JP2011149958A - 光学センサ - Google Patents

Abstract

【課題】光学センサのレンズを最高の精度で心合わせできるようにする方法を提供すること。
【解決手段】本発明は燃焼室における燃焼プロセスを検出する光学センサに関する。前記光学センサは少なくとも、燃焼室に面するレンズ系と、光線ガイド（５）と、前記レンズ系と前記光線ガイド（５）の一端とを囲繞するスリーブ（４）とを含む。本発明による光学センサは前記レンズ系が少なくとも１個の実質的に平凹レンズ（１）と両面凹レンズ（２）とから構成され、前記平凹レンズ（１）の平坦面が燃焼室に対して露出されていることを特徴とする。本発明は更にそのようなセンサを製造する方法にも関する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃焼室における燃焼プロセスをモニタするための光学センサと、当該センサの製造方法とに関するものである。

例えば火花点火エンジンあるいはディーゼルエンジンのような内燃機関において、燃焼をモニタするために光学センサが使用されている。一方では温度は輝度から推定しうるので、燃焼室において時間の経過に亘り輝度を記録することは、コンピュータモデルのための限界条件としての有用で貴重なデータを提供する。他方では、輝度を検出することによって燃焼室内での煤煙濃度（ｓｏｏｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）を推測することができる。排気ガス排出法令に関して益々厳しくなる規制のため、エンジンでの燃焼の間の煤煙形成を低減させようとして多大な努力が払われている。これらの事情に対して光学センサは貴重なデータを提供する。

このように、特許文献１において記載されているように、例えば内燃機関のシリンダヘッドガスケットにおいて複数の光学センサが配置されている。このため、そのようなセンサの直径は約２ミリメートル以上であってはならない。このような用途におけるセンサの角度有効範囲（ａｎｇｕｌａｒ ｃｏｖｅｒａｇｅ）は１０度から４０度である。

燃焼室の広がり空間（ｓｐａｔｉａｌ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）を網羅することができるように、このような適用分野においては燃焼室に複数のセンサが設けられている。この場合、それに相応してより小さい角度有効範囲が提供される。

他の適用分野においては、燃焼室において放射された光線を可及的に多く集めるように意図された単一のセンサを設けている。そのようなセンサでは大きな角度有効範囲が要求される。この目的に対して使用されるセンサは約１１０度の角度有効範囲を有している。そのようなセンサの直径は１０ミリメートル以上である。従って、そのようなセンサは点火プラグあるいはヒータプラグに組み込むことはできない。

これらのセンサは例えば、この目的のために設けられた開口においてシリンダヘッドに直接装着される。その結果設けられた開口に装着したり、あるいは開口を密封する間に問題が発生する。

別の可能性としては、火花点火エンジンの点火プラグあるいはディーゼルエンジンのヒータプラグ中へ光学センサを装着させることである。このことは例えば、センサに設けられたねじによって達成される。これは組み立ておよび分解を迅速にするという利点を提供し、エンジンに対する余分な機械的な作業を必要としない。

従って、本発明の目的は少なくとも１３０度の角度有効範囲を有し、断面が１０ミリメートル未満、好ましくは６．５ミリメートル以下で、特に２．５から３．５ミリメートルである光学センサを提案することである。

一般に、光学センサは一方の面に衝突する光線を通過させ、その光線を反対側の面から放射させるレンズからつくられている。その後、光線は導波管（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）に突当り、該導波管が光線をモニタ装置まで導く。このモニタ装置において、光線信号がデータに処理されて、当該情報を更に評価できるようにする形式に編集される。

レンズならびに導波管の一端は通常シース（ｓｈｅａｔｈ）によって囲繞され、かつ一緒に保持されている。極めて小さい径や焦点深度（ｄｅｐｔｈｓ）の浅いレンズの場合、主として心合わせ（ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ）が困難を伴う。

欧州特許第０５９３４１３号明細書

従って、本発明の目的は光学センサのレンズを最高の精度で心合わせできるようにする方法を提案することである。

この目的は特許請求の範囲の独立項の序文に記載の方法によって達成される。

本発明による光センサの実施例を示す。

添付図面を参照して本発明を以下説明する。

図１は光学センサの先端を示す。本実施例において、２個のレンズ１，２から構成されるレンズ系が示されている。前記レンズの一方１は平凹レンズであって、平坦面が燃焼室に面している。第二のレンズ２は両面凹レンズであって、第一のレンズ１のすぐ後に配置されている。双方のレンズ共シース４内に配置されている。導波管５もその一端でシース４中へ延在している。導波管５はまた高精度で位置合わせされている。導波管５によって、集光された光線が案内され、最終的に適当なモニタ装置に到来し、該モニタ装置が前記光線を処理して信号を発生させ、それを他の目的に対して評価する。このタイプのセンサは、例えばセンサに設けられたねじによって点火プラグあるいはヒータプラグに組み付けることができる。

前記レンズ系１，２は１１０度から１４０度の角度有効範囲を有するビーム通路を提供する。１３０度から１３５度のレンズ系はこの目的に対して極めて良好に作用することが判明した。

使用されるレンズ１，２は０から４００℃において１０．５・１０^−６Ｋ^−１以下、特に０．１５・１０^−６Ｋ^−１から６．７・１０^−６Ｋ^−１の間の熱膨張係数を有する材料からつくられる。少なくともレンズ１の表面領域ははんだ付けが可能であるか、あるいは例えば金属メッキをはんだ付け可能に備える必要がある。双方のレンズ１，２は１０ミクロン（μｍ）まで、少なくとも０．２から２ミクロンの範囲の波長の光線を透過するようにされている。例えば、サファイアあるいは石英ガラスが適当であると判明している。導波管５はレンズ２との所定の距離において真正面で終わっており、シース４の領域に包含されている。センサの後方部分において、導波管５は適当な集塊（ｍａｓｓ）６によってセンサ中へ密封されている。

このレンズ系１，２に関して興味をそそるのは小さいレンズ１，２をつくることができることであり、従って小型のセンサをつくることができることである。そのようなセンサは点火プラグあるいはヒータプラグに組み立てするようにしたものである。従って、直径が８ミリメートルより小さく、好ましくは５ミリメートルより小さく、特に２．４ミリメートルより小さいレンズ系１，２をつくることが好ましい。このように、シース４の外径は１０ミリメートルより小さく、好ましくは６．５ミリメートルより小さく、特に２．５から３．５ミリメートルまでとなる。

光線を通過させるべきレンズ系１，２の長さは一般的に最大でレンズ系１，２の直径と等しく、好ましくはレンズ系１，２の直径の５０から７５％である。

レンズ系１，２はシース４のくぼみ内で心合わせし、かつ高精度で組み立て、かつ固定する必要がある。導波管は前記レンズから精確に所定の距離において組み立てる必要がある。この精度はレンズ１，２の直径が小さければ小さいほどより高い精度が必要である。中心位置からの一寸したずれがあっても信号の質を低下させ、あるいは使用不可とすることもある。本明細書で説明した本発明の方法はこのような必要な精確な心合わせを可能とする。

レンズ１，２がその中へ導入されるシース４のくぼみに関して、前記レンズ１，２は５から１０ミクロンまでの緩みがある。前記シースは０から４００℃の範囲において１０．５・１０^−６Ｋ^−１以下、特に７・１０^−６Ｋ^−１以下の熱膨張係数を有する材料からつくられる。更に、シース４の材料ははんだ付け可能であり、６００℃までの継続的な温度および９５０℃までの瞬間温度に耐えることができる必要がある。シース４は約５０Ｋ／１０ｍｓの破砕抵抗性（ｓｐａｌｌｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を有する必要がある。シース４の材料の熱伝導性は少なくとも２０Ｗ／ｍｋ、好ましくは少なくとも５０Ｗ／ｍｋであるべきである。シース４の材料は±１０ミクロン、好ましくは±５ミクロンの精度で機械的に処理可能でなければならない。

前記シース４のくぼみ内で前記レンズ１，２を心合わせする方法は、第一のレンズ１とシース４との間の空隙３を、また任意的に、緩さ３によって発生したレンズ２とシース４との間の空隙を、はんだペーストで詰めることである。はんだペーストは７７０から１１００℃の上限溶解点を有し、良好な可溶性を有するべきである。

導波管５とレンズ系１，２との軸線方向性もまた１０ミクロン以下の、好ましくは５ミクロン以下の小さな偏差で極めて正確である必要がある。このことはシースを深絞りすることによって達成される。

Claims (17)

1. 燃焼室における燃焼プロセスをモニタする光学センサであって、少なくとも前記燃焼室と面しているレンズ系（１，２）と、導波管（５）と、前記レンズ系と前記導波管の一端とを囲繞しているシース（４）とから構成される光学センサにおいて、前記レンズ系（１，２）が少なくとも１個の基本的に平凹レンズ（１）と両面凹レンズ（２）とからなり、前記平凹レンズ（１）の平坦面が前記燃焼室に対して露出されていることを特徴とする光学センサ。
2. 前記レンズ系（１，２）の角度有効範囲が少なくとも１３０度、好ましくは少なくとも１３５度、特に１４０度までであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 前記レンズ（１，２）がサファイアあるいは石英ガラスからなることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
4. 少なくとも前記平凹レンズ（１）がその表面領域において金属メッキで囲まれていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
5. 前記平凹レンズ（１）がはんだ付け材料によって前記シース（４）に固定されていることを特徴とする請求項４に記載のセンサ。
6. 前記レンズ系（１，２）の最大直径が８ミリメートルより小さく、好ましくは５ミリメートルより小さく、特に２．４ミリメートルより小さいことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
7. 光線を透過させるべき前記レンズ系（１，２）の長さが最大で該レンズ系（１，２）の直径と等しいか、好ましくは前記レンズ系の直径の５０から７５％の間のであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
8. 前記シース（４）の外径が最大で１０ミリメートル、好ましくは６．５ミリメートル、特に約３．５ミリメートルであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
9. 前記センサは点火プラグあるいはヒータプラグに組み込まれていることができることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
10. 前記レンズ（１，２）の外側半径と前記シース（４）の内側半径との間の緩さ（３）が１０ミクロン以下、好ましくは約５ミクロンであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
11. 少なくとも前記燃焼室と面するレンズ（１）が空隙（３）の領域においてはんだ付け材料によって前記シース（４）に対して固定されることを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
12. 前記シース（４）が６００℃の継続的な温度負荷および９５０℃の瞬間負荷に耐えることができる材料からつくられていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
13. 前記シース（４）が０から４００℃の温度範囲において１０．５・１０^−６Ｋ^−１以下の、特に７・１０^−６Ｋ^−１以下の熱膨張係数を有する材料からつくられていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
14. 燃焼室における燃焼プロセスをモニタする光学センサの１個以上のレンズ（１，２）と導波管（５）とをシース（４）において心合わせする方法において、前記レンズ（１，２）の外側半径と前記シース（４）の内側半径のとの間の空隙（３）が１０ミクロン以下、好ましくは約５ミクロンであり、かつ前記空隙（３）がはんだペーストを詰められ、前記導波管（５）とレンズ系（１，２）との軸線方向性の偏差が１０ミクロン以下、好ましくは５ミクロン以下であることを特徴とする光学センサのレンズと導波管とをシースにおいて心合わせする方法。
15. 深絞りしたシース（４）が使用されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記センサが少なくとも２個のレンズ（１，２）を有するレンズ系（１，２）を含むことを特徴とする請求項１４または１５に記載の方法。
17. 前記センサが請求項１から１３までのいずれか１項に記載の特徴を有していることを特徴とする請求項１４、１５または１６に記載の方法。

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