特許 7146420 レーザ加工装置

(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】

(24)【登録日】2022-09-26

(45)【発行日】2022-10-04

(54)【発明の名称】レーザ加工装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/12 20140101AFI20220927BHJP

   B23K 26/14 20140101ALI20220927BHJP

【ＦＩ】

B23K26/12

B23K26/14

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2018044729

(22)【出願日】2018-03-12

(65)【公開番号】P2019155412

(43)【公開日】2019-09-19

【審査請求日】2021-03-09

(73)【特許権者】

【識別番号】315017775

【氏名又は名称】日本電産マシンツール株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100141139

【弁理士】

【氏名又は名称】及川 周

(74)【代理人】

【識別番号】100188673

【弁理士】

【氏名又は名称】成田 友紀

(74)【代理人】

【識別番号】100179833

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 将尚

(74)【代理人】

【識別番号】100189348

【弁理士】

【氏名又は名称】古都 智

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】呉屋 真之

【審査官】山下 浩平

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１８０３１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－２３９８８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－１６８６８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－３２２８９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０００８３３２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／００ － ２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

チャンバと、
前記チャンバの外部に設けられ、レーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記チャンバの内部に設けられ、レーザ照射ノズルと、集光レンズと、保護窓とを有するレーザヘッドと、
前記レーザ照射ノズルの内部空間にシールドガスを噴射するシールドガス噴射装置と、
前記内部空間において、前記保護窓よりも前記レーザ光の照射方向の下流側に設けられ、中央部に前記レーザ照射ノズルの内径に基づいて穴径が設計された穴部を有するコンダクタンス板と、
前記チャンバの内部の圧力を制御する排気装置と、を備え、
前記コンダクタンス板は、前記レーザ照射ノズルの前記内部空間における蒸発物質の流れを中間流または粘性流に制御する、レーザ加工装置。

【請求項2】

前記コンダクタンス板を冷却する冷却部を備える、請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項3】

チャンバと、
前記チャンバの外部に設けられ、レーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記チャンバの内部に設けられ、レーザ照射ノズルと、集光レンズと、保護窓とを有するレーザヘッドと、
前記レーザ照射ノズルの内部空間にシールドガスを噴射するシールドガス噴射装置と、
前記内部空間において、前記保護窓よりも前記レーザ光の照射方向の下流側に設けられたコンダクタンス板と、
前記チャンバの内部の圧力を制御する排気装置と、
前記コンダクタンス板を冷却する冷却部と、
を備え、
前記コンダクタンス板は、前記レーザ照射ノズルの前記内部空間における蒸発物質の流れを中間流または粘性流に制御する、レーザ加工装置。

【請求項4】

前記レーザ照射ノズルに設けられ、前記レーザ照射ノズルの前記内部空間に噴射された前記シールドガスを外部に排気するノズル排気装置を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【請求項5】

チャンバと、
前記チャンバの外部に設けられ、レーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記チャンバの内部に設けられ、レーザ照射ノズルと、集光レンズと、保護窓とを有するレーザヘッドと、
前記レーザ照射ノズルの内部空間にシールドガスを噴射するシールドガス噴射装置と、
前記内部空間において、前記保護窓よりも前記レーザ光の照射方向の下流側に設けられたコンダクタンス板と、
前記チャンバの内部の圧力を制御する排気装置と、
前記レーザ照射ノズルに設けられ、前記レーザ照射ノズルの前記内部空間に噴射された前記シールドガスを外部に排気するノズル排気装置と、
を備え、
前記コンダクタンス板は、前記レーザ照射ノズルの前記内部空間における蒸発物質の流れを中間流または粘性流に制御する、レーザ加工装置。

【請求項6】

前記コンダクタンス板は、中央部に穴部を有する円環状の形状を有しており、
前記レーザ照射ノズルの内径がＤ（ｍ）、前記コンダクタンス板のコンダクタンスがＣである場合、Ｄ＞３．３・Ｒ・Ｔ／√２・Ｎ_Ａ・π・σ^２・｛（Ｑ_ｇ／Ｃ）＋Ｐ_０｝を満たす、請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【請求項7】

前記レーザ照射ノズルの前記内径Ｄ（ｍ）は、Ｄ＞２．１・１０^－２／｛（１０／Ｃ）＋１００｝を満たす、請求項６に記載のレーザ加工装置。

【請求項8】

前記コンダクタンス板を複数備え、
複数の前記コンダクタンス板の穴は、下流側に向けて徐々に小さくなる、請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【請求項9】

チャンバと、
前記チャンバの外部に設けられ、レーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記チャンバの内部に設けられ、レーザ照射ノズルと、集光レンズと、前記集光レンズを保護する保護窓とを有するレーザヘッドと、
前記レーザ照射ノズルの内部空間にシールドガスを噴射するシールドガス噴射装置と、
前記レーザ照射ノズルに設けられ、前記レーザ照射ノズルの内部空間に噴射された前記シールドガスを外部に排気する排気装置を備える、レーザ加工装置。

【請求項10】

前記内部空間において、前記保護窓よりも前記レーザ光の照射方向の下流側に設けられたコンダクタンス板を備える、請求項９に記載のレーザ加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

真空などの低圧雰囲気下でレーザ加工装置を用いて溶接を行う際に、レーザ照射時に発生する蒸発物質の透過窓(保護窓)への付着を防止する技術が知られている。

【0003】

特許文献１は、透過窓と、被加工物との間に位置するビームガイドの内周面に凹凸が設けられているレーザ加工装置を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開昭６２－１０７８９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の技術は、ビームガイドの内周面に凹凸を設け、かつビームガイドの内部にシールドガスを噴射することで、ビームガイドの内部への蒸発物質の侵入を防止している。特許文献１に記載の技術は、大気圧から中真空程度までの真空度においては有効な技術である。しかしながら、蒸発物質の状態が分子流領域となる高真空（１０^－１Ｐａ以下）においては、ビームガイドから侵入した蒸発物質は直線的に飛ぶため、ビームガイドの内部に設けた凹凸の効果が小さくなる。また、シールドガスを単に噴射しただけでは、分子流の蒸発物質に、シールドガスの分子が衝突しづらくなるので、シールドガスを噴射した効果も小さくなる恐れがある。そのため、特許文献１には、高真空で溶接する際には、保護窓に蒸発物質が付着することを防止できない可能性がある。

【0006】

本発明は上述した課題を解決するものであり、高真空で溶接する際に、レーザ照射ノズルへ侵入した蒸発物質の保護窓への付着を抑制することのできるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第１の態様のレーザ加工装置は、チャンバと、前記チャンバの外部に設けられ、レーザ光を発振するレーザ発振器と、前記チャンバの内部に設けられ、レーザ照射ノズルと、集光レンズと、保護窓とを有するレーザヘッドと、前記レーザ照射ノズルの内部空間にシールドガスを噴射するシールドガス噴射装置と、前記内部空間において、前記保護窓よりも前記レーザ光の照射方向の下流側に設けられ、中央部に前記レーザ照射ノズルの内径に基づいて穴径が設計された穴部を有するコンダクタンス板と、前記チャンバの内部の圧力を制御する排気装置と、を備え、前記コンダクタンス板は、前記レーザ照射ノズルの内部空間における蒸発物質の流れを中間流または粘性流に制御する。

【0008】

この構造により、レーザ照射ノズルの内部空間にシールドガスを噴射するとともに、レーザ照射ノズルの内部空間に設けられたコンダクタンス板を冷却することができる。したがって、高真空で溶接する際に、レーザ照射ノズルへ侵入した蒸発物質の保護窓への付着を抑制することができる。

【0009】

また、前記コンダクタンス板は、中央部に穴部を有する円環状の形状を有しており、前記レーザ照射ノズルの内径がＤ（ｍ）、前記コンダクタンス板のコンダクタンスがＣである場合、Ｄ＞３．３・Ｒ・Ｔ／√２・Ｎ_Ａ・π・σ^２・｛（Ｑ_ｇ／Ｃ）＋Ｐ_０｝を満たすことが好ましい。ここで、Ｒ：気体定数、Ｔ（Ｋ）：絶対温度、Ｎ_Ａ：アボガドロ定数、σ（ｍ）：シールドガスの分子の直径、Ｑ_ｇ（Ｐａ・ｍ^３／ｓ）：シールドガスの供給量、Ｐ_０（Ｐａ）：チャンバ内の圧力である。

【0010】

この構造により、レーザ照射ノズルの内部空間における蒸発物質の流れが制御される。したがって、シールドガスの効果が向上するので、レーザ照射ノズルへ侵入した蒸発物質の保護窓への付着をより抑制することができる。

【0011】

また、前記レーザ照射ノズルの内径Ｄ（ｍ）は、Ｄ＞２．１・１０^－２／｛（１０／Ｃ）＋１００｝を満たすことが好ましい。

【0012】

この構造により、レーザ照射ノズルの内部空間における蒸発物質の流れを適切に制御することができる。したがって、レーザ照射ノズルへ侵入した蒸発物質の保護窓への付着をより抑制することができる。

【0013】

また、前記コンダクタンス板を複数備え、複数の前記コンダクタンス板の穴は、下流側に向けて徐々に小さくなることが好ましい。

【0014】

この構造により、蒸発物質のレーザ照射ノズルへの侵入を物理的に抑制することができる。したがって、レーザ照射ノズルへ侵入した蒸発物質の保護窓への付着をより抑制することができる。

【0015】

また、前記コンダクタンス板を冷却する冷却部を備えることが好ましい。

【0016】

この構造により、コンダクタンス板を冷却することができる。したがって、レーザ照射ノズルの内部に侵入した蒸発物質が冷却されることによって、固体化し、コンダクタンス板に付着するので、レーザ照射ノズルへ侵入した蒸発物質の保護窓への付着をより抑制することができる。

【0017】

また、前記レーザ照射ノズルに設けられ、前記レーザ照射ノズルの内部空間に噴射された前記シールドガスを外部に排気するノズル排気装置を備えることが好ましい。

【0018】

この構造により、レーザ照射ノズルの内部空間に侵入したシールドガスを外部に排気することができる。したがって、シールドガスの供給量を上げることができるので、レーザ照射ノズルへ侵入した蒸発物質の保護窓への付着をより抑制することができる。

【0019】

本発明の第２の態様のレーザ加工装置は、チャンバと、前記チャンバの外部に設けられ、レーザ光を発振するレーザ発振器と、前記チャンバの内部に設けられ、レーザ照射ノズルと、集光レンズと、前記集光レンズを保護する保護窓とを有するレーザヘッドと、前記レーザ照射ノズルの内部空間にシールドガスを噴射するシールドガス噴射装置と、前記レーザ照射ノズルに設けられ、前記レーザ照射ノズルの内部空間に噴射された前記シールドガスを外部に排気する排気装置を備える。

【0020】

この構造により、レーザ照射ノズルの内部空間にシールドガスを噴射するとともに、レーザ照射ノズルの内部に噴射されたシールドガスをチャンバの外に排気することができる。したがって、高真空で溶接する際に、レーザ照射ノズルへ侵入した蒸発物質の保護窓への付着を抑制することができる。

【0021】

また、前記内部空間において、前記保護窓よりも前記レーザ光の照射方向の下流側に設けられたコンダクタンス板を備えることが好ましい。

【0022】

この構造により、レーザ照射ノズルの内部空間における蒸発物質の流れが制御される。これにより、シールドガスの効果が向上するので、レーザ照射ノズルへ侵入した蒸発物質の保護窓への付着をより抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】図１は、本発明の各実施形態が適用されるレーザ加工装置の概略を示す図である。

【図2】図２は、本発明の各実施形態が適用されるレーザ加工装置におけるガスの流れを説明するための図である。

【図3】図３は、本発明の第１実施形態に係るレーザヘッドの構成の一例を示す図である。

【図4】図４は、レーザ照射ノズル内部の蒸発物質の状態を説明するための表である。

【図5】図５は、本発明の第１実施形態に係るレーザヘッドの冷却部の構成の一例を示す図である。

【図6】図６は、本発明の第１実施形態の変形例に係るレーザヘッドの構成の一例を示す図である。

【図7】図７は、本発明の第２実施形態に係るレーザヘッドの構成の一例を示す図である。

【図8】図８は、本発明の第３実施形態に係るレーザヘッドの構成の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下に添付図面を参照して、本発明に係るレーザ加工装置の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含む。

【0025】

図１を用いて、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の概略について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の概略を示す模式図である。なお、本発明と直接的に関連のない構成要素については、詳細な説明および図示を省略している。

【0026】

図１に示すように、レーザ加工装置１０は、チャンバ１１と、レーザ発振器１２と、シールドガス噴射装置１３と、排気装置１４と、移動機構１５と、制御装置１６と、光ファイバケーブル２１と、レーザヘッド３０と、コンダクタンス板４０と、冷却部５０とを備える。本実施形態において、レーザ加工装置１０は、例えば、真空中において、加工対象物Ｔを溶接するための装置である。

【0027】

チャンバ１１は、その内部空間において、真空を形成する容器である。本実施形態において、真空とは、例えば、１０^－1（Ｐａ：パスカル）オーダー以下の高真空を想定している。

【0028】

レーザ発振器１２は、チャンバ１１の外部に設けられ、加工対象物Ｔに対して照射するための、レーザを発振する。レーザ発振器１２は、光ファイバケーブル２１を介して、レーザヘッド３０と接続されている。この場合、レーザ発振器１２によって発振されたレーザは、光ファイバケーブル２１を介してレーザヘッド３０に伝搬された後、レーザ光Ｌとして加工対象物Ｔに照射される。

【0029】

シールドガス噴射装置１３は、チャンバ１１の外部に設けられ、シールドガス供給配管２２を介して、レーザヘッド３０が有するレーザ照射ノズル３１の内部空間にシールドガスを供給する。シールドガス噴射装置１３には、圧力調整器１３１と、流量調整器１３２とが接続されている。圧力調整器１３１は、シールドガス噴射装置１３がレーザ照射ノズル３１の内部に噴射するシールドガスの圧力を調整する。流量調整器１３２は、シールドガス噴射装置１３がレーザ照射ノズル３１の内部に噴射するシールドガスの流量を調整する。本実施形態において、シールドガスは、窒素、アルゴンなどである。

【0030】

排気装置１４は、チャンバ１１の外部に設けられ、チャンバ１１の内部の空気を排気することによって、チャンバ１１の内部に真空を形成する。排気装置１４は、例えば、真空ポンプで実現することができる。

【0031】

移動機構１５は、チャンバ１１の内部に設けられ、チャンバ１１の内部において、レーザヘッド３０を移動させる。移動機構１５に特に制限はないが、例えば、移動機構１５は、レーザヘッド３０を、３次元の方向に加え、光軸を中心とする角度方向に移動させる。なお、図１では、直交座標系を使用しており、ｘ方向は左右方向、ｙ方向は前後方向(奥行方向)、ｚ方向は高さ方向である。

【0032】

制御装置１６は、チャンバ１１の外部に設けられ、レーザ発振器１２と、シールドガス噴射装置１３と、圧力調整器１３１と、流量調整器１３２と、排気装置１４と、移動機構１５とに接続されている。制御装置１６は、各装置を制御することによって、レーザ加工装置１０の動作を制御している。制御装置１６は、例えば、レーザ発振器１２を制御することで、レーザヘッド３０から照射されるレーザ光Ｌの条件を調整する。制御装置１６は、例えば、シールドガス噴射装置１３と、圧力調整器１３１と、流量調整器１３２を制御することで、レーザ照射ノズル３１の内部に噴射されるシールドガスの圧力と、流量とを調整する。制御装置１６は、例えば、排気装置１４を制御することで、チャンバ１１内部の圧力を調整する。制御装置１６は、例えば、移動機構１５を制御することで、レーザヘッド３０を移動させ、加工対象物Ｔに対するレーザ光Ｌの照射位置を調整する。このような制御装置１６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む電子的な回路を備えた装置で実現することができる。

【0033】

光ファイバケーブル２１は、チャンバ１１の外部に設けられたレーザ発振器１２と、チャンバ１１の内部に設けられたレーザヘッド３０とを接続している。光ファイバケーブル２１は、レーザ発振器１２で発振されたレーザ光をレーザヘッド３０に伝搬する。

【0034】

レーザヘッド３０は、チャンバ１１の内部に設けられ、レーザ照射ノズル３１と、集光レンズ３２と、保護窓３３とを有する。レーザ照射ノズル３１は、例えば、円筒形状を有しており、内部において、レーザ発振器１２から供給されたレーザ光を通過させるノズルである。集光レンズ３２は、レーザ照射ノズル３１の内部において、レーザ発振器１２から供給されたレーザを集光する。保護窓３３は、レーザ照射ノズル３１の内部において、集光レンズ３２よりもレーザ光Ｌの照射方向の下流側に設けられ、加工対象物Ｔにレーザ光Ｌが照射された際に発生するヒュームなどの蒸発物質から集光レンズ３２を保護する。これにより、レーザ照射ノズル３１の先端から保護窓３３を介してレーザ光Ｌが照射される。

【0035】

コンダクタンス板４０は、具体的には後述するが、保護窓３３よりもレーザ光Ｌの照射方向の下流側に設けられた少なくとも１つの円環状の板である。コンダクタンス板４０は、レーザ照射ノズル３１の内部空間における蒸発物質の流れを、分子流から中間流または粘性流となるように制御する。

【0036】

冷却部５０は、具体的には後述するが、レーザ照射ノズル３１の外部において、少なくともコンダクタンス板４０が設けられている領域に設けられている。冷却部５０に特に制限はないが、例えば、内部に液体冷媒を供給することのできる冷却器である。

【0037】

ここで、図２を用いて、チャンバ１１の内部の圧力について説明する。図２は、チャンバ１１の内部空間におけるガスの流れを示す図である。

【0038】

図２では、チャンバ１１の内部の圧力がＰ（Ｐａ）となった状態で加工することを考える。この時、排気装置１４の排気速度をＳ（ｍ^３／ｓ）とすると、排気装置１４の排気量は、ＰＳ（Ｐａ・ｍ^３／ｓ）と表すことができる。また、チャンバ１１の内壁からの脱ガス量をＱ_Ｃ（Ｐａ・ｍ^３／ｓ）、溶接時に加工対象物Ｔから発生するガス量をＱ_Ｗ（Ｐａ・ｍ^３／ｓ）、レーザ照射ノズル３１に供給されたシールドガス量をＱ_ｇ（Ｐａ・ｍ^３／ｓ）、排気装置１４の到達圧力をＰ_０（Ｐａ）とする。この場合、各パラメータは、以下の関係式を満たす。
Ｑ_ｇ＝ＰＳ－（Ｑ_Ｃ＋Ｑ_Ｗ＋Ｐ_０Ｓ）・・・（１）

【0039】

式(１)に示すように、チャンバ１１の内部を所定の圧力Ｐ（Ｐａ）の状態の保持するためには、シールドガスの供給量Ｑ_ｇ（Ｐａ・ｍ^３／ｓ）が、以下の関係式を満たす必要がある。
Ｑ_ｇ≦ＰＳ－（Ｑ_Ｃ＋Ｑ_Ｗ＋Ｐ_０Ｓ）・・・（２）

【0040】

具体的には、シールドガスの供給量Ｑ_ｇ（Ｐａ・ｍ^３／ｓ）が多いほど、レーザ照射ノズル３１に侵入した蒸発物質の流れを中間流または粘性流に近づけることができる。これにより、蒸発物質の保護窓３３への付着を防止することができる。しかしながら、シールドガスの供給量Ｑ_ｇ（Ｐａ・ｍ^３／ｓ）が多くなると、チャンバ１１の内部の圧力が高くなってしまう。本実施形態では、制御装置１６はシールドガスの供給量Ｑ_ｇ（Ｐａ・ｍ^３／ｓ）を制御するために、図示しない圧力計などによってチャンバ１１の内部の圧力を取得する。そして、制御装置１６は、取得した圧力の値をフィードバックし、式(２)に従って、流量調整器１３２を制御することで、シールドガスの供給量Ｑ_ｇ（Ｐａ・ｍ^３／ｓ）を制御する。すなわち、制御装置１６は、チャンバ１１の圧力を真空に保持したまま、シールドガスの供給量Ｑ_ｇ（Ｐａ・ｍ^３／ｓ）を適切に調整することができる。

【0041】

[第１実施形態]
図３を用いて、第１実施形態に係るレーザ加工装置のレーザヘッドの構成について詳細に説明する。図３は、第１実施形態に係るレーザ加工装置のレーザヘッドの断面の構成の一例を示す図である。

【0042】

図３に示すように、レーザ照射ノズル３１の内部には、集光レンズ３２と、集光レンズ３２よりもレーザ光Ｌの照射方向の下流側に保護窓３３とが設けられている。そして、保護窓３３の近傍にシールドガス供給配管２２が接続されており、シールドガスが供給される。なお、シールドガス供給配管２２は、レーザ照射ノズル３１の外形に沿って、複数設けられていてもよい。また、レーザ照射ノズル３１の内部において、保護窓３３よりもレーザ光Ｌの照射方向の下流側において、第１コンダクタンス板４１と、第２コンダクタンス板４２と、第３コンダクタンス板４３と、第４コンダクタンス板４４とを備える。また、レーザ照射ノズル３１は、少なくとも第１コンダクタンス板４１～第４コンダクタンス板４４と、第１コンダクタンス板４１～第４コンダクタンス板４４が設けられている領域においてレーザ照射ノズル３１とを冷却するための冷却部５０を備えている。

【0043】

本実施形態では、第１コンダクタンス板４１～第４コンダクタンス板４４は、レーザ照射ノズル３１の内面に沿って設けられ、穴径ｄ（ｍ）を有する円環状の部品である。また、第１コンダクタンス板４１～第４コンダクタンス板４４は、同一の形状を有している。第１コンダクタンス板４１～第４コンダクタンス板４４を内部に設けることによって、レーザ照射ノズル３１の内部空間を流れる蒸発物質の状態を分子流から中間流または粘性流に調整することができる。なお、本実施形態では、４枚のコンダクタンス板を備えているが、これは例示であり、本発明を限定するものではない。

【0044】

ここで、レーザ照射ノズル３１の内径Ｄ(ｍ)と、各コンダクタンス板の穴径との関係について説明する。レーザ照射ノズル３１の内部にＮ(Ｎは１以上の整数)枚のコンダクタンス板が設けられ、第Ｎコンダクタンス板の穴径がｄ_Ｎ(ｍ)である場合、そのコンダクタンス板のコンダクタンスＣ_Ｎ（ｍ^３／ｓ）は、以下の関係式を満たす。
Ｃ_Ｎ＝１１６・（π・(ｄ_Ｎ/２)^２）／[１－｛（π・（ｄ_Ｎ/２）^２）／（π・（Ｄ／２）^２）｝] ・・・(３)

【0045】

Ｎ枚のコンダクタンス板の総コンダクタンスＣ（ｍ^３／ｓ）は以下の関係式で算出することができる。
Ｃ＝１／｛（１／Ｃ_１）＋(１／Ｃ_２)＋・・・＋(１／Ｃ_Ｎ)｝・・・（４）

【0046】

この場合、レーザ照射ノズル３１の内径Ｄ(ｍ)は以下の関係式を満たす。
Ｄ＞２．１・１０^－２／｛（１０／Ｃ）＋１００｝・・・（５）

【0047】

図４に示すように、レーザ照射ノズル３１の内部空間における分子の状態はクヌーセン数Ｋによって求めることができる。クヌーセン数Ｋは、分子の平均自由工程をλ（ｍ）、レーザ照射ノズル３１の管径をＤ(ｍ)とした場合に、λ／Ｄで定義される値である。クヌーセン数が、Ｋ＜０．０１の場合、レーザ照射ノズル３１の内部空間における蒸発物質は粘性流となる。クヌーセン数が、０．０１＜Ｋ＜０．３の場合、レーザ照射ノズル３１の内部空間における蒸発物質は中間流となる。クヌーセン数が、Ｋ＞０．３の場合、レーザ照射ノズル３１の内部空間における蒸発物質は分子流となる。すなわち、レーザ照射ノズル３１の外形に基づいて、クヌーセン数がＫ＜０．３となるように第１コンダクタンス板４１～第４コンダクタンス板４４の穴径を設計することによって、レーザ照射ノズル３１の内部空間における蒸発物質の状態を分子流から中間流または粘性流に制御することができる。

【0048】

具体的には、下記の式（６）の関係を満たす時に、蒸発物質の状態は中間流または粘性流となる。
Ｄ＝λ／Ｋ＞λ／０．３（≒３．３λ）・・・（６）
レーザ照射ノズル３１における平均自由工程λ（ｍ）は、気体定数をＲ、絶対温度をＴ（Ｋ）、アボガドロ定数をＮ_Ａ、シールドガスの分子の直径をσ（ｍ）、レーザ照射ノズル３１の内部空間の圧力をＰ_ｇ（Ｐａ）とした場合、以下の関係式を満たす。
λ＝Ｒ・Ｔ／√２・Ｎ_Ａ・π・σ^２・Ｐ_ｇ・・・（７）

【0049】

ここで、シールドガスの供給量をＱ_ｇ（Ｐａ・ｍ^３／ｓ）、レーザ照射ノズル３１の内部空間のコンダクタンスをＣ（ｍ^３／ｓ）、チャンバ内の圧力をＰ_０（Ｐａ）とした場合、レーザ照射ノズル３１の内部空間の圧力Ｐ_ｇ（Ｐａ）は、以下の関係式を満たす。
Ｐ_ｇ＝（Ｑ_ｇ／Ｃ）＋Ｐ_０・・・（８）

【0050】

そして、Ｒ≒８．３１（ＪＫ^－１ｍｏｌ^－１）、Ｔ＝２９８（Ｋ）、Ｎ_Ａ≒６．０２・１０^２３（ｍｏｌ^－1）、σ≒３．８・１０^－１０（ｍ）（シールドガスが窒素の場合）、Ｑ_ｇ＝１０（ｍ^３／ｓ）、Ｐ_０＝１００（Ｐａ）を式（６）と、式（７）と、式（８）とに代入することによって、式（５）を算出することができる。

【0051】

再び図３を参照する。冷却部５０は、例えば、少なくとも第１コンダクタンス板４１～第４コンダクタンス板４４を含む領域でレーザ照射ノズル３１を冷却する。

【0052】

図５を用いて、冷却部５０について説明する。図５は、冷却部５０の構成の一例を示す模式図である。図５に示すように、冷却部５０は、例えば、レーザ照射ノズル３１の外周に巻き付けられ、液体冷媒が供給される液体流路である。蒸発物質は気体なので、レーザ照射ノズル３１の内面や、第１コンダクタンス板４１～第４コンダクタンス板４４に衝突すると冷却され、固体化する。このため、蒸発物質は、レーザ照射ノズル３１の内面や、第１コンダクタンス板４１～第４コンダクタンス板４４に付着しやすくなる。これにより、蒸発物質の、レーザ照射ノズル３１の上流領域への侵入が防止されるので、蒸発物質の保護窓への付着が防止される。なお、冷却部５０は、レーザ照射ノズル３１の全体にわたって設けられており、レーザ照射ノズル３１の全体を冷却してもよい。

【0053】

次に、図６を用いて、コンダクタンス板の変形例について説明する。図６は、コンダクタンス板の変形例を示す模式図である。

【0054】

図３に図示した、第１コンダクタンス板４１～第４コンダクタンス板４４は、それぞれ、同一の形状を有している。ここで、レーザ光Ｌは、集光レンズ３２によって加工対象物Ｔの位置に焦点を持つように集光されるので、レーザ照射ノズル３１の先端に行くに従って径が細くなる。したがって、レーザ光Ｌの径の大きさに従って、第１コンダクタンス板４１～第４コンダクタンス板４４のそれぞれの穴径を小さく形成することができる。

【0055】

図６に示すように、第１コンダクタンス板４１Ａの穴径はｄ_１（ｍ）である。第２コンダクタンス板４２Ａの穴径はｄ_２（ｍ）である。第３コンダクタンス板４３Ａの穴径はｄ_３（ｍ）である。第４コンダクタンス板４４Ａの穴径はｄ_４（ｍ）である。この場合、ｄ_４＜ｄ_３＜ｄ_２＜ｄ_１となるように形成されている。これにより、蒸発物質のレーザ照射ノズル３１への侵入が物理的に抑制されるので、レーザ照射ノズル３１の内部に侵入する蒸発物質の量が少なくなり、保護窓への蒸発物質の付着がより抑制される。なお、本実施形態では、各コンダクタンス板が円環状の板であるものとして説明したが、これは例示であり、本発明を限定するものではない。各コンダクタンス板は、例えば、断面がＴ字形状の板であってもよい。

【0056】

上述のとおり、本実施形態では、レーザ照射ノズル３１の内部空間にコンダクタンス板を設けることによって、レーザ照射ノズル３１の内部空間の圧力を高めることができる。これにより、本実施形態は、保護窓３３への蒸発物質の付着を抑制することができる。

【0057】

また、本実施形態では、レーザ照射ノズル３１の内部空間に設けられたコンダクタンス板を冷却することによって、コンダクタンス板に蒸発物質を付着させることができる。これにより、本実施形態は、保護窓３３への蒸発物質の付着をより抑制することができる。

【0058】

また、本実施形態では、レーザ照射ノズル３１の先端に向かうに従って、コンダクタンス板の穴径を小さくすることによって、蒸発物質のレーザ照射ノズル３１への侵入を物理的に抑制することができる。これにより、本実施形態は、保護窓３３への蒸発物質の付着をより抑制することができる。

【0059】

[第２実施形態]
図７を用いて、第２実施形態に係るレーザ加工装置のレーザヘッドの構成について詳細に説明する。図７は、第２実施形態に係るレーザ加工装置のレーザヘッドの断面の構成の一例を示す図である。第２実施形態に係るレーザヘッド３０Ａには、レーザ照射ノズル３１の内部空間の圧力を排気するノズル排気装置６０が設けられている点で第１実施形態と異なっている。

【0060】

図７に示すように、レーザ照射ノズル３１には、ノズル排気配管６１を介して、ノズル排気装置６０が接続されている。ノズル排気装置６０は、ノズル排気配管６１を介さずに、レーザ照射ノズル３１に直接取り付けられていてもよい。ノズル排気装置６０は、レーザ照射ノズル３１の内部空間の噴射されたシールドガスをチャンバ１１の外部に排気する。ここで、ノズル排気装置６０の排気量を、Ｑ_ｎ（Ｐａ・ｍ^３／Ｓ）であるとする。この場合、チャンバ１１の内部を所定の圧力Ｐの状態の保持するために必要であった、シールドガスの供給量Ｑ_ｇ（Ｐａ・ｍ^３／Ｓ）の関係式は以下のように変更される。
Ｑ_ｇ≦（ＰＳ＋Ｑ_ｎ）－（Ｑ_Ｃ＋Ｑ_Ｗ＋Ｐ_０Ｓ）・・・（９）

【0061】

上述の式(９)に示されるように、第２実施形態では、ノズル排気装置６０の排気量だけ、シールドガスの供給量を増加させることができる。

【0062】

上述のとおり、本実施形態では、レーザ照射ノズル３１にノズル排気装置６０を設けたことによって、レーザ照射ノズル３１の内部空間に噴射するシールドガスの供給量を増加させることができる。これにより、本実施形態は、レーザ照射ノズル３１の内部空間における蒸発物質の流れを中間流または粘性流に近づけることができるので、保護窓３３への蒸発物質の付着をより防止することができる。

【0063】

[第３実施形態]
図８を用いて、第３実施形態に係るレーザ加工装置のレーザヘッドの構成について詳細に説明する。図８は、第３実施形態に係るレーザ加工装置のレーザヘッドの断面の構成の一例を示す図である。第３実施形態に係るレーザヘッド３０Ｂには、冷却部５０が設けられていない点と、コンダクタンス板で圧力を制御しない点とで第２実施形態と異なっている。

【0064】

図８に示すように、レーザ照射ノズル３１には、ノズル排気配管６１を介して、ノズル排気装置６０が接続されている。レーザ照射ノズル３１の内部空間には、第１コンダクタンス板４１と、第２コンダクタンス板４２とが設けられている。

【0065】

第１コンダクタンス板４１と、第２コンダクタンス板４２とは、レーザ照射ノズル３１において、ノズル排気装置６０がガスを排気するための空間を区画している。この場合、ノズル排気装置６０は、第１コンダクタンス板４１と、第２コンダクタンス板４２とによって区画された空間におけるシールドガスを外部に排出する。すなわち、ノズル排気装置６０の排気量だけ、シールドガスの供給量を増加させることができる。なお、レーザ照射ノズル３１の内部空間において、保護窓３３よりもレーザ光Ｌの照射方向の下流側に複数のコンダクタンス板が設けられていてもよい。

【0066】

上述のとおり、本実施形態では、レーザ照射ノズル３１にノズル排気装置６０を設けたことによって、レーザ照射ノズル３１の内部空間に噴射するシールドガスの供給量を増加させることができる。これにより、本実施形態は、レーザ照射ノズル３１の内部空間における蒸発物質の流れを中間流または粘性流に近づけることができるので、保護窓３３への蒸発物質の付着をより防止することができる。

【符号の説明】

【0067】

１０ レーザ加工装置
１１ チャンバ
１２ レーザ発振器
１３ シールドガス噴射装置
１４ 排気装置
１５ 移動機構
１６ 制御装置
２１ 光ファイバケーブル
２２ シールドガス供給配管
３０ レーザヘッド
３１ レーザ照射ノズル
３２ 集光レンズ
３３ 保護窓
４０ コンダクタンス板
４１，４１Ａ 第１コンダクタンス板
４２，４２Ａ 第２コンダクタンス板
４３，４３Ａ 第３コンダクタンス板
４４，４４Ａ 第４コンダクタンス板
５０ 冷却部
６０ ノズル排気装置
６１ ノズル排気配管
Ｌ レーザ光
Ｔ 加工対象物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】