(57)【要約】      （修正有）【課題】エンジンへの搭載性に優れ、かつ、信頼性、安全性に優れたレーザ点火装置とその制御方法を提供。【解決手段】レーザ点火装置１００ｂは、レーザ出力検出手段３ｂとして、レーザ発振器４１から発振されたパルスレーザＬＳＲＰＬＳの戻り光ＲＥＦＰＬＳの進行方向を屈折させる光学素子３０ｂと、光学素子３０ｂによって屈折されたパルスレーザ戻り光ＲＥＦＰＬＳを検出する戻り光検出センサ３１とを具備し、励起光源劣化検出手段３ｂとして、励起光源として設けた半導体レーザ２から放射された励起レーザＬＳＲＰＭＰの一部の進行方向を屈折させる光学素子３０ｂと、該光学素子３０ｂによって屈折された励起レーザＬＳＲＰＭＰの一部ＲＥＦＰＭＰを検出する励起光検出センサ３３とを具備する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に設けられ、該機関を制御する電子制御装置から機関の運転状況に応じて発信される点火信号に従って、励起光源を駆動する駆動電流を印加し、該励起光源から放射された励起レーザをレーザ発振器によってエネルギ密度の高いパルスレーザとして発振させ、集光手段によってさらにエネルギ密度を高めて燃焼室内の混合気の点火を行うレーザ点火装置において、
レーザ出力検出手段として、上記レーザ発振器から発振されたパルスレーザの戻り光の進行方向を屈折させる光学素子と、該光学素子によって屈折されたパルスレーザの戻り光を検出する戻り光検出センサとを具備することを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項２】
内燃機関に設けられ、該機関を制御する電子制御装置から機関の運転状況に応じて発信される点火信号に従って、励起光源を駆動する駆動電流を印加し、該励起光源から放射された励起レーザをレーザ発振器によってエネルギ密度の高いパルスレーザとして発振させ、集光手段によってさらにエネルギ密度を高めて燃焼室内の混合気の点火を行うレーザ点火装置において、
励起光源劣化検出手段として、上記励起光源から放射された励起レーザの一部の進行方向を屈折させる光学素子と、該光学素子によって屈折された励起レーザの一部を検出する励起光検出センサとを具備することを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項３】
内燃機関に設けられ、該機関を制御する電子制御装置から機関の運転状況に応じて発信される点火信号に従って、励起光源を駆動する駆動電流を印加し、該励起光源から放射された励起レーザをレーザ発振器によってエネルギ密度の高いパルスレーザとして発振させ、集光手段によってさらにエネルギ密度を高めて燃焼室内の混合気の点火を行うレーザ点火装置において、
レーザ出力検出手段として、上記レーザ発振器から発振されたパルスレーザの戻り光の進行方向を屈折させる光学素子と、該光学素子によって屈折されたパルスレーザの戻り光を検出する戻り光検出センサとを具備し、
励起光源劣化検出手段として、上記励起光源から放射された励起レーザの一部の進行方向を屈折させる光学素子と、該光学素子によって屈折された励起レーザの一部を検出する励起光検出センサとを具備することを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項４】
内燃機関に設けられ、該機関を制御する電子制御装置から機関の運転状況に応じて発信される点火信号に従って、励起光源を駆動する駆動電流を印加し、該励起光源から放射された励起レーザをレーザ発振器によってエネルギ密度の高いパルスレーザとして発振させ、集光レンズによってさらにエネルギ密度を高めて燃焼室内の混合気の点火を行うレーザ点火装置の制御方法であって、
レーザ出力検出手段として、上記レーザ発振器から発振されたパルスレーザの戻り光の進行方向を屈折させる光学素子と、該光学素子によって屈折されたパルスレーザの戻り光を検出する戻り光検出センサとを設け、
上記戻り光検出センサの出力に基づいて検知された実際の出力パルス数が、上記電子制御装置から発信された一の点火信号に対して上記レーザ発振器から発振すべきパルスレーザの目標パルス数よりも少ないときには、上記駆動電流の印加時間を長くし、又は、上記駆動電流を大きくすることを特徴とするレーザ点火装置の制御方法。
【請求項５】
内燃機関に設けられ、該機関を制御する電子制御装置から機関の運転状況に応じて発信される点火信号に従って、励起光源を駆動する駆動電流を印加し、該励起光源から放射された励起レーザをレーザ発振器によってエネルギ密度の高いパルスレーザとして発振させ、集光レンズによってさらにエネルギ密度を高めて燃焼室内の混合気の点火を行うレーザ点火装置の制御方法であって、
励起光源劣化検出手段として、上記励起光源から放射された励起レーザの一部の進行方向を屈折させる光学素子と、該光学素子によって屈折された励起レーザの一部を検出する励起光検出センサとを設け、
上記励起光検出センサによって検知された出力のピーク電圧が、予め初期状態において上記励起光検出センサによって検知された出力のピーク電圧初期値よりも低いときには、上記駆動電流の印加時間を長くし、又は、上記駆動電流を大きくすることを特徴とするレーザ点火装置の制御方法。
【請求項６】
内燃機関に設けられ、該機関を制御する電子制御装置から機関の運転状況に応じて発信される点火信号に従って、励起光源を駆動する駆動電流を印加し、該励起光源から放射された励起レーザをレーザ発振器によってエネルギ密度の高いパルスレーザとして発振させ、集光レンズによってさらにエネルギ密度を高めて燃焼室内の混合気の点火を行うレーザ点火装置の制御方法であって、
レーザ発振器劣化検出手段として、上記レーザ発振器から発振されたパルスレーザの戻り光の進行方向を屈折させる光学素子と、該光学素子によって屈折されたパルスレーザの戻り光を検出する戻り光検出センサとを設け、
上記戻り光検出センサの出力に基づいて検知された実際の出力パルス数が、上記電子制御装置から発信された一の点火信号に対して上記レーザ発振器から発振すべきパルスレーザの目標パルス数よりも少ないときに、上記駆動電流の印加時間を長くし、又は、上記駆動電流を大きくした後、再度検出した出力パル数が上記目標パルス数よりも少ないときには、上記レーザ発振器の劣化と判定することを特徴とするレーザ点火装置の制御方法。
【請求項７】
内燃機関に設けられ、該機関を制御する電子制御装置から機関の運転状況に応じて発信される点火信号に従って、励起光源を駆動する駆動電流を印加し、該励起光源から放射された励起レーザをレーザ発振器によってエネルギ密度の高いパルスレーザとして発振させ、集光レンズによってさらにエネルギ密度を高めて燃焼室内の混合気の点火を行うレーザ点火装置の制御方法であって、
レーザ発振器劣化検出手段として、上記レーザ発振器から発振されたパルスレーザの戻り光の進行方向を屈折させる光学素子と、該光学素子によって屈折されたパルスレーザの戻り光を検出する戻り光検出センサとを設け、
上記励起光源から励起レーザが出力されているにもかかわらず、上記戻り光検出センサの出力が所定の閾値以下のときには、
上記励起光源と上記レーザ発振器とが接続されていないと判定し、上記励起光源からの励起レーザの発振を停止することを特徴とするレーザ点火装置の制御方法。
【請求項８】
内燃機関に設けられ、該機関を制御する電子制御装置から機関の運転状況に応じて発信される点火信号に従って、励起光源を駆動する駆動電流を印加し、該励起光源から放射された励起レーザをレーザ発振器によってエネルギ密度の高いパルスレーザとして発振させ、集光レンズによってさらにエネルギ密度を高めて燃焼室内の混合気の点火を行うレーザ点火装置の制御方法であって、
励起光源劣化検出手段として、上記励起光源から放射された励起レーザの一部の進行方向を屈折させる光学素子と、該光学素子によって屈折された励起レーザの一部を検出する励起光検出センサとを設け、
上記励起光検出センサによって検知された出力のピーク電圧と、予め初期状態において上記励起光検出センサによって検知された出力のピーク電圧初期値との差が所定の閾値を超えるときには、上記励起光源の劣化と判定することを特徴とするレーザ点火装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等の限られた搭載スペース載置された内燃機関の点火に用いられるレーザ点火装置とその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フラッシュランプ、半導体レーザ等の励起用光源をＱスイッチ式のレーザ媒質に照射し、短いパルス幅でエネルギを集中させて放出するパルスレーザを発振させ、さらにパルスレーザを集光レンズなどの光学系部品を用いて集光して、高いエネルギを集中させることにより、内燃機関の点火を行ったり、金属の加工を行ったりするレーザ装置が種々提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、出力するレーザパルスのパワー及びパルス幅を調整可能し、内燃機関の燃焼室内の燃料に向けてレーザパルスを出力するためのレーザ装置と、点火タイミングにおいて、前記燃焼室内でプラズマを生じ得るピークパワーを有する第１パルスレーザが前記レーザ装置から出力された後、前記第１レーザパルスよりもピークパワーの低い第２レーザパルスが前記レーザ装置から前記燃焼室内で生じたプラズマに向けて出力されるように、前記レーザ装置を制御する制御装置とを備えたレーザ点火装置が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、レーザ発振器の出力補正方法として、励起用ランプを駆動する投入電流駆動回路に入力する電流信号Ｉ（ｎ）を基準光量値Ｌｓ（ｎ）とレーザ出力光量値Ｌｂ（ｎ）との差に応じた量ΔＰ（ｎ）と、積算基準光量値ΣＬｂ（ｎ）と積算レーザ出力光量値ΣＬｓ（ｎ）との差に応じた量ΔＪ（ｎ）と、予め定めた形状の基準電流値Ｉｓ（ｎ＋１）に基づいて演算することによって、レーザ出力を基準波形に一致させる方法が開示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１にあるような、従来のレーザ点火装置において、エンジヘッドの限られた搭載スペースにレーザ発振器を搭載した場合、十分に冷却することが困難となる上に、周囲の温度変化が大きく、レーザ発振器の温度変化や劣化により、発振されるレーザのパルス間隔が変化し、点火時期を適正な値に制御できない虞がある。
また、従来のレーザ点火装置において、搭載性を考慮してエンジンヘッドには集光レンズ等の光学系部品のみを載置して、レーザ発振装置をエンジンヘッドの外に設けた場合には、レーザ発振装置と光学系部品との間を光ファイバ等の伝送手段を介して両者を接続することになるが、車両運転者の安全を確保するために、光ファイバの接続状態を確実に検出する必要がある。
【０００６】
一方、特許文献２にあるようなレーザ加工装置においてレーザ発振器は、水冷装置などによって十分に冷却できる環境に置かれているので、元々レーザ発振器の温度変化による発振パルスの変化が少ない上に、加工装置としての用途を満たすためには、レーザ出力のエネルギ量が基準波形に一致すれば、レーザ発振器から発振されるパルス間隔やパルス数までは問題とならず、上述のように車両に搭載する上での課題について考慮した構成になっていない。
また、特許文献２にあるような従来のレーザ発振器の補正方法では、実際にレーザ発振器から放射された光の一部をビームスプリッタによって分岐し、光センサによって検出して、レーザ出力の補正に用いているが、このような分岐手段をエンジンヘッドの限られた搭載スペースに設けることは困難である。  
加えて、従来のように、レーザ発振器から発振された高いエネルギ状態のパルスレーザの一部を分岐させて光センサを用いて検出することにより、出力補正を行ったのでは光センサの劣化が早くなる虞がある。
【０００７】
本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、小型でエンジンへの搭載性に優れ、かつ、信頼性、安全性に優れたレーザ点火装置とその制御方法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】
【０００８】
請求項１の発明では、内燃機関に設けられ、該機関を制御する電子制御装置から機関の運転状況に応じて発信される点火信号に従って、励起光源を駆動する駆動電流を印加し、該励起光源から放射された励起レーザをレーザ発振器によってエネルギ密度の高いパルスレーザとして発振させ、集光手段によってさらにエネルギ密度を高めて燃焼室内の混合気の点火を行うレーザ点火装置において、レーザ出力検出手段として、上記レーザ発振器から発振されたパルスレーザの戻り光の進行方向を屈折させる光学素子と、該光学素子によって屈折されたパルスレーザの戻り光を検出する戻り光検出センサとを具備する。
【０００９】
請求項２の発明では、内燃機関に設けられ、該機関を制御する電子制御装置から機関の運転状況に応じて発信される点火信号に従って、励起光源を駆動する駆動電流を印加し、該励起光源から放射された励起レーザをレーザ発振器によってエネルギ密度の高いパルスレーザとして発振させ、集光手段によってさらにエネルギ密度を高めて燃焼室内の混合気の点火を行うレーザ点火装置において、励起光源劣化検出手段として、上記励起光源から放射された励起レーザの一部の進行方向を屈折させる光学素子と、該光学素子によって屈折された励起レーザの一部を検出する励起光検出センサとを具備する。
【００１０】
請求項３の発明では、内燃機関に設けられ、該機関を制御する電子制御装置から機関の運転状況に応じて発信される点火信号に従って、励起光源を駆動する駆動電流を印加し、該励起光源から放射された励起レーザをレーザ発振器によってエネルギ密度の高いパルスレーザとして発振させ、集光手段によってエネルギ密度を高めて燃焼室内の混合気の点火を行うレーザ点火装置において、レーザ出力検出手段として、上記レーザ発振器から発振されたパルスレーザの戻り光の進行方向を屈折させる光学素子と、該光学素子によって屈折されたパルスレーザの戻り光を検出する戻り光検出センサとを具備し、励起光源劣化検出手段として、上記励起光源から放射された励起レーザの一部の進行方向を屈折させる光学素子と、該光学素子によって屈折された励起レーザの一部を検出する励起光検出センサとを具備する。
【００１１】
請求項４の発明では、内燃機関に設けられ、該機関を制御する電子制御装置から機関の運転状況に応じて発信される点火信号に従って、励起光源を駆動する駆動電流を印加し、該励起光源から放射された励起レーザをレーザ発振器によってエネルギ密度の高いパルスレーザとして発振させ、集光レンズによってさらにエネルギ密度を高めて燃焼室内の混合気の点火を行うレーザ点火装置の制御方法であって、レーザ出力検出手段として、上記レーザ発振器から発振されたパルスレーザの戻り光の進行方向を屈折させる光学素子と、該光学素子によって屈折されたパルスレーザの戻り光を検出する戻り光検出センサとを設け、上記戻り光検出センサの出力に基づいて検知された実際の出力パルス数が、上記電子制御装置から発信された一の点火信号に対して上記レーザ発振器から発振すべきパルスレーザの目標パルス数よりも少ないときには、上記駆動電流の印加時間を長くし、又は、上記駆動電流を大きくする。
【００１２】
請求項５の発明では、内燃機関に設けられ、該機関を制御する電子制御装置から機関の運転状況に応じて発信される点火信号に従って、励起光源を駆動する駆動電流を印加し、該励起光源から放射された励起レーザをレーザ発振器によってエネルギ密度の高いパルスレーザとして発振させ、集光レンズによってさらにエネルギ密度を高めて燃焼室内の混合気の点火を行うレーザ点火装置の制御方法であって、励起光源劣化検出手段として、上記励起光源から放射された励起レーザの一部の進行方向を屈折させる光学素子と、該光学素子によって屈折された励起レーザの一部を検出する励起光検出センサとを設け、上記励起光検出センサによって検知された出力のピーク電圧が、予め初期状態において上記励起光検出センサによって検知された出力のピーク電圧初期値よりも低いときには、上記駆動電流の印加時間を長くし、又は、上記駆動電流を大きくする。
【００１３】
請求項６の発明では、内燃機関に設けられ、該機関を制御する電子制御装置から機関の運転状況に応じて発信される点火信号に従って、励起光源を駆動する駆動電流を印加し、該励起光源から放射された励起レーザをレーザ発振器によってエネルギ密度の高いパルスレーザとして発振させ、集光レンズによってさらにエネルギ密度を高めて燃焼室内の混合気の点火を行うレーザ点火装置の制御方法であって、レーザ発振器劣化検出手段として、上記レーザ発振器から発振されたパルスレーザの戻り光の進行方向を屈折させる光学素子と、該光学素子によって屈折されたパルスレーザの戻り光を検出する戻り光検出センサとを設け、上記戻り光検出センサの出力に基づいて検知された実際の出力パルス数が、上記電子制御装置から発信された一の点火信号に対して上記レーザ発振器から発振すべきパルスレーザの目標パルス数よりも少ないときには、上記駆動電流の印加時間を長くし、又は、上記駆動電流を大きくした後、再度検出した出力パル数が上記目標パルス数よりも少ないときには、上記レーザ発振器の劣化と判定する。
【００１４】
請求項７の発明では、内燃機関に設けられ、該機関を制御する電子制御装置から機関の運転状況に応じて発信される点火信号に従って、励起光源を駆動する駆動電流を印加し、該励起光源から放射された励起レーザをレーザ発振器によってエネルギ密度の高いパルスレーザとして発振させ、集光レンズによってさらにエネルギ密度を高めて燃焼室内の混合気の点火を行うレーザ点火装置の制御方法であって、レーザ発振器劣化検出手段として、上記レーザ発振器から発振されたパルスレーザの戻り光の進行方向を屈折させる光学素子と、該光学素子によって屈折されたパルスレーザの戻り光を検出する戻り光検出センサとを設け、上記励起光源から励起レーザが出力されているにもかかわらず、上記戻り光検出センサの出力が所定の閾値以下のときには、上記励起光源と上記レーザ発振器とが接続されていないと判定し、上記励起光源からの励起レーザの発振を停止する。
【００１５】
請求項８の発明では、内燃機関に設けられ、該機関を制御する電子制御装置から機関の運転状況に応じて発信される点火信号に従って、励起光源を駆動する駆動電流を印加し、該励起光源から放射された励起レーザをレーザ発振器によってエネルギ密度の高いパルスレーザとして発振させ、集光レンズによってさらにエネルギ密度を高めて燃焼室内の混合気の点火を行うレーザ点火装置の制御方法であって、励起光源劣化検出手段として、上記励起光源から放射された励起レーザの一部の進行方向を屈折させる光学素子と、該光学素子によって屈折された励起レーザの一部を検出する励起光検出センサとを設け、上記励起光検出センサによって検知された出力のピーク電圧と、予め初期状態において上記励起光検出センサによって検知された出力のピーク電圧初期値との差が所定の閾値を超えるときには、上記励起光源の劣化と判定する。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明によれば、上記戻り光検出センサの出力によって上記レーザ発振器の状態を検知することが可能となり、上記レーザ発振器の温度変化によって実際に発振されたパルスレーザの発振間隔が変動したときに目標とする発振間隔に一致させるよう補正することが可能となる。
また、従来のように、レーザ発振器から発振されたエネルギ密度の高いパルスレーザそのものを分光して検出するのではなく、エネルギ密度の低い戻り光を検出するため、上記出力検出手段そのものが劣化し難くなり耐久性が向上する上に、小型化も容易である。
【００１７】
請求項２の発明によれば、上記励起光検出センサの出力によって上記励起光源の劣化状態を検知することが可能となり、上記励起光源の劣化状態応じて該励起光源を駆動する駆動電流を補正して、上記励起光源から放射される励起光の出力を安定化させることが可能となる。
また、パルスレーザに比べてエネルギ密度の低い励起レーザの一部を検出するため、光学系の劣化が起こり難く、耐久性が向上する上に、小型化も容易である。
【００１８】
請求項３の発明によれば、請求項１の発明の効果と請求項２の発明の効果とが重畳的に得られ、さらに安定したパルスレーザの発振が可能となり、点火装置としての信頼性が向上する。
加えて、上記戻り光検出センサの出力と上記励起光検出センサの出力との相違から、上記励起光源と上記レーザ発振器との間で励起光の漏れの有無を検知し、上記内燃機関を運転する運転者の安全を確保することも可能となる。
【００１９】
請求項４の発明によれば、上記レーザ発振器の温度上昇により、出力されるパルスレーザの発振間隔が長くなったときに、目標とする発振間隔に一致させることが可能となり、内燃機関の運転状況に応じた適切な点火が実現される。
【００２０】
請求項５の発明によれば、上記励起光源の劣化により、励起光の出力が低下したときに、励起光の出力を安定させることが可能となり、内燃機関の運転状況に応じた適切な点火が実現される。
【００２１】
請求項６の発明によれば、速やかに上記レーザ発振器の異常を検知し、交換を促すことが可能となり、点火装置としての信頼性が確保される。
【００２２】
請求項７の発明によれば、上記励起光源と上記レーザ発振器との接続がはずれた場合に確実にレーザ光の外部への漏れを防止し、運転者の安全を確保することが可能となり、点火装置としての信頼性、安全性が確保される。
【００２３】
請求項８の発明によれば、速やかに上記歴光源の異常を検知し、交換を促すことが可能となり、点火装置としての信頼性が確保される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示す断面図。
【図３】本発明の第３の実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示す断面図。
【図４】本発明の第４の実施形態におけるレーザ点火装置に用いられるレーザ発振装置の断面図。
【図５】本発明の第５の実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示し、（ａ）は全体の断面図、（ｂ）は、ヒートシンク部分を示す断面図。
【図６】本発明のレーザ点火装置に用いられる制御方法を示すタイムチャート。
【図７】本発明のレーザ点火装置に用いられる他の制御方法を示すタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明のレーザ点火装置は、レーザ媒質の温度変化や半導体レーザの劣化によって発生するパルスレーザの発振周期の変動に対して、パルスレーザの戻り光、又は、励起レーザのいずれか一方又は両方を検出して、実際に発振されたパルスレーザの発振周期を検知し、燃焼条件に適したパルス数、又は、レーザ出力となるように補正して、高過給エンジン、高圧縮エンジン、希薄混合気エンジン等の難着火性の内燃機関において安定した着火の実現を図るものである。
【００２６】
図１を参照して、本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置１００の概要について説明する。なお、本発明において、適用される内燃機関を限定するものではないが、本図に示すように、内燃機関７、シリンダヘッド７０、吸気筒７１、吸気バルブ７１１、排気筒７２、排気バルブ７２２、図略のシリンダブロック、ピストンによって、燃焼室７３が区画され、シリンダヘッド７０に固定されたレーザ点火プラグ４の先端を燃焼室７３に対向させ、燃焼室７３内に導入された混合気中にパルスレーザを集光して混合気の点火を図るものである。
本実施形態におけるレーザ点火装置１００は、レーザ発振器４１から発振されたパルスレーザＬＳＲＰＬＳの戻り光ＲＥＦＰＬＳを検出して、半導体レーザ１に印加する駆動電流の制御にフィードバックさせ、レーザ発振器４１の温度変化に伴う出力パルス間隔の増減、及び、出力パルス数の増減を補正することによって、内燃機関の安定した点火を実現可能としたことを特徴としている。
【００２７】
レーザ点火装置１００は、励起光源として設けた半導体レーザ１と、半導体レーザ１を駆動する駆動回路２と、レーザ発振器の状態を検知するために設けたレーザ出力検出手段３と、内燃機関８のシリンダヘッド７０に載置されるレーザ点火プラグ４と、出力エネルギ決定手段５と、これらを制御する電子制御装置（ＥＣＵ）６とによって構成されている。
半導体レーザ１は、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等の結晶材料で形成されたレーザダイオードが用いられ、駆動回路２からの駆動電流（Ｄ１、又は、ＤＡＭＤ）の印加により励起レーザＬＳＲＰＭＰを放射する。
【００２８】
半導体レーザ１から放射された励起レーザＬＳＲＰＭＰは、光ファイバ１０、３５、レーザ出力検出手段３を介して、レーザ点火プラグ４に伝送される。
本実施形態において、レーザ出力検出手段３は、パルスレーザ戻り光ＲＥＦＰＬＳの進行方向を屈折させる光学素子として設けられたビームスプリッタ３０と、ビームスプリッタ３０によって進行方向が屈折されたパルスレーザ戻り光ＲＥＦＰＬＳを検出する戻り光検出センサ３１とによって構成されている。
【００２９】
ビームスプリッタ３０は、石英ガラス等からなり、略平板状に形成された光学素子３００のレーザ発振器４１に対向する側の表面に、励起レーザＬＳＲＰＭＰは透過し、パルスレーザＬＳＲＰＬＳの戻り光ＲＥＦＰＬＳは反射する戻り光部分反射膜３０１が形成されたハーフミラーとなっており、励起レーザの進行方向に対して４５°の角度で配置されている。
戻り光検出センサ３１には、例えば、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＮ等をの半導体素子を含むフォトダイオード又は、フォトトランジスタ等が用いられている。
なお、パルスレーザ戻り光ＲＥＦＰＬＳは、特定の波長（例えば、１０６４ｎｍ）を有しており、励起レーザＬＳＲＰＭＰの波長（例えば、８０８ｎｍ）となっているので、どちらの波長も検知するセンサ（例えば、Ｓｉ、ＩｎＧａＡｓ）を用いる場合は、励起レーザＬＳＲＰＭＰの波長（８００〜８１５ｎｍ）をカットする光学フィルタ等を光検出センサ３１の入射面に装着するのが望ましい。
【００３０】
レーザ点火プラグ４は、略筒状に形成したプラグ筐体４５内に同軸上に並べられた、励起光集光光学系部品４０、レーザ発振器４１、ビームエキスパンダ４２、集光レンズ４３、保護カバー４４によって構成されている。
レーザ発振器４１は、入射面からの励起レーザＬＳＲＰＭＰを透過する励起光透過膜４１０と、レーザ媒質内で発生した励起光よりも長い波長の光を全反射する蛍光部分反射膜４１１と、レーザ媒質４１２と、可飽和吸収体４１３と、部分反射鏡４１４とによって共振器を構成している。
【００３１】
レーザ媒質４１２内で発生した励起レーザＬＳＲＰＭＰよりも長い波長の光が共振し、可飽和吸収体４１３の固有の閾値を超えるまで増幅される。
共振増幅されたレーザ光が閾値を超えると可飽和吸収体４１３が受動Ｑスイッチとして作用し、瞬間的にエネルギ密度の高いパルスレーザＬＳＲＰＬＳとして出射される。
このとき、パルスレーザＬＳＲＰＬＳの一部は、パルスレーザ戻り光ＲＥＦＰＬＳとして、レーザ発振器４１から光ファイバ３５を介して、ビームスプリッタ３０に戻る。
【００３２】
パルスレーザ戻り光ＲＥＦＰＬＳは、ビームスプリッタ３０の戻り光部分反射膜３０１によってパルレーザ戻り光ＲＥＦＰＬＳの進行方向に直交する側面方向に反射され、さらにその進行方向に設けた戻り光検出センサ３１に入光する。
戻り光検出センサ３１は、パルスレーザＬＳＲＰＬＳの実際に出力された発振パルス数に一致するパルスレーザ戻り光ＲＥＦＰＬＳのパルス数（ＰＬＳ２）、及び／又は、パルスレーザＬＳＲＰＬＳの出力に比例するパルスレーザ戻り光ＲＥＦＰＬＳの強度を検出し、戻り光信号３０を出力する。
【００３３】
レーザ出力検出手段３から出力された戻り光信号３０は、出力エネルギ決定手段５に入力される。
出力エネルギ決定手段５では、戻り光信号３０の入力前は、ＥＣＵ６から発信された点火信号ＩＧｔ及び目標パルス数ＰＬＳ１からなる制御目標値６０に従って、駆動回路２を駆動するための標準的な駆動信号５０が発信され、点火信号ＩＧｔに応じたタイミングで駆動回路２から標準的な駆動電流Ｄ１が半導体レーザ１に印加される。
また、出力エネルギ決定手段５では、戻り光信号３０の入力後には、入力された検出パルス数ＰＬＳ２と目標パルス数ＰＬＳ１との差からレーザ発振器４１の状態を検知し、補正後パルス数ＰＬＳＡＭＤを実現するために、駆動回路２を駆動するための駆動信号５０を補正して発信し、点火信号ＩＧｔに応じたタイミングで駆動回路２から補正後駆動電流ＤＡＭＤが半導体レーザ１に印加される。
駆動回路２からの駆動電流Ｄ１又はＤＡＭＤの印加によって、半導体レーザ１からレーザ発振器４１の状態に応じた励起レーザＬＳＲＰＭＰがレーザ発振器４１に放射される。なお、補正後駆動電流ＤＡＭＤの具体的な補正方法については、図６、７を参照して後述する。
【００３４】
レーザ発振器４１から発振されたパルスレーザＬＳＲＰＬＳは、ビームエキスパンダ４２によって所定のビーム径を有する平行光となるように調整される。
ビームエキスパンダ４２は、パルスレーザＬＳＲＰＬＳのビーム径を拡大する凹レンズ４２０と平行光となるように屈折させる凸レンズ４２１とによって構成されている。
ビームエキスパンダ４２によって平行光に調整されたパルスレーザＬＳＲＰＬＳは、集光手段として設けた集光レンズ４３によって、燃焼機関８の燃焼室８３内の所定の空間位置に配置した集光点ＦＰに集光され、さらに高いエネルギ密度となって燃焼室内に図略の
燃料噴射装置を用いて導入された混合気を着火する。なお、集光点ＦＰの位置は、適用する内燃機関の燃焼特性に応じて適宜変更可能である。
【００３５】
さらに、本実施形態において、半導体レーザ１から励起レーザＬＳＲＰＭＰが出力されているにもかかわらず、戻り光検出センサ３１から出力された戻り光出力信号３０が所定の閾値以下のときには、半導体レーザ１とレーザ発振器４１とを接続する光ファイバ３５が外れる等の励起レーザＬＳＲＰＭＰを伝送する経路が接続されていない状態と判定し、励起レーザＬＳＲＰＭＰの発振を停止する。
なお、本判定結果を利用して、併せて燃料噴射やエンジン始動用スタータの起動を停止しても良い。
【００３６】
ＥＣＵ６は、制御目標値６０として、内燃機関７の運転状況に応じて、点火時期を決定する点火信号ＩＧｔと共に、その点火信号ＩＧｔに対してレーザ発振器４１から発振されるパルスレーザＬＳＲＰＬＳの目標パルス数ＰＬＳ１を制御目標値６０として、出力エネルギ決定手段５に発信する。
【００３７】
図２を参照して、本発明の第２の実施形態におけるレーザ点火装置１００ａの概要について説明する。上記実施形態におけるレーザ点火装置１００は、レーザ発振器４１から発振されたパルスレーザＬＳＲＰＬＳの戻り光ＲＥＦＰＬＳを検出して、レーザ発振器４１の変動を補正する構成を示したが、本実施形態においては、励起光源劣化検出手段３ａとして、励起レーザＬＳＲＰＭＰの反射光ＲＥＦＰＭＰを検出して、半導体レーザ１の劣化を検出し、半導体レーザ１の劣化に伴う励起レーザＬＳＲＰＭＰの出力低下と、それに起因してレーザ発振器４１から発振されるパルスレーザＬＳＲＰＬＳの出力低下を補正して、安定した点火の実現を可能とするものである。
なお、以下の説明において、上記実施形態と同様の構成については同じ符号を付したので、説明を省略し、各実施形態における特徴的な部分を中心に説明する。
【００３８】
本実施形態において、励起光源劣化検出手段３ａは、励起レーザＬＳＲＰＭＰの一部を屈折させて励起レーザ反射光ＲＥＦＰＭＰとして取り出す光学素子として設けられたビームスプリッタ３０ａと、ビームスプリッタ３０ａによって進行方向が屈折された励起レーザ反射光ＲＥＦＰＭＰを検出する励起光検出センサ３３とによって構成されている。
【００３９】
ビームスプリッタ３０ａは、石英ガラス等からなり略平板状に形成された光学素子３００の半導体レーザ１に対向する側の表面に励起レーザＬＳＲＰＭＰの一部を反射する励起レーザ部分反射膜３０２が形成されたハーフミラーとなっており、励起レーザＬＳＲＰＭＰの進行方向に対して４５°の角度で配置されている。
励起光検出センサ３３には、例えば、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＮ等をの半導体素子を含むフォトダイオード、フォトトランジスタ等が用いられている。なお、励起レーザ反射光ＲＥＦＰＭＰは、特定の波長（例えば、８０８ｎｍ）を有しており、パルスレーザ戻り光ＲＥＦＰＬＳの波長（例えば、１０６４ｎｍ）となっているので、どちらの波長も検知するセンサ（例えば、Ｓｉ、ＩｎＧａＡｓ）を用いる場合は、励起レーザＬＳＲＰＭＰの波長（８００〜８１５ｎｍ）をカットする光学フィルタ等を光検出センサ３１の入射面に装着するのが望ましい。
【００４０】
励起光検出センサ３３で検出される励起レーザ反射光ＲＥＦＰＭＰの強度は、励起レーザＬＳＲＰＭＰの強度に比例するので、これを閾値判定することにより、半導体レーザ１の劣化状態を検出することができる。
さらに、励起光検出センサ３３の出力３４のピーク電圧Ｖ１をエネルギ出力決定手段５aに入力して半導体レーザ１に印加する駆動電流の補正にフィードバックさせることによって、半導体レーザ１の劣化に伴う出力低下を補うことができる。
【００４１】
本実施形態において、エネルギ出力決定手段５aで行われる出力補正方法及び半導体レーザ１の劣化状態の判定方法について説明する。
半導体レーザ１の温度が一定の条件において、半導体レーザ１に所定の駆動電流Ｄ１を流したときに励起光検出センサ３３で検出される励起反射光ＲＥＦＰＭＰの出力電圧ＶＩＮと所定の閾値電圧ＶＲＥＦとを比較して劣化判定を行うことができる。
例えば、予めＥＣＵ６に初期状態における励起光検出センサ３３の出力電圧ＶＩＮのピーク値をピーク電圧初期値Ｖ０として記憶し、一定時間経過したときの励起光検出センサ３３の出力電圧のピーク値Ｖ１をピーク電圧初期値Ｖ０と比較し、ピーク電圧差（Ｖ１―Ｖ０）が所定の閾値以下である場合には、励起光検出センサ３３の出力電圧のピーク値Ｖ１が初期ピーク値Ｖ０に一致するように、半導体レーザ１に印加する駆動電流を増加するように補正後駆動信号ＤＡＭＤを決定することによって、半導体レーザ１から放射される励起レーザＬＳＲＰＭＰを安定化させることが可能となる。
【００４２】
さらに、ピーク電圧Ｖ１の学習を繰り返し、供給電力が所定の電源容量を超える場合、又は、ピーク電圧差（Ｖ１−Ｖ０）が予め設定した所定の閾値を超えたときには、半導体レーザ１の劣化と判定し、自己診断信号として劣化状態であることを記憶したり、警告灯を点灯する等により運転者に半導体レーザ１の交換を促したりすることができる。
なお、半導体レーザ１の劣化判定は、通常の駆動電流よりも低い電力で行い、レーザ発振器４１からパルスレーザＬＳＲＰＬＳが発振されない条件下で行うのが望ましく、ＥＣＵ６から点火信号ＩＧｔが発信されない、エンジンの停止中や、半導体レーザ１の温度が一定の状態で実施するのが良い。
【００４３】
図３を参照して、本発明の第３の実施形態におけるレーザ点火装置１００ｂの概要について説明する。
本実施形態におけるレーザ点火装置１００ｂは、上述の第１の形態におけるレーザ点火装置１００の特徴と第２の実施形態におけるレーザ点火装置１００ａの特徴との両方を備えたものである。
したがって、本実施形態によれば、レーザ発振器４１の温度変化に伴うパルスレーザ出力の変動と、半導体レーザ１の劣化に伴うパルスレーザ出力の変動との両方を抑制し、さらに安定した点火を実現できる。
本実施形態において、レーザ出力検出手段と励起光源劣化検出手段とを兼ね備えた検出手段３ｂは、パルスレーザ戻り光ＲＥＦＰＬＳの進行方向を屈折させると共に、励起レーザＬＳＲＰＭＰの一部を屈折させて励起レーザ反射光ＲＥＦＰＭＰとして取り出す光学素子として設けられたビームスプリッタ３０ｂと、ビームスプリッタ３０ｂによって進行方向が屈折されたパルスレーザ戻り光ＲＥＦＰＬＳを検出する戻り光検出センサ３１と、ビームスプリッタ３０ｂによって進行方向が屈折された励起レーザ反射光ＲＥＦＰＭＰを検出する励起光検出センサ３３とによって構成されている。
【００４４】
さらに、本実施形態におけるレーザ出力決定手段５ｂは、ＥＣＵ６から内燃機関７の運転状況に応じて発振された点火信号ＩＧｔ、目標パルスＰＬＳ１と、戻り光検出センサ３１の出力３２（ＰＬＳ２）と、励起光検出センサ３３の出力３４（Ｖ１、Ｖ０）とに基づいて、レーザ発振器４１の温度状態、半導体レーザ１の劣化状態との両方に対して、補正後パルスＰＬＳＡＭＤが目標パルスＰＬＳ１に近づくように駆動回路２から半導体レーザ１に印加される駆動電流Ｄ１を補正後駆動電流ＤＡＭＤに補正する。
また、本実施形態によれば、第１の実施形態の効果と第２の実施形態の効果との両方が得られるだけでなく、パルスレーザ戻り光ＲＥＦＰＬＳと励起レーザ反射光ＲＥＦＰＭＰとの比較から、光ファイバ３５とレーザ点火プラグ４との接続状態を検知することも可能となる。
【００４５】
図４を参照して、本発明の第４の実施形態におけるレーザ点火装置１００ｃに用いられるレーザ出力検出手段３ｃの概要について説明する。
上記実施形態においては、パルスレーザ戻り光ＲＥＦＰＬＳ又は、励起レーザ反射光ＲＥＦＰＭＰを分光する光学素子として、ビームスプリッタ３０、３０ａ、３０ｂを用いた例を示したが、本実施形態においては、半導体レーザ１から放射された励起レーザＬＳＲＰＭＰを集光する励起光集光光学系部品４０の一部をレーザ出力検出手段３ｃの光学素子３０ｃに利用しつつ、半導体レーザ１と、戻り光検出センサ３１ｃ、励起光検出センサ３３ｃと共に半導体レーザ１を封止保護するパッケージ３６内に一体的に載置し、レーザ出力検出手段３ｃの小型化を図ったものである。
【００４６】
本実施形態においては、複数の半導体レーザ１が直列に接続され、外部に引き出された正電源端子２００及び負電源端子２０１に接続されている。
それぞれの半導体レーザ１の励起レーザＬＳＲＰＭＰの放射位置には、光ファイバ１０ｃの一方の端が配設され、光ファイバ１０ｃ内を励起レーザＬＳＲＰＭＰが伝送されるようになっている。
光ファイバ１０ｃの他方の端には、光学素子３０ｃが配設されている。光学素子３０ｃは、半導体レーザ１に対向する側（入力側）の表面には、いわゆるＡＲコーティングと呼ばれる、励起レーザＬＳＲＰＭＰの反射を抑制し、透過効率を向上させた減反射皮膜３０２ｃが形成され、レーザ発振器４１の側に対向する表面（出力側）の表面には、レーザパルス戻り光ＲＥＦＰＬＳを反射する戻り光反射皮膜３０１ｃが形成されている。
また、光学素子３０ｃは、光ファイバ１０ｃ内を伝送された励起レーザＬＳＲＰＭＰを集光する励起光集光光学系部品の一部を兼ねており、励起レーザＬＳＲＰＭＰが平行光となるように調整して、光ファイバ３５ｃに入光している。
【００４７】
さらに、光学素子３０ｃと光ファイバ３５ｃとの間隙から漏れる、レーザパルス戻り光ＲＥＦＰＬＳと励起レーザ反射光ＲＥＦＰＭＰとのそれぞれを、石英、ＢＫ７等からなる光ガイド部３１１、３３１を介して戻り光検出センサ３１ｃと励起光検出センサ３３ｃに入光させる。
戻り光検出センサ３１ｃは、外部に引き出された一対の戻り光出力端子３１０、３１１に接続されている。
励起光検出センサ３３ｃは、外部に引き出された一対の励起光出力端子３３０、３３１に接続されている。
パッケージ３６は、熱伝導性の高い金属ケースや樹脂部材等からなり、半導体レーザ１及びレーザ出力検出部３ｃを構成する、光ファイバ１０ｃ、３５ｃ、光学素子３０ｃ、戻り光検出センサ３１ｃ、励起光検出センサ３３ｃを一体的に封止し光学部品の損傷、汚染を防止するとともに、半導体レーザの熱を外部に放出するためのヒートシンクの役割を果たす。
あるいは、パッケージ３６は断熱性の高い樹脂を使ってエンジンからの入熱を遮断し半導体レーザ熱を放出する冷却装置を内部に装着する。  
本実施形態によれば、上記実施形態と同様の効果を発揮できるのに加えて、レーザ点火装置１００ｃのさらなる小型化を図ることが可能となる。
【００４８】
図５を参照して本発明の第５の実施形態におけるレーザ点火装置１００ｄの概要について説明する。
本実施形態においては、第４の実施形態と同様に、半導体レーザ１及びレーザ出力検出部３ｃを一体的にパッケージ３６ｄ内に封止すると共に、レーザ点火プラグ４ｄの頭部に載置し、コネクタ部３７を形成して、コネクタ部３７内に、一対の電源端子２００、２０１、戻り光出力端子３１０、３１１、励起光出力端子３３０、３３１を配設し、駆動回路２及び出力エネルギ決定手段５とは、コネクタ部３７に嵌合する図略のコネクタ部を備えたワイヤハーネスを介して接続可能としてある。
さらに、燃焼室７３から半導体レーザ1側への入熱を防止すると共に、半導体レーザ1で発生する熱を排出する冷却機構として、パッケージ３６ｄを熱伝導率の高い金属材料によって形成し、その内側に配設された半導体レーザ１に接触させてヒートシンクとして利用したり、ヒートシンクに接していない半導体レーザ１の周囲を断熱性の樹脂で覆って、燃焼室７３から放出される熱を遮断するようにするのが望ましい。
【００４９】
加えて、シリンダヘッド７０を冷却するエンジン冷却装置と、ヒートシンクとして設けられたパッケージ３６ｄとを熱的に結合することにより、ヒートシンクの冷却効果を高めることができ、レーザ発振器４１の温度環境の変化を少なくし、発振されるパルスレーザＬＳＲＰＬＳの発振パルスの変動幅を抑制することができる。
また、励起レーザＬＳＲＰＭＰの波長を−３０〜１３０℃の範囲において、例えば、８０８±３ｎｍに制限する狭帯域化素子（Ｖｏｌｕｍｅ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇｓ  ＶＢＧ）等の波長ロック機構を半導体レーザ１に組み込んだ構成としても良い。
このような構成とすることによって、導体レーザ１及びレーザ点火プラグ４とが一体となり、駆動回路２と半導体レーザ１とは容易に分離可能となるので、プラグの着脱が容易となる上に、プラグ交換時の誤作動や、レーザ光の漏れにより、運転者等の安全を脅かす虞がない。
【００５０】
図６を参照して、本発明のレーザ点火装置１００の制御方法の他の例について説明する。上記実施形態においては、レーザ発振器４１の温度が上昇し、発振周期が長くなったときに、駆動電流の印加時間を延ばして、補正後駆動電流ＤＡＭＤとしたが、本実施形態においては、同様の場合に、駆動電流を大きくして、補正後駆動電流ＤＡＭＤとした点が相違する。
駆動電流を大きくすることにより、レーザ発振器４１の温度が高くなっていても、Ｑスイッチの作動時間を短縮させることができ、補正後パルス数ＰＬＳＡＭＤを目標パルス数ＰＬＳ１と一致させることができる。
【００５１】
図７を参照して、本発明のレーザ点火装置１００の制御方法の一例について説明する。ＥＣＵ７から点火信号ＩＧｔが発信されると、レーザ特性判定領域において、目標パルス数ＰＬＳ１と、レーザパルス戻り光ＲＥＦＰＬＳの検出によって得られた出力パルスＰＬＳ２とが比較され、目標パルス数ＰＬＳ１に一致するよう駆動電流が補正される。
本実施形態においては、レーザ発振器４１の温度上昇により、発振周期が長くなり、実際に発振されたパルスレーザＬＳＲＰＬＳのパルス数ＰＬＳ２が、目標パルス数ＰＬＳ１より少なくなった場合に、半導体レーザ１に印加する駆動電流を変更することなく、印加時間を長くすることによって、フィードバック反映領域において、補正後パルス数ＰＬＳＡＭＤを目標パルス数ＰＬＳ１と一致させることができる。
【００５２】
さらに、レーザ発振器劣化検出手段として、戻り光検出センサ３１の出力に基づいて検知された実際の出力パルス数ＰＬＳ２が、ＥＣＵ７から発信された一の点火信号ＩＧｔに対してレーザ発振器４１から発振すべきパルスレーザＬＳＲＰＬＳの目標パルス数ＰＬＳ１よりも少ないときに、駆動電流の印加時間を長くし、又は、駆動電流を大きくした補正後駆動電流ＤＡＭＤで駆動してもなお、再度検出した出力パル数ＰＬＳ２が目標パルス数ＰＬＳ１よりも少ないときには、レーザ発振器４１の劣化と判定することもできる。
【符号の説明】
【００５３】
1００  レーザ点火装置
１  半導体レーザ
１０、３５  光ファイバ
２  半導体レーザ駆動回路
２０  半導体レーザ駆動信号
３  レーザ出力検出手段
３０  ビームスプリッタ
３００  光学素子
３０１  戻り光部分反射膜
３１  戻り光検出手段（戻り光検出センサ）
３２  戻り光検出信号
３３  励起光検出手段（励起光検出センサ）
３０２  励起光部分反射膜
３４  励起光検出信号
４  レーザ点火プラグ
４０  励起光調整用光学系部品
４１  レーザ発振器
４１０  励起光透過膜
４１１  蛍光部分反射膜
４１２  レーザ共振部
４１３  過飽和吸収体
４１４  反射鏡
４２  ビームエキスパンダ
４３  集光レンズ
４４  保護カバー
４５  プラグ筐体部
５  レーザ出力判定手段
５０  レーザ出力判定信号
６  電子制御装置（ＥＣＵ）
６０  制御目標値
７  内燃機関
７０  エンジンヘッド
７１  吸気筒
７１１  吸気バルブ
７２  排気筒
７２１  排気筒
７３  燃焼室
ＦＰ  集光点
ＰＬＳ１  目標パルス数
ＰＬＳ２  戻り光パルス数
ＰＬＳ３  励起光パルス数
ＰＬＳＡＭＤ  補正後パルス数
Ｄ１  駆動電流
ＤＡＭＤ  補正後駆動電流
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５４】
【特許文献１】特開２００９−２７８０２３号公報
【特許文献２】特開２００９−１２１２４７号公報
【図１】
2012189044.tif 000003
【図２】
2012189044.tif 000004
【図３】
2012189044.tif 000005
【図４】
2012189044.tif 000006
【図５】
2012189044.tif 000007
【図６】
2012189044.tif 000008
【図７】
2012189044.tif 000009