JP5448042B2 - レーザー加工装置、レーザー加工装置の製造方法、及びレーザー加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー加工装置、レーザー加工装置の製造方法、及びレーザー加工方法に関し、特に、ノズルから噴射された噴流液柱内に導かれたレーザーによって被加工物を加工するレーザー加工装置、レーザー加工装置の製造方法、及びレーザー加工方法に関する。

従来、水等の液体を噴射して被加工物を加工する加工装置として、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載の液体噴射ノズル装置を備えた加工装置では、噴射した高圧水が被加工物からはね返って加工部の周囲に広がったり、空気中に飛散したりすることによって被加工物が濡れるのを防止するために、ノズル先端部に筒体を設け、この筒体の先端に柔軟材を取り付けて、柔軟材を被加工物に密着させて加工を行うことにより、加工部周囲への水の広がりを防止している。

また、他の例として、例えば特許文献２に記載されるような、アブレッシブを混入した超高圧水を噴射して被加工物を切断するウォータージェット切断装置がある。特許文献２に記載のウォータージェット切断装置では、アブレッシブを含む高圧水が被加工物にはね返って被加工物の外表面に飛散するのを防止するために、高圧水の噴出ノズルの周りに散水口を設けてカーテン状の水環状流を形成し、噴出ノズルからのウォータージェットの飛散を防止している。

特開昭６３−７７６９９号公報 特開平５−４２５００号公報

ところで、近年、ノズルから液体を噴射して噴流液柱を形成し、この噴流液柱内に導かれたレーザーによって被加工物の加工を行うレーザー加工装置が開発されている。この形式のレーザー加工装置は、従来のようにレーザーのみで加工を行う装置や、上記のような高圧水のみを用いて加工を行う装置とは異なり、レーザーを噴流液柱内に導いて全反射させることによって、レーザーを噴流液柱内で伝送する。このため、レーザーの伝送効率を良好に保つためには、噴流液柱を安定させることが必要となる。

このようなレーザー加工装置において、噴流液柱が被加工物に当たって液体がはね返ると、液体が、噴流液柱を噴射するノズルに付着する場合がある。この場合、付着した液体が、ノズルから噴射される噴流液柱の流れを乱し、その結果、レーザーの伝送効率を低下させ、レーザー加工効率を低下させてしまう。したがって、このようなタイプのレーザー加工装置において、安定した噴流液柱を得ることは非常に重要である。

本発明の目的は、ノズルから噴射された噴流液柱内に導かれたレーザーによって被加工物を加工するレーザー加工装置において、ノズルへの液体の付着防止と噴流液柱の保護を行い、レーザーの伝送効率を向上させることができるレーザー加工装置、このレーザー加工装置の製造方法、及びレーザー加工方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、レーザーを発生するレーザー発振器と、被加工物に噴流液体を噴射するノズルとを備え、ノズルから噴射された噴流液柱内に導かれたレーザーによって被加工物を加工するレーザー加工装置であって、ノズルと被加工物との間に配置され、噴射された噴流液体のはね返りからノズル及び噴流液柱を保護するカバーを備え、カバーには、ノズルから噴射された噴流液柱が通過可能な孔が形成されている、ことを特徴としている。

このように構成された本発明においては、噴流液柱は、カバーに形成された孔を通過して被加工物に向かって噴射される。レーザーは、噴流液柱内に導かれて被加工物に照射され、被加工物を加工する。レーザー加工中、噴流液柱が被加工物に当たって噴流液体がはね返った場合でも、カバーがノズルへの液体の付着と噴流液柱の乱れを防止する。それにより、噴流液柱内に導かれるレーザーの伝送効率を低下させることなく、良好な加工効率を維持することができる。

本発明において、好ましくは、孔は、ノズルから噴射された噴流液柱内に導かれたレーザーによって形成される。

カバーには、噴流液柱内に導かれたレーザーによって加工された孔が形成されているので、孔の直径は、噴流液柱とほぼ同径となり、レーザー加工中、噴流液柱と孔との間に形成される隙間が最小限に抑制される。したがって、カバーによって、被加工物に当たってはね返る液体がノズルに付着したり噴流液柱に当たったりするのをより確実に防止することができ、噴流液柱の乱れを防止することができる。また、カバーに形成された孔は、噴流液柱内に導かれたレーザーによって形成されているので、カバーをレーザー加工装置に取り付けた状態で孔を形成すれば、孔を噴流液柱に対して位置合わせすることなく、正確な位置にカバーの孔を配置することができる。

本発明において、好ましくは、ノズルの上面からカバーの上面までの距離は、４〜４０ｍｍであり、カバーの上面には、噴流液柱に沿った方向の寸法が２ｍｍ以上で、且つ噴流液柱に略直交する方向の寸法が５ｍｍ以上の空間部が設けられている。

このように構成された本発明においては、ノズルの上面からカバーの上面までの距離が４〜４０ｍｍであり、カバーの上面に、噴流液柱に沿った方向の寸法が２ｍｍ以上で且つ噴流液柱に略直交する方向の寸法が５ｍｍ以上の空間部が設けられているので、良好な加工性能を維持しながら、はね返った液体のノズルへの付着と噴流液柱の乱れを確実に防止することができる。ノズルの上面からカバーの上面までの距離が大きすぎると、即ち、空間部の噴流液柱に沿った方向の寸法を大きくすると、ノズルから被加工物までの距離も大きくなるため、ノズルを被加工物の加工面に近づけることができず、良好な加工性能を得ることが難しくなる。一方、ノズルの上面からカバーの上面までの距離が小さすぎると、即ち、空間部の噴流液柱に沿った方向の寸法を小さくすると、液体が表面張力等によってカバーとノズルとの間に付着してしまい、ノズルへの液体の付着及び噴流液柱の乱れを確実に防止することが難しくなる。

本発明において、好ましくは、カバーに形成された孔の直径は、噴流液柱の直径以上で、噴流液柱の直径の２０倍以下である。
このように構成された本発明においては、孔の直径が噴流液柱の直径以上で、噴流液柱の直径の２０倍以下であるので、噴流液柱がカバーを通過することができる寸法を確保しながら、孔の直径を最小限に抑制して、噴流液体のはね返りからノズル及び噴流液柱を効果的に保護することができる。ここで、孔の直径が噴流液柱の直径よりも小さいと、噴流液柱が孔を通ることができず、孔の直径が噴流液柱の直径の２０倍より大きいと、噴流液柱と孔との間に形成される隙間が大きくなり、はね返った噴流液体がこの隙間からカバーの上方に入ってノズルに付着したりノズルとカバーの間の噴流液柱に当たったりする可能性がある。

本発明において、好ましくは、カバーは、薄板状に形成されている。
このように構成された本発明においては、カバーが薄板状に形成されているので、噴流液柱内に導かれたレーザーによってカバーの孔を容易且つ高精度に形成することができる。

本発明において、好ましくは、カバーと被加工物との間に配置され、被加工物に向かってエアジェットを噴射するエア噴射手段を更に有する。
このように構成された本発明においては、被加工物のレーザー加工中、エア噴射手段によって被加工物にエアジェットを噴射すると、エアジェットは、被加工物の加工部周辺の液体を排除する。したがって、エア噴射手段によって、液体のノズルへのはね返りをより効果的に防止することができ、液体のノズルへの付着及び噴流液柱の乱れをより確実に防止することができる。

また、上記目的を達成するために、本発明によるレーザー加工装置の製造方法は、レーザーを発生するレーザー発振器と、被加工物に噴流液体を噴射するノズルとを備え、ノズルから噴射された噴流液柱内に導かれたレーザーによって被加工物を加工するレーザー加工装置の製造方法であって、ノズルと被加工物の間に、噴射された噴流液体のはね返りからノズル及び噴流液柱を保護するためのカバーを取り付けるステップと、カバーに、噴流液柱内に導かれたレーザーを照射することによって、噴流液柱が通過可能な孔を形成するステップと、を含む、ことを特徴としている。

このように構成された本発明においては、噴流液柱内に導かれたレーザーによって、カバーに孔を形成するので、孔の直径は、噴流液柱とほぼ同径となる。したがって、レーザー加工中、噴流液柱と孔との間の隙間が最小限に抑制され、カバーによって、被加工物に当たってはね返る液体がノズルに付着したり、ノズルとカバーの間の噴流液柱に当たったりするのを確実に防止することができ、噴流液柱の乱れを防止することができるレーザー加工装置を製造することができる。それにより、製造されたレーザー加工装置は、レーザーの伝送効率を低下させることなく、より良好な加工効率を維持することができる。また、噴流液柱内に導かれたレーザーによってカバーの孔を形成するので、孔を噴流液柱に対して位置合わせする必要がなく、カバーの正確な位置に、噴流液柱と整合する孔を形成することができる。

また、上記目的を達成するために、本発明によるレーザー加工方法は、レーザーを発生するレーザー発振器と、被加工物に噴流液体を噴射するノズルとを備え、ノズルから噴射された噴流液柱内に導かれたレーザーによって被加工物を加工するレーザー加工装置によるレーザー加工方法であって、ノズルと被加工物の間に、噴射された噴流液体のはね返りからノズル及び噴流液柱を保護するためのカバーを取り付けるステップと、カバーに、噴流液柱内に導かれたレーザーを照射することによって、噴流液柱が通過可能な孔を形成するステップと、孔を通過する噴流液柱内に導かれたレーザーによって被加工物を加工するステップと、を含む、ことを特徴としている。

このように構成された本発明においては、ノズルと被加工物の間にカバーを取り付け、噴流液柱内に導かれたレーザーによって、カバーに孔を形成するので、噴流液柱は、形成された孔を通って被加工物に噴射される。その後、噴流液柱内に導かれたレーザーによって被加工物の加工を行う。
噴流液柱内に導かれたレーザーによってカバーに孔を形成するので、孔の直径は、噴流液柱とほぼ同径となる。したがって、レーザー加工中、噴流液柱と孔との間の隙間が最小限に抑制され、カバーによって、被加工物に当たってはね返る液体がノズルに付着したり、ノズルとカバーの間の噴流液柱に当たったりするのを確実に防止することができ、噴流液柱の乱れを防止することができる。それにより、レーザーの伝送効率を低下させることなく、良好な加工効率を維持してレーザー加工を行うことができる。また、噴流液柱内に導かれたレーザーによってカバーの孔を形成するので、孔を噴流液柱に対して位置合わせする必要がなく、カバーの正確な位置に、噴流液柱と整合する孔を形成することができる。

本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置の全体を示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置の一部を拡大した図である。 本発明の第２実施形態によるレーザー加工装置の一部を拡大した図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して説明する。なお、第２実施形態以降では、第１実施形態と同様の構成には、図面に第１実施形態と同一符号を付し、その説明を簡略化または省略する。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置１の全体を示す概略構成図である。本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置１は、レーザー加工ヘッド２と、このレーザー加工ヘッド２を通ってレーザーを被加工物Ｗ上に照射する光学装置４と、被加工物Ｗに噴流液体である高圧水を噴射するための液体噴射手段６と、を備えている。

レーザー加工ヘッド２は、略円筒形状に形成されたハウジング８を備え、ハウジング８の内部下方には、噴流液柱Ｆを噴射するノズル１０が設けられている。ハウジング８内の上方には光学装置４の一部が収容され、ハウジング８内の下方には液体噴射手段６の一部が設けられている。

光学装置４は、所定の位置にレーザーを集光させるレーザー光学系１２と、レーザー光学系１２にレーザーを入射させるレーザー発振器１４とを備える。
レーザー光学系１２は、レーザー発振器１４から出射されたレーザーを光ファイバ等でレーザー加工ヘッド２に導くと共に、このレーザーをレーザー加工ヘッド２内のノズル１０の上端の開口近傍の位置で集光させるように構成されている。なお、図１においては、レーザー光学系１２は一部を模式化して図示しており、レーザーを最終的に集光させる１枚の集光レンズ１６のみ示している。

レーザー発振器１４は、所定強度のレーザーを生成するように構成されている。本実施形態においては、レーザーとしてグリーンレーザーを使用しているが、水に吸収されにくい吸収率の低いレーザーであれば、その種類は任意に選択することができる。
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、レーザー加工ヘッド２内のノズル１０の開口近傍の位置に精度よくレーザーを導くことが容易となる。このため、ノズル１０の損傷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。

液体噴射手段６は、液体供給源１８と、液体供給源１８からの液体からイオンを除去する等の処理を行う液体処理装置２０と、液体供給源１８から供給された液体をレーザー加工ヘッド２に圧送する高圧ポンプ２２と、高圧ポンプ２２とレーザー加工ヘッド２の間に設けられ、液体から不純物等を除去するための高圧フィルタ２４と、レーザー加工ヘッド２内に形成され、高圧ポンプ２２から送られた高圧の液体をノズル１０に導く液体流路２６とを備える。本実施形態では、液体として水を採用している。

図２は、本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置１のノズル１０付近の拡大図である。この図２に示すように、レーザー加工ヘッド２の下部には、円筒のブラケット２８が取り付けられており、このブラケット２８の下端は、レーザー加工ヘッド２の下端よりも下方に突出している。ブラケット２８の内部には、被加工物Ｗに当たった水のはね返りからノズル１０及び噴流液柱Ｆを保護するためのカバー３０が設けられている。カバー３０は、カバー３０よりも被加工物Ｗ側でブラケット２８内部に固定されたカバー取付部３２の上面に固定されている。カバー取付部３２は、円柱形に形成され、中央に切頭円錐台形の孔３４が形成されている。
なお、上記のカバー取付部３２は、カバー３０の下面に配置されているものに限らず、例えばカバー３０の上方に配置され、カバー取付部の下面においてカバー３０を支持固定する構造となっていてもよい。

カバー３０は、ブラケット２８の内径とほぼ同じ直径の円形の薄板状に形成されており、カバー取付部３２のノズル１０側の面上に載置され、カバー取付部３２に固定されている。したがって、カバー３０は、ノズル１０と被加工物Ｗの間に配置される。カバー３０の略中央には、ノズル１０から噴射される噴流液柱Ｆが通過するための貫通孔３６が形成されている。カバー３０は、ブラケット２８及びカバー取付部３２から着脱可能に設けられている。

ここで、カバー３０は、レーザーを照射することにより加工可能な材料で構成されており、本実施形態では金属製である。また、カバー３０の厚さは、５μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下であり、更に好ましくは、２０μｍ以上３００μｍ以下である。カバー３０の厚さが５μｍより薄いと、被加工物Ｗからはね返った液体が当たったときに、カバー３０が撓んでしまう可能性がある。また、カバー３０の厚さが１０００μｍより厚いと、貫通孔３６の形成が容易でなくなり、また噴流液柱Ｆがカバー３０に当たったときに、噴流液柱Ｆの流れに影響を及ぼし、噴流液柱Ｆを乱す可能性が高くなる。

ノズル１０とカバー３０とは、互いに所定距離を隔てて配置されているため、ノズル１０の下面と、カバー３０の上面と、ブラケット２８の内面とによって囲まれた領域には、空間部３１が形成される。空間部３１は、レーザー加工ヘッド２の下面からカバー３０の上面までの、噴流液柱Ｆに沿った方向の寸法Ｌ２と、ブラケット２８の対向する内面間の、噴流液柱Ｆと略直交する方向の寸法（直径）Ｄとを有し、全体として円柱状に形成されている。ここで、寸法Ｌ２は、２ｍｍ以上であり、寸法Ｄは、５ｍｍ以上であることが好ましい。なお、この空間部３１の形状は、円柱形に限らず例えば矩形でもよく、レーザー加工ヘッド２の下面とカバー３０の上面との間に空間が形成される形状であればよい。
また、ノズル１０の上面からカバー３０の上面までの距離Ｌ１は、４〜４０ｍｍが好ましく、本実施形態では約２０ｍｍである。距離Ｌ１が小さすぎると、空間部３１の寸法Ｌ２も小さくなり、ノズル１０の下面とカバー３０の上面との間に、表面張力によって水が溜まり、ノズル１０とカバー３０の間の空間部３１に水が溜まる可能性がある。また、距離Ｌ１が大きすぎると、空間部３１のブラケット２８の噴流液柱Ｆに沿った方向の寸法Ｌ２が大きくなり、ノズル１０を被加工物Ｗに近づけられなくなる。それにより、良好なレーザー加工性能を得ることが難しくなる。

カバー３０の貫通孔３６は、レーザー加工装置１によってノズル１０から噴射される噴流液柱Ｆによって導かれたレーザーによって形成される。したがって、貫通孔３６の直径は、噴流液柱Ｆの直径とほぼ同じになる。
ここで、貫通孔３６の成形加工は、例えばレーザー加工装置１の製造段階で行ってもよい。即ち、レーザー加工装置１の製造段階において、レーザー加工装置１のレーザー加工ヘッド２、光学装置４、液体噴射手段６等の製造、組立後、レーザー加工ヘッド２にブラケット２８を取り付け、ブラケット２８にカバー３０を固定する。そして、ノズル１０から噴流液柱Ｆを噴射してレーザーを照射すると、噴流液柱Ｆおよびレーザーは、カバー３０に当たり、カバー３０を加工して貫通孔３６を形成する。このようにして、レーザー加工装置１の製造を完成させてもよい。

あるいは、カバー３０の貫通孔３６は、レーザー加工装置１を設置した後、現場で実際に被加工物Ｗのレーザー加工を行う際に、レーザー加工の１つの工程として形成してもよい。即ち、レーザー加工装置１は、ブラケット２８及びカバー３０を取り付けていない状態で、またはブラケット２８及びカバー３０を取り付けているが、カバー３０に貫通孔３６を形成していない状態で現場に設置される。そして、現場において、カバー３０及びブラケット２８が取り付けられていない場合には、これらを取り付け、噴流液柱Ｆを噴射し、レーザーを噴流液柱Ｆ内に導き、カバー３０に照射することによって、カバー３０に貫通孔３６を形成する。
なお、貫通孔３６の直径は、噴流液柱Ｆの直径以上で、噴流液柱Ｆの直径の２０倍以下、より好ましくは１０倍以下の範囲で形成されるのがよい。

このように構成されたレーザー加工装置１では、被加工物Ｗをレーザー加工する場合には、被加工物Ｗをノズル１０の下方の載置台（図示せず）に載置する。次に、レーザー発振器１４からレーザーを出射させると、レーザーは、レーザー光学系１２に入射し、レーザー加工ヘッド２内に導かれる。レーザーは、レーザー光学系１２の集光レンズ１６等によって、ノズル１０の上端開口の位置近傍に集光される。一方、液体噴射手段６は、液体供給源１８からの水を高圧ポンプ２２で圧送し、液体流路２６を通ってノズル１０から噴流液柱Ｆを被加工物Ｗに向かって噴出する。なお、このとき、噴出された噴流液柱Ｆの径は、ノズル１０の孔径よりもわずかに大きくなる。噴流液柱Ｆは、カバー３０の貫通孔３６及びカバー取付部３２の孔３４を通って被加工物Ｗに到達する。レーザー光学系１２によってノズル１０の上端開口近傍に集光されたレーザーは、噴流液柱Ｆ内を全反射しながら噴流液柱Ｆに導かれ、被加工物Ｗまで到達して被加工物Ｗをレーザー加工する。
噴流液柱Ｆの水が被加工物Ｗに当たると、レーザー加工ヘッド２付近にはね返る場合があるが、ノズル１０と被加工物Ｗとの間に設けられたカバー３０がノズル１０、及びノズルの近傍の、即ちノズル１０とカバー３０の間の噴流液柱Ｆを保護し、ノズル１０への水の付着や噴流液柱Ｆの乱れを防止する。

このように構成された本実施形態によれば、次のような優れた効果を得ることができる。
ノズル１０と被加工物Ｗとの間にカバー３０が設けられているので、噴流液柱Ｆが被加工物Ｗに当たって水がはね返った場合にも、水のノズル１０への付着及び噴流液柱Ｆの乱れを防止することができる。それにより、安定した層流状態の噴流液柱Ｆを形成することができ、レーザーの伝送効率の低下を防止することができる。これは特に、被加工物Ｗからの水の跳ね返りが深刻な深堀り加工においても、安定した噴流液柱Ｆを形成することができるようになるので、有用である。また、カバー３０によってノズル１０の近傍の噴流液柱Ｆを保護するので、安定した噴流液柱Ｆを形成するのに重要な、ノズル１０から噴射された直後の領域を保護することができ、安定した噴流液柱Ｆの形成を確実にすることができる。また、安定した噴流液柱Ｆを形成することができるので、はね返りの外乱に強くなり、良好なレーザー加工性能を維持しながら被加工物Ｗからのノズル１０の設定距離をより大きくとることが可能となるから、ノズル１０の距離設定の自由度が高くなる。

カバー３０の貫通孔３６が、レーザー加工装置１の噴流液柱Ｆ内に導かれたレーザーによって加工されているので、噴流液柱Ｆの直径とほぼ同じ貫通孔３６を形成することができる。これにより、噴流液柱Ｆと貫通孔３６との間の隙間はほとんどなく、この隙間を最小限に抑制することができる。よって、被加工物Ｗの加工部からはね返った水が貫通孔３６を通ってノズル１０に付着したり噴流液柱Ｆに当たったりするのを確実に防止することができる。

カバー３０の貫通孔３６を、カバー３０をブラケット２８を介してレーザー加工ヘッド２に取り付けた状態で、レーザー加工装置１の噴流液柱Ｆ内に導かれたレーザーによって形成するので、噴流液柱Ｆが形成される位置に完全に一致するように貫通孔３６を形成することができる。したがって、例えば貫通孔が予め形成されたカバーをレーザー加工ヘッドに取り付ける場合とは異なり、カバー３０の位置決めを必要とすることなく、貫通孔３６の位置を噴流液柱Ｆに高精度に一致させることができる。よって、レーザー加工装置１の製造、組立を容易に行うことができる。

カバー３０の厚さが適切に設定されているので、カバー３０に、噴流液柱Ｆ内に導かれたレーザーによって容易に貫通孔３６を形成することができる。また、カバー３０の厚さの設定により、噴流液柱Ｆがカバー３０に当たった場合でも、噴流液柱Ｆの安定性に与える影響を最小限に抑制しながら、カバー３０の撓みを防止するとともに、はね返りによる撓みも防止することができる。

ノズル１０の上面からカバー３０の上面までの距離Ｌ１が適切に設定され、また、空間部３１の寸法Ｌ２，Ｄが適切に設定されているので、カバー３０とノズル１０の間に表面張力によって水が溜まることがない。また、ブラケット２８およびカバー３０がレーザー加工ヘッド２の下端から下方に大きく突出することがないため、ノズル１０を被加工物Ｗに適度に近づけることができ、レーザー加工性能を損なうことがない。

カバー３０がブラケット２８に対して着脱可能に設けられているため、ノズル１０の交換やメンテナンスを行うためにカバー３０を外すことができる。また、カバー３０を外した後、新たに貫通孔が形成されていないカバー３０を取り付け、レーザー照射によって貫通孔３６を形成することにより、再び噴流液柱Ｆと貫通孔３６の位置を確実且つ正確に合わせることができる。したがって、メンテナンスを容易に行うことができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態によるレーザー加工装置５０は、被加工物Ｗに向かってエアジェットを噴射するエア噴射手段５２が設けられている点で、第１実施形態によるレーザー加工装置１と異なる他は、第１実施形態によるレーザー加工装置１と同様の構成である。

図３は、本発明の第２実施形態に係るレーザー加工装置５０のノズル１０付近の拡大図である。この図３に示すように、レーザー加工装置５０は、第１実施形態によるレーザー加工装置１と同様に、レーザー加工ヘッド２に取り付けられたブラケット５４を有し、このブラケット５４には、カバー５６を取り付けるためのカバー取付部５８が設けられている。また、カバー５６の上方には、ノズル１０との間に空間部５７が形成されている。

エア噴射手段５２は、エア供給源６０と、エア供給源６０から供給される圧縮空気の圧力を制御するエアコントローラ６２と、カバー取付部５８内に形成され、圧縮空気が通過するエア通路６４と、エア通路６４内の圧縮空気をエアジェットとして被加工物Ｗの加工部付近に向かって噴射するエアノズル６６と、を備える。エア通路６４は、カバー取付部５８の中央に形成された切頭円錐台形の孔６８の外側に環状に形成されている。エアノズル６６は、エア通路６４と孔６８を連通し、孔６８に開口している。

このように構成されたレーザー加工装置５０では、第１実施形態と同様に、液体噴射手段６によってノズル１０から噴流液柱Ｆを、カバー５６の貫通孔７０を通して被加工物Ｗに向かって噴出し、レーザー光学系１２によってノズル１０の上端開口近傍に集光されたレーザーを噴流液柱Ｆ内に導いて、被加工物Ｗをレーザー加工する。カバー５６は、被加工物Ｗに当たってはね返った水がノズル１０へ付着したり噴流液柱Ｆに当たったりするのを防止する。

エア供給源６０から供給された圧縮空気は、エア通路６４を通ってエアノズル６６から噴射される。エアノズル６６から噴射されたエアジェットは、被加工物Ｗの加工部付近（加工部周囲）に向かって噴射され、被加工物Ｗに当たってはね返ろうとする水を被加工物Ｗ側に押し付け、水の跳ね返りを抑制する。また、エアジェットによって被加工物Ｗの加工部に溜まった水を加工部周囲に押し出して排出する。

このように構成された本実施形態によれば、第１実施形態にかかるレーザー加工装置１によって得られる効果の他、次のような効果が得られる。
レーザー加工装置５０にエア噴射手段５２が設けられているので、被加工物Ｗからの水のはね返りを抑制することができる。これにより、ノズル１０への水の付着及び噴流液柱Ｆの乱れをより一層確実に防止することができる。
また、エア噴射手段５２が、被加工物Ｗの加工部付近に向かってエアジェットを噴射するので、加工部に溜まった水を除去することができる。これは、特に、被加工物Ｗの加工部に水が溜まりやすい深堀り加工においても、加工部の水をエアジェットによって積極的に排除することができるので、有用である。

本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、例えば、カバーは、ブラケットに対して着脱可能でなくてもよい。カバーは、例えばブラケットに対しては固定され、ブラケットがレーザー加工ヘッドに対して着脱可能に設けられていてもよい。あるいは、カバーおよびブラケットは、レーザー加工ヘッドに対して着脱自在に設けられていなくてもよい。更に、カバーは、ブラケットを介して取り付けられる構造に限らず、例えばレーザー加工ヘッドに直接取り付けられてもよい。

カバーに形成される孔は、噴流液柱内に導かれたレーザーによって加工するものに限らず、カバーに予め適当な加工方法によって孔を形成しておき、このカバーを、ノズルと被加工物の間に設置するようにしてもよい。このような場合であっても、被加工物の加工中にはね返った噴流液体がノズルに付着するのを防止することができる。
この場合にも、孔の直径は、噴流液柱の直径以上で、噴流液柱の直径の２０倍以下であることが好ましく、１０倍以下であることがより好ましい。

カバーの形状、寸法、材料等は、レーザー加工装置の仕様や加工条件等に応じて任意に設定することができ、前述の実施形態に記載された態様に限定されない。即ち、例えばカバーの形状は、円形に限らず、矩形等任意の形状を採用することができる。カバーのノズルに対する位置、例えばノズルの上面からカバーの上面までの距離は、前述の実施形態に記載した範囲に限らず、良好な加工性能を確保でき且つ噴流液体のノズルへの付着を防止できる限りにおいて任意に設定することができる。また、カバーの孔の直径は、噴流液体のノズルへの付着を防止できるのであれば、噴流液柱の直径の２０倍より大きくてもよく、加工条件等に応じて任意に設定することができる。

カバーを取り付けるブラケットは、前述の実施形態では円筒状に形成されていたが、これに限らず、レーザー加工ヘッドの形状に対応して、例えば角柱状であってもよい。
ノズルとカバーの間に形成される空間部の形状は、円柱状のものに限らず任意の形状を採用することができ、例えばカバーを取り付けるブラケットが角柱状に形成される場合には、空間部も角柱状に形成される場合がある。また、空間部の寸法、即ち噴流液柱に沿った方向の寸法及び噴流液柱に略直交する方向の寸法は、前述の実施形態に記載した範囲が好ましいが、これに限らずレーザー加工ヘッドやノズルの形状、配置等に応じて任意に設定することができる。なお、空間部が円柱状以外の形状に形成されている場合には、噴流液柱に略直交する方向の寸法は、噴流液柱からの空間部の外縁までの最小距離が適当となるように設定されるのがよい。

エア噴射手段は、例えばカバーを設けるのみで液体のノズルへの付着を十分に防止することができる場合等では設けなくてもよい。つまり、エア噴射手段は、必ずしも設けられていなくてもよい。

本発明の効果を確認するために、以下のような実験を行った。

［実施例１］
第１実施形態のレーザー加工装置１を使用して、金属板のピアス加工を行った。被加工物Ｗとしては、ＳＵＳの板状部材を使用し、厚さｔが、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍ、及び１．０ｍｍのものを用いた。ノズル１０の孔径を１００μｍ、高圧ポンプ２２から圧送される水の圧力を１０ＭＰａ、レーザー周波数を１３ｋＨｚ、レーザー出力を４０Ｗとした。
レーザー加工装置１の設置台を静止したまま、噴流液柱Ｆ内に導かれたレーザーを被加工物Ｗに照射し、金属板に貫通孔が形成されるかを観察した。それぞれの厚さの被加工物Ｗについて、１０個ずつ試験を行った。

［比較例１］
第１実施形態のレーザー加工装置１からブラケット２８及びカバー３０を取り外した状態で、実施例１と同様のピアス加工を行った。被加工物Ｗの厚さｔが０．３ｍｍのものについて１０個の試験を行った。その他の実験条件は、実施例１と同じである。

［実施例１と比較例１との結果の対比］
実施例１においては、厚さｔが０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、及び０．６ｍｍの被加工物Ｗについては、レーザーを１秒間照射することにより、１０個の試験片中１０個において貫通孔が形成された。また、厚さｔが１．０ｍｍの被加工物Ｗについては、レーザーを５秒間照射することにより、１０個の試験片中８個において貫通孔が形成された。
一方、比較例１においては、厚さｔが０．３ｍｍのものにおいて、レーザーを１秒間照射した場合、及びレーザーを５秒間照射した場合の両方について、１０個の試験片中１つも貫通孔が形成されなかった。
以上より、実施例１におけるレーザー加工装置１によるレーザー加工の方が、比較例１におけるレーザー加工よりもレーザーの伝送効率がよく、レーザー加工性能が優れていることが確認できた。

［実施例２］
第１実施形態のレーザー加工装置１を使用して、金属材料の直線溝掘り加工を行った。被加工物Ｗとしては、ＳＵＳを使用した。ノズル１０の孔径を６０μｍ、高圧ポンプ２２から圧送される水の圧力を１８ＭＰａ、レーザー周波数を１０ｋＨｚ、レーザー出力を１５Ｗとし、レーザー加工装置１の設置台を、送り速度２ｍｍ／秒で直線移動させながら所定回数往復させ、被加工物Ｗに直線状の溝を形成する加工を行った。

［比較例２］
第１実施形態のレーザー加工装置１からブラケット２８及びカバー３０を取り外した状態で、実施例２と同様の直線溝掘り加工を行った。その他の実験条件は、実施例２と同じである。

［実施例２と比較例２との対比］
実施例２においては、レーザーを５往復させることにより、約１．８ｍｍの深さの溝が形成された。また、レーザーを１０往復させることにより、約２．３ｍｍの深さの溝が形成された。
一方、比較例２においては、レーザーを５往復させることにより、約１．６ｍｍの深さの溝が形成された。また、レーザーを１０往復させることにより、約１．７ｍｍの深さの溝が形成された。

以上のように、実施例２においては、レーザー照射の往復回数を増加させると、それに伴って、形成される溝の深さが増加していることが分かる。これに対して、比較例２においては、レーザー照射の往復回数を増やしても、溝の深さがほとんど増加していない。即ち、比較例２のレーザー加工装置では、レーザーの照射の往復回数を増やしても、一定以上の深さの溝を形成することができない。
以上より、実施例２におけるレーザー加工装置１によるレーザー加工の方が、比較例２におけるレーザー加工よりも、レーザー加工の伝送効率がよく、レーザー加工性能が優れていることが確認できた。

１，５０ レーザー加工装置
２ レーザー加工ヘッド
１０ ノズル
１４ レーザー発振器
２８，５４ ブラケット
３０，５６ カバー
３６，７０ 貫通孔
５２ エア噴射手段
Ｆ 噴流液柱
Ｗ 被加工物

Claims (6)

1. レーザーを発生するレーザー発振器と、被加工物に噴流液体を噴射するノズルとを備え、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によって前記被加工物を加工するレーザー加工装置であって、
   前記ノズルと前記被加工物との間に配置され、噴射された前記噴流液体のはね返りから前記ノズル及び前記噴流液柱を保護するカバーを備え、
   前記カバーには、前記ノズルから噴射された噴流液柱が通過可能な孔が形成されており、
   前記孔は、前記ノズルから噴射された前記噴流液柱内に導かれたレーザーによって形成され、
   前記ノズルの上面から前記カバーの上面までの距離は、４〜４０ｍｍであり、前記カバーの上面には、前記噴流液柱に沿った方向の寸法が２ｍｍ以上で、且つ前記噴流液柱に略直交する方向の寸法が５ｍｍ以上の空間部が設けられている、
   ことを特徴とするレーザー加工装置。
2. 前記孔の直径は、前記噴流液柱の直径以上で、前記噴流液柱の直径の２０倍以下である、
   請求項１に記載のレーザー加工装置。
3. 前記カバーは、薄板状に形成されている、
   請求項１または請求項２に記載のレーザー加工装置。
4. 前記カバーと前記被加工物との間に配置され、前記被加工物に向かってエアジェットを噴射するエア噴射手段を更に有する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザー加工装置。
5. レーザーを発生するレーザー発振器と、被加工物に噴流液体を噴射するノズルとを備え、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によって前記被加工物を加工するレーザー加工装置の製造方法であって、
   前記ノズルと前記被加工物の間に、噴射された前記噴流液体のはね返りから前記ノズル及び前記噴流液柱を保護するためのカバーを取り付けて、前記ノズルの上面から前記カバーの上面までの距離を、４〜４０ｍｍとし、前記カバーの上面には、前記噴流液柱に沿った方向の寸法が２ｍｍ以上で、且つ前記噴流液柱に略直交する方向の寸法が５ｍｍ以上の空間部を設けるステップと、
   前記カバーに、前記噴流液柱内に導かれたレーザーを照射することによって、前記噴流液柱が通過可能な孔を形成するステップと、を含む、
   ことを特徴とするレーザー加工装置の製造方法。
6. レーザーを発生するレーザー発振器と、被加工物に噴流液体を噴射するノズルとを備え、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によって前記被加工物を加工するレーザー加工装置によるレーザー加工方法であって、
   前記ノズルと前記被加工物の間に、噴射された前記噴流液体のはね返りから前記ノズル及び前記噴流液柱を保護するためのカバーを取り付けて、前記ノズルの上面から前記カバーの上面までの距離を、４〜４０ｍｍとし、前記カバーの上面には、前記噴流液柱に沿った方向の寸法が２ｍｍ以上で、且つ前記噴流液柱に略直交する方向の寸法が５ｍｍ以上の空間部を設けるステップと、
   前記カバーに、前記噴流液柱内に導かれたレーザーを照射することによって、前記噴流液柱が通過可能な孔を形成するステップと、
   前記孔を通過する前記噴流液柱内に導かれたレーザーによって前記被加工物を加工するステップと、を含む、
   ことを特徴とするレーザー加工方法。

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