JP2002372454A - 燃焼過程を検出するための光学センサ及びその製造方法 - Google Patents

燃焼過程を検出するための光学センサ及びその製造方法

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JP2002372454A JP2002080507A JP2002080507A JP2002372454A JP 2002372454 A JP2002372454 A JP 2002372454A JP 2002080507 A JP2002080507 A JP 2002080507A JP 2002080507 A JP2002080507 A JP 2002080507A JP 2002372454 A JP2002372454 A JP 2002372454A
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ハラルト・アルヌルフ・フィリップ
Ernst Winklhofer
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 外径が最大２.５ｍｍといった小さな寸
法の場合でも簡単なやり方で製造可能であり、燃焼室内
の大きな圧力変動や温度変動にも耐える光学センサを提
供すること。 【解決手段】 燃焼室の方を向いている側に光学部材２
を有するとともに燃焼室と反対を向いている側には光フ
ァイバ３を有しており、これらが金属スリーブ４内に配
置される、燃焼室内の燃焼過程を検出するための光学セ
ンサ１。光学部材２と金属スリーブ４の内側との間には
んだ付け材料５で充填された環状隙間が設けられてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼室の方を向い
ている側に光学部材を有するとともに、燃焼室と反対を
向いている側には光ファイバまたは光ファイバ束を有し
ており、これらが一緒に金属スリーブ内に配置されてい
る、燃焼室内の燃焼過程、好ましくは作動中の内燃機関
の燃焼過程を検出するための、光学エミッタなどの光学
センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】前述したような光学センサは、たとえば
燃焼過程の時間的、場所的な進行状況を研究するために
エンジン開発で利用されている。たとえば欧州特許公報
ＥＰ０５９３４１３ Ｂ１より、内燃機関のシリンダヘ
ッドガスケットにセンサを配置するオプトエレクトロニ
クス測定装置が公知である。複数のグループにまとめら
れていてもよい個々の光学センサは、それぞれ光ファイ
バと光学的に接続された、水晶またはサファイアで作ら
れた球面レンズを有している。球面レンズと光ファイバ
は、金属製保持部の孔の内部に相互に間隔をおいて配置
されており、孔の開口の大きさ、光ファイバの直径、お
よび光ファイバと球面レンズとの間隔が、光学センサの
結像特性を規定する。シリンダヘッドガスケットの厚さ
に合わせることになるその全高が約２ｍｍと小さいた
め、このような種類のセンサの製造や、結像特性の基準
となる設計サイズを遵守することは難しく、このこと
は、こうしたセンサの製造を困難で高価なものにしてい
る。
【０００３】このような種類の別の光学装置がオースト
リア実用新案公報ＡＴ ００２９１０ Ｕ１から公知で
あり、この装置では、光学センサが、球面レンズの代わ
りに、水晶またはサファイアで作られた平凸棒型レンズ
を有しており、この平凸棒型レンズの凸面は燃焼室の方
を向いており、その平面は同時にレンズの焦点面をなし
ている。この平面は、光ファイバないし光ファイバ束と
の接触面としての役目も果たしているので、この構成の
場合にはレンズと光ファイバの間隔を遵守しなくてもよ
く、組立時には、光ファイバを単に棒型レンズのところ
まで差し込むことができる。棒型レンズと光ファイバな
いし光ファイバ束は共通のセンサケース内にあり、そこ
で接着剤、好ましくはエポキシ系接着剤またはガラスセ
ラミックによって、互いに取外し不能に結合されてい
る。
【０００４】欧州特許公開公報ＥＰ ０３１３８８４
Ａ２より、内燃機関の作動中のノッキング燃焼を認識、
評価する方法および装置が公知であり、ここでは、燃焼
室側に配置された平凸レンズつまり目視窓を備える光学
センサが使用され、目視窓は断熱のために断熱材に埋設
されている。
【０００５】最後に米国特許公報４，４２２，３２１よ
り、燃焼プロセスを観察するのに適しており、燃焼室側
に水晶ガラスで作られた円柱状のレンズ部材を有する光
学センサが公知となっている。センサ構造全体が、装着
ネジ孔を備えたケーシング内にあり、レンズ部材は側方
でスペーサリングによってケーシングの孔の内部に保持
されるとともに、燃焼室側ではケーシングのシールリン
グに接当している。燃焼室と反対を向いている側では、
光ファイバ束が水晶部材のところまで延びており、ケー
シングのフランジによって水晶部材に圧着されている。
１つの実施形態では、水晶部材とケーシングの間の環状
隙間をタルク粉末またはグラファイト粉末で充填してい
る。この実施形態の欠点は、寸法の小さいセンサ部材に
はほとんど適用することができない複雑な製造プロセス
であり、その結果、この種のセンサをシリンダヘッドガ
スケットないしこの種の部品としての組み付け点火プラ
グないしインジェクションノズルに配置することは不可
能である。
【０００６】内燃機関のピストン面に組み込まれてい
て、金属スリーブで保持されたサファイアロッドまたは
水晶ロッドを燃焼室側の入射窓として備えている類似の
光学センサが、米国特許公報４，９１８，９８２から公
知となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記実状に鑑み、本発
明の課題は、たとえば外径が最大２.５ｍｍという最小
寸法の場合でもできるだけ簡単なやり方で製造可能であ
り、場合によっては作動中の内燃機関の燃焼室内の大き
な圧力変動や温度変動にも耐えることのできる、燃焼室
内の燃焼過程を検出するための光学センサ、例えば燃焼
室内に測定ビームを放射するための光学エミッタを提案
することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この課題は、本発明によ
れば、冒頭部で述べた出発技術としての光学センサにお
いて、光学部材と金属スリーブの内側との間に、はんだ
付け材料で充填された環状隙間が設けられていることに
よって解決される。たとえば収束レンズや発散レンズな
どの光学部材をこのようにして固定することは、エポキ
シ系接着剤やガラスセラミックによる固定と比べて、そ
の結合が弾性的で耐熱性を有することになるため有利で
ある。
【０００９】本発明によれば、このような光学エミッタ
などの光学センサは次のようなステップによって製造さ
れる： ａ）光学部材の外径よりもわずかに大きい内径をもつ金
属スリーブを製作し、このとき金属スリーブの外径は最
終寸法よりは大きめの寸法を有しており、 ｂ）金属スリーブに光学部材を挿入し、このとき光学部
材は金属スリーブに対して環状隙間を形成するととも
に、好ましくは前側が金属スリーブから突出しておりし
ており、 ｃ）光学部材と金属スリーブの間の環状隙間にはんだ付
け材料を入れ、 ｄ）最終寸法になるように金属スリーブを施削加工し、
このとき突出しているはんだ付け材料を除去し、 ｅ）光ファイバまたは光ファイバ束を金属スリーブ内に
固定する。 その際、所定の程度だけ金属スリーブから光学部材を突
出させる場合、たとえばそれが凸面収束レンズの場合、
自己清浄性のある高温の表面が得られることになる。
【００１０】本発明の好適な実施形態として、光学部材
が平凸棒型レンズまたは平凹棒型レンズとして構成され
るとともにサファイアでできていて、セラミック／金属
混合物によって鋼製スリーブ内にはんだ付けされるなら
ば、作動中の内燃機関で燃焼過程を観察する場合に格別
な利点が得られる。つまり、燃焼室側の接着接合をなく
したことにより、このようなセンサの耐用寿命を大幅に
向上させることができるからである。
【００１１】本発明の他の好適な実施形態では、光学部
材が、燃焼室の方を向いている前面に、光学的な光路を
所定の空間方向に偏向させる方向転換面または偏向面を
有している。このような実施形態は、たとえば、点火プ
ラグ、グロープラグ、インジェクションノズル等への組
込に適している。
【００１２】本発明のさらに好適な実施形態では、金属
スリーブは光学部材の領域に、はんだ付け材料を入れる
のに用いられる側方に設けられた少なくとも１つの孔な
いしスリットを有している。さらに、好ましい実施形態
では、金属スリーブの外径が＜５ｍｍで、その内径が＜
４ｍｍとされること、さらに好ましくは外径が＜２ｍｍ
で、その内径が＜１．６ｍｍとされることが提案され
る。本発明によれば、そのような寸法の光学エミッタな
どの光学センサが製造可能である。本発明によるその他
の特徴及び利点は、以下図面を用いた実施形態の説明に
より明らかになるだろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１に一例として図示する光学セ
ンサ１は、作動中の内燃機関内の燃焼過程を検出する働
きをするものであり、燃焼室の方を向いている側に光学
部材２としての収束レンズを有するとともに、これと反
対側には光ファイバまたは光ファイバ束３を有してい
る。この光学センサの１つの応用例は、内燃機関の燃焼
室に測定ビームまたは励起ビームを放射するための光学
エミッタである。
【００１４】収束レンズと光ファイバ束３（たとえば図
面の平面に対する法線面に配置されたライン状の光ファ
イバ束）は、一緒に金属スリーブ４内に配置されてい
る。光学部材２と金属スリーブ４の内面との間には、は
んだ付け材料５で充填された環状隙間が設けられてい
る。サファイアで作られた光学部材２は、平凸棒型レン
ズとして構成されており、セラミック／金属混合物を用
いて鋼材スリーブ４（たとえばＦｅＮｉ４２）内ではん
だ接合されている。
【００１５】次の図２から図４には、本発明による光学
センサの製造ステップが図示されており、数字の記載は
あくまでも好適な１つの実施形態（シリンダヘッドガス
ケット内へ配置された例）を対象としたものであり、こ
れに限定されるわけではない。
【００１６】直径：ｄが１.５ｍｍ、長さ：ｌが約６ｍ
ｍ、凸面の境界面の曲率半径ｒが約２.５ｍｍである図
２の平凸棒型レンズが、図３に示す長さ約１０ｍｍの準
備された金属スリーブに挿入される。この金属スリーブ
は、棒型レンズの外径よりもわずかに大きな内径を有し
ている。図示した例では、内径はたとえば１.５６±０.
０３ｍｍである。金属スリーブ４の外径は、完成した光
学センサにおける最終寸法と較べて大きい目の寸法を有
している。そして次のステップとして、はんだ付け材料
５を、棒型レンズと金属スリーブ４の間の環状隙間に入
れられるが、その際２通りの実施形態が考えられる。た
とえば、第１の実施形態として、はんだ付け材料５を、
図３に示すように、金属スリーブ４の端面６と、金属ス
リーブ４から突出する収束レンズの外套面７とによって
形成されるすみ肉部分に配置することができる。はんだ
付け材料は毛管現象によって金属スリーブと収束レンズ
の間の環状隙間に入っていくが、この場合、凸面として
構成された光学部材の前面１２が、はんだ付け材料によ
って被覆されないように注意しなくてはならない。
【００１７】２番目の実施形態では、金属スリーブ４の
側面から垂直に設けられた１つ又は複数の孔８（図１参
照）を介して、はんだ付け材料５を光学部材２と金属ス
リーブ４の間の環状隙間に注入ことができる。このよう
に側方に形成された孔８の代わりに、金属スリーブ４の
側面にフライス加工等で設けられた貫通スリットを利用
しても良い。
【００１８】そして次の製造ステップで、最終寸法（た
とえば１．８ｍｍ）になるように金属スリーブ４の外形
を施削加工し、このとき、突出しているはんだ付け材料
５が除去される（図４参照）。続いて光ファイバまたは
光ファイバ束３を金属スリーブ４内で固定し、このと
き、光ファイバ束は光学部材２の平坦な裏面９のところ
まで差し込まれて固定される。たとえばライン状の光フ
ァイバ束３の端部は、たとえばクランプ等によって機械
的に金属スリーブ４内で固定される金属製保持部１３を
有しているとよい（図５参照）。燃焼室と反対を向いて
いる、金属スリーブ４の比較的低温の開口部内に、保持
部１３が接着されていてもよい。
【００１９】図５には、光学センサまたは光学エミッタ
１がシリンダヘッドガスケット１０内部の測定位置に配
置されている状態が図示されている。孔１１の内部での
センサの固定は、たとえば軟ろうで行うことができ、そ
れによって光学構造全体を少なくとも燃焼室側では接着
剤なしに構成することができる。
【００２０】図６に示す別実施形態では、光学部材２が
前面側１２に、測定ビームないし励起ビームを所望の空
間方向へ偏向させ、ないしは所定の空間領域に結像させ
る方向転換面ないし偏向面１４を有している。このよう
な光学部材は、相応に組み付けられている点火プラグ、
グロープラグ、インジェクションノズル等の内部でもは
んだ付けされ、あるいは燃焼室境界面に設けられている
測定孔に挿入することも可能である。
【００２１】さらに、光学部材を挿入する前に金属スリ
ーブに注入つばを設け、はんだ付け材料を入れた後にこ
れを施削加工で除去することによって、光学部材２と金
属スリーブ４の間の環状隙間にはんだ付け材料５を入れ
るのを容易にすることも可能である。
【００２２】図７で実線で示されている別実施形態で
は、光学部材２が平坦な前面１２を有するように形成す
ることによって視認窓としての役目を果たすことができ
る。また、図７で破線で示しているように、光学部材２
は、その前面１２を凹面とした平凹棒型レンズとして構
成されていてもよい。
【００２３】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構造に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学センサの第１実施形態を示す
縦断面図
【図２】本発明による光学センサの製造の第１ステップ
を示すもので光学部材の縦断面図
【図３】本発明による光学センサの製造の第２ステップ
を示すものでスリーブ内に光学部材が固定された状態の
縦断面図
【図４】本発明による光学センサの製造の第３ステップ
を示すものでスリーブの外形を加工した状態の縦断面図
【図５】シリンダヘッドガスケットに組み込まれた光学
センサを示す縦断面図
【図６】本発明による光学センサの別な実施形態を示す
縦断面図
【図７】本発明による光学センサのさらに別な実施形態
を示す縦断面図
【符号の説明】
１ 光学センサ（光学エミッタ） ２ 光学部材 ３ 光ファイバ（光ファイバ束） ４ 金属スリーブ ５ はんだ付け材料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハラルト・アルヌルフ・フィリップ オーストリア アー‐8071 ヴェーガース フェルト ピロールガッセ ５ (72)発明者 エルンスト・ヴィンクルホーファー オーストリア アー‐8565 ザンクト・ヨ ハン・オーベー・ホーエンブルク １ Ｆターム(参考） 2G065 AA04 BB02 BB06 DA06 2H037 AA04 CA11 CA13 DA05 DA06 DA15 DA16

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼室の方を向いている側に光学部材
    （２）を有するとともに、燃焼室と反対を向いている側
    には光ファイバまたは光ファイバ束（３）を有してお
    り、これらが一緒に金属スリーブ（４）内に配置されて
    いる、燃焼室内の燃焼過程を検出するための光学センサ
    （１）において、光学部材（２）と金属スリーブ（４）
    の内側との間に、はんだ付け材料（５）で充填された環
    状隙間が設けられていることを特徴とする光学センサ。
  2. 【請求項２】 光学部材（２）がサファイアで作られた
    平凸棒型レンズまたは平凹棒型レンズとして構成されて
    おり、セラミック／金属混合物によって鋼製スリーブ
    （４）内にはんだ付けされていることを特徴とする請求
    項１に記載の光学センサ。
  3. 【請求項３】 光学部材（２）が、燃焼室の方を向いて
    いる前側（１２）に、光学的な光路を所定の空間方向に
    偏向させる方向転換面または偏向面（１４）を有してい
    ることを特徴とする請求項１に記載の光学センサ。
  4. 【請求項４】 金属スリーブ（４）が光学部材（２）の
    領域に、はんだ付け材料（５）を入れるのに用いられる
    少なくとも１つの側方に設けられた孔（８）ないし少な
    くとも１つの側方に設けられたスリットを有しているこ
    とを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光
    学センサ。
  5. 【請求項５】 金属スリーブの外径が＜５ｍｍで内径が
    ＜４ｍｍ、好ましくは外径が＜２ｍｍで内径が＜１.６
    ｍｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１
    項に記載の光学センサ。
  6. 【請求項６】 金属スリーブ内に光学センサ部材が配置
    されている燃焼室内の燃焼過程を検出するための光学セ
    ンサを製造する方法において、 ａ）光学部材の外径よりもわずかに大きい内径をもつ金
    属スリーブを製作し、このとき金属スリーブの外径は最
    終寸法よりは大きめの寸法を有しており、 ｂ）金属スリーブに光学部材を挿入し、このとき光学部
    材は金属スリーブに対して環状隙間を形成するととも
    に、好ましくは前側が金属スリーブから突出しておりし
    ており、 ｃ）光学部材と金属スリーブの間の環状隙間にはんだ付
    け材料を入れ、 ｄ）最終寸法になるように金属スリーブを施削加工し、
    このとき突出しているはんだ付け材料を除去し、 ｅ）光ファイバまたは光ファイバ束を金属スリーブ内に
    固定する、 ステップを備えていることを特徴とする方法。
  7. 【請求項７】 はんだ付け材料を、金属スリーブの側方
    の孔または側方のスリットを介して、光学部材と金属ス
    リーブの間の環状隙間に入れることを特徴とする請求項
    ６に記載の方法。
  8. 【請求項８】 はんだ付け材料を、金属スリーブの端面
    と、金属スリーブから突出する光学部材の外套面とによ
    って形成されるすみ肉部分に入れることを特徴とする請
    求項６に記載の方法。
  9. 【請求項９】 光ファイバないし光ファイバ束が、光学
    部材の平坦な裏面のところまで押し込まれて金属スリー
    ブ内で固定される金属製保持部を備えていることを特徴
    とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の方法。
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