JPH1183885A - 光ファイバレーザドップラ流速計及びその光学パラメータ決定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】実用エンジンに直接装着可能な構造を有する光
ファイバレーザドップラ流速計、及び高データレートで
流速測定を行うための光学パラメータ決定方法を提供す
る。 【解決手段】プローブ10とケーシング20の２体構造と
し、ケーシング20が実用エンジンの点火プラグ取り付け
部に直接装着可能にする。プローブ10とケーシング20と
は、プローブケースの櫛歯形に成形された端部11a をケ
ーシング20のプローブ嵌合部20b に嵌合させて固定さ
れ、端部11a 内側のフロントレンズの外周面とプローブ
嵌合部20b の内周側面との間に隙間が保持され、この構
造により流速計の小型化及び耐振性、耐圧性の向上を図
る。また、プローブ10の各光学パラメータは、ＳＮＲパ
ラメータが所定値以上になるように決定され、高いデー
タレートでサイクル毎の流速測定を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定体の流速を
レーザビームの干渉を利用して測定する光ファイバレー
ザドップラ流速計及びその光学パラメータ決定方法に関
し、特に、実用エンジンに装着可能な光ファイバレーザ
ドップラ流速計、及びエンジン内のガス流速を高いデー
タレートでサイクル毎に測定するための光学パラメータ
決定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、エンジン内のガス流速の計測は、
例えば、透明なシリンダを有する専用エンジンを用意
し、レーザドップラ流速計を利用して行われてきた。こ
のレーザドップラ流速計は、一般に、レーザ光源から出
射された２本のレーザビームを測定領域に照射収束さ
せ、該測定領域に生じる干渉縞内を粒子（被測定体）が
通過する際に発生する散乱光を集光して光電変換器で電
気信号に変換し、該光電変換器が出力するドップラ・バ
ースト信号（バースト状のドップラ信号）を信号処理装
置で処理して上記粒子の速度を測定するものである。

【０００３】従来のレーザドップラ流速計としては、例
えば、特開平2ー253166号公報に掲載された、干渉縞の発
生する測定領域を小さくしＳＮ比を向上させてプローブ
の小型化を実現したものや、特開平4-124460号公報に掲
載された、レーザ投光部の軸上に受光部を配置せずに受
光部をレーザ投光部の軸上から外してレイアウト上の自
由度を増したものや、特開平8-121288号公報に掲載され
た、噴射率を測定するためのものなどが公知である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のレーザドップラ流速計は、前述したような専用エン
ジン内のガス流速を計測することはできるが、実用エン
ジンのシリンダ内のように金属面で閉じられた空間で
は、反射光の影響等によりＳＮ比が悪化するため、その
内部のガス流速をレーザドップラ流速計により計測する
ことは困難である。

【０００５】実用エンジン内で流速測定を行うには、レ
ーザドップラ流速計をエンジンに直接取り付けることが
必要となるため、レーザドップラ流速計の小型化及び耐
振性、耐圧性の向上が課題であり、また、ＳＮ比の高い
信号を得ることができなければならない。特に、エンジ
ン内のガス流動の解析では、火炎核を形成する点火プラ
グ周りの変化を詳細に測定できることが望まれる。

【０００６】なお、EAEC No91039(IME発行) BACKSCATTE
R LAZER DOPPLER VELOCIMETRY MEASURMENTS INSIDE THE
PRECHAMBER OF A MOTORED DIESEL ENGINE (F.VANNOBEL
-P.S.A.Etudes et Recherches(F)) では、ディーゼルエ
ンジンのインジェクターへレーザドップラ流速計のプロ
ーブを入れ、実用エンジンでの流速測定を行うものが提
案されている。しかし、この文献で提示されているデー
タレート（単位時間当たりのデータサンプル率）は非常
に低く、クランク角１度あたり0.22点/deg（1000rpm ま
たは2500rpm ）であって、実用エンジン内のガス流動の
乱れ解析等を行うためには不十分である。このような解
析を可能にするには、データレートを高くして各サイク
ル毎の流速測定を実現することが必要である。

【０００７】本発明は上記の点に着目してなされたもの
で、実用エンジンに直接装着可能な構造を有する光ファ
イバレーザドップラ流速計を提供し、また、高データレ
ートで流速測定を行うための光ファイバレーザドップラ
流速計の光学パラメータ決定方法を提供すること目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このため第１の発明に係
る請求項１に記載の発明は、受光用光ファイバ及び複数
本の送光用光ファイバの各端部が導入接続されるプロー
ブと、エンジン内が観測可能な位置に前記プローブを保
持するケーシングとを備え、前記エンジン内の被測定体
の流速を測定する光ファイバレーザドップラ流速計であ
って、前記プローブが、前記複数本の送光用光ファイバ
の各端部から出射した送光ビームを測定領域に照射して
干渉縞を発生させると共に、前記被測定体で反射した散
乱光を集光させるフロントレンズと、該フロントレンズ
で集光した散乱光を受光用光ファイバの端部に導く受光
レンズと、前記送光用光ファイバ及び前記受光用光ファ
イバの各端部を所定の位置に保持すると共に、前記送光
ビーム出射方向側の櫛歯形に成形された端部の内周側面
で前記フロントレンズを保持し、かつ、前記受光用光フ
ァイバの端部と前記フロントレンズとの間の所定の位置
に前記受光レンズを保持するプローブケースと、を含
み、前記ケーシングが、前記エンジンに装着されて該エ
ンジン内の気密を保持可能なエンジン装着部と、前記フ
ロントレンズの外周面に対して内周側面が所定の間隔を
隔てた状態で前記プローブケースの櫛歯形に成形された
端部に嵌合するプローブ嵌合部と、一方の側が前記エン
ジン内に面し、他方の側が前記フロントレンズに対向し
て、前記送光ビーム及び前記散乱光を透過する透過部材
を有した観測窓と、を含んで構成される。

【０００９】かかる構成によれば、光ファイバレーザド
ップラ流速計は、プローブとケーシングの２体構造とさ
れ、プローブはケーシングを介してエンジンの内部を観
測可能な位置に直接装着される。プローブとケーシング
とは、プローブケースの櫛歯形に成形された端部をケー
シングのプローブ嵌合部に嵌合させることで固定され
る。このとき、プローブケースに保持されたフロントレ
ンズの外周面とプローブ嵌合部の内周側面との間に隙間
が保持されて、フロントレンズとケーシングの干渉が防
止される。そして、プローブから出射された送光ビーム
はケーシングの観測窓を透過してエンジン内の測定領域
に干渉縞を発生する。この測定領域内を通る被測定体に
より送光ビームが反射され、散乱光が観測窓を介してプ
ローブに入射し集光される。この集光された散乱光を信
号処理装置で処理することでエンジン内の流速測定が行
われる。

【００１０】また、請求項２に記載の発明では、請求項
１に記載の発明において、前記ケーシングが、前記エン
ジンの点火プラグ取り付け部に装着されるものとする。
これにより、エンジン内の点火プラグ周りの流速が測定
されるようになる。更に、請求項３に記載の発明では、
請求項１または２に記載の発明の具体的な構成として、
前記ケーシングが、前記観測窓の透過部材を着脱可能と
するものとする。

【００１１】第２の発明に係る請求項４に記載の発明
は、１本若しくは複数本の受光用光ファイバ及び複数本
の送光用光ファイバの各端部が導入接続され、前記複数
本の送光用光ファイバの各端部から出射した送光ビーム
を測定領域に照射して干渉縞を発生させると共に、被測
定体で反射した散乱光を集光させるフロントレンズと、
該フロントレンズで集光した散乱光を前記受光用光ファ
イバの端部に導く受光レンズとを含むプローブを用い
て、エンジン内の被測定体の流速を測定する光ファイバ
レーザドップラ流速計の光学パラメータ決定方法であっ
て、前記受光レンズの有効受光レンズ径、前記送光ビー
ムのビーム径及び前記フロントレンズの焦点距離に基づ
いて計算されるＳＮＲパラメータを用い、該ＳＮＲパラ
メータがエンジン内の流速測定を可能にする所定値以上
となるように、前記プローブの各光学パラメータを決定
するものとする。

【００１２】かかる方法によれば、光ファイバレーザド
ップラ流速計のプローブの各光学パラメータの値が、受
光レンズの有効受光レンズ径、送光ビームのビーム径及
びフロントレンズの焦点距離に基づいて計算されるＳＮ
Ｒパラメータ、すなわち、(有効受光レンズ径)/( 焦点
距離) と( ビーム径)/( 焦点距離) の積の２乗の値を基
準として、そのＳＮＲパラメータが所定値以上となるよ
うに決定される。

【００１３】請求項５に記載の発明では、請求項４に記
載の発明の具体的な方法として、前記測定領域の位置及
び前記プローブの固定位置に基づいて、前記プローブの
各光学パラメータに関する制約条件を求める第１の過程
と、前記有効受光レンズ径及び前記送光ビームのビーム
径について前記制約条件を満足する最大値を設定して、
前記フロントレンズの焦点距離と前記ＳＮＲパラメータ
との関係、及び前記フロントレンズの焦点距離と前記干
渉縞が発生する測定領域の大きさとの関係を求める第２
の過程と、エンジン内の流速測定に必要なデータレート
及び空間分解能に応じて前記測定領域の大きさを決定
し、該測定領域の大きさ及び前記第２の過程で求めたそ
れぞれの関係を基に、前記制約条件を満足し、かつ、前
記ＳＮＲパラメータが前記所定値以上となる前記フロン
トレンズの焦点距離を決定する第３の過程と、前記被測
定体の大きさ及び受光した散乱光を処理する信号処理装
置のバンド幅に基づいて、前記干渉縞の間隔を決定する
第４の過程と、前記信号処理装置の精度及びエンジン内
の流速測定に必要な空間分解能に基づいて、前記干渉縞
の数を決定する第５の過程と、前記干渉縞の間隔及び前
記干渉縞の数を基に、前記フロントレンズの焦点距離に
対応した前記制約条件を満足する前記送光ビームの間隔
を決定する第６の過程と、前記受光用光ファイバの端部
の開口角に前記受光レンズの集光角を略一致させる前記
受光レンズの焦点距離を決定する第７の過程と、を含む
ものとする。

【００１４】

【発明の効果】したがって、第１の発明に係る請求項１
に記載の光ファイバレーザドップラ流速計は、プローブ
とケーシングの２体構造とし、プローブケースの櫛歯形
端部にフロントレンズを設け、その櫛歯形端部をケーシ
ングに嵌合させたときにフロントレンズの外周面とプロ
ーブ嵌合部の内周側面との間に隙間を持たせる構造とし
たことによって、光ファイバレーザドップラ流速計の小
型化及び耐振性、耐圧性の向上が図られて実用エンジン
へ直接装着が可能になる。加えて、フロントレンズとケ
ーシングの干渉も防止されるためフロントレンズの破損
等の心配もない。

【００１５】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載の発明の効果に加えて、点火プラグ取り付け部に
ケーシングを装着することによって、光ファイバレーザ
ドップラ流速計を装着するためにエンジンを加工する等
の必要がなく、点火プラグに代えて光ファイバレーザド
ップラ流速計を容易に装着でき、エンジン内のガス流動
の解析において特に重要な点火プラグ周りの流速測定が
可能となる。

【００１６】更に、請求項３に記載の発明は、請求項１
または２に記載の発明の効果に加えて、ケーシングの観
測窓の透過部材を着脱可能にしたことによって、汚れの
付着に対しても観測窓の清掃若しくは交換を行うことで
容易に対処することができる。また、第２の発明に係る
請求項４または５に記載の光ファイバレーザドップラ流
速計の光学パラメータ決定方法は、ＳＮＲパラメータが
所定値以上となるようにプローブの各光学パラメータを
順次決定することによって、高いデータレートで連続す
るサイクル毎の流速測定を行うことが可能になるため、
エンジン内のガス流動のサイクル変動及び乱れの解析を
高い精度で行うことができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は、本実施形態の光ファイバレ
ーザドップラ流速計(Fiber Lazer DopplerVelocimeter;
以下、ＦＬＤＶとする) を構成するプローブ及びケー
シングの外観を示す平面図である。また、図２は、プロ
ーブをケーシングに内装した状態を示す図で、図３は、
実用エンジンにＦＬＤＶを装着した状態を示す図であ
る。更に、図４は、ＦＬＤＶの要部断面図である。

【００１８】図において、本ＦＬＤＶ１は、光ファイバ
の端部が導入接続されるプローブ１０と、該プローブ１
０が内装されエンジン２の点火プラグ取り付け部２ａに
装着されるケーシング２０とから構成される。プローブ
１０は、略円筒形状のプローブケース１１を有する。プ
ローブケース１１は、一方の端部１１ａが櫛歯形に成形
され、他方の端部１１ｂ側には、ジャバラ６に覆われた
後述する光ファイバ３〜５の端部が、ケーシングキャッ
プ１４を通して導入される。このプローブ１０は、ケー
シング２０内に端部１１ａ側から挿入され、該端部１１
ａの櫛歯をケーシング２０の後述する所定部位に嵌合さ
せると共に、ケーシングキャップ１４をケーシング２０
の一端に係合させてケーシング２０に内装される。

【００１９】プローブケース１１の内部には、例えば、
２本の送光用光ファイバ３，４の一端に設けられたフェ
ルール３ａ，４ａと、受光用光ファイバ５の一端に設け
られた受光部５ａと、受光レンズ１２と、フロントレン
ズ１３と、が配置される。送光用光ファイバ３，４及び
受光用光ファイバ５は、１つに束ねられてジャバラ６に
より覆われていて、送光用光ファイバ３，４は、それぞ
れ図示されないレーザ投光器に接続され、受光用光ファ
イバ５は、図示されない信号処理装置に接続されてい
る。また、フェルール３ａ，４ａは、図示しないが、例
えば、セルフォックマイクロレンズ等のコリメートレン
ズを内蔵し、平行光線にした送光ビーム３ｂ，４ｂをそ
れぞれ出射する。該フェルール３ａ，４ａ及び受光用光
ファイバ５の受光部５ａは、プローブケース１１の端部
１１ｂから該プローブケース１１内に導入され、受光部
５ａがプローブケース１１の中心線上に配置され、フェ
ルール３ａ，４ａが受光部５ａを中心とする円周上に対
称位置にて平行に配置される。

【００２０】これらフェルール３ａ，４ａ及び受光部５
ａの前方（端部１１ａ側）には、受光レンズ１２及びフ
ロントレンズ１３が順に並設されてプローブケース１１
の中心線上に同軸に配置される。受光レンズ１２は、フ
ロントレンズ１３で集光された散乱光５ｂを受光用光フ
ァイバ５の受光部５ａに導くためのレンズである。この
受光レンズ１２は、外周面がプローブケース１１の内周
側面によって保持され、また、フェルール３ａ，４ａか
ら出射された各送光ビーム３ｂ，４ｂを貫通させるため
の２つの貫通孔が各光路上に設けられている。フロント
レンズ１３は、受光レンズ１２を貫通した送光ビーム３
ｂ，４ｂをエンジン２のシリンダ２ｂ内の測定領域Ａに
照射して干渉縞を発生せると共に、測定領域Ａ内の被測
定体であるガス粒子（散乱粒子）で反射した散乱光５ｂ
を集光させるためのレンズである。このフロントレンズ
１３は、外周面がプローブケース１１の櫛歯形の端部１
１ａの内周側面によって保持されている。

【００２１】上記のプローブ１０の各光学パラメータ
（例えば、受光レンズ１２やフロントレンズ１３の焦点
距離、各レンズ径、送光ビーム径等）の設定については
後述する。ケーシング２０は、エンジン２の点火プラグ
取り付け部２ａに装着可能で、かつ、プローブケース１
１を内装可能な略円筒形状とし、一端が観測窓の透過部
材としての光学ウィンドウ２１により封止され、他端が
開口されている。光学ウィンドウ２１を設けた一端の外
周側面には、エンジン２の点火プラグ取り付け部２ａに
螺合するエンジン装着部としてのねじ部２０ａが設けら
れ、点火プラグと同様にしてエンジン２に取り付けられ
る。また、ねじ部２０ａの図で上部には、例えば、外径
が順に大きくなる２段の段差が設けられ、その２段目の
段差部分には、プローブケース１１の櫛歯形の端部１１
ａに嵌合するプローブ嵌合部２０ｂが形成される。この
プローブ嵌合部２０ｂにプローブケース１１が嵌合され
たとき、図４に示すように、１段目と２段目の段差の間
のケーシング２０の内周側面は、嵌合したプローブケー
ス１１に支持されたフロントレンズ１３の外周面に対し
て間隔ｇを隔てた状態となる。更に、１段目の段差の内
周側面のコーナ２０ｃは、散乱光５ｂを遮らないように
面取りが施される。ケーシング２０への光学ウィンドウ
２１の取り付けは、ここでは、例えば、ケーシング２０
内へ光学ウィンドウ２１を挿入し、ケーシング２０の内
周側面に設けた突起２０ｄに図示されないＯリングを介
して光学ウィンドウ２１を当接させ、光学ウィンドウ止
めねじ２１ａにより光学ウィンドウ２１をケーシング２
０に着脱可能に固定する。

【００２２】ここで、プローブ１０の各光学パラメータ
の決定方法について説明する。図５は、プローブ１０の
各光学パラメータを示す図である。図５において、独立
な光学パラメータとしては、送光ビーム３ｂ，４ｂのビ
ーム径ｄinと、フロントレンズ１３に入射する前（ここ
では、受光レンズ１２を貫通する前に同じ）の送光ビー
ム３ｂ，４ｂの間隔Ｄと、受光レンズ１２の有効受光レ
ンズ径Ｄａと、フロントレンズ１３の焦点距離ｆと、受
光レンズ１２の焦点距離ｆr と、送光ビーム３ｂ，４ｂ
の波長λと、がある。また、上記の各パラメータ値によ
り決定される光学パラメータとしては、干渉縞が発生す
る測定領域Ａ（測定体積）の幅ｄｆと、測定体積の長手
方向の長さｄｚと、フリンジ（干渉縞）の間隔（ピッ
チ）δｆと、測定体積中のフリンジ数Ｎf と、がある。

【００２３】まず最初に、ＦＬＤＶ１の性能評価の指標
として用いるＳＮＲパラメータについて説明する。ＦＬ
ＤＶ１の設計においては、その性能を評価しながら各光
学パラメータを決定していく必要がある。そこで、ＦＬ
ＤＶ１の性能を表すとされるＳＮ比（ＳＮＲ;Signal to
Noise Ratio）は、次の(1) 式で定義される。 ＳＮＲ＝Ａs ・｛( η・ｐ) ／Δｆ｝・｛( Ｄａ・ｄin) ／ｆ² ｝² ( 1)式 ただし、Ａｓは散乱粒子パラメータ、ηはフォトディテ
クタの量子効率、ｐは送光ビームの強度、Δｆは信号処
理装置のバンド幅とする。

【００２４】上記(1) 式において、Ａｓは散乱粒子パラ
メータであり、｛( η・ｐ) ／Δｆ｝は電気的なパラメ
ータであるため、プローブ１０の設計上で問題となるの
は、次の(2) 式で示す光学パラメータ ＳＮＲＰ. ＝｛( Ｄａ・ｄin) ／ｆ² ｝² (2)式 の部分である。この光学パラメータをＳＮＲパラメータ
と呼び（以下、SNRP. と表記する）、プローブ１０の性
能評価の指標として使用する。

【００２５】次に、プローブ１０設計時に設定する上記
独立な各光学パラメータと、それらの値により決定する
各光学パラメータとの関係式を以下に示す。まず、測定
体積の幅ｄｆは、次の(3) 式により表される。 ｄｆ＝( ４・ｆ・λ) ／( π・ｄin) (3)式 (3) 式に示す通り、測定体積の幅ｄｆはフロントレンズ
１３の焦点距離ｆに比例し、送光ビーム３ｂ，４ｂのビ
ーム径ｄinに反比例する。これは、図６の概念図に示す
ように、ガウシアンビームの集光特性として、集光角が
大きい程、焦点距離が小さくなるということが言えるか
らである。

【００２６】なお、測定体積の長手方向の長さｄｚは、
次の(4) 式により表される。 ｄｚ＝( ８・ｆ² ・λ) ／( π・Ｄ・ｄin) (4)式 また、フリンジの間隔δｆは、次の(5) 式により表され
る。 δｆ＝λ／( ２・sin θ) ≒( ｆ・λ) ／Ｄ (5) 式 ただし、送光ビーム３ｂ，４ｂの交差角を２θとし、θ
の値が小さいときには右辺のように近似できる。(5) 式
に示すように、送光ビームの交差角２θが大きくなる
程、フリンジの間隔δｆは狭くなる。このことは、送光
ビームの波長を縞の間隔として表した図７に示す概念図
からも明らかである。

【００２７】更に、測定体積中のフリンジ数Ｎf は、次
の(6) 式により表される。 Ｎf ＝( ４・Ｄ) ／( π・ｄin) (6)式 (3),(5),(6) 式より、図８に示すように、フリンジ数Ｎ
f は測定体積の幅ｄｆをフリンジ間隔δｆで割ることに
よって得られる。前述した(2) 式で表されるSNRP. は、
Ｄａ／ｆとｄin／ｆの積の２乗である。ここで、Ｄａ／
ｆの値が大きいということは、散乱光５ｂを受光すると
きの受光立体角が大きいことを表す。また、ｄin／ｆの
値が大きいということは、(3) 式より、送光ビーム径に
対して焦点径をどれほど絞り込んでいるかということを
表し、ビームパワー密度を表す指標となる。よって、実
用エンジン内のガス流速を高精度かつ高データレートで
測定可能にする高いSNRP. を得るためには、受光立体角
を大きく取り、測定体積におけるビームパワー密度を大
きくすることが必要である。

【００２８】次に、プローブ１０の各光学パラメータを
決定する際に、考慮すべき事項について列記する。 (1) 計測環境により、レンズ径や焦点距離等の各光学パ
ラメータがどのような制約を受けるか。例えば、強度の
強いドップラ信号を受け取るには、送光と受光が対面す
るように置くのが望ましく、更に、レンズ径を大きく焦
点距離を短く設定する方が良い。一方、流速測定の位
置、ＦＬＤＶを置くことができる位置、許されるプロー
ブの大きさ、確保できる受光角、温度上昇によるレンズ
の歪み、付着物による光学ウィンドウ等の汚れなどの制
限を受けるため、選べる光学パラメータの値が限られる
ことを考慮する。

【００２９】(2) プローブ１０から測定領域Ａまでの距
離、すなわち、フロントレンズ１３の焦点距離ｆが適切
であるか。フロントレンズ１３の焦点距離ｆは、プロー
ブ１０をケーシング２０に取り付ける構造とするため、
フロントレンズ１３から光学ウィンドウ２１までの距離
と光学ウィンドウ２１から測定領域Ａまでの距離とを加
えたものとなることを考慮し、また、温度上昇による影
響も考慮して設定しなければならない。ただし、フロン
トレンズ１３に一般的なアクロマートレンズを使用する
ため、現存のレンズ焦点距離の中から最適なものを選定
する必要がある。

【００３０】(3) 測定体積の幅ｄｆが被測定体に対して
適切であるか。また、測定体積の長手方向の長さｄｚが
被測定体に対して適切であるか。測定対象となる流れ場
が非常に複雑な場合には、その流れ場の状態を把握する
のに十分な空間分解能が必要であるため、測定体積を小
さくする必要がある。測定体積を小さくするとビーム密
度が上がるために高いＳＮ比を期待できる。しかし、測
定体積を小さくすると、測定体積中に粒子が入る確率が
低下するため、SNRP. が向上してもデータレートが下が
る可能性がある。このことを考慮して測定体積の幅ｄｆ
及び長手方向の長さｄｚを設定する必要がある。

【００３１】(4) フリンジ間隔δｆが測定対象となる流
れ場に対して適切であるか。フリンジ間隔δｆは、ドッ
プラ信号の周波数から流速値に変換するためのキャリブ
レーションファクタの値であり、信号処理装置のバンド
幅と共に測定流速範囲を決定づける重要なパラメータで
ある。このフリンジ間隔δｆは、散乱粒子径を考慮して
決定しないとＳＮ比の低下の原因となる。

【００３２】ここで、前記測定流速範囲について説明す
ると、ＦＬＤＶ１で測定される流速Ｖは、ドップラ信号
の周波数をＦとして、次の式により求められる。 Ｖ＝Ｆ×δｆ ドップラ信号の周波数Ｆは、信号処理装置のバンド幅に
制約を受ける。そのため、計測可能な速度範囲が決定さ
れる。例えば、信号処理装置のバンド幅を仮に０〜３０
MHz としたときに、δｆ＝３μm とすると、測定可能流
速範囲は０〜９０m/s となる。また、逆流速度を測定す
る場合には、ＦＬＤＶでは周波数シフトを用いる必要が
ある。例えば、４０MHz の周波数シフトを行い、信号処
理装置のバンド幅を仮に３０〜６０MHz としたときに、
δｆ＝３μm とすると、測定可能流速範囲は−３０〜６
０m/s となる。

【００３３】散乱粒子径とフリンジ間隔δｆの関係は、
次のようにするのが適当である。 δｆ／２＝( 散乱粒子径) 図９(A) には、上記の関係を満たすときのイメージを示
す。一方、図９(B) のように散乱粒子径がフリンジ間隔
に比べて小さすぎる場合は、散乱光が弱く、また、図９
(C) のように大きすぎる場合は、粒子通過時の明暗の信
号のうち、暗の時に十分に暗くならないので、ＳＮ比の
低下の原因となる。

【００３４】(5) フリンジ数Ｎf が適切であるか。信号
処理装置における処理際、フリンジ数Ｎf が少ないと、
流速データの精度が低下するか、若しくは、測定不能に
なる。よって、信号処理の精度を上げるためにフリンジ
数Ｎf を多めにとる必要がある。また、このときドップ
ラ信号の精度も考慮してフリンジ数Ｎf を設定する。

【００３５】(6) コリメートレンズに一般的なものを用
いることを考慮して、送光ビームのビーム径ｄinを設定
しているか。送光ビームは、図１０のように、光ファイ
バから出射されたビームをコリメートレンズを用いて平
行光にしている。そのビーム径ｄinの値は、使用するコ
リメートレンズの焦点距離ｆ’に依存する。つまり、送
光ビーム径ｄinを自由に設定できる訳ではなく、一般の
コリメートレンズの焦点距離ｆ’から決まる限られたビ
ーム径の値から最適なものを選択しなければならない。

【００３６】(7) 受光用光ファイバの開口角を考慮し
て、受光レンズの焦点距離ｆr を設定しているか。受光
用光ファイバ５の受光部５ａは、ある固有の開口角を持
っている。受光部５ａはその開口角の範囲内から入射す
る光のみを受光することができる。ただし、図１１(A)
のように、開口角の範囲内であればノイズも受光してし
まう。逆に、図１１(B) のように、受光レンズ１２の集
光角よりも受光部３ａの開口角が小さいと、受光レンズ
１２で集光した散乱光５ｂの一部を受光用光ファイバ５
が受け取ることができなくなる。よって、受光部５ａの
開口角に受光レンズ１２の集光角をマッチングさせるよ
うに、受光レンズの焦点距離ｆr を設定する必要があ
る。

【００３７】(8) 高いSNRP. を得るために、有効受光レ
ンズ径Ｄａをできるだけ大きく取っているか。受光レン
ズ１２には、送光ビーム３ｂ，４ｂを貫通させるための
貫通孔が設けられるため、この部分では散乱光５ｂを集
光することはできない。したがって、図１２に示すよう
に、貫通孔の空いている部分を差し引いた面積を新たに
円の面積に換算し、その新たな円の直径を有効受光レン
ズ径Ｄａとする。上述の(2) 式に示したように、SNRP.
を計算するときには、この有効受光レンズ径Ｄａが重要
となり、高いSNRP. の確保のためには有効受光レンズ径
Ｄａをできるだけ大きくとる必要がある。有効受光レン
ズ径Ｄａを大きくとるためには、使用する受光レンズ１
２にできるだけ大きなものを使い、貫通孔をできるだけ
小さくする。受光レンズ１２の大きさに関しては、プロ
ーブの外径及び肉厚の制限を受けることを考慮し、貫通
孔の径については送光ビーム径ｄinを考慮して設定す
る。

【００３８】上記(1) 〜(8) の事項を考慮して、実用エ
ンジン２内の流速測定に最適な各光学パラメータを決定
する具体的な方法を、図１３のフローチャートに従って
説明する。図１３において、まず、ステップ１（図中Ｓ
１で示し、以下同様とする）では、実用エンジン２に適
用する場合の各光学パラメータの制約条件を検討する。
ここでは、実用エンジン２の点火プラグ取り付け部２ａ
にＦＬＤＶ１を装着するため、フェルール３ａ，４ａ
（送光）と受光部５ａ（受光）を対面させることはレイ
アウト上困難であり、上述したような測定領域Ａで反射
した散乱光５ｂを受光する構成が必要となる。また、Ｆ
ＬＤＶ１を点火プラグ取り付け部２ａに装着可能にする
には、受光レンズ１２及びフロントレンズ１３のレンズ
径に上限が生じる。具体的には、例えば、点火プラグ取
り付け部２ａのねじ径がＭ14の場合、その点火プラグ取
り付け部２ａの上方のプローブ１０が挿入される部分の
内径の制限に応じて受光レンズ１２の有効受光レンズ径
Ｄａを16.5mm以下とする。更に、送光ビーム３ｂ，４ｂ
のビーム径ｄinについては、実用エンジン２に装着可能
な小型のＦＬＤＶ１が要求されるため、通常用いるコリ
メートレンズで送光ビーム３ｂ，４ｂをコリメートする
ことが難しい。よって、小型のコリメータレンズであ
る、例えば、セルフォックマイクロレンズを用いるもの
とすると、送光ビーム径ｄinは、セルフォックマイクロ
レンズに固有の値、例えば、0.404 μm とする。また、
送光ビーム３ｂ，４ｂの波長は発振強度の強い、例え
ば、514.5nm とする。加えて、送光ビームの間隔Ｄにつ
いては、間隔が小さすぎるとプローブケース１１内にお
いて送光用及び受光用ファイバが干渉してしまい、ま
た、大きすぎてもプローブケース１１内に収まらない。
ここでは、送光ビームの間隔Ｄは、例えば、7 〜12mmと
いう制約を受けるものとする。

【００３９】ステップ２では、フロントレンズ１３の焦
点距離ｆとSNRP. の関係を求める。具体的には、ステッ
プ１で検討した制約条件に従って、有効受光レンズ径Ｄ
ａ及び送光ビーム径ｄinを最大値に固定した状態で、フ
ロントレンズ１３の焦点距離ｆを変化させてSNRP. の値
を比較する。図１４には、有効受光レンズ径Ｄａを16.5
mm、送光ビーム径ｄinを0.404 μm としたときの焦点距
離ｆとSNRP. の関係の一例を示す。

【００４０】図１４において、破線は、フロントレンズ
１３の全面で散乱光５ｂが受光できたときの計算値を示
す。実際には、焦点距離ｆを短くしていくと、ケーシン
グ２０の形状により散乱光５ｂをフロントレンズ１３の
全面で受光できなくなるため実線で示すような関係とな
る。なお、焦点距離ｆが25mm以下では、フロントレンズ
１３がケーシング２０に当たるためＦＬＤＶ１を使用で
きない。

【００４１】ステップ３では、フロントレンズ１３の焦
点距離ｆと測定体積の幅ｄｆとの関係を求める。ここで
もステップ２と同様に、有効受光レンズ径を16.5mm、送
光ビーム径ｄinを0.404 μm に固定した状態で、フロン
トレンズ１３の焦点距離ｆを変化させて測定体積の幅ｄ
ｆを比較する。図１５には、焦点距離ｆと測定体積の幅
ｄｆとの関係の一例を示す。

【００４２】ステップ４では、ステップ２、３で求めた
関係を基に、測定体積の幅ｄｆと、フロントレンズ１３
の焦点距離ｆの範囲とを決定する。図１４及び図１５の
関係より、フロントレンズ１３の焦点距離ｆを小さくし
測定体積幅ｄｆを絞るとSNRP. が向上することがわか
る。しかし、上述の(3) で説明したように、測定体積を
小さくすると、測定体積中に粒子が入る確率が低下する
ため、SNRP. が向上してもデータレートが向上するとは
限らない。経験的に、測定体積幅ｄｆが50μm 以下にな
ると、SNRP. が向上してもデータレートの向上は期待で
きないとされる。また、測定体積幅ｄｆはＦＬＤＶ１の
空間分解能を決定するが、エンジン内の流速測定では10
0 μm 以下の空間分解能が要求される。これらのことを
考慮して、ここでは、例えば、測定体積幅ｄｆを50μm
程度とする。そして、図１５の関係より、前記測定体積
幅ｄｆに対応するフロントレンズ１３の焦点距離ｆの範
囲（30mm前後）が求まる。この焦点距離ｆの範囲につい
ては、図１４の関係を用いてSNRP. が必要とされる値以
上となるかを確認する。実用エンジン内の流速測定で
は、従来のＬＤＶの100 倍程度のSNRP. （およそ40×10
^-6程度）が望まれ、図１４で焦点距離ｆが30mmのときSN
RP. は45×10^-6前後となるので十分である。ここではフ
ロントレンズ１３の焦点距離ｆの範囲を30〜35mm程度と
する。ただし、SNRP. の向上を考えるとこの範囲内でで
きるだけ焦点距離ｆを短くするのが好ましい。

【００４３】ステップ５では、フリンジ間隔δｆ及びフ
リンジ数Ｎf を決定する。まず、フリンジ間隔δｆにつ
いて、上述の(4) の内容に従い、信号処理装置のバンド
幅を考慮すると共に、エンジン内のガス粒子径（１〜20
μm 程度と考え、ここでは小径の粒子を主な対象とす
る）を考慮して、フリンジ間隔δｆを２μm 以上と決め
る。また、フリンジ数Ｎf については、上述の(5) で説
明したように、フリンジ数Ｎf を多めに取るものとし、
使用する信号処理装置の精度等を考慮するとフリンジ数
Ｎf を２０個以上とするのが望ましい。フリンジ数Ｎf
を２０個以上と設定すると、ステップ４で測定体積幅ｄ
ｆを50μm 程度と定めたので、フリンジ間隔δｆは2.5
μm 以下が好ましいことになる。したがって、フリンジ
間隔δｆは2 〜2.5 μm とする。

【００４４】ステップ６では、送光ビーム間隔Ｄについ
て検討する。まず、ステップ４で定めたフロントレンズ
１３の焦点距離ｆの範囲について、送光ビーム間隔Ｄを
変化させたときのフリンジ間隔δｆとの関係を求める。
図１６には、焦点距離ｆを30、35としたときの送光ビー
ム間隔Ｄとフリンジ間隔δｆとの関係の一例を示す。図
１５より、焦点距離ｆを30mmとしたときにフリンジ間隔
δｆを2 〜2.5 μm にする送光ビーム間隔Ｄは、ステッ
プ１で求めた制約条件内（7 〜12mm）では7.0〜7.5mm
となり、焦点距離ｆを35mmとしたときにフリンジ間隔δ
ｆを2 〜2.5 μm にする送光ビーム間隔Ｄは7.2 〜9.0m
m となることが確認される。更に、上記と同様にして、
フロントレンズ１３の焦点距離ｆを30、35mmとしたとき
の送光ビーム間隔Ｄと測定体積の長手方向の長さｄｚと
の関係を求める。図１７には、送光ビーム間隔Ｄと測定
体積の長手方向の長さｄｚとの関係の一例を示す。ここ
で、測定体積の長手方向の長さｄｚについては、エンジ
ン内の流速測定上の空間分解能を考慮するとｄｚは0.4m
m 以下が望ましい。したがって、図１７より、焦点距離
ｆを30mmとしたときの送光ビーム間隔Ｄは7.5mm 以上、
焦点距離ｆを35としたときの送光ビーム間隔Ｄは10mm以
上となる。上記の検討結果より、焦点距離ｆを30mm程度
として送光ビーム間隔Ｄを7.5mm 前後と設定するのが最
適値となる。

【００４５】ステップ７では、図１８に示すように、送
光ビーム間隔Ｄを変化させたときのフリンジ数Ｎf との
関係を求め、ステップ６で設定した送光ビーム間隔Ｄに
対してフリンジ数Ｎf が十分であるかを確認する。図１
８より、送光ビーム間隔Ｄを7.5mm としたときフリンジ
数Ｎf が20個以上となり十分である。ステップ８では、
受光レンズ１３の焦点距離ｆr について、上述の(7) で
説明したように、使用する受光用光ファイバ５の受光部
５ｂの開口角と集光角とをマッチングさせる焦点距離ｆ
r を決定する。

【００４６】ステップ９では、上記ステップ１〜ステッ
プ８の結果に従って、実際に使用するフロントレンズ１
３を選定し、各光学パラメータの実際の値を確認する。
実用エンジンに適用するプローブ１０の最適な光学パラ
メータは、上記ステップ１〜ステップ８により算出され
るが、実際に使用するフロントレンズ１３の焦点距離ｆ
の値は離散的であり、算出した焦点距離ｆのレンズが存
在するとは限らない。よって、算出した焦点距離ｆに近
い値のフロントレンズ１３を用いたときに、他の光学パ
ラメータに問題が生じないかを検討する必要がある。次
の表１には、焦点距離31mmのフロントレンズ１３を用い
たときの各光学パラメータを示す。

【００４７】

【表１】

【００４８】表１に示すように、上記の方法により各光
学パラメータを設定することで、SNRP. の値を45以上と
することが可能である。このようにして各光学パラメー
タを決定したプローブ１０をケーシング２０に内装し、
実用エンジン２の点火プラグ取り付け部２ａに装着し
て、シリンダ２ｂ内の点火プラグ周りの流速測定を行
う。このとき、ＦＬＤＶ１の流速測定方向は、プローブ
ケース端部１１ａの櫛歯の間隔に応じて制御可能であ
る。すなわち、ＦＬＤＶ１を点火プラグ取り付け部２ａ
に単にねじ込んで固定しただけでは、プローブ１０の流
速測定方向がどの方向にあるかを確認できないが、本Ｆ
ＬＤＶ１は、ケーシング２０をエンジン２に装着したま
まの状態でプローブ１０を脱着可能であるため、プロー
ブケース１１とケーシング２０の嵌合状態を櫛歯の間隔
毎にずらすことによって、流速測定方向を櫛歯の間隔に
応じて変えることができる。

【００４９】実際に、ある実用エンジンに本ＦＬＤＶ１
を装着して流速測定を行った結果の一例を図１９に示
す。図のデータからわかるように、ＦＬＤＶ１によれ
ば、10kHz 以上の高いデータレートで連続するサイクル
毎のガス流速を測定することが可能である。したがっ
て、点火プラグ周りのガス流動のサイクル変動及び乱れ
の解析を正確に行うことができるようになる。

【００５０】また、高いSNRP. を実現するためにフロン
トレンズ１３をプローブケース１１の先端に固定するよ
うにしたことで、エンジン２の振動による破損が心配さ
れるが、本ＦＬＤＶ１では、プローブ１０をケーシング
２０に嵌合させた際に、フロントレンズ１３の外周面と
ケーシング２０の内周側面との間に間隔ｇを保つ構造と
したので、フロントレンズ１３とケーシング２０の干渉
が防止され破損の虞もない。その他の部分の耐振性及び
耐圧性についても、プローブ１０とケーシング２０の２
体構造することで、エンジン２の振動や圧力がプローブ
１０に直接加わることがなく、ケーシング２０のねじ部
２０ａ及び光学ウィンドウ２１の部分において十分な耐
圧性が確保されている。更に、汚れの付着についても、
光学ウィンドウ２１を清掃若しくは交換するだけよく、
プローブ１０への影響がないため容易に対処することが
できる。

【００５１】なお、上述した実施形態では、ＦＬＤＶの
エンジン装着位置を点火プラグの取り付け部分とした
が、本発明はこれに限られるものではない。例えば、実
用エンジンにＦＬＤＶを取り付けるための加工を別途施
すことで、エンジン内の他の部分の流速測定を行うこと
も応用可能である。また、プローブの各光学パラメータ
の値は、上述した数値に限定されるものではなく、流速
測定の精度等に応じて、本発明の光学パラメータ決定方
法に従い適宜に設定可能である。更に、１本の受光用光
ファイバを用いて１次元の計測を行う構成としたが、本
発明はこれに限らず、複数本の受光用光ファイバを用い
て多次元の計測を行う応用も可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態のプローブ及びケーシングの
外観を示す平面図

【図２】同上実施形態のプローブをケーシングに内装し
た状態を示す図

【図３】同上実施形態のＦＬＤＶを実用エンジンに装着
した状態を示す図

【図４】同上実施形態のＦＬＤＶの要部断面図

【図５】同上実施形態のプローブの各光学パラメータを
示す図

【図６】同上実施形態のフロントレンズの集光特性を説
明する図

【図７】同上実施形態の送光ビームの交差角とフリンジ
間隔の関係を説明する図

【図８】同上実施形態のフリンジ数を説明する図

【図９】同上実施形態の散乱粒子径とフリンジ間隔の関
係を説明する図

【図１０】同上実施形態の送光ビーム径について説明す
る図

【図１１】同上実施形態のファイバの開口角と受光レン
ズの集光角との関係を説明する図

【図１２】同上実施形態の有効受光レンズ径について説
明する図

【図１３】同上実施形態の光学パラメータ決定方法を示
すフローチャート

【図１４】同上実施形態の焦点距離ｆとSNRP. の関係の
一例を示す図

【図１５】同上実施形態の焦点距離ｆと測定体積の幅ｄ
ｆの関係の一例を示す図

【図１６】同上実施形態の送光ビーム間隔Ｄとフリンジ
間隔δｆとの関係の一例を示す図

【図１７】同上実施形態の送光ビーム間隔Ｄと測定体積
の長手方向の長さｄｚとの関係の一例を示す図

【図１８】同上実施形態の送光ビーム間隔Ｄとフリンジ
数Ｎf との関係の一例を示す図

【図１９】同上実施形態の実測結果の一例を示す図

【符号の説明】

１ ＦＬＤＶ（光ファイバレーザドップラ流速計） ２ エンジン ２ａ 点火プラグ取り付け部 ３，４ 送光用光ファイバ ３ａ，４ａ フェルール ３ｂ，４ｂ 送光ビーム ５ 受光用光ファイバ ５ａ 受光部 ５ｂ 散乱光 ６ ジャバラ １０ プローブ １１ プローブケース １１ａ，１１ｂ 端部 １２ 受光レンズ １３ フロントレンズ １４ ケーシングキャップ ２０ ケーシング ２０ａ ねじ部 ２０ｂ 嵌合部 ２１ 光学ウィンドウ Ａ 測定領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 裕二 兵庫県神戸市灘区篠原台５−１−1207 (72)発明者 伊東 輝行 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 松浦 孝成 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 森 信三 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】受光用光ファイバ及び複数本の送光用光フ
   ァイバの各端部が導入接続されるプローブと、エンジン
   内が観測可能な位置に前記プローブを保持するケーシン
   グとを備え、前記エンジン内の被測定体の流速を測定す
   る光ファイバレーザドップラ流速計であって、 前記プローブが、前記複数本の送光用光ファイバの各端
   部から出射した送光ビームを測定領域に照射して干渉縞
   を発生させると共に、前記被測定体で反射した散乱光を
   集光させるフロントレンズと、該フロントレンズで集光
   した散乱光を受光用光ファイバの端部に導く受光レンズ
   と、前記送光用光ファイバ及び前記受光用光ファイバの
   各端部を所定の位置に保持すると共に、前記送光ビーム
   出射方向側の櫛歯形に成形された端部の内周側面で前記
   フロントレンズを保持し、かつ、前記受光用光ファイバ
   の端部と前記フロントレンズとの間の所定の位置に前記
   受光レンズを保持するプローブケースと、を含み、 前記ケーシングが、前記エンジンに装着されて該エンジ
   ン内の気密を保持可能なエンジン装着部と、前記フロン
   トレンズの外周面に対して内周側面が所定の間隔を隔て
   た状態で前記プローブケースの櫛歯形に成形された端部
   に嵌合するプローブ嵌合部と、一方の側が前記エンジン
   内に面し、他方の側が前記フロントレンズに対向して、
   前記送光ビーム及び前記散乱光を透過する透過部材を有
   した観測窓と、を含んで構成されることを特徴とする光
   ファイバレーザドップラ流速計。
2. 【請求項２】前記ケーシングが、前記エンジンの点火プ
   ラグ取り付け部に装着されることを特徴とする請求項１
   記載の光ファイバレーザドップラ流速計。
3. 【請求項３】前記ケーシングが、前記観測窓の透過部材
   を着脱可能としたことを特徴とする請求項１または２記
   載の光ファイバレーザドップラ流速計。
4. 【請求項４】受光用光ファイバ及び複数本の送光用光フ
   ァイバの各端部が導入接続され、前記複数本の送光用光
   ファイバの各端部から出射した送光ビームを測定領域に
   照射して干渉縞を発生させると共に、被測定体で反射し
   た散乱光を集光させるフロントレンズと、該フロントレ
   ンズで集光した散乱光を前記受光用光ファイバの端部に
   導く受光レンズとを含むプローブを用いて、エンジン内
   の被測定体の流速を測定する光ファイバレーザドップラ
   流速計の光学パラメータ決定方法であって、 前記受光レンズの有効受光レンズ径、前記送光ビームの
   ビーム径及び前記フロントレンズの焦点距離に基づいて
   計算されるＳＮＲパラメータを用い、該ＳＮＲパラメー
   タがエンジン内の流速測定を可能にする所定値以上とな
   るように、前記プローブの各光学パラメータを決定する
   ことを特徴とする光ファイバレーザドップラ流速計の光
   学パラメータ決定方法。
5. 【請求項５】前記測定領域の位置及び前記プローブの固
   定位置に基づいて、前記プローブの各光学パラメータに
   関する制約条件を求める第１の過程と、 前記有効受光レンズ径及び前記送光ビームのビーム径に
   ついて前記制約条件を満足する最大値を設定して、前記
   フロントレンズの焦点距離と前記ＳＮＲパラメータとの
   関係、及び前記フロントレンズの焦点距離と前記干渉縞
   が発生する測定領域の大きさとの関係を求める第２の過
   程と、 エンジン内の流速測定に必要なデータレート及び空間分
   解能に応じて前記測定領域の大きさを決定し、該測定領
   域の大きさ及び前記第２の過程で求めたそれぞれの関係
   を基に、前記制約条件を満足し、かつ、前記ＳＮＲパラ
   メータが前記所定値以上となる前記フロントレンズの焦
   点距離を決定する第３の過程と、 前記被測定体の大きさ及び受光した散乱光を処理する信
   号処理装置のバンド幅に基づいて、前記干渉縞の間隔を
   決定する第４の過程と、 前記信号処理装置の精度及びエンジン内の流速測定に必
   要な空間分解能に基づいて、前記干渉縞の数を決定する
   第５の過程と、 前記干渉縞の間隔及び前記干渉縞の数を基に、前記フロ
   ントレンズの焦点距離に対応した前記制約条件を満足す
   る前記送光ビームの間隔を決定する第６の過程と、 前記受光用光ファイバの端部の開口角に前記受光レンズ
   の集光角を略一致させる前記受光レンズの焦点距離を決
   定する第７の過程と、 を含んだことを特徴とする請求項４記載の光ファイバレ
   ーザドップラ流速計の光学パラメータ決定方法。