JP2015001158A - Optical element sealing structure, manufacturing method therefor, and laser ignition device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両等の内燃機関の点火に用いられるレーザ点火装置に関するものであり、特に、少なくとも、集光レンズ、保護ガラス等の光学素子を気密に封止する光学素子封止構造体とその製造方法、及び、レーザ点火装置に関する。 The present invention relates to a laser ignition device used for ignition of an internal combustion engine such as a vehicle, and in particular, an optical element sealing structure that hermetically seals at least optical elements such as a condenser lens and a protective glass, and the structure The present invention relates to a manufacturing method and a laser ignition device.
近年、高過給エンジン、高圧縮エンジン、シリンダ内径の大きな天然ガスエンジン等、難着火性の内燃機関の点火に、フラッシュランプ、半導体レーザ等の励起用光源をQスイッチ式のレーザ媒質を含むレーザ共振器に照射し、短いパルス幅でエネルギを集中させて放出するパルスレーザとして発振させ、さらにパルスレーザを集光レンズなどの光学素子を用いて、混合気中に集光して、エネルギ密度の高い火炎核を発生させることにより、内燃機関の点火を行うレーザ点火装置について種々提案されている。 In recent years, a laser including a Q-switch type laser medium as a light source for excitation, such as a flash lamp and a semiconductor laser, for ignition of a highly ignitable internal combustion engine such as a high supercharged engine, a high compression engine, a natural gas engine having a large cylinder inner diameter, etc. It irradiates the resonator, oscillates as a pulse laser that concentrates and emits energy with a short pulse width, and further condenses the pulse laser in the air-fuel mixture using an optical element such as a condenser lens. Various laser ignition devices that ignite an internal combustion engine by generating high flame nuclei have been proposed.
例えば、特許文献1には、内燃機関の点火装置に用いられるレーザ装置において、燃焼室窓とケーシングとの間の熱排出を改善すべく、ケーシング内にケーシングよりも高い熱伝導率を有する材料からなる装入部分を設けたレーザ点火装置が開示されている。
For example, in
さらに、特許文献1にある従来のレーザ点火装置では、燃焼室窓を構成する光学素子をケーシングの内側に設けた挿入部分に直接的なコンタクトを形成するため、プレス嵌め、挟み込みといった形状結合、または、接着、ボンディング、ハンダ付けといった材料結合によって、軸方向および/または半径方向に接続されている。
Furthermore, in the conventional laser ignition device disclosed in
ところが、特許文献1にあるように、プレス嵌め、挟み込みといった形状結合を用いた場合には、光学素子に用いられている石英ガラス、耐熱ガラス、サファイアといった光学材料の熱膨張係数と、ケーシングに用いられている鋼等の金属材料の熱膨張係数との違いによって、光学素子とケーシングとの間の気密性が失われる虞がある。
レーザ点火装置において、このような気密性の低下は、装置内に燃焼室内の混合気が侵入し、燃焼室窓の内側に被膜を形成し、レーザ光の進行に影響を与え、正常な点火ができなくなるおそれがある。
However, as disclosed in
In the laser ignition device, such a decrease in airtightness is caused by the mixture in the combustion chamber entering the device, forming a coating on the inside of the combustion chamber window, affecting the progress of the laser beam, and causing normal ignition. There is a risk that it will not be possible.
また、上述のように光学素子とケーシングとが直接的に接続するような形状の場合、プレス時や、挟み込み時において、光学素子に作用するシール圧力を均一にすることが極めて難しく、光学素子に偏荷重が加わり亀裂が生じるおそれがある。
さらに、このような形状の場合、残留応力も大きくなるため、使用時の冷熱ストレスも大きくなり、光学素子に亀裂を生じさせるおそれもある。
加えて、光学素子に用いられる耐熱性ガラス、石英ガラス、サファイア等の光学材料は、金属材料に比べ熱伝導率が低く、特許文献1にあるように、ケーシング内に銅等の極めて高い熱伝導率を有する材料を配置した場合、冷熱ストレスがさらに大きくなり、点火装置の耐久性を著しく低下させるおそれがある。
Further, in the case where the optical element and the casing are directly connected as described above, it is extremely difficult to make the sealing pressure acting on the optical element uniform during pressing or sandwiching. There is a risk of cracking due to an unbalanced load.
Further, in the case of such a shape, since the residual stress is also increased, the thermal stress during use is also increased, and there is a possibility that the optical element is cracked.
In addition, optical materials such as heat-resistant glass, quartz glass, and sapphire used for optical elements have lower thermal conductivity than metal materials, and as disclosed in
一方、特許文献1の材料接合の場合、必ずしも具体的な材料が明らかではないが、従来あるようなハンダ付けやロウ付けによって光学素子とケーシングとを接合した場合、ハンダやロウ材に含まれるフラックス成分等が蒸発し、再沈着することで、光学窓の内側や集光レンズの表面を汚染するおそれがある。
On the other hand, in the case of the material bonding of
本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、保護ガラス、及び集光レンズ等の光学素子を気密に封止するに当たり、気密性、耐久性にすぐれた光学素子封止構造体と、その製造方法、並びに、これらを用いた信頼性の高いレーザ点火装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and in sealing an optical element such as a protective glass and a condenser lens in an airtight manner, an optical element sealing structure excellent in airtightness and durability, and its manufacture It is an object of the present invention to provide a method and a reliable laser ignition device using them.
本発明の要部である光学素子封止構造体(1、1a、2、2a、2b、2c)は、一又は複数の光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c)を光学素子収容筐体(11、11a、21、21a、21b、21c)の内側に収容して封止した光学素子封止構造体であって、前記光学素子収容筐体(11、11a、21、22a、22b、22c)が、前記光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c)の一方の端面が当接する光学素子係止部(110、210)と、前記光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c)の外周に対して所定の間隙(GP)を設けて穿設せしめた光学素子位置決め溝部(111、111a、211、211a、211b、211c)と、前記光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c)の外周の一部又は全周を覆うように封止ガラス(12、12a、22、22a、22b、22c)を配設すべく、穿設せしめた封止ガラス収容溝部(112、112a、212、212a、212b、212c)と、を具備し、前記封止ガラス(12、12a、22、22a、22b、22c)が600℃以下のガラス転移温度を有する低融点ガラスからなり、前記封止ガラス(12、12a、22、22a、22b、22c)の融着により前記光学素子(10、10、20、20a、20b、20c)と前記光学素子収容筐体(11、11a、21、22a、22b、22c)とを気密に封止せしめたことを特徴とする。 The optical element sealing structure (1, 1a, 2, 2a, 2b, 2c) which is the main part of the present invention is obtained by replacing one or a plurality of optical elements (10, 10a, 20, 20a, 20b, 20c) with the optical element. An optical element sealing structure housed and sealed inside the housing case (11, 11a, 21, 21a, 21b, 21c), the optical element housing case (11, 11a, 21, 22a, 22b, 22c) are optical element locking portions (110, 210) with which one end face of the optical element (10, 10a, 20, 20a, 20b, 20c) abuts, and the optical element (10, 10a, 20). , 20a, 20b, 20c) with optical elements positioning groove portions (111, 111a, 211, 211a, 211b, 211c) drilled by providing a predetermined gap (GP) with respect to the outer periphery of the optical elements (10, 10a, 20, 20a, 20b, and 20c) a sealing glass accommodating groove portion that has been drilled so as to dispose the sealing glass (12, 12a, 22, 22a, 22b, and 22c) so as to cover a part or the entire periphery of the outer periphery. 112, 112a, 212, 212a, 212b, 212c), and the sealing glass (12, 12a, 22, 22a, 22b, 22c) is made of a low melting point glass having a glass transition temperature of 600 ° C. or less. , By sealing the sealing glass (12, 12a, 22, 22a, 22b, 22c), the optical element (10, 10, 20, 20a, 20b, 20c) and the optical element housing case (11, 11a, 21, 22 a, 22 b, 22 c) are hermetically sealed.
本発明の光学素子封止構造体(1、1a、2、2a、2b)を内燃機関の燃焼室(CMB)内に高いエネルギ密度のレーザ光を集光して点火を行うレーザ点火装置(9、9a、9a、9b、9c)に用いれば、一旦加熱熔融された封止ガラス(12、12a、22、22a、22b、22c)によって前記光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c)と前記光学素子収容筐体(11、11a、21、22a、22b、22c)との完全な気密性が確保されるので、確実に燃焼室(CMB)内の混合気の侵入が阻止され、集光レンズ等の汚染が防止できる。
しかも、前記封止ガラス12、12a、22、22a、22b、22c)と光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c)の熱膨張係数が近いので、冷熱ストレスに晒されても、光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c)の破損を招くことがない。
A laser ignition device (9) for condensing an optical element sealing structure (1, 1a, 2, 2a, 2b) of the present invention by condensing a high energy density laser beam in a combustion chamber (CMB) of an internal combustion engine. , 9a, 9a, 9b, 9c), the optical elements (10, 10a, 20, 20a, 20b, 20c) are formed by the sealing glass (12, 12a, 22, 22a, 22b, 22c) once heated and melted. ) And the optical element housing (11, 11a, 21, 22a, 22b, 22c) are ensured, and the intrusion of the air-fuel mixture in the combustion chamber (CMB) is reliably prevented, Contamination of the condensing lens can be prevented.
Moreover, since the thermal expansion coefficients of the
本発明の光学素子封止構造体(1、1a、2、2a、2b)の製造方法では、少なくとも、ガラス転移温度が600℃以下の低融点ガラス粉末を押し固めて封止ガラス成形体(12MLD、22MLD)を形成する封止ガラス成形体形成工程と、光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c)の一方の端面が当接する光学素子係止部(110、210)と、前記光学素子(10、10、20、20a、20b、20c)の外周に対して所定の間隙(GP)を設けた光学素子位置決め溝部(111、111a、211、211a、211b、211c)と、前記光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c)の外周の一部又は全周を覆うように封止ガラス収容溝部(112、112a、212、212a、212b、212c)と、を設けた光学素子収容筐体(11、11a、21、21a、21b、21c)と、前記封止ガラス成形体(12MLD、22MLD)と、を順に配設する光学素子配設工程と、前記封止ガラス収容溝部(112、112a、212、212a、212b、212c)に配設した封止ガラス成形体(12MLD、22MLD)を600℃以上の温度で加熱熔融して、前記光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c)と前記光学素子収容筐体(11、11a、21、21a、21b、21c)とを気密に封止する光学素子封止工程とを具備することを特徴とする。 In the method for producing an optical element sealing structure (1, 1a, 2, 2a, 2b) of the present invention, at least a low-melting glass powder having a glass transition temperature of 600 ° C. or lower is pressed and consolidated to form a sealed glass molded body (12MLD 22MLD), an optical element locking portion (110, 210) with which one end face of the optical element (10, 10a, 20, 20a, 20b, 20c) abuts, An optical element positioning groove (111, 111a, 211, 211a, 211b, 211c) provided with a predetermined gap (GP) with respect to the outer periphery of the optical element (10, 10, 20, 20a, 20b, 20c); Sealing glass accommodating grooves (112, 112a, 212, 212a, 212b, so as to cover part or all of the outer periphery of the element (10, 10a, 20, 20a, 20b, 20c) 12c), an optical element housing step (11, 11a, 21, 21a, 21b, 21c) and the sealing glass molded body (12MLD, 22MLD) are disposed in order. And the sealing glass molded body (12MLD, 22MLD) disposed in the sealing glass housing groove (112, 112a, 212, 212a, 212b, 212c) is heated and melted at a temperature of 600 ° C. or higher to obtain the optical element. (10, 10a, 20, 20a, 20b, 20c) and an optical element sealing step for hermetically sealing the optical element housing (11, 11a, 21, 21a, 21b, 21c). It is characterized by.
また、 本発明の光学素子封止構造体(1、1a、2、2a、2b)を用いたレーザ点火装置(9、9a、9a、9b、9c)は、光学素子として、外部に設けた励起光源(80、80b)から導入した一又は複数の励起光(LSRPMP)を平行光とする一又は複数の励起光レンズ(50)と、該励起光レンズ(50)によってコリメートした励起光(LSRPMP)を共振増幅してエネルギ密度の高いパルス光(LSRPLS)を出射するQスイッチ式のレーザ共振器(40、40b)と、該共振器(40、40b)から出射したパルス光(LSRPLS)を拡張する一又は複数の拡張レンズ(30、30b)と、該拡張レンズ(30、30b)によって拡張したパルス光(LSRPLS)を内燃機関の燃焼室(CMB)内の一又は複数の所定位置(FP)に集光する一又は複数の集光レンズ(20、20b、20b)と、内燃機関の燃焼室(CMB)に望み、前記集光レンズ(20、20a、20b、20c)を保護する保護ガラス(10、10a)と、を具備し、これらの光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c、30、30b、40、40b、50、50b)の内、少なくとも、前記保護ガラス(10、10a)、前記集光レンズ(0、20a、20b、20c)を請求項1ないしい7のずれかに記載の光学素子封止構造体(1、1a、2、2a、2b、2c)として、筒状のハウジング(7)内に一体的に収容して、燃焼室(CMB)内に導入した混合気に高いエネルギ密度のパルス光(LSRPLS)を集光して混合気の点火を行う。
本発明のレーザ点火装置(9、9a、9a、9b、9c)では、前記光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c)とそれぞれの光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c)を収容する光学素子収容筐体(11、11a、21,21a、21b、21c)との間の間隙(GP)を低融点ガラスからなる封止ガラス(12、22、22b、22c)によって融着した請求項1ないし7のいずれかに記載の光学素子構造体(1、1a、2、2a、2b、2c)を用いることで、従来のような、ケーシングのカシメ等の形状結合による強い圧縮力を保護ガラス10に作用させなくても、光学素子の気密性を確保でき、ケーシングに残留する応力の影響を少なくして、冷熱ストレスが作用したときに保護ガラス10の割れが抑制されている。
また、高温環境で使用されても、従来のような材料結合に用いられる接着剤やロウ材等に含まれる樹脂など揮発成分や有機成分を含んでいないため、そのような材料によって、他の光学素子を汚染することもなく、信頼性に優れたレーザ点火装置(9、9a、9b、9c)を実現できる。
In addition, the laser ignition device (9, 9a, 9a, 9b, 9c) using the optical element sealing structure (1, 1a, 2, 2a, 2b) of the present invention has an excitation provided outside as an optical element. One or more excitation light lenses (50) that use one or more excitation light (LSR PMP ) introduced from the light source (80, 80b) as parallel light, and excitation light (LSR) collimated by the excitation light lens (50) PMP) and resonates amplified energy dense pulsed light (LSR PLS) Q-switched laser resonator for emitting (and 40,40b), pulsed light emitted from the resonator (40,40b) (LSR PLS ) and one or more expansion lenses extend (30, 30B), one also of the expansion lens (30, 30B) pulsed light expanded by (LSR PLS) of an internal combustion engine combustion chamber (CMB) One or a plurality of condensing lenses (20, 20b, 20b) for condensing light at a plurality of predetermined positions (FP) and the combustion chamber (CMB) of the internal combustion engine, the condensing lenses (20, 20a, 20b, 20c) A protective glass (10, 10a), and at least one of these optical elements (10, 10a, 20, 20a, 20b, 20c, 30, 30b, 40, 40b, 50, 50b) The optical element sealing structure (1, 1a, 2, 2a) according to any one of
In the laser ignition device (9, 9a, 9a, 9b, 9c) of the present invention, the optical element (10, 10a, 20, 20a, 20b, 20c) and the respective optical element (10, 10a, 20, 20a, 20b). , 20c) sealing glass (12, 22, 22b, 22c) made of low-melting glass with a gap (GP) between the optical element housing (11, 11a, 21, 21a, 21b, 21c). By using the optical element structure (1, 1a, 2, 2a, 2b, 2c) according to any one of
Even when used in high-temperature environments, it does not contain volatile components or organic components such as conventional adhesives used in material bonding and resins contained in brazing materials. The laser ignition device (9, 9a, 9b, 9c) having excellent reliability can be realized without contaminating the element.
図1Aを参照して、本発明の第1の実施形態における光学素子封止構造体1、2について説明する。本実施形態における光学素子封止構造体1、2は、燃焼室内CMBの1つの集光点FPにパルス光LSRPLSを集光して、燃焼室CMB内の混合気の点火を行うレーザ点火装置9に用いられるものである。
本実施形態においては、1つの光学素子10、20を、それぞれ1つの光学素子ホルダ11、21内に収容して光学素子封止構造体1、2を形成している。
With reference to FIG. 1A, the optical
In the present embodiment, the optical
まず、光学素子として、保護ガラス10を封止固定した保護ガラス封止構造体1について説明する。
保護ガラス封止構造体1は、保護ガラスホルダ11内に保護ガラス10を収容し、保護ガラスホルダ11と保護ガラス10との間隙を封止ガラス12によって気密に封止した構造となっている。
First, the protective
The protective
保護ガラス10には、石英、サファイア、ルビー、CaF2、BaF2、MgF2、LiF、YAG、ZnSe等の公知の耐熱性光学材料が用いられ、外周が円柱状に形成されている。
さらに保護ガラス10の入光面側表面、パルス光LSRPLSの反射を抑制する反射防止膜101が形成されている。
For the
Further, a light incident surface side surface of the
保護ガラスホルダ11は、鉄コバルトニッケル合金(コバール)、鉄ニッケル合金(42アロイ)等の保護ガラス10と熱膨張係数の近い金属が用いられ、両端が開口した筒状に形成されている。
保護ガラスホルダ11には、光学素子係止部として、保護ガラス10の一方の端面が当接する保護ガラス係止部110と、光学素子位置決め溝部として、保護ガラス10の外径と所定の間隙GP(0.01mm≦GP≦0.05mm)を設けた保護ガラス位置決め溝部111と、保護ガラス10の外周の一部又は全周を覆うように封止ガラス12を配設するための封止ガラス収容溝部111とが段溝状に穿設されている。
The
The
保護ガラスホルダ11の燃焼室側先端に延設して、巻き締め部113が形成されている。
巻き締め部113は、バックアップリング13を介して、保護ガラス10を弾性的に押圧している。
A winding tightening
The winding
封止ガラス12の厚さは、後述する加熱熔融工程において、ガラスの流れ方により変化し、一定とならないおそれがある。
そのため、バックアップリング13を巻締めしたときの封止ガラス12に作用する圧力にバラツキが生じ、巻き締め部113の形成時に封止ガラス12の破損を招くおそれがある。
The thickness of the sealing
Therefore, the pressure acting on the sealing
一方、保護ガラス10は、封止ガラス12によって、保護ガラスホルダ11に融着されているので、巻締め部113による押圧力を強く作用させる必要はない。
バックアップリング13は、封止ガラス12の接着強度が低下した場合に、保護ガラス10が燃焼室に落下するのを防止できれば良いので、保護ガラス10の抜け止めができる程度に保護ガラス10よりもわずかに内径を小さく形成し、封止ガラス12には、接しないか、接したとしても強い圧力が作用しないような形状とすることで、封止ガラス12の破損を防止している。
バックアップリング13は、保護ガラス10及び封止ガラス12と熱膨張係数の近い弾性金属材料(例えば、ステンレス鋼(NS−5)、鉄コバルトニッケル合金(コバール)、鉄ニッケル合金(42アロイ)等)が用いられ、環状に形成されている。
On the other hand, since the
Since the
The
封止ガラス12には、600℃以上の温度で熔融状態となる(即ち、600℃以下のガラス転移温度を有する)、ホウケイ酸塩ガラス(例えば、PBO−SiO2−B2O3、PBO−P2O5−SnF2等)、アルミノケイ酸塩ガラス(例えば、Li2O−Al2O3−SiO2、B2O3−Al2O3−SiO2等)から選択した低融点ガラスが用いられている。
封止ガラス12は、保護ガラス10の外周面と保護ガラスホルダ11の封止部材収容溝部112との間のみならず、保護ガラス位置決め溝部111内にも浸透し、保護ガラス10と保護ガラスホルダ11とを気密に接合している。
具体的な、封止ガラス12を介した保護ガラス10と保護ガラスホルダ11との接合方法については、図2A〜図2Dを参照して後述する。
The sealing
The sealing
A specific method for joining the
次いで、光学素子として集光レンズ20を封止固定した集光レンズ封止構造体2について説明する。
集光レンズ封止構造体2は、集光レンズホルダ21内に集光レンズ20を収容し、集光レンズホルダ21と集光レンズ20との間隙を封止ガラス22によって気密に封止した構造となっている。
Next, the condensing
The condenser
集光レンズ20には、ホウケイ酸塩ガラス等の耐熱ガラス、石英、サファイア、ルビー、CaF2、BaF2、MgF2、LiF、YAG、ZnSe等の公知の耐熱性光学材料が用いられ、外周が円柱状に形成されている。
集光レンズ20は、燃焼室内の所定の集光位置FPにパルス光LSRPLSが集光するよう、入射面と出射面の曲率が調整加工されている。
集光レンズ20の表面に、パルス光LSRPLSの反射を抑制する反射防止膜(ARコーティング)を施しても良い。
The
In the condensing
An antireflection film (AR coating) that suppresses the reflection of the pulsed light LSR PLS may be applied to the surface of the
集光レンズホルダ21は、ステンレス鋼(NS−5)、鉄コバルトニッケル合金(コバール)、鉄ニッケル合金(42アロイ)等の集光レンズ20と熱膨張係数の近い金属が用いられ、両端が開口した筒状に形成されている。
集光レンズホルダ21には、集光レンズ20の一方の端面が当接する集光レンズ係止部210と、集光レンズ20の外径と所定の間隙GP(0.01mm≦GP≦0.05mm)を設けて環溝状に穿設された集光レンズ位置決め溝部211と、集光レンズ20の外周の一部又は全周を覆うように封止ガラス22を配設するための封止ガラス収容溝部211が穿設されている。
さらに、集光レンズ位置決め溝部211の中心が、集光レンズ20の光軸と一致するように形成されている。
The condensing
The condensing
Further, the center of the condensing
封止ガラス22には、600℃以上の温度で熔融状態となる(即ち、600℃以下のガラス転移温度を有する。)、ホウケイ酸塩ガラス(例えば、PBO−SiO2−B2O3、PBO−P2O5−SnF2等)、アルミノケイ酸塩ガラス(例えば、Li2O−Al2O3−SiO2、B2O3−Al2O3−SiO2)等から選択した低融点ガラスが用いられている。 封止ガラス22は、集光レンズ20の外周面と集光レンズホルダ21の封止部材収容溝部212との間のみならず、集光レンズ位置決め溝部211と集光レンズ20の外周面との間の僅かな間隙内にも浸透し、集光レンズ20と集光レンズホルダ21とを気密に接合している。
具体的な、封止ガラス22を介した集光レンズ20と集光レンズホルダ21との接合方法については、図3A〜図3Dを参照して後述する。
The sealing
A specific method for joining the
保護ガラス封止構造体1と集光レンズ封止構造体2とは、レーザ点火装置9の筒状に形成したハウジング7の先端に配設され、保護ガラス封止構造体1とハウジング7の先端とが溶接部14によって溶接固定されている。
ハウジング7の先端側は、内筒70と外筒71との二重筒構造となっている。
The protective
The distal end side of the
集光レンズ封止構造体2の基端面が内筒70の先端に当接し、集光レンズ封止構造体2の燃焼室側の先端面と保護ガラス封止構造体1の基端面とが当接して、集光レンズ20の軸方向の位置を固定している。
ハウジング外筒71には、内燃機関のシリンダヘッドE/H等に固定するためのネジ部が形成され、ネジ締め固定される。
The proximal end surface of the condensing
The housing
本発明では、保護ガラスホルダ11、集光レンズホルダ21、ハウジング内筒70、ハウジング外筒71のいずれからも、保護ガラス10と集光レンズ20に対して軸方向の圧縮力が作用せず、光軸の歪みや、亀裂等を生じるおそれがない。
しかも、保護ガラス10、集光レンズ20とそれぞれを収容する保護ガラスホルダ11、集光レンズホルダ21との間に封止部材として、低融点ガラスからなる非晶質の封止ガラス12、22を介装しているため、封止ガラス12、22が、冷熱ストレスに晒されたときに、金属製のハウジング7や保護ガラスホルダ11、集光レンズホルダ21との熱膨張、収縮の差を吸収する緩衝部材としての作用を発揮することができる。
また、封止ガラス12、22が、保護ガラス10と保護ガラスホルダ11との隙間や集光レンズ20と集光レンズホルダ21との間隙に完全に浸透することによって、保護ガラス10から保護ガラスホルダ11、集光レンズ20から集光レンズホルダ21への放熱性が向上するため、保護ガラス11、集光レンズ20の温度を効果的に下げることができ、反射防止膜の劣化を防止できる。
In the present invention, the axial compressive force does not act on the
In addition,
Moreover, the sealing
さらに、光学素子が均一に冷却されるようになるため、冷熱ストレスも小さくなり、光学素子の耐久性の向上を図ることもできる。
加えて、集光レンズ20等の光学素子を収容する集光レンズホルダ21等の光学素子収容筐体は、金属製であるため、高い寸法精度での加工が容易で、集光レンズ20の集光点FPの調整の自由度が高い。
Furthermore, since the optical element is uniformly cooled, the thermal stress is reduced, and the durability of the optical element can be improved.
In addition, since the optical element housing case such as the condensing
次いで、図1Bを参照して、本発明の第1の実施形態における保護ガラス封止構造体1と集光レンズ封止構造体2とを用いたレーザ点火装置9の概要について説明する。
レーザ点火装置9は、励起光レンズ50、レーザ共振器4、パルス光拡張レンズ30、集光レンズ20、保護ガラス10が所定の位置に配設され、筒状のハウジング7内に一体的に収容固定され、外部に設けた励起光源80から光ファイバ60を介して励起光LSRPMPが導入されるようになっている。
Next, an overview of a
In the
ハウジング7の先端は、内燃機関のエンジンヘッドE/H又はシリンダ壁面等に固定され、保護ガラス10を介して燃焼室CMBに望んだ状態となっている。
レーザ点火装置9は、外部に設けた励起光源80から光ファイバ60を介して導入した励起光LSRPMPを励起光レンズ50によってコリメートし、レーザ共振器4に照射し、Qスイッチ式のレーザ共振器4によって共振増幅して、エネルギ密度の高いパルス光LSRPLSとして発振し、パルス光拡張レンズ30によって、一旦ビーム径を拡張した後、再び集光レンズ20によって、燃焼室CMB内の集光点FPに集光することで、パルス光LSRPLSのエネルギ密度を、さらに高めて、燃焼室CMB内の混合気の点火を行うものである。
エンジン制御装置ECU81は機関の運転状況に応じた点火時期に合わせて点火信号IGtを発信する。
The front end of the
The
The engine
励起光源80は、図略のドライバ及びレーザダイオード等からなる公知の励起光源が用いられ、ECU81から発信された点火信号IGtにしたがって、所定のタイミングで励起光LSRPMPを発生する。
光ファイバ60を介して伝送された励起光LSRPMPは、励起レンズ50によってコリメートされ、レーザ共振器4に照射される。
As the
The pumping light LSR PMP transmitted through the
励起光レンズ50には、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、サファイアガラス等から選択した公知の光学素子材料が用いられ、入射面と出射面とには、励起光LSRPMPの反射を抑制するARコーティングが施されている。
また、励起光レンズ50は、筒状の励起光レンズホルダ51内に収容され、封止ガラス52によって封止固着されている。
A known optical element material selected from optical glass, heat-resistant glass, quartz glass, sapphire glass, or the like is used for the
The
上記実施形態における光学素子封止構造体1、2と同様に、励起光レンズ50、レンズホルダ51、封止ガラス52によって励起光レンズ封止構造体5を構成している。
励起光レンズ封止構造体5は、その光軸が、集光レンズ封止構造体2の光軸と一致するように筒状の後筒72内の基端側に収容されている。
なお、励起光レンズ50は、レーザ点火装置9の基端側の比較的低温に保持された位置に設けられ、冷熱ストレスに晒されないため、レンズの上下に環状の弾性部材を介して筒状のホルダによって上下方向から挟み込むようにして保持する一般的な光学素子に用いられているような封止構造としても良い。
Similar to the optical
The excitation light
The
レーザ共振器4は、いわゆるQスイッチ式の共振器であり、Nd:YAG等の公知のレーザ媒質の一方の端面に励起光LRPMPの反射を抑制するARコーティングと、波長の短い励起光LSRPMPは透過し、波長の長い反射光は全反射する全反射鏡が施されている。
レーザ媒質の他方の端面には、Cr:YAG等からなる公知の部分反射鏡が配設され、レーザ媒質内の光が所定のQ値以下の場合には全反射し、Q値を超えた場合には透過する受動Qスイッチを構成している。
共振器4は、筒状のハウジング72の先端側に収容されている。
The laser resonator 4 is a so-called Q-switch type resonator, and an AR coating that suppresses reflection of the excitation light LR PMP on one end surface of a known laser medium such as Nd: YAG, and excitation light LSR PMP with a short wavelength. Is reflected, and a total reflection mirror that totally reflects long wavelength reflected light is provided.
A known partial reflecting mirror made of Cr: YAG or the like is disposed on the other end face of the laser medium. When the light in the laser medium is below a predetermined Q value, it is totally reflected and exceeds the Q value. A transparent Q switch is formed.
The resonator 4 is accommodated on the distal end side of the
共振器4から発振されたパルス光LSRPLSは、パルス光拡張レンズ30によって拡張される。
パルス光拡張レンズ30は、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、サファイアガラス等から選択した公知の光学素子材料が用いられ、入射面と出射面とには、励起光LSRPMPの反射を抑制するARコーティングが施されている。
さらに、パルス光拡張レンズには、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、サファイアガラス等から選択した公知の光学素子材料が用いられ、入射面と出射面とには、励起光LSRPMPの反射を抑制するARコーティングが施されている。
また、パルス光拡張レンズ30は、筒状のパルス光拡張レンズホルダ31内に収容され、封止ガラス32によって封止固着されている。
The pulsed light LSR PLS oscillated from the resonator 4 is expanded by the pulsed
The pulsed
Furthermore, a known optical element material selected from optical glass, heat-resistant glass, quartz glass, sapphire glass, and the like is used for the pulse light expansion lens, and reflection of excitation light LSR PMP is suppressed on the incident surface and the exit surface. AR coating is applied.
The pulsed
上記実施形態における光学素子封止構造体1、2と同様に、パルス光拡張レンズ30、レンズホルダ31、封止ガラス32によってパルス光拡張レンズ封止構造体3を構成している。
パルス光拡張レンズ封止構造体3は、その光軸が、共振器4から出射されたパルス光の光軸と一致し、かつ、共振器4の先端側の出光面からの距離が一定となるように筒状のハウジング内筒70の基端側に収容されている。
Similar to the optical
The optical axis of the pulsed light expansion
共振器4から出射したパルス光LSRPLSは、直進性に富んだ平行光となっており、パルス光拡張レンズ30によってビーム径が拡張される。
パルス光拡張レンズ封止構造体3と一定の距離を設けて、ハウジング内筒70の先端側に集光レンズ封止構造体2が収容されている。
パルス光拡張レンズ30によって一旦拡張されたビーム径を集光レンズ20によって再び集光することで、燃焼室CMB内の所定位置における集光点FPのエネルギ密度を高くして、燃焼室内に導入した混合気の点火を行う。
The pulsed light LSR PLS emitted from the resonator 4 is parallel light rich in straightness, and the beam diameter is expanded by the pulsed
The condensing
The beam diameter once expanded by the pulsed
保護ガラス10は、燃焼室CMBとの境界に配設され、集光レンズ20を通過したパルス光LSRPLSを燃焼室CMB内に導入するとともに、燃焼室CMB内の高温、高圧から、集光レンズ20を保護する。
本発明の保護ガラス封止構造体1によって、燃焼室CMB内の混合気等の化学成分がレーザ点火装置9の内部に侵入するのを確実に阻止することができる。
The
The protective
さらに、本発明の光学素子封止構造体1、2を用いたレーザ点火装置9は、図1Cに示すように、ハウジング外筒71の先端に溶接固定された保護ガラス封止構造体1以外を、容易に分解可能としても良い。
保護ガラス10の表面にデポジットが堆積した場合には、簡単に分解掃除をすることができる上に、長期の使用により、共振器4の劣化や、集光レンズ20、励起光拡張レンズ30等が破損した場合にも、極めて容易に交換可能となっている。
Further, the
When deposits are deposited on the surface of the
また、ハウジング7の内筒70、外筒71、後筒72を組み付けて、後各光学素子封止構造体2、3、5をハウジング7内に収容した場合、ネジ締めによる軸方向の圧縮力は、それぞれ、各光学素子収容筐体21、31、51が受けることになる。
このため、内筒70、外筒71、後筒72を締め付けても、直接的に各光学素子20、30、50に締め付け圧力が作用することはない。
Further, when the
For this reason, even if the
図2A、図2B、図2C、図2Dを参照して、本発明の要部である保護ガラス封止構造体1の具体的な製造方法について説明する。
封止ガラス成形体形成工程では、予め、封止ガラス12を構成する低融点ガラス粉末を所定のキャビティを形成した金型内に充填し、圧縮することにより、筒状の封止ガラス成形体12MLDを成形しておく。
With reference to FIG. 2A, FIG. 2B, FIG. 2C, and FIG. 2D, the specific manufacturing method of the protective
In the sealing glass molded body forming step, a low melting point glass powder constituting the sealing
図2Aに示す、光学素子配設工程では、所定の外径形状に精度良く加工した保護ガラス10と、保護ガラス係止部110、保護ガラス位置決め溝部111、封止部材収容溝部112を形成した筒状の保護ガラスホルダ11と、封止ガラス成形体12MLDを配設する。
保護ガラス係止部110の係止部形成幅W110は、封止工程中に保護ガラス10が保護ガラスホルダ11から抜けない程度であれば良く、具体的には、焦点部分における集光強度を燃焼室内部でブレークダウン可能な値である3×1012W/cm2を維持出来るように例えば、0.2mm以下とするのが望ましい。
なお、レーザの特性(出力、レーザ品質、波長、パルス幅)および集光レンズ20の特性(収差、焦点距離)によって、適宜変更可能である。
In the optical element disposing step shown in FIG. 2A, the
The locking portion forming width W 110 of the protective
It can be changed as appropriate depending on the characteristics of the laser (output, laser quality, wavelength, pulse width) and the characteristics (aberration, focal length) of the
保護ガラス位置決め溝部111の溝部形成深さT111は、保護ガラス10を保護ガラスホルダ11の中心に保持できれば、特に深さを限定するものではなく、例えば、0.5mm以上あれば良い。 保護ガラス位置決め溝部111と保護ガラス10の外径との間には0.01mm以上0.05mm以下のクリアランスGPが設けてある。
The depth T 111 of the protective
図2Bに示す、光学素子封止工程では、保護ガラス10と封止ガラス成形体12MLDを配設した保護ガラスホルダ11を600℃以上に加熱し、封止ガラス成形体12MLDを熔融する。
熔融状態となった封止ガラス12は、毛管現象により、保護ガラス10の外周表面と保護ガラス位置決め溝部111との間隙GPにも浸透する。
In the optical element sealing step shown in FIG. 2B, the
The sealing
一旦熔融状態となった封止ガラス12が冷却固化することにより、保護ガラス10と保護ガラスホルダ11とが完全に接合された状態となる。
なお、保護ガラスホルダ11に用いるコバール等の金属材料は、650℃以上に加熱すると、酸化被膜を形成し、この被膜が封止ガラス12と溶け合うことで、一相、封着性を高くできる。
When the sealing
Note that the metal material such as Kovar used for the
次いで、図2Cに示す、巻き締め工程では、保護ガラス10が封止固定された保護ガラスホルダ11内に、コバール等の保護ガラスの熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する金属製のバックアップリング13を配設し、巻き締め部113を巻き締め加工して、バックアップリング13を弾性的に押圧固定する。
このとき、巻き締め部113をバックアップリング13の内側から外側に向かう方向のの押圧力を巻き締め部113を屈曲させる起点に作用させ、その位置を支点として、巻き締め部113を内径方向に巻き込むように屈曲させることにより、保護ガラス10に対して軸方向の圧縮力ができるだけ作用させないようにすることができる。
巻き締め部113の押圧力は、バックアップリング13を介して、保護ガラス10の先願側表面の一部に作用するが、気密性は封止ガラス12によって確保されており、保護ガラス10の脱落防止ができればよいので、強い押圧力は必要としておらず、保護ガラスの10が圧縮により破損することはない。
しかも、封止ガラス12の内径よりも内側でバックアップリング13と保護ガラス10とが当接するので、バックアップリング13の弾性的な押圧力が封止ガラス12に作用せず、封止ガラス12の割れを招くこともない。
以上の工程を経て、図2Dに示すような、保護ガラス封止構造体1が完成する。
Next, in the winding and tightening step shown in FIG. 2C, a
At this time, the tightening
The pressing force of the tightening
Moreover, since the
Through the above steps, a protective
図3A、図3B、図3C、図3Dを参照して、集光レンズ封止構造体2の製造方法について説明する。
基本的には、保護ガラス封止構造体1の製造方法と同様である。
With reference to FIG. 3A, FIG. 3B, FIG. 3C, and FIG. 3D, the manufacturing method of the condensing
Basically, it is the same as the manufacturing method of the protective
本実施形態においては、予め、封止ガラスの粉末を筒状に形成した封止ガラス成形体22MLDを用意し、図3Aに示す光学素子配設工程では、集光レンズ20と封止ガラス成形体22MLDとを所定の集光レンズ位置決め溝部211、封止ガラス収容溝部212を形成した集光レンズホルダ21内に配設する。
図3Bに示す封止ガラス加熱融着工程では、封止ガラス成形体22MLDを加熱熔融して、封止ガラス22を介して、集光レンズ20と集光レンズホルダ21との接合を図る。
In the present embodiment, a sealing glass molded body 22MLD in which sealing glass powder is formed in a cylindrical shape is prepared in advance, and in the optical element disposing step shown in FIG. 3A, the
In the sealing glass heating and fusing step shown in FIG. 3B, the sealing glass molded body 22MLD is heated and melted, and the
以上により、図3C、図3Dに示すように、集光レンズ20の外周を全周に亘って覆うように封止ガラス22が充填されて集光レンズホルダ21に封止固定された集光レンズ封止構造体2が完成する。
集光レンズ係止部210の係止部形成幅W210、集光レンズ位置決め溝部211の溝部形成深さT211及び、クリアランスGPの大きさは、保護ガラスホルダ11の場合と同様である。
As described above, as shown in FIGS. 3C and 3D, the condensing lens filled with the sealing
The size of the locking portion forming width W 210 of the condensing lens locking portion 210 , the groove portion forming depth T 211 of the condensing lens
保護ガラス封止構造体1によって、燃焼室CMBとの分離がなされているので、ハウジング7の内側に、燃焼室CMB内の気体が侵入することがなく、また、燃焼室CMB内の熱も保護ガラス封止構造体1によってある程度遮断されているため、集光レンズ封止構造体2には、保護ガラス封止構造体1ほどの気密性、及び耐熱性が必要とされない。
このため、集光レンズ封止構造体2にバックアップリングを巻き締めする必要はない。
Since it is separated from the combustion chamber CMB by the protective
For this reason, it is not necessary to wind the backup ring around the condensing
また、必ずしも封止ガラス22を集光レンズ20の外周の全周に亘って配設する必要はなく、図3Eに示す集光レンズ封止構造体2aのように、集光レンズ20の外周の複数箇所に封止ガラス22aを配設して封止固定するようにしても良い。
この場合には、封止ガラス成形体22aMLDをペレット状に形成し、集光レンズホルダ21aに複数設けた封止ガラス収容溝部に載置することになる。
封止ガラス22aが、集光レンズ20の外周の全周に亘って設けられていなくても、封止ガラス成形体22aMLDを加熱溶融したときに、集光レンズ20の外周と集光レンズホルダ21aとの間隙に毛管作用によって十分浸透させることができる。
なお、封止ガラス成形体22MLD、22aMLDの形状は、特に限定するものではなく、封止ガラス収容溝部212の形状に合わせて、角柱状、多角柱状、円柱状、円筒状、扇柱状、半円柱状等適宜変更可能である。
Further, it is not always necessary to dispose the sealing
In this case, the sealing glass molded body 22aMLD is formed in a pellet shape and placed in a plurality of sealing glass accommodation grooves provided in the
Even if the sealing
In addition, the shape of the sealing glass moldings 22MLD and 22aMLD is not particularly limited. According to the shape of the sealing
次いで、図4Aに示すように、ハウジング7の先端側から、集光レンズ封止構造体2、保護ガラス封止構造体1を収容する。
このとき、内筒70の先端面702と、外筒71に設けた保護ガラス封止構造体収容溝部712との距離を集光レンズ封止構造体2が丁度収まる高さとする。
このような状態で集光レンズ封止構造体2を収容し、保護ガラス封止構造体1を固定することで、集光レンズ封止構造体2に軸方向の圧縮力が作用せず、位置ズレも生じることなく固定することができる。
Next, as shown in FIG. 4A, the condenser
At this time, the distance between the
In such a state, the condensing
さらに、図4Bに示すように、ハウジング外筒70の先端部713と保護ガラス封止構造体1の外周とをレーザ溶接等の溶接手段を用いて、溶接部14を先端部713の全周に亘って形成し、ハウジング外筒71と保護ガラス封止構造体1とを一体化する。
なお、拡張レンズ封止構造体3、レーザ共振器4、励起光レンズ封止構造体5は、図1Cに示した分解図の順に適宜ハウジング7内に収容する。
以上により、本発明の光学素子封止構造体1、2を用いたレーザ点火装置9が完成する。
Further, as shown in FIG. 4B, the welded
The extended
Thus, the
ここで、本発明の効果を確認するために本発明者等が行った試験結果について説明する。
評価試料として、上述の製造方法に従って用意した本発明の保護ガラス封止構造体1と集光レンズ封止構造体2とをハウジング7内に収容固定した実施例1と、従来の保護ガラスをハウジングの先端に加締め固定した比較例1とを用意し、耐圧性の評価と耐熱性の評価を行った。
耐圧性の評価方法は、燃焼室を模した圧力容器を用意し、各試料の保護ガラスを設けたハウジングの先端が圧力室内に露出するように取り付け、圧力室内の圧力を0から30MPaに変化させる試験を106回繰り返して行った。
Here, the test results conducted by the present inventors in order to confirm the effects of the present invention will be described.
As an evaluation sample, the protective
In the pressure resistance evaluation method, a pressure vessel simulating a combustion chamber is prepared, attached so that the tip of the housing provided with the protective glass of each sample is exposed in the pressure chamber, and the pressure in the pressure chamber is changed from 0 to 30 MPa. The test was repeated 10 6 times.
耐熱衝撃性の評価方法は、500度に加熱した錫浴槽に試料を浸漬し、その後の変化の有無を観察して評価した。
その結果、本発明の実施例1では、耐圧性評価試験後も、耐熱衝撃性評価試験後も全く変化が見られなかった。
The thermal shock resistance evaluation method was evaluated by immersing the sample in a tin bath heated to 500 ° C. and observing the subsequent change.
As a result, in Example 1 of the present invention, no change was observed after the pressure resistance evaluation test and after the thermal shock resistance evaluation test.
一方、比較例1では、耐圧評価試験後、保護ガラスに緩みが生じ、ハウジング内への圧力気体の漏れが発生した。
また、比較例1では、耐熱衝撃性試験の結果、保護ガラスにクラックを生じるものがあった。
比較例1では、試料数5個中1個に欠陥が生じたが、実施例1では、全く欠陥が生じなかった。
On the other hand, in Comparative Example 1, the protective glass was loosened after the pressure resistance evaluation test, and pressure gas leaked into the housing.
Moreover, in the comparative example 1, as a result of the thermal shock resistance test, there were some which caused cracks in the protective glass.
In Comparative Example 1, a defect occurred in 1 out of 5 samples, but in Example 1, no defect occurred at all.
図5を参照して、第1の実施形態における保護ガラス封止構造体の変形例1a、集光レンズ封止構造体の変形例2a、ハウジング外筒の変形例71a、並びに、これらを採用したレーザ点火装置の変形例9aについて説明する。
上記実施形態においては、光学素子位置決め溝部111、211の溝部高さT111、T211を、0.5mm程度とした例を示したが、特に上限を限定するものではなく、本図に示すように、溝部高さT111、T211を、光学素子10、20の厚みの半分以上とし、封止ガラス12a、22aの厚みを薄くしても良い。
With reference to FIG. 5, the modified example 1a of the protective glass sealing structure in the first embodiment, the modified example 2a of the condensing lens sealing structure, the modified example 71a of the housing outer cylinder, and these were adopted. A
In the above embodiment, the example in which the groove heights T 111 and T 211 of the optical element positioning grooves 111 and 211 are set to about 0.5 mm is shown. However, the upper limit is not particularly limited, and as shown in FIG. In addition, the groove heights T 111 and T 211 may be set to be half or more of the thickness of the
このような構成であっても、封止ガラス12a、22aを加熱熔融したときに、光学素子10a、20と各ホルダ11a、21aとの間隙にも十分に浸透させれば上記実施形態と同様の効果を発揮できる。 また、上記実施形態では、図1Aに示したように、保護ガラス10の表面と、封止ガラス12の表面とが、ほぼ面一となるような構成としたが、本変形例のように、保護ガラス10aの表面が、巻き締め部113aと面一、又は、巻き締め部113aよりも燃焼室CMB側へ突出するように肉厚に形成しても良い。
本実施形態では、巻締め部113aがバックアップリング13aを、外径方向に押圧するように巻締めすることによって、製造工程中において保護ガラス10aに対して加圧力が作用したり、保護ガラスホルダ11aの熱膨張による圧力が作用したりし難くなっている。
Even if it is such a structure, when sealing
In the present embodiment, the winding
このような構成とすることにより、上記の効果に加え、保護ガラス10a表面と巻き締め部113との間に燃焼室内で発生した気流の淀み部が形成されることがないので、デポジットの形成も抑制できる。 さらに、ハウジング外筒71aでは、エンジンヘッドE/Hに固定するためのネジ部711aが、集光レンズ封止構造体2aの基端位置よりもさらに基端側までしか形成されていない。
このため、ハウジング外筒71aをエンジンヘッドE/Hにネジ締め固定したときの軸方向に作用するネジ締め圧力が集光レンズ封止構造体2a及び保護ガラス封止構造体1aには全く作用しない。
このため、上記実施形態と同様の効果に加え、残留応力の影響による光軸のズレなども抑制することができる。
By adopting such a configuration, in addition to the above effects, no stagnation part of the airflow generated in the combustion chamber is formed between the surface of the
For this reason, the screw tightening pressure acting in the axial direction when the housing
For this reason, in addition to the effect similar to the said embodiment, the shift | offset | difference of the optical axis by the influence of residual stress, etc. can be suppressed.
図6A、図6B、図7A、図7B、図7C参照して、本発明の第2の実施形態における光学封止構造体2b、及び、レーザ点火装置9bについて説明する。
上記実施形態においては、パルス光LSRPLSを燃焼室CMB内の1箇所に集光するための、光学封止構造体1、2、及び、レーザ点火装置9とその変形例1a、2a、9aについて説明したが、本実施形態においては、燃焼室CMB内の複数箇所に集光点FPを形成するように構成した点が相違する。
With reference to FIG. 6A, FIG. 6B, FIG. 7A, FIG. 7B, and FIG. 7C, the
In the above-described embodiment, the
なお、本実施形態においては、レーザ点火相違9bとして、燃焼室CMB内の3箇所に集光点FPを形成する例を示したが、本発明においては、集光点FPの数は任意に設定可能である。
本発明に用いられる各光学素子は、外周形状が単純な円柱状に形成されているため、各光学素子の数に合わせて、ホルダに係止部、位置決め溝部、封止ガラス収容溝部を穿設し、光学素子、封止ガラス成形体を収容し、加熱熔融して封止固定すれば良いので、光学素子の増減が簡単である。
In the present embodiment, as an example of the
Since each optical element used in the present invention is formed in a cylindrical shape with a simple outer peripheral shape, the holder is provided with a locking portion, a positioning groove portion, and a sealing glass accommodating groove portion according to the number of each optical element. In addition, since the optical element and the sealed glass molded body can be accommodated, melted by heating, and sealed and fixed, the number of optical elements can be easily increased or decreased.
図6A、図6Bに示すように、本実施形態においては、複数の集光レンズ20bを、集光レンズホルダ21bに収容し、それぞれの集光レンズ20bを封止ガラス22bで封止固定するようにしている。
本実施形態においては、複数の集光レンズ20bの外周形状を単純な円柱状に形成しているので、複数の集光点を具備する一体の集光レンズを形成する場合に比べ遙かに加工が容易である。
As shown in FIGS. 6A and 6B, in this embodiment, a plurality of
In the present embodiment, since the outer peripheral shape of the plurality of condensing
本実施形態においても、上記実施形態と同様、集光レンズ20bの一方の端面の一定範囲が、集光レンズホルダ21bに設けた集光レンズ係止部210b、集光レンズ位置決め溝部21bに係止、保持されるので、精度良く集光レンズ20bを集光レンズホルダ21b内の所定の位置に固定できる。
さらに、集光レンズホルダ21bには、ノックピン24を挿入するための位置決め孔213が穿設されている。
Also in this embodiment, as in the above embodiment, a certain range of one end surface of the
Further, a
図7Aに示すように、集光レンズ封止構造体2bをハウジング外筒71内に収容する際に、ノックピン24を集光レンズホルダ21bの位置決め孔213とハウジング内筒70bに設けた位置決め孔703とに挿入することによって、集光レンズホルダ21bに保持された複数の集光レンズ20bのそれぞれの光軸中心C/Lをレーザ共振器4から出射されるパルス光LSRPLのそれぞれの光軸中心C/Lに簡単に一致させることができる。
なお、複数のパルス光拡張レンズ30b、収容した拡張レンズ封止構造体3b、複数の励起光レンズ50bを収容固定した励起光レンズ封止構造体5bも、図7Cに示すように、それぞれ、ノックピン34、54を用いて、集光レンズ封止構造体2bと同様の位置決め方法によって、それぞれの光軸中心C/Lが一致するように設けられている。
As shown in FIG. 7A, when the condensing
As shown in FIG. 7C, each of the plurality of pulsed light expansion lenses 30b, the accommodated expansion lens sealing structure 3b, and the excitation light
また、上記実施形態においては、一つのレーザ共振器4に複数の励起光LSRPMPが入射され、それぞれの中心軸上の位置において、パルス光LSRPLSが出光される例を示したが、図7Cに示すように、それぞれの励起光LSRPPLSに対して複数のレーザ共振器40bをそれぞれ独立して設けても良い。
この際、レーザ共振器40bを他の光学素子と同様に外形を円柱状に形成し、レーザ共振器係止部とレーザ共振器位置決め溝部と封止ガラス収容溝部とを複数箇所に設けたレーザ共振器ホルダ41b内に収容し、低融点ガラスからなる封止ガラス42bを介して封止固定したレーザ共振器封止構造体4bを形成した上で、ハウジング72内に収容し、ノックピン44を用いて、他の光学素子封止構造体と同様に、各レーザ共振器40bの光軸中心C/Lを一致させるようにしても良い。
In the above embodiment, an example in which a plurality of pumping light LSR PMPs are incident on one laser resonator 4 and the pulsed light LSR PLS is emitted at the respective positions on the central axis is shown in FIG. As shown in FIG. 5, a plurality of
At this time, the
本実施形態によれば、図7Bに示すように、同時に複数箇所の集光点FPにエネルギ密度の高いパルス光LSRPLSを集光させ、さらに安定した着火を実現できる。
なお、図7Cに示すように、本実施形態においては、励起光源80bから複数の励起光LSRPMPを出光して、複数の光ファイバ60bを介してレーザ点火装置9b内に導入している。
According to the present embodiment, as shown in FIG. 7B, the pulsed light LSR PLS having a high energy density can be condensed at a plurality of condensing points FP at the same time, and further stable ignition can be realized.
As shown in FIG. 7C, in the present embodiment, a plurality of excitation lights LSR PMP are emitted from the excitation light source 80b and introduced into the
図8A、図8Bを参照して、本発明の第2の実施形態における光学素子封止構造体の変形例2cについて説明する。
上記実施形態2cにおいては、集光レンズ20cの外周を覆うように、環状に形成した封止ガラス成形体22MLDを配設し、これを加熱熔融して、封止ガラス22c、210cを形成した例を示したが、本実施形態においては、複数の光学素子20cの間に、ペレット状に形成した封止ガラス成形体22MLDを配置し、これを加熱熔融するようにした点が相違する。
With reference to FIG. 8A and FIG. 8B, the
In the
本実施形態のように、封止ガラス成形体22MLDを集光レンズ20cの全周に亘って覆うように配置しなくても、封止ガラス22が熔融されたときに、毛管現象により、集光レンズ20cと集光レンズホルダ21cとの間隙GPに流れ込んで、集光レンズ20cと集光レンズホルダ21cとを気密に封止することができる。
Even if the sealing glass molded body 22MLD is not arranged so as to cover the entire circumference of the condensing
図9A、図9B、図9Cを参照して、集光レンズ封止構造体の他の変形例2dについて説明する。
本実施形態においては、図9Aに示すように、封止ガラス配設溝部212dを複数箇所に穿設してある。
With reference to FIG. 9A, FIG. 9B, and FIG. 9C, another modified example 2d of the condensing lens sealing structure will be described.
In the present embodiment, as shown in FIG. 9A, sealing
さらに、図9Aの左半部及び図9Bに示すように、異なる大きさの三角柱状に形成した封止ガラス成形体22MLDdを配置し、図9Aの右半部及び図9Cに示すように、封止ガラス成形体22MLDdを加熱熔融する。
封止ガラス成形体22MLDdが熔融されると、集光レンズ20dの周囲を覆うように、封止ガラス配設溝部212d内に濡れ広がって、一体的に集光レンズ20dを集光レンズホルダ21d内に固定することができる。
Furthermore, as shown in the left half of FIG. 9A and FIG. 9B, sealing glass molded bodies 22MLDd formed in triangular prism shapes of different sizes are arranged, and as shown in the right half of FIG. 9A and FIG. The glass stop 22MLDd is heated and melted.
When the sealing glass molding 22MLDd is melted, it spreads in the sealing
本実施形態に示すように、封止ガラス成形体MLDdを三角柱状のペレットに成形することで、成形が容易となる上に、複数の集光レンズ20dの間に配設する作業の自動化も容易となる。
なお、本実施形態においては、配置の容易さ、加熱熔融したときの濡れ広がり安さ等を考慮して、封止ガラス成形体22MLDdを、封止ガラス配設溝部212dの深さと同程度の高さの三角柱状に形成した例を示したが、封止ガラス成形体22MLDdの大きさや形状は、適宜変更可能である。
As shown in the present embodiment, molding the sealing glass molded body MLDd into triangular prism-shaped pellets facilitates the molding, and also facilitates the automation of the work that is disposed between the plurality of
In the present embodiment, considering the ease of arrangement, ease of spreading when heated and melted, the sealing glass molded body 22MLDd is as high as the depth of the sealing
1 保護ガラス封止構造体(光学素子封止構造体)
10 保護ガラス(光学素子)
11 保護ガラスホルダ(光学素子収容筐体)110 保護ガラス係止部(光学素子係止部)
111 保護ガラス位置決め溝部(光学素子位置決め溝部)
112 封止ガラス収容溝部
113 巻締め部
12 封止ガラス
13 バックアップリング
14 レーザ溶接部
2 集光レンズ封止構造体(光学素子封止構造体)
20 集光レンズ(光学素子)
21 集光レンズホルダ(光学素子収容筐体)
22 封止ガラス
3 拡張レンズ封止構造体(光学素子封止構造体)
30 拡張レンズ(光学素子)
31 拡張レンズホルダ(光学素子収容筐体)
32 封止ガラス
4 共振器(Qスイッチ)
5 励起光レンズ封止構造体(光学素子封止構造体)
50 励起光レンズ(光学素子)
51 励起光レンズホルダ(光学素子収容筐体)
52 封止ガラス
60 光ファイバ
7 ハウジング
70 内筒
701 パルス光通過孔
71 外筒
711 外筒ネジ部
72 後筒
73 冷却筒
80 励起光源(LD)
81 点火制御装置(ECU)
GP 素子収容部間隙
LSRPMP 励起光
LSRPLS パルス光
FP 集光点
1 Protective glass sealing structure (optical element sealing structure)
10 Protective glass (optical element)
11 Protective Glass Holder (Optical Element Housing) 110 Protective Glass Locking Section (Optical Element Locking Section)
111 Protective glass positioning groove (optical element positioning groove)
112 sealing
20 Condensing lens (optical element)
21 Condensing lens holder (optical element housing)
22
30 Expansion lens (optical element)
31 Extended lens holder (optical element housing)
32 Sealing glass 4 Resonator (Q switch)
5 Excitation light lens sealing structure (optical element sealing structure)
50 Excitation light lens (optical element)
51 Excitation light lens holder (optical element housing)
52
81 Ignition control unit (ECU)
GP element housing gap LSR PMP excitation light LSR PLS pulse light FP Focusing point
Claims (10)
前記光学素子収容筐体(11、11a、21、22a、22b、22c)が、
前記光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c)の一方の端面が当接する光学素子係止部(110、210)と、
前記光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c)の外周に対して所定の間隙(GP)を設けて穿設せしめた光学素子位置決め溝部(111、111a、211、211a、211b、211c)と、
前記光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c)の外周の一部又は全周を覆うように封止ガラス(12、12a、22、22a、22b、22c)を配設すべく、穿設せしめた封止ガラス収容溝部(112、112a、212、212a、212b、212c)と、を具備し、
前記封止ガラス(12、12a、22、22a、22b、22c)が600℃以下のガラス転移温度を有する低融点ガラスからなり、
前記封止ガラス(12、12a、22、22a、22b、22c)の融着により前記光学素子(10、10、20、20a、20b、20c)と前記光学素子収容筐体(11、11a、21、22a、22b、22c)とを気密に封止せしめたことを特徴とする光学素子封止構造体(1、1a、2、2a、2b、2c) One or a plurality of optical elements (10, 10a, 20, 20a, 20b, 20c) are accommodated inside the optical element housing (11, 11a, 21, 21a, 21b, 21c) and sealed. A stop structure,
The optical element housing (11, 11a, 21, 22a, 22b, 22c)
An optical element locking portion (110, 210) with which one end face of the optical element (10, 10a, 20, 20a, 20b, 20c) abuts,
Optical element positioning groove portions (111, 111a, 211, 211a, 211b, 211c) formed by providing a predetermined gap (GP) with respect to the outer periphery of the optical elements (10, 10a, 20, 20a, 20b, 20c) )When,
In order to dispose sealing glass (12, 12a, 22, 22a, 22b, 22c) so as to cover a part or the entire periphery of the outer periphery of the optical element (10, 10a, 20, 20a, 20b, 20c), A sealed glass housing groove (112, 112a, 212, 212a, 212b, 212c) that has been drilled;
The sealing glass (12, 12a, 22, 22a, 22b, 22c) is made of a low melting point glass having a glass transition temperature of 600 ° C. or less,
By sealing the sealing glass (12, 12a, 22, 22a, 22b, 22c), the optical element (10, 10, 20, 20a, 20b, 20c) and the optical element housing case (11, 11a, 21). , 22a, 22b, 22c) are hermetically sealed (1, 1a, 2, 2a, 2b, 2c)
該巻き締め部(113)と前記封止ガラス(12)との間に、
前記封止ガラス(12)を構成する低融点ガラスと熱膨張係数の近い、ステンレス鋼(NS−5)、鉄コバルトニッケル合金(コバール)、鉄ニッケル合金(42アロイ)のいずれかから選択した弾性金属材料からなり、環状に形成したバックアップリング(13)を設け、前記巻き締め部(113)を、該バックアップリング(13)に巻き付けるように締めつけて、前記保護ガラス(10)の脱落を防止せしめた請求項5に記載の光学素子封止構造体(1、1a、1b、1c) The protective glass sealing structure (1, 1a), wherein the protective glass holder (11, 11a) includes a tightening portion (113) extending to the combustion chamber side,
Between the tightening portion (113) and the sealing glass (12),
Elasticity selected from stainless steel (NS-5), iron-cobalt-nickel alloy (Kovar), or iron-nickel alloy (42 alloy), which has a thermal expansion coefficient close to that of the low-melting glass constituting the sealing glass (12) An annular backup ring (13) made of a metal material is provided, and the tightening portion (113) is tightened so as to be wound around the backup ring (13) to prevent the protective glass (10) from falling off. The optical element sealing structure (1, 1a, 1b, 1c) according to claim 5
少なくとも、
ガラス転移温度が600℃以下の低融点ガラス粉末を押し固めて封止ガラス成形体(12MLD、22MLD)を形成する封止ガラス成形体形成工程と、
光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c)の一方の端面が当接する光学素子係止部(110、210)と、前記光学素子(10、10、20、20a、20b、20c)の外周に対して所定の間隙(GP)を設けた光学素子位置決め溝部(111、111a、211、211a、211b、211c)と、前記光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c)の外周の一部又は全周を覆うように封止ガラス収容溝部(112、112a、212、212a、212b、212c)と、を設けた光学素子収容筐体(11、11a、21、21a、21b、21c)と、前記封止ガラス成形体(12MLD、22MLD)と、を順に配設する光学素子配設工程と、
前記封止ガラス収容溝部(112、112a、212、212a、212b、212c)に配設した封止ガラス成形体(12MLD、22MLD)を600℃以上の温度で加熱熔融して、前記光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c)と前記光学素子収容筐体(11、11a、21、21a、21b、21c)とを気密に封止する光学素子封止工程とを具備することを特徴とする光学素子封止構造体の製造方法 A method for producing an optical element sealing structure (1, 1a, 2, 2a, 2b) according to any one of claims 1 to 7,
at least,
A sealing glass molded body forming step of forming a sealed glass molded body (12 MLD, 22 MLD) by pressing and hardening a low melting glass powder having a glass transition temperature of 600 ° C. or lower;
An optical element locking portion (110, 210) with which one end face of the optical element (10, 10a, 20, 20a, 20b, 20c) contacts, and the optical element (10, 10, 20, 20a, 20b, 20c) Of the optical element positioning grooves (111, 111a, 211, 211a, 211b, 211c) provided with a predetermined gap (GP) with respect to the outer periphery of the optical element (10, 10a, 20, 20a, 20b, 20c) Optical element housing cases (11, 11a, 21, 21a, 21b) provided with sealing glass housing grooves (112, 112a, 212, 212a, 212b, 212c) so as to cover a part or the entire circumference of the outer periphery. 21c) and the sealing glass molded body (12MLD, 22MLD), an optical element disposing step of disposing in order,
The sealing glass molded body (12MLD, 22MLD) disposed in the sealing glass housing groove (112, 112a, 212, 212a, 212b, 212c) is heated and melted at a temperature of 600 ° C. or higher to obtain the optical element (10 10a, 20, 20a, 20b, 20c) and an optical element sealing step for hermetically sealing the optical element housing (11, 11a, 21, 21a, 21b, 21c). Method for manufacturing optical element sealing structure
外部に設けた励起光源(80、80b)から導入した一又は複数の励起光(LSRPMP)を平行光とする一又は複数の励起光レンズ(50)と、
該励起光レンズ(50)によってコリメートした励起光(LSRPMP)を共振増幅してエネルギ密度の高いパルス光(LSRPLS)を出射するQスイッチ式のレーザ共振器(40、40b)と、
該共振器(40、40b)から出射したパルス光(LSRPLS)を拡張する一又は複数の拡張レンズ(30、30b)と、
該拡張レンズ(30、30b)によって拡張したパルス光(LSRPLS)を内燃機関の燃焼室(CMB)内の一又は複数の所定位置(FP)に集光する一又は複数の集光レンズ(20、20b、20b)と、
内燃機関の燃焼室(CMB)に望み、前記集光レンズ(20、20a、20b、20c)を保護する保護ガラス(10、10a)と、を具備し
これらの光学素子(10、10a、20、20a、20b、20c、30、30b、40、40b、50、50b)の内、
少なくとも、前記保護ガラス(10、10a)、前記集光レンズ(0、20a、20b、20c)を請求項1ないしい7のずれかに記載の光学素子封止構造体(1、1a、2、2a、2b、2c)として、筒状のハウジング(7)内に一体的に収容して、
燃焼室(CMB)内に導入した混合気に高いエネルギ密度のパルス光(LSRPLS)を集光して混合気の点火を行うレーザ点火装置(9、9a、9b、9c) As an optical element,
One or a plurality of excitation light lenses (50) that use one or a plurality of excitation light (LSR PMP ) introduced from an excitation light source (80, 80b) provided outside as parallel light;
A Q-switch type laser resonator (40, 40b) for resonantly amplifying the excitation light (LSR PMP ) collimated by the excitation light lens (50) and emitting pulsed light (LSR PLS ) having a high energy density;
One or a plurality of expansion lenses (30, 30b) for expanding the pulsed light (LSR PLS ) emitted from the resonator (40, 40b);
One or a plurality of condensing lenses (20) for condensing the pulsed light (LSR PLS ) expanded by the expansion lenses (30, 30b) at one or a plurality of predetermined positions (FP) in the combustion chamber (CMB) of the internal combustion engine. 20b, 20b),
And a protective glass (10, 10a) for protecting the condenser lens (20, 20a, 20b, 20c), which is desired in the combustion chamber (CMB) of the internal combustion engine, and these optical elements (10, 10a, 20, 20a, 20b, 20c, 30, 30b, 40, 40b, 50, 50b)
At least the protective glass (10, 10a) and the condenser lens (0, 20a, 20b, 20c) are the optical element sealing structures (1, 1a, 2, 2a, 2b, 2c) as a single unit in a cylindrical housing (7),
Laser ignition devices (9, 9a, 9b, 9c) for condensing the air-fuel mixture by focusing pulsed light (LSR PLS ) with high energy density on the air-fuel mixture introduced into the combustion chamber (CMB)
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