WO2022201528A1

WO2022201528A1 - レーザ加工装置

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Publication number: WO2022201528A1
Application number: PCT/JP2021/013022
Authority: WO
Inventors: 正記瀬口; 芳晴黒崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2023-09-26
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Abstract

レーザ加工装置は、筐体、加工テーブル、門型、加工ヘッド、搬入出扉、排気口、外気取入口および偏向部を備える。筐体は、床面上に配置され、第１方向に直交する第１面および第２面、第２方向に直交する第３面および第４面、並びに第３方向に直交し、床面に対向する第５面を有する。門型は、加工テーブルの第２方向の両側のうち少なくとも一方に設けられる柱脚部と、柱脚部に接続され、加工テーブルの上方で第２方向に延在する梁部と、を有する。加工ヘッドは、梁部に支持され、レーザ光を射出する。搬入出扉は、第１面に設けられる。排気口は、第２面に設けられ、筐体の内部の空気の流れである気流を発生させる排気部に接続される。外気取入口は、加工ヘッドよりも第１方向の第１面側の筐体の上部に設けられ、外気を取り入れる。偏向部は、外気取入口から導入される外気を加工ヘッドに向けてガイドする。加工ヘッドは、外気取入口よりも第２面側に存在する。

Description

レーザ加工装置

　本開示は、レーザ光を照射して被加工物を加工するレーザ加工装置に関する。

　被加工物にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工装置において、レーザ光が照射される被加工物の加工点で発生する粉塵を除去するための技術が提案されている。特許文献１には、切断対象の被加工物を設置する被加工物設置領域を有する可動ステージと、被加工物設置領域に対向して配置され、レーザ光を射出するレーザ射出面を有するレーザ発振器と、レーザ射出面と被加工物設置領域との間のレーザ照射空間を覆うカバー部材と、集塵ポンプと、を備えるレーザ切断装置が開示されている。特許文献１に記載のレーザ切断装置のカバー部材は、吸気口と、排気口と、を有する。吸気口は、カバー部材の側面のレーザ射出面よりも被加工物設置領域に近い位置に設けられる。排気口は、被加工物設置領域を挟んで反対側の側面のレーザ射出面よりも被加工物設置領域に近い位置に設けられ、集塵ポンプと接続される。被加工物の加工中に集塵ポンプを動作させることで、吸気口から空気をカバー部材の内部のレーザ照射空間に流入させ、被加工物設置領域の被加工物の表面側の加工点で発生する粉塵を水平方向に排出するための排気流れを形成する。これによって、粉塵の被加工物の表面への付着を防止している。

特開２００８－２３５４８号公報

　しかしながら、特許文献１に記載のレーザ切断装置では、半導体装置のような水平方向のサイズに比して厚さが十分に小さい板状の被加工物が加工対象とされる。そのため、被加工物が板状ではなく凹凸のある３次元形状の場合には、被加工物と干渉せずに加工位置を覆うような大型のカバー部材を設置することは困難である。また、被加工物の近くのカバー部材に吸気口および排気口を設置することはカバー部材を含めた加工ヘッドが大型化してしまい、凹凸のある被加工物に加工ヘッドを近づけることが困難になる。このような事態を避けるために、加工テーブル全体をカバー部材で覆って、カバー部材の内部の全体を排気する方法が考えられる。このようなカバー部材において、特許文献１に記載のように加工テーブルに近い加工点で水平方向の排気流れを形成させると、被加工物が３次元形状の場合には排気流れが乱され、加工点に排気流れが到達せず、加工点で発生する粉塵を排気できないという問題点があった。

　本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、凹凸を有する三次元形状の被加工物にレーザ光を照射して加工する際に、加工点で発生する粉塵を安定的に排出する排気流れを形成することができるレーザ加工装置を得ることを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係るレーザ加工装置は、筐体と、加工テーブルと、門型と、加工ヘッドと、搬入出扉と、排気口と、外気取入口と、偏向部と、を備える。互いに直交する３つの方向を第１方向、第２方向および第３方向とする。筐体は、室内の床面上に配置され、第１方向に直交する第１面および第２面、第２方向に直交する第３面および第４面、並びに第３方向に直交し、床面に対向する第５面を有する。加工テーブルは、筐体の内部に配置され、被加工物が設置され、床面と平行なテーブル面を有する。門型は、加工テーブルの第２方向の両側のうち少なくとも一方に設けられる柱脚部と、柱脚部に接続され、加工テーブルの上方で第２方向に延在する梁部と、を有する。加工ヘッドは、梁部に支持され、レーザ光を射出する。搬入出扉は、第１面に設けられる被加工物を搬入出する際に使用する開閉可能な扉である。排気口は、第２面に設けられ、筐体の内部の空気の流れである気流を発生させる排気部に接続される。外気取入口は、加工ヘッドよりも第１方向の第１面側の筐体の上部に設けられ、筐体の外部の空気である外気を取り入れる。偏向部は、外気取入口から導入される外気を加工ヘッドに向けてガイドする。加工ヘッドは、可動範囲のすべての位置において外気取入口よりも第２面側に存在する。

　本開示に係るレーザ加工装置は、凹凸を有する三次元形状の被加工物にレーザ光を照射して加工する際に、加工点で発生する粉塵を安定的に排出する排気流れを形成することができるという効果を奏する。

実施の形態１によるレーザ加工装置の構成の一例を示す透視斜視図実施の形態１によるレーザ加工装置の筐体内の排気流れの一例を示す断面図実施の形態１によるレーザ加工装置の筐体内の排気流れの他の例を示す断面図実施の形態１によるレーザ加工装置における外気取入口の配置位置の一例を示す断面図実施の形態１によるレーザ加工装置の構成の他の例を示す断面図実施の形態１によるレーザ加工装置の構成の他の例を示す断面図実施の形態２によるレーザ加工装置の構成の一例を示す断面図実施の形態２によるレーザ加工装置における門型の移動の様子を模式的に示す断面図実施の形態２によるレーザ加工装置における門型の移動の様子を模式的に示す断面図実施の形態３によるレーザ加工装置の構成の一例を示す断面図実施の形態４によるレーザ加工装置の構成の一例を示す断面図制限部を有さない場合のレーザ加工装置の筐体の内部の排気流れの一例を示す図制限部を有さない場合のレーザ加工装置の筐体の内部の排気流れの他の例を示す図実施の形態５によるレーザ加工装置の構成の一例を示す断面図実施の形態４によるレーザ加工装置における加工ヘッドの周りの排気流れの様子の一例を示す図実施の形態５によるレーザ加工装置における加工ヘッドの周りの排気流れの様子の一例を示す図実施の形態５によるレーザ加工装置における制限部の配置位置の一例を示す断面図

　以下に、本開示の実施の形態に係るレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１によるレーザ加工装置の構成の一例を示す透視斜視図である。図１で、水平面内で直交する２つの軸をＸ軸およびＹ軸とし、Ｘ軸およびＹ軸の両方に垂直な軸をＺ軸とする。以下では、Ｘ軸方向の２つの相対的な位置は、前後を用いて表され、Ｙ軸方向の２つの相対的な位置は、左右を用いて表され、Ｚ軸方向の２つの相対的な位置は、上下を用いて表される。また、Ｘ軸方向は、第１方向に対応し、Ｙ軸方向は、第２方向に対応し、Ｚ軸方向は、第３方向に対応する。

　レーザ加工装置１は、筐体１０を有する。筐体１０は、Ｘ軸方向に直交する前面１１および後面１２、Ｙ軸方向に直交する左面１３および右面１４、並びにＺ軸方向に直交する下面１５および上面１６の６つの面を有する中空の形状を有する。筐体１０は、一例では、中空の六面体状である。以下では、筐体１０がＹ軸方向に比してＸ軸方向に延在した中空の直方体状である場合を例に挙げる。前面１１は、第１面に対応し、後面１２は、第２面に対応し、左面１３は、第３面に対応し、右面１４は、第４面に対応し、上面１６は、第５面に対応する。前面１１は、被加工物５１の搬入または搬出を行う際に使用する開閉可能な搬入出扉１１ａとなっている。図１では、前面１１のすべてが搬入出扉１１ａとなっているが、前面１１の一部が搬入出扉１１ａで構成されるものでもよい。

　実施の形態１で示されるレーザ加工装置１は、被加工物５１として、例えば数メートルの長さのものまでを加工対象としている。従って、加工テーブル２１の長さの一例は、１ｍ以上７ｍ以下程度とされる。

　レーザ加工装置１は、筐体１０の内部に、加工テーブル２１と、加工ヘッド２２と、門型２３と、を備える。加工テーブル２１は、筐体１０の内部の下面１５上に配置され、レーザ加工の対象である被加工物５１が設置され、下面１５と平行なテーブル面を有する。ここでは、加工テーブル２１は、筐体１０と同様に、Ｙ軸方向の長さに比してＸ軸方向の長さの方が長い形状を有するものとする。加工テーブル２１は、長手方向であるＸ軸方向に移動可能である。すなわち、加工テーブル２１をＸ軸方向に移動させる図示しない駆動系が設けられる。被加工物５１は筐体１０の前面１１に配置される搬入出扉１１ａから筐体１０内の加工テーブル２１上に搬入される。

　加工ヘッド２２は、図示しないレーザ発振器より伝送されるレーザ光を被加工物５１の加工を行う点である加工点に集光し、照射する。加工ヘッド２２は、被加工物５１との間の相対位置を変化させることによって、被加工物５１を任意形状に加工する。

　レーザ発振器としてＣＯ₂レーザを用いる場合は、レーザ発振器から加工ヘッド２２までの伝送は一般的に複数のミラーによって伝送される。また、レーザ発振器として光ファイバで伝送可能な波長で発振するファイバレーザ、ディスクレーザまたはダイレクトダイオードレーザなどを用いる場合には、一般的に光伝送用の光ファイバが用いられる。

　門型２３は、加工テーブル２１を跨ぐように配置される。門型２３は、下面１５に垂直な方向に延在する一対の柱脚部２３１と、一対の柱脚部２３１の上面１６側の端部間を接続する梁部２３２と、を有する。梁部２３２は、加工テーブル２１の上方でＹ軸方向に延在している。梁部２３２に、加工ヘッド２２が設けられる。加工ヘッド２２は、支持部材２４を介して梁部２３２と接続される。支持部材２４は、一例では、Ｚ軸方向およびＹ軸方向に移動可能に加工ヘッド２２を支持する。すなわち、支持部材２４には、Ｚ軸方向およびＹ軸方向に加工ヘッド２２を移動させる図示しない駆動系が設けられる。

　レーザ加工装置１は、筐体１０に、排気口３１と、外気取入口３２と、を備える。排気口３１は、筐体１０の後面１２に設けられ、図示しない排気部に連結される。排気口３１は、一例では加工テーブル２１の上面のＺ軸方向の位置と略同じ位置に設けられる。排気部は、筐体１０の内部の空気の流れである気流を発生させる。外気取入口３２は、加工ヘッド２２よりもＸ軸方向の前面１１側の筐体１０の上部に設けられる。つまり、加工ヘッド２２は、加工ヘッド２２の可動範囲のすべての位置において、外気取入口３２よりも後面１２側に存在する。図１の例では、外気取入口３２は、筐体１０の上面１６の搬入出扉１１ａ側の端部に設けられ、筐体１０の外部の気体である外気を筐体１０内に取り入れる。気体の一例は空気である。

　レーザ加工装置１は、偏向部４１と、遮光板４２と、を備える。偏向部４１は、筐体１０の内部に取り入れられた外気が加工ヘッド２２の方向に向かうようにガイドする。遮光板４２は、加工ヘッド２２からのレーザ光の散乱光が外気取入口３２から洩れないように、あるいは外気取入口３２から漏れるレーザ光の散乱光を十分に減衰させるように、筐体１０の外部の外気取入口３２の近傍に、外気取入口３２を囲むように設けられる。一例では、遮光板４２は、矩形状の外気取入口３２の前面１１側、左面１３側および右面１４側に、筐体１０の上面１６に垂直または垂直に近い角度で立たせるように配置される板状の部材である。

　実施の形態１の場合、加工ヘッド２２と被加工物５１との相対位置は以下のように変化させられる。前後方向には、被加工物５１を支持する加工テーブル２１が移動または伸長することによって、加工テーブル２１上に設置された被加工物５１とレーザ光を出射する加工ヘッド２２との相対位置を変化させることができる。また、被加工物５１に対するレーザ光の入射角度を変化させるために、加工ヘッド２２を固定する支持部材２４は、加工ヘッド２２を回転させるための一つ以上の回転機構を備えてもよい。

　レーザ光を照射して被加工物５１が加工される際には、加工点からは、レーザ光の反射光もしくは散乱光、または加工された物質もしくは加工ガスのプラズマ等からの加工光が放出される。また、被加工物５１からは被加工物５１を構成する素材または素材の溶融物、酸化物等からなる粉塵等が発生し、空気中を浮遊する。特に被加工物５１が炭素繊維強化プラスチック（Carbon　Fiber　Reinforced　Plastics：ＣＦＲＰ）等である場合、粉塵にはカーボンファイバ等の導電性繊維が含まれている。このような浮遊している微細な導電性繊維がレーザ加工装置１の図示しない制御装置、電源装置等の電気基板上に付着すると、電気基板上の回路でショートが発生するためにレーザ加工装置１の誤動作または損傷をもたらす可能性がある。従って、加工光または浮遊粉塵をレーザ加工装置１外に出さないことが特に求められる。そこで、実施の形態１では、加工点を含む加工テーブル２１、加工ヘッド２２、門型２３等はカバーである筐体１０の内部に全面が覆われるように設置される。

　また、発生した粉塵が筐体１０の内部に浮遊しているまま搬入出扉１１ａを開ける場合には、筐体１０の外部に粉塵が漏れ出す可能性がある。加工中に発生する粉塵を回収するために、加工点を通り排気口３１へと流れる一方向の排気流れを形成することが求められる。例えば、外気取入口３２を加工点真上付近の上面１６に設置すると、流れは加工点を通る一方向の流れとはならず、加工点で澱みを形成しつつ筐体１０内に拡がる流れとなる。このような構成では、粉塵が筐体１０内に拡散されて、筐体１０内の下面１５上に堆積することになる。この場合、被加工物５１を加工テーブル２１に設置あるいは取り外す際に、粉塵が舞い上がる可能性がある。

　図２は、実施の形態１によるレーザ加工装置の筐体内の排気流れの一例を示す断面図である。実施の形態１の構成によれば、筐体１０内には搬入出扉１１ａ側の上面１６の外気取入口３２から取り入れられた外気が、加工点を一方向に通過して排気口３１に向けた流れとなるとともに、上面１６から加工点へのダウンフローとなる排気流れＥＦが形成される。つまり、搬入出扉１１ａに相対する面である後面１２で排気部に連結された排気口３１へ吸引を行っており、外気取入口３２は、加工点よりも搬入出扉１１ａ側の搬入出扉１１ａの近傍の上面１６に設置されている。

　外気取入口３２は、筐体１０の上面１６に設置されているので、仮に、被加工物５１でのレーザ光の反射光または散乱光、加工点で発生した加工光が外気取入口３２から漏れることがあったとしても、反射光、散乱光または加工光は筐体１０が設置されている部屋の天井を経由して筐体１０の外部の作業者に到達することになる。つまり、反射光、散乱光または加工光は、筐体１０の内部から外気取入口３２を介して作業者の位置に到達するまでに、散乱され、十分減衰される。また、筐体１０の外部の外気取入口３２の周囲に遮光板４２を設けるという簡易な構成とすることで、遮光板４２で反射光、散乱光または加工光が反射および散乱によって減衰される。つまり、実質的に筐体１０の内部に反射光、散乱光または加工光を閉じ込めることができ、筐体１０の外部で作業する作業者にとって安全な環境を提供することができる。なお、加工点から外気取入口３２までの間に反射光、散乱光または加工光の反射および散乱を十分に減衰することができる場合には、遮光板４２は設けられなくてもよい。

　以上のように、実施の形態１では、レーザ加工装置１における外気の取り入れと遮光とを両立するための外気取入口３２を簡易的な形状で構成することができる。

　図２に示されるように、図示しない排気部によって排気口３１を介して筐体１０の内部の排気が行われると、外気取入口３２から外気が筐体１０の内部に取り入れられる。外気取入口３２から取り入れられた外気は、筐体１０の内部の上面１６に設けられる偏向部４１の傾斜によって流れの方向が曲げられる。すなわち、外気は、加工ヘッド２２の先端の被加工物５１の加工点の方向に流れる。また、外気は、加工点に対して一方向の流れとなり、加工点で発生した粉塵を後方の排気口３１へ排出することができる。さらには、このように外気取入口３２が上面１６の搬入出扉１１ａ近傍に設置されているために、加工点に対して排気流れＥＦをダウンフローで供給することができる。これによって、被加工物５１が３次元形状の場合でも、加工ヘッド２２よりも搬入出扉１１ａ側の被加工物５１の形状によって、排気流れＥＦが遮られることなく、加工点で発生する粉塵を排気、回収することができる。

　偏向部４１は、一例では、上面１６から下面１５に向かって延在する平板状の第１部分４１１と、第１部分４１１の下面１５側の端部から加工ヘッド２２の方向に延在する平板状の第２部分４１２と、を有する。偏向部４１は、１枚の板で構成されるものであってもよいし、一部曲面を有するものであってもよい。偏向部４１の第２部分４１２の傾斜面と筐体１０の上面１６との間の角度αは、偏向部４１の位置と加工領域との位置関係によって、例えば２５度以上５０度以下の間で設定される。また、偏向部４１は、上面１６を含む筐体１０の内面の一部で構成されてもよい。偏向部４１のＹ軸方向の幅は、外気取入口３２のＹ軸方向の幅よりも長ければよい。外気取入口３２のＹ軸方向の幅よりも１割程長いものが好ましい。また、筐体１０の左面１３から右面１４まで偏向部４１が到達するものでもよい。偏向部４１のＸ軸方向の長さとしては、外気取入口３２より筐体１０内に導入された外気が筐体１０内で拡がった後、偏向部４１に到達するために、外気取入口３２のＸ軸方向の長さよりも長ければよい。すなわち、偏向部４１を上面１６に投影した投影部が外気取入口３２を含むものであればよい。一例では、外気取入口３２のＸ軸方向の長さの数倍程度の長さとすることができる。なお、偏向部４１のＸ軸方向の長さが長い方が流れに沿う距離が長くなり、流れを加工点の方向に向ける制御性が向上する。

　なお、図１では、筐体１０の形状が直方体である場合を例示しているが、実施の形態１の筐体１０の形状は直方体に限定されるものではない。筐体１０は、実施の形態１の効果を奏する範囲で、すなわち、効果的な粉塵の排気および回収が可能な範囲で、実質的に六面体の構造であればよい。例えば、筐体１０の角が面取りされていてもよく、筐体１０の角が曲面で形成されていてもよい。筐体１０の前面１１、後面１２、左面１３、右面１４または上面１６に、突起または曲面が設けられていてもよい。

　つぎに、上面１６に設けられる外気取入口３２の位置について説明を行う。相対的に、外気取入口３２が、加工点に対して遠く、搬入出扉１１ａに近い場所に設置されると、加工点付近の排気流れＥＦは、ダウンフローであるが、より水平に近くなる。図３は、実施の形態１によるレーザ加工装置の筐体内の排気流れの他の例を示す断面図である。図３では、図２の場合に比べて、加工テーブル２１の位置が異なっている。また、図３では、遮光板４２が設けられていないレーザ加工装置１を示している。図３に示されるように、被加工物５１における加工位置が移動した場合でも、加工点付近の排気流れＥＦは、ダウンフローであるが、より水平に近くなる。このように、加工テーブル２１全体に対して、一方向で排気口３１への向きの流れとすることができる。

　これに対して、相対的に、外気取入口３２が加工点に対して近く、搬入出扉１１ａから遠い場所に設置されると、偏向部４１の第２部分４１２の傾斜面と上面１６とがなす角度αは、例えば７０度以上と大きく設定される。この結果、加工点付近の排気流れＥＦは、加工点に対してより傾斜を持ったダウンフローとなる。この場合、被加工物５１の表面形状によっては被加工物５１の表面に大きな澱みが形成され、流れの一部が後方の排気口３１とは逆の搬入出扉１１ａ側へと流れ、加工点で発生する粉塵等の一部を筐体１０内に拡散および堆積させることになる。従って、被加工物５１に対しては、排気流れＥＦはあまり傾斜を持ったダウンフローとならないようにすることが求められる。

　外気取入口３２の位置の影響について、数値流体解析の結果を示す。図４は、実施の形態１によるレーザ加工装置における外気取入口の配置位置の一例を示す断面図である。図４に示されるように、外気取入口３２の位置は、加工ヘッド２２よりも搬入出扉１１ａに近く、加工テーブル２１の搬入出扉１１ａ側の端面２１ａよりも搬入出扉１１ａ側にあることが好ましい。また、外気取入口３２の位置は、加工ヘッド２２から加工テーブル２１に降ろした直線Ｌ１と、直線Ｌ１が加工テーブル２１の表面と交わる点Ｐから外気取入口３２までを結んでできる直線Ｌ２と、が成す角度Ａが３０度以上となる搬入出扉１１ａ側の上面１６であることが好ましい。さらに、外気取入口３２の位置を角度Ａが４０度以上となる位置とすることで、加工点に対する排気流れＥＦの傾斜と上面１６とがなす角度を５０度以下に抑えることができる。この結果、被加工物５１の表面に大きな澱みが形成されることなく、筐体１０の内部の加工テーブル２１全体に対して排気口３１側への一方向流れを形成することができることが分かる。

　図５は、実施の形態１によるレーザ加工装置の構成の他の例を示す断面図である。図５に示されるレーザ加工装置１は、外気取入口３２の位置が図１および図２のものと異なっている。図１および図２では、外気取入口３２は搬入出扉１１ａの近傍の上面１６に設置されているが、図５では、筐体１０の上面１６の前面１１との稜線と接する位置に設置される。このような外気取入口３２の位置でも、加工点から排気口３１に向かう一方向の排気流れＥＦが形成される。なお、その他の構成は、図１および図２と同様であるので、その説明を省略する。

　上記した説明では、偏向部４１は１つの部材によって構成される場合を示したが、複数の部材によって構成されてもよい。この場合、複数の部材が、筐体１０の内部の上面１６の外気取入口３２を含む領域に、互いに平行にＸ軸方向に配置される。図６は、実施の形態１によるレーザ加工装置の構成の他の例を示す断面図である。図６では、偏向部４１が３枚の部材によって構成されている。偏向部４１は、外気取入口３２のＹ軸方向の辺に沿ってＸ軸方向に間隔をおいて設けられる一対の部材と、一対の部材間の外気取入口３２の中央部付近に設けられる１枚の部材と、を有する。そして、３枚の部材によって平行流路が形成される。その他の構成は、図１および図２と同様であるので、その説明を省略する。この場合には、排気流れＥＦの指向性を、図１および図２の場合よりも高めることができるので、より正確に加工点の方向に流れを誘導することができる。なお、図６では、偏向部４１が２つの平行流路を有する場合を示したが、３つ以上の平行流路を有していてもよい。

　なお、上記した説明では、偏向部４１は、筐体１０の内部に設けられる場合を示したが、外気取入口３２の筐体１０よりも外部に設けられてもよい。この場合には、偏向部４１は、筐体１０の上面１６に対して２５度以上５０度以下の間の角度を有するように、外気取入口３２の外側に設置される。これによっても、同様の効果を奏する。この場合の偏向部４１の例としては、図１、図２および図６の場合と同様に、１枚以上の部材によって構成されてもよいし、筐体１０の外気取入口３２に接続される管としてもよい。管を接続する場合には、筐体１０に導入される外気がこの管を通過した後、筐体１０の中に吹き入れられる構造とすることができる。あるいは上面１６の部材に所望の傾斜を持たせた流路を形成したものでもよい。

　実施の形態１のレーザ加工装置１は、前面１１、後面１２、左面１３、右面１４、下面１５および上面１６を有する六面体状の筐体１０と、筐体１０内に配置される加工テーブル２１と、筐体１０内で加工テーブル２１を跨ぐように配置され、加工ヘッド２２を移動可能に支持する門型２３と、を備える。筐体１０の前面１１は、搬入出扉１１ａとなっており、筐体１０は、上面１６の搬入出扉１１ａ側に外気取入口３２を有し、前面１１に対向する後面１２に排気部に接続される排気口３１を有する。レーザ加工装置１は、筐体１０の内部の外気取入口３２付近の上面１６に、外気を加工点付近に導く偏向部４１を有する。加工ヘッド２２の可動範囲のすべてが外気取入口３２よりも後面１２側に存在する。このような構成によって、加工点に対して斜め上方の外気取入口３２から外気を供給することができるので、外気を被加工物５１に遮蔽されずに加工点に供給することができる。つまり、凹凸を有する三次元形状の被加工物５１にレーザ光を照射して加工する際に、加工点で発生する粉塵を安定的に排出する排気流れＥＦを形成することができる。

　ところで、特許文献１に記載のレーザ切断装置では、カバー部材の一面に吸気口を設置する際、カバー部材の内部の排気流れを乱さないようにするとともに、レーザ光の散乱光が漏れないようにする対策が必要である。このため、吸気口に設置する遮光のためのフードの形状が複雑になり、フードを設置するための広いスペースが必要になってしまう。

　一方、実施の形態１では、外気取入口３２から反射光、散乱光または加工光が外部に出たとしても、筐体１０が設けられる室内の天井で散乱されて筐体１０の外部の作業者に到達する。しかし、作業者に到達する時点で、反射光、散乱光または加工光は十分に減衰されている。このため、外気取入口３２側に、遮光機能を有し、かつ外気取り入れのための複雑な形状を筐体１０に形成することなく、反射光、散乱光または加工光の漏れに対応することができる。また、筐体１０は、遮光のための複雑な形状を有さないため、大型の被加工物５１を加工領域に搬入出する搬入出扉１１ａを筐体１０に配置することができる。

　また、特許文献１に記載のレーザ切断装置では、水平方向において長方形状の加工テーブルに対して短手方向のカバー部材に空気の吸気口を設置すると、吸気口は加工テーブルの長手方向に沿った長いものとする必要がある。特許文献１に記載のレーザ切断装置では、吸気口のためにさらに広いスペースが必要となる。

　一方、実施の形態１では、直方体状の筐体１０の上面１６に外気取入口３２を設け、排気流れＥＦが筐体１０の内部の長手方向に沿って流れるようにした。このため、特許文献１に記載のレーザ切断装置のように、外気取入口３２のためにさらに広いスペースを必要とせずに、レーザ加工で生じる粉塵を排気することができる。また、門型２３が配置されていても、筐体１０の上面１６から外気を導入するため、門型２３が排気流れＥＦと干渉することがない。さらに、門型２３は、加工テーブル２１の短手方向を跨ぐ方向に設置されているので、長手方向を跨ぐ方向に設置される場合に比して、小型化することができる。

実施の形態２．
　実施の形態１では、加工テーブル２１がＸ軸方向に移動または伸長することで、加工テーブル２１上の被加工物５１を加工ヘッド２２に対して移動させた。実施の形態２では、加工ヘッド２２を支持する門型２３を移動させる場合を説明する。

　図７は、実施の形態２によるレーザ加工装置の構成の一例を示す断面図である。なお、実施の形態１と同一の構成要素には、同一の符号を付して、その説明を省略する。また、実施の形態２では、遮光板４２が設けられない場合を示している。実施の形態２によるレーザ加工装置１は、門型２３がＸ軸方向に移動可能である。すなわち、門型２３には、図示しない駆動系が設けられ、駆動系によって門型２３がＸ軸方向に移動される。図７に示されるように、外気取入口３２からの外気は、加工テーブル２１の予め定められた位置に当たった後、被加工物５１の表面に沿って排気口３１へと流れていく一方向の排気流れＥＦを形成する。

　図８および図９は、実施の形態２によるレーザ加工装置における門型の移動の様子を模式的に示す断面図である。図７から図９に示されるように、門型２３が移動して、加工ヘッド２２の位置が移動しても、排気流れＥＦ中に、被加工物５１にレーザ光が照射される加工点が存在するので、どの位置の加工においても、加工点で発生する粉塵を排出することができる。

　実施の形態２では、加工を行う際に、門型２３を移動させるようにした。門型２３を移動させる場合には、筐体１０内で加工テーブル２１を移動させるための空間を余分に確保する必要がない。このため、加工テーブル２１に対するレーザ加工装置１の筐体１０のＸ軸方向の長さを短くすること、あるいは筐体１０に対する加工テーブル２１のＸ軸方向の長さを長くすることが可能となる。この結果、より空間利用効率を高めることができるという効果を実施の形態１の効果に加えて得ることができる。

実施の形態３．
　実施の形態１，２では、筐体１０の上面１６の搬入出扉１１ａの近傍に外気取入口３２を設ける場合を説明した。実施の形態３では、筐体１０の前面１１に外気取入口３２を設ける場合を説明する。

　図１０は、実施の形態３によるレーザ加工装置の構成の一例を示す断面図である。実施の形態３の場合では、図１０に示されるように、外気取入口３２が前面１１の搬入出扉１１ａよりも上側に配置されている。また、偏向部４１は、上面１６に設置されている。なお、実施の形態１，２と同一の構成要素には、同一の符号を付して、その説明を省略している。

　外気取入口３２から筐体１０の内部に外気が吸引され、流入する。流入した外気の流れである排気流れＥＦは、上面１６に沿うものとなるが、図１０に示されるように、上面１６に設けられる偏向部４１によって、実施の形態１，２の場合と同様に排気流れＥＦを加工点へ導くことができる。この結果、加工点で発生する粉塵を回収し、粉塵を含む外気を排気することができる。

　なお、加工点からの反射光、散乱光または加工光を遮光するために、搬入出扉１１ａの上に、図１０に示されるような遮光板４２ａを設置してもよい。遮光板４２ａを前面１１に投影した投影部が外気取入口３２を含むように、遮光板４２ａは、前面１１に対して傾斜した角度で前面１１に設けられる。これによって、反射光、散乱光または加工光が筐体１０の上面１６を介して、筐体１０の外部の作業者に到達しない。また、反射光、散乱光または加工光が外気取入口３２を通過した場合には、遮光板４２ａおよびレーザ加工装置１が配置された部屋のさらに高い位置にある天井を介して、筐体１０の外部の作業者に到達する。しかし、この間に、反射光、散乱光または加工光は、さらに散乱され、減衰されることになる。上記した説明では、外気取入口３２が搬入出扉１１ａよりも上側に設けられる例を示したが、搬入出扉１１ａに外気取入口３２が設けられていてもよい。一例では、搬入出扉１１ａと一体として搬入出扉１１ａの上部に外気取入口３２が形成される。

　また、実施の形態３でも、加工テーブル２１をＸ軸方向に移動または伸長させてもよいし、加工ヘッド２２を有する門型２３をＸ軸方向に移動させてもよい。

　実施の形態３によっても、実施の形態１，２と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
　実施の形態４では、実施の形態１の場合よりも、筐体１０のＸ軸方向の高さ方向に対する比を大きくした場合について説明する。

　図１１は、実施の形態４によるレーザ加工装置の構成の一例を示す断面図である。なお、実施の形態１の図１および図２と同一の構成要素には、同一の符号を付して、その説明を省略する。図１１に示されるように、筐体１０の長手方向であるＸ軸方向の長さのＺ軸方向の高さに対する比が、実施の形態１で示した図２のものよりも大きくなっている。図１１と図２とで、筐体１０の高さは同じであるとすると、実施の形態４は、より長い形状の被加工物５１を加工可能なレーザ加工装置１に関する形態に対するものである。実施の形態４のレーザ加工装置１は、実施の形態１と同様に加工テーブル２１の移動または長さの伸長によって、加工ヘッド２２と被加工物５１との間の相対位置を変化させている。例えば、Ｚ軸方向の高さに対するＸ軸方向の長さの比の値は、実施の形態１の図２では約２．２である場合を示したが、実施の形態４の図１１では約３である場合を示している。

　図１１に示されるように、筐体１０のＸ軸方向の長さが、実施の形態１よりも長くなっているために、門型２３に固定された加工ヘッド２２と搬入出扉１１ａとの距離が長くなっている。これらに伴い、実施の形態１と比較して、偏向部４１の角度αがより遠くの加工位置に向かうように調整されている。例えば上面１６と偏向部４１の第２部分４１２とのなす角度αは、２５度以下となっている。また、実施の形態４によるレーザ加工装置１は、上面１６と門型２３の梁部２３２との間に、排気流れＥＦの向きを上面１６から加工点に向かって下方に変えるようにする部材である制限部４３をさらに備える。制限部４３は、外気取入口３２を含む空間に面し、上面１６に対して傾斜する面を有する。すなわち、制限部４３は、外気取入口３２側に傾斜面を持つ。

　このような構成によれば、外気取入口３２から筐体１０内に導入された外気が加工ヘッド２２の先端の加工点に供給された後に、排気口３１に流れることで、粉塵等を排気することができる。

　制限部４３は、図１１では、上面１６と角度を持って配置される平板状の板で構成されているが、上面１６との接続部に曲面を持たせてもよい。また、一面にテーパ状の面を持った柱状の部材を上面１６に取り付けることで制限部４３を構成してもよいし、上面１６の形状に凸部をつけて制限部４３を構成してもよい。制限部４３のＹ軸方向の幅は、加工テーブル２１の幅よりも長ければよい。制限部４３のＹ軸方向の幅は、加工テーブル２１の幅の１割増の長さであることが好ましい。さらには、制限部４３のＹ軸方向の幅は、筐体１０のＹ軸方向の左面１３と右面１４との間の長さとすることが好ましい。このように十分に制限部４３の幅を長くすると、全ての流れを加工点の方向に導くことができる。

　つぎに、実施の形態４によるレーザ加工装置１の構成における偏向部４１および制限部４３の機能について説明する。図１２は、制限部を有さない場合のレーザ加工装置の筐体の内部の排気流れの一例を示す図である。図１２のレーザ加工装置１は、筐体１０のＸ軸方向の長さは図１１と同様であるが、偏向部４１の角度αが実施の形態１で示したものと同じとしたものである。つまり、偏向部４１の第２部分４１２と筐体１０の上面１６との角度αは、２５度以上５０度以下の間としたものである。図１２では、被加工物５１の前面を加工するために、加工テーブル２１が後方に配置された場合が図示されている。また、図中の点線は偏向部４１の第２部分４１２の斜面を延長したものである。なお、実施の形態１の図１および図２と同一の構成要素には、同一の符号を付して、その説明を省略する。

　この加工テーブル２１の位置に対しては、外気取入口３２から吸入した外気による排気流れＥＦは、加工テーブル２１の搬入出扉１１ａ側の端面２１ａで衝突し、一部が搬入出扉１１ａ側へと戻され、加工点に十分な排気流れＥＦを供給できなくなっている。つまり、偏向部４１の角度が不十分であり、従って、偏向部４１の角度αをより遠くの加工ヘッド２２の方向に向ける必要がある。

　図１３は、制限部を有さない場合のレーザ加工装置の筐体の内部の排気流れの他の例を示す図である。図１３は、図１２と同様に、制限部４３を有さない場合のレーザ加工装置１の筐体１０の内部の排気流れＥＦの一例を示す図である。図１３のレーザ加工装置１は、筐体１０のＸ軸方向の長さは図１１と同様である。また、偏向部４１の第２部分４１２の斜面、すなわち第２部分４１２の延長線上が、加工点により近くなるように、角度αを調整したものである。なお、実施の形態１の図１および図２と同一の構成要素には、同一の符号を付して、その説明を省略する。

　図１３に示されるように、偏向部４１の第２部分４１２の斜面の延長線上の位置が、加工点により近くなるように角度αを調整した場合には、排気流れＥＦと上面１６との間の距離が短くなるとともに、排気流れＥＦの方向と上面１６との間の角度が２０度以下と平行に近くなる。このため、排気流れＥＦは、下流に進むにつれて、後述するコアンダ効果によって、上面１６に引き寄せられ上面１６に沿う流れとなってしまう。この結果、図１３に示されるように、排気流れＥＦは、加工点の上方を通過して門型２３の下を潜る流れとなり、加工点で発生する粉塵等を排気することができなくなる。

　コアンダ効果は、特表２００７－５０５２８３号公報にも記載のように、１９１０年にルーマニアの技術者、アンリ・コアンダにより行われた航空実験において発見された現象である。コアンダ効果は、空気噴流がたとえば天井といった面に十分近接する形で置かれた場合に、この空気噴流は面に吸い寄せられ、当該面に接触しながら流れ続ける性質がある、というものである。コアンダ効果は面効果とも称される。この現象は、空気噴流は接触する周囲空気に吸い込まれてその周囲空気と混合、すなわち拡散する性質がある、ということに起因する。どんなに面の近傍であっても、周囲空気が面に吸い込まれることはあり得ない。このことにより、空気の流れと面との間の圧力が低下し、それにより空気噴流は面に吸い寄せられやすくなる。

　これに対して、図１１に示されるように、筐体１０の内部の上面１６の偏向部４１と加工ヘッド２２との間に制限部４３を配置した実施の形態４のレーザ加工装置１の構成では、排気流れＥＦは、偏向部４１によって偏向された後に、上面１６に引き寄せられ、上面１６に沿うように流れる。その後、排気流れＥＦは、制限部４３に沿って再び曲げられる。これによって、排気流れＥＦが上面１６から剥離され、排気流れＥＦを加工点へ導くことができる。従って、本構成のような加工テーブル２１の移動方向に延在する形状の筐体１０においても、搬入出扉１１ａ近傍の上面１６に設けられた外気取入口３２からの排気流れＥＦを、加工点に導くことで、加工点で発生する粉塵等を排気口３１に流して回収することができる。

　実施の形態４のレーザ加工装置１は、加工テーブル２１の移動方向に延在した筐体１０の内部の上面１６の偏向部４１と加工ヘッド２２との間に制限部４３を備える。これによって、外気取入口３２から筐体１０内に流入した外気は、上面１６に沿って流れるが、制限部４３によって加工点に向けた流れとされる。これによって、加工テーブル２１の移動方向に延在した筐体１０の内部の加工点にも排気流れＥＦを導き、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
　実施の形態４では、加工テーブル２１の移動方向に延在した筐体１０の内部に設けられる制限部４３は、筐体１０の上面１６に対して垂直ではない角度を持って上面１６に配置されていた。実施の形態５では、実施の形態４とは異なる方法で、加工テーブル２１の移動方向に延在した筐体１０の内部で加工点に排気流れＥＦを導くことができるレーザ加工装置１について説明する。

　図１４は、実施の形態５によるレーザ加工装置の構成の一例を示す断面図である。実施の形態４では、図１１に示されるように、制限部４３は筐体１０の上面１６に対して外気取入口３２側に傾斜面を持った形状により構成されていた。実施の形態５では、制限部４３は、図１４に示されるように、上面１６に対して垂直な面を有する。なお、実施の形態１の図１および図２と同一の構成要素には、同一の符号を付して、その説明を省略する。

　実施の形態５によるレーザ加工装置１の筐体１０の内部における排気流れについて説明する。実施の形態４と同様に、外気取入口３２から流入した外気は、偏向部４１によって向きを加工ヘッド２２が固定された門型２３の方向に向けられる。しかし、この流れは上面１６に近く、上面１６と平行に近いために、コアンダ効果により上面１６に引き寄せられた後、制限部４３にぶつかることで流れの方向が下方に曲げられて、加工点へと導かれる。従って、制限部４３が上面１６に対して垂直に設けられる場合においても加工点で発生する粉塵等を排気口３１に流して回収することができる。

　実施の形態４の図１１では、制限部４３により上面１６に沿った排気流れＥＦが緩やかな角度で曲げられる。これとは異なり、実施の形態５では、制限部４３は、排気流れＥＦに対して直交した面を持って配置されているので、排気流れＥＦは制限部４３に衝突し、制限部４３の表面には淀み領域が形成される。その後、排気流れＥＦは、淀み領域を回避するように流れるため、制限部４３に沿うことはなく下方に向きを変えて流れる。この結果、図１４に示されるように、制限部４３によって、実施の形態４の場合に比してより急角度で排気流れＥＦの方向が曲げられる。

　このような状況における加工ヘッド２２付近の排気流れＥＦについて説明する。図１５は、実施の形態４によるレーザ加工装置における加工ヘッドの周りの排気流れの様子の一例を示す図である。図中の２本の片矢印ＥＦａは、例えば流速が０．４ｍ／秒であり、粉塵を十分に回収できる流速の場所を示している。これらの片矢印ＥＦａ間の範囲が０．４ｍ／秒以上の流速があり、正常に粉塵を回収できる範囲を示す。図中、それぞれの片矢印ＥＦａと一点鎖線で表される加工ヘッド２２の中心を通る直線Ｌ１との交点間が、加工領域において流れが正常に粉塵を回収できる上下方向の範囲Ｒ１となる。

　図１６は、実施の形態５によるレーザ加工装置における加工ヘッドの周りの排気流れの様子の一例を示す図である。図中の２本の片矢印ＥＦａは、図１５で説明したものと同様である。図１６に示されるように、実施の形態５によるレーザ加工装置１の加工ヘッド２２の周りの流れでは、加工ヘッド２２に対してより角度を持った上方からの流れとなる。このため、片矢印ＥＦａ間の距離が同じ場合であっても、排気流れＥＦが正常に粉塵を回収できる上下方向の範囲Ｒ２は、図１５の場合の範囲Ｒ１に比して広くなる。従って、実施の形態５のレーザ加工装置１の構成によれば、上下範囲がより広い加工領域における粉塵も正常に回収し、排気することが可能となる。

　実施の形態４と比較して、実施の形態５では、加工点に対する流れの角度が急峻となるので、制限部４３の加工ヘッド２２に対するＸ軸方向の位置は、より加工ヘッド２２に近い位置となる。制限部４３のＸ軸方向の位置が加工ヘッド２２に近過ぎると、加工領域よりも上方を排気流れＥＦが通過してしまう。また制限部４３のＸ軸方向の位置が加工ヘッド２２から遠過ぎると、加工ヘッド２２よりも手前で加工テーブル２１の表面に流れが到達してしまうので、加工領域の下方に流れが集中することになる。この結果、上述したようにカバーできる加工領域が上下方向に広くなる利点は得られなくなる。従って、制限部４３の水平方向位置については、所望の加工領域の上下方向の範囲に対応して、好ましい位置が存在する。

　制限部４３のＸ軸方向位置について、数値流体解析の結果を示す。図１７は、実施の形態５によるレーザ加工装置における制限部の配置位置の一例を示す断面図である。この結果、搬入出扉１１ａ側から加工点を通り排気口３１側への流れを形成するためには、図１７に示されるように、加工ヘッド２２の中心から下方へ降ろした直線Ｌ１が加工テーブル２１と交わる点Ｐに対して、点Ｐから制限部４３の上面１６との設置位置とを結んでできる直線Ｌ３とが成す角度Ｂが２０度以上５５度以下の間であることが好ましい。さらに、３０度以上４５度以下の間となる位置に制限部４３を設置することが好ましい。このような角度の範囲となるように制限部４３を設置することで、加工点に対する上下方向の裕度を拡げつつ、筐体１０内の搬入出扉１１ａから排気口３１側への一方向の流れを形成することができるので、加工点にて発生する粉塵等を効率よく回収することができる。

　実施の形態５のレーザ加工装置１では、加工テーブル２１の移動方向に延在した筐体１０の内部の上面１６の偏向部４１と加工ヘッド２２との間に、上面１６に対して垂直な制限部４３を備える。これによって、外気取入口３２から筐体１０内に流入した外気は、上面１６に沿って流れるが、制限部４３によって加工点に向けた流れとされる。これによって、加工テーブル２１の移動方向に延在した筐体１０の内部の加工点にも排気流れＥＦを導き、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態４のように上面１６に対して垂直ではない角度で制限部４３を設ける場合に比して、上下により広い加工範囲に気流を供給することができる。

　なお、上記した実施の形態１から５においては、開閉可能な搬入出扉１１ａが筐体１０の前面１１に設置される場合について説明したが、前面１１以外の面にも、開閉可能な搬入出扉１１ａを設けてもよい。また、上記した実施の形態１から５においては、筐体１０が中空の六面体状である場合について説明したが、下面１５が、レーザ加工装置１の筐体１０が設けられる室内の床面で構成されてもよい。さらに、上記した実施の形態１から５においては、加工ヘッド２２を支持する梁部２３２を２本の柱脚部２３１で支える両持ちの門型２３の例を挙げたが、梁部２３２を１本の柱脚部２３１で支える片持ちの門型２３であってもよい。

　以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

　１　レーザ加工装置、１０　筐体、１１　前面、１１ａ　搬入出扉、１２　後面、１３　左面、１４　右面、１５　下面、１６　上面、２１　加工テーブル、２１ａ　端面、２２　加工ヘッド、２３　門型、２４　支持部材、３１　排気口、３２　外気取入口、４１　偏向部、４２，４２ａ　遮光板、４３　制限部、５１　被加工物、２３１　柱脚部、２３２　梁部、４１１　第１部分、４１２　第２部分。

Claims

　室内の床面上に配置され、互いに直交する３つの方向を第１方向、第２方向および第３方向とし、前記第１方向に直交する第１面および第２面、前記第２方向に直交する第３面および第４面、並びに前記第３方向に直交し、前記床面に対向する第５面を有する筐体と、
　前記筐体の内部に配置され、被加工物が設置され、前記床面と平行なテーブル面を有する加工テーブルと、
　前記加工テーブルの前記第２方向の両側のうち少なくとも一方に設けられる柱脚部と、前記柱脚部に接続され、前記加工テーブルの上方で前記第２方向に延在する梁部と、を有する門型と、
　前記梁部に支持され、レーザ光を射出する加工ヘッドと、
　前記第１面に設けられる前記被加工物を搬入出する際に使用する開閉可能な搬入出扉と、
　前記第２面に設けられ、前記筐体の内部の空気の流れである気流を発生させる排気部に接続される排気口と、
　前記加工ヘッドよりも前記第１方向の前記第１面側の前記筐体の上部に設けられ、前記筐体の外部の空気である外気を取り入れる外気取入口と、
　前記外気取入口から導入される外気を前記加工ヘッドに向けてガイドする偏向部と、
　を備え、
　前記加工ヘッドは、可動範囲のすべての位置において前記外気取入口よりも前記第２面側に存在することを特徴とするレーザ加工装置。
　前記偏向部は、前記筐体の内部の前記第５面に設けられることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
　前記偏向部は、前記第２方向に延在する複数の部材が、前記筐体の内部の前記第５面の前記外気取入口を含む領域に、互いに平行に前記第１方向に配置されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
　前記偏向部は、前記外気取入口の前記筐体よりも外部に設けられることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
　前記外気取入口は、前記第５面に設けられることを特徴とする請求項２から４のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
　前記外気取入口は、前記第１面の前記搬入出扉よりも上側に配置されることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
　前記外気取入口と前記梁部との間の前記筐体の内部の前記第５面に、前記気流の向きを前記加工ヘッド側に変える制限部をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
　前記制限部は、前記外気取入口を含む空間に面し、前記第５面に対して傾斜する面を有することを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工装置。
　前記制限部は、前記第２方向に延在し、前記第５面に対して垂直な板状の部材であることを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工装置。
　前記加工テーブルおよび前記加工ヘッドのいずれかが前記第１方向に移動可能であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
　前記レーザ光の反射光もしくは散乱光、または前記被加工物からの加工光の前記外気取入口からの漏れを防ぐ遮光板をさらに備え、
　前記遮光板は、前記筐体の外部の前記外気取入口の周囲の少なくとも一部に設けられることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。