JPH0829429B2 - レーザ照射装置 - Google Patents

レーザ照射装置

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JPH0829429B2
JPH0829429B2 JP5157365A JP15736593A JPH0829429B2 JP H0829429 B2 JPH0829429 B2 JP H0829429B2 JP 5157365 A JP5157365 A JP 5157365A JP 15736593 A JP15736593 A JP 15736593A JP H0829429 B2 JPH0829429 B2 JP H0829429B2
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laser
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irradiation
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俊彦 鈴木
紳一 藤坂
勝彦 佐藤
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技術研究組合医療福祉機器研究所
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/146Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing a liquid

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  • Laser Beam Processing (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ハンドピースから照射
されたレーザビームの照射部位が冷却されつつレーザ加
工が行われるレーザ照射装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、この種のレーザ照射装置として
は、例えば、図2(a)に示される医療分野に用いられ
るレーザメスがある。
【0003】ハンドピース1は内部が空洞化した円筒形
状をしており、この空洞部分がレーザビーム導光路を形
成している。レーザビームBはハンドピース1の内部に
設けられた集光レンズ2によって集光され、ハンドピー
ス先端部の照射口1aから被加工物である骨3に向けて
照射される。このレーザビーム照射により、骨3には切
開溝3aが形成される。また、ハンドピース1の外壁に
沿って導水パイプ4が設けられており、送水口4aを介
して注入された純水が放水口4bから切開溝3aに向け
て注水される。この際、放水口4bから放出される純水
は、同図(b)の一部拡大断面図に示されるように、水
柱5を形成している。この注水により骨3は冷却され、
切開溝3aおよびその周囲に炭化層が形成されたり、熱
変性が生じるのが防止されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のレーザ照射装置においては、切断・切開部への注水
がレーザビーム照射部に対して斜め上方または横方向か
ら行われ、注水冷却部とレーザ照射部とは一点でのみ合
致する構成になっている。従って、ハンドピースの先端
部と被加工物との間の距離が変化したり、被加工面に対
するハンドピースの角度が変化した場合などには、注水
冷却部とレーザ照射部とがずれてしまうことがしばしば
あった。このため、レーザビーム照射部の冷却は確実に
行われず、切断・切開部に炭化層が形成されたり、その
周辺部に熱変性層が形成されてしまうことがあった。特
に、上記従来のようにレーザ照射装置を医療分野におけ
るレーザメスに用いた場合に、注水冷却部が上記のよう
にずれてしまうと、切開部の炭化や周囲組織の熱損傷が
術後の治癒経過に悪影響を及ぼした。
【0005】請求項1記載のレーザ照射装置は、レーザ
ビームを被加工物に照射するハンドピースと、被加工物
のレーザビーム照射部位に向けて冷却液を放出する注液
機構とを備えたレーザ照射装置において、注液機構は、
ハンドピースの内面を鏡面状に形成したレーザビーム導
光路を冷却液の輸送経路とし、ハンドピースのレーザビ
ーム出射端を冷却液の放出口とすることを特徴とする。
【0006】また、請求項2記載のレーザ照射装置は、
請求項1記載のレーザ照射装置において、ハンドピース
は、レーザビーム導光路の一部が透光性材料によって塞
がれ、この塞がれた部位よりもレーザビーム出射端側の
側壁に開口部が設けられ、注液機構は、この開口部を介
してレーザビーム導光路に冷却液を注入し、レーザビー
ム出射端から冷却液を放出させることを特徴とする。
【0007】また、請求項3記載のレーザ照射装置は、
請求項1項記載のレーザ照射装置において、注液機構は
冷却液に一定の圧力を加えることを特徴とする。
【0008】
【作用】内面を鏡面状に形成したレーザビーム導光路を
冷却液の輸送経路とし、レーザビーム出射端を冷却液の
放出口とすることにより、注液機構によって冷却液がレ
ーザビーム照射部へ放出される方向はレーザビーム出射
方向に一致する。従って、レーザビーム照射部と冷却部
とはハンドピースの操作にかかわらず常に一致する。
【0009】また、冷却液に一定の圧力が加えられるこ
とにより、レーザビーム出射端からレーザビーム照射部
へ放出される冷却液は液柱を形成し、レーザビームはこ
の液柱を導光路として被加工物まで到達する。従って、
加圧された冷却液はビーム照射によって形成される切開
溝に向けて放出され、切開溝に残留する蒸散物等は冷却
液によって即座に除去される。
【0010】また、レーザビーム導光路の内面が鏡面状
に形成されることにより、レーザビームの拡がり角の大
きい成分およびレーザ発振器からの自然放出光は、レー
ザビーム導光路の内面に吸収されなくなる。従って、レ
ーザビーム導光路内面にこれら光が吸収されて発生する
熱が抑えられ、この熱によって冷却液中に生じる発泡は
抑制される。特に、冷却液に一定の圧力が加えられるこ
とにより、レーザビームを起因とする発泡が効率よく抑
制される。
【0011】
【実施例】図1(a)は本発明の一実施例によるレーザ
メスの断面図を示しており、同図(b)はこのレーザメ
ス先端部の一部拡大断面図を示している。
【0012】ハンドピース11は内部が空洞化した円筒
形状をしており、この空洞部分がレーザビーム導光路を
形成している。このレーザビーム導光路の先端部は、透
光性材料からなるウインド12によって塞がれている。
また、この塞がれた部位よりもレーザビーム出射端11
a側の側壁には開口部が設けられており、この開口部に
導入パイプ13が挿入されている。本実施例におけるレ
ーザメスの注液機構は、ハンドピース11の中程に設け
られたこの導入パイプ13を冷却液の導入部とし、ウイ
ンド12およびレーザビーム出射端11a間のレーザビ
ーム導光路を冷却液の輸送経路とし、レーザビーム出射
端11aを冷却液の放出口としている。
【0013】レーザビームBは、図示しないエキシマレ
ーザ発振器より多関節ミラー方式のマニュピレータ、中
空導波路あるいは光ファイバ等の導光路によってハンド
ピース11に導かれる。導かれたレーザビームBは、レ
ーザビーム導光路に設けられた集光レンズ15により集
光され、レーザビーム出射端11aから出射されて骨1
4の所定部分に照射される。
【0014】また、このレーザビーム照射と同時に、導
入パイプ13を介して送り込まれた純水Wがビーム照射
部位に向けて注水される。この注水は図示しない加圧ポ
ンプによって任意の圧力、例えば数kg/cm2 に加圧
された状態で行われている。このため、同図(b)の拡
大図に示すように、ハンドピース11のビーム出射端1
1aから噴射される純水Wは、常時円柱状の水柱15を
形成している。従って、レンズ15によって集光される
レーザビームBは、ウインド12およびビーム出射端1
1a間の導光路に満たされた純水W中を通過し、さら
に、この水柱15の中心を通って骨14の照射部位に照
射されることになる。このレーザビーム照射によって骨
14のビーム照射部位に切開溝14aが形成される。
【0015】エキシマレーザ光の純水に対する透過性は
高く、例えば、KrFエキシマレーザを用いた場合には
その発振波長である248nmに対してその減衰長(At
tenuation Length) は2,410mmである。本実施例
では、レーザビームBが通過する純水部分の長さは約6
0mm程度であるから、レーザビームBの透過率は約9
7.5%となり、レーザビームBの純水通過によるその
エネルギー減衰は非常に少ない。また、レーザビームB
のエネルギー密度は、レーザ発振器の出力制御部や導光
光学系に組み込まれる減衰フィルターにより、純水Wが
ブレークダウン(電界破壊)しない密度に調整されてい
る。また、レーザビームBの焦点位置は、集光レンズ1
5によってビーム照射部に位置するように調整されてい
る。このため、純水Wの内部におけるレーザビームBの
エネルギー損失は最小限に抑えられ、骨14のビーム照
射部ではレーザビームBのエネルギー密度は最大にな
る。従って、本実施例による注液機構によって被加工物
へのレーザビーム照射効率が低下するといったことはな
く、効率よく骨14の切断・切開が行なわれる。
【0016】また、本実施例による注液機構によれば、
ウインド12およびレーザビーム出射端11a間のレー
ザビーム導光路を冷却液の輸送経路とし、レーザビーム
出射端11aを冷却液の放出口とすることにより、冷却
液がビーム照射部位へ放出される方向はレーザビームB
の出射方向、つまり、円筒状ハンドピース11の中心軸
方向に一致する。従って、ハンドピース11の操作にか
かわらずレーザビーム照射部位と注水冷却部とは常に一
致し、純水WとレーザビームBとは常に同一のビーム照
射地点に到達する。このため、従来のようにビーム照射
部と冷却部とがずれることはなく、ビーム照射部位は純
水によって確実に冷却され、切開部およびその周囲組織
に炭化層が形成されたり、熱損傷が生じることはない。
従って、本実施例によるレーザメスによれば、術後の治
癒経過に好影響をもたらす手術用レーザ照射装置が提供
される。
【0017】さらに本実施例においては、ビーム照射部
への注水は純水Wが水柱15となって行われるため、レ
ンズ15で集光されて高エネルギー密度になったレーザ
ビームの照射部は純水Wに包み込まれる形で冷却され
る。従って、注水は、ビーム照射部を外れることなく、
かつ、ビーム照射部周辺に均一に行われ、切開部の冷却
は均一に効率よく確実に行われる。また、ビーム照射部
が包み込まれる形で注水が行われることにより、レーザ
ビーム照射によって照射部に発生する発光やビーム照射
に伴う衝撃音を低減させることが可能になる。
【0018】また、照射部にはレーザビーム照射によっ
て骨14の蒸散物や血液等の飛散物が発生し、切開溝1
4aに滞留するが、本実施例においてはこれら蒸散物お
よび飛散物は即座に除去される。すなわち、注水はレー
ザビームBの光軸方向に一致して行われるため、切開溝
14aの狭い間隔に残留する蒸散物および飛散物は加圧
された注水によって即座に除去される。従って、これら
蒸散物等によってレーザビームBが散乱したり、また、
蒸散物等にレーザ光のエネルギーが吸収されることはな
い。このため、レーザビームBは照射エネルギが低下す
ることなく骨14に照射され、レーザエネルギは効率よ
く骨14の切開作用に使われる。
【0019】また、レーザビームBの拡がり角の大きい
成分及びレーザ発振器からの自然放出光成分がレーザビ
ーム導光路の内側面に吸収されると、これら各光によっ
て生じる発熱等が起因し、ウインド12および出射端1
1a間の導光路に満たされた純水Wの内部に泡が発生す
る。このような純水内部での発泡は、レーザビームBの
導光に悪影響を及ぼす。本実施例ではこの悪影響を防止
する目的で、ウインド12および出射端11a間の導光
路の内面にAlコーティング等による内側ミラーが形成
されており、さらにこの内側ミラーに保護膜が施されて
いる。このようにレーザビーム導光路の内面が鏡面状に
形成されることにより、レーザビームBの拡がり角の大
きな成分およびレーザ発振器からの自然放出光が導光路
内面に吸収されなくなる。従って、導光路内面にこれら
光が吸収されて発生する熱は抑えられ、純水中における
発泡は抑制される。このため、レーザビームBは発泡に
よる悪影響を受けることなく、骨14に照射される。ま
た、本実施例のように純水Wを加圧することによって、
特にレーザビームBを起因とする発泡が効率的に抑えら
れることが実験的に確認されている。
【0020】また、本実施例ではウインド12を設置し
たが、これを設置せずに集光レンズ15にウインドの役
目を兼用させることも可能であり、このようにすれば光
学部品の点数を減らすことができ、レーザビームの透過
率はさらに増加する。
【0021】なお、上記実施例では、生体の一部である
骨の加工に本発明を適用した場合について述べたため、
注水圧力は数kg/cm2 と小さい値に設定した。しか
し、注水圧力を数10kg/cm2 〜数t/cm2 に高
めることにより、水圧による切断効果(ウォータージェ
ット方式による切断効果)とレーザビーム照射による切
断効果との相乗した効果が得られ、種々の分野における
各種加工体の高速、高効率のレーザ加工が期待できる。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、冷
却液がレーザビーム照射部位へ放出される方向はレーザ
ビーム出射方向に一致する。従って、レーザビーム照射
部と注液冷却部とはハンドピースの操作にかかわらず常
に一致する。このため、レーザビームの照射部に確実に
冷却液が放出され、ビーム照射部の冷却効果は高まり、
切断・切開部に炭化層や熱変性層は形成されなくなる。
さらに、これら周辺部にもレーザ熱の悪影響が及ばなく
なる。
【0023】また、冷却液に一定の圧力が加えられるこ
とにより、レーザビーム出射端からレーザビーム照射部
へ放出される冷却液は液柱を形成し、レーザビームはこ
の液柱を導光路として被加工物まで到達する。従って、
加圧した冷却液の注水方向はレーザビームの光軸方向に
一致し、ビーム照射によって形成される切開溝に残留す
る蒸散物等は即座に除去され、レーザエネルギは効率よ
く切開作用に使われる。
【0024】また、レーザビーム導光路の内面が鏡面状
に形成されることにより、レーザビーム導光路の内面に
レーザビームの拡がり角の大きな成分およびレーザ発振
器からの自然放出光が吸収されなくなる。従って、レー
ザビーム導光路内面の発熱が抑えられ、冷却液中におけ
る発泡は抑制される。さらに、冷却液に一定の圧力が加
えられることにより、レーザビームに起因する発泡は特
に抑制される。このため、レーザビームの導光は発泡の
影響を受けることなく行われ、レーザエネルギは損失す
ることなく被加工物に照射される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例によるレーザ照射装置を示す
断面図である。
【図2】従来のレーザ照射装置を示す断面図である。
【符号の説明】
11…ハンドピース、11a…レーザビーム出射端、1
2…ウインド、13…導入パイプ、14…骨、14a…
切開溝、15…水柱。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザビームを被加工物に照射するハン
    ドピースと、前記被加工物のレーザビーム照射部位に向
    けて冷却液を放出する注液機構とを備えたレーザ照射装
    置において、 前記注液機構は、前記ハンドピースの内面を鏡面状に形
    成したレーザビーム導光路を冷却液の輸送経路とし、前
    記ハンドピースのレーザビーム出射端を冷却液の放出口
    とすることを特徴とするレーザ照射装置。
  2. 【請求項2】 前記ハンドピースは、レーザビーム導光
    路の一部が透光性材料によって塞がれ、この塞がれた部
    位よりもレーザビーム出射端側の側壁に開口部が設けら
    れ、 前記注液機構は、この開口部を介してレーザビーム導光
    路に冷却液を注入し、レーザビーム出射端から冷却液を
    放出させることを特徴とする請求項1記載のレーザ照射
    装置。
  3. 【請求項3】 前記注液機構は冷却液に一定の圧力を加
    えることを特徴とする請求項1項記載のレーザ照射装
    置。
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