JP2020093265A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工効率の低下を抑えつつ、高いピーク強度を有するレーザ光を被加工物の表面に継続的に照射することができるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ加工装置１は、被加工物２の表面２ａにレーザ光Ｌを照射して加工を行うレーザ加工装置であって、内面と表面２ａとによって内部空間Ｖを画成し、内部空間Ｖを大気圧よりも減圧された状態に維持する容器２０を備え、レーザ光Ｌを出射する光源１０と表面２ａとの間のレーザ光Ｌの光路のうち、表面２ａにおけるレーザ光Ｌの照射部分Ｐを含む少なくとも一部分Ｌａが内部空間Ｖに位置し、内部空間Ｖには、照射部分Ｐから生じる被加工物２の飛沫Ｓを吸着する飛沫吸着体５０が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

近年、レーザ加工装置の大出力化が進んでいる。大出力レーザの応用技術の一つとして、レーザピーニングと称されるレーザ加工方法がある。レーザピーニングは、レーザ光を金属等の被加工物の表面に照射することで当該表面にプラズマを生成させ、プラズマ圧力によって生じた衝撃波によって当該表面を塑性変形させる加工技術である。この塑性変形により被加工物の表面に圧縮残留応力が付与されることによって、被加工物の表面の硬化、及び被加工物の表面の耐摩耗性の向上といった効果が見込まれる。このため、レーザピーニングは、例えば自動車又は航空機等の輸送機器の分野において部品の高強度化を図る加工技術として期待されている。

特許文献１及び特許文献２には、このようなレーザピーニングを実施するためのレーザ加工装置が記載されている。特許文献１に記載のレーザ加工装置では、被加工物の表面におけるレーザ光の照射部分が液体に覆われた状態で、レーザピーニングによる被加工物の表面の加工が実施される。特許文献２には、レーザピーニングを実施する際に、被加工物が大気中又は真空中に設置され得ることが記載されている。

特表２０１６−５１５４７５号公報 特開２０１７−１８９８１５号公報

例えば特許文献１に記載のレーザ加工装置のように、被加工物の表面を液体中に配置した状態で被加工物の表面にレーザ光を照射する場合、被加工物の表面に生じたプラズマの閉じ込め効果が高くなる。従って、この場合、被加工物を大気中に配置した場合と比べて、被加工物の表面に十分な圧縮残留応力を容易に付与できる。しかし、このように被加工物を液体中に配置した状態でレーザピーニングを実施する場合、例えば液体の噴霧工程、液体の回収工程、及び被加工物の乾燥工程といった工程が必要になり、加工効率が低下する。

その一方で、液体によるプラズマの閉じ込めを行わずに、高いピーク強度を有するレーザ光を被加工物の表面に照射することによって当該表面に圧縮残留応力を付与する手法が近年見出されている。しかし、大気中に配置された被加工物に対して上記手法を実施する場合、レーザ光のピーク強度が或る程度高くなると、レーザ光が被加工物の表面に到達する前に大気中で電離現象（ブレークダウン）が発生する可能性が高くなる。このように大気中で電離現象が発生すると、その熱によって被加工物の表面粗さの増大、及び被加工物の表面に付与される圧縮残留応力の低下といった問題が生じ得る。また、上記のように被加工物を液体中に配置しない状態でレーザピーニングを実施すると、レーザ光の照射によって生じる被加工物の飛沫が浮遊し易くなり、浮遊した飛沫へのレーザ光の照射によって飛沫のプラズマ化及びレーザ光の散乱といった問題が発生し易くなる。その結果、被加工物の表面に十分な圧縮残留応力を付与することが次第に困難となり、被加工物の表面の硬化、及び被加工物の表面の耐摩耗性の向上といった効果を得ることが困難となり得る。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、加工効率の低下を抑えつつ、高いピーク強度を有するレーザ光を被加工物の表面に継続的に照射することができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によるレーザ加工装置は、被加工物の表面にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工装置であって、内面と表面とによって内部空間を画成し、該内部空間を大気圧よりも減圧された状態に維持する容器を備え、レーザ光を出射する光源と表面との間のレーザ光の光路のうち、表面におけるレーザ光の照射部分を含む少なくとも一部が内部空間に位置し、内部空間には、照射部分から生じる被加工物の飛沫を吸着する飛沫吸着体が設けられている。

このレーザ加工装置では、容器の内部空間には、光源から出射されたレーザ光の光路のうち被加工物の表面の照射部分を含む少なくとも一部が位置しており、この内部空間は、大気圧よりも減圧された状態に維持されている。このように減圧状態とされた内部空間では、大気圧状態とされた場合と比べて、電離現象の発生条件となるレーザ光のピーク強度の閾値が高くなり、電離現象の発生が抑制される。このため、高いピーク強度を有するレーザ光を被加工物の表面に照射した場合であっても、レーザ光の光路の当該少なくとも一部が減圧状態とされることによって、被加工物の表面に到達する前に電離現象が発生する事態を抑制できる。これにより、被加工物の表面粗さの増大、及び被加工物の表面に付与される圧縮残留応力の低下といった問題の発生を抑制でき、高いピーク強度を有するレーザ光を用いて被加工物の表面に十分な圧縮残留応力を付与することが可能となる。更に、上述したレーザ加工装置では、容器の内面と被加工物の表面とによって画成される内部空間を減圧状態にしている。この構成によれば、被加工物の全体を容器に収容することなく、被加工物の表面における減圧状態を維持できるので、減圧状態にされる内部空間の体積を小さくすることができる。これにより、内部空間を減圧状態にする際に要する時間を低減できる。更に、上述した構成によれば、液体によるプラズマの閉じ込めを行うことなく、被加工物の表面に十分な圧縮残留応力を付与できるので、液体を用いることによる加工効率の低下を抑制できる。更に、上述したレーザ加工装置では、被加工物の表面の照射部分から生じる被加工物の飛沫を吸着する飛沫吸着体が容器の内部空間に設けられている。この飛沫吸着体が内部空間に設けられていることによって、内部空間において浮遊する飛沫を低減することができる。これにより、浮遊した飛沫へのレーザ光の照射による飛沫のプラズマ化及びレーザ光の散乱といった問題の発生を抑制できる。その結果、高いピーク強度を有するレーザ光を被加工物の表面に継続的に照射できると共に、被加工物の表面に付与される圧縮残留応力の低下を抑制できる。従って、上述したレーザ加工装置によれば、加工効率の低下を抑えつつ、高いピーク強度を有するレーザ光を被加工物の表面に継続的に照射することによって当該表面に十分な圧縮残留応力を容易に付与することが可能となる。

上述したレーザ加工装置では、容器は、内部空間を真空状態に維持してもよい。この場合、より高いピーク強度を有するレーザ光を用いて、より大きな圧縮残留応力を被加工物の表面に付与することができる。

上述したレーザ加工装置は、光源を更に備え、光源は、フェムト秒レーザ光源であってもよい。この場合、高いピーク強度を有するレーザ光を用いて被加工物の表面に十分な圧縮残留応力を付与する構成を好適に実現できる。

上述したレーザ加工装置では、飛沫吸着体は、被加工物の材料と同一の材料を含んでもよい。この場合、被加工物の飛沫が飛沫吸着体に吸着し易くなるので、容器の内部空間に浮遊する飛沫を効果的に低減できる。

上述したレーザ加工装置では、容器は、表面に沿った方向において被加工物に対して相対的に移動してもよい。この構成によれば、内部空間の減圧状態を維持しながら、被加工物の表面の照射部分を任意の位置に移動させることができる。

上述したレーザ加工装置では、光源は、容器の外部に配置され、容器は、レーザ光の光路上に配置されると共にレーザ光を透過する光学窓を有してもよい。この場合、容器の内部空間に浮遊する飛沫を飛沫吸着体が吸着することによって、レーザ光の光路上の光学窓への飛沫の付着を抑制できる。すなわち、レーザ光の光路上における飛沫の残留を抑制できる。これにより、被加工物の表面へのレーザ光の継続的な照射をより確実に実現できると共に、被加工物の表面に付与される圧縮残留応力の低下をより確実に抑制できる。更に、上記の構成によれば、光源が容器の外部に配置されるので、容器の外形寸法の増大を抑制でき、レーザ加工装置の大型化を回避できる。更に、この構成によれば、減圧状態にされる内部空間の体積を小さくすることができる。これにより、内部空間を減圧状態にする際に要する時間を低減できる。

上述したレーザ加工装置では、容器は、表面に沿った一方向と交差する方向に延在する壁部を有し、光学窓は、壁部に設けられており、レーザ光は、壁部の外側から一方向に沿って光学窓に入射し、内部空間には、光学窓を透過したレーザ光を表面の照射部分に向けて反射するミラーが設けられていてもよい。この構成では、光源から出射されたレーザ光は、表面に沿った一方向に沿って光学窓に入射するので、レーザ光による加工の際にレーザ光（若しくはその反射光）が作業者に向くことを抑制できる。これにより、作業者の安全性を高めることが可能となる。

上述したレーザ加工装置では、ミラーは、照射部分を起点として被加工物の表面の法線方向から傾斜した方向に配置されていてもよい。照射部分から生じる被加工物の飛沫は、被加工物の表面の法線方向に多く浮遊する傾向がある。そこで、レーザ光の光路上のミラーを上記のように法線方向に配置しない構成にすることによって、ミラーへの飛沫の付着を抑制できる。すなわち、レーザ光の光路上に飛沫が残留することを抑制できる。これにより、被加工物の表面へのレーザ光の継続的な照射をより確実に実現できると共に、被加工物の表面に付与される圧縮残留応力の低下をより確実に抑制できる。

上述したレーザ加工装置では、飛沫吸着体は、表面の法線方向において照射部分に対向していてもよい。上述したように、照射部分から生じる被加工物の飛沫は、被加工物の表面の法線方向に多く浮遊する傾向がある。そこで、飛沫吸着体を法線方向において照射部分に対向させることによって、容器の内部空間における飛沫の浮遊を効果的に低減できる。

上述したレーザ加工装置では、容器は、開口が設けられた本体部と、開口を塞ぐ蓋部とを有し、蓋部は、内部空間を構成する内面の一部を含み、本体部に対して開閉可能に設けられており、飛沫吸着体は、蓋部の内面の一部に対して取り外し可能に取り付けられていてもよい。この構成によれば、容器の内部空間の飛沫を吸着した飛沫吸着体を定期的に取り換えることが可能となる。このように飛沫吸着体を定期的に取り換えることによって、飛沫吸着体による飛沫の吸着を長時間にわたって継続的に行うことが可能となる。

上述したレーザ加工装置では、内部空間には、表面の法線方向において照射部分に対向すると共に飛沫を遮蔽する遮蔽板が設けられ、光学窓は、法線方向において遮蔽板に対して照射部分とは反対側に配置されており、光源と遮蔽板との間の光路上には、レーザ光を照射部分に向けて集光するレンズが設けられており、遮蔽板は、レーザ光を通過させる貫通孔を含み、貫通孔の面積は、光学窓の面積よりも小さくてもよい。このように、遮蔽板の貫通孔を通過するレーザ光をレンズによって集光することによって、貫通孔の面積をレーザ光の集光径に応じて小さくすることができる。この貫通孔の面積を光学窓の面積よりも小さくすることによって、照射部分から貫通孔を通過して光学窓に向かう飛沫を低減することができ、光学窓への飛沫の付着を効果的に抑制できる。これにより、被加工物の表面へのレーザ光の継続的な照射をより確実に実現できると共に、被加工物の表面に付与される圧縮残留応力の低下をより確実に抑制できる。

上述したレーザ加工装置では、貫通孔は、レンズによるレーザ光の焦点位置に配置されていてもよい。この場合、光源からのレーザ光を通過させる貫通孔の面積を極力小さくすることができるので、照射部分から貫通孔を通過して光学窓に向かう飛沫を更に低減することができる。これにより、光学窓への飛沫の付着を一層効果的に抑制できる。

上述したレーザ加工装置では、飛沫吸着体は、遮蔽板であってもよい。この場合、飛沫吸着体が遮蔽板を兼ねることで、レーザ加工装置の構成の簡単化が図られる。

本発明によれば、加工効率の低下を抑えつつ、高いピーク強度を有するレーザ光を被加工物の表面に継続的に照射することができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

図１は、一実施形態に係るレーザ加工装置を示す概略構成図である。 図２は、図１に示すレーザ加工装置の概略断面図である。 図３は、図２に示す容器の蓋部に飛沫吸着体が取り付けられる様子を示した図である。 図４は、プラズマの発生条件となるレーザ光のピーク強度の閾値と圧力との関係を示すグラフである。 図５は、レーザ光の強度と被加工物の半価幅との関係を示すグラフである。 図６は、第１変形例に係るレーザ加工装置を示す概略構成図である。 図７は、第２変形例に係るレーザ加工装置を示す概略構成図である。 図８は、第３変形例に係るレーザ加工装置の容器の蓋部に飛沫吸着体が取り付けられる様子を示した図である。 図９は、第４変形例に係るレーザ加工装置の容器の蓋部に飛沫吸着体が取り付けられる様子を示した図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置１について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置１を示す概略構成図である。図１には、理解の容易のため、ＸＹＺ直交座標系が示されている。レーザ加工装置１は、レーザ光Ｌを被加工物２の表面２ａに照射することで表面２ａにプラズマを生成し、プラズマ圧力によって生じた衝撃波で表面２ａを塑性変形させる装置である。被加工物２は、例えば、自動車又は航空機等の輸送機器に用いられる部品であり、例えば銅、アルミニウム、鋼板、チタン、又はそれらの合金といった金属材料によって構成されている。被加工物２の表面２ａには、例えば研磨等の表面加工が施されている。この表面加工によって表面２ａは平滑化されている。以下の説明において、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれは、表面２ａに沿った方向を示しており、Ｚ方向は、表面２ａの法線方向を示している。

図１に示されるように、レーザ加工装置１は、レーザ光Ｌを出射する光源１０と、被加工物２の表面２ａ上に配置された容器２０とを備えている。光源１０は、例えばフェムト秒レーザ光源であり、レーザ光ＬをＹ方向に出射する。レーザ光Ｌのピーク強度は、被加工物２の表面２ａ（集光後）において例えば１．０×１０^１４Ｗ／ｃｍ^２以上且つ１．０×１０^１５Ｗ／ｃｍ^２以下の範囲内に設定される。レーザ光Ｌのパルス幅及び繰り返し周波数は、ピーク強度の上記の範囲内において表面２ａの粗さを増大させない程度に設定される。レーザ光Ｌのパルス幅は、例えば２００ｆｓ以下である。光源１０は、容器２０の外部に配置されており、一例では、Ｙ方向において容器２０に対向している。光源１０から出射されたレーザ光Ｌは、容器２０を介して被加工物２の表面２ａに照射される。なお、光源１０は、フェムト秒レーザ光源に限られず、他の光源であってもよい。例えば、光源１０は、ナノ秒レーザ光源又はピコ秒レーザ光源であってもよい。

容器２０は、表面２ａの一部を気密に保持する中空容器であり、例えば銅、アルミニウム、又は鋼板等の金属材料を含んで構成されている。容器２０は、Ｚ方向における一方側、すなわち表面２ａ側が開口した中空の直方体状を呈しており、Ｚ方向から見た容器２０は、長手方向であるＹ方向、及び短手方向であるＸ方向の双方に延びる矩形状を呈している。容器２０のＹ方向における長さｄ１は例えば５００ｍｍであり、容器２０のＸ方向における幅ｄ２は例えば３００ｍｍであり、容器２０のＺ方向における高さｄ３は例えば１５０ｍｍである。容器２０のＺ方向における高さｄ３は、Ｙ方向における長さｄ１及びＸ方向における幅ｄ２よりも小さい。容器２０は、Ｘ方向及びＹ方向において表面２ａに対して摺動することで、表面２ａに対して相対移動可能に配置されている。

図２は、レーザ光Ｌの光軸を含むＹＺ平面でレーザ加工装置１を切断したときのレーザ加工装置１を示す概略断面図である。なお、図２では、光源１０を省略して示している。図１及び図２に示されるように、容器２０は、Ｚ方向における両端のそれぞれに開口２１ａ及び２１ｂが設けられた矩形筒状の本体部２１と、開口２１ａを塞ぐ矩形板状の蓋部２５とを有している。開口２１ｂは、本体部２１のＺ方向における表面２ａ側に設けられており、開口２１ａは、開口２１ｂとは反対側に設けられている。本体部２１は、開口２１ａ及び２１ｂを構成する４つの側壁部２２を含んでいる。各側壁部２２は、ＸＺ平面又はＹＺ平面に沿って延在する矩形板状を呈しており、Ｚ方向において表面２ａと蓋部２５との間に配置されている。各側壁部２２は、本体部２１の内側を向く内面２２ａを含んでいる。内面２２ａは、開口２１ａから開口２１ｂまでＺ方向に沿って延在している。４つの側壁部２２のうちの１つである側壁部２２Ａは、本体部２１のＹ方向における光源１０側に配置されており、ＸＺ平面に沿って延在している。側壁部２２Ａは、Ｙ方向において光源１０と対向している。

側壁部２２Ａは、レーザ光Ｌを透過する光学窓２３を含んでいる。光学窓２３は、例えば石英ガラス等のガラス材料によって構成されている。光学窓２３は、光源１０と表面２ａとの間のレーザ光Ｌの光路上に配置されている。具体的には、光学窓２３は、側壁部２２Ａの開口２１ａ寄りの部分に形成された開口に嵌め込まれている。光学窓２３の光入射面及び光出射面は、ＸＺ平面に沿って延在しており、Ｙ方向から見て例えば円形状を呈している。Ｙ方向から見た光学窓２３の面積は、光学窓２３を透過する際のレーザ光Ｌの光路面積よりも大きい。光学窓２３には、光源１０から出射されたレーザ光ＬがＹ方向に入射する。

各側壁部２２のＺ方向における表面２ａ側の端面２２ｃには、本体部２１の開口２１ｂを包囲するように延在する環状の溝２２ｄが設けられている。溝２２ｄの延在方向に直交する断面において、溝２２ｄは例えば矩形状を呈している。溝２２ｄ内には、容器２０の内部空間Ｖを気密に封止するための封止部材３０が配置されている。封止部材３０は、溝２２ｄに沿って延在する環状の部材であり、例えばゴム等の弾性体によって構成されている。封止部材３０の延在方向に直交する断面において、封止部材３０は例えば円形状を呈している。

封止部材３０の延在方向に直交する断面における封止部材３０の外径は、溝２２ｄの深さ（具体的には溝２２ｄの底面から端面２２ｃまでのＺ方向における距離）よりも大きく、封止部材３０は、溝２２ｄの底面、及び被加工物２の表面２ａの双方に接触している。封止部材３０は、溝２２ｄの底面と表面２ａとによって押圧されて弾性変形する。これにより、本体部２１の開口２１ｂが表面２ａによって閉塞され、内部空間Ｖが気密に封止される。各側壁部２２には、グリス又はオイル等の潤滑剤を容器２０の外部から封止部材３０に供給する潤滑剤供給管３１が設けられている。潤滑剤供給管３１は、容器２０の外部から側壁部２２の内部を通って溝２２ｄの底面に達している。潤滑剤供給管３１から供給される潤滑剤によって、封止部材３０と表面２ａとの間の摩擦抵抗を低減する。これにより、容器２０と被加工物２との摺動による相対移動を容易に行うことが可能になる。

レーザ光Ｌによる表面２ａの加工を行う前に封止部材３０に潤滑材が供給されることによって、摩擦熱による封止部材３０及び表面２ａの熱損傷を抑制でき、封止部材３０及び表面２ａによる内部空間Ｖの封止を維持できる。これにより、内部空間Ｖの圧力を維持することが可能となる。更に、潤滑剤供給管３１からの潤滑材が封止部材３０を介して表面２ａに供給されつつ容器２０が表面２ａに対して相対移動することで、潤滑剤による薄い被膜が表面２ａに形成される。このように表面２ａに形成された被膜では、潤滑剤がレーザ光に対して透明である場合、レーザ光Ｌの照射によって表面２ａに生じるプラズマの閉じ込め効果が発揮される。これにより、加工に必要なレーザ光Ｌのピーク強度を低減することが可能となる。すなわち、ピーク強度を或る程度抑えたレーザ光Ｌを表面２ａに照射した場合であっても、十分な残留圧縮応力を表面２ａに付与することが可能となる。一方、潤滑剤がレーザ光を吸収する場合、表面２ａに形成された被膜にレーザ光Ｌが照射されると、潤滑剤がレーザ光Ｌを吸収してプラズマを生成する。これにより、表面２ａの荒れを抑制できる。

更に、レーザ光Ｌによる表面２ａの加工を行った後に、潤滑材による被膜を表面２ａに形成することによって、表面２ａの酸化（錆）の発生を抑制することが可能となる。また、潤滑剤にカーボン粒子を含有させることによって、封止部材３０と表面２ａとの間の摩擦抵抗を更に低減することが可能となる。更に、カーボン粒子を含有する潤滑剤による被膜を表面２ａに形成した場合、この被膜では、レーザ光Ｌの光吸収量が更に増加すると共に、潤滑材のヤング率が増加することでプラズマの閉じ込め効果が向上する。これにより、加工に必要なレーザ光Ｌのピーク強度を更に低減することが可能となる。

容器２０の蓋部２５は、本体部２１に対して開閉可能に設けられている。具体的には、蓋部２５は、例えばゴム等の弾性体（例えばＯリング）を介して本体部２１の開口２１ａに嵌合されることによって、本体部２１に取り付けられている。或いは、蓋部２５は、例えば、ゴム等の弾性体（例えばＯリング）を介してネジ止めされることによって、本体部２１に取り付けられてもよい。蓋部２５は、容器２０の内側を向く内面２５ａを含んでいる。内面２５ａは、ＸＹ平面に沿って延在しており、Ｚ方向において表面２ａに対向している。内面２５ａは、各側壁部２２のＺ方向における開口２１ａ側の一端に接している。内面２５ａ及び各内面２２ａは、容器２０の内面２０ａを構成する。

容器２０の内部空間Ｖは、容器２０の内面２０ａと被加工物２の表面２ａとによって画成される略直方体状の気密空間である。内部空間Ｖには、光源１０と表面２ａとの間のレーザ光Ｌの光路のうち、表面２ａにおけるレーザ光Ｌの照射部分Ｐを含む一部分Ｌａが位置している。すなわち、内部空間Ｖは、レーザ光Ｌの光路の一部分Ｌａを含んでいる。一部分Ｌａは、レーザ光Ｌが光学窓２３を透過してから照射部分Ｐに至るまでの光路である。なお、内部空間Ｖは、光源１０と表面２ａとの間のレーザ光Ｌの全ての光路を含んでもよい。

内部空間Ｖは、蓋部２５に設けられた排気機構３５によって、大気圧よりも減圧された状態に維持されている。本実施形態では、内部空間Ｖは、真空状態に維持されている。真空状態とは、内部空間Ｖの圧力が例えば０．１ＭＰａ以下である状態をいう。排気機構３５は、蓋部２５をＺ方向に貫通すると共に内部空間Ｖに連通する排気孔３６と、容器２０の外部に配置されると共に内部空間Ｖを排気する排気ポンプ３７と、排気孔３６と排気ポンプ３７とを互いに接続する排気管３８と、排気管３８に設けられると共に内部空間Ｖの排気量を調整するバルブ３９と、を含んで構成されている。

内部空間Ｖには、光学窓２３を透過したレーザ光Ｌを表面２ａの照射部分Ｐに向けて反射すると共に照射部分Ｐに向けて集光する凹状の反射面４０ａ（ミラー）を有する凹面鏡４０が設けられている。凹面鏡４０は、側壁部２２Ａに対してＹ方向に対向する側壁部２２の内面２２ａと、蓋部２５の内面２５ａとが成す隅部に設けられている。反射面４０ａは、その焦点位置が被加工物２の表面２ａの照射部分Ｐに一致するように設定された放物面状を呈しており、Ｙ方向において光学窓２３と対向すると共にＺ方向において表面２ａと対向している。反射面４０ａは、照射部分Ｐを起点としてＺ方向から傾斜した方向に設けられている。すなわち、反射面４０ａは、Ｚ方向において照射部分Ｐに対向する位置を除く位置に設けられている。光学窓２３から内部空間Ｖに進入したレーザ光Ｌは、反射面４０ａにおいて照射部分Ｐに向けて反射されると共に照射部分Ｐに向けて集光される。このとき、レーザ光Ｌは、照射部分Ｐを起点としてＺ方向に対して傾斜した方向から、照射部分Ｐに照射される。反射面４０ａから照射部分Ｐに至るレーザ光Ｌの光軸と、表面２ａの照射部分Ｐにおける接平面とが成す角度は、例えば６０°以下とされている。

容器２０の内部空間Ｖには、照射部分Ｐから生じる被加工物２の飛沫Ｓを吸着する飛沫吸着体（飛沫吸着部）５０が更に設けられている。被加工物２の飛沫Ｓとは、表面２ａの照射部分Ｐにおけるプラズマ化によって発生する、プラズマ中のイオン種である。飛沫吸着体５０は、ＸＹ平面に沿って延びる板状の部材である。飛沫吸着体５０は、例えば、ガラス、樹脂、セラミックス、又は、純金属或いは合金等の金属材料を含んで構成される。本実施形態では、飛沫吸着体５０は、被加工物２の材料と同一の材料を含んで構成されている。すなわち、飛沫吸着体５０は、例えば銅、アルミニウム、又は鋼板といった金属材料を含んで構成されている。飛沫吸着体５０の表面には、例えば、砂ズリ、光学研磨、メッキ、又は接着材塗布等による表面処理が施されている。

飛沫吸着体５０は、例えば、Ｚ方向において表面２ａの照射部分Ｐに対向するように配置されている。すなわち、飛沫吸着体５０は、Ｚ方向から見て、照射部分Ｐに重なるように配置されている。本実施形態では、飛沫吸着体５０は、蓋部２５の内面２５ａに配置されている。飛沫吸着体５０は、Ｚ方向において照射部分Ｐに対向する表面５０ａと、表面５０ａとは反対側に位置すると共に内面２５ａに対向（一例では接触）する裏面５０ｂとを含んでいる。表面５０ａ及び裏面５０ｂのそれぞれは、ＸＹ平面に沿って延在している。Ｚ方向から見た飛沫吸着体５０の表面５０ａの面積は、Ｚ方向から見た照射部分Ｐの面積に対して十分に大きく、飛沫吸着体５０のＺ方向における厚さ（すなわち表面５０ａと裏面５０ｂとの間の距離）は、内部空間Ｖにおけるレーザ光Ｌの光路の一部分Ｌａに達しない程度に薄い。

飛沫吸着体５０は、具体的には、蓋部２５の内面２５ａに対して取り外し可能に取り付けられている。図３は、蓋部２５の内面２５ａに飛沫吸着体５０が取り付けられる様子を示した図である。図３に示されるように、蓋部２５は、飛沫吸着体５０を内面２５ａに取り付けるための複数（本実施形態では３つ）のレール２６Ａ，２６Ｂ，及び２６Ｃを有している。レール２６Ａ及び２６Ｂのそれぞれは、内面２５ａの中央付近において、Ｙ方向に沿って延びると共にＸ方向に沿って互いに対向しており、飛沫吸着体５０は、レール２６Ａ及び２６Ｂに沿ってＹ方向に摺動可能とされている。

レール２６Ａは、内面２５ａからＺ方向に突出すると共にＹ方向に沿って延びる第１突出部２６ａと、第１突出部２６ａのＺ方向における先端部からＸ方向に突出する第２突出部２６ｂとを含んでおり、第１突出部２６ａと第２突出部２６ｂとによってＬ字に屈曲されている。同様に、レール２６Ｂは、内面２５ａからＺ方向に突出すると共にＹ方向に沿って延びる第１突出部２６ｃと、第１突出部２６ｃのＺ方向における先端部からＸ方向に突出する第２突出部２６ｄとを含んでおり、第１突出部２６ｃと第２突出部２６ｄとによってＬ字に屈曲されている。

第１突出部２６ａ及び２６ｃは、Ｘ方向において所定距離を空けて互いに対向しており、第１突出部２６ａ及び２６ｃの間のＸ方向における距離は、飛沫吸着体５０のＸ方向における幅と同じか僅かに大きい。第２突出部２６ｂ及び２６ｄは、Ｘ方向において互いに対向しており、互いの対向方向に向かって突出している。また、第２突出部２６ｂ及び２６ｄは、Ｚ方向において内面２５ａに対向しており、第２突出部２６ｂ及び２６ｄと内面２５ａとの間の距離は、飛沫吸着体５０のＺ方向における厚さと同じか僅かに大きい。

レール２６Ｃは、内面２５ａの中央付近においてＸ方向に沿って延びており、レール２６Ａ及び２６ＢによってＹ方向に摺動される飛沫吸着体５０のＹ方向の位置を規定するストッパとしての機能を有する。レール２６Ｃは、Ｘ方向から見てレール２６Ａ及び２６ＢからＹ方向に離間した位置に配置されている。レール２６Ｃは、内面２５ａからＺ方向に突出すると共にＸ方向に沿って延びる第１突出部２６ｅと、第１突出部２６ｅのＺ方向における先端部からレール２６Ａ及び２６Ｂ側に向かってＹ方向に突出する第２突出部２６ｆとを含んでおり、第１突出部２６ｅと第２突出部２６ｆとによってＬ字に屈曲されている。第２突出部２６ｆは、Ｚ方向において内面２５ａに対向しており、第２突出部２６ｆと内面２５ａとの間の距離は、飛沫吸着体５０のＺ方向における厚さと同じか僅かに大きい。

飛沫吸着体５０を蓋部２５の内面２５ａに取り付ける際には、Ｙ方向においてレール２６Ａ及び２６Ｂに対してレール２６Ｃとは反対側から飛沫吸着体５０をレール２６Ａ及び２６ＢのＬ字の内側部分に差し込む。その後、飛沫吸着体５０を、レール２６Ｃの第１突出部２６ｅに当接するまでレール２６Ａ及び２６Ｂの当該内側部分に沿ってＹ方向に摺動させる。飛沫吸着体５０を内面２５ａから取り外す際には、レール２６Ａ及び２６Ｂに対してレール２６Ｃとは反対側に飛沫吸着体５０を摺動させる。これにより、飛沫吸着体５０がレール２６Ａ，２６Ｂ，及び２６Ｃから外れ、飛沫吸着体５０が内面２５ａから取り外される。

以上の構成を備えたレーザ加工装置１では、光源１０から出射されたレーザ光Ｌは、Ｙ方向に沿って進行したのち、光学窓２３を透過して容器２０の内部空間Ｖに進入する。内部空間Ｖに進入したレーザ光Ｌは、Ｙ方向に沿って進行したのち、凹面鏡４０の反射面４０ａに入射する。その後、レーザ光Ｌは、反射面４０ａによって表面５０ａの照射部分Ｐに向けて反射されると共に照射部分Ｐに向けて集光される。レーザ光Ｌが照射部分Ｐに照射されると、高いピーク強度を有するレーザ光Ｌによって被加工物２の表面２ａの照射部分Ｐが瞬時に蒸発し、照射部分Ｐにて高圧のプラズマが発生・膨張する。

このとき、高圧のプラズマが膨張する際の反作用によって照射部分Ｐが塑性変形し、照射部分Ｐに圧縮残留応力が付与される。その後、被加工物２に対して容器２０をＸ方向及びＹ方向に相対移動させながら、被加工物２の表面２ａにおける所望の領域（例えば表面２ａの全領域）に圧縮残留応力を順次付与し、被加工物２に対するレーザピーニング処理が完了する。レーザ光Ｌを照射部分Ｐに照射する際、照射部分Ｐから被加工物２の飛沫Ｓが生じる。照射部分Ｐから生じた飛沫Ｓの多くは、Ｚ方向に浮遊し、蓋部２５の内面２５ａに取り付けられた飛沫吸着体５０の表面５０ａに吸着される。

以上に説明した、本実施形態に係るレーザ加工装置１によって得られる効果を説明する。レーザ加工装置１では、容器２０の内部空間Ｖには、光源１０から出射されたレーザ光Ｌの光路の一部分Ｌａが位置しており、内部空間Ｖは、大気圧よりも減圧された状態（本実施形態では真空状態）に維持されている。このように減圧状態とされた内部空間Ｖでは、大気圧状態とされた場合と比べて、電離現象の発生条件となるレーザ光Ｌのピーク強度の閾値が高くなり、電離現象の発生が抑制される。図４は、電離現象の発生条件となるレーザ光Ｌのピーク強度の閾値と圧力との関係を示すグラフである。図４において、縦軸は、レーザ光Ｌのピーク強度（Ｗ／ｃｍ^２）を示しており、横軸は、圧力（Ｐａ）を示している。グラフＧ１０は、電離現象の発生条件となるレーザ光Ｌのピーク強度の閾値を示している。

図４において、或る圧力下におけるレーザ光Ｌのピーク強度がグラフＧ１０の下側（ハッチングで示された部分）に位置する場合、当該ピーク強度が、電離現象の発生条件となるレーザ光Ｌのピーク強度の閾値に達していないことを意味している。逆に、或る圧力下におけるレーザ光Ｌのピーク強度がグラフＧ１０の上側に位置する場合、当該ピーク強度が、電離現象の発生条件となるレーザ光Ｌのピーク強度の閾値を超えていることを意味している。従って、高いピーク強度を有するレーザ光Ｌを用いて被加工物２の加工を行う場合、内部空間Ｖの圧力をグラフＧ１０の下側に位置するように減圧することで、内部空間Ｖにおける電離現象の発生を抑制することが可能となる。

例えば、パルス幅１００ｆｓ、及びピーク強度１．０×１０^１５Ｗ／ｃｍ^２を有するレーザ光Ｌを用いて被加工物２の加工を行う場合、電離現象の発生条件となるレーザ光Ｌのピーク強度の閾値を示すプロットＰ１０の左側に位置するように、すなわち１．０×１０^４Ｐａ以下となるように、内部空間Ｖの圧力を減圧することで、内部空間Ｖにおける電離現象の発生を抑制することが可能となる。このように、高いピーク強度を有するレーザ光Ｌを被加工物２の表面２ａに照射した場合であっても、レーザ光Ｌの光路の一部分Ｌａが減圧状態の内部空間Ｖに位置することによって、被加工物２の表面２ａに到達する前に電離現象が発生する事態を抑制できる。

その結果、大気圧下で被加工物２の加工を行う場合に比べて４桁〜５桁程度高いピーク強度を有するレーザ光Ｌを用いて、被加工物２の表面２ａに十分な圧縮残留応力を付与することが可能となり、被加工物２の表面２ａの硬度を向上させることが可能となる。ここで、レーザ光Ｌのピーク強度と被加工物２の表面２ａの硬度との関係について、図５を用いて説明する。図５は、レーザ光Ｌのピーク強度と、レーザ光Ｌに照射される被加工物２の半価幅との関係を示すグラフである。図５において、横軸は、表面２ａにおけるレーザ光Ｌのピーク強度（Ｗ／ｃｍ^２）を示しており、縦軸は、表面２ａの半価幅（°）を示している。半価幅は、被加工物２へのＸ線の照射により得られるＸ線回折ピーク強度の半分におけるＸ線回折ピークの幅を示しており、被加工物２の表面２ａの硬度が大きくなるほど大きくなる。なお、図５は、被加工物２の材料として高張力鋼を用いた場合を例示している。

従って、被加工物２の表面２ａの硬度が向上したか否かは、この半価幅の大きさを測定することによって判断することが可能となる。図５において、半価幅Ａは、本来の被加工物２の半価幅を示している。本来の被加工物２の半価幅とは、被加工物２に対してレーザ光Ｌを照射する前であって、被加工物２に対して表面加工等の加工も行っていない状態の半価幅（すなわち、被加工物２の母材の材料の半価幅）を示している。測定した被加工物２の半価幅が半価幅Ａよりも大きい場合、被加工物２の表面２ａの硬度が本来の被加工物２よりも大きいことを表す。図５において、黒丸で示したプロットは、表面２ａにレーザ光Ｌを照射した後（以下、単に「照射後」と言う）の表面２ａの半価幅を示しており、白丸で示したプロットは、表面２ａにレーザ光Ｌを照射する前（以下、単に「照射前」と言う）の表面２ａの半価幅を示している。

図５に示されるように、照射前の表面２ａの半価幅は、本来の被加工物２の表面２ａの半価幅Ａよりも小さくなっている。これは、被加工物２の表面２ａに対して研磨等の表面加工が行われる際に、表面２ａに生じる摩擦熱等の影響を受けるためである。一方、照射後の表面２ａの半価幅は、照射前の表面２ａの半価幅よりも大きくなっている。照射前の表面２ａに対する、レーザ光Ｌの照射後の表面２ａの半価幅の変動の大きさ（上昇幅）は、表面２ａに照射するレーザ光Ｌのピーク強度の大きさに依存する。図５に示されるように、レーザ光Ｌのピーク強度が１．０×１０^８Ｗ／ｃｍ^２〜１．０×１０^１０Ｗ／ｃｍ^２程度に低く設定されている場合、照射後の表面２ａの半価幅の、照射前の表面２ａの半価幅からの上昇幅は小さく、照射後の表面２ａの半価幅は、本来の被加工物２の表面２ａの半価幅Ａを下回っている。

一方、レーザ光Ｌのピーク強度が１．０×１０^１４Ｗ／ｃｍ^２〜１．０×１０^１５Ｗ／ｃｍ^２程度に高く設定されている場合、照射後の表面２ａの半価幅の、照射前の表面２ａの半価幅からの上昇幅は大きく、照射後の表面２ａの半価幅は、本来の被加工物２の表面２ａの半価幅Ａを上回っている。このように、高いピーク強度を有するレーザ光Ｌを用いて被加工物２の加工を行うことによって、被加工物２の表面２ａの硬度を向上できることが分かる。また、レーザ光Ｌのピーク強度を１．０×１０^１５Ｗ／ｃｍ^２よりも大きくすると、被加工物２の表面粗さが増大しやすくなる（例えば１０μｍ以上）。従って、表面粗さの増大を抑えつつ、被加工物２の表面２ａの硬度を向上させるためには、レーザ光Ｌのピーク強度を１．０×１０^１４Ｗ／ｃｍ^２〜１．０×１０^１５Ｗ／ｃｍ^２程度（図５において一点鎖線で囲まれた領域Ｒの範囲）に設定することが望ましい。

更に、本実施形態に係るレーザ加工装置１によれば、液体によるプラズマの閉じ込めを行うことなく、表面２ａに十分な圧縮残留応力を付与できるので、液体を用いることによる加工効率の低下を抑制できる。更に、レーザ加工装置１では、容器２０の内面２０ａと被加工物２の表面２ａとによって画成される内部空間Ｖを減圧状態にしている。この構成によれば、被加工物２の全体を容器２０に収容することなく、被加工物２の表面２ａにおける減圧状態を維持できるので、減圧状態にされる内部空間Ｖの体積を小さくすることができる。これにより、内部空間Ｖを減圧状態にする際に要する時間を低減できる。更に、レーザ加工装置１では、表面２ａの照射部分Ｐから生じる被加工物２の飛沫Ｓを吸着する飛沫吸着体５０が内部空間Ｖに設けられている。飛沫吸着体５０が内部空間Ｖに設けられていることによって、内部空間Ｖにおいて浮遊する飛沫Ｓを低減することができる。これにより、浮遊した飛沫Ｓへのレーザ光Ｌの照射による飛沫Ｓのプラズマ化及びレーザ光Ｌの散乱といった問題の発生を抑制できる。その結果、高いピーク強度を有するレーザ光Ｌを表面２ａに継続的に照射できると共に、表面２ａに付与される圧縮残留応力の低下を抑制できる。従って、本実施形態に係るレーザ加工装置１によれば、加工効率の低下を抑えつつ、高いピーク強度を有するレーザ光Ｌを表面２ａに継続的に照射することによって表面２ａに十分な圧縮残留応力を容易に付与することが可能となる。その結果、表面２ａの硬化、及び表面２ａの耐摩耗性の向上といった効果を容易に得ることが可能となる。

レーザ加工装置１では、容器２０は、内部空間Ｖを真空状態に維持している。これにより、より高いピーク強度を有するレーザ光Ｌを用いて、より大きな圧縮残留応力を表面２ａに付与することができる。

レーザ加工装置１では、光源１０は、フェムト秒レーザ光源である。これにより、高いピーク強度を有するレーザ光Ｌを用いて表面２ａに十分な圧縮残留応力を付与する構成を好適に実現できる。

レーザ加工装置１では、飛沫吸着体５０は、被加工物２の材料と同一の材料を含んでいる。これにより、被加工物２の飛沫Ｓが飛沫吸着体５０に吸着し易くなるので、容器２０の内部空間Ｖに浮遊する飛沫Ｓを効果的に低減できる。

レーザ加工装置１では、容器２０は、Ｘ方向及びＹ方向において被加工物２に対して相対的に移動する。この構成によれば、内部空間Ｖの減圧状態（本実施形態では真空状態）を維持しながら、被加工物２の表面２ａの照射部分Ｐを任意の位置に移動させることができる。すなわち、照射部分Ｐを任意の位置に移動させる度に容器２０を表面２ａから外して内部空間Ｖを真空状態にする事態を回避できる。これにより、照射部分Ｐを任意の位置に移動させる際の手間を省くことができると共に、減圧の回数を減らして加工時間の短縮を図ることが可能となる。

レーザ加工装置１では、光源１０は、容器２０の外部に配置され、容器２０は、レーザ光Ｌの光路上に配置されると共にレーザ光Ｌを透過する光学窓２３を有している。これにより、容器２０の内部空間Ｖに浮遊する飛沫Ｓを飛沫吸着体５０が吸着することによって、レーザ光Ｌの光路上の光学窓２３への飛沫Ｓの付着を抑制できる。すなわち、レーザ光Ｌの光路上における飛沫Ｓの残留を抑制できる。これにより、表面２ａへのレーザ光Ｌの継続的な照射をより確実に実現できると共に、表面２ａに付与される圧縮残留応力の低下をより確実に抑制できる。更に、上記の構成によれば、光源１０が容器２０の外部に配置されるので、容器２０の外形寸法の増大を抑制でき、レーザ加工装置１の大型化を回避できる。更に、この構成によれば、減圧状態にされる内部空間Ｖの体積を小さくすることができる。これにより、内部空間Ｖを減圧状態にする際に要する時間を低減できる。

レーザ加工装置１では、光学窓２３は、側壁部２２Ａに設けられており、レーザ光Ｌは、側壁部２２Ａの外側からＹ方向に沿って光学窓２３に入射し、内部空間Ｖには、光学窓２３を透過したレーザ光Ｌを表面２ａの照射部分Ｐに向けて反射する反射面４０ａを有する凹面鏡４０が設けられている。この構成では、光源１０から出射されたレーザ光Ｌは、表面２ａに沿ったＹ方向に沿って光学窓２３に入射するので、レーザ光Ｌによる加工の際にレーザ光Ｌ（若しくはその反射光）が作業者に向くことを抑制できる。これにより、作業者の安全性を高めることが可能となる。また、Ｘ方向及びＹ方向において容器２０を被加工物２に対して相対的に移動させる場合に、容器２０の外側から光学窓２３に向かうレーザ光Ｌの光路の延在方向（Ｙ方向）に沿って容器２０を移動させることで、光源１０の位置を移動させることなく、表面２ａのＹ方向に沿った各位置にレーザ光Ｌの照射を行うことができる。その後、必要に応じてＸ方向に光源１０及び容器２０を移動させた後、再び容器２０をＹ方向に移動させながら表面２ａのＹ方向に沿った各位置にレーザ光Ｌの照射を行うという動作を繰り返すことで、表面２ａのＸ方向及びＹ方向に沿った所望の領域へのレーザ光Ｌの照射を簡易な動作でより確実に行うことができる。

レーザ加工装置１では、凹面鏡４０の反射面４０ａは、Ｚ方向から傾斜した方向に配置されている。照射部分Ｐから生じる被加工物２の飛沫Ｓは、Ｚ方向に多く浮遊する傾向がある。そこで、レーザ光Ｌの光路上の反射面４０ａを上記のようにＺ方向に配置しない構成にすることによって、反射面４０ａへの飛沫Ｓの付着を抑制できる。すなわち、レーザ光Ｌの光路上に飛沫Ｓが残留することを抑制できる。これにより、表面２ａへのレーザ光Ｌの継続的な照射をより確実に実現できると共に、表面２ａに付与される圧縮残留応力の低下をより確実に抑制できる。

レーザ加工装置１では、飛沫吸着体５０は、Ｚ方向において照射部分Ｐに対向している。上述したように、照射部分Ｐから生じる被加工物２の飛沫Ｓは、Ｚ方向に多く浮遊する傾向がある。そこで、飛沫吸着体５０をＺ方向において照射部分Ｐに対向させることによって、容器２０の内部空間Ｖにおける飛沫Ｓの浮遊を効果的に低減できる。

レーザ加工装置１では、容器２０は、開口２１ａが設けられた本体部２１と、開口２１ａを塞ぐ蓋部２５とを有し、蓋部２５は、内部空間Ｖを構成する内面２０ａの一部である内面２５ａを含み、本体部２１に対して開閉可能に設けられており、飛沫吸着体５０は、内面２５ａに対して取り外し可能に取り付けられている。この構成によれば、容器２０の内部空間Ｖの飛沫Ｓを吸着した飛沫吸着体５０を定期的に取り換えることが可能となる。このように飛沫吸着体５０を定期的に取り換えることによって、飛沫吸着体５０による飛沫Ｓの吸着を長時間にわたって継続的に行うことが可能となる。

以上、本発明の一実施形態について説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。例えば、図６〜図９に示される各種の変形態様を採ってもよい。

図６は、第１変形例に係るレーザ加工装置１Ａを示す概略断面図である。本変形例と上記実施形態との相違点は、容器２０Ａの蓋部２５Ａにガス供給機構６０が更に設けられている点である。ガス供給機構６０は、容器２０Ａの内部空間ＶにガスＧを供給するために設けられる。ガスＧは、炭素を含むガスである。本変形例では、ガスＧがアセチレンガスであり、被加工物２が鋼板である場合を例示する。ガス供給機構６０は、蓋部２５ＡをＺ方向に貫通すると共に内部空間Ｖに連通する供給孔６１と、供給孔６１に接続されると共にガスＧが流入する供給管６２と、供給管６２に流入したガスＧの流量を調整するバルブ６３と、を含んで構成されている。供給管６２に流入したガスＧは、バルブ６３による流量の調整が行われた後、供給孔６１を経て内部空間Ｖに供給される。

本変形例に係るレーザ加工装置１Ａでは、まず、上述した実施形態と同様に、レーザ光Ｌを照射部分Ｐに照射することによって照射部分Ｐに圧縮残留応力を付与する。その後、ガス供給機構６０によってガスＧを内部空間Ｖに供給した後、レーザ光Ｌを照射部分Ｐに再度照射する。このとき照射するレーザ光Ｌのピーク強度及びパルス幅は、照射部分Ｐを溶解せずにアセチレンガスを炭素と水素とに分解させる温度であって、分解した炭素を照射部分Ｐに拡散させる温度となるように設定される。この温度は、本変形例のように被加工物２が鋼板である場合、例えば９００℃である。このように設定されたレーザ光Ｌが、内部空間ＶにガスＧ（すなわちアセチレンガス）が供給された状態で照射部分Ｐに照射されると、アセチレンガスが炭素と水素とに分解され、分解された炭素が照射部分Ｐに拡散して照射部分Ｐに埋め込まれる。すなわち、照射部分Ｐが浸炭化される。

上記のように照射部分Ｐが浸炭化されると、照射部分Ｐの硬度が高められる。従って、本変形例に係るレーザ加工装置１Ａによれば、被加工物２の表面２ａの硬度の更なる向上を図ることが可能となる。なお、ガスＧは、アセチレンガスに限らず、炭素を含む他のガスであってもよい。炭素を含む他のガスの例として、例えば、メタン、エチレン、又はプロパンといったガスが挙げられる。なお、ガスＧを用いずに、被加工物２の表面２ａに溶接用黒鉛ペースト材を塗布することにより、表面２ａの浸炭を行ってもよい。また、ガスＧは、炭素を含むガスに、窒素を含むガスを混合させた混合ガスであってもよい。例えば、ガスＧは、アセチレンガスにアンモニアガスを混合させた混合ガスであってもよい。この場合、アセチレンガスに含まれる炭素によって照射部分Ｐが浸炭化されると共に、アンモニアガスに含まれる窒素によって照射部分Ｐが窒化される。これにより、被加工物２の表面２ａの硬度の更なる向上が見込まれる。また、内部空間Ｖに窒素を導入した後、レーザ光Ｌを被加工物２の表面２ａに照射することにより、表面２ａでの窒素分子のプラズマ化による表面２ａの窒化を行ってもよい。

図７は、第２変形例に係るレーザ加工装置１Ｂを示す概略断面図である。本変形例では、光学窓２３が、容器２０Ｂの蓋部２５Ｂに設けられており、容器２０Ｂの内部空間Ｖに、飛沫吸着体５０に代えて飛沫吸着体５０Ａが設けられている。飛沫吸着体５０Ａは、Ｚ方向において蓋部２５Ｂと照射部分Ｐとの間に配置されている。光学窓２３は、Ｚ方向において飛沫吸着体５０Ａに対して照射部分Ｐとは反対側に配置されている。すなわち、光学窓２３は、蓋部２５Ｂにおいて照射部分Ｐに対向する位置に配置されている。

また、容器２０Ｂの内部空間Ｖには、凹面鏡４０が設けられておらず、光源１０と飛沫吸着体５０Ａとの間のレーザ光Ｌの光路上にレンズ７０が設けられている。レンズ７０は、レーザ光Ｌを集光する集光レンズである。レンズ７０は、例えば、容器２０Ｂの外部に配置されており、光源１０と光学窓２３との間のレーザ光Ｌの光路上に配置されている。本変形例では、レンズ７０は、Ｚ方向において光学窓２３に対向する位置に配置されている。光源１０から出射されたレーザ光Ｌは、レンズ７０によって集光されながら光学窓２３にＺ方向に沿って入射する。光学窓２３に入射したレーザ光Ｌは、光学窓２３を透過して内部空間ＶをＺ方向に沿って進行する。

飛沫吸着体５０Ａは、飛沫Ｓを吸着する機能に加えて飛沫Ｓを遮蔽する遮蔽板としての機能を併せ持つ点で、上記実施形態の飛沫吸着体５０とは相違する。飛沫吸着体５０Ａは、Ｚ方向において光学窓２３及び照射部分Ｐのそれぞれから離間した位置に配置されており、飛沫Ｓの光学窓２３への浮遊を遮るようにＸＹ平面に沿って延在している。飛沫吸着体５０Ａは、例えば、側壁部２２の内面２２ａに設けられる保持部（不図示）によって保持されている。また、飛沫吸着体５０Ａは、表面５０ａから裏面５０ｂまでＺ方向に貫通する貫通孔５０ｃを有している。

貫通孔５０ｃは、例えば、飛沫吸着体５０Ａの中央付近に設けられており、Ｚ方向から見て円形状を呈している。貫通孔５０ｃは、光学窓２３を透過してＺ方向に沿って進行するレーザ光Ｌを通過させる。貫通孔５０ｃは、例えば、レンズ７０によるレーザ光Ｌの焦点位置Ｆに配置されている。具体的には、貫通孔５０ｃは、Ｘ方向及びＹ方向から見て焦点位置Ｆに重なるように配置されている。すなわち、貫通孔５０ｃは、その内部（例えば中心軸上）に焦点位置Ｆが位置するように配置されている。Ｚ方向から見た貫通孔５０ｃの面積は、Ｚ方向から見た光学窓２３の面積よりも小さい。本変形例では、Ｚ方向から見た貫通孔５０ｃの面積は、Ｚ方向から見た照射部分Ｐの面積よりも小さく、且つ焦点位置Ｆにおけるレーザ光Ｌの光路面積よりも僅かに大きい。

光学窓２３から内部空間Ｖに進入したレーザ光Ｌは、飛沫吸着体５０Ａの貫通孔５０ｃをＺ方向に沿って通過した後、表面２ａの照射部分Ｐに照射される。照射部分Ｐから生じた被加工物２の飛沫Ｓの多くは、Ｚ方向に浮遊する。ここで、貫通孔５０ｃの面積は、上述したように光学窓２３の面積よりも小さいので、光学窓２３に向かう飛沫Ｓの一部は、飛沫吸着体５０Ａの貫通孔５０ｃを除く部分に遮蔽されると共に吸着される。このように、貫通孔５０ｃの面積を光学窓２３の面積よりも小さくすることによって、照射部分Ｐから光学窓２３に向かう飛沫Ｓを低減することができ、光学窓２３への飛沫Ｓの付着を効果的に抑制できる。これにより、表面２ａへのレーザ光Ｌの継続的な照射をより確実に実現できると共に、表面２ａに付与される圧縮残留応力の低下をより確実に抑制できる。

更に、レーザ加工装置１Ｂでは、飛沫吸着体５０Ａは、レンズ７０によるレーザ光Ｌの焦点位置に配置されている。これにより、光源１０からのレーザ光Ｌを通過させる貫通孔５０ｃの面積を極力小さくすることができるので、照射部分Ｐから光学窓２３に向かう飛沫Ｓを更に低減することができる。これにより、光学窓２３への飛沫Ｓの付着を一層効果的に抑制できる。更に、飛沫吸着体５０Ａが遮蔽板としての機能を兼ねることで、レーザ加工装置１Ｂの構成の簡単化が図られる。

レーザ加工装置１Ｂにおいて、飛沫Ｓを吸着する飛沫吸着体と、貫通孔５０ｃを有する部材（遮蔽板）とが別々に設けられてもよい。この場合、遮蔽板は、飛沫吸着体５０Ａと同様の形状及び配置態様を有する一方、飛沫吸着体は、貫通孔５０ｃを有さず、飛沫吸着体５０Ａと同様の材料を含んで構成される。更に、この場合、飛沫吸着体は、内部空間Ｖにおいて、蓋部２５Ｂの光学窓２３と照射部分Ｐとの間のレーザ光Ｌの光路を除く位置に設けられる。なお、遮蔽板は、例えば、飛沫吸着体５０Ａと同様の材料を含んで構成されてもよい。この場合、遮蔽板は、例えば、ガラス、樹脂、セラミックス、又は、純金属或いは合金等の金属材料を含んで構成される。

また、上記の飛沫吸着体及び遮蔽板のうち遮蔽板のみが内部空間Ｖに設けられた場合であっても、本変形例と同様の効果が得られる。すなわち、照射部分Ｐから生じた飛沫Ｓの大部分が、遮蔽板の貫通孔を除く部分によって遮蔽されることによって、光学窓２３への飛沫Ｓの浮遊を抑制することが可能となり、光学窓２３への飛沫Ｓの付着を抑制することが可能となる。これにより、表面２ａへのレーザ光Ｌの継続的な照射をより確実に実現できると共に、表面２ａに付与される圧縮残留応力の低下をより確実に抑制できる。

図８は、第３変形例に係るレーザ加工装置の蓋部２５Ｃの内面２５ａに飛沫吸着体５０Ｂが取り付けられる様子を示した図である。本変形例では、飛沫吸着体５０Ｂは、蓋部２５Ｃの内面２５ａに対して複数（本変形例では４つ）の螺子８０によって締結される。本変形例において、飛沫吸着体５０Ｂは、表面５０ａから裏面５０ｂまでＺ方向に貫通する複数（本変形例では４つ）の貫通孔５０ｄを有しており、蓋部２５Ｃは、レール２６Ａ，２６Ｂ，及び２６Ｃに代えて、複数の貫通孔５０ｄにそれぞれ対応する複数（本変形例では４つ）の螺子孔２７を有している。複数の貫通孔５０ｄは、例えば、飛沫吸着体５０Ｂの４つの角部にそれぞれ設けられている。複数の螺子孔２７は、内面２５ａから蓋部２５Ｃの厚さ方向（Ｚ方向）に延びており、複数の螺子８０にそれぞれ螺合する。

飛沫吸着体５０Ｂを内面２５ａに取り付ける際には、飛沫吸着体５０Ｂの表面５０ａ側から各貫通孔５０ｄに各螺子８０が挿通され、各螺子８０において裏面５０ｂ側から突出する部分が各螺子孔２７に螺合する。各螺子８０と各螺子孔２７との螺合作用によって、飛沫吸着体５０Ｂは、内面２５ａに対して取り外し可能に取り付けられる。このような形態であっても、内部空間Ｖの飛沫Ｓを吸着した飛沫吸着体５０Ｂを定期的に取り換えることが可能となり、飛沫吸着体５０Ｂによる飛沫Ｓの吸着を長時間にわたって継続的に行うことが可能となる。

図９は、第４変形例に係るレーザ加工装置の蓋部２５Ｄの内面２５ａに飛沫吸着体５０Ｃが取り付けられる様子を示した図である。本変形例では、飛沫吸着体５０Ｃは、表面５０ａから裏面５０ｂまでＺ方向に貫通する一対の貫通孔５０ｅを有しており、蓋部２５Ｄは、レール２６Ａ，２６Ｂ，及び２６Ｃに代えて、一対の貫通孔５０ｅにそれぞれ対応する一対の金具２８を有している。一対の貫通孔５０ｅは、例えば、Ｙ方向において飛沫吸着体５０Ｃの中央を挟んで両側にそれぞれ配置されている。各貫通孔５０ｅは、円形の孔部５０ｇと、孔部５０ｇの一部から突出する孔部５０ｆとを含んでおり、孔部５０ｇ及び５０ｆによって全体として鍵穴の形状を呈している。

各金具２８は、内面２５ａからＺ方向に突出する丸棒状の突出部２８ａと、突出部２８ａのＺ方向における先端部からＸ方向及びＹ方向に張り出すように形成された円板状のフランジ部２８ｂとを含んでいる。突出部２８ａのＺ方向における長さは、飛沫吸着体５０ＣのＺ方向における厚さと同じか僅かに長い。突出部２８ａの外径は、孔部５０ｆのＸ方向における幅と同じか僅かに小さい。フランジ部２８ｂは、突出部２８ａの先端部において周方向に沿って連続的に設けられており、突出部２８ａと同軸に配置されている。フランジ部２８ｂの外径は、孔部５０ｆのＸ方向における幅よりも大きく、且つ孔部５０ｇの内径よりも小さい。

飛沫吸着体５０Ｃを内面２５ａに取り付ける際には、各金具２８のフランジ部２８ｂの全ての部分が、各貫通孔５０ｅの孔部５０ｇを通過して表面５０ａから突出するまで、各金具２８を各貫通孔５０ｅにＺ方向に挿通させる。その後、飛沫吸着体５０Ｃを蓋部２５Ｄに対してＹ方向に相対移動させることで、各貫通孔５０ｅの孔部５０ｆに各金具２８の突出部２８ａを嵌め込む。その結果、表面５０ａから突出したフランジ部２９が、飛沫吸着体５０Ｃの孔部５０ｆの周囲の部分に引っ掛かる。これにより、飛沫吸着体５０Ｃが内面２５ａに取り付けられる。

飛沫吸着体５０Ｃを内面２５ａから取り外す際には、蓋部２５Ｄに対する飛沫吸着体５０ＣのＹ方向における相対移動によって、各貫通孔５０ｅの孔部５０ｆから各金具２８の突出部２８ａを外す。そして、各金具２８のフランジ部２８ｂを各貫通孔５０ｅの孔部５０ｇに挿通させながら、飛沫吸着体５０Ｃを内面２５ａからＺ方向に離間させる。これにより、飛沫吸着体５０Ｃが内面２５ａから取り外される。このような形態であっても、内部空間Ｖの飛沫Ｓを吸着した飛沫吸着体５０Ｃを定期的に取り換えることが可能となり、飛沫吸着体５０Ｃによる飛沫Ｓの吸着を長時間にわたって継続的に行うことが可能となる。

本発明は、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した実施形態及び各変形例を、必要な目的及び効果に応じて互いに組み合わせてもよい。また、上述した実施形態では、容器の内部空間が真空状態に維持されているが、内部空間は、大気圧より減圧されていればよく、真空状態に維持されなくてもよい。上述した実施形態では、光源は、容器の外部に配置されているが、容器の内部空間に配置されてもよい。上述した実施形態では、Ｚ方向から見た容器は、矩形状を呈しているが、他の形状を呈してもよい。例えば、Ｚ方向から見た容器は、三角形状又は五角形状等の多角形状を呈してもよく、円形状又は楕円形状を呈してもよい。

上述した実施形態では、容器は、被加工物の表面に対して相対移動可能に配置されているが、被加工物の表面に対して相対移動不能に配置されてもよい。また、容器の蓋部は、本体部に対して開閉不能に固定されてもよい。或いは、容器の蓋部は、本体部と一体的に形成されてもよい。すなわち、容器の蓋部は、本体部の一部を構成する天板及び側壁部の少なくとも一方であってもよい。上述した実施形態では、凹面鏡の反射面がレーザ光を照射部分に向けて反射すると共に照射部分に向けて集光しているが、反射面は、レーザ光を照射部分に向けて集光しなくてもよい。この場合、光源と照射部分との間の光路上に、レーザ光を集光するレンズが別途設けられてもよい。このレンズは、容器の外部に設けられてもよく、容器の内部空間に設けられてもよい。

上述した実施形態では、飛沫吸着体は、蓋部の内面に対して取り外し可能に取り付けられているが、例えば接着剤等によって蓋部の内面に対して取り外し不能に固定されてもよい。また、飛沫吸着体は、Ｚ方向において表面の照射部分に対向する位置を除く位置に配置されていてもよい。例えば、飛沫吸着体は、蓋部の内面のうち、Ｚ方向において照射部分に対向する部分を除く他の部分に配置されてもよく、容器の側壁部の内面に配置されていてもよい。また、飛沫吸着体は、被加工物の材料とは異なる材料によって構成されてもよい。また、飛沫吸着体は、容器と同じ材料によって構成されてもよい。また、飛沫吸着体は、容器と一体であってもよい。すなわち、飛沫吸着体は、容器の一部であってもよい。この場合、飛沫吸着体は、例えば、容器の蓋部の内面であってもよく、容器の側壁部の内面であってもよい。

１，１Ａ，１Ｂ…レーザ加工装置、２…被加工物、２ａ…表面、１０…光源、２０，２０Ａ，２０Ｂ…容器、２０ａ…内面、２１…本体部、２１ａ，２１ｂ…開口、２２，２２Ａ…側壁部、２２ａ…内面、２２ｃ…端面、２２ｄ…溝、２３…光学窓、２５，２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ…蓋部、２５ａ…内面、３０…封止部材、３１…潤滑剤供給管、３５…排気機構、３６…排気孔、３７…排気ポンプ、３８…排気管、３９…バルブ、４０…凹面鏡、４０ａ…反射面、５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ…飛沫吸着体、５０ａ…表面、５０ｂ…裏面、７０…レンズ、Ｌ…レーザ光、Ｌａ…一部分、Ｐ…照射部分、Ｒ…領域、Ｓ…飛沫、Ｖ…内部空間。

Claims (13)

1. 被加工物の表面にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工装置であって、
   内面と前記表面とによって内部空間を画成し、該内部空間を大気圧よりも減圧された状態に維持する容器を備え、
   前記レーザ光を出射する光源と前記表面との間の前記レーザ光の光路のうち、前記表面における前記レーザ光の照射部分を含む少なくとも一部が前記内部空間に位置し、
   前記内部空間には、前記照射部分から生じる前記被加工物の飛沫を吸着する飛沫吸着体が設けられている、レーザ加工装置。
2. 前記容器は、前記内部空間を真空状態に維持する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記光源を更に備え、
   前記光源は、フェムト秒レーザ光源である、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記飛沫吸着体は、前記被加工物の材料と同一の材料を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
5. 前記容器は、前記表面に沿った方向において前記被加工物に対して相対的に移動する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
6. 前記光源は、前記容器の外部に配置され、
   前記容器は、前記レーザ光の前記光路上に配置されると共に前記レーザ光を透過する光学窓を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
7. 前記容器は、前記表面に沿った一方向と交差する方向に延在する壁部を有し、
   前記光学窓は、前記壁部に設けられており、
   前記レーザ光は、前記壁部の外側から前記一方向に沿って前記光学窓に入射し、
   前記内部空間には、前記光学窓を透過した前記レーザ光を前記表面の前記照射部分に向けて反射するミラーが設けられている、請求項６に記載のレーザ加工装置。
8. 前記ミラーは、前記照射部分を起点として前記表面の法線方向から傾斜した方向に配置されている、請求項７に記載のレーザ加工装置。
9. 前記飛沫吸着体は、前記表面の法線方向において前記照射部分に対向している、請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
10. 前記容器は、開口が設けられた本体部と、前記開口を塞ぐ蓋部とを有し、
    前記蓋部は、前記内部空間を構成する前記内面の一部を含み、前記本体部に対して開閉可能に設けられており、
    前記飛沫吸着体は、前記蓋部の前記内面の一部に対して取り外し可能に取り付けられている、請求項１〜９のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
11. 前記内部空間には、前記表面の法線方向において前記照射部分に対向すると共に前記飛沫を遮蔽する遮蔽板が設けられ、
    前記光学窓は、前記法線方向において前記遮蔽板に対して前記照射部分とは反対側に配置されており、
    前記光源と前記遮蔽板との間の光路上には、前記レーザ光を前記照射部分に向けて集光するレンズが設けられており、
    前記遮蔽板は、前記レーザ光を通過させる貫通孔を含み、
    前記貫通孔の面積は、前記光学窓の面積よりも小さい、請求項６に記載のレーザ加工装置。
12. 前記貫通孔は、前記レンズによる前記レーザ光の焦点位置に配置されている、請求項１１に記載のレーザ加工装置。
13. 前記飛沫吸着体は、前記遮蔽板である、請求項１１又は１２に記載のレーザ加工装置。

Images