(57)【要約】【課題】複雑な表面形状の加工物を加工できるようにする。【解決手段】被加工物９０の被加工面９１を格子状のマス目毎にレーザービーム２で二次元的に走査することによって、マス目毎に深掘り加工する。各マス目に形成された除去部９４の深さは、ｚマップデータに含まれるｚ座標値に従ったものである。【選択図】図５
2018176233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物の被加工面を区画したマス目毎にレーザービームで二次元的に走査することによって、前記マス目毎に掘り加工する
レーザー加工方法。
【請求項２】
三次元空間のｘｙ平面を格子状に分割して得られるマス目毎に設定されたｚ座標値に相当する深さに至るまで、前記レーザービームで二次元的にマス目を走査する
請求項１に記載のレーザー加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザー加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、レーザー発振器から出射したレーザービームをガルバノ偏向機構によって偏向させて、被加工物をレーザービームで一次元的又は二次元的に走査する技術が開示されている。レーザービームの照射箇所が除去されて、レーザービームの強度に応じた深さの除去部（彫り）が形成される。この除去部の底面が加工物の表面となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１１７０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、レーザービームによる走査中はレーザー発振器の出力を変更するよう制御することができず、レーザービームの強度が一定である。そのため、レーザービームの走査軌跡に従った形状の凹部の深さも一定となり、加工物の表面形状を段面等の複雑な三次元形状にすることができない。
【０００５】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、複雑な表面形状の加工物を加工できるようにすることである。
【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主たる発明は、被加工物の被加工面を区画したマス目毎にレーザービームで二次元的に走査することによって、前記マス目毎に掘り加工するレーザー加工方法である。
【０００７】
本発明の他の特徴については、後述する明細書及び図面の記載により明らかにする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、マス目毎に深さの異なる加工物を加工することができ、その加工物の表面形状を複雑な三次元形状にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、レーザー加工装置を斜視して示すとともに、レーザー加工装置の制御系をブロックで示した図面である。
【図２】図２は、ｚマップデータによって３次元空間に表現された加工物モデルの斜視図である。
【図３】図３は、ｚマップデータのデータ構成を示した図面である。
【図４】図４は、被加工面内の格子状のマス目をレーザービームで走査することによって深掘り加工する様子を示した斜視図である。
【図５】図５は、図４に示す深掘り加工の様子に引き続いて、次のマス目をレーザービームで走査することによって深掘り加工する様子を示した斜視図である。
【図６】図６は、図５に示す深掘り加工の様子に引き続いて、次のマス目をレーザービームで走査することによって深掘り加工する様子を示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されている。そのため、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
【００１１】
＜１．レーザー加工装置＞
図１は、レーザー加工装置１０の斜視図である。図１には、方向を表す補助線としてＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を図示する。これらＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに直交し、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は水平な方向であり、Ｚ軸方向は鉛直な方向である。但し、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸が互いに直交しさえすれば、Ｚ軸が鉛直でなくてもよい。
【００１２】
レーザー加工装置１０は、保持具２０、ＸＹ駆動機構３０、加工ヘッド４０、レーザー発振器４１、光学系４２、ガルバノ偏向機構４３，４４、ｆθレンズ４５及び制御部５０等を備える。
【００１３】
保持具２０は、被加工物９０を保持するチャックである。保持具２０による被加工物９０の保持の態様は特に限定されるものではない。例えば、保持具２０は、被加工物９０を挟み込むクランパー（バイス）、又は、被加工物９０を負圧により吸着する真空チャックである。被加工物９０が保持具２０に直接固定されてもよいし、ホルダを介して保持具２０に固定されてもよい。被加工物９０が保持具２０に固定された状態では、被加工物９０の表面である被加工面９１が露出して上方に向けられている。被加工面９１はＸ軸及びＹ軸に対して平行な平面である。
【００１４】
この保持具２０の下にＸＹ駆動機構３０が設けられている。ＸＹ駆動機構３０は、Ｘ軸及びＹ軸に平行なＸＹ平面に沿って保持具２０及び被加工物９０を変位させる。ここで、ＸＹ駆動機構３０は、モータ及び直動伝動機構等から構成されるＸ軸方向駆動機構３１及びＹ軸方向駆動機構３２を有する。Ｘ軸方向駆動機構３１は、Ｙ軸方向駆動機構３２、保持具２０及び被加工物９０をＸ軸方向に移動させる。Ｙ軸方向駆動機構３２は、保持具２０及び被加工物９０をＹ軸方向に移動させる。
【００１５】
保持具２０及び被加工物９０の上方には加工ヘッド４０が設けられている。この加工ヘッド４０にはレーザー発振器４１、光学系４２、第一のガルバノ偏向機構４３、第二のガルバノ偏向機構４４及びｆθレンズ４５が設けられている。
【００１６】
レーザー発振器４１は、光の増幅によりレーザービーム２を出射する。
光学系４２は、透過型レンズ及び反射ミラー等から構成されている。光学系４２は、レーザー発振器４１によって出射されたレーザービーム２をコリメートするとともに第一のガルバノ偏向機構４３へ入射させる。光学系４２にはフォーカシング機構が設けられており、フォーカシング機構によってレーザービーム２のスポット３の径が調整されたり、スポット３のＺ軸方向の位置が調整されたりする。
第一のガルバノ偏向機構４３は、モータ４３ａと、モータ４３ａの出力軸に設けられたガルバノミラー４３ｂとを有する。ガルバノミラー４３ｂは光学系４２によってコリメートされたレーザービーム２を第二のガルバノ偏向機構４４に向けて反射する。モータ４３ａがガルバノミラー４３ｂを揺動することによって、ガルバノミラー４３ｂによって反射されるレーザービーム２が偏向される。
第二のガルバノ偏向機構４４は、モータ４４ａと、モータ４４ａの出力軸に設けられたガルバノミラー４４ｂとを有する。ガルバノミラー４４ｂは第一のガルバノ偏向機構４３のガルバノミラー４３ｂによって反射されたレーザービーム２をｆθレンズ４５に向けて反射する。モータ４４ａがガルバノミラー４４ｂを揺動することによって、ガルバノミラー４４ｂによって反射されるレーザービーム２が偏向される。
ｆθレンズ４５は保持具２０及び被加工物９０の上方に配置されている。ｆθレンズ４５は、第二のガルバノ偏向機構４４のガルバノミラー４４ｂによって反射されるレーザービーム２を被加工物９０に向けて透過させる。なお、ｆθレンズ４５を設けられていなくてもよい。
【００１７】
第一のガルバノ偏向機構４３によるレーザービーム２の偏向によってレーザービーム２のスポット３がＸＹ平面上をＸ軸方向に変位し、第二のガルバノ偏向機構４４によるレーザービーム２の偏向によってレーザービーム２のスポット３がＸＹ平面上をＹ軸方向に変位する。ｆθレンズ４５の光学的作用によってレーザービーム２のスポット３の径が位置に関わらず均一になるとともに、スポット３の変位速度が等速度になる。以下では、スポット３による走査範囲の中心位置を走査中心点という。
【００１８】
上述したＸ軸方向駆動機構３１、Ｙ軸方向駆動機構３２、第一のガルバノ偏向機構４３、第二のガルバノ偏向機構４４及びレーザー発振器４１は、制御部５０によって制御される。制御部５０は、加工装置１０の筐体に設けられている。制御部５０は、サーボ制御回路、レーザー制御回路及びマイクロコンピュータ等を有する。この制御部５０はＣＡＭシステム５５に接続されている。
【００１９】
ＣＡＭシステム５５は、入力装置、表示装置、記憶装置及びコンピュータ等を有するコンピューターシステムである。ＣＡＭシステム５５は、加工物の形状データ（設計データ、ＣＡＤデータ）及び加工条件に基づいてｚマップデータを生成する処理と、ｚマップデータを制御部２５に出力する処理と、を実行する。ｚマップデータは、図２に示すように、３次元空間のｘｙ平面を格子状に分割することによって得られる各マス目にｚ座標値（高さ或いは深さ）の情報を与えることによって、ｘｙ平面に平行な多数の小平面８１によって加工物モデル８０の表面を表現したものである。形状データ（設計データ、ＣＡＤデータ）によって表現された原モデルは、その形状データに基づいて生成されたｚマップデータによって表現された加工物モデル８０に内包されており、加工物モデル８０の小表面８１は原モデルの表面よりも外側に設定される。つまり、加工物モデル８０の小表面８１のｚ座標値は、小表面８１と同一のｘｙ範囲（ｘ軸方向及びｙ軸方向の範囲）内における原モデルの表面のｚ座標よりも高く設定される。
【００２０】
図３に示すように、ｚマップデータは、各マス目のｘ軸方向の範囲（ｘ座標の最小値と最大値）と、各マス目のｙ軸方向の範囲（ｙ座標の最小値と最大値）と、各マス目の中心点のｘｙ座標値と、各マス目のｚ座標値とからなるデータ列である。ｘ軸方向の範囲と、ｙ軸方向の範囲と、ｘｙ座標値と、ｚ座標値とはマス目毎に設定されている。なお、３次元空間に設定される直交座標系のｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は、実空間のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸にそれぞれ相当する。
【００２１】
ここで、各マス目のｘ軸方向の長さとｙ軸方向の長さは、予め定められた値でもよいし、使用者が入力装置によって入力した値であってもよい。各マス目のｘ軸方向の長さとｙ軸方向の長さがより短ければ、より高精細な表面の加工物を加工することができる。
また、各マス目のｚ座標値の基準（ｚ＝０）は、被加工物９０の被加工面９１を基準としたものでもよいし、被加工面９１の裏面を基準としてもよい。
【００２２】
＜２．レーザー加工装置の動作及びレーザー加工方法＞
図４〜図６を参照して、レーザー加工装置１０を用いたレーザー加工方法について説明する。図４〜図６は、レーザー加工装置１０によって順次除去される部位を拡大して示した斜視図である。
【００２３】
（１）セッティング
まず、使用者が被加工物９０を保持具２０に固定して、被加工物９０の被加工面９１を上方に向ける。そして、使用者がＣＡＭシステム５５の入力装置によって加工指令を入力する。そうすると、ＣＡＭシステム５５がｚマップデータを生成して、記憶装置に記憶する。更に、ＣＡＭシステム５５はｚマップデータを制御部５０に出力する。
【００２４】
（２）位置決め
制御部５０がｚマップデータに含まれる何れかのマス目の中心点のｘｙ座標値を参照して、そのｘｙ座標値に従ってＸ軸方向駆動機構３１及びＹ軸方向駆動機構を制御する。そうすると、Ｘ軸方向駆動機構３１が被加工物９０をＸ軸方向に移動させるとともに、Ｙ軸方向駆動機構３２が被加工物９０をＹ軸方向に移動させる。これにより、被加工面９１内のマス目の中心点が走査中心点に位置するように、被加工物９０が位置決めされる。ここで、被加工面９１内のマス目とは、その被加工面９１を格子状に区画することによって得られた正方形状又は長方形状の領域のことである。
【００２５】
（３）レーザー走査
次に、制御部５０がレーザー発振器４１を点灯させるとともに、ガルバノ偏向機構４３，４４を制御する。そうすると、レーザービーム２がガルバノ偏向機構４３，４４によって偏向されて、被加工物９０の被加工面９１に入射するレーザービーム２のスポット３がＸＹ平面に沿って二次元的に変位する。つまり、図４に示すように、被加工面９１内のマス目がレーザービーム２のスポット３によって二次元的に走査される。レーザービーム２のスポット３の移動軌跡は例えば以下の（ａ）〜（ｄ）の何れかであるが、これらに限るものではない。
【００２６】
（ａ）  Ｘ軸方向に対して平行であり且つＹ軸方向にずれた複数の線に沿ったプログレッシブ走査式又はインタレース走査式の軌跡
（ｂ）  Ｙ軸方向に対して平行であり且つＸ軸方向にずれた複数の線に沿ったプログレッシブ走査式又はインタレース走査式の軌跡
（ｃ）  前記した（ａ）の軌跡と（ｂ）の軌跡を組み合わせた軌跡
（ｄ）  螺旋状の軌跡
【００２７】
マス目をレーザービーム２で二次元走査することによってマス目を深掘り加工すると、マス目には除去部９４が形成される。除去部９４とは、ｚマップデータに含まれるｘ軸方向及びｙ軸方向の範囲によって規定される四角柱状の彫り（凹部）のことをいう。除去部９４の底面９５はＸ軸方向及びＹ軸方向に平行な正方形型又は長方形型の平面である。
【００２８】
ここで、レーザービーム２によるマス目の走査中、制御部５０は、ｚマップデータに含まれるｚ座標値に基づいてレーザー発振器４１の出力及びガルバノ偏向機構４３，４４の速度を一定に制御しつつ、マス目を二次元的に走査する回数をそのｚ座標値に基づいて制御する。そうすると、除去部９４がｚ座標値に相当する深さに至るまで形成され、ｚ座標値に相当する深さの位置に除去部９４の底面９５が形成される。この底面９５は、ｚマップデータによって表現された加工物モデル８０の小平面８１に相当する。
【００２９】
（４）複数の除去部の順次形成
その後、制御部５０が上述の「（２）位置決め」及び「（３）レーザー走査」の処理を繰り返し実行する。こうすることによって、図５，図６に示すように、他のマス目もマス目毎にレーザービーム２で走査して、他の除去部９４をマス目毎に順次形成する。これら除去部９４が空間的に連なることで、除去部９４の集合体である凹部９２（図１参照）が被加工物９０の被加工面９１に形成されるが、これら除去部９４の底面９５によって曲面状の凹面が近似される。なお、レーザー加工により加工される形状は凹部９２に限るものではない。
【００３０】
以上のようなレーザー加工は粗加工であるので、その加工時間が短い。そして、レーザー加工後に仕上げ加工を行うが、レーザー加工と仕上げ加工の総加工時間もレーザー加工の時間短縮分だけ短縮できる。仕上げ加工はレーザー加工、切削加工又は研削加工である。
【００３１】
＜３．効果＞
以上の実施の形態によれば、次のような効果が得られる。
【００３２】
（１）  マス目毎にレーザービーム２で二次元的に走査するので、各マス目の走査中にレーザービーム２の強度が一定であっても、マス目毎に除去部９４の深さを異ならせることができる。それゆえ、除去部９４の底面９５の集合体としての表面形状を複雑な三次元形状にすることができる。
【００３３】
（２）  レーザー発振器４１の出力及びガルバノ偏向機構４３，４４の速度を一定に制御しつつ、マス目を二次元的に走査する回数をそのｚ座標値に基づいて制御することによって、ｚ座標値に相当する深さの除去部９４を形成することができる。それゆえ、各除去部９４の深さの加工誤差が殆ど無い。
【００３４】
＜４．変形例について＞
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、上述の実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。また、本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。以下に、以上の実施形態からの変更点について説明する。以下に説明する変更点は、可能な限り組み合わせて適用してもよい。
【００３５】
（１）  Ｘ軸方向駆動機構３１が保持具２０及び被加工物９０をＸ軸方向に移動させるが、保持具２０及び被加工物９０のＹ軸方向の動きが拘束されていてもよい。この場合、加工ヘッド４０がＹ軸方向駆動機構によってＹ軸方向に駆動される。
【００３６】
（２）  保持具２０及び被加工物９０のＸ軸方向及びＹ軸方向の動きが拘束されていてもよい。この場合、加工ヘッド４０がＸ軸方向駆動機構によってＸ軸方向に駆動されるとともに、Ｙ軸方向駆動機構によってＹ軸方向に駆動される。
【００３７】
（３）  保持具２０及び被加工物９０がＺ軸駆動機構によってＺ軸方向に駆動されてもよいし、加工ヘッド４０（レーザー発振器４１からｆθレンズ４５まで光学機器の全体又は一部）をＺ軸駆動機構によってＺ軸方向に駆動されてもよい。そうすれば、上述の位置決め工程の際に、被加工物９０に対するレーザービーム２のスポット３のＺ軸方向の相対的な位置がＺ軸駆動機構によって調整される。この場合、上述のレーザー工程の際に、スポット３のＺ軸方向の位置が光学系４２のフォーカシング機構によって微調整される。
【００３８】
（４）  上記実施形態では、機械的な光偏向器であるガルバノ偏向機構４３，４４によってレーザービーム２を二次元的に偏向させたが、他の光偏向器（音響光学偏向器、電気光学偏向器）によってレーザービーム２を偏向させてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
２…レーザービーム，  １０…レーザー加工装置  ３…スポット，  ９０…被加工物，  ９１…被加工面
【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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