JP5046101B2 - レーザによる棒状部材の等方的集中加熱法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザによる棒状部材の等方的集中加熱法に関するものであり、例えば、棒状部材加熱装置、棒状部材溶融装置、単結晶製造装置、棒状部材のゾーンリファイニング精製装置、棒状部材の接合（溶接）装置などにおけるレーザによる棒状部材の等方的集中加熱法に関するものである。

棒状部材を溶融したり、単結晶を製造したりする場合、棒状部材の周面を、レーザを照射して加熱することが知られている。

例えば、宇宙空間において、試料に力を加えることなく、大量の原材料を非接触状態で試料の溶融及び凝固を行うことが可能な炉が特許文献１に記載されている。

また、複数のレーザ（１）を同一条件で作動させて試料（４）の同一位置に重ねて照射し、個々のレーザ（１）の不規則な変動を相殺するようにしたことを特徴とするレーザの照射方法が特許文献２に記載されている。

また、接合面同士を密着させ、接合界面に沿ってレーザ光を照射して局所加熱を行い、セラミックス材料同士を接合する点が特許文献３に記載されている。

さらに、２個の全長１０ｍのＣＯ２−Ｎ２−Ｈｅレーザからの光を対向して当てることにより棒状試料を溶融して結晶成長を行った点が、非特許文献１に記載されている。

なお、市販されているものとして、単一のレーザ源からの光をミラー等でリング状に広げた後に笠型ミラーで動径方向から集光するレーザ加熱単結晶育成装置（キャノンマシナリー（株）製）装置がある。

特開平１０−２６７５４８号公報 特開昭６３−１６１６１４号公報 特開平０７−１８５８５３号公報 "OxideCrystal Growth using Gas Lasers"D.B. Gasson and B. Cockayne, Journal of Materials Science 5 (1970) 100

棒状部材の溶融や単結晶を生成するためには、棒状部材を周囲から均等に加熱することが重要である。この点、上記特許文献１〜３及び非特許文献１に記載された従来技術は、棒状部材の周囲を均等に加熱する点を意識するものではなく、必ずしも均等加熱されるものではない。上記市販品では、機械駆動部分の構造が原因で、リング状の光線の一部を遮ってしまい、均等照射上は好ましくはないものと考えられる。

そのような場合、加熱が等方的でないために、具体的に、それぞれの目的に応じて、例えば、次のような問題が生じる。
（１）棒状部材の溶融の際に一様に溶融しない。
（２）単結晶成長の際に、結晶成長等の反応が一様に進行しない。
（３）結晶成長の際の回転攪拌により急冷・急加熱が起こり、結晶性が低下する。
（４）ゾーンリファイニング精製が軸方向に有効に機能しないために効率が低下する。
（５）棒状部材の溶接の際に、加熱が均等でないことに起因し、棒状部材に熱応力の相違が生じ、ひずみが発生する。

本発明は、棒状部材の周面における溶融や単結晶の成長等について、均等な結果を得られるように、棒状部材の周面の加熱を均等に行う方法を実現することを課題とするものであり、近年、レーザ光源が普及し、価格的にも入手し易い状況となっているので、複数のレーザ光源を利用して放射方向から棒状部材を加熱することで、より均一な加熱を実現することを課題とするものである。

本発明は上記課題を解決するために、複数の同等の照射強度を備えたレーザ光線による照射を、加熱されるべき棒状部材の軸心に向け、かつ、各レーザ光線の照射領域が隣接するレーザ光線の照射領域と重複するように放射方向から行い、該棒状部材の周面を周方向に均等に加熱することを特徴とするレーザによる棒状部材の等方的集中加熱法を提供する。

複数のレーザ光線は、奇個設けることが好ましい。

複数のレーザ光線は、３以上で奇数設けることが好ましい。

本発明により次のような効果が生じる。
（１）従来は、例えば、レーザ光源を１又は２個で加熱していたが、このような場合は、レーザ光線が当たる部分と当たらない部分の差が大きく、また、機械駆動部分の構造が原因で、リング状の光線の一部を遮ってしまい、均等照射が十分できない等の事情があった。これに対して、本発明によれば、加熱目的に応じて、棒状部材を放射方向から加熱するレーザ光線数とその配置を最適化することによって、不均一な加熱の問題を解消することができる。

（２）棒状部材の周囲に放射方向に配置した複数のレーザ光線の数を、等角度間隔にするなどして増やすにつれて円周方向の強度の均一性が、より向上する。

本発明に係るレーザによる棒状部材の等方的集中加熱法を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。

本発明は、棒状部材に対して均一に高出力の集中加熱を実現するために、レーザ光源と光学系を用いて調製した複数の同等なレーザ光線を棒状部材の軸心に向けて等方的に照射する方法である。

具体的には、本発明に係るレーザによる棒状部材の等方的集中加熱法を実現する最も簡単な方法は、加熱されるべき棒状部材の軸心に垂直な平面内で、等入射角度間隔に配設された同等の照射強度を備えた複数のレーザ光線によって、放射方向から該棒状部材の周面を周方向に均等に加熱する方法である。

装置に許される光路に制限があり平面内に配設できない場合などには、加熱されるべき棒状部材と軸を共有する円錐面上に光路を有し、等入射角度間隔に配設された同等の照射強度を備えた複数のレーザ光線によって、放射方向から該棒状部材の周面を周方向に均等に加熱する方法なども可能である。

図１は、本発明の実施例１を説明する図である。このレーザ光線の照射方法は、同等の照射強度を備えた複数のレーザ光源１（どのような種類のレーザ光源でもよい。）を、コリメートレンズ２を通して、棒状部材４の周囲に等間隔で配置し、直接棒状部材４を照射する方法である。

ここで、コリメートレンズは、レーザ光源からのレーザを所定の光強度分布の光束にするためのものである。

この方法は、レーザ光源を複数設けなくてはならないが、レーザ光源自体の価格は比較的に安価となっており、しかも複数のレーザ光源を棒状部材の周囲に配置して照射すればよいので、装置や取り扱いが複雑とならなくて簡単でよい。

レーザ光源は、有限個の光源なので厳密には等方的ではないが、使用する目的に必要な均一度を実現するための光源数を、別途シミュレーションによって求め、設計することが好ましい。

（実施例１のシミュレーション実験例）
本発明者は、本発明の効果を確認するために、等価なレーザ光源を棒状部材の周囲に等角度間隔で２個（本発明の実施例１の実験例ではなく「比較例」としてシミュレーションした。）、５個、６個、９個並べた場合について、棒状試料表面のレーザ光強度分布についてシミュレーションによる実験をした。以下、その実験について図とともに説明する。

シミュレーション実験の条件は以下のとおりである。
（１）棒状部材は円柱形状で、その直径は５ｍｍとし、軸方向の長さ５ｍｍの部分のレーザ光照射強度分布を計算した。軸方向を鉛直方向に設定した。軸方向に５０分割（０．１ｍｍ間隔）し、周方向に７２分割（５度間隔）した各メッシュ内に照射されるレーザ光線を積算した。

（２）レーザとしてはアレイ半導体レーザを仮定し、水平方向に１ｍｍの幅の中に３３個のエレメント（独立の同等の半導体レーザ）がアレイ状に配列しているとした。（アレイ全体でひとつのレーザ光源に相当する。）各エレメントからのレーザ光線はガウス分布型の強度の広がりをもつと仮定し、水平方向の広がり角の標準偏差を３度、鉛直方向の広がり角の標準偏差を１０度とした。

（３）コリメートレンズとして、焦点距離５．６２ｍｍのシリンドリカルレンズを用いた。レンズと半導体レーザは焦点距離だけ離して、レンズの軸が水平になるよう設置した。レンズと棒状部材の中心軸の距離は５０ｍｍに設定した。

レーザ光源の数を替えて、棒状試料表面に当たるレーザ光強度の分布を計測したシミュレーション実験の結果、総じて、レーザ光源数を増やすにつれて円周方向の強度の均一度が向上する傾向がある。

具体的な結果は次のとおりである。ここで、図は円柱状棒状部材の側面の展開図における強度分布表示であり、横軸は棒状部材の円周方向（左端と右端がつながる）、縦軸は棒状部材の長さ方向を示す。黒いほど光強度が弱く白いほど光強度が強い。

実験例１（比較例。アレイ半導体レーザ光源２個）：
等価なレーザ光源２個を、棒状部材の周囲に１８０度間隔で配設し、棒状部材を照射した場合、図５に示すような結果が得られた。ほぼ等間隔で照射され（その結果加熱され）ているが、レーザ光源２個では、均一に加熱することはできない。非特許文献１は、この実験例１と同等である。

実験例２（アレイ半導体レーザ光源５個）：
等価なレーザ光源５個を、棒状部材の周囲に７２度間隔で配設し、棒状部材を照射した場合、図６に示すような結果が得られた。ほぼ均一に照射され（その結果加熱され）ているという結果が得られた。

実験例３（アレイ半導体レーザ光源６個）：
等価なレーザ光源６個を、棒状部材の周囲に６０度間隔で配設し、棒状部材を照射した場合、図７に示すような結果が得られた。ほぼ均一に照射され（その結果加熱され）ているという結果が得られた。しかしながら、レーザ光源５個の場合に較べて、若干、均一度と言う点では劣ることが分かった。

実験例４（アレイ半導体レーザ光源９個）：
等価なレーザ光源９個を、棒状部材の周囲に４０度間隔で配設し、棒状部材を照射した場合、図８に示すように、レーザ光源５個の場合に較べて、より均一に照射され（その結果加熱され）ているという結果が得られた。

以上のシミュレーション実験の結果、照射光源の数が増すと棒状部材表面における円周方向の照射の均一度は向上するが、照射光源が５個の場合と６個の場合のように、照射光源の数が１個程度の違いでは、むしろ照射光源の奇数個の場合の方が均一に照射されるということが確認できた。その理由は、後述する。

ところで、光源数を増やせば、一般に均一度が向上し、同時に出力もそれに比例して上昇する。図２は、光源数を変えて棒状部材の円周方向の照射強度の均一度がどのように変化するかというレーザ光源数依存性についてシミュレーションした結果を示す。ここでは、最大強度と最小強度の差を最大強度で除して均一度を算出している。

このシミュレーションによれば、光源の個数が多いほど棒状部材の円周方向の照射強度の均一度が上がる傾向があり、奇数個の方が均一度は上がる。例えば、５個と６個の強度分布図の比較から奇数個の方が強度分布は平滑化されている。

その理由は以下のとおりである。簡単のため、各レーザ光線に対し平行で一様な強度分布を仮定する。各レーザ光線が部材に照射されると、部材表面での強度分布は、光が当たっている側では正弦関数に、当たっていない側では零になる。それらの和として得られる部材表面の全強度分布は、正弦関数（周期３６０度）の最大値付近のみが繰り返される周期関数となる。

この繰り返しのつなぎ目で全強度分布は最小値を取る。つなぎ目の角度はある方向から入射するレーザ光線の強度が有限から零になる角度（影に入る角度）に対応し、ひとつのレーザ光線に対し２箇所ある。

偶数の場合には、対向するレーザ光線が作る強度分布最小の角度が重なるので、最小（繰り返し）の数はレーザ光線数と一致する。

奇数の場合には、各レーザ光線が作る強度分布最小の角度が重ならないので、最小（繰り返し）の数はレーザ光線数の２倍になる。したがって、奇数の方が相対的に繰り返しの数が多くなるため、正弦関数の最大値付近の狭い範囲しか使わなくなり、より平滑性が良くなる。以下、具体的にレーザ光線数６と５の場合について、計算結果を示す。

実験例５（レーザ光線数６）：
図１０にレーザ光線数６の場合について、各レーザ光線による照射強度分布（破線）および全照射強度分布（実線、定数倍して縮小してある）を示す。レーザ光線数と同数の６個の最小が存在する。図７に示したように、より現実的なシミュレーション実験でも同様な結果が得られている。

実験例６（レーザ光線数５）：
図１１にレーザ光線数５の場合について、各レーザ光線による照射強度分布（破線）および全照射強度分布（実線、定数倍して縮小してある）を示す。レーザ光線数の２倍の１０個の最小が存在する。レーザ光線数６の場合と比べ、光線数が少ないのにも関わらず、平滑性は逆に良い。図６に示したように、より現実的なシミュレーション実験でも同様な結果が得られている。

複数のレーザ光線数は３以上で可能な限り多いことが、均一度向上のためには好ましい。しかし、最適の数は、加熱目的に必要とされる均一度および出力を考慮の上、棒状部材の直径、レーザ光線の照射強度分布、レーザ光源・光学系の配設空間などの諸条件に応じて適宜設計すべきものである。

図９は、従来技術（既製品のレーザ加熱単結晶育成装置）により、棒状部材表面に照射されるレーザ光強度の分布のシミュレーションを示す。なお、レーザ光は、棒状部材の軸方向にガウス分布型の強度の広がりをもつと仮定する。

このように従来技術では、照射強度の分布は、明らかに均一ではなく、本発明は、従来技術に較べて、照射強度の均一度において、顕著な効果が生じることが明らかである。

図３は、本発明の実施例２を説明する図である。この実施例２のレーザ光線の照射方法は、同等の照射強度を備えた複数のファイバカップリングレーザ光源からのレーザ光線を、コリメートレンズにより導入する方法である。

実験例７（ファイバカップリングレーザ光源９個）：
以下の点を除いて実施例１と同等な配設を仮定した。ファイバカップリングレーザ光源と同光源用コリメートレンズを用いて調整した、標準偏差１．５ｍｍの二次元ガウス分布をもった平行レーザ光線を、９方から４０度間隔で照射した。図１２に示すように、実験例４と同様、均一度よく照射され（その結果加熱され）ているという結果が得られた。

図４は、本発明の実施例３を説明する図である。この実施例３のレーザ光線の照射方法は、実施例１および２とは、レーザ光線の入射方向のみが異なる。棒状部材４の軸心を中心軸とする円錐面上にレーザ光線の光路を有し、等入射角度間隔となるようにレーザ光源を配置している。

実験例８（レーザ光源９個）：
レーザ光線の入射方向を除いて実施例２と同等な配設を仮定した。実施例２の各レーザ光線の入射方向を３０度起こして、棒状部材の軸と入射方向のなす角を６０度とした。図１３に示すように、実験例７と同様、周方向に均一度よく照射され（その結果加熱され）ているという結果が得られた。ただし、上下で非対称性が現れた。

以上、本発明に係るレーザによる棒状部材の等方的集中加熱法を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。

本発明は、以上のような構成であるから、棒状部材加熱装置、棒状部材溶融装置、単結晶製造装置、棒状部材のゾーンリファイニング精製装置、棒状部材の接合（溶接）装置など適用可能と考えられる。本発明は、特に、均等な加熱が要求される単結晶製造装置に適している。

本発明の実施例１を説明する図である。 本発明の実施例１を説明する図である。 本発明の実施例２を説明する図である。 本発明の実施例３を説明する図である。 本発明のシミュレーションによる実験例１の結果を示す写真である。 本発明のシミュレーションによる実験例２の結果を示す写真である。 本発明のシミュレーションによる実験例３の結果を示す写真である。 本発明のシミュレーションによる実験例４の結果を示す写真である。 従来技術のシミュレーションによる実験例の結果を示す写真である。 本発明のシミュレーションによる実験例５の結果を示す図である。 本発明のシミュレーションによる実験例６の結果を示す図である。 本発明のシミュレーションによる実験例７の結果を示す写真である。 本発明のシミュレーションによる実験例８の結果を示す写真である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ コリメートレンズ
３ 光ファイバ
４ 棒状部材

Claims (3)

1. 複数の同等の照射強度分布を備えたレーザ光線による照射を、加熱されるべき棒状部材の軸心に向け、かつ、各レーザ光線の照射領域が隣接するレーザ光線の照射領域と重複するように放射方向から行い、該棒状部材の周面を周方向に均等に加熱する等方的集中加熱法であって、各レーザ光線の棒状部材表面での強度分布は、光が当たっている側では正弦関数に、当たっていない側では零になるものであり、それらの和として得られる部材表面の全強度分布は、周期３６０度の正弦関数の最大値付近のみが繰り返される周期関数となるものであることを特徴とするレーザによる棒状部材の等方的集中加熱法。
2. 各レーザ光線の棒状部材周方向における照射領域は、該各レーザ光線に面する側の全体に及ぶことを特徴とする請求項１記載のレーザによる棒状部材の等方的集中加熱法。
3. 複数のレーザ光線は、３以上で奇数設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザによる棒状部材の等方的集中加熱法。