JP2662041B2 - レーザビームを用いた孔あけ加工法及びこれを利用した燃料噴射弁のノズルの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザビームを用いた孔あけ加工法、及び
これを利用した燃料噴射弁のノズルの製造方法に関す
る。

〔従来の技術〕

例えば、電磁式燃料噴射弁のノズル噴孔のような微細
孔を穿設する場合には、従来は、次のようにして行われ
ていた。

先ず、ノズル本体となる被加工物に取りしろを残して
仕上り径Φｄより小さい下孔（下穴）をドリル等であけ
る（下孔径をΦdoとする）。

次に、Φdoより小さい径の磁石を用い、下孔がΦｄに
なるまで研削加工する。

なお、このような電磁式燃料噴射弁の従来技術として
は、例えば、特開昭60−19957号公報に開示されてい
る。

また、その他の孔あけに関する従来技術としては、軟
質性ワークに対しては、例えば特開昭62−9790号公報に
開示されるようにレーザビームを照射して、その熱エネ
ルギーによる加熱溶融を利用して、孔あけを行うものが
ある。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記した従来技術のうち、電磁式燃料噴射弁の孔あけ
技術のように、下孔工程と、研削による仕上げ工程を要
するものは、焼き入れを施した硬質の被加工物に適用さ
れるが、仕上げ工程を機械的な研削により行う場合に
は、さらに次のような作業を必要とする。

すなわち、仕上げ工程では、磁石を回転と同時に孔の
軸方向に上下運動させるために、孔の入口側と出口側に
研削時のばりや、かえりが発生する。そして、このよう
なばり，かえりを除去するために、ノズル本体の加工時
に、成形磁石による機械加工や、テーパ状の押しつけピ
ンを使用しての剥離加工を行っていた。しかし、これら
のばり除去作業は、磁石の摩耗、ばり高さの不均一によ
る剥離加工のばらつき等により、除去作業を行った後で
も、製品のばらつきが発生し、品質の均一性を確保する
のが軟しかった。

このような品質のばらつきは、例えば、燃料噴射弁の
ようなノズルを被加工物とした場合には、ノズルをイン
ジェクタに組み込むと、次のような現象が発生する。

これを、第８図により説明する。第８図の符号の５は
ボール弁、６はノズル本体、７は噴射孔で、図示するよ
うに、ボール弁５とノズル本体６との間を流れる燃料
は、燃料入口部ａにばり８が残留すると、通過する燃料
の一部が燃料入口ａ付近にて渦巻流となってノズル本体
６の壁面から剥離する。そのため、燃料噴射量の安定性
を損なうばかりか、噴霧のばらつき、微粒化を低下させ
る原因となる。

以上の事情を配慮して、最近では、仕上げ加工の取り
しろ除去を、磁石のような機械研削方式にかえて、レー
ザビームの熱エネルギーで除去することが提案されてい
る。

第２図及び第６図は、本発明者らが当初に試みたレー
ザビームによる仕上げ工程を示し、第２図（ａ），第６
図（ａ）はレーザビーム照射状態を、第２図（ｂ），第
６図（ｂ）はその仕上げ後の状態を示すものである。こ
の試みでは、第２図（ａ），第６図（ａ）に示すように
噴孔７仕上げ前の下孔ｃの中心軸に対してレーザビーム
10を平行にして、ノズル本体６を回転させつつレーザ照
射を行い〔レーザの焦点は、孔の入口側（始端位置）ａ
に合わせられる〕、このレーザビームの熱エネルギーの
よって取りしろ８を溶解，除去する方式を採用した。

しかしながら、この方式によれば、第２図（ｂ）第６
図（ｂ）に示すように孔の入口側ａに対して出口側（終
端位置）ｂの仕上げ孔径が小さくなり、孔が片側θ′゜
のテーパ状の孔となる。これは、レーザビームのエネル
ギーの方向性は孔と平行となる反面、入口側ａにレーザ
ビーム10の焦点を合わせているために、レーザビームが
孔の出口側ｂに向かうにつれて、レーザエネルギーが低
減し、被加工物の取りしろ８の溶解量が徐々に現象する
ので、入口側ａと出口側ｂとの孔径Φda,Φdbとに差が
生じるためと考えられる。

このようなテーパ形状の孔は、燃料噴射弁のようなノ
ズル噴孔７に適用した場合、その噴孔７の長さｌがどの
製品にも均一に保たれれば、各製品同士の噴孔のテーパ
角θ′も同じ仕様とすることができ、問題はない。

しかし、実際には、噴孔７の長さｌは、ノズル本体
（被加工物）の板厚のばらつきの影響によって、どれも
が均一性を確保することは困難である。そのため、各製
品同士の噴孔の入口側ａの孔径Φda,出口側ｂの孔径Φd
bの仕様を同じくできても、ｌが変化することでテーパ
角θ′に変化が生じ、噴孔の形状の均一性を保つことが
難しい。

そして、噴孔の形状のばらつきによって、それぞれの
孔の流量係数がまちまちとなり、流量精度にばらつきが
生じることになる。従って、量産される噴射弁の場合に
は、噴孔の長さ全体にわたって均一な孔径であること
が、上記問題を回避する上で望まれる。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、その目
的とするところは、下孔工程，仕上げ工程等により孔あ
け加工を行う場合に、その仕上げ工程においては、ばり
等の発生がなく、作業能率の向上を図り、且つ、被加工
孔の孔径をその長さ全体にわたり略均一に仕上げること
のできる孔あけ加工法及びそれを利用したノズルの製造
方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は、本発明の基本的な原理を示す。

すなわち本発明は第１図（ａ）に示すように、（イ）
被加工物６に取りしろ（点線で示す領域）８を残してΦ
doなる下孔ｃをあける工程と、 取りしろ８をレーザビーム10の照射により溶解，除去
して、孔径を目標径Φｄとなるように仕上げ加工する工
程とを有し、 前記仕上げ工程では、下孔ｃの中心軸に対してレーザ
ビーム10を傾け、且つこのレーザビーム10の傾き角θ
は、レーザビームの延長線10′がその始端から終端にむ
けて進むにつれて取りしろ８の領域よりも外側にそれる
角度に設定し、このレーザビーム10の焦点を取りしろ８
の始端位置に合わせて、被加工物６を回転させながらレ
ーザビームの照射を行うようにする。

〔作用〕

このような構成よりなる本発明によれば、先ず、仕上
げの前提条件として、（イ）の下孔工程が行われるが、
この下孔ｃは、通常、ドリルその他適宜の機械的穿孔手
段で行われる。

次いで、（ロ）のレーザビーム照射による仕上げ工程
が行われる。そして、本発明では、このレーザ光照射を
行う場合、前述したように、下孔ｃの中心軸に対してレ
ーザビーム10を傾けて行う。このレーザビーム10の傾き
角θは、レーザビームの延長線10′がその始端から終端
にむけて進むにつれて取りしろ８の領域よりも外側にそ
れる角度に設定する。そして、このレーザビーム10の焦
点を取りしろ８の始端位置ａに合わせつつ、被加工物６
を回転させながら行うと、仕上げ孔ｃの入口側ａ部の孔
径Φdaと出口側ｂ部の孔径Φdbとが、 Φda≒dbとなり、第１図（ｂ）に示すように仕上げ孔７
の長さ全域にわたり孔径が略均一となる結果が得られ
た。

その理由は次のように考えられる。すなわち、前記の
如くレーザビームの傾きを設定すると、レーザビーム10
の照射方向が照射の終端ｂに向かうにつれて、取りしろ
８の領域よりも外側に徐々にそれる。そのため、レーザ
ビーム10の熱エネルギーは、角度θにそって被加工物６
を溶解，除去しようとするわけであるが、レーザビーム
の焦点をａの位置に合わせてレーザ照射を行っているの
で、終端ｂに至るにつれてレーザビームのエネルギーが
低減し、その分、溶解量が減少し、この減少分と前記取
りしろの外側に外れようとするレーザビームの働きが相
殺し合って、実際の取りしろの角度は、θよりも狭めら
れ、その結果、目標の取りしろ８の幅に近づくためと考
えられる。

なお、下孔ｃの中心軸に対するレーザビーム10の最適
傾き角θは、被加工物の材質，仕様等に対応して変わ
る。その目安としては、例えば、実際の製作にあたり、
予めシミュレーションにより、第２図に示す如く、下孔
工程のΦdoの孔の取りしろに、この孔の中心軸に対して
平行なレーザビーム10を取りしろの始端に焦点を合わせ
つつ照射し、この照射により仕上げられた孔の始端位置
の孔径Φdaと終端位置の孔径Φdbとの差で決まる孔の仕
上げ精度誤差角度θ′を求め、θ′と同程度或いはこれ
に近い角度にすればよい。換言すれば、中心軸と平行な
ビーム照射では、仕上げ孔７がθ′の傾きで徐々に孔が
径小化するので、このθ′の径小化を見込んで、これと
相殺するような傾き角θを設定することが、好ましい結
果が得られる。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第３図，第４図，第５図，第７図
に基づき説明する。

第３図は、本発明の適用対象となる電磁式燃料噴射弁
（以下、インジェクタと称する）の縦断面図、第４図
は、その要部断面図である。

第３図のインジェクタは、ヨーク１内に、ボビン２に
嵌装された電磁コイル４と、ボール弁５付きのプランジ
ャ3,戻しばね11、固定コア13を内蔵し、インジェクタの
下部にノズル本体６が装着されている。

ノズル本体６の内部には、弁シート12が形成され、弁
シート12の下流に噴孔７が形成され、弁シート12の上流
に燃料に旋回力を付与するスワラー９が組み込まれる。
スワラー９の内周には、ボール弁５を案内するようにし
てセットし、ボール弁５は、ばね11の力により弁シート
12に圧接している。

本実施例のインジェクタは、電磁コイル４を通電する
と、ヨーク1,固定コア13,プランジャ３が磁気回路を形
成して、プランジャ３が固定コア13側に吸引されて、ボ
ール弁５が弁シート12から離れる。

そして、インジェクタ内に流入した燃料は、スワラー
９の燃料旋回溝9aを介してボール弁５と弁シート12間の
環状すき間を通り、噴孔７で計量されつつ外部に噴射さ
れる。

このような計量を行う噴孔７は、加工に際して、流量
の再現性を図り得るよう精度が要求される。

ここで、本実施例のノズル製造において適用される噴
孔７の加工工程及び面取り工程までを説明する。

第５図は、噴孔７の仕上げ段階の工程を示すもので、
その前提としては、取りしろ８（第１図参照）を残して
Φdoとなる下孔ｃがドリル等の機械工作で穿孔されてい
る。

インジェクタの噴孔７の仕様は、例えば、孔径がΦ0.
35〜1.5mmで、長さが0.5〜1.5mm程度の微細孔で、ノズ
ルの材質は、鉄系のSU440を焼き入れ硬化したものが使
用される。

そして、仕上げ工程を行う場合には、取りしろ除去に
レーザビームを照射して行うが、この場合、レーザ照射
の安定性を保つために、電力容量及び焦点を一定にして
行われる。この焦点は、取りしろの始端位置、すなわち
噴孔７の入口側ａ部に合わせてある。

また、レーザビーム10は、孔の中心軸に対して傾けて
行われるが、この場合の傾きは、基本的には、第１図に
示す如くレーザビーム10の照射方向の延長線10′が設定
の取りしろ領域８よりも外側にそれる方向に設定する。

この設定は、予めシミュレーションにより、下孔工程
の済んだ取りしろに、第６図に示す如く、孔の中心軸に
対して平行なレーザビームを取りしろの始端位置に焦点
を合わせつつ照射し、この照射により仕上げられた孔の
始端の孔径Φdaと終端の孔径Φda（第６図の場合には、
既述したようにΦdbとΦdaとは、レーザビームエネルギ
ーが孔の始端ａより終端ｂに移行するにつれて低減する
ため、その分、終端に進行するほど単位時間当たりの取
りしろ溶解量が減少し、Φdb＜Φdaの関係にある）との
差で決まる孔の仕上げ精度誤差角度θ′を求め、これと
略等しい角度に設定している。

そして、このような設定条件のもとでノズル本体６を
所定の回転速度で回転させつつ、レーザビームの照射を
行う。

このレーザビーム加工法によれば、仕上げ工程後の噴
孔７の孔径を測定した結果、噴孔７の入口側ａ部と出口
側ｂ部との孔径ΦdaとΦdbとが、Φda≒dbで、その入口
ａ部から出口ｂ部に至るまでの孔の全長にわたり、孔径
が均一な円筒状の噴孔を得ることができた。

円筒上の噴孔７が得られる理由は、発明の作用の項で
も述べたように、孔の中心軸に対するレーザビームの照
射方向が、孔の終端ｂに向かうにつれて、取りしろより
も外側にそれるような傾き角θに設定するため、レーザ
ビーム10が、角度θにそって取りしろを溶解，除去しよ
うとする反面、焦点を始端ａの位置に合わせてレーザ照
射を行うので、終端ｂに至るにつれてレーザビームのエ
ネルギーが低減し、その分、溶解量が減少して、実際の
取りしろの角度は、θよりも狭められて、両者の相反す
る作用の結果、目標の取りしろ幅に近づくためと考えら
れる。

特に、本実施例のように、中心軸に対するレーザビー
ムの傾き角θを、第６図のような平行レーザビーム照射
した時の仕上げの精度誤差角度θ′と同程度にすれば、
θ′とθとが打消しあって、孔径の均一化を最も図るこ
とができる。

本実施例では、レーザ照射により円筒状の孔７を得た
後に、その孔の入口側ａ部と出口側ｂ部との角部に、第
５図（ｂ）の如くアール面を形成するような面取り加工
を施す。

このアール面取りを施すために、噴孔７の仕様は、孔
径をΦｄとし、長さをｌとした場合、Φd/l≦１なる関
係に設定してある。

このような関係に設定する理由は、仮に逆のΦd/l≧
１なる関係にした場合には、Φｄのｌに対する比率が大
きくなり過ぎて、アールも大きくなり過ぎ、その分、長
さｌが犠牲になって、有効オリフィス長ｌを確保できな
くなるためである。

しかして、本実施例によれば、次のような効果を奏す
る。

（イ）噴孔７の仕上げ工程をレーザビーム照射で行うの
で、従来の機械式の研削加工のように、噴孔の入口及び
出口にばり，かえりが生ぜず、且つ、アール面取りが同
時に施すことができるので、第７図に示す如く燃料の剥
離現象がなく、噴射量の安定化，噴霧のばらつき，微粒
化の低下を防止できる。

（ロ）また、量産される製品間の噴孔７の長さｌがばら
ついても、噴孔７の孔径を長さ全体にわたって均一化で
きるので、各製品の流量係数の均一化を図ることがで
き、製品間の燃料噴射の再現性をも図ることができる。

（ハ）レーザビーム照射の仕上げ加工は、機械研削によ
るものに較べて、短時間で行うことが可能で、且つ従来
のようなばり除去作業を必要としないので、仕上げ加工
時間を従来の略1/40と短縮することができ、生産性の面
でも大幅な向上を図ることができる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、下孔工程，仕上げ工程
等を経て孔あけを行う場合に、その仕上げ工程におい
て、レーザビーム加工方式を採用するので、ばり等の発
生がなく作業時間及び能率の向上を図り、且つ、レーザ
ビームの照射に工夫を凝らすことで、レーザビームの電
力容量，焦点位置を一定に保ちつつ、複雑なレーザビー
ム制御を行うことなく、被加工孔の孔径をその長さ全体
にわたり略均一に仕上げることのできるといった、優れ
た効果を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の基本原理を示す説明図、第２図は、
本発明の前提条件となるレーザビーム加工の説明図、第
３図は、本発明の適用対象の一例たる電磁式燃料噴射弁
の縦断面図、第４図は、第３図の一部拡大断面図、第５
図は、本発明の孔あけ加工法を具体化した一例を示す説
明図、第６図は、第２図のレーザビーム加工法を具体化
した説明図、第７図は、本発明による孔あけ加工法を上
記電磁式燃料噴射弁の噴孔に適用した場合の燃料の流れ
状態を示す説明図、第８図は、従来の機械式研削により
噴孔を仕上げ加工した場合の燃料の流れ状態を示す説明
図である。 １……ヨーク、４……電磁コイル、５……ボール弁、６
……ノズル本体、７……噴孔、８……取りしろ、10……
レーザビーム、10′……ビーム延長線、ａ……孔（取り
しろ）の始端位置、ｂ……孔（取りしろ）の終端位置、
ｃ……下孔（下穴）。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被加工物に取りしろを残してΦdoなる下孔
   をあける工程と、 前記取りしろをレーザビーム照射により溶解，除去し
   て、孔径を目標径Φｄとなるように仕上げ加工する工程
   とを有し、 前記仕上げ工程では、前記下孔の中心軸に対して前記レ
   ーザビームを傾け、且つこのレーザビームの傾き角θ
   は、レーザビームの延長線がその始端から終端にむけて
   進むにつれて前記取りしろの領域よりも外側にそれる角
   度に設定し、このレーザビームの焦点を前記取りしろの
   始端位置に合わせて、前記被加工物を回転させながらレ
   ーザビームの照射を行うことを特徴とするレーザビーム
   を用いた孔あけ加工法。
2. 【請求項２】前記下孔は、ドリル等の機械的な穿孔手段
   を用いて行うようにした請求項１記載のレーザビームを
   用いた孔あけ加工法。
3. 【請求項３】前記レーザビームの傾き角θを設定する場
   合には、予めシミュレーションにより、前記下孔の取り
   しろに、この孔の中心軸に対して平行なレーザビームを
   該取りしろの始端位置に焦点を合わせつつ照射して、こ
   の照射により仕上げられた始端位置の孔径Φdaと終端位
   置の孔径Φdbとの差で決まる孔の仕上げ精度誤差角度
   θ′を求め、 このθ′に等しい或いはこれに近い傾き角になるように
   θを設定する、請求項１又は請求項２記載のレーザビー
   ムを用いた孔あけ加工方法。
4. 【請求項４】ノズル本体に燃料噴孔を形成する工程を有
   する燃料噴射弁のノズルの製造方法において、 前記噴孔をノズル本体に形成する場合に、ノズル本体に
   予め取りしろを残してΦdoなる下孔を機械的な穿孔手段
   によりあける下孔工程と、 前記下孔工程後に、レーザビーム照射により取りしろを
   溶解，除去して、前記噴孔を目標の孔径Φｄとなるよう
   に仕上げ加工する工程とを有し、 前記仕上げ工程では、前記下孔の中心軸に対して前記レ
   ーザビームを傾け、且つこのレーザビームの傾き角θ
   は、レーザビームの延長線がその始端から終端にむけて
   進むにつれて前記取りしろの領域よりも外側にそれる角
   度に設定し、このレーザビームの焦点を前記取りしろの
   始端位置に合わせて、前記ノズル本体を回転させながら
   レーザビームの照射を行い、 且つ、この仕上げ工程後に、前記噴孔の入口及び出口の
   少なくとも一方のエッジに対して、レーザビーム照射に
   よりアール面取りを行うことを特徴とする燃料噴射弁の
   ノズルの製造方法。
5. 【請求項５】前記噴孔の孔径Φｄは、その孔の長さをｌ
   とした場合、Φd/l≦１となるような関係に設定してな
   る請求項４記載の燃料噴射弁のノズルの製造方法。