(57)【要約】  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。
2007094435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項６】
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。
【発明の詳細な説明】
【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く、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く、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く、瞬間的な温度変動を検出する高時間分解能を有しているという特徴を有している。【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く、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から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から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くく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、光源である安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ出力機110と、この安定化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ヘテロダイン用音響光学素子120と、このヘ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１／４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セルフォック（登録商標）マイクロレンズ210を介して光ファイバ200に入射させ、光ファイバ200の他端部に設けた第２セルフォック（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セルフォック（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１／４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って、第２の１／４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１／４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巻４９６号、ｐｐ．３７９８−３８０２、１９８７年１２月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【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か、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か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いなかった。【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】
しかも、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】
【００２９】
A1   温度センサ
L1   試験光
L2   参照光
Ｔ   被計測空間
M1   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   １／２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   １／４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いるものである。【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くくすることができる。【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きる。【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いずれか一方を、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に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１ｍＷ、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８０．０ＭＨｚ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が、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く、干渉を検出可能であれば何を用いてもよい。【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１／２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セルフォック（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２ＳＭＬ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く、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とで構成している。【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もよい。【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く、角筒形状であってもよく、同様に、ケーシング33の内部空間である空洞部33aも円柱形状に限定されるものではなく、角柱形状であってもよい。【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33c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を装着している。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、透過率の高く、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M1を装着して、石英ガラス35を通過した試験光L1を反射している。【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M1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M1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を装着している。【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弾性材である。【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弾性材である。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１／４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、１／４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M1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１／４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１／４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で反射されてケーシング33の空洞部33aを再度通過して１／４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くくすることができる。【００６４】
しかも、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が接続された基端から先端壁33cまで一体的としているように説明したが、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１／４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40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いる。【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化することもできる。【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'を装着している。【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'を装着している。【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いし、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っている。【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から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かる。【００８２】
さらに、本発明者らが適用しよ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10m/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6mm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かる。【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を設けている。【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L1'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いし、段差のない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く、試験光L1'の光路上に設けてもよく、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、１／４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１／４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。【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１／４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39、石英ガラス35'、及びケーシング33'の空洞部33a'を通過して１／４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くくすることができる。【００９２】
しかも、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６ＳＭＬ72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イバを用いている。【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T"に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とで構成している。【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はこの信号に基づいて温度変動を検出している。【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とで構成している。【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ビームスプリッタ部82に向けて出射している。【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"と干渉させている。【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く、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いる。【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m1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m1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L1"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83d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m1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T"に面した側面の参照光L2"の通過領域を被計測空間T"側に膨出させて段差83eを形成し、被計測空間T"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T"に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１ｍｍとして、被計測空間T"を横断する参照光L2"の横断距離を３ｍｍとしている。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く、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く、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を形成しているが、段差83eを第１支持体83c及び第２支持体83dとあらか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T"に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いる。【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かる。【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６ＳＭＬ72を第１ビームスプリッタ部81から離隔させて配置し、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が、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ビームスプリッタ部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って火花放電を生じる電極p1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いる。【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光ファイバ、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p1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p1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く、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。
【図１】
2007094435.tif 000003
【図２】
2007094435.tif 000004
【図３】
2007094435.tif 000005
【図４】
2007094435.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2007094435.tif 000009
【図８】
2007094435.tif 000010
【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年10月8日(2008.10.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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、
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温度センサ。
【請求項２】
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、
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温度センサ。
【請求項３】
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２記載の温度センサ。
【請求項４】
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、
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温度センサ。
【請求項５】
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４記載の温度センサ。 
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【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く、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く、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く、瞬間的な温度変動を検出する高時間分解能を有しているという特徴を有している。
【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く、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から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から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くく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、光源である安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ出力機110と、この安定化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ヘテロダイン用音響光学素子120と、このヘ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１／４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セルフォック（登録商標）マイクロレンズ210を介して光ファイバ200に入射させ、光ファイバ200の他端部に設けた第２セルフォック（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セルフォック（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１／４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って、第２の１／４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１／４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巻４９６号、ｐｐ．３７９８−３８０２、１９８７年１２月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【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か、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か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いなかった。
【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、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特徴を有する。
【００２３】
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。
【００２４】
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】
【００２５】
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。
【００２６】
しかも、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
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いるものである。
【００２８】
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。
【００２９】
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くくすることができる。
【００３０】
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きる。
【００３１】
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いずれか一方を、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により計測精度を向上させることができる。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
光源部10は、出力１ｍＷ、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８０．０ＭＨｚ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。
【００３６】
本実施形態では、このようにＨｅ−Ｎｅレーザを用いているが、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く、干渉を検出可能であれば何を用いてもよい。
【００３７】
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１／２波長板、14は第１干渉フィルタである。
【００３８】
図１中、21は第１光ファイバ20の一端に設けた第１セルフォック（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２ＳＭＬ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。
【００３９】
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く、その場合には、第３ＳＭＬ41及び第４ＳＭＬ42を不要とすることができる。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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とで構成している。
【００４３】
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もよい。
【００４４】
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く、角筒形状であってもよく、同様に、ケーシング33の内部空間である空洞部33aも円柱形状に限定されるものではなく、角柱形状であってもよい。
【００４５】
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33c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を装着している。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、透過率の高く、熱膨張率が小さい透光材料を用いることもできる。
【００４６】
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。
【００４７】
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M1を装着して、石英ガラス35を通過した試験光L1を反射している。
【００４８】
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。
【００４９】
試験光反射体M1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M1としてもよい。
【００５０】
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を装着している。
【００５１】
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弾性材である。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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弾性材である。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。
【００５８】
さらに、図１中、38は１／４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、１／４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M1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１／４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。
【００５９】
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１／４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で反射されてケーシング33の空洞部33aを再度通過して１／４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。
【００６０】
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くくすることができる。
【００６１】
しかも、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。
【００６２】
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が接続された基端から先端壁33cまで一体的としているように説明したが、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１／４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40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いる。
【００６３】
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。
【００６４】
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化することもできる。
【００６５】
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。
【００６６】
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'を装着している。
【００６７】
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'を装着している。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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いし、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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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っている。
【００７７】
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から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。
【００７８】
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かる。
【００７９】
さらに、本発明者らが適用しよ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10m/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。
【００８０】
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6mm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。
【００８１】
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。
【００８２】
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かる。
【００８３】
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を設けている。
【００８４】
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L1'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いし、段差のない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く、試験光L1'の光路上に設けてもよく、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。
【００８５】
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。
【００８６】
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、１／４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１／４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。
【００８７】
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１／４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39、石英ガラス35'、及びケーシング33'の空洞部33a'を通過して１／４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。
【００８８】
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くくすることができる。
【００８９】
しかも、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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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６ＳＭＬ72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イバを用いている。
【００９４】
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。
【００９５】
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T"に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とで構成している。
【００９６】
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。
【００９７】
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はこの信号に基づいて温度変動を検出している。
【００９８】
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とで構成している。
【００９９】
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ビームスプリッタ部82に向けて出射している。
【０１００】
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"と干渉させている。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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く、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。
【０１０３】
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いる。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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m1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m1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。
【０１０６】
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L1"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83d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。
【０１０７】
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m1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。
【０１０８】
特に、第１支持体83c及び第２支持体83dでは、被計測空間T"に面した側面の参照光L2"の通過領域を被計測空間T"側に膨出させて段差83eを形成し、被計測空間T"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。
【０１０９】
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T"に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１ｍｍとして、被計測空間T"を横断する参照光L2"の横断距離を３ｍｍとしている。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く、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。
【０１１０】
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く、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を形成しているが、段差83eを第１支持体83c及び第２支持体83dとあらかじめ一体的に形成してもよい。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
本実施形態の温度センサA2では、被計測空間T"に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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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いる。
【０１１６】
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かる。
【０１１７】
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６ＳＭＬ72を第１ビームスプリッタ部81から離隔させて配置し、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が、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ビームスプリッタ部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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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って火花放電を生じる電極p1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いる。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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光ファイバ、a40は温度センサＡに接続した第２光ファイバである。
【０１２２】
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p1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p1近傍の温度変化を高精度で計測することができる。
【０１２３】
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く、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】
【０１２４】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【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】
【０１２６】
A1   温度センサ
L1   試験光
L2   参照光
Ｔ   被計測空間
M1   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   １／２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   １／４波長板
50   検出部
51   第２受光素子 
52   第２干渉フィルタ
【国際調査報告】
2007094435.tif 000012
2007094435.tif 000013
2007094435.tif 000014
2007094435.tif 000015