JPS59116039A - マイクロ波・光プロ−ブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、マイクロ波信号に光信号とに基づき内燃機関
のビ３トン位置および燃焼室内の発光現象を検出するシ
ステムに用いるマイクロ波°光プローブＥこ関する。

従来、上述のシステム１ご用いるプローブが、二、三　
紹介さむているが、いずｊも構造が複雑である。誘電体
の大きな比誘電率から小型化が困難である等の実用上の
問題を有していた。

すなわち、（１）プローグの先端を小径にすることか困
儲であった。（２）同軸線路を中実にするため。

誘電体の加工が困難であった。（３）内導体内に光を透
過させるため、内導体が中空である必要があり。

且つ光検出を可能にするだけの太さが必要であった等で
ある。

本発明は１本発明者らが従来のプローブの実用上の間８
を解消するプローブを開発するため、努力を重ねた結果
到達したものである。

本発明の目的は、信号の検出においてロスが少なく、小
型且つ簡単な構造より成り、取り扱いが容易な実用上の
利点を有するプローブを提供することを目的とする。

本発明のマイクロ波・晃プローブは、マイクロ波信号と
光信号とに基づき内燃機関のピストン位置および燃焼室
内の発光現象を検出するシヌデムに用いるプローブにお
いて、内燃機関の壁部を貫通し、燃焼室内１こ連通ずる
穴部に挿入固着される中空筒状体のケース本体と、ケー
ス本体内［こ同軸的に挿置された径が異なり、その径の
比がＩ＋１５〜１：４の範囲内の金属チューブにより構
成される内導体および外導体と、内導体と外導体との間
に形成さｎる環状の空間により構成され、マイクロ波伝
送手段および光学的伝送手段として機能する同軸線路と
、同軸線路から内導体を構成する金属チー−プを使用す
るマイクロ波の波長の１／８から８７８の長さの範囲内
で突出させて構成したダイポールアンテナとから成るも
のである。

上述の構成より成る本発明のマイクロ波・光プローブは
、燃焼室内ヒこ同軸線路を伝播してきたマイクロ波をダ
イポールアンテナを介して放射するととも１こ、燃焼室
からの反射波を受信し、燃焼室内の燃焼にともなう発光
を同軸線路を介して透過検出するものである。

本発明のマイクロ波・光プローブは内導体と外導体との
間に形成される環状の空間により同軸線路を形成するの
で、外導体の内径が、同軸線路を構成する誘電体の比誘
電率と同軸線路ｔこ供給するマイクロ波システムによっ
て決めらねる特性インビーダンヌｔこよって一義的に決
めろｒＩるが、比誘電率の小さな空気を誘電体に用いる
ため、外導体の内径を小さくすることができ、結果とし
てプローブ先端を小径にすることができるととも１こ、
最適寸法を選ぶことができるという利点を有する。

したがって、ディーゼルエンジンにおいて、グロープラ
グの穴を利用してプローブを挿入固着する場合でも、１
０絹程度以下のグロープラグ穴にも充分挿入することが
できる。又１本発明のプロ７“ 一ダは、燃焼室内に挿入して使用される場合において、
燃焼室内の流れを乱すことが少なくなると。

もｅこ、また熱容量が小さいので、プローブによる放熱
を最小限にできるため測定場を乱さないという利点を有
する。

ボーネンシャルｅの絶縁体（本発明の場合、空気）の比
誘電率の平方根乗の関数となり、空ＳｔＤ比誘電率が小
さいため、マイクロ波がその同軸線路を通過する際の損
失を小をこできるとともに、小径にすることが可能であ
る。したがって、プローブの燃焼室挿入側を小さくする
ことができるとともトこ。

最適寸法選択の自由度が増すという利点を有する。

また本発明のプローブは、内導体を使用するマイクロ波
の波長の１７８から３／８の長さの範囲内で突出させて
ダイポールアンテナを構成するので、マイクロ波の放射
および受信を最適な状態で行なう、二とができる。また
突ｔＪ（長さが長すぎる場合の内導体先端部が燃焼によ
る加熱によって温度が異常に上昇し、材料伸度上の間覇
や、プローブ脱着時の被接を解消するという利点を有す
る。さらトこ、突出長さが短い場合の、マイクロ波の放
射および受信年能を回避するという利点を有する。

上述の様に本発明のプローブは、小型て、非常に簡単な
構成よりなり、取り扱いか容易でおるという利点を有す
る。

本発明のマイクロ波・イ・プローブは、実施するトこ当
り１次の様なル様を捏すイ→る。

本発明の第１１７）　ＩＱ様のマイクロ波・光プローブ
は、同軸線路の軸方向両喘部（こ透明な誘”置体よりな
る環状の透明窓を配設し、透明窓の軸方向長さく をマイクロ波の誘電体内波長λのλ／２×ｎへＤ＝１．
２・・・）１こしたものである。

上述の構成より成る第１の態様は、燃焼室内の発光を透
明窓を介して同軸線路内を透過させるとともに、誘電体
の透明窓の長さを上述の様に設定したので、１電体の両
端面で生じるマイクロ波（電磁波）の反射を打消すため
マイクロ波の伝送効率を低下させないという利点を有す
る。第１の態様は、同軸線路の両端部に２個の透明誘電
体を配設するものであり、一般に誘電体配置部は空間部
の同軸線路に対してインピーダンスのミスマツチングを
おこし、電磁波の反射が生ずるが、その数を最小限にす
るとともに、内導体および外導体を容易に支持するとい
う利点を有する。さら１こ第１の態様は、上述の構造に
したので、一般に脆性材料で加工性のあまりよくない耐
熱性誘電体を、同軸線路の全長ｔこ対応する長さに加工
する必要がなくなり、同軸線路の加工性および組付性が
向上する。従来は、もろくて長い部品を細心の注意を払
って加工する必要があり、加工時間、コヌト１こも問題
があった。

また本第１の態様は、燃焼室側先端部の透明窓は混合気
、燃焼ガヌ、カーボンのプローブ内侵入を防止する。

本発明の第２の態様のマイクロ波・光プローブは寥第１
の態様において、燃焼室側先端部の同軸線路に配設した
透明誘電体を同軸線路端面より。

少（とも外導体外周壁だけ引き込んだ位置［こ配役する
ものである。

第２の態様は、透明誘電体が外導体端面より引き込んだ
位置に配設されているので、燃焼室内の流れに直接的に
さらさねないので、燃料の直接付着およびカーボンの付
着を緩和し、プローブの長期に亘る安定な使用を可能に
するｋいう利点を有する。

本発明の第８の態様のマイクロ波・光プローブは、外導
体外周壁と当接するケース本体の内周壁に使用するマイ
クロ波の波長の１／４の軸方向長さを有するくぼみを同
波長のｌ／２の長さごとに少くとも１個以上配設するも
のであり、マイクロ波の反射を大きくすることにより、
外導体外周壁とケース本体の内周壁との間からマイクロ
波が漏れるのを防止するという利点を有する。

本発明の第４の態様のマイクロ波・光プローブは、内導
体および外導体先端部を２部材で構成し。

先端側部材の周壁に螺溝を形成し、後端側部材の周壁に
螺溝を形成し９両者を螺合して先端側部材を後端側部材
に被着する構造になし、先端側部材の周壁には透明誘電
体を配設する環状のくぼみを形成し、このくぼみｅこ透
明誘電体を配設するとと両 て、先端側部材を回転さ一ヒることにより、先端部材、
ガスケット、透明誘電体、ガスケット、後端側部材を所
定の締付力で一体化するようにするとともに、ガスケッ
トを除く王者の熱膨張係数が比較的近くなるように材質
を決定して、剣密を保持するようＦこしたものである。

＠４の態様は、と述の様な構成にしたので、燃焼室内の
燃焼により加熱されても、締付力の変化を最少限に抑制
するとともに隙間が形成さｔ」るのを防止するため、ガ
ス、カーボンの侵入を効果的に防止するととも（こ、透
明誘電体に無理なカが作用して破壊することを防止する
という利点を有する。

本発明の第５の態様のマイクロ波・光プローブは、ケー
ス本体を二部材で構成シ７．先端側ケース部材を内燃機
関１こ固着し、後端側ケース部材Ｆこ同軸線路を構成す
る２−一属チ、−ブを固着し、調整機構により瑛部材の
軸方向位置関係を調整することＦこより、同軸線路の燃
焼室内への突出長さを調整するこｋによって、マイクロ
波伝送路と測定する燃焼室との結合度を最適にして、鋭
い共振信号を得るようにしたものである。

第５の態様は、測定する内燃機関の燃焼室その他の諸元
が変わったり、測定の系が変化しても。

点を有する。

次に本発明の実施例のマイクロ波・光プローブを第１図
ないし第３図を用いて説明する。

実施例のマイクロ波・光プローブは、ケース本体■とケ
ース本体１内に同軸的に挿置さゎた内導体重および外導
体層と、内導体ｌと外導体層とから成り、その間ｔこ形
成される環状の空間によって構成される同軸線路４を有
する同軸線路部■と。

ｖＩＡ　、　ＬＢ　および調整機構■とから成る。

ケース本体１は、プローブをエンジン１こ取付けるため
の中空筒状体のマウント部１と、マウント部ｌに嵌合さ
れるガイド部２．ガイド部２に嵌合する本体部８とから
成る。

マウント部ｌは、先端部が小径であり、デーパ部を介し
て大径部１こ連結する。大径部の外周壁ｅこ螺溝を刻設
し、エンジンブロックＥＢのグローブラグ用螺孔に螺合
させてエンジンブロックｇＢｔこ固着する。

同軸線路部■は、特性インピーダンスを５００に設定す
るため、内導体Ｉと外導体層の間が空間であり、同軸線
路４を構成する誘電体が空気であ比をｌ二云＝１にする
必要がある。本実施例では。

機械的強度の観点から内導体憂の外径を１ｆｌにしたた
め、外導体層の内径を９．、３　ｍにした。したがゆ って同軸線路部■外径を４ｍに押えることができた。

内導体Ｉを支持し、燃焼室ＣＨ内の発光を透過させるた
め、同軸線路４の両端に夫々透明な誘電体ＶＩＡおよび
ＶＩＢを配設した。誘電体■Ａ、ｕＢは、環状透明体で
、その外径を２．３ｆｉｔこし、且つ同軸的に中心に内
導体１の外径と同径（１ｆｌ）の内孔を形成し、内導体
■を挿入する。誘電体ＶＩＡ、ＶＩＢの長さは、その比
誘電率から決まるところの誘電体ＶＩＡ、、ＶＩＢ内の
波長の２分の１にして。

両端面の反射波同志で反射波を打消し、無反射状態にし
である。

燃焼室ＣＨ側の同軸線路部ａは、燃焼室ＣＨ内で、マイ
クロ波（電磁波）の放射および受信をおこなうため、内
導体ｌのみを伸はしダイボールアンテナマを形成した。

ダイポールアンテナＶの長さは、３ｆｌとし、電磁波の
放射、受信が良好におこなえるようにするとともに、同
軸線路部■をケース本体■内トこ挿入する際、破損等が
生じＦこくいようにした。

燃焼室ＣＨ内の燃料の燃焼により発生する発光は、同軸
線路部■の透明誘電体ＭＡ、空間である同軸線路部、お
よび透明誘電体■Ｂを透過する。

燃焼室ＣＨ内に供給さ第１た燃料および混合完。

燃焼ガス、カーボン等が燃焼室ＣＨ側の誘電体■Ａに付
着することにより２発光透過量が減衰するのを防ぐため
、絶縁体である透明誘電体ＶＩＡを同五 軸線路部■の外導体量の端面から外導牟喚内径だけ引込
んで取付け、長時間にわたる計測を可能ｔこした。

燃焼室ＣＨに挿入する同軸線路部■の先端部の拡大図を
第２図ｅこ示す。

燃焼室ＣＨ内の燃焼ガスおよびカーボンが同軸線路部■
の内部に間第１ないように、環状の金属ガスケット２１
，２２．２３．２４を用いてシール性を確保している。

誘電体ＶＩＡの内周からの漏れを防ぐために、内導体１
の先端部を二部材に分割し、一方の部材ＩＡの内周壁に
めねじを切る。他方のタイボールアンテナマを構成する
部材ＩＤの小径部におねじを切り、小径部から小ガスケ
ット２２、誘電体ＶＩＡ、小ガヌケット２４を挿入して
。

ダイボールアンテナマを構成する他方の部材を回転させ
ねじを締め、内導体ｌの一方の部材ＩＡ端面と誘電体Ｖ
ＩＡ面、他方の部材ｌＤの段付端面２６に小ガスケツ）
２２．２４面が気密に当接するようにした。そのあたり
面はなめらかＦこ仕上げ、シール性を確保した。その際
の締付トルクは、小ガスケット２２．２４の塑性変形量
、ねじの強度から１５０ｇα程度にした。ねじのゆるみ
止めとして、内導体１の一方の部材ＩＡと他方の部材Ｉ
Ｄのねじに耐熱性のセラミック系接着剤を添付した。

誘電体ＭＡの外周からの２１１１を防ぐために、外導体
層の先端部を二部材に分割し、一方の部材！Ｂの外周壁
におねじを切る。外導体ｌの先端部を構成する他方の部
材−Ｅの内周壁にめねじを切り。

大ガスケツ）２１．２８誘電体■Ａを収納する座ぐり面
２５を形成した。他方の部材ＩＥｔこ大ガスケツｈ２１
．Ｍｔ［体ＩＴＡ、大ガスケット２３の順Ｐこ挿入し、
他方の部材ＩＥを回転させて、ねじをケラ）２１．２８
の面があたるよう１こした。そのあたり面はなめらかに
仕上げて、シール性を確保した。ねじの締付トルクは大
ガヌケット２１．２３の塑性変形を考慮しｌ、８ｋｇｃ
ｍ程度にした。ねじの他方の部材ＭＥの先端は、同軸線
路部ＩＶを１９７１部ｌへ挿入する際、０リング１８を
傷つけないよう外周壁端部に面取りをほどこした。

同軸線路部■の先端部の温度は、ディーゼルエンジンの
アイドル回転７００〜ｌ　Ｑ　Ｑ　Ｑ　ｒｐｍＥオいて
最高６００℃程度になる。

そのため外導体先端部１”Ｅおよび内導体先端部ＩＤを
鉄５０％−二ツケ＃５０％合金でガスケツ）　２１　、
２２を厚さ０．３　ｆｌの金で、ガスケット２３．２４
を厚さ０．８Ｈの銅で、誘電体ＶＩＡを２．６鰭のサフ
ァイヤでそねぞれ製作し、６００℃マチ温度上昇した場
合にも、各部材の伸び量の差Ｆこより各部材間に空間が
生じなし・ようｆこ、各部材ＩＥ。

ＩＤ、ＶＩＡ、ガスケット２１，２２，２８．２４の材
質およびガスケット２１，２２．２３．２４の厚さを決
定した。

すなわちガスケツ）は、締付けた場合の透明誘電体のわ
ね防止を考慮し、展延性のある材料をもちい、またガス
もねを防ぐために表面粗度を高めである。

室温から６００℃ｔこ温度を変化させた場合、力′スケ
ットとサフアイヤの［両者の長さと、外および内導体先
端部ＩＥ、１％の膨張した後の長さが常１こ同じもしく
は、前者がわずかに長くなるような膨張率および各部材
の長さを決定しである。

このため、室温から６００℃Ｆこ上昇する１ｉｆｅ　ｔ
！−１よ・部材間には常シこしめつけ力が働き、また、
６００℃から室温Ｅこもとした場合にも１部材間に）２
とんとすきまが生じないようにしである。区工亙司そし
て室温から６００°Ｃまでの熱サイクルを繰返した場合
でも各部材間にほとんど空間が生ずることすく、高温時
においても燃焼ガスおよびカーボンの同軸線路部■の内
部への漏れを防いだ。

プローブは、ディーゼルエンジンのグロープラグ穴を利
用して挿入する。すなわち、ケース本体Ｉのグロープラ
グと同じ寸法のねじをたてたマウント部１をプラグ穴に
取付ける。取付の際には。

とが可能である。

マウント部１の外周面からの燃焼カスの漏れは。

テーバ面１５で、マウント部１の内周面と同軸線路部■
の外面との燃焼ガスの漏れはマウント部１の環状溝に挿
置した０リング１８によりそれぞれ防止した。

本体部乙に同軸線路部ＩＶｉねじＮで固定し、カイト部
２と本体部６のアッシーをマウント部１の内孔に同軸線
路部■が入るように上方から挿入しり後、ねじ１６でマ
ウント部１とガイド部２全固定スることでエンジンブロ
ックＦＢへの装着全完了する。

エンジンブロックＦＢにもうけられたテーバ面１５の燃
焼室ＯＨからの高さは、ど個々のエンジンによりさまざ
まである。この上うな場合、プローブに同軸線路部１ｖ
の燃焼室ＣＨへの挿入長さの調整機構■がもうけられて
いれば、挿入良さβを変化させるこ惑キき１個々のエン
ジンにおいて、電磁波の伝送路と燃焼室ＯＨとの結合度
を最適にして常に鋭い共振を得ることができるっ また燃焼室形状が不定であったり、供給周波数を変える
場合においても、非常に有利である。

調整機構ｖｕ’ｌ構成するマイクロメータヘッド１７は
、ケース本体Ｃの本体部３のアーム３Ａに固定されてい
る。カイト部２のアーム２Ａには、マイクロメータヘッ
ドと同軸的に穴２０がおいており。

その穴２０には、ねじを切った棒１０が挿入され。

ダブルナツト１９でガイド部２に締付けられ１回帖のみ
が可能である本体部乙に取付けたマイクロメータヘッド
１７とカイト部２に取付けた棒１０を固定することで、
マイクロメータヘッド１７を回転させるとガイド部２と
本体部６の間隔ｌ。が変化する同軸線路部■は９本体部
６にねじで固定され、カイト部２はねじ１６でマウント
部１に固定されているため、ｌｏが変化することで燃焼
室ＯＨ内への同軸線路部■の装出長さｌ”ｋマイクロメ
ータの精度である１００分の２朋の精度で調整すること
ができる。

０４分の１の侵さの幅を有するくぼみを２分の１波畏お
きにもうけた。同軸線路部■の先端から放射された′電
磁波が、同軸線路部■の外周壁とマウント部１の内周壁
から漏れるのを防ぐためである。

４分の１波長のくぼみを複数個配設することで。

同軸線路部■とマウント部１とが直接接触していなくて
も、くぼみ毎に電磁波の反射を大きくするので、′電磁
波の漏れを防止する。

第１図に示すように本体部６内には９部屋を形成して導
波管変換部７を配設する。同軸コネクタ・赫の中・Ｕ導
体６は１本体部６に中・Ｕ導体乙の直径２．６倍の穴を
あけたその中・Ｕ軸上に配置し、導波管変換部７に供給
層ｅ数の４分の１仮長だけ突出させ、かつ側壁から導波
管変換部７内波侵の４分の１だけはなれた位置に配置す
る。つまり同軸導波管変換部を構成する。

対向壁においても同様の同輔導仮管変換部を構成する。

側壁９から導波管部７内波伎の４分の１だけはなれｆｃ
位置に、同軸線路部■の内導体■を供給周波数の４分の
１坂長だけ突出させる。そして外導体■は、導波管変換
部７を構成している導体と短絡している。同軸コネクタ
をは、　ｒ、ｈ定の周ｅ数のマイクロ波（電磁波）全発
振するマイクロ仮発振器（図示せず）に、伝送経路およ
び送受分離器を介して接続する。

まｌζ第１図に示すように本俸部５内に形成した部屋に
は、突出した同軸線路部■の端部に対向する位置に、同
軸線路４より大きな径の穴１１を形成する。穴１１に連
絡した上部の部屋には、光−・電気変換器１２會配設し
、燃焼室ＣＩ（内の燃焼に伴なう発光を同軸線路４を透
過して光−電気変換器に照射することにより、光−電気
変換器１２に接続したコネクタを介して電気′信号とし
てとり出すことができる。

上述の構成よｐ成る本実施例のマイクロ波・光グローブ
は、同軸線路部Ｗの゛先端外径を４問に抑えることがで
きたので、ディーゼルエンジンのクローズラグ穴を利用
しての装着が可能になった。また１本実施例のグローブ
は９、燃焼’Ｗ　ｃ、Ｈ内に突出する同軸線路部■、の
先端部を・小型にしたので、マイクロ波の損失が少なく
、また燃焼室内の流れを乱すことが無いとともに７．熱
容社が小さいので。

測定場を乱さないという利点ヲ噛する。

本実施例のグローブは、ダイポールアンテナＶを構成す
る内導体■の装出長さを最通範囲に設定したので、マイ
クロ波の放射および愛他を効率的に行なわせるようにす
るとともに、燃焼による加熱によって、温度の異冨上昇
、材料強度上の問題。

脱盾時の破損等の問題を解消するという利点を有する。

誘電体の両端面に生じるマイクロ波の反射を打消し、マ
イクロ波の伝送効率ｅｔｌｋ下させないとともに、小さ
な部品として成形するだけでよいためもろい材料でも加
工が容易に行なえるという利点を有する。

で、燃料、カーボン等による透明窓のくもりを防止し、
長期に亘９測定を可能にするという利点を有する。

本実施例のグローブは、ケース本体部のマウント部１に
、上述の所定のくぼみｋｉ数配設したので、キ疼苓蚕ぜ
マイクロ波の反則を大きくすることによシ、マイクロ波
の漏れを防止した。

本実施例のグローブは、同軸線路部■の先端部を２部材
に分割するとともに、各部材の線膨張係数。

寸法を加熱時の熱膨張長さを考慮して決定１測定時にお
いてもワッシャを介して誘電体全気密に挾着する構造に
したので、同軸線路４を介してのマイクロ波の漏れ全効
果的に防止するという利点を有する。

本実施例のグローブは、調整機構■により燃焼室ＯＨ内
への同軸線路部■の突出長さを調整できるので、マイク
ロ波伝送路と測定する燃焼室Ｏｆ（との結合度を最適に
して、鋭い共振振号を得るようにしたので、マイクロ波
の検出の精度を高めるとともに、エンジン型式および測
定糸の変動にも対応できるという利点を有する。

さらに本実施例のグローブは、上述の様に簡単な構造で
あり、・１１３２り扱いが容易であり、１ぎ軸性が高い
という実用上の利点を有する。

以上実施例において１本開明の一例を詳細に説明したが
９本発明はこれに限定されるものではな

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の実施例のマイクロ波・光グローブ全
体全示す縦断面図、第２図は９本実施例のグローブの先
端部の縦断面図、第５図は１本実施例のグローブのマウ
ント部の縦断面図を示す。 図中、■はケース本体、■は内導体、■は外導体、■は
同軸線路部、■はタイボールアンテナ。 ＶＩＡ、ＶＩＢは透明誘電体、■は畏さ調整機構、１は
マウント部、２はガイド部、６は本体部、４は同軸線路
である。 待δ土出願人 株式会社　豊田中央研究所

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 マイクロ波信号と光信号とに基づき内燃機関のピストン
   位置および燃焼室内の発光現象を検出するシステムに用
   いるプローブにおいて。 内燃機関の壁部を貫通し、燃焼室内１こ連通する穴部に
   挿入固着される中空筒状体のケース本体と。 ケース本体内に同軸的［こ挿置された径が異なりその径
   の比が］：１．５〜ｌ＋４の範囲内の金属千−−ブ［こ
   より構成される内導体および外導体と。 内導体と外導体との間に形成される環状の空間により構
   成さ第１、マイクロ波伝送手段および光学的伝送手段と
   して機能する同軸線路と。 同軸線路から内導体を構成する金属チー−ブを使用する
   マイクロ波の波長の１／８から８／８の長さの範囲内で
   突出させて構成したダイポールアンテナとから成り。 燃焼室内に同軸線路を伝播してきたマイクロ波をダイポ
   ールアンテナを介して放射するとともＦこヅ 燃焼案からの反射波を受信し、燃焼室内の燃焼にともな
   う発光を同軸線路を介して透過検出するようにしたこと
   を特徴とするマイクロ波・光プローブ。