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特開2023-126189レーザ加工装置、レーザ加工システム、及びレーザ加工方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023126189
(43)【公開日】2023-09-07
(54)【発明の名称】レーザ加工装置、レーザ加工システム、及びレーザ加工方法
(51)【国際特許分類】
B23K 26/146 20140101AFI20230831BHJP
B23K 26/00 20140101ALI20230831BHJP
【ＦＩ】
B23K26/146
B23K26/00 M
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023029208
(22)【出願日】2023-02-28
(31)【優先権主張番号】63/314587
(32)【優先日】2022-02-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】504137912
【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学
(74)【代理人】
【識別番号】100205350
【弁理士】
【氏名又は名称】狩野 芳正
(74)【代理人】
【識別番号】100109221
【弁理士】
【氏名又は名称】福田 充広
(74)【代理人】
【識別番号】100171848
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 裕美
(72)【発明者】
【氏名】高橋 哲
(72)【発明者】
【氏名】鷲尾 涼太
(72)【発明者】
【氏名】増田 秀征
(72)【発明者】
【氏名】増井 周造
(72)【発明者】
【氏名】門屋 祥太郎
(72)【発明者】
【氏名】道畑 正岐
【テーマコード（参考）】
4E168
【Ｆターム（参考）】
4E168CA02
4E168CA03
4E168CA05
4E168CA06
4E168CA07
4E168CA11
4E168DA06
4E168DA24
4E168FA05
4E168FB03
4E168FB07
(57)【要約】 （修正有）
【課題】ジェット安定長を伸長することにより高アスペクト比の微細穴加工の実現を目的とする。
【解決手段】レーザ加工装置２００は、ウォータガイドレーザ光ＷＧＬを生成するものであって、高圧水ＨＷが供給されウォータジェットＷＪを射出するウォータチャンバ２１と、加工用レーザをウォータチャンバ２１中に供給する加工光供給装置２２と、ウォータチャンバ２１から射出されるウォータジェットＷＪの温度を調節する水温調整装置２３とを備える。水温調整装置２３がウォータチャンバ２１から射出されるウォータジェットＷＪの温度を調節することにより、ウォータジェットＷＪの安定長を伸長することができ、高アスペクト比の微細穴等の加工が容易になる。
【選択図】図１
【解決手段】レーザ加工装置２００は、ウォータガイドレーザ光ＷＧＬを生成するものであって、高圧水ＨＷが供給されウォータジェットＷＪを射出するウォータチャンバ２１と、加工用レーザをウォータチャンバ２１中に供給する加工光供給装置２２と、ウォータチャンバ２１から射出されるウォータジェットＷＪの温度を調節する水温調整装置２３とを備える。水温調整装置２３がウォータチャンバ２１から射出されるウォータジェットＷＪの温度を調節することにより、ウォータジェットＷＪの安定長を伸長することができ、高アスペクト比の微細穴等の加工が容易になる。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ウォータガイドレーザ光を生成するレーザ加工装置であって、
高圧水が供給されウォータジェットを射出するウォータチャンバと、
加工用レーザ光を前記ウォータチャンバ中に供給する加工光供給装置と、
前記ウォータチャンバから射出される前記ウォータジェットの温度を調節する水温調整装置と
を備えるレーザ加工装置。
高圧水が供給されウォータジェットを射出するウォータチャンバと、
加工用レーザ光を前記ウォータチャンバ中に供給する加工光供給装置と、
前記ウォータチャンバから射出される前記ウォータジェットの温度を調節する水温調整装置と
を備えるレーザ加工装置。
【請求項2】
前記水温調整装置は、水供給装置から前記ウォータチャンバに供給された水を加熱する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項3】
前記水温調整装置は、前記ウォータチャンバに供給される前の水を加熱する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項4】
前記水温調整装置は、前記ウォータチャンバに供給された水、又は前記ウォータチャンバに供給される前の水を４０℃以上に加熱する、請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項5】
前記水温調整装置は、前記ウォータチャンバに供給された水、又は前記ウォータチャンバに供給される前の水の温度を調整する温度調整部材と、前記温度調整部材の動作状態を調整する動作調整装置とを有する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項6】
前記動作調整装置は、前記ウォータチャンバに供給された水、又は前記ウォータチャンバに供給される前の水の温度を検出する温度センサを有する、請求項５に記載のレーザ加工装置。
【請求項7】
前記温度調整部材は、前記ウォータチャンバの温度を調整し、
前記温度センサは、前記ウォータジェットを射出するカップリングノズルの温度を検出する、請求項６に記載のレーザ加工装置。
前記温度センサは、前記ウォータジェットを射出するカップリングノズルの温度を検出する、請求項６に記載のレーザ加工装置。
【請求項8】
前記ウォータチャンバに設けられて前記ウォータジェットを射出するカップリングノズルから射出された前記ウォータジェットからの漏れ光を撮影する観察系をさらに備える、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項9】
前記観察系は、観察用レーザ光を形成する観察レーザ源と、前記観察用レーザ光を前記加工用レーザ光に対して合波させ前記観察用レーザ光を前記ウォータチャンバ中に供給するダイクロイックミラーと、前記ウォータジェットを側方から撮影するカメラとを有する、請求項８に記載のレーザ加工装置。
【請求項10】
前記ウォータジェットの周囲にヘリウムガスを供給するヘリウム供給装置をさらに備える、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項11】
請求項１～１０のいずれかに記載のレーザ加工装置と
ワークを支持するステージ装置と、
レーザ加工装置及びステージ装置の動作を制御する制御装置とを備える、レーザ加工システム。
ワークを支持するステージ装置と、
レーザ加工装置及びステージ装置の動作を制御する制御装置とを備える、レーザ加工システム。
【請求項12】
ウォータガイドレーザ光を用いて対象を加工するレーザ加工方法であって、
ウォータチャンバに高圧水を供給し、前記ウォータチャンバからウォータジェットを射出させ、
前記ウォータチャンバに加工用レーザ光を供給し、前記ウォータジェット中に加工用レーザ光を導光させ、
前記ウォータチャンバから射出される前記ウォータジェットの温度を調節する、レーザ加工方法。
ウォータチャンバに高圧水を供給し、前記ウォータチャンバからウォータジェットを射出させ、
前記ウォータチャンバに加工用レーザ光を供給し、前記ウォータジェット中に加工用レーザ光を導光させ、
前記ウォータチャンバから射出される前記ウォータジェットの温度を調節する、レーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ウォータガイドレーザ光を用いて対象を加工するレーザ加工装置、レーザ加工システム、及びレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年アスペクト比の高い深穴加工が可能であるウォータガイドレーザ加工法が注目を集めている。このレーザ加工法ではウォータジェット内に拘束したレーザ光をワークまで誘導し、レーザ加工を行う。加工位置が焦点に限定されないために、アスペクト比の高い加工が可能となっている。加えて複合材料の穴あけ加工に優れた加工法であることが示されている（非特許文献１、後に付記した参考文献［１］）。
【0003】
ウォータガイドレーザ加工法では、下部にカップリングノズルを有し対向する上部に光学窓を有するチャンバを用いる。チャンバ内の水には１０ＭＰａ程度の圧力が加わっており、直径数１０μｍのノズルから高圧のウォータジェットが射出される。加工用のレーザ光は、レンズと光学窓とを通りカップリングノズルに集光され、ウォータジェット内に導入される。導入されたレーザ光は、ウォータジェット内にて全反射を繰り返しながら伝搬し、ワークに到達する。レーザ光がアブレーションを起こすことで加工が進むと同時にウォータジェットは発生した熱やデブリを排出する。そのため、この加工法では熱やデブリの影響が小さいという利点が存在する。さらに加工位置が焦点に限定されないために、アスペクト比の高い加工が可能であることも大きな利点である。
【0004】
ウォータジェットがある程度進んで長くなるとその形状を保つことができなくなり、全反射条件を満たせずレーザ光を内部に閉じ込めることができなくなる。結果として、レーザ光が散乱するため、加工が行えなくなる。つまり、ウォータガイドレーザ加工における最大作動距離はウォータジェットの安定長に制限されている。
【0005】
関連する技術として、加圧された液体噴流中にパルスレーザビームを入射させ、パルスレーザビームを被加工材に向かわせる加工方法であって、パルスレーザビームとして、パワーが異なる２つのパルス波を重ね合わされものを用いる方法が公知となっている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】Marimuthu, S., J. Dunleavey, Y. Liu, B. Smith, A. Kiely, and M. Antar. "Water-jet guided laser drilling of SiC reinforced aluminium metal matrix composites." Journal of Composite Materials 53, no. 26-27 (2019): 3787-3796.
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特表２０２２－５１８２４１号公報
【発明の概要】
【0008】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、ジェット安定長を伸長することにより高アスペクト比の微細穴等の加工の実現を目的とする。
【0009】
上記目的を達成するため、本発明に係るレーザ加工装置は、ウォータガイドレーザ光を生成するレーザ加工装置であって、高圧水が供給されウォータジェットを射出するウォータチャンバと、加工用レーザ光をウォータチャンバ中に供給する加工光供給装置と、ウォータチャンバから射出されるウォータジェットの温度を調節する水温調整装置とを備える。
【0010】
上記レーザ加工装置では、水温調整装置がウォータチャンバから射出されるウォータジェットの温度を調節するので、ウォータジェットの安定長を伸長することができ、高アスペクト比の微細穴等の加工が容易になる。
【0011】
本発明の具体的な側面によれば、上記レーザ加工装置において、水温調整装置は、水供給装置からウォータチャンバに供給された水を加熱する。この場合、ウォータジェットの温度を直接的に近い状態で調整することができる。
【0012】
本発明の別の側面によれば、水温調整装置は、ウォータチャンバに供給される前の水を加熱する。この場合、ウォータジェットの温度を間接的に調整することになるが、ウォータジェットの温度を安定化させることは容易になる。
【0013】
本発明の別の側面によれば、水温調整装置は、ウォータチャンバに供給された水、又はウォータチャンバに供給される前の水を４０℃以上に加熱する。この場合、ウォータジェットの安定長を常温の場合に比較して、例えば水が４０℃であれば１．２７倍程度伸長し、例えば水が５０℃であれば１．４倍程度伸長し、例えば水が１００℃であれば１．９倍程度伸長することが期待される。
【0014】
本発明の別の側面によれば、水温調整装置は、ウォータチャンバに供給された水、又はウォータチャンバに供給される前の水の温度を調整する温度調整部材と、温度調整部材の動作状態を調整する動作調整装置とを有する。
【0015】
本発明の別の側面によれば、動作調整装置は、ウォータチャンバに供給された水、又はウォータチャンバに供給される前の水の温度を検出する温度センサを有する。
【0016】
本発明の別の側面によれば、温度調整部材は、ウォータチャンバの温度を調整し、温度センサは、ウォータジェットを射出するカップリングノズルの温度を検出する。この場合、ウォータジェットの温度を高精度で管理することができ、必要に応じて常温よりも冷却することもできる。
【0017】
本発明の別の側面によれば、ウォータチャンバに設けられてウォータジェットを射出するカップリングノズルから射出されたウォータジェットからの漏れ光を撮影する観察系をさらに備える。この場合、観察系によって、ウォータジェットの安定長を実測することができ、ウォータジェットによる加工精度を向上させることができる。
【0018】
本発明の別の側面によれば、観察系は、観察用レーザ光を形成する観察レーザ源と、観察用レーザ光を加工用レーザ光に対して合波させ観察用レーザ光をウォータチャンバ中に供給するダイクロイックミラーと、ウォータジェットを側方から撮影するカメラとを有する。
【0019】
本発明の別の側面によれば、ウォータジェットの周囲にヘリウムガスを供給するヘリウム供給装置をさらに備える。ヘリウムガスは、水の表面との摩擦を低減し、ウォータジェットの安定長をより長くすることができると考えられる。
【0020】
上記目的を達成するため、本発明に係るレーザ加工システムは、上述したレーザ加工装置と、ワークを支持するステージ装置と、レーザ加工装置及びステージ装置の動作を制御する制御装置とを備える。
【0021】
上記目的を達成するため、本発明に係るレーザ加工方法は、ウォータガイドレーザ光を用いて対象を加工するレーザ加工方法であって、ウォータチャンバに高圧水を供給し、ウォータチャンバからウォータジェットを射出させ、ウォータチャンバに加工用レーザ光を供給し、ウォータジェット中に加工用レーザ光を導光させ、ウォータチャンバから射出されるウォータジェットの温度を調節する。
【0022】
上記レーザ加工方法では、ウォータチャンバから射出されるウォータジェットの温度を調節するので、ウォータジェットの安定長を伸長することができ、高アスペクト比の微細穴等の加工が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】第１実施形態のレーザ加工システムの基本構造を説明する概念図である。
【図3】レーザ加工装置等の変形例を説明する図である。
【図4】第２実施形態のレーザ加工システムの基本構造を説明する概念図である。
【図5】２０℃を基準としたジェット安定長比率のシミュレーションを示す。
【図6】（ａ）は、実験装置の模式図であり、（ｂ）は、観察画像の一例を示す。
【図7】（ａ）は、ウォータガイドレーザの模式図であり、（ｂ）－（ｅ）は、各条件での観察画像を示す。
【図8】ウォータジェット安定長の計測結果を示すチャートである。
【図9】ウォータジェットを構成する縦方向の３領域を説明する図である。
【図10】ウォータジェットの分裂の原因に関する先行資料を示す図である。
【図11】（ａ）は、観察用レーザ光を加工装置本体に導入するカップリング部を示し、（ｂ）は、加工装置本体の外観を示し、（ｃ）は、カメラによって撮影された画像を示す。
【図12】（ａ）は、カップリングノズル周辺の写真であり、（ｂ）は、カップリングノズルの下方からの写真である。
【図13】実験の様子や、ジェット安定長の撮影準備を説明する写真である。
【図14】（ａ）は、ウォータジェット周辺の画像であり、（ｂ）は、赤輝度値の抽出結果を示す。
【図15】（ａ）は、ウォータジェットを撮影した計測画像の一フレームを示し、（ｂ）は、各フレームから算出したジェット安定長の推移を示す。
【発明を実施するための形態】
【0024】
〔第１実施形態〕
以下、図１を参照して、本発明に係る第１実施形態のレーザ加工装置及びレーザ加工システムについて説明する。
以下、図１を参照して、本発明に係る第１実施形態のレーザ加工装置及びレーザ加工システムについて説明する。
【0025】
図１に示すレーザ加工システム１００は、ウォータガイドレーザ光を用いた加工機を含むものであり、加工装置本体２０と、高圧ポンプ３０と、水源装置４０と、ステージ装置５０と、観察系６０と、制御装置８０とを備える。これらのうち、加工装置本体２０と、高圧ポンプ３０と、観察系６０とは、レーザ加工装置２００を構成する。加工装置本体２０は、ウォータガイドレーザ光を生成する。高圧ポンプ３０は、加工装置本体２０に高圧水を供給する。ステージ装置５０は、ワークＷＯを支持して３次元的に移動させる。観察系６０は、ウォータジェットの状態を撮影することでウォータジェットの状態を観察可能にする。制御装置８０は、レーザ加工システム１００又はレーザ加工装置２００の各部の動作状態を統括的に制御する。
【0026】
加工装置本体２０は、ウォータチャンバ２１と、加工光供給装置２２と、水温調整装置２３とを備える。ウォータチャンバ２１は、例えばステンレス製であり、側壁２１ａと、天板２１ｂと、底板２１ｃとを有し、これらの内部に水収納空間ＳＰを形成する。側壁２１ａには、配管２８が連結され、高圧ポンプ３０からの高圧水ＨＷが水収納空間ＳＰに供給される。天板２１ｂには、加工光供給装置２２からの加工用レーザ光Ｌ１を水収納空間ＳＰに導く円形で平板状の光学窓２５が形成されている。また、底板２１ｃには、ウォータジェットＷＪを形成するカップリングノズル２６が組付けられている。カップリングノズル２６は、水収納空間ＳＰ中の高圧水ＨＷを下方に噴射させる細孔２６ａを有する。カップリングノズル２６のうち細孔２６ａの周りは、例えばダイヤモンド、サファイア等の材料で形成される。加工光供給装置２２は、加工用レーザ光Ｌ１を形成する加工レーザ源２２ａと、加工レーザ源２２ａからの加工用レーザＬ１をウォータチャンバ２１中に導く集光レンズ２２ｂとを有する。加工レーザ源２２ａは、ワークＷＯの加工に適し、かつ、水による吸収が少ない波長域の加工用レーザ光Ｌ１を射出する。加工レーザ源２２ａは、具体的には高出力のパルスレーザであり、加工用レーザ光Ｌ１は、周期的にパルス状に出力される。加工レーザ源２２ａは、例えばＹＡＧレーザを含み、波長１０６４ｎｍの基本波から例えば第２高調波を形成し、加工用レーザ光Ｌ１として出力する。集光レンズ２２ｂは、加工レーザ源２２ａからの加工用レーザ光Ｌ１をウォータチャンバ２１中に導き、水収納空間ＳＰ中において、カップリングノズル２６の上端近傍にレーザスポットＬＰを形成する。レーザスポットＬＰからの加工用レーザ光Ｌ１は、カップリングノズル２６から射出されるウォータジェットＷＪの側面ＳＡで全反射され、ウォータジェットＷＪの先端に向けて伝搬される。ウォータジェットＷＪ中に加工用レーザ光Ｌ１を導光させたものをウォータガイドレーザ光ＷＧＬと呼ぶ。水温調整装置２３は、ウォータチャンバ２１の温度を調整するペルチェ素子２３ａと、カップリングノズル２６の温度を検出する温度センサ２３ｂと、ペルチェ素子２３ａの動作状態等を調整する駆動回路２３ｃとを有する。ペルチェ素子２３ａは、ウォータチャンバ２１に供給された水の温度を直接的に調整する温度調整部材２ａである。駆動回路２３ｃと温度センサ２３ｂとを合わせて動作調整装置２ｂと呼ぶ。ペルチェ素子２３ａは、駆動回路２３ｃに駆動されてウォータチャンバ２１の底板２１ｃや側壁２１ａを加熱するが、底板２１ｃや側壁２１ａを冷却することもできる。温度センサ２３ｂは、カップリングノズル２６の温度を検出することによって、カップリングノズル２６から射出されるウォータジェットＷＪの温度を間接的に計測している。駆動回路２３ｃは、制御装置８０の制御下で動作し、ペルチェ素子２３ａに供給する電力や極性を調整する。水温調整装置２３により、カップリングノズル２６から射出されるウォータジェットＷＪの温度を所望の温度に制御することができる。
【0027】
ウォータジェットＷＪの温度を水の標準的な常温２０℃より高くすることにより、水の粘度が相対的に低下し、ウォータジェットＷＪの安定長を相対的に増加させることが期待される。一般的には、ウォータジェットＷＪの温度を４０℃より高くすることにより、より好ましくはウォータジェットＷＪの温度を５０℃より高くすることにより、ウォータジェットＷＪの安定長を確実に増加させることができる。
【0028】
高圧ポンプ３０は、水源装置４０からの精製水を所望の水圧まで上昇させた高圧水ＨＷをウォータチャンバ２１に連通する配管２８に供給する。水源装置４０は、微細な粒子を除去し、イオン交換によって脱イオン化した精製水を安定して供給することができる。高圧ポンプ３０や水源装置４０の動作は、制御装置８０によって制御され、カップリングノズル２６から射出されるウォータジェットＷＪの噴射速度を規定値に調整している。
【0029】
ステージ装置５０は、基板５１と、移動装置５２とを有する。基板５１は、ワークＷＯの周辺部を機械的に固定し、或いはワークＷＯの裏面を吸着によって固定する固定具（不図示）を備える。移動装置５２は、スライドガイド、モータ、エンコーダ等を有し、加工装置本体２０に対する基板５１の位置を３次元的に変化させ、所望の姿勢に変化させることができる。具体的には、移動装置５２は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に関して基板５１の配置及び姿勢を調整可能であり、６軸で基板５１上のワークＷＯを並進移動させ回転させることができる。ここで、Ｚ軸は、鉛直軸であり、ウォータジェットＷＪの延びる方向に略平行となっている。また、Ｘ軸及びＹ軸は、水平方向に互いに直交して延びる。
【0030】
観察系６０は、観察用レーザ光Ｌ２を形成する観察レーザ源６２ａと、観察レーザ源６２ａからの観察用レーザＬ２を加工用レーザ光Ｌ１と合波させダイクロイックミラー６２ｂと、ウォータジェットＷＪを側方から撮影するカメラ６２ｃとを有する。観察レーザ源６２ａは、具体的には低出力の連続波レーザであり、観察用レーザ光Ｌ２は、比較的微弱であるが、連続的に出力される。観察レーザ源６２ａは、観察用レーザ光Ｌ２として例えば波長６５０ｎｍを射出する。観察用レーザ光Ｌ２は、ダイクロイックミラー６２ｂよって集光レンズ２２ｂに導かれ、集光レンズ２２ｂによってカップリングノズル２６の上端近傍に集光される。カメラ６２ｃは、ウォータジェットＷＪから漏れ出す観察用レーザ光Ｌ２を撮影し、制御装置８０は、カメラ６２ｃによって撮影された画像から、ウォータジェットＷＪにおいて観察用レーザ光Ｌ２が漏れ出す位置を特定する。観察レーザ源６２ａを動作させるタイミングは、通常、加工光供給装置２２による加工を開始する前とするが、加工光供給装置２２による加工中は加工後であってもよい。カメラ６２ｃは、観察用レーザ光Ｌ２のみを選択的に撮影するため、フィルタを備える。
【0031】
制御装置８０は、演算処理装置、メモリ、信号通信装置等を含むコンピュータであり、水温調整装置２３に対して例えば目標温度の設定値を出力することにより水温調整装置２３の動作を制御し、ウォータチャンバ２１のカップリングノズル２６から射出されるウォータジェットＷＪを所望の温度状態に設定しつつ、高圧ポンプ３０の動作を制御することにより、ウォータジェットＷＪを所望の噴射速度に設定する。制御装置８０は、加工光供給装置２２の動作を制御することにより、ウォータジェットＷＪ中に加工用レーザ光Ｌ１を導光させつつ、ステージ装置５０の動作を制御することにより、ワークＷＯ上のウォータジェットＷＪが当たる位置やその際の作動距離ＷＤを調整する。これにより、ワークＷＯに所望の深さの穴９８ａその他の所望の形状を有する凹部を形成することができる。
【0032】
図２を参照して、図１に示すレーザ加工システムの動作の概要を説明する。まず、オペレータが制御装置８０を操作し、加工対象であるワークＷＯの材料、加工形状等に関する各種加工パラメータを選択し入力する（ステップＳ１１）。制御装置８０の記憶装置には、加工パラメータが保管される。次に、制御装置８０は、これまでに蓄積されたデータをまとめたテーブル等に基づいて、データ加工パラメータに適した加工条件、例えば高圧水ＨＷの水温、水圧等を設定する（ステップＳ１２）。この際、ステージ装置５０の動作、つまり基板５１の移動の経路や速度が設定される。その後、オペレータの管理下で制御装置８０が動作し、ステージ装置５０の基板５１を適宜移動させ、ワークＷＯに対して目的の位置に目的の作動距離でウォータジェットＷＪを供給しつつ、ワークＷＯに目的の形状を加工する（ステップＳ１３）。この際、ウォータジェットＷＪの水圧調整と温度調整とによって、ウォータジェットＷＪの安定長を所望の状態に維持することができる。
【0033】
図３は、図１に示すレーザ加工装置２００又はレーザ加工システム１００の変形例を説明する図である。この場合、第１の水温調整装置２３に代えて、或いは第１の水温調整装置２３とともに第２の水温調整装置１２３を組み込んでいる。第２の水温調整装置１２３は、ヒータ１２３ａと、温度センサ１２３ｂと、駆動回路２３ｃとを備える。駆動回路２３ｃは、両水温調整装置２３，１２３に共通のものである。駆動回路２３ｃと温度センサ１２３ｂとを合わせて動作調整装置２ｂと呼ぶ。ヒータ１２３ａは、例えば電熱線ヒータであり、高圧ポンプ３０からウォータチャンバ２１にかけての配管２８の一部分をカバーするように設けられている。ヒータ１２３ａは、それ自体が発熱するものに限らず、熱媒体の流体を配管２８の周りに流すようなものであってもよい。ヒータ１２３ａは、ウォータチャンバ２１に供給される前の水の温度を調整することによって、ウォータチャンバ２１に供給された水の温度を間接的に調整する温度調整部材２ａである。温度センサ１２３ｂは、例えばサーミスタセンサを備えるものであるが、これに限るものではなく、熱電対やその他の各種原理の温度センサを用いることができる。水温調整装置１２３は、制御装置８０の制御下で動作し、温度センサ１２３ｂによって配管２８の温度を監視しつつウォータチャンバ２１に供給される前の高圧水ＨＷを加熱し、高圧水ＨＷを所望の温度まで上昇させる。第１の水温調整装置２３と第２の水温調整装置１２３とを併用する場合、第２の水温調整装置１２３は、例えば予熱といった補助的加熱に使用される。水温調整装置１２３は、電熱線ヒータを備えるものに限らず、ペルチェ素子を備えるものであってもよい。また、第１の水温調整装置２３において、ペルチェ素子２３ａに代えて、ウォータチャンバ２１にヒータのような加熱装置を設けてもよい。
【0034】
以上で説明した第１実施形態のレーザ加工装置２００は、ウォータガイドレーザ光ＷＧＬを生成するものであって、高圧水ＨＷが供給されウォータジェットＷＪを射出するウォータチャンバ２１と、加工用レーザ光Ｌ１をウォータチャンバ２１中に供給する加工光供給装置２２と、ウォータチャンバ２１から射出されるウォータジェットＷＪの温度を調節する水温調整装置２３とを備える。
【0035】
上記レーザ加工装置では、水温調整装置２３がウォータチャンバ２１から射出されるウォータジェットＷＪの温度を調節するので、ウォータジェットＷＪの安定長を伸長することができ、高アスペクト比の微細穴等の加工が容易になる。
【0036】
図１に示すレーザ加工装置２００では、水温調整装置２３は、水供給装置４０からウォータチャンバ２１に供給された高圧水ＨＷを加熱する。この場合、ウォータジェットＷＪの温度を直接的に近い事態で調整することができる。
【0037】
図３に示すレーザ加工装置２００では、水温調整装置２３は、ウォータチャンバ２１に供給される前の高圧水ＨＷを加熱する。この場合、ウォータジェットＷＪの温度を間接的に調整することになるが、ウォータジェットＷＪの温度を安定化させることが容易になる。
【0038】
〔第２実施形態〕
以下、図４を参照して、第２実施形態のレーザ加工装置及びレーザ加工システムについて説明する。
以下、図４を参照して、第２実施形態のレーザ加工装置及びレーザ加工システムについて説明する。
【0039】
図４に示すレーザ加工システム１００は、ヘリウム供給装置７０を備える。ヘリウム供給装置７０は、カップリングノズル２６の下端からウォータジェットＷＪを囲んで下方に延びるカバー７１と、カバー７１の上端にヘリウムガスを供給するヘリウムガス源７２とを有する。ヘリウム供給装置７０は、カップリングノズル２６から射出されるウォータジェットＷＪの周囲を包んで下方に流れるヘリウムガス流ＨＳを形成する。ヘリウムガス流ＨＳは、水の表面との摩擦を低減し、ウォータジェットＷＪの安定長をより長くすることができる。
【0040】
カバー７１は、光透過性を有する材料で形成されるが、光透過性を有する材料で形成されない場合、例えばカバー７１の一部に光透過窓を形成することにより、カメラ６２ｃによるウォータジェットＷＪの撮影を確保することができる。
【0041】
カバー７１の上端のヘリウムガスの取込部には、ガス流の方向を規制するような流路を有する案内部を形成することができ、或いは、カバー７１の内面には、ヘリウムガス流ＨＳの状態を調整する突起を形成することができる。これにより、ウォータジェットＷＪの周囲を包んで下方に流れるヘリウムガス流ＨＳの状態を安定化させることができ、例えばウォータジェットＷＪの周りに螺旋状に旋回しつつ下方に流れるヘリウムガス流ＨＳを形成することもできる。
【0042】
〔Ａ．具体的な実施例及び考察〕
（１）ウォータジェット伸長原理
水は温度上昇によって粘度が大きく低下することが知られている。そして粘度の低下によりジェット安定長が伸びることが期待される。そのため水温を上昇させることによりジェット安定長は伸長するはずである。
（１）ウォータジェット伸長原理
水は温度上昇によって粘度が大きく低下することが知られている。そして粘度の低下によりジェット安定長が伸びることが期待される。そのため水温を上昇させることによりジェット安定長は伸長するはずである。
【0043】
（１．１）液体ジェット安定長と水温
Erogluらは、実験結果より同軸空気流中の液体ジェットの安定長Ｌに関する次の関係式を導き出した（参考文献［２］）。ここでのジェット安定長とは、ジェットが乱れ始めるまでの長さのことである。
Ｌ／ｄ＝０．５Ｗｅ－０．４Ｒｅ０．６ （１）
ここで、ｄは液体ジェットの直径である。またウェーバ数Ｗｅとレイノルズ数Ｒｅは次の式で定義されている。
Ｗｅ＝ｄρＡｕＲ ２／２σ （２）
Ｒｅ＝ｄρＬｕＬ／μＬ （３）
ここで、ρＡは空気密度、ｕＲは液体と気体の相対速度、σは表面張力である。また、ρＬ，ｕＬ，μＬは、それぞれ液体の密度，速度，粘度である。これらのパラメータのうち温度変動によって値が変化するものとして液体の表面張力、密度、粘度の３つが挙げられる（参考文献［３～５］）。これら３つの水の物性値からジェット安定長の温度依存性を算出する。
Erogluらは、実験結果より同軸空気流中の液体ジェットの安定長Ｌに関する次の関係式を導き出した（参考文献［２］）。ここでのジェット安定長とは、ジェットが乱れ始めるまでの長さのことである。
Ｌ／ｄ＝０．５Ｗｅ－０．４Ｒｅ０．６ （１）
ここで、ｄは液体ジェットの直径である。またウェーバ数Ｗｅとレイノルズ数Ｒｅは次の式で定義されている。
Ｗｅ＝ｄρＡｕＲ ２／２σ （２）
Ｒｅ＝ｄρＬｕＬ／μＬ （３）
ここで、ρＡは空気密度、ｕＲは液体と気体の相対速度、σは表面張力である。また、ρＬ，ｕＬ，μＬは、それぞれ液体の密度，速度，粘度である。これらのパラメータのうち温度変動によって値が変化するものとして液体の表面張力、密度、粘度の３つが挙げられる（参考文献［３～５］）。これら３つの水の物性値からジェット安定長の温度依存性を算出する。
【0044】
式（１）、（２）、（３）より、水温Ｔ０でのジェット安定長Ｌ０と水温Ｔ１でのジェット安定長Ｌ１の比率ｒ＝Ｌ１／Ｌ０は次式で表される。
ｒ＝（σ１／σ０）０．４×（ρ１μ０／ρ０μ１）０．６ （４）
ただし、各パラメータの添字は水温を表しており、添字０は水温Ｔ０を、添字１は水温Ｔ１をそれぞれ意味する。水温２０℃のジェット安定長を基準として０℃から１００℃まで１０℃刻みのジェット安定長比率を式（４）と文献値から計算した（参考文献［３～５］）。
ｒ＝（σ１／σ０）０．４×（ρ１μ０／ρ０μ１）０．６ （４）
ただし、各パラメータの添字は水温を表しており、添字０は水温Ｔ０を、添字１は水温Ｔ１をそれぞれ意味する。水温２０℃のジェット安定長を基準として０℃から１００℃まで１０℃刻みのジェット安定長比率を式（４）と文献値から計算した（参考文献［３～５］）。
【0045】
図５は、安定長に関する比率ｒの計算結果を示す。ジェット安定長は温度上昇に伴い単調増加し、水温５０℃の場合は１．４倍、１００℃の場合には１．９倍にまで伸長されるという計算結果となった。計算に用いた３つの物性値のうち最も温度依存性が大きいのは水の粘度である。式（４）に対し粘度以外の物性値が温度によらず一定と仮定して計算した場合、ジェット安定長は５０℃では１．４、１００℃では２．１倍となり図５に示した結果と大差ない。以上より、水温上昇によって水の粘度が低下し、ジェット安定長が伸びることが期待される。
【0046】
（１．２）温度制御手法
温度制御のためにペルチェ素子を使用した。ペルチェ素子は電流を流すことで素子の片側の面から反対の面へと熱量を移動させる素子である。そのため片面が冷却面であり、他方の放熱面において放熱される熱量は、電流値と正の相関をもつ。電流を流したペルチェ素子の放熱面を用いて水の加熱を行うことができる。
温度制御のためにペルチェ素子を使用した。ペルチェ素子は電流を流すことで素子の片側の面から反対の面へと熱量を移動させる素子である。そのため片面が冷却面であり、他方の放熱面において放熱される熱量は、電流値と正の相関をもつ。電流を流したペルチェ素子の放熱面を用いて水の加熱を行うことができる。
【0047】
（２）実験
提案手法によってジェット安定長が伸長することを実証するため、水を加熱しないときのジェット安定長と加熱したときのジェット安定長とを計測し比較した。またウォータジェットの周りにヘリウムガスを流すことでウォータジェットが伸長する。そのため各温度にてヘリウム流量０Ｌ／ｍｉｎと０．５Ｌ／ｍｉｎの条件にてジェット安定長計測を実施し、提案手法がヘリウムの使用と両立可能であるかの確認を行なった。
提案手法によってジェット安定長が伸長することを実証するため、水を加熱しないときのジェット安定長と加熱したときのジェット安定長とを計測し比較した。またウォータジェットの周りにヘリウムガスを流すことでウォータジェットが伸長する。そのため各温度にてヘリウム流量０Ｌ／ｍｉｎと０．５Ｌ／ｍｉｎの条件にてジェット安定長計測を実施し、提案手法がヘリウムの使用と両立可能であるかの確認を行なった。
【0048】
実験装置の模式図を図６（ａ）に示す。ウォータガイドレーザ加工機はＭＣＳ３００（株式会社牧野フライス製作所）をベースにしたものを用いた。カップリングノズルは穴径が４０μｍのものを使用し、水圧は１５ＭＰａとした。ペルチェ素子をウォータチャンバ下部に設置し水温制御を行った。さらにカップリングノズルに温度センサを設置し温度を計測した。ジェット安定長計測のために波長６５０ｎｍで３０ｍＷの観察レーザ光をウォータジェットに導入した。図６（ｂ）のように観察レーザ光がウォータジェットから漏れることを利用し、漏れ出す位置とカップリングノズル下端との距離をジェット安定長と定義し計測した。
【0049】
実験手順を説明する。非加熱時カップリングノズルの温度は２４℃であった。このときペルチェ素子は設置してあるが電流は流していない。図６（ｂ）のようにウォータジェット脇に定規を配置し取得画像の画素座標とカップリングノズルからの距離を対応づけた。定規とウォータジェット周りの気流との干渉を防ぐため定規を取り除き、約５秒の動画撮影を行なった。動画は３０ｆｐｓであり約１５０フレームを得た。動画の各フレームにおいてカップリングノズルとレーザ光の漏れ位置の距離を算出した。加熱時にはペルチェ素子に３．３Ａの電流を流し４０Ｗ程度の熱量で加熱した。温度は５２℃まで上昇し安定した。温度安定後に、非加熱時と同様に、定規を用いた画素座標と距離の対応づけ、動画撮影、ジェット安定長算出を行った。
【0050】
図７にジェット観察画像を示した。図７（ａ）は観察画像に対応した模式図である。画像上方にカップリングノズルがあり、その下方にてレーザ光がウォータジェットから漏れ出している。図７（ｂ）のスケールバーは１０ｍｍであり、４画像の拡大倍率は等しい。図７（ｂ）、７（ｃ）は非加熱時、図７（ｄ）、７（ｅ）は加熱時の画像である。一方ヘリウム流量に関しては図７（ｂ）、７（ｄ）はどちらも０Ｌ／ｍｉｎと等しく、図７（ｃ）、７（ｅ）はどちらも０．５Ｌ／ｍｉｎと等しい。ヘリウムの有無に関わらず、水温上昇によってジェット安定長が伸びたことが見て取れる。さらに水温上昇とヘリウム使用の併用により最大のジェット安定長が得られた。ジェット安定長計測結果を図８に示す。各条件においてフレームごとに算出したジェット安定長の平均値をプロットした。エラーバーは標準偏差を表す。ヘリウムを流さない場合のジェット安定長は２４℃では８．８ｍｍであったが、５２℃では１９．７ｍｍであり、加熱によって約２．２倍まで伸長した。またヘリウムを０．５Ｌ／ｍｉｎ流した場合のジェット安定長は２４℃では１１．２ｍｍであったが、５２℃では２０．２ｍｍであり、約１．８倍となった。また全条件において標準偏差の値は小さく、ジェット安定長の時間変動が少ないことがわかる。
【0051】
理論との比較を行う。「（１．１）液体ジェット安定長と水温」欄で算出したジェット安定長の温度依存を見ると、２０℃に対し５０℃でのジェット安定長は１．４倍であり、実験の結果ジェット安定長は理論値以上に伸長した。この差異の一因としては、ジェット安定長の定義の違いが考えられる。理論ではジェットが乱れ始めるまでの長さと定義し、実験ではジェットが乱れた結果レーザ光が漏れ出す位置（以下、レーザ漏れ出し位置）までの距離と定義した。定義の違いのために２つのジェット安定長は似通っているが異なる物理メカニズムが働いており、そのためジェット安定長の伸長度合いに差が生じたと考えられる。本実験の加熱条件ではカップリングユニットの温度は５２℃まで上昇した。図８に示すようにジェット安定長は水温に対して単調増加すると考えられるため、水に加える熱量を増やすことでジェット安定長のさらなる伸長が期待される。
【0052】
（３）結論
ウォータガイドレーザ加工において、ウォータチャンバ内の水を加熱し水の物性値を変化させ、ジェット安定長を伸ばすウォータジェット伸長手法を提案し、ウォータジェット伸長を実験によって実証した。ウォータチャンバを加熱することでジェット安定長は８．８ｍｍから１９．７ｍｍまで伸長した。ウォータジェット伸長効果のあるヘリウム流環境下においてジェット安定長は１１．２ｍｍから２０．２ｍｍまで伸長した。
ウォータガイドレーザ加工において、ウォータチャンバ内の水を加熱し水の物性値を変化させ、ジェット安定長を伸ばすウォータジェット伸長手法を提案し、ウォータジェット伸長を実験によって実証した。ウォータチャンバを加熱することでジェット安定長は８．８ｍｍから１９．７ｍｍまで伸長した。ウォータジェット伸長効果のあるヘリウム流環境下においてジェット安定長は１１．２ｍｍから２０．２ｍｍまで伸長した。
【0053】
（４）参考文献
[1] Marimuthu, S., J. Dunleavey, Y. Liu, B. Smith, A. Kiely, and M. Antar. "Water-jet guided laser drilling of SiC reinforced aluminium metal matrix composites." Journal of Composite Materials 53, no. 26-27 (2019): 3787-3796.
[2] Eroglu, Hasan, Norman Chigier, and Zoltan Farago. "Coaxial atomizer liquid intact lengths." Physics of Fluids A: Fluid Dynamics 3, no. 2 (1991): 303-308.
[3] Vargaftik, N. B., B. N. Volkov, and L. D. Voljak. "International tables of the surface tension of water." Journal of Physical and Chemical Reference Data 12, no. 3 (1983): 817-820.
[4] Kampmeyer, Preston M. "The temperature dependence of viscosity for water and mercury." Journal of Applied Physics23, no. 1 (1952): 99-102.
[5] Kell, George S. "Density, thermal expansivity, and compressibility of liquid water from 0. deg. to 150. deg.. Correlations and tables for atmospheric pressure and saturation reviewed and expressed on 1968 temperature scale." Journal of Chemical and Engineering data 20, no. 1 (1975): 97-105.
[1] Marimuthu, S., J. Dunleavey, Y. Liu, B. Smith, A. Kiely, and M. Antar. "Water-jet guided laser drilling of SiC reinforced aluminium metal matrix composites." Journal of Composite Materials 53, no. 26-27 (2019): 3787-3796.
[2] Eroglu, Hasan, Norman Chigier, and Zoltan Farago. "Coaxial atomizer liquid intact lengths." Physics of Fluids A: Fluid Dynamics 3, no. 2 (1991): 303-308.
[3] Vargaftik, N. B., B. N. Volkov, and L. D. Voljak. "International tables of the surface tension of water." Journal of Physical and Chemical Reference Data 12, no. 3 (1983): 817-820.
[4] Kampmeyer, Preston M. "The temperature dependence of viscosity for water and mercury." Journal of Applied Physics23, no. 1 (1952): 99-102.
[5] Kell, George S. "Density, thermal expansivity, and compressibility of liquid water from 0. deg. to 150. deg.. Correlations and tables for atmospheric pressure and saturation reviewed and expressed on 1968 temperature scale." Journal of Chemical and Engineering data 20, no. 1 (1975): 97-105.
【0054】
〔Ｂ．補充説明〕
（１）ウォータガイドレーザ加工法の高機能化
研究の方向性として、ウォータガイドレーザ加工法の長所である高アスペクト比加工性の拡張を目指している。
（１）ウォータガイドレーザ加工法の高機能化
研究の方向性として、ウォータガイドレーザ加工法の長所である高アスペクト比加工性の拡張を目指している。
【0055】
図９に示すように、ウォータジェットＷＪについては、カップリングノズルから下方に向けて、下記３領域
（ａ１）レーザ全反射領域
（ａ２）レーザ漏れ出し領域
（ａ３）分裂後領域
が想定される。ここで、レーザ全反射領域は、加工エネルギーがほとんど損失せずに供給されている領域であり、レーザ全反射領域が加工に適した領域といえる。加工の最大作動距離はレーザ全反射領域長さ（ジェット安定長）に制限される。つまり、ジェット安定長を伸長すれば、最大作動距離が拡張され、超高アスペクト比加工を実現できる。
（ａ１）レーザ全反射領域
（ａ２）レーザ漏れ出し領域
（ａ３）分裂後領域
が想定される。ここで、レーザ全反射領域は、加工エネルギーがほとんど損失せずに供給されている領域であり、レーザ全反射領域が加工に適した領域といえる。加工の最大作動距離はレーザ全反射領域長さ（ジェット安定長）に制限される。つまり、ジェット安定長を伸長すれば、最大作動距離が拡張され、超高アスペクト比加工を実現できる。
【0056】
（２）ジェット伸長に関する先行研究
アシストガスを活用することでウォータジェットＷＪが伸長するとの報告があり、ウォータジェットＷＪと同軸のアシストガスを流すことと、同軸螺旋状のアシストガス同軸螺旋状のアシストガスを流すこととが提案されている（参考文献［６］：Cheng, Bai, Ye Ding, Yuan Li, Jingyi Li, Junjie Xu, Qiang Li, and Lijun Yang. Journal of Materials Processing Technology 293 (2021): 117067.）。この報告では、アルゴンガス０．７ＭＰａの使用によって、ウォータジェットが３６ｍｍから７２ｍｍまで伸長したとされる。アシストガスを活用したウォータジェット伸長手法は研究されているものの、水の物性を活用した手法はまだない。本研究では、水の物性、特に水温に着目しウォータジェット伸長に取り組んだ。
アシストガスを活用することでウォータジェットＷＪが伸長するとの報告があり、ウォータジェットＷＪと同軸のアシストガスを流すことと、同軸螺旋状のアシストガス同軸螺旋状のアシストガスを流すこととが提案されている（参考文献［６］：Cheng, Bai, Ye Ding, Yuan Li, Jingyi Li, Junjie Xu, Qiang Li, and Lijun Yang. Journal of Materials Processing Technology 293 (2021): 117067.）。この報告では、アルゴンガス０．７ＭＰａの使用によって、ウォータジェットが３６ｍｍから７２ｍｍまで伸長したとされる。アシストガスを活用したウォータジェット伸長手法は研究されているものの、水の物性を活用した手法はまだない。本研究では、水の物性、特に水温に着目しウォータジェット伸長に取り組んだ。
【0057】
（３）ジェット分裂に関して
ウォータジェットＷＪの分裂機構として、表面波の成長と空気との摩擦の２つがあると考えられる。層流では表面波の成長が、乱流では空気との摩擦が、ウォータジェットＷＪの分裂の主な原因と考えられる。図１０は、参考文献［７］（Lin, Sung P., and Rolf D. Reitz. "Drop and spray formation from a liquid jet." Annual review of fluid mechanics 30, no. 1 (1998): 85-105.）を引用したものであり、（ａ）及び（ｂ）の左半分が層流に対応し、右半分が乱流に対応する。
ウォータジェットＷＪの分裂機構として、表面波の成長と空気との摩擦の２つがあると考えられる。層流では表面波の成長が、乱流では空気との摩擦が、ウォータジェットＷＪの分裂の主な原因と考えられる。図１０は、参考文献［７］（Lin, Sung P., and Rolf D. Reitz. "Drop and spray formation from a liquid jet." Annual review of fluid mechanics 30, no. 1 (1998): 85-105.）を引用したものであり、（ａ）及び（ｂ）の左半分が層流に対応し、右半分が乱流に対応する。
【0058】
ガス雰囲気中にウォータジェットＷＪを噴出する場合、ガスのウェーバ数Ｗｅ（慣性力と表面張力）から層流及び乱流の判別が可能であり、上記実験では、Ｗｅ＝３．９４であり、ウォータジェットＷＪは層流となっているといえる。なお、層流及び乱流に関するＷｅの閾値は、２５である。
【0059】
（４）水物性値とジェット安定長の温度依存性
以下の表１は、水の物性値温度依存性と、これに対応するジェット伸長比率又はジェット安定長比率とをまとめたものである。
［表１］
図５に示すジェット安定長比率のチャートは、上記表１に対応する。
以下の表１は、水の物性値温度依存性と、これに対応するジェット伸長比率又はジェット安定長比率とをまとめたものである。
［表１］
【0060】
（５）ジェット安定長の測定手法
実験では、ウォータジェット中に導入した観察用レーザ光が漏れる位置をカメラで撮影し、観察用レーザ光が漏れる位置をジェット安定長として測定した。
図１１（ａ）は、観察用レーザ光（波長６５０ｎｍ）を図１等に示す加工装置本体２０のヘッドに導入するカップリング部を示し、図１１（ｂ）は、加工装置本体２０のヘッドの外観を示し、図１１（ｃ）は、カメラ６２ｃによって撮影された画像であり、ウォータジェットＷＪや定規が映っている。
実験では、ウォータジェット中に導入した観察用レーザ光が漏れる位置をカメラで撮影し、観察用レーザ光が漏れる位置をジェット安定長として測定した。
図１１（ａ）は、観察用レーザ光（波長６５０ｎｍ）を図１等に示す加工装置本体２０のヘッドに導入するカップリング部を示し、図１１（ｂ）は、加工装置本体２０のヘッドの外観を示し、図１１（ｃ）は、カメラ６２ｃによって撮影された画像であり、ウォータジェットＷＪや定規が映っている。
【0061】
（６）水温制御手法
実験では、ペルチェ素子（熱交換素子）を用いてウォータチャンバ内の水を加熱した。
図１２（ａ）は、カップリングノズル周辺の写真であり、図１２（ｂ）は、カップリングノズルの下方からの写真である。ペルチェ素子の形状は、１辺３０ｍｍの正方形板である。温度センサは、サーミスタ方式であり、サイズは３．６×２５ｍｍとした。
実験では、ペルチェ素子（熱交換素子）を用いてウォータチャンバ内の水を加熱した。
図１２（ａ）は、カップリングノズル周辺の写真であり、図１２（ｂ）は、カップリングノズルの下方からの写真である。ペルチェ素子の形状は、１辺３０ｍｍの正方形板である。温度センサは、サーミスタ方式であり、サイズは３．６×２５ｍｍとした。
【0062】
（７）水温制御によるジェット安定長変化計測
実験では、水温を制御した際のジェット長を観察用レーザ光を用いて計測した。
図１３は、実験の様子や、観察用レーザ光によるジェット安定長の撮影準備を説明する写真である。計測手順は、（１）カップリングノズル真下に定規を垂直に配置する、（２）準備としての撮影を行い、（３）定規を用いて実際の距離と取得画像上の距離とを対応づけし、（４）定規を除去し、（５）本番の撮影を行い、（６）取得画像からジェット安定長を算出した。
実験では、水温を制御した際のジェット長を観察用レーザ光を用いて計測した。
図１３は、実験の様子や、観察用レーザ光によるジェット安定長の撮影準備を説明する写真である。計測手順は、（１）カップリングノズル真下に定規を垂直に配置する、（２）準備としての撮影を行い、（３）定規を用いて実際の距離と取得画像上の距離とを対応づけし、（４）定規を除去し、（５）本番の撮影を行い、（６）取得画像からジェット安定長を算出した。
【0063】
（８）ジェット安定長の算出手法
図１４（ａ）は、ウォータジェットＷＪ周辺の画像であり、図１４（ｂ）は、赤輝度値の抽出結果を示す。まず、取得画像からレーザ漏れ出し位置を決定する。具体的には、ジェット周辺の赤輝度値を抽出し、閾値を設定しレーザ光が見えている箇所を決定することで、画像上でのノズルとレーザ漏れ出し位置の距離が決定される。次に、レーザ漏れ出し位置をジェット安定長に変換する。具体的には、あらかじめウォータジェット横に定規を配置しカメラによって撮影し、画素上の距離を実際の距離を変換する。
（９）撮影動画とジェット安定長算出結果
図１５（ａ）は、ウォータジェットＷＪを撮影した動画の一フレームを示し、図１５（ｂ）は、各フレームから算出したジェット安定長の推移を示す。この場合、ウォータジェットＷＪを５２℃に加熱し、ヘリウム流量は、０Ｌ／ｍｉｎとしている。
図１４（ａ）は、ウォータジェットＷＪ周辺の画像であり、図１４（ｂ）は、赤輝度値の抽出結果を示す。まず、取得画像からレーザ漏れ出し位置を決定する。具体的には、ジェット周辺の赤輝度値を抽出し、閾値を設定しレーザ光が見えている箇所を決定することで、画像上でのノズルとレーザ漏れ出し位置の距離が決定される。次に、レーザ漏れ出し位置をジェット安定長に変換する。具体的には、あらかじめウォータジェット横に定規を配置しカメラによって撮影し、画素上の距離を実際の距離を変換する。
（９）撮影動画とジェット安定長算出結果
図１５（ａ）は、ウォータジェットＷＪを撮影した動画の一フレームを示し、図１５（ｂ）は、各フレームから算出したジェット安定長の推移を示す。この場合、ウォータジェットＷＪを５２℃に加熱し、ヘリウム流量は、０Ｌ／ｍｉｎとしている。
【0064】
〔その他〕
以上では、実施形態や実施例として、本発明に係るレーザ加工装置等について説明したが、本発明に係るレーザ加工装置等は上記のものには限られない。
以上では、実施形態や実施例として、本発明に係るレーザ加工装置等について説明したが、本発明に係るレーザ加工装置等は上記のものには限られない。
【0065】
例えば、加工光供給装置２２は、単一の加工レーザ源２２ａに限らず、複数の加工レーザ源２２ａを組み込んだものであってもよい。この場合、複数の加工レーザ源２２ａは互いに異なるパルス周期で動作するものであってもよい。
【0066】
以上では、ウォータチャンバ２１の水収納空間ＳＰの形状について特に限定していないが、水収納空間ＳＰ又はウォータチャンバ２１の内面形状は、カップリングノズル２６を中心とする対称的な形状とすることができ、高圧水ＨＷに一様な流れを形成するような内面形状を付加したものとすることができる。
【0067】
加工装置本体２０において、ウォータジェットＷＪの先端の加工点からの誘導光又は戻り光を計測する検査装置を追加することもできる。
【0068】
ウォータチャンバ２１に供給する液体は、水に限らず、例えば界面活性剤のような添加物を添加した水であってもよい。
【符号の説明】
【0069】
２ａ…温度調整部材、２ｂ…動作調整装置、 ２０…加工装置本体、 ２１…ウォータチャンバ、 ２２…加工光供給装置、 ２２ａ…加工レーザ源、 ２２ｂ…集光レンズ、 ２３，１２３…水温調整装置、 ２３ａ…ペルチェ素子、 ２３ｂ…温度センサ、 ２３ｃ…駆動回路、 ２５…光学窓、 ２６…カップリングノズル、 ２６ａ…細孔、 ３０…高圧ポンプ、 ４０…水源装置、 ５０…ステージ装置、 ５１…基板、 ５２…移動装置、 ６０…観察系、 ６２ａ…観察レーザ源、 ６２ｂ…ダイクロイックミラー、 ６２ｃ…カメラ、 ７０…ヘリウム供給装置、 ７１…カバー、 ７２…ヘリウムガス源、 ８０…制御装置、 １００…レーザ加工システム、 １２３…加熱装置、 ２００…レーザ加工装置、 ＨＳ…ヘリウムガス流、 ＨＷ…高圧水、 Ｌ１…加工用レーザ光、 Ｌ２…観察用レーザ光、 ＳＡ…側面、 ＳＰ…水収納空間、 ＬＰ…レーザスポット、 ＷＧＬ…ウォータガイドレーザ光、 ＷＪ…ウォータジェット、 ＷＯ…ワーク
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
