JP6797133B2 - レーザーピーニングに使用できる送出装置および関連する方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本願は、参照によって本願に組み込まれる２０１５年５月１１日出願の米国仮特許出願第６２／１５９，３９９号に基づく優先権を主張するものである。

本願で開示および特許請求する発明は概してレーザーピーニングに関し、具体的には、レーザービームなどの電磁エネルギービームを加工物に向けて送り出す方法に関する。

関連技術分野でよく知られているレーザーピーニングは、加工物の表面に圧縮応力を与えるために使用される。典型的なレーザーピーニングは、高エネルギーのパルスレーザービームを加工物に照射するものであり、一般的に加工物の表面に剥がれ易い層のあることが不可欠である。しかし、剥がれ易い層がなくても加工物の表面に水の被膜（水膜とも称される）があれば、レーザーピーニングにより加工物の表面そのものを剥がすことが可能であり、その際、水が加工物へのレーザー照射により生じるプラズマ圧力衝撃波を慣性閉じ込めにより抑え込む。このようにレーザーピーニングはプラズマ圧力衝撃波を発生させるので、レーザーおよびその関連装置を、加工物から所定の距離（典型的には数センチメートル以上）離す必要がある。衝撃波は、加工物上のレーザーピーニングが行われている位置から広がるので、水膜を形成し、かつ装置を加工物から離すことによって、衝撃波による装置の損傷を防ぐのが望ましい。

このようなレーザーピーニング装置および方法は、所期の目的の達成に概して有効であるが、制約がないわけではない。レーザーピーニングが有効であるためには、加工物上の小領域にレーザーを集束させる必要があるが、非平面の加工物表面にレーザービームを照射する場合、集束を維持しようとすると、ロボットによるレーザー操作・送出システムの設計と動きが非常に複雑になる。レーザーピーニングで通常必要とされる水の量は、一般的に加工物の大きな領域を水送出機構により形成される水膜が覆うため、有意な量となる。そのような水は、集水し、排水し、あるいは他の方法で作業場所から除去しなければならないから、面倒な作業とコストが必要となる。代替策として、加工物を水に浸した状態でレーザーピーニングすることもできるが、それ自体が複雑でコストが高くつく。したがって、改善策が望まれる。

したがって、レーザーピーニングに使用できる改良された送出装置は、電磁エネルギービームを内包する柱状の流体の流れを射出する。当該流体の流れは、全内部反射率が十分に高いため、ビームを当該流体の流れの内部に保持する。したがって、当該流体の流れは、当該電磁エネルギービームをその十分に高い全内部反射率で内部に閉じ込める点で、事実上光ファイバーケーブルと同様に機能する。当該ビームの導管として機能する当該流体の流れそのものも加工物に衝突させて、プラズマを覆い被し、レーザーピーニングによる砕片が洗い流されるようにする。したがって、当該加工物上に水膜を形成するために水を別途供給することが不要であり、送出装置を用いるレーザーピーニングおよびその他の用途にとって実際的な、改良された方法が提供される。

したがって、本願で開示および特許請求する発明の一側面は、電磁エネルギービームを全内部反射率の大きさにより内部に保持する柱状の流体の流れを発生させる改良型送出装置を提供することである。

本願で開示および特許請求する発明の別の側面は、かかる送出装置を使用してレーザーピーニングを行う改良された方法を提供することである。

本願で開示および特許請求する発明の別の側面は、加工物上に水膜を別途に形成することを必要とせずにレーザーピーニングを実施できる改良された送出装置および使用方法を提供することである。

本願で開示および特許請求する発明の別の側面は、レーザーピーニング時に加工物に衝突する流体の流れを発生させ、送出装置から加工物までの距離が変化しても加工物上の小領域にレーザービームを送り出せる改良型送出装置を提供することである。

したがって、本願で開示および特許請求する発明の一側面は、一般的な性質として、中空キャビティを内包するハウジングと、当該キャビティと流体連通関係にあり、当該キャビティに流体を送り込むように構成された流入部と、当該キャビティと流体連通関係にあり、当該キャビティから流体の流れを送り出すように構成された流出部と、電磁エネルギービームを当該流出部から送り出して当該流体の流れの内部に送り込むように構成された送出機構とを含むと言える改良された送出装置を提供することである。

本願で開示および特許請求する発明の別の側面は、上述の送出装置を使用する改良された方法を提供することである。この方法は一般的に、第１の屈折率を有する媒体の内部に、当該第１の屈折率より大きい第２の屈折率を有する流体の流れを形成することと、当該流体の流れの内部に電磁エネルギービームを注入することと、当該ビームを当該流れの内部に保持するに十分な全内部反射率を当該当該流体の流れの内部に維持することを含むと言うことができる。

この方法は随意的に、流体の流れとビームとを加工物に衝突させることを含むことができる。この方法は随意的に、加工物に対するレーザーピーニングをさらに含むことができる。この方法は随意的に、流体の流れを用いて、レーザーピーニングにより発生するプラズマを閉じ込め、プラズマが膨張して概して送出装置の方向へ進むのを防ぐことをさらに含むことができる。

本願で開示および特許請求する発明の詳細を、添付の図面を参照して以下に説明する。

本願で開示および特許請求する発明による改良型送出装置の一部破断側面図である。

図１の枠内の拡大図である。

本願で開示および特許請求する発明による改良された方法の或る特定の局面を示す流れ図である。

本願で使用している同じ参照番号は、同様の部分を指している。

本願で開示および特許請求する発明による改良型送出装置４の部分破断図を、図１および２に示す。送出装置４は、電磁エネルギーのエミッタとして機能するレーザー８と併用可能であり、加工物１２に対して実施されるレーザーピーニングなどの作業を実施できる。本願では、送出装置４の可能な用途としてのレーザーピーニングを例にとってを説明するが、本発明の思想はレーザーピーニング以外の態様での使用も可能である。したがって、本願で説明するレーザーピーニングはその一例に過ぎず、それに限定する意図はない。

送出装置４は、ハウジング１６および送出機構１８から成るといえる。ハウジング１６は、金属、ポリマーまたはその他の適切な素材から作られ、中空キャビティ２０を内包する。ハウジング１６はさらに、キャビティ２０と流体連通関係にある流入部２４および流出部２８を有する。流入部２４は、流体供給源３０と流体連通関係にある。本願で例示する実施態様において、流体供給源は、適度に浄化された液体の水（ろ過および／またはその他の方法で処理された水）である流体の供給源であり、必ずしも不純物がすべて除去された水の供給源を意味するものではない。本願で例示する流体は液体の水であるが、本発明の精神から逸脱せずに、その他の液状の流体を使用することができる。

流体供給源３０は、矢印２６で示すように、流入部２４を介してキャビティ２０内へ流入する流体３４を提供する。この流体は矢印３１で示すようにキャビティ２０内を流出部２８に向かって流れ、流出部２８から流体の流れ３８として流れ出る。ハウジング１６の流出部２８はノズル３２を含み、当該ノズルによりその流れ３８が形成される。

送出機構１８は、レーザー８を含み、さらに、ハウジング１６に形成された開口部３６に取り付けられたレンズ４０を含むといえる。図１および２に示すように、レーザー８は、レンズ４０の第１の表面４２に当たる平行レーザービーム４４を射出する。平行レーザービーム４４の電磁エネルギーは、レンズ４０を通りレンズ４０の第２の表面４６から出る。第２の表面４６から出る平行レーザービーム４４の電磁エネルギーは、レンズ４０の働きにより集束領域４８を通る間に集束して、図２に示すように流出部２８内の焦点５２に達する。

この例のレンズ４０は、ガラスまたは他の透明な固体から作られ、平行レーザービーム４４の電磁エネルギーを焦点５２に集束させる光学特性を有するように設計されているが、その設計は少なくとも部分的に、レンズ４０の素材であるガラスの屈折率と、流体供給源３０からの流体の屈折率とを反映したものである。すなわち、図１の例において、平行レーザービーム４４は空気である媒体６８の中を進行して、第１の表面４２（例示する空気からガラスへの移行界面）でレンズ４０に当たる。しかし、電磁エネルギーは第２の表面４６（例示するガラスから水への移行界面）からレンズ４０を出る。例えば水は空気より屈折率が大きいことが分かっているが、レンズ４０の光学パラメータを設計する際にそうした係数を考慮する。

図１から理解できるように、流体の流れ３４は流入部２４からキャビティ２０内に流入し、キャビティ２０から流れ３８としてノズル３２の流出部２８に流入する。本願で例示する実施態様において、流れ３８の少なくとも一部は流体の自由柱状噴流６４であり、空気である媒体６８中に存在する。

図２に最も分かりやすく示すように、流出部２８は、テイパー領域５４に隣接する曲面状の導入路５０を含むといえる。本願で例示する実施態様の流出部２８はさらに、直径（すなわち流れ方向に対して横方向）が一定で長さ６２を有する直線区間５８を含む。流体は、隣接するキャビティ２０からの円滑な（乱流を伴わない）移行を可能にする曲面状の導入路５０から、流出部２８に入る。次いで、流体はテイパー領域５４に流入し、その中で流体の対称性と非乱流状態を保ちつつ流速を増す。さらに流体は、直線区間５８の入口５６に流入し直線区間５８の出口６０から流れ出る。流出時に流れ３８は自由噴流６４となる。直線区間５８の長さ６２が流体の流れを最終的に平行にする。

レーザー８から出力される電磁エネルギーのエネルギーとコヒーレンスの損失を避けるために、レーザー８は流出部２８内のノズル３２に当たらないように集束される。これは、本願で例示する実施態様では、直線区間５８の長さ方向のほぼ中間点にレーザー８からの電磁エネルギーの焦点５２を設定することにより実現する。レーザーの電磁エネルギーは、焦点５２に集束したのち、図２に示す焦点５２の右方へ対称的に発散する。レーザーエネルギーが流出部２８の出口６０から出るとき、集束したビーム７０の直径は依然として当該流体の流れの直径より小さい。流体の流れ３８が流出部２８の出口６０を出たあと、レーザーエネルギーはその流体の流れ３８の全内部反射により、その流れ３８の内部に保持される。

本願で例示する実施態様において、焦点５２は流出部２８の直線区間５８の中央付近に位置するが、これは本願で説明する有利な結果を得るための方法の一例に過ぎず、限定的な意図はない。代替策として、本発明の精神から逸脱することなく、流出部２８を他のさまざまな態様のうちの任意の態様に構成し、焦点が流れ３８内のさまざまな位置のうちの任意の位置に来るようにできる。例えば、本発明の思想から逸脱することなく、焦点５２を直線区間５８の入口５６より若干手前の位置に、または直線区間５８の長さ方向の任意の位置、若しくは出口６０より後方の自由噴流６４沿いの位置のいずれかに設定することができる。

平行レーザービーム４４の直径、すなわち幅は、例えば３／８インチとすることができる。レンズ４０は、集束領域４８を介して平行レーザービーム４４を焦点５２に集束させ、その位置において、レーザー８からの電磁エネルギービームの直径、すなわち幅は、約１／３２インチ（約０．８ミリメートル）となる。直線区間５８にある例示的なノズル３２は、内径が約１．０ミリメートルである。代替策として、例えば、焦点５２における電磁エネルギービームの直径を０．５ミリメートルとし、直線区間５８のノズル３２の直径を０．８ミリメートルとすることができる。これ以外の寸法を用いることも可能である。

送出装置４が真空中にあるときのように流体の流れ３８が存在しなければ、レーザー８からの電磁エネルギーは焦点５２より後方（図１に示す焦点５２より右側）の位置で発散してビーム径が大きくなる傾向がある。しかし、流体の流れ３８の存在により、レーザー８からの電磁エネルギーは下流側（図１に示す焦点５２より右側）で発散せず、集束ビーム７０が形成される利点がある。電磁エネルギーは、自由噴流６４の円柱軸とおおむね平行に流体の流れ３８に入り込むため、表面に対して浅い入射角が維持され、流れ３８の内部反射率により、集束ビーム７０が自由噴流６４の内部７４に保持される。集束ビーム７０は実質的に、平行レーザービーム４４の中のレーザー８から放出されるすべての電磁エネルギーを含んでいる。流体の流れ３８は、その全内部反射率が集束ビーム７０を流れ３８の内部７４に保持できるほど十分に高いため、焦点５２から進んで集束ビーム７０となる電磁エネルギーの形を整える。

そのような全内部反射率は、流体を柱状の流れ３８にすることによって維持される。関連技術分野で知られているように、流体の一筋の流れは流体の表面張力によりプラトー・レイリー不安定性を呈し、その結果、一筋を保てなくなる。この不安定性のため、自由噴流６４がノズル３２を出てから引き続き集束ビーム７０を内部７４に保持できる距離には上限がある。ノズル３２からの距離が増加すると、最終的に、噴流６４の表面のうねりの大きさおよび量が内部反射率を低下させる有意な値となる。噴流６４になる流れ３８の最初の均等性が最大になるようにノズル３２を設計すると、噴流６４の有効長さが最大になると考えられる。例えばレーザーピーニングを首尾よく実行するためには、噴流６４が十分に柱状に保たれ、流体の流れ３８の全内部反射率が集束ビーム７０のエネルギーを十分に流れ３８の内部７４に保持するに十分高く保たれる限り、さまざまなノズル設計、流れ速度、およびノズル３２と加工物１２との間の距離を採用することができる。

したがって、流体の流れ３８は光ファイバーケーブルとほぼ同様に機能し、自由噴流６４の直径が実質的に不変であり、流れ３８が実質的に柱状を維持する限り、重力の作用で自由噴流６４が偏向しても、集束ビーム７０は流体の流れ３８の内部７４に保持されることが分かる。そのような柱状流は一般的に層流であるが、そうである必然性はない。

上述したように、自由噴流６４の全内部反射率が十分に高いため集束ビーム７０が自由噴流６４の内部７４に保持されるが、その理由の少なくとも一部は、流体の屈折率が媒体６８の屈折率より高いことによる。また、集束ビームがそのように保持される理由の一部は、自由噴流６４と媒体６８との間の内部境界に対する集束ビーム７０の入射角が十分に浅く、集束ビーム７０が反射して内部７４に戻されるため、自由噴流６４の境界面から出ないことによる。再言するが、自由噴流６４が十分に柱状を維持する限り、集束ビーム７０は内部７４に保持される。本願の例示的な流体は水であり、例示的な媒体６８は空気であるが、本発明の精神から逸脱することなく、所与の用途の具体的な必要性に応じて他の物質を使用できることは明らかである。

図１にさらに示すように、自由噴流６４は加工物１２上の衝突点７２に衝突する。本願で例示する実施態様では、集束ビーム７０が加工物１２の衝突点７２に衝突することにより、加工物１２の衝突点７２でレーザーピーニングが行われる。自由噴流６４を直接、加工物１２の衝突点７２に衝突させると、レーザーピーニングによって衝突点７２でプラズマの慣性型ブランケットが形成されると言う利点が得られる。すなわち、加工物１２に衝突する自由噴流６４の流体は衝突点７２に流体カバーを形成するが、このカバーは、プラズマを膨張させないように、また、加工物１２から概して送出装置４の方向へ進行しないように保持する。自由噴流６４は、加工物１２上の衝突点７２に衝突したのち、加工物１２の表面上の参照符号８０で示す位置に広がり、矢印７８で示すように加工物１２の表面を重力により流体のしずく７８として垂直方向に落下する。自由噴流６４は、加工物１２表面の衝突点７２において、プラズマと、衝突点７２におけるレーザーピーニングにより発生する砕片とを含む。したがって、噴流６４は、流体のしずく７６によって、レーザーピーニングにより発生するプラズマバブルと砕片とを迅速に洗い流す。これは、衝突点７２の迅速な洗浄がピーニングのためのレーザー照射の高速の繰り返しおよび処理速度の向上を可能にするという点で有利である。さらに、比較的小さいしずく７６の中に閉じ込めて処分するのは、加工物１２上のはるかに大きな領域を覆う水膜の中に閉じ込めて処分するよりはるかに容易である。これは、費用の節減と作業の単純化につながる。したがって、流体の流れ３８は、１）光導管、２）衝突点７２で形成されるプラズマを閉じ込めるための内部カバー、および３）プラズマバブルおよび砕片を洗い流す手段として機能することがわかる。

自由噴流６４の内部７４に位置する集束ビーム７０は、加工物１２上の衝突点７２に衝突すると、入射する自由噴流６４とほぼ等しいかまたは若干大きい領域に電磁エネルギーを供給する。自由噴流６４の直径は、出口６０と加工物１２との間（典型的には数センチメートルの距離）で実質的に変化しないため、加工物１２の衝突点７２に入射する集束ビーム７０は実質的に同じサイズを維持し、距離が例えば２センチメートル、３センチメートル、または４センチメートルのいずれであってもほぼ一定である。このように、自由噴流６４が実質的に柱状である限り、出口６０と加工物１２上の衝突点７２との間の距離を変えることが一般的に可能である。

レーザーピーニングを実施する際に、前述のように送出装置４と加工物１２との間の距離を変えられると言うことは、本発明が、送出装置４が取り付けられた簡単なノズル位置決めロボットシステムを併用すると、非平面の表面をピーニングするにあたり大きな適応能力を有することを示すものである。従来のレーザーピーニングシステムでは、レーザーが加工物に正確に集束した状態を維持するために、レーザーと加工物との間の距離を非常に正確に保つ必要があった。本願の送出装置４では、レーザー８は流れ３８の内部で集束し、流れ３８が集束ビーム７０をその内部に保持し、自由噴流６４が衝突する任意の場所で集束ビーム７０が加工物に照射されるようにするため、送出装置４と加工物１２との間の距離を正確に保つ必要がないという利点がある。さらに、自由噴流６４は衝突点７２から発出する衝撃波を放散させて、送出装置４が損傷を受ける可能性を最小限に抑える。

このように、自由噴流６４は、集束ビーム７０のための光導管として機能するとともに、衝突点７２を覆い被して、プラズマをその場所に捕捉し、送出装置４への損傷を防ぐための十分な水の供給源としても機能する。自由噴流６４は、典型的な層流の性質を有する柱状流の状態を維持するために十分に低速とする。衝突点７２での自由噴流６４の衝突によって生じるしずく７６の体積流量は、従来のレーザーピーニングで必要とされる水膜に比べてはるかに小さい。その他の利点も明白である。

本願で開示および特許請求する発明による改良された方法を図３に示す。この方法の最初のステップ１０６では、送出装置４が媒体６８中に自由噴流６４の形態の流れ３８を形成する。自由噴流６４を形成する流体の屈折率は、自由噴流６４を内包する媒体６８の屈折率よりも高い。この方法の次のステップ１１０では、流れ３８の内部７４に平行レーザービーム４４のような電磁エネルギービームを注入する。この方法のさらに次のステップ１１４では、集束ビーム７０を流れ３８の内部７４に保持するのに十分な全内部反射率を流れ３８の内部７４に維持する。

この方法には、衝突点７２におけるレーザーピーニングの実施を含めることができるが、流れ３８の内部７４に位置する集束ビーム７０を利用するその他の用途も可能である。したがって、繰り返し述べるが、この送出装置４によるレーザーピーニングの実施に限定的な意図はない。また、例示するレーザー８から発出される平行レーザービーム４４の直径は自由噴流６４の直径よりはるかに大きいので、平行レーザービーム４４を増強させるために、レンズ４０により比較的小さな直径の集束ビーム７０にエネルギーを集中させる。ただし、自由噴流６４より若干直径が小さい平行ビームを出力するレーザーを備えた別タイプの送出機構を使用してレンズ４０を不要にする送出装置のその他の実施態様もある。

また、レーザー８は典型的には送出装置４に物理的に取り付けるが、そうする必然性はない。図１に示す平行レーザービーム４４はノズル３２の中心軸と平行に向けられるが、別の実施態様では、レーザー８の取り付け方を変え、ミラーおよび／または光ファイバー装置によりレーザーからの電磁エネルギービームを流れ３８の中に差し向けることができる。したがって、図１に例示する送出機構１８は、いかなる形にせよ限定的な意図はなく、電磁エネルギービームを流れ３８の内部７４に送り込んだのち、流れ３８の全内部反射率によって電磁エネルギービームを内部７４に保持するための任意の構成機器一式を使用できる。

本発明の特定の実施態様について詳しく説明したが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何らも制約せず、本発明の範囲は前述の開示の全範囲である。

Claims (18)

1. 送出装置（４）であって、
   中空キャビティ（２０）が形成されたハウジング（１６）と、
   流体（３４）を当該キャビティに送り込むように構成された、当該キャビティと流体連通関係にある流入部（２４）と、
   当該流体の流れ（３８）を当該キャビティから送り出すように構成された、当該キャビティと流体連通関係にある流出部（２８）であって、直線区間（５８）並びに当該直線区間の上流に位置する曲面状の導入路（５０）及びテイパー領域（５４）を有する、流出部（２８）と、
   当該流出部から当該流れに内包された電磁エネルギービーム（７０）を送り出すように構成された送出機構（１８）と
   から成る送出装置。
2. 前記流れとして前記流体の柱状流が前記流出部から送り出されるように前記流出部が構成されている、請求項１の送出装置。
3. 前記柱状流として前記流体の柱状の噴流が前記流出部から送り出されるように前記流出部が構成されている、請求項２の送出装置。
4. 前記柱状の噴流として、前記ビームを前記自由噴流の内部に保持するのに十分な全内部反射率を有する層状の自由噴流が送り出されるように前記流出部が構成されている、請求項３の送出装置。
5. 前記送出機構が、前記ビームをエミッタ（８）から受け取って前記流出部の近傍またはその内部のいずれかに位置する焦点（５２）に差し向けるように構成されたレンズ（４０）から成る、請求項１の送出装置。
6. 前記送出機構がエミッタから成り、前記エミッタはレーザーである、請求項１の送出装置。
7. 請求項１の送出装置を使用する方法であって、
   第１の屈折率を有する媒体（６８）の中に、当該第１の屈折率より大きい第２の屈折率を有する流体の流れ（３８）を形成すること（１０６）と、
   当該流れの内部（７４）に電磁エネルギービーム（７０）を注入すること（１１０）と、
   当該ビームを当該流れの内部に保持するのに十分な全内部反射率を当該流れの中で維持すること（１１４）と
   から成る方法。
8. 前記流れとして柱状流を形成することをさらに含む、請求項７の方法。
9. 前記柱状流として層流を形成することをさらに含む、請求項８の方法。
10. 前記柱状流として自由噴流（６４）を前記媒体中に形成することをさらに含む、請求項９の方法。
11. 前記流れおよび前記ビームを加工物（１２）に衝突させることをさらに含む、請求項７の方法。
12. 前記流れおよび前記ビームを前記加工物に衝突させることから成るレーザーピーニングを前記加工物に施すことをさらに含む、請求項１１の方法。
13. 前記流れにより、前記加工物から概して前記送出装置の方向へプラズマが膨張しないようにすることをさらに含む、請求項１２の方法。
14. 前記レーザーピーニングによって発生し前記加工物から概して前記送出装置の方向へ進行する衝撃波による前記送出装置の損傷を防ぐために、前記送出装置を前記加工物から少なくとも第１の所定距離だけ離すことをさらに含む、請求項１２の方法。
15. 前記流体として水を使用することをさらに含む、請求項１２の方法。
16. 前記直線区間の直径が実質的に一定である、請求項１の送出装置。
17. 前記曲面状の導入路が前記テイパー領域の上流に位置する、請求項１の送出装置。
18. 前記送出機構が、前記ビームをエミッタ（８）から受け取って前記自由噴流の内部に位置する焦点（５２）に差し向けるように構成されたレンズ（４０）から成る、請求項４の送出装置。