JP6483647B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、レーザ加工装置に関する。

レーザ光は、狭い面積に高密度の光エネルギーを集中させることができるので、レーザ光による加工が、原子力分野などの広い分野で利用されている。レーザ光の加工技術として、水中内の金属表面にレーザ光を照射し、レーザ光の照射によって発生するプラズマの衝撃波を利用して金属表面の組成を変化させるレーザピーニングがある。レーザピーニングは、原子炉内の構造物に用いられており、構造物内の応力を緩和させて腐食割れを抑制する。

レーザピーニングにおいては、ミラー等の光学素子でレーザ光を反射して金属表面に集光させている。このような光学素子は、プラズマによって金属表面で発生した超音波による影響を受け易い。これにより、光学素子が損傷するという問題がある。

特開２００５−３１３１９１号公報

本発明の実施形態は、光学素子の損傷を抑制するレーザ加工装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、光照射部と、光学素子と、を備えるレーザ加工装置が提供される。前記光照射部は、光源からのレーザ光を先端から出射する。前記光学素子は、前記光照射部の先端との間に間隙を介して設けられた第１透明部材と、第２透明部材と、を有する。前記第１透明部材は、前記光照射部の先端に対向する第１面と、前記第１面に接続されるように設けられた第２面と、を有する。前記第２透明部材は、前記第１透明部材の第２面に対向されるように設けられた平面と、前記第１透明部材を通った光が通過する凸面と、を有する。前記第１面を通る前記レーザ光の光軸と、前記凸面を通る光軸と、は互いに異なるとする。前記光照射部の先端との間の前記間隙に、衝撃を吸収する透明部材が設けられている。

第１実施形態に係るレーザ加工装置を示す模式図である。 図１の一部の拡大図である。 図２の分解斜視図である。 第１実施形態に係るレーザ加工装置の一部の拡大図である。 第１実施形態に係るレーザ加工装置を用いてレーザ光を集光する形態を示す図である。 第２実施形態に係るレーザ加工装置の一部の拡大図である。 第２実施形態に係るレーザ加工装置を用いてレーザ光を集光する形態を示す図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るレーザ加工装置を示す模式図である。
図２は、図１の一部の拡大図である。
図３は、図２の分解斜視図である。
図１は、レーザ加工装置１を示している。図２は、レーザ加工装置１における本体部１０の照射部分１０ａを示している。図３は、照射部分１０ａを構成する要素を示している。
図１に表すように、レーザ加工装置１には、本体部１０と、駆動部５０と、が設けられている。レーザ加工装置１は、例えば、被加工物である配管７０にレーザピーニングを行う装置である。中空の筒状を有する配管７０内に、レーザ加工装置１の本体部１０が挿入される。

レーザピーニングとは、ＹＡＧ（ヤグ）レーザ等のレーザを用いた加工技術である。レーザ光をレンズ等の光学素子を用いて集光し、金属表面に照射することでプラズマを発生させ、プラズマの衝撃波によって金属内に圧縮応力を与える。レーザピーニングによって、金属内に残留した引張応力を除去して応力を緩和させることにより、金属の応力腐食割れを抑制する。このようなレーザピーニングは、例えば、原子炉内の構造物に適用されている。

本体部１０には、筐体１１と、光ファイバ１２（光照射部）と、プリズム１３と、レンズ１４と、が設けられている。筐体１１は、中空の筒状を有し、その内部に、光ファイバ１２、プリズム１３及びレンズ１４を収納する。筐体１１は、例えば、金属等で形成されている。筐体１１には、レンズ１４の凸面１４ａを露出させる開口１１ａが形成されている。筐体１１の外壁面１１ｂの一部は、配管７０によって囲まれている。

光ファイバ１２は、端部１２ａ（先端）を有する。レーザ光源（図示せず）からのレーザ光Ｌは、端部１２ａから出射される。例えば、レーザ光Ｌは、そのパルス幅が１００（ｎｓ）以下の短パルスレーザ光である。

プリズム１３は、複数の面で構成された構造体である。プリズム１３は、所定の角度傾斜した面（側面１３ｓ２）を有するプリズムであって、例えば、テーパー型プリズムである。プリズム１３は、光ファイバ１２に対向して設けられている。プリズム１３は、例えば、サファイアによって形成されている。プリズム１３は、石英またはガラスによって形成されても良い。プリズム１３は、光ファイバ１２の端部１２ａからのレーザ光Ｌを屈折させた後に内部反射させてレンズ１４に伝送する。

レンズ１４は、プリズム１３上に設けられている。例えば、レンズ１４は、プリズム１３に接着している。レンズ１４とプリズム１３は接着されなくてもよく、両者の間に間隙があってもよい。その場合、施工時の衝撃波をレンズ１４が受けた場合、レンズ１４が微振動することでそれを吸収することができるという効果がある。レンズ１４は、例えば、平凸レンズである。例えば、レンズ１４は、その凸面１４ａが曲面である平凸レンズである。レンズ１４は、例えば、サファイア、石英またはガラスによって形成されている。レンズ１４は、例えば、プリズム１３が形成される材料と同じであって、プリズム１３と一体的に形成される。レンズ１４は、プリズム１３の内部反射によって伝送されたレーザ光Ｌを屈折させた後に集光する。
透明部材であるプリズム１３及びレンズ１４によって、光学素子１５が構成されている。

図２及び図３に表すように、光ファイバ１２の端部１２ａ、プリズム１３及びレンズ１４によって、本体部１０の照射部分１０ａが構成されている。筐体１１は、保持部分１１ｃ１及びカバー部分１１ｃ２を有する。本体部１０の照射部分１０ａは、筐体１１の保持部分１１ｃ１及びカバー部分１１ｃ２によって収納されている。例えば、本体部１０の照射部分１０ａ（光ファイバ１２の端部１２ａ、プリズム１３及びレンズ１４）は、筐体１１の保持部分１１ｃ１及びカバー部分１１ｃ２によって固定されている。

光ファイバ１２の端部１２ａは、出射面１２ｓ１を有する。出射面１２ｓ１上の複数の点においてレーザ光Ｌが出射される。
プリズム１３は、底面１３ｓ１、側面１３ｓ２、側面１３ｓ３、側面１３ｓ４、側面１３ｓ５を有する。例えば、底面１３ｓ１、側面１３ｓ２及び側面１３ｓ３の形状は、四角形であって、側面１３ｓ４及び側面１３ｓ５の形状は、三角形である。

底面１３ｓ１は、間隙１０ｂを介して端部１２ａの出射面１２ｓ１に対向しており、出射面１２ｓ１の複数の点から出射されたレーザ光Ｌを屈折させる。出射面１２ｓ１及び底面１３ｓ１の間に間隙１０ｂが形成されているので、光ファイバ１２及びプリズム１３が接している場合と比較して、光ファイバ１２及び光学素子１５（プリズム１３及びレンズ１４）の損傷を抑制できる。なお、出射面１２ｓ１及び底面１３ｓ１が微小振動できるように、出射面１２ｓ１及び底面１３ｓ１を接着しても良い。

側面１３ｓ２は、側面１３ｓ３に対して所定の角度傾斜した面である。側面１３ｓ２は、底面１３ｓ１からプリズム１３の内部を伝送したレーザ光Ｌを内部反射させる。側面１３ｓ２で内部反射したレーザ光Ｌは、側面１３ｓ３を介してレンズ１４に伝送される。

レンズ１４が平凸レンズである場合、側面１３ｓ３上にレンズ１４の平面１４ｂが位置する。なお、プリズム１３及びレンズ１４が同じ材料で一体的に形成されている場合、レーザ光Ｌは、レンズ１４の平面１４ｂによって屈折されない。
レンズ１４の凸面１４ａは、レーザ光Ｌを屈折させて集光する。ここで、レンズ１４の凸面１４ａは、プリズム１３を内部伝搬してくる光が通過（透過）するように配置される。

図１に表すように、駆動部５０は、本体部１０を上下方向に移動させ、本体部１０を回転させるための駆動装置である。駆動部５０は、連結部分５０ａを介して本体部１０に連結している。
例えば、駆動部５０は、光ファイバ１２、プリズム１３及びレンズ１４を収納した筐体１１を上下方向に移動させて本体部１０を上下方向に移動させる。
例えば、筐体１１が、中空の筒状を有する回転部分と、回転部分の周囲に設けられて回転部分を回転可能に支持する支持部分と、を有することで、駆動部５０は、筐体１１を回転させて本体部１０を回転させる。

なお、本明細書において、「上方向」とは、プリズム１３の底面１３ｓ１から光ファイバ１２の出射面１２ｓ１に向かう方向であって、「下方向」とは、光ファイバ１２の出射面１２ｓ１からプリズム１３の底面１３ｓ１に向かう方向である。

レーザピーニングを行う場合、駆動部５０が本体部１０を駆動させることで、配管７０に対する本体部１０の照射部分１０ａの位置が調整される。例えば、配管７０内に本体部１０が埋め込まれている場合、本体部１０を上方向に移動させ、垂直方向（例えば、図面に対して垂直方向）に回転させることで、配管７０に対する照射部分１０ａの位置が調整される。つまり、配管７０に対する光ファイバ１２、プリズム１３及びレンズ１４の位置が調整される。そして、照射部分１０ａを含む本体部１０の一部、及び、配管７０が水等の液中に位置する状態で配管７０の施工部分にレーザピーニングを行う。

以下、レーザ加工装置１によるレーザピーニングについて説明する。
図４は、第１実施形態に係るレーザ加工装置の一部の拡大図である。
図５は、第１実施形態に係るレーザ加工装置を用いてレーザ光を集光する形態を示す図である。
図４は、本体部１０の照射部分１０ａの斜視図を示している。図５は、照射部分１０ａにおけるレーザ光Ｌの伝送を説明する図である。
図４に示すように、光ファイバ１２から出射されたレーザ光Ｌは、プリズム１３及びレンズ１４内を伝送して集光される。

図５に示すように、まず、端部１２ａの出射面１２ｓ１上の複数の点において、広がり角ＮＡでレーザ光Ｌが出射される。レーザ光Ｌは、間隙１０ｂを伝送した後、プリズム１３の底面１３ｓ１によって屈折される。ここで、スネルの法則によって、底面１３ｓ１における屈折角をθ１、プリズム１３の材料（例えば、サファイア）に対するレーザ光Ｌの屈折率をｎとすると、θ１は、以下の式（１）によって導き出せる。なお、以降に表す式において、ａ（アーク）は、逆三角関数を表す符号である。

θ１＝ａｓｉｎ（ＮＡ／ｎ）・・・（１）

続いて、レーザ光Ｌは、プリズム１３の側面１３ｓ２に伝送される。例えば、レーザ光Ｌ１が側面１３ｓ２に伝送されるためには、光ファイバ１２から出射した光軸Ｌａに対する側面１３ｓ２の傾斜角（テーパー角）をθｔとすると、θ１は以下の式（２）を満たす。

θ１＝ａｓｉｎ（ＮＡ／ｎ）≦θｔ・・・（２）

続いて、レーザ光Ｌは、プリズム１３の側面１３ｓ２によって内部反射される。例えば、レーザ光Ｌ２が側面１３ｓ２によって内部反射される場合、側面１３ｓ２における反射角をθ２とすると、θ２は以下の式（３）によって導き出せる。

θ２＝９０−θ１−θｔ・・・（３）

また、プリズム１３の材料固有の臨界角θｃは、外部環境に対するレーザ光Ｌの屈折率をｎ０とすると、以下の式（４）によって導き出せる。なお、外部環境に対するレーザ光Ｌの屈折率ｎ０は、水等の液体に対するレーザ光Ｌの屈折率である。

θｃ＝ａｓｉｎ（ｎ０／ｎ）・・・（４）

ここで、レーザ光Ｌ２が側面１３ｓ２によって全反射されるためには、θ２は以下の式（５）を満たす。

θ２≧θｃ・・・（５）

上記式（３）及び上記式（５）によって、以下の式（６）が導き出せる。

９０−θ１−θｔ≧θｃ・・・（６）

上記式（１）、上記式（２）、上記式（４）及び上記式（６）によって、θｔは、以下の式（７）を満たすことになる。

ａｓｉｎ（ＮＡ／ｎ）≦θｔ≦９０−ａｓｉｎ（ＮＡ／ｎ）−ａｓｉｎ（ｎ０／ｎ）・・・（７）

続いて、レーザ光Ｌは、側面１３ｓ３を介してレンズ１４に伝送され、レンズ１４の凸面１４ａによって屈折されて集光する。凸面１４ａが曲面である場合、凸面１４ａの曲率中心Ｃは、側面１３ｓ２で反射したレーザ光Ｌの光軸Ｌｂ上に位置する。これにより、レーザ光Ｌの集光点の近傍に位置する配管７０の施工部分７０ａが加工される。なお、図５に示す例では、レーザ光Ｌの集光点は、配管７０の施工部分７０ａと一致していない。つまり、レーザ光Ｌの集光点は、加工点と一致していない。レーザ光Ｌの集光点は、配管７０の施工部分７０ａと一致しても良い。

以下、本実施形態の効果について説明する。
光ファイバ及びミラーが対向配置されたレーザ加工装置のレーザピーニングでは、光ファイバの端部から出射されたレーザ光をミラーの反射面で反射させて配管に集光させている。このようなレーザ加工装置のミラーは、金属を含む導電体上に誘電体膜が設けられて構成されている。レーザ光が集光する配管の施工部分は、光ファイバ及びミラーの間に位置するので、誘電体膜で形成された反射面は、施工部分に発生するプラズマの衝撃波の影響を受け易い。また、プラズマによって施工部分を音源とした超音波が誘起発生するので、ミラーの反射面は、超音波の影響を受け易い。したがって、プラズマの衝撃波及び超音波によって、反射面の誘電体膜が損傷し易くなる。

本実施形態のレーザ加工装置１は、光ファイバ１２との間に間隙１０ｂを介して設けられ、プリズム１３及びレンズ１４で構成された光学素子１５を有する。このような光学素子１５によって、ミラーを形成せずにレーザ加工装置１によってレーザピーニングを行うことができる。したがって、ミラーを有するレーザ加工装置と比較して、光学素子１５の損傷を抑制できる。また、間隙１０ｂが設けられているため、光学素子１５は、プラズマの衝撃波を受けたときに微振動することが可能である。つまり、光学素子１５の微振動により、衝撃波を吸収することができる。一方、間隙１０ｂが設けられていない場合、衝撃波は光ファイバ１２の先端に伝わり、先端部に損傷が起こる。間隙１０ｂは、衝撃を吸収できるような弾力性のある透明材料で埋められていてもよい。この場合も、衝撃を吸収できる。この弾力性透明材料は、レーザ光Ｌを透過することができるものである。例えば、透明シリコンや、透明レジンなどでよい。
さらに、間隙１０ｂが設けられている場合、プリズム１３の底面１３ｓ１によって、式（１）で示されるようにレーザ光Ｌを屈折をさせることができる。レーザの集光は、レンズ面が多いほど集光性を高めることが知られている。つまり、間隙１０ｂを設けることにより、レーザの集光性を高めることができる。

以上で述べた構成にすることにより、底面１３ｓ１を通るレーザ光Ｌの光軸とレンズ１４の凸面１４ａを通るレーザ光Ｌの光軸を傾かせることができる。これにより、光ファイバ１２の光軸に対して傾いた領域に、レーザピーニング加工が可能となる。たとえば、光ファイバ１２を挿入したとき、その姿勢を変化させることができないほど小さな狭空間において、その狭空間の壁面にレーザ加工をすることができるという効果がある。
本実施形態によれば、光学素子の損傷を抑制するレーザ加工装置を提供する。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係るレーザ加工装置の一部の拡大図である。
図６において、本体部１０の照射部分１０ａが透過的に示されている。
本実施形態のレーザ加工装置２は、レンズ１４及びレンズ２０で構成された光学素子１５０を設ける点において、第１実施形態のレーザ加工装置１と異なる。その他の構成は第１実施形態と同じであるので詳細な説明は省略する。

図６に示すように、光ファイバ１２の端部１２ａ、レンズ２０及びレンズ１４によって、本体部１０の照射部分１０ａが構成されている。また、透明部材であるレンズ１４及びレンズ２０によって、光学素子１５０が構成されている。

レンズ２０は、例えば、球状のボールレンズである。レンズ２０は、光ファイバ１２の端部１２ａに対向して設けられている。レンズ２０は、例えば、サファイア、石英またはガラスによって形成されている。レンズ２０は、光ファイバ１２の端部１２ａからのレーザ光Ｌを屈折させてレンズ１４に伝送する。例えば、レンズ２０によって、レーザ光Ｌは平行光になるように調整される。

レンズ１４は、光ファイバ１２の端部１２ａとの間でレンズ２０が位置するように設けられている。つまり、レンズ１４は、レンズ２０より下方向に位置する。レンズ１４は、凸面１４ａ及び平面１４ｂを有する平凸レンズである。レンズ１４は、レンズ２０から伝送されたレーザ光Ｌを凸面１４ａによって屈折させた後、平面１４ｂによって反射させる。また、レンズ１４は、平面１４ｂによって反射したレーザ光Ｌを凸面１４ａによって屈折させた後に集光する。

以下、レーザ加工装置２によるレーザピーニングについて説明する。
図７は、第２実施形態に係るレーザ加工装置を用いてレーザ光を集光する形態を示す図である。
なお、図７において、光ファイバ１２の端部１２ａ、レンズ２０、レンズ１４及び配管７０が示されている。

図７に示すように、まず、端部１２ａの出射面１２ｓ１上の複数の点においてレーザ光Ｌが出射される。レーザ光Ｌは、レンズ２０によって屈折されてレンズ１４に伝送される。その後、レーザ光Ｌは、レンズ１４の凸面１４ａによって屈折されてレンズ１４の平面１４ｂに伝送される。

続いて、レーザ光Ｌは、レンズ１４の平面１４ｂによって内部反射されてレンズ１４の凸面１４ａに伝送される。その後、レーザ光Ｌは、レンズ１４の凸面１４ａによって屈折されて集光する。凸面１４ａが曲面である場合、凸面１４ａの曲率中心Ｃは、平面１４ｂで反射したレーザ光Ｌの光軸Ｌｂ上に位置する。これにより、レーザ光Ｌの集光点の近傍に位置する配管７０の施工部分７０ａが加工される。

また、レーザ光Ｌの広がり角をＮＡ、レンズ１４の材料（例えば、サファイア）に対するレーザ光Ｌの屈折率をｎ、外部環境（例えば、水等の液体）に対するレーザ光Ｌの屈折率をｎ０とすると、光ファイバ１２から出射した光軸Ｌａに対するレンズ１４の平面１４ｂの傾斜角θｔ１は、以下の式（８）を満たす。

ａｓｉｎ（ＮＡ／ｎ）≦θｔ１≦９０−ａｓｉｎ（ＮＡ／ｎ）−ａｓｉｎ（ｎ０／ｎ）・・・（８）

以下、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態のレーザ加工装置２は、レンズ１４及びレンズ２０で構成された光学素子１５０を有する。このような光学素子１５０によって、ミラーを形成せずにレーザ加工装置２によってレーザピーニングを行うことができる。したがって、ミラーを有するレーザ加工装置と比較して、光学素子１５０の損傷を抑制できる。
また、本実施形態では、レンズ２０が光ファイバ１２及びレンズ１４の間に位置するので、本体部１０の照射部分１０ａにおいて、光学素子１５０を容易に設置及び加工できる。

本実施形態によれば、光学素子の損傷を抑制するレーザ加工装置を提供する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、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、２…レーザ加工装置、 １０…本体部、 １０ａ…照射部分、 １０ｂ…間隙、 １１…筐体、 １１ａ…開口、 １１ｂ…外壁面、 １１ｃ１…保持部分、１１ｃ２…カバー部分、 １２…光ファイバ、 １２ａ…端部、 １２ｓ１…出射面、 １３…プリズム、 １３ｓ１…底面、 １３ｓ２〜１３ｓ５…側面、 １４、２０…レンズ、 １４ａ…凸面、 １４ｂ…平面、 １５、１５０…光学素子、 ５０…駆動部、 ５０ａ…連結部分、 ７０…配管、 ７０ａ…施工部分、 θ１…屈折角、 θ２…反射角、 θｃ…臨界角、 θｔ、θｔ１…傾斜角、 Ｃ…曲率中心、 Ｌ、Ｌ１、Ｌ２…レーザ光、 Ｌａ、Ｌｂ…光軸、 ｎ、ｎ０…屈折率、 ＮＡ…広がり角

Claims (5)

1. 光源からのレーザ光を先端から出射する光照射部と、
   前記光照射部の先端との間に間隙を介して設けられた第１透明部材と、第２透明部材と、を有する光学素子と、
   を備え、
   前記第１透明部材は、前記光照射部の先端に対向する第１面と、前記第１面に接続されるように設けられた第２面と、を有し、
   前記第２透明部材は、前記第１透明部材の第２面に対向されるように設けられた平面と、前記第１透明部材を通った光が通過する凸面と、を有し、
   前記第１面を通る前記レーザ光の光軸と、前記凸面を通る光軸と、は互いに異なっており、
   前記光照射部の先端との間の前記間隙に、衝撃を吸収する透明部材が設けられているレーザ加工装置。
2. 前記第１透明部材は、前記第１面に接続するように設けられ、前記第２面に対して所定の角度傾斜した第３面をさらに有し、
   前記光照射部から出射された前記レーザ光は、前記第１面を介して前記第１透明部材内に伝送され、
   前記第１透明部材内の前記レーザ光は、前記第３面で反射して前記第２面に伝送される請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記凸面は、曲面であり、
   前記凸面の曲率中心は、前記第３面で反射した前記レーザ光の光軸上に位置する請求項２記載のレーザ加工装置。
4. 前記光学素子を収納する筐体をさらに備え、
   前記光照射部から出射された前記レーザ光は、前記筐体の周囲に水を介して配置された配管に集光され、
   前記光照射部から出射された前記レーザ光の広がり角をＮＡ、前記第１透明部材に対する前記レーザ光の屈折率をｎ、前記水に対する前記レーザ光の屈折率をｎ０とした場合、前記光照射部から出射された前記レーザ光の光軸に対する前記第３面の傾斜角θｔは、以下の式を満足する請求項２または３に記載のレーザ加工装置。
   ａｓｉｎ（ＮＡ／ｎ）≦θｔ≦９０−ａｓｉｎ（ＮＡ／ｎ）−ａｓｉｎ（ｎ０／ｎ）
5. 前記第１透明部材は、プリズムであり、
   前記第２透明部材は、レンズである請求項１〜４のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。