JP5970360B2

JP5970360B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工システム、レーザ加工方法

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Publication number: JP5970360B2
Application number: JP2012267999A
Authority: JP
Inventors: 千田　格; 格千田; 克典椎原; 秋葉　美幸; 美幸秋葉; 角谷　利恵; 利恵角谷; 摂山本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2032-12-07
Also published as: JP2014113604A

Description

本発明はレーザ加工装置及びレーザ加工システム、レーザ加工方法に係る。

金属材料、セラミックス、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）などの切断加工プロセスとして、レーザ切断やウォータジェット切断が用いられている。レーザ切断は、レーザ発振器から照射されたレーザ光を光学系により集光して被加工体に照射し、照射部を加熱溶融させる。そして、その溶融部を空気や酸素などのアシストガスを用いて吹き飛ばすことで切断する技術である。

一方、ウォータジェット切断は、高圧で水を被加工体に噴出し、噴射した部分を吹き飛ばして切断する技術である。水だけの場合と、水に研磨材を混入して行う場合とがあり、後者の場合には噴出された水の運動エネルギに研磨作用が付加されて切断能力が向上する。

さらに、レーザとウォータジェットを組み合わせた切断技術がある（例えば、特許文献１参照）。この切断技術は例えば半導体基板など、比較的薄い被加工体を精密に加工する目的で用いられている。この方法では、レーザ光とウォータジェットを同時に加工部に当てることにより切断能力が増大すると共に、加工部が切断と同時に水冷されるために非常にきれいな切断面が得られる。

特許第３６８０８６４号公報

レーザとウォータジェットを組み合わせた切断では、厚みがある部材を切断加工する場合、切断がある深さに達するとそれ以上切断できないため、切断可能な厚みに制限があった。本発明が解決しようとする課題は、厚い被加工体の切断加工を可能とするレーザ加工装置及びレーザ加工システム、レーザ加工方法を提供することである。

上記課題を解決するため、実施形態によるレーザ加工装置は、被加工体に対して液体流を噴出し、液体流を導光材として被加工体にレーザを照射し被加工体を切断加工するレーザ加工装置であって、切断加工によって被加工体に生じた溝内に噴出した液体流の液体が、溝内に噴出している液体流の周囲に滞留することを防ぐ滞留防止手段を備えるものとする。

また、上記課題を解決するため、実施形態によるレーザ加工システムは、内部に液体を貯留する液体貯留手段を有し、液体貯留手段内部の液体を被加工体に液体流として噴出する施工ヘッドと、施工ヘッドに設けられ、ガスを噴出して液体流の周囲に気流を形成させるガスノズルと、液体貯留手段に液体を供給する液体供給手段と、ガスノズルにガスを供給するガス供給手段と、レーザ発振器と、レーザ発振器から出射されたレーザを施工ヘッドに伝送する光学伝送手段と、ヘッドに伝送されたレーザを集光し液体流に伝播させる集光光学系と、切断加工によって前記被加工体に生じた溝内に噴出した液体流の液体が、溝内に噴出している液体流の周囲に滞留することを防ぐ滞留防止手段と、被加工体が切断加工された深さを計測する計測手段と、計測手段の計測結果に基づいて滞留防止手段を制御する制御手段と、を備え、集光されたレーザを、液体流内部に伝播させることで被加工体の加工点へ伝送し、被加工体を切断加工するものとする。

また、上記課題を解決するため、実施形態によるレーザ加工方法は、被加工体に液体流を噴出し、液体流を導光材として被加工体にレーザを照射して被加工体を切断加工するレーザ加工方法であって、切断加工によって前記被加工体に生じた溝内に噴出した液体流の液体が溝内に噴出している液体流の周囲に滞留することを防ぐステップを備えるものとする。

第１の実施形態のレーザ加工装置の概要を示すブロック図。第１の実施形態における切断中のレーザ加工装置と被加工体を、切断進行方向から見た断面模式図。（ａ）第１の実施形態において切断溝の側壁両方から超音波振動が印加されている切断溝の透視斜視図と（ｂ）切断溝の側壁片方から超音波振動が印加されている切断溝の透視斜視図。切断中に滞留水が水流に接触していない状態を示すレーザ加工装置と被加工体の切断経路に沿った縦断面図。切断中に滞留水が水流に接触している状態を示すレーザ加工装置と被加工体の切断経路に沿った縦断面図。第１の実施形態において水流Ｗ周囲の排水が細粒化している状態を示すレーザ加工装置と被加工体の切断経路に沿った縦断面図。第１の実施形態において水流Ｗ周囲の排水がミスト化している状態を示すレーザ加工装置と被加工体の切断経路に沿った縦断面図。（ａ）第２の実施形態において切断経路上の２方向から超音波振動が印加されている切断溝の透視斜視図と（ｂ）切断経路上の１方向から超音波振動が印加されている切断溝の透視斜視図。第３の実施形態において超音波振動を伝播している水流が切断溝内に噴出されている状態を示すレーザ加工装置と被加工体の切断経路に沿った縦断面図。第４の実施形態において切断溝内に流体流が噴出されている状態を示すレーザ加工装置と被加工体の切断経路に沿った縦断面図。

以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について図１乃至図７を用いて説明する。図１は、本実施形態のレーザ加工装置の概要を示すブロック図である。図２は、本実施形態における切断中のレーザ加工装置と被加工体を、切断進行方向から見た断面模式図である。図３（ａ）は本実施形態において切断溝の側壁両方から超音波振動が印加されている切断溝の透視斜視図であり、図３（ｂ）は切断溝の側壁片方から超音波振動が印加されている切断溝の透視斜視図である。図４は、切断中に滞留水が水流に接触していない状態を示すレーザ加工装置と被加工体の切断経路に沿った縦断面図である。図５は、切断中に滞留水が水流に接触している状態を示すレーザ加工装置と被加工体の切断経路に沿った縦断面図である。図６は、本実施形態において水流Ｗ周囲の排水が細粒化している状態を示すレーザ加工装置と被加工体の切断経路に沿った縦断面図である。図７は、本実施形態において水流Ｗ周囲の排水がミスト化している状態を示すレーザ加工装置と被加工体の切断経路に沿った縦断面図である。

（構成）
以下、本実施形態の構成について説明する。図１に示すように、レーザ発振器１１はレーザＬを出射する。光学伝送手段１２はレーザＬを施工ヘッド１３に伝送する。施工ヘッド１３は被加工体２の切断加工する部分の上方に設けられ、レーザＬが伝播される液体流である水流Ｗを被加工体２に上方から噴出する。水供給手段１４は液体供給手段であり、水流Ｗを形成する水を施工ヘッド１３に供給する。ガス供給手段１５は水流Ｗの周囲を取り巻く気流Ｒを形成するガスを供給する。超音波振動子１６は施工ヘッド１３に設けられており、被加工体２に超音波を印加する。超音波信号生成部１７は超音波振動子１６が被加工体２に印加する超音波の基となる信号を生成する。

計測手段１８は施工ヘッド１３に設けられている。被加工体２の内、水流ＷとレーザＬが照射されている部分を、加工点と呼称する。計測手段１８は、被加工体２の切断された深さを測定する手段であり、具体的には、被加工体２の上面から加工点までの距離を測定する。この距離を切断深さと呼称する。計測手段１８は例えば、レーザを用いた距離センサーや超音波を用いたセンサーである。制御部１９は計測手段１８に接続しており、計測手段１８で得られた切断深さの情報に基づいて、レーザ発振器１１や水供給手段１４、ガス供給手段１５、超音波振動子１６、超音波信号生成部１７などの稼働状態を制御する。

また、図示していないが、施工ヘッド１３は被加工体２に対して相対的に移動可能な駆動機構を備える。この駆動機構は、被加工体２を固定し、施工ヘッド１３を移動させるものでる。または、施工ヘッド１３を固定し、被加工体２を移動させるものであってもよい。切断加工中、施工ヘッド１３は被加工体２に切断加工を施す切断経路２７上を往復移動する。

以下、各構成の詳細を説明する。まず、レーザ発振器１１について説明する。レーザ発振器１１が出射するレーザＬは、水中でのエネルギの減衰が小さいレーザが好ましく、本実施形態ではＹＡＧレーザ第２高調波（波長５３２ｎｍ）である。しかし、最終的に被加工体２に照射されるレーザが加工に十分なエネルギを有していれば良く、水による減衰を加味しても十分なエネルギのレーザを照射するものであれば良い。例えば、ＹＡＧレーザ基本波（波長１０６４ｎｍ）やＵＶレーザ（波長３５５ｎｍ）、ファイバレーザ（波長１０７０ｎｍ）等を用いることも可能である。

光伝送手段１２は、レーザＬをレーザ発振器１１から施工ヘッド１３に伝送するようレンズ、ミラー、テレスコープ、光ファイバ等の光学系部品で構成された光学伝送系であり、図１においては簡易的に単一のミラーのみを図示している。光伝送手段１２としてミラーではなく、光ファイバを用いてレーザＬをレーザ発振器１１から施工ヘッド１３に導いてもよい。

水供給手段１４は水供給配管２０を介して施工ヘッド１３に接続されている。水供給手段１４は被加工体２に水流Ｗとして噴出される水を水配管２０を介してポンプ等により施工ヘッド１３へ供給する。

ガス供給手段１５はガス供給配管２３ｂを介してガスノズル２３ａに接続されている。ガス供給手段１５から供給されるガスは不活性で軽いガスが好ましく、本実施形態ではヘリウムガスを用いるものとして説明する。

以下、施工ヘッド１３の構成について、図２を用いて説明する。施工ヘッド１３の内部には液体貯留手段としての水室２１が形成されている。水室２１には水供給配管２０が接続されており、水供給配管２０を介して水供給手段１４から供給された水で満たされる。水室２１には被加工体２に向かって開口する水ノズル２２が設けられている。水室２１に満たされた水は、水ノズル２２から噴出され、水流Ｗとして被加工体２に噴出される。

また、水ノズル２２の近傍にはガスノズル２３ａが設けられており、水流Ｗに向かって開口している。ガス供給手段１５から供給されたガスは、ガスノズル２３ａから水流Ｗの周囲に噴出される。

ガスノズル２３ａは水ノズル２２の周囲に１個設けられるものとしてもよいが、複数を設けるほうが水流Ｗの周囲により均一な気流Ｒを形成することが可能であり望ましい。本実施形態では、ガスノズル２３ａは水ノズル２２の周囲に等間隔に４個設けられている。そのうち２個のガスノズル２２ａは施工ヘッド１３の移動方向に対して水ノズル２２の前後に１個ずつ設けられている。または、ガスノズル２３ａは水ノズルの周縁外側に設けられ、水ノズルと同心円状に開口するノズルとしてもよい。水流Ｗ周囲に均一な気流Ｒを形成できるよう、ガスノズル２３ａの位置や形状は適宜定めるのがよい。

また、施工ヘッド１３には集光光学系２４とウィンドウ２５が設けられている。ウィンドウ２５は水室２１に水密に設けられており、水室２１と集光光学系２４の間に位置している。光学伝送手段１２によって施工ヘッド１３に伝送されたレーザＬは、集光光学系２４で集光され、ウィンドウ２５を介して水室２１内の水を通り抜け、水ノズル２２の開口部を通って水流Ｗに入射する。

また、施工ヘッド１３には超音波振動子１６が１個または複数設けられており、超音波振動子１６は被加工体２に接し、超音波振動を被加工体２に印加する。図３において、Ｓは超音波振動子１６が被加工体２に接している部分である。また、切断加工を施す経路を切断経路２７と呼称し、レーザ切断加工によって切断経路２７に生じた溝を切断溝２８と呼称する。

超音波振動子１６は、切断加工を行う際に被加工体２と超音波振動子１６の接触部Ｓが切断経路２７の脇を併走するように設けられている。超音波振動子１６が２個の場合は図３（ａ）のように切断経路２７の両側に設けられ、超音波振動子１６が１個の場合は図３（ｂ）のように切断経路２７の片側に１個設けられることが望ましい。

（作用）
以下、本実施形態におけるレーザ加工装置１の作用について説明する。

まず、水流Ｗが噴出される様子について説明する。図２において、水室２１は水で満たされ、水室２１内の水は、水ノズル２２から水流Ｗとして噴出され、被加工体２に噴射される。水室２１は加圧されており、水流Ｗの流速は速い。高速で流れる流体の周囲の圧力は低くなるため（ベルヌーイの定理）、ガスノズル２３ａから噴出されたガスは水流Ｗの周りを追随するように流れ、気流Ｒを形成する。

水流Ｗには、レーザＬを施工ヘッド１３から加工点まで伝播させる導光材としての役割がある。レーザＬの入射ＮＡ（開口数：ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ）は、レーザ発振器１１と集光光学系１２により決定される。レーザ発振器１１と集光光学系１２の構成を調節することで、レーザＬの入射ＮＡを調節し、レーザＬを水流Ｗに入射させる。

水流Ｗに入射したレーザＬは水流Ｗ内部を透過し、水流Ｗと気流Ｒの界面では屈折角の違いにより全反射し、水流Ｗ内部に折り返す。レーザＬは水流Ｗ内で全反射を繰り返しながら水流Ｗ内を伝播する。そして、レーザＬは水流Ｗが噴射されている加工点に照射される。気流Ｒには、水流Ｗと気流Ｒの界面、すなわち水流Ｗの表面を安定化する作用があり、これによってレーザＬが良好に伝播される。

以下、被加工体２が切断加工される様子を説明する。加工点はレーザＬのエネルギにより溶融し、溶融部は水流Ｗの勢いで吹き飛ばされ、切断屑２９として加工点から排除される。

切断加工中、施工ヘッド１３の移動に合わせて、水流Ｗも被加工体２の切断経路２７上に往復して噴射されている。図４において、施工ヘッド１３及び水流Ｗは切断経路２７を矢印２６方向に往復している。水流Ｗが往復するたびに被加工体２は切断経路２７に沿って少しずつ切断され、切断溝２８が形成される。切断溝２８の切断経路に垂直な方向の幅は水流Ｗの径よりも大きい。加工点は切断溝２８の底部に位置する。

切断屑２９は切断溝２８内に水流Ｗとして噴出された水に巻き込まれる。切断屑２９を巻き込んだ水は、水流Ｗにより水流Ｗ周囲から押しのけられ、そして、切断溝２８の上端開口や切断径路２７の終端から外部に排出される。この切断屑２９を巻き込んだ水を、排水と呼称する。

排水が切断溝２８内の水流Ｗ周囲から押しのけられ、切断溝２８から排出される様子について以下に記す。水流Ｗは切断溝２８の底部に衝突し、その反動で排水には上方向や切断径路２７の前後方向など、切断溝２８外部に向かう流れが生じ、排水は水流Ｗ周囲から押しのけられ、切断溝２８外部に排出される。また、切断溝２８内には連続して水流Ｗとして水が噴出されている。そのため、新たに流入してきた水に押し出されるようにして、排水は水流Ｗ周囲から押しのけられ、そして、切断溝２８外部に排出される。また、水流Ｗは切断溝２８内を往復しており、その動きによって、水流Ｗの進行方向前方の排水は押しのけられ、切断溝２８外部に排出される。

しかし、切断溝２８は、その開口部に至るまでが狭いため、流路抵抗が高く、排水が切断溝２８の外部へ排出されにくい。そのため、切断溝２８内の排水は最終的に切断溝２８外部に排出されるが、その流れは切断溝２８内で滞留する。

上記のように、切断溝２８内で滞留している排水を滞留水３０と呼称する。滞留水３０は切断溝が深くなるほど、その量は増加する。

切断溝２８が浅いうちは、水流Ｗの近傍には滞留水３０が存在しない。しかし、図５に示すように切断深さが深くなると、水が切断溝外部へ流れ難くなって滞留水３０の量が増加するため、水流のＷ周囲にも滞留水３０が存在するようになる。すると、水流Ｗ周囲の滞留水３０が水流Ｗに接触してしまい、これによって切断が阻害される。

以下、滞留水３０が水流Ｗに接触することで切断加工を阻害する理由を、図５を用いてより詳細に説明する。なお、図５以降では切断屑２９の図示を省略する。滞留水３０が水流Ｗに接触すると、水流Ｗと気流Ｒの界面が消失する。そのため、界面で反射するはずだったレーザＬが滞留水３０へ拡散してしまって加工点まで伝播されず、加工点に到達するレーザエネルギが大きく減少する。そして、被加工物２の加工点は溶融しにくくなり、やがて切断できなくなる。

これに対して、本実施形態では滞留防止手段を備えており、水流Ｗ周囲での排水の滞留を抑制することができる。以下、滞留防止手段の作用について説明する。

超音波振動子１６と超音波信号生成部１７は、滞留防止手段である。超音波信号生成部１７で生成された信号を基に超音波振動子１６が超音波を発振し、超音波振動を被加工体２に伝播する。図３（ａ）、（ｂ）に示すように超音波振動子１６から発振される超音波は、切断溝２８内の水流Ｗ近傍の側壁への指向性を有する。水流Ｗ近傍の切断溝２８の側壁は超音波振動することで濡れ性が向上し、その表面に沿って水が流れやすくなるため、水流Ｗ周囲には排水が滞留しにくくなる。

そのため、水流Ｗ周囲では滞留水３０の量が減少し、滞留水３０と水流Ｗが接触しにくくなる。

また、超音波振動子１６を調節することで、切断溝２８内の水流Ｗ近傍の側壁から水流Ｗ周囲の排水に超音波振動を伝播させることが可能である。水流Ｗ周囲の排水を超音波振動させることで、図６に示すように、排水を細粒化することが可能である。細粒化された排水を細粒水３１と示す。細粒水３１の１粒毎の体積は小さいため、細粒水３１は切断溝２８内を移動しやすく、排水は水流Ｗ周囲には滞留しにくくなる。そのため、水流Ｗ周囲では滞留水３０の量が減少し、滞留水３０と水流Ｗが接触しにくくなる。

また、水流Ｗ周囲の排水へ伝播させる超音波の周波数、エネルギ等によっては、図７に示すように、水流Ｗ周囲の排水をミスト化することが可能である。ミスト化された排水をミスト３２と示す。ミスト３２の１粒毎の体積は細粒水３１よりさらに小さくなり、ミスト３２は細粒水３１よりも切断溝２８から排除されやすいため、排水は水流Ｗ周囲には滞留しにくくなる。そのため、水流Ｗ周囲では滞留水３０の量が減少し、滞留水３０と水流Ｗが接触しにくくなる。

また、細粒水３１やミスト３２は１つ１つが軽いため気流Ｒによって水流Ｗ周囲から排除されやすく、また仮に水流Ｗに接触したとしても、極端に多量でない限りは水流Ｗに合流するだけであり、滞留水３０が水流Ｗに接触するのに比してレーザ光Ｌの伝送エネルギに与える影響が小さい。

なお、超音波振動子１６は前述の通り１つでも複数でもよいが、複数用いることが望ましい。複数の超音波振動子１６を用いることで、水流Ｗに対して複数の方向から超音波振動を印加することができる。すると、水流Ｗの周囲で、濡れ性の向上や細粒化、ミスト化等の効果を広範囲に均一に与えることができる。

また、水流Ｗの周囲だけでなく、より広範囲に、あるいは切断溝２８全体に超音波振動を印加し、切断溝２８全体に濡れ性の向上や細粒化、ミスト化等の効果を与えるものとしてもよい。この場合、切断溝２８内の全体で排水が流れやすくなり滞留水３０が減少する。

また、超音波振動子１６から発振される超音波の指向方向は、計測手段１８と制御部１９により決定される。以下、計測手段１８と制御部１９の作用について説明する。

計測手段１８で計測した切断深さに基づいて、制御部１９は加工点の位置を把握する。そして制御部１９は、水流Ｗ近傍の切断溝２８側壁が良好に超音波振動するよう超音波信号生成部１７や超音波振動子１６を調節して、超音波に指向性を持たせる。また、制御部１９は水流Ｗ周囲の濡れ性向上や、水流Ｗ周囲の排水の細粒化、ミスト化が生じるように超音波信号生成部１７や超音波振動子１６を調節する。

また、制御部１９は、切断深さの単位時間当たりの変化量を基に、切断加工の成否を判断し、レーザ発振器１１、水供給手段１４、ガス供給手段１５の稼働を停止させるものとしてもよい。また、切断深さに応じて最適なレーザＬや水流Ｗを噴出するよう、レーザ発振器１１、水供給手段１４、ガス供給手段１５の稼働状態を調節する機能を備えてもよい。

なお、水流Wの周囲だけでなく、切断溝２８全体を超音波振動させる場合、超音波振動は切断溝２８に伝播されればよく、指向方向は厳密に制御されていなくても良い。

（効果）
従来のレーザとウォータジェットを組み合わせた切断では、切断が深くなるにつれて滞留水３０の量が増加し、やがて滞留水３０が水流Ｗに接触して切断不能となるため、切断可能な厚みに限界があった。これに対して、本実施形態のレーザ加工装置１は、滞留防止手段として超音波振動子１６及び超音波信号生成部１７を備える。これらによって、水流Ｗ周囲で排水の排出を促進し、水流Ｗ周囲の水の滞留を抑制することで、切断可能な厚さを向上することが可能である。

また、本実施形態のレーザ加工装置１は制御部１９と計測手段１８を備えるため、超音波振動子１６から発振される超音波に、水流Ｗ周囲への指向性を持たせることが可能である。切断加工により、水流Ｗ周囲の深さが変化しても、水流Ｗ近傍の切断溝２８側壁に良好に超音波振動を印加することができる。

なお、水流Ｗ近傍の切断溝２８側壁に印加された超音波振動は、水流Ｗには伝播されない。水流Ｗは切断溝２８側面から離れており、また滞留水３０と接触せず、水流Ｗと切断溝２８側面の間には気流Ｒや大気が存在する。固体から気体や、液体から気体には超音波振動がほとんど伝わらないため、水流Ｗは超音波振動の影響を受けることがない。

また、制御部１９は計測手段１８から得た情報で各構成部の稼働状況を調節するものとしたが、単に計測手段１８からの情報を表示して、オペレータが判断するものとしてもよい。

また、水室２１を満たしレーザＬの導光材となる液体は、水以外であっても良い。その液体で形成された液体流が、加工点に切断加工に十分なレーザエネルギを伝播可能であればよい。

また、レーザ光Ｌは施工ヘッド１３に入射する前に集光光学系２４によって集光されるとしたが、例えばウィンドウ２５を集光光学系２４としてもよい。また、集光光学系２４を水室２１内に設ける構成としてもよい。

また、超音波振動子１６は施工ヘッド１２に設けられているとしたが、施工ヘッド１２から独立していても良い。しかし、水流Ｗ近傍の切断溝２８側壁に超音波を印加するため、施工ヘッド１２と共に被加工体２に対して相対的に移動するのが望ましい。

また、計測手段１８は施工ヘッド１３に設けられているものとしたが、施工ヘッド１３から独立していても良い。しかし、切断深さをより正確に測定するためには、施工ヘッド１３と共に被加工体２に対して相対的に移動するのが好ましい。

また、超音波振動子１６の設置数や設置位置は、水流Ｗと超音波振動子１６の距離や、水流Ｗと超音波振動子１６の移動方向に対する前後関係は、水流Ｗ周囲の滞留水３０の量がより減少するよう適宜定めるのがよい。

また、レーザ加工は切断経路２７を往復して行うとしたが、往復でなく一方向の繰り返しであってもよい。例えば、開始点と終了点を定め、水流Ｗを開始点から終了点まで噴出し、再び開始点に戻り水流Ｗを開始点から噴出することを繰り返してもよい。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について図８を参照しながら説明する。図８（ａ）は本実施形態において切断経路上の前後方向から超音波振動が印加されている切断溝の透視斜視図であり、図８（ｂ）は切断経路上の前方から超音波振動が印加されている切断溝の透視斜視図である。

なお、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（構成）
以下、本実施形態の構成について説明する。本実施形態のレーザ加工装置１は、図８に示すように、超音波振動子１６が切断経路２７上に設けられる。被加工体２と超音波振動子１６の接触部Ｓは、切断溝２８の上端開口上である。超音波振動子１６は１個でも複数でも良い。超音波振動子１６を複数設ける場合は、水流Ｗの前後に少なくとも一つずつ設けるのが望ましい。

（作用）
以下、本実施形態の作用について説明する。本実施形態の超音波振動子１６は、測定部１８と制御部１９の作用により、切断溝２８底面の加工点付近への指向性を備えている。切断溝２８底面の加工点付近を超音波振動させることで、切断溝２８内の水流Ｗ周囲の排水に超音波振動が伝播され、水流Ｗ周囲の排水が細粒化やミスト化される。細粒水３１やミスト３２は１粒毎の体積が小さいため切断溝２８内を移動しやすく、排水は水流Ｗ周囲に滞留しにくくなる。そのため、水流Ｗ周囲では滞留水３０の量が減少し、滞留水３０と水流Ｗが接触しにくくなる。

（効果）
本実施形態のレーザ加工装置によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

また、本実施形態では超音波振動子１６が水流Ｗと同一の切断経路上を移動する。そのため、被加工物２上面の切断経路２７周辺の面積が狭い場合でも、超音波振動子１６を設けることができる。

なお、超音波振動子１６が３個以上であるとき、３個目の超音波振動子１６を設ける位置は、水流Ｗ周囲の滞留水３０の量がより減少するよう適宜定めるのがよい。

また、第１の実施形態と同様に、水流Ｗの周囲よりも広範囲に、あるいは切断溝２８全体に超音波振動を印加し、切断溝２８全体に細粒化、ミスト化を生じさせてもよい。

（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態について図９を参照しながら説明する。図９は、本実施形態において超音波振動を伝播している水流が切断溝内に噴出されている状態を示すレーザ加工装置と被加工体の切断経路に沿った縦断面図である。

なお、第１の実施形態または第２の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（構成）
以下、本実施形態の構成について説明する。本実施形態では、水ノズル２２の下側、つまり、水ノズル２２表面であって水室２１の外側にドーナツ型の水ノズル用超音波振動子３３が設けられている。水ノズル用超音波振動子３３の内径は、水ノズル２２の開口径よりも大きい。水ノズル用超音波振動子３４は水ノズル２２の開口部にはみ出さないように水ノズル２２に設けられている。また、図示しないが、水ノズル用超音波振動子３３が発振する超音波振動の信号を生成する超音波信号生成部が、水ノズル用超音波振動子３３に接続されている。

切断中、水ノズル用超音波振動子３３は、水ノズル２２に水流Ｗが噴出する方向と平行な超音波振動を水ノズル２２に伝播する。本実施形態において、水ノズル２２には上下方向の超音波振動が印加される。

（作用）
以下、本実施形態の作用について説明する。施工中、水ノズル用超音波振動子３３は水ノズル２２を介して水流Ｗに超音波振動を伝播させる。水流Ｗに伝播された超音波振動も、水ノズル２２の超音波振動と同様に上下方向の超音波振動である。水流Ｗに伝播された超音波は、水流Ｗが切断溝２８の底面に噴出されることで、水流Ｗ近傍の切断溝２８の側壁や水流Ｗ周囲の排水にも伝わり、それらを超音波振動させる。

すると、第１の実施形態で説明した水流Ｗ近傍の切断溝２８の側壁の濡れ性向上や、水流Ｗ周囲の排水の細粒化やミスト化の作用を生ずる。

（効果）
本実施形態では、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

また、本実施形態では超音波振動子１６を直接被加工体２に接触させる必要がない。そのため、被加工体２上面が凹凸しており超音波振動子１６を被加工体２に接触させることが困難な場合でも、切断溝２８内の水流Ｗ周囲に排水が滞留することを防ぐことができる。

なお、水流Ｗの噴出方向と超音波振動の振動方向が平行であるため、水流Ｗ内を伝播する超音波は水流Ｗ内を伝播するレーザＬに影響を与えない。

また、水ノズル用超音波振動子３３は、必ずしもドーナツ型である必要はなく、中空の多角形状や、水ノズル２２の開口部を囲むように複数の振動子を配置したものでもよい。なお、水ノズル２２の開口部を囲むことは必須ではないが、水流Ｗに伝播させる超音波のエネルギ量の観点や、超音波を均一に伝播させるためには水ノズル２２の開口部を囲むように配置することが望ましい。
（第４の実施形態）
以下、第４の実施形態について図１０を参照しながら説明する。図１０は本実施形態において切断溝内に流体流が噴出されている状態を示すレーザ加工装置と被加工体の切断経路に沿った縦断面図である。

なお、第１の実施形態乃至第３の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（構成）
以下、本実施形態の構成について説明する。本実施形態では滞留防止手段として、流体噴出手段を備える。流体噴出手段は、図１０に示すように施工ヘッド１３に取り付けられた流体噴出ノズル３４と、流体噴出ノズルに流体を供給する流体供給手段を備える。また、流体供給手段は流体供給配管３５を介して流体噴出ノズル３４に流体を供給する。流体供給手段は図示していない。

流体噴出ノズル３４は、切断時の施工ヘッド１３の移動方向に対して、水ノズル２２の前後に一個ずつ取り付けられている。流体噴出ノズル３４は切断溝２８内に流体を噴出可能である。流体噴出ノズル３４は施工ヘッド１３に回動可能に設けられており、流体が噴出される箇所と加工点の距離は可変である。

流体噴出ノズル３４から噴出される流体は、気体であってもよいし液体であってもよい。気体の場合は、不活性な気体が望ましく、例えばヘリウムガスや窒素ガスを用いる。また液体の場合は、レーザを伝播する液体流と同一のものが望ましく、本実施形態では水流Ｗであるから、流体噴出ノズル３４から噴出される液体は水が望ましい。

流体噴出ノズル３４から噴出される流体の径は切断溝２８の切断経路２７に垂直な方向の幅よりも小さいものである。

（作用）
以下、本実施形態の作用について説明する。流体噴出ノズル３４から噴出される流体を滞留水排除流体と呼称する。滞留水排除流体は切断溝２８内の加工点付近に噴出され、その運動エネルギで水流Ｗ周囲に排水が滞留することを防止する。流体噴出ノズル３４の角度や流速は制御手段１９により調節されており、水流Ｗに接触しないよう制御されている。また、流体噴出ノズル３４が回動可能であるため、排水の量や滞留水３０の分布にあわせて、適宜噴出箇所を定めることができる。

（効果）
本実施形態によれば、流体噴出ノズル３４から噴出する流体によって水流Ｗ近傍の滞留水３０を排除し、水流Ｗと滞留水が接触することを防ぐことができる。これによって、従来よりも切断可能な厚さを向上することが可能である。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。また、いずれの実施形態も組み合わせることが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、第２の実施形態において超音波振動は切断溝２８底面に印加されているが、切断溝２８の側壁まで超音波振動を伝播させることも可能である。

すると、第２の実施形態においても濡れ性向上によって滞留水３０が排除される作用を得ることが可能である。

また、同様に第１の実施形態において、切断溝２８側面に印加した超音波が切断溝２８の底面に伝播され、第２の実施形態の作用を得ることも可能である。

また、第１の実施形態乃至第３の実施形態において、超音波振動による濡れ性向上や細粒化、ミスト化はそれぞれ独立して生じるとは限らない。上記の現象が同時に生じることもある。

また、いずれの実施形態においてもレーザ加工装置１は被加工体２の上方に設けられ、上方から被加工体を切断加工するとしたが、切断加工する方向は上方からに限られない。例えば、被加工体２に対して、水流Ｗを水平方向から噴出して切断加工する構成としてもよいし、斜め方向から切断加工する構成としてもよい。

１・・・・・レーザ加工装置
２・・・・・被加工体
１１・・・・・レーザ発振器
１２・・・・・光学伝送手段
１３・・・・・施工ヘッド
１４・・・・・液体供給手段
１５・・・・・ガス供給手段
１６・・・・・超音波振動子
１７・・・・・超音波信号生成部
１８・・・・・測定手段
１９・・・・・制御部
２０・・・・・水供給配管
２１・・・・・水室
２２・・・・・水ノズル
２３ａ・・・・・ガスノズル
２３ｂ・・・・・ガス供給配管
２４・・・・・集光光学系
２５・・・・・ウィンドウ
２６・・・・・移動方向
２７・・・・・切断経路
２８・・・・・切断溝
２９・・・・・切断屑
３０・・・・・滞留水
３１・・・・・細粒水
３２・・・・・ミスト
３３・・・・・水ノズル用超音波振動子
３４・・・・・流体噴出ノズル
３５・・・・・流体供給配管
Ｒ・・・・・気流
Ｗ・・・・・水流
Ｌ・・・・・レーザ
Ｓ・・・・・接触部

Claims

被加工体に対して液体流を噴出し、前記液体流を導光材として前記被加工体にレーザを照射し前記被加工体を切断加工するレーザ加工装置であって、
切断加工によって前記被加工体に生じた溝内に噴出した液体流の液体が前記溝内に噴出している液体流の周囲に滞留することを防ぐ滞留防止手段を備えるレーザ加工装置。
前記滞留防止手段は、
前記溝内に噴出された前記液体流周囲の前記被加工体を振動させる超音波を発する超音波発生手段である請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記滞留防止手段は、
前記溝内に噴出された前記液体流周囲に滞留する前記液体を振動させる超音波を発する超音波発生手段である請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記滞留防止手段は、
前記溝内に噴出された前記液体流周囲に滞留する前記液体に流体を噴出する流体噴出手段である請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記被加工体の切断加工された深さを計測する計測手段を備える、
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
内部に液体を貯留する液体貯留手段を有し、前記液体貯留手段内部の液体を被加工体に液体流として噴出する施工ヘッドと、
前記施工ヘッドに設けられ、ガスを噴出して前記液体流の周囲に気流を形成させるガスノズルと、
前記液体貯留手段に前記液体を供給する液体供給手段と、
前記ガスノズルに前記ガスを供給するガス供給手段と、
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射されたレーザを前記施工ヘッドに伝送する光学伝送手段と、
前記ヘッドに伝送された前記レーザを集光し前記液体流に伝播させる集光光学系と、
切断加工によって前記被加工体に生じた溝内に噴出した前記液体流の液体が
前記溝内に噴出している液体流の周囲に滞留することを防ぐ滞留防止手段と、
前記被加工体が切断加工された深さを計測する計測手段と、
前記計測手段の計測結果に基づいて前記滞留防止手段を制御する制御手段と、
を備え、
集光された前記レーザを、前記液体流内部に伝播させることで前記被加工体の加工点へ伝送し、前記被加工体を切断加工するレーザ加工システム。
被加工体に液体流を噴出し、前記液体流を導光材として前記被加工体にレーザを照射して前記被加工体を切断加工するレーザ加工方法であって、
切断加工によって前記被加工体に生じた溝内に噴出した液体流の液体が
前記溝内に噴出している液体流の周囲に滞留することを防ぐステップを備えるレーザ加工方法。