(57)【要約】【課題】点火位置を適切な位置に変えることができつつも、応答性及び耐振性に優れ、高速回転型のエンジン装置にも適用することができるレーザ点火装置を提供する。【解決手段】ＥＣＵ１１は、燃焼室の燃焼状態に応じて二次元音響光学偏向器３を制御し、レーザ光を多焦点レンズユニット５の二次元方向の任意の位置に偏向して、燃焼室内における最適点火位置にレーザ光を集光させる。レーザ光を偏向する二次元音響光学偏向器３は機械的な作動部を含まないので、燃焼状態に応じた素早い点火位置の変更を行うことができ、回転に伴う振動により悪影響を受け難い。したがって、燃焼状態に応じて点火位置を適切な位置に変更することができつつも、応答性及び耐振性に優れ、高速回転型のエンジン装置にも適用することができる。【選択図】図１
2009221895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの燃焼室内の混合ガスにレーザ光により点火するレーザ点火装置であって、
レーザ光を発振するレーザ光発振手段と、
異なる焦点位置を有するレンズ群を二次元配置で備えた多焦点レンズユニットと、
前記レーザ光発振手段からのレーザ光を二次元で前記多焦点レンズユニットの任意の位置に偏向する音響光学偏向器と、
燃焼室の燃焼状態に応じて前記音響光学偏向器を制御し、燃焼室内の最適点火位置にレーザ光を集光させる制御手段と、
を備えていることを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ点火装置において、
前記多焦点レンズユニットは、異なる焦点位置を有する複数個のレンズ本体と、前記複数個のレンズ本体が取り付けられたユニット部材と、
を備えていることを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザ点火装置において、
前記多焦点レンズユニットは、異なる焦点位置を有する非球面レンズで一体的に構成されたユニット本体を備えていることを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のレーザ点火装置において、
前記音響光学偏向器と前記多焦点レンズユニットとは、複数本の光ファイバからなる光ファイバプレートで光学的に接続されていることを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のレーザ点火装置において、
燃焼室の燃焼状態ごとに燃焼室内における最適な点火位置を示す点火位置マップを予め記憶した記憶手段を備え、
前記制御手段は、燃焼室の燃焼状態と前記点火位置マップとに基づいて前記音響光学偏向器を制御することを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項６】
請求項１から４のいずれかに記載のレーザ点火装置において、
燃焼室の燃焼状態ごとに燃焼室内における複数箇所の点火数を示す点火点数マップと、前記複数箇所の点火数に応じた最適な点火位置を示す点火位置マップと、前記複数箇所の点火位置の点火タイミングを示した点火タイミングマップとを予め記憶した記憶手段を備え、
前記制御手段は、燃焼室の燃焼状態と前記点火点数マップ、前記点火位置マップ、前記点火タイミングマップとに基づいて前記音響光学偏向器を制御することを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項７】
請求項１から５のいずれかに記載のレーザ点火装置において、
エンジンが複数の燃焼室を備えた多気筒構成である場合には、
前記多焦点レンズユニット及び前記音響光学偏向器を前記気筒ごとに備え、
前記レーザ光発振手段からのレーザ光を気筒ごとの音響光学偏向器に分配する光分配手段をさらに備えていることを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項８】
請求項７に記載のレーザ点火装置において、
前記光分配手段は、
各音響光学偏向器にレーザ光を導く複数本の光ファイバと、
前記レーザ光発振手段からのレーザ光を前記複数本の光ファイバに反射させて導く複数枚のハーフミラーと、
を備えていることを特徴とするレーザ点火装置。
【請求項９】
燃焼室及び燃料供給手段を備えたエンジンと、
レーザ光を発振するレーザ光発振手段と、
異なる焦点位置を有するレンズ群を二次元配置で備え、前記燃焼室に付設された多焦点レンズユニットと、
前記レーザ光発振手段からのレーザ光を二次元で前記多焦点レンズユニットの任意の位置に偏向する音響光学偏向器と、
前記燃焼室における燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段と、
前記燃焼状態検出手段からの出力信号に応じて前記音響光学偏向器を制御し、前記燃焼室内の最適点火位置にレーザ光を集光させる制御手段と、
を備えていることを特徴とするエンジン装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のエンジン装置と、
駆動輪と、
前記エンジン装置により発生される動力を前記駆動輪に伝達する伝達機構と、
を備えていることを特徴とする輸送機器。
【請求項１１】
請求項９に記載のエンジン装置と、
燃料を貯留する燃料タンクと、
前輪及び後輪と、
前記エンジン装置により発生される動力を前記後輪に伝達する伝達機構と、
を備え、
前記レーザ発振手段と、前記音響光学偏向器とを前記エンジン装置と前記燃料タンクの間に配置することを特徴とする輸送機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いて混合ガスに点火するためのレーザ点火装置及びそれを備えたエンジン装置並びにそれらを備えた輸送機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン装置の燃焼室に供給された混合ガスを点火するものとしては、点火プラグ（スパークプラグとも呼ばれる）が代表的であるが、最近ではレーザ光点火装置が使われ始めている。点火プラグは、燃焼室内に臨ませた電極間にて放電させることにより混合ガスに点火するものである。一方、レーザ点火装置は、燃焼室内に臨ませた照射面からレーザ光を集光して照射させることにより、混合ガスに点火させるものである。このレーザ点火装置は、高エネルギ点火が可能で、燃焼効率を向上でき、二酸化炭素の排出量の削減が期待されている。
【０００３】
上述したレーザ点火装置のうち点火位置を燃焼室の適切な位置に変えることができるものとして、例えば、以下のものが挙げられる。
【０００４】
（１）第１装置
この第１装置は、レーザ光が導かれる中空状の筒状ハウジングと、この筒状ハウジングの先端部に備えられた照射面とを備え、燃焼室に照射面を臨ませて取り付けられている（例えば、特許文献１参照）。筒状ハウジングの先端部には、レーザ光の照射方向に進退駆動される集光レンズを備えており、その進退駆動は筒状ハウジングに設けられたピエゾ素子によって行われる。このピエゾ素子を駆動して集光レンズを前後に移動し、燃焼室内におけるレーザ光の焦点位置を変えるように構成されている。
【０００５】
（２）第２装置
この第２装置は、レーザ光が導かれる中空状のハウジングと、このハウジングの先端側に内蔵された二つの流体からなる液体レンズと、ハウジングの先端部に設けられた照射窓とを備え、燃焼室に照射窓を臨ませて取り付けられている（例えば、特許文献２参照）。液体レンズに印加する電圧を調整して二つの流体の界面の曲率を変更し、燃焼室内におけるレーザ光の焦点位置を変えるようになっている。
【０００６】
（３）第３装置
この第３装置は、複数のレーザ光源と、複数のレーザ光源からのレーザ光を導く光ファイバ群と、この光ファイバ群からのレーザ光が導かれるハウジングとを備える。このハウジングは、その内部に二焦点レンズを備え、ハウジングの先端部にある照射窓を燃焼室に臨ませて取り付けられている（例えば、特許文献３参照）。二焦点レンズに照射するレーザ光を選択することにより、燃焼室内におけるレーザ光の焦点位置を変えるように構成されている。
【特許文献１】特開２００６−１１２３５５号公報
【特許文献２】特開２００６−１９４１５１号公報
【特許文献３】特開２００７−１０７４２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
すなわち、第１装置は、ピエゾ素子に信号を与えてから実際に集光レンズが移動を完了するのに時間がかかるので、応答性が悪いという問題がある。また、第２装置は、電圧を印加してから実際に二流体の界面の曲率が変わるまでに時間を要するので、第１装置と同様に応答性が悪いという問題がある。
【０００８】
これらの装置の具体的な応答性は、数ｍｓｅｃから数十ｍｓｅｃであり、特に、高速回転型の自動車用のエンジン装置や、自動二輪車のエンジン装置に適用するには応答性が不十分である。さらに、これらの装置は、レンズの機械的な移動や液体レンズの変形を利用しているので、耐振性に難があり、高速回転型のエンジン装置に適用するには非現実的である。
【０００９】
また、第３装置は、複数のレーザ光源を必要とするので、構成が複雑であって装置がかさばるという問題がある。特に、自動二輪車では、装置の設置スペースが自動車等に比較して非常に小さいので、深刻な問題となる。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、点火位置を適切な位置に変えることができつつも、応答性及び耐振性に優れ、高速回転型のエンジン装置にも適用することができるレーザ点火装置及びそれを備えたエンジン装置並びにそれらを備えた車両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】
【００１１】
本発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、エンジンの燃焼室内の混合ガスにレーザ光により点火するレーザ点火装置であって、レーザ光を発振するレーザ光発振手段と、異なる焦点位置を有するレンズ群を二次元配置で備えた多焦点レンズユニットと、前記レーザ光発振手段からのレーザ光を二次元で前記多焦点レンズユニットの任意の位置に偏向する音響光学偏向器と、燃焼室の燃焼状態に応じて前記音響光学偏向器を制御し、燃焼室内の最適点火位置にレーザ光を集光させる制御手段と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１２】
［作用・効果］請求項１に記載の発明によれば、制御手段は、燃焼室の燃焼状態に応じて音響光学偏向器を制御し、レーザ光を多焦点レンズユニットの二次元方向における任意の位置に偏向して、燃焼室内における最適点火位置にレーザ光を集光させる。レーザ光を偏向する音響光学偏向器は機械的な作動部を含まないので、燃焼状態に応じた素早い点火位置の変更を行うことができ、回転に伴う振動により悪影響を受け難い。したがって、燃焼状態に応じて点火位置を適切な位置に変更することができつつも、応答性及び耐振性に優れ、高速回転型のエンジン装置にも適用することができる。
【００１３】
なお、音響光学偏向器（ＡＯＭ：acoustooptical [acoustooptic] modulator）は、音響光学変調器とも呼ばれ、音響光学媒体とこれに超音波を発生させる手段とで構成されている。音響光学媒体としては、例えば、モリブデン酸鉛単結晶（ＰｂＭｏＯ４）、二酸化テルル単結晶（ＴｅＯ２）、ゲルマニウム単結晶（Ｇｅ）、リチウムナイオベート結晶  (またはニオブ酸リチウム)（ＬｉＮｂＯ３）、インジウムリン（ＩｎＰ）、ガリウムリン（ＧａＰ）などが使用されている。この音響光学偏向器は、数マイクロオーダの応答速度を備えているので、高速回転型のエンジンに好適である。
【００１４】
また、レーザ光を二次元方向に偏向する音響光学偏向器は、二つ音響光学媒体を組み合わせてなるものでもよく、単体エレメントで構成された二次元音響光学媒体からなるものであってもよい。
【００１５】
また、本発明において、前記多焦点レンズユニットは、異なる焦点位置を有する複数個のレンズ本体と、前記複数個のレンズ本体が取り付けられたユニット部材と、を備えていることが好ましい（請求項２）。ユニット部材のレンズ本体を交換することにより各種の焦点位置に対応させることができ、汎用性を高くすることができる。
【００１６】
また、本発明において、前記多焦点レンズユニットは、異なる焦点位置を有する非球面レンズで一体的に構成されたユニット本体を備えていることが好ましい（請求項３）。非球面レンズで一体的にユニット本体が構成されているので、耐振性や強度をさらに高めることができる。
【００１７】
また、本発明において、前記音響光学偏向器と前記多焦点レンズユニットとは、複数本の光ファイバからなる光ファイバプレートで光学的に接続されていることが好ましい（請求項４）。光ファイバプレートを介在させることで、音響光学偏向器と多焦点レンズユニットの配置自由度を高くすることができる。
【００１８】
また、本発明において、燃焼室の燃焼状態ごとに燃焼室内における最適な点火位置を示す点火位置マップを予め記憶した記憶手段を備え、前記制御手段は、燃焼室の燃焼状態と前記点火位置マップとに基づいて前記音響光学偏向器を制御することが好ましい（請求項５）。制御手段は、燃焼室の燃焼状態と点火位置マップとから最適な点火位置を求め、音響光学偏向器を介してレーザ光を走査するので、燃焼状態に応じた適切な点火位置にすることができる。その結果、排ガス性能や燃費向上を高めることができる。
【００１９】
また、本発明において、燃焼室の燃焼状態ごとに燃焼室内における複数箇所の点火数を示す点火点数マップと、前記複数箇所の点火数に応じた最適な点火位置を示す点火位置マップと、前記複数箇所の点火位置の点火タイミングを示した点火タイミングマップとを予め記憶した記憶手段を備え、前記制御手段は、燃焼室の燃焼状態と前記点火点数マップ、前記点火位置マップ、前記点火タイミングマップとに基づいて前記音響光学偏向器を制御することが好ましい（請求項６）。点火点数マップと、点火位置マップと、点火タイミングマップを考慮して、複数箇所の点火数と、それらの点火数における最適点火位置と、それらの点火タイミングとを考慮してレーザ光を偏向させることにより、排ガス性能や燃費向上が期待できる。
【００２０】
また、本発明において、エンジンが複数の燃焼室を備えた多気筒構成である場合には、前記多焦点レンズユニット及び前記音響光学偏向器を前記気筒ごとに備え、前記レーザ光発振手段からのレーザ光を気筒ごとの音響光学偏向器に分配する光分配手段をさらに備えていることが好ましい（請求項７）。レーザ発振手段からのレーザ光を気筒ごとに分配手段により分配し、各音響光学偏向器に振り分ける構成とすることにより、多気筒構成に対応可能である。しかも、レーザ光発振手段を増やさずに済むので、コストを抑制することができる。
【００２１】
また、本発明において、前記光分配手段は、各音響光学偏向器にレーザ光を導く複数本の光ファイバと、前記レーザ光発振手段からのレーザ光を前記複数本の光ファイバに反射させて導く複数枚のハーフミラーと、を備えていることが好ましい（請求項８）。複数枚のハーフミラーを備えることにより、各音響光学偏向器に接続された複数本の光ファイバに対して光を分配することができる。
【００２２】
また、請求項９に記載の発明は、燃焼室及び燃料供給手段を備えたエンジンと、レーザ光を発振するレーザ光発振手段と、異なる焦点位置を有するレンズ群を二次元配置で備え、前記燃焼室に付設された多焦点レンズユニットと、前記レーザ光発振手段からのレーザ光を二次元で前記多焦点レンズユニットの任意の位置に偏向する音響光学偏向器と、前記燃焼室における燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段と、前記燃焼状態検出手段からの出力信号に応じて前記音響光学偏向器を制御し、前記燃焼室内の最適点火位置にレーザ光を集光させる制御手段と、を備えていることを特徴とするものである。
【００２３】
［作用・効果］請求項９に記載の発明によれば、制御手段は、燃焼状態検出手段からの出力信号に応じて音響光学偏向器を制御し、レーザ光を多焦点レンズユニットの二次元方向における任意の位置に偏向して、燃焼室内における最適点火位置にレーザ光を集光させる。レーザ光を偏向する音響光学偏向器は機械的な作動部を含まないので、エンジンの燃焼室の燃焼状態に応じた素早い点火位置の変更を行うことができ、回転に伴う振動により悪影響を受け難い。したがって、エンジンの燃焼室における燃焼状態に応じて点火位置を適切な位置に変更することができつつも、応答性及び耐振性に優れ、高速回転にも対応可能なエンジン装置を実現することができる。また、点火位置を適切な位置に変更することにより、エンジン装置の排ガス性能や燃費向上を高めることができる。
【００２４】
また、本発明において、駆動輪と、前記エンジン装置により発生される動力を前記駆動輪に伝達する伝達機構と、を備えていることが好ましい（請求項１０）。エンジン装置により発生された動力を伝達機構により駆動輪に対して伝達することにより、応答性及び耐振性に優れ、高速回転にも対応可能なエンジン装置を備えた輸送機器を実現できる。
【００２５】
なお、ここでいう輸送機器は、自動車、自動二輪車、水上バイク、スノーモービル、ボートなど、エンジン装置を搭載して人や荷物などを運搬可能なものをいう。
【００２６】
また、本発明において、燃料を貯留する燃料タンクと、前輪及び後輪と、前記エンジン装置により発生される動力を前記後輪に伝達する伝達機構と、を備え、前記レーザ発振手段と、前記音響光学偏向器とを前記エンジン装置と前記燃料タンクの間に配置することが好ましい（請求項１１）。輸送機器のうち特に自動二輪車は、自動車などに比較して配置スペースが極めて小さい。そこで、レーザ発振手段と音響光学偏向器とをエンジン装置と燃料タンクとの間に配置することにより、上述したエンジン装置を容易に搭載することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係るレーザ光点火装置によれば、制御手段は、燃焼室の燃焼状態に応じて音響光学偏向器を制御し、レーザ光を多焦点レンズユニットの二次元方向における任意の位置に偏向して、燃焼室内における最適点火位置にレーザ光を集光させる。レーザ光を偏向する音響光学偏向器は機械的な作動部を含まないので、燃焼状態に応じた素早い点火位置の変更を行うことができ、回転に伴う振動により悪影響を受け難い。したがって、燃焼状態に応じて点火位置を適切な位置に変更することができつつも、応答性及び耐振性に優れ、高速回転型のエンジン装置にも適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、レーザ点火装置と、このレーザ点火装置を備えたエンジン装置と、このエンジン装置を備えた輸送機器の一例である自動二輪車について順に説明する。
＜レーザ点火装置＞
【００２９】
以下、図面を参照して本発明のレーザ点火装置について説明する。
図１は、実施例に係るレーザ点火装置の概略構成を示すブロック図である。なお、説明の都合上、図１において、紙面の左右方向をｘ方向とし、紙面の奥側方向をｙ方向とする。
【００３０】
本実施例に係るレーザ点火装置は、レーザ光源１と、二次元音響光学偏向器３（（２Ｄ−ＡＯＭ：2D acoustooptical [acoustooptic] modulator））と、光ファイバ４と、多焦点レンズユニット５と、光ファイバプレート７と、ＡＯＭ制御ユニット９と、ＥＣＵ（engine control unit）１１とを備えている。また、点火対象となるエンジン１３は、クランクシャフトの回転角度を検出するロータリエンコーダ１５が取り付けられている。ＥＣＵ１１は、燃焼室における燃焼状態ごとに最適な点火位置を表した点火位置マップなどを予め記憶した記憶部１７を備え、燃焼状態に関連するロータリエンコーダ１５からの出力信号に応じて、二次元音響光学偏向器３を制御する。
【００３１】
なお、上記の二次元音響光学偏向器３が本発明における「音響光学偏向器」に相当し、レーザ光源１が本発明における「レーザ発振手段」に相当し、上記のＥＣＵ１１とＡＯＭ制御ユニット９とが本発明における「制御手段」に相当し、上記の記憶部１７が本発明における「記憶手段」に相当する。
【００３２】
レーザ光源１は、エンジン１３の燃焼室内における混合ガスに点火するための光源である。レーザ光源１は、点火効率の観点から、エネルギが高いレーザ光（ジャイアントパルス）を出射可能なパッシブＱスイッチ付のものが好ましい。
【００３３】
光ファイバ４は、レーザ光源１から放出されたレーザ光を、二次元音響光学偏向器３に導くためのものである。レーザ光は、二次元音響光学偏向器３を介して多焦点レンズユニット５の任意の位置に照射される。多焦点レンズユニット５は、複数の焦点を有し、それらの焦点位置は、燃焼室における燃焼状態に応じて最適な点火位置となるように予め構成されている。
【００３４】
次に、図２を参照して、上述した二次元音響光学偏向器３について説明する。なお、図２は、二次元音響光学偏向器３の概略構成を示す模式図である。
【００３５】
この二次元音響光学偏向器３は、例えば、二つの（一次元）音響光学偏向器１９を交差させて構成されている。音響光学偏向器１９は、音響光学媒体２１と圧電素子２３とを備えている。
【００３６】
音響光学媒体２１は、例えば、モリブデン酸鉛単結晶（ＰｂＭｏＯ４）、二酸化テルル単結晶（ＴｅＯ２）、ゲルマニウム単結晶（Ｇｅ）、リチウムナイオベート結晶  (またはニオブ酸リチウム)（ＬｉＮｂＯ３）、インジウムリン（ＩｎＰ）、ガリウムリン（ＧａＰ）などで構成されている。
【００３７】
音響光学媒体２１に付設されている圧電素子２３を駆動して、超音波を発生させると、音響光学媒体２１の結晶に歪が生じる。したがって、音響光学媒体２１に入射されたレーザ光が回折されて出射されることになる。圧電素子２３から付与される超音波の周波数は、音響光学媒体２１の材料により異なるが、例えば２０〜４００ＭＨｚである。音響光学媒体２１の具体的な応答性は、数μｓｅｃであり、特に、８０００〜１００００ｒｐｍを越えるような高速回転型の自動車用のエンジン装置や、自動二輪車のエンジン装置に好適である。
【００３８】
レーザ光源１からレーザ光が出射され、音響光学媒体２１に対して入射角度θでレーザ光ＩＬが入射した場合であって、ＡＯＭ制御ユニット９が圧電素子２３を駆動していない場合、レーザ光ＩＬは回折されないので、レーザ光ＩＬは０次光ＩＬ０として出射角度−θで出射されてマスク部材２５で遮断される。なお、マスク部材２５は、レーザ光ＩＬが透過しない部材で構成されている。また、ＡＯＭ制御ユニット９が圧電素子２３を駆動して、ある周波数の超音波を発生させると、入射角度θのレーザ光ＩＬは回折され、周波数に応じた出射角度θｘで一次回折光ＩＬ１として出射される。
【００３９】
なお、出射角度θｘは、周波数が高いほど大きく、周波数が低いほど小さくなる特性を有する。
【００４０】
上述した音響光学偏向器１９の出射面に、同じ構成の音響光学偏向器１９の入射面を向けて配置する。つまり、図２において上部の音響光学偏向器１９は、紙面の左右方向にレーザ光を偏向し、下部の音響光学偏向器１９は、紙面の手前奥側方向にレーザ光を偏向する。このような二次元音響光学偏向器３の構成により、二つの圧電素子２３から各々の音響光学偏向器１９に付与される超音波の周波数を調整することにより、レーザ光を二次元方向に走査し、後述する多焦点レンズユニット５の任意の位置に出力レーザ光ｄＩＬとして出力可能になっている。
【００４１】
なお、上述した二次元音響光学偏向器３に代えて、図３に示す構成のものを採用しても良い。なお、図３は、二次元音響光学偏向器の変形例を示す模式図である。また、説明の都合上、紙面の上下方向をｘ方向とし、紙面の左右方向をｙ方向とする。
【００４２】
この二次元音響光学偏向器３Ａは、単体で二次元方向へのレーザ光の偏向を可能な構成を備えている。具体的には、音響光学偏向器１９Ａは、その長手方向の一側面に圧電素子２３ａを備え、その面とは直交する一側面に圧電素子２３ｂを備えている。各々の圧電素子２３ａ，２３ｂから超音波を付与することにより、それらの周波数に応じて、レーザ光源１から入射されたレーザ光ＩＬが二次元方向に出力レーザ光ｄＩＬとして出力される。
【００４３】
このような構成の二次元音響光学偏向器３Ａは、上述した二次元音響光学偏向器３に比較して、構成の簡易化を図ることができるとともに、耐振性の向上が期待できる。
【００４４】
次に、図４を参照して、多焦点レンズユニットについて説明する。なお、図４は、多焦点レンズユニットの構成を示し、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が縦断面図である。また、説明の都合上、紙面の左右方向をｘ方向とし、紙面の上下方向をｙ方向とする。
【００４５】
この多焦点レンズユニット５は、例えば、５個のレンズ本体３１と、ユニット部材３３とを備えている。各レンズ本体３１は、それぞれが異なる焦点位置である。なお、二次元的に配置されているので、各レンズ本体３１が同じ焦点位置のものであってもよい。また、ユニット部材３３は、二次元配置の５個の取付穴３５を備えている。各取付穴３５には、各レンズ本体３１が取り付けられている。なお、各レンズ本体３１とユニット部材３３とは、燃焼室における高温と圧力に耐えられる部材で構成されている。
【００４６】
このような構成の多焦点レンズユニット５には、上述した二次元音響光学偏向器３，３Ａから出力レーザ光ｄＩＬが照射される。照射された出力レーザ光ｄＩＬは、各レンズ本体３１に応じた焦点位置に集光される。
【００４７】
次に、上述した多焦点レンズユニット５とは異なる構成のものについて図５を参照して説明する。なお、図５は、多焦点レンズユニットの変形例を示し、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が縦断面図である。
【００４８】
この多焦点レンズユニット５Ａは、ユニット本体３７だけで構成されている。ユニット本体３７は、上述したユニット部材３３の取付穴３５に相当する位置に、５個の非球面レンズ３９が形成されている。非球面レンズ３９は、少なくとも一面が球面以外の複数の屈曲面を備えているレンズのことをいう。これらの非球面レンズ３９は、上述した各レンズ本体３１と同様の焦点位置を有する。
【００４９】
光ファイバプレート７は、単体の光ファイバを複数本束ねて構成されている。上述した二次元音響光学偏向器３，（３Ａ）と多焦点レンズユニット５，（５Ａ）との間に配置されて、レーザ光を効率的に多焦点レンズユニット５，（５Ａ）に導く。エンジン１３のシリンダヘッド上部は、取り付けられる空間が狭いが、この光ファイバプレート７を介在させることにより、二次元音響光学偏向器３，（３Ａ）を配置する自由度を向上させることができるとともに、熱による二次元音響光学偏向器３，（３Ａ）への悪影響を防止することができる。但し、十分な空間が存在する場合には、光ファイバプレート７を省略して、二次元音響光学偏向器３，（３Ａ）と多焦点レンズユニット５，（５Ａ）とを直接的に配置するようにしてもよい。
【００５０】
ここで、上述した二次元音響光学偏向器３と多焦点レンズユニット５の寸法について例示しておく（図１参照）。
二次元音響光学偏向器３  高さ、幅、長さ：各々１／３〜１／５Ｄ
多焦点レンズユニット５  高さ、燃焼室に臨む面の幅：各々１／４〜１／６Ｄ（但し、Ｄはシリンダ径である）
【００５１】
記憶部１７に予め記憶されている点火位置マップは、例えば、予め実験を行って、燃焼室の燃焼状態と最適点火位置との対応関係を表したデータである。燃焼室の燃焼状態とは、例えば、ロータリエンコーダ１５からの回転角度情報、スロットルセンサからのスロットル開度情報、水温センサからの水温情報、吸気温センサからの吸気温度情報、排気温度センサからの排気温度情報、エアフローセンサからの空気流量情報など、燃焼状態に関連する物理量である。したがって、ＥＣＵ１１は、例えば、ロータリエンコーダ１５からの回転角度情報と、記憶部１７の点火位置マップとに基づいて、最適点火位置を求める。そして、その最適点火位置にレーザ光が焦点を結ぶように、ＡＯＭ制御ユニット９に指示を与える。なお、ＥＣＵ１１は、最適点火位置と多焦点レンズユニット５，（５Ａ）の各レンズのｘ，ｙ座標とを変換してＡＯＭ制御ユニット９に与える。ＥＣＵ１１から指示を受けたＡＯＭ制御ユニット９は、二つの圧電素子２３に対して、ｘ方向の制御信号Ｓｘとｙ方向の制御信号Ｓｙを出力する。それぞれの制御信号Ｓｘ，Ｓｙは上述したような周波数範囲で、最適点火位置に応じたものとされる。
【００５２】
次に、図６を参照して点火に係る制御について説明する。なお、図６は、点火タイミングを示すタイムチャートである。
【００５３】
ここでは、説明の理解を容易にするために、点火位置を一点のみとし、エンジン１３の構成を単気筒である場合を例に採って説明する。また、燃焼室の燃焼状態は、ロータリエンコーダ１５からの出力信号（回転角度情報）等であるとする。
【００５４】
ＥＣＵ１１は、ロータリエンコーダ１５からの回転角度情報等をｔ０〜ｔ１時点で受け取り、回転角度情報等と点火位置マップとに基づき、ＡＯＭ制御ユニット９に対して指示を与え、ｔ１時点から制御信号Ｓｘ，Ｓｙを出力させる。同様に、回転角度情報等をｔ２〜ｔ３、ｔ４〜ｔ５時点で受け取り、ｔ３，ｔ５時点から制御信号Ｓｘ，Ｓｙを出力させる。これにより、クランクシャフトが所定の回転角度となって、ある燃焼状態となった場合には、多焦点レンズユニット５の特定の位置にレーザ光が走査され、適切なタイミングで最適点火位置にレーザ光が焦点を結ぶようにされる。
【００５５】
次に、図７を参照して多点点火にかかる制御について説明する。なお、図７は、多点点火における点火タイミングを示すタイムチャートである。
【００５６】
この多点点火の場合、記憶部１７には、予め点火点数マップと、点火位置マップと、点火タイミングマップとが記憶されているものとする。この場合における点火点数マップとは、燃焼室の燃焼状態ごとに燃焼室内における複数箇所の点火数を示し、点火位置マップとは、前記複数箇所の点火数に応じた最適な点火位置を示し、点火タイミングマップとは、点火点数マップにおける複数箇所の点火位置の点火順序、点火タイミングを示したものである。ＥＣＵ１１は、点火点数マップと、点火位置マップと、点火タイミングマップとに基づいて、ＡＯＭ制御ユニット９に対して指示を与える。例えば、ＥＣＵ１１は、回転角度情報が二つの所定の角度となった場合にそれぞれにおいて点火指示を行うが、各周期における回転角度情報の間隔Δｔ１〜Δｔ３は、Δｔ１＜Δｔ２＜Δｔ３の関係にあるとする。このような状況では、例えば、各周期ごとに周波数を変えて、任意の位置にレーザ光が照射されるようにＡＯＭ制御ユニット９から制御信号Ｓｘ，Ｓｙを出力させる。
【００５７】
なお、多点点火においては、同じ点火位置に、タイミングを変えて再度点火するようにしてもよい。
【００５８】
上述したように、ＥＣＵ１１は、燃焼室の燃焼状態に応じて二次元音響光学偏向器３を制御し、レーザ光を多焦点レンズユニット５の任意の位置に偏向して、燃焼室内における最適点火位置にレーザ光を集光させる。レーザ光を偏向する二次元音響光学偏向器３は機械的な作動部を含まないので、燃焼状態に応じた素早い点火位置の変更を行うことができ、回転に伴う振動により悪影響を受け難い。したがって、燃焼状態に応じて点火位置を適切な位置に変更することができつつも、応答性及び耐振性に優れ、高速回転型のエンジン装置にも適用することができる。
【００５９】
（多気筒構成）
次に、図８を参照して、上述した構成を多気筒構成のエンジンに適用した例について説明する。なお、図８は、多気筒構成にレーザ点火装置を適用した場合の概略構成を示すブロック図である。
【００６０】
例えば、エンジン１３Ａ〜１３Ｄの４気筒構成である場合、各エンジン１３Ａ〜１３Ｄに二次元音響光学偏向器３及び多焦点レンズユニット５を備え、レーザ光源１からのレーザ光を、光分配手段４１を介して均等に配分する。光分配手段４１は、光路状に配置された３枚のハーフミラー４３と、４本の光ファイバ４とを備えている。各ハーフミラー４３は、３本の光ファイバ４に対してレーザ光の反射光を入射させる。残りの１本の光ファイバ４は光路上に配置されており、３枚のハーフミラー４３を透過したレーザ光が入射される。レーザ光の均等配分は、各ハーフミラー４３の透過率を調整することにより行えばよい。
【００６１】
上記のようにしてレーザ光を分配するとともに、ＥＣＵ１１及びＡＯＭ制御ユニット９は、記憶部１７の情報と燃焼状態とに基づいて、上述した単気筒構成の場合と同様にして最適点火位置での点火を制御する。この構成は、レーザ光源１を気筒数だけ備える必要がなく、コストを抑制することができる。また、機械的動作部分が存在しないので、耐振性に優れる。
【００６２】
次に、図９を参照して、多気筒構成のその他の例について説明する。なお、図９は、多気筒構成にレーザ点火装置を適用した場合の変形例を示すブロック図である。
【００６３】
この光分配手段４１Ａは、反射部材４５と、この反射部材４５を回転させるモータ４７とを備えている。反射部材４５は、レーザ光源１からのレーザ光の出射方向に対向する側に反射面４９を備えている。この反射面４９は、レーザ光の出射方向から約４５°の傾斜姿勢とされている。モータ４７は、反射部材４５をレーザ光の出射方向周りに回転させる。したがって、レーザ光は、レーザ光の出射方向周りに反射される。その周囲には、反射されたレーザ光を受光するように４本の光ファイバ４の各端部を配置しておく。
【００６４】
上述した多気筒構成の例によると、レーザ発振手段からのレーザ光を気筒ごとに分配手段により分配し、各二次元音響光学偏向器に振り分ける構成とすることにより、多気筒構成に対応可能である。しかも、レーザ光発振手段を増やさずに済むので、コストを抑制することができる。
【００６５】
このような構成であっても、レーザ光源１を気筒数だけ備える必要がなく、コストを抑制することができる。
【００６６】
なお、上述した光分配手段４１，４１Ａとして、一次元の音響光学偏向器を採用してもよい。
【００６７】
＜エンジン装置＞
図１０を参照して、上述したレーザ点火装置を備えたエンジン装置について説明する。なお、図１０は、実施例に係るエンジン装置の概略構成を示す図である。
【００６８】
エンジン装置のエンジン１３は、シリンダボディ５１と、シリンダヘッド５２と、クランクシャフト５３と、ピストン５５と、燃焼室５７と、吸気管５９と、吸気バルブ６１と、排気管６３と、排気バルブ６５と、レーザ点火装置６７とを備えている。
【００６９】
燃焼室５７内に配置されているピストン５５は、コンロッド６９によってクランクシャフト５３に連動連結されている。燃焼室５７の一方側には、吸気バルブ６１を介して吸気管５９が連通接続されている。吸気管５９の対向位置にあたる燃焼室５７の他方側には、排気バルブ６５を介して排気管６３が連通接続されている。
【００７０】
吸気管５９内には、アクセル（図示省略）の操作に応じて開度が調整されるスロットルバルブ７１が配設されている。シリンダヘッド５２の吸気管５９側には、インジェクタ７３が埋設されている。その噴射部は、燃焼室５７に臨むように取り付けられている。インジェクタ７３は、燃料タンク７５と燃料パイプ７７で連通接続されている。燃料パイプ７７には、上流側からフィルタ７９と、燃料ポンプ８１と、流量制御弁８３とが順に配設されている。燃焼室５７のほぼ中央部にあたるシリンダヘッド５２には、レーザ点火装置６７のうち、多焦点レンズユニット５と、光ファイバプレート７と、二次元音響光学偏向器３とが取り付けられている。多焦点レンズユニット５は、その照射面が燃焼室５７に臨むように埋設されている。
【００７１】
なお、インジェクタ７３に代えて気化器（carburetor）を採用してもよい。
【００７２】
シリンダボディ５１には、クランクシャフト５３の回転角度を検出するロータリエンコーダ１５が取り付けられている。ロータリエンコーダの出力信号により、クランクシャフト５３の回転角度（クランクアングル）が検出され、これによりエンジン１３の運転状態を検出することができる。
【００７３】
また、シリンダボディ５１には、シリンダボディ５１の温度を検出するための水温センサ８５が取り付けられている。排気管６３には、排気管６３内を流通するガスの空燃比を検出する排気空燃比センサ８７が取り付けられている。吸気管５９には、吸気圧力を検出するための吸気圧センサ８９が取り付けられ、さらにその下流側には、吸引した空気の温度を検出するための吸気温センサ９１が取り付けられている。
【００７４】
ロータリエンコーダ１５と、水温センサ８５と、排気空燃比センサ８７と、吸気圧センサ８９と、吸気温センサ９１からの出力信号は、レーザ点火装置６７のＥＣＵ１１に与えられる。これらの出力信号は、ＥＣＵ１１が燃焼室５７の燃焼状態を判断するための情報として利用される。ＥＣＵ１１は、上述した点火に係る制御の他、燃料ポンプ８１の吸引動作と流量制御弁８３の開閉動作を制御する。
【００７５】
なお、上述したロータリエンコーダ１５と、水温センサ８５と、排気空燃比センサ８７と、吸気圧センサ８９と、吸気温センサ９１とが本発明における「燃焼状態検出手段」に相当する。
【００７６】
上述した構成のエンジン装置では、ＥＣＵ１１が、各センサ１５，８５，８７，８９，９１からの情報に基づいて燃焼室５７の燃焼状態を判断し、その状態に応じてレーザ点火装置６７の二次元音響光学偏向器３を制御し、レーザ光を多焦点レンズユニット５の任意の位置に偏向して、燃焼室５７内における最適点火位置にレーザ光を集光させる。レーザ光を偏向する二次元音響光学偏向器３は機械的な作動部を含まないので、エンジン１３の燃焼室５７における燃焼状態に応じた素早い点火位置の変更を行うことができ、回転に伴う振動により悪影響を受け難い。したがって、エンジン１３の燃焼室５７における燃焼状態に応じて点火位置を適切な位置に変更することができつつも、応答性及び耐振性に優れ、高速回転にも対応可能なエンジン装置を実現することができる。また、点火位置を適切な位置に変更することにより、エンジン装置の出力や排ガス性能や燃費向上を高めることができる。
【００７７】
＜輸送機器＞
図１１を参照して、上述したレーザ点火装置６７及びエンジン装置を備えた輸送機器として、自動二輪車を例に採って以下に説明する。なお、図１１は、実施例に係る自動二輪車の概略構成を示す図である。また、この例に係る自動二輪車は、４気筒構成であるとする。
【００７８】
メインフレーム１０１の前端部には、ヘッドパイプ１０３が設けられている。ヘッドパイプ１０３には、左右方向に揺動可能にフロントフォーク１０５が取り付けられている。フロントフォーク１０５の下端部には、前輪１０７が回転可能に取り付けられている。ヘッドパイプ１０３の上端部には、ステアリングハンドル１０９が取り付けられている。
【００７９】
ステアリングハンドル１０９の後方にあたるメインフレーム１０１には、燃料タンク７５が取り付けられており、さらにその後方にはシート１１１が取り付けられている。メインフレーム１０１のシート１１１下方には、メインフレーム１０１に対して揺動可能にスイングアーム１１３が取り付けられている。このスイングアーム１１３の後端部には、後輪１１５がドリブンスプロケット１１７とともに回転可能に取り付けられている。スイングアーム１１３の支点付近には、メインフレーム１０１とスイングアーム１１３とに挟持されるようにリアサスペンション１１９が配設されている。
【００８０】
なお、後輪１１５が本発明における「駆動輪」に相当する。
【００８１】
メインフレーム１０１を挟んだ燃料タンク７５の反対側には、エンジン１３及び変速機１２１が設けられている。エンジン１３の前部には、ラジエータ１２３が取り付けられている。エンジン１３から後方に延出された排気管６３の後端部には、排気音量を抑制するマフラー１２５が取り付けられている。
【００８２】
変速機１２１のドライブ軸１２７には、ドライブスプロケット１２９が取り付けられている。ドライブスプロケット１２９とドリブンスプロケット１１７との間には、チェーン１３１が懸架されている。また、変速機１２１付近には、変速機１２１を操作するためのシフトペダル１３３が取り付けられている。
【００８３】
なお、上述した変速機１２１と、ドライブ軸１２７と、ドライブスプロケット１２９と、チェーン１３１とが本発明における「伝達機構」に相当する。
【００８４】
図１１の上部に示すように、平面視におけるメインフレーム１０１の間であって、燃料タンク７５の下部には、レーザ点火装置６７と、ＥＣＵ１１と、バッテリ１３５とが取り付けられている。また、エンジン１３の各気筒にレーザ光を分配するための光分配手段４１，４１Ａが燃料タンク７５の下部に収められている。
【００８５】
輸送機器のうち特に自動二輪車は、自動車などに比較して配置スペースが極めて小さい。そこで、レーザ点火装置６７をエンジン１３と燃料タンク７５との間に配置することにより、上述したレーザ点火装置６７を備えたエンジン装置を容易に搭載することができる。
【００８６】
なお、本発明における輸送機器の例として自動二輪車を示したが、自動車、水上バイク、スノーモービル、ボートなど、エンジン装置を搭載して人や荷物などを運搬可能なものであれば適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
以上のように、本発明は、燃焼室において混合ガスに点火を行う点火装置及びエンジン装置並びに自動二輪車などの輸送機器に適している。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】実施例に係るレーザ点火装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】二次元音響光学偏向器の概略構成を示す模式図である。
【図３】二次元音響光学偏向器の変形例を示す模式図である。
【図４】多焦点レンズユニットの構成を示し、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が縦断面図である。
【図５】多焦点レンズユニットの変形例を示し、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が縦断面図である。
【図６】点火タイミングを示すタイムチャートである。
【図７】多点点火における点火タイミングを示すタイムチャートである。
【図８】多気筒構成にレーザ点火装置を適用した場合の概略構成を示すブロック図である。
【図９】多気筒構成にレーザ点火装置を適用した場合の変形例を示すブロック図である。
【図１０】実施例に係るエンジン装置の概略構成を示す図である。
【図１１】実施例に係る自動二輪車の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
１  …  レーザ光源
３  …  二次元音響光学偏向器
４  …  光ファイバ４
５  …  多焦点レンズユニット
７  …  光ファイバプレート
９  …  ＡＯＭ制御ユニット
１１  …  ＥＣＵ
１３  …  エンジン
１５  …  ロータリエンコーダ
１７  …  記憶部
３１  …  レンズ本体
３３  …  ユニット部材
３５  …  取付穴
Ｓｘ，Ｓｙ  …  制御信号
４１  …  光分配手段
【図１】
2009221895.tif 000003
【図２】
2009221895.tif 000004
【図３】
2009221895.tif 000005
【図４】
2009221895.tif 000006
【図５】
2009221895.tif 000007
【図６】
2009221895.tif 000008
【図７】
2009221895.tif 000009
【図８】
2009221895.tif 000010
【図９】
2009221895.tif 000011
【図１０】
2009221895.tif 000012
【図１１】
2009221895.tif 000013