JP6095495B2

JP6095495B2 - レーザ点火装置用の光学素子封止構造体とその製造方法、及び、レーザ点火装置

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Publication number: JP6095495B2
Application number: JP2013124373A
Authority: JP
Inventors: 金原　賢治; 賢治金原; 明光杉浦; 篤史盛岡
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2013-06-13
Filing date: 2013-06-13
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2033-06-13
Also published as: JP2015001158A

Description

本発明は、車両等の内燃機関の点火に用いられるレーザ点火装置に関するものであり、特に、少なくとも、集光レンズ、保護ガラス等の光学素子を気密に封止する光学素子封止構造体とその製造方法、及び、レーザ点火装置に関する。

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に、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を集中させて放出するパルスレーザとして発振させ、さらにパルスレーザを集光レンズなどの光学素子を用いて、混合気中に集光して、エネルギ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レーザ点火装置について種々提案されている。

例えば、特許文献１には、内燃機関の点火装置に用いられるレーザ装置において、燃焼室窓とケーシングとの間の熱排出を改善すべく、ケーシング内にケーシングよりも高い熱伝導率を有する材料からなる装入部分を設けたレーザ点火装置が開示されている。

さらに、特許文献１にある従来のレーザ点火装置では、燃焼室窓を構成する光学素子をケーシングの内側に設けた挿入部分に直接的なコンタクトを形成するため、プレス嵌め、挟み込みといった形状結合、または、接着、ボンディング、ハンダ付けといった材料結合によって、軸方向および／または半径方向に接続されている。

特表２０１０−５４０８２２号公報

ところが、特許文献１にあるように、プレス嵌め、挟み込みといった形状結合を用いた場合には、光学素子に用いられている石英ガラス、耐熱ガラス、サファイアといった光学材料の熱膨張係数と、ケーシングに用いられている鋼等の金属材料の熱膨張係数との違いによって、光学素子とケーシングとの間の気密性が失われる虞がある。
レーザ点火装置において、このような気密性の低下は、装置内に燃焼室内の混合気が侵入し、燃焼室窓の内側に被膜を形成し、レーザ光の進行に影響を与え、正常な点火ができなくなるおそれがある。

また、上述のように光学素子とケーシングとが直接的に接続するような形状の場合、プレス時や、挟み込み時において、光学素子に作用するシール圧力を均一にすることが極めて難しく、光学素子に偏荷重が加わり亀裂が生じるおそれがある。
さらに、このような形状の場合、残留応力も大きくなるため、使用時の冷熱ストレスも大きくなり、光学素子に亀裂を生じさせるおそれもある。
加えて、光学素子に用いられる耐熱性ガラス、石英ガラス、サファイア等の光学材料は、金属材料に比べ熱伝導率が低く、特許文献１にあるように、ケーシング内に銅等の極めて高い熱伝導率を有する材料を配置した場合、冷熱ストレスがさらに大きくなり、点火装置の耐久性を著しく低下させるおそれがある。

一方、特許文献１の材料接合の場合、必ずしも具体的な材料が明らかではないが、従来あるようなハンダ付けやロウ付けによって光学素子とケーシングとを接合した場合、ハンダやロウ材に含まれるフラックス成分等が蒸発し、再沈着することで、光学窓の内側や集光レンズの表面を汚染するおそれがある。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、保護ガラス、及び集光レンズ等の光学素子を気密に封止するに当たり、気密性、耐久性にすぐれた光学素子封止構造体と、その製造方法、並びに、これらを用いた信頼性の高いレーザ点火装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザ点火装置用の光学素子封止構造体（１、１ａ、２、２ａ、２ｂ、２ｃ）は、一又は複数の光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を光学素子収容筐体（１１、１１ａ、２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）の内側に収容して封止した光学素子封止構造体（１、１ａ、２、２ａ、２ｂ、２ｃ）であって、前記光学素子収容筐体（１１、１１ａ、２１、２２a、２２ｂ、２２ｃ）が、前記光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の一方の端面が当接する光学素子係止部（１１０、２１０）と、前記光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の外周に対して所定の間隙（ＧＰ）を設けて穿設せしめた光学素子位置決め溝部（１１１、１１１ａ、２１１、２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ）と、前記光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の外周の一部又は全周を覆うように封止ガラス（１２、１２ａ、２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）を配設すべく、穿設せしめた封止ガラス収容溝部（１１２、１１２ａ、２１２、２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ）と、を具備し、前記封止ガラス（１２、１２ａ、２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）が６００℃以下のガラス転移温度を有する低融点ガラスからなり、前記封止ガラス（１２、１２ａ、２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）の融着により前記光学素子（１０、１０、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）と前記光学素子収容筐体（１１、１１ａ、２１、２２a、２２ｂ、２２ｃ）とを気密に封止せしめており、かつ、
前記光学素子として、励起光を内燃機関の燃焼室（ＣＭＢ）内に集光する集光レンズ（２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）と、燃焼室（ＣＭＢ）内の圧力、熱、化学成分から前記集光レンズ（２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を保護する保護ガラス（１０、１０ａ）とを有し、
前記光学素子封止構造体として、前記保護ガラス（１０、１０ａ）を、前記光学素子収容筐体としての保護ガラスホルダ（１１、１１ａ）に収容した保護ガラス封止構造体（１、１ａ）を具備し、
前記保護ガラス封止構造体（１、１ａ）は、前記保護ガラスホルダ（１１、１１ａ）が、燃焼室側に延設した巻き締め部（１１３）を有すると共に、前記巻き締め部（１１３）と前記封止ガラス（１２）との間に、弾性金属材料からなり、環状に形成したバックアップリング（１３）を設け、前記巻き締め部（１１３）を、該バックアップリング（１３）に巻き付けるように締めつけて、前記保護ガラス（１０）の脱落を防止せしめたことを特徴とする。

本発明の光学素子封止構造体（１、１ａ、２、２ａ、２ｂ）を内燃機関の燃焼室（ＣＭＢ）内に高いエネルギ密度のレーザ光を集光して点火を行うレーザ点火装置（９、９ａ、９ａ、９ｂ、９ｃ）に用いれば、一旦加熱熔融された封止ガラス（１２、１２ａ、２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）によって前記光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）と前記光学素子収容筐体（１１、１１ａ、２１、２２a、２２ｂ、２２ｃ）との完全な気密性が確保されるので、確実に燃焼室（ＣＭＢ）内の混合気の侵入が阻止され、集光レンズ等の汚染が防止できる。
しかも、前記封止ガラス１２、１２ａ、２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）と光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の熱膨張係数が近いので、冷熱ストレスに晒されても、光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の破損を招くことがない。

本発明のレーザ点火装置用の光学素子封止構造体（１、１ａ、２、２ａ、２ｂ）の製造方法では、少なくとも、ガラス転移温度が６００℃以下の低融点ガラス粉末を押し固めて封止ガラス成形体（１２ＭＬＤ、２２ＭＬＤ）を形成する封止ガラス成形体形成工程と、光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の一方の端面が当接する光学素子係止部（１１０、２１０）と、前記光学素子（１０、１０、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の外周に対して所定の間隙（ＧＰ）を設けた光学素子位置決め溝部（１１１、１１１ａ、２１１、２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ）と、前記光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の外周の一部又は全周を覆うように封止ガラス収容溝部（１１２、１１２ａ、２１２、２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ）と、を設けた光学素子収容筐体（１１、１１ａ、２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）と、前記封止ガラス成形体（１２ＭＬＤ、２２ＭＬＤ）と、を順に配設する光学素子配設工程と、前記封止ガラス収容溝部（１１２、１１２ａ、２１２、２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ）に配設した封止ガラス成形体（１２ＭＬＤ、２２ＭＬＤ）を６００℃以上の温度で加熱熔融して、前記光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）と前記光学素子収容筐体（１１、１１ａ、２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）とを気密に封止する光学素子封止工程とを具備することを特徴とする。

また、本発明の光学素子封止構造体（１、１ａ、２、２ａ、２ｂ）を用いたレーザ点火装置（９、９ａ、９ａ、９ｂ、９ｃ）は、光学素子として、外部に設けた励起光源（８０、８０ｂ）から導入した一又は複数の励起光（ＬＳＲ_ＰＭＰ）を平行光とする一又は複数の励起光レンズ（５０）と、該励起光レンズ（５０）によってコリメートした励起光（ＬＳＲ_ＰＭＰ）を共振増幅してエネルギ密度の高いパルス光（ＬＳＲ_ＰＬＳ）を出射するＱスイッチ式のレーザ共振器（４０、４０ｂ）と、該共振器（４０、４０ｂ）から出射したパルス光（ＬＳＲ_ＰＬＳ）を拡張する一又は複数の拡張レンズ（３０、３０ｂ）と、該拡張レンズ（３０、３０ｂ）によって拡張したパルス光（ＬＳＲ_ＰＬＳ）を内燃機関の燃焼室（ＣＭＢ）内の一又は複数の所定位置（ＦＰ）に集光する一又は複数の集光レンズ（２０、２０ｂ、２０ｂ）と、内燃機関の燃焼室（ＣＭＢ）に望み、前記集光レンズ（２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を保護する保護ガラス（１０、１０ａ）と、を具備し、これらの光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、３０、３０ｂ、４０、４０ｂ、５０、５０ｂ）の内、少なくとも、前記保護ガラス（１０、１０ａ）、前記集光レンズ（０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を請求項１ないしい７のずれかに記載の光学素子封止構造体（１、１ａ、２、２ａ、２ｂ、２ｃ）として、筒状のハウジング（７）内に一体的に収容して、燃焼室（ＣＭＢ）内に導入した混合気に高いエネルギ密度のパルス光（ＬＳＲ_ＰＬＳ）を集光して混合気の点火を行う。
本発明のレーザ点火装置（９、９ａ、９ａ、９ｂ、９ｃ）では、前記光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）とそれぞれの光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を収容する光学素子収容筐体（１１、１１ａ、２１，２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）との間の間隙（ＧＰ）を低融点ガラスからなる封止ガラス（１２、２２、２２ｂ、２２ｃ）によって融着した請求項１ないし７のいずれかに記載の光学素子構造体（１、１ａ、２、２ａ、２ｂ、２ｃ）を用いることで、従来のような、ケーシングのカシメ等の形状結合による強い圧縮力を保護ガラス１０に作用させなくても、光学素子の気密性を確保でき、ケーシングに残留する応力の影響を少なくして、冷熱ストレスが作用したときに保護ガラス１０の割れが抑制されている。
また、高温環境で使用されても、従来のような材料結合に用いられる接着剤やロウ材等に含まれる樹脂など揮発成分や有機成分を含んでいないため、そのような材料によって、他の光学素子を汚染することもなく、信頼性に優れたレーザ点火装置（９、９ａ、９ｂ、９ｃ）を実現できる。

本発明の第１の実施形態における光学素子封止構造体１、２を含むレーザ点火装置９の要部断面図レーザ点火装置９の全体概要を示す一部断面図レーザ点火装置９の組立・分解図光学素子として保護ガラス１０を封止固定する保護ガラス封止構造体１の製造方法を説明するための図であって、配置工程を示す断面図図２Ａに続く、熔融封止工程を示す断面図図２Ｂに続く、巻き締め工程を示す断面図保護ガラス封止構造体１の断面図光学素子として集光レンズ２０を封止固定する集光レンズ封止構造体２の製造方法を説明するための図であって、配置工程を示す断面図図３Ａに続く、熔融封止工程を示す断面図図３Ｂに続く、集光レンズ封止構造体２の断面図図３Ｃに示す集光レンズ封止構造体２の平面図集光レンズ封止構造体の変形例２ａを示す平面図図３Ｂに続く、レーザ点火装置１の先端部組み付け工程を示す断面図図４Ａに続く、先端部溶接工程を示す断面図本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置の変形例９ａを示す要部断面図本発明の第２の実施形態における光学素子封止構造体２ｃの概要を示す平面図図６Ａ中Ｂ−Ｂに沿った断面図本発明の第２の実施形態における光学素子封止構造体２を含む点火装置９ｃの要部断面図燃焼室側から見たレーザ点火装置９ｂの平面図点火装置９ｂの全体概要を示す一部断面図本発明の第２の実施形態における光学素子封止構造体の変形例２ｃの概要を示す平面図図８Ａ中Ｂ−Ｂに沿った断面図本発明の第２の実施形態における光学素子封止構造体の変形例２ｄであって、左半部に加熱熔融前の状態を示し、右半部に加熱熔融後の状態を示す平面図図９Ａの光学素子封止構造体の加熱熔融前における断面図図９Ａの光学封止構造体の加熱熔融後における断面図

図１Ａを参照して、本発明の第１の実施形態における光学素子封止構造体１、２について説明する。本実施形態における光学素子封止構造体１、２は、燃焼室内ＣＭＢの１つの集光点ＦＰにパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳを集光して、燃焼室ＣＭＢ内の混合気の点火を行うレーザ点火装置９に用いられるものである。
本実施形態においては、１つの光学素子１０、２０を、それぞれ１つの光学素子ホルダ１１、２１内に収容して光学素子封止構造体１、２を形成している。

まず、光学素子として、保護ガラス１０を封止固定した保護ガラス封止構造体１について説明する。
保護ガラス封止構造体１は、保護ガラスホルダ１１内に保護ガラス１０を収容し、保護ガラスホルダ１１と保護ガラス１０との間隙を封止ガラス１２によって気密に封止した構造となっている。

保護ガラス１０には、石英、サファイア、ルビー、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＭｇＦ_２、ＬｉＦ、ＹＡＧ、ＺｎＳｅ等の公知の耐熱性光学材料が用いられ、外周が円柱状に形成されている。
さらに保護ガラス１０の入光面側表面、パルス光ＬＳＲ_ＰＬＳの反射を抑制する反射防止膜１０１が形成されている。

保護ガラスホルダ１１は、鉄コバルトニッケル合金（コバール）、鉄ニッケル合金（４２アロイ）等の保護ガラス１０と熱膨張係数の近い金属が用いられ、両端が開口した筒状に形成されている。
保護ガラスホルダ１１には、光学素子係止部として、保護ガラス１０の一方の端面が当接する保護ガラス係止部１１０と、光学素子位置決め溝部として、保護ガラス１０の外径と所定の間隙ＧＰ（０．０１ｍｍ≦ＧＰ≦０．０５ｍｍ）を設けた保護ガラス位置決め溝部１１１と、保護ガラス１０の外周の一部又は全周を覆うように封止ガラス１２を配設するための封止ガラス収容溝部１１１とが段溝状に穿設されている。

保護ガラスホルダ１１の燃焼室側先端に延設して、巻き締め部１１３が形成されている。
巻き締め部１１３は、バックアップリング１３を介して、保護ガラス１０を弾性的に押圧している。

封止ガラス１２の厚さは、後述する加熱熔融工程において、ガラスの流れ方により変化し、一定とならないおそれがある。
そのため、バックアップリング１３を巻締めしたときの封止ガラス１２に作用する圧力にバラツキが生じ、巻き締め部１１３の形成時に封止ガラス１２の破損を招くおそれがある。

一方、保護ガラス１０は、封止ガラス１２によって、保護ガラスホルダ１１に融着されているので、巻締め部１１３による押圧力を強く作用させる必要はない。
バックアップリング１３は、封止ガラス１２の接着強度が低下した場合に、保護ガラス１０が燃焼室に落下するのを防止できれば良いので、保護ガラス１０の抜け止めができる程度に保護ガラス１０よりもわずかに内径を小さく形成し、封止ガラス１２には、接しないか、接したとしても強い圧力が作用しないような形状とすることで、封止ガラス１２の破損を防止している。
バックアップリング１３は、保護ガラス１０及び封止ガラス１２と熱膨張係数の近い弾性金属材料（例えば、ステンレス鋼（ＮＳ−５）、鉄コバルトニッケル合金（コバール）、鉄ニッケル合金（４２アロイ）等）が用いられ、環状に形成されている。

封止ガラス１２には、６００℃以上の温度で熔融状態となる（即ち、６００℃以下のガラス転移温度を有する）、ホウケイ酸塩ガラス（例えば、ＰＢＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３、ＰＢＯ−Ｐ_２Ｏ_５−ＳｎＦ_２等）、アルミノケイ酸塩ガラス（例えば、Ｌｉ_２Ｏ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２等）から選択した低融点ガラスが用いられている。
封止ガラス１２は、保護ガラス１０の外周面と保護ガラスホルダ１１の封止部材収容溝部１１２との間のみならず、保護ガラス位置決め溝部１１１内にも浸透し、保護ガラス１０と保護ガラスホルダ１１とを気密に接合している。
具体的な、封止ガラス１２を介した保護ガラス１０と保護ガラスホルダ１１との接合方法については、図２Ａ〜図２Ｄを参照して後述する。

次いで、光学素子として集光レンズ２０を封止固定した集光レンズ封止構造体２について説明する。
集光レンズ封止構造体２は、集光レンズホルダ２１内に集光レンズ２０を収容し、集光レンズホルダ２１と集光レンズ２０との間隙を封止ガラス２２によって気密に封止した構造となっている。

集光レンズ２０には、ホウケイ酸塩ガラス等の耐熱ガラス、石英、サファイア、ルビー、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＭｇＦ_２、ＬｉＦ、ＹＡＧ、ＺｎＳｅ等の公知の耐熱性光学材料が用いられ、外周が円柱状に形成されている。
集光レンズ２０は、燃焼室内の所定の集光位置ＦＰにパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳが集光するよう、入射面と出射面の曲率が調整加工されている。
集光レンズ２０の表面に、パルス光ＬＳＲ_ＰＬＳの反射を抑制する反射防止膜（ＡＲコーティング）を施しても良い。

集光レンズホルダ２１は、ステンレス鋼（ＮＳ−５）、鉄コバルトニッケル合金（コバール）、鉄ニッケル合金（４２アロイ）等の集光レンズ２０と熱膨張係数の近い金属が用いられ、両端が開口した筒状に形成されている。
集光レンズホルダ２１には、集光レンズ２０の一方の端面が当接する集光レンズ係止部２１０と、集光レンズ２０の外径と所定の間隙ＧＰ（０．０１ｍｍ≦ＧＰ≦０．０５ｍｍ）を設けて環溝状に穿設された集光レンズ位置決め溝部２１１と、集光レンズ２０の外周の一部又は全周を覆うように封止ガラス２２を配設するための封止ガラス収容溝部２１１が穿設されている。
さらに、集光レンズ位置決め溝部２１１の中心が、集光レンズ２０の光軸と一致するように形成されている。

封止ガラス２２には、６００℃以上の温度で熔融状態となる（即ち、６００℃以下のガラス転移温度を有する。）、ホウケイ酸塩ガラス（例えば、ＰＢＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３、ＰＢＯ−Ｐ_２Ｏ_５−ＳｎＦ_２等）、アルミノケイ酸塩ガラス（例えば、Ｌｉ_２Ｏ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２）等から選択した低融点ガラスが用いられている。封止ガラス２２は、集光レンズ２０の外周面と集光レンズホルダ２１の封止部材収容溝部２１２との間のみならず、集光レンズ位置決め溝部２１１と集光レンズ２０の外周面との間の僅かな間隙内にも浸透し、集光レンズ２０と集光レンズホルダ２１とを気密に接合している。
具体的な、封止ガラス２２を介した集光レンズ２０と集光レンズホルダ２１との接合方法については、図３Ａ〜図３Ｄを参照して後述する。

保護ガラス封止構造体１と集光レンズ封止構造体２とは、レーザ点火装置９の筒状に形成したハウジング７の先端に配設され、保護ガラス封止構造体１とハウジング７の先端とが溶接部１４によって溶接固定されている。
ハウジング７の先端側は、内筒７０と外筒７１との二重筒構造となっている。

集光レンズ封止構造体２の基端面が内筒７０の先端に当接し、集光レンズ封止構造体２の燃焼室側の先端面と保護ガラス封止構造体１の基端面とが当接して、集光レンズ２０の軸方向の位置を固定している。
ハウジング外筒７１には、内燃機関のシリンダヘッドＥ／Ｈ等に固定するためのネジ部が形成され、ネジ締め固定される。

本発明では、保護ガラスホルダ１１、集光レンズホルダ２１、ハウジング内筒７０、ハウジング外筒７１のいずれからも、保護ガラス１０と集光レンズ２０に対して軸方向の圧縮力が作用せず、光軸の歪みや、亀裂等を生じるおそれがない。
しかも、保護ガラス１０、集光レンズ２０とそれぞれを収容する保護ガラスホルダ１１、集光レンズホルダ２１との間に封止部材として、低融点ガラスからなる非晶質の封止ガラス１２、２２を介装しているため、封止ガラス１２、２２が、冷熱ストレスに晒されたときに、金属製のハウジング７や保護ガラスホルダ１１、集光レンズホルダ２１との熱膨張、収縮の差を吸収する緩衝部材としての作用を発揮することができる。
また、封止ガラス１２、２２が、保護ガラス１０と保護ガラスホルダ１１との隙間や集光レンズ２０と集光レンズホルダ２１との間隙に完全に浸透することによって、保護ガラス１０から保護ガラスホルダ１１、集光レンズ２０から集光レンズホルダ２１への放熱性が向上するため、保護ガラス１１、集光レンズ２０の温度を効果的に下げることができ、反射防止膜の劣化を防止できる。

さらに、光学素子が均一に冷却されるようになるため、冷熱ストレスも小さくなり、光学素子の耐久性の向上を図ることもできる。
加えて、集光レンズ２０等の光学素子を収容する集光レンズホルダ２１等の光学素子収容筐体は、金属製であるため、高い寸法精度での加工が容易で、集光レンズ２０の集光点ＦＰの調整の自由度が高い。

次いで、図１Ｂを参照して、本発明の第１の実施形態における保護ガラス封止構造体１と集光レンズ封止構造体２とを用いたレーザ点火装置９の概要について説明する。
レーザ点火装置９は、励起光レンズ５０、レーザ共振器４、パルス光拡張レンズ３０、集光レンズ２０、保護ガラス１０が所定の位置に配設され、筒状のハウジング７内に一体的に収容固定され、外部に設けた励起光源８０から光ファイバ６０を介して励起光ＬＳＲ_ＰＭＰが導入されるようになっている。

ハウジング７の先端は、内燃機関のエンジンヘッドＥ／Ｈ又はシリンダ壁面等に固定され、保護ガラス１０を介して燃焼室ＣＭＢに望んだ状態となっている。
レーザ点火装置９は、外部に設けた励起光源８０から光ファイバ６０を介して導入した励起光ＬＳＲ_ＰＭＰを励起光レンズ５０によってコリメートし、レーザ共振器４に照射し、Ｑスイッチ式のレーザ共振器４によって共振増幅して、エネルギ密度の高いパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳとして発振し、パルス光拡張レンズ３０によって、一旦ビーム径を拡張した後、再び集光レンズ２０によって、燃焼室ＣＭＢ内の集光点ＦＰに集光することで、パルス光ＬＳＲ_ＰＬＳのエネルギ密度を、さらに高めて、燃焼室ＣＭＢ内の混合気の点火を行うものである。
エンジン制御装置ＥＣＵ８１は機関の運転状況に応じた点火時期に合わせて点火信号ＩＧｔを発信する。

励起光源８０は、図略のドライバ及びレーザダイオード等からなる公知の励起光源が用いられ、ＥＣＵ８１から発信された点火信号ＩＧｔにしたがって、所定のタイミングで励起光ＬＳＲ_ＰＭＰを発生する。
光ファイバ６０を介して伝送された励起光ＬＳＲ_ＰＭＰは、励起レンズ５０によってコリメートされ、レーザ共振器４に照射される。

励起光レンズ５０には、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、サファイアガラス等から選択した公知の光学素子材料が用いられ、入射面と出射面とには、励起光ＬＳＲ_ＰＭＰの反射を抑制するＡＲコーティングが施されている。
また、励起光レンズ５０は、筒状の励起光レンズホルダ５１内に収容され、封止ガラス５２によって封止固着されている。

上記実施形態における光学素子封止構造体１、２と同様に、励起光レンズ５０、レンズホルダ５１、封止ガラス５２によって励起光レンズ封止構造体５を構成している。
励起光レンズ封止構造体５は、その光軸が、集光レンズ封止構造体２の光軸と一致するように筒状の後筒７２内の基端側に収容されている。
なお、励起光レンズ５０は、レーザ点火装置９の基端側の比較的低温に保持された位置に設けられ、冷熱ストレスに晒されないため、レンズの上下に環状の弾性部材を介して筒状のホルダによって上下方向から挟み込むようにして保持する一般的な光学素子に用いられているような封止構造としても良い。

レーザ共振器４は、いわゆるＱスイッチ式の共振器であり、Ｎｄ：ＹＡＧ等の公知のレーザ媒質の一方の端面に励起光ＬＲ_ＰＭＰの反射を抑制するＡＲコーティングと、波長の短い励起光ＬＳＲ_ＰＭＰは透過し、波長の長い反射光は全反射する全反射鏡が施されている。
レーザ媒質の他方の端面には、Ｃｒ：ＹＡＧ等からなる公知の部分反射鏡が配設され、レーザ媒質内の光が所定のＱ値以下の場合には全反射し、Ｑ値を超えた場合には透過する受動Ｑスイッチを構成している。
共振器４は、筒状のハウジング７２の先端側に収容されている。

共振器４から発振されたパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳは、パルス光拡張レンズ３０によって拡張される。
パルス光拡張レンズ３０は、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、サファイアガラス等から選択した公知の光学素子材料が用いられ、入射面と出射面とには、励起光ＬＳＲ_ＰＭＰの反射を抑制するＡＲコーティングが施されている。
さらに、パルス光拡張レンズには、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、サファイアガラス等から選択した公知の光学素子材料が用いられ、入射面と出射面とには、励起光ＬＳＲ_ＰＭＰの反射を抑制するＡＲコーティングが施されている。
また、パルス光拡張レンズ３０は、筒状のパルス光拡張レンズホルダ３１内に収容され、封止ガラス３２によって封止固着されている。

上記実施形態における光学素子封止構造体１、２と同様に、パルス光拡張レンズ３０、レンズホルダ３１、封止ガラス３２によってパルス光拡張レンズ封止構造体３を構成している。
パルス光拡張レンズ封止構造体３は、その光軸が、共振器４から出射されたパルス光の光軸と一致し、かつ、共振器４の先端側の出光面からの距離が一定となるように筒状のハウジング内筒７０の基端側に収容されている。

共振器４から出射したパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳは、直進性に富んだ平行光となっており、パルス光拡張レンズ３０によってビーム径が拡張される。
パルス光拡張レンズ封止構造体３と一定の距離を設けて、ハウジング内筒７０の先端側に集光レンズ封止構造体２が収容されている。
パルス光拡張レンズ３０によって一旦拡張されたビーム径を集光レンズ２０によって再び集光することで、燃焼室ＣＭＢ内の所定位置における集光点ＦＰのエネルギ密度を高くして、燃焼室内に導入した混合気の点火を行う。

保護ガラス１０は、燃焼室ＣＭＢとの境界に配設され、集光レンズ２０を通過したパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳを燃焼室ＣＭＢ内に導入するとともに、燃焼室ＣＭＢ内の高温、高圧から、集光レンズ２０を保護する。
本発明の保護ガラス封止構造体１によって、燃焼室ＣＭＢ内の混合気等の化学成分がレーザ点火装置９の内部に侵入するのを確実に阻止することができる。

さらに、本発明の光学素子封止構造体１、２を用いたレーザ点火装置９は、図１Ｃに示すように、ハウジング外筒７１の先端に溶接固定された保護ガラス封止構造体１以外を、容易に分解可能としても良い。
保護ガラス１０の表面にデポジットが堆積した場合には、簡単に分解掃除をすることができる上に、長期の使用により、共振器４の劣化や、集光レンズ２０、励起光拡張レンズ３０等が破損した場合にも、極めて容易に交換可能となっている。

また、ハウジング７の内筒７０、外筒７１、後筒７２を組み付けて、後各光学素子封止構造体２、３、５をハウジング７内に収容した場合、ネジ締めによる軸方向の圧縮力は、それぞれ、各光学素子収容筐体２１、３１、５１が受けることになる。
このため、内筒７０、外筒７１、後筒７２を締め付けても、直接的に各光学素子２０、３０、５０に締め付け圧力が作用することはない。

図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄを参照して、本発明の要部である保護ガラス封止構造体１の具体的な製造方法について説明する。
封止ガラス成形体形成工程では、予め、封止ガラス１２を構成する低融点ガラス粉末を所定のキャビティを形成した金型内に充填し、圧縮することにより、筒状の封止ガラス成形体１２ＭＬＤを成形しておく。

図２Ａに示す、光学素子配設工程では、所定の外径形状に精度良く加工した保護ガラス１０と、保護ガラス係止部１１０、保護ガラス位置決め溝部１１１、封止部材収容溝部１１２を形成した筒状の保護ガラスホルダ１１と、封止ガラス成形体１２ＭＬＤを配設する。
保護ガラス係止部１１０の係止部形成幅Ｗ_１１０は、封止工程中に保護ガラス１０が保護ガラスホルダ１１から抜けない程度であれば良く、具体的には、焦点部分における集光強度を燃焼室内部でブレークダウン可能な値である３×１０^１２Ｗ／ｃｍ^２を維持出来るように例えば、０．２ｍｍ以下とするのが望ましい。
なお、レーザの特性（出力、レーザ品質、波長、パルス幅）および集光レンズ２０の特性（収差、焦点距離）によって、適宜変更可能である。

保護ガラス位置決め溝部１１１の溝部形成深さＴ_１１１は、保護ガラス１０を保護ガラスホルダ１１の中心に保持できれば、特に深さを限定するものではなく、例えば、０．５ｍｍ以上あれば良い。保護ガラス位置決め溝部１１１と保護ガラス１０の外径との間には０．０１ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下のクリアランスＧＰが設けてある。

図２Ｂに示す、光学素子封止工程では、保護ガラス１０と封止ガラス成形体１２ＭＬＤを配設した保護ガラスホルダ１１を６００℃以上に加熱し、封止ガラス成形体１２ＭＬＤを熔融する。
熔融状態となった封止ガラス１２は、毛管現象により、保護ガラス１０の外周表面と保護ガラス位置決め溝部１１１との間隙ＧＰにも浸透する。

一旦熔融状態となった封止ガラス１２が冷却固化することにより、保護ガラス１０と保護ガラスホルダ１１とが完全に接合された状態となる。
なお、保護ガラスホルダ１１に用いるコバール等の金属材料は、６５０℃以上に加熱すると、酸化被膜を形成し、この被膜が封止ガラス１２と溶け合うことで、一相、封着性を高くできる。

次いで、図２Ｃに示す、巻き締め工程では、保護ガラス１０が封止固定された保護ガラスホルダ１１内に、コバール等の保護ガラスの熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する金属製のバックアップリング１３を配設し、巻き締め部１１３を巻き締め加工して、バックアップリング１３を弾性的に押圧固定する。
このとき、巻き締め部１１３をバックアップリング１３の内側から外側に向かう方向のの押圧力を巻き締め部１１３を屈曲させる起点に作用させ、その位置を支点として、巻き締め部１１３を内径方向に巻き込むように屈曲させることにより、保護ガラス１０に対して軸方向の圧縮力ができるだけ作用させないようにすることができる。
巻き締め部１１３の押圧力は、バックアップリング１３を介して、保護ガラス１０の先願側表面の一部に作用するが、気密性は封止ガラス１２によって確保されており、保護ガラス１０の脱落防止ができればよいので、強い押圧力は必要としておらず、保護ガラスの１０が圧縮により破損することはない。
しかも、封止ガラス１２の内径よりも内側でバックアップリング１３と保護ガラス１０とが当接するので、バックアップリング１３の弾性的な押圧力が封止ガラス１２に作用せず、封止ガラス１２の割れを招くこともない。
以上の工程を経て、図２Ｄに示すような、保護ガラス封止構造体１が完成する。

図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄを参照して、集光レンズ封止構造体２の製造方法について説明する。
基本的には、保護ガラス封止構造体１の製造方法と同様である。

本実施形態においては、予め、封止ガラスの粉末を筒状に形成した封止ガラス成形体２２ＭＬＤを用意し、図３Ａに示す光学素子配設工程では、集光レンズ２０と封止ガラス成形体２２ＭＬＤとを所定の集光レンズ位置決め溝部２１１、封止ガラス収容溝部２１２を形成した集光レンズホルダ２１内に配設する。
図３Ｂに示す封止ガラス加熱融着工程では、封止ガラス成形体２２ＭＬＤを加熱熔融して、封止ガラス２２を介して、集光レンズ２０と集光レンズホルダ２１との接合を図る。

以上により、図３Ｃ、図３Ｄに示すように、集光レンズ２０の外周を全周に亘って覆うように封止ガラス２２が充填されて集光レンズホルダ２１に封止固定された集光レンズ封止構造体２が完成する。
集光レンズ係止部２１０の係止部形成幅Ｗ_２１０、集光レンズ位置決め溝部２１１の溝部形成深さＴ_２１１及び、クリアランスＧＰの大きさは、保護ガラスホルダ１１の場合と同様である。

保護ガラス封止構造体１によって、燃焼室ＣＭＢとの分離がなされているので、ハウジング７の内側に、燃焼室ＣＭＢ内の気体が侵入することがなく、また、燃焼室ＣＭＢ内の熱も保護ガラス封止構造体１によってある程度遮断されているため、集光レンズ封止構造体２には、保護ガラス封止構造体１ほどの気密性、及び耐熱性が必要とされない。
このため、集光レンズ封止構造体２にバックアップリングを巻き締めする必要はない。

また、必ずしも封止ガラス２２を集光レンズ２０の外周の全周に亘って配設する必要はなく、図３Ｅに示す集光レンズ封止構造体２ａのように、集光レンズ２０の外周の複数箇所に封止ガラス２２ａを配設して封止固定するようにしても良い。
この場合には、封止ガラス成形体２２ａＭＬＤをペレット状に形成し、集光レンズホルダ２１ａに複数設けた封止ガラス収容溝部に載置することになる。
封止ガラス２２ａが、集光レンズ２０の外周の全周に亘って設けられていなくても、封止ガラス成形体２２ａＭＬＤを加熱溶融したときに、集光レンズ２０の外周と集光レンズホルダ２１ａとの間隙に毛管作用によって十分浸透させることができる。
なお、封止ガラス成形体22ＭＬＤ、２２ａＭＬＤの形状は、特に限定するものではなく、封止ガラス収容溝部２１２の形状に合わせて、角柱状、多角柱状、円柱状、円筒状、扇柱状、半円柱状等適宜変更可能である。

次いで、図４Ａに示すように、ハウジング７の先端側から、集光レンズ封止構造体２、保護ガラス封止構造体１を収容する。
このとき、内筒７０の先端面７０２と、外筒７１に設けた保護ガラス封止構造体収容溝部７１２との距離を集光レンズ封止構造体２が丁度収まる高さとする。
このような状態で集光レンズ封止構造体２を収容し、保護ガラス封止構造体１を固定することで、集光レンズ封止構造体２に軸方向の圧縮力が作用せず、位置ズレも生じることなく固定することができる。

さらに、図４Ｂに示すように、ハウジング外筒７０の先端部７１３と保護ガラス封止構造体１の外周とをレーザ溶接等の溶接手段を用いて、溶接部１４を先端部７１３の全周に亘って形成し、ハウジング外筒７１と保護ガラス封止構造体１とを一体化する。
なお、拡張レンズ封止構造体３、レーザ共振器４、励起光レンズ封止構造体５は、図１Ｃに示した分解図の順に適宜ハウジング７内に収容する。
以上により、本発明の光学素子封止構造体１、２を用いたレーザ点火装置９が完成する。

ここで、本発明の効果を確認するために本発明者等が行った試験結果について説明する。
評価試料として、上述の製造方法に従って用意した本発明の保護ガラス封止構造体１と集光レンズ封止構造体２とをハウジング７内に収容固定した実施例１と、従来の保護ガラスをハウジングの先端に加締め固定した比較例１とを用意し、耐圧性の評価と耐熱性の評価を行った。
耐圧性の評価方法は、燃焼室を模した圧力容器を用意し、各試料の保護ガラスを設けたハウジングの先端が圧力室内に露出するように取り付け、圧力室内の圧力を０から３０ＭＰａに変化させる試験を１０^６回繰り返して行った。

耐熱衝撃性の評価方法は、５００度に加熱した錫浴槽に試料を浸漬し、その後の変化の有無を観察して評価した。
その結果、本発明の実施例１では、耐圧性評価試験後も、耐熱衝撃性評価試験後も全く変化が見られなかった。

一方、比較例１では、耐圧評価試験後、保護ガラスに緩みが生じ、ハウジング内への圧力気体の漏れが発生した。
また、比較例１では、耐熱衝撃性試験の結果、保護ガラスにクラックを生じるものがあった。
比較例１では、試料数５個中１個に欠陥が生じたが、実施例１では、全く欠陥が生じなかった。

図５を参照して、第１の実施形態における保護ガラス封止構造体の変形例１ａ、集光レンズ封止構造体の変形例２ａ、ハウジング外筒の変形例７１ａ、並びに、これらを採用したレーザ点火装置の変形例９ａについて説明する。
上記実施形態においては、光学素子位置決め溝部１１１、２１１の溝部高さＴ_１１１、Ｔ_２１１を、０．５ｍｍ程度とした例を示したが、特に上限を限定するものではなく、本図に示すように、溝部高さＴ_１１１、Ｔ_２１１を、光学素子１０、２０の厚みの半分以上とし、封止ガラス１２ａ、２２ａの厚みを薄くしても良い。

このような構成であっても、封止ガラス１２ａ、２２ａを加熱熔融したときに、光学素子１０ａ、２０と各ホルダ１１ａ、２１ａとの間隙にも十分に浸透させれば上記実施形態と同様の効果を発揮できる。また、上記実施形態では、図１Ａに示したように、保護ガラス１０の表面と、封止ガラス１２の表面とが、ほぼ面一となるような構成としたが、本変形例のように、保護ガラス１０aの表面が、巻き締め部１１３ａと面一、又は、巻き締め部１１３ａよりも燃焼室ＣＭＢ側へ突出するように肉厚に形成しても良い。
本実施形態では、巻締め部１１３ａがバックアップリング１３ａを、外径方向に押圧するように巻締めすることによって、製造工程中において保護ガラス１０ａに対して加圧力が作用したり、保護ガラスホルダ１１ａの熱膨張による圧力が作用したりし難くなっている。

このような構成とすることにより、上記の効果に加え、保護ガラス１０ａ表面と巻き締め部１１３との間に燃焼室内で発生した気流の淀み部が形成されることがないので、デポジットの形成も抑制できる。さらに、ハウジング外筒７１ａでは、エンジンヘッドＥ／Ｈに固定するためのネジ部７１１ａが、集光レンズ封止構造体２ａの基端位置よりもさらに基端側までしか形成されていない。
このため、ハウジング外筒７１ａをエンジンヘッドＥ／Ｈにネジ締め固定したときの軸方向に作用するネジ締め圧力が集光レンズ封止構造体２ａ及び保護ガラス封止構造体１ａには全く作用しない。
このため、上記実施形態と同様の効果に加え、残留応力の影響による光軸のズレなども抑制することができる。

図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ参照して、本発明の第２の実施形態における光学封止構造体２ｂ、及び、レーザ点火装置９ｂについて説明する。
上記実施形態においては、パルス光ＬＳＲ_ＰＬＳを燃焼室ＣＭＢ内の１箇所に集光するための、光学封止構造体１、２、及び、レーザ点火装置９とその変形例１ａ、２ａ、９ａについて説明したが、本実施形態においては、燃焼室ＣＭＢ内の複数箇所に集光点ＦＰを形成するように構成した点が相違する。

なお、本実施形態においては、レーザ点火相違９ｂとして、燃焼室ＣＭＢ内の３箇所に集光点ＦＰを形成する例を示したが、本発明においては、集光点ＦＰの数は任意に設定可能である。
本発明に用いられる各光学素子は、外周形状が単純な円柱状に形成されているため、各光学素子の数に合わせて、ホルダに係止部、位置決め溝部、封止ガラス収容溝部を穿設し、光学素子、封止ガラス成形体を収容し、加熱熔融して封止固定すれば良いので、光学素子の増減が簡単である。

図６Ａ、図６Ｂに示すように、本実施形態においては、複数の集光レンズ２０ｂを、集光レンズホルダ２１ｂに収容し、それぞれの集光レンズ２０ｂを封止ガラス２２ｂで封止固定するようにしている。
本実施形態においては、複数の集光レンズ２０ｂの外周形状を単純な円柱状に形成しているので、複数の集光点を具備する一体の集光レンズを形成する場合に比べ遙かに加工が容易である。

本実施形態においても、上記実施形態と同様、集光レンズ２０ｂの一方の端面の一定範囲が、集光レンズホルダ２１ｂに設けた集光レンズ係止部２１０ｂ、集光レンズ位置決め溝部２１ｂに係止、保持されるので、精度良く集光レンズ２０ｂを集光レンズホルダ２１ｂ内の所定の位置に固定できる。
さらに、集光レンズホルダ２１ｂには、ノックピン２４を挿入するための位置決め孔２１３が穿設されている。

図７Ａに示すように、集光レンズ封止構造体２ｂをハウジング外筒７１内に収容する際に、ノックピン２４を集光レンズホルダ２１ｂの位置決め孔２１３とハウジング内筒７０ｂに設けた位置決め孔７０３とに挿入することによって、集光レンズホルダ２１ｂに保持された複数の集光レンズ２０ｂのそれぞれの光軸中心Ｃ／Ｌをレーザ共振器４から出射されるパルス光ＬＳ_ＲＰＬのそれぞれの光軸中心Ｃ／Ｌに簡単に一致させることができる。
なお、複数のパルス光拡張レンズ３０ｂ、収容した拡張レンズ封止構造体３ｂ、複数の励起光レンズ５０ｂを収容固定した励起光レンズ封止構造体５ｂも、図７Ｃに示すように、それぞれ、ノックピン３４、５４を用いて、集光レンズ封止構造体２ｂと同様の位置決め方法によって、それぞれの光軸中心Ｃ／Ｌが一致するように設けられている。

また、上記実施形態においては、一つのレーザ共振器４に複数の励起光ＬＳＲ_ＰＭＰが入射され、それぞれの中心軸上の位置において、パルス光ＬＳＲ_ＰＬＳが出光される例を示したが、図７Ｃに示すように、それぞれの励起光ＬＳＲＰ_ＰＬＳに対して複数のレーザ共振器４０ｂをそれぞれ独立して設けても良い。
この際、レーザ共振器４０ｂを他の光学素子と同様に外形を円柱状に形成し、レーザ共振器係止部とレーザ共振器位置決め溝部と封止ガラス収容溝部とを複数箇所に設けたレーザ共振器ホルダ４１ｂ内に収容し、低融点ガラスからなる封止ガラス４２ｂを介して封止固定したレーザ共振器封止構造体４ｂを形成した上で、ハウジング７２内に収容し、ノックピン４４を用いて、他の光学素子封止構造体と同様に、各レーザ共振器４０ｂの光軸中心Ｃ／Ｌを一致させるようにしても良い。

本実施形態によれば、図７Ｂに示すように、同時に複数箇所の集光点ＦＰにエネルギ密度の高いパルス光ＬＳＲ_ＰＬＳを集光させ、さらに安定した着火を実現できる。
なお、図７Ｃに示すように、本実施形態においては、励起光源８０ｂから複数の励起光ＬＳＲ_ＰＭＰを出光して、複数の光ファイバ６０ｂを介してレーザ点火装置９ｂ内に導入している。

図８Ａ、図８Ｂを参照して、本発明の第２の実施形態における光学素子封止構造体の変形例２ｃについて説明する。
上記実施形態２ｃにおいては、集光レンズ２０ｃの外周を覆うように、環状に形成した封止ガラス成形体２２ＭＬＤを配設し、これを加熱熔融して、封止ガラス２２ｃ、２１０ｃを形成した例を示したが、本実施形態においては、複数の光学素子２０ｃの間に、ペレット状に形成した封止ガラス成形体２２ＭＬＤを配置し、これを加熱熔融するようにした点が相違する。

本実施形態のように、封止ガラス成形体２２ＭＬＤを集光レンズ２０ｃの全周に亘って覆うように配置しなくても、封止ガラス２２が熔融されたときに、毛管現象により、集光レンズ２０ｃと集光レンズホルダ２１ｃとの間隙ＧＰに流れ込んで、集光レンズ２０ｃと集光レンズホルダ２１ｃとを気密に封止することができる。

図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃを参照して、集光レンズ封止構造体の他の変形例２ｄについて説明する。
本実施形態においては、図９Ａに示すように、封止ガラス配設溝部２１２ｄを複数箇所に穿設してある。

さらに、図９Ａの左半部及び図９Ｂに示すように、異なる大きさの三角柱状に形成した封止ガラス成形体２２ＭＬＤｄを配置し、図９Ａの右半部及び図９Ｃに示すように、封止ガラス成形体２２ＭＬＤｄを加熱熔融する。
封止ガラス成形体２２ＭＬＤｄが熔融されると、集光レンズ２０ｄの周囲を覆うように、封止ガラス配設溝部２１２ｄ内に濡れ広がって、一体的に集光レンズ２０ｄを集光レンズホルダ２１ｄ内に固定することができる。

本実施形態に示すように、封止ガラス成形体ＭＬＤｄを三角柱状のペレットに成形することで、成形が容易となる上に、複数の集光レンズ２０ｄの間に配設する作業の自動化も容易となる。
なお、本実施形態においては、配置の容易さ、加熱熔融したときの濡れ広がり安さ等を考慮して、封止ガラス成形体２２ＭＬＤｄを、封止ガラス配設溝部２１２ｄの深さと同程度の高さの三角柱状に形成した例を示したが、封止ガラス成形体２２ＭＬＤｄの大きさや形状は、適宜変更可能である。

１保護ガラス封止構造体（光学素子封止構造体）
１０保護ガラス（光学素子）
１１保護ガラスホルダ（光学素子収容筐体）１１０保護ガラス係止部（光学素子係止部）
１１１保護ガラス位置決め溝部（光学素子位置決め溝部）
１１２封止ガラス収容溝部
１１３巻締め部
１２封止ガラス
１３バックアップリング
１４レーザ溶接部
２集光レンズ封止構造体（光学素子封止構造体）
２０集光レンズ（光学素子）
２１集光レンズホルダ（光学素子収容筐体）
２２封止ガラス
３拡張レンズ封止構造体（光学素子封止構造体）
３０拡張レンズ（光学素子）
３１拡張レンズホルダ（光学素子収容筐体）
３２封止ガラス
４共振器（Ｑスイッチ）
５励起光レンズ封止構造体（光学素子封止構造体）
５０励起光レンズ（光学素子）
５１励起光レンズホルダ（光学素子収容筐体）
５２封止ガラス
６０光ファイバ
７ハウジング
７０内筒
７０１パルス光通過孔
７１外筒
７１１外筒ネジ部
７２後筒
７３冷却筒
８０励起光源（ＬＤ）
８１点火制御装置（ＥＣＵ）
ＧＰ素子収容部間隙
ＬＳＲ_ＰＭＰ励起光
ＬＳＲ_ＰＬＳパルス光
ＦＰ集光点

Claims

内燃機関のレーザ点火装置に用いられ、一又は複数の光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を光学素子収容筐体（１１、１１ａ、２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）の内側に収容して封止した光学素子封止構造体であって、
前記光学素子収容筐体（１１、１１ａ、２１、２２a、２２ｂ、２２ｃ）が、
前記光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の一方の端面が当接する光学素子係止部（１１０、２１０）と、
前記光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の外周に対して所定の間隙（ＧＰ）を設けて穿設せしめた光学素子位置決め溝部（１１１、１１１ａ、２１１、２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ）と、
前記光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の外周の一部又は全周を覆うように封止ガラス（１２、１２ａ、２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）を配設すべく、穿設せしめた封止ガラス収容溝部（１１２、１１２ａ、２１２、２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ）と、を具備し、
前記封止ガラス（１２、１２ａ、２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）が６００℃以下のガラス転移温度を有する低融点ガラスからなり、
前記封止ガラス（１２、１２ａ、２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）の融着により前記光学素子（１０、１０、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）と前記光学素子収容筐体（１１、１１ａ、２１、２２a、２２ｂ、２２ｃ）とを気密に封止せしめており、かつ、
前記光学素子として、励起光を内燃機関の燃焼室（ＣＭＢ）内に集光する集光レンズ（２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）と、燃焼室（ＣＭＢ）内の圧力、熱、化学成分から前記集光レンズ（２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を保護する保護ガラス（１０、１０ａ）とを有し、
前記光学素子封止構造体として、前記保護ガラス（１０、１０ａ）を、前記光学素子収容筐体としての保護ガラスホルダ（１１、１１ａ）に収容した保護ガラス封止構造体（１、１ａ）を具備し、
前記保護ガラス封止構造体（１、１ａ）は、前記保護ガラスホルダ（１１、１１ａ）が、燃焼室側に延設した巻き締め部（１１３）を有すると共に、前記巻き締め部（１１３）と前記封止ガラス（１２）との間に、弾性金属材料からなり、環状に形成したバックアップリング（１３）を設け、前記巻き締め部（１１３）を、該バックアップリング（１３）に巻き付けるように締めつけて、前記保護ガラス（１０）の脱落を防止せしめたことを特徴とするレーザ点火装置用の光学素子封止構造体（１、１ａ、２、２ａ、２ｂ、２ｃ）
前記間隙（ＧＰ）が０．０１ｍｍ以上、０．０５ｍｍ以下の範囲である請求項１に記載のレーザ点火装置用の光学素子封止構造体（１、１ａ、２、２ａ、２ｂ、２ｃ）
前記光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の外周を円柱状に形成した請求項１又は２に記載のレーザ点火装置用の光学素子封止構造体（１、１ａ、２、２ａ、２ｂ、２ｃ）
前記封止ガラスが、ホウケイ酸塩ガラス（ＰＢＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３、ＰＢＯ−Ｐ_２Ｏ_５−ＳｎＦ_２）、アルミノケイ酸塩ガラス（Ｌｉ_２Ｏ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２）のいずれかから選択した低融点ガラスである請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザ点火装置用の光学素子封止構造体（１、１ａ、２、２ａ、２ｂ、２ｃ）
前記保護ガラス（１０、１０ａ）は、石英、サファイア、ルビー、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＭｇＦ_２、ＬｉＦ、ＹＡＧ、ＺｎＳｅのいずれかから選択した耐熱性光学材料からなり、前記保護ガラスホルダ（１１、１１ａ）は、前記耐熱性光学材料と熱膨張係数の近い、鉄コバルトニッケル合金（コバール）、鉄ニッケル合金（４２アロイ）のいずれかから選択した金属材料からなる請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザ点火装置用の光学素子封止構造体（１、１ａ、２、２ａ、２ｂ、２ｃ）
前記集光レンズ（２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）は、ホウケイ酸塩ガラス等の耐熱ガラス、石英、サファイア、ルビー、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＭｇＦ_２、ＬｉＦ、ＹＡＧ、ＺｎＳｅのいずれかから選択した耐熱性光学材料からなり、前記光学素子収容筐体としての集光レンズホルダ（２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）は、前記耐熱性光学材料と熱膨張係数の近い、ステンレス鋼（ＮＳ−５）、鉄コバルトニッケル合金（コバール）、鉄ニッケル合金（４２アロイ）のいずれかから選択した金属材料からなる請求項１ないし５のいずれかに記載のレーザ点火装置用の光学素子封止構造体（１、１ａ、２、２ａ、２ｂ、２ｃ）
前記バックアップリング（１３）は、前記封止ガラス（１２）を構成する低融点ガラスと熱膨張係数の近い、ステンレス鋼（ＮＳ−５）、鉄コバルトニッケル合金（コバール）、鉄ニッケル合金（４２アロイ）のいずれかから選択した弾性金属材料からなる請求項１ないし６のいずれかに記載のレーザ点火装置用の光学素子封止構造体（１、１ａ、２、２ａ、２ｂ、２ｃ）
請求項１ないし７のいずれかに記載のレーザ点火装置用の光学素子封止構造体（１、１ａ、２、２ａ、２ｂ）の製造方法であって、
少なくとも、
ガラス転移温度が６００℃以下の低融点ガラス粉末を押し固めて封止ガラス成形体（１２ＭＬＤ、２２ＭＬＤ）を形成する封止ガラス成形体形成工程と、
光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の一方の端面が当接する光学素子係止部（１１０、２１０）と、前記光学素子（１０、１０、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の外周に対して所定の間隙（ＧＰ）を設けた光学素子位置決め溝部（１１１、１１１ａ、２１１、２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ）と、前記光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の外周の一部又は全周を覆うように封止ガラス収容溝部（１１２、１１２ａ、２１２、２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ）と、を設けた光学素子収容筐体（１１、１１ａ、２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）と、前記封止ガラス成形体（１２ＭＬＤ、２２ＭＬＤ）と、を順に配設する光学素子配設工程と、
前記封止ガラス収容溝部（１１２、１１２ａ、２１２、２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ）に配設した封止ガラス成形体（１２ＭＬＤ、２２ＭＬＤ）を６００℃以上の温度で加熱熔融して、前記光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）と前記光学素子収容筐体（１１、１１ａ、２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）とを気密に封止する光学素子封止工程とを具備することを特徴とするレーザ点火装置用の光学素子封止構造体の製造方法
請求項１ないし７のいずれかに記載のレーザ点火装置用の光学素子封止構造体を備えるレーザ点火装置であって、
前記光学素子として、
外部に設けた励起光源（８０、８０ｂ）から導入した一又は複数の励起光（ＬＳＲ_ＰＭＰ）を平行光とする一又は複数の励起光レンズ（５０）と、
該励起光レンズ（５０）によってコリメートした励起光（ＬＳＲ_ＰＭＰ）を共振増幅してエネルギ密度の高いパルス光（ＬＳＲ_ＰＬＳ）を出射するＱスイッチ式のレーザ共振器（４０、４０ｂ）と、
該共振器（４０、４０ｂ）から出射したパルス光（ＬＳＲ_ＰＬＳ）を拡張する一又は複数の拡張レンズ（３０、３０ｂ）と、
該拡張レンズ（３０、３０ｂ）によって拡張したパルス光（ＬＳＲ_ＰＬＳ）を内燃機関の燃焼室（ＣＭＢ）内の一又は複数の所定位置（ＦＰ）に集光する一又は複数の前記集光レンズ（２０、２０ｂ、２０ｂ）と、
内燃機関の燃焼室（ＣＭＢ）に望み、前記集光レンズ（２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を保護する前記保護ガラス（１０、１０ａ）と、を具備し
前記光学素子封止構造体として、前記集光レンズ（２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を、前記光学素子収容筐体としての集光レンズホルダ（２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）に収容した集光レンズ封止構造体（２、２ａ、２ｂ、２ｃ）を具備し、
これらの光学素子（１０、１０ａ、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、３０、３０ｂ、４０、４０ｂ、５０、５０ｂ）を含む前記光学素子封止構造体の内、
少なくとも、前記保護ガラス封止構造体（１、１ａ）と、前記集光レンズ封止構造体（２、２ａ、２ｂ、２ｃ）とを、筒状のハウジング（７）内に一体的に収容して、
燃焼室（ＣＭＢ）内に導入した混合気に高いエネルギ密度のパルス光（ＬＳＲ_ＰＬＳ）を集光して混合気の点火を行う請求項１ないし７のいずれかに記載のレーザ点火装置（９、９ａ、９ｂ、９ｃ）