レーザー加工装置
【課題】被加工物を効率良く加工することができるレーザー加工装置を提供する。
【解決手段】本発明は、レーザー加工装置(1)であって、噴流液柱を噴射するためのノズル(20)と、液体の流れの乱れを減衰させる整流室(30)と、この整流室から流入した液体をノズル入口開口に導く液体加振室(24c)と、レーザーを生成するレーザー発振器(4)と、このレーザー発振器により生成されたレーザーが、噴流液柱により導光されるように、レーザーをノズル入口開口の上方に合焦させる合焦光学系(6)と、この合焦光学系から射出されたレーザーが液体加振室内に入射されるように、ノズル入口開口と向かい合うように配置されたウインドウ(22)と、を有し、液体加振室は、ノズルから被加工物に向けて噴射された噴流液柱が加工点で霧化されやすくなるように、噴流液柱外表面の表面波を大きくすることを特徴としている。
【解決手段】本発明は、レーザー加工装置(1)であって、噴流液柱を噴射するためのノズル(20)と、液体の流れの乱れを減衰させる整流室(30)と、この整流室から流入した液体をノズル入口開口に導く液体加振室(24c)と、レーザーを生成するレーザー発振器(4)と、このレーザー発振器により生成されたレーザーが、噴流液柱により導光されるように、レーザーをノズル入口開口の上方に合焦させる合焦光学系(6)と、この合焦光学系から射出されたレーザーが液体加振室内に入射されるように、ノズル入口開口と向かい合うように配置されたウインドウ(22)と、を有し、液体加振室は、ノズルから被加工物に向けて噴射された噴流液柱が加工点で霧化されやすくなるように、噴流液柱外表面の表面波を大きくすることを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザー加工装置に関し、特に、噴流液柱により導かれたレーザーにより加工を行うレーザー加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許第３６８０８６４号公報（特許文献１）には、レーザーによって材料を加工する装置が記載されている。この装置においては、ノズルにより液体ビームが噴射されると共に、レーザービームはノズルの入口開口のところで収束される。これにより、レーザービームは、液体ビームによりガイドされながら被加工物に到達し、被加工物が加工される。
【０００３】
また、特開２０１０−２２１２６５号公報（特許文献２）には、レーザー加工装置が記載されている。このレーザー加工装置においては、ノズルから液体が噴射され、噴射された噴流液柱内に導かれたレーザーによって被加工物が加工される。また、ノズルと被加工物との間には、保護カバーが配置されており、噴射された液体は保護カバーに設けられた貫通穴を通って被加工物に到達する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６８０８６４号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２１２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許第３６８０８６４号公報記載の装置（レーザー加工装置）においては、レーザービームを導光するために噴射された液体ビーム（噴流液柱）が被加工物に当たると、液体が被加工物により跳ね返され、跳ね返った液体の液塊が噴流液柱に当たり、噴流液柱に乱れが生じるという問題がある。噴流液柱に乱れが生じると、噴流液柱内で全反射を繰り返しながら導かれていたレーザーが、噴流液柱から外部へ漏れやすくなり、レーザーを導光する効率が低下し、加工性能も低下する。また、レーザー加工装置により厚い被加工物を切断したり、被加工物に深い穴を加工する場合には、一回の走査では加工を完了することができず、噴流液柱は、同一の加工経路を何回か往復することになる。このような加工を行う場合には、跳ね返った液体の影響が特に大きくなる。
【０００６】
一方、特開２０１０−２２１２６５号公報記載のレーザー加工装置においては保護カバーを設けることにより、被加工物に当たって跳ね返った液体から噴流液柱を保護し、これにより、レーザーの導光効率の低下を抑制している。しかしながら、このレーザー加工装置においても、噴流液柱の、保護カバーと被加工物の間の部分には、跳ね返った液体が当たり、噴流液柱が乱されるという問題がある。また、噴流液柱が、被加工物により跳ね返された液体の液滴から保護されたとしても、噴射された液体が被加工物の表面に滞留して水の層を形成すると、滞留した液体により導光効率が低下するという問題がある。即ち、被加工物の表面に水の層ができると、噴流液柱により導かれたレーザーが滞留している液体により散乱したり、水の層の影響によりレーザーの光路がずれるという問題がある。特に、レーザー加工装置により深い穴を加工する場合には、加工中の穴の中に水が滞留し易く、水の層による悪影響が大きい。
【０００７】
従って、本発明は、被加工物を効率良く加工することができるレーザー加工装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明は、噴流液柱によって加工点に導かれたレーザーにより加工を行うレーザー加工装置であって、ノズル入口開口を備え、噴流液柱を噴射するためのノズルと、供給された液体の流れの乱れを減衰させる整流室と、この整流室を通過した液体を流入させる加振室流入口を備え、流入した液体をノズル入口開口に導く液体加振室と、レーザーを生成するレーザー発振器と、このレーザー発振器により生成されたレーザーが、噴流液柱により導光されるように、レーザーをノズル入口開口の上方に合焦させる合焦光学系と、この合焦光学系から射出されたレーザーが液体加振室内に入射されるように、ノズル入口開口と向かい合うように配置されたウインドウと、を有し、液体加振室は、ノズルから被加工物に向けて噴射された噴流液柱が加工点で霧化されやすくなるように、噴流液柱外表面の表面波を大きくすることを特徴としている。
【０００９】
このように構成された本発明においては、供給された液体は、整流室に流入して流れの乱れが減衰され、次いで、液体は、加振室流入口を通って液体加振室に流入する。液体加振室に流入した液体は、ノズル入口開口を通って噴流液柱としてノズルから噴射される。一方、レーザー発振器により生成されたレーザーは、ノズル入口開口と向かい合うように配置されたウインドウを透過して液体加振室に入射されると共に、合焦光学系によりノズル入口開口の上方に合焦される。これにより、レーザーは噴流液柱により導光される。また、液体加振室は、噴流液柱外表面の表面波を大きくすることにより、ノズルから被加工物に向けて噴射された噴流液柱を加工点において霧化されやすくする。
【００１０】
このように構成された本発明によれば、液体加振室が噴流液柱を加工点において霧化されやすくするので、被加工物に到達した噴流液柱は速やかに霧化され、被加工物から跳ね返った液体が噴流液柱に与える外乱を抑制することができる。また、被加工物に到達した噴流液柱が速やかに霧化されるので、液体が被加工物の加工点に滞留しにくく、滞留した液体により導光が阻害されるのを抑制することができる。これにより、被加工物を効率良く加工することができる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、加振室流入口は、ノズル入口開口を取り囲むように設けられた液体加振室の側壁面の一方向から液体が流入するように配置されている。
このように構成された本発明によれば、液体加振室の側壁面の一方向から液体が流入するので、ウインドウの近傍において液体の適度な流れが発生し、レーザートラップ現象によりウインドウに異物が付着するのを防止することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、液体加振室は、高さがノズル入口開口の直径の２０〜３００倍、横幅がノズル入口開口の直径の１５〜２００倍に構成されている。
このように構成された本発明によれば、液体加振室により液体が効果的に加振され、噴流液柱に十分な表面波を形成することができるので、噴流液柱を速やかに霧化させることができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、整流室は、液体加振室の少なくとも一部を取り囲む環状に形成されている。
このように構成された本発明によれば、整流室が液体加振室の少なくとも一部を取り囲む環状に形成されているので、少ないスペースで液体の流れの乱れを減衰させることができ、これにより、レーザー加工装置を小型化することができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、液体加振室は、ほぼ円筒形に形成され、この円筒の高さが、直径よりも大きく構成されている。
このように構成された本発明によれば、液体加振室の高さは液体加振室の直径よりも大きく、この液体加振室により液体が効果的に加振され、噴流液柱に十分な表面波を形成することができるので、噴流液柱を速やかに霧化させることができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、液体加振室の側壁面には、加振室流入口とは別に、エア抜き穴が設けられている。
このように構成された本発明によれば、加振室流入口の反対側にエア抜き穴が設けられているので、液体加振室内に滞留している空気を、加振室流入口から流入した液体により押し出すことができ、空気を迅速に排出することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、さらに、被加工物を保持すると共に、Ｘ軸方向の被加工物の移動、Ｘ軸に直交するＹ軸方向の被加工物の移動、及び、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向と平行な各軸を中心軸とする被加工物の回動を同時に行うことができる被加工物保持装置を有し、立体空間において自由な加工を可能にする。
【００１７】
このように構成された本発明によれば、加工中に、被加工物をＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動させることができると共に、被加工物をＸ軸方向、Ｙ軸方向と平行な軸線を中心軸として回動させることができる。これにより、被加工物を高い自由度で移動させることができるので、非常に広範な加工が可能であると共に、加工精度を向上させることができる。また、加工中に、被加工物を移動させることにより、液体の加工点付近への滞留を抑制することができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、さらに、被加工物を保持すると共に、Ｘ軸方向の被加工物の移動、Ｘ軸に直交するＹ軸方向の被加工物の移動、及び、被加工物の回転を同時に行うことができる被加工物保持装置を有し、立体空間において自由な加工を可能にする。
【００１９】
このように構成された本発明によれば、被加工物を回転させながら、加工中に、被加工物をＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動させることができる。また、加工中に、被加工物を高速で回転させることにより、液体の加工点付近への滞留を更に抑制することができる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、合焦光学系は、ノズル入口開口に対し、ウインドウに近い側でレーザーを合焦させるように構成され、これにより、噴流液柱が形成される縮流部にレーザーの一部を当て、噴流液柱外表面の表面波をより大きくする。
【００２１】
このように構成された本発明によれば、レーザーの一部は、ノズル入口開口近傍の縮流部で噴流液柱に当たるので、噴射される噴流液柱に外乱が与えられる。この外乱により、噴流液柱に表面波が励起され、表面波を、より大きくすることができ、被加工物に到達した噴流液柱を、速やかに霧状にすることができる。
【００２２】
本発明において、好ましくは、さらに、加工により発生する残渣が除去されるように、被加工物の表面にミスト噴流を噴射するミスト噴流噴射装置を有する。
このように構成された本発明によれば、被加工物の表面にミスト噴流が噴射されるので、被加工物を加工することにより発生した加工粉を加工点から除去することができ、被加工物表面に発生する残渣をなくすことができる。
【００２３】
本発明において、好ましくは、さらに、整流室から加振室流入口に液体を導く加振室流入通路を備え、この加振室流入通路は、ウインドウに沿って、液体加振室の一方の側から加振室流入口へ液体を導くように構成されている。
【００２４】
このように構成された本発明によれば、液体は、ウインドウに沿って液体加振室の一方の側から加振室流入口へ導かれるので、ウインドウに沿う液体の流れにより液体中の異物を洗い流すことができ、より確実にウインドウへの異物の付着を防止することができる。
【００２５】
本発明において、好ましくは、さらに、加振室流入通路の形態を画定する加振室流入通路調整部材を備え、この加振室流入通路調整部材を交換することにより、噴流液柱外表面の表面波の大きさを調整することができる。
【００２６】
このように構成された本発明によれば、加振室流入通路調整部材の交換により、噴流液柱外表面の表面波の大きさを調整することができるので、加工対象物に応じて、噴流液柱を適切に霧化させることができ、本発明のレーザー加工装置により広汎な対象物を加工することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明のレーザー加工装置によれば、被加工物を効率良く加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置のヘッド部の断面図である。
【図２】図１におけるII-II断面を示す斜視図である。
【図３】液体加振室形成部材の（ａ）上面図、（ｂ）側面断面図、及び（ｃ）下面図である。
【図４】ノズルから噴射された噴流液柱の状態を示す図である。
【図５】ノズル入口開口より噴流液柱内に導入されるレーザーを拡大して示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態によるレーザー加工装置に内蔵されている液体加振室形成部材の（ａ）上面図、及び（ｂ）正面図である。
【図７】本発明の第３実施形態によるレーザー加工装置を示す図である。
【図８】本発明の第４実施形態によるレーザー加工装置を示す図である。
【図９】本発明の第５実施形態によるレーザー加工装置を示す図である。
【図１０】本発明の第６実施形態によるレーザー加工装置のヘッド部の断面図である。
【図１１】図１０におけるXI-XI断面を示す斜視図である。
【図１２】レーザー加工装置のヘッド内部に形成された液体加振室、加振室流入通路、及び整流室の形態を示す斜視図である。
【図１３】本発明の第６実施形態、第１変形例、及び第２変形例における加振室流入通路調整部材の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
次に、図１乃至図５を参照して、本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置を説明する。
【００３０】
図１に示すように、本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置１は、レーザー加工ヘッド２と、このレーザー加工ヘッド２にレーザーを送るレーザー発振器４と、レーザー発振器４から送られたレーザーを合焦させる合焦光学系６と、レーザー加工ヘッド２に液体である水を供給する液体供給源８と、を有する。また、液体供給源８から送り出された液体は、液体処理装置１０、高圧ポンプ１２、及び高圧フィルタ１４を介してレーザー加工ヘッド２に供給される。
【００３１】
さらに、図１に示すように、レーザー加工ヘッド２は、ヘッド本体部１６と、ノズル２０と、ウインドウ２２と、液体加振室形成部材２４と、を有する。
レーザー発振器４は、所定強度のレーザーを生成するように構成されている。本実施形態においては、レーザーとしてグリーンレーザーを使用しているが、水に吸収されにくい吸収率の低いレーザーであれば、その種類は任意に選択することができる。
【００３２】
グリーンレーザーの代表的なものは、ＹＡＧレーザー基本波(波長１０６４ｎｍ)の第２高調波であり、波長が５３２ｎｍである。グリーンレーザーは、ＹＡＧレーザー基本波(波長１０６４ｎｍ)やＣＯ2レーザー(波長１０．６μｍ)と異なり、水に吸収されにくい性質を有するため、噴流液体として安価で入手が容易な水を使用する場合には、レーザーの伝搬効率を向上させることができる。
【００３３】
合焦光学系６は、レーザー発振器４により生成されたレーザーを所定の位置に集光させるように構成されている。レーザー発振器４から出射されたレーザーは光ファイバ等（図示せず）でレーザー加工ヘッド２に導かれ、コリメートレンズ（図示せず）で平行光に変換された後、この光を集光レンズにより、レーザー加工ヘッド２内のノズル２０の軸線上に合焦させるように構成されている。なお、図１においては、合焦光学系６として、その一部である１枚の集光レンズのみを符号「６」で示している。
【００３４】
液体供給源８は、ノズル２０から噴射すべき液体として、水を供給するように構成されている。液体処理装置１０は、液体供給源８から供給された液体からイオンを除去する等の処理を行うように構成されている。高圧ポンプ１２は、液体処理装置１０によって処理された液体を高圧に加圧してレーザー加工ヘッド２に送り込むように構成されている。また、高圧フィルタ１４は、高圧ポンプ１２により加圧された液体から異物等を取り除くように構成されている。この高圧フィルタ１４により異物等を除去された水が、レーザー加工ヘッド２内に導入される。なお、本実施形態においては、水は、高圧ポンプ１２により１０〜３０ＭＰａに加圧され、レーザー加工ヘッド２に導入される。
【００３５】
ヘッド本体部１６は、段付きの概ね円筒状の部材であり、レーザー発振器４から送られたレーザーが内側を通るように構成されている。また、ヘッド本体部１６の内側の段部には、集光レンズ６が取り付けられており、レーザー発振器４からのレーザーは、この集光レンズ６により合焦される。さらに、ヘッド本体部１６の内部には、ウインドウ２２を受け入れるための円筒状のウインドウ受入凹部１６ａが形成されており、このウインドウ受入凹部１６ａの中にウインドウ２２が配置されている。集光レンズ６から射出されたレーザーは、このウインドウ２２を透過して、ノズル穴の入口開口付近で合焦される。
【００３６】
ウインドウ２２は、レーザーを透過させる円柱形の部材であり、ウインドウ受入凹部１６ａの中に配置される。ウインドウ２２は、石英、サファイア等で構成することができる。また、ウインドウ２２の周囲にはシールが配置され、ウインドウ受入凹部１６ａとウインドウ２２の間の水密性が確保されている。
【００３７】
また、ウインドウ２２の下方には、液体加振室形成部材２４が配置されている。液体加振室形成部材２４はヘッド本体部１６に内蔵され、ウインドウ２２は、液体加振室形成部材２４とウインドウ受入凹部１６ａの間に挟まれて固定される（図１）。
【００３８】
ヘッド本体部１６の下部には、ノズル２０を受け入れるためのノズル受入凹部１６ｂが形成されており、ノズル２０は、このノズル受入凹部１６ｂ内に配置される。ヘッド本体部１６の下端部内周には、雌ネジ山が形成されており、この雌ネジ山と、ノズル押え部材２８外周に形成された雄ネジ山を螺合させることにより、ノズル２０は、ノズル受入凹部１６ｂ内に固定される。また、ノズル２０の周囲にはシールが配置され、ヘッド本体部１６とノズル２０の間の水密性が確保されている。
【００３９】
また、ヘッド本体部１６の側面には、液体導入通路１６ｃが形成されている。この液体導入通路１６ｃは、ヘッド本体部１６の外側から内側まで貫通した、ほぼ水平方向に延びる液体の通路であり、液体供給源８から供給された液体は、液体導入通路１６ｃを介してレーザー加工ヘッド２の内部に流入するように構成されている。液体導入通路１６ｃから流入した液体は、ヘッド本体部１６内の概ね円環状の空間内に入る。この円環状の空間は、液体導入通路１６ｃから供給された液体の乱れを減衰させるので、整流室３０として機能する（図２）。さらに、液体は、整流室３０から加振室流入口２４ｂを通って、液体加振室２４ｃに流入する。
【００４０】
次に、ノズル２０は概ね円柱状の部材であり、その中心軸線上に円形断面のノズル穴２０ａが形成されている。液体加振室２４ｃ内の液体は、ノズル穴２０ａ上端のノズル入口開口を通ってノズル穴２０ａに流入し、ノズル２０から噴流液柱Ｊとして噴射される。なお、本実施形態においては、ノズル穴２０ａ（ノズル入口開口）の直径は約６０μｍであるが、ノズル穴の直径は加工対象等に応じて適宜変更することができる。
【００４１】
次に、図３を参照して、液体加振室形成部材２４の構造を詳細に説明する。
図３（ｂ）に示すように、液体加振室形成部材２４は、概ね円筒状の部材であり、ヘッド本体部１６内に配置されることにより、その外側に整流室３０を形成すると共に、内側に円筒状の液体加振室２４ｃを形成するように構成されている。即ち、液体加振室形成部材２４の内周面が、ノズル入口開口を取り囲む、液体加振室２４ｃの側壁面を構成する。また、整流室３０は、液体加振室形成部材２４の周囲に、液体加振室２４ｃを取り囲む環状の空間として形成される。
【００４２】
また、図３（ａ）（ｂ）に示すように、液体加振室形成部材２４の上端部には、ウインドウ２２と当接するウインドウ当接面２４ｄが形成されており、このウインドウ当接面２４ｄがウインドウ２２の下端面と当接することにより、ウインドウ２２が位置決めされる。
【００４３】
また、液体加振室形成部材２４の下端面２４ｅは、ノズル２０の上端面と当接し、液体加振室形成部材２４下部の傾斜面２４ｆは、ヘッド本体部１６の内壁面と当接するように構成されている。このように、ウインドウ２２とウインドウ当接面２４ｄが当接し、ノズル２０と下端面２４ｅが当接することにより、ウインドウ２２の下端面、ノズル２０の上端面、及び液体加振室形成部材２４の内周面により、円筒状の液体加振室２４ｃが画定される。本実施形態においては、画定された液体加振室２４ｃは、高さが６ｍｍ、直径が５ｍｍであり、直径よりも高さが高い円筒状に構成されている。好ましくは、液体加振室の高さはノズル穴（ノズル入口開口）の直径の２０〜３００倍に構成し、液体加振室の直径はノズル穴（ノズル入口開口）の直径の１５〜２００倍に構成すると共に、液体加振室の高さを横幅よりも大きくする。
【００４４】
さらに、図３（ｃ）に示すように、液体加振室形成部材２４の側壁面は、中心角約９０゜に亘って切り欠かれている。この切欠により、液体加振室形成部材２４の外周側と内側が連通されるので、この切欠は、整流室３０と液体加振室２４ｃを連通させる加振室流入通路２４ｈ及び加振室流入口２４ｂとして機能する。即ち、加振室流入通路２４ｈは、整流室３０から液体加振室２４ｃに向けてすぼまった通路であり、加振室流入口２４ｂは、液体加振室２４ｃの側壁面に設けられた加振室流入通路２４ｈと液体加振室２４ｃを接続する開口部である。従って、供給された液体は、整流室３０から加振室流入通路２４ｈを通過して、加振室流入口２４ｂから液体加振室２４ｃに流入する。このように、液体は、液体加振室２４ｃの側壁面の一方向から液体加振室２４ｃ内に流入する。
【００４５】
また、図３（ｂ）に示すように、液体加振室形成部材２４の側壁面には、液体加振室２４ｃから外周面まで貫通したエア抜き穴２４ｇが、加振室流入口２４ｂとは別に形成されている。このエア抜き穴２４ｇは、加振室流入口２４ｂよりも断面積が小さい円形断面の小穴であり、加振室流入口２４ｂの反対側に設けられている。エア抜き穴２４ｇは、流路抵抗が大きいため、レーザー加工装置１の稼働中においては、整流室３０内の液体は、全量が加振室流入口２４ｂを通って液体加振室２４ｃに流入する。
【００４６】
次に、図４及び図５を更に参照して、本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置１の作用を説明する。
レーザー加工装置１の起動時には、まず、高圧ポンプ１２を起動させる。これにより、液体供給源８から液体処理装置１０を介して高圧ポンプ１２に液体が供給され、高圧ポンプ１２により加圧された液体は、高圧フィルタ１４を通って液体導入通路１６ｃに送り込まれる。液体導入通路１６ｃを通ってレーザー加工ヘッド２の内部に流入した液体は、整流室３０を通り、加振室流入口２４ｂから液体加振室２４ｃに流入する。ここで、レーザー加工装置１の起動時において、液体加振室２４ｃ内に滞留していた空気は、加振室流入口２４ｂの向かい側に設けられているエア抜き穴２４ｇを通って液体加振室２４ｃの外部に排出される。液体加振室２４ｃから排出された空気は、エア抜き用通路１６ｄ（図１）を通って、レーザー加工ヘッド２の外部に排出される。エア抜き用通路１６ｄはバルブ（図示せず）に接続されている。空気が外部に排出された後、このバルブを閉鎖すると、液体加振室２４ｃ、整流室３０等は液体により満たされた状態となり、液体導入通路１６ｃから導入された液体は全てノズル穴２０ａから噴流液柱Ｊとして噴射される。この状態においては、整流室３０内の液体は、専ら一方向（加振室流入口２４ｂ）から、液体加振室２４ｃへ流入し、ノズル穴２０ａを通って噴射される。液体は、整流室３０内で整流された後、一方向から液体加振室２４ｃに流入して加振され、液体の流れに適度な乱れが与えられる。
【００４７】
次に、レーザー発振器４を起動させ、レーザーを生成させる。生成されたレーザーは、集光レンズ６により集光されてウインドウ２２を透過し、液体加振室２４ｃ内においてノズル穴２０ａ（ノズル入口開口）上方の中心軸線上で合焦される。合焦されたレーザーは、ノズル穴２０ａから噴射されている噴流液柱の内部に入り、噴流液柱内で全反射を繰り返しながら導光され、被加工物Ｗに到達する。被加工物Ｗに達したレーザーは、被加工物Ｗを加工する。
【００４８】
図４はノズル２０から噴射された噴流液柱Ｊの状態を模式的に示す図であり、図４（ａ）は空気中に噴射された噴流液柱Ｊの状態を示している。図４（ｂ）（ｃ）は、被加工物Ｗを加工するために噴流液柱Ｊを被加工物Ｗに当てた状態を示すものであり、図４（ｂ）は被加工物Ｗの切断途中の状態を示し、図４（ｃ）は噴流液柱Ｊが被加工物Ｗを貫通した状態を示している。
図４（ａ）に示すように、ノズル２０から噴射された液体は、噴射されている液柱の外表面に表面波３２が形成された状態で噴射される。この表面波３２は、ノズル２０から遠ざかるにつれて振幅が大きくなり、やがて、液柱表面の液体の一部が液滴３４として液柱から分離されるようになる。さらに、液柱から分離される液滴は、ノズル２０から遠ざかるにつれて次第に多くなり、やがて、液柱の本体も液滴よりも大きな液塊３６に分割され、液柱は消滅する。
【００４９】
噴流液柱Ｊによりレーザーを導光するには、噴流液柱Ｊの内部でレーザーが全反射されるように、噴流液柱Ｊが液滴３４の発生が殆どない状態で被加工物Ｗに到達する必要がある。従って、レーザーを導光するという機能に関しては、表面波が小さく、液滴３４が発生していない状態で、噴流液柱Ｊが被加工物Ｗに到達することが好ましい。しかしながら、実際には、表面波が小さい状態で噴流液柱Ｊが被加工物Ｗに到達すると、被加工物Ｗから跳ね返った液体が噴流液柱Ｊに外乱を与え、却って導光に支障を来すことになる。特に、噴流液柱Ｊを複数回走査することにより切断が完了する被加工物Ｗの場合には、被加工物Ｗから跳ね返った液体による外乱の影響が大きくなる。即ち、複数回の走査により切断が行われる場合には、被加工物Ｗの加工点が貫通していない状態で加工が行われるため、噴射された液体が被加工物Ｗの下方に排出されず、噴射された液体の全量が噴流液柱Ｊの側に跳ね返り、これが噴流液柱Ｊに外乱を与えることになる。
【００５０】
ここで、本実施形態のレーザー加工装置１は、ノズル２０から噴射された噴流液柱Ｊの表面波が或る程度大きくなった状態で、噴流液柱Ｊが被加工物Ｗに当たるように構成されている。このため、図４（ｂ）に示すように、噴流液柱Ｊが被加工物Ｗに当たると跳ね返り水は霧状になり、加工点が貫通していない状態においても噴流液柱Ｊに殆ど影響を与えることがない。また、図４（ｃ）に示すように、加工点が貫通した状態においては、噴射された液体の多くが被加工物Ｗの下方に排出され、跳ね返り水の影響は更に少なくなる。
【００５１】
本実施形態のレーザー加工装置１では、液体加振室２４ｃを介してノズル穴２０ａに液体を流入させているので、液体の流れに適度な乱れが与えられており、これにより、ノズル２０から噴射された噴流液柱Ｊの表面には適度な表面波が励起される。この表面波は、被加工物Ｗ付近に到達するまでに適度な大きさに発達する。このように、表面波が適度な大きさに発達した状態で噴流液柱Ｊが被加工物Ｗに当たると、噴流液柱Ｊは速やかに霧状になるため、噴流液柱Ｊに外乱を与えにくい。また、噴流液柱Ｊが霧状になると、噴射された液体は被加工物Ｗの加工点付近から即座に分散するので、加工点付近に液体が滞留しにくく、滞留した液体による導光の障害が抑制される。一方、表面波が小さい状態で噴流液柱Ｊが被加工物Ｗに当たる従来のレーザー加工装置では、被加工物Ｗに当たった液体が被加工物Ｗ上の加工点付近に滞留しやすく、この滞留した液体がレーザーの導光を阻害する。これに対し、本実施形態のレーザー加工装置１では、深い穴を形成する場合においても、加工点で霧状になった液体は加工中の穴の中から容易に舞い上がり、穴の中に滞留する液体が少なくなる。
【００５２】
本実施形態によるレーザー加工装置１においては、整流室３０で液体の流れの乱れを減衰させた後、液体を液体加振室２４ｃに導き、そこからノズル２０を介して噴流液柱Ｊを噴射するので、噴射された噴流液柱Ｊに適度な表面波が与えられ、噴流液柱Ｊが被加工物Ｗに当たると速やかに霧化する。なお、本実施形態のレーザー加工装置１においては、ノズル２０の下端面と被加工物Ｗの間の距離を約５〜４０ｍｍに設定することにより、レーザーを被加工物Ｗまで効率良く導くことができると共に、被加工物Ｗに当たった噴流液柱Ｊは霧状になり、良好な加工を行うことができる。
【００５３】
次に、図５を参照して、レーザーの噴流液柱Ｊ内への導入を説明する。図５（ａ）は、噴流液柱Ｊによりレーザーを導光する一般的な装置において、レーザーを噴流液柱Ｊに導入する状態を示す図であり、図５（ｂ）は、本実施形態のレーザー加工装置１において、レーザーを噴流液柱Ｊに導入する状態を示す図である。
【００５４】
図５（ａ）（ｂ）に示すように、液体は、ノズル２０の上端面のノズル入口開口からノズル穴２０ａに流入し、噴流液柱Ｊとして噴射される。ここで、液体がノズル入口開口に流入する際に縮流が発生するため、噴射される噴流液柱Ｊの直径は、ノズル入口開口の直径よりも僅かに小さくなる。
【００５５】
図５（ａ）に示すように、一般的な装置においては、レーザーは、ノズル入口開口の円の中心点で合焦され、合焦点から下方に向かって広がったレーザーは、噴流液柱Ｊと外気の境界面に当たり、その後、噴流液柱Ｊ内で全反射を繰り返しながら導光される。これに対し、本実施形態のレーザー加工装置１においては、レーザーは、ノズル入口開口の上方で、即ち、ノズル入口開口に対してウインドウ２２に近い側で合焦される。ノズル入口開口の上方で合焦されたレーザーは、下方に向かって広がり、ノズル入口開口近傍の縮流部Ｃで噴流液柱Ｊに当たり、その後、噴流液柱Ｊ内で全反射を繰り返しながら導光される。このように、レーザーを噴流液柱Ｊが形成される縮流部Ｃ近傍に当てることにより、噴射される噴流液柱Ｊに、レーザーにより外乱が与えられる。この外乱により、噴流液柱Ｊに表面波が励起され、表面波を、より大きくすることができ、噴流液柱Ｊが被加工物Ｗに到達した後、液体を速やかに霧状にすることができる。
【００５６】
また、従来のレーザー加工装置においては、液体中のゴミ、油分等がウインドウ表面に付着し、導光の妨げになるという問題が発生したが、本実施形態のレーザー加工装置によれば、これを抑制することができる。従来のレーザー加工装置においても、液体として純水を使用し、高圧ポンプにより加圧した後、高圧フィルタを介して液体を供給しているが、ポンプ、配管等から純水により溶出した僅かなゴミ、油分がウインドウに集められ表面に付着するという問題が発生していた。これは、強いレーザーがウインドウを通過した際に、ウインドウに接している水中のゴミ、油分等が強いレーザーによりウインドウ表面に引き寄せられる光ピンセットの原理（レーザートラップ現象）によるものである。特に、従来のレーザー加工装置においては、ノズルに液体を供給するために設けられた液体貯留室の周囲から中心に向かって液体が軸対称に流れるように構成されているため、液体貯留室の中心に淀み点が発生し、この付近における液体の流速が非常に遅くなる。このため、ウインドウの表面付近の水中のゴミ、油分等がウインドウに引き寄せられ、ウインドウに付着していた。
【００５７】
これに対し、本実施形態のレーザー加工装置１によれば、液体は一方向から液体加振室２４ｃ内に流入するので、ウインドウ２２の表面全体に亘って常に或る程度の速度で液体が流れる。このため、水中のゴミ、油分等はウインドウ２２に付着し難く、ゴミ、油分等がウインドウ２２に付着した場合でも、新たに供給された液体により速やかに洗い流される。これにより、本実施形態のレーザー加工装置１によれば、液体中の不純物のウインドウ２２への付着を抑制することができる。
【００５８】
次に、図６を参照して、本発明の第２実施形態によるレーザー加工装置を説明する。本実施形態のレーザー加工装置は、液体加振室形成部材の形状が上述した第１実施形態とは異なる。従って、ここでは、本実施形態の上述した第１実施形態とは異なる点のみを説明し、同様の構成、作用、効果については説明を省略する。
【００５９】
図６（ａ）は、本発明の第２実施形態によるレーザー加工装置に内蔵されている液体加振室形成部材の上面図であり、（ｂ）は正面図である。
図６に示すように、本実施形態における液体加振室形成部材４０は、概ね円筒形に構成されており、その外径は８ｍｍ、内径は３．５ｍｍ、高さは４ｍｍである。また、液体加振室形成部材４０は、その上端面４０ｄがウインドウ２２の下端面に当接し、下端面４０ｅがノズル２０の上端面に当接するように配置される。従って、この液体加振室形成部材４０により画定される液体加振室４０ｃは、直径３．５ｍｍ、高さ４ｍｍの円柱形となる。また、概ね円筒形の液体加振室形成部材４０は、その一部が切り欠かれており、この切欠により加振室流入通路４０ｆ及び加振室流入口４０ｂが形成される。加振室流入通路４０ｆ及び加振室流入口４０ｂは高さが３ｍｍであり、その上端面はウインドウ２２の下端面により画定される。また、加振室流入通路４０ｆは、幅が、外周から内周に向けてテーパ角３０゜ですぼまるように構成されており、最奥部の加振室流入口４０ｂにより液体加振室４０ｃに接続されている。また、加振室流入口４０ｂの幅は液体加振室４０ｃの直径と一致しており、幅３．５ｍｍである。
【００６０】
このように構成された第２実施形態においては、液体加振室４０ｃが小さく、また、整流室３０内の液体は、液体加振室４０ｃ上方の一方向から液体加振室４０ｃ内に流入する。このため、液体加振室４０ｃ内の上側の流速が高くなり、液体は強く加振され、噴流液柱Ｊに強い表面波を生成することができる。これにより、図５（ｂ）に示したように縮流部Ｃにレーザーを当てることなく、十分に強い表面波を与えることができ、液体加振室４０ｃによる加振単独でも、被加工物Ｗに当たった噴流液柱Ｊを十分に霧化することができる。
【００６１】
次に、図７を参照して、本発明の第３実施形態によるレーザー加工装置を説明する。本実施形態のレーザー加工装置は、被加工物Ｗを保持する被加工物保持装置が上述した第１実施形態とは異なる。従って、ここでは、本実施形態の上述した第１実施形態とは異なる点のみを説明し、同様の構成、作用、効果については説明を省略する。
【００６２】
図７に示すように、本実施形態のレーザー加工装置は、レーザー加工ヘッド２の下方に配置された被加工物保持装置５０を備えている。被加工物保持装置５０は、ＸＹテーブル５２と、ＸＹテーブル５２上に設けられた軸受部５４と、この軸受部５４により支持された十字軸５６と、この十字軸５６に支持された傾斜テーブル５８と、この傾斜テーブル５８に被加工物Ｗを固定するクランプ５９と、を有する。
【００６３】
ＸＹテーブル５２は、水平面内で互いに直交するＸ軸、Ｙ軸方向に並進移動可能に構成されている。
軸受部５４は、ＸＹテーブル５２上に固定された軸受けであり、十字軸５６を、ＸＹテーブル５２に平行な軸線（Ｂ軸）を中心に回動可能に支持する。
十字軸５６は、軸受部５４により回動可能に支持される第１の軸と、この軸に対して垂直に向けられた第２の軸が一体に構成された十字形の軸である。また、十字軸５６の第１の軸はＹ軸方向と平行に向けられている。
【００６４】
傾斜テーブル５８は、十字軸５６の第２の軸に対して回動可能に取り付けられたテーブルである。傾斜テーブル５８は、十字軸５６の第２の軸（Ａ軸）を中心に回動可能に構成されている、また、十字軸５６の第２の軸はＸ軸方向と平行に向けられている。
クランプ５９は、被加工物Ｗを着脱可能に、傾斜テーブル５８に固定するように傾斜テーブル５８に設けられている。
また、レーザー加工ヘッド２は、鉛直方向に並進移動可能に構成されている。
【００６５】
本実施形態のレーザー加工装置においては、加工中に、被加工物ＷをＸ軸方向、Ｙ軸方向に並進移動させることができると共に、被加工物ＷをＡ軸、Ｂ軸を中心に回動させることができ、これらの並進移動及び回動を同時に行うことができる。これにより、立体空間において被加工物Ｗを高い自由度で移動させることができるので、非常に広範な加工が可能であると共に、加工精度を向上させることができる。また、本実施形態のレーザー加工装置によれば、加工中に、被加工物Ｗを移動させることにより、液体の加工点付近への滞留を抑制することができる。
【００６６】
次に、図８を参照して、本発明の第４実施形態によるレーザー加工装置を説明する。本実施形態のレーザー加工装置は、被加工物Ｗを保持する被加工物保持装置が上述した第１実施形態とは異なる。従って、ここでは、本実施形態の上述した第１実施形態とは異なる点のみを説明し、同様の構成、作用、効果については説明を省略する。
【００６７】
図８に示すように、本実施形態のレーザー加工装置は、レーザー加工ヘッド２の下方に配置された被加工物保持装置６０を備えている。被加工物保持装置６０は、ＸＹテーブル６２と、ＸＹテーブル６２上に設けられた回転駆動装置６４と、この回転駆動装置６４により支持された回転テーブル６６と、この回転テーブル６６に被加工物Ｗを固定するクランプ６８と、を有する。
【００６８】
回転駆動装置６４は、ＸＹテーブル６２に設けられたモーターであり、回転テーブル６６を回転駆動するように構成されている。
回転テーブル６６は、回転駆動装置６４により、鉛直方向の軸線（Ｃ軸）を中心に回転されるように構成されている。
クランプ６８は、被加工物Ｗを着脱可能に、回転テーブル６６に固定するように回転テーブル６６に設けられている。
レーザー加工ヘッド２は、Ｚ軸方向に並進移動可能に構成されている。また、レーザー加工ヘッド２は、Ｚ軸方向に対して傾斜できるように構成しても良い。
【００６９】
本実施形態のレーザー加工装置においては、加工中に、被加工物ＷをＸ軸方向、Ｙ軸方向に並進移動させることができると共に、被加工物Ｗを回転させることができ、これらの並進移動及び回転を同時に行うことができる。本実施形態のレーザー加工装置では、立体空間において自由な加工が可能であると共に、上述した第３実施形態によるレーザー加工装置よりも被加工物保持装置の制御が簡単であり、より高速に被加工物Ｗを移動させることができる。また、レーザー加工ヘッド２を被加工物に対して傾斜させることにより、被加工物に対してテーパ加工を施すことができる。さらに、本実施形態のレーザー加工装置によれば、加工中に、被加工物Ｗを高速で回転させることにより、液体の加工点付近への滞留を更に抑制することができる。
【００７０】
次に、図９を参照して、本発明の第５実施形態によるレーザー加工装置を説明する。本実施形態のレーザー加工装置は、被加工物Ｗの加工点にミスト噴流を噴射するミスト噴流噴射装置を有する点が上述した第１実施形態とは異なる。従って、ここでは、本実施形態の上述した第１実施形態とは異なる点のみを説明し、同様の構成、作用、効果については説明を省略する。
図９に示すように、本実施形態のレーザー加工装置は、レーザー加工ヘッド２の下方に配置されたＸＹテーブル７０と、このＸＹテーブル７０上の被加工物Ｗの加工点にミスト噴流を噴射するミスト噴流噴射装置７２と、を有する。
【００７１】
ＸＹテーブル７０は、水平面内で互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向に並進移動可能に構成されている。
ミスト噴流噴射装置７２は、水を高速の空気流により霧状にして、被加工物Ｗの加工点に噴射するように構成されている。このミスト噴流により、被加工物Ｗを加工することにより発生した加工粉が、加工点から除去される。これにより、被加工物Ｗ表面に発生する残渣をなくすことができる。
【００７２】
次に、図１０乃至図１３を参照して、本発明の第６実施形態によるレーザー加工装置を説明する。本実施形態によるレーザー加工装置は、液体加振室、加振室流入通路、加振室流入口の形態が、上述した第１実施形態とは異なる。従って、ここでは、本発明の第６実施形態の、第１実施形態とは異なる点のみを説明し、同様の構成、作用、効果については説明を省略する。
【００７３】
図１０に示すように、本発明の第６実施形態によるレーザー加工装置１００は、レーザー加工ヘッド１０２と、このレーザー加工ヘッド１０２にレーザーを送るレーザー発振器１０４と、レーザー発振器１０４から送られたレーザーを合焦させる合焦光学系１０６と、を有する。また、レーザー加工ヘッド１０２には、液体供給源（図示せず）から、液体処理装置、高圧ポンプ、及び高圧フィルタ（以上、図示せず）を介して水が供給される。
さらに、図１０に示すように、レーザー加工ヘッド１０２は、ヘッド本体部１１６と、ノズル１２０と、ウインドウ１２２と、加振室流入通路調整部材１２４と、を有する。
【００７４】
ヘッド本体部１１６は、段付きの概ね円筒状の部材であり、レーザー発振器１０４から送られたレーザーが内側を通るように構成されている。また、ヘッド本体部１１６の内側の段部には、集光レンズ１０６が取り付けられており、レーザー発振器１０４からのレーザーは、この集光レンズ１０６により合焦される。さらに、ヘッド本体部１１６の内部には、ウインドウ１２２を受け入れるための円筒状のウインドウ受入凹部１１６ａが形成されており、このウインドウ受入凹部１１６ａの中にウインドウ１２２が配置されている。集光レンズ１０６から射出されたレーザーは、このウインドウ１２２を透過して、ノズル穴の入口開口付近で合焦される。
【００７５】
ウインドウ１２２は、レーザーを透過させる円柱形の部材であり、ウインドウ受入凹部１１６ａの中に配置される。また、ウインドウ１２２の周囲にはシールが配置され、ウインドウ受入凹部１１６ａとウインドウ１２２の間の水密性が確保されている。
【００７６】
また、ウインドウ１２２の下方には、加振室流入通路調整部材１２４が配置されている。加振室流入通路調整部材１２４はヘッド本体部１１６に内蔵され、ウインドウ１２２は、加振室流入通路調整部材１２４とウインドウ受入凹部１１６ａの間に挟まれて固定される（図１０）。
【００７７】
ヘッド本体部１１６の下部には、ノズル１２０を受け入れるためのノズル受入凹部１１６ｂが形成されており、ノズル１２０は、このノズル受入凹部１１６ｂ内に配置される。ヘッド本体部１１６の下端部内周には、雌ネジ山が形成されており、この雌ネジ山と、ノズル押え部材１２８外周に形成された雄ネジ山を螺合させることにより、ノズル１２０は、ノズル受入凹部１１６ｂ内に固定される。また、ノズル１２０の周囲にはシールが配置され、ヘッド本体部１１６とノズル１２０の間の水密性が確保されている。
【００７８】
ノズル１２０は概ね円柱状の部材であり、その中心軸線上に円形断面のノズル穴１２０ａが形成されている。供給された液体は、ノズル穴１２０ａ上端のノズル入口開口を通ってノズル穴１２０ａに流入し、ノズル１２０から噴流液柱Ｊとして噴射される。なお、本実施形態においては、ノズル穴１２０ａ（ノズル入口開口）の直径は約６０μｍであるが、ノズル穴の直径は加工対象等に応じて適宜変更することができる。
【００７９】
また、ヘッド本体部１１６の側面には、液体導入通路１１６ｃが形成されている。この液体導入通路１１６ｃは、ヘッド本体部１１６の外側から内側まで貫通した、ほぼ水平方向に延びる液体の通路であり、液体供給源（図示せず）から供給された液体は、液体導入通路１１６ｃを介してレーザー加工ヘッド１０２の内部に流入するように構成されている。液体導入通路１１６ｃから流入した液体は、ヘッド本体部１１６内の概ね円環状の空間内に入る。この円環状の空間は、液体導入通路１１６ｃから供給された液体の乱れを減衰させるので、整流室１３０として機能する（図１０）。
【００８０】
さらに、ヘッド本体部１１６の内部には、円環状の整流室１３０から下方に延びる円形の盆形の空間が形成されており、この空間内に加振室流入通路調整部材１２４を配置することにより、加振室流入通路１１６ｄの形態を画定している。また、ヘッド本体部１１６には、円形の盆形の空間の中心から下方に延びるように、円筒形のボアが形成されており、このボアの内部が液体加振室１２６として機能する。
【００８１】
また、図１０に示すように、液体導入通路１１６ｃの反対側には、エア抜き用通路１１６ｅが形成されている。このエア抜き用通路１１６ｅは、液体導入通路１１６ｃの反対側にほぼ水平方向に延びる通路である。エア抜き用通路１１６ｅは、レーザー加工装置１００の初期使用時において、整流室１３０等に滞留していた空気を排出するための通路であり、レーザー加工装置１００の実使用時にはバルブ（図示せず）により閉鎖される。
【００８２】
次に、図１１及び図１２を参照して、液体加振室１２６及び加振室流入通路１１６ｄの構造を詳細に説明する。
図１２は、ヘッド本体部１１６の内部に空洞として形成されている液体加振室１２６、加振室流入通路１１６ｄ、及び整流室１３０の形態を三次元的に示す斜視図である。
【００８３】
図１１に示すように、加振室流入通路調整部材１２４は、ヘッド本体部１１６の内部に形成された円形の盆形の空間と合致するように構成された部材である。この加振室流入通路調整部材１２４は、円形の盆形の一部を概ね中心角９０゜の扇形に切り欠いた形状を有する。ヘッド本体部１１６の内部に形成された円形の盆形の空間内に、この加振室流入通路調整部材１２４を配置することにより、残余の空間が加振室流入通路１１６ｄとして機能する。即ち、図１２に示すように、円環状の整流室１３０と連通するように形成された円形の盆形の空間の一部が、加振室流入通路調整部材１２４によって閉塞されることにより、水平方向に延びる概ね中心角９０゜の扇形の加振室流入通路１１６ｄが形成される。
【００８４】
さらに、加振室流入通路１１６ｄと連通するように、円筒形の液体加振室１２６が形成されている。この液体加振室１２６は、円環状の整流室１３０の中心軸線上に、下方に延びるように形成されている。また、図１０に示すように、液体加振室１２６の側壁面は、ヘッド本体部１１６の内部に形成された円筒形のボアの内周面により構成され、液体加振室１２６の底面は、ノズル１２０の上端面によって構成されている。また、液体加振室１２６の上端は、円形の加振室流入口１２６ａを介して加振室流入通路１１６ｄと連通している。従って、供給された液体は、ウインドウ１２２に沿って、液体加振室１２６の一方の側から加振室流入通路１１６ｄ内を流れ、加振室流入口１２６ａを通って液体加振室１２６内に流入する。
【００８５】
なお、本実施形態においては、液体加振室１２６の直径は約４．２ｍｍ、高さは約４．５ｍｍであり、直径よりも高さが高い円筒状に構成されている。また、概ね扇形の加振室流入通路１１６ｄの高さは約１．５ｍｍであり、ノズル１２０の上端面からウインドウ１２２の下端面までの距離は約６ｍｍとなる。好ましくは、液体加振室の高さはノズル穴（ノズル入口開口）の直径の２０〜３００倍に構成し、液体加振室の直径はノズル穴（ノズル入口開口）の直径の１５〜２００倍に構成すると共に、液体加振室の高さを横幅よりも大きくする。
【００８６】
次に、図１０を参照して、本発明の第６実施形態によるレーザー加工装置１００の作用を説明する。
レーザー加工装置１００を起動すると、高圧ポンプ（図示せず）により、液体供給源（図示せず）から液体処理装置（図示せず）を介して供給された液体が加圧され、高圧フィルタ（図示せず）を通って液体導入通路１１６ｃに送り込まれる。液体導入通路１１６ｃを通ってレーザー加工ヘッド１０２の内部に流入した液体は、整流室１３０に導入され、ここで速度を低下させた後、加振室流入通路１１６ｄを通過し、加振室流入口１２６ａから液体加振室１２６に流入する。ここで、レーザー加工装置１００の起動時において、整流室１３０等に滞留していた空気は、エア抜き用通路１１６ｅ（図１０）を通って、レーザー加工ヘッド１０２の外部に排出される。また、液体加振室１２６に滞留していた空気は、ノズル穴１２０ａからも排出される。また、エア抜き用通路１１６ｄはバルブ（図示せず）に接続されており、空気が外部に排出された後、このバルブを閉鎖すると、液体加振室１２６、整流室１３０等は液体により満たされた状態となる。これにより、液体導入通路１１６ｃから導入された液体は全てノズル穴１２０ａから噴流液柱Ｊとして噴射される。この状態においては、整流室１３０内の液体は、専ら一方向（加振室流入通路１１６ｄ）から、液体加振室１２６へ流入し、ノズル穴１２０ａを通って噴射される。液体は、整流室１３０内で整流された後、一方向から液体加振室１２６に流入して加振され、液体の流れに適度な乱れが与えられる。また、液体は、液体導入通路１１６ｃ内をウインドウ１２２の表面に沿って流れるため、液体内の異物はウインドウ１２２に付着しにくく、また付着した場合でも、異物は直ちに液体の流れによって洗い流される。
【００８７】
次に、レーザー発振器１０４を起動させ、レーザーを生成させる。生成されたレーザーは、集光レンズ１０６により集光されてウインドウ１２２を透過し、液体加振室１２６内においてノズル穴１２０ａ（ノズル入口開口）上方の中心軸線上で合焦される。合焦されたレーザーは、ノズル穴１２０ａから噴射されている噴流液柱の内部に入り、噴流液柱内で全反射を繰り返しながら導光され、被加工物Ｗに到達する。被加工物Ｗに達したレーザーは、被加工物Ｗを加工する。
【００８８】
本実施形態のレーザー加工装置１００では、液体加振室１２６を介してノズル穴１２０ａに液体を流入させているので、液体の流れに適度な乱れが与えられており、これにより、ノズル１２０から噴射された噴流液柱Ｊの表面には適度な表面波が励起される。この表面波は、被加工物Ｗ付近に到達するまでに適度な大きさに発達する。このように、表面波が適度な大きさに発達した状態で噴流液柱Ｊが被加工物Ｗに当たると、噴流液柱Ｊは速やかに霧状になるため、噴流液柱Ｊに外乱を与えにくい。
また、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、レーザーにより噴流液柱Ｊに外乱を与え、表面波をより大きくすることができる（図５）。これにより、噴流液柱Ｊは被加工物Ｗに到達した後、より速やかに霧状にされる。
【００８９】
さらに、本実施形態のレーザー加工装置においても、液体中のゴミ、油分等がウインドウ表面に付着し、導光の妨げになるのを抑制することができる。なお、本実施形態のレーザー加工装置においては、加振室流入通路１１６ｄの上端面の一部がウインドウ１２２の下端面により構成されており、このウインドウ１２２の表面に沿って液体が流れるので、ウインドウ１２２の表面をより効果的に洗い流すことができ、不純物の付着をより確実に防止することができる。
【００９０】
次に、図１３を参照して、加振室流入通路調整部材１２４の変形例を説明する。
図１３（ａ）は、本発明の第６実施形態における加振室流入通路調整部材１２４の平面図である。図１３（ｂ）（ｃ）は、変形例による加振室流入通路調整部材の平面図である。
【００９１】
図１３（ａ）に示すように、加振室流入通路調整部材１２４は、ヘッド本体部１１６内に形成された円形の盆形の空間の一部を閉塞するように構成された部材であり、底面部１２４ａと、この底面部１２４ａの縁から垂直に立ち上がった縁部１２４ｂと、を有する。底面部１２４ａ及び縁部１２４ｂは、中心角約９０゜の概ね扇形に切り欠かれており、この切り欠かれた部分が加振室流入通路１１６ｄとして機能する。また、切り欠かれた扇形の中心角の部分は、半径約１０ｍｍの円弧状に丸味がつけられている。なお、図１３（ａ）には、加振室流入通路調整部材１２４に対する加振室流入口１２６ａの位置を想像線で示している。
【００９２】
図１３（ｂ）は、加振室流入通路調整部材の第１変形例を示している。第１変形例による加振室流入通路調整部材１３２は、底面部１３２ａ及び縁部１３２ｂを有し、これらに切欠が設けられている。底面部１３２ａに設けられた切欠は、幅約１０ｍｍで半径方向に延びており、加振室流入口１２６ａへの加振室流入通路を形成している。
【００９３】
図１３（ｃ）は、加振室流入通路調整部材の第２変形例を示している。第２変形例による加振室流入通路調整部材１３４は、底面部１３４ａ及び縁部１３４ｂを有する。底面部１３４ａ及び縁部１３４ｂには、幅約４ｍｍで半径方向に延びる切欠が設けられている。
【００９４】
これら第１、第２変形例による加振室流入通路調整部材を使用した場合には、第６実施形態における加振室流入通路調整部材１２４を使用した場合よりも加振室流入通路１１６ｄが狭くなり、噴流液柱Ｊは、より強く加振され、表面波が大きくなる。このため、図１３（ａ）に示す加振室流入通路調整部材１２４を使用した第６実施形態によるレーザー加工装置１００においては、約４８ｍｍに亘って噴流液柱Ｊが液柱の状態に維持されたのに対し、第１変形例では約４２ｍｍで液柱が液塊に分解され、第２変形例では約２８ｍｍで液塊に分解された。
【００９５】
好ましくは、レーザー加工装置の用途又は加工対象物に応じて、各加振室流入通路調整部材を交換する。即ち、加工対象が薄板等であり、噴流液柱Ｊの１回の走査により切断が可能である場合には、加振室流入通路調整部材１２４（図１３（ａ））を使用する。これにより、噴流液柱Ｊが長い距離に亘って維持されるので、加工対象物とレーザー加工ヘッドとの間の距離を、広い範囲で設定することができる。
【００９６】
また、加工対象が厚い板等であり、切断するために噴流液柱Ｊを複数回走査する必要がある場合には、加振室流入通路調整部材１３２（図１３（ｂ））又は１３４（図１３（ｃ））を使用する。これにより、噴流液柱Ｊは加工対象物に当たると速やかに霧化されやすくなるので、加工点が貫通していない状態においても、加工により形成された溝の中に液体が滞留しにくくなり、滞留した液体による導光の阻害を抑制することができる。
【００９７】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に、種々の変更を加えることができる。特に、上述した各実施形態に備えられていた各構成を、適宜組み合わせて本発明を構成することができる。また、上述した実施形態においては、ヘッド本体部は一体の部材として示されていたが、適宜複数の部材に分割して構成することができる。さらに、上述した第３実施形態と第４実施形態を組合せ、傾斜テーブル上に回転テーブルを設けるように、本発明を構成することもできる。
【符号の説明】
【００９８】
１ 本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置
２ レーザー加工ヘッド
４ レーザー発振器
６ 合焦光学系（集光レンズ）
８ 液体供給源
１０ 液体処理装置
１２ 高圧ポンプ
１４ 高圧フィルタ
１６ ヘッド本体部
１６ａ ウインドウ受入凹部
１６ｂ ノズル受入凹部
１６ｃ 液体導入通路
１６ｄ エア抜き用通路
２０ ノズル
２０ａ ノズル穴
２２ ウインドウ
２４ 液体加振室形成部材
２４ｂ 加振室流入口
２４ｃ 液体加振室
２４ｄ ウインドウ当接面
２４ｅ 下端面
２４ｆ 傾斜面
２４ｇ エア抜き穴
２４ｈ 加振室流入通路
２８ ノズル押え部材
３０ 整流室
３２ 表面波
３４ 液滴
３６ 液塊
４０ 液体加振室形成部材
４０ｂ 加振室流入口
４０ｃ 液体加振室
４０ｄ 上端面
４０ｅ 下端面
４０ｆ 加振室流入通路
５０ 被加工物保持装置
５２ ＸＹテーブル
５４ 軸受部
５６ 十字軸
５８ 傾斜テーブル
５９ クランプ
６０ 被加工物保持装置
６２ ＸＹテーブル
６４ 回転駆動装置
６６ 回転テーブル
６８ クランプ
７０ ＸＹテーブル
７２ ミスト噴流噴射装置
１００ 本発明の第６実施形態によるレーザー加工装置
１０２ レーザー加工ヘッド
１０４ レーザー発振器
１０６ 合焦光学系
１１６ ヘッド本体部
１１６ａ ウインドウ受入凹部
１１６ｂ ノズル受入凹部
１１６ｃ 液体導入通路
１１６ｄ 加振室流入通路
１１６ｅ エア抜き用通路
１２０ ノズル
１２０ａ ノズル穴
１２２ ウインドウ
１２４ 加振室流入通路調整部材
１２４ａ 底面部
１２４ｂ 縁部
１２６ 液体加振室
１２６ａ 加振室流入口
１２８ ノズル押え部材
１３０ 整流室
１３２ 第１変形例による加振室流入通路調整部材
１３４ 第２変形例による加振室流入通路調整部材
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザー加工装置に関し、特に、噴流液柱により導かれたレーザーにより加工を行うレーザー加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許第３６８０８６４号公報（特許文献１）には、レーザーによって材料を加工する装置が記載されている。この装置においては、ノズルにより液体ビームが噴射されると共に、レーザービームはノズルの入口開口のところで収束される。これにより、レーザービームは、液体ビームによりガイドされながら被加工物に到達し、被加工物が加工される。
【０００３】
また、特開２０１０−２２１２６５号公報（特許文献２）には、レーザー加工装置が記載されている。このレーザー加工装置においては、ノズルから液体が噴射され、噴射された噴流液柱内に導かれたレーザーによって被加工物が加工される。また、ノズルと被加工物との間には、保護カバーが配置されており、噴射された液体は保護カバーに設けられた貫通穴を通って被加工物に到達する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６８０８６４号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２１２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許第３６８０８６４号公報記載の装置（レーザー加工装置）においては、レーザービームを導光するために噴射された液体ビーム（噴流液柱）が被加工物に当たると、液体が被加工物により跳ね返され、跳ね返った液体の液塊が噴流液柱に当たり、噴流液柱に乱れが生じるという問題がある。噴流液柱に乱れが生じると、噴流液柱内で全反射を繰り返しながら導かれていたレーザーが、噴流液柱から外部へ漏れやすくなり、レーザーを導光する効率が低下し、加工性能も低下する。また、レーザー加工装置により厚い被加工物を切断したり、被加工物に深い穴を加工する場合には、一回の走査では加工を完了することができず、噴流液柱は、同一の加工経路を何回か往復することになる。このような加工を行う場合には、跳ね返った液体の影響が特に大きくなる。
【０００６】
一方、特開２０１０−２２１２６５号公報記載のレーザー加工装置においては保護カバーを設けることにより、被加工物に当たって跳ね返った液体から噴流液柱を保護し、これにより、レーザーの導光効率の低下を抑制している。しかしながら、このレーザー加工装置においても、噴流液柱の、保護カバーと被加工物の間の部分には、跳ね返った液体が当たり、噴流液柱が乱されるという問題がある。また、噴流液柱が、被加工物により跳ね返された液体の液滴から保護されたとしても、噴射された液体が被加工物の表面に滞留して水の層を形成すると、滞留した液体により導光効率が低下するという問題がある。即ち、被加工物の表面に水の層ができると、噴流液柱により導かれたレーザーが滞留している液体により散乱したり、水の層の影響によりレーザーの光路がずれるという問題がある。特に、レーザー加工装置により深い穴を加工する場合には、加工中の穴の中に水が滞留し易く、水の層による悪影響が大きい。
【０００７】
従って、本発明は、被加工物を効率良く加工することができるレーザー加工装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明は、噴流液柱によって加工点に導かれたレーザーにより加工を行うレーザー加工装置であって、ノズル入口開口を備え、噴流液柱を噴射するためのノズルと、供給された液体の流れの乱れを減衰させる整流室と、この整流室を通過した液体を流入させる加振室流入口を備え、流入した液体をノズル入口開口に導く液体加振室と、レーザーを生成するレーザー発振器と、このレーザー発振器により生成されたレーザーが、噴流液柱により導光されるように、レーザーをノズル入口開口の上方に合焦させる合焦光学系と、この合焦光学系から射出されたレーザーが液体加振室内に入射されるように、ノズル入口開口と向かい合うように配置されたウインドウと、を有し、液体加振室は、ノズルから被加工物に向けて噴射された噴流液柱が加工点で霧化されやすくなるように、噴流液柱外表面の表面波を大きくすることを特徴としている。
【０００９】
このように構成された本発明においては、供給された液体は、整流室に流入して流れの乱れが減衰され、次いで、液体は、加振室流入口を通って液体加振室に流入する。液体加振室に流入した液体は、ノズル入口開口を通って噴流液柱としてノズルから噴射される。一方、レーザー発振器により生成されたレーザーは、ノズル入口開口と向かい合うように配置されたウインドウを透過して液体加振室に入射されると共に、合焦光学系によりノズル入口開口の上方に合焦される。これにより、レーザーは噴流液柱により導光される。また、液体加振室は、噴流液柱外表面の表面波を大きくすることにより、ノズルから被加工物に向けて噴射された噴流液柱を加工点において霧化されやすくする。
【００１０】
このように構成された本発明によれば、液体加振室が噴流液柱を加工点において霧化されやすくするので、被加工物に到達した噴流液柱は速やかに霧化され、被加工物から跳ね返った液体が噴流液柱に与える外乱を抑制することができる。また、被加工物に到達した噴流液柱が速やかに霧化されるので、液体が被加工物の加工点に滞留しにくく、滞留した液体により導光が阻害されるのを抑制することができる。これにより、被加工物を効率良く加工することができる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、加振室流入口は、ノズル入口開口を取り囲むように設けられた液体加振室の側壁面の一方向から液体が流入するように配置されている。
このように構成された本発明によれば、液体加振室の側壁面の一方向から液体が流入するので、ウインドウの近傍において液体の適度な流れが発生し、レーザートラップ現象によりウインドウに異物が付着するのを防止することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、液体加振室は、高さがノズル入口開口の直径の２０〜３００倍、横幅がノズル入口開口の直径の１５〜２００倍に構成されている。
このように構成された本発明によれば、液体加振室により液体が効果的に加振され、噴流液柱に十分な表面波を形成することができるので、噴流液柱を速やかに霧化させることができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、整流室は、液体加振室の少なくとも一部を取り囲む環状に形成されている。
このように構成された本発明によれば、整流室が液体加振室の少なくとも一部を取り囲む環状に形成されているので、少ないスペースで液体の流れの乱れを減衰させることができ、これにより、レーザー加工装置を小型化することができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、液体加振室は、ほぼ円筒形に形成され、この円筒の高さが、直径よりも大きく構成されている。
このように構成された本発明によれば、液体加振室の高さは液体加振室の直径よりも大きく、この液体加振室により液体が効果的に加振され、噴流液柱に十分な表面波を形成することができるので、噴流液柱を速やかに霧化させることができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、液体加振室の側壁面には、加振室流入口とは別に、エア抜き穴が設けられている。
このように構成された本発明によれば、加振室流入口の反対側にエア抜き穴が設けられているので、液体加振室内に滞留している空気を、加振室流入口から流入した液体により押し出すことができ、空気を迅速に排出することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、さらに、被加工物を保持すると共に、Ｘ軸方向の被加工物の移動、Ｘ軸に直交するＹ軸方向の被加工物の移動、及び、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向と平行な各軸を中心軸とする被加工物の回動を同時に行うことができる被加工物保持装置を有し、立体空間において自由な加工を可能にする。
【００１７】
このように構成された本発明によれば、加工中に、被加工物をＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動させることができると共に、被加工物をＸ軸方向、Ｙ軸方向と平行な軸線を中心軸として回動させることができる。これにより、被加工物を高い自由度で移動させることができるので、非常に広範な加工が可能であると共に、加工精度を向上させることができる。また、加工中に、被加工物を移動させることにより、液体の加工点付近への滞留を抑制することができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、さらに、被加工物を保持すると共に、Ｘ軸方向の被加工物の移動、Ｘ軸に直交するＹ軸方向の被加工物の移動、及び、被加工物の回転を同時に行うことができる被加工物保持装置を有し、立体空間において自由な加工を可能にする。
【００１９】
このように構成された本発明によれば、被加工物を回転させながら、加工中に、被加工物をＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動させることができる。また、加工中に、被加工物を高速で回転させることにより、液体の加工点付近への滞留を更に抑制することができる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、合焦光学系は、ノズル入口開口に対し、ウインドウに近い側でレーザーを合焦させるように構成され、これにより、噴流液柱が形成される縮流部にレーザーの一部を当て、噴流液柱外表面の表面波をより大きくする。
【００２１】
このように構成された本発明によれば、レーザーの一部は、ノズル入口開口近傍の縮流部で噴流液柱に当たるので、噴射される噴流液柱に外乱が与えられる。この外乱により、噴流液柱に表面波が励起され、表面波を、より大きくすることができ、被加工物に到達した噴流液柱を、速やかに霧状にすることができる。
【００２２】
本発明において、好ましくは、さらに、加工により発生する残渣が除去されるように、被加工物の表面にミスト噴流を噴射するミスト噴流噴射装置を有する。
このように構成された本発明によれば、被加工物の表面にミスト噴流が噴射されるので、被加工物を加工することにより発生した加工粉を加工点から除去することができ、被加工物表面に発生する残渣をなくすことができる。
【００２３】
本発明において、好ましくは、さらに、整流室から加振室流入口に液体を導く加振室流入通路を備え、この加振室流入通路は、ウインドウに沿って、液体加振室の一方の側から加振室流入口へ液体を導くように構成されている。
【００２４】
このように構成された本発明によれば、液体は、ウインドウに沿って液体加振室の一方の側から加振室流入口へ導かれるので、ウインドウに沿う液体の流れにより液体中の異物を洗い流すことができ、より確実にウインドウへの異物の付着を防止することができる。
【００２５】
本発明において、好ましくは、さらに、加振室流入通路の形態を画定する加振室流入通路調整部材を備え、この加振室流入通路調整部材を交換することにより、噴流液柱外表面の表面波の大きさを調整することができる。
【００２６】
このように構成された本発明によれば、加振室流入通路調整部材の交換により、噴流液柱外表面の表面波の大きさを調整することができるので、加工対象物に応じて、噴流液柱を適切に霧化させることができ、本発明のレーザー加工装置により広汎な対象物を加工することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明のレーザー加工装置によれば、被加工物を効率良く加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置のヘッド部の断面図である。
【図２】図１におけるII-II断面を示す斜視図である。
【図３】液体加振室形成部材の（ａ）上面図、（ｂ）側面断面図、及び（ｃ）下面図である。
【図４】ノズルから噴射された噴流液柱の状態を示す図である。
【図５】ノズル入口開口より噴流液柱内に導入されるレーザーを拡大して示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態によるレーザー加工装置に内蔵されている液体加振室形成部材の（ａ）上面図、及び（ｂ）正面図である。
【図７】本発明の第３実施形態によるレーザー加工装置を示す図である。
【図８】本発明の第４実施形態によるレーザー加工装置を示す図である。
【図９】本発明の第５実施形態によるレーザー加工装置を示す図である。
【図１０】本発明の第６実施形態によるレーザー加工装置のヘッド部の断面図である。
【図１１】図１０におけるXI-XI断面を示す斜視図である。
【図１２】レーザー加工装置のヘッド内部に形成された液体加振室、加振室流入通路、及び整流室の形態を示す斜視図である。
【図１３】本発明の第６実施形態、第１変形例、及び第２変形例における加振室流入通路調整部材の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
次に、図１乃至図５を参照して、本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置を説明する。
【００３０】
図１に示すように、本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置１は、レーザー加工ヘッド２と、このレーザー加工ヘッド２にレーザーを送るレーザー発振器４と、レーザー発振器４から送られたレーザーを合焦させる合焦光学系６と、レーザー加工ヘッド２に液体である水を供給する液体供給源８と、を有する。また、液体供給源８から送り出された液体は、液体処理装置１０、高圧ポンプ１２、及び高圧フィルタ１４を介してレーザー加工ヘッド２に供給される。
【００３１】
さらに、図１に示すように、レーザー加工ヘッド２は、ヘッド本体部１６と、ノズル２０と、ウインドウ２２と、液体加振室形成部材２４と、を有する。
レーザー発振器４は、所定強度のレーザーを生成するように構成されている。本実施形態においては、レーザーとしてグリーンレーザーを使用しているが、水に吸収されにくい吸収率の低いレーザーであれば、その種類は任意に選択することができる。
【００３２】
グリーンレーザーの代表的なものは、ＹＡＧレーザー基本波(波長１０６４ｎｍ)の第２高調波であり、波長が５３２ｎｍである。グリーンレーザーは、ＹＡＧレーザー基本波(波長１０６４ｎｍ)やＣＯ2レーザー(波長１０．６μｍ)と異なり、水に吸収されにくい性質を有するため、噴流液体として安価で入手が容易な水を使用する場合には、レーザーの伝搬効率を向上させることができる。
【００３３】
合焦光学系６は、レーザー発振器４により生成されたレーザーを所定の位置に集光させるように構成されている。レーザー発振器４から出射されたレーザーは光ファイバ等（図示せず）でレーザー加工ヘッド２に導かれ、コリメートレンズ（図示せず）で平行光に変換された後、この光を集光レンズにより、レーザー加工ヘッド２内のノズル２０の軸線上に合焦させるように構成されている。なお、図１においては、合焦光学系６として、その一部である１枚の集光レンズのみを符号「６」で示している。
【００３４】
液体供給源８は、ノズル２０から噴射すべき液体として、水を供給するように構成されている。液体処理装置１０は、液体供給源８から供給された液体からイオンを除去する等の処理を行うように構成されている。高圧ポンプ１２は、液体処理装置１０によって処理された液体を高圧に加圧してレーザー加工ヘッド２に送り込むように構成されている。また、高圧フィルタ１４は、高圧ポンプ１２により加圧された液体から異物等を取り除くように構成されている。この高圧フィルタ１４により異物等を除去された水が、レーザー加工ヘッド２内に導入される。なお、本実施形態においては、水は、高圧ポンプ１２により１０〜３０ＭＰａに加圧され、レーザー加工ヘッド２に導入される。
【００３５】
ヘッド本体部１６は、段付きの概ね円筒状の部材であり、レーザー発振器４から送られたレーザーが内側を通るように構成されている。また、ヘッド本体部１６の内側の段部には、集光レンズ６が取り付けられており、レーザー発振器４からのレーザーは、この集光レンズ６により合焦される。さらに、ヘッド本体部１６の内部には、ウインドウ２２を受け入れるための円筒状のウインドウ受入凹部１６ａが形成されており、このウインドウ受入凹部１６ａの中にウインドウ２２が配置されている。集光レンズ６から射出されたレーザーは、このウインドウ２２を透過して、ノズル穴の入口開口付近で合焦される。
【００３６】
ウインドウ２２は、レーザーを透過させる円柱形の部材であり、ウインドウ受入凹部１６ａの中に配置される。ウインドウ２２は、石英、サファイア等で構成することができる。また、ウインドウ２２の周囲にはシールが配置され、ウインドウ受入凹部１６ａとウインドウ２２の間の水密性が確保されている。
【００３７】
また、ウインドウ２２の下方には、液体加振室形成部材２４が配置されている。液体加振室形成部材２４はヘッド本体部１６に内蔵され、ウインドウ２２は、液体加振室形成部材２４とウインドウ受入凹部１６ａの間に挟まれて固定される（図１）。
【００３８】
ヘッド本体部１６の下部には、ノズル２０を受け入れるためのノズル受入凹部１６ｂが形成されており、ノズル２０は、このノズル受入凹部１６ｂ内に配置される。ヘッド本体部１６の下端部内周には、雌ネジ山が形成されており、この雌ネジ山と、ノズル押え部材２８外周に形成された雄ネジ山を螺合させることにより、ノズル２０は、ノズル受入凹部１６ｂ内に固定される。また、ノズル２０の周囲にはシールが配置され、ヘッド本体部１６とノズル２０の間の水密性が確保されている。
【００３９】
また、ヘッド本体部１６の側面には、液体導入通路１６ｃが形成されている。この液体導入通路１６ｃは、ヘッド本体部１６の外側から内側まで貫通した、ほぼ水平方向に延びる液体の通路であり、液体供給源８から供給された液体は、液体導入通路１６ｃを介してレーザー加工ヘッド２の内部に流入するように構成されている。液体導入通路１６ｃから流入した液体は、ヘッド本体部１６内の概ね円環状の空間内に入る。この円環状の空間は、液体導入通路１６ｃから供給された液体の乱れを減衰させるので、整流室３０として機能する（図２）。さらに、液体は、整流室３０から加振室流入口２４ｂを通って、液体加振室２４ｃに流入する。
【００４０】
次に、ノズル２０は概ね円柱状の部材であり、その中心軸線上に円形断面のノズル穴２０ａが形成されている。液体加振室２４ｃ内の液体は、ノズル穴２０ａ上端のノズル入口開口を通ってノズル穴２０ａに流入し、ノズル２０から噴流液柱Ｊとして噴射される。なお、本実施形態においては、ノズル穴２０ａ（ノズル入口開口）の直径は約６０μｍであるが、ノズル穴の直径は加工対象等に応じて適宜変更することができる。
【００４１】
次に、図３を参照して、液体加振室形成部材２４の構造を詳細に説明する。
図３（ｂ）に示すように、液体加振室形成部材２４は、概ね円筒状の部材であり、ヘッド本体部１６内に配置されることにより、その外側に整流室３０を形成すると共に、内側に円筒状の液体加振室２４ｃを形成するように構成されている。即ち、液体加振室形成部材２４の内周面が、ノズル入口開口を取り囲む、液体加振室２４ｃの側壁面を構成する。また、整流室３０は、液体加振室形成部材２４の周囲に、液体加振室２４ｃを取り囲む環状の空間として形成される。
【００４２】
また、図３（ａ）（ｂ）に示すように、液体加振室形成部材２４の上端部には、ウインドウ２２と当接するウインドウ当接面２４ｄが形成されており、このウインドウ当接面２４ｄがウインドウ２２の下端面と当接することにより、ウインドウ２２が位置決めされる。
【００４３】
また、液体加振室形成部材２４の下端面２４ｅは、ノズル２０の上端面と当接し、液体加振室形成部材２４下部の傾斜面２４ｆは、ヘッド本体部１６の内壁面と当接するように構成されている。このように、ウインドウ２２とウインドウ当接面２４ｄが当接し、ノズル２０と下端面２４ｅが当接することにより、ウインドウ２２の下端面、ノズル２０の上端面、及び液体加振室形成部材２４の内周面により、円筒状の液体加振室２４ｃが画定される。本実施形態においては、画定された液体加振室２４ｃは、高さが６ｍｍ、直径が５ｍｍであり、直径よりも高さが高い円筒状に構成されている。好ましくは、液体加振室の高さはノズル穴（ノズル入口開口）の直径の２０〜３００倍に構成し、液体加振室の直径はノズル穴（ノズル入口開口）の直径の１５〜２００倍に構成すると共に、液体加振室の高さを横幅よりも大きくする。
【００４４】
さらに、図３（ｃ）に示すように、液体加振室形成部材２４の側壁面は、中心角約９０゜に亘って切り欠かれている。この切欠により、液体加振室形成部材２４の外周側と内側が連通されるので、この切欠は、整流室３０と液体加振室２４ｃを連通させる加振室流入通路２４ｈ及び加振室流入口２４ｂとして機能する。即ち、加振室流入通路２４ｈは、整流室３０から液体加振室２４ｃに向けてすぼまった通路であり、加振室流入口２４ｂは、液体加振室２４ｃの側壁面に設けられた加振室流入通路２４ｈと液体加振室２４ｃを接続する開口部である。従って、供給された液体は、整流室３０から加振室流入通路２４ｈを通過して、加振室流入口２４ｂから液体加振室２４ｃに流入する。このように、液体は、液体加振室２４ｃの側壁面の一方向から液体加振室２４ｃ内に流入する。
【００４５】
また、図３（ｂ）に示すように、液体加振室形成部材２４の側壁面には、液体加振室２４ｃから外周面まで貫通したエア抜き穴２４ｇが、加振室流入口２４ｂとは別に形成されている。このエア抜き穴２４ｇは、加振室流入口２４ｂよりも断面積が小さい円形断面の小穴であり、加振室流入口２４ｂの反対側に設けられている。エア抜き穴２４ｇは、流路抵抗が大きいため、レーザー加工装置１の稼働中においては、整流室３０内の液体は、全量が加振室流入口２４ｂを通って液体加振室２４ｃに流入する。
【００４６】
次に、図４及び図５を更に参照して、本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置１の作用を説明する。
レーザー加工装置１の起動時には、まず、高圧ポンプ１２を起動させる。これにより、液体供給源８から液体処理装置１０を介して高圧ポンプ１２に液体が供給され、高圧ポンプ１２により加圧された液体は、高圧フィルタ１４を通って液体導入通路１６ｃに送り込まれる。液体導入通路１６ｃを通ってレーザー加工ヘッド２の内部に流入した液体は、整流室３０を通り、加振室流入口２４ｂから液体加振室２４ｃに流入する。ここで、レーザー加工装置１の起動時において、液体加振室２４ｃ内に滞留していた空気は、加振室流入口２４ｂの向かい側に設けられているエア抜き穴２４ｇを通って液体加振室２４ｃの外部に排出される。液体加振室２４ｃから排出された空気は、エア抜き用通路１６ｄ（図１）を通って、レーザー加工ヘッド２の外部に排出される。エア抜き用通路１６ｄはバルブ（図示せず）に接続されている。空気が外部に排出された後、このバルブを閉鎖すると、液体加振室２４ｃ、整流室３０等は液体により満たされた状態となり、液体導入通路１６ｃから導入された液体は全てノズル穴２０ａから噴流液柱Ｊとして噴射される。この状態においては、整流室３０内の液体は、専ら一方向（加振室流入口２４ｂ）から、液体加振室２４ｃへ流入し、ノズル穴２０ａを通って噴射される。液体は、整流室３０内で整流された後、一方向から液体加振室２４ｃに流入して加振され、液体の流れに適度な乱れが与えられる。
【００４７】
次に、レーザー発振器４を起動させ、レーザーを生成させる。生成されたレーザーは、集光レンズ６により集光されてウインドウ２２を透過し、液体加振室２４ｃ内においてノズル穴２０ａ（ノズル入口開口）上方の中心軸線上で合焦される。合焦されたレーザーは、ノズル穴２０ａから噴射されている噴流液柱の内部に入り、噴流液柱内で全反射を繰り返しながら導光され、被加工物Ｗに到達する。被加工物Ｗに達したレーザーは、被加工物Ｗを加工する。
【００４８】
図４はノズル２０から噴射された噴流液柱Ｊの状態を模式的に示す図であり、図４（ａ）は空気中に噴射された噴流液柱Ｊの状態を示している。図４（ｂ）（ｃ）は、被加工物Ｗを加工するために噴流液柱Ｊを被加工物Ｗに当てた状態を示すものであり、図４（ｂ）は被加工物Ｗの切断途中の状態を示し、図４（ｃ）は噴流液柱Ｊが被加工物Ｗを貫通した状態を示している。
図４（ａ）に示すように、ノズル２０から噴射された液体は、噴射されている液柱の外表面に表面波３２が形成された状態で噴射される。この表面波３２は、ノズル２０から遠ざかるにつれて振幅が大きくなり、やがて、液柱表面の液体の一部が液滴３４として液柱から分離されるようになる。さらに、液柱から分離される液滴は、ノズル２０から遠ざかるにつれて次第に多くなり、やがて、液柱の本体も液滴よりも大きな液塊３６に分割され、液柱は消滅する。
【００４９】
噴流液柱Ｊによりレーザーを導光するには、噴流液柱Ｊの内部でレーザーが全反射されるように、噴流液柱Ｊが液滴３４の発生が殆どない状態で被加工物Ｗに到達する必要がある。従って、レーザーを導光するという機能に関しては、表面波が小さく、液滴３４が発生していない状態で、噴流液柱Ｊが被加工物Ｗに到達することが好ましい。しかしながら、実際には、表面波が小さい状態で噴流液柱Ｊが被加工物Ｗに到達すると、被加工物Ｗから跳ね返った液体が噴流液柱Ｊに外乱を与え、却って導光に支障を来すことになる。特に、噴流液柱Ｊを複数回走査することにより切断が完了する被加工物Ｗの場合には、被加工物Ｗから跳ね返った液体による外乱の影響が大きくなる。即ち、複数回の走査により切断が行われる場合には、被加工物Ｗの加工点が貫通していない状態で加工が行われるため、噴射された液体が被加工物Ｗの下方に排出されず、噴射された液体の全量が噴流液柱Ｊの側に跳ね返り、これが噴流液柱Ｊに外乱を与えることになる。
【００５０】
ここで、本実施形態のレーザー加工装置１は、ノズル２０から噴射された噴流液柱Ｊの表面波が或る程度大きくなった状態で、噴流液柱Ｊが被加工物Ｗに当たるように構成されている。このため、図４（ｂ）に示すように、噴流液柱Ｊが被加工物Ｗに当たると跳ね返り水は霧状になり、加工点が貫通していない状態においても噴流液柱Ｊに殆ど影響を与えることがない。また、図４（ｃ）に示すように、加工点が貫通した状態においては、噴射された液体の多くが被加工物Ｗの下方に排出され、跳ね返り水の影響は更に少なくなる。
【００５１】
本実施形態のレーザー加工装置１では、液体加振室２４ｃを介してノズル穴２０ａに液体を流入させているので、液体の流れに適度な乱れが与えられており、これにより、ノズル２０から噴射された噴流液柱Ｊの表面には適度な表面波が励起される。この表面波は、被加工物Ｗ付近に到達するまでに適度な大きさに発達する。このように、表面波が適度な大きさに発達した状態で噴流液柱Ｊが被加工物Ｗに当たると、噴流液柱Ｊは速やかに霧状になるため、噴流液柱Ｊに外乱を与えにくい。また、噴流液柱Ｊが霧状になると、噴射された液体は被加工物Ｗの加工点付近から即座に分散するので、加工点付近に液体が滞留しにくく、滞留した液体による導光の障害が抑制される。一方、表面波が小さい状態で噴流液柱Ｊが被加工物Ｗに当たる従来のレーザー加工装置では、被加工物Ｗに当たった液体が被加工物Ｗ上の加工点付近に滞留しやすく、この滞留した液体がレーザーの導光を阻害する。これに対し、本実施形態のレーザー加工装置１では、深い穴を形成する場合においても、加工点で霧状になった液体は加工中の穴の中から容易に舞い上がり、穴の中に滞留する液体が少なくなる。
【００５２】
本実施形態によるレーザー加工装置１においては、整流室３０で液体の流れの乱れを減衰させた後、液体を液体加振室２４ｃに導き、そこからノズル２０を介して噴流液柱Ｊを噴射するので、噴射された噴流液柱Ｊに適度な表面波が与えられ、噴流液柱Ｊが被加工物Ｗに当たると速やかに霧化する。なお、本実施形態のレーザー加工装置１においては、ノズル２０の下端面と被加工物Ｗの間の距離を約５〜４０ｍｍに設定することにより、レーザーを被加工物Ｗまで効率良く導くことができると共に、被加工物Ｗに当たった噴流液柱Ｊは霧状になり、良好な加工を行うことができる。
【００５３】
次に、図５を参照して、レーザーの噴流液柱Ｊ内への導入を説明する。図５（ａ）は、噴流液柱Ｊによりレーザーを導光する一般的な装置において、レーザーを噴流液柱Ｊに導入する状態を示す図であり、図５（ｂ）は、本実施形態のレーザー加工装置１において、レーザーを噴流液柱Ｊに導入する状態を示す図である。
【００５４】
図５（ａ）（ｂ）に示すように、液体は、ノズル２０の上端面のノズル入口開口からノズル穴２０ａに流入し、噴流液柱Ｊとして噴射される。ここで、液体がノズル入口開口に流入する際に縮流が発生するため、噴射される噴流液柱Ｊの直径は、ノズル入口開口の直径よりも僅かに小さくなる。
【００５５】
図５（ａ）に示すように、一般的な装置においては、レーザーは、ノズル入口開口の円の中心点で合焦され、合焦点から下方に向かって広がったレーザーは、噴流液柱Ｊと外気の境界面に当たり、その後、噴流液柱Ｊ内で全反射を繰り返しながら導光される。これに対し、本実施形態のレーザー加工装置１においては、レーザーは、ノズル入口開口の上方で、即ち、ノズル入口開口に対してウインドウ２２に近い側で合焦される。ノズル入口開口の上方で合焦されたレーザーは、下方に向かって広がり、ノズル入口開口近傍の縮流部Ｃで噴流液柱Ｊに当たり、その後、噴流液柱Ｊ内で全反射を繰り返しながら導光される。このように、レーザーを噴流液柱Ｊが形成される縮流部Ｃ近傍に当てることにより、噴射される噴流液柱Ｊに、レーザーにより外乱が与えられる。この外乱により、噴流液柱Ｊに表面波が励起され、表面波を、より大きくすることができ、噴流液柱Ｊが被加工物Ｗに到達した後、液体を速やかに霧状にすることができる。
【００５６】
また、従来のレーザー加工装置においては、液体中のゴミ、油分等がウインドウ表面に付着し、導光の妨げになるという問題が発生したが、本実施形態のレーザー加工装置によれば、これを抑制することができる。従来のレーザー加工装置においても、液体として純水を使用し、高圧ポンプにより加圧した後、高圧フィルタを介して液体を供給しているが、ポンプ、配管等から純水により溶出した僅かなゴミ、油分がウインドウに集められ表面に付着するという問題が発生していた。これは、強いレーザーがウインドウを通過した際に、ウインドウに接している水中のゴミ、油分等が強いレーザーによりウインドウ表面に引き寄せられる光ピンセットの原理（レーザートラップ現象）によるものである。特に、従来のレーザー加工装置においては、ノズルに液体を供給するために設けられた液体貯留室の周囲から中心に向かって液体が軸対称に流れるように構成されているため、液体貯留室の中心に淀み点が発生し、この付近における液体の流速が非常に遅くなる。このため、ウインドウの表面付近の水中のゴミ、油分等がウインドウに引き寄せられ、ウインドウに付着していた。
【００５７】
これに対し、本実施形態のレーザー加工装置１によれば、液体は一方向から液体加振室２４ｃ内に流入するので、ウインドウ２２の表面全体に亘って常に或る程度の速度で液体が流れる。このため、水中のゴミ、油分等はウインドウ２２に付着し難く、ゴミ、油分等がウインドウ２２に付着した場合でも、新たに供給された液体により速やかに洗い流される。これにより、本実施形態のレーザー加工装置１によれば、液体中の不純物のウインドウ２２への付着を抑制することができる。
【００５８】
次に、図６を参照して、本発明の第２実施形態によるレーザー加工装置を説明する。本実施形態のレーザー加工装置は、液体加振室形成部材の形状が上述した第１実施形態とは異なる。従って、ここでは、本実施形態の上述した第１実施形態とは異なる点のみを説明し、同様の構成、作用、効果については説明を省略する。
【００５９】
図６（ａ）は、本発明の第２実施形態によるレーザー加工装置に内蔵されている液体加振室形成部材の上面図であり、（ｂ）は正面図である。
図６に示すように、本実施形態における液体加振室形成部材４０は、概ね円筒形に構成されており、その外径は８ｍｍ、内径は３．５ｍｍ、高さは４ｍｍである。また、液体加振室形成部材４０は、その上端面４０ｄがウインドウ２２の下端面に当接し、下端面４０ｅがノズル２０の上端面に当接するように配置される。従って、この液体加振室形成部材４０により画定される液体加振室４０ｃは、直径３．５ｍｍ、高さ４ｍｍの円柱形となる。また、概ね円筒形の液体加振室形成部材４０は、その一部が切り欠かれており、この切欠により加振室流入通路４０ｆ及び加振室流入口４０ｂが形成される。加振室流入通路４０ｆ及び加振室流入口４０ｂは高さが３ｍｍであり、その上端面はウインドウ２２の下端面により画定される。また、加振室流入通路４０ｆは、幅が、外周から内周に向けてテーパ角３０゜ですぼまるように構成されており、最奥部の加振室流入口４０ｂにより液体加振室４０ｃに接続されている。また、加振室流入口４０ｂの幅は液体加振室４０ｃの直径と一致しており、幅３．５ｍｍである。
【００６０】
このように構成された第２実施形態においては、液体加振室４０ｃが小さく、また、整流室３０内の液体は、液体加振室４０ｃ上方の一方向から液体加振室４０ｃ内に流入する。このため、液体加振室４０ｃ内の上側の流速が高くなり、液体は強く加振され、噴流液柱Ｊに強い表面波を生成することができる。これにより、図５（ｂ）に示したように縮流部Ｃにレーザーを当てることなく、十分に強い表面波を与えることができ、液体加振室４０ｃによる加振単独でも、被加工物Ｗに当たった噴流液柱Ｊを十分に霧化することができる。
【００６１】
次に、図７を参照して、本発明の第３実施形態によるレーザー加工装置を説明する。本実施形態のレーザー加工装置は、被加工物Ｗを保持する被加工物保持装置が上述した第１実施形態とは異なる。従って、ここでは、本実施形態の上述した第１実施形態とは異なる点のみを説明し、同様の構成、作用、効果については説明を省略する。
【００６２】
図７に示すように、本実施形態のレーザー加工装置は、レーザー加工ヘッド２の下方に配置された被加工物保持装置５０を備えている。被加工物保持装置５０は、ＸＹテーブル５２と、ＸＹテーブル５２上に設けられた軸受部５４と、この軸受部５４により支持された十字軸５６と、この十字軸５６に支持された傾斜テーブル５８と、この傾斜テーブル５８に被加工物Ｗを固定するクランプ５９と、を有する。
【００６３】
ＸＹテーブル５２は、水平面内で互いに直交するＸ軸、Ｙ軸方向に並進移動可能に構成されている。
軸受部５４は、ＸＹテーブル５２上に固定された軸受けであり、十字軸５６を、ＸＹテーブル５２に平行な軸線（Ｂ軸）を中心に回動可能に支持する。
十字軸５６は、軸受部５４により回動可能に支持される第１の軸と、この軸に対して垂直に向けられた第２の軸が一体に構成された十字形の軸である。また、十字軸５６の第１の軸はＹ軸方向と平行に向けられている。
【００６４】
傾斜テーブル５８は、十字軸５６の第２の軸に対して回動可能に取り付けられたテーブルである。傾斜テーブル５８は、十字軸５６の第２の軸（Ａ軸）を中心に回動可能に構成されている、また、十字軸５６の第２の軸はＸ軸方向と平行に向けられている。
クランプ５９は、被加工物Ｗを着脱可能に、傾斜テーブル５８に固定するように傾斜テーブル５８に設けられている。
また、レーザー加工ヘッド２は、鉛直方向に並進移動可能に構成されている。
【００６５】
本実施形態のレーザー加工装置においては、加工中に、被加工物ＷをＸ軸方向、Ｙ軸方向に並進移動させることができると共に、被加工物ＷをＡ軸、Ｂ軸を中心に回動させることができ、これらの並進移動及び回動を同時に行うことができる。これにより、立体空間において被加工物Ｗを高い自由度で移動させることができるので、非常に広範な加工が可能であると共に、加工精度を向上させることができる。また、本実施形態のレーザー加工装置によれば、加工中に、被加工物Ｗを移動させることにより、液体の加工点付近への滞留を抑制することができる。
【００６６】
次に、図８を参照して、本発明の第４実施形態によるレーザー加工装置を説明する。本実施形態のレーザー加工装置は、被加工物Ｗを保持する被加工物保持装置が上述した第１実施形態とは異なる。従って、ここでは、本実施形態の上述した第１実施形態とは異なる点のみを説明し、同様の構成、作用、効果については説明を省略する。
【００６７】
図８に示すように、本実施形態のレーザー加工装置は、レーザー加工ヘッド２の下方に配置された被加工物保持装置６０を備えている。被加工物保持装置６０は、ＸＹテーブル６２と、ＸＹテーブル６２上に設けられた回転駆動装置６４と、この回転駆動装置６４により支持された回転テーブル６６と、この回転テーブル６６に被加工物Ｗを固定するクランプ６８と、を有する。
【００６８】
回転駆動装置６４は、ＸＹテーブル６２に設けられたモーターであり、回転テーブル６６を回転駆動するように構成されている。
回転テーブル６６は、回転駆動装置６４により、鉛直方向の軸線（Ｃ軸）を中心に回転されるように構成されている。
クランプ６８は、被加工物Ｗを着脱可能に、回転テーブル６６に固定するように回転テーブル６６に設けられている。
レーザー加工ヘッド２は、Ｚ軸方向に並進移動可能に構成されている。また、レーザー加工ヘッド２は、Ｚ軸方向に対して傾斜できるように構成しても良い。
【００６９】
本実施形態のレーザー加工装置においては、加工中に、被加工物ＷをＸ軸方向、Ｙ軸方向に並進移動させることができると共に、被加工物Ｗを回転させることができ、これらの並進移動及び回転を同時に行うことができる。本実施形態のレーザー加工装置では、立体空間において自由な加工が可能であると共に、上述した第３実施形態によるレーザー加工装置よりも被加工物保持装置の制御が簡単であり、より高速に被加工物Ｗを移動させることができる。また、レーザー加工ヘッド２を被加工物に対して傾斜させることにより、被加工物に対してテーパ加工を施すことができる。さらに、本実施形態のレーザー加工装置によれば、加工中に、被加工物Ｗを高速で回転させることにより、液体の加工点付近への滞留を更に抑制することができる。
【００７０】
次に、図９を参照して、本発明の第５実施形態によるレーザー加工装置を説明する。本実施形態のレーザー加工装置は、被加工物Ｗの加工点にミスト噴流を噴射するミスト噴流噴射装置を有する点が上述した第１実施形態とは異なる。従って、ここでは、本実施形態の上述した第１実施形態とは異なる点のみを説明し、同様の構成、作用、効果については説明を省略する。
図９に示すように、本実施形態のレーザー加工装置は、レーザー加工ヘッド２の下方に配置されたＸＹテーブル７０と、このＸＹテーブル７０上の被加工物Ｗの加工点にミスト噴流を噴射するミスト噴流噴射装置７２と、を有する。
【００７１】
ＸＹテーブル７０は、水平面内で互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向に並進移動可能に構成されている。
ミスト噴流噴射装置７２は、水を高速の空気流により霧状にして、被加工物Ｗの加工点に噴射するように構成されている。このミスト噴流により、被加工物Ｗを加工することにより発生した加工粉が、加工点から除去される。これにより、被加工物Ｗ表面に発生する残渣をなくすことができる。
【００７２】
次に、図１０乃至図１３を参照して、本発明の第６実施形態によるレーザー加工装置を説明する。本実施形態によるレーザー加工装置は、液体加振室、加振室流入通路、加振室流入口の形態が、上述した第１実施形態とは異なる。従って、ここでは、本発明の第６実施形態の、第１実施形態とは異なる点のみを説明し、同様の構成、作用、効果については説明を省略する。
【００７３】
図１０に示すように、本発明の第６実施形態によるレーザー加工装置１００は、レーザー加工ヘッド１０２と、このレーザー加工ヘッド１０２にレーザーを送るレーザー発振器１０４と、レーザー発振器１０４から送られたレーザーを合焦させる合焦光学系１０６と、を有する。また、レーザー加工ヘッド１０２には、液体供給源（図示せず）から、液体処理装置、高圧ポンプ、及び高圧フィルタ（以上、図示せず）を介して水が供給される。
さらに、図１０に示すように、レーザー加工ヘッド１０２は、ヘッド本体部１１６と、ノズル１２０と、ウインドウ１２２と、加振室流入通路調整部材１２４と、を有する。
【００７４】
ヘッド本体部１１６は、段付きの概ね円筒状の部材であり、レーザー発振器１０４から送られたレーザーが内側を通るように構成されている。また、ヘッド本体部１１６の内側の段部には、集光レンズ１０６が取り付けられており、レーザー発振器１０４からのレーザーは、この集光レンズ１０６により合焦される。さらに、ヘッド本体部１１６の内部には、ウインドウ１２２を受け入れるための円筒状のウインドウ受入凹部１１６ａが形成されており、このウインドウ受入凹部１１６ａの中にウインドウ１２２が配置されている。集光レンズ１０６から射出されたレーザーは、このウインドウ１２２を透過して、ノズル穴の入口開口付近で合焦される。
【００７５】
ウインドウ１２２は、レーザーを透過させる円柱形の部材であり、ウインドウ受入凹部１１６ａの中に配置される。また、ウインドウ１２２の周囲にはシールが配置され、ウインドウ受入凹部１１６ａとウインドウ１２２の間の水密性が確保されている。
【００７６】
また、ウインドウ１２２の下方には、加振室流入通路調整部材１２４が配置されている。加振室流入通路調整部材１２４はヘッド本体部１１６に内蔵され、ウインドウ１２２は、加振室流入通路調整部材１２４とウインドウ受入凹部１１６ａの間に挟まれて固定される（図１０）。
【００７７】
ヘッド本体部１１６の下部には、ノズル１２０を受け入れるためのノズル受入凹部１１６ｂが形成されており、ノズル１２０は、このノズル受入凹部１１６ｂ内に配置される。ヘッド本体部１１６の下端部内周には、雌ネジ山が形成されており、この雌ネジ山と、ノズル押え部材１２８外周に形成された雄ネジ山を螺合させることにより、ノズル１２０は、ノズル受入凹部１１６ｂ内に固定される。また、ノズル１２０の周囲にはシールが配置され、ヘッド本体部１１６とノズル１２０の間の水密性が確保されている。
【００７８】
ノズル１２０は概ね円柱状の部材であり、その中心軸線上に円形断面のノズル穴１２０ａが形成されている。供給された液体は、ノズル穴１２０ａ上端のノズル入口開口を通ってノズル穴１２０ａに流入し、ノズル１２０から噴流液柱Ｊとして噴射される。なお、本実施形態においては、ノズル穴１２０ａ（ノズル入口開口）の直径は約６０μｍであるが、ノズル穴の直径は加工対象等に応じて適宜変更することができる。
【００７９】
また、ヘッド本体部１１６の側面には、液体導入通路１１６ｃが形成されている。この液体導入通路１１６ｃは、ヘッド本体部１１６の外側から内側まで貫通した、ほぼ水平方向に延びる液体の通路であり、液体供給源（図示せず）から供給された液体は、液体導入通路１１６ｃを介してレーザー加工ヘッド１０２の内部に流入するように構成されている。液体導入通路１１６ｃから流入した液体は、ヘッド本体部１１６内の概ね円環状の空間内に入る。この円環状の空間は、液体導入通路１１６ｃから供給された液体の乱れを減衰させるので、整流室１３０として機能する（図１０）。
【００８０】
さらに、ヘッド本体部１１６の内部には、円環状の整流室１３０から下方に延びる円形の盆形の空間が形成されており、この空間内に加振室流入通路調整部材１２４を配置することにより、加振室流入通路１１６ｄの形態を画定している。また、ヘッド本体部１１６には、円形の盆形の空間の中心から下方に延びるように、円筒形のボアが形成されており、このボアの内部が液体加振室１２６として機能する。
【００８１】
また、図１０に示すように、液体導入通路１１６ｃの反対側には、エア抜き用通路１１６ｅが形成されている。このエア抜き用通路１１６ｅは、液体導入通路１１６ｃの反対側にほぼ水平方向に延びる通路である。エア抜き用通路１１６ｅは、レーザー加工装置１００の初期使用時において、整流室１３０等に滞留していた空気を排出するための通路であり、レーザー加工装置１００の実使用時にはバルブ（図示せず）により閉鎖される。
【００８２】
次に、図１１及び図１２を参照して、液体加振室１２６及び加振室流入通路１１６ｄの構造を詳細に説明する。
図１２は、ヘッド本体部１１６の内部に空洞として形成されている液体加振室１２６、加振室流入通路１１６ｄ、及び整流室１３０の形態を三次元的に示す斜視図である。
【００８３】
図１１に示すように、加振室流入通路調整部材１２４は、ヘッド本体部１１６の内部に形成された円形の盆形の空間と合致するように構成された部材である。この加振室流入通路調整部材１２４は、円形の盆形の一部を概ね中心角９０゜の扇形に切り欠いた形状を有する。ヘッド本体部１１６の内部に形成された円形の盆形の空間内に、この加振室流入通路調整部材１２４を配置することにより、残余の空間が加振室流入通路１１６ｄとして機能する。即ち、図１２に示すように、円環状の整流室１３０と連通するように形成された円形の盆形の空間の一部が、加振室流入通路調整部材１２４によって閉塞されることにより、水平方向に延びる概ね中心角９０゜の扇形の加振室流入通路１１６ｄが形成される。
【００８４】
さらに、加振室流入通路１１６ｄと連通するように、円筒形の液体加振室１２６が形成されている。この液体加振室１２６は、円環状の整流室１３０の中心軸線上に、下方に延びるように形成されている。また、図１０に示すように、液体加振室１２６の側壁面は、ヘッド本体部１１６の内部に形成された円筒形のボアの内周面により構成され、液体加振室１２６の底面は、ノズル１２０の上端面によって構成されている。また、液体加振室１２６の上端は、円形の加振室流入口１２６ａを介して加振室流入通路１１６ｄと連通している。従って、供給された液体は、ウインドウ１２２に沿って、液体加振室１２６の一方の側から加振室流入通路１１６ｄ内を流れ、加振室流入口１２６ａを通って液体加振室１２６内に流入する。
【００８５】
なお、本実施形態においては、液体加振室１２６の直径は約４．２ｍｍ、高さは約４．５ｍｍであり、直径よりも高さが高い円筒状に構成されている。また、概ね扇形の加振室流入通路１１６ｄの高さは約１．５ｍｍであり、ノズル１２０の上端面からウインドウ１２２の下端面までの距離は約６ｍｍとなる。好ましくは、液体加振室の高さはノズル穴（ノズル入口開口）の直径の２０〜３００倍に構成し、液体加振室の直径はノズル穴（ノズル入口開口）の直径の１５〜２００倍に構成すると共に、液体加振室の高さを横幅よりも大きくする。
【００８６】
次に、図１０を参照して、本発明の第６実施形態によるレーザー加工装置１００の作用を説明する。
レーザー加工装置１００を起動すると、高圧ポンプ（図示せず）により、液体供給源（図示せず）から液体処理装置（図示せず）を介して供給された液体が加圧され、高圧フィルタ（図示せず）を通って液体導入通路１１６ｃに送り込まれる。液体導入通路１１６ｃを通ってレーザー加工ヘッド１０２の内部に流入した液体は、整流室１３０に導入され、ここで速度を低下させた後、加振室流入通路１１６ｄを通過し、加振室流入口１２６ａから液体加振室１２６に流入する。ここで、レーザー加工装置１００の起動時において、整流室１３０等に滞留していた空気は、エア抜き用通路１１６ｅ（図１０）を通って、レーザー加工ヘッド１０２の外部に排出される。また、液体加振室１２６に滞留していた空気は、ノズル穴１２０ａからも排出される。また、エア抜き用通路１１６ｄはバルブ（図示せず）に接続されており、空気が外部に排出された後、このバルブを閉鎖すると、液体加振室１２６、整流室１３０等は液体により満たされた状態となる。これにより、液体導入通路１１６ｃから導入された液体は全てノズル穴１２０ａから噴流液柱Ｊとして噴射される。この状態においては、整流室１３０内の液体は、専ら一方向（加振室流入通路１１６ｄ）から、液体加振室１２６へ流入し、ノズル穴１２０ａを通って噴射される。液体は、整流室１３０内で整流された後、一方向から液体加振室１２６に流入して加振され、液体の流れに適度な乱れが与えられる。また、液体は、液体導入通路１１６ｃ内をウインドウ１２２の表面に沿って流れるため、液体内の異物はウインドウ１２２に付着しにくく、また付着した場合でも、異物は直ちに液体の流れによって洗い流される。
【００８７】
次に、レーザー発振器１０４を起動させ、レーザーを生成させる。生成されたレーザーは、集光レンズ１０６により集光されてウインドウ１２２を透過し、液体加振室１２６内においてノズル穴１２０ａ（ノズル入口開口）上方の中心軸線上で合焦される。合焦されたレーザーは、ノズル穴１２０ａから噴射されている噴流液柱の内部に入り、噴流液柱内で全反射を繰り返しながら導光され、被加工物Ｗに到達する。被加工物Ｗに達したレーザーは、被加工物Ｗを加工する。
【００８８】
本実施形態のレーザー加工装置１００では、液体加振室１２６を介してノズル穴１２０ａに液体を流入させているので、液体の流れに適度な乱れが与えられており、これにより、ノズル１２０から噴射された噴流液柱Ｊの表面には適度な表面波が励起される。この表面波は、被加工物Ｗ付近に到達するまでに適度な大きさに発達する。このように、表面波が適度な大きさに発達した状態で噴流液柱Ｊが被加工物Ｗに当たると、噴流液柱Ｊは速やかに霧状になるため、噴流液柱Ｊに外乱を与えにくい。
また、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、レーザーにより噴流液柱Ｊに外乱を与え、表面波をより大きくすることができる（図５）。これにより、噴流液柱Ｊは被加工物Ｗに到達した後、より速やかに霧状にされる。
【００８９】
さらに、本実施形態のレーザー加工装置においても、液体中のゴミ、油分等がウインドウ表面に付着し、導光の妨げになるのを抑制することができる。なお、本実施形態のレーザー加工装置においては、加振室流入通路１１６ｄの上端面の一部がウインドウ１２２の下端面により構成されており、このウインドウ１２２の表面に沿って液体が流れるので、ウインドウ１２２の表面をより効果的に洗い流すことができ、不純物の付着をより確実に防止することができる。
【００９０】
次に、図１３を参照して、加振室流入通路調整部材１２４の変形例を説明する。
図１３（ａ）は、本発明の第６実施形態における加振室流入通路調整部材１２４の平面図である。図１３（ｂ）（ｃ）は、変形例による加振室流入通路調整部材の平面図である。
【００９１】
図１３（ａ）に示すように、加振室流入通路調整部材１２４は、ヘッド本体部１１６内に形成された円形の盆形の空間の一部を閉塞するように構成された部材であり、底面部１２４ａと、この底面部１２４ａの縁から垂直に立ち上がった縁部１２４ｂと、を有する。底面部１２４ａ及び縁部１２４ｂは、中心角約９０゜の概ね扇形に切り欠かれており、この切り欠かれた部分が加振室流入通路１１６ｄとして機能する。また、切り欠かれた扇形の中心角の部分は、半径約１０ｍｍの円弧状に丸味がつけられている。なお、図１３（ａ）には、加振室流入通路調整部材１２４に対する加振室流入口１２６ａの位置を想像線で示している。
【００９２】
図１３（ｂ）は、加振室流入通路調整部材の第１変形例を示している。第１変形例による加振室流入通路調整部材１３２は、底面部１３２ａ及び縁部１３２ｂを有し、これらに切欠が設けられている。底面部１３２ａに設けられた切欠は、幅約１０ｍｍで半径方向に延びており、加振室流入口１２６ａへの加振室流入通路を形成している。
【００９３】
図１３（ｃ）は、加振室流入通路調整部材の第２変形例を示している。第２変形例による加振室流入通路調整部材１３４は、底面部１３４ａ及び縁部１３４ｂを有する。底面部１３４ａ及び縁部１３４ｂには、幅約４ｍｍで半径方向に延びる切欠が設けられている。
【００９４】
これら第１、第２変形例による加振室流入通路調整部材を使用した場合には、第６実施形態における加振室流入通路調整部材１２４を使用した場合よりも加振室流入通路１１６ｄが狭くなり、噴流液柱Ｊは、より強く加振され、表面波が大きくなる。このため、図１３（ａ）に示す加振室流入通路調整部材１２４を使用した第６実施形態によるレーザー加工装置１００においては、約４８ｍｍに亘って噴流液柱Ｊが液柱の状態に維持されたのに対し、第１変形例では約４２ｍｍで液柱が液塊に分解され、第２変形例では約２８ｍｍで液塊に分解された。
【００９５】
好ましくは、レーザー加工装置の用途又は加工対象物に応じて、各加振室流入通路調整部材を交換する。即ち、加工対象が薄板等であり、噴流液柱Ｊの１回の走査により切断が可能である場合には、加振室流入通路調整部材１２４（図１３（ａ））を使用する。これにより、噴流液柱Ｊが長い距離に亘って維持されるので、加工対象物とレーザー加工ヘッドとの間の距離を、広い範囲で設定することができる。
【００９６】
また、加工対象が厚い板等であり、切断するために噴流液柱Ｊを複数回走査する必要がある場合には、加振室流入通路調整部材１３２（図１３（ｂ））又は１３４（図１３（ｃ））を使用する。これにより、噴流液柱Ｊは加工対象物に当たると速やかに霧化されやすくなるので、加工点が貫通していない状態においても、加工により形成された溝の中に液体が滞留しにくくなり、滞留した液体による導光の阻害を抑制することができる。
【００９７】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に、種々の変更を加えることができる。特に、上述した各実施形態に備えられていた各構成を、適宜組み合わせて本発明を構成することができる。また、上述した実施形態においては、ヘッド本体部は一体の部材として示されていたが、適宜複数の部材に分割して構成することができる。さらに、上述した第３実施形態と第４実施形態を組合せ、傾斜テーブル上に回転テーブルを設けるように、本発明を構成することもできる。
【符号の説明】
【００９８】
１ 本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置
２ レーザー加工ヘッド
４ レーザー発振器
６ 合焦光学系（集光レンズ）
８ 液体供給源
１０ 液体処理装置
１２ 高圧ポンプ
１４ 高圧フィルタ
１６ ヘッド本体部
１６ａ ウインドウ受入凹部
１６ｂ ノズル受入凹部
１６ｃ 液体導入通路
１６ｄ エア抜き用通路
２０ ノズル
２０ａ ノズル穴
２２ ウインドウ
２４ 液体加振室形成部材
２４ｂ 加振室流入口
２４ｃ 液体加振室
２４ｄ ウインドウ当接面
２４ｅ 下端面
２４ｆ 傾斜面
２４ｇ エア抜き穴
２４ｈ 加振室流入通路
２８ ノズル押え部材
３０ 整流室
３２ 表面波
３４ 液滴
３６ 液塊
４０ 液体加振室形成部材
４０ｂ 加振室流入口
４０ｃ 液体加振室
４０ｄ 上端面
４０ｅ 下端面
４０ｆ 加振室流入通路
５０ 被加工物保持装置
５２ ＸＹテーブル
５４ 軸受部
５６ 十字軸
５８ 傾斜テーブル
５９ クランプ
６０ 被加工物保持装置
６２ ＸＹテーブル
６４ 回転駆動装置
６６ 回転テーブル
６８ クランプ
７０ ＸＹテーブル
７２ ミスト噴流噴射装置
１００ 本発明の第６実施形態によるレーザー加工装置
１０２ レーザー加工ヘッド
１０４ レーザー発振器
１０６ 合焦光学系
１１６ ヘッド本体部
１１６ａ ウインドウ受入凹部
１１６ｂ ノズル受入凹部
１１６ｃ 液体導入通路
１１６ｄ 加振室流入通路
１１６ｅ エア抜き用通路
１２０ ノズル
１２０ａ ノズル穴
１２２ ウインドウ
１２４ 加振室流入通路調整部材
１２４ａ 底面部
１２４ｂ 縁部
１２６ 液体加振室
１２６ａ 加振室流入口
１２８ ノズル押え部材
１３０ 整流室
１３２ 第１変形例による加振室流入通路調整部材
１３４ 第２変形例による加振室流入通路調整部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴流液柱によって加工点に導かれたレーザーにより加工を行うレーザー加工装置であって、
ノズル入口開口を備え、噴流液柱を噴射するためのノズルと、
供給された液体の流れの乱れを減衰させる整流室と、
この整流室を通過した液体を流入させる加振室流入口を備え、流入した液体を上記ノズル入口開口に導く液体加振室と、
レーザーを生成するレーザー発振器と、
このレーザー発振器により生成されたレーザーが、噴流液柱により導光されるように、レーザーを上記ノズル入口開口の上方に合焦させる合焦光学系と、
この合焦光学系から射出されたレーザーが上記液体加振室内に入射されるように、上記ノズル入口開口と向かい合うように配置されたウインドウと、を有し、
上記液体加振室は、上記ノズルから被加工物に向けて噴射された噴流液柱が加工点で霧化されやすくなるように、噴流液柱外表面の表面波を大きくすることを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項２】
上記加振室流入口は、上記ノズル入口開口を取り囲むように設けられた上記液体加振室の側壁面の一方向から液体が流入するように配置されている請求項１記載のレーザー加工装置。
【請求項３】
上記液体加振室は、高さが上記ノズル入口開口の直径の２０〜３００倍、横幅が上記ノズル入口開口の直径の１５〜２００倍に構成されている請求項１又は２記載のレーザー加工装置。
【請求項４】
上記整流室は、上記液体加振室の少なくとも一部を取り囲む環状に形成されている請求項１乃至３の何れか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項５】
上記液体加振室は、ほぼ円筒形に形成され、この円筒の高さが、直径よりも大きく構成されている請求項１乃至４の何れか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項６】
上記液体加振室の側壁面には、上記加振室流入口とは別に、エア抜き穴が設けられている請求項１乃至５の何れか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項７】
さらに、被加工物を保持すると共に、Ｘ軸方向の被加工物の移動、Ｘ軸に直交するＹ軸方向の被加工物の移動、及び、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向と平行な各軸を中心軸とする被加工物の回動を同時に行うことができる被加工物保持装置を有し、立体空間において自由な加工が可能である請求項１乃至６の何れか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項８】
さらに、被加工物を保持すると共に、Ｘ軸方向の被加工物の移動、Ｘ軸に直交するＹ軸方向の被加工物の移動、及び、被加工物の回転を同時に行うことができる被加工物保持装置を有し、立体空間において自由な加工が可能である請求項１乃至６の何れか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項９】
上記合焦光学系は、上記ノズル入口開口に対し、上記ウインドウに近い側でレーザーを合焦させるように構成され、これにより、噴流液柱が形成される縮流部にレーザーの一部を当て、噴流液柱外表面の表面波をより大きくする請求項１乃至８の何れか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項１０】
さらに、加工により発生する残渣が除去されるように、被加工物の表面にミスト噴流を噴射するミスト噴流噴射装置を有する請求項１乃至９の何れか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項１１】
さらに、上記整流室から上記加振室流入口に液体を導く加振室流入通路を備え、この加振室流入通路は、上記ウインドウに沿って、上記液体加振室の一方の側から上記加振室流入口へ液体を導くように構成されている請求項１に記載のレーザー加工装置。
【請求項１２】
さらに、上記加振室流入通路の形態を画定する加振室流入通路調整部材を備え、この加振室流入通路調整部材を交換することにより、噴流液柱外表面の表面波の大きさを調整することができる請求項１１に記載のレーザー加工装置。
【請求項１】
噴流液柱によって加工点に導かれたレーザーにより加工を行うレーザー加工装置であって、
ノズル入口開口を備え、噴流液柱を噴射するためのノズルと、
供給された液体の流れの乱れを減衰させる整流室と、
この整流室を通過した液体を流入させる加振室流入口を備え、流入した液体を上記ノズル入口開口に導く液体加振室と、
レーザーを生成するレーザー発振器と、
このレーザー発振器により生成されたレーザーが、噴流液柱により導光されるように、レーザーを上記ノズル入口開口の上方に合焦させる合焦光学系と、
この合焦光学系から射出されたレーザーが上記液体加振室内に入射されるように、上記ノズル入口開口と向かい合うように配置されたウインドウと、を有し、
上記液体加振室は、上記ノズルから被加工物に向けて噴射された噴流液柱が加工点で霧化されやすくなるように、噴流液柱外表面の表面波を大きくすることを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項２】
上記加振室流入口は、上記ノズル入口開口を取り囲むように設けられた上記液体加振室の側壁面の一方向から液体が流入するように配置されている請求項１記載のレーザー加工装置。
【請求項３】
上記液体加振室は、高さが上記ノズル入口開口の直径の２０〜３００倍、横幅が上記ノズル入口開口の直径の１５〜２００倍に構成されている請求項１又は２記載のレーザー加工装置。
【請求項４】
上記整流室は、上記液体加振室の少なくとも一部を取り囲む環状に形成されている請求項１乃至３の何れか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項５】
上記液体加振室は、ほぼ円筒形に形成され、この円筒の高さが、直径よりも大きく構成されている請求項１乃至４の何れか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項６】
上記液体加振室の側壁面には、上記加振室流入口とは別に、エア抜き穴が設けられている請求項１乃至５の何れか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項７】
さらに、被加工物を保持すると共に、Ｘ軸方向の被加工物の移動、Ｘ軸に直交するＹ軸方向の被加工物の移動、及び、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向と平行な各軸を中心軸とする被加工物の回動を同時に行うことができる被加工物保持装置を有し、立体空間において自由な加工が可能である請求項１乃至６の何れか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項８】
さらに、被加工物を保持すると共に、Ｘ軸方向の被加工物の移動、Ｘ軸に直交するＹ軸方向の被加工物の移動、及び、被加工物の回転を同時に行うことができる被加工物保持装置を有し、立体空間において自由な加工が可能である請求項１乃至６の何れか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項９】
上記合焦光学系は、上記ノズル入口開口に対し、上記ウインドウに近い側でレーザーを合焦させるように構成され、これにより、噴流液柱が形成される縮流部にレーザーの一部を当て、噴流液柱外表面の表面波をより大きくする請求項１乃至８の何れか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項１０】
さらに、加工により発生する残渣が除去されるように、被加工物の表面にミスト噴流を噴射するミスト噴流噴射装置を有する請求項１乃至９の何れか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項１１】
さらに、上記整流室から上記加振室流入口に液体を導く加振室流入通路を備え、この加振室流入通路は、上記ウインドウに沿って、上記液体加振室の一方の側から上記加振室流入口へ液体を導くように構成されている請求項１に記載のレーザー加工装置。
【請求項１２】
さらに、上記加振室流入通路の形態を画定する加振室流入通路調整部材を備え、この加振室流入通路調整部材を交換することにより、噴流液柱外表面の表面波の大きさを調整することができる請求項１１に記載のレーザー加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−６２１２（Ｐ２０１３−６２１２Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５７２３２（Ｐ２０１１−２５７２３２）
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（０００１３２１６１）株式会社スギノマシン (144)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（０００１３２１６１）株式会社スギノマシン (144)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]