特開 2023-116426 光センサ、および液体のレベル及び／または量を感知する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023116426

(43)【公開日】2023-08-22

(54)【発明の名称】光センサ、および液体のレベル及び／または量を感知する方法

(51)【国際特許分類】

   G01F 23/292 20060101AFI20230815BHJP

   B64D 37/02 20060101ALI20230815BHJP

【ＦＩ】

G01F23/292 C

B64D37/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023018239

(22)【出願日】2023-02-09

(31)【優先権主張番号】17/668,003

(32)【優先日】2022-02-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】516344443

【氏名又は名称】シモンズ・プレシジョン・プロダクツ・インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(72)【発明者】

【氏名】デービッド エイチ．クラウン

【テーマコード（参考）】

2F014

【Ｆターム（参考）】

2F014FA02

(57)【要約】

【課題】 改善された光センサ、および液体のレベル及び／または量を感知する方法を提供する。
【解決手段】 光センサは、キャビティに光学的に結合された光ファイバを含む。光路は、ファイバからキャビティを横切って画定され、キャビティを横切ってファイバに反射されて戻る。キャビティは、キャビティにとって周囲の環境が気体であるか液体であるかに起因するキャビティ内部の屈折率の変化を検出するために、キャビティの周囲の環境と流体連通する開口キャビティである。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光センサであって、
キャビティに光学的に結合された光ファイバであって、光路が前記ファイバから前記キャビティを横切って画定され、前記キャビティを横切って前記ファイバに戻るように反射され、前記キャビティは前記キャビティにとって周囲である環境が気体か液体かであるかに起因して、前記キャビティ内部の屈折率の変化を検出するため、前記キャビティにとって周囲である前記環境と流体連通する開口キャビティである、前記光ファイバを備える、光センサ。

【請求項2】

前記ファイバは、前記キャビティを通って延びる縦軸を画定し、前記キャビティは、第１の光学部材と、前記第１の光学部材から離間した第２の光学部材との間に画定される、請求項１に記載の光センサ。

【請求項3】

前記第１の光路が、前記ファイバから前記第１の光学部材を通り、前記キャビティを通り、前記第２の光学部材で反射し、前記キャビティを通り、前記第１の光学部材を通って前記ファイバに戻る、請求項２に記載の光センサ。

【請求項4】

前記第１の光学部材から前記第２の光学部材を支持するスタンドオフをさらに備える、請求項３に記載の光センサ。

【請求項5】

前記スタンドオフは、前記キャビティの周りで円周方向に離間された複数のスタンドオフの第１のスタンドオフであり、それぞれの開口部は、各々が円周方向に隣接する対の前記スタンドオフの間に画定され、前記開口部は、前記周囲環境と前記キャビティの間に流体連通を設ける、請求項４に記載の光センサ。

【請求項6】

前記第１の光本体及びスタンドオフはすべてサファイア材料を含む、請求項５に記載の光センサ。

【請求項7】

前記第２の光本体が、前記キャビティを通る信号の反射を増加させるために部分的に鏡面化された表面を有するエンドプレートである、請求項４に記載の光センサ。

【請求項8】

前記第１の光本体がメインセンサ本体であり、第２の光路が、前記ファイバから前記メインセンサ本体を通り、前記キャビティの境界をなす前記メインセンサ本体の表面まで画定され、前記キャビティに入ることなく、前記キャビティの境界をなす前記メインセンサ本体の前記表面から前記メインセンサ本体を通って、前記ファイバに反射されて戻る、請求項４に記載の光センサ。

【請求項9】

液体のレベル及び／または量を感知する方法であって、
コンテナの光センサからの光信号を、前記光センサのキャビティの屈折率の変化について監視すること、及び
前記屈折率の変化の検出時に、前記コンテナの前記光センサの既知の位置に基づいて、液体レベル及び液体量の少なくとも一方を判定すること、を含む、方法。

【請求項10】

前記光センサは複数の光センサのうちの１つであり、前記コンテナの前記複数の光センサのそれぞれの位置が既知であり、液体レベル及び液体量のうちの少なくとも１つを判定することは、前記複数の光センサのうちの１つについて屈折率の変化が検出されるたびに、液体レベル及び液体量のうちの少なくとも１つを更新することを含む、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

液体レベル及びまたは液体量を判定する際に、前記コンテナの向きに対する前記コンテナの液体の表面の角度を判定するために、前記複数の光センサからのデータを使用することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記光信号を監視することは、前記光信号から導出されたデータに対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を使用して、前記キャビティを通る光路の長さ（ＯＰＬ）に対応するピークの周波数を見つけることを含む、請求項９に記載の方法。

【請求項13】

前記屈折率の変化の検出が、前記キャビティの屈折率の変化を示す前記ピークの周波数の周波数の変化を検出することを含む、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記光センサのセンサベースの光学的長さを示す前記光センサから戻されたデータを使用して、前記光センサの温度を判定することをさらに含む、請求項９に記載の方法。

【請求項15】

前記屈折率の変化の検出が、前記光センサの前記温度を使用して、前記キャビティの光学的長さを変化させる熱膨張／収縮効果を補うことを含む、請求項１４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、液体レベルの感知に関し、より詳細には、航空機の燃料タンクで使用されるような液体のレベル及び量の感知に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料及び可燃性液体の測定という用途では、貯蔵容器の液体の量、つまり体積と質量の両方を知ることが重要である。商用航空機で使用されるような完全性の高い燃料ゲージシステムでは、タンク、特に翼のタンクにおけるいくつかの個別の箇所の燃料レベルを知ることがまた必要である。現在の電気ベースのセンサを使用していることが、本質的に安全な設置を困難にしている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

従来技術は、その意図された目的に十分であると考えられてきた。しかし、航空機の燃料タンクなどの改良された液体及び量のレベルのセンサに対するシステム及び方法を改善する必要性が常に存在している。本開示は、この必要性に対する解決策を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0004】

光センサはキャビティに光学的に結合された光ファイバを含む。光路は、ファイバからキャビティを横切って画定されて、キャビティを横切ってファイバに反射されて戻る。キャビティは、キャビティにとって周囲の環境が気体であるか液体であるかに起因するキャビティ内部の屈折率の変化を検出するために、キャビティの周囲の環境と流体連通している開口キャビティである。

【0005】

ファイバは、キャビティを通って延びる縦軸を画定することができる。キャビティは、第１の光学部材と、第１の光学部材から離間した第２の光学部材との間に画定することができる。第１の光路が、ファイバから第１の光学部材を通り、キャビティを通り、第２の光学部材で反射し、キャビティを通り、第１の光学部材を通ってファイバに戻り得る。スタンドオフは、第１の光学部材から第２の光学部材を支えることができる。スタンドオフは、キャビティの周りで円周方向に離間された複数のスタンドオフの第１のスタンドオフであり得る。それぞれの開口部は、各々が円周方向に隣接する対のスタンドオフの間に画定され得る。開口部は、周囲環境とキャビティの間の流体連通を設けることができる。第１の光本体及びスタンドオフはすべてサファイア材料を含むことができる。

【0006】

第２の光本体は、キャビティを通る信号の反射を増加させるために部分的に鏡面化された表面を有するエンドプレートであり得る。第１の光本体は、メインセンサ本体であり得る。第２の光路は、ファイバからメインセンサ本体を通り、キャビティの境界をなすメインセンサ本体の表面まで画定され得、キャビティに入ることなく、キャビティの境界をなすメインセンサ本体の表面からメインセンサ本体を通って、ファイバに反射されて戻り得る。

【0007】

液体のレベル及び／または量を感知する方法は、コンテナの光センサからの光信号を、光センサのキャビティの屈折率の変化について監視することを含む。この方法は、屈折率の変化の検出時に、コンテナの光センサの既知の位置に基づいて、液体レベル及び液体量の少なくとも一方を判定することを含む。

【0008】

光センサは、複数の光センサのうちの１つとすることができる。コンテナの複数の光センサのそれぞれの位置を知ることができる。液体レベル及び液体量のうちの少なくとも１つを判定することは、複数の光センサのうちの１つについて屈折率の変化が検出されるたびに、液体レベル及び液体量のうちの少なくとも１つを更新することを含み得る。方法は、液体レベル及びまたは液体量を判定する際に、コンテナの向きに対するコンテナの液体の表面の角度を判定するために、複数の光センサからのデータを使用することを含むことができる。

【0009】

光信号を監視することは、光信号から導出されたデータに対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を使用して、キャビティを通る光路の長さ（ＯＰＬ）に対応するピークの周波数を見つけることを含み得る。屈折率の変化の検出は、キャビティの屈折率の変化を示すピークの周波数の周波数の変化を検出することを含むことができる。

【0010】

方法は、光センサのセンサベースの光学的長さを示す光センサから戻されたデータを使用して、光センサの温度を判定することを含むことができる。屈折率の変化の検出は、光センサの温度を使用して、キャビティの光学的長さを変化させる熱膨張／収縮効果を補うことを含むことができる。

【0011】

本開示のシステム及び方法のそれらの特徴及び他の特徴は、図面と共に得られる好ましい実施形態の以下の詳細な説明から、当業者にとってより容易に明らかになるであろう。

【0012】

本開示に関連する当業者が過度な実験を実施することなく、本開示のデバイス及び方法をどのように製造し、及びどのように使用するかを容易に理解できるように、それらの好ましい実施形態が特定の図面を参照して本明細書で詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本開示に従って構成された光センサの実施形態の概略的な分解斜視図であり、エンドプレートをセンサ本体からキャビティにわたって支持するスタンドオフを示している。

【図2】図１の光センサの概略的な側面の断面図であり、センサの温度及びキャビティの流体の屈折率を判定する際に使用される２つの光路を示している。

【図3】図１のセンサのキャビティにおける様々な流体に関するピークの光信号リターン周波数を示す周波数領域グラフである。

【図4】図１に示すようなセンサを有するコンテナの概略的な側面図であり、複数のセンサがいかに協働して、コンテナの向きがいつも同じというわけではないときでさえ、液体のレベル及び／または量を判定するかということを示している。

【発明を実施するための形態】

【0014】

今より、図面を参照する。それにおいて、同様の参照符号が、本開示の同様の構造的特徴または態様を特定する。説明及び例示の目的のために、限定ではなく、本開示に従った光センサの実施形態の部分的な見え方が図１に示され、参照符号１００によって全体的に指定される。本開示に従ったシステムの他の実施形態またはその態様が、説明されるように図２～図４に提示される。本明細書に記載のシステム及び方法は、航空機の燃料タンクなどのコンテナ内の液体のレベル及び／または量を判定するのに役立つように使用することができる。

【0015】

光センサ１００は、キャビティ１０４に光学的に結合された光ファイバ１０２を含む。キャビティ１０４は、キャビティにとって周囲の環境１０６が気体であるか液体であるかに起因するキャビティ１０４内部の屈折率の変化を検出するために、キャビティ１０４の周囲の環境１０６と流体連通する開口キャビティである。言い換えれば、センサ１００のすぐ近くにある環境１０６の液体または気体がキャビティ１０４に流れ込み、センサ１００はその液体または気体の屈折率を検出することができる。ファイバ１０２は、キャビティ１０４を通って延びる縦軸Ａを画定する。キャビティ１０４は、メインセンサ本体１０８である第１の光学部材と、軸Ａの軸方向にメインセンサ本体１０８から離間したエンドプレート１１０である第２の光学部材との間に画定される。

【0016】

複数のスタンドオフ１１２は、エンドプレート１１０をメインセンサ本体１０８から支持する。スタンドオフ１１２は、軸Ａに対してキャビティ１０４の周りで円周方向に離間される。それぞれの開口部１１４は、各々円周方向に隣接する対のスタンドオフ１１２の間に画定される。開口部１１４は周囲環境１０６とキャビティ１０４との間の流体連通をもたらす。例示的な数の２つのスタンドオフ１１２及び２つの開口部１１４で示され、説明されているが、当業者は、任意の適切な数のスタンドオフ１１２及び開口部１１４が、本開示の範囲から逸脱することなく、それぞれ１つを含めて使用することができることを容易に理解するであろう。

【0017】

メインセンサ本体１０８、スタンドオフ１１２、及びエンドプレート１１０はすべて、サファイア材料を含むことができる。エンドプレート１１０は、任意選択に、所与の用途に必要な場合、キャビティを通る信号反射を増加させるために、部分的に鏡面化された表面１１６を任意に有することができる。メインセンサ本体１０８、スタンドオフ１１２、及びエンドプレート１１０は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｓｅｎｔｅｋ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ， ＬＬＣに対する米国特許第１０，２９４，５２５号で説明されているプロセスを使用して結合することができ、エンドプレート１１０がメインセンサ本体１０８に平行な単一のアセンブリを形成する。有利な構築技術は、メインセンサ本体１０８とエンドプレート１１０との間の軸方向のキャビティ１０４の所望の深さの円形キャビティを機械加工し、次に材料を機械加工して、メインの光本体１０８とスタンドオフ１１２のベースを構築することである。次に、エンドプレート１１０は、上で参照した米国特許第１０，４９５，５２５号に開示されているサファイア対サファイアの直接的な接合技術を使用して、スタンドオフ１１２に接合することができる。

【0018】

今より図２を参照すると、第１の光路１１８は、ファイバ１０２から、ファイバ１０２とメインセンサ本体１０８との間の界面１を通り、メインセンサ本体１０８を通り、メインセンサ本体１０８とキャビティ１０４の間の界面２を通って、キャビティ１０４を横切って画定される。第１の光路１１８は、キャビティとエンドプレート１１０との間の界面３で反射され、キャビティ１０４を横切って戻り、メインセンサ本体１０８を通り、ファイバ１０２に戻る。第１の光路１１８からの光信号リターン、またはその光路の長さ（ＯＰＬ）は、キャビティ１０４の流体の屈折率を判定するために、以下で説明するように分析することができる。

【0019】

第２の光路１２０は、ファイバ１０２から界面１を通り、メインセンサ本体１０８を通り、キャビティ１０４（界面２で）を画定するメインセンサ本体１０８の表面まで画定され、その表面（界面２）から反射され、キャビティ１０４に入ることなく、メインセンサ本体１０８を通ってファイバ１０２に戻る。この第２の光路１２０からファイバを通るこの光リターン信号は、下部で論じるように、センサ１００の温度を判定する際に使用することができる。図４に示すように、コンテナ１２２内部の液体のレベルを判定する際に使用するために、コンテナ１２２内部の既知の位置に、複数のセンサ１００を取り付けることができる。

【0020】

界面２と３との間の光路の差（ＯＰＤ）に関する距離は、センサ１００の所与の用途のための重要な設計パラメータである。このギャップ、すなわち軸Ａの方向におけるギャップ１０４の長さは、メインセンサベース１０８のＯＰＤとけっして重ならないように、すなわち界面２と３の間の距離が、界面１と２の間の距離と重ならないように設計することが重要であり得る。界面２と３の間のＯＰＤはまた、検出に十分な信号の振幅を同様に返しながら、燃料や水を流すのに十分な大きさであるべきである。ギャップ１０４を横切る距離が長い場合、言い換えると、所与の用途によりギャップ１０４の軸方向の長さがより長いことが必要となる場合、ファイバ端部にコリメーティングレンズを使用することができる。この場合、追加のＯＰＤが減少／最小化されるか、対象範囲外になるように、材料と長さを選択することが重要である。

【0021】

図３～４を参照すると、コンテナ、例えば航空機の燃料タンクなどのコンテナ１２２の液体のレベル及び／または量を感知する方法は、コンテナにある例えばセンサ１００などの光センサから戻る光信号を監視することを含む。光データは、周波数を示す信号に変換される。

【0022】

検出方式は、ファイバ１０２から返されたスペクトルの波長を測定することである。これは、光源の波長範囲全体に広がる干渉縞のパターンを含んで戻る。従来、干渉縞の検出は分光計で行われていた。次に、関係Ｃ＝λ／ｆを使用して周波数を判定することができる。式中、Ｃは波の（例えば、光の）速度、λは分光計で識別される波長、ｆは周波数である。周波数のデータは高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を受けて、図３の周波数領域の周波数軸に沿って位置するピークを識別する。通常、２つのピーク１２４、１２６が現れる。まず、ピーク１２４は、図２の第１の光路１１８の共振波長を示している。第１のピーク１２４の位置に応じて、屈折率は、図１～２で標識されたキャビティ１０４内部において、図３で標識された３つの異なるピーク１２４によって示されるように、空気（またはより一般的には、任意の気体）、水、燃料、またはより一般的に任意の他の液体を示しているか判定され得る。このピーク１２４は、図２で識別された第１の光路１１８について測定された光路の差（ＯＰＤ）に対応する。

【0023】

引き続き図３を参照すると、光センサのセンサベース１０８（図１～２で識別される）の光学的長さ（ＯＰＬまたはＯＰＤ）を示す光センサ１００から返されたデータを使用することにより、光センサの温度の判定が可能になる。図２で標識された第２の光路１２０からの波長領域データでＦＦＴを使用した後、第２の光路１２０の共振波長を示す、図４の第２のピーク１２６の正確な周波数の値は、第２の光路１２０のＯＰＬ／ＯＰＤを判定するのに使用することができる。これは、光センサ１００の熱膨張／収縮状態に依存する第２の光路１２０の正確な長さの測定をもたらすことができる。第２の光路１２０の既知の熱膨張係数及び長さが与えられると、ピーク１２６の周波数に基づいてセンサ１００の温度を導き出すことができる。このとき、屈折率の変化の検出は、キャビティ１０４の光学的長さを変更する熱膨張／収縮効果を補うために、光センサ１００の温度を使用して温度を補正することを含むことができる、なぜならスタンドオフ１１０の長さが温度の変化によって変化するからである。

【0024】

引き続き図４を参照すると、方法は、センサ１００の屈折率の変化の検出に基づいて、またコンテナ１２２の光センサの既知の位置に基づいて、コンテナ１２２の液体レベル及び液体量のうちの少なくとも１つを判定することを含む。所与のセンサ１００がそのキャビティ１０４での液体から気体への変化を検出すると、それは液体レベルがそのセンサ１００を下回ったことの指標となる。センサ１００が屈折率の変化を有するときのコンテナ１２２のセンサ１００の位置または深さが与えられると、コンテナ１００の液体レベルを判定するために計算を行うことができる。コンテナ１００に分散されたセンサ１００の数が多いほど、コンテナの液体レベル／量の測定の分解能を高くすることができる。センサ１００が深度の方向だけでなく、コンテナ１２２のスパン全体においても分散されている場合、コンテナ１２２の向きに対する液体の表面の角度について補正を行うことができ、例えば燃料のレベル／量の測定の場合の航空機または他の車両の態勢の補正がある。２つの異なる液面の角度が図４に示されている。当業者は、三次元のコンテナ１２２全体にわたるセンサ１００の三次元的分布が、液体のレベル／量の測定の補正／精度のための三次元的な液面判定を可能にすることを容易に理解するであろう。例えばコンテナ１２２が移動するとき加速から出る力などの、重力の方向及び／または液体に作用する他の任意の力に対するコンテナの角度を判定するために、例えばコンテナの外側の角度センサを使用して、液面とコンテナ１２２の相対的な態勢を判定することも可能である。コントローラ１２８は、上述の測定を行うためにセンサ１００のネットワークに動作可能に接続することができる。図面を明確にするために、個々のセンサ１００とコントローラ１２８との間の接続は、図４に描かれていない。

【0025】

上部で開示したシステム及び方法は、後続の潜在的な利点など、従来のシステムに勝る潜在的な利点を授けることができる。本明細書で開示される光センサは、非常に低い電力を使用することができ、また質問信号が光学式であるため、例えば燃料タンクでの使用に対して本質的に安全である。これにより、燃料タンクの電気クリアランスの規則が適用されないため、機体製造業者が本明細書で開示するセンサを設置するのがはるかに容易になる。温度と液面レベルは、同じセンサ内部で独立して測定できる。

【0026】

本開示の方法及びシステムは、上部で説明し、図面に示したように、航空機の燃料タンクなどのコンテナの液体レベル及び／または量を判定することをもたらす。本開示の装置及び方法が、好ましい実施形態を参照して示され説明されてきたが、本開示の範囲から逸脱することなく、それらに対して変更及び／または修正がなされ得ることを、当業者は容易に理解するであろう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】