JP3143457U - レーザ加工機用集塵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工への支障をきたすパーティクルと称する粉塵を、レーザー光の照射経路や加工対象物から瞬時に排除するレーザ加工機用集塵装置を提供する。
【解決手段】レーザ加工機用集塵装置１は、加工対象物Ｍの表面Ｍａと隙間Ｓを設けて加工位置Ｐを覆うように配置される筐体２の、上面２ａにレーザビーム透過孔２ｃと加工ガス供給ノズル３を設けると共に、加工ガス供給ノズル３の設置側の側面を開口し、この開口と対向する側面に吸引ノズル４を設け、該筐体２内の加工位置Ｐより吸引ノズル４側に加工ガス及び開口から吸引される外気を整流するための整流板５を設けた。
【選択図】図１

Description

本考案は、レーザ加工機による加工品質の劣化や作業環境の悪化を防止するため、レーザ加工の際に加工位置に加工ガスを保ちながら、ヒュームやスパッタ等（以下、ヒュームで代表する）及び粉塵を除去するレーザ加工機用集塵装置に関する。

従来より、レーザ加工機は、鋼材、非鉄材料、セラミックス、ガラス、プラスチック、皮革、布、木材等多種の材料（以下、加工対象物と称する）の切断、穴あけ、表面加工、マーキング、および鋼材や非鉄材料等の溶接（以下、加工と称する）に使用される。レーザ加工機で使用されるレーザ光は、ＹＡＧレーザ、ＣＯ₂ レーザ、エキシマレーザが主流になっており、このようなレーザ加工では、特に穴あけ加工や切断加工に際し多量のヒュームが発生する。

ヒュームによるレーザ光の散乱は、波長の２乗分の１に比例して影響されることが理論的に知られている。波長が短い程、レーザ光に与える散乱の影響は大きい。よって、比較的波長の短いＹＡＧレーザ等ではヒュームによるレーザ光の散乱により所定の出力が加工位置に集光できないという問題がある。

なお、ヒュームによるレーザ光の散乱の影響は、ＣＯ₂ レーザ加工のプラズマによる影響ほど顕著に表れない。ＣＯ₂ レーザでは加工時に発生するプラズマによりレーザ光が吸収されるので、溶接加工等では積極的にプラズマ除去をしながら加工雰囲気を保つ工夫がなされている。そのため、例えば溶接等では加工雰囲気を保つことのみ考慮し、加工対象物の穴あけ加工等で加工雰囲気の確保が必要でない場合はヒュームを除去することのみを考慮していた。

このような理由からレーザ加工においてはヒューム除去が必要となり、ヒュームを除去する技術として例えば特許文献１〜４が存在する。
特開平６−５５２９０号公報 特開平９−２７１９８０号公報 特開２０００−３１７６７０号公報 特開２００１−３２１９７９号公報

このうち特許文献１には、両端を密閉し、外周面の一端に集塵機に接続するパイプを設けると共に、軸方向にヒューム等の吸気口に連通する開口部を設けた外側円管に、一端に駆動機構を有し、他端は開放している内側円管を回転可能に内接した装置が開示されている。

特許文献２には、加工ヘッドの全周におけるワーク（加工対象物）上面近傍から上側を囲う遮蔽物を所定間隔をおいて少なくとも二重に設け、遮蔽物で囲まれた部分にある飛散物を集塵ダクトにより吸引する装置が開示されている。

特許文献３には、加工部の囲いとしての筒体に形成する噴き出し口を、吸い込み口の縮径部に対向する主噴き出し口と、これらの上方および下方の副噴き出し口とで構成し、これにより、筒体の内部で気体のスムーズな流れを形成し、その流れで煙や塵を確実に吸込み口に案内してワーク上に塵の残留をなくす装置が開示されている。

特許文献４には、四方側壁にて囲まれる集塵空間を有するとともに、その集塵空間の対向側壁に給気口と排気口を備え、上下に別れて形成された前記給気口から集塵空間に給気される全体の給気量を、排気口から排気される排気量の３〜７割とするとともに、上方側給気口の給気量に対し下方側給気口の給気量をそれの１．５〜４．５倍とする装置が開示されている。

しかしながら、上記の装置はいずれも以下の問題があった。特許文献１及び２に開示された装置は、充満したヒュームや排煙の吸引及び加工対象物の加工位置で発生しているヒューム等を吸引するもので、単に、大きな排気口を設けて粉塵雰囲気を吸引するだけである。

すなわち、特許文献１及び２の装置は、加工部での加工ガス雰囲気（加工雰囲気）を保ちつつ、ヒューム等を効率良く吸引するという考え方ではない。よって、吸引力が弱い場合は集塵効果が悪く、一方吸引力が強すぎるとヒュームの除去時に加工ガスを良好な状態に維持できなかった。

また、特許文献３及び４に開示された装置は、加工部に多量なガス流れを流してヒュームを排出するため、加工雰囲気を保つのがより困難で、穴あけ加工以外の他の加工に適用することはできない。

つまり、上記の装置は、加工位置に発生するヒュームを積極的に除去しながら加工雰囲気を確保するための工夫がなされておらず、加工の際に加工用のシールドガスやアシストガス等を用いることで、発生するヒュームが結果的に若干除去されている程度でしかなかった。

また、ＹＡＧレーザ等では、今まではその出力が小さくレーザ光の散乱の影響でレーザ光の集光状態が変化しても、加工品質の劣化が顕著に現れなかった。このため、加工雰囲気を保ちながらヒュームを積極的に除去する工夫がなされていなかった。

ここで、７ｋＷ以上の大出力では、ヒュームによる散乱の影響でレーザ光の集光状態が悪化し、加工品質の劣化が発生するという問題がある。また、２ｋＷ以上の出力でも、長時間連続加工すると加工位置周辺のヒューム量が増大し、レーザ光の集光状態が悪化し、加工品質の劣化をもたらすという問題がある。

そこで、出願人は、加工ガス雰囲気の上方にヒューム排出ガスを供給するヒューム排出ガス供給ノズルを備えた装置を提案した（特許文献５）。この特許文献５で提案した装置では、特許文献１〜４の有していた上記問題点を解決することができる。
特開２００４−１０４３号公報

ところで、近年、レーザ加工機は、半導体素子やいわゆる液晶パネルなどの大型基板の加工など、様々な分野で応用されるようになった。特に基板上の薄膜除去や溝加工などの加工においては、ヒュームとは異なるパーティクルと称される粉塵が多量に発生する。

粉塵は、ヒュームと比較して粒子が１０μｍ程度と大きく、特許文献１〜４で開示された上記装置は言うまでもなく、特許文献５の装置でも、基板やレーザ光の照射経路に付着した粉塵を容易には排除できず、レーザ加工に大きな支障をきたしている。

特に液晶パネルの基板など加工対象物が大きくなると、レーザ加工機あるいは加工対象物自体が高速に移動しながら加工を行うので、粉塵が加工対象物やレーザ光の照射経路に長く滞留することになってレーザ加工への支障は甚大で、製品の歩留まりの原因となっている。

本考案が解決しようとする問題点は、従来の技術では、レーザ加工への支障をきたす粉塵を、レーザー光の照射経路や加工対象物から容易かつ瞬時に排除できないという点である。

上記問題点を解決すべく、本考案のレーザ加工機用集塵装置は、加工対象物の加工位置を覆うべく加工対象物の表面と隙間を設けて配置される筐体の、上面にレーザビームの透過孔と加工位置に向けて加工ガスを供給する加工ガス供給ノズルを設けると共に、この加工ガス供給ノズルの設置側の側面を開口し、この開口した側面と対向する側面に加工時に発生するヒューム及び粉塵を吸引する吸引ノズルを設け、該筐体内の加工位置より吸引ノズル側に、上面から見て加工ガス供給ノズルによる加工ガス供給方向と直交する方向の両側面間に亘る長さの整流板を設ける構成とした。

本考案では、筐体内で加工位置の斜め上方より噴き付けた加工ガスにより加工位置から排除されたヒューム及び粉塵は、整流板の作用により加工ガスとその供給上流側の開口及び加工対象物の表面と隙間を設けた底面の開口から吸引された外気による気流に導かれて吸引ノズルに吸引され、瞬時に排除することができる。したがって、レーザ加工機による加工品質の劣化や作業環境の悪化を防止することができる。

本考案のレーザ加工機用集塵装置（以下、集塵装置と略す）は、図１及び図２を参照して以下に説明する形態により実施可能である。図１は本考案の集塵装置の一例を示し、図２は本考案の集塵装置の他の例を示す。

本考案の集塵装置１は、加工対象物Ｍの加工位置Ｐを覆うべく加工対象物Ｍの表面Ｍａと隙間Ｓを設けて配置される筐体２を有している。筐体２は、図１（ａ）に示すように、例えば直方体の箱体でこの底面及び４側面のうち１側面が無く、ここに各々開放部２ａ及び開放部２ｂが形成されている。

また、筐体２の上面２Ａにおいて、幅方向中央に、レーザビーム透過孔２ｃが形成されている。レーザ加工機から発射されたレーザビームは、このレーザビーム透過孔２ｃから加工対象物Ｍの加工位置Ｐを照射する。

筐体２の上面２Ａのレーザ透過孔２ｃより開放部２ｂ側には、加工ガス供給ノズル３が設けられている。この加工ガス供給ノズル３は、加工ガスを筐体２内に供給すると共に、加工ガスの噴き付けによりレーザ加工時に発生するヒューム及び粉塵を加工部系外に押出し排出する役割も担っている。

すなわち、加工ガス供給ノズル３は、ヒューム及び粉塵を排出させるように加工ガスを供給すべく、筐体２の上面２Ａから加工位置Ｐに向けて下方に傾斜した状態で該筐体２内に挿入されている。

加工ガス供給ノズル３から供給される加工ガスは、加工位置Ｐに対して斜め下方、つまり筐体２における開放部２ｂ側上方から反対側下方へ噴きつけられる。これにより加工位置Ｐ周辺に加工ガスを供給することと、ヒューム及び粉塵を加工位置Ｐから加工部系外に速やかに排出するさせることとが相反することなく可能となる。

さらに、筐体２において、開放部２ｂが形成された側と反対側の面には、吸引ノズル４が接続されている。吸引ノズル４を開放部２ｂと反対側の面に設けておくことで、外部に設けられた吸引装置による吸引で、開放部２ｂから取り込まれた外気及び加工ガスの気流は、加工位置Ｐを挟んで、開放部２ｂから該開放部２ｂと反対側の面への平面視直線状となる。

また、筐体２において、吸引ノズル４や開放部２ｂが設けられていない２側面の内面には、該側面間に亘る長さとされた平板状の整流板５が設けられている。この整流板５は、筐体２の加工位置Ｐを挟んだ吸引ノズル４を接続した側に、以下のように、気流の進行方向の下流に向けて昇り勾配となるように傾斜させた状態で設けられている。

すなわち、整流板５における気流進行方向の上流側端部は、筐体２の開放部２ａと略同高さ位置とされている。一方、整流板５における気流進行方向の下流側端部は、吸引ノズル４の開口の図１（ａ）における下端と略同位置とされている。

なお、整流板５は、レーザ加工時に発生したヒューム及び粉塵を瞬時に加工位置Ｐから排出するために、上記気流進行方向の上流側端部位置を加工位置Ｐから１００ｍｍ以下に設定することが好ましい。また、整流板５は、傾斜面に粉塵が接触することがあることから、動摩擦係数の小さい材質を採用するか、該傾斜面の動摩擦係数を小さくするため、例えばフッ素コーティングすることが好ましい。

また、整流板５は、図２に示すように、気流進行方向の上流側端部から下流側端部に亘って流線形状としてもよい。整流板５を流線形状とすることで、気流がスムーズとなり、ヒューム及び粉塵をより速やかに排除できる。

本考案のレーザ加工機用集塵装置の一例による、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、を各々示す図である。 本考案のレーザ加工機用集塵装置の他の例による、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、を各々示す図である。

符号の説明

１ 集塵装置
２ 筐体
２ａ 開放部
２ｂ 開放部
２ｃ レーザビーム透過孔
３ 加工ガス供給ノズル
４ 吸引ノズル
５ 整流板
Ｍ 加工対象物
Ｐ 加工位置

Claims (1)

1. 加工対象物の加工位置を覆うべく加工対象物の表面と隙間を設けて配置される筐体の、上面にレーザビームの透過孔と前記加工位置に向けて加工ガスを供給する加工ガス供給ノズルを設けると共に、この加工ガス供給ノズルの設置側の側面を開口し、この開口した側面と対向する側面に加工時に発生するヒューム及び粉塵を吸引する吸引ノズルを設け、該筐体内の加工位置より前記吸引ノズル側に、上面から見て前記加工ガス供給ノズルによる加工ガス供給方向と直交する方向の両側面間に亘る長さの整流板を設けたことを特徴とするレーザ加工機用集塵装置。

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