JPWO2015125270A1

JPWO2015125270A1 - 光学測定用プローブ及びこれを備えた光学測定装置

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Publication number: JPWO2015125270A1
Application number: JP2016503850A
Authority: JP
Inventors: 亮二平岡; 岩井　信之; 信之岩井; 徹也永井; 泰之古川; 功東垣外; 充古和田; 暁岡田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Shimadzu Corp
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Shimadzu Corp
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2034-02-21
Also published as: DE112014006391T5; US10031021B2; US20160349107A1; JP6320510B2; WO2015125270A1

Abstract

所定方向に沿って入射する光を機器に導く光ファイバ４に対して、前記所定方向とは異なる方向Ｄからの光をテーパ面２１で反射させて入射させる。これにより、テーパ面２１の角度に応じて、所望の方向Ｄからの光をテーパ面２１で反射させ、光ファイバ４に入射させることができる。したがって、光学測定用プローブ１の設置位置が制限されるような場合であっても、テーパ面２１の角度を適切に設定すれば、所望の方向Ｄからの光を光ファイバ４に入射させることができる。

Description

本発明は、燃焼時に生じる光を機器に導くための光学測定用プローブ及びこれを備えた光学測定装置に関するものである。

例えば自動車の内燃機関の燃焼室内における燃焼状態を評価する際などには、燃焼時に生じる光を機器に導くための光学測定用プローブを用いて測定が行われる（例えば、下記特許文献１参照）。この種の光学測定用プローブには、例えば光ファイバからなる導光体が備えられており、所定の視野範囲内の光を導光体に入射させ、当該導光体を介して機器に光を導くことができる。

図６は、従来の光学測定用プローブ１０１の構成例を示す要部断面図である。この光学測定用プローブ１０１は、入射する光を透過させるための光学窓１０２と、光学窓１０２を保持する本体部１０３とを備えている。この例では、光学窓１０２から本体部１０３内に入射した光が、光ファイバ１０４を介して検出器（図示せず）で検出されるようになっている。

本体部１０３は、例えば円筒状の部材からなり、その一端部に光学窓１０２が収容されている。具体的には、本体部１０３の一端部に、光学窓１０２の外径に対応する内径を有する凹部が形成されており、当該凹部が光学窓１０２を収容するための光学窓収容部１３１を構成している。光学窓１０２は、例えば円柱状に形成されている。

光学窓１０２は、光ファイバ１０４と同一の軸線Ｌ１００上に隣接して設けられている。光学窓１０２における光ファイバ１０４側とは反対側の端面は、外部からの光が入射する入射面１２１を構成している。入射面１２１から入射した光は、光学窓１０２内を軸線Ｌ１００に沿って透過し、光ファイバ１０４側へと導かれる。

光ファイバ１０４には、入射面１２１から入射する光のうち、軸線Ｌ１００方向を中心とする所定の視野範囲Ｒ１００内の光のみが入射する。当該視野範囲Ｒ１００は、光ファイバ１０４の開口数（ＮＡ）と光学窓１０２の形状に依存している。

実用新案登録第３１８２４４５号公報

上記のような従来の光学測定用プローブ１０１では、軸線Ｌ１００方向を中心とする所定の視野範囲Ｒ１００内の光は光ファイバ１０４に入射させることができるが、それ以外の範囲からの光を光ファイバ１０４に入射させることができない。したがって、所望の方向からの光を光ファイバ１０４に入射させるためには、その方向に沿って光学測定用プローブ１０１を設置しなければならない。

そのため、光学測定用プローブ１０１の設置位置が制限されるような場合には、所望の方向からの光を光ファイバ１０４に入射させることができないという問題があった。特に、自動車の内燃機関などに光学測定用プローブ１０１を設置する場合には、設置位置が制限される場合が多く、上記のような問題が生じやすい。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、設置位置が制限されるような場合であっても、所望の方向からの光を導光体に入射させることができる光学測定用プローブ及びこれを備えた光学測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光学測定用プローブは、燃焼時に生じる光を機器に導くための光学測定用プローブであって、導光体と、反射面とを備える。前記導光体は、所定方向に沿って入射する光を機器に導く。前記反射面は、前記所定方向とは異なる方向からの光を反射させ、前記所定方向に沿って前記導光体に入射させる。

このような構成によれば、反射面の角度に応じて、所望の方向からの光を反射面で反射させ、導光体に入射させることができる。したがって、光学測定用プローブの設置位置が制限されるような場合であっても、反射面の角度を適切に設定すれば、所望の方向からの光を導光体に入射させることができる。

前記光学測定用プローブは、前記反射面に成膜された反射膜をさらに備えていてもよい。

このような構成によれば、反射面に成膜された反射膜の特性を利用することにより、所望の態様で光を反射させ、導光体に入射させることができる。

前記反射膜は、誘電体多層膜であってもよい。

このような構成によれば、反射面に成膜された誘電体多層膜が有する任意の反射率を実現できる特性を利用することにより、所望の波長の光を高効率で反射させ、導光体に入射させることができる。

あるいは、前記反射膜は、金属膜であってもよい。

このような構成によれば、反射面に成膜された金属膜の特性を利用することにより、その金属の種類に応じた態様で光を反射させ、導光体に入射させることができる。

前記光学測定用プローブは、光学窓をさらに備えていてもよい。前記光学窓は、前記反射面を有し、側面から入射する光を前記反射面で反射させて前記導光体に入射させてもよい。

このような構成によれば、光学窓の側面から入射する光が、光学窓内を透過して反射面に導かれ、当該反射面で反射して導光体へと入射する。したがって、光学窓の入射面及び反射面の形状を適切に設計することにより、多様な視野範囲を実現でき、光学窓に側面から入射する光を所望の角度で反射させて導光体に導くことができる。

前記光学窓の側面における光が入射する部分に、湾曲面からなる入射面が形成されていてもよい。

このような構成によれば、湾曲面からなる入射面を介して光学窓内に光を入射させることにより、導光体に入射する光の視野範囲を広げることができる。

前記光学測定用プローブは、前記導光体及び前記光学窓を保持する本体部をさらに備えていてもよい。この場合、前記光学窓は、前記反射面が外部に張り出すように前記本体部の端部に取り付けられていてもよい。

このような構成によれば、本体部の端部から外部に張り出した反射面で光を反射させ、導光体に入射させることができるとともに、それ以外の光が導光体に入射するのを本体部により遮ることができる。したがって、所定の方向からの光のみを良好に導光体に入射させることができる。

本発明に係る光学測定装置は、前記光学測定用プローブと、前記光学測定用プローブにより導かれた光を検出するための検出器とを備える。

また、本発明に係る光学測定装置では、前記光学測定用プローブが、測定対象である燃焼室内に臨むように、内燃機関のシリンダヘッドに取り付けられている。

この場合、前記シリンダヘッドが、動弁系連動部材を収容する動弁系連動部材収容室を有し、前記光学測定用プローブが、前記シリンダヘッドにおける前記動弁系連動部材収容室とは反対側に設けられていてもよい。

本発明によれば、光学測定用プローブの設置位置が制限されるような場合であっても、反射面の角度を適切に設定すれば、所望の方向からの光を導光体に入射させることができる。

本発明の一実施形態に係る光学測定用プローブを備えた光学測定装置の構成例を示す図である。光学窓への光の入射態様について説明するための側面図である。光学窓への光の入射態様について説明するための正面図である。誘電体多層膜の耐熱性評価試験の結果を示す図である。シリンダヘッドにおける光学測定用プローブの取付位置を示す図である。図５ＡにおけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。従来の光学測定用プローブの構成例を示す要部断面図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る光学測定用プローブ１を備えた光学測定装置の構成例を示す図である。図１では、光学測定用プローブ１の具体的構成を部分断面図で示している。

本実施形態に係る光学測定用プローブ１は、燃焼時に生じる光を機器に導くためのものであり、例えば自動車や自動二輪車などの内燃機関の燃焼室に設置され、当該燃焼室内における燃焼状態を評価する際などに使用される。この光学測定用プローブ１には、光学窓２、本体部３及び光ファイバ４などが備えられている。図１では、光学測定用プローブ１における本体部３の先端部分のみを断面図で示している。

光学窓２は、例えば石英又はサファイアなどにより形成され、外部から入射する光を透過させて本体部３内に取り込むことができる。本体部３は、例えばステンレス鋼などの金属により形成されている。この本体部３により、光学窓２及び光ファイバ４が一体的に保持され、光学窓２を透過した光が、軸線Ｌ方向に沿って光ファイバ４の一端部に入射するようになっている。

本体部３は、例えば円筒状に形成され、その一端部に光学窓２が収容されている。具体的には、本体部３の一端部に、光学窓２の外径に対応する内径を有する凹部が形成されており、当該凹部が光学窓２を収容するための光学窓収容部３１を構成している。また、本体部３には、他端部側から延びる凹部により、光ファイバ４を収容するための光ファイバ収容部３２が形成されている。光学窓収容部３１と光ファイバ収容部３２とは、連通孔３３を介して連通しており、光学窓２を透過した光は、連通孔３３を介して光ファイバ収容部３２内の光ファイバ４に入射するようになっている。

本実施形態に係る光学測定装置には、上述のような光学測定用プローブ１に加えて、分光器５及び検出器６などが備えられている。分光器５は、光ファイバ４の他端部側に配置されている。光ファイバ４の他端部側にはコネクタ４１が取り付けられており、当該コネクタ４１が分光器５に接続されている。光学測定用プローブ１により受光された光は、光ファイバ４の他端部側から分光器５に入射し、当該分光器５により分光された光が、検出器６で検出されるようになっている。

この例では、光学窓２は円柱状に形成され、その入射側の端部にテーパ面２１が形成されている。具体的には、光学窓２は、光ファイバ４と同じ軸線Ｌに沿って延びており、その軸線Ｌ方向における光ファイバ４側とは反対側の端面がテーパ面２１により形成されている。テーパ面２１は、軸線Ｌに対して３０°〜６０°の角度で傾斜していることが好ましく、この例では約４５°の角度で傾斜している。

テーパ面２１には、例えば誘電体多層膜２２が成膜されている。誘電体多層膜２２は、屈折率の異なる複数種類の膜により構成されており、これらの膜をテーパ面２１に対して順次蒸着させることにより、適切な厚みの膜が積層された誘電体多層膜２２を光学窓２と一体的に構成することができる。

誘電体多層膜２２は、屈折率の低い材料により形成された低屈折率膜と、屈折率の高い材料により形成された高屈折率膜とが、交互に積層された構成であってもよい。この場合、例えば低屈折率膜をＳｉＯ_２膜により構成し、高屈折率膜をＴａ_２Ｏ_５膜により構成することができる。このような誘電体多層膜２２は、イオンプレーティング法などの公知の方法を用いて形成することができる。

この種の誘電体多層膜２２は、所定の波長の光を高効率で反射させる特性を有している。ただし、誘電体多層膜２２は、上記のような構成に限られるものではなく、ＨｆＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２などの他の各種材料を用いて構成することができる。また、３種類以上の光学薄膜を積層することにより誘電体多層膜２２が構成されていてもよい。

この場合、光学測定用プローブ１の使用環境下で誘電体多層膜２２に付着する物質（例えばススや油など）に応じて、その物質が反射率に与える影響を加味して誘電体多層膜２２を設計し形成されることが好ましい。

図２及び図３は、光学窓２への光の入射態様について説明するための図であり、図２は側面図、図３は正面図をそれぞれ示している。

光学窓２が本体部３の端部に取り付けられた状態では、テーパ面２１が外部に張り出している。本実施形態では、光学窓２の側面２３が光の入射面となっており、軸線Ｌ方向に対して交差する方向Ｄから側面２３に入射した光が、光学窓２内を透過してテーパ面２１で反射し、光ファイバ４に導かれる。

すなわち、光学窓２のテーパ面２１は、軸線Ｌ方向とは異なる方向Ｄからの光を反射させ、軸線Ｌ方向に沿って光ファイバ４に入射させる反射面を構成している。また、誘電体多層膜２２は、上記反射面（テーパ面２１）に成膜された反射膜を構成している。

光ファイバ４には、光学窓２の側面２３から入射する光のうち、方向Ｄを中心とする所定の視野範囲Ｒ内の光のみが入射し、それ以外の光が光ファイバ４に入射するのを本体部３により遮ることができる。したがって、所定の方向Ｄからの光のみを良好に光ファイバ４に入射させることができる。視野範囲Ｒは、光ファイバ４の開口数（ＮＡ）と光学窓２の形状に依存している。

本実施形態では、テーパ面２１の角度に応じて、所望の方向Ｄからの光をテーパ面２１で反射させ、光ファイバ４に入射させることができる。したがって、光学測定用プローブ１の設置位置が制限されるような場合であっても、テーパ面２１の角度を適切に設定すれば、所望の方向Ｄからの光を光ファイバ４に入射させることができる。

特に、テーパ面２１に誘電体多層膜２２が成膜されているため、当該誘電体多層膜２２の特性を利用することにより、所望の波長の光を高効率で反射させ、光ファイバ４に入射させることができる。

また、本実施形態では、光学窓２の入射面（側面２３）及び反射面（テーパ面２１）の形状を適切に設計することにより、多様な視野範囲Ｒを実現でき、光学窓２に側面２３から入射する光を所望の角度で反射させて光ファイバ４に導くことができる。本実施形態における光学窓２の側面２３は、円周面からなる湾曲面であるため、図３に示すように、軸線Ｌに直交する平面における視野範囲Ｒが広くなる。

すなわち、湾曲面からなる側面２３を介して光学窓２内に光を入射させることによって、より広い範囲の光を屈折させてテーパ面２１に導き、当該テーパ面２１で反射させて光ファイバ４に入射させることができるため、光ファイバ４に入射する光の視野範囲Ｒが広がることとなる。具体的には、図３に示すような軸線Ｌに直交する平面において、軸線Ｌを中心とする６０°〜７０°程度の角度範囲の光を光ファイバ４に入射させることが可能である。

ただし、光学窓２の側面２３全体が円周面からなるような構成に限らず、例えば光学窓２の側面２３における光が入射する部分にのみ、湾曲面からなる入射面が形成された構成であっても、上記と同様の効果を奏することができる。また、上記湾曲面は、円周面に限られるものではなく、他の各種形状で形成することができる。

図４は、誘電体多層膜２２の耐熱性評価試験の結果を示す図である。この試験では、所定の波長において高い反射率を有する誘電体多層膜２２を使用し、バーナーで４０分加熱した場合（図４における一点鎖線）と、８５０℃の恒温炉で３時間加熱した場合（図４における破線）とについて、それぞれの反射率を初期（図４における実線）の反射率と比較することにより耐熱性の評価を行った。

この図４の結果から、長時間にわたって高温状態に晒された場合でも誘電体多層膜２２の反射率は低下しにくいことが分かる。したがって、燃焼時に生じる光を光学測定用プローブ１で測定するような高温環境下であっても、誘電体多層膜２２により所定の波長の光のみを良好に反射させ、光ファイバ４に導くことができる。

上記実施形態では、誘電体多層膜２２が光学窓２のテーパ面２１に成膜された構成について説明した。しかし、このような構成に限らず、例えば金属膜が光学窓２のテーパ面２１に成膜された構成であってもよい。この場合、テーパ面２１に成膜された金属膜の特性を利用することにより、その金属の種類に応じた態様で光を反射させ、光ファイバ４に入射させることができる。上記金属膜は、融点が１０００℃以上の金属により形成されていることが好ましい。

例えば、上記金属膜をアルミニウムにより形成した場合には、安価で高い反射率を有する反射膜とすることができる。上記金属膜を金により形成した場合には、赤外域の波長の光を良好に反射させる反射膜とすることができる。上記金属膜をロジウムにより形成した場合には、融点が非常に高く耐熱性が高い反射膜とすることができる。

このように、テーパ面２１に成膜された反射膜の特性を利用することにより、所望の態様で光を反射させ、光ファイバ４に入射させることができる。上記反射膜は、誘電体多層膜２２や金属膜に限らず、必要な特性に応じた任意の材料で形成することができる。

図５Ａは、シリンダヘッド１１における光学測定用プローブ１の取付位置を示す図である。また、図５Ｂは、図５ＡにおけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。例えば自動車や自動二輪車などの内燃機関１０には、シリンダヘッド１１と図示されないシリンダブロック及びピストンにより囲まれた燃焼室１２が形成されている。

光学測定用プローブ１は、例えば測定対象である燃焼室１２内に臨むように、シリンダヘッド１１に取り付けられる。具体的には、シリンダヘッド１１には、図示されない動弁系連動部材（例えばカムチェーンなど）を収容する動弁系連動部材収容室１３が形成されており、当該動弁系連動部材収容室１３に対してシリンダ中心を挟んで反対側に光学測定用プローブ１が配置される。

シリンダヘッド１１には、燃焼室１２に向けて開口する吸気弁口１４に連通した吸気ポート１５と、燃焼室１２に向けて開口する排気弁口１６に連通した排気ポート１７とが形成されている。この例では、シリンダヘッド１１における吸気弁口１４及び排気弁口１６の近傍に、燃焼室１２に向けて開口するプローブ用開口部１８が形成されている。

プローブ用開口部１８は、例えば吸気弁口１４及び排気弁口１６に対して、動弁系連動部材収容室１３とは反対側に設けられている。内燃機関１０の燃焼室１２内における燃焼状態を評価する際などには、プローブ用開口部１８を介して、燃焼室１２内に生じる光を光学測定用プローブ１に導くことができる。

以上の実施形態では、光学窓２に形成された湾曲面からなる入射面（側面２３）から光が入射するような構成について説明した。しかし、このような構成に限らず、平坦面などの湾曲面以外の入射面から光が入射するような構成であってもよい。この場合、光学窓２は、円柱状に限らず、直方体形状などの他の形状で形成されていてもよい。

また、光が入射する入射面と、入射面から入射した光を反射させる反射面とが、いずれも光学窓２に形成された構成に限らず、例えば反射面を有する部材（ミラー）が別途設けられた構成などであってもよい。入射面及び反射面を研磨面とすれば、光量の損失を小さくすることができる。反射面は、光を反射させて光ファイバ４に入射させることができれば、反射膜が成膜された構成に限られるものではない。

光ファイバ４は、分光器５に光を導くものに限らず、他の機器に光を導くものであってもよい。また、光を機器に導くための導光体は、光ファイバ４に限らず、他の部材を用いて光を機器に導いてもよい。

なお、本発明に係る光学測定用プローブ１は、自動車や自動二輪車などの内燃機関の燃焼室に設置されるような構成に限らず、他のあらゆる高温環境下に設置して、燃焼時に生じる光を機器に導くことができる。

１光学測定用プローブ
２光学窓
３本体部
４光ファイバ
５分光器
６検出器
１０内燃機関
１１シリンダヘッド
１２燃焼室
１３動弁系連動部材収容室
１４吸気弁口
１５吸気ポート
１６排気弁口
１７排気ポート
１８プローブ用開口部
２１テーパ面
２２誘電体多層膜
２３側面
３１光学窓収容部
３２光ファイバ収容部
３３連通孔
４１コネクタ
Ｒ視野範囲

Claims

燃焼時に生じる光を機器に導くための光学測定用プローブであって、
所定方向に沿って入射する光を機器に導く導光体と、
前記所定方向とは異なる方向からの光を反射させ、前記所定方向に沿って前記導光体に入射させる反射面とを備えたことを特徴とする光学測定用プローブ。
前記反射面に成膜された反射膜をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光学測定用プローブ。
前記反射膜が、誘電体多層膜であることを特徴とする請求項２に記載の光学測定用プローブ。
前記反射膜が、金属膜であることを特徴とする請求項２に記載の光学測定用プローブ。
前記反射面を有し、側面から入射する光を前記反射面で反射させて前記導光体に入射させる光学窓をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学測定用プローブ。
前記光学窓の側面における光が入射する部分に、湾曲面からなる入射面が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の光学測定用プローブ。
前記導光体及び前記光学窓を保持する本体部をさらに備え、
前記光学窓は、前記反射面が外部に張り出すように前記本体部の端部に取り付けられていることを特徴とする請求項５又は６に記載の光学測定用プローブ。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学測定用プローブと、
前記光学測定用プローブにより導かれた光を検出するための検出器とを備えたことを特徴とする光学測定装置。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学測定用プローブが、
測定対象である燃焼室内に臨むように、内燃機関のシリンダヘッドに取り付けられたことを特徴とする光学測定装置。
前記シリンダヘッドが、動弁系連動部材を収容する動弁系連動部材収容室を有し、
前記光学測定用プローブが、前記シリンダヘッドにおける前記動弁系連動部材収容室とは反対側に設けられることを特徴とする請求項９に記載の光学測定装置。