JP6491896B2 - レーザ点火プラグ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ点火プラグ及びその製造方法に関する。

自動車等の内燃機関に備えられるレーザ点火プラグとして、レーザ装置と、レーザ装置を収納するハウジングと、ハウジングのプラグ先端に保持された透過性部材からなる光学窓とを有し、該光学窓からレーザ光が出射されるものがある（特許文献１）。そして、かかるレーザ点火プラグの先端が内燃機関の燃焼室内に露出して光学窓のプラグ先端側の端面がレーザ光の出射面となっており、該出射面から出射されたレーザ光によって燃焼室に供給された混合気が点火される。

特表２０１３−５１１６５８号公報

特許文献１に開示の構成では、光学窓の出射面は燃焼室内に露出しているため、混合気の燃焼によって生じる燃焼生成物などが出射面に付着する。当該燃焼生成物などが付着すると、光学窓におけるレーザ光の透過性が低下して、出射されるレーザ光の品質が悪化することとなる。そのため、レーザ光の品質を維持するには、出射面に付着した燃焼生成物などを除去する必要がある。しかしながら、特許文献１に開示の構成では、ハウジングのプラグ先端が光学窓のプラグ先端側の端面よりもプラグ先端側に突出しているため、光学窓のプラグ先端側の端面に付着した燃焼生成物などを拭き取るなどして除去しようとしても、ハウジングのプラグ先端と干渉して燃焼生成物などを除去しづらいことから、メンテナンス性に劣る。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、メンテナンス性に優れたレーザ点火プラグを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、レーザ光を発生させるレーザ光発生器と、
該レーザ光発生器を収納するハウジングと、
該ハウジングのプラグ軸方向の先端側に設けられるとともに、上記レーザ光発生器から発生したレーザ光が入射する入射面と、該入射面から入射したレーザ光が出射する出射面とを有する光学窓と、
上記ハウジングのプラグ軸方向の先端と上記光学窓との間に介在してプラグ周方向全域において両者に接合された金属製の環状部材からなる光学窓固定部材と、
を備え、
上記出射面は上記光学窓固定部材よりもプラグ軸方向の先端側に突出しており、
上記入射面は、上記光学窓固定部材よりもプラグ軸方向の基端側に突出していることを特徴とするレーザ点火プラグにある。

上記レーザ点火プラグにおいては、光学窓の出射面は光学窓固定部材よりもプラグ軸方向の先端側に突出している。これにより、使用に伴って光学窓の出射面に付着した燃焼生成物などを拭き取るなどして容易に除去することができるため、着火性を維持するためのメンテナンスが容易となる。

以上のごとく、本発明によれば、メンテナンス性に優れたレーザ点火プラグを提供することができる。

実施例１における、レーザ点火プラグの正面図。 実施例１における、レーザ点火プラグの正面一部断面図 実施例１における、レーザ点火プラグの製造方法を表したフロー図。 実施例１における、レーザ点火プラグの製造方法を表した模式図。

本発明のレーザ点火プラグは、自動車等に備えられる内燃機関における着火手段として用いることができる。
上記レーザ点火プラグにおいて、燃焼室へ挿入される側を先端側とし、先端側の端部を先端というものとする。また先端側の反対側を基端側とし、基端側の端部を基端というものとする。
また、本明細書において、プラグ軸方向とはレーザ点火プラグの軸方向を意味するものとし、プラグ周方向とはレーザ点火プラグの軸心に直交する平面上において当該軸心を中心とする円周方向をいうものとする。

（実施例１）
実施例に係るレーザ点火プラグにつき、図１、図２を用いて説明する。
本例のレーザ点火プラグ１は、図１に示すように、レーザ光発生器１０、ハウジング２０、光学窓３０、光学窓固定部材４０を備える。
レーザ光発生器１０は、図２に示すように、レーザ光Ｑを発生させるように構成されている。
ハウジング２０は、レーザ光発生器１０を収納している。
光学窓３０は、ハウジング２０のプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に設けられるとともに、レーザ光発生器１０から発生したレーザ光Ｑが入射する入射面３１と、入射面３１から入射したレーザ光Ｑが出射する出射面３２とを有している。
光学窓固定部材４０は、ハウジング２０のプラグ軸方向Ｙの先端２２と光学窓３０との間に介在してプラグ周方向Ｒ全域において両者に接合された金属製の環状部材からなる。
そして、出射面３２は光学窓固定部材４０よりもプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に突出している。

以下、本例のレーザ点火プラグ１について、詳述する。
図１に示すように、ハウジング２０は、プラグ軸方向Ｙに延びる筒状を成しており、ハウジング２０の外周面には内燃機関（図示せず）に螺合するための取付ネジ部２１が形成されている。レーザ点火プラグ１は、取付ネジ部２１を内燃機関に螺合させて、出射面３２が内燃機関の燃焼室（図示せず）に露出するように、内燃機関に取り付けられる。ハウジング２０はＳＵＳ製である。

ハウジング２０の内側に収納されたレーザ光発生器１０は、レーザ点火プラグ１の外部に設けられた励起光源（図示せず）に光ファイバを介して接続されている。レーザ光発生器１０は、励起光源から供給された励起光を共振させて増幅して、エネルギ密度の高いパルス光としてのレーザ光Ｑを発生させる。レーザ光発生器１０の構成は特に限定されず、公知の構成を採用できる。

レーザ光発生器１０から発生されたレーザ光Ｑは、図示しない拡散レンズによって所定幅に拡散された後、図２示すように、集光レンズ５０を透過する。集光レンズ５０における入射面５１と出射面５２とは互いに異なる曲率を有する。集光レンズ５０の入射面５１には、レーザ光発生器１０から出射されたレーザ光Ｑの反射を抑制するための反射防止層が形成されている。集光レンズ５０は、拡散レンズと所定の距離を保つようにハウジング２０内に設けられたレンズホルダ５３に保持されている。これにより、レーザ光Ｑは集光レンズ５０によって集光されて、光学窓３０を透過して燃焼室内の集光点ＦＰに集光される。

光学窓３０は、燃焼室内に面しており、燃焼室内の熱、圧力、燃焼生成物等からハウジング２０の内部を保護している。光学窓３０の形成材料としては、サファイヤガラス、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス等の公知の光学素子材料を採用することができ、本例では、サファイヤガラスを採用している。図２に示すように、光学窓３０の入射面３１及び出射面３２は、互いに平行な平面となっている。入射面３１には、集光レンズ５０から出射されたレーザ光Ｑの反射を抑制するための反射防止層が形成されている。

光学窓３０の側面３３は、入射面３１に隣接する第１側面３３１と、第１側面３１１のプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に位置して、出射面３２に隣接する第２側面３３２とからなる。第１側面３３１は、プラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に向かうにつれて拡径するようにテーパしたテーパ面となっている。一方、第２側面３３２はプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に向かうにつれて縮径するようにテーパしたテーパ面となっている。したがって、光学窓３０の外径は、第１側面３３１と第２側面３３２との境界部３３３において最大となっている。

光学窓３０は、図２に示すように、光学窓固定部材４０によってハウジング２０の先端２２に固定されている。光学窓固定部材４０は金属製であって、本例では鉄にニッケル及びコバルトを配合した合金であるコバール製である。光学窓固定部材４０は環状部材であって、環状をなす基部４１と、基部４１の外縁からプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に延出するとともに先端側Ｙ１に向かうにつれて内側（すなわちプラグ軸心１ａ側）に屈曲している規制部材保持部４２とからなる。基部４１の内周面４３は光学窓３０の第１側面３３１に沿ってテーパしている。

そして、内周面４３と第１側面３３１とがろう付けにより接合されている。当該ろう付けに使用するろう材は融点の高いものが好ましく、例えば、融点が９９℃であるＡｕ−Ｃｕ合金や融点が７８０℃であるＡｇ−Ｃｕ合金からなるろう材を使用することができる。本例ではＡｕ−Ｃｕ合金からなるろう材を使用している。なお、ろう付け前に、第１側面３３１に、Ｍｏ−Ｍｎ合金又はＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金を焼き付けした後、Ｎｉメッキを施している。これにより、ろう付けによって第１側面３３１と内周面４３とが良好に接合される。

光学窓３０の入射面３１は、光学窓固定部材４０のプラグ軸方向Ｙの基端側Ｙ２の端部（基端部４４）よりも基端側Ｙ２に突出している。入射面３１の突出量ｄ１は、本例では０．１ｍｍである。また、出射面３２は、光学窓固定部材４０のプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ２の端部（先端部４２ａ）よりも先端側Ｙ１に突出している。出射面３２の突出量ｄ２は、本例では０．１ｍｍである。このように、入射面３１及び出射面３２が上述の如く突出していることにより、光学窓３０のプラグ軸方向Ｙの長さ（すなわち、厚さ）は、光学窓固定部材４０のプラグ軸方向Ｙの長さ（厚さ）よりも大きくなっている。なお、突出量ｄ１及びｄ２は、いずれもこれらの値に限定されず、後述の入射面３１及び出射面３２における表面処理の作業性などを考慮して適宜変更できる。

レンズホルダ５３のプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１と光学窓固定部材４０との間には、スペーサ５４が介在している。これにより、集光レンズ５０の出射面５２と光学窓３０の入射面３１との間に空間部５５が形成されている。スペーサ５４のプラグ軸方向Ｙの長さ（すなわち、厚さ）は適宜設定することができる。

光学窓固定部材４０の基部４１の外縁と、ハウジング２０の先端２２とがプラグ周方向Ｒの全域において溶接されて溶接部４５が形成されている。これにより、光学窓固定部材４０を介して光学窓３０がハウジング２０のプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に固定されることとなる。

光学窓固定部材４０には規制部材６０を保持する規制部材保持部４２が形成されている。規制部材６０は金属製であって環状をなしている。規制部材６０の内周面６１は、テーパ面である第２外周面３３２に沿うようにテーパしている。内周面６１と第２外周面３３２とが当接した状態で規制部材保持部４２に保持されている。これにより、規制部材６０は、光学窓３０の外周面３３に当接して光学窓３０がプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に移動することを規制している。

次に、レーザ点火プラグ１の製造方法について、図３及び図４（ａ）〜図４（ｅ）を用いて説明する。
本例のレーザ点火プラグ１の製造方法は、図３に示すように、ろう付け工程Ｓ２、入射面処理工程Ｓ３、溶接工程Ｓ５を含む。
ろう付け工程Ｓ２では、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように入射面３１が光学窓固定部材４０よりもプラグ軸方向Ｙの基端側Ｙ２に突出するように、光学窓３０の外周面３３１と光学窓固定部材４０の内周面４３とがプラグ周方向全域においてろう付けにより接合される。
入射面処理工程Ｓ３では、入射面３１に表面処理が施される。
溶接工程Ｓ５では、図４（ｅ）に示すように光学窓固定部材４０とハウジング２０のプラグ軸方向Ｙの先端２２とがプラグ周方向全域において溶接される。

以下、本例のレーザ点火プラグ１の製造方法について、詳述する。
本例のレーザ点火プラグ１の製造方法では、まず、図４（ａ）に示すように、光学窓３０が用意される。そして、光学窓３０の第１側面３３１にＭｏ−Ｍｎ合金又はＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金が焼き付けされた後、Ｎｉ層がめっきにより形成される（前処理工程Ｓ１）。

次に、光学窓固定部材４０が用意される。この時点では、光学窓固定部材４０における規制部材保持部４２は、基部４１からプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に平行に延出しており、内側（プラグ軸心１ａ側）に屈曲していない。そして、前処理工程後の光学窓３０が、図４（ａ）において矢印Ｔ１で示すように入射面３１側から光学窓固定部材４０の内側に嵌め込まれる。これにより、図４（ｂ）に示すように、光学窓固定部材４０の内周面４３と第１側面３３１とが全周方向において当接されるとともに、入射面３１が記光学窓固定部材４０よりもプラグ軸方向Ｙの基端側Ｙ２に突出する。

その後、基部４１の内周面４３におけるプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に形成された溝部４３１にＡｕ−Ｃｕ合金からなるワイヤー状のろう材７０が配設される。そして、ろう材７０が加熱溶融されて内周面４３と第１側面３３１との間に浸入する。その後、ろう材７０が固化されて、内周面４３と第１側面３３１とが接合される。これにより、入射面３１が光学窓固定部材４０よりもプラグ軸方向Ｙの基端側Ｙ２に突出した状態で、光学窓３０が光学窓固定部材４０に固定される（ろう付け工程Ｓ２）。なお、本例では、図４（ｂ）に示すように、ろう材７０の侵入方向と重力方向とが略一致するように、プラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１が上側となるとともに基端側Ｙ２が下側となる状態で作業している。

本例では、前処理工程において、第１側面３３１に上述の表面処理が施されているため、第１側面３３１におけるろう材７０の濡れ性が向上している。そのため、内周面４３と第１側面３３１との間へのろう材７０の浸入が促進されている。これにより、内周面４３と第１側面３３１との接合面積が十分に確保されて、両者の接合強度が確保されている。

なお、本例では、基部４１の内周面４３におけるプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に形成された溝部４３１にろう材７０が配設されて、ろう材が先端側Ｙ１から基端側Ｙ２に向けて内周面４３と第１側面３３１との間に浸入するようにした。これに替えて、内周面４３におけるプラグ軸方向Ｙの基端側Ｙ２に溝部４３１が形成されるとともに、ろう材が基端側Ｙ２から先端側Ｙ１に向けて内周面４３と第１側面３３１との間に浸入するようにしてもよい。なお、この場合は、ろう材の侵入方向と重力方向とが略一致するように、図４（ｂ）に示す状態から上下方向に反転させて作業するものとする。

その後、光学窓固定部材４０の入射面３１及び出射面３２に表面処理が施される（入射面処理工程Ｓ３）。具体的には、まず入射面３１及び出射面３２が研磨される。これにより、上述のろう付け工程において、溶融したろう材の一部等の入射面３１及び出射面３２に付着した異物が除去される。その後、入射面３１に反射防止層が形成される。本例では、反射防止層は、ＳｉＯ_２からなる膜とＴａ_２Ｏ_５からなる膜とが交互に繰り返し積層されて形成された多層膜からなる。反射防止層により、集光レンズ５０から出射されたレーザ光Ｑが入射面２１により反射されることが抑制される。

次に、図４（ｃ）に示すように、規制部材６０が用意される。そして、規制部材６０が、矢印Ｔ２で示すように、規制部材６０の内周面６１が光学窓固定部材４０の第２側面３３２に当接するように光学窓固定部材４０の内側に嵌め込まれる。その後、基部４１から先端側Ｙ１に延出している規制部材保持部４２が、規制部材６０の外周面６２及び先端側Ｙ１の面６３に沿ってプラグ軸心１ａ側に屈曲される。これにより、規制部材保持部４２により、規制部材６０の内周面６１が第２側面３３２に当接した状態で規制部材６０が保持される（規制部材保持工程Ｓ４）。

その後、図４（ｅ）に示すように、光学窓固定部材４０の基部４１の外縁と、ハウジング２０の先端２２とがプラグ周方向Ｒの全域において溶接されて溶接部４５が形成される（溶接工程Ｓ５）。これにより、光学窓固定部材４０を介して光学窓３０がハウジング２０のプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に固定されることとなる。溶接部４５における溶接方法は特に限定されないが、本例では、ＹＡＧレーザ光によりレーザ溶接を採用している。

以上のように、前処理工程Ｓ１、ろう付け工程Ｓ２、入射面処理工程Ｓ３、規制部材保持工程Ｓ４及び溶接工程Ｓ５を経て、ハウジング２０の先端２２側に光学窓３０が設けられて、レーザ点火プラグ１が製造されることとなる。

次に、本例のレーザ点火プラグ１における作用効果について、詳述する。
レーザ点火プラグ１によれば、光学窓３０の出射面３２は光学窓固定部材４０よりもプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に突出している。これにより、使用に伴って出射面３２に付着した燃焼生成物などを拭き取るなどして容易に除去することができるため、着火性を維持するためのメンテナンスが容易となる。

本例では、上記ろう付け工程Ｓ２において、入射面３１が光学窓固定部材４０よりもプラグ軸方向Ｙの基端側Ｙ２に突出するように、光学窓３０の外周面３３と光学窓固定部材４０の内周面４３とをプラグ周方向Ｒ全域においてろう付けにより接合する。その結果、入射面３１は、光学窓固定部材４０よりもプラグ軸方向Ｙの基端側Ｙ２に突出している。これにより、入射面処理工程Ｓ３において、入射面３１の表面処理を行うことが容易となり、作業性が向上する。具体的には、入射面処理工程Ｓ３において、入射面３１の全域を均一に研磨することが容易となる。また、入射面３１の全域に反射防止層を均一に形成することが容易となる。

本例では、光学窓３０の外周面３３に当接して光学窓３０がプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に移動することを規制する規制部材６０を備え、光学窓保持部材４０には、規制部材６０を保持する規制部材保持部４２が形成されている。これにより、万が一、第１側面３３１が内周面４３から剥離しても、規制部材６０を介して規制部材保持部４２によって、光学窓３０が燃焼室内に脱落することが防止される。

また、本例では、外周面３３の少なくとも一部にはプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に向かうにつれて縮径するようにテーパしたテーパ面３３２が形成されており、規制部材６０は環状をなすとともに内周面６１がテーパ面３３２に沿うようにテーパしており、規制部材保持部４２は内周面６１がテーパ面３３２に当接した状態で規制部材６０を保持している。これにより、規制部材６０と光学窓３０との接触は面接触となることから、規制部材６０と光学窓３０との当接部において応力集中が抑制されて、光学窓３０の破損が防止される。

また、本例では、光学窓３０の第１側面３３１がテーパしており、これに伴って光学窓保持部材４０の内周面４３もテーパしている。これにより、光学窓固定部材４０の基部４１の厚さ（プラグ軸方向Ｙの長さ）を大きくすることなく、第１側面３３１と内周面４３との間の接合面積が大きくできるため、両者の接合強度を十分に確保することができる。

また、本例では、光学窓保持部材４０は金属製であるために伝熱性に優れる。光学窓保持部材４０は燃焼室に露出しているため、混合気の燃焼に伴って高温になりやすいが、光学窓保持部材４０の熱がハウジング２０に伝播されやすいことから、規制部材保持部４２が過度に高温となることが防止される。これにより、プラグ軸心１ａ側に屈曲されていた規制部材保持部４２が、高温によって剛性が低下して外側（プラグ軸心１ａから離れる側）に広がることを抑制することができる。その結果、規制部材６０及び光学窓３０が燃焼室内に脱落することが防止される。

本例では、光学窓固定部材４０は、プラグ周方向Ｒ全域においてハウジング２０の先端２２及び光学窓３０の両者に接合されている。これにより、光学窓３０とハウジング２０との間がシールされるため、燃焼室に供給された混合気がハウジング２０内へ流入することが防止される。

また、本例では、上述の溶接工程において、溶接部４５を介してハウジング２０と光学窓固定部材４０とが接合されている。そのため、仮に、ハウジング２０の一部及び光学窓固定部材４０の一部の少なくとも一方を他方にかしめることにより両者を互いに接合をする場合に比べて、ハウジング２０と光学窓固定部材４０との再接合が容易となる。すなわち、一旦ハウジング２０と光学窓固定部材４０とを接合した後、万が一、溶接部４５の形成が不十分であることが判明した場合に、容易に溶接部４５を再形成することができる。そのため、信頼性の高いレーザ点火プラグ１を提供することができる。

本例では、スペーサ５４が設けられることにより、光学窓３０と集光レンズ５０との間に空間部５５が形成されている。これにより、燃料室内の熱が集光レンズ５０に伝わることを低減することができるため、集光レンズ５０が過度に加熱されることを防止できる。その結果、集光レンズ５０の変形や集光レンズ５０に形成された反射防止層の劣化や剥離が防止されて、長期的に着火性を維持することができる。なお、スペーサ５４を設けることに替えて、スペーサ５４を光学窓保持部材４０又はレンズ保持部５３と一体的に形成してもよい。

以上のごとく、本例によれば、メンテナンス性に優れたレーザ点火プラグ１を提供することができる。

１ レーザ点火プラグ
１０ レーザ光発生器
２０ ハウジング
３０ 光学窓
３１ 入射面
３２ 出射面
３３ 外周面
４０ 光学窓固定部材
４２ 規制部材保持部
６０ 規制部材

Claims (4)

1. レーザ光（Ｑ）を発生させるレーザ光発生器（１０）と、
   該レーザ光発生器（１０）を収納するハウジング（２０）と、
   該ハウジング（２０）のプラグ軸方向（Ｙ）の先端側（Ｙ１）に設けられるとともに、上記レーザ光発生器（１０）から発生したレーザ光（Ｑ）が入射する入射面（３１）と、該入射面（３１）から入射したレーザ光（Ｑ）が出射する出射面（３２）とを有する光学窓（３０）と、
   上記ハウジング（２０）のプラグ軸方向（Ｙ）の先端（２２）と上記光学窓（３０）との間に介在してプラグ周方向（Ｒ）全域において両者に接合された金属製の環状部材からなる光学窓固定部材（４０）と、
   を備え、
   上記出射面（３２）は上記光学窓固定部材（４０）よりもプラグ軸方向（Ｙ）の先端側（Ｙ１）に突出しており、
   上記入射面（３１）は、上記光学窓固定部材（４０）よりもプラグ軸方向（Ｙ）の基端側（Ｙ２）に突出していることを特徴とするレーザ点火プラグ（１）。
2. 上記光学窓（３０）の外周面（３３）に当接して上記光学窓（３０）がプラグ軸方向（Ｙ）の先端側（Ｙ１）に移動することを規制する規制部材（６０）を備え、上記光学窓固定部材（４０）には、上記規制部材（６０）を保持する規制部材保持部（４２）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ点火プラグ（１）。
3. 上記外周面（３３）の少なくとも一部にはプラグ軸方向（Ｙ）の先端側（Ｙ１）に向かうにつれて縮径するようにテーパしたテーパ面（３３２）が形成されており、上記規制部材（６０）は環状をなすとともに内周面（６１）が上記テーパ面（３３２）に沿うようにテーパしており、上記規制部材保持部（４２）は上記内周面（６１）が上記テーパ面（３３２）に当接した状態で上記規制部材（６０）を保持することを特徴とする請求項２に記載のレーザ点火プラグ（１）。
4. 請求項１に記載のレーザ点火プラグ（１）の製造方法であって、
   上記入射面（３１）が上記光学窓固定部材（４０）よりもプラグ軸方向（Ｙ）の基端側（Ｙ２）に突出するように、上記光学窓（３０）の外周面（３３）と上記光学窓固定部材（４０）の内周面（４３）とをプラグ周方向（Ｒ）全域においてろう付けにより接合するろう付け工程（Ｓ２）と、
   上記入射面（３１）に表面処理を施す入射面処理工程（Ｓ３）と、
   上記光学窓固定部材（４０）と上記ハウジング（２０）のプラグ軸方向（Ｙ）の先端（２２）とをプラグ周方向（Ｒ）全域において溶接する溶接工程（Ｓ５）と、
   を含むことを特徴とするレーザ点火プラグ（１）の製造方法。

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