内燃機関のためのレーザ点火装置
本発明は、レーザパルス（２４）を形成するためのレーザ装置（２６）と、レーザ装置（２６）を光学的にポンピングするためのポンプ光源（３０）とを備えている、内燃機関（１０）、特に自動車の内燃機関（１０）のためのレーザ点火装置（２７）に関する。本発明によれば、ポンプ光源（３０）とレーザ装置（２６）との間の光学的な結合部（２８０）の領域にフォトダイオード装置（２７０）が配置されており、ポンプ光源（３０）によって形成されたポンプ放射も、レーザ装置（２６）によって形成されたレーザ放射も、それぞれ少なくとも部分的にフォトダイオード装置（２７０）のフォトダイオード（２７１）に入射させられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザパルスを形成するためのレーザ装置と、レーザ装置を光学的にポンピングするためのポンプ光源とを備えている、内燃機関、特に自動車の内燃機関のためのレーザ点火装置に関する。
【０００２】
その種のレーザ点火装置は、既にドイツ公開特許公報DE 10 2007 044 011 A1から公知である。
【０００３】
発明の概要
本発明の課題は、レーザ点火装置の動作を簡単且つ確実に診断できるように、冒頭で述べた形式のレーザ点火装置を改良することである。
【０００４】
この課題は、本発明によれば、冒頭で述べたようなレーザ点火装置において、フォトダイオード装置が、ポンプ光源とレーザ装置との間の光学的な結合部の領域において、ポンプ光源によって生成されたポンプ放射もレーザ装置によって生成されたレーザ放射もそれぞれ少なくとも部分的にフォトダイオード装置のフォトダイオードに入射可能であるように配置されていることによって解決される。これによって、有利には、レーザ装置によって生成されたレーザ点火パルスも、ポンプ光源から供給されたポンプ放射も監視することができる。
【０００５】
本発明に係るレーザ点火装置の非常に小型の変形の形態においては、フォトダイオードがポンプ光源又はレーザ装置の光学的な接続部の領域内に配置されている。有利には、フォトダイオードを関連する構成要素内に直接的に組み込むことも可能である。
【０００６】
本発明に係るレーザ点火装置の別の特に有利な変形の形態においては、ポンプ光源とレーザ装置との間の光学的な結合部が光学的なクロスセクションコンバータを有しており、また、フォトダイオードがクロスセクションコンバータの領域内に配置されており、有利にはクロスセクションコンバータに直接的に配置されている。本発明によれば、クロスセクションコンバータの領域においては、有利には、ポンプ放射もレーザ装置によって形成されたレーザパルスも、少なくとも散乱光の形態でクロスセクションコンバータから送出されるので、それらポンプ放射及びレーザパルスを非常に効率的且つ簡単にフォトダイオードを用いて検出できることが分かった。
【０００７】
本発明の別の有利な変形の形態によれば、レーザ装置によって形成されたレーザ点火パルスの非常に正確な評価は、フォトダイオード装置がフォトダイオードの出力信号をフィルタリングするためのハイパスフィルタ及び／又はバンドパスフィルタを有していることによって得られる。本発明によれば、ハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタの下側限界周波数を適切に選択すれば、入射したポンプ放射成分に起因していると考えられる、フォトダイオードの電気的な出力信号の通常は比較的低周波の成分がフォトダイオードを事前に飽和させることなく、これによって、フォトダイオードへのレーザ点火パルスの入射に起因して生じる比較的高周波の信号成分を評価できることが保証されていることが分かった。
【０００８】
本発明の別の有利な変形の形態によれば、非常に簡単な回路構成は、誘導性素子がフォトダイオード及びオーム負荷抵抗に並列に接続されていることによって得られる。例えば従来通りのコイルとして構成することができる誘導性素子のインダクタンスを適切に選択すれば、有利には、フォトダイオードの電気的な出力信号の妨害的な低周波のポンプ光成分を短絡させることができるので、この妨害的な低周波のポンプ光成分がフォトダイオードの事前飽和に寄与することはない。しかしながら、これとは異なり、レーザ点火パルスに起因するフォトダイオードの出力信号の高周波の成分は、誘導性素子と負荷抵抗とにより構成される並列回路における比較的大きい電圧降下を生じさせ、従って、有利には、この電圧降下を正確に評価することができる。
【０００９】
誘導性素子は、ポンプ放射及びレーザ装置のレーザ点火パルスに使用される信号周波数に応じて、ポンプ放射の周波数成分が専らハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタによって短絡され、その結果、ポンプ放射によるフォトダイオードの不所望な事前飽和が生じることはないように選定されている。典型的には、ポンプ光の入射に起因するフォトダイオードの電気的な出力信号の信号成分は約１００ｋＨｚの範囲にあることが考えられるが、レーザ装置のレーザ点火パルスの入射に起因するフォトダイオードの電気的な出力信号の信号成分は約１ＧＨｚの範囲にあることが考えられる。
【００１０】
本発明の別の非常に有利な変形の形態においては、少なくとも一つの誘導性素子と少なくとも一つのオーム抵抗とにより構成される直列回路がフォトダイオードに並列に接続されている。この直列回路のオーム抵抗を適切に選択することによって、フォトダイオードの事前飽和に寄与する、フォトダイオードの出力信号の比較的低周波の信号成分を短絡することができる。これによって、フォトダイオード装置の後段に配置されている評価回路はポンプ放射を評価することもでき、例えばポンプ放射の存在を検査することができる。フォトダイオードがポンプ放射のスペクトル成分によって既に飽和状態に移行することがないようにするために、直列回路のオーム抵抗は過度に大きく選定されてはならない。
【００１１】
本発明の別の有利な変形の形態によれば、少なくとも一つの誘導性素子と少なくとも一つのスイッチとにより構成される第１の直列回路、並びに、少なくとも一つのオーム抵抗と少なくとも一つのスイッチとにより構成される少なくとも一つの第２の直列回路は、それぞれフォトダイオードに並列に接続されている。この回路装置を用いて、本発明に係るフォトダイオード装置のフィルタ特性を変化させることができる。
【００１２】
例えば、レーザ装置を光学的にポンピングしている間に、第２の直列回路をこの第２の直列回路のスイッチを閉じることによってアクティブ状態にし、それによってフォトダイオードに並列に第２の直列回路のオーム抵抗を接続させることができる。これによって、オーム抵抗においては、ポンプ光源の光学的なポンプ出力に比例する電圧値を検出することができる。続いて、レーザ装置によってレーザ点火パルスが形成されると見込まれる時点よりも前の所定の時点に、第２の直列回路に含まれるスイッチを開くことによってこの第２の直列回路を非アクティブ状態にすることができ、他方ではそれと同時に、上記に既に何度か説明した、インダクタンスを有する第１の直列回路のハイパス特性によって、レーザ点火パルスの非常に正確な検出を実現するために、第１の直列回路のスイッチが閉じられる。
【００１３】
負荷抵抗は、同様にフォトダイオードに並列に接続されている。負荷抵抗は、フォトダイオードによって形成された電流を、例えばレーザ点火装置の制御装置によって測定技術的に検出することができる電圧に変換する。負荷抵抗は、典型的には、制御装置の相応の測定装置の内部抵抗を表すが、しかしながら、分離した形態で、特にフォトダイオードの近傍に実装することもできる。
【００１４】
本発明に係るフォトダイオード装置の負荷抵抗並びに誘導性素子のインダクタンス値、また必要に応じて別のオーム抵抗を、それ自体公知の手法で、所望のフィルタ特性が達成されるように適合させることができる。更には、負荷抵抗は一方では、フォトダイオードのキャパシタンスと接続されている回路（ローパスフィルタ）が点火レーザパルスを検出するには十分に高速であるように十分に低く選定されている。負荷抵抗は他方では、確実な検出のために十分な電圧レベルが形成されるように十分に大きく選定されている。負荷抵抗に関する有利な値は５０Ωから２ｋΩまでの範囲にある。
【００１５】
本発明に係るレーザ点火装置の別の特に有利な実施の形態においては、フォトダイオード装置の少なくとも一つの誘導性素子がフォトダイオードから離隔して配置されている。例えば、誘導性素子、及び／又は、スイッチ、誘導性素子又はオーム抵抗を有している少なくとも一つの直列回路をレーザ点火装置の制御装置内に配置し、その一方で、フォトダイオードのみを光学的な結合部又は光学的なクロスセクションコンバータの領域内に直接的に配置することができる。
【００１６】
別の実施の形態によれば、本発明に係るフォトダイオード装置はバイアス電圧無しでフォトダイオードを動作させるように構成されており、これによって複雑性の非常に低い回路装置が得られる。それにもかかわらず、本発明に係るハイパス装置に基づき、ポンプ光の印加によるフォトダイオードの事前飽和を回避することができ、その結果、レーザ点火パルスを良好に検出することができる。
【００１７】
本発明の上述の課題の別の解決手段として、特許請求の範囲における請求項１２に係る方法が提供されている。
【００１８】
本発明の更なる利点及び有利な実施の形態は添付の図面、以下の説明及び特許請求の範囲の記載から得られる。図面、図面の説明及び特許請求の範囲に記載されている全ての特徴は単独でも、また相互に任意に組み合わせても本発明の対象となり得る。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るレーザ点火装置の第１の実施の形態を備えている内燃機関の概略図を示す。
【図２】本発明に係るレーザ点火装置の別の実施の形態を示す。
【図３ａ】本発明に係るフォトダイオード装置の回路装置を示す。
【図３ｂ】本発明に係るフォトダイオード装置の回路装置を示す。
【図３ｃ】本発明に係るフォトダイオード装置の回路装置を示す。
【図４ａ】別の実施の形態に係る電気的な動作パラメータの時間的な経過を示す。
【図４ｂ】別の実施の形態に係る電気的な動作パラメータの時間的な経過を示す。
【図４ｃ】別の実施の形態に係る電気的な動作パラメータの時間的な経過を示す。
【図４ｄ】別の実施の形態に係る電気的な動作パラメータの時間的な経過を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１においては、内燃機関全体に参照番号１０を付している。この内燃機関１０は、図示していない自動車を駆動するために使用される。内燃機関１０は複数のシリンダを有しており、これらシリンダの内の１つだけを図１において参照番号１２で表している。シリンダ１２の燃焼室１４はピストン１６によって区切られる。燃料はインジェクタ１８を介して燃焼室１４内に直接的に到達する。このインジェクタ１８はレールとも称される燃料圧力蓄積器２０に接続されている。
【００２１】
燃焼室１４内に噴射された燃料２２は、レーザパルス２４によって点火される。このレーザパルス２４はレーザ装置２６含んでいる点火装置２７によって燃焼室１４に放射される。このためにレーザ装置２６には導光装置２８０を介してポンプ光が供給される。このポンプ光はポンプ光源３０から供給される。ポンプ光源３０はレーザ制御装置３２によって制御される。ポンプ光源３０は例えば、ポンプ光を形成するための半導体ダイオードレーザであり得る。レーザ制御装置３２は、図１において破線で示唆されている詳細には示されていない通信線を介して、機関制御装置３３と接続されている。機関制御装置３３はインジェクタ１８を制御する。レーザ装置及び機関制御装置を一つの制御ユニットに統合することも可能である。
【００２２】
レーザ装置２６は例えば、受動的なＱスイッチを備えているレーザ活性固体（図示せず）を有している。Ｑスイッチは入力結合ミラー及び出力結合ミラーと共に一つの光学的な共振器を形成している。ポンプ光源３０によって形成され、特に縦方向において光学的な共振器に向かって放射されるポンプ光が供給されると、レーザ装置２６はそれ自体公知の方法でレーザパルス２４を形成する。このレーザパルス２４は集束光学系を介して燃焼室１４内に存在する点火点ＺＰへと収束されている。レーザ装置２６のケーシング内に設けられている構成要素は、燃焼室窓によって燃焼室１４から隔離されている。レーザ活性固体として、有利には、ネオジウム又はイッテルビムがドーピングされた材料が使用される。
【００２３】
本発明によればフォトダイオード装置２７０が設けられており、このフォトダイオード装置２７０は、ポンプ光源３０とレーザ装置２６との間の光学的な結合部２８０の領域において、ポンプ光源３０によって形成されたポンプ放射も、レーザ装置２６によって形成されたレーザ放射もそれぞれ少なくとも部分的にフォトダイオード装置２７０のフォトダイオード（図２を参照されたい）に入射させることができるように配置されている。
【００２４】
これによって、有利には、ポンプ光源３０及び／又はレーザ装置２６の動作を監視することができる。例えば、本発明に係るフォトダイオード装置２７０は、関連する光学的な信号を電気的な出力信号に変換することができる。そのようにして変換された出力信号を、制御装置３２によってそれ自体公知の方法で評価することができる。
【００２５】
本発明の構造的に非常に廉価な変形の形態は、フォトダイオード２７１がポンプ光源３０又はレーザ装置２６の光学的な接続部の領域内に配置されていることによって得られる。フォトダイオード２７１は、電気的な接続線路２７１ａを介してレーザ制御装置３２と接続されている。
【００２６】
図２には本発明の別の変形の形態が示されており、この変形の形態では、レーザ装置２６とポンプ光源３０との間の光学的な結合部２８０が複数の光ファイバ２８２ａにより構成される一つの束２８２によって実現されている。光学的な結合部２８０は更に光学的なクロスセクションコンバータ２８１を有しており、このクロスセクションコンバータ２８１は、複数の光ファイバ２８２ａの断面をそれ自体公知の方法でポンプ光源３０の半導体レーザダイオード装置３１に適合させる。クロスセクションコンバータ２８１は束ねられた複数の光ファイバ２８２ａの実質的に円形の断面を、図２から見て取れるように、実質的に矩形又は直線状の配置構成に変換し、それによって、有利には、個々の光ファイバ２８２ａは、半導体ダイオードレーザ３１、特に半導体ダイオードレーザアレイのそれぞれ異なるエミッタと対向する。
【００２７】
これに関して図２には、線Ａ−Ａ’に沿ったクロスセクションコンバータ２８１の切断面も示されている。
【００２８】
本発明に係るフォトダイオード装置２７０のフォトダイオード２７１は、本発明に係るこの変形の形態では、光学的なクロスセクションコンバータ２８１に直接的に配置されているので、クロスセクションコンバータ２８１内で散乱した光を受光することができる。クロスセクションコンバータ２８１内で散乱した光は本発明の検査に従い、ポンプ光源３０から供給されたポンプ光の成分も、レーザ装置２６によって形成されたレーザ点火パルス２４の成分も含んでいる。散乱されたポンプ光の輝度は、通常の場合、散乱されたレーザ点火パルスの輝度よりも著しく高い。
【００２９】
図３ａは、例えばＰＩＮ（positive intrinsic negative）ダイオードであってもよいフォトダイオード２７１を備えている、本発明に係るフォトダイオード装置２７０の第１の実施の形態を示す。本発明に係るフォトダイオード装置２７０は誘導性素子Ｌを有しており、この誘導性素子Ｌは図３ａから見て取れるようにフォトダイオード２７１に並列に接続されており、これによってハイパスフィルタの構成が得られる。本発明によれば、この回路装置が、有利には、比較的低周波の成分を有している、フォトダイオード出力信号（フォトダイオード電流）の信号成分を短絡し、他方ではフォトダイオード電流の比較的高周波の信号成分が短絡されないことが分かっている。これによって、有利には、ポンプ光が一回印加されるだけでフォトダイオード２７１が既に事前に飽和状態に至ることを回避することができる。そのような事前飽和は不利なことに、通常の場合は時間的にポンプ光の放射の後に続くレーザ点火パルス２４をもはや全く検出できなくさせる虞がある。従って、誘導性素子Ｌは、一方では、ポンプ光によってフォトダイオード２７１において形成される比較的低周波の信号成分によるフォトダイオード２７１の事前飽和を阻止する。他方では、ナノ秒の範囲にあるレーザ点火パルス２４によって生じる比較的高周波の信号成分に関しては、誘導性素子Ｌと負荷抵抗ＲＬとにより構成される並列回路における相応に良好に評価できる電圧降下が生じる。誘導性素子（コイル）Ｌ内部の寄生的なオーム負荷抵抗は完全には回避することができない。本発明によれば、有利には、固有抵抗は１０ｍΩを下回る。
【００３０】
負荷抵抗ＲＬは、別個に分離した構成素子として構成されていなければならないものではなく、それ自体公知の手法で、例えば制御装置３２の入力段に既に含ませることができる。この入力段は、フォトダイオード２７１によって形成された電気的な信号の評価を実現する。負荷抵抗ＲＬをその種の入力段の入力インピーダンスとしても解することができる。
【００３１】
図３ｂは、本発明に係るフォトダイオード装置２７０の別の変形の形態を示す。この変形の形態では、第１のインダクタンスＬ１と第１のオーム抵抗Ｒ１とにより構成される直列回路ＳＳ１が設けられている。図３ａによる構成とは異なり、直列回路ＳＳ１は純粋な誘導性の特性しか有していないのではなく、直列回路ＳＳ１の誘導性の構成要素Ｌ１によって先ず短絡される、ポンプ光によってフォトダイオード２７１において惹起される比較的低周波の信号成分によって、オーム抵抗Ｒ１における相応の電圧降下も生じさせ、従って、同様にこの電圧降下を制御装置３２によって検出することができる。このことは、図３ｂによる構成では、負荷抵抗ＲＬにおいて降下した電圧の評価によって、ポンプ光の存在も、レーザ装置２６によって形成されたレーザ点火パルス２４に対応するレーザ放射の存在も推定することができる。
【００３２】
直列回路ＳＳ１のオーム抵抗Ｒ１は、有利には、ポンプ光によって形成された信号成分が従来通り専ら短絡されるように選定されている。即ち、前述したようなフォトダイオードの事前飽和を回避するために、低周波の信号成分のごく一部だけを検出することができる。
【００３３】
図３ｃは、二つの直列回路ＳＳ１，ＳＳ２がフォトダイオード２７１に並列に接続されている別のフォトダイオード装置２７０を示す。
【００３４】
第１の直列回路ＳＳ１は、スイッチＳ１と誘導性素子Ｌ１とを有しており、第２の直列回路ＳＳ２は、第２のスイッチＳ２と、この第２のスイッチＳ２に直列に配置されているオーム抵抗Ｒ２とを有している。スイッチＳ１，Ｓ２は例えばトランジスタとして構成することができ、それぞれのトランジスタをレーザ制御装置３２によって制御することができる。有利には、スイッチＳ１，Ｓ２としてＭＯＳＦＥＴが使用される。ＭＯＳＦＥＴは、一方では廉価であり、他方では導通動作時には低抵抗である。
【００３５】
図３ｃによるフォトダイオード装置２７０は、そのフィルタ特性に関して非常に有利に構成することができる。例えば、レーザ装置２６がポンプ光源３０によって供給されるポンプ光を用いて光学的にポンピングされるポンプ過程中の第１の動作モードにおいては、第１のスイッチＳ１が開かれており、且つ、第２のスイッチＳ２が閉じられているので、オーム抵抗Ｒ２，ＲＬによって全体として比較的低抵抗の装置が生じる。この低抵抗の装置は、有利には、ポンプ光信号成分のみによってフォトダイオード２７１が既に飽和することを回避することができる。
【００３６】
それにもかかわらず、オーム抵抗Ｒ２，ＲＬにおいて生じる電圧降下を評価することができる。この電圧降下は、ポンプ光の強度に関する情報を表し、又は、そもそもポンプ光が存在するか否かを表す。
【００３７】
第２の動作モードにおいては、第２のスイッチＳ２が開かれ、第１のスイッチＳ１が閉じられる。この構成は、実質的に図３ａによる回路装置に対応するものであり、誘導性素子Ｌ１に起因するハイパス特性によって、有利には、レーザ装置２６のレーザ点火パルス２４によって惹起される比較的高周波の信号成分のみが負荷抵抗ＲＬにおいて電圧降下するようにフォトダイオード２７１の出力信号のフィルタリングを実現し、他方では、ポンプ光に起因する比較的低周波の信号成分がフォトダイオード２７１の不所望な事前飽和を生じさせないようにするために、上述のように、この比較的低周波の信号成分が第１の直列回路ＳＳ１の誘導性素子Ｌ１によって短絡される。
【００３８】
二つの動作モード間の切り替えは、有利には、レーザ装置２６がレーザ点火パルス２４を形成すると見込まれる時点よりも遥かに前に行われる。切り替えは、特に、フォトダイオード装置２７０のハイパスフィルタ装置が依然として振動しており、また場合によっては、レーザ点火パルス２４を検出するためのフォトダイオード２７１の最大感度を保証するために、フォトダイオード２７１のＰ−Ｎ接合部に蓄積されているキャリアを無くすことができるように、見込まれる時点よりも前に適時に行われるべきである。
【００３９】
第３の動作モードにおいては、第１のスイッチＳ１及び第２のスイッチＳ２が開かれているので、負荷抵抗ＲＬには依然としてフォトダイオード電流が流される。負荷抵抗ＲＬが抵抗Ｒ２よりも大きい場合には、この動作モードにおいては、第１の動作モードに比較して高められた総抵抗を実現することができ、これによって比較的弱い光学的な信号を検出することができる。つまり、例えば、レーザ活性固体の比較的弱い蛍光信号をポンプ光の遮断後に検出することができる。ここで、ポンプ過程の目的は、受動的なＱスイッチによって点火光パルスがトリガされることなく、単に蛍光を形成するためにレーザ活性固体における反転分布を生じさせることである。
【００４０】
誘導性素子Ｌのインダクタンス値は、有利には、約０．５μＨ（マイクロヘンリー）から約２０μＨまでの範囲から選定されているが、約５μＨの値が特に有利である。この場合には、フォトダイオード装置によってレーザ点火パルス２４を非常に効果的に検出することができる。
【００４１】
以下では、図４ａから図４ｄを参照しながら別の実施の形態を説明する。
【００４２】
図４ａにおける破線Ｕｐｄは、上述の本発明に係るフィルタリングが全く行われない場合に生じる、フォトダイオード電圧の時間経過を示す。同様の時間経過は、図４ｂ及び図４ｃにおいてもプロットされている。従って、この時間経過を用いて点火時点を測定することは不可能である。
【００４３】
これに対して、図４ａにおける実線Ｕｆは、図３に従ってコイルＬが並列に接続されている場合のフォトダイオード電圧を示す。レーザ点火パルス２４が出力される点火時点Ｔ２の測定は、例えば、本発明に従ってフィルタリングされた時間経過Ｕｆ（図４ａにおける実線）を評価し、時点Ｔ２における尖った限定的な極大値Ｍを識別する、レーザ制御装置３２のトリガユニット又は割り込みユニットを使用して実現される。
【００４４】
図４ａにおける参照符号Ｔ１は、ポンプ光源のスイッチオン時点を表している。時点Ｔ１の直後に、フィルタリングされた電圧経過Ｕｆにおいては、図３ａに応じたハイパスの振動の開始を識別することができる。上記においても説明したように、参照符号Ｔ２は、点火時点を表している。参照符号Ｔ３は、ポンプ光源のスイッチオフ時点を表している。時点Ｔ３以降に、図３ａに応じたハイパスフィルタの振動の低下を識別することができる。
【００４５】
図４ｂは、図３ｂに従ってコイルＬ１と低オーム抵抗Ｒ１とにより構成される直列回路が並列に接続されている場合において生じるような、フィルタリングされたフォトダイオード電圧Ｕｆの時間経過を示す。参照符号ＴＳ１は、測定値サンプリングに関する開始時点を表し、参照符号ＴＳ２は、測定値サンプリングに関する停止時点を表す。時間窓（ＴＳ１；ＴＳ２）においては≧１の測定値が検出され、それら測定値からポンプ光の存在を推定することができる。レーザ点火パルス２４の発生に対応する、時点Ｔ２における極大値は、同様に経過Ｕｆから検出することができる。
【００４６】
図４ｃは、図３ｃに従った回路を使用した場合に生じるような、フィルタリングされたフォトダイオード電圧Ｕｆの時間経過を示す。第１の動作モードは、時点Ｔ１からＴＵ１までの期間にセットされる。即ち、測定値サンプリングは、サンプリング窓（ＴＳ１；ＴＳ２）において行われる。この第１の動作モードにおいては、スイッチＳ１が開かれており、且つ、スイッチＳ２が閉じられているので、経過Ｕｆからは、有利にはポンプ放射の存在を推定することができ、従って、ポンプ過程を診断することができる。
【００４７】
第２の動作モードは、時点ＴＵ１からＴ３までの期間にセットされ、この期間において点火時点Ｔ２の測定が行われる。この第２の動作モードにおいては、スイッチＳ２が開かれており、且つ、スイッチＳ１が閉じられているので、時点Ｔ２における極大値Ｍを経過Ｕｆから特に確実に検出することができる。
【００４８】
ここで、時点ＴＵ１は切り替え時点、即ち、スイッチＳ１が閉じられ且つスイッチＳ２が開かれる時点を表している。切り替え後には、ハイパスフィルタ（図３ｃを参照されたい）の振動開始を識別することができる（時点ＴＵ１直後の時間経過Ｕｆにおける変動を参照されたい）。
【００４９】
図４ｄには、本発明の構想の（図３ｃに応じた）回路を使用した場合のフォトダイオード電圧の時間経過が実線Ｕｆで示されている。ここでは、レーザ装置２６によって形成された蛍光信号が検出されるべきである。
【００５０】
このために、時点Ｔ１からＴ３までの第１の動作モードにおいては、時点ＴＳ１からＴＳ２までのサンプリング窓において、光学的なポンピングに起因して生じるような、時間経過Ｕｆの測定値サンプリングが行われる。スイッチＳ１（図３ｃを参照されたい）は開かれており、且つ、スイッチＳ２は閉じられている。
【００５１】
その後、スイッチＳ１が開かれており、且つ、スイッチＳ２が開かれている、ｔ＞ＴＵ２の時点に関する第３の動作モードにおいては、時点ＴＳ３からＴＳ４までのサンプリング窓において蛍光測定に関する測定値サンプリングが行われ、≧１の測定値が得られる。時点ＴＵ２以降の第３の動作モードの間では、光学的なポンピングはもはや行われない。何故ならば、これによって、蛍光信号の検出は困難になり、又は、蛍光信号をもはや検出できなくなるからである。レーザが蛍光を励起するためには、時点Ｔ３までにポンピングを行う必要がある。
【００５２】
本発明に係るフォトダイオード装置２７０は、有利には、レーザ点火パルス２４、ポンプ光源３０のポンプ光、及び／又は、レーザ装置の蛍光を評価することができ、その際に、ポンプ光の信号成分によるフォトダイオード２７１の事前飽和に起因してレーザ点火パルス２４の評価が損なわれることはない。このことは、フォトダイオードに入射するポンプ光出力が、相応の点火光出力又は蛍光出力よりも著しく大きい場合には非常に有利である。
【００５３】
本発明に係るフォトダイオード装置を、特にフレキシブルに、異なる構造のグループにも分割することができる。例えば、フォトダイオード２７１のみが光学的な結合部２８０（図１を参照されたい）又は光学的なクロスセクションコンバータ２８１（図２を参照されたい）の領域に設けられており、その一方で、残余の構成要素Ｌ，Ｌ１，ＲＬ，ＳＳ１，ＳＳ２が光学的な結合部２８０又はクロスセクションコンバータ２８１から離隔して配置されており、例えば制御装置３２内に組み込まれている。
【００５４】
別の実施の形態によれば、本発明に係るフォトダイオード装置は、バイアス電圧無しでフォトダイオード２７１を動作させるように構成されており、これによって複雑性の非常に低い回路装置が得られる（図３ａ，３ｂ，３ｃを参照されたい）。それにもかかわらず、本発明に係るハイパス装置に基づき、ポンプ光の印加によるフォトダイオード２７１の事前飽和を回避することができ、その結果、比較的短いレーザ点火パルス２４を良好に検出することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザパルスを形成するためのレーザ装置と、レーザ装置を光学的にポンピングするためのポンプ光源とを備えている、内燃機関、特に自動車の内燃機関のためのレーザ点火装置に関する。
【０００２】
その種のレーザ点火装置は、既にドイツ公開特許公報DE 10 2007 044 011 A1から公知である。
【０００３】
発明の概要
本発明の課題は、レーザ点火装置の動作を簡単且つ確実に診断できるように、冒頭で述べた形式のレーザ点火装置を改良することである。
【０００４】
この課題は、本発明によれば、冒頭で述べたようなレーザ点火装置において、フォトダイオード装置が、ポンプ光源とレーザ装置との間の光学的な結合部の領域において、ポンプ光源によって生成されたポンプ放射もレーザ装置によって生成されたレーザ放射もそれぞれ少なくとも部分的にフォトダイオード装置のフォトダイオードに入射可能であるように配置されていることによって解決される。これによって、有利には、レーザ装置によって生成されたレーザ点火パルスも、ポンプ光源から供給されたポンプ放射も監視することができる。
【０００５】
本発明に係るレーザ点火装置の非常に小型の変形の形態においては、フォトダイオードがポンプ光源又はレーザ装置の光学的な接続部の領域内に配置されている。有利には、フォトダイオードを関連する構成要素内に直接的に組み込むことも可能である。
【０００６】
本発明に係るレーザ点火装置の別の特に有利な変形の形態においては、ポンプ光源とレーザ装置との間の光学的な結合部が光学的なクロスセクションコンバータを有しており、また、フォトダイオードがクロスセクションコンバータの領域内に配置されており、有利にはクロスセクションコンバータに直接的に配置されている。本発明によれば、クロスセクションコンバータの領域においては、有利には、ポンプ放射もレーザ装置によって形成されたレーザパルスも、少なくとも散乱光の形態でクロスセクションコンバータから送出されるので、それらポンプ放射及びレーザパルスを非常に効率的且つ簡単にフォトダイオードを用いて検出できることが分かった。
【０００７】
本発明の別の有利な変形の形態によれば、レーザ装置によって形成されたレーザ点火パルスの非常に正確な評価は、フォトダイオード装置がフォトダイオードの出力信号をフィルタリングするためのハイパスフィルタ及び／又はバンドパスフィルタを有していることによって得られる。本発明によれば、ハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタの下側限界周波数を適切に選択すれば、入射したポンプ放射成分に起因していると考えられる、フォトダイオードの電気的な出力信号の通常は比較的低周波の成分がフォトダイオードを事前に飽和させることなく、これによって、フォトダイオードへのレーザ点火パルスの入射に起因して生じる比較的高周波の信号成分を評価できることが保証されていることが分かった。
【０００８】
本発明の別の有利な変形の形態によれば、非常に簡単な回路構成は、誘導性素子がフォトダイオード及びオーム負荷抵抗に並列に接続されていることによって得られる。例えば従来通りのコイルとして構成することができる誘導性素子のインダクタンスを適切に選択すれば、有利には、フォトダイオードの電気的な出力信号の妨害的な低周波のポンプ光成分を短絡させることができるので、この妨害的な低周波のポンプ光成分がフォトダイオードの事前飽和に寄与することはない。しかしながら、これとは異なり、レーザ点火パルスに起因するフォトダイオードの出力信号の高周波の成分は、誘導性素子と負荷抵抗とにより構成される並列回路における比較的大きい電圧降下を生じさせ、従って、有利には、この電圧降下を正確に評価することができる。
【０００９】
誘導性素子は、ポンプ放射及びレーザ装置のレーザ点火パルスに使用される信号周波数に応じて、ポンプ放射の周波数成分が専らハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタによって短絡され、その結果、ポンプ放射によるフォトダイオードの不所望な事前飽和が生じることはないように選定されている。典型的には、ポンプ光の入射に起因するフォトダイオードの電気的な出力信号の信号成分は約１００ｋＨｚの範囲にあることが考えられるが、レーザ装置のレーザ点火パルスの入射に起因するフォトダイオードの電気的な出力信号の信号成分は約１ＧＨｚの範囲にあることが考えられる。
【００１０】
本発明の別の非常に有利な変形の形態においては、少なくとも一つの誘導性素子と少なくとも一つのオーム抵抗とにより構成される直列回路がフォトダイオードに並列に接続されている。この直列回路のオーム抵抗を適切に選択することによって、フォトダイオードの事前飽和に寄与する、フォトダイオードの出力信号の比較的低周波の信号成分を短絡することができる。これによって、フォトダイオード装置の後段に配置されている評価回路はポンプ放射を評価することもでき、例えばポンプ放射の存在を検査することができる。フォトダイオードがポンプ放射のスペクトル成分によって既に飽和状態に移行することがないようにするために、直列回路のオーム抵抗は過度に大きく選定されてはならない。
【００１１】
本発明の別の有利な変形の形態によれば、少なくとも一つの誘導性素子と少なくとも一つのスイッチとにより構成される第１の直列回路、並びに、少なくとも一つのオーム抵抗と少なくとも一つのスイッチとにより構成される少なくとも一つの第２の直列回路は、それぞれフォトダイオードに並列に接続されている。この回路装置を用いて、本発明に係るフォトダイオード装置のフィルタ特性を変化させることができる。
【００１２】
例えば、レーザ装置を光学的にポンピングしている間に、第２の直列回路をこの第２の直列回路のスイッチを閉じることによってアクティブ状態にし、それによってフォトダイオードに並列に第２の直列回路のオーム抵抗を接続させることができる。これによって、オーム抵抗においては、ポンプ光源の光学的なポンプ出力に比例する電圧値を検出することができる。続いて、レーザ装置によってレーザ点火パルスが形成されると見込まれる時点よりも前の所定の時点に、第２の直列回路に含まれるスイッチを開くことによってこの第２の直列回路を非アクティブ状態にすることができ、他方ではそれと同時に、上記に既に何度か説明した、インダクタンスを有する第１の直列回路のハイパス特性によって、レーザ点火パルスの非常に正確な検出を実現するために、第１の直列回路のスイッチが閉じられる。
【００１３】
負荷抵抗は、同様にフォトダイオードに並列に接続されている。負荷抵抗は、フォトダイオードによって形成された電流を、例えばレーザ点火装置の制御装置によって測定技術的に検出することができる電圧に変換する。負荷抵抗は、典型的には、制御装置の相応の測定装置の内部抵抗を表すが、しかしながら、分離した形態で、特にフォトダイオードの近傍に実装することもできる。
【００１４】
本発明に係るフォトダイオード装置の負荷抵抗並びに誘導性素子のインダクタンス値、また必要に応じて別のオーム抵抗を、それ自体公知の手法で、所望のフィルタ特性が達成されるように適合させることができる。更には、負荷抵抗は一方では、フォトダイオードのキャパシタンスと接続されている回路（ローパスフィルタ）が点火レーザパルスを検出するには十分に高速であるように十分に低く選定されている。負荷抵抗は他方では、確実な検出のために十分な電圧レベルが形成されるように十分に大きく選定されている。負荷抵抗に関する有利な値は５０Ωから２ｋΩまでの範囲にある。
【００１５】
本発明に係るレーザ点火装置の別の特に有利な実施の形態においては、フォトダイオード装置の少なくとも一つの誘導性素子がフォトダイオードから離隔して配置されている。例えば、誘導性素子、及び／又は、スイッチ、誘導性素子又はオーム抵抗を有している少なくとも一つの直列回路をレーザ点火装置の制御装置内に配置し、その一方で、フォトダイオードのみを光学的な結合部又は光学的なクロスセクションコンバータの領域内に直接的に配置することができる。
【００１６】
別の実施の形態によれば、本発明に係るフォトダイオード装置はバイアス電圧無しでフォトダイオードを動作させるように構成されており、これによって複雑性の非常に低い回路装置が得られる。それにもかかわらず、本発明に係るハイパス装置に基づき、ポンプ光の印加によるフォトダイオードの事前飽和を回避することができ、その結果、レーザ点火パルスを良好に検出することができる。
【００１７】
本発明の上述の課題の別の解決手段として、特許請求の範囲における請求項１２に係る方法が提供されている。
【００１８】
本発明の更なる利点及び有利な実施の形態は添付の図面、以下の説明及び特許請求の範囲の記載から得られる。図面、図面の説明及び特許請求の範囲に記載されている全ての特徴は単独でも、また相互に任意に組み合わせても本発明の対象となり得る。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るレーザ点火装置の第１の実施の形態を備えている内燃機関の概略図を示す。
【図２】本発明に係るレーザ点火装置の別の実施の形態を示す。
【図３ａ】本発明に係るフォトダイオード装置の回路装置を示す。
【図３ｂ】本発明に係るフォトダイオード装置の回路装置を示す。
【図３ｃ】本発明に係るフォトダイオード装置の回路装置を示す。
【図４ａ】別の実施の形態に係る電気的な動作パラメータの時間的な経過を示す。
【図４ｂ】別の実施の形態に係る電気的な動作パラメータの時間的な経過を示す。
【図４ｃ】別の実施の形態に係る電気的な動作パラメータの時間的な経過を示す。
【図４ｄ】別の実施の形態に係る電気的な動作パラメータの時間的な経過を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１においては、内燃機関全体に参照番号１０を付している。この内燃機関１０は、図示していない自動車を駆動するために使用される。内燃機関１０は複数のシリンダを有しており、これらシリンダの内の１つだけを図１において参照番号１２で表している。シリンダ１２の燃焼室１４はピストン１６によって区切られる。燃料はインジェクタ１８を介して燃焼室１４内に直接的に到達する。このインジェクタ１８はレールとも称される燃料圧力蓄積器２０に接続されている。
【００２１】
燃焼室１４内に噴射された燃料２２は、レーザパルス２４によって点火される。このレーザパルス２４はレーザ装置２６含んでいる点火装置２７によって燃焼室１４に放射される。このためにレーザ装置２６には導光装置２８０を介してポンプ光が供給される。このポンプ光はポンプ光源３０から供給される。ポンプ光源３０はレーザ制御装置３２によって制御される。ポンプ光源３０は例えば、ポンプ光を形成するための半導体ダイオードレーザであり得る。レーザ制御装置３２は、図１において破線で示唆されている詳細には示されていない通信線を介して、機関制御装置３３と接続されている。機関制御装置３３はインジェクタ１８を制御する。レーザ装置及び機関制御装置を一つの制御ユニットに統合することも可能である。
【００２２】
レーザ装置２６は例えば、受動的なＱスイッチを備えているレーザ活性固体（図示せず）を有している。Ｑスイッチは入力結合ミラー及び出力結合ミラーと共に一つの光学的な共振器を形成している。ポンプ光源３０によって形成され、特に縦方向において光学的な共振器に向かって放射されるポンプ光が供給されると、レーザ装置２６はそれ自体公知の方法でレーザパルス２４を形成する。このレーザパルス２４は集束光学系を介して燃焼室１４内に存在する点火点ＺＰへと収束されている。レーザ装置２６のケーシング内に設けられている構成要素は、燃焼室窓によって燃焼室１４から隔離されている。レーザ活性固体として、有利には、ネオジウム又はイッテルビムがドーピングされた材料が使用される。
【００２３】
本発明によればフォトダイオード装置２７０が設けられており、このフォトダイオード装置２７０は、ポンプ光源３０とレーザ装置２６との間の光学的な結合部２８０の領域において、ポンプ光源３０によって形成されたポンプ放射も、レーザ装置２６によって形成されたレーザ放射もそれぞれ少なくとも部分的にフォトダイオード装置２７０のフォトダイオード（図２を参照されたい）に入射させることができるように配置されている。
【００２４】
これによって、有利には、ポンプ光源３０及び／又はレーザ装置２６の動作を監視することができる。例えば、本発明に係るフォトダイオード装置２７０は、関連する光学的な信号を電気的な出力信号に変換することができる。そのようにして変換された出力信号を、制御装置３２によってそれ自体公知の方法で評価することができる。
【００２５】
本発明の構造的に非常に廉価な変形の形態は、フォトダイオード２７１がポンプ光源３０又はレーザ装置２６の光学的な接続部の領域内に配置されていることによって得られる。フォトダイオード２７１は、電気的な接続線路２７１ａを介してレーザ制御装置３２と接続されている。
【００２６】
図２には本発明の別の変形の形態が示されており、この変形の形態では、レーザ装置２６とポンプ光源３０との間の光学的な結合部２８０が複数の光ファイバ２８２ａにより構成される一つの束２８２によって実現されている。光学的な結合部２８０は更に光学的なクロスセクションコンバータ２８１を有しており、このクロスセクションコンバータ２８１は、複数の光ファイバ２８２ａの断面をそれ自体公知の方法でポンプ光源３０の半導体レーザダイオード装置３１に適合させる。クロスセクションコンバータ２８１は束ねられた複数の光ファイバ２８２ａの実質的に円形の断面を、図２から見て取れるように、実質的に矩形又は直線状の配置構成に変換し、それによって、有利には、個々の光ファイバ２８２ａは、半導体ダイオードレーザ３１、特に半導体ダイオードレーザアレイのそれぞれ異なるエミッタと対向する。
【００２７】
これに関して図２には、線Ａ−Ａ’に沿ったクロスセクションコンバータ２８１の切断面も示されている。
【００２８】
本発明に係るフォトダイオード装置２７０のフォトダイオード２７１は、本発明に係るこの変形の形態では、光学的なクロスセクションコンバータ２８１に直接的に配置されているので、クロスセクションコンバータ２８１内で散乱した光を受光することができる。クロスセクションコンバータ２８１内で散乱した光は本発明の検査に従い、ポンプ光源３０から供給されたポンプ光の成分も、レーザ装置２６によって形成されたレーザ点火パルス２４の成分も含んでいる。散乱されたポンプ光の輝度は、通常の場合、散乱されたレーザ点火パルスの輝度よりも著しく高い。
【００２９】
図３ａは、例えばＰＩＮ（positive intrinsic negative）ダイオードであってもよいフォトダイオード２７１を備えている、本発明に係るフォトダイオード装置２７０の第１の実施の形態を示す。本発明に係るフォトダイオード装置２７０は誘導性素子Ｌを有しており、この誘導性素子Ｌは図３ａから見て取れるようにフォトダイオード２７１に並列に接続されており、これによってハイパスフィルタの構成が得られる。本発明によれば、この回路装置が、有利には、比較的低周波の成分を有している、フォトダイオード出力信号（フォトダイオード電流）の信号成分を短絡し、他方ではフォトダイオード電流の比較的高周波の信号成分が短絡されないことが分かっている。これによって、有利には、ポンプ光が一回印加されるだけでフォトダイオード２７１が既に事前に飽和状態に至ることを回避することができる。そのような事前飽和は不利なことに、通常の場合は時間的にポンプ光の放射の後に続くレーザ点火パルス２４をもはや全く検出できなくさせる虞がある。従って、誘導性素子Ｌは、一方では、ポンプ光によってフォトダイオード２７１において形成される比較的低周波の信号成分によるフォトダイオード２７１の事前飽和を阻止する。他方では、ナノ秒の範囲にあるレーザ点火パルス２４によって生じる比較的高周波の信号成分に関しては、誘導性素子Ｌと負荷抵抗ＲＬとにより構成される並列回路における相応に良好に評価できる電圧降下が生じる。誘導性素子（コイル）Ｌ内部の寄生的なオーム負荷抵抗は完全には回避することができない。本発明によれば、有利には、固有抵抗は１０ｍΩを下回る。
【００３０】
負荷抵抗ＲＬは、別個に分離した構成素子として構成されていなければならないものではなく、それ自体公知の手法で、例えば制御装置３２の入力段に既に含ませることができる。この入力段は、フォトダイオード２７１によって形成された電気的な信号の評価を実現する。負荷抵抗ＲＬをその種の入力段の入力インピーダンスとしても解することができる。
【００３１】
図３ｂは、本発明に係るフォトダイオード装置２７０の別の変形の形態を示す。この変形の形態では、第１のインダクタンスＬ１と第１のオーム抵抗Ｒ１とにより構成される直列回路ＳＳ１が設けられている。図３ａによる構成とは異なり、直列回路ＳＳ１は純粋な誘導性の特性しか有していないのではなく、直列回路ＳＳ１の誘導性の構成要素Ｌ１によって先ず短絡される、ポンプ光によってフォトダイオード２７１において惹起される比較的低周波の信号成分によって、オーム抵抗Ｒ１における相応の電圧降下も生じさせ、従って、同様にこの電圧降下を制御装置３２によって検出することができる。このことは、図３ｂによる構成では、負荷抵抗ＲＬにおいて降下した電圧の評価によって、ポンプ光の存在も、レーザ装置２６によって形成されたレーザ点火パルス２４に対応するレーザ放射の存在も推定することができる。
【００３２】
直列回路ＳＳ１のオーム抵抗Ｒ１は、有利には、ポンプ光によって形成された信号成分が従来通り専ら短絡されるように選定されている。即ち、前述したようなフォトダイオードの事前飽和を回避するために、低周波の信号成分のごく一部だけを検出することができる。
【００３３】
図３ｃは、二つの直列回路ＳＳ１，ＳＳ２がフォトダイオード２７１に並列に接続されている別のフォトダイオード装置２７０を示す。
【００３４】
第１の直列回路ＳＳ１は、スイッチＳ１と誘導性素子Ｌ１とを有しており、第２の直列回路ＳＳ２は、第２のスイッチＳ２と、この第２のスイッチＳ２に直列に配置されているオーム抵抗Ｒ２とを有している。スイッチＳ１，Ｓ２は例えばトランジスタとして構成することができ、それぞれのトランジスタをレーザ制御装置３２によって制御することができる。有利には、スイッチＳ１，Ｓ２としてＭＯＳＦＥＴが使用される。ＭＯＳＦＥＴは、一方では廉価であり、他方では導通動作時には低抵抗である。
【００３５】
図３ｃによるフォトダイオード装置２７０は、そのフィルタ特性に関して非常に有利に構成することができる。例えば、レーザ装置２６がポンプ光源３０によって供給されるポンプ光を用いて光学的にポンピングされるポンプ過程中の第１の動作モードにおいては、第１のスイッチＳ１が開かれており、且つ、第２のスイッチＳ２が閉じられているので、オーム抵抗Ｒ２，ＲＬによって全体として比較的低抵抗の装置が生じる。この低抵抗の装置は、有利には、ポンプ光信号成分のみによってフォトダイオード２７１が既に飽和することを回避することができる。
【００３６】
それにもかかわらず、オーム抵抗Ｒ２，ＲＬにおいて生じる電圧降下を評価することができる。この電圧降下は、ポンプ光の強度に関する情報を表し、又は、そもそもポンプ光が存在するか否かを表す。
【００３７】
第２の動作モードにおいては、第２のスイッチＳ２が開かれ、第１のスイッチＳ１が閉じられる。この構成は、実質的に図３ａによる回路装置に対応するものであり、誘導性素子Ｌ１に起因するハイパス特性によって、有利には、レーザ装置２６のレーザ点火パルス２４によって惹起される比較的高周波の信号成分のみが負荷抵抗ＲＬにおいて電圧降下するようにフォトダイオード２７１の出力信号のフィルタリングを実現し、他方では、ポンプ光に起因する比較的低周波の信号成分がフォトダイオード２７１の不所望な事前飽和を生じさせないようにするために、上述のように、この比較的低周波の信号成分が第１の直列回路ＳＳ１の誘導性素子Ｌ１によって短絡される。
【００３８】
二つの動作モード間の切り替えは、有利には、レーザ装置２６がレーザ点火パルス２４を形成すると見込まれる時点よりも遥かに前に行われる。切り替えは、特に、フォトダイオード装置２７０のハイパスフィルタ装置が依然として振動しており、また場合によっては、レーザ点火パルス２４を検出するためのフォトダイオード２７１の最大感度を保証するために、フォトダイオード２７１のＰ−Ｎ接合部に蓄積されているキャリアを無くすことができるように、見込まれる時点よりも前に適時に行われるべきである。
【００３９】
第３の動作モードにおいては、第１のスイッチＳ１及び第２のスイッチＳ２が開かれているので、負荷抵抗ＲＬには依然としてフォトダイオード電流が流される。負荷抵抗ＲＬが抵抗Ｒ２よりも大きい場合には、この動作モードにおいては、第１の動作モードに比較して高められた総抵抗を実現することができ、これによって比較的弱い光学的な信号を検出することができる。つまり、例えば、レーザ活性固体の比較的弱い蛍光信号をポンプ光の遮断後に検出することができる。ここで、ポンプ過程の目的は、受動的なＱスイッチによって点火光パルスがトリガされることなく、単に蛍光を形成するためにレーザ活性固体における反転分布を生じさせることである。
【００４０】
誘導性素子Ｌのインダクタンス値は、有利には、約０．５μＨ（マイクロヘンリー）から約２０μＨまでの範囲から選定されているが、約５μＨの値が特に有利である。この場合には、フォトダイオード装置によってレーザ点火パルス２４を非常に効果的に検出することができる。
【００４１】
以下では、図４ａから図４ｄを参照しながら別の実施の形態を説明する。
【００４２】
図４ａにおける破線Ｕｐｄは、上述の本発明に係るフィルタリングが全く行われない場合に生じる、フォトダイオード電圧の時間経過を示す。同様の時間経過は、図４ｂ及び図４ｃにおいてもプロットされている。従って、この時間経過を用いて点火時点を測定することは不可能である。
【００４３】
これに対して、図４ａにおける実線Ｕｆは、図３に従ってコイルＬが並列に接続されている場合のフォトダイオード電圧を示す。レーザ点火パルス２４が出力される点火時点Ｔ２の測定は、例えば、本発明に従ってフィルタリングされた時間経過Ｕｆ（図４ａにおける実線）を評価し、時点Ｔ２における尖った限定的な極大値Ｍを識別する、レーザ制御装置３２のトリガユニット又は割り込みユニットを使用して実現される。
【００４４】
図４ａにおける参照符号Ｔ１は、ポンプ光源のスイッチオン時点を表している。時点Ｔ１の直後に、フィルタリングされた電圧経過Ｕｆにおいては、図３ａに応じたハイパスの振動の開始を識別することができる。上記においても説明したように、参照符号Ｔ２は、点火時点を表している。参照符号Ｔ３は、ポンプ光源のスイッチオフ時点を表している。時点Ｔ３以降に、図３ａに応じたハイパスフィルタの振動の低下を識別することができる。
【００４５】
図４ｂは、図３ｂに従ってコイルＬ１と低オーム抵抗Ｒ１とにより構成される直列回路が並列に接続されている場合において生じるような、フィルタリングされたフォトダイオード電圧Ｕｆの時間経過を示す。参照符号ＴＳ１は、測定値サンプリングに関する開始時点を表し、参照符号ＴＳ２は、測定値サンプリングに関する停止時点を表す。時間窓（ＴＳ１；ＴＳ２）においては≧１の測定値が検出され、それら測定値からポンプ光の存在を推定することができる。レーザ点火パルス２４の発生に対応する、時点Ｔ２における極大値は、同様に経過Ｕｆから検出することができる。
【００４６】
図４ｃは、図３ｃに従った回路を使用した場合に生じるような、フィルタリングされたフォトダイオード電圧Ｕｆの時間経過を示す。第１の動作モードは、時点Ｔ１からＴＵ１までの期間にセットされる。即ち、測定値サンプリングは、サンプリング窓（ＴＳ１；ＴＳ２）において行われる。この第１の動作モードにおいては、スイッチＳ１が開かれており、且つ、スイッチＳ２が閉じられているので、経過Ｕｆからは、有利にはポンプ放射の存在を推定することができ、従って、ポンプ過程を診断することができる。
【００４７】
第２の動作モードは、時点ＴＵ１からＴ３までの期間にセットされ、この期間において点火時点Ｔ２の測定が行われる。この第２の動作モードにおいては、スイッチＳ２が開かれており、且つ、スイッチＳ１が閉じられているので、時点Ｔ２における極大値Ｍを経過Ｕｆから特に確実に検出することができる。
【００４８】
ここで、時点ＴＵ１は切り替え時点、即ち、スイッチＳ１が閉じられ且つスイッチＳ２が開かれる時点を表している。切り替え後には、ハイパスフィルタ（図３ｃを参照されたい）の振動開始を識別することができる（時点ＴＵ１直後の時間経過Ｕｆにおける変動を参照されたい）。
【００４９】
図４ｄには、本発明の構想の（図３ｃに応じた）回路を使用した場合のフォトダイオード電圧の時間経過が実線Ｕｆで示されている。ここでは、レーザ装置２６によって形成された蛍光信号が検出されるべきである。
【００５０】
このために、時点Ｔ１からＴ３までの第１の動作モードにおいては、時点ＴＳ１からＴＳ２までのサンプリング窓において、光学的なポンピングに起因して生じるような、時間経過Ｕｆの測定値サンプリングが行われる。スイッチＳ１（図３ｃを参照されたい）は開かれており、且つ、スイッチＳ２は閉じられている。
【００５１】
その後、スイッチＳ１が開かれており、且つ、スイッチＳ２が開かれている、ｔ＞ＴＵ２の時点に関する第３の動作モードにおいては、時点ＴＳ３からＴＳ４までのサンプリング窓において蛍光測定に関する測定値サンプリングが行われ、≧１の測定値が得られる。時点ＴＵ２以降の第３の動作モードの間では、光学的なポンピングはもはや行われない。何故ならば、これによって、蛍光信号の検出は困難になり、又は、蛍光信号をもはや検出できなくなるからである。レーザが蛍光を励起するためには、時点Ｔ３までにポンピングを行う必要がある。
【００５２】
本発明に係るフォトダイオード装置２７０は、有利には、レーザ点火パルス２４、ポンプ光源３０のポンプ光、及び／又は、レーザ装置の蛍光を評価することができ、その際に、ポンプ光の信号成分によるフォトダイオード２７１の事前飽和に起因してレーザ点火パルス２４の評価が損なわれることはない。このことは、フォトダイオードに入射するポンプ光出力が、相応の点火光出力又は蛍光出力よりも著しく大きい場合には非常に有利である。
【００５３】
本発明に係るフォトダイオード装置を、特にフレキシブルに、異なる構造のグループにも分割することができる。例えば、フォトダイオード２７１のみが光学的な結合部２８０（図１を参照されたい）又は光学的なクロスセクションコンバータ２８１（図２を参照されたい）の領域に設けられており、その一方で、残余の構成要素Ｌ，Ｌ１，ＲＬ，ＳＳ１，ＳＳ２が光学的な結合部２８０又はクロスセクションコンバータ２８１から離隔して配置されており、例えば制御装置３２内に組み込まれている。
【００５４】
別の実施の形態によれば、本発明に係るフォトダイオード装置は、バイアス電圧無しでフォトダイオード２７１を動作させるように構成されており、これによって複雑性の非常に低い回路装置が得られる（図３ａ，３ｂ，３ｃを参照されたい）。それにもかかわらず、本発明に係るハイパス装置に基づき、ポンプ光の印加によるフォトダイオード２７１の事前飽和を回避することができ、その結果、比較的短いレーザ点火パルス２４を良好に検出することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザパルス（２４）を形成するためのレーザ装置（２６）と、前記レーザ装置（２６）を光学的にポンピングするためのポンプ光源（３０）とを備えている、内燃機関（１０）、特に自動車の内燃機関（１０）のためのレーザ点火装置（２７）において、
前記ポンプ光源（３０）と前記レーザ装置（２６）との間の光学的な結合部（２８０）の領域にフォトダイオード装置（２７０）が配置されており、それにより、前記ポンプ光源（３０）によって形成されたポンプ放射も、前記レーザ装置（２６）によって形成されたレーザ放射も、それぞれ少なくとも部分的に前記フォトダイオード装置（２７０）のフォトダイオード（２７１）に入射させられることを特徴とする、レーザ点火装置（２７）。
【請求項２】
前記フォトダイオード（２７１）は、前記ポンプ光源（３０）又は前記レーザ装置（２６）の光学的な接続部の領域内に配置されている、請求項１に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項３】
前記ポンプ光源（３０）と前記レーザ装置（２６）との間の前記光学的な結合部（２８０）は、光学的なクロスセクションコンバータ（２８１）を有しており、
前記フォトダイオード（２７１）は、前記クロスセクションコンバータ（２８１）の領域内に配置されており、有利には前記クロスセクションコンバータ（２８１）に直接的に配置されている、請求項１又は２に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項４】
前記フォトダイオード装置（２７０）は、前記フォトダイオード（２７１）の出力信号をフィルタリングするためのハイパスフィルタ及び／又はバンドパスフィルタを有している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項５】
誘導性素子（Ｌ）が、前記フォトダイオード（２７１）に並列に接続されている、請求項４に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項６】
少なくとも一つの誘導性素子（Ｌ１）と少なくとも一つのオーム抵抗（Ｒ１）とにより構成される直列回路（ＳＳ１）が、前記フォトダイオード（２７１）に並列に接続されている、請求項４又は５に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項７】
少なくとも一つの誘導性素子（Ｌ１）と少なくとも一つのスイッチ（Ｓ１）とにより構成される第１の直列回路（ＳＳ１）、及び、少なくとも一つのオーム抵抗（Ｒ２）と少なくとも一つのスイッチ（Ｓ２）とにより構成される少なくとも一つの第２の直列回路（ＳＳ２）が、前記フォトダイオード（２７１）に並列に接続されている、請求項４乃至６のいずれか一項に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項８】
負荷抵抗（ＲＬ）が、前記フォトダイオード（２７１）に並列に接続されている、請求項４乃至７のいずれか一項に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項９】
少なくとも一つの誘導性素子（Ｌ）が、前記フォトダイオード（２７１）から離隔して配置されている、請求項４乃至８のいずれか一項に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項１０】
前記誘導性素子（Ｌ）及び／又は少なくとも一つの直列回路（ＳＳ１，ＳＳ２）は、前記レーザ点火装置（２７）の制御装置（３２）内に配置されている、請求項９に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項１１】
前記フォトダイオード装置（２７０）は、前記フォトダイオード（２７１）をバイアス電圧無しで動作させるように構成されている、請求項４乃至１０のいずれか一項に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項１２】
レーザパルス（２４）を形成するためのレーザ装置（２６）と、前記レーザ装置（２６）を光学的にポンピングするためのポンプ光源（３０）とを備えている、内燃機関（１０）、特に自動車の内燃機関（１０）のためのレーザ点火装置（２７）の動作方法において、
前記ポンプ光源（３０）と前記レーザ装置（２６）との間の光学的な結合部（２８０）の領域にフォトダイオード装置（２７０）が配置されており、それにより、前記ポンプ光源（３０）によって形成されたポンプ放射も、前記レーザ装置（２６）によって形成されたレーザ放射も、それぞれ少なくとも部分的に前記フォトダイオード装置（２７０）のフォトダイオード（２７１）に入射し、
前記フォトダイオード装置（２７０）の出力信号を評価し、前記レーザ点火装置（２７）の動作状態を推定することを特徴とする、レーザ点火装置（２７）の動作方法。
【請求項１３】
前記フォトダイオード装置（２７０）は、前記フォトダイオード（２７１）の出力信号をフィルタリングするためのハイパスフィルタ及び／又はバンドパスフィルタを有しており、
前記レーザ装置（２６）を光学的にポンピングしている間、又は、前記レーザ装置（２６）を光学的にポンピングした後に、前記ハイパスフィルタ及び／又は前記バンドパスフィルタのフィルタ特性を、特に、少なくとも一つのスイッチ（Ｓ１，Ｓ２）を用いた個々のフィルタ構成要素（Ｋ１，Ｒ２）のオンオフによって変化させる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも一つの誘導性素子（Ｌ１）と少なくとも一つのスイッチ（Ｓ１）とにより構成される第１の直列回路（ＳＳ１）、及び、少なくとも一つのオーム抵抗（Ｒ２）と少なくとも一つのスイッチ（Ｓ２）とにより構成される少なくとも一つの第２の直列回路（ＳＳ２）が、前記フォトダイオード（２７１）に並列に接続されており、
前記レーザ装置（２６）が光学的にポンピングされるポンプ過程中の第１の動作モードにおいては、前記第１のスイッチ（Ｓ１）は開かれており、且つ、前記第２のスイッチ（Ｓ２）は閉じられており、
第２の動作モードにおいては、前記第２のスイッチ（Ｓ２）は開かれており、且つ、前記第１のスイッチ（Ｓ１）は閉じられている、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の動作モードの終了に伴うポンプ光の遮断後に、前記レーザ装置（２６）のレーザ活性固体の蛍光信号を検出するために、第３の動作モードにおいては、前記第１のスイッチ（Ｓ１）及び前記第２のスイッチ（Ｓ２）は開かれる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１】
レーザパルス（２４）を形成するためのレーザ装置（２６）と、前記レーザ装置（２６）を光学的にポンピングするためのポンプ光源（３０）とを備えている、内燃機関（１０）、特に自動車の内燃機関（１０）のためのレーザ点火装置（２７）において、
前記ポンプ光源（３０）と前記レーザ装置（２６）との間の光学的な結合部（２８０）の領域にフォトダイオード装置（２７０）が配置されており、それにより、前記ポンプ光源（３０）によって形成されたポンプ放射も、前記レーザ装置（２６）によって形成されたレーザ放射も、それぞれ少なくとも部分的に前記フォトダイオード装置（２７０）のフォトダイオード（２７１）に入射させられることを特徴とする、レーザ点火装置（２７）。
【請求項２】
前記フォトダイオード（２７１）は、前記ポンプ光源（３０）又は前記レーザ装置（２６）の光学的な接続部の領域内に配置されている、請求項１に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項３】
前記ポンプ光源（３０）と前記レーザ装置（２６）との間の前記光学的な結合部（２８０）は、光学的なクロスセクションコンバータ（２８１）を有しており、
前記フォトダイオード（２７１）は、前記クロスセクションコンバータ（２８１）の領域内に配置されており、有利には前記クロスセクションコンバータ（２８１）に直接的に配置されている、請求項１又は２に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項４】
前記フォトダイオード装置（２７０）は、前記フォトダイオード（２７１）の出力信号をフィルタリングするためのハイパスフィルタ及び／又はバンドパスフィルタを有している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項５】
誘導性素子（Ｌ）が、前記フォトダイオード（２７１）に並列に接続されている、請求項４に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項６】
少なくとも一つの誘導性素子（Ｌ１）と少なくとも一つのオーム抵抗（Ｒ１）とにより構成される直列回路（ＳＳ１）が、前記フォトダイオード（２７１）に並列に接続されている、請求項４又は５に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項７】
少なくとも一つの誘導性素子（Ｌ１）と少なくとも一つのスイッチ（Ｓ１）とにより構成される第１の直列回路（ＳＳ１）、及び、少なくとも一つのオーム抵抗（Ｒ２）と少なくとも一つのスイッチ（Ｓ２）とにより構成される少なくとも一つの第２の直列回路（ＳＳ２）が、前記フォトダイオード（２７１）に並列に接続されている、請求項４乃至６のいずれか一項に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項８】
負荷抵抗（ＲＬ）が、前記フォトダイオード（２７１）に並列に接続されている、請求項４乃至７のいずれか一項に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項９】
少なくとも一つの誘導性素子（Ｌ）が、前記フォトダイオード（２７１）から離隔して配置されている、請求項４乃至８のいずれか一項に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項１０】
前記誘導性素子（Ｌ）及び／又は少なくとも一つの直列回路（ＳＳ１，ＳＳ２）は、前記レーザ点火装置（２７）の制御装置（３２）内に配置されている、請求項９に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項１１】
前記フォトダイオード装置（２７０）は、前記フォトダイオード（２７１）をバイアス電圧無しで動作させるように構成されている、請求項４乃至１０のいずれか一項に記載のレーザ点火装置（２７）。
【請求項１２】
レーザパルス（２４）を形成するためのレーザ装置（２６）と、前記レーザ装置（２６）を光学的にポンピングするためのポンプ光源（３０）とを備えている、内燃機関（１０）、特に自動車の内燃機関（１０）のためのレーザ点火装置（２７）の動作方法において、
前記ポンプ光源（３０）と前記レーザ装置（２６）との間の光学的な結合部（２８０）の領域にフォトダイオード装置（２７０）が配置されており、それにより、前記ポンプ光源（３０）によって形成されたポンプ放射も、前記レーザ装置（２６）によって形成されたレーザ放射も、それぞれ少なくとも部分的に前記フォトダイオード装置（２７０）のフォトダイオード（２７１）に入射し、
前記フォトダイオード装置（２７０）の出力信号を評価し、前記レーザ点火装置（２７）の動作状態を推定することを特徴とする、レーザ点火装置（２７）の動作方法。
【請求項１３】
前記フォトダイオード装置（２７０）は、前記フォトダイオード（２７１）の出力信号をフィルタリングするためのハイパスフィルタ及び／又はバンドパスフィルタを有しており、
前記レーザ装置（２６）を光学的にポンピングしている間、又は、前記レーザ装置（２６）を光学的にポンピングした後に、前記ハイパスフィルタ及び／又は前記バンドパスフィルタのフィルタ特性を、特に、少なくとも一つのスイッチ（Ｓ１，Ｓ２）を用いた個々のフィルタ構成要素（Ｋ１，Ｒ２）のオンオフによって変化させる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも一つの誘導性素子（Ｌ１）と少なくとも一つのスイッチ（Ｓ１）とにより構成される第１の直列回路（ＳＳ１）、及び、少なくとも一つのオーム抵抗（Ｒ２）と少なくとも一つのスイッチ（Ｓ２）とにより構成される少なくとも一つの第２の直列回路（ＳＳ２）が、前記フォトダイオード（２７１）に並列に接続されており、
前記レーザ装置（２６）が光学的にポンピングされるポンプ過程中の第１の動作モードにおいては、前記第１のスイッチ（Ｓ１）は開かれており、且つ、前記第２のスイッチ（Ｓ２）は閉じられており、
第２の動作モードにおいては、前記第２のスイッチ（Ｓ２）は開かれており、且つ、前記第１のスイッチ（Ｓ１）は閉じられている、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の動作モードの終了に伴うポンプ光の遮断後に、前記レーザ装置（２６）のレーザ活性固体の蛍光信号を検出するために、第３の動作モードにおいては、前記第１のスイッチ（Ｓ１）及び前記第２のスイッチ（Ｓ２）は開かれる、請求項１４に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図４ａ）】
【図４ｂ）】
【図４ｃ）】
【図４ｄ）】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図４ａ）】
【図４ｂ）】
【図４ｃ）】
【図４ｄ）】
【公表番号】特表２０１３−５１５９１１（Ｐ２０１３−５１５９１１Ａ）
【公表日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４６４０６（Ｐ２０１２−５４６４０６）
【出願日】平成２２年１２月３日（２０１０．１２．３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０６８８５４
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０８００２５
【国際公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【出願人】（３９００２３７１１）ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング (2,908)
【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ
【住所又は居所原語表記】Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月３日（２０１０．１２．３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０６８８５４
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０８００２５
【国際公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【出願人】（３９００２３７１１）ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング (2,908)
【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ
【住所又は居所原語表記】Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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