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技術 レーザ点火プラグ

出願人 株式会社デンソー
発明者 石川智啓津田将利
出願日 2018年9月14日 (2年3ヶ月経過) 出願番号 2018-172305
公開日 2020年3月26日 (8ヶ月経過) 公開番号 2020-045770
状態 未査定
技術分野 その他の点火 スパークプラグ
主要キーワード 部分円錐 本変形形態 ハウジング先端 端断面 プラグ軸方向 テーパ形 サファイヤガラス 逃がし部
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年3月26日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題

保護ガラスとこれを保持する保持部材との間のシール性の低下が防止されたレーザ点火プラグを提供する。

解決手段

レーザ点火プラグ1は、内燃機関燃焼室100内に位置した先端から燃焼室100内にレーザパルスLを照射して燃焼室100内の燃料ガス点火する。レーザパルス発生部10はレーザパルスLを発生させ、筒状のハウジング20の内側に収容されている。保護ガラス30はレーザパルス発生部10から発生されたレーザパルスLを透過させるとともにレーザパルス発生部10を保護し、保持部材40によりハウジング20の先端に保持されている。そして、保持部材40は、保護ガラス30における燃焼室100と反対側の底面31に対向して当接する底面当接部41と、保護ガラス30におけるプラグ径方向外側の面である側周面32に対向して該側周面32に接合部材50を介して接合された側周面接合部42とを有する。

概要

背景

従来、内燃機関等の点火装置として、レーザパルスを利用して燃料ガス点火するレーザ点火プラグを備えたものがある。かかるレーザ点火プラグでは、レーザパルスを出射する開口部に、内部を保護するための保護ガラスが設けられており、レーザパルスは当該保護ガラスを透過して燃焼室内に出射される。例えば、特許文献1に開示の構成では、レーザ点火プラグをシリンダヘッドへの取り付ける際の締め付けによる機械的ストレスが保護ガラスに作用しないように、当該機械的ストレスが発生しないハウジング先端領域に保持部材によって保護ガラスを保持している。そして、保持部材と保護ガラスとの間にはシール材が介在している。

概要

保護ガラスとこれを保持する保持部材との間のシール性の低下が防止されたレーザ点火プラグを提供する。レーザ点火プラグ1は、内燃機関の燃焼室100内に位置した先端から燃焼室100内にレーザパルスLを照射して燃焼室100内の燃料ガスに点火する。レーザパルス発生部10はレーザパルスLを発生させ、筒状のハウジング20の内側に収容されている。保護ガラス30はレーザパルス発生部10から発生されたレーザパルスLを透過させるとともにレーザパルス発生部10を保護し、保持部材40によりハウジング20の先端に保持されている。そして、保持部材40は、保護ガラス30における燃焼室100と反対側の底面31に対向して当接する底面当接部41と、保護ガラス30におけるプラグ径方向外側の面である側周面32に対向して該側周面32に接合部材50を介して接合された側周面接合部42とを有する。

目的

本発明によれば、保護ガラスとこれを保持する保持部材との間のシール性の低下が防止されたレーザ点火プラグを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

内燃機関燃焼室(100)内に位置した先端から燃焼室内にレーザパルス照射して、燃焼室内の燃料ガス点火するレーザ点火プラグ(1)であって、レーザパルスを発生させるレーザパルス発生部(10)と、上記レーザパルス発生部を内側に収容する筒状のハウジング(20)と、上記レーザパルス発生部から発生されたレーザパルスを透過させて燃焼室内に放出するとともに、上記レーザパルス発生部を保護する保護ガラス(30)と、上記保護ガラスを上記ハウジングの先端に保持する保持部材(40)と、を備え、上記保持部材は、上記保護ガラスにおける上記燃焼室と反対側の面である底面(31)に当接する底面当接部(41)と、上記保護ガラスにおけるプラグ径方向外側の面である側周面(32)に対向するとともに該側周面に接合部材(50)を介して接合された側周面接合部(42)とを有する、レーザ点火プラグ。

請求項2

上記保持部材における上記底面当接部と上記側周面接合部との間の入隅部(48)には、上記保護ガラスにおける上記底面と上記側周面との間の出隅部(38)と離間するように凹状に形成された逃がし部(480、481)が設けられている、請求項1に記載のレーザ点火プラグ。

請求項3

上記保護ガラスにおけるプラグ中心軸(1a)を含む断面の形状が矩形である、請求項1又は2に記載のレーザ点火プラグ。

技術分野

0001

本発明は、レーザ点火プラグに関する。

背景技術

0002

従来、内燃機関等の点火装置として、レーザパルスを利用して燃料ガス点火するレーザ点火プラグを備えたものがある。かかるレーザ点火プラグでは、レーザパルスを出射する開口部に、内部を保護するための保護ガラスが設けられており、レーザパルスは当該保護ガラスを透過して燃焼室内に出射される。例えば、特許文献1に開示の構成では、レーザ点火プラグをシリンダヘッドへの取り付ける際の締め付けによる機械的ストレスが保護ガラスに作用しないように、当該機械的ストレスが発生しないハウジング先端領域に保持部材によって保護ガラスを保持している。そして、保持部材と保護ガラスとの間にはシール材が介在している。

先行技術

0003

特開2013−96392号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、特許文献1に開示の構成では、シール材は保護ガラスにおける燃焼室と反対側の底面とこれに対向する保持部材の対向面との間に介在している。そのため、燃焼室に生じる燃焼圧によって保護ガラスが燃焼室から押圧されると、保護ガラスの底面と保持部材の対向面との間のシール材に過剰に力が加わってシール材が破損する恐れがある。そして、シール材が破損して保護ガラスと保持部材との間のシール性が低下すると点火プラグ内に燃料ガスや排ガス侵入して破損を招く恐れがある。

0005

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、保護ガラスとこれを保持する保持部材との間のシール性の低下が防止されたレーザ点火プラグを提供しようとするものである。

課題を解決するための手段

0006

本発明の一態様は、内燃機関の燃焼室(100)内に位置した先端から燃焼室内にレーザパルスを照射して、燃焼室内の燃料ガスに点火するレーザ点火プラグ(1)であって、
レーザパルスを発生させるレーザパルス発生部(10)と、
上記レーザパルス発生部を内側に収容する筒状のハウジング(20)と、
上記レーザパルス発生部から発生されたレーザパルスを透過させて燃焼室内に放出するとともに、上記レーザパルス発生部を保護する保護ガラス(30)と、
上記保護ガラスを上記ハウジングの先端に保持する保持部材(40)と、
を備え、
上記保持部材は、上記保護ガラスにおける上記燃焼室と反対側の面である底面(31)に当接する底面当接部(41)と、上記保護ガラスにおけるプラグ径方向外側の面である側周面(32)に対向するとともに該側周面に接合部材(50)を介して接合された側周面接合部(42)とを有する、レーザ点火プラグにある。

発明の効果

0007

上記レーザ点火プラグにおいては、保護ガラスの底面と保持部材の底面当接部とが互いに当接しており、両者の間には接合部材が介在していない。そして、保護ガラスの側周面と保持部材の側周面接合部とが接合部材を介して互いに接合されていることにより、保護ガラスが保持部材に保持されている。そのため、保護ガラスが燃焼室側から燃焼圧を受けても、保護ガラスの底面から保持部材の底面当接部に直接力が加わって、側周面と側周面接合部との間の接合部材には力が過剰に加わらない。その結果、接合部材の破損が防止されて、保護ガラスと保持部材との間のシール性の低下が防止される。

0008

以上のごとく、本発明によれば、保護ガラスとこれを保持する保持部材との間のシール性の低下が防止されたレーザ点火プラグを提供することができる。

0009

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、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り、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図面の簡単な説明

0010

実施形態1における、レーザ点火プラグの正面一部断面図。
実施形態1における、レーザ点火プラグの先端断面拡大図。
変形形態1における、レーザ点火プラグの先端断面拡大図。
実施形態2における、レーザ点火プラグの正面一部断面図。
実施形態2における、レーザ点火プラグの先端断面拡大図。
変形形態2における、レーザ点火プラグの先端断面拡大図。

実施例

0011

(実施形態1)
上記レーザ点火プラグの実施形態について、図1図2を用いて説明する。
本実施形態のレーザ点火プラグ1は、図1に示すように、内燃機関の燃焼室100内に位置した先端から燃焼室100内にレーザパルスLを照射して、燃焼室100内の燃料ガスに点火する。
そして、レーザ点火プラグ1は、レーザパルス発生部10、ハウジング20、保護ガラス30及び保持部材40を備える。
レーザパルス発生部10はレーザパルスLを発生させる。
ハウジング20は筒状をなしており、レーザパルス発生部10を内側に収容する。
保護ガラス30は、レーザパルス発生部10から発生されたレーザパルスLを透過させるとともにレーザパルス発生部10を保護する。
保持部材40は、保護ガラス30をハウジング20の先端に保持する。
そして、図2に示すように、保持部材40は、保護ガラス30における燃焼室100と反対側の面である底面31に当接する底面当接部41と、保護ガラス30におけるプラグ径方向外側Xの面である側周面32に対向するとともに側周面32に接合部材50を介して接合された側周面接合部42とを有する。

0012

以下、本実施形態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のシリンダヘッド101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をシリンダヘッド101に螺合させて、プラグ軸方向Yの先端側Y1の面であって燃焼室100内に面した保護ガラス30の天面33が内燃機関の燃焼室100内に露出するように、シリンダヘッド101に取り付けられる。

0013

図1に示すように、ハウジング20の内側にはレーザパルス発生部10が収納されている。レーザパルス発生部10は、レーザ点火プラグ1の外部に設けられた図示しない励起光源光ファイバを介して接続されている。レーザパルス発生部10は、励起光源から供給された励起光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パルスLを発生させる。レーザパルス発生部10の構成は特に限定されず、公知の構成を採用できる。

0014

レーザパルス発生部10から発生されたレーザパルスLは、図1に示すように、拡散レンズ11によって所定幅拡散された後、集光レンズ12を透過する。集光レンズ12における入射面121と出射面122とは互いに異なる曲率を有する。集光レンズ12の入射面121には、レーザパルス発生部10から出射されたレーザパルスL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12は、ハウジング20内において拡散レンズ11と所定の距離を保つように拡散レンズ11よりもプラグ軸方向Yの先端側Y1に設けられている。これにより、レーザパルスLは集光レンズ12によって集光されて、保護ガラス30を透過して燃焼室100内の集光点FPに照射される。

0015

図2に示すように、保護ガラス30は、燃焼室100内に面しており、燃焼室100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。保護ガラス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、本実施形態では、サファイヤガラスを採用している。図2に示すように、保護ガラス30における燃焼室100側の面である天面33と、燃焼室100と反対側の面である底面31とは互いに平行な平面となっている。底面31には、集光レンズ12から出射されたレーザパルスLの反射を抑制するための反射防止層が形成されている。

0016

図2に示すように、保護ガラス30におけるプラグ軸方向Yに直交するプラグ径方向外側Xの側周面32は、底面31に隣接する第1側周面321と、第1側周面321のプラグ軸方向Yの先端側Y1に位置して、天面33に隣接する第2側周面322とからなる。第1側周面321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傾斜したテーパ面となっている。一方、第2側周面322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傾斜したテーパ面となっている。したがって、保護ガラス30の外径は、第1側周面321と第2側周面322との境界部323において最大となっている。そして、図1に示すように、保護ガラス30はプラグ中心軸1aを含む断面の形状が六角形となっている。

0017

図1、2に示すように、保護ガラス30は、保持部材40によってハウジング20の先端22に固定されている。保持部材40は金属製の環状部材であって、図2に示すように、底面当接部41と、側周面接合部42とを有する。底面当接部41は保護ガラス30の底面31に対向している。底面当接部41は底面31に平行であるとともに底面31の外縁に沿った環状平面をなしている。底面31と底面当接部41とは互いに当接しており、両者の間に接合部材等は介在していない。そして、本実施形態では、全周方向において両者が互いに当接している。

0018

図2に示すように、側周面接合部42は保護ガラス30の側周面32に対向して接合部材50を介して側周面32に接合されている。側周面接合部42は保護ガラス30の第1側周面321に沿って傾斜した部分円錐面となっている。本実施形態では、図2に示すように、プラグ中心軸1aを含む断面において、側周面接合部42は側周面32と全域にわたって平行となっている。なお、側周面接合部42と側周面32とはプラグ中心軸1aを含む断面において平行でなくてもよく、側周面接合部42が側周面32に対して傾斜していてもよい。第1側周面321と側周面接合部42とを接合する接合部材50は、ろう材からなる。接合部材50を構成するろう材は融点の高いものが好ましく、例えば、融点が990℃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接合部材50として使用することができる。本実施形態では接合部材50としてAu−Cu合金からなるろう材を使用している。

0019

本実施形態では、図2に示すように、保持部材40の入隅部48には、接合部材50と側周面32と側周面接合部42と底面当接部41とで囲まれてなる空間部51が形成されており、接合部材50は保持部材40の入隅部48に接していない。これにより、ろう付けの際に溶融した接合部材50が底面31と底面当接部41との間に流れ込まないようにしている。

0020

図1に示すように、保持部材40のプラグ軸方向Yの基端側Y2の端部47は、ハウジング20の先端22に溶接されている。これにより、保護ガラス30が保持部材40を介してハウジング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。

0021

なお、本実施形態では、図2に示すように、保持部材40は、側周面接合部42のプラグ径方向外側Xの外縁から先端側Y1に延出するとともに先端側Y1に向かうにつれて内側となるプラグ中心軸1a側に屈曲してなる屈曲部45を有する。屈曲部45と第2側周面322との間にはリング状部材46が設けられている。リング状部材46は環状をなすとともに内周面461が第2側周面322に沿うように傾斜しており、屈曲部45は内周面461が第2側周面322に当接した状態でリング状部材46を保持している。これにより、保護ガラス30が保持部材40から燃焼室100内に脱落することを防止している。そして、リング状部材46と保護ガラス30との接触は面接触となることから、リング状部材46と保護ガラス30との当接部において応力集中が抑制されて、保護ガラス30の破損が防止される。なお、本実施形態では屈曲部45の先端451は第2側周面322に当接していないが、第2側周面322に当接していてもよい。

0022

次に、本実施形態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。
本実施形態のレーザ点火プラグ1によれば、保護ガラス30の底面31と保持部材40の底面当接部41とが互いに当接しており、底面31と底面当接部41との間には接合部材が介在していない。そして、保護ガラス30の側周面32と保持部材40の側周面接合部42とが接合部材50を介して互いに接合されており、保護ガラス30が保持部材40に保持されている。そのため、保護ガラス30が燃焼室100側から燃焼圧を受けても、保護ガラス30の底面31から保持部材40の底面当接部41に直接力が加わって、接合部材50に過剰に力が加わらない。その結果、接合部材50の破損が防止されて、保護ガラス30と保持部材40との間のシール性の低下が防止される。

0023

なお、本実施形態では、図2に示すように、保持部材40における底面当接部41と側周面接合部42との間の入隅部48は、保護ガラス30における底面31と側周面32との間の出隅部38とは互いに平行となっており互いに相似形状となっている。これに替えて、図3に示す変形形態1のように、保持部材40における底面当接部41と側周面接合部42との間の入隅部48に、保護ガラス30における底面31と側周面32との間の出隅部38と離間するように凹状に形成された逃がし部480が設けられていてもよい。本変形形態1では、逃がし部480は図2に示す実施形態1の入隅部48に対して、プラグ軸方向Yの基端側Y2及びプラグ径方向外側Xに向けて凹状に形成されている。

0024

図3に示すように、逃がし部480が設けられることにより、保護ガラス30の出隅部38が保持部材40に干渉することが防止され、底面31と底面当接部41とが互いに同士で当接しやすくなる。その結果、保護ガラス30が燃焼圧を受けたときに、底面31と底面当接部41との間に生じる応力の集中が緩和されて、保護ガラス30の破損を抑制することができる。また、ろう材である接合部材50のろう付けの際に、溶融した接合部材50が入隅部48に到達した場合に、溶融した接合部材50を逃がし部480にとどまらせることによって底面31と底面当接部41との間に回り込むことを防止できる。これにより、底面31と底面当接部41との間に接合部材50を介在させないようにしつつ、側周面32及び側周面接合部42と接合部材50との接触面積を広く確保することができる。その結果、保護ガラス30と保持部材40との間のシール性を一層向上できるとともに、保持部材40による保護ガラス30の保持力を向上することができる。

0025

以上のごとく、本実施形態及び変形形態によれば、保護ガラス30と保持部材40との間のシール性の低下が防止されたレーザ点火プラグ1を提供することができる。

0026

(実施形態2)
実施形態1では、図1図2に示すようにプラグ中心軸1aを含む断面の形状が六角形である保護ガラス30を備えていたが、本実施形態2のレーザ点火プラグ1では、これに替えて、図4図5に示すようにプラグ中心軸1aを含む断面の形状が矩形である保護ガラス300を備える。また、図5に示すように、保持部材40は、図2に示す実施形態1における屈曲部45を有しない。その他の構成要素は実施形態1の場合と同様であり、本実施形態においても実施形態1の場合と同一の符号を用いてその説明を省略する。

0027

図5に示すように、本実施形態では、保護ガラス30は円柱状をなすとともにプラグ中心軸1aを含む断面の形状が矩形であって、これに対応して保持部材40の入隅部48はプラグ中心軸1aを含む断面において直角となっている。接合部材50のプラグ軸方向Yの長さh1は、保護ガラス30と保持部材40との接合状態を維持して両者の間のシール性を確保できる長さであればよく、本例では、本実施形態では、図5に示すように、接合部材50のプラグ軸方向Yの長さh1は保護ガラス30のプラグ軸方向Yの長さ、すなわち保護ガラス30の厚さh2の半分以下であって、保護ガラス30と保持部材40との間のシール性を確保できる程度の長さとなっている。

0028

従来構成では、保持部材との間の接合部材を保護ガラスの底面及び側周面に亘って設けるとともに、保護ガラスの側周面の接合部材のプラグ軸方向Yの長さを大きくして接合強度を高めて、保護ガラスの側周面の接合部材でも燃焼圧を受けるようにすることにより、保護ガラスの底面と保持部材との間の接合部材が燃焼圧によって破損することを防止していた。これに対して、本実施形態のレーザ点火プラグ1によれば、実施形態1と同様に、保護ガラス30の底面31と保持部材40の底面当接部41との間に接合部材50が介在せずに両者が互いに当接しているため、保護ガラス30にかかる燃焼圧を保持部材40の底面当接部41が直接受けることとなる。これにより、側周面32の接合部材50で燃焼圧を受ける必要がないことから、側周面32の接合部材50は接合強度を高める必要がなくシール性を維持できればよいため、プラグ軸方向Yの長さh1を従来よりも短くすることができる。その結果、接合部材50の量を削減でき、低コスト化を図ることができる。

0029

さらに、本実施形態のレーザ点火プラグ1によれば、実施形態1と同様に、接合部材50の破損が防止されることから接合部材50によって保護ガラス30の側周面32と保持部材40の側周面接合部42との接合状態が十分に維持されるため、保護ガラス30が保持部材40から燃焼室100内に脱落するおそれがない。そのため、実施形態1における屈曲部45及びリング状部材46が不要となり、保持部材40の構成を簡素化できるとともに部品点数を削減できる。さらに、屈曲部45が不要となることに伴って、保護ガラス30の形状を屈曲部45によって保護ガラス30の移動を規制できるように側周面32をテーパ形状にする必要がない。そのため、本実施形態のごとく、保護ガラス30におけるプラグ中心軸1aを含む断面の形状を矩形にすることができることから、保護ガラス30の形状を簡素化でき、製造コストの低減を図ることができるとともに小型化にも寄与する。なお、本実施形態においても、実施形態1の場合と同様の作用効果を奏する。

0030

なお、図6に示す変形形態2のように、保持部材40の入隅部48に逃がし部481を設けてもよい。図6に示すように、変形形態2において、逃がし部481は図6に示す実施形態2の入隅部48に対して、プラグ軸方向Yの基端側Y2に向けて凹状に形成されており、プラグ径方向外側Xには形成されていない。これにより、保護ガラス30の側周面32と保持部材40の側周面接合部42との間隙の大きさが逃がし部481によって変化しないため、製造工程において接合部材50を介した側周面32と側周面接合部42との接合状態を管理しやすくなり、両者の接合状態を良好に維持しやすくなる。なお、本変形形態2においても、実施形態1、2及び変形形態1の場合と同様の作用効果を奏する。

0031

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、実施形態1における入隅部48に変形形態2における逃がし部481の構成を適用してもよいし、実施形態2における入隅部48に変形形態1における逃がし部480の構成を適用してもよい。

0032

1レーザ点火プラグ
10レーザパルス発生部
20ハウジング
30、300保護ガラス
31 底面
32側周面
38出隅部
40保持部材
41 底面当接部
42 側周面接合部
48入隅部
480、481逃がし部
50接合部材
100 燃焼室

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