(57)【要約】【課題】燃焼室内の混合気にレーザ光により複数箇所で点火する場合、複数のレーザ点火装置が必要で、コストが増加していた。【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が、断面円形状のレーザ光を発するレーザ発振器３６と、断面円形状のレーザ光を円環状のレーザ光に変える一つの円錐レンズ４０と、円環状のレーザ光から燃焼室内に円環状の焦点ａを形成する一つの球面レンズ４５と、球面レンズを軸方向に移動させ焦点の形状及び位置を変更するレンズ移動部材５０及び５５と、を備えている。円錐レンズ及び球面レンズが円環状の焦点を形成し、レンズ移動部材が焦点の形状及び大きさを変更する。【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、
断面円形状のレーザ光を発するレーザ発振器（３６）と、
前記断面円形状のレーザ光を円環状のレーザ光に変える第１レンズ（４０）と、
前記円環状のレーザ光から前記燃焼室内に円環状の焦点を形成する第２レンズ（４５）と、
を備えることを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項２】
前記第１レンズは円錐レンズで、射出側に円錐形レンズ面（４１）を有する請求項１に記載のレーザ点火装置。
【請求項３】
前記第２レンズは球面レンズで、入射側に球形レンズ面（４６）を有する請求項１に記載のレーザ点火装置。
【請求項４】
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、
断面円形状のレーザ光を発するレーザ発振器（３６）と、
前記断面円形状のレーザ光を円環状のレーザ光に変える第１レンズ（４０）と、
前記円環状のレーザ光から前記燃焼室内に円環状の焦点を形成する第２レンズ（４５）と、
前記第２レンズを軸方向に移動させ、前記焦点の位置及び形状を変えるレンズ移動部材（５０，５５）と、
を備えることを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項５】
前記第１レンズは円錐レンズで、射出側に円錐形レンズ面（４１）を有する請求項４に記載のレーザ点火装置。
【請求項６】
前記第２レンズは球面レンズで、入射側に球形レンズ面（４６）を有する請求項４に記載のレーザ点火装置。
【請求項７】
前記レンズ移動部材は、電圧の印加による変形で前記第２レンズを移動させる圧電素子（５５）を含む請求項６に記載のレーザ点火装置。
【請求項８】
前記レンズ移動部材は前記第２レンズに当接した永久磁石（７０）と、電流の印加で該永久磁石を吸引又は反発する電磁石（７２）とを含む請求項６に記載のレーザ点火装置。
【請求項９】
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であって、
断面円形状のレーザ光を発するレーザ発振器（３６）と、
複数本の光ファイバ（８２）の集合体から成り、発振器側の円柱部（８６）と前記燃焼室側の環状部（８８）とを含み、前記断面円形状のレーザ光を円環状のレーザ光に変えて、燃焼室内に円環状の焦点を形成するレーザ光伝送部材（８０）と、
を備えることを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項１０】
各前記光ファイバは第１軸方向部（８３）、半径方向部（８４）及び第２軸方向部（８４）を含む請求項９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円環状の焦点を形成するものに関する。
【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の代わりに、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）に集光させる。よって、単一のレーザ点火装置により燃焼室内の混合気の濃度分布などに応じて所定の点火位置に焦点を形成できる。
【０００３】
しかし、燃焼室内の混合気の濃度分布とレーザ点火装置が形成した焦点とが正確に一致するとは限らない。そこで、シリンダヘッドに複数のレーザ点火装置を取り付けて、燃焼室内に複数の焦点を形成する場合がある。例えば図８に示す従来のレーザ点火装置（特許文献１参照）は、第１レーザ点火装置１０５により燃焼室１００内に第１焦点ｘを形成するとともに、第２レーザ点火装置１１０により燃焼室１００内に第２焦点ｙを形成している。これにより、例え第１レーザ点火装置１０５が形成した第１焦点ｘで混合気にうまく点火できなくても、第２レーザ点火装置１１０が形成した第２焦点ｙで混合気に点火できる。
【特許文献１】特開２００４−２１８６４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来例は以下の点で改良の余地がある。まず、二つのレーザ点火装置１０５及び１１０を設けているので、レーザ点火装置が一つの場合に比べてコストが倍増する。また、第１レーザ光点火装置１０５による点火時期と第２レーザ点火装置１１０による点火時期との時間的関係や、第１焦点ｘと第２焦点ｙとの位置関係の選定に調整が必要で、制御が複雑化する。
【０００５】
更に、第１焦点ｘ及び第２焦点ｙの位置が固定されており、これでは運転条件などにより変化する混合気の所定の点火位置にうまく対応できない。なお、レーザ点火装置を三つ以上配置すれば、これらの不具合はより顕著になる。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、簡単な構成でありながら、燃焼室内に多数の焦点を形成でき、混合気に確実に点火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】
【０００７】
（イ）本発明のレーザ点火装置は、断面円形状のレーザ光からレンズにより燃焼室内に円環状の焦点を形成することを技術的特徴とする。第１発明のレーザ点火装置は、請求項１に記載したように、 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が、断面円形状のレーザ光を発するレーザ発振器と、断面円形状のレーザ光を円環状のレーザ光に変える第１レンズと、円環状のレーザ光から燃焼室内に円環状の焦点を形成する第２レンズと、を備えている。
【０００８】
第２発明のレーザ点火装置は、請求項４に記載したように、断面円形状のレーザ光を発するレーザ発振器と、断面円形状のレーザ光を円環状のレーザ光に変える第１レンズと、円環状のレーザ光から燃焼室内の円環状の焦点を形成する第２レンズと、第２レンズを軸方向に移動させ焦点の形状及び位置を変えるレンズ移動部材と、を備えている。また、第３発明のレーザ点火装置は、請求項９に記載したように、断面円形状のレーザ光を発するレーザ発振器と、複数本の光ファイバの集合体から成り発振器側の円柱部と燃焼室側の環状部とを含み、断面円形状のレーザ光を円環状のレーザ光に変えて燃焼室内の円環状の焦点を形成するレーザ光伝送部材と、を備えている。
【０００９】
（ロ）以下、レーザ点火装置の構成要素の態様を説明する。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振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。第１，第２及び第３発明において、レーザ光の断面形状は円形状であることが望ましい。
【００１０】
ａ．第１レンズ
第１及び第２発明において、第１レンズは望ましくは円錐レンズから成り、レーザ発振器が発する断面円形状のレーザ光を円環状のレーザ光に変える。円錐レンズは円柱の一端を円錐形に加工した形状を呈し、円錐形レンズ面と平坦面とを持つ。一つの円錐レンズがケーシング内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。平坦面から入射する断面円形状のレーザ光を円錐形レンズ面で拡散して円環状のレーザ光に変え、射出する。
【００１１】
ｂ．第２レンズ
第１及び第２発明において、第２レンズは望ましくは球面レンズから成り、円環状のレーザ光の密度を高めてより幅の狭い円環状の焦点を形成する。球面レンズはレーザ光の進行方向で円錐レンズの下流側に配置され、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、球形レンズ面と平坦面とを持つ。一つの球面レンズがケーシング内に軸方向に移動可能に配置されている。入射する幅の広い円環状のレーザ光を球形レンズ面でより幅の狭い円環状に収束させ、平坦面から射出させる。
【００１２】
ｃ．レンズ移動部材
第２発明において、レンズ移動部材は第２レンズを光軸方向に移動させて焦点の形状及び位置を変更する。これにより、エンジンの各サイクルでの燃焼室内の混合気の濃度分布の変動による所定の点火装置の形状及び位置の変動に対処する。焦点の形状及び位置を変更するために、圧電素子の変形を利用したり、永久磁石及び電磁石の磁気力を利用できる。
【００１３】
圧電素子を利用する場合、混合気の濃度分布に応じて圧電素子（ピエゾ素子）に電圧を印加する。すると、圧電素子は厚さ方向に変形し、球面レンズを移動（変位）させる。一方、永久磁石及び電磁石を利用する場合、永久磁石を球面レンズの一部に当接させ、混合気の濃度分布に応じて電磁石に電流を流す。すると永久磁石が電磁石により吸引又は反発され、球面レンズを移動させる。
【００１４】
ｄ．レーザ光伝送部材
第３発明で、燃焼室内内に焦点を形成するために、第１発明及び第２発明の第１レンズ及び第２レンズの代わりに使用するレーザ光伝送部材は、複数本の光ファイバの集合体から成る。一端（発振器側）の円柱部、他端（燃焼室側）の環状部、及び中間部の放射部を含む。このようなレーザ光伝達部材を形成するために、各光ファイバは二カ所で直角に屈曲され第１軸方向部、半方向部及び第２軸方向部を含む。第１軸方向部が円柱部を、半方向部が放射部を、そして第２軸方向部が環状部を、それぞれ形成している。断面円形状のレーザ光が円柱部に入射され、放射部で半径方向外向きに導かれ、環状部から円環状のレーザ光が射出し、燃焼室内に円環状の焦点を形成する。
【発明の効果】
【００１５】
（１）第１発明のレーザ点火装置によれば、第１レンズ及び第２レンズを含む一つのレーザ点火装置により燃焼室内に円環状の焦点が形成され、円環状の焦点は無限のスポット状の焦点の集合に相当する。よって、例え混合気の所定の点火位置（最適点火位置）が散在していても、確実に点火できる。また、レーザ点火装置が一つで済むので、コストが低減できる。請求項２のレーザ点火装置によれば、円錐形レンズ面を持つ円錐レンズが断面円形状のレーザ光を確実に円環状のレーザ光に変えることができる。請求項３のレーザ点火装置によれば、球形レンズ面を持つ球面レンズが円環状の幅の広いレーザ光から円環状で幅が狭くエネルギ密度が高い焦点を形成できる。
【００１６】
（２）第２発明のレーザ点火装置によれば、第１レンズ及び第２レンズを含む一つのレーザ点火装置により燃焼室内に円環状の焦点が形成され、円環状の焦点は無限のスポット状の焦点の集合に相当する。よって、例え混合気の所定の点火位置（最適点火位置）が散在していても、確実に点火できる。また、レーザ点火装置が一つで済むので、コストが低減できる。加えて、レンズ移動部材で第２レンズを移動させるとことにより、混合気の濃度分布などに応じて円環状の焦点の形状及び位置を変更できる。
【００１７】
請求項５のレーザ点火装置によれば、円錐形レンズ面を持つ円錐レンズが断面円形状のレーザ光を確実に円環状のレーザ光に変えることができる。請求項６のレーザ点火装置によれば、球形レンズ面を持つ球面レンズが円環状の幅の広いレーザ光から円環状で幅が狭くエネルギ密度が高い焦点を形成できる。請求項７のレーザ点火装置によれば、電圧の印加によるピエゾ素子の変形で、球面レンズが容易かつ確実に移動される。請求項８のレーザ点火装置によれば、電流の供給により電磁石に発生する磁気力が永久磁石即ち球面レンズを容易かつ確実に移動させる。
【００１８】
（３）第３発明のレーザ点火装置によれば、円筒部及び環状部を持つレーザ光伝送部材により、断面円形状のレーザ光から燃焼室内に円環状の焦点を形成できる。レンズを使用しする場合のような細かい位置調整が不要となる。請求項１０のレーザ点火装置によれば、各光ファイバによりレーザ光を所定方向に導くことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の最良の形態によるレーザ点火装置について説明する。
【００２０】
＜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。
【００２１】
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には吸気弁２４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吸気孔２２付近に燃料の噴霧を噴射する。
【００２２】
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、一つの円錐レンズ４０、一つの球面レンズ４５及びレンズ移動部材５０、５５を含み、レンズ移動部材５０及び５５により模式的に示す焦点変更機構６０が構成される。詳述すると、レーザ発振器３６は半導体レーザから成りＥＣＵ３７により制御され、断面円形状のレーザ光を発振する。ＥＣＵ３７はエンジンの運転状態などに基づき、所定の焦点の形成に必要な情報をレーザ発振器３６に出力する。
【００２３】
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）部が円錐レンズ４０及び球面レンズ４５等の取付け部を構成している。図２及び図３から分かるように、円錐レンズ４０は円錐形レンズ面４１と、円錐形レンズ面４１と対向する傾斜平坦面４２と、円錐形レンズ面４１及び傾斜平坦面４２との間の円筒面４３とを含む。円筒面４３においてケーシング３８に位置固定に保持されている。
【００２４】
球面レンズ４５は球形レンズ面４６と、球形レンズ面４６と対向する平坦面４７とを含む。レーザ光の進行方向で円錐レンズ４０の下流側（図２及び図３で上下方向）に位置し、その外周縁４８とケーシング３８の内周面との間に環状のすきまがあり、ケーシング３８の軸方向、即ち上下方向に移動可能に配置されている。
【００２５】
ケーシング３８の内周面に固定された支持部材５２と、円錐レンズ４０の外周縁に固定された支持部材５３の一端との間に圧縮コイルバネ５０が配置され、球面レンズ４５を円錐レンズ４０から遠ざかる方向、即ち下方に付勢している。支持部材５３の他端に環状のピエゾ素子５５が当接しており、ＥＣＵ５８から所定電圧を印加されると厚さが変化し、球面レンズ４５に上向きの変形力を付与する。ＥＣＵ５８は、エンジンの運転状態などに応じて所定時期にピエゾ素子５５に所定電圧を印加する。
【００２６】
（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。
【００２７】
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。図３に示すように、圧縮行程の中期においてレーザ点火装置３５により円環状の焦点ａを形成して混合気に点火（着火）し、その際エンジンの運転状態、混合気の濃度などに応じて焦点の位置を変更する。詳細は後述する。
【００２８】
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、動力として取り出される。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。
【００２９】
ｂ．焦点の形成及び焦点位置の変更
図３から分かるように、上記爆発工程の中期においてレーザ発振器３６が発する断面円形状のレーザ光を、円錐レンズ４０の円錐形レンズ面４１が円環状の幅の広いレーザ光に変える。この円環状のレーザ光から球面レンズ４５の球形レンズ面４６が燃焼室１７内の幅の狭くエネルギ密度の高い円環状の焦点ａを形成する。
【００３０】
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燃焼室１７の軸方向及び半径方向で変動することがある。例えば図２に示すように、燃焼室１７の軸線Ｌ上の下方寄り、かつ半径方向で中心寄りに円環状の焦点ａを形成したいときは、ピエゾ素子５５に通電しない。非通電時、ピエゾ素子５５の厚さは薄く、球面レンズ４５に上昇力を付与しない。よって、球面レンズ４５は圧縮コイルバネ５０の付勢力で下降位置にあり、下方寄りに直径の小さい焦点ａが形成される。
【００３１】
これに対して、図４に示すように、燃焼室１７の軸線Ｌ上で上方寄り、かつ半径方向で外周寄りに円環状の焦点ｂを形成したいときは、ピエゾ素子５５に通電する。通電によりピエゾ素子５５の厚さは厚くなり、球面レンズ４５に上昇力を付与し圧縮コイルバネ５０の付勢力に抗して上昇させる。その結果、上方寄りに直径の大きい焦点ｂが形成される。
【００３２】
（ハ）効果
第１の最良の形態によれば、以下の効果が得られる。第１に、図２及び図３において円環状の焦点ａで混合気に点火（着火）される。円環状の焦点ａは多数（正確には無限）の焦点の集合であるので、失火（ミスファイア）が防止できる。つまり、図３において、混合気の所定の点火位置がａ１，ａ２又はａ３の何れであっても確実に点火できる。しかも 円環状の焦点ａを形成するレーザ点火装置３５が一つで済み、コストの上昇が抑制できる。
【００３３】
第２に、燃焼室１７の混合気の濃度分布に応じて、円環状の焦点ａ又はｂの大きさ（直径）及び軸方向位置を容易に変更できる。図２及び図４から分かるように、ピエゾ素子５５に電圧を印加しないか印加するかに応じて、球面レンズ４５が軸方向に移動し、大きさ及び位置が異なる円環状の焦点ａ又はｂが形成される。その結果、混合気がどのような濃度分布であっても、確実に点火される。
【００３４】
＜変形例＞
以下、上記最良の形態の変形例を説明する。
【００３５】
（１）第１変形例
図５に示す第１変形例は、上記最良の形態と比較して、球面レンズ４５を上方に移動させる構成が異なり、その他の構成は基本的に最良の形態と同じである。以下、異なる構成を中心に説明する。
【００３６】
球面レンズ４５の外周縁に取り付けた支持部材５３に対向して、ケーシング３８の下端内周に環状の永久磁石７０が取り付けられている。また、ケーシング３８の下端部外周に円筒状の電磁石（ソレノイド）７２が配置され、ＥＣＵ７３に接続されている。ＥＣＵ７３からの指令によりソレノイド７２に電流を流すと磁化され、磁気力により永久磁石７０を上方に吸引し、電流を流さないときは下降位置にある球面レンズ４５が上方に移動される。その結果、円環状の焦点ａ及びｂの形状及び位置が変わる。
【００３７】
この第１変形例によれば、上記最良の形態の第１及び第２の効果と同様の効果が得られる。加えて、第３の効果に関連して、永久磁石７０及び電磁石７２が球面レンズ４５を大きく変位させることができ、焦点ａ，ｂの形状及び位置を種々に変更できる。
【００３８】
（２）第２変形例
図６に示す第２変形例は、上記最良の形態と比較して、レーザ発振器３６から燃焼室１７内に円環状の焦点ａを形成する手段が異なり、円錐レンズ４０及び球面レンズ４５の代わりにレーザ光伝送部材８０が採用されている。
【００３９】
レーザ光伝送部材８０は移動の光ファイバ８２の集合体から成る。図７に模式的に示すように、各光ファイバ８２は軸方向に延びた第１軸方向部８３と、これと直角を成し半径方向外向きに延びた半径方向部８４と、これと直角を成し第１軸方向と平行な第２軸方向部８５とを含む。多数の第１軸方向部８３により円柱部８６が、多数の半径方向部８４により放射部８７が、多数の第２軸方向８４により環状部８８が、それぞれ構成されている。環状部８８の環形状を保つために、その中空部には弾性の円柱部材８９が挿入されている。
【００４０】
断面円形状のレーザ光がレーザ光伝送部材８０の円柱部８６から入射し、放射部８７で半径方向外向きに拡がり、環状部８８から燃焼室１７に射出され、燃焼室１７内に円環状の焦点ａを形成する。第２変形例によれば、上記最良の形態の第１及び第２の効果と同様の効果が得られる。また、レーザ光伝送部材８０は屈曲した光ファイバ８２を束ねれば完成し、円錐レンズ４０や球面レンズ４５のような細かい位置調整は不要である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の最良の形態によるレーザ点火装置の全体説明図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】図２のレンズの拡大図である。
【図４】最良の形態の作用を説明する、図２に対応する説明図である。
【図５】第１変形例を示す、図２に対応する説明図である。
【図６】（ａ）は第２変形例を示す斜視図、（ｂ）はその下面図である。
【図７】図６のレーザ光伝送部材を形成する光ファイバーの説明図である。
【図８】従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０：シリンダ              １５：ピストン            １７：燃焼室
２４：吸気弁                ２６：排気弁              ３０：燃焼噴射弁
３５：レーザ点火装置        ３６：レーザ発振器        ３８：ケーシング          ４０：円錐レンズ            ４１：円錐形レンズ面      ４５：球面レンズ
４６：球面レンズ面          ５０：圧縮コイルバネ      ５５：ピエゾ素子
６０：焦点変更機構
【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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【図７】
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【図８】
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