(57)【要約】【課題】材料内部に所望の形状を形成する際にレーザー光を照射する照射経路を示す照射経路データの新規な作成方法を提供する。【解決手段】材料内部にレーザー光を照射し、所望の形状を形成する際に使用する照射経路データを作成する方法であって、前記所望の形状をＸＹＺ座標系の２次元で表した２次元情報を、ＸＹＺ座標系の３次元情報に変換する第１の工程と、変換した前記３次元情報に基づいて、前記照射経路データを作成する第２の工程と、を有する照射経路データの作成方法。【選択図】図１Ｄ
2020011268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料内部にレーザー光を照射し、所望の形状を形成する際に使用する照射経路データを作成する方法であって、
前記所望の形状をＸＹＺ座標系の２次元で表した２次元情報を、ＸＹＺ座標系の３次元情報に変換する第１の工程と、
変換した前記３次元情報に基づいて、前記照射経路データを作成する第２の工程と、
を有する照射経路データの作成方法。
【請求項２】
前記第１の工程は、
前記ＸＹＺ座標系における３次元の座標値を有する複数の格子点により構成される３次元メッシュに対し、前記２次元情報を投影することで、前記２次元情報を前記３次元情報に変換し、
前記第２の工程は、
変換した前記三次元情報が示す形状のＺ軸方向の座標値に基づいて決定された前記格子点のＺ軸方向の高さを、前記レーザー光のスポット径に応じてオフセットし、
オフセットした前記格子点の高さに応じて前記照射経路データを作成することを特徴とする請求項１記載の照射経路データの作成方法。
【請求項３】
前記２次元情報は、ピクセル毎の輝度情報を有する２次元画像であって、
前記第１の工程は、
前記ＸＹＺ座標系における３次元の座標値を有する複数の格子点により構成される３次元メッシュに対し、色反転を行った前記２次元画像を投影することで、前記２次元画像を前記３次元情報に変換し、
前記第２の工程は、
前記輝度情報に基づいて、各格子点におけるＺ軸方向の高さを決定し、
決定された前記格子点の高さを、前記レーザー光のスポットサイズに応じてオフセットし、
オフセットした前記格子点の高さに応じて前記照射経路データを作成することを特徴とする請求項１記載の照射経路データの作成方法。
【請求項４】
前記２次元情報は、ピクセル毎の輝度情報を有する２次元画像であって、
前記第１の工程は、
前記ＸＹＺ座標系における３次元の座標値を有する複数の格子点により構成される３次元メッシュに対し、色反転を行った前記２次元画像を投影することで、前記２次元画像を前記３次元情報に変換し、
前記第２の工程は、
前記輝度情報に基づいて、各格子点におけるＺ軸方向の高さを決定し、
決定された前記格子点の高さを、前記レーザー光のスポットサイズに応じてオフセットし、
オフセットした前記格子点の高さに応じて遮光域の面積を決定し、
決定された前記遮光域の面積に応じて前記照射経路データを作成することを特徴とする請求項１記載の照射経路データの作成方法。
【請求項５】
材料内部にレーザー光を照射し、所望の形状を形成する際に使用する照射経路データを作成する方法であって、
前記所望の形状をＸＹＺ座標系の２次元で表した２次元画像の色反転を行い、
前記２次元画像のピクセル毎の輝度情報に基づいて、当該ピクセル毎の遮光域の面積を決定し、
決定された前記遮光域の面積に応じて前記照射経路を設定する照射経路データの作成方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一つに記載の作成方法により作成された照射経路データが示す照射経路に沿ってレーザー光を照射することで、材料内部に所望の形状を形成する、材料内部の加工方法。
【請求項７】
材料内部にレーザー光を照射し、所望の形状を形成する際に使用する照射経路データを作成するＣＡＭシステムであって、
前記所望の形状をＸＹＺ座標系の２次元で表した２次元情報を、ＸＹＺ座標系の３次元情報に変換する第１の処理と、変換した前記３次元情報に基づいて、前記照射経路データを作成する第２の処理と、を実行することにより、照射経路データを作成するＣＡＭシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は照射経路データの作成方法、加工方法、ＣＡＭシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、特許文献１には、画像データに基づいてアルミニウム合金の表面を彫り込むレーザー加工工程を備え、前記レーザー加工工程で、レーザーの彫り込み深さを制御して彫り込みの深浅を設けることにより、画像の濃淡を表すことを特徴とするアルミニウム合金表面への画像形成方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１１５９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の画像形成方法によれば、材料表面に画が形成されるため、経年劣化や改竄の可能性がある。また、形成された画や図形の階調が不足するため、視認性や表現力が乏しい。
【０００５】
本発明の目的は、材料内部に所望の形状を形成する際にレーザー光を照射する照射経路を示す照射経路データの新規な作成方法、当該データに基づく加工方法、及び当該データを作成するＣＡＭシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための一の発明は、材料内部にレーザー光を照射し、所望の形状を形成する際に使用する照射経路データを作成する方法であって、前記所望の形状をＸＹＺ座標系の２次元で表した２次元情報を、ＸＹＺ座標系の３次元情報に変換する第１の工程と、変換した前記３次元情報に基づいて、前記照射経路データを作成する第２の工程と、を有する照射経路データの作成方法である。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】
【０００７】
本発明によれば、材料内部に所望の形状を形成する際にレーザー光を照射する照射経路を示す照射経路データの新規な作成方法、当該データに基づく加工方法、及び当該データを作成するＣＡＭシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】実施形態に係る照射経路データの作成方法を説明する図である。
【図１Ｂ】実施形態に係る照射経路データの作成方法を説明する図である。
【図１Ｃ】実施形態に係る照射経路データの作成方法を説明する図である。
【図１Ｄ】実施形態に係る照射経路データの作成方法を説明する図である。
【図１Ｅ】実施形態に係る照射経路データの作成方法を説明する図である。
【図１Ｆ】実施形態に係る照射経路データの作成方法を説明する図である。
【図１Ｇ】実施形態に係る照射経路データの作成方法を説明する図である。
【図２Ａ】実施形態に係る照射経路データの作成方法を説明する図である。
【図２Ｂ】実施形態に係る照射経路データの作成方法を説明する図である。
【図２Ｃ】実施形態に係る照射経路データの作成方法を説明する図である。
【図２Ｄ】実施形態に係る照射経路データの作成方法を説明する図である。
【図２Ｅ】実施形態に係る照射経路データの作成方法を説明する図である。
【図２Ｆ】実施形態に係る照射経路データの作成方法を説明する図である。
【図３】実施形態に係る照射経路データの作成方法を説明する図である。
【図４】実施形態に係る加工システム及びＣＡＤ／ＣＡＭシステムの構成を示す模式図である。
【図５】実施形態に係る加工方法を説明するフローチャートである。
【図６Ａ】実施形態に係る加工方法を説明する図である。
【図６Ｂ】実施形態に係る加工方法を説明する図である。
【図６Ｃ】実施形態に係る加工方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＝＝実施形態の概要＝＝
本実施形態においては、レーザー光で材料内部を加工して材料内部に２次元または３次元の形状を作成する際に使用する照射経路データを作成する方法について述べる。
【００１０】
本実施形態に係る材料としては、光透過性材料を用いる。光透過性材料は、レーザー光を透過するものである。光透過性の材料としては、ガラス、または所望の機能を持たせるために元素、イオン、粒子をドープしたガラスが挙げられる。また、光透過性の材料としては、たとえば、ＰＭＭＡなどの光透過性を持つ樹脂やジルコニア系の材料を用いることもできる。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。なお、材料の光透過率は１００％である必要はなく、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。
【００１１】
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、または非熱加工（アブレーション加工）のためのレーザー光を用いる。
【００１２】
熱加工は、材料の表面又は表面近傍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。
【００１３】
非熱加工は、材料の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。なお、本実施形態で用いるアブレーション加工は、材料の内部に空洞又は改質部分を形成する手法であり、熱加工や３Ｄレーザー彫刻のような素材に微小なキズ（クラック）を形成する手法とは技術的に区別される。
【００１４】
照射経路データは、材料の内部にレーザー光を照射する際の照射経路を示すデータである。照射経路に沿ってレーザー光を照射することによって、材料の内部に所望の形状が形成される。所望の形状は、画や図形等を２次元または３次元で示したものである。また、画や図形等に代えて、材料を切断するための切断部位を、所望の形状として形成することもできる。切断部位は、照射経路に沿ってレーザー光を照射することによって形成される。切断部位を形成することにより、材料の表面又は表面近傍における切断部位を通る面（切断面）を境に、材料を切断することができる。照射経路データは、複数の点データから構成される。複数の点データの各々は、３次元（ＸＹＺ）の座標値を有する。
【００１５】
照射経路データは、更に、材料の表面又は表面近傍にレーザー光を照射する際の照射経路を示すデータであってもよい。この場合、材料の表面又は表面近傍に、所望の形状である画や図形等を形成することができる。
【００１６】
＝＝照射経路データの作成方法＝＝
図１Ａ〜図３を参照して、本実施形態に係る照射経路データの作成方法について説明する。照射経路データの作成は、ＣＡＭシステム（後述）によって実行される。本実施形態に係る照射経路データの作成方法は、第１の工程と、第２の工程とを有する。
【００１７】
第１の工程は、所望の形状をＸＹＺ座標系の２次元で表した２次元情報を、ＸＹＺ座標系の３次元情報に変換する工程である。
【００１８】
２次元情報とは、所望の形状の元となる情報であって、たとえば、画や図形等の形状が２次元平面上に表現された情報である。２次元平面は、例えばＸＹＺ座標系におけるＸＹ平面である。３次元情報は、ＣＡＭシステムによって、２次元情報を変換して得られる情報である。２次元平面をＸＹ平面とした場合、３次元情報は、当該２次元平面に対し、Ｚ軸方向の高さの情報が付加された情報である。
【００１９】
第２の工程は、第１の工程において変換した３次元情報に基づいて、照射経路データを作成する工程である。
【００２０】
以下、第１の方法、第２の方法、及び第３の方法の３通りの方法を例示して本実施形態に係る照射経路データの作成方法を詳細に説明する。
【００２１】
（第１の方法）
先ず、第１の方法について説明する。図１Ａ〜図１Ｆは、第１の方法による照射経路データの作成方法を説明する図である。
【００２２】
第１の方法において用いる２次元情報は、ＸＹＺ座標系における所定の２次元平面上に表現された画や図形等である。図１Ａは、この例で用いるＸＹ平面に表現された２次元情報（星形の図形）を示す図である。また、第１の方法において材料内部に形成される形状は、３次元形状である。
【００２３】
第１の方法において、第１の工程は、ＸＹＺ座標系における３次元の座標値を有する複数の格子点により構成される３次元メッシュに対し、２次元情報を投影することで、２次元情報を３次元情報に変換する。
【００２４】
本実施形態に係る３次元情報は、ＸＹＺ座標系におけるＸＹＺ座標値を有する複数の格子点から構成される３次元メッシュで表現される。本実施形態に係る３次元メッシュの各格子点には、ＸＹ平面における座標値（すなわち、「Ｘ座標値」及び「Ｙ座標値」）、及び高さ情報である「Ｚ座標値」が設定される。
【００２５】
第１の方法において、２次元情報を３次元情報に変換する方法について説明する。図１Ｂは、ＣＡＭシステムが有する表示装置に表示された作成画面２０２の例である。図１Ｃは、３次元メッシュに対し図１Ａに示した２次元情報を投影することで変換された３次元情報を、Ｚ軸方向から見た図である。図１Ｄは、３次元メッシュに対し２次元情報を投影することで変換された３次元情報を示す斜視図である。図１Ｅは、図１Ｄに示す破線に沿ったＸＺ平面における３次元情報の断面図である。
【００２６】
ＣＡＭシステムは、作成画面２０２を通じて２次元情報を所望の３次元情報に変換するための幾つかのパラメーター等の入力を受け付ける。
【００２７】
図１Ｂに示す作成画面２０２の左側には、所望の３次元形状の断面形状を指定するパラメーターを入力するための入力欄が配列されている。作成画面２０２において、「底面の高さ」の入力欄２０２aに材料内部における所望の値を入力することによって、３次元形状のＺ軸方向の基準座標を設定する。なお、底面とは、３次元情報が含む高さ情報（つまりＺ座標値）の基準となるＸＹ平面である。つまり、３次元情報におけるＺ座標値は、当該底面からの高さに相当する。
【００２８】
また、「レリーフの高さ」の入力欄２０２ｂに所望の値を入力することによって、３次元形状のＺ軸方向の最大値を設定する。つまり、底面のＺ座標値から、３次元情報におけるＺ軸方向の座標値の最大値までの幅を設定する。
【００２９】
「立ち上がり角」の入力欄２０２ｃは、作成画面２０２の右側の最上段のボタン２０２ｅで、断面形状として台形状又は三角形状を選択した場合に設定する。入力欄２０２ｃに所望の値を入力することによって、選択した断面の底面に対する立ち上がり角を設定することができる。
【００３０】
「尾根の方向」の入力欄２０２ｄは、断面形状として三角形状を選択した場合に設定する。入力欄２０２ｄに所望の値を入力することによって、内角の角度を任意に設定することができる。
【００３１】
図１Ｂに示す作成画面２０２の右側には、材料の内部に形成される３次元形状の断面形状を設定するボタンが配列されている。最上段には、５つのボタン２０２ｅが配列されている。これらは、ＸＹ平面に垂直な平面（たとえばＸＺ平面）における３次元形状の断面を設定するためのボタンである。この例では、左側から、矩形状、台形状、三角形状、円弧状、及びフィレット状の断面を選択するボタン２０２ｅが配列されている。これらのいずれかから選択された断面形状を所望の３次元形状の断面形状として適用する。
【００３２】
ボタン２０２ｅの下には、２つのボタン２０２ｆが配列されている。これらは、ボタン２０２ｅで選択したＸＺ平面における断面形状を、他の断面（ＹＺ断面）にも適用するか否かを設定するボタンである。左側のボタンを選択すると、所望の３次元形状のＸＹ断面及びＸＺ断面の断面形状を、ボタン２０２ｅで選択した断面形状とする。一方、右側のボタンを選択すると、所望の３次元形状の、ＸＺ断面の断面形状のみを、最上段のボタン２０２ｅで選択した断面形状とし、ＹＺ断面の断面形状は、所定の断面形状（たとえば矩形状）とする。
【００３３】
ボタン２０２ｆの下には、３つのボタン２０２ｇが配列されている。これらは、台座と所望の３次元形状との関係を設定するためのボタンである。台座は、材料の内部に形成される３次元形状であって、台座情報に基づいて形成される。台座情報は、３次元メッシュで表現される情報である。台座情報に係る３次元メッシュの各格子点には、Ｘ座標値、Ｙ座標値、及び台座の高さ情報であるＺ座標値が設定される。台座は、Ｚ軸方向に凸の形状を有する。
【００３４】
３つのボタン２０２ｇのうち、たとえば左側のボタンを選択すると、材料内部において、ボタン２０２ｅで選択した断面形状を有する三次元形状が、台座の頂部から立ち上がるように設定される。
【００３５】
ボタン２０２ｇの下には、２つのボタン２０２ｈが配列されている。これらは、ボタン２０２ｅで選択された断面形状が凸となる方向を設定するボタンである。左のボタンを選択すると、ボタン２０２ｅで選択された断面形状がＺ軸の上側に凸となるように設定される。一方、右のボタンを選択すると、当該断面形状がＺ軸の下側に凸となるように設定される。
【００３６】
以上のように、作成画面２０２を通してパラメーター等が指定されると、ＣＡＭシステムは、当該パラメーター等に基づいて、２次元情報を３次元情報に変換する。つまり、ＣＡＭシステムは、作成画面２０２を通して指定されたパラメーター等に基づいて、所望の３次元形状の断面形状を決定する。そして、ＣＡＭシステムは、決定した断面形状に基づいて、各格子点にＺ方向の高さを割り当てることによって、２次元情報を３次元情報に変換する（図１Ｃ〜図１Ｅ）。
【００３７】
なお、第１の方法における第１の工程は、材料の内部に限らず、材料の表面に所望の形状を形成する場合にも適用することができる。この場合、２次元情報を３次元情報に変換するためには、３次元情報を構成する３次元メッシュの各格子点のＺ座標値を、材料の表面におけるＺ座標値とすればよい。
【００３８】
次に、第２の工程では、第１の工程で変換した３次元情報に基づいて、照射経路データを作成する。
【００３９】
具体的に、第２の工程は、先ず、第１の工程において変換した３次元情報が示す形状のＸＺ断面におけるＺ軸方向の座標値に基づいて、各格子点のＺ軸方向の高さを決定する（図１Ｆ）。
【００４０】
次いで、先の工程で決定された格子点の高さを、レーザー光のスポット径に応じてオフセットする。つまり、先の工程で決定された各格子点の高さを、後述するレーザー加工工程において用いられるレーザー光のスポット径の半分の距離だけ、Ｚ軸に沿って上側へ移動する。
【００４１】
次いで、オフセットした格子点の高さに応じて照射経路データを作成する。先ず、オフセット後の格子点を繋いだ経路を、照射経路Ｐ１とする（図１Ｇ）。前述のように、照射経路データは、複数の点データから構成される。複数の点データの各々は、３次元（ＸＹＺ）の座標値を有する。３次元の座標値は、照射経路Ｐ１上の座標値である。３次元の座標値は、材料のサイズや所望の３次元形状等を加味して、隣接する３次元の座標値と所定の間隔を置いて設定される。以上の手順によって、第１の方法による照射経路データが作成される。
【００４２】
（第２の方法）
次いで、第２の方法について説明する。図２Ａ〜図２Ｆは、第２の方法による照射経路データの作成方法を説明する図である。
【００４３】
図２Ａ（ａ）は、この例において用いる２次元情報である２次元画像（写真）を示す。２次元画像は、行列状に配列された複数のピクセルによって構成され、当該ピクセル毎に輝度情報を有している。輝度情報は、階調に応じた濃淡である。
【００４４】
第１の工程は、先ず、２次元画像に対して、色反転を行った２次元画像を生成する（図２Ａ（ｂ））。次いで、当該色反転を行った２次元画像を、ＸＹＺ座標系における３次元の座標値を有する複数の格子点により構成される３次元メッシュに対して投影することで、３次元情報に変換する。第２の方法において、３次元メッシュの各格子点には、当該格子点に対応するピクセルＰｘの輝度情報が割り当てられる。変換された３次元情報は、ＣＡＭシステムに読み込まれる。ＣＡＭシステムは、後述する第２の工程において、当該３次元情報に基づいて照射経路データを作成する。
【００４５】
図２Ｂは、図２Ａ（ｂ）中の領域Ａに相当する６個のピクセルＰｘを示している。図２Ｂにおいて、各ピクセルＰｘには、階調に応じた濃淡が示されている。
【００４６】
第２の工程は、第１の工程において各格子点に割り当てられた輝度情報に基づいて、各格子点におけるＺ軸方向の高さを決定する（図２Ｃ）。輝度情報に基づいて決定される高さとは、たとえば、各格子点に割り当てられたピクセルＰｘの階調に比例する高さとする。この場合、色反転後の２次元画像において、各格子点に対応するピクセルＰｘの輝度が高い（低い）ほど、当該格子点におけるＺ軸方向の高さは高く（低く）なる。
【００４７】
次いで、決定された格子点の高さを、レーザー光のスポットサイズに応じてオフセットする（図２Ｄ）。つまり、先の工程で決定された各格子点の高さを、レーザー光のスポット径の半分の距離だけ、Ｚ軸に沿って上側へ移動する。このようにしてオフセットした格子点を繋ぐ経路を生成し、この経路を原経路ＰＯ２とする。
【００４８】
次いで、オフセットした格子点の高さに応じて照射経路データを作成する。図２Ｅは、先の工程で生成した原経路ＰＯ２及び原経路ＰＯ２を底面（第１の方法と同様に、３次元情報が含むＺ座標値の基準となるＸＹ平面を意味する）に対して反転した経路ＰＯ２´を示している。この例における照射経路Ｐ２は、高さ部分Ｐ２ｈを含んでいる（図２Ｆ）。高さ部分Ｐ２ｈは、各格子点に設けられ、各格子点における原経路ＰＯ２のＺ座標値から、反転した原経路ＰＯ２´のＺ座標値まで延びる経路である。照射経路Ｐ２は、隣接する格子点における高さ部分Ｐ２ｈを繋ぐことによって得られる。以上の手順によって照射経路Ｐ２が生成されると、第１の方法と同様にして、複数の点データから構成される照射経路データを作成することができる。なお、照射経路データは、複数の点データでなくともよい。たとえば、材料に対してレーザー光を照射する範囲を指定する１次元、２次元または３次元の領域データであってもよい。第２の方法の場合、当該１次元の領域データとして、照射経路Ｐ２の内、各格子点における高さ部分Ｐ２ｈを示すデータとしてもよい。
【００４９】
なお、各格子点における高さ部分Ｐ２ｈとして、原経路ＰＯ２上の各点からＺ軸方向の下側に延び、底面に対して垂直となる複数の線分を設定してもよい。
【００５０】
（第３の方法）
次いで、第３の方法について説明する。第２の方法と同様、第３の方法の説明においても、２次元情報として、ピクセルＰｘ毎の輝度情報を有する２次元画像を用いる。
【００５１】
第３の方法において、格子点におけるＺ軸方向の高さを、レーザー光のスポットサイズに応じてオフセットするまでの工程（図２Ａ〜図２Ｄ）は、第２の方法と共通であるため、詳細な説明は省略する。
【００５２】
図３は、第３の方法による照射経路データの作成方法を説明する図である。第３の方法における照射経路Ｐ３は、複数の遮光域Ｓを含んでいる（図３）。複数の遮光域Ｓの各々は、各格子点に配置されている。第２の方法で説明したように、各格子点には、対応するピクセルＰｘの輝度情報が割り当てられている。第３の方法においては、各格子点に割り当てられた輝度情報に基づいて、当該格子点に配置された遮光域Ｓの面積を決定する。遮光域ＳはＸＹ平面に平行な２次元の領域である。遮光域Ｓの形状は特に限定されず、この例では正方形としている。
【００５３】
遮光域Ｓの面積は、オフセットした格子点（図２Ｄ）の高さに応じて決定される。遮光域Ｓの面積は、たとえば、オフセット後の格子点の高さに比例する面積とする。この場合、色反転後の２次元画像において、各格子点に対応するピクセルＰｘの輝度が高い（低い）ほど、当該格子点における遮光域Ｓの面積は大きく（小さく）なる。
【００５４】
次いで、決定された遮光域Ｓの面積に応じて照射経路データを作成する。先ず、各遮光域Ｓ内に照射経路が設定される。図３に示した例では、一の遮光域Ｓにおいて、当該一の遮光域Ｓ内を、所定の間隔で走査するように照射経路が設定される。そして、隣接する遮光域Ｓにおける照射経路を繋ぐことによって、全体の照射経路Ｐ３が設定される。以上の手順によって照射経路Ｐ３が生成されると、第１の方法と同様にして、複数の点データから構成される照射経路データを作成することができる。なお、照射経路データは、複数の点データでなくともよい。たとえば、材料に対してレーザー光を照射する範囲を指定する１次元、２次元または３次元の領域データであってもよい。第３の方法の場合、当該１次元の領域データとして、隣接する遮光域Ｓを繋ぐ線分を示すデータとしてもよい。また、当該２次元の領域データとして、遮光域Ｓが占める領域を示すデータとしてもよい。
【００５５】
なお、第３の方法において、輝度情報に基づいて、各格子点におけるＺ軸方向の高さを決定する工程から、格子点の高さをオフセットするまでの工程（図２Ｃ及び図２Ｄ）は、省略することが可能である。
【００５６】
つまり、所望の形状をＸＹＺ座標系の２次元で表した２次元画像の色反転を行い（図２Ａ（ｂ））、２次元画像のピクセルＰｘ毎の輝度情報に基づいて、当該ピクセルＰｘ毎の遮光域の面積を決定してもよい。この場合、遮光域Ｓの面積は、たとえば、各々の格子点に割り当てられた色反転後の階調に比例する面積とする。つまり、色反転後の２次元画像において、各格子点に対応するピクセルＰｘの輝度が高い（低い）ほど、当該格子点における遮光域Ｓの面積は大きく（小さく）なる。そして、決定された遮光域Ｓの面積に応じて照射経路を設定する。
【００５７】
以上、第１の方法、第２の方法及び第３の方法による照射経路データの作成方法について説明した。なお、レーザー光の焦点位置は、材料の屈折率に応じて変動する。そのため、材料の屈折率を考慮して、照射経路データを補正してもよい。具体的には、補正前の照射経路データが示す座標値から材料の表面までの高さを当該屈折率で除した数値を、補正後の照射経路データが示す表値から材料の表面までの高さとなるようにすればよい。
【００５８】
＝＝加工システム＝＝
図４は、加工システム１００及びＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００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。
【００５９】
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、照射経路データに基づき、照射経路に沿ってレーザー光を照射することにより材料Ｍを加工する。加工装置１は、照射部１０、保持部２０、及び駆動機構３０を含む。
【００６０】
照射部１０は、材料Ｍに対してレーザー光を照射する。照射部１０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。保持部２０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。駆動機構３０は駆動用のモータ等を含む。駆動機構３０は、照射部１０及び保持部２０を相対的に移動させる。但し、本実施形態における加工方法によれば、一の方向からレーザー光を照射することにより所望の形状を形成することができる。すなわち、照射部１０や保持部２０をＡ回転軸やＢ回転軸周りに回転させる必要はない。
【００６１】
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１０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。
【００６２】
たとえば、照射経路が線分状の経路を含む場合、調整部として空間光位相変調器を用いることにより、照射経路全体のうち、線分状の経路に対して一括でレーザー光を照射することができる。また、照射経路が平面状の経路を含む場合、調整部として空間光位相変調器を用いることにより、照射経路全体のうち、平面状の経路に対して一括でレーザー光を照射することができる。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又は平面状に成形することで、線分状のレーザー光（１次元形状のレーザー光）又は平面状のレーザー光（２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、照射経路全体のうち、一の線分に基づく照射経路や一の面に基づく照射経路に対して一回の照射でアブレーション加工を実施できる。すなわち、空間光位相変調器を利用することにより１次元領域又は２次元領域の照射経路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。
【００６３】
コンピューター２は、照射部１０及び駆動機構３０の動作を制御する。具体的に、コンピューター２は、材料Ｍの内部において、照射経路データが示す照射経路にレーザー光を照射できるよう、駆動機構３０を制御して照射部１０と保持部２０（材料Ｍ）との相対的な位置関係を調整する。なお、レーザー光が材料Ｍに入射すると、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。コンピューター２が、材料Ｍの屈折率の寄与を考慮し、照射部１０と保持部２０の相対的な位置関係を補正してもよい。この場合、照射経路データの作成時において、材料Ｍの屈折率を考慮しなくともよい。また、コンピューター２は、照射部１０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、照射経路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。コンピューター２は、「制御部」の一例である。
【００６４】
なお、照射経路データが切断部位を形成するためのものである場合、コンピューター２は、照射部１０を制御して、熱加工のためのレーザー光を使用してもよい。熱加工のためのレーザー光を用いる場合、照射経路データが有する各点データに対応する箇所に、レーザー光が入射する表面から近い順番でレーザー光を照射する。この順番は、照射経路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。
【００６５】
ＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００は、照射経路データを作成し、加工システム１００に出力する。本実施形態におけるＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００は、「ＣＡＭシステム」の一例である。なお、本実施形態と異なり、ＣＡＤシステムとＣＡＭシステムが別体で設けられていてもよい。
【００６６】
＝＝加工システムによる加工＝＝
次に、図５、図６Ａ〜図６Ｃ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。図５は、加工システム１００の動作を示すフローチャートである。図６Ａ〜図６Ｃは、本実施形態に係る加工方法によりレーザー光が照射される照射経路を模式的に示した図である。図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃはそれぞれ、上述した第１の方法、第２の方法及び第３の方法によって作成された照射経路データを用いた加工を説明する図である。照射経路工データはＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００により予め作成されているものとする。
【００６７】
材料Ｍを選択し、加工装置１の保持部２０にセットする（材料Ｍのセット。ステップ１０）。本実施形態に係る材料Ｍはブロック状の部材である。
【００６８】
コンピューター２は、照射経路データに基づいて、加工装置１にレーザー光の照射を実行させる。コンピューター２は、照射経路データが示す３次元の座標値に対応する位置にレーザー光を照射させることにより、材料内部を加工する。この際、コンピューター２は、当該位置に所定の順番でレーザー光を照射する（所定の照射経路にレーザー光を照射。ステップ１１）。
【００６９】
コンピューター２は、照射経路データに含まれる３次元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１０及び保持部２０の相対的な位置を調整したり、照射部１０に含まれるレンズ群による出射光自体の向きやガルバノミラー自体の角度を調整する。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１０を制御し、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。
【００７０】
第１の方法、第２の方法及び第３の方法によって作成された照射経路データのいずれを用いる場合においても、レーザー光の焦点位置を、ＸＹ平面を走査するようにレーザー光を照射する。図６Ａ〜図６Ｃに示した例では、ＸＹ平面において、所定の走査ピッチでＹ軸方向にずらしながら、Ｘ軸方向にレーザー光の焦点位置を往復移動させる。
【００７１】
第１の方法に係る場合においては、レーザー光の焦点位置をＸ軸方向に移動させつつ、照射経路Ｐ１に従ってＺ軸方向に移動させながら、照射経路データが示す所定の位置に所定時間だけレーザー光を照射する（図６Ａ）。Ｘ軸方向に亘ってレーザー光の照射が完了したら、レーザー光の焦点位置を所定の走査ピッチでＹ軸方向にずらし、同様にしてレーザー光の照射を繰り返す。
【００７２】
第２の方法に係る場合においては、レーザー光の焦点位置をＸ軸方向に移動させつつ、照射経路Ｐ２に従ってＺ軸方向に移動させながら、照射経路データが示す所定の位置に所定時間だけレーザー光を照射する（図６Ｂ）。このとき、レーザー光の焦点位置が、照射経路Ｐ２の高さ部分Ｐ２ｈに沿って下から上へ移動するように、照射経路データが作成されている。Ｘ軸方向に亘ってレーザー光の照射が完了したら、レーザー光の焦点位置を所定の走査ピッチでＹ軸方向にずらし、同様にしてレーザー光の照射を繰り返す。
【００７３】
第３の方法に係る場合においては、レーザー光の焦点位置をＸ軸方向に移動させつつ、各遮光域Ｓに到達すると、当該遮光域Ｓに亘って走査するように移動させながらレーザー光を照射する（図６Ｃ）。Ｘ軸方向に亘ってレーザー光の照射が完了したら、レーザー光の焦点位置を所定の走査ピッチでＹ軸方向にずらし、同様にしてレーザー光の照射を繰り返す。なお、第３の方法においては、遮光域Ｓに亘って空洞又は改質部分を形成すればよく、当該遮光域Ｓを走査するようにレーザー光を照射することに限られない。たとえば、一の遮光域Ｓにおいて、レーザー光の焦点を当該一の遮光域Ｓの形状に成形し、一括して照射してもよい。
【００７４】
以上のようにして全ての照射経路にレーザー光の照射が完了すると（ステップ１２でＹの場合）、所望の形状が形成され、処理を終了する。
【００７５】
ここで、第２の方法及び第３の方法に基づいて所望の形状が形成された材料Ｍを、紙面等の上方に、当該紙面等と距離を置いて表面Ｍｓ（加工時にレーザー光が入射する表面）を上に向けて配置する。そして、材料Ｍに向けて上から光を照射する（表面Ｍｓ側から光を入射させると）と、紙面には、材料Ｍの内部に形成された所望の形状が発現する。これは、照射経路に亘ってレーザー光が照射された結果、照射経路に沿って空洞又は改質部分が形成され、当該空洞又は改質部分が遮光性を有することによる。
【００７６】
たとえば、第２の方法においては、色反転前の２次元画像の各ピクセルＰｘの輝度が高い（低い）ほど、当該ピクセルに対応する位置の照射経路のＺ軸方向の高さは低く（高く）、当該ピクセルに対応する位置の遮光性が低い（高い）。また、第３の方法においては、色反転前の２次元画像各ピクセルＰｘの輝度が高い（低い）ほど、当該ピクセルに対応する位置の遮光域Ｓの面積は小さく（大きく）、当該ピクセルに対応する位置の遮光性が低い（高い）。このため、上述のように材料Ｍに光を照射することによって、色反転前の２次元画像の濃淡が、当該紙面に発現する。
【００７７】
以上の通り、本実施形態に係る照射経路データの作成方法は、材料内部にレーザー光を照射し、所望の形状を形成する際に使用する照射経路データを作成する方法であって、所望の形状をＸＹＺ座標系の２次元で表した２次元情報を、ＸＹＺ座標系の３次元情報に変換する第１の工程と、変換した３次元情報に基づいて、照射経路データを作成する第２の工程と、を有する。
【００７８】
このように、本実施形態に係る方法によれば、材料内部に所望の形状（２次元または３次元）を形成するための照射経路データを作成できる。このような照射経路データに基づいて材料内部に形成された形状は、経年劣化したり、改竄されるおそれがない。また、３次元情報に基づいて照射経路データを作成するため、材料内部に形成される当該形状は、視認性や表現力に優れたものとなる。
【００７９】
また、本実施形態に係る照射経路データの作成方法において、第１の工程は、ＸＹＺ座標系における３次元の座標値を有する複数の格子点により構成される３次元メッシュに対し、２次元情報を投影することで、２次元情報を３次元情報に変換し、第２の工程は、変換した３次元情報が示す形状のＸＹ断面におけるＺ軸方向の座標値に基づいて決定された格子点のＺ軸方向の高さを、レーザー光のスポット径に応じてオフセットし、オフセットした格子点の高さに応じて照射経路データを作成する。このような方法を用いることにより、２次元情報を、３次元メッシュ上に３次元情報として表現できる。従って、材料内部に形成される形状（特に表面形状）は、視認性や表現力に優れたものとなる。
【００８０】
また、本実施形態に係る照射経路データの作成方法において、２次元情報は、ピクセルＰｘ毎の輝度情報を有する２次元画像であって、第１の工程は、ＸＹＺ座標系における３次元の座標値を有する複数の格子点により構成される３次元メッシュに対し、色反転を行った２次元画像を投影することで、２次元画像を３次元情報に変換し、第２の工程は、輝度情報に基づいて、各格子点におけるＺ軸方向の高さを決定し、決定された格子点の高さを、レーザー光のスポットサイズに応じてオフセットし、オフセットした格子点の高さに応じて照射経路データを作成する。この場合、格子点の高さに応じた照射経路により、各格子点における階調が表現される。このような照射経路に沿ってレーザー光を照射することにより、材料内部において広範な階調を表現することができる。従って、材料内部に形成される形状は、視認性や表現力に優れたものとなる。
【００８１】
また、本実施形態に係る照射経路データの作成方法において、２次元情報は、ピクセルＰｘ毎の輝度情報を有する２次元画像であって、第１の工程は、ＸＹＺ座標系における３次元の座標値を有する複数の格子点により構成される３次元メッシュに対し、色反転を行った２次元画像を投影することで、２次元画像を３次元情報に変換し、第２の工程は、輝度情報に基づいて、各格子点におけるＺ軸方向の高さを決定し、決定された格子点の高さを、レーザー光のスポットサイズに応じてオフセットし、オフセットした格子点の高さに応じて遮光域Ｓの面積を決定し、決定された遮光域Ｓの面積に応じて照射経路データを作成する。この場合、輝度情報に基づいた面積を有する遮光域Ｓが各格子点に形成される。このような遮光域Ｓに対してレーザー光を照射することにより、材料内部において広範な階調を表現することができる。従って、材料内部に形成される形状は、視認性や表現力に優れたものとなる。
【００８２】
また、本実施形態に係る照射経路データの作成方法において、材料内部にレーザー光を照射し、所望の形状を形成する際に使用する照射経路データを作成する方法であって所望の形状をＸＹＺ座標系の２次元で表した２次元画像の色反転を行い、２次元画像のピクセルＰｘ毎の輝度情報に基づいて、当該ピクセルＰｘ毎の遮光域Ｓの面積を決定し、決定された遮光域Ｓの面積に応じて照射経路を設定してもよい。このような遮光域Ｓに対してレーザー光を照射することにより、材料内部において広範な階調を表現することができる。従って、材料内部に形成される形状は、視認性や表現力に優れたものとなる。さらに、照射経路の作成を簡略化することができる。
【００８３】
本実施形態に係る材料内部の加工方法によれば、上記のいずれかの照射経路データの作成方法により作成された照射経路データが示す照射経路に沿ってレーザー光を照射することで、材料内部に所望の形状を形成できる。このような加工方法によって材料内部に形成された形状は、経年劣化したり、改竄されるおそれがない。また、３次元情報に基づいて照射経路データを作成するため、材料の内部に形成された当該形状は、視認性や表現力に優れたものとなる。
【００８４】
本実施形態に係るＣＡＭシステムは、材料内部にレーザー光を照射し、所望の形状を形成する際に使用する照射経路データを作成するＣＡＭシステムであって、所望の形状をＸＹＺ座標系の２次元で表した２次元情報を、ＸＹＺ座標系の３次元情報に変換する第１の処理と、変換した３次元情報に基づいて、照射経路データを作成する第２の処理と、を実行することにより、照射経路データを作成する。このように、本実施形態に係るＣＡＭシステムによれば、材料内部に所望の形状（２次元または３次元）を形成するための照射経路データを作成することができる。このような照射経路データに基づいて材料内部に形成された形状は、経年劣化したり、改竄されるおそれがない。また、３次元情報に基づいて照射経路データを作成するため、材料内部に形成された当該形状は、視認性や表現力に優れたものとなる。
【００８５】
上記実施形態の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。
【００８６】
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】
【００８７】
１  加工装置
２  コンピューター
１０  照射部
２０  保持部
３０  駆動機構
１００  加工システム
２００  ＣＡＤ／ＣＡＭシステム
２０２  作成画面
【図１Ａ】
2020011268.tif 000003
【図１Ｂ】
2020011268.tif 000004
【図１Ｃ】
2020011268.tif 000005
【図１Ｄ】
2020011268.tif 000006
【図１Ｅ】
2020011268.tif 000007
【図１Ｆ】
2020011268.tif 000008
【図１Ｇ】
2020011268.tif 000009
【図２Ａ】
2020011268.tif 000010
【図２Ｂ】
2020011268.tif 000011
【図２Ｃ】
2020011268.tif 000012
【図２Ｄ】
2020011268.tif 000013
【図２Ｅ】
2020011268.tif 000014
【図２Ｆ】
2020011268.tif 000015
【図３】
2020011268.tif 000016
【図４】
2020011268.tif 000017
【図５】
2020011268.tif 000018
【図６Ａ】
2020011268.tif 000019
【図６Ｂ】
2020011268.tif 000020
【図６Ｃ】
2020011268.tif 000021