(57)【要約】【課題】  レーザビームを吸収し散乱効果が大きくなった気体分子を排除し、低コストでレーザビームの拡散を減ずることができるレーザ加工装置を提供することにある。【解決手段】  導光路２内の気体を送風ファン６で循環路８に掃引する。該循環路８内に設けたフィルタ７の要素に、レーザビーム３が照射されて高エネルギー化した気体分子を当てる。これにより、照射前の基底状態に戻して気体分子を再生する。再生された気体を導光路２に戻す。導光路２からレーザビームを吸収することで散乱する効果の大きくなった気体分子が除去されるから、レーザビーム３の拡散を抑え、安定したレーザ加工性能を得る。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを、外気と仕切られた導光路内を通過させて加工点に導きレーザ加工を行うレーザ加工装置において、
レーザビームが照射されて高エネルギー化した気体を、高エネルギー化される以前のエネルギー状態に戻すか、或いは近づけることにより再生する気体再生手段と、
レーザビームが通過する部分の高エネルギー化した気体を、前記気体再生手段に送ると共に、該気体再生手段により再生された気体で置換する導光路送風手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記気体再生手段は、フィルタ、熱交換機、或いはレーザビームが通過する導光路部分の３倍以上の体積を有する循環路であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記気体再生手段は、連続して同断面積を有する長さ１ｍを超える導光路部分であって、その断面積をその部分を通過するレーザビームの有効面積の１００倍以上とすることにより構成したことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記気体再生手段はフィルタで構成され、前記導光路送風手段は送風ファンで構成され、該フイルタと送風ファンの組み合わせが、前記導光路内に複数配置されて、前記送風ファンが、該導光路内の気体を前記レーザビームの軸光と直交する向きに前記フイルタを通すように循環させることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
レーザビームの通過する部分における気体の置換率は、次の不等式で示される範囲内にあることを特徴とする請求項１乃至２の内いずれか１項に記載のレーザ加工装置。
置換率（体積％／秒）
≧４００(%/秒)×気圧係数(気圧/常気圧)×ＣＯ２濃度係数(導光路内のＣＯ２濃度/大気中のＣＯ２濃度)×レーザ出力係数（レーザ出力(kW)/1Kw）
×レーザエネルギー密度係数（１mm２/レーザビーム断面積(mm２)）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ミラーを介してレーザビームを反射・伝播させて加工点に導き、切断・溶接その他のレーザ加工を行うレーザ加工装置に関する。特に、高出力又は高密度のレーザビームを用いるレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザビームをミラーを介して伝播させ加工点に導いてレーザ加工を行うレーザ加工装置にあっては、ミラーなどの光学部品を外界からの塵埃の進入による汚染から守るために、レーザビームの通過する部分を外界と仕切って導光路とするのが一般的である。  
導光路は、その断面積が小さいほど、部材コストも下がり、レーザ加工装置の設計自由度も大きくなるので、経済上有利であるが、過小な断面積をもつ導光路では、レーザビームの一部が欠けたり、導光路壁面で反射したレーザビームによる悪影響がででくる。従来は、図７に示すように、導光路２の最小内径は、レーザビーム３の有効径の３倍、すなわち導光路断面積は、ビーム断面積の９倍あればよいとされてきた。なお、レーザビーム３の有効径は、各種文献にも定義されており、これを計測する装置も市販されているので、レーザビーム３の有効径についての詳細は省略する。  
図７において、符号１はレーザ発振器であり、該レーザ発振器１から出力されたレーザビーム３は、導光路２を通り、反射鏡４で反射されて集光レンズ５に導かれ、加工対象物上に照射されるようにされている。この導光路２の断面積は、概略「π×有効ビーム半径２×９」とされている。
【０００３】
ところで、レーザビーム３は、大気中の気体分子によって吸収散乱される。高出力もしくは高密度のレーザビーム３では、この影響が無視できなくなってくる。このようなレーザビーム３をある程度の距離伝播させようとすると、特に散乱のために、レーザ発振器を出た直後のレーザビーム３がもともと持つ、レーザビーム３の拡散角や、エネルギー分布、指向性などのパラメータが変化してしまう。レーザ加工装置として多用されているＣＯ２レーザの波長（１０．６μｍ）に対しては、レーザビーム３を吸収散乱させる働きのある気体分子としては、もともと大気に含まれる水分子、炭酸ガス分子の他、レーザ加工装置が設置される工場などで濃度が高い炭化水素などの有機化合物がある。他の波長を持つレーザにおいては、窒素・硫黄・塩素・フッ素を含む気体分子が影響することもある。
【０００４】
このような気体分子の起こす吸収散乱の影響について、具体例を例にとって説明する。レーザ加工装置としては、加工領域１．５ｍ×３ｍのもので、搭載発振器が６ｋＷの装置を例にとる。このような加工装置の場合は、設計仕様にもよるが、レーザ発振器からレーザビーム３を集光するレンズまでの距離が５ｍから１５ｍの間になる例が多い。気体分子の吸収散乱を考慮しないで設計されたレーザ加工装置の場合、集光レンズ５に入力されるレーザビーム３は、吸収散乱の影響の排除した場合の２〜３倍の直径を持つにいたる場合がある。実際、このように拡散されたレーザビーム３で切断加工を行ってみると、容易にバーニング（材料とアシストガスとの異常燃焼反応）・ガウジング（レーザビームが底面に貫通しない状態）を起こし加工不良になる。
【０００５】
気体分子によるレーザビーム３の散乱の影響が、単に、拡散角を変化させるものであれば、これを補正する補正光学系を用いて、その影響を排除し得るはずである。しかし、そのような補正光学系を成功裏に用い、加工性能を維持した例は報告されておらず、少なくとも単純な光学系で実現できないものと考えられている。この事実は、気体分子によるレーザビーム３の散乱が、拡散角のみならずレーザビーム３の質的な変化を伴うことを示している。
【０００６】
そこで、吸収散乱によるレーザビームの拡散および変質を排除する方法としては、そのような気体分子を排除すればよいのであって、最も完全なる対策は真空中を伝播させることである。また、代替え策としては、使用するレーザの波長に応じた気体でレーザビーム３を導く導光路内を満たす方法が一般的である。例えば、ＣＯ２レーザの場合、窒素ガスを導光路に供給するのが有効である。
【０００７】
また、空気中の吸収散乱を起こす気体分子をフィルタなどで除去して、レーザビーム導光路に供給する方法が提案されている（特許文献１参照）。このような装置であれば、冒頭で説明したように、導光路の断面積は、レーザの有効ビーム径による断面積の９倍程度で済むものである。  
また、吸収散乱による効果を緩和するものとして、導光路内に撹拌装置を設けることにより、レーザビームの拡散後の性質が光軸に対して非対称になるのを防ぐことを提案している（特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開平９−９９３８７号
【特許文献２】特許第３１５９６４０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
レーザビームの散乱作用は、レーリー散乱によるところが大きいと思われるが、レーリー散乱は、気体電子エネルギーの状態によって影響が大きくなる性質がある。一旦レーザビームを照射されて電子エネルギー状態の高くなった気体分子に、再びレーザビームがあたると、その散乱効果は非常に大きくなる。大気中にレーザビームを伝播させる場合、レーザビームを吸収した気体分子は、速やかに拡散するので、レーザビーム拡散の影響は小さいが、レーザ加工装置の導光路のような閉空間で、レーザビームの照射が始まると、レーザ光を吸収して電子エネルギー状態の変化した気体分子が、導光路内に密度高く存在することになり、激しくレーザ光が拡散することになる。そして、この傾向は、高出力・高密度のレーザにおいて顕著である。
【００１０】
この点、従来の導光路断面積をレーザビームの有効ビーム径における断面積の９倍程度とすることは、上述したような散乱については考慮されておらず、高出力・高密度のレーザビームでは、極めて劣悪な事態を招く。
【００１１】
したがって、このような吸収散乱に対する手段を講じる必要が生じるのだが、上記従来技術については、次のような問題がある。
【００１２】
レーザ導光路内を真空に保つことは、費用的な問題のほか、レーザ加工装置の導光路に可動部分が多く、真空に保つことが難しいという技術的な問題がある。ただ、真空度が低くても、レーザビームを吸収散乱させる気体分子の量が少なくなるので、レーザビームを拡散変質させない効果は大きい。しかし、導光路内を真空にすることは、導光路外部からの塵埃の進入を招きやすくなるので、ミラーの汚染などの問題が残る。
【００１３】
レーザ導光路を窒素ガスなどのレーザビームに反応しないガスで満たすことは、費用的な問題のほか、導光路内のガス純度を保つことが難しいという問題がある。前述のように、レーザ加工装置の導光路は可動部分が多く、完全な機密構造にすることが難しい。ＣＯ２や水分子などの吸収散乱効果のある気体分子は、拡散速度が極めて速く、大量の窒素ガスを予圧をかけて流し続けないと、容易に導光路内に進入してしまう。したがって、技術的にもこの方法は課題を残している。
【００１４】
窒素ガスなどの代わりに、レーザビームを吸収散乱する気体分子を除去した空気を流す方法については、予め空気から分離した窒素ガスなどを用いる代わりに、レーザ加工装置に分離装置を付加したという違いのみであって、費用面での効果しか期待できない。また、現時点での同方式に用いることのできるフィルタ類の分離効率は完全でなく、削減した費用以上の効果は期待できない。
【００１５】
つまり、レーザビームを吸収散乱する気体分子をレーザビーム導光路から完全に排除するには、経済的・技術的問題を伴う。このような気体分子の密度を減らすことで、レーザビームの拡散を減少させる効果は大きいのだが、完全に排除できない以上、レーザ光を吸収して電子エネルギー状態が変化し、散乱効果が増大した気体分子も除去できない。こうした、気体分子を放置することで、レーザビームの拡散が大きくなる結果となっている。
【００１６】
また、導光路に攪拌装置を設けることは、レーザビームが光軸に対して非対称に拡散（散乱）することを防ぐことはできるが、散乱すること自体を防ぐことはできない。攪拌して気体温度分布を一定に保っても、レーザ光を吸収して電子エネルギー状態の増大した分子が、導光路内に蓄積されてくるので、いずれレーザビームが大きく拡散することになり、加工性能が低下する。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、上述した従来技術の問題点を改善することにあり、低コストでレーザビームの拡散を減ずることができるレーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本願請求項１に係わる発明は、レーザビームを、外気と仕切られた導光路内を通過させて加工点に導きレーザ加工を行うレーザ加工装置において、レーザビームが照射されて高エネルギー化した気体を、高エネルギー化される以前のエネルギー状態に戻すか、或いは近づけることにより再生する気体再生手段と、レーザビームが通過する部分の高エネルギー化した気体を、前記気体再生手段に送ると共に、該気体再生手段により再生された気体で置換する導光路送風手段とを備えることによって、レーザビームの拡散を著しく減少させるようにしたものである。そして、請求項２に係わる発明は、前記気体再生手段を、フィルタ、熱交換機、或いはレーザビームが通過する導光路部分の３倍以上の体積を有する循環路で構成したものである。又、請求項３に係わる発明は、前記気体再生手段を、連続して同断面積を有する長さ１ｍを超える導光路部分であって、その断面積をその部分を通過するレーザビームの有効面積の１００倍以上とすることにより構成した。
【００１９】
また、請求項４に係わる発明は、前記気体再生手段をフィルタで構成し、前記導光路送風手段を送風ファンで構成し、該フイルタと送風ファンの組み合わせを、前記導光路内に複数配置し、前記送風ファンが、該導光路内の気体を前記レーザビームの軸光と直交する向きに前記フイルタを通すように循環させるようにした。
【００２０】
請求項５に係わる発明は、請求項１又は２に係わる発明において、レーザビームの通過する部分における気体の置換率は、次の不等式で示される範囲内にする。
置換率（体積％／秒）
≧４００(%/秒)×気圧係数(気圧/常気圧)×ＣＯ２濃度係数(導光路内のＣＯ２濃度/大気中のＣＯ２濃度)×レーザ出力係数（レーザ出力(kW)/1Kw）
×レーザエネルギー密度係数（１mm２/レーザビーム断面積(mm２)）
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、レーザ光を吸収することで散乱する効果の大きくなった気体分子を、レーザビームの導光路から速やかに除去し、散乱効果が小さくなるように再生した上で導光路に戻すので、レーザ光を吸収した気体分子を完全に除去しなくとも、レーザビームの拡散を抑えることができ、安定したレーザ加工性能を得ることができる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明の第１の実施形態の概要図である。該レーザ発振器１から出力されたレーザビーム３は、導光路２を通り、反射鏡４で反射されて集光レンズ５に導かれ、加工対象物のワーク２０上に照射されるようにされている。これらの点については、図７に示した従来のレーザ加工装置と同一であるが、本実施形態においては、さらに、導光路２内の気体を置換させる導光路送風手段及び高電子エネルギー状態の気体分子を基底状態に戻す気体再生手段が設けられている点で従来と相違するものである。なお、図７の従来例と比較し、対応する要素には同一符号を付している。
【００２３】
導光路２に、該導光路２内の気体を循環させるための循環路８が付加され、該循環路８内には、軸流ファンで構成された送風ファン６を配置すると共に、フィルタ７が配設されている。この実施形態では、循環路８と送風ファン６によって導光路送風手段を構成し、フィルタ７によって、気体再生手段を構成している。
【００２４】
レーザ発振器１からレーザビーム３が出力され、このレーザビーム３が照射された導光路２内の気体分子は、電子エネルギー状態が高くなる。しかし、この導光路２内の気体は送風ファンにより、循環路８に取り込まれ、フィルタ７を通した後再び導光路２に戻される。電子エネルギー状態が高くなった気体分子は、フィルタ７を通ることによって、レーザビーム吸収以前の基底状態に戻す、又は基底状態に近づける。すなわち、電子エネルギー状態が高くなった気体分子はフィルタ７の素材に当たることにより電子エネルギーを放出し基底状態に戻される。
本実施形態におけるフイルタ７の機能は、気体分子がフイルタの素材の壁面にあたり電子エネルギーを放出させるものであるから、壁面に当たる確率大きくすれば良いものであり、ろ過紙や、スチールウールのようなものが使用可能である。
【００２５】
こうして、基底状態に戻った気体分子が導光路２内に戻されることになる。導光路２内のレーザビーム３が通る部分における気体を、この導光路送風手段（循環路８と送風ファン６）により送り込まれてくる気体に置き換える体積置換率を、すなわち、電子エネルギー状態が基底状態に戻された気体に置き換える体積置換率を所定値以上にすることによって、レーザビーム３の発散を抑える。
【００２６】
この気体の置換率は、レーザ加工装置が設置されている標高、即ち気体密度によって加減する必要があり、レーザビーム３の出力が高くなるにつれて大きくし、エネルギー密度が高いレーザビーム３においては大きな置換率にする必要がある。また、気体再生手段の再生効率によっても、この置換率は考慮する必要がある。  
さらに、窒素などのレーザビーム３を吸収散乱しない気体分子で導光路２内を満たした場合には、導光路２内の気密性に応じて加減する必要がある。又、レーザビーム３を吸収散乱する気体分子を除去した空気を供給するレーザ加工装置の場合には、この気体分子の除去率が考慮される。
従って、最低限必要な気体の置換率は、上述した各項目を勘案して理論的若しくは実験的に求めるようにする。
【００２７】
この第１の実施形態の場合、レーザビーム３の光軸と送風が同方向であることから、送風の流速を速くする必要があり、例えば、レーザ出力が５ｋＷで、レーザビーム３の直径が１０ｍｍのＣＯ２レーザ光の場合で、導光路内径断面積が０．０１ｍ２、導光路長が４ｍのとき、毎分６００Ｌの送風量が必要であった。このときの気体置換率は２５％／秒に相当する。
【００２８】
６００Ｌ／分＝０．０１ｍ３／秒＝０．０１ｍ２×４ｍ×２５％／秒
ＣＯ２レーザにおいて、この循環する気体が清浄な乾燥空気（ＣＯ２，Ｎ２，Ａｒ，Ｏ）の場合では、置換率は、次の１式を満たすように設計する。
【００２９】
置換率（体積％／秒）
≧基本置換率×気圧係数×ＣＯ２濃度係数×レーザ出力係数
×レーザエネルギー密度係数                                  …（１）
上記１式において、
基本置換率＝４００％／秒（常温・常気圧おいて）
気圧係数＝周囲の気圧ａｔｍ／１ａｔｍ
ＣＯ２濃度係数＝導光路内のＣＯ２濃度/大気中のＣＯ２濃度
レーザ出力係数＝レーザ出力ｋＷ／１ｋＷ
レーザエネルギー密度係数＝１ｍｍ２／レーザビーム断面積ｍｍ２
上述した第１の実施形態では、気体再生手段としてフィルタを用いたが、このフィルタの代わりに熱交換器を用いてもよい。気体再生手段としては、電子エネルギー状態が高くなった気体分子をレーザビーム吸収以前の基底状態に戻せばよいものであるから、フィルタや熱交換器により、気体分子が壁面等に当たる機会を増加させて、電子エネルギーを放出させて基底状態に戻すようにしたが、高エネルギー状態の気体分子が他の気体分子に当たってエネルギーを放出するような状態になる時間を持つようにすればよいものである。
【００３０】
図２は、循環路８を長くして、該循環路自体を気体再生手段とし、高エネルギー状態の気体分子が他の気体分子に当たる機会を増加させるようにしたようにした第２の実施形態の概要図である。  
又、図３は循環路８内に気体再生手段としてのバッファ９が  設けられた循環路としたもので、高エネルギー状態の気体分子が他の気体分子に当たる機会を増加させるようにした第３の実施形態の概要図である。
【００３１】
図２、図３に示した第２、第３の実施形態は、図１の実施形態における気体再生手段としてのフィルタ７の代わりに、経路が長い循環路８’とするか、大きな空間（バッファ）９を設けた循環路とした点で、相違するものである。
この第２、第３の実施形態では、送風ファンにより、導光路２内の気体が循環路８，８’内にとりこまれ、該循環路８’の長い空間、又は大きな空間のバッファ９を通り、導光路２内に戻されるまでの時間が長くなり、循環路８、８’内に留まる時間が長くなることから、取り込まれた気体中におけるレーザビーム３が照射されて電子エネルギー状態が高くなった気体分子は、他の分子に当たる機会が増大し、レーザビーム吸収以前の基底状態に戻り、若しくはこの基底状態に近づき、導光路２内に戻されることになる。
【００３２】
経路の長い循環路８’や循環路８に設けられた大きな空間のバッファ９の体積は、上述したように高エネルギー状態の気体分子をレーザビーム吸収以前の基底状態にする気体再生に要する時間によって変える必要があるもので、レーザ光を吸収し電子エネルギー状態が高まった気体の密度や導光路２を通した後のレーザビーム３の径や加工性能等によって実験的に求め決定する。実験によれば、レーザビームが通過する導光路部分の３倍以上の体積があれば効果的である。
【００３３】
なお、第３の実施形態では、導光路２内の気体をコンプレッサ１０で介して窒素分離装置１１に取り込み、窒素を炭酸ガス、水蒸気、酸素等から分離して、窒素を循環路８に戻すようにしている。ＣＯ２レーザ光と反応しないＮ２ガスを導光路２内に導入し、レーザビーム３に対して吸収散乱を起こす気体分子の密度を下げてよりレーザビーム３の拡散を防止している。そしてこの第２の実施形態では、窒素分離装置１１の吸入口を導光路２内に設けていることから導光路２内のＮ２ガス濃度を高めることができる。
【００３４】
図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の第４の実施形態の概要図であり、図４（ｂ）は導光路の断面図である。この第４の実施形態は、導光路送風手段及び気体再生手段が導光路２内に設けらているものである。この第４の実施形態では、導光路２内にレーザビーム３の光軸に直交する向きの導光路２内の気体を送風させるように送風ファン６が設けられ該送風ファン６に対向して、フィルタ７が近接して設けられている。この送風ファンとフィルタ７の組み合わせが、導光路２内に複数設けられ、その各組の上部には、板１２がレーザビーム３の光軸と並行に配設されて、導光路２内を区分し、レーザビーム３はこの板１２の上方領域を通るように構成されている。又、板１２のレーザビーム３の光軸と直交する方向の両端は、導光路２の壁面まで達しておらず、間隙が設けられている。そのため、導光路２内の気体は送風ファン６が駆動されると、レーザビーム３の光軸を横切るように（光軸と直交する方向に）流れる。つまり、気体は導光路２内を該導光路２の中心軸回り回転するように流れ、その流れの途中でフィルタ７を通過することにより、高電子エネルギー状態の気体分子はフィルタ７の要素部材に当たり、レーザビーム吸収前の基底状態に戻されることになる。
【００３５】
図５は、本発明の第５の実施形態の概要図である。この第５の実施形態では、同一断面積の部分が１ｍ以上存在する導光路２であって、その導光路２の断面積が、その部分を通過するレーザビーム３の有効断面積の１００倍以上の断面積を持つように構成し、導光路２内の気体が再生される空間を確保し、且つ、この導光路２内で気体が循環されるように送風ファン６を導光路２内に設けたものである。この送風ファン６によりレーザビーム３が通過する部分の気体を置換するようにしたものである。
【００３６】
図６は、本発明の第６の実施形態の概要図である。レーザ加工装置は、加工ヘッドを固定し、加工ワークを移動させて、加工ヘッドに対して加工ワークを相対移動させて加工するタイプと、加工ヘッドを移動させてレーザビームを走査して加工するタイプがある。このレーザビームを走査するタイプのレーザ加工装置に本発明を適用したものが、この第６の実施形態である。図６において、反射鏡１４は、加工ヘッド１３と共にＸ軸方向に移動し、又、加工ヘッド１３は、Ｘ軸と直交するＹ軸方向に移動する。このようなタイプの場合、Ｘ軸方向の導光路２の両端に循環路８を設ける。Ｙ軸方向への移動ストロークはＸ軸方向の移動ストロークと比べ小さく、Ｙ軸方向の導光路の長さは無視できる程度であることから、Ｘ軸方向の導光路２の両端に接続した循環路８によって気体を交換させれば、レーザビームの拡散を十分に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施形態の概要図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の概要図である。
【図３】本発明の第３の実施形態の概要図である。
【図４】本発明の第４の実施形態の概要図である。
【図５】本発明の第５の実施形態の概要図である。
【図６】本発明の第６の実施形態の概要図である。
【図７】従来のレーザ加工装置の概要図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  レーザ発振器
２  導光路
３  レーザビーム
４、１４  反射鏡
５  集光レンズ
６  送風ファン
７  フィルタ
８  循環路
９  バッファ（空間）
１０  コンプレッサ
１１  窒素分離装置
１２  板
１３  加工ヘッド
２０  ワーク
【図１】
2005152978.tif 000003
【図２】
2005152978.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005152978.tif 000006
【図５】
2005152978.tif 000007
【図６】
2005152978.tif 000008
【図７】
2005152978.tif 000009