噴流液柱内に導かれたレーザー光によるレーザー加工装置
【課題】レーザー光の伝搬効率を向上させて、安定した加工品質を確保する。
【解決手段】ワークＷに噴流液体を噴射するノズル３と、ノズル３に噴流液体を供給する液体供給手段６と、を有し、ノズル３から噴射された噴流液柱Ｆ内に導かれたレーザー光Ｌによるレーザー加工装置であって、噴流液体を層流状態でノズル３に供給する層流形成流路８を有し、層流形成流路８は、液体供給手段６から供給された噴流液体をノズルの軸線Ｇ周りに環状に分配する空洞が形成された分配流路８１と、ノズルの軸線Ｇ方向下流側において分配流路８１に連通して設けられ、分配流路８１よりも狭い流路で軸線Ｇ周りに環状の空洞が形成された連絡流路８２と、ノズルの軸線Ｇ方向上流側に隣接して設けられ、噴流液体を貯留してノズル３に供給する液体貯留室８３と、を備え、液体貯留室８３の外周縁部は、環形状の全周にわたって連絡流路８２と連通されている。
【解決手段】ワークＷに噴流液体を噴射するノズル３と、ノズル３に噴流液体を供給する液体供給手段６と、を有し、ノズル３から噴射された噴流液柱Ｆ内に導かれたレーザー光Ｌによるレーザー加工装置であって、噴流液体を層流状態でノズル３に供給する層流形成流路８を有し、層流形成流路８は、液体供給手段６から供給された噴流液体をノズルの軸線Ｇ周りに環状に分配する空洞が形成された分配流路８１と、ノズルの軸線Ｇ方向下流側において分配流路８１に連通して設けられ、分配流路８１よりも狭い流路で軸線Ｇ周りに環状の空洞が形成された連絡流路８２と、ノズルの軸線Ｇ方向上流側に隣接して設けられ、噴流液体を貯留してノズル３に供給する液体貯留室８３と、を備え、液体貯留室８３の外周縁部は、環形状の全周にわたって連絡流路８２と連通されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は噴流液柱内に導かれたレーザー光によるレーザー加工装置に関し、特にレーザー光の伝搬効率を向上させて、安定した加工品質を確保することができる噴流液柱内に導かれたレーザー光によるレーザー加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザー光をジェット液柱で導光することを利用して、めっきまたはエッチング用の電解液のジェット液柱内にレーザー光を照射し、基板にめっきまたはエッチングを行う装置が知られている。また、ウォータージェット内にレーザー光を照射し、レーザー光をウォータージェット内で全反射させて伝搬することにより、ウォータージェット及びレーザー光で治療部位の切開を行う治療装置も知られている。
【０００３】
このように、液柱内でレーザー光を全反射させながら、レーザー光を導く技術は様々な分野で応用されており、レーザー加工分野においても、液体を噴射すると同時にレーザー光線を照射して所要のレーザー加工を行なうレーザー加工装置に関して、加工ヘッドの先端に液柱ビーム(噴流液柱)を噴射するノズル通路が形成されたノズルブロックを設け、フォーカスレンズによりレーザー光をノズル通路の入口開口に集光することで、ノズル通路より噴射する液柱ビームにレーザー光線を導光するものが知られている(例えば、特許文献１)。
また、従来、レーザー加工装置において使用されているレーザー光は、ＹＡＧレーザー(波長１０６４ｎｍ)やＣＯ2レーザー(波長１０．６μｍ)等が主流である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表平１０−５００９０３号公報(図２)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、ＹＡＧレーザー(波長１０６４ｎｍ)やＣＯ2レーザー(波長１０．６μｍ)は、噴流液柱として通常使用される水に吸収されやすいため、レーザー光の伝搬効率が低い。加えて、レーザー光が水に吸収されるときの発熱により熱レンズ作用が誘発されるため、レーザー光を効率よくウォータージェット(噴流液柱)に導くことが困難になるという問題があった。さらに、熱レンズ作用が誘発されるとレーザー光が屈折され、屈折されたレーザー光がノズルの入口開口部に当たってノズルが損傷されるおそれもある。
この問題を解決するために、特表平１０−５００９０３号（特許文献１）公報記載のレーザー加工装置においては、ウォータージェットを噴射するノズルに水を導く通水路である液体供給空間の高さを低くすることにより、レーザー光が通水路を横切る距離を短くして、水によるレーザー光の吸収を抑制している。また、この装置では、液体供給空間の高さを低くすることにより、液体供給空間内を流れる水の流速を上昇させ、レーザー光を吸収した液体供給空間内の水の温度上昇を低く抑え、熱レンズの発生を抑制している。
【０００６】
しかしながら、温度上昇を抑制するためにノズルに水を導く液体供給空間内の水の流速を高くすると、ウォータージェットの形状にゆらぎが生じやすくなり、ウォータージェットの表面乱れが生じるという問題がある。即ち、ウォータージェットに乱れが生じると、ウォータージェットにより導かれるレーザー光も影響を受けるため、レーザー加工装置の加工品質が低下してしまう。特に、被加工物の材質や寸法によっては、レーザー加工装置による一回の加工に要する時間が非常に長くなるため、ウォータージェットには、その全期間に亘って乱れが発生しない高い安定性が要求される。また、ウォータージェットの表面に乱れがあると、レーザー光がウォータージェットの表面で全反射せずにウォータージェットから外に飛び出してしまうことがあり、ウォータージェットの乱れによりレーザー光の伝搬効率が低下するという問題もある。
【０００７】
本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、レーザー光を導くウォータージェットを安定して発生させ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。
また、本発明は、レーザー光の伝搬効率を向上させて、安定した加工品質を確保することができる噴流液柱内に導かれたレーザー光によ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】
前記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る発明は、レーザー光を発生するレーザー発振器と、ワークに噴流液体を噴射するノズルと、このノズルに前記噴流液体を供給する液体供給手段と、を有し、前記ノズルから噴射された噴流液柱内に導かれたレーザー光によるレーザー加工装置であって、前記噴流液体を層流状態で前記ノズルに供給する層流形成流路を有し、前記層流形成流路は、前記液体供給手段から供給された噴流液体を前記ノズルの軸線周りに環状に分配する空洞が形成された分配流路と、前記ノズルの軸線方向下流側において前記分配流路に連通して設けられ、前記分配流路よりも狭い流路で前記軸線周りに環状の空洞が形成された連絡流路と、前記ノズルの軸線方向上流側に隣接して設けられ、前記噴流液体を貯留して前記ノズルに供給する液体貯留室と、を備え、前記液体貯留室の外周縁部は、前記環形状の全周にわたって前記連絡流路と連通されていること、を特徴とする。
【０００９】
請求項１に係る発明によれば、噴流液体を層流状態で前記ノズルに供給する層流形成流路を設けて、ノズル手前に安定した層流状態(レイノルズ数が小さい状態)の流れを作ることで、噴流液柱の表面に乱れが生じ難くゆらぎのない噴流液柱をノズルから噴射することができる。
【００１０】
具体的には、分配流路により、高圧で供給される噴流液体が一旦ノズルの軸線周りに環状に分配される。そして、噴流液体は、分配流路よりも狭い流路で環形状に形成された連絡流路を流通することで、乱流が抑制された状態で液体貯留室に導入される。液体貯留室に導入された噴流液体の流れは、ここで減速されるので噴流液体の流れのレイノルズ数が低下され、層流状態でノズルまで導かれる。
【００１１】
また、前記液体貯留室の外周縁部は、前記環形状の全周にわたって前記連絡流路と連通されているため、連絡流路の全周から満遍なく液体貯留室の外周縁部に導入されることで、噴流液体の流速が減速され、安定した層流状態で液体貯留室に貯留される。
【００１２】
このようにして、ノズル手前における流速を低下させることにより安定した層流状態を作り出す層流形成流路を設けることで、噴流液柱の表面に乱れが生じ難くゆらぎのない安定した噴流液柱をノズルから噴射することができ、これにより加工品質の低下を防止することができる。さらに、噴流液柱内に導かれたレーザー光の伝搬効率を向上させることもできる。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のレーザー加工装置であって、前記レーザー光は、前記噴流液体を透過する際の吸収係数が０．０１［ｃｍ-1］以下であることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項２に記載のレーザー加工装置であって、前記噴流液体は水であり、前記レーザー光は、グリーンレーザー、またはＵＶレーザーであることを特徴とする。
【００１４】
かかる構成によれば、噴流液体を透過する際のレーザー光の減衰を少なくすることができるため、液体貯留室の厚さを厚く構成した場合にも十分な強度のレーザー光を噴流液柱に導入することができる。また、噴流液体が水である場合には、レーザー光を、水に吸収され難く透過率の高いグリーンレーザー[２倍波(ＳＨＧ)ＹＡＧレーザー、波長５３２ｎｍ]、またはＵＶレーザー(例えば、波長３５５ｎｍや２６６ｎｍ)とすることでレーザー光の伝搬効率を向上させることができる。また、噴流液体に吸収され難いレーザー光を使用することにより、熱レンズの発生が抑制され、ノズルの入口開口部に精度よくレーザー光を導くことが容易となる。このため、ノズルが損傷することを防止するとともに、安定した加工品質を確保することができる。
【００１５】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザー加工装置であって、前記噴流液体は水であり、前記レーザー光は、波長域が２００〜７００ｎｍであることを特徴とする。
【００１６】
かかる構成によれば、水を透過する際のレーザー光の減衰を少なくすることができるため、液体貯留室の厚さを厚く構成した場合にも十分な強度のレーザー光を水に導入することができる。また、水に吸収され難い、波長域が２００〜７００ｎｍのレーザー光を使用することにより、熱レンズの発生が抑制され、ノズルの入口開口部に精度よくレーザー光を導くことが容易となる。このため、ノズルが損傷することを防止するとともに、安定した加工品質を確保することができる。
【００１７】
請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレーザー加工装置であって、前記液体貯留室は、前記ノズルの軸線方向の奥行きが２ｍｍ以上であり、前記外周縁部の前記軸方向上流側で前記連絡流路に連通されていること、を特徴とする。
【００１８】
かかる構成によれば、液体貯留室における前記ノズルの軸線方向の奥行きを２ｍｍ以上確保して、前記外周縁部の前記軸方向上流側で前記連絡流路に連通したことで、噴流液体の流速が奥行き方向で減速されて、ノズルの上流側においてより安定した層流状態で噴流液体が液体貯留室に貯留される。
このため、より噴流液柱の表面に乱れが生じ難くゆらぎのない噴流液柱をノズルから噴射することができ、噴流液柱内に導かれたレーザー光の伝搬効率を向上させることができる。
【００１９】
また、液体貯留室における前記ノズルの軸線方向の奥行きを２ｍｍ以上確保することで、ノズル入口開口部のレーザー集光点から導入窓、レンズ等の光学系装置を隔離することができるため、光学系装置の熱歪み等を回避して安定した光学性能を確保するとともに、耐久性を向上させて安定した加工品質を確保することができる。
【００２０】
請求項６に係る発明は、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレーザー加工装置であって、前記噴流液体が水である場合において、前記液体供給手段は、前記レーザー光の伝搬媒体としての前記噴流液体の均質性を高めるための処理装置を備えていることを特徴とする。
【００２１】
かかる構成によれば、例えば、前記噴流液体中に不純物として存在する溶存気体およびパーティクル、並びにイオン発光の原因となるイオンを除去して、噴流液柱をレーザー光の伝搬媒体としてガラスのように均質性を高めることができる。
このため、安定した噴流液柱をノズルから噴射することができ、噴流液柱内に導かれたレーザー光の伝搬効率を向上させることができる。
【００２２】
請求項７に係る発明は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のレーザー加工装置であって、前記レーザー加工装置は、前記噴流液柱に沿ってアシストガスを導入するアシストガス供給装置を有し、前記アシストガス供給装置は、前記ノズルの下流側に設けられ前記噴流液柱を収容するように形成されたガス供給室と、このガス供給室にアシストガスを導入する導入流路と、を備え、前記導入流路は、前記噴流液柱の外周からスパイラル状に沿うように構成したスパイラル状導入流路、または、前記噴流液柱の軸線に漸近するように構成されたコーン状導入流路であること、を特徴とする。
【００２３】
かかる構成によれば、噴流液柱に沿ってアシストガスが導入され、噴流液柱に偏ったカが作用しないようにアシストガスを噴流液柱の外周に導くことで、噴流液柱の表面に乱れが生じ難くゆらぎのない噴流液柱をノズルから噴射することができ、噴流液柱内に導かれたレーザー光の伝搬効率を向上させることができる。
また、ワーク上面に堆積した加工時に不必要な噴流液体や、加工面より跳ね返った噴流液体を効率よく除去して作業性を向上させることができる。
【００２４】
請求項８に係る発明は、請求項１から請求項７の何れか１項に記載のレーザー加工装置であって、前記液体貯留室は、前記連絡流路の空洞の体積よりも大きな体積を有すること、を特徴とする。
【００２５】
かかる構成によれば、連絡流路の空洞から供給された噴流液体が、より大きな体積の液体貯留室に流入する。このため、液体貯留室内での噴流液体の流速が減少して、液体貯留室内で層流状態を作りやすくなり、安定した噴流液柱をノズルから噴射することができ、噴流液柱内に導かれたレーザー光の伝搬効率を向上させることができる。
【００２６】
請求項９に係る発明は、請求項１から請求項８の何れか１項に記載のレーザー加工装置であって、前記分配流路には、前記液体供給手段からの噴流液体が導入される導入管が接続され、前記連絡流路の前記分配流路との連通部は、前記導入管の軸線から外れた位置に配置されること、を特徴とする。
【００２７】
かかる構成によれば、連絡流路の分配流路との連通部が、導入管の軸線から外れた位置にあるので、導入管から分配流路に導入された噴流液体が連絡流路に直接流入するのを抑制することができる。このため、分配流路からの噴流液体をノズルの軸線周りの方向から均一に連絡流路に供給することができ、液体貯留室での噴流液体の層流状態を作りやすくすることができる。
【００２８】
請求項１０に係る発明は、請求項１から請求項９の何れか１項に記載のレーザー加工装置であって、前記連絡流路の外周面と、前記液体貯留室の外周面は、段差なく連続した面を形成すること、を特徴とする。
【００２９】
かかる構成によれば、連絡流路の外周面に沿って移動する噴流液体は、次に液体貯留室の外周面の段差なく連続した面に沿って移動し、液体貯留室に流入する。このため、連絡流路から液体貯留室までの噴流液体の流れを滑らかにすることができるので、液体貯留室での噴流液体の層流状態を作りやすくすることができる。
【００３０】
請求項１１に係る発明は、請求項１から請求項１０の何れか１項に記載のレーザー加工装置であって、前記液体貯留室は、前記ノズルの軸線方向の奥行きが、前記ノズルの直径の２０倍以上に構成されていること、を特徴とする。
かかる構成によれば、ノズルからの噴流液体の噴出流量に対して液体貯留室内の十分な流路面積を確保することができるので、液体貯留室内における流速を十分に遅くすることができ、乱れのない流れを容易に生成することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係る噴流液柱内に導かれたレーザー光によるレーザー加工装置は、レーザー光の伝搬効率を向上させて、安定した加工品質を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザー加工装置の全体構成を示す側面断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る光学装置の他の実施例を説明するための要部拡大図であり、レーザー光の導入窓を装着しない形態を示す。
【図３】本発明の実施形態に係る層流形成流路の形状を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係るアシストガス供給装置におけるスパイラル状導入流路の構成を示す図１のＡ−Ａ断面図である。
【図５】アシストガス供給装置における他の実施例に係るコーン状導入流路の構成を示す側面断面図である。
【図６】本実施形態に係る層流形成流路の軸線方向に沿った断面図である。
【図７】ノズルの軸線Ｇ方向の奥行き(高さＨ、導入窓―ノズル間距離)とレーザー光の伝搬効率との関係を示すグラフである。
【図８】グリーンレーザーを水の液柱ビームに通過させた際の、液体貯留室の高さＨに対するグリーンレーザーの伝搬効率を示す。
【図９】本発明の実施形態に係るノズル周辺における液体貯留室（液体供給路）の構造を模式的に示す図である。
【図１０】本実施形態に係る液体貯留室内の流速分布を計算するために使用した液体貯留室のモデルを示す図である。
【図１１】従来の構造の液体供給路内の流速分布を計算するために使用した液体供給路のモデルを示す図である。
【図１２】液体貯留室内の各点における流速をベクトルで表した図である。
【図１３】液体貯留室内の空間を、ほぼ同じ流速の領域ごとに区切って表した図である。
【図１４】液体供給路内の各点における流速をベクトルで表した図である。
【図１５】液体供給路内の空間を、ほぼ同じ流速の領域ごとに区切って表した図である。
【図１６】本実施形態に係る液体貯留室に対応するモデルの乱流エネルギの分布のシミュレーション結果を模式的に表した図である。
【図１７】従来の構造の液体供給路に対応するモデルの乱流エネルギの分布のシミュレーション結果を模式的に表した図である。
【図１８】本実施形態の液体貯留室の構造に対応するモデルにおける流体の移動を表す模式図である。
【図１９】従来の液体供給路の構造に対応するモデルにおける流体の移動を表す模式図である。
【図２０】ノズルの上方でレーザー光が照射される円錐領域を概略的に示す。
【図２１】出力Ｐ＝１０（Ｗ）の場合の、点Ａからの距離に対する、レーザー光の吸収による水の温度上昇を示した図である。
【図２２】点Ａからの距離ｄを４ｍｍに設定した場合の、ＩＲレーザー及びグリーンレーザーの出力Ｐに対する円錐領域の水の温度上昇ΔＴの関係を示した図である。
【図２３】本発明の第１実施例に係る加工ヘッドの構成を示す断面側面図である。
【図２４】(ａ)は本発明の第２実施例に係る加工ヘッドにおけるノズル周りの構成を示す部分断面側面図であり、(ｂ)は(ａ)において封止部材を装着する場合を示す。
【図２５】本発明に係る層流形成流路の第１変形例の形状を示す斜視図である。
【図２６】本発明に係る層流形成流路の第２変形例の形状を示す斜視図である。
【図２７】本発明に係る層流形成流路の第３変形例の形状を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の実施形態に係るレーザー光線加工装置について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
参照する図面において、図１は本発明の実施形態に係るレーザー加工装置の全体構成を示す側面断面図である。図２は本発明の実施形態に係る光学装置の他の実施例を説明するための要部拡大図であり、レーザー光の導入窓を装着しない形態を示す。図３は本発明の実施形態に係る層流形成流路の形状を示す斜視図である。図４は本発明の実施形態に係るアシストガス供給装置におけるスパイラル状導入流路の構成を示す図１のＡ−Ａ断面図であり、図５はアシストガス供給装置における他の実施例に係るコーン状導入流路の構成を示す側面断面図である。
【００３４】
なお、図１における上下方向を本実施形態におけるレーザー加工装置１の上下方向として表記するが、加工ヘッド４の向きは上下方向に限定されるものではなく、加工ヘッド４が上下方向に対して傾斜したものでもよい。
【００３５】
本発明の実施形態に係るレーザー加工装置１は、図１に示すように、グリーンレーザーからなるレーザー光Ｌを発生するグリーンレーザー発振器２と、ワークＷに噴流液体である高圧水を噴射するノズル３が装着された加工ヘッド４と、レーザー光Ｌをノズル3に導くための光学装置５と、ノズル３に高圧水を供給する液体供給手段６と、ノズルの上流側に隣接して設けられ高圧水を層流状態でノズル３に供給する層流形成流路８と、レーザー光Ｌの伝搬媒体としての前記噴流液体の均質性を高めるための処理装置９と、噴流液柱Ｆに沿ってアシストガスＡＳを導入するアシストガス供給装置１１と、を備えている。
【００３６】
そして、かかる構成により、ノズル３から噴射された噴流液柱Ｆ(ウォータージェット)内に導かれたレーザー光ＬをワークＷに照射しながら、テーブルＴまたは加工ヘヅド４を図示しない移動手段により移動させてレーザー加工を行なう。
【００３７】
グリーンレーザー発振器２は、図１に示すように、レーザー光Ｌとしてグリーンレーザーを発生する装置である。そして、レーザー光Ｌは、グリーンレーザー発振器２から光ファイバケーブル２１内に導光されて、加工ヘッド４の頂部から下方に配設されたノズル３に向けて集光される。
【００３８】
グリーンレーザーは、２倍波(ＳＨＧ)ＹＡＧレーザーであり、波長が５３２ｎｍである。グリーンレーザーは、ＹＡＧレーザー(波長１０６４ｎｍ)やＣＯ2レーザー(波長１０．６μｍ)と異なり、水を通過しやすい特徴を有するため、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、レーザー光Ｌの伝搬効率を向上させることができる。また、水に吸収され難いため、熱レンズの発生を抑制することで、ノズル３の入口開口部３１に精度よくレーザー光Ｌを導くことが容易となる。このため、ノズル３を損傷することを防止するとともに、安定した加工品質を確保することができる。
【００３９】
加工ヘッド４は、略円筒形状に形成されたハウジング４１と、ハウジング４１内の上部に収容された光学装置５と、光学装置５の下方に配設された層流形成流路８と、層流形成流路８の下方に配設されたノズル３と、ノズル３の下方に配設されたアシストガス供給装置１１と、を備えている。
そして、ハウジング４１の頂部から下方に向けて照射されたレーザー光Ｌは、光学装置５により、ノズル３の入口開口部３１に集光され、ノズル３から噴射される噴流液柱Ｆ内に導かれて、噴流液柱Ｆ内で全反射を繰り返しながら導光されてワークＷに照射される。
【００４０】
光学装置５は、ハウジング４１の頂部から放射されたレーザー光Ｌを平行光に変換するコリメータレンズ５１と、コリメータレンズ５１で変換された平行光をノズル３の入口開口部３１に集光する集光レンズ５２と、層流形成流路８(液体貯留室８３)の上方に隣接して配設されレーザー光Ｌを層流形成流路８に導入する導入窓５３と、を備えている。
【００４１】
なお、本実施形態においては、図１に示すように、レーザー光Ｌの導入窓(ウィンドウ)５３を液体貯留室８３の上方に設けたが、これに限定されるものではなく、図１に示す導入窓５３に代えて、この導入窓５３の位置に集光レンズ５２’を配設することもできる(図２参照)。
【００４２】
液体供給手段６は、図示しない給水タンクから水を吸い込んで増圧する高圧水ポンプ６１と、増圧された高圧水を層流形成流路８まで供給する高圧配管６２と、を備えている。
また、高圧水ポンプ６１は、サーボ駆動式のポンプを採用し、ポンプの吐出圧力を検出して吐出圧力が一定となるようにフィードバック制御を行なうことで、サーボモータとボールねじにより一定の流速で水を押し出すように構成されている。
そして、かかる構成により、安定した高圧水の流れを発生して層流形成流路８に送り出すことができる。
【００４３】
層流形成流路８は、液体供給手段６から供給された噴流液体である高圧水をノズルの軸線Ｇの周りに環状に分配する空洞が形成された分配流路８１と、ノズルの軸線Ｇ方向下流側において分配流路８１に連通して設けられ、分配流路８１よりも狭い流路でノズルの軸線Ｇ周りに環状の空洞が形成された連絡流路８２と、ノズルの軸線Ｇ方向上流側に隣接して設けられ、高圧水を貯留してノズル３に供給する液体貯留室８３と、を備えている。
そして、連絡流路８２と液体貯留室８３とは、液体貯留室８３の外周縁部８３ａにおいて、環形状の連絡流路８２の全周にわたって連通されている。
【００４４】
ここで、連絡流路８２は、本実施形態においては、ノズルの軸線Ｇ方向上流側が分配流路８１に連通して設けられ、ノズルの軸線Ｇ方向下流側が上流側よりも縮径された円筒形状の流路として形成されている。一方、液体貯留室８３は、ノズルの軸線Ｇ方向下流側が上流側よりも縮径された逆円錐台形状として形成されている。
【００４５】
そして、連絡流路８２の外周面８２ａと液体貯留室８３の外周面８３ｂとは、段差がなく同一面上に連続するように延設されている。また、外周面８２ａ，８３ｂに沿う方向は、ノズルの軸線Ｇ方向に対して内側(ノズル側)に傾斜している。
【００４６】
かかる構成により、分配流路８１に貯留された高圧水は連絡流路８２から液体貯留室８３の外周面８３ｂの傾斜を伝わるように導入されることで、流体の流れが整えられ安定した層流状態で液体貯留室８３に貯留されノズル３に高圧水が供給される。
【００４７】
液体貯留室８３は、ノズルの軸線Ｇ方向の奥行き(高さＨ)が３ｍｍであり、外周縁部８３ａのノズルの軸線Ｇ方向上流側で連絡流路８２に連通されている。
なお、液体貯留室８３のノズルの軸線Ｇ方向の奥行き(高さＨ)は、２ｍｍ以上であることが好ましく、後述するように、大きくすればするほど液体貯留室８３内における噴流液体の速度は低下する。このため、液体貯留室８３の奥行きを大きくすることは、液体貯留室８３内のノズル３上部における層流の形成には有利である。さらに、液体貯留室８３の奥行きを大きくすると、小さなスポットに集光される前のレーザー光が導入窓５３を透過するので、導入窓５３を透過するレーザー光のエネルギー密度を低下され、導入窓５３を保護することができる。従って、液体貯留室８３のノズルの軸線Ｇ方向の奥行き(高さＨ)は、スペースの制約や応答性を考慮して、２〜４０ｍｍの間で適宜設定するのが好ましい。
【００４８】
［本実施形態に係る層流形成流路の詳細な形状について］
次に、本実施形態に係る層流形成経路８の好ましい形状についてさらに詳しく説明する。
図６は、本実施形態に係る層流形成流路８の軸線Ｇ方向に沿った断面図である。層流形成流路８は、高圧ポンプから供給された高圧水を、渦の生成等を抑制しながら液体貯留室８３に一旦滞留させて層流状態を形成し、ノズル３から表面に乱れのない噴流液柱Ｆを噴射することができるように、形状付けられる。
【００４９】
具体的には、図６の断面図に示すように、層流形成流路８の分配流路８１は、高圧ポンプからの水が導入される導入管１１２が接続される外周側壁面１１４と、外周側壁面１１４に対向して設けられる内周側壁面１１６とを有する横断面略矩形の環状に形成されている。外周側壁面１１４の軸線Ｇに沿った方向の寸法ｈは、導入管１１２の径寸法ｃよりも大きく設定されている。また、導入管１１２は、外周側壁面１１４の軸線Ｇ方向上流側で接続されている。内周側壁面１１６は、導入管１１２の軸線Ｍに交差するように配置されている。
ここで、分配流路８１は、分配流路８１内の水が、全方向から液体貯留室８３に導かれるように、分配流路８１内の水の流速が、連絡通路８２内での水の流速の２〜１０分の１になるような横断面積を有する形状とすることが好ましい。
【００５０】
連絡流路８２は、上流側の連通部１１８が、分配流路８１の内周側壁面１１６の軸線Ｇ方向下流側に接続されるように配置される。これにより、連絡流路８２の連通部１１８は、水の導入管１１２の軸線Ｍ上から外れた位置に配置される。また、連絡流路８２は、分配流路８１から液体貯留室８３に向かって、内側に且つ軸線Ｇ方向下流側に傾斜して形成され、分配流路８１と液体貯留室８３との間で流路を狭める、細い通路を形成する。
【００５１】
連絡流路８２の下流側の環状端部の径寸法Ｄは、加工ヘッド４の大きさやレーザー加工装置１の能力等を考慮して設定され、例えば、１０ｍｍ〜４０ｍｍに設定することができる。
また、連絡流路８２の長さｐは、加工ヘッド４の形状や大きさ、スペースの自由度に応じて適宜選択することができる。なお、連絡流路８２の内外周面は、分配流路８１からの水流内の渦を押さえる働きを有するので、連絡流路８２の長さｐは、その機能を有効に発揮できるように設定することが好ましく、具体的には、連絡流路８２の内外周面間の隙間寸法ｓの１〜２０倍程度に設定することが好ましい。
【００５２】
さらに、連絡流路８２の隙間寸法ｓは、どのような値を取っても、液体貯留室８３に接続される連絡流路の径寸法Ｄとノズル３から流れ出る液体の流量Ｑが一定であれば、レイノルズ数は変化しない。したがって、連絡流路８２の隙間寸法ｓは、分配流路８１の全方向から液体貯留室８３に水を導入することができるように、分配流路８１の寸法や、供給される水の圧力等の諸条件を勘案して設定することができ、通常、０．３ｍｍ〜２ｍｍに設定される。
【００５３】
液体貯留室８３は、前述のように軸線Ｇ方向の奥行きが、例えば前述の特許文献１に記載されたような従来の構造よりも大きく設定され、具体的には２ｍｍ以上に設定されることが好ましい。また、液体貯留室８３の体積は、連絡流路８２の体積よりも大きく設定されている。
【００５４】
このような構造の層流形成流路８では、導入管１１２から高圧ポンプによって水が供給されると、水は、内周側壁面１１６に向かって進み、分配流路８１の全周に行き渡る。ここで、導入管１１２の軸線Ｍ上に内周側壁面１１６が配置され、連絡流路８２は、前記軸線上に配置されていないので、高圧ポンプからの水が直接連絡流路８２に入ることがなく、一旦分配流路８１全周に分配される。したがって、導入管１１２からの高圧水の勢いが分配流路８１で抑制される。
【００５５】
分配流路８１からの水は、全方向から連絡流路８２に流入する。連絡流路８２は、分配流路８１で高圧ポンプにより生じる水流内の渦を内外周面で押さえて水流を減速させ、層流にする働きと、液体貯留室８３に全方向から水を供給する分配機能とを有する。
連絡流路８２に流入した水は、液体貯留室８３に流入する。液体貯留室８３は、前述のように、水を内部に滞留させて、主に奥行き寸法によって水の流速を減じて層流状態に整える。
このような動作により、ノズル３から噴射される噴流液柱Ｆは、表面に乱れが生じ難く、ゆらぎのないものとなる。したがって、噴流液柱Ｆによって導光されるレーザー光Ｌの伝搬効率の損失も低減される。
【００５６】
また、図５に示すように、ノズル３は、円盤形状をなし、上面にレーザー光Ｌが集光される入口開口部３１が形成され、この入口開口部３１の下方に次第に拡径された噴射口３２が形成されている。そして、噴射口３２から下方に向けて噴射された噴流液柱Ｆ内にレーザー光Ｌが導光されワークＷに噴射される。
【００５７】
処理装置９は、水である噴流液体中に不純物として存在する溶存気体およびパーティクル、並びにイオン発光の原因となるイオンを除去する装置であり、例えば、水処理装置９１(脱気装置、イオン交換樹脂)や高圧フィルタ９２を備えて構成することができる。
【００５８】
アシストガス供給装置１１は、図１に示すように、アシストガスＡＳの圧力を調整するエアコントローラ１１ａと、ノズル３の下流側に設けられ噴流液柱Ｆを収容するように形成されたガス供給室１１ｂと、このガス供給室１１ｂにアシストガスＡＳを導入するスパイラル状導入流路１１ｃと、を備えている。
スパイラル状導入流路１１ｃは、図４に示すように、噴流液柱Ｆの軸線に向かう方向に対してずらした位置に導入し、噴流液柱Ｆの外周からスパイラル状に沿うように構成した導入流路である。
【００５９】
また、導入流路の他の実施例として、図５に示すように、ガス供給室１１ｄに収容された噴流液柱Ｆの軸線に漸近するように構成されたコーン状導入流路１１ｅとして構成することもできる。そして、コーン状導入流路１１ｅは、ガス供給室１１ｄの周りに円環状にアシストガスＡＳを分配する分配流路１１ｆを有し、この分配流路１１ｆから下方に向かうにつれて噴流液柱Ｆの軸線に漸近するようにアシストガスＡＳが供給される。
【００６０】
以上のように構成された本実施形態に係るレーザー加工装置１の動作および作用効果について、主として図３を参照しながら説明する。
レーザー加工装置１は、図１に示すように、高圧水を層流状態でノズル３に供給する層流形成流路８を設けて、ノズル３の手前に安定した層流状態(レイノルズ数が小さい状態)の流れを作り、噴流液柱Ｆの表面に乱れが生じ難くゆらぎのない噴流液柱Ｆをノズル３から噴射するようにしている。
【００６１】
すなわち、図３に示すように、分配流路８１により、供給される高圧水が一旦ノズルの軸線Ｇ周りに環状に分配される(Ｒ１〜Ｒ２の流れ)。ここで、分配流路８１の流路断面積は、高圧水を分配流路８１に導く通水路よりも十分に大きく構成されているので、分配流路８１に流入すると導入された高圧水の流速は十分に低下され、分配流路８１への流入時に生じる流れの乱れが除去される。さらに、高圧水は、分配流路８１よりも狭い流路で環形状に形成された連絡流路８２を流通することで、乱流が抑制された状態で液体貯留室８３に導入される。
【００６２】
また、液体貯留室８３の外周縁部における外周面８３ｂは、環形状の全周にわたって連絡流路８２と連通されているため、連絡流路８２の全周から満遍なく液体貯留室８３の外周縁部に導入される(Ｒ３の流れ)。ここで、液体貯留室８３の高さＨは、連絡流路８２の高さよりも大きく構成されているので、連絡流路８２から液体貯留室８３に流入すると、高圧水の流路断面積は広くなり、高圧水の流速が減速され、安定した層流状態で液体貯留室８３に貯留される。
【００６３】
このようにして、ノズル３手前に安定した層流状態を作り出す液体貯留室８３を設けることで、噴流液柱Ｆの表面に乱れが生じ難くゆらぎのない噴流液柱Ｆをノズル３から噴射することができる。このため、噴流液柱Ｆ内に導かれたレーザー光Ｌの伝搬効率を向上させることができる。
【００６４】
［本実施形態に係るグリーンレーザーの伝搬効率について］
次に、図７及び図８を参照して、液体貯留室８３を通過するレーザー光の伝搬効率を説明する。図７は、種々の奥行き(高さＨ、導入窓−ノズル間距離)を有する液体貯留室に１９Ｗ、２４Ｗのレーザー光を入射させたとき射出されるレーザー光の出力を示すグラフである。また、図８は、種々の奥行き(高さＨ、導入窓−ノズル間距離)を有する液体貯留室にレーザー光を透過させたときのレーザー光の伝搬効率を示すグラフである。
【００６５】
図７は、ノズル径がφ１００μｍ、噴射圧力が１０ＭＰａ、レーザー光Ｌの周波数が１０ｋＨｚの場合において、縦軸にレーザー光Ｌの出力(ノズル３から２０ｍｍ下方の位置で計測)を採り、横軸に導入窓−ノズル間距離を採って、両者の関係を表示したものである。
【００６６】
図７に示すように、導入窓−ノズル間距離を３ｍｍとした場合には、入力が２４Ｗの場合には約１７．２Ｗの出力を得ることができ、その後は漸増するように推移する。また、入力が１９Ｗの場合には約１４．２Ｗの出力を得ることができ、その後は漸増するように推移する。この結果は、導入窓−ノズル間距離が大きくなると、入射したレーザー光が全液体中を透過する距離が長くなるにも関わらず、液体中を透過することによるレーザー光のパワーの低下は逆に少なくなることを示している。
【００６７】
ここで、レーザー光Ｌの出力は、噴流液柱Ｆの中を伝搬するレーザー光Ｌの伝搬効率を意味する。つまり、噴流液柱Ｆがレーザー光の伝搬媒体としての適格性の程度を示すものであり、レーザー光Ｌの出力が高いほど、噴流液柱Ｆが安定した層流状態であると認められる。この点、導入窓−ノズル間距離を大きく採れば、次第に安定した層流状態を形成し、その層流状態を維持するものと認められる。
【００６８】
このように、液体貯留室８３におけるノズルの軸線Ｇ方向の奥行きを２ｍｍ以上である３ｍｍ確保したことで、高圧水の流速が奥行き方向で減速されて、ノズル３の上流側においてより安定した層流状態で液体貯留室８３に貯留される。
このため、より噴流液柱Ｆの表面に乱れが生じ難くゆらぎのない噴流液柱Ｆをノズル３から噴射することができ、噴流液柱Ｆ内に導かれたレーザー光Ｌの伝搬効率を向上させることができる(図７参照)。
【００６９】
次に、図８を参照して、レーザー光としてグリーンレーザーを使用した場合の伝搬効率について説明する。
図８は、グリーンレーザーを水の噴流液柱に通過させた際の、ノズルの入口開口部からの距離ｄに対するグリーンレーザーの伝搬効率を示すグラフである。ここで、グリーンレーザーの出力を２４Ｗ、ノズル径１００μｍ、水圧１０ＭＰａとした。
【００７０】
この図８に示すように、グリーンレーザーの伝搬効率は、液体貯留室の高さＨが高くなるに従って漸増している。前述のように、液体貯留室の高さＨが高くなるとレーザー光が液体中を通過する距離が長くなるので、レーザー光が液体により吸収され、レーザー光の伝搬効率が低下するはずであるが、実際には伝搬効率が上昇する。これは、液体貯留室の高さＨを高くすることにより、液体貯留室内及び噴流液柱内における流れの乱れが減少したためと考えられる。したがって、グリーンレーザーを使用した場合には、この図８に示すように、液体貯留室の高さＨが４ｍｍ程度までは、流れの乱れを減少させることによる効果が増大し、伝搬効率が向上することが分かる。
【００７１】
一方、液体貯留室の高さＨが小さい場合において、レーザー光の伝搬効率が低下しているのは、熱レンズの影響によるものではなく、液体貯留室の高さＨが小さくなったことにより、ノズルの入口開口部の上流の流れが不安定になったためと考えられる。即ち、液体貯留室の高さＨが小さくなったことにより、ノズルの入口開口部の上流側の領域での水の流れが乱流となって噴流液柱が乱れ、レーザー光を良好に導光することができなかったためと考えられる。
【００７２】
以上のことより、レーザー光として水に対する熱吸収率の低いグリーンレーザーを用いた場合には、熱レンズの影響は非常に少なく、またはほとんど影響がない。したがって、水に対する吸収率の低いレーザー光を使用した場合には、特許文献１に記載されている装置のように、液体貯留室の高さＨを低くして液体貯留室内における流速を大きくし、熱レンズを抑制する必要がない。逆に、液体貯留室の高さＨを大きく設定することにより、液体貯留室内の流速を低下させ、液体貯留室内及び噴流液柱内における流れの乱れを抑制することにより、レーザー光の伝搬効率を向上させることができる。
このように、導入窓−ノズル間距離（液体貯留室の高さＨ）を大きく採れば採るほど、導入窓の保護とノズル３上部の層流形成には有利であるが、スペースの制約や応答性を考慮すれば、２〜４０ｍｍの間、ノズル３の直径との関係ではノズル径の２０〜４００倍の間で適宜設定するのが好ましい。
【００７３】
また、液体貯留室８３におけるノズル３の軸線方向の奥行きを２ｍｍ以上である３ｍｍ確保することで、ノズル３の入口開口部３１のレーザー集光点から導入窓５３等(図２の実施例においては、集光レンズ５２)を隔離することができるため、導入窓５３等の熱歪み等を回避して安定した光学性能を確保するとともに、耐久性を向上させて安定した加工品質を確保することができる。
【００７４】
なお、本実施形態においては、液体貯留室８３におけるノズル３の軸線方向の奥行きを３ｍｍとしたが、ノズル径を考慮して、ノズル径の２０倍以上とすることもできる。すなわち、ノズル径が大きくなるとノズル３から噴射される流量が増大するため、ノズル３の軸線方向の奥行きを大きくした方がより層流状態を形成しやすくなるからである。例えば、ノズル径がφ１５０μｍであれば、液体貯留室８３におけるノズル３の軸線方向の奥行きを３ｍｍ以上である例えば４〜５ｍｍとする方が好ましい。
【００７５】
［本実施形態に係る液体貯留室の高さと、液体貯留室内の液体の流速の関係］
次に、図９を参照して、本実施形態に係る液体貯留室８３内でレーザー光Ｌが照射される領域周面での流速と、従来の構造による液体供給路内でレーザー光が照射される領域周面での流速とを比較する。
【００７６】
図９は、ノズル周辺における液体貯留室（液体供給路）の構造を模式的に示す図である。この図９において、液体貯留室１２０内でレーザー光Ｌが照射される領域Ｕは、導入窓１２２とノズル１２４の入口開口部１２６との間に形成される円錐台となる。この円錐台領域Ｕの周面（側面）を通過する液体の平均流速を、本実施形態に係る液体貯留室８３を用いた場合と、特許文献１に記載された装置の液体供給路を用いた場合とでそれぞれ算出し、比較する。
【００７７】
ここで、本実施形態に係る液体貯留室８３では、ノズルの軸線Ｇ方向の奥行きＨは、好ましい奥行き寸法範囲の最小値であるＨ＝２ｍｍとする。また、従来の構造として特許文献１に記載された液体供給流路では、Ｈ＝０．５ｍｍとする。なお、その他の条件は、互いに共通の値に設定する。具体的には、噴流液体として水を用い、ノズル径を１５０μｍ、水の供給圧力を８０バール（８ＭＰａ）とする。また、円錐台領域Ｕ側面の軸線に対する角度θは、水柱内でレーザー光を全反射させることができ、且つノズル径より小さな集光径を得るために、通常１０°前後で使用されるため、ここでは１０°に設定する。
【００７８】
以上のような条件において、水の流量Ｑは、次の式１により、１７００ｍｍ3／ｓである。
【００７９】
【００８０】
また、円錐台領域Ｕの側表面積Ａは、次の式２により求められる。ここで、ｒは円錐台領域Ｕの頂面の円形半径であり、これはノズルの半径と等しく、ｒ＝７５μｍである。Ｒは、円錐台領域Ｕの底面の円形半径であり、Ｒ＝Ｈ・ｔａｎθで求められる。また、Ｌは、円錐台領域Ｕの側面に沿った長さであり、Ｌ＝Ｈ／ｃｏｓθで求められる。
【００８１】
【００８２】
よって、液体貯留室内における円錐台領域Ｕの周面（側面）を通過する液体の平均流速はＱ／Ａにより計算されるので、本実施形態に係る液体貯留室８３を用いた場合の平均流速Ｖ１と、特許文献１に記載された装置の平均流速Ｖ２の比Ｒは、次の式３により求められる。
【００８３】
【００８４】
以上の式より、比Ｒを求めると、Ｒ＝１／１０．５となる。また、本実施形態に係る液体貯留室８３においては、平均流速は６２３．３ｍｍ／ｓｅｃ、特許文献１に記載された装置においては、平均流速は６５４２ｍｍ／ｓｅｃと計算され、本実施形態のレーザー加工装置は、従来の装置と比較して、平均流速が非常に遅いことがわかる。
即ち、本実施形態に係る液体貯留室８３を用いた場合には、液体貯留室８３内の水の流速は、従来の構造の液体供給路内の水の流速の約１０分の１になる。なお、本実施形態に係る液体貯留室８３の奥行きを、より好ましい４ｍｍとすれば、平均流速は更に低下し、平均流速の比Ｒは約１／３８になる。
【００８５】
以上のことにより、液体貯留室８３の軸線Ｇ方向の奥行きを大きく、より具体的には２ｍｍ以上、より好ましくは４ｍｍ以上とすることにより、従来構造の液体供給路を用いた場合よりも、液体貯留室８３内の水の流速を格段に小さくすることができることが分かる。このように、液体貯留室８３内に水を滞留させてその流速を小さくすることは、前述のように、ノズル３手前で水の安定した層流状態を作り出すのに効果的である。
【００８６】
即ち、特許文献１記載の装置においては、円錐台領域Ｕにおける熱レンズの発生を抑制することを主眼におき、液体供給路の奥行きを小さく設定して液体供給路内の水の流速を大きくする構造としていた。そのため、液体供給路内の水が乱流となりやすく、噴流液柱が乱れるので、熱レンズの発生を抑制してもレーザー光の伝搬効率をあまり高くすることができなかった。これに対して、本実施形態に係る液体貯留室８３では、液体貯留室８３の奥行きを大きく設定することにより、液体貯留室８３内に水を滞留させて流速を小さくし、層流状態を形成することができる。これにより、乱れのない噴流液柱Ｆを形成することができ、レーザー光の伝搬効率をも高めることができる。
【００８７】
［本実施形態に係る液体貯留室内の水のレイノルズ数について］
次に、図９の例を用いて、本実施形態に係る液体貯留室８３内の円錐台領域Ｕの水のレイノルズ数と、従来の構造による液体供給路内の円錐台領域Ｕの水のレイノルズ数とを比較する。
前述の図９に示す模式図において、奥行きＨを２ｍｍ及び４ｍｍとした本実施形態に係る液体貯留室８３の構造の場合と、奥行きＨを０．５ｍｍとした、特許文献１記載の装置におけるレイノルズ数を計算する。
【００８８】
レイノルズ数は、次の式４で表され、ここで、Ｖは平均流速、Ｌは、図９に示すように円錐台領域Ｕにおける周面に沿ったノズルと導入窓の間の長さ、νは２０℃における水の動粘性係数である。平均速度Ｖは、式３を利用して計算した値を使用し、本実施形態に係る液体貯留室８３において、奥行きＨ＝２ｍｍの場合には０．６２３ｍ／ｓ、奥行きＨ＝４ｍｍの場合には０．１７１ｍ／ｓ、従来の構造の液体供給路の奥行きＨ＝０．５ｍｍの場合には６．５４２ｍ／ｓである。また、水の動粘性係数νは、１．０１×１０ー6ｍ2／ｓとする。
【００８９】
【００９０】
以上の計算により求めた各条件でのレイノルズ数Ｒｅは、奥行きＨ＝２ｍｍの場合でＲｅ＝１２５２、奥行きＨ＝４ｍｍの場合でＲｅ＝６８８、奥行きＨ＝０．５ｍｍの場合で３２８８となった。ここで、ノズル３及び導入窓５３の平行な平面で囲まれる加工ヘッド４のような構造では、乱流と層流との境界となる最小臨界レイノルズ数は、平行壁の流れにおける最小管路の最小臨界レイノルズ数と同等であると考えられ、Ｒｅ＝１０００とされている。したがって、従来の構造の液体供給路では、レイノルズ数が３２８８と、最小臨界レイノルズ数を大きく上回る数値となっており、液体供給路内が乱流の発生しやすい状態となっていることがわかる。
【００９１】
なお、奥行きＨ＝２ｍｍの場合でも、レイノルズ数Ｒｅが、最小臨界レイノルズ数を越えているが、これは、ノズル径を１５０μｍにした場合の数値である。ノズル径をより小さいものにした場合には、ノズルを流れる液体の流量が少なくなるため、レイノルズ数Ｒｅも小さくなる。したがって、より小さな径のノズルを使用する場合には、奥行きＨ＝２ｍｍでも乱流を起こさない条件を作ることは可能であり、したがって、奥行き寸法は、使用するノズル径等の設定値に応じて適宜設定する必要がある。その点、奥行きＨ＝４ｍｍ以上とすれば、乱流を起こさずに使用することができるノズル径範囲が大きくなるので、液体貯留室を設計する際に奥行きＨ＝４ｍｍ以上に設定すれば、加工ヘッドにより汎用性を持たせることができる。
【００９２】
［本実施形態に係る液体貯留室内の液体の流速の分布について］
上記のように、本実施形態のレーザー加工装置においては、液体貯留室８３内の平均流速が特許文献１記載の装置に比べ非常に遅いことがわかる。
ここでは、数値計算による流体シミュレーションを使用して、更に詳細に、本実施形態に係る液体貯留室８３内の流速の分布と、従来の構造による液体供給路内の流速の分布とを比較する。なお、特許文献１に記載された従来の構造による液体供給路は、ノズルの軸線方向の奥行きが、本実施形態に係る液体貯留室８３よりも小さい点で、本実施形態に係る液体貯留室８３と大きく異なる。
【００９３】
図１０は、本実施形態に係る液体貯留室８３内の流速分布を計算するために使用した液体貯留室８３のモデル１００を示す。モデル１００は、直径１０ｍｍ、高さ４ｍｍの略円柱に形成され、その底面中央に、ノズル３に対応する直径１００μｍの孔１０２が形成されている。流速分布シミュレーションは、モデル１００の周面から一様に６．２５ｍｍ／ｓの速度で流体が流入し、孔１０２から一様に１００ｍ／ｓの速度で流体が流出するという条件下で行った。
【００９４】
一方、図１１は、従来の構造の液体供給路内の流速分布を計算するために使用した液体供給路のモデル１０４を示す。モデル１０４は、直径１０ｍｍ、高さ０．５ｍｍの略円柱に形成され、その底面中央に、ノズルに対応する直径１００μｍの孔１０６が形成されている。流速分布シミュレーションは、孔１０６からの流体の流出速度が、本実施形態における計算条件と同じ１００ｍ／ｓとなるように、モデル１０４の周面からの流入速度を５０ｍｍ／ｓとして行った。
【００９５】
図１２及び図１３は、本実施形態に係る液体貯留室であるモデル１００を使用した場合の水の流速分布のシミュレーション結果を示し、図１４及び図１５は、特許文献１のモデルであるモデル１０４を使用した場合の水の流速分布のシミュレーション結果を示す。ここで、図１２及び図１４は、各モデルの孔の軸線に沿った断面における流速分布である。これらの図は、モデル１００、１０４内の各点における流速を、その点から延びるベクトルの向きと大きさで表したものであり、ベクトルの長さが大きいほど、流速が大きいことを示す。図１３及び図１５は、液体貯留室内、液体供給空間内における液体の流線と、各部における流速の分布をほぼ同じ流速の領域ごとに大まかに区切って表したものである。図１３及び図１５において、領域Ｉは流速約０．１２５ｍ／ｓｅｃ以下の領域を表し、領域IIは流速約０．１２５〜０．２５ｍ／ｓｅｃの領域を表し、領域IIIは流速約０．２５〜０．７５ｍ／ｓｅｃの領域を表し、領域IVは流速約０．７５〜０．８７５ｍ／ｓｅｃの領域を表し、領域Ｖは流速が約０．８７５ｍ／ｓｅｃよりも大きいの領域を表している。なお、図１５においては、流速が約０．２５ｍ／ｓｅｃ以下となる領域（領域Ｉ及びII）は殆ど見られなかった。
【００９６】
図１２及び図１３に示すように、本実施形態に係るモデル１００内の水は、孔１０２の近傍以外で移動が少なく、流速が小さい。また、孔１０２の上部の広い領域に亘って流速が非常に小さくなっている。
一方、図１４乃至図１５に示すように、特許文献１のモデルであるモデル１０４においては、液体供給空間全体に亘って水の流速がモデル１００の場合と比較して大きく、特に孔１０６の上部の領域では、液体供給空間の上端まで流速が非常に大きくなっていることが認められる。また、水の流れは、孔１０６の外周側から中央の孔１０６に向かって、孔１０６の軸線方向に垂直な方向に移動し、孔１０６の上部で、流れの方向が孔１０６の軸線方向に垂直な方向から軸線方向に沿った方向に急激に変化している。
【００９７】
以上のことより、モデル１００、１０４の円柱の高さ、即ち、液体貯留室、液体供給空間のノズル３の軸線Ｇに沿った方向の奥行きを、本実施形態に係る液体貯留室８３のように従来の構造より大きく設定して、液体貯留室８３内に水を滞留させることにより、液体貯留室８３内の水の流速を従来の構造の場合より小さくすることができることが分かる。これにより、液体貯留室８３内においてノズル３の上流側で層流状態が形成され、ノズル３から噴射される噴流液柱Ｆの表面の乱れの発生を効果的に抑制することができる。
【００９８】
［本実施形態に係る液体貯留室内の液体の乱流エネルギの分布について］
次に、本実施形態に係る液体貯留室８３内の乱流エネルギと、特許文献１記載の構造における液体供給路内の乱流エネルギとを比較する。なお、乱流エネルギとは、乱流の各方向における変動速度成分の２乗和の時間平均を２で除することによって計算される量であり、流れの乱れの度合いを表すものである。
【００９９】
前述の図１０及び図１１のモデル１００、１０４を用いて、孔１０２、１０６が形成された面から０．０１ｍｍの距離における、円柱の軸線に垂直な平面での乱流エネルギの分布を、数値流体シミュレーションによりそれぞれ計算する。
図１６は、本実施形態に係る液体貯留室８３に対応するモデル１００の乱流エネルギの分布のシミュレーション結果を模式的に表し、図１７は、従来の構造の液体供給路に対応するモデル１０４の乱流エネルギの分布のシミュレーション結果を模式的に表す。なお、乱流エネルギの値は、ＸＩ、ＸII、ＸIII、ＸIV、ＸＶの順に大きくなっている。
【０１００】
図１６に示すように、モデル１００の乱流エネルギは、孔１０２近傍を除くほとんどの範囲において均一に小さい値となっており、孔１０２近傍において乱流エネルギの比較的高い部分が対称に、略円形に認められる。
一方、図１７に示すように、モデル１０４の乱流エネルギは、孔１０６の周囲の広い範囲で図１６よりも高い乱流エネルギを示し、その分布は非対称となっている。これは、モデル１０４内の流れが均一でなく、巻き込みなどの不均一な流れ（乱れ）が生じていることがわかる。
【０１０１】
以上のことより、本実施形態に係る液体貯留室８３に対応するモデル１００では、液体貯留室の高さＨ、即ち液体貯留室８３のノズル３の軸線Ｇに沿った方向の奥行きを従来の構造よりも大きく設定することにより、液体貯留室８３の軸線Ｇに垂直な方向について均一で且つ乱れの少ない液体の流れを作ることができることが分かる。
また、図１０及び図１１に示すモデル１００、１０４での流れ場における乱流エネルギの最大値は、図１０に示すモデルで１２４ｍ2／ｓ2であり、図１１に示すモデルで３０７ｍ2／ｓ2である。このことからも、モデル１００に対応する本実施形態の液体貯留室８３の構造の方が、モデル１０４に対応する従来の構造よりも乱流の発生を効果的に抑制できることがわかる。
【０１０２】
［本実施形態に係るノズル近傍の水の移動経路について］
次に、本実施形態に係るノズル近傍での水の移動経路と、従来の構造による近傍での水の移動経路とを実験により比較する。
【０１０３】
前述の図１２乃至図１７に示したシミュレーション結果を実際に確認するために、図１０及び図１１と同様の実際のモデルを作製し、観察粒子として塗料粒子を混入した水を流して、塗料粒子を高速度ビデオカメラでそれぞれ撮影した。このとき、ノズルに対応する孔の径は２００μｍ、水の噴射圧は２ＭＰａ、塗料粒子の粒子径は２０〜６０μｍとした。また、高速度ビデオの撮影条件は、Ｐｈｏｔｏｒｏｎ ＦＡＳＴＣＡＭ−ＭＡＸ ｍｏｄｅｌ１２０ｋを用いて、図１０のモデルでは、６０００ｆｐｓの撮影コマ数で、図１１のモデルでは４０００ｆｐｓの撮影コマ数で撮影した。
【０１０４】
図１８は、本実施形態の液体貯留室８３の構造に対応する図１０の実際のモデルにおける水の移動を撮影した映像を模式的に表した図であり、図１９は、従来の液体供給路の構造に対応する図１１の実際のモデルにおける水の移動を表した図である。なお、これらの図は、異なる時間において撮影された観察粒子の画像を重ね合わせることにより、観察粒子の移動経路を示したものである。
図１８に示すように、本実施形態の液体貯留室８３の構造に対応するモデルでは、観察粒子は矢印に沿って、孔１０８の上方から乱れのない流線を描いて、孔１０８に向かって移動している。
一方、図１９に示すように、従来の構造に対応するモデルでは、観察粒子は、孔１１０に対して孔１１０の周囲を巡るように、即ち渦流を起こしながら移動している。
これらのことは、前述の図１６及び図１７のシミュレーション結果とも一致する。
【０１０５】
以上のことより、本実施形態に係る液体貯留室８３の構造では、ノズルの軸線Ｇ方向に沿った奥行きを従来の構造よりも大きく設定することにより、水の巻き込みを防止して、水を均一な流れでノズルに流入させることができることが分かる。
【０１０６】
［本実施形態に係るレーザー光の水への熱的影響について］
次に、特許文献１の装置において使用されている波長１０６４ｎｍの基本波と本実施形態のレーザー加工装置において使用されている波長５３２ｎｍの第二次高調波とを用いて、水中を進むレーザー光の水への熱的影響を説明する。
まず、ＩＲレーザー及びグリーンレーザーについて、レーザー光の吸収による水の温度上昇について比較する。
【０１０７】
図２０（ａ）は、ノズル３の近傍の領域を模式的に示した図である。この図２０（ａ）に示すように、レーザー光Ｌは、集光レンズ５２で集光されながら導入窓５３を通って液体貯留室８３内の水中を進み、ノズル３の入口開口部３１で集光する。したがって、液体貯留室８３内の水中でレーザー光Ｌが照射される領域Ｎは、円錐形状となる。そこで、この円錐領域Ｎにおける水の温度上昇を計算する。
【０１０８】
図２０（ｂ）は、レーザー光Ｌが照射される円錐領域Ｎを模式的に示す。この図２０（ｂ）において、円錐領域Ｎの底面中心の点Ａから距離ｄ離れたノズル３の入口開口部３１の位置に対応する頂点Ｂまでの領域の水の温度上昇ΔＴは、次の式５で求められる。
【０１０９】
【０１１０】
ここで、Ｐはレーザー光の出力（Ｗ）、αはレーザー光の水に対する吸収係数（ｃｍ-1）で、ＩＲレーザーではαFM＝１．４４×１０-1、グリーンレーザーではαSHG＝４．４７×１０-4である。また、ｄは点Ａからの距離（ｍｍ）、Ｃは水の比熱で、４．１８（Ｊ／ｇ・Ｋ）、ρは水の密度で、１（ｇ・ｃｍ-3）、Ｊはノズル径１５０μｍ、噴射圧約４ＭＰａのときの水の流量で、１．７（ｃｍ3／ｓｅｃ）、θは図２０（ａ）に示すように、軸線Ｇに対する円錐領域Ｎの周面の角度で、ｔａｎθ＝０．１である。
【０１１１】
図２１は、出力Ｐ＝１０（Ｗ）の場合の、点ＡからＢの距離ｄに対する、レーザー光Ｌの吸収による水の温度上昇ΔＴを示した図である。この図２１に示すように、ＩＲレーザーを照射した場合には、距離ｄが増加するにつれて、水の温度が比例的に上昇し、距離ｄが４ｍｍの場合には、温度上昇ΔＴは１６．２℃となる。一方、グリーンレーザーを照射した場合には、距離ｄが増加しても水の温度はほとんど上昇せず、距離ｄが４ｍｍの場合でも、温度上昇ΔＴは０．０５℃となる。このとき、水の温度上昇による屈折率変化Δｎは、ＩＲレーザーでΔｎFM＝１．３×１０-3であり、グリーンレーザーではΔｎSHG＝−４×１０-6となる。したがって、グリーンレーザーを使用した場合には、ＩＲレーザーを使用した場合のように屈折率が大きく変化することはなく、レーザー光の透過に対する熱的影響をほとんど受けないことが分かる。
【０１１２】
なお、ＩＲレーザーを用いて、温度上昇をグリーンレーザーと同等に抑えるためには、点ＡからＢの距離ｄを１３μｍ程度にする必要がある。しかしながら、一方で、点Ａからの距離ｄをそのように小さく設定すると、前述の通り、液体貯留室８３内における流れの乱れが発生することになる。このことからも、グリーンレーザーを使用することが、乱れのない噴流液柱の形成を可能にしながら熱的影響を最小限に抑制するために有利であることがわかる。
【０１１３】
以上のことより、グリーンレーザーを用いた場合には、距離ｄを４ｍｍにしても、水の温度がほとんど上昇しないため、温度上昇に伴う水の屈折率の変化による熱レンズの影響を、ＩＲレーザーを用いた場合よりも遙かに抑制することができる。また、グリーンレーザーを使用した場合には、円錐領域Ｎにおける熱的影響が小さいため、水の温度上昇を防止するよう水の流速を大きく設定する必要がなく、液体貯留室８３の軸線Ｇ方向の奥行きを大きく設定して水の流速を小さくすることが可能となる。これにより、液体貯留室８３内の水を層流状態に維持することができ、安定した乱れのない噴流液柱Ｆを噴射することができる。
【０１１４】
次に、ＩＲレーザー及びグリーンレーザーを使用した場合の、出力に対する水の温度変化量の関係について述べる。
図２２は、点ＡからＢの距離ｄを４ｍｍに設定した場合の、ＩＲレーザー及びグリーンレーザーの出力Ｐに対する円錐領域Ｎの水の温度変化量ΔＴの関係を示した図である。なお、ノズル径は１５０μｍ、噴射圧力は４ＭＰａ、レーザー光Ｌの集光角度θは５．７°とした。図２２に示すように、ＩＲレーザーを用いた場合では、レーザー光の出力Ｐが増加するにつれて、水の温度変化量ΔＴが比例的に増加する。一方、グリーンレーザーを使用した場合では、レーザー光の出力Ｐが増加しても、温度変化量ΔＴはほとんど変化しない。
以上のことより、ＩＲレーザーを使用する場合に比べ、グリーンレーザーを使用した場合には、距離ｄに対してだけでなく、レーザー光の出力Ｐに対しても、熱レンズの発生を抑制するのに有利であることが分かる。
【０１１５】
続いて、本発明の実施形態に係る加工ヘッドの第１実施例について、図２３を参照しながら説明する。図２３は本発明の第１実施例に係る加工ヘッドの構成を示す断面側面図である。
なお、図２３において、前記した実施形態に係る加工ヘッド４と同様の構成要素については同じ符号を付し詳細な説明は省略する。
【０１１６】
本発明の第１実施例に係る加工ヘッド４４は、図２３に示すように、レーザー光Ｌの中心軸の位置を合わせるアライメント調整機構４５とレーザー光Ｌの集光点の軸方向高さを合わせる軸方向調整機構４６を備えている。
加工ヘッド４４では、光学装置５を収容するハウジング４４１は、折れ曲がったクランク形状をなしており、ハウジング４４１の先端部に軸方向調整機構４６を介してノズルヘッド４４２が装着されている。そして、加工ヘッド４４の頂部から下方に放射されたレーザー光Ｌ１は、ビームスプリッター５１１により水平方向に反射される。この水平方向に反射されたレーザー光Ｌ２は、ビームスプリッター５１２により、レーザー光Ｌ１と平行な下方へ向けて再度反射される。この反射されたレーザー光Ｌ３は、集光レンズ５２により、ノズル３の入口開口部３１で集光される。
【０１１７】
ビームスプリッター５１１，５１２は、レーザー光Ｌを反射し、グリーン付近以外の可視光を透過する機能を有する。そして、ビームスプリッター５１１の背後(図２３の右側)には、ＣＣＤカメラ５１３が配置され、ビームスプリッター５１２の背後(図２３の上側)には光源としてＬＥＤライト５１４が配置されている。
かかる構成により、ＬＥＤライト５１４によりノズル３の入口開口部３１を照射し、ＣＣＤカメラ５１３によりレーザー光Ｌの焦点位置を確認することができる。
【０１１８】
アライメント調整機構４５は、円周上で直交する方向３箇所に配置された調整ねじ４５ａと、ビームスプリッター５１２を保持するばね４５ｂと、を備え、調整ねじ４５ａを押し引きして調整することで、ビームスプリッター５１２の角度を調整可能に構成されている。
かかる構成により、ノズル３の入口開口部３１におけるレーザー光Ｌの焦点位置をＣＣＤカメラ５１３で確認しながら、調整ねじ４５ａでビームスプリッター５１２の角度を調整することで、レーザー光Ｌの中心軸の位置をノズル３の入口開口部３１に合わせることができる。
【０１１９】
軸方向調整機構４６は、ハウジング４４１の先端部に螺合されノズルヘッド４４２を保持する調整ナット４６ａと、ハウジング４４１の先端部に螺合され調整ナット４６ａの上部側を保持するロックナット４６ｂと、調整ナット４６ａの外周部に螺合されノズルヘッド４４２を保持するロックナット４６ｃと、を備え、ロックナット４６ｂ，４６ｃには、それぞれバックラッシを除去するために軸方向に付勢するばね４６ｄ，４６ｅが内蔵されている。
【０１２０】
かかる構成により、ロックナット４６ｂ，４６ｃを緩めた状態で調整ナット４６ａを回転させることで、ノズルヘッド４４２の軸方向位置を調整して、容易にレーザー光Ｌの集光点の軸方向高さをノズル３の入口開口部３１に合わせることができる。また、ロックナット４６ｂ，４６ｃで強固に固定でき、ばね４６ｄ，４６ｅでバックラッシを除去しているため振動や衝撃に対しても強い構造となっている。このため、レーザー光Ｌを噴流液柱Ｆ内に効率よく安定して導光することが可能となる。
【０１２１】
続いて、本発明の実施形態に係る加工ヘッドの第２実施例について、図２４を参照しながら説明する。図２４(ａ)は本発明の第２実施例に係る加工ヘッドにおけるノズル周りの構成を示す部分断面側面図であり、(ｂ)は(ａ)において封止部材を装着する場合を示す。
なお、図２４において、前記した実施形態に係る加工ヘッド４と同様の構成要素については同じ符号を付し詳細な説明は省略する。
【０１２２】
本発明の第２実施例に係る加工ヘッド４８，４８’は、ハウジング４４５の中心軸とノズルの軸線Ｇとを合わせる調心機構４９を備えたものである。
調心機構４９は、図２４(ａ)，(ｂ)に示すように、ノズル側に形成されたテーパ形状部４９１とハウジング側に形成されたテーパ形状部４９２とを係合させることで、ハウジング４４５の中心軸Ｇとノズルの軸線Ｇとが自動的に調心できるように構成されている。そして、ノズルキャップ３０ａをハウジング４４５，４４６に螺入することで、ノズル３０，３０’をハウジング４４５，４４６に固定することができる。
また、加工ヘッド４８’は、図２４(ｂ)に示すように、封止部材であるＯリング３２をノズル３０’の外周面に配設して、さらにシール性を高めたものである。
【０１２３】
かかる構成により、調心機構４９を備えたことで、ノズル３０，３０’を安定して保持するとともに、ノズル３０，３０’の交換を行なうたびにノズル３０，３０’の中心位置や直角度がずれて、噴流液柱Ｆが安定しないという問題を解決することができる。
また、ノズル３０，３０’をハウジング４４５，４４６に固定するノズルキャップ３０ａを備えたことで、ノズル３０，３０’の交換作業も容易となる。
【０１２４】
続いて、本発明係る層流形成流路の変形例について、図２５乃至図２７を参照しながら説明する。図２５は、本発明に係る層流形成流路の第１変形例の形状を示す斜視図であり、図２６は、本発明に係る層流形成流路の第２変形例の形状を示す斜視図であり、図２７は、本発明に係る層流形成流路の第３変形例の形状を示す斜視図である。
【０１２５】
先ず、図２５に示すように、本発明の第１変形例に係る層流形成流路２００は、分配流路２０２の内周側壁面２０４が、内側且つ軸線Ｇの下流側に向かって傾斜した傾斜面を形成している。また、連絡流路２０６の内周面２０８も、内側且つ軸線Ｇの下流側に向かって傾斜した傾斜面を形成しており、この内周面２０８と、内周側壁面２０４とは、連続した同一平面となっている。このような形状の層流形成流路２００により、高圧ポンプから導入管２１０を通って導入された高圧水は、内側壁面２０４の傾斜面及び連絡流路２０６の傾斜面で案内されながら連絡流路２０６に流入する。したがって、層流形成流路２００内の水の流れが滑らかになり、乱流や渦の発生をより一層抑制することができる。
【０１２６】
次に、図２６に示す第２変形例では、層流形成流路２２０の連絡流路２２２の外周面２２４、及び液体貯留室２２６の外周面２２８が内側に円弧状に湾曲している。この第２変形例では、連絡流路２２２の外周面２２４と液体貯留室２２６の外周面２２８は、連続した曲面を形成している。このような形状の層流形成流路２２０により、連絡流路２２２から液体貯留室２２６への水の流れが滑らかになり、乱流や渦の発生をより一層抑制することができる。
【０１２７】
次に、図２７に示す第３変形例では、層流形成流路２４０の分配流路２４２及び液体貯留室２４４の横断面は、それぞれ略矩形に形成されている。層流形成流路２４０の連絡流路２４６は、分配流路２４２の内側且つ軸線Ｇの下流側部分と、液体貯留室２４４の外側且つ軸線Ｇの上流側部分とを連通するように、軸線Ｇ方向に沿って形成されている。このような形状の層流形成流路２４０では、分配流路２４２に流入した水は、内周側壁面２４８に当たって分配流路２４２の全周にわたって行き渡り、また、軸線Ｇ方向下流側に向きを変えて内周側壁面２４８に沿って進み、連絡流路２４６に流入する。連絡流路２４６からの水は、液体貯留室２４４の外周側壁面２５０に沿って流入する。このような形状の層流形成流路２４０によれば、水が、分配流路２４２の内側壁面２４８及び液体貯留室２４４の外側壁面２５０に沿って移動することにより、壁面で水の渦を抑制することができる。これは、特に、連絡流路２４６を構造上長く形成することができない場合に有効である。
なお、連絡流路は、上述の図３や図２５乃至図２７のような形状に限らず、液体貯留室に全周から噴流液体が流れ込む形状の流路であれば、その形状は任意である。
【０１２８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されず、適宜変更して実施することが可能である。
例えば、本実施形態においては、レーザー光Ｌとしてグリーンレーザーを採用しているがこれに限定されるものではなく、レーザー光Ｌが水に吸収され難いもっと波長の短いＵＶレーザーを採用することもできる。好ましくは、噴流液体を透過する際の吸収係数が０．０１［ｃｍ-1］以下になるレーザー光を採用する。
また、本実施形態においては、噴流液体として水を使用したが、これに限定されるものではなく、レーザー光Ｌが吸収され難いシリコンオイル等を噴流液体として使用することもできる。そして、レーザー光ＬもグリーンレーザーやＵＶレーザーに限定されるものではなく、ＣＯ2レーザーやＹＡＧレーザーを採用することもできるが、噴流液体として水を使用する場合には、レーザー光が水に吸収されにくいレーザーを採用することが好ましい。ここで、水に吸収されにくいレーザーとして、波長域２００〜７００ｎｍのレーザーが挙げられる。なお、レーザー光が吸収され難い噴流液体を使用する場合には、ＣＯ2レーザーやＹＡＧレーザーを用いてもレーザー光の良好な伝搬効率を得ることができる。
【０１２９】
本発明は、また、以下のような態様とすることができる。
（１）レーザー光を発生するレーザー発振器と、ワークに噴流液体を噴射するノズルと、このノズルに噴流液体を供給する液体供給手段と、を有し、ノズルから噴射された噴流液柱内に導かれたレーザー光によるレーザー加工装置であって、噴流液体を層流状態でノズルに供給する層流形成流路を有し、層流形成流路は、液体供給手段から供給された噴流液体をノズルの軸線周りに環状に分配する空洞が形成された分配流路と、ノズルの軸線方向下流側において分配流路に連通して設けられ、分配流路よりも狭い流路で軸線周りに環状の空洞が形成された連絡流路と、ノズルの軸線方向上流側に隣接して設けられ、噴流液体を貯留してノズルに供給する液体貯留室と、を備え、液体貯留室の外周縁部は、環形状の全周にわたって連絡流路と連通されていること、を特徴とするレーザー加工装置。
（２）レーザー光は、噴流液体を透過する際の吸収係数が０．０１［ｃｍ-1］以下であることを特徴とする上記（１）に記載のレーザー加工装置。
（３）噴流液体は水であり、レーザー光は、グリーンレーザー、またはＵＶレーザーであることを特徴とする上記（１）または（２）に記載のレーザー加工装置。
（４）噴流液体は水であり、レーザー光は、波長域が２００〜７００ｎｍであることを特徴とする上記（１）から（３）のいずれか１つに記載のレーザー加工装置。
（５）液体貯留室は、ノズルの軸線方向の奥行きが２ｍｍ以上であり、外周縁部の軸方向上流側で連絡流路に連通されていること、を特徴とする（１）から（４）のいずれか１つに記載のレーザー加工装置。
（６）噴流液体が水である場合において、液体供給手段は、レーザー光の伝搬媒体としての噴流液体の均質性を高めるための処理装置を備えていることを特徴とする（１）から（５）のいずれか１つに記載のレーザー加工装置。
（７）レーザー加工装置は、噴流液柱に沿って導入されるアシストガス供給装置を有し、アシストガス供給装置は、ノズルの下流側に設けられ噴流液柱を収容するように形成されたガス供給室と、このガス供給室にアシストガスを導入する導入流路と、を備え、導入流路は、噴流液柱の外周からスパイラル状に沿うように構成したスパイラル状導入流路、または、噴流液柱の軸線に漸近するように構成されたコーン状導入流路であること、を特徴とする（１）から（６）のいずれか１つに記載のレーザー加工装置。
（８）液体貯留室は、連絡流路の空洞の体積よりも大きな体積を有すること、を特徴とする（１）から（７）の何れか１つに記載のレーザー加工装置。
（９）分配流路には、液体供給手段からの噴流液体が導入される導入管が接続され、連絡流路の分配流路との連通部は、導入管の軸線から外れた位置に配置されること、を特徴とする（１）から（８）の何れか１つに記載のレーザー加工装置。
（１０）連絡流路の外周面と、液体貯留室の外周面は、段差なく連続した面を形成すること、を特徴とする（１）から（９）の何れか１つに記載のレーザー加工装置。
（１１）液体貯留室は、ノズルの軸線方向の奥行きが、ノズルの直径の２０倍以上に構成されていること、を特徴とする（１）から（１０）のいずれか１つに記載のレーザー加工装置。
【符号の説明】
【０１３０】
１ レーザー加工装置
２ グリーンレーザー発振器
３ ノズル
４ 加工ヘッド
５ 光学装置
６ 液体供給手段
８ 層流形成流路
９ 処理装置
１１ アシストガス供給装置
１１ｃ スパイラル状導入流路
１１ｅコーン状導入流路
１１ｆ 分配流路
３１ 入口開口部
３２ 噴射口
８１ 分配流路
８２ 連絡流路
８３ 液体貯留室
８３ａ 外周縁部
９１ 水処理装置(処理装置)
９２ 高圧フィルタ(処理装置)
ＡＳ アシストガス
Ｆ 噴流液柱
Ｌ(Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３) レーザー光
Ｗ ワーク
【技術分野】
【０００１】
本発明は噴流液柱内に導かれたレーザー光によるレーザー加工装置に関し、特にレーザー光の伝搬効率を向上させて、安定した加工品質を確保することができる噴流液柱内に導かれたレーザー光によるレーザー加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザー光をジェット液柱で導光することを利用して、めっきまたはエッチング用の電解液のジェット液柱内にレーザー光を照射し、基板にめっきまたはエッチングを行う装置が知られている。また、ウォータージェット内にレーザー光を照射し、レーザー光をウォータージェット内で全反射させて伝搬することにより、ウォータージェット及びレーザー光で治療部位の切開を行う治療装置も知られている。
【０００３】
このように、液柱内でレーザー光を全反射させながら、レーザー光を導く技術は様々な分野で応用されており、レーザー加工分野においても、液体を噴射すると同時にレーザー光線を照射して所要のレーザー加工を行なうレーザー加工装置に関して、加工ヘッドの先端に液柱ビーム(噴流液柱)を噴射するノズル通路が形成されたノズルブロックを設け、フォーカスレンズによりレーザー光をノズル通路の入口開口に集光することで、ノズル通路より噴射する液柱ビームにレーザー光線を導光するものが知られている(例えば、特許文献１)。
また、従来、レーザー加工装置において使用されているレーザー光は、ＹＡＧレーザー(波長１０６４ｎｍ)やＣＯ2レーザー(波長１０．６μｍ)等が主流である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表平１０−５００９０３号公報(図２)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、ＹＡＧレーザー(波長１０６４ｎｍ)やＣＯ2レーザー(波長１０．６μｍ)は、噴流液柱として通常使用される水に吸収されやすいため、レーザー光の伝搬効率が低い。加えて、レーザー光が水に吸収されるときの発熱により熱レンズ作用が誘発されるため、レーザー光を効率よくウォータージェット(噴流液柱)に導くことが困難になるという問題があった。さらに、熱レンズ作用が誘発されるとレーザー光が屈折され、屈折されたレーザー光がノズルの入口開口部に当たってノズルが損傷されるおそれもある。
この問題を解決するために、特表平１０−５００９０３号（特許文献１）公報記載のレーザー加工装置においては、ウォータージェットを噴射するノズルに水を導く通水路である液体供給空間の高さを低くすることにより、レーザー光が通水路を横切る距離を短くして、水によるレーザー光の吸収を抑制している。また、この装置では、液体供給空間の高さを低くすることにより、液体供給空間内を流れる水の流速を上昇させ、レーザー光を吸収した液体供給空間内の水の温度上昇を低く抑え、熱レンズの発生を抑制している。
【０００６】
しかしながら、温度上昇を抑制するためにノズルに水を導く液体供給空間内の水の流速を高くすると、ウォータージェットの形状にゆらぎが生じやすくなり、ウォータージェットの表面乱れが生じるという問題がある。即ち、ウォータージェットに乱れが生じると、ウォータージェットにより導かれるレーザー光も影響を受けるため、レーザー加工装置の加工品質が低下してしまう。特に、被加工物の材質や寸法によっては、レーザー加工装置による一回の加工に要する時間が非常に長くなるため、ウォータージェットには、その全期間に亘って乱れが発生しない高い安定性が要求される。また、ウォータージェットの表面に乱れがあると、レーザー光がウォータージェットの表面で全反射せずにウォータージェットから外に飛び出してしまうことがあり、ウォータージェットの乱れによりレーザー光の伝搬効率が低下するという問題もある。
【０００７】
本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、レーザー光を導くウォータージェットを安定して発生させ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。
また、本発明は、レーザー光の伝搬効率を向上させて、安定した加工品質を確保することができる噴流液柱内に導かれたレーザー光によ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】
前記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る発明は、レーザー光を発生するレーザー発振器と、ワークに噴流液体を噴射するノズルと、このノズルに前記噴流液体を供給する液体供給手段と、を有し、前記ノズルから噴射された噴流液柱内に導かれたレーザー光によるレーザー加工装置であって、前記噴流液体を層流状態で前記ノズルに供給する層流形成流路を有し、前記層流形成流路は、前記液体供給手段から供給された噴流液体を前記ノズルの軸線周りに環状に分配する空洞が形成された分配流路と、前記ノズルの軸線方向下流側において前記分配流路に連通して設けられ、前記分配流路よりも狭い流路で前記軸線周りに環状の空洞が形成された連絡流路と、前記ノズルの軸線方向上流側に隣接して設けられ、前記噴流液体を貯留して前記ノズルに供給する液体貯留室と、を備え、前記液体貯留室の外周縁部は、前記環形状の全周にわたって前記連絡流路と連通されていること、を特徴とする。
【０００９】
請求項１に係る発明によれば、噴流液体を層流状態で前記ノズルに供給する層流形成流路を設けて、ノズル手前に安定した層流状態(レイノルズ数が小さい状態)の流れを作ることで、噴流液柱の表面に乱れが生じ難くゆらぎのない噴流液柱をノズルから噴射することができる。
【００１０】
具体的には、分配流路により、高圧で供給される噴流液体が一旦ノズルの軸線周りに環状に分配される。そして、噴流液体は、分配流路よりも狭い流路で環形状に形成された連絡流路を流通することで、乱流が抑制された状態で液体貯留室に導入される。液体貯留室に導入された噴流液体の流れは、ここで減速されるので噴流液体の流れのレイノルズ数が低下され、層流状態でノズルまで導かれる。
【００１１】
また、前記液体貯留室の外周縁部は、前記環形状の全周にわたって前記連絡流路と連通されているため、連絡流路の全周から満遍なく液体貯留室の外周縁部に導入されることで、噴流液体の流速が減速され、安定した層流状態で液体貯留室に貯留される。
【００１２】
このようにして、ノズル手前における流速を低下させることにより安定した層流状態を作り出す層流形成流路を設けることで、噴流液柱の表面に乱れが生じ難くゆらぎのない安定した噴流液柱をノズルから噴射することができ、これにより加工品質の低下を防止することができる。さらに、噴流液柱内に導かれたレーザー光の伝搬効率を向上させることもできる。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のレーザー加工装置であって、前記レーザー光は、前記噴流液体を透過する際の吸収係数が０．０１［ｃｍ-1］以下であることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項２に記載のレーザー加工装置であって、前記噴流液体は水であり、前記レーザー光は、グリーンレーザー、またはＵＶレーザーであることを特徴とする。
【００１４】
かかる構成によれば、噴流液体を透過する際のレーザー光の減衰を少なくすることができるため、液体貯留室の厚さを厚く構成した場合にも十分な強度のレーザー光を噴流液柱に導入することができる。また、噴流液体が水である場合には、レーザー光を、水に吸収され難く透過率の高いグリーンレーザー[２倍波(ＳＨＧ)ＹＡＧレーザー、波長５３２ｎｍ]、またはＵＶレーザー(例えば、波長３５５ｎｍや２６６ｎｍ)とすることでレーザー光の伝搬効率を向上させることができる。また、噴流液体に吸収され難いレーザー光を使用することにより、熱レンズの発生が抑制され、ノズルの入口開口部に精度よくレーザー光を導くことが容易となる。このため、ノズルが損傷することを防止するとともに、安定した加工品質を確保することができる。
【００１５】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザー加工装置であって、前記噴流液体は水であり、前記レーザー光は、波長域が２００〜７００ｎｍであることを特徴とする。
【００１６】
かかる構成によれば、水を透過する際のレーザー光の減衰を少なくすることができるため、液体貯留室の厚さを厚く構成した場合にも十分な強度のレーザー光を水に導入することができる。また、水に吸収され難い、波長域が２００〜７００ｎｍのレーザー光を使用することにより、熱レンズの発生が抑制され、ノズルの入口開口部に精度よくレーザー光を導くことが容易となる。このため、ノズルが損傷することを防止するとともに、安定した加工品質を確保することができる。
【００１７】
請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレーザー加工装置であって、前記液体貯留室は、前記ノズルの軸線方向の奥行きが２ｍｍ以上であり、前記外周縁部の前記軸方向上流側で前記連絡流路に連通されていること、を特徴とする。
【００１８】
かかる構成によれば、液体貯留室における前記ノズルの軸線方向の奥行きを２ｍｍ以上確保して、前記外周縁部の前記軸方向上流側で前記連絡流路に連通したことで、噴流液体の流速が奥行き方向で減速されて、ノズルの上流側においてより安定した層流状態で噴流液体が液体貯留室に貯留される。
このため、より噴流液柱の表面に乱れが生じ難くゆらぎのない噴流液柱をノズルから噴射することができ、噴流液柱内に導かれたレーザー光の伝搬効率を向上させることができる。
【００１９】
また、液体貯留室における前記ノズルの軸線方向の奥行きを２ｍｍ以上確保することで、ノズル入口開口部のレーザー集光点から導入窓、レンズ等の光学系装置を隔離することができるため、光学系装置の熱歪み等を回避して安定した光学性能を確保するとともに、耐久性を向上させて安定した加工品質を確保することができる。
【００２０】
請求項６に係る発明は、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレーザー加工装置であって、前記噴流液体が水である場合において、前記液体供給手段は、前記レーザー光の伝搬媒体としての前記噴流液体の均質性を高めるための処理装置を備えていることを特徴とする。
【００２１】
かかる構成によれば、例えば、前記噴流液体中に不純物として存在する溶存気体およびパーティクル、並びにイオン発光の原因となるイオンを除去して、噴流液柱をレーザー光の伝搬媒体としてガラスのように均質性を高めることができる。
このため、安定した噴流液柱をノズルから噴射することができ、噴流液柱内に導かれたレーザー光の伝搬効率を向上させることができる。
【００２２】
請求項７に係る発明は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のレーザー加工装置であって、前記レーザー加工装置は、前記噴流液柱に沿ってアシストガスを導入するアシストガス供給装置を有し、前記アシストガス供給装置は、前記ノズルの下流側に設けられ前記噴流液柱を収容するように形成されたガス供給室と、このガス供給室にアシストガスを導入する導入流路と、を備え、前記導入流路は、前記噴流液柱の外周からスパイラル状に沿うように構成したスパイラル状導入流路、または、前記噴流液柱の軸線に漸近するように構成されたコーン状導入流路であること、を特徴とする。
【００２３】
かかる構成によれば、噴流液柱に沿ってアシストガスが導入され、噴流液柱に偏ったカが作用しないようにアシストガスを噴流液柱の外周に導くことで、噴流液柱の表面に乱れが生じ難くゆらぎのない噴流液柱をノズルから噴射することができ、噴流液柱内に導かれたレーザー光の伝搬効率を向上させることができる。
また、ワーク上面に堆積した加工時に不必要な噴流液体や、加工面より跳ね返った噴流液体を効率よく除去して作業性を向上させることができる。
【００２４】
請求項８に係る発明は、請求項１から請求項７の何れか１項に記載のレーザー加工装置であって、前記液体貯留室は、前記連絡流路の空洞の体積よりも大きな体積を有すること、を特徴とする。
【００２５】
かかる構成によれば、連絡流路の空洞から供給された噴流液体が、より大きな体積の液体貯留室に流入する。このため、液体貯留室内での噴流液体の流速が減少して、液体貯留室内で層流状態を作りやすくなり、安定した噴流液柱をノズルから噴射することができ、噴流液柱内に導かれたレーザー光の伝搬効率を向上させることができる。
【００２６】
請求項９に係る発明は、請求項１から請求項８の何れか１項に記載のレーザー加工装置であって、前記分配流路には、前記液体供給手段からの噴流液体が導入される導入管が接続され、前記連絡流路の前記分配流路との連通部は、前記導入管の軸線から外れた位置に配置されること、を特徴とする。
【００２７】
かかる構成によれば、連絡流路の分配流路との連通部が、導入管の軸線から外れた位置にあるので、導入管から分配流路に導入された噴流液体が連絡流路に直接流入するのを抑制することができる。このため、分配流路からの噴流液体をノズルの軸線周りの方向から均一に連絡流路に供給することができ、液体貯留室での噴流液体の層流状態を作りやすくすることができる。
【００２８】
請求項１０に係る発明は、請求項１から請求項９の何れか１項に記載のレーザー加工装置であって、前記連絡流路の外周面と、前記液体貯留室の外周面は、段差なく連続した面を形成すること、を特徴とする。
【００２９】
かかる構成によれば、連絡流路の外周面に沿って移動する噴流液体は、次に液体貯留室の外周面の段差なく連続した面に沿って移動し、液体貯留室に流入する。このため、連絡流路から液体貯留室までの噴流液体の流れを滑らかにすることができるので、液体貯留室での噴流液体の層流状態を作りやすくすることができる。
【００３０】
請求項１１に係る発明は、請求項１から請求項１０の何れか１項に記載のレーザー加工装置であって、前記液体貯留室は、前記ノズルの軸線方向の奥行きが、前記ノズルの直径の２０倍以上に構成されていること、を特徴とする。
かかる構成によれば、ノズルからの噴流液体の噴出流量に対して液体貯留室内の十分な流路面積を確保することができるので、液体貯留室内における流速を十分に遅くすることができ、乱れのない流れを容易に生成することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係る噴流液柱内に導かれたレーザー光によるレーザー加工装置は、レーザー光の伝搬効率を向上させて、安定した加工品質を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザー加工装置の全体構成を示す側面断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る光学装置の他の実施例を説明するための要部拡大図であり、レーザー光の導入窓を装着しない形態を示す。
【図３】本発明の実施形態に係る層流形成流路の形状を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係るアシストガス供給装置におけるスパイラル状導入流路の構成を示す図１のＡ−Ａ断面図である。
【図５】アシストガス供給装置における他の実施例に係るコーン状導入流路の構成を示す側面断面図である。
【図６】本実施形態に係る層流形成流路の軸線方向に沿った断面図である。
【図７】ノズルの軸線Ｇ方向の奥行き(高さＨ、導入窓―ノズル間距離)とレーザー光の伝搬効率との関係を示すグラフである。
【図８】グリーンレーザーを水の液柱ビームに通過させた際の、液体貯留室の高さＨに対するグリーンレーザーの伝搬効率を示す。
【図９】本発明の実施形態に係るノズル周辺における液体貯留室（液体供給路）の構造を模式的に示す図である。
【図１０】本実施形態に係る液体貯留室内の流速分布を計算するために使用した液体貯留室のモデルを示す図である。
【図１１】従来の構造の液体供給路内の流速分布を計算するために使用した液体供給路のモデルを示す図である。
【図１２】液体貯留室内の各点における流速をベクトルで表した図である。
【図１３】液体貯留室内の空間を、ほぼ同じ流速の領域ごとに区切って表した図である。
【図１４】液体供給路内の各点における流速をベクトルで表した図である。
【図１５】液体供給路内の空間を、ほぼ同じ流速の領域ごとに区切って表した図である。
【図１６】本実施形態に係る液体貯留室に対応するモデルの乱流エネルギの分布のシミュレーション結果を模式的に表した図である。
【図１７】従来の構造の液体供給路に対応するモデルの乱流エネルギの分布のシミュレーション結果を模式的に表した図である。
【図１８】本実施形態の液体貯留室の構造に対応するモデルにおける流体の移動を表す模式図である。
【図１９】従来の液体供給路の構造に対応するモデルにおける流体の移動を表す模式図である。
【図２０】ノズルの上方でレーザー光が照射される円錐領域を概略的に示す。
【図２１】出力Ｐ＝１０（Ｗ）の場合の、点Ａからの距離に対する、レーザー光の吸収による水の温度上昇を示した図である。
【図２２】点Ａからの距離ｄを４ｍｍに設定した場合の、ＩＲレーザー及びグリーンレーザーの出力Ｐに対する円錐領域の水の温度上昇ΔＴの関係を示した図である。
【図２３】本発明の第１実施例に係る加工ヘッドの構成を示す断面側面図である。
【図２４】(ａ)は本発明の第２実施例に係る加工ヘッドにおけるノズル周りの構成を示す部分断面側面図であり、(ｂ)は(ａ)において封止部材を装着する場合を示す。
【図２５】本発明に係る層流形成流路の第１変形例の形状を示す斜視図である。
【図２６】本発明に係る層流形成流路の第２変形例の形状を示す斜視図である。
【図２７】本発明に係る層流形成流路の第３変形例の形状を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の実施形態に係るレーザー光線加工装置について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
参照する図面において、図１は本発明の実施形態に係るレーザー加工装置の全体構成を示す側面断面図である。図２は本発明の実施形態に係る光学装置の他の実施例を説明するための要部拡大図であり、レーザー光の導入窓を装着しない形態を示す。図３は本発明の実施形態に係る層流形成流路の形状を示す斜視図である。図４は本発明の実施形態に係るアシストガス供給装置におけるスパイラル状導入流路の構成を示す図１のＡ−Ａ断面図であり、図５はアシストガス供給装置における他の実施例に係るコーン状導入流路の構成を示す側面断面図である。
【００３４】
なお、図１における上下方向を本実施形態におけるレーザー加工装置１の上下方向として表記するが、加工ヘッド４の向きは上下方向に限定されるものではなく、加工ヘッド４が上下方向に対して傾斜したものでもよい。
【００３５】
本発明の実施形態に係るレーザー加工装置１は、図１に示すように、グリーンレーザーからなるレーザー光Ｌを発生するグリーンレーザー発振器２と、ワークＷに噴流液体である高圧水を噴射するノズル３が装着された加工ヘッド４と、レーザー光Ｌをノズル3に導くための光学装置５と、ノズル３に高圧水を供給する液体供給手段６と、ノズルの上流側に隣接して設けられ高圧水を層流状態でノズル３に供給する層流形成流路８と、レーザー光Ｌの伝搬媒体としての前記噴流液体の均質性を高めるための処理装置９と、噴流液柱Ｆに沿ってアシストガスＡＳを導入するアシストガス供給装置１１と、を備えている。
【００３６】
そして、かかる構成により、ノズル３から噴射された噴流液柱Ｆ(ウォータージェット)内に導かれたレーザー光ＬをワークＷに照射しながら、テーブルＴまたは加工ヘヅド４を図示しない移動手段により移動させてレーザー加工を行なう。
【００３７】
グリーンレーザー発振器２は、図１に示すように、レーザー光Ｌとしてグリーンレーザーを発生する装置である。そして、レーザー光Ｌは、グリーンレーザー発振器２から光ファイバケーブル２１内に導光されて、加工ヘッド４の頂部から下方に配設されたノズル３に向けて集光される。
【００３８】
グリーンレーザーは、２倍波(ＳＨＧ)ＹＡＧレーザーであり、波長が５３２ｎｍである。グリーンレーザーは、ＹＡＧレーザー(波長１０６４ｎｍ)やＣＯ2レーザー(波長１０．６μｍ)と異なり、水を通過しやすい特徴を有するため、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、レーザー光Ｌの伝搬効率を向上させることができる。また、水に吸収され難いため、熱レンズの発生を抑制することで、ノズル３の入口開口部３１に精度よくレーザー光Ｌを導くことが容易となる。このため、ノズル３を損傷することを防止するとともに、安定した加工品質を確保することができる。
【００３９】
加工ヘッド４は、略円筒形状に形成されたハウジング４１と、ハウジング４１内の上部に収容された光学装置５と、光学装置５の下方に配設された層流形成流路８と、層流形成流路８の下方に配設されたノズル３と、ノズル３の下方に配設されたアシストガス供給装置１１と、を備えている。
そして、ハウジング４１の頂部から下方に向けて照射されたレーザー光Ｌは、光学装置５により、ノズル３の入口開口部３１に集光され、ノズル３から噴射される噴流液柱Ｆ内に導かれて、噴流液柱Ｆ内で全反射を繰り返しながら導光されてワークＷに照射される。
【００４０】
光学装置５は、ハウジング４１の頂部から放射されたレーザー光Ｌを平行光に変換するコリメータレンズ５１と、コリメータレンズ５１で変換された平行光をノズル３の入口開口部３１に集光する集光レンズ５２と、層流形成流路８(液体貯留室８３)の上方に隣接して配設されレーザー光Ｌを層流形成流路８に導入する導入窓５３と、を備えている。
【００４１】
なお、本実施形態においては、図１に示すように、レーザー光Ｌの導入窓(ウィンドウ)５３を液体貯留室８３の上方に設けたが、これに限定されるものではなく、図１に示す導入窓５３に代えて、この導入窓５３の位置に集光レンズ５２’を配設することもできる(図２参照)。
【００４２】
液体供給手段６は、図示しない給水タンクから水を吸い込んで増圧する高圧水ポンプ６１と、増圧された高圧水を層流形成流路８まで供給する高圧配管６２と、を備えている。
また、高圧水ポンプ６１は、サーボ駆動式のポンプを採用し、ポンプの吐出圧力を検出して吐出圧力が一定となるようにフィードバック制御を行なうことで、サーボモータとボールねじにより一定の流速で水を押し出すように構成されている。
そして、かかる構成により、安定した高圧水の流れを発生して層流形成流路８に送り出すことができる。
【００４３】
層流形成流路８は、液体供給手段６から供給された噴流液体である高圧水をノズルの軸線Ｇの周りに環状に分配する空洞が形成された分配流路８１と、ノズルの軸線Ｇ方向下流側において分配流路８１に連通して設けられ、分配流路８１よりも狭い流路でノズルの軸線Ｇ周りに環状の空洞が形成された連絡流路８２と、ノズルの軸線Ｇ方向上流側に隣接して設けられ、高圧水を貯留してノズル３に供給する液体貯留室８３と、を備えている。
そして、連絡流路８２と液体貯留室８３とは、液体貯留室８３の外周縁部８３ａにおいて、環形状の連絡流路８２の全周にわたって連通されている。
【００４４】
ここで、連絡流路８２は、本実施形態においては、ノズルの軸線Ｇ方向上流側が分配流路８１に連通して設けられ、ノズルの軸線Ｇ方向下流側が上流側よりも縮径された円筒形状の流路として形成されている。一方、液体貯留室８３は、ノズルの軸線Ｇ方向下流側が上流側よりも縮径された逆円錐台形状として形成されている。
【００４５】
そして、連絡流路８２の外周面８２ａと液体貯留室８３の外周面８３ｂとは、段差がなく同一面上に連続するように延設されている。また、外周面８２ａ，８３ｂに沿う方向は、ノズルの軸線Ｇ方向に対して内側(ノズル側)に傾斜している。
【００４６】
かかる構成により、分配流路８１に貯留された高圧水は連絡流路８２から液体貯留室８３の外周面８３ｂの傾斜を伝わるように導入されることで、流体の流れが整えられ安定した層流状態で液体貯留室８３に貯留されノズル３に高圧水が供給される。
【００４７】
液体貯留室８３は、ノズルの軸線Ｇ方向の奥行き(高さＨ)が３ｍｍであり、外周縁部８３ａのノズルの軸線Ｇ方向上流側で連絡流路８２に連通されている。
なお、液体貯留室８３のノズルの軸線Ｇ方向の奥行き(高さＨ)は、２ｍｍ以上であることが好ましく、後述するように、大きくすればするほど液体貯留室８３内における噴流液体の速度は低下する。このため、液体貯留室８３の奥行きを大きくすることは、液体貯留室８３内のノズル３上部における層流の形成には有利である。さらに、液体貯留室８３の奥行きを大きくすると、小さなスポットに集光される前のレーザー光が導入窓５３を透過するので、導入窓５３を透過するレーザー光のエネルギー密度を低下され、導入窓５３を保護することができる。従って、液体貯留室８３のノズルの軸線Ｇ方向の奥行き(高さＨ)は、スペースの制約や応答性を考慮して、２〜４０ｍｍの間で適宜設定するのが好ましい。
【００４８】
［本実施形態に係る層流形成流路の詳細な形状について］
次に、本実施形態に係る層流形成経路８の好ましい形状についてさらに詳しく説明する。
図６は、本実施形態に係る層流形成流路８の軸線Ｇ方向に沿った断面図である。層流形成流路８は、高圧ポンプから供給された高圧水を、渦の生成等を抑制しながら液体貯留室８３に一旦滞留させて層流状態を形成し、ノズル３から表面に乱れのない噴流液柱Ｆを噴射することができるように、形状付けられる。
【００４９】
具体的には、図６の断面図に示すように、層流形成流路８の分配流路８１は、高圧ポンプからの水が導入される導入管１１２が接続される外周側壁面１１４と、外周側壁面１１４に対向して設けられる内周側壁面１１６とを有する横断面略矩形の環状に形成されている。外周側壁面１１４の軸線Ｇに沿った方向の寸法ｈは、導入管１１２の径寸法ｃよりも大きく設定されている。また、導入管１１２は、外周側壁面１１４の軸線Ｇ方向上流側で接続されている。内周側壁面１１６は、導入管１１２の軸線Ｍに交差するように配置されている。
ここで、分配流路８１は、分配流路８１内の水が、全方向から液体貯留室８３に導かれるように、分配流路８１内の水の流速が、連絡通路８２内での水の流速の２〜１０分の１になるような横断面積を有する形状とすることが好ましい。
【００５０】
連絡流路８２は、上流側の連通部１１８が、分配流路８１の内周側壁面１１６の軸線Ｇ方向下流側に接続されるように配置される。これにより、連絡流路８２の連通部１１８は、水の導入管１１２の軸線Ｍ上から外れた位置に配置される。また、連絡流路８２は、分配流路８１から液体貯留室８３に向かって、内側に且つ軸線Ｇ方向下流側に傾斜して形成され、分配流路８１と液体貯留室８３との間で流路を狭める、細い通路を形成する。
【００５１】
連絡流路８２の下流側の環状端部の径寸法Ｄは、加工ヘッド４の大きさやレーザー加工装置１の能力等を考慮して設定され、例えば、１０ｍｍ〜４０ｍｍに設定することができる。
また、連絡流路８２の長さｐは、加工ヘッド４の形状や大きさ、スペースの自由度に応じて適宜選択することができる。なお、連絡流路８２の内外周面は、分配流路８１からの水流内の渦を押さえる働きを有するので、連絡流路８２の長さｐは、その機能を有効に発揮できるように設定することが好ましく、具体的には、連絡流路８２の内外周面間の隙間寸法ｓの１〜２０倍程度に設定することが好ましい。
【００５２】
さらに、連絡流路８２の隙間寸法ｓは、どのような値を取っても、液体貯留室８３に接続される連絡流路の径寸法Ｄとノズル３から流れ出る液体の流量Ｑが一定であれば、レイノルズ数は変化しない。したがって、連絡流路８２の隙間寸法ｓは、分配流路８１の全方向から液体貯留室８３に水を導入することができるように、分配流路８１の寸法や、供給される水の圧力等の諸条件を勘案して設定することができ、通常、０．３ｍｍ〜２ｍｍに設定される。
【００５３】
液体貯留室８３は、前述のように軸線Ｇ方向の奥行きが、例えば前述の特許文献１に記載されたような従来の構造よりも大きく設定され、具体的には２ｍｍ以上に設定されることが好ましい。また、液体貯留室８３の体積は、連絡流路８２の体積よりも大きく設定されている。
【００５４】
このような構造の層流形成流路８では、導入管１１２から高圧ポンプによって水が供給されると、水は、内周側壁面１１６に向かって進み、分配流路８１の全周に行き渡る。ここで、導入管１１２の軸線Ｍ上に内周側壁面１１６が配置され、連絡流路８２は、前記軸線上に配置されていないので、高圧ポンプからの水が直接連絡流路８２に入ることがなく、一旦分配流路８１全周に分配される。したがって、導入管１１２からの高圧水の勢いが分配流路８１で抑制される。
【００５５】
分配流路８１からの水は、全方向から連絡流路８２に流入する。連絡流路８２は、分配流路８１で高圧ポンプにより生じる水流内の渦を内外周面で押さえて水流を減速させ、層流にする働きと、液体貯留室８３に全方向から水を供給する分配機能とを有する。
連絡流路８２に流入した水は、液体貯留室８３に流入する。液体貯留室８３は、前述のように、水を内部に滞留させて、主に奥行き寸法によって水の流速を減じて層流状態に整える。
このような動作により、ノズル３から噴射される噴流液柱Ｆは、表面に乱れが生じ難く、ゆらぎのないものとなる。したがって、噴流液柱Ｆによって導光されるレーザー光Ｌの伝搬効率の損失も低減される。
【００５６】
また、図５に示すように、ノズル３は、円盤形状をなし、上面にレーザー光Ｌが集光される入口開口部３１が形成され、この入口開口部３１の下方に次第に拡径された噴射口３２が形成されている。そして、噴射口３２から下方に向けて噴射された噴流液柱Ｆ内にレーザー光Ｌが導光されワークＷに噴射される。
【００５７】
処理装置９は、水である噴流液体中に不純物として存在する溶存気体およびパーティクル、並びにイオン発光の原因となるイオンを除去する装置であり、例えば、水処理装置９１(脱気装置、イオン交換樹脂)や高圧フィルタ９２を備えて構成することができる。
【００５８】
アシストガス供給装置１１は、図１に示すように、アシストガスＡＳの圧力を調整するエアコントローラ１１ａと、ノズル３の下流側に設けられ噴流液柱Ｆを収容するように形成されたガス供給室１１ｂと、このガス供給室１１ｂにアシストガスＡＳを導入するスパイラル状導入流路１１ｃと、を備えている。
スパイラル状導入流路１１ｃは、図４に示すように、噴流液柱Ｆの軸線に向かう方向に対してずらした位置に導入し、噴流液柱Ｆの外周からスパイラル状に沿うように構成した導入流路である。
【００５９】
また、導入流路の他の実施例として、図５に示すように、ガス供給室１１ｄに収容された噴流液柱Ｆの軸線に漸近するように構成されたコーン状導入流路１１ｅとして構成することもできる。そして、コーン状導入流路１１ｅは、ガス供給室１１ｄの周りに円環状にアシストガスＡＳを分配する分配流路１１ｆを有し、この分配流路１１ｆから下方に向かうにつれて噴流液柱Ｆの軸線に漸近するようにアシストガスＡＳが供給される。
【００６０】
以上のように構成された本実施形態に係るレーザー加工装置１の動作および作用効果について、主として図３を参照しながら説明する。
レーザー加工装置１は、図１に示すように、高圧水を層流状態でノズル３に供給する層流形成流路８を設けて、ノズル３の手前に安定した層流状態(レイノルズ数が小さい状態)の流れを作り、噴流液柱Ｆの表面に乱れが生じ難くゆらぎのない噴流液柱Ｆをノズル３から噴射するようにしている。
【００６１】
すなわち、図３に示すように、分配流路８１により、供給される高圧水が一旦ノズルの軸線Ｇ周りに環状に分配される(Ｒ１〜Ｒ２の流れ)。ここで、分配流路８１の流路断面積は、高圧水を分配流路８１に導く通水路よりも十分に大きく構成されているので、分配流路８１に流入すると導入された高圧水の流速は十分に低下され、分配流路８１への流入時に生じる流れの乱れが除去される。さらに、高圧水は、分配流路８１よりも狭い流路で環形状に形成された連絡流路８２を流通することで、乱流が抑制された状態で液体貯留室８３に導入される。
【００６２】
また、液体貯留室８３の外周縁部における外周面８３ｂは、環形状の全周にわたって連絡流路８２と連通されているため、連絡流路８２の全周から満遍なく液体貯留室８３の外周縁部に導入される(Ｒ３の流れ)。ここで、液体貯留室８３の高さＨは、連絡流路８２の高さよりも大きく構成されているので、連絡流路８２から液体貯留室８３に流入すると、高圧水の流路断面積は広くなり、高圧水の流速が減速され、安定した層流状態で液体貯留室８３に貯留される。
【００６３】
このようにして、ノズル３手前に安定した層流状態を作り出す液体貯留室８３を設けることで、噴流液柱Ｆの表面に乱れが生じ難くゆらぎのない噴流液柱Ｆをノズル３から噴射することができる。このため、噴流液柱Ｆ内に導かれたレーザー光Ｌの伝搬効率を向上させることができる。
【００６４】
［本実施形態に係るグリーンレーザーの伝搬効率について］
次に、図７及び図８を参照して、液体貯留室８３を通過するレーザー光の伝搬効率を説明する。図７は、種々の奥行き(高さＨ、導入窓−ノズル間距離)を有する液体貯留室に１９Ｗ、２４Ｗのレーザー光を入射させたとき射出されるレーザー光の出力を示すグラフである。また、図８は、種々の奥行き(高さＨ、導入窓−ノズル間距離)を有する液体貯留室にレーザー光を透過させたときのレーザー光の伝搬効率を示すグラフである。
【００６５】
図７は、ノズル径がφ１００μｍ、噴射圧力が１０ＭＰａ、レーザー光Ｌの周波数が１０ｋＨｚの場合において、縦軸にレーザー光Ｌの出力(ノズル３から２０ｍｍ下方の位置で計測)を採り、横軸に導入窓−ノズル間距離を採って、両者の関係を表示したものである。
【００６６】
図７に示すように、導入窓−ノズル間距離を３ｍｍとした場合には、入力が２４Ｗの場合には約１７．２Ｗの出力を得ることができ、その後は漸増するように推移する。また、入力が１９Ｗの場合には約１４．２Ｗの出力を得ることができ、その後は漸増するように推移する。この結果は、導入窓−ノズル間距離が大きくなると、入射したレーザー光が全液体中を透過する距離が長くなるにも関わらず、液体中を透過することによるレーザー光のパワーの低下は逆に少なくなることを示している。
【００６７】
ここで、レーザー光Ｌの出力は、噴流液柱Ｆの中を伝搬するレーザー光Ｌの伝搬効率を意味する。つまり、噴流液柱Ｆがレーザー光の伝搬媒体としての適格性の程度を示すものであり、レーザー光Ｌの出力が高いほど、噴流液柱Ｆが安定した層流状態であると認められる。この点、導入窓−ノズル間距離を大きく採れば、次第に安定した層流状態を形成し、その層流状態を維持するものと認められる。
【００６８】
このように、液体貯留室８３におけるノズルの軸線Ｇ方向の奥行きを２ｍｍ以上である３ｍｍ確保したことで、高圧水の流速が奥行き方向で減速されて、ノズル３の上流側においてより安定した層流状態で液体貯留室８３に貯留される。
このため、より噴流液柱Ｆの表面に乱れが生じ難くゆらぎのない噴流液柱Ｆをノズル３から噴射することができ、噴流液柱Ｆ内に導かれたレーザー光Ｌの伝搬効率を向上させることができる(図７参照)。
【００６９】
次に、図８を参照して、レーザー光としてグリーンレーザーを使用した場合の伝搬効率について説明する。
図８は、グリーンレーザーを水の噴流液柱に通過させた際の、ノズルの入口開口部からの距離ｄに対するグリーンレーザーの伝搬効率を示すグラフである。ここで、グリーンレーザーの出力を２４Ｗ、ノズル径１００μｍ、水圧１０ＭＰａとした。
【００７０】
この図８に示すように、グリーンレーザーの伝搬効率は、液体貯留室の高さＨが高くなるに従って漸増している。前述のように、液体貯留室の高さＨが高くなるとレーザー光が液体中を通過する距離が長くなるので、レーザー光が液体により吸収され、レーザー光の伝搬効率が低下するはずであるが、実際には伝搬効率が上昇する。これは、液体貯留室の高さＨを高くすることにより、液体貯留室内及び噴流液柱内における流れの乱れが減少したためと考えられる。したがって、グリーンレーザーを使用した場合には、この図８に示すように、液体貯留室の高さＨが４ｍｍ程度までは、流れの乱れを減少させることによる効果が増大し、伝搬効率が向上することが分かる。
【００７１】
一方、液体貯留室の高さＨが小さい場合において、レーザー光の伝搬効率が低下しているのは、熱レンズの影響によるものではなく、液体貯留室の高さＨが小さくなったことにより、ノズルの入口開口部の上流の流れが不安定になったためと考えられる。即ち、液体貯留室の高さＨが小さくなったことにより、ノズルの入口開口部の上流側の領域での水の流れが乱流となって噴流液柱が乱れ、レーザー光を良好に導光することができなかったためと考えられる。
【００７２】
以上のことより、レーザー光として水に対する熱吸収率の低いグリーンレーザーを用いた場合には、熱レンズの影響は非常に少なく、またはほとんど影響がない。したがって、水に対する吸収率の低いレーザー光を使用した場合には、特許文献１に記載されている装置のように、液体貯留室の高さＨを低くして液体貯留室内における流速を大きくし、熱レンズを抑制する必要がない。逆に、液体貯留室の高さＨを大きく設定することにより、液体貯留室内の流速を低下させ、液体貯留室内及び噴流液柱内における流れの乱れを抑制することにより、レーザー光の伝搬効率を向上させることができる。
このように、導入窓−ノズル間距離（液体貯留室の高さＨ）を大きく採れば採るほど、導入窓の保護とノズル３上部の層流形成には有利であるが、スペースの制約や応答性を考慮すれば、２〜４０ｍｍの間、ノズル３の直径との関係ではノズル径の２０〜４００倍の間で適宜設定するのが好ましい。
【００７３】
また、液体貯留室８３におけるノズル３の軸線方向の奥行きを２ｍｍ以上である３ｍｍ確保することで、ノズル３の入口開口部３１のレーザー集光点から導入窓５３等(図２の実施例においては、集光レンズ５２)を隔離することができるため、導入窓５３等の熱歪み等を回避して安定した光学性能を確保するとともに、耐久性を向上させて安定した加工品質を確保することができる。
【００７４】
なお、本実施形態においては、液体貯留室８３におけるノズル３の軸線方向の奥行きを３ｍｍとしたが、ノズル径を考慮して、ノズル径の２０倍以上とすることもできる。すなわち、ノズル径が大きくなるとノズル３から噴射される流量が増大するため、ノズル３の軸線方向の奥行きを大きくした方がより層流状態を形成しやすくなるからである。例えば、ノズル径がφ１５０μｍであれば、液体貯留室８３におけるノズル３の軸線方向の奥行きを３ｍｍ以上である例えば４〜５ｍｍとする方が好ましい。
【００７５】
［本実施形態に係る液体貯留室の高さと、液体貯留室内の液体の流速の関係］
次に、図９を参照して、本実施形態に係る液体貯留室８３内でレーザー光Ｌが照射される領域周面での流速と、従来の構造による液体供給路内でレーザー光が照射される領域周面での流速とを比較する。
【００７６】
図９は、ノズル周辺における液体貯留室（液体供給路）の構造を模式的に示す図である。この図９において、液体貯留室１２０内でレーザー光Ｌが照射される領域Ｕは、導入窓１２２とノズル１２４の入口開口部１２６との間に形成される円錐台となる。この円錐台領域Ｕの周面（側面）を通過する液体の平均流速を、本実施形態に係る液体貯留室８３を用いた場合と、特許文献１に記載された装置の液体供給路を用いた場合とでそれぞれ算出し、比較する。
【００７７】
ここで、本実施形態に係る液体貯留室８３では、ノズルの軸線Ｇ方向の奥行きＨは、好ましい奥行き寸法範囲の最小値であるＨ＝２ｍｍとする。また、従来の構造として特許文献１に記載された液体供給流路では、Ｈ＝０．５ｍｍとする。なお、その他の条件は、互いに共通の値に設定する。具体的には、噴流液体として水を用い、ノズル径を１５０μｍ、水の供給圧力を８０バール（８ＭＰａ）とする。また、円錐台領域Ｕ側面の軸線に対する角度θは、水柱内でレーザー光を全反射させることができ、且つノズル径より小さな集光径を得るために、通常１０°前後で使用されるため、ここでは１０°に設定する。
【００７８】
以上のような条件において、水の流量Ｑは、次の式１により、１７００ｍｍ3／ｓである。
【００７９】
【００８０】
また、円錐台領域Ｕの側表面積Ａは、次の式２により求められる。ここで、ｒは円錐台領域Ｕの頂面の円形半径であり、これはノズルの半径と等しく、ｒ＝７５μｍである。Ｒは、円錐台領域Ｕの底面の円形半径であり、Ｒ＝Ｈ・ｔａｎθで求められる。また、Ｌは、円錐台領域Ｕの側面に沿った長さであり、Ｌ＝Ｈ／ｃｏｓθで求められる。
【００８１】
【００８２】
よって、液体貯留室内における円錐台領域Ｕの周面（側面）を通過する液体の平均流速はＱ／Ａにより計算されるので、本実施形態に係る液体貯留室８３を用いた場合の平均流速Ｖ１と、特許文献１に記載された装置の平均流速Ｖ２の比Ｒは、次の式３により求められる。
【００８３】
【００８４】
以上の式より、比Ｒを求めると、Ｒ＝１／１０．５となる。また、本実施形態に係る液体貯留室８３においては、平均流速は６２３．３ｍｍ／ｓｅｃ、特許文献１に記載された装置においては、平均流速は６５４２ｍｍ／ｓｅｃと計算され、本実施形態のレーザー加工装置は、従来の装置と比較して、平均流速が非常に遅いことがわかる。
即ち、本実施形態に係る液体貯留室８３を用いた場合には、液体貯留室８３内の水の流速は、従来の構造の液体供給路内の水の流速の約１０分の１になる。なお、本実施形態に係る液体貯留室８３の奥行きを、より好ましい４ｍｍとすれば、平均流速は更に低下し、平均流速の比Ｒは約１／３８になる。
【００８５】
以上のことにより、液体貯留室８３の軸線Ｇ方向の奥行きを大きく、より具体的には２ｍｍ以上、より好ましくは４ｍｍ以上とすることにより、従来構造の液体供給路を用いた場合よりも、液体貯留室８３内の水の流速を格段に小さくすることができることが分かる。このように、液体貯留室８３内に水を滞留させてその流速を小さくすることは、前述のように、ノズル３手前で水の安定した層流状態を作り出すのに効果的である。
【００８６】
即ち、特許文献１記載の装置においては、円錐台領域Ｕにおける熱レンズの発生を抑制することを主眼におき、液体供給路の奥行きを小さく設定して液体供給路内の水の流速を大きくする構造としていた。そのため、液体供給路内の水が乱流となりやすく、噴流液柱が乱れるので、熱レンズの発生を抑制してもレーザー光の伝搬効率をあまり高くすることができなかった。これに対して、本実施形態に係る液体貯留室８３では、液体貯留室８３の奥行きを大きく設定することにより、液体貯留室８３内に水を滞留させて流速を小さくし、層流状態を形成することができる。これにより、乱れのない噴流液柱Ｆを形成することができ、レーザー光の伝搬効率をも高めることができる。
【００８７】
［本実施形態に係る液体貯留室内の水のレイノルズ数について］
次に、図９の例を用いて、本実施形態に係る液体貯留室８３内の円錐台領域Ｕの水のレイノルズ数と、従来の構造による液体供給路内の円錐台領域Ｕの水のレイノルズ数とを比較する。
前述の図９に示す模式図において、奥行きＨを２ｍｍ及び４ｍｍとした本実施形態に係る液体貯留室８３の構造の場合と、奥行きＨを０．５ｍｍとした、特許文献１記載の装置におけるレイノルズ数を計算する。
【００８８】
レイノルズ数は、次の式４で表され、ここで、Ｖは平均流速、Ｌは、図９に示すように円錐台領域Ｕにおける周面に沿ったノズルと導入窓の間の長さ、νは２０℃における水の動粘性係数である。平均速度Ｖは、式３を利用して計算した値を使用し、本実施形態に係る液体貯留室８３において、奥行きＨ＝２ｍｍの場合には０．６２３ｍ／ｓ、奥行きＨ＝４ｍｍの場合には０．１７１ｍ／ｓ、従来の構造の液体供給路の奥行きＨ＝０．５ｍｍの場合には６．５４２ｍ／ｓである。また、水の動粘性係数νは、１．０１×１０ー6ｍ2／ｓとする。
【００８９】
【００９０】
以上の計算により求めた各条件でのレイノルズ数Ｒｅは、奥行きＨ＝２ｍｍの場合でＲｅ＝１２５２、奥行きＨ＝４ｍｍの場合でＲｅ＝６８８、奥行きＨ＝０．５ｍｍの場合で３２８８となった。ここで、ノズル３及び導入窓５３の平行な平面で囲まれる加工ヘッド４のような構造では、乱流と層流との境界となる最小臨界レイノルズ数は、平行壁の流れにおける最小管路の最小臨界レイノルズ数と同等であると考えられ、Ｒｅ＝１０００とされている。したがって、従来の構造の液体供給路では、レイノルズ数が３２８８と、最小臨界レイノルズ数を大きく上回る数値となっており、液体供給路内が乱流の発生しやすい状態となっていることがわかる。
【００９１】
なお、奥行きＨ＝２ｍｍの場合でも、レイノルズ数Ｒｅが、最小臨界レイノルズ数を越えているが、これは、ノズル径を１５０μｍにした場合の数値である。ノズル径をより小さいものにした場合には、ノズルを流れる液体の流量が少なくなるため、レイノルズ数Ｒｅも小さくなる。したがって、より小さな径のノズルを使用する場合には、奥行きＨ＝２ｍｍでも乱流を起こさない条件を作ることは可能であり、したがって、奥行き寸法は、使用するノズル径等の設定値に応じて適宜設定する必要がある。その点、奥行きＨ＝４ｍｍ以上とすれば、乱流を起こさずに使用することができるノズル径範囲が大きくなるので、液体貯留室を設計する際に奥行きＨ＝４ｍｍ以上に設定すれば、加工ヘッドにより汎用性を持たせることができる。
【００９２】
［本実施形態に係る液体貯留室内の液体の流速の分布について］
上記のように、本実施形態のレーザー加工装置においては、液体貯留室８３内の平均流速が特許文献１記載の装置に比べ非常に遅いことがわかる。
ここでは、数値計算による流体シミュレーションを使用して、更に詳細に、本実施形態に係る液体貯留室８３内の流速の分布と、従来の構造による液体供給路内の流速の分布とを比較する。なお、特許文献１に記載された従来の構造による液体供給路は、ノズルの軸線方向の奥行きが、本実施形態に係る液体貯留室８３よりも小さい点で、本実施形態に係る液体貯留室８３と大きく異なる。
【００９３】
図１０は、本実施形態に係る液体貯留室８３内の流速分布を計算するために使用した液体貯留室８３のモデル１００を示す。モデル１００は、直径１０ｍｍ、高さ４ｍｍの略円柱に形成され、その底面中央に、ノズル３に対応する直径１００μｍの孔１０２が形成されている。流速分布シミュレーションは、モデル１００の周面から一様に６．２５ｍｍ／ｓの速度で流体が流入し、孔１０２から一様に１００ｍ／ｓの速度で流体が流出するという条件下で行った。
【００９４】
一方、図１１は、従来の構造の液体供給路内の流速分布を計算するために使用した液体供給路のモデル１０４を示す。モデル１０４は、直径１０ｍｍ、高さ０．５ｍｍの略円柱に形成され、その底面中央に、ノズルに対応する直径１００μｍの孔１０６が形成されている。流速分布シミュレーションは、孔１０６からの流体の流出速度が、本実施形態における計算条件と同じ１００ｍ／ｓとなるように、モデル１０４の周面からの流入速度を５０ｍｍ／ｓとして行った。
【００９５】
図１２及び図１３は、本実施形態に係る液体貯留室であるモデル１００を使用した場合の水の流速分布のシミュレーション結果を示し、図１４及び図１５は、特許文献１のモデルであるモデル１０４を使用した場合の水の流速分布のシミュレーション結果を示す。ここで、図１２及び図１４は、各モデルの孔の軸線に沿った断面における流速分布である。これらの図は、モデル１００、１０４内の各点における流速を、その点から延びるベクトルの向きと大きさで表したものであり、ベクトルの長さが大きいほど、流速が大きいことを示す。図１３及び図１５は、液体貯留室内、液体供給空間内における液体の流線と、各部における流速の分布をほぼ同じ流速の領域ごとに大まかに区切って表したものである。図１３及び図１５において、領域Ｉは流速約０．１２５ｍ／ｓｅｃ以下の領域を表し、領域IIは流速約０．１２５〜０．２５ｍ／ｓｅｃの領域を表し、領域IIIは流速約０．２５〜０．７５ｍ／ｓｅｃの領域を表し、領域IVは流速約０．７５〜０．８７５ｍ／ｓｅｃの領域を表し、領域Ｖは流速が約０．８７５ｍ／ｓｅｃよりも大きいの領域を表している。なお、図１５においては、流速が約０．２５ｍ／ｓｅｃ以下となる領域（領域Ｉ及びII）は殆ど見られなかった。
【００９６】
図１２及び図１３に示すように、本実施形態に係るモデル１００内の水は、孔１０２の近傍以外で移動が少なく、流速が小さい。また、孔１０２の上部の広い領域に亘って流速が非常に小さくなっている。
一方、図１４乃至図１５に示すように、特許文献１のモデルであるモデル１０４においては、液体供給空間全体に亘って水の流速がモデル１００の場合と比較して大きく、特に孔１０６の上部の領域では、液体供給空間の上端まで流速が非常に大きくなっていることが認められる。また、水の流れは、孔１０６の外周側から中央の孔１０６に向かって、孔１０６の軸線方向に垂直な方向に移動し、孔１０６の上部で、流れの方向が孔１０６の軸線方向に垂直な方向から軸線方向に沿った方向に急激に変化している。
【００９７】
以上のことより、モデル１００、１０４の円柱の高さ、即ち、液体貯留室、液体供給空間のノズル３の軸線Ｇに沿った方向の奥行きを、本実施形態に係る液体貯留室８３のように従来の構造より大きく設定して、液体貯留室８３内に水を滞留させることにより、液体貯留室８３内の水の流速を従来の構造の場合より小さくすることができることが分かる。これにより、液体貯留室８３内においてノズル３の上流側で層流状態が形成され、ノズル３から噴射される噴流液柱Ｆの表面の乱れの発生を効果的に抑制することができる。
【００９８】
［本実施形態に係る液体貯留室内の液体の乱流エネルギの分布について］
次に、本実施形態に係る液体貯留室８３内の乱流エネルギと、特許文献１記載の構造における液体供給路内の乱流エネルギとを比較する。なお、乱流エネルギとは、乱流の各方向における変動速度成分の２乗和の時間平均を２で除することによって計算される量であり、流れの乱れの度合いを表すものである。
【００９９】
前述の図１０及び図１１のモデル１００、１０４を用いて、孔１０２、１０６が形成された面から０．０１ｍｍの距離における、円柱の軸線に垂直な平面での乱流エネルギの分布を、数値流体シミュレーションによりそれぞれ計算する。
図１６は、本実施形態に係る液体貯留室８３に対応するモデル１００の乱流エネルギの分布のシミュレーション結果を模式的に表し、図１７は、従来の構造の液体供給路に対応するモデル１０４の乱流エネルギの分布のシミュレーション結果を模式的に表す。なお、乱流エネルギの値は、ＸＩ、ＸII、ＸIII、ＸIV、ＸＶの順に大きくなっている。
【０１００】
図１６に示すように、モデル１００の乱流エネルギは、孔１０２近傍を除くほとんどの範囲において均一に小さい値となっており、孔１０２近傍において乱流エネルギの比較的高い部分が対称に、略円形に認められる。
一方、図１７に示すように、モデル１０４の乱流エネルギは、孔１０６の周囲の広い範囲で図１６よりも高い乱流エネルギを示し、その分布は非対称となっている。これは、モデル１０４内の流れが均一でなく、巻き込みなどの不均一な流れ（乱れ）が生じていることがわかる。
【０１０１】
以上のことより、本実施形態に係る液体貯留室８３に対応するモデル１００では、液体貯留室の高さＨ、即ち液体貯留室８３のノズル３の軸線Ｇに沿った方向の奥行きを従来の構造よりも大きく設定することにより、液体貯留室８３の軸線Ｇに垂直な方向について均一で且つ乱れの少ない液体の流れを作ることができることが分かる。
また、図１０及び図１１に示すモデル１００、１０４での流れ場における乱流エネルギの最大値は、図１０に示すモデルで１２４ｍ2／ｓ2であり、図１１に示すモデルで３０７ｍ2／ｓ2である。このことからも、モデル１００に対応する本実施形態の液体貯留室８３の構造の方が、モデル１０４に対応する従来の構造よりも乱流の発生を効果的に抑制できることがわかる。
【０１０２】
［本実施形態に係るノズル近傍の水の移動経路について］
次に、本実施形態に係るノズル近傍での水の移動経路と、従来の構造による近傍での水の移動経路とを実験により比較する。
【０１０３】
前述の図１２乃至図１７に示したシミュレーション結果を実際に確認するために、図１０及び図１１と同様の実際のモデルを作製し、観察粒子として塗料粒子を混入した水を流して、塗料粒子を高速度ビデオカメラでそれぞれ撮影した。このとき、ノズルに対応する孔の径は２００μｍ、水の噴射圧は２ＭＰａ、塗料粒子の粒子径は２０〜６０μｍとした。また、高速度ビデオの撮影条件は、Ｐｈｏｔｏｒｏｎ ＦＡＳＴＣＡＭ−ＭＡＸ ｍｏｄｅｌ１２０ｋを用いて、図１０のモデルでは、６０００ｆｐｓの撮影コマ数で、図１１のモデルでは４０００ｆｐｓの撮影コマ数で撮影した。
【０１０４】
図１８は、本実施形態の液体貯留室８３の構造に対応する図１０の実際のモデルにおける水の移動を撮影した映像を模式的に表した図であり、図１９は、従来の液体供給路の構造に対応する図１１の実際のモデルにおける水の移動を表した図である。なお、これらの図は、異なる時間において撮影された観察粒子の画像を重ね合わせることにより、観察粒子の移動経路を示したものである。
図１８に示すように、本実施形態の液体貯留室８３の構造に対応するモデルでは、観察粒子は矢印に沿って、孔１０８の上方から乱れのない流線を描いて、孔１０８に向かって移動している。
一方、図１９に示すように、従来の構造に対応するモデルでは、観察粒子は、孔１１０に対して孔１１０の周囲を巡るように、即ち渦流を起こしながら移動している。
これらのことは、前述の図１６及び図１７のシミュレーション結果とも一致する。
【０１０５】
以上のことより、本実施形態に係る液体貯留室８３の構造では、ノズルの軸線Ｇ方向に沿った奥行きを従来の構造よりも大きく設定することにより、水の巻き込みを防止して、水を均一な流れでノズルに流入させることができることが分かる。
【０１０６】
［本実施形態に係るレーザー光の水への熱的影響について］
次に、特許文献１の装置において使用されている波長１０６４ｎｍの基本波と本実施形態のレーザー加工装置において使用されている波長５３２ｎｍの第二次高調波とを用いて、水中を進むレーザー光の水への熱的影響を説明する。
まず、ＩＲレーザー及びグリーンレーザーについて、レーザー光の吸収による水の温度上昇について比較する。
【０１０７】
図２０（ａ）は、ノズル３の近傍の領域を模式的に示した図である。この図２０（ａ）に示すように、レーザー光Ｌは、集光レンズ５２で集光されながら導入窓５３を通って液体貯留室８３内の水中を進み、ノズル３の入口開口部３１で集光する。したがって、液体貯留室８３内の水中でレーザー光Ｌが照射される領域Ｎは、円錐形状となる。そこで、この円錐領域Ｎにおける水の温度上昇を計算する。
【０１０８】
図２０（ｂ）は、レーザー光Ｌが照射される円錐領域Ｎを模式的に示す。この図２０（ｂ）において、円錐領域Ｎの底面中心の点Ａから距離ｄ離れたノズル３の入口開口部３１の位置に対応する頂点Ｂまでの領域の水の温度上昇ΔＴは、次の式５で求められる。
【０１０９】
【０１１０】
ここで、Ｐはレーザー光の出力（Ｗ）、αはレーザー光の水に対する吸収係数（ｃｍ-1）で、ＩＲレーザーではαFM＝１．４４×１０-1、グリーンレーザーではαSHG＝４．４７×１０-4である。また、ｄは点Ａからの距離（ｍｍ）、Ｃは水の比熱で、４．１８（Ｊ／ｇ・Ｋ）、ρは水の密度で、１（ｇ・ｃｍ-3）、Ｊはノズル径１５０μｍ、噴射圧約４ＭＰａのときの水の流量で、１．７（ｃｍ3／ｓｅｃ）、θは図２０（ａ）に示すように、軸線Ｇに対する円錐領域Ｎの周面の角度で、ｔａｎθ＝０．１である。
【０１１１】
図２１は、出力Ｐ＝１０（Ｗ）の場合の、点ＡからＢの距離ｄに対する、レーザー光Ｌの吸収による水の温度上昇ΔＴを示した図である。この図２１に示すように、ＩＲレーザーを照射した場合には、距離ｄが増加するにつれて、水の温度が比例的に上昇し、距離ｄが４ｍｍの場合には、温度上昇ΔＴは１６．２℃となる。一方、グリーンレーザーを照射した場合には、距離ｄが増加しても水の温度はほとんど上昇せず、距離ｄが４ｍｍの場合でも、温度上昇ΔＴは０．０５℃となる。このとき、水の温度上昇による屈折率変化Δｎは、ＩＲレーザーでΔｎFM＝１．３×１０-3であり、グリーンレーザーではΔｎSHG＝−４×１０-6となる。したがって、グリーンレーザーを使用した場合には、ＩＲレーザーを使用した場合のように屈折率が大きく変化することはなく、レーザー光の透過に対する熱的影響をほとんど受けないことが分かる。
【０１１２】
なお、ＩＲレーザーを用いて、温度上昇をグリーンレーザーと同等に抑えるためには、点ＡからＢの距離ｄを１３μｍ程度にする必要がある。しかしながら、一方で、点Ａからの距離ｄをそのように小さく設定すると、前述の通り、液体貯留室８３内における流れの乱れが発生することになる。このことからも、グリーンレーザーを使用することが、乱れのない噴流液柱の形成を可能にしながら熱的影響を最小限に抑制するために有利であることがわかる。
【０１１３】
以上のことより、グリーンレーザーを用いた場合には、距離ｄを４ｍｍにしても、水の温度がほとんど上昇しないため、温度上昇に伴う水の屈折率の変化による熱レンズの影響を、ＩＲレーザーを用いた場合よりも遙かに抑制することができる。また、グリーンレーザーを使用した場合には、円錐領域Ｎにおける熱的影響が小さいため、水の温度上昇を防止するよう水の流速を大きく設定する必要がなく、液体貯留室８３の軸線Ｇ方向の奥行きを大きく設定して水の流速を小さくすることが可能となる。これにより、液体貯留室８３内の水を層流状態に維持することができ、安定した乱れのない噴流液柱Ｆを噴射することができる。
【０１１４】
次に、ＩＲレーザー及びグリーンレーザーを使用した場合の、出力に対する水の温度変化量の関係について述べる。
図２２は、点ＡからＢの距離ｄを４ｍｍに設定した場合の、ＩＲレーザー及びグリーンレーザーの出力Ｐに対する円錐領域Ｎの水の温度変化量ΔＴの関係を示した図である。なお、ノズル径は１５０μｍ、噴射圧力は４ＭＰａ、レーザー光Ｌの集光角度θは５．７°とした。図２２に示すように、ＩＲレーザーを用いた場合では、レーザー光の出力Ｐが増加するにつれて、水の温度変化量ΔＴが比例的に増加する。一方、グリーンレーザーを使用した場合では、レーザー光の出力Ｐが増加しても、温度変化量ΔＴはほとんど変化しない。
以上のことより、ＩＲレーザーを使用する場合に比べ、グリーンレーザーを使用した場合には、距離ｄに対してだけでなく、レーザー光の出力Ｐに対しても、熱レンズの発生を抑制するのに有利であることが分かる。
【０１１５】
続いて、本発明の実施形態に係る加工ヘッドの第１実施例について、図２３を参照しながら説明する。図２３は本発明の第１実施例に係る加工ヘッドの構成を示す断面側面図である。
なお、図２３において、前記した実施形態に係る加工ヘッド４と同様の構成要素については同じ符号を付し詳細な説明は省略する。
【０１１６】
本発明の第１実施例に係る加工ヘッド４４は、図２３に示すように、レーザー光Ｌの中心軸の位置を合わせるアライメント調整機構４５とレーザー光Ｌの集光点の軸方向高さを合わせる軸方向調整機構４６を備えている。
加工ヘッド４４では、光学装置５を収容するハウジング４４１は、折れ曲がったクランク形状をなしており、ハウジング４４１の先端部に軸方向調整機構４６を介してノズルヘッド４４２が装着されている。そして、加工ヘッド４４の頂部から下方に放射されたレーザー光Ｌ１は、ビームスプリッター５１１により水平方向に反射される。この水平方向に反射されたレーザー光Ｌ２は、ビームスプリッター５１２により、レーザー光Ｌ１と平行な下方へ向けて再度反射される。この反射されたレーザー光Ｌ３は、集光レンズ５２により、ノズル３の入口開口部３１で集光される。
【０１１７】
ビームスプリッター５１１，５１２は、レーザー光Ｌを反射し、グリーン付近以外の可視光を透過する機能を有する。そして、ビームスプリッター５１１の背後(図２３の右側)には、ＣＣＤカメラ５１３が配置され、ビームスプリッター５１２の背後(図２３の上側)には光源としてＬＥＤライト５１４が配置されている。
かかる構成により、ＬＥＤライト５１４によりノズル３の入口開口部３１を照射し、ＣＣＤカメラ５１３によりレーザー光Ｌの焦点位置を確認することができる。
【０１１８】
アライメント調整機構４５は、円周上で直交する方向３箇所に配置された調整ねじ４５ａと、ビームスプリッター５１２を保持するばね４５ｂと、を備え、調整ねじ４５ａを押し引きして調整することで、ビームスプリッター５１２の角度を調整可能に構成されている。
かかる構成により、ノズル３の入口開口部３１におけるレーザー光Ｌの焦点位置をＣＣＤカメラ５１３で確認しながら、調整ねじ４５ａでビームスプリッター５１２の角度を調整することで、レーザー光Ｌの中心軸の位置をノズル３の入口開口部３１に合わせることができる。
【０１１９】
軸方向調整機構４６は、ハウジング４４１の先端部に螺合されノズルヘッド４４２を保持する調整ナット４６ａと、ハウジング４４１の先端部に螺合され調整ナット４６ａの上部側を保持するロックナット４６ｂと、調整ナット４６ａの外周部に螺合されノズルヘッド４４２を保持するロックナット４６ｃと、を備え、ロックナット４６ｂ，４６ｃには、それぞれバックラッシを除去するために軸方向に付勢するばね４６ｄ，４６ｅが内蔵されている。
【０１２０】
かかる構成により、ロックナット４６ｂ，４６ｃを緩めた状態で調整ナット４６ａを回転させることで、ノズルヘッド４４２の軸方向位置を調整して、容易にレーザー光Ｌの集光点の軸方向高さをノズル３の入口開口部３１に合わせることができる。また、ロックナット４６ｂ，４６ｃで強固に固定でき、ばね４６ｄ，４６ｅでバックラッシを除去しているため振動や衝撃に対しても強い構造となっている。このため、レーザー光Ｌを噴流液柱Ｆ内に効率よく安定して導光することが可能となる。
【０１２１】
続いて、本発明の実施形態に係る加工ヘッドの第２実施例について、図２４を参照しながら説明する。図２４(ａ)は本発明の第２実施例に係る加工ヘッドにおけるノズル周りの構成を示す部分断面側面図であり、(ｂ)は(ａ)において封止部材を装着する場合を示す。
なお、図２４において、前記した実施形態に係る加工ヘッド４と同様の構成要素については同じ符号を付し詳細な説明は省略する。
【０１２２】
本発明の第２実施例に係る加工ヘッド４８，４８’は、ハウジング４４５の中心軸とノズルの軸線Ｇとを合わせる調心機構４９を備えたものである。
調心機構４９は、図２４(ａ)，(ｂ)に示すように、ノズル側に形成されたテーパ形状部４９１とハウジング側に形成されたテーパ形状部４９２とを係合させることで、ハウジング４４５の中心軸Ｇとノズルの軸線Ｇとが自動的に調心できるように構成されている。そして、ノズルキャップ３０ａをハウジング４４５，４４６に螺入することで、ノズル３０，３０’をハウジング４４５，４４６に固定することができる。
また、加工ヘッド４８’は、図２４(ｂ)に示すように、封止部材であるＯリング３２をノズル３０’の外周面に配設して、さらにシール性を高めたものである。
【０１２３】
かかる構成により、調心機構４９を備えたことで、ノズル３０，３０’を安定して保持するとともに、ノズル３０，３０’の交換を行なうたびにノズル３０，３０’の中心位置や直角度がずれて、噴流液柱Ｆが安定しないという問題を解決することができる。
また、ノズル３０，３０’をハウジング４４５，４４６に固定するノズルキャップ３０ａを備えたことで、ノズル３０，３０’の交換作業も容易となる。
【０１２４】
続いて、本発明係る層流形成流路の変形例について、図２５乃至図２７を参照しながら説明する。図２５は、本発明に係る層流形成流路の第１変形例の形状を示す斜視図であり、図２６は、本発明に係る層流形成流路の第２変形例の形状を示す斜視図であり、図２７は、本発明に係る層流形成流路の第３変形例の形状を示す斜視図である。
【０１２５】
先ず、図２５に示すように、本発明の第１変形例に係る層流形成流路２００は、分配流路２０２の内周側壁面２０４が、内側且つ軸線Ｇの下流側に向かって傾斜した傾斜面を形成している。また、連絡流路２０６の内周面２０８も、内側且つ軸線Ｇの下流側に向かって傾斜した傾斜面を形成しており、この内周面２０８と、内周側壁面２０４とは、連続した同一平面となっている。このような形状の層流形成流路２００により、高圧ポンプから導入管２１０を通って導入された高圧水は、内側壁面２０４の傾斜面及び連絡流路２０６の傾斜面で案内されながら連絡流路２０６に流入する。したがって、層流形成流路２００内の水の流れが滑らかになり、乱流や渦の発生をより一層抑制することができる。
【０１２６】
次に、図２６に示す第２変形例では、層流形成流路２２０の連絡流路２２２の外周面２２４、及び液体貯留室２２６の外周面２２８が内側に円弧状に湾曲している。この第２変形例では、連絡流路２２２の外周面２２４と液体貯留室２２６の外周面２２８は、連続した曲面を形成している。このような形状の層流形成流路２２０により、連絡流路２２２から液体貯留室２２６への水の流れが滑らかになり、乱流や渦の発生をより一層抑制することができる。
【０１２７】
次に、図２７に示す第３変形例では、層流形成流路２４０の分配流路２４２及び液体貯留室２４４の横断面は、それぞれ略矩形に形成されている。層流形成流路２４０の連絡流路２４６は、分配流路２４２の内側且つ軸線Ｇの下流側部分と、液体貯留室２４４の外側且つ軸線Ｇの上流側部分とを連通するように、軸線Ｇ方向に沿って形成されている。このような形状の層流形成流路２４０では、分配流路２４２に流入した水は、内周側壁面２４８に当たって分配流路２４２の全周にわたって行き渡り、また、軸線Ｇ方向下流側に向きを変えて内周側壁面２４８に沿って進み、連絡流路２４６に流入する。連絡流路２４６からの水は、液体貯留室２４４の外周側壁面２５０に沿って流入する。このような形状の層流形成流路２４０によれば、水が、分配流路２４２の内側壁面２４８及び液体貯留室２４４の外側壁面２５０に沿って移動することにより、壁面で水の渦を抑制することができる。これは、特に、連絡流路２４６を構造上長く形成することができない場合に有効である。
なお、連絡流路は、上述の図３や図２５乃至図２７のような形状に限らず、液体貯留室に全周から噴流液体が流れ込む形状の流路であれば、その形状は任意である。
【０１２８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されず、適宜変更して実施することが可能である。
例えば、本実施形態においては、レーザー光Ｌとしてグリーンレーザーを採用しているがこれに限定されるものではなく、レーザー光Ｌが水に吸収され難いもっと波長の短いＵＶレーザーを採用することもできる。好ましくは、噴流液体を透過する際の吸収係数が０．０１［ｃｍ-1］以下になるレーザー光を採用する。
また、本実施形態においては、噴流液体として水を使用したが、これに限定されるものではなく、レーザー光Ｌが吸収され難いシリコンオイル等を噴流液体として使用することもできる。そして、レーザー光ＬもグリーンレーザーやＵＶレーザーに限定されるものではなく、ＣＯ2レーザーやＹＡＧレーザーを採用することもできるが、噴流液体として水を使用する場合には、レーザー光が水に吸収されにくいレーザーを採用することが好ましい。ここで、水に吸収されにくいレーザーとして、波長域２００〜７００ｎｍのレーザーが挙げられる。なお、レーザー光が吸収され難い噴流液体を使用する場合には、ＣＯ2レーザーやＹＡＧレーザーを用いてもレーザー光の良好な伝搬効率を得ることができる。
【０１２９】
本発明は、また、以下のような態様とすることができる。
（１）レーザー光を発生するレーザー発振器と、ワークに噴流液体を噴射するノズルと、このノズルに噴流液体を供給する液体供給手段と、を有し、ノズルから噴射された噴流液柱内に導かれたレーザー光によるレーザー加工装置であって、噴流液体を層流状態でノズルに供給する層流形成流路を有し、層流形成流路は、液体供給手段から供給された噴流液体をノズルの軸線周りに環状に分配する空洞が形成された分配流路と、ノズルの軸線方向下流側において分配流路に連通して設けられ、分配流路よりも狭い流路で軸線周りに環状の空洞が形成された連絡流路と、ノズルの軸線方向上流側に隣接して設けられ、噴流液体を貯留してノズルに供給する液体貯留室と、を備え、液体貯留室の外周縁部は、環形状の全周にわたって連絡流路と連通されていること、を特徴とするレーザー加工装置。
（２）レーザー光は、噴流液体を透過する際の吸収係数が０．０１［ｃｍ-1］以下であることを特徴とする上記（１）に記載のレーザー加工装置。
（３）噴流液体は水であり、レーザー光は、グリーンレーザー、またはＵＶレーザーであることを特徴とする上記（１）または（２）に記載のレーザー加工装置。
（４）噴流液体は水であり、レーザー光は、波長域が２００〜７００ｎｍであることを特徴とする上記（１）から（３）のいずれか１つに記載のレーザー加工装置。
（５）液体貯留室は、ノズルの軸線方向の奥行きが２ｍｍ以上であり、外周縁部の軸方向上流側で連絡流路に連通されていること、を特徴とする（１）から（４）のいずれか１つに記載のレーザー加工装置。
（６）噴流液体が水である場合において、液体供給手段は、レーザー光の伝搬媒体としての噴流液体の均質性を高めるための処理装置を備えていることを特徴とする（１）から（５）のいずれか１つに記載のレーザー加工装置。
（７）レーザー加工装置は、噴流液柱に沿って導入されるアシストガス供給装置を有し、アシストガス供給装置は、ノズルの下流側に設けられ噴流液柱を収容するように形成されたガス供給室と、このガス供給室にアシストガスを導入する導入流路と、を備え、導入流路は、噴流液柱の外周からスパイラル状に沿うように構成したスパイラル状導入流路、または、噴流液柱の軸線に漸近するように構成されたコーン状導入流路であること、を特徴とする（１）から（６）のいずれか１つに記載のレーザー加工装置。
（８）液体貯留室は、連絡流路の空洞の体積よりも大きな体積を有すること、を特徴とする（１）から（７）の何れか１つに記載のレーザー加工装置。
（９）分配流路には、液体供給手段からの噴流液体が導入される導入管が接続され、連絡流路の分配流路との連通部は、導入管の軸線から外れた位置に配置されること、を特徴とする（１）から（８）の何れか１つに記載のレーザー加工装置。
（１０）連絡流路の外周面と、液体貯留室の外周面は、段差なく連続した面を形成すること、を特徴とする（１）から（９）の何れか１つに記載のレーザー加工装置。
（１１）液体貯留室は、ノズルの軸線方向の奥行きが、ノズルの直径の２０倍以上に構成されていること、を特徴とする（１）から（１０）のいずれか１つに記載のレーザー加工装置。
【符号の説明】
【０１３０】
１ レーザー加工装置
２ グリーンレーザー発振器
３ ノズル
４ 加工ヘッド
５ 光学装置
６ 液体供給手段
８ 層流形成流路
９ 処理装置
１１ アシストガス供給装置
１１ｃ スパイラル状導入流路
１１ｅコーン状導入流路
１１ｆ 分配流路
３１ 入口開口部
３２ 噴射口
８１ 分配流路
８２ 連絡流路
８３ 液体貯留室
８３ａ 外周縁部
９１ 水処理装置(処理装置)
９２ 高圧フィルタ(処理装置)
ＡＳ アシストガス
Ｆ 噴流液柱
Ｌ(Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３) レーザー光
Ｗ ワーク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を発生するレーザー発振器と、ワークに噴流液体を噴射するノズルと、このノズルに前記噴流液体を供給する液体供給手段と、を有し、前記ノズルから噴射された噴流液柱内に導かれたレーザー光によるレーザー加工装置であって、
前記噴流液体を層流状態で前記ノズルに供給する層流形成流路を有し、
前記層流形成流路は、前記液体供給手段から供給された噴流液体を前記ノズルの軸線周りに環状に分配する空洞が形成された分配流路と、
前記ノズルの軸線方向下流側において前記分配流路に連通して設けられ、前記分配流路よりも狭い流路である空洞が形成された連絡流路と、
前記ノズルの軸線方向上流側に設けられ、前記噴流液体を貯留して前記ノズルに供給する液体貯留室と、を備え、
前記液体貯留室の前記ノズルの軸線方向の奥行きは、２〜４０ｍｍであること、
を特徴とするレーザー加工装置。
【請求項１】
レーザー光を発生するレーザー発振器と、ワークに噴流液体を噴射するノズルと、このノズルに前記噴流液体を供給する液体供給手段と、を有し、前記ノズルから噴射された噴流液柱内に導かれたレーザー光によるレーザー加工装置であって、
前記噴流液体を層流状態で前記ノズルに供給する層流形成流路を有し、
前記層流形成流路は、前記液体供給手段から供給された噴流液体を前記ノズルの軸線周りに環状に分配する空洞が形成された分配流路と、
前記ノズルの軸線方向下流側において前記分配流路に連通して設けられ、前記分配流路よりも狭い流路である空洞が形成された連絡流路と、
前記ノズルの軸線方向上流側に設けられ、前記噴流液体を貯留して前記ノズルに供給する液体貯留室と、を備え、
前記液体貯留室の前記ノズルの軸線方向の奥行きは、２〜４０ｍｍであること、
を特徴とするレーザー加工装置。
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【公開番号】特開２０１２−２１０６６１（Ｐ２０１２−２１０６６１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１７１２８２（Ｐ２０１２−１７１２８２）
【出願日】平成２４年８月１日（２０１２．８．１）
【分割の表示】特願２００８−３６５０７（Ｐ２００８−３６５０７）の分割
【原出願日】平成２０年２月１８日（２００８．２．１８）
【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２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年８月１日（２０１２．８．１）
【分割の表示】特願２００８−３６５０７（Ｐ２００８−３６５０７）の分割
【原出願日】平成２０年２月１８日（２００８．２．１８）
【出願人】（０００１３２１６１）株式会社スギノマシン (144)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]