JP2005288470A

JP2005288470A - レーザ加工装置用集塵装置

Info

Publication number: JP2005288470A
Application number: JP2004106103A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Yamada; 典章山田; Hitoshi Takahashi; 仁高橋
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】対物レンズと連動して動き不活性ガスを噴射する噴射管と、吸気除外する排気管とを１つのフードの内側に配置し、アブレーションにより発生する粉塵をレーザ加工装置内から除去する装置を提供する。
【解決手段】本レーザ加工装置用集塵装置は、レーザ加工装置の対物レンズ２３と加工対象物２６との間に配設され、レーザ光貫通用の孔部を両端に備える筒状のフード２０と、前記フードの外側から内側に洗浄ガスを噴射する噴射管２１と、前記フードの内側から外側に洗浄ガスを排気する排気管２２と、前記噴射管と前記排気管との間に配設される仕切板とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザビームを使用した加工方法及び装置において加工によって発生する粉塵を除去するためのレーザ加工装置用集塵装置に関するものである。

従来この種の装置としては、特許文献１、特許文献２、特許文献３に記載されたレーザ加工装置用集塵装置があった。
各特許文献に記載されたレーザ加工装置用集塵装置は、加工用対物レンズの焦点調整軸の先端に細いノズルを取り付け、レーザ照射によるアブレーションで発生した粉塵を真空ポンプで吸引除去するか、もしくは、アシストガスとしてヘリウムガス等の不活性ガスをノズルから噴射して装置内部の雰囲気を置換し、被加工材への溶着などを防止するものである。

図４は、特許文献１記載のノズルの先端部を示す断面図である。
図４に示すように、特許文献１ではノズルの内部に羽を設けることにより、ヘリウムガスなどの不活性ガスを用いるアシストガスの風圧で、レーザアブレーションにより発生した粉塵を装置外部に効率よく吹き飛ばすように構成されている。

具体的には、レーザ光１は集光レンズ２の上方から照射され、羽根車付き透明板３を通過して被加工材４に照射される。レーザ光１の照射によるアブレーションなどにより発生する加工粉塵がノズル５内に入り集光レンズ２の表面に付着したり、被加工材４に再度付着することを防止するためアシストガス６をノズル内に導入する。アシストガスを導入する風圧で羽根車７が回転することで、レーザの光路を一定に保つとともに、加工粉塵がノズル内部に入り込むことを防止する。

図５は、特許文献３記載の加工粉塵集塵装置のノズルの構造を概略的に示す図である。
図５に示すように、特許文献３では、四方の壁をレンズと加工する基材の間に配置し、レンズと基材の間の空間を加工粉塵集塵装置で密閉することにより、加工粉塵を集塵する。

具体的には、レーザ光１は集光レンズ２の上方から照射され、整流溝８を透過して被加工材４に照射される。粉塵を排気管９へ運び除去するために、一定の風速で上方給気口１０及び下方給気口１１よりアシストガスを噴き出す。側壁１２〜１５は集光レンズ２と被加工材４の間の空間を密閉するためのもので、あわせて整流溝８により一定の角度でアシストガスを被加工材４に吹き付けるとともに、装置外に風圧が逃げることを防止するように機能する。また、上下２つの給気口１０、１１は、集光レンズ２に加工粉塵などが付着することを防止する。

特開２０００−３１２９８６号公報特開２００１−７１１７０号公報特開２００１−３２１９７９号公報

従来のノズルは、以上のように構成されているのでワークの直上でガスを吹き付けるか、真空ポンプで吸気することで、対物レンズの表面に付着してレーザ光を吸収してレンズやレンズの表面にコーティングした反射防止膜を損傷し、レーザ光の透過率を低減することを防止していた。

しかし、特許文献１記載のレーザ加工装置用集塵装置のようにノズル内部にファンを取り付けた場合、アブレーションにより発生する粉塵がファンに付着して蓄積することでレーザ光の透過を妨げると言う課題があった。また、集塵する機構を持たないため、装置内や加工室に粉塵が拡散され、装置や加工対象物に付着するという課題があった。

また、特許文献２のレーザ加工装置用集塵装置では、装置全体を収納する加工室の粉塵を集塵する工夫が必要であるが、加工室の集塵は装置内の加工部分での集塵に比べて、集塵が困難になるために大型の集塵装置を必要とし、より大型の設備が必要になるという課題があった。

さらに、特許文献３記載のレーザ加工装置用集塵装置では、平坦な基材以外の加工対象ではレンズと基材管の空間が密閉されず、適用範囲が限定されてしまい、四方に壁を配置することで角部に加工粉塵が堆積しやすく、それを防止するためには大型の排気装置が必要になるという課題があった。

この発明は、上述のような従来のレーザ加工装置用集塵装置で生じるアブレーションにより発生する粉塵が装置内に堆積することにより、粉塵の除去効率の低下を招いたり、粉塵が落下してワークに再付着する課題を解決するためになされたものであり、対物レンズと連動して動き不活性ガスを供給するノズルと、吸気除外するノズルとを１つのフードの内側に配置することにより、アブレーションにより発生する粉塵をレーザ加工装置内から除去する装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザ加工装置用集塵装置は、レーザ加工装置の対物レンズと加工対象物との間に配設され、レーザ光貫通用の孔部を両端に備える筒状のフードと、前記フードの外側から内側に洗浄ガスを噴射する噴射管と、前記フードの内側から外側に洗浄ガスを排気する排気管と、前記噴射管と前記排気管との間に配設される仕切板とを備える。

また、前記噴射管は、前記排気管よりも径方向外側に配設されている。

また、前記フードは、加工対象物側で密閉されていない。

また、前記仕切板は、前記筒状のフードの周方向に沿って形成されている。

また、前記筒状のフードの径方向に形成された径方向仕切板をさらに備える。

さらに、前記洗浄ガスとして、不活性ガスを用いる。

本発明のレーザ加工装置用集塵装置は、レーザ加工装置の対物レンズと加工対象物との間に配設され、レーザ光貫通用の孔部を両端に備える筒状のフードと、前記フードの外側から内側に洗浄ガスを噴射する噴射管と、前記フードの内側から外側に洗浄ガスを排気する排気管と、前記噴射管と前記排気管との間に配設される仕切板とを備えるので、フード内における粉塵を効率よく除去することができる。

また、前記噴射管は、前記排気管よりも径方向外側に配設されているので、アブレーションにより発生した粉塵（特にフード外に拡散した粉塵）がフード内に拡散することを抑制でき、また対物レンズと加工対象物の間の空間を密閉しなくても、レーザ加工装置内の光学部品に粉塵の付着を抑制できるので、レーザ加工装置を劣化損傷させることなく、レーザ光の安定性を向上させることができる。

また、前記フードは、加工対象物側で密閉されていないので、前記噴射管が前記排気管よりも径方向外側に配設されている構成と相まって、密閉を必要としない簡単な構成で、効率的にフード内の粉塵を除去することが可能なレーザ加工装置用集塵装置を提供することができる。

また、前記仕切板は、前記筒状のフードの周方向に沿って形成されているので、フード内における粉塵の除去効率をさらに向上させることができる。

また、前記筒状のフードの径方向に形成された径方向仕切板をさらに備えるので、フード内における粉塵の除去効率をさらに向上させることができる。

さらに、前記洗浄ガスとして、不活性ガスを用いるので、フード内で飛散した粉塵の酸化を抑制して効率的に粉塵を除去することができる。

以下、この発明のレーザ加工装置用集塵装置の最良の形態について図を用いて説明する。
図１は、この発明のレーザ加工装置用集塵装置の構成を概略的に示す斜視図である。特に、図１（Ａ）は、後述する対物レンズ２３に取り付けられたフード２０以下の構成を示し、図１（Ｂ）は、対物レンズ２３より上側の洗浄ガス噴射系／排気系の構成をフード２０の断面と共に示している。なお、図１（Ｂ）には、説明の便宜上、後述する噴射管２１及び排気管２２の数を図１（Ａ）に比べて減じて記載してある。
図２は、この発明のレーザ加工装置用集塵装置の構成を概略的に示す下面図である。

図１において符号２０で示されるものは、レーザ加工装置の対物レンズと加工対象物との間に配設されるフードである。このフード２０には、レーザ光貫通用の孔部として第１孔部２０Ａ及び第２孔部２０Ｂが開口されている。また、このフード２０には、フード２０の外側から内側に向けて洗浄ガスを噴射する噴射管２１と、フードの内側から外側に向けて洗浄ガスを排気する排気管２２がフード２０を貫通するようにして配設されている。なお、フード２０は第１孔部側で対物レンズ２３に密着して取り付けられている。

図２に示すように、４本の噴射管２１及び４本の排気管２２は、対物レンズ２３を中心として対照的に配設されている。なお、ここでは、説明の便宜上、噴射管２１及び排気管２２が４本の場合の構成を示すが、フード２０内で対称に噴射／排気できるのであれば、これらの数は幾つでもよい。

図１中において上方から対物レンズ２３に入射するレーザ光を用いてフード２０の下側に位置する加工対象物２６を加工する際に、フード２０を上下移動させるか、あるいは、フード２０の下方に配置する加工対象物２６を搭載するステージ（図示せず）を上下移動させることによってレーザ光の焦点距離を調節する。

図１（Ｂ）に示すように、複数の噴射管２１は上流側で第１環状管２１Ｃを介してヘリウムガス等の不活性ガスのボンベもしくは供給装置２７に接続され、排気管２２は下流側で第２環状管２２Ｃを介してフィルタ等で構成される集塵部２４を介して真空ポンプ２５に接続されている。
なお、第１環状管２１Ｃと第２環状管２２Ｃは、各噴射管２１から噴射する洗浄ガス及び各排気管２２から吸引して排気する洗浄ガスのガス圧分布を均一化するための予備室として設けられているものである。

円筒型のフード２０の内側には、周方向に沿って形成された隔壁２０Ｃが設けられており、この隔壁２０Ｃの径方向外側に噴射管２１が配設され、径方向内側に排気管２２が配設されている。このようにフード２０の内側で隔壁２０Ｃを挟んでガスの噴射系と排気系を配設することにより、噴射管２１から噴射されたガスが直ちに排気されることを防止できる。また、隔壁２０Ｃの径方向外側に噴射管２１を配設し、径方向内側に排気管２２を配設することにより、フード２０の外側の空気やフード２０の外側に拡散した洗浄ガスが排気管２２に吸い込まれることを抑制でき、この結果、粉塵の除去効率の低下を抑制することができる。
なお、隔壁２０Ｃは、フード２０をステージ上に設置した際に、下側に３ｍｍ以上５ｍｍ以下の隙間を空けることが好ましい。

噴射管２１の先端には孔部２１Ａが設けられている。
一方、排気管２２には、先端の第１孔部２２Ａのみならず、対物レンズ２３に近い位置に第２孔部２２Ｂが開口されているので、浮遊してフード２０に接近した粉塵を第１孔部２２Ａから排気すると共に、浮遊して対物レンズ２３に接近した粉塵を第２孔部２２Ｂから排気することができる。

また、噴射系の洗浄ガス流量を排気系の洗浄ガス流量の１．２〜１．５倍に設定することで、対物レンズ２３と加工対象物２６の間の空間を密閉しなくても、フード２０内部の圧力がフード２０外部の圧力より常に高くなるので、フード２０の外側から内側に粉塵が流入することを抑制でき、集塵効率を高めることができる。

なお、図３に示すように、フード２０の径方向に形成された径方向仕切板２０Ｄをさらに備えるように構成してもよい。このように細分化した空間に噴射管２１と排気管２２を配置した場合でも、図２に示す形態のレーザ加工装置用集塵装置と同様の集塵の効果を得ることができる。

以上のように、この発明によればフード２０を対物レンズ２３と加工対象物２６の間に配置し、このフード２０内にヘリウムガス等の不活性ガスを導入するように構成したので、アブレーションにより加工対象物２６の一部が溶融してガス状態となり発生する粉塵の酸化を防止できると共に、対物レンズに粉塵が付着することを防止することができる。

また、フード２０内の噴射管２１の内側に排気管２２を配置したので、アブレーションにより発生した粉塵（特にフード２０外に拡散した粉塵）がフード２０内に拡散することを抑制でき、また対物レンズ２３と加工対象物２６の間の空間を密閉しなくても、レーザ加工装置内の光学部品に粉塵の付着を抑制できるので、レーザ加工装置を劣化損傷させることなく、レーザ光の安定性を向上させることができる。

加工対象物２６にレーザ光を照射すると、レーザ光のエネルギーが吸収されることによって加工対象物２６の表面のごく狭い領域で溶融ガス化が短時間で起こる。この溶融ガス化により加工領域の物質が除去されるが、除去された物質は加工対象物２６の別な部分へ飛散して付着し冷却される。フード２０内に供給する不活性ガスなどは、飛散した粉塵の酸化を抑制すると共に、これを吸引除去することを容易にすることができる。

また、噴射管２１の先端の孔部２１Ａの位置をフード２０の下端と同じ高さにすれば、洗浄ガスを加工対象物２６に直接噴射することができ、飛散した物質が加工対象物２６に再付着する前に冷却して融着しにくくすることができるので、粉塵を容易に除去することができる。さらに粉塵を吸引除去するフード２０を上部の第１孔部２０Ａ側で対物レンズ２３の周囲に取り付けることにより、対物レンズ２３が粉塵により汚染されることなく発生した粉塵を除去することができる。

この発明のレーザ加工装置用集塵装置の構成を概略的に示す斜視図である。この発明のレーザ加工装置用集塵装置の構成を概略的に示す下面図である。この発明の他の形態に係るレーザ加工装置用集塵装置の構成を概略的に示す下面図である。特許文献１記載のノズルの先端部を示す断面図である。特許文献３記載の加工粉塵集塵装置のノズルの構造を概略的に示す図である。

符号の説明

２０フード、２０Ａ孔部、２０Ｂ孔部、２０Ｃ隔壁、２０Ｄ径方向仕切板、２１噴射管、２１Ａ第１孔部、２１Ｂ第２孔部、２１Ｃ第１環状管、２２排気管、２２Ａ第１孔部、２２Ｂ第２孔部、２２Ｃ第２環状管、２３対物レンズ、２４集塵部、２５真空ポンプ、２６加工対象物、２７供給装置。

Claims

レーザ加工装置の対物レンズと加工対象物との間に配設され、レーザ光貫通用の孔部を両端に備える筒状のフードと、
前記フードの外側から内側に洗浄ガスを噴射する噴射管と、
前記フードの内側から外側に洗浄ガスを排気する排気管と、
前記噴射管と前記排気管との間に配設される仕切板と
を備えるレーザ加工装置用集塵装置。
前記噴射管は、前記排気管よりも径方向外側に配設されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置用集塵装置。
前記フードは、加工対象物側で密閉されていないことを特徴とする請求項２記載のレーザ加工装置用集塵装置。
前記仕切板は、前記筒状のフードの周方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ加工装置用集塵装置。
前記筒状のフードの径方向に形成された径方向仕切板をさらに備える請求項４記載のレーザ加工装置用集塵装置。
前記洗浄ガスとして、不活性ガスを用いることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか記載のレーザ加工装置用集塵装置。