JP2018119449A

JP2018119449A - 外筒付き光学レンズ及びレーザー点火装置

Info

Publication number: JP2018119449A
Application number: JP2017010895A
Authority: JP
Inventors: 充富田; Mitsuru Tomita
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2017-01-25
Filing date: 2017-01-25
Publication date: 2018-08-02

Abstract

【課題】レーザー点火装置に用いたときに、レーザー光の位置ずれが生じ難い、外筒付き光学レンズを提供する。
【解決手段】レーザー点火装置に用いられる外筒付き光学レンズ１であって、外筒２と、外筒２内に配置されている光学レンズ３とを備え、光学レンズ３が、レーザー光の入射側に設けられており、凹レンズからなる、第１のレンズ部４と、レーザー光の出射側に設けられており、凸レンズからなる、第２のレンズ部５とを有し、第１のレンズ部４と前記第２のレンズ部５とが、一体的に構成されていることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、外筒と、外筒内に配置されている光学レンズとを備える、外筒付き光学レンズ及び該外筒付き光学レンズを用いたレーザー点火装置に関する。

従来、内燃機関などのレーザー点火装置には、光学レンズが用いられている。光学レンズは、通常、外筒内に配置されている。このような光学レンズは、レーザー点火装置において、レーザー光の拡張や集光をする目的で使用されている。

下記の特許文献１，２には、凹レンズからなる拡張光学素子と、凸レンズからなる集光光学素子とを備える、レーザー点火装置が開示されている。特許文献１，２では、励起用光源から発せられたレーザー光を、拡張光学素子によって拡張した後、集光光学素子によって、集光点に集光している。集光点は、混合気体が充填された燃焼室内の所定の位置に配置されている。特許文献１，２では、この燃焼室内に配置された集光点に、上記レーザー光を集光させることにより、エネルギー密度の高いプラズマ火炎核を発生させて、内燃機関の点火が行なわれている。

特許第５８９２８０４号公報特許第５８７３６８９号公報

しかしながら、特許文献１，２のレーザー点火装置では、レーザー光の位置ずれ（光軸のずれ）が生じる場合があった。そのため、所望の位置（集光点）にレーザー光を安定して集光することができず、点火を安定的に行なえない場合があった。

本発明の目的は、レーザー点火装置に用いたときに、レーザー光の位置ずれが生じ難い、外筒付き光学レンズ及び該外筒付き光学レンズを用いたレーザー点火装置を提供することにある。

本発明に係る外筒付き光学レンズは、レーザー点火装置に用いられる外筒付き光学レンズであって、外筒と、前記外筒内に配置されている光学レンズと、を備え、前記光学レンズが、レーザー光の入射側に設けられており、凹レンズからなる、第１のレンズ部と、レーザー光の出射側に設けられており、凸レンズからなる、第２のレンズ部と、を有し、前記第１のレンズ部と前記第２のレンズ部とが、一体的に構成されていることを特徴としている。

本発明に係る外筒付き光学レンズは、前記第１のレンズ部の径が、前記第２のレンズ部の径より小さいことが好ましい。

本発明に係る外筒付き光学レンズは、前記光学レンズにおけるＦｅ_２Ｏ_３の含有量が、質量％で、１００ｐｐｍ以下であることが好ましい。

本発明に係る外筒付き光学レンズは、前記光学レンズにおけるＣｒ_２Ｏ_３の含有量が、質量％で、１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。

本発明に係るレーザー点火装置は、レーザー光源と、本発明に従って構成される外筒付き光学レンズと、を備えることを特徴としている。

本発明によれば、レーザー点火装置に用いたときに、レーザー光の位置ずれが生じ難い、外筒付き光学レンズを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る外筒付き光学レンズを示す模式的断面図である。図２は、本発明の一実施形態に係るレーザー点火装置を示す模式的断面図である。図３は、比較例のレーザー点火装置を示す模式的断面図である。

以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。

（外筒付き光学レンズ）
図１は、本発明の一実施形態に係る外筒付き光学レンズを示す模式的断面図である。図１に示す、外筒付き光学レンズ１は、レーザー点火装置に用いられる外筒付き光学レンズである。外筒付き光学レンズ１は、外筒２と、光学レンズ３とを備える。外筒２内に、光学レンズ３が配置されている。

外筒２は、略円筒状である。外筒２は、内壁面２ａを有する。また、外筒２の材料としては、特に限定されず、例えば、ＳＵＳが挙げられる。ＳＵＳとしては、例えば、フェライト系のＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３０Ｆ、ＳＦ−２０Ｆ、又はＳＦ−２０Ｔ等を挙げることができる。なお、外筒２の材料としては、ＳＵＳ以外の他の金属材料を用いてもよい。

光学レンズ３は、略円柱状である。光学レンズ３は、第１の端面３ａ，第２の端面３ｂ及び側面３ｃを有する。第１の端面３ａと第２の端面３ｂとは、互いに対向し合っている。側面３ｃは、第１の端面３ａと第２の端面３ｂとを結んでいる。なお、第１の端面３ａは、レーザー光の入射側の端面である。第２の端面３ｂは、レーザー光の出射側の端面である。本実施形態では、第１の端面３ａと第２の端面３ｂとを結ぶ方向が光軸方向である。また、外筒付き光学レンズ１では、光学レンズ３の側面３ｃが、外筒２の内壁面２ａに接している。

光学レンズ３は、第１のレンズ部４及び第２のレンズ部５を有する。第１のレンズ部４は、第１の端面３ａ側に設けられている。従って、第１のレンズ部４は、レーザー光の入射側のレンズ部分である。一方、第２のレンズ部５は、第２の端面３ｂ側に設けられており、レーザー光の出射側のレンズ部分である。

第１のレンズ部４は、第１の端面３ａから第２の端面３ｂ側に向かって凹となる凹レンズである。従って、第１のレンズ部４は、レーザー光を拡張するためのレンズ部分である。一方、第２のレンズ部５は、第１の端面３ａから第２の端面３ｂ側に向かって凸となる凸レンズであり、レーザー光を集光するためのレンズ部分である。外筒付き光学レンズ１では、第１のレンズ部４に入射したレーザー光が、第１のレンズ部４において拡張される。そして、第１のレンズ部４において拡張されたレーザー光は、第２のレンズ部５により集光点に集光される。

また、本実施形態では、第１のレンズ部４と第２のレンズ部５とが一体的に構成されている。そのため、後述のレーザー点火装置の欄で説明するように、レーザー光の位置ずれが生じ難い。外筒付き光学レンズ１では、このように、レーザー光の位置ずれ（光軸のずれ）が生じ難いので、所望の位置（集光点）にレーザー光を安定して集光することができる。そのため、レーザー点火装置に用いたときに、点火を安定的に行なうことができる。

なお、第１のレンズ部４と第２のレンズ部５とが一体的に構成されている光学レンズ３は、例えば、凸部及び凹部の双方を有する成形型を用いて、光学レンズ３の母材となる基材を成形することにより得ることができる。

また、光学レンズ３の材料は、特に限定されないが、ガラスにより構成されていることが好ましい。ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ（ＲはＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、又はＢａ）系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｒ’_２Ｏ（Ｒ’は、Ｌｉ、Ｎａ、又はＫａ）系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ−Ｒ’_２Ｏ（ＲはＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、又はＢａであり、Ｒ’は、Ｌｉ、Ｎａ、又はＫａである。）系ガラス、ＳｎＯ−Ｐ_２Ｏ_５系ガラス、ＴｅＯ_２系ガラス、又はＢｉ_２Ｏ_３系ガラス等を用いることができる。

なお、ガラスにおけるＦｅ_２Ｏ_３の含有量は、質量％で、１００ｐｐｍ以下であることが好ましく、より好ましくは８０ｐｐｍ以下であり、さらに好ましくは６０ｐｐｍ以下であり、特に好ましくは３０ｐｐｍ以下であり、最も好ましくは２０ｐｐｍ以下である。この場合、光学レンズ３におけるレーザー光の吸収をより一層小さくすることができ、レーザー光の吸収による発熱をより一層低減できるとともに、集光点におけるレーザー光の集光強度をより一層高めることができる。一方、Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量の下限は、１ｐｐｍ以上であることが好ましく、より好ましくは２ｐｐｍ以上であり、さらに好ましくは４ｐｐｍ以上であり、最も好ましくは５ｐｐｍ以上である。Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量が少なすぎると、使用する原料が高額になりコストアップの原因となる場合がある。

また、ガラスにおけるＣｒ_２Ｏ_３の含有量は、質量％で、１０ｐｐｍ以下であることが好ましく、より好ましくは８ｐｐｍ以下であり、さらに好ましくは６ｐｐｍ以下であり、特に好ましくは３ｐｐｍ以下であり、最も好ましくは１ｐｐｍ以下である。この場合も、光学レンズ３におけるレーザー光の吸収をより一層小さくすることができ、レーザー光の吸収による発熱をより一層低減できるとともに、集光点におけるレーザー光の集光強度をより一層高めることができる。一方、Ｃｒ_２Ｏ_３の含有量の下限は、０．０５ｐｐｍ以上であることが好ましく、より好ましくは０．１ｐｐｍ以上であり、さらに好ましくは０．２ｐｐｍ以上であり、最も好ましくは０．３ｐｐｍ以上である。Ｃｒ_２Ｏ_３の含有量が少なすぎると、使用する原料が高額になりコストアップの原因となる場合がある。

このようなガラスとしては、例えば、表１〜４に記載のガラスを用いることができる。

なお、表１〜４の各試料（ガラス）は次のようにして調製した。まず、表１〜４に示す組成になるようにガラス原料を調合し、白金ルツボを用いて１３００℃で２時間溶融した。溶融後、融液をカーボン板上に流しだし、アニール後、各測定に適した試料を作製した。得られた試料について、屈折率（ｎｄ）、アッベ数（νｄ）を測定した。

また、本実施形態において、第１のレンズ部４の径は、第２のレンズ部５の径より小さいことが好ましい。この場合、第１のレンズ部４で拡張されたレーザー光を、第２のレンズ部５によって、より一層効率よく集光点に集光させることができる。

（レーザー点火装置）
図２は、本発明の一実施形態に係るレーザー点火装置を示す模式的断面図である。図２に示す、レーザー点火装置２１は、例えば、内燃機関などのレーザー点火装置として用いることができる。レーザー点火装置２１は、レーザー光源２２、外筒付き光学レンズ１、及び保護部材２３を備える。レーザー点火装置２１においては、光学レンズ３と同様に保護部材２３も外筒２内に配置されている。保護部材２３は、光学レンズ３を熱などから保護するために設けられている。従って、保護部材２３は、光学レンズ３よりも集光点２４側に設けられている。保護部材２３の材料としては、光学レンズ３を熱などから保護することができる限りにおいて、特に限定されないが、例えば、サファイアや石英、Ｖｙｃｏｒ（登録商標）などを用いることができる。

図２に示すように、レーザー光源２２から発せられたレーザー光２５は、外筒付き光学レンズ１及び保護部材２３を通って、集光点２４に集光される。それによって、レーザー点火装置２１において、点火が行なわれる。なお、外筒付き光学レンズ１では、上述したように、第１のレンズ部４に入射したレーザー光が、第１のレンズ部４において拡張される。そして、第１のレンズ部４において拡張されたレーザー光は、第２のレンズ部５によって集光点２４に集光される。

レーザー点火装置２１は、第１のレンズ部４と第２のレンズ部５とが一体的に構成されている上記の外筒付き光学レンズ１を備えているので、レーザー光２５の位置ずれが生じ難い。また、レーザー点火装置２１では、レーザー光２５の位置ずれが生じ難いので、所望の位置（集光点２４）にレーザー光２５を安定して集光することができる。そのため、点火を安定的に行なうことができる。レーザー点火装置２１において、レーザー光２５の位置ずれが生じ難い理由については、以下に示す比較例と対比することによって説明することができる。

図３は、比較例のレーザー点火装置を示す模式的断面図である。図３に示すように、比較例のレーザー点火装置１０１では、第１のレンズ部１０４と、第２のレンズ部１０５とが別々に設けられている。第１のレンズ部１０４は、第１の端面３ａから第２の端面３ｂ側に向かって凹となる、レーザー光拡張用の凹レンズである。他方、第２のレンズ部１０５は、第１の端面３ａから第２の端面３ｂ側に向かって凸となる、レーザー光集光用の凸レンズである。

このように、比較例のレーザー点火装置１０１では、第１のレンズ部１０４と、第２のレンズ部１０５とが別々に設けられているので、第１のレンズ部１０４と第２のレンズ部１０５との間において位置ずれや角度ずれが生じることがある。例えば、第１のレンズ部１０４に対して第２のレンズ部分１０５が、光軸方向Ｘに沿う方向にずれたり、光軸方向Ｘに直交する方向Ｙに沿う方向にずれたりすることがある。また、第１のレンズ部１０４の対面３ｄと第２のレンズ部１０５の対面３ｅそれぞれの界面において角度ずれが生じることがある。特に、外筒２内においては、外筒２の内壁面２ａと、第１のレンズ部１０４及び第２のレンズ部１０５の側面との間に隙間が存在することがあるので、このような位置ずれが生じやすい。

また、上記のような位置ずれが生じた場合、レーザー光２５の位置ずれ（光軸のずれ）も生じることとなるので、集光点２４におけるレーザー光２５の強度が弱くなったり、不安定になったりすることがある。そのため、比較例のレーザー点火装置１０１では、点火を安定的に行なうことができない。

これに対して、本実施形態のレーザー点火装置２１における光学レンズ３においては、第１のレンズ部４と、第２のレンズ部５とが一体的に構成されているので、第１のレンズ部４と第２のレンズ部５との位置ずれが生じ難い。例えば、第１のレンズ部４に対して第２のレンズ部５が、光軸方向Ｘに沿う方向にずれたり、光軸方向Ｘに直交する方向Ｙに沿う方向にずれたりすることがない。そのため、レーザー光２５の位置ずれ（光軸のずれ）が生じ難く、集光点２４におけるレーザー光２５の強度が弱くなり難く、しかも不安定になり難い。従って、本実施形態のレーザー点火装置２１では、点火を安定的に行なうことができる。

１…外筒付き光学レンズ
２…外筒
２ａ…内壁面
３…光学レンズ
３ａ，３ｂ…第１，第２の端面
３ｃ…側面
４，５…第１，第２のレンズ部
２１…レーザー点火装置
２２…レーザー光源
２３…保護部材
２４…集光点
２５…レーザー光

Claims

レーザー点火装置に用いられる外筒付き光学レンズであって、
外筒と、
前記外筒内に配置されている光学レンズと、
を備え、
前記光学レンズが、
レーザー光の入射側に設けられており、凹レンズからなる、第１のレンズ部と、
レーザー光の出射側に設けられており、凸レンズからなる、第２のレンズ部と、
を有し、
前記第１のレンズ部と前記第２のレンズ部とが、一体的に構成されている、外筒付き光学レンズ。
前記第１のレンズ部の径が、前記第２のレンズ部の径より小さい、請求項１に記載の外筒付き光学レンズ。
前記光学レンズにおけるＦｅ_２Ｏ_３の含有量が、質量％で、１００ｐｐｍ以下である、請求項１又は２に記載の外筒付き光学レンズ。
前記光学レンズにおけるＣｒ_２Ｏ_３の含有量が、質量％で、１０ｐｐｍ以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の外筒付き光学レンズ。
レーザー光源と、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の外筒付き光学レンズと、
を備える、レーザー点火装置。