(57)【要約】【課題】レンズの設置位置の自由度が高く、レーザ光照射窓の損傷が生じにくい構造を有するレーザ着火装置を提供する。【解決手段】レーザ光２０を発するレーザ光源１１、一端がレーザ光源１１に、他端がエンジンの燃焼室９に連結された鏡筒１２、鏡筒１２の燃焼室９側の一端に設けられたレーザ光照射窓１３、鏡筒１２内部に設けられてレーザ光２０を燃焼室７内に集光させるレンズ１４を備えたレーザ着火装置において、レンズ１４を光学的に等方性のセラミックスから構成する。レンズ１４は、透光性、耐熱性に優れるため、高温となる燃焼室近傍にレンズ１４を設置することが可能となる。さらに、高密度のエネルギーがレーザ光照射窓に集中することが回避でき、レーザ光照射窓が損傷するのを効果的に抑制することができる。【選択図】図２
2008025378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発するレーザ発生機構と、
前記レーザ発生機構と内燃機関の燃焼室との間に設けられ、前記燃焼室と外気とを隔離するとともに、前記レーザ光を前記燃焼室内に射出するためのレーザ光照射窓と、
前記レーザ発生機構と前記レーザ光照射窓との間の前記レーザ光の光路上に設けられ、前記レーザ光を前記燃焼室内の焦点に集光させるレンズと、
を備えたレーザ着火装置であって、
前記レンズが光学的に等方性のセラミックスから構成されたことを特徴とするレーザ着火装置。
【請求項２】
前記レンズが前記レーザ光照射窓を兼用することを特徴とする請求項１に記載のレーザ着火装置。
【請求項３】
前記レンズがＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）から構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ着火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に適用されるレーザ着火装置に関し、具体的には、自動車用、発電用等の内燃機関に用いられるレーザ着火装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、代表的な内燃機関としてガソリンエンジンとディーゼルエンジンが知られているが、前者は排気ガスがクリーンであるが燃費に劣り、後者は燃費に優れるがＮＯｘや粒子状物質（ＰＭ）等の有害物質排出量が多いという問題があった。そこで、地球環境の保護、温暖化防止という観点から、低燃費で排気ガスがクリーンなエンジンを実現するものとして、混合気を高圧縮して自発着火させる「予混合圧縮着火技術」が注目されている。しかしながら、予混合圧縮着火式エンジンは、着火が不安定であるという欠点があるため、着火燃焼を促進する着火手段が種々提案されている。
【０００３】
その一つであるレーザ着火は、高出力レーザパルスをレンズにより焦点に集光し、その焦点に発生するプラズマを起点として着火するものである。レーザ着火は、従来からガソリンエンジンに採用されているスパークプラグに比べ、高圧縮比でも着火性が悪化しない、焦点位置調節により燃焼室内の任意の位置での着火が可能であるといった利点を有する。さらに、電気的ノイズの発生源にならない、付着した汚れによる短絡がないといった利点もある。そこで近年、レーザ着火に関する技術開発が進んでいる。
【０００４】
レーザ着火に用いるレーザ装置は精密機器であるため、高温と振動を避けるためにできるだけエンジンから離れた位置に設置し、ファイバー伝送されたレーザ光を燃焼室内に照射することが望ましい。しかしながら、着火に必要なパルスパワーはｍＪ（ミリジュール）以上という高エネルギーであるため、実際にはファイバー伝送することは困難である。そこで、エンジンに直接装着するタイプのレーザ着火装置が知られている。（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−３０３２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のレーザ着火装置で用いられている光学ガラスレンズは耐熱性が低いため、非常に高温となる燃焼室近傍ではなく、温度が比較的低い位置に設置される。すなわち、燃焼室内の実際に着火させたい部分から十分離して設置する必要があり、レンズ設置位置の自由度は比較的小さい。また、レンズが燃焼室内で発生する燃焼ガス等により汚れるのを防止するために、レンズが設置されている空間と燃焼室とを隔離するとともに、レーザ光源から発せられたレーザ光を燃焼室内へ透過させる窓が設けられている。この窓自体は、レーザ光透過率の低下を防ぐため、付着した汚れが焼失するように、高温に曝される位置に設ける必要がある。その結果、レンズと窓との間に距離が生じ、レンズと燃焼室内の焦点（着火点）との間の、焦点に比較的近い位置に窓が設置されることとなる。よって、窓を透過する時点のレーザ光のスポット径は、レンズで集光される時点のスポット径よりも小さくなる。換言すれば、窓を透過する時点のレーザ光のエネルギー密度が高くなり、窓が損傷する虞がある。また、レーザ光の特性が同じ場合、焦点でのレーザ光の径（焦点径）は焦点距離とレンズに入射したレーザ光の径に反比例する関係がある。そこで、上記問題点を解決するために焦点距離の長いレンズを使用することも考えられるが、焦点距離の長いレンズを使用すると、焦点におけるエネルギー密度を高めることができず、プラズマの発生性、ひいては着火性の低下を招く。また、焦点距離の長いレンズを使用して焦点径を小さくするには、他のレンズを用いて予めレーザ光の径を広げておく必要があるため、部品点数の増加、ひいてはコスト増につながる。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、レンズの設置位置の自由度が高く、レーザ光照射窓の損傷が生じにくい構造を有するレーザ着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】
上記目的を達成するために、請求項１に係るレーザ着火装置は、レーザ光を発するレーザ発生機構と、前記レーザ発生機構と内燃機関の燃焼室との間に設けられ、前記燃焼室と外気とを隔離するとともに、前記レーザ光を前記燃焼室内に射出するためのレーザ光照射窓と、前記レーザ発生機構と前記レーザ光照射窓との間の前記レーザ光の光路上に設けられ、前記レーザ光を前記燃焼室内の焦点に集光させるレンズとを備え、前記レンズが光学的に等方性のセラミックスから構成されている。
【０００８】
また、請求項２に係るレーザ着火装置は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記レンズが前記レーザ光照射窓を兼用することを特徴とする。
【０００９】
さらに、請求項３に係るレーザ着火装置は、請求項１または２に記載の発明の構成に加え、前記レンズがＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）から構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係るレーザ着火装置では、レーザ光を集光し、燃焼室内の混合気に着火させるためのレンズを、光学的に等方性のセラミックスで構成している。光学的に等方性の材料は透明度が高いため、レンズ材料として望ましい。また、レンズがセラミックスで構成されているため耐熱性に優れており、一般的な光学レンズよりも燃焼室近傍に設置することが可能となる。すなわち、レンズ設置位置の自由度、ひいてはレーザ着火装置の設計自由度を向上することができる。さらに、レンズを燃焼室方向、すなわちレーザ光照射窓に近づけることができるため、レーザ光がレンズで集光されても、レーザ光照射窓に入射する時点のスポット径はそれほど縮小されない。よって、高密度のエネルギーがレーザ光照射窓に集中することが回避でき、レーザ光照射窓が損傷するのを効果的に抑制することができる。
【００１１】
また、レンズをセラミックスで構成すれば、単結晶バルク体を材料とした場合よりも材料コストが低く抑えられる。さらに、セラミックスの成形加工時にレンズに近い形状とすることにより、研磨コストを抑えることも可能である。
【００１２】
また、請求項２に係る発明では、レンズがレーザ照射窓を兼用している。これにより、構成をさらに簡略化できるとともに、部品点数の削減により、組立て工数やコストを低減することができる。
【００１３】
近年、様々な透明セラミックス材料の開発が進んでいる。このうち、セラミックＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）は、立方晶系であるＹＡＧの微結晶の集合体であるため、光学的に等方性の材料であり、光透過率が高い。一般的に、レンズ材料は、光透過率が高いことの他、屈折率が高く、屈折率の波長依存性が小さいことが要求される。ＹＡＧの屈折率は１．８２と、実用に供されている高屈折率の光学ガラスレンズと同程度である。また、本発明においては、レンズは単色光のレーザ光を集光するのに用いられるため、レンズ材料の屈折率の波長依存性について考慮する必要はない。これらに加えて、ＹＡＧは光学ガラスに比して耐熱性に優れており、ＹＡＧはレーザ着火装置用のレンズ材料として好適である。従来、品質の面では、セラミックスは単結晶に劣っていたが、現在では、製造プロセスの確立により、単結晶バルク体に匹敵する高品質な透明ＹＡＧセラミックスの製造が可能となっている。よって、請求項３に係る発明のように集光レンズを透明ＹＡＧセラミックスで構成することにより、製造コストを抑えつつ、高品質なレンズを備えたレーザ着火装置を設計することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を具体化したレーザ着火装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
<第１の実施形態>
以下、図１および図２を参照して、本発明に係るレーザ着火装置の第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係るレーザ着火装置１０を、ポート噴射型エンジン１に装着した場合の、概略構成を示す断面図である。また、図２は、レーザ着火装置１０の光軸に沿った断面図である。
【００１６】
図１に示すように、エンジン１は、シリンダヘッド２、シリンダブロック３、シリンダブロック３内を往復運動するピストン４を構成の主体とする。そしてこれらシリンダヘッド２、シリンダブロック３、ピストン４とで囲まれる空間が燃焼室９である。また、シリンダヘッド２は、吸気の流路である吸気ポート５、吸気ポート５を開閉する吸気弁６、排気の流路である排気ポート７、排気ポート７を開閉する排気弁８等を備えている。なお、吸気ポート５内には、燃料を噴射する燃料噴射弁（図示しない）が設けられている。また、レーザ着火装置１０は、エンジン１のシリンダヘッド２に設置されている。
【００１７】
図２に示すように、レーザ着火装置１０は、レーザ光源１１、鏡筒１２、レーザ光照射窓１３およびレンズ１４から構成されている。
【００１８】
レーザ光を発するレーザ光源１１には特に限定はないが、効率と出力の観点から、レーザダイオード励起固体レーザが好適に用いられる。レーザ媒質としては、安定性、耐久性に優れるＮｄ：ＹＡＧやＹｂ：ＹＡＧなどの材料が好ましい。また、レーザパルスの射出タイミングは、能動Ｑスイッチの制御により行われるか、あるいは励起光制御と受動Ｑスイッチを組み合わせることにより行われることが好ましい。なお、レーザ光源１１が「レーザ発生機構」に相当する。
【００１９】
鏡筒１２は、一端がレーザ光源１１に、他端が燃焼室９に連結された円筒形のハウジングで、レンズ１４を筒内に支持するとともに、レーザ光２０がその内部を貫通してレーザ光源１１から燃焼室９へ達するよう設けられている。鏡筒の材質には特に限定はないが、燃焼室近傍に設置されることを考慮し、ＳＵＳ３０４などの耐熱性に優れた金属を用いることが好ましい。
【００２０】
鏡筒１２の燃焼室９側の一端は燃焼室９に面して開口しており、その開口部に、燃焼室９を鏡筒内の外気からシールするとともに、鏡筒１２を貫通したレーザ光２０を燃焼室９に射出するためのレーザ光照射窓１３が設けられている。また、レーザ光照射窓１３の燃焼室９側の表面は燃焼雰囲気に直に曝されるため、燃焼ガスなどで汚れが付着しやすい。よって、レーザ光照射窓１３は、汚れが焼失するよう十分に高温の部位に設けられるため、耐熱性が要求される。そこで、レーザ光照射窓１３の材料としては、透光性を有し、耐熱性に優れる材料が好ましい。好適な材料の例として、透光性アルミナやサファイア、透明ＹＡＧなどのイオン結晶性材料が挙げられる。
【００２１】
レンズ１４は、レーザ光源１１から鏡筒１２を貫通するレーザ光２０を、レーザ光照射窓１３を通して燃焼室９内の所望の位置に集光するように、鏡筒１２内のレーザ光２０の光路上に設置されている。また、レンズ１４は、光学的に等方性のセラミックスから構成されている。光学的に等方性の材料は透明度が高く、セラミックスは耐熱性に優れているため、レンズ材料として好適である。より好ましくは、透光性、耐熱性の両面で特に優れた透明ＹＡＧセラミックスから構成される。
【００２２】
次に、上記のように構成された本実施形態に係るレーザ着火装置１０の動作について説明する。図２に示すように、レーザ光源１１がレーザ光２０を所望のパルスタイミングで射出すると、レーザ光２０は、レーザ光源１１に連結された鏡筒１２内部を通り、鏡筒１２内に支持されたレンズ１４に入射する。レンズ１４は、鏡筒１２の燃焼室９側の一端に設けられたレーザ光照射窓１３を通して、入射したレーザ光２０を燃焼室９内の焦点３０に集光させる。一方、図１に示すように、燃焼室９内には、吸気ポート５内で燃料噴射弁から噴射された燃料と吸気とを混合して形成された混合気が、吸気弁６を介して供給されている。燃焼室９内の焦点において、集光されたレーザ光２０が混合気の一部にプラズマを発生させることにより、この混合気を着火、燃焼させることができる。
【００２３】
以上説明したように、本実施形態のレーザ着火装置１０では、レンズ１４を光学的に等方性のセラミックスで構成することにより、レンズ１４の耐熱性が向上する。これにより、高温に曝されるレーザ光照射窓１３とレンズ１４との距離を短縮することが可能となる。すなわち、レンズ１４の設置位置の自由度が向上する。さらに、レーザ光照射窓１３への入射時点のレーザ光２０のエネルギー密度増大が抑えられるため、レーザ光照射窓１３が損傷する危険性を低下させることができる。
【００２４】
また、レンズ１４をセラミックスで構成したことにより、単結晶バルク体を材料とした場合よりも、コストを低減することができる。特に、レンズ１４を透明ＹＡＧセラミックスで構成した場合には、コストを抑えながら、透光性、耐熱性に優れる高品質なレンズを備えた装置を得ることができる。
【００２５】
<第２の実施形態>
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施形態に係るレーザ着火装置４０について説明する。図３は、レーザ着火装置４０の光軸に沿った断面図である。以下、図３を参照して、本実施形態について、第１の実施形態と異なる構成を主として説明する。なお、本実施形態のレーザ着火装置４０をポート噴射型エンジン１に装着した場合の概略断面図は、図１と同様である。
【００２６】
図３に示すように、レーザ着火装置４０は、第１の実施形態と同様に、レーザ光源１１、鏡筒１２を有する。一方、第１の実施形態とは異なり、レンズ１４がレーザ光照射窓１３を兼用している。すなわち、鏡筒１２の燃焼室９側の開口部に、レンズ１４のみが設けられた構成となっている。
【００２７】
レンズ１４は、第１の実施形態と同様、光学的に等方性のセラミックスから構成されている。より好ましくは、透光性、耐熱性の高い透明ＹＡＧセラミックスから構成される。本実施形態の構成では、レンズ１４の燃焼室９側の表面は非常な高温に曝されることになるが、透明ＹＡＧセラミックスは十分な耐熱性を有している。
【００２８】
上記のように構成された第２の実施形態に係るレーザ着火装置４０の動作について説明する。
【００２９】
図３に示すように、レーザ光源１１がレーザ光２０を所望のパルスタイミングで射出すると、レーザ光２０は、レーザ光源１１に連結された鏡筒１２内部を通り、鏡筒１２の燃焼室９側の一端に設けられたレンズ１４に入射する。レンズ１４は、入射したレーザ光２０を燃焼室９内の焦点３０に集光させ、混合気の一部にプラズマを発生させる。このプラズマにより、燃焼室９内に供給された混合気を着火、燃焼させることができる。
【００３０】
以上説明したように、第２の実施形態のレーザ着火装置４０では、レンズ１４が、燃焼室９と外気とを隔離し、レーザ光２０を透過させる窓の役割を果たすとともに、レーザ光２０を燃焼室９内に集光させる役割を果たしている。すなわち、第１の実施形態のレーザ光照射窓１３を省略した構成となっている。したがって、構成をさらに簡略化できるとともに、部品点数の削減により、組立て工数やコストを低減することができる。特に、レンズ１４を透明ＹＡＧセラミックスで構成した場合には、コストを抑えながら、透光性、耐熱性に優れる高品質なレンズを備えた装置を得ることができる。
【００３１】
なお、上記第１および第２の実施形態に示されるレーザ着火装置の構成は例示であり、本発明は各種の変形が可能なことはいうまでもない。
【００３２】
例えば、第１および第２の実施形態では、本発明に係るレーザ着火装置をポート噴射型のエンジンに装着しているが、筒内噴射式のエンジンなど、他のエンジンにも適用可能である。また、第１および第２の実施形態では、本発明に係るレーザ着火装置は燃焼室頂部近傍に設けられているが、上記構成は一例であり、燃焼室を臨む他の位置に配置することも可能である。
【００３３】
また、上記第１および第２の実施形態では、レーザ光源１１と燃焼室９の間に鏡筒１２を設けたが、レーザ光２０がレンズ１４により燃焼室９内で集光される構成となっていればよい。よって、例えば、光伝送管や光ファイバーを用いてレーザ光２０を伝送する構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】第１の実施形態に係るレーザ着火装置１０を、ポート噴射式エンジン１に装着した場合の、概略構成を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態に係るレーザ着火装置１０の光軸に沿った断面図である。
【図３】第２の実施形態に係るレーザ着火装置４０の光軸に沿った断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    エンジン
２    シリンダヘッド
３    シリンダブロック
４    ピストン
５    吸気ポート
６    吸気弁
７    排気ポート
８    排気弁
９    燃焼室
１０  レーザ着火装置
１１  レーザ光源
１２  鏡筒
１３  レーザ光照射窓
１４  レンズ
２０  レーザ光
３０  焦点
４０  レーザ着火装置
【図１】
2008025378.tif 000003
【図２】
2008025378.tif 000004
【図３】
2008025378.tif 000005