JP2012087774A - レーザ点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の着火性を向上できるレーザ点火装置を提供する。
【解決手段】内燃機関９０に装着され、レーザ発振装置５、６、７から発振されたレーザ光を集光レンズ７７、７８によって燃焼室９００内に集光して高エネルギの火炎核を発生せしめて点火を行うレーザ点火装置であって、少なくとも、複数の半導体レーザ５_（１）〜５_（ｎ）から、共振器７４を経て発振された複数のレーザ光の光軸ＯＰＸ_１〜ＯＰＸ_ｎを屈折させ進行方向を変化させる高屈折率光学素子７６と、高屈折率光学素子７６によって屈折された各レーザ光を燃焼室９００内の複数箇所ＦＰ_１〜ＦＰ_ｎに集光せしめる集光手段７７、７８と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の点火に用いられるレーザ点火装置に関する。

近年、ＣＯ_２低減の観点から、小型で高出力を達成する高過給、高圧縮の自動車用エンジン、および高効率、低ＮＯ_Ｘ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。
高過給、高圧縮の自動車用エンジンの場合は、点火前の筒内圧力が高いため火花点火プラグで着火する場合は点火プラグに供給するエネルギを従来の数倍に増加する必要がある。また、コジェネレーションシステムの発電機用エンジンの場合は、シリンダボア径が大きく、混合気濃度が希薄である。
このようなエンジンを高効率で燃焼するには、燃焼速度が早くしかも着火性に優れた点火装置が望まれており、優れた着火性を発揮できる点火装置として、特許文献１には、燃焼室にレーザ光を１点に集光して混合気を着火するレーザ点火装置が提案されている。

ところが、このようなレーザ点火装置であっても、混合気濃度が希薄になるとレーザ光を吸収できる分子数が減少し着火性が低下する。また、燃焼室内において着火時期近傍の混合気濃度に斑がある場合、混合気濃度が希薄な領域でレーザを発振するとレーザ光の吸収が減少するとともに、火炎伝播速度も低下し良好な燃焼を実現できない。
また、ボア径の大きな機関では、着火に成功した場合でも、燃焼の伝播に時間が掛かり完爆に至らず失火することもある。
このような問題に対して特許文献２では、レーザを燃焼室内のターゲットに照射し、発生したプラズマにより混合気に着火するように構成されたレーザ着火式装置が提案されている。前記レーザ着火装置は、ハーフミラーと全反射ミラーとを組合せ、複数本のレーザ光を形成し、燃焼室内の複数のターゲットに照射することで、着火性の向上を図っている。

しかし、特許文献２に示すレーザ着火装置では、一つのレーザ光を全反射ミラーと半反射ミラーを複数組み合わせて分光し、これを燃焼室内に集光しているため、複数の集光点において、同時、又は、光路長の差による極短い時間差でほぼ同時に集光され、全ての集光点においてほぼ同時に着火燃焼が開始されるため、燃焼室内の複数の集光点おける着火開始の時間調整、エンジンの混合気状態に応じた点火制御を行うことはできない。
また、特許文献２の図２にあるようにエネルギの高いレーザ光を複数の屈折面を有する多角錐状の分割プリズムの頂点から入光して該分割プリズム内を通して複数の屈折面から出光させたのでは、レーザ光の入光位置が分割プリズムの頂点から極僅かにずれた場合、均一に分光されず、機関燃焼室内に出射される複数のレーザ光のエネルギにバラツキが生じ、安定した着火性を確保できないおそれもある。
特許文献２にあるような構成のままで、このような課題を回避するためには、分割プリズムの頂点に正確に入光させるための極めて高い加工精度が要求され、製造コストの増大を招くおそれもある。
加えて、角錐状の分割プリズムの頂点から入光して該分割プリズム内を通して複数の屈折面から出光させた場合には、プリズムの稜線近傍でレーザ光が散乱し投入したエネルギの４０％程度が損失となる場合もあり、点火に必要なエネルギを集光させることができなくなるおそれもある。
そのため、着火に必要なエネルギを得るため、レーザのエネルギを増加させる必要があり、装置の大型化、高コスト化及び燃費の悪化を招く。
さらに、屈折面の数が奇数面の多角錘状である場合、角度の異なる２つの屈折面が入光面に対向するので、分割されたレーザ光がさらに分割されることもあり、所望の集光点数が得られなかったり、レーザ光の細分化によるエネルギの低下を招いたりするおそれもある。

本発明は、上記課題を鑑みて、機関燃焼室内の所望の位置に複数のレーザ光を任意のタイミングで集光させることにより内燃機関の着火性を向上するとともに、小型化、低コスト化が容易で、簡易な構成のレーザ点火装置を提供することを目的とする。

第１の発明では、内燃機関に装着され、レーザ発振装置から発振されたレーザ光を集光レンズによって機関燃焼室の内に集光して高エネルギの火炎核を発生せしめて点火を行うレーザ点火装置であって、少なくとも、複数の半導体レーザから、共振器を経て発振された複数のレーザ光の光軸を屈折させその進行方向を中心軸から遠ざかる方向へ変化させる高屈折率光学素子と、該高屈折率光学素子によって屈折された上記レーザ光を上記機関燃焼室の内の複数箇所に集光せしめる集光手段と、を具備する（請求項１）。

第２の発明では、内燃機関に装着され、レーザ発振装置から発振されたレーザ光を集光レンズによって機関燃焼室の内に集光して高エネルギの火炎核を発生せしめて点火を行うレーザ点火装置であって、少なくとも、複数の半導体レーザから、共振器を経て発振された複数のレーザ光の光軸を屈折させ、その進行方向を所定の一カ所に収束する方向へ変化させる高屈折率光学素子と、該高屈折率光学素子によって屈折された上記複数のレーザ光を上記機関燃焼室の内の一カ所に集光せしめる集光手段と、を具備することを特徴とする（請求項２）。

第３の発明では、上記高屈折率光学素子を上記複数のレーザ光のそれぞれが入射する複数の面と、所定の屈折角で屈折した光が出射する面との間に所定の頂角を設けた高屈折率の多面体によって構成する（請求項３）。

また、第４の発明のように、上記高屈折率光学素子はレーザ光をその表面に設けた高反射率の反射膜によって反射する反射型光学素子であって、上記複数のレーザ光のそれぞれを所定の入射角で入射せしめ、上記入射角に等しい反射角で全反射せしめる多面体によって構成する（請求項４）。

さらに、第５の発明のように、上記内燃機関の運転状況を検出する運転状況検出手段と該検出手段の検出結果に応じて、上記レーザ発振装置から上記燃焼室内に発振するレーザの１サイクルの点火周期中に発振する発振回数と発振時期と発振するレーザの本数決定するレーザ発振制御手段とを設けても良い（請求項５）。

また、第６の発明では、上記レーザ発振制御手段が、１サイクルの点火周期中の発振回数と発振時期とを上記半導体レーザへの電気エネルギの印加時期と印加時間とによって制御する（請求項６）。

加えて、第７の発明では、上記共振器を、上記半導体レーザによって励起されるレーザ媒質と可飽和吸収体とによって構成し、該可飽和吸収体の透過率を部分的に変化せしめる（請求項７）。

さらに、第８の発明では、上記複数のレーザ光の内、パルスの発振周期が短く、パルスエネルギが小さいレーザを上記内燃機関の燃焼室内において筒内気流が遅い領域に配置せしめる（請求項８）。

本発明によれば、上記レーザ発振装置から発振された複数のレーザ光が上記高屈折率光学素子によって、それぞれの進行方向を変えられ、その先に設けられた集光手段によって機関燃焼室内の複数箇所に集光され、若しくは、上記レーザ発振装置から発振された複数のレーザ光が上記高屈折率光学素子によって機関燃焼室内の所定位置に収束する方向に進行方向を変えられ、その先に設けられた集光手段によって機関燃焼室内の一カ所に集中的に集光され、高エネルギのプラズマを機関の燃焼特性に応じて機関燃焼室内の複数箇所、又は、一カ所に発生させることができるので、着火確率が向上し、安定した燃焼を実現することができる。
また、上記高屈折率光学素子の屈折率、頂角と上記レーザ発振装置から発振されたレーザ光のビーム径、広がり角、波長と集光手段と集光点までの距離等を調整することによって、所望の集光位置及び集光強度を任意に設定することができる。
さらに、複数の半導体レーザから発振されたレーザ光を集光する集光時期に時間差を設けて制御することも可能となる。

本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示す断面図。 本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置の原理説明図。 本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置を構成するビームエキスパンダの変形例を示し、（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ、２〜６点の集光に対応可能なビームエキスパンダの平面図、断面図及び下面図。 本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置を構成する高屈折率光学素子の変形例を示し、（a）〜（e）はそれぞれ、２〜６点の集光に対応可能な高屈折率光学素子の平面図、断面図及び下面図。 本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置を構成する集光レンズの変形例を示し、（ａ）〜（ｃ）は、いずれも２点の集光に対応可能な集光レンズの平面図、断面図及び下面図。 本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置を構成する集光レンズの他の変形例を示し、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ３〜６点の集光に対応可能な集光レンズの平面図、断面図及び下面図。 本発明に第１の実施形態において集光点を６点設けた場合のレーザ点火装置の概要を示す断面図。 本発明の第２の実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示す断面図。 本発明の第３の実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示し、（a）は、要部断面図、（ｂ）は、高屈折率光学素子の断面図。 本発明の第４の実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示す断面図。 本発明の第５の実施形態におけるレーザ点火装置の要部を示す断面図。 本発明の第６の実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示す断面図。 本発明の第７の実施形態におけるレーザ点火装置の制御方法の一例を示すタイムチャート。 本発明の第７の実施形態におけるレーザ点火装置を用いた場合の火炎伝播の効果を説明するための模式図。 （ａ）〜（ｃ）に本発明の第８の実施形態におけるレーザ点火装置とその変形例を示す要部模式図。 （ａ）〜（ｃ）に、本発明の第８の実施形態におけるレーザ点火装置の他の変形例を示す要部模式図。 本発明の第８の実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示す断面図。 本発明の第８の実施形態におけるレーザ点火装置に用いられる制御方法を示すタイムチャート。 （ａ）〜（ｄ）に、本発明の第８の実施形態におけるレーザ点火装置の火炎成長に対する効果を示す模式図。 本発明の第９の実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示し、（a）は、要部断面図、（ｂ）は、高屈折率光学素子周辺の断面図。 本発明の第９の実施形態におけるレーザ点火装置に用いられるビームエキスパンダ及び高屈折率光学素子の変形例を（a）及び、（ｂ）に示す断面図。 本発明の第１０の実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示し、（a）は、要部断面図、（ｂ）は、高屈折率光学素子周辺の断面図。 本発明の第１０の実施形態におけるレーザ点火装置に用いられるビームエキスパンダ及び高屈折率光学素子の変形例を（a）及び、（ｂ）に示す断面図。（今回追加頂いた実施例を図２０〜図２３に記載しました。）

図１、図２を用いて、本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置１の構成および作動を説明する。
本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置１は、図略の内燃機関９のシリンダヘッド９０に装着され、高屈折率光学素子７６を用いて、複数のレーザ光の光軸ＯＰＸ_１、ＯＰＸ_２を大きく屈曲させ、燃焼室９００内において複数箇所の集光点ＦＰ_１、ＦＰ_２にレーザ光を集光させて、燃焼室９００内の複数箇所に火炎核を発生させて混合気の点火を行う点火装置であって、特に難着火性の高過給エンジン、高圧縮エンジン、希薄混合気エンジン等の点火に好適なものである。

レーザ点火装置１は、電源２と、半導体レーザ駆動回路（ＤＲＶ）３とエンジンＥＣＵ４と複数の半導体レーザ５_（１）、５_（２）と、半導体レーザ５_（１）、５_（２）から発振された励起用レーザを伝送する光ファイバ６_（１）、６_（２）と、機関９のシリンダヘッド９０に装着されるレーザ点火プラグ７とによって構成されている。
さらに、レーザ点火プラグ７は、所定のパルスでレーザ光を発振するレーザ発振装置を構成し、光ファイバ６_（１）、６_（２）を介して伝送された励起用のレーザを平行光に調整するコリメートレンズ７１（１）、７１_（２）と、コリメートレンズによって調整された励起用のレーザを集光する集光レンズ７２_（１）、７２_（２）と、集光レンズ７２_（１）、７２_（２）によって集光された励起用レーザを共振させ、パルスレーザとして発振する共振器７４と、共振器７４から発振されたパルスレーザのビーム径を拡大するビームエキスパンダ７５と、本発明の要部であり、パルスレーザの進行方向を屈折させる高屈折率光学素子７６と、高屈折率光学素子７６によって屈折されたレーザ光を機関燃焼室９００内の集光点ＦＰ_（１）、ＦＰ_（２）に集光する集光手段として設けられた集光レンズ７７_（１）、７７_（２）、７８_（１）、７８_（２）と、集光レンズ７７_（１）、７７_（２）、７８_（１）、７８_（２）を機関燃焼室９００内の圧力、高熱、燃料等の付着から保護する保護カバー７９_（１）、７９_（２）と、によって構成されている。
共振器７４は、筐体７０内に設けられた全反射鏡７４１、レーザ媒質７４２、可飽和吸収体７４３、部分反射鏡７４４等によって構成されている。

ＥＣＵ４は、機関９の運転状況に応じて、信号線４１を介してＤＲＶ３に点火信号ＩＧｔを発信する。
ＤＲＶ３では、ＥＣＵ４から発信された点火信号ＩＧｔに基づいて、半導体レーザ５_（１）、５_（２）を駆動する駆動信号Ｄ_１、Ｄ_２を形成し、電源２から半導体レーザ駆動用配線５１_（１）、５１_（２）を介して半導体レーザ５_（１）、５_（２）へ印加される電流の印加時間、印加時期を制御し、半導体レーザ５_（１）、５_（２）から放射される励起用レーザのエネルギ強度と発振時期とを制御している。

半導体レーザ５_（１）、５_（２）から放射される励起光は、それぞれ光ファイバ６_（１）、６_（２）を介して、シリンダヘッド９０に装着されたレーザ点火プラグ７へ伝送される。
光ファイバ６_（１）、６_（２）の端面６１_（１）、６１_（２）から出射した励起光はそれぞれ、コリメートレンズ７１_（１）、７１_（２）、によって平行光に調整され、さらに集光レンズ７２_（１）、７２_（２）によってビーム径を絞り込み、共振器７４の入射面にコーティングした励起光の反射を防止する膜７４０を介して、共振器７４の端面からレーザ媒質７４２に至る距離Ｌの約１／３〜１／２の間に位置する集光点７３_（１）、７３_（２）に集光され、レーザ媒質７４２内を直進する平行光となるように共振器７４に入射する。

共振器７４内に入射された励起光（例えば、８０８．５ｎｍ）は、レーザ媒質７４２を蛍光させ励起光よりも長い波長（例えば、１０６４ｎｍ）の光を誘導放出する。
共振器７４の入射面からの励起光の入射は許容し、レーザ媒質内で発生した励起光よりも長い波長の光を全反射する全反射鏡７４１、レーザ媒質７４２、可飽和吸収体７４３、部分反射鏡７４４内でレーザ媒質内で発生した励起光よりも長い波長の光が共振し、可飽和吸収体７４３の固有の閾値を超えるまで増幅される。
共振増幅されたレーザ光が閾値を超えると可飽和吸収体７４３が受動Ｑスイッチとして作用し、瞬間的にエネルギ密度の高いレーザ光が出射される。
なお、本実施形態においては、共振器７４から発振したレーザ光は、励起エネルギとして２３ｍＪのエネルギが供給された場合、ビーム径１．２ｍｍ、パルス幅１ｎｓ、３ｍＪの平行光発振する能力がある。
燃焼室９００内の集光点ＦＰ_１、ＦＰ_２におけるエネルギ密度を高くすべく、平凹レンズからなるビームエキスパンダ７５を介して共振器７４から発振されたレーザ光のビーム径を拡大する。

ビームエキスパンダ７５には、共振器７４から発振されるレーザ光の数だけ光軸ＯＰＸ_１、ＯＰＸ_２に中心軸を合わせた凹面部７５１_（１）、７５１_（２）が形成されている。
ビームエキスパンダ７５を通過した複数のレーザ光は本発明の要部である高屈折率光学素子７６に複数設けられたそれぞれの入光面７６１_（１）、７６１_（２）に所定の入射角θ_１（例えば４５°）で入光する。

本実施形態において、高屈折率光学素子７６は、石英、合成石英又は硼珪ガラスのいずれかから選択される高屈折率材料からなり、三角プリズム状に形成されており、複数のレーザ光がそれぞれ入光する２つの入光面７６１_（１）、７６１_（２）と、高屈折率光学素子７６と空気層８０との界面で屈折し進行方向を変化させて所定の屈折角θ_４で出光する出光面７６２との間に設けた多面体プリズムの頂角θ_ｐが、例えば４５°等の所定の角度で形成されている。
出光面７６２は、レーザ点火プラグ７の中心軸に直交する平面を形成している。
ビームエキスパンダ７５の凹面部７５１_（１）、７５１_（２）を通過した、複数のレーザ光は、高屈折率光学素子７６のそれぞれの入光面７６１_（１）、７６２_（２）の法線に対して入射角θ_１（＝θ_Ｐ、例えば４５°）の角度で入光し、高屈折率光学素子７６の出光面７６２から、屈折角θ_４の角度（例えば４５°）で屈折光が出光する。

さらに、出光面７６２から出射したレーザ光は、集光レンズ７７_（１）、７７_（２）、７８_（１）、７８_（２）によって、機関燃焼室９００内の所定位置の集光点ＦＰ_１、ＦＰ_２に集光され、高エネルギのプラズマを発生させ、機関燃焼室９００内の複数箇所で混合気の点火がなされる。
このとき、集光点ＦＰ_１、ＦＰ_２の位置及び集光強度は、ビームエキスパンダ７５の凹面部７５１_（１）、７５１_（２）の曲率、集光レンズズ７７_（１）、７７_（２）、７８_（１）、７８_（２）の曲率、ビームエキスパンダ７５と集光レンズズ７７_（１）、７７_（２）、７８_（１）、７８_（２）との距離、レーザ品質（Ｍ^２）、高屈折率光学素子７６の頂角θ_ｐ、空気の絶対屈折率ｎ_ａ、高屈折率光学素子７６の絶対屈折率ｎ_ｂ、空気層を通過する際のレーザ光の波長λ_ａ、高屈折率光学素子７６を通過する際のレーザ光の波長λ_ｂによって算出され、所望の位置及び集光強度を任意に設定することができる。
集光レンズ７７_（１）、７７_（２）、７８_（１）、７８_（２）は、２枚又は３枚のレンズを組み合わせて球面収差、コマ収差、非点収差等を調整してある。
なお、集光レンズ７７_（１）、７７_（２）、７８_（１）、７８_（２）は球面レンズ、非球面レンズのいずれでも良い。

高屈折率光学素子７６の入光面７６１_（１）、７６１_（２）、出光面７６２はそれぞれ、空気層８０に対向しており、空気層８０から高屈折率光学素子７６の入光面７６１_（１）、７６１_（２）への入射角θ_１、高屈折率光学素子７６内を進行するときの屈折角θ_２、高屈折率光学素子７６の出光面７６２への入射角θ_３、高屈折率光学素子７６の外へ出光するときの屈折角θ_４、空気層８０の絶対屈折率ｎ_ａ、高屈折率光学素子７６の絶対屈折率ｎ_ｂ、空気層８０から高屈折率光学素子７６へ入光するときの相対屈折率ｎ_ａｂ、高屈折率光学素子７６から空気層８０へ出光するときの相対屈折率ｎ_ｂａ、空気層を通過する際のレーザ光の波長λ_ａ、高屈折率光学素子７６を通過する際のレーザ光の波長λ_ｂとの間には以下の関係が成立する。

本実施形態においては、複数の半導体レーザ５_（１）、５_（２）から発振され、共振器７４によって増幅されたレーザ光の光軸ＯＰＸ_１、ＯＰＸ_２を高屈折率光学素子７６によって大きく屈曲させ、集光レンズ７７_（１）、７７_（２）、７８_（１）、７８_（２）によって燃焼室９００内に集光させている。
このため、集光点ＦＰ_１、ＦＰ_２間の距離を拡大することができ、大きなボア径の内燃機関９においても同時に複数箇所で点火を開始することにより点火の成功確率を高くすることができる。

高いエネルギレベルのレーザ光が機関燃焼室９００内に複数箇所に集光されるとそれぞれの集光点ＦＰ_１、ＦＰ_２にプラズマが発生するため、燃焼速度が増加し、機関燃焼室９００内の混合気の点火を早期に行うことができる。
さらに、点火信号ＩＧＴにしたがってＤＲＶ３で形成される駆動信号Ｄ_１、Ｄ_２によって半導体レーザ５_（１）、５_（２）への通電を維持することで、レーザ点火プラグ７から発振され、機関燃焼室９００内に集光されるパルスレーザＰＬ_１、ＰＬ_２を１００μｓ〜１３０μｓの間隔で複数回繰り返して集光させ、混合気にエネルギを繰り返し投入することにより火炎核の成長を促し、さらに燃焼速度の向上を図ることができる。

また、それぞれの集光点ＦＰ_１、ＦＰ_２の集光タイミングをＥＣＵ４から発振された１つの点火信号ＩＧｔにしたがって、同時に行うことができるだけでなく、それぞれの半導体レーザ５_（１）、５_（２）への通電時期に時間差を設けて、複数の集光点ＦＰ_１、ＦＰ_２に順を追って集光させることもできる。
このような時間差を設けた制御を実施することにより、集光点ＦＰ_１、ＦＰ_２に発生する火炎核の成長に時間差を生じさせ、混合気に流れを生じさせることにより反応性を高くし、燃焼速度のさらなる向上を図ったり、ノッキングの抑制を図ったりすることもできる。

さらに、通電時期の調整のみならず、複数の半導体レーザの励起集光部の特性を変えることにより、レーザ光の発振時期を変えることもできる。
加えて、複数の集光点を形成するに当たり、複数のレーザ点火プラグを機関燃焼室に載置するのではなく、本発明では、１つのレーザ点火プラグ７から発振される複数のレーザ光を高屈折率光学素子７６により大きく屈曲させて機関燃焼室９００内の複数箇所に集光させるため、装置の小型化が容易である。

上記実施形態においては、２箇所の集光点ＦＰ_１、ＦＰ_２を形成する場合を示したが、本発明によれば、容易に集光点の多点化を図ることができ、以下に本発明の幾つかの変形例について説明する。なお、上記実施形態と同様の構成については、同じ符号を付したので説明を省略し、相違点を中心に説明する。
図３〜図６を参照して、簡易な構成で、機関燃焼室９００内の複数箇所に集光点ＦＰ_１〜ＦＰ_ｎを形成する場合の各構成部品の変形例について説明する。
図３（ａ）〜（ｅ）は、集光点ＦＰの数が２点〜６点に対応するビームエキスパンダ７５、７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄの構成例を示す。
本実施形態において、ビームエキスパンダ７５、７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄは略円柱状の基体に凹面部７５１_（１）〜７５１_（６）を集光点ＦＰ_１〜ＦＰ_ｎの数に応じて形成してあるがが、外径寸法は、２個の場合と全く変わらず、体格を変えることなく、集光点ＦＰの数を増やすことができる。

ビームエキスパンダ７５、７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄの各凹面部７５１_（１）〜７５１_（６）へ入射させるレーザ光を増やすために、光ファイバ５_（１）〜５_（６）をレーザ光の数だけ束ねて共振器７４へ接続する必要があるが、光ファイバ５_（１）〜５_（６）内でそれぞれの励起レーザが全反射をしながら伝送されるので、複数の励起用レーザが互いに干渉することはない。
また、複数の励起用レーザが共振器７４内に伝送されても、レーザ光は直進性が高いので、互いに影響を受けることなく増幅される。

レーザの発振タイミングは、励起用半導体レーザの発振タイミングとＱスイッチの透過率によって制御できる。
例えば、Ｑスイッチの透過率が同じ場合、結晶内部ではビームは平行なので、１ｍｍ程度離しておけば隣のレーザと干渉することはない。また、レーザの発振タイミングは励起用半導体レーザの発振タイミングで制御可能となる。

さらに、各レーザに対応するＱスイッチの透過率を変える場合には、可飽和吸収体７４２の透過率を変えるために、厚さ、または含有するＣｒ濃度を変えることになるので、共振器７４を区画した方が良い。
この場合、励起用半導体レーザの発振タイミングを変えることでＱスイッチの透過率を一定とした場合よりレーザの発振タイミングの制御自由度を向上することができる。より具体的な構成例については、図１５、図１６を参照して後述する。

図４（ａ）〜（ｅ）は、集光点ＦＰの数が２点〜６点に対応し、本発明の要部である高屈折率光学素子７６、７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄの構成例を示す。入光面７６１_（１）〜７６１_（６）と出光面７６２との成す頂点角θ_ｐを一定の条件とし正多角錘によって入光面７６１_（１）〜７６２_（２）を形成することにより、必要な数だけ入光面７６１_（１）〜７６１_（６）を形成することができる。
また、本実施形態において、高屈折率光学素子７６、７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄの出光面７６２は、レーザ光の入射方向、即ち、レーザ点火プラグ７の長手方向の中心軸に対して直交する平面によって形成してある。
本図において点Ｐ_ＩＮ１〜Ｐ_ＩＮ６は、各入光面７６１_（１）〜７６１_（６）においてレーザ光が入光する光軸中心の位置を示し、点Ｐ_ＯＵＴ１〜Ｐ_ＯＵＴ６は、各出光面７６２における出光位置を示す。
各実施例におけるレーザ光の屈折方向を示す光軸ＯＰＸ_１〜ＯＰＸ_６を太い破線で示した。

図３（ａ）〜（ｅ）に示したビームエキスパンダ７５、７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄの各凹面部７５１_（１）〜７５１_（６）を通過して拡大されたレーザ光を図４（ａ）〜（ｅ）に示した対応する高屈折率光学素子７６、７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄの各入光面７６１_（１）〜７６１_（６）に入光させると、出光面７６２から光軸ＯＰＸ_１〜ＯＰＸ_６を大きく屈曲させて出光させることができる。
なお、図４（ａ）〜（ｅ）の平面図に示すように、本実施形態においては、外周側面が円形に形成されているが、本発明の高屈折率光学素子７６、７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄの側面の形状を円形に限定するものではなく多角形であっても良く、側面形状を円形とするか多角形とするかは、加工性、組み付け性等を考慮して適宜選択し得るものである。

図５を参照して、本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置を構成する集光レンズの変形例について説明する。
本図（ａ）〜（ｃ）は、いずれも２点の集光に対応可能な集光レンズ７７_（１）、７７_（２）、の平面図、断面図及び下面図である。
２枚の集光レンズ７７_（１）、７７_（２）に一部を所定の角度で切り欠いたカット面ＣＳ_１、ＣＳ_２を設けて、本図（ａ）に示すように、それぞれを対向させることにより集光レンズ７７_（１）、７７_（２）の中心軸を、上述の高屈折率光学素子７６を通って屈折された光軸ＯＰＸ_１、ＯＰＸ_２に一致させて配設することができる。
また、本図（ｂ）に示すように、筐体７０の形状に合わせて、外周を円形に形成しても良いし、本図（ｃ）に示すように、矩形に形成しても良い。
集光レンズ７７_（１）、７７_（２）に光軸を合わせて１枚又は２枚の集光レンズ７８_（１）、７８_（２）が配設され、機関燃焼室９００内の所望の位置にレーザ光が集光するように出光面７７２_（１）、７７２_（２）の曲率が調整されている。

図６を参照して、本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置を構成する集光レンズの他の変形例について説明する。
図６（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ３〜６点の集光に対応可能な集光レンズの平面図、断面図及び下面図である。
上述の如く、光屈折光学素子７６に複数の入光面７６１_（１）〜７６１_（ｎ）を設けて、複数のレーザ光を任意の方向に屈曲させて出力させたときに、本図（ａ）〜（ｄ）に示すように集光レンズ７７１_（１）〜７７１_（ｎ）を花弁状に並べて配設することにより、レーザ点火プラグ７の体格を大きくすることなく容易にそれぞれのレーザ光の光軸ＯＰＸ_１〜ＯＰＸ_ｎに中心軸を合わせることができる。

図７を参照して、本発明に第１の実施形態において６点の集光点ＦＰ_１〜ＦＰ_６を形成し得るレーザ点火装置１ｄの全体構成及び作動について説明する。
本実施形態において、ＤＲＶ３は、ＥＣＵ４から発信された点火信号ＩＧｔに基づいて、６点の集光点ＦＰ_１〜ＦＰ_６に集光するレーザ光を発振すべく駆動信号Ｄ_１〜Ｄ_６を形成する。

駆動信号Ｄ_１〜Ｄ_６によって、半導体レーザ５_（１）〜５_（６）に所定量のエネルギが供給され、半導体レーザ５_（１）〜５_（６）から励起レーザが発振され、光ファイバ６_（１）〜６_（６）を介してレーザ点火プラグ７に供給される。
なお、光ファイバ６_（１）〜６_（６）を一体の同軸ケーブルとしても良い。
各光ファイバ６_（１）〜６_（６）内を全反射しながら伝送された励起レーザは、コリメートレンズ７１_（１）〜７１_（６）、７２_（１）〜７２_（６）によって集光点７３_（１）〜７３_（６）に集光され、全反射鏡７４１、レーザ媒質７４２、過飽和吸収体７４３、部分反射鏡７４４からなる共振器７４内を共振し、励起レーザによってレーザ媒質７４２が励起され、過飽和吸収体７４３の固有の閾値を超えるまで増幅され、この閾値を超えると過飽和吸収体７４３が受動Ｑスイッチとして作用し、瞬間的にエネルギ密度の高い６本のパルスレーザが発振される。

共振器７４から発振されたパルスレーザは、６個の凹面部７５１_（１）〜７５１_（６）を有するビームエキスパンダ７５ｄによって拡径された後、６面の入光面７６１_（１）〜７６１_（６）を有する多角錘状の高屈折率光学素子７６ｄに入光し、それぞれの光軸ＯＰＸ_１〜ＯＰＸ_６が大きく屈折されて出光面７６２から６方向に向かって出光する。
高屈折率光学素子７６ｄから出光した６本のレーザ光は、それぞれ集光レンズ７７ｄと集光レンズ７８_（１）〜７８_（６）とによって、機関燃焼室９００内の複数の集光点ＦＰ_１〜ＦＰ_６に集光され、複数箇所でプラズマを発生させて機関燃焼室９００内の混合気の点火を行うことができる。

図８を参照して本発明の第２の実施形態におけるレーザ点火装置１ｅの概要について説明する。
上記実施形態においては、共振器７４から出力されたレーザ光をビームエキスパンダ７５によって拡張した後、高屈折率光学素子７６によって屈折させる構成を示したが、本図に示すように、共振器７４から出力されたレーザ光を高屈折率光学素子７６ｅで屈折させた後、ビームエキスパンダ７５ｅ_（１）、７５ｅ_（２）によって一旦拡張して、さらに集光レンズ７７ｅ_（１）、７７ｅ_（２）、７８_（１）、７８_（２）によって集光させる構成としても良い。
この際、ビームエキスパンダ７５ｅ_（１）、７５ｅ_（２）を、図５、図６に示した集光レンズ７７_（１）、７７_（２）のように、ビームエキスパンダ７５ｅ_（１）、７５ｅ_（２）の一部を切り欠いて花弁状に配設して集約的に一体化しても良い。

また、本実施形態において集光レンズ７７ｅ_（１）、７７ｅ_（２）は、上記実施形態のように一体化されておらず、それぞれ独立に設けられている。
さらに、本実施形態においても、高屈折率光学素子７６の入光面７６１_（１）〜７６１_（ｎ）を多角錘状に形成し、各入光面７６１_（１）〜７６１_（ｎ）に入光されたレーザ光の数に合わせて、ビームエキスパンダ７５ｅ_（１）〜７５ｅ_（ｎ）の凹面部７５１_（１）〜７５_（ｎ）と集光レンズ７７_（１）〜７７_（ｎ）、７８_（１）〜７８_（ｎ）を設けることにより、集光点ＦＰ_１〜ＦＰ_ｎの数を任意に設定できる。

図９を参照して本発明の第３の実施形態におけるレーザ点火装置の概要をについて説明する。
上記実施形態においては、ビームエキスパンダ７５と、高屈折率光学素子７６とをそれぞれ分離して形成した例を示したが、本実施形態においては、高屈折率光学素子７６ｆとして、本図（ｂ）に示すように、高屈折率光学素子７６ｆの出光面側に凹面部７５１ｆ_（１）７５１ｆ_（２）を形成し、高屈折率光学素子７６ｆの一部がビームエキスパンダ７５としての機能を兼用している点が相違する。
入光面７６１ｆ_（１）、７６１ｆ_（２）から入射角θ１の角度で入光したレーザ光の光軸ＯＰＸ_１、ＯＰＸ_２は、屈折角θ_２の角度で屈折され、凹面部７５１ｆ_（１）、７５１ｆ_（２）から出光する際に拡張される。
本実施形態においても上記実施形態と同様の効果が発揮される。

図１０を参照して、本発明の第４の実施形態におけるレーザ点火装置１ｇについて説明する。
上記実施形態においては、複数のレーザ光を出力するために、対応する数の半導体レーザ５_（１）〜５_（ｎ）を設けた例を示したが、本実施形態においては、１つの半導体レーザ５ｇから発振された励起レーザを分割手段５３ｇによって複数に分割して、レーザ点火プラグ７に伝送する点が相違する。
分割手段５３ｇは、具体的には、例えば、半導体レーザ５ｇから出力された励起レーザを半反射鏡によって２分割し、それぞれを光ファイバ６_（１）、６_（２）に入光させるようにしても良い。

このような構成とすることにより、出力するレーザ光の数に対して、半導体レーザ５ｇの数を半減させることができるので体格をさらに小型化できる。
但し、レーザ点火プラグ７から出力されるレーザ光のエネルギが半減するため、ＤＲＶ３から半導体レーザ５ｇに供給エネルギを倍増する必要がある。
また、複数の分割手段を設けて、１つの半導体レーザ５ｇからの出力を多数に分割する構成とし、集光点の数を増やしても良い。

図１１を参照して本発明の第５の実施形態におけるレーザ点火装置について説明する。上記実施形態においては、高屈折率光学素子として屈折率の高い素子内をレーザ光が透過ことによってレーザ光の光軸を屈折させる透過型のプリズムを用いた場合について説明したが、本実施形態においては、高屈折率光学素子として、素子内をレーザ光が透過することなく全反射することによりレーザ光の光軸を屈折させる多面体反射鏡として反射型光学素子７６ｈを用いた点が相違する。
本図に示すような反射型光学素子７６ｈでは、入光面７６１ｈ_（１）、７６１ｈ_（２）に対して入射角θｉｎの角度で入射されたレーザ光が入射角θｉｎに等しい反射角θｒｅｆの角度で全反射され、集光レンズ７７_（１）、７７_（２）、７８_（１）、７８_（２）によって機関燃焼室内の複数の集光点ＦＰ_１、ＦＰ_２に集光され、機関燃焼室内の離れた位置に点火をすることができる。

反射型光学素子７６ｈを複数（ｎ）面の入光面７６１ｈ_（１）〜７６１ｈ_（ｎ）を設けた多角錘状に形成した基体の表面に高反射率材料からなる反射膜を形成してあり、入射角に等しい反射角で複数のレーザ光を反射させ、それぞれの反射光の光軸ＯＰＸ_１〜ＯＰＸ_ｎ上に反射光を集光する集光レンズ７７_（１）〜７７_（ｎ）、７８_（１）〜７８_（ｎ）を配設することにより、複数（ｎ）個の集光点ＦＰ_１〜ＦＰ_ｎに集光させることができる。入光面７６１ｈ_（１）〜７６１ｈ_（ｎ）の傾斜角度を調整することにより、任意の方向に光軸ＯＰＸ_１〜ＯＰＸ_ｎを屈折させることができる。
反射型の高屈折率光学素子７６ｈとして、例えば、Ａｌ、ＭｇＦ_２等の薄膜コーティングを施して、入射光が全反射するようにした三角プリズムを用いることができる。
なお、本実施形態においても、上記実施形態と同様、ビームエキスパンダ７５を高屈折率光学素子７６ｈの前に設けても良いし、後ろに設けても良い。

図１２を参照して本発明の第６の実施形態におけるレーザ点火装置１について説明する。
上記実施形態においては、１の機関燃焼室に対して１のレーザ点火プラグ７を配設した例について説明したが、多気筒エンジンに対して気筒毎にレーザ点火プラグ７_（１）〜７_（４）を設けた例について説明する。
なお、本実施形態において、レーザプラグ７_（１）〜７_（４）の枝番は、気筒の点火順の一例を示し、配置位置の順を示すものではない。
ＤＲＶ３では、ＥＣＵ４からの点火信号ＩＧｔにしたがって、各気筒に設けられたレーザ点火プラグ７_（１）〜７_（４）への励起レーザの伝送を点火順に行うべく、半導体レーザ５_（１）を駆動する駆動信号Ｄ_１−１、Ｄ_１−２、Ｄ_１−３、Ｄ_１−４、及び半導体レーザ５_（２）を駆動する駆動信号Ｄ_２−１、Ｄ_２−２、Ｄ_２−３、Ｄ_２−４が形成され、半導体レーザ５_（１）、５_（２）に点火順を追って所定の時間差で駆動信号に応じたエネルギが供給される。
半導体レーザ５_（１）、５_（２）では、各駆動信号Ｄ_１−１、Ｄ_１−２、Ｄ_１−３、Ｄ_１−４、Ｄ_２−１、Ｄ_２−２、Ｄ_２−３、Ｄ_２−４にしたがって供給された電流によって発生した励起レーザＬＳＲ_{（１−１）}、ＬＳＲ_{（１−２）}、ＬＳＲ_{（１−３）}、ＬＳＲ_{（１−４）}、ＬＳＲ_{（２−１）}、ＬＳＲ_{（２−２）}、ＬＳＲ_{（２−３）}、ＬＳＲ_{（２−４）}を各気筒に設けられたレーザ点火プラグ７_（１）〜７_（４）に順に伝送する。

図１３を参照して、本発明の第７の実施形態におけるレーザ点火装置の制御方法の一例として、内燃機関９の運転状況に応じて、複数のレーザの発振タイミングをずらして発振する制御方法について説明する。
なお、本実施形態においては、３基の半導体レーザ５_（１）、５_（２）、５_（３）を備えた場合を例に説明する。
本実施形態では、内燃機関９の運転状況を検出する運転状況検出手段と該検出手段の検出結果に応じて、レーザ発振装置１から燃焼室９００内に発振するレーザＰＬ_１、ＰＬ_２、ＰＬ_３の１の点火周期の点火信号ＩＧｔに対して発振するレーザの発振回数と発振時期と発振するレーザの本数とを決定するレーザ発振制御手段として半導体レーザ駆動回路３を具備する。
また、レーザ発振制御手段として設けられた半導体レーザ駆動回路３は、１の点火信号に対して発振する発振回数と発振時期とを半導体レーザ５_（１）、５_（２）、５_（３）への電気エネルギの印加時期と印加時間とによって制御する。

内燃機関９の運転状況を検出する運転状況検出手段としては、吸気温度を検出する吸気温度センサ、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ、エンジンオイル温度を検出する油温センサ、エンジン回転数を検出する回転センサ、クランク角を検出するクランク角センサ、混合気濃度を検出するＡ／Ｆセンサ、ＥＧＲ率を検出するＥＧＲセンサ、混合気流速を検出するスワールセンサ、筒内圧力を検出する筒内圧センサ等が用いることができる。
これらの運転状況検出手段によって検出された運転状況に応じて、エンジン制御装置ＥＣＵによって点火条件が算出され、点火信号ＩＧｔが半導体レーザ駆動回路３に発振される。

複数の半導体レーザ駆動回路３_（１）、３_（２）、３_（３）を如何なるタイミングで、何回発振させるかは、運転状況に応じてＥＣＵによって決定される。
図１３に示すように、１の点火信号ＩＧｔに対して、複数の半導体レーザ駆動回路のそれぞれに、駆動信号Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３がタイミングをずらしながら複数回発振され、駆動信号Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３によって半導体レーザ５_（１）、５_（２）、５_（３）が駆動されている間は、半導体レーザ５_（１）、５_（２）、５_（３）から励起用レーザが共振器７４に発振され、所定の閾値を超えると共振器７４からは、複数回のパルスレーザＰＬ_１、ＰＬ_２、ＰＬ_３が発振される。
１サイクルの点火信号ＩＧｔに対する、励起用レーザの発振回数は、半導体レーザ５_（１）、５_（２）、５_（３）を駆動させる時間幅と１の点火信号ＩＧｔに対しての駆動回数によって制御することができる。
さらに、半導体レーザ５_（１）、５_（２）、５_（３）の駆動期間中に発振されるパルスレーザの発振間隔は、半導体レーザ５_（１）、５_（２）、５_（３）に流す電流の調整により、共振器７４内で発生した蛍光エネルギの飽和時間を調整できるので、数１０μｓの範囲で制御できる。

図１４を参照して、本発明の第７の実施形態におけるレーザ点火装置を用いて複数のレーザ光を内燃機関９の燃焼室９００内における複数箇所で発振時期をずらしながら集光させた場合の効果について説明する。
本発明によらず、同じ発振時期で複数のレーザ光を集光させた場合、燃焼室９００内の混合気濃度に斑があると、着火し難い条件下に集光された場合と、着火し易い条件下に集光された場合とで、燃焼状態に差が生じ、点火数を増やした効果が少なくなる。
例えば、図１４（ａ）〜（ｄ）に順を追って示すように、燃焼室内に時計回りの流動が生じている条件下で、第１のパルスレーザＰＬ_１が第１の集光点ＦＰ_１に集光され、その周囲の混合気Ａ／Ｆに着火し、火炎核ＦＫが形成され、さらにその火炎核ＦＫが成長火炎ＦＧに成長しつつ、気流によって移動し、第２のパルスレーザＰＬ_２の集光点ＦＰ_２に到達する直前に、第２のパルスレーザＰＬ_２が発振され、第２のパルスレーザＰＬ_２によって着火した火炎核ＦＫが第３のルスレーザＰＬ_３の集光点ＦＰ_３に到達する直前に、第３のパルスレーザＰＬ_３が発振され、第３のパルスレーザＰＬ_２によってその周囲の混合気Ａ／Ｆに着火し、火炎核ＦＫが形成され、次々と火炎核ＦＫが形成されるように駆動信号Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３が制御される。
このように、気流の上流側から順を追って着火するようなタイミングで複数のパルスレーザＰＬ_１、ＰＬ_２、ＰＬ_３が発振されると、上流側で成長した火炎ＦＧの熱によって下流側の集光点の着火性を向上させる。
このため、複数箇所で同時にレーザ光を集光させた場合に比べて初期の火炎成長の速度を早くすることができる。

一般に、レーザ共振器７４内では、レーザ媒質７４２及び可飽和吸収体７４３におおいて、励起レーザの損失によって発熱するが、複数の半導体レーザＬＳＲ_１、ＬＳＲ_２、ＬＳＲ_３を同時に駆動し、複数の励起レーザを同時に発振すると、レーザ媒質７４２内の温度が上昇し、屈折率が変化し、各レーザの発振モード（レーザ光断面のビーム強度分布）が変化し、集光高度が低下することがある。
そこで、図１３に示したように、複数の半導体レーザＬＳＲ_１、ＬＳＲ_２、ＬＳＲ_３を間欠的に駆動させることにより、レーザ媒質７４２の内部温度の上昇が抑制され、発振モードの変化が少なくなり、安定した着火を実現することができる。
また、１のレーザの発振により発生した火炎核が成長している段階で、次のレーザを発振すると、集光点で発生したエネルギを火炎に供給することができ、火炎から今後貴に放熱されるエネルギの損失分を補うこともできる。

複数のレーザを同時に、又は、連続的に発振すれば、火炎に供給するエネルギを増加させることができるが、上述の如く、レーザ媒質７４２の温度上昇による集光高度の低下を招く虞がある。
一方、１の点火信号ＩＧｔに対して、複数のパルスレーザＰＬ_１、ＰＬ_２、ＰＬ_３を間欠的に発振すれば、レーザ媒質７４２の温度上昇による集光高度の低下を抑制することができ、エネルギロスを少なくし、燃費の上昇を抑制することができる。
特に、希薄混合燃焼、高ＥＧＲ燃焼、高過給燃焼、低圧縮燃焼、低吸気温度燃焼、低油温、低水温、低燃料温度等の着火性の低い条件において効果を発揮するものである。

図１５、図１６、図１７を参照して、本発明の第８の実施形態におけるレーザ点火装置１ａとその変形例について説明する。
本実施形態においては、共振器７４の可飽和吸収体７４３の透過率及び出力鏡として設けられた部分反射鏡７４４の反射膜の反射率を部分的に変化させて、複数のパルスレーザＰＬ_１、ＰＬ_２の発振間隔及びパルスエネルギを変える点を特徴としている。
本実施形態の要部を図１５（ａ）〜（ｃ）、図１６（ａ）〜（ｃ）に示し、本実施形態の全体概要を図１７に示す。
共振器７４ａでは、図１５（ａ）に示すように、レーザ媒質７４２に接合した可飽和吸収体７４３_（１）、７４３_（２）の透過率を励起レーザ毎に変化させてある。具体的には、可飽和吸収体７４３_（１）、７４３_（２）として用いられるＣｒ：ＹＡＧのＣｒ濃度を変化させることによって透過率を変えることができる。
Ｃｒ濃度を高くすると透過率は低くなり、透過率が低くなると、発振されるパルスレーザのパルスエネルギが高くなり、発信周波数は低くなる。

また、共振器７４ｂでは、図１５（ｂ）に示すように、材質は一定で可飽和吸収体７４３_（１）、７４３_（２）の厚さを変えることによって透過率を変えることもできる。
さらに、共振器７４ｃでは、図１５（ｃ）に示すように、可飽和吸収体７４３は変えず、部分反射鏡７４４_（１）、７４４_（２）の反射率を変化させることにより出力されるパルスレーザＰＬ_１、ＰＬ_２のパルスエネルギと発信周波数を変化させている。
部分反射鏡７４４の反射率を高くすると、発振されるパルスエネルギが高くなる一方、発振周波数は遅くなる。
図１６（ａ）〜（ｃ）は、励起レーザ毎に共振器７４ｄ、７４ｅ、７４ｆを分離区画したものである。このような構成とすることにより、上述の如く励起レーザ毎の発振エネルギや発信周波数を変化させることが可能となると共に、複数の励起レーザ間の影響を廃除し、レーザ媒質７４２の温度上昇を抑制し、より安定したパルスレーザを発振させることができる。
図１７は、本実施形態の励起レーザ毎に異なる透過率を有する可飽和吸収体７４３_（１）、７４３_（２）を設けたレーザ点火装置１ａの概要を示す。このような構成とすることにより、パルスエネルギと発信周波数との異なる複数のパルスレーザＰＬ_１、ＰＬ_２を発振させることができる。

本実施形態におけるレーザ点火装置１ａのように、複数の励起レーザに対して励起レーザ毎に異なる透過率を変化させた場合の効果について説明する。
発振周波数の低いパルスレーザは、共振器７４内の損失が大きくなるので効率が悪い面もあるが、その分パルス毎の発振エネルギは高いので、混合気の濃度が低い場合や、気流の速度が速く、火炎核が消え易い場合等の特に着火性の悪い条件において効果を発揮する。一方、発振周波数が高い場合には、共振器７４内の損失が低く、効率が良い。パルス毎のエネルギは小さいが、発振回数が多くなるので総エネルギとしては高く、発振周波数の低い場合と同様のエネルギを供給できる。
発振周波数の高いパルスレーザは、混合気濃度が高く、流速が遅く、しかも燃費効率を重視する、比較的低負荷の領域に効果を発揮する。
このように、複数のパルスレーザを燃焼室内の複数箇所に発振するに際して、共振器の透過率等を変化させることにより、１のレーザ点火装置１ａから異なる諸元のパルスエネルギと発信周波数を有する複数のパルスレーザを発振させることが可能となり、着火性と燃費向上との両立を図ることができるので、点火装置としての自由度が高くなる。

図１８、図１９を参照して、本発明の第８の実施形態におけるレーザ点火装置１ａの制御方法の一例とその効果について説明する。
本実施形態においては、上述の如く、励起レーザ毎に共振器７４の透過率等を変化させることにより、異なるパルスエネルギと発信周波数のパルスレーザＰＬ_１、ＰＬ_２を発振する。
この時、図１８に示すように、１の点火周期中に発振される点火信号ＩＧｔに対して、発振間隔の短い第１の駆動信号Ｄ_１と発振間隔の長い第２の駆動信号Ｄ_２とが発振され、それぞれ、発信周波数が高く、パルスエネルギの低い第１のパルスレーザＰＬ_１と、発信周波数が低く、パルスエネルギの高い第２のパルスレーザＰＬ_２とを発振する。
本実施形態においては、図１９（ａ）〜（ｄ）に示すように、筒内気流として発生するスワール流速が遅く、混合気濃度の高い領域に、発振周波数が高く、パルスエネルギの低い第１のパルスレーザＰＬ_１を集光させ、スワール流速が早く、混合気濃度の低い領域に、発振周波数が低く、パルスエネルギの高い第２のパルスレーザＰＬ_２を集光させている。
このような構成とすることによって、スワール流速が低く、混合気濃度の高い領域は、比較的着火性が良いので、パルスエネルギの低い第１のパルスレーザＰＬ_１で効率的に着火させ、スワール流速が高く、混合気濃度が低い領域は、着火性が低いので、第１のパルスレーザＰＬ１によって形成された火炎核ＦＫが成長しつつ、スワールによって第２のパルスレーザＰＬ_２の集光点に近づけ、着火性の向上を図りつつ、高いパルスエネルギの第２のパルスレーザＰＬ_２によって、着火性の低い領域も速やかに着火させることができる。したがって、強いスワールによって第１のパルスレーザＰＬ_１によって発生した火炎の温度が低下するのを抑制しつつ、第２のパルスレーザＰＬ_２によって燃焼の持続を図ることができ、ボア径の大きな内燃機関や、高過給、高圧縮エンジン等の難着火性の内燃機関においても安定した着火が実現できる。

図２０、図２１を参照して、本発明の第９の実施形態におけるレーザ点火装置１iについて説明する。
上記実施形態においては、レーザ発振装置５から発振された複数の半導体レーザＬＳＲ_１〜ＬＳＲ_ｎによって励起された複数のパルスレーザＰＬ_１〜ＰＬ_ｎを略多角錐状に形成した高屈折光学素子７６を用いて、光軸ＯＰＸ_１〜ＯＰＸ_ｎの方向を変える際に、一旦、点火プラグ７の中心軸方向に向かった後、中心軸から遠ざかるように屈折され、その先に設けた集光レンズ７７_{（１〜ｎ）}、７８_{（１〜ｎ）}によって機関燃焼室９００内の複数箇所に集光点ＦＰ_{（１〜ｎ）}を形成する例を示したが、本実施形態におけるレーザ点火装置１ｉのように、高屈折率光学７６ｉの中心を略多角錐状に窪ませて、入射面７６１ｉから入光した複数のパルスレーザＰＬ_１、ＰＬ_２が、互いに交差することなく中心軸から遠ざかるように屈折させても良い。
また、上記実施形態においては、共振器７４から発振されたパルスレーザＬＰＬ_１、ＰＬ_２をビームエキスパンダ７５を介してビーム径を拡張して高屈折率光学素子７６によって光軸ＯＰＸ_１、ＯＰＸ_２を屈折させ、複数の集光レンズ７７、７８によって集光する例を示したが、本実施形態のように、ビームエキスパンダ７５を介してビーム径を拡張した後、集光レンズ（凸レンズ）７７ｉによって平行光に調整した後、高屈折率光学素子７６ｉを通過させるようにしても良い。
本実施形態においても、図２１（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ光の数に応じて、ビームエキスパンダ７５ｉ、集光レンズ７７ｉの数及び、高屈折率光学素子７６ｉの入光面７６１_ｉ（１）〜７６１_ｉ（ｎ）の数を任意に増減して組み付けることができる。
本実施形態によれば、複数のパルスレーザ光が互いに交わることなく燃焼室内で集光されるので、互いに干渉されたり、複数のレーザ光が交差して擬似的集光による誤着火を招く虞がない。

図２２、図２３を参照して本発明の第１０の実施形態におけるレーザ点火装置１ｊについて説明する。
上記実施形態においては、複数のパルスレーザＰＬ_１〜ＰＬ_ｎを高屈折率光学素子７６、７６ａ〜７６ｉによって、燃焼室９００内の複数の集光点ＦＰ_１〜ＦＰ_ｎで集光させることによって着火性の向上を図った構成について説明したが、本実施形態に示すように、複数のパルスレーザＬ_１〜ＰＬ_ｎを高屈折光学素子７６ｊによって、光軸ＯＰＸ_１、ＯＰＸ_２を屈折させ、その進行方向を所定の一カ所に収束する方向へ変化させ、その先端に配設した集光レンズ７８ｉによって複数のパルスレーザＰＬ_１〜ＰＬ_ｎが燃焼室９００内の一点ＦＰｉに集中的に集光するようにしても良い。
このような構成とすることによって、燃焼室900内の混合気流流速が早く、混合気の濃度の変動が大きいような場合においても、燃焼を維持するための高いエネルギを効果的に供給することができる。
さらに、本実施形態においても、図２３（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ光の数に応じて、ビームエキスパンダ７５ｊ、集光レンズ７７ｊの数及び、高屈折率光学素子７６ｊの入光面７６１_ｊ（１）〜７６１_ｊ（ｎ）の数を任意に増減して組み付けることができる。

また、上記実施形態において、機関の運転状況に応じてエンジンＥＣＵ４から発振される点火信号ＩＧｔにしたがって、半導体レーザ駆動回路３を制御して半導体レーザ発振器５に電流を流すと、各実施形態に応じた集光点ＦＰにレーザ光が集光し、集光点近傍の混合気にレーザ光が吸収（多光子吸収）され、混合気の熱乖離が起こり燃焼を開始する。
半導体レーザ発振器５に電流を流し続けるとレーザ光は、約１００〜３００μｓの間隔で発振を繰り返し、熱乖離が継続され、火炎伝播を持続できる。
本発明のレーザ点火装置を採用する内燃機関の燃焼室の形状及び運転状態に応じて、火炎伝播速度が最大となるように各集光点の位置を決定する。
例えば、ボア径の大きなエンジンの場合には、混合気内をレーザ光が進行する間に混合気の密度差によって擬似レンズを構成し、レーザの散乱による集光強度の低下を招く虞があるので、シリンダの内周壁に近い位置に集光するよう高屈折率光学素子７６の屈折率及びプリズム頂角θｐを設定するのが良い。
一方、比較的ボア径が小さく、筒内に強い気流が発生しているようなエンジンの場合には、燃焼室の中心に近い位置に複数の集光点を集中させるようにするのが望ましい。
本発明によれば、燃焼室内の多くの集光点に同時に点火を開始させたり、タイミングをずらして多重的に点火を開始させたり、任意に調整することができる。
なお、一般にレーザ点火装置においては、半導体レーザ５に通電後、パルスレーザＰＬ_１〜ＰＬ_ｎの発振を開始するまでに、約１５０〜２００μｓの遅れを生じるため、これを見越して、点火時期が最適となるように、通電開始時期を決定する。
多重点火を実施する場合の発振間隔は、半導体レーザ５に印加する電力により制御でき、発振間隔を短くする場合は、電流値を上げることで制御できる。
また、複数の半導体レーザ５_（１）〜５_（ｎ）への通電開始時期、電流値をそれぞれ独立して制御することも可能である。
さらに、複数のレーザ光ＰＬ_１〜ＰＬ_ｎの内、パルスの発振周期が短く、パルスエネルギが小さいレーザを内燃機関の燃焼室９００内において筒内気流が遅い領域に配置せしめるのが望ましい。
本発明によれば、高屈折率光学素子７６の相対屈折率ｎ_ａｂ、プリズム頂角θ_Ｐの設定並びに集光レンズ７７、７８の集光距離の選定によって筒内の任意の領域に集光点を配置することができるので、極めて自由度の高い燃焼制御が可能となり、難着火性の燃焼機関において極めて優れた着火性を示すレーザ点火装置を実現できる。

１ レーザ点火装置
２ 電源
３ 半導体レーザ駆動回路
４ エンジンＥＣＵ
５_（１）、５_（２） 半導体レーザ発振器
６_（１）、６_（２） 光ファイバ
７ レーザ点火プラグ
７０ 筐体
７１_（１）、７１_（２） コリメートレンズ
７２_（１）、７２_（２） 集光レンズ
７３_（１）、７３_（２） 励起レーザ集光点
７４ 共振器
７４０ 反射防止膜
７４１ 全反射鏡
７４２ レーザ媒質
７４３ 可飽和吸収体
７４４ 部分反射鏡(出力鏡)
７５ ビームエキスパンダ
７６ 高屈折率光学素子
７６１_（１）、７６１_（２） 入光面
７６２ 出光面
７７_（１）、７７_（２）、７８_（１）、７８_（２） 集光レンズ
７９_（１）、７９_（２） 保護カバー
８０ 空気層
９０ シリンダヘッド
９００ 機関燃焼室
ＦＰ_１、ＦＰ_２ 集光点
θ_１、θ_３ 入射角
θ_２、θ_４ 屈折角
θｐ プリズム頂角
ＯＰＸ_１、ＯＰＸ_２ 光軸
ｎａ 空気層絶対屈折率
ｎｂ 高屈折率光学素子絶対屈折率

特開２００６−３２９１８６号公報 特開２００６−１６１６１２号公報

Claims (8)

1. 内燃機関に装着され、レーザ発振装置から発振されたレーザ光を集光レンズによって機関燃焼室の内に集光して高エネルギの火炎核を発生せしめて点火を行うレーザ点火装置であって、少なくとも、複数の半導体レーザから、共振器を経て発振された複数のレーザ光の光軸を屈折させその進行方向を中心軸から遠ざかる方向へ変化させる高屈折率光学素子と、該高屈折率光学素子によって屈折された上記レーザ光を上記機関燃焼室の内の複数箇所に集光せしめる集光手段と、を具備することを特徴とするレーザ点火装置。
2. 内燃機関に装着され、レーザ発振装置から発振されたレーザ光を集光レンズによって機関燃焼室の内に集光して高エネルギの火炎核を発生せしめて点火を行うレーザ点火装置であって、少なくとも、複数の半導体レーザから、共振器を経て発振された複数のレーザ光の光軸を屈折させ、その進行方向を所定の一カ所に収束する方向へ変化させる高屈折率光学素子と、該高屈折率光学素子によって屈折された上記複数のレーザ光を上記機関燃焼室の内の一カ所に集光せしめる集光手段と、を具備することを特徴とするレーザ点火装置。
3. 上記高屈折率光学素子が上記複数のレーザ光のそれぞれが入射する複数の面と、所定の屈折角で屈折した光が出射する面との間に所定の頂角を設けた高屈折率の多面体によって構成した請求項１又は２に記載のレーザ点火装置。
4. 上記高屈折率光学素子がレーザ光をその表面に設けた高反射率の反射膜によって反射する反射型光学素子であって、上記複数のレーザ光のそれぞれを所定の入射角で入射せしめ、上記入射角に等しい反射角で全反射せしめる多面体によって構成した請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザ点火装置。
5. 上記内燃機関の運転状況を検出する運転状況検出手段と該検出手段の検出結果に応じて、上記レーザ発振装置から上記燃焼室内に発振するレーザの１サイクルの点火周期中に発振する発振回数と発振時期と発振するレーザの本数を決定するレーザ発振制御手段とを具備する請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザ点火装置。
6. 上記レーザ発振制御手段が、１サイクルの点火周期中の発振回数と発振時期とを上記半導体レーザへの電気エネルギの印加時期と印加時間とによって制御する請求項５に記載のレーザ点火装置。
7. 上記共振器を、上記半導体レーザによって励起されるレーザ媒質と可飽和吸収体とによって構成し、該可飽和吸収体の透過率を部分的に変化せしめた請求項１ないし６のいずれかに記載のレーザ点火装置。
8. 上記複数のレーザ光の内、パルスの発振周期が短く、パルスエネルギが小さいレーザを上記内燃機関の燃焼室内において筒内気流が遅い領域に配置せしめる請求項１ないし７のいずれかに記載のレーザ点火装置。

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