(57)【要約】【課題】加工対象物の軸振れの測定と補正を高精度で行うことができ、加工精度を向上させたレーザ加工方法及び加工装置を提供する。【解決手段】加工対象物ｗの加工前に、加工対象物ｗを回転させるとともに、測定用レーザ光Ｌ２をその照射方向が加工対象物ｗの回転中心Ｃに対してずれた配置となるように照射し、加工対象物ｗの表面で反射させて、その反射光Ｒ２の変化を測定することにより、加工対象物ｗの軸心Ｏと回転中心Ｃとの軸ずれにより生じる軸振れの大きさを算出し、その算出値に基づいて加工用レーザ光Ｌ１の照射位置を調整する。【選択図】      図１
2014223672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物を保持して回転しながら加工用レーザ光を照射して、前記加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、前記加工対象物の加工前に、前記加工対象物を回転させるとともに、測定用レーザ光をその照射方向が前記加工対象物の回転中心に対してずれた配置となるように照射し、前記加工対象物の表面で反射させて、その反射光の変化を測定することにより、前記加工対象物の軸心と前記回転中心との軸ずれにより生じる軸振れの大きさを算出し、その算出値に基づいて前記加工用レーザ光の照射位置を調整することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記照射方向に平行なｚ軸とこれに直交するｙ軸とからなる座標を、前記回転中心を原点として設定したとき、前記測定用レーザ光の反射光の任意の一方向の挙動を測定して、前記軸振れの前記ｚ軸方向の変位と前記ｙ軸方向の変位とを算出し、その算出値に基づいて前記加工用レーザ光の照射位置を調整することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記加工対象物を保持して回転しながら前記加工用レーザ光をその照射方向が前記加工対象物の回転中心に対してずれた配置となるように照射して、前記加工対象物を加工するとともに、前記加工対象物の表面で前記加工用レーザ光を反射させ、加工進行に伴う反射光の変化により加工終点を判定することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記加工用レーザ光の加工位置の変化に対応する前記反射光の位置の変化から前記加工終点を判定することを特徴とする請求項３記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記加工対象物の表面状態に対応する前記反射光の径の変化から前記加工終点を判定することを特徴とする請求項３記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
前記加工対象物の半径方向寸法の局部的な変化に対応する反射光の振動の変化から前記加工終点を判定することを特徴とする請求項３記載のレーザ加工方法。
【請求項７】
前記測定用レーザ光又は前記加工用レーザ光の反射光をスクリーンに投影し、その投影光から前記反射光の変化を検出することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項８】
加工対象物を保持して回転するワーク保持手段と、前記加工対象物に測定用レーザ光をその照射方向が回転中心に対してずれた配置となるように照射する測定用レーザ光照射手段と、前記加工対象物の表面で反射した前記測定用レーザ光の反射光の変化により前記加工対象物の軸心と前記回転中心との軸ずれを検出してその算出値を算出する補正手段と、前記算出値に基づいて前記加工対象物を加工する加工用レーザ照射手段と、前記加工対象物の表面で反射した前記加工用レーザ光の反射光の変化により加工終点を判定可能な終点判定手段を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体を形態形成または表面研磨するためのレーザ加工方法及び加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
円柱状または円筒状の加工対象物をその中心軸の周りに回転させ、レーザ光をその中心軸からずらして照射するレーザ加工（回転体のレーザ加工）では、加工の進行と共に加工対象物表面におけるレーザ光の入射角が変化するため、単位時間あたりの加工除去量が変化する。そのため、加工除去を行う体積などから必要な加工時間を見積もることが難しく、他の方法で加工終了を判断する必要がある。
加工終了の従来の判断方法として、例えば特許文献１では加工直後に画像にて寸法形状を測定し、加工形状が得られているかを確認する方法が提唱されている。
また、特許文献２には、レーザ加工中の発光光の強度にて終了判断をする方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０７−１１６８７３号公報
【特許文献２】特開平０７−１２４７６６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の方法では、形態の確認・再加工を繰り返す為、処理に時間がかかる問題があった。特許文献２の方法では、レーザ光照射部の発光強度は加工対象物の内部組成の揺らぎなどによる影響を受けるため、発光強度と現状の加工量を精度良く対応付けることが難しい問題があった。
また、このような回転体のレーザ加工においては、加工時に加工対象物の軸心を回転中心として回転させることを想定しているが、加工対象物の一端部を回転機にチャッキングする際に、回転中心と加工対象物の軸心との間に僅かなズレが生じることで、加工時に軸振れが生じて加工精度の低下を招くおそれがある。このため、精密加工を行う場合には、加工対象物のチャッキングの際の軸ずれにより生じる軸振れの影響を取り除く必要がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、加工対象物の軸振れの測定と補正を高精度で行うことができ、加工精度を向上させたレーザ加工方法及び加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、加工対象物を保持して回転しながら加工用レーザ光を照射して、前記加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、前記加工対象物の加工前に、前記加工対象物を回転させるとともに、測定用レーザ光をその照射方向が前記加工対象物の回転中心に対してずれた配置となるように照射し、前記加工対象物の表面で反射させて、その反射光の変化を測定することにより、前記加工対象物の軸心と前記回転中心との軸ずれにより生じる軸振れの大きさを算出し、その算出値に基づいて前記加工用レーザ光の照射位置を調整することを特徴とする。
【０００７】
加工対象物を回転させながら測定用レーザ光を照射すると、加工対象物の表面で測定用レーザ光が反射する。この反射光は、測定用レーザ光の照射方向が加工対象物の回転中心に対してずれて配置されていることから、加工対象物の外周面で反射して照射方向と異なる方向に照射される。この際、加工対象物の軸心と回転中心とが一致していれば、加工対象物が回転しても測定用レーザ光が照射される照射面の傾きが一定であることから、反射光の進行方向は変化することなく一定の方向に照射される。
ところが、加工対象物の軸心と回転中心とがずれている場合は、測定用レーザ光の照射位置を通過する加工対象物の照射面の傾きが回転に伴い変化することから、反射光の進行方向も変化することになる。
このように、加工対象物の回転に伴う測定用レーザ光の照射位置における反射光の動きから、加工対象物の軸振れの大きさを算出することができる。そして、算出値に基づいて加工用レーザ光の照射位置を加工対象物の回転に伴い追随されることで、加工対象物を取り付ける際に生じる軸ずれを補正でき、軸振れの影響を取り除いた高精度な加工を行うことができる。
【０００８】
本発明のレーザ加工方法において、前記照射方向に平行なｚ軸とこれに直交するｙ軸とからなる座標を、前記回転中心を原点として設定したとき、前記測定用レーザ光の反射光の任意の一方向の挙動を測定して、前記軸振れの前記ｚ軸方向の変位と前記ｙ軸方向の変位とを算出し、その算出値に基づいて前記加工用レーザ光の照射位置を調整することを特徴とする。
【０００９】
本発明のレーザ加工方法において、前記加工対象物を保持して回転しながら前記加工用レーザ光をその照射方向が前記加工対象物の回転中心に対してずれた配置となるように照射して、前記加工対象物を加工するとともに、前記加工対象物の表面で前記加工用レーザ光を反射させ、加工進行に伴う反射光の変化により加工終点を判定することを特徴とする。
【００１０】
加工対象物を回転させながら加工用レーザ光を照射して加工すると、加工対象物の表面で加工用レーザ光が反射する。この反射光は、加工用レーザ光の照射方向が加工対象物の回転中心に対してずれた配置となっているので、加工進行に伴う加工用レーザ光の照射位置におけるビーム径、照射位置等の変化が拡大して反射光に反映される。この反射光による拡大した加工用レーザ光の変化から加工終点を判定することができ、高精度の判定を行うことができる。例えば、加工対象物の表面でのビーム径や照射位置のミクロン単位の変化を反射光ではミリ単位に増幅することができ、この増幅された反射光の変化から加工終点を高精度に判定することができる。
また、加工用レーザ光の照射方向と回転中心とのずれの方向及び寸法は、測定用レーザ光の場合と異なっていてもよい。
【００１１】
本発明のレーザ加工方法において、前記加工用レーザ光の加工位置の変化に対応する前記反射光の位置の変化から前記加工終点を判定することができる。
加工対象物からの反射光の位置の変化は、加工用レーザ光の加工位置の変化に対して拡大されるので、その反射光の位置の変化から高精度に終点判定することができる。
【００１２】
また、本発明のレーザ加工方法において、前記加工対象物の表面状態に対応する前記反射光の径の変化から前記加工終点を判定することができる。
加工対象物の表面を研磨する場合には、加工用レーザ光の反射光の径は、加工対象物の表面が粗い場合には加工用レーザ光が乱反射するため大きくなり、表面が平滑になるほど小さくなる。この反射光の径の変化から加工対象物の表面研磨の終点判定をすることができる。
【００１３】
本発明の加工方法において、前記加工対象物の半径方向寸法の局部的な変化に対応する反射光の振動の変化から前記加工終点を判定することができる。
加工対象物の表面に局部的な突起等が存在する場合、加工用レーザ光の反射方向が突起により変化することにより、反射光に振動が生じる。この振動の幅は加工の進行に伴う突起の縮小により小さくなる。したがって、反射光の振幅の減少が基準値に達したところで加工終点と判定することができる。
【００１４】
本発明のレーザ加工方法において、前記測定用レーザ光又は前記加工用レーザ光の反射光をスクリーンに投影し、その投影光から前記反射光の変化を検出するとよい。
測定用又は加工用のレーザ光の反射光の挙動をスクリーンに投影することにより、加工対象物の軸振れの有無や加工時の加工終点を目視等により容易かつ正確に判定することができる。
【００１５】
本発明のレーザ加工装置は、加工対象物を保持して回転するワーク保持手段と、前記加工対象物に測定用レーザ光をその照射方向が回転中心に対してずれた配置となるように照射する測定用レーザ光照射手段と、前記加工対象物の表面で反射した前記測定用レーザ光の反射光の変化により前記加工対象物の軸心と前記回転中心との軸ずれを検出してその算出値を算出する補正手段と、前記算出値に基づいて前記加工対象物を加工する加工用レーザ照射手段と、前記加工対象物の表面で反射した前記加工用レーザ光の反射光の変化により加工終点を判定可能な終点判定手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、回転する加工対象物の軸振れの算出と補正を高精度で行うことができるので、加工精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るレーザ加工装置を示す全体構成図である。
【図２】加工対象物に照射した加工用レーザ光の反射光をスクリーンに投影している状態を模式的に示す斜視図である。
【図３】加工対象物に照射した測定用レーザ光の反射光をスクリーンに投影している状態を模式的に示す斜視図である。
【図４】加工対象物の軸振れ角と軸振れを検出する測定用レーザ光の反射光との関係を説明する模式図である。
【図５】加工対象物の軸心と回転中心との軸ずれにより生じる軸振れを説明する模式図である。
【図６】加工対象物の外径を加工する加工用レーザ光とその反射光との関係を説明する模式図である。
【図７】加工対象物の表面を研磨する加工用レーザ光とその反射光との関係を説明する模式図である。
【図８】加工対象物の表面での加工用レーザ光の反射状態を説明する模式図である。
【図９】研磨加工における加工時間と投影光の直径の変化との関係を示すグラフである。
【図１０】加工対象物表面に突起が存在する場合の加工用レーザ光の反射状態を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
まず、レーザ加工装置の実施形態について説明する。この実施形態のレーザ加工装置１は、図１に示すように、加工対象物ｗに加工用レーザ光Ｌ１を照射して加工する装置である。レーザ加工装置１は、加工対象物ｗに加工用レーザ光Ｌ１及び測定用レーザＬ２を照射するレーザ照射手段２と、加工対象物ｗを保持した状態で回転及びｘ，ｙ，ｚ軸方向に移動可能なステージを有するワーク保持手段３と、加工対象物ｗの表面で反射した加工用レーザ光Ｌ１の反射光Ｒ１の変化により加工終点を判定可能な終点判定手段４（図２参照）と、加工対象物ｗの表面で反射した測定用レーザ光Ｌ２の反射光Ｒ２の変化により加工対象物ｗの軸心と回転中心との軸ずれを検出して、補正値を算出する補正手段５（図３参照）と、これらを制御するコンピュータからなる制御手段６とを備える。
【００１９】
レーザ照射手段２は、例えばレーザ光を一定の繰り返し周波数でパルス発振するレーザ光源１１と、レーザ光の広がりを調整するビーム調整部１２と、照射するレーザ光を走査させるガルバノスキャナ１３と、レーザ光をスポット状に集光する集光レンズ１４と、光路を屈曲する複数のミラーｍ１，ｍ２とを備えている。
レーザ光源１１には、１９０ｎｍ〜１１００ｎｍの波長のレーザ光を照射できる光源を使用することができ、例えば本実施形態では、波長３５５ｎｍのレーザ光を発振して出射できるものを用いている。また、本実施形態においては、レーザ光源１１の出力を調整することによりレーザ光のエネルギー密度を調整して、異なるエネルギー密度の加工用レーザ光Ｌ１と測定用レーザ光Ｌ２とを照射することとしている。そして、測定用レーザ光Ｌ２は、加工対象物ｗの加工閾値よりも低く、加工用レーザ光Ｌ１よりも低いエネルギー密度に設定される。
なお、加工用レーザ光Ｌ１を照射するレーザ光源と測定用レーザ光Ｌ２を照射するレーザ光源とを別々に設けることもできる。
【００２０】
ワーク保持手段３は、加工対象物ｗを把持するチャック２１と、このチャック２１を回転する回転機構２２と、この回転機構２２を搭載してｘ，ｙ，ｚ軸方向に移動可能なステージ２３ｘ〜２３ｚを有している。具体的には、水平面に平行なｘ方向に移動可能なｘ軸ステージ部２３ｘと、そのｘ軸ステージ部２３ｘの下に設けられｘ方向に対して垂直で、かつ水平面に平行なｙ方向に移動可能なｙ軸ステージ部２３ｙと、ｙ軸ステージ部２３ｙの下に設けられ水平面に対して垂直方向に移動可能なｚ軸ステージ部２３ｚとを備える構成とされている。
【００２１】
また、レーザ加工装置１には、加工対象物ｗの表面で反射する加工用レーザ光Ｌ１の反射光Ｒ１及び測定用レーザ光Ｌ２の反射光Ｒ２の双方を受光可能な受光手段３１が備えられる。そして、補正手段５は、図３に示すように、この受光手段３１と、受光手段３１で受光された反射光Ｒ２から加工対象物ｗの軸心Ｏと回転中心Ｃとの軸ずれにより生じる軸振れの大きさを算出する算出部３７から構成される。また、終点判定手段４は、図２に示すように、受光手段３１により加工対象物ｗの表面で反射する加工用レーザ光Ｌ１の反射光Ｒ１を受光し、この反射光Ｒ１から加工終点を判定するコンピュータからなる判定部３２により構成される。
受光手段３１は、図２及び図３に示すように、本実施形態では反射光Ｒ１又はＲ２を投影するスクリーン３３と、このスクリーン３３に投影された反射光Ｒ１，Ｒ２の投影光Ｓ１，Ｓ２の挙動を観察する撮像手段３４とから構成される。スクリーン３３は、図示例の場合は、その表面が垂直方向（ｚ軸方向）に沿って設けられているが、反射光Ｒ１，Ｒ２を投影できる姿勢であれば、必ずしも垂直方向でなくてもよく、垂直方向に対して傾斜した姿勢も可能であり、また、平面状のもの以外にも円弧面状等であってもよい。また、本実施形態では透過型のスクリーンが用いられている。
【００２２】
撮像手段３４は、例えばＣＣＤカメラ等の撮像機器３５が透過型のスクリーン３３の背部に配置され、スクリーン３３上の投影光Ｓ１，Ｓ２の移動を追跡できるように移動機構３６が備えられている。移動機構３６は、本実施形態の場合、投影光Ｓ１，Ｓ２が垂直方向に移動するため、撮像機器３５を垂直方向に沿うレール３６ａ上で上下に移動する構成である。
スクリーンを反射型とする場合は、スクリーンの前面（反射面）の前方に撮像手段を配置すればよい。
判定部３２は、スクリーン３３上の終点位置の座標が予め記憶されており、後述するように投影光Ｓ１がスクリーン３３上でその終点位置に到達したときに加工終点であると判定する。この判定部３２は図１に示すように制御部６に設けられる。
【００２３】
次に、このレーザ加工装置１を用いて加工対象物ｗを加工する方法について説明する。
まず、ワーク保持手段３のチャック２１に加工対象物ｗを固定する。そして、加工対象物ｗの加工開始前に、加工対象物ｗの軸心Ｏとワーク保持手段３の回転中心Ｃとの軸ずれにより生じる加工対象物ｗの軸振れの大きさを算出する。
軸振れの大きさの算出は、加工対象物ｗに測定用レーザ光Ｌ２を定点照射し、回転機構２２によって加工対象物ｗを回転しながら、加工対象物ｗの表面で反射した反射光Ｒ２のスクリーン３３への投影光Ｓ２を測定することにより行う。また、測定用レーザ光Ｌ２の照射方向に平行なｚ軸とこれに直交するｙ軸とからなる座標を、加工対象物ｗの回転中心Ｃを原点として設定し、測定用レーザ光Ｌ２の反射光Ｒ２のｚ軸方向の挙動を測定することにより、軸振れのｚ軸方向の変位とｙ軸方向の変位とを算出する。
測定用レーザ光Ｌ２は、回転中心Ｃに対して水平方向（ｙ軸方向）に距離ａずれた位置に定点照射する。そして、測定用レーザ光Ｌ２は、加工対象物ｗの表面で反射して、この反射光Ｒ２を受けるように配置された受光手段３１のスクリーン３３に反射光Ｒ２が投影される。
【００２４】
加工対象物ｗの軸心Ｏと回転中心Ｃとが一致する場合は、加工対象物ｗが回転しても測定用レーザ光Ｌ２が照射される加工対象物ｗの照射面の傾きが一定であることから、反射光Ｒ２の進行方向は変化することなく一定の方向に照射される。
一方、加工対象物ｗの軸心Ｏと回転中心Ｃとがずれている場合は、測定用レーザ光Ｌ２の照射位置を通過する加工対象物ｗの照射面の傾きが回転に伴い変化することから、反射光Ｒ２の進行方向が変化する。したがって、加工対象物ｗの回転に伴いスクリーン３３上の投影光Ｓ２の投影位置が変化し、変化した投影光Ｓ２の投影位置から加工対象物ｗの軸心Ｏと回転中心Ｃとの軸ずれにより生じる軸振れの大きさを算出することができる。そして、その算出値に基づいて加工対象物ｗの加工時における補正値を算出する。
【００２５】
補正値の算出方法について、図４及び図５を参照しながら説明する。
図５は、円柱形の加工対象物ｗをチャック２１に取り付けた際に生じる加工対象物ｗの軸心Ｏと、チャック２１により回転される加工対象物ｗの回転中心Ｃとの関係を示す。
図４及び図５において、測定用レーザ光Ｌ２は、光軸（測定用レーザ光Ｌ２と同じ符号Ｌ２を用いる）Ｌ２のｙ座標（加工対象物ｗの回転中心Ｃからの水平距離）を一定値ａに保ち、加工対象物ｗに垂直方向（ｚ軸方向）に沿って照射される。また、スクリーン３３は、加工対象物ｗの回転中心Ｃから距離Ｈの位置に例えば垂直に配置される。
【００２６】
加工対象物ｗの軸振れが発生している場合、図５に示すように、加工対象物ｗの軸心Ｏのｙ軸方向の変位（ｙ座標）Δｙｘθ及びｚ軸方向の変位（ｚ座標）Δｚｘθは円運動の変化をすることから、投影光Ｓ２のｚ座標の変化量により加工対象物ｗの軸振れの大きさＲｘを求めることができる。そして、軸振れの大きさＲｘに基づいて加工用レーザ光Ｌ１の照射位置を加工対象物ｗの回転に伴い追随させることで、加工対象物ｗをワーク保持手段３に取り付ける際に生じる軸ずれを補正でき、加工時において軸振れの影響を取り除くことができる。
補正値のｙ座標Δｙｘθ及びｚ座標Δｚｘθは、次の関係式及び図４の作図により求められる。
【００２７】
【数１】
2014223672.tif 000003
【００２８】
上式において、各変数の添え字には「θ」と「ｘ」が用いられているが、これらの変数が軸振れ角θ又はｘ座標の位置に伴い変化する値であることを示している。そして、上式から、加工対象物ｗの軸心Ｏのｙ座標Δｙｘθ及びｚ座標Δｚｘθを、軸振れ角θと投影光Ｓ２のｚ座標（ｚｘθ）との関係式で表すことができる。
例えば、加工対象物ｗが、角速度ω、初期位相θ０で回転する場合には、時間ｔ経過に伴う加工対象物ｗの軸心Ｏのｙ座標Δｙｘθ及びｚ座標Δｚｘθは、以下の関係式により求めることができる。
【００２９】
【数２】
2014223672.tif 000004
【００３０】
以上の関係式を用いることで、投影光Ｓ２のｚ座標の測定値から、測定用レーザ光Ｌ２が照射される位置のｘ座標における軸振れの大きさＲｘを求めることができる。また、スクリーン３３上の投影光Ｓ２のｚ座標が、加工対象物ｗの回転に伴い変化するが、このときの投影光Ｓ２のｚ座標の変化量から、加工対象物ｗのｙ座標Δｙｘθ及びｚ座標Δｚｘθを求めることができる。そして、これらの算出値に基づいて加工用レーザ光Ｌ１の照射位置をガルバノスキャナ１３やステージ部２３ｘ〜２３ｚを操作して加工対象物ｗの回転に伴い追随させることで、加工対象物ｗを回転機に取り付ける際に生じる軸ずれを補正することができる。
【００３１】
次に、加工対象物ｗの外径を縮小する加工など、形態加工する場合について説明する。
加工用レーザ光Ｌ１とステージ部２３ｘ〜２３ｚとを制御して加工対象物ｗに加工用レーザ光Ｌ１を照射し、回転機構２２によって加工対象物ｗを回転しながら所望の外径に加工する。このとき、予め取得しておいた軸振れの算出値により加工対象物ｗ又は加工用レーザ光Ｌ１の照射位置が調整され、あたかも加工対象物ｗの軸心Ｏと回転中心軸Ｃとが一致した状態と同様に加工対象物ｗが加工される。このため、軸振れの影響を取り除いて加工対象物ｗに高精度な加工を行うことができる。
以下、加工対象物ｗの形態加工の説明を簡単に行うために、加工対象物ｗの軸心Ｏと回転中心軸Ｃとは一致しているものとして説明する。
【００３２】
加工対象物ｗの回転中心軸Ｃに対して水平方向（ｙ軸方向）にずれた位置に加工用レーザ光Ｌ１を照射する。加工用レーザ光Ｌ１は、加工対象物ｗを加工する際に、一部が加工対象物ｗの表面で反射する。この反射光Ｒ１を受けるように受光手段３１のスクリーン３３が配置されており、スクリーン３３に反射光Ｒ１が投影される。加工対象物ｗは、加工用レーザ光Ｌ１による加工の進行に伴い直径が小さくなり、その直径の縮小に応じて表面の位置が変化する。このため、加工用レーザ光Ｌ１は、加工の進行に応じて加工対象物ｗの表面の反射位置がｚ軸方向に変化するとともに、表面の曲率半径が小さくなることから加工対象物ｗへの入射角（加工対象物表面の法線となす角度）も徐々に大きくなる。この反射位置及び入射角の変化に対応して、反射光Ｒ１の径の広がり及び反射方向が変化し、スクリーン３３上の投影光Ｓ１の大きさ及び投影位置も変化する。
本発明は、この反射光Ｒ１の投影光Ｓ１の移動状況から加工終了時を判定する。
【００３３】
この形態加工時における加工終了判定の具体的方法について、図６を参照しながら説明する。
図６は円柱形の加工対象物ｗを半径ｒ０からｒ１へ外径補正をする際の加工方法である。この加工の場合は、加工用レーザ光の径の広がりの変化ではなく、加工対象物表面における加工用レーザ光の中心（光軸）のｚ軸方向の位置変化により加工終了を判定する。
加工用レーザ光の光軸（加工用レーザ光と同じ符号を用いる）Ｌ１のｙ座標（加工対象物ｗの回転中心からの水平距離）を一定値ａに保って加工対象物ｗに垂直方向（ｚ軸方向）に沿って加工用レーザ光Ｌ１を照射する。また、スクリーン３３は、加工対象物ｗの回転中心Ｃから距離Ｈの位置に例えば垂直に配置する。
【００３４】
加工の進行とともに、加工対象物ｗからの反射光Ｒ１は、図６のＲ０からＲ１に中心が移動し、スクリーン３３上の投影光の中心が初期位置ｚ０から−ｚ方向へ移動する。この投影光の中心が、加工対象物ｗの加工終了点である半径ｒ１となったときに相当するｚ座標の値であるｚ１に達したときを加工終了と判定すれば良い。
この加工終了位置の座標ｚ１は次の関係式により求められる。
【００３５】
【数３】
2014223672.tif 000005
【００３６】
ｎ＝０が加工初期、ｎ＝１が加工終了時を示す。
上式によると、例えば初期値をｒ０＝５０ｍｍ、ａ＝３８ｍｍ、Ｌ＝３００ｍｍとした場合、ｚ０≒−８．７ｍｍとなる。半径方向に１００μｍ加工し、ｒ１＝４９．９ｍｍとすると、ｚ１≒−１０．１ｍｍとなり、ｚ０とｚ１の差分Δｚは約１．４ｍｍとなり、投影光の移動量は加工対象物ｗ表面における加工量よりも大幅に拡大されることがわかる。なお、Δｚは、距離Ｈやスクリーンのｚ軸に対する傾斜角を変えることで、更に高めることも可能である。
【００３７】
このように、この方法によれば、加工用レーザ光Ｌ１の照射方向を加工対象物ｗの回転中心Ｃに対してずれた配置とすることで、加工の進行に伴う加工用レーザ光Ｌ１の照射位置の変化が拡大して反射光に反映され、スクリーン３３上での投影光の位置変化から加工終点を容易に判定することができ、高精度の判定を行うことができる。
【００３８】
次に、加工対象物ｗの表面を研磨する際の加工終了判定について図７から図９を参照して説明する。
この研磨加工では、投影光Ｓ１の大きさなどの変化を加工終了の判断基準に出来る。図７は加工対象物ｗの表面粗さと投影光Ｓ１の大きさの関係を模式的に表したものであるが、加工対象物ｗの表面に加工用レーザ光Ｌ１のスポット径よりも十分に小さな凹凸がある場合、その凹凸による散乱が発生するため、投影光Ｓ１の直径は、平滑な表面で反射した場合よりも大きくなる。レーザ加工の進行につれて加工対象物ｗは平滑化されるため、投影光Ｓ１の直径は減少する。図８にこれを拡大して示したように、表面の凹凸が大きい加工初期の状態では、加工用レーザ光Ｌ１の反射光が乱反射により実線矢印で示すように広がることから、前述したように投影光の直径が大きくなり、これに対して、加工終了時に平滑化した加工対象物ｗの表面では図８の二点鎖線矢印で示すように反射光の広がりが小さくなり、これにより投影光の直径も小さくなる。
この投影光の直径の変化をグラフに表示したのが、図９であり、この投影光の直径が予め定めた基準値に達した時を加工終了時とすれば良い。
【００３９】
なお、加工対象物ｗ表面の凹凸の大きさが加工用レーザ光Ｌ１のスポット径と同程度以上に大きく、加工対象物ｗの半径方向寸法が局部的に変化する場合は、加工対象物ｗの回転に伴い、凹凸により投影光が不規則に振動するように動くため、その振動の振幅を基準とすれば良い。図１０は、加工対象物ｗの表面の加工用レーザ光Ｌ１が照射される位置に大きな突起Ｐが存在する場合を示しており、加工対象物ｗが回転すると、加工用レーザ光Ｌ１の反射光Ｒ１の反射方向が例えば実線矢印と二点鎖線矢印との間で振れるように移動する。加工の進行に伴い、突起Ｐが小さくなると、反射光Ｒ１の振幅も小さくなるので、スクリーンに投影している場合は、投影光の移動の振幅が小さくなる。この振幅が予め定めた基準値以下となったときに加工終了と判定すればよい。
【００４０】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、反射光Ｒ１，Ｒ２を受ける受光手段としては、スクリーン３３と撮像手段３４の組み合わせ以外の構成であってもよい。例えば、形態加工の際には、反射光Ｒ１の移動経路上に複数個の光電変換素子を並べておき、加工終点位置に対応する光電変換素子が受光したことで加工終点を判定する構成でもよい。また、表面研磨の場合は、反射光を複数個の光電変換素子により受光し、その径の縮小に伴い受光し得る光電変換素子の個数が減少するので、予め設定した個数まで減少したときを加工終了と判定すればよい。また、加工対象物の表面に大きな突起が存在する場合も、反射光の振動方向に沿って複数の光電変換素子を並べておき、反射光の振動範囲内で受光した光電変換素子の個数が減少することにより加工終了を判定すればよい。これらの場合は、投影光ではなく、光電変換素子に反射光が直接受光される。
また、本実施形態では、測定用レーザ光と加工用レーザ光ともに、レーザ光の照射方向と回転中心とのずれの方向及び寸法を同じにしたが、異なっていてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１  レーザ加工装置
２  レーザ照射手段
３  ワーク保持手段
４  終点判定手段
５  補正手段
６  制御手段
１１  レーザ光源
１２  ビーム調整部
１３  ガルバノスキャナ
１４  集光レンズ
２１  チャック
２２  回転機構
２３ｘ  ｘ軸ステージ
２３ｙ  ｙ軸ステージ
２３ｚ  ｚ軸ステージ
３１  受光手段
３２  判定部
３３  スクリーン
３４  撮像手段
３５  撮像機器
３６  移動機構
３６ａ  レール
３７  算出部
Ｃ  回転中心
Ｏ  加工対象物の軸心
Ｌ１，Ｌ２  レーザ光
Ｒ１，Ｒ２  反射光
Ｓ１，Ｓ２  投影光
ｗ  加工対象物
ｍ１，ｍ２  ミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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