(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発するレーザ光源と、
表面硬化処理の対象とする被加工部材に前記レーザ光を集光する集光部と、
前記被加工部材の加工表面に水流を供給する水流伝送部と、
前記水流伝送部の内壁面に設けられ、前記加工表面からの音響を受信する音響センサと、
基準となるタイミングから前記音響センサが音響を受信するまでの測定時間幅を取得する時間幅取得部と、
前記測定時間幅に基づいて、前記水流伝送部および前記集光部の少なくともいずれかから前記加工表面までの距離を算出する距離算出部と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記レーザ光を検出する光検出部をさらに備え、
前記時間幅取得部は、前記光検出部からの信号を前記測定時間幅の取得のために用いることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記距離算出部は、前記時間取得部が取得した前記測定時間幅と、前記集光部と前記加工表面との距離が所定の基準距離のときの前記基準となるタイミングから前記音響センサが音響を受信するタイミングまでの基準測定時間幅との差に基づいて前記集光部から前記加工表面までの距離を算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記音響センサは音響感知部を備え、当該音響感知部が前記水流伝送部の内部を流れる前記水流に向けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記水流伝送部は、複数の管から水流を受け入れ可能に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記水流伝送部は、前記水流を整流する整流子を有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
既知の基準距離にレーザ光照射装置によりレーザ光照射を行ってから当該レーザ光照射により発生する音響を受信するまでの基準測定時間幅を取得する基準測定ステップと、
施工対象の複数の施工対象箇所のうちのいずれか１つを照射対象箇所に設定して前記レーザ光照射装置により前記レーザ光照射を行うとともに、前記水流伝送部の内壁面に設けられた音響センサが、当該レーザ光照射から当該レーザ光照射により発生する前記音響を受信するまでの測定時間幅を取得する照射ステップと、
前記基準距離、および前記照射ステップにおいて取得した測定時間幅と前記基準測定時間幅との差に基づいて前記レーザ光照射装置と前記照射対象箇所との距離を算出する距離算出ステップと、
を有することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項８】
前記距離算出ステップにおいて算出した前記距離が適正か否かを判定する距離判定ステップと、
前記距離判定ステップで適正と判定されない場合に、前記距離を修正の上前記照射ステップに戻る距離修正ステップと、
前記距離修正ステップで適正と判定された場合に前記照射ステップで前記レーザ光照射が行なわれた前記照射対象箇所に対応する前記施工対象箇所を施工済みと判定し、かつ前記施工対象箇所の全箇所が施工済みか否かを判定する施工判定ステップと、
前記施工判定ステップで前記全箇所が施工済みと判定されない場合に、前記施工対象箇所のうち施工済みと判定されていない箇所のいずれかを前記照射対象箇所に設定して、前記照射ステップに戻る移動ステップと、
をさらに有することを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工方法。
【請求項９】
時間幅取得部が、既知の基準距離についてレーザ光照射装置によるレーザ光照射から当該レーザ光照射により発生する音響を水流伝送部の内壁面に設けられた音響センサが受信するまでの基準測定時間幅を取得する基準測定ステップと、
前記レーザ光照射装置によりレーザ光照射を行い前記時間幅取得部が測定時間幅を取得する照射ステップと、
前記基準距離、および前記照射ステップにおいて取得した測定時間幅と前記基準測定時間幅との差に基づいて前記レーザ光照射装置と前記レーザ光照射の照射点との距離を算出する距離算出ステップと、
を有することを特徴とする距離測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、レーザ加工装置、レーザ加工方法および距離測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所等の高い安全性が要求されるプラントにおいては、定期点検時に、自動機器を用いて、炉内機器など人間がアクセス困難な機器にアクセスし、検査や表面改質、補修といった各種保全施工がなされている。その中でも、溶接部に残留している引張応力に起因したＳＣＣ（Ｓｔｒｅｓｓ  Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  Ｃｒａｃｋｉｎｇ）に対する対策として、その発生を効果的に防止できるレーザピーニング方法および装置が開発されている。
【０００３】
図４８は、レーザピーニングの原理を表す概念図である。パルス幅数ｎｓ程度のレーザ光１１ａを、集光部１２により直径１ｍｍ程度のスポットに集光して被加工部材１に照射すると、被加工部材１の表面がエネルギーを吸収してプラズマ化する。プラズマ４の周囲がレーザ光の波長に対して透明な液体６により覆われている場合、プラズマ４の膨張が妨げられてプラズマ４の内部圧力は数ＧＰａ程度に達し、被加工部材１に衝撃を加える。その際に強力な衝撃波７が被加工部材１および液体６に発生する。衝撃波７は、被加工部材１の内部に伝播して、塑性変形を引き起こして、加工点２の領域における残留応力を圧縮状態に変える。
【０００４】
レーザピーニングは、ショットピーニングやウォータジェットピーニング、超音波ショットピーニング等といった他のピーニング技術と比べて、加工硬化の材料強度依存性が小さく、被加工部材１の表面から１ｍｍ程度の板厚方向の内部まで及ぶ。また、加工時の反力がないため加工装置の小型化が容易であり、狭あい部への加工性に優れている。たとえば管内径が小さな対象物に対しても施工可能なレーザ加工装置およびレーザ加工方法が開発されている。
【０００５】
一般的にレーザピーニングは、プラズマ応力閉じ込め効果を得るため、被加工部材１を液体６中に設置したり、塗装を施したりする必要があった。そのため、施工環境の限定や手順の煩雑化などが問題となっていたが、気中環境でもレーザピーニングを可能とするような技術も開発されてきている。これは、被加工部材１へ水流を噴射し、その中にレーザを伝送させることで光路と加工点の局所的水密化を実現するもので、レーザピーニングの適用範囲を大きく拡大させる可能性を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４６９７６９９号公報
【特許文献２】特開２００５−３００１８２号公報
【特許文献３】特許第４８６８７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
レーザピーニングによって十分な応力改善効果を得るためには、レーザ光１１ａを被加工部材１に照射したときに、必要なエネルギーの衝撃波７を発生させるためには、照射表面でのエネルギーの密度を確保するために、スポット径が大きくなりすぎないように、スポット径をある大きさの範囲に制御する必要がある。これは、液中で行う場合、塗装の場合および水流噴射の場合に共通の事項である。
【０００８】
レーザ光１１ａのスポット径は、レーザ照射ヘッドに設けられた集光部１２から、被加工部材１までの距離に依存して変化する。したがって、この距離を所定の値となるように制御する必要がある。このためには、レーザ光１１ａが照射された位置すなわち被加工部材１の表面と、基準とする位置（たとえば集光部、光学ヘッド端面あるいはノズル先端等）との間の距離を正確に計測する必要がある。
【０００９】
距離の計測としては、例えば、加工点で発生する衝撃波を音響センサにより計測することで、レーザ光源から得られるトリガを始点、衝撃波が到達する時間を終点としたときの時間幅から、加工点と音響センサの距離を算出する技術が提案されている。
【００１０】
しかし、この技術は、少なくとも加工点から音響センサの間が連続的な液体に満たされていることを前提とした技術である。水流と併用したレーザピーニングでは、液中に存在する加工点を音源とし、衝撃波は液中を伝搬し、気液界面を通じて液中から気中に透過し、気中を伝搬して音響センサに到達するという経路をたどる。
【００１１】
液中と気中では音速が大きく異なるほか、水流では加工点に生じる液膜の厚さが変動するため、その変動が距離測定誤差となる。また、水流で発生する液体しぶきが音響センサに付着した場合にそれが測定距離誤差として現れる場合がある。また、一般的な計測技術としてレーザ距離計やカメラのステレオ視などが挙げられるが、水しぶきによって光学的なパスが遮られるもしくは歪められるため、実質的に計測は不可能である。このように、水流と併用したレーザピーニングの場合には、単純な衝撃波の時間計測や、光学的手段では、加工点と音響センサの距離を測定できない。
【００１２】
そこで、本発明の実施形態は、例えば水流と併用したレーザピーニングにおいても、安定して加工点と基準位置間の距離の測定を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の目的を達成するため、本実施形態に係るレーザ加工装置は、レーザ光を発するレーザ光源と、表面硬化処理の対象とする被加工部材に前記レーザ光を集光する集光部と、前記被加工部材の加工表面に水流を供給する水流伝送部と、前記水流伝送部の内壁面に設けられ、前記加工表面からの音響を受信する音響センサと、基準となるタイミングから前記音響センサが音響を受信するまでの測定時間幅を取得する時間幅取得部と、前記測定時間幅に基づいて、前記水流伝送部および前記集光部の少なくともいずれかから前記加工表面までの距離を算出する距離算出部と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本実施形態に係るレーザ加工方法は、既知の基準距離にレーザ光照射装置によりレーザ光照射を行ってから当該レーザ光照射により発生する音響を受信するまでの基準測定時間幅を取得する基準測定ステップと、施工対象の複数の施工対象箇所のうちのいずれか１つを照射対象箇所に設定して前記レーザ光照射装置により前記レーザ光照射を行うとともに、前記水流伝送部の内壁面に設けられた音響センサが、当該レーザ光照射から当該レーザ光照射により発生する前記音響を受信するまでの測定時間幅を取得する照射ステップと、前記基準距離、および前記照射ステップにおいて取得した測定時間幅と前記基準測定時間幅との差に基づいて前記レーザ光照射装置と前記照射対象箇所との距離を算出する距離算出ステップと、を有することを特徴とする。
【００１５】
また、本実施形態に係る距離測定方法は、時間幅取得部が、既知の基準距離についてレーザ光照射装置によるレーザ光照射から当該レーザ光照射により発生する音響を水流伝送部の内壁面に設けられた音響センサが受信するまでの基準測定時間幅を取得する基準測定ステップと、前記レーザ光照射装置によりレーザ光照射を行い前記時間幅取得部が測定時間幅を取得する照射ステップと、前記基準距離、および前記照射ステップにおいて取得した測定時間幅と前記基準測定時間幅との差に基づいて前記レーザ光照射装置と前記レーザ光照射の照射点との距離を算出する距離算出ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の実施形態によれば、例えば水流と併用したレーザピーニングにおいても、安定して加工点と基準位置間の距離の測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係るレーザ加工装置の水流伝送部まわりの構成を示す概念的立断面図である。
【図３】第１の実施形態に係るレーザ加工装置の集光距離調整部を含めた構成を示す概念的立断面図である。
【図４】第１の実施形態に係るレーザ加工装置の移動駆動部を含めた構成を示す概念的立断面図である。
【図５】第１の実施形態に係るレーザ加工装置の移動駆動部の変形例を含めた構成を示す概念的立断面図である。
【図６】第１の実施形態に係るレーザ加工装置の音響センサの受信波形イメージを示す波形図である。
【図７】時間幅演算の基準点の設定を説明する概念的グラフであり、（ａ）は好ましくない例、（ｂ）は好ましい例を示す。
【図８】第１の実施形態に係るレーザ加工装置における衝撃波の伝搬時間の算出を説明する概念的グラフである。
【図９】第１の実施形態に係るレーザ加工装置における衝撃波の伝搬時間の算出を説明する概念図である。
【図１０】第１の実施形態に係るレーザ加工方法の手順を示すブロック図である。
【図１１】被加工部材の加工点との距離が変化した場合を示す音響センサの受信波形イメージを示す波形図であり、（ａ）は変化前の信号、（ｂ）は変化後の信号である。
【図１２】第２の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す概念的立断面図である。
【図１３】第３の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す概念的立断面図である。
【図１４】第３の実施形態に係るレーザ加工装置による施工距離の測定を説明するための概念的立断面図である。
【図１５】第４の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す概念的立断面図である。
【図１６】第４の実施形態に係るレーザ加工装置の変形例の構成を示す概念的立断面図である。
【図１７】第５の実施形態に係るレーザ加工装置において音響センサが、濡れ性の低い表面処理を施された音響感知部を有する場合の構成を示す概念図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図１８】第５の実施形態に係るレーザ加工装置において音響センサが、外表面に濡れ性の高い表面処理を施された音響感知部を有する場合の構成を示す概念図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図１９】第５の実施形態に係るレーザ加工装置において音響センサが、外表面に全体として凸部の幾何学形状が形成された音響感知部を有する構成を示す概念図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図２０】第５の実施形態に係るレーザ加工装置において音響センサが、外表面に複数の凸部を含む幾何学形状が形成された音響感知部を有する構成を示す概念図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図２１】第５の実施形態に係るレーザ加工装置において音響センサが、外表面に全体として凹部の幾何学形状が形成された音響感知部を有する構成を示す概念図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図２２】第５の実施形態に係るレーザ加工装置において音響センサが、外表面に複数の凹部の幾何学形状が形成された音響感知部を有する構成を示す概念図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図２３】第６の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。
【図２４】第６の実施形態に係るレーザ加工装置の音響センサの構成を示す縦断面図である。
【図２５】第６の実施形態に係るレーザ加工装置の効果を説明するグラフである。
【図２６】第７の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す概念的立断面図である。
【図２７】第７の実施形態に係るレーザ加工装置における音響センサの取り付け状態の第１の変形例を説明する立断面図である。
【図２８】第７の実施形態に係るレーザ加工装置における音響センサの取り付け状態の第２の変形例を説明する立断面図である。
【図２９】第７の実施形態に係るレーザ加工装置における音響の第１の伝達経路を説明する立断面図である。
【図３０】第７の実施形態に係るレーザ加工装置における音響の第２の伝達経路を説明する立断面図である。
【図３１】第７の実施形態に係るレーザ加工装置の音響センサの受信波形イメージを示す波形図である。
【図３２】音響シューを水平方向を軸とする円柱形状とした場合の設置状態を示す図３３のＸＸＸＩＩ−ＸＸＸＩＩ矢視立断面図である。
【図３３】音響シューを円筒形状とした場合の設置状態を示す平断面図である。
【図３４】音響シューを平板形状とした場合の設置状態を示す図３５のＸＸＸＩＶ−ＸＸＸＩＶ矢視立断面図である。
【図３５】音響シューを平板形状とした場合の設置状態を示す平断面図である。
【図３６】音響シューをテーパ形状とした場合の設置状態を示す図３７のＸＸＸＶＩ−ＸＸＸＶＩ矢視立断面図である。
【図３７】音響シューをテーパ形状とした場合の設置状態を示す平断面図である。
【図３８】音響シューをコーン形状とした場合の設置状態を示す図３９のＸＸＸＶＩＩＩ−ＸＸＸＶＩＩＩ矢視立断面図である。
【図３９】音響シューをコーン形状とした場合の設置状態を示す平断面図である。
【図４０】音響シューを回転半楕円体形状とした場合の設置状態を示す図４１のＸＬ−ＸＬ矢視立断面図である。
【図４１】音響シューを回転半楕円体形状とした場合の設置状態を示す平断面図である。
【図４２】傾く音響センサを用いた場合の設置状態を示す図４３のＸＬＩＩ−ＸＬＩＩ矢視立断面図である。
【図４３】傾く音響シューを用いた場合の設置状態を示す平断面図である。
【図４４】第８の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す概念的立断面図である。
【図４５】第８の実施形態に係るレーザ加工装置の変形例の構成を示す概念的立断面図である。
【図４６】第８の実施形態に係るレーザ加工装置の整流子の構成を示す概念的斜視図である。
【図４７】第８の実施形態に係るレーザ加工装置の別の変形例の構成を示す概念的立断面図である。
【図４８】従来のレーザピーニングの原理を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置、レーザ加工方法および距離測定方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１９】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。レーザ加工装置（レーザ光照射装置）１００は、空気雰囲気などの気体雰囲気中の被加工部材１にレーザを照射して表面硬化処理を施す。レーザ照射は、それぞれ、施工対象である被加工部材１に定められた複数の施工対象箇所のうちのいずれか１つを照射対象箇所に選定して行なう。レーザ加工装置（レーザ光照射装置）１００は、レーザ光源１１、水流源２１、水流伝送部５、演算部３０、制御部４０、音響センサ１０、集光距離調整部５０（図３）、および移動駆動部９０（図４、図５）を有する。水流伝送部５には、被加工部材１に照射されるレーザ光１１ａを収束させるための集光部１２が取り付けられている。
【００２０】
レーザ光源１１は、レーザ光を発する。ここでレーザ光は、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、チタンサファイアレーザ、アレキサンドライトレーザ、ルビーレーザ、ファイバレーザ、色素（ダイ）レーザおよびエキシマレーザなどが挙げられ、これ以外のレーザ光源でも、被加工部材に必要なエネルギーを与えられるものであれば他のレーザでもよい。レーザ光源１１は、連続波の発生またはパルス波の発生のいずれの方式でもよい。また、複数台から被加工部材１の同一箇所に供給してもよい。
【００２１】
集光部１２は、レーザ光を被加工部材１の加工表面における加工点２に集光させる。集光部１２は、たとえば、単独の凸レンズ、あるいは２つ以上の凸レンズもしくはその他レンズとの組合せでもよい。また、凸レンズは平凸レンズ、両凸レンズもしくは非球面レンズでもよい。あるいは、その他のレンズとしては、平凹レンズ、両凹レンズ、シリンドリカルレンズなどでもよい。あるいは、集光部１２は、凹面鏡を用いてもよい。
【００２２】
集光部１２までレーザ光を伝送する手段としては、ミラーやレンズによる空間伝送、ファイバによるファイバ伝送、もしくはその組合せ等が考えられる。レーザ光のプロファイル均一化のためにホモジナイザやアパーチャ等を用いてもよい。また、強度調整のために、λ／２波長板や、ポラライザ、ビームスプリッタ、ハーフミラー等を用いてもよい。また、以上に述べたそれぞれの光学系要素は、レーザの波長に応じて反射率や透過率を変化させるコーティングがなされていてもよい。
【００２３】
水流源２１は、被加工部材１にレーザ光１１ａが照射されている間、被加工部材１の表面に部分的な液中環境を発生させるための水流を形成するため水を供給する。水流源２１は、たとえば、水圧源からオンオフ弁を介する方式でもよい。あるいは、ピストンによる供給源でピストンを移動させる方式でもよい。
【００２４】
水流伝送部５は、筒状で、上流側は、水流源２１に接続され、出口側は開放されている。水流伝送部５は、気泡を巻き込まず被加工部材１まで水流を導き、被加工部材１に液体を噴射する。また、水流伝送部５には集光部１２がとりつけられているが、水流伝送部５の出口での水流の影響を受けないよう、集光部１２は、出口から所定の距離以上、上流に取り付けられている。
【００２５】
ここで用いる液体は、空気中で発火せず、レーザ光の伝搬を妨げない特性をもつもの、たとえば、純水や市水、ホウ酸水等の水溶液を使用できる。この際、全波長に対して透明な液体は限られるため、液体とレーザ光の波長の相性すなわち透過率の高さを考慮してそれぞれを選択する必要がある。減衰率がある程度高くとも、所定の距離を伝搬した後に十分な強度が得られる組合せであれば、それを使用できる。また、水流の周囲を不活性ガス雰囲気とすることで、空気中で発火性のある液体、たとえば、アルコール類や油類なども使用可能である。
【００２６】
ここでは代表例として、雰囲気を空気、液体を一般的な市水とした場合を想定する。ここでは、レーザ光と水流が同軸の場合を示しているが、被加工部材１の加工点２で部分的な水膜が得られるのであれば、水流とレーザ光は別軸でもよい。ここで、加工点２は、被加工部材１の表面で、レーザ光の照射ごとに加工対象となる部分をいうものとする。
【００２７】
音響センサ１０は、水流伝送部５との相対的な位置関係が一定となるように、例えば水流伝送部５に固定されており、被加工部材１の加工点２で発生した衝撃波を音波（音響）として検出可能に構成される。音響センサ１０は、音波を受けて検出する部分すなわち音響感知部１０ａが被加工部材１側に向く方向に取り付けられている。音響センサ１０の出力は、演算部３０に入力される。
【００２８】
音響センサ１０は、一般的な圧電素子を用いた空中超音波計測用の探触子である。ただし、これに限定されない。たとえば、防水スピーカ、ダイヤフラム面にレーザを照射する振動計など、測定したい衝撃波の帯域が受信できるセンサであれば、音響センサ１０として使用できる。なお、水流伝送部５に対する相対位置を予め定めた所定の位置に設定できる場合、音響センサ１０を水流伝送部５以外の部材に固定することも可能である。
【００２９】
演算部３０は、時間幅取得部３１および距離算出部３２を有する。
【００３０】
時間幅取得部３１は、ある基準時刻Ｔｉから被加工部材１の加工点２で発生した衝撃波が音響センサ１０に到達する時刻Ｔｅまでの時間幅Ｔｗを取得する。時間幅取得部３１は、音響センサ１０から得たアナログ信号をデジタル化する手段を有しており、一般的にデジタルオシロスコープと呼称される計測器や、ＡＤ変換器を組み込んだパーソナルコンピュータ、もしくはそれに類する専用装置と接続したパーソナルコンピュータ、およびそれらの組合せでもよい。時間幅取得部３１は、レーザ光１１ａを発振するレーザ光源１１や、水流形成に必要な水圧を発生させる水流源２１と接続し、お互いの信号をやりとりすることもできる。
【００３１】
距離算出部３２は、時間幅取得部３１が測定した伝搬時間に基づいて、加工点２と音響センサ１０との間の距離を算出する。ここで、レーザ加工装置（レーザ光照射装置）１００の代表箇所、たとえば水流伝送部５の先端と、目的とする加工点２との間の距離を、施工距離と呼び施工距離Ｄ０で表示することとする。また、加工点２と音響センサ１０の音響感知部１０ａとの間の距離を伝搬距離と呼び伝搬距離Ｄｐで表示することとする。さらに、集光部１２と加工点２との間の距離を集光距離と呼び集光距離Ｄｆで表示することとする。伝搬距離Ｄｐや集光距離Ｄｆを測定または算出することで、レーザ光照射装置であるレーザ加工装置１００と加工点２との間の距離（施工距離Ｄ０）を得ることができる。
【００３２】
制御部４０は、レーザ光源１１、水流源２１、水流伝送部５、演算部３０、集光距離調整部５０（図３参照）および移動駆動部９０（図４参照）と信号の授受を行いこれらの各部相互間の協調をとるが、レーザ光源１１、水流源２１、演算部３０、集光距離調整部５０および移動駆動部９０は、それぞれ単独で出力等の設定値やＯＮ／ＯＦＦを調整することもできる。
【００３３】
図２は、水流伝送部まわりの構成を示す概念的立断面図である。被加工部材１は、水流伝送部５の鉛直上方にあり、水流５ａは、鉛直上方に向かっている。なお、実施形態は、被加工部材１は、水流伝送部５の鉛直上方にある場合を示しているが、これには限定されない。すなわち、被加工部材１は、水流伝送部５の横方向にあってもよいし、あるいは、鉛直下方にある場合でもよい。
【００３４】
水流伝送部５から被加工部材１に向かう水流５ａの中で、レーザ光１１ａも同じ方向に向かっている。レーザ光１１ａは、水流伝送部５の中に設けられた集光部１２により被加工部材１に向かって収束する。加工点２におけるレーザ光１１ａの照射密度を所定の値以上とするには、集光部１２の位置と加工点２との間の集光距離Ｄｆを、Ｆ−ΔＦ＜Ｄｆ＜Ｆ＋ΔＦという条件を満たすようにする、すなわち所定の範囲内とする必要がある。ただし、Ｆは焦点距離、ΔＦは所定の幅である。なお、適切な位置に集光部１２を配するために、集光距離Ｄｆは、後述する集光距離調整部５０により調整可能に構成されている。
【００３５】
このため、集光距離Ｄｆそのもの、あるいは、集光距離Ｄｆを算出可能な距離を測定する必要がある。音響センサ１０は、レーザ光１１ａが加工点２に到達したときに発生する衝撃波を検出する。
【００３６】
図３は、集光距離調整部を含めた構成を示す概念的立断面図である。集光距離調整部５０は、集光部１２の光軸方向の位置を調整する。集光部１２と被加工部材１との距離を適切な範囲に維持するために、集光距離調整部５０を用いて調整可能に構成されている。この際、予め測定した被加工部材１の形状と集光部１２の位置関係から調整距離を予測してもよいし、実測された伝搬距離Ｄｐや集光距離Ｄｆの結果をフィードバックしてそれぞれが最適な距離となるよう、逐次調整してもよい。
【００３７】
図４は、移動駆動部を含めた構成を示す概念的立断面図である。移動駆動部９０は、拘束部９１、アーム９２、関節９３、および動力部９５を有する。動力部９５は、外部から固定支持されている。関節９３は、動力部９５により角度が変化する。このため、アーム９２の方向が変化し、拘束部９１で結合されている水流伝送部５に取り付けられた集光部１２および音響センサ１０が移動する。この結果、水流伝送部５、音響センサ１０および集光部１２と、被加工部材１との間隔が変化する。
【００３８】
また、移動駆動部９０は、被加工部材１の加工表面において順次移動させるべき加工点２の位置に合わせて、水流伝送部５およびこれに取り付けられた集光部１２、音響センサ１０等を移動させる。
【００３９】
図５は、移動駆動部の変形例の構成を示す概念的立断面図である。この変形例の場合は、移動駆動部９０の動力部９５は、被加工部材１に固定されている。本変形例の場合も、移動駆動部９０により水流伝送部５および音響センサ１０と、被加工部材１との間隔、および加工点２の移動に対応した位置が変化する。なお、動力的には、移動駆動部９０により水流伝送部５および音響センサ１０と、被加工部材１との間隔を、人力によって調整する機構であってもよい。
【００４０】
次に、以上のように構成された本実施形態に係るレーザ加工装置１００の作用について説明する。
【００４１】
被加工部材１の加工点２に照射されたレーザ光１１ａは、アブレーション現象、すなわち、プラズマの発生とともに被加工部材１の表面の構成物質が爆発的に放出される現象を引き起こす。この結果、加工点２を音源とした衝撃波が発生する。この衝撃波は、加工点２に作用することにより加工点２に圧縮応力を付与する。
【００４２】
発生した衝撃波は、先ず液中で伝搬する。また、液中から気液界面を通じて気中に透過し、気中を伝搬し、音響センサ１０に至れば音響センサ１０により受信される。
【００４３】
図６は、音響センサの受信波形イメージを示す波形図である。横軸は時間であり、発振周期ごとにその開始点を０としている。縦軸は、受信波形として音響センサが捉えた電圧値である。図中のＴｉは、時間幅の基準となるタイミングである。
【００４４】
図７は、時間幅演算の基準点の設定を説明する概念的グラフであり、（ａ）は好ましくない例、（ｂ）は好ましい例を示す。図７の横軸は時間の全体の流れ、縦軸は図６と同様に電圧値である。複数の破線は、それぞれの発信の開始タイミングを示す。また、実線で示すＴｉは、基準のタイミングを示す。図７（ａ）では、破線で示すタイミングと実線で示すＴｉのタイミングの関係が一定ではない。図７（ｂ）では、破線で示すタイミングと実線で示すＴｉのタイミングの関係が一定であり、基準のタイミングＴｉはこのような条件を満たす信号とすることが望ましい。
【００４５】
たとえば、１０Ｈｚのレーザであれば、１周期である１００ｍｓの中に少なくとも１回はＴｉのタイミングが存在し、レーザ発振時刻を０ｍｓとすれば、Ｔｉは０ｍｓ以上１００ｍｓ未満の間で選択され、なおかつ、定まった値とすることが望ましい。Ｔｉの信号を得るための信号源としては、レーザ光源１１からのＱスイッチタイミング、レーザ光１１ａのパルス繰り返し周波数からの推定した設定信号などを用いることができる。
【００４６】
図６のＴｅは、衝撃波の到達時刻である。その時刻の決め方としては、例えば信号強度があるしきい値を超えた時刻を採用するしきい値判定、ある波形のピーク時刻を採用するピーク判定、ゼロ点と交わる時刻を採用するゼロクロス法、基準となる波形との相互相関をとる手法などを用いて得ることができる。図６ではピーク判定を用いた場合を示している。
【００４７】
時間幅Ｔｗは、時刻Ｔｅから時刻Ｔｉを減じた時間幅である。たとえば、Ｔｉを、レーザの発光タイミングに合わせたとすると、得られるＴｗは、ほぼ、レーザ光が加工点作用してから、音響センサ１０に衝撃波が到達するまでの時間を表す。すなわち、衝撃波の伝搬時間となる。ここで、発光タイミングは、たとえば、レーザ光源１１への指令信号が発せられるタイミングなどを用いることができる。
【００４８】
図８は、衝撃波の伝搬時間の算出を説明する概念的グラフである。また、図９は、衝撃波の伝搬時間の算出を説明する概念図である。ここで、Ｔｉは、レーザの発光タイミングである場合であるとして以下説明する。
【００４９】
時間幅Ｔｗは、図８に示すように、衝撃波が液中を伝搬する時間ＴＬと、衝撃波が気中に出て気中を伝搬する時間ＴＧとの合計である。経験的に、音響センサ１０が衝撃波として有意に検知する信号は、加工点２から発して、液中を最短で抜けた後に気中を伝搬してくるものが主体であると考えられる。すなわち、図９において、加工点２から発した衝撃波すなわち衝撃により発生した音波は、水柱の径Ｒの距離を伝搬して後、気中の距離Ｌを伝搬し、音響センサ１０に到達する。これが、図９の伝搬時間となって現れていると考える。
【００５０】
したがって、液中の伝搬時間ＴＬは、次の式（１）で与えられる。ただし、ＶＬは音波の液中での伝搬速度である。
ＴＬ＝Ｒ／ＶＬ                …（１）
【００５１】
この結果、ＴＧが次の式（２）により求められ、伝搬距離Ｄｐが式（３）により算出できる。ただし、ＶＧは、気中の音波の伝搬速度である。
ＴＧ＝ＴＷ−ＴＬ                …（２）
Ｄｐ＝Ｌ＋Ｒ＝ＴＧ・ＶＧ＋Ｒ              …（３）
【００５２】
音響センサ１０と、水流伝送部５および集光部１２などとの相対的な位置関係は既知であるので、このように、伝搬距離Ｄｐがわかれば、加工点２と集光部１２との間の距離である集光距離Ｄｆあるいは、加工点２とレーザ加工装置１００の代表箇所との距離である施工距離Ｄ０の算出が可能である。
【００５３】
図１０は、第1の実施形態に係るレーザ加工方法の手順を示すブロック図である。
【００５４】
加工点２とレーザ加工装置１００との位置関係が既知の場合の、伝搬距離Ｄｐを基準距離とする。なお、基準距離を伝搬距離Ｄｐではなく、集光距離Ｄｆあるいは施工距離Ｄ０についての距離としてもよい。まず、この基準距離について基準測定時間幅を取得する（ステップＳ０１）。次に、被加工部材１の照射対象箇所である加工点２にレーザ光１１ａを照射する（ステップＳ０２）。レーザ光照射ごとに発生する衝撃波の伝搬時間を取得し、伝搬距離Ｄｐを算出する（ステップＳ０３）。
【００５５】
次に、伝搬距離Ｄｐから、判定対象の集光距離Ｄｆおよび施工距離Ｄ０を算出し、集光距離Ｄｆが適正な範囲か否かを判定する（ステップＳ０４）。集光距離Ｄｆが適正な範囲であると判定しなかった場合（ステップＳ０４  ＮＯ）には、集光距離調整部５０を用いて集光距離Ｄｆを修正し（ステップＳ０５）、その上で、ステップＳ０２以降を繰り返す。適正な範囲であると判定した場合（ステップＳ０４  ＹＥＳ）には、照射対象箇所である加工点２について施工が完了した（施工済）と判定する。そして、被加工部材１に設定された複数の施工対象箇所の全個所が施工済か否かを判定する（ステップＳ０６）。施工済みと判定した場合（ステップＳ０６  ＹＥＳ）は、レーザ加工を終了とする。
【００５６】
施工済みではないと判定した場合（ステップＳ０６  ＮＯ）には、被加工部材１に設定された複数の施工対象箇所のうち施工済みと判定されていない箇所のいずれかを照射対象個所に設定して、すなわち加工点２を施工済でない箇所に移動して（ステップＳ０７）、その上で、ステップＳ０２以降を繰り返す。
【００５７】
図１１は、被加工部材の加工点との距離が変化した場合を示す音響センサの受信波形イメージを示す波形図であり、（ａ）は変化前の信号、（ｂ）は変化後の信号である。加工点２を移動したことにより、たとえば、レーザ加工装置１００と被加工部材１の加工点２との距離、すなわち施工距離Ｄ０が大きくなった場合を考える。
【００５８】
この場合、基準となる図１１（ａ）の場合の基準時間幅Ｔｗｉと比べて、音響センサ１０への衝撃波の到達時間がｄＴｗだけ遅れた、すなわち伝搬時間がｄＴｗ増加したとする。施工距離が変化しても水柱の径Ｒはほとんど変化しないため、伝搬時間の増加分ｄＴｗは、ほぼ、純粋な気中距離の変化に起因する時間変化分であるとみなせる。したがって、ｄＴｗに気中の音波の伝搬速度ＶＧを乗じた値が、伝搬距離の増加分ｄＤとなり、伝搬距離Ｄｐは、基準距離Ｄｐ０に増加分ｄＤを加えた（Ｄｐ０＋ｄＤ）により算出される。
【００５９】
なお、水柱の径Ｒのバラつきは、求めようとする伝搬距離Ｄｐ、集光距離Ｄｆおよび施工距離Ｄ０の測定分解能より小さくなるように制御可能に構成することが望ましい。具体的には、水流源２１での脈動の抑制、水流伝送部５に至る経路における旋回流の発生の抑制などにより低減する。
【００６０】
以上のように、本実施形態におけるレーザ加工装置による水流と併用したレーザピーニングでは、安定して加工点と基準位置間の距離の測定が可能となる。
【００６１】
［第２の実施形態］
図１２は、第２の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す概念的立断面図である。本実施形態は第１の実施形態の変形である。本実施形態におけるレーザ加工装置１００は、光検出部１３を有する。
【００６２】
一定周期の繰り返しであっても、レーザの発振には数μｓ程度のジッタ、すなわち揺らぎ、乱れが存在することがある。光検出器１３を用いて実際の発光タイミングを検知し、その検知信号のタイミングをＴｉとすることにより、伝搬距離Ｄｐひいては集光距離Ｄｆの測定の精度を向上することができる。
【００６３】
［第３の実施形態］
図１３は、第３の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す概念的立断面図である。本実施形態は第１の実施形態の変形である。本実施形態におけるレーザ加工装置１００は、２つの音響センサ１５ａ、１５ｂを有する。なお、音響センサの数は、３つ以上でもよい。
【００６４】
図１４は、施工距離の測定を説明するための概念的立断面図である。今、加工点２から、衝撃波が発せられ、２つの音響センサ１５ａ、１５ｂに到達する。音響センサ１５ａへの伝搬時間から算出された加工点２と音響センサ１５ａの受信部分との距離をＤ１とする。これから推定できるのは、音響センサ１５ａの受信部分から半径Ｄ１の球面上に加工点２が存在するということである。同様に、音響センサ１５ｂへの伝搬時間から算出された加工点２と音響センサ１５ｂの受信部分との距離をＤ２とする。これから推定できるのは、音響センサ１５ｂの受信部分から半径Ｄ２の球面上に加工点２が存在するということである。
【００６５】
この結果、加工点２は、音響センサ１５ａの受信部分から半径Ｄ１の球面と、音響センサ１５ｂの受信部分から半径Ｄ２の球面との交線上に存在することが推定される。この交線上の点は無数に存在するが、この交線が被加工部材１の表面に接する点を、加工点２と推定することができる。交線と被加工部材１の表面が接する状態にはなく、離れている場合は、最も近接している点を加工点２と推定できる。あるいは、交線と被加工部材１の表面が交差している場合は、交線が被加工部材１を貫通する２点の中間点を加工点２と推定することができる。
【００６６】
水流５ａの角度が予期せず変化した場合は、通常の算出した伝搬距離Ｄｐに基づいて集光距離Ｄｆおよび施工距離Ｄ０を算出することは、誤った結果をもたらす。複数の音響センサを用いて測定した結果から加工点２の位置を求めることにより、３次元空間内で正確な集光距離Ｄｆおよび施工距離Ｄ０を算出することができる。
【００６７】
なお、音響センサ１０が３つであれば、３次元空間において、交点が１点のみ決まり、精度よく加工点２の位置を特定することができる。
【００６８】
［第４の実施形態］
図１５は、第４の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す概念的立断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第４の実施形態に係るレーザ加工装置１００は、音響センサ１０に被加工部材１から跳ね返った水しぶきが、音響センサ１０の音響感知部１０ａに掛かることを防止する水しぶき付着防止部６０を有する。
【００６９】
水しぶき付着防止部６０は、具体的には、図１５に示すように保護カバー６１を用いることができる。保護カバー６１は、音響センサ１０に水しぶきが飛来する方向について音響センサ１０の音響感知部１０ａを覆うように形成される。
【００７０】
図１６は、第４の実施形態に係るレーザ加工装置の変形例の構成を示す概念的立断面図である。本変形例においては、レーザ加工装置１００は、水しぶき付着防止部６０として、エアブロア６２を有する。エアブロア６２は、音響センサ１０に水しぶきが飛来する方向に向いて、飛来する水しぶきを吹き飛ばして音響センサ１０の音響感知部１０ａへの水しぶきの付着を防止する。
【００７１】
音響センサ１０の音響感知部１０ａに水しぶきが付着して、音響感知部１０ａの表面に液膜が生ずると、時間遅れをもたらす要因となる。また、液膜の厚みが変化すれば感度の変化を招く。以上のような構成による本第４の実施形態あるいはその変形におけるレーザ加工装置１００では、音響感知部１０ａへの水しぶきの付着が防止されるので、水しぶきによる感度の変化等の問題が生じない。
【００７２】
［第５の実施形態］
本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第５の実施形態における音響センサ１０は、被水影響緩和部７０を有する。被水影響緩和部７０は、水流５ａが被加工部材１に衝突して生ずる水しぶきが音響センサ１０の音響感知部にかかることによる音響センサ１０の感度の変化を防止するために設けられている。
【００７３】
以下に、被水影響緩和部７０の具体的な例を示すが、大別すると、音響感知部の表面状態の処理による場合と、音響感知部に特別な幾何学的を付加する場合とがある。なお、音響感知部の表面状態の処理と特別な幾何学的の付加の両者を組み合わせてもよい。
【００７４】
図１７は、音響センサ１０が、濡れ性の低い表面処理を施された音響感知部１０ｂを有する場合の構成を示す概念図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。濡れ性の低い表面処理としては、たとえば、表面に疎水性の高い材料（油等）をコーティングする方法、あるいは疎水性の高い表面パターン（ハスの葉表面等の細かい凸が並んだパターン）加工を施す方法などをもちいることができる。このため、音響感知部１０ｂの表面が水しぶきによる水５ｂに覆われることはなく、感度の変化等の問題が生じない。
【００７５】
図１８は、音響センサ１０が、外表面に濡れ性の高い表面処理を施された音響感知部１０ｃを有する場合の構成を示す概念図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。濡れ性の向上は、たとえば、表面に親水性の高い材料（酸化チタン等）をコーティングする方法、あるいは疎水性の高い表面パターン加工、もしくは疎水性と親水性の高いパターン加工を交互に施す等といった方法を用いることができる。このため、水しぶきによる水５ｂが音響感知部１０ｃに到来しても、親水性コーティングにより液膜の厚みが変化しないため音響感知部１０ｃの表面が安定して水５ｂに覆われ、液膜が生じることで多少の時間遅れが生じたとしても感度の変化等の問題が生じないようにしている。
【００７６】
図１９は、音響センサ１０が、外表面に全体として凸部の幾何学形状が形成された音響感知部１０ｄを有する構成を示す概念図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。音響感知部１０ｄが、全体として凸状に形成されていることによって、音響感知部１０ｄの表面に水しぶきが来ても、水５ｂが残らないように形成されている。このため、感度の変化等の問題が生じない。
【００７７】
図２０は、音響センサ１０が、外表面に複数の凸部を含む幾何学形状が形成された音響感知部１０ｅを有する構成を示す概念図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。音響感知部１０ｅが、複数個所で凸状に形成されていることによって、音響感知部１０ｅの表面に水しぶきが来ても、残留する水５ｂが僅かであり、感度の変化等が小さく抑えられる。
【００７８】
図２１は、音響センサ１０が、外表面に全体として凹部の幾何学形状が形成された音響感知部１０ｆを有する構成を示す概念図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。音響感知部１０ｆが、全体として凹状に形成されていることによって、音響感知部１０ｆの表面に安定して水５ｂが溜まるため、感度の変化等の問題が生じない。
【００７９】
図２２は、音響センサ１０が、外表面に複数の凹部の幾何学形状が形成された音響感知部１０ｇを有する構成を示す概念図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。音響感知部１０ｇが、複数個所で凹状に形成されていることによって、音響感知部１０ｇの表面に安定して水５ｂが溜まるため、感度の変化等の問題が生じない。
【００８０】
［第６の実施形態］
図２３は、第６の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態に係るレーザ加工装置の音響センサ１０は、外部環境影響緩和部８０を有する。音響センサ１０の動作に影響する外部影響としては、機械的振動、音響的ノイズ、あるいは電気的ノイズ等がある。
【００８１】
外部環境影響緩和部８０は、機械的振動抑制部８０ａ、音響的ノイズ低減部８０ｂ（図２４）、および電気的ノイズ低減部８０ｃを有する。
【００８２】
機械的振動抑制部８０ａは、音響センサ１０と、音響センサ１０が取り付けられる水流伝送部５との間に設けられている。機械的振動抑制部８０ａは、たとえば、ゴム等のダンパ材、もしくはバネ等から構成される。
【００８３】
電気的ノイズ低減部８０ｃは、音響センサ１０が受信した信号を伝送するケーブルにシールド処理を施す部分である。なお、電気的ノイズの低減、抑制は、その他、安定化電源等を用いた装置を有する電源安定化措置などにより行うことができる。
【００８４】
図２４は、音響センサの構成を示す縦断面図である。音響センサ１０は、音響感知部１０ａである前面板８ｂと圧電振動子８ｄと、圧電振動子８ｄを前後に挟む電極８ｃ、８ｆと、前面板８ｂを支持し圧電振動子８ｄおよび電極８ｃ、８ｆを収納する筐体８ａを有する。また、音響センサ１０には、圧電振動子８ｄおよび電極８ｃ、８ｆと、筐体８ａとの間には、音響的ノイズ低減部８０ｂが設けられている。音響的ノイズ低減部８０ｂは、機械的振動抑制部８０ａを兼ねて音響センサ１０の外部に設けてもよい。
【００８５】
音響的ノイズは、このように、音響センサの内部もしくは外部にダンパを取り付けることで、所望の周波数以外の帯域をカットオフし音響センサの周波数帯域を狭帯域化させる方法がある。
【００８６】
ノイズの除去としては、更には、音響信号に、音響センサ１０からの信号回路または演算部３０においてフィルタリングを施すことにより、衝撃波と関係しないノイズを低減可能である。このフィルタリングには、バンドパスフィルタ、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、バンドエリミネーションフィルタ、加算平均、移動平均などがあり、多点で測定した信号を用いた開口合成などの画像化を行ってもよい。
【００８７】
特に、電気ノイズは前述のように、電源の安定化と、シールド処理というハードウエアでの対策が必須だが、ノイズ自体は不規則であるため、回路やプログラム上でのフィルタリングも有効である。
【００８８】
図２５は、本実施形態に係るレーザ加工装置の効果を説明するグラフである。横軸は音の周波数、縦軸は音の強度である。実線で示す衝撃波は音響センサ１０が信号としてとらえるものであるが、破線で示す音のノイズ（騒音ノイズ）を含んでいる。
【００８９】
この場合、図２５の帯域Ａは、騒音の中心周波数帯域であり、受信した信号のほとんどが騒音ノイズである。一方、たとえば、周波数が帯域Ｂの場合、衝撃波の中心周波数帯域に近く、かつ、騒音の強度が低くなっている帯域である。このような、場合、騒音の中心周波数帯域である帯域Ａを避け、衝撃波の強度が残っている帯域Ｂ近傍に、処理対象の帯域を狭帯域する方法がとれる。衝撃波自体は広帯域な特性をもつため、このような狭域化は十分可能である。
【００９０】
以上のように、ノイズを低減することにより、音響センサ１０で受信する信号の精度が向上し、時間幅の評価の精度の向上を図ることができる。
【００９１】
［第７の実施形態］
図２６は、第７の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す概念的立断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。ここで、水流伝送部５の先端から音響センサ面１０ａまでの距離をＤｓとする。本実施形態に係るレーザ加工装置においては、音響センサ１０が、水流伝送部５の内壁面に設置されている。また、音響センサ１０のセンサ面は、内壁面に向いている。ただし、音響センサ１０の取り付け状態はこれに限定されず、たとえば、次の図２７、図２８に示すような状態であってもよい。
【００９２】
図２７は、音響センサの取り付け状態の第１の変形例を説明する立断面図である。音響センサ１０は、水流の流れる方向にセンサ面を向けて設置されている。また、図２８は、音響センサの取り付け状態の第２の変形例を説明する立断面図である。音響センサ１０は、導波路が確保されるように、水流伝送部５の内壁面の一部を削った部分に設けられている。
【００９３】
図２９は、音響の第１の伝達経路を説明する縦断面図である。また、図３０は、音響の第２の伝達経路を説明する縦断面図である。音響センサ１０への音響伝搬経路は、図２９に示すような完全水中と、図３０に示すような水流伝送部５までは水中を伝搬し、水流伝送部到達後は水流伝送部５の内壁を表面波として伝搬し、最終的に音響センサ１０に到達するものが考えられる。
【００９４】
完全水中伝搬の場合、加工点から音響センサまでの到達に要する時間ＴＷは全てＴＬであり、伝搬距離Ｄｐは次の式（４）で与えられる。
Ｄｐ＝ＴＬ＊ＶＬ                …（４）
【００９５】
Ｄｓは既知であるため、次の式（５）より施工距離Ｄ０が計算可能となる。
Ｄ０＝Ｄｐ―Ｄｓ                …（５）
【００９６】
水流伝送部内壁を表面波として伝搬する場合、Ｔｗは式（６）で与えられる。
Ｔｗ＝ＴＬ＋Ｔｓ                …（６）
【００９７】
ここで、Ｔｓは表面波の伝搬時間である。ここで、Ｔｓは式（７）で与えられる。
Ｔｓ＝Ｄｓ／Ｖｓ                …（７）
【００９８】
ここで、Ｖｓは表面波の音速でありＤｓとともに既知である。その結果、式（８）でＴＬが求められる。
ＴＬ＝Ｔｗ−Ｔｓ                …（８）
【００９９】
その結果、式（９）により施工距離Ｄ０が得られる。
Ｄ０＝ＴＬ／ＶＬ                …（９）
【０１００】
これらにより、本実施形態においても施工距離Ｄ０が算出可能である。
【０１０１】
図３１は、第７の実施形態に係るレーザ加工装置の音響センサの受信波形イメージを示す波形図である。横軸は発振周期ごとにその開始点を０とした時間、縦軸は、受信波形として音響センサが捉えた電圧値である。発信後、第１の衝撃波が到達し、続いて第２の衝撃波が到達する。
【０１０２】
第１の衝撃波は、途中から表面波として伝搬する場合に対応し、第２の衝撃波は、完全水中伝搬の場合に対応する。一般に、音響の表面波の伝搬速度の方が水中の音響の伝搬速度より大きいため、第１の衝撃波が先に到達する。
【０１０３】
施工距離Ｄ０は、前述のように、第１の衝撃波と第２の衝撃波のいずれの場合を用いても、算出可能であるため、第１の衝撃波と第２の衝撃波のいずれの場合を用いてもよい。あるいは、両者を用いて、両者の結果により得られたそれぞれの施工距離Ｄ０をたとえば平均することでもよい。
【０１０４】
音響センサ１０は、指向性があるため、水中あるいは水流伝送部５の表面を伝搬する音響を、感度よく検出するための方法としては、音響センサ１０自体の形状を調整することが考えられる。しかしながら、音響センサ１０の設置位置や姿勢の変更の都度、音響センサ１０の形状を変更することは現実的ではない。このため、音響センサ１０と水流伝送部５内の水との間に音響シューを介在させて、音響センサ１０への音響と伝搬性を調整可能としている。
【０１０５】
音響シューの材料としては、加工性が良く、音響伝搬上は、音速が水に近く、また、密度が金属等に比べて低いものが望ましく、たとえば、アクリルを用いることができる。
【０１０６】
図３２ないし図４３は、音響シューを用いた場合の設置状態を示す。
【０１０７】
図３２は、音響シューを、水平方向を軸とする円柱形状とした場合の設置状態を示す図３３のＸＸＸＩＩ−ＸＸＸＩＩ矢視立断面図であり、図３３は、平断面図である。音響シュー１０１ａは、水流伝送部５の流路断面に範囲は、除かれた形状となっている。音響シュー１０１ａを水流伝送部の内壁に沿う円柱形状とした場合、水流に対しての外乱となるのを抑制することができる。
【０１０８】
図３４は、音響シューを平板形状とした場合の設置状態を示す図３５のＸＸＸＩＶ−ＸＸＸＩＶ矢視立断面図であり、図３５は、平断面図である。音響シュー１０１ｂを平板形状（円板形状）とした場合、音響シュー１０１がΦ軸で回転してしまったときでも外形は維持され、感度の安定性が保たれる。
【０１０９】
図３６は、音響シューをテーパ形状とした場合の設置状態を示す図３７のＸＸＸＶＩ−ＸＸＸＶＩ矢視立断面図であり、図３７は、平断面図である。音響シュー１０１ｃをテーパ形状とした場合、加工点側に下端面を向けることで、得られる衝撃波の強度を向上させることができる。
【０１１０】
図３８は、音響シューをコーン形状とした場合の設置状態を示す図３９のＸＸＸＶＩＩＩ−ＸＸＸＶＩＩＩ矢視立断面図であり、図３９は、平断面図である。音響シュー１０１ｄをコーン形状とした場合、平面形状の場合の効果と、テーパ形状の場合の効果との両方の効果が得られる。
【０１１１】
図４０は、音響シューを回転半楕円体形状とした場合の設置状態を示す図４１のＸＬ−ＸＬ矢視立断面図であり、図４１は、平断面図である。音響シュー１０１ｅを回転半楕円体形状とした場合、コーン形状の場合と同様の効果が期待できる。
【０１１２】
図４２は、傾く音響センサ１０を用いた場合の設置状態を示す図４３のＸＬＩＩ−ＸＬＩＩ矢視立断面図であり、図４３は、平断面図である。音響センサ１０を、音響シュー１０１ｆ中で傾けることにより、感度向上が期待できる。また、この配置を、図３２ないし図４１の場合とそれぞれ組合せて使用することでもよい。
【０１１３】
［第８の実施形態］
図４４は、第８の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す概念的立断面図である。また、図４５は、第８の実施形態に係るレーザ加工装置の変形例の構成を示す概念的立断面図である。
【０１１４】
本実施形態および変形例は、第１の実施形態の変形である。これらの実施形態においては、水流伝送部５への給水は、１つ以上の方向から流入する管の中の水流によって賄われる。たとえば、２つの方向から合流させる構成とすると図４５に示す変形例となる。ここで、管は、それぞれ可撓性を有し、たとえばホース１２４である。この結果、図４４および図４５で表示している集光部１２および水流伝送部５は一体で移動可能となる。
【０１１５】
水流伝送部５の内部は、水流を受ける筒状のバッファ層１２１と、バッファ層１２１より口径の小さな筒状の射出層１２２が、テーパ部１２３を介して連続的につながっており、その中をレーザが伝送される。
【０１１６】
２つ以上の方向から給水する場合、バッファ層１２１においては、それぞれの方向から流入するホース１２４内の水流がホース合流部１２４ａで合流する。それぞれのホース１２４は、たとえば、図４４および図４５に示すように、水流伝送部５にノズル５ｃを設け、ノズル５ｃに接続し、図示しない結束バンドで締め付けることでよい。なお、図４４および図４５では、ノズル５ｃの取り付け角度が、射出層１２２からの流出方向に対して約６０度傾いている例を示しているが、より小さな角度すなわち射出層１２２からの流出方向とノズル５ｃの流入方向がより近い方向でもよい。あるいは、より大きくたとえば、９０度の場合であってもよい。
【０１１７】
上述したとおり、給水ルートすなわちホース１２４の本数は、１本に限る必要はなく、２本以上でもよい。また給水ルートすなわちホース１２４の径や、その内部の流量はそれぞれのルートで互いに揃っていても不揃いであってもよい。
【０１１８】
射出層１２２の先端から流出して被加工部材１に向かう水流の内部に空気が取り込まれて水流の径（水柱の径Ｒ）が広がると水流内のレーザ光の透過性に影響が出る虞がある。このため、射出層１２２から流出する水流が広がらないようにすることで射出層１２２の先端から被加工部材１までの距離を大きく取ることが可能となる。このように射出層１２２の先端から流出した水流の径（水柱の径Ｒ）の広がりを抑制するために、バッファ層１２１内には、整流子１２６を設けてもよい。
【０１１９】
整流子１２６は、ホース合流部１２４ａにおける乱れた水流を整流する。整流子１２６は、水が被加工部材１に当たった後に激しく飛散することを抑制する作用も奏することができる。整流子１２６の構成については、図４６で説明する。
【０１２０】
水流伝送部５の筒状のバッファ層１２１の上流側の端部には、レーザ光を透過する円板状の気水分離窓１２５が、設けられており、水流伝送部５内の水と外気との境界の一部を構成する。集光部１２は、気水分離窓１２５の外側すなわち外気側に設けられ、レーザ光は、集光部１２を通った後に気水分離窓１２５を透過し、さらに整流子１２６を通過して加工点２へ伝送される。
【０１２１】
気水分離窓１２５の内側すなわち水側には、Ｏリング１２５ｂが設けられ、気水分離窓１２５の外側すなわち外気側には、中央部分に開口が形成された押さえ板１２５ａが設けられており、押さえ板１２５ａでＯリング１２５ｂを圧縮することにより気水分離窓１２５の水密性が確保されている。
【０１２２】
音響センサ１０は、図４４および図４５に示すように、水流伝送部５の外側に設置されている。
【０１２３】
図４６は、レーザ加工装置の整流子の構成を示す概念的斜視図である。整流子１２６は、円筒状の整流筒１２６ａ、および板状の４枚の整流板１２６ｂを有する。整流板１２６ｂは、整流筒１２６ａの外表面にその１辺が取り付けられており、整流筒１２６ａの径方向外側に拡がり軸方向に延びている。整流板１２６ｂは、整流筒１２６ａよりも上流側に張り出している。整流筒１２６ｂの内径は、レーザ光が通過するように、レーザ光の外径よりも大きな内径とする。
【０１２４】
図４６の２点鎖線で示した２つの円１２１ａ、１２１ｂは、それぞれバッファ層１２１の外縁の一部であり、円１２１ａが円１２１ｂの上流側に当たる。円１２１ａと円１２１ｂを含む円筒状の曲面と、整流筒１２６ａおよび４枚の整流板１２６ｂによって、バッファ層１２１内は、整流筒１２６ａ内の流路とその外側の環状部分で整流板１２６ｂにより分割された４つの流路とに分割される。なお、整流板１２６ｂの枚数は４枚に限らず、３枚、あるいは５枚以上でもよい。
【０１２５】
このように、水流伝送部５の軸方向に沿って分割された流路を形成することによって、旋回流を抑制するなど、流路を整えることができる。
【０１２６】
なお、整流板１２６ｂは、整流筒１２６ａの径方向外側に拡がり軸方向に延びている場合を例にとって説明したが、整流効果が向上するのであれば、径方向に対して角度をもって取り付けでもよいし、あるいは、軸方向に対して角度をもって取り付けられていてもよいし、これらの両方でもよい。あるいは、水流伝送部５の内面に沿って整流羽を設けてもよい。
【０１２７】
以上のように、集光部１２および水流伝送部５は一体で移動可能となり、また、加工点２に、整流された水流を供給することができる。
【０１２８】
図４７は、第８の実施形態に係るレーザ加工装置の別の変形例の構成を示す概念的立断面図である。図４７に示すように、音響センサ１０は、水流伝送部５の内側に設置してもよい。このように、音響センサ１０を水流伝送部５の内側に設置する場合は、図４７のように整流子１２６の上流に設置してもよいし、乱流の影響を回避するため、バッファ層１２１よりも下流に設置した方がよい場合もある。
【０１２９】
［その他の実施形態］
以上、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。
【０１３０】
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、これらの実施形態は、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同様に、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ものである。
【符号の説明】
【０１３１】
１…被加工部材、２…加工点、４…プラズマ、５…水流伝送部、５ａ…水流、５ｂ…水、５ｃ…ノズル、６…液体、８ａ…筐体、８ｂ…前面板、８ｃ…電極、８ｄ…圧電振動子、８ｆ…電極、１０…音響センサ、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ…音響感知部、１１…レーザ光源、１１ａ…レーザ光、１２…集光部、１３…光検出部、１５ａ、１５ｂ…音響センサ、２１…水流源、２６…音響信号移送部、３０…演算部、３１…時間幅取得部、３２…距離算出部、４０…制御部、５０…集光距離調整部、６０…水しぶき付着防止部、６１…保護カバー、６２…エアブロア、７０…被水影響緩和部、８０…外部環境影響緩和部、８０ａ…機械的振動抑制部、８０ｂ…音響的ノイズ低減部、８０ｃ…電気的ノイズ低減部、９０…移動駆動部、９１…拘束部、９２…アーム、９３…関節、９５…動力部、１００…レーザ加工装置（レーザ光照射装置）、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ、１０１ｅ、１０１ｆ…音響シュー、１２１…バッファ層、１２２…射出層、１２３…テーパ部、１２４…ホース、１２４ａ…ホース合流部、１２５…気水分離窓、１２５ａ…押さえ板、１２５ｂ…Ｏリング、１２６…整流子、１２６ａ…整流筒、１２６ｂ…整流板
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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