JP4681539B2 - 流体注入装置の部品に孔を開けるレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼機関内に燃料を注入する流体注入装置の構成部品に孔を開けるレーザ加工装置に関する。ここで用語「燃焼機関」とは、燃料が直接的または間接的に少なくとも１つの燃焼室に、注入装置を介して、供給されるあらゆる種類のエンジンあるいは反応器を意味する。用語「注入装置の部品」とは、特に、注入ノズル、流体制御機器あるいはフィルタ等を意味する。

現在、前記の構成要素に、特にある種のレーザ加工装置を用いて孔を開けるさまざまな方法が公知である。例えば、共振器用にＱスイッチ手段を具備したダイオード・ポンプの固体レーザ（diodo pumped solid state laser (DPSSL)）を使用することが提案されている。このようなレーザは複数のパルスを生成する。そのパルスの周期は、１μｓより遙かに短く、例えば１５ナノ秒である。

前述のタイプのレーザ装置は、さまざまな会社により既に製造されている。このようなダイオード・ポンプの結晶レーザ、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザは、フラッシュランプ・ポンプの結晶レーザ（flash lamp pumped crystal laser）に対し、さまざまな利点がある。実際、このようなフラッシュランプを使用すると、あるパルスから別のパルスへの変動、特に供給されたパルスの強度変動、およびパルスの先端エッジ長さの変動が生じてしまう。さらにまた、共振器の安定性はあまり良好ではない。その理由は、活性要素が比較的広い伝送スペクトラムを有するフラッシュランプにより加熱されるからである。かくしてフラッシュランプ・ポンプされる結晶レーザは、最適の性能を有さない。その理由は、エネルギーの一部は、レーザビームを生成するのに使用されないからである。このことの意味するところは、活性媒体は熱ストレスに曝され、パルスの伝送安定性と品質を劣化させることである。この大きな欠点は、機械加工するべき孔の精度を抑え、ある孔から次の孔への良好な再現（再生産）性を達成することができないことである。かくして、フラッシュランプ・ポンプ・レーザにより形成された孔の形状は、機械加工精度が悪く、この孔を通して流れる流体の量、速度を正確に決定することができない。

しかし、非常に短い（ナノ秒範囲）のパルストレインを提供するＱスイッチを具備したレーザ装置を使用することは、孔を加工する際の効率の問題がある。実際、ある深さの孔を加工するには、大量の連続するパルスが必要であり、これは、このような孔を形成する加工速度を限定し、その結果このような加工効率を制限してしまう。さらに、この種のレーザ装置は、比較的フレキシブルではない。その理由は共振器により生成されるパルス形状を変更することが出来ず、異なる種類の孔を加工するのに適した強度プロファイルを具備したパルスを得ることができないからである。かくして機械加工された孔の形状を変化させることは困難である。その原因は、共振器により生成される非常に短いパルスを規定するパラメータ調節の柔軟度が欠けるためである。さらに、大きな直径の孔はナノ秒範囲のパルスで機械加工することはできず、環状のアウトラインに沿って複数個の孔を開ける加工方法を用いざるを得ない。最後に、Ｑスイッチの周波数には限界がある。その理由は、短い期間の間のプラズマの形成が原因である。このプラズマは、孔を加工する領域の上に存在している時には、後続のパルスから発光エネルギーを吸収してしまうからである。

本発明の目的は、流体（特に燃料）の注入装置の構成部品に孔を開けるレーザ装置を提供することである。本発明のレーザ装置は、良好な動作安定性と高レベルの孔加工精度を有し、孔を高速で（高効率で）機械加工できる。

本発明の他の目的は、効率を維持しながら必要な投資コストを抑えるレーザ装置を提供することである。

本発明は、燃焼機関内に燃料を注入する流体注入装置の構成部品に孔を開けるレーザ加工装置に関する。本発明のレーザ加工装置は、第１固体活性媒体と第１光学ポンピング手段とから構成されるレーザ共振器を有し、前記第１光学ポンピング手段は、レーザダイオードにより形成される。前記レーザ共振器は、マイクロ秒範囲内あるいはそれより長い第１パルスを生成する。レーザ加工装置は、前記レーザ共振器の下流側に配列された変調手段を有し、来入する第１パルスに対し、出力点で第２パルストレインを供給する。

本発明のレーザ加工装置の特徴によれば、高効率且つ高精度（すなわち低い加工許容度）で、燃料注入装置の構成部品（例えば注入ノズル、あるいは流体の速度決定するのに用いられるスロットリング・オリフィス等）に孔を開けることができる。本発明の装置により、比較的長い（特に５０μｓ以上）第１パルスが生成される。比較的短い（１−２０μｓの間の）第２パルスト列が、レーザ装置による孔開けの生産性と精度を、向上させる、しかしこの効率は、Ｑスイッチを具備した共振器により生成されるナノ秒範囲の周期的パルスで低下してしまう。実際に、本発明によれば、硬い材料の加工生産性は、マイクロ秒範囲よりもナノ秒範囲の方が低い。しかし高い加工精度を得るには、パルス当たりのエネルギーは大幅に増加させてはならない。本発明による装置は、最適の強度プロファイルを具備したこの種の第２パルストレインを生成する。これは、Ｑスイッチを具備しないレーザ共振器の下流側に配置された変調手段が、第２パルスよりも大きなエネルギーを有する第１パルスを供給することにより得られる。かくして本発明のレーザ装置は、高精度のきれいな孔開けを得るために、光度を変調しながら、比較的大きなエネルギーを比較的短期間に提供するよう構成される。変調されたパルスの別の利点は、レーザパルスにより生成されたプラズマの動特性に対し、孔開け方法を最適化することである。第１パルスは周期的に供給されて、高い生産性でもって複数の孔を加工することができる。

変調手段は、例えばポッケルズ・セル（Pockels Cell）により形成される。このポッケルズ・セルを正確に制御して、孔開け効率を最適化するために、第２パルストレイン強度プロファイルをポッケルズ・セルの出力点で変動させる。この変動は、孔が形成される材料に応じて、且つ孔に対して規定された形状パラメータに応じて、行われる。

マイクロ秒範囲（特に１／１０あるいは１／１００のマイクロ秒のオーダー）の第１パルスを提供するダイオードポンプのレーザ共振器と、より短周期の複数のパルスを形成することによりエネルギーの時間分布を変動させる第１パルス変調手段とを組み合わせることにより、特に効率的な解決方法を提供できる。その理由は、加工される材料に到達するエネルギー分布の生成（孔開け精度につながる）に対するフレキシビリティに対する共振器の安定性と生産性とを与えるからである。本発明の特徴の結果として、このレーザ加工装置により再生産可能且つ低い許容度でもって孔を加工することができる。かくして本発明の装置は、流体注入装置あるいはシステム、特に燃料注入装置の構成要素／部品にスロットリング・オリフィスの孔を開けるシステムに、特に適したものである。

図１−３を参照して本発明の第１実施例を説明する。本発明の装置は、線形偏光を有するレーザビーム６を供給する共振器４を含む。レーザビーム６は、マイクロ秒の範囲の連続した第１パルスから形成される。変調手段８は、ビーム強度分布を変えるために、来入するレーザビームを変調するよう配置される。すなわち、共振器４により供給される第１パルスよりも短い波長の第２パルストレインを形成するために、レーザビームのパワー・プロファイルを変化させている。「マイクロ秒範囲のパルス」とは、１μｓ以上の波長、特に５０μｓ（マイクロ秒）と１ｍｓ（ミリ秒）との間の波長を有するパルスを意味する。

本発明の好ましい変形例においては、レーザ加工装置は、共振器４により生成された第１パルスが機械加工された部品に孔を形成するよう配列される。これにより、注入装置の構成部品を製造する際に、高い生産性が得られる。しかもこれは、通常、ポッケルズ・セル（Pockels Cell）から構成される変調手段８により形成される孔の加工精度と品質に悪影響を及ぼすことなく行われる。さらにまた、本発明の解決方法によれば、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶型のダイオードポンプの固体レーザ（Nd:YAG crystal type diode pumped solid state lase (DPSSL)）から構成される活性媒体に対し、非常に高いエネルギー生産性が得られる。さらに、この種の共振器とその下流側に配置された変調手段を組み合わせることにより、短い（特に１−２０μｓの）第２パルストレインが得られる（図３）。例えば、共振器４により供給された第１パルス１０の長さは、５０μｓと１ｍｓの間である。ポッケルズ・セルである変調手段８は、第１パルス１０を変調し、第２パルストレイン１２をその出力点に供給する。第２パルストレイン１２の長さは、１−２０μｓの間である。ポッケルズ・セルは、所定のアプリケーションに対し、最適のパワー・プロファイルを正確に規定するよう制御可能である。かくして、パワー変調は、必ずしも２進（１，０）である必要はなく、ノン−ゼロの最低値とある最高値の間で変動させることも可能である。

変調手段８から出射されたレーザビーム１６は、線形偏光を維持する。このレーザビーム１６は、その後、光学ダイオード１８に入る。この光学ダイオード１８は、例えば線形ポラライザーとこの線形ポラライザーの後に配置された１／４波長板から形成される。光学ダイオード１８を出たレーザビーム２０は、円形偏光を有する。レーザビーム２０はその後、増幅器２２に入る。増幅器２２は、第２パルストレイン１２を増幅する。一般的に、この増幅器２２は光学ポンプされた固体活性媒体から構成される。

好ましくは、増幅手段を制御して、第２パルストレインの中心で第２パルスの振幅を変えることができる。これは、この増幅段に入る第１パルスのエンヴェロープに対し、増幅手段で生成されるパルスのタイムラグにより行われる。かくして、増幅パルスの先端エッジと後端エッジを用いて、第２パルスの振幅を変調することができる。

光学ダイオード１８を主に用いて、共振器４を、増幅器２２からの反射から、および増幅器２２の後に配置されたマシニング・ヘッド２４からの反射から保護する。増幅器２２から出射されたレーザビーム２６は、円形偏光状態であり、マシニング・ヘッド２４からのレーザビーム２８も同じである。

マシニング・ヘッドは、集光手段を有し、さらにこの集光手段の前にビーム拡張手段を有することも可能である。

図１の装置に光学ダイオード１８を配置することにより、装置の効率、特に供給されるレーザビームの品質の向上が可能である。さらにまた、光学ダイオード１８により、共振器４は、共振器キャビティ内の擾乱および／または干渉を阻止することにより、安定となる。かくして、第１パルスから別のパルスへの良好な再現性が確保でき、マシニング・ヘッド２４の出口において、装置により供給されるパルストレインの良好な再現性が得られる。

共振器４の詳細を図２に示す。共振器４は、従来と同様、位置調整レーザ３２を有し、共振器キャビティ要素の位置を調整し、同時にレーザビームに対し機械加工されるべき部品を正確に方向付ける。次に、共振器４は、従来と同様、ミラー３４と部分反射ミラー３６とを有する。共振器４は、ビーム分離器３８を有し、測定手段４０を用いてビームのエネルギーを測定する。共振器４は、さらに、シャットオフ安全装置４２と、生成されたレーザビームの直径を増大させる拡張器４４とを有する。図２に実施例においては、共振器４は、さらに、ビームポラライザ４６とビームリミター４８とを有する。共振器４は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶固体活性媒体から形成されるキャビティ５２を有する。本発明の場合、この活性媒体は、従来公知の方法で配列されたレーザダイオード、特にダイオード・バー（diode bar）あるいはマトリックスの形態のレーザダイオードで、光学的にポンピングされる。

前述したように、本発明のレーザ加工装置により、高品質のビームが得られ、さまざまな構成部品、特に流体注入装置の部品に孔を正確に開けることができる。このことは、ビームは、円形で、ほぼ一定の強度分布を有し、比較的小さな焦点直径に正確に集光することができることを意味する。本発明の装置は、非常に良好な安定性を示す。この安定性は、低い平均パワー変動と、共振器により生成された低い第１パルスパワー変動と、レーザ装置により供給された第２パルストレインの低いパワー変動と、第２パルストレインの低い強度分布により特徴付けられる。

本発明の装置の生成されるレーザパルスのエネルギー変動は１％以下である。このことは、孔により形成された開口の表面に対する加工許容度が低くなることを意味し、その結果、孔を通して流れる流体流の変動が小さいことを意味する。

共振器により生成されたマイクロ秒レベルのパルスは、例えば１Ｈｚと１ｋＨｚの間の周波数で生成される。このパルスの長さは、１０マイクロ秒（μｓ）と数ミリ秒（ｍｓ）の間で変動する。一方、変調器の出力点における第２パルスの長さは、１−５０μｓの間で変動する。以下に詳述する適宜の増幅手段を用いて、供給されたパルスのピーク容量は、例えば１００Ｗと１００ｋＷの間である。集光光学システムに入る前のレーザビームの直径は、５０ｍｍ以下である。ある品質のレーザビームが得られた場合には、さまざまな方法で機械加工すべき構成部品に対する焦点の距離を正確に調整し、ビームを正確に集光することが可能である。特に、その許容値は５０μｍ以下である。この距離を正確に調整することにより、機械加工された孔の形状は、その長軸部分に沿って規定される。

本発明の装置により、５μｍと１ｍｍの間の直径の孔を機械加工することができる。加工の精度は比較的高い。すなわち同一の孔が再生産可能な方法で且つ低い許容度でもって連続的に加工できる。孔の直径の円錐許容差は５％以下である。孔の円形の変形率は、直径の５％以下である。ある所定の孔から別の孔への再生産性は、５％よりもかなり低く、２％以下である。この非常に良好な許容度は、特に、ダイオード・ポンピングされた固体レーザ活性媒体から形成された共振器を用いることにより得られる。この共振器は、比較的長い第１パルスを提供し、その後変調手段（ポッケルズ・セル）によりそれを変調し、第２パルストレインを供給するよう配列されたものである。この第２パルストレインは、孔開けの動特性特に孔が形成される材料および孔の寸法に依存する最適な方法で適合できる強度分布を有する

図４は、本発明のレーザ加工装置内に配列された共振器の第２実施例を示す。既に述べた構成要素については詳述しない。図４の共振器５０が図２の共振器４と異なる点は、発振器５６がＮＤ：ＹＶＯ_４結晶から形成されている点である。この結晶は、線形偏光レーザビームを直接供給する特性を有し、その結果共振器５０内へのポラライザー（偏光器）の組み込みは余分である。ある光学ポンピング・パワーに対しては、ビームポラライザ４６を組み込むことにより光度はほぼ半分になる場合は、図２の共振器４に供給されるよりも遙かに大きな強度を有するレーザビームを提供できる。このようなＮＤ：ＹＶＯ_４結晶を用いることは、非常に短いパルスを供給するＱスイッチを具備した共振器では公知であるが、Ｑスイッチを組み込むことなしに、比較的長いパルスを供給するよう配列された共振器においては、未だ提案されていない。このような結晶を用いることは、上記した変調手段が、来入レーザビームに対し線形偏光を必要とする場合、本発明の装置に特に適したものである。同一の特性を有する他の結晶も公知である。

偏光に関しては、図１に示した装置内に具備されるさまざまな構成要素を配列することにより、円形偏光レーザビームがマシニング・ヘッド２４の出口で得られ、これは特に孔の加工に適したものである。

本発明の実施例によれば、上記した増幅器２２は、図５に示したような、少なくとも２個の固体活性媒体から形成される。図５において、レーザパルス増幅手段６０は、２個のキャビティ６２、６４から形成され、それぞれが個体媒体６６、６８を有し、それらはフラッシュランプ７０により光学的にポンピングされる。

増幅手段内にフラッシュランプを使用することは、本発明の特定の実施例を構成し、特に増幅器２２が１個のキャビティを有する場合の実施例である。フラッシュランプを増幅手段内に配置するのは、主に経済的な理由である。レーザ・ダイオード・マトリックスの使用は依然として高価である。本発明の場合、増幅手段内にフラッシュランプを使用ことは、レーザビームの品質とレーザ加工装置の安定性に無害である。実際に、増幅手段内にフラッシュランプを使用することは、レーザビームが生成される共振器にとって重大な問題ではない。

レーザビームに対し、いくつかの増幅レベルを得るような増幅手段のさまざまな配置は当業者に明らかである。他の光学要素に関して、レーザビームが各キャビティを少なくとも２回通過するような実施例も可能である。さらにまた、本発明の範囲内で、増幅器の光学状態をレーザダイオードでポンピングすることも可能である。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。

本発明の一実施例の主要部分を表すブロック図。 図１の装置の共振器の第１実施例の構成部品を表すブロック図。 図１の装置の変調手段によるレーザビームの変換状態を示す図。 図１の装置の共振器の第２実施例の構成部品を表すブロック図。 図１の装置の増幅手段の配置例を示すブロック図。

符号の説明

４ 共振器
６ レーザビーム
８ 変調手段
１０ 第１パルス
１２ 第２パルストレイン
１６ レーザビーム
１８ 光学ダイオード
２０ レーザビーム
２２ 増幅器
２４ マシニング・ヘッド
２６ レーザビーム
２８ レーザビーム
３２ 位置調整レーザ
３４ ミラー
３６ 部分反射ミラー
３８ ビーム分離器
４０ 測定手段
４２ シャットオフ安全装置
４４ 拡張器
４６ ビームポラライザ
４８ ビームリミター
５０ 共振器
５２ キャビティ
５６ 発振器
６０ レーザパルス増幅手段
６２，６４ キャビティ
６６，６８ 個体媒体
７０ フラッシュランプ

Claims (11)

1. 第１固体活性媒体と第１光学ポンピング手段とから構成されるレーザ共振器（４，５０）と、
   前記第１光学ポンピング手段は、レーザダイオードにより形成され、
   前記レーザ共振器は、５０μｓから１ｍｓの範囲内の波長を有する第１パルスを生成し、
   前記レーザ共振器（４）とマシニング・ヘッド（２４）との間に配列された変調手段（８）と
   を有し、
   前記変調手段（８）は、来入する第１パルス（１０）に対し、出力点で第２パルス列（１２）を供給するよう制御される
   ことを特徴とする流体注入装置の部品に孔を開けるレーザ加工装置。
2. 前記レーザ共振器（４）の下流側に配置された光学ダイオード（１８）
   を更に有する
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記レーザ共振器（４）により供給されたパルスの振幅を増幅する増幅手段
   を更に有する
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
4. 前記レーザ共振器（４）により供給されたパルスの振幅を増幅する増幅手段
   を更に有し、
   前記増幅手段（２２）は、前記光学ダイオード（１８）の下流側に配置される
   ことを特徴とする請求項２記載のレーザ加工装置。
5. 前記光学ダイオード（１８）は、線形ポラライザーと前記線形ポラライザーの下流側に配置された１／４波長板により形成される
   ことを特徴とする請求項２または４記載のレーザ加工装置。
6. 前記増幅手段（２２）は、前記第２パルス列（１２）の振幅を変調するために、前記第１パルスに対するタイムラグを、振幅を増幅したパルスに提供するよう制御される
   ことを特徴とする請求項３または４記載のレーザ加工装置。
7. 前記増幅手段（２２）は、キャビティを有し、前記キャビティは、第２固体活性媒体と、フラッシュランプにより形成された第２光学ポンピング手段とにより形成される
   ことを特徴とする請求項３または４記載のレーザ加工装置。
8. 前記増幅手段（２２）は、複数の増幅段階を規定する複数の活性媒体を有し、
   前記各活性媒体は、フラッシュランプによりポンピングされる
   ことを特徴とする請求項６記載のレーザ加工装置。
9. 前記レーザ共振器（４）は、線形偏光したレーザビームを出力する
   ことを特徴とする請求項１−８のいずれかに記載のレーザ加工装置。
10. 前記第１活性媒体は、線形偏光を直接生成する結晶の中から選択された結晶から形成される
    ことを特徴とする請求項８記載のレーザ加工装置。
11. ５０μｓから１ｍｓの範囲内の波長を有するパルスを供給する手段を有し、
    前記パルスのエネルギーで、前記レーザ共振器により生成された１個の第１パルスにより構成要素に孔を開ける
    ことを特徴とする請求項１−１０のいずれかに記載のレーザ加工装置。

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