(57)【要約】【課題】簡易な構成を用いて複数点での着火を行うレーザー点火装置の提供。【解決手段】光Ｌ’を射出する１つの光源２０１と、光源２０１から射出された光Ｌ’を伝送する光伝送部材２０４と、光Ｌ’の光路上に配置された光学素子２０５ａ、２０５ｂと、光学素子２０５ａ、２０５ｂを通過した光Ｌ’が入力される共振器２０６と、共振器２０６から射出された光Ｌの波長を第１の波長と第２の波長とに変換する少なくとも１つの波長変換素子２０７ａ、２０７ｂと、波長変換素子２０７ａ、２０７ｂを透過した光Ｌを集光する集光光学系２０５ｃと、を有し、集光光学系２０５ｃによる集光位置Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３は、光Ｌの光軸上であって、波長変換素子２０７ａ、２０７ｂの数ｎに対しｎ＋１箇所形成されるレーザ点火装置３０１。【選択図】図２
2017106406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を射出する１つの光源と、
前記光源から射出された光を伝送する光伝送部材と、
前記光の光路上に配置された光学素子と、
前記光学素子を通過した前記光が入力される共振器と、
前記共振器から射出された前記光の波長を第１の波長と第２の波長とに変換する少なくとも１つの波長変換素子と、
前記波長変換素子を透過した前記光を集光する集光光学系と、
を有し、
前記集光光学系による集光位置は、前記光の光軸上であって、前記波長変換素子の数ｎに対しｎ＋１箇所形成されるレーザ点火装置。
【請求項２】
前記共振器の位置を調整するための調整機構を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ点火装置。
【請求項３】
請求項２に記載のレーザ点火装置において、
前記調整機構は、前記共振器と前記波長変換素子との間隔を調整することを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項４】
前記光源は、面発光レーザであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載のレーザ点火装置。
【請求項５】
前記共振器は、Ｑスイッチレーザ共振器であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載のレーザ点火装置。
【請求項６】
前記共振器は、レーザ媒質と可飽和吸収体とが接合されたコンポジット結晶が用いられたことを特徴とする請求項５に記載のレーザ点火装置。
【請求項７】
前記レーザ媒質はＮｄがドープされたＹＡＧ結晶であり、前記可飽和吸収体はＣｒがドープされたＹＡＧ結晶であることを特徴とする請求項６に記載のレーザ点火装置。
【請求項８】
請求項２または３に記載のレーザ点火装置において、
前記調整機構は前記光が透過する部分に開口部を備えるスペーサーであることを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項９】
燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する内燃機関において、
前記燃料に点火するための請求項１乃至８の何れか１つに記載の点火装置を備えていることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ点火装置及び該レーザ点火装置を備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高効率・低ＮＯＸを達成するコジェネレーションシステムの発電機用エンジンの開発が進められている。高効率での燃焼を発生させるには、燃焼速度が速く、かつ着火性に優れた点火装置が求められており、光励起によって発振するレーザ結晶を用いたレーザ点火装置が注目されている。
しかしながら、単一の点火位置で点火するのみでは、燃料濃度の低下による火炎核の成長速度の低下や、逆に高濃度燃料の流入などによって、初期火炎核が十分に成長できず、着火の安定性が得られないという懸念がある。
こうした問題を解決するために、例えば複数のレーザー光源や光学系を用いて、多点着火を行う方法が考えられている（例えば特許文献１、２等参照）。
【０００３】
しかしながら、複数の光源や光学系を用いる構成では、各々の光学系の調整等が煩雑であるという問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、簡易な構成を用いて複数点での着火を行うレーザ点火装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するため、本発明のレーザ点火装置は、光を射出する１つの光源と、前記光源から射出された光を伝送する光伝送部材と、前記光の光路上に配置された光学素子と、前記光学素子を通過した前記光が入力される共振器と、前記共振器から射出された前記光の波長を第１の波長と第２の波長とに変換する少なくとも１つの波長変換素子と、
前記波長変換素子を透過した前記光を集光する集光光学系と、を有し、前記集光光学系による集光位置は、前記光の光軸上であって、前記波長変換素子の数ｎに対しｎ＋１箇所形成される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のレーザ点火装置によれば、簡易な構成を用いて複数点での着火が行われる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態にかかる内燃機関の全体構成の一例を示す図である。
【図２】図１に示したレーザ点火装置の構成の一例を示す平面図である。
【図３】図２に示したレーザ発振器の構成の一例を示す平面図である。
【図４】図１に示したレーザ点火装置を用いて点火するときの燃焼室内の焦点位置の一例を示す平面図である。
【図５】レーザ点火装置の比較例を示す図である。
【図６】図２に示したレーザ点火装置の変形例を示す図である。
【図７】図６に示した調整機構の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態の一例を図面を用いて説明する。
図１には、本発明の第１の実施形態に係るレーザ点火装置３０１を用いた内燃機関としてのエンジン３００が示されている。
エンジン３００は、燃焼室３０４と、燃料と空気とを混合した可燃性の混合気を燃焼室３０４へと噴出する燃料噴出機構３０２と、レーザ光Ｌを集光させて混合気に着火するレーザ点火装置３０１と、を有している。
エンジン３００は、混合気が燃焼することで図１中下方へと押圧されるピストン３０５と、燃焼後の残留ガスを排気するための排気機構３０３と、を有している。
【０００９】
エンジン３００の動作について説明する。
初期状態において、ピストン３０５は上昇しきった上死点を占めた状態であり、燃焼室３０４内部は排気された状態すなわち排気状態であるとする。
排気状態から、まず、燃料噴出機構３０２が、燃料と空気の混合気を燃焼室３０４へと噴出するとともに、ピストン３０５が下降する（吸気工程）。
次に、ピストン３０５が上昇し、混合気を圧縮する（圧縮工程）。
レーザ点火装置３０１がレーザ光束たるレーザ光Ｌを射出して、レーザ光Ｌの照射点たる集光位置の近傍において、混合気の一部がプラズマ化して火炎核が発生する。これによって混合気が着火された着火状態となる（着火工程）。
【００１０】
混合気の燃焼が進むと、混合気が燃焼ガスへと変化する過程で体積が増大してピストン３０５を下方へと押圧する（燃焼工程）。
ピストン３０５は下死点まで下がった後、慣性によって再び上昇し、それとともに排気機構３０３は燃焼後の残留ガスを燃焼室３０４の外部へと排気して（排気工程）、排気状態へと復帰する。
【００１１】
以上の吸気工程〜排気工程までを繰り返されることで、エンジン３００はピストン３０５の上下動に応じて運動エネルギーを得る。
燃料としては例えば天然ガス、ガソリンなどが用いられる。
なお、本実施形態では、エンジン３００は可燃性の混合気を用いた４ストロークエンジンとして説明したが、その他の内燃機関であっても良い。
【００１２】
レーザ点火装置３０１は、図２に示すように、励起光Ｌ’を射出する光源たる面発光レーザ２０１と、面発光レーザ２０１から出射された励起光Ｌ’が入射する入射側集光光学系２０３と、を有している。
レーザ点火装置３０１は、入射側集光光学系２０３を介してレーザ共振器２０６へと伝送する光伝送部材２０４を有している。
レーザ点火装置３０１は、光伝送部材２０４の出射面側に配置された第１レンズ２０５ａと、第２レンズ２０５ｂと、励起光Ｌ’によって励起されてレーザ光Ｌを射出する共振器たるレーザ共振器２０６と、を有している。
レーザ点火装置３０１は、レーザ共振器２０６から出射されたレーザ光Ｌの波長を変更する波長変換素子たる第１波長変換素子２０７ａ及び第２波長変換素子２０７ｂと、集光光学系たる第３レンズ２０５ｃと、を有している。
なお、以降特に必要のある場合には、レーザ光Ｌの光軸方向をＺ軸、Ｚ軸に垂直な方向のうち、図２紙面上方をＸ軸、Ｘ軸とＺ軸とに直交する方向をＹ軸とする。
【００１３】
面発光レーザ２０１は、垂直共振器型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）である。
面発光レーザ２０１は、励起用光源であり、入射側集光光学系２０３の有効径内、（本実施形態では直径９ｍｍ）に配置された複数の発光部を有している。
複数の発光部は、本実施形態では同時に発光されるので、面発光レーザ２０１は、１つの励起光Ｌ’を出射するための単一の光源としての機能を有している。
このように、有効半径内に複数の発光部を配置させることで、単一の発光源として動作させながらも、光出力を大きくすることができる。
具体的には、面発光レーザ２０１は、約２００Ｗの光出力を有する波長８０８ｎｍの励起光Ｌ’を射出する光源としての機能を有している。
【００１４】
入射側集光光学系２０３は、面発光レーザ２０１から射出された励起光Ｌ’を伝送部材２０４の入射面２０４ａに向けて集光する、少なくとも１つのレンズを含んだ光学系である。
光伝送部材２０４は、入射側集光光学系２０３の焦点付近にコアの入射面２０４ａが位置するように配置された光ファイバである。
光伝送部材２０４は、コア径１．５ｍｍ、ＮＡが０．４の光ファイバを用いている。
【００１５】
光伝送部材２０４を設けることで、面発光レーザ２０１とレーザ共振器２０６との距離ｄを伝送部材２０４の長さ分だけ長くして、エンジン３００周辺の高温領域や振動領域から面発光レーザ２０１を遠ざける。
このように面発光レーザ２０１を、エンジン３００から離れた場所に置くことにより、熱による不具合などが生じることを抑制して、レーザ点火装置３０１の信頼性が向上する。
【００１６】
光伝送部材２０４に入射した励起光Ｌ’は、コア内を伝播し、光伝送部材２０４の出射側の端面たる出射面２０４ｂから射出される。
【００１７】
第１レンズ２０５ａは、焦点距離８ｍｍのコリメートレンズであり、光伝送部材２０４から射出された励起光Ｌ’を略平行光として透過させる。
第２レンズ２０５ｂは、焦点距離６ｍｍの凸レンズであり、第１レンズ２０５ａを透過して略平行光となった励起光Ｌ’を焦点へ集光する。
【００１８】
なお、第１レンズ２０５ａと第２レンズ２０５ｂとは、複数枚のレンズを組み合わせて所望の光学的条件を達成するレンズ光学系であっても良い。
【００１９】
レーザ共振器２０６は、励起光Ｌ’を入射されることで内部のレーザ媒質２０６ａと可飽和吸収体２０６ｂとがＱスイッチレーザ発振器としてはたらいてレーザ光Ｌを射出するＱスイッチレーザ共振器である。
レーザ共振器２０６は、図３に示すように、レーザ媒質２０６ａと、可飽和吸収体２０６ｂと、−Ｚ方向端部に形成された第１誘電体多層膜２０６ｃ１と、＋Ｚ方向端部に形成された第２誘電体多層膜２０６ｃ２と、を有している。
レーザ共振器２０６は、レーザ媒質２０６ａと可飽和吸収体２０６ｂとが接合され、一体に形成されたコンポジット結晶であり、入射側にレーザ媒質２０６ａが、出射側に可飽和吸収体２０６ｂが、それぞれ配置されている。
レーザ媒質２０６ａの入射側、すなわち図３における−Ｚ方向側の端部と、可飽和吸収体２０６ｂの＋Ｚ方向側の端部と、は光学研磨され、さらに第１誘電体多層膜２０６ｃ１と第２誘電体多層膜２０６ｃ２とがそれぞれ成膜されている。
かかる構成により、レーザ共振器２０６の±Ｚ方向の両端部は、内部で励起されたレーザ光Ｌを対向して反射するミラー面としての機能を有している。
【００２０】
レーザ媒質２０６ａは、Ｎｄが１．１％ドープされたＮｄ：ＹＡＧ結晶である。
可飽和吸収体２０６ｂは、Ｃｒ：ＹＡＧ結晶であり、初期透過率は３０％程度である。
第１誘電体多層膜２０６ｃ１は、励起光Ｌ’の波長８０８ｎｍに対して高い透過性を示し、レーザ媒質２０６ａの射出するレーザ光Ｌの波長１０６４ｎｍに対しては高い反射率を示すコーティングである。
また、第２誘電体多層膜２０６ｃ２は、波長１０６４ｎｍのレーザ光Ｌに対して３０〜８０％の反射率を示すコーティングである。
このように±Ｚ方向の両端に異なる誘電体多層膜を成膜する構成により、レーザ共振器２０６は、より効率よく内部で励起されたレーザ光Ｌを対向して反射する。
【００２１】
励起光Ｌ’は、レーザ媒質２０６ａに入射するとともに励起して、反転状態を作り出す。
可飽和吸収体２０６ｂは、受動的Ｑスイッチとしての機能を有している。すなわち、レーザ光Ｌの光量が所定値未満の時には吸収体としてはたらき、所定値以上になったときにレーザ光Ｌを透過する。
かかる構成により、レーザ共振器２０６内に入射した励起光Ｌ’によって、レーザ光Ｌが共振して増幅される。なお、本実施形態でのレーザ共振器２０６の共振器長は５〜１０ｍｍである。
【００２２】
面発光レーザ２０１は、パルス幅が０．１ｍｓ〜１０ｍｓ程度の駆動条件で動作しており、レーザ共振器２０６から射出されるレーザ光Ｌの強度は数ｍＪ〜十数ｍＪ程度である。
また、面発光レーザ２０１の励起光Ｌ’の強度たる光出力に応じてＱスイッチの動作回数、すなわちパルス数が決まっている。本実施形態では、パルス数は数回〜十数回になるように設計されることが望ましい。
かかる規定のパルス数に応じて、レーザ光Ｌの光強度が十分に強くなると、レーザ光Ｌは可飽和吸収体２０６ｂを透過して＋Ｚ方向へと射出される。
さらに、レーザ共振器２０６から発振されるレーザ光Ｌは、後述する波長変換素子の波長変換時の光量の低下を抑制するために、直線偏光であることが望ましい。
【００２３】
第１波長変換素子２０７ａと、第２波長変換素子２０７ｂとは、図４に示すように、レーザ共振器２０６から出射されたレーザ光Ｌの波長を変更する。
第１波長変換素子２０７ａはＬＢＯ結晶であり、波長１０６４ｎｍのレーザ光Ｌが入射すると、基本波長１０６４ｎｍの基本光Ｌ１と、波長５３２ｎｍの第２高調波Ｌ２とが出射される。
【００２４】
すなわち、第１波長変換素子２０７ａは、第１の波長たる波長１０６４ｎｍのレーザ光Ｌを基本光Ｌ１として透過するとともに一部を第２の波長たる波長５３２ｎｍの第２高調波Ｌ２として波長変換する。
同様に、第２波長変換素子２０７ｂは、ＬＢＯ結晶であり、波長１０６４ｎｍの基本光Ｌ１を基本光Ｌ１として透過するとともに、第２高調波Ｌ２の一部を波長３５５ｎｍの第３高調波Ｌ３として出射する。
【００２５】
かかる構成により、レーザ光Ｌは、第１波長変換素子２０７ａと、第２波長変換素子２０７ｂとによって、波長１０６４ｎｍの基本光Ｌ１と、波長５３２ｎｍの第２高調波Ｌ２と、波長３５５ｎｍの第３高調波Ｌ３と、を含んだ状態に波長変換される。
また、基本光Ｌ１と、第２高調波Ｌ２と、第３高調波Ｌ３と、の各光の強度比は、例えば第１波長変換素子２０７ａと第２波長変換素子２０７ｂとの厚みや、吸収率などの光学特性で調整されるとしても良い。あるいは、バンドパスフィルタなどを用いて光量を制御するとしても良い。
【００２６】
かかる基本光Ｌ１と、第２高調波Ｌ２と、第３高調波Ｌ３と、は何れも光軸を共通とし、パルスタイミング等も同期した一連の光である。
【００２７】
基本光Ｌ１と、第２高調波Ｌ２と、第３高調波Ｌ３と、は、集光光学系たる第３レンズ２０５ｃによって、燃焼室３０４の内部に向けて集光される。
第３レンズ２０５ｃはここでは焦点距離１１ｍｍ、アッベ数５０の凸レンズである。
【００２８】
第１波長変換素子２０７ａと、第２波長変換素子２０７ｂと、のうち少なくとも１方は、波長変換効率の向上のために、レーザ発振器２０６よりも＋Ｚ方向側において、レーザ光Ｌが最も収束されている点の近傍に配置されることが望ましい。
なお、本明細書でいう「近傍」とは光学的設計を変更せずに済む範囲内で略一致していることを示す。
【００２９】
ところで、レンズには一般的に色収差と言われる、波長ごとにレンズの屈折率が異なるために、焦点が波長によってずれる特性が知られている。
【００３０】
かかる特性を利用して、比較例として図５に示すように、異なる２系統の光源５０１ａ、５０１ｂからの２系統の波長を持つレーザ光Ｌａ、Ｌｂを用いて、点火位置Ｏａ、Ｏｂを複数にするレーザ点火装置５００を用いて燃焼室３０４に点火する構成が考えられる。
なお、本比較例において、特に第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００３１】
光源５０１ａは例えば波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザー発射装置であり、光源５０１ｂは例えば波長６００ｎｍのルビーレーザー発射装置である。
しかしながら、このように単に２系統のレーザ光源を搭載するのみでは、さらに多数の点火位置を確保しようとしたときには、追加でレーザ光源が必要となって高コスト化、構造の複雑化が避けられない。
また、２つの異なる光源のレーザー光を、同一光軸上に集光させるには、光学設計上の制限が大きい。
【００３２】
さらにまた、このような２系統の光源５０１ａ、５０１ｂを有するレーザ点火装置５００は、エンジン３００の点火タイミングを制御するために、光源５０１ａと光源５０１ｂとの２つの系統のレーザー光を同期して制御する必要がある。
例えば、毎分３０００回転する程度のエンジンでは、クランク回転角度が２０°異なると点火時の特性が大きく変わってしまうので、点火位置Ｏａ、Ｏｂ間での点火のタイミングのずれは、数十〜数百μｓでの制御が必要である。
このように、μｓオーダーでのレーザ光発振制御を行うための制御機構も必要となってしまうため、高コスト化、構造の複雑化が避けられないという課題もあった。
【００３３】
そこで本実施形態における第３レンズ２０５ｃは、かかる色収差を利用して、基本光Ｌ１と、第２高調波Ｌ２と、第３高調波Ｌ３と、の各光の集光位置を変化させる。
具体的には、基本光Ｌ１の集光位置Ｏ１と第２高調波Ｌ２の集光位置Ｏ２とでは、約０．３ｍｍのずれがＺ軸方向に生じ、集光位置Ｏ１と第３高調波Ｌ３の集光位置Ｏ３とでは約０．８ｍｍのずれがＺ軸方向に生じる。
【００３４】
本実施形態では、第３レンズ２０５ｃとレーザ共振器２０６との間に配置された２つの波長変換素子２０７ａ、２０７ｂを用いることで、集光位置Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３の３個の集光位置へ集光させる。
すなわち、第３レンズ２０５ｃは、波長変換素子の数ｎに対して、ｎ＋１箇所の集光位置を形成する。
かかる構成により、同一光軸上に複数の集光位置を容易に作成できるから、レーザ点火装置３０１は、簡易な構成を用いて複数点での着火を行い、着火時の安定性が向上する。
【００３５】
また、本実施形態では、励起光Ｌ’の光源としてＶＣＳＥＬレーザたる面発光レーザ２０１を有している。
かかる構成により、熱負荷による基本光Ｌ１と、第２高調波Ｌ２と、第３高調波Ｌ３と、の各波長の温度依存性を低減するから、燃焼室３０４内における集光位置が熱による影響を受けづらく、点火時の安定性が向上する。
【００３６】
また、本実施形態では、Ｑスイッチレーザ共振器であるレーザ共振器２０６を有している。
かかる構成により、励起光Ｌ’がパルスレーザであっても、受動的Ｑスイッチに従ってレーザ光Ｌが射出されるから、レーザ光Ｌの出力が安定して点火時の安定性が向上する。
【００３７】
また、本実施形態では、レーザ共振器２０６は、ＮｄがドープされたＹＡＧ結晶であるレーザ媒質２０６ａと、ＣｒがドープされたＹＡＧ結晶である可飽和吸収体２０６ｂと、が接合されたコンポジット結晶が用いられている。
かかる構成により、可飽和吸収体とレーザ媒質との間の界面が分離していないために、単一の結晶と同様に、熱負荷がかかった際にも界面での反射や剥離などが生じないので、光学的特性や機械的強度の面で有利である。
したがって、レーザ共振器の安定性が向上して、レーザ点火装置３０１の点火時の安定性が向上する。
【００３８】
また、図６に変形例として示すように、レーザ点火装置３０１は、レーザ共振器２０６と、第１波長変換素子２０７ａと、第２波長変換素子２０７ｂと、の位置、または互いの光学部材間の間隔ｚを調整するための調整機構２０８を有している。
調整機構２０８は、図７に示すように、レーザー光Ｌの通過する部分に中空の開口部２０８ａが形成された円環状のスペーサーである。
なお、かかる調整機構２０８は、互いの光学部材間の間隔ｚを調整するものであればよく、かかる構成に限定されない。
かかる構成により、レーザ共振器２０６と第１波長変換素子２０７ａと、第２波長変換素子２０７ｂとの位置関係を調整して、レーザ光Ｌの出力される効率を向上してレーザ点火装置３０１の着火時の安定性が向上する。
【００３９】
以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００４０】
例えば、上記実施形態において、内燃機関は、ロータリーエンジンやガスタービンエンジンやジェットエンジンであっても良い。
また、内燃機関以外にも、排熱を利用して動力や温熱、冷熱を取り出してエネルギー効率を高めるためのコジェネレーションシステムに用いても良い。
また、レーザ点火装置以外にも、レーザ加工機、レーザピーニング装置、テラヘルツ発生装置などにレーザ光を供給するレーザ射出装置としても良い。
【００４１】
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４２】
２０１      光源
２０４      光伝送部材
２０５ａ、２０５ｂ  光学素子（第１レンズ、第２レンズ）
２０６      共振器
２０７ａ、２０７ｂ    波長変換素子
２０５ｃ    集光光学系
３０１      レーザ点火装置
Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３    集光位置
Ｌ          光（レーザ光）
Ｌ’        光（励起光）
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３  波長変換素子を透過した光（基本光、第２高調波、第３高調波）
Ｚ          光軸
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４３】
【特許文献１】特許第５６３０７６５号公報
【特許文献２】特許第４７７２６００号公報
【図１】
2017106406.tif 000003
【図２】
2017106406.tif 000004
【図３】
2017106406.tif 000005
【図４】
2017106406.tif 000006
【図５】
2017106406.tif 000007
【図６】
2017106406.tif 000008
【図７】
2017106406.tif 000009