DE102011089300A1

DE102011089300A1 - Laserzündeinrichtung und Betriebsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102011089300A1
Application number: DE201110089300
Authority: DE
Inventors: Mathias Moenster; Manfred Vogel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2013-06-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserzündeinrichtung (1000; 1000a; 1000a‘; 1000b) mit mindestens einer elektrisch betreibbaren Laserlichtquelle (110) zur Bereitstellung von Laserstrahlung (L) zum optischen Pumpen einer Lasereinrichtung (210), insbesondere einer Laserzündkerze (200, 200a, 200b), und mit einer elektrischen Schnittstelle (120) zur elektrischen Energieversorgung der Laserlichtquelle (110), dadurch gekennzeichnet, dass eine Sicherheitseinrichtung (130) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, die elektrische Energieversorgung der Laserlichtquelle (110) über die elektrische Schnittstelle (120) in Abhängigkeit mindestens eines Ansteuersignals (A1, A2) freizugeben oder zu sperren.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Laserzündeinrichtung mit mindestens einer elektrisch betreibbaren Laserlichtquelle zur Bereitstellung von Laserstrahlung zum optischen Pumpen einer Lasereinrichtung, insbesondere einer Laserzündkerze, und mit einer elektrischen Schnittstelle zur elektrischen Energieversorgung der Laserlichtquelle.
Üblicherweise wird die elektrische Schnittstelle einer derartigen Laserzündeinrichtung von einem speziell dafür ausgelegten Lasersteuergerät mit vorgebbaren Pumpstrom-Pulsen elektrisch versorgt bzw. angesteuert, die über eine lösbare Kabel- bzw. Steckverbindung von dem Lasersteuergerät an die elektrische Schnittstelle und damit die Laserlichtquelle übertragen werden. Hierbei besteht das Risiko, dass eine die elektrische Schnittstelle enthaltende Einheit der Lasereinrichtung von dem Lasersteuergerät getrennt und unzulässigerweise eine andere Stromquelle über die lösbare Steckverbindung mit der elektrischen Schnittstelle verbunden wird. Dadurch kann eine unkontrollierte Erzeugung bzw. Abgabe von energiereichen Laserzündimpulsen an die Umgebung bewirkt werden.
Neben der hierbei auftretenden Gefährdung von Personen durch die austretende energiereiche Laserstrahlung, die von der Laserlichtquelle erzeugt wird, kann bei einem derartigen unsachgemäßen Gebrauch auch die Laserlichtquelle zerstört werden.
Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündeinrichtung der eingangs genannten Art und ein Betriebsverfahren hierfür dahingehend zu verbessern, dass eine gesteigerte Betriebssicherheit und insbesondere die Erschwerung einer unsachgemäßen bzw. unzulässigen Inbetriebnahme der Laserlichtquelle möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei der Laserzündeinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Sicherheitseinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, die elektrische Energieversorgung der Laserlichtquelle über die elektrische Schnittstelle in Abhängigkeit mindestens eines Ansteuersignals freizugeben oder zu sperren. Dadurch wird die Inbetriebnahme der Laserlichtquelle durch Unbefugte vorteilhaft erschwert. Aufgrund des erfindungsgemäßen Prinzips kann nämlich Laserstrahlung durch die Laserlichtquelle nicht mehr allein durch Kontaktierung der elektrischen Schnittstelle mit einer anderen elektrischen Energiequelle als einem hierfür zugelassenen Lasersteuergerät erzeugt werden. Vielmehr muss zusätzlich das mindestens eine Ansteuersignal für die Sicherheitseinrichtung in geeigneter Weise bereitgestellt werden, um die Sicherheitseinrichtung zu betätigen und damit die elektrische Energieversorgung der Laserlichtquelle freizugeben oder zu sperren.
Je nach konkreter Ausbildung der Sicherheitseinrichtung kann dabei z.B. erforderlich sein, ein Ansteuersignal mit definiertem elektrischen Potential – bezogen auf ein Bezugspotential – und/oder mit definierter Frequenz und/oder Signalform (zeitlicher Verlauf) usw. vorzusehen, um die Sicherheitseinrichtung von einem „sperrenden“ Zustand in einen Freigabezustand zu versetzen, in dem sie die elektrische Energieversorgung der Laserlichtquelle über die elektrische Schnittstelle freigibt.
Alternativ oder ergänzend zu der Verwendung von elektrischen Ansteuersignalen ist auch die Verwendung von optischen oder sonstigen Ansteuersignal denkbar, um die Sicherheitseinrichtung im Sinne einer Sperrung bzw. Freigabe zu betätigen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Sicherheitseinrichtung elektrisch in Serie geschaltet zu der Laserlichtquelle, sodass eine zuverlässige Unterbrechung eines die Laserlichtquelle mit elektrischer Energie versorgenden Stromkreises unter Verwendung der Sicherheitseinrichtung und einer entsprechenden Ansteuerung möglich ist.
Alternativ kann die Sicherheitseinrichtung auch elektrisch parallel zu der Laserlichtquelle geschaltet sein. In diesem Fall ist ein Sperrzustand im Sinne der Erfindung z.B. dadurch erzielbar, dass die Sicherheitseinrichtung sich niederohmig schaltet, somit gleichsam die Laserlichtquelle bzw. eine über die elektrische Schnittstelle angelegte externe elektrische Energieversorgung kurzschließt. Durch ein Versetzen der parallelgeschalteten Sicherheitseinrichtung in einen hochohmigen Zustand kann schließlich die elektrische Energieversorgung für die Laserlichtquelle freigegeben werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein elektrischer Widerstand der Sicherheitseinrichtung in Abhängigkeit des mindestens einen Ansteuersignals zwischen einem ersten, insbesondere niederohmigen, und einem zweiten, insbesondere hochohmigen, Zustand, einstellbar ist. Der niederohmige beziehungsweise hochohmige Zustand kann je nach Auslegung der Laserzündeinrichtung und der Laserlichtquelle so eingestellt werden, dass durch den hochohmigen Zustand eine zuverlässige Unterbindung des Betriebs der Laserlichtquelle gegeben ist (z.B. im Falle der Serienschaltung), während gleichzeitig durch den niederohmigen Zustand eine hinreichend gute elektrische Energieversorgung der Laserlichtquelle durch die Sicherheitseinrichtung gewährleistet ist, insbesondere ohne eine zu hohe Verlustleistung in der Sicherheitseinrichtung hervorzurufen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sicherheitseinrichtung mindestens einen Halbleiterschalter aufweist, der mittels des beziehungsweise der Ansteuersignale ansteuerbar ist. Dadurch kann der Betriebszustand der Sicherheitseinrichtung einerseits besonders schnell eingestellt beziehungsweise umgeschaltet werden, und andererseits ist eine vergleichsweise geringe elektrische Energie für die betreffenden Steuervorgänge erforderlich, sodass die Bereitstellung der Ansteuersignale gänzlich ohne spezielle Treiberstufen oder mit entsprechend geringem schaltungstechnischen Aufwand für solche Treiberstufen realisierbar ist.
Halbleiterschalter haben den weiteren Vorteil einer besonders niederohmigen Laststrecke, wodurch sich im Falle der Serienschaltung des Halbleiterschalters zu der Laserlichtquelle trotz der erheblichen Stromstärke der zur Ansteuerung der Laserlichtquelle verwendeten Pumpstrom-Pulse nur eine vergleichsweise geringe Verlustleistung in dem Halbleiterschalter ergibt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein erster Halbleiterschalter als selbstsperrender Feldeffekttransistor ausgebildet und mit seiner Drain-Source-Strecke in Serie zu der Laserlichtquelle geschaltet ist, wobei eine Gateelektrode des ersten Halbleiterschalters mit einem ersten Ansteuersignal beaufschlagbar ist. Da der erste Halbleiterschalter als selbstsperrender Feldeffekttransistor ausgebildet ist, kann vorteilhaft kein Strom durch die Sicherheitseinrichtung fließen, solange keine hinreichend große Gatespannung beziehungsweise Gate-Source-Spannung an dem ersten Halbleiterschalter anliegt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein zweiter Halbleiterschalter als selbstleitender Feldeffekttransistor ausgebildet und mit seiner Drain-Source-Strecke parallel zu der Gate-Source-Strecke des ersten Halbleiterschalters geschaltet ist, wobei eine Gate-Elektrode des zweiten Halbleiterschalters mit einem zweiten Ansteuersignal beaufschlagbar ist.
Durch diese Konfiguration ergibt sich vorteilhaft eine weiter gesteigerte Sicherheit gegenüber unzulässiger Inbetriebnahme der Laserlichtquelle, weil anstelle eines einzigen Ansteuersignals für die Sicherheitseinrichtung nunmehr zwei Ansteuersignale für die Sicherheitseinrichtung bereitgestellt werden müssen, bevor diese die elektrische Energieversorgung für die Laserlichtquelle freigibt. Durch die vorstehend beschriebene Konfiguration der Halbleiterschalter sind für die beiden Ansteuersignal ferner vorteilhaft unterschiedliche Polaritäten erforderlich, was die Sicherheit weiter steigert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Steckverbindung zur Realisierung der elektrischen Schnittstelle vorgesehen. Zur Übertragung der üblicherweise verhältnismäßig großen Ströme an die Laserlichtquelle können bei der Steckverbindung vorteilhaft besondere Steckkontakte mit vergrößertem Durchmesser beziehungsweise höherer Strombelastbarkeit vorgesehen sein, als dies für reine Signalverbindungen erforderlich ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steckverbindung neben der elektrischen Energieversorgung der Laserlichtquelle gleichzeitig zur Übermittlung mindestens eines der Ansteuersignale an die Sicherheitseinrichtung ausgebildet, wobei insbesondere entsprechende Steckkontakte für die Übertragung der Ansteuersignale an eine die Sicherheitseinrichtung enthaltende Einheit der Laserzündeinrichtung vorgesehen sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Gateelektrode des ersten Halbleiterschalters über einen Widerstand, der vorzugsweise einen Widerstandswert von größer etwa ein Kiloohm aufweist, mit einem Bezugspotential, z.B. dem Massepotential, verbunden. Dieser auch als Entladewiderstand bezeichnete Widerstand stellt sicher, dass bei einer offenen Steckverbindung an der elektrischen Schnittstelle das elektrische Potential der Gateelektrode des ersten Halbleiterschalters im Bereich des Bezugspotentials bleibt, sodass eine unerwünschte Freigabe der Sicherheitseinrichtung beziehungsweise der elektrischen Energieversorgung für die Laserlichtquelle unterbleibt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dassdie mindestens eine Laserlichtquelle, die Schnittstelle, und die Sicherheitseinrichtung in einem Pumpmodul integriert sind, wobei das Pumpmodul vorzugsweise als elektrischen Eingang die Schnittstelle und einen optischen Ausgang zur Ausgabe der durch die Laserlichtquelle erzeugten Laserstrahlung aufweist. Das Pumpmodul bildet somit eine separate bauliche Einheit, die insbesondere auch unabhängig von den weiteren Komponenten der Laserzündeinrichtung Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Durch die Vorsehung der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung in dem Pumpmodul ist vorteilhaft gewährleistet, dass eine unbefugte Inbetriebnahme des Pumpmoduls und damit die Erzeugung von Pumpstrahlung erschwert ist. Das Pumpmodul kann ausgangsseitig beispielsweise mittels einer Lichtleitereinrichtung an eine Laserzündkerze einer Laserzündeinrichtung angebunden sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Laserzündkerze bei der Laserzündeinrichtung vorgesehen ist und das Pumpmodul, mit seinen vorstehend beschriebenen Komponenten (mindestens eine Laserlichtquelle, elektrische Schnittstelle, Sicherheitseinrichtung), in der Laserzündkerze integriert ist, wodurch eine besonders klein bauende Konfiguration erhalten wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektrische Schnittstelle und die Sicherheitseinrichtung in einem Steckermodul integriert sind. Das Steckermodul bildet somit eine separate bauliche Einheit, die insbesondere auch unabhängig von den weiteren Komponenten der Laserzündeinrichtung Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Das Steckermodul kann somit einen elektrischen Eingang in Form der elektrischen Schnittstelle aufweisen sowie ggf. mindestens einen weiteren (Signal-)Eingang zum Empfang des Ansteuersignals für die Sicherheitseinrichtung, und mindestens einen elektrischen Ausgang, an dem die elektrische Energie für die Laserlichtquelle in Abhängigkeit des Betriebszustands der Sicherheitseinrichtung bereitgestellt wird. Bei dieser Variante kann das Steckermodul z.B. über eine elektrische Kabelverbindung mit der Laserzündkerze bzw. einer darin enthaltenen Laserlichtquelle verbunden sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens eine elektrisch betreibbare Laserlichtquelle in die Laserzündkerze integriert ist, wobei die Laserlichtquelle insbesondere als oberflächenemittierender Halbleiterlaser, vertical cavity surface emitting laser, VCSEL, ausgebildet ist.
Als weitere Lösungen der Aufgabe der vorliegendenden Erfindung sind eine Ansteuereinrichtung gemäß Patentanspruch 16 sowie Betriebsverfahren gemäß der Patentansprüche 17, 18 vorgesehen.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:
1 schematisch ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungform einer erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung,
2a schematisch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung mit separatem Pumpmodul,
2b schematisch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung mit in eine Laserzündkerze integriertem Pumpmodul,
2c schematisch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung mit einem die erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung enthaltenden Steckermodul,
3 schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pumpmoduls,
4 schematisch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pumpmoduls,
5 eine Draufsicht auf eine elektrische Steckverbindung zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Pumpmodul, und
6 schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung.
1 zeigt schematisch ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform 1000 einer erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung. Die Laserzündeinrichtung 1000 weist eine elektrisch betreibbare Laserlichtquelle 110 zur Erzeugung von Laserstrahlung L auf. Bei der Laserlichtquelle 110 kann es sich beispielsweise um Halbleiterlaserdioden handeln, die zum Beispiel als Kantenemitter oder als Vertikalemitter ausgebildet sein können.
Die von der Laserlichtquelle 110 erzeugte Laserstrahlung L wird über eine in 1 nicht gezeigte optische Schnittstelle z.B. an eine Laserzündkerze 200 übertragen, um eine darin angeordnete Lasereinrichtung 210, beispielsweise einen laseraktiven Festkörper mit einer passiven Güteschaltung, in an sich bekannter Weise optisch zu pumpen. Die Laserzündkerze 200 ist nicht notwendig Bestandteil der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung 1000 und daher in 1 mittels einer gestrichelten Linie angedeutet.
Neben der Laserlichtquelle 110 verfügt die Laserzündeinrichtung 1000 über eine elektrische Schnittstelle 120, über die der Laserlichtquelle 110 elektrische Energie für ihren Betrieb zuführbar ist. Eingangsseitig ist die elektrische Schnittstelle 120 demgemäß mit elektrischer Energie E beaufschlagbar, z.B. durch ein Lasersteuergerät (nicht gezeigt), das den Betrieb der Laserzündeinrichtung 1000 steuert.
Erfindungsgemäß weist die Laserzündeinrichtung 1000 zusätzlich eine Sicherheitseinrichtung 130 auf, die dazu ausgebildet ist, die elektrische Energievorsorgung der Laserlichtquelle 110 über die Schnittstelle 120 in Abhängigkeit mindestens eines Ansteuersignals A1 freizugeben oder zu sperren. Dieser Sachverhalt ist in 1 symbolisch durch einen nicht bezeichneten Schalter angedeutet, der durch die Sicherheitseinrichtung 130 in Abhängigkeit des Ansteuersignals A1 betätigbar ist.
Dadurch kann vorteilhaft ein unerwünschter Betrieb der Laserlichtquelle 110 und damit die Freisetzung von Laserstrahlung L verhindert werden. D.h., obwohl an sich elektrische Energie E für den Betrieb der Laserlichtquelle 110 an dem Eingang bzw. der Schnittstelle 120 bereitsteht, wird diese Energie durch die Sicherheitseinrichtung 130 z.B. dann nicht zur Weiterleitung an die Laserlichtquelle 110 freigegeben (durch Schließen des symbolischen Schalters), wenn kein gültiges Ansteuersignal A1 anliegt. Erst wenn elektrische Energie E für den Betrieb der Laserlichtquelle 110 an dem Eingang bzw. der Schnittstelle 120 bereitsteht und gleichzeitig das Ansteuersignal A1 gültige Werte annimmt, was durch die Sicherheitseinrichtung 130 überprüft wird, wird von der Sicherheitseinrichtung 130 die elektrische Energie E von der Schnittstelle 120 an die Laserlichtquelle 110 weitergeleitet.
Die vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen erfindungsgemäßen Komponenten 110, 120, 130 können vorteilhaften Ausführungsformen zufolge auf eine einzige oder auch voneinander verschiedene bauliche Einheiten verteilt sein.
2a zeigt schematisch ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform 1000a der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung, bei der die Komponenten 110, 120, 130 in einem sogenannten Pumpmodul 100 baulich zusammengefasst sind.
Die von der Laserlichtquelle 110 des Pumpmoduls 100 erzeugte Laserstrahlung L wird über eine optische Schnittstelle an dem optischen Ausgang 100b des Pumpmoduls 100 an eine Laserzündkerze 200 übertragen, um eine darin angeordnete Lasereinrichtung 210, beispielsweise einen laseraktiven Festkörper mit einer passiven Güteschaltung, in an sich bekannter Weise optisch zu pumpen. Die Übertragung der Laserstrahlung L an die Laserzündkerze 200 erfolgt z.B. mittels eines eine Lichtleitereinrichtung aufweisenden optischen Kabels OK.
Neben der Laserlichtquelle 110 verfügt das Pumpmodul 100 über die vorstehend unter Bezugnahme auf 1 bereits beschriebene elektrische Schnittstelle 120, über die dem Pumpmodul 100 elektrische Energie E zum Betrieb der Laserlichtquelle 110 zuführbar ist. Durch die elektrische Schnittstelle 120 ist vorliegend demgemäß ein elektrischer Eingang 100a des Pumpmoduls 100 realisiert.
In Verwirklichung des erfindungsgemäßen Prinzips weist das Pumpmodul 100 zusätzlich die ebenfalls bereits vorstehend beschriebene Sicherheitseinrichtung 130 auf, die dazu ausgebildet ist, die elektrische Energievorsorgung der Laserlichtquelle 110 über die Schnittstelle 120 in Abhängigkeit mindestens eines Ansteuersignals A1 freizugeben oder zu sperren.
Dadurch kann vorteilhaft ein unerwünschter Betrieb der Laserlichtquelle 110 und damit die Freisetzung von Laserstrahlung L aus dem Pumpmodul 100 verhindert werden.
2a zeigt zusätzlich ein Lasersteuergerät 300, das in an sich bekannter Weise Pumpstrompulse über die elektrische Schnittstelle 120 an das Pumpmodul 100 abgibt, um die Laserstrahlung L für das optische Pumpen der Lasereinrichtung 210 zu erzeugen. Um den Betrieb der Laserlichtquelle 110 freizugeben, erzeugt das Lasersteuergerät 300 wie aus 2a ersichtlich zusätzlich mindestens ein Ansteuersignal A1, das auf die Sicherheitseinrichtung 130 wirkt und – je nach Zustand des Ansteuersignals A1 – den Betrieb der Laserlichtquelle 110 freigibt oder sperrt. Ein vergleichbares Lasersteuergerät 300 kann z.B. auch bei der Laserzündeinrichtung 1000 gemäß 1 vorgesehen sein.
Besonders vorteilhaft ist bei der Laserzündeinrichtung 1000a gemäß 2a die Sicherheitseinrichtung 130 vollständig in das Pumpmodul 100 integriert und insbesondere in Serie geschaltet zu der Laserlichtquelle 110.
Durch die erfindungsgemäße Vorsehung der Sicherheitseinrichtung 130, die mittels mindestens eines Ansteuersignals A1 angesteuert wird, kann vorteilhaft eine unzulässige Inbetriebnahme des Pumpmoduls 100 verhindert oder zumindest erschwert werden. Wenn nämlich unzulässigerweise das Lasersteuergerät 300 von der elektrischen Schnittstelle 120 getrennt und eine andere elektrische Energiequelle (nicht gezeigt) mit dem Pumpmodul 100 verbunden wird, wird nicht bereits Laserstrahlung L erzeugt, weil die Sicherheitseinrichtung 130 den Betrieb der Laserlichtquelle 110 sperrt, solange das Ansteuersignal A1 ausbleibt bzw. ungültige Werte aufweist. Erst unter Kenntnis der Betriebserfordernisse der Sicherheitseinrichtung 130 und ihrer Ansteuersignale A1 ist es möglich, die Laserlichtquelle 110 zu aktivieren.
Eine effiziente Freigabe beziehungsweise Sperrung des Betriebs der Laserlichtquelle 110 ergibt sich einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge dann, wenn ein elektrischer Widerstand der Sicherheitseinrichtung 130 in Abhängigkeit des mindestens einen Ansteuersignals A1 zwischen verschiedenen Betriebszuständen, insbesondere einem niederohmigen Zustand und einem hochohmigen Zustand, einstellbar ist.
Besonders vorteilhaft kann die Sicherheitseinrichtung 130 so ausgebildet sein, dass sie bei entsprechender Ansteuerung durch das mindestens eine Ansteuersignal A1 einen niederohmigen Zustand annimmt, wodurch eine nahezu verlustfreie Weiterleitung der elektrischen Energie E von der elektrischen Schnittstelle 120 an die Laserlichtquelle 110 – im Falle einer Serienschaltung – möglich ist.
Andererseits kann bei entsprechender Ansteuerung durch das Ansteuersignal A1 die Sicherheitseinrichtung 130 auch in einem hochohmigen Zustand versetzt werden, sodass keine Weiterleitung elektrischer Energie von der elektrischen Schnittstelle 120 an die Laserlichtquelle 110 möglich ist.
Eine Schnittstelle des Pumpmoduls 100 zur Übertragung des mindestens einen Ansteuersignals A1 von einer externen Einheit, z.B. dem Lasersteuergerät 300, an die Sicherheitseinrichtung 130 ist entweder direkt in die elektrische Schnittstelle 120 integriert oder separat ausgebildet. Besonders vorteilhaft sollte die Schnittstelle zur Übertragung des Ansteuersignals A1 an die Sicherheitseinrichtung 130 so ausgebildet sein, dass unbefugte Personen die Funktionsweise dieser Schnittstelle nicht ohne weiteres erkennen können. 2b zeigt schematisch ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform 1000a‘ der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung, bei der das Pumpmodul 100 z.B. vergleichbar zu der Konfiguration gemäß 2a aufgebaut ist, im Unterschied hierzu jedoch nicht als separate bauliche Einheit vorgesehen, sondern vielmehr in die Laserzündkerze 200a integriert ist, wodurch sich eine sehr klein bauende Konfiguration ergibt.
2c zeigt schematisch ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform 1000b der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung, bei der die Komponenten 120, 130 in einem sogenannten Steckermodul SM baulich zusammengefasst sind, wohingegen die Laserlichtquelle 110 in die Laserzündkerze 200b integriert ist.
Das Steckermodul SM weist somit einen elektrischen Eingang in Form der elektrischen Schnittstelle 120 auf sowie ggf. mindestens einen weiteren (Signal-) Eingang zum Empfang des Ansteuersignals A1 für die Sicherheitseinrichtung 130, und mindestens einen elektrischen Ausgang, an dem die elektrische Energie E für die Laserlichtquelle 110 in Abhängigkeit des Betriebszustands der Sicherheitseinrichtung 130 bereitgestellt wird. Bei dieser Variante kann das Steckermodul SM z.B. über eine, bevorzugt unlösbare, elektrische Kabelverbindung EK mit der Laserzündkerze 200b bzw. einer darin enthaltenen Laserlichtquelle 110 verbunden sein.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Sicherheitseinrichtung 130 wiederum in Serie geschaltet ist zu der Laserlichtquelle 110. Vorliegend sind die Komponenten 110, 120, 130 in das Pumpmodul 100 integriert; insoweit entspricht die in 3 abgebildete Konfiguration des Pumpmoduls 100 der Ausführungsform nach 2a. Die nachstehend unter Bezugnahme auf die 3 bis 6 beschriebenen erfindungsgemäßen Aspekte der Sicherheitseinrichtung 130 können jedoch ohne weiteres auch auf die allgemeine Implementierung der Sicherheitseinrichtung 130 gemäß 1 und die weiteren Ausführungsformen nach den 2b, 2c übertragen werden.
Die Sicherheitseinrichtung 130 weist vorliegend einen ersten Halbleiterschalter S1 auf, der als selbstsperrender Feldeffekttransistor ausgebildet ist. Der erste Halbleiterschalter S1 ist wie aus 3 ersichtlich mit seiner Drain-Source-Strecke in Serie zu der Laserlichtquelle 110 geschaltet. Die Serienschaltung aus Laserlichtquelle 110 und Sicherheitseinrichtung 130 weist die Anschlüsse Pin1, Pin2 auf, die als Steckkontakte in der die elektrische Schnitstelle 120 bildenden Steckverbindung 122 realisiert sind. Auf diese Weise kann ein steckbar mit dem Pumpmodul 100 verbindbares Lasersteuergerät 300 – gegebenenfalls auch über eine nicht in 3 abgebildete Kabelverbindung – an das Pumpmodul 100 angeschlossen werden, um das Pumpmodul 100 mit elektrischer Energie für den Betrieb der Laserlichtquelle 110 zu versorgen.
Beispielsweise kann das Lasersteuergerät 300 so ausgebildet sein, dass es ein erstes Bezugspotential 302 an dem Steckkontakt Pin1 bereitstellt, und dass es ein zweites, von dem ersten Bezugspotential 302 verschiedenes, Bezugspotential 304, an dem weiteren Steckkontakt Pin2 bereitstellt. Zusätzlich kann das Lasersteuergerät 300 über einen Signalgenerator 310 ein Ansteuersignal A1 zur Ansteuerung der Sicherheitseinrichtung 130 bereitstellen.
Vorliegend wird das Ansteuersignal A1 an die Gateelektrode S1_G des ersten Halbleiterschalters S1 übermittelt, wodurch in an sich bekannter Weise die Drain-Source-Strecke des ersten Halbleiterschalters S1 hochohmig oder niederohmig gesteuert werden kann. Für den Betrieb des Pumpmoduls 100 steuert dementsprechend der Signalgenerator 310 des Lasersteuergeräts 300 den ersten Halbleiterschalter S1 des Pumpmoduls 100 so an, dass die Drain-Source-Strecke des ersten Halbleiterschalters S1 niederohmig wird, sodass ein Pumpstrom I_Pump über den Kontakt Pin1, die Laserlichtquelle 110, den ersten Halbleiterschalter S1 und schließlich den weiteren Steckkontakt Pin2 fließen kann.
Besonders vorteilhaft ist ein weiterer Steckkontakt Pin3 zur Übermittlung des ersten Ansteuersignals A1 ebenfalls in die Steckverbindung 122 integriert, sodass sich eine einzige elektrische Schnittstelle an dem Pumpmodul 100 sowohl zur elektrischen Energieversorgung als auch zur Übertragung des Ansteuersignals A1 ergibt.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der insgesamt zwei Ansteuersignale A1, A2 erforderlich sind, um die Sicherheitseinrichtung 130 von einem ersten, sperrenden Betriebszustand in einen zweiten, leitenden Betriebszustand zu versetzen und umgekehrt.
Wie aus 4 ersichtlich ist, ist ein zweiter Halbleiterschalter S2 vorgesehen, der vorliegend als selbstleitender Feldeffekttransistor ausgebildet und mit seiner Drain-Source-Strecke parallel zu der Gate-Source-Strecke des ersten Halbleiterschalters S1 geschaltet ist.
Bei dieser Erfindungsvariante wird dementsprechend das Gatepotential des ersten Halbleiterschalters S1 auf das vorliegend niedrigere Bezugspotential 304 (z.B. Massepotential) gezogen, sodass der erste Halbleiterschalter S1 sperrt, solange die Gateelektrode S2_G des zweiten Halbleiterschalters S2 nicht vermöge des zweiten Ansteuersignals A2 aktiv mit einer negativen Spannung angesteuert wird. Dies kann vorliegend durch den zweiten Signalgenerator 312 des Lasersteuergeräts 300 erfolgen.
Das bedeutet, wenn der Gateanschluss S2_G des zweiten Halbleiterschalters S2 mit entsprechend negativer Spanung (Ansteuersignal A2) durch den Signalgenerator 312 angesteuert wird, zieht der zweite Halbleiterschalter S2 das Gatepotential des Gateanschlusses S1_G des ersten Halbleiterschalters S1 nicht mehr auf das niedrige Bezugspotential 304, sodass bei entsprechender Ansteuerung durch den Signalgenerator 310 mit dem ersten Ansteuersignal A1 eine positive Gatespannung an der Gateelektrode S1_G des ersten Halbleiterschalters S1 angelegt werden kann, um diesen niederohmig zu schalten. Dann kann wie aus 4 ersichtlich der Pumpstrom I_Pump wiederum über die Komponenten Pin1, 110, S1, Pin2 fließen.
Eine Drainelektrode des ersten Halbleiterschalters S1 ist in 4 mit dem Bezugszeichen S1_D, eine Sourceelektrode des ersten Halbleiterschalters S1 mit dem Bezugszeichen S1_S bezeichnet. Vorliegend bildet die Drain-Source-Strecke zwischen den Elektroden S1_D, S1_S einen Stromweg mit steuerbarem elektrischen Widerstand, der unter der vorstehend beschriebenen Ansteuerung der Feldeffekttransistoren S1, S2 mit den Ansteuersignalen A1, A2 wahlweise hochohmig oder niederohmig gesteuert werden kann, um die Laserlichtquelle 110 zu sperren oder freizugeben.
Gegenüber der Erfindungsvariante gemäß 3 ergibt sich bei der Konfiguration gemäß 4 durch die Vorsehung eines zusätzlichen Ansteuersignals A2 eine weiter gesteigerte Sicherheit vor unbefugter Inbetriebnahme des Pumpmoduls 100. Das weitere Ansteuersignal A2 wird vorteilhaft ebenfalls über einen Steckkontakt Pin4 des Steckverbinders 122‘ übertragen.
5 zeigt eine Draufsicht auf einen elektrischen Steckverbinder 122‘, der zwei hochstromfähige Steckkontakte Pin1, Pin2 für die Übertragung des Pumpstroms I_Pump (4) zwischen dem Lasersteuergerät 300 und dem Pumpmodul 100 bereitstellt. Neben den beiden hochstromfähigen Kontakten Pin1, Pin2 sind eine Vielzahl vorliegend nicht bezeichneter weiterer elektrischer Kontakte für die Übertragung diverser Steuersignale von dem Lasersteuergerät 300 an das Pumpmodul 100 beziehungsweise in umgekehrter Richtung vorgesehen. Zwei dieser Vielzahl von weiteren elektrischen Kontakten können vorteilhaft für die Übertragung der Ansteuersignale A1, A2 von dem Lasersteuergerät 300 an das Pumpmodul 100 verwendet werden, um den Betrieb der Laserlichtquelle 110 in der vorstehend beschriebenen Weise mittels der Sicherheitseinrichtung 130 freizuschalten beziehungsweise zu sperren. Aufgrund der Vielzahl der elektrischen Kontakte des Steckverbinders 122‘ ist eine besonders hohe Sabotagesicherheit gegeben, weil einerseits aus dem Layout des Steckverbinders 122‘ nicht unmittelbar ersichtlich ist, wie viele (zusätzliche) Ansteuersignale A1, A2 für die erfolgreiche Inbetriebnahme der Laserlichtquelle 110 erforderlich sind. Andererseits ist es verhältnismäßig aufwendig, durch Analyse des Betriebs des Systems 100, 300 gültige Signalwerte bzw. Zeitverläufe usw. für die Ansteuersignale A1, A2 herauszufinden.
6 zeigt im Detail eine Sicherheitseinrichtung 130 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu der Konfiguration gemäß 3 ist zusätzlich ein elektrischer Widerstand R, der auch als Entladewiderstand beziehungsweise pulldown-Widerstand bezeichnet werden kann, zwischen die Gateelektrode S1_G des ersten Halbleiterschalters S1 und ein Bezugspotential, insbesondere ein Massepotential, geschaltet. Dadurch wird verhindert, dass sich bei einem offenen Steckverbinder 122 (3) ein von dem Bezugspotential beziehungsweise Massepotential abweichendes Potential an der Gateelektrode S1_G aufbaut, das zur unbeabsichtigten Steuerung des ersten Halbleiterschalters S1 in einen niederohmigen Betriebszustand führen könnte.
Bei weiteren Ausführungsformen kann unter Verwirklichung des Erfindungsgedankens auch mindestens ein Ansteuersignal mit definierter Frequenz und/oder Signalform (zeitlicher Verlauf) usw. vorgesehen sein, um die Sicherheitseinrichtung 130 von einem „sperrenden“ Zustand in einen Freigabezustand zu versetzen, in dem sie die elektrische Energieversorgung der Laserlichtquelle 110 über die elektrische Schnittstelle 120 freigibt.
Alternativ oder ergänzend zu der Verwendung von elektrischen Ansteuersignalen ist auch die Verwendung von optischen oder sonstigen Ansteuersignalen denkbar, um die Sicherheitseinrichtung 130 im Sinne einer Sperrung bzw. Freigabe zu betätigen.
Durch die Erfindung wird vorteilhaft ein mißbräuchlicher Betrieb der Laserzündeinrichtung bzw. des Pumpmoduls 100 und damit die Erzeugung gefährlicher, energiereicher Laserstrahlung L (1) erschwert bzw. verhindert. Gleichzeitig wird vorteilhaft eine Beschädigung der Laserzündeinrichtung bzw.
des Pumpmoduls 100 durch den Betrieb an nicht zulässigen elektrischen Energiequellen verhindert.
Das erfindungsgemäße Prinzip kann durch die Vorsehung von mehr als zwei besonderen Ansteuersignalen A1, A2 für die Freigabe der Sicherheitseinrichtung 130 erweitert werden, wodurch sich die Sabotagesicherheit weiter erhöht.
Das Pumpmodul 100 gemäß 2a sowie das Steckermodul SM gemäß 2c ist auch unabhängig von den weiteren Komponenten der Laserzündeinrichtung Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens eine elektrisch betreibbare Laserlichtquelle 110 in die Laserzündkerze 200b (2c) integriert ist, wobei die Laserlichtquelle 110 insbesondere als oberflächenemittierender Halbleiterlaser, vertical cavity surface emitting laser, VCSEL, ausgebildet ist.

Claims

Laserzündeinrichtung (1000; 1000a; 1000a‘; 1000b) mit mindestens einer elektrisch betreibbaren Laserlichtquelle (110) zur Bereitstellung von Laserstrahlung (L) zum optischen Pumpen einer Lasereinrichtung (210), insbesondere einer Laserzündkerze (200, 200a, 200b), und mit einer elektrischen Schnittstelle (120) zur elektrischen Energieversorgung der Laserlichtquelle (110), dadurch gekennzeichnet, dass eine Sicherheitseinrichtung (130) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, die elektrische Energieversorgung der Laserlichtquelle (110) über die elektrische Schnittstelle (120) in Abhängigkeit mindestens eines Ansteuersignals (A1, A2) freizugeben oder zu sperren.
Laserzündeinrichtung (1000; 1000a) nach Anspruch 1, wobei die Sicherheitseinrichtung (130) elektrisch in Serie geschaltet ist zu der Laserlichtquelle (110).
Laserzündeinrichtung (1000; 1000a) nach Anspruch 2, wobei ein elektrischer Widerstand der Sicherheitseinrichtung (130) in Abhängigkeit des mindestens einen Ansteuersignals (A1, A2) zwischen einem ersten, insbesondere niederohmigen, und einem zweiten, insbesondere hochohmigen, Zustand, einstellbar ist. Laserzündeinrichtung (1000; 1000a) nach Anspruch 3, wobei die Sicherheitseinrichtung (130) mindestens einen Halbleiterschalter (S1, S2) aufweist, der mittels des bzw. der Ansteuersignale (A1, A2) ansteuerbar ist.
Laserzündeinrichtung (1000; 1000a) nach Anspruch 4, wobei ein erster Halbleiterschalter (S1) als selbstsperrender Feldeffekttransistor ausgebildet und mit seiner Drain-Source-Strecke in Serie zu der Laserlichtquelle (110) geschaltet ist, und wobei eine Gateelektrode (S1_G) des ersten Halbleiterschalters (S1) mit einem ersten Ansteuersignal (A1) beaufschlagbar ist.
Laserzündeinrichtung (1000; 1000a) nach Anspruch 5, wobei ein zweiter Halbleiterschalter (S2) als selbstleitender Feldeffekttransistor ausgebildet und mit seiner Drain-Source-Strecke parallel zu der Gate-Source-Strecke des ersten Halbleiterschalters (S1) geschaltet ist, und wobei eine Gateelektrode (S2_G) des zweiten Halbleiterschalters (S2) mit einem zweiten Ansteuersignal (A2) beaufschlagbar ist.
Laserzündeinrichtung (1000; 1000a) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Steckverbindung (122, 122‘) zur Realisierung der elektrischen Schnittstelle (120) vorgesehen ist.
Laserzündeinrichtung (1000; 1000a) nach Anspruch 7, wobei die Steckverbindung (122, 122‘) gleichzeitig zur Übermittlung mindestens eines der Ansteuersignale (A1, A2) an die Sicherheitseinrichtung (130) ausgebildet ist, insbesondere entsprechende Steckkontakte (Pin3, Pin4) aufweist. Laserzündeinrichtung (1000; 1000a) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Gateelektrode (S1_G) des ersten Halbleiterschalters (S1) über einen Widerstand (R), der vorzugsweise einen Widerstandswert von größer etwa 1kOhm aufweist, mit einem Bezugspotential verbunden ist.
Laserzündeinrichtung (1000a) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Laserlichtquelle (110), die Schnittstelle (120), und die Sicherheitseinrichtung (130) in einem Pumpmodul (100) integriert sind, wobei das Pumpmodul (100) vorzugsweise als elektrischen Eingang (100a) die Schnittstelle (120) und einen optischen Ausgang (100b) zur Ausgabe der durch die Laserlichtquelle (110) erzeugten Laserstrahlung (L) aufweist.
Laserzündeinrichtung (1000a‘) nach Anspruch 10, wobei eine Laserzündkerze (200a) vorgesehen ist und das Pumpmodul (100) in der Laserzündkerze (200a) integriert ist. Laserzündeinrichtung (1000a) nach Anspruch 10, wobei eine Laserzündkerze (200) vorgesehen ist und das Pumpmodul (100) extern zu der Laserzündkerze (200) angeordnet und mit dieser über eine Lichtleitereinrichtung (OK) verbunden ist.
Laserzündeinrichtung (1000b) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Schnittstelle (120) und die Sicherheitseinrichtung (130) in einem Steckermodul (SM) integriert sind.
Laserzündeinrichtung (1000b) nach Anspruch 13, wobei eine Laserzündkerze (200b) vorgesehen ist und das Steckermodul (SM) über eine elektrische Kabelverbindung (EK) mit der Laserzündkerze (200b) verbunden ist.
Laserzündeinrichtung (1000b) nach Anspruch 14, wobei die mindestens eine elektrisch betreibbare Laserlichtquelle (110) in die Laserzündkerze (200b) integriert ist, wobei die Laserlichtquelle (110) insbesondere als oberflächenemittierender Halbleiterlaser, vertical cavity surface emitting laser, VCSEL, ausgebildet ist. Ansteuereinrichtung (300) für eine Laserzündeinrichtung (1000, 1000a, 1000a‘, 1000b) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (300) dazu ausgebildet ist, die elektrische Schnittstelle (120) mit elektrischer Energie für den Betrieb der Laserlichtquelle (110) zu versorgen und dazu, die Sicherheitseinrichtung (130) mit dem mindestens einen Ansteuersignal (A1, A2) anzusteuern.
Verfahren zum Betreiben einer Laserzündeinrichtung (1000, 1000a, 1000a‘, 1000b) mit mindestens einer elektrisch betreibbaren Laserlichtquelle (110) zur Bereitstellung von Laserstrahlung (L) zum optischen Pumpen einer Lasereinrichtung (210), insbesondere einer Laserzündkerze (200, 200a, 200b), wobei eine elektrische Schnittstelle (120) zur elektrischen Energieversorgung der Laserlichtquelle (110) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sicherheitseinrichtung (130) vorgesehen ist, die mittels mindestens eines Ansteuersignals (A1, A2) angesteuert wird, um die elektrische Energieversorgung der Laserlichtquelle (110) über die elektrische Schnittstelle (120) freizugeben oder zu sperren.
Verfahren zum Betreiben einer Ansteuereinrichtung (300) für eine Laserzündeinrichtung (1000, 1000a, 1000a‘, 1000b) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (300) die elektrische Schnittstelle (120) mit elektrischer Energie für den Betrieb der Laserlichtquelle (110) versorgt und die Sicherheitseinrichtung (130) mit dem mindestens einen Ansteuersignal (A1, A2) ansteuert.