自動洗浄式光センサ

【課題】開発コスト、製品コストが大幅に上昇することなく、レンズの表面に付着した煤や有機物あるいは無機物の汚れを確実に除去することができる自動洗浄式光センサを提供する。
【解決手段】制御装置１５の画像処理用プロセッサ１６は、光センサ２の先端部３に設けられたレンズ７の表面に煤や有機物あるいは無機物の汚れが付着することにより燃焼室１における検出対象領域からの光の照度が低下した場合は、先端部３に設けられたヒータ電極１０に通電する。これにより、ヒータ電極１０から輻射エネルギがレンズ７の表面に集光状態で照射されるので、煤や有機物あるいは無機物の汚れを加熱焼却してレンズ７の表面を清浄化することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼ガス雰囲気中における検出対象領域を結像させるためのレンズの表面を自動洗浄する機能を備えた自動洗浄式光センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両のエンジンにおいて、燃焼室の燃焼過程、或いは排気系のガス温度、或いはフィルタ表面温度などの燃焼ガス雰囲気中の所定の検出対象領域の温度分布を検出するための光センサが提供されている。この種の光センサは、例えば検出対象領域をレンズで光ファイバの一端面に結像させることにより光ファイバの他端面に検出対象領域の画像を形成し、その画像を解析することにより検出対象領域の温度分布を検出するようになっている。
【特許文献１】特表２００６−５２６１４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、例えば検出対象領域を光ファイバの一端面に結像するためのレンズは燃焼ガス雰囲気に晒されていることから、比較的短時間で燃焼ガス中の煤や有機物あるいは無機物の汚れがレンズの表面に付着し、光ファイバの他端に形成される画像の照度が低下する。このため、検出対象領域の温度分布を確実に検出可能とするには、煤や有機物あるいは無機物の汚れを洗浄する必要があるものの、使用者の要望としては、計測作業の手間を減らすべく、レンズの洗浄のためセンサを取り外すことなく、レンズを自動的に清浄化できることにある。
【０００４】
このような使用者の要望に対して、特許文献１のものでは、レンズの近傍に加熱装置を設けることにより煤や有機物あるいは無機物の汚れを加熱焼却し、レンズ表面の清浄化を実現している。つまり、加熱装置は電力供給によりジュール発熱し、その熱はセンサ先端部を構成する構造部材を介し熱伝導によりレンズまで達する。レンズの温度が、煤や有機物あるいは無機物の汚れが燃える温度以上に達すると、煤や有機物あるいは無機物の汚れが加熱焼却され、レンズが清浄化される仕組みとなっている。
【０００５】
しかしながら、引用文献１の構成では、センサ先端周辺部の温度は、加熱装置による加熱のためにレンズの温度よりも高くなる。このため、センサ周辺部では高い熱応力が発生し、部品の破壊につながりかねない。特に、引用文献１のものは、レンズと周辺部の線膨張係数の違いから、この接合部分での熱応力が極めて大きく、熱応力破壊にいたる虞がある。このような問題を避けるためには、構成部品の放熱設計を確実に行うか、耐久性の高い材料選定が不可避であり、開発コスト、製品コストが高くなるという問題がある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、開発コスト、製品コストが大幅に上昇することなく、レンズの表面に付着した煤や有機物あるいは無機物の汚れを確実に除去することができる自動洗浄式光センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明によれば、加熱手段によりレンズの表面が加熱されるので、レンズに付着した煤や有機物あるいは無機物の汚れを加熱焼却することができる。この場合、加熱焼却は、空間を伝播する輻射エネルギにより行われるので、熱伝導を利用して煤や有機物あるいは無機物の汚れを焼却する構成に比較して、構成部品の開発が容易であると共に、部品コストを低減することができる。
【０００８】
請求項２の発明によれば、輻射エネルギの大部分はレンズの表面で反射されてしまうので、レンズを通過してしまう輻射エネルギの影響を回避することができる。
請求項３の発明によれば、レンズに煤や有機物あるいは無機物の汚れが付着した場合のみ加熱手段が駆動されるので、煤や有機物あるいは無機物の汚れを効率よく除去することができる。
【０００９】
請求項４の発明によれば、撮像手段は燃焼ガス雰囲気から離れて設けることができるので、撮像手段の熱対策を省略することができる。
請求項５の発明によれば、加熱手段からの輻射エネルギの一部がレンズを通じて導光手段の一端面に入射した場合であっても、その入射角度は導光手段の最大入射角度よりも大きいので、輻射エネルギが導光手段により導かれて撮像手段に放射されてしまうことを防止できる。
請求項６の発明によれば、加熱手段をヒータ電極により容易に構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１ないし図６を参照して説明する。
図１は、全体構成を示す概略図である。エンジンの燃焼室（燃焼ガス雰囲気に相当）１の壁面には光センサ２の先端部３が装着されている。この光センサ２は、燃焼室１の燃焼ガスの温度分布を検出することによりエンジンの燃焼状態を判断するためのものである。先端部３は燃焼室１内を臨んでおり、その先端面には受光部４及び加熱部５が対向して設けられている。
【００１１】
図２は光センサ２の先端部３を示す断面図、図３は先端部３を示す平面図である。受光部４は、傾斜面部６に、レンズ７及び光ファイバ（導光手段に相当）８を備えて構成されている。レンズ７と光ファイバ８とは、図示しない光カプラにより光学的に接続されていると共に、ロウ付け、或いは焼結など、セラミック接合と同様な方法により先端部３に接合されている。レンズ７は、燃焼室１内の所定の検出対象領域を結像する。光ファイバ８は、レンズ７により結像した画像が一端面に位置するように設けられている。光ファイバ８は燃焼室１の外部に導出しており、一端面に結像した画像を他端面に画像として形成するようになっている。
【００１２】
加熱部５は、２次元的に湾曲形状に形成された湾曲面部９を有して構成されている。この湾曲面部９は、その内周面の鉛直方向がレンズ７を指向するような湾曲形状に形成されている。湾曲面部９の内周面においてレンズ７の表面と鎖交する部位には薄膜状のヒータ電極（加熱手段に相当）１０が形成されており、そのヒータ電極１０にリード線１１が接続されている。ヒータ電極１０への通電状態では、ヒータ電極１０が発熱して輻射エネルギ（輻射熱）をレンズ７の表面に集光状態で照射する（図４参照）。この場合、ヒータ電極１０は、レンズ７を通過して光ファイバ８の一端面に照射される輻射エネルギが光ファイバ８の最大入射角度よりも大きな角度で入射されるように設けられている。
【００１３】
ヒータ電極１０は、セラミックグロープラグのヒータ部と同一構造に形成されている。つまり、ヒータ電極１０の基材は絶縁セラミックであり、その一部に金属粉を混ぜて導電部（電極）が形成されている。絶縁セラミック及び金属粉は粉体であり、ホットプレス法で一体焼結した後に、ヒータ電極１０の露出と全体の形状を形成するために切削されている。セラミックの基材としては、窒化シリコン（Ｓi3Ｎ4）若しくはアルミナ（Ａl2Ｏ3）など、熱衝撃性に富んだ材料を積極的に選ぶのが望ましい。
【００１４】
ヒータ電極１０は、輻射エネルギを放射し易いように黒色に塗装されている。尚、ヒータ電極１０をスパッタリングで形成するようにしてもよいし、ヒータ電極１０を黒色の皮膜で覆うようにしてもよい。
【００１５】
図１において、光ファイバ８の他方の端面と対向するようにＣＭＯＳカメラ１２が配置されている。ＣＭＯＳカメラ１２はレンズ１３とイメージセンサ（撮像手段に相当）１４とからなり、光ファイバ８の他端面に形成された画像がレンズ１３によりイメージセンサ１４に結像する。ＣＭＯＳカメラ１２は、イメージセンサ１４に結像した画像を示す画像信号を制御装置１５に出力する。
【００１６】
制御装置１５は、画像処理用プロセッサ（画像処理手段に相当）１６と制御回路（駆動手段に相当）１７とから構成されている。
図５は、制御回路１７の構成を示す電気回路図である。画像処理用プロセッサ１６は、ＣＭＯＳカメラ１２のイメージセンサ１４からの画像信号を処理することにより燃焼室１の所定の検出対象領域における燃焼温度分布を検出する。このように燃焼室１の燃焼温度分布を検出する理由は、近年、低燃費、或いは低排出ガス性能を向上させるためにＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）燃焼方式のように大量のＥＧＲ（排気ガス再循環）を使用した燃焼方式の開発が行われており、このような大量のＥＧＲを使用した燃焼方式では、燃焼が不均一となることから、燃焼温度分布を観察してエンジンの制御にリアルタイムに反映させることが今後重要となるからである。つまり、燃焼室１の燃焼が適正に行われる場合には、予め記憶した燃焼温度分布となるものの、制御が不適正な場合は、燃焼温度分布が予め記憶した温度分布から許容範囲から外れることから、このような場合は、燃焼が不適正であると判断するのである。
【００１７】
制御回路１７は、電源とヒータ電極１０との間に介在された無接点スイッチ１８からなる。無接点スイッチ１８はノーマルオープンタイプであり、画像処理用プロセッサ１６によりオンされた状態で電源をヒータ電極１０に接続する。
画像処理用プロセッサ１６は、ＣＭＯＳカメラ１２からの画像信号に基づいて燃焼室１の燃焼温度分布を検出し、検出した燃焼温度分布が予め設定した温度分布の許容範囲から外れていた場合は、異常を図示しないエンジンＥＣＵに通知する。エンジンＥＣＵは、画像処理用プロセッサ１６からの異常の通知を受け、その異常に応じてエンジンに対する制御を燃焼状態が適正となるように変更する。
【００１８】
図６は、画像処理用プロセッサ１６の動作のうち本発明に関連した動作を示すフローチャートである。画像処理用プロセッサ１６は、ＣＭＯＳカメラ１２からの画像信号における全ての画素毎の光の照度Ｗｎを求め（Ｓ１）、それらの照度Ｗｎを加算してから（Ｓ２）、その加算値Ｐが最低照度を上回っているかを判断する（Ｓ３）。ＣＭＯＳカメラ１２が受光する燃焼室からの光の照度が十分な場合は、加算値Ｐは最低照度を上回っているので（Ｓ３：ＹＥＳ）、無接点スイッチ１８のオフ状態を維持する（Ｓ４）。
【００１９】
さて、光センサ２の先端部３に設けられたレンズ７は燃焼室１内に位置していることから、燃焼ガス雰囲気に晒されている。このため、燃焼ガス中の煤や有機物あるいは無機物の汚れが比較的短時間でレンズ７の表面に付着するので、ＣＭＯＳカメラ１２の受光量が低下し、燃焼温度分布を正確に検出することができなくなる。
【００２０】
画像処理用プロセッサ１６は、ＣＭＯＳカメラ１２からの画像信号における画素毎の光の照度の加算値Ｐが最低照度を下回った場合は（Ｓ３：ＮＯ）、レンズ７に煤や有機物あるいは無機物の汚れが付着したと判断し、タイマをリセットすると共に（Ｓ５）、タイマの計時を開始してから（Ｓ６）、無接点スイッチ１８をオンする（Ｓ７）。これにより、無接点スイッチ１８を通じて電源がヒータ電極１０に接続されるので、ヒータ電極１０が通電によりジュール発熱する。この場合、ヒータ電極１０は黒色に塗装されているので、理想的には黒体放射が行われ、ヒータ電極１０の発熱量に応じた輻射エネルギ（電磁波、特に赤外線）が放射されて空間を介してレンズ７の表面に達するようになる。レンズ７の表面に付着している煤や有機物あるいは無機物の汚れは黒色であるので、煤や有機物あるいは無機物の汚れが輻射エネルギを吸収することにより温度が上昇し、その温度が発火点まで上昇すると、煤や有機物あるいは無機物の汚れは加熱焼却され、以ってレンズ７の表面は清浄化される。
【００２１】
ところで、上述のようにヒータ電極１０による輻射エネルギの放射がレンズ７の表面に煤や有機物あるいは無機物の汚れが付着していない状態で行われた場合は、レンズ７の表面温度が上昇することはないものの、輻射エネルギがレンズ７を通過して光ファイバ８に入射した場合には、その先に設けられたＣＭＯＳカメラ１２に入射してイメージセンサ１４が損傷する虞がある。
【００２２】
しかしながら、ヒータ電極１０からの輻射エネルギは、レンズ７の光軸に対して斜めから照射されるので、輻射エネルギの大部分はレンズ７の表面で反射される。また、輻射エネルギの一部がレンズ７を通過して光ファイバ８の一端面に到達するにしても、その入射角度は光ファイバ８の最大入射角度よりも大きな角度となっているので、輻射エネルギが光ファイバを通じてＣＭＯＳカメラ１２に到達してしまうことを確実に防止できる。
【００２３】
ここで、レンズ７の表面に付着した煤や有機物あるいは無機物の汚れを加熱焼却している期間は、測定対象である燃焼室の温度の計測を実行することはない。これは、煤や有機物あるいは無機物の汚れの燃焼発光をＣＭＯＳカメラ１２が観測してしまうことを防止するためである。
【００２４】
画像処理用プロセッサ１６は、タイマの計時時間が設定時間を上回った場合は（Ｓ８：ＹＥＳ）、無接点スイッチ１８をオフする（Ｓ４）。この場合の設定時間とは、レンズ７に付着した煤や有機物あるいは無機物の汚れを加熱焼却するのに十分な時間で、予め画像処理用プロセッサ１６に記憶しておく。
【００２５】
画像処理用プロセッサ１６は、レンズ７に付着した煤や有機物あるいは無機物の汚れの加熱焼却が終了した場合は、燃焼温度分布の計測を再開するようになる。
以上の動作により、レンズ７の表面に付着した煤や有機物あるいは無機物の汚れを加熱焼却することができるので、レンズ７の表面が清浄化され、ＣＭＯＳカメラ１２が撮像した画像に基づいて検出対象領域の燃焼温度分布を確実に計測することができる。
【００２６】
このような実施形態によれば、光センサ２の先端部３に加熱部５を設け、燃焼室１内に位置するレンズ７の表面に煤や有機物あるいは無機物の汚れが付着することにより燃焼室１における検出対象領域からの光の照度が低下した場合は、ヒータ電極１０から輻射エネルギをレンズ７の表面に集光状態で照射することにより、煤や有機物あるいは無機物の汚れを加熱焼却してレンズ７の表面を清浄化するようにしたので、光センサのレンズを加熱装置からの熱伝導を利用して加熱する構成であるために、部品の放熱設計が困難であったり、耐久性の高い材料選定が不可避であったりする従来例のものと違って、開発コスト、製品コストが大幅に上昇することなく、レンズ７の表面に付着した汚れを確実に除去することができる。
【００２７】
しかも、光センサ２の先端部３が小形であっても、ヒータ電極１０は、セラミックグロープラグのヒータ部と同一方法で形成されているので、精密に形成することができる。
尚、ヒータ電極１０の熱放射面の形状としては、２次元的な湾曲形状に限定されることなく、図７に示すように円筒面、球面、楕円面の一部から構成された３次元的な湾曲形状であったり、図８に示すように複数の小さな平板（或いは曲面）を連続、或いは間欠的に設けることにより２次元的な湾曲形状を近似したり、図９に示すように複数の平面（或いは曲面）で３次元的な湾曲形状を近似したりしても良い。
【００２８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図１０及び図１１を参照して説明するに、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。この第２実施形態は、レンズ７の表面に、輻射エネルギをレンズ７の周囲全体から照射することを特徴とする。
図１０は光センサ２の先端部３の断面図、図１１は先端部３の斜視図である。先端部３の先端面中央にレンズ７が設けられていると共に、先端部３の先端面には環状壁面部２１が形成されており、レンズ７は環状壁面部２１に囲繞されている。環状壁面部２１の中央には窓部２２が形成されており、その窓部２２を通じて検出対象領域がレンズ７により光ファイバ８の一端面に結像するようになっている。環状壁面部２１の内面はパラボラ形状をなしており、その内周面部に環状のヒータ電極１０が設けられている。ヒータ電極１０からの輻射エネルギは、レンズ７の表面に周囲全体から集光状態で照射される。この場合、第１実施形態と同様に、ヒータ電極１０は、レンズ７を通過して光ファイバ８の一端面に照射される輻射エネルギが光ファイバ８の最大入射角度よりも大きな角度で照射されるように設けられている。従って、ヒータ電極１０から照射された輻射エネルギがレンズ７を通過して光ファイバ８に到達した場合であっても、第１実施形態と同様に、光ファイバ８で導かれることはないので、ヒータ電極１０からの輻射エネルギによりＣＭＯＳカメラ１２が損傷してしまうことを防止できる。
【００２９】
このような実施形態によれば、ヒータ電極１０からの輻射エネルギをレンズ７の表面に周囲全体から照射するようにしたので、レンズ７の表面全体を均一に加熱することによりレンズ７に付着した煤や有機物あるいは無機物の汚れを確実に加熱焼却することができる。
【００３０】
尚、ヒータ電極１０及びレンズ７の形状としては、図１２に示すように環状のヒータ電極１０を楕円形状としたり、図１３に示すようにレンズ７を楕円形状としたり、図１４に示すようにヒータ電極１０及びレンズ７を楕円形状とし、それらの長軸方向を異ならせたり、図１５に示すようにヒータ電極１０を多角形状としたりしても良い。
また、図１６及び図１７に示すように、先端部３の先端面に分割壁面部３１を間欠的に設けることによりヒータ電極１０を分割して設けるようにしても良い。この場合、ヒータ電極１０の間隔は不均一でも良いが、レンズ７の表面上に焦点を結ぶことが必要である。
【００３１】
（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、次のように変形または拡張できる。
ヒータ電極１０に常時通電するようにしてもよい。
光センサ２の先端部３に反射面部を設け、ヒータ電極からの輻射エネルギを反射面部で反射させることによりレンズ７の表面に集光状態で照射するようにしても良い。
光ファイバに代えて、光導波路、或いは真空、気体、液体等で満たされた透光空間部から構成するようにしてもよい。尚、透光空間部を採用する場合は、レンズ７による結像を透光空間部を介して直線状に位置する撮像手段に撮像することになる。
【００３２】
光ファイバを省略し、レンズ７により結像した画像を撮像手段で直接撮像するようにしてもよい。
制御回路１７によりヒータ電極１０に間欠的に給電するようにしてもよい。これにより、光センサ２の先端部３が過昇温にならぬ程度に、適度に加熱できる。
本発明を、各種燃焼ガス雰囲気の燃焼温度分布を計測する装置に適用するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態における全体構成を示す概略図
【図２】光センサの先端部の断面図
【図３】光センサの先端部の平面図
【図４】ヒータ電極からの輻射エネルギの照射状態を示す図
【図５】制御回路の電気回路図
【図６】画像処理用プロセッサの動作を示すフローチャート
【図７】変形例におけるヒータ電極を示す斜視図（その１）
【図８】変形例におけるヒータ電極を示す斜視図（その２）
【図９】変形例におけるヒータ電極を示す斜視図（その３）
【図１０】本発明の第２実施形態を示す図２相当図
【図１１】光センサの先端部の斜視図
【図１２】変形例における光センサの先端部を模式的に示す平面図（その１）
【図１３】変形例における光センサの先端部を模式的に示す平面図（その２）
【図１４】変形例における光センサの先端部を模式的に示す平面図（その３）
【図１５】変形例における光センサの先端部を模式的に示す平面図（その４）
【図１６】変形例における光センサの先端部を示す側面図
【図１７】変形例における光センサの先端部を示す平面図
【符号の説明】
【００３４】
図面中、１は燃焼室（燃焼ガス雰囲気）、２は光センサ、３は先端部、７はレンズ、８は光ファイバ（導光手段）、１０はヒータ電極（加熱手段）、１４はイメージセンサ（撮像手段）、１６は画像処理用プロセッサ（画像処理手段）、１７は制御回路（駆動手段）である。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ガス雰囲気を臨むように設けられた先端部と、
前記先端部に設けられ、燃焼ガス雰囲気中の所定の検出対象領域を結像するレンズと、
前記レンズにより結像した画像を画像信号に変換する撮像手段と、
前記撮像手段からの画像信号を解析することにより前記検出対象領域の温度分布を検出する画像処理手段と、
前記レンズの表面に輻射エネルギを集光状態で照射する加熱手段と、
前記加熱手段を駆動する駆動手段と、
を備えたことを特徴とする自動洗浄式光センサ
【請求項２】
前記加熱手段は、前記レンズの表面に斜め方向から輻射エネルギを照射するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の自動洗浄式光センサ。
【請求項３】
前記駆動手段は、前記撮像手段が撮像した画像の全体照度が閾値以下となった場合に前記加熱手段を駆動することを特徴とする請求項１または２記載の自動洗浄式光センサ。
【請求項４】
前記レンズによる画像が一端面に結像するように設けられ、当該画像を前記燃焼ガス雰囲気の外部に導出された他端面に形成する導光手段を備え、
前記撮像手段は、前記導光手段の他端面に形成された画像を撮像するように設けられていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の自動洗浄式光センサ。
【請求項５】
前記加熱手段は、前記レンズを通過して前記導光手段に照射される輻射エネルギが前記導光手段の最大入射角度よりも大きな入射角度となるように設けられていることを特徴とする請求項４記載の自動洗浄式光センサ。
【請求項６】
前記加熱手段は、熱放射面から射熱エネルギを放射するヒータ電極であり、
前記レンズは、前記ヒータ電極の熱放射面の焦点、或いは中心に配置されていることを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載の自動洗浄式光センサ。
【請求項７】
前記ヒータ電極の熱放射面は、円筒面、球面、楕円面の一部から構成されていることを特徴とする請求項６記載の自動洗浄式光センサ。
【請求項８】
前記ヒータ電極の熱放射面は、複数の小さな平面、或いは曲面を連続的に設けて構成されていることを特徴とする請求項６記載の自動洗浄式光センサ。
【請求項９】
前記ヒータ電極の熱放射面は、複数の小さな平面、或いは曲面を間欠的に設けて構成されていることを特徴とする請求項６記載の自動洗浄式光センサ。
【請求項１０】
前記駆動手段は、前記加熱手段を駆動する場合は、間欠的に駆動することを特徴とする請求項１ないし９の何れかに記載の自動洗浄式光センサ
【請求項１１】
前記導光手段は、光ファイバ、光導波路、或いは真空、気体、液体等で満たされた透光空間部から構成されていることを特徴とする請求項４ないし１０の何れかに記載の自動洗浄式光センサ。

【図１】