JP2021092163A - レーザ点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】窓部材の表面へのデポジットの付着や面粗度の変化で、透過率が低下するのを抑制して、焦点での集光強度を維持可能なレーザ点火装置を提供する。【解決手段】レーザ点火装置１は、レーザ発振光学系２と、ハウジング４の内側に収容される集光光学素子３と、ハウジング４の燃焼室Ｃに面する端部に設けられ、パルスレーザＬｐを透過させる窓部材５とを備える。窓部材５は、燃焼室Ｃに面する側の表面に保護膜５１を有しており、保護膜５１を構成する化合物は、燃焼室Ｃの雰囲気中で安定であり、かつ、燃焼室Ｃの雰囲気中に含まれる金属成分由来の黒色デポジットＤ１との表面自由エネルギの差が、５ｍＮ／ｍ以上の化合物である。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ点火装置に関する。

近年、コジェネレーションシステム等に用いられる内燃機関の点火手段として、レーザ光を用いて混合気に点火するレーザ点火装置がある。かかるレーザ点火装置は、集光光学素子をハウジング内に配置したレーザ点火プラグを有し、ハウジングには、集光光学素子よりも先端側に、レーザ光を透過させる窓部材が取り付けられる。窓部材は、例えば、透明なガラス材料によって構成されて、燃焼室内の熱、圧力、燃料、煤等による汚染等から集光光学素子を保護している。

例えば、特許文献１には、燃焼室に面して光学窓を含むプラグ構成部材を配置した点火装置が開示されている。プラグ構成部材は、光学窓とその燃焼室側の表面に設けられた超親水膜とからなる。超親水膜は、シリカを含む超親水性粒子とチタニア等を含む熱励起触媒粒子とを含有する膜であり、水との接触角がより小さくなるように規定されている。これにより、燃焼排気中の水分が表面に濡れ広がりやすくなり、また、熱により触媒作用を励起させて、オイルミスト由来の不燃成分や煤等がデポジットとなって光学窓の表面に付着するのを抑制している。

特開２０１６−１０９１２８号公報

特許文献１の構成において、超親水膜の成分となるチタニアは、例えば、約７００℃を超えると、アナターゼ型からルチル型に相転移することが知られている。その場合には、燃焼室内の温度が相転移温度（約７００℃）を超えると、チタニアの結晶構造が変化することによって、超親水膜に亀裂や剥離が発生するおそれがある。それに伴い、面粗度が粗くなると、レーザ光が散乱し、透過率が低下しやすくなる。

一方、近年、内燃機関の高効率化により、燃焼室内の温度が高くなる傾向にある。その場合には、想定されるプラグの耐熱目標温度が上昇することによって（例えば、８００℃程度）、透過率の低下割合が大きくなることが判明した（例えば、２２％程度の低下）。また、面粗度がより粗くなるために、デポジットが表面の凹凸にトラップされやすくなって、付着量が増加し、レーザ光の透過率がさらに低下することが懸念される。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、窓部材の表面へのデポジットの付着や構造変化等によって、透過率や集光強度が低下するのを抑制し、安定した点火性能を長時間維持することができるレーザ点火装置を提供しようとするものである。

パルスレーザ（Ｌｐ）を発振させるレーザ発振光学系（２）と、
上記パルスレーザを燃焼室（Ｃ）内に集光させる集光光学素子（３）と、
上記集光光学素子を内側に収容するハウジング（４）と、
上記ハウジングの上記燃焼室に面する端部に設けられると共に上記パルスレーザを透過させる窓部材（５）とを備える、レーザ点火装置（１）であって、
上記窓部材は、上記燃焼室に面する側の表面に保護膜（５１）を有しており、
上記保護膜を構成する化合物は、上記燃焼室の雰囲気中で安定であり、かつ、上記燃焼室の雰囲気中に含まれる金属成分由来の黒色デポジット（Ｄ１）との表面自由エネルギの差が、５ｍＮ／ｍ以上の化合物である、レーザ点火装置にある。

上記構成において、窓部材の表面に設けられた保護膜は、使用雰囲気において安定な化合物で構成されるので、使用に伴う膜構造や面粗度等の変化による透過率の低下を抑制することができる。また、透過率の低下に影響する黒色デポジットとの表面自由エネルギ差が５ｍＮ／ｍ以上の化合物を用いることにより、分子間力を低減して黒色デポジットの付着を抑制し、透過率の低下を抑制することができる。これにより、雰囲気温度がより高くなる環境においても、透過率を保ちながら窓部材を保護し、集光強度の低下を抑制することができる。

以上のごとく、上記態様によれば、窓部材の表面へのデポジットの付着や構造変化等によって、透過率や集光強度が低下するのを抑制し、安定した点火性能を長時間維持するレーザ点火装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

本発明の実施形態１における、レーザ点火装置の主要部構成を示す軸方向断面図。 本発明の実施形態１における、レーザ点火装置を構成するレーザ点火プラグの先端部構成を示す拡大断面図。 本発明の実施形態１における、レーザ点火装置の全体概略構成を示す軸方向断面図。 従来のレーザ点火装置において、レーザ点火プラグに設けられる窓部材へのデポジットの付着プロセスを示す模式図。 本発明の試験例における、窓部材に付着したデポジットの成分分析結果を示すグラフ図。 本発明の試験例における、窓部材に設けられる保護膜の作用効果を説明するための模式図。 本発明の試験例における、保護膜を設けた窓部材の加熱処理後の表面自由エネルギを、デポジットの表面自由エネルギと比較して示す図。 本発明の試験例における、保護膜を設けた窓部材の表面自由エネルギ、透過率及び耐熱性の評価方法を示す模式図。 本発明の試験例における、窓部材に設けられる保護膜の表面自由エネルギ及び透過率を、他の材料を用いた場合と比較して示す図。 本発明の試験例における、従来の超親水膜を設けた窓部材について、温度を変化させたときの透過率及び面粗度の変化を示す図。 本発明の試験例における、保護膜を設けた窓部材を備えるレーザ点火装置の耐久試験結果を、保護膜を設けない場合と比較して示す図。 本発明の試験例における、膜厚と透過率の関係を示す図。

（実施形態１）
レーザ点火装置に係る実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
図１に示すように、本形態のレーザ点火装置１は、レーザ発振光学系２と、集光光学素子３と、ハウジング４と、窓部材５とを備える。レーザ発振光学系２は、パルスレーザＬｐを発振させる光学系であり、集光光学素子３は、パルスレーザＬｐを燃焼室Ｃ内に集光させる光学素子であり、ハウジング４は、その内側に集光光学素子３を収容する。

図２に示すように、窓部材５は、ハウジング４の燃焼室Ｃに面する端部に設けられると共に、パルスレーザＬｐを透過させる。窓部材５は、燃焼室Ｃに面する側の表面に保護膜５１を有している。保護膜５１を構成する化合物としては、燃焼室Ｃの雰囲気中で安定であり、かつ、燃焼室Ｃの雰囲気中に含まれる金属成分由来の黒色デポジットＤ１との表面自由エネルギの差が、５ｍＮ／ｍ以上である化合物が用いられる。なお、表面自由エネルギの差は、絶対値とする。

好適には、燃焼室Ｃの雰囲気中で安定な化合物として、酸素を含まない無機化合物が用いられる。ここで、「雰囲気中で安定」とは、具体的には、燃焼室Ｃの雰囲気温度に対して熱的に安定であり、燃焼室Ｃの雰囲気中の成分に対して化学的に安定であることを示す。このような化合物を用いることで、使用環境において保護膜５１の表面の面粗度が低下することが抑制され、また、黒色デポジットＤ１の付着が抑制されて、パルスレーザＬｐの透過率の低下が抑制される。

より好適には、保護膜５１は、熱処理膜であることが望ましい。熱処理膜とすることにより、保護膜５１を構成する化合物と、燃焼室Ｃの雰囲気中に含まれる金属成分由来の黒色デポジットＤ１との表面自由エネルギの差を、より大きくすることができる。好適には、表面自由エネルギの差は、１０ｍＮ／ｍ以上であることが望ましく、透過率の低下を抑制する効果が高まる。熱処理膜は、例えば、保護膜５１を構成する化合物の薄膜が、４００℃以上にて熱処理された膜とすることができる。

このような保護膜５１を構成する化合物として、好適には、Ｃｒを含む窒化物を用いることができる。
Ｃｒを含む窒化物は、具体的には、ＣｒＮ（窒化クロム）、Ｃｒ₂Ｎ（一窒化二クロム）等が挙げられる。Ｃｒ以外の１又は２以上の金属元素（例えば、Ａｌ、Ｔｉ等）を含むクロム系窒化物であってもよい。これらＣｒを含む窒化物を、以下、Ｃｒ窒化物と称する。

ここで、黒色デポジットＤ１に含まれる金属成分は、例えば、Ｆｅである。
燃焼室Ｃの雰囲気中には、例えば、オイルミスト由来のＦｅ成分が混入しており、その酸化により形成されたＦｅ酸化物（ＦｅＯ）が、窓部材５に付着して、黒色デポジットＤ１となると推測される。
Ｃｒを含む窒化物にて保護膜５１を構成すると、このような黒色デポジットＤ１との表面自由エネルギの差を大きくして、その付着を抑制する効果が得られる。

具体的には、窓部材５は、光学ガラスからなる光学窓部材（以下、適宜、光学窓と称する）５０と、保護膜５１との二層構造となっている。窓部材５は、光学窓５０を基体とし、その燃焼室Ｃに面する側の表面を覆って、保護膜５１が形成される。
好適には、光学窓５０は、例えば、サファイアガラス等の光学材料を用いて構成することができる。サファイアガラスは、高純度Ａｌ₂Ｏ₃結晶からなる。

より具体的には、燃焼室Ｃの雰囲気中に含まれるオイルミスト成分は、窓部材５の基体である光学窓５０を構成する金属成分よりもイオン化傾向の大きい金属成分を含む。
上述したように、光学窓５０がサファイアガラスからなる場合には、光学窓５０を構成する金属成分は、Ａｌであり、その場合には、よりイオン化傾向の大きい金属成分として、例えば、Ｃａが挙げられる。

オイルミストに含まれるＣａ成分は、イオン化傾向が大きく酸化しやすいことから、窓部材５が、よりイオン化傾向の小さい金属成分を含む場合には、オイルミストの付着によりＣａ酸化物（ＣａＯ）が形成されやすくなると推測される。このＣａ酸化物が生成すると後述する白色デポジットＤ２となり（図４参照）、黒色デポジットＤ１と共に、透過率に影響を与えるおそれがある。

本形態では、窓部材５の基体となる光学窓５０の表面を、雰囲気中で安定な保護膜５１で保護しているので、窓部材５にオイルミストが付着しても、Ｃａ成分の酸化は生じにくい。例えば、Ｃｒ窒化物のように酸素を含まない化合物にて保護膜５１を構成すると、酸化反応が抑制されるので、Ｃａ酸化物の付着を抑制する効果が高くなる。

次に、レーザ点火装置１の詳細構成について、説明する。
図３に示すように、本形態のレーザ点火装置１は、レーザ点火プラグ１０と、その外部に配置され、レーザ発振光学系２の一部となる励起光源２１を備える。レーザ点火プラグ１０は、ハウジング４内に、レーザ発振光学系２の主要部と、集光光学素子３と、窓部材５とを収容している。窓部材５は、燃焼室Ｃ（図２参照）に面して設けられ、燃焼室Ｃにおいて、パルスレーザＬｐが集光する。本形態において、集光光学素子３は、集光レンズである。

このようなレーザ点火装置１は、例えば、コジェネレーションシステム用の内燃機関（ガスエンジン）において、気体燃料への点火に用いることができる。
なお、レーザ点火プラグ１０の軸方向Ｘ（すなわち、図１、図３の上下方向）において、燃焼室Ｃ側を先端側、その反対側を基端側というものとする。また、レーザ点火プラグ１０の軸方向Ｘは、パルスレーザＬｐの光軸の方向と同等となっている。

ハウジング４は、略筒状の金属製部材であり、先端側の外周面に取付ネジ部４１を備える。ハウジング４の筒内には、先端側の端部を閉鎖するように、窓部材５の基体となる光学窓５０が配置されており、その外周部がハウジング４の内周面に当接保持されている。光学窓５０の基端側には、集光光学素子３が、所定間隔で対向するように配置されており、その外周部がハウジング４の内周面に当接保持されている。集光光学素子３よりも基端側には、レーザ発振光学系２との間に、拡大レンズ１１が保持されている。

図１、図２に示すように、レーザ点火プラグ１０は、ハウジング４の外周面に設けた取付ネジ部４１によって、エンジン燃焼室Ｃの室壁となるエンジンヘッドＣ１に取り付けられる。このとき、窓部材５は、集光光学素子３よりも先端側に配置されて、レーザ発振光学系２から発振するパルスレーザＬｐを透過させる。また、窓部材５により、ハウジング４の燃焼室Ｃ側の端部が気密封止されて、その基端側に位置する集光光学素子３を、燃焼室Ｃ内の熱や圧力、汚染物質等から保護している。

ハウジング４の筒内において、レーザ発振光学系２（図３参照）は、励起光源２１に光学的に接続される光ファイバ２２と、コリメートレンズ２３と、レーザ共振器２４とを有する。励起光源２１は、ハウジング４の外部に配置されており、励起光Ｌ０を発生させて、光ファイバ２２を介してコリメートレンズ２３へ出射する。励起光源２１は、例えば、固体レーザ、半導体レーザ等を用いることができる。

コリメートレンズ２３は、出射光を光軸に平行な平行光に変換する。レーザ共振器２４は、平行光として入射した励起光Ｌ０によって励起され、パルスレーザＬｐを出射する。
また、本形態においては、光軸方向におけるレーザ共振器２４と集光光学素子３との間に、拡大レンズ１１が配置されている。拡大レンズ１１は、レーザ共振器２４から出射したパルスレーザＬｐの直径を拡張させながら、集光光学素子３へ向かわせる。

レーザ共振器２４は、公知のＱスイッチ式レーザ共振器とすることができ、例えば、レーザ媒質と、その入射側に設けられた全反射鏡と、出射側に設けられた出光鏡とによって構成される。レーザ媒質には、例えば、ＹＡＧ単結晶にＮｄをドーピングしたＮｄ：ＹＡＧ等の公知のレーザ媒質を用いることができる。全反射鏡は、波長の短い励起光Ｌ０を透過し、波長の長いパルスレーザＬｐは全反射するように形成される。レーザ共振器２４に導入された励起光Ｌ０によって、レーザ媒質内のＮｄが励起され、パルスレーザＬｐ（例えば、１０６４ｎｍ）を放射する。

図１において、レーザ共振器２４から出射したパルスレーザＬｐは、拡大レンズ１１によって直径を拡張された後、集光光学素子３によって集光される。集光光学素子３から出射したパルスレーザＬｐは、窓部材５を透過して、燃焼室Ｃ内へ向かう。そして、燃焼室Ｃ内にて焦点ＦＰを結ぶ。
このように、レーザ点火装置１は、レーザ点火プラグ１０の先端部に設けた窓部材５（光学窓５０及び保護膜５１）を介して、燃焼室Ｃ内の焦点ＦＰにパルスレーザＬｐを集光させて、混合気に点火し、着火・燃焼させるよう構成されている。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
図２に示すように、燃焼室Ｃ内において、パルスレーザＬｐの集光エネルギにより混合気に点火された場合、点火源の温度は、例えば、最大温度が数万度の高温となる。また、混合気の燃焼に伴い、火炎に晒されるレーザ点火プラグ１０の温度が上昇する（例えば、先端部で８００℃程度）。一方、燃焼室Ｃ内には、ミスト状のエンジンオイル（以下、適宜、オイルミストと称する）Ｍが存在し、また、混合気の燃焼に伴い、燃焼残渣であるデポジットＤ（主に、黒色デポジットＤ１）が発生する。このデポジットＤやオイルミストＭの一部は、燃焼の際の爆風によって、レーザ点火プラグ１０の先端部に配置された窓部材５へ向かう。

このとき、窓部材５の表面に設けられる保護膜５１は、例えば、Ｃｒ窒化物からなり、熱的及び化学的に安定であると共に、表面自由エネルギ差による分子間力の低減効果により、飛来するデポジットＤの付着を抑制し、又は表面でのデポジットＤの発生を抑制することが可能になる。これにより、窓部材５の透過率の低下を抑制する効果を有する。

図４に模式的に示すように、レーザ点火プラグ１０の先端部に設けられる窓部材５が、保護膜５１を有しない場合には、基体となる光学窓５０が燃焼室Ｃに露出する。光学窓５０は、例えば、耐熱性の高いサファイアガラス（すなわち、Ａｌ₂Ｏ₃）で構成されており、熱的に安定であるものの、混合気燃焼に伴って発生する黒色デポジットＤ１が飛来すると、その表面に付着しやすい。また、オイルミストＭが付着すると、その表面において白色デポジットＤ２が発生しやすいことが判明した。これら黒色デポジットＤ１と白色デポジットＤ２の付着・堆積により、窓部材５の透過率が徐々に低下すると、混合気の着火性が低下する。

このように、デポジットＤは、燃焼室Ｃ内に混入するオイルミストＭに含まれる金属成分に由来し、そのうち、不燃成分である黒色の金属酸化物を含むデポジットを、黒色デポジットＤ１というものとする。また、オイルミストＭが窓部材５の表面に付着することによって生成する白色の金属酸化物を含む後述する白色のデポジットを、白色デポジットＤ２というものとする。

（試験例）
これら黒色デポジットＤ１、白色デポジットＤ２の生成と付着のメカニズムについて、さらに、窓部材５における保護膜５１の効果について、検討する。

（デポジットの分析）
上記図４の構成の窓部材５を設けたレーザ点火プラグ１０を用いて、燃焼試験を行い、デポジットＤの付着状態を調べた。燃焼試験後の窓部材５の表面を観察し、黒色デポジットＤ１及び白色デポジットＤ２の付着を確認した。また、これら黒色デポジットＤ１及び白色デポジットＤ２について、ＥＰＭＡ（電子線分析）装置を用いて、付着成分の成分分析を行った。

図５に成分分析結果を示すように、黒色デポジットＤ１は、金属成分としてＦｅを含む酸化物（ＦｅＯ）を主体とするものであることが判明した。黒色デポジットＤ１は、混合気燃焼により発生し、光学窓５０の表面に飛来して物理的に吸着するものと推測される（物理的付着）。

また、白色デポジットＤ２は、金属成分としてＣａを含む酸化物（ＣａＯ）を主体とし、黒色デポジットＤ１よりも有機物を多く含有するものであることが判明した。白色デポジットＤ２は、光学窓５０の表面に飛来したオイルミストＭの化学反応により生成するものと推測される（化学的付着）。

このとき、図６に示すように、オイルミストＭと光学窓５０の界面において、オイルミストＭに含まれるＣａイオンに対し光学窓５０を構成するＡｌ₂Ｏ₃に鏡像電荷が生成される。そして、図中の反応式のように、酸化カルシウム（ＣａＯ）が生成されると共に、Ａｌ₂Ｏ₃の還元によりＡｌが生成されると考えられる。これは、Ａｌに対してＣａのイオン化傾向が大きく、酸化しやすいことによる。

これに対して、本形態の窓部材５は、光学窓５０と保護膜５１との二層構造となっており、保護膜５１は、光学窓５０の先端側の表面全体を覆っている。保護膜５１は、例えば、Ｃｒ窒化物にて構成されており、燃焼室Ｃ内の雰囲気に対して熱的及び化学的に安定かつ酸素を含まない膜である。そのため、光学窓５０とオイルミストＭとの間に介在して、オイルミストＭに含まれるＣａ成分の酸化を抑制し、白色デポジットＤ２の化学的付着を抑制することができる。

一方、黒色デポジットＤ１に含まれるＦｅは、Ａｌよりもイオン化傾向が小さいので、黒色デポジットＤ１が光学窓５０の表面に飛来した場合には、化学反応は発生せず、分子間力によって物理的に吸着される。この場合にも、光学窓５０の表面を、例えば、Ｃｒ窒化物からなる保護膜５１で覆うことにより、表面自由エネルギ差を５ｍＮ／ｍ以上として、分子間力を低減させ、黒色デポジットＤ１の物理的付着を抑制することができる。

また、例えば、Ｃｒ窒化物からなる保護膜５１は、熱的及び化学的に安定であり、雰囲気中の成分との反応が抑制されるだけでなく、燃焼室Ｃ内の温度が高温となっても膜構造が変化することが抑制される。したがって、表面の面粗度が粗くなることによって、表面の凹凸にデポジットＤが摩擦力等により保持される機械的付着も低減される。

（保護膜の熱処理と表面自由エネルギ）
このように、本形態の窓部材５は、光学窓５０の表面に保護膜５１を有することにより、デポジットＤの付着が抑制される。このとき、保護膜５１に熱処理を施すことができ、熱処理温度に応じて表面自由エネルギを大きくすると共に、黒色デポジットＤ１との表面自由エネルギ差を大きくすることができる。

図７に示すように、Ｃｒ窒化物であるＣｒＮを保護膜５１に用いたサンプルについて、成膜後の熱処理の有無による効果を調べた。成膜は、スパッタリング法を用いて行い、形成された保護膜５１の表面自由エネルギを測定した。また、成膜後に異なる温度で熱処理を行った保護膜５１について、それぞれ、表面自由エネルギを測定した。これらの結果を、黒色デポジットＤ１であるＦｅＯの表面自由エネルギと共に示した。

ここで、スパッタリング装置は、真空チャンバ内に、光学窓５０となるサファイア製の基板と、Ｃｒターゲットとを対向配置させて構成される。この真空チャンバ内に、ＡｒガスとＮ₂ガスを導入することにより、基板上に、膜厚５０μｍのＣｒＮ膜を形成して、二層構造の窓部材５のサンプルとした。

図８の上段に示すように、表面自由エネルギの測定は、接触角計を備える表面自由エネルギ計測装置を用いて行った。測定は、それぞれの窓部材５について、保護膜５１の表面に測定液を滴下し、接触角θを測定することによって行い、測定データに基づいて表面自由エネルギを算出した。
なお、表面自由エネルギは、いずれも常温で測定した。

また、図８の中段に示すように、熱処理は、同様にしてサファイア基板（φ１２．７ｍｍ×厚さ３ｍｍ）上にＣｒＮ膜を形成した窓部材５のサンプルを、加熱炉１００内に配置して行った。熱処理温度は、実機での雰囲気温度に相当する３００℃又は８００℃（最大温度）とし、それぞれの温度で１時間加熱して、熱処理膜からなる保護膜５１を有する窓部材５のサンプルを得た。なお、得られたサンプルにおいて、熱処理された保護膜５１に損傷や面粗度の悪化は見られなかった。

図７において、ＣｒＮからなる保護膜５１の表面自由エネルギは、同等温度における黒色デポジットＤ１（ＦｅＯ）よりも大きくなっており、常温（熱処理無）での表面自由エネルギの差は、５ｍＮ／ｍよりも大きい。さらに、熱処理を行った場合には、熱処理温度が高いほど、保護膜５１の表面自由エネルギは大きくなり、表面自由エネルギ差も大きくなっている。例えば、３００℃の熱処理膜では、保護膜５１の表面自由エネルギは、５０ｍＮ／ｍを超え、同温度での表面自由エネルギ差は、１０ｍＮ／ｍよりも大きい。８００℃の熱処理膜の表面自由エネルギは、７０ｍＮ／ｍであり、ＦｅＯの表面自由エネルギ（５１．１ｍＮ／ｍ）との差は、２０ｍＮ／ｍに近い。

したがって、雰囲気温度が高くなる環境では、例えば、３００℃以上、好適には、４００℃以上で熱処理するのがよい。これにより、黒色デポジットＤ１（ＦｅＯ）の表面自由エネルギが比較的高い場合にも、表面自由エネルギの差が５ｍＮ／ｍ以上、好適には、１０ｍＮ／ｍ以上となり、分子間力を低減して付着を抑制することが可能になる。

（保護膜の材料と表面自由エネルギ）
図９上段に示すように、８００℃で熱処理したＣｒＮからなる保護膜５１について、黒色デポジットＤ１（ＦｅＯ）との表面自由エネルギの差を、他の無機化合物と比較して示した。他の無機化合物としては、Ｍｇ化合物（ＭｇＯ、ＭｇＦ₂）を用い、同様にして、サファイア基板上に成膜して熱処理したサンプルを形成し、表面自由エネルギを測定した。

また、図９下段に示すように、これらサンプルの透過率を評価した。
図８の下段に評価装置の概要を示すように、窓部材５のサンプルを、試験用レーザ点火プラグの外部に配置し、試験用レーザ点火プラグから出射される所定波長（λ＝１０６４ｎｍ）のレーザ光を、凹レンズを通して平行光として、サンプルに入射させた。透過率は、パワーメータで出射エネルギを測定し、入射エネルギとの比を算出した（透過率＝入射エネルギ／出射エネルギ）。

図９において、ＣｒＮからなる保護膜５１を用いたサンプルの透過率は、８８．４％であり、Ｍｇ化合物を用いた場合も８５％〜９０％前後と、いずれのサンプルも８５％を超える高い値を示した。ただし、Ｍｇ化合物の表面自由エネルギ差は、ＭｇＦ₂が５ｍＮ／ｍ未満であり、ＭｇＯは１０ｍＮ／ｍを超えるものの、酸化膜であるため、酸化反応による白色デポジットＤ２の生成が懸念される。

なお、図１０に示されるように、従来の超親水膜を表面に形成した窓部材５のサンプルについて、３００℃〜８００℃の温度範囲における透過率と面粗度の変化を調べた。その結果、温度が上昇するのに伴い、面粗度が大きくなり、７００℃を超えると透過率が急減した。そのため、７００℃以下における透過率は、９０％を超えているのに対し、７２０℃で８５％に低下し、８００℃における透過率は、７０％であった。

（エンジン耐久試験）
保護膜５１を有しないサファイアガラス製の光学窓５０からなる窓部材５と、その表面に８００℃で熱処理したＣｒＮからなる保護膜５１を形成した窓部材５を、それぞれレーザ点火プラグ１０に取り付け、エンジン耐久試験を行った。エンジン耐久試験の条件は、以下の通りとし、エンジンを連続運転して、集光強度の変化を調べた。
コジェネエンジン（ボア×ストローク：１７０ｍｍ×２２０ｍｍ）
回転数１２００ｒｐｍ
実機ＢＭＥＰ（１００％負荷）１．３ＭＰａ
エンジンオイル：硫酸灰分１．２３ｗｔ％の高アッシュオイル

図１１に示されるように、保護膜５１を有しない窓部材５を用いた場合は、時間経過とともに集光強度が急減し、２５時間の運転で２０ＴＷ／ｃｍ²を下回り、失火限界以下となった。これに対して、熱処理された保護膜５１を有する窓部材５を用いた場合は、集光強度の低下は緩やかで、失火限界以下となるまでの運転時間は、１１０時間であった。これにより、レーザ点火プラグ１０の寿命を４．４倍程度に延長できることがわかる。

なお、膜厚の設定に際しては、入射光に対して、保護膜５１の表面での反射光と光学窓５０での反射光が逆位相となるようにすることが望ましい。具体的には、保護膜５１を構成する化合物の屈折率と、膜厚と、レーザ共振器２４から発振されるレーザ波長（例えば、１０６４ｎｍ）とから、
（屈折率）×（膜厚）＝（波長）／４
となるように調整すると、保護膜５１における反射率を効果的に低減することが可能になる。膜厚は、必ずしも上記式を満たす値に限定されるものではなく、所望の透過率が得られる範囲に設定されていればよい。

図１２に示されるように、８００℃で熱処理したＣｒＮからなる保護膜５１について、５０μｍ〜２００μｍの範囲で膜厚を変更したときの、透過率の変化を調べた。その結果、膜厚を５０μｍとしたときに、透過率が最大となっており、それより膜厚が厚くなると、透過率が低下する傾向にある。具体的には、膜厚を１００μｍ、２００μｍと厚くするほど、透過率が低下しているものの、いずれも８５％前後の高い値が得られた。
したがって、好適には、膜厚を２００μｍ以下の範囲で適宜設定することが望ましい。

以上のごとく、本形態によれば、燃焼室への集光強度の低下を抑制することができるレーザ点火装置を提供することができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では、レーザ点火装置１を、コジェネレーションシステムのエンジン用として使用する例について説明したが、これに限らず、自動車エンジン用その他、種々の用途に適用することもできる。

Ｌｐ パルスレーザ
Ｃ 燃焼室
Ｄ１ 黒色デポジット
１ レーザ点火装置
２ レーザ発振光学系
３ 集光光学素子
４ ハウジング
５ 窓部材
５０ 光学窓部材
５１ 保護膜

Claims (7)

1. パルスレーザ（Ｌｐ）を発振させるレーザ発振光学系（２）と、
   上記パルスレーザを燃焼室（Ｃ）内に集光させる集光光学素子（３）と、
   上記集光光学素子を内側に収容するハウジング（４）と、
   上記ハウジングの上記燃焼室に面する端部に設けられると共に上記パルスレーザを透過させる窓部材（５）とを備える、レーザ点火装置（１）であって、
   上記窓部材は、上記燃焼室に面する側の表面に保護膜（５１）を有しており、
   上記保護膜を構成する化合物は、上記燃焼室の雰囲気中で安定であり、かつ、上記燃焼室の雰囲気中に含まれる金属成分由来の黒色デポジット（Ｄ１）との表面自由エネルギの差が、５ｍＮ／ｍ以上の化合物である、レーザ点火装置。
2. 上記保護膜を構成する化合物は、上記燃焼室の雰囲気温度に対して熱的に安定であり、かつ、上記燃焼室の雰囲気中の成分に対して化学的に安定な、酸素を含まない無機化合物である、請求項１に記載のレーザ点火装置。
3. 上記保護膜は、熱処理膜であり、上記表面自由エネルギの差は、１０ｍＮ／ｍ以上である、請求項１又は２に記載のレーザ点火装置。
4. 上記熱処理膜は、上記保護膜を構成する化合物の薄膜が４００℃以上にて熱処理された膜である、請求項３に記載のレーザ点火装置。
5. 上記保護膜を構成する化合物は、Ｃｒを含む窒化物であり、
   上記黒色デポジットに含まれる金属成分は、Ｆｅである、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ点火装置。
6. 上記窓部材は、光学ガラスからなる光学窓部材（５０）とその表面を覆う上記保護膜との二層構造であり、
   上記燃焼室の雰囲気中に含まれるオイルミスト成分は、上記光学窓部材を構成する金属成分よりもイオン化傾向の大きい金属成分を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ点火装置。
7. 上記光学窓部材を構成する金属成分は、Ａｌであり、上記イオン化傾向の大きい金属成分は、Ｃａである、請求項６のいずれか１項に記載のレーザ点火装置。

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