JP2010019150A - レーザ点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ点火装置の低廉価を目的とする。
【解決手段】 レーザ光Ｌを発するレーザユニット１１と、レーザユニット１１から発せられたレーザ光Ｌを燃焼室２内に集光する光学系２０を有するレーザ点火装置において、透光性スピネル焼結体、望ましくは厚さ１ｍｍにおいて少なくとも１.５μｍ〜０．５μｍの全波長域における透過率が８０％以上である透光性スピネル焼結体の板から、レーザ光Ｌを燃焼室２内に集光する集光レンズ２２や燃焼室２に望ませて配置される窓部材２１などの光学素子を作製する。
【選択図】図２

Description

本発明はレーザ点火装置に関する。

近年、ガス燃焼エンジンにおいて、燃費の向上とＮｏｘ発生量の抑制のために、種々の方式のレーザ点火装置が開発されている。

レーザ点火装置は、レーザ光を発するレーザユニットとレーザユニットから発せられたレーザ光を燃焼室内に集光させる光学系をケース内に収納したレーザ点火装置と、レーザユニットとレーザ光を燃焼室内に集光させる光学系が分離して配置され、シリンダヘッドに設けられた光学系が光ファイバなどにより導かれたレーザ光を集光するレーザ点火装置に大別される。これらの点火装置における光学系のほとんどは、燃焼室内に望ませて配置される窓部材とレーザ光を燃焼室内に集光する集光レンズを有する。

例えば、特開２００６−９５８５号公報（特許文献１）には、レーザユニットと、レーザユニットから発せられたレーザ光を集光させる集光レンズと、集光レンズの光軸方向の焦点位置を移動させる焦点距離調整ユニットがケース内に収納されてなり、ケースの先端開口に窓部材としてガラス板を備えたレーザ点火装置が開示されている。

特開２００６−１４４６１８号公報（特許文献２）には、レーザユニットと、レーザユニットから発せられたレーザ光を複数の光に分離する回折格子と、回折格子によって分離された光を集光する集光レンズがケース内に収納されたレーザ点火装置が開示されている。

特開平９−３０３２４４号公報（特許文献３）には、シリンダヘッドに設けられた導光孔に窓部材と集光レンズが備えられ、この集光レンズがシリンダヘッドから離れて配置されたレーザユニットから発せられたレーザ光を集光するレーザ点火装置が開示されている。

特開２００８−２２８０号公報（特許文献４）には、シリンダヘッドに設けられた複数のレーザ照射孔のそれぞれに、レーザユニットから発せられ光ファイバにより導光されたレーザ光を一旦平行光線にする拡大光学系と、平行光線となったレーザ光を集光させる収束光学系とをケースに収納したレーザ収束ユニットが配置されたレーザ点火装置が開示されている。

さらに、特開２００６−６３８２９号公報（特許文献５）にも、光ファイバにより導かれたレーザ光をケース内に収納された複数のレーザ収束ユニットで収束させるレーザ点火装置が開示されている。このレーザ収束ユニットは、両凹レンズと平凸レンズとマイクロレンズアレイとからなり、両凹レンズにより拡散されたレーザ光を平凸レンズが一旦平行光線とし、燃焼室に望ませて配置されたマイクロレンズアレイが平行光線となったレーザ光を集光する。

また、特開２００８−２５３７８号公報（特許文献６）には、等方性のセラミックスであるＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）からなる集光レンズが用いられたレーザ点火装置が開示されている。

一方、特開平２−１８３５４号公報（特許文献７）や特開２００５−７０７３４号公報（特許文献８）には透光性のスピネル焼結体が開示されている。

特開２００６−９５８５号公報 特開２００６−１４４６１８号公報 特開平９−３０３２４４号公報 特開２００８−２２８０号公報 特開２００６−６３８２９号公報 特開２００８−２５３７８号公報 特開平２−１８３５４号公報 特開２００５−７０７３４号公報

ところで、燃焼室近傍に配置される集光レンズや窓部材は高温にさらされるので、これらの光学素子には耐熱性が要求される。また、燃焼装置に用いられるレーザ光は高いエネルギー密度を有することが必要であり、これまでのところ固体レーザであるＹＡＧレーザの使用が有望視されている。このＹＡＧレーザの波長は１０６４ｎｍである。さらに、ＹＡＧレーザの半波長（５３２ｎｍ）の光を発信する固定レーザやルビーレーザ（６９０ｎｍ）等、波長０.６〜１.６μｍのレーザ光を出射する半導体レーザの使用が検討されている。

このような状況下に鑑み、これまでのところ上記光学素子には、石英ガラスやサファイア、さらには特許文献６に記載されたようにＹＡＧなどの等方性のセラミックが用いられている。

ところが、石英ガラスでは耐衝撃性が弱く、上記半導体レーザの波長域を含む０.５〜２.０μｍ付近の光透過性も良好なものではなかった。一方は良好な光透過性や耐衝撃性を有するが、サファイアは高価でありレーザ点火装置のコストを引き上げる原因となっていた。

これに対し、特許文献７や８に記載された透光性のスピネル焼結体はサファイアと同等な光学的性質や物理的性質を有し、安価な素材である。

しかしながら、これらの特許文献７や８に記載された透光性スピネル焼結体は、波長１μｍ付近の透過率が７０％程度のものであり、サファイアに比べると光透過性が劣り、サファイアの代替品としては十分なものではなかった。

本発明は上記の背景技術に鑑みてなされたものであって、本発明はさらに光透過性のよいスピネル焼結体を用いることにより、レーザ点火装置の低コスト化を目的としている。

本発明のレーザ点火装置は、レーザ光を発するレーザユニットと、レーザユニットから発せられたレーザ光を燃焼室内に集光する光学系を有するレーザ点火装置であって、前記光学系を構成する光学素子に透光性スピネル焼結体の板を用いたことを特徴としている。

本発明によると光学系のコストが削減され、本発明はレーザ点火装置の低コスト化に貢献する。

以下、本発明について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。もっとも、以下に示された実施形態は例示であって、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲及びこれと均等に含まれるすべての変更が本発明に含まれることが意図される。

本発明において、レーザ点火装置とはレーザユニットから発せられたレーザ光が光学系を通過して燃焼室内で集光し、燃料に点火する点火装置を意味する。本発明におけるレーザ点火装置は、例えば特許文献１や２に例示されるようにレーザ光を発するレーザユニットと光学系がケース内に収納されたレーザ点火装置や、例えば特許文献３や４に例示されるようにレーザユニットが燃焼室から離れた位置に設けられ、レーザ光が光ファイバなどの導光手段によって導かれるレーザ点火装置のいずれをも含む意味で用いられる。また、導光手段とは光ファイバなどの物理的な導光路を用いる場合だけでなく、例えば特許文献３に記載されたようにビームスプリッタや反射ミラーなどを用いて空間を進行させる手段を含む概念である。

本発明における光学系とは、レーザユニットから発せられたレーザ光を燃焼室内にある焦点に集光させる１又は２以上の光学素子から構成された光学ユニットを意味する。本発明において光学素子とは、レーザ光を集光させる集光レンズや光ファイバ先端から出射された光を発散させる凹レンズなどの各種レンズ体及び集光作用や発散作用を有さずレーザ光を通過させる板部材を意味する。また、集光レンズとしては、両凸レンズや片凸レンズのみならず、レンズ体が２次元に配置されたマイクロレンズアレイが例示される。また、板部材は燃焼室内に望ませて配置される窓部材のみならず、例えば凹レンズと集光レンズとの間などに必要に応じて光路上に配置される部材も含む概念で用いられる。このように、本発明は上記の各特許文献に示されたレーザ点火装置で用いられる光学素子のいずれにも適用されるものである。本発明における光学素子にはスピネル焼結体からなる板が用いられているので、光学素子は高い耐熱性を備える。このため、本発明の光学素子は、高温にさらされる燃焼室の近傍に配置される光学素子として好適に用いられる。ここにおいて、燃焼室の近傍として、例えば、レーザ点火装置のケース内や燃焼室を構成するシリンダヘッドに設けられたレーザ光導光孔の開口部、シリンダヘッドに設けられたレーザ光出射用の孔内部が意図される。

図１は本発明の一実施形態であるレーザ点火装置１０が装着された内燃機関を示す概略構成図、図２は当該レーザ点火装置１０の概略構成図である。このレーザ点火装置１０はレーザユニット１１と光学系２０がケース１２内に収容された点火装置である。レーザユニット１１は公知である種々のレーザユニット１１であり、例えばレーザ光源とＹＡＧ結晶やルビー結晶などの固体媒体などから構成される。このレーザ点火装置１０の光学系２０はレーザユニット１１から発せられたレーザ光Ｌを集光する集光レンズ２２とケース１２の先端開口に備えられた窓部材２１とを有する。レーザ点火装置１０はシリンダヘッド１に設けられた取付孔４に取り付けられ、窓部材２１から発せられたレーザ光Ｌは燃焼室２内にある焦点に集光する。なお、図番１３はレーザユニットに電源を供給する端子部、図番３はピストンである。

集光レンズ２２及び窓部材２１は透光性スピネル焼結体の板から作製されている。透光性スピネル焼結体は、マグネシア（ＭｇＯ）とアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）とからなる酸化物であるスピネル粉末を焼結させたものであって、可視領域の波長である０．３μｍ付近から中赤外領域の波長である６μｍまで良好な透過性を有することが知られている（例えば特許文献７や８）。本発明においては特許文献７や８に記載されたような透光性スピネル焼結体を用いることも可能であるが、好ましくはさらに優れた光学的特性を有する透光性スピネル焼結体の板が用いられる。この透光性スピネル焼結体の板は、厚さ１ｍｍにおいて少なくとも０.５μｍ以上１.５μｍ以下の全波長域における透過率が８０％以上の板、さらに好ましくは透過率が８５％以上の板を用いるのが好ましい。これによって、現在使用が検討されているレーザ源に対応できる。ここにおいて透過率とは、実施例に記載の方法により測定したものを意味する。この透過率の高い透光性スピネル焼結体は、サファイアとよく似た低熱膨張係数や耐熱性、密度を有しており、サファイアの代替として使用されうる素材である。

透光性スピネル焼結体の板は例えば特許文献７や８に開示された方法に準じて得られるが、この方法によって製造された焼結体に限定されるものではない。窓部材２１や集光レンズ２２への加工方法も特別な方法を用いる必要もなく、ガラス板から窓部材やレンズ体を作製するのと同様な公知のカット方法や研磨方法、鏡面加工方法が用いられる。

スピネル粉末はＭｇＯ・ｎＡｌ_２Ｏ_３の化学式で示されるが、本発明において用いられるスピネル粉末は、ｎ＝１〜３の範囲、特に好ましくはｎ＝１.０００以上１.２００以下の範囲で示されるものが適している。つまり、マグネシアと酸化アルミニウムを１：１.０００以上１.２００以下で混合して焼結したスピネル粉末、その中でも９９.９％以上の高純度のスピネル粉末から作製されたものが好ましく用いられる。

スピネル焼結体は安価なスピネル粉末を原料とするものであって、サファイアに比べると非常に安価なものである。従って、スピネル焼結体の使用がレーザ点火装置の製作費を軽減する。特に０.５〜１.５μｍの全波長域における透過率が高いために、これらの波長域に波長を有するＹＡＧレーザやルビーレーザのように高出力のレーザ光を発せられるレーザに最適であると言える。

また、光透過性の向上と表面安定性を向上させるため、光学素子の表面にはコーティング層を形成するのがよい。このコーティング層は、このスピネル焼結体となじみの良い材料であり、かつ透明性、硬さ、熱伝導において素材となるスピネル焼結体の特性を活かす材料であればその素材は問われない。このコーティング層は、スピネル焼結体より屈折率の低い材料より形成すれば、光の透過性が良くなる。コーティング層は単層でもよいが、複層のコーティング層が好ましい。そして、コーティング層を複層にする場合、スピネル焼結体よりも低屈折率の化合物と、スピネル焼結体よりも高屈折率の化合物を組み合わせるのが好ましい。これによりスピネル結晶体の板との密着性が向上し、環境安定性にも優れたものとなり、また、優れた反射防止が実現できる。このような組み合わせとして、例えば、金属弗化物と金属酸化物との組み合わせが例示される。コーティング層を複層にする場合、金属酸化物として、例えばＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２等が、金属弗化物、例えば、ＭｇＦ_２、ＹＦ_３、ＬａＦ_３、ＣｅＦ_３、ＢａＦ_２等が好ましく使用できる。また、これらの層は２層乃至２０層程度重ねたものでも使用できる。そして、前記コーティング層は、複層構成としても最大５μｍまでの厚みとするのがよい。前記コーティング層の形成は、物理蒸着法（ＰＶＤ法）を用いるのが良く、公知のスパッタリング法、イオンプレーティング法、真空蒸着法等で実施できる。特に、イオンアシスト、プラズマアシストを併用すると膜性能が向上する。

光学素子にコーティング層を設ける場合、光学素子への加工とコーティング層の形成の順序は問わず、例えば板状の光学素子であればスピネル結晶体の板にコーティング層を形成した後、所定の形状に加工することもできる。また、レンズ体にする場合であれば、所定のレンズ形状に加工した後コーティング層を形成すればよい。また、コーティング層は光の透過部分にのみ設けることで差し支えない。

図３は本発明の別な実施形態であるレーザ点火装置の概略構成図である。この点火装置は、レーザユニット３１が燃焼室２から離れた位置に配置されている。シリンダヘット１には光学系２０が配置される貫通孔である導光路５が設けられ、導光路５の外気側にはレーザユニット１１と光学的に接続した光ファイバ１５を接続する接続部１６が備えられている。この光学系２０もレーザ光Ｌを集光する集光レンズ２２と燃焼室２に望ませて配置された窓部材２１とを有する。この窓部材２１や集光レンズ２２も、上記のように光透過率のよいスピネル焼結体の板から作製されている。

また、既述したが、特許文献４に開示されたように、導光路内に光ファイバから出射したレーザ光を平行光線にする拡大光学系を設けたレーザ点火装置において、拡大光学系を構成する集光レンズやコリメートレンズを上述のスピネル焼結体の板から作製してもよい。さらに、特許文献５に開示されたレーザ点火装置において、スピネル焼結体の板から作製されたマイクロレンズアレイを用いることもできる。

次に本発明において用いられうるスピネル焼結体の製造例について説明する。あらためて言うまでもなく、本発明は下記製造例に限定されないのは言うまでもない。純度９９.９％以上のスピネル粉末（ＭｇＯ・ｎＡｌ_２Ｏ_３（ｎ＝１.１８））を、３×１０^−３torrの真空中において内径５０ｍｍのグラファイト型を用いて１６００℃の温度と２００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で１時間ホットプレスし、白色の焼結体の板を得た。さらにこの焼結体の板をＨＩＰ装置に入れ、Ｎ_２ガスを用いて１７００℃の温度及び１０００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で３時間のＨＩＰ処置を行った。このスピネル焼結体の板を厚さ０.７ｍｍに鏡面研磨加工し、透明の窓部材となる板部材を得た。また、ＨＩＰ処理で得たスピネル焼結体の板を鏡面研磨加工し、所定形状の凸レンズ体を作製した。

上記で得られた板部材について、分光光度計で測定したところ、図４に示すように波長０.５μｍ以上１.５μｍ以下の全領域で８５％以上の透過率が、また波長２μｍ以上２.５μｍの赤外領域でも同様に８５％以上の透過率が得られた。

純度９９.９％以上のスピネル粉末（ＭｇＯ・ｎＡｌ_２Ｏ_３（ｎ＝１.０８））を、用いて実施例１と同様の条件で、ＨＩＰ処理されたスピネル焼結体の板を得た。このスピネル焼結体の板を厚さ１.０ｍｍ、１.４ｍｍ、２.０ｍｍに鏡面研磨加工し、このスピネル結晶体の板に、スピネル焼結体よりも低屈折率材であるＭｇＦ_２、それよりも高屈折率材であるＡｌ_２Ｏ_３を用いた２層のコーティング膜を総厚０．３μｍで形成した。この板の分光透過率を分光光度計により測定したところ、図５に示すように波長０．５〜１.５μｍの全領域で８５％以上の透過率が、また波長２μｍ以上２.５μｍの赤外領域で８５％以上の透過率が得られた。特に、コート処理を施した場合には、０.５μｍ近傍の波長では、９０％近く若しくはそれ以上の透過率を得ることができ、ＹＡＧレーザの半波長（５３２ｎｍ）の光を発信する固定レーザやルビーレーザを光源とする点火装置には好都合なものである。

本発明の一実施形態であるレーザ点火装置を用いた内燃機関の概略構成図である。 図１のレーザ点火装置の断面構成図である。 本発明の別な実施形態であるレーザ点火装置を用いた内燃機関の概略構成図である。 本発明のレーザ点火装置の光学素子に用いられるスピネル焼結体の板の光透過率の一例を示すチャートである。 本発明のレーザ点火装置の光学素子に用いられるスピネル焼結体の板の光透過率の他例を示すチャートである。

符号の説明

１ シリンダヘッド
２ 燃焼室
４ 貫通孔
１０ ケースに収納されたレーザ点火装置
１１ レーザユニット
１２ ケース
２０ 光学系
２１ 窓部材
２２ 集光レンズ
３１ 燃焼室から離れて配置されるレーザユニット

Claims (7)

1. レーザ光を発するレーザユニットと、
   レーザユニットから発せられたレーザ光を燃焼室内に集光する光学系を有するレーザ点火装置であって、
   前記光学系を構成する光学素子に透光性スピネル焼結体の板を用いたことを特徴とするレーザ点火装置。
2. 前記透光性スピネル焼結体の板は厚さ１ｍｍにおいて０.５μｍ以上１．５μｍ以下の全波長域における透過率が８０％以上である請求項１に記載のレーザ点火装置。
3. レーザユニットと光学系がケース内に備えられた請求項１又は２に記載のレーザ点火装置。
4. レーザユニットから発せられたレーザ光が導光手段により光学系に導光される請求項１又は２に記載のレーザ点火装置。
5. 透光性スピネル焼結体から作製された光学素子が燃焼室に望ませて配置される窓部材である請求項１〜４の何れかに１項に記載のレーザ点火装置。
6. 透光性スピネル焼結体から作製された光学素子がレーザ光を集光するレンズ体である請求項１〜５の何れか１項に記載のレーザ点火装置。
7. 透光性スピネル焼結体から作製された光学素子がレーザ光を発散するレンズ体である請求項１〜６の何れか１項に記載のレーザ点火装置。