JP2017131907A - レーザ加工ヘッド、レーザ加工システム及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工ヘッドの噴出口から噴出されて対象面に向かう液体の噴流の乱れを抑制する。【解決手段】レーザ加工ヘッド２０は、供給口３１を通って液体通路３５に流入した液体を、噴出口３３から噴出する本体３０と、当該噴出口３３を通って対象面１１に向かうレーザ光を射出する集光レンズ２２と、液体通路３５に配置されており、噴出口３３に向かう液体の流れを整流する整流板４１，４２，４３とを有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、加工対象物にレーザ光を照射するレーザ加工システムに関し、特に、レーザ光を照射すると共に液体を噴出するレーザ加工ヘッドに関する。

加工対象物の所望の表面（以下、対象面と記す）にレーザ光を照射することにより、当該加工対象物を加工する技術として従来から様々なものが提案されている。例えば、レーザ光を対象面に断続的に（パルス状に）照射して、レーザ光が照射される対象面の近傍の残留応力を引張状態から圧縮状態に変えるレーザピーニングなどのレーザ加工方法が知られている。

このようなレーザ加工において、対象面を含む加工対象物が空気中に配置されている場合、対象面のうちレーザ光が照射される領域（以下、照射スポットと記す）を、透明な液体で覆うことが求められることがある。特に、対象面が複雑な形状をなしている場合、単に、対象面に液体を流すだけでは、照射スポットを液体で覆うことが難しい場合もある。

照射スポットを液体で覆う技術として、照射スポットにレーザ光を集光するヘッド（以下、レーザ加工ヘッドと記す）から、当該照射スポットに向けて液体を噴出する技術が知られている。このようなレーザ加工ヘッドには、対象面の照射スポットに向かうレーザ光が、噴出された液体中を透過するものがある。

特許第４８６８７２９号公報

ところで、レーザ加工ヘッドのうち噴出口から対象面に向けて噴出された液体の噴流は、噴出口からの距離が長くなるに従って乱れが生じる。このような噴流の内部には、例えば、周囲にある空気が巻き込まれることにより、気泡が含まれることがある。噴流の内部に気泡が含まれていると、当該噴流内を透過するレーザ光が液体と気泡との界面において屈折し、レーザ光の一部が散乱することがある。

このように液体の噴流内においてレーザ光の散乱が生じると、照射スポットに到達するレーザ光のパワー密度が低下するという問題や、照射スポットの外径、いわゆるスポット径の制御が難しくなるという問題が生じる。よって、レーザ加工ヘッドにおいては、噴出した液体の噴流の内部に生じる気泡を抑制する技術が要望されている。

本発明の実施形態は、上記事情に鑑みてなされたものであって、噴出口から噴出される液体の乱れを抑制可能なレーザ加工ヘッドを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態のレーザ加工ヘッドは、供給口を通って液体通路に流入した液体を、噴出口から噴出する本体と、当該噴出口を通って加工対象物の対象面に向かうレーザ光を射出する集光レンズと、前記液体通路に配置されており、前記噴出口に向かう液体の流れを整流する整流板と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の実施形態のレーザ加工システムは、上記レーザ加工ヘッドと、当該レーザ加工ヘッドの前記集光レンズに向けて前記レーザ光を射出するレーザ発振器と、当該レーザ加工ヘッドに液体を供給する液体供給装置と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の実施形態のレーザ加工方法は、レーザ光が透過可能な液体をレーザ加工ヘッドに設けられ噴射口に接続する液体通路に供給するステップと、前記液体通路内で前記噴射口に向かう液体を整流するステップと、加工対象物の対象面の照射スポットに向けて前記噴射口から前記レーザ光を射出するステップと、前記液体通路内で整流された液体を前記レーザ光の光軸に沿って前記照射スポットに向けて前記噴射口から噴出させるステップと、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、噴出口から噴出される液体の乱れを抑制することができる。

第１の実施形態のレーザ加工システムを説明する模式図であり、レーザ加工ヘッドについては縦断面を示している。 第１の実施形態のレーザ加工ヘッドのうち供給口の横断面図である。 第１の実施形態のレーザ加工ヘッドのうち噴出口近傍の端面図であり、図１のIII−III線による端面図である。 第１の実施形態のレーザ加工ヘッドのうち整流板とその周辺構成の横断面図であり、図１のIV−IV線による断面図である。 第１の実施形態のレーザ加工ヘッドのうち整流板及び筒を含む整流部材の各部の寸法を説明する図面であり、（ａ）は、整流部材の側面を、（ｂ）は、整流部材の正面を示している。 第２の実施形態のレーザ加工システムを説明する模式図であり、レーザ加工ヘッドについては縦断面を示している。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態により、本発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

〔第１の実施形態〕
第１の実施形態のレーザ加工システムの概略構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態のレーザ加工システムを説明する模式図であり、レーザ加工ヘッドについては縦断面を示している。

図１に示すように、レーザ加工システム１は、レーザ光を発振するレーザ発振器３を有している。レーザ発振器３は、所定の方向にレーザ光を射出する。なお、レーザ発振器３から出たレーザ光は、空間的に指向性のあるレーザ放射、いわゆる「レーザビーム」である。

レーザ発振器３には、例えば、ＹＡＧレーザが用いられる。レーザ発振器３は、レーザ装置（laser device、図示せず）を構成しており、当該レーザ装置は、レーザ発振器３に電力を供給する供給源や、レーザ発振器３を冷却する装置を含んでいる。

本実施形態において、対象面１１を含む加工対象物１０は、空気中に配置されている。レーザ加工システム１は、空気中において加工対象物１０の対象面１１に断続的に（パルス状に）レーザ光を照射するものである。レーザ発振器３は、レーザ出力をパルス列の形で放出する、いわゆるパルス発振レーザ（pulsed laser）として構成されている。

レーザ加工システム１は、レーザ発振器３からのレーザ光を伝送する伝送装置（guiding device）６と、当該伝送装置６からのレーザ光を対象面１１に収束させるレーザ加工ヘッド２０とを有している。

本実施形態において、伝送装置６は、レーザ発振器３から射出されたレーザ光を、レーザ加工ヘッド２０の集光レンズ２２に向けて反射する反射鏡である。なお、伝送装置６は、当該反射鏡の他に、レンズ等の様々な光学素子から構成されているものとしても良い。

また、レーザ加工システム１は、伝送装置６により伝送されたレーザ光を集光して対象面に照射するレーザ加工ヘッド２０を有している。本実施形態のレーザ加工ヘッド２０は、対象面１１のうちレーザ光が照射された領域である照射スポット１２に向けて液体を噴出する機能を有している。レーザ加工ヘッド２０の詳細については、後述する。

レーザ加工システム１は、対象面１１に向けて噴出する液体を、当該レーザ加工ヘッド２０に供給する装置（以下、液体供給装置と記す）７を有している。液体供給装置７は、例えば、液体を圧送するポンプや、当該液体を貯留するタンク等を含んで構成することができる。

レーザ加工システム１は、液体供給装置７からの液体をレーザ加工ヘッド２０に導く管（以下、液体導管と記す）８とを有している。液体導管８は、屈曲可能なホース等により構成されている。これにより、レーザ加工ヘッド２０は、液体供給装置７及びレーザ発振器３に対して相対的に移動可能となる。

本実施形態の液体導管８は、途中で２つの液体導管８ａ，８ｃに分岐しており、各液体導管８ａ，８ｃは、レーザ加工ヘッド２０のうち対応する供給口３１，３２に接続されている。液体供給装置７からの液体は、供給口３１，３２からレーザ加工ヘッド２０に供給される。

次に、本実施形態のレーザ加工ヘッドの詳細な構成について、図１〜図５を用いて説明する。なお、図２は、本実施形態のレーザ加工ヘッドのうち供給口の横断面図である。図３は、本実施形態のレーザ加工ヘッドのうち噴出口近傍の端面図であり、図１のIII−III線による断面図である。図４は、本実施形態のレーザ加工ヘッドのうち整流板とその周辺構成の横断面図であり、図１のIV−IV線による断面図である。図５は、本実施形態のレーザ加工ヘッドのうち整流板及び筒を含む整流部材の各部の寸法を説明する図面であり、（ａ）は、整流部材の側面を、（ｂ）は、整流部材の正面を示している。

図１に示すように、レーザ加工ヘッド２０は、レーザ光を集光して対象面１１に照射すると共に、液体供給装置７から供給された液体を、当該対象面１１のうちレーザ光が照射される照射スポット１２に向けて噴射するものである。レーザ加工ヘッド２０は、供給口３１，３２を通って液体通路３５に流入した液体を噴出口３３から噴出する本体３０と、噴出口３３を通してレーザ光を射出する集光レンズ２２とを有している。本体３０は、噴出口３３から対象面１１に向かう液体の噴流を形成する装置であり、「ノズル」とも称される。

集光レンズ２２は、空気中に配置されており、本実施形態においては、単数の凸レンズで構成されている。集光レンズ２２は、伝送装置６からのレーザ光が入射する入射面２３と、対象面１１に向けて収束するレーザ光を射出する射出面２４とを有している。すなわち、集光レンズ２２は、伝送装置６からの平行光線束を入射面２３で受けて、射出面２４から対象面１１に向けて収束する収束光線束を射出する。これにより、集光レンズ２２は、伝送装置６からのレーザ光を、対象面１１に集光する。

なお、図１において、集光レンズ２２から射出されて対象面１１に至るレーザ光の光軸を、一点鎖線Ａで示しており、当該レーザ光の外縁を二点鎖線Ｅで示している。また、噴出口３３から噴出された液体の噴流の外縁を、二点鎖線Ｆで示している。

集光レンズ２２から射出されるレーザ光の光軸Ａに対して実質的に沿う方向を、以下に「軸方向」と記す。軸方向のうち、対象面１１に向かう向きを、以下に「下流側」と記して図に矢印Ａ１で示し、集光レンズ２２に向かう向きを、以下に「上流側」と記して図に矢印Ａ２で示す。

また、当該軸方向に対して実質的に直交する方向を、単に「径方向」と記す。図３及び図４において径方向内側を矢印Ｒ１で示し、径方向外側を矢印Ｒ２で示す。また、光軸Ａを軸心とする周方向を、単に「周方向」と記して図３及び図４に矢印Ｃで示す。

本実施形態において、噴出口３３は、図３に示すように、略円形をなしており、噴出口３３から噴出された噴流の断面、当該レーザ光の光軸Ａに直交する断面、及び対象面１１のうちレーザ光が照射される照射スポット１２は、いずれも略円形をなしている。

集光レンズ２２は、射出面２４から射出されたレーザ光の光軸Ａが、噴出口３３の中心を通るように本体３０に対して固定されている。噴出口３３から対象面１１に噴出される噴流は、略円柱状をなしており、その軸心は、レーザ光の光軸Ａと一致している。

すなわち、レーザ加工ヘッド２０は、噴出口３３を通して対象面１１に照射するレーザ光と同軸に、噴出口３３から液体を対象面１１に噴出する。集光レンズ２２からのレーザ光は、本体３０内にある透明な液体と、噴出口３３から噴出された噴流の内部を通って対象面１１に到達する。

本実施形態の本体３０は、液体の供給を受ける２つの供給口３１，３２を有している。供給口３１，３２は、それぞれ対応する液体導管８ａ，８ｃから液体の供給を受ける。なお、本実施形態において、供給口３１，３２は、本体３０のうち軸方向上流側において径方向外側に突出する部分（以下、外側突出部と記す）３０ａに形成されている。供給口３１は、図２に示すように、径方向に直交する横断面が略円形をなしている。

本体３０は、供給口３１，３２を通して液体通路３５に流入した液体を噴出口３３から噴出すると共に、集光レンズ２２からのレーザ光を、液体通路３５及び噴出口３３を通して対象面１１に照射する。より詳細には、液体通路３５及び噴出口３３を通って対象面１１に至る液体の流れの内部を透過させて対象面１１に照射する。

本実施形態において、噴出口３３は、本体３０のうち軸方向下流側を構成する部分（以下、先端部と記す）３０ｆに形成されている。噴出口３３は、図３に示すように、軸方向に直交する横断面において、略円形をなしている。本実施形態のレーザ加工ヘッド２０は、噴出口３３の中心と、レーザ光の光軸（図３に点Ａで示す）が同軸にとなるよう構成されている。噴出口３３から噴出される液体は、レーザ光が透過可能な透明な液体である。当該液体には、例えば、水や、ホウ酸水を用いることができる。

また、図１に示すように、本体３０は、供給口３１，３２から流入した液体を噴出口３３に導く液体通路３５を有している。液体通路３５は、供給口３１，３２と噴出口３３との間において液体が流れる通路である。液体通路３５は、レーザ光の光軸Ａに直交する横断面が、略円形をなしている。液体通路３５は、噴出口３３から軸方向上流側に延びており、２つの供給口３１，３２とそれぞれ接続されている。

本実施形態の本体３０内に形成されている液体通路３５は、軸方向下流側（噴出口３３側）に向かうに従って、光軸Ａに直交する横断面の面積が小さくなるよう構成された部分（以下、縮流部分と記す）３５ｅを有している。供給口３１，３２から液体通路３５に流入した液体は、縮流部分３５ｅにおいて、その流れが絞られて流速が増大する。液体通路３５のうち縮流部分３５ｅよりも下流側を構成する部分（以下、下流側部分と記す）３５ｆは、略円筒（円柱）状をなして集光レンズ２２からのレーザ光の光軸Ａと実質的に同軸に、すなわち軸方向に延びている。

液体通路３５のうち縮流部分３５ｅより軸方向上流側を構成する部分には、略円筒（円柱）状をなしており、縮流部分３５ｅから軸方向上流側に集光レンズ２２からのレーザ光の光軸Ａと実質的に同軸に延びている部分（以下、単に「上流側部分」と記す）３５ｃと、当該上流側部分３５ｃから供給口３１，３２に向けて径方向外側に延びている部分（以下、外側部分と記す）３５ａがある。このように、本実施形態において液体通路３５は全体として集光レンズ２２からのレーザ光の光軸Ａと実質的に同軸に配置されている。

なお、液体通路３５については、縮流部分３５ｅを設けず、上流側部分３５ｃと下流側部分を３５ｆを区別せずに、集光レンズ２２からのレーザ光の光軸Ａと実質的に同軸に配置される１つの略円筒（円柱）形状の通路としても構わない。

レーザ加工ヘッド２０は、集光レンズ２２から噴出口３３に向かうレーザ光を透過可能な透明の部材（以下、光学窓と記す）２６を有している。光学窓２６は、軸方向において、上述した液体通路３５と集光レンズ２２との間に配置されている。本実施形態において、光学窓２６は、集光レンズ２２、噴出口３３及び液体通路３５と同軸に配置されている。

より詳細には、光学窓２６は、供給口３１，３２及び液体通路３５より、軸方向上流側（集光レンズ２２側）に配置されている。光学窓２６は、本体３０と共に、液体通路３５の上流側部分３５ｃを画定する。これにより、空気中に配置されている集光レンズ２２から射出されたレーザ光は、当該光学窓２６を透過して、液体通路３５内を流れる液体に入射し、当該液体内を噴出口３３に向けて進むことができる。

本実施形態において、光学窓２６は、エラストマで構成されたＯリング２７を介して本体３０に固定されている。光学窓２６は、軸方向において、Ｏリング２７と、Ｏリング２７と同様に環状をなしている押さえリング２８との間に挟み込まれる。押さえリング２８は、光学窓２６を軸方向下流側に押圧しており、Ｏリング２７が弾性変形する。これにより、光学窓２６が面している液体通路３５の水密を確実なものにしている。

このようなレーザ加工ヘッド２０において、本体３０にある供給口３１，３２から外側部分３５ａに流入した液体は、上流側部分３５ｃ、縮流部分３５ｅ、下流側部分３５ｆの順に流れて噴出口３３から噴出される。外側部分３５ａと上流側部分３５ｃとの間において液体は、その流動方向を大きく変える。このため、外側部分３５ａから上流側部分３５ｃに流入した液体の流れには、乱れが生じる。

このような乱れが生じた液体の流れが、整流されないまま噴出口３３から噴出されると、噴出口３３から対象面１１に向かう噴流にも乱れが生じてしまう。このような乱れが生じると、噴出口３３から対象面１１に向かうに従って噴流が径方向外側に拡がってしまい、噴流の外縁Ｆが周囲にある空気を噴流内に巻き込んでしまう虞がある。

そこで、本実施形態のレーザ加工ヘッド２０のうち液体通路３５の上流側部分３５ｃには、図４及び図５に示すように、噴出口３３に向かう液体の流れを整流する整流板４１，４２，４３，４４が設けられている。整流板４１，４２，４３，４４は、平らな板状をなしており、集光レンズ２２から噴出口３３に向かうレーザ光の光軸Ａに対する軸方向及び径方向に延びている。整流板４１，４２，４３，４４は、周方向に所定の間隔をあけて配列されている。すなわち、複数の整流板４１，４２，４３および４４は、集光レンズ２２から噴出口３３に向かうレーザ光の光軸Ａに実質的に沿うとともに、この光軸Ａに対して実質的に直交するように設けられる。

図４に示すように、整流板４１，４２，４３，４４は、本体３０のうち液体通路３５を画定する内面３７から径方向内側に突出するように設けられる。また整流板４１，４２，４３，４４は、集光レンズ２２から噴出口３３に向かって液体通路３５を透過するレーザ光の外側、すなわち外周側に位置するように液体通路３５の周方向に間を空けて設けられている。本実施形態において、複数の整流板４１，４２，４３，４４は、それぞれの内周側の端部が筒４８によって一体に結合されており、整流部材４０を構成している。整流部材４０の詳細な構造を、図５に示す。

図４及び図５に示すように、筒４８は、光軸Ａを軸心とする略筒状をなしており、集光レンズ２２及び噴出口３３と同軸に配置されている。筒４８は、光軸Ａに直交する横断面（光軸Ａに対する垂直断面）が円形をなしている。筒４８の径方向内側には、液体が貫流する通路（以下、内側通路と記す）５０が形成されている。集光レンズ２２から噴出口３３に向かうレーザ光は、噴出口３３に向かう液体と共に、当該内側通路５０を通る。筒４８は、その径方向内側（内周側）にある内側通路５０の断面積が、図３に示す噴出口３３の開口面積以上となるように構成されている。

なお、筒４８については、集光レンズ２２及び噴出口３３に向かって透過するレーザ光の光軸Ａに沿って、例えばその上流側から下流側に向けて横断面における直径が小さくなるような、所謂レデューサ管として構成してもよい。この場合、筒４８の径方向内側にある内側通路５０の横断面での最小の断面積（すなわち、上流側から下流側に向けて横断面における直径が小さくなるレデューサ管であればその下流端の断面積）が噴出口３３の開口面積以上になるように構成すればよい。

筒４８の径方向外側には、液体が貫流する複数の通路（以下、外側通路と記す）５１，５２，５３，５４が形成されている。整流板４１，４２，４３，４４は、筒４８の外面４７から径方向外側に突出しており、放射状に延びている。すなわち、整流板４１，４２，４３，４４は、筒４８の外面４７と本体３０の内面３７との間を径方向に延びており、外面４７と内面３７の間にある空間を、複数の外側通路５１，５２，５３，５４に仕切っている。

なお、本実施形態においては、図２に示す供給口３１は、その横断面の断面積が、液体通路３５のうち整流部材４０により画定される外側通路５１，５２，５３，５４及び内側通路５０の断面積の合計以上となるように構成されている。

また、図５に示すように、整流板４１，４２，４３，４４及び筒４８は、整流部材４０の軸方向下流側の端４０ｅから軸方向上流側（図に矢印Ａ２で示す）に延びている。筒４８は、端４０ｅからの軸方向の長さ（図に寸法Ｌｃで示す）が、整流板４１，４２，４３，４４の端４０ｅからの軸方向の長さ（図に寸法Ｌｆで示す）に比べて短くなるよう構成されている。すなわち、筒４８は、整流板４１，４２，４３のうち、それぞれ軸方向下流側の端部４１ｃ，４２ｃ，４３ｃの径方向内側に配置されており、且つ軸方向上流側の端部４１ａ，４２ａ，４３ａの径方向内側には、配置されていない。

なお、本実施形態においては、筒４８を、整流板４１，４２，４３の軸方向下流側の端部４１ｃ，４２ｃ，４３ｃに接するように配置しているが、必ずしも軸方向下流側の端部４１ｃ，４２ｃ，４３ｃにから少し離間した位置に設けてもよい。この場合であっても、筒４８の軸方向の中央の位置が整流板４１，４２，４３の軸方向の中央の位置よりも下流側に配置することが好ましい。すなわち、本実施形態において、筒４８は、整流板４１，４２，４３の少なくとも軸方向上流側の端部４１ａ，４２ａ，４３ａには配置されないものとしても良い。

以上のように構成されたレーザ加工ヘッド２０において、図１に示す供給口３１を通って液体通路３５に流入した液体は、内側通路５０及び外側通路５１，５２，５３，５４を貫流して噴出口３３から噴出される。液体通路３５の上流側部分３５ｃには、少なくとも軸方向に延びており、噴出口３３に向かう液体の流れを整流する整流板４１，４２，４３，４４が配置されている。整流板４１，４２，４３，４４は、外側部分３５ａと上流側部分３５ｃとの間において乱れが生じた液体の流れを整流する。

具体的には、図４に示すように、整流板４１，４２，４３，４４は、液体の流れが、内面３７に沿って周方向に流動すること、すなわち光軸Ａを中心に旋回することを抑制する。すなわち、整流板４１，４２，４３，４４は、液体通路３５の上流側部分３５ｃを軸方向下流側に貫流する液体の流れから、周方向の流動成分、すなわち流れの旋回成分を取り除く。

レーザ加工ヘッド２０は、集光レンズ２２からの収束するレーザ光を、光学窓２６、液体通路３５の内側通路５０、噴出口３３を通して対象面１１に照射すると共に、整流板４１，４２，４３，４４により整流された液体の流れを、図１及び図３に示す噴出口３３から、対象面１１の照射スポット１２に向けて噴出する。

本実施形態のレーザ加工ヘッド２０によれば、噴出口３３から噴出した噴流が対象面１１に向かうに従って径方向外側に拡がることを抑制することができ、噴出口３３から対象面１１に向かう噴流の内部に気泡が生じることを抑制することができる。この結果、噴流の内部を通り、噴出口３３から対象面１１の照射スポット１２に向かうレーザ光が散乱することを抑制して、照射スポット１２に所望のパワー密度のレーザ光を照射することができ、スポット径の制御をより容易なものにすることが可能となる。

また、本実施形態のレーザ加工ヘッド２０において、整流板４１，４２，４３，４４は、液体通路３５を画定する内面３７からそれぞれ突出して径方向内側に延びており、レーザ光が径方向内側を貫通する筒４８を介して互いに結合されている。これにより、整流板４１，４２，４３，４４を、筒４８を有しない場合に比べてより強固に本体３０に固定することができる。

また、本実施形態のレーザ加工方法において、図１に示すレーザ発振器３が、断続的にパルス列の形でレーザ光を伝送装置６に射出する。レーザ加工ヘッド２０は、伝送装置６からのレーザ光を加工対象物１０の対象面１１に断続的に（パルス状に）照射する。これと共に、レーザ加工ヘッド２０は、液体供給装置７からの液体を供給口３１で受け、液体通路３５を通して噴出口３３から対象面１１の照射スポット１２に向けて噴出する。

本体３０の液体通路３５には、噴出口３３に向かう液体の流れを整流する整流板４１，４２，４３，４４が配置されているものとしたので、噴出口３３から噴出した噴流が対象面１１に向かうに従って径方向外側に拡がって噴流の内部に気泡が生じることを抑制できる。これにより、照射スポット１２を液体で覆うと共に、当該噴流の内部を通るレーザ光の散乱を抑制して所望のパワー密度のレーザ光を照射することができる。

照射スポット１２近傍を構成する材料は、レーザ光のエネルギを吸収してプラズマ化する。プラズマの周囲は、噴出口３３から噴射された液体で覆われている。このため、当該プラズマの内部圧力が、数ギガパスカル（ＧＰａ）に達し、照射スポット１２に衝撃を与える。プラズマが発生した際の衝撃波が、照射スポット１２から加工対象物１０の内部に伝播して塑性変形を生じさせる。このようにして、空気中に配置されている加工対象物１０に対してレーザピーニングを行う。

本実施形態のレーザ加工方法によれば、噴出口３３から対象面１１に向かう噴流の内部に気泡が生じることを抑制することができ、加工対象物１０が水中に配置されている場合と同様のレーザピーニング加工が可能となる。

なお、本実施形態においては、空気中に配置されている加工対象物１０に対してレーザピーニングを行うものとしたが、本発明に係るレーザ加工方法は、これに限定されるものではない。本発明のレーザ加工方法は、空気中に配置されている加工対象物１０に対してレーザ光を照射すると共に、当該レーザ光が照射される領域を液体で覆うものであれば、適用することができる。例えば、上述したレーザ加工システム１のうちレーザ発振器３を連続発振レーザ（continuous wave laser）として構成し、レーザ加工ヘッド２０から対象面１１に対して連続的にレーザ光を照射するものとしても良い。これにより、当該対象面１１に凹みを形成することや、加工対象物１０を切断することが可能である。

なお、上述した本実施形態において、筒４８は、図５に示すように、整流板４１，４２，４３のうち、軸方向下流側の端部４１ｃ，４２ｃ，４３ｃの径方向内側に配置されており、軸方向上流側の端部４１ａ，４２ａ，４３ａの径方向内側には配置されていないものとした。これにより、筒４８の径方向外側にある外側通路５１，５２，５３，５４に流入する液体の流れに生じる速度差を抑制することが可能である。

しかし、本発明に係る筒４８の形状は、この態様に限定されるものではない。筒は、軸方向において、整流部材４０の上流側の端４０ｅから、整流板と同じ長さ（図５の寸法Ｌｆ参照）延びているものとしても良い。この態様によれば、複数の整流板をより強固に結合することができる。

また、本実施形態において、液体通路３５内に配置される筒４８は、光軸Ａに直交する横断面が、図４に示すような円形であるものとしたが、本発明に係る筒の形状は、これに限定されるものではない。筒は、その径方向内側を、集光レンズ２２から噴出口３３に向かうレーザ光が通るように構成されていれば良い。例えば、筒は、横断面が、多角形をなしているものとしても良い。

また、本実施形態において、整流板４１，４２，４３，４４は、筒４８と一体に結合されており、整流部材４０を構成しているものとしたが、本発明に係るレーザ加工ヘッドは、この態様に限定されるものではない。レーザ加工ヘッドは、本体３０内の液体通路３５において噴出口３３に向かう液体の流れを整流する整流板４１，４２，４３，４４が液体通路３５に配置されており、且つ当該液体通路３５を通って集光レンズ２２からのレーザ光が噴出口３３から対象面１１に照射できれば良い。例えば、整流板４１，４２，４３，４４は、液体通路３５の内面３７から突出して径方向内側に延びており、これら整流板４１，４２，４３，４４の径方向内側には、筒４８は、設けられていないものとしても良い。

〔第２の実施形態〕
本実施形態のレーザ加工システム１Ｃについて、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態のレーザ加工システムを説明する模式図であり、レーザ加工ヘッドについては縦断面を示している。なお、第１の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図６に示すように、本実施形態のレーザ加工システム１Ｃにおいて、本体３０は、対象面１１の照射スポット１２に向けて白色光などのレーザ発振器３からのレーザ光の波長とは異なる波長成分を含む光を放つ照明装置７１と、対象面１１のうち少なくとも照射スポット１２を撮像可能な撮像装置７２とを有している。

また、本実施形態の伝送装置としての光学素子６０は、レーザ発振器３からのレーザ光を反射させてレーザ加工ヘッド２０Ｃに伝送すると共に、照明装置７１からの白色光が照射スポット１２で反射した反射光のうち少なくとも一部、すなわちレーザ光の波長とは異なる波長成分の光を撮像装置７２に透過させて導くよう構成されている。

光学素子６０は、レーザ発振器３からのレーザ光を、集光レンズ２２に向けて反射すると共に、レーザ発振器３からのレーザ光の波長とは異なる波長成分の集光レンズ２２からの可視光を光軸Ａに沿う軸方向に透過可能な反射鏡、いわゆるハーフミラーとして構成されている。光学素子６０のうち、レーザ発振器３からのレーザ光が入射する面６３は、当該レーザ光の波長のみを反射するコーティング層（例えば、薄膜）が形成されており、その他の波長の可視光などを透過可能に構成されている。なお、光学素子６０は、当該ハーフミラーの他に、レンズ等の様々な光学的素子を有しているものとしても良い。

照明装置７１は、本体３０の先端部の近傍に配置されており、本実施形態においては、本体３０に結合されている。照明装置７１には、ＬＥＤ等の様々な光源を用いることができる。

撮像装置７２は、本体３０の噴出口３３、整流部材４０の筒４８、集光レンズ２２と同軸に配置されており、より詳細には、軸方向において光学素子（ハーフミラー）６０を挟んで集光レンズ２２と対向して配置されている。撮像装置７２には、例えば、一般的なビデオカメラ等、様々なものを用いることができる。

撮像装置７２は、対象面１１のうち少なくとも照射スポット１２からの反射光を、噴出口３３、内側通路５０を含む液体通路３５、光学窓２６、集光レンズ２２、及び光学素子（ハーフミラー）６０を通して受光することにより、照射スポット１２を撮像する。すなわち、撮像装置７２は、照射スポット１２で反射した光のうち、光学素子６０が透過したレーザ光の波長以外の波長成分を持つ光を撮像可能に構成されている。

このように構成されたレーザ加工システム１Ｃによれば、常時、対象面１１のうち照射スポット１２近傍を、光学的に観察することが可能となる。

また、本実施形態のレーザ加工システム１Ｃは、液体通路３５を流れる液体に伝わる音圧（いわゆる音波）を測定可能な測定装置７４と、当該測定装置７４により測定された音圧に関するデータを処理可能なデータ処理装置７５とを有している。

測定装置７４は、液体通路３５のうち、外側部分３５ａに配置されており、本体３０に固定されている。測定装置７４は、液体通路３５のうち上流側部分３５ｃを流れる液体に伝わる音圧を測定可能に構成されている。測定装置７４は、データ処理装置７５と電気的に接続されており、音圧に関するデータを当該データ処理装置７５に送出する。

データ処理装置７５は、レーザ発振器３から対象面１１にレーザ光を照射するタイミング（以下、照射タイミングと記す）に関するデータを取得可能に構成されている。また、データ処理装置７５は、測定装置７４からの音圧に関するデータに基づいて、照射スポット１２において発生した音圧が、測定装置７４に到達したタイミング（以下、到達タイミングと記す）を算出可能に構成されている。

レーザ発振器３から対象面１１にレーザ光が照射されると、照射スポット１２において音圧が発生する。当該音圧は、図に矢印Ｓで示すように、噴流内及び液体通路３５内の液体を伝わって、測定装置７４に到達する。測定装置７４は、当該音圧を測定し、当該音圧に関するデータをデータ処理装置７５に送出する。

データ処理装置７５は、照射タイミングに関するデータをレーザ発振器３から取得する。また、データ処理装置７５は、測定装置７４からの音圧に関するデータに基づいて、照射スポット１２において発生した音圧が、測定装置７４に到達した到達タイミングを算出する。さらに、データ処理装置７５は、到達タイミングと照射タイミングとの時間差に基いて、本体３０に固定された測定装置７４と照射スポット１２との距離を算出する。これにより、本体３０と照射スポット１２との距離を知ることができる。

なお、本実施形態において、レーザ加工システム１Ｃは、レーザ加工ヘッド２０Ｃ及び光学素子６０に加えて、照明装置７１、撮像装置７２、測定装置７４及びデータ処理装置７５を有するものとしたが、レーザ加工システムは、この態様に限定されるものではない。レーザ加工ヘッド２０Ｃ、光学素子６０、照明装置７１、撮像装置７２、測定装置７４及びデータ処理装置７５は、様々な態様で組合せることが可能である。

〔他の実施形態〕
以上に説明した各実施形態のレーザ加工ヘッド２０，２０Ｃにおいて、噴出口３３の中心及び筒４８の軸心は、集光レンズ２２から対象面１１に向かうレーザ光の光軸Ａと一致しているものとしたが、本発明に係るレーザ加工ヘッドは、この態様に限定されるものではない。レーザ加工ヘッドは、集光レンズ２２から射出されたレーザ光が、構造物に遮られることなく、液体通路３５及び噴出口３３を流れる液体を透過するよう構成されていれば良い。

また、各実施形態のレーザ加工ヘッド２０，２０Ｃにおいて、集光レンズ２２と液体通路３５との間には、本体３０と共に液体通路３５を画定しており、集光レンズ２２から噴出口３３に向かうレーザ光を透過可能な光学窓２６を有するものとしたが、本発明に係るレーザ加工ヘッドは、この態様に限定されるものではない。本発明に係るレーザ加工ヘッドは、光学窓２６に替えて、集光レンズ２２が、本体３０と共に液体通路３５を画定するものとしても良い。

また、各実施形態のレーザ加工ヘッド２０，２０Ｃにおいて、集光レンズ２２は、単数の凸レンズで構成されているものとしたが、本発明に係る集光レンズは、この態様に限定されるものではない。集光レンズは、各種のレンズを含む複数の光学素子を組み合わせて構成されているものとしても良い。

本発明のいくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，１Ｃ レーザ加工システム、３ レーザ発振器、６ 伝送装置、７ 液体供給装置、８，８ａ，８ｃ 液体導管、１０ 加工対象物、１１ 対象面（加工対象物）、１２ 照射スポット（対象面）、２０，２０Ｃ レーザ加工ヘッド、２２ 集光レンズ、２３ 入射面（集光レンズ）、２４ 射出面（集光レンズ）、２６ 光学窓、２７ Ｏリング、２８ 押さえリング、３０ 本体（レーザ加工ヘッド）、３０ａ 外側突出部、３０ｆ 先端部（本体）、３１，３２ 供給口、３３ 噴出口、３５ 液体通路、３５ａ 外側部分（液体通路）、３５ｃ 上流側部分（液体通路）、３５ｅ 縮流部分（液体通路）、３５ｆ 下流側部分（液体通路）、３７ 内面（本体）、４０ 整流部材、４０ｅ 端（整流部材）、４１，４２，４３，４４ 整流板（整流部材）、４１ａ，４２ａ，４３ａ 上流側の端部（整流板）、４１ｃ，４２ｃ，４３ｃ 下流側の端部（整流板）、４７ 外面（筒）、４８ 筒（整流部材）、５０ 内側通路（液体通路の上流側部分）、５１，５２，５３，５４ 外側通路（液体通路の上流側部分）、６０ 光学素子（伝送装置）、７１ 照明装置、７２ 撮像装置、７４ 測定装置、７５ データ処理装置

Claims (12)

1. 供給口を通って液体通路に流入した液体を、噴出口から噴出する本体と、
   当該噴出口を通って加工対象物の対象面に向かうレーザ光を射出する集光レンズと、
   前記液体通路に配置されており、前記噴出口に向かう液体の流れを整流する整流板と、
   を備えることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 前記整流板は、前記レーザ光の光軸に対する軸方向及び径方向に延びている
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
3. 前記整流板は、前記液体通路を透過する前記レーザ光の外側に位置するよう配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工ヘッド。
4. 前記整流板は、前記液体通路の周方向に複数設けられており、
   複数の前記整流板の内周側の端部を結合させる筒を、さらに備える
   ことを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工ヘッド。
5. 前記筒の内周側の前記レーザー光の光軸に垂直な断面積が、前記噴出口の開口面積以上である
   ことを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工ヘッド。
6. 前記筒は、軸方向の長さが、前記整流板に比べて短い
   ことを特徴とする請求項４または請求項５のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッド。
7. 前記筒は、前記整流板の軸方向上流側の端部には配置されていない
   ことを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッド。
8. 前記集光レンズは、空気中に配置されており、
   前記レーザ光の光軸に沿う軸方向において、当該集光レンズと前記液体通路との間に配置されており、前記本体と共に前記液体通路を画定しており、且つ前記集光レンズから前記噴出口に向かうレーザ光を透過可能な光学窓を、さらに備える
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッド。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッドと、
   当該レーザ加工ヘッドの前記集光レンズに向けてレーザ光を射出するレーザ発振器と、
   当該レーザ加工ヘッドに液体を供給する液体供給装置と、
   を備えることを特徴とするレーザ加工システム。
10. 前記レーザ発振器と前記レーザ加工ヘッドの間に設けられ、前記レーザ光を前記集光レンズに向けて反射すると共に、前記レーザ光の波長以外の光を透過可能な光学素子と、
    前記光学素子を透過した前記レーザ光の波長以外の光を撮像可能な撮像装置を、
    さらに備えることを特徴とする請求項９に記載のレーザ加工システム。
11. 前記本体に固定されており、前記液体通路を流れる液体に伝わる音圧を測定可能な測定装置と、
    当該測定装置により測定された音圧に関するデータを処理可能なデータ処理装置と、
    を有し、
    当該データ処理装置は、前記レーザ発振器から前記対象面にレーザ光を照射する照射タイミングと、前記レーザ光が照射スポットにおいて発生させた音圧の前記測定装置への到達タイミングに基いて、前記照射スポットと前記本体との距離を算出する
    ことを特徴とする請求項１０に記載のレーザ加工システム。
12. レーザ光が透過可能な液体をレーザ加工ヘッドに設けられ噴射口に接続する液体通路に供給するステップと、
    前記液体通路内で前記噴射口に向かう液体を整流するステップと、
    加工対象物の対象面の照射スポットに向けて前記噴射口から前記レーザ光を射出するステップと、
    前記液体通路内で整流された液体を前記レーザ光の光軸に沿って前記照射スポットに向けて前記噴射口から噴出させるステップと、
    を備えることを特徴とするレーザ加工方法。

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