(57)【要約】【課題】加工位置を貫通したレーザービームによる工作物内壁の損傷を簡易に阻止する。【解決手段】レーザービーム１４を集光部材１６によって集光させ、その集光させたレーザービーム１４の焦点位置を加工位置に合わせることによって穿孔加工を行う。穿孔加工により貫通した穴を通過した後のレーザービーム１４は、焦点位置を通過しているので拡散した状態でインジェクタ６の内壁面６ａに達する。レーザービーム１４は、拡散によりインジェクタ６の内壁面６ａに達したときには加工能を持たなくなり、内壁面６ａを損傷しない。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザービームを照射して材料加工を行うレーザー加工装置において、
レーザービームを集光する集光手段を有し、前記集光手段により集光されたレーザービームを外部から照射することによって加工対象の中空工作物に穿孔加工を施すことを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項２】
請求項１記載のレーザー加工装置において、
前記集光手段により集光されたレーザービームの焦点位置を、前記中空工作物の加工位置に合わせる焦点位置調整手段を有することを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のレーザー加工装置において、
前記集光手段は、焦点レンズであることを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載のレーザー加工装置において、
前記集光手段は、アクシコンレンズであることを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項５】
請求項１又は２記載のレーザー加工装置において、
前記集光手段は、ホログラフィック光学系であることを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項６】
照射したレーザービームを貫通させて材料加工を行うレーザー穿孔方法において、
中空工作物の加工のためにレーザービームを出力するステップと、
出力されたレーザービームを集光するステップと、
を含み、集光されたレーザービームを前記加工位置に照射することによって前記中空工作物に穿孔加工を施すことを特徴とするレーザー穿孔方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部が空洞である工作物に対して外部からレーザーによって穿孔する方法、特に貫通したレーザービームによる工作物の内壁面の損傷防止に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、工作物に燃料噴射用等小さい孔を開ける加工作業には、レーザー装置が用いられる。例えば、ディーゼル自動車の生産工程においては、ディーゼルインジェクタの先端部分に燃料噴射用の孔を開ける穿孔加工にレーザー装置を用いている。
【０００３】
図４は、加工対象のディーゼルインジェクタ（以下、単に「インジェクタ」）６の断面図であるが、従来においては、インジェクタ６の所定の加工位置にレーザービーム５０を照射することによって燃料噴射用の孔を開ける。ただ、インジェクタ６のような中空形状の工作物に対して外部からレーザービーム５０を照射して穿孔する場合、インジェクタ６を貫通したレーザービーム５０が更にインジェクタ６の内壁面６ａに照射されることによって内壁面６ａを損傷させてしまうおそれがある。
【０００４】
この内壁面の損傷を回避させる技術として、工作物であるインジェクタの内側に固体、液体あるいは気体等で形成されたビーム阻止材を挿入し、このビーム阻止材によって孔を通り抜けたレーザービームを吸収あるいは散乱反射させる技術がある（例えば、特許文献１）。図５は、図４と同様にインジェクタ６の断面図であるが、この従来例によると、インジェクタ６の中空内部に固体のビーム阻止材５２を挿入する。これにより、インジェクタ６を貫通したレーザービーム５０は、ビーム阻止材５２により吸収され、インジェクタ６の内壁面６ａの損傷を阻止することができる。
【０００５】
【特許文献１】特表２００１−５２６９６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ビーム阻止材として固体を用いた場合、阻止材自体にも穴があくことになるため阻止材の交換が頻繁に必要になる。阻止材を粉状で形成することによって交換頻度の削減を図ることは可能になるかもしれないが、粉状の阻止材による孔の詰まり、粉状の阻止材を工作物内部へ供給する流路の詰まり等の問題が発生しうる。
【０００７】
また、ビーム阻止材として液体を用いた場合、複数の孔をあけるとその孔から阻止材が噴出し加工を阻害するという問題が発生する。また、気化すると光学阻止を汚損する問題も発生してくる。
【０００８】
更に、ビーム阻止材として気体を用いた場合、一般に密度が低いために阻止能が低くなってしまい、工作物の内壁損傷防止の確実性が低下する。密度を高めることで阻止能の向上を図ることは可能であるが、孔が形成されるとその孔から阻止材が噴出することで照射されているレーザービーム自体を阻止してしまうという問題が発生する。
【０００９】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、加工位置を貫通したレーザービームによる工作物内壁の損傷を簡易に阻止することのできるレーザー加工装置及びレーザー穿孔方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以上のような目的を達成するために、本発明に係るレーザー加工装置は、レーザービームを照射して材料加工を行うレーザー加工装置において、レーザービームを集光する集光手段を有し、前記集光手段により集光されたレーザービームを外部から照射することによって加工対象の中空工作物に穿孔加工を施すことを特徴とする。
【００１１】
また、前記集光手段により集光されたレーザービームの焦点位置を、前記中空工作物の加工位置に合わせる焦点位置調整手段を有することを特徴とする。
【００１２】
前記集光手段は、焦点レンズ、アクシコンレンズあるいはホログラフィック光学系であることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るレーザー穿孔方法は、照射したレーザービームを貫通させて材料加工を行うレーザー穿孔方法において、中空工作物の加工のためにレーザービームを出力するステップと、出力されたレーザービームを集光するステップとを含み、集光されたレーザービームを前記加工位置に照射することによって前記中空工作物に穿孔加工を施すことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、加工対象の中空工作物の穿孔加工のために照射するレーザービームを集光させ、その集光させたレーザービームの焦点位置を加工位置に合わせることによって、穿孔加工により貫通した穴を通過した後のレーザービームを拡散させるようにした。レーザービームは、拡散されることによって中空工作物の内壁面に達したときには加工能を持たなくなるため、中空工作物の内壁面を損傷しなくなる。このように、レーザービームを集光させるという簡易な方法又は簡易な手段を設けることによって中空工作物の内壁面の損傷防止という効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面に基づいて、本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係るレーザー加工装置の一実施の形態を示した全体構成図である。図１には、レーザー加工及びその制御を行うレーザー装置２と、レーザー装置２が載置される載置台４ａと、載置台４ａに取り付けられた脚４ｂとが示されている。レーザー装置２は、この載置台４ａと脚４ｂとからなるテーブル４によって床等に固定される。脚４ｂには、本実施の形態の加工対象物であるインジェクタ６を載置する加工物載置台８が取り付けられている。インジェクタ６は、加工物載置台８に取り付けられている姿勢調整治具１０によって加工物載置台８に固定される。このように、加工するレーザー装置２と加工されるインジェクタ６は、テーブル４に固定される。
【００１７】
レーザー装置２から照射されたレーザービーム１４は、ミラー１２によりインジェクタ６の設置方向に屈曲され、載置台４ａに設けられた開口部４ｃ、集光部材１６を通過してインジェクタ６の加工位置である先端部分に照射される。このように、レーザー装置２は、レーザービーム１４をインジェクタ６の先端部分に照射することで燃料噴射用の孔を開ける。集光部材１６は、集光部材取付手段により脚４ｂに固定されている。集光部材取付手段は、脚４ｂに固定された摺動台１８ａ、摺動台１８ａの上を１次元方向に摺動する１軸スライド板１８ｂ及び集光部材１６を１軸スライド板１８ｂに固定する集光部材取付治具１８ｃから構成される。
【００１８】
レーザー装置２は、レーザー発振器２２、ミラー角度調整機構２４、焦点位置調整機構２６及び加工制御回路２８を有している。レーザー発振器２２は、レーザービームを出力する。ミラー角度調整機構２４は、ミラー１２の角度調整を行うことでレーザー発振器２２により出力されたレーザービームをインジェクタ６の加工位置に合わせる。焦点位置調整機構２６は、１軸スライド板１８ｂを矢印Ａ方向に摺動させることで集光部材１６の焦点位置をインジェクタ６に合わせる。加工制御回路２８は、外部からの加工指示に従い本発明に係るレーザー穿孔方法を実施することによって各構成要素２２，２４，２６の動作を制御しながらインジェクタ６に対して穿孔加工を施す。
【００１９】
図２には、本実施の形態において用いる集光部材の側面図と各集光部材により集光されたレーザービームの形状が示されている。図２（ａ），（ｂ）は焦点レンズであり、図２（ａ）には相対的に焦点距離の長い長焦点レンズが、図２（ｂ）には相対的に焦点距離の短い短焦点レンズが、それぞれ示されている。焦点レンズは、レーザービームをロート状に集光させるが、焦点位置調整機構２６は、その焦点レンズの焦点３０をインジェクタ６の加工位置に合わせる。ただ、インジェクタ６には厚みがあるので、より厳密には加工位置のインジェクタ外壁面側に合わせる。図２（ｃ）は円錐形状のアクシコンレンズである。アクシコンレンズは、ビームの絞りを特殊な形状とすることができる。本実施の形態において用いるアクシコンレンズは、図２（ｃ）に示したようにレーザービームをシャンペングラス状に集光させる。焦点位置調整機構２６は、このアクシコンレンズの焦点３０をインジェクタ６の加工位置、より厳密には加工位置のインジェクタ内壁面側に合わせる。図２（ｄ）は、ホログラフィック光学系である。ホログラフィック光学系は、波の重ね合わせの原理を利用した集光系で、レンズではないが、レンズと同様に集光機能を有しており、任意の場所に所望の集光形状を形成できることを特徴としている。本実施の形態において用いるホログラフィック光学系は、アクシコンレンズと同様にレーザービームをシャンペングラス状に集光させる。焦点位置調整機構２６は、ホログラフィック光学系の焦点３０をアクシコンレンズと同様に加工位置のインジェクタ内壁面側に合わせる。
【００２０】
図２から明らかなように、集光部材により集光されたレーザービーム１４は、焦点３０を通過した後、拡散されることになる。本発明者は、この点に着目した。すなわち、本実施の形態において特徴的なことは、レーザービームを集光させ、焦点位置を加工位置に合わせることによって工作物（インジェクタ６）を穿孔加工し、その穿孔加工により貫通した穴を通過した後にレーザービームを拡散させるようにしたことである。これにより、穿孔した穴を通過したレーザービームが中空形状のインジェクタ６の対向する内壁面に照射されたとしても、レーザービームのパワー密度は拡散によりすでに低下し加工能を持っていないため、内壁面の損傷を阻止することができる。
【００２１】
次に、本実施の形態における動作について説明する。ここでは、まず、図１に示した集光部材１６として短焦点レンズを用いた場合を例にして説明する。
【００２２】
レーザー装置２の加工制御回路２８は、外部からの加工指示に従いレーザー発振器２２にレーザービーム１４を出力させる。その出力されたレーザービーム１４は、ミラー１２により屈曲され短焦点レンズにより集光されてインジェクタ６の加工位置に照射される。
【００２３】
ところで、集光されたレーザービーム１４によって、従来と同じようにインジェクタ６に穿孔加工を施さなければならない。つまり、レーザー装置２は、加工位置に照射されるレーザービーム１４のパワー密度及び集光径（スポット径）を、穿孔加工に必要な状態に設定しなければならない。このため、加工制御回路２８は、必要に応じて焦点位置調整機構２６を動作させて、１軸スライド板１８ｂを上下方向、すなわちインジェクタ６に近づける方向若しくは遠ざける方向に摺動させる。加工制御回路２８は、このようにして短焦点レンズの焦点をインジェクタ６の外壁面に合わせる。また、加工制御回路２８は、必要に応じてミラー角度調整機構２４を動作させミラー１２の角度調整を行うことによって、集光されたレーザービーム１４の焦点位置をインジェクタ６の加工位置に合わせる。更に、加工制御回路２８は、必要に応じてレーザー発振器２２のレーザービームの出力制御を行い、加工位置に照射されるレーザービーム１４のパワー密度及び集光径を穿孔加工に必要な状態に設定する。
【００２４】
なお、加工指示内容は同然のこと、穿孔加工に必要なレーザービーム１４のパワー密度及び集光径、更に短焦点レンズの焦点距離も既知なので、加工制御回路２８は、これらの情報をもとに逆算することによってレーザー発振器２２に出力させるレーザービームのビーム径等を計算により求めることができる。ミラー角度調整機構２４及び焦点位置調整機構２６に対する制御量においても同様である。
【００２５】
図３（ａ）には、集光部材１６として短焦点レンズを用いたときのインジェクタ６の断面図が示されている。インジェクタ６は、集光されたレーザービーム１４が加工位置に照射されることによって穿孔加工される。なお、厳密には、加工が進むにつれ焦点位置をインジェクタ６の外側から内側に移動させることが好ましいが、本発明者による実験によって焦点位置を移動させなくても穿孔加工する上で問題ないことが確認された。
【００２６】
インジェクタ６に穴が貫通されると、レーザービーム１４は、その穴を通過して中空形状のインジェクタ６の対向する内壁面６ａに照射されることになる。ただ、本実施の形態におけるレーザービーム１４は、短焦点レンズ１６によって集光されているので、焦点位置（加工位置）を通過した後に拡散する。拡散されたレーザービーム１４のパワー密度は、穿孔に必要なパワー密度より低下する。この結果、レーザービーム１４は、加工能を持たなくなり、内壁面６ａを損傷しなくなる。なお、長焦点レンズを用いたときの動作は、短焦点レンズを用いたときと同様である。長焦点レンズは、短焦点レンズと比べて拡散度合いが少ないため、パワー密度の低下度合いも少なくなる。従って、加工位置から対向する内壁面までの距離が長い場合に用いればよい。
【００２７】
図３（ｂ）は、集光部材１６としてアクシコンレンズを用いたときのインジェクタ６の断面図である。アクシコンレンズ１６を用いたときも短焦点レンズのときの同様に、集光されたレーザービーム１４は、貫通した穴を通過して中空形状のインジェクタ６の対向する内壁面６ａに照射されることになる。しかしながら、レーザービーム１４は、穴を通過した後に拡散するため、拡散した後のパワー密度は穿孔に必要なパワー密度より低下する。この結果、レーザービーム１４は、加工能を持たなくなり、内壁面６ａを損傷しなくなる。なお、集光部材としてホログラフィック光学系を用いたときもアクシコンレンズと同様なので説明を省略する。
【００２８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、インジェクタ６の穿孔加工のために照射するレーザービームを集光させ、その集光させたレーザービームの焦点位置を加工位置に合わせることによって従前と同様に穿孔加工を施すことができる。そして、穿孔加工により貫通した穴を通過した後のレーザービームは、焦点位置を通過しているので拡散することになる。レーザービーム１４は、この拡散によって加工能を持たなくなるので、インジェクタ６の内壁面６ａを損傷しない。本実施の形態によれば、集光手段を用いるという簡易な構成によって中空形状の加工物の内壁面損傷防止という効果を奏することができる。
【００２９】
なお、本実施の形態では、加工対象の中空工作物としてインジェクタ６を例にして説明したが、インジェクタ６以外の中空工作物に対しても実施できることはいうまでもない。
【００３０】
また、本実施の形態では、焦点位置調整手段として、焦点位置調整機構２６及び摺動台１８ａ、１軸スライド板１８ｂ及び集光部材取付治具１８ｃからなる集光部材取付手段を設け、集光部材１６の位置を調整するようにした。しかし、実際には集光部材１６と加工対象物（インジェクタ６）との相対的な位置関係（距離関係）が調整できればよいので、加工対象物側を動かすような構成としてもよい。
【００３１】
また、本実施の形態では、種々の加工対象物に適用可能なように、加工制御回路２８の指示に従いミラー１２又は集光部材１６の位置調整を行う手段２４，２６、また、出力するレーザービームのビーム径を調整可能なレーザー発振器２２をレーザー装置２に設けたが、同じ形状の中空工作物に対して同じ内容の穿孔加工を常に行うのであれば、これらの調整機構を設ける必要はない。
【００３２】
また、本実施の形態では、レーザー加工装置を、テーブル４によって加工する側のレーザー装置２と加工される側のインジェクタ６との双方を一体的に固定したが、本発明は、実施する際に集光されたレーザービームの焦点位置を加工対象物の加工位置に合わせられればよく、本実施の形態において例示したレーザー加工装置の構造に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係るレーザー加工装置の一実施の形態を示した全体構成図である。
【図２】本実施の形態において用いる集光部材を示した側面図と各集光部材により集光されたレーザービームの形状を示した図である。
【図３】本実施の形態において穿孔加工されるインジェクタの要部を示した断面図である。
【図４】従来のレーザー穿孔方法により穿孔加工されるインジェクタの要部を示した断面図である。
【図５】内壁面損傷防止器具を用いて従来のレーザー穿孔方法により穿孔加工されるインジェクタの要部を示した断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
２  レーザー装置、４  テーブル、４ｃ  開口部、４ｂ  脚、４ａ  載置台、６  インジェクタ、６ａ  内壁面、８  加工物載置台、１０  姿勢調整治具、１２  ミラー、１４  レーザービーム、１６  集光部材（短焦点レンズ、アクシコンレンズ）、１８ｂ  １軸スライド板、１８ｃ  集光部材取付治具、１８ａ  摺動台、２２  レーザー発振器、２４  ミラー角度調整機構、２６  焦点位置調整機構、２８  加工制御回路。
【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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