JP7610965B2

JP7610965B2 - レーザピーニング加工装置及びレーザピーニング加工方法

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Publication number: JP7610965B2
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Inventors: 至智小熊; 貴章平山
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Filing date: 2020-12-14
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Description

本発明の実施形態は、レーザピーニング加工装置及びレーザピーニング加工方法に関する。

従来、物体の表面に残留応力を与えて改質する方法としてレーザピーニング加工が知られている。レーザピーニング加工は、液体で覆われた状態で対象物の被加工面にレーザビームを集光照射することによって行われる。液体で覆われた対象物の被加工面にレーザビームが集光照射されると、レーザビームの照射によって発生するプラズマを液体中に閉じ込めることができる。この結果、衝撃波の圧力が被加工面に付与される。これにより、対象物表面を塑性変形させて圧縮応力を内部に残留させることができる（例えば特許文献１参照）。

また、レーザビームの照射距離が制限されるような複雑な形状を有する物体の狭隘部を局所的にレーザピーニング加工できるように、レーザビームの進行方向をプリズム等の光学素子で変化させて液体とともに噴射することが可能なノズルを備えたレーザピーニング加工装置も提案されている（例えば特許文献２、特許文献３及び特許文献４参照）。

特開２０１８－０３９０１５号公報特開２０１７－１７７１６２号公報国際公開第２０１８／１３５０８２号特開２０２０－０２８８８５号公報

しかしながら、レーザビームを集光するための集光レンズの後段にプリズムを配置して長時間レーザピーニング加工を行うと、プリズムが損傷するという問題がある。具体例として、典型的な航空機部品のレーザピーニング加工は１６時間から７０時間に亘る加工となる。これに対して、集光レンズの後段に配置されたプリズムに１２時間を超えてレーザビームを連続照射すると、プリズムの表面から電子が放出してイオン化し、プリズムに微細な傷がつく場合がある。

そこで、本発明は、レーザピーニング加工において、レーザビームを集光するための集光レンズの後段にレーザビームの進行方向を変えるための光学素子を配置しても、光学素子の損傷を回避してより長時間レーザピーニング加工を行えるようにすることを目的とする。

本発明の実施形態に係るレーザピーニング加工装置は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、前記レーザ光を対象物の被加工面上に集光する集光レンズと、前記集光レンズから出射した前記レーザ光の進行方向を変化させる光学素子と、前記光学素子で進行方向が変化した前記レーザ光を液体に入射させ、出口から前記被加工面に向けて前記レーザ光及び前記液体を出射及び噴射する液槽とを備えるものである。
このレーザピーニング加工装置には、前記レーザ光が前記被加工面のレーザピーニング加工に要求されるビーム径となって前記被加工面に照射される一方、前記レーザ光が過剰なビーム径で前記光学素子に入射することによって前記光学素子が損傷しないように、前記集光レンズと前記光学素子との間における距離を調整するための機構を設ける代わりに、前記集光レンズに入射する前記レーザ光のビーム径の拡大率を調整する可変倍率型のビームエキスパンダであって、前記ビームエキスパンダから出射する前記レーザ光がビーム径が徐々に広がる広がり光となるように前記ビーム径の拡大率を調整するビームエキスパンダが設けられている。
また、前記ビームエキスパンダによる前記ビーム径の拡大率が、前記レーザ発振器から発振される前記レーザ光のビーム径の拡大率よりも小さく、かつ前記レーザ光で前記光学素子が損傷しないように決定された下限値以上となる範囲に制限されており、更に前記ビームエキスパンダと前記集光レンズとの間における距離が、前記レーザ光で前記光学素子が損傷しないように前記レーザ発振器の特性に合わせて決定された下限値以上となるように制限されている。

また、本発明の実施形態に係るレーザピーニング加工方法は、上述したレーザピーニング加工装置を用いて前記対象物のレーザピーニング加工を行うことによって半製品又は製品を製造するものである。

また、本発明の実施形態に係るレーザピーニング加工方法は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、前記レーザ光を対象物の被加工面上に集光する集光レンズと、前記集光レンズから出射した前記レーザ光の進行方向を変化させる光学素子と、前記光学素子で進行方向が変化した前記レーザ光を液体に入射させ、出口から前記被加工面に向けて前記レーザ光及び前記液体を出射及び噴射する液槽とを備えたレーザピーニング加工装置を用いて前記対象物のレーザピーニング加工を行うことによって半製品又は製品を製造するものである。
このレーザピーニング加工方法は、前記レーザ光が前記被加工面のレーザピーニング加工に要求されるビーム径となって前記被加工面に照射される一方、前記レーザ光が過剰なビーム径で前記光学素子に入射することによって前記光学素子が損傷しないように、前記集光レンズと前記光学素子との間における距離を調整するための機構を設ける代わりに、可変倍率型のビームエキスパンダを設けて前記ビームエキスパンダから出射して前記集光レンズに入射する前記レーザ光がビーム径が徐々に広がる広がり光となるように前記レーザ光のビーム径の拡大率を調整するステップと、前記ビームエキスパンダによる前記ビーム径の拡大率を、前記レーザ発振器から発振される前記レーザ光のビーム径の拡大率よりも小さく、かつ前記レーザ光で前記光学素子が損傷しないように決定された下限値以上となる範囲に制限するステップと、前記ビームエキスパンダと前記集光レンズとの間における距離が、前記レーザ光で前記光学素子が損傷しないように前記レーザ発振器の特性に合わせて決定された下限値以上となるように制限するステップとを有する。

本発明の第１の実施形態に係るレーザピーニング加工装置の正面図。図１に示すレーザピーニング加工装置の平面図。図１及び図２に示すレーザピーニング加工装置に備えられるビームエキスパンダとノズルの詳細配置例及び詳細構成例を示す部分断面図。本発明の第２の実施形態に係るレーザピーニング加工装置に備えられるビームエキスパンダとノズルの詳細配置例及び詳細構成を示す部分断面図。

本発明の実施形態に係るレーザピーニング加工装置及びレーザピーニング加工方法について添付図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
（構成及び機能）
図１は本発明の第１の実施形態に係るレーザピーニング加工装置の正面図、図２は図１に示すレーザピーニング加工装置の平面図、図３は図１及び図２に示すレーザピーニング加工装置に備えられるビームエキスパンダとノズルの詳細配置例及び詳細構成例を示す部分断面図である。

レーザピーニング加工装置１は、レーザピーニング加工の対象物Ｏのレーザピーニング加工を行う装置である。レーザピーニング加工は、純水や水道水等の液体で覆われた状態で対象物Ｏの被加工面にレーザ光Ｌを集光照射することによって行われる。液体で覆われた対象物Ｏの被加工面にレーザ光Ｌが集光照射されると、レーザ光Ｌの照射によって発生するプラズマを液体中に閉じ込めることができる。この結果、衝撃波の圧力が対象物Ｏの被加工面に付与される。これにより、対象物Ｏの表面を塑性変形させて圧縮応力を対象物Ｏの内部に残留させることができる。その結果、対象物Ｏの疲労強度や耐食性を向上することができる。

レーザピーニング加工装置１は、レーザピーニング加工の対象物Ｏを移動させながら水等の液体を対象物Ｏに向けて噴射し、かつレーザ光Ｌを液体に入射させて伝播させることによって、液体で覆われた対象物Ｏに向けてレーザ光Ｌを集光照射する装置である。そのために、レーザピーニング加工装置１は、レーザ発振器２、光伝送系３、ノズル４、液体供給系５及び移動機構６で構成することができる。レーザ発振器２及び光伝送系３は、レーザ光Ｌが作業者の目に入らないように遮蔽ケース７に収納することがきる。

レーザ発振器２は、レーザ光Ｌを発振する装置である。レーザピーニング加工の効果を十分に得るためには、レーザ光Ｌの強度Ｉ［Ｗ／ｃｍ^２］を十分に大きくすることが重要である。パルスレーザの強度Ｉ［Ｗ／ｃｍ^２］は、パルスエネルギをＥ［Ｊ］、パルスレーザが照射されるビームスポットの面積をＳ［ｃｍ^２］、パルス幅をｔ［ｓ］とすると、Ｉ＝Ｅ／（Ｓ・ｔ）で表される。従って、パルスエネルギＥが一定であっても、パルス幅ｔが小さくなれば、パルスレーザの強度Ｉは大きくなる。

このため、レーザ光Ｌには、パルス幅ｔがナノ秒オーダであるナノ秒レーザの他、パルス幅ｔがピコ秒オーダであるピコ秒レーザ（短パルスレーザとも呼ばれる）やパルス幅ｔがフェムト秒オーダであるフェムト秒レーザ（超短パルスレーザとも呼ばれる）を用いることができる。ナノ秒レーザとしては、波長が１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ又は３５５ｎｍのＹａＧレーザが代表的である。

光伝送系３は、レーザ発振器２で発振されたレーザ光Ｌをノズル４まで伝送するシステムである。レーザ光Ｌの伝送媒体となり得る光ファイバとしては、パルスエネルギが５０ｍＪ以下のナノ秒レーザ、パルスエネルギがマイクロジュールオーダのピコ秒レーザ又はパルスエネルギがマイクロジュールオーダのフェムト秒レーザを伝送することが可能な光ファイバしか市販されていない。

そこで、光伝送系３を、レーザ発振器２で発振されたレーザ光Ｌを光ファイバを用いずにノズル４まで伝送するシステムとすることができる。そうすると、レーザ発振器２として、パルスエネルギが５０ｍＪを超えるナノ秒レーザ、パルスエネルギが１ｍＪを超えるピコ秒レーザ又はパルスエネルギが１ｍＪを超えるフェムト秒レーザを発振する発振器を用いることも可能となる。この場合、レーザピーニング加工の効果を十分に得ることが可能となる。

ノズル４は、水等の液体をレーザピーニング加工の対象物Ｏに向けて噴射する一方、レーザ光Ｌを液体に入射させることによって、液体中を伝播するレーザ光Ｌを対象物Ｏに向けて照射するように構成されている。ノズル４は、筐体８、集光レンズ９、プリズム１０、配管１１及び液槽１２で構成することができる。

筐体８は、液体に入射する前後におけるレーザ光Ｌを保護する筒状の部品である。従って、レーザ光Ｌの光路は筐体８内に形成される。筐体８と一体化されるノズル４の先端４Ａからは対象物Ｏに向かって液体が噴射され、液体に入射したレーザ光Ｌは対象物Ｏに向かう液柱を媒体として対象物Ｏに照射される。このため、ノズル４の先端４Ａには、必要に応じて液体の流れを整流するための整流板等を設けることができる。

集光レンズ９は、レーザ光Ｌの焦点がレーザピーニング加工の加工位置に形成されるようにレーザ光Ｌを対象物Ｏの被加工面上に集光するためのレンズである。集光レンズ９の特性は、対象物Ｏの被加工面においてレーザアブレーションを発生させるために必要十分なエネルギ密度を有するレーザ光Ｌを集光できるように決定される。

プリズム１０は、レーザ光Ｌを対象物Ｏに向けて照射するために、レーザ光Ｌを反射させることによってレーザ光Ｌの進行方向をノズル４への入射方向から鉛直下方等の所望の方向に変化させるための光学素子である。レーザ発振器２が高出力の発振器である場合には、レーザ光Ｌを水平方向に発振することがレーザ発振器２の安定的な据付けに繋がる。このため、レーザ光Ｌのノズル４への入射方向についても水平方向とすることが光伝送系３の簡素化に繋がる。

これに対して、レーザ光Ｌの光路をプリズム１０で曲げることによってレーザ光Ｌの対象物Ｏへの照射方向を鉛直下方とすれば、レーザ光Ｌを伝播させる液体の対象物Ｏへの噴射方向についても鉛直下方とすることができる。このため、液体の噴射方向が重力の影響によって変化することを回避することができる。また、重力を利用して液体を噴射させることもできる。

特に、プリズム１０を集光レンズ９の後方、すなわち、集光レンズ９と対象物Ｏとの間におけるレーザ光Ｌの光路上に配置して集光レンズ９から出射したレーザ光Ｌの進行方向を曲げれば、ノズル４の先端４Ａを狭隘部に挿入することによって鉛直下方はもちろん、鉛直下方以外の特定の方向に対してもレーザ光Ｌを照射することが容易となる。すなわち、レーザ光Ｌの照射と液体の噴射を行うノズル４の先端４Ａの長さを短くすることができる。このため、より狭い箇所にノズル４を相対配置させることが可能となり、複雑な形状を有する対象物Ｏであってもレーザピーニング加工を行うことができる。

プリズム１０を集光レンズ９の後段に設ける場合、集光レンズ９から出射し、ビーム径が徐々に縮小するレーザ光Ｌの進行方向がプリズム１０で変化することになる。このため、集光レンズ９の特性は、プリズム１０で進行方向が変化したレーザ光Ｌの焦点が、対象物Ｏの被加工面上に形成されるように決定される。

配管１１は液体の流路を形成する。液体の流路を形成する配管１１は、筐体８内に配置することができる。そして、配管１１の入口を筐体８の側面に形成する一方、配管１１の出口をプリズム１０からのレーザ光Ｌの出射側に配置することができる。

そうすると、対象物Ｏと配管１１との間における干渉を回避することができる。その結果、より狭い箇所にノズル４を相対配置させることが可能となり、複雑な形状を有する対象物Ｏであってもレーザピーニング加工を行うことができる。具体例として、歯車のフレッティング損傷、フレッティング摩耗、フレッティング腐食及びフレッティング疲労等を低減することを目的として、ノズル４の先端４Ａを内歯車等の中空の対象物Ｏの内側に挿入し、中空の対象物Ｏの内面をレーザピーニング加工することも可能となる。

もちろん、対象物Ｏと配管１１との間における干渉の恐れが無い場合には、ノズル４外に配置されるナイロンチューブ等で液体の流路が形成しても良い。

液槽１２は、プリズム１０で進行方向が変化したレーザ光Ｌを液体に入射させ、レーザ光Ｌの照射方向に向かって、出口から対象物Ｏの被加工面に向けて液体を噴射するための液体の一時的な容器である。液槽１２の出口は、液体を被加工面に向けて噴射するための出口のみならず、レーザ光Ｌを被加工面に向けて出射するための出口も兼ねている。

レーザ光Ｌを入射させる液体には空気の混入等によって気泡が生じないようにすることがレーザ光Ｌの散乱を防止する観点から重要である。このため、プリズム１０で液槽１２を密閉し、プリズム１０と液槽１２との間におけるレーザ光Ｌの光路には、空気層を形成しないことが適切である。換言すれば、プリズム１０へのレーザ光Ｌの入射側におけるレーザ光Ｌの伝播媒体を空気とする一方、プリズム１０からのレーザ光Ｌの出射側におけるレーザ光Ｌの伝播媒体を液体とすることが適切である。従って、レーザ光Ｌは、プリズム１０からのレーザ光Ｌの出射側において液体に入射する。

図示された例では、筐体８内に長さ方向を水平方向として平行に配置されている２本の配管１１の出口が、両側から水平方向に液体の液槽１２の入口と連結されており、液槽１２に筒状の出口が連結されている。そして、液槽１２に連結された筒状の出口がノズル４の先端４Ａとなっている。

このため、配管１１から液槽１２内に形成されるレーザ光Ｌの光路に向かって液体を供給し、供給した液体にレーザ光Ｌを入射させることができる。レーザ光Ｌが入射した液体は、ノズル４の先端４Ａから対象物Ｏに向かって噴射される。そうすると、ノズル４の先端４Ａと対象物Ｏとの間に水柱等の液体の柱が形成される。そして、液体の柱を媒体として、液槽１２の出口から出射したレーザ光Ｌを伝播させることができる。これにより、対象物Ｏの被加工面が液体で覆われた状態でレーザ光Ｌを被加工面に照射することが可能となる。

対象物Ｏの被加工面をレーザピーニング加工するためには、適切なフルエンスＦ［Ｊ／ｃｍ^２］のレーザ光Ｌを被加工面に照射することによって必要なエネルギを有するプラズマを発生させ、被加工面に疲労強度や耐食性の向上に必要な残留応力を付与することが必要となる。レーザ光ＬのフルエンスＦ［Ｊ／ｃｍ^２］は、パルスエネルギＥ［Ｊ］を面積Ｓ［ｃｍ^２］で除した値、すなわちＦ＝Ｅ／Ｓである。上述したように、レーザ光Ｌの強度Ｉ［Ｗ／ｃｍ^２］は、パルスエネルギＥ［Ｊ］をパルス幅ｔ［ｓ］及び面積Ｓ［ｃｍ^２］で除算した値であることから、レーザ光Ｌの強度Ｉ［Ｗ／ｃｍ^２］は、フルエンスＦ［Ｊ／ｃｍ^２］をパルス幅ｔ［ｓ］で除算した値に相当する。

レーザ発振器２がＹＡＧレーザ発振器のような典型的な発振器である場合、レーザ光Ｌのパルス幅ｔはレーザ発振器２の仕様で概ね定まる。従って、レーザピーニング加工装置１のユーザが調整できるのは、レーザ光ＬのパルスエネルギＥ及びビームスポットの面積Ｓである。

すなわち、レーザ光ＬのパルスエネルギＥを大きくする程、レーザピーニング加工に使用されるレーザ光Ｌの強度Ｉ及びフルエンスＦが大きくなる。また、レーザ光Ｌのビームスポットの面積Ｓを小さくする程、レーザピーニング加工に使用されるレーザ光Ｌの強度Ｉ及びフルエンスＦが大きくなる。レーザ光Ｌのエネルギ効率を向上させる観点からは、対象物Ｏの被加工面に集光照射されるレーザ光Ｌのビームスポットの面積Ｓをできるだけ小さくすることが望ましい。すなわち、被加工面と焦点との間における誤差をできるだけ小さくすることが望ましい。

狭隘部をレーザピーニング加工できるようにするためには、対象物Ｏの被加工面とノズル４の先端４Ａとの間における距離をできるだけ短くできるようにすることが好ましい。そのためには、ノズル４の先端４Ａからレーザ光Ｌの焦点までの距離を短くすることが望ましい。ノズル４の先端４Ａからレーザ光Ｌの焦点までの距離を短くするためには、焦点距離が短い集光レンズ９を使用する他、集光レンズ９に入射するレーザ光Ｌを収束させてビーム径をできるだけ小さくすることが必要である。換言すれば、集光レンズ９に入射するレーザ光Ｌのビーム径を小さくする程、ノズル４の先端４Ａからより近距離においてレーザ光Ｌのビームスポットの面積Ｓを小さくできるので、狭隘部のレーザピーニング加工に有利となる。

しかしながら、レーザ発振器２から発振されるレーザ光Ｌは必ずビーム径が徐々に拡大する広がり光となり、レーザ発振器２から遠ざかる程、レーザ光Ｌのビーム径は大きくなる。典型的なレーザ発振器２から発振されるレーザ光Ｌの広がり角度は、０．５ｍｒａｄから１０ｍｒａｄである。このため、集光レンズ９に入射するレーザ光Ｌのビーム径を小さくするためには、レーザ発振器２から集光レンズ９までの光学的距離をできるだけ短くすることが望まれるが、レーザ発振器２と集光レンズ９との間には、シャッターや減衰器（アッテネータ）等の光学素子や光学機器を配置する必要がある他、レーザ発振器２から集光レンズ９までの距離を短くし過ぎると、ノズル４の長さも短くなり、対象物Ｏとノズル４との干渉によって狭隘部のレーザピーニング加工が困難となる恐れがある。

このため、レーザ発振器２と集光レンズ９は必要な間隔で配置することが必要となり、その結果、レーザ発振器２から発振されたレーザ光Ｌのビーム径が集光レンズ９に入り切らない程、大きくなる場合もある。そこで、レーザ発振器２から発振されたレーザ光Ｌのビーム径が集光レンズ９に入り切らない程過大となるか否かを問わず、光伝送系３には、空気中にレーザ光Ｌの光路を形成するための必要なミラー１４に加えて、レーザ発振器２から発振されたレーザ光Ｌを収束させて集光レンズ９に入射させるビームエキスパンダ１５を設けることができる。

すなわち、ビームエキスパンダ１５のフォーカスレンズ１６によって、集光レンズ９に入射するレーザ光Ｌのビーム径が少なくとも集光レンズ９に入り切らない程過大とならないようビーム径の拡大率を減少させることが必要である。加えて、ノズル４の先端４Ａからできるだけ近距離においてレーザ光Ｌのビーム径及び面積Ｓが小さくなるように、集光レンズ９に入射するレーザ光Ｌのビーム径の拡大率をビームエキスパンダ１５によってできるだけ小さくすることが、適切な強度Ｉ及びフルエンスＦのレーザ光Ｌで容易に狭隘部のレーザピーニング加工を行えるようにする観点から望ましい。

但し、レーザ光Ｌが収束する集光レンズ９の後段には、レーザ光Ｌの許容フルエンスがミラーに比べて桁違いに小さいプリズム１０が配置される。このため、プリズム１０に過剰なフルエンスＦのレーザ光Ｌが長時間入射するとプリズム１０が損傷する恐れがある。従って、集光レンズ９から出射するレーザ光ＬのフルエンスＦが面積Ｓの減少によって増加しても、プリズム１０を経由する際に過剰な値とならないようにレーザ光ＬのフルエンスＦの増加率を制限することが重要である。

具体的には、プリズム１０に入射するレーザ光Ｌの面積Ｓが過小となるとプリズム１０の損傷リスクが増加するため、プリズム１０及び集光レンズ９に入射するレーザ光Ｌの面積Ｓを下限値以上にすることが重要である。そのためには、集光レンズ９に入射するレーザ光Ｌのビーム径の拡大率をビームエキスパンダ１５で減少させ過ぎないことが重要となる。

つまり、レーザピーニング加工に必要なフルエンスＦでレーザ光Ｌが近距離にある対象物Ｏの被加工面上に照射されるように集光レンズ９に入射させるレーザ光Ｌのビーム径の拡大率を小さくするという条件と、プリズム１０に過剰なフルエンスＦでレーザ光Ｌが入射することによってプリズム１０が損傷しないように集光レンズ９に入射させるレーザ光Ｌのビーム径の拡大率を過小としないという条件を両立させることが必要である。

そこで、レーザ光Ｌが被加工面のレーザピーニング加工に要求されるビーム径となって被加工面に照射される一方、レーザ光Ｌが過剰なビーム径でプリズム１０に入射することによってプリズム１０が損傷しないように、集光レンズ９に入射するレーザ光Ｌのビーム径の拡大率をビームエキスパンダ１５で微調整することができる。この場合、ビームエキスパンダ１５によるレーザ光Ｌのビーム径の拡大率は、上述したようにレーザ発振器２から発振されるレーザ光Ｌのビーム径の拡大率よりも小さく、かつレーザ光Ｌでプリズム１０が損傷しないように決定された下限値以上となる範囲に制限されることとなる。

ビームエキスパンダ１５にはレーザ光Ｌのビーム径の拡大率が一定である固定倍率型と、レーザ光Ｌのビーム径の拡大率を調整できる可変倍率型が市販されていることから、可変倍率型のビームエキスパンダを用いれば、集光レンズ９に入射するレーザ光Ｌのビーム径の拡大率を容易に微調整することができる。すなわち、対象物Ｏの被加工面上に照射されるレーザ光ＬのフルエンスＦと、プリズム１０を通過するレーザ光ＬのフルエンスＦを、バランスをとりながらビームエキスパンダ１５で微調整することが可能となる。

尚、ビームエキスパンダ１５には、ガリレオ式やケプラー式など複数のタイプがあるがレーザ光Ｌのエネルギに対応していれば、いずれを用いても良い。ガリレオ式の場合には、フォーカスレンズ１６は図示されるように凸レンズと凹レンズを組合わせて構成される。一方、ケプラー式の場合には、フォーカスレンズ１６は２枚の凸レンズを組合わせて構成され、空間フィルタとしてピンホールが配置される。

ビームエキスパンダ１５から出射するレーザ光Ｌのビーム径の拡大率の上下限値を含む適切な範囲は、実際の試験又はシミュレーションによって決定することができる。但し、シミュレーションを行う場合には、プリズム１０に入射するレーザ光Ｌの強度Ｉの上限値、集光レンズ９とビームエキスパンダ１５との間の距離、ビームエキスパンダ１５におけるレーザ光Ｌのビーム径の拡大率、レーザ発振器２から発振されるレーザ光Ｌの強度Ｉなど、多数のパラメータを用いた複雑な計算が必要となる。一方、出射するレーザ光Ｌの拡大率を変更することが可能な可変式のビームエキスパンダ１５を使用すれば、容易に試験を行うことができることから、試験によってビームエキスパンダ１５におけるレーザ光Ｌのビーム径の拡大率の適切な範囲を決定することが現実的である。

そこで、実際に対象物Ｏ、プリズム１０、集光レンズ９及びビームエキスパンダ１５を配置し、図３に例示されるように、レーザ発振器２から発振されるレーザ光Ｌの光軸とビーム側面とのなす角度として表されるレーザ光Ｌの広がり角度θｉｎよりも、ビームエキスパンダ１５から出射されるレーザ光Ｌの広がり角度θｏｕｔの方が小さくなる範囲において、ビームエキスパンダ１５から出射されるレーザ光Ｌの拡大率を変化させる試験を行った。その結果、プリズム１０の許容フルエンス等の光学特性を含むレーザ光Ｌの照射条件に合わせてビームエキスパンダ１５から出射するレーザ光Ｌのビーム径の拡大率の下限値及び広がり角度θｏｕｔの下限値θｍｉｎを適切に設定すれば、プリズム１０を損傷させること無く長時間に亘って連続的に対象物Ｏを適切なエネルギでレーザピーニング加工できることが確認された。

また、実際に対象物Ｏ、プリズム１０、集光レンズ９及びビームエキスパンダ１５を配置して試験を行ったところ、プリズム１０に入射するレーザ光Ｌの横断面上における平均強度がプリズム１０の許容範囲内であっても、レーザ光Ｌの強度Ｉが実際には横断面上において一定でないことから、プリズム１０が損傷する場合があることが確認された。従って、レーザ光Ｌの横断面における平均強度ではなく横断面における最大強度が許容範囲内となるようにプリズム１０の許容範囲を決定することが適切である。

尚、プリズム１０に入射するレーザ光Ｌの面積Ｓ及びフルエンスＦは、集光レンズ９に入射するレーザ光Ｌの面積Ｓのみならず、集光レンズ９とプリズム１０との間における距離の調整によっても変化させることができる。しかしながら、集光レンズ９とプリズム１０との間における距離は、プリズム１０が液槽１２を密閉している一方、集光レンズ９がレンズケース１３に固定されていることから微調整するためには複雑な機構が必要となる。

また、仮に集光レンズ９とプリズム１０との間における距離を調整するための機構をノズル４に設けようとすると、ノズル４のサイズが大きくなり、狭隘部のレーザピーニング加工が不可能となる場合がある。このような事情から、集光レンズ９に入射するレーザ光Ｌの面積Ｓをビームエキスパンダ１５で微調整することによって、プリズム１０に入射するレーザ光Ｌの面積Ｓ及びフルエンスＦを好適化することが、狭隘部のレーザピーニング加工を行えるようにする観点から現実的である。

集光レンズ９に入射するレーザ光Ｌの面積Ｓは、ビームエキスパンダ１５によるビーム径の拡大率の他、ビームエキスパンダ１５と集光レンズ９との間における距離Ｄに依存しても変化する。すなわち、レーザ発振器２とビームエキスパンダ１５との間における距離が一定であれば、ビームエキスパンダ１５と集光レンズ９との間における距離Ｄが短い程、集光レンズ９及びプリズム１０に入射するレーザ光Ｌの面積Ｓが小さくなることからプリズム１０に入射するレーザ光ＬのフルエンスＦが増加する。逆に、レーザ発振器２とビームエキスパンダ１５との間における距離が一定であれば、ビームエキスパンダ１５と集光レンズ９との間における距離Ｄが長い程、集光レンズ９及びプリズム１０に入射するレーザ光Ｌの面積Ｓが大きくなることからプリズム１０に入射するレーザ光ＬのフルエンスＦが減少する。

従って、プリズム１０の損傷を回避するためには、ビームエキスパンダ１５と集光レンズ９との間における距離Ｄを、レーザ発振器２の特性に合わせてレーザ光Ｌでプリズム１０が損傷しないように決定された下限値Ｄｍｉｎ以上となるように制限することが重要である。すなわち、レーザ発振器２とビームエキスパンダ１５との間における距離を一定とする場合、ビームエキスパンダ１５を集光レンズ９から下限値Ｄｍｉｎ以上離して配置することによって、プリズム１０の損傷を回避することができる。

ビームエキスパンダ１５と集光レンズ９との間における距離Ｄやレーザ発振器２とビームエキスパンダ１５との間における距離を微調整できるようにしても良い。例えば、ノズル４の筐体８の長さを変えたり、ノズル４と光伝送系３との間にシムを挟んだりすることによって、レーザ発振器２とビームエキスパンダ１５を配置した光伝送系３と集光レンズ９との間における距離Ｄを微調整することができる。また、ビームエキスパンダ１５を、スライダを介して光伝送系３に配置すれば、ビームエキスパンダ１５と集光レンズ９との間における距離Ｄのみならず、レーザ発振器２とビームエキスパンダ１５との間における距離を微調整することができる。

以上のように対象物Ｏの被加工面の位置に合わせてビームスポットの面積Ｓ、強度Ｉ及びフルエンスＦが調整されたレーザ光Ｌを、対象物Ｏの被加工面上におけるレーザピーニング加工位置に液体を噴射しながら照射することによって、対象物Ｏのレーザピーニング加工を行うことができる。レーザピーニング加工位置は、対象物Ｏの被加工面となる２次元的な領域内の点群であるため、ノズル４を対象物Ｏに対して相対移動することが必要となる。

移動機構６は、レーザ光Ｌがレーザピーニング加工の加工位置に照射されるように対象物Ｏをノズル４に対して相対移動させる装置である。レーザピーニング加工中には、対象物Ｏの被加工面に向けて液体が噴射されるため、移動機構６は、例えば、液体の排出口１７を有する容器１８を取付けた可動テーブル１９等の所望の装置で構成することができる。

（動作及び作用）
次にレーザピーニング加工装置１を用いたレーザピーニング加工方法について説明する。

レーザピーニング加工装置１で対象物Ｏのレーザピーニング加工を行う場合には、対象物Ｏが図１に例示されるような移動機構６の可動テーブル１９に取付けられた容器１８内において取付治具等に固定される。移動機構６の可動テーブル１９に固定された対象物Ｏは、ノズル４から照射されるレーザ光Ｌの焦点が対象物Ｏの表面におけるレーザピーニング加工の位置となるように位置決めされる。

次に液体供給系５から予め純水器で生成された純水等の液体がノズル４に供給される。供給された液体は図１乃至図３に例示されるようにノズル４内に配置された配管１１に流入し、配管１１を通って液槽１２内に流入する。液槽１２内に流入した液体は、液槽１２の出口を形成するノズル４の先端４Ａからレーザピーニング加工の対象物Ｏに向けて噴射される。その結果、ノズル４の先端４Ａにおける出口と対象物Ｏの表面との間には水柱等の液柱が形成される。形成された液柱はレーザ光Ｌを伝播させる媒質として使用することができる。

一方、レーザ発振器２及び光伝送系３によりレーザ光Ｌがノズル４に導かれる。具体的には、図１及び図２に例示されるようにレーザ発振器２から発振されたレーザ光Ｌが、光伝送系３を構成するミラー１４で反射しながら空気を伝播し、ビームエキスパンダ１５に入射する。

レーザ発振器２から発振されるレーザ光Ｌは平行ビームとして発振しても実際にはビーム径が徐々に広がる広がり光となる。従って、ビームエキスパンダ１５に入射するレーザ光Ｌは、図３に例示されるように広がり角度θｉｎでビーム径が拡大する広がり光として入射する。

ビームエキスパンダ１５では、ビームエキスパンダ１５から出射するレーザ光Ｌが集光レンズ９で集光されて適切な面積Ｓ、強度Ｉ及びフルエンスＦで対象物Ｏの被加工面に照射され、かつ集光レンズ９の後方に配置されるプリズム１０を損傷させない程度の面積Ｓ、強度Ｉ及びフルエンスＦでプリズム１０を経由するように、レーザ光Ｌのビーム径の拡大率が微調整される。

具体的には、図３に例示されるように、ビームエキスパンダ１５から出射するレーザ光Ｌの広がり角度θｏｕｔがビームエキスパンダ１５に入射するレーザ光Ｌの広がり角度θｉｎよりも小さくなり、かつプリズム１０に過剰な強度Ｉ及びフルエンスＦでレーザ光Ｌが入射しないように決定された下限値θｍｉｎ以上となるように、ビームエキスパンダ１５から出射するレーザ光Ｌのビーム径の拡大率が微調整される。

ビームエキスパンダ１５から出射したレーザ光Ｌは、ノズル４内の集光レンズ９に入射する。集光レンズ９を経由したレーザ光Ｌは収束しながらプリズム１０に入射する。プリズム１０に入射したレーザ光Ｌは進行方向が対象物Ｏの被加工面に向かう方向となってプリズム１３から出射する。プリズム１３から出射したレーザ光Ｌは収束しながら液槽１２内の液体に入射し、液槽１２の出口から液柱を伝搬して対象物Ｏの被加工面に照射される。

液体で覆われた対象物Ｏの被加工面にレーザ光Ｌが照射されるとプラズマが発生する。発生したプラズマは、ノズル４から噴射された液体中に閉じ込められる。その結果、衝撃波の圧力が対象物Ｏの被加工面に付与され、被加工面のレーザピーニング加工を行うことができる。

このようなレーザピーニング加工は、移動機構６で対象物Ｏを移動させながら行うことができる。すなわち、移動機構６の可動テーブル１９で対象物Ｏを移動させ、加工点を刻々と変化させながらレーザピーニング加工を行うことができる。そして、レーザピーニング加工装置１を用いて対象物Ｏの全ての加工点におけるレーザピーニング加工を行うことによって半製品又は製品を製造することができる。

（効果）
以上のようなレーザピーニング加工装置１及びレーザピーニング加工方法は、集光レンズ９から出射されるレーザ光Ｌの光路をプリズム１０で曲げて対象物Ｏに照射するレーザピーニング加工おいて、近距離であっても対象物Ｏに十分な強度ＩとフルエンスＦでレーザ光Ｌを照射しつつプリズム１０が損傷しないように、ビームエキスパンダ１５で適切なビーム径の拡大率を有するレーザ光Ｌを集光レンズ９に入射するようにしたものである。

このため、レーザピーニング加工装置１及びレーザピーニング加工方法によれば、近距離に配置された対象物Ｏに十分な強度ＩとフルエンスＦでレーザ光Ｌを照射しつつプリズム１０の損傷を回避することできる。すなわち、プリズム１０の配置によってノズル４のサイズを狭隘部での局所的なレーザピーニング加工が可能なサイズとしつつ、ビームエキスパンダ１５で集光レンズ９に入射するレーザ光Ｌのビーム径を小さくすることによって集光レンズ９から対象物Ｏまでのレーザ光Ｌの照射距離を短くすることができる、

加えて、ノズル４の先端４Ａを狭隘部のレーザピーニング加工に適したサイズ及び形状とするために配置されるプリズム１０がレーザ光Ｌを長時間照射しても損傷し難くなるように、集光レンズ９に入射するレーザ光Ｌのビーム径の拡大率が調整される。このため、従来よりも長時間に亘って連続的にレーザピーニング加工を行うことが可能となる。具体例として、典型的な航空機部品のレーザピーニング加工を行う場合には１６時間から７０時間程度のレーザ光の照射時間を要するところ、従来はプリズムが損傷しないようにレーザ光の連続照射時間を１２時間以内に抑えて断続照射することが必要であったが、１２時間を超えてレーザ光を連続照射することが可能となる。

（第２の実施形態）
図４は本発明の第２の実施形態に係るレーザピーニング加工装置に備えられるビームエキスパンダとノズルの詳細配置例及び詳細構成を示す部分断面図である。

図４に示された第２の実施形態におけるレーザピーニング加工装置１Ａでは、集光レンズ９から出射したレーザ光Ｌの進行方向を変化させる光学素子としてプリズム１０の代わりに全反射ミラー２０を設ける一方、液槽１２を入射窓２１で密閉した点が第１の実施形態におけるレーザピーニング加工装置１と相違する。第２の実施形態におけるレーザピーニング加工装置１Ａの他の構成及び作用については第１の実施形態におけるレーザピーニング加工装置１と実質的に異ならないためビームエキスパンダ１５とノズル４の詳細配置例及び詳細構成のみ図示し、同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。

集光レンズ９で集光されるレーザ光Ｌの進行方向を変化させる光学素子としては、プリズム１０の他に全反射ミラー２０が挙げられる。そこで、集光レンズ９の後方にプリズム１０に代えて全反射ミラー２０を配置するようにしても良い。

全反射ミラー２０の許容フルエンスはプリズム１０の許容フルエンスの１０倍から２０倍であり、レーザピーニング加工に要求されるレーザ光ＬのフルエンスＦが同じであれば、プリズム１０を全反射ミラー２０に置換するのみで、レーザ光Ｌによる全反射ミラー２０の損傷を回避することができる。特に、合成石英等のガラスの表面を誘電体多層膜でコーティングした誘多膜平面ミラーを全反射ミラー２０として用いれば、より大きなフルエンスＦのレーザ光Ｌを反射させても損傷のリスクを小さくすることができる。

一方、全反射ミラー２０がレーザ光Ｌによって損傷する恐れが生じる程レーザピーニング加工に要求されるレーザ光ＬのフルエンスＦが大きい場合には、第１の実施形態と同様に、全反射ミラー２０に入射するレーザ光ＬのフルエンスＦが全反射ミラー２０の許容フルエンスよりも小さくなるように、集光レンズ９に入射するレーザ光Ｌのビーム径の拡大率をビームエキスパンダ１５で制限するようにしても良い。

集光レンズ９から出射するレーザ光Ｌを全反射ミラー２０に反射させてレーザ光Ｌの進行方向を曲げる場合、レーザ光Ｌは全反射ミラー２０の出射側においても空気を伝搬することになる。換言すれば、全反射ミラー２０で液槽１２を密閉することはできない。

そこで、液槽１２には、液槽１２を密閉しつつレーザ光Ｌを入射させる入射窓２１を設けることが適切である。これにより、液槽１２内に充満する液体の逆流や液体への空気の混入を防止することができる。この場合、集光レンズ９から出射するレーザ光Ｌは全反射ミラー２０で反射した後、収束しながら入射窓２１を透過することになる。従って、レーザ光Ｌが入射窓２１に反射しないようにすることが重要である。そこで、入射窓２１には、合成石英等のガラスからなる入射面と出射面の両面を反射防止膜でコーティングした両面反射防止膜付窓板を使用することが好ましい。

以上のような第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に小型のノズル４でレーザ光Ｌを長時間連続照射することによって狭隘部のレーザピーニング加工を行うことが可能となる。また、第１の実施形態ではプリズム１０を用いることによって第２の実施形態に比べて集光レンズ９の後段に配置される光学素子の数とともにレーザ光Ｌの不要な反射によるエネルギ損失を低減できる一方、第２の実施形態では集光レンズ９の後段に配置される光学素子の損傷を回避するために集光レンズ９に入射するレーザ光Ｌのビーム径の拡大率をビームエキスパンダ１５で微調整することが必要となる場合をレーザピーニング加工に要求されるレーザ光ＬのフルエンスＦが特に大きい場合に限定することができる。

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

１、１Ａレーザピーニング加工装置
２レーザ発振器
３光伝送系
４ノズル
４Ａノズルの先端
５液体供給系
６移動機構
７遮蔽ケース
８筐体
９集光レンズ
１０プリズム
１１配管
１２液槽
１３レンズケース
１４ミラー
１５ビームエキスパンダ
１６フォーカスレンズ
１７排出口
１８容器
１９可動テーブル
２０全反射ミラー
２１入射窓
Ｏ対象物
Ｌレーザ光

Claims

レーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記レーザ光を対象物の被加工面上に集光する集光レンズと、
前記集光レンズから出射した前記レーザ光の進行方向を変化させる光学素子と、
前記光学素子で進行方向が変化した前記レーザ光を液体に入射させ、出口から前記被加工面に向けて前記レーザ光及び前記液体を出射及び噴射する液槽と、
を備え、
前記レーザ光が前記被加工面のレーザピーニング加工に要求されるビーム径となって前記被加工面に照射される一方、前記レーザ光が過剰なビーム径で前記光学素子に入射することによって前記光学素子が損傷しないように、前記集光レンズと前記光学素子との間における距離を調整するための機構を設ける代わりに、前記集光レンズに入射する前記レーザ光のビーム径の拡大率を調整する可変倍率型のビームエキスパンダであって、前記ビームエキスパンダから出射する前記レーザ光がビーム径が徐々に広がる広がり光となるように前記ビーム径の拡大率を調整するビームエキスパンダを設け、
前記ビームエキスパンダによる前記ビーム径の拡大率が、前記レーザ発振器から発振される前記レーザ光のビーム径の拡大率よりも小さく、かつ前記レーザ光で前記光学素子が損傷しないように決定された下限値以上となる範囲に制限されており、
更に前記ビームエキスパンダと前記集光レンズとの間における距離が、前記レーザ光で前記光学素子が損傷しないように前記レーザ発振器の特性に合わせて決定された下限値以上となるように制限されているレーザピーニング加工装置。
前記ビームエキスパンダと前記集光レンズとの間における距離及び前記レーザ発振器と前記ビームエキスパンダとの間における距離を微調整できるようにした請求項１記載のレーザピーニング加工装置。
前記ビームエキスパンダと前記集光レンズとの間における距離及び前記レーザ発振器と前記ビームエキスパンダとの間における距離を微調整できるように前記ビームエキスパンダを、スライダを介して配置した請求項１記載のレーザピーニング加工装置。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザピーニング加工装置を用いて前記対象物のレーザピーニング加工を行うことによって半製品又は製品を製造するレーザピーニング加工方法。
レーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記レーザ光を対象物の被加工面上に集光する集光レンズと、
前記集光レンズから出射した前記レーザ光の進行方向を変化させる光学素子と、
前記光学素子で進行方向が変化した前記レーザ光を液体に入射させ、出口から前記被加工面に向けて前記レーザ光及び前記液体を出射及び噴射する液槽と、
を備えたレーザピーニング加工装置を用いて前記対象物のレーザピーニング加工を行うことによって半製品又は製品を製造するレーザピーニング加工方法において、
前記レーザ光が前記被加工面のレーザピーニング加工に要求されるビーム径となって前記被加工面に照射される一方、前記レーザ光が過剰なビーム径で前記光学素子に入射することによって前記光学素子が損傷しないように、前記集光レンズと前記光学素子との間における距離を調整するための機構を設ける代わりに、可変倍率型のビームエキスパンダを設けて前記ビームエキスパンダから出射して前記集光レンズに入射する前記レーザ光がビーム径が徐々に広がる広がり光となるように前記レーザ光のビーム径の拡大率を調整するステップと、
前記ビームエキスパンダによる前記ビーム径の拡大率を、前記レーザ発振器から発振される前記レーザ光のビーム径の拡大率よりも小さく、かつ前記レーザ光で前記光学素子が損傷しないように決定された下限値以上となる範囲に制限するステップと、
前記ビームエキスパンダと前記集光レンズとの間における距離が、前記レーザ光で前記光学素子が損傷しないように前記レーザ発振器の特性に合わせて決定された下限値以上となるように制限するステップと、
を有するレーザピーニング加工方法。