(57)【要約】  分岐個所をノズル近くに配置し、かつ流路長を揃えた構成とする。加工用ノズルであって、光源からの光を通過させる光線経路を有し、加工材料を含む流体を射出口から射出する加工用ノズルであって、前記光が通過する光線経路の外側に配置され、前記流体を供給する供給管と、前記流体を前記供給管から前記射出口に向けて供給する、全長が同じ第１、第２分岐管と、を含み、前記第１分岐管は、第１形状を有する第１屈曲部を前記流体の上流側に含み、第２形状を有する第２屈曲部を前記流体の下流側に含み、前記第２分岐管は、前記第１形状を有する第３屈曲部を前記流体の上流側に含み、前記第２形状を有する第４屈曲部を前記流体の下流側に含む。
2017081766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を通過させる光線経路を有し、加工材料を含む流体を射出口から射出する加工用ノズルであって、
前記光が通過する光線経路の外側に配置され、前記流体を供給する供給管と、
前記流体を前記供給管から前記射出口に向けて供給する、全長が同じ第１、第２分岐管と、
を含み、
前記第１分岐管は、
第１形状を有する第１屈曲部を前記流体の上流側に含み、
第２形状を有する第２屈曲部を前記流体の下流側に含み、
前記第２分岐管は、
前記第１形状を有する第３屈曲部を前記流体の上流側に含み、
前記第２形状を有する第４屈曲部を前記流体の下流側に含む加工用ノズル。
【請求項２】
前記第１屈曲部および前記第３屈曲部は、第１曲率半径と第１長さとを有し、
前記第２屈曲部および前記第４屈曲部は、第２曲率半径と第２長さとを有する請求項１に記載の加工用ノズル。
【請求項３】
前記第１分岐管と前記第２分岐管は、前記供給管から流体が流入する流入口からの流路に沿った距離ｓのうち、少なくとも一つの距離が等しい位置における方向ベクトル
【数１】
2017081766.tif 000009
【数２】
2017081766.tif 000010
が互いに異なり、
かつ、任意の前記距離ｓにおいて、
方向ベクトルの絶対値の変化が等しい
【数３】
2017081766.tif 000011
請求項２に記載の加工用ノズル。
【請求項４】
前記第１分岐管および前記第２分岐管の下流側の終端の位置は、前記光線経路を中心として回転対称に配置された請求項１、２または３に記載の加工用ノズル。
【請求項５】
前記光線経路を内包する内側筒体と、
前記内側筒体を内包する外側筒体と、
をさらに備え、
前記第１、第２分岐管の下流端が、前記内側筒体と前記外側筒体とで形成される流路に接続された請求項１乃至４のいずれか１項に記載の加工用ノズル。
【請求項６】
前記第１、第２分岐管の下流端が、前記加工面に向けて開口した請求項１乃至４のいずれか１項に記載の加工用ノズル。
【請求項７】
前記加工用ノズルは、奇数の分岐管を備える請求項１乃至６のいずれか１項に記載の加工用ノズル。
【請求項８】
光源からの光を用いて加工面上に形成した溶融プールに対し、加工材料を含む流体を射出させて加工を行なう加工用ノズルであって、
前記光が通過する光線経路の外側に配置され、前記流体を供給する供給管と、
前記流体を前記供給管から前記加工面側に供給する、全長が同じ第１、第２、第３分岐管と、
を含み、
前記第１分岐管は、
第１形状を有する第１屈曲部を上流側に含み、
第２形状を有する第２屈曲部を下流側に含み、
前記第２分岐管は、
前記第１形状を有する第３屈曲部を上流側に含み、
前記第２形状を有する第４屈曲部を下流側に含み、
前記第３分岐管は、
前記第１形状を有する第５屈曲部を上流側に含み、
前記第２形状を有する第６屈曲部を下流側に含む加工用ノズル。
【請求項９】
光源からの光を通過させる光線経路を有し、加工材料を含む流体を射出する加工用ノズルであって、
前記光が通過する光線経路の外側に配置され、前記流体を供給する供給管と、
前記流体を前記供給管から前記加工面側に供給する、全長が同じ第１、第２、第３分岐管と、
を含み、
前記第１、第２、第３分岐管のそれぞれは、半円管および１／４円管のうち少なくとも一方を複数用いて同じ並び順で組み合わせてなる加工用ノズル。
【請求項１０】
前記第１、第２、第３分岐管のそれぞれは、半円管、半円管、１／４円管の順に組み合わせられている請求項９に記載の加工用ノズル。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の加工用ノズルを用いた光加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工面に光を照射し、その照射部に加工材料を含む流体を噴射して造形する加工用ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記技術分野において、非特許文献１には、外部で３分岐された粉体流をノズルの外側から流入させる光加工装置が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】http://www.aichi-sangyo.co.jp/products/trumpf/WorkingHead.html
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記文献に記載の技術では、３分岐された粉体流がノズルに至るまでの粉体流路をほぼ等コンダクタンスにするために、粉体流路を一定以上確保する必要がある。【０００５】
したがって、分岐箇所は、ノズルから離れた位置になってしまい、全体としての装置構成が上下方向に大型化しやすかった。そこで、分岐箇所をノズル近くに配置しても、その分岐箇所からノズルまでの粉体流路を等コンダクタンスにできる構成が望まれていた。【０００６】
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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る加工用ノズルは、
光源からの光を通過させる光線経路を有し、加工材料を含む流体を射出口から射出する加工用ノズルであって、
前記光が通過する光線経路の外側に配置され、前記流体を供給する供給管と、
前記流体を前記供給管から前記射出口に向けて供給する、全長が同じ第１、第２分岐管と、
を含み、
前記第１分岐管は、
第１形状を有する第１屈曲部を前記流体の上流側に含み、
第２形状を有する第２屈曲部を前記流体の下流側に含み、
前記第２分岐管は、
前記第１形状を有する第３屈曲部を前記流体の上流側に含み、
前記第２形状を有する第４屈曲部を前記流体の下流側に含む。【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る加工用ノズルは、
光源からの光を用いて加工面上に形成した溶融プールに対し、加工材料を含む流体を射出させて加工を行なう加工用ノズルであって、
前記光が通過する光線経路の外側に配置され、前記流体を供給する供給管と、
前記流体を前記供給管から前記加工面側に供給する、全長が同じ第１、第２、第３分岐管と、
を含み、
前記第１分岐管は、
第１形状を有する第１屈曲部を上流側に含み、
第２形状を有する第２屈曲部を下流側に含み、
前記第２分岐管は、
前記第１形状を有する第３屈曲部を上流側に含み、
前記第２形状を有する第４屈曲部を下流側に含み、
前記第３分岐管は、
前記第１形状を有する第５屈曲部を上流側に含み、
前記第２形状を有する第６屈曲部を下流側に含む。【０００９】
上記目的を達成するため、本発明に係る加工用ノズルは、
光源からの光を通過させる光線経路を有し、加工材料を含む流体を射出する加工用ノズルであって、
前記光が通過する光線経路の外側に配置され、前記流体を供給する供給管と、
前記流体を前記供給管から前記加工面側に供給する、全長が同じ第１、第２、第３分岐管と、
を含み、
前記第１、第２、第３分岐管のそれぞれは、半円管および１／４円管のうち少なくとも一方を複数用いて同じ並び順で組み合わせてなる。【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係る光加工装置は、
上記加工用ノズルを用いた。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、分岐箇所をノズル近くに配置し、かつ分岐箇所からノズルまでの各粉体流路を等コンダクタンスにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態に係る加工用ノズルの全体構成を示す概略斜視図である。
【図１Ｂ】本発明の第１実施形態に係る加工用ノズルの全体構成を示す他の概略斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る加工用ノズルの構成を示す概略底面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る加工用ノズルが備える分岐経路の構成パーツの一例を説明する図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る加工用ノズルが備える分岐経路の構成パーツのパーツ仕様の一例を説明する図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る加工用ノズルが備える分岐経路の構成パーツの組み合わせ一例を説明する図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る加工用ノズルが備える分岐経路の構成を示す概略斜視図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る加工用ノズルが備える分岐経路の構成を示す概略上面図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る光加工装置の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。
【００１４】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての加工用ノズルについて、図１Ａ乃至図４を用いて説明する。図１Ａは、本実施形態に係る加工用ノズル１００の全体構成を示す概略斜視図であり、図１Ｂは、本実施形態に係る加工用ノズル１００の全体構成を示す他の概略斜視図である。また、図２は、本実施形態に係る加工用ノズル１００の構成を説明する概略底面図である。
【００１５】
加工用ノズル１００は、光加工装置の加工用ヘッドの先端部に取り付けられ、加工点１８１に対して３次元造形物などの材料である粉体を含む粉体流を供給する部材である。加工用ノズル１００を取り付けられた光加工装置の加工用ヘッドは、加工点１８１に向けて光を集光して加工点１８１を溶融し、加工点１８１に粉体流１７０に含まれる粉体材料を供給し、３次元造形物の造形や肉盛溶接などを行う。ここで、粉体流は、不活性ガス（アルゴン、ヘリウム、窒素など希ガス）に金属粉体などを混入させたものである。ただし、これに限るものではなく、水や液体窒素などの液状の流体に金属粉体や樹脂などの材料を混入させたものでもよい。
【００１６】
図１に示したように、加工用ノズル１００は、供給管１０１と、分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂと、分岐経路１０３とを備える。供給管１０１および分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３は管状のパイプとなっている。ただし、各分岐路は管状に限らず、金属や樹脂などの部材に空隙あるいは空孔を設けた流路でよい。以下では、それらを総称してパイプと呼ぶ。
【００１７】
分岐経路１０２Ａ、分岐経路１０２Ｂおよび分岐経路１０３は、全長が同じである。分岐路１０２Ａは、分岐部１１０との接合部において直線部分を有している。この直線部はなくてもよいが、直線部を備えることにより、流体が分岐部１１０で分岐された直後に乱れるのを抑える効果がある。ここで、供給管１０１を上流とし、流体が射出口１４１に向けて流れる方向を下流側と定義する。分岐経路１０２Ａは、上流側から下流側に向かって、複数のパイプ形状で構成されている。ここで、パイプ形状とは、パイプに流体を流したときの軌跡、つまり流体の流線のことを言う。以下で、分岐路１０２Ａの上流側から構成を説明する。まず、流線が加工面にいったん近づいて遠ざかるような、下に向いた半円形状のパイプ形状部分（パーツ１２１）を備える。次に、流線が加工面からいったん遠ざかって近づくような上に向いた半円形状のパイプ形状部分（パール１２１）と接合部１２３で接続する。そして、上に向いた半円形状のパイプ形状部分（パーツ１２１）を経て、流線が中心角９０°となる円弧形状（１／４円形状）のパイプ形状部分（パーツ１２２）と接合部１２４で接続する。以上で述べたパイプ形状は、半円形状（パーツ１２１）と１／４円形状（パーツ１２２）のみであったが、パイプ形状はこれに限らない。つまり、パイプ形状はどのような曲線でも構わない。
【００１８】
同様に、分岐経路１０２Ｂおよび分岐経路１０３も、上流側から下流側に向かって、まず、下に向いた半円形状のパイプ形状部部分（パーツ１２１）を経て、上に向いた半円形状のパイプ形状部分（パーツ１２１）と接合部１２３、１３３で接続する。そして、上に向いた半円形状のパイプ形状部分（パーツ１２１）を経て、１／４円形状のパイプ形状部分（パーツ１２２）と接合部１２４、１３４で接続する。
【００１９】
分岐経路１０２Ａと分岐経路１０２Ｂと分岐経路１０３とは、各パイプ形状部分同士の継ぎ目において、その接続する向きが異なっている。ただし、各分岐部１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３は、全長が同じであり、各分岐部を構成する複数のパイプ形状も上流側から逐次的（シーケンシャル）に同じとなっている。
【００２０】
供給管１０１は、粉体流の供給源である粉体の貯留タンク（不図示）などから粉体流の供給を受け、供給管１０１に流入し、供給管１０１内を流れた粉体流は、その後、分岐部１１０へと進入する。分岐部１１０へと進入した粉体流は、分岐部１１０内で、３つに分かれ、３つに分岐された粉体流はそれぞれ、分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３へと進入する。
【００２１】
そして、３つの分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３へと進入した粉体流は、各分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３内を通過し、ノズル筐体１４０へと導かれ、ノズル筐体１４０内へと進入する。
【００２２】
ノズル筐体１４０内に進入した粉体流は、ノズル筐体１４０の内部に設けられたスリット（不図示）を通過し、先端の射出口１４１からノズル筐体１４０の外部へと射出される。なお、スリットは、光線経路１６０を内包する、同軸に配置された内側筒体と外側筒体との間隙で形成される。各筒体は、光線経路１６０に沿って先細りする形状であってもよい。例えば、円錐形状でよく、この場合、スリットは光線経路１６０（あるいはノズル筐体１４０）に直交する断面において円環状の断面を有することになる。この円環状の断面は、光線経路１６０（あるいはノズル筐体１４０）に対して等方的である。このように、先細りする形状とすることで、光線経路１６０に沿って加工面へと粉体材料を収束できるという効果がある。また、このスリットは光線経路１６０（あるいはノズル筐体１４０）に対して等方的であるため、流体もこのスリットに等方的に流入させることにより流体のばらつきを低減することができ、加工面における粉体の収束性が高まる。つまり、流体の流速あるいは流量を、光線経路１６０（あるいはノズル筐体１４０）に対して等方的にすることにより、粉体の収束性を高めることができる。
【００２３】
３つの分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３がノズル１４０に接合する部分は、中心軸１８０に対して回転対称となるように配置されている。ここで、回転対称とは、対象物を回転軸まわりに回転させた場合に、回転角が３６０°未満でもとの形状と一致することをいう。なお、本実施形態においては、分岐経路は３つ、つまり、３分岐となっているが、分岐経路の分岐数はこれには限られない。なお、分岐経路の分岐数は、奇数であっても、偶数であってもよい。また、光線経路１６０とノズル筐体１４０に設けられたスリットも中心軸１８０に対して回転対称に配置される。このように両者を中心軸１８０に対して同軸に配置した場合、加工面における光線の集光点と粉体の収束点とを一致させることができる。これにより、粉体の利用効率が向上するという効果がある。
【００２４】
図２に示したように、分岐経路１０２Ａと分岐経路１０２Ｂとは、中心軸１８０を含む面に対して反転対称の形状となっているが、分岐経路１０２Ａと分岐経路１０３とは互いに異なる形状をしている。同様に、分岐経路１０２Ｂと分岐経路１０３とは互いに異なる形状をしている。
【００２５】
次に、分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３の形状について説明する。なお、ここで、各流路の流入口と流出口とは、粉体流１７０の流れに対して上流側を流入口とし、下流側を流出口としている。粉体流が供給管１０１の流入口（入口部分）から分岐経路１０２Ａあるいは１０２Ｂあるいは１０３の経路上の任意の位置（点、場所）までの距離をｓ（経路距離）とする。また、その位置における分岐経路１０２Ａあるいは１０２Ｂあるいは１０３の方向ベクトルを、
【数１】
2017081766.tif 000003
とする。ここで、ベクトルの方向は上流から下流に向かう方向とする。
【００２６】
このとき、経路距離ｓにおける分岐経路１０２Ａあるいは１０２Ｂあるいは１０３の曲率Ｋは、
【数２】
2017081766.tif 000004
となる。
【００２７】
そして、例えば、分岐経路１０２Ａの経路距離ｓにおける方向ベクトルを
【数３】
2017081766.tif 000005
とし、分岐経路１０３あるいは分岐経路１０２Ｂの経路距離ｓおける方向ベクトルを
【数４】
2017081766.tif 000006
とすると、分岐経路１０２Ａと分岐経路１０３、あるいは分岐経路１０２Ａと分岐経路１０２Ｂとは、形状が異なるので、
【数５】
2017081766.tif 000007
を満たす経路距離sが少なくとも一つ存在する。また、任意の経路距離ｓにおいて、同時に、
【数６】
2017081766.tif 000008
を満たす。なお、分岐経路１０２Ａ、分岐経路１０２Ｂおよび分岐経路１０３の全長は、全て同じである。以上で述べた条件より、式（２）と式（３）とを同時に満たす、少なくとも一つの経路距離sが存在することになる。
【００２８】
なお、分岐経路１０２Ａ、分岐経路１０２Ｂおよび分岐経路１０３が、接合点で接続されたパーツで作成された場合、接合点までの経路距離ｓにおいても、上記式（２）および式（３）が成立するように各パーツが相対的に回転して接合される。
【００２９】
このような条件で、各分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３を形成すれば、分岐部１１０からノズル筐体１４０への流入口（入口）に至るまでの分岐経路のコンダクタンス、すなわち、各分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３のコンダクタンスを等しくすることができる。なぜならば、式（３）が成立するため、各分岐経路の任意の経路距離ｓにおいて曲率が等しくなる。分岐経路を流れる流体の流速は、分岐経路の曲率に依存する。それゆえ、分岐部１１０で等分岐された流体は、各分岐経路の任意の経路距離sにおいて互いに流速が等しくなる。さらに、各分岐経路の流線方向に直交する断面積が等しければ、それぞれの流体の流量も等しくできる。
【００３０】
次に、粉体流が供給管１０１から供給され、射出口１４１から射出されるまでの流れについて説明する。
【００３１】
粉体流は、供給管１０１の流入口（入口）から供給管１０１内へ流入され、分岐部１１０において、３つに分岐される。分岐部１１０は回転対称な形状をしており、たとえば円筒形状の筐体を有している。この分岐部１１０は、供給管１０１から伸びた流路が内部で３分岐されるような３回転対称の流路を備えている。このとき、３つの分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３への流入口が、分岐部１１０の回転対称軸に対して回転対称に配置されているので、分岐部１１０において粉体流を均等に３分岐することができる。
【００３２】
これに対して、３つの分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３が同じ形状の場合は、分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３の流出口において、各分岐経路の終端部を中心軸１８０に対して回転対称に配置することができない。
【００３３】
従って、少なくとも１つの組み合わせの分岐経路の形状が異なる必要がある。つまり、分岐経路１０２Ａ、分岐経路１０２Ｂ、分岐経路１０３のうち、少なくとも一つの組み合わせに対して上記式（２）が成立する必要がある。
【００３４】
分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３はそれぞれ、任意の経路距離ｓにおいて曲率が等しく、式（３）が成立する。これにより、各分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３の任意の経路距離ｓにおける流速を互いに等しくすることができる。つまり、各分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３の終端部における流速を等しくすることができる。したがって、ノズル筐体１４０内での粉体流を光線経路１６０に対して等方化することができ、流速の分岐ばらつきが低減し、加工点１８１における粉体流の粉体収束性が向上する。つまり、ノズル筐体１４０内に設けられた、光線経路１６０に対して等方的なスリットに対し、等方的に流体を流入させることができるため、粉体収束性を高めることができる。さらに、分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３の任意の経路距離ｓにおいて、流線方向に直交する断面積を等しくすることにより、それぞれ分岐経路における流体の流量も等しくできる。これにより、流量の分岐ばらつきも低減させることができ、加工点１８１における粉体流の粉体収束性が向上する。
【００３５】
すなわち、分岐経路１０２Ａと、分岐経路１０２Ｂと、分岐経路１０３とは、互いに形状が異なっている。それゆえ、分岐部１１０が中心軸１８０上になく、中心軸１８０から離れた位置に配置されていても、その分岐部１１０と接続される３つの分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３は、終端部（流出口、出口、分岐経路の下流端）、つまり、ノズル筐体１４０に接続する部分において、分岐経路の流出口を中心軸１８０に対して回転対称となるように配置することができる。
【００３６】
これにより、粉体流をノズル筐体１４０およびその中心軸１８０に対して等方的に流入させることができる。したがって、ノズル筐体１４０内において、粉体流が等方化され、粉体流を３分岐したことによる分岐ばらつきが低減し、加工点１８１における粉体収束性が向上する。
【００３７】
また、分岐経路の数は３つであり、奇数であるので、ノズル筐体１４０に流入する粉体流は、ノズル筐体１４０内において互いに正面からぶつかりあうことがない。よって、乱流の発生を低減でき、粉体収束性を向上させることができる。
【００３８】
光線は、不図示の光学系から照射され、光線経路１６０を通過して、加工点１８１や加工点１８１を含む所定面積の領域に集光される。そして、光線経路１６０に沿って、不活性ガス（アルゴン、ヘリウム、窒素などの希ガス）も流しており、加工点１８１の酸化を防止したり、加工点１８１から飛散するヒュームなどの異物が加工用ノズル１００の内部へ混入したりするのを防止する。
【００３９】
図１Ｂは、本実施形態に係る加工用ノズル１００の全体構成を示す他の概略斜視図であり、分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３が一体成形された実施形態である。なお、図１Ｂにおいて、図１Ａと同様の構成要素には同じ参照番号を付して重複する説明は省略する。
【００４０】
図３は、本実施形態に係る加工用ノズル１００が備える分岐経路の構成パーツの一例を説明する図である。分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３のそれぞれは、同図に示したパーツ１２２、１２１を組み合わせることにより構成される。例えば、分岐経路１０２Ａ（１０２Ｂ）は、１／４円管の部材であるパーツ１２２と、半円管の部材であるパーツ１２１との組み合わせから構成される。具体的には、分岐経路１０２Ａ（１０２Ｂ）は、パーツ１２１、パーツ１２１、パーツ１２２の順番に、これらのパーツを連結することにより製造できる。分岐管１０３も同じ順番でパーツ１２２、１２１を連結することにより製造できる。ただし、分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、分岐経路１０３はそれぞれ、パーツ１２２、１２１同士の継ぎ目における継ぎ目角度が異なっている。すなわち、あるパーツから次のパーツへと継がる部分である継ぎ目において、継ぎ目は同じであるが、両者の相対位置が異なっている。また、継ぎ目角度は、継ぎ目を含む平面の法線を軸とし、その軸に対するパーツの相対的な回転角度を意味する。
【００４１】
なお、パーツ同士の継ぎ目に直線管を設けてもよい。このように、分岐経路の継ぎ目部分に直線部分を設けることにより、継ぎ目部分における粉体流の乱れを減らすことができる。また、パーツ同士の継ぎ目における、粉体流の向きの急激な変化による抵抗により、乱流が発生することを低減することができる。
【００４２】
ここでは、１／４円形状（中心角が９０度となる円弧形状）のパイプのパーツ１２２と半円形状（中心角が１８０度の円弧形状）のパイプのパーツ１２１とを用いて、各分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３を製造する例で説明したが、パーツとして用いることのできるパイプは、１／４円形状および半円形状には限定されない。すなわち、１／Ｎ円形状であっても（Ｎは、正の実数）、任意の曲率を持つパイプであってもよい。さらに、パーツとして直線パイプを用いてもよい。
【００４３】
このように、共通のパーツ１２２、１２１を用いて、継ぎ目部分における角度を適宜調整して分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３を製造すると、分岐経路の組み立てが容易になる。また、出来上がった分岐経路のコンダクタンスの目標値からの乖離が少なくなり、さらに、製品精度のばらつきも減少する。
【００４４】
なお、上述の説明では、各分岐経路１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３は、パーツ１２２、１２１を組み合わせて製造する例で説明をしたが、パーツに分けずに、一体成型してもよい。
【００４５】
図４は、本実施形態に係る加工用ノズル１００が備える分岐経路の構成パーツのパーツ仕様の一例を説明する図である。パーツ仕様４００は、パーツ型番４０１に関連付けて、曲率４０２と、長さ４０３と、材質４０４とを表示している。材質４０４としては、例えば、プラスチックや金属などが代表的である。このように、様々な曲率のパーツを準備しておけば、ユーザは、これらを適宜組み合わせることにより、様々な形状の分岐経路を製造することが可能となる。
【００４６】
図５は、本実施形態に係る加工用ノズル１００が備える分岐経路の構成パーツの組み合わせ一例を説明する図である。パーツ組み合わせ５００は、分岐経路型番５０１に関連付けて、分岐経路型番５０１を製造するのに必要なパーツの組み合わせ５０２と、パーツの継ぎ目における継ぎ目角度５０３とを表示している。ここで、継ぎ目角度は、継ぎ目を含む平面の法線を軸とし、その軸に対するパーツの相対的な回転角度を意味する。したがって、ユーザは、このパーツ組み合わせ５００を参照して、所望の分岐経路を製造することができる。
【００４７】
本実施形態によれば、粉体流を３分岐するので、ノズル筐体１４０に流入する粉体流は互いに正面からぶつかりあうことがなく、乱流の発生を低減でき、粉体収束性を向上させることができる。また、ノズル筐体内での粉体流の流速が光線経路１６０に対して等方化され、分岐ばらつきが低減するので、加工点における粉体流の粉体収束性が向上する。さらに、ノズル筐体内において、粉体流の方向が光線経路１６０に対して等方化され、粉体流を３分岐したことによる分岐ばらつきが低減するので、加工点における粉体収束性が向上する。さらにまた、従来のように分岐箇所を遠くに配置することによって、分岐箇所からノズル筐体１４０に至るまでの分岐経路をほぼ等しくする必要がない。そのため、分岐箇所をノズル近くに配置し、かつ流路長を揃えた構成とすることできる。
【００４８】
［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る加工用ノズルについて、図６および図７を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る加工用ノズルが備える分岐経路の構成を示す概略斜視図である。図７は、本実施形態に係る加工用ノズルが備える分岐経路の構成を示す概略上面図である。本実施形態に係る加工用ノズル６００は、上記第１実施形態と比べると、分岐経路に射出口が設けられている点で異なる。その他の構成および動作は、第１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。また、図６および図７において、図が煩雑になるのを避けるため、分岐経路以外の部材等は適宜省略している。
【００４９】
分岐経路６０２Ａ、６０２Ｂ、６０３は、経路の終端部（加工点１８１に近い側）に射出口６２１Ａ、６２１Ｂ、６３１を備えている。すなわち、各分岐経路６０２Ａ、６０２Ｂ、６０３は、ノズル筐体１４０に接続されていない、３ビームタイプノズルである。そして、粉体流は、各分岐経路６０２Ａ、６０２Ｂ、６０３から直接加工点１８１に対して噴射される。
【００５０】
本実施形態によれば、各分岐経路の終端部（加工点に近い側）に射出口を設けたので、各分岐経路を通過する粉体流が混合されることがないので、混合した時に乱流が発生することを防ぐことができる。また、ノズル筐体１４０内にスリットを設ける必要がなく、構造をシンプルにできるという利点もある。
【００５１】
［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る光加工装置について、図８を用いて説明する。図８は、本実施形態に係る光加工装置８００の構成を説明するための図である。光加工装置８００は、上述の実施形態で説明した加工用ノズル１００を含み、集光した光が生み出す熱で粉体流に含まれる材料を溶融することにより三次元造形物を造形したり、肉盛溶接を生成したりする装置である。
【００５２】
《装置構成》
光加工装置８００は、光源８０１、光伝送部８１５、ステージ８０５、材料収容装置８０６、材料供給部８３０、加工ヘッド８０８および制御部８０７を備えている。
【００５３】
光源８０１としては、ここではレーザ光源を用いることとするが、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)、ハロゲンランプ、キセノンランプを用いることができる。材料の溶融に使う光線はレーザ光に限るものではなく、加工点で粉体材料を溶融することができるものであればどのような光線でもよい。例えば、電子ビームや、マイクロ波から紫外線領域の電磁波などの光線であってもよい。
【００５４】
光伝送部８１５は、例えばコア径がφ０．０１〜１ｍｍの光ファイバであり、光源８０１で発生した光を加工ヘッド８０８に導く。
【００５５】
材料収容装置８０６は、加工ヘッド８０８に対し、材料供給部８３０を介して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。
【００５６】
材料供給部８３０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加工ヘッド８０８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。
【００５７】
加工ヘッド８０８は、光線としての光を集束させる集束装置を内部に備え、その集束装置の下流に、加工用ノズル１００が取り付けられている。加工ヘッド８０８に供給されたレーザ光は、内部に設けられたレンズ等からなる光学系を介することで、加工面８６０において集光するように調整されており、加工用ノズル１００内部を経て加工面８６０に照射される。光学系は、レンズ間隔等を制御することで、集光位置を制御可能に設けられている。
【００５８】
制御部８０７は、細書きまたは太書きなどの造形条件を入力し、入力した造形条件に応じて光源８０１からのレーザ光の出力値を変更すると共に、加工用ノズル１００の外側筐体をスライドさせる。これにより、加工用ノズル１００から射出される粉体による粉体スポット径を溶融プール径に合わせて制御する。
【００５９】
《装置動作》
次に、光加工装置８００の動作について説明する。造形物８１０は、ステージ８０５の上で作成される。加工ヘッド８０８から射出される射出光は、造形物８１０上の加工面８６０において集光される。加工面８６０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。
【００６０】
材料は加工用ノズル１００から加工面８６０の溶融プール８６１へと射出される。そして、溶融プール８６１に材料が溶け込む。その後、溶融プール８６１が冷却され、固化することで加工面８６０に材料が堆積され、３次元造形が実現する。
【００６１】
本実施形態によれば、粉体収束性のよい加工用ノズルを用いるので、精度の高い光加工を行うことができる。
【００６２】
［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、本願発明のスコープ内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１Ａ】
2017081766.tif 000012
【図１Ｂ】
2017081766.tif 000013
【図２】
2017081766.tif 000014
【図３】
2017081766.tif 000015
【図４】
2017081766.tif 000016
【図５】
2017081766.tif 000017
【図６】
2017081766.tif 000018
【図７】
2017081766.tif 000019
【図８】
2017081766.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成29年3月6日(2017.3.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を通過させる光線経路を有し、加工材料を含む流体を射出口から射出する加工用ノズルであって、
前記光が通過する光線経路の外側に配置され、前記流体を供給する供給管と、
前記流体を前記供給管から前記射出口に向けて供給する、全長が同じ第１、第２分岐管と、
を含み、
前記第１分岐管は、
第１形状を有する第１屈曲部を前記流体の上流側に含み、
第２形状を有する第２屈曲部を前記流体の下流側に含み、
前記第２分岐管は、
前記第１形状を有する第３屈曲部を前記流体の上流側に含み、
前記第２形状を有する第４屈曲部を前記流体の下流側に含み、
前記第１屈曲部および前記第３屈曲部は、第１曲率半径と第１長さとを有し、
前記第２屈曲部および前記第４屈曲部は、第２曲率半径と第２長さとを有し、
前記第１分岐管と前記第２分岐管は、前記供給管から流体が流入する流入口からの流路に沿った距離ｓのうち、少なくとも一つの距離が等しい位置における方向ベクトル
【数１】
2017081766.tif 000021
【数２】
2017081766.tif 000022
が互いに異なり、
かつ、任意の前記距離ｓにおいて、
方向ベクトルの絶対値の変化が等しい
【数３】
2017081766.tif 000023
加工用ノズル。
【請求項２】
光源からの光を通過させる光線経路を有し、加工材料を含む流体を射出口から射出する加工用ノズルであって、
前記光が通過する光線経路の外側に配置され、供給管から供給された前記流体を分岐する分岐部と、
前記流体を前記供給管から前記射出口に向けて供給する、全長が同じ第１、第２分岐管と、
を含み、
前記第１分岐管は、前記分岐部において分岐された前記流体を前記射出口に供給可能に設けられており、
第１形状を有する第１屈曲部を前記流体の上流側に含み、
第２形状を有する第２屈曲部を前記流体の下流側に含み、
前記第２分岐管は、前記分岐部において分岐された前記流体を前記射出口に供給可能に設けられており、
前記第１形状を有する第３屈曲部を前記流体の上流側に含み、
前記第２形状を有する第４屈曲部を前記流体の下流側に含む加工用ノズル。
【請求項３】
前記第１屈曲部および前記第３屈曲部は、第１曲率半径と第１長さとを有し、
前記第２屈曲部および前記第４屈曲部は、第２曲率半径と第２長さとを有する請求項２に記載の加工用ノズル。
【請求項４】
前記第１分岐管と前記第２分岐管は、前記供給管から流体が流入する流入口からの流路に沿った距離ｓのうち、少なくとも一つの距離が等しい位置における方向ベクトル
【数１】
2017081766.tif 000024
【数２】
2017081766.tif 000025
が互いに異なり、
かつ、任意の前記距離ｓにおいて、
方向ベクトルの絶対値の変化が等しい
【数３】
2017081766.tif 000026
請求項３に記載の加工用ノズル。
【請求項５】
前記第１分岐管および前記第２分岐管の下流側の終端の位置は、前記光線経路を中心として回転対称に配置された請求項１乃至４のいずれか１項に記載の加工用ノズル。
【請求項６】
前記光線経路を内包する内側筒体と、
前記内側筒体を内包する外側筒体と、
をさらに備え、
前記第１、第２分岐管の下流端が、前記内側筒体と前記外側筒体とで形成される流路に接続された請求項１乃至５のいずれか１項に記載の加工用ノズル。
【請求項７】
前記第１、第２分岐管の下流端が、前記加工面に向けて開口した請求項１乃至５のいずれか１項に記載の加工用ノズル。
【請求項８】
前記加工用ノズルは、奇数の分岐管を備える請求項１乃至７のいずれか１項に記載の加工用ノズル。
【請求項９】
光源からの光を用いて加工面上に形成した溶融プールに対し、加工材料を含む流体を射出口から射出させて加工を行なう加工用ノズルであって、
前記光が通過する光線経路の外側に配置され、供給管から供給された前記流体を分岐する分岐部と、
前記流体を前記供給管から前記加工面側に供給する、全長が同じ第１、第２、第３分岐管と、
を含み、
前記第１分岐管は、前記分岐部において分岐された前記流体を前記射出口に供給可能に設けられており、
第１形状を有する第１屈曲部を上流側に含み、
第２形状を有する第２屈曲部を下流側に含み、
前記第２分岐管は、前記分岐部において分岐された前記流体を前記射出口に供給可能に設けられており、
前記第１形状を有する第３屈曲部を上流側に含み、
前記第２形状を有する第４屈曲部を下流側に含み、
前記第３分岐管は、前記分岐部において分岐された前記流体を前記射出口に供給可能に設けられており、
前記第１形状を有する第５屈曲部を上流側に含み、
前記第２形状を有する第６屈曲部を下流側に含む加工用ノズル。
【請求項１０】
光源からの光を通過させる光線経路を有し、加工材料を含む流体を射出口から射出する加工用ノズルであって、
前記光が通過する光線経路の外側に配置され、前記流体を供給する供給管および分岐部と、
前記流体を前記供給管から前記加工面側に供給する、全長が同じ第１、第２、第３分岐管と、
を含み、
前記第１、第２、第３分岐管のそれぞれは、一方が前記分岐部に接続され、他方が前記射出口に接続された、半円管および１／４円管のうち少なくとも一方を複数用いて同じ並び順で組み合わせてなる加工用ノズル。
【請求項１１】
前記第１、第２、第３分岐管のそれぞれは、半円管、半円管、１／４円管の順に組み合わせられている請求項１０に記載の加工用ノズル。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の加工用ノズルを用いた光加工装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る加工用ノズルは、
光源からの光を通過させる光線経路を有し、加工材料を含む流体を射出口から射出する加工用ノズルであって、
前記光が通過する光線経路の外側に配置され、前記流体を供給する供給管と、
前記流体を前記供給管から前記射出口に向けて供給する、全長が同じ第１、第２分岐管と、
を含み、
前記第１分岐管は、
第１形状を有する第１屈曲部を前記流体の上流側に含み、
第２形状を有する第２屈曲部を前記流体の下流側に含み、
前記第２分岐管は、
前記第１形状を有する第３屈曲部を前記流体の上流側に含み、
前記第２形状を有する第４屈曲部を前記流体の下流側に含み、
前記第１屈曲部および前記第３屈曲部は、第１曲率半径と第１長さとを有し、
前記第２屈曲部および前記第４屈曲部は、第２曲率半径と第２長さとを有し、
前記第１分岐管と前記第２分岐管は、前記供給管から流体が流入する流入口からの流路に沿った距離ｓのうち、少なくとも一つの距離が等しい位置における方向ベクトル
【数１】
2017081766.tif 000027
【数２】
2017081766.tif 000028
が互いに異なり、
かつ、任意の前記距離ｓにおいて、
方向ベクトルの絶対値の変化が等しい
【数３】
2017081766.tif 000029
加工用ノズル。
上記目的を達成するため、本発明に係る加工用ノズルは、
光源からの光を通過させる光線経路を有し、加工材料を含む流体を射出口から射出する加工用ノズルであって、
前記光が通過する光線経路の外側に配置され、供給管から供給された前記流体を分岐する分岐部と、
前記流体を前記供給管から前記射出口に向けて供給する、全長が同じ第１、第２分岐管と、
を含み、
前記第１分岐管は、前記分岐部において分岐された前記流体を前記射出口に供給可能に設けられており、
第１形状を有する第１屈曲部を前記流体の上流側に含み、
第２形状を有する第２屈曲部を前記流体の下流側に含み、
前記第２分岐管は、前記分岐部において分岐された前記流体を前記射出口に供給可能に設けられており、
前記第１形状を有する第３屈曲部を前記流体の上流側に含み、
前記第２形状を有する第４屈曲部を前記流体の下流側に含む。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る加工用ノズルは、
光源からの光を用いて加工面上に形成した溶融プールに対し、加工材料を含む流体を射出させて加工を行なう加工用ノズルであって、
前記光が通過する光線経路の外側に配置され、供給管から供給された前記流体を分岐する分岐部と、
前記流体を前記供給管から前記加工面側に供給する、全長が同じ第１、第２、第３分岐管と、
を含み、
前記第１分岐管は、前記分岐部において分岐された前記流体を前記射出口に供給可能に設けられており、
第１形状を有する第１屈曲部を上流側に含み、
第２形状を有する第２屈曲部を下流側に含み、
前記第２分岐管は、前記分岐部において分岐された前記流体を前記射出口に供給可能に設けられており、
前記第１形状を有する第３屈曲部を上流側に含み、
前記第２形状を有する第４屈曲部を下流側に含み、
前記第３分岐管は、前記分岐部において分岐された前記流体を前記射出口に供給可能に設けられており、
前記第１形状を有する第５屈曲部を上流側に含み、
前記第２形状を有する第６屈曲部を下流側に含む。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明に係る加工用ノズルは、
光源からの光を通過させる光線経路を有し、加工材料を含む流体を射出する加工用ノズルであって、
前記光が通過する光線経路の外側に配置され、前記流体を供給する供給管および分岐部と、
前記流体を前記供給管から前記加工面側に供給する、全長が同じ第１、第２、第３分岐管と、
を含み、
前記第１、第２、第３分岐管のそれぞれは、一方が前記分岐部に接続され、他方が前記射出口に接続された、半円管および１／４円管のうち少なくとも一方を複数用いて同じ並び順で組み合わせてなる。
【手続補正書】
【提出日】平成29年6月19日(2017.6.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を通過させる光線経路を有し、加工材料を含む流体を射出口から射出する加工用ノズルであって、
前記光が通過する光線経路の外側に配置され、前記流体を供給する供給管と、
前記流体を前記供給管から前記射出口に向けて供給する、全長が同じ第１、第２分岐管と、
を含み、
前記第１分岐管は、
第１形状を有する第１屈曲部を前記流体の上流側に含み、
第２形状を有する第２屈曲部を前記流体の下流側に含み、
前記第２分岐管は、
前記第１形状を有する第３屈曲部を前記流体の上流側に含み、
前記第２形状を有する第４屈曲部を前記流体の下流側に含み、
前記第１屈曲部および前記第３屈曲部は、第１曲率半径と第１長さとを有し、
前記第２屈曲部および前記第４屈曲部は、第２曲率半径と第２長さとを有し、
前記第１分岐管と前記第２分岐管は、前記供給管から流体が流入する流入口からの流路に沿った距離ｓのうち、少なくとも一つの距離が等しい位置における方向ベクトル
【数１】
2017081766.tif 000030
【数２】
2017081766.tif 000031
が互いに異なり、
かつ、任意の前記距離ｓにおいて、
方向ベクトルの絶対値の変化が等しい
【数３】
2017081766.tif 000032
加工用ノズル。
【請求項２】
前記第１分岐管および前記第２分岐管の下流側の終端の位置は、前記光線経路を中心として回転対称に配置された請求項１に記載の加工用ノズル。
【請求項３】
前記光線経路を内包する内側筒体と、
前記内側筒体を内包する外側筒体と、
をさらに備え、
前記第１、第２分岐管の下流端が、前記内側筒体と前記外側筒体とで形成される流路に接続された請求項１または２に記載の加工用ノズル。
【請求項４】
前記第１、第２分岐管の下流端が、前記加工面に向けて開口した請求項１乃至３のいずれか１項に記載の加工用ノズル。
【請求項５】
前記加工用ノズルは、奇数の分岐管を備える請求項１乃至４のいずれか１項に記載の加工用ノズル。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る加工用ノズルは、
光源からの光を通過させる光線経路を有し、加工材料を含む流体を射出口から射出する
加工用ノズルであって、
前記光が通過する光線経路の外側に配置され、前記流体を供給する供給管と、
前記流体を前記供給管から前記射出口に向けて供給する、全長が同じ第１、第２分岐管
と、
を含み、
前記第１分岐管は、
第１形状を有する第１屈曲部を前記流体の上流側に含み、
第２形状を有する第２屈曲部を前記流体の下流側に含み、
前記第２分岐管は、
前記第１形状を有する第３屈曲部を前記流体の上流側に含み、
前記第２形状を有する第４屈曲部を前記流体の下流側に含み、
前記第１屈曲部および前記第３屈曲部は、第１曲率半径と第１長さとを有し、
前記第２屈曲部および前記第４屈曲部は、第２曲率半径と第２長さとを有し、
前記第１分岐管と前記第２分岐管は、前記供給管から流体が流入する流入口からの流路
に沿った距離ｓのうち、少なくとも一つの距離が等しい位置における方向ベクトル
【数１】
2017081766.tif 000033
【数２】
2017081766.tif 000034
が互いに異なり、
かつ、任意の前記距離ｓにおいて、
方向ベクトルの絶対値の変化が等しい
【数３】
2017081766.tif 000035
加工用ノズル。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2017081766.tif 000036
2017081766.tif 000037
2017081766.tif 000038
2017081766.tif 000039