KR20090014388A - 레이저 기반의 점화 시스템용 광 분배기 및 그의 작동 방법 - Google Patents

레이저 기반의 점화 시스템용 광 분배기 및 그의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 적어도 하나의 광 입력단(110a)과 다수의 광 출력단(111a, 111b) 중 적어도 하나 사이에서, 광, 특히 레이저 광을 분배하기 위한 광 분배기(100)에 관한 것이다. 본 발명에 따라 상기 광 분배기(100)는 이동 가능하게 배치된 적어도 하나의 광도파관(120)과, 상기 적어도 하나의 광도파관을 이동시키기 위한 액추에이터(130)를 포함한다. 이동 가능하게 배치된 상기 광도파관(120)은, 상기 광 입력단들(110a) 중 적어도 하나가 상기 광도파관(120)을 통해 광 출력단들(111a, 111b) 중 적어도 하나와 연결될 수 있는 방식으로, 상기 액추에이터(130)에 의해 이동될 수 있다.
광 분배기, 광 입력단, 광 출력단, 광도파관, 액추에이터.

Description

레이저 기반의 점화 시스템용 광 분배기 및 그의 작동 방법 {OPTICAL DISTRIBUTOR FOR A LASER-BASED IGNITION SYSTEM, AND METHOD FOR THE OPERATION THEREOF}
본 발명은 적어도 하나의 광 입력단과 다수의 광 출력단 중 적어도 하나 사이에서 광, 특히 레이저 광을 분배하기 위한 광 분배기에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 광 분배기의 작동 방법에 관한 것이다.
광 분배기는 광통신 공학 분야에서, 특히 입력 섬유로부터 유입되는 방사 전력을 다수의 출력 섬유에 분배하는 소위 광섬유 전력 분배기로서 공지되었다. 하지만, 그러한 광섬유 전력 분배기의 경우, 특히 출력 섬유들로 공급되는 방사 전력의 크기가 통상적으로 입력 섬유에 존재하는 방사 전력보다 더 작다는 단점이 있다.
통상적으로 분산형 구조를 갖는 전술한 광섬유 전력 분배기 이외에도, 다소 입체적으로 팽창된 영역을 통해 방사 전력이 입력 섬유로부터 출력 섬유들로 분배되는 분포 결합기 구조도 공지되어 있다.
광 통신 공학분야에는 이러한 기본형 광 분배기 또는 광 전력 분배기 이외에도, 또 다른 결합기 구조, 예컨대 섬유 연마형 결합기, 용융형 결합기 등이 공지되 어 있다.
이러한 공지된 모든 결합기 또는 광 분배기는 비교적 복잡한 구조를 가지며, 그에 상응하게 높은 제조 비용이 수반될 뿐 아니라, 자동차 분야나, 그 외 특히 까다로운 환경 조건(예: 진동, 높은 온도 변동 등)을 갖는 작동 환경에서 사용하기에 부적합하다.
따라서 본 발명의 목적은, 더 간단하면서도 비교적 경제적인 구조를 갖는 동시에 까다로운 환경 조건에서도 유연한 사용 가능성이 보장되는 방식으로, 도입부에 언급한 유형의 광 분배기 및 그의 작동 방법을 개선하는 것이다.
상기 목적은 도입부에 언급한 유형의 광 분배기의 경우, 본 발명에 따라 광 분배기가 이동 가능하게 배치된 적어도 하나의 광도파관 및 상기 적어도 하나의 광도파관을 이동하기 위한 액추에이터를 포함하고, 이때 광 입력단들 중 적어도 하나가 광도파관을 통해 광 출력단들 중 적어도 하나와 연결될 수 있는 방식으로, 이동 가능하게 배치된 상기 광도파관이 액추에이터에 의해 이동될 수 있음으로써 달성된다.
본 발명의 장점은 하기와 같다.
본 발명에 따라 이동 가능하게 배치된 광도파관과, 이 광도파관을 이동하기 위해 제공되는 액추에이터는, 설계 비용이 비교적 낮은 조건에서도 광 분배기의 하나 이상의 입력단과 하나 이상의 출력단 사이에서 광 또는 대개는 광방사 전력의 유연한 전달 및 분배를 가능케 한다.
광통신 공학으로부터 공지된 광 분배기 또는 전력 분배기와는 달리, 본 발명에 따른 광 분배기는 대체로, 예컨대 자동차 분야에서의 용도에 상응하게 견고하게 설계될 수 있고, 경제적으로 제조될 수 있으며, 관리하기가 쉬운 구성 부품들에 기반한다.
본 발명에 따른 광 분배기의 추가적인 특별한 장점은, 방사 전력을 분배하기 위해 이동 가능하게 배치된 광도파관으로 인해, 광도파관의 외부 또는 광 입력단 및 출력단의 외부에서는 방사 전력의 전달이 거의 이루어지지 않는다는 점이다. 따라서 예컨대 두 섬유 단부 사이에 공기로 채워져 있는 영역과 같은 "개방된 광로"를 통한 방사 전력의 전달이 최소화됨으로써 전체적으로 손실이 매우 적은 구조가 제공된다.
본 발명의 목적에 대한 또 다른 해결책으로서, 청구항 제11항에 따른 광 분배기 작동 방법이 제시된다.
본 발명의 추가적인 바람직한 구현예들은 종속항들의 대상이다.
본 발명의 추가적인 특징, 적용 방법 및 장점은 도면들에 도시되어 있는 본 발명의 실시예들과 관련한 하기의 설명으로부터 제시된다. 여기서 설명되는 모든 특징들은, 실시예 설명 또는 도면 내에서 청구항들 또는 그들의 인용항들 및 그들의 형식 또는 표현과 무관하게, 그 자체로 또는 임의로 조합되어 본 발명의 대상을 형성한다.
도1은 내연 기관의 레이저 기반 점화 시스템을 도시한 개략도이다.
도2a는 제1 실시예에 따른 본원의 광 분배기의 개략적인 부분 횡단면도이다.
도2b는 도2a에 따른 광 분배기의 이동식 광도파관의 상세도이다.
도2c는 본 발명에 따른 광 분배기의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도3은 본 발명에 따른 광 분배기의 전자기식 액추에이터의 평면도이다.
도4a 내지 도5b는 본 발명에 따른 광 분배기의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도6은 이동식 광도파관의 또 다른 상세도이다.
도1은 도1에는 도시되지 않은 자동차를 구동하는 데 사용되는 내연 기관(10)을 개략적으로 도시하고 있다. 내연 기관(10)은 다수의 실린더를 포함하며, 이 실린더들 중 도1에는 단 하나만이 도시되어 있으며 도면 부호 12로 표시되어 있다. 실린더(12)의 연소실(14)은 피스톤(16)에 의해 한정된다. 연료는, 레일 또는 커먼레일이라고도 불리는 연료 압력 저장기(20)에 연결된 인젝터(18)에 의해 직접 연소실(14)에 도달한다.
도1에 도시된 내연 기관(10)은 레이저에 기반한 점화 시스템(27)을 포함하며, 이 점화 시스템의 경우 연소실(14)로 분사되는 연료(22)가 레이저 빔 또는 레이저 펄스(24)에 의해 점화된다. 레이저 펄스(24)는 실린더(12)에 할당된 레이저 장치(26)에 의해 연소실(14) 내부로 방사된다. 레이저 장치(26)는 레이저 기반 점화 시스템(27)의 구성 부품이며, 상기 점화 시스템은 추가의 분산형, 즉 여러 실린더에 할당된 레이저 장치들(도시되지 않음) 외에도 중앙 레이저 광원(30), 예컨대 반도체 레이저뿐만 아니라, 도1에 도시되지 않은 본 발명에 따른 광 분배기도 포함한다. 이 광 분배기는 중앙 레이저 광원(30)으로부터 분산형 레이저 장치들(26)에 레이저 광을 분배한다. 본 발명에 따른 광 분배기는 예컨대 중앙 레이저 광원(30) 내에 통합될 수 있다.
레이저 기반 점화 시스템(27) 또는 중앙 레이저 광원(30) 및 광 분배기의 제어는 예컨대 내연 기관(10)에 할당된 제어 장치(40)를 통해 수행될 수 있다. 이 제어 장치는 공지된 방식으로 인젝터(18)의 제어를 통해 실린더(12)의 연소실(14) 내에 유입되는 연료(22)의 유량을 조절한다.
레이저 장치(26)는 광도파관 장치(28)를 통해 광 분배기에 의해 분배되는 레이저 광을 공급하며, 상기 레이저 광은 예컨대 레이저 장치(26) 내에 국소적으로 제공되는, 상세하게 도시되지 않은 공진기의 펌핑에 이용된다. 공진기는 펌핑 레이저 광에 의해 여기되어 점화에 필요한 레이저 펄스(24)를 발생시킨다.
그 대안으로, 연료(22)의 점화를 위해 제공되는 레이저 펄스(24)가 중앙 레이저 광원(30)에 의해 직접 발생하여, 본 발명에 따른 광 분배기 및 광도파관 장치(28)를 통해 레이저 장치(26)에 전달될 수 있다.
위의 두 경우 모두, 도2a에 개략적인 측면도로써 도시된 본 발명에 따른 광 분배기(100)가 적용됨으로써 중요한 장점이 획득된다. 왜냐하면, 전체적으로 단 하나의 중앙 레이저 광원(30)만이 제공되고, 예컨대 내연 기관(10)의 각각의 실린더(12) 또는 관련 레이저 장치(26)에 예컨대 고유의 반도체 레이저가 장착되지 않아도 되기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 광 분배기(100)를 이용함으로써, 특히 바람직하게는 중앙 레이저 광원(30)(도1)을 내연 기관(10)의 엔진 블록으로부터 이격시켜 배치할 수 있으며, 그럼으로써 중앙 레이저 광원이 내연 기관(10) 주변의 높은 온도 변동 및 진동에 직접적으로 노출되지 않게 된다.
도2a에 따른 본원의 광 분배기(100)는 이동 가능하게 배치된 광도파관(120)을 포함한다. 이 광도파관의 입력 섹션(120a)은 동시에 광 분배기(100)의 광 입력단(110a)을 나타낸다. 도2a로부터 알 수 있듯이, 광도파관(120)의 출력 섹션(120b)은 입력 섹션(120a)에 비해 만곡되어 있다. 상기 만곡부는, 도2b에 도시된 상세도에 따르면, 광도파관(120)의 출력 섹션(120b)의 세로축(E)이 나머지 광도파관(120) 또는 이 광도파관의 입력 섹션(120a)의 세로축(D)과 0°와 다른 각도(α)를 이루는 방식으로 형성된다.
광도파관(120)에서 본 발명에 따라 만곡되는 출력 섹션(120b)은, 도2a에서 일점쇄선에 의해 수직으로 표시된, 실질적으로 도2b의 세로축(D)에 상응하는 회전축을 중심으로 실시되는 광도파관(120)의 적절한 회전을 통해서, 예컨대 내연 기관(10)(도1)의 여러 실린더 또는 이 실린더들의 레이저 장치들(26)에 할당되어, 광 분배기(100)의 광 입력단(110a)에 공급되는 레이저 광을 관련 레이저 장치들(26)에 전달하는 제1 광도파관 장치(28a) 또는 제2 광도파관 장치(28b)와 입력 섹션(120a)의 선택적인 광 결합을 가능케 한다.
따라서 도2a에 도시한 구성은, 광도파관(120)을 통해 안내될 수 있는 레이저 광 또는 그 외 전자기 방사선이 광 입력단(110a)으로부터 대응하는 광 출력단 들(111a, 111b)로 선택적으로 분배될 수 있게 하며, 상기 광 출력단들의 영역에는 본 실시예의 경우 광도파관 장치들(28a, 28b)이 배치되어 있다.
도2a에 도시된, 본 발명에 따른 광 분배기(100)의 실시예의 특별한 장점은, 광도파관(120)의 입력 섹션(120a)이 제자리에 고정된다는 데 있다. 다시 말해, 광 도파관(120)의 입력 섹션(120a)은 레이저 광원(30)에 비해, 또는 광 입력단(110a) 내로 레이저 광을 입사시키기 위해 제공되는 광학 장치(31)에 비해 상대적으로 이동하지 않는다. 도2a에 도시된, 본 발명에 따른 광 분배기(100)의 실시예의 또 다른 장점은, 광도파관(120)이 강성으로 형성될 수 있다. 즉, 유연할 필요가 없거나, 작동 중에 변형되지 않는다. 그럼으로써, 여러 광 출력단(111a, 111b)으로 방사 전력을 분배할 시에 매우 높은 정밀도가 제공되는 동시에 광도파관(120)의 마모율도 매우 낮아진다.
광도파관(120)이 강성으로 형성됨으로써 획득되는 또 다른 장점은, 광도파관(120)의 제조 시 매우 다양한 재료를 이용할 수 있다는 것이다. 예컨대 광도파관(120)은 종래의 광전도성 섬유로 형성할 수 있다. 또한, 이런 경우, 더욱 오랜 작동기간에 걸쳐서 필요한 휨 각도(α)(도2b 참조)를 유지할 수 있도록 하기 위해, 예컨대 금속 슬리브 또는 그와 유사한 형태의 광도파관(120)의 기계적 고정(도시되지 않음)이 권장된다. 또는 그 대안으로, 예컨대 유리나 그 외 입력 섹션(120a)으로부터 출력 섹션(120b)으로 규정에 따라 광을 전도하는 데 적합한 광물성 재료로 광도파관(120)을 제조할 수도 있다. 이 경우 매우 바람직하게는, 예컨대 광도파관(120) 내로 또는 광도파관으로부터 레이저 광을 효율적으로 결합 또는 분리하기 위해, 광도파관(120)의 단부 영역들이 특수한 연마 섹션을 포함할 수 있다. 즉, 이와 같이 광도파관(120)을 형성할 시에 광도파관(120) 내에 직접 광학 소자들을 통합할 수 있다. 광도파관(120)의 형성을 위해 다양한 재료들을 조합하는 것도 가능하다.
또한, 출력 섹션(120b) 내의 광전도성 횡단면이 광 출력단들(111a, 111b) 내에 배치된 광도파관 장치(28a, 28b)의 광전도성 횡단면보다 약간 더 작도록 광도파관(120)을 설계하는 것이 매우 유리하다. 그렇게 함으로써 여러 작동 위치 사이에서 광도파관(120)의 포지셔닝 정밀도와 관련한 공차 보상이 보장된다.
가장 일반적으로는, 전송 손실을 줄이고, 그에 따라 광 분배기(100)의 효율을 높일 수 있도록, 광도파관(120)과 광원(30) 또는 광학 장치(31) 또는 광 출력단들(111a, 111b)의 영역에 배치되는 광도파관 장치(28a, 28b) 사이의 공기 갭이 가급적 작도록, 광 분배기(100)의 기하 구조를 선택할 수 있다. 원칙적으로는 이동 가능한 광도파관(120) 주변의 작동 영역을 진공화할 수도 있다.
또한, 도2c로부터 알 수 있듯이, 도2a에 도시된 것과 같은 광학 장치(31)를 이용한 직접 광결합 대신, 예컨대 광섬유 등과 같은 광도파관 장치(32)를 통해서도 레이저 광을 광도파관(120)의 입력측에 공급할 수 있다. 그렇게 함으로써 특히 바람직하게는 레이저 광원(30)과 관련 광학 장치(31)를 광 분배기(100)로부터 공간적으로 이격된 위치에 배치할 수 있다.
분배기(100)의 입력측에 공급되는 레이저 광을 광 출력단들(111a, 111b)에 선택적으로 분배하기 위해, 본 발명에 따라 액추에이터(130)가 제공된다(도2a 참 조). 이 액추에이터는 회전 가능하게 배치되는 광도파관(120)을 이동시킬 수 있도록 형성된다. 액추에이터(130)는, 도3에 도시된 평면도에서 알 수 있듯이 예컨대 스텝 모터로서 형성될 수 있다. 스텝 모터(131)는 전기자(133)와, 이 전기자(133)의 서로 다른 극들에 각각 작용하는 3개의 자기 코일(132a, 132b, 132c)을 포함한다. 자기 코일들(132a, 132b, 132c)은 도시되지 않은 작동 회로를 통해 상이한 제어 전류를 공급받을 수 있고, 상기 제어 전류에 상응하게 자계를 발생시키며, 그 자계는 전기자(133)에 작용하여 그에 상응하게 전기자를 회전시킨다. 본 발명에 따라 중공 형태로 형성된 전기자(133)의 축(134) 내에 광도파관(120)이 배치되어, 상기 전기자(133)와 회전 불가능하게 연결된다. 그 결과 광도파관(120)은, 전기자(133)에서 자기 코일들(132a, 132b, 132c)의 작동에 따라 제공되는 동일한 회전 운동을 실행하게 된다.
본 발명에 따른 광 분배기(100)의 특히 바람직한 실시예에 따르면, 스텝 모터(131)의 멈춤 위치의 수가 광 출력단(111a, 111b)의 수에 상응하도록 스텝 모터(131)가 형성됨으로써, 스텝 모터(131)의 비교적 간단한 제어를 통해, 상이한 광 출력단(111a, 111b) 사이에서 광 분배기(100)의 스위칭이 신속하면서도 신뢰할 수 있는 방식으로 구현될 수 있다.
도1에 따른 레이저 기반 점화 시스템(27)에서 광 분배기(100)를 사용할 경우, 광 분배기(100)는 예컨대 6개의 광 출력단을 포함할 수 있으며, 각각의 광 출력단은 실린더 개개의 레이저 장치(26)에 할당된다. 이 경우, 스텝 모터(131) 또는 그 외 액추에이터도 역시 바람직하게 6개의 멈춤 위치를 갖는다.
스텝 모터(131)의 전기자(133) 또는 축(134) 내에 광도파관(120)을 바람직하게는 중앙에 장착하는 구조(도3) 이외에, 액추에이터(130)를 구현하기 위한 또 다른 구조의 스텝 모터도 사용될 수 있다. 그러한 스텝 모터의 전기자(133)는 예컨대 매우 작은 회전 관성 모멘트를 가짐으로써, 본 발명에 따른 광 분배기(100)의 매우 신속한 스위칭이 가능해진다. 또한, 액추에이터(130)를 구현하기 위해 공간 을 절약하는 디스크 로터형 스텝 모터도 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 분배기(100)의 추가적인 매우 바람직한 실시예는 도4a에 도시되어 있다.
도4a에 도시한 실시예에서도, 광도파관(120)의 입력 섹션(120a)은 광도파관(120)에 레이저를 공급하는 레이저 광원(30)에 대해 제자리에 고정된다. 경우에 따라 요구되는 광학 장치(도1, 도면 부호 31 참조)는 간략화를 위해 도4a에 도시하지 않았다.
본 발명에 대해 도2a 내지 도3을 토대로 기술된 실시예와는 다르게, 도4a에 도시된 실시예에 따른 광도파관(120)은 회전 가능하게 장착되는 것이 아니라, 연성 타입으로 형성된다. 그렇게 함으로써, 광도파관(120)의 출력 섹션(120b)은 전자기 액추에이터(130)의 작용 하에 입력 섹션(120a)에 대해 상대적으로 이동할 수 있다. 이를 위해 광도파관(120)의 출력 섹션(120b)에는 자기 소자(125)(magnetic element)가 제공된다. 이 자기 소자(125)는 예컨대 슬리브 형태로 형성될 수 있고, 연성 광도파관(120)을 통해 변위 가능하거나, 상기 연성 광도파관과 결합될 수 있다.
자기 소자(125)는 전자기 액추에이터(130)의 전자석들(130a, 130b)의 적절한 제어에 의해 상이한 자기장력의 영향을 받게 된다. 이 자기장력은, 서로 다른 작동 위치들(a, b)(양방향 화살표 c 참조) 사이에서, 자기 소자(125)의 왕복 운동 및 그에 따른 상기 자기 소자(125)와 연결된 광도파관(120)의 단부의 왕복 운동을 야기한다.
도4a에 따르면, 광도파관(120) 또는 이 광도파관의 출력 섹션(120b)은 그의 제1 작동 위치(a)에 놓이며, 그럼으로써 광도파관(120)의 출력 섹션(120b)은, 레이저 광원(30)에 의해 발생한 레이저 광 펄스(24)를 제1 레이저 장치(26a)에 공급하도록 제공되는 광도파관 장치(28a)의 입력 섹션의 맞은편에 놓이게 된다. 도4a에서 음영으로 도시된 광도파관(120)에 의해 표시되는 제2 작동 위치(b)는, 광도파관(120)의 출력 섹션(120b)이 그에 상응하게 제2 레이저 장치(26b)에 할당되는 제2 광도파관 장치(28b)의 입력 섹션의 맞은편에 위치하는 것을 특징으로 한다.
앞서 설명한 실시예의 경우 연성 광도파관(120)은, 예컨대 작동 위치들(a, b) 사이에서 전환될 수 있도록 액추에이터(130)의 작용 하에 원하는 대로 굽혀지며 약 0.5mm 내지 약 1.5mm의 두께를 갖는 광전도성 섬유로서 형성될 수 있다.
도4a에 양방향 화살표(L)로 표시된 연성 광도파관(120)의 길이는 예컨대 약 20mm 내지 약 50mm일 수 있다. 본 발명의 한 바람직한 실시예에 따르면, 슬리브로서 형성되는 자기 소자(125)의 길이는 약 2mm 내지 약 5mm이다.
관련 레이저 장치들(26a, 26b)에 레이저 광을 공급하기 위한 광도파관 장치들(28a, 28b)도 마찬가지로 약 0.6mm 내지 약 1.6mm의 두께를 갖는 광전도성 섬유 로 형성될 수 있고, 관련 섬유 단부들은 광 출력단들(111a, 111b)의 영역에서 바람직하게는 도4a에는 도시되지 않은 하우징에 의해, 또는 이 하우징 내에 광도파관 장치들(28a, 28b)을 수용하기 위해 제공된 보어들에 의해 고정된다.
도4a에 도시한 광 분배기(100)의 정밀도를 높이기 위해, 광 출력단들(111a, 111b)이 자기 슬리브(125)의 영역에 직접, 즉 도4a의 경우 오른쪽 단부에 배치될 수 있으며, 그럼으로써 광도파관(120)은 그의 출력 영역(120b)에서 제어 가능한 자석들(130a, 130b)의 자극편(들)보다 돌출되지 않거나, 약간만 돌출된다.
예컨대 원통형 리세스부에 의해, 제어 가능한 자석들(130a, 130b)의 자극편이 특수한 형상을 가짐으로써, 각각의 자석(130a, 130b)의 극에 자기 슬리브(125)가 꼭 맞게 장착될 수 있으며, 그에 따라 본 발명에 따른 광 분배기(100)의 정밀도를 추가로 증가시킬 수 있다.
또한, 광 분배기(100)의 수명을 연장하기 위해, 예컨대 자극편들 상에 완충 층을 제공할 수 있다. 이런 완충층은 관련 자극편 상에서의 슬리브(125)의 충격을 완화함으로써 경우에 따라 발생하는 광도파관(120)의 진동을 방지한다.
도4a에 도시한 광 분배기(100)의 스위칭 속도는, 광 출력단들(111a, 111b)에 고정되어 배치된 광도파관 장치들(28a, 28b) 사이의 간격(d)을 줄이고, 상응하는 크기의 제어 전류를 전자석들(130a, 130b)에 흐르게 함으로써 높일 수 있다.
하기에서는 도4b와 관련하여 본 발명에 따른 광 분배기(100)에 대한 또 다른 매우 바람직한 실시예를 설명한다. 본 실시예에서는 자기 소자(125)가 영구 자화된 소자로서 형성되고, 예컨대 광도파관(120)에 자기 소자(125)를 용이하게 장착할 수 있도록 슬리브 형상을 가질 수 있다. 이처럼 영구 자화된 자기 소자(125)는 바람직하게는 방사방향 자화를 보이며, 그럼으로써 전자기 액추에이터(130) 또는 이 액추에이터의 제어 가능한 자석들(130a, 130b)의 자계와 자기 소자(125)의 영구 자계의 적절한 상호 작용에 의해, 광 분배기(100)의 작동 위치들(a, b) 간의 스위칭 시 다이내믹 성능이 증대될 수 있다.
광도파관(120)의 출력 섹션(120b)이 제1 광 출력단(111a)의 영역에 위치하는 제1 작동 위치(a)로부터 작동 위치(b)로 광 분배기(100)를 스위칭하기 위해, 예컨대 전자석(130a)에서는, 자기 소자(125)가 전자석(130a)으로부터 튕겨 밀리는 방식으로 전류가 흐르는 한편, 제어 가능한 전자석(130b)에서는 자기 소자(125)를 당기는 방식으로 전류가 흐르게 된다.
도4b에 도시한 본 발명에 따른 광 분배기(100)의 실시예에 따르면, 전자석들(130a, 130b)의 자극편들도 마찬가지로 바람직하게는 자기 슬리브(125)의 외부 형태에 맞는 형상을 가질 수 있다. 추가로, 전자석들(130a, 130b)의 자극편 영역에는 제1 또는 제2 작동 위치(a, b)에 자기 슬리브(125)를 고정하기 위한 캠(도시되지 않음)이 제공될 수 있다.
도5a에는 이미 도4b와 관련하여 설명한 광 분배기(100)의 평면도가 도시되어 있다.
광 분배기(100)의 중앙에는 연성 광도파관(120)이 배치된다. 이 광도파관의 입력 섹션(120a)에 속하는 횡단면 표면이 도5a의 도시 평면으로부터 돌출된다. 이미 도4b에 도시되었던 광 출력단들(111a, 111b) 외에도, 광 분배기(100)는 도5a에 따라 2개의 추가 광 출력단(111c, 111d)을 포함한다. 이들 각각의 광 출력단(111a, 111b, 111c, 111d)에는 고정형 광도파관 장치(28a, 28b, 28c, 28d)가 할당되고, 이 광도파관 장치들로부터 관련 레이저 장치들에 레이저 광이 공급된다. 제1 고정형 광도파관 장치(28a)(도4b)는, 광도파관(120)이 제1 작동 위치(a)에 위치해 있기 때문에, 도5a의 평면도에서는 확인할 수 없다. 즉, 광도파관(120)의 출력 섹션(120b)이 광 출력단(111a)의 영역에 위치함으로써, 광도파관(120)의 출력 섹션(120b)은 고정형 광도파관 장치(28a)의 입력 횡단면 표면을 직접 마주보고 놓이며, 광도파관 장치(28a)로의 레이저 광의 분배를 가능케 한다.
도5a로부터는 영구 자화된 슬리브(125)가 작동 위치에 있음을 알 수 있다. 이 작동 위치에서 영구 자화된 슬리브는 제어 가능한 전자석(130a)의 자극편에서 대응 형상을 갖는 영역에 안착된다. 도5a로부터 알 수 있듯이, 자기 슬리브(125)는, 반경방향 외측 영역에 자기 남극(S)이 위치하고, 반경방향 내측 영역에 자기 북극(N)이 위치하는 방식으로 영구 자화된다.
광도파관(120)의 출력 섹션의 이동을 위해, 제어 가능한 제1 전자석(130a)은 도5a에 도시된 것과 같이, 자기 슬리브(125)를 수용하는 그의 자극편이 자기 남극(S)을 형성하고, 그에 따라 자기 슬리브(125) 및 이 자기 슬리브와 결합된 광도파관(120)의 출력 섹션(120b)에 반발력을 가하는 방식으로 제어된다. 이에 반해 제어 가능한 제2 전자석(130b)은, 자기 슬리브(125)를 수용할 수 있도록 형성된 그의 자극편이 자기 북극(N)을 띄는 방식으로, 다시 말하면 영구 자화된 슬리브(125)의 외부 영역에 끌어당기는 작용을 하도록 제어된다. 그렇게 함으로써 전체적으로 도5a에서 화살표(F)로 도시된 것처럼 도5a에서 위로부터 아래를 향하는 힘이 광도파관(120)의 출력 섹션(120b)에 발생하고, 그럼으로써 광도파관(120)이 그에 상응하게 굽혀지며, 그 결과 최종적으로 영구 자화된 슬리브(125)가 그에 상응하는 형상을 갖는, 제어 가능한 제2 전자석(130b)의 자극편에 접하게 된다. 이런 상태에서 광도파관(120)의 입력측에 공급된 레이저 광은 제2 광 출력단(111b) 및 그에 따라 광도파관 장치(28b)로 공급된다.
제어 가능한 전자석(130a, 130b)과 도5a에는 상세하게 표시하지 않은 제어 가능한 2개의 추가 전자석의 적절한 제어를 통해, 여러 작동 위치 사이에서 영구 자화된 슬리브(125)의 왕복 운동 및 그에 따른 광도파관(120)의 출력 섹션(120b)의 왕복 운동을 실행할 수 있으며, 그럼으로써 상이한 광 출력단(111a, 111b, 111c, 111d)으로 레이저 광을 신속하면서도 신뢰할 수 있는 방식으로 분배할 수 있게 된다.
도5b에 도시된 또 다른 변형예에 따르면, 도5a와 비교하여 전자석들(M1, M2, M3, M4)의 배치가 변경됨으로써, 개별 전자석들의 자극편들 사이에 폐쇄 자기 회로가 형성된다. 이를 위해 특히 각각의 전자석들(M1, M2, M3, M4) 사이에 자기 전도성 결합 소자들(KE)이 제공된다.
광도파관(120)을 도5b에 "1"로 표시된 제1 작동 위치로부터 "2"로 표시된 작동 위치로 이동시키기 위해, 전자석들(M1, M2 및 M4)은 도5b에 펄스로 표시된 것과 같이 제어되며, 그렇게 함으로써 도시한 자계 구조가 생성된다. 전자석(M3)은 본 실시예에 따라 제어되지 않기 때문에, 폐쇄 자기 회로는 전자석(M1 내지 M4) 및 이 전자석들과 연결된 결합 소자들(KE)에 의해 형성된다.
전자석들(M1 내지 M4) 및 설명한 추가 전자기 액추에이터(130)의 제어는 공지된 방식으로 반도체 스위치를 이용하여 실시되며, 이 반도체 스위치는, 제어 시 극성 전환을 허용하도록 예컨대 풀 브리지(full-bridge) 구조로 배치될 수 있다. 그 대안으로 또는 추가로, 전자석들의 권선들이 중간 탭(center tap)을 포함할 수 도 있으며, 이는 그에 따라 형성되는 반쪽 권선들(half-winding)의 교번 작동에 의해 관련 전자석에서 서로 다른 부호의 자기 흐름이 생성될 수 있도록 하기 위한 것이다.
광도파관(120)의 순수한 회전(도2a) 또는 휨(도4a) 외에, 이 두 작동 방식의 조합도 고려될 수 있는데, 이 경우 그에 상응하게 형성된 1개의 액추에이터(130) 또는 다수의 액추에이터가 제공된다. 스텝 모터의 이용에 대한 대안으로, 광도파관(120)의 휨 또는 이동을 위해 예컨대 전자기 방식으로 작동하는 선형 구동기 등이 사용될 수 있다. 또한, 전자기 액추에이터 대신에 예컨대 공압식 또는 압전식 액추에이터를 사용하는 점도 고려해 볼 수 있다.
내연 기관(10)의 레이저 기반 점화 시스템(27)에 본 발명에 따른 광 분배기(100)를 사용하면, 광도파관 장치들(28a, 28b, ...)은 바람직하게는 원형으로 내연 기관(10)의 실린더들(12)의 점화 순서에 상응하게 배치될 수 있으며, 그럼으로써, 최소의 작동으로도 충분하게, 관련 광도파관 장치(28a, 28b, ...)에 대한 광도파관(120)의 주기적인 상대 회전이 제공되어, 점화 순서가 준수된다.
레이저 광의 분배 대신에, 광도파관(120)의 구성에 따라서 본 발명에 따른 광 분배기(100)를 이용하여 비간섭성 광(incoherent light)을 분배하는 것도 물론 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 광 분배기(100)에 있어서, 본원에서 광 출력단(111a, 111b, ...)으로 지시되는 영역들에 배치되는 다수의 광도파관 장치가 광 분배기(100)에 방사 전력을 공급하는, 상기 광 분배기(100)의 전도된 작동도 생각해 볼 수 있다. 이때 방사 전력은, 사전 설정 가능한 작동 위치(a, b)로 광도파관(120)이 조정됨으로써, 본원에서 광 입력단(110a)으로서 지시되는 영역에 선택적으로 전달된다.
또한, 본 발명의 한 바람직한 실시예에 따라, 광 분배기(100)기에 하나 이상의 이동식 광도파관(120)을 제공함으로써 예컨대 입력측에 공급되는 레이저 광이 다수의 여러 광 출력단에 동시에 분배될 수 있는 점도 생각해 볼 수 있다. 광도파관(120)에 빔 스플리터를 통합함으로써, 광도파관(120)의 입력측에 공급된 레이저 광이 상기 빔 스플리터의 통합으로 인해 광도파관(120)에 제공된 2개의 출력 섹션으로 분할됨과 동시에, 광 분배기의 여러 광 출력단에 전송될 수 있다.
본 발명에 따른 광 분배기(100)의 또 다른 매우 바람직한 한 실시예에 따르면, 광도파관(120)은 그의 입력 섹션(120a)에 평행한 출력 섹션(120b)을 포함한다(도6 참조). 이러한 방식으로 광도파관(120)을 형성하면, 바람직하게는 출력측에 제공되는 광도파관 장치들(28, 28a, 28b)을 공간 절약적으로 서로 평행하게 설치할 수 있으며, 이는 도2a에처럼 방사상으로 도시되지 않는다. 도6에 도시되지 않은, 출력측에 제공되는 광도파관 장치들(28, 28a, 28b)에 광을 분배하기 위해, 도6에 따른 광도파관(120)은 액추에이터에 의해 자신의 축선(D)을 중심으로 회전한다. 즉, 광도파관(120)을 변형할 필요가 없기 때문에, 광도파관(120)의 마모 정도가 매우 감소한다.
액추에이터로서 이용되는 스텝 모터의 회전자 내에 광도파관(120)의 일측 섹션을 바람직하게는 중앙에 배치하는 것 이외에, 예컨대 벨트 구동 장치 또는 예컨대 선형 액추에이터에 의해 구동되는 래크(rack)를 통해 광도파관(120)을 제어할 수도 있다. 이 두 경우 모두, 관련 벨트 풀리 또는 톱니부가 광도파관(120)에 직접 일체로 성형될 수 있다. 광도파관(120)이 플라스틱으로 제조된 경우, 상기와 같은 구동 수단은 매우 간단하게 광도파관(120)에 직접 일체로 성형될 수 있다.
광도파관(120)은 일체형 형상 이외에 여러 (광학) 재료가 조합된 형상을 포함할 수도 있다.

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 광 입력단(110a)과 다수의 광 출력단(111a, 111b) 중 적어도 하나 사이에서 광, 특히 레이저 광을 분배하기 위한 광 분배기(100)에 있어서,
    상기 광 분배기(100)는 이동 가능하게 배치된 적어도 하나의 광도파관(120)과 상기 적어도 하나의 광도파관(120)을 이동시키기 위한 액추에이터(130)를 포함하며, 이동 가능하게 배치된 상기 광도파관(120)은 상기 광 입력단들(110a) 중 적어도 하나가 상기 광도파관(120)을 통해 상기 광 출력단들(111a, 111b) 중 적어도 하나와 연결될 수 있는 방식으로 상기 액추에이터(130)에 의해 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는, 광 분배기(100).
  2. 제1항에 있어서, 상기 광도파관(120)의 입력 섹션(120a)은 제자리에 고정되는 것을 특징으로 하는, 광 분배기(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광도파관(120)의 출력 섹션(120b)의 세로축(E)이 나머지 광도파관(120) 또는 입력 섹션(120a)의 세로축(D)과 0°가 아닌 각도(α)를 이루는 방식으로, 상기 광도파관(120)의 출력 섹션(120b)이 상기 입력 섹션(120a)에 비해 만곡되는 것을 특징으로 하는, 광 분배기(100).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광도파관(120)이 회전 가능 하게 장착되는 것을 특징으로 하는, 광 분배기(100).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광도파관(120)이 연성인(flexible) 것을 특징으로 하는, 광 분배기(100).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광도파관(120)의 출력 섹션(120b)이, 특히 광도파관(120)의 휨에 의해, 상기 광도파관(120)의 입력 섹션(120a)에 대해 상대적으로 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는, 광 분배기(100).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액추에이터(130)는 전자기식 액추에이터, 특히 스텝 모터(131) 또는 선형 구동 장치인 것을 특징으로 하는, 광 분배기(100).
  8. 제7항에 있어서, 상기 액추에이터(130)는 적어도 하나의 제어 가능한 자석(130a, 130b), 바람직하게는 전자석을 포함하며, 상기 광도파관(120)의 적어도 하나의 섹션(120b)에는 자기 소자(125)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 광 분배기(100).
  9. 제8항에 있어서, 상기 자기 소자(125)는 그 자체가 영구 자화된 슬리브이거나, 영구 자화된 슬리브를 포함하고, 이 슬리브는 바람직하게 방사방향 자화를 보 이는 것을 특징으로 하는, 광 분배기(100).
  10. 중앙 레이저 광원(30)과 상기 내연 기관(10)의 여러 실린더에 각각 할당되는 다수의 분산형 레이저 장치(26, 26a, 26b)를 포함하는, 내연 기관(10)용 레이저 기반 점화 시스템에 있어서, 상기 중앙 레이저 광원(30)과 상기 분산형 레이저 장치들(26, 26a, 26b) 사이에서 레이저 광을 분배할 수 있도록 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따라 형성된 광 분배기(100)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 내연 기관용 레이저 기반 점화 시스템.
  11. 적어도 하나의 광 입력단(110a)과 다수의 광 출력단(111a, 111b) 중 적어도 하나 사이에서 광, 특히 레이저 광을 분배하기 위한 광 분배기(100)를 작동하기 위한 방법에 있어서,
    이동 가능하게 배치된 적어도 하나의 광도파관(120)이 제공되고, 이 광도파관은, 사전 설정 가능한 적어도 하나의 광 입력단(110a)이 상기 광도파관(120)을 통해 사전 설정 가능한 적어도 하나의 광 출력단(111a, 111b)과 연결되는 방식으로 액추에이터(130)에 의해 이동되는 것을 특징으로 하는, 광 분배기(100)의 작동 방법.
  12. 내연 기관(10)용 레이저 기반 점화 시스템에서, 중앙 레이저 광원(30)으로부터, 상기 내연 기관(10)의 여러 실린더에 각각 할당되는 다수의 분산형 레이저 장 치(26, 26a, 26b)로 레이저 광을 분배하기 위한, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 광 분배기(100)의 사용.
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