(57)【要約】【解決手段】第１の壁または上部を覆う第１の物品をレーザー穿孔中に、第２の壁または上部を覆われている第２の物品へのアブレーション損傷を防ぐ方法を提示する。この方法は、乾燥および安定した粒子材料を前記第１および第２の壁または物品の間に提供することにより、前記第１の壁または物品のレーザー加工中に前記第２の壁または物品をレーザー光線による直接照射から遮蔽する工程を有するものである。【選択図】      図３
2009536879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
方法であって、
ａ）部分的に第１の壁および第２の壁によって形成された空洞を有する物品を提供する工程と、
ｂ）前記空洞の少なくとも一部を、乾燥および安定した粒子材料で充填することにより、当該粒子材料の粒子と隣接する当該粒子材料の他の粒子との間に接触を生じさせる工程と、
ｃ）レーザー光線を前記第１の壁の穴から通過させて前記粒子材料の少なくとも一部を照射する工程であって、この照射する工程の間、前記粒子材料は前記第２の壁を前記レーザー光線から遮蔽し、この遮蔽によって前記レーザー光線による前記第２の壁の表面のアブレーションを防ぐものである、前記照射する工程と
を有する方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記粒子材料に圧力を加える工程を有するものであり、当該圧力によって前記粒子材料が付勢されることにより、前記照射する工程の間前記遮蔽が維持されるものである。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記照射する工程の前または照射する工程の間前記粒子材料の少なくとも一部を振動させる工程を有するものである。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、前記振動させる工程は、前記粒子材料の少なくとも一部を超音波周波数で振動させる工程を含むものである。
【請求項５】
請求項１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記照射する工程が完了した後に前記空洞から前記粒子材料を除去する工程を有するものである。
【請求項６】
請求項５記載の方法において、この方法は、さらに、
前記除去する工程の間前記粒子材料を攪拌する工程を有するものである。
【請求項７】
請求項５記載の方法において、前記照射する工程により前記粒子材料の粒子の少なくとも一部は凝集するものであり、当該方法は、さらに、
前記凝集を少なくとも部分的に分散させる工程を有するものである。
【請求項８】
請求項７記載の方法において、前記凝集を分散させる工程は、前記空洞内で前記粒子材料を攪拌することによって達成されるものである。
【請求項９】
請求項７記載の方法において、前記凝集を分散させる工程は、前記凝集の少なくとも一部を化学的に溶解する工程を有するものである。
【請求項１０】
請求項１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記照射する工程が完了した後に前記空洞内に前記粒子材料を保持する工程を有するものである。
【請求項１１】
請求項１記載の方法において、この方法は、さらに、
粒径中央値が約１０〜約１，０００マイクロメートルの範囲の前記粒子材料を提供する工程を有するものである。
【請求項１２】
請求項１記載の方法において、この方法は、さらに、
粒径中央値が約１００〜約４００マイクロメートルの範囲の前記粒子材料を提供する工程を有するものである。
【請求項１３】
請求項１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記粒子材料の少なくとも一部を球形状にする工程を有するものである。
【請求項１４】
請求項１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記粒子材料の少なくとも一部に切子面を提供する工程を有するものである。
【請求項１５】
請求項１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記粒子材料の少なくとも一部にマルド（ｍｕｌｌｅｄ）粒形を提供する工程を有するものである。
【請求項１６】
請求項１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記粒子材料に複数の形態・粒径を分布させることにより、比較的大きい形態・サイズの隣接する粒子各々の間の間隙の大半に比較的小さい形態・サイズの粒子が少なくとも１つ含まれるようにする工程を有するものである。
【請求項１７】
請求項１記載の方法において、前記粒子材料は、金属、セラミック、およびガラスから成る群から選択されるものを少なくとも１つ有するものである。
【請求項１８】
請求項１７記載の方法において、前記粒子材料は、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、ムライト、サイアロン、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、酸化ジルコニウム、モリブデン、チタニウム、タングステン、および塩化ナトリウムから成る群から選択されるものを少なくとも１つ有するものである。
【請求項１９】
請求項１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記粒子材料を流体化することなく前記粒子材料にガスを通流させる工程を有するものである。
【請求項２０】
請求項１記載の方法において、前記物品は、燃料噴射ノズルおよびタービンブレードから成る群から選択されるものである。
【請求項２１】
方法であって、
ａ）第１の物品および第２の物品を空間的に分離する工程と、
ｂ）乾燥および安定した粒子材料を前記第１の物品と第２の物品との間の空間の少なくとも一部に配置することにより、当該粒子材料の粒子と隣接する当該粒子材料の他の粒子との間に接触を生じさせる工程と、
ｃ）レーザー光線を前記第１の物品の穴から通過させて前記粒子材料の少なくとも一部を照射する工程であって、この照射する工程の間、前記粒子材料は前記第２の物品を前記レーザー光線から遮蔽し、この遮蔽によって前記レーザー光線による前記第２の物品の表面のアブレーションを防ぐものである、前記照射する工程と
を有する方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記粒子材料の少なくとも一部の周囲を包囲するための表面を提供する工程を有するものである。
【請求項２３】
請求項２１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記粒子材料に圧力を加える工程を有するものであり、当該圧力によって前記粒子材料が付勢されることにより、前記照射する工程の間前記遮蔽が維持されるものである。
【請求項２４】
請求項２１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記照射する工程前または照射する工程の間前記粒子材料の少なくとも一部を振動させる工程を有するものである。
【請求項２５】
請求項２４記載の方法において、前記振動させる工程は、前記粒子材料の少なくとも一部を超音波周波数で振動させる工程を含むものである。
【請求項２６】
請求項２１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記照射する工程が完了した後に前記空洞から前記粒子材料を除去する工程を有するものである。
【請求項２７】
請求項２６記載の方法において、この方法は、さらに、
前記除去する工程の間前記粒子材料を攪拌する工程を有するものである。
【請求項２８】
請求項２６記載の方法において、前記照射する工程により前記粒子材料の粒子の少なくとも一部は凝集するものであり、当該方法は、さらに、
前記凝集を少なくとも部分的に分散させる工程を有するものである。
【請求項２９】
請求項２８記載の方法において、前記凝集を分散させる工程は、前記粒子材料を攪拌することによって達成されるものである。
【請求項３０】
請求項２８記載の方法において、前記凝集を分散させる工程は、前記凝集の少なくとも一部を化学的に溶解する工程を有するものである。
【請求項３１】
請求項２１記載の方法において、この方法は、さらに、
粒径中央値が約１０〜約１，０００マイクロメートルの範囲の前記粒子材料を提供する工程を有するものである。
【請求項３２】
請求項２１記載の方法において、この方法は、さらに、
粒径中央値が約１００〜約４００マイクロメートルの範囲の前記粒子材料を提供する工程を有するものである。
【請求項３３】
請求項２１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記粒子材料の少なくとも一部に球形状にする工程を有するものである。
【請求項３４】
請求項２１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記粒子材料の少なくとも一部に切子面を提供する工程を有するものである。
【請求項３５】
請求項２１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記粒子材料の少なくとも一部にマルド（ｍｕｌｌｅｄ）粒形を提供する工程を有するものである。
【請求項３６】
請求項２１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記粒子材料に複数の形態・粒径を分布させることにより、比較的大きい形態・サイズの隣接する粒子各々の間の間隙の大半に比較的小さい形態・サイズの粒子が少なくとも１つ含まれるようにする工程を有するものである。
【請求項３７】
請求項２１記載の方法において、前記粒子材料は、金属、セラミック、およびガラスから成る群から選択されるものを少なくとも１つ有するものである。
【請求項３８】
請求項３７記載の方法において、前記粒子材料は、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、ムライト、サイアロン、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、酸化ジルコニウム、モリブデン、チタニウム、タングステン、および塩化ナトリウムから成る群から選択されるものを少なくとも１つ有するものである。
【請求項３９】
請求項２１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記粒子材料を流体化することなく前記粒子材料にガスを通流させる工程を有するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザーで第１の壁すなわち前壁を貫通中に、第２の壁すなわち後壁の表面へのアブレーション損傷を避けるための方法に関する。「第１の」、「第２の」、「前」、および「後」という用語は、特定のレーザー貫通術に関係する相対的な用語として本明細書および添付の請求項で用いられていることを理解すべきである。例えば、「第１の壁」すなわち「前壁」は、レーザー光線で貫通する標的である壁であり、「第２の壁」すなわち「後壁」は、前記第１の壁すなわち前壁を越えた次の壁である。従って、第１の穴をレーザードリリングするための第１の壁すなわち前壁であった壁が、第２の穴をレーザードリリングするための第２の壁すなわち後壁になる場合がある。さらに、２つの壁ＡおよびＢを同時にレーザードリリングする間、壁Ａは、壁Ａのレーザードリリングに関して前壁であると同時に、壁Ｂのレーザードリリングに関しては第２の壁すなわち後壁となる場合がある。
【背景技術】
【０００２】
多くのタイプの材料をドリリングするレーザーの能力は、多くの分野の技術の発展に貢献してきた。例えば、レーザードリリングは、燃料噴射機ノズル、タービンブレード、および集積回路の正確な位置に貫通穴を開けるために用いられる。レーザードリリングは非常に効果的であり、３０ワットのレーザーを用い、１ｍｍ厚のソリッドスチール板を０．９秒で貫通することができる。標的を貫通したレーザー光線によって、前記標的の向こう側にある表面が一瞬にして損傷される場合がある。さらに悪いことには、貫通が行われた後も、例えばレーザードリリングで作られた穴の側面を形作るためなどに、レーザー加工をし続ける必要があることが多い。最初に貫通した後、レーザー光線はその貫通した穴の輪郭を少なくとも一度（おそらく数回）トレースしなくてはならないので、穿孔による穴開けにレーザー光線が用いられた場合にこの問題はさらに深刻化する。
【０００３】
さらに、一部の用途において、後壁の損傷を許す許容差はほとんどない。例えば、ディーゼル燃料噴射機ノズルの燃料チャンバの壁は、１ミクロンの穴でさえ受け入れられない。
【０００４】
これまで何年もの間に、後壁にレーザー光線が当たる問題への様々な対処法が開発されてきたが、どの対処法にも何らかの欠点がある。例えば、２０００年１１月２３日付で公開されたＷａｒｎｅｒらの特許協力条約（ＰＣＴ）国際公開第００／６９５９４号パンプレット（以下、‘５９４公報と呼ぶ）は、その背景技術の説明の中で、レーザー加工中に前壁を貫通するレーザー放射線を吸収するために、前壁と後壁間に固体金属またはプラスチックの裏当て材料を置く方法がよく行われると述べている。‘５９４公報は、そのような材料が焼き抜かれて後壁が露出され損傷を受けることがあり、且つ、小さい部品の空洞またはアクセスの限られた空洞に固体の裏当て材料を配置することは難しいと指摘している。また、‘５９４公報は、裏当て材料が融解あるいは蒸発して空洞表面に付着する場合があり、前記空洞表面に付着した材料を除去することが難しい場合があるとも述べている。
【０００５】
‘５９４公報は、前記公報で「液体裏当て」と時々呼ばれる充填方法（レーザー光による流体の吸収または散乱を行うこと）を教示している。‘５９４公報は、レーザー加工操作が行われている間、前記流体は静止していることも空洞を循環することもできると教示している。前記流体としては、レーザー光エネルギー吸収性染料を含む液体、粘性および／またはゲル状物質、または気体のいずれかが可能である。また、‘５９４公報は、十分な濃度の光散乱性材料を前記流体に混入することによって、前壁の穴を貫通して空洞に入るレーザー光線を多方向に散乱および拡散させ、前記空洞の後壁に当たるレーザー光の強度を大幅に減衰することができると教示している。しかし、これらの方法には、前記流体の過熱を防ぐ必要があることなど、いくつかの欠点がある。レーザー吸収性染料を用いる場合、正しい染料濃度を適切に選択することが重要である。散乱性粒子を用いる場合、前壁から出て来るレーザー光線の通り道にある前記流体の部分に混入される粒子を十分な濃度に維持する必要がある。
【０００６】
２００１年１０月１６日付でＰｅｒｒｙらが取得した米国特許第６，３０３，９０１号（以下、‘９０１特許と呼ぶ）は、その背景技術の説明の中で、レーザーを妨害するバリヤ特性を有する液体の流れは小さい物品の空洞（例えば燃料噴射機ノズルの空洞）内ではレーザーによる染料の脱色を避けるために十分な速さがなく、レーザー光の吸収性を明らかに劣化すると述べ、注意を与えている。また、‘９０１特許は、流れない固体で物品を充填する方法では、吸収されたレーザーエネルギーによる前記固体の加熱により、前記空洞の表面が傷つけられる結果となり得ると述べている。
【０００７】
‘９０１特許は、ピコ秒単位の極めて短いパルス時間を有するレーザーを用い、１パルス当たりわずか約１０ナノメートルの受照表面を取り除くやり方で操作した場合、後壁の有意な損傷なしに穴を貫通できると教示している。この方法は前壁と後壁間にバリヤを置かずに後壁の損傷を防ぐものとされているが、‘９０１特許は、極めて短いパルスのレーザーを採用する実施形態について説明しており、この実施形態において、物品の空洞は、各レーザーパルス後に更新される陽子吸収性ガスまたはプラズマ、貫通した穴に圧力で流入される非ニュートン固体、または高い損傷しきい値およびレーザー光拡散性を有する高粘性液（例えば真空グリース）のいずれかで充填される。これら全ての方法は、極めて短いパルスのレーザーを用いるという制限による欠点を有する。加えて、各パルス後に更新する必要のあるガスまたはプラズマの使用は、ガス交換機構、および各レーザーパルス間に有意な時間的遅延が入る可能性に関する、いくつかの技術的問題を与える。
【０００８】
２００２年４月２日付でＫｎｏｗｌｅｓらが取得した米国特許第６，３６５，８７１号（以下、‘８７１特許と呼ぶ）も、後壁を保護する方法について記述している。‘８７１特許は、レーザー光線を妨害するために空洞内に固体ピンを配置する方法を教示する先行技術について記述しているが、このピンの破片を事後に除去する必要がある場合がある、および物品の設計によっては空洞へのピンの挿入が難しい場合があると述べている。
【０００９】
‘９０１特許と同様、‘８７１特許もレーザーバリヤ特性を有する流体が関わる方法を教示している。‘８７１特許は、レーザーバリヤ特性を有する流体はドリリング工程から熱と廃物を取り除くことができるので、前記流体を使用することが特に有益だと述べている。‘８７１特許は、レーザードリリング工程中に穴に前記流体が入らないよう条件を整える必要があると教示している。‘８７１特許は、コロイド状液体、煙粒子または液滴を含むガス、または炭素、セラミック、または金属粒子の流体化層など、流れるものであれば何でもよいと述べている。‘８７１特許が教示するいくつかの実施形態は、レーザードリリングした穴とレーザーバリヤ流体間に固体または流体の分離装置を使用することを含む。しかし、‘８７１特許が教示する、流体を用いる前記方法の欠点は、レーザードリリング操作中にレーザードリリングする穴に前記流体が侵入しないように物品のレーザー側の圧力を慎重に調整しなくてはならないことであり、そのためには、レーザー光線を覆い包むガスジェットの圧力、および前記レーザードリリングした穴によって生まれる空洞圧および毛細管圧が含まれる場合がある。また、レーザードリリング操作中に物品の空洞内または空洞を貫通して前記流体を循環する必要があることも、その欠点に含まれる。
【００１０】
後壁の損傷を防ぐために使用されてきた別の方法は、セラミック鋳造材スラリーで物品の空洞を充填し、レーザードリリング工程が始まる前に前記材料を固形化させる方法である。前記レーザードリリング工程の完了後、前記物品を、時間が経つと前記鋳造材を溶解することになる溶剤に暴露する。この方法は、例えば、空洞のあるタービンブレードの後壁を、ブレードの片側のドリリング工程中に保護するために用いられてきた。しかし、この方法は、前記鋳造材スラリーの腐食作用および前記溶剤に対する抵抗性を物品が有することを要求する。また、この方法では、レーザードリリング工程前に前記鋳造材を固形化し、前記レーザー工程完了後に前記鋳造材を溶解および洗浄する必要があるので、加工時間が有意に長引く。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、レーザー光線が物品の空洞の前壁を貫通する結果として起こり得るレーザーアブレーションによる損傷から前記空洞の後壁を保護する方法を提供することである。このレーザーによる貫通は、物品の空洞の前壁をレーザー光線で加工操作する工程を含む任意のレーザー加工の結果として起こり得る。そのような加工操作の２つの例は、レーザードリリングおよびレーザーによる穿孔である。
【００１２】
本発明の別の目的は、そのような保護を提供するための先行技術の方法の欠点の１若しくはそれ以上を克服することである。  
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に従い、第１の壁すなわち前壁および第２の壁すなわち後壁によって部分的に形成された空洞を有する物品が提供される。前記空洞の少なくとも一部を、例えば酸化アルミニウム粉のような乾燥および安定した粒子材料で充填することによって、レーザー光線は前記前壁を貫通するとき若しくは前記前壁の穴を通過するときに、前記粒子材料の少なくとも一部を照射する。前記粒子材料は、前記照射の間、前記レーザー光線による前記後壁表面のアブレーションを防ぐために十分に前記後壁を遮蔽する。前記粒子材料の粒子は、隣接する粒子に接触する。前記後壁により近い層の粒子間の間隙に、前記前壁により近い層の粒子が重なることによって、前記前壁を通過して侵入するレーザー光から前記後壁を遮蔽する効果が得られる。レーザー加工操作完了後、例えば重力流、真空引き、またはガス噴射または液体パージによって、前記粒子材料を前記空洞から除去することができる。前記粒子材料の除去を、例えば前記粒子材料に対する振動の印加または直接の機械的攪拌によってさらに支援することができる。
【００１４】
本発明を開発するに当たり、発明者らは、たとえ５００ミクロンという小さい幅の空洞であっても、前壁を加工中のレーザー照射から後壁を十分に保護するために前記粒子材料の流れは必要ないという驚くべき結果を得た。また、発明者らは、前記粒子材料は過熱により空洞の壁を損傷することがなく、多くの実施形態において、前記空洞表面は、前記粒子材料のレーザー照射によって生成される除去が困難な付着物質によって一切汚染されないという驚くべき結果も得た。
【００１５】
また、本発明は、空間的に分離された２つの物品を含む状況への適用を有し、この適用では、１つの物品がもう１つの物品を覆い、下側の覆われている物品にアブレーション損傷を起こさずに、それを覆う上側にある物品をレーザー加工する。そのような状況を包含する本発明の実施形態は、上側の物品を貫通するレーザー光線による照射から下側の物品を遮蔽するよう、十分な量の乾燥および安定した粒子材料を、上側の覆う物品と下側の覆われる物品の間に挟む工程を含むものである。そのような実施形態のいくつかは、間に挟む粒子材料を前記物品の間の予め選ばれた位置に確実に留めるよう、前記間に挟む粒子材料を包含する工程を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この項では、本発明のいくつかの好ましい実施形態について、当業者が本発明を実施するために十分な詳細にわたって説明する。しかし、本書で説明する限られた数の好ましい実施形態は、添付の請求項に記述された本発明の範囲を一切制限するものではないことを理解すべきである。
【００１７】
説明を容易にするために、本発明のいくつかの実施形態の説明に燃料噴射ノズルを用い、第１の壁と第２の壁によって部分的に形成された空洞を有する物品を例示する。しかし、本発明の方法が、燃料噴射ノズルとの使用に制限されないこと、およびレーザーで第２の壁をアブレーションすることなく第１の壁をレーザー加工する、前記第１の壁と前記第２の壁とによって部分的に形成された空洞を有する任意の物品とともに使用できることを理解すべきである。そのような物品の別の例は、中が空洞のガス冷却タービンブレードである。
【００１８】
図１は、通常の燃料噴射ノズル２の立横断面を示す略図である。前記燃料噴射ノズル２は、通常、ステンレススチール製の本体４を有する。使用中の燃料噴射ノズル２の噴射端６は、燃料インテークマニホールドまたは燃焼シリンダーに挿入され、そこでノズルホール８を通して霧状の燃料を噴霧する。燃料は前記燃料噴射ノズル２のベース１２の入り口１０および球状部分１４を通って前記燃料噴射ノズル２に入り、供給導管１６に沿って前記噴射端６の燃料チャンバまたはサック１８に入る。使用中、計量装置（図示せず）は供給導管１４内にあり、エンジンの電子制御システム（図示せず）に接続されている。選択された瞬間に、前記計量装置は、加圧された燃料を前記ノズルホール８から噴射する。
【００１９】
図１において、前記ノズルホール８を識別可能に描くために、前記ノズルホール８の相対的なサイズは誇張されている。実際の燃料噴射ノズルにおいて、ノズルホールの直径は、通常、約５０〜２００ミクロンの範囲であり、ノズルホールが通過する燃料噴射機の壁の厚みは通常、約１ミリメートルである。
【００２０】
図２は、まだドリリングされていない噴射端３０および燃料噴射ノズル３２の断面の略図である。矢印３４は、レーザー源３６が前壁３８にノズルホールをドリリングするときに通る通り道を図示する。前壁３８を通過して出たレーザー光線は、空洞またはサック４０を通り、領域４４の後壁４２を照射する。瞬時に、前記レーザー光線はアブレーションによって形成されるクレーター（非公式に、領域４４の後壁表面の一部の「蒸発」と呼ばれることがある）を引き起こす。燃料噴射ノズルは、後壁の損傷をほとんど許容しない。深さがわずか１ミクロンのクレーターでさえ、燃料噴射ノズルの性能を劣化させることがわかっている。
【００２１】
本発明によれば、そのような後壁の損傷は、乾燥および安定した粒子材料を前壁と後壁間の空洞に配置し、前壁を貫通するレーザー光線に直接照射されないよう後壁を遮蔽することによって回避される。本明細書および特許請求の範囲で用いる「乾燥」という用語は、前記粒子材料が液体にも非ニュートン固体にも懸濁されておらず、接触液による包囲もされていないことを意味する。むしろ、本発明においては、前記粒子材料の粒子は、隣接する前記粒子材料の他の粒子と粒子間接触している。
【００２２】
本明細書および特許請求の範囲で用いる「Ｓｈａｄｅ：遮蔽（する）」とは、直接のレーザー光照射から領域を実質的に保護することを意味する。「Ｓｈａｄｅ：遮蔽（する）」の定義は、遮蔽された領域が全く直接照射を受けない状況、および遮蔽された領域が所々にある程度の直接照射を受けるが、この直接照射される部分は各照射部分自体によっても、または照射部分全体によっても、前記遮蔽された領域に有意なアブレーションを起こすには不十分である状況の両方を包含する。
【００２３】
本明細書および特許請求の範囲で用いる、粒子材料についての表現である「安定」とは、予想されるレーザー照射条件の下で、前記粒子材料が、（１）除去することが困難な、物品の表面の大量の汚染を結果として引き起こす融解、蒸発、またはアブレーション生成物を生成しない、または（２）後壁の遮蔽が不十分になるほどの融解、蒸発、アブレーション、または変形をしないことを意味する。従って、本発明は、レーザー光に暴露されたときに何らかの変形または劣化をする粒子材料であっても、前記粒子材料が前文に記述した条件を満たす限り、前記粒子材料の使用を除外しない。
【００２４】
本発明の実施形態で用いられる粒子材料は、好ましくはセラミックであるが、塩、ガラス、または金属でもよい。好ましい粒子材料は、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、ムライト、サイアロン、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、酸化ジルコニウム、モリブデン、チタニウム、タングステン、および塩化ナトリウムである。
【００２５】
本発明は、前記粒子材料が良好なフロー特性を有することを要求しない。むしろ、本発明が要求するのは、重力流によってであれ、粉末ケークのバルク配置によってであれ、前記粒子材料を移動して配置できることのみである。しかし、前記粒子材料は、前記粒子材料が重力流によって物品の空洞に導入されるまたはそこから除去される実施形態においては、重力下で容易に流れることが好ましい。
【００２６】
本発明は、後壁を遮蔽する度合いが後壁の損傷を防ぐために不十分な度合いになるほどに粒子パッキングを妨害するような粒形でない限り、任意の形の粒子材料の使用を含む。良好な流動性が有利な実施形態では球形が好ましい。前記粒子の表面は、例えば平滑、切子面、起伏、または回旋など、任意の形態を有することができる。
【００２７】
本発明は、レーザーによる前壁の貫通から予想されるレーザー光照射から後壁を遮蔽するために十分な数の粒子層が提供されるよう、用いる粒子材料の粒径および粒子材料の量を、空洞のサイズを考慮に入れて選択することを意図する。好ましくは、前記粒子材料は、より小さい形態・サイズの粒子が、次に大きい形態・サイズの粒子間の間隙の大半を満たすマルチモーダルな粒径分布を有する。本発明のいくつかの実施形態は、前壁にレーザー加工によって開けられる穴のサイズより小さい粒子の使用を含む。
【００２８】
粒径の選択は、粒子材料を物品の空洞に導入し除去する方法を考慮に入れて行うのが好ましい。例えば、この導入および除去を重力流によって行う実施形態では、４０ミクロン未満の粒径の流動性は通常貧しいので、そのような微細なサイズの粒子を避けることが好ましい。
【００２９】
一般に、粒子材料のサイズ分布の粒径中央値は、重量百分率に基づき、約１０〜１，０００マイクロメートルの間が好ましい。さらに好ましくは、前記粒子材料の粒径は約１００〜４００マイクロメートルの間である。
【００３０】
図３は、本発明の実施形態の略図である。この実施形態において、燃料噴射ノズル５２のサック５０は、乾燥および安定した粒子材料５４で部分的に充填されている。前記粒子材料５４は、ピストン５６で定置に維持されているが、当業者に既知の任意の適切な別の手段で定置に維持することができる。前記ピストン５６が圧力源５８に動作可能に接続されていることにより、矢印６０が示すようにレーザー加工操作中に前記粒子材料５４にかかるバイアス圧は維持される。バイアス圧の印加は本発明のいくつかの実施形態では必要ないが、多くの実施形態において好ましく、レーザー光線がガスジェットの中に納まる実施形態では特に好ましい。そのようなガスジェットは、通常、レーザー加工中にレーザー加工で開けられる穴から出る破片およびアブレーション生成物の除去を助けるために用いられる。バイアス圧の印加は、レーザー光線による前壁の貫通時に、前記ガスジェットによる前記粒子材料５４の散乱あるいはポケットの発生を防ぐのを助ける。このバイアス圧は、粒子材料５４のアブレーションが起こる実施形態での粒子の並べ替えにより、レーザー光線の通り道に十分な粒子材料５４を保持するのを助けることもできる。このバイアス圧は、油圧、空気圧、機械的方法、または当業者に既知の他の任意の手段によって加えることができる。
【００３１】
本発明のいくつかの実施形態では、粒子材料のポケットの発生（すなわち、粒子層内の空隙部分の生成）を防ぐために、レーザー加工操作中および／またはレーザー加工操作とレーザー加工操作の間に、振動を物品に印加する。好ましくは、振動はバイアス圧と共に用いるが、バイアス圧を用いなくてもよい。この振動は、後壁の粒子材料の遮蔽を維持するために適した任意の周波数の振動でよく、超音波の周波数を含む。この振動は、物品に直接印加すること、あるいは物品を定置に維持する固定具または粒子材料と接触している要素に印加することができる。再び図３を参照し、例えば、ピストン５６を通して振動を粒子材料５４に印加することができる。
【００３２】
本発明の多くの実施形態において、粒子材料が後壁に保護を提供可能なレーザー加工操作の完了後まで、前記粒子材料は物品の空洞から除去されない。しかし、本発明は、各レーザー加工操作後に粒子材料を除去し、同一または別の粒子材料を適当な位置に配置して後のレーザー加工操作に必要な遮蔽を提供する実施形態も考慮する。さらに、本発明は、全てのレーザー加工が完了した後も粒子材料を物品の空洞から除去しない実施形態も考慮する。
【００３３】
レーザー加工操作後に物品の空洞から粒子材料を除去する本発明の実施形態において、最も好ましい除去方法は重力流によるものである。しかし、真空化、あるいは流動液またはガスジェットを用いたパージによる除去を用いることもできる。前記粒子材料の除去を、前記粒子材料への振動の印加または直接の機械的攪拌によって支援することもできる。
【００３４】
本発明のいくつかの実施形態において、レーザー加工操作中のレーザー照射への粒子材料の暴露によって、前記粒子材料の凝集がある程度生じる場合がある。この凝集によって、前記粒子材料を物品の空洞から除去することが困難になる場合がある。そのような実施形態では、少なくとも部分的に凝集を分散させる一連の工程を採用することができる。凝集の分散は、例えば、前記凝集に例えばチゼルで衝撃を与える、あるいは例えば回転ブレードで前記凝集をせん断することによって、機械的に達成することができる。また、凝集の分散は、化学溶解によって、あるいは粒子材料を加熱して凝集を融解または分解することによって達成することもできる。
【００３５】
本発明は、空間的に分離された２つの物品を含む実施形態も含み、この実施形態では、レーザー光線源に対して第１の物品が第２の物品を覆っているので、前記第２の物品にアブレーション損傷を与えずに前記第１の物品をレーザー加工することができる。本発明のこれらの実施形態は、前記第１の物品を貫通するレーザー光線による照射から前記第２の物品を遮蔽するよう、十分な量の乾燥および安定した粒子材料をそれらの物品の間に挟み入れる工程を含む。前記第２の物品は、前記第１の物品と同じタイプまたは質である場合があるが、必ずしもそうでなくてもよいことを理解すべきである。したがって、前記第２の物品は、前記第１の物品を位置づけるまたは支持するために用いられる固定具またはテーブルである場合がある。
【００３６】
本発明のそのような実施形態のいくつかは、挟み入れる粒子材料を前記物品の間の予め選ばれた位置に確実に留めるよう、前記挟み入れる粒子材料を包含する工程を含む。例えば、前記粒子材料が位置づけられる領域周囲にダムを配置または形成することによって、前記粒子材料を前記第１と第２の物品間の空間に含めることができる。
【００３７】
本発明のそのような実施形態のいくつかは、本発明の他の実施形態について上述した方法と同様の方法で、レーザー加工操作中に前記粒子材料にバイアス圧を加える工程も含む。振動は、本発明の他の実施形態について上述したものと同様の方法で、レーザー加工操作中および／またはレーザー加工操作とレーザー加工操作との間に第１および第２の物品の１つまたは両方に印加することができる。さらに、第１および第２の壁によって部分的に形成された空洞を有する物品を含む本発明の実施形態に関する本項の上述の全ての説明は、空間的に分離された２つの物品を含む本発明の実施形態にも適用する。
【００３８】
図４Ａおよび４Ｂは、空間的に分離された２つの物品を含む本発明の実施形態を図示する。図４Ａは立側面図であり、プレート７０はテーブル７２の上で支持ブロック７４およびリング７６によって支持されている。ここで、前記プレート７０は第１の物品であり、前記テーブル７２は第２の物品である。前記プレート７０およびテーブル７２は間隙７８によって分離されている。図４Ｂが示す部分切断透視図を参照するとよくわかるように、前記リング７６は前記プレート７０のレーザー加工される部分の下に位置する。前記リング７６はギャップ７８内に乾燥および安定した粒子材料８０の層を含む。前記プレート７０のレーザー加工中、前記粒子材料８０は、前記プレート７０を貫通したレーザー光に直接照射されないよう上面８２を遮蔽することによって、前記テーブル７２の上面８２をアブレーションから保護する。
【００３９】
本発明は、遮蔽を提供する粒子材料を流体化することなく前記粒子材料にガスを通流させる実施形態も含む。前記ガス通流は、レーザー加工操作の前、間、および／または後のいつでも行うことができるが、レーザー加工操作の間に行うのが好ましい。このようなガス流を用い、レーザー加工操作によって生じた熱または危険なアブレーション生成物を運び去ることができる。いくつかの実施形態では、前記ガス流を用いて空洞または物品の表面を酸化から保護する。前記ガス流は、当業者に既知の任意の方法で、粒子材料へ導入することおよびそこから除去することができる。
【００４０】
実施例  
燃料噴射ノズルのノズルホールのレーザー加工中に後壁の保護を提供するための本発明の実行可能性を決定するために試験を実施した。これらの試験では、穿孔法（ｔｒｅｐａｎｎｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ）を用いて商業用ディーゼル燃料噴射ノズルをレーザー加工し、直径約８０〜約１００マイクロメートルのノズルホールを作った。前記燃料噴射ノズルの本体はＨ１０またはＨ１１ステンレススチール製である。レーザードリリングする領域の壁の厚さは約１．２ミリメートルであった。前壁と後壁間の距離は約０．５〜約２．０ミリメートルの範囲であった。
【００４１】
３０ワットのＮｄＹＡＧレーザーを用い、５３２ナノメートルの波長で動作し、５０マイクロメートルのスポットサイズを有するレーザー光を生成した。このレーザー光の送達はパルス長が３〜５ナノ秒のペアパルスで行い、２つのパルス間の分離時間は１００ナノ秒であった。前記ペアパルスを１０ｋＨｚの速度で繰り返した。
【００４２】
前記レーザー光線を、約２０７ｋＰａ（１平方インチ（６．４５１６平方センチメートル）当たり３０秒）の圧力で動作するエアジェットで同軸に取り囲んだ。前壁を最初に貫通した後に前記レーザーが照射し続ける時間は、約０．２〜約３．０秒の範囲内に制御した。燃料噴射ノズルにレーザードリリングで連続的に開けられる穴の数は、４〜１８の範囲である。レーザードリリングの完了後、粒子材料を除去し、前記燃料噴射ノズルを縦割りにし、後壁の損傷および空洞壁表面の汚染を目視検査した。
【００４３】
本発明の実施形態を用いたこれらの試験で、前記粒子材料は燃料噴射ノズルのサック部分に重力流によって導入された後、重力流によって除去された。前記粒子材料は、前記ノズルの先端から深さ約５ミリメートルまで前記サック部分を充填した。前記試験中、前記粒子材料は、前記粒子材料にバイアス圧を加えるために前記燃料噴射機のベースにネジ止めされてから燃料供給導管に進められるピストンによって定置に留められた。
【００４４】
粒子材料について様々なタイプ、サイズ、および粒形を評価した。それらの評価を表１に示す。
【００４５】
【表１】
2009536879.tif 000003
【００４６】
上記試験の結果、本発明は、実質的な量の後壁損傷を防ぐことに成功した。ほとんどの場合、後壁の損傷は全く観察されなかった。また、これらの結果は、試験対象のどの粒子材料も、空洞壁から除去することが困難な汚染を有意な量で生成しないことを示した。多くの試験で、汚染は全くなかった。
【００４７】
比較実施例  
燃料噴射ノズルサックに空気のみが含まれていることを除き、上述の物質および条件を用いて、比較試験を実施した。そのような試験の全てで、後壁のクレーターが観察された。
【００４８】
本発明のいくつかの実施形態のみを示し、説明したが、当業者には、請求項に記述した本発明の意図および範囲から逸脱しない範囲で本発明に多くの変更および改良を加えられることは明白であろう。本書で参照した全ての米国特許は、本書にその全文があるかのごとく、参照によりここに組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
本発明の特徴および長所の重要性は、添付の図を参照することによって、よりよく理解されるであろう。しかし、これらの図は例示のみを目的として描かれているのであり、本発明の制限を定義するものではないことを理解すべきである。
【図１】図１は、先行技術の燃料噴射ノズルの立断面図を表す略図である。
【図２】図２は、先行技術の燃料噴射ノズルの噴射器先端部分の立断面図を表す略図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態の略図であり、前記ノズルサック内の粒子材料を付勢するための手段を図示する。
【図４Ａ】図４Ａおよび４Ｂは、空間的に分離された２つの物品を含む本発明の実施形態を図示する。図４Ａは、第２の物品の上を覆う第１の物品を図示する立側面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａの物品の部分切断透視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年4月29日(2009.4.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
後壁の損傷を防ぐために使用されてきた別の方法は、セラミック鋳造材スラリーで物品の空洞を充填し、レーザードリリング工程が始まる前に前記材料を固形化させる方法である。前記レーザードリリング工程の完了後、前記物品を、時間が経つと前記鋳造材を溶解することになる溶剤に暴露する。この方法は、例えば、空洞のあるタービンブレードの後壁を、ブレードの片側のドリリング工程中に保護するために用いられてきた。しかし、この方法は、前記鋳造材スラリーの腐食作用および前記溶剤に対する抵抗性を物品が有することを要求する。また、この方法では、レーザードリリング工程前に前記鋳造材を固形化し、前記レーザー工程完了後に前記鋳造材を溶解および洗浄する必要があるので、加工時間が有意に長引く。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある（国際出願日以降国際段階で引用された文献及び他国に国内移行した際に引用された文献を含む）。
【先行技術文献】 
【特許文献】
【特許文献１】
米国特許第６，３０３，９０１号明細書
【特許文献２】
米国特許第６，３６５，８７１号明細書
【特許文献３】
米国特許第６，１４０，６０４号明細書
【特許文献４】
米国特許第５，０２６，９６４号明細書
【特許文献５】
米国特許第４，２３９，９５４号明細書
【特許文献６】
国際公開第００／６９５９４号パンフレット
【非特許文献】
【非特許文献１】
ＰＣＴ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅａｒｃｈ  Ｒｅｐｏｒｔ  ｆｏｒ  ＰＣＴ／ＵＳ２００７／００１６７６，  ｉｓｓｕｅｄ  Ｊｕｌｙ  ６，  ２００７．
【国際調査報告】
2009536879.tif 000009
2009536879.tif 000010
2009536879.tif 000011