特許 6457981 ノズルのクリーニング方法、およびレーザー加工装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6457981

(24)【登録日】2018年12月28日

(45)【発行日】2019年1月23日

(54)【発明の名称】ノズルのクリーニング方法、およびレーザー加工装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/70 20140101AFI20190110BHJP

   B23K 26/146 20140101ALI20190110BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20190110BHJP

   B23K 26/16 20060101ALI20190110BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/70

   B23K26/146

   B23K26/00 N

   B23K26/16

【請求項の数】6

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-135629(P2016-135629)

(22)【出願日】2016年7月8日

(65)【公開番号】特開2018-1263(P2018-1263A)

(43)【公開日】2018年1月11日

【審査請求日】2018年4月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000132161

【氏名又は名称】株式会社スギノマシン

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】特許業務法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】小掠 隆広

【審査官】 柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１３９８３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３０８４６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平５−３１８１６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−７８３１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／７０

Ｂ２３Ｋ ２６／００

Ｂ２３Ｋ ２６／１４６

Ｂ２３Ｋ ２６／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

噴流液柱内に導光されたレーザーによって加工対象物を加工するレーザー加工装置のノズルのクリーニング方法であって、
前記ノズルから液体を噴出して噴流液柱を形成するステップと、
前記ノズルの入口開口が備えられた面に照射されたスポットの単位面積当たりのピークパワーが前記ノズルを破損する閾値を超えない状態で、前記スポットを前記入口開口の近傍部に照射して、前記面に付着した異物を除去するステップと、を含むクリーニング方法。

【請求項2】

請求項１のクリーニング方法であって、前記異物を除去するステップは、前記スポットを、前記面の前記近傍部において走査することを含む方法。

【請求項3】

請求項２のクリーニング方法であって、
前記レーザー加工装置は、前記ノズルと、前記入口開口に前記液体を受容する液体受容室と、前記レーザーの光軸方向において前記液体受容室よりも上流側に設けられたウィンドウとを備えており、
前記異物を除去するステップは、前記レーザーを前記液体受容室内で合焦させ、前記レーザーの合焦した位置から前記レーザーのスポットが広がって前記面上に前記スポットを形成させることを含むクリーニング方法。

【請求項4】

請求項１のクリーニング方法であって、前記近傍部は、前記入口開口の中心から、前記入口開口の直径の５倍以上１５倍以下の距離の範囲であるクリーニング方法。

【請求項5】

請求項１のクリーニング方法であって、前記閾値は、１．０ＭＷ／ｍｍ^２であるクリーニング方法。

【請求項6】

噴流液柱内に導光されたレーザーによって加工対象物を加工するレーザー加工装置であって、
前記レーザーの出力を変化できるレーザー発振器と、
液体が流入する入口開口を有し、前記液体を前記噴流液柱として噴出するノズルと、
前記入口開口に前記噴流液柱を形成する液体を受容する液体受容室と、
前記レーザーの光軸方向において前記液体受容室よりも上流側に設けられたウィンドウと、
前記レーザーを前記液体受容室内において合焦する合焦光学系と、
前記レーザーを放出する先端部を有し、前記レーザー発振器から発信されたレーザーを前記合焦光学系に導く導光体と、
前記先端部を前記噴流液柱の軸方向と、前記軸方向と垂直でかつ互いに垂直な２方向に移動可能な移動装置と、
制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記ノズルから液体を噴出して噴流液柱を形成するステップと、
前記ノズルの入口開口が備えられた面に照射されたスポットの単位面積当たりのピークパワーが前記ノズルを破損する予め設定された所定の閾値を超えない状態で、前記スポットを前記入口開口の近傍部に照射して、前記面に付着した異物を除去するステップと、
を実行するレーザー加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、噴流液柱内に導光されたレーザーによって加工対象物を加工するレーザー加工装置のノズルのクリーニング方法、およびレーザー加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

噴流液柱内にレーザーを導光する技術が知られている（例えば特許文献１）。ノズルから噴出する液柱に、ノズルの反対面にウィンドウを設け、ウィンドウからレーザー光をノズル開口付近に焦点を合わせるように集光することにより、噴流液柱内にレーザーを導くものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３−６２１２号公報（請求項１、図１参照）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の発明においては、噴流液柱を形成する液体に純水を用いると、純水内に溶解した不純物などがノズル開口付近に堆積する場合があった。この望ましくない堆積は、ノズル開口上流部の液体の流れを乱し、その結果噴流液柱が傾くことを呼び起こす。本発明は、ノズル開口付近を清浄に保ち、噴流液柱の傾斜を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題に鑑みて、本発明の一つの側面は、噴流液柱内に導光されたレーザーによって加工対象物を加工するレーザー加工装置のノズルのクリーニング方法であって、前記ノズルから液体を噴出して噴流液柱を形成するステップと、前記ノズルの入口開口が備えられた面に照射されたスポットの単位面積当たりのピークパワー（パルスレーザーにおける最大強度）が前記ノズルを破損する閾値を超えない状態で、前記スポットを前記入口開口の近傍部に照射して、前記面に付着した異物を除去するステップと、を含む。

【発明の効果】

【0006】

上記構成によれば、ノズル入口開口の周囲への堆積は、レーザーの照射によって粉砕される。粉砕された堆積物は、ノズル入口開口から噴出された噴流液柱内から流出する。ここで、ノズルの入口開口が備えられた面に照射されたスポットの単位面積当たりのピークパワーが前記ノズルを破損する閾値を超えないため、照射されるレーザーはノズルを破損しない。そのため本発明によれば、レーザーの照射によってノズルを破損せずに、レーザーを用いて入口開口を清浄化でき、結果として噴流液柱の傾斜を抑制できる。なお、上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の第１実施形態のレーザー加工装置の縦断面図を示す。

【図2】図１のノズルの入口開口付近の拡大図を示す。

【図3】本発明の第１実施形態のクリーニング方法を示すフローチャートである。

【図4】本発明の第１実施形態のノズルのクリーニング方法を示す縦断面図の拡大図を示す。

【図5】本発明の第１実施形態のノズルのクリーニング方法を示すノズルの上面から見た図である。

【図6】本発明の第１実施形態のクリーニング前のノズルの上面から見た図を示す。

【図7】本発明の第１実施形態のクリーニング後のノズルの上面から見た図を示す。

【図8】本発明の第２実施形態のクリーニング方法を示すフローチャートである。

【図9】本発明の第２実施形態のレーザー装置であって、クリーニングを実施する状況における縦断面図の液体受容室付近の拡大図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0008】

（第１実施形態）
以下、図に従って本発明を実施する形態について説明する。図１は、実施形態のレーザー加工装置１０の縦断面図を示している。レーザー加工装置１０は、レーザー発振器１１と、加工ヘッド１４と、ポンプ２５とを備える。レーザー発振器１１は、例えば第二高調波のＮｄ：ＹＡＧレーザー（波長５３２ｎｍ）の発振器を利用できる。レーザー発振器１１は、パルスレーザーを発振する。

【0009】

図１に示すように、加工ヘッド１４は、次の構成をとる。円筒状のボディ１５は、図の上部（レーザー１３の光軸方向における上流側）にレーザー１３が通過する円筒状のくり抜き部１５ａを備えている。くり抜き部１５ａの下部に円筒状のウィンドウ２０が設けられている。ウィンドウ２０は、例えばサファイアガラスのような透明かつ高強度の材料で製作される。ウィンドウ２０の周囲には、ドーナツ状の空間を成す整流室１８が設けられている。整流室１８の断面形状は矩形となっている。ウィンドウ２０の下部には、円柱状の空間である液体加振室（液体受容室）２１が設けられている。液体加振室２１と整流室１８とは、連通路１９によって連通している。噴流液柱２３の中心軸上から見て（平面視において）、連通路１９は、中央角が３０°ないし１２０°の扇状をなし、その高さ方向の厚みが液体加振室２１の高さの１／４程度である。液体加振室２１の下方（レーザー１３の光軸方向における下流側）には後述する円柱状のノズル２２が設けられている。ノズル２２の下方（レーザー１３の光軸方向、および噴流液柱２３の流れ方向における下流側）には、噴流液柱２３が通過する貫通路１５ｂが設けられている。

【0010】

ポンプ２５は、例えばピストンポンプを利用できる。ポンプ２５は、圧力波形の変化が小さいものが望ましい。ポンプ２５は例えば特許第３５０８３７８号が利用できる。ポンプ２５が吐き出した高圧液体は、整流室１８、連通路１９、液体加振室２１を通過して、ノズル２２から噴流液柱２３となって噴出する。噴流液柱２３を形成する液体は、本実施例においては、純水（脱イオン水または限外濾過水）が用いられる。

【0011】

図２を参照して、ノズル２２について説明する。ノズル２２は、ボディ２２ａ、ノズル孔２２ｆを有するノズル体２２ｄ、保護膜２２ｅを備えている。ボディ２２ａは、円柱状をなしており、その上部に略円筒状の窪み２２ａ１を有している。ボディ２２ａは、下方に円錐状の通路２２ａ２を有している。通路２２ａ２は、ノズル孔２２ｆと連通して設けられ、噴流液柱２３が通過する。窪み２２ａ１には、ノズル体２２ｄが設けられている。ノズル体２２ｄは、例えばダイヤモンド、コランダムその他の宝石をその材料とする。ノズル体２２ｄは、ボディ２２ａと一体化している。ボディ２２ａの上面と、ノズル体２２ａ１の上面は、同一平面である面２２ｇを成している。ノズル孔２２ｆは、面２２ｇに開口しており、その開口部が入口開口２２ｃである。そして、ボディ２２ａの上面の表面には、ノズル体２２ｄに差し掛かるように、保護膜２２ｅが設けられている。保護膜２２ｅは、ボディ２２ａ、ノズル体２２ｄと密着している。ノズル２２を流れる流体は純水であり、純水は溶解力が高いため、ボディ２２ａを溶かす。保護膜２２ｅは、ボディ２２ａの表面を純水から保護する。なお、保護膜２２ｅは、必ずしも設けることを要しない。

【0012】

レーザー加工装置１０を運転すると、加工ヘッド１４、ノズル２２から溶出した金属等がノズル体２２ｄの入口開口２２ｃが設けられている面２２ｇ（図４参照）に析出する。ノズル体２２ｄの表面に付着した異物４１（図４参照）は、液体加振室２１内の入口開口２２ｃの周囲の液体の流れを乱す。その結果、噴流液柱２３が加工ヘッド１４の中心からわずかに傾く。

【0013】

図１、図２を参照して、レーザー発振器１１が発振したレーザー１３は、導光体である光ファイバー１２によって加工ヘッド１４に導かれる。光ファイバー１２の先端部１２ａから放出されたレーザー１３は、アパチャー２９、コリメートレンズ１６、オブジェクションレンズ１７を通過して、ノズル２２の入口開口２２ｃの付近の焦点３１で合焦する。焦点３１で合焦したレーザー１３は、噴流液柱２３内に導かれる。レーザー１３は、噴流液柱２３内に導かれ、加工対象物２６に到達する。レーザー１３は、加工対象物２６と噴流液柱２３との衝突点２６ａを加工する。

【0014】

光ファイバー１２の先端部１２ａは、移動装置２７によって、ノズル２２に対して相対的に移動できる。移動装置２７は、噴流液柱２３の軸方向であるＺ軸、Ｚ軸に垂直でかつ、互いに垂直な方向であるＸ軸およびＹ軸に沿って移動する直交軸形移動装置が利用できる。移動装置２７は、例えば各軸に沿った直線ガイドと、ボールねじ機構とステッピングモータを組合せた送り機構と、によって構成される。移動装置２７は、制御装置２８から送られた駆動電流に応じて移動する。なお、移動装置２７はステッピングモータに替えてサーボモータを、ボールねじ機構に替えてリニアモータを利用できる。また、軸名称は例示であり、その軸名称は勿論変更できる。

【0015】

加工対象物２６を加工する状態（加工時）においては、光ファイバー１２から放出したレーザー光１３は、入口開口２２ｃからわずかにウィンドウ２０側（レーザー１３の光軸方向における上流側）に寄った位置（焦点３１）で合焦している。このときの焦点３１と面２２ｇとのを距離３４とする。そして、レーザー光１３は、入口開口２２ｃから噴出する噴流液柱２３内に導かれる。加工時においては、入口開口２２ｃ上で光ファイバー１２の直径よりも小さいスポット３０（図５参照）を形成する。そのため、光ファイバー１２の移動量は、入口開口２２ｃを含む面２２ｇ上で、光ファイバー１２の径とスポット径３３（図５参照）との比率に応じて縮小して投影される。即ち、光ファイバー１２の移動量は、スポット３０の移動量よりも大きく設計されている。

【0016】

制御装置２８は、レーザー発振器１１および移動装置２７を制御する。具体的には、制御装置２８は、レーザー発振器１１の出力を加工時およびクリーニング時に適切な値に調整する。そして、制御装置２８は、光ファイバー１２の先端部１２ａを正確に位置決めし、又は走査するために移動装置２７の各軸のモータへ駆動電流のパルスを送り出す。制御装置２８は、レーザー１３のスポット３０を走査するときに、スポット３０の走査量と光学レンズの倍率とに基づいて、光ファイバー１２の先端部１２ａの移動量、移動速度を演算し、走査する。

【0017】

なお、光学レンズ１６，１７の倍率、アパチャー２９の絞り量、スポット３０の走査量を予め設定しておき、それらの数値に基づいてあらかじめ設定された光ファイバー１２の走査量を、制御装置２８が記憶しても良い。このときは、制御装置２８は、加工時の光ファイバー１２の位置を基準位置として、この基準位置を開始点とする定められた軌跡を光ファイバー１２が移動するように、移動装置２７を制御する。

【0018】

主として図３を参照して、レーザー１３（図１参照）を用いたノズル２２のクリーニング方法を説明する。レーザー加工装置１０は、噴流液柱２３を形成する（Ｓ１）。次いでレーザー加工装置１０は、レーザー１３の出力を低下する（Ｓ２）。レーザー加工装置１０は、レーザー１３が面２２ｇに照射して生ずるスポット３０のスポット径３３（図５参照）を拡大する（Ｓ３）。最後にレーザー加工装置１０は、レーザー１３を走査し、入口開口２２ｃの周囲に付着した異物４１（図４参照）を除去する（Ｓ４）。ここで、ステップＳ２及びステップＳ３は、同時に行っても、その順序を入れ換えても良い。

【0019】

次いでステップＳ１ないしＳ４について詳細に説明する。ステップＳ１は、次のようである。レーザー加工装置１０がポンプ２５を運転すると、液体が液体加振室２１内に流れ込む。本実施形態のノズル孔２２ｆの直径は、例えば０．０４ｍｍないし０．１ｍｍと非常に小さく、僅かな異物が付着することにより目詰まりを起こす。ステップＳ１において噴流液柱２３が形成されることにより、レーザー１３によって粉砕された異物４１が噴流液柱と共にノズル２２から流し出される。ステップＳ１の噴流液柱の圧力は加工時と異なる圧力に調整されても良い。

【0020】

ステップＳ２について説明する。制御装置２８は、レーザー発振器１１が発振するレーザー１３の出力（以下、単に「レーザー出力」という。）を加工時よりも低下させる。これによって、スポット径３３（図５参照）の調整とともに、より確実にノズル２２の入口開口２２ｃが備えられた面２２ｇに照射されたスポット３０の単位面積当たりのピークパワー（Ｗ／ｍｍ^２）がノズル２２を破損する閾値を超えないようにすることができる。
なお、面２２ｇに照射されたスポット３０の単位面積当たりのピークパワーは、レーザー出力を増減したり、スポット径３３の大きさを増減したりして調整することができる。

【0021】

制御装置２８は、レーザー発振器１１にその出力に対応した信号を送る。レーザー発振器１１は、この信号を受けて出力を変更する。信号は電流値または電圧値によるアナログ信号でも、デジタル信号でも良い。レーザー発振器１１がレーザー出力を低下させることによって、面２２ｇに照射されたレーザーの単位面積当たりのピークパワーが減少する。レーザー加工装置１０は、５０〜２００Ｗもの強力なレーザー１３を用いて加工対象物２６を加工する。このような強力なレーザー１３が小さいスポットでノズル２２に照射されると、ノズル体２２ｄが破損する。そこで、後述のステップＳ３の実行と前後して、又は同時に、レーザー出力を低下させる。単位面積当たりのピークパワーの閾値は、ノズル２２を破損せず、ノズル２２に付着した不純物からなる異物４１（図６参照）を破砕するように設定される。

【0022】

ここで、レーザー加工装置１０の使用者（不図示）によって、レーザー１３のピークパワーをスポット３０の面積で除した、単位面積当たりのピークパワーは、ノズル２２を破損しない閾値以下に設定される。なお、閾値は予め制御装置２８に記憶しておくこともできる。

【0023】

例えば、ノズル２２のノズル体２２ｄがダイヤモンドであれば、閾値は、１．０ＭＷ／ｍｍ^２と設定される。発明者は、レーザー１３のスポット３０の単位面積当たりのピークパワーが閾値を超えるとレーザー１３の照射時間によらず、直ちにノズル２２が破損するが、レーザー１３の単位面積当たりのピークパワーが閾値以下であれば、ノズル２２を破損しないことを見出した。この閾値は、熱の拡散の速度と、結晶構造の化学結合強度との関係で決定されると推測される。これに対して、ノズル２２に付着する異物４１は、ノズル体２２ｄに物理結合しており、その結合強度がノズル２２の破損強度と比較してはるかに低く、レーザー１３の単位面積当たりのピークパワーが閾値と比べて低くても、十分に除去できる。また、異物４１に対しては、レーザー１３の照射時間が長ければ長いほど異物４１の除去効果は高くなる。

【0024】

ステップＳ３について説明する。図１を参照して、光ファイバー１２の先端部１２ａは直交する３軸方向に位置決めできる。光ファイバー１２の先端を移動することによって、液体加振室２１内のレーザー１３の焦点３１の位置が移動する。ここで、光ファイバー１２を軸方向（Ｚ軸方向）に移動すると、焦点３１（図４参照）も軸方向に移動する。焦点３１の面２２ｇからの距離３２（図４参照）を大きく取ることによって、面２２ｇに照射するレーザー１３のスポット３０が拡大する。距離３２は距離３４より大きい。ここで、スポット３０の直径をスポット径３３（図５参照）という。スポット径３３を大きく取ることで、単位面積当たりのレーザーのピークパワーが低下する。スポット径３３は、上述のピークパワー密度に応じて設定される。例えば、スポット径３３は入口開口の２倍以上２０倍以下、好ましくは２倍以上５倍以下に設定される。

【0025】

レーザー１３の集光角度θ（図４参照）は、アパチャー２９および１組のレンズ１６，１７の焦点距離によって定まる。そして、焦点を液体加振室２１内に位置づけて、焦点を通って広がったレーザー１３が面２２ｇ（図４参照）上にスポット３０（図５参照）を形成するとき、スポット径３３（図５参照）は、焦点３１（図４参照）と面２２ｇとの距離３２（図４参照）および集光角度θによって定まる。

【0026】

そのため、クリーニング時のスポット径ＤＣ（式１参照）、加工時のスポット径ＤＭ（式１参照）によって、面２２ｇと焦点３１との距離３２のクリーニング時に増加すべき量ΔＬ（μｍ）は、式１のように定まる。ΔＬは、距離３２と距離３４との差である。
制御装置２８は、式１によって、面２２ｇと焦点３１との距離３２のクリーニング時に増加すべき量ΔＬ（μｍ）を求める。

【0027】

【数1】

ＤＣ：クリーニング時のスポット径（μｍ）
ＤＭ：加工時のスポット径（μｍ）
θ：集光角度（°）

【0028】

ここで、光ファイバ２２のＺ方向の移動量とレーザー１３の焦点のＺ方向の移動量は、レーザー光学系の焦点距離に反比例する。即ち、一般的に、物点からレンズまでの物点距離をａ，レンズから像点までの像点距離をｂとすると、このレーザー光学系の焦点距離ｆは、近似的に次の式で表される。

【数2】

【0029】

本実施形態では、制御装置２８は、式２を用いてレーザー１３の焦点の移動距離を算出している。つまり、物点距離ａは、コリメートレンズ１６の焦点距離に対応し、この焦点距離は４００ｍｍに設定されている。また、像点距離ｂは、集光レンズ１７の焦点距離の焦点距離に対応し、この焦点距離は６０ｍｍに対応している。したがって、式２を用いると、レーザー光学系全体の焦点距離ｆは５２．１７ｍｍとなる。同じレーザー光学系であれば、光学系全体の焦点距離ｆは変化しないため、光ファイバー１２のＺ方向への移動によってコリメートレンズ１６の焦点距離ａが変化すると、それに伴って集光レンズ１７の焦点距離ｂも変化する。例えば光ファイバー１２をＺ軸に沿って上方に４００μｍ移動させると、レーザーの焦点３１（図４参照）は、約１０μｍ上方に移動する。

【0030】

制御装置２８は、上述の計算式に従って、スポット径３３（図５参照）を調整できる。なお、上述の計算式に基づいて、スポット径３３およびレーザー出力の調整量を予め演算しておき、制御装置２８は、演算結果に基づくシーケンスプログラム等によって機械的に移動装置２７を駆動しても良い。

【0031】

ステップＳ４について説明する。図１を参照して、光ファイバー１２を軸方向に垂直な面（ＸＹ平面）上で移動させると、焦点３１およびスポット３０が移動する。面２２ｇ上をスポット３０が走査する軌跡３７（図５参照）は次のようである。Ｙ方向の負方向にフィード長さ３６だけ走査した後、Ｘ方向に一定距離（ピッチ３８）だけ移動し、Ｙ方向の正方向にフィード長さ３６だけ走査する。同様に走査を繰り返す。そして、スポット３０が入口開口２２ｃ（図４参照）を中心とする正方形の範囲３５内を縦横に走査すると、スポット３０が照射された範囲の異物４１が熱せられて粉砕され、ノズル体２２ｄから除去される。即ち、スポット３０の走査範囲３９（図５参照）は、異物４１が除去されるべき近傍部２２ｈの範囲を含む。ここで、フィード長さ３６（図５参照）は、異物４１の除去を必要とする入口開口２２ｃの近傍部２２ｈ（図５参照）の範囲と対応する。

【0032】

図５に示すように、近傍部２２ｈは、入口開口２２ｃを中心とする、入口開口２２ｃの直径の３倍以上、２０倍以下、好ましくは５倍以上、１５倍以下とされるのが好ましい。異物４１（図４参照）の付着する厚みは、入口開口２２ｃから離れるにつれて、薄くなる傾向がある。また、入口開口２２ｃに近づくにつれて、流体の流速が早くなる。そのため、入口開口２２ｃの近傍部２２ｈは、入口開口２２ｃへ流入する流体の流れに大きな影響を及ぼす。

【0033】

もっとも、流体の流れに対する壁面の影響は、噴流液柱２３の流量、近傍における流速によって異なる。発明者は、本実施形態に用いられる一般的な操作条件において、試験を繰返した結果、入口開口２２ｃの直径が４０μｍないし１００μｍの場合に、クリーニング効果が強く表れる近傍部２２ｈの範囲は、入口開口２２ｃを中心とする直径０．３ｍｍないし０．８ｍｍ程度の範囲であると特定した。そして、次のように結論付けた。

【0034】

つまり、入口開口２２ｃの直径の２０倍を超えた範囲は、入口開口２２ｃの付近の流体の流れに与える影響が少なく、異物４１を除去してもほとんど影響を及ぼさない。さらに、クリーニングによって噴流液柱２３の傾斜を防止できる範囲としては、入口開口２２ｃの径（入口開口径）の１５倍程度までで十分であった。逆に、入口開口径の３倍程度の範囲は、加工時のレーザー１３のスポット３０の周囲の広がりによって異物４１は多く付着していない。入口開口径の３倍を超える範囲について異物４１を除去する必要がある。入口開口２２ｃ付近の流体の流れに影響を与える範囲としては、入口開口径の５倍以上の範囲において異物４１を除去することが好ましい。

【0035】

また、ピッチ３８は、スポット径３０よりも小さく設定される。スポット３０は、通過範囲が一部重複するように走査される。ピッチ３８は、スポット径３３の０．１倍以上０．９倍以下、好ましくは０．２倍以上、０．５倍以下に設定される。レーザー１３は、アパチャ２９を通過した後、光学レンズ１６，１７、ウィンドウ２０、液体加振室２１中の液体を通過するため、スポット３０の周囲は明確でない。つまり、スポット３０の径方向の強度分布は明確なステップ状にはならず、その周囲はなだらかな曲線を描く。このようなスポット３０を利用して異物４１の除去を行うためには、走査範囲３９ｃが重複することが望ましい。したがって、ピッチ３８の設定値は光学系の収差に大きく左右される。発明者は、実験を繰り返した結果、操作条件等によらず、安定して異物４１をもれなく除去する範囲として、上記範囲を見出した。

【0036】

ステップＳ４において、スポット３０の移動軌跡は、上述の往復型の軌跡に替えて、入口開口２２ｃを中心とする渦巻き状の軌跡又は入口開口２２ｃを中心とする円軌跡としても良い。なお、保護膜２２ｅ（図２参照）は剥がれやすいため、走査範囲３９が保護膜２２ｅに差し掛からないように軌跡３７を設定する。

【0037】

制御装置２８は、スポット３０の面２２ｇにおける移動量に対応する光ファーバー１２の移動量を算出する。
つまり、スポット３０の面２２ｇにおける移動量は、光ファイバー１２の先端部１２ａの直径、言い換えると、レーザーが放射される径とレーザー１３のスポット径３３との比率を、先端部１２ａの移動量に乗じた量として算出される。スポット３０の移動量は、光ファイバー１２の移動量よりも小さく設計されている。制御装置２８は、前述の比率と、スポット３０の移動軌跡に沿って作成された光ファイバー１２の先端部１２ａの移動軌跡に沿って、先端部１２ａを移動装置２７によって移動させる。

【0038】

主として図２と図３を参照しながら、作用効果について説明する。ステップＳ１において噴流液柱２３を形成するため、後のレーザー走査（ステップＳ４）で粉砕化されてノズル２２から剥離する異物４１が液体加振室２１から流出する。そのため、液体加振室２１内に異物４１が残留しない。ステップＳ２およびステップＳ３においてスポット径３３が大きくなり、レーザーの単位面積当たりのピークパワーが低下する。そのため、レーザー走査（ステップＳ４）でレーザー１３をノズル２２の面２２ｇ上を走査したときに、ノズル２２を破損しない。ステップＳ４のレーザー走査において、異物４１を除去するには十分に強いレーザー１３が入口開口２２ｃの周囲を走査する。そのため、レーザー走査は、入口開口２２ｃの周囲に付着した異物４１を粉砕し、除去できる。

【0039】

液体が入口開口２２ｃへ向かう流れは、入口開口２２ｃで起きる液体の縮流部の流れに大きく影響する。ノズル２２の入口開口２２ｃが設けられた面２２ｇの内、入口開口２２ｃの周囲に異物４１が付着すると、噴流液柱２３が傾く。レーザー加工装置１０が加工対象物２６を加工する加工点２６ａ（図１参照）は、噴流液柱２３と加工対象物２６の表面との交点である。噴流液柱２３が傾くと、加工点２６ａがずれる。加工点２６ａがずれると、場合によっては加工点の軌跡が重なって加工品が不良品となる。また、加工対象物２６の傾きを変化させながら３次元形状の加工を行うときにおいて、加工点２６ａがずれると加工後の形状が予定形状とならない問題が発生する。

【0040】

本実施形態のクリーニング方法によれば、入口開口２２ｃの周囲に付着した異物４１を除去できる。レーザー加工装置１０の使用時に、例えば決められた使用時間又は決められた切断回数毎に本実施形態のクリーニング方法を用いれば入口開口２２ｃの周囲を清浄に保てる。入口開口２２ｃの周囲を清浄に保てるため、噴流液柱２３の傾きを予防し、加工点２６ａのずれの発生を予防できる。また、ノズル２２の入口開口２２ｃの周囲の流れが安定するため、噴流液柱２３が安定する。そして噴流液柱２３内へのレーザー１３の導光量および加工点２６ａの状態が安定し、加工能力の変動が抑制される。

【0041】

本実施形態では、レーザー１３の焦点３１は、加工時もクリーニング時も液体加振室２１内に結ばれる。焦点３１がウィンドウ２０、ノズル体２２ｄ内で結ばれれば、焦点３１に光エネルギーが集中し、ノズル体２２ｄの破損が進む。本実施形態では、レーザー１３が液体加振室２１内に合焦するため、ボディ１５、ノズル２２がレーザー１３によって破損することを防ぐ。

【0042】

異物４１の付着量は、レーザー加工装置１０の運転時間に対応する。そのため、制御装置２８は、一定の運転時間又は一定の運転回数毎に１回のクリーニング操作を行うよう、設計されうる。例えば制御装置２８は、運転時間が１０時間を超過する毎に、次回の加工を開始する前に１回のクリーニング操作を行う。ノズル２２が保護膜２２ｅ（図２参照）を備えない場合、クリーニング操作は、より高頻度に行うよう設計されうる。例えば、この場合の頻度は、例えば３ないし５時間を超過する毎と設計される。

【0043】

なお、クリーニングによって、異物４１が入口開口２２ｃの近傍部２２ｈから完全に除去される必要はない。異物４１が概ね除去され、面２２ｇの表面が平滑になれば流体の流れが阻害されず、噴流液柱２３が傾斜することを防止できる。クリーニング後の異物４１の高さは０ないし１μｍ程度までの範囲に収まることが望ましい。

【0044】

（第２実施形態）
図８、図９に従って、第２実施形態のクリーニング方法を説明する。第２実施形態のクリーニング方法は、レーザー１３が液体加振室２１内で焦点を合わさず、レーザー１３のスポット５０が入口開口２２ｃの近傍部２２ｈの全域に広がるようにレーザー１３を調整する。そして、レーザー１３のスポット５０を走査させず、一定時間照射することによって、ノズル２２に付着している異物４１を除去する。その他の点については、第１実施形態と同様であるため、同一の構造・操作については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

【0045】

ここで、ステップＳ１２は、実際には、レーザー１３を照射せずに行うことが望ましい。レーザー１３を照射すると、小さいスポットが形成される瞬間があれば、ごくわずかのレーザー出力の場合でもノズル体２２ｄやボディ２２ａを破損するためである。ステップＳ１２は、上述の第１実施形態におけるステップＳ２と同様に、計算結果に基づいて行うため、実際にレーザー１３が照射されていなくても実行できる。

【0046】

ステップＳ１３は、制御装置２８は、面２２ｇ上に照射されたレーザー１３のスポット５０の中心が入口開口２２ｃの中心になり、かつ、異物４１の除去が必要な近傍部２２ｈの全域にスポット径５１が広がるように、スポット径５１を拡大する。このとき、レーザー光１３の焦点５２は、形式的には入口開口２２ｃよりも下方に位置している。焦点５２は、ボディ１５の貫通路１５ｂ等、透明部材（例えばノズル体２２ｄ）の内部を避けて設定される。

【0047】

このとき、ノズル２２の入口開口２２ｃが備えられた面２２ｇに照射されたスポット５０の単位面積当たりのピークパワーがノズル２２を破損する閾値を超えないように、レーザー１３の出力およびスポット径３３を調整する。

【0048】

制御装置２８は、面２２ｇに照射されたスポット５０の単位面積当たりのピークパワーがノズル２２を破損する閾値を超えない状態で、スポット５０を入口開口２２ｃの近傍部２２ｈに照射する。

【0049】

このとき、ノズル体２２ｄはダイヤモンド又はサファイアなどの透明体であるため、レーザー１３はノズル体２２ｄ内を通過する。そして、ボディ２２ａはステンレス鋼、チタン合金その他の金属であるため、レーザー１３はボディ２２ａを通過しない。そしてレーザー１３は、ボディ２２ａの表面で反射して散乱する。レーザー１３の出力が下げられているため、反射し、散乱したレーザー１３によってノズル２２、加工ヘッド１４は破損しない。レーザー１３の照射時間は、レーザー１３の出力、スポット径５１に関連して適宜求められる。照射時間は概ね１ｓないし５ｓの範囲で設定される。

【実施例】

【0050】

次に第１実施形態に係る具体的な実施例について説明する。入口開口２２ｃの直径が０．０５ｍｍ、ノズル体２２ｄの素材がダイヤモンド、保護膜２２ｅが窒化チタン、レーザー１３がパルスレーザーであるレーザー加工装置１０を用いた。

【0051】

ステップＳ１において、レーザー出力を１０Ｗ、スポット径３３を０．１５ｍｍとし、単位面積当たりのピークパワーを０．８ＭＷ／ｍｍ^２となるようにした。走査範囲３９は、入口開口２２ｃを中心に０．７ｍｍ×０．７ｍｍの範囲とした。走査するピッチ３８は、０．０３ｍｍとした。スポット３０の走査速度は１５ｍｍ／ｍｉｎとした。

【0052】

図６を参照して、クリーニング前の異物４１は、入口開口２２ｃの周囲に入口開口２２ｃを中心として放射状に面２２ｇ上に入口開口２２ｃを中心とする略扇状に付着している。入口開口２２ｃのすぐ近傍には異物４１は付着していない。異物４１は、入口開口２２ｃに近いところはやや厚く付着しているが、入口開口２２ｃから遠い部分の厚みはやや薄い。異物４１の厚みは３ないし１０μｍであった。

【0053】

本実施形態によるクリーニングを行った後にノズル２２を観察すると、図７に示すように、走査範囲３９の内部にはほとんど異物４１が観察されない。走査範囲３９の外側には異物４１がそのまま残留している。走査範囲３９の内部、言い換えると近傍部２２ｈに僅かに残った異物４１の厚みは、大きいところで０．６μｍに除去できた。そして、走査範囲３９内に僅かに残った異物４１の表面はなだらかになっていた。

【0054】

クリーニング後のノズル２２を用いてレーザー加工装置１０による加工を行ったところ、噴流液柱２３は中心軸から傾かず、加工点２６ａの移動は観察されなかった。

【0055】

なお、本発明は前述した実施形態および実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であり、特許請求の範囲に記載された技術思想に含まれる技術的事項の全てが本発明の対象となる。前記実施形態は、好適な例を示したものであるが、当業者ならば、本明細書に開示の内容から、各種の代替例、修正例、変形例あるいは改良例を実現することができ、これらは添付の特許請求の範囲に記載された技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0056】

１０ レーザー加工装置
１１ レーザー発振器
１２ 光ファイバー
１３ レーザー
１４ 加工ヘッド
２０ ウィンドウ
２１ 液体加振室（液体受容室）
２２ ノズル
２２ｃ 入口開口
２２ｇ 面
２２ｈ 近傍部
２３ 噴流液柱
２６ 加工対象物
２６ａ 加工点
２７ 移動装置
２８ 制御装置
３０ スポット
３３ スポット径
４１ 異物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】