JP2018124469A - 外筒レンズ及びレーザー点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度上昇に伴い外筒に加わる力を緩和させることができ、破損し難い、外筒レンズを提供する。【解決手段】レンズ２と、レンズ２を内側に保持しているホルダ３とを備え、ホルダ３が、レンズ２側とは反対側の面である外壁面３ｂを有し、外壁面３ｂに、少なくとも１つの切欠き部４が設けられており、外壁面３ｂの周りに設けられている外筒５をさらに備えることを特徴としている。【選択図】図２

Description

本発明は、外筒の内側にレンズが配置された、外筒レンズ及び該外筒レンズを有するレーザー点火装置に関するものである。

自動車等の内燃機関のレーザー点火装置に、外筒レンズが用いられている。下記の特許文献１には、外筒レンズを有するレーザー点火装置の一例が記載されている。特許文献１の外筒レンズにおいては、レンズの外周面の周りにホルダが設けられており、ホルダの外周面の周りに外筒が設けられている。内燃機関の混合気体中に高エネルギー密度のレーザー光を、外筒レンズによって集光することにより、火炎核を発生させることができる。

特開２０１３−０９６３９２号公報

特許文献１に記載された外筒レンズのホルダは、内燃機関の稼働に伴う温度上昇によって熱膨張する。このとき、ホルダの熱膨張により、ホルダから外筒に大きい力が加わり、外筒に割れが生じることがあった。

本発明の目的は、温度上昇に伴い外筒に加わる力を緩和させることができ、破損し難い、外筒レンズを提供することにある。

また、本発明の目的は、温度上昇に伴い外筒に加わる力を緩和させることができ、外筒レンズが破損し難い、レーザー点火装置を提供することにある。

本発明に係る外筒レンズは、レンズと、レンズを内側に保持しているホルダとを備え、ホルダが、レンズ側とは反対側の面である外壁面を有し、外壁面に、少なくとも１つの切欠き部が設けられており、外壁面の周りに設けられている外筒をさらに備えることを特徴としている。

本発明においては、ホルダが、外壁面に接続されている第１の端面及び第２の端面を有し、少なくとも１つの切欠き部が、第１の端面及び第２の端面に至っていることが好ましい。

本発明においては、ホルダが、外壁面に接続されている第１の端面及び第２の端面を有し、ホルダに、第１の端面から第２の端面に貫通している貫通孔が設けられていてもよい。

本発明においては、ホルダの外壁面において、切欠き部が設けられている部分の面積が、外壁面全体の面積の１％以上、５０％以下であることが好ましい。

また、本発明に係る外筒レンズは、レンズと、レンズを内側に保持しているホルダと、ホルダが、レンズ側とは反対側の面である外壁面を有し、外壁面の周りに設けられている外筒をさらに備え、レンズと外筒の間の断面積をＳ、ホルダの断面積をＳｈとしたとき、Ｓｈ／Ｓが０．９９５以下であることを特徴としている。

また、本発明に係るレーザー点火装置は、レーザー光源と、上記外筒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、温度上昇に伴い外筒に加わる力を緩和させることができ、破損し難い、外筒レンズを提供することができる。

また、本発明によれば、温度上昇に伴い外筒に加わる力を緩和させることができ、外筒レンズが破損し難い、レーザー点火装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態の外筒レンズを示す平面図である。 図１中のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。 本発明の第２の実施形態の外筒レンズを示す平面図である。 本発明の第３の実施形態の外筒レンズを示す平面図である。 本発明の第４の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。 比較例の外筒レンズを示す平面図である。

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。

（外筒レンズ）
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の外筒レンズを示す平面図である。図２は、図１中のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。図１及び図２に示すように、本実施形態の外筒レンズ１は、レーザー点火装置等に使用できる。図１に示すように、外筒レンズ１は、レンズ２と、レンズ２を内側に保持しているホルダ３とを備える。より具体的には、レンズ２は側面２ａを有する。ホルダ３は、略円筒状の形状を有し、かつ内壁面３ａを有する。ホルダ３の内壁面３ａがレンズ２の側面２ａに当接されている。それによって、ホルダ３はレンズ２を保持している。

本実施形態では、レンズ２は凸レンズであるが、レンズ２は凹レンズであってもよい。

ホルダ３は、レンズ２側とは反対側の面である外壁面３ｂを有する。本実施形態では、外壁面３ｂには、１つの切欠き部４が設けられている。なお、切欠き部４は、複数設けられていてもよい。

図２に示すように、ホルダ３は、外壁面３ｂに接続されている第１の端面３ｄ及び第２の端面３ｅを有する。切欠き部４は、第１の端面３ｄ及び第２の端面３ｅに至っている。なお、切欠き部４は、第１の端面３ｄ及び第２の端面３ｅのうち一方に至っていてもよく、あるいは、第１の端面３ｄ及び第２の端面３ｅのいずれにも至っていなくともよい。

外筒レンズ１は、ホルダ３の外壁面３ｂの周りに設けられている外筒５を備える。外筒５は、ホルダ３側の面である内壁面５ａを有する。ホルダ３の切欠き部４が設けられている部分において、ホルダ３の外壁面３ｂと外筒５の内壁面５ａとの間に空隙部Ａが設けられている。

レンズ２はガラスからなる。レンズ２に用いられるガラスの組成は、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ（ＲはＭｇ、Ｃａ、ＳｒまたはＢａ）系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｒ’_２Ｏ（Ｒ’はＬｉ、ＮａまたはＫ）系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ−Ｒ’_２Ｏ（Ｒ’はＬｉ、ＮａまたはＫ）系ガラス、ＳｎＯ−Ｐ_２Ｏ_５系ガラス、ＴｅＯ_２系ガラスまたはＢｉ_２Ｏ_３系ガラス等である。なお、レンズ２に用いられるガラスの組成は上記に限定されない。

ホルダ３は、例えば、ＳＵＳ材料からなる。ホルダ３に用いられるＳＵＳ材料としては、例えば、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３０Ｆ、ＳＦ−２０Ｆ、ＳＦ−２０Ｔ等を挙げることができる。なお、ホルダ３は、ＳＵＳ材料以外の金属材料からなっていてもよい。外筒５は、例えば、適宜の金属材料などからなる。本実施形態では、外筒５の熱膨張係数はホルダ３の熱膨張係数より小さい。

本実施形態の特徴は、ホルダ３の外筒５側の面である外壁面３ｂに切欠き部４が設けられていることにある。それによって、温度上昇に伴い外筒５に加わる力を緩和することができ、外筒レンズ１が破損し難い。これを本実施形態と比較例とを比較することにより、以下において説明する。

図６は、比較例の外筒レンズを示す平面図である。比較例の外筒レンズ１０１においては、ホルダ１０３の外壁面３ｂに切欠き部は設けられていない。例えば、外筒レンズ１０１をレーザー点火装置に用いた場合、点火された際に、外筒レンズ１０１の温度が上昇する。このとき、外筒レンズ１０１の各部材は熱膨張する。ホルダ１０３の熱膨張係数は外筒５の熱膨張係数より大きい。そのため、ホルダ１０３の外壁面３ｂは外筒５の内壁面５ａを押圧する。このように、温度上昇に伴いホルダ１０３から外筒５に力が加わることにより、外筒５に割れが生じることがある。

これに対して、図１に示す本実施形態では、ホルダ３の外壁面３ｂに切欠き部４が設けられており、ホルダ３の外壁面３ｂと外筒５の内壁面５ａとの間に空隙部Ａが設けられている。そのため、温度上昇に際し、ホルダ３は外筒５側に膨張するだけでなく、周方向に、空隙部Ａ側に向かっても膨張する。これにより、温度上昇に伴い、ホルダ３から外筒５に加わる力を緩和させることができる。従って、外筒レンズ１は破損し難い。

本実施形態のように、切欠き部４は、第１の端面３ｄ及び第２の端面３ｅに至っていることが好ましい。それによって、切欠き部４を第１の端面３ｄと第２の端面３ｅとを結ぶ方向における全体に位置させることができる。よって、外筒５に加わる力を効果的に緩和させることができる。

本実施形態では、切欠き部４は、切欠き部４が設けられていない場合のホルダ３の外壁面３ｂの接線と平行な方向に、外壁面３ｂを切り欠くように設けられている。なお、切欠き部４の形状は上記に限定されない。例えば、切欠き部４は、第１の端面３ｄ側から見たときに、Ｖ字状やＵ字状等の形状であってもよい。あるいは、切欠き部４は、外壁面３ｂに沿ってらせん状に設けられていてもよい。

ホルダ３の外壁面３ｂにおいて、切欠き部４が設けられている部分の面積は、外壁面３ｂ全体の面積の１％以上であることが好ましく、３％以上であることがより好ましく、５％以上であることがさらに好ましく、７％以上であることが最も好ましい。それによって、外筒５に加わる力をより一層緩和させることができる。なお、外壁面３ｂ全体の面積に対する切欠き部４が設けられている部分の面積の割合が小さくなりすぎると、温度上昇に伴い外筒５に加わる力を十分に緩和する効果が得られないことがある。また、切欠き部４が設けられている部分の面積は、外壁面３ｂ全体の面積の５０％以下であることが好ましく、４７％以下であることがより好ましく、４４％以下であることがより好ましく、４１％以下であることがさらに好ましい。それによって、ホルダ３が破損し難い。なお、外壁面３ｂ全体の面積に対する切欠き部４が設けられている部分の面積の割合が大きくなりすぎると、ホルダ３が強度不足となりやすく、破損することがある。

なお、ここで、図２に示す第１の端面３ｄと第２の端面３ｅとを結ぶ方向に沿う長さを、外筒レンズ１における各部分の高さとする。外壁面３ｂにおいて切欠き部４が設けられている部分の、外壁面３ｂの周方向に沿う長さを、該部分の幅とする。外壁面３ｂにおいて切欠き部４が設けられている部分の面積をＳ１、切欠き部４の高さをＺ１、切欠き部４の幅をＷとし、外壁面３ｂ全体の面積Ｓ２、ホルダの高さをＺ２、ホルダ３の外径をＬとする。このとき、外壁面３ｂにおいて切欠き部４が設けられている部分の面積Ｓ１の、外壁面３ｂ全体の面積Ｓ２に対する割合Ｓ１／Ｓ２は、例えば、以下のように求めることができる。

Ｓ１／Ｓ２＝（Ｗ×Ｚ１）／（Ｌ×π×Ｚ２）

また、本実施形態は、レンズ２と外筒５の間の断面積をＳ、ホルダ３の断面積をＳｈとしたとき、Ｓｈ／Ｓが０．９９５以下であることを特徴としている。なお、ここで、レンズ２と外筒５の間の断面積Ｓは、例えば、図１に示す方向から見た断面（図２に示すII―II線に沿って切断した断面を平面視したときの断面）において、レンズ２の側面２ａと外筒５の内壁面５ａにより囲まれる領域を指す。従って、切欠き部４や、後述する図４に示すような貫通孔２８の部分を含む断面積である。また、ホルダの断面積Ｓｈは、例えば、図１に示す方向から見た断面（図２に示すII―II線に沿って切断した断面を平面視したときの断面）において、レンズ２の側面２ａと外筒５の内壁面５ａにより囲まれた部分から切欠き部４や、後述する図４に示すような貫通孔２８の部分を除いた面積を表す。

Ｓｈ／Ｓを０．９９５以下にすることで、上述と同様に、温度上昇に伴い外筒５に加わる力を緩和することができ、外筒レンズ１が破損し難くなる。Ｓｈ／Ｓの好ましい範囲は０．９９以下であり、より好ましくは０．９８５以下である。なお、Ｓｈ／Ｓが大きくなりすぎると、温度上昇に伴い外筒５に加わる力を十分に緩和する効果が得られなくなる。また、Ｓｈ／Ｓは０．８以上であることが好ましく、０．８５以上であることがより好ましく、０．９以上であることがさらに好ましい。それによって、ホルダ３が破損し難い。なお、Ｓｈ／Ｓが小さくなりすぎると、ホルダ３が強度不足となりやすく、破損することがある。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る外筒レンズを示す平面図である。外筒レンズ１１は、ホルダ３が切欠き部４を複数有する点で、第１の実施形態と異なる。上記の点以外においては、外筒レンズ１１は、第１の実施形態の外筒レンズ１と同様の構成を有する。

より具体的には、本実施形態では、ホルダ３の外壁面３ｂには、４つの切欠き部４が設けられている。４つの切欠き部４は、ホルダ３の周方向において等間隔に配置されている。

ホルダ３から外筒５に加わる力を緩和させる効果は、切欠き部４付近において特に大きい。本実施形態では、ホルダ３が複数の切欠き部４を有する。しかも、複数の切欠き部４は、上記のように、ホルダ３の周方向において等間隔に配置されている。よって、温度上昇に伴い外筒５に加わる力をより一層緩和させることができ、外筒レンズ１１はより一層破損し難い。

（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係る外筒レンズを示す平面図である。外筒レンズ２１は、ホルダ３に、第１の端面３ｄから第２の端面３ｅに貫通している貫通孔２８が設けられている点で、第１の実施形態と異なる。上記の点以外においては、外筒レンズ２１は第１の実施形態の外筒レンズ１と同様の構成を有する。

外筒レンズ２１は、切欠き部４に加えて貫通孔２８を有するため、温度上昇に伴い、外筒５に加わる力を効果的に緩和させることができる。従って、外筒レンズ２１は破損し難い。

（レーザー点火装置）
（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の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。レーザー点火装置３０は、レーザー光源３６と、外筒レンズ１とを備える。

外筒レンズ１の外筒５内には、レンズ２と対向するように、窓部材３７が配置されている。窓部材３７は、外筒５の端部付近の内壁面５ａに当接している。なお、窓部材３７の配置は上記に限定されない。窓部材３７は、レンズ２よりも、後述するレーザー光がレンズ２から出射される側に配置されていればよい。窓部材３７は、例えば、サファイアや石英ガラスなどの、耐熱性及び透明性が高い材料からなる。

レーザー光源３６は、レンズ２の窓部材３７側とは反対側に配置されている。レーザー光源３６から矢印Ｂで示す方向にレーザー光が出射される。レーザー光はレンズ２を通り、次に、窓部材３７を通り、レーザー点火装置３０から出射される。レーザー光はレンズ２により集光され、それによって、点火が行われる。

本実施形態のように、レーザー点火装置３０は、耐熱性がレンズ２以上である窓部材３７を有することが好ましい。それによって、点火した際の熱から、外筒レンズ１を保護することができる。

本実施形態のレーザー点火装置３０は、第１の実施形態の外筒レンズ１を備える。よって、レーザー点火装置３０により点火を行った際の温度上昇に伴い外筒５に加わる力を緩和させることができ、外筒レンズ１は破損し難い。

１…外筒レンズ
２…レンズ
２ａ…側面
３…ホルダ
３ａ…内壁面
３ｂ…外壁面
３ｄ，３ｅ…第１，第２の端面
４…切欠き部
５…外筒
１１，２１…外筒レンズ
２８…貫通孔
３０…レーザー点火装置
３６…レーザー光源
３７…窓部材
１０１…外筒レンズ
１０３…ホルダ

Claims (6)

1. レンズと、
   前記レンズを内側に保持しているホルダとを備え、
   前記ホルダが、前記レンズ側とは反対側の面である外壁面を有し、
   前記外壁面に、少なくとも１つの切欠き部が設けられており、
   前記外壁面の周りに設けられている外筒をさらに備える、外筒レンズ。
2. 前記ホルダが、前記外壁面に接続されている第１の端面及び第２の端面を有し、
   少なくとも１つの前記切欠き部が、前記第１の端面及び前記第２の端面に至っている、請求項１に記載の外筒レンズ。
3. 前記ホルダが、前記外壁面に接続されている第１の端面及び第２の端面を有し、
   前記ホルダに、前記第１の端面から前記第２の端面に貫通している貫通孔が設けられている、請求項１または２に記載の外筒レンズ。
4. 前記ホルダの前記外壁面において、前記切欠き部が設けられている部分の面積が、前記外壁面全体の面積の１％以上、５０％以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の外筒レンズ。
5. レンズと、
   前記レンズを内側に保持しているホルダと、
   前記ホルダが、前記レンズ側とは反対側の面である外壁面を有し、
   前記外壁面の周りに設けられている外筒をさらに備え、
   前記レンズと前記外筒の間の断面積をＳ、ホルダの断面積をＳｈとしたとき、Ｓｈ／Ｓが０．９９５以下である、外筒レンズ。
6. レーザー光源と、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の外筒レンズとを備える、レーザー点火装置。

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