(57)【要約】【課題】開いた系に設置された対象物表面を臨界圧力以下に減圧して吸引することができる吸引方法および吸引装置並びにこれらを用いたレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することを目的とする。【解決手段】開いた系に設置された対象物３１と吸引口２との間を所定の作動距離だけ離した状態において、吸引口２と連通する減圧室１内部の圧力を吸引口２から吸い込む気体の速度が臨界状態となる臨界圧力以下となるように設定し、対象物３１に向けて気体を噴出する噴出口３における気体の噴出速度が噴出口３から噴出する気体の音速で除した値であるマッハ数で０．２より大きくなるように設定し、噴出口３より気体を噴出するとともに吸引口２により気体を吸引して対象物３１表面と吸引口２との間に吸引口２を囲むように旋回流を形成することで、吸引口２から対象物３１表面までの前記旋回流の中心領域の圧力を臨界圧力以下に減圧して吸引する。【選択図】図１
2015188779.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開いた系に設置された対象物と所定の作動距離だけ離れた状態に配置された吸引口と連通する減圧室を減圧して当該吸引口より気体を吸引することで対象物表面の所定範囲を減圧する吸引方法において、前記減圧室内部の圧力を前記吸引口から吸い込む気体の速度が臨界状態となる臨界圧力以下となるように設定し、前記対象物に向けて気体を噴出する噴出口における気体の噴出速度が当該噴出口から噴出する気体の定常かつ静止状態時の音速で除した値であるマッハ数で０．２より大きくなるように設定し、前記噴出口より気体を噴出するとともに前記吸引口により気体を吸引して前記対象物表面と前記吸引口との間に前記吸引口を囲むように旋回流を形成することで、前記吸引口から前記対象物表面までの前記旋回流の中心領域の圧力を前記臨界圧力以下に減圧して吸引することを特徴とする吸引方法。
【請求項２】
前記作動距離Ｗｄは、前記吸引口の形状を円として近似した場合に面積が等価となる直径である等価円直径Ｄ、前記噴出口が形成する面の面積Ａｉｎを用いて、
【数１】
2015188779.tif 000023
を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の吸引方法。
【請求項３】
前記噴出口は、前記吸引口が形成する面の中心における接平面である基準面に前記吸引口および前記噴出口を投影した際に、前記吸引口の形状を円として近似した場合に面積が等価となる直径である等価円直径Ｄ、前記吸引口と前記噴出口の中心間距離ｒ、前記噴出口の中心及び前記吸引口の中心を結んだ直線と前記噴出口から噴出する気体の速度ベクトルとがなす角度θｈを用いて、下記の２式
【数２】
2015188779.tif 000024
【数３】
2015188779.tif 000025
を両方満たすように、前記吸引口に対して配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の吸引方法。
【請求項４】
レーザ光の照射により対象物を加工するレーザ加工方法において、請求項１から３のいずれかに記載の吸引方法によりレーザ加工領域を吸引して、レーザ光照射により生じる副次物を除去又は回収することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項５】
開いた系に設置された対象物と所定の作動距離だけ離れた状態に配置された吸引口と連通する減圧室を減圧することで吸引口を通して気体を減圧室内部に吸引する吸引手段と、気体の流量を調整する流量調整手段を有し噴出口から前記対象物に向けて気体を高速に噴出する噴出手段とを備え、前記吸引手段により前記減圧室内部の圧力を前記吸引口から吸い込む気体の速度が臨界状態となる臨界圧力以下となるように設定するとともに前記噴出手段により前記噴出口から噴出する気体の速度を当該気体の定常かつ静止状態時の音速で除した値であるマッハ数で０．２より大きくなるように設定して、前記対象物表面と前記吸引口との間に前記吸引口を囲むように旋回流を形成することで、前記吸引口から前記対象物表面までの前記旋回流の中心領域の圧力を臨界圧力以下に減圧して吸引することを特徴とする吸引装置。
【請求項６】
前記作動距離を調整する作動距離調整手段を備えていることを特徴とする請求項５に記載の吸引装置。
【請求項７】
前記作動距離Ｗｄは、前記吸引口の形状を円として近似した場合に面積が等価となる直径である等価円直径Ｄ、前記噴出口が形成する面の面積Ａｉｎを用いて、
【数１】
2015188779.tif 000026
を満たすように設定されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の吸引装置。
【請求項８】
前記吸引手段は、前記吸引口から吸い込む気体の速度が臨界状態となる臨界圧力以下の到達圧力を有し、かつ排気流量ｑｍ０が、定常かつ静止状態にある前記気体の物性値である比熱比ｋ、密度ρ０、音速ａおよび前記吸引口が形成する面の面積Ａｏｕｔを用いて、
【数４】
2015188779.tif 000027
を満たす排気機構を有することを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の吸引装置。
【請求項９】
前記噴出手段は、前記吸引口が形成する面の中心における接平面である基準面に前記吸引口および前記噴出口を投影した際に、前記吸引口の形状を円として近似した場合に面積が等価となる直径である等価円直径Ｄ、前記吸引口と前記噴出口の中心間距離ｒ、前記噴出口の中心及び前記吸引口の中心を結んだ直線と前記噴出口から噴出する気体の速度ベクトルとがなす角度θｈを用いて、下記の２式
【数２】
2015188779.tif 000028
【数３】
2015188779.tif 000029
を両方満たすように、前記噴出口を前記吸引口に対して配置していることを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の吸引装置。
【請求項１０】
レーザ光の照射により対象物を加工するレーザ加工装置において、請求項５から９のいずれかに記載の吸引装置を備えており、前記吸引装置によりレーザ加工領域を吸引して、レーザ光照射により生じる副次物を除去又は回収することを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気圧開放下での吸引方法と吸引装置に関し、また前記吸引方法又は前記吸引装置を用いてレーザ加工時に発生する副次物を除去又は回収するレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
吸引装置の吸引口が大気開放している系において、吸引装置系内を減圧装置により減圧する際に、吸引装置系内の圧力が所定の圧力を超えて下がった場合に、吸引口を通過する気体の速度が臨界状態に達するため、吸引口における圧力はそれ以上低くならないことが知られており、臨界状態になっているときの吸引口の圧力を臨界圧力という。吸引口の圧力は、特に明記しない限り、吸引口中心での圧力を示すこととする。等エントロピー流れにおいて前記臨界圧力は、気体の比熱比と大気の圧力により定まり、大気圧を１０１３ｈＰａとした場合に、大気中での臨界圧力は、５３５ｈＰａとなる。
【０００３】
吸引対象物を吸引口に近づけて吸引する従来の吸引装置において、吸引口の圧力が臨界圧力以下にならないため吸引力に限界があり、またもう一つの構造上の問題として、吸引口から気体を吸い込む際に、吸引箇所となる吸引対象物表面上に流速がゼロとなるよどみ点が発生し、よどみ点では圧力が大気圧近傍まで上昇するため、吸引力が乏しくなる。このため、一般的な吸引方法である吸引口より気体を吸引し対象物表面を吸引する方法では、高い減圧効果を得ることはできず、吸引力に限界がある。
【０００４】
一方で、前記の吸引方法を利用した吸引装置は工業上広く使用されている。例えば、電気掃除機に代表されるようなホコリやゴミの吸引、電子部品および電気部品の組立工程における付着微粒子や異物の吸引、ペットボトルなどの飲食容器製造過程における異物の吸引、切削や研削等の機械加工時に発生する切り屑や粉塵の吸引がある。しかし、前記吸引装置は前記のような臨界圧力およびよどみ点の理由から吸引力に限界がある。
【０００５】
このため、吸引効果をより高めるために、特許文献１および特許文献２に渦気流を用いる吸引装置が提案されている。吸引対象物の表面に渦気流を形成することで、課題の１つであるよどみ点をなくすことができる。特許文献１ではインペラ羽の回転、特許文献２では吸引ノズル内周面に対する気体の噴出により、渦気流を形成し、渦中心の減圧効果を利用し、吸引効果を高めている。しかし、特許文献１により吸引口の圧力を臨界圧力以下にするためには、インペラ羽の回転を音速まで加速する必要があるが、実現することは構造的に難しい。特許文献２のように気体の噴出のみにより渦気流を形成する場合に、吸引口の圧力を臨界圧力以下にするような高速な旋回流を形成することは難しい。
【０００６】
レーザ加工の分野においても、穴あけおよび切断加工の際に、レーザ光の照射に伴い、金属材料の場合にはスパッタなどの溶融金属粒子、ヒュームと呼ばれる金属蒸気およびデブリと呼ばれる細かい金属粒子が発生し、樹脂材料の場合には煤、煙、燃焼ガスが発生することが課題となっている。レーザ除染においては、レーザ照射により飛散する放射性廃棄物を回収する必要がある。なお、これらのレーザ照射によりレーザ照射部から生じる飛散物を、以下、副次物という。副次物は加工品質を低下させる要因となっており、以下に示すような吸引装置を使用して副次物を除去する手法が提案されている。
【０００７】
特許文献３により、レーザ加工領域近傍にブローノズルと吸引ダクトを設置し、流体の噴出と吸引を同時に行うことで、副次物が加工対象物に付着することを防止する装置が提案されている。
【０００８】
また、特許文献４により、局所排気機能を設けることでレーザ光照射面を減圧雰囲気とし、レーザ光を照射することで、加工エネルギーの低減、並びに副次物の除去及び回収を図る装置が提案されている。
【０００９】
しかし、上記２つの発明にかかる装置は、液晶パネルやフラットパネルディスプレイ等の平板を加工対象物として考えられたものであり、表面凹凸の大きい形状物に適用した場合に、特許文献３の装置では表面凹凸に流れが遮られるため副次物の除去が困難であり、特許文献４の装置はレーザ加工機の底部と加工対象物の照射面との距離を短く保つ必要があり、加工面の段差が大きい場合に副次物の吸い出し効果が小さくなり、加工断面への副次物の再付着を防止できない。
【００１０】
特許文献５および特許文献６により、旋回流（螺旋状の流れ場および渦気流）の作用によりレーザ加工によって発生した副次物を除去する装置が提案されている。当該発明における旋回流の発生方法は、旋回流となるようガイドとして溝を設置する手法を用いているが、この手法は溝壁面近傍の境界層による粘性の効果により、流れ場に旋回方向の力を与え旋回流を形成するものである。旋回流による減圧および吸引効果をより高めるためには、旋回流の旋回速度を高速化させる必要があるが、流れの速度が速くなると、壁面近傍の境界層が薄くなるため粘性の効果が弱まり、慣性支配の流れ場となるため、旋回流を形成することが難しくなる。このため、特許文献５および特許文献６の装置により形成される旋回流の減圧および吸引効果は限定的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特表２００３−５１４１７７
【００１２】
【特許文献２】特開２００１−９６２３３
【００１３】
【特許文献３】特開平１０−９９９７８
【００１４】
【特許文献４】特開２００８−１１４２５２
【００１５】
【特許文献５】特開２００４−３３７９４７
【００１６】
【特許文献６】特開２００７−７７２４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、開いた系に設置された対象物表面の所定範囲を臨界圧力以下に減圧して、表面に生じる飛散物を吸引して回収することができる吸引方法及び吸引装置並びにこれらを用いたレーザ加工装置およびレーザ加工方法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】
【００１８】
本発明は、開いた系に設置された対象物と所定の作動距離だけ離れた状態に配置された吸引口と連通する減圧室を減圧して当該吸引口より気体を吸引することで対象物表面の所定範囲を減圧する吸引方法において、前記減圧室内部の圧力を前記吸引口から吸い込む気体の速度が臨界状態となる臨界圧力以下となるように設定し、前記対象物に向けて気体を噴出する噴出口における気体の噴出速度が当該噴出口から噴出する気体の定常かつ静止状態時の音速で除した値であるマッハ数で０．２より大きくなるように設定し、前記噴出口より気体を噴出するとともに前記吸引口により気体を吸引して前記対象物表面と前記吸引口との間に前記吸引口を囲むように旋回流を形成することで、前記吸引口から前記対象物表面までの前記旋回流の中心領域の圧力を前記臨界圧力以下に減圧して吸引することを特徴とする吸引方法。さらに、前記作動距離Ｗｄは、前記吸引口の形状を円として近似した場合に面積が等価となる直径である等価円直径Ｄ、前記噴出口が形成する面の面積Ａｉｎを用いて、
【数１】
2015188779.tif 000003
を満たすように設定されていることを特徴とする。さらに、前記噴出口は、前記吸引口が形成する面の中心における接平面である基準面に前記吸引口および前記噴出口を投影した際に、前記吸引口の形状を円として近似した場合に面積が等価となる直径である等価円直径Ｄ、前記吸引口と前記噴出口の中心間距離ｒ、前記噴出口の中心及び前記吸引口の中心を結んだ直線と前記噴出口から噴出する気体の速度ベクトルとがなす角度θｈを用いて、下記の２式
【数２】
2015188779.tif 000004
【数３】
2015188779.tif 000005
を両方満たすように、前記吸引口に対して配置されていることを特徴とする。さらに、レーザ光の照射により対象物を加工するレーザ加工方法において、本発明の吸引方法によりレーザ加工領域を吸引して、レーザ光照射により生じる副次物を除去又は回収することを特徴とする。
【００１９】
また、開いた系に設置された対象物と所定の作動距離だけ離れた状態に配置された吸引口と連通する減圧室を減圧することで吸引口を通して気体を減圧室内部に吸引する吸引手段と、気体の流量を調整する流量調整手段を有し噴出口から前記対象物に向けて気体を高速に噴出する噴出手段とを備え、前記吸引手段により前記減圧室内部の圧力を前記吸引口から吸い込む気体の速度が臨界状態となる臨界圧力以下となるように設定するとともに前記噴出手段により前記噴出口から噴出する気体の速度を当該気体の定常かつ静止状態時の音速で除した値であるマッハ数で０．２より大きくなるように設定して、前記対象物表面と前記吸引口との間に前記吸引口を囲むように旋回流を形成することで、前記吸引口から前記対象物表面までの前記旋回流の中心領域の圧力を臨界圧力以下に減圧して吸引することを特徴とする。さらに、前記作動距離を調整する作動距離調整手段を備えていることを特徴とする。さらに、前記作動距離Ｗｄは、前記吸引口の形状を円として近似した場合に面積が等価となる直径である等価円直径Ｄ、前記噴出口が形成する面の面積Ａｉｎを用いて、
【数１】
2015188779.tif 000006
を満たすように設定されていることを特徴とする。さらに、前記吸引手段は、前記吸引口から吸い込む気体の速度が臨界状態となる臨界圧力以下の到達圧力を有し、かつ排気流量ｑｍ０が、定常かつ静止状態にある前記気体の物性値である比熱比ｋ、密度ρ０、音速ａおよび前記吸引口が形成する面の面積Ａｏｕｔを用いて、
【数４】
2015188779.tif 000007
を満たす排気機構を有することを特徴とする。さらに、前記噴出手段は、前記吸引口が形成する面の中心における接平面である基準面に前記吸引口および前記噴出口を投影した際に、前記吸引口の形状を円として近似した場合に面積が等価となる直径である等価円直径Ｄ、前記吸引口と前記噴出口の中心間距離ｒ、前記噴出口の中心及び前記吸引口の中心を結んだ直線と前記噴出口から噴出する気体の速度ベクトルとがなす角度θｈを用いて、下記の２式
【数２】
2015188779.tif 000008
【数３】
2015188779.tif 000009
を両方満たすように、前記噴出口を前記吸引口に対して配置していることを特徴とする。さらに、レーザ光の照射により対象物を加工するレーザ加工装置において、本発明の吸引装置を備えており、前記吸引装置によりレーザ加工領域を吸引して、レーザ光照射により生じる副次物を除去又は回収することを特徴とする
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、上記のような構成を備えることで、対象物が大気中にある場合においても、チャンバー内に移すことなく、簡便な方法および装置により対象箇所を臨界圧力以下に減圧し、吸引することが可能となる。また、本発明により固体および液体の吸引物を吸引し回収することが可能であり、高い回収率が得られる。また、従来の吸引装置よりも減圧効果が高いため、従来よりも吸引物の吸引速度を高速化することができる。
【００２１】
レーザ加工において、レーザ照射部を減圧することで、副次物の除去又は回収が可能となり、副次物の再付着のない高品質な加工面が得られる。また、レーザ照射領域から副次物を速やかに除去することで、プラズマやヒューム等の副次物がレーザ光を遮断することを抑制し、加工効率の低下を防止することができる。
【００２２】
また、レーザ加工において、加工対象物が大気中にある場合においても、圧縮空気および窒素およびアルゴンガス等の不燃性ガスの噴出により高速旋回流を形成することにより、レーザ照射部の酸素分圧を減圧することが可能となり（見かけ上の酸素濃度を下げることにより）、レーザ照射による燃焼の発生を抑制できる。  
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る吸引装置を実施する装置例に関する斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面における縦断面構成図である。
【図３】平行基準面に吸引口２および噴出口３を投影した直交座標系である。
【図４】本発明に係るレーザ加工装置を実施する装置例に関する概略構成図である。
【図５】実施例１におけるモデルＡの減圧効果を測定した結果図である。
【図６】実施例１におけるモデルＢの減圧効果を測定した結果図である。
【図７】実施例１におけるモデルＡの酸素分圧の減圧効果を測定した結果図である。
【図８】実施例１におけるモデルＢの酸素分圧の減圧効果を測定した結果図である。
【図９】実施例３における吸引口周辺の流れ場を可視化した図である。
【図１０】実施例４における本発明を使用しない場合のレーザ切断面のＳＥＭ像である。
【図１１】実施例４における本発明によるレーザ切断面のＳＥＭ像である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明による実施形態を説明する。以下の装置構成は本発明の具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。また、以下の装置構成は、その技術分野の当事者であれば、本発明の様々な変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００２５】
図１は、本発明に係る吸引装置の実施形態に関する斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面における縦断面構成図である。吸引装置１００は、吸引口２を通して気体を前記吸引装置１００内部に吸引する吸引手段１０と、噴出口３から気体を高速に噴出する噴出手段２０、および前記吸引口２と吸引対象となる対象物３１の作動距離Ｗｄを調整する作動距離調整手段３０を備えている。対象物３１は、開いた系に設置されている。この例では、開いた系は、大気圧に設定されている。なお、大気圧とは異なる気圧に設定されている開いた系において本発明を用いることも可能である。ここで、例えば真空チャンバー内は大気から遮断された閉じた系であるのに対し、前記開いた系は大気に開放されている系を示す。
【００２６】
また、この例では吸引対象となる箇所を明確にするために、対象物３１の表面に穿孔された穴部３２が形成されているが、穴部の形成は本発明を限定するものではない。また、図１において吸引口と噴出口は一体となっているが、設置位置や噴出角度を調整しやすい様に噴出口を吸引口と別体とする構造も可能であり、図１は実施の一形態であり、本発明を限定するものではない。
【００２７】
吸引口２は大気と減圧室１を通じる開口であり、本発明装置と大気の境界に位置する面であり、気体が減圧室１に流入する際の入口面となり、本発明装置における流路の最も端の面となる。以下、本発明装置における流れの入口面となる吸引口２が形成する面の面積をＡｏｕｔ［ｍ２］として表す。図１において、吸引口２の個数を１としているが、複数設置することも可能であり、吸引口２が複数ある場合は、総合した面積をＡｏｕｔ［ｍ２］とする。例えば、吸引口２を複数設置し、それぞれ隣接して配置する際には、複数の吸引口２をまとめて１つとみなし、総合した面積をＡｏｕｔ［ｍ２］とする。吸引口２から始まる流路における流れ方向に直交する断面の大きさは、吸引口２で流速が最も速くなるように、吸引口２における断面積が最小となるように設定することが望ましい。吸引口２に、例えば絞りの様な吸引口２が形成する面の面積Ａｏｕｔ［ｍ２］を可変とする機構を付加することも可能である。
【００２８】
本発明は、吸引口２の周辺に旋回流を形成することを特徴としており、その実施形態について主に説明しているが、別途、吸引口からの気体の吸引により減圧室１の内部流れとして噴流や旋回流を形成することも可能である。本実施形態における吸引口２は吸引口２の周辺に旋回流を形成するために設置するものであり、減圧室１の内部流れの形成を目的とした吸引口は特に明記しない限り含めないこととするが、後述の式（１）および式（２）に関しては例外とする。
【００２９】
吸引手段１０が動作していない状態における吸引口２の圧力は大気圧であり、減圧室１の圧力が低下するに従い、吸引口２の圧力も低下する。
【００３０】
減圧室１は、吸引口２を通して気体を前記吸引装置１００内部に吸引するために設置するもので、前記吸引装置１００内部に設置する。減圧室１が吸引手段１０により減圧されることで、吸引口２において吸引方向に圧力勾配が発生する。減圧室１の大きさは、吸引方向に直交する断面積が吸引口２が形成する面の面積Ａｏｕｔ［ｍ２］より大きいことが望ましい。減圧室１は吸引口２に至る流路を含むこととし、前記吸引装置１００内部に流路のみ設置する場合は、前記流路を減圧室１とする。吸引方向は、吸引手段１０における流路の中心を必ず通るように繋いだ線の接線方向で、吸引口２を始点とする。
【００３１】
吸引手段１０として、排気機構１１を動作させることで、気体を吸引口２から減圧室１の内部に吸込み、前記吸引装置１００の外部に排気する。吸引手段１０は、吸引口２から吸引した固体および液体の吸引物を捕集し、排気機構１１への前記吸引物の流入を防止する集塵機構１２を備える。集塵機構１２の設置においては、集塵機構１２による圧力損失を考慮し、吸引口２が臨界圧力に達することができるように集塵機構１２を選定する必要がある。図２において減圧室１から排気機構１１までの流路内に設置しているが、例えば減圧室１を内部に形成される旋回流を利用した遠心力型集塵器とするなど、集塵機構１２を減圧室１と一体とすることも可能であり、集塵機構１２の設置箇所について制限しない。
【００３２】
集塵機構１２への捕集対象として、例えば、前記吸引領域において対象物３１の表面に存在する埃や異物又は対象物３１を切削、研削、レーザ加工をした際に生じる加工屑などがある。捕集対象は固体に限らず、対象物３１の表面に付着する液体を捕集することができる。液体の別の吸引例として、対象物３１の穴部３２を貫通穴とし、前記貫通穴に配管を接続することで、配管内を流れる液体を穴部３２を通して吸引することができる。気体に関しては対象物３１から発生する気体を吸引口２から吸引することができる。
【００３３】
噴出手段２０を動作させる前の状態において、排気機構１１により減圧室１の圧力が低下、吸引口２の圧力が臨界圧力に達し、吸引口２における流速が臨界状態となっている状態を閉塞した状態という。このとき、吸引口２の質量流量が最大となることから、減圧室１の圧力が臨界圧力以下となっても吸引口２の圧力は臨界圧力より低くならない。
【００３４】
噴出手段２０を動作させる前の状態において、吸引口２が閉塞した状態での最大となる質量流量ｑｍ［ｋｇ／ｓ］は、等エントロピー流れとした場合に式（１）で与えられることが知られている（参考文献：流体力学の基礎（２）、中村功一、伊藤基之、鬼頭修己共著、コロナ社出版、２００２年９月２５日発行、ｐ．１２３）。ここで、気体の比熱比ｋ、気体の密度ρ０［ｋｇ／ｍ３］、気体の音速ａ［ｍ／ｓ］、吸引口２が形成する面の面積Ａｏｕｔ［ｍ２］とする。ここで、式（１）で用いる気体の物性値である比熱比、密度、音速は、流れの初期状態として大気圧中で静止かつ定常状態となっている時の値を用い、後述の式で使用する場合も同様とする。
【数５】
2015188779.tif 000010
【００３５】
排気機構１１の排気流量をｑｍ０［ｋｇ／ｓ］とすると、式（１）より吸引口２を閉塞した状態とするために、吸引口２が形成する面の面積Ａｏｕｔ［ｍ２］は式（２）の範囲を満たすことが望ましい。式（１）および式（２）におけるＡｏｕｔ［ｍ２］は、減圧室１に連通する全ての吸引口を対象とする。吸引口２が形成する面の面積が下記の範囲を満たさない場合では、吸引口２の圧力が臨界圧力に達することが困難となり、吸引口２が閉塞した状態とならない。このように、適用できる吸引口２が形成する面の大きさは使用する排気機構１１の排気流量に依存する。
【数６】
2015188779.tif 000011
【００３６】
減圧室１から排気機構１１までの気体の流路において、上記流路における流れ方向と直交する断面積が、上記流路全体の領域に関して吸引口２が形成する面の面積より大きいことが望ましい。減圧室１から排気機構１１に至るまでに吸引口２が形成する面積より小さい箇所が存在すると、減圧室１を臨界圧力まで減圧できない恐れがある。
【００３７】
吸引口２を閉塞した状態とするために、排気機構１１の到達圧力は、吸引口２における臨界圧力ｐｅ［Ｐａ］以下であることが望ましい。吸引口２の臨界圧力ｐｅは、等エントロピー流れとした場合に大気圧ｐ０［Ｐａ］、気体の比熱比ｋにより式（３）で表される。大気中で使用する場合は、ｋ＝１．４、ｐ０＝１０１３［ｈＰａ］より、ｐｅ＝５３５［ｈＰａ］となる。前記の式（１）から式（３）で対象となる気体は、対象物３１が設置されている開いた系内を満たしている気体であり、この例では空気にあたる。
【数７】
2015188779.tif 000012
使用する排気機構１１の性能として、大気開放状態での連続運転が可能であり、到達圧力が式（３）より定まる臨界圧力以下であり、かつ排気流量が式（１）の示す値以上となることが望ましい。
【００３８】
噴出手段２０は、高圧貯気槽を備える気体導入機構２２から流量調整機構２１を介して噴出口３に気体を導入し、噴出口３から高速の気体を噴出させる。噴出口３の数は１つでも動作可能であるが、２つ以上あることが望ましい。本実施例では噴出口３の数は２つであるが、少ない数の噴出口の設置により本発明を実施した例であり、それ以上の数の噴出口を設置できることは明白である。
【００３９】
噴出口３は、噴出手段２０と大気の境界に位置し、噴出手段２０により気体が流出する際の出口となり、噴出手段２０における流路の最も端の面となる。以下、噴出手段２０における流れの出口面となる噴出口３が形成する面の面積をＡｉｎ［ｍ２］として表す。噴出口３が複数ある場合は、総合した面積をＡｉｎ［ｍ２］とし、以下も同様とする。噴出口３の形状については本発明において制限せず、噴出口３が複数ある場合においても同様であり、それぞれの大きさや形状が異なる場合も本発明の範囲に含まれる。また、噴出口３に、例えば絞りの様な噴出口３が形成する面の面積を可変とする面積可変機構を付加することも可能であり、その場合に前記面積可変機構は流量調整機構２１に該当する。
【００４０】
吸引口２および噴出口３が形成する面の面積はそれぞれ吸引口２の吸引流量および噴出口３の噴出流量に依存する。吸引口２の吸引流量に対する噴出口３の噴出流量の割合が小さいと、吸引口２周りの流れ場に対して旋回方向の速度成分を充分に与えられないため、旋回流を形成することが難しい。
【００４１】
噴出口３が形成する面の面積Ａｉｎ［ｍ２］が吸引口２が形成する面の面積Ａｏｕｔ［ｍ２］以上となる場合にも、旋回流の形成は可能であるが、その際に噴出口３から噴出した全ての気体を吸引口２から吸い込むことができなくなり、噴出口３から噴出した気体の一部が装置外に漏れ出すことになる。レーザ加工に本装置を使用する場合において、噴出口３から不活性ガスを噴出することで加工対象物を不活性ガスでシールドする場合などは、噴出口３から噴出した不活性ガスの一部が装置外に漏れ出すことが問題とならない場合がある一方で、レーザ除染に本装置を使用する場合において、健康被害の恐れとなる放射性物質を含んだ副次物の大気中への拡散は防止されなければならず、このような回収率を優先されるような場合においては噴出口３から噴出した一部の気体が装置外に漏れ出すことは回避すべきであり、噴出口３が形成する面の面積Ａｉｎ［ｍ２］が吸引口２が形成する面の面積Ａｏｕｔ［ｍ２］より小さく設定することが望ましい。
【００４２】
気体導入機構２２は、噴出手段２０の１次圧側となる高圧貯気槽を備えており、噴出口３に安定的に気体を供給することができる。
【００４３】
流量調整機構２１は、例えば噴出手段２０の２次圧を制御することにより、噴出口３に流入する気体の流量を調整することができる。
【００４４】
作動距離調整手段３０は、例えば、所定の距離を移動可能なステージおよびレーザ変位計などの作動距離を測定する機構から構成されており、吸引装置１００に連結されている。作動距離調整手段３０により、吸引口２と対象物３１までの作動距離Ｗｄを任意の距離に制御することができる。吸引口２が複数設置されている場合には、旋回流を近傍に形成する吸引口のみを対象とし、それ以外の吸引口に関する作動距離Ｗｄは考慮しない。吸引口２を複数設置し、それぞれ隣接して配置する際には、複数の吸引口２をまとめて１つとみなし、それぞれの吸引口に対する作動距離の平均を作動距離Ｗｄとする。作動距離Ｗｄは、吸引口２が形成する面の吸引口２中心における法線方向に対して、吸引口２の中心から対象物３１の表面を平面近似した面までの距離とする。ここで、対象物３１の表面を平面近似する領域は、吸引対象領域を基準とするが、本発明を限定するものではない。図１における対象物３１の表面は平面であるが、同図は実施の一形態であり、本発明を限定するものではなく、対象物３１の表面形状については制限しない。本発明の特徴は、凹凸のある表面に対しても適用可能なことであり、凹凸や曲面を有する表面の場合には、前記のように対象物３１の表面を平面近似した面を基準とし、作動距離Ｗｄを定める。
【００４５】
作動距離Ｗｄが大きくなると、形成すべき旋回流れ場の旋回軸方向の距離が増加し、旋回流れに対する噴出口３の噴出流量の割合が減少するため、旋回方向の速度成分を充分に与えられず、旋回流を形成し難くなる。
【００４６】
このため、本発明における旋回流を形成するためには、式（４）のように吸引口２が形成する面を底面、作動距離Ｗｄ［ｍ］を高さとする柱の側面積に対する噴出口３が形成する面の面積Ａｉｎ［ｍ２］の比が０．２５以上となるように設定することが望ましく、作動距離Ｗｄ［ｍ］は式（５）の範囲に設定することが望ましい。式（４）および式（５）において、吸引口２の形状は円である必要はなく形状について特に制限しないので、形状を円として近似した場合に面積が等価となる直径である等価円直径を吸引口２の大きさの目安として使用し、吸引口２の等価円直径をＤ［ｍ］とし、後述の式で使用する場合も同様とする。
【数８】
2015188779.tif 000013
【数１】
2015188779.tif 000014
【００４７】
作動距離Ｗｄ［ｍ］が式（５）の範囲より大きい場合には旋回流を形成することが難しくなり、本発明において旋回流を形成可能な作動距離Ｗｄ［ｍ］は、噴出口３が形成する面の面積Ａｉｎ［ｍ２］と吸引口２の等価円直径Ｄ［ｍ］に依存する。
【００４８】
図２に示すように、吸引口２が形成する面の吸引口２中心における法線ベクトルを有しかつ噴出口３の中心を通る面を直交基準面とした場合、前記直交基準面に投影した際の噴出口３における気体の噴射角度θｖ  ［ｒａｄ］は、式（６）を基準として設定することが望ましく、それ以外に設定する際は式（７）の範囲内に設定することが望ましい。ここで、吸引口２の等価円直径Ｄ［ｍ］、対象物３１までの作動距離をＷｄ［ｍ］、前記直交基準面に投影した際に吸引口２を形成する線の吸引口２中心における接線方向に対する吸引口２と噴出口３の中心間距離をＣｄ［ｍ］とする。前記噴射角度θｖは、前記直交基準面に投影した際の噴出口３から噴射時の気体の速度ベクトルと対象物３１の表面を平面近似した面とのなす角度を表す。ここで、対象物３１の表面を平面近似する領域は、吸引対象領域を基準とするが、本発明を限定するものではない。図１に記載の装置例において、Ａ−Ａ線断面が前記直交基準面となる。噴出口３を複数設置する場合に、それぞれの噴出口３で式（６）又は（７）の範囲を満たすように前記噴射角度を設定することが望ましく、噴出口３の中心を通過対象とする前記直交基準面をそれぞれの噴出口３に対して設定し、前記噴射角度を定めることが望ましい。式（６）が示す噴射角度θｖ［ｒａｄ］は作動距離Ｗｄ［ｍ］が変数となっていることから、作動距離Ｗｄ［ｍ］の変化に合わせて噴射角度θｖ［ｒａｄ］を可変する機構を付加することも本特許の範囲に含まれる。また、噴出口３を複数設置する場合に、それぞれの噴射角度θｖ［ｒａｄ］を式（７）の範囲内で個別に設定し、それぞれが異なる噴射角度θｖ［ｒａｄ］を持つように設定することも可能である。
【数９】
2015188779.tif 000015
【数１０】
2015188779.tif 000016
【００４９】
本発明において、噴出口３から噴出した気体は慣性の効果が大きいため、吸引口２と噴出口３の位置関係を適切に配置しないと、噴出口３から噴出した気体が吸引口２を経由せず装置外にそのまま排出される、または噴出口３から噴出した気体が途中で偏向せず直線状に吸引口２中心に向かってに吸い込まれることが生じるため、旋回流を形成することができなくなる。
【００５０】
このため、本発明における吸引口２および噴出口３の位置関係を下記に示す。
吸引口２が形成する面の吸引口２中心における接平面を平行基準面とした場合に、前記平行基準面に吸引口２と噴出口３を投影した際の位置関係の例を図３に示す。図３において吸引口２と噴出口３の形状を円としているが、図３は吸引口２と噴出口３の位置関係を示した例であり、吸引口２と噴出口３の形状や個数を制限するものではない。
【００５１】
前記平行基準面を直交座標系として吸引口２および噴出口３を投影する際に、吸引口２の中心を前記直交座標系の原点とし、噴出口３から噴出する気体の速度ベクトルの方向が前記直交座標系の一方の座標軸と直交するように、座標系を定める。図３において、吸引口２の中心を前記直交座標系の原点、噴出口３から噴出する気体の速度ベクトルの方向が図３のＸ軸と直交するように座標系を設定した。
図３において、吸引口２の等価円直径Ｄ［ｍ］とし、吸引口２と噴出口３の中心間距離をｒ［ｍ］とし、噴出口３の中心と吸引口２の中心を結んだ直線と噴出口３から噴出する気体の速度ベクトルがなす角度をθｈ［ｒａｄ］とした場合に、
【数２】
2015188779.tif 000017
【数３】
2015188779.tif 000018
式（８）および式（９）の両方を満たすように吸引口２に対して噴出口３を配置することが望ましい。図３の灰色の領域は式（８）および式（９）の両方を満たす領域を示した例であり、噴出口３の中心を前記領域内に設置することが望ましい。噴出口３が複数ある場合には、吸引口２の中心を原点とし噴出口３から噴出する気体の速度ベクトルの方向が前記直交座標系の一方の座標軸と直交する前記直交座標系をそれぞれの噴出口３に対して設定し、式（８）および式（９）の関係を満たす必要がある。
【００５２】
本実施の形態に係る減圧および吸引方法は、前記のように構成された吸引装置１００を用い、以下のように実施される。
【００５３】
排気機構１１を動作させることで、減圧室１の圧力が低下し、吸引口２から気体を吸い込む。吸引口２の圧力が臨界圧力ｐｅ［Ｐａ］に達すると、吸引口２が閉塞した状態となる。このため、排気機構１１は、臨界圧力ｐｅ以下で動作させる。
【００５４】
噴出口３から噴出する気体の噴出速度ｖｏｕｔ［ｍ／ｓ］が気体の定常かつ静止状態時の音速ａ［ｍ／ｓ］との比であるマッハ数Ｍ（ｖｏｕｔ／ａ）で式（１０）を満たすように流量調整機構２１により調整し、噴出口３から気体を噴出する。
【数１１】
2015188779.tif 000019
マッハ数Ｍが０．２以下である場合には、十分な減圧効果を得ることができないが、マッハ数Ｍが０．２より大きくなると、後述するように、吸引口２の周辺に旋回流が生じるようになり、十分な減圧効果を得ることができる。マッハ数Ｍが大きくなっていくと、慣性の効果が強まり、噴出口３から噴出する噴出気体において外部に流出する気体の割合が多くなってくるが、前記噴出気体の一部でも吸引口２の周辺に旋回流を形成すれば前記臨界圧力以下の減圧効果は維持されるようになる。また、マッハ数Ｍが大きくなり、吸引口２周辺の流れが音速に近づくほど、流れの圧縮性の効果により吸引口２周辺に密度勾配が発生し、密度低下による減圧効果が生じる。
【００５５】
作動距離調整手段３０により作動距離Ｗｄが式（５）の条件を満たし、前記のように排気機構１１を動作させ減圧室１を減圧した状態において、式（１０）の条件で噴出口３から噴出した噴出気体が吸引口２に流入する直前の前記噴出気体の速度ベクトルを吸引口２が形成する面の中心における接平面である平行基準面に投影した投影速度ベクトルの始点から前記平行基準面に投影した吸引口２の中心に向かう直線に対し前記投影速度ベクトルが一定の角度を有する状態で前記噴出気体が吸引口２に流入することにより、吸引口２を取り囲むように旋回流が形成される。ここで、吸引口２周辺の気体は旋回により遠心力が働くが、前記遠心力に釣り合うように求心力が働くため、旋回流は維持される。前記旋回流の旋回軸を基準軸とした円柱座標系を考えた際に、前記求心力は半径方向に対する圧力勾配により生じるため、旋回流の中心方向に向かって圧力は減少し、旋回速度が大きくなるほど旋回流の中心部の圧力は減少する。吸引手段１０により吸引口２を流れる気体の速度は臨界状態となっているため、吸引口２周りの旋回速度は音速状態となり、旋回流の形成に伴う流れの作用による減圧効果は最大となる。
また、吸引口２の周りに形成される旋回流の旋回速度が大きくなり流れの圧縮性の効果が顕著となると密度変化が無視できなくなるため、前記円柱座標系の半径方向に対して密度勾配が生じ、旋回流の中心領域の密度が低下する。この場合に気体の状態方程式を満たす必要があるため、密度の低下が圧力の低下を引き起こす熱力学的な作用により減圧効果が生じる。この熱力学的な減圧効果は前記旋回流の旋回速度を加速させる方向に働くため、前記旋回流の旋回速度は音速状態に維持される。
前記円柱座標系の軸方向に関しては対象物３１が吸引口２に流入する流れを遮断するため、対象物３１表面と吸引口２との間に吸引口２を囲むように高速の旋回流を形成することで、前記の２つの減圧効果により吸引口２の中心部および上記旋回流中心領域の圧力が臨界圧力以下となり、上記旋回流の中心部が対象物３１と接している領域を非接触で臨界圧力以下に減圧し吸引することが可能となる。
【００５６】
対象物３１の表面が減圧されることで、対象物３１の表面に生じる付着物および飛散物を吸引口２から吸引し回収することができる。また、対象物３１に形成された穴部３２内も同様に減圧されるため、穴部３２内に存在する付着物および飛散物も吸引し回収することで効率よく除去することができる。本発明は対象物３１表面と吸引口２との間に旋回流を形成することを特徴としており、凹凸のある表面形状や穴が形成されている場合でも高い減圧効果を維持し、付着物および飛散物を吸引することが可能となる。
【００５７】
排気機構１１を動作させることで大気中の気体が吸引口２の中心に向かって流れる吸込み流れが吸引口２周辺に形成され、噴出口３から噴出した噴出気体は慣性力が大きく直進するが、吸引口２の周辺に到達すると前記吸込み流れの圧力勾配から受ける力と速度勾配により生じる粘性の作用により吸引口２の中心方向に向かう力を受け、前記噴出気体は偏向し、吸引口２の中心方向に対して一定の入射角を有した状態で吸引口２から吸引される。前記吸込み流れに関しても前記噴出気体の流入で生じる速度勾配による粘性の作用により旋回する方向に力を受け偏向し、吸引口２の中心方向に対して一定の入射角を有した状態で吸引口２から吸引される。式（８）および式（９）の両方を満たすように噴出口３を設置することで、前記噴出気体の速度ベクトルが前記吸込み流れに対して速度勾配を持つこととなり、旋回流を形成することが可能となる。前記噴出気体の速度が大きくなると、慣性の効果が大きくなり、偏向しても吸引口２に到達しなくなるが、前記吸込み流れは前記のように前記噴出気体の流入により偏向するため、吸引口２の周辺に旋回流を形成することができる。噴出口３を３つ以上設置する場合には噴出口３から噴出する噴出気体同士が重なり、互いに干渉する結果として旋回流を形成することが可能となる。前記の噴出口３を３つ以上設置し旋回流を形成する場合においても本発明の範囲に含まれる。
【００５８】
前記の例では、排気機構１１の動作後に噴出手段２０を動作させているが、排気機構１１の動作前に噴出手段２０を動作させることも可能であり、動作の順番については制限しない。また、図１で示した旋回流の回転方向および図３における吸引口２と噴出口３の設置例で形成する旋回流の回転方向については本発明を限定するものではなく、旋回流の回転方向は制限しない。
【００５９】
等価円直径は、円の面積の式に、等価円直径を求める対象の面積を代入して求める。例として、吸引口２の等価円直径Ｄ［ｍ］は、吸引口２が形成する面の面積Ａｏｕｔ［ｍ２］を用い、式（１１）により求められる。
【数１２】
2015188779.tif 000020
【００６０】
本発明が適用されるレーザ加工装置２００の概略構成の一例を図４に示す。本発明に用いるレーザ加工装置２００は、レーザ発振器４１と、レーザ発振器４１から出射されるレーザ光４２を加工対象物３３に伝送および集光する光学系４０と、レーザ光４２の集光点周辺を減圧および吸引する吸引装置１００と、を有している。
【００６１】
レーザ加工装置２００に適用する際の吸引装置１００は、前記の特徴の他に、レーザ光を透過する透過窓４５を有している。
【００６２】
レーザ加工装置２００における噴出手段２０が噴出する気体として、空気の他にアルゴンガス、窒素ガスなどがある。
【００６３】
レーザ発振器４１は、レーザ発振器や波長変換素子などで構成されており、レーザ光４２を連続発振またはパルス発振することが可能である。発振するレーザ光４２の特性である、連続発振の場合は波長および出力、パルス発振の場合は、波長、パルスエネルギー、パルス幅および繰返し周波数を、加工対象に合わせて使用することが可能である。
【００６４】
レーザ切断などレーザ発振器４１から出射されるレーザ光４２を走査する必要がある場合は加工対象物３３を加工ステージ４６上に設置することが望ましい。
【００６５】
光学系４０は、レーザ光４２を任意の角度で反射するミラー４３やレーザ光４２を任意の距離に集光するレンズ４４などにより構成され、レーザ発振器４１から出射されるレーザ光４２を加工対象物３３に伝送および集光する。レンズ４４に入射するレーザ光４２は平行光にコリメートされていることが望ましい。図４の他の光学系の例として、レーザ光４２の伝送を光ファイバーを使用して簡便化することが可能であり、ミラー４３にスキャナーミラーを使用することも可能である。レーザ光４２は透過窓４５を通して吸引装置１００に入射する。前記の光学系４０の構成は本発明の例であり、実施形態を制限するものではない。
【００６６】
加工ステージ４６は、加工対象物３３の保持機構および移動機構を有しており、上記移動機構は、例えば、直交する３つの移動軸を備えかつ直線状に任意の速度で前記移動軸上の任意の位置に加工対象物を移動させる。加工ステージ４６の移動軸の数は制限しない。加工ステージ４６により加工対象物を吸引装置１００の方に移動させ、作動距離調整手段３０とすることもできる。
【００６７】
本発明は、産業上の利用可能性として、レーザ加工装置の他に、医療機器（歯科、外科）や放射性物質を取り扱う装置（原潜や原発の解体装置等）といった適用範囲が広く、産業上の優位性が高い。
【実施例１】
【００６８】
前記のような吸引装置１００の減圧効果に関する実験結果について説明する。
図２は本実施例の吸引装置１００に関する縦断面構成図である。本実施例の吸引装置１００は、気体を減圧室１の内部に吸引する吸引口２と、減圧室１の内部の気体を排気する排気機構１１と、気体を噴出する噴出口３と、噴出する気体の流量を調整する流量調整機構２１と、流量調整機構２１を介して噴出口３に気体を導入する気体導入機構２２と、作動距離調整手段３０を設置した。
吸引装置１００は、吸引口２および噴出口３が一体となる構造とし、積層造形法により製作した。吸引口２および噴出口３の形状は円形の平面とし、吸引装置１００の底面となる同一平面上に設置した。このため、吸引口２中心における接平面は吸引装置１００の底面を内包する平面となる。
対象物３１はアクリル製の平板を用い、作動距離Ｗｄは吸引装置１００の底面から前記平板表面までの距離とした。作動距離調整手段３０として、吸引装置１００が光学レール上を移動できるように固定し、作動距離Ｗｄが所定の距離となるように吸引装置１００の位置を調整した。
【００６９】
以下の表１に示す２つのモデルの評価を行なった。
評価したモデルはそれぞれ２つの噴出口を有し、２つの噴出口が吸引口２を基準に点対称となるように配置した。図３における吸引口２と噴出口３の直径および吸引口２と噴出口３の中心間距離ｒ、噴出角度θｈ、式（８）の示す値は表１の通りである。
【００７０】
【表１】
2015188779.tif 000021
【００７１】
排気機構１１は、連続大気開放運転が可能なスクロール型真空ポンプを使用した。当該真空ポンプの到達圧力は３０Ｐａ、排気流量は５２０Ｌ／ｍｉｎであり、式（２）より使用可能となる吸引口２の最大面積は４５ｍｍ２であり、その時の等価円直径は７．６ｍｍとなることから、表１の２つのモデルは式（２）を満たしている。
流量調整機構２１として、２次圧力調整弁および流量計を用い、気体導入機構２２はコンプレッサーを用いた。コンプレッサーから導入される圧縮空気の圧力を２次圧力調整弁により調整し、噴出口３から所定の流量が噴出するよう流量計で計測した。噴出口３の噴出速度は前記流量計の計測値から噴出口３の面積を除して算出した。
【００７２】
吸引装置１００の減圧効果を確認するため、対象物３１の表面に直径１ｍｍの貫通穴３２を形成し、穴内部の圧力が計測できるように前記貫通穴３２に真空計および酸素分圧計を連通させた。表１の２つのモデルに対して作動距離Ｗｄおよび噴出口３からの噴出速度を変えた条件における貫通穴３２内部の圧力を計測した。
【００７３】
図５および図６に、噴出口３のマッハ数Ｍと作動距離Ｗｄを変えた条件における真空計により吸引箇所の絶対圧力を計測した結果を示す。縦軸が吸引箇所の絶対圧力、横軸が噴出口３のマッハ数Ｍである。図５はモデルＡ、図６はモデルＢの評価結果で、それぞれ２つある噴出口の両方から気体を噴出させた結果である。図から分かるようにモデルＡおよびモデルＢの両方で、作動距離Ｗｄが所定の値以下では、噴出口のマッハ数Ｍが０．２＜Ｍ＜０．５の範囲で、吸引箇所の絶対圧力が臨界圧力５３５ｈＰａ以下になることを確認した。作動距離Ｗｄについては、モデルＡで１ｍｍ以下、モデルＢで３ｍｍ以下の条件で臨界圧力５３５ｈＰａ以下になり、式（５）が示す範囲で臨界圧力以下に減圧できることを確認した。
【００７４】
図７および図８に、前記と同様に酸素分圧計により吸引箇所の酸素分圧を計測した結果を示す。図７はモデルＡ、図８はモデルＢの評価結果で、それぞれ２つある噴出口の両方から気体を噴出させた結果である。本実験において、前記の通り噴出口３からは酸素を含んだ圧縮空気を噴出しており、不活性ガスを使用していないが、本発明の効果により、吸引箇所において酸素分圧の減圧効果が高いことを確認した。この結果は、酸素分圧を酸素濃度に換算した場合に酸素濃度が１０％以下になることを示している。このため、本発明による燃焼抑制および消火効果が高いことがわかる。
【００７５】
図５から図８の結果により、吸引装置１００により臨界圧力以下の減圧効果および酸素分圧の減圧効果が示されており、本発明の方法および装置の有効性が確認された。
【実施例２】
【００７６】
次に、実施例１の吸引装置１００が形成する流れ場を観察した結果について説明する。
吸引装置１００の構成は実施例１と同様であり、表１のモデルＢを用いた。対象物３１は透明アクリル平板であり、表面に可視化用のトレーサ粒子を散布した。
前記透明アクリル平板を通して、吸引装置１００の底面に設置された吸引口２が観察できるように、透明アクリル平板の下部にカメラを設置した。吸引装置１００の底面と平行な面を撮影するために、可視光のレーザ光を吸引装置１００の底面と平行なシート状にし、吸引装置１００の底面と前記透明アクリル平板の間に入射した。以上のようにして、吸引装置１００により前記トレーサ粒子が吸引される時の散乱光を撮影した。
吸引装置１００の動作条件は、噴出口３の噴出速度Ｍ＝０．２６、作動距離Ｗｄを２ｍｍとした。
【００７７】
前記条件で撮影した結果を図９に示す。図９はトレーサ粒子の散乱光分布を示しており、輝度が大きいほどトレーサ粒子の濃度が大きい。図９が示すように、渦中心に近い領域ほどトレーサ粒子の濃度が小さくなり、対象物３１上のトレーサ粒子は吸引口２を渦中心とした渦流（旋回流）を形成している。渦中心においてはトレーサ粒子の散乱光は観察できない。
【実施例３】
【００７８】
次に、実施例１の吸引装置１００における吸引物の回収率を評価した実験結果について説明する。
吸引装置１００の構成は実施例１と同様であり、表１のモデルＢを用いた。
本実施例における吸引対象は水とし、集塵機構１２は濃縮トラップを用いた。
実施例１と同様に対象物３１の表面に直径１ｍｍの貫通穴３２を形成し、中空のチューブを連通させた。前記チューブは吸引対象となる水が入った容器に連結した。前記容器の水面は大気に開放されている。
吸引物の回収率評価の方法として、前記容器内の水を吸引装置１００により吸引および回収し、前記容器の重量変化および吸引装置１００により回収した水の重量により回収率を算出した。本実験に際し、回収の評価実験を行う前に、前記容器が空の状態で吸引装置１００を動作させ、減圧室１および集塵機構１２に水が含まれないことを確認した。
吸引装置１００の動作条件は、噴出口３の噴出速度Ｍ＝０．２６、作動距離Ｗｄを１ｍｍとした。
【００７９】
表２に本実施例における実験結果を示す。表２が示すように、減圧室１および集塵機構１２により回収した水の重量は前記容器の重量変化分の９７％にあたり、前記容器から吸引した水のほとんどを回収することができた。
表２の結果は高い吸引および回収効果を示しており、本発明の方法および装置の有効性が確認された。  
【００８０】
【表２】
2015188779.tif 000022
【実施例４】
【００８１】
次に、前記のようなレーザ加工装置２００によるレーザ加工結果について説明する。
図４は本実施例のレーザ加工装置の概略構成を示す。図４に示すレーザ加工装置は、レーザ発振器４１と、ミラー４３と、レンズ４４と、吸引装置１００と、加工ステージ４６を有しており、レーザ発振器４１からレーザ光４２を出射し、ミラー４３によりレーザ光４２を伝送し、レンズ４４および吸引装置１００を通す。レンズ４４によりレーザ光４２を加工対象物３３の表面に集光し、吸引装置１００により集光点を減圧および吸引する。
【００８２】
本実施例においてレーザ発振器４１には、パルス幅６００ｐｓのピコ秒レーザを使用した。使用したレーザ光４２の波長は５３２ｎｍで、繰り返し周波数は４０ｋＨｚである。本実施例の吸引装置１００は表１記載のモデルＢを使用した。レンズ４４は焦点距離６０ｍｍの平凸レンズを用いた。加工対象物３３は厚み０．１ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を用いた。
吸引装置１００の動作条件は、噴出口３の噴出速度Ｍ＝０．２６、作動距離Ｗｄを１ｍｍとした。
【００８３】
レーザ光４２の出力３Ｗ、加工ステージ４６の加工速度１ｍｍ／ｓで切断が完了するまで往復走査したときの加工結果を図１０および図１１に示す。図１０は吸引装置１００を使用しないで加工した場合のレーザ切断面のＳＥＭ像であり、図１１は吸引装置１００を使用し、レーザ光照射領域を吸引しながら加工した場合のレーザ切断面のＳＥＭ像を示している。図１０は、レーザ切断面に副次物の付着が顕著であるのに対し、図１１では副次物の付着は観察できない。図１０および図１１の両方の場合において切断面に対する後処理は一切行なっていない。
【００８４】
図１１からわかるように、本発明により副次物の付着がほとんどない切断面が得られており、本発明の方法および装置の有効性が確認された。
以上の説明では、レーザ加工の対象としてピコ秒レーザによるステンレス板の切断を例にとって説明したが、本発明は前記のレーザ加工に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００８５】
１    減圧室
２    吸引口
３    噴出口
１１  排気機構
１２  集塵機構
２１  流量調整機構
２２  気体導入機構
３０  作動距離調整手段
３１  対象物
３２  穴部
３３  加工対象物
４１  レーザ発振器
４２  レーザ光
４３  ミラー
４４  レンズ
４５  透過窓
４６  加工ステージ
１００ 吸引装置
２００ レーザ加工装置
Ｄ    吸引口の等価円直径
ｄ    噴出口の等価円直径
Ｗｄ   作動距離
Ｃｄ      図２における吸引口と噴出口の中心間距離
θｖ     図２における噴出口から噴射時の気体の速度ベクトルと対象物とのなす角度
ｒ        図３における吸引口と噴出口の中心間距離
θｈ     図３における噴出口の中心と吸引口の中心を結んだ直線と噴出口から噴出する気体の速度ベクトルがなす角度
Ｘ−ａｘｉｓ  図３における直交座標系のＸ軸
Ｙ−ａｘｉｓ  図３における直交座標系のＹ軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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