WO2024257710A1 - レーザ装置用フード、レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

レーザ装置用フード、レーザ加工装置及びレーザ加工方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a hood for a laser device, a laser processing device, and a laser processing method.
  • Laser processing apparatuses that irradiate a workpiece (object to be processed) with a laser to perform laser processing such as annealing are known (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-233634).
  • the workpiece may be exposed to a gas such as an inert gas to perform laser processing.
  • the workpiece is covered with a hood having a nozzle at the top for supplying gas, and the inside of the hood is purged with the gas supplied from the nozzle. Then, a laser is irradiated into the hood through the protective glass on the top of the hood to perform laser processing on the workpiece.
  • the nozzle is located at the top of the hood (the end in the laser irradiation direction), so a single gas flow is formed inside the hood in the laser irradiation direction.
  • This gas flow can stir up and stir up dust such as fine particles generated from the workpiece by laser processing, causing it to adhere to the protective glass on the top of the hood. If dust adheres to the protective glass, the laser passing through the protective glass will be attenuated.
  • the present invention was made in consideration of the above circumstances, and aims to suppress laser attenuation.
  • the present invention relates to a hood for a laser device, A cylindrical portion along an axial direction; a transmission portion provided at one axial end of the cylindrical portion and transmitting a laser; an opening provided at the other axial end of the cylindrical portion; a nozzle for supplying gas to an inside of the cylindrical portion; Equipped with The nozzle is disposed in a central portion in the axial direction and in a portion in the circumferential direction of the cylindrical portion.
  • the present invention makes it possible to suppress laser attenuation.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a laser processing apparatus according to an embodiment
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a hood according to a modified example of the embodiment.
  • FIG. 11 is a perspective view of a hood according to a modified example of the embodiment.
  • FIG. 11 is a perspective view of a hood according to a modified example of the embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a gas flow within a hood according to an embodiment.
  • FIG. 1 illustrates gas flow within a conventional hood.
  • FIG. 2 is a diagram showing a gas flow within a hood according to an embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram showing a gas flow in a hood according to a modified example.
  • FIG. 1 illustrates gas flow within a conventional hood.
  • FIG. 2 is a diagram showing a gas flow within a hood according to an embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram showing a gas flow in a hood according to a modified example.
  • FIG. 11 is a diagram showing a gas flow within a hood according to a modified example of the embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram showing a gas flow within a hood according to a modified example of the embodiment.
  • FIG. FIG. FIG. FIG. FIG. FIG. FIG. FIG. FIG. FIG. FIG. FIG. 11 is a cross-sectional view of a hood according to a modified example of the embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a hood according to a modified example of the embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing a laser processing apparatus according to a modified example of the embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a laser processing device 1 according to the present embodiment.
  • the laser processing apparatus 1 irradiates a workpiece WP, which is an object to be processed, with a laser to perform processing such as annealing, welding, etc.
  • the material of the workpiece WP is not particularly limited, but is, for example, silicon, silicon carbide, etc.
  • the laser processing apparatus 1 includes a laser irradiation unit 10 , a support table (stage) 20 , a hood 30 , a gas supply unit 40 , and a control unit 50 .
  • the laser irradiation unit 10 includes a laser oscillator and an optical system (not shown).
  • the laser irradiation unit 10 irradiates a predetermined laser beam downward according to the type of processing.
  • the support table 20 is disposed below the laser irradiation unit 10 and supports the workpiece WP on its upper surface. At least one of the laser irradiation unit 10 and the support table 20 may have a movable part so that the laser irradiation position on the workpiece WP can be adjusted.
  • the hood 30 is disposed below the laser irradiation unit 10 and above the support table 20, and covers the workpiece WP placed on the support table 20.
  • a predetermined gas is supplied into the hood 30 from a gas supply unit 40.
  • the hood 30 exposes the workpiece WP to a predetermined gas atmosphere while allowing the laser from the laser irradiation unit 10 above to pass through.
  • the specific configuration of the hood 30 will be described later.
  • the gas supply unit 40 supplies (applies) a specified gas into the hood 30.
  • the gas supplied may be, for example, an inert gas such as nitrogen or oxygen.
  • the gas supply unit 40 has a gas source 41, which is a gas pump or a gas cylinder, a valve 42, and piping 43 that connects the gas source 41 to the hood 30 (each nozzle 34) via the valve 42.
  • the control unit 50 is configured, for example, by a CPU (Central Processing Unit) and controls each part of the laser processing device 1. Specifically, the control unit 50 controls the operation of the laser irradiation unit 10 to irradiate the laser, and controls the operation of the valve 42 and gas source 41 of the gas supply unit 40 to supply a specified gas to the hood 30. Each part of the gas supply unit 40 may be manually controlled.
  • a CPU Central Processing Unit
  • the hood 30 includes a cylindrical portion 31 and a nozzle 34 .
  • the tubular portion 31 is formed in a cylindrical shape having a central axis Ax along the up-down direction.
  • the shape of the tubular portion 31 is not limited to a cylindrical shape as long as it is cylindrical.
  • the direction along the central axis Ax may be referred to as the “axial direction,” and the direction perpendicular to the axial direction may be referred to as the “radial direction.”
  • the direction in which the nozzle 34 is erected in the hood 30 (the left-right direction on the paper in FIG. 1, etc.) may be referred to as the “left-right (direction).”
  • the upper end (one end) of the cylindrical portion 31 is closed and has a protective glass 31a (transmitting portion) that transmits a laser.
  • the protective glass 31a is provided over substantially the entire upper end surface of the cylindrical portion 31.
  • the protective glass 31a transmits most of the laser irradiated from the laser irradiation unit 10 above into the hood 30 (cylindrical portion 31).
  • the protective glass 31a prevents dust PA such as fine particles (see FIGS. 4A, 4B, etc.) generated from the workpiece WP by laser processing from adhering to the optical system of the laser irradiation unit 10.
  • the lower end (the other end) of the cylindrical portion 31 is an opening 31b that is open on the entire surface.
  • the opening 31b faces the upper surface of the support base 20 in the vertical direction with a predetermined gap interposed between the opening 31b and the upper surface of the support base 20.
  • the nozzle 34 is provided on the outer circumferential surface of the cylindrical portion 31 and blows gas into the inside of the cylindrical portion 31 .
  • a total of four nozzles 34 are provided, with two (two sets) of nozzles arranged side by side in the axial direction, two of which form a pair on the left and right sides of the radial direction of the cylindrical portion 31. That is, one set (two nozzles) of nozzles 34a is provided on the upper side, and one set (two nozzles) of nozzles 34b is provided on the lower side.
  • the nozzles 34 are arranged in parallel in the radial direction.
  • the number and basic arrangement of the nozzles 34 are not particularly limited as long as they include the nozzles 34 arranged in the center of the axial direction, which will be described later.
  • the nozzles 34 may be provided on only one side that does not form a pair in the radial direction (i.e., an odd number), or one or more pairs may be provided, or the two nozzles located on opposite sides in the radial direction may not face each other (their axial positions may be different).
  • the two nozzles 34 facing each other on the left and right may not be symmetrical or axially symmetrical with each other.
  • each nozzle 34 may be divided into a plurality of nozzles in the width direction (see FIG. 3B).
  • the two nozzles 34 may face each other in a plane perpendicular to the axial direction of the cylindrical portion 31, and may not be aligned along the radial direction.
  • each nozzle 34 is the center of the cylindrical portion 31.
  • the "center” in the axial direction refers to a portion of the cylindrical portion 31 excluding the upper and lower ends. In other words, it is sufficient that each nozzle 34 is spaced apart from the upper and lower ends of the cylindrical portion 31.
  • each nozzle 34 is disposed at an axial position defined by the following first length L1 and second length L2.
  • the first length L1 is the axial length from the upper end (one end) of the cylindrical portion 31 to the nozzle 34
  • the second length L2 is the axial length from the lower end (the other end) of the cylindrical portion 31 to the nozzle 34.
  • the first length L1 and the second length L2 may be any length other than zero. For ease of understanding, FIG.
  • the "axial position of the nozzle 34" refers to the center position of the portion of the nozzle 34 that opens into the inner diameter of the cylindrical portion 31.
  • the first length L1 may be the distance from the upper end of the inner diameter (hole) of the nozzle 34
  • the second length L2 may be the distance from the lower end of the inner diameter of the nozzle 34.
  • a first axial length L1 from the upper end of the cylindrical portion 31 to each nozzle 34 satisfies the following formula (3).
  • D is the inner diameter of the tubular portion 31.
  • D may be, for example, an equivalent diameter (the diameter of the cylindrical tubular portion 31 having the same cross-sectional area) or may be the minimum or maximum width of the cross section perpendicular to the axial direction.
  • the first length L1 is preferably equal to or greater than 50 mm.
  • a second axial length L2 from the lower end of the cylindrical portion 31 to each nozzle 34 satisfies the following formula (4).
  • the second length L2 is preferably equal to or greater than 50 mm. More preferably, the second length L2 satisfies the following formula (7). L2 ⁇ 0.5D (7)
  • FIGS. 3A and 3B illustrate a hood 30 in which only one set of nozzles 34 is provided in the axial direction.
  • the "width W of the nozzle 34” refers to the length along a direction perpendicular to the axial direction of the portion of the nozzle 34 that opens into the inner diameter (hole) of the cylindrical portion 31.
  • the center of the nozzle 34 in the width direction does not have to coincide with the center of the cylindrical portion 31 in the same direction (i.e., the central axis Ax).
  • the nozzle 34 may be composed of a plurality of partial nozzles 34c arranged in parallel in the width direction.
  • the nozzles 34 may include nozzles that are not radially arranged with respect to the central axis Ax of the cylindrical portion 31 when viewed in the axial direction.
  • the nozzles 34 may be inclined obliquely with respect to the axial direction. In this case, the two nozzles 34 in a pair, left and right, may face in different oblique directions (for example, obliquely upward and obliquely downward).
  • the axial length (thickness) of the inner diameter (hole) of the nozzle 34 is not particularly limited, but is preferably sufficiently small relative to the axial height of the cylindrical portion 31 .
  • the length of the inner diameter (hole portion) of the nozzle 34 along the gas flow perpendicular to the width direction is not particularly limited, but it is preferable that the nozzle 34 has a predetermined run-up length so that a uniform flow is formed in the width direction to a certain extent within the nozzle 34.
  • each nozzle 34 of the hood 30 is disposed in the axial center of the cylindrical portion 31. Therefore, as shown in FIG. 4A, multiple layers of vortex gas flows are formed in the axial direction within the cylindrical portion 31.
  • the control unit 50 drives the laser irradiation unit 10 to irradiate a laser beam downward from the laser irradiation unit 10.
  • This laser beam passes through the protective glass 31a of the hood 30 and is irradiated into the cylindrical portion 31, and performs a predetermined laser processing on the workpiece WP placed in the opening 31b.
  • At least the hood 30 and the support base 20 are housed in a chamber (not shown), and gas leaking from the opening 31b of the hood 30 is sealed in the chamber. The gas in the chamber is exhausted to the outside through an exhaust line connected to the chamber.
  • the workpiece WP is processed by the laser in a state in which multiple layers of gas flow are formed in the axial direction inside the hood 30 (cylindrical portion 31).
  • dust PA generated from the workpiece WP was stirred up by the gas flow and sometimes adhered to the protective glass 81a at the upper end of the hood 80.
  • the dust PA adhered to the protective glass 81a attenuates the laser that passes through the protective glass 81a.
  • the upper gas flow can prevent the dust PA from approaching the protective glass 31a. This makes it possible to prevent the dust PA from adhering to the protective glass 31a, and therefore to suppress laser attenuation.
  • the gas supply amounts may be different between the opposing left and right nozzles 34. Even in this case, even if the balance of the gas flows between the left and right is lost, at least two layers of gas flows can be formed in the axial direction.
  • Fig. 5B only one set of nozzles 34 may be provided. In this case, the gas flow downward does not have to be vortex-shaped, as shown in Fig. 6A. Also, as shown in Fig. 6B, even when there is only one set of nozzles 34, the gas supply amounts may be different between the left and right nozzles 34.
  • the nozzle 34 of the hood 30 is disposed in the axial center portion of the cylindrical portion 31.
  • the nozzle 34 is disposed in an axial position spaced apart from the upper and lower ends of the cylindrical portion 31. Therefore, the gas supplied from the nozzle 34 forms at least two layers of gas flow in the axial direction inside the cylindrical portion 31. This makes it possible to suppress adhesion of the dust PA to the protective glass 31a, and therefore makes it possible to suppress attenuation of the laser.
  • the nozzles 34 are disposed in a portion of the circumferential direction of the cylindrical portion 31. In other words, the nozzles 34 are not formed over the entire circumference of the cylindrical portion 31. Therefore, gas is likely to escape vertically in the inner portion of the circumferential surface of the cylindrical portion 31 where the nozzles 34 are not formed. This makes it possible to favorably form vertical vortices that swirl in the vertical direction.
  • the first axial length L1 from the upper end of the cylindrical portion 31 to the nozzle 34 satisfies the above-mentioned formula (3), so that a gas flow above the nozzle 34 can be more reliably formed. Therefore, adhesion of dust PA to the protective glass 31a can be more reliably suppressed.
  • the second axial length L2 from the lower end of the cylindrical portion 31 to the nozzle 34 satisfies the above-mentioned formula (4), so that a gas flow below the nozzle 34 can be more reliably formed. Therefore, adhesion of dust PA to the protective glass 31a can be more reliably suppressed.
  • the width W of the nozzle along the direction perpendicular to the axial direction satisfies the above-mentioned formula (5), so at least two layers of gas flow in the axial direction can be suitably formed in the width direction within the cylindrical portion 31. Therefore, adhesion of dust PA to the protective glass 31a can be more reliably suppressed.
  • the nozzles 34 include a pair of nozzles facing each other in a plane perpendicular to the axial direction. This allows the gas flows to collide in a plane perpendicular to the axial direction, and effectively forms vertical vortices that swirl in the vertical direction.
  • the nozzles 34 do not have to be arranged radially with respect to the central axis Ax of the cylindrical portion 31 when viewed from the axial direction. Even if the nozzles 34 are not arranged radially, vertical vortices that swirl in the vertical direction can be formed.
  • each part of the analysis model is as follows: Hood shape Total height: 258mm Inner diameter D: 160 mm First length L1: 103 mm Axial distance between upper and lower nozzles: 54 mm Axial height of each nozzle inlet: 2 mm Nozzle width W: 136 mm Left-right distance L3 between the ends of the two nozzles (see FIG.
  • the first length L1 and the axial distance between the upper and lower nozzles are the lengths to the blowing ports (holes) of each nozzle.
  • Figures 7A to 10C show contour diagrams of the analysis results.
  • Figures 7A to 7C show model 1
  • Figures 8A to 8C show model 2
  • Figures 9A to 9C show model 3
  • Figures 10A to 10C show the analysis results for a conventional hood 80.
  • (a) shows the path line from the bottom of the hood (e.g., at a height of 50 mm)
  • (b) shows the gas (e.g., nitrogen) concentration distribution
  • (c) is a velocity vector diagram.
  • the top and bottom and left and right of the paper correspond to the top and bottom and left and right of the hood.
  • Model 1 hood 30 without the lower nozzle set.
  • the gas flow forms a vortex below the nozzle 34, so that the dust PA below the hood 30 has difficulty reaching the protective glass 31a.
  • the gas concentration inside the hood 30 is generally high. Two layers of vortex gas flows are formed above and below the nozzle 34 .
  • Model 2 equal gas amount balance between the left and right.
  • the gas flow forms a vortex below the lower nozzle 34b, and the dust PA below the hood 30 has difficulty reaching the protective glass 31a or the upper nozzle 34a.
  • the gas concentration inside the hood 30 is generally high. Three layers of vortex gas flows are formed above and below the upper nozzles 34a, below the lower nozzles 34b, and between the two sets of nozzles 34, one above the other.
  • Model 3 uneven gas volume balance between the left and right.
  • the gas flow forms a vortex below the lower nozzle 34b, and the dust PA below the hood 30 has difficulty reaching the protective glass 31a or the upper nozzle 34a.
  • the gas inside the hood 30 exits from the side where the lower nozzle 34b is blowing more strongly. ⁇ Three layers of vortex gas flow are formed above and below.
  • the gas flow is a vortex flow with only one layer above and below, and there is a risk that the dust PA at the bottom of the hood 30 will be sucked up onto the protective glass 31a.
  • the gas concentration inside the hood 30 is generally high.
  • Models 1 to 3 which have three gas layers above and below, are expected to be more effective in preventing the adhesion of dust PA than Model 1, which has two gas layers above and below.
  • Model 1 unlike Models 2 and 3, there is a risk that the dust PA is not being discharged properly.
  • Gas purging inside the hood 30 is performed appropriately in all of models 1 to 3.
  • the main gas application combinations that can be expected to prevent the adhesion of dust PA are shown in Table 2 below. As shown in Table 2, it is preferable that at least one of the upper nozzles 34a applies gas at a "strong" level. Of the combinations in Table 2, No. 1 and No. 2 provided the most desirable results. It is believed that the same effect can be obtained even if the difference in gas application between the left and right sides of each nozzle set is reversed. In addition, when three or more nozzle sets are provided, the pattern of the third and subsequent sets affects the magnitude of the dust PA adhesion prevention effect, but does not affect the presence or absence of said effect.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the laser is irradiated along the axial direction of the hood 30, but the laser may be inclined with respect to the axial direction.
  • a regulator 44 adjusts the blowing pressure from a gas source 41 such as a cylinder.
  • the opening/closing valve 45 switches blowing ON/OFF.
  • the flow rate control valves 46 are disposed at the upper and lower stages, and adjust the flow rate of the blown gas separately for the upper and lower stages.
  • a laser beam emitted from a laser oscillator 11 is passed through an optical system 12 to have its shape and output adjusted, and then the laser irradiation position is controlled by a galvano scanner 13.
  • the hood 30 is fixed to a chamber 21 arranged in an enclosure 22.
  • the support table (stage) 20 on which the workpiece WP is placed is position-controlled and positioned relative to the hood 30 during processing. At this time, the axial gap between the lower end of the hood 30 and the upper surface of the support table 20 is set to a very short distance (about 2 mm in an actual machine).
  • each of the above components is controlled by a control unit 50 (see FIG. 1).
  • the laser processing apparatus according to the present invention can be widely applied to laser processing of a workpiece in a gas atmosphere, regardless of the type of processing or the material of the workpiece.
  • the details shown in the above embodiment can be modified as appropriate without departing from the spirit of the invention.
  • the present invention is useful for suppressing laser attenuation.
  • Laser processing device 10 Laser irradiation unit (laser irradiation means) 20 Support stand 30 Hood (laser device hood) 31 Cylindrical portion 31a Protective glass (transmitting portion) 31b Opening 34 Nozzle 34a Upper nozzle 34b Lower nozzle 34c Partial nozzle 40 Gas supply unit (gas supply means) 41 Gas source 42 Valve 43 Pipe 50 Control unit 80 Conventional hood 81 Conventional cylindrical portion 81a Conventional protective glass 84 Conventional nozzle Ax Central axis D Inner diameter PA Particle W Width WP Workpiece

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Abstract

レーザ加工装置１用のフード３０は、軸方向に沿った筒状部３１と、筒状部３１のうち軸方向の一端に設けられ、レーザを透過させる保護ガラス３１ａと、筒状部３１のうち軸方向の他端に設けられた開口部３１ｂと、筒状部３１に配置され、内部にガスを供給するノズル３４と、を備えている。ノズル３４は、筒状部３１のうち、軸方向の中央部かつ周方向の一部に配置されている。

Description

レーザ装置用フード、レーザ加工装置及びレーザ加工方法
　本発明は、レーザ装置用フード、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
　従来、ワーク（加工対象物）にレーザを照射してアニール等のレーザ加工を施すレーザ加工装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
　この種のレーザ加工装置では、ワークを不活性ガス等のガスに晒してレーザ加工を行う場合がある。このような場合には、例えばガスを供給するノズルを最上部に有するフードでワークを覆い、ノズルから供給したガスでフード内をパージする。そして、フード上面の保護ガラスを通じてフード内にレーザを照射し、ワークをレーザ加工する。
特開２０２２－１３７２号公報
　しかしながら、上記従来の構成では、ノズルがフードの最上部（レーザ照射方向における端部）に配置されているため、フード内にレーザ照射方向での単一のガス流が形成される。このガス流は、レーザ加工によってワークから生じる微粒子等の粉じんを攪拌して巻き上げ、フード上面の保護ガラスに付着させることがある。保護ガラスに粉じんが付着すると、当該保護ガラスを透過するレーザが減衰してしまう。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、レーザの減衰を抑制することを目的とする。
　本発明は、レーザ装置用フードであって、
　軸方向に沿った筒状部と、
　前記筒状部のうち軸方向の一端に設けられ、レーザを透過させる透過部と、
　前記筒状部のうち軸方向の他端に設けられた開口部と、
　前記筒状部の内部にガスを供給するノズルと、
　を備え、
　前記ノズルは、前記筒状部のうち、軸方向の中央部かつ周方向の一部に配置される。
　本発明によれば、レーザの減衰を抑制することができる。
実施形態に係るレーザ加工装置の模式図である。 実施形態の変形例に係るフードの断面図である。 実施形態の変形例に係るフードの斜視図である。 実施形態の変形例に係るフードの斜視図である。 実施形態に係るフード内のガス流を示す図である。 従来のフード内のガス流を示す図である。 実施形態に係るフード内のガス流を示す図である。 変形例に係るフード内のガス流を示す図である。 実施形態の変形例に係るフード内のガス流を示す図である。 実施形態の変形例に係るフード内のガス流を示す図である。 解析結果を示す図である。 解析結果を示す図である。 解析結果を示す図である。 解析結果を示す図である。 解析結果を示す図である。 解析結果を示す図である。 解析結果を示す図である。 解析結果を示す図である。 解析結果を示す図である。 解析結果を示す図である。 解析結果を示す図である。 解析結果を示す図である。 実施形態の変形例に係るフードの断面図である。 実施形態の変形例に係るフードの断面図である。 実施形態の変形例に係るレーザ加工装置を示す図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
［レーザ加工装置の全体構成］
　図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置１の模式図である。
　図１に示すように、本実施形態に係るレーザ加工装置１は、加工対象物のワークＷＰにレーザを照射してアニールや溶接等の加工を施す。ワークＷＰの材質は、特に限定はされないが、例えばシリコンやシリコンカーバイド等である。
　具体的に、レーザ加工装置１は、レーザ照射部１０と、支持台（ステージ）２０と、フード３０と、ガス供給部４０と、制御部５０とを備える。
　レーザ照射部１０は、レーザ発振器と光学系（図示省略）とを有する。レーザ照射部１０は、加工の種類に応じた所定のレーザを下方に向けて照射する。
　支持台２０は、レーザ照射部１０の下方に配置され、上面でワークＷＰを支持する。
　なお、レーザ照射部１０及び支持台２０の少なくとも一方は、ワークＷＰ上のレーザ照射位置を調整可能なように、可動部を有していてもよい。
　フード３０は、レーザ照射部１０の下方かつ支持台２０の上方に配置され、支持台２０上に載置されたワークＷＰを覆う。フード３０内には、ガス供給部４０から所定のガスが供給される。フード３０は、ワークＷＰを所定のガス雰囲気に晒しつつ、上方のレーザ照射部１０からのレーザを透過させる。
　フード３０の具体構成については後述する。
　ガス供給部４０は、所定のガスをフード３０内に供給（印加）する。供給されるガスは、例えば窒素等の不活性ガスや酸素等である。ガス供給部４０は、ガスポンプ又はガスボンベのガス源４１と、バルブ４２と、バルブ４２を介してガス源４１とフード３０（各ノズル３４）を接続する配管４３とを有する。
　制御部５０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等により構成され、レーザ加工装置１の各部を制御する。具体的に、制御部５０は、レーザ照射部１０の動作を制御してレーザを照射させたり、ガス供給部４０のバルブ４２やガス源４１の動作を制御して所定のガスをフード３０に供給したりする。なお、ガス供給部４０の各部は手動制御でもよい。
［フードの具体構成］
　図１に示すように、フード３０は、筒状部３１とノズル３４とを備える。
　筒状部３１は、上下方向に沿った中心軸Ａｘを有する円筒状に形成されている。ただし、筒状部３１の形状は、筒状であればよく、円筒状に限定されない。
　以下、中心軸Ａｘに沿った方向を「軸方向」といい、軸方向に直交する方向を「径方向」という場合がある。また、フード３０におけるノズル３４の立設方向（図１等の紙面左右方向）を「左右（方向）」という場合がある。
　筒状部３１の上端（一端）は、閉塞されるとともに、レーザを透過させる保護ガラス３１ａ（透過部）を有している。
　保護ガラス３１ａは、筒状部３１の上端面の略全面に亘って設けられている。保護ガラス３１ａは、上方のレーザ照射部１０から照射されたレーザの大部分をフード３０（筒状部３１）内に透過させる。また、保護ガラス３１ａは、レーザ加工によってワークＷＰから生じる微粒子等の粉じんＰＡ（図４Ａ、図４Ｂ等参照）がレーザ照射部１０の光学系に付着することを防止する。
　筒状部３１の下端（他端）は、全面が開口した開口部３１ｂとなっている。
　開口部３１ｂは、支持台２０の上面との間に所定の隙間を介在させた状態で、当該支持台２０の上面と上下に対向している。
　ノズル３４は、筒状部３１の外周面に立設され、筒状部３１の内部にガスを吹き込む。
　本実施形態のノズル３４は、筒状部３１の径方向に左右で組をなして対向する２つが、軸方向に２つ（２組）並設され、合計４つが設けられている。つまり、上側のノズル３４ａが１組（２つ）、下側のノズル３４ｂが１組（２つ）設けられている。各ノズル３４は、径方向に平行に配置されている。
　ただし、ノズル３４は、後述する軸方向の中央部に配置されたものを含んでいれば、その数量及び基本配置は特に限定されない。例えば、ノズル３４は、径方向に組をなさない片側だけが設けられても（すなわち奇数個でも）よいし、１組又は３組以上が設けられてもよいし、径方向の反対側に位置する２つが対向していなくてもよい（軸方向の位置が異なっていてもよい）。左右に対向する２つのノズル３４が互いに左右対称又は軸対称でなくてもよい。また、後述するように、各ノズル３４は幅方向に複数に分割されていてもよい（図３Ｂ参照）。また、２つのノズル３４が左右に対向する場合、当該２つのノズル３４は、筒状部３１の軸方向に直交する面内で対向していればよく、径方向に沿っていなくてもよい。
　各ノズル３４の軸方向の位置は、図２に示すように、筒状部３１のうちの中央部となっている。軸方向の「中央部」とは、筒状部３１のうち上端部と下端部を除く部分をいう。つまり、各ノズル３４は、筒状部３１の上端及び下端から離間していればよい。
　換言すれば、各ノズル３４は、以下の第１長さＬ１及び第２長さＬ２で規定される軸方向の位置に配置される。第１長さＬ１は筒状部３１の上端（一端）からノズル３４までの軸方向の長さであり、第２長さＬ２は筒状部３１の下端（他端）からノズル３４までの軸方向の長さである。第１長さＬ１及び第２長さＬ２はゼロでなければよい。
　なお、図２では、分かり易さのために、ノズル３４が軸方向に１組だけ設けられたフード３０を例示している。
　ここで、「ノズル３４の軸方向の位置」とは、ノズル３４のうち、筒状部３１の内径に開口する部分の中心位置をいう。ただし、第１長さＬ１はノズル３４の内径（孔部）における上端からの距離としてもよいし、第２長さＬ２はノズル３４の内径における下端からの距離としてもよい。
　筒状部３１の上端から各ノズル３４までの軸方向の第１長さＬ１は、以下の式（３）を満足するのが好ましい。
　　　Ｌ１≧０．３Ｄ　　　　　　　　　・・・（３）
　より好ましくは、第１長さＬ１は、以下の式（６）を満足する。
　　　Ｌ１≧０．５Ｄ　　　　　　　　　・・・（６）
　ただし、Ｄは筒状部３１の内径である。筒状部３１が角筒形の場合、Ｄは例えば相当直径（断面積が等しい円筒形の筒状部３１の直径）でもよいし、軸方向と直交する断面の最小幅又は最大幅でもよい。
　あるいは、第１長さＬ１は、５０ｍｍ以上であるのが好ましい。
　筒状部３１の下端から各ノズル３４までの軸方向の第２長さＬ２は、以下の式（４）を満足するのが好ましい。
　　　Ｌ２≧０．３Ｄ　　　　　　　　　・・・（４）
　あるいは、第２長さＬ２は、５０ｍｍ以上であるのが好ましい。
　より好ましくは、第２長さＬ２は、以下の式（７）を満足する。
　　　Ｌ２≧０．５Ｄ　　　　　　　　　・・・（７）
　各ノズル３４の幅Ｗは、図３Ａに示すように、筒状部３１の内径Ｄに対して、以下の式（５）を満足するのが好ましい。
　　　Ｗ≧０．３Ｄ　　　　　　　　　　・・・（５）
　なお、図３Ａ、図３Ｂでは、分かり易さのために、ノズル３４が軸方向に１組だけ設けられたフード３０を例示している。
　ここで、「ノズル３４の幅Ｗ」とは、ノズル３４のうち、筒状部３１の内径（孔部）に開口する部分における、軸方向に直交する方向に沿った長さをいう。なお、ノズル３４の幅方向（幅Ｗに沿った方向）における中心は、筒状部３１における同方向の中心（すなわち中心軸Ａｘ）と一致していなくてもよい。
　また、図３Ｂに示すように、ノズル３４は、幅方向に並設した複数の部分ノズル３４ｃから構成されるものとしてもよい。また、ノズル３４は、軸方向から見て、筒状部３１の中心軸Ａｘに対して放射状に配置されていないものを含んでもよい。
　また、図１１Ａ、図１１Ｂに示すように、ノズル３４は、軸方向に対して斜めに傾斜していてもよい。この場合、組をなす左右２つのノズル３４が、互いに異なる斜め方向（例えば斜め上向きと斜め下向き）を向いていてもよい。
　また、ノズル３４の内径（孔部）における軸方向の長さ（厚さ）は、特に限定はされないが、筒状部３１の軸方向高さに対して十分に小さいのが好ましい。
　また、ノズル３４の内径（孔部）のうち、幅方向と直交するガス流に沿った長さ（本実施形態では径方向に沿った長さ）は、特に限定はされないが、ノズル３４内で幅方向に一定程度の均一な流れが形成されるように、所定の助走長さを有するのが好ましい。
［レーザ加工方法］
　図１に示すように、レーザ加工装置１でワークＷＰをレーザ加工する際には、まず、ワークＷＰの被加工部が平面視でフード３０（開口部３１ｂ）の内側に位置するように、当該ワークＷＰを支持台２０の上面に配置する。
　そして、ガス供給部４０により、フード３０に不活性ガス等の所定のガスを供給してフード３０内をパージする。このガスは、各ノズル３４からフード３０の筒状部３１内に所定の流量（例えば約１０Ｌ／ｍｉｎ）で供給され、フード３０の筒状部３１内にガス流を形成する。
　このとき、フード３０の各ノズル３４は、筒状部３１のうち軸方向の中央部に配置されている。そのため、図４Ａに示すように、筒状部３１内には、軸方向に複数層の渦状のガス流が形成される。
　この状態で、制御部５０がレーザ照射部１０を駆動し、レーザ照射部１０から下方にレーザを照射する。このレーザは、フード３０の保護ガラス３１ａを透過して筒状部３１内に照射され、開口部３１ｂに配置されたワークＷＰに対して所定のレーザ加工を行う。
　なお、少なくともフード３０と支持台２０は図示しないチャンバーに収容されており、フード３０の開口部３１ｂから漏れたガスはチャンバー内に封入される。チャンバー内のガスは、チャンバーに接続された排気ラインから外部に排気される。
　このように、レーザ加工装置１では、フード３０（筒状部３１）内において軸方向に複数層のガス流を形成した状態で、レーザによりワークＷＰが加工される。これにより、レーザ照射によってワークＷＰから生じる粉じんＰＡの巻き上がりを抑え、当該粉じんＰＡが保護ガラス３１ａに付着することを抑制できる。
　すなわち、図４Ｂに示すように、従来のフード８０では、ノズル８４が筒状部８１の略最上部に配置されていたため、筒状部８１内には軸方向に単一のガス流しか形成されていなかった。そのため、ワークＷＰから生じる粉じんＰＡがガス流によって巻き上げられ、フード８０上端の保護ガラス８１ａに付着することがあった。保護ガラス８１ａに付着した粉じんＰＡは、当該保護ガラス８１ａを透過するレーザを減衰させてしまう。
　この点、本実施形態では、フード３０内において軸方向に複数層のガス流を形成することにより、下側のガス流で粉じんＰＡが巻き上げられても、それよりも上側のガス流によって当該粉じんＰＡの保護ガラス３１ａへの接近を抑制できる。これにより、粉じんＰＡが保護ガラス３１ａに付着することを抑制でき、ひいてはレーザの減衰を抑制できる。
　なお、筒状部３１内のガス流は、軸方向に少なくとも２層が形成されていればよい。ここで、単一のガス流とは略同一方向のガス流をいい、２層のガス流とは流れ方向の異なるガス流をいう（回転方向の異なる渦流を含む）。
　したがって、例えば図５Ａに示すように、対向する左右のノズル３４でガス供給量を異ならせてもよい。この場合でも、左右でのガス流のバランスは崩れても、軸方向に少なくとも２層のガス流は形成できる。
　あるいは図５Ｂに示すように、ノズル３４を１組だけ設けることとしてもよい。この場合において、図６Ａに示すように、下側へのガス流は渦状でなくてもよい。また、図６Ｂに示すように、ノズル３４が１組の場合でも、左右のノズル３４でガス供給量を異ならせてもよい。
［実施形態の技術的効果］
　以上のように、本実施形態によれば、フード３０のノズル３４は、筒状部３１のうち軸方向の中央部に配置されている。つまり、ノズル３４は、筒状部３１の上端及び下端から離間した軸方向位置に配置されている。
　そのため、ノズル３４から供給したガスにより、筒状部３１内において軸方向に少なくとも２層のガス流が形成される。これにより、粉じんＰＡが保護ガラス３１ａに付着することを抑制でき、ひいてはレーザの減衰を抑制できる。
　また、ノズル３４は、筒状部３１のうち周方向の一部に配置されている。つまり、ノズル３４は、筒状部３１の全周に亘っては形成されていない。そのため、筒状部３１内のうちノズル３４が形成されていない周面の内側部分には、上下にガスが抜けやすい。これにより、上下方向に旋回する縦渦を好適に形成できる。
　また、本実施形態によれば、筒状部３１上端からノズル３４までの軸方向の第１長さＬ１が上述の式（３）を満足することにより、ノズル３４よりも上側のガス流をより確実に形成できる。したがって、保護ガラス３１ａへの粉じんＰＡの付着をより確実に抑制できる。
　また、本実施形態によれば、筒状部３１下端からノズル３４までの軸方向の第２長さＬ２が上述の式（４）を満足することにより、ノズル３４よりも下側のガス流をより確実に形成できる。したがって、保護ガラス３１ａへの粉じんＰＡの付着をより一層確実に抑制できる。
　また、本実施形態によれば、軸方向に直交する方向に沿ったノズルの幅Ｗが上述の式（５）を満足するので、筒状部３１内の当該幅方向において、軸方向に少なくとも２層のガス流を好適に形成できる。したがって、保護ガラス３１ａへの粉じんＰＡの付着をより確実に抑制できる。
　また、本実施形態によれば、ノズル３４が、軸方向に直交する面内で対向する一組を含む。これにより、軸方向に直交する面内でガス流を衝突させ、上下方向に旋回する縦渦を好適に形成できる。
　また、本実施形態によれば、ノズル３４は、軸方向から見て、筒状部３１の中心軸Ａｘに対して放射状に配置されていなくてもよい。ノズル３４が放射状に配置されていなくても、上下方向に旋回する縦渦を形成できる。
［解析例１］
　続いて、フード３０内のガス流の形成による粉じんＰＡの付着防止効果について、解析例を挙げて説明する。
　本解析例１では、フード３０の形状とガス流量の条件を変化させたときの筒状部３１内のガス流を流体解析により求めた。
　具体的には、上記実施形態のフード３０の形状をベースとし、下側のノズル組を無くしたもの（モデル１）、左右のガス量バランスを均等にしたもの（モデル２）、左右のガス量バランスを偏らせたもの（モデル３）について解析を行った。また、従来のフード８０（図４Ｂ参照）におけるガス流についても比較例として解析を実施した。
　解析モデルの各部寸法は以下のとおりである。
　　・フードの形状
　　　　全高：２５８ｍｍ
　　　　内径Ｄ：１６０ｍｍ
　　　　第１長さＬ１：１０３ｍｍ
　　　　上下のノズル間の軸方向距離：５４ｍｍ
　　　　各ノズルの吹込み口の軸方向高さ：２ｍｍ
　　　　各ノズルの幅Ｗ：１３６ｍｍ
　　　　左右２つのノズルの端部の間の左右方向距離Ｌ３（図２参照）：３００ｍｍ
　　・フードと支持台の軸方向隙間：５ｍｍ
　　・大気圧条件の軸方向範囲：支持台上面から高さ１００ｍｍまで
　　・大気圧条件の径方向範囲：直径φ４００ｍｍ内
　ただし、第１長さＬ１と、上下のノズル間の軸方向距離は、各ノズルの吹込み口（孔部）までの長さとしている。
　モデル１～３のガス流量の条件を以下の表１の上段欄に示す。当該欄では、左右でのガス流量を「（左側の流量）,（右側の流量）」として表記している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
　図７Ａ～図１０Ｃに解析結果のコンター図を示す。図７Ａ～図７Ｃがモデル１、図８Ａ～図８Ｃがモデル２、図９Ａ～図９Ｃがモデル３、図１０Ａ～図１０Ｃが従来のフード８０の解析結果である。各図のうち、（ａ）はフード下部位置（例えば高さ５０ｍｍ位置）からのパスラインであり、（ｂ）はガス（例えば窒素）濃度分布であり、（ｃ）は速度ベクトル図である。（ａ）～（ｃ）のいずれの図でも、紙面の上下及び左右がフードの上下及び左右と対応している。
　図７Ａ～図７Ｃより、モデル１（下側のノズル組が無いフード３０）について、以下のことが言える。
　・ガス流はノズル３４よりも下側で渦となっており、フード３０下部の粉じんＰＡは保護ガラス３１ａまでは到達しにくい。
　・フード３０内のガス濃度は全体的に高濃度である。
　・ノズル３４よりも上側と下側とで上下に２層の渦状のガス流が形成されている。
　図８Ａ～図８Ｃより、モデル２（左右のガス量バランスが均等）について、以下のことが言える。
　・ガス流は下側のノズル３４ｂよりも下側で渦となっており、フード３０下部の粉じんＰＡは保護ガラス３１ａや上側のノズル３４ａまでは到達しにくい。
　・フード３０内のガス濃度は全体的に高濃度である。
　・上側のノズル３４ａよりも上側と、下側のノズル３４ｂよりも下側と、上下２組のノズル３４の間とで、上下に３層の渦状のガス流が形成されている。
　図９Ａ～図９Ｃより、モデル３（左右のガス量バランスが不均等）について、以下のことが言える。
　・ガス流は下側のノズル３４ｂよりも下側で渦となっており、フード３０下部の粉じんＰＡは保護ガラス３１ａや上側のノズル３４ａまでは到達しにくい。
　・フード３０内のガスは、下側のノズル３４ｂの吹込みが強い側から出ていっている。
　・上下に３層の渦状のガス流が形成されている。
　図１０Ａ～図１０Ｃより、従来のフード８０について、以下のことが言える。
　・ガス流は上下に１層だけの渦流であり、フード３０下部の粉じんＰＡが保護ガラス３１ａまで巻き上げられるおそれがある。
　・フード３０内のガス濃度は全体的に高濃度である。
　以上の結果をモデル１～３で比較したものを表１の下段欄に示す（従来のフードを除く）。この比較結果を以下に列記する。
　・保護ガラス３１ａへの粉じんＰＡの付着防止効果は、モデル１～３のいずれでも期待できる。
　・ガス流が上下に２層のモデル１よりも、上下に３層のモデル２，３の方が、より高い粉じんＰＡの付着防止効果が期待できる。
　・モデル１では、モデル２，３と異なり、粉じんＰＡの排出が好適に行われていないおそれがある。
　・フード３０内のガスパージは、モデル１～３のいずれでも好適に行われている。
［解析例２］
　解析例２では、実施形態のフード３０について、各ノズル３４でのガス印加を変えた場合の粉じんＰＡの付着防止効果を流体解析により評価した。
　ガス印加とは、フード３０の大きさ（筒状部３１の容量）に対するガスの相対的な流量であり、「強・弱・なし」の３段階で評価した。粉じんＰＡの付着防止効果は上記解析例１と同様に評価した。
　粉じんＰＡの付着防止効果が期待できる主要なガス印加の組み合わせを以下の表２に示す。
　表２に示すように、上側のノズル３４ａの少なくとも一方はガス印加が「強」であるのが好ましい。
　なお、表２の組み合わせでは、Ｎｏ１とＮｏ２が最も望ましい結果であった。また、各ノズル組における左右のガス印加の違いは、逆転させた場合でも同様の効果が得られると考えられる。また、ノズル組を３組以上設けた場合、３組目以降のパターンは、粉じんＰＡの付着防止効果の大小には影響するものの、当該効果の有無には影響しないと考えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  
［その他］
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限られない。
　例えば、上記実施形態では、レーザがフード３０の軸方向に沿って照射されることとしたが、レーザは軸方向に対して傾斜していてもよい。
　また、レーザ加工装置の構成は図１に示したものに限定されない。
　例えば図１２に示すレーザ加工装置１Ａでは、ノズル３４からの吹込みガスの吹込み条件を調整する機器として、レギュレータ４４、開閉バルブ４５、流量調整バルブ４６が設けられている。レギュレータ４４は、ボンベ等のガス源４１からの吹込み圧力を調整する。開閉バルブ４５は、吹込みのＯＮ／ＯＦＦを切り替える。流量調整バルブ４６は、上下の各段に配置され、吹込みガスの流量を上下段で個別に調整する。
　レーザ加工装置１Ａでは、レーザ発振器１１から照射されたレーザが、光学系１２を通じて形状や出力を調整された後に、ガルバノスキャナ１３によりレーザの照射位置を制御される。
　フード３０は、エンクロージャ２２内に配置されたチャンバー２１に固定される。ワークＷＰが載置される支持台（ステージ）２０は、位置制御されて、加工時にフード３０に対して位置決めされる。このとき、フード３０下端と支持台２０上面との軸方向隙間は、ごく短い距離（実機では２ｍｍ程度）に設定される。これにより、フード３０内を窒素等の不活性ガスで好適にパージでき、ワークＷＰ近傍を低酸素濃度（例えば数十ppmオーダー）に保持できる。ひいては、ワークＷＰを好適にレーザ加工できる。
　また、上記各構成は、制御部５０（図１参照）により制御される。
　また、本発明に係るレーザ加工装置は、加工の種類やワークの材質等に依らず、ガス雰囲気中のワークにレーザ加工を施すものに広く適用できる。
　その他、上記実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
　以上のように、本発明は、レーザの減衰を抑制するのに有用である。
１　　　レーザ加工装置
１０　　レーザ照射部（レーザ照射手段）
２０　　支持台
３０　　フード（レーザ装置用フード）
３１　　筒状部
３１ａ　保護ガラス（透過部）
３１ｂ　開口部
３４　　ノズル
３４ａ　上側のノズル
３４ｂ　下側のノズル
３４ｃ　部分ノズル
４０　　ガス供給部（ガス供給手段）
４１　　ガス源
４２　　バルブ
４３　　配管
５０　　制御部
８０　　従来のフード
８１　　従来の筒状部
８１ａ　従来の保護ガラス
８４　　従来のノズル
Ａｘ　　中心軸
Ｄ　　　内径
ＰＡ　　パーティクル
Ｗ　　　幅
ＷＰ　　ワーク

Claims (10)

  1. 　軸方向に沿った筒状部と、
    　前記筒状部のうち軸方向の一端に設けられ、レーザを透過させる透過部と、
    　前記筒状部のうち軸方向の他端に設けられた開口部と、
    　前記筒状部の内部にガスを供給するノズルと、
    　を備え、
    　前記ノズルは、前記筒状部のうち、軸方向の中央部かつ周方向の一部に配置される、
    　レーザ装置用フード。
  2. 　前記筒状部の前記一端から前記ノズルまでの軸方向の第１長さＬ１は、前記筒状部の内径をＤとして、以下の式（３）を満足する、
    　請求項１に記載のレーザ装置用フード。
    　　　Ｌ１≧０．３Ｄ　　　　　　　　　・・・（３）
  3. 　前記筒状部の前記他端から前記ノズルまでの軸方向の第２長さＬ２は、前記筒状部の内径をＤとして、以下の式（４）を満足する、
    　請求項１に記載のレーザ装置用フード。
    　　　Ｌ２≧０．３Ｄ　　　　　　　　　・・・（４）
  4. 　前記軸方向に直交する方向に沿った前記ノズルの幅Ｗは、前記筒状部の内径をＤとして、以下の式（５）を満足する、
    　請求項１に記載のレーザ装置用フード。
    　　　Ｗ≧０．３Ｄ　　　　　　　　　　・・・（５）
  5. 　前記ノズルは、前記軸方向に直交する面内で対向する一組を含む、
    　請求項１に記載のレーザ装置用フード。
  6. 　前記ノズルは、前記軸方向に並設された複数組を含む、
    　請求項５に記載のレーザ装置用フード。
  7. 　前記ノズルは、前記軸方向に対して傾斜している、
    　請求項１に記載のレーザ装置用フード。
  8. 　前記ノズルは、前記軸方向から見て、前記筒状部の中心軸に対して放射状に配置されていない、
    　請求項１に記載のレーザ装置用フード。
  9. 　請求項１～８のいずれか一項に記載のレーザ装置用フードと、
    　前記筒状部の開口部側に配置されてワークを支持する支持台と、
    　前記透過部を通じて前記筒状部内にレーザを照射するレーザ照射手段と、
    　前記ノズルを通じて前記筒状部内にガスを供給するガス供給手段と、
    　を備えるレーザ加工装置。
  10. 　フードに覆われたワークにレーザを照射して加工するレーザ加工方法であって、
    　前記フードとして、軸方向に沿った筒状部と、前記筒状部のうち軸方向の一端に設けられ、レーザを透過させる透過部と、前記筒状部のうち軸方向の他端に設けられた開口部と、前記筒状部のうち軸方向の中央部かつ周方向の一部に配置され、内部にガスを供給するノズルと、を有するものを用い、
    　前記ノズルから前記筒状部内にガスを供給して前記軸方向に少なくとも２層のガス流を形成した状態で、前記透過部を通じて前記筒状部内にレーザを照射し、前記開口部に配置されたワークを加工する、
    　レーザ加工方法。
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