JP6468295B2 - 部材の製造方法、及び、部材の製造装置 - Google Patents
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Description
一次成形工程では、レーザ光を被加工部材に照射し、光検出部によって被加工部材からの光を受光しつつ通孔に比べ内径が小さい一次孔を被加工部材に成形する。
強度判定工程は、光検出部が検出する光の強度が所定の閾値以下であるか否かを判定する。
レーザ変調工程は、光検出部が検出する光の強度が所定の閾値以下であると判定されると、被加工部材に照射されるレーザ光の空間光位相を変調する。
二次成形工程は、空間光位相が変調されたレーザ光を一次孔の縁部に照射し、通孔を形成する。
(第一実施形態)
第一実施形態による「部材の製造装置」としてのレーザ加工装置1は、図2に示すディーゼル燃料用の燃料噴射弁90の「部材」としてのノズルボディ93の製造に用いる。
ここで、S102において被加工部材7に照射されるレーザ光の強度分布を図5に基づいて説明する。図5は、集光レンズ142を通って被加工部材7に照射されるレーザ光について、当該レーザ光が進む方向に対して垂直な方向の強度分布を示している。図5では、横軸は、レーザ光の中心cL0からの距離Lを示している。また、縦軸は、レーザ光の強度SoLを示している。
S102で被加工部材7に照射されるレーザ光は、レーザ光の中心cL0において最も強い強度を有し、中心cL0から離れるに従って強度が低下する。本実施形態の被加工部材7の加工方法において、被加工部材7を加工可能なレーザの最も低い強度を強度SoL9とすると、中心cL0からの距離L21までの領域が被加工部材7を加工可能な強度を有するレーザ光の領域である加工可能領域Rm21となる。S102で被加工部材7に照射されるレーザ光では、加工可能領域Rm21は、レーザ照射領域Rm1の略中央に位置している。
一次孔981が貫通すると被加工部材7に照射されているレーザ光の一部は、貫通した一次孔981を通って被加工部材7の内側に入る。このため、一次孔981が貫通すると、被加工部材7からの反射光は強度が低下する。すなわち、反射光の強度の変化によって一次孔981が貫通したか否かが分かる。
また、レーザ光によって被加工部材7を加工すると、加工によって発生した被加工部材7の微粒子を構成する原子がレーザ光によって励起されるためプラズマ光が発生する。このため、一次孔981が貫通すると、当該微粒子の発生量が少なくなるため、被加工部材7からのプラズマ光は強度が低下する。すなわち、プラズマ光の強度の変化によって一次孔981が貫通したか否かが分かる。
ここで、図7に基づいて、S104において変更されたレーザ光の強度分布を説明する。図7は、集光レンズ142を通って被加工部材7に照射されるレーザ光について、当該レーザ光が進む方向に対して垂直な方向の強度分布を示している。図7では、横軸は、レーザ光の中心cL0からの距離Lを示している。また、縦軸は、レーザ光の強度SoLを示している。なお、図7には、S104において変更されたレーザ光の強度分布を実線AL1で示し、S102において一次孔981を成形したレーザ光の強度分布を二点鎖線VL1で示す。
S104では、制御部19は、図7に示すような空間分布のレーザ光を被加工部材7に照射するよう光学素子部15を制御する。光学素子部15では、電極154に電圧を印加し、レーザ発振部13が発振したレーザ光が図7に示すような強度分布のレーザ光となるよう液晶層152が操作される。
S106では、光検出部17が受光する光の強度が第二の閾値以下であると判定されると、S107に進む。光検出部17が受光する光の強度が第二の閾値以上であると判定されると、S105に戻り、図7に示す強度分布を有するレーザ光を被加工部材7に照射し続ける。
本実施形態による被加工部材7の加工方法では、このようにして、被加工部材7に噴孔98を加工し、ノズルボディ93を製造する。
比較例の被加工部材の加工方法では、最初に、本実施形態と同じように距離L1の2倍の長さのビーム径を有するレーザ光を用いて一次孔981を成形する。一次孔981を成形した後、一次孔981の縁部982にレーザ光を照射して拡大孔983を成形する。比較例の被加工部材の加工方法では、拡大孔983を成形するときのレーザ光の強度分布を一次孔981を成形するときのレーザ光の強度分布から変更しない。すなわち、比較例の被加工部材の加工方法で用いられるレーザ光は、図21に示すように、レーザ光の中心cL1において最も強い強度を有しており、中心cL1から離れるに従って強度が低下する。これにより、中心cL1からの距離L20までの領域が被加工部材7を加工可能なエネルギを有する領域である加工可能領域Rm20となる。加工可能領域Rm20は、レーザ照射領域Rm1の略中央に位置している。加工可能領域Rm20の直径は、一次孔981の直径と同じ大きさである。
次に、本発明の第二実施形態による被加工部材の加工方法を図9に基づいて説明する。第二実施形態は、拡大孔を成形するときのレーザ光の強度分布が第一実施形態と異なる。なお、第一実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
光学素子部15では、電極154に電圧を印加し、レーザ発振部13が発振したレーザ光が図9(a)に示すような強度分布のレーザ光となるよう液晶層152が操作される。
次に、本発明の第三実施形態による部材の製造装置および部材の製造方法を図10〜12に基づいて説明する。第三実施形態は、光学素子部の作用が第一実施形態と異なる。なお、第一実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態による被加工部材7の加工方法では、一次孔981の中心軸C981を含む平面上において噴孔98の内壁面の断面形状が直線状となっていない噴孔98を成形可能である。例えば、本実施形態による被加工部材7の加工方法によって成形された噴孔98は、図11,12に示すように、噴孔の98の略中心における断面積が噴孔98の内側開口984の断面積および外側開口985の断面積に比べ小さくなるよう形成されている。このとき、内側開口984の断面積と外側開口985の断面積とは、異なっていてもよいし、同じであってもよい。
次に「一次成形工程」としてのS202において、第一実施形態のS102と同じように、被加工部材7の所望の位置に一次孔981を成形するためのレーザ光を照射する。
S202の次にS203において、第一実施形態のS103と同じように、被加工部材7からの光の強度が第一の閾値以下であるか否かを判定する。
次に、「二次成形工程」としてのS205において、一次孔981または一次孔981が一部加工された加工途中の噴孔98の内壁面986にレーザ光を照射する。具体的には、S205では、レーザ光の中心cL0が一次孔981の中心軸C981に対して傾斜した状態でレーザ光を一次孔981に入射する。
なお、本実施形態では、広がり角SA31のレーザ光の内壁面986上の反射面の面積と、広がり角SA32のレーザ光の内壁面986上の反射面の面積とは同じ大きさとなっている。レーザ光のエネルギは、広がり角に関係なく一定であることから、内壁面986上の反射面に照射されるレーザ光の単位面積当たりのエネルギは同じになる。
S206において光検出部17が受光する被加工部材7からの光の強度が第二の閾値以下であると判定されると、S207において、内側開口984の縁部987の予定の位置にレーザ光を照射したか否かを制御部19が判定する。
本実施形態による被加工部材7の加工方法では、このようにして、被加工部材7に噴孔98を加工し、ノズルボディ93を製造する。
次に、本発明の第四実施形態によるレーザ加工装置を図13に基づいて説明する。第四実施形態は、光学素子部の構成が第一実施形態と異なる。なお、第一実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
次に、本発明の第五実施形態によるレーザ加工装置を図14に基づいて説明する。第五実施形態は、光検出部の数が第一実施形態と異なる。なお、第一実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
次に、本発明の第六実施形態によるレーザ加工装置を図15〜17に基づいて説明する。第六実施形態は、レーザ遮蔽部材を備える点が第一実施形態と異なる。なお、第一実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
S301の次に「部材設置工程」としてのS302において、レーザ遮蔽部材12を被加工部材7の内側に挿入する。このとき、レーザ遮蔽部材12は、図17に示す被加工部材7の拡大断面図に示すように、外壁面122が貫通した一次孔981や拡大孔983を通るレーザ光が照射される位置に設けられる。
S303の次にS304において、第一実施形態のS103と同じように、被加工部材7からの光の強度が第一の閾値以下であるか否かを判定する。
被加工部材7からの光の強度が第一の閾値以下であると判定されレーザ光の強度分布を変更するまでの間に貫通した一次孔981を通ったレーザ光は、図17に示すように、レーザ遮蔽部材12の外壁面122に照射される。これにより、レーザ遮蔽部材12の外壁面122とは反対側の外壁面123に対向する被加工部材7の内壁面71にはレーザ光は照射されない。
S306の次にS307において、第一実施形態のS106と同じように、光の強度は第二の閾値以下であるか否かを判定する。
S307において光検出部17が受光する被加工部材7からの光の強度が第二の閾値以下であると判定されると、S308において、第一実施形態のS107と同じように、レーザ光が縁部982に全て照射されたか否かを制御部19が判定する。
本実施形態による被加工部材7の加工方法では、このようにして、被加工部材7に噴孔98を加工し、ノズルボディ93を製造する。
次に、本発明の第七実施形態による被加工部材の加工方法を図18〜20に基づいて説明する。第七実施形態は、被加工部材の加工方法が第一実施形態と異なる。なお、第一実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
光学素子部35は、いわゆる、反射型液晶パネルであって、前面ガラス151、液晶層36、背面反射板153、複数の電極371、372、373、374などを備える。液晶層36は、複数の液晶分子361、362、363、364を有する(図19、20参照)。光学素子部35では、液晶分子361、362、363、364の配列方向を液晶分子361、362、363、364のそれぞれに対応する電極371、372、373、374に印加される電圧によって個別に変更する。
レーザ加工装置5では、光学素子部35の複数の液晶分子の配列を変更することによってレーザ光の焦点位置を変更することができる。これにより、固定されている一つの被加工部材8に対して複数の通孔88を成形することができる。したがって、レーザ光の焦点位置に対して被加工部材を位置合わせするための部材保持部が不要となるため、被加工部材8を加工するための設備費を低減することができる。
上述の実施形態では、「部材」は、燃料噴射弁のノズルボディであるとした。しかしながら、「部材」はこれに限定されない。「通孔」を有していればよい。
また、第三実施形態では、内側開口の縁部の加工のみについて述べたが、噴孔の内壁面をレーザ光の広がり角の変更によって単位時間当たりの加工量を変更しつつ加工してもよい。
7、8・・・被加工部材
13・・・レーザ発振部
15、25、35・・・光学素子部
17・・・光検出部
19・・・制御部
88・・・通孔
93・・・ノズルボディ(部材)
98・・・噴孔(通孔)
981・・・一次孔
Claims (16)
- 通孔(88、98)を有する部材(93)の製造方法であって、
レーザ光を被加工部材(7、8)に照射し、光検出部(17)によって前記被加工部材からの光を受光しつつ前記通孔に比べ内径が小さい一次孔(981)を前記被加工部材に成形する一次成形工程と、
前記光検出部が検出する光の強度が所定の閾値以下であるか否かを判定する強度判定工程と、
前記光検出部が検出する光の強度が所定の閾値以下であると判定されると、前記被加工部材に照射されるレーザ光の空間光位相を変調するレーザ変調工程と、
空間光位相が変調されたレーザ光を前記一次孔の縁部に照射し、前記通孔を成形する二次成形工程と、
を含む部材の製造方法。 - 前記レーザ変調工程において、レーザ光は、当該レーザ光のビーム径内における外縁領域(Rm3)の強度が当該レーザ光のビーム径内における中央領域(Rm4)の強度に比べ大きくなるよう空間光位相が変調される請求項1に記載の部材の製造方法。
- 前記レーザ変調工程において、レーザ光は、当該レーザ光のビーム径内における中央領域の強度に比べ強度が大きい外縁領域が複数箇所形成されるよう空間光位相が変調される請求項2に記載の部材の製造方法。
- 前記レーザ変調工程において、レーザ光の広がり角が変化するよう当該レーザ光の空間光位相を変調し、
前記二次成形工程において、前記通孔の内壁面(986)において反射した後のレーザ光によって前記部材の所定の部位(987)を加工する請求項1〜3のいずれか一項に記載の部材の製造方法。 - 前記一次成形工程において、前記光検出部は、前記被加工部材を反射したレーザ光の反射光及びレーザ光と前記被加工部材との反応によって発生するプラズマ光の少なくとも一方を受光する請求項1〜4のいずれか一項に記載の部材の製造方法。
- 前記レーザ変調工程において、前記被加工部材における照射位置が変更されるよう当該レーザ光の空間光位相を変調する請求項1〜5のいずれか一項に記載の部材の製造方法。
- 前記一次成形工程の前に前記被加工部材のレーザ光が照射される側とは反対側にレーザ遮蔽部材(12)を設ける部材設置工程をさらに含む請求項1〜6のいずれか一項に記載の部材の製造方法。
- 前記通孔としての噴孔を有する前記部材としてのノズルボディを製造する請求項1〜7のいずれか一項に記載の部材の製造方法。
- 通孔(88、98)を有する部材(93)の製造装置(1、2、3、4、5)であって、
被加工部材(7、8)に前記通孔を成形可能なレーザ光を発振するレーザ発振部(13)と、
前記レーザ発振部が照射するレーザ光の空間光位相を変調可能な光学素子部(15、25、35)と、
前記被加工部材からの光を受光可能に設けられ、受光した光の強度に応じた電気信号を出力可能な光検出部(17)と、
前記レーザ発振部、前記光学素子部、及び、前記光検出部と電気的に接続し、前記光検出部が出力する電気信号に応じて前記レーザ発振部及び前記光学素子部を制御する制御部(19)と、
を備える部材の製造装置。 - 前記光学素子部は、レーザ光の光回折パターンを変更可能である請求項9に記載の部材の製造装置。
- 前記光学素子部は、レーザ光の広がり角を変更可能である請求項9または10に記載の部材の製造装置。
- 前記光学素子部は、反射型液晶パネルである請求項9〜11のいずれか一項に記載の部材の製造装置。
- 前記光学素子部は、複数の回折レンズ(252)を有する請求項9〜11のいずれか一項に記載の部材の製造装置。
- 前記光学素子部は、レーザ光のビーム径内における外縁領域(Rm3)の強度が当該レーザ光のビーム径内における中央領域(Rm4)の強度に比べ大きくなるようレーザ光の空間光位相を変調可能である請求項9〜13のいずれか一項に記載の部材の製造装置。
- 前記光検出部は、複数設けられている請求項9〜14のいずれか一項に記載の部材の製造装置。
- 前記被加工部材のレーザ光が照射される側とは反対側に設けられ、前記被加工部材のレーザ光が照射される側とは反対側のレーザ光を遮蔽するレーザ遮蔽部材(12)をさらに備える請求項9〜15のいずれか一項に記載の部材の製造装置。
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