JP2006175491A

JP2006175491A - レーザ加工装置、レーザ加工方法、及び燃料噴射弁

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Publication number: JP2006175491A
Application number: JP2004372788A
Authority: JP
Inventors: Kohei Yanaka; 耕平谷中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2006-07-06

Abstract

【課題】レーザ加工において、孔の加工中に溶融池の発生を抑制して、より短い加工時間で、所望の孔を加工することである。
【解決手段】レーザ加工装置１０は、レーザ光１４により孔を加工するレーザ加工装置であって、加工部材であるノズル１２にレーザ光１４を照射する照射部１１と、レーザ光１４の照射領域にアシストガスを噴射する噴射部１３と、アシストガスの圧力を制御する圧力制御部１５と、を備え、圧力制御部１５は、ノズル１２に下孔が貫通するまでは、アシストガスの圧力を低圧とし、下孔の貫通後は、アシストガスの圧力を高圧とする、制御を行う。なお、加工部材に下孔が貫通したことを検出する貫通検出部を備えて、圧力制御部１５は、加工部材に下孔の貫通が検出されるまでは、アシストガス圧力を低圧とし、下孔の貫通を検出した後は、アシストガスの圧力を高圧にする制御を行う、構成としても良い。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光による加工装置及び加工方法に係り、特に、アシストガスを用いて孔を加工するレーザ加工装置及びレーザ加工方法の改良と、このレーザ加工装置及び加工方法により加工された、噴孔を有する燃料噴射弁に関する。

レーザ光を集光させ、加工対象となる部材（以下、加工部材と記す）に照射することで、加工部材を溶融若しくは蒸発させて、加工部材に穴あけ等の加工を施すレーザ加工が従来から知られている。レーザ加工には、加工部材に加工力を及ぼすことなく加工できることや、機械加工が困難な微細加工ができること、融点の高い部材を加工できる等の様々な利点がある。

また、自動車等に搭載される内燃機関においては、その燃焼室もしくは吸気マニホールドに燃料を噴射する手段として、燃料噴射弁、いわゆるフューエル・インジェクタが多く用いられる。このような燃料噴射弁は、より噴霧粒径が小さい燃料を噴射することにより、内燃機関の燃費の向上と、排気ガスの清浄化を図ることができる。そのため、燃料噴射弁のノズルを構成する部材には、この部材の厚さ、即ち加工される孔の長さ（深さ）に対して、より内径が小さい噴孔を、形成することが求められている。また、このような噴孔を短時間で形成することで、燃料噴射弁の生産性を向上させることが要望されている。

このような、内径が小さく且つ深さのある孔を、比較的短時間で形成するために、穿孔する部位にレーザ光を照射して加工する技術が、従来から知られている。例えば、特許文献１には、燃料ノズルを構成する部材であるノズルチップ（金属製の板状材料）に対し、レーザ加工を施して噴孔を形成した燃料噴射ノズルが開示されている。

このようなレーザ光による穿孔加工においては、酸素や、窒素等のアシストガスを、穿孔する部位に向けて噴射することが多い。例えば、酸素を多く含有するアシストガスを用いることで、その反応熱により加工部材の溶融を促進し、加工時間を短縮することが可能となる。一方、窒素ガスを多く含有するアシストガスを用いることにより、加工した孔の内表面に、酸化物が生成されることを防ぐことができる。

更に、アシストガスには、レーザ光による穿孔加工中に、孔の内部で発生した加工部材の溶融物を、孔から排出させる効果がある。アシストガスの噴射圧力により、孔が貫通するまでは表孔（孔のレーザ入射側）から溶融物を排出させ、孔が貫通した後は、裏孔（表孔の反対側）から溶融物を排出させることができる。

特開平５−２３８３４４号公報

上述のアシストガスが加工中の孔から溶融物を排出させる効果に着目し、孔の加工経過に応じてアシストガスの圧力を変化させ、加工中の孔から溶融物を効率よく排出させることにより、燃料噴射弁のノズルを構成する部品に、より短い加工時間で、所望の噴孔を形成する、具体的な手法が求められている。

アシストガスの圧力を変化させながらレーザ加工を行うことで、加工時間を短縮する技術として、例えば、特開平３−２２６３９０号公報２に記載の技術がある。この文献には、レーザ光を用いて６ｍｍ〜９ｍｍ厚の軟鋼板に、内径０．７ｍｍ程度の穴をピアッシング（穿孔加工）し、その後、軟鋼板を切断することが記載されており、穿孔加工の初期には、アシストガスの圧力を８ｋｇ／ｃｍ²と比較的高圧に設定し、穿孔加工の経過に応じてアシストガスの圧力を０．５ｋｇ／ｃｍ²まで低減させることで、ピアッシング（穿孔加工）に要する時間を短縮している。

しかし、燃料噴射弁のノズルを構成する部材は、例えば、１．２ｍｍ厚のクロムモリブデン鋼や、０．４ｍｍ厚のステンレス鋼等の比較的薄い鋼板であることが多く、このような部材に内径６０μｍやそれ以下の微細な噴孔を加工するにあたっては、上述のようなアシストガス圧力を適用しても、加工に要する時間を短縮することはできない。

このような比較的薄い鋼板にレーザ加工を施すにあたって、例えば、加工の初期段階からアシストガスの圧力を高圧（０．７ＭＰａ）に設定すると、レーザ光により溶融した部材が表孔から排出されにくく、穿孔加工中の孔の内部に、図５（ａ）に示すような溶融池（溶融物が池状に溜まったもの）が発生することがあった。穿孔加工中に、このような溶融池が形成されると、この溶融池にレーザ光のエネルギが吸収されて、図６に時間Ｘで示すように、下孔の貫通に要する時間が長くかかるという問題があった。また、加工後の孔に、図５（ｂ）に示すような溶融池の跡が残るという問題も生じた。

一方、穿孔加工の初期段階からアシストガスの圧力をより低圧（０．４ＭＰａ）に設定して加工すると、溶融・蒸発した部材が表孔から効率よく排出されて、図６に時間Ｙで示すように、下孔の貫通に要する時間が短くて済む。しかし、下孔の貫通後においては、裏孔から溶融物が排出されにくく、下孔の貫通から、所望の孔径に加工が完了するまでに要する時間が長くかかるという問題があった。

そこで本発明は、孔の加工中に溶融池の発生を抑制して、より短い加工時間で、所望の孔を加工するレーザ加工装置及び方法を提供することを目的としている。

本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光により孔を加工するレーザ加工装置であって、加工部材にレーザ光を照射する照射部と、レーザ光の照射領域にアシストガスを噴射する噴射部と、アシストガスの圧力を制御する圧力制御部と、を備え、圧力制御部は、加工部材に下孔が貫通するまでは、アシストガスの圧力を低圧とし、下孔の貫通後は、アシストガスの圧力を高圧とする、制御を行う。

ここで、圧力制御部は、下孔の貫通後は、時間経過に応じて、アシストガスの圧力をより高圧とする、制御を行うことが好ましい。

また、本発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光により、孔を加工するレーザ加工装置であって、加工部材にレーザ光を照射する照射部と、レーザ光の照射領域にアシストガスを噴射する噴射部と、アシストガスの圧力を制御する圧力制御部と、加工部材に下孔が貫通したことを検出する貫通検出部と、を備え、圧力制御部は、加工部材に下孔の貫通が検出されるまでは、アシストガスの圧力を低圧とし、下孔の貫通を検出した後は、アシストガスの圧力を高圧とする、制御を行う。

ここで、圧力制御部は、下孔の貫通を検出した後は、時間経過に応じて、アシストガスの圧力をより高圧とする、制御を行うことが好ましい。

また、貫通検出部は、加工部材を貫通したレーザ光の強度を検出することが好ましい。

ここで、圧力制御部は、加工部材を貫通したレーザ光の強度に応じて、アシストガスの圧力をより高圧とする、制御を行うことが好ましい。

また、本発明に係るレーザ加工方法は、レーザ光により孔を加工するレーザ加工方法であって、加工部材にレーザ光を照射すると共に、レーザ光の照射領域にアシストガスを噴射し、低圧のアシストガスで、下孔が貫通するまで加工する工程と、下孔の貫通後は、高圧のアシストガスで、所望の孔径に加工する工程と、を含む。

また、本発明に係るレーザ加工方法は、レーザ光により、孔を加工するレーザ加工方法であって、加工部材にレーザ光を照射すると共に、レーザ光の照射領域にアシストガスを噴射し、加工部材に下孔が貫通したことを検出する貫通検出工程を含み、低圧のアシストガスで、下孔の貫通を検出するまで加工する工程と、下孔の貫通検出後は、高圧のアシストガスで、所望の孔径に加工する工程と、を含む。

ここで、貫通検出工程は、加工部材を貫通したレーザ光の強度を検出することが好ましい。

また、所望の孔径に加工させる工程は、加工部材を貫通したレーザ光の強度に応じて、アシストガスの圧力をより高圧にすることが好ましい。

また、本発明に係る燃料噴射弁は、ノズルにレーザ光が照射され、レーザ光の照射領域にアシストガスが噴射されて、ノズルに噴孔が加工される燃料噴射弁であって、低圧のアシストガスで、ノズルに下孔が加工され、ノズルに下孔が貫通した後は、高圧のアシストガスで、所望の噴孔に加工され、噴孔の表孔から裏孔まで、略均一な断面形状を有することを特徴とする。

本発明によれば、加工中の孔から溶融物を効率よく排出させ、より短い加工時間で、表孔から裏孔まで略均一な断面形状を有する孔を、レーザ加工することができる。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を用いて詳細を説明する。

〔第１実施形態〕
まず、第１実施形態のレーザ加工装置の構成について説明する。図１は、本実施形態のレーザ加工装置１０の構成を示す図である。本実施形態のレーザ加工装置１０は、加工部材に、所望の孔径を有する孔を、レーザ光１４により穿孔加工するレーザ加工装置である。

ここで、このレーザ加工装置１０の加工対象である加工部材について説明する。本実施形態においては、加工部材（加工対象となる部材）として、ディーゼルエンジン等で用いられる筒内噴射用の燃料噴射弁の構成部品であるノズル１２が、治具に固定されている。このノズル１２は、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４２０）で成形されており、レーザ光１４により加工し、噴孔が形成される部位の厚みは、１．２ｍｍである。

図１に示すように、レーザ加工装置１０は、加工部材であるノズル１２にレーザ光１４を照射する照射部１１と、レーザ光１４の照射領域に、アシストガスを噴射する噴射部１３と、アシストガスの圧力を制御する、圧力制御部１５と、から構成されている。レーザ加工装置１０の各部について、以下に詳細を説明する。

本実施形態の照射部１１は、レーザ光１４を発振し出力するレーザ発振装置１６と、アシストガスノズル１８に組み付けられている集光レンズ２０とを有している。レーザ発振装置１６から出力されたレーザ光１４は、集光レンズ２０により集光されて、ノズル１２の穿孔加工を行う部位２２（以下、穿孔部位と記す）に照射される。ノズル１２は、その穿孔部位２２にレーザ光１４が照射されるように、治具２４等により位置決めされる。

なお、レーザ光１４には、波長５３２ｎｍのＹＡＧ−ＳＨＧレーザが用いられ、レーザ発振装置１６からは、平均出力１４Ｗ、１パルスあたりのエネルギ１．４ｍＪ、パルス幅３０ｎｓｅｃのパルス光が、１０ｋＨｚの周波数で出力されている。レーザ光１４には、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザや、波長３５５ｎｍ若しくは波長２６６ｎｍのＵＶレーザを用いても、同様の効果を奏することができる。

本実施形態の噴射部１３は、アシストガスを充填したガスボンベ２６と、このガスボンベ２６からアシストガスノズル１８に、アシストガスを供給する供給管２８，３０と、供給されたアシストガスを、加工部材（ノズル１２）に向けて噴射するアシストガスノズル１８とを有している。ガスボンベ２６に、十分な圧力をもって充填されたアシストガスは、供給管２８，３０により、後述する圧力調整器３２を経て、アシストガスノズル１８に給送される。アシストガスノズル１８は、ノズル１２に向けて、先細の形、すなわちテーパ形状となっており、アシストガスを、レーザ光１４の照射領域、即ちノズル１２の穿孔部位２２に導く。

本実施形態の圧力制御部１５は、供給管２８，３０のガス給送経路に設けられており、アシストガスの圧力を調整する圧力調整器３２と、これに接続されて圧力調整器３２における調整圧力を制御するガス圧制御装置３４と、を有している。ガス圧制御装置３４には、加工時間に対する調整圧力の設定値が、予めプログラムされている。ガス圧制御装置３４は、この設定値に基づき、圧力調整器３２に制御信号を送出する。圧力調整器３２は、この信号に基づき、供給管２８から流入するアシストガスの圧力を調整し、供給管３０に送出する。なお、加工経過時間に対する調整圧力の設定値は、実験等により、所望の形状の孔が最も早く加工できるような値が定められている。

本実施形態において使用されるアシストガスは、９５％の窒素ガスと、５％の酸素から構成されている。５％の酸素は、その反応熱によりノズル１２等の加工部材の溶融を促進する効果がある。残り９５％の窒素ガスは、レーザ光１４の照射領域に、比較的酸素濃度が高い空気が、ノズル１２の穿孔部位２２、すなわちレーザ光１４の照射領域に直接触れることを防ぐことで、穿孔加工された孔の内表面に、酸化皮膜等の酸化物が形成されることを極力防止している。

また、アシストガスは、その圧力により、レーザ光１４が照射されて溶融した溶融物を、穿孔加工中の孔から排出している。アシストガスは、穿孔部位２２に孔が貫通するまでは、孔のレーザ入射側である表孔から溶融物を排出させ、孔が貫通した後は、表孔の反対側である裏孔から溶融物を排出させる。

次に、本実施形態のレーザ加工装置１０の作用について、図２及び図３を用いて以下に説明する。図２は、加工の時系列的な孔の形成の様子を示す断面斜視図であり、（ａ）は、加工開始時を示し、（ｅ）は加工が完了した状態を示す。図２においてレーザ光１４により溶融した溶融物が孔から排出される方向を、矢印で示す。図３は、レーザ照射時間と、ノズル１２（加工部材）に形成された裏孔４０径との関係を示す図である。

レーザ加工を行うにあたって、まず、加工部材である燃料噴射弁のノズル１２が、レーザ加工装置１０の治具２４に固定される。そして、レーザ発振装置１６からは、レーザ光１４が出力される。レーザ発振装置１６から出力されたレーザ光１４は、アシストガスノズル１８に取り付けられた集光レンズ２０で集光されて、図２（ａ）に示す、燃料噴射弁のノズル１２の所望の部位である照射領域３６に到達する。ノズル１２の照射領域３６にある金属は、レーザ光１４を吸収し、加熱されて溶融する。このレーザ光１４の照射開始時点を図３の時点Ａと規定する。

一方、このノズル１２に対するレーザ光１４の照射開始と共に、ノズル１２へのアシストガスの噴射が開始される。ガス圧制御装置３４は、予め設定されたプログラムに基づき、圧力調整器３２における調整圧力を０．１ＭＰａに設定する。ガスボンベ２６からは、高圧のアシストガスが供給管２８に供給されている。圧力調整器３２は、供給管２８から流入した高圧のアシストガスを、ガス圧制御装置３４からの圧力制御値に基づき、０．１ＭＰａに減圧し、供給管３０に供給する。供給管３０に供給されたアシストガスは、アシストガスノズル１８に流入し、アシストガスノズル１８の先端部から、図２（ａ）に示すレーザ光１４の照射領域３６に向けて噴射される。なお、本実施形態において、レーザ光１４の照射開始と共に、アシストガスを噴射するものとしたがこれに限定されるものではない。例えば、レーザ光１４の照射開始前に、アシストガスを照射領域３６に噴射しても良い。

そして、図２（ｂ）に示すように、レーザ光１４により溶融した溶融物が、低圧（０．１ＭＰａ）のアシストガスにより吹き飛ばされて、加工初期の孔４２が形成される。この時点では、ノズル１２には未だ下孔４４は貫通しておらず、この孔に裏孔４０は形成されていない。この加工状態は、図３における時点Ａと時点Ｂの間を示している。この孔の内部においてレーザ光１４により溶融した溶融物は、アシストガスの圧力により、表孔３８から排出される。このように、下孔４４が貫通するまでは、アシストガスの圧力を低圧（０．１ＭＰａ）としたため、加工中の孔の内部における溶融池の発生を抑制して、表孔３８から効率よく排出させることができる。

図３の時点Ｂまで加工したところで、下孔４４が貫通し、裏孔４０が形成される。下孔４４が貫通すると、それまで表孔３８より排出されていた溶融物が、図２（ｃ）に示すように、裏孔４０からも排出され始める。この下孔４４が貫通した時点においては、アシストガスの圧力は、未だ低圧（０．１ＭＰａ）に設定されている。

この後若しくは直後、図３に示す時点Ｃにおいて、ガス圧制御装置３４は、予め設定されたプログラムに基づき、圧力調整器３２における調整圧力を、より高圧な０．７ＭＰａに設定する。高圧のアシストガスが、レーザ光１４の照射領域３６、すなわちノズル１２の穿孔部位２２に噴射されて、図２（ｄ）に示すように、溶融物は主に裏孔４０から排出される。この時点において、図３に示すように裏孔径は、３０μｍまで拡大している。このように、下孔貫通後に、アシストガスの圧力を高圧（０．７ＭＰａ）としたため、溶融物を裏孔４０から効率よく排出させることができる。

そして、高圧のアシストガスで図３の時点Ｄまで加工すると、図２（ｅ）に示すような、所望の孔径を有する孔、具体的には、内径６０μｍのノズル１２の噴孔４６が完成する。この噴孔４６が完成するまでの間、加工中の孔の内部における溶融池の発生が抑制される。これにより、完成したノズル１２の噴孔４６は、その表孔３８から裏孔４０まで略均一な断面形状を有し、レーザ光１４の照射方向にストレートな形状とすることができる。

以上、本発明の好適な第１実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。第１実施形態において、加工対象である加工部材として、燃料噴射弁の構成部品であるノズル１２としたが、例えば、加工部材は、マルチポイントインジェクション用の燃料噴射弁の構成部品であるオリフィスディスクであっても良いし、燃料噴射弁とは関係なく、他の金属部材であっても良い。また、加工部材は、金属部材に限定されるものではない。レーザ光により溶融することが可能な部材であれば、金属以外の他の部材であっても良い。

また、第１実施形態において、レーザ光にはＹＡＧレーザが用いられたが、これに限定されるものではない。加工部材を十分に溶融させることができるレーザ光であれば、その波長や出力等は問わない。レーザ発振装置１６に、炭酸ガスレーザなどを用いることも好適である。

また、第１実施形態において、アシストガスには、酸素５％、窒素９５％の組成のものが用いられたが、これに限定されるものではない。加工部材の融点や、レーザ光の強度に応じて、最適な組成のアシストガスが用いられる。例えば、より酸素を多く含有するアシストガスを用いることで、その酸化反応熱により、加工部材の溶融を促進し、加工時間を短縮することもできる。また、より窒素ガスを多く含有するアシストガスを用いることで、本レーザ加工により形成された孔の内表面に酸化物が生成されてしまうことを、より確実に防止することができる。

また、第１実施形態においては、加工部材に形成される孔の裏孔径が約３０μｍとなった時点で、アシストガス圧力を低圧（０．１ＭＰａ）から、高圧（０．７ＭＰａ）に変化するよう制御したが、これに限定されるものではない。加工部材に下孔が貫通するまでは、加工中の孔の内部における溶融池の発生を抑制して表孔３８から溶融物が効率よく排出でき、且つ下孔が貫通後は、裏孔４０から溶融物が効率よく排出できるようなアシストガス圧力と、その切替えタイミングであれば良い。

ここで、例えば、加工部材の材質や厚みに応じて、下孔が貫通するまでは、０．０１ＭＰａ〜０．３ＭＰａのアシストガス圧力とし、下孔貫通後のアシストガス圧力を、下孔貫通前のアシストガス圧力より高圧な、０．２ＭＰａ〜１．０ＭＰａのアシストガス圧力を採用することも好適である。

また、下孔貫通後においては、時間経過に応じて、アシストガスの圧力を、より高圧に制御することも好適である。下孔が貫通後、拡大する裏孔径に応じて、溶融物を排出させやすい最適なアシストガス圧力とすることで、下孔貫通後の溶融物の排出性をより向上させることができる。これにより、加工部材に所望の孔が加工されるまでに要する時間を、より短縮することができる。

〔第２実施形態〕
まず、第２実施形態のレーザ加工装置の構成について説明する。図４は、本実施形態のレーザ加工装置５０の概略を示す図である。本実施形態のレーザ加工装置は、加工部材を貫通したレーザ光の強度を検出する貫通検出部であるパワーメータ５４を備えており、圧力制御部１５は、パワーメータ５４が検出したレーザ光の強度に応じて、アシストガスの圧力を制御する点で、第１実施形態とは異なる。以下に、第２実施形態の構成について、図４を用いて詳細を説明する。なお、第１実施形態のレーザ加工装置１０と共通の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。

ここで、本実施形態のレーザ加工装置５０の加工対象である加工部材について説明する。加工部材として、マルチポイント式燃料噴射装置等で用いられる燃料噴射弁の構成部品であるオリフィスディスク５２が、冶具（図示せず）に固定される。例えば、このオリフィスディスク５２は、円盤形状を呈し、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）等で成形されている。レーザ光によりオリフィスディスク５２に噴孔４６が形成される部位の厚みは、約０．４ｍｍである。

本実施形態のパワーメータ５４は、オリフィスディスク５２に下孔４４が貫通したことを検出する機能を有し、オリフィスディスク５２を貫通したレーザ光１４の強度を検出する。パワーメータ５４は、図４に示すように、オリフィスディスク５２を挟んでレーザ光１４が入射する側に対して反対側の、オリフィスディスク５２の裏孔４０に対応する位置に配置されている。パワーメータ５４は、オリフィスディスク５２に入射したレーザ光１４のうち、これを貫通して、パワーメータ５４に入射するレーザ光１４の強度、すなわち単位時間あたりのエネルギ、を検出する。パワーメータ５４は、ガス圧制御装置３４と電気的に接続されており、検出したレーザ光１４の強度に基づく出力信号を、ガス圧制御装置３４に入力する。

ガス圧制御装置３４は、パワーメータ５４からの出力信号に基づき、圧力調整器３２における調整圧力を制御する。ガス圧制御装置３４には、パワーメータ５４からの出力信号に対する調整圧力の設定値が、予めプログラムされている。ここで、本実施形態のパワーメータ５４が検出したレーザ光強度に対する調整圧力の関係は、実験等により、所望の形状の孔が最も早く加工できるような値が予め定められている。ガス圧制御装置３４は、この関係（設定値）に基づき、圧力調整器３２に制御信号を入力する。圧力調整器３２は、この制御信号に基づき、アシストガスの圧力を調整する。

次に、第２実施形態のレーザ加工装置５０の作用について、再び図２を用いて説明する。第１実施形態と同様に、まず、燃料噴射弁のノズルを構成するオリフィスディスク５２が、治具２４に固定される。そして、レーザ発振装置１６からは、レーザ光１４が出力される。オリフィスディスク５２のレーザ光照射領域３６は、レーザ光１４を吸収し、加熱されて溶融する。

一方、このノズルに対するレーザ光１４の照射開始と共に、オリフィスディスク５２であるノズルへの、アシストガスの噴射が開始される。ガス圧制御装置３４は、予め設定されたプログラムに基づき、圧力調整器３２における調整圧力を０．１ＭＰａに設定されている。アシストガスは、アシストガスノズル１８先端部から、レーザ光１４の照射領域３６に向けて噴射される。

第１実施形態と同様に、レーザ光１４により溶融した溶融物が、低圧（０．１ＭＰａ）のアシストガスにより吹き飛ばされて、加工初期の孔４２が形成される。この孔の内部においてレーザ光１４により溶融した溶融物は、アシストガスの圧力により、表孔３８から排出される。このように、下孔４４が貫通するまでは、アシストガスの圧力を低圧（０．１ＭＰａ）としたため、加工中の孔の内部にむける溶融池の発生を抑制して、表孔３８から効率よく排出させることができる。

そして、下孔４４が貫通し、裏孔４０が形成される。下孔４４が貫通すると、それまで表孔３８より排出されていた溶融物が裏孔４０から排出され始める。これと同時に、表孔３８側から入射したレーザ光１４も、この下孔４４を抜けてパワーメータ５４に入射する。パワーメータ５４は、このレーザ光１４の入射により、オリフィスディスク５２に下孔４４が貫通したことを検出することができる。また、パワーメータ５４は、レーザ光１４の強度を検出することができる。

この直後、ガス圧制御装置３４は、パワーメータ５４が検出したレーザ光強度に応じて、アシストガスの圧力を、より高圧に制御する。検出されたレーザ光強度が強いほど、アシストガスの圧力をより高圧に設定する。

ここで、パワーメータ５４に入射したレーザ光強度、すなわち単位時間あたりのエネルギは、オリフィスディスク５２に貫通した孔における、裏孔４０の表面積に略比例する。レーザ光１４の照射領域３６が略円形の場合、裏孔４０の表面積は、裏孔４０の孔径の２乗に比例する。これにより、ガス圧制御装置３４は、パワーメータ５４が検出したレーザ光１４のエネルギから、オリフィスディスク５２に貫通した下孔４４の裏孔径を推定することができる。

したがって、ガス圧制御装置３４は、貫通した下孔４４の裏孔径に対し、最適なアシストガス圧力を設定することで、加工中の孔の内部にある溶融物を、裏孔４０から効率よく排出させることができる。この結果、レーザ加工装置５０は、下孔４４が貫通した後の加工時間を、より短縮することが可能となる。

そして、高圧のアシストガスで、所望の孔径を有する孔が完成するまでの間、加工中の孔の内部に溶融池の発生が抑制される。これにより、図２（ｅ）に示すように、完成したノズルの噴孔４６は、その表孔３８から裏孔４０まで略均一な断面形状を有し、レーザ光１４の照射方向にストレートな形状とすることができる。

以上、本発明の好適な第２実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、貫通検出部は、加工部材を貫通したレーザ光強度を検出するパワーメータ５４で構成されたがこれに限定されるものではなく、レーザ光強度を検出できるものであれば良い。例えば、パワーメータ５４に替えてフォトダイオードを用いることで、より安価な構成とすることもできる。

また、圧力制御部１５は、加工部材を貫通したレーザ光の強度に応じて、アシストガスの圧力をより高圧とする制御を行うものとしたが、これに限定されるものではない。貫通検出部が下孔の貫通を検出した後は、時間経過に応じて、アシストガスの圧力を、より高圧に制御しても良い。この場合、貫通検出部は、レーザ光の強度を検出する必要はなくなる。レーザ光が加工部材を貫通したことのみ検出できれば良く、パワーメータ５４に替えてフォトトランジスタなどをレーザ光の検出に用いることができる。

本発明に係る第１実施形態のレーザ加工装置の構成を示す概略図である。本発明に係る実施形態の、加工部材に孔が形成される様子を示す断面斜視図であり、（ａ）は、加工開始時を示す図であり、（ｂ）は表孔が形成され下孔が貫通する前の状態を示す図であり、（ｃ）は下孔が貫通して裏孔が形成された状態を示す図であり、（ｄ）は、裏孔が拡大していく状態を示す図であり、図２（ｅ）は所望の孔が形成されて加工が完了した状態を示す図である。本発明に係る第１実施形態における、レーザ照射時間と加工部材に形成された裏孔径との関係を示す図である。本発明に係る第２実施形態のレーザ加工装置の構成を示す概略図である。従来技術の、高圧のアシストガス圧でレーザ加工を行い、溶融池が発生した状態を示す、加工部材の断面図であり、（ａ）は下孔が貫通するまでの状態を示す図であり、（ｂ）は、加工が完了した状態を示す図である。従来技術の、各アシストガス圧でレーザ加工を行った場合における、レーザ照射時間と加工部材に形成された裏孔径との関係を示す図である。

符号の説明

１０レーザ加工装置、１１照射部、１２ノズル（加工部材）、１３噴射部、１４レーザ光、１５圧力制御部、３２圧力調整器、３４ガス圧制御装置、５０レーザ加工装置、５４パワーメータ（貫通検出部）。

Claims

レーザ光により、孔を加工するレーザ加工装置であって、
加工部材にレーザ光を照射する照射部と、
レーザ光の照射領域にアシストガスを噴射する噴射部と、
アシストガスの圧力を制御する圧力制御部と、
を備え、
圧力制御部は、
加工部材に下孔が貫通するまでは、アシストガスの圧力を低圧とし、下孔の貫通後は、アシストガスの圧力を高圧とする、制御を行う、
レーザ加工装置。
請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
圧力制御部は、
下孔の貫通後は、時間経過に応じて、アシストガスの圧力をより高圧とする、制御を行う、
レーザ加工装置。
レーザ光により、孔を加工するレーザ加工装置であって、
加工部材にレーザ光を照射する照射部と、
レーザ光の照射領域にアシストガスを噴射する噴射部と、
アシストガスの圧力を制御する圧力制御部と、
加工部材に下孔が貫通したことを検出する貫通検出部と、
を備え、
圧力制御部は、
加工部材に下孔の貫通が検出されるまでは、アシストガスの圧力を低圧とし、下孔の貫通を検出した後は、アシストガスの圧力を高圧とする、制御を行う、
レーザ加工装置。
請求項３に記載のレーザ加工装置であって、
圧力制御部は、
下孔の貫通を検出した後は、時間経過に応じて、アシストガスの圧力をより高圧とする、制御を行う、
レーザ加工装置。
請求項３又は４に記載のレーザ加工装置であって、
貫通検出部は、加工部材を貫通したレーザ光の強度を検出することを特徴とするレーザ加工装置。
請求項５に記載のレーザ加工装置であって、
圧力制御部は、
加工部材を貫通したレーザ光の強度に応じて、アシストガスの圧力をより高圧とする、制御を行う、
レーザ加工装置。
レーザ光により、孔を加工するレーザ加工方法であって、
加工部材にレーザ光を照射すると共に、レーザ光の照射領域にアシストガスを噴射し、
低圧のアシストガスで、下孔が貫通するまで加工する工程と、
下孔の貫通後は、高圧のアシストガスで、所望の孔径に加工する工程と、
を含む、レーザ加工方法。
レーザ光により、孔を加工するレーザ加工方法であって、
加工部材にレーザ光を照射すると共に、レーザ光の照射領域にアシストガスを噴射し、
加工部材に下孔が貫通したことを検出する貫通検出工程を含み、
低圧のアシストガスで、下孔の貫通を検出するまで加工する工程と、
下孔の貫通検出後は、高圧のアシストガスで、所望の孔径に加工する工程と、
を含む、レーザ加工方法。
請求項８に記載のレーザ加工方法であって、
貫通検出工程は、加工部材を貫通したレーザ光の強度を検出することを特徴とするレーザ加工方法。
請求項９に記載のレーザ加工方法であって、
所望の孔径に加工させる工程は、加工部材を貫通したレーザ光の強度に応じて、アシストガスの圧力をより高圧にすることを特徴とするレーザ加工方法。
ノズルにレーザ光が照射され、レーザ光の照射領域にアシストガスが噴射されて、ノズルに噴孔が加工される燃料噴射弁であって、
低圧のアシストガスで、ノズルに下孔が加工され、
ノズルに下孔が貫通した後は、高圧のアシストガスで、所望の噴孔に加工され、
噴孔の表孔から裏孔まで、略均一な断面形状を有することを特徴とする燃料噴射弁。