JP5663776B1 - 吸引方法及び吸引装置並びにレーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents
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Abstract
Description
吸引口2が形成する面の吸引口2中心における接平面を平行基準面とした場合に、前記平行基準面に吸引口2と噴出口3を投影した際の位置関係の例を図3に示す。図3において吸引口2と噴出口3の形状を円としているが、図3は吸引口2と噴出口3の位置関係を示した例であり、吸引口2と噴出口3の形状や個数を制限するものではない。
図3において、吸引口2の等価円直径D[m]とし、吸引口2と噴出口3の中心間距離をr[m]とし、噴出口3の中心と吸引口2の中心を結んだ直線と噴出口3から噴出する気体の速度ベクトルがなす角度をθh[rad]とした場合に、
また、吸引口2の周りに形成される旋回流の旋回速度が大きくなり流れの圧縮性の効果が顕著となると密度変化が無視できなくなるため、前記円柱座標系の半径方向に対して密度勾配が生じ、旋回流の中心領域の密度が低下する。この場合に気体の状態方程式を満たす必要があるため、密度の低下が圧力の低下を引き起こす熱力学的な作用により減圧効果が生じる。この熱力学的な減圧効果は前記旋回流の旋回速度を加速させる方向に働くため、前記旋回流の旋回速度は音速状態に維持される。
前記円柱座標系の軸方向に関しては対象物31が吸引口2に流入する流れを遮断するため、対象物31表面と吸引口2との間に吸引口2を囲むように高速の旋回流を形成することで、前記の2つの減圧効果により吸引口2の中心部および上記旋回流中心領域の圧力が臨界圧力以下となり、上記旋回流の中心部が対象物31と接している領域を非接触で臨界圧力以下に減圧し吸引することが可能となる。
図2は本実施例の吸引装置100に関する縦断面構成図である。本実施例の吸引装置100は、気体を減圧室1の内部に吸引する吸引口2と、減圧室1の内部の気体を排気する排気機構11と、気体を噴出する噴出口3と、噴出する気体の流量を調整する流量調整機構21と、流量調整機構21を介して噴出口3に気体を導入する気体導入機構22と、作動距離調整手段30を設置した。
吸引装置100は、吸引口2および噴出口3が一体となる構造とし、積層造形法により製作した。吸引口2および噴出口3の形状は円形の平面とし、吸引装置100の底面となる同一平面上に設置した。このため、吸引口2中心における接平面は吸引装置100の底面を内包する平面となる。
対象物31はアクリル製の平板を用い、作動距離Wdは吸引装置100の底面から前記平板表面までの距離とした。作動距離調整手段30として、吸引装置100が光学レール上を移動できるように固定し、作動距離Wdが所定の距離となるように吸引装置100の位置を調整した。
評価したモデルはそれぞれ2つの噴出口を有し、2つの噴出口が吸引口2を基準に点対称となるように配置した。図3における吸引口2と噴出口3の直径および吸引口2と噴出口3の中心間距離r、噴出角度θh、式(8)の示す値は表1の通りである。
流量調整機構21として、2次圧力調整弁および流量計を用い、気体導入機構22はコンプレッサーを用いた。コンプレッサーから導入される圧縮空気の圧力を2次圧力調整弁により調整し、噴出口3から所定の流量が噴出するよう流量計で計測した。噴出口3の噴出速度は前記流量計の計測値から噴出口3の面積を除して算出した。
吸引装置100の構成は実施例1と同様であり、表1のモデルBを用いた。対象物31は透明アクリル平板であり、表面に可視化用のトレーサ粒子を散布した。
前記透明アクリル平板を通して、吸引装置100の底面に設置された吸引口2が観察できるように、透明アクリル平板の下部にカメラを設置した。吸引装置100の底面と平行な面を撮影するために、可視光のレーザ光を吸引装置100の底面と平行なシート状にし、吸引装置100の底面と前記透明アクリル平板の間に入射した。以上のようにして、吸引装置100により前記トレーサ粒子が吸引される時の散乱光を撮影した。
吸引装置100の動作条件は、噴出口3の噴出速度M=0.26、作動距離Wdを2mmとした。
吸引装置100の構成は実施例1と同様であり、表1のモデルBを用いた。
本実施例における吸引対象は水とし、集塵機構12は濃縮トラップを用いた。
実施例1と同様に対象物31の表面に直径1mmの貫通穴32を形成し、中空のチューブを連通させた。前記チューブは吸引対象となる水が入った容器に連結した。前記容器の水面は大気に開放されている。
吸引物の回収率評価の方法として、前記容器内の水を吸引装置100により吸引および回収し、前記容器の重量変化および吸引装置100により回収した水の重量により回収率を算出した。本実験に際し、回収の評価実験を行う前に、前記容器が空の状態で吸引装置100を動作させ、減圧室1および集塵機構12に水が含まれないことを確認した。
吸引装置100の動作条件は、噴出口3の噴出速度M=0.26、作動距離Wdを1mmとした。
表2の結果は高い吸引および回収効果を示しており、本発明の方法および装置の有効性が確認された。
図4は本実施例のレーザ加工装置の概略構成を示す。図4に示すレーザ加工装置は、レーザ発振器41と、ミラー43と、レンズ44と、吸引装置100と、加工ステージ46を有しており、レーザ発振器41からレーザ光42を出射し、ミラー43によりレーザ光42を伝送し、レンズ44および吸引装置100を通す。レンズ44によりレーザ光42を加工対象物33の表面に集光し、吸引装置100により集光点を減圧および吸引する。
吸引装置100の動作条件は、噴出口3の噴出速度M=0.26、作動距離Wdを1mmとした。
以上の説明では、レーザ加工の対象としてピコ秒レーザによるステンレス板の切断を例にとって説明したが、本発明は前記のレーザ加工に限定されるものではない。
2 吸引口
3 噴出口
11 排気機構
12 集塵機構
21 流量調整機構
22 気体導入機構
30 作動距離調整手段
31 対象物
32 穴部
33 加工対象物
41 レーザ発振器
42 レーザ光
43 ミラー
44 レンズ
45 透過窓
46 加工ステージ
100 吸引装置
200 レーザ加工装置
D 吸引口の等価円直径
d 噴出口の等価円直径
Wd 作動距離
Cd 図2における吸引口と噴出口の中心間距離
θv 図2における噴出口から噴射時の気体の速度ベクトルと対象物とのなす角度
r 図3における吸引口と噴出口の中心間距離
θh 図3における噴出口の中心と吸引口の中心を結んだ直線と噴出口から噴出する気体の速度ベクトルがなす角度
X−axis 図3における直交座標系のX軸
Y−axis 図3における直交座標系のY軸
Claims (10)
- 開いた系に設置された対象物と所定の作動距離だけ離れた状態に配置された吸引口と連通する減圧室を減圧して当該吸引口より気体を吸引することで対象物表面の所定範囲を減圧する吸引方法において、前記減圧室内部の圧力を前記吸引口から吸い込む気体の速度が臨界状態となる臨界圧力以下となるように設定し、前記対象物に向けて気体を噴出する噴出口における気体の噴出速度が当該噴出口から噴出する気体の定常かつ静止状態時の音速で除した値であるマッハ数で0.2より大きくなるように設定し、前記噴出口より気体を噴出するとともに前記吸引口により気体を吸引して前記対象物表面と前記吸引口との間に前記吸引口を囲むように旋回流を形成することで、前記吸引口から前記対象物表面までの前記旋回流の中心領域の圧力を前記臨界圧力以下に減圧して吸引することを特徴とする吸引方法。
- 前記作動距離Wdは、前記吸引口の形状を円として近似した場合に面積が等価となる直径である等価円直径D、前記噴出口が形成する面の面積Ainを用いて、
- 前記噴出口は、前記吸引口が形成する面の中心における接平面である基準面に前記吸引口および前記噴出口を投影した際に、前記吸引口の形状を円として近似した場合に面積が等価となる直径である等価円直径D、前記吸引口と前記噴出口の中心間距離r、前記噴出口の中心及び前記吸引口の中心を結んだ直線と前記噴出口から噴出する気体の速度ベクトルとがなす角度θhを用いて、下記の2式
- レーザ光の照射により対象物を加工するレーザ加工方法において、請求項1から3のいずれかに記載の吸引方法によりレーザ加工領域を吸引して、レーザ光照射により生じる副次物を除去又は回収することを特徴とするレーザ加工方法。
- 開いた系に設置された対象物と所定の作動距離だけ離れた状態に配置された吸引口と連通する減圧室を減圧することで吸引口を通して気体を減圧室内部に吸引する吸引手段と、気体の流量を調整する流量調整手段を有し噴出口から前記対象物に向けて気体を高速に噴出する噴出手段とを備え、前記吸引手段により前記減圧室内部の圧力を前記吸引口から吸い込む気体の速度が臨界状態となる臨界圧力以下となるように設定するとともに前記噴出手段により前記噴出口から噴出する気体の速度を当該気体の定常かつ静止状態時の音速で除した値であるマッハ数で0.2より大きくなるように設定して、前記対象物表面と前記吸引口との間に前記吸引口を囲むように旋回流を形成することで、前記吸引口から前記対象物表面までの前記旋回流の中心領域の圧力を臨界圧力以下に減圧して吸引することを特徴とする吸引装置。
- 前記作動距離を調整する作動距離調整手段を備えていることを特徴とする請求項5に記載の吸引装置。
- 前記作動距離Wdは、前記吸引口の形状を円として近似した場合に面積が等価となる直径である等価円直径D、前記噴出口が形成する面の面積Ainを用いて、
- 前記吸引手段は、前記吸引口から吸い込む気体の速度が臨界状態となる臨界圧力以下の到達圧力を有し、かつ排気流量qm0が、定常かつ静止状態にある前記気体の物性値である比熱比k、密度ρ0、音速aおよび前記吸引口が形成する面の面積Aoutを用いて、
- 前記噴出手段は、前記吸引口が形成する面の中心における接平面である基準面に前記吸引口および前記噴出口を投影した際に、前記吸引口の形状を円として近似した場合に面積が等価となる直径である等価円直径D、前記吸引口と前記噴出口の中心間距離r、前記噴出口の中心及び前記吸引口の中心を結んだ直線と前記噴出口から噴出する気体の速度ベクトルとがなす角度θhを用いて、下記の2式
- レーザ光の照射により対象物を加工するレーザ加工装置において、請求項5から9のいずれかに記載の吸引装置を備えており、前記吸引装置によりレーザ加工領域を吸引して、レーザ光照射により生じる副次物を除去又は回収することを特徴とするレーザ加工装置。
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