(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の円筒形状の微細孔を設けるためにインジェクタノズルのレーザー孔開け加工をするに際し、レーザー照射により発生するレーザー入射側の溶融径の拡大を防止するために、インジェクタノズルの外周面を無機質皮膜で保護して孔開け加工し、加工後、該無機質皮膜を除去することを特徴とするインジェクタノズルの微細孔加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インジェクタノズルの微細孔加工方法に関し、特に加工に伴う温度勾配を打ち消すような逆の温度勾配の付与、もしくは無機質皮膜によって溶融径の拡大を防止し、円筒形状の精度を向上させたインジェクタノズルの微細孔加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、内燃機関等の燃料噴射弁等では、バルブの開閉によって、確実に燃料を遮断または適量の流量を流さなければならない。インジェクタノズルはノズルホルダ先端に装着され、高圧燃料がノズルの周辺部に入り、ニードル弁を押し上げて燃料を噴射する。このインジェクタノズルは高温、高圧の厳しい条件のもとで使用されるので、特殊な材料で精密加工で仕上げられる。また、その先端形状は、燃焼室形状に適した燃料噴霧とするために各種の形状が使用されている。
【０００３】
一方、ガソリンエンジンの性能は、噴射されるガソリンの噴射特性に支配されるため、最近ではその均一性が重要となっており、大きさとして４０〜１００μｍ径（主として約８０μｍ径）の単孔もしくは多孔における孔開け加工の仕上がり状態は厳格なレベルが要求されて来た。
従来、インジェクタノズルの先端部に、円筒状の単孔または多孔を設ける孔開け加工はドリル加工が主流であった。これ以外の加工方法としては、レーザービーム、放電加工等の高エネルギー加工方法が一部に採用されていた。しかし、これらの方法で均一な円筒形状の微細孔を得るには、母材先端が丸形状であること、さらには入熱部側の溶融部の拡大が避けられず精度上からも問題があった。
【０００４】
特開昭６４−７７７４８号公報には、レーザービームによる溶融法の孔加工技術として、多孔において最後の孔のみを精密に加工することによって、吐出流量の制御と加工能率を向上する技術が開示されている。また、特開平３−６０８８７号公報には、ドリル等の機械的穿孔の後仕上げとしてレーザー孔開けを行う方法が開示されている。しかし、これらの方法においても、多孔を設けるには加工工程の負荷は大きくなり、また、孔径の比較的大きなものでは問題はないが、さらに小径のものでは穿孔が不可能となる等の問題を有する。
このように、微細孔の加工に関してはレーザービームのみでは円筒度が悪く所定の形状が得られないため、ガソリンの噴射性能に悪影響が発生する。そこで、円筒度を改善して、孔長さ方向の入熱を均一として表面側での溶融径の拡大を防止するレーザー孔開け加工技術が望まれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ガソリンの燃焼室への噴霧に際し、最良の噴霧状態で時間的にも、分布的にも良好なるインジェクタノズルの微細孔を精度よく均一に設けることを可能とするレーザー孔開け加工方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、前記微細孔の円筒度の向上方法を検討し、レーザー孔開け加工によって単孔もしくは多孔を比較的簡便に、丸形状を呈するインジェクタノズル先端部に穿孔できるレーザー孔開け加工方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、前記レーザービームによる入熱側に発生する溶融孔拡大を防止する方法を検討し、内外面に温度勾配を付与する方法もしくは、表面に無機質皮膜を配する方法によるレーザー孔開け加工方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、複数の円筒形状の微細孔を設けるためにインジェクタノズルのレーザー孔開け加工をするに際し、レーザー照射により発生するレーザー入射側の溶融径の拡大を防止するために、インジェクタノズルの外周面を無機質皮膜で保護して孔開け加工し、加工後、前記無機質皮膜を除去することを特徴とするインジェクタノズルの微細孔加工方法によって達成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明では、インジェクタノズルの内外面に温度差を付与することにより、断面の温度勾配を解消できる。このため、温度差が小さくなることによって、円筒度の高い微細孔の加工を行うことか可能となる。従来では、例えばステンレス鋼によって構成されるインジェクタノズルのレーザー孔開け加工を施す場合について説明する。
図５にレーザーを例えばステンレス鋼に照射した場合の温度変化を示す。この図で、レーザービームの進行方向に対して、入熱側から出側に向かって温度勾配が発生している。一般にレーザーの場合には、材料は約１秒以内に急速に加熱され溶融されるが、中間段階ではより局部的に加熱が進行している。このことによって、孔開け加工はこれらが重なり合って内部に溶融が進行し、ついには孔が形成される過程である。この時の温度勾配とは、局部的に高温部が表層側に形成されるが（ヒートスポット）、未だ内部では低温部が存在していることによる。
【０００９】
このような温度勾配によって、孔開け加工後の形状は図４（ａ）および微細孔部の拡大図として図４（ｂ）に示すように、外周側の溶融部が拡大した形状を呈することになる。このような形状では、ガソリン等の良好な噴霧状態は得られないことになる。そこで本発明は、図５の温度差に打ち勝つように、レーザー出側の温度を入側の温度より高くして、互いの温度勾配を相殺できるようにする。この時、付与する温度差としては、好ましくは内外面に１５０〜３００℃の温度差を設けるものである。このため、インジェクタの内面を加熱して、外面を冷却するようにしてこの温度差を付与するものである。
さらに、本発明では図２のように、インジェクタノズル１の外周に無機質皮膜６を設け、この無機質皮膜６とともにレーザービーム３を照射して孔開けするものである。この時の無機質皮膜の厚みは、好ましくは３μｍ程度である。本発明では、インジェクタノズル１の外面に、金属母材とは反応しない無機質皮膜６を設けレーザービーム３をこの皮膜上から照射した場合には、このレーザービームにて加工することにより発生する溶融径の大きい部分は、極表層の無機質皮膜６の部位にあり、インジェクタノズル１に加工された微細孔２では高い円筒度が確保されている。
【００１０】
無機質皮膜６はノズル材質とは反応しないもので、かつ融点はほぼ同一のものであって、レーザービーム３で加工した後、剥離可能な皮膜であってもかまわない。
また、無機質皮膜６の膜厚はノズル材質の厚み（約２ｍｍ）に対して十分に薄くてよい。無機質皮膜としては、例えば炭化物，窒化物，ホウ素化物および酸化物を好ましくは、化学蒸着によるコーティング等によって設けるものである。
図６に本発明のレーザー孔開け加工機の概要を示す。レーザー発振器１７からＹＡＧ，ＣＯ２  レーザーが電源１４および制御盤１５によって連続、好ましくはパルスとして発振され、絞り１２および出力ミラー１１で照射波として調整される。次いで、反射ミラー８で方向が９０度曲げられる。この反射ミラー８の上部には観察用の顕微鏡９がフィルター１０を介して設けられ、加工部をモニターしている。一方、加工用レーザーは、集光レンズ７を通って小径高エネルギー化され加工物に照射される。
【００１１】
なお、本発明のレーザー孔開け加工では、前述の連続のＣＯ２  レーザまたはＹＡＧレーザが用いられるが、波長が短かく（ＣＯ２  の１／１０で１．０６μｍ）、金属に対して吸収率が高いＹＡＧレーザー（Ｙ３  Ａｌ５  Ｏ１２）の方が好ましい。この際、加工ガスを使用すれば、さらに好ましく、Ｏ２  、Ｎ２  、Ｈｅ、Ａｒ、空気等またはこれらの混合気体を吹きつけて、作業効率の向上および切断品質の向上を図ることが可能となる。例えばＹＡＧレーザによる孔開け加工では、通常レーザーチューブを水平に設置し、レーザ光路には４５°傾斜の反射鏡を設け、レーザ光を横方向から発振してもよく、試料をセットしている垂直下方に屈折させて加工してもよい。
以下、本発明について実施例の図面を参照してさらに詳述する。
【００１２】
【実施例】
実施例１
本実施例は、インジェクタノズルの内外面に温度差を設けることによって、円筒度の良好な微細孔を加工するものである。
図１のように、本実施例のインジェクタノズルでは、従来の内外面の温度差を小さくして、均一になるように加工したものである。
具体的には、インジェクタノズル１は冷却雰囲気４内にセットされ、この冷却雰囲気は、気体による冷却を行った。一方、インジェクタノズル１の内面は、加熱ヒーター５により加熱した。レーザービーム３の照射の条件は次の通りとして孔開け加工を行ったものである。
【００１３】
本実施例でのインジェクタノズルの仕様および加工条件としては、次の通りとした。
具体的には、インジェクタノズル材質は、ＳＵＳまたはＳＣＭ（ニッケルクロムモリブデン鋼）として、ノズル径は、Ｄ＝φ８ｍｍ、ｔ（肉厚）＝１．５〜２ｍｍ、ノズル微細孔数は、１６〜３２孔の多孔ノズルで、孔径は４０〜１００μｍである。また、レーザーには、ＹＡＧレーザーを使用し、レーザー出力は２ＫＷクラスＹＡＧとして、７００Ｖ、０．０５〜２Ｊで、レーザービーム径は４０μｍ程度で、被加工物表面でフォーカスをとった。そして、内外面に付与した温度差は１５０〜３００℃としたものである。
【００１４】
本実施例ではレーザー孔開け装置として図６と同一の装置を使用して、上記の条件による孔開け加工を行った。その加工後のサンプルを切り出し、走査型電子顕微鏡にて孔の円筒度を観察した。その結果、図３（ａ）に示される従来のものでは、レーザーの入側での孔径の拡大が認められるが、本実施例の図３（ｂ）においては殆ど孔径の拡大はないことが確認できた。これは、レーザービーム径に対して、均一な温度差分布となり、図１のように微細孔２の円筒度が、従来の１０／１００〜２０／１００の範囲から、約５／１００以下へ向上することがわかった。
【００１５】
実施例２
本実施例は、インジェクタノズルの外面に無機質皮膜をコーティングして、その表面から孔開け加工したものである。
図２に本実施例の概要を示す。本実施例では、インジェクタノズルの外面に、無機質皮膜６として膜厚はノズル材質の厚み（約２ｍｍ）に対して十分に薄くして、無機質皮膜としては、窒化物としてＴｉＮを化学蒸着によるコーティング等によって皮膜を設けたものである。
【００１６】
本実施例でのインジェクタノズルの仕様および加工条件としては、次の通りとした。
具体的には、インジェクタノズル材質は、ＳＵＳまたはＳＣＭ（ニッケルクロムモリブデン鋼）として、ノズル径は、Ｄ＝φ８ｍｍ、ｔ（肉厚）＝１．５〜２ｍｍ、ノズル微細孔数は、１６〜３２孔の多孔ノズルで、孔径は４０〜１００μｍである。また、レーザーには、ＹＡＧレーザーを使用し、レーザー出力は２ＫＷクラスＹＡＧとして、７００Ｖ、０．０５〜２Ｊで、レーザービーム径は４０μｍ程度で、被加工物表面でフォーカスをとった。そして、外面の皮膜厚みは３  μｍ程度である。
【００１７】
本実施例ではレーザー孔開け装置として図６と同一の装置を使用して、上記の条件による孔開け加工を行った。その加工後のサンプルを切り出し、走査型電子顕微鏡にて孔の円筒度を観察した。その結果、レーザーの入側での孔径の拡大が認められるが、本実施例においては殆ど孔径の拡大はないことが確認できた。これは、レーザービーム径に対して、皮膜によって径の拡大が阻止されたためで、微細孔２の円筒度が、従来の１０／１００〜２０／１００の範囲から、約５／１００以下へ向上することがわかった。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザー孔開け加工による孔拡大径を防止することが簡便にして効率よく可能となるので、インジェクタノズルの加工効率を高くして、かつ精度が向上する。また、微細径の多孔のレーザー孔開け加工が設計通り、正確に行えるので、燃料の料噴射性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係るインジェクタの内周を加熱してレーザー孔開け加工の概要を示す図である。
【図２】本発明の実施例２に係るインジェクタの外周に皮膜を設けたレーザー孔開け加工の概要を示す図である。
【図３】本発明の実施例１に係る孔径の拡大を示し、（ａ）従来法、（ｂ）本発明を示す電子顕微鏡写真をスケッチした図である。
【図４】従来のレーザーによる孔径拡大を示す図である。
【図５】従来のレーザービームによる温度差を示す図である。
【図６】従来のレーザー孔開け加工機の概要を示す図である。
【符号の説明】
１…インジェクタノズル
２…微細孔
３…レーザービーム
４…冷却雰囲気
５…ヒーター
６…無機質皮膜
７…集光レンズ
８…反射ミラー
９…顕微鏡
１０…フィルター
１１…出力ミラー
１２…絞り
１３…シャッター
１４…電源
１５…制御盤
１６…冷却水
１７…レーザー発振器
１８…反射ミラー
１９…付着物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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