(57)【要約】【課題】ファイバーオプティックス式の圧力センサーであって、圧力測定ヘッド１を備えており、圧力測定ヘッドのケーシング２に、受圧部として圧力負荷を受けて行程運動を生ぜしめるダイヤフラム６が取り付けられており、光導波路３を備えており、光導波路の端面がダイヤフラム６のダイヤフラム内面８に向けられており、光導波路を介して、光源から放出された光が圧力測定ヘッドへ伝搬されるようになっている形式のものにおいて、公知技術の欠点を避けて、圧力測定をわずかなセンサーダイヤフラム変位で可能にする。【解決手段】ダイヤフラムのダイヤフラム内面８が反射率の高い領域と反射率の低い領域とから成るパターンを有している。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファイバーオプティックス式の圧力センサーであって、圧力測定ヘッド（１）を備えており、該圧力測定ヘッドのケーシング（２）に、受圧部として機能して圧力負荷下で行程運動を生ぜしめるダイヤフラム（６）が取り付けられており、少なくとも１つの光導波路（３）を備えており、該光導波路の端面が前記ダイヤフラム（６）のダイヤフラム内面（８）に向けられており、前記光導波路を介して、光源（１１）から放出された光（１４）が圧力測定ヘッド（１）へ伝搬されるようになっている形式のものにおいて、ダイヤフラム内面（８）が反射率の高い領域と反射率の低い領域とから成るパターンを有していることを特徴とする、ファイバーオプティックス式の圧力センサー。
【請求項２】
ダイヤフラム内面（８）が交互に反射率の高い縞と反射率の低い縞とを有している請求項１記載の圧力センサー。
【請求項３】
光導波路（３）が、ダイヤフラム内面（８）から反射された光を部分的に受光して、Ｙ字形結合器（１３）及び別の光導波路（１７）を介して検波器（１６）へ伝送するようになっている請求項１記載の圧力センサー。
【請求項４】
圧力測定ヘッド（１）内に達する別の光導波路が、ダイヤフラム内面（８）から反射された光を部分的に受光して、検波器（１６）へ伝送するようになっている請求項１記載の圧力センサー。
【請求項５】
光源（１）がレーザー若しくは発光ダイオードである請求項１記載の圧力センサー。
【請求項６】
ダイヤフラム（６）が、金属材料、半導体材料、ステンレス鋼及び窒化珪素のうちの少なくとも１つの含んでいる請求項１記載の圧力センサー。
【請求項７】
反射率の低い縞が反射率の高い縞よりも幅広くなっている請求項２記載の圧力センサー。
【請求項８】
光導波路（３，１０，１２，１７）が単一モード光ファイバである請求項１又は４記載の圧力センサー。
【請求項９】
火花点火式の内燃機関のための点火プラグにおいて、請求項１乃至８記載の圧力センサーを備えており、該圧力センサーの圧力測定ヘッド（１）が点火プラグの端部に配置されていて、ダイヤフラム（６）が直接に内燃機関のシリンダー内の圧力を受けるようになっていることを特徴とする、火花点火式の内燃機関のための点火プラグ。
【請求項１０】
内燃機関のためのインジェクターにおいて、内燃機関の燃焼室内の圧力及び／又は燃料圧力を測定するために請求項１乃至８記載のファイバーオプティックス式の圧力センサーを備えていることを特徴とする内燃機関のためのインジェクター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファイバーオプティックス式の圧力センサーであって、圧力測定ヘッド、ダイヤフラム及び光導波路を備えている形式のものに関する。
【０００２】
ファイバーオプティックス式のセンサー機構においては、全反射で光導波路内を伝送される光電磁波が情報担体として用いられる。この場合、センサーエレメント内で光学効果によって光が、検出すべき測定値、例えば圧力に関連して変調される。このようなセンサーの利点は、小さい寸法、高い分解能、電磁線に対する高い安定性、零電位、並びにマルチセンサーシステムの構成の可能性にある。従ってファイバーオプティックス式のセンサー機構は、爆発のおそれのある領域、強い電磁線を受ける領域、並びに医学分野内での使用に適している。
【０００３】
【従来の技術】
公知のファイバーオプティックス式の圧力センサーは、ファブリー・ペロ圧力測定センサーの名称で知られている。センサーエレメントとして、圧力を感知するダイヤフラムを備えた微細間隙機構が用いられている。共振器間隙が部分反射の２つの鏡によって規定されている。外側の鏡がダイヤフラムとして形成されている。干渉光の観察に関連して間隙が、光を部分的に反射する品質の低いファブリー・ペロ共振器を形成している。干渉スペクトルが周期的に変調される。干渉最大及び干渉最小のスペクトル位置若しくは周期間隔が、間隙幅若しくはダイヤフラムたわみに関連している。このような測定原理に基づくファイバーオプティックス式の圧力センサーが、ドイツ連邦共和国特許出願公開第Ａ１　４０１８９９８号明細書により公知である。干渉パターンの変化は、スペクトル測定装置及び評価装置によって著しい費用をかけて検出されて、評価されねばならない。
【０００４】
さらに別の公知のファイバーオプティックス式の圧力センサーは圧力測定ヘッドを有しており、圧力測定ヘッドが、受圧部として機能して圧力負荷下で行程運動を生ぜしめるダイヤフラムを備えており、ダイヤフラムが高反射するように磨かれたダイヤフラム内面を有している。圧力負荷に際して、ダイヤフラムが圧力測定ヘッドの内部に向けて湾曲して、これによって光導波路からダイヤフラムへ向けて放射された光ビームの入射角が変化させられる。入射角のこのようは変化によって、反射角の変化が生じて、ひいては光導波路内へ反射された光量の減少が生じる。光導波路から放射された光強度とダイヤフラムによって光導波路内へ反射された光強度との割合が、ダイヤフラムに作用する圧力の尺度である。圧力決定が、光導波路内へ反射された光強度の測定によって行われる。このようなファイバーオプティックス式の圧力センサーが米国特許第６１３１４６５号明細書により公知であり、点火プラグ内に組み込まれている。該ファイバーオプティックス式の圧力センサーにおいてはしかしながら欠点として、光強度変化によって圧力を検出するために大きなセンサーダイヤフラム行程が必要である。
【０００５】
【特許文献１】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第Ａ１　４０１８９９８号明細書
【特許文献２】
米国特許第６１３１４６５号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ファイバーオプティックス式の圧力センサーの公知技術における前述の欠点を避けることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明では、圧力測定ヘッド及び少なくとも１つの光導波路を備えるファイバーオプティックス式の圧力センサーであって、受圧部として機能するために圧力負荷を受けて行程運動を生ぜしめるダイヤフラムが取り付けられており、前記光導波路の端面が前記ダイヤフラムのダイヤフラム内面に向けられており、前記光導波路を介して、光源から放出された光が圧力測定ヘッドへ伝搬されるようになっている形式のものにおいて、ダイヤフラム内面が反射率の高い領域と反射率の低い領域とから成るパターンを有している。
【０００８】
【発明の効果】
ファイバーオプティックス式の圧力センサーの本発明に基づく前記手段によって、公知技術の欠点が避けられ、わずかなセンサーダイヤフラム変位での圧力測定が可能である。従って特にダイヤフラムの汚れによる影響が小さい。さらに本発明に基づく圧力センサーは、前述の公知のファブリー・ペロ圧力センサーに比べて製造及び組み立て、並びにコストに関して著しい利点を有している。
【０００９】
本発明は、光の強度測定の原理に基づいている。光源から放出された光が光導波路を介して圧力測定ヘッドへ伝搬されて、ダイヤフラム内面で反射され、かつ反射された光が部分的に同一の若しくは別の光導波路によって受光されて、検波器へ伝送される。検波器が、検波器内に到達した光の強度を測定する。ダイヤフラムの変位が、検波器によって受け取られる光の強度の変化を生ぜしめる。強度の変化は、圧力測定ヘッドの構成部分の配置に応じて、圧力負荷のない状態で測定された強度に対する強度増大若しくは強度減少である。圧力決定が、検波器によって測定された強度若しくは、測定された該強度と光源によって照射された強度との比と、圧力測定ヘッドに作用する圧力との間の関連である強度・圧力特性線を用いて行われる。
【００１０】
パターン化されたダイヤフラム内面は、わずかなダイヤフラム変位で、光導波路内へ反射される光の測定可能な強度減少を生ぜしめる。本発明に基づく圧力センサーにおいてはダイヤフラムの湾曲（たわみ）が、反射率の高い領域で反射される光の入射角、ひいては反射角の変化を生ぜしめると共に、反射率の低い領域の拡大を生ぜしめる。このような両方の作用によって、光導波路に向けて反射される光の大きな強度減少が、既にダイヤフラムのわずかな湾曲で得られる。
【００１１】
反射率の低い領域は例えば、ダイヤフラム内面内の切り込み若しくは凹所であってよい。切り込み若しくは凹所を備えたダイヤフラム内面の形成のために、レーザーがダイヤフラムの研磨され若しくはコーティングされて反射率の高い表面に照射されて切り込み若しくは凹所を生ぜしめる。
【００１２】
さらに、反射率の低い領域はダイヤフラム内面の艶消しされた領域であってよい。艶消しされた領域を備えるダイヤフラム内面の形成のために、ダイヤフラムの研磨され若しくはコーティングされて反射率の高い表面が、所望の領域を化学的に若しくは機械的に艶消しされる。
【００１３】
反射率の高い領域が反射率≧０．５、有利には反射率≧０．８を有している。反射率の低い領域が反射率＜０．５、有利には反射率＜０．３を有している。
【００１４】
本発明はさらに内燃機関の、圧力センサーの組み込まれた点火プラグにも関し、圧力センサーの圧力測定ヘッドが点火プラグの端部に配置されており、ダイヤフラムが直接に、内燃機関のシリンダー内の圧力を受けるようになっている。内燃機関内の圧力の連続的な監視（検出）によって、エンジンの効率、出力及び安定性の改善が可能である。さらに、内燃機関の運転コスト及び不都合なエミッションが減少される。
【００１５】
本発明に基づくファイバーオプティックス式の圧力センサーを備えた点火プラグは、内燃機関の各シリンダーのノッキング若しくは点火エラーの監視を可能にし、従ってこのような機能エラーが検出されて排除され得る。本発明に基づくファイバーオプティックス式の圧力センサーにおいては、測定可能及び出力可能な信号を得るためにダイヤフラムのわずかな変位で十分である。従って本発明に基づくファイバーオプティックス式の圧力センサー、特に該圧力センサーのダイヤフラムは点火プラグ内への使用に必要な安定性及び頑丈さを伴って形成でき、例えば煤による汚されに対しても故障しにくい。
【００１６】
さらに本発明は、内燃機関のためのインジェクターに関し、インジェクターが内燃機関の燃焼室内の圧力及び／又は燃料圧力を測定するために本発明に基づくファイバーオプティックス式の圧力センサーを備えている。インジェクター内に組み込まれた本発明に基づくファイバーオプティックス式の圧力センサーによって直接噴射式内燃機関を監視する場合にも、火花点火式内燃機関で述べた利点が得られる。この場合、インジェクター内に２つの圧力センサーを組み込むことも考えられ、一方の圧力センサーでインジェクター内の燃料圧力を測定し、かつ他方の圧力センサーで燃焼室圧力を測定するようになっていてよい。
【００１７】
さらに、本発明に基づくファイバーオプティックス式の圧力センサーを燃焼室自体に内に組み込むことも可能である。航空機エンジンのタービン若しくはガス発電機のガスタービン内に本発明に基づくファイバーオプティックス式の圧力センサーを組み込むことも考えられる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に基づくファイバーオプティックス式の圧力センサーの実施例の圧力測定ヘッドの概略図である。
【００１９】
圧力測定ヘッド１がケーシング２を有している。光導波路３がケーシング２内に固定されており、スリーブ４が光導波路３の端部７を取り囲んでいる。中空室５が光導波路３の端部７とダイヤフラム６とを隔てている。中空室５及び光導波路の端部７に向いたダイヤフラム内面８が、本発明に基づき反射率の高い領域と反射率の低い領域から成るパターン（図示せず）を有している。光導波路３によって、光が光源（図示せず）から圧力測定ヘッド１内へ導かれる。光は光導波路３の端部７で中空室５内に放射されて、パターン化されたダイヤフラム内面８で部分的に反射される。反射された光は再び部分的に光導波路３内に入り、該光導波路を介して検波器（図示せず）へ導かれる。ダイヤフラム６はダイヤフラム外面９で測定すべき圧力を受けるようになっている。圧力増大によってダイヤフラム６が中空室５内に向かって湾曲される。静止状態で平らなダイヤフラム内面８が圧力増大に伴ってたわめられ、従って反射角が変化する。その結果、反射されて再び光導波路３内に入って検波器に到達する光の量が減少される。検波器に到達した光の強度と入射された光の強度との差異は、ダイヤフラム外面９に作用する圧力に関連している。本発明の図１の実施例では、１つの光導波路３が入力兼出力光導波路として用いられており、該光導波路を通して圧力測定ヘッド１への入射光も圧力測定ヘッド１からの反射光も伝送される。
【００２０】
図２は、ファイバーオプティックス式の圧力センサーの別の実施例の圧力測定ヘッドの概略図である。
【００２１】
図２に示す圧力測定ヘッド１の構造は、原理的には図１に示す測定ヘッドの構造に相応している。該測定ヘッドはケーシング２、ダイヤフラム６、及び隣接の中空室５を含んでいる。ダイヤフラム６は本発明に基づき、ダイヤフラム内面８に反射率の高い領域と反射率の低い領域から成るパターン（図示せず）を有している。該実施例では帽子状のダイヤフラム６を用いてあり、該ダイヤフラムがケーシング２に溶接結合されている。
【００２２】
ダイヤフラムは本発明において有利には次に述べる材料の少なくとも１つを含んでおり、即ち金属物質（例えば、特殊鋼、レマニット（Ｒ）［Ｒｅｍａｎｉｔ（Ｒ）］若しくは白金）、半導体材料（例えば、珪素）若しくは窒化珪素の少なくとも１つを含んでいる。レマニット（Ｒ）は４０のステンレス鋼（Ｔｈｙｓｓｅｎ　Ｅｄｅｌｓｔａｈｌｗｅｒｋｅ　ＡＧ，　Ｋｒｅｆｅｌｄ，　Ｄｅｕｔｓｃｈｌａｎｄ　［チィッセン・特殊鋼工業　株式会社、ドイツ国、クレフェルト］）に対する名称であり、低い熱膨張率及び高い耐食性の利点を有している。窒化珪素は同じく低い熱膨張率のほかに、高い弾性係数及び小さい重量の利点を有している。
【００２３】
図１に示す圧力測定ヘッドと異なって、図２に示す圧力測定ヘッド１は２つの光導波路１０を有しており、該光導波路が１つのスリーブ４によって圧力測定ヘッド１内に保持されている。第１（入力側）の光導波路が光を光源（図示せず）から圧力測定ヘッド１内へ伝送する。本発明の該有利な実施例では、第２（出力側）の光導波路が、ダイヤフラム内面８からの反射光を部分的に受光して、これを検波器（図示せず）へ伝送する。
【００２４】
図３は、本発明に基づくファイバーオプティックス式の圧力センサーの実施例を概略的に示している。
【００２５】
圧力測定ヘッド１が１つの光導波路３の一方の端部に配置されている。光源１１、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）が光１４を放出して、該光が第１の光導波路１２からＹ字形・結合器１３を介して光導波路３、ひいては圧力測定ヘッド１へ伝搬される。圧力測定ヘッド１は、例えば図１に示す形式で形成されている。該実施例では光導波路３が、パターン化されたダイヤフラム内面から反射された光を部分的に受光して、Ｙ字形・結合器１３及び第２の光導波路１７を介して検波器（ここではフォトダイオード）１６へ伝送する。放出された光１４と反射された光１５との強度比が、圧力測定ヘッド１に作用する圧力の尺度である。測定した圧力の値が、圧力センサーにとって規定された圧力・光強度比特性線に基づき決定される。
【００２６】
図示してない別の有利な実施例では、光源１１がレーザーであってよい。有利には光導波路３，１２，１７は、単一モード光ファイバである。
【００２７】
図４は、本発明に基づくファイバーオプティックス式の圧力センサーの縞模様の付けられたダイヤフラムから反射された画像を圧力負荷されていない状態と圧力負荷されている状態とで示している。
【００２８】
図４の上側の部分が、ダイヤフラムの湾曲されていない状態（圧力負荷されていない状態）での縞模様１８を示し、下側の部分がダイヤフラムの湾曲されている状態（圧力負荷されている状態）での縞模様１９を示している。本発明の図示の有利な実施例では、圧力センサーのダイヤフラム内面が交互に、反射率の高い縞（ストライプ［ｓｔｒｉｐｅ］）と反射率の低い縞とを有している。反射率の高い縞は、ダイヤフラム内面への光の照射に際して図４の上側の部分に示してあるように、反射された明るい縞（ストライプ）を生ぜしめる。反射率の低い縞は、低い割合の光しか反射させず、従って暗い縞として現れている。ダイヤフラムが圧力負荷を受けて湾曲すると、高反射の縞が観察方向（受光方向）に低い割合の光しか反射しなくなる。従って、図４の上側の部分で明るい縞も、図４の下側の部分では比較的に暗く現れている。さらに、反射率の低い縞がダイヤフラムの湾曲によって幅を広げられ、その結果、図４の上側の部分の暗い縞が、図４の下側の部分では幅を広げられている。従って暗い縞の、単位面積当たりの面積割合が、圧力負荷されていない状態でよりも大きくなっている。反射率の異なる縞へのダイヤフラム湾曲による前述の２つの作用によって、ダイヤフラムの湾曲の小さい場合にも測定可能な強度変化が生ぜしめられる。本発明の別の実施例では、反射率の低い縞が反射率の高い縞よりも幅広であってよい。これによって、ダイヤフラムの圧力に依存した湾曲に対する高い感度が達成される。
【００２９】
縞模様の付けられたダイヤフラム内面を有する本発明の有利な実施例では、反射率の低い縞が反射率の高い縞よりも幅広である。従って、検波器によって測定される光強度へのダイヤフラム湾曲の影響が縞の同一幅の場合よりも大きく、その結果、圧力センサがさらに高感度で圧力変化に応答できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づくファイバーオプティックス式の圧力センサーの実施例の圧力測定ヘッドの概略図。
【図２】入力光導波路及び出力光導波路を備えた本発明に基づくファイバーオプティックス式の圧力センサーの実施例の圧力測定ヘッドの概略図。
【図３】１つの光導波路を備えた本発明に基づくファイバーオプティックス式の圧力センサーの実施例の概略図。
【図４】本発明に基づくファイバーオプティックス式の圧力センサーの縞模様の付けられたダイヤフラムから反射された画像を圧力負荷されていない状態と圧力負荷されている状態とで示す図。
【符号の説明】
１　圧力測定ヘッド、　２　ケーシング、　４　スリーブ、　５　中空室、　６　ダイヤフラム、　７　端部、　８　ダイヤフラム内面、　９　ダイヤフラム外面、　１０　光導波路、　１３　結合器、　１４，１５　光、　１６　検出器、　１７　光導波路、　１８，１９　縞
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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