JP4419812B2 - レーザ点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、回折格子でレーザ光を分離することで生成される複数の焦点で点火を行うレーザ点火装置に関する。

従来より、車両のエンジンの点火装置として、レーザを用いたレーザ点火装置が考えられている。このようなレーザ点火装置においては、レーザから照射されたレーザ光をレンズにてエンジンの燃焼室内に集光すると共に、そのレーザ光の焦点を着火源として燃料を燃焼させる。このとき、燃焼室内におけるレーザ光の焦点の数、すなわち着火源の数（着火点）が多いほど、着火性が向上すると共に燃料着火後の火炎伝播速度が向上する。これにより、エンジンの効率を高めることができると考えられる。

そこで、複数のレーザ光を燃焼室内に照射し、複数の着火点にて点火する点火装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この点火装置においては、１つのレーザから照射されるレーザ光をハーフミラーで二分割し、分割したレーザ光をそれぞれシリンダブロックまたはシリンダヘッドに固定されたレンズに入射させると共に燃焼室内に集光させる。これにより、燃焼室内に複数の着火点を生成することができる。

一方、複数のレーザ光をそれぞれ光ファイバでエンジンの燃焼室に導くことで、複数の着火点を設ける点火装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この点火装置では、複数のレーザからレーザ光をそれぞれ照射すると共に、それらレーザ光を光ファイバでそれぞれエンジンに導いた後、各光ファイバの端部から照射されるレーザ光をそれぞれレンズで燃焼室内に集光させることで、点火数を増やしている。
昭５５−８１２７２号公報 平１−１９３０８１号公報

レーザ光をハーフミラーで二分割するレーザ点火装置では、レーザやレーザ光を集光するためのレンズをシリンダブロックやシリンダヘッドに設置しなければならず、それらを高精度に位置決めしなければならない。なおかつ、エンジンの燃焼室内におけるレーザ光の焦点を複数生成するために多くの構成部品を必要とする。

光ファイバでレーザ光を燃焼室に導くレーザ点火装置では、燃焼室内に生成する着火点の数に応じてレーザ、光ファイバ、集光レンズを用意しなければならず、上記他のレーザ点火装置と同様に、燃焼室内の所望の位置にレーザ光の焦点を結ぶようにそれらを高精度に位置決めしなければならない。また、点火を行うための高エネルギーのレーザをファイバに入射するには、それ自身の耐熱性が低いため、その熱で光ファイバ自体が溶けてしまう可能性がある。

また、それぞれのレーザ点火装置では、レーザ光の焦点を結ぶレンズが固定されているため、エンジン条件（エンジンの回転数やスロットル開度等のエンジン状態を示すパラメータ）に応じて最適な点火位置が存在する場合には焦点位置を任意に変更することができない。そのため、燃焼効率の悪化、排気エミッションの増大を招く。

従来のレーザ点火装置はエンジンの熱が伝わらない実験室内に設置され車両に搭載した事例はない。前記レーザを車両に搭載すると車両の振動、熱の影響でレーザ発振ができなくなる。

本発明は、上記点に鑑み、エンジンの燃焼室にレーザ光の焦点を導くと共に焦点を点火源として燃焼させるレーザ点火装置において、下記項目を実現することを目的とする。
・ 構成要素を高精度に位置決めする必要が無い光学系を提供する。
・ 複数の点火源の位置を任意に高精度に設定することで全運転領域で燃焼室空間に安定した燃焼を実現できるレーザ点火装置を提供する。
・ 部品点数を削減することができるレーザ点火装置を提供する。
・ 車両に搭載してもレーザ発振を安定して行えるレーザ点火装置を提供する。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、レーザ光を発するレーザユニット（１０）から入射されるレーザ光を簡単な光学系を用いてレーザ光を複数の光に分離すると共に、エンジンの燃焼室内に分離した光を集光する。さらに、内部にレーザユニット側から回折格子、レンズ、そしてプリズム（５０）を固定したパイプ（３０）を備えており、パイプの回転に応じて、プリズムに入射する分離されたレーザ光の焦点の位置を回転移動する。光学系では、複数のレーザ光源や複数のレンズを必要とせず、少ない部品点数でレーザの焦点を燃焼室内に導くことができる。

また、複数の点火源を生成することができるため、火炎伝播速度および、燃焼安定性が向上する。そのため、サイクル変動の低減、ノック限界の拡大、リーン限界の拡大が可能となり、エンジンの静粛性、出力の向上、排気エミッションの低減を実現できる。

請求項２および請求項３に記載の発明では、アクチュエータ（２３）が駆動されると、ハウジングに備えられたピン（６０）がパイプ（３０）に設けられたガイド（３１、３２）に沿うことで、パイプがハウジング内を移動することを特徴としている。

このように、アクチュエータによってパイプをハウジング内で移動させる。これにより、パイプに固定されているレーザ光分離手段がパイプと共にハウジング内を移動するため、レーザ光分離手段にて集光されるレーザ光の焦点の位置を燃焼室内で移動させることができる。前記構成とすることで、エンジン条件に応じて燃焼室内におけるレーザ光の焦点、すなわち点火源を移動させることができるので、広いエンジン条件で燃焼を安定性させることができる。

請求項４に記載の発明では、エンジン停止時、焦点位置が常に決められた位置になるように前記アクチュエータを駆動するようにした。その結果、エンジン始動時に前記アクチュエータが駆動できなくても点火位置が常に固定されているため、始動時の噴射制御の適合値を簡便に設定することができる。

請求項５および請求項６に記載の発明では、アクチュエータの位置を設定する機構を設けた。その結果、アクチュエータ位置の制御精度が向上するため、全運転領域で燃焼の安定性を向上することができる。

請求項７に記載の発明では、集光レンズは平凸レンズで構成されており、平凸レンズの平部分にレーザ光を分離する回折格子が形成されており、この回折格子にレーザ光が入射されると、レーザ光は回折格子の格子間隔に応じて分離されて集光されるようになっていることを特徴としている。

このように、レーザ光分離手段を平凸レンズで構成し、この平凸レンズにレーザ光を分離する回折格子を形成する。これにより、回折格子にレーザ光が入射されると、回折格子の格子間隔に応じてレーザ光が分離され、平凸レンズのレンズ部分で分離されたレーザ光をそれぞれ集光することができる。このようにして、分離光学系を簡素化することができるので、部品点数を削減することができる。

請求項８および請求項９に記載の発明では、エンジンの熱を遮断してレーザ共振器の温度変化を低減し、レーザを安定して発振することを特徴としている。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、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る。

（第１実施形態）
以下、本発明の一実施形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ点火装置の概略断面図である。図１に示されるように、レーザ点火装置１００は、レーザユニット１０と、ハウジング２０と、パイプ３０と、レンズ４０と、プリズム５０と、ピン６０と、を備えて構成されている。

レーザユニット１０は、レーザ光を発するものであり、ケース１１と、レーザ発振器１２と、を備えて構成されている。ケース１１は、レーザ発振器１２を保持するものであり、例えば樹脂で構成される。ケース１１とハウジング２０とは断熱材５１と空気層５２が挿入されて締結されている。ケース１１には真空断熱層５２１が形成され、ケース１１の一部にガラス５２２が接合されている。ケース１１内部には、レーザ共振器１２、冷却装置５３、温度センサ５４が挿入され、ケース１１に固定されている。ケース１１からは、冷却水配管５３１、５３２、温度センサケーブル５４１、５４２、ＬＤ駆動用のケーブル５５１、５５２および冷却装置５３の配線５６１、５６２が出ている。なお、温度センサ５４の代わりに、光検出センサを用いてもかまわない。

レーザ発振器１２は、周知のマイクロチップ式ＹＡＧレーザであり、イットリウム（Ｙ）・アルミニウム（Ａｌ）・ガーネット（Ｇ）結晶で構成されるＹＡＧ結晶の中にネオジウム（Ｎｄ）が混入されたＮｄ．ＹＡＧ結晶と、前記Ｎｄ．ＹＡＧ結晶を励起する半導体レーザと、レーザの発振時期を制御するＣｒ．ＹＡＧ結晶からなる過飽和吸収体および共振器の一部であるミラーと、を備えて構成されている。

レーザの発振時期はエンジンＥＣＵ１１０から出た点火信号１１１をトリガとして半導体レーザの発光開始時期を決定し、制御回路９０に導き予め決められた期間発光するように制御回路９０から電流出力信号９１を出力する。

レーザのパルスエネルギはレーザ共振器１２の構成および半導体レーザに供給する電流値で決められている。本実施形態では、波長が１０６４ｎｍの光をレーザパワー２〜４ｍＪでパルス発振している。

ハウジング２０は、レーザ点火装置１００から放出されたレーザをエンジンに導く光導入経路を制御する機能を支える部材であり鉄鋼材料（例えば低炭素鋼）よりなる円管状構造を有している。このハウジング２０の両端は開口しており、開口した一端側には上記レーザユニット１０がハウジング２０に一体とされ、他端側にはレーザ光をハウジング２０の外に射出するガラス窓２１が一体とされている。このようなハウジング２０の他端側の外周には、例えばエンジンブロックにネジ固定するためのネジ部２２が形成されており、ハウジング２０のエンジンへの取り付けが容易になっている。

ハウジング２０において円管状構造の内壁面には、アクチュエータ２３および摩擦低減部材２４が配置されている。アクチュエータ２３は、後述するパイプ３０をハウジング２０の軸を中心に回転させるものである。具体的には、アクチュエータ２３は、磁気回路で構成されており、エンジンＥＣＵと配線を介して電気的に接続された状態になっている。すなわち、アクチュエータ２３にエンジンＥＣＵ１１０からパイプ３０を回転させる信号が入力されると、磁気回路によってパイプ３０の外壁面に渦電流が生じ、その渦電流によってパイプ３０の外周方向に力が発生し、この力によってパイプ３０がハウジング２０の軸を中心に回転する。また、摩擦低減部材２４は、ハウジング２０内におけるパイプ３０の回転をスムーズにさせるものである。このような摩擦低減部２４には、例えばベアリングや樹脂（テフロン（登録商標））が採用される。

パイプ３０は、ハウジング２０と同心円状の円管状構造を有するものであり、例えば磁性材料で形成されている。このパイプ３０は、その円管状構造の中空部分が上記レーザ発振器１２のレーザ光の通路になっており、レーザ光はパイプ３０の一端側から入射して他端側から射出される。また、パイプ３０は、エンジン条件に応じてハウジング２０内においてハウジング２０の軸方向に移動するようになっている。

レンズ４０は、レーザ発振器１２から入射されるレーザ光を分離するものであり、平凸レンズで構成される。このレンズ４０のサイズは例えばφ１０になっている。このようなレンズ４０は、図１に示されるように、パイプ３０の他端側に接着保持されている。そして、パイプ３０の一端側から入射したレーザ光が、パイプ３０内を通ってこのレンズ４０の平部分に直接入射されるようになっている。

図２は、レンズ４０を示した図であり、（ａ）はレーザ光入射側からレンズ４０を見た図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２（ａ）、（ｂ）に示されるように、レンズ４０は、レーザ光が入射される面にグレーティング部４１を有している。このグレーティング部４１は、透過型の回折格子である。図２（ｂ）に示されるように、グレーティング部４１はのこぎり形状になっており、各のこぎり形状の山と山との間隔、すなわち格子周期ｄは例えば８．５μｍである。この格子周期ｄにより、レンズ４０のグレーティング部４１に入射されるレーザ光は、回折次数をｎ、レーザ光の波長をλとすると、以下の数式１で得られる回折角度θ_ｎに分離される。

（数式１）
θ_ｎ＝ｓｉｎ^―１（ｎλ／ｄ）
本実施形態では、格子周期ｄ＝０．００８５ｍｍ（８．５μｍ）、回折次数ｎ＝３、レーザ光の波長λ＝０．００１０６４ｍｍであるので、回折角度θ_ｎ＝２２°となる。したがって、グレーティング部４１から入射するレーザ光は、図２（ｂ）に示されるように、―１次、０次、＋１次に回折角度２０．５°で３分割されることとなる。なお、この回折角度θ_ｎ（＝２２°）で分割されたレーザ光の焦点におけるレーザ光の強度は、０次のレーザ光の強度を３０とすると、±１次のレーザ光の強度はそれぞれ２５となる。

上記格子周期ｄの値を変更することで、数式１にて回折角度θ_ｎが得られる。本実施形態では、格子周期ｄを８〜１５μｍとすると、回折角度θ_ｎは２３．０°〜１２．３°となる。このような格子間隔ｄにおいて、分離されたレーザ光の各強度のそれぞれが等しくなるようにするためには、上述のように、格子周期ｄ＝８．５μｍとし、回折角度θ_ｎ＝２２°となることが望ましい。以上のようなレンズ４０は、平凸レンズの平面部分に回折格子状の模様が形成された型に樹脂を流し込むことによってモールド成形される。なお、グレーティング部４１は本発明の回折格子に相当する。

プリズム５０は、上記レンズ４０にて分離されたレーザ光をそれぞれエンジンの燃焼室内の所望の位置に導くものである。このプリズム５０は、焦点距離が短いレンズ５０にて分離および集光された各レーザ光の焦点位置を変更するとともに引き延ばす役割を果たすものである。また、レーザ点火装置１００から射出される分離されたレーザ光を、このプリズム５０の傾斜によって燃焼室内の所望の位置に導く役割も果たす。

ピン６０は、アクチュエータ２３の作動により回転するパイプ３０を、回転させながらハウジング２０の軸方向に移動させる支持部材である。図３は、図１においてピン６０の近傍を拡大した図である。図３に示されるように、ハウジング２０およびパイプ３０においてピン６０が配置される部位には、貫通穴がそれぞれ設けられており、その貫通穴にピン６０が配置されている。本実施形態では、２つのピン６０がハウジング２０の側壁において対の位置にそれぞれ配置されている。このピン６０は、ハウジング２０に打ち込まれ固定されている。

なお、ハウジング２０、アクチュエータ２３、摩擦低減部材２４、パイプ３０、ピン６０は、本発明のレーザ焦点移動手段に相当する。

ここで、ピン６０が差し込まれるパイプ３０の穴は、図３に示されるように、パイプ３０の側面に螺旋状に開けられたガイド３１、３２になっている。したがって、上述のように、アクチュエータ２３によってパイプ３０が回転させられると、ピン６０がガイド３１、３２に沿って移動するため、パイプ３０は、回転しながらハウジング２０の軸方向に移動するのである。本実施形態では、パイプ３０が軸方向に最大１０ｍｍ移動するように、パイプ３０にガイド３１、３２が設けられている。溝の切り方により回転角度及び、移動量を変更することができる。なお、上記アクチュエータ２３、パイプ３０、ピン６０は、本発明のレーザ光分離手段に相当する。以上が、レーザ点火装置１００の構成である。

図４は、図１に示されるレーザ点火装置１００をエンジンに設置した例を示した図である。なお、図４では、吸気用バルブおよび排気用バルブを省略してある。図４に示されるように、レーザ点火装置１００は、エンジン２００のシリンダヘッド２１０において、インジェクタ２２０の隣の位置にネジ固定されている。そして、レーザ点火装置１００において分離されたレーザ光がエンジン２００の燃焼室２３０内に射出される。

図５は、エンジン２００のシリンダ２４０内にて往復運動するピストン２５０側からシリンダヘッド２１０側を見た図である。図５に示されるように、レーザ点火装置１００のレーザ光の各焦点Ｆ１〜Ｆ３は、インジェクタ２２０から噴射される燃料の燃料噴霧領域２６０内に位置するように調整される。言い換えると、各焦点Ｆ１〜Ｆ３は、燃料噴霧領域２６０の範囲内の所望の場所に位置していれば良い。

本実施形態では、レーザ発振器１２から射出されるレーザ光は、レンズ４０のグレーティング部４１によって３つの光に分離されるため、図５に示されるように、３つに分離されたレーザ光の焦点はそれぞれ任意の直線上に導かれるようになっている。３つの焦点Ｆ１〜Ｆ３においては、その中心に位置する焦点Ｆ２が分離されたレーザ光の０次回折光の焦点である。さらに、３つの焦点Ｆ１〜Ｆ３において、その中心の焦点Ｆ２を挟む２つの焦点Ｆ１、Ｆ３がレーザ光の±１次回折光の焦点になっている。

また、これら焦点Ｆ１〜Ｆ３は、燃焼室２３０の径の１／５〜１／２の範囲内に配置される。具体的には、隣り合う焦点Ｆ１〜Ｆ３の間隔は７〜２０ｍｍの範囲内であり、より好ましくは２０ｍｍである。このように、燃焼室２３０内に３つの焦点Ｆ１〜Ｆ３が形成され、これらの焦点Ｆ１〜Ｆ３が着火点になることで、燃焼室２３０全体の火炎伝播速度を高めることができる。

次に、レーザ点火装置１００の作動について説明する。まず、図４に示されるように、エンジン２００のシリンダヘッド２１０にレーザ点火装置１００が設置され、レーザ点火装置１００においてレーザ発振器１２およびアクチュエータ２３がエンジンＥＣＵ１１０と配線１１１を介して電気的に接続された状態とされる。

続いて、エンジンＥＣＵ１１０にエンジン２００の状態を示すパラメータ（すなわちエンジン条件）が入力される。エンジンＥＣＵ１１０は、このパラメータに基づき、燃焼室２３０内におけるレーザ光の焦点Ｆ１〜Ｆ３の位置およびその焦点Ｆ１〜Ｆ３の点火エネルギー（すなわちレーザ光の強度）を求める。

ここで、エンジン条件とは、エンジンＥＣＵ１１０において、エンジン状態を検出するセンサ群（エンジン回転数センサ、吸入空気量センサ、スロットルセンサ、水温センサ等）から入力されるパラメータに基づいて求められる点火条件を指す。この点火条件とは、例えば、各焦点Ｆ１〜Ｆ３の位置、各焦点Ｆ１〜Ｆ３における点火エネルギー、点火時期、インジェクタ２２０から噴射される燃料の噴霧量である。

この時、図示しない吸気バルブを介して吸入空気がエンジン２００の燃焼室２３０内に導入される。そして、エンジンＥＣＵ１１０は、エンジン条件に応じてレーザ点火装置１００から照射されるレーザ光の各焦点Ｆ１〜Ｆ３の位置を変更するため、アクチュエータ２３にハウジング２０内のパイプ３０を回転移動させる信号を出力する。この信号を受け取ったアクチュエータ２３は、ハウジング２０（パイプ３０）の軸を中心にパイプ３０を回転させる。具体的には、ハウジング２０に固定されたピン６０およびパイプ３０に設けられた螺旋状のガイド３１、３２により、ピン６０がパイプ３０のガイド３１、３２に沿って移動することで、パイプ３０はその軸を中心に回転しながらハウジング２０内を軸方向に移動する。

このパイプ３０の回転移動によって、パイプ３０内に固定されたプリズム５０も回転する。これにより、プリズム５０に入射する分離されたレーザ光の焦点Ｆ１〜Ｆ３の位置を移動させることができるのである。したがって、図５に示されるレーザ光の各焦点Ｆ１〜Ｆ３は、燃焼室２３０内においてパイプ３０の回転に応じて回転移動する。こうして、レーザ光の焦点位置を所望の場所に移動させる。

この後、エンジンＥＣＵ１１０は、インジェクタ２２０に燃料を噴射する信号を出力する。これを受けたインジェクタ２２０は、燃料を燃焼室２３０内に噴射する。この燃料噴射とほぼ同時期に、エンジンＥＣＵ１１０は、レーザ発振器１２にレーザ光を照射する信号を出力する。この信号は、例えば５Ｖのパルス電圧信号である。

レーザ発振器１２は、パルス電圧信号が入力されると、そのパルス電圧に応じたレーザ光を照射する。このレーザ光は、パイプ３０内に配置されたレンズ４０のグレーティング部４１に入射し、そのグレーティング部４１の格子周期に応じて３つの回折光が射出される。この３つの回折光は、それぞれプリズム５０に入射されると共に、プリズム５０にて焦点位置が変更されて燃焼室２３０内の所望の位置に導かれる。

このように、燃焼室２３０内において、インジェクタ２２０から燃料が噴射されてレーザ光が導かれると、レーザ光の各焦点Ｆ１〜Ｆ３において燃料が着火し、燃焼が起こる。そして、燃焼ガスは図示しない排気バルブを介して燃焼室２３０から排気される。上記燃料の燃焼は、エンジンＥＣＵ１１０によって繰り返し行われる。

以上説明したように、本実施形態では、レーザ光をパイプ３０内に固定したレンズ４０で分離および集光し、パイプ３０をハウジング２０の軸方向に回転移動させることで、燃焼室２３０内におけるレンズ４０の各焦点Ｆ１〜Ｆ３を移動させている。このように、パイプ３０をハウジング２０内で回転移動させることで燃焼室２３０内のレーザ光の焦点、すなわち点火源の位置を変更することができる。したがって、このようなレーザ点火装置１００をエンジン２００の点火に用いることで、エンジン条件に応じた点火位置に変更することができ、燃焼室２３０内における燃焼速度の向上および安定した燃焼を実現することができる。

本実施形態では、レンズ４０を平凸レンズで構成し、この平凸レンズにレーザ光を分離するグレーティング部４１を形成している。したがって、レーザ光をレンズ４０のグレーティング部４１にて複数の光に分離することができるため、複数のレーザ光源や複数のレンズを必要としない。このようにして、分離光学系を簡素化することができるので部品点数を削減することができる。

（他の実施形態）
上記レーザ点火装置１００は、筒内直接噴射式エンジン（いわゆる成層運転）に限らず、吸気管内にインジェクタから燃料を噴射して混合気を形成した後、燃焼室２３０に導入するエンジン（いわゆる均質運転）にも採用することができる。

第１実施形態では、レンズ４０において、そのグレーティング部４１の形状が図２（ｂ）に示されるように、のこぎり型になっているが、グレーティング部４１は図２（ｂ）に示される形状に限定されるものではない。例えば図６に示されるレンズ４３を採用しても構わない。図６は、レーザ点火装置１００に用いるレンズにおいて、グレーティング部の一例を示した図である。

図６に示されるレンズ４３は、第１実施形態と同様に、平凸レンズになっており、レンズ４３のうち平面部分がグレーティング部４４になっている。そして、このグレーティング部４４は、図６に示されるように、矩形状の突起４４ａが多数形成された状態になっている。この矩形状の突起４４ａのサイズは１５μｍであり、それぞれの突起４４ａの間隔は１０μｍである。

図６に示されるグレーティング部４４にレーザ発振器１２からレーザ光が入射すると、その光は、図７に示されるように分離される。図７は、図６に示されるレンズ４３が採用された時の、ピストン２５０側からシリンダヘッド２１０側を見た図である。図７に示されるように、レンズ４３のグレーティング部４４を通過したレーザ光は、５つに分離される。言い換えると、突起４４ａを有するグレーティング部４４でレーザ光を分離すると、５つの焦点Ｆ５〜Ｆ９を作り出すことができる。こうして、着火点を多数生成することができ、燃焼室２３０内における燃焼速度を向上させることができる。その場合は、焦点の数に応じて入射するエネルギーも増加する必要がある。たとえば、１点当りの必要エネルギーが２ｍＪとすると５点の場合は２ｍＪ×５点＝１０ｍＪであるが、回折光率が低下するため、回折により失われたエネルギーも考慮してレーザ発振器１２のエネルギーを高くする必要がある。

また、レンズ４０にグレーティング部４１が形成されていなくても良い。つまり、回折格子および集光レンズを用意し、レーザユニット１０のレーザ光照射部分と集光レンズとの間に透過型の回折格子（グレーティング部４１）を用意して配置し、この回折格子にて分離されたレーザ光を集光レンズにてそれぞれ集光するようにしても良い。

上記第１実施形態では、レンズ４０において分離されたレーザ光がそれぞれプリズム５０に入射されると、図５に示されるように、任意の直線上に各焦点Ｆ１〜Ｆ３が配置されるようになっている。そこで、この各焦点Ｆ１〜Ｆ３を三角形の各頂点に配置する、すなわち、各焦点Ｆ１〜Ｆ３を結ぶと三角形状が形成されるプリズムを採用しても良い。図８は、プリズムの一例を示した図であり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）、（ｃ）はレーザ光の経路を示した図、（ｄ）は（ａ）に示されるプリズムで分離されるレーザ光の燃焼室２３０内における各焦点の位置を示した図である。

図８（ａ）に示されるように、プリズム５０において、レーザ光が入射される面には小プリズム５３が固定されている。この小プリズム５３に、図示しないレンズ４０のグレーティング部４１において分離された０次回折光が入射されるようになっている。一方、分離されたレーザ光のうち±１次回折光は、小プリズム５３以外の場所に入射されるようになっている。そして、この±１次回折光は、プリズム５０において第１実施形態と同様に図８（ｂ）に示されるような経路をたどることとなるため、±１次回折光はそれぞれ任意の直線上に導かれることとなる。

一方、先に述べた０次回折光は、図８（ｃ）に示されるように、小プリズム５３に入射されると、０次回折光において小プリズム５３に入射される傾斜角度が±１次回折光よりも浅くなるため、プリズム５０および小プリズム５３において０次回折光が折り曲げられる角度が小さい。したがって、０次回折光は任意の直線上から外れた位置に導かれることとなる。

以上のことから、小プリズム５３を備えたプリズム５０に分離されたレーザ光がそれぞれ入射すると、図８（ｄ）に示されるように、３つに分離されたレーザ光の各焦点Ｆ１０〜Ｆ１２は、それぞれを結ぶと三角形状となる。このように、各焦点Ｆ１０〜Ｆ１２を三角形となるように配置することで、燃焼室２３０内に火炎を素早く燃焼室外周に同時に行き渡らせることができるので、燃焼室２３０内における燃焼速度を向上させることができる。

図９はパイプ３０が回転する駆動機構の別形態である。アクチュエータ２３はステップモータ２３０の軸２３１に螺旋状のギア２３２が設置されている。ステップモータ２３０はハウジング２０に固定されている。ステップモータ２３０はエンジンＥＣＵ１１０から出力される電気信号配線と繋がっている。パイプ２３には等間隔に溝３０１が切られている。螺旋状のギア２３２の山はパイプ３０と噛み合うように設置されている。

エンジンＥＣＵ１１０からパルス信号が出されると、そのパルス数に応じてステップモータ２３０が回転する。その結果、パイプ３０はエンジン条件に応じてハウジング２０内においてハウジング２０の軸方向に回転しながら移動するようになっている。この実施例では、第１実施形態に比べてギアと溝の摩擦抵抗によりパイプ３０のガタツキを押えることができという利点がある。

図１０は駆動機構の別形態である。図９の形態と異なる点は、ステップモータ２３０を通常のモータ２４０に変更し、ハウジング２０にパイプ３０の位置を検出するギャップセンサ２４１を設置した点にある。パイプ３０が回転すると溝３０１の位置が変化してギャップセンサ２４１のセンサ面のクリアランスが変化する。前記ギャップセンサ２４１の信号（ギャップセンサ出力）とパイプ３０の回転角度との関係は図１１の様になる。前記ギャップセンサ２４１の信号とエンジンＥＣＵ１１０の信号とを比較してフィードバック制御することでパイプ３０の回転角度＝焦点位置を所定の位置に精度良く設定することができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ点火装置の概略断面図である。 レンズを示した図であり、（ａ）はレーザ光入射側からレンズを見た図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図１においてピンの近傍を拡大した図である。 図１に示されるレーザ点火装置をエンジンに設置した例を示した図である。 第１実施形態において、エンジンのシリンダ内にて往復運動するピストン側からシリンダヘッド側を見た図である。 レーザ点火装置に用いるレンズにおいて、グレーティング部の一例を示した図である。 図６に示されるレンズを採用した場合の、ピストン側からシリンダヘッド側を見た図である。 プリズムの一例を示した図であり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）、（ｃ）はレーザ光の経路を示した図、（ｄ）は（ａ）に示されるプリズムで分離されるレーザ光の燃焼室内における焦点の位置を示した図である。 パイプをステップモータで駆動する機構を示した図である。 パイプの位置をモータとギャップセンサでフィードバック制御する駆動する機構を示した図である。 図１０のギャップセンサ出力とパイプの回転角度との関係を示す特性図である。

符号の説明

１０…レーザユニット、２０…ハウジング、２３…アクチュエータ、
３０…パイプ、４０、４３、４５…レンズ、４１、４４…グレーティング部、
５０、５３…プリズム、５１、５２…断熱層、５３…冷却装置、５４…ギャップセンサ、
６０…ピン、９０…半導体レーザ駆動回路、１１０…エンジンＥＣＵ、
１２０…バッテリ、２３０…ステップモータ、２３２…螺旋ギア、
２４０…モータ、３０１…溝、５２１…真空断熱層。

Claims (9)

1. レーザ光を発するレーザユニット（１０）と、
   前記レーザユニットから放出されたレーザ光を複数の光に分離する回折格子（４１、４４）と、を備え、
   前記回折格子にて分離されたレーザ光をレンズ（４０）でそれぞれ集光し、少なくとも一つのレーザ光の進行方向を変えてそのレーザ光の焦点をエンジン（２００）の燃焼室（２３０）に導くようにし、
   さらに、内部に前記レーザユニット側から前記回折格子、前記レンズ、そしてプリズム（５０）を固定したパイプ（３０）を備えており、
   前記パイプの回転に応じて、前記プリズムに入射する分離されたレーザ光の焦点の位置を回転移動することを特徴とするレーザ点火装置。
2. 前記レーザ光の焦点を前記燃焼室内において任意の場所に移動させるレーザ焦点移動手段（２０、２３、２４、３０、６０）を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ点火装置。
3. 前記レーザ焦点移動手段は、ハウジング（２０）を含んでおり、このハウジングは中空筒状になっていると共に、その外壁面から内壁面に貫通する複数の孔が設けられ、その複数の孔にピン（６０）がそれぞれ挿入されて固定されており、これらピンの先端部分は前記ハウジングの内壁面から突出した状態になっており、
   前記パイプ（３０）と、前記ハウジングの内壁面に固定されると共に前記ハウジング内で前記パイプを移動させるアクチュエータ（２３）と、前記パイプを回転自由に支える低摩擦部材（２４）と、を有しており、
   前記パイプは、前記ハウジングの中空部分に収納され、前記ハウジングの内壁面から突出した前記ピンの先端が挿入されるガイド（３１、３２）を有しており、
   前記アクチュエータが駆動されると、前記ピンが前記パイプの前記ガイドに沿って移動することで、前記回折格子、前記レンズ、および前記プリズムが前記パイプと一体なって前記ハウジング内を前記パイプの周方向および前記ハウジングの軸方向に同時に移動するようになっていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ点火装置。
4. 前記アクチュエータは電源停止時に所定の位置に留まっていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ点火装置。
5. 前記アクチュエータは回転角度をステップ的に設定できるモータで駆動される歯車と前記パイプの壁面に螺旋状に刻まれた複数個のスリットで構成されており、モータを所定のステップ数回転数することで焦点の位置を制御することを特徴とする請求項３または４に記載のレーザ点火装置。
6. 前記アクチュエータは前記モータで回転するギアと前記アクチュエータの上下、回転角度を検出するセンサを有することを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１つに記載のレーザ点火装置。
7. 前記レンズは平凸レンズで構成されており、前記平凸レンズの平部分に前記レーザ光を分離する前記回折格子が形成されており、この回折格子に前記レーザ光が入射されると、前記レーザ光は前記回折格子の格子間隔および格子パターンに応じて分離されて集光されるようになっていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のレーザ点火装置。
8. 前記レーザユニットは、レーザ発振器（１２）を備えており、
   前記レーザ発振器は真空断熱層が設けられたケース（１１）と前記ケースのレーザ通過部分にガラスを融着し、前記ケース内部に前記レーザ発振器から放出される熱を外部に放出する機構と前記レーザ発振器の温度を検出する温度センサと前記温度センサに基づき水量または水温を制御する機構からなり前記レーザ発振器の温度を所定の温度範囲に制御する機構を備えたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載のレーザ点火装置。
9. 前記ケースと前記ハウジングとは断熱材または空気層を介して締結されていることを特徴とする請求項８に記載のレーザ点火装置。

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