(57)【要約】【課題】付着物の防止および均一性の向上のための、溶融物の排出・除去により平滑で表面側での溶融径の拡大をも防止するレーザー孔開け加工技術が望まれている。【解決手段】インジェクタ１はインジェクタ固定用治具６に固定され、インジェクタ固定用治具６内部に設けられた流路はインジェクタの内部と負圧計５に接続されている。負圧計５は真空ポンプ３に接続される。負圧は、メインレギュレータ３２で１次制御されるが、本実施形態では、さらに精度良く負圧を制御する為に、負圧計５の出力によりポンプ制御器４が真空ポンプ３とサブレギュレータ３３を制御する構成となっている。このような装置を用いてレーザー光照射によるインジェクタの微細孔加工時に、ノズル通路内を３００ｍｍＨｇ（３８．７ｋＰａ）近傍の負圧にて吸引する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インジェクタ体の内部に設けられたノズル導路を負圧とし、加工アシストガスをインジェクタ体のレーザー光照射領域に供給し、インジェクタ体にレーザー光を照射してノズル導路に連通するノズル孔を加工するインジェクタノズル孔加工方法において、
レーザー光の照射点に開口した微細孔に所定の負圧範囲内の任意負圧を発生させ、レーザー光で高温に加熱された加工アシストガスの流れにより、開口した突端の溶融部から連続的にノズル導路へ吸い出すことで、溶融面を平滑にすることを特徴とするインジェクタノズル孔加工方法。
【請求項２】
請求項１に記載のインジェクタノズル孔加工方法において、
所定の負圧範囲は、２００ｍｍＨｇ（２５．８ｋＰａ）以上であることを特徴とするインジェクタノズル孔加工方法。
【請求項３】
請求項２に記載のインジェクタノズル孔加工方法において、
所定の負荷範囲は、２５０ｍｍＨｇ（３２．２ｋＰａ）以上であることを特徴とするインジェクタノズル孔加工方法。
【請求項４】
請求項３に記載のインジェクタノズル孔加工方法において、
所定の負荷範囲は、２７５ｍｍＨｇ（３５．５ｋＰａ）以上であることを特徴とするインジェクタノズル孔加工方法。
【請求項５】
請求項１に記載のインジェクタノズル孔加工方法において、
加工アシストガスは、ガス供給ノズルを用いてレーザー光照射領域に供給し、ガス供給ノズルの供給穴を通してレーザー光を照射することを特徴とするインジェクタノズル孔加工方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のインジェクタノズル孔加工方法において、
所定の負圧を維持する為に、所定の負圧範囲の任意負圧に維持して吸引する為の第１の吸引維持工程と、
貫通後は、レーザー加工中にノズル通路内の負圧が変動することを防ぐ第２の吸引維持工程と、
を備えたことを特徴とするインジェクタノズル孔加工方法。
【請求項７】
インジェクタ体の内部に設けられたノズル導路を負圧に維持し、加工アシストガスをインジェクタ体のレーザー光照射領域に供給し、インジェクタ体にレーザー光を照射してノズル導路に連通するノズル孔を加工されたインジェクタノズルにおいて、
インジェクタ体のレーザー光の照射点に開口した隙間に所定の負圧範囲内の任意負圧を発生させ、レーザー光で高温に加熱された加工アシストガスの流れにより開口した突端の溶融部から連続的にノズル導路へ吸い出すことで、溶融面を平滑に加工されたことを特徴とするインジェクタノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インジェクタノズルに複数の微細孔を加工する装置及び加工方法に関し、特に孔径のばらつきの少なく、平滑な溶融面を得ることのできるインジェクタノズルの微細孔加工に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、筒内噴射（Direct Injection）ガソリンエンジン又はディーゼルエンジンのさらなる低燃費化、排ガスの清浄化および高出力化技術が活発になっている。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す必要がある。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、特殊な材料を使用して精密加工で仕上げられておりその内面形状は、燃焼室形状に適した燃料噴霧とするために高仕上げ面が要求されている。
【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いる。
【０００４】
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り、ドリル加工で発生する孔出入口のバリをレーザー光により除去することで、インジェクタノズル孔径のばらつきを抑えることができ、噴射量の安定化及び噴霧のばらつき抑制ができる。
【０００５】
これ以外の加工方法としては、レーザー光、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る。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、さらには出側の溶融物の付着が避けられず、またレーザーの特性から孔の拡大を来たし精度上からも問題があった。
【０００６】
このような問題を解決する為、下記に示す特許文献１では、前記レーザー光による入熱側に発生する溶融孔拡大を防止する方法に関し、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が公開されている。しかし、これらの方法も加熱する為のヒータ又は表面に無機質皮膜を配する等の加工工程が増加する。また、溶融により発生するガスや酸化粉塵を吸引することにより加工孔内面への再付着を防止する技術もある。
【０００７】
このように付着物の防止および均一性の向上のための、溶融物の排出・除去により平滑で表面側での溶融径の拡大をも防止するレーザー孔開け加工技術が望まれている。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２０２６６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の技術では、インジェクタノズルの微細孔の円筒精度向上を目的にしており、溶融物の排出・除去がしやすい平面の孔開けにおいては問題ないが、インジェクタノズルのように背面の排出体積の小さなワークに対する孔開けにおいては、孔径が小さくなる、孔径がばらつくといった問題が発生する。
【００１０】
上記の課題に鑑み、本発明の目的の一つは、孔開け加工のレーザー光とともに燃焼ガスを供給してこのガス流により、溶融部の内部に進行を促進して溶融部を平滑とするレーザー孔開け加工装置及び加工方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を満足させる為に、本発明に係るインジェクタノズル孔加工方法は、インジェクタ体の内部に設けられたノズル導路を負圧とし、加工アシストガスをインジェクタ体のレーザー光照射領域に供給し、インジェクタ体にレーザー光を照射してノズル導路に連通するノズル孔を加工するインジェクタノズル孔加工方法において、レーザー光の照射点に開口した微細孔に所定の負圧範囲内の任意負圧を発生させ、レーザー光で高温に加熱された加工アシストガスの流れにより、開口した突端の溶融部から連続的にノズル導路へ吸い出すことで、溶融面を平滑にすることを特徴とする。
【００１２】
さらに、本発明に係るインジェクタノズル孔加工方法において、所定の負圧範囲は、２００ｍｍＨｇ（２５．８ｋＰａ）以上であることを特徴とする。
【００１３】
さらに好ましくは、本発明に係るインジェクタノズル孔加工方法において、所定の負荷範囲は、２５０ｍｍＨｇ（３２．２ｋＰａ）以上であることを特徴とする。
【００１４】
さらにより好ましくは、本発明に係るインジェクタノズル孔加工方法において、所定の負荷範囲は、２７５ｍｍＨｇ（３５．５ｋＰａ）以上であることを特徴とする。
【００１５】
さらに、本発明に係るインジェクタノズル孔加工方法において、加工アシストガスは、ガス供給ノズルを用いてレーザー光照射領域に供給し、ガス供給ノズルの供給穴を通してレーザー光を照射することを特徴とする。
【００１６】
さらにまた、本発明に係るインジェクタノズル孔加工方法において、所定の負圧を維持する為に、所定の負圧範囲の任意負圧に維持して吸引する為の第１の吸引維持工程と、貫通後は、レーザー加工中にノズル通路内の負圧が変動することを防ぐ第２の吸引維持工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
本発明に係るインジェクタノズルは、インジェクタ体の内部に設けられたノズル導路を負圧に維持し、加工アシストガスをインジェクタ体のレーザー光照射領域に供給し、インジェクタ体にレーザー光を照射してノズル導路に連通するノズル孔を加工されたインジェクタノズルにおいて、インジェクタ体のレーザー光の照射点に開口した隙間に所定の負圧範囲内の任意負圧を発生させ、レーザー光で高温に加熱された加工アシストガスの流れにより開口した突端の溶融部から連続的にノズル導路へ吸い出すことで、溶融面を平滑に加工されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によればレーザー光による、秒単位の短時間に起こる溶融・凝固の繰り返しに起因する内壁の平滑性を向上させ、さらに均一にして優れた燃料噴射特性を有するインジェクタノズルを、裏孔径が小さくなることなく孔径のばらつきを抑えた円筒状の貫通孔として加工でき、裏面のスパッタを除去できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係るインジェクタノズルの微細孔加工装置の概要を示す概要図である。インジェクタ１はインジェクタ固定用治具６に固定され、インジェクタ固定用治具６内部に設けられた流路はインジェクタの内部と負圧計５に接続されている。負圧計５はメインレギュレータ３２とサブレギュレータ３３と共に真空ポンプ３に接続される。負圧は、メインレギュレータ３２で２００ｍｍＨｇ以上（例えば４００ｍｍＨｇ以下）で好ましくは、２７０ｍｍＨｇ以上（例えば３２５ｍｍＨｇ以下）で１次制御されるが、本実施形態では、さらに精度良く負圧を制御する為に、負圧計５の負圧値によりポンプ制御器４が真空ポンプ３及びサブレギュレータ３３を制御する構成となっている。また、ポンプ制御器４は、レーザー孔開け加工機２０の作動信号を取得して、インジェクタノズル孔３０の孔開け時のアシストガス流入増加による圧力変動を低減している。この構成によりさらに好ましい２７５ｍｍＨｇ以上（例えば３２５ｍｍＨｇ以下）で制御が可能となっている。
【００２１】
図２は、本発明の実施形態に係るインジェクタノズルの微細孔加工装置におけるレーザー照射部の拡大図である。このような装置を用いてレーザー光照射によるインジェクタの微細孔加工時に、ノズル通路内を３００ｍｍＨｇ以下の負圧にて吸引する。なお、アシストガスはアルゴン（Ａｒ）と約５パーセントの酸素（Ｏ２）の混合ガスを使用しているが、ＡｒのみでもあるいはＯ２のみ、Ｎ２のみでも同様の効果が得られる。さらに、アシストガスは、０．２ＭＰａに加圧されている。
【００２２】
アシストガスの目的は、溶融金属の酸化防止と、過度な溶融を防ぐことであり、レーザー孔開け加工で生じる温度むらを低減する働きがある。さらに、アシストガスにより溶融物の付着を防止すると同時に溶融によって発生する燃焼ガスや酸化粉塵を吸引することによって加工孔内面への再付着を防止する。すなわち、アシストガス及び燃焼ガスを高速に吸引することによって不要な溶融物の排除を促進するものである。
【００２３】
本実施形態で加工する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、ノズル径はＤ＝φ８mm、ｔ（肉厚）＝１．２mm、ノズル微細孔数は６〜３０孔で５０〜１５０μｍの多孔ノズルである。
【００２４】
図３は、本発明の実施形態に係るレーザー孔開け加工機の概要を示す概要図である。レーザーにはＹＡＧ−ＳＨＧレーザーを使用し、レーザー出力は２０ｗクラスで、レーザー光径はφ２０μｍである。制御盤１６からの指令により電源１５が作動すると共に作動信号がポンプ制御器へ送られる。次に、連続、好ましくはパルスとして発振され、絞り１３及び出力ミラー１２で照射に適したレーザー光として調整される。レーザー発振器１８からレーザー光が折り返されシャッター１４を開けることで反射ミラー９に送られ９０度曲げられる。この反射ミラー９の上部には観察用の顕微鏡１０がフィルタ１１を介して設けられ、加工部をモニターしている。一方、加工用レーザー光は、集光レンズ８を通って小径高エネルギー化されインジェクタ１に照射される。
【００２５】
また、レーザー照射は、短時間周期のパルス状で照射することで照射部が溶融し、さらに溶融部の表面が蒸発して表皮部分が微少量除去される。この処理を繰り返すことにより孔開が可能となる。
【００２６】
図４の（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の実施形態に係るインジェクタノズル微細孔開け工程を示す微細孔の模式図である。なお、レーザー光は約１０秒間照射してインジェクタノズルの孔開け加工を行っている。
【００２７】
（ａ）は、レーザー孔開け加工を開始した状態を示す。レーザー光とアシストガスによりレーザー光照射部分から溶融が始まり高温の溶融物２が発生し、アシストガスのＯ２と反応し、さらにレーザー光照射部分が高温になりレーザー光方向に表面が蒸発して微少量除去と溶融が繰り返して進む。この時、インジェクタ１の内部では吸引され、負圧となっている。しかし、この時の負圧は加工に影響しないため、急速減圧が可能な負圧手段があれば、この工程でインジェクタ内部を負圧にしなくても良い。
【００２８】
（ｂ）は、レーザー孔開け加工により、入口側から出口側まで溶融が進行した状態を示す。溶融が出口側まで進行すると、吸引による負圧で溶融物２がインジェクタ１の内部方向に吹き飛び、高温になったアシストガスと共に出口側の溶融がさらに進行する。このようにしてインジェクタ裏面のスパッタを除去できる。なお、本実施形態では、負圧の制御を精度良く行うために、（ａ）から負圧とした。
【００２９】
（ｃ）は、レーザー孔開け加工がさらに進行した状態を示す。レーザー光により高温になったアシストガスがインジェクタ１内からの吸引によりさらに増速する。高温、高速なアシストガスにより溶融部２を吹き飛ばすと共に溶融面が円筒状に平滑化される。溶融物２は、吸引によりインジェクタ１の内部に付着せず真空ポンプ３によりインジェクタ１の外部に排出される。もちろん負圧計５の前段にはフィルタがあり、溶融物２が冷えて固化した酸化粉塵を回収するのは言うまでもない。
【００３０】
図５は、本発明の実施形態に係るインジェクタ内部の負圧と孔径、孔径のばらつき（標準偏差）の関係を示す模式図である。横軸に負圧、左縦軸に孔径のばらつきを示す標準偏差、右軸に孔径を示す。レーザー光の照射時間は１０秒とし、孔径の測定方法は、顕微鏡１０により孔の縦横の直径を測定して平均し、１つの孔の孔径を求める。さらに、負圧を大気圧から少しずつ減圧して約５００ｍｍＨｇまで圧力を減圧し、同一負圧時における各１０個の孔径と孔径のばらつきを標準偏差により求めた。
【００３１】
測定によると、大気圧時では孔径が４８μｍ、標準偏差が３．５であったが、圧力を下げていくと孔径は大きくなり、孔径の標準偏差は、減圧と共に減少し、約３００ｍｍＨｇで孔径５７μｍ、標準偏差が１．７になる。標準偏差の減少が停止して逆に増加し４００ｍｍＨｇになると標準偏差は２に増加し５００ｍｍＨｇではさらに２．２となる。この事から、負圧は３００ｍｍＨｇを中心とする少なくとも１００ｍｍＨｇ以内であれば、ばらつきの少ない孔径を得ることができ、孔径は５５μｍとなる。さらに、負圧を制御して約３００ｍｍＨｇを中心に２５ｍｍＨｇ以内であればさらに標準偏差は１．７となる。
【００３２】
このように、負圧にすることによりガス流れが良くなり、孔径ばらつきが抑制される。従って、負圧が増加しても（５００ｍｍＨｇとなっても）、ばらつきは基本的に増加しない。３００ｍｍＨｇから５００ｍｍＨｇにおいてばらつきが大きくなったのは、ｎ数が１０と少ない為、異常値に影響されて起きたと考えられる。メカニズムからは３００ｍｍＨｇからその効果がサチレートすると予想され、負圧をそれ以上にする必要はない。
【００３３】
以上の結果から本実施形態では、インジェクタ１の内部を減圧し、高温、高速なアシストガスにより孔径のばらつき低下と、平滑な溶融面を得ることができるという効果がある。本実施形態では、減圧によるインジェクタノズル孔開け加工方法を用いたが、平板に背面ら局所的に負圧にして孔開けをする方法もある。また別の方法として、アシストガスをさらに加圧してインジェクタノズルの孔開け加工をする方法もあることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態に係るインジェクタノズルの微細孔加工装置の概要を示す概要図である。
【図２】本発明の実施形態に係るインジェクタノズルの微細孔加工装置におけるレーザー照射部の拡大図である。
【図３】本発明の実施形態に係るレーザー孔開け加工機の概要を示す概要図である。
【図４】本発明の実施形態に係るインジェクタノズル微細孔開け工程を示す微細孔の拡大図である。
【図５】本発明の実施形態に係るインジェクタ内部の負圧と孔径、孔径のばらつき（標準偏差）の関係を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  インジェクタ、２  溶融物、３  真空ポンプ、４  ポンプ制御器、５  負圧計、６  インジェクタ固定用治具、７  アシストガスノズル、８  集光レンズ、９  反射ミラー、１０  顕微鏡、１１  フィルタ、１２  出力ミラー、１４  シャッター、１５  電源、１６  制御盤、１８  レーザー発振器、２０  レーザー孔開け加工機、３０  インジェクタノズル孔、３１  排気口、３２  メインレギュレータ、３３  サブレギュレータ。
【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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