JP4945362B2 - 穿孔加工方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、中空部の壁部に対してレーザ光を照射することで貫通孔を形成する穿孔加工方法及びその装置に関する。

図３は、自動車に搭載される燃料噴射ノズル１の先端部である。この図３から諒解されるように、該燃料噴射ノズル１の先端部は中空部として構成されている。

燃料噴射ノズル１の先端部には、複数個の噴射孔２が貫通形成される。近時、この穿孔加工は、レーザ光Ｌを用いて実施されている。

この場合、レーザ光Ｌは、前記先端部の外方側から照射される。従って、レーザ光Ｌは、前記先端部の壁部を外壁側から溶融し、内壁側まで進行する。最終的に、内壁が溶融することで噴射孔２が形成される。

ところで、内壁が溶融して噴射孔２が形成されたにも関わらずレーザ光Ｌの照射を短時間でも続行すると、レーザ光Ｌは、噴射孔２が形成された内壁に対向する内壁（以下、対向壁ともいう）中、前記噴射孔２から延在する部位に到達する。勿論、この場合、当該部位が溶融されてしまう。このように、レーザ光Ｌによって穿孔加工を行う場合、対向壁に損傷を与えないようにすることが困難であるという不具合がある。

そこで、特許文献１においては、燃料噴射ノズルの先端部に反射鏡を挿入した状態でレーザ光による穿孔加工を行うことが提案されている。すなわち、噴射孔を通過したレーザ光を前記反射鏡によって光吸収体側に反射させ、これにより、対向壁にレーザ光が到達することを回避する、というものである。

また、特許文献２には、燃料噴射ノズルの先端部に流体（特に、液体）を導入してキャビテーションを起こさせ、これによりレーザ光を散乱させることが提案されている。

特開平９−６６３８１号公報（特に、図１） 特表２００１−５２６９６１号公報（特に、段落［００２９］）

特許文献１記載の技術においては、レーザ光の入射角度や反射鏡による反射角度を厳密に設定しない場合、レーザ光が内壁側に反射することになる。結局、特許文献１記載の技術には、レーザ光が内壁側に反射することを確実に回避することが容易ではないという不具合がある。

また、特許文献２記載の技術では、レーザ光を散乱させるようにしてはいるものの、散乱したレーザ光の一部が内壁に到達することが懸念される。このような事態が生じると、レーザ光の出力によっては、内壁が損傷することを回避することが困難となる。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、レーザ光によって穿孔加工を行う際、対向壁が損傷することを回避することが可能な穿孔加工方法及びその装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、中空部の壁部に対して外方からレーザ光を照射することで前記壁部に貫通孔を形成する穿孔加工方法において、
前記中空部の内部に、前記レーザ光によって溶融しない充填物を挿入する工程と、
前記充填物を振動させながら前記レーザ光を照射し、前記貫通孔が形成されたときに該貫通孔を通過した前記レーザ光を前記充填物に入射させる工程と、
を有することを特徴とする。

この穿孔加工方法を実施する際には、壁部を溶融して中空部の内部に到達したレーザ光が充填物に入射される。この充填物が溶融しないために該充填物にレーザ光が遮られ、これにより、レーザ光が対向壁に向かうことが阻止される。

この入射の際、充填物におけるレーザ光が入射した部位が崩壊する等して除去されることがある。しかしながら、充填物に振動が付与されているため、該充填物は、回転動作や上下動等を常時行っている。このため、充填物におけるレーザ光が入射する部位が常に変化することになる。換言すれば、レーザ光が充填物の同一部位に入射し続けることはなく、従って、レーザ光が充填物を貫通して対向壁に到達することが回避される。

以上のようにして、レーザ光が対向壁に到達することが防止されるので、該対向壁が損傷することを回避することができる。

充填物は、粉体であってもよい。この場合、レーザ光が照射される間、粉体に圧力を付加することが好ましい。粉体が崩壊すると微粉末が発生し、この微粉末が粉体同士の間の間隙に進入する。これにより粉体の見かけの体積が減少し、該粉体に気孔、換言すれば、レーザ光の通路が生じることになる。しかしながら、粉体に圧力が付加されると該粉体が圧縮され、これに伴って気孔が充填される。すなわち、レーザ光の通路が閉塞されるので、対向壁が損傷することを有効に回避することが可能となる。

また、本発明は、中空部の壁部に対して外方からレーザ光を照射することで前記壁部に貫通孔を形成する穿孔加工装置において、
前記中空部の内部に挿入され、前記レーザ光によって溶融しない充填物と、
前記充填物を振動させる振動手段と、
を有することを特徴とする。

上記したように、振動手段を介して充填物を振動させ、この状態でレーザ光を照射することによって、対向壁が損傷することを回避することができる。

また、前記充填物は粉体であってもよく、この場合、穿孔加工装置は、該粉体に圧力を付加する圧力付加手段をさらに有するものであることが好ましい。

本発明によれば、中空部に充填物を充填し、さらに、この充填物を振動させた状態でレーザ光を照射して穿孔加工を行うようにしているので、貫通孔を通過したレーザ光が対向壁に到達することが阻止される。これにより、レーザ光の照射条件を厳密に設定する等の煩雑な試行錯誤を繰り返すことなく、対向壁が損傷することを極めて容易に回避することができる。

以下、本発明に係る穿孔加工方法につきそれを実施する装置との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る穿孔加工装置１０の一部が挿入された燃料噴射ノズル１の先端部を示す要部拡大縦断面図である。この穿孔加工装置１０は、図示しないレーザ光照射機構と、振動機構を構成する超音波振動子１２と、該超音波振動子１２のプローブ１４に支持されて先端部に充填されたジルコニア製ボール１６（充填物）とを有する。

図１に示すように、燃料噴射ノズル１の先端部は、中空部として形成されている。燃料噴射機構が構成される際、この中空な先端部には弁が挿入される。

レーザ光照射機構は、燃料噴射ノズル１の壁部を貫通して噴射孔２を形成するのに十分な出力でレーザ光Ｌを照射することが可能である。レーザ光Ｌは、例えば、パルスレーザ装置を用い、発振周波数を１〜１０ｋＨｚ、エネルギを１ｍＪに設定して照射を行うようにすればよい。

超音波振動子１２は、レーザ光Ｌの発振周波数よりも大きな周波数の振動を付与可能であるものが好ましい。後述するように、ジルコニア製ボール１６におけるレーザ光Ｌが入射する箇所がパルス毎に異なるようになるからである。レーザ光Ｌの照射条件が上記のように設定される場合、超音波振動子１２の振動条件を、例えば、振動周波数：６４ｋＨｚ、振幅：１４μｍに設定すればよい。

ジルコニア製ボール１６は、酸化物セラミックスであるジルコニアからなる。周知のようにジルコニアの融点は極めて高く、このため、レーザ光Ｌが入射しても溶融することがない。なお、ジルコニア製ボール１６において、レーザ光Ｌが入射した箇所は崩壊を起こす。その結果、微粉末が生成する。

ジルコニア製ボール１６の直径は、レーザ光Ｌが照射される間に該レーザ光Ｌが対向壁に到達することを回避するべく、レーザ光Ｌの照射時間や発振周波数に基づいて設定される。すなわち、レーザ光Ｌが照射される前のジルコニア製ボール１６の体積をＶ₀、パルス毎に崩壊する体積をＺ、レーザ光Ｌの照射時間をｔ、レーザ光Ｌの発振周波数をｆとするとき、最低限必要なジルコニア製ボール１６の半径Ｒは、下記の式（１）で表される通りである。
Ｒ＝｛（３Ｖ₀−ｔｆＺ）／４π｝^1/3 …（１）

すなわち、ジルコニア製ボール１６としては、式（１）で求められるＲよりも半径が大きいものが選定される。

なお、第１実施形態では、噴射孔２が形成される側の内壁と、該噴射孔２に対向する対向壁中の噴射孔２から延在する部位との間のクリアランスＣＬは、約０．８ｍｍである。一方、ジルコニア製ボール１６の直径は約１ｍｍである。

第１実施形態に係る穿孔加工装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、この穿孔加工装置１０を用いての穿孔加工方法につき説明する。

穿孔加工を実施するに際しては、先ず、燃料噴射ノズル１の先端部に、ジルコニア製ボール１６及び超音波振動子１２を挿入する。この際、超音波振動子１２のプローブ１４でジルコニア製ボール１６を支持する。

次いで、超音波振動子１２を発振させてジルコニア製ボール１６に振動を付与する。上記したように、この際の振動条件は、例えば、振動周波数を６４ｋＨｚ、振幅を１４μｍとすればよい。直径が約１ｍｍのジルコニア製ボール１６は、このような振動条件下で、図１における鉛直方向に沿って約０．１ｍｍ上方移動ないし下方移動しながら回転動作する。すなわち、ジルコニア製ボール１６は、回転動作をしながらプローブ１４に対して着座と離間を繰り返す。

この状態で、前記レーザ光照射機構からレーザ光Ｌを照射する。照射されたレーザ光Ｌは、燃料噴射ノズル１の外壁に入射し、この外壁側から壁部を溶融しながら内壁側に進行する。この壁部の溶融に伴い、噴射孔２の形成が進行する。

レーザ光Ｌは、最終的に、燃料噴射ノズル１の内壁を溶融して該燃料噴射ノズル１の中空内部に進入する。ここで、第１実施形態においては、上記したように、この中空内部にジルコニア製ボール１６が挿入されている。従って、レーザ光Ｌは、このジルコニア製ボール１６に入射される。

ジルコニア製ボール１６は、極めて高融点である。従って、レーザ光Ｌの入射によって溶融することはない。しかしながら、レーザ光Ｌが高エネルギであるので、ジルコニア製ボール１６において、該レーザ光Ｌが入射した部位では、物理的な結合力が低減する。このため、ジルコニア製ボール１６は、その若干量が崩壊して除去される。なお、崩壊した部位は、微粉末となって燃料噴射ノズル１の内部に滞留する。

上記したように、ジルコニア製ボール１６は、レーザ光Ｌが入射する際、回転動作及び上下動を常時行っている。このため、レーザ光Ｌは、パルス毎にジルコニア製ボール１６の異なる部位に入射する。換言すれば、ジルコニア製ボール１６の同一部位に対してレーザ光Ｌが入射し続けることはない。これにより、レーザ光Ｌがジルコニア製ボール１６を貫通して対向壁に到達することを回避することができる。

このように、第１実施形態においては、回転動作及び上下動、すなわち、振動するジルコニア製ボール１６が存在することによって、レーザ光Ｌが対向壁に到達することが有効に阻止される。上記した条件下では、例えば、レーザ光Ｌの照射（穿孔加工）を１分間という比較的長時間行った場合であっても、対向壁が損傷することを回避することができる。

しかも、ジルコニア製ボール１６は、他のセラミックス製ボールに比して微粉末の生成量、換言すれば、燃料噴射ノズル１の内部に滞留する微粉末の量が少ない。すなわち、この場合、微粉末が多量に堆積してジルコニア製ボール１６の回転動作ないし上下動が妨げられることが回避されるという利点が得られる。

また、図示しない微粉末吸引排出手段を設置し、これにより微粉末を吸引することで該微粉末を燃料噴射ノズル１の内部から排出するようにすれば、仮に微粉末が生成した場合であっても、微粉末が燃料噴射ノズル１の内部に滞留することを回避することが一層容易となる。

レーザ光Ｌは、ジルコニア製ボール１６の半径が上記の式（１）から算出されるＲとなるまで、ジルコニア製ボール１６に対して入射させることが可能である。換言すれば、ジルコニア製ボール１６の実際の半径と式（１）から、ジルコニア製ボール１６が耐久限界に達してレーザ光Ｌが対向壁に到達する時間が概算される。ジルコニア製ボール１６は、この時間が到来するまで、他の燃料噴射ノズル１に対して穿孔加工を行う際に使用することができる。以上のようにして複数個の燃料噴射ノズル１に対する穿孔加工を繰り返した後、耐久限界となる時間が到来したときにジルコニア製ボール１６を交換すればよい。

次に、第２実施例に係る穿孔加工装置につき、図２を参照して説明する。図２から諒解されるように、この穿孔加工装置２０では、平均径が３０〜７０μｍ程度、代表的には約５０μｍの粉体２２が使用される。なお、この粉体２２は、ジルコニアからなる。

この場合、穿孔加工装置２０は、図示しないレーザ光照射機構と、支持部材２４と、該支持部材２４に挿通されたスリーブ２６と、該スリーブ２６の内部に摺動自在に収容されたピストン２８とを有する。

支持部材２４には、その直径方向略中心に挿入孔３０が設けられており、前記スリーブ２６は、この挿入孔３０から先端部が露呈するようにして挿通されている。また、該支持部材２４の先端部にはテーパ状傾斜部３２が形成されており、このテーパ状傾斜部３２が燃料噴射ノズル１の内壁に当接している。

スリーブ２６の開口は、球形状に拡開している。この拡開部３４の高さ方向寸法は順次相違するように設定されており、従って、拡開部３４の壁部は、図２における右方になるにつれて高くなるように傾斜している。そして、拡開部３４中、対向壁側に臨む部位には、熱センサ３６が設置されている。

スリーブ２６の等径部には、図示しないシリンダを構成するピストン２８が挿入されている。このピストン２８は、図２における上方に指向して粉体２２を加圧する。

ピストン２８の上方には、図示しない超音波振動子が配設されている。すなわち、第２実施形態においては、この超音波振動子によって粉体２２に振動が付与される。

この穿孔加工装置２０を用いての穿孔加工は、以下のようにして実施される。

先ず、ピストン２８を後退動作させた状態で、スリーブ２６の内部に粉体２２を収容する。その後、燃料噴射ノズル１の先端部に、粉体２２及びスリーブ２６を支持部材２４ごと挿入する。

次いで、ピストン２８を図２における上方に向かって前進動作させる。これに伴って粉体２２がスリーブ２６の拡開部３４から漏出し、その結果、燃料噴射ノズル１の内部に粉体２２が充填される。なお、ピストン２８への駆動力は停止せず、付勢状態を維持しておく。これにより、ピストン２８は、粉体２２を常時加圧することになる。

さらに、前記超音波振動子を発振させて粉体２２に振動を付与する。振動条件は、例えば、第１実施形態と同様に、振動周波数を６４ｋＨｚ、振幅を１４μｍとすることができる。この振動付与に伴い、粉体２２は、互いの位置を変更しながら燃料噴射ノズル１の内部を移動する。

次いで、前記レーザ光照射機構からレーザ光Ｌを照射する。レーザ光Ｌの照射条件も、第１実施形態と同様の条件に設定すればよい。

照射されたレーザ光Ｌは、燃料噴射ノズル１の外壁側から壁部を溶融しながら内壁側に進行し、最終的に、燃料噴射ノズル１の内壁を溶融して該燃料噴射ノズル１の中空内部に進入する。スリーブ２６の拡開部３４の壁部は、この進入を妨げない位置に配されている。

燃料噴射ノズル１の内部に進入したレーザ光Ｌは、移動する粉体２２に入射される。この粉体２２もジルコニアからなるので、該粉体２２は、崩壊しながらレーザ光Ｌが対向壁側に進行することを妨げる。なお、粉体２２が崩壊することで生成した微粉末は、粉体２２同士の間の間隙に進入する。

粉体２２が崩壊することにより、空隙（気孔）が発生する。しかしながら、粉体２２が常時移動しているため、この気孔は即座に充填される。従って、気孔を介してレーザ光Ｌが通過するようになることが回避される。

微粉末が生成して粉体２２同士の間の間隙に進入することに伴い、粉体２２の見かけの体積が減少する。しかしながら、第２実施形態では、ピストン２８で粉体２２を加圧するようにしている。このため、粉体２２の見かけの体積が減少して気孔が多くなると、ピストン２８が上方に移動して粉体２２を圧縮する。これにより気孔が充填され、結局、レーザ光Ｌが進行する間隙が閉塞される。なお、ジルコニアの粉体２２を用いているため、第１実施形態と同様に微粉末の生成量は少ない。

以上のようにして、レーザ光Ｌが対向壁に到達することが阻止され、その結果、対向壁が損傷することが回避される。

レーザ光Ｌが仮に粉体２２を通過するようになった際には、レーザ光Ｌは、拡開部３４中の対向壁に臨む部位に先ず到達する。その結果、当該部位の温度が上昇する。この部位には熱センサ３６が配設されており、従って、拡開部３４の温度上昇は、この熱センサ３６によって検知される。これにより、レーザ光Ｌが拡開部３４に到達したことが分かる。この時点でレーザ光Ｌの照射を停止すれば、対向壁が損傷することを確実に回避することができる。

なお、上記した第１及び第２実施形態においては、ジルコニアからなるボール又は粉体を使用するようにしているが、ボール又は粉体の材質は、これらに特に限定されるものではない。例えば、アルミナ、窒化ケイ素又は炭化ケイ素等の各種セラミックスであってもよいし、高融点金属であってもよい。

また、上記したレーザ光Ｌの照射条件や振動条件は単なる例示であり、穿孔加工を施すワークの肉厚に応じて適宜変更可能である。

さらに、穿孔加工を行うワークは燃料噴射ノズル１に限定されるものではなく、中空部を有するものであれば如何なるものであってもよい。

第１実施形態に係る穿孔加工装置の一部が挿入された燃料噴射ノズルの先端部を示す要部拡大縦断面図である。 第２実施形態に係る穿孔加工装置の一部が挿入された燃料噴射ノズルの先端部を示す要部拡大縦断面図である。 燃料噴射ノズルの先端部に対してレーザ光を照射することで噴射孔を貫通形成している状態を示す要部拡大縦断面図である。

符号の説明

１…燃料噴射ノズル ２…噴射孔
１０、２０…穿孔加工装置 １２…超音波振動子
１６…ジルコニア製ボール ２２…粉体
２８…ピストン ３６…熱センサ

Claims (2)

1. 中空部の壁部に対して外方からレーザ光を照射することで前記壁部に貫通孔を形成する穿孔加工方法において、
   前記中空部の内部に、前記レーザ光によって溶融しない充填物を挿入する工程と、
   前記充填物を振動させながら前記レーザ光を照射し、前記貫通孔が形成されたときに該貫通孔を通過した前記レーザ光を前記充填物に入射させる工程と、
   を有することを特徴とする穿孔加工方法。
2. 中空部の壁部に対して外方からレーザ光を照射することで前記壁部に貫通孔を形成する穿孔加工装置において、
   前記中空部の内部に挿入され、前記レーザ光によって溶融しない充填物と、
   前記充填物を振動させる振動手段と、
   を有することを特徴とする穿孔加工装置。

Images