JP5729869B2 - 固体レーザの固定方法とこれを用いたレーザ点火装置 - Google Patents
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Description
上記固体レーザ固定用ホルダを略筒状のハウジング内に配設するに当たり、
上記固体レーザ固定用弾性体として、
上記固体レーザ固定用ホルダと一体的に又は別体で設けられ、上記固体レーザの上端部と下端部とにおいて、上記固体レーザ収容空間の内側に向かって傾倒せしめた舌片状の板バネ部材を用いて上記固体レーザ収容空間の2つの内周面のそれぞれに直交する方向に上記固体レーザを押圧すると共に、
上記固体レーザと上記固体レーザ収容空間との間に空隙が存在する場合に、該空隙内に熱伝導率が高く弾性を有する樹脂部材を充填することを特徴とする。
上記固体レーザ固定用ホルダを略筒状のハウジング内に配設するに当たり、
角柱状に形成した上記固体レーザの対角方向に分割した略半円柱状で、内側に略V字形の固体レーザ収容空間を区画した一対の固体レーザ固定用ホルダによって上記固体レーザを挟持し、それぞれの収容空間の2側面を対向する上記固体レーザの2側面のそれぞれに当接せしめると共に、上記固体レーザ固定用弾性体として、略C字型に形成した弾性部材からなるC形止め輪を用いて、上記一対の固体レーザ固定用ホルダをその外周側から中心方向に向かって押圧することを特徴とする。
上記レーザ共振器が、短い波長の励起光の入射は許容し、長い波長の光を全反射する全反射鏡からなる入射鏡と、短い波長の励起光の入射により長い波長の蛍光を放出するレーザ媒質と、該レーザ媒質から放射された光エネルギが所定のQ値以下のときには吸収し、所定のQ値以上のときには放出する受動Qスイッチを構成する可飽和吸収体及び部分反射鏡とを一体に形成して、角柱状に加工した固体レーザと、これを保持する固体レーザ固定用ホルダとによって構成され、
略筒状のハウジングの内側において、請求項1又は2に記載の固体レーザの固定方法によって上記固体レーザの長手方向側面の内、少なくとも2面を上記固体レーザ固定用ホルダに区画した固体レーザ収容空間の内周壁の内の2面に弾性的に押圧して固定せしめ、
上記励起光集光手段と上記共振器と上記パルス光集光手段とを光軸を揃えて配設して上記ハウジングの内側に収容すると共に、上記励起光集光手段と上記共振器と上記パルス光集光手段との間のいずれかの位置に、高い熱伝導率と伸縮性のある弾性部材を介挿したことを特徴とする。
上記固体レーザ固定用弾性体によって、上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとが広い接触面積で当接し、弾性的に押圧された状態となっているので、外部からの振動や衝撃など、瞬間的に大きな力が作用しても、上記固体レーザの2つの側面と上記固体レーザ固定用ホルダの2つの内周面との間に大きな静止摩擦抵抗が働き、上記固体レーザが上記固体レーザ固定用ホルダ内で位置ズレを起こしたり、脱落したりする虞がない。
さらに、外部環境の温度変化や、上記固体レーザに励起光が入射され、共振したときの発熱等によって上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとの間に生じる熱膨張差は瞬間的な変化ではなく、熱膨張過程か熱収縮過程かを問わず、微視的に見れば、上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとは共に動いている状態で、両者の間には働く力は小さな動摩擦力であるため、両者の間で滑りを生じて熱膨張差が吸収され、上記固体レーザに歪みを生じることがない。
さらに、上記固体レーザと上記固体レーザ固定用ホルダとの間の空隙内に熱伝導率の高い弾性部材を充填することにより、さらなる、耐熱性、耐振性の向上を図ることが可能となる。
本発明の固体レーザの固定方法をレーザ点火装置に用いれば、上記レーザ発振器から出射されるパルス光の光軸が安定し、また、出力されるエネルギも安定し、車載したエンジン自身の振動および外部からの振動や温度変化の激しい過酷な使用環境においても信頼性の高い点火を実現できる。
図1に示すように、本発明の第1の実施形態におけるレーザ共振器2はARコーティング201が施され、入射光をレーザ媒質202側へ全反射する入力鏡200と、レーザ媒質202とレーザ媒質202から放射された光エネルギが所定のQ値以下のときには吸収し、所定のQ値以上のときには放出する受動Qスイッチを構成する可飽和吸収体203及び部分反射鏡204とが一体化された固体レーザ20を、本発明の要部である固体レーザ固定用ホルダ25(以下、ホルダ25と略す。)の内側に収容して構成されている。
本発明において、固体レーザの種類を特に限定するものではなく、例えば、NdをドーピングしたNd:YAGからなるレーザ媒質とCr+4をドーピングしたCr:YAGからなる受動Qスイッチとを一体とした公知の個体レーザが使用されている。
本実施形態においては、角柱状に切り出され、精度良く加工された固体レーザ20の長手方向の4側面211、212、213、214の内、少なくとも2面211、212が、ホルダ25を構成するホルダ基体250の内側に区画した固体レーザ収容空間255(以下、収容空間255と略す。)の内周側の2側面(251、252)に対して、それぞれの裏面側(213、214)から固体レーザ固定用弾性体261、262、263、264によって弾性的に押圧され、広い接触面積で当接し、固体レーザ20の中心軸C/Lとホルダ25の中心軸C/Lとが一致した状態で弾性的に保持されている。
なお、収容空間255の2つの内周面251、252が互いに直交する角部には、長手軸方向にコーナー溝部256が穿設されており、固体レーザ20の2つの側面211、212が互いに直交する角部とホルダ25の内周壁とが当接することがなく、固体レーザ20をホルダ25に押圧したときに角部に応力集中するのを防いでいる。
一方、ホルダ25には、固体レーザ20の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料が用いられるが、完全に一致させることは困難で、従来のように、固体レーザ20とホルダ25とを接着固定したのでは、熱膨張差によるストレスが固体レーザ20に作用し、固体レーザ20に歪みが生じ、固体レーザ20の劣化を招いたり、固体レーザ20の両端に設けた入射鏡200と出力鏡204との平行度が損なわれて光軸のズレを招いたりする虞がある。
また、固体レーザ20とホルダ25との接触面積が大きいので固体レーザ20からホルダ25への放熱が速やかに行われるため、出力を安定させることができる。
レーザ点火装置1は、略筒状のハウジング10内に、光ファイバ11、励起光集光手段12、共振器2、パルス光集光手段14、保護カバー15を同軸上に配設し、基端側をキャップ13で封止して構成され、ハウジング10の先端に設けたネジ部103を内燃機関3のシリンダヘッド30に固定し、燃焼室300内に先端側を露出させている。
ハウジング10は、略筒状に形成されたハウジング基体100とその基端側に形成した励起光集光手段収容部101と先端側に形成したパルス光集光手段収容部102と先端側外周に形成したネジ部103によって構成されている。
光ファイバ11は、ハウジング10の基端側に、キャップ13を用いて固定され、外部に設けた図略の半導体レーザLD等の公知の励起光源から発振された励起光LZRPMPを伝送する。
共振器2内に入射された励起光LZRPMPは、全反射鏡200と部分反射鏡204との間で共振器2内に入射された励起光LZRPMP(例えば、808.5nm)は、レーザ媒質202を蛍光させ励起光よりも長い波長(例えば、1064nm)のパルス光LZRPLSを誘導放出する。
共振増幅されたレーザ光が閾値を超えると可飽和吸収体203が受動Qスイッチとして作用し、瞬間的にエネルギ密度の高いパルス光LZRPLSが出射される。
共振器2は、上述のごとく、固体レーザ20の少なくとも2側面211、212をホルダ25の内周壁251、252に弾性的に押圧して固定されている。
共振器2から出射されたパルス光LSRPLSは、ビームエキスパンダ140によって所定のビーム径に調整され、集光レンズ141によって燃焼室300内の所定位置FPに集光してエネルギ密度の極めて高いプラズマを発生させ、燃焼室300内の混合気を点火する。
保護カバー150は、燃焼室300内の高い圧力と、煤などの汚れから集光レンズ141を保護している。
なお、弾性体142は、レーザ共振器2から凹レンズ140、スペーサ142、パルス光集光レンズ141までのいずれかの間に設ければ良い。
また、弾性体142には、板バネや、耐熱性ゴム、等を用いることができる。
スペーサ143は、略筒状に形成され、基端側に配設したビームエキスパンダ140と先端側に配設したパルス光集光レンズ141までの距離を一定に保ち、パルス光集光レンズ141によって集光される集光点FPの位置が変動するのを防いでいる。
なお、本試験において、固体レーザ20は、3mm×3mm×10mmの角柱状に形成され、4側面と両端面とは平面研磨加工により精度良く仕上げられている。
図4(a−1)は、本発明の第1の実施形態における共振器の長手軸方向に沿った断面図、(a―2)は、横断面図、比較例として、固体レーザ20の長手方向の4側面に対してそれぞれ2点ずつの計8点を固定ネジ26zによって保持した構成を用い、(b−1)はその長手軸方向に沿った断面図、(b−2)は、その横断面図である。
本図(a―1)、(a―2)に示すように、本発明の実施例においては。ホルダ25の内周面の内2面251、252が、固体レーザ20の2側面211、212と密接し、総接触面積が60mm2となっており、本図(b−1)、(b−2)に示すように、8点の総接触面積は8mm2となっている。
このように固体レーザ20をホルダ26、26zのそれぞれに保持した共振器2、2zに長手軸方向に対して30Gの加速度に相当する力を加えたときに固体レーザ20がホルダ26、26zからズレない最大加重を耐震性の評価とし、そのときの長手軸に垂直な方向の固体レーザ2の単位断面積当たりの最大荷重を固定応力として評価し、共振器2、2を−40〜130℃の温度環境に晒したときの固体レーザ20の両端面(全反射鏡200、出力鏡204)の平行度を耐熱性の評価とした。
(1)先ず、レーザ共振器2(YAG)の全反射鏡200の平面度を平行度計測装置で計測する。
(2)平行度計測装置と角度分解能1秒の回転ステージの組合せでYAG先端の平面度が出るまで位値調整を行う。
回転ステージで図の矢印の方向に回しながら左右を調整する。
回転ステージに設けられた傾斜台を使って上下方向の角度(位値)調整する。
(3)YAGをインデックスで180°回転して固定する。
(4)出力鏡204の傾きを平行度計測装置で計測する。
(5)(4)で計測した傾きを全反射鏡200、出力鏡204の平行度とした。
その結果を、表1に示す。表1に示すように、本発明の実施例においては、固定応力が、67g/mm2、耐振性191G、平行度は、33秒であった。
一方、比較例においては、固定応力が186kg/mm2、耐振性が558G、平行度が60秒であった。
なお、LD駆動周波数は、対応するエンジン回転数に応じて増減され、また、固体レーザ20(レーザ媒質202)の温度は、LD駆動周波数に略比例しており、LD駆動周波数が高いほど発熱温度は高くなる。
比較例においては、エネルギの損失が大きいため、LD駆動周波数、即ち、固体レーザ20の温度に拘わらず。ほぼ一定の総エネルギ量となる。これは、比較例においては、固体レーザ20とホルダ26との間に空隙が存在し、その空隙が断熱層として作用して、LD駆動周波数が低いときでも充分な放熱が行われないためであると思料する。
本実施例では、LD駆動周波数の増加、即ち、固体レーザ20の温度上昇に伴い、総エネルギ量は徐々に減少するが、いずれのLD駆動周波数においても比較例よりも遙かに高い総エネルギ量のパルスレーザを発振することができる。
なお、総エネルギ量とは、本発明のレーザは1回の点火サイクル中に複数回のパルスレーザが発振されるが、前記複数回のパルスエネルギの総量を示す。
本図に示すように、比較例においては、光―光変換効率は、LD駆動周波数のよらず、略一定であるが、本実施例においては、LD駆動周波数の増加、即ち、固体レーザ20の温度上昇に伴い、光―光変換効率は徐々に減少するが、いずれのLD駆動周波数においても比較例よりも遙かに高い光―光変換効率でパルスレーザを発振することができる。
なお、光―光変換効率とは、励起光からパルス光に変換したときの変換効率を示し、パルス光エネルギ/励起光エネルギによって算出される値である。
このように、従来のレーザ共振器の変換効率が本発明のレーザ共振器に比べて低い理由は、
(1)1点火サイクル中に1パルスしか発振しないため励起光の損失が大きいこと、
(2)レーザ共振器が一体化されていないため光軸が歪んでいる可能性があること、
(3)側面励起方式であるため励起光の散乱、透過損失が大きいこと等によるものと推察される。
(1)励起光の立ち上がりを早くして矩形状に励起光をレーザ共振器に入射すること、
(2)励起光の集光強度を高くして発振間隔を短くすること、
(3)レーザ共振器冷却することで熱レンズ効果による共振モードの変化の防止と蛍光光のバンド幅の広がりを防止することがあげられる。
また、レーザ点火装置の場合、プラズマを発生するために必要なレーザ出力は1パルス当たり、3MW/cm2であり、1パルス当たりの出力を低くすればパルスの発振間隔が短くなるのでその分効率が上がる。
一方、可飽和吸収体を使わないで、AOQswなどの別方式のQSWを使うと効率は上がる、AOQSWを制御するのに数キロボルトを発生する電源が必要でエンジンへの搭載が困難となる上に、AOQSW自体も体格が大きく小型化が困難である。
したがって、本発明によれば、極めて簡易な構成で、過剰な負荷を共振器2に与えることなく、光軸を歪ませることなく点火装置内に保持することが可能で、しかも、高いエネルギ変換効率を維持してパルスレーザを発振し、内燃機関のの点火に用いることが可能となる。
なお、上記実施形態と同様な構成については、同じ符号を付したので説明を省略し、相違点並びに本実施形態の効果について説明する。
特に、ホルダをホルダ25A、25Bの2つに分割しているので、ホルダ基体250A、250Bのそれぞれに略V字型の収容空間を加工する際に、鏡面研磨によって固体レーザ20の4側面211、212、213、214のそれぞれに当接する内周壁側面251A、252A、253B、254Bを精度良く加工できるため、極めて均一な力でホルダ25Aとホルダ25Bとが固体レーザ20を拘束、保持することができる。
本実施形態によれば、上記実施形態と同様の効果に加え、ホルダ25A、25Bと固体レーザ20との接触面積が倍増するので、極めて良好な放熱性が得られる。
その結果、さらに温度変化や振動に対して耐久性の高い優れたレーザ点火装置が実現できる。
ホルダを一対のホルダ25Cとホルダ25Dとの2つに分けて、これらによって、固体レーザ20を挟持して、V字形溝の内周面251C、252C、253D、254Dを固体レーザ20の4側面211、212、213、214に弾性的に当接させる点は第2の実施形態と類似しているが、固定手段として、スナップリングのような弾性部材を用いるのではなく、本形態においては、一対のホルダ25Cとホルダ25Dとの対向する2面間に、略平板状に形成したインジュウム箔や黒鉛シート等の高い熱伝導性と伸縮性のある平板状弾性部材262bを介挿し、ホルダ25Cとホルダ25Dとを互いにボルト28を用いて螺結している点が相違する。
本形態においては、一対のホルダ25Cとホルダ25Dとの間に平板状弾性部材262bが介在することによって、V字形溝の内周面251C、252C、253D、254Dが、固体レーザ20の4側面211、212、213、214を弾性的に押圧することになるので、上述の第2の実施形態と同様の効果が発揮される。
なお、本形態において、平板状弾性部材262bを一対のホルダ24Cとホルダ25Dとの合わせ面に介挿した例を示したが、弾性部材をホルダ25C、25Dに設けたV字形溝の内周面251C、252C、253D、254Dと固体レーザ20の4側面211、212、213、214との間に介挿しても良い。
10 ハウジング(共振器収容部)
101 励起光集光手段収容部
102 パルス光集光手段収容部
103 ネジ部
11 光ファイバ
12 励起光調整手段
120 励起光レンズ1
121 励起光レンズ2
13 キャップ(基端側固定部材)
14 パルス光集光手段
140 凹レンズ(ビームエキスパンダ)
141 パルス光集光レンズ
142 弾性部材
143 スペーサ
15 保護カバー
2 レーザ共振器
20 固体レーザ
200 入力鏡(全反射鏡)
201 ARコーティング膜
202 レーザ媒質
203 可飽和吸収体
204 出力鏡(部分反射鏡)
25 固体レーザホルダ(固体レーザ固定手段)
250 ホルダ基体
251 第1の支持面
252 第2の支持面
253、254 内壁面
255 固体レーザ収容空間
256 コーナー溝部
257、258 固定用弾性体保持部
261、262、263、264 固体レーザ固定用弾性体(固定用リブ)
27 弾性樹脂部材
3 内燃機関
30 シリンダヘッド
300 燃焼室
LZRPMP 励起光
LZRPLS パルス光
FP 集光点
Claims (3)
- 内燃機関に用いられ、全反射鏡と部分反射鏡との間に介装されたレーザ媒質の内部で励起光源から発振された励起光を共振させ、エネルギ密度の高いパルスレーザを発振するレーザ共振器に用いられ、短い波長の励起光の入射は許容し、長い波長の光を全反射する全反射鏡からなる入射鏡と、短い波長の励起光の入射により長い波長の蛍光を放出するレーザ媒質と、該レーザ媒質から放射された光エネルギが所定のQ値以下のときには吸収し、所定のQ値以上のときには放出する受動Qスイッチを構成する可飽和吸収体及び部分反射鏡とを一体に形成して、角柱状に加工した内燃機関用固体レーザの長手方向の4側面の内、少なくとも2側面を、固体レーザ固定用ホルダを構成するホルダ基体の内側に区画した固体レーザ収容空間の内周側の2側面に対して、それぞれの裏面側から固体レーザ固定用弾性体によって弾性的に押圧して、広い接触面積で当接せしめ、上記固体レーザの中心軸と上記固体レーザ固定用ホルダの中心軸とが一致した状態で弾性的に保持する内燃機関用固体レーザの固定方法であって、
上記固体レーザ固定用ホルダを略筒状のハウジング内に配設するに当たり、
上記固体レーザ固定用弾性体として、
上記固体レーザ固定用ホルダと一体的に又は別体で設けられ、上記固体レーザの上端部と下端部とにおいて、上記固体レーザ収容空間の内側に向かって傾倒せしめた舌片状の板バネ部材を用いて上記固体レーザ収容空間の2つの内周面のそれぞれに直交する方向に上記固体レーザを押圧すると共に、
上記固体レーザと上記固体レーザ収容空間との間に空隙が存在する場合に、該空隙内に熱伝導率が高く弾性を有する樹脂部材を充填することを特徴とする内燃機関用固体レーザの固定方法。 - 内燃機関に用いられ、全反射鏡と部分反射鏡との間に介装されたレーザ媒質の内部で励起光源から発振された励起光を共振させ、エネルギ密度の高いパルスレーザを発振するレーザ共振器に用いられ、短い波長の励起光の入射は許容し、長い波長の光を全反射する全反射鏡からなる入射鏡と、短い波長の励起光の入射により長い波長の蛍光を放出するレーザ媒質と、該レーザ媒質から放射された光エネルギが所定のQ値以下のときには吸収し、所定のQ値以上のときには放出する受動Qスイッチを構成する可飽和吸収体及び部分反射鏡とを一体に形成して、角柱状に加工した内燃機関用固体レーザの長手方向の4側面の内、少なくとも2側面を、固体レーザ固定用ホルダを構成するホルダ基体の内側に区画した固体レーザ収容空間の内周側の2側面に対して、それぞれの裏面側から固体レーザ固定用弾性体によって弾性的に押圧して、広い接触面積で当接せしめ、上記固体レーザの中心軸と上記固体レーザ固定用ホルダの中心軸とが一致した状態で弾性的に保持する内燃機関用固体レーザの固定方法であって、
上記固体レーザ固定用ホルダを略筒状のハウジング内に配設するに当たり、
角柱状に形成した上記固体レーザの対角方向に分割した略半円柱状で、内側に略V字形の固体レーザ収容空間を区画した一対の固体レーザ固定用ホルダによって上記固体レーザを挟持し、それぞれの収容空間の2側面を対向する上記固体レーザの2側面のそれぞれに当接せしめると共に、上記固体レーザ固定用弾性体として、略C字型に形成した弾性部材からなるC形止め輪を用いて、上記一対の固体レーザ固定用ホルダをその外周側から中心方向に向かって押圧することを特徴とする内燃機関用固体レーザの固定方法。 - 外部に設けた励起光源から励起光集光手段を介して入射された励起光をレーザ共振器の内部で共振増幅したエネルギ密度の高いパルス光とし、該パルス光をパルス光集光手段を介して、内燃機関の燃焼室の内側に集光してエネルギ密度の極めて高いプラズマを発生させて混合気の点火を行うレーザ点火装置であって、
上記レーザ共振器が、短い波長の励起光の入射は許容し、長い波長の光を全反射する全反射鏡からなる入射鏡と、短い波長の励起光の入射により長い波長の蛍光を放出するレーザ媒質と、該レーザ媒質から放射された光エネルギが所定のQ値以下のときには吸収し、所定のQ値以上のときには放出する受動Qスイッチを構成する可飽和吸収体及び部分反射鏡とを一体に形成して、角柱状に加工した固体レーザと、これを保持する固体レーザ固定用ホルダとによって構成され、
略筒状のハウジングの内側において、請求項1又は2に記載の固体レーザの固定方法によって上記固体レーザの長手方向側面の内、少なくとも2面を上記固体レーザ固定用ホルダに区画した固体レーザ収容空間の内周壁の内の2面に弾性的に押圧して固定せしめ、
上記励起光集光手段と上記共振器と上記パルス光集光手段とを光軸を揃えて配設して上記ハウジングの内側に収容すると共に、上記励起光集光手段と上記共振器と上記パルス光集光手段との間のいずれかの位置に、高い熱伝導率と伸縮性のある弾性部材を介挿したことを特徴とするレーザ点火装置。
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