(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの部材（２）にレーザー光線（５）を用いて穴（３）をレーザー加工するための保護装置（１）であって、該保護装置（１）を加工される穴（３）のビーム出口側端部（８）に位置決め可能にすることで、これに境を接している前記部材（２）の背後空間をレーザー光線から保護するようにした前記保護装置（１）において、プラスチックとその中に埋設されているガラスまたはカーボン繊維とから成る複合体から形成され、該保護装置（１）内に侵入する前記レーザー光線（５）が、前記ガラスまたはカーボン繊維によって分割され、その際前記レーザー光線（５）のエネルギー密度が減衰または低減されるように前記保護装置（１）が作製されていることを特徴とする保護装置。
【請求項２】
前記保護装置（１）の前記複合体に使用されるプラスチックが熱可塑性を有するように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の保護装置。
【請求項３】
前記保護装置（１）の前記複合体に使用されるプラスチックがポリエーテルエーテルケトンプラスチックであることを特徴とする、請求項１または２に記載の保護装置。
【請求項４】
前記複合体に使用される前記ガラスまたはカーボン繊維が、プラスチック内でのそのそれぞれの繊維延在方向に関し、互いに交差するように且つ互いに横方向に延在するように配置されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一つに記載の保護装置。
【請求項５】
前記ガラスまたはカーボン繊維が前記保護装置（１）のプラスチックの体積部内でほぼ均一な密度で配分されて配置されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一つに記載の保護装置。
【請求項６】
前記複合体内での前記ガラスまたはカーボン繊維の成分に対し、その充填量がほぼ４０％ないし６０％の範囲内にあることを特徴とする、請求項５に記載の保護装置。
【請求項７】
前記ガラスまたはカーボン繊維がほぼ１０ないし１５μｍの範囲の直径を有していることを特徴とする、請求項５または６に記載の保護装置。
【請求項８】
前記ガラスまたはカーボン繊維がほぼ０．１ないし０．５ｍｍの長さを有していることを特徴とする、請求項５から７のいずれか一つに記載の保護装置。
【請求項９】
前記ガラス繊維が、レーザー加工に使用されるレーザー源の放射波長に対し十分に透過性があるような性質を有していることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つに記載の保護装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一つに記載の保護装置を使用して、特に噴射弁またはノズルである部材を製造する方法において、前記部材（２）の壁部（１０）に設けられる穿孔部（３）の背面から出るレーザー光線が前記保護装置（１）によって完全にブロックされて前記部材（２）の対向部分（１１）が遮蔽されるように、前記保護装置（１）を前記部材（２）の空間内に位置決めする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１に記載の種類の、少なくとも１つの部材にレーザー光線を用いて穴をレーザー加工するための保護装置であって、該保護装置を加工される穴のビーム出口側端部に位置決め可能にすることで、これに境を接している前記部材の背後空間をレーザー光線から保護するようにした前記保護装置を出発点とするものである。さらに、本発明は、本発明による保護装置を使用してノズル、特に噴射弁のような部材を製造するための方法、および、本発明による保護装置を使用して噴射弁を製造するための方法を出発点とする。
【背景技術】
【０００２】
特に部材または工作物にたとえば貫通穴或いは袋穴のような穴を穿孔するための工業材料加工では、高出力パルスレーザーを使用する頻度が増えてきており、その使用により、従来の機械的切削技術に比べてより高い加工精度とより短い加工時間を得ることができる。穴をレーザー穴開けする場合の問題は、穿孔部背面に対向している部材壁をレーザービームによる望ましくない損傷から保護するには、穴を穿孔する際にレーザー穴開け工程の終了時に穿孔部背面から出るレーザービームを遮蔽またはブロックしなければならない点にある。この問題は、特に、レーザー光線により加工される部材がたとえば自動車技術で使用するための噴射ノズルまたはディーゼルノズルである場合に発生する。この種の噴射ノズルはほぼ中空筒状のノズル本体を有し、該ノズル本体はノズルドームを備え、該ノズルドームのドーム壁部には、後にノズルを規定どおりに使用する際に燃料を噴射穴を通じてエンジン燃焼室内へ配分または噴霧するために複数の前記噴射穴が設けられ、或いは、穿設される。この種の噴射ノズルはその長手軸線に関して回転対称に形成されているので、技術水準では、ノズルドームに１つの噴射穴をレーザー穴開けするために、ノズルドーム内に形成されている中空空間内部に、金属材料またはセラミックス材料から形成される保護装置がレーザー穴開けの加工時間の間使用されるのが通常である。この保護装置はバッキング材とも呼ばれるもので、ノズルドームの壁部に穿設された穿孔部の穿孔部背面から出るレーザービームをブロックまたは吸収して、対向するノズルドームの壁部の損傷を阻止するために用いられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
技術水準によるこの種の保護装置の欠点は、超短波レーザーパルスを備えた高出力レーザーによるレーザー加工の際に、このために使用する金属製またはセラミックス製の工作物が穿孔部背面から出て保護装置に衝突するレーザー光線に耐えられず、その保護機能を果たすことができないことである。図２は従来の保護装置１を示している。この保護装置は、ディーゼルノズル２の中空空間６内で規定どおりに使用した場合、穿孔部背面から出るレーザービームによって生じる突き抜け穴７を有し、従って背後空間保護機能をもはや有しない。図３は、従来の保護装置が機能を発揮しないことを説明するためにディーゼルノズル２を例示したものであり、この場合ノズル本体の左側の壁部はレーザー放射によって穿設された噴射穿孔部３を有し、該噴射穿孔部の背面に対向している右側の壁部は、図２の保護装置１が機能を発揮していないために、レーザー加工中に保護装置１を使用しているにもかかわらず、レーザービームにより貫通部という形状で損傷部１３を有している。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に記載の特徴を備えた保護装置には、規定どおりに使用した時にレーザー放射方向において穿孔部出口側の後方に配置されている保護装置の本発明による複合体構造により、加工される部材または工作物の穿孔部出口側から出るレーザー光線が吸収され、その結果穿孔部出口側に対向している前記部材の壁部が、本来は支障なく更に伝播するレーザービームによる意図しない損傷から保護されるという利点がある。すなわち、本発明による保護装置の複合体構造がプラスチックマトリックス内に埋設された繊維から形成されていることで、保護装置内に侵入するレーザービームは、プラスチックマトリックス内に配分されている繊維によって分割され、その際レーザービームのエネルギー密度が減衰または低減され、吸収される。この点が金属またはセラミックスから成っている従来の保護装置とは異なっており、すなわち侵入するレーザービームがこの種の分割を蒙らず、よってこのような従来の保護装置を突き破るのとは異なっている。
【０００５】
本発明による保護装置は、有利には、特に内部に中空空間を形成した回転対称な形状を有する部材に適しており、すなわちたとえば噴射ノズル、ディーゼルノズル、絞り、弁部材、フィルタ部材のような部材に適している。
【０００６】
本発明の更なる有利な他の構成は、従属項に述べられている処置によって得られる。特に、熱可塑性ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）とその中に埋設されているガラス繊維とから成るプラスチックマトリックスを使用すると、本発明による保護装置の特に高い破壊強度が得られ、その際このように構成された保護装置は、射出成形によって簡単に製造できるのでコスト的に好ましく生産できる。本発明による保護装置は破壊強度が高いので、技術水準とは異なり、レーザー加工中のプロセス安定性がより高いとともに、損傷した部材による不良率がより低くなる。
【０００７】
本発明の実施形態を以下の説明および添付の図面で詳細に説明する。図面は概略図で示してある。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ディーゼルノズルのドーム内に位置決めされ、ガラス繊維を埋設したポリエーテルエーテルケトンプラスチックから成る複合体から形成された本発明による保護装置を備える、ディーゼルノズルの縦断面図である。
【図２】金属から成る従来の保護装置の一部分の平面図であり、保護装置が、加工される部材内で規定どおりに使用した時にレーザー光線を遮蔽するために用いられ、ナノ秒範囲の超短波レーザーパルスを備えたレーザー光線による複数の突き抜け穴を相並んで有していることを示す前記平面図である。
【図３】ディーゼルノズルの頭部側部分の縦断面図であり、左側にレーザー源からの超短波レーザーパルスによる噴射穴が穿設され、ディーゼルノズルの、噴射穴とは反対の側が、図２の従来の保護装置が機能を発揮していないためにレーザー加工中にレーザービームによる損傷部を有していることを示す前記縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、レーザー加工中にレーザービーム５を用いて加工される部材２の中に挿入された本発明による保護装置１をかなり概略的に示した図である。加工される部材２とはディーゼルノズルの頭部側部分であり、頭部側部分は、高出力のパルス作動レーザー（図示せず）からのレーザービーム５がディーゼルノズル２の頭部側部分を形成しているノズルドーム４の左側壁部１０に噴射穴３を生成させる加工段階で図示してある。ノズル２内部に中空空間６が形成されているために、噴射穴３に対向する右側壁部１１を、噴射穴３から出るレーザー光線から保護しなければならないので、放射方向において穴出口側８の後方に位置するように保護装置１をノズル２の中空空間８内に挿入することで、穴出口側８から出るレーザー光線を完全に吸収している。
【００１０】
さらに、本発明によれば、保護装置１は、熱可塑性ポリエーテルエーテルケトンプラスチック（ＰＥＥＫ）と、その中にほぼ均質に埋設されているガラス繊維とから成る複合体から形成されている。本実施形態では、ガラス繊維はそのそれぞれの繊維延在方向に関し無秩序にまたは不規則に配置されており、すなわち互いに交差するように且つ互いに横方向に延在するようにポリエーテルエーテルケトンから成るプラスチックマトリックスの体積部内に配置されている。典型的にはほぼ２５ＭＷのパルスピーク出力を持ったハイパワーパルスレーザーを放射光源として、ほぼ１μｍの赤外線波長範囲でサブナノ秒範囲ないしピコ秒範囲の超短波パルスで使用する場合、所定の穿孔部３をディーゼルノズル壁部に穿設した後に該穿孔部３の背面８から出るレーザー光線は、中空空間６内に挿入されている保護装置１の、穿孔部背面８に境を接している表面９に衝突する。保護装置１の表面９に衝突するレーザービーム５は、ポリエーテルエーテルケトンプラスチック（ＰＥＥＫ）とガラス繊維とから成る複合体の中へ侵入し、ＰＥＥＫプラスチックマトリックス内部にほぼ均一な密度で配置されているガラス繊維により分割される。この場合、この分割によってレーザービーム５のエネルギー密度が漸次低減し、レーザービームは複合体材料に吸収される。図２の技術水準の場合のようにバッキング材が単に「モノリシック」に形成されているにすぎない保護装置に比べると、すなわちバッキング材が金属またはセラミックスから成り、従ってレーザービームはこのバッキング材で局部的にしか吸収されず、吸収範囲は、ビーム伝播方向に対し横方向に見て、バッキング材に侵入するレーザービームのビーム径に実質的に制限されており、そのエネルギー密度が局部的に高いために、材料内でのレーザービームのビーム伝播方向に沿って材料が切除されるような保護装置に比べると、本発明による保護装置１の中に侵入するレーザービームは体積吸収を蒙る。というのは、本発明による保護装置１の「ハイブリッド」に形成された材料に侵入するレーザービームは、プラスチックの体積部内での繊維のほぼ「無定形」な配置によって分割または分岐され、その結果この分岐によって複合材内部でのレーザービームの相互作用ゾーンが拡散して大きくなるためにエネルギー密度が減少し、材料の体積部内部で吸収が放熱として行われるからである。従って、複合体として形成された本発明による保護装置１は、技術水準に比べて、衝突するレーザー光線に対し著しく高い吸収率を有している。
【００１１】
本発明による保護装置１の複合材の中に侵入するレーザービーム５を、複合材の中に埋設されているガラス繊維を用いて部分ビームに最適に分割するため、ＰＥＥＫ内でのガラス繊維の密度およびサイズは、衝突するレーザービームが最適に散乱されてバッキング材がノズルの加工に耐えるように選定される。このため、複合体内での繊維の混合比率または充填量を繊維成分に対し４０−６０％の範囲に決定することで、複合体内での繊維のこの密度で、衝突するレーザー光線に対する比較的優れた散乱体を形成させている。本実施形態では、レーザー穴開けに使用されるレーザー源のビーム径はほぼ２０〜２５μｍであるので、繊維の直径は１０〜１５μｍの範囲に決定される。繊維径がこれよりも著しく大きいと、入射するレーザー光線に対して、カップリングプロセスの増大にとって好ましい散乱プロセスの確率が減少することが予想され、レーザー光線の高エネルギー密度のために繊維が破壊されて不具合が生じることがある。さらに、複合体内での繊維の確率的完全混合を得て、ＰＥＥＫマトリックス内で支配的な繊維の定向性が生じないようにするため、その長さは０．１〜０．５ｍｍの範囲に決定されている。保護装置に対するこれらの記載は、加工のために使用するレーザーの１０３０〜１０６４ｎｍの赤外線波長範囲の波長を使用する代わりに、放射波長が５３１ｎｍまたは１５００ｎｍのレーザーを使用する場合も適用される。本発明の１実施形態では、複合構造に埋設される繊維はカーボン繊維として形成されている。
【００１２】
ディーゼルノズル２の中空空間６の内部で保護装置１を規定どおりに位置決めした時にディーゼルドーム４に対向する保護装置１の前部部分は、先が尖るように成形されており、その結果ディーゼルノズル２のディーゼルドーム領域４の、レーザー穴開けのために設けられている壁部１０と、これに隣接している保護装置１の表面９との間に、中間空間が残る。その機能は、部材２のレーザー加工中に蒸発または溶融した材料残滓を穿孔部３からその背面８を通って排出させるために、たとえばＮ２のような作業・保護ガス或いはヘリウムのような希ガスがこの中間空間を貫流できる点にある。表面９の更なる機能は、穿孔部３の背面から出るレーザービーム５に、所定の平坦な境界面を提供することにある。この境界面は入射するレーザービーム５に対しほぼ直角に延在する。
【００１３】
総括すると、本発明による保護装置１は、ポリエーテルエーテルケトンプラスチックから成るマトリックスと、その中に埋設されている繊維とから成る複合体から形成され、その際繊維は、プラスチック内でのそのそれぞれの繊維延在方向に関し互いに交差するように且つ互いに横方向に延在して、保護装置１のプラスチックの体積部内でほぼ均一な密度で配分されているように配置されている。繊維は、複合体内に侵入するレーザービーム５を分割してそのエネルギー密度を低減させるためにガラス繊維またはカーボン繊維として実施されている。本発明による保護装置１は、回転対称な形状を有するノズル、噴射弁のような部材の製造に適しており、この場合本発明による保護装置は、加工のために使用されるレーザービームの放射方向において部材内の穿孔部出口側後方でそこから出るレーザー光線をブロックし、対向する部材の壁部を遮蔽するように、部材内に位置決めされる。
【符号の説明】
【００１４】
１  保護装置
２  部材
３  穴
５  レーザービーム
１０  部材の左側壁部
１１  部材の右側壁部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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