(57)【特許請求の範囲】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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）  ＢＡＣＫＳＣＡＴＴＥＲ  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ＳＮＲ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  Ｄｏｐｐｌｅｒ  Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ；  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１０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１１ａ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５ａ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３ｂ，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１１ａ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１１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１１ａ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２０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。ＦＬＤＶ１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、ＦＬＤＶ１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Ｎｆ  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０〜３０ＭＨｚ  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−３０〜６０ｍ／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１２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Ｓ１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、ＦＬＤＶ１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Ｄａ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１６．５ｍｍ、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ｄｆ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１００  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ＳＮＲＰ．  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（１〜２０μｍ  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ｄｆ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δｆを２  〜２．５  μｍ  にする送光ビーム間隔Ｄは７．２  〜９．０ｍｍ  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０．４ｍｍ  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１８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ｆｒ  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１３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】
0003612183.tif 000002
【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ＦＬＤＶ１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ｄｆ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
【図１】
0003612183.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003612183.tif 000006
【図５】
0003612183.tif 000007
【図６】
0003612183.tif 000008
【図７】
0003612183.tif 000009
【図８】
0003612183.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0003612183.tif 000018
【図１７】
0003612183.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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