DE112016006667T5

DE112016006667T5 - Optische messsonde und damit versehene optische messvor-richtung

Info

Publication number: DE112016006667T5
Application number: DE112016006667.8T
Authority: DE
Inventors: Ryoji Hiraoka; Mitsuru Kowada; Isao Azumagakito; Hirofumi Fujiwara
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Shimadzu Corp
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Shimadzu Corp
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2018-12-20
Also published as: JPWO2017168703A1; US20190094132A1; WO2017168703A1

Abstract

Eine optische Messsonde 1 ist eine Sonde zum Leiten von Licht, das von einem Messziel erzeugt wird, zu einem Gerät und umfasst ein optisches Fenster 2 und eine optische Faser 4. Das optische Fenster 2 ist säulenförmig ausgebildet, wobei eine Endoberfläche davon eine Reflexionsoberfläche (sich verjüngende Oberfläche 21) bildet und das optische Fenster 2 von einer Einfallsoberfläche (flache Oberfläche 23), die auf einem Abschnitt einer äußeren Umfangsoberfläche des optischen Fensters ausgebildet ist, eindringendes Licht überträgt, was dazu führt, dass das Licht von der Reflexionsoberfläche reflektiert wird, und Licht von der anderen Endoberfläche emittiert. Die optische Faser 4 leitet das von der anderen Endoberfläche des optischen Fensters 2 emittierte Licht zum Gerät.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Messsonde zum Leiten von Licht, das von einem Messziel erzeugt wird, an ein Gerät und eine damit versehene optische Messvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
In einer optischen Messvorrichtung zum Messen von Licht, das von einem Messziel erzeugt wird, kann eine optische Messsonde verwendet werden, um Licht von einem Messziel zu einem Gerät zu leiten. Eine optische Messsonde dieses Typs umfasst ein transparentes optisches Fenster und einen Lichtleiter aus optischer Faser, wobei Licht, das in das optische Fenster gelangt, durch den Lichtleiter zum Gerät geleitet wird (siehe beispielsweise PATENTSCHRIFT 1).
In der optischen Messsonde dieses Typs ist das optische Fenster beispielsweise säulenförmig ausgebildet und Licht, das von einer Endoberfläche des optischen Fensters eindringt, wird durch das optische Fenster übertragen, um von der anderen Endoberfläche zum Lichtleiter geleitet zu werden. Anders ausgedrückt: Licht, das gerade entlang einer axialen Richtung des optischen Fensters eindringt, wird durch das optische Fenster zum Lichtleiter geleitet.
REFERENZLISTE
PATENTSCHRIFT
PATENTSCHRIFT 1: Ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2015-43278
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
In der oben beschriebenen bekannten optischen Sonde wird nur Licht, das von innerhalb eines vorbestimmten Sichtfeldbereichs in Bezug auf die Achse des optischen Fensters eindringt, zum Lichtleiter geleitet. Ist die Montagestellung der optischen Sonde beschränkt, gibt es daher Fälle, in denen Licht aus einer gewünschten Richtung nicht zum Lichtleiter geleitet werden kann.
Angesichts dessen kam den Erfindern der vorliegenden Erfindung der Gedanke einer optischen Sonde, die es Licht erlaubt, in ein optisches Fenster von dessen äußerer Umfangsoberfläche einzudringen, und die das in das optische Fenster eindringende Licht durch Reflektieren des Lichts an einer Endoberfläche des optischen Fensters zum Lichtleiter leiten kann. In dieser optischen Sonde dient die äußere Umfangsoberfläche des optischen Fensters, die bogenförmig gekrümmt ist, jedoch als Lichteinfallsoberfläche, womit diese Einfallsoberfläche wie eine Linse (zylindrische Linse) wirkt. Die äußere Umfangsoberfläche des optischen Fensters hat beispielsweise einen Krümmungsradius von etwa 0,8 Millimeter, was relativ wenig ist, und die Krümmung nimmt entsprechend zu. Infolgedessen verbreitert sich der Sichtfeldbereich davon. Abhängig von der Montagestellung der optischen Sonde kann es in manchen Fällen erforderlich sein, dass der Sichtfeldbereich beschränkt wird und nur Licht gemessen wird, das von innerhalb eines bestimmten engen Sichtfeldbereichs eindringt.
Dies vorliegende Erfindung wurde im Lichte der obigen Umstände gemacht und zielt darauf ab, eine optische Messsonde bereitzustellen, die einen Sichtfeldbereich von Licht, das von einer äußeren Umfangsoberfläche eines optischen Fensters eindringt, effektiv beschränken kann, sowie eine damit versehene Messvorrichtung.
LÖSUNG FÜR DAS PROBLEM
Eine optische Messsonde gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine optische Messsonde zum Leiten von Licht, das von einem Messziel erzeugt wird, zu einem Gerät und enthält ein optisches Fenster und einen Lichtleiter. Das optische Fenster ist säulenförmig ausgebildet, wobei eine Endoberfläche davon als eine Reflexionsoberfläche dient und das optische Fenster von einer Einfallsoberfläche, die auf einem Abschnitt einer äußeren Umfangsoberfläche des optischen Fensters ausgebildet ist, eindringendes Licht überträgt, was dazu führt, dass das Licht von der Reflexionsoberfläche reflektiert wird, und Licht wird von der anderen Endoberfläche emittiert. Der Lichtleiter leitet das von der anderen Endoberfläche des optischen Fensters emittierte Licht zum Gerät. Die Einfallsoberfläche wird von einer flachen Oberfläche gebildet.
In dieser Ausführungsform kann eine flache Oberfläche, die auf einem Abschnitt der äußeren Umfangsoberfläche des optischen Fensters ausgebildet ist, als Einfallsoberfläche verwendet werden und Licht kann von dieser Einfallsoberfläche in das optische Fenster eindringen, von der Reflexionsoberfläche reflektiert werden, die von der einen Endoberfläche des optischen Fensters gebildet wird, und von der anderen Endoberfläche emittiert werden. Da die Einfallsoberfläche von der flachen Oberfläche gebildet wird, kann die Einfallsoberfläche nicht als Linse wirken und der Sichtfeldbereich wird nicht breiter. Dadurch kann der Sichtfeldbereich von Licht, das von der äußeren Umfangsoberfläche des optischen Fensters eindringt, effektiv beschränkt werden.
Die Einfallsoberfläche kann sich parallel zu einer axialen Richtung des optischen Fensters erstrecken.
In dieser Ausführungsform dringt Licht von der Einfallsoberfläche, die sich parallel zur axialen Richtung des optischen Fensters erstreckt, in das optische Fenster ein. In diesem Fall kann die Einfallsoberfläche durch einfaches Schneiden eines Abschnitts der äußeren Umfangsoberfläche des optischen Fensters in einer zur axialen Richtung parallelen Richtung gebildet werden.
Die Einfallsoberfläche kann in Bezug auf die axiale Richtung des optischen Fensters geneigt sein.
In dieser Ausführungsform dringt Licht von jener Einfallsoberfläche in das optische Fenster ein, die in Bezug auf die axiale Richtung des optischen Fensters geneigt ist. In diesem Fall kann die Einfallsoberfläche durch einfaches Schneiden eines Abschnitts der äußeren Umfangsoberfläche des optischen Fensters entlang einer in Bezug auf die axiale Richtung geneigte Richtung gebildet werden. Die in Bezug auf die axiale Richtung des optischen Fensters geneigte Einfallsoberfläche kann den Sichtfeldbereich des von der äußeren Umfangsoberfläche des optischen Fensters eindringenden Lichts effektiver beschränken als die sich entlang der axialen Richtung des optischen Fensters erstreckende Einfallsoberfläche.
Die optische Messsonde kann ferner eine Reflexionsbeschichtung enthalten, die auf der Reflexionsoberfläche gebildet ist.
In dieser Ausführungsform erlaubt die Verwendung von Eigenschaften der auf der Reflexionsoberfläche ausgebildeten Reflexionsbeschichtung die Reflexion des Lichts auf eine gewünschte Weise und das Eindringen in den Lichtleiter.
Die Reflexionsbeschichtung kann eine mehrlagige dielektrische Schicht sein.
In dieser Ausführungsform erlaubt es die Verwendung der Eigenschaft der auf der Reflexionsoberfläche ausgebildeten mehrlagigen dielektrischen Schicht, in der Lage zu sein, jedes Reflexionsvermögen bereitzustellen, Licht mit gewünschter Wellenlänge mit hohem Wirkungsgrad reflektiert zu werden und in den Lichtleiter einzudringen.
Alternativ kann die Reflexionsbeschichtung ein Metallfilm sein.
In dieser Ausführungsform erlaubt die Verwendung von Eigenschaften des auf der Reflexionsoberfläche ausgebildeten Metallfilms die Reflexion des Lichts auf eine dem Metalltyp entsprechende Weise und das Eindringen in den Lichtleiter.
Die optische Messsonde kann ferner einen Hauptkörper umfassen, der das optische Fenster und den Lichtleiter hält. In diesem Fall kann das optische Fenster an einem Endabschnitt des Hauptkörpers befestigt sein, wobei die Einfallsoberfläche und die Reflexionsoberfläche nach außen ragen.
In dieser Ausführungsform kann Licht, das in die Einfallsoberfläche eindringt, die vom Endabschnitt des Hauptkörpers nach außen ragt, von der Reflexionsoberfläche reflektiert und zum Lichtleiter geleitet werden, und zusätzlich kann anderes Licht vom Hauptkörper davon abgehalten werden, zum Lichtleiter geleitet zu werden. Daher kann nur das von der Einfallsoberfläche eindringende Licht angemessen zum Lichtleiter geleitet werden.
Eine optische Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die optische Messsonde und einen Detektor, der von der optischen Messsonde geleitetes Licht detektiert.
In der optischen Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist die optische Messsonde an einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors befestigt, um auf ein Inneres eines Brennraums zu blicken, der ein Messziel darstellt.
Der Zylinderkopf kann eine Unterbringungskammer für ein Ventiltrieb-Antriebselement zur Unterbringung eines Ventiltrieb-Antriebselements aufweisen. In diesem Fall kann die optische Messsonde auf einer Seite bereitgestellt sein, die der Unterbringungskammer für ein Ventiltrieb-Antriebselement im Zylinderkopf gegenüberliegt.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Einfallsoberfläche von einer flachen Oberfläche gebildet. Daher kann die Einfallsoberfläche nicht als Linse wirken und der Sichtfeldbereich wird nicht breiter. Infolgedessen kann der Sichtfeldbereich des von der äußeren Umfangsoberfläche des optischen Fensters eindringenden Lichts effektiv beschränkt werden.
Figurenliste

[1] 1 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Ausführung einer optischen Messvorrichtung darstellt, die über eine optische Messsonde gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verfügt.
[2] 2 ist eine Seitenansicht, die darstellt, wie Licht in ein optisches Fenster eindringt.
[3] 3 ist eine Vorderansicht, die darstellt, wie Licht in das optische Fenster eindringt.
[4] 4 ist ein Graph, der Ergebnisse eines Temperaturbeständigkeitstests für eine mehrlagige dielektrische Schicht darstellt.
[5] 5A ist ein Diagramm, das darstellt, wo die optische Messsonde in einem Zylinderkopf befestigt ist, und 5B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 5A.
[6] 6 ist eine Seitenansicht, die eine Modifikation der optischen Messsonde darstellt.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Ausführung einer optischen Messvorrichtung darstellt, die über eine optische Messsonde 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verfügt. 1 stellt teilweise im Querschnitt eine spezifische Ausführung der optischen Messsonde 1 dar.
Die optische Messsonde 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform leitet Licht, das von einem Messziel während einer Verbrennung erzeugt wird, zu einem Gerät. Die optische Messsonde ist beispielsweise in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors eines Autos oder eines Motorrads eingebaut und wird dazu verwendet, einen Verbrennungszustand im Brennraum zu evaluieren. Die optische Messsonde 1 umfasst ein optisches Fenster 2, einen Hauptkörper 3 und eine optische Faser 4. In 1 ist nur ein distaler Endabschnitt des Hauptkörpers 3 der optischen Messsonde 1 im Querschnitt dargestellt.
Das optische Fenster 2 ist beispielsweise aus Quarz oder Saphir gefertigt und erlaubt, dass von außen eindringendes Licht durch das optische Fenster 2 dringt, um in den Hauptkörper 3 zu gelangen. Der Hauptkörper 3 ist aus Metall, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, gefertigt. Das optische Fenster 2 und die optische Faser 4 werden integral vom Hauptkörper 3 gehalten und durch das optische Fenster 2 übertragenes Licht dringt in einen Endabschnitt der optischen Faser 4 entlang der Richtung einer Achse L ein.
Der Hauptkörper 3 ist beispielsweise zylindrisch ausgebildet und das optische Fenster 2 ist in einem der Endabschnitte davon untergebracht. In dem einen Endabschnitt des Hauptkörpers 3 ist speziell eine Vertiefung ausgebildet, deren innerer Durchmesser dem äußeren Durchmesser des optischen Fensters 2 entspricht, und diese Vertiefung dient als Unterbringungsbereich für ein optisches Fenster 31 zur Unterbringung des optischen Fensters 2. Im Hauptkörper 3 bildet eine Vertiefung, die sich vom anderen Endabschnitt erstreckt, einen Unterbringungsbereich für eine optische Faser 32 zur Unterbringung der optischen Faser 4. Der Unterbringungsbereich für ein optisches Fenster 31 und der Unterbringungsbereich für eine optische Faser 32 kommunizieren miteinander über ein Kommunikationsloch 33 und Licht, das durch das optische Fenster 2 übertragen wird, dringt im Unterbringungsbereich für eine optische Faser 32 durch das Kommunikationsloch 33 in die optische Faser 4 ein.
Die optische Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst ein Spektrometer 5 und einen Detektor 6 zusätzlich zu der oben beschriebenen optischen Messsonde 1. Das Spektrometer 5 ist am anderen Endabschnitt der optischen Faser 4 angeordnet. An dem anderen Endabschnitt der optischen Faser 4 ist ein Konnektor 41 angebracht, und dieser Konnektor 41 ist mit dem Spektrometer 5 verbunden. Von der optischen Messsonde 1 empfangenes Licht dringt vom anderen Endabschnitt der optischen Faser 4 in das Spektrometer 5 ein und vom Spektrometer 5 gestreutes Licht wird vom Detektor 6 detektiert.
In diesem Beispiel ist das optische Fenster 2 säulenförmig ausgebildet und an einem Endabschnitt davon, durch den Licht eindringt, ist eine sich verjüngende Oberfläche 21 ausgebildet. Das optische Fenster 2 erstreckt sich speziell genau wie die optische Faser 4 entlang der Achse L und eine Endoberfläche davon, die der optischen Faser 4 in der Richtung der Achse L gegenüberliegt, ist die sich verjüngende Oberfläche 21. Die sich verjüngende Oberfläche 21 ist vorzugsweise in einem Winkel von 30° bis 60° bezogen auf die Achse L geneigt und ist in diesem Beispiel in einem Winkel von etwa 45° geneigt.
Auf der sich verjüngenden Oberfläche 21 ist beispielsweise eine mehrlagige dielektrische Schicht 22 ausgebildet. Die mehrlagige dielektrische Schicht 22 ist aus einer Mehrzahl von Filmen mit unterschiedlichen Brechwerten gebildet. Diese Filme werden der Reihe nach auf die sich verjüngende Oberfläche 21 aufgedampft, um integral mit dem optischen Fenster 2 die mehrlagige dielektrische Schicht 22 bereitzustellen, in der Filme mit geeigneten Dicken geschichtet sind.
Die mehrlagige dielektrische Schicht 22 kann eine Struktur haben, in der Filme mit niedrigem Brechwert, die aus Material mit niedrigem Brechwert gefertigt sind, und Filme mit hohem Brechwert, die aus Material mit hohem Brechwert gefertigt sind, abwechselnd geschichtet sind. In diesem Fall können die Filme mit niedrigem Brechwert SiO₂-Filme sein und die Filme mit hohem Brechwert können beispielsweise Ta₂O₅-Filme sein. Eine solche mehrlagige dielektrische Schicht 22 kann unter Verwendung eines bekannten Verfahrens, wie dem lonenplattieren, gebildet werden.
Dieser Typ von mehrlagiger dielektrischer Schicht 22 hat die Eigenschaft, Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge mit hohem Wirkungsgrad zu reflektieren. Die mehrlagige dielektrische Schicht 22 ist nicht auf die oben beschriebene Struktur beschränkt, sondern kann auch aus anderen Materialien, wie z. B. HfO₂, Al₂O₃, MgF₂, TiO₂, und ZrO₂, gefertigt sein. Alternativ kann die mehrlagige dielektrische Schicht 22 aus einer Schichtung von drei oder mehr dünnen optischen Filmen gebildet sein.
In diesem Fall ist die mehrlagige dielektrische Schicht 22 vorzugsweise unter Berücksichtigung von Einflüssen von Materialien (z. B. Ruß und Öl) auf das Reflexionsvermögen gestaltet und gebildet, die in Umgebungen, in denen die optische Messsonde 1 verwendet wird, an der mehrlagigen dielektrischen Schicht 22 haften können.
Auf einer äußeren Umfangsoberfläche des optischen Fensters 2 in Richtung der sich verjüngenden Oberfläche 21 ist eine flache Oberfläche 23 ausgebildet, die sich parallel zur Richtung der Achse L erstreckt. Die flache Oberfläche 23 ist beispielsweise so ausgebildet, dass sie aus Sicht einer zur Achse L orthogonalen Richtung zumindest teilweise mit der sich verjüngenden Oberfläche 21 überlappt. In diesem Beispiel ist die flache Oberfläche 23 ein abgestufter Abschnitt, der so ausgebildet ist, dass er sich von einer Endoberfläche des optischen Fensters 2, die die sich verjüngende Oberfläche 21 ist, in eine zur Achse L parallele Richtung erstreckt. Die flache Oberfläche 23 ist jedoch nicht auf diese Ausführung beschränkt, sondern kann aus einer Vertiefung gebildet sein, die beispielsweise auf der äußeren Umfangsoberfläche des optischen Fensters 2 ausgebildet ist.
2 und 3 stellen in einer Seiten- und einer Vorderansicht dar, wie Licht in das optische Fenster 2 eindringt.
In einem Zustand, in dem das optische Fenster 2 am Endabschnitt des Hauptkörpers 3 befestigt ist, ragen die sich verjüngende Oberfläche 21 und die flache Oberfläche 23 vom Hauptkörper 3 nach außen. Ein Abschnitt des optischen Fensters 2, der im Unterbringungsbereich für ein optisches Fensters 31 des Hauptkörpers 3 untergebracht ist, verfügt über keine flache Oberfläche 23, aber immer noch über eine zylindrische Form mit einer gebogenen äußeren Umfangsoberfläche. Mit dieser Form können Stabilität und Beständigkeit sichergestellt werden, wenn das optische Fenster 2 in Bezug auf den Hauptkörper 3 abgedichtet ist.
In der vorliegenden Ausführungsform dient die flache Oberfläche 23 des optischen Fensters 2 als eine Lichteinfallsoberfläche. Licht, das in die flache Oberfläche 23 von einer Richtung D aus eindringt, die sich mit der Richtung der Achse L schneidet, dringt daher durch das optische Fenster 2, wird von der sich verjüngenden Oberfläche 21 reflektiert und von einer Endoberfläche des optischen Fensters 2, die der sich verjüngenden Oberfläche 21 gegenüberliegt, emittiert, um zur optischen Faser 4 geleitet zu werden.
In anderen Worten ist die sich verjüngende Oberfläche 21 des optischen Fensters 2 eine Reflexionsoberfläche, die Licht reflektiert, das aus der Richtung D eindringt, die von der Richtung der Achse L verschieden ist, und bewirkt, dass das Licht entlang der Achse L in die optische Faser 4 eindringt. Die mehrlagige dielektrische Schicht 22 dient als eine Reflexionsbeschichtung, die auf der Reflexionsoberfläche (sich verjüngende Oberfläche 21) ausgebildet ist.
Von dem Licht, das durch die flache Oberfläche 23 des optischen Fensters 2 eindringt, dringt nur Licht innerhalb vorbestimmter Sichtfeldbereiche R_S und R_L , die um die Richtung D zentriert sind, in die optische Faser 4 ein; anderes Licht kann vom Hauptkörper 3 davon abgehalten werden, in die optische Faser 4 einzudringen. Es kann daher nur Licht aus der vorbestimmten Richtung D auf geeignete Weise dazu veranlasst werden, in die optische Faser 4 einzudringen. Die Sichtfeldbereiche Rs und R_L sind von der numerischen Apertur (NA) der optischen Faser 4 und der Form des optischen Fensters 2 abhängig.
In der vorliegenden Ausführungsform kann die auf einem Bereich der äußeren Umfangsoberfläche des optischen Fensters 2 ausgebildete flache Oberfläche 23 als eine Einfallsoberfläche verwendet werden. Daher kann Licht von dieser flachen Oberfläche 23 in das optische Fenster 2 eindringen, von der sich verjüngenden Oberfläche 21, die auf einer der Endoberflächen des optischen Fensters 2 ausgebildet ist, reflektiert werden und von der anderen Endoberfläche emittiert werden. Da die Einfallsoberfläche von der flachen Oberfläche 23 gebildet wird, kann die Einfallsoberfläche nicht als Linse wirken und der Sichtfeldbereich R_L wird nicht breiter. Dadurch kann der Sichtfeldbereich R_L des von der äußeren Umfangsoberfläche des optischen Fensters 2 eindringenden Lichts effektiv beschränkt werden.
Aus Sicht der Richtung aus 2 (der zur Richtung der Achse L orthogonalen Richtung) hat speziell der Sichtfeldbereich Rs einen Winkelbereich von etwa 23° und der Sichtfeldbereich R_L hat aus Sicht der Richtung aus 3 (der Richtung der Achse L) einen Winkelbereich von etwa 23°. Das Bilden der Einfallsoberfläche durch die flache Oberfläche 23 ermöglicht das effektive Beschränken des Sichtfeldbereichs R_L insbesondere aus Sicht der Richtung aus 3, wodurch die Winkelbereiche der Sichtfeldbereiche Rs und R_L , die ursprünglich etwa 60° betragen, wobei die äußere Umfangsoberfläche des optischen Fensters noch immer bogenförmig gekrümmt ist, wie oben beschrieben auf einen Winkelbereich von etwa 23° beschränkt werden können.
In der vorliegenden Ausführungsform dringt Licht von der flachen Oberfläche 23, die sich parallel zur Richtung der Achse L des optischen Fensters 2 erstreckt, in das optische Fenster 2 ein. In diesem Fall kann die flache Oberfläche 23 durch einfaches Schneiden eines Abschnitts der äußeren Umfangsoberfläche des optischen Fensters 2 in einer zur Richtung der Achse L parallelen Richtung gebildet werden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist insbesondere die mehrlagige dielektrische Schicht 22 auf der sich verjüngenden Oberfläche 21 ausgebildet. Das Nutzen der Eigenschaft der mehrlagigen dielektrischen Schicht 22 erlaubt es daher dem Licht mit einer gewünschten Wellenlänge, mit hohem Wirkungsgrad reflektiert zu werden und in die optische Faser 4 einzudringen.
4 ist ein Graph, der Ergebnisse eines Temperaturbeständigkeitstests für die mehrlagige dielektrische Schicht 22 darstellt. In diesem Test wurde die mehrlagige dielektrische Schicht 22 mit einem hohen Reflexionsvermögen bei einer vorbestimmten Wellenlänge verwendet, die Temperaturbeständigkeit wurde durch Vergleichen des Reflexionsvermögens der von einem Brenner für 40 Minuten erwärmten mehrlagigen dielektrischen Schicht (Strichpunktlinie in 4) und des Reflexionsvermögens der für 3 Stunden in einem thermostatischen Ofen bei 850 °C erwärmten mehrlagigen dielektrischen Schicht (gestrichelte Linie in 4) mit dem ursprünglichen Reflexionsvermögen (durchgezogene Linie in 4) evaluiert.
Aus den Ergebnissen aus 4 ist ersichtlich, dass das Reflexionsvermögen der mehrlagigen dielektrischen Schicht 22 nicht leicht abnimmt, selbst wenn die mehrlagige dielektrische Schicht über lange Zeit hohen Temperaturbedingungen ausgesetzt ist. Selbst in einer hoch temperierten Umgebung, wie beispielsweise einer Situation, in der Licht, das während einer Verbrennung erzeugt wird, von der optischen Messsonde 1 gemessen wird, kann daher nur Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge angemessen von der mehrlagigen dielektrischen Schicht 22 reflektiert und zur optischen Faser 4 geleitet werden.
In der obigen Ausführungsform wurde beschrieben, dass die mehrlagige dielektrische Schicht 22 auf der sich verjüngenden Oberfläche 21 des optischen Fensters 2 ausgebildet ist. Diese ist jedoch nicht beschränkend, weshalb beispielsweise ein Metallfilm 22' auf der sich verjüngenden Oberfläche 21 des optischen Fensters 2 ausgebildet sein kann. In diesem Fall erlaubt die Verwendung von Eigenschaften des auf der sich verjüngenden Oberfläche 21 ausgebildeten Metallfilms 22' die Reflexion des Lichts auf eine vom Metalltyp abhängige Weise und das Eindringen in die optische Faser 4. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Metallfilm 22' aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt von 1000 °C oder höher gefertigt.
Ist der Metallfilm 22' beispielsweise aus Aluminium gefertigt, kann eine Reflexionsbeschichtung erhalten werden, die kostengünstig ist und ein hohes Reflexionsvermögen hat. Ist der Metallfilm 22' aus Gold gefertigt, kann eine Reflexionsbeschichtung erhalten werden, die Licht mit einer Infrarot-Wellenlänge angemessen reflektieren kann. Ist der Metallfilm 22' aus Rhodium oder Ruthemium gefertigt, kann eine Reflexionsbeschichtung mit einem sehr hohen Schmelzpunkt und einer hohen Temperaturbeständigkeit erhalten werden.
Wie oben beschrieben, erlaubt die Verwendung von Eigenschaften der auf der sich verjüngenden Oberfläche 21 ausgebildeten Reflexionsbeschichtung die Reflexion des Lichts auf eine gewünschte Weise und das Eindringen in die optische Faser 4. Die Reflexionsbeschichtung ist nicht auf die mehrlagige dielektrische Schicht 22 oder den Metallfilm 22' beschränkt, sondern kann aus jedem Material gefertigt sein, das die geforderten Eigenschaften aufweist.
5A ist ein Diagramm, das darstellt, wo die optische Messsonde 1 in einem Zylinderkopf 11 befestigt ist. 5B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A aus 5A. Ein vom Zylinderkopf 11 umgebener Brennraum 12 sowie ein Motorblock und ein Kolben (nicht gezeigt) sind beispielsweise in einem Verbrennungsmotor 10 eines Autos, Motorrads oder dergleichen ausgebildet.
Die optische Messsonde 1 ist an dem Zylinderkopf 11 befestigt, um auf das Innere des Brennraums 12 zu blicken, der beispielsweise ein Messziel darstellt. Eine Unterbringungskammer für ein Ventiltrieb-Antriebselement 13 zur Unterbringung eines Ventiltrieb-Antriebselements (z. B. eine Steuerkette, nicht gezeigt) ist speziell im Zylinderkopf 11 ausgebildet und die optische Messsonde 1 ist auf der der Unterbringungskammer für ein Ventiltrieb-Antriebselement 13 gegenüberliegenden Seite auf der anderen Seite des Zentrums des Zylinders angeordnet.
Im Zylinderkopf 11 sind ein Ansaugkanal 15, der mit einer Ansaugventilöffnung 14 kommuniziert, die zum Brennraum 12 hin offen ist, und ein Auslasskanal 17, der mit einer Auslassventilöffnung 16 kommuniziert, die zum Brennraum 12 hin offen ist, ausgebildet. In diesem Beispiel ist in der Nähe der Ansaugventilöffnung 14 und der Auslassventilöffnung 16 des Zylinderkopfs 11 eine Sondeneinführöffnung 18 ausgebildet, die zum Brennraum 12 hin offen ist.
Die Sondeneinführöffnung 18 ist beispielsweise an einer Stelle gegenüber der Ansaugventilöffnung 14 und der Auslassventilöffnung 16 der Unterbringungskammer für ein Ventiltrieb-Antriebselement 13 bereitgestellt. Wird beispielsweise ein Verbrennungszustand im Brennraum 12 des Verbrennungsmotors 10 evaluiert, kann im Brennraum 12 erzeugtes Licht durch die Sondeneinführöffnung 18 zur optischen Messsonde 1 geleitet werden.
6 ist eine Seitenansicht, die eine Modifikation der optischen Messsonde 1 darstellt. In der obigen Ausführungsform wurde beschrieben, dass sich die flache Oberfläche 23, die die Einfallsoberfläche des optischen Fensters 2 bildet, parallel zur Richtung der Achse L erstreckt. In einem Beispiel in 6 hingegen ist die flache Oberfläche 23 bezogen auf die Achse L geneigt. Der Neigungswinkel der flachen Oberfläche 23 bezogen auf die Achse L ist vorzugsweise 1° bis 20°, bevorzugter 3° bis 10°. Da die Elemente dieser Modifikationen jenen der obigen Ausführungsform, abgesehen von dieser Neigung, entsprechen, bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in den Figuren und auf eine detaillierte Beschreibung davon wird verzichtet.
Auch in diesem Beispiel ist die flache Oberfläche 23 so ausgebildet, dass sie beispielsweise aus Sicht der zur Achse L orthogonalen Richtung zumindest teilweise mit der sich verjüngenden Oberfläche 21 überlappt. In diesem Beispiel kann die flache Oberfläche 23 durch einfaches Schneiden eines Abschnitts der äußeren Umfangsoberfläche des optischen Fensters 2 von der Endoberfläche des optischen Fensters 2 gebildet werden, die die sich verjüngende Oberfläche 21 ist, entlang einer bezogen auf die Achse L geneigten Richtung.
Die bezogen auf die Achse L des optischen Fensters 2 geneigte flache Oberfläche 23 kann den Sichtfeldbereich R_S des von der äußeren Umfangsoberfläche des optischen Fensters 2 eindringenden Lichts effektiver beschränken als die sich entlang der Achse L des optischen Fensters 2 erstreckende flache Oberfläche 23 der obigen Ausführungsform. Im Speziellen beträgt der Winkelbereich des Sichtfeldbereichs Rs aus Sicht der Richtung aus 6 (zur Achse L orthogonale Richtung) etwa 17° und der Winkelbereich des Sichtfeldbereichs R_L beträgt aus Sicht der zur Richtung aus 6 orthogonalen Achse L etwa 11°.
In der obigen Ausführungsform wurde beschrieben, dass die Reflexionsbeschichtung auf der sich verjüngenden Oberfläche 21 des optischen Fensters 2, die die Reflexionsoberfläche bildet, ausgebildet ist. Die Struktur mit der Reflexionsbeschichtung ist jedoch nicht beschränkend, solange das Licht von der sich verjüngenden Oberfläche 21 reflektiert werden und in die optische Faser 4 eindringen kann.
Die optische Faser 4 ist nicht darauf beschränkt, das Licht zum Spektrometer 5 zu leiten, sondern kann Licht auch an ein anderes Gerät leiten. Der Lichtleiter zum Leiten von Licht an ein Gerät ist nicht auf die optische Faser 4 beschränkt, sondern kann Licht auch unter Verwendung eines anderen Teils leiten.
Es ist zu beachten, dass die optische Messsonde 1 gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf die in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors eines Autos, Motorrads oder dergleichen eingebaute beschränkt ist, sondern auch in jeder anderen hoch temperierten Umgebung eingebaut sein kann, um Licht, das beim Verbrennen erzeugt wird, an ein Gerät zu leiten.
Bezugszeichenliste

1: Optische Messsonde
2: Optisches Fenster
3: Hauptkörper
4: Optische Faser
5: Spektrometer
6: Detektor
10: Verbrennungsmotor
11: Zylinderkopf
12: Brennraum
13: Unterbringungskammer für ein Ventiltrieb-Antriebselement
14: Ansaugventilöffnung
15: Ansaugkanal
16: Auslassventilöffnung
17: Auslasskanal
18: Sondeneinführöffnung
21: Sich verjüngende Oberfläche
22: Mehrlagige dielektrische Schicht
22': Metallfilm
23: Flache Oberfläche
31: Unterbringungsbereich für ein optisches Fenster
32: Unterbringungsbereich für eine optische Faser
33: Kommunikationsloch
41: Konnektor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 201543278 [0004]

Claims

Optische Messsonde zum Leiten von Licht, das von einem Messziel erzeugt wird, an ein Gerät, wobei die optische Messsonde Folgendes umfasst: ein optisches Fenster, das säulenförmig ausgebildet ist, wobei eine Endoberfläche davon als eine Reflexionsoberfläche dient und das optische Fenster Licht überträgt, das von einer Einfallsoberfläche eindringt, die auf einem Abschnitt einer äußeren Umfangsoberfläche des optischen Fensters ausgebildet ist, was dazu führt, dass das Licht von der Reflexionsoberfläche reflektiert wird, und Licht von der anderen Endoberfläche emittiert; und einen Lichtleiter, der dazu ausgelegt ist, das von der anderen Endoberfläche des optischen Fensters emittierte Licht zum Gerät zu leiten, wobei die Einfallsoberfläche von einer flachen Oberfläche gebildet wird.
Optische Messsonde nach Anspruch 1, wobei sich die Einfallsoberfläche parallel zu einer axialen Richtung des optischen Fensters erstreckt.
Optische Messsonde nach Anspruch 1, wobei die Einfallsoberfläche bezogen auf eine axiale Richtung des optischen Fensters geneigt ist.
Die optische Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend eine Reflexionsbeschichtung, die auf der Reflexionsoberfläche gebildet ist.
Optische Messsonde nach Anspruch 4, wobei die Reflexionsbeschichtung eine mehrlagige dielektrische Schicht ist.
Optische Messsonde nach Anspruch 4, wobei die Reflexionsbeschichtung ein Metallfilm ist.
Optische Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend einen Hauptkörper, der das optische Fenster und den Lichtleiter hält, wobei das optische Fenster an einem Endabschnitt des Hauptkörpers befestigt ist, wobei die Einfallsoberfläche und die Reflexionsoberfläche nach außen ragen.
Eine optische Messvorrichtung, umfassend: die optische Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 7; und einen Detektor, der von der optischen Messsonde geleitetes Licht detektiert.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die optische Messsonde an einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors befestigt ist, um auf ein Inneres eines Brennraums zu blicken, der ein Messziel darstellt.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Zylinderkopf eine Unterbringungskammer für ein Ventiltrieb-Antriebselement zur Unterbringung eines Ventiltrieb-Antriebselements aufweist, und die optische Messprobe auf einer Seite bereitgestellt ist, die der Unterbringungskammer für ein Ventiltrieb-Antriebselement im Zylinderkopf gegenüberliegt.