JP2020148106A - 光学装置、内燃機関及び内燃機関の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学装置の光学素子が汚染される不都合を防止しつつエンジンへの取り付けを可能とし、良好な燃焼特性を維持可能とする。【解決手段】光源と、光源からの光が通過する一つ以上の光学素子と、一つ以上の光学素子を収容するハウジングと、ハウジングに接続され、光、電気および熱の少なくとも１つを伝送する伝送部材とを備え、伝送部材を回動可能にハウジングに接続する。【選択図】図３

Description

本発明は、光学装置、内燃機関及び内燃機関の製造方法に関する。

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を行うレーザ点火装置が知られている。このレーザ点火装置は、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ーを集中させて放出するパルスレーザとして発振させる。また、このパルスレーザを、集光レンズ等の光学素子を用いて、混合気中に集光し、エネルギー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。

このようなレーザ点火装置に関する特許文献としては、例えば特許文献１（特開２０１３−９６３９２号公報）に、励起光源から光ファイバを介して励起光を伝送し、レーザ共振器からエネルギー密度の高いパルス光を発振させ、該パルス光を内燃機関の燃焼室の内側に集光させ、燃焼室の内側にエネルギー密度の高い火炎核を発生させて混合気の点火を行うレーザ点火装置が開示されている。このレーザ点火装置では、光ファイバが、袋ナット部により光ファイバ接続部材に螺結されている。

しかし、特許文献１に開示されているレーザ点火装置には、レーザ点火装置のエンジンへの取り付けに関して検討の余地がある。ここで、一般的な点火プラグは、シリンダヘッドのねじ穴に螺結して装着される。レーザ点火装置においても同様の装着方法を採用することが好ましいが、レーザ点火装置において、光ファイバや電線、冷却管等の部材がハウジングに完全に固定されていると、レーザ点火装置のシリンダヘッドへの装着が困難であった。また、光ファイバや電線、冷却管等の部材とハウジングとの接続状態は重要であり、部材とハウジングとの接続状態が不適切であると、レーザ点火装置における光学素子が汚染されることが懸念される。つまり、レーザ点火装置における光学素子の汚染を防止しつつレーザ点火装置のエンジンへの取り付けを行うという観点で課題がある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、光学素子の汚染を防止しつつエンジンへの取り付けが可能な光学装置、内燃機関及び内燃機関の製造方法の提供を目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、光源と、光源からの光が通過する一つ以上の光学素子と、一つ以上の光学素子を収容するハウジングと、ハウジングに接続され、光、電気および熱の少なくとも１つを伝送する伝送部材とを備え、伝送部材は、ハウジングに対して回動可能に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、光学装置の光学素子が汚染される不都合を防止しつつエンジンへの取り付けを行うことができるという効果を奏する。その結果、良好な燃焼特性を維持できるという効果を奏する。

図１は、第１の実施の形態の内燃機関の主要部の模式図である。 図２は、第１の実施の形態の内燃機関に設けられているレーザ装置を光軸に沿って切断した状態の断面図である。 図３は、第１の実施の形態の内燃機関に設けられているレーザ装置における光ファイバの接続部の断面図である。 図４は、第２の実施の形態の内燃機関に設けられているレーザ装置を光軸に沿って切断した状態の断面図である。 図５は、第２の実施の形態の内燃機関に設けられているレーザ装置における光ファイバの接続部の断面図である。 図６は、第３の実施の形態の内燃機関に設けられているレーザ装置を光軸に沿って切断した状態の断面図である。 図７は、第３の実施の形態の内燃機関に設けられているレーザ装置における光ファイバの接続部の断面図である。

以下、添付図面を参照して、実施の形態の内燃機関の説明をする。

（第１の実施の形態）
（内燃機関の構成及び動作）
図１は、実施の形態の内燃機関の要部の模式図である。この図１に示すように、第１の実施の形態の内燃機関は、レーザ装置１１、燃料噴出機構１２、排気機構１３、燃焼室１４及びピストン１５を備えたエンジン１０を有している。

このようなエンジン１０は、燃料噴出機構１２が、燃料と空気とを含む可燃性混合気を燃焼室１４内に噴出させる（吸気）。その後、ピストン１５が上昇して、可燃性混合気が圧縮される（圧縮）。レーザ装置１１は、レーザ光を集光させて発生させてプラズマにより、燃焼室１４内の圧縮された混合気中の燃料に点火する（着火）。点火により混合気が燃焼することで、燃焼室１４内で燃焼ガスが膨張し、ピストン１５が降下する（燃焼）。その後、排気機構１３が、燃焼ガスを燃焼室１４外へ排気を行う（排気）。

エンジン１０では、このような吸気、圧縮、着火、燃焼及び排気からなる一連の工程が繰り返し行われる。そして、燃焼室１４内の気体の体積変化に対応してピストン１５が運動し、運動エネルギーを生じさせる。燃料としては、例えば天然ガス又はガソリン等が用いられる。

レーザ装置１１は、エンジン１０の外部に設けられた駆動装置１６及びエンジン制御装置１７と電気的に接続されている。レーザ装置１１は、エンジン制御装置１７のレーザ制御に基づいて、駆動装置１６により駆動され、レーザ光を出射するようになっている。

（レーザ装置）
図２は、レーザ装置１１を光軸に沿って切断した状態の断面図である。この図２に示すように、レーザ装置１１は、面発光レーザ（光源の一例）２０１及び第１集光光学系２０３を備える光源部及びハウジング２５０を、光ファイバ２０４（ 光を伝送する伝送部材の一例）を介して接続することで構成されている。なお、この実施の形態の説明では、３軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の３次元直交座標系を用い、第１集光光学系２０３からのレーザ光の出射方向を＋Ｚ方向とし、レーザ光の光軸に直交する面において、互いに直交する２つの方向のうち一方をＸ軸方向とし、他方をＹ軸方向として説明する。

第１集光光学系２０３は、マイクロレンズアレイ２０３ａ及び集光レンズ系２０３ｂ（光学素子の一例）を光軸に沿って順に配置して構成されている。

面発光レーザ２０１は、励起用光源であり、複数の発光部を有している。各発光部は、垂直共振器型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）である。

面発光レーザ２０１は、駆動装置１６と電気的に接続されており、エンジン制御装置１７の制御に基づいて、駆動装置１６が面発光レーザ２０１を駆動することで、面発光レーザ２０１からレーザ光が出射される。なお、第１の実施の形態の内燃機関では、出射されるレーザ光の波長の温度依存性が低いことから、面発光レーザ２０１を光源に用いている。しかし、レーザの温度依存性が問題にならない場合は、端面発光レーザを光源に用いてもよい。

第１集光光学系２０３は、面発光レーザ２０１から出射されたレーザ光を、光ファイバ２０４の−Ｚ側端面の中心部に集光する。第１集光光学系２０３は、少なくとも１つの集光レンズを有する。この実施の形態の例では、第１集光光学系２０３は、マイクロレンズアレイ２０３ａ、及び、集光レンズ系２０３ｂを有している。

マイクロレンズアレイ２０３ａは、面発光レーザ２０１から出射されたレーザ光の光路上に配置されている。マイクロレンズアレイ２０３ａは、面発光レーザ２０１の複数の発光部に対応する複数のレンズを有する。各レンズは、面発光レーザ２０１から入射したレーザ光を、略平行光として出射する。

集光レンズ系２０３ｂは、マイクロレンズアレイ２０３ａを介したレーザ光を、光ファイバ２０４の−Ｚ側端面の中心部に集光する。

なお、第１集光光学系２０３は、少なくとも１つの集光レンズを有していればよい。また、複数の光学素子を設けてもよい。

光ファイバ２０４は、第１集光光学系２０３によってレーザ光が集光される位置に光伝送部２０４ａの−Ｚ側端面の中心が位置するように配置されている。光ファイバ２０４に入射したレーザ光は、光伝送部２０４ａ内を伝播し、光伝送部２０４ａの＋Ｚ側端面から出射される。

ハウジング２５０の第２集光光学系２０５は、第１レンズ２４１及び第２レンズ２４２を有しており、光ファイバ２０４から出射されたレーザ光の光路上に配置されている。第２集光光学系２０５は、コリメートレンズである第１レンズ２４１により、光ファイバ２０４から出射されたレーザ光を略平行光化し、集光レンズである第２レンズ２４２により、略平行光とされたレーザ光を集光してレーザ共振器２０６（光共振器の一例）に入射させる。

なお、第２集光光学系２０５は、集光レンズを有していれば、１つの光学素子で構成されていてもよいし、３つ以上のレンズを有していてもよい。

レーザ共振器２０６は、Ｑスイッチ式のレーザ共振器となっている。実施の形態の例では、レーザ共振器２０６は、レーザ媒質２０６ａ及び可飽和吸収体２０６ｂを有している。レーザ共振器２０６は、入射されたレーザ光のエネルギー密度を高めることで形成した所定の波長のレーザ光を、短いパルス幅で出射する。

レーザ媒質２０６ａは、例えば略直方体形状のＮｄ：ＹＡＧ（ネオジウム：ヤグ）結晶であり、イットリウムに数％のネオジムをドープした結晶となっている。

可飽和吸収体２０６ｂは、例えば略直方体形状のＣｒ：ＹＡＧ（クロム：ヤグ）結晶である。可飽和吸収体２０６ｂは、レーザ光の吸収量によって透過率が変化する。一例ではあるが、初期透過率は約０．５０（５０％）となっている。可飽和吸収体２０６ｂは、レーザ光の吸収量が小さい時は吸収体として機能し、レーザ光の吸収量が飽和すると透明になる。可飽和吸収体２０６ｂが透明になることで、Ｑスイッチ発振が行われる。

第２集光光学系２０５で集光されたレーザ光がレーザ共振器２０６に入射すると、レーザ光はレーザ共振器２０６内で共振し増幅される。また、レーザ媒質２０６ａに入射したレーザ光によってレーザ媒質２０６ａが励起される。なお、面発光レーザ２０１から出射されるレーザ光の波長は、ＹＡＧ結晶において吸収効率の高い波長となることが好ましい。

レーザ共振器２０６内でレーザ光が共振して増幅される。可飽和吸収体２０６ｂにおいてレーザ光の吸収量が飽和すると、可飽和吸収体２０６ｂにおいてＱスイッチ発振が行われる。これにより、エネルギー密度の高いレーザ光が、レーザ共振器２０６から短いパルス幅でエネルギーを集中させて出射される。

レーザ共振器２０６から出射されたレーザ光は、第３集光光学系２０７に入射される。

第３集光光学系２０７は、レーザ共振器２０６から出射されるレーザ光の光路上に配置されている。第３集光光学系２０７は、レーザ共振器２０６から出射されるレーザ光を集光させ、集光点で高いエネルギー密度を得る。集光されたレーザ光は、ある一定のエネルギー密度を超えると、燃焼室１４内の可燃性混合気に含まれる気体を構成する分子が電離し、陽イオンと電子とに別れ、プラズマ化（ブレークダウン）する。

この実施の形態の例では、第３集光光学系２０７は、第３レンズ２０７ａ、第４レンズ２０７ｂ、及び第５レンズ２０７ｃで構成されている。

第３レンズ２０７ａは、レーザ共振器２０６から出射されるレーザ光の発散角度を大きくするための光学素子であり、例えば凹レンズを用いることができる。

第４レンズ２０７ｂは、第３レンズ２０７ａからの発散光を平行光化（コリメート）するための光学素子であり、例えばコリメートレンズを用いることができる。

第５レンズ２０７ｃは、第４レンズ２０７ｂからのレーザ光を集光するための光学素子であり、例えば集光レンズを用いることができる。

なお、第３集光光学系２０７は、３つのレンズで構成されているが、少なくとも１つのレンズで構成されていればよく、一つの光学素子で構成されていてもよいし、複数の光学素子で構成されていてもよい。

第３集光光学系２０７から出射されたレーザ光は、ハウジング２５０の光学窓部２０８を透過して、燃焼室１４内に集光される。

光学窓部２０８は、第３集光光学系２０７から出射されるレーザ光の光路上に配置され、入射するレーザ光に対して透明な材料で構成されている。光学窓部２０８の材質は、レーザ光が通過すればよく、サファイア、ガラス、樹脂等でもよい。この光学窓部２０８は、第２集光光学系２０５、レーザ共振器２０６、第３集光光学系２０７等の光学素子をハウジング２５０内に封止する。これにより、ハウジング２５０内の光学素子が外気と接することがないため、外気中に浮遊しているゴミ又は不純物等がハウジング２５０内の光学素子に付着する不都合を防止できる。

光学窓部２０８は、ハウジング２５０に固定されるが、その固定手法として、ロウ付け、レーザ溶接、ねじ止め、焼きばめ、接着等の固定手法を用いることができる。なお、固定手法として接着を用いた場合、接着材に由来するガス分子が発生すると、それが光学素子に付着し、強度の高いレーザ光を照射すると焼きが発生する不都合を生ずる。このため、高温時にガス分子が発生しにくい材料の接着材を使用することが好ましい。

ハウジング２５０は、耐熱性の高い金属で形成することが好ましい。例えば鉄、Ｎｉ−Ｆｅ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ系合金、ステンレス等の耐熱性金属を用いることができる。Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金として、例えばインコネル等を用いることができる。Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ系合金として、例えばコバール等を用いることができる。

レーザ光は、第５レンズ２０７ｃにより、光学窓部２０８を通過して集光され、ブレイクダウン（点火）が発生する。このとき、燃焼室の壁近傍で点火するよりも燃焼室の中央に近い位置で点火する方が、形成された火炎を効率よく成長させる事ができる。そのため、第５レンズ２０７ｃは燃焼室側に、なるべく近い位置となるように設計されている。

また、光学窓部２０８は、高温高圧環境となる。このため、光学窓部２０８としては、サファイア等の高耐久性材料を用いて形成することが好ましく、厚みも、破損及びリークの発生しない厚みで形成することが好ましい。

また、光学窓部２０８から反射した光が、ハウジング２５０内の各種レンズ又はレーザ共振器２０６等で焦点を結ばないようにする必要がある。そこで、光学窓部２０８のレーザ光の入射面２０８ａ及び出射面２０８ｂには、反射防止膜（ＡＲ：Anti Reflection）を設け、又は反射防止構造とすることが好ましい。

反射防止構造としては、例えば特許文献２（特開２０１７−１１１２７８号公報）に開示されているような複数の凸状微細構造体が入射光の波長よりも短いピッチ（頂点間隔）で形成された構造を用いることができる。光学窓部２０８の出射面２０８ｂは、燃焼室に面し、高温高圧となるため、光学窓部２０８の出射面２０８ｂには、反射防止膜よりも反射防止構造のほうが好ましいであろう。

また、光学窓部２０８の出射面２０８ｂに、光又は熱による触媒機能を有する触媒層を設けてもよい。一例ではあるが、触媒層としては、酸化チタン（ＴｉＯ２）を用いることができる。

（光ファイバの接続構成）
光ファイバ２０４は、光伝送部２０４ａの−Ｚ側の端部が、光伝送保持部２０４ｂにより、第１の集光光学系２０３が収容されているハウジングに固定され、光伝送部２０４ａの＋Ｚ側の端部が、光伝送保持部２０４ｂにより、ハウジング２５０に固定されている。光伝送保持部２０４ｂとハウジング２５０は、一例としてねじ固定で固定され、リークの発生を防ぐため、封止部材２４０により封止される。封止部材２４０が設けられる位置は、光伝送部２０４ａと光伝送保持部２０４ｂの間等であってもよく、ハウジング２５０内を封止できる箇所であれば良い。なお、リークが発生しない、又はリークが問題にならない場合は、封止部材２４０を用いなくても良い。ただし、光伝送部２０４ａと光伝送保持部２０４ｂとの間に隙間がある場合は、封止部材２４０で封止する方が好ましい。

また、光伝送部２０４ａは、レーザ光の進行方向の垂直方向に対して回動させることにより発生する、光伝送保持部２０４ｂに掛かる力が、光伝送保持部２０４ｂとハウジング２５０とを固定する力よりも小さくなっている。これにより、光伝送部２０４ａを回動させても、光伝送部２０４ａは光伝送保持部２０４ｂから外れないようになっている。

封止部材２４０としては、例えばＯリング又は接着剤等を用いることができる。ただし、加熱されたレーザ装置１１の機能を低下させないように、封止部材２４０としては、フッ素等の耐熱性部材を用いることが好ましい。また、不純物発生により光学部品を汚染しないためにも、ガスの出にくい部材を用いることが好ましい。すなわち、封止部材２４０は、溶接、ガスケット、接着、Ｏリング、焼きばめ又はロウ付けにより封止されている。なお、この際、前述した回動に影響が無いようにする必要がある。

ハウジング２５０と光伝送保持部２０４ｂを溶接する場合は、ハウジング２５０の材質と同じ材質の光伝送保持部２０４ｂを用いることが好ましい。例えば、ハウジング２５０は、放熱性向上のため、アルミニウム部材を使用することがある。この場合は、光伝送保持部２０４ｂもアルミニウム部材を使用することが好ましい。または、ハウジング２５０と光学窓部２０８との溶接性を考慮した場合、ハウジング２５０は、コバールを使用することがある。この場合は、光伝送保持部２０４ｂもコバールを使用することが好ましい。

光伝送部２０４ａは、回動することが可能となっている。このため、光ファイバ２０４を取り外すことなく、ハウジング２５０を回転させてエンジン１０のシリンダヘッドのねじ穴に螺結して取付けることができる。このため、光ファイバ２０４の取り付け時に光ファイバ２０４の端部の位置がずれて光学特性が悪化することを防止することができる。なお、光ファイバ２０４の−Ｚ側及び＋Ｚ側のうち、いずれか一方が、回動可能であればよい。ただ、エンジン１０にハウジング２５０を取り付ける際に回動するため、ハウジング２５０側（＋Ｚ側）の光伝送部２０４ａの方を回動可能とすることが好ましい。また、ハウジング２５０に対して光ファイバ２０４を回動させても、光ファイバ２０４の回動軸方向におけるハウジング２５０と光ファイバ２０４との相対位置が変化せず一定である。また、ハウジング２５０を回転させて取付けする観点から、光ファイバ２０４は、ハウジング２５０の長軸（エンジン１０に取り付けるときの回転軸）と光ファイバ２０４の回動軸とが一致するように、ハウジング２５０に固定されるのが好ましい。

図３は、光伝送部２０４ａを拡大した状態の断面図である。この図３に示すように、本実施形態では、光伝送保持部２０４ｂの内部にボールジョイント２４１が設けられている。光ファイバ２０４は、このボールジョイント２４１を介して光伝送保持部２０４ｂにより、ハウジング２５０又は第１集光光学系２０３にねじにより固定されている。これにより、光ファイバ２０４を回動可能に保持することができ、また、光ファイバ２０４の光軸方向のずれを抑制することができる。なお、光ファイバ２０４と光伝送保持部２０４ｂには、封止部材２４０が設けられていることは、上述のとおりである。なお、回動させるための機構としてのボールジョイントは一例であり、これには限定されない。

（比較例）
レーザ装置の装着時に光ファイバ及び光学素子を外気に触れさせないことは重要である。このため、例えば光ファイバとハウジングの接続部を溶接やねじの螺結により固定する比較例を考える。この比較例の場合、光ファイバはハウジングと一体化しているため、レーザ装置をエンジンに取り付ける際に、ハウジング及び光ファイバが共に回動してしまう。この不都合を解消するためには、光ファイバの入射側または出射側の接続部を外しておき、ハウジングをエンジンに取り付けしてから、光ファイバの入射側を外していた場合はレーザ光源部に、光ファイバの出射側を外していた場合はハウジングに、光ファイバを接続する必要がある。しかし、この場合、外しておいた光ファイバの接続部が、不純物が浮遊している外気に触れることとなり、塵又は不純物等が光ファイバの端部やレーザ光源部、ハウジング内の光学素子等へ付着し、レーザ出力を低下させる不都合を生ずる。また、光ファイバの接続部を一度取り外す必要があり、取り付け作業の工数も増加する。

また、比較例の場合、レーザ装置をエンジンに取り付ける際には、シリンダヘッドに設けられたプラグホールに、ハウジングを回動させながら挿入する必要がある。このため、ハウジングに光ファイバが固定した状態でエンジンへ取り付けする場合、このハウジングを回動させながらプラグホールに挿入することで、ハウジングに固定されている光ファイバにねじれ及び光軸のずれが発生するおそれがある。

（実施の形態の効果）
このような比較例に対して、第１の実施の形態の内燃機関は、ハウジング２５０又は第１集光光学系２０３に対して、光伝送保持部２０４ｂにより光ファイバ２０４が回動可能に保持されている。このため、レーザ装置１１をエンジン１０に取り付ける場合に、ハウジング２５０に対して光ファイバ２０４が自由に回動するため、光ファイバ２０４をハウジング２５０から取り外さなくても、作業性良くレーザ装置１１をエンジン１０に取り付け可能とすることができる。

そして、光ファイバ２０４をハウジング２５０から取り外さなくてもよいため、光ファイバ２０４が、不純物が浮遊している外気に触れる不都合を防止できる。従って、塵又は不純物等が光ファイバ２０４又はハウジング２５０内のレーザ光源及び光学系に付着し、レーザ出力を低下させる不都合を防止できる。また、光ファイバ２０４をハウジング２５０から取り外す面倒な作業も省略できる（この分、取り付けや保守点検等のコストも低く抑えることができる）。

また、第１の実施の形態の内燃機関は、レーザ装置１１をエンジン１０に取り付ける際に、シリンダヘッドに設けられたプラグホールに、ハウジング２５０を回動させながら挿入しても、ハウジング２５０に対して光ファイバ２０４が回動可能に保持されているため、光ファイバ２０４にねじれを発生することなく、レーザ装置１１をエンジン１０に取り付けることができる。このため、光ファイバにねじれ及び光軸のずれを発生させることなく、内燃機関の組み立てを行うことができる。

なお、図２には、ハウジング２５０は、一つの部材として図示されているが、複数に分割されていてもよい。この場合、分割部分は、封止部材で封止することが好ましい。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態の内燃機関の説明をする。上述の第１の実施の形態の内燃機関は、レーザ光源となる第１集光光学系２０３と、ハウジング２５０とを光ファイバ２０４で接続した例であった。これに対して、第２の実施の形態は、レーザ光源となる第１集光光学系２０３をハウジング２５０内に設け、レーザ光源に対して電源の供給を行う電線を、ハウジング２５０に対して回動可能に保持した例である。なお、上述の第１の実施の形態と以下に説明する第２の実施の形態とでは、この点のみが異なる。このため、以下、両者の差異の説明のみ行い、重複説明は省略する。

図４は、第２の実施の形態の内燃機関に設けられているレーザ装置１１を光軸に沿って切断した状態の断面図である。また、図５に、ハウジングと電線との接続部分を拡大した断面図を示す。第２の実施の形態の場合、図４に示すように、ハウジング２５０内に第１の集光光学系２０３が設けられており、光ファイバ２０４を用いずに、面発光レーザ２０１から出射した光を、直接レーザ共振器２０６に入射させる構成となっている。

面発光レーザ２０１に電源を供給する電線２１０ａ（電気を伝送する伝送部材の一例）は、図５に示すように内部にボールジョイント２４１が設けられた電線保持部２１０ｂにより回動可能に保持されたうえで、ハウジング２５０及びハウジング２５０内の面発光レーザ２０１に接続されている。本実施形態では、面発光レーザ２０１は電線２１０ａと接続されており、一体となって回動する。つまり、電線２１０ａおよび面発光レーザ２０１はハウジング２５０に対して回動可能である。また、電線２１０ａと電線保持部２１０ｂには封止部材２４０が設けられている。また、電線保持部２１０ｂとハウジング２５０は、ねじで固定されている。

これにより、レーザ装置１１をエンジン１０に取り付ける場合に、ハウジング２５０に対して電線２１０ａが自由に回動するため、ハウジング２５０内部の面発光レーザ２０１及び光学系２０３等を外気に触れさせることなく、レーザ装置１１をエンジン１０に取り付けることができる等、上述の第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態の内燃機関の説明をする。上述の第２の実施の形態の内燃機関は、レーザ光源となる第１集光光学系２０３をハウジング２５０内に設け、ハウジング２５０及び電線２１０ａを、電線保持部２１０ｂを介して回動可能に接続した例であった。これに対して、第３の実施の形態は、レーザ光源となる第１集光光学系２０３をハウジング２５０内に設け、ハウジング２５０及び面発光レーザ２０１を冷却する冷却部材を、冷却部材保持部２１０ｂを介して回動可能に接続した例である。なお、上述の第２の実施の形態と以下に説明する第３の実施の形態とでは、この点のみが異なる。このため、以下、両者の差異の説明のみ行い、重複説明は省略する。

図６は、第３の実施の形態の内燃機関に設けられているレーザ装置１１を光軸に沿って切断した状態の断面図である。また、図７に、ハウジングと冷却部材との接続部分を拡大した断面図を示す。第３の実施の形態の場合、図６に示すように、ハウジング２５０内に第１の集光光学系２０３が設けられており、光ファイバ２０４を用いずに、面発光レーザ２０１から出射した光を、直接レーザ共振器２０６に入射させる構成となっている。

面発光レーザ２０１を冷却する冷却部材２２０ａ（熱を伝送する伝送部材の一例）は、図７に示すように内部にボールジョイント２４１が設けられた冷却部材保持部２２０ｂにより回動可能に保持されたうえで、ハウジング２５０及びハウジング２５０内の面発光レーザ２０１に接続されている。本実施形態では、冷却部材２２０ａを面発光レーザ２０１に接続させることで面発光レーザ２０１の放熱を図っている。面発光レーザ２０１は冷却部材２２０ａと接続されており、一体となって回動する。つまり、冷却部材２２０ａおよび面発光レーザ２０１はハウジング２５０に対して回動可能である。ただし、この形態には限定されず、冷却部材２２０ａをハウジング２５０のいずれかの箇所に接続して、冷却部材２２０ａがハウジング２５０に対して回動可能であるよう構成してもよい。また、冷却部材２２０ａと冷却部材保持部２２０ｂには封止部材２４０が設けられている。また、冷却部材保持部２２０ｂとハウジング２５０は、ねじで固定されている。

これにより、レーザ装置１１をエンジン１０に取り付ける場合に、ハウジング２５０に対して冷却部材２２０ａが自由に回動するため、ハウジング２５０内部の面発光レーザ２０１及び光学系２０３等を外気に触れさせることなく、レーザ装置１１をエンジン１０に取り付けることができる等、上述の第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

最後に、上述の各実施の形態は、一例として提示したものであり、本発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な各実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことも可能である。また、実施の形態及び実施の形態の変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０ エンジン
１１ レーザ装置
１２ 燃料噴出機構
１３ 排気機構
１４ 燃焼室
１５ ピストン
２０１ 面発光レーザ
２０３ 第１の集光光学系
２０３ａ マイクロレンズアレイ
２０３ｂ 集光レンズ系
２０４ 光ファイバ
２０４ａ 光伝送部
２０４ｂ 光伝送保持部
２０５ 第２集光光学系
２０５ａ 第１レンズ
２０５ｂ 第２レンズ
２０６ レーザ共振器
２０６ａ レーザ媒質
２０６ｂ 可飽和吸収体
２０７ 第３集光光学系
２０７ａ 第３レンズ
２０７ｂ 第４レンズ
２０７ｃ 第５レンズ
２０８ 光学窓部
２１０ａ 電線
２１０ｂ 電線保持部
２２０ａ 冷却部材
２２０ｂ 冷却部材保持部
２４０ 封止部材
２４１ ポールジョイント
２５０ ハウジング

特開２０１３−９６３９２号公報 特開２０１７−１１１２７８号公報

Claims (10)

1. 光源と、
   前記光源からの光が通過する一つ以上の光学素子と、
   一つ以上の前記光学素子を収容するハウジングと、
   前記ハウジングに接続され、光、電気および熱の少なくとも１つを伝送する伝送部材とを備え、
   前記伝送部材は、前記ハウジングに対して回動可能に接続されていること
   を特徴とする光学装置。
2. 前記ハウジングの長軸と前記伝送部材の回動可能な軸が一致すること
   を特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記光学素子は、前記光源からの光の光路上に配置された集光光学素子と、前記集光光学素子を介した光が照射される光共振器とを含むこと
   を特徴とする請求項２に記載の光学装置。
4. 前記伝送部材を回動させるときに、前記伝送部材と前記ハウジングとの、回動可能な前記軸の方向の相対位置が一定であること
   を特徴とする請求項２又は３に記載の光学装置。
5. 前記伝送部材は、前記ハウジングに対して回動しないよう前記ハウジングに固定される伝送保持部を含むこと
   を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光学装置。
6. 前記伝送部材を、前記ハウジングに対して回動させることにより発生する、前記伝送保持部に掛かる力が、前記伝送保持部と前記ハウジングとを固定する力よりも小さいこと
   を特徴とする請求項５に記載の光学装置。
7. 前記伝送保持部と前記ハウジングは、封止部材によって封止されること
   を特徴とする請求項５又は６に記載の光学装置。
8. 前記伝送部材は、前記光源を含む光源部および前記ハウジングに接続され、前記光源部の前記光源からの光を前記ハウジング内の前記光学素子へ伝送し、
   前記伝送部材は、前記光源部に対して回動可能に前記ハウジングに接続されていること
   を特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の光学装置。
9. 燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する内燃機関において、
   請求項１から請求項８のうち、いずれか一項に記載の光学装置を備えること
   を特徴とする内燃機関。
10. 光源と、前記光源からの光が通過する一つ以上の光学素子を含む光学系と、一つ以上の前記光学素子を収容するハウジングと、前記ハウジングに対して回動可能に接続された伝送部材とを備える光学装置を用意する工程と、
    前記ハウジングを前記伝送部材に対して回動させながら、前記ハウジングに設けられたネジ部を、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する内燃機関に設けられたネジ穴に螺結して固定する工程とを備える、内燃機関の製造方法。

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