(57)【要約】  光加工において加工面に対し均質に流体を供給する光加工用ノズルを提供する。この光加工用ノズルは、光源から導かれた光線を用いて加工するため、加工面に向けて光線が通過できるように設けられた光線経路と、光線経路の周囲に設けられ、加工面に向けて流体を射出するための流路構造と、を備える。その流路構造は、流体を流入させる流入口と、流入口から流入した前記流体が通過する少なくとも２つの通過孔と、流体を前記流入口から前記通過孔に導く流路と、少なくとも２つの通過孔を通過した流体を加工面に向けて射出する射出口と、を備える。また、少なくとも２つの通過孔は、流入口に対し、空間的に対称に設けられ、射出口は、光線経路から射出される光線の光軸に対して空間的に対称に設けられる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から発せられる光線が加工面に向けて通過できるように設けられた光線経路と、
前記光線経路の周囲に設けられ、前記加工面に向けて流体を射出するための流路構造と、
を備え、
前記流路構造は、
流体を流入させる流入口と、
前記流入口から流入した前記流体が通過する少なくとも２つの通過孔と、
前記流体を前記流入口から前記通過孔に導く流路と、
少なくとも２つの前記通過孔を通過した前記流体を前記加工面に向けて射出する射出口と、
を備え、
少なくとも２つの前記通過孔は、前記流入口に対し、空間的に対称になるように設けられ、
前記射出口は、前記光線経路から射出される光線の光軸に対して空間的に対称に設けられたことを特徴とする光加工用ノズル。
【請求項２】
前記少なくとも２つの通過孔が、前記光線の光軸を含み前記流入口の中心を通る面を挟んで、面対称に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の光加工用ノズル。
【請求項３】
それぞれ同じ形状を有する前記射出口が前記光軸を中心に回転対称となる位置に少なくとも２つ設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の光加工用ノズル。
【請求項４】
前記射出口は円環状または円弧状のスリットであることを特徴とする請求項１または２に記載の光加工用ノズル。
【請求項５】
前記少なくとも２つの通過孔が、前記流入口から等距離に配置された一対の通過孔を少なくとも１つ含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光加工用ノズル。
【請求項６】
前記流路構造は、
前記流体を流入させる第１流入口、前記第１流入口から流入した前記流体が通過する少なくとも２つの第１通過孔、および、前記流体を前記第１流入口から前記第１通過孔に導く第１流路を備えた第１流路層と、
前記第１通過孔から前記流体を流入させる第２流入口、前記第２流入口から流入した前記流体が通過する少なくとも２つの第２通過孔、および、前記流体を前記第２流入口から前記第２通過孔に導く第２流路を備えた第２流路層と、
を少なくとも含み、
前記第１通過孔は、前記第１流入口に対し、空間的に対称になるように設けられ、
前記第２通過孔は、前記第２流入口に対し、空間的に対称になるように設けられたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光加工用ノズル。
【請求項７】
前記流路構造は、
前記流体を流入させる第１流入口、前記第１流入口から流入した前記流体が通過する少なくとも２つの第１通過孔、および、前記流体を前記第１流入口から前記第１通過孔に導く第１流路を備えた第１流路層と、
前記第１通過孔から前記流体を流入させる第２流入口、前記第２流入口から流入した前記流体が通過する少なくとも２つの第２通過孔、および、前記流体を前記第２流入口から前記第２通過孔に導く第２流路を備えた第２流路層と、
前記第２通過孔から前記流体を流入させる第３流入口、前記第３流入口から流入した前記流体が通過する少なくとも２つの第３通過孔、および、前記流体を前記第３流入口から前記第３通過孔に導く第３流路を備えた第３流路層と、
を少なくとも含み、
前記第１通過孔は、前記第１流入口に対し、空間的に対称になるように設けられ、
前記第２通過孔は、前記第２流入口に対し、空間的に対称になるように設けられ、
前記第３通過孔は、前記第３流入口に対し、空間的に対称になるように設けられたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光加工用ノズル。
【請求項８】
第１、第２および第３流路層において、第１、第２および第３流入口のそれぞれに対して２つの通過孔を設け、
前記射出口の光軸からの平均距離をＲとし、
前記射出口に接続される通過孔の径をＤとし、
前記流路層の総数をＭとした場合に、
【数２】
2016135907.tif 000004
となることを特徴とする請求項７に記載の光加工用ノズル。
【請求項９】
最下流に位置する流路層から前記射出口までの流路は、下流側に向けて先細りする形状であることを特徴とする請求項６または７に記載の光加工用ノズル。
【請求項１０】
前記流体は、粉体を搬送するキャリアガスであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光加工用ノズル。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光加工用ノズルと、
光源からの光を集光して加工面に射出する集光光学系装置と、
を含むことを特徴とする光加工ヘッド。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光加工ヘッドと、
光源と、
前記光源から射出された光を前記光加工ヘッドに伝送する光伝送部と、
前記流体を収容する流体収容装置と、
前記流体を前記光加工用ノズルに供給する流体供給部と、
を備えた光加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光加工用ノズルおよび光加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記技術分野において、特許文献１には、分岐させたキャリアガスを、複数の流入路９、１０からノズル４に流入させるレーザ加工ヘッドが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許公開公報US2005/0109745A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記文献に記載の技術では、ガスをノズルの外部で分岐し、複数の供給チャネルで供給する方式のため、分岐されたガスがノズルに届くまでに各ガスの流量のばらつきが出やすかった。すなわち、従来は、光加工用ノズルにおいて加工面に対して流体を均質に供給することができなかった。【０００５】
本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る光加工用ノズルは、
光源から発せられる光線が加工面に向けて通過できるように設けられた光線経路と、
前記光線経路の周囲に設けられ、前記加工面に向けて流体を射出するための流路構造と、
を備え、
前記流路構造は、
流体を流入させる流入口と、
前記流入口から流入した前記流体が通過する少なくとも２つの通過孔と、
前記流体を前記流入口から前記通過孔に導く流路と、
少なくとも２つの前記通過孔を通過した前記流体を前記加工面に向けて射出する射出口と、
を備え、
少なくとも２つの前記通過孔は、前記流入口に対し、空間的に対称になるように設けられ、
前記射出口は、前記光線経路から射出される光線の光軸に対して空間的に対称に設けられたことを特徴とする。【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る光加工ヘッドは、上記加工用ノズルと、光源からの光を集光して加工面に射出する集光光学系装置と、を含むことを特徴とする。【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る光加工装置は、上記光加工ヘッドと、光源と、前記光源から射出された光を前記光加工ヘッドに伝送する光伝送部と、前記流体を収容する流体収容装置と、前記流体を前記光加工用ノズルに供給する流体供給部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、加工面に対し均質に流体を供給できる光加工用ノズルを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光加工用ノズルの構成を示す図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る光加工用ノズルの構成を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る光加工用ノズルの構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る光加工用ノズルの構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る光加工用ノズルの構成を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る光加工用ノズルによる効果を説明する図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る光加工用ノズルによる効果を説明する図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係る光加工用ノズルの構成を示す図である。
【図９】本発明の第５実施形態に係る光加工用ノズルの構成を示す図である。
【図１０】本発明の第６実施形態に係る光加工装置の全体構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について例示的に詳しく説明する。ただし、以下の実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１２】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての光加工用ノズルについて、図１を用いて説明する。図１は、光加工装置のヘッド先端に取り付けられる光加工用ノズル１００の構成を示している。この光加工用ノズル１００は、光線経路１０１と流路構造１０２とを含む。
【００１３】
光線経路１０１は、不図示の光源から導かれた光線１５０を用いて加工するため、加工面１６０に向けて光線１５０が通過できるように設けられている。光源としては、例えば、レーザ光源、ＬＥＤ、ハロゲンランプ、キセノンランプを用いることができる。レーザ光源の場合、光線の波長は例えば1060nmであるが、これに限るものではなく、光線１５０は加工面１６０に吸収されるものならば何でもよい。
【００１４】
流路構造１０２を流れる流体は、例えば、粉体を搬送するキャリアガスである。ここで、粉体は、例えば金属粒子、樹脂粒子などの粒子である。キャリアガスは、不活性ガスであり、例えばアルゴンガス、窒素ガス、またはヘリウムガスでよい。さらに、流体はキャリアガスに限定されるものではなく、パージガス用に本構造を用いてもよい。その場合、加工面に対して射出するパージガスの濃度を均質化できるため、造形物の酸化による劣化を低減することができる。なお、流路構造１０２は、加工面１６０に向けて流体１３０を射出するため、光線経路１０１の周囲に設けられている。
【００１５】
流路構造１０２は、流体１３０を流入させる流入口１２１と、流入口１２１から流入した流体１３０が通過する少なくとも２つの通過孔１２２と、流体１３０を流入口１２１から通過孔１２２に導く流路１２３とを備えている。さらに、流路構造１０２は、通過孔１２２を通過した流体を加工面１６０に向けて射出する射出口１２５を備えている。図１では、通過孔１２２を２つ示しているが本発明はこれに限定されるものではない。また、図１では、薄板に設けられた孔を通過孔１２２としているが、本願発明はこれに限定されるものではなく、パイプ形状の通過孔を採用してもよい。
【００１６】
通過孔１２２は、流入口１２１に対し、空間的に対称になるように設けられている。ここで、流入口１２１の中心を通り、流入口１２１における流体の流入方向に沿う流入軸を中心に、通過孔１２２を回転させたとき、３６０°未満の回転角で１つの通過孔１２２が他の通過孔１２２に一致するとき、通過孔１２２は流入口１２１に対して空間的に対称とする。通過孔１２２が流入口１２１に対して空間的に対称であるとき、流入口１２１から通過孔１２２に対する流路の形状がそれぞれ同じであれば、流体コンダクタンスが同じになる。このとき、流入口１２１から流入したガスは通過孔１２２において等分され、通過孔１２２を通る流量は等しくなる。
【００１７】
また、射出口１２５は、光線経路１０１から射出される光線１５０の光軸１５１に対して空間的に対称に設けられている。ここで、光軸１５１を中心に、射出口１２５を回転させたとき、３６０°未満の回転角で射出口１２５が一致するとき、射出口１２５は光軸１５１に対して空間的に対称とする。図１では、光軸１５１に対して回転対称な形状を有する一つの射出口１２５を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、２つ以上の射出口を有する光加工用ノズルもその技術範囲に含まれる。ここで、光軸１５１を中心に、射出口１２５を回転させたとき、３６０°未満の回転角で射出口１２５のレイアウト（射出口全体の位置と形状）が一致するとき、射出口１２５は光軸１５１に対して回転対称とする。特に、通過孔１２２の出口がそれぞれ射出口として機能しても良く、その場合、下流のコーン部分１４０は不要である。
【００１８】
以上の構成によれば、非常にシンプルな構成で加工面に対し均質に流体を供給できる光加工用ノズル１００を提供でき、加工面におけるキャリアガスの流量ムラを低減できるため、加工精度を向上させることができる。
【００１９】
［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態としての光加工用ノズルについて、図２および図３を用いて説明する。図２は、光加工用ノズル２００の内部構成を示す図である。
【００２０】
ノズル２００は、光源から導かれた光線を用いて加工するため、加工面２６０に向けて光線が通過できるように設けられた光線経路２０１と、光線経路２０１の周囲に設けられ、加工面２６０に向けて粉体を含むキャリアガス（以下単にキャリアガスと称す）２７０を射出するための流路構造２０２とを含む。流路構造２０２は、３つの流路層２２０、２３０、２４０と１つの射出層２５０を含む。
【００２１】
流路層２２０は、キャリアガス２７０を流入させる流入口２２１と、流入口２２１から流入したキャリアガス２７０が通過する２つの通過孔２２２と、キャリアガス２７０を流入口２２１から通過孔２２２に導く流路２２４と、を含む。
【００２２】
流路層２３０は、キャリアガス２７０を流入させる２つの流入口２３１と、流入口２３１から流入したキャリアガス２７０が通過する４つの通過孔２３２と、キャリアガス２７０を流入口２３１から通過孔２３２に導く流路２３４と、を含む。流路層２３０は、流路層２２０と連続しており、通過孔２２２の下流側の開口がそれぞれそのまま流入口２３１として機能する。
【００２３】
流路層２４０は、キャリアガス２７０を流入させる４つの流入口２４１と、流入口２４１から流入したキャリアガス２７０が通過する８つの通過孔２４２と、キャリアガス２７０を流入口２４１から通過孔２４２に導く流路２４４と、を含む。流路層２４０は、流路層２３０と連続しており、通過孔２３２の下流側の開口がそれぞれそのまま流入口２４１として機能する。
【００２４】
射出層２５０は、キャリアガス２７０を流入させる８つの流入口２５１と、流入口２５１から流入したキャリアガス２７０が通過する流路２５２と、流路２５２から光加工用ノズル２００の外部へキャリアガス２７０を射出する射出口２５３とを含む。射出層２５０は、流路層２４０と連続しており、通過孔２４２の下流側の開口がそれぞれそのまま流入口２５１として機能する。
【００２５】
通過孔２２２は、流入口２２１に対し、空間的に対称になるように設けられている。通過孔２３２は、流入口２３１に対し、空間的に対称になるような複数の通過孔からなる組合せが少なくとも１つ含まれるように設けられ、通過孔２４２は、流入口２４１に対し、空間的に対称になるように設けられている。通過孔２２２は、光線の光軸２５４を含み流入口２２１の中心を通る面を挟んで、面対称に配置されている。同様に、いずれか２つの通過孔２３２は、光線の光軸２５４を含み流入口２３１の中心を通る面を挟んで、面対称に配置され、いずれか２つの通過孔２４２は、光線の光軸２５４を含み流入口２４１の中心を通る面を挟んで、面対称に配置されている。
【００２６】
射出口２５３は、光線経路２０１から射出される光線の光軸２５４に対して空間的に対称に設けられている。ここでは特に、射出口２５３は光軸２５４を中心に回転対称な、円環状のスリットである。射出口２５３は、円周上に並んだ少なくとも２つの円弧状のスリットでもよい。この流路構造２０２は、別の言い方をすれば、光線経路２０１の周りに、中心および周囲に開口部を有するリング状の円盤を４枚はめ込んだ構成となっている。このリング状の円盤に設けられた開口の数は下流に行くに従って多くなっている。
【００２７】
図２に示すとおり、圧力損失を小さくするため最上流の流路層２２０は、流路２２４が他の流路層２３０、３４０に比べて大きく取られている。また、最下流の射出層２５０では、カバー２５５により流路２５２が下流側に向かって先細りする形状となっている。これにより、射出口２５３から加工面２６０に向かって、粉体を収束させることができる。つまり、加工面２６０上に形成される粉体スポット径を小さくすることができ、高精細な造形が可能となる。
【００２８】
図３は、光加工用ノズル２００を、光軸を通る面で切断した縦断面図である。図４は、図３のＡ−Ａ断面４０１、Ｂ−Ｂ断面４０２、Ｃ−Ｃ断面４０３およびＤ−Ｄ断面４０４を対比して示す図である。この各断面は、流路構造２０２の各リング状の円盤の断面図に対応する。図４に示す通り、通過孔２２２（図４では分かりやすいように通過孔２２２ａ、２２２ｂとして図示している）は、流入口２２１に対し、空間的に対称になるように設けられている。これにより、流入口２２１から通過孔２２２ａまでの空間的な隔たりと、流入口２２１から通過孔２２２ｂまでの空間的な隔たりとが同じになり、流入口２２１から流入したキャリアガスは、均等に通過孔２２２ａ、２２２ｂに流入され、次の層へ排出される。
【００２９】
本実施形態では断面４０２における流入口２３１の位置は、通過孔２２２と同じであるため、通過孔２３２（ここでは分かりやすいように通過孔２３２ａ〜ｄとして図示している）は、流入口２３１に対し、空間的に対称になる（例えば等距離に配置される）ように設けられる。また断面４０３における流入口２４１の位置は、通過孔２３２と同じであるため、通過孔２４２（ここでは分かりやすいように通過孔２４２ａ〜ｈとして図示している）は、流入口２４１に対し、空間的に対称になるように設けられている。
【００３０】
通過孔２２２ａ、ｂの位置を参考にすると、通過孔２２２ａを経た流体は、通過孔２３２ａ、２３２ｂに均等に導かれる。同様に通過孔２２２ｂを経た流体は、通過孔２３２ｃ、２３２ｄに均等に導かれる。また同様に、通過孔２３２ａを経た流体は通過孔２４２ａ、２４２ｂに均等に導かれ、通過孔２３２ｂを経た流体は通過孔２４２ｃ、２４２ｃに均等に導かれる。さらに同様に、通過孔２３２ｃを経た流体は通過孔２４２ｅ、２４２ｆに均等に導かれ、通過孔２３２ｄを経た流体は通過孔２４２ｇ、２４２ｈに均等に導かれる。
【００３１】
なお、本実施形態では、流入口と通過孔を有する３つの流路層２２０〜２４０を含む流路構造２０２について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、流路層は１つでも２つでも４つ以上でもよい。
【００３２】
この場合、連続する２つの流路層の組み合わせ全てに対し、上流側（光線方向と逆方向側）を第Ａ流路層とし、下流側（光線方向と順方向側）を第Ｂ流路層とすると、以下の関係が成り立つことが好適である。つまり、第Ａ流路層は、流体を流入させる第Ａ流入口を備え、その第Ａ流入口から流入したキャリアガスが通過する少なくとも２つの第Ａ通過孔、および、流体を第Ａ流入口から第Ａ通過孔に導く第Ａ流路を備える。第Ｂ流路層は、第Ａ通過孔から流体を流入させる第Ｂ流入口を備え、第Ｂ流入口から流入した流体が通過する少なくとも２つの第Ｂ通過孔、および、流体を第Ｂ流入口から第Ｂ通過孔に導く第Ｂ流路を備える。第Ａ通過孔は、第Ａ流入口の流入方向に対し、空間的に対称になるように設けられ、第Ｂ通過孔は、第Ｂ流入口の流入方向に対し、空間的に対称になるように設けられる。
【００３３】
全ての流路層において、各流入口に対して２つずつ通過孔を対応させる場合、全層数をＭとすると、最終層の通過孔の個数は、２のＭ乗となる。このとき、最も少ない層数で射出口から射出される粉体の等方性を最も高めるためには、射出口と接続する通過孔同士のとなり合う距離（間隙）が最小になればよい。つまり、間隙を０にすればよい。なぜならば、間隙を０にすると、光軸まわりの粉体がどの方向においても均等に分布されることになり、最も等方的に分布されるからである。このとき、射出口に接続される通過孔の、光軸２５４からの平均距離をＲとし、射出口に接続される通過孔の径をＤとすると、
【数１】
2016135907.tif 000003
となる。つまり、上式を満たす径Ｄの通過孔を設ければ、少ない層数で、流体を最も等方化することができる。
【００３４】
上記のような構成により、流入口２２１から流入されたキャリアガスをノズル２００内で等分し、最終的に加工面に対するキャリアガス射出の等方性を向上させることができる。これにより、ムラが無く均質な粉体スポットを実現できる。このとき、光線を加工面で集光させて、溶融させた部位に粉体スポットを形成することにより、肉盛溶接などの加工精度が向上する。また、ノズルに粉体を供給する供給部（インレット部）において、粉体を等分岐する必要がないため、インレット部を単純化できる。これにより、加工装置全体の可動域の制限が小さくなり、インレット部での粉詰まりを抑制できる。
【００３５】
［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る光加工用ノズル５００について、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態に係る光加工用ノズル５００の構成を説明するための一部透過斜視図である。本実施形態に係る光加工用ノズル５００は、上記第２実施形態と比べると、カバー２５５を有さない点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
【００３６】
この構成の場合、通過孔２４２の下流側の開口がそのまま射出口５５３となる。つまり、射出口５５３は複数の同一形状の開口から構成される。もちろんこの場合も射出口５５３は光軸２５４に対し、空間的に対称に設けられる。
【００３７】
図６、図７は、本実施形態における流体シミュレーション結果を示したものである。ただし、本シミュレーションの解析モデルにおいて、図５における先端のコーン形状は省略した。シミュレーションにおいて、流体は、例えば、キャリアガスとしての窒素ガスに粒径３０μｍのＳＵＳを混入させた粉体流である。図６は、粉体流の流速分布をグレースケールの濃度等高線で示した図である。この図より、各層によって粉体流が等分岐され光軸２５４に対し、回転対称（等方的）に粉体流が分布されていることがわかる。図７は、射出口５５３を通る断面における流速分布を示すである。図７を参照すれば、いずれの射出口５５３も、最大の濃度はほぼ同じであり、最大流速は各射出口５５３において同じであることがわかる。また、各射出口の開口面積で流速を積分することにより、流量を算出することができる。これより、各射出口の流量はほぼ同じであり、ばらつきが５．２％以下となり、流速のばらつきが十分に小さいことが分かる。実験による知見より、１０％以下のばらつきであれば造形物の性質に異方性は観察されないがこの例では約５．２％であるため、十分に小さいと言える。
【００３８】
このシミュレーション結果は、カバー２５５を備えた第２実施形態に示す構成でも参考にできるものである。つまり、第２実施形態に示す構成でも、等方的な粉体射出を実現できることが分かる。
【００３９】
また、本実施形態では、射出時に流体を圧縮することがないため、圧力損失が少ない。つまり、本実施形態により、大きな粉体スポット径を実現でき、高速な造形が可能となる。また、第２実施形態の構成において、カバー２５５を容易に着脱自在に設けることにより、第２実施形態の構成と本実施形態の構成とを自由に切り替えることが可能となる。つまり、一つのノズルを高精細造形用と高速造形用の２種類の用途に用いることが可能となる。
【００４０】
［第４実施形態］
次に本発明の第４実施形態に係る光加工用ノズル８００について、図８を用いて説明する。図８は、本実施形態に係る光加工用ノズル８００の構成を説明するための一部透過斜視図である。本実施形態に係る光加工用ノズル８００は、上記第３実施形態と比べると、流路層２４０から下流側に延びた８本のパイプ状の通過孔８４２を有し、その開口端を射出口８５３としている点で異なる。その他の構成および動作は、第３実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
【００４１】
本実施形態によれば、通過孔８４２の角度を変更することにより、射出方向を変更することが可能となる。これにより、粉体スポットの形状を制御することが可能となる。また、通過孔８４２を長くすれば、射出のばらつきを低減でき、粉体収束スポット径を小さくできるという効果がある。また、ノズル先端に配置されたコーン形状に沿う方向に射出方向を向けることで、コーン形状に沿って流体を流すことが可能となる。つまり、流体の流れが、コーン形状の壁面に沿った層流になる。これにより、粉体収束をさらに高めることができる。
【００４２】
［第５実施形態］
次に本発明の第５実施形態に係る光加工用ノズル９００について、図９を用いて説明する。図８は、本実施形態に係る光加工用ノズル９００の構成を説明するための一部透過斜視図である。本実施形態に係る光加工用ノズル９００は、上記第２実施形態と比べると、流路層２４０から下流側に少し延びたパイプ状の通過孔９４２を有している点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
【００４３】
本実施形態によれば、カバー２５５内に形成されたコーン形状側面にキャリアガスを吹き付け、キャリアガスを分散させる。これにより、キャリアガスが十分に均等分散されたうえで射出されるため、均質性が高まるという効果がある。
【００４４】
ここで、コーン形状は、キャリアガスを分散させる分散部分と先端に向かって先細りしている部分で構成される。分散部分は、上流部（光軸方向と逆）に向かって先細りしているが、この限りではない。例えば、円柱でもよい。
【００４５】
通過孔９４２は、分散部に向けてキャリアガスが噴きつけられるような向きに調整可能になるように構成されている。
【００４６】
［第６実施形態］
本発明の第６実施形態としての光加工装置(Optical Machining apparatus)１０００について、図１０を用いて説明する。光加工装置１０００は、上述の実施形態で説明した光加工用ノズル１００、２００、５００、８００、９００のいずれかを含み、三次元的な造形物（あるいは肉盛溶接）を生成する装置である。ここでは一例として、光加工用ノズル２００を備えた光加工装置１０００について説明する。
【００４７】
《装置構成》
光加工装置１０００は、光源１００１、光伝送部１００２、冷媒供給装置１００３、冷媒供給部１００４、ステージ１００５、流体収容装置１００６、流体供給部１０３０、ガス供給装置１００８、ガス供給部１０４０および光加工ヘッド１０２０を備えている。そして、光加工用ノズル２００は、光加工ヘッド１０２０の一部として、その先端に取り付けられている。
【００４８】
光源１００１としては、例えば、レーザ光源、ＬＥＤ、ハロゲンランプ、キセノンランプを用いることができる。レーザ光源の場合、光線の波長は例えば1060nmであるが、これに限るものではなく、光は加工面２６０に吸収されるものならば何でもよい。
【００４９】
光伝送部１００２は、例えばコア径がφ0.01〜1ｍｍの光ファイバであり、光源１００１で発生した光を光加工ヘッド１０２０に導く。光伝送部１００２のコア径が入射端１０１２の直径となる。冷媒供給装置１００３は、冷媒として例えば水を貯蔵し、ポンプで、冷媒を冷媒供給部１００４に供給する。
【００５０】
冷媒供給部１００４は内径φ２から６の樹脂あるいは金属のホースである。冷媒を光加工ヘッド１０２０内に供給し、その内部で循環させ、冷媒供給装置１００３に戻すことにより、光加工ヘッド１０２０の昇温を抑えている。冷媒の供給量は例えば1〜10 L/minである。
【００５１】
ステージ１００５は、例えばＸステージ、あるいはＸＹステージ、あるいはＸＹＺステージであり、各軸（X、Y、Z）を稼動させることが可能である。流体収容装置１００６は、流体供給部１００７を介して光加工用ノズル２００に材料を含むキャリアガスを供給する。例えば、材料は金属粒子、樹脂粒子などの粒子である。キャリアガスは、不活性ガスであり、例えばアルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガス、でよい。
【００５２】
流体供給部１０３０は例えば樹脂あるいは金属のホースであり、キャリアガスに材料を混入させた粉体流をノズル２００へと導く。ただし、材料が線材の場合はキャリアガスは不要となる。
【００５３】
ガス供給装置１００８は、ガス供給部１０４０を介して光加工ヘッド１０２０にパージガスを供給する。パージガスは例えば窒素、またはアルゴン、またはヘリウム、である。しかし、パージガスはこれに限定されるものではなく、不活性ガスならば他のガスでもよい。光加工ヘッド１０２０に供給されたパージガスは、上記で述べた光線に沿ってノズル２００から射出される。光加工ヘッド１０２０は、上述の実施形態で説明した光加工用ノズル２００と、光源１００１からの光を集光して加工面２６０に射出する集光光学系装置１０２１とを少なくとも含む。
【００５４】
また図示はしていないが、光加工装置１０００は、光加工ヘッド１０２０の姿勢および位置を制御する、姿勢制御機構および位置制御機構を備えている。
【００５５】
《装置動作》
次に、光加工装置１０００の動作について説明する。造形物１０１０は、ステージ１００５の上で作成される。光加工ヘッド１０２０から射出される射出光は、造形物１０１０上の加工面２６０において集光される。加工面２６０は、集光によって昇温され、溶融され、一部に溶融プールを形成する。
【００５６】
材料はノズル２００から加工面２６０の溶融プールへと射出される。そして、溶融プールに材料が溶け込む。その後、溶融プールが冷却され、固化することで加工面２６０に材料が堆積され、３次元造形が実現する。
【００５７】
パージガスはノズル２００から加工面２６０へと射出される。そのため、溶融プールの周辺環境はパージガスによってパージされる。パージガスとして酸素を含まない不活性ガスを選ぶことにより、加工面２６０の酸化を防ぐことができる。
【００５８】
光加工ヘッド１０２０は、冷媒供給装置１００３から冷媒供給部１００４を介して供給された冷媒によって冷却され、加工中の昇温が抑えられる。
【００５９】
以上の一連の動作と同時に、光加工ヘッド１０２０を加工面２６０に沿って走査することにより、材料を堆積させながら所望の造形を行うことができる。つまり、本装置によって肉盛溶接あるいは三次元造形を作成できる。
【００６０】
［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の範疇で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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