JP5892804B2 - レーザ点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の点火に用いられるレーザ点火装置に関する。特に、高か級、高圧縮の自動車用エンジン、シリンダボア径の大きいエンジン、天然ガスを用いた発電用エンジン等の難着火性エンジンの点火に好適なものである。

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から波振した励起光を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、非特許文献１には、気体燃料エンジンの点火に用いられるレーザ点火装置において、レーザ光のエネルギ密度が一定以上の範囲で燃焼室窓の表面に堆積した汚れを焼き切る効果が発揮され、そのエネルギ密度が燃焼室窓ガラスの強度限界に近いことが示されている。

また、特許文献１には、保護ガラスの表面に付着した汚れを検出する手段と、汚れ除去用のレーザ光を発振する汚れ除去手段を備えたレーザ点火装置が開示されている。

ところが、非特許文献１や特許文献１にあるように、保護ガラスの表面に堆積した汚れを除去すべく、所定のエネルギ密度のレーザ光を照射すると、汚れの付着した保護ガラスが擬似的な鏡となって、照射したレーザ光の一部又は全部が反射して集光レンズ側で焦点を結ぶことが判明した。
このとき、反射光の焦点付近に保護ガラスや集光レンズ等の光学系の固体物があると、その部分に反射光のエネルギが集中し、プラズマや衝撃波を発生して、保護ガラスや集光レンズの内部にクラックが発生したり、集光レンズの表面に施されたＡＲコーティング膜が剥がれたりする等、光学系の損傷を招く虞があることが判明した。
集光レンズ等の光学系にクラックや、ＡＲコーティング膜の剥離等が発生するとそこを通過する際にレーザ光の散乱を招き、燃焼室内に集光されるレーザ光の着火エネルギが低下し、安定した着火が困難となる虞がある。

そこで、本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、保護ガラスの表面に付着した汚れを確実に除去しつつ、反射光による光学系素子の損傷を防ぎ、安定した着火を実現可能なレーザ点火装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明では、内燃機関（５）に設けられ、励起用光源（２）から励起光調整光学素子（１０）を介して導入した励起光（ＬＳＲ_ＰＭＰ）を、Ｑスイッチ（１１１）とレーザ媒質（１１０）とを含むレーザ共振器（１１）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（ＬＳＲ_ＰＬＳ）として発振し、該パルスレーザのビーム径を一旦、パルスレーザ拡張光学素子（１２）によって拡張した後、パルスレーザ集光光学素子（１３）を用いて、上記内燃機関の燃焼室（５００）内に導入した混合気内の所定位置における集光点（ＦＰ）に集光して、エネルギ密度の高いプラズマ火炎核を発生させて、上記内燃機関の点火を行うレーザ点火装置であって、上記パルスレーザ集光光学素子は、上記燃焼室側へ向かって凸となる形状のレンズであり、
上記パルスレーザ集光光学素子を上記燃焼室から隔離して保護すべく上記燃焼室を臨む位置に、平行平板形状の保護用光学窓（１４）を設け、該保護用光学窓を構成する光学素子材料がサファイアであり、その燃焼室側の表面を基準面（１４２）として、上記集光点に対して基端側に向かって略対称の位置となる反射光集光点（ＢＦＰ）が上記パルスレーザ集光光学素子より上記基端側の領域に位置する。

請求項２の発明では、上記パルスレーザ集光光学素子の先端側表面から上記集光点までの距離を集光距離（Ｌ_ＦＰ）とし、上記パルスレーザ集光光学素子の肉厚を集光素子厚（Ｔ_ＦＬ）とし、上記保護用光学窓の先端側表面から上記集光点までの距離を焦点表面間距離（Ｌ_ＳＦ）とし、上記保護用光学窓の肉厚を光学窓厚（Ｔ_ＣＧ）とし、上記集光光学素子の先端側表面から上記保護用光学窓の基端側表面までの距離を素子窓間距離（Ｇ）としたとき、上記集光距離（Ｌ_ＦＰ）よりも、上記集光素子厚（Ｔ_ＦＬ）と上記光学窓厚（Ｔ_ＣＧ）と上記素子窓間距離（Ｇ）との合計が短くなるように、即ち、Ｌ_ＦＰ＝Ｌ_ＳＦ＋Ｔ_ＣＧ＋Ｇ、Ｌ_ＦＰ＋Ｔ_ＦＬ＜２Ｌ_ＳＦの関係を満たすように設定する。

請求項３の発明では、上記パルスレーザが上記保護用光学窓の表面を通過する際のエネルギ密度（ＦＩ_ＳＲＦ）が、上記保護用光学窓の表面に付着した付着物（ＤＰ）を燃焼除去可能なエネルギ密度である付着物可燃閾値（ＦＩ_ＤＥＰ）以上である。

請求項４の発明では、上記パルスレーザ、又は、その反射光が、上記パルスレーザ集光光学素子、及び、上記保護用光学窓を通過する際のエネルギ密度（ＦＩ_ＳＲＦ／ＦＩ_ＢＣＫ）が、これらを構成する光学素子材料の破損強度閾値（ＦＩ_ＢＲＫ）以下である。

請求項５の発明では、上記パルスレーザが、上記保護用光学窓の表面を通過する際のエネルギ密度（ＦＩ_ＳＲＦ）が、４００ＭＷ／ｃｍ^２以上である。

請求項６の発明では、上記パルスレーザ集光光学素子を構成する光学素子材料が石英、または、サファイアのいずれかであって、上記パルスレーザ、又は、その反射光が、上記パルスレーザ集光光学素子、又は、上記保護用光学窓を通過する際のエネルギ密度（ＦＩ_ＳＲＦ／ＦＩ_ＢＣＫ）が、４０．５ＧＷ／ｃｍ^２以下である。

本発明によれば、上記保護用光学窓の表面に煤などが付着し、擬似的な鏡となって、上記パルスレーザ（ＬＳＲ_ＰＬＳ）が、上記保護用光学窓の表面で反射されても、その反射光の集光する反射光集光点（ＢＦＰ）に上記集光光学素子や、上記保護用光学窓を構成する固体物が存在せず、しかも、上記保護用光学窓によって上記燃焼室と隔離されており、燃焼室内のようにパルスレーザのエネルギの吸収が可能な高い圧力の混合気が存在せず、その周囲に存在するのは固体物に比べて遙かに密度の低い大気のみであるため、反射光集光点でプラズマを発生することなく拡散し、上記集光光学素子や上記保護用光学窓が損傷することがない。
また、上記保護用光学窓の表面に煤等が付着しても、上記パルスレーザがその表面を通過する際のエネルギ密度が、上記付着物可燃閾値ＦＩ_ＤＥＰ以上、具体的には、４００ＭＷ／ｃｍ^２以上である場合には、上記保護用光学窓の表面に付着した煤等の付着物が燃焼除去され、常に上記保護用光学窓の表面が清浄に保たれ、煤等の付着による疑似ミラーの形成を抑制し、上記反射光による光学系の損傷を防ぐと共に、上記集光点に集光するエネルギ密度を高く維持できる。
さらに、上記反射光が上記集光光学素子、又は、上記保護用光学窓の内部で集光しない場合であっても、集光点が上記集光光学素子、又は、上記保護用光学窓の表面から近い位置であると、その近傍で、上記集光光学素子、又は、上記保護用光学窓の内部でエネルギ密度が高くなり、その部分の損傷を招く虞がある。
しかし、本発明のように、上記パルスレーザ、又は、その反射光が、上記集光光学素子、又は上記保護用窓を通過する際のエネルギ密度が、一定の破損強度閾値ＦＩ_ＢＲＫ以下である場合、具体的には、上記光学素子材料が石英、又は、サファイアのいずれかであり、上記集光光学素子、又は上記保護用窓を通過する際のエネルギ密度が４０．５ＧＷ／ｃｍ^２以下の場合には、光学系の破損を招く虞がない。
したがって、本発明によれば、安定した着火性能を示す信頼性の高いレーザ点火装置が実現できる。

本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置の概要を示す断面図。 本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置の効果を示し、（ａ）は、正常なパルスレーザ出力状態における要部断面図、（ｂ）は、疑似ミラーが形成された場合のパルスレーザ出力状態における要部断面図。 光学素子の破損を起こすエネルギ密度を知るために行った試験方法を示す模式図。 試料表面から集光点までの距離と集光強度、及び、破損に至る集光強度との関係を示す特性図。 デポジット除去効果を発揮するエネルギ密度を知るために行った試験方法を示す模式図。 集光光学系の組合せによって保護ガラス表面の集光径を変えて行った試験方法を示す模式図。 試料表面におけるビーム直径と集光強度とデポジットの消失領域との関係について図５、図６に示した各試験条件の試験結果を示す特性図 集光レンズと保護ガラスとの位置関係を変化させた場合の本発明の効果を発揮する範囲と発揮し得ない範囲を示す要部断面図。

図１を参照して本発明の第１の実施形態におけるレーザ点火装置１の概要について説明する。
本実施形態におけるレーザ点火装置１は、詳述略の内燃機関５に設けられ、エンジン制御装置４（以下、ＥＣＵ４と称する。）と、励起光源駆動制御装置３（以下、ＤＲＶ３と称する。）と、励起用光源２（以下、ＬＤ２と称する。）と、励起光調整光学素子１０（以下、励起光レンズ１０と称する。）と、レーザ共振器１１（以下、共振器１１と称する。）と、パルスレーザ拡張光学素子１２（以下、拡張レンズ１２と称する。）と、パルスレーザ集光光学素子１３（以下、集光レンズ１３と称する。）と、保護用光学窓１４（以下、保護ガラス１４と称する。）と、ハウジング１５とによって構成されている。

ＥＣＵ４は、内燃機関５の運転状況に応じて点火信号ＩＧｔを出力する。
その点火信号ＩＧｔにしたがって、ＤＲＶ３が制御され、ＬＤ２への駆動電圧の供給と停止とが行われる。
ＬＤ２は、半導体レーザ等の公知の励起光源を具備し、ＤＲＶ３から供給されたエネルギを高周波の励起光ＬＳＲ_ＰＭＰに変換し、図略の光ファイバを経由して励起光レンズ１０に励起光ＬＳＲ_ＰＭＰを入射する。なお、光ファイバには、例えば、ＮＡ＜０．０９（ＮＡは、Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ、開口数）、コア径６００μｍの公知の光ファイバを用いることができる。

ＬＤ２から導入した励起光ＬＳＲ_ＰＭＰは、励起光レンズ１０を介して、一定のビーム径を有する平行光となり、共振器１１に照射される。
共振器１１に入射された励起光ＬＳＲ_ＰＭＰは、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ＬＳＲ_ＰＬＳとして発振される。
パルスレーザＬＳＲ_ＰＬＳは、一旦、拡張レンズ１２によってビーム径が拡張された後、集光レンズ１３を用いて、内燃機関５の燃焼室５００内に導入した混合気内の所定位置における集光点ＦＰに集光される。

集光点ＦＰにおいて、エネルギ密度の高いプラズマ火炎核が発生し、内燃機関５の点火が行われる。
本発明のレーザ点火装置１は、特に、気体燃料エンジンや、高過給気エンジン等の難着火性エンジンの点火に優れた着火性を発揮するものである。
本発明のレーザ点火装置１は、集光レンズ１３を燃焼室５００から隔離して保護すべく燃焼室５００を臨む位置に設けた保護ガラス１４の燃焼室側の表面を基準面１４２として、集光点ＦＰに対して基端側に向かって略対称の位置となる反射光集光点ＢＦＰが集光レンズ１３、保護ガラス１４を構成する固体物質が存在しない領域に位置する。

励起光レンズ１０は、ＬＤ２から入射された励起光ＬＳＲ_ＰＭＰを一定のビーム径を有する平行光に調整して、共振器１１に出射する。
励起光レンズ１０のレンズ基体１００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の公知の光学素子材料が用いられ、入射面１０１が先端側に向かって凹面状に窪み、出射面１０２が先端側に向かって凸面状に膨らんで、それぞれが異なる曲率半径を有する非球面レンズを構成して一体的に形成されている。
励起光レンズ１０に入射面１０１と出射面１０２のそれぞれには、励起光ＬＳＲ_ＰＭＰの反射を抑制すべく、フッ化マグネシウム等の公知のＡＲコーティングが施されている。

共振器１１は、励起光ＬＳＲ_ＰＭＰの反射を抑制するＡＲコーティング１１２と、励起光ＬＳＲ_ＰＭＰの入射は許容し、レーザ媒質１１０内からの戻り光を全反射する全反射鏡１１１と、レーザ媒質１１０と、受動Ｑスイッチ１１３と、励起光ＬＳＲ_ＰＭＰをレーザ媒質側に反射し、所定の閾値を超えるパルスレーザＬＳＲ_ＰＬＳは出射する部分反射鏡１１４が一体に形成されている。
レーザ媒質１１０には、例えば、ＹＡＧ単結晶にＮｄをドーピングしたＮｄ：ＹＡＧ等、公知のレーザ媒質が用いられている。
また、受動Ｑスイッチ１１３には、ＹＡＧ単結晶にＣｒ４＋をドーピングしたＣｒ：ＹＡＧ等公知の受動Ｑスイッチが用いられている。

共振器１１は、共振器１１内に導入された励起光ＬＳＲ_ＰＭＰを共振、増幅させ、エネルギ密度の高いパルスレーザＬＳＲ_ＰＬＳとして出射する。
共振器１１から放出されるパルスレーザＬＳＰ_ＰＬＳは、例えば、Ｍ^２＝１．２〜１．４の集光性が高く、約φ１．２ｍｍのビーム径を有する平行光となっている。
なお、共振器１１は、上記構成に限定するものではなく、レーザ媒質１１０には, 公知のＮｄ：ＹＶＯ、Ｎｄ：ＧＶＯ、Ｎｄ：ＧＧＧ、Ｎｄ：ＳＵＡＰ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＬＵＡＧ、等を、 受動Ｑスイッチ１１３には、Ｃｒ：ＧＧＧ、Ｖ：ＹＡＧ、Ｃｏ：スピネル等を適宜採用できる。

共振器１１から出射されたパルスレーザＬＳＲ_ＰＬＳは、一旦、拡張レンズ１２によってビーム径が広げられ、集光レンズ１３によって燃焼室内の所定の集光点ＦＰに集光することによってエネルギ密度を高くしている。
拡張レンズ１２を構成する拡張レンズ基体１２０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の公知の光学素子材料が用いられている。
拡張レンズ１２の入射面１２１と出射面１２２のそれぞれには、パルスレーザＬＳＲ_ＰＬＰを反射するＡＲコーティングが施されている。
また、拡張レンズ１２は、入射面１２１と出射面１２２とが異なる曲率半径を有する一体の非球面レンズとなっている。

集光レンズ１３を構成する集光レンズ基体１３０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の公知の光学素子材料が用いられている。
集光レンズ１３の入射面１３１と出射面１３２のそれぞれには、パルスレーザＬＳＲ_ＰＬＰを反射するＡＲコーティングが施されている。
また、集光レンズ１３は、入射面１３１と出射面１３２とが異なる曲率半径を有する一体の非球面レンズとなっている。

保護ガラス１４は、燃焼室内を臨み、燃焼室内の熱、圧力、燃料、煤等による汚染等から集光レンズ１３を保護している。
保護ガラス１４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の公知の光学素子材料が用いられている。
保護ガラス１４の入射面１４１には、集光レンズ１３から出射されたパルスレーザＬＳＲ_ＰＬＳの反射を抑制するＡＲコーティングが施されている。
また、保護ガラス１４は、燃焼室５００内に発生する燃焼圧力から集光レンズ１３を保護するため十分な耐圧強度が必要となるが、保護ガラス１４の厚みＴＣＧが厚くなると、それだけ反射光ＢＬＳＲ_ＰＬＳが、集光レンズ１３や保護ガラス１４の内部で焦点ＢＦＰを結び易くなるので、焦点距離を長くする必要を生じる。
しかし、焦点距離が長くなるとそれだけ集光強度が低下し、着火性の低下を招く虞がある。したがって、保護ガラス１４の肉厚Ｔ_ＣＧはできる限り薄くするのが望ましい。
例えば、サファイアを用いて保護ガラス１４をモールド成形した場合に、厚さ２．５ｍｍで、耐圧４０ＭＰａを確保できることが判明した。

励起光レンズ１０、共振器１１、拡張レンズ１２、集光レンズ１３、保護ガラス１４は、略筒状のハウジング１５によって同軸上に一体的に保持されている。ハウジング１５には、ＳＵＳ等の耐熱性金属が用いられている。
各素子１０、１１、１２、１３、１４とハウジング１５との間には、金属製の弾性部材が適宜介装され、寸法差を吸収しつつ、それぞれの光軸が一致し、かつ、それぞれ、焦点距離が一定となるように収容されている。

本発明のレーザ点火装置１では、図２（ａ）に示すように、パルスレーザＬＳＲ_ＰＬＳが集光レンズ１３及び保護ガラス１４を通過する際のエネルギ密度が、それぞれを構成する光学素子材料の破損強度閾値ＦＩ_ＢＲＫを超えず、さらに、保護ガラス１４の表面を通過する際のエネルギ密度ＦＩ_ＳＲＦが、保護ガラス表面に堆積したデポジットを燃焼除去可能な付着物可燃閾値ＦＩ_ＤＥＰ以上となるように、拡張レンズ１２と、集光レンズ１３と、保護ガラス１４との距離、集光点ＦＰの位置、及び、集光レンズ１３の肉厚Ｔ_ＦＬ、保護ガラス１４の肉厚Ｔ_ＣＧを設定したことを特徴としている。
また、後述する試験によって、付着物可燃閾値ＦＩ_ＤＥＰが４００ＭＷ／ｃｍ^２であり、光学素子材料として、石英を用いた場合には、破損強度閾値ＦＩ_ＢＲＫが４０．５ＧＷ／ｃｍ^２であり、サファイアを用いた場合には、破損強度閾値ＦＩ_ＢＲＫが４５．２ＧＷ／ｃｍ^２であることが判明した。
即ち、保護ガラス１４を通過する際のパルスレーザＬＳＲ_ＰＬＳのエネルギ強度が４００ＭＷ／ｃｍ^２以上であれば、煤を燃焼除去して、煤の堆積により、点火が不安定となるのを防ぐことができることが判明した。
また、集光レンズ１３及び保護ガラス１４に石英、又は、サファイア等の耐久性の高い光学材料を用いた場合、これらの光学素子を通過する際のパルスレーザＬＳＲ_ＰＬＳ又は反射光ＢＬＳＲ_ＰＬＳのエネルギ密度が、４０．５ＧＷ／ｃｍ^２以下となるように設定することにより、集光レンズ１３及び保護ガラス１４の破損を抑制することができることが判明した。
さらに、集光レンズ１３の先端側表面から集光点ＦＰまでの距離をＬ_ＦＰとし、集光レンズ１３の肉厚をＴ_ＦＬとし、保護ガラス１４の先端側表面から集光点ＦＰまでの距離をＬ_ＳＦとし、保護ガラス１４の肉厚をＴ_ＣＧとし、集光レンズ１３の先端側表面から保護ガラス１４の基端側表面までの距離をＧとしたとき、Ｌ_ＦＰ＝Ｌ_ＳＦ＋Ｔ_ＣＧ＋Ｇ、Ｌ_ＦＰ＋Ｔ_ＦＬ＜２Ｌ_ＳＦの関係を満たすように設定するのが望ましい。

本発明のレーザ点火装置１において通常の点火の際には、図２（ａ）に示すように、所定の周波数で発振されたパルスレーサＬＳＲ_ＰＬＳが集光レンズ１３の先端から一定の焦点距離Ｌ_ＦＰだけ離れた集光点ＦＰに集光して高いエネルギ状態のプラズマ火炎核を形成する。
このとき、燃焼室内に露出した保護ガラス１４の表面において、付着物可燃閾値ＦＩ_ＤＥＰ以上のエネルギ密度となっているので、保護ガラス１４の表面に煤等の付着物ＤＰが付着しても、デポジットを形成する前に、パルスレーザのエネルギを吸収して、燃焼、除去され、安定した着火の維持を図っている。

さらに、図２（ｂ）に示すように、保護ガラス１４の表面に煤などが付着したときに、疑似ミラーとなって、レーザ共振器１１から出力したパルスレーザ光ＬＳＲ_ＰＬＳが反射しても、集光レンズ１３や保護ガラス１４等の固体物の内部で反射光ＢＬＳＲ_ＰＬＳが集光することがなく、しかも、燃焼室５００と隔離されているので、その周囲には支燃物である空気が存在しても可燃物が存在しないので、反射光集光点ＢＦＰではプラズマを発生することなく拡散し、集光レンズ１３や保護ガラス１４が損傷することがない。
また、集光レンズ１３内に反射光集光点がなくても、集光レンズ１３の外側の極近い位置に反射光集光点ＢＦＰが存在し、その近傍のエネルギ密度が、破損強度閾値ＦＩ_ＢＲＫである４０．５ＧＷ／ｃｍ^２を超えると集光レンズ１３の損傷を招く虞があるが、集光レンズ１３内における反射光集光強度ＦＩ_ＢＣＫが４０．５ＧＷ／ｃｍ^２以下となるように、保護ガラス１４の表面から反射光集光点ＢＦＰ迄の距離Ｌ_ＢＦＰが十分長くなるように集光レンズ１３と保護ガラス１４との配置を設定すれば、反射光ＢＬＳＲ_ＰＬＳによる集光レンズ１３の損傷を免れる。

図３、図４を参照して、集光レンズ及び保護ガラスに用いられる光学素子を構成するガラス部材が破損されるレーザ光の強度を明らかにすべく本発明者等が行った試験について説明する。
図３（ａ）に示すように、調査対象となる供試ガラス（１３又は１４を構成する材料のテストピース）の入射面を光軸Ｃ／Ｌに対してブリュースター角度θ_Ｂ（＝Ａｒｃｔａｎ（ｎ_２／ｎ_１）、ただし、ｎ_１は入射側の屈折率、ｎ_２は出射側の屈折率。例えば、屈折率１の空気中から屈折率が１．５のガラスに入射する光のブリュースター角は約５６度である。）で配置してある。
試料を光軸Ｃ／Ｌに対してブリュースター角度θ_Ｂを設けて傾けることで、反射光ＢＬＳＲ_ＰＬＳの集光点ＢＦＰを集光レンズ１３の外側に移動させ、試験中に集光レンズ１３が損傷するのを回避することができる。

本図（ｂ）に示すように、試料を光軸Ｃ／Ｌに対して垂直方向に平行移動さながら、試料の先端側表面における集光面積Ｓｉ、及び、試料の先端側表面から集光点ＦＰまでの距離Ｌｉを変化させながら、集光点ＦＰにおけるエネルギをレーザパワーメータで検出し、集光点までの距離Ｌから試料表面における集光強度を算出する。
本図（ｃ）に示すように、試料の内部のエネルギ密度が一定の範囲を超えるとクラック等の欠陥を生じ、試料を通過するパルスレーザＬＳＲ_ＰＬＳが拡散され、レーザパワーメータの検出出力が低下するので、各試料の破損限界閾値を求めることができる。

供試ガラス（１３、１４）を平行移動させてガラス表面から集光点ＦＰまでの距離Ｌを徐々に変化させたときに、レーザパワーメータで検出される光強度の変化を計測した結果を図４（ａ）に示す。本図（ｂ）は、従来のレーザ点火装置において、反射光により破損した集光レンズの一例を示す。
図４に示すように、距離Ｌを短くすると、距離の二乗に反比例して、集光面積Ｓが小さくなり、それに伴って、試料表面における集光密度ＦＩ（ＧＷ／ｃｍ^２）は高くなる。
距離Ｌが一定の限界距離（破損距離閾値Ｌ_ＢＲＫ）以下となると、試料に欠陥を生じ、レーザパワーメータで検出される出力が低下する。
そこで、このときの試料表面における集光強度を破損強度閾値ＦＬ_ＢＲＫとした。

供試ガラスとして、耐熱ガラス（耐熱性硼珪酸ガラス）、一般的な光学ガラス（硼珪ガラス）、石英ガラス、及び、サファイアガラスを用いて同様の試験を繰り返し、その結果を表１に示す。
なお、測定条件は、印加エネルギ：３．１６ｍJ、パルス幅：０．７８ｎｓ、出力：４．０５ＭＷ、駆動周波数：３０Ｈｚ、ビーム径：φ１．２ｍｍで行った。

表１に示すように、比較的エネルギ密度の高いレーザ装置に光学素子材料として、広く用いられている石英を用いた場合には、エネルギ密度が４０．５ＧＷ／ｃｍ^２以上となった場合に、集光レンズ１３や保護ガラス１４にクラック等の損傷を招く虞があり、最も耐久性に優れたサファイアを用いても、エネルギ密度が４５．２ＧＷ／ｃｍ^２以上となった場合に、集光レンズ１３や保護ガラス１４にクラック等の損傷を招く虞があることが判明した。
また、表１に示すように、使用する光学素子材料によって破損強度閾値が異なるため、実際に集光レンズ１３、及び、保護ガラス１４に使用される光学素子材料に応じて、パルスレーザＬＳＲ_ＰＬＳ、又は、その反射光ＢＬＳＲ_ＰＬＳが、集光レンズ１３、及び、保護ガラス１４を通過する際のエネルギ密度（ＦＩ_ＳＲＦ／ＦＩ_ＢＣＫ）が、これらを構成する光学素子材料の破損強度閾値（ＦＩ_ＢＲＫ）以下となるように、拡張レンズ１１、集光レンズ１３、保護ガラス１４の肉厚、屈折率、各レンズの曲率、レンズ間の距離等の諸元を設定する必要がある。

次いで、図５、図６を参照して、保護ガラス１４の表面に付着した煤等の付着物にパルスレーザＬＳＲＰＬＳを照射した場合の効果を調査した結果について説明する。
保護ガラス１４の燃焼室側に付着する付着物ＤＰを模して、図５（ｃ）に示すように、カーボンを主成分として含むペーストを用いて透明なフィルム上に印刷形成した後、乾燥したものをテストサンプルＱ_ＤＥＰとし、図５（ａ）試験条件１として示すように、保護ガラス１４の燃焼室側の表面に密着させた状態で配設し、これに、一定の条件でパルスレーザを照射したときの変化と、図５（ｂ）に試験条件２として示すように、保護ガラス１４の燃焼室側の表面から２ｍｍ離した状態で配設し、これに、一定の条件でパルスレーザを照射したときの変化を調査した。
併せて、試験に用いるパルスレーザＬＳＲ_ＰＬＳの入力条件と集光光学系の組合せ条件の違いによる付着物可燃閾値の変化を調査した。
具体的には、レーザＡとして、印加エネルギが５．２ｍＪ、パルス幅が１．６ｎｓ、レーザＢとして、印加エネルギが１１．５ｍＪ、パルス幅が０．８７ｎｓを用いた。
また、図６（ａ）に示す、集光光学系ａでは、保護ガラス１４の燃焼室側表面におけるビーム径がφ３．４８ｍｍ、図６（ｂ）に示す、集光光学系ｂでは保護ガラス１４の燃焼室側表面におけるビーム径がφ２．９４ｍｍ、図６（ｃ）に示す、集光光学系ｃでは保護ガラス１４の燃焼室側表面におけるビーム径がφ２．４９ｍｍとなるように設定してある。
なお、図６に示すＦ３０、Ｆ２５、Ｆ２２は、それぞれのレンズの焦点距離を有効口径で割った値を意味し、Ｆ値が小さいほど、ビーム径に集光されるエネルギ密度が高くなる。
本試験の結果を表２、及び、図７に示す。

レーザＡを用いた場合には、集光強度が低く、試験条件１、試験条件２のいずれの場合にも、カーボンを焼失させることはできなかった。
レーザＢを用いた場合、試験条件１、試験条件２のそれぞれについて、集光光学系ａ、ｂ、ｃのいずれにおいても中心部のエネルギ密度の高い領域でカーボンが焼失された。
さらに、図７に示す各集光光学系ａ、ｂｃにおけるビーム直径Ｄ_ＢＭ（ｍｍ）と集光強度ＦＩ（ＭＷ／ｃｍ^２）との関係と、デポジットを模したカーボンが焼失された領域とを重ねあわせると、いずれの条件においても、集光強度ＦＩが４００ＭＷ／ｃｍ^２以上となった場合にカーボンが焼失していることが分かる。
以上の試験結果により、保護ガラス１４の表面に煤等が付着しても、パルスレーザＬＳＲ_ＰＬＳがその表面を通過する際のエネルギ密度ＦＩが、一定の付着物可燃閾値以上、具体的には、４００ＭＷ／ｃｍ^２以上である場合には、保護ガラス１４の表面に付着した煤等の付着物が燃焼除去され、常に保護ガラス１４の表面が清浄に保たれ、煤等の付着による疑似ミラーの形成を抑制し、反射光ＢＬＳＲ_ＰＬＳが集光レンズ１３や保護ガラス１４などの光学系の内部に集光して損傷されるのを防ぐと共に、集光点ＦＰに集光するエネルギ密度を高く維持できるとの知見を得た。

上述したように、保護ガラス１４の表面を通過する際の、パルスレーザＬＳＲ_ＰＬＳの集光強度ＦＩを、一定の付着物可燃閾ＦＩ_ＤＥＰ値以上とすることで、保護ガラス１４の表面を清浄に保つことが可能となり、さらに、集光レンズ１３、及び、保護ガラス１４を通過する際のパルスレーザＬＳＲ_ＰＬＳ、又は、反射光ＢＬＳＲ_ＰＬＳの集光強度ＦＩ／ＦＩ_ＢＣＫを一定の破損強度閾値ＦＩ_ＢＲＫ以下とすることで集光レンズ１３及び保護ガラス１４の破損を抑制できることが判明したが、より具体的にレーザ点火装置１を実現する際の留意点として、図８を参照して、使用するレーザの出力条件が一定で、焦点距離Ｌ_ＦＰ、集光レンズ１３の厚みＴ_ＦＬ、保護ガラス１４の厚みＴ_ＣＧを一定としたときに、集光レンズ１３と保護ガラス１４との軸方向の距離Ｇを変化させた場合を影響について説明する。

図８中、Ｌ _１ 〜Ｌ _５ は、それぞれ（ａ）〜（ｅ）における保護ガラス１４と集光点ＦＰとの距離、即ち、焦点表面間距離Ｌ _ＳＦ である。本図（ａ）に示すように、集光レンズ１３と保護ガラス１４との間の距離Ｇが十分狭い場合、即ち、０＜Ｇ１＜｛Ｌ_ＦＰ−（Ｔ_ＦＬ＋２Ｔ_ＣＧ）｝／２、の関係を満たす場合には、反射光ＢＬＳＲ_ＰＬＳの集光点ＢＦＰは、集光レンズ１３よりも基端側となるので、集光レンズ１３が反射光によって損傷を受けることがない。
なお、集光レンズ１４と保護ガラス１４とが接していると保護ガラス１４を介して燃焼室５００内で発生した熱が集光レンズ１３に伝達され、集光点ＦＰの位置ずれや、集光レンズ１３の耐久性の低下を招く虞があり望ましくない。
しかし、本図（ｂ）、（ｃ）に示すように、距離Ｇが｛Ｌ_ＦＰ−（Ｔ_ＦＬ＋２Ｔ_ＣＧ）｝／２≦Ｇ≦（Ｌ_ＦＰ−２Ｔ_ＣＧ）／２の範囲では、集光レンズ１３内にＢＦＰが形成されるので、集光レンズ１３の内部で、反射光ＢＬＳＲ_ＰＬＳの集光強度ＦＩが４０．５ＧＷ／ｃｍ^２以上となった場合には、集光レンズ１３が破損する虞がある。
さらに、本図（ｄ）に示すように、集光レンズ１３と保護ガラス１４との間に反射光焦点ＢＦＰが形成される場合、即ち、（Ｌ_ＦＰ−２Ｔ_ＣＧ）／２＜Ｇ＜Ｌ _ＦＰ −２Ｔ _ＣＧ の範囲で、集光レンズ１３、及び、保護ガラス１４の内部で、集光強度ＦＩが４０．５ＧＷ／ｃｍ^２より低く保たれている場合には、反射光ＢＬＳＲ_ＰＬＳによって集光レンズ１３、及び、保護ガラス１４が損傷を受けることがない。
さらに、本図（ｅ）に示すように、距離Ｇが、Ｌ _ＦＰ −２Ｔ _ＣＧ を超えると、反射光使用点ＢＦＰが保護ガラス１４の内部に形成されることになり、その集光強度ＦＩが、４０．５ＧＷ／ｃｍ^２を超える場合には、反射光ＬＳＲ_ＰＬＳによって保護ガラス１３の損傷を招く虞がある。
以上のことから、集光レンズ１３の先端側表面から集光点ＦＰまでの距離を集光距離Ｌ_ＦＰとし、集光レンズ１３の肉厚を集光素子厚Ｔ_ＦＬとし、保護ガラス１４の先端側表面から集光点ＦＰまでの距離を焦点表面間距離Ｌ_ＳＦとし、保護用ガラス１４の肉厚を光学窓厚Ｔ_ＣＧとし、集光レンズ１３の先端側表面から保護用ガラス１４の基端側表面までの距離を素子窓間距離Ｇとしたとき、集光距離Ｌ_ＦＰよりも、集光素子厚Ｔ_ＦＬと光学窓厚Ｔ_ＣＧと素子窓間距離Ｇとの合計が短くなるように、即ち、Ｌ_ＦＰ＝Ｌ_ＳＦ＋Ｔ_ＣＧ＋Ｇ、Ｌ_ＦＰ＋Ｔ_ＦＬ＜２Ｌ_ＳＦの関係を満たすように設定するのが望ましいとの知見を得た。

１ レーザ点火装置
１０ 励起光調整光学素子（励起光レンズ）
１１ レーザ共振器
１１０ レーザ媒質
１１１ Ｑスイッチ
１２ パルスレーザ拡張光学素子（拡張レンズ）
１３ パルスレーザ集光光学素子（集光レンズ）
１４ 保護用光学窓（保護ガラス）
２ 励起用光源
５ 内燃機関
ＬＳＲ_ＰＭＰ 励起光
ＬＳＲ_ＰＬＳ パルスレーザ
５００ 燃焼室
ＦＰ 集光点
ＢＦＰ 反射光集光点

特開２０１０−１１６８４１号公報

Ｄｒ．Ｇｕｎｔｈｅｒ Ｈｅｒｄｉｎ ／ ＧＥ Ｊｅｎｂａｃｈｅｒ Ｇｍｂｈ ＆ Ｃｏ ＯＨＧ ｅｔ ａｌ．「Ｌａｓｅｒ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ − ａ Ｎｅｗ Ｃｏｎｃｅｐｔ ｔｏ Ｕｓｅ ａｎｄ Ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ ｏｆ Ｇａｓ Ｅｎｇｉｎｅｓ」 ＩＣＥＦ２００５−１３５２ ｐ．１−ｐ．９ ＡＳＭＥ Ｉｎｔｅｒｎａｉ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ２００５ Ｆａｌｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｎｆｅｒｒｅｎｃｅ ： ＡＲＥＳ−ＡＲＩＣＥ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｇａｓ Ｆｉｒｅｄ Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｓ（Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １１−１４ ２００５）、Ｏｔｔａｗａ Ｃａｎａｄａ

Claims (6)

1. 内燃機関（５）に設けられ、励起用光源（２）から励起光調整光学素子（１０）を介して導入した励起光（ＬＳＲ_ＰＭＰ）を、少なくともＱスイッチ（１１１）とレーザ媒質（１１０）とを含むレーザ共振器（１１）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（ＬＳＲ_ＰＬＳ）として発振し、該パルスレーザのビーム径を一旦、パルスレーザ拡張光学素子（１２）によって拡張した後、パルスレーザ集光光学素子（１３）を用いて、上記内燃機関の燃焼室（５００）内に導入した混合気内の所定位置における集光点（ＦＰ）に集光して、エネルギ密度の高いプラズマ火炎核を発生させて、上記内燃機関の点火を行うレーザ点火装置であって、
   上記パルスレーザ集光光学素子は、上記燃焼室側へ向かって凸となる形状のレンズであり、
   上記パルスレーザ集光光学素子を上記燃焼室から隔離して保護すべく上記燃焼室を臨む位置に、平行平板形状の保護用光学窓（１４）を設け、該保護用光学窓を構成する光学素子材料がサファイアであり、その燃焼室側の表面を基準面（１４２）として、
   上記集光点に対して基端側に向かって略対称の位置となる反射光集光点（ＢＦＰ）が、上記パルスレーザ集光光学素子より上記基端側の領域に位置することを特徴とするレーザ点火装置。
2. 上記パルスレーザ集光光学素子の先端側表面から上記集光点までの距離を集光距離Ｌ_ＦＰとし、上記パルスレーザ集光光学素子の肉厚を集光素子厚Ｔ_ＦＬとし、上記保護用光学窓の先端側表面から上記集光点までの距離を焦点表面間距離Ｌ_ＳＦとし、上記保護用光学窓の肉厚を光学窓厚Ｔ_ＣＧとし、上記集光光学素子の先端側表面から上記保護用光学窓の基端側表面までの距離を素子窓間距離Ｇとしたとき、
   上記集光距離Ｌ_ＦＰよりも上記集光素子厚Ｔ_ＦＬと上記光学窓厚Ｔ_ＣＧと上記素子窓間距離Ｇとの合計が短くなるように、
   即ち、
   Ｌ_ＦＰ＝Ｌ_ＳＦ＋Ｔ_ＣＧ＋Ｇ、Ｌ_ＦＰ＋Ｔ_ＦＬ＜２Ｌ_ＳＦ
   の関係を満たすように設定した請求項１に記載のレーザ点火装置。
3. 上記パルスレーザが、上記保護用光学窓の表面を通過する際のエネルギ密度（ＦＩ_ＳＲＦ）が、上記保護用光学窓の表面に付着した付着物（ＤＰ）を燃焼除去可能な付着物可燃閾値（ＦＩ_ＤＥＰ）以上である請求項１又は２に記載のレーザ点火装置。
4. 上記パルスレーザ、又は、その反射光が、上記パルスレーザ集光光学素子、又は、上記保護用光学窓を通過する際のエネルギ密度（ＦＩ_ＳＲＦ／ＦＩ_ＢＣＫ）が、これらを構成する光学素子材料の破損強度閾値（ＦＩ_ＢＲＫ）以下である請求項１ないし３のいずれか記載のレーザ点火装置。
5. 上記パルスレーザが、上記保護用光学窓の表面を通過する際のエネルギ密度（ＦＩ_ＳＲＦ）が、４００ＭＷ／ｃｍ^２以上である請求項１ないし４いずれか記載のレーザ点火装置。
6. 上記パルスレーザ集光光学素子を構成する光学素子材料が石英、又は、サファイアのいずれかであって、上記パルスレーザ、又は、その反射光が、上記パルスレーザ集光光学素子、又は、上記保護用光学窓を通過する際のエネルギ密度（ＦＩ_ＳＲＦ／ＦＩ_ＢＣＫ）が、４０．５ＧＷ／ｃｍ^２以下である請求項１ないし５のいずれか記載のレーザ点火装置。

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