度光ファイバ１に入射した光が光源２側に戻ることを防げるので同様な効果がある。

なお、本実施の形態において、終端器としてファイバコイルを用いたが、光ファイバの終端に反射防止膜を形成して、反射を防いでもよい。

実施の形態４．
図１１は、光ファイバのクラッド５と液体８との界面の状態を説明する説明図である。図１１において、液体８と接するクラッド５の表面では、液体８の表面張力やクラッド５との濡れ性から、液面７より高い位置まで液体が上昇する場合がある。通常このような液体の上昇は、１〜２ｍｍであるが、濡れ性がよい場合にはさらに高くなる。このような現象が起きると、実際の液面の高さより高い位置が液面として測定されることになる。実施の形態４においては、液体とクラッドとの接触角を大きくして、正確に液面の高さを測定するのものである。

図１２は、本実施の形態におけるクラッド５と液体８との界面の状態を説明する説明図である。図１２において、石英系のガラスでできたクラッド５の表面に液体８に対して撥水性をもつコーティング１０１を形成したものである。このコーティング１０１は、測定対象である液体８の種類によって使い分ける必要がある。例えば、液体がガソリンの場合、ガソリンの臨界表面張力が約３０ｍＪ／ｍ^２であるので、臨界表面張力が６〜２０ｍＪ／ｍ^２であるフッ素系樹脂や、臨界表面張力が約４５ｍＪ／ｍ^２であるグラファイトなどの材料が適している。コーティング１０１の膜厚は、あまり厚いとコーティング１０１とクラッド５との屈折率の差が顕著になってクラッドモードが発生してしまうので、あまり厚くできない。クラッドモードが発生せずにかつ接触角を大きくするためには、コーティング１０１の膜厚は、５０〜１０００Åの範囲が好ましい。このようなコーティングを形成した光ファイバを用いて、実施の形態１と同様な液面検出用光ファイバセンサを構成した。

このように構成された液面検出用光ファイバセンサにおいては、図１２に示すように、実際の液面７と、クラッド５と液体８とが接触する接触線１０２との高さの差が１ｍｍ以下であるので、コーティングのない場合よりも正確に液面の高さを測定することができる。

なお、本実施の形態においては、石英系のガラスでできたクラッドを用いて説明したが、ポリメチルメタアクリレートなどのプラスチック系の材料でできたクラッドでも同様な効果がある。

実施の形態５．
実施の形態５においては、実施の形態１〜４において、ファイバジャケットの材質を規定するものである。通常、光ファイバのコアとクラッドとは無機系あるいは有機系のガラス材料で構成されているが、わずかな接触でもクラッドの表面に傷がつきやすく、またついた傷が伸張しやすい。そのため、クラッドを保護する目的でクラッドの周りに有機系の材料で構成されたファイバジャケットが形成されている。本実施の形態においては、ファイバジャケットが液体に対して化学的に安定な材料で構成されるように、液体の種類とファイバジャケットの材質との組み合わせを規定する。例えば、液体がガソリンの場合、ファイバジャケットはガソリンに対して化学的に安定な、フッ素樹脂系、ナイロン系、フェノール系、エポキシ系、メラニン系など材料を用いる。

このように構成することにより、ファイバジャケットがガソリンに溶出することがなく、安定して液面の高さを測定することができるとともに、液体に不要物が混じることもない。

実施の形態６．
図１３は、実施の形態６における、液面検出用光ファイバセンサの模式図である。本実施の形態では、実施の形態１と同様な構成において、光ファイバ１に形成されているグレーティング９が４つの領域に分割されている。グレーティング９は、光源２に近い方から、それぞれ分割グレーティング９ａ、９ｂ、９ｃおよび９ｄで構成されている。それぞれの分割グレーティングの間にはグレーティングが形成されていない領域を備えている。

次に、本実施の形態における液面検出用光ファイバセンサの動作について説明する。本実施の形態においては、液面の高さを５段階で検出する場合に有効である。液面７が容器１０の底面に最も近い分割グレーティング９ｄより下に位置するときは、すべての分割グレーティングでクラッドモードが発生し、透過光の強度は最小値となる。次に、液面７が上昇し、液体８が分割グレーティング９ｄを徐々に浸漬していくと、その液面７の高さに応じて透過光の強度は上昇するが、液面７が分割グレーティング９ｄと９ｃとの間のグレーティングの形成されていない領域に到達すると、透過光の強度は一定の値となる。さらに液面７が上昇し、分割グレーティング９ｃに到達すると、透過光の強度は上昇を始める。このように、液面７がそれぞれの分割グレーティングの領域に到達したときに段階的に透過光の強度が変化する。

このように、それぞれの分割グレーティングの間にグレーティングが形成されていない領域があるので、液体８が分割グレーティングを浸漬するにしたがって、段階的に透過光の強度が変化する。そのため、受光部３に分解能の低い受光素子を用いた場合でも、段階的に強度が変化することを検知して、液面の高さを５段階で検出することができる。

また、それぞれの分割グレーティグの格子間隔を異なるように構成することにより、各分割グレーティングで発生するクラッドモードの損失ピーク波長が異なるので、受光部にスペクトルアナライザーを用いて損失のピーク波長を検出することにより、液面の高さを５段階で検出することもできる。

実施の形態７．
図１４は、実施の形態７における、液面検出用光ファイバセンサの模式図である。図１４において、光ファイバ１のファイバジャケット６の一部が取り除いてある部分が、液面７が変化する方向に略平行に配置されており、この部分に対応するコア４にはグレーティング９が形成されている。光ファイバ１の液体８に浸漬した一方の端部には、グレーティング９を透過してきた透過光を反射するための反射用グレーティング１４１が形成されている。反射用グレーティング１４１はグレーティング９の形成された領域に対して光源２と反対側の光ファイバ１に設けられ、反射用グレーティング１４１のブラッグ反射の波長帯域はクラッドモードの光の波長を含み、グレーティング９の形成された領域を透過したクラッドモードの波長帯域の光を反射する。光ファイバ１の他方の端部は、サーキュレータ１４２のポート１４２ｂに接続されている。サーキュレータ１４２のポート１４２ａには、光ファイバ１４３を介して光源２が接続されており、ポート１４２ｃには、光ファイバ１４４を介して受光部３が接続されている。

次に、本実施の形態における、動作について説明する。光源２から出射された光は、光ファイバ１４３を通ってポート１４２ａに入り、ポート１４２ｂから光ファイバ１に出射される。光ファイバ１のコア４を伝播する光はグレーティング９を透過してコア４内を伝播していく光と、ブラッグ反射される光と、クラッドモードの光とに分かれる。クラッドモードの光は、グレーティング９が液体８に浸漬される長さに応じて強度が変化し、結果として、コア４内を伝播する透過光の強度が変化する。グレーティング９を透過した透過光は、反射用グレーティング１４１で反射され、コア４内をサーキュレータ１４２側へ伝播していく。この反射された光は、再度グレーティング９を通過するときに、グレーティング９が液体８に浸漬される長さに応じて強度が変化する。サーキュレータ１４２に到達した光は、ポート１４２ｂから１４２ｃへ送られ、光ファイバ１４４を通って、受光部３に入射する。サーキュレータ１４２はグレーティング９の形成された領域に対して反射用グレーティング１４１と反対側の光ファイバ１の端に備えられ、光源２から光を光ファイバ１の端から入射させ、その光ファイバの端から出射する光を受光部側に受光させるように機能する。

図１５は、本実施の形態における反射用グレーティング１４１の反射スペクトルである。反射用グレーティング１４１は、波長１５４８．１ｎｍ近傍の光を反射する。図１６は、光源２として実施の形態１と同様に、ＥＤＦＡの自然放出光を利用した広帯域光源を用い、受光部３にスペクトルアナライザーを用いて、液面７の高さを変えて受光部３で１５４８．１ｎｍ近傍の光の強度を測定したときの特性図である。本実施の形態においては、クラッドモードの存在する領域が変化することにより、液面の高さが高くなるにしたがってクラッドモードによる損失が増加し、グレーティングを透過する透過光の強度が減少する。したがって、実施の形態１とは逆に、図１６に示すように液面の高さが高くなるにしたがって受光部で測定される光の強度が低下する。

このように構成された光ファイバセンサにおいては、グレーティングを透過する光が、反射用グレーティングで反射されて２回グレーティングを透過するので、光の強度の変化が２倍になり、測定感度が向上する。また、光ファイバを折り返えす必要がなく構造が簡便であるので、装置を小型にできる。

実施の形態８．
図１７は、実施の形態８における、液面検出用光ファイバセンサを用いた燃料ゲージの模式図である。車載用の燃料タンク１７１の開口部１７１ａに、燃料ポンプ１７２、吐出パイプ１７３および光ファイバセンサ１７４が備えられたプレート１７５が配置されている。光ファイバセンサ１７４は、実施の形態１と同様な液面検出用光ファイバセンサであって、燃料ポンプ１７２とともに支持部材１７６でプレート１７５に固定されている。このプレート１７５に固定された燃料ポンプ１７２、吐出パイプ１７３および光ファイバセンサ１７４で燃料ゲージが構成されている。光ファイバセンサ１７４のグレーティング１７４ａが形成された部分は、燃料タンク１７１内部のガソリンの液面１７７が変化する方向に略平行に配置されている。また、光ファイバセンサ１７４は、保護のために穴の開いたカバー１７８で覆われている。ガソリン補給時には、燃料タンク１７１への燃料供給管（図示せず）を経由して燃料タンクにガソリンが供給される。

燃料タンク１７１内に貯蔵されたガソリンは、エンジン動作中には燃料ポンプ１７２で吸い上げられ、吐出パイプ１７３を経由してエンジンに送られる。燃料タンク１７１内のごみなどの異物が燃料ポンプ１７２に入るのを防ぐために、燃料ポンプ１７２の吸い込み口には低圧側フィルタ１７９が取り付けられている。ガソリンの補給あるいは使用によってガソリンの液面１７７が上下するが、液面が変化する方向に略平行に配置されたグレーティング１７４ａで実施の形態１で説明したように液面１７７の高さを検知して、燃料タンク１７１内のガソリンの量を測定することができる。

このように構成された燃料ゲージにおいては、ガソリンの液面１７７が上下することを光ファイバセンサ１７４で検出することができるので、ガソリン５２と燃料タンク１７１の気相部分（通常は空気）との温度差が小さくても液面を検出することができるとともに、振動などでガソリンの液面１７７が絶えず変化する場合でも正確に液面の高さを検出することができる。

また、燃料ゲージの挿入断面積（光ファイバセンサと燃料ポンプとの幅と奥行き）が小さいので、燃料タンクの開口部１７１ａの面積を小さくできるとともに、燃料ゲージ取り付け時の作業性が向上する。

さらに、光ファイバセンサに可動部がないため、摺動に伴う磨耗によるごみの発生などの不具合もない。

実施の形態９．
図１８は、実施の形態９における、液面検出用光ファイバセンサを用いた燃料ゲージの模式図である。本実施の形態においては、実施の形態８において、光ファイバセンサ１７４のグレーティングが形成されていない部分の光ファイバを燃料ポンプ１７２に巻きつけたものである。光ファイバセンサ１７４のグレーティング１７４ａが形成された部分は、燃料タンク１７１内部のガソリンの液面１７７が変化する方向に略平行に配置されている。

このように構成することにより、燃料ゲージをさらに小型化できる。

実施の形態１０．
図１９は、実施の形態１０における、液面検出用光ファイバセンサを用いた燃料ゲージの模式図である。燃料ポンプ１７２で吸い上げられたガソリンが加圧されて吐出パイプ１７３へ送られるが、本実施の形態においては、燃料ポンプ１７２の出口側に高圧側フィルタ１９１を配置して、燃料ポンプ１７２内で発生したごみなどの異物が吐出パイプ１７３へ送られるのを防いでいる。燃料ポンプ１７２や高圧側フィルタ１９１は燃料ポンプモジュール１９２内に収納されている。光ファイバセンサ１７４は、この燃料ポンプモジュール１９２に支持部材１７６で固定されている。光ファイバセンサ１７４のグレーティング１７４ａが形成された部分は、燃料タンク１７１内部のガソリンの液面１７７が変化する方向に略平行に配置されている。

このように構成された燃料ゲージにおいては、実施の形態８と同様に、ガソリンの液面１７７が上下することを光ファイバセンサ１７４で検出することができるので、ガソリンと燃料タンク１７１の気相部分（通常は空気）との温度差が小さくても液面を検出することができるとともに、振動などでガソリンの液面１７７が絶えず変化する場合でも正確に液面の高さを検出することができる。

実施の形態１１．
図２０は、実施の形態１０における、液面検出用光ファイバセンサを用いた燃料ゲージの模式図である。本実施の形態においては、実施の形態１０において、光ファイバセンサ１７４のグレーティングが形成されていない部分の光ファイバを燃料ポンプモジュール１９２に巻きつけたものである。光ファイバセンサ１７４のグレーティング１７４ａが形成された部分は、燃料タンク１７１内部のガソリンの液面１７７が変化する方向に略平行に配置されている。

このように構成することにより、燃料ゲージをさらに小型化できる。

実施の形態１２．
図２１は、実施の形態１２における、液面検出用光ファイバセンサを用いた燃料ゲージの模式図である。自動車の燃料タンクでは、自動車中央部分に配置された駆動シャフトを避けるために燃料タンクの底面の一部が内側に突出した鞍型部２１０をもつタンクがある。このような複雑な形状の燃料タンクにおいては、従来のフロート式の燃料ゲージを配置することが不可能であるかまたは組み込みに手間がかかるという問題があった。本実施の形態では、光ファイバセンサ１７４を燃料タンク１７１の内側側面から鞍型部２１０を跨ぐように燃料タンク１７１の内面に沿って配置し、グレーティング１７４ａが形成された部分を液面１７７が変化する方向に略平行に配置したものである。

このように構成することにより、燃料ゲージを複雑な形状のタンクや小型のタンクにも装着することができる。
実施の形態１３．
自動車用エンジンの燃料として使用されている純正ガソリンには、ヘプタン，ペンタン等の炭化水素を主成分とする軽質ガソリンと、ベンゼン等の炭化水素を主成分とする重質ガソリンと、それらの中間の中質ガソリン（通常のレギュラーガソリン）とがある。例えば軽質ガソリンにマッチングさせ、点火時期等を制御するように設定されたエンジンに、重質ガソリンを燃料として使用した場合には着火時期が遅れ、低温時の始動性の悪化や、息つぎ現象等の運転性能の悪化を起すばかりでなく、不完全燃焼によって排気ガス中の有害成分が増大する等の問題が発生する。米国や欧州等の各国では、石油の消費量の低減を図るため、ガソリン中にアルコールを混合した燃料が自動車用として普及しつつある。このようなアルコール混合燃料をガソリン燃料の空燃比にマッチングされたエンジンにそのまま用いると、アルコールがガソリンに比べ理論空燃比が小さい等に起因して空燃比がリーン化するため、アルコール混合燃料中のアルコール含有率を検出して燃料噴射弁等のアクチュエータを制御し、アルコール含有率に応じて空燃比、点火時期等を調整する必要がある。上記のことからガソリンの軽質，重質あるいはアルコール濃度を検出することが必要となり、さらにはその検出値に伴って空燃比や点火時期等を制御することが必要となる。

図２２はレギュラーガソリン，レギュラーガソリンにエタノールを２０％混合したガソリン，レギュラーガソリンにトルエンを４０％混合したガソリンそれぞれにおける、レギュラーガソリンに対する屈折率比と蒸留性状である５０％留出温度との関係について示したグラフである。なお、蒸留性状はＪＩＳ Ｋ ２２５４「石油製品の蒸留試験方法」に基いて測定した。トルエンを混合した場合には、結果が示すように屈折率比は大きく、５０％留出温度も大きくなり重質ガソリンとなる。一方、エタノールを混合した場合には、屈折率比は小さく、５０％留出温度も小さくなり軽質ガソリンとなる。以上のようにガソリンの重質，軽質はその屈折率と相関があり、重質ガソリンでは屈折率は大きく、軽質ガソリンでは屈折率は小さくなる。従って屈折率を検出することにより、液体性状が検出できることがわかる。

図２３は、実施の形態１３の液体性状検出用光ファイバセンサの構成と使用方法を示す模式図である。光ファイバセンサは光源２、受光部３、光ファイバ１を備えている。光ファイバ１の一方の端部に光源２が配置されており、他方の端部に受光部３が配置されている。光ファイバ１は、光源２から出射される光が伝播するコア４と、光をコア４内に閉じ込めるためにコア４を覆っているクラッド５と、これらを覆って保護するファイバジャケット６とを備えており、液体の性状を検出するためにクラッド５が直接液体８と接するように、ファイバジャケット６の一部が取り除いてある。このファイバジャケット６の一部が取り除いてある部分に対応するコア４にはグレーティング９が形成されている。

この光ファイバセンサは、例えば図２３のように光ファイバ１のファイバジャケット６の一部が取り除かれグレーティング９が形成された部分を容器１０に入れられた液体８に浸漬するようにして使用される。光ファイバ１は、液体８を貯蔵するための容器１０の底面の近くでＵ字型に屈曲されており、光源２と受光部３とは、容器１０の外部に配置される。容器１０内の液体８の量に関係なく液体８の性状を測定するためには、なるべく容器１０の底面近くにグレーティングが配置されることが望ましい。例えば底面に沿ってグレーティング９が配置される構成でもよい。

なお、ファイバジャケット６の一部が取り除いてある部分は、液体８に浸されている状態であれば液面に対してどのような方向でも検出が可能である。

また、ファイバジャケット６が取り除かれた部分であっても、グレーティングの形成された領域でない部分では、クラッドモードがほとんど生じないので、周囲の屈折率の影響はほとんど受けない。

光源２は、例えばＬＥＤやＬＤなどを用いることができ、受光部３は、フォトダイオードのような受光素子などを用いることができる。コア４およびクラッド５には、石英ガラスなどの無機ガラスあるいはポリメチルメタアクリレートなどのプラスチック系の材料を用いることができ、ファイバジャケット６には、フッ素系、ナイロン系、フェノール系、エポキシ系、メラニン系などの樹脂を用いることができる。

光源２より光ファイバ１入射された光は、光ファイバのコア内を伝播して、グレーティング９に達する。グレーティング９に達した光は、その波長によってグレーティング９を透過してコア内を伝播していく光と、グレーティング９でブラッグ反射されてコア内を反対方向に伝播していく光と、コアから飛び出してクラッド内を伝播するクラッドモードの光とに分かれる。光ファイバ１の光が伝播していく先には受光部３を備えたので、グレーティング９を透過してコア内を伝播していく光とコアから飛び出してクラッド内を伝播するクラッドモードの光との光の強度を検出することができる。

特に、光源２から光ファイバ１に入射する光の波長帯域、または受光部３の前に受光する光の波長帯域を光フィルタなどを挿入するなどの方法でクラッドモードの光が伝播する波長帯域のみにすれば、コアから飛び出してクラッド内を伝播するクラッドモードの光のみの透過光強度を検出することが可能である。

グレーティングを形成した部分のクラッドモードの透過光強度の波長特性は、上述したように、周期的に損失のピークをもった透過特性を備えている。この損失のピークはクラッドとその外側の媒質の屈折率の差に依存して大きさが変化する。

実施の形態１では、液体と気体との大きな屈折率の違いにもとづいてクラッドモードの透過光強度が大きく変化したが、外側の媒質がわずかに異なる液体どうしの場合においても、クラッドモードの透過光の強度が異なる。図２３ではグレーティング９を形成した領域はその全体が液体に浸漬しているので、グレーティング部分の透過光強度は液体の屈折率に応じた値となる。

図２４は液体の屈折率を変化させた時のグレーティングの透過率の波長特性を示すグラフである。なおグレーティングとして、コア屈折率１．４５９、クラッド屈折率１．４４４、グレーティング長さ１０ｍｍ、グレーティング周期２７４ｎｍ、約７９６ｎｍ付近にブラッグ反射波長を持つグレーティングを用いた。グレーティングの透過率の波長特性の測定にあたってはグラフの波長領域をカバーする広帯域光源を光源に用いて、受光部にスペクトルアナライザーを用いた。なお、透過率としては透過光強度が最も大きくなる条件、ここではクラッドの屈折率より大きい屈折率を有する液体にグレーティング部分を浸漬した場合、での透過光強度を１．０の基準値として透過率を計算した。図２４のように、液体の屈折率が１．４３から１．４３６へと徐々に大きくなるに従いクラッドモードの損失のピークが低波長側から徐々に小さくなり、やがて消失する傾向である。また、クラッド外の液体の屈折率がクラッド以上になるとクラッドモードは放射されて存在しなくなるために、このクラッドモードの損失のピークは全て消失する。これらの現象を用いて図２３の構成によりクラッドモードの波長帯域のグレーティングの透過光強度を測定することで、液体の屈折率すなわち液体の性状を検出することが可能となる。

図２５は、光ファイバ１に入力される光の波長帯域を７９１±０．２ｎｍとした場合における、グレーティングの透過率の液体の屈折率依存性を示したグラフである。７９１±０．２ｎｍの波長帯域は図２４のグラフ上で左から３番目のクラッドモードの損失のピークを含んだ波長帯域である。光源１の波長帯域が広い場合には７９１±０．２ｎｍの波長帯域のみを透過させる光フィルタを受光器の前段などに配置しても同様の結果が得られる。

図２５のように、液体の屈折率を変化させた場合のグレーティングの透過光強度は、液体の屈折率が１．４３以下では透過率が０．９３３で一定であるが、液体の屈折率が１．４３２以上１．４３４以下の範囲では急激に透過率が増加し、１．４３４以上ではほぼ１．０で一定となる。この透過率の波長依存特性は、図２４のグラフ上で左から３番目のクラッドモードの損失のピークの大きさの変化に対応したものである。

このようにある１つのクラッドモードの損失のピークを含んだ波長帯域の透過率を検出するように光源２または受光部３を設定した場合には、特定の屈折率を境に透過光強度がステップ状に変化する。従って、液体がある屈折率より大きいか小さいかを判別することによって液体、例えばガソリンが軽質か重質かなど、の性状を判別することができる。

その場合、まず、性状を検出したい液体の屈折率、例えば図２５で１．４３３、を境に大きく強度が変化する適当な１つのクラッドモードの損失のピークを含んだ波長帯域の透過率を検出するように、光源２にその波長のＬＤを使用する、またはその波長の光のみを透過する光フィルタを受光部３の前に設置する。さらに、受光部３で検出した透過光強度が適当な閾値、例えば図２５の場合は屈折率が０．９６に相当する透過光強度、を超えた時点で信号を発するような回路を受光部３に備えておく。これによって、浸漬した液体の屈折率が特定の屈折率より大きい場合に、受光部３から信号が出力されるので、液体の性状を容易に検知できる。

図２６は、光ファイバ１に入力される光の波長帯域を７９１±０．５ｎｍとした場合における、グレーティングの透過率の液体の屈折率依存性を示したグラフである。７９１±０．５ｎｍの波長帯域は図２４のグラフ上で左から１番目から５番目までのクラッドモードの損失のピークを含んだ波長帯域である。光源１の波長帯域が広い場合には７９１±０．５ｎｍの波長帯域のみを透過させるフィルタを受光器の前段などに配置しても良い。

このようにした場合、図２４のグラフ上で左から１番目から５番目までの液体の屈折率が変わるにつれて順次生成または消失するクラッドモードの損失のピークを含んだ波長領域全体の透過光強度が受光器で検出される。従って図２６のように、液体の屈折率を変化させた場合のグレーティングの透過光強度は、液体の屈折率が１．４３１以下では透過率は０．９３６で一定であるが、液体の屈折率が１．４３１以上１．４３５以下の範囲では液体の屈折率に対して直線的に透過率が増加し、１．４３５以上ではほぼ１．０で一定となる変化を示す。

このように複数のクラッドモードの損失のピークを含んだ波長帯域の透過率を検出するように光源２または受光部３の波長帯域を設定した場合には、液体の屈折率に対する透過率変化が線形的になることがわかる。１つのクラッドモードの損失のピークを含んだ波長帯域で透過率を検出した図２５の場合と比べて、より広い屈折率範囲にある液体について、その屈折率の大きさを連続的に測定することが可能となる。

その場合、性状を検出したい液体の屈折率の範囲、例えば図２６で１．４３１から１．４３５、で直線的に透過率が変化するように、複数のクラッドモードの損失のピークを含んだ波長帯域を選び、光源２にその波長のＬＤを使用する、またはその波長の光のみを透過する光フィルタを受光部３の前に設置して、クラッドモードの透過光強度を受光部３で検出する。グレーティングの形成された領域が浸漬される液体の屈折率が上記の屈折率の範囲にある場合には、屈折率に応じて透過率０．９３６から１．０に相当する透過光強度が受光部３で検出されるので屈折率、または液体の性状を検出できる。受光部３で検出した透過光強度を示す出力信号を屈折率、または液体の性状を示す信号に変換する回路等を備えておけば、さらに検出が容易である。

上記では、コア屈折率１．４５９、クラッド屈折率１．４４４としたが、これらの屈折率を変えることで、測定できる液体の屈折率を調整でき、いろいろな種類の液体に対応できる。図２７はクラッド屈折率を変化させた場合に、検出できる液体の屈折率とその際に使用する光源の波長との組合せの例を示したグラフである。屈折率差は１％としてコアの屈折率を決めた。図２７のグラフが示すように、クラッドの屈折率が大きくなるとともに、検出できる液体の屈折率も大きくなる。その際、波長スペクトルが全体的に高波長側へシフトするため、それに伴い光源の波長も図２７のように長くした。ガソリン類の屈折率は、小さいもので１．４、大きいもので１．４６程度であり、クラッドの屈折率を調整することで、ガソリンの重質，軽質及びアルコール濃度を検出することが可能となる。なお、図２７のグラフに示される以外の組合せでも、グレーティングの周期等を変える等によって検出できる液体の屈折率を変えることが可能である。

以上のように、グレーティングの形成された領域全体が液体に浸漬されるように設置されたため、グレーティングの形成された領域を通過するクラッドモードの光の強度を受光部で検出することで液体の性状を検出することができる。また、溶融延伸処理などで光ファイバの太さが大幅に細くなった部分を有しないので、強度が大きく、振動による応力で破損しにくい。従って振動が大きい環境においても信頼性の高く液体の性状を検出することができる。

なお、ここでは８００ｎｍ帯近辺の波長に対応したグレーティングを用いたが、実施の形態１のような１５００ｎｍ帯等、他の波長に対応したグレーティングを用いても良い。

実施の形態１４．
実施の形態１３では、グレーティングを１回透過する透過型の構成としたが、グレーティングの形成された領域に対して光源２と反対側の光ファイバ１に反射手段を設けて、光源から入射された光が反射手段で折り返す反射型の構成としても良い。図２８は実施の形態１４の液体性状検出用光ファイバセンサの構成と使用方法を示す模式図である。図２８において、光ファイバ１のファイバジャケット６の一部が取り除いてある部分全体が、液体８に浸漬されるようにされており、この部分に対応するコア４にはグレーティング９が形成されている。光ファイバ１の液体８に浸漬した一方の端部には、グレーティング９を透過してきた透過光を反射するための反射用グレーティング１４１が形成されている。反射用グレーティング１４１はグレーティング９の形成された領域に対して光源２と反対側の光ファイバ１に設けられ、反射用グレーティング１４１のブラッグ反射の波長帯域はクラッドモードの光の波長を含み、グレーティング９の形成された領域を透過したクラッドモードの波長帯域の光を反射する。光ファイバ１の他方の端部は、サーキュレータ１４２のポート１４２ｂに接続されている。サーキュレータ１４２のポート１４２ａには、光ファイバ１４３を介して光源２が接続されており、ポート１４２ｃには、光ファイバ１４４を介して受光部３が接続されている。

次に、動作について説明する。光源２から出射された光は、光ファイバ１４３を通ってポート１４２ａに入り、ポート１４２ｂから光ファイバ１に出射される。光ファイバ１のコア４を伝播する光はグレーティング９を透過してコア４内を伝播していく光と、ブラッグ反射される光と、クラッドモードの光とに分かれる。クラッドモードの光は、グレーティング９が浸漬される液体８の屈折率に応じて強度が変化し、結果として、コア４内を伝播する透過光の強度が変化する。グレーティング９を透過した透過光は、反射用グレーティング１４１で反射され、コア４内をサーキュレータ１４２側へ伝播していく。この反射された光は、再度グレーティング９を通過するときに、グレーティング９が浸漬された液体８の屈折率に応じて強度が変化する。サーキュレータ１４２に到達した光は、ポート１４２ｂから１４２ｃへ送られ、光ファイバ１４４を通って、受光部３に入射して、その強度が検出される。従って、液体８の屈折率と受光部３に入射した光の強度の関係をあらかじめ調べておけば、受光部３に入射した光の強度から液体８の屈折率を検出することができる

反射手段として反射用グレーティング１４１のかわりに光ファイバの末端に金蒸着したものなども用いることができる。

反射手段として反射用グレーティング１４１を用いる場合には、必ずしも光ファイバの末端にある必要は無く、グレーティングの形成された領域に対して光源と反対側の光ファイバのどこかに反射用グレーティング１４１が形成されていれば良い。

上記のようにグレーティングの形成された領域に対して光源と反対側の光ファイバに反射手段を設ける構成ではグレーティングを光が２回通過するためにセンサとしての感度が向上する。図２９はグレーティングの形成された領域に対して光源と反対側の光ファイバに反射手段を設けた反射型の構成と、図２３のような反射手段を設けない透過型の構成とで、液体の屈折率と透過率の関係の一例を示したグラフである。図２９のように反射型の構成の方が、液体の屈折率の変化に対する透過率の変化が大きくなり、屈折率の変化を検出し易くなることがわかる。

また、反射手段をクラッドモードの光の波長領域をブラッグ反射の波長領域に有するグレーティングを用いることにより、図７で受光部３の前に光フィルタと挿入した場合と同様にノイズとなるクラッドモード以外の光を除去する効果がある。

実施の形態１５．
図３０はこの実施の形態１５の液体性状検出用光ファイバセンサの構成と使用方法を示す模式図である。実施の形態１４の図２８の光源２、光ファイバ１４２ａ、１４２ｃ、サーキュレータ１４２、受光部３を光ピックアップ３００で置き換えた構成となっている。このように、反射手段を用いる場合にはサーキュレータを設けて入射光と出射光を分離する方法以外にも、受光素子を一体にした光ピックアップなどを使用しても良い。

図３１は光ピックアップ３００の構成を示した概略図である。光ピックアップ３００はＣＤの読み取りや書き込みなどに用いられるもので、受光素子３０２、レーザダイオード３０５、ハーフミラー３０６、コリメータレンズ３０７、対物レンズ３０８などで構成される。レーザダイオード３０５からの光ファイバに入射されるようにハーフミラー３０６によって反射され、一方、光ファイバから出射される光はハーフミラー３０６を透過して受光素子３０２に入射されるようになっている。ハーフミラー３０６によって光ファイバに入射される光と光ファイバから出射される光とを分離する簡単な構成で、各素子を集積化することで小型軽量化が可能である。また、光ファイバと光源または受光部などの接続部品を小型軽量化することは、振動が大きい環境でその部分に発生する応力を軽減できるので、信頼性を向上することに効果がある。なお、実施の形態７に示した液面検出用光ファイバセンサの光源２、光ファイバ１４２ａ、１４２ｃ、サーキュレータ１４２、受光部３を光ピックアップ３００に置き換えても同様な効果がある。

実施の形態１６．
図３２は実施の形態１６の液体性状検出用光ファイバセンサの受光部の構成を示した概略図であり、図３３は実施の形態１６の液体性状検出用光ファイバセンサの光源の構成を示した概略図である。実施の形態１６の液体性状検出用光ファイバセンサは実施の形態１３の図２３の受光部３を図３２の受光部３、また光源１を図３３の受光部２置き換えたものである。

図３２の受光部３は、回折格子３０１、と３個の受光素子３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、を備えている。光ファイバ１から出射される光は回折格子３０１によって、光の波長によってその進行方向が変えられる。受光素子３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃはそれぞれ、異なる波長のクラッドモードの光が進行する位置に配され、異なる波長のクラッドモードの光を受光する。

図３３の光源２は３箇所の入力光を１つにまとめて出力する光合波部３０９、異なる波長の光を発生する３個のＬＤ、３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、を備えている。３個のＬＤそれぞれが発する光は光合波部３０９によってまとめて光ファイバ１に入射されるように設置されている。３個のＬＤ、３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃそれぞれが発する光の波長は異なる波長のクラッドモードの光の波長であり、３個の受光素子３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃが受光する光の波長と一致するようにした。このような構成により複数の波長の光におけるグレーティングの透過光強度を検出できる。

図３４は実施の形態１６の液体性状検出用光ファイバセンサの３個の受光素子によって異なる液体の屈折率を検出した際の透過率の一例を示したグラフである。なお透過率は、クラッドの屈折率より大きい屈折率を有する液体にグレーティング部分を浸漬したときのそれぞれの受光素子の出力値を基準にして比較計算処理させる手段を用いた。３個のＬＤおよび３個の受光素子が検出する波長帯域は、７８９±０．２ｎｍ、７９１±０．２ｎｍ、７９３±０．２ｎｍであり、それぞれの波長帯域に１個のクラッドモードの損失のピークが含まれる。

クラッドモードの損失のピークは液体の屈折率の上昇に伴い低波長側から順次消失するため、入力光の波長を低波長にすると判別できる屈折率が小さくなり、入力光の波長を長波長にすると判別できる屈折率は大きくなる。従って、図３４から明らかなように、それぞれの波長に対して透過率が急激に変化する液体の屈折率が存在することになる。

このような構成により複数の波長のクラッドモードの透過光強度を検出したので、実施の形態１３よりも広い範囲の液体の屈折率を検出することが可能となる。

なお、実施の形態１６では、光源に３個のＬＤ用いたものを使用したが、替わりに例えばＬＥＤのように広い波長帯域に発光素子に置き換えても良い。

また、光源を複数個のＬＤ、受光部を１個の受光素子とした構成に、ＬＤの発光する時間をずらす手段を備えることにより、受光素子からＬＤのそれぞれの波長帯域の透過光強度が時間的に順次出力されるようにしても良い。

また、上記のように、複数の波長帯域を有する発光素子、または異なる波長帯域を受光する複数の受光素子を備えたことによって、複数の波長帯域のクラッドモードの透過光強度を検出する構成は、図２８のように光ファイバの先端に反射部分を形成した場合でも実現できる。

実施の形態１７．
図３５は、実施の形態１７における、液面検出用光ファイバセンサと液体性状検出用光ファイバセンサとを一体化した光ファイバセンサの構成およびその使用方法を示す模式図である。本実施の形態は、実施の形態６の分割グレーティングを適用した液面検出用光ファイバセンサと、実施の形態１３の液体性状検出用光ファイバセンサとを組み合わせた構成である。グレーティング９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄは液面検出用のグレーティングであり、これらは液面の変化する方向に並んでいる必要がある。一方９ｅは液体性状検出用のグレーティングであり、液体８に浸されている状態であれば液面に対してどのような方向でも検出が可能である。光ファイバ１は、液体８を貯蔵するための容器１０の底面の近くで屈曲されており、光源２と受光部３とは、容器１０の外部に配置される。容器１０の底面近くにグレーティング９ｅが配置されることにより、容器１０内の液体８の量に関係なく液体８の性状を測定できる。

本実施の形態においては、液面の変化と液体性状の変化を切り分けるために、液面検出用光ファイバセンサと液体性状検出用光ファイバセンサとが、それぞれ異なる波長の透過光強度を検出可能な構成となっている。そのため光源にはＬＥＤなど広帯域なものが適している。図３６は実施の形態１７の光ファイバセンサの受光部３の構成を示す概略図である。回折格子３０１は光ファイバ１から出射される光を、液面検出用のグレーティングの透過損失を検出する波長領域の光が液面検出用受光素子３０２ｄに、また、液体性状検出用のグレーティングの透過損失を検出する波長領域の光が液体性状検出用受光素子３０２ｅに分離されるように設置されている。

ここでは光源として広帯域なＬＥＤを用い、受光部で回折格子により各波長を分離したが、異なる波長のＬＤを光合波器により合波し、ファイバ型の分波器を用いて分波してから受光素子で検出してもよい。

また、クラッドモードが現れる波長範囲が液面検出用光ファイバセンサと液体性状検出用光ファイバセンサとにおいて異なる波長範囲に現れるようにするために、グレーティングの周期がそれぞれ異なるようにしても良い。

上記のような構成により液面検出と液体性状検出に対応した２種の波長の光におけるグレーティングの透過光強度を検出できる。図３７は液面検出用のグレーティングおよび液体性状検出用のグレーティングの透過率の波長特性を示したグラフである。液面検出用のグレーティングおよび液体性状検出用のグレーティングの周期はそれぞれ２７４ｎｍ、２７０ｎｍとしてある。図３７のようにそれぞれのクラッドモードは異なる波長帯域に現れており、液面検出用として７９０ｎｍ近辺、液体性状検出用として７８０ｎｍ近辺の波長の光源を用いることで液面と液体性状の両方を独立に検出できる。このように液面検出用光ファイバセンサと液体性状検出用光ファイバセンサとに対応したグレーティング周期をそれぞれ異なるように設定することで、１本の光ファイバに両方のセンサを形成した構成にでき、小型化と低価格化が実現できる。

実施の形態１８．
液体の屈折率の違いによってクラッドモードの透過光強度が異なるため、液面検出用光ファイバセンサの受光部から出力される透過光強度に応じた信号強度は、液体の屈折率によって異なる大きさとなる。

そこで、実施の形態１８では実施の形態１７に、液体性状検出用光ファイバセンサの出力信号強度にもとづいて、液面検出用光ファイバセンサの出力信号強度を補正する手段を備えた。

図３８(ａ)は実施の形態１８の補正前の重質ガソリン、レギュラーガソリン、軽質ガソリンに対して、液面検出用光ファイバセンサの受光部の出力強度と液面位置の関係を示すグラフである。このようにガソリンはその屈折率が種類により少し異なるため、図３８(ａ)のように液面位置に対する信号強度の関係がずれる。液面位置を読み取る際には得られた信号強度を液面位置に換算するため、液体の屈折率が変化した際に生じる信号強度のずれは測定誤差となる。

実施の形態１８では実施の形態１７の図３５および図３６の構成に加えて、液面検出用受光素子３０２ｄの出力信号および液体性状検出用受光素子３０２ｅの出力信号がそれぞれ液面補正演算装置に入力されるように接続して、液体性状検出用受光素子３０２ｅの信号強度にもとづいて、液面検出用受光素子３０２ｄの信号強度が液面補正演算装置によって補正演算されて出力されるようにした。液面補正演算装置にはあらかじめ、異なる屈折率を持った液体でも同じ液面を示す出力信号強度となるように補正演算する際の、比例係数のテーブルをメモリに保存した。

このテーブルは、図３８（ａ）のようなデータをあらかじめ取得しておき、それぞれの
液面位置と信号強度の関係から、比例定数を求めてテーブルとしたものである。例えば、重質ガソリンの比例定数をａ、レギュラーガソリンの比例定数をｂ、軽質ガソリンの比例定数をｃとする。この場合、液面補正演算装置では以下のように演算される。例えば液面補正演算装置内で液体性状検出用受光素子３０２ｅの出力信号が重質ガソリンと同等と判断された場合には、テーブルよりａを選択し得られた液面検出用受光素子３０２ｄの信号強度にａを乗算する。同じように、レギュラーガソリンと同等と判断されればｂを、軽質ガソリンと同等と判断されればｃを乗算する。ａ、ｂ、ｃはそれぞれ、あらかじめ異なる屈折率をもった液体に対して乗算によって同じ液面の出力信号となるようにした比例係数であるので、図３８（ｂ）のように、液面補正演算装置からは異なる屈折率の液体に対しても同じ液面に対して同じ信号強度の信号が出力される。以上のように光ファイバ１は液体に浸漬される位置に液体性状検出用のグレーティング９ｅの形成された領域および液面が横切る位置に液面検出用のグレーティング９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを備え、また受光部に液体性状検出用グレーティング９ｅの形成された領域を透過するグレーティング９ｅのクラッドモードの波長領域の光の強度を検出する液体性状検出用受光素子３０２ｅ、および液面検出用のグレーティング９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの形成された領域を透過するグレーティング９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄのクラッドモードの波長領域の光の強度を検出する液面検出用受光素子３０２ｄを備え、液体性状検出用受光素子３０２ｅの信号強度と液面検出用受光素子３０２ｄの出力強度とに基いて液面の位置を示す信号を出力する液面補正演算装置を備えたので屈折率の違いによる液面位置の誤差を減少することができる。

なお、補正を行う場合、図３５のように、必ずしも液面を検出する光ファイバと液体の屈折率を検出する光ファイバが１本で構成されている必要は無く、別々の光ファイバを用いる光ファイバセンサであっても構わない。

また、本実施例の波長帯域以外でも、例えば１５５０ｎｍ帯の光源とグレーティングを用いて構成してもよい。

実施の形態１９．
図３９は、実施の形態１９の、燃料タンクの外部に設置される液体性状検出用光ファイバセンサの取り付け状態を示す模式図である。車載用の燃料タンク１７１の開口部１７１ａに、燃料ポンプ１７２、吐出パイプ１７３が備えられたプレート１７５が配置されている。燃料ポンプ１７２は支持部材１７６でプレート１７５に保持され、燃料の液面１７７に浸かるように設置される。液体性状検出センサはインライン液体性状検出センサ２５０に組み込まれている。インライン液体性状検出センサ２５０は燃料ポンプ側入口２５４で吐出パイプ１７３と接続され、インジェクタ側出口２５６で、図示しないが、燃料を噴射するインジェクタへと繋がるパイプ等に接続されている。図４０はインライン液体性状検出センサ２５０の内部構造を示す概略図である。インライン液体性状検出センサ２５０は、一方に燃料ポンプ側入口２５４があり、他方にインジェクタ側出口２５６があるケース２５２の中に、光センサプローブ２５１が挿入され、光センサプローブ２５１のケース２５２の出口部分には光センサプローブ２５１の光ファイバに光学的に接続された光源及び受光部などで構成された光ピックアップ３００が固定されている。ここで、光センサプローブ２５１は、実施の形態１４の図３０に示される、一部にグレーティング９を形成した光ファイバ１であって、グレーティング９部分のファイバジャケット６が取り除かれ、その部分の光ファイバ１のクラッド５が燃料の液体に接するようにしたものである。なお、図４０においてケース２５２中は、ほぼ燃料で充填されるのでグレーティング９を形成したクラッド５は燃料に接している。また、実施の形態１９では光センサプローブ２５１は光ピックアップ３００と接続した反対側の端付近にグレーティング９のクラッドモードの損失のピークの波長を含む波長域をブラッグ反射するグレーティング１４１が形成されている。なお、実施の形態１３の図２３のように、光センサプローブ２５１にクラッドモードの損失のピークを反射する部分を設けず、光ピックアップ３００の替わりに光源２と受光部３とを用いる透過型の構造であってもかまわない。

燃料タンク１７１内に貯蔵された燃料は、エンジン動作中には燃料ポンプ１７２の下部から低圧側フィルタ１７９を経て吸い上げられ、吐出パイプ１７３を経由してエンジンのインジェクタに送られる。この際、インライン液体性状検出センサ２５０を光センサプローブ２５１周辺を燃料が通過する。

このような構成で液体性状検出用光ファイバセンサが設置されているので、燃料の屈折率を検出することが可能である。検出された燃料の屈折率に基づいて燃料の屈折率以外の性状、たとえばガソリンが軽質か重質かなど燃料の種類、あるいはガソリンに含まれるアルコール濃度などの燃料の組成を検出することもできる。なお、それらの際には、燃料の種類と屈折率の関係、あるいは燃料の組成と屈折率の関係をテーブルとしてあらかじめメモリに保存しておいて、検出された屈折率をメモリのテーブルと参照して、屈折率が最も近い種類、または組成を出力されるような手段を備えることで検出が容易となる。

このように構成されたインライン液体性状検出セン２５０においては、設置位置が燃料配管の一部となるため燃料ポンプの駆動中は光センサプローブが流動する燃料に触れている。燃料によってファイバ表面が清浄されるため、センサとしての特性劣化が少なくなり、安定した性状検出が可能となる。また、パイプ間に接続されているため、インライン液体性状検出センサ２５０は脱着が容易である。

実施の形態２０.
実施の形態２０では液体性状検出用光ファイバセンサの一部である光センサプローブ２５１を燃料タンク１７１内に挿入し、光センサプローブ２５１に接続される光ピックアップ３００は燃料タンク１７１の外部に固定するようにした。

以下では、上記のような構成を備える液体性状検出用光ファイバセンサの取り付け状態を示す複数の例について述べる。

図４１は、実施の形態２０の燃料タンクの一部に設置される液体性状検出用光ファイバセンサの取り付け状態の例を示す模式図である。また図４２は実施の形態２０の燃料タンクの一部に設置される液体性状検出用光ファイバセンサの取り付け状態の他の例を示す模式図である。また図４３は実施の形態２０の燃料タンクの一部に設置される液体性状検出用光ファイバセンサの取り付け状態のさらに他の例を示す模式図である。また図４４は実施の形態２０の燃料タンクの一部に設置される液体性状検出用光ファイバセンサの取り付け状態のさらに他の例を示す模式図である。

いずれの取り付け状態においても、光センサプローブ２５１は燃料タンク１７１の底付近まで挿入され、光センサプローブ２５１に形成されたグレーティング領域が燃料タンク１７１の底付近に位置するように設置される。従って、グレーティング領域はその全体が燃料に浸漬されている。

図４１に示される取り付け状態では光センサプローブ２５１は燃料タンク１７１上部の専用の取り付け穴から挿入され燃料タンク１７１の底部付近まで達するようにされる。また光ピックアップ３００は専用穴を閉じる蓋の上部に固定される。

図４２に示される取り付け状態では光センサプローブ２５１は燃料タンク１７１上部のプレート１７５に形成した取り付け穴から挿入され燃料タンク１７１の底部付近まで達するようにされる。また、光センサプローブ２５１の一部が燃料タンク１７１内部で燃料ポンプ１７２を保持する支持部材１７６の一部に保持されるように設置される。また光ピックアップ３００はプレート１７５に形成した取り付け穴の上部に固定される。

図４３に示される取り付け状態では光センサプローブ２５１は燃料タンク１７１上部のプレート１７５に形成した取り付け穴から挿入され燃料タンク１７１の底部付近まで達するようにされる。また、光センサプローブ２５１の一部が燃料タンク１７１内部でプレート１７５に保持された燃料ポンプモジュール１９２の一部に保持されるように設置される。また光ピックアップ３００はプレート１７５に形成した取り付け穴の上部に固定される。なお燃料ポンプモジュール１９２は燃料ポンプ１７２とポンプの燃料出口側に高圧側フィルタ１９１を備えて一体としたものである。

図４４に示される取り付け状態では光センサプローブ２５１は燃料タンク１７１上部のプレート１７５に形成した取り付け穴から挿入され、燃料ポンプモジュール１９２の内部の貫通穴を経て、燃料タンク１７１の底部付近まで達するように設置される。貫通穴の底部から光センサプローブ２５１の一部が燃料タンク底部に向かって伸びており、この部分にグレーティング領域が形成されている。また光ピックアップ３００はプレート１７５に形成した取り付け穴の上部に固定される。

以上のようないずれかの取り付け状態とすることにより、液体性状検出用光ファイバセンサのタンクへの取り付け、取り外しが容易になる。いずれの取り付け状態でも、グレーティングが形成された領域は燃料タンクの底部に設置されているので、燃料の性状を安定して検出することができる。また、図４２から図４４に示す取り付け状態では燃料タンク内において燃料ポンプとともに光ファイバが固定されるため、光センサプローブ２５１が燃料の流動による影響を受けにくくなるため、信頼性の高い検出が可能となる。

実施の形態２１．
図４５は、実施の形態２１の液面検出用光ファイバセンサのグレーティング領域と液体性状検出用光ファイバセンサのグレーティング領域を一本の光ファイバに形成して液面を検出と液体の性状を検出とを行う光ファイバセンサを、燃料タンクに取り付けた状態を示す模式図である。

光センサプローブ２５１が燃料タンク１７１の上部の開口部より底付近まで挿入される。開口部の蓋に光ピックアップ３００が固定され、光ピックアップ３００は光センサプローブ２５１に光の入出力を行うように接続されている。光センサプローブ２５１には液面検出用のグレーティング１７４ａと液体性状検出用のグレーティング１７４ｂと形成されている。液面検出用のグレーティング１７４ａは、燃料タンク１７１内部のガソリンの量が変化した際に液面１７７が横切る位置に、液面の変化する方向に配置されている。液体性状検出用のグレーティング１７４ｂは燃料タンク１７１の底部に近い部分に設置されている。

液面検出用のグレーティング１７４ａと液体性状検出用のグレーティング１７４ｂとはそれらのクラッドモードが異なる波長帯域となるように、グレーティングの周期が異なっている。また光ピックアップ３００は液面検出用のグレーティング１７４ａのクラッドモードおよび液体性状検出用のグレーティング１７４ｂのクラッドモードの透過光強度を別々に検出できるように、それぞれのクラッドモードの波長帯域を含む広帯域発光素子、回折格子を介して受光するように設置された２個の受光素子を備えている。

このように構成された燃料ゲージ及び光ファイバセンサにおいては、ガソリンの液面１７７が上下することを液面検出用のグレーティング１７４ａのクラッドモードの透過光強度で検出することができ、更にガソリンが少なくてもガソリンの性状を液体性状検出用のグレーティング１７４ｂのクラッドモードの透過光強度で検出できる。また、仮にガソリンの性状が異なることにより液面の精度が悪い時でも、実施の形態１８のように補正する手段を備えれば、性状で高さを補正でき液面の精度を上げることができる。

以上のように、グレーティングの形成された領域を有するコアとクラッドとを備え、グレーティングの形成された領域の少なくとも一部が液体に浸漬する位置に配置された光ファイバと、グレーティングのクラッドモードの波長帯域の光を前記光ファイバに入射する光源と、光源から光ファイバに入射され、グレーティングの形成された領域を透過した光の強度を検出する受光部とを備えたため、クラッドと液体またはクラッドと気体の間の屈折率の違いによって生じるグレーティング部分のクラッドモードの透過光強度を測定することにより、液面検出用または液体性状検出用として使用できる光ファイバセンサを実現できた。

このように、光ファイバと液体または光ファイバと気体の間の屈折率の違いによって検出するため、光ファイバに振動などで液面が絶えず変化して気相部分と液相部分との温度差が緩やかになる場合でも液面を検出することが可能である。また、溶融延伸処理などで光ファイバの太さが大幅に細くなった部分を形成しないため、光ファイバに細い部分を形成する方式に比べて強度が大きく、振動が大きい環境においても信頼性高く液面を検出または液体の性状の検出することが可能である。

上記のように、液面検出用光ファイバセンサと液体性状検出用光ファイバセンサとは、グレーティングを形成した部分のクラッド外部の屈折率とクラッドモードの透過特性との関係を利用するという基本的に同じ原理で検出動作する。従って、両者を入れ替えて使用することもできる。

また、上記の実施の形態では、主にクラッドモードの損失のピークの大きさに基づく透過光強度を受光部で検出したが、クラッドモードの損失のピークと隣の波長の損失のピークとの間の波長帯域の光の透過光強度を検出しても良い。液面検出用光ファイバセンサの透過スペクトルを示した図５からもわかるように、損失のピークと隣の波長の損失のピークとの間の波長帯域の光の透過率は損失のピークが小さくなるほど徐々に低くなる傾向があるので、液面の位置または液体の屈折率と透過光強度の大小関係が、損失のピークを含んだ波長帯域の透過光強度を検出する場合とは逆の傾向となるが、損失のピークと隣の波長の損失のピークとの間の波長帯域の光の透過光強度の検出によって液面の検出や液体の屈折率の検出することは可能である。
実施の形態２２．
本実施の形態２２の液体性状検出用光ファイバセンサは、実施の形態１３の液体性状検出用光ファイバセンサの構成を基本として、光源２をクラッドモードに由来する損失のピークが現れるクラッドモードの波長帯域よりも広い発光波長領域を有するＬＥＤとして、受光部３をそのクラッドモードの波長帯域よりも広い波長領域全体の光強度を検出するフォトダイオードとした構成を有している。従って光源２の発光波長領域および受光部３の検出波長領域はグレーティングのクラッドモードの波長帯域よりも広い。またＬＥＤには発光波長が８００ｎｍ帯のものを用いて、光ファイバ１には８００ｎｍ帯でシングルモードとなるコアの直径約２ミクロンでコアとクラッドの屈折率差が約２％のものを使用した。

図４６は本実施の形態２２の光源２の発光スペクトルを示したグラフである。光源２はおよそ７９５ｎｍを中心波長として半値幅として約４０ｎｍの幅、７７５ｎｍから８１５ｎｍまでの発光波長領域を有している。この光源２は最も光強度の大きい波長での光出力はー４５ｄＢｍであり、発光波長領域全体での光出力は１ｍＷよりも小さい。光出力を１ｍＷ未満として液体側に散乱するクラッドモードの光によって液体の温度が上昇することを防いでいる。

図４７（ａ）はグレーティング９の形成されたクラッド５の周囲に屈折率１．３６２の液体を接した場合に、光ファイバ１に入射した光源２からの光がグレーティング９を経て受光部３側に出射する光のスペクトルを示したグラフである。クラッド５の周囲が空気の場合も図４７（ａ）とほぼ同じスペクトルをし、このスペクトルは屈折率１．３６２以下の液体に接した場合もほとんど変化は無い。図４７（ａ）のようにこのグレーティング９のクラッドモードの波長帯域は約７８０ｎｍから約８００ｎｍまでの領域である。従って光源２の発光波長領域はクラッドモードの波長帯域よりも広くそのクラッドモードの波長領域全体を含んでいる。また、コアとクラッドの屈折率差が約２％と比較的大きな光ファイバ１を用いたので、グレーティング形成時のコアの光誘起屈折率変化も大きくできる。本実施の形態２２のグレーティングは、上記のようにコアとクラッドの屈折率差の大きな光ファイバを用いて、クラッドモード損失のピークが大きくなるように、例えば、隣り合う損失のピーク間の透過率に比べて損失のピークの光の透過率がクラッドモードの波長帯域の中央付近で１／１０以下と小さくなるように、コアを伝播するモードからクラッドモードへの結合を大きくしたグレーティングとしている。

図４７（ｂ）および（ｃ）はそれぞれグレーティング９の形成されたクラッド５の周囲に屈折率１．４２９、１．４９７の液体を接したときに受光側で検出される光スペクトルを示したグラフである。光スペクトルはクラッド５に接する液体の屈折率が大きくなるに従って短波長側の吸収のピークが消えていくように変化する。一方、隣り合う吸収のピーク間の透過率はクラッド５に接する液体の屈折率が大きくなるに従って徐々に減少する。

受光部３で検出する光強度はクラッド５に接する液体の屈折率に応じたグレーティング９のＬＥＤの発光波長領域全体の透過率の変化に影響される。図４８はクラッド５に接する液体の屈折率と受光部３のフォトダイオードの出力電圧との関係を示したグラフである。液体の屈折率が１．３６から１．３９の間、および１．４７から１．５０の間は出力電圧はほとんど変化しないが、屈折率が１．３９から１．４７の間は屈折率が上昇するに従って出力電圧が低下する。これは液体の屈折率の上昇に伴って、クラッドモードに特有の損失のピークが無くなる一方、隣り合う吸収のピーク間の透過率が減少する結果、グレーティング９のクラッドモードの波長領域全体の透過率が低下することを示している。このようにクラッド５に接する液体の屈折率変化で受光部３の出力電圧が変化するので、逆に受光部３の出力電圧を検出することでクラッド５に接する液体の屈折率変化を検出することが可能である。

以上のようなクラッド５に接する液体の屈折率が高くなるとクラッドモードの波長領域全体の透過率が低下する現象は、本実施の形態２２のグレーティングが、コアとクラッドの屈折率差が約２％と比較的大きな光ファイバ１を用いてコアの光誘起屈折率変化が大きくなるように形成されたため顕著になったと考えられる。

本実施の形態２２の光ファイバセンサは、液体性状検出用光ファイバセンサとしたが、同様な構成でグレーティングの形成された領域が液面の変化する際に液面が横切る位置に配置すれば液面検出用光ファイバセンサとすることもできる。

本実施の形態２２のように光源２の発光波長領域および受光部３の検出波長領域はグレーティングのクラッドモードの波長帯域よりも広くしたので、構成が単純になり温度や振動などの環境変化に対して影響を受けにくい光ファイバセンサとすることができる。

本実施の形態２２の構成に他の実施の形態の構成を組み合わせてもよく、例えば実施の形態７や１４のように光ファイバ１の一方に反射手段を備えても良い。その場合、反射手段をクラッドモードの波長領域の一部の領域をブラッグ反射の波長領域とする反射用グレーティングにすることにより、その波長領域での検出感を向上させることができる。

また、以上の実施の形態１から２２で使用したグレーティングは述べた短周期グレーティングを用いた。短周期グレーティングでは、クラッドに接する液体の屈折率が変化しても、クラッドモードの損失のピークの波長はほとんど変化せず、ピークの大きさが変化する。このためピークの波長シフトを評価する手段は不要であり、透過する光の強度を検出すれば液体の液面位置や性状を検出できるので構成が簡単である。

Claims (19)

1. グレーティングの形成された領域を有するコアとクラッドとを備え、前記グレーティングの形成された領域の少なくとも一部が液体に浸漬する位置に配置された光ファイバと、
   前記グレーティングのクラッドモードの波長帯域の光を前記光ファイバに入射する光源と、
   前記光源から前記光ファイバに入射され、前記グレーティングの形成された領域を透過した光の強度を検出する受光部と、
   を備えたことを特徴とする光ファイバセンサ。
2. グレーティングの形成された領域が液面の変化する際に液面が横切る位置に配置され、
   前記液面を検出することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
3. グレーティングの形成された領域が複数部に分割されたことを特徴とする請求項２に記載の光ファイバセンサ。
4. グレーティングの形成された領域のクラッドの表面に、液体との濡れ角が前記クラッドよりも大きいコーティングを施したことを特徴とする請求項２に記載の光ファイバセンサ。
5. グレーティングの形成された領域を有するコアとクラッドとを備え、前記グレーティングの形成された領域全体が前記液体に浸漬される位置に配置された光ファイバと、
   前記グレーティングのクラッドモードの波長帯域の光を前記光ファイバに入射する光源と、
   前記光源から前記光ファイバに入射され、前記グレーティングの形成された領域を透過した光の強度を検出する受光部と、を備え
   前記液体の性状を検出することを特徴とする光ファイバセンサ。
6. 受光部にそれぞれ異なる波長の光を受光する複数の受光素子を備え、
   または光源にそれぞれ異なる波長の光を発光する複数の発光素子を備え、
   異なる波長のグレーティングを透過したクラッドモードの光の強度を検出することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
7. 燃料が送り込まれる入口と該燃料の出口を有するケースの内部に、グレーティングの形成された領域が設置され、光源と受光部とが前記ケースの外部に固定されることを特徴とする請求項５に記載の光ファイバセンサ。
8. グレーティングの形成された領域が燃料タンクの底部に設置されたことを特徴とする請求項５に記載の光ファイバセンサ。
9. 光ファイバは全体が液体に浸漬される位置に設置された第１のグレーティングの形成された領域および前記液体の液面の変化する際に前記液面が横切る位置に配置された第２のグレーティングの形成された領域を備え、
   受光部は前記第１のグレーティングの形成された領域を透過した前記第１のグレーティングのクラッドモードの波長領域の光の強度を検出する第１の受光素子および前記第２のグレーティングの形成された領域を透過した前記第２のグレーティングのクラッドモードの波長領域の光の強度を検出する第２の受光素子を備えることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
10. 第１のグレーティングのクラッドモードの波長領域と第２のグレーティングのクラッドモードの波長領域とが異なることを特徴とする請求項９に記載の光ファイバセンサ。
11. 前記第１の受光素子の信号強度と前記第２の受光素子の信号強度とに基づいて液面の位置を示す信号を出力する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項９に記載の光ファイバセンサ。
12. 受光部と光ファイバとの間にクラッドモードの波長領域に透過領域を有する光波長フィルタを配置したことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
13. 受光部と光ファイバとの間に光サーキュレータを備えたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
14. 光ファイバは燃料タンク内において燃料ポンプとともに固定されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
15. 光源は前記光源からの光が光ファイバの一方の端に入射するように設置され、
    受光部は前記一方の端から出射される光の強度を検出するように設置され、
    前記光ファイバのグレーティングの形成された領域に対して前記一方の端と反対側に、前記領域を透過したクラッドモードの波長帯域の光を反射する反射手段を設置したことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
16. 反射手段はグレーティングの形成された領域を透過したクラッドモードの光の波長をブラッグ反射の波長帯域に含む別のグレーティングであることを特徴とする請求項１５に記載の光ファイバセンサ。
17. 光ファイバの一方の端、光源、受光部がそれぞれ異なるポートに接続された光サーキュレータを備えたことを特徴とする請求項１５に記載の光ファイバセンサ。
18. 光源および受光部は、光源および受光部が集積された光ピックアップであることを特徴とする請求項１５に記載の光ファイバセンサ。
19. 光源の発光波長領域および受光部の検出波長領域はグレーティングのクラッドモードの波長帯域よりも広いことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。

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