特許 6835303 レーザー加工装置及びレーザー加工方法

(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】6835303

(24)【登録日】2021年2月8日

(45)【発行日】2021年2月24日

(54)【発明の名称】レーザー加工装置及びレーザー加工方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/146 20140101AFI20210215BHJP

   B23K 26/142 20140101ALI20210215BHJP

   B23P 17/00 20060101ALI20210215BHJP

   B23P 23/00 20060101ALI20210215BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/146

   B23K26/142

   B23P17/00 A

   B23P23/00 Z

【請求項の数】17

【全頁数】36

(21)【出願番号】特願2016-136594(P2016-136594)

(22)【出願日】2016年7月11日

(65)【公開番号】特開2018-8277(P2018-8277A)

(43)【公開日】2018年1月18日

【審査請求日】2019年5月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(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

(73)【特許権者】

【識別番号】505374783

【氏名又は名称】国立研究開発法人日本原子力研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】黒澤 孝一

(72)【発明者】

【氏名】大森 信哉

(72)【発明者】

【氏名】石塚 一平

(72)【発明者】

【氏名】大道 博行

(72)【発明者】

【氏名】山田 知典

(72)【発明者】

【氏名】羽成 敏秀

(72)【発明者】

【氏名】酒井 英明

(72)【発明者】

【氏名】中田 正宏

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 豪

(72)【発明者】

【氏名】武部 俊彦

【審査官】 柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−１４０２３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５３７８８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２５３５２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０３０５６５２０（ＣＮ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０６２６５２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／１４６

Ｂ２３Ｋ ２６／１４２

Ｂ２３Ｐ １７／００

Ｂ２３Ｐ ２３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも、レーザー光を被加工物の加工対象箇所に照射し、レーザー光照射部を溶融するレーザーヘッドと、前記レーザー光照射部と所定の距離離間する位置に液体を噴射し、流動性の液膜を前記被加工物の表面に形成する液体供給ノズルと、制御部と、を備え、
前記レーザー光照射部の溶融物を前記液体供給ノズルから噴射される液体により除去し、
前記制御部は、所定の周期で断続的に、前記被加工物へ液体を噴射するように、前記液体供給ノズルを制御することを特徴とするレーザー加工装置。

【請求項2】

請求項１に記載のレーザー加工装置において、
前記レーザーヘッド及び前記液体供給ノズルは、加工時における移動方向において、前記液体供給ノズルが前記レーザーヘッドよりも後方側に配されることを特徴とするレーザー加工装置。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載のレーザー加工装置において、
前記液体を貯留する給水タンクと、前記給水タンクと前記液体供給ノズルを連通するホースに設置される圧力調整弁と、を有し、
前記制御部は、前記液体供給ノズルから噴射する液体が所望の流量となるよう前記圧力調整弁を制御することを特徴とするレーザー加工装置。

【請求項4】

請求項３に記載のレーザー加工装置において、
前記液体供給ノズルより噴射される液体により形成される流動性の液膜は、前記溶融物を前記被加工物から離脱させ得る運動量を有すると共に、離脱後の溶融物を冷却し固化することを特徴とするレーザー加工装置。

【請求項5】

請求項１に記載のレーザー加工装置において、
前記液体供給ノズルは、前記レーザーヘッドから照射されるレーザー光の光軸と異なる軸方向に沿って配されることを特徴とするレーザー加工装置。

【請求項6】

請求項５に記載のレーザー加工装置において、
前記レーザー光の光軸と異なる軸方向に沿って配される前記液体供給ノズルは、前記レーザー光の光軸に対し所定の角度を有する軸方向に沿って配されることを特徴とするレーザー加工装置。

【請求項7】

請求項５に記載のレーザー加工装置において、
前記レーザー光照射部へ、圧縮空気又は圧縮酸素を含むガスを噴射し、酸化反応を促進させるガス噴射ノズルを備えることを特徴とするレーザー加工装置。

【請求項8】

請求項７に記載のレーザー加工装置において、
前記ガス噴射ノズルは、前記レーザー光の光軸又は前記レーザー光の光軸と異なる軸方向に沿って配される前記液体供給ノズルと同軸に配されることを特徴とするレーザー加工装置。

【請求項9】

請求項５に記載のレーザー加工装置において、
前記レーザー光照射部における液膜が気化することにより生じる気化圧力によって、前記溶融物を前記被加工物から離脱させることを特徴とするレーザー加工装置。

【請求項10】

レーザー光を用いて被加工物を溶融加工するレーザー加工方法であって、
前記被加工物の表面に、液体供給ノズルより噴射される液体により流動性の液膜を形成する液膜形成工程と、
前記流動性の液膜が形成された状態で、前記被加工物の加工対象箇所にレーザー光を照射し、前記加工対象箇所であるレーザー光照射部を溶融する溶融工程と、
前記レーザー光照射部と所定の距離離間する位置に前記液体供給ノズルより液体を噴射し、溶融物を除去する除去工程と、を有し、
前記液体供給ノズルより噴射される液体は、所定の周期で断続的に噴射されることを特徴とするレーザー加工方法。

【請求項11】

請求項１０に記載のレーザー加工方法において、
前記溶融工程と前記除去工程は、共に並行して行われることを特徴とするレーザー加工方法。

【請求項12】

請求項１０又は請求項１１に記載のレーザー加工方法において、
前記液体供給ノズルより噴射される液体により形成される流動性の液膜は、前記溶融物を前記被加工物から離脱させ得る運動量を有すると共に、離脱後の溶融物を冷却し固化することを特徴とするレーザー加工方法。

【請求項13】

請求項１０に記載のレーザー加工方法において、
前記液体供給ノズルより所定の周期で断続的に噴射される液体の噴射時間は、前記加工対象箇所であるレーザー光照射部の溶融に影響を与えない範囲に設定されることを特徴とするレーザー加工方法。

【請求項14】

請求項１０に記載のレーザー加工方法において、
前記液体供給ノズルより所定の周期で断続的に噴射される液体は、レーザー光の光軸と異なる軸方向に沿って前記被加工物へ噴射されることを特徴とするレーザー加工方法。

【請求項15】

請求項１０に記載のレーザー加工方法において、
前記溶融工程は、前記レーザー光照射部へガス噴射ノズルより圧縮空気又は圧縮酸素を含むガスを噴射し酸化反応を促進させることを特徴とするレーザー加工方法。

【請求項16】

請求項１５に記載のレーザー加工方法において、
前記レーザー光照射部へ噴射されるガスは、前記レーザー光の光軸又は前記レーザー光の光軸と異なる軸方向に沿って噴射される液体の軸方向と同軸にて噴射されることを特徴とするレーザー加工方法。

【請求項17】

請求項１２に記載のレーザー加工方法において、
前記除去工程は、前記レーザー光照射部における液膜が気化することにより生じる気化圧力によって、前記溶融物を前記被加工物から離脱させることを特徴とするレーザー加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザー加工装置及びレーザー加工方法に係り、特に、レーザー光を被加工物に照射することにより、加工対象箇所を溶融させた後の溶融物を流動性の液膜により好適に排除し得るレーザー加工装置及びレーザー加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

金属材料、セラミック、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）材など幅広い材料の加工、例えば、穴あけ、切断、ガウジングにおいて、レーザー加工法にて溶融させた被加工物の溶融物に対し、活性ガス或いは不活性ガスなどのガスジェットを吹き付け、溶融物を排除する方法が広く用いられている。

【0003】

また、レーザー光の照射により溶融された被加工物の溶融物に対し、高圧水であるウォータージェット（ＷＪ）を噴射し当該溶融物を除去するものとして、例えば、特許文献１及び特許文献２に記載される技術が知られている。
特許文献１では、切断対象物に対し切断方向前方斜めから照射するよう配されるレーザーヘッド及び、切断対象物に対して垂直に且つレーザー光の照射部に高圧水を照射するよう配されるウォータジェットヘッドを有する複合切断装置が記載されている。そして、レーザー光によって溶融した溶融物を、ウォータジェットヘッドから噴射される高圧水により、その噴射方向に吹き飛ばす構成が開示されている。

【0004】

特許文献２では、レーザーヘッドとウォータジェットヘッドを備える複合加工装置が開示され、レーザー光を被加工物に連続照射し加工部で被加工物を溶融し（溶融工程）、溶融部にウォータジェットヘッドから噴射させた高圧水をあてて溶融部を吹き飛ばして加工する（除去工程）。これら、溶融工程及び除去工程を繰り返し穴加工する、すなわち、ウォータジェットを間欠的に溶融部に噴射させる旨記載されている。また、特許文献２では、ウォータジェットを間欠的に溶融部に噴射させるため、スリット穴付きじゃま板を、ウォータジェットヘッドの噴射流を被うように配置し、そのじゃま板をモータで回転させてスリット穴からのみ噴射流を通過させる構成も記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１１−７８０号公報

【特許文献2】特開２００１−６２６５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１に記載される構成では、被加工物表面上のレーザー光照射部に連続的に高圧水を噴射する構成、すなわち、被加工物表面上において同一位置に、レーザー光を照射すると共に高圧水を噴射する構成であるため、水の冷却効果による溶融阻害が生じ、更には、レーザー光の減衰により加工対象物の排除効率の低下を招く虞がある。
また、特許文献２に記載される構成では、ウォータジェットを間欠的に溶融部に噴射させる構成であるものの、レーザー光の照射位置にウォータジェットを噴射させるものであり、溶融物を適切に排除するための加工条件については考慮されておらず、レーザー光の減衰により加工対象物の排除効率の低下を招く虞がある。また、ガウジングを行う場合には、排除した溶融物が加工面及びその周囲に堆積し、適切に排除・回収することが困難となる虞がある。
そこで、本発明は、レーザー光照射による溶融物の排除効率を向上し得ると共に、当該溶融物を適切に回収し得るレーザー加工装置及びレーザー加工方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するため、本発明のレーザー加工装置は、少なくとも、レーザー光を被加工物の加工対象箇所に照射し、レーザー光照射部を溶融するレーザーヘッドと、前記レーザー光照射部と所定の距離離間する位置に液体を噴射し、流動性の液膜を前記被加工物の表面に形成する液体供給ノズルと、制御部と、を備え、前記レーザー光照射部の溶融物を前記液体供給ノズルから噴射される液体により除去し、前記制御部は、所定の周期で断続的に、前記被加工物へ液体を噴射するように、前記液体供給ノズルを制御することを特徴とする。
また、本発明のレーザー加工方法は、レーザー光を用いて被加工物を溶融加工するレーザー加工方法であって、前記被加工物の表面に、液体供給ノズルより噴射される液体により流動性の液膜を形成する液膜形成工程と、前記流動性の液膜が形成された状態で、前記被加工物の加工対象箇所にレーザー光を照射し、前記加工対象箇所であるレーザー光照射部を溶融する溶融工程と、前記レーザー光照射部と所定の距離離間する位置に前記液体供給ノズルより液体を噴射し、溶融物を除去する除去工程と、を有し、前記液体供給ノズルより噴射される液体は、所定の周期で断続的に噴射されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、レーザー光照射による溶融物の排除効率を向上し得ると共に、当該溶融物を適切に回収し得るレーザー加工装置及びレーザー加工方法を提供することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施例に係るレーザー加工装置の全体概略構成図である。

【図2】図１に示すレーザーヘッドの光学系の模式図である。

【図3】図１に示す制御部の機能ブロック図である。

【図4】比較的厚い液膜が形成されている状態でレーザー光を照射した際に生じる現象を段階的に示す断面模式図である。

【図5】比較的薄い液膜が形成されている状態でレーザー光を照射した際に生じる現象を段階的に示す断面模式図である。

【図6】図１に示すレーザー加工装置を用いたレーザー加工方法のうち、溶融工程を示す断面模式図である。

【図7】図１に示すレーザー加工装置を用いたレーザー加工方法のうち、溶融物の排除工程を示す断面模式図である。

【図8】液体の気化圧力による溶融物の排除原理を示す断面模式図である。

【図9】液体の気化圧力による溶融物の排除原理を示す断面模式図であって、溶融物が被加工物より排除される途中段階の状態を示す図である。

【図10】溶融物が被加工物より排除される形態を示す断面模式図である。

【図11】図１に示すレーザー加工装置を用いたレーザー加工方法のうち、冷却工程を示す断面模式図である。

【図12】比較例のレーザー加工装置を用いたレーザー加工方法のうち、冷却工程を示す断面模式図である。

【図13】図１に示すレーザー加工装置を用いたレーザー加工方法のうち、回収工程を示す断面模式図である。

【図14】図１に示すレーザー加工装置を用いたレーザー加工方法により得られる加工結果を示す断面模式図、及びレーザーの単位出力当たりの水供給量と溶融深さ又は穴深さとの関係を示す図である。

【図15】本発明の他の実施例に係るレーザー加工装置の主要部概略構成図であって、液体供給ノズルより連続的に液体を供給する場合のレーザー加工方法の概念説明図である。

【図16】本発明の他の実施例に係るレーザー加工装置の主要部概略構成図であって、液体供給ノズルより液体を所定の周期にて断続的に供給する場合のレーザー加工方法の概念説明図である。

【図17】図１６に示すレーザー加工装置を用いたレーザー加工方法により得られるレーザーの単位出力に対する断続噴射１回あたりの流量と穴深さとの関係を示す図である。

【図18】本発明の他の実施例に係るレーザー加工装置の主要部概略構成図である。

【図19】比較例のレーザー加工装置の主要部概略構成図であって、レーザー加工装置の移動方向と逆向きに液体を噴射した場合の概念説明用断面模式図である。

【図20】図１９のＡ−Ａ断面矢視図である。

【図21】本発明の他の実施例に係るレーザー加工装置の主要部概略構成図であって、レーザー加工装置の移動方向と同じ向きに液体を噴射した場合の概念説明用断面模式図である。

【図22】レーザー加工装置の移動方向と同じ向きに液体を噴射し、溝を形成する加工を繰り返した場合の模式図であって、レーザー加工装置の主要部の概略構成を示す上面図である。

【図23】図２２のＡ−Ａ断面矢視図である。

【図24】レーザー加工装置の移動方向に対し所定の角度を有する方向より液体を噴射し、溝を形成する加工を繰り返した場合の模式図であって、レーザー加工装置の主要部の概略構成を示す上面図である。

【図25】図２４のＡ−Ａ断面矢視図である。

【図26】レーザー光照射部に対して、液体供給ノズルより液体を同じ位置或いはレーザー加工装置の移動方向側にシフトした場合の比較例の断面模式図である。

【図27】レーザー光照射部に対して、液体供給ノズルより液体が供給される位置を、レーザー加工装置の移動方向と逆側にシフトした場合の実施例の断面模式図である。

【図28】レーザー光照射部に対し、液体供給ノズルより液体が供給される位置を、レーザー加工装置の移動方向と逆側にシフトし、溝を形成する加工を繰り返した場合の比較例の模式図であって、レーザー加工装置の主要部の概略構成を示す上面図である。

【図29】図２７のＡ−Ａ断面矢視図である。

【図30】レーザー光照射部に対し、液体供給ノズルより液体が供給される位置を、レーザー加工装置の移動方向と逆側にシフトすると共に水平方向にシフトさせ、溝を形成する加工を繰り返した場合の実施例の模式図であって、レーザー加工装置の主要部の概略構成を示す上面図である。

【図31】図３０のＡ−Ａ断面矢視図である。

【図32】液体供給ノズルの軸方向（液体が噴射される方向）と加工対象物の表面とのなす角（傾斜角）を小さくした場合の断面模式図である。

【図33】液体供給ノズルの軸方向（液体が噴射される方向）と加工対象物の表面とのなす角（傾斜角）を小さくした場合の断面模式図である。

【図34】液体供給ノズルの軸方向（液体が噴射される方向）と加工対象物の表面とのなす角（傾斜角）を大きくした場合の断面模式図である。

【図35】液体供給ノズルの軸方向（液体が噴射される方向）と加工対象物の表面とのなす角（傾斜角）を大きくした場合の断面模式図である。

【図36】本発明の他の実施例に係るレーザー加工装置であって、流動性の液膜の流れの方向において、レーザーヘッドよりも上流側に第１の液体供給ノズルを、下流側に第２の液体供給ノズルを配するレーザー加工装置を用いたレーザー加工方法の概念説明図である。

【図37】本発明の他の実施例に係るレーザー加工装置であって、加工面に付着する溶融物を回収するための機械加工用のツールを備えるレーザー加工装置を用いたレーザー加工方法の概念説明図である。

【図38】本発明の他の実施例に係るレーザー加工装置であって、装置全体を覆うためのカバーを備えるレーザー加工装置を用いたレーザー加工方法の概念説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本明細書において、「加工対象物」とは、穴あけ、切断、及び／又はガウジング（溝形成）加工等が施される被加工物であって、その材質は、金属材料、セラミック、及び／又は繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）材等を含む。
また、本明細書において、加工対象物の表面に形成される「液膜」とは、液体供給ノズルより噴射される液体により形成され、常に流動状態にあるものをいう。また、本明細書において、液体供給ノズルより加工対象物へと噴射される液体の供給位置とは、上述の各種加工が施される前の加工対象物の表面上における位置であり、同様に、レーザー光照射部とは、レーザーヘッドより射出するレーザー光の加工対象物の表面上における位置を指す。なお、上述の穴あけ、切断、及び／又はガウジング（溝形成）加工等を総称して溶融加工と称する場合もある。
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。

【実施例1】

【0011】

図１は、本発明の一実施例に係るレーザー加工装置の全体概略構成図である。図１に示すように、レーザー加工装置１は、レーザー光３を被加工物である加工対象物２に集光して溶融させるレーザーヘッド３ａ、レーザー発振器３ｂ、レーザー発振器３ｂにより発せられたレーザー光をレーザーヘッド３ａへ伝搬する光ファイバ３ｃ、レーザーヘッド３ａの先端部近傍に設置される液面検知センサ３ｄ、レーザーヘッド３ａより射出されるレーザー光３の光軸とは異なる軸方向に沿って配され液体４を噴射するための液体供給ノズル４ａ、液体４を貯留する給水タンク４ｂ、給水タンク４ｂより液体４を液体供給ノズル４ａへと通流させるホース４ｃ、ホース４ｃに設置され給水タンク４ｂより液体４を汲み出すポンプ４ｅ、ホース４ｃに設置される圧力調整弁４ｄ、及びこれらを制御する制御部５を備える。なお、図１では図示しないが、レーザー加工装置１は、レーザーヘッド３ａ及び／又は液体供給ノズル４ａを３次元的に移動させることが可能な３次元移動機構を備えている。ここで、３次元移動機構として、例えば、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に沿った所望量の移動或いは、これら軸を中心とした所望量の回転（ヨーイング、ピッチング、ローリング）を可能とする３軸ロボット等が用いられる。また、液面検知センサ３ｄとしては、例えば、静電容量方式、或いは超音波方式等のセンサが用いられる。

【0012】

制御部５が、ポンプ４ｅを稼働すると共に、所望の開度に圧力調整弁４ｄを制御することで、液体供給ノズル４ａより被加工物である加工対象物２の表面へ液体４が噴射される。これにより、加工対象物２の表面上には流動性の液膜６が形成される。この液膜６は、液体供給ノズル４ａより供給される液体４である水（水道水）等が通流する状態にあり、液膜６が形成され続けている状態で、レーザーヘッド３ａよりレーザー光３を加工対象物２へ照射することにより、加工対象物２のレーザー光照射部２ａに穴が形成される。

【0013】

図２は、図１に示すレーザーヘッド３ａの光学系の模式図である。レーザーヘッド３ａは、コリメータレンズ３２、フォーカシングレンズ３３、及びレーザーヘッドノズル３１を備える。光ファイバ３ｃより導入されるレーザー光３は、コリメータレンズ３２により平行光とされ、その後、フォーカシングレンズ３３によりレーザーヘッドノズル３１の出口付近の焦点位置にて収束する。焦点位置にて収束後のレーザー光３は、焦点位置から被加工物である加工対象物２までの距離に応じたスポット径にて、加工対象物２の表面上に照射される。なお、以下では、図２において点線で示す軸をレーザー光３の光軸と称する。

【0014】

図３は、図１に示す制御部５の機能ブロック図である。図３に示すように、レーザー加工装置１を構成する制御部５は、圧力調整弁開度制御部２１、ポンプ制御部２２、レーザー制御部２３、計測値取得部２４、記憶部２５、通信Ｉ／Ｆ２６、入力Ｉ／Ｆ２７、及び出力Ｉ／Ｆ２８を備え、これらは相互に内部バス３０を介して接続されている。また、入力Ｉ／Ｆ２７は入力部２９に接続され、入力部２９を介して入力される各種設定値等を取り込む。入力部２９を介して入力される各種設定値は、例えば、レーザー光３の出力設定値、加工対象物２の厚さ、レーザー光３のスポット径又は焦点位置と加工対象物２の表面間の距離、液体供給ノズル４ａより噴射する液体４の流量設定値、レーザー光照射時間、及び液体供給時間のうち、少なくともいずれか一つを含む。また、入力部２９を介して、予め加工対象物２の厚さ毎に対応するレーザー加工装置１の移動速度を入力しても良い。このように、入力部２９を介して入力される上述の各種設定値は、入力Ｉ／Ｆ２７及び内部バス３０を介して記憶部２５の所定の記憶領域に格納される。

【0015】

計測値取得部２４は、液面検知センサ３ｄにより計測される流動性の液膜６の液面の高さの計測値を、通信Ｉ／Ｆ２６及び内部バス３０を介して取得する。計測値取得部２４は、取得された液膜６の液面の高さの計測値に対し、例えば、ノイズ除去等の処理を施し内部バス３０を介して圧力調整弁開度制御部２１へ転送すると共に、記憶部２５内の所定の記憶領域に格納する。

【0016】

記憶部２５は、予め加工対象物２の厚さ毎に対応するレーザー加工装置１の移動速度をテーブル形式にて格納又は、加工対象物２の厚さとレーザー加工装置１の移動速度の相関関係を規定する関数或いはグラフを格納している。また、上述のように、入力部２９を介して入力される各種設定値、及び計測値取得部２４により書き込まれる液膜６の液面の高さの計測値を格納する。

【0017】

圧力調整弁開度制御部２１は、計測値取得部２４より転送される液膜６の液面の高さの計測値及び記憶部２５に格納されるレーザー光３の焦点位置と加工対象物２の表面間の距離に基づき液膜６の膜厚を求め、求めた膜厚に基づき所望の流量となるよう圧力調整弁４ｄの開度を算出し、開度指令値として、内部バス３０及び出力Ｉ／Ｆ２８を介して圧力調整弁４ｄへ出力する。

【0018】

レーザー制御部２３は、内部バス３０を介して記憶部２５へアクセスし、記憶部２５に格納されるレーザー光３の出力設定値を読み出し、出力指令値として、内部バス３０及び出力Ｉ／Ｆ２８を介してレーザー発振器３ｂへ出力する。また、レーザー制御部２３は、記憶部２５に格納されるレーザー光３のスポット径又は焦点位置と加工対象物２の表面間の距離を読み出し、内部バス３０及び出力Ｉ／Ｆ２８を介して、例えば、上述の３軸ロボット（図示せず）に出力する。これにより、３軸ロボット（図示せず）は、レーザーヘッド３ａを加工対象物２の表面上の所定の位置に位置付ける。なお、圧力調整弁開度制御部２１に代えて、レーザー制御部２３が、計測値取得部２４より転送される液膜６の液面の高さの計測値及び記憶部２５に格納されるレーザー光３の焦点位置と加工対象物２の表面間の距離に基づき液膜６の膜厚を求める構成としても良い。この場合、求めた液膜６の膜厚は内部バス３０を介して圧力調整弁開度制御部２１へ転送される。

【0019】

ポンプ制御部２２は、内部バス３０を介して記憶部２５へアクセスし、記憶部２５に格納される液体供給時間を読み出しポンプ４ｅの起動及び停止指令を、内部バス３０及び出力Ｉ／Ｆ２８を介してポンプ４ｅへ出力する。
また、図示しない他の制御部又はレーザー制御部２３は、内部バス３０を介して記憶部２５へアクセスし、記憶部２５にテーブル形式にて格納される加工対象物２の厚さ毎に対応するレーザー加工装置１の移動速度或いは加工対象物２の厚さと移動速度の相関関係を規定する関数若しくはグラフを読み出す。読み出された加工対象物２の厚さ毎に対応するレーザー加工装置１の移動速度は、内部バス３０及び出力Ｉ／Ｆ２８を介して、図示しない３軸ロボットへ出力される。

【0020】

なお、本実施例においては、レーザーヘッド３ａの先端部近傍に液面検知センサ３ｄを設置する構成としたが、これに限られるものではない。すなわち、液面検知センサ３ｄを有さない構成としても良い。この場合、図３に示した計測値取得部２４は不要となり、液体供給ノズル４ａから液体４を噴射する条件、すなわち、予め記憶部２５に所定の流量となる圧力調整弁４ｄの開度を格納し、圧力調整弁開度制御部２１は、この記憶部２５に格納される圧力調整弁４ｄの開度を読み出し、開度指令値として圧力調整弁４ｄへ出力する。

【0021】

上述の、圧力調整弁開度制御部２１、ポンプ制御部２２、レーザー制御部２３、及び計測値取得部２４は、例えば、図示しないＣＰＵ等のプロセッサ、各種プログラムを格納するＲＯＭ、演算過程のデータを一時的に格納するＲＡＭ、外部記憶装置等の記憶装置にて実現されると共に、ＣＰＵ等のプロセッサがＲＯＭに格納された各種プログラムを読み出し実行し、実行結果である演算結果をＲＡＭ又は外部記憶装置に格納する。なお、ここで演算結果又は演算過程のデータをＲＡＭに代えて記憶部２５に格納するよう構成しても良い。

【0022】

次に、図４及び図５を用いて、液膜が形成されている状態でレーザー光３を照射した際に生じる現象について説明する。
図４は、比較的厚い液膜が形成されている状態でレーザー光を照射した際に生じる現象を段階的に示す断面模式図である。図４の上図では、加工対象物２の表面上に、厚い液膜６ａが存在する状態で、レーザーヘッド３ａよりレーザー光３を加工対象物２へ照射した状態を示している。ここで、図４では、厚い液膜６ａは流動性を有しておらず、単に加工対象物２の表面上に水を張った状態を想定している。図４の下図に示すように、厚い液膜６ａはレーザー光３を減衰させる効果があり、また、加工対象物２上のレーザー光照射部２ａを冷却する効果が大きい。そのため、レーザー光照射部２ａの溶融は生じず、穴が形成されることはない。仮に、レーザー光３の出力を高出力化すれば、ある程度の溶融効率を実現できるものの、比較的低出力のレーザー発振器３ｂ（図１）を用いて溶融効率の低減を回避するためには、薄い液膜を維持することが必要となる。

【0023】

図５は、比較的薄い液膜が形成されている状態でレーザー光を照射した際に生じる現象を段階的に示す断面模式図である。図５の上図では、加工対象物２の表面上に、薄い液膜６ｂが存在する状態で、レーザーヘッド３ａよりレーザー光３を加工対象物２に照射した状態を示している。図５においても、薄い液膜６ｂは流動性を有しておらず、単に加工対象物２の表面上に水を張った状態を想定している。図５の下図に示すように、薄い液膜６ｂはレーザー光３を減衰させる効果が比較的小さいため、加工対象物２の表面上のレーザー光照射部２ａの溶融が生じる。また、この時、レーザー光照射部２ａの近傍２ｂは溶融までに至らない程度の温度まで加熱される。この結果、レーザー光３による加熱、及びレーザー光照射部２ａとレーザー光照射部２ａの近傍２ｂからの伝熱により、薄い液膜６ｂのうち、レーザー光照射部２ａ、及びレーザー光照射部２ａの近傍２ｂの上に存在していた領域は矢印にて示すように蒸発する。薄い液膜６ｂは、表面張力によりその場に留まり、液膜６ｂの蒸発した領域への液体４の流入は生じない。そのため、加工対象物２の表面上に薄い液膜６ｂを形成し続けることができない。
これに対し、図１に示す本実施例に係るレーザー加工装置１では、レーザー加工装置１を構成する液体供給ノズル４ａより薄い液膜６ｂ中の蒸発した領域へ、常に新たな液体４が供給されることから、加工対象物２の表面上に薄い液膜６ｂが形成され続ける。すなわち、本実施例では、加工対象物２の表面上に常に流動性の液膜６（薄い液膜６ｂ）が維持され、比較的低出力のレーザー発振器３ｂ（図１）を用いて溶融効率の低減を回避することが可能となる。

【0024】

次に、図６〜図１３を用いて、本発明に係るレーザー加工方法による加工原理を説明する。以下では、溶融加工のうち穴あけ加工を行う場合を一例として説明する。図６は、図１に示すレーザー加工装置を用いたレーザー加工方法のうち、溶融工程を示す断面模式図である。
まず、上述したように図示しない３次元移動機構としての、例えば３軸ロボットにより、レーザー加工装置１が被加工物である加工対象物２の上方に位置付けられる。このときレーザー加工装置１を構成する液体供給ノズル４ａは、レーザーヘッド３ａより射出されるレーザー光３の光軸とは異なる軸方向に沿って配される。そして図３に示したように、制御部５が、ポンプ４ｅを稼働すると共に、所望の開度に圧力調整弁４ｄを制御することで、給水タンク４ｂに貯留される液体４がホース４ｃを通流し液体供給ノズル４ａへ送られる。このとき、制御部５を構成する圧力調整弁開度制御部２１は、予め記憶部２５に格納される液体供給ノズル４ａより噴射する液体４の流量設定値に対応するよう圧力調整弁４ｄの開度を制御し、比較的小さい圧力に調整された液体４（低圧水）が、被加工物である加工対象物２の表面へ噴射され、加工対象物２の表面上に液膜６を形成する（液膜形成工程）。
次に、制御部５を構成するレーザー制御部２３は、内部バス３０を介して記憶部２５へアクセスし、記憶部２５に格納されるレーザー光３の出力設定値を読み出し、出力指令値として、内部バス３０及び出力Ｉ／Ｆ２８を介してレーザー発振器３ｂへ出力する。これにより、レーザー発振器３ｂから発せられたレーザー光３は、光ファイバ３ｃを介してレーザーヘッド３ａへ伝搬され、レーザーヘッド３ａより被加工物である加工対象物２の表面（穴あけ加工の対象箇所）へ照射される。加工対象物２の表面上におけるレーザー光３のスポット径に対応する領域であるレーザー光照射部２ａは、図６に示すように、レーザー光３により加熱され、加工対象物２の内部領域を含め溶融物２ｃとなる。また、液膜６のうち、レーザー光照射部２ａ、及び溶融までに至らない程度の温度まで加熱されるレーザー光照射部２ａの近傍２ｂの上に存在する領域は、矢印にて示すように蒸発する。なお、図６に示すように、液体供給ノズル４ａから噴射される液体４の加工対象物２の表面上における位置は、レーザー光照射部２ａに対し所定の距離離間している。

【0025】

また、加工対象物２の表面上にレーザー光３を照射することで、溶融物２ｃが形成される際、加工対象物２、レーザー光３及び流動性の液膜６との化学的な反応により溶融が促進される。具体的には、上述したように、加工対象物２はレーザー光３を照射されることで溶融温度まで加熱される。高温状態となった加工対象物２は酸化反応が始まる。周囲から酸素を取り込むことで、酸化反応が進み、それに伴って反応熱を発生する。酸化反応が進んでいる、高温状態の加工対象物２と流動性の液膜６（例えば水等）が接触することで、液膜６から積極的に酸素を取り込み、酸化反応が急激に促進することで、より反応熱を発生し、加工対象物２の内部領域の溶融が補助される。

【0026】

図７以降では、説明の便宜上、本実施例に係るレーザー加工装置１を構成するレーザーヘッド３ａ及び液体供給ノズル４ａのみ示し、図１及び図６に示した、レーザー発振器３ｂ、光ファイバ３ｃ、レーザーヘッド３ａの先端部近傍に設置される液面検知センサ３ｄ、給水タンク４ｂ、ホース４ｃ、圧力調整弁４ｄ、及び制御部５の表記を省略している。

【0027】

図７は、図１に示すレーザー加工装置１を用いたレーザー加工方法のうち、溶融物の排除工程を示す断面模式図である。図７に示すように、液体供給ノズル４ａより液体４が新たに加工対象物２へ供給され続けるため、レーザー光照射部２ａ、及びレーザー光照射部２ａの近傍２ｂの上に、常に液膜６を形成するための液体４の流れが生じる。流れを有する（流動状態にある）液体４は運動量（運動エネルギー）を有しており、この運動量（運動エネルギー）を有する液体４が溶融物２ｃと衝突することにより、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから溶融物２ｃが剥離又は離脱し排除され、加工対象物２に穴が形成される。

【0028】

図８は、液体の気化圧力による溶融物２ｃの排除原理を示す断面模式図であり、図９は、液体の気化圧力による溶融物２ｃの排除原理を示す断面模式図であって、溶融物２ｃが被加工物より排除される途中段階の状態を示す図である。上述の図７に示した液体４が有する運動量（運動エネルギー）に加え、液体４が気化する際の気化圧力７の作用により溶融物２ｃの元あった位置２ｄから溶融物２ｃが排除される。以下、その詳細について説明する。

【0029】

図８の上図に示すように、液体供給ノズル４ａより噴射された液体４により、加工対象物２の表面上に流動性の液膜６が形成された状態で、レーザーヘッド３ａより加工対象物２の表面上の加工対象箇所へレーザー光３が照射される。加工対象物２の表面上のレーザー光照射部２ａが溶融し、レーザー光照射部２ａの近傍２ｂは溶融までに至らない程度の温度まで加熱される。
次に、図８の下図に示すように、レーザー光照射部２ａ、及びレーザー光照射部２ａの近傍２ｂ上の流動性の液膜６を形成する液体４の一部が、レーザー光３による加熱、及び、レーザー光照射部２ａとレーザー光照射部２ａの近傍２ｂからの伝熱により蒸発する。この時、白抜き矢印にて示すように、液体４が気化する際の気化圧力７が放射状に発生し、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから溶融物２ｃが剥離又は離脱するよう作用する。すなわち、気化圧力７は溶融物２ｃを排除する働きを補助する。なお、一般的に気相中において、レーザー光３のみを金属材料に照射する場合、レーザー光照射部表面が蒸発温度以上に加熱されると金属材料表面において蒸発が生じ、その反力でレーザー光照射部表面に窪みが生じることが知られている。本実施例に係る排除工程においては、金属材料と比較して、より蒸発しやすい液体４をレーザー光照射部２ａ上に介在させることで、液体４の蒸発を積極的に発生させ、その気化圧力７により溶融物２ｃの排除を補助又は促進する。

【0030】

図９に示すように、放射状に発生する液体４が気化する際の気化圧力７のうち、溶融物２ｃを加工対象物２の内部へ押し込む方向に作用する気化圧力７により、溶融物２ｃの大半が溶融物２ｃより分離され大きな塊状の溶融物２ｆとなって、レーザー光照射部２ａを規定するレーザー光３のスポット径の周方向に沿って上方へと押し出される。この時、放射状に発生する液体４が気化する際の気化圧力７のうち、上方へと作用する気化圧力７は、溶融物２ｃより分離された大きな塊状の溶融物２ｆを上方へと押し上げるよう作用する。

【0031】

図１０は、溶融物が被加工物である加工対象物より排除される形態を示す断面模式図である。図１０の上図は、上述した流動性の液膜６を形成する液体４が有する運動量（運動エネルギー）及び／又は、液体４が気化する際の気化圧力７が大きい場合を示している。この場合、溶融物２ｃは、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから小さい粒状の溶融物２ｅとなって放射状に飛散する形態にて、被加工物である加工対象物２から剥離又は離脱し排除される。
また、加工対象物２の表面上にレーザー光３を照射することで、溶融物２ｃが形成される際の化学的な反応により発生するガスも、溶融物２ｃの排除を補助する。具体的には、上述の溶融工程で示したように、流動性の液膜６（例えば水等）から酸素を積極的に取り込むことで、溶融物２ｃの酸化反応が促進される。酸素を奪われた液膜６側には水素が発生する。発生した水素の溶融物２ｃへの溶け込み及び/又は、発生した水素がレーザー光３で加熱されることによる爆発により、溶融物２ｃの排除が補助又は促進される。

【0032】

一方、図１０の下図に示すように、流動性の液膜６を形成する液体４が有する運動量（運動エネルギー）及び／又は、液体４が気化する際の気化圧力７が小さい場合には、溶融物２ｃは、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから大きな塊状の溶融物２ｆとなって押し出される形態にて、被加工物である加工対象物２から剥離又は離脱し排除される。

【0033】

図１１は、図１に示すレーザー加工装置１を用いたレーザー加工方法のうち、冷却工程を示す断面模式図である。図１１の上図に示すように、被加工物である加工対象物２から剥離又は離脱し排除された溶融物２ｇは、高温状態を保った状態で、流動性の液膜６を形成する液体４が有する運動量（運動エネルギー）によって加工対象物２の上方へ移動する。ここで、比較例について説明する。図１２は、比較例のレーザー加工装置を用いたレーザー加工方法のうち、冷却工程を示す断面模式図である。図１２に示す比較例では、加工対象物２の表面上に流動性の液膜６が存在しなかった場合に生じる現象を示している。加工対象物２から剥離又は離脱し排除された溶融物２ｇは、加工対象物２に直接付着する。付着した溶融物２ｉは、冷え固まることで固化し、加工対象物２に固着するため、その後の剥離・排除・回収が困難となる。
しかし、図１１の下図に示すように、加工対象物２の表面上に存在する流動性の液膜６により、高温状態を保った状態で排除された溶融物２gは急冷・固化される。この結果、排除された溶融物２ｇは急冷・固化された溶融物２ｈとなり、加工対象物２への固着を防ぐことが可能となる。

【0034】

図１３は、図１に示すレーザー加工装置を用いたレーザー加工方法のうち、回収工程を示す断面模式図である。図１３の上図に示すように、加工対象物２の表面上に存在する流動性の液膜６により、急冷・固化された溶融物２ｈは、図１３の下図に示すように流動性の液膜６を形成する液体４の流れに乗って、加工対象物２の表面上から洗い流され、回収が可能な状態となる。なお、急冷・固化された溶融物２ｈは、例えば、流動性の液膜６の下流側（図１３において左側）に配される吸引ノズル（図示せず）等により、流動性の液膜６を形成する液体４と共に回収される。なお、回収方法については、吸引ノズルによる回収に限定されるものではなく、急冷・固化された溶融物２ｈを回収可能な形態であれば、いずれの形態を用いても良い。
急冷・固化された溶融物２ｈは、生じた都度その場で回収しても良く、また、ある程度の量を発生させ、流動性の液膜６の下流側に堆積させた後、まとめて回収しても良い。

【0035】

上述のように本実施例では、レーザー加工方法を、液膜形成工程、溶融工程、排除工程、及び回収工程の４段階の工程に分け、これらの工程が順次実行されるよう説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。すなわち、初期段階で、液膜形成工程実行後、上述したように、被加工物である加工対象物２の表面上には、常に流動性の液膜６が形成されている。従って、少なくとも溶融工程及び排除工程は並行して実行されることにより、溶融加工の一例として挙げた穴あけ加工が行われる。また、模式図は説明用に簡略化して表記したものであり、必ずしも実際の加工方法を正確に示したものではない。例えば、図６に示した「溶融工程」において、液膜６が途切れたような表記をしているが、液膜６の蒸発と、流動性の液膜６を形成する新たな液体４の流入は、巨視的には同時に生じるため、流動性の液膜６が途切れた状態となることはない。

【0036】

ここで、本実施例に係るレーザー加工装置１を用いた実験結果を以下に示す。図１４は、図１に示すレーザー加工装置１を用いたレーザー加工方法により得られる加工結果を示す断面模式図、及び液体供給ノズル４ａより噴射する液体４として水を用いた場合における水供給量と溶融深さ又は穴深さとの関係を示す図である。

【0037】

加工対象物２として板厚約３０ｍｍのＳＵＳ３０４のブロックを、流動性の液膜６を形成する液体４として水道水を用い、１秒間穴あけ加工することで、非貫通の穴空けを実施した。
まず、ホース４ｃに設置される圧力調整弁４ｄを開放し、圧力がほとんどかかっていない状態（０．５ＭＰａ以下）の低流量の水（低圧水）を、ノズル径約１．０ｍｍの液体供給ノズル４ａよりＳＵＳ３０４のブロックの表面上に噴射し、ＳＵＳ３０４のブロックの表面上に流動性の液膜６（薄い水膜）を形成し続けた状態にする。この状態で、ＳＵＳ３０４のブロックの表面上において液体供給ノズル４ａより噴射される水の供給位置から所定の距離だけ離間する位置に、レーザーヘッド３ａより約６．０ｋＷの出力のレーザー光３を照射すると、上述したように、加工対象物２であるＳＵＳ３０４のブロックに穴が形成される。

【0038】

図１４において、上部に、本実施例に係るレーザー加工装置１を用いたレーザー加工方法により得られる加工結果を示す断面模式図（加工対象物２であるＳＵＳ３０４のブロック断面模式図）を示し、下部に、横軸に流動性の液膜６を形成する水の流量（水供給量：Ｌ／ｍｉｎ）をレーザーの出力（ｋＷ）で除した値（Ｌ/（ｍｉｎ×ｋＷ））を、縦軸に得られた溶接深さ又は穴の深さ（ｍｍ）を取りプロットした。なお、図中の横軸の値がゼロの条件は、液体供給ノズル４ａより水を一切噴射していない条件であり、レーザーヘッド３ａよりレーザー光３をＳＵＳ３０４のブロックへ照射することで、金属の溶融のみが生じる。そのため、縦軸の値は、穴の深さに加え溶融深さをプロットしている。

【0039】

流動性の液膜６を形成するため、ＳＵＳ３０４のブロックの表面上に液体供給ノズル４ａより噴射される水には、レーザー光３の減衰や冷却等、溶融を阻害する効果がある。しかし、低流量の水（低圧水）を噴射しながらレーザー光３を照射すると、水を一切噴射していない条件で得られる溶融深さに比べ、深い穴が得られる結果となった。具体的には、レーザーの単位出力当たりの液体供給量を０．１〜０．１５Ｌ/（ｍｉｎ×ｋＷ）と非常に小さな値に設定すると、約５〜１０ｍｍ程度の深さの穴が得られる結果となった。一方、水を一切噴射しない条件で得られる溶融深さは、その約０．６倍となった。すなわち、低流量の水（低圧水）を噴射しながらレーザー光３を照射すると、レーザー光３のみを照射した場合に比べ、深い領域まで金属を溶融させることが可能であった。
一方、圧力調整弁４ｄを絞ることで、液体供給ノズル４ａより噴射される水に圧力を印加し、比較的高流量の水（高圧水）を噴射しながらレーザー光３を照射すると、流量（水供給量）を高くするに従って、得られる穴の深さが低下する傾向が示された。具体的には、上述したレーザーの単位出力当たりの液体供給量を２倍、３倍、５倍と増加させた条件で加工を実施すると、得られる穴の深さはそれぞれ、０．７倍、０．５倍、０．３倍の値となり、低下することが確認された。

【0040】

水の流量（水供給量）を高くすると、水が有する運動量（運動エネルギー）が増加し、その結果、溶融物を加工対象物２であるＳＵＳ３０４のブロックから剥離又は離脱させ排除する効果が増加する。しかし、溶融物を排除する効果と比較して、加工対象物２であるＳＵＳ３０４のブロックの溶融を阻害する効果、すなわち、溶融物（レ―ザー照射部）が冷却され溶融が抑制される効果及び高流量の水（液膜の厚さの増加）によるレーザー光の減衰効果が上回ったため、加工対象物２であるＳＵＳ３０４のブロックに形成される穴の深さが低下したと考えられる。

【0041】

以上の結果から、本発明者等は、流動性の液膜６を形成する液体４が有するレーザー光３の減衰や冷却等、溶融を阻害する効果を維持或は低下させつつ、流動性の液膜６を形成する液体４が有する運動量（運動エネルギー）や液体４が気化する際の気化圧力７等、溶融物を加工対象物２から剥離又は離脱させ排除する効果を維持或は増加させることで、より深い領域まで加工対象物２を溶融させることが可能となり、その結果、溶融物の排除効率の高いレーザー加工が実現できるとの知見を得たものである。

【0042】

なお、本実施例では、溶融加工のうち穴あけ加工を行う場合を一例としたため、レーザーヘッド３ａと、レーザーヘッド３ａより射出されるレーザー光３の光軸とは異なる軸方向に沿って配される液体供給ノズル４ａとの位置関係を固定とし、非貫通の穴空け加工を行う場合を説明したが、これに限られるものではない。例えば、上述の図３に示した記憶部２５に格納される加工対象物２の厚さに応じてレーザー光照射時間をレーザー制御部２３が調整又は、加工対象物２の厚さに応じて液体供給時間をポンプ制御部２２が調整することで、貫通の穴空け加工を行うよう構成しても良い。また、記憶部２５に予め格納される加工対象物２の厚さ毎に対応するレーザー加工装置１の移動速度をテーブル形式にて格納又は、加工対象物２の厚さとレーザー加工装置１の移動速度の相関関係を規定する関数或いはグラフに基づき、例えば、図示しない３軸ロボットが、レーザー加工装置１を構成するレーザーヘッド３ａ及び液体供給ノズル４ａを加工対象物２の表面に沿って水平移動させながら加工することで、ガウジング（溝形成）を行うよう構成しても良い。また、加工対象物２の厚さに応じて図示しない３軸ロボットが、レーザー加工装置１を構成するレーザーヘッド３ａ及び液体供給ノズル４ａを加工対象物２の移動速度を調整することで、加工対象物２の切断を行うよう構成しても良い。

【0043】

以上のとおり、本実施例によれば、レーザー光照射による溶融物の排除効率を向上し得ると共に、当該溶融物を適切に回収し得るレーザー加工装置及びレーザー加工方法を提供することが可能となる。
より具体的には、本実施例に係るレーザー加工装置１及びそれを用いたレーザー加工方法では、加工対象物２の表面上に流動性の液膜６を形成し続けた状態で、加工対象物２の加工対象箇所にレーザー光３を照射する構成を備える。そのため、流動性の液膜６による溶融物の排除効果と冷却効果が好適に組み合わされることにより、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから溶融物２ｃを排除し、且つ、排除された溶融物２gの加工対象物２への固着を防止し、急冷・固化された溶融物２ｈとして回収することが可能となる。すなわち、溶融物の適切な回収を達成することができる。

【0044】

また、本実施例によれば、加工対象物２の表面上に流動性の液膜６を形成し続けられる程度の流量の液体４を液体供給ノズル４ａより供給しさえすれば良いため、低流量の液体４（低圧水）を供給し続けるだけで十分であり、従来のウォータジェット加工におけるような高圧用ポンプや高圧噴射用ノズルを用意することなく、溶融加工を実現できる。

【実施例2】

【0045】

図１５は、本発明の他の実施例に係るレーザー加工装置の主要部概略構成図であって、液体供給ノズルより連続的に液体を供給する場合のレーザー加工方法の概念説明図であり、図１６は、本発明の他の実施例に係るレーザー加工装置の主要部概略構成図であって、液体供給ノズルより液体を所定の周期にて断続的に供給する場合のレーザー加工方法の概念説明図である。本実施例では、実施例１と比較して、液体供給ノズル４ａから噴射される液体４の加工対象物２の表面上における位置をレーザー光照射部２ａより更に離間するよう構成した点、また、液体供給ノズル４ａから噴射される液体４を所定の周期にて断続的に供給するよう構成した点が、実施例１と異なる。その他の構成は実施例１と同様であり、実施例１と同様の構成要素に同一符号を付し、以下では実施例１と重複する説明を省略すると共に、溶融加工のうち穴あけ加工を行う場合を一例として説明する。

【0046】

図１５に示すように、まず、液体供給ノズル４ａから加工対象物２の表面上に液体４を噴射し、加工対象物２の表面上に流動性の液膜６を形成する（液膜形成工程）。その後、液体４の供給位置８から下流側（図１５において左側）へ所定の距離（例えば数ｍｍ）離間する位置に、レーザーヘッド３ａよりレーザー光３を照射する。上述の実施例１と同様に、レーザー光３の照射によりレーザー光照射部２ａは、加熱され加工対象物２の内部領域を含め溶融物２ｃとなり（溶融工程）、また、液膜６のうち、レーザー光照射部２ａ、及び溶融までに至らない程度の温度まで加熱されるレーザー光照射部２ａの近傍２ｂ（図１５では図示せず）の上に存在する領域は蒸発する。液体供給ノズル４ａから噴射される液体４は連続的に供給され、液体４が有する運動量（運動エネルギー）に加え、液体４が気化する際の気化圧力７（図中白抜き矢印にて示す）の作用により溶融物２ｃの元あった位置２ｄから溶融物２ｃが排除される（排除工程）。その後、排除された溶融物２ｇ（図示せず）は、加工対象物２の表面上に存在する流動性の液膜６により急冷・固化され、急冷・固化された溶融物２ｈとなる。そして、加工対象物２の表面上に存在する流動性の液膜６により、急冷・固化された溶融物２ｈは、流動性の液膜６を形成する液体４の流れに乗って、加工対象物２の表面上から洗い流され、回収が可能な状態となる。

【0047】

ここで、仮に，レーザー光照射部２ａに液体４を直接噴射する場合と比較すると、本実施例に係るレーザー加工装置１では、レーザー光３と液体４の交差が少なく、液体４によるレーザー光３の減衰を抑制することが可能となる。また、液体４が加工対象物２の表面上に噴射された際に発生する水飛沫９によってレーザー光３の集光が妨げられることもない。従って、溶融物２ｃは、レーザー光照射部２ａ上を流れる液体４によるせん断力、及び、液体４が気化する際の気化圧力７により、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから好適に排除される。
以上のように、液体供給ノズル４ａより噴射される液体４の供給位置８と、レーザー光照射部２ａの位置とが所定の距離（例えば、数ｍｍ）離間するよう、液体供給ノズル４ａ及びレーザーヘッド３ａを配することで、液体４の持つ、溶融を阻害する効果を低下させつつ、溶融物を排除する効果を維持することが可能となり、その結果、溶融物の排除効率の高いレーザー加工が実現できる。

【0048】

また、図１６に示すようにレーザー加工装置１を構成する液体供給ノズル４ａは、その先端部付近であって液体供給ノズル４ａの軸方向前方にスリットを有する円板１０、及び当該スリットを有する円板１０を所望の回転速度にて回転させるモータ１５を備える。モータ１５によりスリットを有する円板１０を回転させることで、断続的に液体４を加工対象物２の表面上に噴射し流動性の液膜６の形成（液膜形成工程）及び流動性の液膜６を維持する。ここで、スリットを有する円板１０は、例えば周方向に相互に所定の間隔にて離間し形成された貫通孔をスリットとして備え、所望の回転速度にて回転されるスリットを有する円板１０の貫通孔を通過する、液体供給ノズル４ａより噴射される液体４のみを液体４の供給位置８へ供給する。貫通孔の形状は、円形でも矩形でも良く、また、スリットを有する円板１０に形成されるスリット（貫通孔）の数は、適宜設定すれば良い。

【0049】

その後、液体４の供給位置８から下流側（図１６において左側）へ所定の距離（例えば数ｍｍ）離間する位置に、レーザーヘッド３ａよりレーザー光３を照射する。上述の実施例１と同様に、レーザー光３の照射によりレーザー光照射部２ａは、加熱され加工対象物２の内部領域を含め溶融物２ｃとなり（溶融工程）、また、液膜６のうち、レーザー光照射部２ａ、及び溶融までに至らない程度の温度まで加熱されるレーザー光照射部２ａの近傍２ｂ（図１６では図示せず）の上に存在する領域は蒸発する。液体供給ノズル４ａから噴射される液体４は連続的に供給され、液体４が有する運動量（運動エネルギー）に加え、液体４が気化する際の気化圧力７（図中白抜き矢印にて示す）の作用により溶融物２ｃの元あった位置２ｄから溶融物２ｃが排除される（排除工程）。その後、排除された溶融物２ｇ（図示せず）は、加工対象物２の表面上に存在する流動性の液膜６により急冷・固化され、急冷・固化された溶融物２ｈとなる。そして、加工対象物２の表面上に存在する流動性の液膜６により、急冷・固化された溶融物２ｈは、流動性の液膜６を形成する液体４の流れに乗って、加工対象物２の表面上から洗い流され、回収が可能な状態となる。

【0050】

図１６に示すレーザー加工装置１においては、液体供給ノズル４ａより液体４を断続的に加工対象物２の表面上へ噴射することにより、単位時間あたりの液体４の流量を低下させつつ、溶融物２ｃと衝突する際の局所的な運動量（運動エネルギー）を維持することが可能となる。すなわち、流動性の液膜６を形成する液体４の持つ溶融を阻害する効果を低下させ、且つ、溶融物２ｃを排除する効果を維持することが可能となる。

【0051】

例えば、３．０ＭＰａ程度の、比較的高い圧力を印加した液体４を、液体供給ノズル４ａより加工対象物２の表面上へ連続的に噴射すると、液体４の流量が大きいため、溶融物２ｃを加工対象物２から剥離又は離脱させ排除する効果が増加する。しかし、同時に、溶融物２ｃが冷却され溶融が抑制される効果及び高流量の液体４（液膜６の厚さの増加）によるレーザー光３の減衰効果も増加し、結果として、溶融を阻害する効果も大きくなってしまう。
しかし、例えば、３．０ＭＰａ程度の、比較的高い圧力を印加した液体４を、液体供給ノズル４ａより加工対象物２の表面上へ断続的に噴射すると、低流量の液体４を液体供給ノズル４ａより加工対象物２の表面上へ連続的に噴射する場合と比較して、単位時間あたりの液体４の流量を維持しつつ、溶融物２ｃと衝突する際の局所的な運動量（運動エネルギー）を増加させることが可能となる。すなわち、流動性の液膜６を形成する液体４の持つ溶融を阻害する効果を維持しつつ、且つ、溶融物２ｃを排除する効果を増加させることが可能となる。

【0052】

なお、液体４の断続的な供給条件は、スリットを有する円板１０の回転速度、スリット数、円板の寸法等により変化させることが可能であり、具体的には、断続的な噴射の周期、液体４が噴射されている時間の割合を変化させることが可能である。スリットを有する円板１０を通す前の連続的な水の供給量をＡ（Ｌ／ｍｉｎ）、断続的な噴射の周期をｆ（回／ｓ）、断続的な噴射１周期内で液体４が噴射されている時間の割合をｄ、とすると、断続的に噴射される液体の断続噴射１回当たりの流量Ｘ（水供給量：Ｌ／回）は、下記の式（１）で表される。
Ｘ＝（Ａ×ｄ）／（６０×ｆ） ・・・（１）
図１７、レーザー加工装置を用いたレーザー加工方法により得られるレーザーの単位出力に対する断続噴射１回あたりの流量と穴深さとの関係を示す図である。図１７では、液体供給ノズル４aより断続的に噴射する液体４として水を用いた。図１７において、横軸に流動性の液膜６を形成する断続的に噴射される水の断続噴射１回あたりの流量（水供給量：Ｌ／回）をレーザーの出力（ｋＷ）で除した値（Ｌ／（回×ｋＷ））を、縦軸に得られた穴の深さ（ｍｍ）を取りプロットした。図１７において、供給する液体は約１．０ＭＰa程度の圧力を印加した条件としており、上述した液体４の断続的な供給条件を変化させることで、レーザーの単位出力に対する断続噴射１回あたりの流量Ｌ／（回×ｋＷ）が約３００〜３５０×１０^-６Ｌ／（回×ｋＷ）以下となるような条件範囲で実験を行った。図１７に示すように、レーザーの単位出力に対する断続噴射１回あたりの流量Ｌ／（回×ｋＷ）の値を小さくするほど、得られる穴の深さは深くなっており、すなわち、断続的な噴射の周期を大きくし、且つ、液体４が噴射されている時間の割合を短くするほど、溶融物２ｃの排除効率が増加する。具体的には、断続的な噴射の周期は単位時間（１秒間）あたり２０回以上とし、液体４が噴射されていない時間帯に対する液体４が噴射されている時間帯の割合を１．０以下とすることが望ましい。
ここで、図１６に示すレーザー加工装置１においては、レーザー加工装置１を構成する制御部５は、上述の実施例１において図３に示した構成に、更に、モータ制御部を備えると共に、記憶部２５は予めスリット数毎にスリットを有する円板１０の回転速度を紐付けて格納している。モータ制御部は、内部バス３０を介して記憶部２５へアクセスし、記憶部２５に格納されるスリット数に対応するスリットを有する円板１０の回転速度を読み出しモータ１５へ回転速度指令値を、内部バス３０及び出力Ｉ／Ｆ２８を介してモータ１５へ出力する。

【0053】

以上の通り、本実施例によれば、実施例１の効果に加え、液体供給ノズル４ａより噴射される液体４の供給位置８と、レーザー光照射部２ａの位置とが所定の距離（例えば、数ｍｍ）離間するよう、液体供給ノズル４ａ及びレーザーヘッド３ａを配することで、液体４の持つ、溶融を阻害する効果を低下させつつ、溶融物を排除する効果を維持することが可能となり、その結果、溶融物の排除効率の高いレーザー加工が実現できる。
また、本実施例によれば、液体供給ノズル４ａより液体４を加工対象物２の表面上へ断続的に供給することにより、流動性の液膜６を形成する液体４の持つ溶融を阻害する効果を維持或は低下させつつ、溶融物２ｃを排除する効果を維持或は増加させることが可能となり、その結果、溶融物２ｃの排除効率の高いレーザー加工が実現できる。

【実施例3】

【0054】

図１８は、本発明の他の実施例に係るレーザー加工装置の主要部概略構成図である。本実施例では、レーザー加工装置が、レーザーヘッドを保護するため及び／又は酸化反応により溶融を促進するためのガス噴射用ノズルを更に備える点が実施例１と異なる。その他の構成は実施例１と同様であり、実施例１と同様の構成要素に同一符号を付し、以下では実施例１と重複する説明を省略すると共に、溶融加工のうち穴あけ加工を行う場合を一例として説明する。

【0055】

一般的なレーザーガウジングにおいては、レーザー光を照射することで溶融させた加工対象物に対し、高速のガスジェットを噴射することにより溶融物を排除している。ここで、高速のガスジェットは、溶融物を元あった位置から排除するため、飛散する溶融物等からレーザーヘッドを保護するため、及び酸化反応により加工対象の溶融を促進させるため、という３つの目的を達成するために用いられている。
これに対し、本実施例に係るレーザー加工装置１においては、流動性の液膜及び流動性の液膜を形成する液体がレーザー光の照射により気化する際の気化圧力により、溶融物を元あった位置から排除するものであり、後述するガス噴射用ノズルより噴射されるガスは、レーザーヘッドの保護及び酸化反応による加工対象の溶融の促進に供される。

【0056】

図１８に示すように、本実施例に係るレーザー加工装置１は、レーザー光３を被加工物である加工対象物２に集光して溶融させるレーザーヘッド３ａと、レーザーヘッド３ａより射出されるレーザー光３の光軸とは異なる軸方向に沿って配され液体４を噴射するための液体供給ノズル４ａとの間に、圧縮空気又は圧縮酸素等のガス１１をレーザー光照射部２ａへ噴射するためのガス噴射用ノズル１１ａを備える。
まず、液体供給ノズル４ａから加工対象物２の表面上に液体４を噴射し、加工対象物２の表面上に流動性の液膜６を形成する（液膜形成工程）。その後、液体供給ノズル４ａから噴射される液体４の加工対象物２の表面上における位置から所定の距離離間する位置に、レーザーヘッド３ａよりレーザー光３を照射する。この時、ガス噴射用ノズル１１ａよりレーザー光照射部２aへ圧縮空気又は圧縮酸素等のガス１１を噴射する（溶融工程）。ガス噴射用ノズル１１ａよりレーザー光照射部２aへ噴射される圧縮空気又は圧縮酸素等のガス１１は、レーザー光照射部２aにおける酸化反応を促進させ、溶融物２ｃの領域を拡大するよう作用する。これにより溶融効率を向上させることが可能となる。

【0057】

その後、上述の実施例１と同様に、液体供給ノズル４ａから噴射される液体４は連続的に供給され、液体４が有する運動量（運動エネルギー）により溶融物２ｃの元あった位置２ｄから溶融物２ｃが排除される（排除工程）。排除された溶融物２ｇ（図示せず）は、加工対象物２の表面上に存在する流動性の液膜６により急冷・固化され、急冷・固化された溶融物２ｈとなる。そして、加工対象物２の表面上に存在する流動性の液膜６により、急冷・固化された溶融物２ｈは、流動性の液膜６を形成する液体４の流れに乗って、加工対象物２の表面上から洗い流され回収され（回収工程）、加工対象物２の加工対象箇所（レーザー光照射部２a）に穴が形成される。なお、ガス噴射用ノズル１１ａよりレーザー光照射部２aへ噴射される圧縮空気又は圧縮酸素等のガス１１は、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから溶融物２ｃを排除し得るほどの運動量（運動エネルギー）を有する必要がないため、一般的なレーザーガウジングのように高速で噴射する必要はない。

【0058】

本実施例では、ガス噴射用ノズル１１ａよりレーザー光照射部２aへ圧縮空気又は圧縮酸素等のガス１１を噴射することにより、酸化反応が促進され溶融物２ｃの領域が拡大されることで溶融効率が向上するため、結果として溶融物２ｃの排除効率が向上する。また、溶融物２ｃの排除と同時に、圧縮空気又は圧縮酸素等のガス１１によって、飛散する小さい粒状の溶融物２ｅ（図１０）、金属蒸気（図示せず）、水飛沫９（図１５）等からレーザーヘッド３ａが保護される。

【0059】

なお、本実施例では、レーザーヘッド３ａ、液体供給ノズル４ａ、及びガス噴射用ノズル１１ａを相互に異なる軸方向に配する例を示したがこれに限られるものではない。例えば、ガス噴射用ノズル１１ａより噴射されるガス１１の噴射方向を、レーザーヘッド３ａより射出されるレーザー光３の光軸、又は、液体供給ノズル４ａより噴射される液体４の噴射方向と同軸となるよう、これら、レーザーヘッド３ａ、液体供給ノズル４ａ、及びガス噴射用ノズル１１ａを配する構成としても良い。

【0060】

以上の通り、本実施例によれば、実施例１の効果に加え、ガス噴射用ノズル１１ａよりレーザー光照射部２aへ圧縮空気又は圧縮酸素等のガス１１を噴射することにより、酸化反応が促進され溶融物２ｃの領域が拡大されることで溶融効率が向上するため、溶融物２ｃの排除効率を更に向上することが可能となる。

【実施例4】

【0061】

図２１は、発明の他の実施例に係るレーザー加工装置の主要部概略構成図であって、レーザー加工装置の移動方向と同じ向きに液体を噴射した場合の概念説明用断面模式図であり、図２４は、レーザー加工装置の移動方向に対し所定の角度を有する方向より液体を噴射し、溝を形成する加工を繰り返した場合の模式図であって、レーザー加工装置の主要部の概略構成を示す上面図である。本実施例では、レーザー加工装置１の移動方向に対し所定の角度を有する方向より液体を噴射し得るよう液体供給ノズル４ａを配する点が実施例１と異なり、特に、液体供給ノズル４ａを加工対象物２の表面上に投影した場合において、液体供給ノズル４ａがレーザー加工装置１の移動方向に対し所定の角度を有するよう配される点が異なる。その他の構成は実施例１と同様であり、実施例１と同様の構成要素に同一符号を付し、以下では実施例１と重複する説明を省略すると共に、溶融加工のうちガウジング（溝形成）加工を行う場合を一例として説明する。

【0062】

本実施例に係るレーザー加工装置１及び当該レーザー加工装置１を用いたレーザー加工方法を説明する前に比較例について説明する。
図１９は、比較例のレーザー加工装置の主要部概略構成図であって、レーザー加工装置の移動方向と逆向きに液体を噴射した場合の概念説明用断面模式図であり、図２０は、図１９のＡ−Ａ断面矢視図である。

【0063】

まず、レーザーヘッド３ａ及び液体供給ノズル４ａの位置関係が固定された状態で、レーザー加工装置１を例えば３軸ロボット等の３次元移動機構（図示せず）により、加工対象物２の表面に沿って水平移動させながら加工を実施することで、溝が形成される。形成された溝の隣に、再度、溝を形成する加工を繰り返すことで、加工対象物２の表層の広い領域を排除する。形成される溝の深さが加工対象物２の厚さよりも浅い場合を、ガウジングと呼ぶ。ガウジングは、切断とは異なり、非貫通の加工である。切断の場合は、溶融物２ｃは、加工対象物２の貫通部を通して、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから加工対象物２の裏側へと排除される。一方、ガウジングの場合は、溶融物２ｃは、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから、加工面１２より上方へ排除される。そのため、排除された溶融物２ｇの飛散方向等、適切な排除に留意する必要がある。具体的には、排除された溶融物２ｇが加工面１２及び加工面１２の周囲１２ａに固着することを防ぐ必要がある。加工面１２及び加工面１２の周囲１２ａに付着した溶融物２ｉは、回収効率の低下のみならず、加工面１２の隣に新しく溝を形成する際の、レーザー光３の集光阻害を引き起こし、溶融効率の低下による、溶融物２ｃの排除効率の低下も引き起こす。

【0064】

図１９に示すように、比較例のレーザー加工装置１は、レーザー加工装置１の移動方向１３とは逆向きに、液体供給ノズル４ａから流動性の液膜６を形成する液体４を加工対象物２の表面上に噴射し、同時にレーザーヘッド３ａよりレーザー光３を照射する。換言すれば、比較例のレーザー加工装置１は、レーザー加工装置１の移動方向１３に対し、レーザーヘッド３ａより前方側に液体供給ノズル４ａを配している。レーザー加工装置１の移動方向１３とは逆向きに、流動性の液膜６を形成する液体４の流れが生じるため、溶融物２ｃは、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから、加工面１２の方向へ移動しやすくなり、冷却工程による急冷・固化が十分に達成されないまま、加工面１２、及び、加工面１２の周囲１２ａに付着する。その結果、排除された溶融物２ｇ（図示せず）は、加工面１２及び加工面１２の周囲１２ａへ付着し、付着した溶融物２ｉとなり、固着が生じる。図２０に図１９のＡ−Ａ断面矢視図を示す。図２０に示すように、具体的には形成された溝の壁面部分１２ｂへの固着が生じやすい。これは、排除された溶融物２ｇを急冷・固化させるための流動性の液膜６が溝の壁面部分１２ｂには形成されにくいためである。

【0065】

図２１に本発明の他の実施例に係るレーザー加工装置の主要部概略構成図であって、レーザー加工装置の移動方向と同じ向きに液体を噴射した場合の概念説明用断面模式図を示す。図２１に示すように、本実施例に係るレーザー加工装置１は、レーザー加工装置１の移動方向１３と同じ向きに、液体供給ノズル４ａから流動性の液膜６を形成する液体４を加工対象物２の表面上に噴射し、同時にレーザーヘッド３ａよりレーザー光３を照射する。換言すれば、本実施例に係るレーザー加工装置１は、レーザー加工装置１の移動方向１３に対し、レーザーヘッド３ａより後方側に液体供給ノズル４ａを配している。なお、図２１に示すように、液体供給ノズル４ａから噴射される液体４の加工前の加工対象物２の表面上（点線で示す）における位置は、レーザー光照射部２ａ（図示せず）に対し所定の距離離間している。レーザー加工装置１の移動方向１３と同じ向きに、流動性の液膜６を形成する液体４の流れが生じるため、溶融物２ｃは、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから、加工面１２と反対方向の加工対象物２の表面上へ剥離又は離脱し排除される。加工対象物２の表面上には流動性の液膜６が形成されているため、排除された溶融物２ｇは流動性の液膜６によって急冷・固化され、急冷・固化された溶融物２ｈとなる。そして、加工対象物２の表面上に存在する流動性の液膜６により、急冷・固化された溶融物２ｈは、流動性の液膜６を形成する液体４の流れに乗って、加工対象物２の表面上から洗い流され回収されるため、適切に排除・回収することが可能となる。

【0066】

以上、レーザー加工装置１を水平移動させながら溝を加工する際の、適切な溶融物の排除に係る液体４の噴射方向について説明したが、溝を形成する加工を繰り返すことで、加工対象物２の表層の広い領域を排除する場合においても、液体供給ノズル４ａから流動性の液膜６を形成する液体４を噴射する噴射方向が重要となる。
図２２は、レーザー加工装置の移動方向と同じ向きに液体を噴射し、溝を形成する加工を繰り返した場合の模式図であって、レーザー加工装置の主要部の概略構成を示す上面図である。図２２では、レーザーヘッド３ａは溶融物２ｃの直上に位置するため、図面の見やすさを考慮し、レーザーヘッド３ａの表記を省略している。また、図２３は図２２のＡ−Ａ断面矢視図である。上述の図２１に示した１本の溝を加工する場合とは異なり、図２０及び図２３に示すように、既に溝を加工した加工面１２側には壁が存在しない。そのため、液体供給ノズル４ａから噴射される液体４及び溶融物２ｃは、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから加工面１２側へ移動しやすくなる。その結果、上述の図１９及び図２０を用いて説明した理由と同様に、排除された溶融物２ｇ（図２３）は冷却工程による急冷・固化が十分に達成されないまま、加工面１２、及び、加工面１２の周囲１２ａに付着する。その結果、排除された溶融物２ｇ（図２３）は、加工面１２及び加工面１２の周囲１２aへ付着し付着した溶融物２ｉとなり、固着が生じる。

【0067】

図２４は、レーザー加工装置の移動方向と同じ向きに液体を噴射し、溝を形成する加工を繰り返した場合の模式図であって、レーザー加工装置の主要部の概略構成を示す上面図である。図２４では、レーザーヘッド３ａは溶融物２ｃの直上に位置するため、図面の見やすさを考慮し、レーザーヘッド３ａの表記を省略している。また、図２５は、図２４のＡ−Ａ断面矢視図である。図２４に示すように、本実施例に係るレーザー加工装置１は、レーザー加工装置１の移動方向１３と液体供給ノズル４ａより噴射される液体４の噴射方向とが、所定の角度θαをなすよう配される液体供給ノズル４ａを備える。換言すれば、液体供給ノズル４ａを加工対象物２の表面上に投影した場合において、液体供給ノズル４ａがレーザー加工装置１の移動方向１３に対し所定の角度θαを有するよう配されている。また、液体供給ノズル４ａから噴射される液体４の加工面１２上における位置は、溶融物２ｃの位置（レーザー光照射部２ａに相当）に対し所定の距離離間している。従って、液体供給ノズル４ａから噴射される液体４の加工前の加工対象物２の表面上における位置は、レーザー光照射部２ａ（図示せず）に対し所定の距離離間していることは言うまでもない。図２４に示すように、レーザー加工装置１の移動方向１３と同じ向きであって、且つ、上記所定の角度θαをなす斜め方向から、加工面１２と反対側へと向かう流動性の液膜６を形成する液体４の流れが生じるため、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから溶融物２ｃは、剥離又は離脱し、流動性の液膜６を形成する液体４により急冷・固化され、急冷・固化された溶融物２ｈとなる。なお、レーザー加工装置１の移動方向１３と液体供給ノズル４ａより噴射される液体４の噴射方向との成す角度θαは、０°以上９０°未満の範囲に設定され、好ましくは、１５°以上７５°以下であり、４５°が望ましい。図２４では、一例として、４５°に設定された場合を示している。

【0068】

また、図２５に示すように、液体供給ノズル４ａより噴射される流動性の液膜６を形成する液体４により、溶融物２ｃは、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから、加工面１２と反対方向の加工対象物２の表面上へ剥離又は離脱し排除される。加工対象物２の表面上には流動性の液膜６が形成されているため、排除された溶融物２ｇは流動性の液膜６によって急冷・固化され、急冷・固化された溶融物２ｈとなる。そして、加工対象物２の表面上に存在する流動性の液膜６により、急冷・固化された溶融物２ｈは、流動性の液膜６を形成する液体４の流れに乗って、加工対象物２の表面上から洗い流され回収されるため、適切に排除・回収することが可能となる。なお、図２５においては、レーザー光３と液体供給ノズル４ａより噴射される流動性の液膜６を形成する液体４とが、あたかも重なるよう表記しているが、これは、図２４のＡ−Ａ断面を矢印方向から見た図であるためであり、実際には、図２５において、レーザー光３と液体供給ノズル４ａより噴射される流動性の液膜６を形成する液体４とは、相互に所定の距離離間している。

【0069】

次に、図２６〜図３１を用いて、適切に溶融物を排除するための液体供給ノズル４ａより噴射される液体４の噴射位置について説明する。
図２６は、レーザー光照射部に対して、液体供給ノズルより液体を同じ位置或いはレーザー加工装置の移動方向側にシフトした場合の比較例の断面模式図である。図２６に示すように、液体供給ノズル４ａより噴射される液体４と衝突した溶融物２ｃは、レーザー加工装置１の移動方向１３と逆側、すなわち、加工面１２側へ排除されやすくなる。その結果、上述の図１９及び図２０を用いて説明した理由と同様に、排除された溶融物２ｇ（図示せず）は冷却工程による急冷・固化が十分に達成されないまま、加工面１２、及び、加工面１２の周囲１２ａに付着する。その結果、排除された溶融物２ｇは、加工面１２及び加工面１２の周囲１２aへ付着し付着した溶融物２ｉとなり、固着が生じる。

【0070】

図２７は、レーザー光照射部に対して、液体供給ノズルより液体が供給される位置を、レーザー加工装置の移動方向と逆側にシフトした場合の実施例の断面模式図である。図２７に示すように、液体供給ノズル４ａから噴射される液体４の加工前の加工対象物２の表面上（点線で示す）における位置は、レーザー光照射部２ａ（図示せず）に対し所定の距離離間している。液体供給ノズル４ａより噴射される液体４と衝突した溶融物２ｃは、レーザー加工装置１の移動方向１３と同じ向きに、流動性の液膜６を形成する液体４の流れが生じるため、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから、加工面１２と反対方向の加工対象物２の表面上へ剥離又は離脱し排除される。加工対象物２の表面上には流動性の液膜６が形成されているため、排除された溶融物２ｇは流動性の液膜６によって急冷・固化され、急冷・固化された溶融物２ｈとなる。そして、加工対象物２の表面上に存在する流動性の液膜６により、急冷・固化された溶融物２ｈは、流動性の液膜６を形成する液体４の流れに乗って、加工対象物２の表面上から洗い流され回収されるため、適切に排除・回収することが可能となる。

【0071】

以上、レーザー加工装置１を水平移動させながら加工を実施することで、溝を加工する際の、適切な溶融物の排除に係る液体４の噴射位置について説明したが、溝を形成する加工を繰り返すことで、加工対象物２の表層の広い領域を排除する場合も、液体４の噴射位置が重要となる。
図２８は、レーザー光照射部に対し、液体供給ノズルより液体が供給される位置を、レーザー加工装置の移動方向と逆側にシフトし、溝を形成する加工を繰り返した場合の比較例の模式図であって、レーザー加工装置の主要部の概略構成を示す上面図である。図２８では、レーザーヘッド３ａは溶融物２ｃの直上に位置するため、図面の見やすさを考慮し、レーザーヘッド３ａの表記を省略している。また、図２９は、図２８のＡ−Ａ断面矢視図である。図２８及び図２９に示すように、既に溝を加工した加工面１２側には壁が存在しない。そのため、液体供給ノズル４ａから噴射される液体４及び溶融物２ｃは、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから加工面１２側へ移動しやすくなる。その結果、上述の図２２及び図２３を用いて説明した理由と同様に、排除された溶融物２ｇ（図２９）は冷却工程による急冷・固化が十分に達成されないまま、加工面１２、及び、加工面１２の周囲１２ａに付着する。その結果、排除された溶融物２ｇ（図２９）は、加工面１２及び加工面１２の周囲１２aへ付着し付着した溶融物２ｉとなり、固着が生じる。

【0072】

図３０は、レーザー光照射部に対し、液体供給ノズルより液体が供給される位置を、レーザー加工装置の移動方向と逆側にシフトすると共に水平方向にシフトさせ、溝を形成する加工を繰り返した場合の実施例の模式図であって、レーザー加工装置の主要部の概略構成を示す上面図である。図３０では、レーザーヘッド３ａは溶融物２ｃの直上に位置するため、図面の見やすさを考慮し、レーザーヘッド３ａの表記を省略すると共に、本来レーザーヘッド３ａと平行に配される液体供給ノズル４ａより噴射される液体４の位置を解りやすくするため液体供給ノズル４ａを表記している。また、図３１は、図３０のＡ−Ａ断面矢視図である。図３０及び図３１に示すように、レーザー加工装置１は、レーザー加工装置１の移動方向１３と逆側であって、且つ、既に溝が形成された加工面１２側へ所定の距離だけシフトすると共に、レーザーヘッド３ａに平行に配される液体供給ノズル４ａを備える。図３１に示すように、液体供給ノズル４ａより噴射される流動性の液膜６を形成する液体４により、溶融物２ｃは、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから、加工面１２と反対方向の加工対象物２の表面上へ剥離又は離脱し排除される。加工対象物２の表面上には流動性の液膜６が形成されているため、排除された溶融物２ｇは流動性の液膜６によって急冷・固化され、急冷・固化された溶融物２ｈとなる。そして、加工対象物２の表面上に存在する流動性の液膜６により、急冷・固化された溶融物２ｈは、流動性の液膜６を形成する液体４の流れに乗って、加工対象物２の表面上から洗い流され回収されるため、適切に排除・回収することが可能となる。

【0073】

次に、図３２〜図３５を用いて、適切に溶融物を排除するための液体の噴射角度について説明する。
図３２及び図３３は、液体供給ノズルの軸方向（液体が噴射される方向）と加工対象物の表面とのなす角（傾斜角）を小さくした場合の断面模式図である。なお、図３２及び図３３では、レーザー光３と液体供給ノズル４ａより噴射される流動性の液膜６を形成する液体４とが、あたかも重なるよう表記しているが、実際には、図中奥行方向において、レーザー光３と液体供給ノズル４ａより噴射される流動性の液膜６を形成する液体４とは、相互に所定の距離離間している。図３２及び図３３に示すように、レーザー加工装置１は、液体供給ノズル４ａより流動性の液膜６を形成する液体４が噴射される噴射方向（液体供給ノズル４ａの軸方向）と加工対象物２の表面とが、所定の角度θβ１をなすよう配される液体供給ノズル４ａを備える。図に示すように角度θβ１（傾斜角）は比較的小さい。

【0074】

図３２に示すように、加工初期の溝が浅い段階では、液体供給ノズル４ａより噴射される流動性の液膜６を形成する液体４を溶融物２ｃへと向かい供給することが可能である。レーザー加工装置１の移動方向１３と同じ向きに、流動性の液膜６を形成する液体４の流れが生じるため、溶融物２ｃは、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから、加工面１２と反対方向の加工対象物２の表面上へ剥離又は離脱し排除される。加工対象物２の表面上には流動性の液膜６が形成されているため、排除された溶融物２ｇは流動性の液膜６によって急冷・固化され、急冷・固化された溶融物２ｈとなる。そして、加工対象物２の表面上に存在する流動性の液膜６により、急冷・固化された溶融物２ｈは、流動性の液膜６を形成する液体４の流れに乗って、加工対象物２の表面上から洗い流され回収されるため、適切に排除・回収することが可能となる。

【0075】

しかし、加工が進み、溝が深くなると、図３３に示すように、液体供給ノズル４ａより噴射される流動性の液膜６を形成する液体４を溶融物２ｃへと向かい供給することが困難となる。その結果、液体供給ノズル４ａより噴射される液体４と衝突した溶融物２ｃは、レーザー加工装置１の移動方向１３と逆側、すなわち、加工面１２側へ排除されやすくなる。その結果、排除された溶融物２ｇは冷却工程による急冷・固化が十分に達成されないまま、加工面１２、及び、加工面１２の周囲１２ａに付着する。その結果、排除された溶融物２ｇは、加工面１２及び加工面１２の周囲１２aへ付着し付着した溶融物２ｉとなり、固着が生じる。

【0076】

図３４及び図３５は、液体供給ノズルの軸方向（液体が噴射される方向）と加工対象物の表面とのなす角（傾斜角）を大きくした場合の断面模式図である。なお、なお、図３４及び図３５では、レーザー光３と液体供給ノズル４ａより噴射される流動性の液膜６を形成する液体４とが、あたかも重なるよう表記しているが、実際には、図中奥行方向において、レーザー光３と液体供給ノズル４ａより噴射される流動性の液膜６を形成する液体４とは、相互に所定の距離離間している。図３４及び図３５に示すように、レーザー加工装置１は、液体供給ノズル４ａより流動性の液膜６を形成する液体４が噴射される噴射方向（液体供給ノズル４ａの軸方向）と加工対象物２の表面とが、所定の角度θβ２をなすよう配される液体供給ノズル４ａを備える。図に示すように角度θβ２（傾斜角）は比較的大きい。図３４及び図３５に示すように、加工された溝の浅さによらず、液体供給ノズル４ａより噴射される流動性の液膜６を形成する液体４を溶融物２ｃへと向かい供給することが可能である。液体供給ノズル４ａより噴射される流動性の液膜６を形成する液体４の流れにより、溶融物２ｃは、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから、加工面１２と反対方向の加工対象物２の表面上へ剥離又は離脱し排除される。加工対象物２の表面上には流動性の液膜６が形成されているため、排除された溶融物２ｇは流動性の液膜６によって急冷・固化され、急冷・固化された溶融物２ｈとなる。そして、加工対象物２の表面上に存在する流動性の液膜６により、急冷・固化された溶融物２ｈは、流動性の液膜６を形成する液体４の流れに乗って、加工対象物２の表面上から洗い流され回収されるため、適切に排除・回収することが可能となる。

【0077】

以上の通り、本実施例によれば、実施例１の効果に加え、加工対象物の表層の広い領域に溝を形成するガウジングにおいて、溶融物を適切に排除し、溶融物の加工対象物への固着を防ぐことで、排除効率と回収効率の高い加工が可能となる。

【実施例5】

【0078】

図３６は、本発明の他の実施例に係るレーザー加工装置であって、流動性の液膜の流れの方向において、レーザーヘッドよりも上流側に第１の液体供給ノズルを、下流側に第２の液体供給ノズルを配するレーザー加工装置を用いたレーザー加工方法の概念説明図である。本実施例では、レーザーヘッドよりも上流側に第１の液体供給ノズルを、下流側に第２の液体供給ノズルを配する構成とした点が実施例１と異なる。その他の構成は実施例１と同様であり、実施例１と同様の構成要素に同一符号を付し、以下では実施例１と重複する説明を省略すると共に、溶融加工のうち穴あけ加工を行う場合を一例として説明する。

【0079】

図３６に示すように、本実施例に係るレーザー加工装置１は、レーザー光３を被加工物である加工対象物２に集光して溶融させるレーザーヘッド３ａ、流動性の液膜６の流れの方向においてレーザーヘッド３ａよりも上流側に配される第１の液体供給ノズル４ｆ、及び流動性の液膜６の流れの方向においてレーザーヘッド３ａよりも下流側に配される第２の液体供給ノズル４ｇを備える。第１の液体供給ノズル４ｆから噴射される液体４の加工対象物２の表面上における位置は、レーザー光照射部２ａ（図示せず）に対し所定の距離離間している。また、同様に、第２の液体供給ノズル４ｇから噴射される液体４の加工対象物２の表面上における位置は、レーザー光照射部２ａ（図示せず）に対し所定の距離離間している。

【0080】

第１の液体供給ノズル４ｆから噴射される流動性の液膜６を形成する液体４により、上述の溶融工程にて形成された溶融物２ｃを、溶融物２ｃの元あった位置２ｄから排除する。加工対象物２から剥離又は離脱し排除された溶融物２ｇを、第２の液体供給ノズル４ｇから噴射される流動性の液膜６を形成する液体４により急冷・固化し、急冷・固化された溶融物２ｈを、第２の液体供給ノズル４ｇから噴射される流動性の液膜６を形成する液体４の流れに乗せて回収する。

【0081】

なお、図示しないが、第１の液体供給ノズル４ｆ及び第２の液体供給ノズル４ｇには、給水タンク４ｂに貯留される液体４を汲み出すためのポンプ、圧力調整弁、給水タンク４ｂ、及び液体４を通流させるホースがそれぞれ独立に設けられている。

【0082】

本実施例によれば、実施例１と比較し、レーザー加工装置１を構成する部品点数が増加するものの、より効果的に溶融物の排除効率を向上できると共に、溶融物を適切に回収することが可能となる。

【実施例6】

【0083】

図３７は、本発明の他の実施例に係るレーザー加工装置であって、加工面に付着する溶融物を回収するための機械加工用のツールを備えるレーザー加工装置を用いたレーザー加工方法の概念説明図である。本実施例では、万が一溶融物が加工面に付着した場合においても、当該付着した溶融物を回収するための機械加工用のツールを備える点が実施例１と異なる。その他の構成は実施例１と同様であり、実施例１と同様の構成要素に同一符号を付し、以下では実施例１と重複する説明を省略すると共に、溶融加工のうちガウジング（溝形成）加工を行う場合を一例として説明する。

【0084】

図３７に示すように、本実施例に係るレーザー加工装置１は、レーザー加工装置１の移動方向１３に対して、レーザーヘッド３ａ及び液体供給ノズル４ａよりも後方側に機械加工用のツール１４を備える。機械加工用のツール１４として、例えば、スクレーパー等が用いられる。なお、図３７では、レーザー光３と液体供給ノズル４ａより噴射される流動性の液膜６を形成する液体４とが、あたかも重なるよう表記しているが、実際には、図中奥行方向において、レーザー光３と液体供給ノズル４ａより噴射される流動性の液膜６を形成する液体４とは、相互に所定の距離離間している。
まず、液体供給ノズル４ａより噴射される流動性の液膜６を形成する液体４によって、溶融物２ｃが、溶融物２ｃが元あった位置２ｄから排除される。万が一、液体供給ノズル４ａより噴射される液体４と衝突した溶融物２ｃが、レーザー加工装置１の移動方向１３と逆側、すなわち、加工面１２側へ排除された場合、上述したように、排除された溶融物２ｇは冷却工程による急冷・固化が十分に達成されないまま、加工面１２、及び、加工面１２の周囲１２ａに付着する。その結果、排除された溶融物２ｇ（図示せず）は、加工面１２及び加工面１２の周囲１２aへ付着し付着した溶融物２ｉとなり、固着が生じる。この場合、付着した溶融物２ｉを、機械加工用のツール１４により削り取ることにより回収する。なお、付着した溶融物２ｉは、付着した直後は比較的高温状態を維持しているため、容易に削り取ることができる。

【0085】

以上の通り、本実施例によれば、実施例１の効果に加え、万が一加工面に溶融物が付着した場合においても、当該付着した溶融物を好適に回収できる。

【実施例7】

【0086】

図３８は、本発明の他の実施例に係るレーザー加工装置であって、装置全体を覆うためのカバーを備えるレーザー加工装置を用いたレーザー加工方法の概念説明図である。本実施例では、レーザー光照射部２a及びレーザー光照射部２aの近傍２ｂのおかれる環境と、加工対象物２のおかれる環境とを隔離し、安定した加工を達成するために、レーザー加工装置１の全体を覆うためのカバーを備える点が実施例１と異なる。その他の構成は実施例１と同様であり、実施例１と同様の構成要素に同一符号を付し、以下では実施例１と重複する説明を省略すると共に、溶融加工のうちガウジング（溝形成）加工を行う場合を一例として説明する。

【0087】

図３８に示すように、レーザー加工装置１は、レーザー加工装置１の全体を覆うカバー３４を備える。レーザー加工装置１の全体を覆うカバー３４は、例えば、金属等の高剛性の材料にて形成しても良く、又は、フィルム等の低剛性の材料にて形成しても良い。なお、これら高剛性の材料及び低剛性の材料の組み合わせにて、レーザー加工装置１の全体を覆うカバー３４を形成しても良い。図３８では一例として金属製のカバー３４を用いる場合を示している。レーザー加工装置１の全体を覆うカバー３４は、伸縮機構３６を介してレーザーヘッド３aに固定されている。そのため、レーザーヘッド３ａ及び液体供給ノズル４ａの位置関係が固定された状態で、レーザー加工装置１を例えば３軸ロボット等の３次元移動機構（図示せず）により、加工対象物２の表面に沿って水平移動させながらガウジング（溝形成）加工を行う場合、カバー３４はレーザーヘッド３aの動きに追従する。

【0088】

また、図３８に示すように、レーザー加工装置１の全体を覆うカバー３４の側面のうち、一方の側面には液体供給ノズル４ａを挿入するための貫通穴３５が設けられており、液体供給ノズル４ａより液体４を加工対象物２の表面上に噴射することで、流動性の液膜６が形成される。また、レーザー加工装置１の全体を覆うカバー３４の各側面の上部に、上述のように伸縮機構３６がそれぞれ設けられている。これら伸縮機構３６が、加工対象物２の表面形状に応じて伸縮することで、液体供給ノズル４ａの位置も変化する。このため、仮に、加工対象物２とレーザーヘッド３ａ、及び液体供給ノズル４ａとの距離が想定より大幅に変化した場合であっても、ある程度はレーザー照射部２aと液体供給ノズル４ａより噴射される液体４の供給位置８との位置関係を維持することが可能となる。具体的には、加工対象物２の表面に大きな起伏或いは凹凸がある場合にも、レーザー加工装置１の全体を覆うカバー３４を加工対象物２の表面上に押し付けながらガウジング（溝形成）加工を行うことで、安定した加工が実現できる。

【0089】

また、図３８に示すように、レーザー加工装置１の全体を覆うカバー３４の側面のうち、上述の液体供給ノズル４ａを挿入するための貫通穴３５が設けられた側面に対し、水平方向に対向する側面に溶融物回収孔３７が形成されている。換言すれば、溶融物回収孔３７が形成された側面は、レーザー加工装置１の移動方向１３において、レーザーヘッド３ａを挟んで液体供給ノズル４ａを挿入するための貫通穴３５が設けられた側面と対向している。溶融物回収孔３７は溶融物回収ホース３８に連通しており、溶融物回収ホース３８の先に設置されたポンプ（図示せず）により吸引することで、ガウジング（溝形成）加工時に発生した急冷・固化された溶融物２ｈ及び流動性の液膜６を形成する液体４を、発生したその場で回収することが可能となる。このため、加工対象物２のおかれている環境に急冷・固化された溶融物２ｈ或いは流動性の液膜６を形成する液体４が飛散することは無く、加工環境を汚染する虞が無い。換言すれば、ガウジング（溝形成）加工により生ずる急冷・固化された溶融物２ｈ或いは流動性の液膜６を形成する液体４が、レーザー加工装置１の全体を覆うカバー３４の外部へ飛散することは無い。

【0090】

また、カバー３４を備えるレーザー加工装置１を加工対象物２の表面形状に十分に追従させ、カバー３４内の気密を保つことが可能であれば、カバー３４内にガスを充満させることで、局所的な気中環境を作り出すことが可能となる。これにより、加工対象物２のおかれている環境（気相中或いは液相中（水中）等）の影響を受けず、安定した加工が実現できる。

【0091】

以上の通り、本実施例によれば、実施例１の効果に加え、レーザー光照射部２a及びレーザー光照射部２ａの近傍２ｂのおかれる環境と、加工対象物２のおかれる環境とを隔離することで、より安定した加工を実現することが可能となる。
また、本実施例によれば、レーザー加工装置１の全体を覆うカバー３４により、加工により生ずる急冷・固化された溶融物２ｈ或いは流動性の液膜６を形成する液体４が、カバー３４の外部へ飛散することは無く、加工環境の汚染を防止することも可能となる。

【0092】

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。

【符号の説明】

【0093】

１・・・レーザー加工装置
２・・・加工対象物
２ａ・・・レーザー光照射部
２ｂ・・・レーザー光照射部２ａの近傍
２ｃ・・・溶融物
２ｄ・・・溶融物２ｃの元あった位置
２ｅ・・・小さい粒状の溶融物
２ｆ・・・大きな塊状の溶融物
２ｇ・・・排除された溶融物
２ｈ・・・急冷・固化された溶融物
２ｉ・・・付着した溶融物
３・・・レーザー光
３ａ・・・レーザーヘッド
３ｂ・・・レーザー発振器
３ｃ・・・光ファイバ
３ｄ・・・液面検知センサ
４・・・液体
４ａ・・・液体供給ノズル
４ｂ・・・給水タンク
４ｃ・・・ホース
４ｄ・・・圧力調整弁
４ｅ・・・ポンプ
４ｆ・・・第１の液体供給ノズル
４ｇ・・・第２の液体供給ノズル
５・・・制御部
６・・・液膜
６ａ・・・厚い液膜
６ｂ・・・薄い液膜
７・・・気化圧力
８・・・液体４の供給位置
９・・・水飛沫
１０・・・スリットを有する円板
１１・・・ガス
１１ａ・・・ガス噴射用ノズル
１２・・・加工面
１２ａ・・・加工面１２の周囲
１２ｂ・・・溝の壁面部分
１３・・・移動方向
１４・・・機械加工用のツール
１５・・・モータ
２１・・・圧力調整弁開度制御部
２２・・・ポンプ制御部
２３・・・レーザー制御部
２４・・・計測値取得部
２５・・・記憶部
２６・・・通信Ｉ／Ｆ
２７・・・入力Ｉ／Ｆ
２８・・・出力Ｉ／Ｆ
２９・・・入力部
３０・・・内部バス
３１・・・レーザーヘッドノズル
３２・・・コリメータレンズ
３３・・・フォーカシングレンズ
３４・・・カバー
３５・・・貫通穴
３６・・・伸縮機構
３７・・・溶融物回収孔
３８・・・溶融物回収ホース

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】