(57)【要約】【課題】熱による材料の変形や変質の影響を低減しつつ、加工時間を短縮することが可能な加工方法、当該加工方法を実施するための加工システムを提供する。【解決手段】切削工具及びレーザー光を用いて材料を加工し、目的物を作成する加工方法であって、前記材料の不要部分に対して前記レーザー光を照射することにより、当該不要部分に切断領域を形成する照射工程と、形成された前記切断領域を含む不要部分を、前記切削工具で切削する切削工程と、を有する加工方法。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削工具及びレーザー光を用いて材料を加工し、目的物を作成する加工方法であって、
前記材料の不要部分に対して前記レーザー光を照射することにより、当該不要部分に切断領域を形成する照射工程と、
形成された前記切断領域を含む不要部分を、前記切削工具で切削する切削工程と、
を有する加工方法。
【請求項２】
前記レーザー光の照射により、前記切断領域は、前記材料の表面から第１の方向に複数形成されることを特徴とする請求項１記載の加工方法。
【請求項３】
前記レーザー光の照射により、前記切断領域は、前記第１の方向と直交する第２の方向に複数形成されることを特徴とする請求項２記載の加工方法。
【請求項４】
前記材料が光透過性材料の場合、前記レーザー光は、前記不要部分に対して非熱加工により、前記切断領域を形成し、前記材料が不透明材料の場合、前記レーザー光は、前記不要部分に対して熱加工により、前記切断領域を形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の加工方法。
【請求項５】
前記レーザー光の照射方向において切断領域に対応する加工部位が重畳している場合、当該重畳する加工部位に対し、前記レーザー光が入射する材料表面から離れている順に前記レーザー光を照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の加工方法。
【請求項６】
前記照射工程において、前記材料の屈折率に基づいて補正された位置に対して前記レーザー光を照射することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の加工方法。
【請求項７】
前記材料が光透過性材料の場合、前記照射工程において、前記目的物の表面に対応する加工部位に対してレーザー光を照射した後、前記不要部分に対して前記レーザー光を照射することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の加工方法。
【請求項８】
前記切削工程の後、残った不要部分に対してレーザー光を照射することで、当該不要部分を除去する仕上げ工程を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の加工方法。
【請求項９】
切削工具及びレーザー光を用いて材料を加工し、目的物を作成する加工システムであって、
前記切削工具を把持する把持部と、
前記レーザー光を照射する照射部と、
前記材料を保持する保持部と、
前記把持部、前記照射部、及び前記保持部を相対的に移動させる駆動機構と、
前記材料の不要部分に対して前記レーザー光を照射することにより、当該不要部分に切断領域を形成するよう前記照射部及び前記駆動機構を制御し、前記レーザー光の照射により形成された切断領域近傍の不要部分を、前記切削工具で切削加工するよう前記把持部及び前記駆動機構を制御する制御部と、
を有する加工システム。
【請求項１０】
切削工具及びレーザー光を用いて材料を加工し、目的物を作成する加工システムで実行されるプログラムであって、
前記加工システムに対し、前記材料の不要部分に対して前記レーザー光を照射することにより、当該不要部分に切断領域を形成させ、前記レーザー光の照射により形成された切断領域近傍の不要部分を、前記切削工具で切削加工させる加工プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加工方法、加工システム、及び加工プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
切削加工は、材料の表面に切削工具を当接させ、不要部分を切り削ることで目的物を作成する方法である（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
切削加工は、たとえば図８に示したように、固定された材料Ｍに対し、Ｚ軸に沿って上側から順に、予め設定された加工経路に沿って切削工具Ｔを移動させ、加工部位を切削することにより行う。
【０００４】
ここで、硬質材料を切削加工する場合には、切削工具の破損を防止するため、加工経路を細かく設定したり、切削工具の移動速度を低速にすることが必要となる。すなわち、硬質材料を切削加工する場合には加工時間が長くなる。
【０００５】
更に、切削工具の径は一般的に０．１ｍｍ以上と大きいため、工具径よりも狭い穴や溝等（切削加工が困難な部位）を加工できないという問題もある。
【０００６】
一方、ＣＯ２レーザーのような高出力のレーザーを用いた熱加工により、材料を加工する技術も知られている。熱加工により、材料の不要部分を切断することも可能である。また、レーザー光のスポット径は、切削工具の径よりも小さいため（たとえば０．０１ｍｍ以下）、切削加工が困難な部位に対しての加工も可能となる。
【０００７】
しかし、レーザー光のスポット径が小さいため、加工経路の間隔を細かく設定する必要がある。従って、加工時間を要するという問題があった。
【０００８】
更に、切削加工とレーザー加工とを組み合わせた加工（「複合加工」）を行うことが可能な構成が検討されている。
【０００９】
たとえば、非特許文献１及び非特許文献２には、レーザーを用いて材料を局所的に加熱した後、加熱により軟化した部分を切削工具で切削する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−２４４４３９号公報
【特許文献２】特開２００５−１０３６２５号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】日本機械学会論文集（Ｃ編）７９巻（２０１３）８０８号ｐ．４５８２−４５９２
【非特許文献２】第２３回精密工学会学生会員卒業研究発表講演会論文集ｐ．１１５−１１６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、非特許文献１や２のように、材料を加熱する目的でレーザー光を照射する場合、切削する部分だけでなく、その近傍においても熱が加わるため、材料が軟化し、変形・変質する恐れがある。この場合、目的物の品質に影響を及ぼす可能性がある。このような材料の変形・変質による影響は、歯科用の補綴物のようなサイズの小さい目的物を加工する際にはより顕著となる。
【００１３】
本発明の目的は、熱による材料の変形や変質の影響を低減しつつ、加工時間を短縮できる加工方法、当該加工方法を実施するための加工システム、及び当該加工システムで実行される加工プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するための一の発明は、切削工具及びレーザー光を用いて材料を加工し、目的物を作成する加工方法であって、前記材料の不要部分に対して前記レーザー光を照射することにより、当該不要部分に切断領域を形成する照射工程と、形成された前記切断領域を含む不要部分を、前記切削工具で切削する切削工程と、を有する加工方法である。本発明の他の特徴については、本明細書の記載により明らかにする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、熱による材料の変形や変質の影響を低減しつつ、加工時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態に係る加工システムの構成を示す模式図である。
【図２Ａ】実施形態に係る加工部位を模式的に示した図である。
【図２Ｂ】実施形態に係る加工部位を模式的に示した図である。
【図２Ｃ】実施形態に係る切削経路を模式的に示した図である。
【図３Ａ】実施形態に係る加工部位を模式的に示した図である。
【図３Ｂ】実施形態に係る加工部位を模式的に示した図である。
【図３Ｃ】実施形態に係る切削経路を模式的に示した図である。
【図４】実施形態に係る加工システムの動作を示すフローチャートである。
【図５Ａ】実施形態に係る加工方法を説明するための図である。
【図５Ｂ】実施形態に係る加工方法を説明するための図である。
【図５Ｃ】実施形態に係る加工方法を説明するための図である。
【図５Ｄ】実施形態に係る加工方法を説明するための図である。
【図６】実施形態に係る加工システムの動作を示すフローチャートである。
【図７Ａ】実施形態に係る加工方法を説明するための図である。
【図７Ｂ】実施形態に係る加工方法を説明するための図である。
【図８】従来の加工方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本実施形態に係る加工方法は、レーザー加工及び切削加工を併用することによって材料を加工（複合加工）し、目的物を作成する。
【００１８】
本実施形態に係る材料としては、光透過性材料及び不透明材料のいずれも用いることができる。光透過性材料は、レーザー光の波長に対し透過性が高く材料内部まで深く透過するものである。光透過性材料としては、たとえばガラスセラミックやジルコニア系の材料を用いることができる。ガラスセラミックの場合は任意の元素または粒子がドープされた状態でもよい。ジルコニア系の材料は、ジルコニア配合型ガラスセラミックのような複合材料であってもよいし、一定の透過率を有するジルコニア単体であってもよい。また、光透過性材料の光透過率は１００％（またはそれに準ずるような高い値）または可視光域におけるガラスやＰＭＭＡのような高い透過性を持つ必要はなく、所定の位置（加工部位）までレーザー光が届き、加工可能な程度の値であればよい。不透明材料は、レーザー光の波長に対し透過性が低く透過しにくいものである。不透明材料の例としては、樹脂材料をＵＶ領域内の波長で使用する場合やＣＯ２レーザーによるガラス加工などのように特定波長または領域で透過性が低下する材料を用いることができる。
【００１９】
レーザー加工は、レーザー光を照射して材料を加工する方法である。本実施形態に係るレーザー加工においては、熱加工のためのレーザー光、及び非熱加工（アブレーション加工）のためのレーザー光のいずれも用いることができる。
【００２０】
熱加工は、材料の表面に対してレーザー光を照射し、加工部位を溶融させる方法である。熱加工のためのレーザー光としては、たとえばＣＯ２レーザーを用いることができる。
【００２１】
非熱加工は、材料の表面又は内部に対してレーザー光を照射し、加工部位に空洞又は改質部分を形成する方法である。非熱加工のためのレーザー光としては、短パルスレーザーによる光を用いることができる。特に、材料内部の加工部位に対して直接、レーザー光を照射するためには、超短パルスレーザーによる光を用いることが好ましい。超短パルスレーザーは、一のパルス幅が数ピコ秒〜数フェムト秒のレーザー光を照射するレーザーである。超短パルスレーザーによるレーザー光を材料内部の加工部位に短時間照射することにより、アブレーション加工を行うことができる。アブレーション加工は、レーザー光により溶融した箇所が瞬時に蒸発、飛散し除去されるため、熱加工と比べ、熱による加工部位の損傷が少ない。アブレーション加工は、たとえば、歯科医療に用いる補綴物等、サイズが小さい物の加工に対して特に有効である。
【００２２】
切削加工は、工具を用いて材料を切削する方法である。工具は、ドリルやエンドミルのような、材料を切削するために用いられる切削工具である。切削工具は、材料を切削するための刃を有している。
【００２３】
本実施形態に係る複合加工は、予め作成された加工データ（後述）に基づいて行われる。また、本実施形態に係る加工方法は、図１に示すような加工システム１００により実施される。加工システム１００は、ＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００で作成された加工データに基づいて材料Ｍの加工を行う。以下、「加工データ」、「加工システム」、「加工システムによる加工（加工方法）」について詳述する。
【００２４】
＝＝加工データ＝＝
加工データは、材料Ｍを加工して目的物を取得する際に加工システム１００で使用するデータである。加工データは、目的物の三次元データや材料Ｍの三次元データに基づいて、ＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００で作成される。たとえば、歯科医療用の補綴物を加工する場合、ＣＣＤカメラやＸ線ＣＴにより口腔内をスキャンして得られた三次元データを使用して加工データを作成する。目的物の三次元データは、ＳＴＬデータや三次元ＣＡＤで使用されるソリッドデータ、或いは３Ｄプリンタで使用される３ＭＦやＡＭＦなどのデータである。
【００２５】
図２Ａ〜図３Ｃを参照しながら、加工データについて詳細に説明する。本実施形態に係る加工データは、照射データ及び切削データを含む。図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、及び図３Ｂは、照射データに基づく加工部位の例である。図２Ｃ及び図３Ｃは、切削データに基づく切削経路の例である。図２Ａ〜図３Ｃに示すＸＹＺ軸は直交する三軸である（以下同様）。
【００２６】
[照射データ]
照射データは、レーザー加工で使用するデータである。照射データは、少なくとも加工部位データ、順番データ、及び照射経路データを含む。各データは、加工部位の数に応じて複数作成される。
【００２７】
加工部位データは、加工部位を特定するためのデータである。加工部位は、切断領域を形成するために設定される材料Ｍの表面または内部の領域である。レーザー光が照射された加工部位には、レーザー光のスポット径に応じた空洞または改質部分が形成される。切断領域は、加工部位に沿ってレーザー光を照射し、加工部位全体に空洞または改質部分を形成することによって形成される。
【００２８】
加工部位の形状は多様なものが可能である。以下では、第１の例及び第２の例の２通りについて例示する。
【００２９】
第１の例において、加工部位は、加工部位ＰＬ１１、加工部位ＰＬ１２、及び加工部位ＰＬ１３を含む。加工部位ＰＬ１１は、目的物Ｓの表面に対応する部位に設けられている（図２Ａ参照）。加工部位ＰＬ１１は、目的物Ｓの表面から外側に所定の距離を置いて設けられている。加工部位ＰＬ１２は、材料Ｍの表面Ｍｓから第１の方向に複数設けられている（図２Ｂ参照）。第１の方向はＺ軸方向である。複数の加工部位ＰＬ１２は、互いに所定の間隔を置いて設けられている。加工部位ＰＬ１３は、第１の方向に直交する第２の方向に複数設けられている（図２Ｂ参照）。第２の方向はＹ軸方向である。複数の加工部位ＰＬ１３は、互いに所定の間隔を置いて設けられている。なお、加工部位ＰＬ１２及び加工部位ＰＬ１３は、目的物Ｓの内部（加工部位ＰＬ１１よりも内側）には設けられていない。
【００３０】
第２の例において、加工部位は、加工部位ＰＬ２１、及び加工部位ＰＬ２２を含む。加工部位ＰＬ２１は、目的物Ｓの表面に対応する部位に設けられている（図３Ａ参照）。加工部位ＰＬ２１は、目的物Ｓの表面から外側に所定の距離を置いて設けられている。加工部位ＰＬ２２は、材料Ｍの表面Ｍｓから第１の方向に複数設けられている（図３Ｂ参照）。第１の方向はＺ軸方向である。複数の加工部位ＰＬ２２は、互いに所定の間隔を置いて設けられている。
【００３１】
なお、図３Ｂにおいて、加工部位ＰＬ２２は、一部のみを示している。加工部位ＰＬ２２は、実際には、Ｚ軸に沿って材料Ｍの表面Ｍｓから反対側の表面（表面Ｍｓの裏面）まで設定されている。詳細は後述するが、第２の例による加工データを用いた加工では、レーザー光の照射（照射工程）と切削工具Ｔによる切削（切削工程）を交互に繰り返す。そのため、一回の照射工程においては、Ｚ軸に沿って設定された加工部位ＰＬ２２のうち、後続する一回の切削工程で切削される部分に係る加工部位ＰＬ２２のみ（すなわち、一部の加工部位ＰＬ２２）にレーザー光を照射する。また、加工部位ＰＬ２２は、目的物Ｓの内部（加工部位ＰＬ２１よりも内側）には設けられていない。
【００３２】
一の加工部位データは、たとえば、一次元又は二次元に配列された複数の点データからなる。第１の例における加工部位ＰＬ１１を示す点データは、二次元の曲面を構成し、加工部位ＰＬ１２を示す点データは、Ｚ軸に沿った一次元の線分を構成し、加工部位ＰＬ１３を示す点データは、Ｘ軸に沿った一次元の線分を構成する。また、第２の例における加工部位ＰＬ２１を示す点データは、二次元の曲面を構成し、加工部位ＰＬ２２を示す点データは、Ｚ軸に沿った一次元の線分を構成する。点データは材料Ｍのサイズや目的物Ｓの形状等を加味して所定の間隔で設定される。各点データは、三次元（ＸＹＺ）の座標値、及びベクトル情報を有する。
【００３３】
座標値は、レーザー光の焦点位置を決定する際に用いられる（すなわち、座標値は材料Ｍの表面または材料Ｍの内部においてレーザー光が照射される位置に相当する）。ここで、レーザー光の焦点位置は、材料Ｍの屈折率に応じて変動する。そのため、材料Ｍの屈折率を考慮して、座標値を補正してもよい。ベクトル情報は、レーザー光の照射方向を決定する際に用いられる。材料Ｍの内部にレーザー光を入射させる場合、材料Ｍの表面における反射の影響が生じる。そこで、ベクトル情報を設定する場合、材料Ｍの表面に対して垂直にレーザー光が入射するように設定することがより好ましい。なお、加工部位データは、複数の点データに限られず、たとえば、材料Ｍに対してレーザー光を照射する範囲を特定する一次元又は二次元の領域データであってもよい。
【００３４】
順番データは、加工部位が複数設定される場合、複数の加工部位のうち、どの加工部位からレーザー光を照射するか（レーザー光を照射する順番）を示すデータである。ここで、レーザー光の照射方向において重畳する加工部位がある場合、順番データは、レーザー光が入射する材料Ｍの表面から離れている順（材料Ｍの表面から遠い順）にレーザー光が照射されるように設定する。材料Ｍの表面と加工部位との距離は、上述のレーザー光を入射させる方向に沿って決定される。なお、一の加工部位データが複数の点データからなる場合、順番データは、どの点データが示す座標値からレーザー光を照射するかを示すデータを含んでいてもよい。
【００３５】
たとえば、第１の例の場合、加工部位データは、加工部位ＰＬ１１〜ＰＬ１３の位置を示す三次元の座標値、及びレーザー光の照射方向が設定される。ここで、第１の例において、Ｚ軸に沿って上側から下側に向けて（つまり、表面Ｍｓから入射するように）レーザー光の照射方向を設定したとする。
【００３６】
この場合、たとえば加工部位ＰＬ１１は、二次元の曲面状の加工部位であり、レーザー光の照射方向において重畳する部分を有する。従って、順番データは、材料Ｍの表面Ｍｓから最も離れている点データが示す座標値を最初とし、表面Ｍｓに最も近い点データが示す座標値を最後となるよう設定すればよい。一方、レーザー光の照射方向において重畳しない加工部位を有する場合、当該加工部位に対しても順番データが付与される。但し、当該加工部位に対するレーザー光の照射順（加工順）には制約は無い。たとえば、重畳しない加工部位に対するレーザー光の照射は、重畳する加工部位よりも先に行ってもよいし、重畳する加工部位全てに対してレーザー光の照射を行った後に行ってもよい。或いは、重畳する加工部位を加工している途中で、重畳しない加工部位に対するレーザー光の照射を行ってもよい。第２の例における加工部位ＰＬ２１についても同様である。
【００３７】
複数の加工部位ＰＬ１２の各々は、Ｚ軸方向に長さを持った加工部位である。従って、順番データは、各加工部位ＰＬ１２において、Ｚ軸に沿って、レーザー光が入射する材料Ｍの表面Ｍｓから最も離れている点データが示す座標値を最初とし、表面Ｍｓに最も近い点データが示す座標値を最後として設定される。つまり、複数の加工部位ＰＬ１２の各々において、Ｚ軸に沿って下側から上側へ加工順が設定されることとなる。第２の例における加工部位ＰＬ２２についても同様である。
【００３８】
また、複数の加工部位ＰＬ１３はレーザー光の照射方向において重畳する。従って、順番データは、複数の加工部位ＰＬ１３のうち、Ｚ軸に沿って、レーザー光が入射する材料Ｍの表面Ｍｓから最も離れている加工部位を最初（１番目）とし、材料Ｍの表面Ｍｓに最も近い加工部位を最後として設定される。つまり、複数の加工部位ＰＬ１３において、Ｚ軸に沿って下側から上側へ加工部位の加工順が設定されることとなる。
【００３９】
照射経路データは、各加工部位において、レーザー光の照射を行う経路を設定するデータである。たとえば、第１の例において、加工部位ＰＬ１１の照射経路データには、目的物Ｓの表面に沿ってレーザー光を照射するという経路が設定される。加工部位ＰＬ１２の照射経路データには、Ｚ軸に沿ってレーザー光を照射するという経路が設定される。加工部位ＰＬ１３の照射経路データには、Ｘ軸に沿ってレーザー光を照射するという経路が設定される。なお、照射経路データは、順番データに含まれていてもよい。この場合、たとえば、加工部位ＰＬ１２の照射経路データは、Ｚ軸に沿って下から上にレーザー光を照射するように設定される。
【００４０】
さらに、照射データは、目的物の表面形状を示すデータ、後述する仕上げ工程等で使用するためのデータを含んでいてもよい。また、レーザー照射のための加工データは、レーザー光の出力に関する情報（各点に照射するレーザー光のスポット径、照射時間、強度等）を含んでいてもよい。
【００４１】
[切削データ]
切削データは、切削加工で使用するデータである。切削データは、少なくとも切削経路データを含む。切削経路データは、把持部１０及び保持部３０の相対的な位置関係が、時系列で配列されたデータである。
【００４２】
図２Ｃは、上述の第１の例において、切削経路データに従って切削工具Ｔが移動する切削経路ＰＴ１（矢印）を示した図である。なお、図２Ｃにおいて、このままでは材料Ｍ内の目的物Ｓの下側に位置する部分等に切削工具Ｔを当接させることができない。当該部分を切削加工するためには、材料Ｍを回転または反転すればよい。
【００４３】
第１の例において、複数の切削経路ＰＴ１は、互いにＺ軸方向に所定の間隔で設定されている。また、複数の切削経路ＰＴ１の各々は、Ｘ軸に沿って設定されている。図２Ｃの矢印は、切削工具Ｔが移動する方向（Ｘ軸に沿って左側から右側）を示している。なお、詳細は後述するが、切削工具Ｔは、Ｚ軸に沿って最も上側の切削経路ＰＴ１から最も下側の切削経路ＰＴ１へ順番に移動する。
【００４４】
図３Ｃは、第２の例において、切削加工において切削工具Ｔが移動する切削経路ＰＴ２（矢印）を示した図である。切削経路ＰＴ２は、Ｘ軸に沿って設定され、加工部位ＰＬ２２の下端の深さに位置するように設定されている。図３Ｃの矢印は、切削工具Ｔが移動する方向（Ｘ軸に沿って左側から右側）を示している。
【００４５】
なお、図３Ｃにおいて１つの切削経路ＰＴ２のみを示している。切削経路ＰＴ２は、実際には複数設定されている。照射データの説明でも述べたように、第２の例による加工データを用いた加工では、レーザー光の照射（照射工程）と切削工具Ｔによる切削（切削工程）を交互に繰り返す。そのため、繰り返される切削工程ごとに切削経路ＰＴ２が設定される。
【００４６】
なお、ＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００は、材料Ｍの特性値や、切削工具Ｔの形状や特性等を加味して加工データを作成してもよい。ＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００は、これらの情報を入力するための手段（キーボードやディスプレイに表示される選択画面等）を有する。
【００４７】
材料Ｍの特性値とは、たとえば、屈折率等である。前述のように、照射データを作成する際に、材料Ｍの屈折率の影響を考慮してレーザー光の照射位置（焦点位置）を補正する。
【００４８】
切削工具Ｔの形状や特性とは、たとえば、切削工具Ｔの径、刃の形状、刃長等である。たとえば、目的物Ｓの表面形状によっては、切削工具Ｔの径に比べて微細なスケールの凹凸を含む場合がある。このような場合は、当該切削工具Ｔでは全ての不要部分Ｄを切削することができない。そこで、切削工具Ｔの径を考慮することによって、当該切削工具Ｔが切削可能な不要部分Ｄのみを切削するような切削経路を設定する。また、材料Ｍに対する切削抵抗は、材料Ｍの硬度のみではなく切削工具Ｔの刃の形状にも依存する。そこで、切削工具Ｔの刃の形状を考慮することによって、切削経路の間隔や切削工具Ｔの移動速度等を設定する。また、切削工具Ｔの刃長が長いほど、材料Ｍを一度に切削することができる深さが深くなる。そこで、切削工具Ｔの刃長を考慮することによって、切削経路のＺ軸方向の間隔を調整する。
【００４９】
＝＝加工システム＝＝
図１は、加工システム１００を模式的に示した図である。加工システム１００は、加工装置１及びコンピューター２を有する。但し、コンピューター２の果たす機能を加工装置１で実現することによって、加工システム１００が加工装置１単体で構成されてもよい。
【００５０】
本実施形態に係る加工装置１は、５軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ回転軸（Ｘ軸回りの回転軸）、Ｂ回転軸（Ｙ軸回りの回転軸））の駆動軸を有する。加工装置１は、加工データに基づき、加工部位に対してレーザー光を照射した後、切削工具Ｔにより材料Ｍを加工する。加工装置１は、把持部１０、照射部２０、保持部３０、及び駆動機構４０を含む。
【００５１】
把持部１０は、切削工具Ｔを把持する。把持部１０は、スピンドル、モーター等を有している。スピンドルは、切削工具Ｔの基端を把持し、切削工具Ｔの軸心の回りに回転可能とする。モーターは、スピンドルを回転させる。スピンドルの回転に伴い、切削工具Ｔが回転する。
【００５２】
照射部２０は、材料Ｍに対してレーザー光を照射する。照射部２０は、レーザー光の発振器、及び発振器からのレーザー光を材料Ｍまで導くためのレンズ群やガルバノミラー等の光学系を含む。
【００５３】
保持部３０は、材料Ｍを保持する。材料Ｍを保持する方法は、特に限定されるものではない。たとえば、従来の切削加工を行う場合と同様、ディスク状の材料Ｍをクランプで挟み込んで保持する方法や、ブロック状の材料Ｍに金属製のピンを接着し、そのピンを保持部３０に差し込んで保持する方法が可能である。駆動機構４０は駆動用のモーター等を含む。駆動機構４０は、把持部１０、照射部２０及び保持部３０を相対的に移動させる。
【００５４】
なお、レーザーの照射パターンを調整する調整部を設けてもよい。調整部は、たとえば、ガルバノミラー、フレネルレンズ、回折光学素子（ＤＯＥ）、空間光位相変調器（ＬＣＯＳ−ＳＬＭ）等の部材である。調整部は、照射部２０内において、たとえば発振器とレンズ群との間に配置される。
【００５５】
空間光位相変調器は、液晶の配向を調整することにより、発信器からのレーザー光を任意の形状に成形することができる。たとえば、空間光位相変調器は、点状のレーザー光の焦点を線状に成形することで、線分状のレーザー光（一次元形状のレーザー光）を照射することを可能とする。このような空間光位相変調器を用いることにより、たとえば、加工部位全体のうち、一次元領域の加工部位に対して一回の照射でレーザー光の照射加工を実施できる。すなわち、空間光位相変調器を利用することにより一次元領域の加工部位を一括して加工できるため、加工時間を短縮することができる。
【００５６】
コンピューター２は、把持部１０、照射部２０、保持部３０及び駆動機構４０の動作を制御する。具体的に、コンピューター２は、材料Ｍの表面Ｍｓまたは材料Ｍの内部において、加工データに対応する加工部位にレーザー光を照射できるよう、駆動機構４０を制御して照射部２０と保持部３０（材料Ｍ）との相対的な位置関係を調整する。また、コンピューター２は、照射部２０を制御し、レーザー光の焦点位置、照射されるレーザー光のスポット径、強度等の調整を行ったり、材料Ｍに対して所定時間だけレーザー光の照射を行う。スポット径、強度、照射時間等は、照射されるレーザー光の出力（エネルギー）に影響を与えるものである。これらの値は、上述の通り加工データに予め組み込まれていてもよいし、加工装置１側で設定することでもよい。また、これらの値を決定する際には、加工対象となる材料Ｍの種類や特性を加味してもよい。また、コンピューター２は、照射部２０を制御し、レーザー光のオン・オフの切り替え、レーザー光の種類の切り替えを行うことができる。たとえば、コンピューター２は、照射部２０を制御し、材料Ｍの種類に応じて、レーザー光の種類を熱加工用と非熱加工用とで切り替えることができる。さらに、コンピューター２は、切削データに基づいて材料Ｍの不要部分Ｄを切削するよう、駆動機構４０を制御して把持部１０と保持部３０（材料Ｍ）との相対的な位置関係を調整する。具体的には、コンピューター２は、スピンドルに切削工具Ｔを把持させて、切削工具Ｔを回転させる。コンピューター２は、駆動機構４０を制御して、切削工具Ｔを所定の位置に移動させる。また、コンピューター２は、駆動機構４０を制御して、保持部３０に保持された材料Ｍを所定の位置および角度で保持する。そして、コンピューター２は、切削経路データに従って駆動機構４０を制御し、切削工具Ｔの刃を、材料Ｍに当接させながら移動させることによって切削加工を行う。コンピューター２は、「制御部」の一例である。
【００５７】
また、本実施形態に係る加工システム１００は、照射部２０から照射されるレーザー光の出力を調整することにより、切削加工の後に、仕上げ処理を行うことも可能である。すなわち、材料Ｍを加工し、目的物Ｓを作成するまでの処理を全て加工装置１で行うことができるため、材料Ｍの取り付け・取り外しにより、加工時間が増加したり、加工精度が低下する恐れがない。
【００５８】
＝＝加工システムによる加工＝＝
次に図４〜図７Ｂを参照して、本実施形態に係る加工方法の具体例について説明する。加工方法は、加工システム１００によって実行される。また、加工方法は、専用の加工プログラムとして、加工システム１００に予めインストールされている。この例では、材料Ｍを加工して目的物Ｓを得る。
【００５９】
本実施形態に係る加工方法は、照射工程、切削工程、仕上げ工程を含む。照射工程は、材料Ｍの不要部分Ｄに対してレーザー光を照射することにより、当該不要部分Ｄに切断領域を形成する工程である。切削工程は、形成された切断領域を含む不要部分Ｄを、切削工具Ｔで切削する工程である。仕上げ工程は、切削工程の後、残った不要部分に対してレーザー光を照射することで、当該不要部分を除去する工程である。
【００６０】
以下、図２Ａ〜図２Ｃに示した第１の例による加工データを用いる場合の加工について説明する。図４は、第１の例において、加工システム１００の動作を示すフローチャートである。図５Ａ〜図５Ｄは、第１の例による加工データを用いて加工される材料Ｍまたは目的物Ｓを模式的に示した図である。材料Ｍの加工データはＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００により予め作成されているものとする。
【００６１】
材料Ｍを選択し、加工装置１の保持部３０にセットする（材料のセット。ステップ１０）。
【００６２】
その後、コンピューター２は、材料Ｍの加工データ（照射データ）に基づいて、加工装置１に照射工程を実行させる。コンピューター２は、照射部２０及び駆動機構４０を制御し、加工データに含まれる加工部位データが示す位置（加工部位）にレーザー光を照射させる。この際、コンピューター２は、順番データに基づいて、加工部位にレーザー光を照射する（加工部位にレーザー光を照射。ステップ１１）。
【００６３】
コンピューター２は、加工部位データに含まれる点データの座標値とレーザー光の焦点位置が合うよう調整を行う。具体的には、コンピューター２は、照射部２０及び保持部３０の相対的な位置を調整したり、照射部２０に含まれるレンズ群やガルバノミラーの向きや角度を調整する。なお、焦点位置の調整は、材料Ｍの屈折率を考慮して焦点位置の調整を行ってもよい。点データの座標値とレーザー光の焦点位置が一致した後、コンピューター２は、照射部２０を制御し、当該点データに含まれるベクトル情報に基づいて、Ｚ軸に沿って上側からレーザー光を所定時間だけ照射させる。
【００６４】
具体的に、先ず、コンピューター２は、照射データに基づいて照射部２０及び駆動機構４０を制御し、加工部位ＰＬ１１にレーザー光を照射する（図５Ａ）。その後、コンピューター２は、照射部２０及び駆動機構４０を制御し、加工部位ＰＬ１２及び加工部位ＰＬ１３にレーザー光を照射する（図５Ｂ）。図５Ａ及び図５Ｂにおいて、未加工の加工部位は点線で示し、加工済みの加工部位は太線で示している。加工部位ＰＬ１２及び加工部位ＰＬ１３にレーザー光を照射する順番は限定されないが、この例では、加工部位ＰＬ１２に対して先にレーザー光を照射している。
【００６５】
なお、加工部位ＰＬ１１に対して最初にレーザー光を照射することによって加工部位ＰＬ１１が改質される。従って、後に加工部位ＰＬ１２及び加工部位ＰＬ１３に対してレーザー光を照射する際、改質された位置よりも内側にレーザー光が照射されることがない。つまり、加工部位ＰＬ１２及び加工部位ＰＬ１３に対してレーザー光を照射する際に目的物Ｓの表面や内部が改質されることがない。
【００６６】
また、加工部位ＰＬ１２に対するレーザー光の照射において、複数の加工部位ＰＬ１２の各々に対し、レーザー光を照射する。このとき、Ｚ軸に沿って上側から下側に向けてレーザー光を照射する場合、加工部位ＰＬ１２のうち、目的物Ｓの下側に位置する部分には、改質した加工部位ＰＬ１１のためにレーザー光を照射することができない。そのため、目的物Ｓの下側に位置する加工部位ＰＬ１２を加工するためには、Ｚ軸に沿って下側から上側に向けてレーザー光を照射する。
【００６７】
更に、加工部位ＰＬ１３に対するレーザー光の照射において、複数の加工部位ＰＬ１３のうち、表面Ｍｓから離れている順にレーザー光を照射する。この場合にも、加工部位ＰＬ１２と同様に、目的物Ｓの下側に位置する加工部位ＰＬ１３を加工するためには、Ｚ軸に沿って下側から上側に向けてレーザー光を照射する。このようにレーザー光の照射を行うことで、レーザー光の照射方向において加工部位が重畳している場合であっても、レーザー光の照射による改質の影響を受けることなく切断領域を形成することができる。
【００６８】
なお、上記例では、材料Ｍに対し、Ｚ軸に沿って上側からレーザー光を照射（下方向にレーザー光を照射）、またはＺ軸に沿って下側からレーザー光を照射（上方向にレーザー光を照射）する例について述べたがこれに限られない。材料Ｍに対し、Ｚ軸に直交するＸ軸またはＹ軸に沿って横側からレーザー光を照射（横方向にレーザーを照射）してもよい。或いは、材料Ｍの表面Ｍｓが傾斜している場合には、斜め方向にレーザー光を照射してもよい。いずれの場合であっても、材料Ｍの改質の影響を受けることなく切断領域を形成することができる。
【００６９】
以上のようにして全ての加工部位に対してレーザー光の照射が完了した場合（ステップ１２でＹの場合）、加工部位には切断領域が形成されている。この場合、コンピューター２は、切削データに基づいて駆動機構４０を制御し、切削工具Ｔを材料Ｍに当接させることによって、材料Ｍの切削を行う（図５Ｃ。切削工具Ｔで切削。ステップ１３）。そして、ステップ１１で形成された切断領域近傍の不要部分Ｄが、切削工具Ｔで切削される。
【００７０】
切削工程の終了後、材料Ｍの不要部分Ｄに、目的物Ｓの形状に起因して切削工具Ｔを当接することができない部分や、切削工具Ｔの径の大きさのために切削することができない部分を含む場合、切削工程の後に不要部分Ｄが残る。
【００７１】
そこで、ステップ１３の後、コンピューター２は、照射部２０及び駆動機構４０を制御して残った部分を加工する（仕上げ加工。ステップ１４）。仕上げ工程では、照射データに含まれる目的物Ｓの表面形状データに基づいて、切削工程で残った不要部分Ｄに対してレーザー光を照射し、不要部去することによって目的物Ｓを得る（図５Ｄ）。
【００７２】
次に、図３Ａ〜図３Ｃに示した第２の例による加工データを用いる場合の加工について説明する。図６は、第２の例において、加工システム１００の動作を示すフローチャートである。第２の例は、第１の例と比べると、照射工程及び切削工程を交互に繰り返す点で異なっている。
【００７３】
先ず、材料Ｍを選択し、加工装置１の保持部３０にセットする（材料のセット。ステップ２０）。
【００７４】
次に、１回目の照射工程を行う。この照射工程においては、第１の例（図５Ａ）と同様にして加工部位ＰＬ２１にレーザー光を照射する。その後、加工部位ＰＬ２２にレーザー光を照射する（図７Ａ。加工部位にレーザー光を照射。ステップ２１）。図７Ａにおいて、未加工の加工部位は点線で示し、加工済みの加工部位（切断領域）は太線で示している。加工部位ＰＬ２１及び加工部位ＰＬ２２にレーザー光を照射してこれらの部位に切断領域が形成されると、１回目の照射工程が終了する。
【００７５】
１回目の照射工程が終了すると（ステップ２２でＹの場合）、１回目の切削工程に移る（切削工具Ｔで切削。ステップ２３）。この切削工程において、コンピューター２は、切削データが示す切削経路ＰＴ２に沿って切削工具Ｔを移動させ、不要部分Ｄのうち、加工部位ＰＬ２１に形成された切断領域の深さまでの領域を切削する（図７Ｂ）。すなわち、１回目の切削工程によって、不要部分Ｄのうち、切断領域が形成された部分が除去されるのみであり、後の切削工程についての切削経路に沿った切削は完了していない（ステップ２４でＮの場合）。
【００７６】
この場合、２回目の照射工程に移る（ステップ２１）。２回目の照射工程は、１回目の切削工程によって現れた材料Ｍの表面Ｍｓ近傍に、１回目の照射工程と同様の手順で切断領域を形成する。このときに、切断領域が目的物Ｓの内部に形成されないように加工データが設定されている。
【００７７】
２回目の照射工程が終了すると（ステップ２２でＹの場合）、２回目の切削工程に移る（ステップ２３）。２回目の切削工程において、コンピューター２は、切削データが示す切削経路ＰＴ２に沿って切削工具Ｔを移動させ、不要部分Ｄのうち、２回目の照射工程で形成された切断領域の深さまでの領域を切削する。このように、第２の例においては、切断領域の形成と切削加工とを交互に繰り返すことによって、材料Ｍの表面ＭｓからＺ軸の下方に向けて、加工を進める。
【００７８】
加工データ（切削データ）に含まれる全ての切削経路に沿った切削が完了すると（ステップ２４でＹの場合）、コンピューター２は、照射部２０及び駆動機構４０を制御して残った部分を加工する（仕上げ加工。ステップ１４）。仕上げ加工は、第１の例と同様の方法で行うことができる。以上の工程によって、目的物Ｓを得る。
【００７９】
以上説明した第１の例及び第２の例では、材料Ｍが光透過性材料である場合を想定している。一方、材料Ｍが不透明材料である場合には、材料Ｍの内部にレーザー光が侵入できないため、上述の例における加工部位に対してレーザー光を照射することができない。
【００８０】
そのため、材料Ｍが不透明材料である場合に本実施形態に係る加工方法を適用するには、加工部位を材料Ｍの表面Ｍｓ上に設定する。また、この場合、熱加工のためのレーザー光を用いる。材料Ｍの表面Ｍｓ上の加工部位にレーザー光を照射することによって、表面Ｍｓ近傍に改質された切断領域が形成される（切断領域の形成）。そして、表面Ｍｓ近傍に形成された切断領域を含む不要部分を、切削工具Ｔで切削する（切削加工）。
【００８１】
そして、上述した第２の例のように、切断領域の形成と切削加工とを交互に繰り返すことによって、材料Ｍの表面ＭｓからＺ軸の下方に向けて、加工を進める。
【００８２】
なお、切削加工を繰り返すことによって、材料Ｍの表面Ｍｓに目的物Ｓの表面が徐々に現れるが、レーザー加工及び切削加工を行う加工部位は、表面Ｍｓのうち、目的物Ｓの表面を除く部分のみに設定される。そのため、目的物Ｓの表面は、レーザー光が照射されず、熱によって変形したり変質することがない。
【００８３】
以上の通り、本実施形態に係る加工方法は、切削工具Ｔ及びレーザー光を用いて材料Ｍを加工し、目的物Ｓを作成する加工方法であって、材料Ｍの不要部分Ｄに対してレーザー光を照射することにより、不要部分Ｄに切断領域を形成する照射工程と、形成された切断領域を含む不要部分Ｄを、切削工具Ｔで切削する切削工程と、を有する。
【００８４】
このように、不要部分Ｄにレーザー光で切断領域を形成した上で切削加工を行うため、切削加工において、不要部分Ｄの切削抵抗が小さくなる。従って、切削加工のみの加工に比べて、加工経路の数を少なく設定したり、切削工具Ｔの移動速度を高速にできるため、切削効率が向上する。また、切削加工を利用して不要部分を除去するため、レーザー加工のみの場合と比べて、加工時間を短縮することができる。さらに、切断領域を形成する際に、不要部分Ｄのみに選択的にレーザー光を照射するため、熱による材料Ｍの変形や変質の影響が目的物Ｓに及ぶことを低減できる。すなわち、本実施形態に係る加工方法によれば、熱による材料の変形や変質の影響を低減しつつ、加工時間を短縮できる。
【００８５】
また、本実施形態に係る加工方法において、レーザー光の照射により、切断領域は、材料Ｍの表面Ｍｓから第１の方向に複数形成される。このように、ある方向に複数の切断領域を形成することによって、不要部分Ｄの切削抵抗を小さくできるため、切削効率が向上する。
【００８６】
さらに、本実施形態に係る加工方法において、レーザー光の照射により、切断領域は、第１の方向と直交する第２の方向に複数形成される。このように、第１の方向及び第２の方向に切断領域を形成することで、不要部分Ｄはブロック状に分割される。このように、不要部分Ｄを細かく分割することで、不要部分Ｄの切削抵抗がさらに小さくできるため、切削効率がさらに向上する。
【００８７】
また、本実施形態に係る加工方法において、材料Ｍが光透過性材料の場合、レーザー光は、不要部分Ｄに対して非熱加工により、切断領域を形成することができる。また、材料Ｍが不透明材料の場合、レーザー光は、不要部分Ｄに対して熱加工により、切断領域を形成することができる。このような加工方法によれば、材料Ｍの光透過性に応じてレーザー光の種類を変えることができる。従って、材料の種類によらず加工ができる。
【００８８】
また、本実施形態に係る加工方法において、レーザー光の照射方向において切断領域に対応する加工部位が重畳している場合、当該重畳する加工部位に対し、レーザー光が入射する材料Ｍの表面Ｍｓから離れている順にレーザー光を照射することができる。このような加工方法によれば、照射されたレーザー光が改質の影響を受けることが無い。すなわち、改質した加工部位をレーザー光が透過できないといった問題や、改質した加工部位でレーザー光の屈折や反射が起こり、別の加工部位に対して正確にレーザー光を照射できないといった問題が生じ難い。従って、設定された加工部位に対し、切断領域を確実に形成できる。
【００８９】
また、本実施形態に係る加工方法における照射工程において、材料Ｍの屈折率に基づいて補正された位置に対してレーザー光を照射することができる。このように、材料Ｍの屈折率の影響を考慮してレーザー光の照射位置（焦点位置）を補正することにより、設定された加工部位に正確にレーザー光を照射できる。
【００９０】
また、本実施形態に係る加工方法において、材料Ｍが光透過性材料の場合、照射工程において、目的物Ｓの表面Ｍｓに対応する加工部位に対してレーザー光を照射した後、不要部分Ｄに対してレーザー光を照射することができる。このようにレーザー光を照射することにより、目的物Ｓの周囲を改質しておくことができる。これによって、不要部分Ｄにおける他の加工部位にレーザー光を照射する際に、レーザー光は、改質された箇所を通過して目的物Ｓの表面や内部に届くことがない。
【００９１】
また、本実施形態に係る加工方法は、切削工程の後、残った不要部分Ｄに対してレーザー光を照射することで、当該不要部分Ｄを除去する仕上げ工程を有する。これによって、切削工程において切削されずに残った不要部分Ｄを加工することができる。
【００９２】
本実施形態に係る加工システム１００は、切削工具Ｔ及びレーザー光を用いて材料Ｍを加工し、目的物Ｓを作成する加工システム１００であって、切削工具Ｔを把持する把持部１０と、レーザー光を照射する照射部２０と、材料Ｍを保持する保持部３０と、把持部１０、照射部２０、及び保持部３０を相対的に移動させる駆動機構４０と、材料Ｍの不要部分Ｄに対してレーザー光を照射することにより、当該不要部分Ｄに切断領域を形成するよう照射部２０及び駆動機構４０を制御し、レーザー光の照射により形成された切断領域近傍の不要部分Ｄを、切削工具Ｔで切削加工するよう把持部１０及び駆動機構４０を制御する制御部と、を有する。このような加工システム１００によれば、熱による材料の変形や変質の影響を低減しつつ、加工時間を短縮できる。
【００９３】
本実施形態に係る加工プログラムは、切削工具Ｔ及びレーザー光を用いて材料Ｍを加工し、目的物Ｓを作成する加工システムで実行されるプログラムであって、加工システムに対し、材料Ｍの不要部分Ｄに対してレーザー光を照射することにより、当該不要部分Ｄに切断領域を形成させ、レーザー光の照射により形成された切断領域近傍の不要部分Ｄを、切削工具Ｔで切削加工させる。このような加工プログラムを加工システム１００で実行することにより、熱による材料の変形や変質の影響を低減しつつ、加工時間を短縮できる。
【００９４】
＝＝その他＝＝
上記実施形態の加工プログラムが記憶された非一時的なコンピューター可読媒体（non-transitory computer readable medium with an executable program thereon）を用いて、コンピューターにプログラムを供給することも可能である。なお、非一時的なコンピューターの可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）等がある。
【００９５】
上記実施形態は、発明の例として提示したものであり、発明の範囲を限定するものではない。上記の構成は、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。上記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。
【符号の説明】
【００９６】
１  加工装置
２  コンピューター
１０  把持部
２０  照射部
３０  保持部
４０  駆動機構
１００  加工システム
【図１】
2020006400.tif 000003
【図２Ａ】
2020006400.tif 000004
【図２Ｂ】
2020006400.tif 000005
【図２Ｃ】
2020006400.tif 000006
【図３Ａ】
2020006400.tif 000007
【図３Ｂ】
2020006400.tif 000008
【図３Ｃ】
2020006400.tif 000009
【図４】
2020006400.tif 000010
【図５Ａ】
2020006400.tif 000011
【図５Ｂ】
2020006400.tif 000012
【図５Ｃ】
2020006400.tif 000013
【図５Ｄ】
2020006400.tif 000014
【図６】
2020006400.tif 000015
【図７Ａ】
2020006400.tif 000016
【図７Ｂ】
2020006400.tif 000017
【図８】
2020006400.tif 000018