(57)【要約】【課題】複雑な形状を有する被加工物を局所的にレーザピーニング加工できるようにすることである。【解決手段】実施形態に係るレーザピーニング加工装置は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、液体をレーザピーニング加工の対象物に向けて噴射する一方、前記レーザ光を前記液体に入射させることによって、前記液体中を伝播する前記レーザ光を前記対象物に向けて照射するノズルとを備え、前記ノズルは、前記レーザ光の焦点が前記レーザピーニング加工の加工位置に形成されるように前記レーザ光を集光するレンズと、前記液体に入射する前の前記レーザ光を保護する筒状のケーシングと、前記ケーシング内に配置され、前記液体の流路を形成する配管とを有するものである。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発振するレーザ発振器と、
液体をレーザピーニング加工の対象物に向けて噴射する一方、前記レーザ光を前記液体に入射させることによって、前記液体中を伝播する前記レーザ光を前記対象物に向けて照射するノズルと、
を備え、
前記ノズルは、
前記レーザ光の焦点が前記レーザピーニング加工の加工位置に形成されるように前記レーザ光を集光するレンズと、
前記液体に入射する前の前記レーザ光を保護する筒状のケーシングと、
前記ケーシング内に配置され、前記液体の流路を形成する配管と、
を有するレーザピーニング加工装置。
【請求項２】
前記ノズルは、前記レーザ光の進行方向を前記ノズルへの入射方向から鉛直下方に変化させるプリズムを有し、
前記プリズムからの前記レーザ光の出射側に前記配管の出口を配置することによって、前記プリズムからの前記レーザ光の出射側において前記レーザ光を前記液体に入射させるようにした請求項１記載のレーザピーニング加工装置。
【請求項３】
前記レーザ光が前記レーザピーニング加工の加工位置に照射されるように前記対象物を移動させる移動機構と、
前記ノズルから噴射された前記液体を回収する液体回収系と、
を備え、
前記液体回収系は、
開口部を前記ノズル側に向けて前記対象物を収容し、かつ前記対象物とともに移動するように前記移動機構に固定された前記液体の液体受けであって前記レーザピーニング加工中に前記液体を排出するための排出口を設けた液体受けと、
前記排出口から排出された前記液体を流す流路であって、前記移動機構によって移動しない流路と、
を備える請求項１又は２記載のレーザピーニング加工装置。
【請求項４】
前記レーザ発振器は、パルスエネルギが５０ｍＪを超えるナノ秒レーザ、パルスエネルギが１ｍＪを超えるピコ秒レーザ又はパルスエネルギが１ｍＪを超えるフェムト秒レーザを発振する発振器であり、
前記レーザ発振器で発振された前記レーザ光を、光ファイバを用いずに前記ノズルまで伝送する光伝送系を備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザピーニング加工装置。
【請求項５】
前記ノズルは移動しないように固定される一方、
前記移動機構は、
前記対象物を保持して移動させるためのロボットアームと、
前記対象物を可動テーブルに載置して移動させるための、片持ち構造を有さない駆動機構と、
を選択可能に有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザピーニング加工装置。
【請求項６】
前記駆動機構に設けられる位置決め用の指標に基づいて位置決めされた前記ノズルの位置決め情報に基づいて前記ロボットアームを制御する制御装置を備える請求項５記載のレーザピーニング加工装置。
【請求項７】
前記レンズに入射する前記レーザ光の出力を減衰させる減衰器と、
前記レンズに入射する前記レーザ光の出力を検出する光検出器と、
前記光検出器で検出された前記レーザ光の出力に基づいて前記レンズに入射する前記レーザ光の出力が許容範囲内となるように前記減衰器を制御する制御装置と、
を備える請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザピーニング加工装置。
【請求項８】
地震を検出する感震計と、
前記レーザ発振器のバックアップ電源として用いられる無停電電源装置と、
前記感震計で地震が検出された場合には、前記レーザ発振器からの前記レーザ光の発振を停止させる制御を行う一方、停電時には前記無停電電源装置を起動させ、前記無停電電源装置から供給される電力で前記レーザ発振器を停止させる制御を行う制御装置と、
を備える請求項１乃至７のいずれか１項に記載のレーザピーニング加工装置。
【請求項９】
純水でない水から純水を生成する純水器と、
前記純水器で生成された前記純水又は前記純水を含む水を圧送するポンプと、
前記ポンプで圧送された前記純水又は前記純水を含む水の流量を調整して前記液体として前記ノズルに供給する流量調整弁と、
を備える請求項１乃至８のいずれか１項に記載のレーザピーニング加工装置。
【請求項１０】
前記純粋でない水を供給する弁の開度に連動して単位時間当たりの添加量が一定となるように腐食防止剤を前記純水に添加する添加装置を備える請求項９記載のレーザピーニング加工装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のレーザピーニング加工装置を用いて前記対象物のレーザピーニング加工を行うことによって半製品又は製品を製造するレーザピーニング加工方法。
【請求項１２】
レーザを発振するレーザ発振器と、
液体をレーザピーニング加工の対象物に向けて噴射する一方、前記レーザ光を前記液体に入射させることによって、前記液体中を伝播する前記レーザ光を前記対象物に向けて照射するノズルであって、前記液体に入射する前の前記レーザ光を保護する筒状のケーシングと、前記レーザ光の焦点が前記レーザピーニング加工の加工位置に形成されるように前記レーザ光を集光するレンズとを有する前記ノズルと、
を備えたレーザピーニング加工装置を用いたレーザピーニング加工方法において、
前記液体の流路を形成する配管を前記ケーシング内に配置することによって、前記配管と前記対象物との干渉を回避するレーザピーニング加工方法。
【請求項１３】
前記ノズルの先端を中空の対象物の内側に挿入し、前記中空の対象物の内面をレーザピーニング加工する請求項１１又は１２記載のレーザピーニング加工方法。
【請求項１４】
前記液体に腐食防止剤を添加する請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載のレーザピーニング加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、レーザピーニング加工装置及びレーザピーニング加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、物体の表面に残留応力を与えて改質する方法としてレーザピーニング加工が知られている。レーザピーニング加工は、液体で覆われた状態で被加工物の被加工面にレーザビームを集光照射することによって行われる。液体で覆われた被加工物の被加工面にレーザビームが集光照射されると、レーザビームの照射によって発生するプラズマを液体中に閉じ込めることができる。この結果、衝撃波の圧力が被加工面に付与される。これにより、被加工物表面を塑性変形させて圧縮応力を内部に残留させることができる。
【０００３】
このため、レーザピーニング加工の対象となる被加工物は水等の液体中に設置されるか、或いはノズルから被加工物に向けて水等の液体が噴射される（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。また、液体の代わりに透明なフィルムを被加工物に貼り付けてレーザピーニング加工を行う手法も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１７７１６２号公報
【特許文献２】特開２０１７−１３１９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、複雑な形状を有する被加工物を局所的にレーザピーニング加工できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態に係るレーザピーニング加工装置は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、液体をレーザピーニング加工の対象物に向けて噴射する一方、前記レーザ光を前記液体に入射させることによって、前記液体中を伝播する前記レーザ光を前記対象物に向けて照射するノズルとを備え、前記ノズルは、前記レーザ光の焦点が前記レーザピーニング加工の加工位置に形成されるように前記レーザ光を集光するレンズと、前記液体に入射する前の前記レーザ光を保護する筒状のケーシングと、前記ケーシング内に配置され、前記液体の流路を形成する配管とを有するものである。
【０００７】
また、本発明の実施形態に係るレーザピーニング加工方法は、上述したレーザピーニング加工装置を用いて前記対象物のレーザピーニング加工を行うことによって半製品又は製品を製造するものである。
【０００８】
また、本発明の実施形態に係るレーザピーニング加工方法は、レーザを発振するレーザ発振器と、液体をレーザピーニング加工の対象物に向けて噴射する一方、前記レーザ光を前記液体に入射させることによって、前記液体中を伝播する前記レーザ光を前記対象物に向けて照射するノズルであって、前記液体に入射する前の前記レーザ光を保護する筒状のケーシングと、前記レーザ光の焦点が前記レーザピーニング加工の加工位置に形成されるように前記レーザ光を集光するレンズとを有する前記ノズルとを備えたレーザピーニング加工装置を用いたレーザピーニング加工方法において、前記液体の流路を形成する配管を前記ケーシング内に配置することによって、前記配管と前記対象物との干渉を回避するものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザピーニング加工装置の全体構成図。
【図２】図１に示すレーザ発振器、光伝送系及びノズル等の主要な構成要素の具体的な構成例を示す正面図。
【図３】図２に示すレーザ発振器、光伝送系及びノズルの上面図。
【図４】図１に示すノズルの詳細構成例を示す図。
【図５】レーザピーニング加工の対象物が内歯車である場合において内歯車の内歯をレーザピーニング加工できるように図４に示すノズルを相対配置した例を示す正面図。
【図６】図５に示すノズル及び内歯の右側面図。
【図７】図２に示す駆動機構で対象物を移動させる場合の例を示す上面図。
【図８】図２に示すロボットで対象物を移動させる場合の例を示す上面図。
【図９】図１に示す液体供給系及び液体回収系の詳細構成例を示す配管図。
【図１０】図９に示すベンチュリ計で計測された水の流量に基づく制御装置による複合流量調整弁の制御アルゴリズムを示すフローチャート。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係るレーザピーニング加工装置に備えられるレーザ発振器、光伝送系及びノズルの上面図。
【図１２】図１１に示す光伝送系の制御装置による制御アルゴリズムを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態に係るレーザピーニング加工装置及びレーザピーニング加工方法について添付図面を参照して説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
（レーザピーニング加工装置の構成及び機能）
図１は本発明の第１の実施形態に係るレーザピーニング加工装置の全体構成図、図２は図１に示すレーザ発振器、光伝送系及びノズル等の主要な構成要素の具体的な構成例を示す正面図、図３は図２に示すレーザ発振器、光伝送系及びノズルの上面図である。
【００１２】
レーザピーニング加工装置１は、レーザピーニング加工の対象物Ｏのレーザピーニング加工を行う装置である。レーザピーニング加工は、純水や水道水等の液体で覆われた状態で対象物Ｏの被加工面にレーザ光Ｌを集光照射することによって行われる。液体で覆われた対象物Ｏの被加工面にレーザ光Ｌが集光照射されると、レーザ光Ｌの照射によって発生するプラズマを液体中に閉じ込めることができる。この結果、衝撃波の圧力が対象物Ｏの被加工面に付与される。これにより、対象物Ｏの表面を塑性変形させて圧縮応力を対象物Ｏの内部に残留させることができる。その結果、対象物Ｏの疲労強度や耐食性を向上することができる。
【００１３】
レーザピーニング加工装置１は、レーザピーニング加工の対象物Ｏを移動させながら水等の液体を対象物Ｏに向けて噴射し、かつレーザ光Ｌを液体に入射させて伝播させることによって、液体で覆われた対象物Ｏに向けてレーザ光Ｌを集光照射する装置である。そのために、レーザピーニング加工装置１は、レーザ発振器２、光伝送系３、ノズル４、液体供給系５、移動機構６、液体回収系７、安全システム８、制御装置９及び操作パネル１０で構成することができる。
【００１４】
レーザ発振器２は、レーザ光Ｌを発振する装置である。レーザピーニング加工の効果を十分に得るためには、レーザ光Ｌの強度Ｉを十分に大きくすることが重要である。パルスレーザの強度Ｉは、パルスエネルギをＥ、パルスレーザが照射されるビームスポットの面積をＳ、パルス幅をｔとすると、Ｉ＝Ｅ／（Ｓ・ｔ）で表される。従って、パルスエネルギＥが一定であっても、パルス幅ｔが小さくなれば、パルスレーザの強度Ｉは大きくなる。
【００１５】
このため、レーザ光Ｌには、パルス幅ｔがナノ秒オーダであるナノ秒レーザの他、パルス幅ｔがピコ秒オーダであるピコ秒レーザ（短パルスレーザとも呼ばれる）やパルス幅ｔがフェムト秒オーダであるフェムト秒レーザ（超短パルスレーザとも呼ばれる）を用いることができる。ナノ秒レーザとしては、波長が１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ又は３５５ｎｍのＹａＧレーザが代表的である。
【００１６】
レーザ発振器２は、レーザ光Ｌの発振に伴って発熱する。このため、必要に応じて冷却水を循環させることによってレーザ発振器２を冷却するチラー２Ａをレーザ発振器２に取付けることが適切である。
【００１７】
光伝送系３は、レーザ発振器２で発振されたレーザ光Ｌをノズル４まで伝送するシステムである。レーザ光Ｌの伝送媒体となり得る光ファイバとしては、パルスエネルギが５０ｍＪ以下のナノ秒レーザ、パルスエネルギがマイクロジュールオーダのピコ秒レーザ又はパルスエネルギがマイクロジュールオーダのフェムト秒レーザを伝送することが可能な光ファイバしか市販されていない。
【００１８】
そこで、光伝送系３を、レーザ発振器２で発振されたレーザ光Ｌを光ファイバを用いずにノズル４まで伝送するシステムとすることができる。そうすると、レーザ発振器２として、パルスエネルギが５０ｍＪを超えるナノ秒レーザ、パルスエネルギが１ｍＪを超えるピコ秒レーザ又はパルスエネルギが１ｍＪを超えるフェムト秒レーザを発振する発振器を用いることも可能となる。この場合、レーザピーニング加工の効果を十分に得ることが可能となる。
【００１９】
ノズル４は、水等の液体をレーザピーニング加工の対象物Ｏに向けて噴射する一方、レーザ光Ｌを液体に入射させることによって、液体中を伝播するレーザ光Ｌを対象物Ｏに向けて照射するように構成されている。
【００２０】
図４は図１に示すノズル４の詳細構成例を示す図である。
【００２１】
ノズル４は、ケーシング１１、集光レンズ１２、プリズム１３及び配管１４で構成することができる。ケーシング１１は、液体に入射する前後におけるレーザ光Ｌを保護する筒状の部品である。従って、レーザ光Ｌの光路はケーシング１１内に形成される。集光レンズ１２は、レーザ光Ｌの焦点がレーザピーニング加工の加工位置に形成されるようにレーザ光Ｌを集光するためのレンズである。
【００２２】
プリズム１３は、レーザ光Ｌを対象物Ｏに向けて照射するために、レーザ光Ｌの進行方向をノズル４への入射方向から鉛直下方に変化させるための光学素子である。レーザ発振器２が高出力の発振器である場合には、レーザ光Ｌを水平方向に発振することがレーザ発振器２の安定的な据付けに繋がる。このため、レーザ光Ｌのノズル４への入射方向についても水平方向とすることが光伝送系３の簡素化に繋がる。
【００２３】
これに対して、レーザ光Ｌの光路をプリズム１３で曲げることによってレーザ光Ｌの対象物Ｏへの照射方向を鉛直下方とすれば、レーザ光Ｌを伝播させる液体の対象物Ｏへの噴射方向についても鉛直下方とすることができる。このため、液体の噴射方向が重力の影響によって変化することを回避することができる。また、重力を利用して液体を噴射させることもできる。
【００２４】
配管１４は液体の流路を形成する。従来はノズル４外に配置されるナイロンチューブ等で液体の流路が形成されるが、液体の流路を形成する配管１４をケーシング１１内に配置することができる。そして、配管１４の入口をケーシング１１の側面に形成する一方、配管１４の出口をプリズム１３からのレーザ光Ｌの出射側に配置することができる。
【００２５】
そうすると、対象物Ｏと配管１４との間における干渉を回避することができる。その結果、より狭い箇所にノズル４を相対配置させることが可能となり、複雑な形状を有する対象物Ｏであってもレーザピーニング加工を行うことができる。
【００２６】
図５はレーザピーニング加工の対象物Ｏが内歯車である場合において内歯車の内歯をレーザピーニング加工できるように図４に示すノズル４を相対配置した例を示す正面図であり、図６は図５に示すノズル４及び内歯の右側面図である。
【００２７】
図５及び図６に例示されるように、レーザピーニング加工装置１で内歯車の内歯をレーザピーニング加工することもできる。内歯車は、内側に歯を有する円環状の歯車であり、内側に小さい外歯車を内接させて転がすために使用される。内歯車と外歯車のように接触する２つの物体間では相対滑りが繰返される。相対滑りが繰返される部品には、フレッティング損傷、フレッティング摩耗、フレッティング腐食（フレッティングコロージョン）及びフレッティング疲労等が生じ易い。また、歯車の使用条件によっては、歯車に加わる歯曲げ力や軸曲げ力による疲労特性の低下が発生する。
【００２８】
従って、フレッティング損傷、フレッティング摩耗、フレッティング腐食及びフレッティング疲労等を低減することや歯車自体の疲労強度の向上を狙いとして、内歯車の内歯をレーザピーニング加工することが望ましい。そこで、液体の流路を形成する配管１４をケーシング１１に内蔵することによって干渉を回避したノズル４の先端を、中空の内歯車の内側に相対配置し、内歯車の内歯をレーザピーニング加工することができる。
【００２９】
このように、液体の流路を形成する配管１４をケーシング１１に内蔵することによって、ノズル４の先端をより狭い空間に相対配置することができる。その結果、ノズル４の先端を内歯車等の中空の対象物Ｏの内側に挿入し、中空の対象物Ｏの内面をレーザピーニング加工することが可能となる。もちろん、中空の対象物Ｏに限らず、複雑な形状を有する対象物Ｏを局所的にレーザピーニング加工することも可能となる。
【００３０】
図示された例では、２本の配管１４が長さ方向を水平方向としてケーシング１１内に平行に配置されている。そして、プリズム１３からのレーザ光Ｌの出射側において、鉛直下方に向かうレーザ光Ｌの光路に向かって両側から水平方向に液体が供給されるように配管１４の出口がノズル４の出口近傍における液体の流路と連結されている。
【００３１】
この場合、プリズム１３からのレーザ光Ｌの出射側においてレーザ光Ｌが液体に入射する。すなわち、プリズム１３へのレーザ光Ｌの入射側におけるレーザ光Ｌの伝播媒体は空気となり、プリズム１３からのレーザ光Ｌの出射側におけるレーザ光Ｌの伝播媒体は液体となる。
【００３２】
レーザ光Ｌが入射した液体は、ノズル４の先端から対象物Ｏに向かって噴射される。そうすると、ノズル４の先端と対象物Ｏとの間に水柱等の液体の柱が形成される。そして、液体の柱を媒体としてレーザ光Ｌを伝播させることができる。これにより、対象物Ｏの表面が液体で覆われた状態でレーザ光Ｌを照射することが可能となる。
【００３３】
尚、図４等に例示されるようにノズル４の先端にノズル４の長さを調整するための管状のアタッチメント１５を交換可能に取付けることができる。また、集光レンズ１２やプリズム１３を含むノズル４の主要な部分についても取外せるように、ノズル４のケーシング１１に着脱構造１６を設けることもできる。
【００３４】
図４に示す例では、位置決め用のキー又はピン等の位置決め部材１７と密閉用のＯリング１８で液体が漏れないように位置決めした状態で固定用のクランプで固定することが可能な着脱構造１６がケーシング１１に設けられている。このため、ノズル４の交換や清掃等のメンテナンスが容易となる。また、ノズル４の着脱を容易化した着脱構造１６によって、ノズル４の形状を対象物Ｏの形状に合わせることが可能となる。
【００３５】
レーザピーニング加工の強度は、対象物Ｏに集光照射されるパルスレーザの強度Ｉとなる。従って、上述したように、レーザピーニング加工の強度Ｉは、対象物Ｏに集光照射されるレーザ光Ｌのパルス幅ｔ、パルスエネルギＥ及びビームスポットの面積Ｓで定まる。レーザ発振器２がＹＡＧレーザ発振器のような典型的な発振器である場合、レーザ光Ｌのパルス幅ｔはレーザ発振器２の仕様で概ね定まる。従って、レーザピーニング加工装置１のユーザが調整できるのは、レーザ光ＬのパルスエネルギＥ及びビームスポットの面積Ｓである。
【００３６】
すなわち、レーザ光ＬのパルスエネルギＥを大きくする程、レーザピーニング加工の強度Ｉが大きくなる。また、レーザ光Ｌのビームスポットの面積Ｓを小さくして輝度を増加させる程、レーザピーニング加工の強度Ｉが大きくなる。レーザ光Ｌのビームスポットの面積Ｓをできるだけ小さくするためには、焦点距離が短い集光レンズ１２を使用する他、集光レンズ１２に入射するレーザ光Ｌを広がり光とすることによって、集光レンズ１２から対象物Ｏに照射されるレーザ光Ｌを収束させることが重要である。
【００３７】
そこで、光伝送系３には、空気中にレーザ光Ｌの光路を形成するための必要なミラー１９に加えて、レーザ発振器２で発振されたレーザ光Ｌを平行ビームから広がりを有するビームに変えるビームエキスパンダ２０を設けることができる。すなわち、ビームエキスパンダ２０のフォーカスレンズ２１で広げたレーザ光Ｌを集光レンズ１２に入射させることができる。
【００３８】
これにより、集光レンズ１２から対象物Ｏに集光照射されるレーザ光Ｌを収束させ、レーザピーニング加工の強度Ｉが十分となるように、対象物Ｏに集光照射されるレーザ光Ｌのビームスポットの面積Ｓを小さくすることができる。特に、ビームエキスパンダ２０を可変式にすれば、対象物Ｏの位置に合わせてレーザ光Ｌの焦点の位置及びビームスポットの面積Ｓを調節することが可能となる。
【００３９】
強度Ｉが大きいレーザ光Ｌを発振するレーザ発振器２の規模は大きくなる。しかも、上述したように標準化されていないような大きな強度Ｉを有するレーザ光Ｌを伝送するための光ファイバの入手は困難である。
【００４０】
そこで、レーザ光Ｌの照射中はレーザ発振器２、光伝送系３及びノズル４を移動しないように固定し、対象物Ｏ側を移動させることが実用的である。換言すれば、ノズル４側を移動させずに固定し、対象物Ｏ側を移動させることによって、大規模なレーザ発振器２でよりエネルギ密度及び強度Ｉが大きいレーザ光Ｌを対象物Ｏに照射することが可能となる。
【００４１】
図２に示す例では、レーザ発振器２及び光伝送系３が、搬送用のストッパ付のキャスタ２２を備えたケーシング２３に収納されており、ノズル４はノズル台２４に固定されている。レーザ光Ｌのエネルギ密度が大きい場合には、作業者の目に入らないようにすることが安全性の観点から重要である。そこで、レーザ光Ｌの光路の高さが作業者の目線よりも低くなるようにケーシング２３及びノズル台２４の高さを決定することが適切である。
【００４２】
移動機構６は、レーザ光Ｌがレーザピーニング加工の加工位置に照射されるように対象物Ｏを移動させる装置である。移動機構６は、対象物Ｏを保持して移動させるためのロボットアーム３０を備えたロボット３１や対象物Ｏを可動テーブル３２に載置して移動させるための駆動機構３３等の所望の装置で構成することができる。図示された例では、移動機構６が、ロボット制御装置３４でロボットアーム３０を制御するロボット３１と、数値制御（ＮＣ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ｃｏｎｔｒｏｌ）装置３５で可動テーブル３２を駆動させる駆動機構３３のいずれかを選択可能に備えている。
【００４３】
図７は図２に示す駆動機構３３で対象物Ｏを移動させる場合の例を示す上面図であり、図８は図２に示すロボット３１で対象物Ｏを移動させる場合の例を示す上面図である。
【００４４】
図７及び図８に例示されるように駆動機構３３の可動テーブル３２及びロボットアーム３０の双方をノズル４の下方となるレーザピーニング加工の加工位置から退避できるように構成及び配置することができる。可動テーブル３２及びロボットアーム３０の各駆動軸の数は、対象物Ｏの所望の面にレーザ光Ｌを照射できるように任意に決定することができる。すなわち、可動テーブル３２には、水平方向の移動軸に限らず回転軸を設けることができる。
【００４５】
片持ち構造を有するロボットアーム３０は駆動軸が多いため対象物Ｏの傾斜や回転が容易である反面、片持ち構造を有さない駆動機構３３に比べて剛性及び位置決め精度が低い。逆に、片持ち構造を有さない駆動機構３３は、片持ち構造を有するロボットアーム３０に比べて対象物Ｏの傾斜や回転を行うことが可能な範囲が狭い反面、剛性及び位置決め精度が高い。
【００４６】
そこで、対象物Ｏのサイズと重量に応じてロボット３１と駆動機構３３のいずれかを選択できるように移動機構６を構成することができる。具体的には、対象物Ｏのサイズと重量が小さい場合にはロボット３１で対象物Ｏを移動させる一方、対象物Ｏのサイズと重量が大きい場合には駆動機構３３で対象物Ｏを移動させることができる。
【００４７】
位置決め精度はロボットアーム３０よりも駆動機構３３の方が高い。そこで、駆動機構３３に設けられる位置決め穴や位置決め板等の位置決め用の指標に基づいて位置決めされたノズル４の位置決め情報に基づいてロボット制御装置３４でロボットアーム３０を制御することができる。すなわち、駆動機構３３の基準位置にノズル４の相対位置を合わせた後で、ロボットアーム３０の基準位置の位置合わせを行うことができる。尚、このような位置決めによって、実際に±０．１５ｍｍの位置決め精度で対象物Ｏの位置決めが可能であることが確認された。
【００４８】
レーザ光Ｌの焦点の位置は対象物Ｏの位置の他、上述したように光伝送系３のビームエキスパンダ２０等の光学素子の調整によっても変化する。そこで、光伝送系３を構成する光学素子についても駆動機構３３の基準位置にノズル４の相対位置を合わせた後で調整することが精度の向上に繋がる。
【００４９】
レーザピーニング加工の効果を表す指標の１つであるカバレージを適切な値にするためには、対象物Ｏの位置決め精度に加えて対象物Ｏの加速度を十分確保することが重要である。特に、対象物Ｏが歯車等のように凹凸を有する場合には、対象物Ｏの表面にレーザ光Ｌの焦点が常に形成されるように移動機構６で加減速を伴って対象物Ｏを移動させることが重要である。
【００５０】
これに対して、駆動機構３３及びロボットアーム３０等の移動機構６には、液体を溜めて対象物Ｏを設置するための液槽を載置することが不要であるため、移動機構６の軽量化によって必要なカバレージを得るために十分な加速度で対象物Ｏを加減速することができる。
【００５１】
すなわち、レーザピーニング加工装置１は、レーザピーニング加工の対象物Ｏを液槽に沈めるのではなく、ノズル４から液体を噴射することによって対象物Ｏのレーザピーニング加工ポイントが液体で覆われるように構成されているため、移動機構６の重量を低減することができる。その結果、レーザ光Ｌの周波数に適した速度で対象物Ｏを移動させることが可能となる。例えば、レーザピーニング加工の対象物Ｏの表面形状が歯車の表面形状のように複雑な形状であっても、対象物Ｏの表面に追従してレーザ光Ｌの焦点が形成されるように対象物Ｏの速度を瞬時に変化させることができる。
【００５２】
図９は図１に示す液体供給系５及び液体回収系７の詳細構成例を示す配管図である。
【００５３】
液体供給系５は、ノズル４に液体を供給するシステムである。液体として水道水を使用すると、水道水に含まれる不純物によってレーザ光Ｌが散乱する。また、レーザアブレーションによって生成される金属イオンや酸化金属等の濃度が上昇すると、伝播するプラズマ波の減少に繋がる。このため、レーザピーニング加工用の液体として水道水を使用するよりも、純水を使用することが好ましい。
【００５４】
そこで、図９に例示されるように液体供給系５には、水道水や工業用水等の純水でない水から純水を生成する純水器４０を設けることが好ましい。純水器４０は、純水でない水中に含まれる陽イオンや陰イオンをイオン交換樹脂フィルタで除去することによって純水を生成する装置である。
【００５５】
純水器４０で生成された純水は給液タンク４１に貯水することができる。レーザピーニング加工の対象物Ｏが鉄系の金属のように酸化し易い金属で構成されている場合には、対象物Ｏが純水によって錆びる恐れがある。そこで、図９に例示されるように液体供給系５には、防錆剤等の腐食防止剤を純水に添加する添加装置４２を設けることが好ましい。
【００５６】
腐食防止剤の添加装置４２は、腐食防止剤を貯留する腐食防止剤タンク４３と、腐食防止剤タンク４３に貯留された腐食防止剤を給液タンク４１に滴下する滴下装置４４で構成することができる。添加装置４２で給液タンク４１に腐食防止剤を添加することにより、給液タンク４１には純水に腐食防止剤を一定の濃度となるように混合した水を貯水することができる。
【００５７】
尚、防錆剤は狭義には鉄の腐食を防止する薬剤を指す場合があるが、対象物Ｏが鉄系の金属である場合はもちろん、他の金属である場合においても腐食防止剤を純水に添加することによって金属の腐食を防止することができる。換言すれば、鉄系及び鉄系以外の金属の錆を防止する腐食防止剤に相当する広義の防錆剤を純水に添加することによって金属の腐食を防止することができる。
【００５８】
純水に添加して使用される腐食防止剤の具体例としては、アミンが挙げられる。アミンは、水溶性で透明度が高いためレーザ光Ｌの散乱によるエネルギ損失を抑えることができる。そこで、実際にアミンを純水に添加して鉄系の対象物Ｏのレーザピーニング加工を行ったところ、錆の発生が起きずに長時間レーザピーニング加工を連続できることが確認できた。
【００５９】
レーザピーニング加工中に対象物Ｏに噴射された液体が波打ったり、飛散するとレーザ光Ｌの散乱の原因となり得る。レーザ光Ｌの散乱光が対象物Ｏに反射すると、対象物Ｏの表層が酸化する。このため、対象物Ｏに噴射された液体の波打ちや飛散を防止することが望ましい。対象物Ｏに噴射された液体の波打ちや飛散を防止するためには、適切な圧力及び流量でノズル４から液体を噴射させることも重要である。
【００６０】
そこで、図９に例示されるように液体供給系５には、給液タンク４１に貯留される純水又は純水を含む水等の液体をノズル４に向けて圧送する圧送装置としてのポンプ４５、ポンプ４５によって圧送される液体の流路を形成する給液管４６、ポンプ４５から過剰な液体が圧送された場合に液体の一部を給液タンク４１に戻すバイパス管４７、ポンプ４５から圧送された液体の圧力を調整する圧力レギュレータ４８、ポンプ４５から圧送された液体の流量を調整してノズル４に供給する複合流量調整弁４９及び複合流量調整弁４９で調整された液体の流量を計測するベンチュリ計５０を設けることができる。また、液体供給系５の適所に必要な弁５１を設けることができる。給液管４６やバイパス管４７等の液体の流路を形成する管はナイロンチューブ等で構成することができる。
【００６１】
複合流量調整弁４９は、チェック弁（逆止弁）５２、可変絞り弁５３及び２ポート常時開制御弁５４を並列に接続して構成される。尚、チェック弁５２、可変絞り弁５３及び２ポート常時開制御弁５４を並列に接続して構成される複合流量調整弁４９は、圧力補償付複合流量制御弁とも呼ばれる。圧力補償付複合流量制御弁を用いると、圧力補償付複合流量制御弁の入口側と出口側に液体の圧力変動があっても一定の流量で液体を流すことができる。
【００６２】
複合流量調整弁４９の２ポート常時開制御弁５４が開いた状態では、液体は２ポート常時開制御弁５４を流れる。一方、２ポート常時開制御弁５４を機械的に閉じると、液体は可変絞り弁５３の開度に応じた流量で可変絞り弁５３を流れる。可変絞り弁５３の開度はダイヤル等で微調整することができる。また、複合流量調整弁４９の出口側において液体の流量が増加した場合において逆方向に流れる液体は、チェック弁５２を自由に通過することができる。
【００６３】
このため、ベンチュリ計５０で測定される液体の流量に応じて制御装置９で複合流量調整弁４９の２ポート常時開制御弁５４を開閉することにより、ノズル４に供給される液体の流量を適量に調整することができる。具体的には、ベンチュリ計５０で測定される液体の流量が過剰である場合には、制御装置９で２ポート常時開制御弁５４を閉じる制御を行うことによってノズル４に供給される液体の流量を絞ることができる。逆に、ベンチュリ計５０で測定される液体の流量が過剰でない場合には、制御装置９で２ポート常時開制御弁５４を開く制御を行うことによって流量を絞らずに液体をノズル４に供給することができる。
【００６４】
尚、複合流量調整弁４９の代わりに単純な流量調整弁を設けたり、逆に複雑な構成を有する流量調整弁を設けても良い。また、電磁流量計等のベンチュリ計５０以外の流量計を設けても良い。その場合においても、液体の流量計で計測された液体の流量に基づいて、ノズル４に適切な流量の液体が供給されるように制御装置９で流量調整弁を制御することができる。
【００６５】
このようなポンプ４５による液体の圧送と、複合流量調整弁４９による液体の流量制御によって、ノズル４には適切な流量及び圧力で安定的に液体を供給することができる。その結果、ノズル４から噴射された液体の飛散や波打ちの発生を低減し、レーザ光Ｌの散乱と、レーザ光Ｌの散乱光がレーザピーニング加工の対象物Ｏに反射して表層が酸化する事態を防ぐことができる。
【００６６】
図９に例示されるように腐食防止剤を純水に添加して得られる水をレーザピーニング加工用の液体として用いる場合において給液タンク４１内に純水を供給すると、腐食防止剤の濃度が低下する。これは、給液タンク４１内に貯水された水道水等の純水でない水に腐食防止剤を添加して得られる水をレーザピーニング加工用の液体として用いる場合においても同様である。
【００６７】
そこで、水道水等の純水でない水を供給する弁５１の開度に連動して、給液タンク４１内に貯水された純水又は水道水等の純水でない水への単位時間当たりの腐食防止剤の添加量が一定となるように添加装置４２を制御することができる。そのために、水道水等の純水でない水を供給する弁５１については、開度を含む開閉制御を自動的に行うことが容易な電磁弁で構成することが実用的である。
【００６８】
具体例として、腐食防止剤の添加装置４２がモータ４４Ａの駆動によって腐食防止剤を滴下する装置であれば、水道水等を供給する弁５１が開いている間に制御装置９で滴下装置４４のモータ４４Ａを駆動させることができる。これにより、給液タンク４１への水の供給と連動して、給液タンク４１に腐食防止剤を添加することができる。
【００６９】
液体回収系７は、ノズル４から噴射された液体を回収するシステムである。レーザピーニング加工の対象物Ｏを移動させるための駆動機構３３及びロボットアーム３０等の移動機構６の加速度を十分確保するためには上述したように液体を溜めて対象物Ｏを設置するための液槽を設ける代わりにノズル４から液体を噴射することによって移動機構６の重量を低減することが効果的である。但し、上述したように対象物Ｏに噴射された液体が飛散するとレーザ光Ｌの散乱の原因となり得る。
【００７０】
そこで、図２及び図７に例示されるように駆動機構３３の可動テーブル３２には、液体を受けて回収し、かつ排液機能を有する液体受け６０を固定することができる。図２及び図７に示す例では、開口部をノズル４側に向けて対象物Ｏを収容する液体の液体受け６０が、対象物Ｏとともに移動するように駆動機構３３の可動テーブル３２に固定されている。また、液体受け６０には、レーザピーニング加工中に液体を排出するための排出口６１が設けられている。従って、液体の飛散を防止し、かつ可動テーブル３２の重量を過剰に増加させることなく液体受け６０で液体を回収することができる。
【００７１】
一方、図２及び図８に例示されるようにロボットアーム３０のワーキングゾーンにも排液機能を有する液体回収パン６２を設置して液体を回収することができる。すなわち、液体回収パン６２にもレーザピーニング加工中に液体を排出するための排出口６３を設けることができる。もちろん、ロボットアーム３０とともに移動し、かつ排液機能を有する液体受けをロボットアーム３０に固定して、液体の飛散を防止するようにしても良い。
【００７２】
液体回収パン６２は駆動機構３３の可動テーブル３２と干渉しないように作業者が設置及び除去できるようにしても良いし、駆動機構３３の可動テーブル３２と同様に移動機構で退避位置に移動できるようにしても良い。すなわち、図７及び図８に例示されるように駆動機構３３の可動テーブル３２に載置された液体受け６０を使用して液体を回収している間は、ロボットアーム３０使用時における液体回収用の液体回収パン６２を除去又は退避できるようにすることができる。
【００７３】
液体受け６０及び液体回収パン６２の出口側には、液体受け６０の排出口６１及び液体回収パン６２の排出口６３から排出された液体を回収タンク６４に流し込むための樋６５等の流路を設けることができる。回収タンク６４は移動機構６による移動対象ではないため、液体を回収タンク６４に流すための樋６５等の流路は移動機構６によって移動しないように固定される。
【００７４】
回収タンク６４には図９に例示されるようにオイルスキマー７０を設けることができる。オイルスキマー７０は、液面に漂っている油を回収する装置であり、電動式のオイルスキマー７０はモータで駆動するスチールベルトに油を付着させて回収するように構成されている。
【００７５】
回収タンク６４に回収された液体は、図９に例示されるように排液タンク７１に導いて排出しても良いし、再びレーザピーニング加工用の液体として使用できるように循環用配管７２で純水器４０に戻すようにしても良い。
【００７６】
次に図１に示す安全システム８及び制御装置９の詳細構成及び詳細機能について説明する。
【００７７】
安全システム８は、レーザピーニング加工中に停電や地震等の異常が発生した場合にレーザピーニング加工を中断することによって対象物Ｏの品質及びユーザの安全性を確保するためのシステムである。このため、安全システム８には、地震を検出する感震計８０及び無停電電源装置８１を設けることができる。
【００７８】
典型的な感震計８０は、地震の加速度を検出し、加速度が一定値を超えると、制御信号を発信するように構成されている。このため、感震計８０で地震が検出された場合には、レーザ発振器２の電源等を非常停止することによって安全性を確保することができる。
【００７９】
一方、無停電電源装置８１は停電等によって電力が断たれた場合であっても電力を供給し続けることが可能な電源装置である。商用交流電源に接続して使用される無停電電源装置８１はＵＰＳ（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｕｐｐｌｙ）と呼ばれる。無停電電源装置８１はレーザ発振器２等のバックアップ電源として用いることができる。これにより、停電等によって突然電力が断たれた場合であっても、無停電電源装置８１からレーザ発振器２等の装置に電力を供給することによって安全に停止することができる。
【００８０】
制御装置９は、レーザピーニング加工装置１を構成する各装置及び各システムを統括制御する装置である。制御装置９は、コンピュータプログラムで動作するプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ：ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｌｏｇｉｃ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）等のコンピュータを含む回路で構成することができる。すなわち、電気信号で制御される装置及びシステムに対して、制御信号として電気信号を生成及び処理できるように記憶装置を含む電気回路を制御装置９に設けることができる。また、光信号、空気圧信号又は油圧信号で制御される装置及びシステムがある場合には、制御信号として光信号、空気圧信号又は油圧信号を生成及び処理できるように光信号回路、空気圧信号回路又は油圧信号回路を制御装置９に設けることができる。
【００８１】
具体的には制御装置９には、レーザ発振器２の電源の起動と停止によるレーザ光ＬのＯＮ／ＯＦＦの切換え及びレーザ光Ｌの出力を制御する機能、レーザ発振器２を冷却するチラー２Ａを制御する機能、光伝送系３に備えられるビームエキスパンダ２０が自動可変式である場合のように制御可能な光学素子が光伝送系３に備えられている場合において光学素子を制御する機能、ロボット３１のロボットアーム３０等の動作を制御するプログラムをロボット制御装置３４に転送することによってロボット３１を制御する機能、可動テーブル３２の移動を含む駆動機構３３の制御を行うためのプログラムをＮＣ装置３５に転送することによって駆動機構３３を制御する機能、液体供給系５に備えられる腐食防止剤の添加装置４２、複合流量調整弁４９の２ポート常時開制御弁５４を含む制御対象となる各弁及びポンプ４５をそれぞれ制御する機能、液体回収系７において制御対象となる各弁及びモータ等の動力装置を制御する機能並びに安全システム８を利用した各機器の制御を行う機能を設けることができる。尚、これらの制御の一部又は全部を自動制御とすることができる。
【００８２】
安全システム８を利用した制御装置９による機器の制御の具体例としては、上述したように感震計８０で地震が検出された場合には、レーザ発振器２からのレーザ光Ｌの発振を停止させる制御を行う一方、停電時には無停電電源装置８１を起動させ、無停電電源装置８１から供給される電力でレーザ発振器２を安全に停止させる制御が挙げられる。
【００８３】
上述した各制御は、レーザピーニング加工の対象物Ｏ毎にシーケンスプログラムとして制御装置９内の記憶装置に保存し、対象物Ｏの形状に応じて互いに連携して行えるようにすることができる。加えて、レーザ光Ｌの出力、液体の噴出量及び光伝送系３の温度等を監視データとして制御装置９に記録し、レーザピーニング加工の条件が適切であったかどうかを事後的にチェックできるようにすることが実用的である。すなわち、レーザピーニング加工についてのトレーサビリティを確保するための情報を記録する機能を制御装置９に設けることができる。
【００８４】
操作パネル１０は、入力装置９０及びディスプレイ９１を備え、制御装置９に必要な情報を入力する一方、制御装置９から出力される情報を表示させるユーザインターフェースである。
【００８５】
（レーザピーニング加工方法）
次にレーザピーニング加工装置１を用いたレーザピーニング加工方法について説明する。
【００８６】
レーザピーニング加工装置１で対象物Ｏのレーザピーニング加工を行う場合には、対象物Ｏが図２、図７及び図８に例示されるような駆動機構３３の可動テーブル３２及びロボットアーム３０のいずれかに直接又は治具を介して間接的に固定される。実用的な例として、対象物Ｏのサイズと重量が小さい場合には対象物Ｏの傾斜や回転を容易に行うことができるように対象物Ｏをロボットアーム３０に取付けることができる。一方、対象物Ｏのサイズと重量が大きい場合には位置決め精度を確保するために位置決め精度と剛性が高い駆動機構３３の可動テーブル３２に対象物Ｏを固定することができる。
【００８７】
駆動機構３３の可動テーブル３２又はロボットアーム３０に固定された対象物Ｏは、ノズル４から照射されるレーザ光Ｌの焦点が対象物Ｏの表面におけるレーザピーニング加工の位置となるように位置決めされる。そのために、制御装置９から駆動機構３３又はロボット３１の制御プログラムがＮＣ装置３５又はロボット制御装置３４に出力される。これにより、ＮＣ装置３５又はロボット制御装置３４による制御によって駆動機構３３の可動テーブル３２又はロボット３１のロボットアーム３０が移動し、対象物Ｏをノズル４の下方における適切な位置に位置決めすることができる。
【００８８】
次に制御装置９による制御下において図９に例示されるような構成を有する液体供給系５から液体がノズル４に供給される。図９に例示される構成を有する液体供給系５の場合、具体的には、予め水道水等から純水器４０で生成された純水が給液タンク４１に供給される。
【００８９】
また、制御装置９による自動制御下における添加装置４２の作動によって防錆剤等の腐食防止剤が給液タンク４１に貯留された純水に添加される。より具体的には、水道水等を純水器４０に供給する弁５１が開いている間において、腐食防止剤タンク４３に貯留された腐食防止剤が滴下装置４４で給液タンク４１に滴下される。すなわち、制御装置９による自動制御下において滴下装置４４のモータ４４Ａを駆動させ、水道水等を供給する弁５１の開閉と連動して腐食防止剤を給液タンク４１に滴下することができる。
【００９０】
これにより、給液タンク４１には一定の濃度となるように腐食防止剤を純水に混合した水が、レーザピーニング加工用のレーザ光Ｌを対象物Ｏに照射した際に生じるプラズマを閉じ込めるための液体として蓄えられる。
【００９１】
次に制御装置９による制御下においてポンプ４５が駆動する。これにより、給液タンク４１に貯水された水が給液管４６に吐出される。ポンプ４５の駆動によって給液管４６に吐出された水の圧力は圧力レギュレータ４８で調整される。圧力が調整された水は複合流量調整弁４９及びベンチュリ計５０を経由してノズル４に供給される。ベンチュリ計５０では、給液管４６を流れる水の流量が計測される。そして、制御装置９によって、ベンチュリ計５０で計測された水の流量に基づく複合流量調整弁４９のフィードバック制御が行われる。
【００９２】
図１０は図９に示すベンチュリ計５０で計測された水の流量に基づく制御装置９による複合流量調整弁４９の制御アルゴリズムを示すフローチャートである。
【００９３】
まずステップＳ１において給液管４６を流れる水の流量がベンチュリ計５０で計測される。水の流量の計測値は制御装置９に出力される。次にステップＳ２の判定において、制御装置９では水の流量の計測値が上限値と下限値の間における範囲として定められた許容範囲内であるか否かが判定される。ステップＳ２の判定においてＹＥＳと判定された場合、すなわち制御装置９において水の流量の計測値が許容範囲内であると判定された場合には再びステップＳ１におけるベンチュリ計５０による水の流量の計測値の取得が続行される。
【００９４】
一方、ステップＳ２の判定においてＮＯと判定された場合、すなわち制御装置９において水の流量の計測値が許容範囲外であると判定された場合には、ステップＳ３において制御装置９による複合流量調整弁４９の制御が実行される。具体的には、複合流量調整弁４９の２ポート常時開制御弁５４が開いている状態において水の流量の計測値が上限値を超えていると判定された場合であれば、２ポート常時開制御弁５４を閉じる制御信号が制御装置９から出力され、２ポート常時開制御弁５４が閉じられる。逆に、複合流量調整弁４９の２ポート常時開制御弁５４が閉じている状態において水の流量の計測値が下限値未満であると判定された場合であれば、２ポート常時開制御弁５４を開く制御信号が制御装置９から出力され、２ポート常時開制御弁５４が開かれる。
【００９５】
例えば、２ポート常時開制御弁５４の開閉が機械式であれば、制御装置９から出力される制御信号によって移動するバー等の駆動機構によって２ポート常時開制御弁５４が開閉される。一方、２ポート常時開制御弁５４の開閉が電磁式であれば、制御装置９から出力される制御信号によって２ポート常時開制御弁５４が開閉される。
【００９６】
２ポート常時開制御弁５４が閉じられると、複合流量調整弁４９を流れる水の経路が２ポート常時開制御弁５４から可変絞り弁５３に変化する。可変絞り弁５３の開度は、予め許容範囲内の流量の水が流れるように調整される。これにより、可変絞り弁５３の開度に応じた許容範囲内における流量の水が複合流量調整弁４９から流れ出ることになる。逆に、２ポート常時開制御弁５４が開かれると、複合流量調整弁４９を流れる水の経路が可変絞り弁５３から２ポート常時開制御弁５４に変化する。これにより、水の流量が許容範囲内である場合には、流量を絞らずに水を流すことができる。
【００９７】
このようにして圧力及び流量が調整された腐食防止剤入りの水は、ナイロンチューブ等で構成される給液管４６を通って図４乃至図６に例示されるようにノズル４内に配置された配管１４の入口に流入する。また、図９に例示されるように、下流側における水の圧力及び流量の調整によってポンプ４５から過剰に圧送されることとなった上流側における水はバイパス管４７を通って給液タンク４１に戻される。
【００９８】
ノズル４内の配管１４に流入した水は、配管１４を通って出口から流出する。配管１４の出口から流出した水は、ノズル４の出口近傍における水路を通ってノズル４の出口からレーザピーニング加工の対象物Ｏに向けて噴射される。その結果、ノズル４の出口と対象物Ｏの表面との間には水柱が形成される。形成された水柱はレーザ光Ｌを伝播させる媒体として使用することができる。
【００９９】
続いて制御装置９による制御下において図３に例示されるような構成を有する光伝送系３及びレーザ発振器２によりレーザ光Ｌがノズル４に導かれる。すなわち、制御装置９による制御下において予めチラー２Ａで冷却されたレーザ発振器２からレーザ光Ｌが発振される。レーザ発振器２から平行ビームとして発振されたレーザ光Ｌは、光伝送系３を構成するミラー１９で反射しながら空気を伝播し、ビームエキスパンダ２０に入射する。
【０１００】
ビームエキスパンダ２０に入射したレーザ光Ｌはフォーカスレンズ２１で広がりを有するビームとなってノズル４に入射する。ノズル４に入射したレーザ光Ｌは図４及び図５に例示されるように集光レンズ１２に入射する。集光レンズ１２を経由したレーザ光Ｌは収束しながらプリズム１３に入射する。プリズム１３に入射したレーザ光Ｌは進行方向が水平方向から鉛直下方となってプリズム１３から出射する。
【０１０１】
プリズム１３の出射側は水路及び水柱となっている。このため、集光レンズ１２で集光されたレーザ光Ｌは収束しながら図２に例示されるように水柱を伝播して対象物Ｏに照射される。対象物Ｏにレーザ光Ｌが照射されるとプラズマが発生する。発生したプラズマは、ノズル４から噴射された水中に閉じ込められる。その結果、衝撃波の圧力が対象物Ｏの表面に付与され、レーザピーニング加工を行うことができる。
【０１０２】
このようなレーザピーニング加工は、制御装置９による制御下における駆動機構３３やロボット３１等の移動機構６で対象物Ｏを移動させながら行うことができる。すなわち、駆動機構３３の可動テーブル３２又はロボットアーム３０で対象物Ｏを移動させ、加工点を刻々と変化させながらレーザピーニング加工を行うことができる。特に、ノズル４から噴射させる水はノズル４内に配置された配管１４を流れるため、図５及び図６に例示されるように内歯車の内面のように狭い箇所であっても、ノズル４と干渉すること無く対象物Ｏを移動させることができる。
【０１０３】
そして、レーザピーニング加工装置１を用いて対象物Ｏの全ての加工点におけるレーザピーニング加工を行うことによって半製品又は製品を製造することができる。具体例として、内歯がレーザピーニング加工された内歯車のように複雑な形状を有する半製品又は製品を製造することができる。
【０１０４】
対象物Ｏに噴射された水は、液体回収系７で回収することができる。対象物Ｏが駆動機構３３の可動テーブル３２に固定されている場合であれば、対象物Ｏを収容する液体受け６０で水が回収される。液体受け６０で回収された水は排出口６１から排出され、樋６５を流れて回収タンク６４に流れ込む。他方、対象物Ｏがロボットアーム３０に固定されている場合であれば、ロボットアーム３０のワーキングゾーンに設置されている液体回収パン６２で水が回収される。液体回収パン６２で回収された水は排出口６３から排出され、樋６５を流れて回収タンク６４に流れ込む。
【０１０５】
回収タンク６４では、必要に応じてオイルスキマー７０による油の除去が行われる。その後、回収タンク６４に回収された水が廃棄又は再利用される。水を廃棄する場合には、回収タンク６４から排液タンク７１に水が導かれ、排液タンク７１から水が廃棄される。一方、水をレーザピーニング加工用の液体として再利用する場合には、回収タンク６４から循環用配管７２を介して純水器４０に水が戻される。
【０１０６】
尚、停電や地震が発生した場合には、安全システム８の作動によってレーザピーニング加工装置１を安全に停止することができる。例えば、停電が発生した場合であれば、無停電電源装置８１からレーザピーニング加工装置１の各装置に向けて電力を供給することができる。このため、レーザ発振器２等の安全性及び品質に影響を及ぼす装置を安全に停止させることができる。一方、地震が発生した場合には感震計８０で検出されるため、制御装置９による自動制御によってレーザ発振器２の電源等を非常停止することができる。
【０１０７】
（効果）
以上のようなレーザピーニング加工装置１及びレーザピーニング加工方法は、レーザピーニング加工用の液体の配管１４をノズル４内に配置するようにしたものである。このため、レーザピーニング加工装置１及びレーザピーニング加工方法によれば、ノズル４の干渉領域を低減させることができる。その結果、レーザピーニング加工の対象物Ｏが複雑な形状を有する場合であっても局所的にレーザピーニング加工を行うことが可能となる。
【０１０８】
そして、レーザピーニング加工によって、軸の圧入部や歯車のように接触する２つの物体間において相対滑りが繰返されることによって生じるフレッティング損傷、フレッティング摩耗、フレッティング腐食及びフレッティング疲労等の低減を図ることができる。また、レーザピーニング加工によって、歯車自体の疲労強度の向上も図ることができる。
【０１０９】
（第２の実施形態）
図１１は本発明の第２の実施形態に係るレーザピーニング加工装置に備えられるレーザ発振器、光伝送系及びノズルの上面図である。
【０１１０】
図１１に示された第２の実施形態におけるレーザピーニング加工装置１Ａでは、光伝送系３Ａの構成と制御装置９の詳細機能が第１の実施形態におけるレーザピーニング加工装置１と相違する。第２の実施形態におけるレーザピーニング加工装置１Ａの他の構成及び作用については第１の実施形態におけるレーザピーニング加工装置１と実質的に異ならないためレーザ発振器２、光伝送系３Ａ、ノズル４及び制御装置９のみ図示し、同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。
【０１１１】
第２の実施形態におけるレーザピーニング加工装置１Ａの光伝送系３Ａには、第１の実施形態における光伝送系３と同様なミラー１９及びビームエキスパンダ２０が設けられる他、シャッター１００、減衰器（アッテネータ）１０１、波長板１０２、光検出器（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）１０３及びビームプロファイラ１０４が設けられる。
【０１１２】
シャッター１００は、レーザ発振器２から発振されたレーザ光Ｌの光路を開閉する光学デバイスであり、シャッター１００を閉じるとレーザ光Ｌの光路を塞ぐことができる。減衰器１０１は、レーザ光Ｌの強度を減衰させる光学デバイスである。減衰器１０１の制御によって集光レンズ１２に入射するレーザ光Ｌの出力を適切なレベル（振幅）まで減衰させることができる。
【０１１３】
ミラー１９の一部は透過型のハーフミラー（ビームスプリッタ）１９Ａとされ、ハーフミラー１９Ａで分離したレーザ光Ｌの強度を検出できるように波長板１０２及びフォトダイオード等の光検出器１０３が配置される。図１１に示す例では、ハーフミラー１９Ａを透過したレーザ光Ｌの強度を検出できるように波長板１０２及び光検出器１０３が配置されているが、ハーフミラー１９Ａで反射したレーザ光Ｌの強度を検出できるように光検出器１０３等を配置するようにしても良い。
【０１１４】
このため、実質的に集光レンズ１２に入射するレーザ光Ｌの出力を光検出器１０３で検出することができる。光検出器１０３で検出されたレーザ光Ｌの出力の検出信号は制御装置９に出力される。そして、制御装置９は光検出器１０３で検出されたレーザ光Ｌの出力に基づいて光伝送系３Ａを制御できるように構成されている。
【０１１５】
図１２は図１１に示す光伝送系３Ａの制御装置９による制御アルゴリズムを示すフローチャートである。
【０１１６】
レーザピーニング加工中はレーザ光Ｌの出力を一定の範囲内に維持することが必要である。そこで、ステップＳ１０において光検出器１０３によりレーザ光Ｌの出力が検出され、光検出器１０３から制御装置９にレーザ光Ｌの出力の検出値が出力されると、ステップＳ１１において制御装置９はレーザ光Ｌの出力の検出値が上限値と下限値の間における範囲として定められた許容範囲内であるか否かを判定する。
【０１１７】
ステップＳ１１の判定においてＹＥＳと判定された場合、すなわち制御装置９においてレーザ光Ｌの出力の検出値が許容範囲内であると判定された場合には再びステップＳ１０における光検出器１０３によるレーザ光Ｌの出力の検出及び制御装置９へのレーザ光Ｌの出力の検出値の出力が続行される。
【０１１８】
一方、ステップＳ１１の判定においてＮＯと判定された場合、すなわち制御装置９においてレーザ光Ｌの出力の検出値が許容範囲外であると判定された場合には、ステップＳ１２において制御装置９による減衰器１０１の制御が実行される。具体的には、制御装置９は、光検出器１０３で検出されたレーザ光Ｌの出力の検出値に基づいて集光レンズ１２に入射するレーザ光Ｌの出力が許容範囲内となるように減衰器１０１を自動制御する。
【０１１９】
これにより、レーザピーニング加工中はレーザ光Ｌの出力を一定の範囲内に維持することができる。つまり、レーザピーニング加工中においてレーザ光Ｌの出力が許容範囲内となるように、光検出器１０３で検出されたレーザ光Ｌの出力の検出値に基づいて減衰器１０１をフィードバック制御することができる。
【０１２０】
また、減衰器１０１の調整によってもレーザ光Ｌの出力が許容値を超えた場合には、制御装置９による自動制御によってシャッター１００を閉じてレーザ光Ｌの伝播を遮断した後、レーザ発振器２を停止させることもできる。これにより、過剰な出力でレーザ光Ｌがレーザピーニング加工の対象物Ｏに照射される事態を回避することができる。
【０１２１】
また、レーザ光Ｌの出力が異常となった場合に限らず、レーザ光Ｌの形状が異常となった場合においてもレーザ光Ｌの伝播を自動的に遮断できるようにすることができる。その場合には、図１１に例示されるように、レーザ光Ｌの一部をハーフミラー１９Ａで分離し、ビームプロファイラ１０４に入射させることができる。ビームプロファイラ１０４で測定されたレーザ光Ｌの形状の測定結果を表す信号は、制御装置９に出力することができる。そして、制御装置９においてビームプロファイラ１０４で測定されたレーザ光Ｌの形状が異常であるか否かを自動判定し、レーザ光Ｌの形状が異常であると判定された場合には自動的にシャッター１００を閉じ、かつレーザ発振器２を停止させる自動制御を行うことができる。これにより、レーザ光Ｌの形状が異常となった場合においてもレーザ光Ｌがレーザピーニング加工の対象物Ｏに照射される事態を回避することができる。
【０１２２】
以上のような第２の実施形態におけるレーザピーニング加工装置１Ａは、レーザピーニング加工中においてレーザ光Ｌの出力が適切な範囲となるように自動制御できるようにしたものである。このため、第２の実施形態によれば、レーザピーニングの強度が適切な強度となるように自動調整することができる。その結果、レーザピーニング加工後における対象物Ｏの品質を良好に維持することができる。加えて、レーザ光Ｌの強度を自動調整しても強度が異常となった場合やレーザ光Ｌの形状が異常となった場合には、レーザ光Ｌの伝播を遮断することができる。
【０１２３】
（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。
【符号の説明】
【０１２４】
１、１Ａ…レーザピーニング加工装置、２…レーザ発振器、２Ａ…チラー、３、３Ａ…光伝送系、４…ノズル、５…液体供給系、６…移動機構、７…液体回収系、８…安全システム、９…制御装置、１０…操作パネル、１１…ケーシング、１２…集光レンズ、１３…プリズム、１４…配管、１５…アタッチメント、１６…着脱構造、１７…位置決め部材、１８…Ｏリング、１９…ミラー、１９Ａ…ハーフミラー（ビームスプリッタ）、２０…ビームエキスパンダ、２１…フォーカスレンズ、２２…キャスタ、２３…ケーシング、２４…ノズル台、３０…ロボットアーム、３１…ロボット、３２…可動テーブル、３３…駆動機構、３４…ロボット制御装置、３５…数値制御（ＮＣ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌ…ｃｏｎｔｒｏｌ）装置、４０…純水器、４１…給液タンク、４２…添加装置、４３…腐食防止剤タンク、４４…滴下装置、４４Ａ…モータ、４５…ポンプ、４６…給液管、４７…バイパス管、４８…圧力レギュレータ、４９…複合流量調整弁、５０…ベンチュリ計、５１…弁、５２…チェック弁（逆止弁）、５３…可変絞り弁、５４…２ポート常時開制御弁、６０…液体受け、６１…排出口、６２…液体回収パン、６３…排出口、６４…回収タンク、６５…樋、７０…オイルスキマー、７１…排液タンク、７２…循環用配管、８０…感震計、８１…無停電電源装置、９０…入力装置、９１…ディスプレイ、１００…シャッター、１０１…減衰器（アッテネータ）、１０２…波長板、１０３…光検出器（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ…Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、１０４…ビームプロファイラ、Ｏ…対象物、Ｌ…レーザ光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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