(57)【要約】【課題】加工表面が複雑化しても、高精度で加工することが可能な加工方法、加工システム及び加工プログラムを提供する。【解決手段】所定の加工表面を有する造形物を形成するために、前記所定の加工表面上の加工点近傍における前記所定の加工表面の凹凸形状に応じた加工径を有するレーザを、前記加工点に向けて照射する工程を含む加工方法。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の加工表面を有する造形物を形成するために、前記所定の加工表面上の加工点近傍における前記所定の加工表面の凹凸形状に応じた加工径を有するレーザを、前記加工点に向けて照射する工程を含む加工方法。
【請求項２】
前記加工径は、予め取得されたレーザ照射条件に対する加工径の関係を用いて調整されることを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
【請求項３】
被加工物に形成する所定の加工表面のデータを作成するデータ作成装置と、
前記被加工物にレーザを照射して、前記所定の加工表面を有する造形物を形成する加工装置と、
前記加工装置を制御する制御装置であって、前記所定の加工表面上の加工点近傍の前記所定の加工表面の凹凸形状に応じて、前記加工点に向けて照射する前記レーザの加工径を調整する制御装置とを備えた加工システム。
【請求項４】
前記レーザの加工径を調整することは、予め取得されたレーザ照射条件に対する前記加工径の関係を用いることを特徴とする請求項３に記載の加工システム。
【請求項５】
被加工物に形成する加工表面のデータを格納し、
前記加工表面を有する造形物を形成するために、前記被加工物に照射するレーザの加工経路を設定し、
前記加工表面における加工点近傍の凹凸形状に応じて、前記加工点に向けて照射する前記レーザの加工径を調整することを制御装置に実行させるための加工プログラム。
【請求項６】
前記レーザの加工径を調整することは、予め取得されたレーザ照射条件に対する前記加工径の関係を用いることを特徴とする請求項５に記載の加工プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物にレーザを照射し、当該被加工物を加工するための加工方法、加工システム及び加工プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
被加工物にレーザを照射することによって、所定の加工表面を有する造形物を形成するレーザ加工方法及びそれを用いたレーザ加工装置が知られている。
【０００３】
例えば特許文献１には、加工データに基づいてツールとワークとの相対的な位置関係を三次元で変化させ、前記ツールにより前記ワークを切削加工して人工歯を作製する人工歯作製装置において、前記ワークの所定の位置において作製される人工歯が収まる領域を表すデータたるマーキングデータを作成する作成手段と、前記ワークの表面に対して、前記作成手段により作成した前記マーキングデータに基づいて光を照射して、前記ワークの表面にマーキングを行うマーキング手段とを有し、前記マーキング手段は、前記マーキングデータに基づく領域を描くレーザーであり、前記ワークに対してレーザー光を出射することによりマーキングを行うことを特徴とする人工歯作製装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−０７４２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の人口歯作成装置は、加工表面の複雑さに関わらず一定の集光径を有するレーザー光を被加工物に照射して加工を行う。このような人口歯作成装置の構成によれば、加工表面にレーザー光の集光径よりもサイズが小さい凹部があると、当該凹部を形成するためにレーザー光を照射することができない。仮に当該凹部に向けてレーザー光を照射すると、加工すべき表面以外も加工され、所望の凹部よりもサイズが大きい凹部が形成される。つまり、所望の加工表面が複雑化するほど、高精度で加工することが困難となる。
【０００６】
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、所望の加工表面が複雑化しても、高精度で加工することが可能な加工方法、加工システム及び加工プログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための主たる発明は、定の加工表面を有する造形物を形成するために、前記所定の加工表面上の加工点近傍における前記所定の加工表面の凹凸形状に応じた加工径を有するレーザを、前記加工点に向けて照射する工程を含む加工方法である。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、所望の加工表面が複雑化しても、高精度で加工することが可能な加工方法、加工システム及び加工プログラムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る加工システムの構成を説明する図である。
【図２】レーザの加工径の定義について説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る加工径取得工程について説明する図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るレーザ照射工程を説明する断面模式図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るレーザ照射工程を説明する断面模式図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るレーザ照射工程を説明する断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＝＝＝実施の形態＝＝＝
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】
［加工システムの構成］
先ず、本実施形態に係る加工システム１００の構成について詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る加工システム１００の構成を説明する図である。本実施形態に係る加工システム１００は、データ作成装置２００と、制御装置３００と、加工装置４００とを備えている。
【００１２】
データ作成装置２００は、被加工物５００に形成する所定の加工表面のデータ（加工データ）を作成するための装置である。データ作成装置２００は、作成した加工データを制御装置３００に出力する。
【００１３】
加工表面のデータは、目的の造形物を加工する際に制御装置３００で使用するデータである。加工データは、目的の造形物の三次元データや被加工物５００の三次元データに基づいて、データ作成装置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等のデータである。尚、出力されるデータの形式は、制御装置３００で使用できるものであれば特に限定されない。
【００１４】
加工装置４００は、被加工物５００にレーザを照射して、所定の加工表面を有する造形物を形成するための装置である。被加工物５００は、レーザを透過する材料（透明材）またはレーザを透過しない材料（不透明材）を用いることができる。透明材は、例えば、ガラス材料や光透過性の高い樹脂材料（例えば、アクリル樹脂）である。不透明材は、例えば、義歯材料として使用するジルコニア材料や一般的な金属材料である。なお、透明材の光透過率は１００％である必要はなく、材料内部の加工領域までレーザが届き、加工可能な程度の値であればよい。
【００１５】
本実施形態に係る加工装置４００の構成について説明する。本実施形態に係る加工装置４００は、照射部４０２、保持部４０４及び駆動機構４０６を有している。
【００１６】
照射部４０２は、被加工物５００に対してレーザを照射する。本実施形態においては、照射部４０２は、レーザの発振器及び発振器からのレーザを被加工物５００まで導くためのレンズ群やガルバノミラー並びにレーザ強度を調整するアッテネータ等の光学機器を含む。レーザの種類は、被加工物５００を加工することができるものであれば、特に限定されるものではない。例えば、金属材料を加工する場合には、一般的な熱加工用の赤外線レーザを用いることができる。或いは、材料内部を直接加工する場合には、超短パルスレーザを用いることができる。超短パルスレーザは、一のパルス幅が数ピコ秒〜数フェムト秒のレーザである。超短パルスレーザを被加工物５００内部の所定の位置に短時間照射することにより、アブレーション加工（非熱加工）を行うことができる。アブレーション加工は、レーザ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、一般的なレーザ加工（熱加工）と比べ、熱による加工部分の損傷が少ない。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、サイズが小さい目的物の加工に対して特に有効である。
【００１７】
保持部４０４は、被加工物５００を保持する。被加工物５００を保持する方法は、保持された被加工物５００を５軸に沿って移動・回転させることができれば、特に限定されるものではない。たとえば、従来の５軸加工装置による切削加工を行う場合と同様、ディスク状の被加工物５００をクランプで挟み込んで保持する方法や、ブロック状の被加工物５００に金属製のピンを接着し、そのピンを保持部４０４に差し込んで保持する方法等が可能である。
【００１８】
駆動機構４０６は、照射部４０２及び保持部４０４を相対的に移動させる。駆動機構４０６は駆動用のモータ等を含む。本実施形態に係る加工装置４００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。
【００１９】
制御装置３００は、加工装置４００を制御するための装置である。具体的には、制御装置３００は、被加工物５００内部において、加工データに対応する位置にレーザを照射できるよう、駆動機構４０６を制御して照射部４０２と保持部４０４（被加工物５００）との相対的な位置関係を調整する。また、制御装置３００は、照射部４０２を制御して、レーザの焦点位置、照射されるレーザの加工径等の調整を行ったり、被加工物５００に対して所定時間だけレーザの照射を行ったりする。
【００２０】
ここで、本明細書における「加工径」の定義について図面を用いて説明する。図２は、レーザの加工径を説明する模式図である。この例においては、レーザの光軸に垂直な平面におけるレーザの強度分布を示している。また、この例において、レーザの強度分布は、レーザの光軸について軸対称であり、ほぼガウス分布となっている。
【００２１】
被加工物５００を加工するためには、当該被加工物５００の材質に応じた一定値以上のレーザ強度が必要である。そのために最低限必要なレーザ強度をＩ０とすると、レーザ束の内、レーザ強度Ｉ０以上を有する領域の径を、本明細書においては加工径φとする（図２（ａ））。
【００２２】
本実施形態においては特に、制御装置３００は、照射部４０２を制御して、所定の加工表面上の加工点近傍の所定の加工表面の凹凸形状に応じて、加工点に向けて照射するレーザの加工径を調整することが可能である。レーザの加工径φは、光軸上のビームをアパーチャーなどで絞り込むなど、複数の方法で調整または制御することが可能である。特に超短パルスレーザにより加工する場合には空中で集光したビームが大気中の分子をプラズマ化した光球が観察されレーザ強度に応じて光球の明るさと径の変化を確認できる。一例として、このプラズマ化した光球によって被加工物５００を加工することができる。この場合、上記のレーザ強度Ｉ０とは、大気中の分子をプラズマ化させるために必要なレーザ強度であり、上記の加工径φとは、このプラズマ化した光球の直径に相当する。
【００２３】
他の例として、加工径φは、照射するレーザの強度Ｉを調節することによって調節することが可能である。つまり、照射するレーザの強度Ｉを調節してガウス分布の幅を維持したままピークを増減することができ、これに伴って加工径を増減することができる。照射するレーザの強度Ｉは、レーザ発振器からの出力信号を直接制御する方法や出力されたレーザ光の強度を外部の光学系を用いて制御することが可能である。外部の光学系によりレーザ強度を制御する方法として、例えばアッテネータを用いて調節することが可能である。本実施形態に係る制御装置３００は、前述の通り、レーザの強度Ｉを調整するアッテネータを有している。つまり、本実施形態に係る制御装置３００は、アッテネータを制御して加工径を調整することが可能である。図２（ｂ）では、アッテネータを用いてレーザ強度を減衰させることによって、加工径φよりも小さい加工径φ´を有するレーザに切り替える例を示している。
【００２４】
他の例として、加工径は、レーザの集光径を調節することによって調節することが可能である。シングルモードのレーザを、焦点距離ｆのレンズで集光した場合に得られる最小集光径Ｄ０の理論限界値は、波長をλ、入射レーザの直径をＤとすると、近似的に、Ｄ０＝４λｆ／πＤと表わされる。つまり、ここでのレンズの焦点距離ｆ、レーザの波長λ、入射レーザの直径Ｄを調節することによって集光径を調節することができ、ひいては加工径を調節することが可能である。図２（ｃ）では、集光径を小さくすることによって、加工径φよりも小さい加工径φ´´を有するレーザに切り替える例を示している。
【００２５】
詳細は後の加工方法の説明において触れるが、本実施形態において、レーザの加工径を調整することは、予め取得されたレーザ照射条件及び加工径φの関係を用いる。本実施形態において用いられる照射条件は、レーザ強度Ｉである。
【００２６】
［加工方法］
本実施形態に係る上述した加工システム１００を用いた加工方法について詳細に説明する。本実施形態に係る上述した加工システム１００を用いた加工方法は、制御装置３００が、加工装置４００を制御することによって実行される。本実施形態に係る加工方法は、加工径取得工程と、レーザ照射工程とを含む。
【００２７】
加工径取得工程は、レーザ照射条件に対する加工径の関係を取得する工程である。図面を用いて、加工径取得工程について詳細に説明する。図３は、本実施形態に係る加工径取得工程を説明する図である。ここで、レーザ照射条件とは、例えば前述したレーザの強度Ｉ、レンズの焦点距離ｆ、レーザの波長λ、入射レーザの直径Ｄ等から選択された少なくとも１つのレーザ照射条件である。前述の通り、本実施形態においては、レーザ照射条件としてレーザの強度Ｉを用いる。
【００２８】
加工径取得工程では、被加工物５００と同様の材質の素材５０２を用意する。そして、選択されたレーザ照射条件（本実施形態においては、レーザの強度Ｉ）に係るパラメータΔの複数の値の各々について、当該素材５０２にレーザを照射する（図３（ａ））。これによって当該素材５０２に形成された凹部又は貫通孔の径を加工径φｋ（ｋ＝１、２、３・・・）とみなし、当該パラメータΔと計測された当該加工径の散布図を作成する。この散布図から、当該パラメータにΔついて、加工径φの関数ｆ（φ）として数式化する（図３（ｂ））。この数式化においては、予め関数形を仮定して最適な数式を探索する。このときの関数形に特に制限は無いが、例えばｎ次関数（ｎは整数）を仮定し、最小二乗法によって最適化されたｎ次関数を探索してもよい。
【００２９】
加工径取得工程は、レーザ照射工程の前に実行する必要がある。一方、加工径取得工程は、造形物を形成する前にその都度実行される必要はなく、この工程を一度実行しておけば、この結果を後に実行される他のレーザ照射工程においても再び利用することができる。
【００３０】
レーザ照射工程は、所定の加工表面Ｓを有する造形物を形成するために、レーザを、加工点に向けて照射する工程である。図面を用いて、レーザ照射工程について詳細に説明する。図４乃至図６は、レーザ照射工程を説明するための模式的な断面図である。
【００３１】
本実施形態においては、加工データとしてはＳＴＬデータを想定しているため、加工表面Ｓの形状は三角形の集合で表現される。これに伴い、図４乃至図６に示す模式的な断面図では、加工表面Ｓの形状は線分の集合で表現されている。これらの図においては、加工表面Ｓ上における任意の凹部であって、線分ＡＣ及び線分ＢＣを含む凹部が示されている。この凹部において、点Ｃに近いほど凹部の形状が微細であるといえる。
【００３２】
本実施形態において用いられるレーザは、所定の加工表面Ｓ上の加工点近傍における所定の加工表面Ｓの凹凸形状に応じた加工径を有するように調整される。加工径は、前述の加工径取得工程において、予め取得されたレーザ照射条件に対する加工径の関係を用いて調整される。本実施形態において用いられるレーザ照射条件は、レーザ強度である。レーザ強度は、アッテネータを用いて調整されることができる。
【００３３】
本実施形態においては、加工表面Ｓの凹凸形状に応じて、複数種類の加工径（φ１＞φ２＞・・＞φｎ）から選択された加工径を有するレーザを用いる。先ず、これらの内で最も大きい加工径である第１加工径φ１を決定する。第１加工径φ１には特に制限は無く、例えば従来の加工方法において用いられる程度の加工径であってもよい。第１加工径φ１が決定すると、上述の加工径取得工程で得られた数式を用い、第１加工径φ１に対応するレーザ照射条件が決定する。そして、図４（ａ）に示すように、レーザを照射する加工経路Ｐ１が決定する。ここで、加工経路Ｐ１は、加工表面Ｓからの距離が第１加工径φ１の半分である点の集合である。
【００３４】
次いで、図４（ｂ）に示すように、第１加工径φ１を有するレーザを用いて、被加工物５００を加工する。このとき、加工経路Ｐ１上をレーザの焦点位置が移動するように、駆動機構４０６が制御される。ここで、加工経路Ｐ１上のＰ１０を中心とする直径がφ１の円は、線分ＡＣ及び線分ＢＣに接する。この段階では、加工表面Ｓよりも内部が加工されることはないが、一方で点Ｃの近傍に加工されない領域が残る。
【００３５】
次いで、加工装置４００が出力するレーザの加工径を、第１加工径φ１から第２加工径φ２に切り替える。ここで、第２加工径φ２は第１加工径φ１よりも小さければよいが、本実施形態においては、一例として以下のように第２加工径φ２を決定する。
【００３６】
先ず、点Ｐ１０と点Ｃとを結ぶ線分上で、点Ｐ１０から所定の距離εの位置を点Ｐ２０とする。そして、Ｐ２０を中心として線分ＡＣ及び線分ＢＣに接する円の直径を第２加工径φ２とする。第２加工径φ２が決定すると、上述の加工径取得工程で得られた数式Δ＝ｆ（φ）を用い、第２加工径φ２に対応するレーザ照射条件が決定する。そして、図５（ａ）に示すように、レーザを照射する加工経路Ｐ２が決定する。ここで、加工経路Ｐ２は、加工表面Ｓからの距離が第２加工径φ２の半分である点の集合である。
【００３７】
次いで、図５（ｂ）に示すように、第２加工径φ２を有するレーザを用いて、被加工物５００を加工する。このとき、加工経路Ｐ２上をレーザの焦点位置が移動するように駆動機構４０６が制御される。また、このとき、前述の第１加工径φ１を有するレーザを用いた加工によって加工されなかった領域のみを加工すればよいため、加工経路Ｐ２の全域にわたってレーザの焦点位置を移動させる必要はない。この段階によって、点Ｃ近傍の領域において、第１加工径φ１を有するレーザを用いた加工では加工することができなかった領域を加工することができる。
【００３８】
次いで、加工装置４００が出力するレーザの加工径を、第２加工径φ２から第３加工径φ３に切り替える。第３加工径φ３は第２加工径φ２よりも小さく、本実施形態においては、第２加工径φ２を決定した方法と同様に、以下のように第３加工径φ３を決定する。
【００３９】
先ず、点Ｐ２０と点Ｃとを結ぶ線分上で、点Ｐ２０から距離εの位置を点Ｐ３０とする。そして、Ｐ３０を中心として線分ＡＣ及び線分ＢＣに接する円の直径を第３加工径φ３とする。第３加工径φ３が決定すると、上述の加工径取得工程で得られた数式Δ＝ｆ（φ）を用い、第３加工径φ３に対応するレーザ照射条件が決定する。そして、図６（ａ）に示すように、レーザを照射する加工経路Ｐ３が決定する。ここで、加工経路Ｐ３は、加工表面Ｓからの距離が第３加工径φ３の半分である点の集合である。
【００４０】
次いで、図６（ｂ）に示すように、第３加工径φ３を有するレーザを用いて、被加工物５００を加工する。このとき、加工経路Ｐ３上をレーザの焦点位置が移動するように駆動機構４０６が制御される。また、このとき、前述の第２加工径φ２を有するレーザを用いた加工によって加工されなかった領域のみを加工すればよいため、加工経路Ｐ３の全域にわたってレーザの焦点位置を移動させる必要はない。この段階によって、点Ｃ近傍の領域において、第２加工径φ２を有するレーザを用いた加工では加工することができなかった領域を加工することができる。
【００４１】
以上と同様の手法を用いて、任意の凹部の加工が完了するまで、第ｋ加工径φｋ（ｋ＝４、５・・・）の決定及び第ｋ加工径φｋを有するレーザを用いた加工を繰り返す。なお、加工径が加工装置４００における限界値に達するまで繰り返すことでもよいし、予め決められた回数で終了してもよい。また、所定の距離εは任意であり、上述の手法の繰り返しにおいて、本実施形態のように同じ値を用いてもよいし、異なる値を用いてもよい。
【００４２】
［加工プログラム］
本実施形態に係る加工装置４００を制御するプログラムは、制御装置３００に読み込まれて実行される。
【００４３】
本実施形態に係る加工プログラムは、上述した加工方法を、制御装置３００に実行させるためのプログラムである。つまり、本実施形態に係る加工プログラムは、制御装置３００に、データ作成装置２００が作成した被加工物５００に形成する加工表面Ｓのデータを格納させる。次いで、制御装置３００に、加工表面Ｓを有する造形物を形成するために、被加工物５００に照射するレーザの加工経路を設定させる。更に、制御装置３００に、加工表面Ｓにおける加工点近傍の凹凸形状に応じて、加工点に向けて照射するレーザの加工径を調整させる。
【００４４】
加工点に向けて照射するレーザの加工径を調整することは、加工表面Ｓにおける加工点近傍の凹凸形状に応じて調整する。具体的には、レーザの加工径を調整することは、予め取得されたレーザ照射条件に対する加工径の関係を用いて調整する。
【００４５】
以上、本実施形態に係る加工方法、それを実行するための加工システム１００及び加工プログラムについて説明した。本実施形態に係る加工方法は、所定の加工表面を有する造形物を形成するために、所定の加工表面上の加工点近傍における所定の加工表面の凹凸形状に応じた加工径を有するレーザを、加工点に向けて照射する工程を含む。
【００４６】
従来の加工方法によれば、加工表面の凹凸形状に関わらず一定の加工径を有するレーザを用いて加工していた。そのため、加工表面が当該加工径よりもサイズが小さい凹部を有する場合に、当該凹部に向けてレーザを照射することができないといった制約があった。そのため、従来の加工方法によれば、加工表面が複雑化すると、高精度で加工することが困難になる。
【００４７】
本実施形態に係る加工方法によれば、上記のような制約が緩和されるため、従来の加工方法では形成することができなかったサイズの凹部を形成することができる。従って、本実施形態に係る加工方法によれば、加工表面が複雑化しても、高精度で加工することが可能である。
【００４８】
更に、本実施形態に係る加工方法によれば、従来の加工方法で加工することができる加工表面に対しては従来の加工方法を用いることができ、従来の加工方法によって加工することができない加工表面に対してのみ従来よりも小さい加工径を有するレーザを用いて加工するため、加工時間が著しく長期化することがない。
【００４９】
本実施形態に係る加工方法によれば、加工径は、予め取得されたレーザ照射条件に対する加工径の関係を用いて調整される。これによって、所望の加工径に調整するためのレーザ照射条件を自由に選択することができる。
【００５０】
上述の本実施形態に係る加工方法を実施するための加工システム１００を構成することができる。このような加工システム１００を用いて実施することにより、上記と同様の効果が得られる。
【００５１】
更に、上術の本実施形態に係る加工方法を実施するための加工プログラムを構成することができる。このような加工プログラムを加工システム１００において実行することにより、上記と同様の効果が得られる。
【００５２】
上記実施形態の加工方法を実施する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。
【００５３】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、上記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。以上の実施形態からの変更点について以下に説明する。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。
【符号の説明】
【００５４】
１００・・・加工システム  ２００・・・データ作成装置  ３００・・・制御装置  ４００・・・加工装置  ４０２・・・照射部  ４０４・・・保持部  ４０６・・・駆動機構  ５００・・・被加工物  ５０２・・・素材
【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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