JP2006144618A

JP2006144618A - Laser ignition device

Info

Publication number: JP2006144618A
Application number: JP2004334255A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kanehara; 賢治金原; Takashi Mizobuchi; 剛史溝渕; Toru Yoshinaga; 融吉永
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2024-11-18
Also published as: JP4419812B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser ignition device dispensing with highly accurate positioning of respective component elements and allowing stable combustion by arbitrarily changing positions of a plurality of ignition sources, and to provide the laser ignition device reducing a number of parts. SOLUTION: The laser ignition device comprises a laser unit 10 emitting a laser beam, a lens 40 separating the laser beam incident from the laser unit 10 into a plurality of beams and respectively focusing them, and a housing 20 provided with the lens 40, adapted to guide focal points of the laser beams separated by the lens 40 to the combustion chamber of an engine and having a pipe 30, actuators 23 and pins 60 for moving the focal points of the laser beams to arbitral places in the combustion chamber. COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、回折格子でレーザ光を分離することで生成される複数の焦点で点火を行うレーザ点火装置に関する。 The present invention relates to a laser ignition device that performs ignition at a plurality of focal points generated by separating laser light with a diffraction grating.

従来より、車両のエンジンの点火装置として、レーザを用いたレーザ点火装置が考えられている。このようなレーザ点火装置においては、レーザから照射されたレーザ光をレンズにてエンジンの燃焼室内に集光すると共に、そのレーザ光の焦点を着火源として燃料を燃焼させる。このとき、燃焼室内におけるレーザ光の焦点の数、すなわち着火源の数（着火点）が多いほど、着火性が向上すると共に燃料着火後の火炎伝播速度が向上する。これにより、エンジンの効率を高めることができると考えられる。 Conventionally, a laser ignition device using a laser has been considered as an ignition device for a vehicle engine. In such a laser ignition device, laser light emitted from a laser is condensed into a combustion chamber of an engine by a lens, and fuel is burned using the focal point of the laser light as an ignition source. At this time, as the number of focal points of the laser beam in the combustion chamber, that is, the number of ignition sources (ignition point) increases, the ignitability improves and the flame propagation speed after fuel ignition improves. Thereby, it is considered that the efficiency of the engine can be increased.

そこで、複数のレーザ光を燃焼室内に照射し、複数の着火点にて点火する点火装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この点火装置においては、１つのレーザから照射されるレーザ光をハーフミラーで二分割し、分割したレーザ光をそれぞれシリンダブロックまたはシリンダヘッドに固定されたレンズに入射させると共に燃焼室内に集光させる。これにより、燃焼室内に複数の着火点を生成することができる。 Therefore, an ignition device that irradiates a plurality of laser beams into a combustion chamber and ignites at a plurality of ignition points has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In this ignition device, a laser beam emitted from one laser is divided into two by a half mirror, and the divided laser beams are respectively incident on a lens fixed to a cylinder block or a cylinder head and are condensed in a combustion chamber. Thereby, a plurality of ignition points can be generated in the combustion chamber.

一方、複数のレーザ光をそれぞれ光ファイバでエンジンの燃焼室に導くことで、複数の着火点を設ける点火装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この点火装置では、複数のレーザからレーザ光をそれぞれ照射すると共に、それらレーザ光を光ファイバでそれぞれエンジンに導いた後、各光ファイバの端部から照射されるレーザ光をそれぞれレンズで燃焼室内に集光させることで、点火数を増やしている。
昭５５−８１２７２号公報平１−１９３０８１号公報 On the other hand, there has been proposed an ignition device that provides a plurality of ignition points by guiding a plurality of laser beams to an engine combustion chamber using optical fibers, respectively (see, for example, Patent Document 2). In this ignition device, laser beams are emitted from a plurality of lasers, and the laser beams are guided to the engine by optical fibers, and then the laser beams irradiated from the ends of the optical fibers are respectively injected into the combustion chamber by lenses. The number of ignitions is increased by condensing light.
Sho 55-81272 Hei 1-193081

レーザ光をハーフミラーで二分割するレーザ点火装置では、レーザやレーザ光を集光するためのレンズをシリンダブロックやシリンダヘッドに設置しなければならず、それらを高精度に位置決めしなければならない。なおかつ、エンジンの燃焼室内におけるレーザ光の焦点を複数生成するために多くの構成部品を必要とする。 In a laser ignition device that divides a laser beam into two by a half mirror, a laser or a lens for condensing the laser beam must be installed in a cylinder block or a cylinder head, and they must be positioned with high accuracy. In addition, many components are required to generate a plurality of focal points of laser light in the combustion chamber of the engine.

光ファイバでレーザ光を燃焼室に導くレーザ点火装置では、燃焼室内に生成する着火点の数に応じてレーザ、光ファイバ、集光レンズを用意しなければならず、上記他のレーザ点火装置と同様に、燃焼室内の所望の位置にレーザ光の焦点を結ぶようにそれらを高精度に位置決めしなければならない。また、点火を行うための高エネルギーのレーザをファイバに入射するには、それ自身の耐熱性が低いため、その熱で光ファイバ自体が溶けてしまう可能性がある。 In a laser ignition device that guides laser light to a combustion chamber using an optical fiber, a laser, an optical fiber, and a condensing lens must be prepared according to the number of ignition points generated in the combustion chamber. Furthermore, they must be positioned with high precision so that the laser beam is focused at a desired position in the combustion chamber. In addition, in order to make a high-energy laser for ignition enter the fiber, the heat resistance of the laser itself is low, so the optical fiber itself may be melted by the heat.

また、それぞれのレーザ点火装置では、レーザ光の焦点を結ぶレンズが固定されているため、エンジン条件（エンジンの回転数やスロットル開度等のエンジン状態を示すパラメータ）に応じて最適な点火位置が存在する場合には焦点位置を任意に変更することができない。そのため、燃焼効率の悪化、排気エミッションの増大を招く。 In each laser ignition device, since the lens that focuses the laser beam is fixed, an optimal ignition position is determined according to engine conditions (parameters indicating engine conditions such as engine speed and throttle opening). If it exists, the focal position cannot be arbitrarily changed. As a result, combustion efficiency is deteriorated and exhaust emission is increased.

従来のレーザ点火装置はエンジンの熱が伝わらない実験室内に設置され車両に搭載した事例はない。前記レーザを車両に搭載すると車両の振動、熱の影響でレーザ発振ができなくなる。 The conventional laser ignition device is installed in a laboratory where the heat of the engine is not transmitted and is not mounted on a vehicle. When the laser is mounted on a vehicle, laser oscillation cannot be performed due to the vibration and heat of the vehicle.

本発明は、上記点に鑑み、エンジンの燃焼室にレーザ光の焦点を導くと共に焦点を点火源として燃焼させるレーザ点火装置において、下記項目を実現することを目的とする。
・構成要素を高精度に位置決めする必要が無い光学系を提供する。
・複数の点火源の位置を任意に高精度に設定することで全運転領域で燃焼室空間に安定した燃焼を実現できるレーザ点火装置を提供する。
・部品点数を削減することができるレーザ点火装置を提供する。
・車両に搭載してもレーザ発振を安定して行えるレーザ点火装置を提供する。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above points, an object of the present invention is to realize the following items in a laser ignition device that guides the focal point of laser light to a combustion chamber of an engine and burns the focal point as an ignition source.
Provide an optical system that does not require high-precision positioning of components.
Provided is a laser ignition device capable of realizing stable combustion in a combustion chamber space in the entire operation region by arbitrarily setting the positions of a plurality of ignition sources with high accuracy.
Provide a laser ignition device that can reduce the number of parts.
Provide a laser ignition device that can stably perform laser oscillation even when mounted on a vehicle.

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、レーザ光を発するレーザユニット（１０）から入射されるレーザ光を簡単な光学系を用いてレーザ光を複数の光に分離すると共に、エンジンの燃焼室内に分離した光を集光する。光学系では、複数のレーザ光源や複数のレンズを必要とせず、少ない部品点数でレーザの焦点を燃焼室内に導くことができる。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the laser light incident from the laser unit (10) that emits the laser light is separated into a plurality of lights using a simple optical system, The separated light is collected in the combustion chamber of the engine. The optical system does not require a plurality of laser light sources or a plurality of lenses, and can focus the laser beam into the combustion chamber with a small number of parts.

また、複数の点火源を生成することができるため、火炎伝播速度および、燃焼安定性が向上する。そのため、サイクル変動の低減、ノック限界の拡大、リーン限界の拡大が可能となり、エンジンの静粛性、出力の向上、排気エミッションの低減を実現できる。 In addition, since a plurality of ignition sources can be generated, flame propagation speed and combustion stability are improved. This makes it possible to reduce cycle fluctuations, increase knock limits, and increase lean limits, and realize engine quietness, improved output, and reduced exhaust emissions.

請求項２および請求項３に記載の発明では、アクチュエータ（２３）が駆動されると、ハウジングに備えられたピン（６０）がパイプ（３０）に設けられたガイド（３１、３２）に沿うことで、パイプがハウジング内を移動することを特徴としている。 In the second and third aspects of the invention, when the actuator (23) is driven, the pin (60) provided on the housing follows the guides (31, 32) provided on the pipe (30). The pipe moves in the housing.

このように、アクチュエータによってパイプをハウジング内で移動させる。これにより、パイプに固定されているレーザ光分離手段がパイプと共にハウジング内を移動するため、レーザ光分離手段にて集光されるレーザ光の焦点の位置を燃焼室内で移動させることができる。前記構成とすることで、エンジン条件に応じて燃焼室内におけるレーザ光の焦点、すなわち点火源を移動させることができるので、広いエンジン条件で燃焼を安定性させることができる。 Thus, the actuator moves the pipe within the housing. Thereby, since the laser beam separating means fixed to the pipe moves in the housing together with the pipe, the position of the focal point of the laser beam condensed by the laser beam separating means can be moved in the combustion chamber. With this configuration, the focal point of the laser beam in the combustion chamber, that is, the ignition source can be moved according to the engine conditions, so that combustion can be stabilized under a wide range of engine conditions.

請求項４に記載の発明では、エンジン停止時、焦点位置が常に決められた位置になるように前記アクチュエータを駆動するようにした。その結果、エンジン始動時に前記アクチュエータが駆動できなくても点火位置が常に固定されているため、始動時の噴射制御の適合値を簡便に設定することができる。 In the invention described in claim 4, when the engine is stopped, the actuator is driven so that the focal position is always determined. As a result, since the ignition position is always fixed even when the actuator cannot be driven when the engine is started, it is possible to easily set an appropriate value for the injection control at the time of starting.

請求項５および請求項６に記載の発明では、アクチュエータの位置を設定する機構を設けた。その結果、アクチュエータ位置の制御精度が向上するため、全運転領域で燃焼の安定性を向上することができる。 In the invention according to claims 5 and 6, a mechanism for setting the position of the actuator is provided. As a result, since the control accuracy of the actuator position is improved, the stability of combustion can be improved in the entire operation region.

請求項７に記載の発明では、集光レンズは平凸レンズで構成されており、平凸レンズの平部分にレーザ光を分離する回折格子が形成されており、この回折格子にレーザ光が入射されると、レーザ光は回折格子の格子間隔に応じて分離されて集光されるようになっていることを特徴としている。 In the invention according to claim 7, the condensing lens is constituted by a plano-convex lens, and a diffraction grating for separating the laser beam is formed in a flat portion of the plano-convex lens, and the laser beam is incident on this diffraction grating. The laser beam is separated and focused according to the grating interval of the diffraction grating.

このように、レーザ光分離手段を平凸レンズで構成し、この平凸レンズにレーザ光を分離する回折格子を形成する。これにより、回折格子にレーザ光が入射されると、回折格子の格子間隔に応じてレーザ光が分離され、平凸レンズのレンズ部分で分離されたレーザ光をそれぞれ集光することができる。このようにして、分離光学系を簡素化することができるので、部品点数を削減することができる。 In this way, the laser beam separating means is constituted by a plano-convex lens, and a diffraction grating for separating the laser beam is formed on the plano-convex lens. Thus, when the laser light is incident on the diffraction grating, the laser light is separated according to the grating interval of the diffraction grating, and the laser light separated by the lens portion of the plano-convex lens can be condensed. In this way, since the separation optical system can be simplified, the number of parts can be reduced.

請求項８および請求項９に記載の発明では、エンジンの熱を遮断してレーザ共振器の温度変化を低減し、レーザを安定して発振することを特徴としている。 The inventions according to claims 8 and 9 are characterized in that the heat of the engine is cut off to reduce the temperature change of the laser resonator, and the laser is oscillated stably.

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

（第１実施形態）
以下、本発明の一実施形態について図を参照して説明する。 (First embodiment)
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ点火装置の概略断面図である。図１に示されるように、レーザ点火装置１００は、レーザユニット１０と、ハウジング２０と、パイプ３０と、レンズ４０と、プリズム５０と、ピン６０と、を備えて構成されている。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a laser ignition device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the laser ignition device 100 includes a laser unit 10, a housing 20, a pipe 30, a lens 40, a prism 50, and a pin 60.

レーザユニット１０は、レーザ光を発するものであり、ケース１１と、レーザ発振器１２と、を備えて構成されている。ケース１１は、レーザ発振器１２を保持するものであり、例えば樹脂で構成される。ケース１１とハウジング２０とは断熱材５１と空気層５２が挿入されて締結されている。ケース１１には真空断熱層５２１が形成され、ケース１１の一部にガラス５２２が接合されている。ケース１１内部には、レーザ共振器１２、冷却装置５３、温度センサ５４が挿入され、ケース１１に固定されている。ケース１１からは、冷却水配管５３１、５３２、温度センサケーブル５４１、５４２、ＬＤ駆動用のケーブル５５１、５５２および冷却装置５３の配線５６１、５６２が出ている。なお、温度センサ５４の代わりに、光検出センサを用いてもかまわない。 The laser unit 10 emits laser light, and includes a case 11 and a laser oscillator 12. The case 11 holds the laser oscillator 12, and is made of, for example, resin. The case 11 and the housing 20 are fastened by inserting a heat insulating material 51 and an air layer 52. A vacuum heat insulating layer 521 is formed on the case 11, and glass 522 is bonded to a part of the case 11. Inside the case 11, a laser resonator 12, a cooling device 53, and a temperature sensor 54 are inserted and fixed to the case 11. From the case 11, cooling water pipes 531 and 532, temperature sensor cables 541 and 542, LD driving cables 551 and 552, and wirings 561 and 562 of the cooling device 53 are provided. Note that a light detection sensor may be used instead of the temperature sensor 54.

レーザ発振器１２は、周知のマイクロチップ式ＹＡＧレーザであり、イットリウム（Ｙ）・アルミニウム（Ａｌ）・ガーネット（Ｇ）結晶で構成されるＹＡＧ結晶の中にネオジウム（Ｎｄ）が混入されたＮｄ．ＹＡＧ結晶と、前記Ｎｄ．ＹＡＧ結晶を励起する半導体レーザと、レーザの発振時期を制御するＣｒ．ＹＡＧ結晶からなる過飽和吸収体および共振器の一部であるミラーと、を備えて構成されている。 The laser oscillator 12 is a well-known microchip type YAG laser, and Nd.Nd. in which neodymium (Nd) is mixed in a YAG crystal composed of yttrium (Y), aluminum (Al), and garnet (G) crystals. YAG crystal and the Nd. A semiconductor laser that excites the YAG crystal and a Cr. And a saturable absorber made of a YAG crystal and a mirror that is a part of the resonator.

レーザの発振時期はエンジンＥＣＵ１１０から出た点火信号１１１をトリガとして半導体レーザの発光開始時期を決定し、制御回路９０に導き予め決められた期間発光するように制御回路９０から電流出力信号９１を出力する。 The laser oscillation timing is determined by using the ignition signal 111 output from the engine ECU 110 as a trigger to determine the light emission start timing of the semiconductor laser, and the control circuit 90 outputs a current output signal 91 so as to emit light for a predetermined period. To do.

レーザのパルスエネルギはレーザ共振器１２の構成および半導体レーザに供給する電流値で決められている。本実施形態では、波長が１０６４ｎｍの光をレーザパワー２〜４ｍＪでパルス発振している。 The pulse energy of the laser is determined by the configuration of the laser resonator 12 and the current value supplied to the semiconductor laser. In the present embodiment, light having a wavelength of 1064 nm is pulse-oscillated with a laser power of 2 to 4 mJ.

ハウジング２０は、レーザ点火装置１００から放出されたレーザをエンジンに導く光導入経路を制御する機能を支える部材であり鉄鋼材料（例えば低炭素鋼）よりなる円管状構造を有している。このハウジング２０の両端は開口しており、開口した一端側には上記レーザユニット１０がハウジング２０に一体とされ、他端側にはレーザ光をハウジング２０の外に射出するガラス窓２１が一体とされている。このようなハウジング２０の他端側の外周には、例えばエンジンブロックにネジ固定するためのネジ部２２が形成されており、ハウジング２０のエンジンへの取り付けが容易になっている。 The housing 20 is a member that supports the function of controlling the light introduction path that guides the laser emitted from the laser ignition device 100 to the engine, and has a circular tubular structure made of a steel material (for example, low carbon steel). Both ends of the housing 20 are open, the laser unit 10 is integrated with the housing 20 at one end of the opening, and a glass window 21 for emitting laser light to the outside of the housing 20 is integrated with the other end. Has been. On the outer periphery of the housing 20 on the other end side, for example, a screw portion 22 for screwing to the engine block is formed, and the housing 20 can be easily attached to the engine.

ハウジング２０において円管状構造の内壁面には、アクチュエータ２３および摩擦低減部材２４が配置されている。アクチュエータ２３は、後述するパイプ３０をハウジング２０の軸を中心に回転させるものである。具体的には、アクチュエータ２３は、磁気回路で構成されており、エンジンＥＣＵと配線を介して電気的に接続された状態になっている。すなわち、アクチュエータ２３にエンジンＥＣＵ１１０からパイプ３０を回転させる信号が入力されると、磁気回路によってパイプ３０の外壁面に渦電流が生じ、その渦電流によってパイプ３０の外周方向に力が発生し、この力によってパイプ３０がハウジング２０の軸を中心に回転する。また、摩擦低減部材２４は、ハウジング２０内におけるパイプ３０の回転をスムーズにさせるものである。このような摩擦低減部２４には、例えばベアリングや樹脂（テフロン（登録商標））が採用される。 An actuator 23 and a friction reducing member 24 are disposed on the inner wall surface of the tubular structure in the housing 20. The actuator 23 rotates a pipe 30 described later around the axis of the housing 20. Specifically, the actuator 23 is composed of a magnetic circuit, and is electrically connected to the engine ECU via wiring. That is, when a signal for rotating the pipe 30 from the engine ECU 110 is input to the actuator 23, an eddy current is generated on the outer wall surface of the pipe 30 by the magnetic circuit, and a force is generated in the outer circumferential direction of the pipe 30 by the eddy current. The pipe 30 rotates about the axis of the housing 20 by the force. Further, the friction reducing member 24 smoothly rotates the pipe 30 in the housing 20. For example, a bearing or a resin (Teflon (registered trademark)) is used for the friction reducing unit 24.

パイプ３０は、ハウジング２０と同心円状の円管状構造を有するものであり、例えば磁性材料で形成されている。このパイプ３０は、その円管状構造の中空部分が上記レーザ発振器１２のレーザ光の通路になっており、レーザ光はパイプ３０の一端側から入射して他端側から射出される。また、パイプ３０は、エンジン条件に応じてハウジング２０内においてハウジング２０の軸方向に移動するようになっている。 The pipe 30 has a circular tubular structure concentric with the housing 20, and is made of, for example, a magnetic material. The pipe 30 has a hollow portion of the tubular structure serving as a laser beam passage of the laser oscillator 12. The laser beam is incident from one end side of the pipe 30 and is emitted from the other end side. Moreover, the pipe 30 moves in the axial direction of the housing 20 in the housing 20 according to engine conditions.

レンズ４０は、レーザ発振器１２から入射されるレーザ光を分離するものであり、平凸レンズで構成される。このレンズ４０のサイズは例えばφ１０になっている。このようなレンズ４０は、図１に示されるように、パイプ３０の他端側に接着保持されている。そして、パイプ３０の一端側から入射したレーザ光が、パイプ３０内を通ってこのレンズ４０の平部分に直接入射されるようになっている。 The lens 40 separates the laser light incident from the laser oscillator 12 and is constituted by a plano-convex lens. The size of the lens 40 is, for example, φ10. Such a lens 40 is bonded and held on the other end side of the pipe 30 as shown in FIG. Laser light incident from one end of the pipe 30 passes through the pipe 30 and is directly incident on the flat portion of the lens 40.

図２は、レンズ４０を示した図であり、（ａ）はレーザ光入射側からレンズ４０を見た図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２（ａ）、（ｂ）に示されるように、レンズ４０は、レーザ光が入射される面にグレーティング部４１を有している。このグレーティング部４１は、透過型の回折格子である。図２（ｂ）に示されるように、グレーティング部４１はのこぎり形状になっており、各のこぎり形状の山と山との間隔、すなわち格子周期ｄは例えば８．５μｍである。この格子周期ｄにより、レンズ４０のグレーティング部４１に入射されるレーザ光は、回折次数をｎ、レーザ光の波長をλとすると、以下の数式１で得られる回折角度θ_ｎに分離される。 2A and 2B are diagrams showing the lens 40, in which FIG. 2A is a view of the lens 40 viewed from the laser light incident side, and FIG. As shown in FIGS. 2A and 2B, the lens 40 has a grating portion 41 on the surface on which the laser light is incident. The grating portion 41 is a transmissive diffraction grating. As shown in FIG. 2B, the grating portion 41 has a saw-tooth shape, and the interval between each saw-shaped peak, that is, the grating period d is, for example, 8.5 μm. With this grating period d, the laser light incident on the grating portion 41 of the lens 40 is separated into a diffraction angle θ _n obtained by the following equation 1 where n is the diffraction order and λ is the wavelength of the laser light.

（数式１）
θ_ｎ＝ｓｉｎ^―１（ｎλ／ｄ）
本実施形態では、格子周期ｄ＝０．００８５ｍｍ（８．５μｍ）、回折次数ｎ＝３、レーザ光の波長λ＝０．００１０６４ｍｍであるので、回折角度θ_ｎ＝２２°となる。したがって、グレーティング部４１から入射するレーザ光は、図２（ｂ）に示されるように、―１次、０次、＋１次に回折角度２０．５°で３分割されることとなる。なお、この回折角度θ_ｎ（＝２２°）で分割されたレーザ光の焦点におけるレーザ光の強度は、０次のレーザ光の強度を３０とすると、±１次のレーザ光の強度はそれぞれ２５となる。 (Formula 1)
θ _n = sin ⁻¹ (nλ / d)
In this embodiment, since the grating period d = 0.8585 mm (8.5 μm), the diffraction order n = 3, and the wavelength of the laser beam λ = 0.01064 mm, the diffraction angle θ _n = 22 °. Therefore, the laser beam incident from the grating section 41 is divided into three at a diffraction angle of 20.5 °, as shown in FIG. 2B, −1st order, 0th order, and + 1st order. The intensity of the laser beam at the focal point of the laser beam divided at the diffraction angle θ _n (= 22 °) is 25 when the intensity of the 0th-order laser beam is 30 and the intensity of the ± 1st-order laser beam is 25 respectively. It becomes.

上記格子周期ｄの値を変更することで、数式１にて回折角度θ_ｎが得られる。本実施形態では、格子周期ｄを８〜１５μｍとすると、回折角度θ_ｎは２３．０°〜１２．３°となる。このような格子間隔ｄにおいて、分離されたレーザ光の各強度のそれぞれが等しくなるようにするためには、上述のように、格子周期ｄ＝８．５μｍとし、回折角度θ_ｎ＝２２°となることが望ましい。以上のようなレンズ４０は、平凸レンズの平面部分に回折格子状の模様が形成された型に樹脂を流し込むことによってモールド成形される。なお、グレーティング部４１は本発明の回折格子に相当する。 By changing the value of the grating period d, the diffraction angle θ _n can be obtained from Equation 1. In the present embodiment, when the grating period d is 8 to 15 μm, the diffraction angle θ _n is 23.0 ° to 12.3 °. In order to make each intensity of the separated laser beams equal at such a grating interval d, the grating period d = 8.5 μm and the diffraction angle θ _n = 22 ° as described above. It is desirable to become. The lens 40 as described above is molded by pouring resin into a mold in which a diffraction grating pattern is formed on the plane portion of the plano-convex lens. The grating portion 41 corresponds to the diffraction grating of the present invention.

プリズム５０は、上記レンズ４０にて分離されたレーザ光をそれぞれエンジンの燃焼室内の所望の位置に導くものである。このプリズム５０は、焦点距離が短いレンズ５０にて分離および集光された各レーザ光の焦点位置を変更するとともに引き延ばす役割を果たすものである。また、レーザ点火装置１００から射出される分離されたレーザ光を、このプリズム５０の傾斜によって燃焼室内の所望の位置に導く役割も果たす。 The prism 50 guides the laser light separated by the lens 40 to a desired position in the combustion chamber of the engine. The prism 50 serves to change and extend the focal position of each laser beam separated and condensed by the lens 50 having a short focal length. Further, the separated laser beam emitted from the laser ignition device 100 also serves to guide the laser beam to a desired position in the combustion chamber by the inclination of the prism 50.

ピン６０は、アクチュエータ２３の作動により回転するパイプ３０を、回転させながらハウジング２０の軸方向に移動させる支持部材である。図３は、図１においてピン６０の近傍を拡大した図である。図３に示されるように、ハウジング２０およびパイプ３０においてピン６０が配置される部位には、貫通穴がそれぞれ設けられており、その貫通穴にピン６０が配置されている。本実施形態では、２つのピン６０がハウジング２０の側壁において対の位置にそれぞれ配置されている。このピン６０は、ハウジング２０に打ち込まれ固定されている。 The pin 60 is a support member that moves the pipe 30 rotated by the operation of the actuator 23 in the axial direction of the housing 20 while rotating. FIG. 3 is an enlarged view of the vicinity of the pin 60 in FIG. As shown in FIG. 3, through holes are respectively provided in portions where the pins 60 are arranged in the housing 20 and the pipe 30, and the pins 60 are arranged in the through holes. In the present embodiment, the two pins 60 are respectively arranged in pairs on the side wall of the housing 20. The pin 60 is driven into the housing 20 and fixed.

なお、ハウジング２０、アクチュエータ２３、摩擦低減部材２４、パイプ３０、ピン６０は、本発明のレーザ焦点移動手段に相当する。 The housing 20, the actuator 23, the friction reducing member 24, the pipe 30, and the pin 60 correspond to the laser focal point moving means of the present invention.

ここで、ピン６０が差し込まれるパイプ３０の穴は、図３に示されるように、パイプ３０の側面に螺旋状に開けられたガイド３１、３２になっている。したがって、上述のように、アクチュエータ２３によってパイプ３０が回転させられると、ピン６０がガイド３１、３２に沿って移動するため、パイプ３０は、回転しながらハウジング２０の軸方向に移動するのである。本実施形態では、パイプ３０が軸方向に最大１０ｍｍ移動するように、パイプ３０にガイド３１、３２が設けられている。溝の切り方により回転角度及び、移動量を変更することができる。なお、上記アクチュエータ２３、パイプ３０、ピン６０は、本発明のレーザ光分離手段に相当する。以上が、レーザ点火装置１００の構成である。 Here, as shown in FIG. 3, the holes of the pipe 30 into which the pins 60 are inserted are guides 31 and 32 that are spirally opened on the side surface of the pipe 30. Therefore, as described above, when the pipe 30 is rotated by the actuator 23, the pin 60 moves along the guides 31 and 32, so that the pipe 30 moves in the axial direction of the housing 20 while rotating. In the present embodiment, guides 31 and 32 are provided on the pipe 30 so that the pipe 30 moves up to 10 mm in the axial direction. The rotation angle and the amount of movement can be changed depending on how the groove is cut. The actuator 23, pipe 30, and pin 60 correspond to the laser beam separating means of the present invention. The above is the configuration of the laser ignition device 100.

図４は、図１に示されるレーザ点火装置１００をエンジンに設置した例を示した図である。なお、図４では、吸気用バルブおよび排気用バルブを省略してある。図４に示されるように、レーザ点火装置１００は、エンジン２００のシリンダヘッド２１０において、インジェクタ２２０の隣の位置にネジ固定されている。そして、レーザ点火装置１００において分離されたレーザ光がエンジン２００の燃焼室２３０内に射出される。 FIG. 4 is a view showing an example in which the laser ignition device 100 shown in FIG. 1 is installed in an engine. In FIG. 4, the intake valve and the exhaust valve are omitted. As shown in FIG. 4, laser ignition device 100 is screwed to a position next to injector 220 in cylinder head 210 of engine 200. Then, the laser beam separated in the laser ignition device 100 is emitted into the combustion chamber 230 of the engine 200.

図５は、エンジン２００のシリンダ２４０内にて往復運動するピストン２５０側からシリンダヘッド２１０側を見た図である。図５に示されるように、レーザ点火装置１００のレーザ光の各焦点Ｆ１〜Ｆ３は、インジェクタ２２０から噴射される燃料の燃料噴霧領域２６０内に位置するように調整される。言い換えると、各焦点Ｆ１〜Ｆ３は、燃料噴霧領域２６０の範囲内の所望の場所に位置していれば良い。 FIG. 5 is a view of the cylinder head 210 viewed from the piston 250 that reciprocates in the cylinder 240 of the engine 200. As shown in FIG. 5, the focal points F 1 to F 3 of the laser light of the laser ignition device 100 are adjusted so as to be located in the fuel spray region 260 of the fuel injected from the injector 220. In other words, each of the focal points F 1 to F 3 only needs to be located at a desired location within the range of the fuel spray region 260.

本実施形態では、レーザ発振器１２から射出されるレーザ光は、レンズ４０のグレーティング部４１によって３つの光に分離されるため、図５に示されるように、３つに分離されたレーザ光の焦点はそれぞれ任意の直線上に導かれるようになっている。３つの焦点Ｆ１〜Ｆ３においては、その中心に位置する焦点Ｆ２が分離されたレーザ光の０次回折光の焦点である。さらに、３つの焦点Ｆ１〜Ｆ３において、その中心の焦点Ｆ２を挟む２つの焦点Ｆ１、Ｆ３がレーザ光の±１次回折光の焦点になっている。 In the present embodiment, since the laser light emitted from the laser oscillator 12 is separated into three lights by the grating portion 41 of the lens 40, the focal point of the laser light separated into three as shown in FIG. Are guided on an arbitrary straight line. In the three focal points F1 to F3, the focal point F2 located at the center is the focal point of the 0th-order diffracted light of the laser beam separated. Further, in the three focal points F1 to F3, the two focal points F1 and F3 sandwiching the central focal point F2 are the focal points of the ± first-order diffracted light of the laser light.

また、これら焦点Ｆ１〜Ｆ３は、燃焼室２３０の径の１／５〜１／２の範囲内に配置される。具体的には、隣り合う焦点Ｆ１〜Ｆ３の間隔は７〜２０ｍｍの範囲内であり、より好ましくは２０ｍｍである。このように、燃焼室２３０内に３つの焦点Ｆ１〜Ｆ３が形成され、これらの焦点Ｆ１〜Ｆ３が着火点になることで、燃焼室２３０全体の火炎伝播速度を高めることができる。 In addition, these focal points F 1 to F 3 are disposed within a range of 1/5 to 1/2 of the diameter of the combustion chamber 230. Specifically, the interval between the adjacent focal points F1 to F3 is in the range of 7 to 20 mm, more preferably 20 mm. As described above, the three focal points F1 to F3 are formed in the combustion chamber 230, and these focal points F1 to F3 serve as ignition points, so that the flame propagation speed of the entire combustion chamber 230 can be increased.

次に、レーザ点火装置１００の作動について説明する。まず、図４に示されるように、エンジン２００のシリンダヘッド２１０にレーザ点火装置１００が設置され、レーザ点火装置１００においてレーザ発振器１２およびアクチュエータ２３がエンジンＥＣＵ１１０と配線１１１を介して電気的に接続された状態とされる。 Next, the operation of the laser ignition device 100 will be described. First, as shown in FIG. 4, the laser ignition device 100 is installed in the cylinder head 210 of the engine 200, and the laser oscillator 12 and the actuator 23 are electrically connected to the engine ECU 110 via the wiring 111 in the laser ignition device 100. It is assumed that

続いて、エンジンＥＣＵ１１０にエンジン２００の状態を示すパラメータ（すなわちエンジン条件）が入力される。エンジンＥＣＵ１１０は、このパラメータに基づき、燃焼室２３０内におけるレーザ光の焦点Ｆ１〜Ｆ３の位置およびその焦点Ｆ１〜Ｆ３の点火エネルギー（すなわちレーザ光の強度）を求める。 Subsequently, a parameter indicating the state of the engine 200 (that is, engine conditions) is input to the engine ECU 110. Based on this parameter, engine ECU 110 determines the positions of focal points F1 to F3 of the laser light in combustion chamber 230 and the ignition energy of the focal points F1 to F3 (that is, the intensity of the laser light).

ここで、エンジン条件とは、エンジンＥＣＵ１１０において、エンジン状態を検出するセンサ群（エンジン回転数センサ、吸入空気量センサ、スロットルセンサ、水温センサ等）から入力されるパラメータに基づいて求められる点火条件を指す。この点火条件とは、例えば、各焦点Ｆ１〜Ｆ３の位置、各焦点Ｆ１〜Ｆ３における点火エネルギー、点火時期、インジェクタ２２０から噴射される燃料の噴霧量である。 Here, the engine condition refers to an ignition condition obtained in engine ECU 110 based on parameters input from a sensor group (engine speed sensor, intake air amount sensor, throttle sensor, water temperature sensor, etc.) that detects the engine state. Point to. The ignition conditions are, for example, the positions of the focal points F1 to F3, the ignition energy at the focal points F1 to F3, the ignition timing, and the amount of fuel sprayed from the injector 220.

この時、図示しない吸気バルブを介して吸入空気がエンジン２００の燃焼室２３０内に導入される。そして、エンジンＥＣＵ１１０は、エンジン条件に応じてレーザ点火装置１００から照射されるレーザ光の各焦点Ｆ１〜Ｆ３の位置を変更するため、アクチュエータ２３にハウジング２０内のパイプ３０を回転移動させる信号を出力する。この信号を受け取ったアクチュエータ２３は、ハウジング２０（パイプ３０）の軸を中心にパイプ３０を回転させる。具体的には、ハウジング２０に固定されたピン６０およびパイプ３０に設けられた螺旋状のガイド３１、３２により、ピン６０がパイプ３０のガイド３１、３２に沿って移動することで、パイプ３０はその軸を中心に回転しながらハウジング２０内を軸方向に移動する。 At this time, intake air is introduced into the combustion chamber 230 of the engine 200 via an intake valve (not shown). And engine ECU110 outputs the signal which rotates and moves the pipe 30 in the housing 20 to the actuator 23 in order to change the position of each focus F1-F3 of the laser beam irradiated from the laser ignition device 100 according to engine conditions. To do. Upon receiving this signal, the actuator 23 rotates the pipe 30 around the axis of the housing 20 (pipe 30). Specifically, the pin 60 is moved along the guides 31 and 32 of the pipe 30 by the pins 60 fixed to the housing 20 and the spiral guides 31 and 32 provided on the pipe 30, so that the pipe 30 is The inside of the housing 20 moves in the axial direction while rotating around the axis.

このパイプ３０の回転移動によって、パイプ３０内に固定されたプリズム５０も回転する。これにより、プリズム５０に入射する分離されたレーザ光の焦点Ｆ１〜Ｆ３の位置を移動させることができるのである。したがって、図５に示されるレーザ光の各焦点Ｆ１〜Ｆ３は、燃焼室２３０内においてパイプ３０の回転に応じて回転移動する。こうして、レーザ光の焦点位置を所望の場所に移動させる。 The prism 50 fixed in the pipe 30 is also rotated by the rotational movement of the pipe 30. Thereby, the positions of the focal points F1 to F3 of the separated laser light incident on the prism 50 can be moved. Accordingly, the focal points F 1 to F 3 of the laser light shown in FIG. 5 rotate in accordance with the rotation of the pipe 30 in the combustion chamber 230. Thus, the focal position of the laser light is moved to a desired location.

この後、エンジンＥＣＵ１１０は、インジェクタ２２０に燃料を噴射する信号を出力する。これを受けたインジェクタ２２０は、燃料を燃焼室２３０内に噴射する。この燃料噴射とほぼ同時期に、エンジンＥＣＵ１１０は、レーザ発振器１２にレーザ光を照射する信号を出力する。この信号は、例えば５Ｖのパルス電圧信号である。 Thereafter, engine ECU 110 outputs a signal for injecting fuel to injector 220. Receiving this, the injector 220 injects fuel into the combustion chamber 230. At substantially the same time as this fuel injection, the engine ECU 110 outputs a signal for irradiating the laser oscillator 12 with laser light. This signal is, for example, a pulse voltage signal of 5V.

レーザ発振器１２は、パルス電圧信号が入力されると、そのパルス電圧に応じたレーザ光を照射する。このレーザ光は、パイプ３０内に配置されたレンズ４０のグレーティング部４１に入射し、そのグレーティング部４１の格子周期に応じて３つの回折光が射出される。この３つの回折光は、それぞれプリズム５０に入射されると共に、プリズム５０にて焦点位置が変更されて燃焼室２３０内の所望の位置に導かれる。 When a pulse voltage signal is input, the laser oscillator 12 irradiates a laser beam corresponding to the pulse voltage. This laser light is incident on the grating portion 41 of the lens 40 disposed in the pipe 30, and three diffracted lights are emitted according to the grating period of the grating portion 41. The three diffracted lights are respectively incident on the prism 50, and the focal position is changed by the prism 50 and guided to a desired position in the combustion chamber 230.

このように、燃焼室２３０内において、インジェクタ２２０から燃料が噴射されてレーザ光が導かれると、レーザ光の各焦点Ｆ１〜Ｆ３において燃料が着火し、燃焼が起こる。そして、燃焼ガスは図示しない排気バルブを介して燃焼室２３０から排気される。上記燃料の燃焼は、エンジンＥＣＵ１１０によって繰り返し行われる。 Thus, in the combustion chamber 230, when the fuel is injected from the injector 220 and the laser beam is guided, the fuel is ignited at the focal points F1 to F3 of the laser beam, and combustion occurs. The combustion gas is exhausted from the combustion chamber 230 through an exhaust valve (not shown). The combustion of the fuel is repeatedly performed by the engine ECU 110.

以上説明したように、本実施形態では、レーザ光をパイプ３０内に固定したレンズ４０で分離および集光し、パイプ３０をハウジング２０の軸方向に回転移動させることで、燃焼室２３０内におけるレンズ４０の各焦点Ｆ１〜Ｆ３を移動させている。このように、パイプ３０をハウジング２０内で回転移動させることで燃焼室２３０内のレーザ光の焦点、すなわち点火源の位置を変更することができる。したがって、このようなレーザ点火装置１００をエンジン２００の点火に用いることで、エンジン条件に応じた点火位置に変更することができ、燃焼室２３０内における燃焼速度の向上および安定した燃焼を実現することができる。 As described above, in the present embodiment, the laser light is separated and condensed by the lens 40 fixed in the pipe 30, and the pipe 30 is rotated in the axial direction of the housing 20, so that the lens in the combustion chamber 230 is obtained. The 40 focal points F1 to F3 are moved. In this manner, the focal point of the laser beam in the combustion chamber 230, that is, the position of the ignition source can be changed by rotating the pipe 30 in the housing 20. Therefore, by using such a laser ignition device 100 for ignition of the engine 200, it is possible to change the ignition position according to the engine conditions, and to improve the combustion speed in the combustion chamber 230 and realize stable combustion. Can do.

本実施形態では、レンズ４０を平凸レンズで構成し、この平凸レンズにレーザ光を分離するグレーティング部４１を形成している。したがって、レーザ光をレンズ４０のグレーティング部４１にて複数の光に分離することができるため、複数のレーザ光源や複数のレンズを必要としない。このようにして、分離光学系を簡素化することができるので部品点数を削減することができる。 In the present embodiment, the lens 40 is constituted by a plano-convex lens, and a grating portion 41 for separating laser light is formed on the plano-convex lens. Therefore, since the laser light can be separated into a plurality of lights by the grating portion 41 of the lens 40, a plurality of laser light sources and a plurality of lenses are not required. In this way, since the separation optical system can be simplified, the number of parts can be reduced.

（他の実施形態）
上記レーザ点火装置１００は、筒内直接噴射式エンジン（いわゆる成層運転）に限らず、吸気管内にインジェクタから燃料を噴射して混合気を形成した後、燃焼室２３０に導入するエンジン（いわゆる均質運転）にも採用することができる。 (Other embodiments)
The laser ignition device 100 is not limited to an in-cylinder direct injection engine (so-called stratified operation), but is an engine (so-called homogeneous operation) that is injected into the combustion chamber 230 after injecting fuel into the intake pipe to form an air-fuel mixture ) Can also be adopted.

第１実施形態では、レンズ４０において、そのグレーティング部４１の形状が図２（ｂ）に示されるように、のこぎり型になっているが、グレーティング部４１は図２（ｂ）に示される形状に限定されるものではない。例えば図６に示されるレンズ４３を採用しても構わない。図６は、レーザ点火装置１００に用いるレンズにおいて、グレーティング部の一例を示した図である。 In the first embodiment, in the lens 40, the shape of the grating portion 41 is a saw type as shown in FIG. 2B, but the grating portion 41 has the shape shown in FIG. 2B. It is not limited. For example, the lens 43 shown in FIG. 6 may be adopted. FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a grating portion in a lens used in the laser ignition device 100.

図６に示されるレンズ４３は、第１実施形態と同様に、平凸レンズになっており、レンズ４３のうち平面部分がグレーティング部４４になっている。そして、このグレーティング部４４は、図６に示されるように、矩形状の突起４４ａが多数形成された状態になっている。この矩形状の突起４４ａのサイズは１５μｍであり、それぞれの突起４４ａの間隔は１０μｍである。 The lens 43 shown in FIG. 6 is a plano-convex lens as in the first embodiment, and the plane portion of the lens 43 is a grating portion 44. The grating portion 44 is in a state in which a large number of rectangular protrusions 44a are formed, as shown in FIG. The size of the rectangular protrusions 44a is 15 μm, and the interval between the protrusions 44a is 10 μm.

図６に示されるグレーティング部４４にレーザ発振器１２からレーザ光が入射すると、その光は、図７に示されるように分離される。図７は、図６に示されるレンズ４３が採用された時の、ピストン２５０側からシリンダヘッド２１０側を見た図である。図７に示されるように、レンズ４３のグレーティング部４４を通過したレーザ光は、５つに分離される。言い換えると、突起４４ａを有するグレーティング部４４でレーザ光を分離すると、５つの焦点Ｆ５〜Ｆ９を作り出すことができる。こうして、着火点を多数生成することができ、燃焼室２３０内における燃焼速度を向上させることができる。その場合は、焦点の数に応じて入射するエネルギーも増加する必要がある。たとえば、１点当りの必要エネルギーが２ｍＪとすると５点の場合は２ｍＪ×５点＝１０ｍＪであるが、回折光率が低下するため、回折により失われたエネルギーも考慮してレーザ発振器１２のエネルギーを高くする必要がある。 When laser light is incident on the grating portion 44 shown in FIG. 6 from the laser oscillator 12, the light is separated as shown in FIG. FIG. 7 is a view of the cylinder head 210 side from the piston 250 side when the lens 43 shown in FIG. 6 is employed. As shown in FIG. 7, the laser beam that has passed through the grating portion 44 of the lens 43 is separated into five. In other words, when the laser beam is separated by the grating portion 44 having the protrusion 44a, five focal points F5 to F9 can be created. In this way, a large number of ignition points can be generated, and the combustion speed in the combustion chamber 230 can be improved. In that case, it is necessary to increase the incident energy according to the number of focal points. For example, if the required energy per point is 2 mJ, in the case of 5 points, 2 mJ × 5 points = 10 mJ, but since the diffracted light rate is reduced, the energy of the laser oscillator 12 is also taken into account in consideration of the energy lost due to diffraction. Need to be high.

また、レンズ４０にグレーティング部４１が形成されていなくても良い。つまり、回折格子および集光レンズを用意し、レーザユニット１０のレーザ光照射部分と集光レンズとの間に透過型の回折格子（グレーティング部４１）を用意して配置し、この回折格子にて分離されたレーザ光を集光レンズにてそれぞれ集光するようにしても良い。 Further, the grating portion 41 may not be formed on the lens 40. That is, a diffraction grating and a condensing lens are prepared, and a transmission type diffraction grating (grating part 41) is prepared and arranged between the laser light irradiation portion of the laser unit 10 and the condensing lens. The separated laser light may be condensed by a condenser lens.

上記第１実施形態では、レンズ４０において分離されたレーザ光がそれぞれプリズム５０に入射されると、図５に示されるように、任意の直線上に各焦点Ｆ１〜Ｆ３が配置されるようになっている。そこで、この各焦点Ｆ１〜Ｆ３を三角形の各頂点に配置する、すなわち、各焦点Ｆ１〜Ｆ３を結ぶと三角形状が形成されるプリズムを採用しても良い。図８は、プリズムの一例を示した図であり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）、（ｃ）はレーザ光の経路を示した図、（ｄ）は（ａ）に示されるプリズムで分離されるレーザ光の燃焼室２３０内における各焦点の位置を示した図である。 In the first embodiment, when the laser beams separated in the lens 40 are respectively incident on the prism 50, the focal points F1 to F3 are arranged on an arbitrary straight line as shown in FIG. ing. Therefore, a prism that forms a triangular shape when the focal points F1 to F3 are arranged at the apexes of the triangle, that is, when the focal points F1 to F3 are connected may be adopted. FIGS. 8A and 8B are diagrams showing an example of a prism, where FIG. 8A is a schematic perspective view, FIGS. 8B and 8C are diagrams showing laser beam paths, and FIG. 8D is a prism shown in FIG. It is the figure which showed the position of each focus in the combustion chamber 230 of the laser beam isolate | separated by.

図８（ａ）に示されるように、プリズム５０において、レーザ光が入射される面には小プリズム５３が固定されている。この小プリズム５３に、図示しないレンズ４０のグレーティング部４１において分離された０次回折光が入射されるようになっている。一方、分離されたレーザ光のうち±１次回折光は、小プリズム５３以外の場所に入射されるようになっている。そして、この±１次回折光は、プリズム５０において第１実施形態と同様に図８（ｂ）に示されるような経路をたどることとなるため、±１次回折光はそれぞれ任意の直線上に導かれることとなる。 As shown in FIG. 8A, in the prism 50, a small prism 53 is fixed to a surface on which laser light is incident. The 0th-order diffracted light separated in the grating portion 41 of the lens 40 (not shown) is incident on the small prism 53. On the other hand, ± 1st order diffracted light of the separated laser light is incident on a place other than the small prism 53. Since this ± 1st order diffracted light follows the path shown in FIG. 8B in the prism 50 as in the first embodiment, each ± 1st order diffracted light is guided on an arbitrary straight line. It will be.

一方、先に述べた０次回折光は、図８（ｃ）に示されるように、小プリズム５３に入射されると、０次回折光において小プリズム５３に入射される傾斜角度が±１次回折光よりも浅くなるため、プリズム５０および小プリズム５３において０次回折光が折り曲げられる角度が小さい。したがって、０次回折光は任意の直線上から外れた位置に導かれることとなる。 On the other hand, as shown in FIG. 8C, when the 0th-order diffracted light described above is incident on the small prism 53, the inclination angle of the 0th-order diffracted light incident on the small prism 53 is greater than the ± 1st-order diffracted light. Therefore, the angle at which the 0th-order diffracted light is bent in the prism 50 and the small prism 53 is small. Therefore, the 0th-order diffracted light is guided to a position deviated from an arbitrary straight line.

以上のことから、小プリズム５３を備えたプリズム５０に分離されたレーザ光がそれぞれ入射すると、図８（ｄ）に示されるように、３つに分離されたレーザ光の各焦点Ｆ１０〜Ｆ１２は、それぞれを結ぶと三角形状となる。このように、各焦点Ｆ１０〜Ｆ１２を三角形となるように配置することで、燃焼室２３０内に火炎を素早く燃焼室外周に同時に行き渡らせることができるので、燃焼室２３０内における燃焼速度を向上させることができる。 From the above, when the separated laser beams are incident on the prism 50 including the small prism 53, as shown in FIG. 8D, the focal points F10 to F12 of the three separated laser beams are as follows. When they are connected, a triangular shape is formed. Thus, by arranging the focal points F10 to F12 so as to form a triangle, it is possible to quickly spread the flame in the combustion chamber 230 to the outer periphery of the combustion chamber at the same time, so that the combustion speed in the combustion chamber 230 is improved. be able to.

図９はパイプ３０が回転する駆動機構の別形態である。アクチュエータ２３はステップモータ２３０の軸２３１に螺旋状のギア２３２が設置されている。ステップモータ２３０はハウジング２０に固定されている。ステップモータ２３０はエンジンＥＣＵ１１０から出力される電気信号配線と繋がっている。パイプ２３には等間隔に溝３０１が切られている。螺旋状のギア２３２の山はパイプ３０と噛み合うように設置されている。 FIG. 9 shows another form of the drive mechanism in which the pipe 30 rotates. The actuator 23 is provided with a helical gear 232 on the shaft 231 of the step motor 230. The step motor 230 is fixed to the housing 20. Step motor 230 is connected to electrical signal wiring output from engine ECU 110. Grooves 301 are cut in the pipe 23 at equal intervals. The peak of the spiral gear 232 is installed so as to mesh with the pipe 30.

エンジンＥＣＵ１１０からパルス信号が出されると、そのパルス数に応じてステップモータ２３０が回転する。その結果、パイプ３０はエンジン条件に応じてハウジング２０内においてハウジング２０の軸方向に回転しながら移動するようになっている。この実施例では、第１実施形態に比べてギアと溝の摩擦抵抗によりパイプ３０のガタツキを押えることができという利点がある。 When a pulse signal is output from engine ECU 110, step motor 230 rotates in accordance with the number of pulses. As a result, the pipe 30 moves in the housing 20 while rotating in the axial direction of the housing 20 in accordance with engine conditions. In this embodiment, there is an advantage that the backlash of the pipe 30 can be suppressed by the frictional resistance between the gear and the groove as compared with the first embodiment.

図１０は駆動機構の別形態である。図９の形態と異なる点は、ステップモータ２３０を通常のモータ２４０に変更し、ハウジング２０にパイプ３０の位置を検出するギャップセンサ２４１を設置した点にある。パイプ３０が回転すると溝３０１の位置が変化してギャップセンサ２４１のセンサ面のクリアランスが変化する。前記ギャップセンサ２４１の信号（ギャップセンサ出力）とパイプ３０の回転角度との関係は図１１の様になる。前記ギャップセンサ２４１の信号とエンジンＥＣＵ１１０の信号とを比較してフィードバック制御することでパイプ３０の回転角度＝焦点位置を所定の位置に精度良く設定することができる。 FIG. 10 shows another form of the drive mechanism. The difference from the embodiment of FIG. 9 is that the step motor 230 is changed to a normal motor 240 and a gap sensor 241 for detecting the position of the pipe 30 is installed in the housing 20. When the pipe 30 rotates, the position of the groove 301 changes and the clearance of the sensor surface of the gap sensor 241 changes. The relationship between the signal of the gap sensor 241 (gap sensor output) and the rotation angle of the pipe 30 is as shown in FIG. By comparing the signal of the gap sensor 241 and the signal of the engine ECU 110 and performing feedback control, the rotation angle of the pipe 30 = the focal position can be accurately set to a predetermined position.

本発明の一実施形態に係るレーザ点火装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the laser ignition apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. レンズを示した図であり、（ａ）はレーザ光入射側からレンズを見た図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。It is the figure which showed the lens, (a) is the figure which looked at the lens from the laser beam incident side, (b) is AA sectional drawing of (a). 図１においてピンの近傍を拡大した図である。It is the figure which expanded the vicinity of the pin in FIG. 図１に示されるレーザ点火装置をエンジンに設置した例を示した図である。It is the figure which showed the example which installed the laser ignition apparatus shown by FIG. 1 in the engine. 第１実施形態において、エンジンのシリンダ内にて往復運動するピストン側からシリンダヘッド側を見た図である。In 1st Embodiment, it is the figure which looked at the cylinder head side from the piston side which reciprocates within the cylinder of an engine. レーザ点火装置に用いるレンズにおいて、グレーティング部の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the grating part in the lens used for a laser ignition device. 図６に示されるレンズを採用した場合の、ピストン側からシリンダヘッド側を見た図である。It is the figure which looked at the cylinder head side from the piston side at the time of employ | adopting the lens shown by FIG. プリズムの一例を示した図であり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）、（ｃ）はレーザ光の経路を示した図、（ｄ）は（ａ）に示されるプリズムで分離されるレーザ光の燃焼室内における焦点の位置を示した図である。It is the figure which showed an example of a prism, (a) is a schematic perspective view, (b), (c) is the figure which showed the path | route of the laser beam, (d) is isolate | separated by the prism shown by (a). It is the figure which showed the position of the focus in the combustion chamber of a laser beam. パイプをステップモータで駆動する機構を示した図である。It is the figure which showed the mechanism which drives a pipe with a step motor. パイプの位置をモータとギャップセンサでフィードバック制御する駆動する機構を示した図である。It is the figure which showed the drive mechanism which feedback-controls the position of a pipe with a motor and a gap sensor. 図１０のギャップセンサ出力とパイプの回転角度との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the gap sensor output of FIG. 10, and the rotation angle of a pipe.

符号の説明Explanation of symbols

１０…レーザユニット、２０…ハウジング、２３…アクチュエータ、
３０…パイプ、４０、４３、４５…レンズ、４１、４４…グレーティング部、
５０、５３…プリズム、５１、５２…断熱層、５３…冷却装置、５４…ギャップセンサ、
６０…ピン、９０…半導体レーザ駆動回路、１１０…エンジンＥＣＵ、
１２０…バッテリ、２３０…ステップモータ、２３２…螺旋ギア、
２４０…モータ、３０１…溝、５２１…真空断熱層。 10 ... Laser unit, 20 ... Housing, 23 ... Actuator,
30 ... Pipe, 40, 43, 45 ... Lens, 41, 44 ... Grating part,
50, 53 ... prism, 51, 52 ... heat insulation layer, 53 ... cooling device, 54 ... gap sensor,
60 ... Pin, 90 ... Semiconductor laser drive circuit, 110 ... Engine ECU,
120 ... battery, 230 ... step motor, 232 ... spiral gear,
240 ... motor, 301 ... groove, 521 ... vacuum insulation layer.

Claims

レーザ光を発するレーザユニット（１０）と、
前記レーザユニットから放出されたレーザ光を複数の光に分離する回折格子（４１、４４）と、を備え、
前記回折格子にて分離されたレーザ光をレンズ（４０）でそれぞれ集光し、少なくとも一つのレーザ光の進行方向を変えてそのレーザ光の焦点をエンジン（２００）の燃焼室（２３０）に導くようにしたことを特徴とするレーザ点火装置。 A laser unit (10) for emitting laser light;
A diffraction grating (41, 44) for separating the laser light emitted from the laser unit into a plurality of lights,
The laser beams separated by the diffraction grating are respectively collected by a lens (40), and the traveling direction of at least one laser beam is changed to guide the focus of the laser beam to the combustion chamber (230) of the engine (200). A laser igniter characterized by being configured as described above.

前記レーザ光の焦点を前記燃焼室内において任意の場所に移動させるレーザ焦点移動手段（２０、２３、２４、３０、６０）を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ点火装置。 2. The laser ignition device according to claim 1, further comprising a laser focal point moving unit (20, 23, 24, 30, 60) that moves the focal point of the laser beam to an arbitrary place in the combustion chamber.

前記レーザ焦点移動手段は、ハウジング（２０）を含んでおり、このハウジングは中空筒状になっていると共に、その外壁面から内壁面に貫通する複数の孔が設けられ、その複数の孔にピン（６０）がそれぞれ挿入されて固定されており、これらピンの先端部分は前記ハウジングの内壁面から突出した状態になっており、
前記ハウジングの中空部分に収納されるパイプ（３０）と、前記ハウジングの内壁面に固定されると共に前記ハウジング内で前記パイプを移動させるアクチュエータ（２３）と、前記パイプを回転自由に支える低摩擦部材（２４）と、を有しており、
前記パイプは、前記ハウジングの内壁面から突出した前記ピンの先端が挿入されるガイド（３１、３２）を有していると共に、その内部に前記レーザユニット側から前記回折格子、前記レンズ、そしてプリズム（５０）を固定しており、
前記アクチュエータが駆動されると、前記ピンが前記パイプの前記ガイドに沿って移動することで、前記回折格子、前記レンズ、および前記プリズムが前記パイプと一体なって前記ハウジング内を前記パイプの周方向および前記ハウジングの軸方向に同時に移動するようになっていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ点火装置。 The laser focus moving means includes a housing (20). The housing has a hollow cylindrical shape and is provided with a plurality of holes penetrating from the outer wall surface to the inner wall surface. (60) are inserted and fixed, and the tip portions of these pins protrude from the inner wall surface of the housing,
A pipe (30) housed in a hollow portion of the housing, an actuator (23) fixed to the inner wall surface of the housing and moving the pipe in the housing, and a low friction member for freely rotating the pipe (24) and
The pipe has guides (31, 32) into which tips of the pins protruding from the inner wall surface of the housing are inserted, and the diffraction grating, the lens, and the prism are inserted into the pipe from the laser unit side. (50) is fixed,
When the actuator is driven, the pin moves along the guide of the pipe, so that the diffraction grating, the lens, and the prism are integrated with the pipe in the circumferential direction of the pipe. The laser ignition device according to claim 2, wherein the laser ignition device moves in the axial direction of the housing at the same time.

前記アクチュエータは電源停止時に所定の位置に留まっていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ点火装置。 The laser ignition device according to claim 3, wherein the actuator remains in a predetermined position when the power is stopped.

前記アクチュエータは回転角度をステップ的に設定できるモータで駆動される歯車と前記パイプの壁面に螺旋状に刻まれた複数個のスリットで構成されており、モータを所定のステップ数回転数することで焦点の位置を制御することを特徴とする請求項３または４に記載のレーザ点火装置。 The actuator is composed of a gear driven by a motor whose rotation angle can be set stepwise and a plurality of slits spirally engraved on the wall surface of the pipe. By rotating the motor a predetermined number of steps, The laser ignition device according to claim 3 or 4, wherein the position of the focal point is controlled.

前記アクチュエータは前記モータで回転するギアと前記アクチュエータの上下、回転角度を検出するセンサを有することを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１つに記載のレーザ点火装置。 6. The laser ignition device according to claim 3, wherein the actuator includes a gear that is rotated by the motor, and a sensor that detects a vertical and rotational angle of the actuator. 7.

前記レンズは平凸レンズで構成されており、前記平凸レンズの平部分に前記レーザ光を分離する前記回折格子が形成されており、この回折格子に前記レーザ光が入射されると、前記レーザ光は前記回折格子の格子間隔および格子パターンに応じて分離されて集光されるようになっていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のレーザ点火装置。 The lens is composed of a plano-convex lens, and the diffraction grating for separating the laser beam is formed in a plane portion of the plano-convex lens. When the laser beam is incident on the diffraction grating, the laser beam is 7. The laser ignition device according to claim 1, wherein the laser ignition device is separated and focused according to a grating interval and a grating pattern of the diffraction grating.

前記レーザユニットは、レーザ発振器（１２）を備えており、
前記レーザ発振器は真空断熱層が設けられたケース（１１）と前記ケースのレーザ通過部分にガラスを融着し、前記ケース内部に前記レーザ発振器から放出される熱を外部に放出する機構と前記レーザ発振器の温度を検出する温度センサと前記温度センサに基づき水量または水温を制御する機構からなり前記レーザ発振器の温度を所定の温度範囲に制御する機構を備えたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載のレーザ点火装置。 The laser unit includes a laser oscillator (12),
The laser oscillator includes a case (11) provided with a vacuum heat insulating layer, a glass fused to a laser passage portion of the case, and a mechanism for releasing heat emitted from the laser oscillator to the outside inside the case and the laser. 8. A temperature sensor for detecting a temperature of an oscillator and a mechanism for controlling a water amount or a water temperature based on the temperature sensor, further comprising a mechanism for controlling the temperature of the laser oscillator within a predetermined temperature range. The laser ignition device according to any one of the above.

前記ケースと前記ハウジングとは断熱材または空気層を介して締結されていることを特徴とする請求項８に記載のレーザ点火装置。 The laser ignition device according to claim 8, wherein the case and the housing are fastened together via a heat insulating material or an air layer.