WO2007094435A1

WO2007094435A1 - 温度センサ

Info

Publication number: WO2007094435A1
Application number: PCT/JP2007/052783
Authority: WO
Inventors: Eiji Tomita; Nobuyuki Kawahara
Original assignee: National University Corporation Okayama University
Priority date: 2006-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2007-08-23
Also published as: JP4257438B2; JPWO2007094435A1

Abstract

　レーザ光を照射する光源部と、この光源部から照射されたレーザ光を試験光と参照光に分離する分離部と、試験光の光路を温度が計測される被計測空間を横断させて配置する受感部と、被計測空間を横断した試験光と参照光とを干渉させて干渉状態の変動を検出することにより温度の変化を検出する検出部とを備えた温度センサにおいて、信頼性の高い温度変動の検出を可能とする温度センサを提供する。　受感部は試験光の光路と平行とした筒状のケーシングの先端に設けるとともに、このケーシングの基端に分離部を設ける。ケーシングの先端には試験光を通過させる透明体を備えた先端壁を設け、この透明体を通過した試験光を受感部に到達させるとともに、先端壁には参照光を反射する反射体を設ける。

Description

明細書

温度センサ

技術分野

[0001] 本発明は温度センサに関するものであり、特にレーザ干渉法を用いた温度センサに関するものである。

背景技術

[0002] 従来、非接触で気体の温度変化を測定する方法として、マッハツエンダ干渉計を用いたレーザ干渉法による測定方法が知られている（例えば、非特許文献 1参照。 )

[0003] このレーザ干渉法による温度測定では、 2本のレーザ光のうちの一方のレーザ光を参照光として気体の状態を一定に保った空間を通過させるとともに、他方のレーザ光を試験光として温度を検出する被計測空間を通過させ、参照光と試験光とを干渉させて干渉縞を生成し、この干渉縞の変化を検出して被計測空間における温度変化を検出しているものである。

[0004] すなわち、被計測空間では、温度が変動すると被計測空間内の気体の密度が変化し、この密度の変化によってレーザ光の屈折率が変動する。干渉縞は、このレーザ光の屈折率の変動にともなって変動し、この変動状態を検出することにより温度変化を検出することができる。なお、被計測体は気体に限定されるものではなぐ液体のようにレーザ光を通過させることができる被計測体に対してレーザ干渉法による温度測定方法を用いることができる。

[0005] なお、このレーザ干渉法による温度測定では、熱電対のように被計測体の温度を直接的に計測しているのではなぐ被計測体に生じた温度の変動を検出しているものであり、直接的な温度測定はできないが、被計測体の密度変動を検出していることにより熱電対などの温度検出手段と比較して応答性が極めて高ぐ瞬間的な温度変動を検出する高時間分解能を有して!/ヽると!/ヽぅ特徴を有してヽる。

[0006] その一方で、レーザ干渉法による温度測定では、干渉を利用したレーザ光の位相差の検出によって温度変動の検出を行っているために振動に弱ぐできるだけ振動が抑制された状態で使用する必要があった。

[0007] そこで、本発明者は、参照光と試験光とを干渉させて位相差の検出を行う干渉部と、試験光を導いて被計測空間を横断させる受感部との間に光ファイバを介設し、この光ファイバで試験光を干渉部力受感部に導くとともに、受感部に設けた適宜の反射体で反射させられた試験光を受感部力干渉部に導くこととした。

[0008] そして、受感部は被計測空間に配置する一方で、干渉部は振動が抑制された制振台上に配置することにより振動の影響を受けに《した温度計測法を提案した (例えば、特許文献 1参照。）。

[0009] すなわち、この温度計測法に基づく温度センサでは、図 9に示すように、干渉部 100 として、光源である安定ィ匕 He— Neレーザ出力機 110と、この安定ィ匕 He— Neレーザ出力機 110から出射されたレーザ光を所定の周波数に偏移させて P偏光と S偏光の 2 種類のレーザ光を出射するへテロダイン用音響光学素子 120と、このへテロダイン用音響光学素子 120から出射された S偏光のレーザ光を反射する第 1ミラー 130と、この第 1ミラー 130で反射された S偏光のレーザ光とヘテロダイン用音響光学素子 120から出射された P偏光のレーザ光とを 1本のビームにまとめる第 1偏光ビームスプリッタ 140 と、この偏光ビームスプリッタ 140から出射されたレーザ光を 2本のビームに分離する第 1ハーフミラー 150と、この第 1ハーフミラー 150を通過したレーザ光を P偏光と S偏光の 2種類のレーザ光に分離する第 2偏光ビームスプリッタ 160とを設けた。

[0010] 第 1ハーフミラー 150で反射されたレーザ光は、偏光面を 45度に傾けた第 1偏光板 170を通過させて干渉させ、その後、第 1受光素子 180に入射させ、この第 1受光素子 180で干渉ビート信号を検出して基準信号とした。

[0011] 第 2偏光ビームスプリッタ 160で分離された P偏光のレーザ光は試験光であって、第 1の 1Z4波長板 190を通過して円偏光とし、光ファイバ 200の端部に設けた第 1セルフオック（登録商標）マイクロレンズ 210を介して光ファイノく 200に入射させ、光ファイバ 20 0の他端部に設けた第 2セルフオック（登録商標）マイクロレンズ 220から出射させて受感部 300に入射させた。

[0012] 受感部 300には入射された試験光を反射する反射鏡 310を設けており、特に、反射鏡 310は、反射鏡 310に達する試験光が被計測領域 320を横断するように配置した。 [0013] 受感部 300に入射された試験光は、被計測領域 320を横断して反射鏡 310に達し、反射鏡 310で反射されることにより再度被計測領域 320を横断して、第 2セルフオック（登録商標）マイクロレンズ 220に入射させた。

[0014] 受感部 300で反射した試験光は、光ファイバ 200を介して干渉部 100に入射させ、第

1の 1Z4波長板 190を通過して S偏光として第 2偏光ビームスプリッタ 160に入射させた。

[0015] 一方、第 2偏光ビームスプリッタ 160で分離された S偏光のレーザ光は参照光であつて、第 2の 1Z4波長板 230を通過して円偏光とし、第 2ミラー 240に反射されて第 2の 1 Z4波長板 230を再度通過して P偏光として第 2偏光ビームスプリッタ 160に入射させた。

[0016] 第 2偏光ビームスプリッタ 160に入射させた試験光と参照光はそれぞれ偏光面を 45 度に傾けた第 2偏光板 250を通過させて干渉させ、その後、第 2受光素子 260に入射させ、この第 2受光素子 260で干渉ビート信号を検出して試験信号とした。

[0017] そして、基準信号と試験信号のビート周波数の違いから位相差を算出して被計測領域 320における密度変動を検出し、この密度変動に基づいて温度変動を検出可能とした。

特許文献 1：特開 2002— 39870号公報

非特許文献 1 :浜本ら、レーザ干渉法によるガス温度変化の測定、日本機械学会論文集（B編）、 53卷 496号、 pp. 3798- 3802, 1987年 12月

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0018] しかしながら、レーザ光を試験光と参照光とに分離する分離部と受感部との間に光ファイバを設けた場合には、試験光が光ファイバや光ファイバとの接続部の影響を受けることによって、得られた結果が受感部における密度変動の影響のみの結果であると断定することが困難であり、結果の信頼性が十分でないおそれがあった。

[0019] すなわち、例えば干渉を利用して参照光と試験光との間に位相の変化が検出された場合に、その位相差の変化が被測定空間で生じた温度変化を反映したものである力または光ファイバに生じた他の因子に起因するものであるかを判別することが極めて困難であった。

[0020] 特に、本願発明者らは、内燃機関の燃焼室内の温度を計測したいと考えていたが、内燃機関では駆動にともなって振動するとともに発熱し、この振動や発熱の影響が温度変動の計測結果にどの程度影響を与えている力の判断が困難であり、実用に耐える温度センサが存在して、なかった。

[0021] 本発明者らは、このような現状に鑑み、内燃機関の燃焼室内の温度を精度よく計測可能な温度センサを開発すべく研究を行って、本発明を成すに至ったものである。課題を解決するための手段

[0022] 本発明の温度センサでは、レーザ光を照射する光源部と、この光源部から照射されたレーザ光を試験光と参照光に分離する分離部と、試験光の光路を温度が計測される被計測空間を横断させて配置する受感部と、被計測空間を横断した試験光と参照光とを干渉させて干渉状態の変動を検出することにより温度の変化を検出する検出部とを備えた温度センサにおいて、受感部は試験光の光路と平行とした筒状のケーシングの先端に設け、このケーシングの基端に分離部を設けた。

[0023] また、本発明の温度センサでは、ケーシングは、試験光を通過させる透明部材と、参照光を反射する反射体とを装着した先端壁を先端部分に備え、透明部材を通過した試験光を受感部に到達させて、この受感部に設けた反射体によって反射さていることにも特徴を有するものである。

[0024] また、本発明の温度センサでは、ケーシングは、試験光と参照光を通過させる透明部材を先端部分に備え、この透明部材を通過した試験光と参照光を受感部に到達させて、この受感部に設けた反射体によって反射させるとともに、受感部における被計測空間を横断する試験光の横断距離と、被計測空間を横断する参照光の横断距離のいずれか一方を、他方の横断距離よりも短くしたことにも特徴を有し、透明部材は、反射体側の面に段差を設けて、試験光及び参照光の被計測空間の横断距離を調整したことにも特徴を有するものである。

[0025] また、本発明の温度センサでは、ケーシングは、試験光の照射方向を変更する第 1 の反射体と、この第 1の反射体で照射方向が変更された試験光の照射方向を分離部に向ける第 2の透明体を先端部分に備え、第 1の反射体と第 2の反射体との間に被計測空間を設けて、参照光を第 2の反射体に反射させて被計測空間を横断させた後に第 1の反射体に反射させるとともに、被計測空間を横断する試験光の横断距離と、被計測空間を横断する参照光の横断距離のいずれか一方を、他方の横断距離よりも短くしたことにも特徴を有し、第 1の反射体は、試験光及び参照光が通過可能な透明材料製の第 1支持体に配設し、第 2の反射体は、試験光及び参照光が通過可能な透明材料製の第 2支持体に配設し、第 1支持体と第 2支持体の間を被計測空間として、この被計測空間に面する第 1支持体と第 2支持体の少なくともいずれか一方の表面に段差を設けて、試験光及び参照光の被計測空間の横断距離を調整したことにも特徴を有するものである。

発明の効果

[0026] 本発明によれば、筒状のケーシングの先端に受感部を設けるとともに、このケーシングの基端に分離部を設けたことによって、受感部と分離部とをケーシングを介してほぼ同一の振動状態とすることができ、振動の影響を抑制できる。

[0027] し力も、試験光及び参照光は、それぞれの光路を短くできるので、受感部以外の変動要因が計測結果に介入するおそれを解消でき、より精度の高い温度変動の検出を可能とすることができる。

図面の簡単な説明

[0028] [図 1]本発明の第 1実施形態に係る温度センサの概略模式図である。

[図 2]本発明の第 1実施形態に係る温度センサの変形例の概略模式図である。

[図 3]流体を水とした場合における温度境界層に起因して生じる温度誤差の解析結果を示すグラフである。

[図 4]流体を高温 ·高速の気体とした場合における温度境界層に起因して生じる温度誤差の解析結果を示すグラフである。

[図 5]流体を温度： 900K、圧力： 4.0MPa、流速： 10m/sの空気として、被計測空間の横断距離を変化させた場合における温度境界層に起因して生じる温度誤差の解析結果を示すグラフである。

[図 6]本発明の第 2実施形態に係る温度センサの要部説明図である。

[図 7]本発明の第 2実施形態に係る温度センサで加温中の水の温度を計測して得られた温度変化グラフである。

[図 8]点火プラグに装着した温度センサの説明図である [図 9]従来の温度センサの概略模式図である。

符号の説明

A1 温度センサ

L1 試験光

し 2 参照光

T 被計測空間

Ml 試験光反射体

M2 参照光反射体

10 光源部

11 ハーフミラー

12 第 1受光素子

13 1Z2波長板

14 第 1干渉フィルタ

20 第 1光ファイバ

30 センサ部

31 分離部

31a 第 1ミラー

31b ビームスプリッタ

31c 第 2ミラー

32 受感部

32a 筒状壁体

32b 支持板

33 ケーシング

33a 空洞部

33b 通過口

33c 先端壁 33d 収容凹部

34 カラー

35 石英ガラス

36a 第 1弾性材

36b 第 2弾性材

36c 第 3弾性材

37 金属板

38 1Z4波長板

50 検出部

51 第 2受光素子

52 第 2干渉フィルタ

発明を実施するための最良の形態

[0030] 本発明の温度センサは、レーザ光を照射する光源部から照射されたレーザ光を分離部で試験光と参照光とに分離し、温度が計測される被計測空間を横断させて試験光の光路を配置させた受感部を設け、試験光と参照光とを干渉させて干渉縞を生成し、この干渉縞の変動を検出して被計測空間の温度変動を検出して、るものである。

[0031] 特に、温度センサでは、筒状としたケーシングを設けて、このケーシングの基端に分離部を設けるとともに、このケーシングの先端に受感部を設けている。

[0032] このように、ケーシングに分離部と受感部とを設けたことによって、分離部と受感部との振動状態をほぼ同一として振動に対する性能を向上させることができる。さらに、分離部から受感部までの距離を短くすることができるので、計測結果に影響を与える可能性のある不確定因子を介在させに《することができる。

[0033] また、ケーシングの先端部分に、試験光を通過させる透明部材と、参照光を反射する反射体とを装着した先端壁を設けた場合には、参照光も反射体とともにケーシング内を通過させて、参照光の光路と試験光の光路での温度差をほぼ無視することができ、温度補正を不要とすることができるとともに、温度センサをコンパクトに構成することがでさる。

[0034] あるいは、ケーシングの先端部分に試験光と参照光を通過させる透明部材を設けて、この透明部材を通過した試験光と参照光を受感部に到達させて、この受感部に設けた反射体によって反射させるとともに、受感部における被計測空間を横断する試験光の横断距離と、被計測空間を横断する参照光の横断距離の!ヽずれか一方を、他方の横断距離よりも短くした場合には、測定誤差を生じさせる因子である温度や振動などの影響を試験光と参照光とでほぼ同一とすることができ、これらの影響を相殺させることができること〖こより計測精度を向上させることができる。

[0035] あるいは、ケーシングの先端部分に試験光の照射方向を変更する第 1の反射体と、この第 1の反射体で照射方向が変更された試験光の照射方向を分離部に向ける第 2 の透明体を先端部分に備え、第 1の反射体と第 2の反射体との間に被計測空間を設けて、参照光を第 2の反射体に反射させて被計測空間を横断させた後に第 1の反射体に反射させるとともに、被計測空間を横断する試験光の横断距離と、被計測空間を横断する参照光の横断距離のいずれか一方を、他方の横断距離よりも短くした場合にも、測定誤差を生じさせる因子である温度や振動などの影響を試験光と参照光とでほぼ同一とすることができ、これらの影響を相殺させることができることにより計測精度を向上させることができる。

[0036] 以下において、図面に基づいて本発明の実施形態を詳説する。図 1は、第 1実施形態の温度センサ A1の概略模式図である。

[0037] 本実施形態の温度センサ A1は、所要のレーザ光を出射する光源部 10と、この光源部 10から出射されたレーザ光を案内する第 1光ファイバ 20と、この第 1光ファイバ 20を介して入射されたレーザ光を試験光 L1と参照光 L2に分離して、試験光 L1のみを温度が計測される被計測空間 Tを横断させて反射させるとともに参照光 L2を適宜反射させ、さらに反射された試験光 L1と参照光 L2とをまとめて出射するセンサ部 30と、このセンサ部 30から出射された試験光 L1と参照光 L2とを案内する第 2光ファイバ 40と、試験光 L1と参照光 L2を干渉させた際の干渉状態の変化を検出することにより温度変化を検出する検出部 50とで構成している。

[0038] 光源部 10は、出力 lmW、波長 632. 8nmのレーザ光を出射する He— Neレーザ装置を光源として用い、 He— Neレーザ装置から出射されたレーザ光を従来の技術の項で説明したように、ヘテロダイン用音響光学素子 (ブラッグセル式)で周波数を 8 0. OMHzと 79. 975MHzなどの異なる周波数の P偏光と S偏光に分離しながら周波数偏移し、これらの P偏光のレーザ光と S偏光のレーザ光を偏光ビームスプリッタ（図示せず)で 1本のビームにまとめて出射している。

[0039] 本実施形態では、このように He— Neレーザを用いている力干渉用の半導体レーザを用いて干渉の状態変動を検出してもよぐ干渉を検出可能であれば何を用いてちょい。

[0040] 光源部 10から出射されたレーザ光は、ハーフミラー 11で 2本のレーザ光に分離し、一方のレーザ光を第 1受光素子 12に入射して、この第 1受光素子 12によってレーザ光における干渉ビート信号を検出して基準信号として出力している。基準信号は検出部 50に入力している。図 1中、 13は 1Z2波長板、 14は第 1干渉フィルタである。

[0041] 図 1中、 21は第 1光ファイバ 20の一端に設けた第 1セルフオック (登録商標)マイクロレンズ (以下、単に「SML」と呼ぶ）、 22は、第 1光ファイバ 20の他端に設けた第 2SM Lである。本実施形態では、第 1光ファイバ 20には、偏波面保存型光ファイバを用いている。

[0042] 第 2光ファイバ 40も偏波面保存型光ファイバであって、第 2光ファイバ 40の両端にはそれぞれ第 3SML41と第 4SML42を接続し、第 2光ファイバ 40で試験光 L1及び参照光 L2を検出部 50に案内している。なお、第 2光ファイバ 40は比較的径の大きいプラスチックファイバであってもよぐその場合には、第 3SML41及び第 4SML42を不要とすることができる。

[0043] 検出部 50では、第 1受光素子 12で検出した基準信号と、第 2受光素子 51で検出した試験信号とから、従来の温度センサと同様に温度変化の検出を行っている。

[0044] 本発明の要部であるセンサ部 30は、第 1光ファイバ 20を介して入射されたレーザ光を試験光 L1と参照光 L2に分離する分離部 31を一端に備えるとともに、この分離部 31 で分離された試験光 L1を温度が計測される被計測空間 Tを横断させて反射させる受感部 32を他端に備えた筒状のケーシング 33で構成している。

[0045] 分離部 31は、本実施形態では、第 1光ファイバ 20を介して入射されたレーザ光の照射方向を 90度屈曲させる第 1ミラー 31aと、この第 1ミラー 31aで屈曲されたレーザ光中の S偏光は 90度屈曲させるとともに P偏光は透過させて試験光 L1と参照光 L2に分離するビームスプリッタ 31bと、このビームスプリッタ 31bを透過した P偏光のレーザ光の照射方向を 90度屈曲させる第 2ミラー 31cとで構成して、る。

[0046] 特に、本実施形態では、第 1ミラー 31aと、ビームスプリッタ 31bと、第 2ミラー 31cは、それぞれ同一の外形寸法を有する立方体形状としている。このように、第 1ミラー 31a と、ビームスプリッタ 31bと、第 2ミラー 31cをそれぞれ同一寸法の立方形状とすることにより、分離部 31部分の組み立て作業を容易とすることができる。可能であれば、第 1ミラー 31aと、ビームスプリッタ 31bと、第 2ミラー 31を一体的に形成したビームスプリッタとしてちよい。

[0047] ケーシング 33には、ビームスプリッタ 31bで分離された試験光 L1の光路と平行な中空の長手状の空洞部 33aを設けている。ケーシング 33は円筒形状に限定されるものではなぐ角筒形状であってもよぐ同様に、ケーシング 33の内部空間である空洞部 3 3aも円柱形状に限定されるものではなぐ角柱形状であってもよ、。

[0048] ケーシング 33の先端部分には、試験光 L1を通過させる通過口 33bを設けた先端壁 3 3cを設けており、この通過口 33bには、試験光 L1を通過させる透明部材である石英ガラス 35を装着して、る。石英ガラス 35の代わりにサファイアガラスを用いることもでき、あるいは、透過率の高ぐ熱膨張率が小さい透光材料を用いることもできる。

[0049] 特に、ケーシング 33の先端壁 33cには、通過口 33b部分に石英ガラス 35を収容するための収容凹部 33dを設けており、この収容凹部 33d内に石英ガラス 35を収容するとともに、この収容凹部 33dの内周面を利用して受感部 32を装着している。

[0050] すなわち、受感部 32は、収容凹部 33dに嵌着可能とした筒状壁体 32aで構成するとともに、この筒体 32aの一端に平板状の支持板 32bを設け、この支持板 32bに試験光反射体 Mlを装着して、石英ガラス 35を通過した試験光 L1を反射して、る。

[0051] なお、筒状壁体 32aには所定位置に貫通孔を設けて、筒状壁体 32aの内外で気体または液体が自由に流通可能としており、筒状壁体 32aの内側空間で構成される被計測空間 Tが筒状壁体 32aの外側空間と同一の温度状態となるようにしている。

[0052] 試験光反射体 Mlは、支持板 32bに適宜のミラーを装着して構成してもよいし、支持板 32bの表面を鏡面仕上げとすることにより試験光反射体 Mlとしてもよい。

[0053] 本実施形態では、筒状壁体 32aには雄ネジを形成するとともに、収容凹部 33dには雌ネジを形成し、筒状壁体 32aを収容凹部 33dに螺着することによりケーシング 33の先端に受感部 32を装着して、る。

[0054] さらに、石英ガラス 35には、筒状壁体 32a内に挿入される挿入凸部 35aを設けており

、石英ガラス 35の挿入凸部 35aを筒状壁体 32a内に挿入しながら筒状壁体 32aをケーシング 33に装着することによって、石英ガラス 35を安定的に装着可能としている。図 1 中、 36aは Oリング状の第 1弾性材、 36bは Oリング状の第 2弹性材である。

[0055] 本実施形態では、ビームスプリッタ 31bで分離された参照光 L2は、第 2ミラー 31で 90 度屈曲させて、試験光 L1と平行にケーシング 33の空洞部 33aを通過させている。

[0056] このように、参照光 L2の光路を、試験光 L1の光路に近接させて配置することにより、参照光 L2の光路と試験光 L1の光路との温度差をほぼ無視することができ、温度補正を不要とすることができる。

[0057] 特に、参照光 L2は、ケーシング 33の先端壁 33cの内側面に設けた参照光反射体 M2 で反射させている。

[0058] このように、参照光 L2を先端壁 33cの内側面に設けた参照光反射体 M2で反射させることにより、参照光 L2と試験光 L1との差は受感部 32だけとすることができ、受感部 32 以外の部分における温度などの因子が計測結果に影響を与えるおそれを解消して計測精度を向上させることができる。

[0059] 本実施形態では、参照光反射体 M2は、ケーシング 33の先端壁 33cの内側面に装着した平板状の金属板 37に装着したミラーで構成しているが、金属板 37の表面を鏡面仕上げとすることにより参照光反射体 M2としてもよい。また、参照光反射体 M2は、ケーシング 33の先端壁 33cに螺着したネジ棒（図示せず)の先端に装着し、ネジ棒を進退移動させることにより参照光反射体 M2を参照光 L2の光軸に沿って進退移動させてもよい。

[0060] 図 1中、 34は金属板 37をケーシング 33の先端壁 33cの内側面に固定的に装着するために設けたカラー、 36cは Oリング状の第 3弹性材である。特に、カラー 34の内周面は黒色としておくことによりレーザ光の散乱を抑制できる。なお、カラー 34を設けない場合には、ケーシング 33の内周面を黒色としておくことによりレーザ光の散乱を抑制できる。 [0061] さらに、図 1中、 38は 1Z4波長板であって、ビームスプリッタ 31bで分離された S偏光の試験光 L1は、 1Z4波長板 38を通過して円偏光となってケーシング 33の空洞部 33a 、及び石英ガラス 35を通過して受感部 32に達し、被計測空間 Tを横断して試験光反射体 Mlで反射されて被計測空間 Tを再度横断し、石英ガラス 35、及びケーシング 33 の空洞部 33aを通過して 1Z4波長板 38を通過して P偏光となり、ビームスプリッタ 31b を通過して第 2光ファイバ 40に入射される。

[0062] 一方、ビームスプリッタ 31bで分離された P偏光の参照光 L2は、第 2ミラー 31cで屈曲された後に 1Z4波長板 38を通過して円偏光となってケーシング 33の空洞部 33aを通過し、ケーシング 33の先端壁 33cの内側面に設けた参照光反射体 M2で反射されてケ一シング 33の空洞部 33aを再度通過して 1Z4波長板 38を通過することにより S偏光となり、第 2ミラー 31cで屈曲された後にビームスプリッタ 31bで屈曲され、第 2光ファイバ 40に入射される。

[0063] このように温度センサ A1では、ケーシング 33の先端に受感部 32を設けるとともに、ケ一シング 33の基端に分離部 31を設けたことによって、受感部 32と分離部 31での振動状態をほぼ同一とすることができ、振動による影響を受けに《することができる。

[0064] し力も、試験光 L1の光路を比較的短くすることができるので、受感部 32以外の試験光 L1の変動要因が介入するおそれを解消でき、より精度の高い温度変動の検出を可能とすることができる。

[0065] 前述した実施形態では、説明の便宜上、ケーシング 33は、第 1光ファイバ 20及び第 2光ファイバ 40が接続された基端力先端壁 33cまで一体的としているように説明した力実際には、ケーシング 33は、先端壁 33c及び空洞部 33aからなる筒状基体と、 1/ 4波長板 38が装着される 1Z4波長板支持基体と、第 1ミラー 31a、ビームスプリッタ 31b 、第 2ミラー 31が装着される分離部支持基体と、第 1光ファイバ 20及び第 2光ファイバ 4 0が接続される光ファイバ接続基体の 4つで構成しており、それぞれ固定用のネジを介して着脱自在に結合して、る。

[0066] なお、ビームスプリッタ 31bを数 mmサイズ程度までに小型化できた場合には、一体構造のケーシング 33を用いることもできる。

[0067] また、本実施形態では、光源部 10及び検出部 50をセンサ部 30とは別体に構成しているが、光源部 10及び検出部 50もケーシング 33の基端側に一体的に装着して小型ィ匕することちでさる。

[0068] 他の実施形態として、図 2に示すように、受感部 32 'を以下のように構成することもできる。なお、以下において、前述した温度センサ A1の構成物と同一の構成物には同一符号を用い、重複する説明は省略し、前述した温度センサ A1と異なっている受感部 32 'について詳説する。

[0069] すなわち、ケーシング 33'の先端部分には、試験光 L1'及び参照光 L2'を通過させる通過口 33b'を設けており、この通過口 33b'には、試験光 L1'及び参照光 L2'を通過させる透明材料である石英ガラス 35'を装着して、る。

[0070] ケーシング 33'の先端部分には、通過口 33b'部分に石英ガラス 35'を収容するための収容凹部 33d'を形成しており、この収容凹部 33d'内に石英ガラス 35'を収容するとともに、この収容凹部 33d'の内周面を利用して受感部 32'を装着して、る。

[0071] 受感部 32'は、収容凹部 33d'に嵌着可能とした筒状壁体 32aで構成するとともに、この筒体 32aの一端に平板状の支持板 32b'を設け、この支持板 32b'に反射体 M'を装着して、石英ガラス 35'を通過した試験光 L1'及び参照光 L2'を反射している。

[0072] なお、筒状壁体 32aには所定位置に貫通孔を設けて、筒状壁体 32a'の内外で気体または液体が自由に流通可能としており、筒状壁体 32aの内側空間で構成される被計測空間 T'が筒状壁体 32aの外側空間と同一の温度状態となるようにしている。

[0073] 反射体 M'は、支持板 32b'に適宜のミラーを装着して構成してもよ!/、し、支持板 32b' の表面を鏡面仕上げとすることにより反射体 M'としてもよい。

[0074] 本実施形態でも、筒状壁体 32a'には雄ネジを形成するとともに、収容凹部 33d'には雌ネジを形成して、筒状壁体 32aを収容凹部 33d'に螺着することにより受感部 32'をケーシング 33'の先端に装着可能としている。さらに、石英ガラス 35'には、筒状壁体 3 2a内に挿入される挿入凸部 35aを設けており、石英ガラス 35'の挿入凸部 35aを筒状壁体 32a'内に挿入しながら筒状壁体 32a'をケーシング 33'に装着することによって、石英ガラス 35'を安定的に装着することができるようにしている。図 1中、 36a'は Oリング状の第 1弾性材、 36b'は Oリング状の第 2弾性材である。

[0075] 本実施形態でも、ビームスプリッタ 31bで分離された参照光 L2'は、第 2ミラー 31で 90 度屈曲させて、試験光 L1'と平行にケーシング 33'の空洞部 33a'を通過させている。

[0076] このように、参照光 L2'の光路を、試験光 L1'の光路に近接させて配置することにより

、参照光 L2'の光路と試験光 L1'の光路との温度差をほぼ無視することができ、温度補正を不要とすることができる。

[0077] 特に、参照光 L2'は、ケーシング 33'の先端に設けた石英ガラス 35'を透過して受感部 32'に達し、受感部 32'の支持板 32b'に設けた反射体 M'に反射させている。

[0078] したがって、試験光 L1'だけでなく参照光 L2'も被計測空間 T'を横断することとなり、参照光 L2'の光路と試験光 L1'の光路との温度差をさらに小さくすることができるとともに、石英ガラス 35'の表面、及び反射体 M'の表面における温度境界層の影響を試験光 L1'と参照光 L2'とでキャンセルさせることができるので、温度の測定精度を向上させることができる。

[0079] ここで、温度境界層とは、壁面に沿って流体が移動する際に、壁面と流体とで温度差がある場合に壁面に沿って生じる層であり、この温度境界層を横断させた試験光で流体の温度を測定すると、測定結果は、温度境界層の分だけ誤差を生じることとなつている。

[0080] 具体的には、被計測空間の横断距離を 2mm、 4mm、 6mm、 8mm、 10mmとして、温度センサで、流速 0.13m/sの水の温度を測定した場合における計算上の温度誤差の割合は、図 3に示すようになる。なお、試験光は、反射体で反射されることにより、ケーシングの先端部分に設けた石英ガラス力反射体間での距離は、被計測空間の横断距離の半分である。

[0081] 図 3に示すように、被計測空間の横断距離を長くすればするほど温度境界層の影響を小さくすることができる一方で、被計測空間の横断距離が短い場合には、温度境界層の影響が大きいことがわ力る。

[0082] さらに、本発明者らが適用しょうとしている内燃機関の燃焼部内の温度を計測するような場合、すなわち、例えば流速 lOm/sの高温の空気の温度を測定する場合における計算上の温度誤差の割合は、被計測空間の横断距離を 2mm、 4mm, 6mm, 8mm 、 10mmとした場合に、それぞれ図 4に示すようになる。

[0083] すなわち、被検体である流体の温度が極めて高くかつ高速で移動し、温度センサの温度が低い場合には、温度境界層の厚みが大きくなることによって温度境界層の影響が無視できないことが明らかである。特に、例えば被計測空間の横断距離を 6m mとした場合には、 2000K程度の温度で 10%以上の誤差があることとなっており、高温の高速で移動する流体の温度を測定する場合には、温度境界層を考慮した温度センサを用いる必要があり、図 2に示すように試験光 L1'とともに参照光 L2'も被計測空間 T'を横断させて、温度境界層の影響をキャンセルすることが望ましい。

[0084] なお、実際の内燃機関の燃焼部内は、燃焼時に数 MPa程度の高圧力状態となっており、この圧力を考慮した場合、温度境界層の影響が緩和されることが確認された。

[0085] すなわち、被検体である空気の温度を 900K、圧力を 4.0MPa、流速を 10m/sとして、被計測空間の横断距離を変えながら計算上の温度誤差の割合を算出した結果を図 5に示す。図 5に示すように、被検体が高圧となっていれば被計測空間の横断距離が 10mm程度であっても誤差を 1%以下とすることができ、測定に与える影響が緩和されていることがわ力る。

[0086] 受感部 32'では、参照光 L2'の被計測空間 T'の横断距離を、試験光 L1'の被計測空間 T'の横断距離を短くするために、参照光 L2'の光路上に位置する石英ガラス 35'の反射体 M'側の面を膨出させて段差 39を設けて、る。

[0087] このように、石英ガラス 35'には所要の位置に段差 39を設けることによって、試験光 L 1'または参照光 L2'の被計測空間 T'の横断距離を調整できる。なお、段差 39は、石英ガラス 35'の加工時に形成してもよ、し、段差のな!、平坦面とした石英ガラス 35'の所定位置に、所要の大きさとした平板状の石英ガラスなどの透明部材を貼付けて段差としてもよく、被計測空間 T'の横断距離を短くできればよい。また、段差 39は、参照光 L2'の光路上に設けるのではなぐ試験光 L1'の光路上に設けてもよぐ試験光 L1'と参照光 L2'とで被計測空間 T'の横断距離が異なっていればよい。

[0088] 本実施形態のケーシング 33'は、内周面を黒色として前述したカラー 34を未装着としている。

[0089] このように受感部 32'を構成した場合には、ビームスプリッタ 31bで分離された S偏光の試験光 L1'は、前述した場合と同様に、 1Z4波長板 38を通過して円偏光となってケーシング 33'の空洞部 33a'、及び石英ガラス 35'を通過して受感部 32'に達し、被計測空間 T'を横断して反射体 M'で反射されて被計測空間 T'を再度横断し、石英ガラス 35'、及びケーシング 33'の空洞部 33a'を通過して 1Z4波長板 38を通過して Ρ偏光となり、ビームスプリッタ 31bを通過して第 2光ファイバ 40に入射される。

[0090] 一方、ビームスプリッタ 31bで分離された P偏光の参照光 L2'は、第 2ミラー 31cで屈曲された後に 1Z4波長板 38を通過して円偏光となってケーシング 33'の空洞部 33a'、及び石英ガラス 35'、さらに補助投光材料 39を通過して受感部 32'に達し、被計測空間 T'を横断して反射体 M'で反射されて被計測空間 T'を再度横断し、補助投光材料 3 9、石英ガラス 35'、及びケーシング 33'の空洞部 33a'を通過して 1Z4波長板 38を通過することにより S偏光となり、第 2ミラー 31cで屈曲された後にビームスプリッタ 31bで屈曲され、第 2光ファイバ 40に入射される。

[0091] このように温度センサ A1'では、ケーシング 33'の先端に受感部 32'を設けるとともに、ケーシング 33'の基端に分離部 31を設けたことによって、受感部 32'と分離部 31での振動状態をほぼ同一とすることができ、振動による影響を受けに《することができる。

[0092] し力も、試験光 L1'の光路を比較的短くすることができるので、受感部 32'以外の試験光 L1'の変動要因が介入するおそれを解消でき、より精度の高い温度変動の検出を可能とすることができる。

[0093] 次に、第 2実施形態の温度センサ A2について説明する。図 6は、第 2実施形態の温度センサ A2の概略模式図である。

[0094] 本実施形態の温度センサ A2は、所要のレーザ光を出射する光源部 60と、この光源部 60から出射されたレーザ光を案内する光ファイバ 70と、この光ファイバ 70を介して入射されたレーザ光を試験光 L1"と参照光 L2"に分離して、それぞれ被計測空間 T〃を横断させた後に 1本に合成して出射するセンサ部 80と、センサ部 80から出力された信号を解析して温度変化を検出する解析部 90とで構成している。

[0095] 光源部 60は、出力 10mmW、波長 632. 8nmのレーザ光を出射する He— Neレーザ装置を光源として用いている。なお、光源としては He— Neレーザ装置だけでなく、干渉を検出可能であれば何を用いてもよい。

[0096] 光ファイバ 70の一方の端部には第 5SML71を設け、光源部 60から出射されたレーザ光を第 5SML71から光ファイバ 70に入射し、光ファイバ 70の他端に装着した第 6S ML72から出射している。本実施形態では、光ファイバ 70には、偏波面保存型光ファィバを用いている。

[0097] 第 6SML72はセンサ部 80の基端に装着して、センサ部 80にレーザ光を入射している。

[0098] センサ部 80は、第 6SML72から出射されたレーザ光を試験光 L1"と参照光 L2"に分離する分離部となる第 1ビームスプリッタ部 81と、この第 1ビームスプリッタ部 81で分離された試験光 L1"と参照光 L2"を被計測空間 ΤΊこ導くとともに被計測空間 T"を横断させる受感部 83と、被計測空間 T"を通過した試験光 L1"と参照光 L2"とを干渉させて干渉光を生成する第 2ビームスプリッタ部 82と、この第 2ビームスプリッタ部 82から出射された干渉光が照射されるフォトダイオード 84と、これらが所定位置に配置されたケーシング 85とで構成して!/、る。

[0099] 受感部 83は、第 1ビームスプリッタ部 81から出射された試験光 L1"及び参照光 L2"の照射方向と平行とした筒状のケーシング 85の先端に設け、このケーシング 85の基端側に分離部である第 1ビームスプリッタ部 81を設けている。

[0100] 解析部 90には、センサ部 80のフォトダイオード 84から出力された信号が入力され、解析部 90はこの信号に基づ、て温度変動を検出して、る。

[0101] 第 1ビームスプリッタ部 81では、入射されたレーザ光を試験光 L1"と参照光 L2"に分離して、本実施形態では参照光 L2"はそのまま直進させて出射するとともに、試験光 L1"は参照光 L2"に対して 90° の角度をなす方向に出射するビームスプリッタ 81aと、このビームスプリッタ 81aから出射された試験光 L1"を参照光 L2"の出射方向と平行な方向に出射するミラー 81bとで構成して、る。

[0102] したがって、試験光 L1"と参照光 L2"とは互いに平行な光線となっており、受感部 83 では平行状態を維持したまま試験光 L1"と参照光 L2"とを案内して第 2ビームスプリツタ部 82に向けて出射して!/、る。

[0103] 第 2ビームスプリッタ部 82も、第 1ビームスプリッタ部 81と同様に、ビームスプリッタ 82a とミラー 82bとで構成し、ビームスプリッタ 82aでは試験光 L1"と参照光 L2"とを干渉させて干渉光を生成して出射している。ミラー 82bは試験光 L1"をビームスプリッタ 82aに向けて反射しており、ミラー 82bで反射された試験光 L1"をビームスプリッタ 82aに入射させて、ビームスプリッタ 82aに直接入射された参照光 L2"と干渉させて、る。

[0104] 受感部 82は、石英ガラスで一体的に構成しており、温度センサ A2のケーシング 85 の先端部に装着するための装着用台座部 83aと、この装着用台座部 83aに第 1ビームスプリッタ部 81から入射された試験光 L1〃及び参照光 L2〃の進行方向と平行に立設した長手状の支柱部 83bと、この支柱部 83bの先端に支柱部 83bの長手方向に沿って互いに平行に立設した第 1支持体 83cと第 2支持体 83dとを備えている。

[0105] 本実施形態では装着用台座部 83aは矩形体状としているが、装着用台座部 83aは矩形体に限定するものではなぐ支柱部 83bを安定的に支持可能であればどのような形状であってもよい。

[0106] 支柱部 83bは試験光 L1"及び参照光 L2"の光路上に配置して、試験光 L1"及び参照光 L2"が支柱部 83b内を通過するようにして、る。

[0107] 第 1支持体 83cと第 2支持体 83dは、所定間隔を隔てて互いに平行に配置し、第 1支持体 83cと第 2支持体 83dとの間の空間を被計測空間 T"としている。

[0108] 第 1支持体 83cには、第 1ビームスプリッタ部 81から出射されて装着用台座部 83aと支柱部 83bとを通過した試験光 L1"及び参照光 L2"が入射され、先端部分に設けた第 1鏡面 mlで試験光 L1"及び参照光 L2"を反射させて第 2支持体 83dに向けて出射している。第 1鏡面 mlが、試験光 L1"及び参照光 L2"の照射方向を第 2支持体 83dに向ける反射体である。

[0109] 第 2支持体 83dの先端部分には、第 1支持体 83cから入射された試験光 L1"及び参照光 L2〃を反射する第 2鏡面 m2を設け、この第 2鏡面 m2で反射された試験光 Ll〃及び参照光 L2"を分離部である第 2ビームスプリッタ部 82に向けて出射している。第 2鏡面 m2が、試験光 L1"及び参照光 L2"の照射方向を第 2ビームスプリッタ部 82に向ける反射体であり、第 2鏡面 m2で反射された試験光 L1"及び参照光 L2 "は、第 2支持体 83 dと、支柱部 83bと、装着用台座部 83aを通過して第 2ビームスプリッタ部 82に入射している。

[0110] すなわち、試験光 L1"及び参照光 L2"は第 1支持体 83cの第 1鏡面 mlで反射されて被計測空間 T"を横断し、第 2支持体 83dの第 2鏡面 m2で反射されて、受感部 83内を第 2ビームスプリッタ部 82に向けて進むこととなる。 [0111] 特に、第 1支持体 83c及び第 2支持体 83dでは、被計測空間 ΤΊこ面した側面の参照光 L2"の通過領域を被計測空間 Τ"側に膨出させて段差 83eを形成し、被計測空間 Τ" を横断する参照光 L2〃の横断距離を、被計測空間 T〃を横断する試験光 L1〃の横断距離よりも短くしている。

[0112] 本実施形態では、段差 83eは、平板状とした石英ガラス板を第 1支持体 83c及び第 2 支持体 83dの被計測空間 ΤΊこ面した側面に貼着して形成している。具体的には、被計測空間 T〃を横断する試験光 L1〃の横断距離を 5mmとし、段差 83eを構成する石英ガラス板の板厚を lmmとして、被計測空間 T〃を横断する参照光 L2〃の横断距離を 3 mmとしてヽる。被計測空間 T〃を横断する試験光 L1〃の横断距離及び参照光 L2〃の横断距離は、この値に限定するものではなぐ計測対象に合わせて適宜の寸法としてよい。あるいは、試験光 L1"の横断距離の方を、参照光 L2"の横断距離よりも短くしてもよい。

[0113] また、段差 83eは、第 1支持体 83cと第 2支持体 83dの両方に設けるだけでなぐ第 1 支持体 83cと第 2支持体 83dのいずれか一方だけに設けてもよい。段差 83eは、石英ガラス板の厚み寸法を調整することにより、被計測空間 T"を横断する参照光 L2"の光路長を調整できる。本実施形態では、第 1支持体 83c及び第 2支持体 83dの所定位置に石英ガラス板を貼着して段差 83eを形成して、るが、段差 83eを第 1支持体 83c及び第 2支持体 83dとあら力じめ一体的に形成してもよい。

[0114] このように、試験光 L1"だけでなく参照光 L2"も被計測空間 T"を横断させるように、参照光 L2"を試験光 L1"と平行に照射したことによって、試験光 L1"における温度境界層の影響をキャンセルさせることができるので、温度の測定精度を向上させることができる。

[0115] フォトダイオード 84は、第 2ビームスプリッタ部 82から出射された試験光 L1"と参照光 L2"との干渉光が照射され、この干渉光の強度を電気信号に変換して出力している。

[0116] 本実施形態の温度センサ A2では、被計測空間 ΤΊこおいて温度の変動が生じると、試験光 L1"と参照光 L2"の横断距離の差に相当する領域で生じた計測対象の屈折率の変動によって試験光 L1"と参照光 L2"とで位相差が変動し、この位相差の変動によって試験光 L1"と参照光 L2"とを干渉させた干渉光の強度が変動することとなる。 [0117] フォトダイオード 84では、第 2ビームスプリッタ部 82から出射された干渉光の強度変動を検出し、この強度変動に応じた電気信号を出力している。

[0118] 解析部 90では、フォトダイオード 84から出力された電気信号を解析することにより温度変化の有無及びその程度を検出して、る。

[0119] 図 7は、水を加温しながら水温を熱電対で計測した場合と、第 2実施形態の温度センサ A2で計測した場合の温度変化グラフであり、第 2実施形態の温度センサ A2が温度計測の基準となる温度を特定できれば、熱電対と同程度に温度を計測できることがわカゝる。

[0120] 図 6では、説明の便宜上、ケーシング 85を長手状として、第 1ビームスプリッタ部 81 及び第 2ビームスプリッタ部 82を受感部 83から離隔させて配置するとともに、第 6SM L72を第 1ビームスプリッタ部 81力も離隔させて配置し、さらにフォトダイオード 84を第 2ビームスプリッタ部 82から離隔させて配置している力第 1ビームスプリッタ部 81及び第 2ビームスプリッタ部 82は、受感部 83にできるだけ近接させて配置し、第 6SML72 は第 1ビームスプリッタ部 81に近接させて配置し、フォトダイオード 84は第 2ビームスプリツタ部 82に近接させて配置することにより、振動の影響を受けにくくすることができる

[0121] 前述した温度センサ A1,A1',A2は、図 8に示すように、点火プラグと一体的に構成することにより、内燃機関の燃焼室内温度を極めて容易に測定することができる。

[0122] すなわち、図 8に示す温度センサ A付き点火プラグ Pでは、高電圧電流の通電によつて火花放電を生じる電極 piを先端に備えており、基端側には通電配線 p2に接続するためのソケット p3を着脱自在に装着して、る。

[0123] さらに、点火プラグ Pには、シリンダヘッド（図示せず）に設けられている点火プラグ P の装着部に螺着する螺着部 p4を備えている。

[0124] この螺着部 p4には、温度センサ Aが挿入される挿入孔（図示せず)を設けてお入り、この挿入孔に温度センサ Aを挿入してケーシング a33を介して螺着部 p4に固定装着している。図 5中、 bはケーシング a33を介して温度センサ Aを螺着部 p4に固定装着するために用いている固定用ナットである。また、図 8中、 a20は温度センサ Aに接続した第 1光ファイノく、 a40は温度センサ Aに接続した第 2光ファイバである。 [0125] 螺着部 p4に一体的に装着した温度センサ Aは、受感部 a32を点火プラグ Pの電極 pi に近接させて配置している。したがって、温度センサ Aは、点火プラグ Pの電極 pi近傍の温度変化を高精度で計測することができる。

[0126] 特に、温度センサ Aは、固定用ナット bによって装着位置を温度センサ Aの長手方向に適宜に進退させて調整することにより、点火プラグ Pによる点火の妨げとなることなぐ適正に内燃機関の燃焼室内の温度変化を測定可能な位置に温度センサ Aの受感部 a32を位置させることができる。

産業上の利用可能性

[0127] 本発明の温度センサは、振動に対して耐性を有しており、内燃機関の燃焼室内の温度などのように、振動している物体中の温度変化を極めて精度よく測定できる。

Claims

請求の範囲

[1] レーザ光を照射する光源部と、

この光源部から照射されたレーザ光を試験光と参照光に分離する分離部と、前記試験光の光路を温度が計測される被計測空間を横断させて配置する受感部と前記被計測空間を横断した試験光と前記参照光とを干渉させて干渉状態の変動を検出することにより温度の変化を検出する検出部と

を備えた温度センサにおいて、

前記受感部は前記試験光の光路と平行とした筒状のケーシングの先端に設け、このケーシングの基端に前記分離部を設けたことを特徴とする温度センサ。

[2] 前記ケーシングは、前記試験光を通過させる透明部材と、前記参照光を反射する反射体とを装着した先端壁を先端部分に備え、

前記透明部材を通過した前記試験光を前記受感部に到達させて、この受感部に設けた反射体によって反射さていることを特徴とする請求項 1記載の温度センサ。

[3] 前記ケーシングは、前記試験光と前記参照光を通過させる透明部材を先端部分に備え、この透明部材を通過した前記試験光と前記参照光を前記受感部に到達させて、この受感部に設けた反射体によって反射させるとともに、

前記受感部における前記被計測空間を横断する前記試験光の横断距離と、前記被計測空間を横断する前記参照光の横断距離の!/ヽずれか一方を、他方の横断距離よりも短くしたことを特徴とする請求項 1記載の温度センサ。

[4] 前記透明部材は、前記反射体側の面に段差を設けて、前記試験光及び前記参照光の前記被計測空間の横断距離を調整したことを特徴とする請求項 3記載の温度センサ。

[5] 前記ケーシングは、前記試験光の照射方向を変更する第 1の反射体と、この第 1の反射体で照射方向が変更された前記試験光の照射方向を前記分離部に向ける第 2 の透明体を先端部分に備え、

前記第 1の反射体と前記第 2の反射体との間に前記被計測空間を設けて、前記参照光を前記第 2の反射体に反射させて前記被計測空間を横断させた後に前記第 1 の反射体に反射させるとともに、

前記被計測空間を横断する前記試験光の横断距離と、前記被計測空間を横断する前記参照光の横断距離のいずれか一方を、他方の横断距離よりも短くしたことを特徴とする請求項 1記載の温度センサ。

前記第 1の反射体は、前記試験光及び前記参照光が通過可能な透明材料製の第 1支持体に配設し、

前記第 2の反射体は、前記試験光及び前記参照光が通過可能な透明材料製の第 2支持体に配設し、

前記第 1支持体と前記第 2支持体の間を前記被計測空間として、この被計測空間に面する前記第 1支持体と前記第 2支持体の少なくともいずれか一方の表面に段差を設けて、前記試験光及び前記参照光の前記被計測空間の横断距離を調整したことを特徴とする請求項 5記載の温度センサ。