JP2008519691A - 材料処理用の流体ジェットを発生する方法及び装置、並びにそのような装置に使用する流体ノズル - Google Patents

Abstract

本発明は、被加工物（３）の処理に使用される、内部に投射されたレーザビーム（１０）を、導波体のようにして搬送するのに適した流体ジェット（５）を発生する方法及び装置に関する。当該装置は、流体ジェット（５）を発生するための流体ノズル（１）と、流体ノズル（１）から距離をおいて配置されて、流体ジェット（５）の外側を包み込むガス流（３５）を発生するガス出口ノズル（２３）とを有する。流体ノズル（１）及びガス出口ノズル（２３）間にガス貯蔵部が画定されている。流体ジェット（５）は、ガス出口ノズル（２３）を通過する、又はそれを通って吐出される。流体ジェット（５）は、好ましくは６０μｍ以下の直径を有し、ガス流（３５）は、好ましくは１〜２ｍｍの直径を有する。

Description

本発明は、被加工物を処理する目的で内部に投射するレーザビームを、導波体のようにして案内するのに適した流体ジェットを発生する方法であって、流体ジェットを流体ノズルで発生させ、また流体ジェットの外側をガス流によって包囲するようにした方法に関する。さらに、本発明は、当該方法を実行するための装置、及び当該方法用の流体ノズルに関する。

［従来技術］
レーザ光（laser radiation）による材料の処理は、過去数年のうちに多くの分野で確立されるようになってきた。これのさらに発展した技術形式は、水ジェット案内式レーザでの切断である（欧州特許第０７６２９４７号、国際公開特許第９９／５６９０７号）。レーザビームは、材料の処理点へ案内されるために、細い水ジェット内へ投射される。水ジェットは、光導波体のようにしてレーザビームを案内するので、ビームエネルギは、比較的長距離にわたって、水ジェットによって予め定められた断面上に集中したままになる。水ジェットのコヒーレンス長が大きいほど、すなわち、水ジェットがくずれて液滴になる時間が遅いほど、装置の作動距離の可変性が大きくなる。

特開２０００−３３４５９０も同様に、水ジェットによって案内されるレーザ処理用の装置を記載している。この文脈では、水ジェットノズルをガス用の環状ノズルによって包囲することにより、水ジェットをガスジェット（たとえば、窒素、アルゴン、酸素又は空気）で包囲することが提案されている。

レーザ処理の一般に普及した代替は、水ジェット切断である。これには、被加工物の処理に使用することができる運動エネルギを有する水ジェットを発生するために、１ｍｍより相当に小さい非常に微細なノズルを使用する必要がある。ドイツ公開特許第１０１１３４７５号は、制御された雰囲気の作業空間内で水ジェットを使用することにより、水ジェットのコヒーレンス長を増加させることができることを開示している。作業空間は、たとえば、部分真空下にある、又は密度が空気より低い掃気ガス（特に、水素、ヘリウム又はメタン）を充填される。掃気ガスは、水ジェットノズルの背後に配置された室から被加工物上に大量に注がれる。

米国特許第４，０４７，５８０号に記載されている技術は、極めて異なる着想に基づく。上記技術は、大量の高速水ジェットによる底層の潰蝕、貫通又は微粉砕を行う方法に関する。水ジェットが流体内（たとえば、水中）でも比較的長い距離にわたって突き通ることができるように、それを少なくとも音速の半分のガスジェットによって包囲する。ジェットを発生するために、同心状の二重ノズルを使用する。水ジェットは、円形の内側ノズルから出る一方、ガスジェットは、環状の外側ノズルから出る。ガスジェットは、いわば水で満たされた作業範囲内に自由空間を与え、それにより、作業水ジェットは、水塊内で渦を巻くことなく、むしろ「水中空気ダクト」内を伝わることができる。

水ジェットのコヒーレンス長を伸ばす従来の既知の方法は、水ジェット案内式レーザ技術に適さないか、又は細い流体ジェットでは実際に有用な結果がまったく得られないかのいずれかである。

［発明の概要］
本発明の目的は、冒頭に述べた技術分野に関連し、且つ非常に細い流体ジェットの場合でも、流体ジェットのジェット長さの、従来技術に比べて特に改善された十分に大きいコヒーレンス度も可能にする方法を提供することである。さらに、本発明の目的は、当該方法を実行するための装置を明記することである。

本発明によれば、解決策は、流体ジェットが、流体ノズルから距離をおいて配置されてガス流を形成するガス出口ノズルを通って案内されることにある。流体ジェットは、ガス出口ノズルに接触しないで、むしろその中を自由に通過して流れる。

したがって、流体ノズル及びガス出口ノズルは、（冒頭に述べた特開２０００−３３４５９０の場合のように）ｚ軸（ジェット軸）上の同一位置にあるのではなく、むしろｚ方向に互いにずれている。最初に、流体ノズルが（好ましくは非常に細い）流体ジェットを形成し、次に、ガス出口ノズルがガス流を形成する。この構造により、ガスジェットを良好に発生するための流体力学的要件に最適な仕方でガス出口ノズルを設計することが可能になる。特開２０００−３３４５９０に従った「一体型」構造と異なって、ガス出口を流体ノズルの周囲に構成する必要がない（したがって、流体ノズルの状態を考慮する必要がない）。「一体型」構造と比較した場合のさらなる利点は、流体ノズルを交換可能に構成することができることである。これは、（技術的に難しく、したがって破損しやすい）流体ノズルを、ガス出口ノズルも同時に取り替える必要なく、取り替えることができることを意味する。

本発明によるガス出口ノズルは一般的に、円形断面の通路によって形成される。水ジェットは実質的に、その通路の中心を通って延びる。ガスジェットは、まさに流体ジェット上に形成される。したがって、たとえば冒頭に述べた特開２０００−３３４５９０の場合のように、中央の流体ジェットと、出口又はガスジェットが発生する場所との間に分離壁がない。これにより、（特に流体ジェット及びガス流間で）ガス流の望ましくない乱流を最小限に抑えることができる。

ジェットを発生するノズル１の下流側で、各流体ジェットは、図１に示されているように、安定ジェット長さｌ_ｓを有する。この安定（コヒーレントな）領域に、ジェットの外側部分が収縮し始める長さｌ_ｕの領域が隣接している。この「収縮領域」は、接合領域と呼ばれる。接合領域の後、ジェットはくずれて個別の液滴になり、これらは、落下長さｌ_ｐ全体で、わずかに平坦化したほぼ球形の液滴に変化する。安定ジェット長さｌ_ｓは、自由に出るジェットの場合が、材料を処理するために被加工物表面に衝突するジェットの場合より長い。

材料処理が「研磨性の」高圧流体ジェットで実行される場合、接合領域内で、おそらくは液滴に分離していく流体ジェットで作業することも可能である。しかしながら、たとえば、国際公開特許第９５／３２８３４号及び同第９９／５６９０７号に記載されているような、材料の「冷間切断」又は「冷間」潰蝕を行うために、流体ジェットをジェットディレクタとして使用して、たとえばレーザビームの光をその内部に投射する場合、接合領域内において、流体ジェット内に投射された光はすでに流体ジェットから側方に出始めている。すでに出てしまったこの光は、材料の処理という点に関する限り、失われる。

レーザ光を処理すべき被加工物表面上に合焦する従来のレーザ処理では、焦点は、深さについて（すなわちｚ軸の方向に）表面輪郭を追跡しなければならない。他方、流体ジェット内へ投射されるレーザ光の場合、輪郭の差が（ノズル寸法を引いた）安定ジェット長さｌ_ｓより小さい場合、ノズルのこの深さ方向の調節が不要になる。したがって、流体ジェット内に投射されるレーザビームで材料を最適処理するためには、できる限り大きい安定流体ジェット長さを得なければならない。

レーザ光用のジェットディレクタとして機能し、且つできるだけ長い安定ジェット長さｌ_ｓを有する流体ジェットを得るために、従来技術とは異なって、最初に流体ジェットを投射レーザ光と一緒に発生し、次にこの流体ジェットを案内してガス出口ノズルを通過させる。ガス出口ノズルは、流体ジェットを包囲するガスジェットを形成する。一般的に（必須ではないが）、流体ジェットのジェット軸は、（許容差を除いて）ガス出口ノズルのノズル軸と一致する。流体ジェットを発生するノズルとガス出口ノズルとの間に、いわばガス用の保持空間が形成される。第１の領域（本例では流体ジェットノズル及びガス出口ノズル間の領域）からノズル（本例ではガス出口ノズル）を通って第２の領域（本例ではガス出口ノズル及び材料の表面間の領域）に流れるように意図された流体用の絞りを構成することは、ノズルの性質である。

流体ジェット内を案内されるレーザビーム（たとえば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザから１．０６μｍの波長で放射された光）で材料を処理するとき、流体ジェットは一般的に、２０μｍ〜２００μｍの範囲内の直径を有する。ガス出口ノズルは、一般的に０．５ｍｍ〜２ｍｍの直径を有する。基準値として、ガス出口ノズルのノズルダクトの直径は、流体ノズルのダクトの直径の約１０〜２０倍の大きさでなければならない。しかしながら、これは本発明の寸法の強制的な所定値ではない。ガス出口ノズル領域内でのガスジェット軸及び流体ジェット軸の座標の許容差は、流体ジェットが許容差±２００μｍでガス出口ノズルの中心を通過するようなものであることが好ましい。

従来技術と異なって、上述したように、最初に流体ジェットを投射レーザ光とともに形成し、所定の移動量の後でだけ（すなわち、流体ノズルの下流側で）適用ガスを送り込む場合、長い安定ジェット長さが得られる。従来技術では、流体ジェットを形成するために、適用ガスが常に間近に送り込まれ、流体ジェットの流体の流出方向及び適用ガスの流出方向が、互いに平行であるように選択されていた。

本発明は、ガスが流入する場所で、流体ジェットができる限り破壊されないようにして、ガスを加えなければならないということに基づく。流体ジェットに作用する破壊は実際に、ジェット長さの短縮化に対して、適用ガスの特性の結果として達成可能な伸張より相当に強い影響を与える。

ハウジング内のキャビティ内への適用ガスの導入は好ましくは、その導入ガス流が流体ジェットに直接的に衝突するのではなく、むしろキャビティ全体を適用ガスで満たすことができる（すなわち、ガスが保持されない）ように、また、適用ガスは、流体ジェットを包み込むようにしてハウジングから出るようにして行われる。

適用ガスは好ましくは、ハウジング内部に導入される。ハウジング内に、流体ノズルが、ガスノズルとして具現された出口と対向する位置に配置される。以下にも詳細に述べるように、それにより、流体ノズルによって発生する流体ジェットは、適用ガスによって直ちに包囲される。

すべてのガスが適用ガスとして等しく適するわけではない。使用する適用ガスのガス動粘度は、雰囲気ガス（処理場所での周囲ガス）より低くなければならない。作業が保護ガス下で行われない場合、空気が雰囲気ガスである。ガス動粘度は、ガスの比重量に対する粘度であると理解される。空気のガス動粘度は、２０°Ｃ且つ１ａｔｍの圧力において１５１．１・１０^−３ｃｍ^２／秒である。

したがって、米国物理学会ハンドブック第２版第２〜２２９頁によれば、たとえば以下のガスが可能であり、規定値は１０^−３ｃｍ^２／秒を有する。

＊を付けたガスは、水ジェットを上記流体として使用する場合、流体ジェットに溶解することができる。したがって、用途によっては注意が勧告される。

を付けたガスは可燃性であり、

を付けたガスは有毒、又は健康を害するものであり、これらのガスを使用するときも、注意すべきである。上記特徴を有していないガス、たとえばヘリウム、アルゴン、二酸化炭素、クリプトン及びキセノンは、安全上の注意を払わないで使用することができる。

ガスは好ましくは、流体ジェットの軸から半径方向に距離をおいて、流体ジェットから離れる向きのまっすぐな流れ方向に流し込まれる。これにより、ガスを加えることが、ガス入口又はその周囲の場所で流体ジェットに影響をできる限り与えないようにすることができる。ガス流のこの第１の方向は、流れが、流体ジェットを中心にして位置付けられた円と接線方向に接するように設定される。次に、この第１の流れ方向は、流体ジェットの周りを回転する第２の流れ方向に偏向される。この時、ガス供給は、単一場所で行われることができる。しかしながら、互いに等間隔に置いた複数の供給場所を選択することが好ましく、ガス流の第１の方向が同一角度（「接線」方向）になり、その結果、流入ガスがほぼ均一な流れであるために、流体ジェットに対する反応が減少する。この時、２つの隣接した供給場所はそれぞれ、ジェット軸から始まって同一の中心角を成す。

流体ジェットが、ほぼ従来通りに垂直方向に流れる場合、第１のガス流入方向は水平であることができる。しかしながら、第１のガス流入方向を上方又は下方に向けることもできる。上向きの場合、３０度未満の角度が選択され、下向きの場合、７０度未満の角度が選択されるであろう。

上述したように、ガス流の第１の方向は、流体ジェット、すなわちそのジェット軸を中心にした円に対して接線方向になるであろう。この円が、ジェット軸が垂直に突き通る平面上にある場合、ガス流の第１の方向は、この平面上にあるか、或いはこの平面に対して上向き（＋３０度まで）又は下向き（−７０度まで）であることができる。

「接線方向」ガス供給の代わりに、半径方向のものを選択することも可能である。ガス供給は、方向によっては拡散することもできる。指向性の（半径方向、すなわち、流体ジェットの軸に向けた、又は「接線方向」、すなわち流体ジェットの軸に対して角度を付けた向きにした）ガス供給方向の場合、ガスは、（たとえば適当に形成されたガス供給ダクトによって）それに加えられた一定方向を有するが、反対に、拡散ガス供給の場合、特定方向及び、少なくとも均一方向が事前に定められない。

流体ジェットの周囲を回転する第２のガス流はその後、流体ジェットの方向と一致した第３のガス流内へ偏向されることが好ましい。偏向は、まずガス相を概ね平穏に加えて回転ガス流にすることから行われ、そのガス流は、流体ジェットの流れ方向に加速され、また、回転速度を増すことも可能である。この回転運動がむしろ迅速に終了するそのような「回転」入口は、後述するように、大きい安定流体ジェット長さｌ_ｓを生じる。

流体ジェットをガスで包囲し、それにより、大きい安定流体ジェット長さｌ_ｓを生じさせるようにするために、周方向壁を備えるハウジングが使用される。流体ノズルと、少なくとも１つのガス入口とが、ハウジング内に配置される。また、流体ジェットを案内することができるガス出口ノズルが、流体ジェットの第１の軸及びガス出口ノズルを通って流出するガスの第２の軸が実質的に（すなわち上述した許容差を除いて）一致するようにして、設けられている。

ガス入口は好ましくは、従来技術のように、流体ノズルの場所に位置するのではなく、むしろ流体力学的に流体ノズルの下流側に配置されるであろう。しかしながら、ガス保持空間が十分に大きく形成される場合、ガス入口を別の場所に（たとえば、流体ノズルのすぐ下流側に）配置することもできる。

ハウジングは好ましくは、垂直に位置付けられて（すなわち、流体ジェット軸に平行に位置合わせされて）、互いに向き合う位置にあるコーン先端を有するダブルコーンとして具現されるであろう。この時、流体ノズルは、一方の上側コーン先端に配置され、ガス出口ノズルは、反対側の下側コーン先端に配置される。ガス入口は好ましくは、ダブルコーンの最大直径の領域内に配置されるであろう。漏斗の形に下方向に狭くなる壁は、下向きの流れで増加する流速を生じる。水ジェットが摩擦によってガスを押し流すため、「接線方向の」ガス入口である結果としてのガス流の初期回転は、すぐに終了する。このタイプのガス入口は、ガスを流体ジェットにできるだけ最も均質に加えること、及び水ジェットの破壊を回避することだけに役立つ。

流体ノズル及びガス出口ノズル間に形成される中間空間（すなわち「ガス保持空間」）を異なったやり方で具現することもできる。たとえば、その全長にわたって実質的に一定の断面を有する（「円筒」）、又はｚ方向に非対称的である（円錐又はピラミッド形）ことができる。それは、立方体様であることもできる。流体ジェットの軸に垂直な最大直径は、流体ジェットの直径の、特に１０〜１００倍、好ましくは約２０倍である。

本発明のさらなる好都合な実施形態及び特徴の組み合わせが、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲全体に示されている。

例示的な実施形態を説明するために、図面を使用する。

基本的に、図中の同一構成部品には同一の参照符号を付ける。

［発明を具現する方法］
図１に示された本発明による、流体ノズル１で発生した流体ジェット５を安定させるための装置の実施形態は、ノズルと呼ばれるものとして具現されたハウジング７を有する。流体ノズル１は、ノズルブロックと呼ばれるものとして具現される。流体ジェット５、ここでは水ジェット用の流体９の供給、及び流体ジェット５内へのレーザ光１０の投射についてのさらなる詳細は、ここでは示さない。これは、国際公開特許第９５／３２８３４号及び同第９９／５６９０７号に詳細に示されており、これらは参照によって本明細書に含まれると見なされるであろう。本文脈では、（図示しない）レーザが存在し、（たとえば、冒頭に述べた文献に示されているように）適当な光学系が、レーザによって発生したレーザ光を水ジェット内へ投射することができることを述べれば十分である。

ノズルブロックとして具現され、流体ジェット５を発生する目的を有する流体ノズル１のノズルダクト１１の拡大図が、図２に断面図で示されている。流体ノズル１は、平滑面１３を有し、好ましくはダイヤモンド又は何らかの他の硬質材料から作製される。それは、厚さが０．５〜２ｍｍ、直径が、たとえば３ｍｍである、すなわち、小さい円筒形ブロックの形をしている。ノズルダクト１１への入口としての穿孔縁部１５の半径ｒ_ｋは、できるだけ小さく選択され、それにより、理論上の「刃形入口」にできるだけ近くなるようにする。半径ｒｋは、１０μｍ未満であるべきであって、ここでは２Ｍｍより小さい。この刃形入口は、すでに大きい安定ジェット長さｌ_ｓを有する流体ジェットを発生する。ノズルダクト１１の一般的な直径は、２０μｍ〜２００μｍである。

刃形入口１５に隣接するノズルダクト１１の円筒部分は、できるだけ短く保たれ、ノズルダクト１１の直径ｄの５倍未満の程度の大きさであり、ここでは３倍より小さい。そのような構造の結果、流体ジェット５の流れは、すでに穿孔縁部１５の位置でノズルダクトの内壁１７から離されている。ノズルダクト１１が長すぎると、ノズルダクトの内壁１７と流体ジェット５との間でガスの渦が生じるであろう。流体ジェットに作用する最小限の破壊は「波形シート分解」をもたらし（すなわち、流体ジェットが分解又は減退して、ｚ方向に波形であるジェット領域ｌ_ｕになり）、したがって、（レーザ光の投射時に）得られる有効ジェット長さが短くなる。ノズルダクト壁の円筒部分１７に円錐壁領域１９が隣接している。この円錐部分１９は、流体ジェットと起こり得るガス渦との間に考えられる相互作用を減少させるためのものである。スロープとしてのこの円錐部分１９は、ノズルダクト１１の長手軸に対して９０度〜１５０度、好ましくは１３０度〜１４０度の角度を成すべきである。この場合、スロープ１９は、製造許容差を入れて１３５度を成す。

したがって、理想的なノズル１は、肉厚ｅ＝０の壁の穴であろう。しかしながら、そのようなノズルは、数気圧の水圧に耐えないであろう。したがって、ノズル１の十分な剛性と安定流体ジェット長さｌ_ｓとの間で折り合いをつける必要がある。したがって、上記スロープ１９の使用が提案される。

ノズルブロック１に隣接するハウジング７の内壁２０は、最大円形内径２１まで拡大し、それから再び内壁部分２４として、ガス出口ノズル２３の方へ円錐状に先細になる。ハウジング７は、ダブルコーンとして具現され、流体ノズル１（ノズルブロック）は一方のコーン先端に配置され、ガス出口ノズル２３は反対側、すなわち、その下方に配置される。

最大内径２１の場所で、適用ガス用の少なくとも１つのガス入口が、流体ジェット５から、又はそのジェット軸から同一の半径方向距離ｒ_ｓに配置されている。ここに示す例では、４つのガス入口２５ａ〜２５ｄが存在する。それぞれのガス入口は、円筒パイプ２６ａ〜２６ｄとして具現される。これらのパイプ２６ａ〜２６ｄの各々は、最大内径２１の領域内で（すなわち、半径方向距離ｒ_ｓの位置で）内壁２７に接線方向に引き込まれる。したがって、パイプ２６ａ〜２６ｄの各々からのガス流は、第１の流れ部分２９では「接線方向に」（すなわち、本例では半径方向ではない）流れて内壁２７に当たり、内壁２７に当たったとき、偏向して、回転流れ成分を有する周方向の、すなわち第２の流れ部分３１になる。

ガス出口ノズル２３は、レーザ光を案内する流体ジェット５がそのノズルの中心を通るように配置される。ガスの流出は、このガス出口ノズル２３を通してだけ可能であるので、適用ガスの流れは、流体ジェット５との摩擦の結果、それに伴って下向きの流れ成分が増加するため、第３の流れ部分３３内で下向きに偏向されてガス出口ノズル２３に当たる。ガス出口ノズル２３を通ってハウジング７から出る流体ジェット５は、次に、流体ジェットの外側の周囲に位置する適用ガス流３５により、周囲空気３６からほぼ仕切られる。４つのガス入口ノズル２５ａ〜２５ｄの領域内の初期流れ回転に、漸増する下向きの流れ成分が重ね合わせられ、また、ハウジング７内はこれによって概ね占有される。

図２に示されているように、流れ方向において穿孔縁部１５の下流側で、流体ジェット５の外側３９と円筒形ノズルダクト内壁１７との間に、中間空間３７が形成される。水ジェットポンプの効果に従って、適用ガスは、矢印４１によって表されるように、中間空間３７内へ引き込まれて、流体ジェット５と一緒に運ばれる。適用ガスのわずかが中間空間３７を通過するだけであるので、本例では適用ガスの雰囲気内に部分真空が存在する。

要約すると、長く安定的な流体ジェット長さｌ_ｓを発生するために、（上記の例示的な実施形態によれば）以下のように述べることが可能である。
・流体ジェット５の形成の直後、それは部分真空領域内であるが、適用ガスの雰囲気内にある、
・適用ガスは、流体ジェットから、当該流体に向けられていない流れ方向に、可能な最大距離をおいた位置の「ガス保持空間」に送り込まれる、
・流体ジェットの周りを回転する流れ成分を適用ガスに加えることができ、また、流れ成分を流体ジェットの流れ方向に加えることができ、両方の流れ成分は、流体ジェットの外側に加速状態で向けられる、
・流体ジェット５は、ガスが加えられた後にだけ、ガス出口ノズル２３の中心を通って「大気」に入る、
・流体ノズルダクトは、その直径に比べてできる限り短く形成される、
・流体ノズルダクト入り口は、縁部をできる限り鋭くして成形される。

これらの特徴の各々は、ジェット長さｌ_ｓの安定領域を長くすることに寄与する。しかし、
・流体ジェットは、流体ノズルから距離をおいて適用ガスジェットを形成するガス出口ノズルを通って案内され、流体ジェットの軸及びガスジェットの軸の両方が実質的に一致して（すなわち許容差を除いて）形成される、又は
・適用ガスは、流体ノズルから離れる流れ方向において下流側へ所定距離をおいた後でだけ、供給される、
ことを強調することが好ましい。

上記記載を実験的に説明するために、図４に示したグラフは、ノズルブロック１で発生した水ジェット５の安定ジェット長さｌ_ｓを示し、ノズルブロック１のノズルダクトの断面は３０μｍである。安定ジェット長さｌ_ｓを縦座標に示し、ノズルダクト１１に入る入口のすぐ上流側の流体の流体圧力を横座標に示す。測定点「■」を有する一点鎖線の測定曲線は、それぞれの最大安定ジェット長さｌ_ｓを示し、測定点「◆」を有する破線の測定曲線は、それぞれの最小安定ジェット長さｌ_ｓを示す。（ジェット長さは、或る期間にわたってその所与の最大及び最小ジェット長さ間を変動する。）一点鎖線の測定曲線及び破線の測定曲線において、流体ジェットは自由溢流を有する、すなわち、もはやジェットを構成しない流体は、分解ジェット長さｌ_ｐ内でわずか数センチメートルの距離から表面に衝突する。測定点「▲」を有する下側の第３の連続測定曲線は、表面に衝突する流体ジェットの安定ジェット長さを表す。

上記方法に従って上記装置で、たとえば（ガス動粘度が空気より低い）ヘリウムを流体ジェットに加える場合、図５に示されているように、最大及び最小安定ジェット長さｌ_ｓ（一点鎖線及び破線の曲線）では、５ｍｍの領域、すなわち１５％〜２５％で増加が見られるが、衝突し、したがって大気中で終わらない流体ジェットの安定ジェット長さｌ_ｓでは、急激な増加が起きる。

本発明によるガスジェットジャケットを用いない場合、流体ジェットは、（約３００バールからの）比較的高い圧力値でのみ、３ｍｍ〜５ｍｍ（図４）のジェット長さを形成することは明白である。２００バールより低い圧力値では、３０μｍの比較的微細なジェットは、それが表面に衝突する結果として、強い破壊を生じる。これは、本発明に従ってガスを加えなければ、流体ジェットをレーザ光による材料の処理用の導波体としてまったく使用することができないことを示す。図５に示すように、本発明によるガス流は、ジェットに、必要な安定性を与える。本発明に従ったガスジェットによって包囲された流体ジェットでも、当該流体ジェットが表面に衝突するとき、安定ジェット長さｌ_ｓに一定の減少を観察することができるが、それでも、４００バール以上では、２５ｍｍのジェット長さを得ることができる。１００バールをわずかに超える場合でも、流体ジェットは１０ｍｍの安定ジェット長さに達する。

流体ジェット５が中心を流れるガス出口ノズル２３は、図１に示すように、円錐状に先細になる内壁２４のまさに端部に配置されることができるが、小さい円柱壁部分を前方に取り付けることも可能である。

図１に示すように、ガス入口は、流体ジェット５が垂直に貫通する平面上に配置されることができる。しかしながら、ガス入口パイプ２６ａ〜２６ｄを、流体ノズル（ノズルブロック）１に対して上向きに、又はガス出口ノズル２３に対して下向きにすることもできる。上向きの場合、３０度を超える角度であってはならず、また下向きの場合、７０度を超える角度であってはならない。

ガス入口の数はさほど重要ではないが、ガスが流体ジェット５の外側から可能な最大距離の位置で均一に流入することを確保しなければならない。

上述した「接線方向ガス入口」は、成功を収めることがわかった。しかしながら、他の入口角度を使用することも可能である。確保しなければならないことは、流体ジェット５に直接に当たってそれを破壊しないことだけである。

図６は、適用ガスが半径方向に流入する実施形態の断面図を示す。以下の文脈では、（図６の図示に対応する）「上部に」及び「底部に」という表現は、「入口側の方に」又は「出口側の方に」の代替として使用される。マウント５１は、その上側に環状の連結部分５３を有し、これは、レーザ光を送り込んで、流体ノズル７１のノズルダクト内へ焦点を合わせる光学系（図示せず）用の一種の漏斗を形成する。マウント５１内には、好ましくは複数の斜め外向き且つ下方に延出する排出ダクト５５が設けられており、当該ダクトは、たとえば、連結部分５３に故障がある場合に集まる可能性がある流体を運び出す。

マウント５１は、大きい連続的な円筒キャビティを有し、その中に円筒形機能部材５７が、ストッパのように（図６の図示に従って）下側から挿入されている。したがって、マウント５１は、環状の形状で機能部材５７を包囲して、それを同軸配置に保持する。機能部材５７は上部に（すなわち連結部分５３の方に）、上部から底部に円錐状に先細になる開口５９を有する。円錐開口の下端部に肩部分が形成され、それに窓部材６１の上側が当たっている。窓部材６１の下側には、蓋（closure）部材６５がある。流体流入管として機能する薄い、たとえばディスク形の中間空間６３が、窓部材６１と蓋部材６５との間に設けられている。機能部材５７の軸方向に見ると、中間空間６３は、たとえば０．１ｍｍ〜０．４ｍｍの厚さを有する。それの横方向の広がり（直径）は、数ミリメートル（たとえば５ｍｍ〜１０ｍｍ）近辺でもよい。

流体（たとえば、水）は、必要な圧力（たとえば、４００バール）でマウント５１の内側に形成された環状ダクト６９を経て、次に機能部材５７の１つ（又は複数）の半径方向管６７を経て中間空間６３に送り込まれる。

蓋部材６５は、機能部材５７の円筒形内部空間内へ下側からストッパのように挿入される。したがって、蓋部材６５を取り外せば、窓部材６１を交換することができる。

蓋部材６５は、中間空間６３に面する上側に、（ノズルブロックと呼ばれる）流体ノズル７１を挿入するリセス（凹陥部）を有する。

ノズルブロックは、光導波体のようにしてレーザ光を案内する微細流体ジェットを形成する中心軸ダクトを有する。ダクトは、所望の流体ジェットの直径に対応する、たとえば３０マイクロメートル〜６０マイクロメートルの直径を有する。ノズルブロック自体は、直径が２ｍｍ〜４ｍｍ、厚さが、たとえば０．５ｍｍ〜２ｍｍである。

流体ノズル７１に隣接して、ガス保持空間が存在し、本例ではこれは、上側部分空間７３及び下側部分空間７５から形成されている。上側部分空間７３は、上部から底部へ継続的に拡大する。それは、連続的又は段階的な円錐状に広くなることができる。本実施形態では、上側部分空間７３は、第１の円筒形及びその次の第１の円錐形部分７３ａと、後続の第２の円筒形及び最終的な第２の円錐形部分７３ｂとで構成されている。このように、それは上部から底部へ、直径の３倍〜５倍だけ広くなる。その目的は、蓋部材６５の下端部で送り込まれる適用ガスが、流体ジェットを破壊することなく、できる限り上方へノズルダクトの出口まで循環できるようにすることである。

ガスノズル部材７７が、蓋部材６５の下側に取り付けられている。当該ガスノズル部材７７は、（それが、たとえば機能部材６５側の対応ねじにねじ込まれることで）機能部材６５によって保持される。ガスノズル部材７７は、下側部分空間７５を形成するキャビティを有する。それは、上部から底部まで円錐状に先細になり、ガスノズルダクト７９に通じている。ガスノズルダクト７９は、たとえば１〜２ｍｍの直径を有する。

２つの部分空間７３及び７５が互いに接して最大直径を形成する場所に、ガス入口領域８３が配置されている。ここで、適用ガスが、星形又は放射状に延出するガス供給ダクト８１ａ、８１ｂ（たとえば、６本のそのようなガス供給ダクトが設けられている）を通って導入される。これは、蓋部材６５の軸に沿って進む流体ジェットから最大（半径方向）距離にある場所である。ガス供給ダクト８１ａ、８１ｂは、たとえばガスノズル部材７７の上側にくぼみとして形成される。それらは、蓋部材６５及び機能部材５７間に形成された環状空間８５を通って供給される。環状空間８５への外部ガス供給部は、より詳細には示されない。

機能部材５７は、保持リング８９でマウント５１の下端部側に当てて固定されることができるフランジ８７を下端部に有する。

本発明はもちろん、図示の例示的な実施形態に制限されない。さまざまな部品（マウント、機能部材、蓋部材等）に構造的に分離することにより、モジュールを分解して、たとえばノズルブロック又は窓部品を取り替えることができるようになる。流体（たとえば、水）は高圧で供給されなければならないので、個々の部材間の適当な場所にシールが必要である。（これらを図６に示しているが、より詳細には説明しない。）たとえば、モジュールを他の位置で分割することができる。モジュールを下から分解できるようにする必要はない。ガス保持空間は、円錐状に広がってから先細になるのではなく、ほぼ一定の断面を有する円筒形で実現することもできる。たとえば、適用ガスを、そのような円筒形ガス保持空間の上端部で、特に（半径方向ではなく）軸方向に送り込むことができる。ガスを、好ましくは保持空間の軸から大きく離れた位置の（すなわち、流体ジェットから大きく離れた位置の）複数のダクトを介して軸方向に送り込むこともできる。

ガスノズルダクト７９は、ガス保持空間の絞りガス出口を形成する。要件によっては、ガス流を成形するために、それが特定の空力形状を有することができる。ガスジェットをできる限り微細（小径）にすることが有利である。ガス出口ノズルが０．５〜２ｍｍの範囲内である場合、対応直径のガス流を発生することができる。（この文脈において、たとえばガスは外縁部で失われるか、低速化するので、伝搬距離の増加に伴って、ガス流の直径が変化し得ることを理解されたい。）細いガス流は、必要なガスの量を少なく保つことができるという利点も有する。しかしながら、比較的大径（たとえば、５ｍｍ）のガス流での作動を決して禁止するものではない。

要約すると、本発明は非常に微細な流体ジェットでの作動を可能にし、したがって、非常に細いカットを行う、又は非常に微細な表面処理を施すことが可能であることに注目されたい。

本発明による装置の一実施形態の概略図である。 図１に示された装置の流体ノズルのノズルダクトの拡大断面図である。 図１に示された装置の、ＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 空中の流体ジェットの、自由に流出するとき（曲線−・−・及び−−−）並びに表面に衝突するとき（曲線−）の安定ジェット長さｌ_ｓを示すグラフである。 図４と同様であるが、本発明と同様にして流体ジェットにヘリウムを加える場合を示すグラフである。 半径方向ガス供給を行う装置の断面図である。

Claims (17)

1. 被加工物(workpiece)（３）を処理する目的で、その内部に投射したレーザビーム（１０）を導波体(waveguide)のようにして案内するのに適した流体ジェット（５）を、発生する方法であって、前記流体ジェット（５）を流体ノズル（１）で発生させ、また、前記流体ジェット（５）の外側をガス流（３５）によって包囲する、方法であって、前記流体ジェット（５）は、前記流体ノズル（１）から距離をおいて配置されて前記ガス流（３５）を形成するガス出口ノズル（２３、７９）を通って案内されることを特徴とする、流体ジェットを発生する方法。
2. 直径が２００μｍ以下、特に６０μｍ以下の前記流体ジェット（５）を発生し、また、前記ガス流（３５）は、０．５ｍｍ〜２ｍｍの直径を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 周囲の大気ガスより低いガス動粘度を有するガスを前記ガス流用に使用することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記適用ガスは、前記流体ジェットに影響を与えることなく、第１の流れ領域に流入すると共に、該第１の流れ領域に隣接した第２の流れ領域に偏向され、それにより、前記流体ジェット（５）の周囲を流れることを特徴とし、かつ、前記第１の流れ領域間及び前記第２の流れ領域間の接合部分は、前記流体ジェットから所定の半径方向距離をおいた位置にあり、前記第１の流れ領域を発生するための前記適用ガスは、好ましくは、流体軸から好ましくは同一中心角を成す複数の場所で送り込まれることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 第３の流れ領域内で、前記ガス出口ノズル（２３）に対向する流れの方向が前記適用ガスに加えられ、該加える過程は好ましくは、前記第３の流れ領域内で前記流体ジェット（５）の流出方向に加速する適用ガス流を発生させるようにして行われることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 被加工物（３）を処理する目的で、その内部に投射したレーザビーム（１０）を導波体のようにして案内するのに適した流体ジェット（５）を、発生する装置であって、前記流体ジェット（５）を発生する流体ノズル（１）を有し、また前記流体ジェット（５）の外側をガス流（３５）によって包囲する手段を有する装置であって、前記流体ジェット（５）の外側を前記ガス流（３５）で包囲する前記手段は、前記流体ノズル（１）から距離をおいて配置されて前記ガス流（３５）を形成するガス出口ノズル（２３、７９）を有し、前記流体ジェット（５）は、該ガス出口ノズル（２３、７９）を通って案内されることができることを特徴とする、流体ジェットを発生する装置。
7. 前記流体ノズル（１、７１）と前記ガス出口ノズル（２３、７９）との間に、ガス保持空間（７３、７５）が設けられていることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 前記流体ノズル（１、７１）は、前記流体ジェット（５）が前記ガス流（３５）と一緒に通過することができる円形通路を形成することを特徴とする、請求項６又は７に記載の装置。
9. 前記流体ノズル（１、７１）に対応付けられた（assign）ジェット軸、及び前記ガス出口ノズル（３５）に対応付けられた軸は、実質的に一致することを特徴とする、請求項６乃至８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記流体ノズルは、２０μｍ〜２００μｍの範囲内の直径を有し、前記ガス出口ノズルの直径は、０．５ｍｍ〜２ｍｍの範囲内の直径を有することを特徴とする、請求項６乃至９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記ガス出口ノズルは、前記流体ノズル（１）の内径のほぼ１０〜２０倍の大きさの内径を有することを特徴とする、請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 被加工物（３）の処理用のジェットディレクタとして、流体ノズル（１）で発生する流体ジェット（５）のコヒーレンスを最適化する、特に請求項６に記載の装置（７）であって、前記流体ノズル（１）を保持する周方向壁（２０、２４）と、流れ方向において前記流体ノズル（１）の下流側に配置される、適用ガス用の少なくとも１つのガス入口（２５ａ〜２５ｄ）とを有するハウジング（７）を特徴とする、装置。
13. 装置（７）であって、前記少なくとも１つのガス入口（２５ａ〜２５ｄ）は、前記適用ガスが前記ハウジング（７）に流入する方向を定め、前記壁は、前記少なくとも１つのガス入口（２５ａ〜２５ｄ）の領域内に円形の断面を有し、また、前記流入方向は好ましくは、前記流体ジェットに直接的に影響を与えないようなやり方で、前記壁に接線方向に衝突することを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
14. 装置（７）であって、前記ハウジング（７）は、ダブルコーンとして具現され、前記流体ノズル（１）は、コーン先端の一方に配置され、他方のコーン先端は、ガス出口ノズル（２３）を有し、前記少なくとも１つのガス入口（２５ａ〜２５ｄ）は好ましくは、前記ダブルコーンの最大直径のすぐ近くに配置されることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の装置。
15. 流体ジェット（５）を発生するノズルダクト（１１）を有する、請求項６乃至１４のいずれか１項に記載の装置（７）用の流体ノズル（１）であって、ノズル入口のノズル面（１３）から前記ノズルダクト（１１）内への、半径が１０マイクロメートル未満、好ましくは２マイクロメートル未満である刃形（sharp-edged）移行部分（１５）を特徴とする、流体ノズル。
16. 流体ノズル（１）であって、前記ノズルダクト（１１）は、該ノズルダクトの直径（ｄ）の５倍、好ましくは３倍未満である長さ（ｅ）を有することを特徴とする、請求項１５に記載の流体ノズル。
17. 流体ノズル（１）であって、前記ノズルダクト（１１）の前記長さ（ｅ）、したがって前記流体ノズル（１）の厚さは、該ノズル（１）がこれに加わる流体入口圧力に本当に耐えるような厚さに選択され、安定性を機械的に強化するために、スロープ（１９）が、前記ノズルダクト出口の位置で円筒形ノズルダクト内壁（１７）から始まって、前記ノズルの下側で円錐のように外向きに進むように形成され、前記スロープ（１９）は、前記ノズルダクト（１１）の長手軸に対して９０度〜１５０度、好ましくは１３０度〜１４０度の角度を成して広がるように構成されることを特徴とする、請求項１５又は１６に記載の流体ノズル。

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