(57)【要約】【課題】被加工物の表面の除去量を抑えつつ、厚さの薄い被加工物に対しても表面粗さの精度を維持した状態で同被加工物の表面に圧縮残留応力層を形成することができるレーザ加工機を提供する。【解決手段】レーザ加工機は、８００ｎｍの波長からなり、パルス幅が５０ｆｓ（フェムト秒）、ピーク出力が６ＧＷのレーザ光を出射するレーザ光源１７を備えている。また、レーザ加工機は、２.５ＴＷ／ｃｍ２の集光密度を維持しつつ被加工物ＷＫの表面上に集光されるレーザ光を被加工物ＷＫに対して変位させる多関節アーム１５を備えている。レーザ光源１７から出射されたレーザ光Ｌは、加工液Ｗを介して被加工物Ｗの表面に集光される。これにより、レーザ光Ｌが集光された被加工物ＷＫの表面上には、極めて高圧なプラズマが極めて短時間に断続的に生じる。この結果、被加工物ＷＫの表面に塑性変形量の小さい加工痕が無数に形成されて圧縮残留応力層が形成される。【選択図】  図１
2009012061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物の表面にレーザ光を照射して同表面の性状を変化させるレーザ加工装置において、
可視領域以上かつ近赤外線領域以下の波長のレーザ光をｆｓ（フェムト秒：１０−１５ｓｅｃ）のパルス幅で出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記被加工物の表面に向けて集光する集光光学系と、
前記被加工物の表面における前記レーザ光が集光される部分に接した状態で配置され、同レーザ光が透過可能な透明物体と、
前記被加工物の表面における前記レーザ光の集光密度を所定の密度としつつ、前記集光光学系によって集光されるレーザ光を、前記被加工物に対して相対的に変位させる変位手段とを備えることを特徴とするレーザ加工機。
【請求項２】
請求項１に記載したレーザ加工機において、
前記レーザ光源は、パルス幅が数ｆｓ以上かつ数百ｆｓ以下、１パルス当りのピーク出力が数百ＭＷ以上かつ数百ＧＷ以下のレーザ光を出射し、
前記変位手段は、前記被加工物の表面に集光されるレーザ光の集光密度を数百ＧＷ／ｃｍ２以上かつ数百ＴＷ／ｃｍ２とするレーザ加工機。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載したレーザ加工機において、
前記集光光学系は、前記被加工物の表面に対して略垂直方向から前記レーザ光を集光するレーザ加工機。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のうちのいずれか１つに記載したレーザ加工装置において、さらに、
前記被加工物の表面おける前記レーザ光が集光される部分に液体を存在させるための加工液供給手段を備え、
前記透明物体は、前記加工液供給手段により供給される液体であるレーザ加工機。
【請求項５】
請求項４に記載したレーザ加工機において、
前記液体は、水であるレーザ加工機。
【請求項６】
請求項１ないし請求項３のうちのいずれか１つに記載したレーザ加工機において、
前記透明物体は、ガラスであるレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物の表面にレーザ光を照射して同表面の性状を変化させるレーザ加工機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属材料からなる被加工物の表面にパルス状のレーザ光を照射して、同表面の性状を変化させて残留応力の状態を改善する所謂レーザピーニングが行われている。レーザピーニングは、被加工物の表面にパルス状のレーザ光を照射することにより同表面の疲労強度、耐摩耗性および耐応力腐食特性を向上させる加工技術である。具体的には、被加工物の表面を構成する結晶を微細化、または同表面を塑性変形させることにより引張残留応力層を圧縮残留応力層に改質、または同表面に硬化層を形成させて同表面の疲労強度、耐摩耗性および耐応力腐食特性を向上させている。
【０００３】
近年、極めて短いパルス幅で１パルス当りのピーク出力が高いレーザ光を用いたレーザピーニングが提案されている。例えば、下記特許文献１には、大気圧下または真空下において被加工物の表面にｐｓ（ピコ秒：１０−１２ｓｅｃ）のパルス幅を持つレーザ光を照射してレーザピーニングする方法が開示されている。また、特許文献２には、大気中において被加工物の表面に水平に近い角度からｆｓ（フェムト秒：１０−１５ｓｅｃ）のパルス幅を持つｋＷ級出力のレーザ光を照射してレーザピーニングする方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−１３１７０４号公報
【特許文献２】特開２００６−６１９６６号公報
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に示されたレーザピーニング、すなわち、ｐｓ（ピコ秒：１０−１２ｓｅｃ）のパルス幅のレーザ光を用いたレーザピーニングにおいては、被加工物の表面の塑性変形量の増大、および同表面の溶融により表面粗さの精度が悪化するという問題がある。ここで、厚さの薄い被加工物とは、概ね数ｍｍ以下の厚さの被加工物である。本発明者らによれば、単にレーザ光の出力レベルを低下させるのみでは、厚さの薄い被加工物の表面粗さを維持した状態でレーザピーニングを行うことは困難であった。
【０００５】
また、上記特許文献２に示されたレーザピーニング、すなわち、ｆｓ（フェムト秒：１０−１５ｓｅｃ）のパルス幅を持つｋＷ級出力のレーザ光を用いたレーザピーニングにおいては、被加工物の表面に形成された圧縮残留応力層を積極的に除去しているため、レーザピーニング後の被加工物の仕上がり寸法が変化する。このため、レーザピーニングを行うに際しては、被加工物の寸法変化を考慮して前加工を行う必要があり作業が煩雑であるという問題がある。また、高出力のレーザ光源を用いたレーザピーニング加工機は、装置構成が大型となるためレーザピーニング加工機の導入の妨げともなっていた。
【０００６】
そこで、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、レーザピーニングによる被加工物の表面の除去量を抑えつつ、厚さの薄い被加工物の表面粗さを良好に維持した状態で同表面の性状を変化させて圧縮残留応力層を形成することができる方法を見出し本発明に至ったものである。
【発明の開示】
【０００７】
本発明は上記問題に対処するためなされたもので、その目的は、レーザピーニングによる被加工物の表面の除去量を抑えつつ、厚さの薄い被加工物に対しても表面粗さの精度を維持した状態で同被加工物の表面に圧縮残留応力層を形成することができるレーザ加工機を提供することにある。
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の特徴は、被加工物の表面にレーザ光を照射して同表面の性状を変化させるレーザ加工装置において、可視領域以上かつ近赤外線領域以下の波長のレーザ光をｆｓ（フェムト秒：１０−１５ｓｅｃ）のパルス幅で出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を被加工物の表面に向けて集光する集光光学系と、被加工物の表面におけるレーザ光が集光される部分に接した状態で配置され、同レーザ光が透過可能な透明物体と、被加工物の表面におけるレーザ光の集光密度を所定の密度としつつ、集光光学系によって集光されるレーザ光を、被加工物に対して相対的に変位させる変位手段とを備えたことにある。
【０００９】
この場合、前記レーザ光源は、例えば、パルス幅が数ｆｓ以上かつ数百ｆｓ以下、１パルス当りのピーク出力が数百ＭＷ以上かつ数百ＧＷ以下のレーザ光を出射し、変位手段は、被加工物の表面に集光されるレーザ光の集光密度を数百ＧＷ／ｃｍ２以上かつ数百ＴＷ／ｃｍ２とするとよい。また、前記集光光学系は、被加工物の表面に対して略垂直方向からレーザ光を集光するとよい。また、前記透明物体は、例えば、ガラスとすることができる。この場合、前記ガラスに代えて、例えば、前記レーザ加工装置において、さらに、被加工物の表面おけるレーザ光が集光される部分に液体を存在させるための加工液供給手段を備え、透明物体は、加工液供給手段により供給される液体にしてもよい。この場合、透明液体を、例えば、水にするとよい。
【００１０】
このように構成した本発明の特徴によれば、パルス幅がｆｓ（フェムト秒）のレーザ光を所定の集光密度で透明液物体を介して被加工物の表面に照射している。このため、被加工物の表面におけるレーザ光が照射された部分には、極めて高い圧力のプラズマが極めて短時間に断続的に生じる。これにより、被加工物の表面には、従来技術に比べて塑性変形量の小さな加工痕が無数に形成されて厚さが数μｍ〜数十μｍの圧縮残留応力層が形成される。この結果、数ｍｍ以下の薄い厚さの被加工物に対しても表面粗さの精度を維持した状態で圧縮残留応力層を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係るレーザ加工機について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るレーザ加工機の構成を模式的に示す構成概略図である。なお、図１は、本発明に係るレーザ加工機の構成を模式的に示したものであり、本発明の理解を容易にするため各構成要素または各構成要素相互の関係を適宜誇張して示している。このレーザ加工機は、被加工物ＷＫの表面にパルス状のレーザ光を照射することにより圧縮残留応力層を形成して同表面の疲労強度、耐摩耗性および耐応力腐食特性を向上させる装置である。
【００１２】
レーザ加工機は、加工槽１１を備えている。加工槽１１は、被加工物ＷＫを加工する際の加工液Ｗを貯留するための容器であり、上面が開放された箱状に形成されている。加工槽１１における一方の側面（図示左側側面）の下部には、給排水管１２を介して給排水ポンプ１３が接続されている。給排水ポンプ１３は、後述するコントローラ２０に制御されて、図示しない加工液タンクから加工槽１１内に加工液Ｗを供給するとともに、同加工槽１１内から加工液タンクに加工液Ｗを排水するための電動ポンプであり、図示しない電源に接続されている。加工槽１１に給排水される加工液Ｗは、水からイオン成分を取り除いた所謂イオン交換水であり、無色透明である。すなわち、加工槽１１は本発明に係る加工液供給手段に相当し、加工液Ｗは本発明に係る透明物体に相当する。
【００１３】
加工槽１１の底部には、被加工物ＷＫを支持するための支持テーブル１４が設けられている。支持テーブル１４は、加工槽１１の底部に直立した状態で設けられている４つの脚部１４ａ上に平板状の上板１４ｂが水平状態で支持されて構成されている。これらのうち、上板１１ｂは、被加工物ＷＫを固定するためのテーブルである。加工槽１１の上方には、多関節アーム１５に支持された状態でレーザ光出射ノズル１６が設けられている。多関節アーム１５は、アームの先端部に保持するレーザ光出射ノズル１６を三次元的に変位させることができる変位機構で構成された所謂垂直多関節ロボットである。この多関節アーム１５の変位機構は、後述する多関節アーム制御回路２３によって作動が制御される。すなわち、この多関節アーム１５および多関節アーム制御回路２３は、本発明に係る変位手段に相当する。
【００１４】
レーザ光出射ノズル１６は、レーザ光源１７から出射されパルスコンプレッサ１８および光伝送ケーブル１９を介して導かれるレーザ光を支持テーブル１４上に載置された被加工物ＷＫの表面上に所定の集光密度で集光させることが可能な集光レンズ（図示せず）を備えた光学部品である。本実施形態においては、２.５ＴＷ／ｃｍ２の集光密度で被加工物ＷＫの表面にレーザ光を集光させることが可能な対物レンズを用いている。すなわち、このレーザ光出射ノズル１６が、本発明に係る集光光学系に相当する。レーザ光源１７は、８００ｎｍの近赤外線領域の波長（λ）のレーザ光をｆｓ（フェムト秒：１０−１５ｓｅｃ）のパルス幅かつ１パルス当りのピーク出力が数百ＭＷ〜数百ＧＷの範囲で出射するレーザ媒質（例えば、チタンサファイア結晶）で構成された光学部品である。このレーザ光源１７は、後述するレーザ駆動回路２２によって作動が制御される。なお、本実施形態においては、平均出力が１Ｗのレーザ光源１７を用いている。
【００１５】
パルスコンプレッサ１８は、レーザ光源１７から出射されたレーザ光の分散によるパルス幅の伸長を補償するための分散補償装置である。具体的には、レーザ光源１７から出射されたレーザ光が主として加工液Ｗ内を透過する際に分散してパルス幅が伸びることを防止するために、予めレーザ光のパルス幅をより短くして補償するものである。光伝送ケーブル１９は、レーザ光源１７から出射されたレーザ光をレーザ光出射ノズル１６に導くためのケーブルであり、ｆｓ（フェムト秒）のパルス幅のレーザ光を伝送してもパルス幅が増大しない光ファイバによって構成されている。具体的には、中空状の石英ガラスチューブの内側に金属膜および誘電体膜がそれぞれ形成されるとともに空気をコアとして形成されている。
【００１６】
レーザ加工機は、コントローラ２０を備えている。コントローラ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなり、入力装置２１からの指示に応じて、レーザ駆動回路２２および多関節アーム制御回路２３の作動をそれぞれ制御する。入力装置２１は、複数の押しボタンスイッチからなり、作業者からの入力操作を受け付けて同入力操作に対応する信号をコントローラ２０に出力する。レーザ駆動回路２２は、コントローラ２０からの指示に応じて、レーザ光源１７の作動を制御する。多関節アーム制御回路２３は、コントローラ２０からの指示に応じて、多関節アーム１５に内蔵される変位機構の作動を制御する回路である。また、コントローラ２０には、表示装置２４が接続されている。表示装置２４は、液晶ディスプレイで構成されており、コントローラ２０の作動状態およびコントローラ２０による処理結果などの情報を表示する。
【００１７】
次に、上記のように構成したレーザ加工機の作動について説明する。本実施形態においては、アルミニウム材を厚さ１ｍｍの平板状に形成したものを被加工物ＷＫとする。まず、作業者は、被加工物ＷＫを支持テーブル１４上にセットする。具体的には、作業者は、加工液Ｗが導入されていない加工槽１１内の支持テーブル１４上に被加工物ＷＫを載置して所定の固定具により固定する。この場合、作業者は、被加工物ＷＫにおける加工面を上方に向けた状態で支持テーブル１４上にセットする。そして、作業者は、レーザ加工機における図示しない電源スイッチを投入する。これにより、コントローラ２０は、作業者からの指令の入力を待つ待機状態となる。
【００１８】
次に、作業者は、入力装置２１を操作してコントローラ２０に対して加工槽１１内への加工液Ｗの導入を指示する。この指示に応答して、コントローラ２０は、給排水ポンプ１３を作動させて図示しない加工液タンクから加工液Ｗを吸水して加工槽１１内に導入する。この場合、コントローラ２０は、加工槽１１内の被加工物ＷＫが完全に浸漬される程度に加工液Ｗを導入する。次に、作業者は、入力装置２１を操作してコントローラ２０に対して被加工物ＷＫへの加工の開始を指示する。具体的には、作業者は、被加工物ＷＫにおける加工開始位置、加工範囲および加工条件などの情報を入力装置２１を操作してコントローラ２０に入力する。ここで、加工条件とは、被加工物ＷＫに照射するレーザ光のパルス幅、ピーク出力、集光点での集光密度、繰り返し周波数、およびカバレージである。本実施形態においては、パルス幅を５０ｆｓ（フェムト秒）、１パルス当りのピーク出力を６ＧＷ、集光密度を２.５ＴＷ／ｃｍ２、繰り返し周波数を１ｋＨｚとする。また、カバレージは、単位面積当たりの照射レーザスポットの数であり、本実施形態においては、５００スポット／ｍｍ２である。
【００１９】
この指示に応答して、コントローラ２０は、多関節アーム１５が保持するレーザ光出射ノズル１６の位置および向きに関する情報を多関節アーム制御回路２３に出力する。これにより、多関節アーム制御回路２３は、多関節アーム１５に内蔵される変位機構の作動を制御してレーザ光出射ノズル１６を所定の位置および向きに位置決めする。この場合、多関節アーム１５は、被加工物ＷＫの表面に集光されるレーザ光の集光密度が２.５ＴＷ／ｃｍ２となる位置（被加工物ＷＫの表面とレーザ光出射ノズル１６に内蔵される対物レンズとの距離）にレーザ光出射ノズル１６を位置決めする。
【００２０】
また、この場合、レーザ光出射ノズル１６におけるレーザ光が出射される部分（レーザ光出射ノズル１６の先端部）が加工液Ｗ内に位置するように位置決めされる。これは、レーザ光出射ノズル１６の先端部が加工液Ｗの外に位置すると、出射したレーザ光が加工液Ｗの表面にて屈折してレーザ光の反射および進行方向のずれが生じるためである。また、レーザ光出射ノズル１６は、被加工物ＷＫの表面に集光されるレーザ光の集光密度が２.５ＴＷ／ｃｍ２となる位置（被加工物ＷＫの表面とレーザ光出射ノズル１６に内蔵される対物レンズとの距離）に位置決めされる。また、レーザ光出射ノズル１６は、被加工物ＷＫの表面に導かれるレーザ光の光軸が被加工物ＷＫの表面に対して直交する向きで位置決めされるが、厳密には、同レーザ光の光軸が被加工物ＷＫの表面に対して僅かに傾いた状態で位置決めされる。これは、被加工物ＷＫによって反射されたレーザ光が、再びレーザ光出射ノズル１６内に入射してレーザ光源１７に導かれてレーザ光源１７を損傷することを防止するためである。
【００２１】
次に、コントローラ２０は、レーザ駆動回路２２を介してレーザ光源１７からレーザ光Ｌを出射させる。これにより、レーザ光源１７から出射されたレーザ光Ｌは、パルスコンプレッサ１８、光伝送ケーブル１９およびレーザ光出射ノズル１６を介して被加工物ＷＫの表面に所定の集光密度（２.５ＴＷ／ｃｍ２）で集光される。被加工物ＷＫの表面に集光されたレーザ光Ｌは、被加工物ＷＫの極表層部の原子を瞬間的に電離させて蒸発させ、被加工物ＷＫの表面におけるレーザ光Ｌが集光された部分にプラズマＰを生じさせる（この現象を「アブレーション」という）。
【００２２】
この場合、プラズマＰ内の圧力は、発生したプラズマＰの体積膨張が加工液Ｗの慣性力によって抑えられるため極めて高い状態、具体的には、数百ＭＰａ〜数百ＧＰａ程度に達する。これにより、被加工物ＷＫの表面はプラズマＰの圧力によって塑性変形する。すなわち、被加工物ＷＫの表面に圧縮残留応力が付与される。一方、レーザ光Ｌはｆｓ（フェムト秒）の極めて短い時間のパルス幅で照射されるため、被加工物ＷＫ上に生じるプラズマＰも極めて短い持続時間で断続的に生じる。このため、被加工物ＷＫの表面には、塑性変形する範囲や深さが極めて小さい加工痕が複数形成される。
【００２３】
但し、このアブレーションによる加工においては、レーザ光源１７の出力が小さいこと、レーザ光Ｌが被加工物の表面に対して略垂直に照射されることなどから、アブレーションによる被加工物ＷＫの表面の除去量は従来技術に比べて少ない。すなわち、本発明に係るレーザ加工機においては、被加工物ＷＫの表面の一部を除去しているものの、従来技術のように被加工物ＷＫの表面における引張残留応力層を積極的に除去しているものではなく、被加工物ＷＫの表面における引張残留応力層を圧縮残留応力層に改質しているものである。
【００２４】
そして、コントローラ２０は、被加工物ＷＫの表面にレーザ光Ｌを照射した状態で、多関節アーム制御回路２３を介して多関節アーム１５の作動を制御することによりレーザ光出射ノズル１６（レーザ光Ｌ）の変位を開始させる。この場合、コントローラ２０は、前記カバレージに対応する速度でレーザ光照射ノズル１６、すなわち、レーザ光Ｌが変位するように多関節アーム１５の作動を制御する。これにより、被加工物ＷＫの表面に集光されたレーザ光Ｌは、前記カバレージに対応する速度で被加工物ＷＫの表面上を連続的に変位する。レーザ光Ｌの変位の過程において、コントローラ２０は、被加工物ＷＫの表面に形成される光スポットが互いに重なり合うようにレーザ光照射ノズル１６を変位させてレーザ光Ｌによる未照射領域が生じないようにする。これにより、レーザ光Ｌが通過した被加工物ＷＫの表面には、厚さ約２０μｍ程度の圧縮残留応力層が形成される。
【００２５】
コントローラ２０は、作業者によって指示された加工範囲のすべての領域にレーザ光Ｌを照射した場合には、レーザ光源１７からのレーザ光Ｌの出射を停止させるとともに、レーザ光照射ノズル１６を所定の待機位置に退避させる。これにより、被加工物ＷＫの表面における加工範囲内全面に均質な状態で圧縮残留応力層が形成される。一方、作業者は、レーザ光照射ノズル１６が所定の待機位置に退避した場合には、入力装置２１を操作してコントローラ２０に対して加工槽１１内の加工液Ｗの排出を指示する。この指示に応答して、コントローラ２０は、給排水ポンプ１３の作動を制御して加工槽１１内の加工液Ｗを図示しない加工液タンクに排出する。そして、作業者は、支持テーブル１４によるチャックを解除して被加工物ＷＫを取り外す。これにより、被加工物ＷＫのピーニング加工が終了する。
【００２６】
上記作動説明からも理解できるように、上記実施形態によれば、パルス幅が５０ｆｓ（フェムト秒）、１パルス当りのピーク出力が６ＧＷ、集光密度が２.５ＴＷ／ｃｍ２のレーザ光を加工液Ｗを介して被加工物ＷＫの表面に照射している。このため、被加工物ＷＫの表面におけるレーザ光が照射された部分には、極めて高い圧力のプラズマＰが極めて短時間に断続的に生じる。これにより、被加工物ＷＫの表面には、従来技術に比べて塑性変形量の小さな加工痕が無数に形成されて厚さが約２０μｍの圧縮残留応力層が形成される。この結果、レーザピーニングによる被加工物ＷＫの表面の除去量を抑えつつ、１ｍｍ程度の薄い厚さの被加工物ＷＫに対しても表面粗さの精度を維持した状態で圧縮残留応力層を形成することができる。
【００２７】
さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００２８】
上記実施形態においては、レーザ光源１７から出射されるレーザ光Ｌの出力条件を、パルス幅が５０ｆｓ（フェムト秒）、１パルス当りのピーク出力が６ＧＷに設定するとともに、被加工物ＷＫの表面に集光されるレーザ光の集光密度を２.５ＴＷ／ｃｍ２とした。しかし、レーザ光源１７から出射されるレーザ光の出力条件や被加工物ＷＫの表面に集光されるレーザ光の集光密度は、被加工物ＷＫの種類や形状、被加工物ＷＫ上に形成する圧縮残留応力層の厚さなどに応じて適宜設定されるものであり、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の発明者らによれば、パルス幅は数ｆｓ以上かつ数百ｆｓ以下、１パルス当りのピーク出力は数百ＭＷ以上かつ数百ＧＷ以下、および集光密度は数ＴＷ／ｃｍ２以上かつ数十ＴＷ／ｃｍ２以下の条件によるレーザ光Ｌが好適であることが見出されている。これによれば、レーザピーニングによる被加工物ＷＫの表面の除去量を抑えつつ、概ね数μｍ〜数十μｍの圧縮残留応力層の形成が可能である。したがって、本発明は、被加工物の厚さを問わず、数μｍ〜数十μｍの圧縮残留応力層の形成することが求められる分野に広く適用できるものでもある。
【００２９】
なお、本実施形態においては、８００ｎｍの近赤外線領域の波長のレーザ光Ｌを用いたが、加工液Ｗを透過可能な波長のレーザ光であれば、これに限定されるものではない。すなわち、近赤外線における他の波長（約８００〜約２５００ｎｍ）のレーザ光を用いてもよいし、可視波長の領域（約４００〜約８００ｎｍ）の波長のレーザ光の用いてもよい。これらによっても、上記実施形態と同様の効果が期待できる。
【００３０】
また、本実施形態においては、被加工物ＷＫの表面に形成されるレーザ光Ｌの光スポットの大きさを一定としたが、これに限定されるものではない。すなわち、被加工物ＷＫの表面に集光されるレーザ光Ｌの変位過程において、被加工物ＷＫの表面に形成されるレーザ光Ｌの光スポットの大きさを変化させるように構成してもよい。これによれば、被加工物ＷＫの表面に形成される光スポットが互いに重なり合う割合が大きくなり、被加工物ＷＫの表面におけるレーザ光Ｌによる未照射領域が生じ難くなる。この結果、被加工物ＷＫの表面により精度良く均一な圧縮残留応力層を形成することができる。
【００３１】
また、上記実施形態においては、被加工物ＷＫとして厚さ１ｍｍのアルミニウム材を用いた。しかし、被加工物ＷＫは、塑性変形が可能な材質であれば、これに限定されるものではない。例えば、鉄系の材料や金、銀、銅またはステンレス鋼などの非鉄系材料、樹脂材などを被加工物ＷＫとしてもよい。また、極めて高い圧力のプラズマＰによって塑性変形させるため、硬度が高い材料、例えば、超硬合金やダイス鋼、焼入れなどの熱処理を施した材料に圧縮残留応力層を形成することもできる。また、被加工物ＷＫの厚さも上記実施形態に限定されるものではなく、数μｍ〜数十μｍの圧縮残留応力層の形成することが求められる厚さの部材に広く適用できるものである。
【００３２】
但し、本発明は、厚さの薄い被加工物ＷＫに対して特に有効である。具体的には、０.１ｍｍ〜数ｍｍの厚さの被加工物ＷＫに対して表面粗さの精度を維持した状態で圧縮残留応力層の形成が可能である。したがって、本発明は、厚さの薄い部材・部分に圧縮残留応力層を形成する場合に特に有効である。例えば、マイクロマシンまたはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）などの構成部品・部分、注射針の先端部や外科手術用刃物の刃先、厚さ数ミリの板バネ、線径数ｍｍ以下のコイルバネや燃料電池のセパレータなどの各表面に圧縮残留応力層の形成することができ、これらの各表面の疲労強度、耐摩耗性および耐応力腐食特性を向上させることができる。
【００３３】
また、上記実施形態においては、被加工物ＷＫの表面に対して略垂直方向からレーザ光を照射するように構成した。これは、レーザ光が照射された部分に略均一なエネルギーを与えるためである。換言すれば、被加工物ＷＫの表面に対して平行に近い方向からレーザ光を照射すると、レーザ光が照射された部分におけるエネルギー密度にムラが生じプラズマＰの発生状態が不安定となる。このため、被加工物ＷＫの表面に対して略垂直方向からレーザ光を照射することが好ましい。本発明者らによれば、被加工物ＷＫの表面に対して略垂直方向からレーザ光を照射することが好適であるが、同垂直方向に対して±４５°の角度の方向からレーザ光を照射しても圧縮残留応力層の形成は可能である。
【００３４】
なお、本実施形態においては、上記したように、レーザ光の光軸が被加工物ＷＫの表面に対して僅かに傾いた状態で位置決めした。しかし、レーザ光源１７に向かって反射光が戻ってもよい構成であれば、必ずしもレーザ光の光軸を傾ける必要はない。
【００３５】
また、上記実施形態においては、チタンサファイア結晶からなるレーザ媒質を用いてレーザ光源１７を構成した。しかし、ｆｓ（フェムト秒）のパルス幅のレーザ光Ｌを出射可能なレーザ光源であれば、これに限定されるものではない。例えば、ネオジウムイオンやイッテルビウムイオンなどを含むガラスや結晶、または自由電子などをレーザ媒質とするレーザ光源を用いてもよい。また、その他、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、銅蒸気レーザまたはエキシマレーザなどを用いることもできる。これらによっても、上記実施形態と同様の効果が期待できる。
【００３６】
また、上記実施形態においては、光ファイバによって光伝送ケーブル１９を構成した。しかし、レーザ光源１７から出射されたｆｓ（フェムト秒）のパルス幅のレーザ光Ｌを正確に伝送できれば、これに限定されるものではない。例えば、レーザ光源１７から出射されたレーザ光Ｌを複数の反射ミラーを介してレーザ光照射ノズル１６に導くように構成してもよい。これによっても、上記実施形態と同様の効果が期待できる。
【００３７】
また、上記実施形態においては、レーザ光源１７から出射されたレーザ光のパルス幅を補償するためにパルスコンプレッサ１８を用いた。しかし、レーザ光源１７から出射されたレーザ光のパルス幅を補償する必要がない場合には、当然、パルスコンプレッサ１８は不要である。また、本実施形態のように、レーザ光源１７とパルスコンプレッサ１８とをそれぞれ別々に設ける必要もなく、パルスコンプレッサ１８の機能を備えたレーザ光源１７を用いてもよい。これらによっても、上記実施形態と同様の効果が期待できる。
【００３８】
また、上記実施形態においては、多関節アーム１５により被加工物ＷＫに対してレーザ光出射ノズル１６、すなわち、レーザ光Ｌを変位させる構成とした。しかし、被加工物ＷＫの表面におけるレーザ光の集光密度を所定の密度としつつ、被加工物ＷＫ上に照射されるレーザ光Ｌに対して被加工物ＷＫが変位できれば、これに限定されるものではない。すなわち、レーザ光照射ノズル１６（レーザ光Ｌ）の位置を固定として被加工物ＷＫの位置をレーザ光照射ノズル１６（レーザ光Ｌ）に対して変位させる構成としてもよい。これによっても、上記実施形態と同様の効果が期待できる。
【００３９】
また、上記実施形態においては、加工液Ｗとしてイオン交換水を用いたが、被加工物ＷＫに導かれるレーザ光Ｌが透過可能であって、プラズマＰ内の圧力上昇を助長するとともに同プラズマＰの発生により発火・爆発などの反応をしない透明な物体であれば、これに限定されるものではない。例えば、不燃性または難燃性の油を加工液Ｗとして用いることができる。また、液体以外の物体を用いてもよい。例えば、ガラスプレートを被加工物ＷＫにおけるレーザ光Ｌが照射される部分に配置して、同ガラスプレートを介してレーザ光を照射するように構成してもよい。これらによれば、水を嫌う被加工物ＷＫ、または液体を嫌う被加工物ＷＫに対しても圧縮残留応力層の形成を行うことができ、本発明の適用範囲を一層拡大することができる。
【００４０】
また、上記実施形態においては、被加工物ＷＫがセットされる加工槽１１内に加工液Ｗを貯留することにより、加工液Ｗを介して被加工物ＷＫの表面にレーザ光を照射するように構成した。しかし、レーザ光Ｌが照射される被加工物ＷＫの表面に加工液Ｗが存在する構成であれば、これに限定されるものではない。例えば、レーザ光Ｌが照射される被加工物ＷＫの表面に加工液Ｗを部分的に供給（例えば、吹き掛け）するように構成してもよい。これによれば、加工槽１１内の加工液Ｗ内に浸漬することが困難、または不適な被加工物ＷＫに対しても圧縮残留応力層の形成が行うことができ、本発明の適用範囲を一層拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ加工機の全体構成を模式的に示す構成概略図である。
【符号の説明】
【００４２】
ＷＫ…被加工物、Ｗ…加工液、１１…加工槽、１２…給排水管、１３…給排水ポンプ、１４…支持テーブル、１５…多関節アーム、１６…レーザ光照射ノズル、１７…レーザ光源、１８…パルスコンプレッサ、１９…光伝送ケーブル、２０…コントローラ、２１…入力装置、２２…レーザ駆動回路、２３…多関節アーム制御回路、２４…表示装置。
【図１】
2009012061.tif 000003