JP2010511146A - 少なくとも２つの光ファイバを有する光圧力センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの膜（８）と２つの平行な光ファイバ（１、４）とを有する、光強度測定に基づく光圧力センサに関する。少なくとも１つの第１のファイバ（１）が、ファイバ端部（２）と、膜（８）の方向に光（１０）を放出するための光放出面（３、３’）とを有し、少なくとも１つの第２のファイバ（４）が、膜（８）で反射された光（１０）を受け取って伝送するための入光面（６、６’）を有するファイバ端部（５）を有する。本発明の根底にある概念は、２つのファイバ（１、４）の光放出面（３、３’）と入光面（６、６’）とが互いに背くように配設されることを特徴とする。これは、受光ファイバ（４）によって受け取られる光部分が膜位置に大きく依存するように、使用中に光（１０）の光路を変える。

Description

本発明は、少なくとも１つの膜と、少なくとも１つの第１の光ファイバ、および光放出面と、第１の光ファイバに平行に配置された少なくとも１つの第２の光ファイバ、および入光面とを有する光強度測定に基づく光圧力センサであって、光ビームが、第１のファイバから光放出面を通って膜に案内され、膜で光ビームを反射することができ、反射された光ビームが、入光面を通って第２のファイバに入ることができ、第２のファイバ内で、光ビームをさらに伝送することができる光圧力センサに関する。

このタイプの光センサは、例えばエンジン圧力測定のために採用され、例えば、この目的で標準的な点火プラグに組み入れられる。例えば小型ノズル圧力センサでは、他のタイプが使用される。そのようなセンサでは、光は、第１のファイバから膜に放出される。この膜は、他方の側から膜に作用する圧力の量に依存して、可変位置に、すなわち光放出ファイバにより近づいた、または光放出ファイバからより離れた位置に存在する。次いで、光が、膜で反射される。反射された光の一部が、第２のファイバに入射し、第２のファイバは、光を測定デバイスに案内し、測定デバイスで、光のこの光強度が測定される。最終的に、光ファイバに対する膜の位置、したがって測定の時間に膜に加わる圧力を、測定された光強度から導出することができる。

小さな信号が大きなオフセットに重ね合わされることが、そのようなシステムの欠点である。したがって、このオフセットの最小の外乱が、測定される圧力信号の大きな誤差をもたらす。

本発明の目的は、負荷変動ドリフト、熱衝撃およびドリフトの影響を受けない、冒頭で説明したタイプの光圧力センサを提供することである。

例えば標準的な点火プラグにセンサを組み込むことを可能とするためには、小さな直径が必要とされる。したがって、２ｍｍ未満、やがては１．５ｍｍ未満、さらには１ｍｍ未満へのセンサ全体の直径の所要の小型化が、永続的な課題を提示する。

この目的は、独立請求項の特徴部分によって実現される。

本発明の根底にある着想は、光放出面と入光面とが、互いに背くように（異なる方向を向くように）配設されることである。それにより、使用時に受光ファイバ４によって受け取られる光の部分が膜位置に大きく依存するように、光の光路が変えられる。

さらに、その好ましい光路により、膜をファイバ端部に近接して配設することができ、それによって光強度の大部分を利用することができる。このようにして、外乱に対するダイナミクス（動特性）が向上する。さらに、光強度の変動は、印加される圧力に比例する。

本発明を達成するための最も簡単な方法は、これら２つのファイバを組み込んだフェルールの屋根状縁部によるものであり、光放出面と入光面とがそれぞれ、屋根状縁部の片側に配置される。

以下、本発明を、図面に関してより詳細に説明する。

センサ・ヘッドの領域での、従来技術による光センサの断面の概略図である。 光ガイドのファイバ端部の領域での、従来技術による光センサの概略斜視図である。 センサ・ヘッドの領域での、本発明による光センサの概略切開図である。 光ガイドのファイバ端部の領域での、本発明による光センサの概略斜視図である。 ファイバの断面の概略図である。 ファイバ端部の領域での、本発明によるセンサの代替実施例の斜視図である。 複数のファイバを含むファイバ端部の領域での、本発明によるセンサの代替実施例の平面図である。 ある形状を有する光放出面と入光面との代替実施例の斜視図である。 別の形状を有する光放出面と入光面との代替実施例の斜視図である。 別の形状を有する光放出面と入光面との代替実施例の斜視図である。 別の形状を有する光放出面と入光面との代替実施例の斜視図である。 センサ・ヘッドの領域での、本発明による光センサの代替実施例の概略切開図である。 ａ）従来技術によるセンサと、ｂ）本発明によるセンサとを使用して得られる概略時間依存センサ信号を示す図である。

全ての図面において、参照符号は同じものにした。

図１ａは、センサ・ヘッドの領域での、従来技術による光センサの断面の概略図を示す。フェルール１１の内部に、第１の光伝送ファイバ１と、第１のファイバ１に平行に配置された、ファイバ端部５を有する第２の光伝送ファイバ４とが示されている。動作時、光１０が、第１のファイバ１を通って、光放出面３で膜８に向けて放出され、膜８で光１０が反射される。この光ビーム１０の一部は、最終的には、第２のファイバ４の入光面６に入り、光強度の評価のために伝送される。膜８と、２つの光伝送ファイバ１、４を取り囲むフェルール１１とが、ハウジング９によって所定位置に保たれる。ハウジング９の外部から膜８に作用する圧力の量に依存して、膜８は、ファイバ１、４のファイバ端部２、５に近づくようにずらされる。これは、元々は第１のファイバ１を通って放出され、第２のファイバ４内に入る光１０の割合を変える。このとき広く及んでいる圧力は、第１のファイバ１を通して放出される光強度が分かっているので、ファイバ４を通して伝送される光強度から推測することができる。

図１ｂは、従来技術による、２つのファイバ端部２、５と、第１のファイバ１の光放出面３と、第２のファイバ４の入光面６とを備えたフェルール１１の端部を斜視図で示す。フェルールの端部は、全体として平坦な縁部を有し、したがって、光放出面３と入光面６とが共に、膜８に平行に延びる１つの平面内に配設される。

図２ａは、入光面３と光放出面６とが互いに背くように配置されることを除いて、図１ａと同じ配置を示す図である。図１ａと対照的に、それらの面は、膜に平行に延びる１つの平面内には配置されず、膜に関して角度αで傾けられた平面内に配置される。発出されている光ビーム１０は、ファイバ１の光放出面３で、フェルール１１の中央に向けて屈折され、膜８で、入光面６に向けて反射される。好ましい進入角度により、入光面６に達した光ビーム１０は、第２のファイバ４の内に伝送される。しかし、入射する光ビーム１０の光の量は、膜位置に大きく依存し、膜位置に比例して変化することが重要である。

２つの表面３および６の内面が互いに面していれば、２つの表面３および６は互いに対して背いている。特に、平行な表面は、互いに面しておらず、且つ互いに背いてもいない。図２、４、および６は、表現「互いに背く（ｆａｃｉｎｇ ａｗａｙ ｆｒｏｍ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ）」を例示する様々な例を図示している。

ファイバ端部２、５の光放出面３と入光面６との配置によって、所望の信号がオフセットに対して増幅され、測定の質が向上する。ファイバ端部２、５に対する膜８の距離と、角度αとが、幾つかの見地から最適化される。一方で、光放出面３と入光面６との両方での屈折率が、入射角と出射角とを制限する全反射角を規定している。他方で、変動する膜位置によって引き起こされる入光面に入射する光の差異は、できるだけ動的であるべきである。これは、第２のファイバ４に入る光１０の強度が、膜８の位置の変化により、できるだけ大きく変化することを意味する。

図２ｂは、本発明の一実施例での、２つのファイバ端部２、５と、第１のファイバ１の光放出面３と、第２のファイバ４の入光面６とを備えたフェルール１１の端部を斜視図で示す。この実施例では、フェルール１１の端部は、ファイバ端部２、５がそれぞれ異なる屋根面で終端している屋根状縁部を有する。ファイバ端部２、５は、センサの中心平面１４に関して対称的に配置される。この実施例では、この中心平面１４は、屋根状縁部の稜部によって表される。好ましくは、ファイバ端部２、５は、互いに近接して配設され、可能であれば互いに接している。

別の好ましい実施例では、光放出面３と入光面６とが、２つの平面１２、１３内に配設される。これらの平面１２、１３は、図２ｂで、屋根状縁部の２つの屋根面を画定している。

屋根状縁部の２つの平面と、膜８に平行に延びる平面との間の角度αは、できるだけ鋭利であり、しかし光放出面３または入光面６での全反射をもたらさないようにすべきである。２０〜４０°の間、特に２５〜３５°の間の角度が、特に適していることが分かっている。

図８は、いかなる負荷もない第１の部分１８と、全負荷を伴う第２の部分１９の時間依存センサ信号を概略的に示し、ａ）では、図１による従来技術センサが使用され、ｂ）では、例えば図２による本発明によるセンサが使用されている。第１の部分１８は、オフセット信号２０を示し、第２の部分１９は、オフセット信号に重ねられた所望の信号２１を示す。

本発明による配置では、オフセット信号に対する所望の信号の比が、従来技術による配置と比較して何倍も改良されたことが分かる。このようにして、本発明によるセンサは、負荷変動ドリフト、熱衝撃およびドリフトに関して大幅に改良されている。

図３は、光伝送ファイバを断面で表す。ファイバは、クラッド１６によって取り囲まれた光伝送コア１５から構成される。このクラッド１６は、それ自体、保護層１７によって取り囲まれている。本発明の実施例では、ファイバの総面積の少なくとも４０％、またはファイバの全直径の６０％を包含するコア１５を有するファイバを使用すべきである。

分かり易くするために、図３を除く他の図はそれぞれ、クラッドおよび保護層を有さないファイバ１、４のコア１５のみを図示している。したがってこれらの図示では、互いに接しているファイバ１、４は、保護層を含むクラッド厚さの２倍の間隔を常に有している。

ファイバ１、４は、平行に導かれ、それにより、それらの取扱いおよび加工が単純化され、センサの小型化が可能になる。例えば図２ｂに表されるような好ましい実施例では、ファイバ１、４がフェルール１１内部で案内されているが、これは、本発明を実施するための必須条件ではない。さらに、センサ内部での光放出面３と入光面６との対称配置も、必須ではないが、取付けおよび評価を単純化するものである。

図２ｂに関する代替実施例が、図４に示される。この実施例では、フェルール１１は、ファイバ１、４を表す互いに並べて配置された２つの芯を有する鉛筆と同様の円錐形状の先端を有している。

別の代替実施例が、ファイバ端部２、５を含むフェルール１１上への平面図として図５に示される。この実施例では、幾つかまたは複数の第１および第２のファイバ１、４が表され、動作時、第１のファイバ１は、光放出ファイバであり、第２のファイバ４は、受光ファイバである。これらのファイバ１、４は、中心平面１４の両側に配置される。図２に関して説明された全ての有利な実施例が、複数の第１および第２のファイバ１、４を有するこの配置にも同様に当てはまる。特に、全ての光放出面３と全ての入光面６とはそれぞれ、平面内に配置することができ、ここで、好ましくは全ての光放出面３が、第１の平面１２内に位置し、全ての入光面６が、第２の平面１３内に位置する。これらの第１のファイバ１と第２のファイバ４とはそれぞれ、図示されるように、中心平面１４の両側に、且つ中心平面１４に近接して、好ましくは互いに接して、アレイとして配列することができる。それらはまた、複数のアレイとして配列することもでき、または中心平面の両側にランダムに配列することもできる。

図６は、さらなる実施例を斜視図で表す。この図は、様々な切り口形状を示し、（図示されるように）各場合に、非平坦面１２’、１３’ごとに１つのファイバのみを配置することができ、または図５の図と類似する様式で、非平坦面１２’、１３’ごとに複数のファイバを配置することもできる。上述した好ましい配置および実施例が、ここでも同様に当てはまる。

これらの図において、図６ａは凹形切り口を示し、図６ｂは基本的に凸形の切り口を示し、そこに表面３および６が位置する。図６ｃおよび６ｄでは、表面３および６は、それぞれ、中心平面１４に軸線が交差する円柱の凹形（図６ｃ）または凸形（６ｄ）セグメント、あるいは凹形（図６ｃ）または凸形（６ｄ）球面セグメントを表すように形成される。

本明細書で説明される全ての切り口は、ファイバ（１、４）がフェルールによって保持される場合に容易に準備することができる。適切な保持を有していないと、本発明によるセンサは、特に、説明した所要の小型化実施例では製造が難しい。フェルール（１１）の別の利点は、エンジンで振動が生じるときの強い振動の場合におけるファイバ端部の保護である。

図７は、センサ・ヘッドの領域での、本発明による光センサの代替実施例の切開図での概略図を示す。図２ａと対照的に、この実施例では、第１のファイバ１と第２のファイバ４との端部が、膜８に平行な同じ平面内に位置している。光伝送挿入体７が、これらのファイバ端部２’、５’に隣接して配置される。この挿入体７は、２つのファイバ１、４に一体に接続された図２ａに示される配置のファイバ端部２、５と同じ機能を有する。特に、挿入体の光放出面３’と入光面６’とは、説明した他の配置と同様に、互いに背くように配置される。したがって、この代替実施例での光路は、本質的に、上述した配置におけるものと同じであり、説明したのと同じ利点を有する。光ガイドの反射側壁が挿入体７の領域内にないので、挿入体の領域内の光路は、ほんのわずかに円錐状である。本明細書で上述された全ての実施例、特に図４〜６に関して示した実施例は、したがって挿入体７を使用することによって実現することができ、上で例示したのと同じ利点を実現することができる。

１ 第１のファイバ
２、２’ 第１のファイバのファイバ端部
３、３’ 光放出面
４ 第２のファイバ
５、５’ 第２のファイバのファイバ端部
６、６’ 入光面
７ 光伝送挿入体
８ 膜
９ ハウジング
１０ 光、光ビーム
１１ フェルール
１２、１２’ 第１の平面
１３、１３’ 第２の平面
１４ 中心平面
１５ コア
１６ クラッド
１７ 保護層
１８ 負荷を伴わない第１の部分
１９ 全負荷を伴う第２の部分
２０ オフセット信号
２１ 所望の信号

Claims (14)

1. 少なくとも１つの膜（８）と、少なくとも１つの第１の光ファイバ（１）と、光放出面（３、３’）と、前記第１の光ファイバ（１）に平行に配置された少なくとも１つの第２の光ファイバ（４）と、入光面（６、６’）とを有する、光強度測定に基づく光圧力センサであって、光ビーム（１０）が、前記第１のファイバ（１）から前記光放出面（３、３’）を介して前記膜（８）に案内され、該膜（８）で前記光ビームは反射されることができ、また前記反射された光ビーム（１０）が、前記入光面（６、６’）を介して前記第２のファイバ（４）に入ることができ、該第２のファイバ（４）内で、前記光ビーム（１０）はさらに伝送されることができる光圧力センサにおいて、
   前記光放出面（３、３’）と前記入光面（６、６’）とが、互いに背くように配設されていることを特徴とする光圧力センサ。
2. 前記光放出面（３、３’）が、前記第１のファイバ（１）のファイバ端部（２）であること、および／または前記入光面（６、６’）が、前記第２のファイバ（４）のファイバ端部（５）であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 前記第１のファイバ（１）のファイバ端部（２）と前記光放出面（３、３’）との間、および／または前記第２のファイバ（４）のファイバ端部（５）と前記入光面（６、６’）との間に、光伝送挿入体（７）が配設されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
4. 前記ファイバ（１、４）が、フェルール内で案内されることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のセンサ。
5. 前記光放出面（３、３’）と前記入光面（６、６’）とが、センサ内部で対称的に配置されることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のセンサ。
6. 光（１０）を放出するための複数の第１のファイバ（１）、および／または光（１０）を受け取るための複数の第２のファイバ（４）を有することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のセンサ。
7. 第１のファイバ（１）の各ファイバ端部（２）が、中心平面（１４）に関して、第２のファイバ（４）のファイバ端部（５）と鏡面対称に配置されることを特徴とする請求項６に記載のセンサ。
8. 各光放出面（３、３’）および各入光面（６、６’）が、１つの平面内に位置することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載のセンサ。
9. 全ての光放出面（３、３’）が、第１の平面（１２、１２’）内に位置し、全ての入光面（６、６’）が、第２の平面（１３、１３’）内に位置することを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載のセンサ。
10. 第１のファイバ（１）の各ファイバ端部（２）が、第２のファイバ（５）のファイバ端部（５）に近接して、好ましくは前記ファイバ端部（５）に接して配設されることを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載のセンサ。
11. 前記光放出面（３、３’）と前記入光面（６、６’）とが、前記膜（８）に対して、２０°〜４０°の間の角度、好ましくは２５°〜３５°の間の角度を成していることを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載のセンサ。
12. 各光ファイバ（１、４）が、コア（１５）と、クラッド（１６）と、保護層（１７）とを有し、前記コア（１５）の面積が、前記ファイバ全体（１、４）の面積の少なくとも４０％を含むことを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載のセンサ。
13. 前記センサの直径が、２ｍｍ未満、好ましくは１．５ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載のセンサ。
14. 標準的な点火プラグで使用されること、および／またはエンジン圧力測定のために使用されることを特徴とする請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載のセンサ。

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