JPH02501719A - レーザビームによって材料を切断する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザビームによって材料を切断する方法および装置本発明はレーザビームをに よって材料を切断する方法に関し、またその方法を実施する装置であって、レー ザ放射を案内する光ガイドを備え、その光ガイドの一端に出口箇所を形成した装 置に関する。

レーザ放射は例えばプラスチック加工あるいは組織の分離を行う生物学的および 外科的処置で用いられる材料を切断するために様々な分野で用いられる。外科的 処置では、分離と並んで同時に切断箇所領域で凝固も行われる。

上述したような処置のすべてにおいて、レーザヘッドから射出されるレーザビー ムによって損傷を受ける危険が伴う。

また、そのような危険は被切断材料の切断領域でも生じ得る。

日本国公開公報６１１８５２６０号で既知のレーザにおいては、レーザ放射はグ ラスファイバから直接的に射出されるのではなく円錐形テーバ先端から射出され 、その円錐形テーバ先端部にはレーザ放射が光ガイドによって結合されることに なる。

′　円錐形テーバ先端部の回りには水が循環させられ、これにより該円錐形テー バ先端部に付着した組織微細片が除去されることになる。レーザ放射は円錐形先 端部から非常に大きな角度で射出されるので、既知の装置の先端部でのレーザ放 射の大部分はその表面上の水の層を通り抜けて射出されることになり、その結果 該先端部の付近では成る角度で射出されるし−ザ放射による損傷の危険が相当に 伴う。

本発明の目的はレーザ放射による故意でない損傷だけでなく切断領域での材料の 意図しない毀損を回避する方法を改良することである。

本発明によれば、かかる目的は、冒頭で述べたようなタイプの方法であって、レ ーザ放射の射出前に光ガイドからレーザ放射透過性の中実液体ジェットを発生さ せ、この中実液体ジェットを前記光ガイドに直接的に付着させて被切断材料に向 かわせる方法によって達成される。レーザ放射が光ガイドの端面から直接的に連 なった液体ジェットに入射して実質的に損失なく光ガイドの態様で導かれること が判明した。また、周囲空気に対する液体の屈折率の相違のためにその境界部で 全反射が生じ、このため液体ジェットはそれが被加工材料と衝突する領域までレ ーザ放射を導くことになる。そこでのレーザ放射の作用は完全に有効とされ得る 。液体は加工箇所の回りに流れ、これにより該加工箇所は冷却されて洗浄される 。

このような冷却および洗浄効果に加えて、特に、材料加工中に発生する蒸気およ び臭気が液体によって吸収され得るということも利点となる。

このような方法において、レーザ放射は液体ジェットによって導かれて部分的に 吸収されるが、一方液体ジエツトが液滴に分散するような場合には、レーザ放射 はかかる液滴によって相当な程度で散乱されるか、あるいは組織中に吸収される ことになる。したがって、どのような場合でも、無用な集光レーザビームが意図 されずに射出されて損傷を引き起こすようなことはない。

レーザ放射の射出端面を持つ光ガイドの外側壁上に接した環状横断面の液体ジェ ットを出口箇所領域で該光ガイドの回り全体で循環させることも特に有利である 。そのような液体ジェットは一方では出口端面の領域で光ガイドを冷却し、他方 では光ガイドの出口箇所から直接的に連なって中実液体ジェットを形成し、これ によりレーザ放射が該中実液体ジェット内で更に導かれ得ることになる。

導波体から下流側の液体ジェットの横断面形状を該導波体の横断面形状にほぼ一 致させるように液体ジェットの量を選択することも有利である。

以上に述べたような方法は液体として水を用いた場合に特に容易に実施化される 。水中での消光長は波長１．０６−で９０ｍｍであり、可視領域では一層長くな る。

流れを適当に導くことにより、層状の中実液体ジェットが得られ１、これは約３ ０ｍｍまで液滴に分散されることはない。したがって、液体の光ガイドは約３ｃ ｍの長さに亘って得られ、その結果レーザヘッドを被加工材料から３ｃｍ上方の 箇所まで導くことになる。

本発明の別の目的は上述したような方法を実施する装置を提案することである。

本発明によれば、この目的は冒頭で述べたようなタイプの装置であって、光ガイ ドの出口箇所から直接的に連なる中実液体ジェットを発生させる手段を特徴とす る装置によって達成される。

好ましい実施例においては、導波体はその出口箇所領域で液体のためのリング状 出口体によって取り囲まれる。

次に、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例について詳細に説明する。

添付図面にはレーザヘッドと共にそこに付着した液体ジェットが図示されている 。

図示したレーザヘッドは円筒形状の光ガイドコア１を有し、この光ガイドコア１ は例えば石英ガラスからなる。光ガイドコア１の端面２はその長手方向軸線に対 して直角にされる。

光ガイドコア１の周囲にはクラッド３が取り巻き、このクラッド３はこれを取り 巻く被覆４と同様に光ガイドコア１の全長に亘って延在するが、しかし被覆４お よびクラッド３は端面２の手前の領域では除去される。

被覆４の端部にはリング状ノズル５が螺着され、このリング状ノズル５上にはホ ース６の自由端部が押し込められ、該ホース６はクラッド３および被覆４によっ て取り巻かれた光ガイドコア１をそこから離間して取り巻まいて、該被覆４とホ ース６自体との間に環状チャンネル７を形成する。リング状ノズル５は環状チャ ンネル７と向かい合う端面で何本かの長手方向スロット８を備え、これら長手方 向スロット８はリング状ノズル５の約半分の長さに亘って延在する。環状チャン ネル７はそれら長手方向スロット８を介してリング状ノズル５の内部９と連通状 態に置かれる。リング状ノズル５の壁部１０は光ガイドコア１をそこから離間し て取り巻いてリング状ギャップ１２を形成する。リング状ギャップ１２の領域で は、クラッド３および被覆４が光ガイドコア１から除去され、このためリング状 ギャップ１２は光ガイドコア１と直接的に隣接させられる。光ガイドコア１はリ ング状ノズル５の下流側端部から僅か数ミリ程度突出させられる。

作動中、洗浄液例えば水が環状チャンネル７内を図中に矢印で示す方向に通過さ せられる。リング状ギャップ１２の領域では、洗浄液は光ガイドコア１の全側面 を取り囲んで該光ガイドコア１に沿って流れる。端面２の領域では、環状流れが 一体となって中実な液体ジェット１３を形成し、この液体ジェット１３は端面２ から直接的に連なり、しかも洗浄液の流量を適当に調節することによって光ガイ ド１とほぼ同じ断面形状となる。

かかる中実な液体ジェット１３は被切断材料１４に向けられる。

図中には示されていないレーザ放射は光ガイドコア１を通ってその端面２から射 出され、該光ガイドコア１から連なる液体ジェット１３中に直接入射させられ、 しかもその中を光ガイドの態様で材料１４に対する液体ジェット１３の衝突箇所 まで導かれる。この衝突領域では、レーザ放射が解放されて周囲材料中に吸収さ れ、このため材料１４は切断されることになるが、もし生物材料が用いられてい る場合には、凝固も行われることになる。レーザ放射の衝突箇所は同時に洗浄液 によって冷却されると共に洗浄される。そこで発生させられる蒸気および臭気は 吸収される。

洗浄液として水が用いられる場合には、石英ガラス製の光ガイドから水への光伝 達の際の損失は実質的にはない。したがって、水の光ガイドにおいては、レーザ 放射を３印程度の短い距離では実質的に損失なく導くことが可能である。そのよ うな距離については、液体ジェットが所定の距離以上となった際に液滴に分かれ 場合に制限される。その場合には、散乱が引き起こされて、方向付けらだレーザ ビームの伝達が不可能となる。

上述した利点に加えて、光ガイドコア１は冷却されると同時に洗浄をも行われる ことになる。したがって、端面２の汚染および融解も起こり得ない。

補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成１年６月１９日 特許庁長官　吉　１）文　毅　殿 １　特許出願の表示 ＰＣＴ／ＥＰ８７１０　Ｏ７９０ ２発明の名称 レーザビームによって材料を切断する方法および装置３　特許出願人 住　所　ドイツ連邦共和国、デー−７２００テユントリンゲン。

メーリンガー　シュトラーセ　１２５ 名　称　エスクラープ　アクチェンゲゼルシャフト４代理人 ５　補正書の提出年月日 １９８８年１１月８日 知■丁■沖−ウー　７≦［］１］≧＼　１通（浄書６　添付書類の目録 浄書（内容に変更なし） 明　細　書 レーザビームによって材料を切断する方法および装置本発明はレーザビームをに よって材料を切断する方法であって、該レーザビームが光ガイドから射出され、 しかも被切断材料に非接触状態で導かれる方法に関する。

レーザ放射は例えばプラスチック加工あるいは組織の分離を行う生物学的および 外科的処置で用いられる材料を切断するために様々な分野で用いられる。外科的 処置では、分離と並んで同時に切断箇所領域で凝固も行われる。

上述したような処置のすべてにおいて、レーザヘッドから射出されるレーザビー ムによって損傷を受ける危険が伴う。

また、そのような危険は被切断材料の切断領域でも生じ得る。

このような危険は例えば米国特許第３．８４３．８６５号により既知のレーザ装 置であって、被加工表面から所定の距離を置いて保持されるレーザ装置によって 見舞われ得る。

日本国公開公報６１１８５２６０号（米国特許第４．６７６、２４２号）で既知 のレーザにおいては、レーザ放射はグラスファイバから直接的に射出されるので はなく円錐形テーバ先端から射出され、その円錐形テーバ先端部は被切断材料上 に載置され、しかも該円錐形テーバ先端部材にはレーザ放射が光ガイドによって 結合されることになる。円錐形テーバ先端部の回りには水が循環させられ、これ により該円錐形テーバ先端部に付着した組織微細片が除去されることになる。レ ーザ放射は円追充） 錐形先端部から非常に大きな角度で射出されるので、既知の装置の先端部でのレ ーザ放射の大部分はその表面上の水の層を通り抜けて射出されることになり、そ の結果法先端部の付近では成る角度で射出されるレーザ放射による損傷の危険が 相当に伴う。

本発明の目的はレーザ放射による故意でない損傷だけでなく切断領域での材料の 意図しない毀損を回避する方法を改良することである。

本発明によれば、かかる目的は、冒頭で述べたようなタイ　プの方法であって、 レーザビームが円筒形状の光ガイドコアの長手方向軸線に対して直角となった端 面から射出し得るようにされ、該光ガイドコアがその出口領域でその側面のすべ てにおいてレーザ放射透過性液体で覆われ、このレーザ放射透過性液体が光ガイ ドコアの端面から連なった中実液体ジェットと形成するように該端面に接した状 態で一体化させられ、しかも該中実液体ジェットが被切断領域に導かれるように され、光ガイドコアの端面と被切断材料との間の距離が液体ジェットを被切断材 料の衝突領域まで中実状態に維持し得るように選択される方法によって達成され る。

レーザ放射が光ガイドの端面から直接的に連なった液体ジェットに入射して実質 的に損失なく光ガイドの態様で導かれることが判明した。また、周囲空気に対す る液体の屈折率の相違のためにその境界部で全反射が生じ、このため液体ジェッ トはそれが被加工材料と衝突する領域までレーザ放射を導くことになる。そこで のレーザ放射の作用は完全に有効とされ得る。液体は加工箇所の回りに流れ、こ れにより該加工箇所は冷却されて洗浄される。このような冷却および洗浄効果に 加えて、特に、材料加工中に発生する蒸気および臭気が液体によって吸収され得 るということも利点となる。

このような方法において、レーザ放射は液体ジェットによって導かれて部分的に 吸収されるが、一方液体ジエツトが液滴に分散するような場合には、レーザ放射 はかかる液滴によって相当な程度で散乱されるか、あるいは組織中に吸収される ことになる。したがって、どのような場合でも、無用な集光レーザビームが意図 されずに射出されて損傷を引き起こすようなことはない。

導波体から下流側の液体ジェットの横断面形状を該導波体の横断面形状にほぼ一 致させるように液体ジェットの量を選択することも有利である。

以上に述べたような方法は液体として水を用いた場合に特に容易に実施化される 。水中での消光長は波長１．０６μで９０ｍｍであり、可視領域では一層長くな る。

流れを適当に導くことにより、層状の中実液体ジェットが得られ、これは約３０ ｎｎｎまで液滴に分散されることはない。したがって、液体の光ガイドは約３ｃ ｍの長さに亘って得られ、その結果レーザヘッドを被加工材料から３ｃｍ上方の 箇所まで導くことになる。

次に、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例について詳細に説明する。

添付図面にはレーザヘッドと共にそこに付着した液体ジェットが図示されている 。

図示したレーザヘッドは円筒形状の光ガイドコア１を有し、この光ガイドコア１ は例えば石英ガラスからなる。光ガイドコアｌの端面２はその長手方向軸線に対 して直角に・・・。

請求の範囲 １、　レーザビームによって材料を切断する方法であって、該レーザビームが光 ガイド（１）から射出され、しかも被切断材料（１４）に非接触状態で導かれる 方法において、レーザビームが円筒形状の光ガイドコア（１）の長手方向軸線に 対して直角となった端面（２）から射出し得るようにされ、該光ガイドコアが（ １）その出口領域でその側面のすべてにおいてレーザ放射透過性液体で覆われ、 このレーザ放射透過性液体が光ガイドコアの端面から連なった中実液体ジェット （１３）と形成するように該端面（２）に接した状態で一体化させられ、しかも 該中実液体ジエン）　（１３）が被切断領域に導かれるようにされ、該端面（２ ）と被切断材料（１４）との間の距離が液体ジエン）　（１３）を被切断材料（ １４）の衝突領域まで中実状態に維持し得るように選択されることを特徴とする 方法。

２、請求の範囲第１項に記載の方法において、液体として水あるいは水溶液を用 いることを特徴とする特許手続補正書（方式） 平成２年　３月２８日 特許庁長官　吉　１）文　毅　殿 １、事件の表示 ＰＣＴ／ＥＰ８７１００７９０ ２　発明の名称 レーザビームによって材料を切断する方法および装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名称　エスクラープアクチェンゲゼルシャフト４、代理人 住所　〒１０５東京都港区虎ノ門−丁目８番１０号５、補正の対象 （１）明細書の翻訳文 （２）請求の範囲の翻訳文 （３）特許出願人の名称変更を証明する書面６、補正の内容 （１）　明細書の翻訳文の浄書（内容に変更なし）（２）請求の範囲の翻訳文の 浄書（内容に変更なし）（３）別紙の通り ７、添付書類の目録 （１）明細書の翻訳文　１通 （２）請求の範囲の翻訳文　１通 （３）名称変更を証明する書面 及びその翻訳文　各１通 手続補正書（方式） ％式％ １、事件の表示 ＰＣＴ／ＥＰ　８７１０　Ｏ７９０ ２発明の名称 レーザビームによって材料を切断する方法４、代理人 住所　〒１０５東京都港区虎ノ門−丁目８番ｌＯ号５、補正命令の日付 ６、補正の対象 （１）特許法第１８４条の８の規定による補正書の翻訳文 （２）特許出願人の名称変更を証明する書面７、補正の内容 （１）補正書の翻訳文の浄書（内容に変更なし）（２）別紙の通り ８、添付書類の目録 （１）補正書の翻訳文　１通 （２）名称変更を証明する書面 及びその翻訳文　各１通 その写しを添付させて頂きます。

国際調査報告 国際調査報告 ＥＰ　８７０１１’７９０ ＳＡ　１９９６１

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．レーザビームによって材料を切断する方法において、レーザ放射の射出前に 光ガイドからレーザ放射透過性の中実液体ジェットを発生させ、この中実液体ジ ェットを前記光ガイドに直接的に付落させて被切断材料に向かわせることを特徴 とする方法。
2. ２．請求の範囲第１項に記載の方法において、レーザ放射の射出端面を持つ光ガ イドに全側面に沿って、環状横断面形状となって該光ガイド上に接触した液体ジ ェットを循環させることを特徴とする方法。
3. ３．上記請求の範囲のいずれか第１項に記載の方法において、液体として水ある いは水溶液を用いることを特徴とする方法。
4. ４．請求の範囲１ないし３に記載の方法を実施する装置であって、レーザ放射用 の光ガイドコアを具備し、この光ガイドコアの一端が出口とされている装置にお いて、前記出口箇所（端面２）から直接的に連なった中実液体ジェット（１３） を発生させる手段（５，１２）が設けられることを特徴とする装置。
5. ５．請求の範囲第４項に記載の装置において、前記光ガイドコア（１）が前記出 口箇所（端面２）の領域でリング状出口ギャップ（１２）によって取り囲まれて いることを特徴とする装置。