JP2006009585A - Laser ignition device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両のエンジンにおいてエンジンの燃焼室での着火をレーザによって行うレーザ点火装置に関する。 The present invention relates to a laser ignition device that uses a laser to ignite an engine combustion chamber in a vehicle engine.
従来より、車両のエンジンの点火装置として、レーザを用いた点火装置が提案されている。このようなレーザを用いた点火装置においては、エンジンの燃焼室内の任意の位置に任意のタイミングでレーザを照射し集光させて着火することができるものとして注目されている。 Conventionally, an ignition device using a laser has been proposed as an ignition device for a vehicle engine. In such an ignition device using a laser, attention has been paid as being able to irradiate and condense a laser at an arbitrary position in an engine combustion chamber at an arbitrary timing to ignite.
上記のようなレーザ点火装置として、レーザ光の焦点位置、すなわち着火位置を揺動させるものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。このレーザ点火装置では、レーザのレーザ光がレンズにて集光されるようになっており、このレンズとレンズの焦点位置である着火位置との間にプリズムを配置し、このプリズムを回転させることで、ピストン上面の着火位置を揺動させている。 As the above-described laser ignition device, one that swings the focal position of laser light, that is, the ignition position, has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In this laser ignition device, the laser beam of the laser is condensed by a lens, and a prism is arranged between this lens and the ignition position which is the focal position of the lens, and this prism is rotated. Thus, the ignition position on the upper surface of the piston is swung.
一方、レーザ光の焦点位置をレーザの光軸方向に移動できるレーザ点火装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。このレーザ点火装置は、エンジンのシリンダ側面に、気筒ごとに設置されている。そして、このレーザ点火装置は、集光レンズを備えた可変焦点ユニットを有しており、この可変焦点ユニットに備えられた集光レンズの焦点を光軸方向に移動させることで、着火位置を光軸方向に移動させている。
しかしながら、着火位置を揺動するレーザ点火装置においては、プリズムを回転させて着火位置を揺動させているものの、レンズの焦点となっているピストン上面が溶融してしまうのを避けるためにレンズの焦点位置をずらしているにすぎない。したがって、レーザの焦点位置、すなわち着火位置を任意に変更するものではない。 However, in a laser ignition device that swings the ignition position, the prism is rotated to swing the ignition position, but in order to avoid melting the upper surface of the piston that is the focal point of the lens, It is just shifting the focus position. Therefore, the focal position of the laser, that is, the ignition position is not arbitrarily changed.
また、シリンダの側面に設置されるレーザ点火装置においては、レーザ光の焦点位置を変更できるものの、その焦点位置はレーザ光の光軸上に限定されている。 In the laser ignition device installed on the side surface of the cylinder, although the focal position of the laser beam can be changed, the focal position is limited to the optical axis of the laser beam.
本発明は、上記点に鑑み、車両のエンジンの燃焼室内において、点火位置を任意に変更できるレーザ点火装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a laser ignition device capable of arbitrarily changing an ignition position in a combustion chamber of a vehicle engine.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、筒形状のケース(10、12)と、ケースに収納されると共に、レーザ光を発するレーザユニット(20)と、レーザ光の光軸上に配置され、レーザ光を透過または遮断する電子シャッタ(30)と、レーザユニットから照射されるレーザ光を集光する集光レンズ(60)と、中空円筒形状であって、レーザ光の光軸に垂直な面に対して集光レンズを所望の角度で傾けて固定する台座(50)と、レーザ光の光軸を中心に台座を回転させる台座駆動手段(40)と、を有することを特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a cylindrical case (10, 12), a laser unit (20) that is housed in the case and emits laser light, and an optical axis of the laser light are provided. An electronic shutter (30) that is disposed above and transmits or blocks laser light, a condensing lens (60) that condenses laser light emitted from the laser unit, and a hollow cylindrical shape that emits laser light A pedestal (50) for tilting and fixing the condenser lens at a desired angle with respect to a plane perpendicular to the axis; and a pedestal driving means (40) for rotating the pedestal about the optical axis of the laser beam. It is a feature.
このように、集光レンズを傾けた状態でレーザ光の光軸を中心に回転させる。これにより、レーザ光の焦点位置を任意に移動させることができる。また、電子シャッタにてレーザ光を通過させたときのみ、レーザ光の焦点にて着火するようにすることができる。 In this way, the laser light is rotated around the optical axis of the laser light while the condenser lens is tilted. Thereby, the focal position of the laser beam can be arbitrarily moved. Also, it is possible to ignite at the focal point of the laser beam only when the laser beam is passed through the electronic shutter.
さらに、レーザ光の焦点が集光レンズの傾きによって円を描くように移動する。したがって、所定の径を有する円の周上を移動するレーザ光の焦点を着火源とすることができる。これにより、エンジンの燃焼室内における着火点の点数を増やすことができ、着火後の燃焼を促進させることができる。 Further, the focal point of the laser light moves so as to draw a circle according to the inclination of the condenser lens. Therefore, the focal point of the laser beam moving on the circumference of a circle having a predetermined diameter can be used as the ignition source. Thereby, the number of ignition points in the combustion chamber of the engine can be increased, and combustion after ignition can be promoted.
請求項2に記載の発明では、集光レンズは、集光レンズの回転によってレーザ光の焦点が描く円の直径が少なくとも3.5mm以上となるように、台座に傾けられて固定されていることを特徴としている。
In the invention according to
このように、レーザ光の焦点が描く円の直径が少なくとも3.5mm以上となるように集光レンズを傾けて固定する。これにより、着火の時点でレーザ光の焦点が描く円、すなわち火炎核のサイズをあらかじめ3.5mm以上とすることができ、着火後直ちに燃焼を開始することができる。したがって、着火後の燃焼を安定させることができ、熱効率を向上させることができる。 Thus, the condenser lens is tilted and fixed so that the diameter of the circle drawn by the focus of the laser light is at least 3.5 mm or more. Thereby, the circle drawn by the focus of the laser beam at the time of ignition, that is, the size of the flame kernel can be set to 3.5 mm or more in advance, and combustion can be started immediately after ignition. Therefore, the combustion after ignition can be stabilized and the thermal efficiency can be improved.
請求項3に記載の発明では、筒形状のケース(10、12)と、ケースに収納されると共に、レーザ光を発するレーザユニット(20)と、レーザ光の光軸上に配置され、レーザ光を透過または遮断する電子シャッタ(30)と、レーザユニットから照射されるレーザ光を集光する集光レンズ(60)と、集光レンズの外縁部に複数設置されると共に集光レンズを固定し、印加される電圧に応じて伸縮する圧電素子(70)と、を有することを特徴としている。 In the third aspect of the invention, the cylindrical case (10, 12), the laser unit (20) that emits laser light while being housed in the case, and disposed on the optical axis of the laser light, the laser light An electronic shutter (30) that transmits or blocks light, a condensing lens (60) that condenses the laser light emitted from the laser unit, and a plurality of concentrating lenses that are installed on the outer edge of the condensing lens and fix the condensing lens And a piezoelectric element (70) that expands and contracts according to the applied voltage.
このように、集光レンズを複数の圧電素子にて固定し、それぞれの圧電素子に電圧を印加する。これにより、集光レンズの焦点位置を任意に移動させることができる。さらに、すべての圧電素子を伸縮させることで、集光レンズの焦点位置をレーザ光の光軸方向に移動させることもできる。したがって、エンジンの燃焼室内においてレーザ光の焦点を三次元的に移動させることができる。 In this way, the condenser lens is fixed by a plurality of piezoelectric elements, and a voltage is applied to each piezoelectric element. Thereby, the focus position of a condensing lens can be moved arbitrarily. Furthermore, the focal position of the condensing lens can be moved in the optical axis direction of the laser light by expanding and contracting all the piezoelectric elements. Therefore, the focal point of the laser beam can be moved three-dimensionally in the combustion chamber of the engine.
また、電子シャッタにてレーザ光を透過させたときに、レーザ光の焦点にて着火することとなる。したがって、電子シャッタによるレーザ光の透過と、圧電素子による集光レンズの傾きとの組み合わせにより、多点着火を行うことができる。このように多点着火を実施できると、着火による火炎伝搬速度を向上でき、燃焼速度を早めることができる。 Further, when the laser light is transmitted through the electronic shutter, it is ignited at the focal point of the laser light. Therefore, multi-point ignition can be performed by the combination of the transmission of the laser light by the electronic shutter and the inclination of the condenser lens by the piezoelectric element. If multi-point ignition can be performed in this way, the flame propagation speed by ignition can be improved, and the combustion speed can be increased.
請求項4に記載の発明では、レーザ光の光軸上において、電子シャッタと集光レンズとの間には、焦点距離調整ユニット(80)が配置されており、この焦点距離調整ユニットは、集光レンズの焦点距離を調整する焦点距離調整レンズ(81)と、焦点距離調整レンズをレーザ光の光軸方向に駆動する焦点距離調整レンズ駆動手段(82)とを備えて構成され、焦点距離調整レンズ駆動手段にて焦点距離調整レンズが駆動されると、集光レンズの焦点距離が光軸方向に移動するようになっていることを特徴としている。 In the fourth aspect of the invention, the focal length adjustment unit (80) is disposed between the electronic shutter and the condenser lens on the optical axis of the laser beam. A focal length adjustment lens (81) for adjusting the focal length of the optical lens, and a focal length adjustment lens driving means (82) for driving the focal length adjustment lens in the optical axis direction of the laser light, are configured. When the focal length adjustment lens is driven by the lens driving means, the focal length of the condenser lens is moved in the optical axis direction.
このように、電子シャッタと集光レンズとの間に焦点距離調整ユニットを設置する。そして、この焦点距離調整ユニットによって、集光レンズの光軸方向の焦点位置を移動させることができる。この場合、焦点距離調整レンズによってより大きく焦点位置を光軸方向に移動させることができる。 In this way, the focal length adjustment unit is installed between the electronic shutter and the condenser lens. And the focal position of the optical axis direction of a condensing lens can be moved by this focal length adjustment unit. In this case, the focal position can be moved more in the optical axis direction by the focal length adjustment lens.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係るレーザ点火装置の概略図である。図2は、図1に示されるレーザ点火装置をエンジンのシリンダヘッドに設置した様子を示した図である。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view of a laser ignition device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a view showing a state in which the laser ignition device shown in FIG. 1 is installed in the cylinder head of the engine.
図1に示されるように、レーザ点火装置は、ケース10と、レーザユニット20と、電子シャッタ30と、超音波モータ40と、台座50と、集光レンズ60と、を備えて構成されている。なお、図1において超音波モータ40、台座50、集光レンズ60は、概略断面図となっている。
As shown in FIG. 1, the laser ignition device includes a
ケース10は、筒形状のハウジングであり、冷却媒体11と、ガラス窓12とを備えている。冷却媒体11は、後述するレーザユニット20から発せられる熱を吸引するものであり、例えばペルチエ素子で構成される。また、ガラス窓12は、ケース10からレーザ光が照射される窓であり、ケース10の一端側に配置され、ケース10と一体とされている。
The
このようなケース10においては、図2に示されるように、エンジン100のシリンダヘッド110の上面に開けられた孔111にケース10の一端側(ガラス窓12側)が挿入されて一体とされる。
In such a
レーザユニット20は、レーザ光を発するものである。このレーザユニット20は、半導体レーザ21と、YAG結晶22と、配線23と、電極24とを備えて構成されている。
The
半導体レーザ21は、周知のレーザ光源である。YAG結晶22は、周知のイットリウム(Y)・アルミニウム(Al)・ガーネット(G)結晶である。配線23および電極24は、半導体レーザ21に電源を供給するためのものであり、電極24から供給される電源は、配線23を介して半導体レーザ21に供給される。電極24は、ケース10の他端側の外部に配置される。
The
このようなレーザユニット20は、YAG結晶22の中に混入したネオジウム(Nd)を発光体とする固体レーザとして構成される。本実施形態では、レーザユニット20のレーザパワーが数十mJであり、レーザの基本波長が1064nmとなっている。
Such a
電子シャッタ30は、レーザユニット20から発せられるレーザ光を透過または遮断するためのものであり、例えば2枚の偏光板にて構成されている。すなわち、レーザ光の光軸を中心に2枚の偏光板のうちの一方の偏光板をずらすことで、電子シャッタ30の透過率を変える。これにより、任意のタイミングにてケース10からレーザ光を照射する。この電子シャッタ30には、図示しないエンジンECUから信号が入力されるようになっており、エンジンECUにて電子シャッタ30の開閉タイミングが制御される。
The
超音波モータ40は、レーザ光の光軸を中心として台座50を回転させるものであり、中空円筒状の図示しないステータ(弾性体)とロータ(移動体)とを備えて構成されている。このような超音波モータ40に対して、ステータに定在波を発生させる交流電圧と定在波とは周期が1/4だけずれたもう一つの定在波を発生させる交流電圧とを印加して、ステータに超音波振動を発生させ、2つの超音波振動波が重ね合わされた進行波によりロータを回転させる。このような超音波モータ40の回転制御は、図示しないエンジンECUにてなされるようになっている。なお、超音波モータ40は、本発明の台座駆動手段に相当する。
The
台座50は、集光レンズ60を固定するものであり、超音波モータ40のロータと接着固定されている。したがって、超音波モータ40を回転させると、台座50は集光レンズ60と共にレーザ光の光軸を中心に回転する。
The
集光レンズ60は、レーザユニット20から発せられるレーザ光を集光して、図2に示されるエンジン100の燃焼室120内に照射するものである。ここで、燃焼室120とは、エンジン100のシリンダ130の壁面131、吸気用バルブ141、排気用バルブ142、ピストン150、そして本装置のケース10のガラス窓12にて閉塞された空間を指す。また、本実施形態では、集光レンズ60の焦点の径は数十μmとなっている。
The condensing
この集光レンズ60は、レーザ光の光軸に垂直な面に対して所望の角度で傾けられて固定されている。また、集光レンズ60の焦点は、本装置がエンジン100のシリンダヘッド110に設置された際、シリンダ130においてピストン150が最上位点に位置する時における燃焼室120の空間のほぼ中心位置に合うようにあらかじめ調整される。
The condensing
なお、集光レンズ60の焦点距離は、本装置が搭載されるエンジン100によって異なり、それぞれのエンジン100に対して設定されるものである。以上が、本実施形態に係るレーザ点火装置の構成である。
Note that the focal length of the
続いて、本実施形態に係るレーザ点火装置の作動について説明する。まず、図2に示されるように、エンジン100のシリンダヘッド110にケース10が設置された状態において、レーザユニット20の電極24に電源が供給される。
Subsequently, the operation of the laser ignition device according to the present embodiment will be described. First, as shown in FIG. 2, power is supplied to the
すると、レーザユニット20の半導体レーザ21が稼働され、半導体レーザ21からレーザ光が発せられる。レーザ光は電子シャッタ30、超音波モータ40、台座50を介して集光レンズ60に照射される。
Then, the
そして、エンジンECUにて電子シャッタ30の開閉タイミングおよび超音波モータ40の回転角度が制御されることで、エンジン100の燃焼室120の着火が行われる。上述のように、集光レンズ60は台座50に所定角度傾けられて固定されている。したがって、電子シャッタ30が開けられると共に超音波モータ40が稼働して台座50が回転すると、レーザ光の焦点は図1に示されるように、所定の直径を有する円を描くように燃焼室120にて走査されることとなる。このように、傾けられた集光レンズ60を回転させることで、焦点位置を周上に移動させることにより着火点数を増やしている。
Then, the combustion timing of the
ここで、燃焼室120にて着火および燃焼が起こり、ピストン150がシリンダ130内を往復運動する際、吸気用バルブ141、排気用バルブ142が閉じた状態で、ピストン150が最上位点に到達したときを着火タイミングとする。このような着火タイミングにおいて着火点を多点とする方法は、以下の2つがある。
Here, ignition and combustion occurred in the combustion chamber 120, and when the
1つは、着火タイミングの際に電子シャッタ30を開放し続けることで、レーザ光の焦点が燃焼室120内に描く円の円上のすべての点を着火点とする方法である。もう1つは、着火タイミングの際に電子シャッタ30を複数回開閉することで、レーザ光の焦点が燃焼室120内に描く円の円上の任意の数点を着火点とする方法である。このような方法によって、着火タイミングにおける着火点数を多点としている。
One is a method in which all points on a circle of a circle drawn by the laser beam in the combustion chamber 120 are set as ignition points by keeping the
上記のようにして、着火点を多点とすることで、着火後の火炎を確実に成長させる。本実施形態では、レーザ光の焦点位置が描く円の直径を3.5mm以上としている。このことについて、図3を参照して説明する。なお、以下では、レーザ光の焦点位置が描く円を火炎核と呼ぶ。 As described above, the ignition point is set to multiple points, so that the flame after ignition is reliably grown. In this embodiment, the diameter of the circle drawn by the focal position of the laser beam is 3.5 mm or more. This will be described with reference to FIG. In the following, the circle drawn by the focal position of the laser beam is called a flame kernel.
発明者らは、スパークプラグの中心電極と接地電極との間の火花ギャップを火炎核のサイズ(直径)とみなして着火シミュレーションを行った。なお、着火シミュレーションは、細径接地プラグを用いるとして、A/F(空気と燃料との比)が22、圧力が0.5MPa、酸素濃度が18%、プラグ電極温度が200℃、混合気初期温度が300℃であることを条件としてなされた。 The inventors performed an ignition simulation by regarding the spark gap between the center electrode and the ground electrode of the spark plug as the size (diameter) of the flame kernel. In the ignition simulation, assuming that a small-diameter ground plug is used, the A / F (air to fuel ratio) is 22, the pressure is 0.5 MPa, the oxygen concentration is 18%, the plug electrode temperature is 200 ° C., and the initial mixture is The condition was that the temperature was 300 ° C.
図3は、着火後の時間に対する火炎核のサイズをグラフで表した図である。図3において、横軸は着火後の時間[ms]、縦軸は火炎核のサイズ[mm]を示している。図3に示されるように、火花ギャップが0.8、1.1、2.0mmである場合、着火後2ms程度においては、火炎核のサイズがほぼ一定になっている。すなわち、火炎核の成長が遅いことを示している。一方、火花ギャップが3.2mmである場合、着火後すみやかに火炎核のサイズが大きくなっている。すなわち、火花ギャップが3.2mm以上であれば、着火後、火炎核が確実に成長する。 FIG. 3 is a graph showing the size of the flame kernel with respect to the time after ignition. In FIG. 3, the horizontal axis represents time [ms] after ignition, and the vertical axis represents the size [mm] of the flame kernel. As shown in FIG. 3, when the spark gap is 0.8, 1.1, and 2.0 mm, the size of the flame kernel is substantially constant in about 2 ms after ignition. That is, it shows that the growth of the flame kernel is slow. On the other hand, when the spark gap is 3.2 mm, the size of the flame kernel increases immediately after ignition. In other words, if the spark gap is 3.2 mm or more, the flame kernel reliably grows after ignition.
このように、火花ギャップが大きい、すなわちレーザ光の焦点位置が描く円の直径が大きいほど、燃焼室120において確実に着火することができる。したがって、本装置においてレーザ光の焦点位置が描く円の直径を少なくとも3.5mm以上とすることで、上記結果と同様に、着火後すみやかに火炎核を成長させることができると言える。 Thus, the larger the spark gap, that is, the larger the diameter of the circle drawn by the focal position of the laser beam, the more reliably ignition can be performed in the combustion chamber 120. Accordingly, it can be said that, by setting the diameter of the circle drawn by the focal position of the laser beam to at least 3.5 mm or more in this apparatus, flame nuclei can be grown immediately after ignition, as in the above results.
なお、火炎核のサイズの上限は、シリンダ130の内壁面131以下とする。つまり、この火炎核のサイズの上限は、本装置が設置されるエンジン100によって異なり、それぞれのエンジン100によって設定される。
Note that the upper limit of the size of the flame kernel is set to be equal to or less than the
以上説明したように、本実施形態では、集光レンズ60を所定角度傾けて台座50に固定している。このように、集光レンズ60を傾けた状態でレーザ光の光軸を中心に回転させる。これにより、レーザ光の焦点位置を任意に移動させることができる。
As described above, in the present embodiment, the
さらに、レーザ光の焦点を集光レンズ60の傾きによって円を描くように移動させている。これにより、エンジン100の燃焼室120内における着火点数を増やすことができ、着火後の燃焼速度、熱効率を向上させることができる。
Further, the focal point of the laser beam is moved so as to draw a circle by the inclination of the
また、レーザ光の焦点が描く円の直径が少なくとも3.5mm以上となるように集光レンズ60を傾けて台座50に固定している。これにより、着火の時点でレーザ光の焦点が描く円、すなわち火炎核のサイズを大きくすることができ、着火後直ちに燃焼を開始するようにすることができる。
Further, the
(第2実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、集光レンズ60がピエゾスタックに固定されていることが、第1実施形態と異なる。本実施形態では、このピエゾスタックが、集光レンズ60の焦点位置を移動可能にしている。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, only different parts from the first embodiment will be described. In this embodiment, it differs from 1st Embodiment that the condensing
図4は、本実施形態に係るレーザ点火装置の概略図である。図4に示されるように、本実施形態に係るレーザ点火装置には、ピエゾスタック70が備えられている。
FIG. 4 is a schematic view of the laser ignition device according to the present embodiment. As shown in FIG. 4, the laser ignition device according to the present embodiment includes a
ピエゾスタック70は、電圧が印加されると変形する周知のピエゾ素子(圧電素子)である。本実施形態では、このピエゾスタック70は、中空円筒状のピエゾ素子にて構成され、さらに、このピエゾ素子はレーザ光の光軸を中心として周方向に三分割された状態になっている。そして、集光レンズ60は、上記三分割されたピエゾスタック70に両面が挟まれた状態で保持される。
The
各ピエゾ素子はそれぞれ絶縁された状態になっており、各ピエゾ素子にそれぞれ配線が接続されている。つまり、各ピエゾ素子は、印加される電圧に応じて独立して伸縮可能になっている。このようなピエゾスタック70においては、集光レンズ60を保持するピエゾ素子に加えて、レーザ光の光軸方向に伸縮可能な複数のピエゾ素子も設けられている。
Each piezo element is in an insulated state, and wiring is connected to each piezo element. That is, each piezo element can be expanded and contracted independently according to the applied voltage. In such a
上記ピエゾスタック70を備えたレーザ点火装置では、エンジンECUによって三分割された各ピエゾ素子に電圧が印加される。すなわち、ピエゾスタック70の各ピエゾ素子に印加される電圧によって、集光レンズ60の傾きが任意に変更される。
In the laser ignition device including the
具体的には、各ピエゾ素子に対してそれぞれ所望の電圧を印加する。すなわち、各ピエゾ素子に印加する電圧の値を変えて、各ピエゾ素子の伸縮量を変えることにより、集光レンズ60の傾きを変える。これにより、第1実施形態と同様に、集光レンズ60の焦点位置を周方向に回転させることができる。さらに、燃焼室120内の任意の位置に集光レンズ60の焦点位置を移動させることもできる。また、各ピエゾ素子に電圧を印加して、各ピエゾ素子を光軸方向に伸縮させると、図4に示されるように、集光レンズ60の焦点位置を光軸方向に移動させることができる。
Specifically, a desired voltage is applied to each piezo element. That is, the inclination of the
つまり、本実施形態に係る集光レンズ60は、上記ピエゾスタック70によって、その焦点位置を三次元的に移動させることができるのである。したがって、エンジン100の燃焼室120において、着火したい位置に集光レンズ60の焦点を移動させ、その焦点位置にて着火することができることとなる。
That is, the focusing
なお、レーザ光は、上記第1実施形態と同様に、エンジンECUによって電子シャッタ30が開閉されることで本装置から照射されることとなる。
Note that, similarly to the first embodiment, the laser light is emitted from the apparatus when the
以上のように、本実施形態では、ピエゾスタック70によって集光レンズ60を固定している。このように、集光レンズ60を複数のピエゾ素子にて固定し、それぞれのピエゾ素子に電圧を印加する。これにより、集光レンズ60の焦点位置を任意に移動させることができる。
As described above, in the present embodiment, the
さらに、レーザ光の光軸方向にピエゾ素子を伸縮させることにより、集光レンズ60の焦点位置をレーザ光の光軸方向に移動させることができる。したがって、エンジン100の燃焼室120内においてレーザ光の焦点を三次元的に移動させることができる。
Furthermore, the focal position of the condensing
また、電子シャッタ30にてレーザ光を透過させたときに、レーザ光の焦点にて着火することとなる。したがって、電子シャッタ30によるレーザ光の透過と、ピエゾ素子による集光レンズの傾きとを組み合わせることにより、多点着火を行うことができる。このように多点着火を実施できると、着火による火炎伝搬速度を向上でき、燃焼速度を早めることができる。
Further, when the laser light is transmitted through the
(第3実施形態)
本実施形態では、第2実施形態と異なる部分についてのみ説明する。本実施形態では、電子シャッタ30とピエゾスタック70との間に、焦点距離調整ユニットが備えられていることが、第2実施形態と異なる。本実施形態では、この焦点距離調整ユニットが、レーザ光の焦点位置を移動可能にしている。
(Third embodiment)
In the present embodiment, only different parts from the second embodiment will be described. This embodiment is different from the second embodiment in that a focal length adjustment unit is provided between the
図5は、本実施形態に係るレーザ点火装置の概略図である。図5に示されるように、本実施形態に係るレーザ点火装置には、ケース10中の電子シャッタ30とピエゾスタック70との間に焦点距離調整ユニット80が備えられている。
FIG. 5 is a schematic view of the laser ignition device according to the present embodiment. As shown in FIG. 5, the laser ignition device according to the present embodiment includes a focal
焦点距離調整ユニット80は、焦点距離調整レンズ81と、リアルソレノイドコイル82とを備えて構成されている。焦点距離調整レンズ81は、表面と表面に対向する面とが凹面鏡で構成されており、レンズの外縁部には図示しない導電部材が備えられている。そして、ケース10内での位置が変更されることで集光レンズ60の光軸方向の焦点位置を変える。
The focal
また、リアルソレノイドコイル82は、レーザ光の光軸に対して平行に配置された周知のコイルであり、印加される電圧の向きによって発生する磁力によって上記焦点距離調整レンズ81を光軸に平行に移動させる。なお、リアルソレノイドコイル82は、本発明の焦点距離調整レンズ駆動手段に相当する。
The
このような焦点距離調整ユニット80には、焦点距離調整レンズ81がレーザ光の光軸方向に移動できるように、図示しないガイドが備えられている。そして、リアルソレノイドコイル81に電流を流して磁界を発生させると、焦点距離調整レンズ81の導電部材に電流が流れ、焦点距離調整レンズ81がリアルソレノイドコイル82上をガイドに沿って光軸方向に移動する。
Such a focal
したがって、焦点距離調整レンズ81をピエゾスタック70側に移動させると、集光レンズ60の焦点位置はピストン150側に移動する。逆に、焦点距離調整レンズ81を電子シャッタ30側に移動させると、集光レンズ60の焦点位置はガラス窓12側に移動する。
Therefore, when the focal
本実施形態では、集光レンズ60の焦点位置を光軸方向に移動させるために、上記焦点距離調整ユニット80を用いる。そして、集光レンズ60の焦点位置を光軸に垂直な面方向に移動させるためにピエゾスタック70を用いる。こうして、焦点距離調整ユニット80およびピエゾスタック70を組み合わせることによっても、集光レンズ60の焦点位置を燃焼室120内にて三次元的に移動させることができる。
In the present embodiment, the focal
なお、レーザ光を照射するタイミングは、上記第1および第2実施形態と同様である。 The timing of irradiating laser light is the same as in the first and second embodiments.
以上のように、本実施形態では、焦点距離調整ユニット80にて集光レンズ60の焦点位置を光軸方向に移動させている。これにより、焦点距離調整レンズ81によって集光レンズ60の焦点位置をより大きく移動させることができる。
As described above, in the present embodiment, the focal
(他の実施形態)
上記第1〜第3実施形態では、レーザ点火装置はシリンダヘッド110に設置されるが、レーザ点火装置が設置される場所はシリンダヘッド110に限るものではない。すなわち、エンジン100のシリンダ130に配置しても構わない。
(Other embodiments)
In the first to third embodiments, the laser ignition device is installed in the
集光レンズ60をレーザ光の光軸を中心にして回転させる際、第1実施形態では超音波モータ40を採用しているが、他の方法のよって集光レンズ60を回転させても構わない。例えば、集光レンズ60にベルトやギアを設け、モータで間接的に駆動しても良い。
When rotating the
第3実施形態では、リアルソレノイドコイル82を用いて焦点距離調整レンズ81を移動させていたが、リアルソレノイドコイル82に限らず、例えばピエゾスタック70を用いて焦点距離調整レンズ81を移動させるようにしても構わない。
In the third embodiment, the focal
また、第3実施形態において、ピエゾスタック70を第1実施形態の超音波モータ40および台座50に置き換えても良い。
In the third embodiment, the
上記第1〜第3実施形態において、集光レンズ60を複眼レンズとしてもよい。例えば3つのレンズを含んだ複眼レンズを集光レンズ60とした場合、集光レンズ60に入射したレーザ光は3カ所に照射されることとなる。これにより、着火点数を3カ所にすることができる。このような複眼レンズである集光レンズ60を回転させると、より多くの着火点を生成できるので、着火後の火炎伝達速度の向上、熱効率向上、ノッキングの回避が得られる。
In the first to third embodiments, the
10…ケース、11…冷却媒体、12…ガラス窓、20…レーザユニット、
21…YAG結晶、22…半導体レーザ、23…配線、24…電極、
30…電子シャッタ、40…超音波モータ、50…台座、60…集光レンズ、
70…ピエゾスタック、80…焦点距離調整ユニット、81…焦点距離調整レンズ、
82…リアルソレノイドコイル。
10 ... Case, 11 ... Cooling medium, 12 ... Glass window, 20 ... Laser unit,
21 ... YAG crystal, 22 ... semiconductor laser, 23 ... wiring, 24 ... electrode,
30 ... Electronic shutter, 40 ... Ultrasonic motor, 50 ... Base, 60 ... Condensing lens,
70 ... Piezo stack, 80 ... Focal length adjustment unit, 81 ... Focal length adjustment lens,
82 ... Real solenoid coil.
Claims (4)
前記ケースに収納されると共に、レーザ光を発するレーザユニット(20)と、
前記レーザ光の光軸上に配置され、前記レーザ光を透過または遮断する電子シャッタ(30)と、
前記レーザユニットから照射されるレーザ光を集光する集光レンズ(60)と、
中空円筒形状であって、前記レーザ光の光軸に垂直な面に対して前記集光レンズを所望の角度で傾けて固定する台座(50)と、
前記レーザ光の光軸を中心に前記台座を回転させる台座駆動手段(40)と、を有することを特徴とするレーザ点火装置。 A cylindrical case (10, 12);
A laser unit (20) that is housed in the case and emits laser light;
An electronic shutter (30) disposed on the optical axis of the laser beam and transmitting or blocking the laser beam;
A condenser lens (60) for condensing the laser light emitted from the laser unit;
A pedestal (50) having a hollow cylindrical shape and tilting and fixing the condenser lens at a desired angle with respect to a plane perpendicular to the optical axis of the laser beam;
And a pedestal driving means (40) for rotating the pedestal about the optical axis of the laser beam.
前記ケースに収納されると共に、レーザ光を発するレーザユニット(20)と、
前記レーザ光の光軸上に配置され、前記レーザ光を透過または遮断する電子シャッタ(30)と、
前記レーザユニットから照射されるレーザ光を集光する集光レンズ(60)と、
前記集光レンズの外縁部に複数設置されると共に前記集光レンズを固定し、印加される電圧に応じて伸縮する圧電素子(70)と、を有することを特徴とするレーザ点火装置。 A cylindrical case (10, 12);
A laser unit (20) that is housed in the case and emits laser light;
An electronic shutter (30) disposed on the optical axis of the laser beam and transmitting or blocking the laser beam;
A condenser lens (60) for condensing the laser light emitted from the laser unit;
A laser ignition device comprising: a plurality of piezoelectric elements (70) which are installed at an outer edge portion of the condenser lens, fix the condenser lens, and expand and contract in accordance with an applied voltage.
この焦点距離調整ユニットは、前記集光レンズの焦点距離を調整する焦点距離調整レンズ(81)と、前記焦点距離調整レンズを前記レーザ光の光軸方向に駆動する焦点距離調整レンズ駆動手段(82)とを備えて構成され、
前記焦点距離調整レンズ駆動手段にて前記焦点距離調整レンズが駆動されると、前記集光レンズの焦点距離が前記光軸方向に移動するようになっていることを特徴とする請求項3に記載のレーザ点火装置。 On the optical axis of the laser beam, a focal length adjustment unit (80) is disposed between the electronic shutter and the condenser lens.
The focal length adjustment unit includes a focal length adjustment lens (81) for adjusting the focal length of the condenser lens, and a focal length adjustment lens driving unit (82) for driving the focal length adjustment lens in the optical axis direction of the laser beam. ) And comprising
4. The focal length of the condensing lens is moved in the optical axis direction when the focal length adjustment lens is driven by the focal length adjustment lens driving means. Laser igniter.
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