(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を噴射する噴射手段と、レーザを照射する照射手段とを備え、レーザと液体噴射流とによって工作物を加工する複合加工装置において、
前記噴射手段の液体通路出口側に装着され、レーザを液体噴射流に導入するレーザ導入手段を更に備え、
前記照射手段は、前記噴射手段の外部から前記レーザ導入手段に向けてレーザを照射するものであることを特徴とする複合加工装置。
【請求項２】
前記照射手段は、前記レーザ導入手段から前記噴射流に入射するレーザの入射角が前記レーザ導入手段と空気との境界面での臨界角以上となるようにレーザを照射するものであることを特徴とする請求項１に記載の複合加工装置。
【請求項３】
前記レーザ導入手段は、前記通路出口側開口に連通する貫通孔を有するノズルを備え、
該ノズルは、照射されたレーザを前記通路出口側開口との境界面で全反射させた後、全反射したレーザを前記貫通孔の側面から前記噴射流に導入するものであり、前記通路出口側開口との境界面での臨界角と前記噴射流における空気との境界面での臨界角の合計が９０°以下である媒質で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の複合加工装置。
【請求項４】
前記噴射手段は高圧水を噴射するものであり、
前記ノズルは、サファイア又はダイヤモンドで形成されていることを特徴とする請求項３に記載の複合加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザと液体の噴射流とによって工作物を加工する複合加工装置に関するものであり、特にレーザの噴射流への導入手段に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液体噴射流とレーザの複合加工装置としては従来から種々の改良がなされているが、その一つとして特表平１０−５００９０３号に記載された装置が知られている。この複合加工装置では、ノズルブロック内の液体通路となるノズル通路に液体供給管から液体が供給される。そして、ノズルブロックの上方からレーザを照射して噴射手段通路の入口平面でレーザを収束させる。これにより、ノズル通路入口で液体供給管から供給された液体の噴射流にレーザビームが導入され、噴射手段通路を通過して出口（噴射口）から工作物に対して噴射される。このように従来の噴射流とレーザの複合加工装置では、噴射手段通路の入口側、即ち液体の導入側からレーザを噴射流に導入するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に噴射手段から１００ＭＰａ以上の高圧の噴射流を得るためには、液体が通過するノズル通路の長さを充分に確保して、ノズル通路通過中に導入された流体の乱れを減衰させて噴射口から噴射させる必要がある。特表平１０−５００９０３号の複合加工装置ではノズル通路の長さが比較的短いため、噴射圧力を次第に増加させると流体の乱れを減衰させることができず液体の噴射形状が不良となってしまう。このため、レーザをノズル通路の入口で噴射流に入射しても噴射流内でレーザが良好に全反射しながら進行せず、レーザを噴射流に確実に導入することができないという問題がある。
【０００４】
これを防止すべくノズル通路を充分に長くすることも考えられる。しかしながら、この場合にはレーザ光が噴射手段通路の水中を進行するに従い減衰してしまうという問題がある。例えばノズル径０．２ｍｍ、圧力１００ＭＰａ以上で噴射形状の良好な噴射流を得るためには、ノズル通路の長さが約７０ｍｍ以上必要であるが、ＹＡＧレーザが７０ｍｍの長さのノズル通路に流れる液体内を通過するとレーザが約５２％減衰してしまう。
【０００５】
また、従来の複合加工装置では、ノズルの液体導入側からレーザを導入しているので、ノズルとレーザ導入部分とを別個に設計することができず、機器構成にも制限があるという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、レーザの減衰を防止しながら、レーザを噴射流に導入して高圧な噴射流を得ることができる複合加工装置を提供することを主な目的とする。本発明の別の目的は、レーザを噴射流に確実に導入することができる複合加工装置を提供することである。本発明の別の目的は、機器構成の設計に自由度のある複合加工装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、液体を噴射する噴射手段と、レーザを照射する照射手段とを備え、レーザと液体噴射流とによって工作物を加工する複合加工装置において、
前記噴射手段の液体通路出口側に装着され、レーザを液体噴射流に導入するレーザ導入手段を更に備え、
前記照射手段は、前記噴射手段の外部から前記レーザ導入手段に向けてレーザを照射するものであることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明では、レーザ導入手段が噴射手段の液体通路入口ではなく出口側に装着されており、照射手段はレーザを液体通路入口ではなく出口側のレーザ導入手段に向けて照射する。このため、レーザは液体通路を通過せずに、液体が通路出口側から噴射された直後に噴射流に導入される。このため、液体通路入口側でレーザを導入する従来の複合加工装置に比べて、レーザが噴射流中で減衰する量も少なくなる。
【０００９】
また、レーザは液体通路を通過しないので、噴射手段の液体通路の距離を充分に長くしてもレーザの減衰性には影響を及ぼさず、高圧の噴射流の噴射形状を良好に維持される。このため通路出口側で噴射流に入射したレーザも噴射流内で全反射を繰り返すことができ、レーザの噴射流への導入が確実なものとなる。
【００１０】
更に、本発明では、レーザ導入手段を液体通路を有する噴射手段と別個に設けているので、夫々別々に設計することができ、機器構成の設計の自由度が多くなるという利点もある。
【００１１】
本発明の照射手段は、レーザをレーザ導入手段に向けて照射するものであればその構成は特に限定されるものではない。例えば、照射手段からレーザ導入手段にレーザを直接照射する他、レーザ導入手段までの経路に反射鏡を１個又は複数個設けて、当該反射鏡でレーザを反射させながらレーザ導入手段へ照射するように構成することができる。この場合には、照射手段の配置に拘わらず反射鏡による反射方向を変えることによってレーザをレーザ導入手段に導くことができ、装置のコンパクト化を図ることができる。
【００１２】
尚、本発明のレーザとしては、波長１μｍ程度のレーザ、例えばＡｒレーザ、高調波ＹＡＧレーザ等が挙げられる。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の複合加工装置において、前記照射手段は、前記レーザ導入手段から前記噴射流に入射するレーザの入射角が前記レーザ導入手段と空気との境界面での臨界角以上となるようにレーザを照射するものであることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明は、レーザ導入手段から噴射流に導入されたレーザを、噴射流中でレーザを全反射させながら工作物に進行させてレーザの噴射流中への導入を確実にするものである。
【００１５】
図２に示すように、噴射流内で進行するレーザｃのＣ点への入射角θcが噴射流（液体）と空気の境界面における臨界角以上であれば、レーザ導入手段３内を進行するレーザｂが液体噴射流に導入されて噴射流中で全反射を繰り返し工作物へ向かって進行する。
【００１６】
ここで、噴射流（液体）と空気の境界面における臨界角は、
ｓｉｎ−１（ｎa／ｎＷ）
である（但し、ｎＷ：液体の媒質の屈折率、ｎa：空気の屈折率）。
【００１７】
このように噴射流中を進行するレーザｃが空気との境界面で全反射するように、レーザ導入手段を進行するレーザｂの噴射流への入射角θinは数１式で表される。
【００１８】
【数１】
0004364974.tif 000002
ｎＷ：液体の媒質の屈折率、ｎＳ：レーザ導入手段の屈折率
ｎa：空気の屈折率
θc：Ｃ点への入射角（Ｂ点での屈折角）
【００１９】
ここで、ｓｉｎ−１（ｎa／ｎＳ）は、レーザ導入手段と空気との境界面における臨界角θncを表している。言い換えれば、レーザ導入手段から噴射流に入射するレーザの入射角θinがレーザ導入手段と空気との境界面での臨界角θnc以上となっていれば、噴射流中に入射したレーザは噴射流中で全反射を繰り返し、工作物に向かって進行することになる。
【００２０】
本発明では、レーザ導入手段から噴射流に入射するレーザｂの入射角θinが前記臨界角θnc以上となっていれば良い。即ち、照射手段からレーザ導入手段に照射されたレーザを直接噴射流中に入射させる他、レーザ導入手段の屈折率を考慮して、レーザ導入手段に照射されたレーザを他の媒質で屈折させたり、いずれかの境界面で全反射させて結果的に上述の条件で噴射流中に入射する場合も含まれる。このようなレーザ導入手段の態様の一つとしては、請求項３に係る発明がある。
【００２１】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の複合加工装置において、前記レーザ導入手段は、前記通路出口側開口に連通する貫通孔を有するノズルを備え、
該ノズルは、照射されたレーザを前記通路出口側開口との境界面で全反射させた後、全反射したレーザを前記貫通孔の側面から前記噴射流に導入するものであり、前記通路出口側開口との境界面での臨界角と前記噴射流における空気との境界面での臨界角の合計が９０°以下である媒質で形成されていることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明は、請求項２に係る発明の好ましい態様であり、照射手段からレーザ導入手段に照射されたレーザをレーザ導入手段と液体通路出口側開口との境界面で全反射させ、この全反射したレーザを直ちに液体噴射流へ入射するものである。
【００２３】
即ち、本発明では図２に示すように、照射手段から照射されたレーザａがＡ点で全反射する。通路出口側開口には噴射手段からの液体が存在するので、通路出口側開口との境界面Ａにおけるレーザａの入射角θiが数２式を満たすときにレーザａがＡ点で全反射する。
【００２４】
【数２】
θi≧θic＝ｓｉｎ−１（ｎＷ／ｎＳ）
θic：レーザ導入手段と液体噴射流との境界面での臨界角
ｎＷ：液体の屈折率、ｎＳ：レーザ導入手段の屈折率
【００２５】
次に、本発明では全反射したレーザｂが他の媒質や境界面での屈折若しくは全反射を行わずにノズルの貫通孔側面のＢ点から噴射流に入射する。
【００２６】
図２から明らかなようにノズルへの入射角θiと噴射流への入射角θinとの合計は９０°となる。また、このことからノズルが通路出口側開口との境界面での臨界角θicと、噴射流との境界面での臨界角θncの合計が９０°以下の媒質で形成されていれば、ノズルと通路出口側開口との境界面で全反射したレーザが直ちに液体噴射流へ入射することになる。このときの入射角θinは上述の通り数１式で表されるので、噴射流に入射したレーザは噴射流中で全反射を繰り返しながら工作物に向かって進行し、レーザを確実に噴射流に導入することが可能となる。
【００２７】
本発明において、数１式及び数２式を満たし、かつ通路出口側開口との境界面での臨界角と前記噴射流における空気との境界面での臨界角の合計が９０°以下となる媒質で形成されていれば、レーザが噴射流中で全反射を繰り返しながら工作物に向かって進行するが、このような条件を満たすためのノズルへのレーザの入射角θiは、数１式、数２式及びノズルへの入射角θiと噴射流への入射角θinとの合計が９０°となることから、数３式で表されることになる。
【００２８】
【数３】
θic≦θi≦９０°−θnc
【００２９】
即ち、ノズルへの入射角θiが数３式の範囲内となるように照射手段からレーザをレーザ導入手段に照射すれば、レーザは噴射流中で全反射を繰り返しながら工作物へ向かって進行することになる。
【００３０】
また、本発明では、全反射したレーザｂが他の媒質や境界面での屈折若しくは全反射を行わずにノズルの貫通孔側面のＢ点から噴射流に入射するため、レーザ導入手段はノズルを備えていれば良く、機器構成が簡易にできるという利点がある。
【００３１】
本発明のノズルは、ノズルが通路出口側開口との境界面での臨界角θicと、噴射流との境界面での臨界角θncの合計が９０°以下の媒質で形成されてればその構成は限定されることはない。このようなレーザ導入手段の態様としては、請求項４に係る発明がある。即ち、請求項４に係る発明は、請求項３に記載の複合加工装置において、前記ノズルは高圧水を噴射するものであり、前記レーザ導入手段は、サファイア又はダイヤモンドで形成されていることを特徴とするものである。
【００３２】
本発明は、噴射流として高圧水を用いた場合のレーザ導入手段の好ましい態様に係るものである。サファイアの屈折率ｎＳ、ダイヤモンドの屈折率ｎＤ、水の屈折率ｎＷは夫々、ｎＳ＝１．７７ｎＤ，＝２．４２，ｎＷ＝１．３３である。このため、サファイアをレーザ導入手段に用いた場合のθic，θnc及びθic＋θncは数４式で表される。
【００３３】
【数４】
θic＝ｓｉｎ−１（ｎＷ／ｎＳ）＝４８．７°
θnc＝ｓｉｎ−１（ｎａ／ｎＳ）＝３４．４°
θic＋θnc＝８３．１°
【００３４】
同様に、ダイヤモンドの場合には数５式で表される。
【００３５】
【数５】
θic＝ｓｉｎ−１（ｎＷ／ｎＤ）＝３３．３°
θnc＝ｓｉｎ−１（ｎａ／ｎＤ）＝２４．４°
θic＋θnc＝５７．７°
【００３６】
従って、いずれの場合も９０°以下であり、レーザは高圧水の噴射流中に確実に導入される。
【００３７】
尚、レーザ導入手段の材質として石英ガラスを用いることはできない。石英ガラスの屈折率ｎＧはｎＧ＝１．５４であり、石英ガラスを用いた場合のθic，θnc及びθic＋θncは数６式で表される。
【００３８】
【数６】
θic＝ｓｉｎ−１（ｎＷ／ｎＧ）＝５９．７°
θnc＝ｓｉｎ−１（ｎａ／ｎＧ）＝４０．５°
θic＋θnc＝１００．２°
【００３９】
即ち、θic＋θncが９０°を超えてしまうので、石英ガラスをレーザ導入手段として使用した場合、レーザが噴射流に確実に導入されないからである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施形態について、以下図示例とともに説明する。第１実施形態に係る噴射流とレーザの複合加工装置は、本発明の液体として高圧水を、本発明のレーザとして高調波ＹＡＧレーザを用いて、高圧水の噴射流にＹＡＧレーザを導入して工作物を加工するものである。図３は第１実施形態の複合加工装置の概略構成図である。図１は図３に示すノズルホルダー２の内部の構成を示す模式図であり、図２は図１においてＹＡＧレーザの進路を示す部分拡大図である。
【００４１】
図１及び図３に示すように本複合加工装置は、高圧水を噴射するノズルヘッド１と、レーザ照射装置１１と、レーザ照射装置１１から射出されたＹＡＧレーザを外部から遮蔽する保護カバー１３と、ＹＡＧレーザをノズルヘッド下端に向けて反射する反射鏡１５と、照射されたＹＡＧレーザを高圧水の噴射流に導入するためのノズル３から概略構成される。レーザ照射装置１１及び反射鏡１５は本発明の照射手段を、ノズルヘッド１は本発明の噴射手段を、ノズル３は本発明のレーザ導入手段を夫々構成する。
【００４２】
ノズルヘッド１の上部は高圧供給装置（図示せず）に接続されており、ノズルヘッド中央部には軸方向にこの高圧供給装置から供給される高圧水が通過する通路５が設けられている。このため、上端の通路入口６ａからノズルヘッド下端の通路出口６ｂに向かって高圧水が流れ、出口６ｂ側から噴射されるようになっている。通路５は本発明の液体通路を構成する。
【００４３】
ノズル３は、ノズルヘッド下端、即ち通路出口６ｂ側に装着されており、サファイアで形成されている。ここで、サファイアと水の境界面の臨界角θic及びサファイアと空気の境界面の臨界角θncは、数４式に示す通りであり、両臨界角の和θic＋θncは８３．１°となり９０°以下である。
【００４４】
ノズル３の中央には軸方向にノズル通路５の径より径の狭い直径０．２ｍｍ、長さ０．５ｍｍの孔部７が設けられている。この孔部７下端からは更に下方に６０°の角度で広がるテーパ状の開口部９を有しており、この開口部９から高圧水が工作物に向けて噴射されるようになっている。この開口部９の最下端における直径は５．４ｍｍとなっている。
【００４５】
反射鏡１５は、ノズルホルダー２の下部に水平に装着されており、照射装置１１から図３の右斜め下方向に射出されたＹＡＧレーザを反射してノズル３に照射する。
【００４６】
このように、本実施形態の複合加工装置では、ノズルヘッド１内の通路５の出口６ｂ側にノズル３が装着されており、照射装置１１から射出されたＹＡＧレーザは、このノズル３に下方から入射するので、通路５をＹＡＧレーザは通過せず噴射流によるレーザの減衰を防止できる。また、通路５にはＹＡＧレーザが通過しないので、通路５の長さを充分にとることができ、超高圧の噴射流をノズルヘッド１から噴射させてもその噴射形状は崩れない。このため、噴射流内をレーザを確実に導入して、レーザによる効果を維持することができる。
【００４７】
本実施形態の複合加工装置では、通路５の長さを９０ｍｍとし、高圧水の圧力を最高３４３ＭＰａとしている。
【００４８】
次に本実施形態の複合加工装置におけるＹＡＧレーザの噴射流への導入について説明する。図１及び図２に示すように、照射装置１１から射出されたレーザは反射鏡１５により反射してノズル３のＡ点に入射する。このときのＡ点での入射角θiは、臨界角θic＝４８．７°以上となっている。このため、入射したレーザａはノズル３と高圧水との境界Ａで全反射する。
【００４９】
Ａ点で全反射したレーザｂは、Ｂ点で屈折し高圧水の噴射流に入射する。Ｂ点での入射角θinは、臨界角θnc＝３４．４°以上となるようにノズル３への入射角θiが定められている。即ち、θin＝９０°−θiであり、数３式より入射角θiは数７式の範囲で定められる。本実施形態では入射角θiを５２°としている。
【００５０】
【数７】
４８．７°≦θi≦５５．６°
【００５１】
このように本実施形態の複合加工装置では、ノズル３へのレーザの入射角θiが臨界角θic＝４８．７°以上であり、かつＢ点での入射角θinが臨界角θnc＝３４．４°以上であるので（即ち、数７式で定められる範囲内でレーザを照射しているので）、ノズル３に照射されたレーザは高圧水の噴射流に全て入射し、噴射流内を全反射しながら工作物に向かって進行し、確実に噴射流に導入される。
【００５２】
次に第２実施形態に係る噴射流とレーザの複合加工装置について説明する。本実施形態の複合加工装置の概略構成は、図１、図２及び図３で示される。第１実施形態と異なる点は、ノズル３の材質がダイヤモンドである点であり、その他の構成は第１実施形態の複合加工装置と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００５３】
ダイヤモンドから水へ入射するときの臨界角θic及びダイヤモンドから空気へ入射するときの臨界角θncは、数５式に示す通りであり、両臨界角の和θic＋θncは５７．７°となり９０°以下である。
【００５４】
数５式より、レーザａのＡ点での入射角θiが３３．３°以上であるときレーザａがＡ点で全反射する。また、レーザｂのＢ点における入射角θinが２４．４°以上のとき、噴射流中に導入されたレーザが全反射しながら工作物へ向かって進行する。このようなＡ点での入射角θiの範囲を第１実施形態と同様に求めると数８式で表される。
【００５５】
【数８】
３３．３°≦θi≦６５．６°
【００５６】
従って、かかる範囲内の入射角でレーザをノズル３に入射すれば、レーザは高圧水の噴射流内で全反射しながら工作物に向かって進行し、噴射流に確実に導入される。
【００５７】
次に第３実施形態に係る噴射流とレーザの複合加工装置について説明する。図４は本実施形態の複合加工装置の概略構成図である。本実施形態の複合加工装置が第１実施形態の装置と異なる点は、ノズルホルダー２内の反射鏡１５の他、保護カバー１３内にも反射鏡１７が配置されている点であり、他の構成については第１実施形態と同様である。尚、本実施形態ではノズル３として第２実施形態と同様にダイヤモンドを使用してもよい。
【００５８】
本実施形態の複合加工装置では、照射装置１１が上方に設けられており、照射装置１１からレーザが鉛直方向に射出される。保護カバー１３内の上部には反射鏡１７が設けられており、照射装置１１から射出されたレーザをノズルホルダー２内の反射鏡１５に向けて反射するようになっている。このため、本実施形態の複合装置は、照射装置１１をノズルヘッド１の斜め上方に設置して広いスペースが必要な第１実施形態の複合装置に比べて装置のコンパクト化を図ることができ、設置スペースの狭い場所での作業が可能になるという利点がある。
【００５９】
尚、レーザのノズル３へ入射角、レーザの噴射流への導入については第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したとおり、請求項１に係る発明は、レーザ導入手段を噴射手段の液体通路出口側に設け、照射手段はこのレーザ導入手段に向けてレーザを照射しているので、液体を高圧で噴射する場合でも、レーザの減衰を極力回避することができるという効果がある。また、本発明は、高圧噴射流を噴射した場合でも良好な噴射形状を維持してレーザを噴射流へ確実に導入できるという効果を有する。また、本発明は、レーザ導入手段が噴射手段と別個に設けられているため、機器構成を自由度をもって設計でき、構造も簡易になるという効果を有する。
【００６１】
請求項２〜４に係る発明は、噴射流内に入射したレーザが全反射を繰り返しながら進行するので、レーザ導入手段に照射したレーザを液体の噴射流に確実に導入して工作物に到達させることができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１〜３実施形態の複合装置のノズルヘッドとノズルの部分拡大図である。
【図２】第１〜３実施形態の複合装置におけるレーザの進行を示す説明図である。
【図３】第１実施形態及び第２実施形態に係る複合装置の全体構成図である。
【図４】第３実施形態の複合装置の全体構成図である。
【符号の説明】
１：ノズルヘッド
２：ノズルホルダー
３：ノズル（レーザ導入手段）
５：高圧水通路（ノズル通路）
６ａ：通路入口
６ｂ：通路出口
７：孔部
９：開口部
１１：レーザ照射装置
１３：保護カバー
１５，１７：反射鏡
１９：Ｏ−リング
【図１】
0004364974.tif 000003
【図２】
0004364974.tif 000004
【図３】
0004364974.tif 000005
【図４】
0004364974.tif 000006