(57)【要約】【課題】構造が簡単しかもコンパクトで、必要に応じて燃焼室の軸方向でも軸直角方向でも点火位置を変更できるレーザ点火装置を提供することである。【解決手段】内燃機関の燃焼室１７内の混合気に点火するレーザ点火装置３５は、レーザ光を発生するレーザ発生器３６と、ケーシング３８に固定されレーザ発生器が発するレーザ光を燃焼室内に集光する一つの集光レンズ４０と、ケーシングに収容され集光レンズのレンズ面４１を複数の曲率に変化させて燃焼室内でのレーザ光の焦点位置を複数箇所に変更するレンズ変形素子５５，５７と、を備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室（１７）内の混合気に点火するレーザ点火装置（３５）であって、
レーザ光を発生するレーザ発生器（３６）と、
ケーシング（３８）に固定され、前記レーザ発生器が発するレーザ光を前記燃焼室内に集光する一つの集光レンズ（４０；６５）と、
前記ケーシングに収容され、前記集光レンズのレンズ面（４１）を複数の曲率に変化させて、前記燃焼室内でのレーザ光の焦点位置を複数箇所に変更するレンズ変形素子（５５，５７；７５）と、
を備えることを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項２】
前記レーザ発生器（３６）はシート状のレーザ光を発し、前記集光レンズは円筒面形レンズ面（４１）を持つシリンドリカルレンズ（４０）であり、前記レンズ変形素子は該シリンドリカルレンズを長手方向に変形させる一対の圧電素子（５５，５７）である請求項１に記載のレーザ点火装置。
【請求項３】
前記シリンドリカルレンズの長手方向の一側部（４２ａ）及び／又は他側部（４２ｂ）が前記一対のレンズ変形素子により変形され、レーザ光の焦点位置を燃焼室の軸方向及び軸直角方向で複数箇所に変更する請求項２に記載のレーザ点火装置。
【請求項４】
前記レーザ発振器（３６）は断面円形状のレーザ光を発し、前記集光レンズは球面状レンズ面（６６）を持つ球面レンズ（６５）であり、前記レンズ変形素子は円環状に配置され球面形レンズ（６６）を半径方向に変形させる複数の互いに分離された圧電素子（７５）である請求項１に記載のレーザ点火装置。
【請求項５】
前記球面レンズの外周縁が前記圧電素子により変形され、レーザ光の焦点位置を燃焼室の軸方向で複数箇所に変更する請求項４に記載のレーザ点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室内において混合気に点火するレーザ点火装置、特にレーザ光により複数の焦点位置で点火できるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼室内の混合気に点火（着火）する点火装置として、火花で点火する点火プラグに代わって、レーザ光で点火するレーザ点火装置を使用する場合がある。レーザ点火装置は、レンズによりレーザ光を燃焼室内の複数の焦点位置（点火位置）に集光させ、燃焼室内の混合気の濃度分布などに応じて点火位置を変更する。こうして、混合気はレーザ点火装置により最適の位置及び時期に点火されることになる。
【０００３】
図６に示す従来のレーザ点火装置（特許文献１参照）は、レーザ光を発するレーザ発生器８０、レーザ光を集光する集光レンズ（凸レンズ）８２及び焦点位置を変更する可変焦点ユニット８５を含む。可変焦点ユニット８５は凹レンズ８６、一対のガラス板８７及びガイドロッド８８などを含む。この可変焦点ユニット８５では、ガイドロッド８８に案内された凹レンズ８６をサーボモータ（不図示）で前後進させ、燃焼室８１内でのレーザ光の焦点位置Ｓを前後進させるようになっている。レーザ発生器８０及びサーボモータはコントローラ９０で制御される。
【特許文献１】特開平５−３３７５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来のレーザ点火装置、特にその可変焦点ユニット８５は凹レンズ８６の他に、一対のガラス板８７、ガイドロッド８８及びサーボモータなどを含む。部品点数が多く、しかも各部品の寸法が大きい。その結果、構造が複雑であるのみならず、大きな配置スペースが必要となる。また、従来のレーザ点火装置はレーザ光の光軸上で点火位置を変更できるに過ぎず、混合気の濃度分布に応じた位置での点火は不十分であった。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、構造が簡単しかもコンパクトで、必要に応じて燃焼室の軸方向でも軸直角方向でも点火位置を変更できるレーザ点火装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（イ）本発明者は、点火位置の変更時にレンズを移動させるという従来の考えを一掃して、弾性のガラス材料で形成した集光レンズを変形させることを着想して、本発明を完成した。本発明にかかる内燃機関の燃焼室内の混合気に点火するレーザ点火装置は、請求項１に記載したように、レーザ光を発生するレーザ発生器と、ケーシングに固定されレーザ発生器が発するレーザ光を燃焼室内に集光する一つの集光レンズと、ケーシングに収容され集光レンズのレンズ面を複数の曲率に変化させて燃焼室内でのレーザ光の焦点位置を複数箇所に変更するレンズ変形素子と、を備えている。
【０００７】
（ロ）以下、本発明の構成要素の種々の態様を説明する。内燃機関の代表例は車両用のエンジンであるが、車両用に限定されない。レーザ点火装置の取付位置は、シリンダヘッドの頂部、吸気孔の近傍又は排気孔の近傍の何れでも良い。レーザ光を発するレーザ発生器に特別の制約はなく、半導体レーザでも固体レーザでも良い。レーザ光の形状はシート状でも（請求項２参照）、断面円形状でも良い（請求項４参照）。
【０００８】
ａ．集光レンズ
本発明の集光レンズはレーザ発生器が発するレーザ光を集光するもので、円筒面レンズ（シリンドリカルレンズ、請求項２参照）と球面レンズ（請求項４参照）とに大別できる。何れの場合も、集光レンズの個数は一つで足り、またケーシングに位置固定に配置され軸方向にも軸直角方向にも移動しない。シリンドリカルレンズは弾性のガラス材料から成り、代表的なガラス材料はポリヒドロキシエチルメタアクリレート又はＰＶＰ等、である。円柱を軸線を含む平面と平行な平面で切断したような形状を呈し、円筒面形レンズ面を持つ。
【０００９】
シリンドリカルレンズは長手方向の一側部が吸気口側に、他側部が排気口側に位置するように配置されることが望ましい。長手方向の一側部及び／又は他側部を変形され、円筒面状レンズ面から入射するシート状のレーザ光を一軸方向でのみで集光し、焦点位置を燃焼室の軸方向及び軸直角方向で複数箇所に変更する（請求項３参照）。
【００１０】
一方、球面レンズはシリンドリカルレンズと同じ材料からなり、球体を中心を含む平面と平行な平面で切断したような形状を呈し、球面状レンズ面を持つ（請求項４参照）。球面形レンズ面から入射する断面円形状のレーザ光を全方向で集光し、燃焼室の軸線方向で焦点位置を変更する（請求項５参照）。シリンドリカルレンズも球面レンズも、次に述べる変形素子により変形力を付与されて二つ以上の形状を取る。
【００１１】
ｂ．レンズ変形素子
本発明のレンズ変形素子は上記集光レンズを変形させるもので、圧電素子や磁気的反発手段を採用できる。集光レンズが上記シリンドリカルレンズの場合は長手方向の両端に配置された一対の圧電素子（ピエゾ素子）から成ることができる。圧電素子は例えばチタン酸ジルコン酸鉛等の多結晶質セラミックスから成り、電圧を与えられると厚さが変化し、シリンドリカルレンズに長手方向の変形力を付与し、複数の異なる形状に変形させる。円筒面形レンズ面の曲率はシリンドリカルレンズの複数の形状で互いに異なり、エンジンの各サイクルで燃焼室内の混合気の濃度分布などに応じて、レーザ光を燃焼室の軸線上及び軸線直角方向で複数の異なる焦点位置に集光させる。
【００１２】
一方、集光レンズが上記球面レンズの場合、レンズ変形素子はその外周縁に円環状に配置され互いに分離された複数の圧電素子（ピエゾ素子）から成る。各レンズ変形素子は電圧を与えられると半径が変化し、球面レンズに半径方向の変形力を付与し、複数の異なる形状に変形させる。球面形レンズ面の曲率は球面レンズの複数の形状で互いに異なり、エンジンの各サイクルでレーザ光を燃焼室の軸線上で複数の異なる焦点位置に集光させる。
【００１３】
磁気的反発手段は、通電により磁気的反発力を発生し、集光レンズを長手方向又は半径方向に変形させる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のレーザ点火装置によれば、集光レンズを圧電素子で変形させることにより、レレーザ光の焦点位置を燃焼室内で複数箇所に変更させるので、レンズ変形素子の構造が簡単で、しかも寸法が小さくできる。また、請求項２及び３のレーザ点火装置によれば、一対の圧電素子によりシリンドリカルレンズを長手方向に変形させるので、シリンドリカルレンズの焦点位置（点火位置）を燃焼室の軸方向及び軸直角方向に容易かつ迅速に変更できる。更に、請求項４及び５のレーザ点火装置によれば、円環状の圧電素子により球面レンズを半径方向に変形させるので、球面レンズの焦点位置（点火位置）を燃焼室の軸方向に容易かつ迅速に変更できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の最良の形態によるレーザ点火装置につき、添付図面を参照しつつ説明する。
【００１６】
＜最良の形態＞
（イ）構成
図１に示すディーゼルエンジン（以下、最良の形態では「エンジン」と呼ぶ）はシリンダ１０、ピストン１５、吸気弁２４、排気弁３６、燃料噴射弁３０及びレーザ点火装置３５などを含む。詳述すると、シリンダ１０のシリンダブロック１１に形成されたシリンダボア１２にピストン１５が摺動可能に滑合され、シリンダボア１２の上部空間が燃焼室１７を形成している。
【００１７】
燃焼室１７に接続された吸気管２１の吸気孔２２が、シリンダブロック１１を覆うシリンダヘッド１３に取り付けられた吸気弁２４の弁部により所定時期に開閉される。同様に、シリンダヘッド１３の一側に取り付けられた排気弁２６が、燃焼室１７に接続されシリンダヘッド１３の他側に取り付けられた排気管２７の吸気孔２８を所定時期に開閉する。吸気弁２４及び排気弁２６はそれぞれ駆動機構（不図示）により駆動される。シリンダブロック１３には排気弁２６の近傍に燃料噴射弁３０が取り付けられている。この燃料噴射弁３０は燃料パイプを介して燃料タンク（不図示）と接続され、ＥＣＵ３２からの制御信号により作動して排気孔２７付近に燃料の噴霧を噴射する。
【００１８】
次に、図１、図２及び図３を参照しつつ、シリンダヘッド１３の頂部に取り付けられたレーザ点火装置３５につき説明する。レーザ点火装置３５はレーザ発振器３６、ケーシング３８、一つのシリンドリカルレンズ４０、一対のレンズガイド５１及び５３、並びに一対のピエゾ素子５５及び５７を含む。このうち、ＥＣＵ３７により制御されるレーザ発振器３６は半導体レーザから成り、シート状（断面矩形状）のレーザ光を発振する。円筒形状のケーシング３８の中空部がレーザ光の進路を構成し、先端（下端）部が焦点可変機構５０の取付け部を構成している。
【００１９】
シリンドリカルレンズ４０はポリヒドロキシエチルメタアクリレートから成り、図２及び図３から分かるように、円筒面形レンズ面４１と、レンズ面４１と対向する平坦面４３と、レンズ面４１及び平坦面４３の両端の一対の端面４５ａ及び４５ｂと、レンズ面４１及び平坦面４３の両側の一対の側面４７ａ及び４７ｂとを持つ。焦点可変機構５０は一対のレンズガイド５１及び５３と、一対のピエゾ素子５５及び５７とを含む。シリンドリカルレンズ４０の両端面４５ａ及び４５ｂの外側に断面矩形状で長く延びたレンズガイド５１及び５３が配置されている。シリンドリカルレンズの一端面４５ａに一方レンズガイド５１の内面５２ａが当接し、他端面４５ｂに他方レンズガイド５３の内面５４ａが当接している。
【００２０】
各レンズガイド５１及び５３の外側に立方体形状のピエゾ素子５５及び５７がそれぞれ当接している。即ち、一方レンズガイド５１の外面５２ｂに一方ピエゾ素子５５の内面５６ａが当接し、他方レンズガイド５３の外面５４ｂに他方ピエゾ素子５７の内面５８ａが当接している。一方ピエゾ素子５５の外面５６ｂ及び他方ピエゾ素子５７の外面５８ｂにケーシング３８の内周面３９が当接している。ピエゾ素子５５及び５７の作動はＥＣＵ（不図示）により制御され、エンジンの運転状態などに応じて所定時期に所定電圧を印加される。
【００２１】
（ロ）作用
ａ．全体構成
次に、最良の形態の作用を説明する。よく知られているように、エンジンは吸気工程、圧縮工程、爆発工程及び排気工程から成るサイクルを繰り返す。図１において、吸気工程では吸気弁２４が開き、排気弁２６が閉じている。ピストン１５の下降により吸気弁２４から空気が吸気され、燃料噴射弁３０から燃料の噴霧が噴射され、燃焼室１７内で空気と燃料とが混合されて可燃混合気（混合気）が生成される。吸気弁２４及び排気弁２６が閉じた圧縮行程では、ピストン１５の上昇に伴い燃焼室１７の体積が小さくなり、燃焼室１７内の混合気が圧縮される。圧縮行程の中期においてレーザ点火装置３５により混合気に点火（着火）する。後述するように、点火位置は燃焼室１７の軸線Ｌ方向及び軸線直角方向で変更可能である。
【００２２】
吸気弁２４及び排気弁２６が閉じたままの爆発工程では、点火された混合気が燃焼（爆発）して燃焼ガスになり、それに伴い体積が急増し、膨張エネルギがピストン１５を押し下げる。ピストン−クランク機構により、ピストン１５の直線運動がクランクの回転運動に変換される。排気工程では吸気弁２４が閉じ排気弁２６が開き、ピストン１５の上昇により排気ガスが排気管２６から排出される。
【００２３】
ｂ．点火位置の変更
エンジンの運転状態により各サイクルにおける燃焼室１７内の混合気の濃度分布が異なり、それに応じて最適の点火位置が変動することがある。この最良の形態によれば、焦点可変機構５０によりレーザ光の焦点位置（点火位置）を容易に変更できる。例えば図４（ａ）に示すように、燃焼室１７の軸線Ｌ上で下方寄りの点火位置ａに集光したいときは、何れのピエゾ素子５５にも５７にも通電しない。非通電時、ピエゾ素子５５及び５７の厚さは薄く、シリンドリカルレンズ４０の両端部４２ａ及び４２ｂに変形力を付与しない。よって、円筒面形レンズ面４１の曲率は小さく（半径は大きく）、レーザ光は上記点火位置ａに集光する。
【００２４】
これに対して、図４（ｂ）に示すように、燃焼室１７の軸線Ｌ上で上方寄りの点火位置ｂに集光させたいときは、両方のピエゾ素子５５及び５７へ通電する。通電によりピエゾ素子５５及び５７の厚さが増加し、レンズガイド５１及び５３を介して、シリンドリカルレンズ４０の両端部４２ａ及び４２ｂに変形力を付与する。よって、シリンドリカルレンズ４０はレンズガイド５１及び５３に案内されつつ円筒面形レンズ面４１の曲率は大きくなり（半径は小さくなり）、レーザ光は上記点火位置ｂに集光する。
【００２５】
また、図４（ｃ）に示すように、燃焼室１５の軸線Ｌ上の上方寄りで、軸線直角方向で右方の点火位置点ｃに集光させたいときは、一方のピエゾ素子５５のみに通電する。すると、ピエゾ素子５５の厚さが増加し他方レンズガイド５１が移動し、シリンドリカルレンズ４０の一端部４２ａに変形力を付与する。その結果、円筒面形レンズ面４１の一端側４２ａの部分の曲率が大きくなり、レーザ光は焦点位置ｃに集光する。これに対して、図４（ｄ）に示すように、燃焼室１５の軸線Ｌ上の上方寄りで、軸線直角方向で左方の点火位置点ｃに集光させたいときは、他方のピエゾ素子５７のみに通電する。すると、ピエゾ素子５７の厚さが増加し、レンズガイド５３が移動し、シリンドリカルレンズ４０の他端部４２ｂに変形力を付与する。その結果、円筒面形レンズ面４１の他端側４２ｂの部分の曲率が大きくなり、レーザ光は焦点位置ｄに集光する。
【００２６】
（ハ）効果
最良の形態によれば以下の効果が得られる。第１に、レーザ点火装置３５の焦点可変機構５０の構造が簡単で、寸法が小さくできる。焦点可変機構５０は一対のレンズガイド５１及び５３と、一対のピエゾ素子５５及び５７を含むのみで、しかもレンズガイド５１及び５３もピエゾ素子５５及び５７も寸法が小さいからである。これは、シリンドリカルレンズ４０を弾性変形可能なガラス材料で形成し、レンズガイド５１及び５３を介してピエゾ素子５５及び５７で変形させたことにより可能となった。また、シリンドリカルレンズ４０が移動しないのでそのための移動スペースも不要である。
【００２７】
第２に、エンジンの運転状態などにより決まる燃焼室１７内の混合気の濃度分布に応じて、焦点可変機構５０により点火位置を容易に最適位置に変更できる。最適の点火位置が排気口２８側に位置するとき（図４（ｃ）参照）は、一方のピエゾ素子５５に電圧を印加し、シリンドリカルレンズ４０の一端側４２ａを変形させるのみで良い。これに対して、最適の点火位置が吸気口２２側に位置するとき（図４（ｄ）参照）は、他方のピエゾ素子５７に電圧を印加し、他端側４２ｂを変形させるのみで良い。
【００２８】
＜変形例＞
図５に示す変形例では、集光レンズ６５が球面レンズから成り、これとの関係で焦点可変機構７０のレンズガイド７２が円筒形状とされ、レンズ変形素子７５が円環状に配置された四つのピエゾ素子から成る。詳述すると、球面レンズ６５は上面側の球面形レンズ面６６と、下面側の平坦面６８とを持つ。円筒形状のレンズガイド７２の内周面７３が球面レンズ６５の外周縁６９に当接している。互いに分離された四つのピエゾ素子７５はそれぞれ四分円形状を持ち、その内周面７６がレンズガイド７２の外周面７４に当接している。なお、互いに分離された六つ又は八つのピエゾ素子を使用することもできる。
【００２９】
各ピエゾ素子７５に電圧を印加すると、半径方向寸法（厚さ）が増加し、レンズガイド７２を介して球面レンズ６５に半径方向内向きの変形力を加える。その結果、球面形レンズ面６６が変形し、燃焼室１５の軸線Ｌ上で点火位置が変化する。燃焼室１７内での混合気の濃度分布が主に軸線Ｌ方向で変更する場合にはこれで足りる。
【００３０】
この変形例によれば、上記最良の形態の第１の効果及び第２の効果と同様の効果が得られる。加えて、レンズ変形素子が一つの円環状のピエゾ素子７５から成るので、その電圧制御が簡単になる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の最良の形態によるレーザ点火装置を含むエンジンの全体説明図である。
【図２】上記最良の形態のシリンドリカルレンズ及びピエゾ素子等の斜視図である。
【図３】同じく正面断面図である。
【図４】（ａ）は両ピエゾ素子への非通電時、（ｂ）は両ピエゾ素子への通電時、（ｃ）は一方ピエゾ素子への通電時、（ｄ）は他方ピエゾ素子への通電時、をそれぞれ示す説明図である。
【図５】上記最良の形態の変形例に使用する焦点可変機構の説明図である。
【図６】従来例を示す横断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１１：シリンダブロック        １５：ピストン              １７：燃焼室
２４：吸気弁                  ２６：排気弁                ３０：燃料噴射弁      ３５：レーザ点火装置              ３８：ケーシング
４０：シリンドリカルレンズ        ４１：レンズ面
５０：焦点可変機構                ５１，５３：レンズガイド
５５，５７：ピエゾ素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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