(57)【要約】【課題】対象物の表面を薄く均一に除去する加工を行うことが可能であって、更に立体的な面にも加工を施すことができるレーザー加工装置を提案する。【解決手段】本発明のレーザー加工装置は、ＸＹステージ１１、θステージ１４、チルトステージ１５、ワークステージ１６、及びＺステージ２３によって、一の照射点に対してレーザー光が法線方向から照射され且つレーザー光の焦点が一の照射点に一致する状態とし、更にレンズ駆動部によって対物レンズ２４をＸ方向に沿って往復移動させつつレーザー発振器２１からレーザー光を照射し、且つＸＹステージ１１、θステージ１４、チルトステージ１５、ワークステージ１６、及びＺステージ２３によって一の照射点から他の照射点に向かって対象物ＷをＹ方向に沿って移動させて、対象物Ｗの表面に沿う所定の軌跡で加工を施すものである。【選択図】図１
2019126816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を載置するステージユニットと、レーザー発振器からのレーザー光を該対象物の表面に照射するレーザーユニットを備え、該対象物の表面における一の照射点から他の照射点まで該対象物を該レーザー光に対して相対的に移動させて、該対象物に加工を施すレーザー加工装置であって、
前記ステージユニットは、Ｘ方向及びＸ方向と直角をなすＹ方向に沿って前記対象物を移動可能なＸＹステージと、該ＸＹステージに設けられＸ方向及びＹ方向と直角をなすＺ方向に平行な回転軸を持つθステージと、該θステージに設けられＸＹ平面に平行な平面に含まれる回転軸を持つチルトステージと、該対象物を載置可能であって該チルトステージに設けられ該チルトステージの回転軸と直角をなす回転軸を持つワークステージとを備え、
前記レーザーユニットは、前記レーザー光の光軸をＺ方向に向けるレーザーヘッドと、該レーザーヘッドをＺ方向に沿って移動可能なＺステージとを備え、
前記レーザーヘッドは、前記レーザー光を前記対象物の表面で集光させる対物レンズと、該対物レンズをＸ方向に沿って往復移動させるレンズ駆動部とを備え、
前記ＸＹステージ、前記θステージ、前記チルトステージ、前記ワークステージ、及び前記Ｚステージによって、前記一の照射点に対して前記レーザー光が法線方向から照射され且つ該レーザー光の焦点が該一の照射点に一致する状態とし、更に前記レンズ駆動部によって前記対物レンズをＸ方向に沿って往復移動させつつ前記レーザー発振器から該レーザー光を照射し、且つ該ＸＹステージ、該θステージ、該チルトステージ、該ワークステージ、及び該Ｚステージによって該一の照射点から前記他の照射点に向かって該対象物をＹ方向に沿って移動させて、該対象物の表面に沿う所定の軌跡で加工を施すレーザー加工装置。
【請求項２】
前記レーザー発振器から前記レーザー光を照射するに先だって、
前記ワークステージは、ＸＹ平面に平行な平面において前記一の照射点における法線ベクトルをＹ方向に沿わせるように角度θｓ回転し、
前記チルトステージは、ＹＺ平面に平行な平面において角度θｓ回転した前記法線ベクトルをＺ方向に沿わせるように角度θｔ回転し、
前記θステージは、ＸＹ平面に平行な平面において前記ワークステージ及び前記チルトステージによる回転終了後の前記一の照射点と前記他の照射点とを結ぶ直線をＹ方向に沿わせるように角度θｍ回転し、
前記ＸＹステージは、前記ワークステージ、前記チルトステージ、及び前記θステージによる回転終了後の前記一の照射点を前記レーザー光の光軸上に移動し、
前記Ｚステージは、前記レーザー光の焦点が前記ＸＹステージによる移動後の前記一の照射点に一致する位置へ前記レーザーヘッドを移動させるよう構成される、請求項１に記載のレーザー加工装置。
【請求項３】
前記ＸＹステージ、前記θステージ、前記チルトステージ、前記ワークステージ、及び前記Ｚステージは、前記一の照射点に対して前記レーザー光が照射される直前までは、該対象物に対して該レーザー光が等加速度運動するように駆動され、且つ該レーザー光の照射開始から前記他の照射点に至るまでは、該対象物に対して該レーザー光が等速運動するように駆動される請求項２に記載のレーザー加工装置。
【請求項４】
前記レーザーユニットは、前記対象物の表面を撮像可能な撮像装置を備える請求項１〜３の何れか一項に記載のレーザー加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光によって対象物の表面に加工を施すレーザー加工装置に関するものであり、特に、対象物の表面が立体的な面であってもその面を薄く均一に除去することができるレーザー加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、対象物の表面にレーザー光を照射して加工を行うレーザー加工装置が使用されている。従来のレーザー加工装置は、対象物の上方にレーザー発振器とガルバノメータスキャナとを設け、レーザー発振器から照射されたレーザー光をガルバノメータスキャナで振ることによって対象物への照射点を移動させて加工を行うことが一般的である（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０３６１８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで特許文献１のようなレーザー加工装置は、ガルバノメータスキャナの直下では対象物の表面に対して真上からレーザー光が照射されるものの、ガルバノメータスキャナの直下から離れた部位ではレーザー光が斜めから照射されることになる。すなわち、レーザー光が真上から照射される状態と斜めから照射される状態では、対象物に照射されるレーザー光のスポット径が変わることになるため、加工を施す部位に対して正確な位置にかつ均一にエネルギーを加えることが難しくなる。このため、従来のレーザー加工装置において、対象物を薄く均一に除去する加工は困難であった。
【０００５】
また最近は、平坦な面だけではなく球状面のような立体的な面にも加工を施したいとする要望がある。しかし特許文献１の如きレーザー加工装置は、加工を施すことができる対象が平坦な面に限られている。
【０００６】
本発明は、このような点を解決することを課題とするものであり、その目的は、対象物の表面を薄く均一に除去することが可能であって、更に立体的な面にもこのような加工を施すことができるレーザー加工装置を提案するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、対象物を載置するステージユニットと、レーザー発振器からのレーザー光を該対象物の表面に照射するレーザーユニットを備え、該対象物の表面における一の照射点から他の照射点まで該対象物を該レーザー光に対して相対的に移動させて、該対象物に加工を施すレーザー加工装置であって、前記ステージユニットは、Ｘ方向及びＸ方向と直角をなすＹ方向に沿って前記対象物を移動可能なＸＹステージと、該ＸＹステージに設けられＸ方向及びＹ方向と直角をなすＺ方向に平行な回転軸を持つθステージと、該θステージに設けられＸＹ平面に平行な平面に含まれる回転軸を持つチルトステージと、該対象物を載置可能であって該チルトステージに設けられ該チルトステージの回転軸と直角をなす回転軸を持つワークステージとを備え、前記レーザーユニットは、前記レーザー光の光軸をＺ方向に向けるレーザーヘッドと、該レーザーヘッドをＺ方向に沿って移動可能なＺステージとを備え、前記レーザーヘッドは、前記レーザー光を前記対象物の表面で集光させる対物レンズと、該対物レンズをＸ方向に沿って往復移動させるレンズ駆動部とを備え、前記ＸＹステージ、前記θステージ、前記チルトステージ、前記ワークステージ、及び前記Ｚステージによって、前記一の照射点に対して前記レーザー光が法線方向から照射され且つ該レーザー光の焦点が該一の照射点に一致する状態とし、更に前記レンズ駆動部によって前記対物レンズをＸ方向に沿って往復移動させつつ前記レーザー発振器から該レーザー光を照射し、且つ該ＸＹステージ、該θステージ、該チルトステージ、該ワークステージ、及び該Ｚステージによって該一の照射点から前記他の照射点に向かって該対象物をＹ方向に沿って移動させて、該対象物の表面に沿う所定の軌跡で加工を施すレーザー加工装置である。
【０００８】
また、前記レーザー発振器から前記レーザー光を照射するに先だって、前記ワークステージは、ＸＹ平面に平行な平面において前記一の照射点における法線ベクトルをＹ方向に沿わせるように角度θｓ回転し、前記チルトステージは、ＹＺ平面に平行な平面において角度θｓ回転した前記法線ベクトルをＺ方向に沿わせるように角度θｔ回転し、前記θステージは、ＸＹ平面に平行な平面において前記ワークステージ及び前記チルトステージによる回転終了後の前記一の照射点と前記他の照射点とを結ぶ直線をＹ方向に沿わせるように角度θｍ回転し、前記ＸＹステージは、前記ワークステージ、前記チルトステージ、及び前記θステージによる回転終了後の前記一の照射点を前記レーザー光の光軸上に移動し、前記Ｚステージは、前記レーザー光の焦点が前記ＸＹステージによる移動後の前記一の照射点に一致する位置へ前記レーザーヘッドを移動させるよう構成されることが好ましい。
【０００９】
また、前記ＸＹステージ、前記θステージ、前記チルトステージ、前記ワークステージ、及び前記Ｚステージは、前記一の照射点に対して前記レーザー光が照射される直前までは、該対象物に対して該レーザー光が等加速度運動するように駆動され、且つ該レーザー光の照射開始から前記他の照射点に至るまでは、該対象物に対して該レーザー光が等速運動するように駆動されることが好ましい。
【００１０】
また、前記レーザーユニットは、前記対象物の表面を撮像可能な撮像装置を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のレーザー加工装置では、対象物の表面における一の照射点から他の照射点までレーザー加工を施すにあたり、一の照射点に対してレーザー光が法線方向から照射され且つレーザー光の焦点が一の照射点に一致する状態としたうえで、レンズ駆動部によって対物レンズをＸ方向に沿って往復移動させつつレーザー発振器からレーザー光を照射し、且つＸＹステージ、θステージ、チルトステージ、ワークステージ、及びＺステージによって一の照射点から他の照射点に向かって対象物をＹ方向に沿って移動させることによって、対物レンズがＸ方向に往復運動する幅でもって、対象物を薄く均一に除去することができる。また、ＸＹステージ、θステージ、チルトステージ、ワークステージ、及びＺステージによって、対象物の姿勢及び位置を任意に変えることができるため、立体的な面であっても薄く均一な加工を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に従うレーザー加工装置の一実施形態を示す図である。
【図２】対物レンズの移動に応じてレーザー光の集光点が変位することを説明する図である。
【図３】原点と、対象物の一の照射点（Ｐ１）及び他の照射点（Ｐ２）とを示す図である。
【図４】原点にレーザー光を集光させる状況を説明する図である。
【図５】ワークステージとチルトステージを駆動する際の角度について説明する図である。
【図６】ワークステージとチルトステージを駆動する際の座標について説明する図である。
【図７】ワークステージとチルトステージを駆動した後において、一の照射点と他の照射点を結ぶ直線とＹ軸との角度について説明する図である。
【図８】θステージを駆動した後の照射点の座標について説明する図である。
【図９】ＸＹステージとＺステージを駆動させて一の照射点にレーザー光の焦点を合わせる状況を説明する図である。
【図１０】ワーク表面沿って一の照射点から他の照射点まで加工を行う状況を説明する図である。
【図１１】対象物に対してレーザー光を等速運動させる状況を説明する図である。
【図１２】レーザー光を照射する前の助走区間について説明する図である。
【図１３】本発明に従うレーザー加工装置で加工することが可能な切削工具の一例を示した図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す矢印Ａに沿う矢視図である。
【図１４】図１３の切削工具をレーザー加工装置に保持した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明をより具体的に説明する。まず、図１を参照しつつ、本発明に従うレーザー加工装置の一実施形態について説明する。なお本実施形態においてＸ方向とＹ方向は互いに直交するとともに何れも水平方向に指向するものとし、Ｚ方向は垂直方向に指向するものとする。
【００１４】
図１において符号１は、本発明に従う一実施形態のレーザー加工装置を示す。レーザー加工装置１は、ステージユニット１０とレーザーユニット２０とを備えている。
【００１５】
ステージユニット１０は、ＸＹステージ１１を備えている。本実施形態のＸＹステージ１１は、図１に示すＹ方向に沿って移動可能なＹステージ１２と、Ｙステージ１２の上部に設けられ、Ｘ方向に沿って移動可能なＸステージ１３とで構成されている。Ｙステージ１２及びＸステージ１３は、例えばリニアガイド、ボールねじ、サーボモータ等で構成することができるが、既知の各種部材を適宜用いて構成することができる。なお、Ｘステージ１３の上部にＹステージ１２を設けるようにしてもよい。
【００１６】
Ｘステージ１３の上部には、Ｚ方向に平行な回転軸を持つθステージ１４が設けられている。なお本実施形態のθステージ１４は、ダイレクトドライブモータで回転するものであるが、この構成に限定されるものではない。
【００１７】
そしてθステージ１４の上部には、ＸＹ平面に平行な平面に含まれる回転軸を持つチルトステージ１５が設けられている。またチルトステージ１５には、チルトステージ１５の回転軸と直角をなす回転軸を持つワークステージ１６が設けられている。図１に示す状態においてチルトステージ１５は、Ｘ方向まわりに回転することができ、またワークステージ１６は、Ｚ方向まわりに回転することができる。そしてワークステージ１６には、図示は省略するが、レーザー加工を施す対象物Ｗを保持するための保持機構が設けられている。なお本実施形態のチルトステージ１５とワークステージ１６は、ベアリング等によって回転可能に支持した軸をギヤヘッド付きサーボモータで回転するものであるが、この構成に限定されるものではない。
【００１８】
レーザーユニット２０は、レーザー発振器２１からのレーザー光を対象物Ｗの表面に照射するレーザーヘッド２２と、レーザーヘッド２２をＺ方向に沿って移動可能なＺステージ２３とで構成されている。
【００１９】
本実施形態のレーザー発振器２１は、ファイバーレーザーを用いている。またレーザーヘッド２２は、レーザー発振器２１から照射されるレーザー光の光軸がＺ方向を指向するように構成されている。更にレーザーヘッド２２は、レーザー光を集光させる対物レンズ２４（図２参照）と、対物レンズ２４をＸ方向に沿って移動させる不図示のレンズ駆動部を備えている。
【００２０】
ここでレンズ駆動部は、図２に示すように、レーザー光のビーム径が対物レンズ２４の有効径（図中±Ｘ１）内に収まる範囲で、対物レンズ２４をＸ方向に移動させるものである。なお、図２に示すように、上述した範囲で対物レンズ２４をＸ方向に移動（距離Ｘ１）させれば、集光点ｐも同じ方向に且つ同じ距離だけ変位する。すなわち、レンズ駆動部によって対物レンズ２４をＸ方向に所定の距離で移動させると、対象物Ｗの表面上の集光点ｐを同方向に同距離だけ変位させることができる。本実施形態においては、レンズ駆動部によって対物レンズ２４をＸ方向に一定の振幅で往復運動させるようにしている。このため、対象物Ｗをレーザー光に対して相対的にＹ方向に移動させれば、対物レンズ２４がＸ方向に往復運動する幅でもって対象物Ｗに加工を施すことができる。なお、本加工方法については後述する。
【００２１】
更にレーザーヘッド２２は、対象物Ｗの表面を撮像可能な撮像装置（不図示）を備えている。本実施形態のレーザー加工装置１では、この撮像装置によって対象物Ｗの位置を認識してレーザー光と対象物Ｗとの位置合わせを行ったり、加工後の対象物Ｗの仕上がり状態を検査したりすることが可能である。
【００２２】
次に、上述した構成になるレーザー加工装置１によって対象物Ｗの表面に加工を施す手順について説明する。
【００２３】
本実施形態のレーザー加工装置１では、上述した撮像装置によって得られる対象物Ｗの位置情報や、対象物Ｗの表面形状を示す３次元データを用いて加工を行うことが可能である。またこのレーザー加工では、概略、対象物Ｗの表面におけるレーザー光を照射する一の照射点に対し、法線方向からレーザー光が照射され且つレーザー光の焦点が一の照射点に一致する状態とし、更にレンズ駆動部によって対物レンズ２４をＸ方向に沿って往復移動させてレーザー光による加工幅が広がるようにしたうえで、一の照射点から他の照射点に向かって対象物ＷをＹ方向に沿って移動させることによって、対象物Ｗの表面に沿って加工を施すようにしている。なお、本実施形態の加工方法では、一の照射点と他の照射点との間を対象物Ｗの表面に沿って直線状に加工しているが、一の照射点と他の照射点との間を対象物Ｗの表面に沿って曲線状に加工する場合であっても、この曲線は複数の微小な直線で構成されると近似できる。従って、一の照射点と他の照射点との間隔を狭めてこれらが複数連結したものとして取り扱うことによって、対象物Ｗの表面に沿う任意のラインで加工することができる。
【００２４】
このようなレーザー加工を行うにあたり、本実施形態では、対象物Ｗの表面における照射点に対して下記のような式に基づいて座標変換を行うことで、この加工を実現している。
【００２５】
まず図３に示すように、レーザーユニット２０から照射されるレーザー光が集光する位置の座標を原点（０，０，０）とする。また、対象物Ｗの表面における任意の照射点（符号Ｐで示す）の座標を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とし、対象物Ｗの表面に対する照射点Ｐの法線ベクトルを（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）とする。なお、照射点Ｐの特定の点として、一の照射点（符号Ｐ１で示す）の座標を（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）とし、他の照射点（符号Ｐ２示す）の座標を（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）とする。また、一の照射点Ｐ１の法線ベクトルを（Ｖ１ｘ，Ｖ１ｙ，Ｖ１ｚ）とし、他の照射点Ｐ２の法線ベクトルを（Ｖ２ｘ，Ｖ２ｙ，Ｖ２ｚ）とする。そして、ＸＹステージ１１、θステージ１４、チルトステージ１５、ワークステージ１６、Ｚステージ２３を駆動させて、図４に示すように、原点にレーザー光が集光するように設定する。なおθステージ１４の回転軸をメインθ回転軸と称し、チルトステージ１５の回転軸をチルト回転軸と称し、ワークステージ１６の回転軸をワークθ回転軸と称する。
【００２６】
そして、図５（ａ）に示すようにＸＹ平面に平行な平面において、照射点Ｐの法線ベクトル（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）がチルト回転軸と垂直になるように（Ｙ軸と平行になるように）ワークステージ１６を回転した場合の角度θｓを算出する。ここで角度θｓは下記の式（数１）で表される。なお、角度θｓ回転後の法線ベクトルを（Ｖ’ｘ，Ｖ’ｙ，Ｖ’ｚ）とする。
【００２７】
【数１】
2019126816.tif 000003
【００２８】
更に、図５（ｂ）に示すようにＹＺ平面に平行な平面において、角度θｓ回転後の法線ベクトル（Ｖ’ｘ，Ｖ’ｙ，Ｖ’ｚ）がＺ軸と平行になるようにチルトステージ１５を回転した場合の角度θｔを算出する。ここで、角度θｔは下記の式（数２）で表される。なお、角度θｔ回転後の法線ベクトルを（Ｖ’’ｘ，Ｖ’’ｙ，Ｖ’’ｚ）とする。
【００２９】
【数２】
2019126816.tif 000004
【００３０】
また照射点Ｐの座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）について、ワークステージ１６を角度θｓ回転させた後の座標（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）を算出する。ここで、ワークθ回転軸を通るθ回転軸の中心座標を（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）とする場合、これらは、ＸＹ平面に平行な平面において図６（ａ）に示すような位置関係にある。また、ワークステージ１６を角度θｓ回転させた後の照射点Ｐの座標（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）は、下記の式（数３）で表される。
【００３１】
【数３】
2019126816.tif 000005
【００３２】
そして、ワークステージ１６を角度θｓ回転させた後の照射点Ｐの座標（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）について、チルトステージ１５を角度θｔ回転させた後の座標（Ｘ’’，Ｙ’’，Ｚ’’）を算出する。ここで、チルト回転軸を通るチルト回転軸の中心座標を（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）とする場合、これらは、ＹＺ平面に平行な平面において図６（ｂ）に示すような位置関係にある。また、チルトステージ１５を角度θｔ回転させた後の照射点Ｐの座標（Ｘ’’，Ｙ’’，Ｚ’’）は、下記の式（数４）で表される。
【００３３】
【数４】
2019126816.tif 000006
【００３４】
このようにしてワークステージ１６を角度θｓ回転させ、チルトステージ１５を角度θｔ回転させることによって、図３及び図７（ａ）に示した当初の一の照射点Ｐ１（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）と他の照射点Ｐ２（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）は、ＸＹ平面に平行な平面において図７（ｂ）のように移動する。ここで、ＸＹ平面に平行な平面における移動後の一の照射点Ｐ１の座標（Ｘ１’’，Ｙ１’’）と移動後の他の照射点Ｐ２の座標（Ｘ２’’，Ｙ２’’）は、上述した式（数４）によって算出することができる。
【００３５】
その後は、算出した座標（Ｘ１’’，Ｙ１’’）及び（Ｘ２’’，Ｙ２’’）から移動後の一の照射点Ｐ１と他の照射点Ｐ２とを通る直線ＭとＹ軸との角度θｍを求める。ここで角度θｍは、下記の式（数５）で表される。
【００３６】
【数５】
2019126816.tif 000007
【００３７】
そして、直線ＭがＹ軸に対して平行になるように、θステージ１４を角度θｍ回転させる。ここで、θステージ１４によって対象物Ｗを角度θｍ回転させた際、角度θｓ、θｔ回転後の任意の照射点Ｐ（座標（Ｘ’’，Ｙ’’，Ｚ’’））は、図８のように座標（Ｘ’’’，Ｙ’’’，Ｚ’’’）で示す位置に移動する。なお、座標（Ｘ’’，Ｙ’’，Ｚ’’）と座標（Ｘ’’’，Ｙ’’’，Ｚ’’’）の関係は、下記の式（数６）の関係にある。
【００３８】
【数６】
2019126816.tif 000008
【００３９】
しかる後は、θステージ１４によって角度θｍ回転させた後の照射点Ｐを、ＸＹステージ１１及びＺステージ２３を駆動させてレーザー光が集光する位置である原点（０，０，０）へ移動させることとする。本実施形態では、θステージ１４によって角度θｍ回転させた後の照射点Ｐが、Ｘ方向及びＹ方向において原点と一致するように、図９（ａ）に示す如きＸＹステージ１１を−Ｘ’’’，−Ｙ’’’移動させ、更に、移動後の照射点Ｐに対してレーザー光が集光するように、図９（ｂ）に示すようにＺステージ２３を＋Ｚ’’’移動させる。
【００４０】
このような座標変換を一の照射点Ｐ１と他の照射点Ｐ２に行うことで、一の照射点Ｐ１に対して法線方向からレーザー光が照射され且つレーザー光の焦点が一の照射点Ｐ１に一致し、また一の照射点と他の照射点とを結ぶ直線がＹ方向を指向するように設定することができる。
【００４１】
次に、一の照射点Ｐ１から他の照射点Ｐ２に向かって、対象物Ｗの表面に沿って加工を行う方法について説明する。本実施形態では、この２点間を対象物Ｗの表面に沿って複数の直線で結ぶ軌跡を算出し、この軌跡に沿って加工を施している。なお、軌跡の算出方法について説明するにあたり、一の照射点Ｐ１を軌跡の開始点ＰＳと称し、他の照射点Ｐ２を軌跡の終了点ＰＥと称する。そして図１０（ａ）に示すように、軌跡の開始点ＰＳの座標を（ＸＳ，ＹＳ，ＺＳ）とし、軌跡の開始点ＰＳの法線ベクトルを（ＶＸＳ，ＶＹＳ，ＶＺＳ）とする。また軌跡の終了点ＰＥの座標を（ＸＥ，ＹＥ，ＺＥ）とし、軌跡の終了点ＰＥの法線ベクトルを（ＶＸＥ，ＶＹＥ，ＶＺＥ）とする。なお、図１０（ａ）に示す符号Ｌは、開始点ＰＳと終了点ＰＥとを対象物Ｗの表面に沿って直線で結んだ軌跡である。
【００４２】
まず、開始点ＰＳと終了点ＰＥの座標の差、及び法線ベクトルの差を算出し、それをｎ等分する。更に、図１０（ｂ）に示すように、開始点ＰＳと終了点ＰＥとを最短距離で結んだ直線Ｌｂを求め、これをｎ等分した点を求める。図１０（ｂ）は、開始点ＰＳと終了点ＰＥとの間を４分割した状態を示している。そして、直線Ｌｂ上の各分割点に対し、開始点ＰＳから終了点ＰＥに向かうにつれて４分割した法線ベクトルの差の分だけ終了点ＰＥの法線ベクトルに近づくように、法線ベクトルを与える。そして、撮像装置によって得られる対象物Ｗの位置情報や対象物Ｗの表面形状を示す３次元データを用いて、各分割点での法線ベクトルに沿う直線と対象物Ｗの表面との交点を求める。そして、開始点ＰＳから順にこれらの交点を直線で結んで行く線をレーザー光で照射する軌跡Ｌａとする（図１１（ａ）参照）。
【００４３】
また本実施形態では、一定の状態で加工されるように、レーザー光を軌跡Ｌａに沿って一定の速度で移動させている。具体的には、ＸＹステージ１１、θステージ１４、チルトステージ１５、ワークステージ１６、Ｚステージ２３の駆動源であるサーボモータ（サーボアンプ）に、一定周期毎に座標データを与えて速度を一定に保っている。
【００４４】
この点を、図面を参照しながら説明する。図１１（ａ）において点ｐｎは、前述の方法によって算出した開始点ＰＳから終了点ＰＥに至る軌跡Ｌａにおける点であり、点Ｐｎ＋１は、点Ｐｎを基点として終了点ＰＥ側の次の点である。ここで、点Ｐｎの座標は（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ）であるとし、点Ｐｎ＋１の座標は（ｘｎ＋１，ｙｎ＋１，ｚｎ＋１）であるとする。また、点Ｐｎと点Ｐｎ＋１との間の距離をＬｎとし、レーザー光を移動させる速度をＶとし、レーザー光が２点間を移動する時間をＴｎとする。そして、サーボモータが許容する分解周期をｔとする場合、それぞれの関係は下記の式（数７）で表される。なお、下記の式においてＤｎとは分割数であって、レーザー光が２点間を移動する時間Ｔｎを分解周期ｔで除した値である。また本実施形態における分解周期ｔは、０．２２ｍｓ、０．４４ｍｓ、０．８８ｍｓの何れかから選択することができる。
【００４５】
【数７】
2019126816.tif 000009
【００４６】
また、開始点ＰＳから終了点ＰＥに至る全ての点について前述の座標変換を行って、各点に対して法線方向からレーザー光を照射するためのＸＹステージ１１、θステージ１４、チルトステージ１５、ワークステージ１６、Ｚステージ２３の座標（レーザー射出口の座標）を算出する。ここで、図１１（ｂ）に示すように、点Ｐｎに対応するレーザー射出口の点Ｑｎの座標は（Ｘｎ，Ｙｎ，Ｚｎ，θｓｎ，θｔｎ，θｍｎ）であるとし、点Ｐｎ＋１に対応するレーザー射出口の点Ｑｎ＋１の座標は（Ｘｎ＋１，Ｙｎ＋１，Ｚｎ＋１，θｓｎ＋１，θｔｎ＋１，θｍｎ＋１）であるとする。そして隣り合うレーザー射出口の点（点Ｑｎと点Ｑｎ＋１）を順次直線で結んで、レーザー射出口の軌跡Ｌｃを算出する。
【００４７】
そして図１１（ｃ）に示すように、点Ｑｎから点Ｑｎ＋１に至るレーザー射出口の軌跡Ｌｃを分割数Ｄｎで等分する。そして、得られる分割点Ｑｍ（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ，θｓｍ，θｔｍ，θｍｍ）のデータを、ＸＹステージ１１、θステージ１４、チルトステージ１５、ワークステージ１６、Ｚステージ２３のサーボモータに対して順次与えることで、一定の速度で加工を行うことができる。
【００４８】
なお、加工を行う軌跡の全域に亘って一定の速度で加工を行うには、加工を開始するまでに所望する速度に達していることが必要である。このため、加工を開始する前に速度が一定になるための助走区間を設ける必要がある。ここで、図１２に示すように加工を開始する点をＱ０とし、順次、点Ｑ１、Ｑ２の順で加工を行うものとする。また、助走区間を設けるにあたり、点Ｑ０の一つ手前を点Ｑ−１とし、順次Ｑ−１、Ｑ−２の順で並んでいるとする。この時、点Ｑ０における加工開始時のレーザー光の移動速度Ｖ０は下記の式（数８）で表される。なお式中のｔは分解周期である。また、助走区間における任意のレーザー射出口の点Ｑｍの座標は、下記の式（数９）で表される。本実施形態では、助走区間において等加速度運動を行うものとする。なお式中のＴａは、レーザー光の移動速度が速度０から速度Ｖ０に達するまでの時間であって、分解周期ｔの整数倍であるとする。またｍは、点Ｑ０を基点とした順番を示す数（点Ｑ−１では−１、点Ｑ−２では−２・・・となる数）であって、−Ｔａ／ｔから−１の範囲までの整数である。そして、数９から得られる点Ｑｍ（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ，θｓｍ，θｔｍ，θｍｍ）のデータを、ＸＹステージ１１、θステージ１４、チルトステージ１５、ワークステージ１６、Ｚステージ２３のサーボモータに対して順次与えることで、助走区間において等加速度運動を行い、点Ｑ０において移動速度Ｖ０を得ることができる。
【００４９】
【数８】
2019126816.tif 000010
【００５０】
【数９】
2019126816.tif 000011
【００５１】
このようにして座標のデータを、ＸＹステージ１１、θステージ１４、チルトステージ１５、ワークステージ１６、Ｚステージ２３のサーボモータに対して順次与え、またレンズ駆動部によって対物レンズ２４をＸ方向に一定の振幅で往復運動させつつ、レーザー光が照射される位置が開始点ＰＳに達した時点でレーザー発振器２１からレーザー光を照射することによって、任意のラインで対象物Ｗの表面を薄く均一に除去することができる。
【００５２】
このようなレーザー加工装置１によれば、例えば図１３に示すようなエンドミルの如き切削工具３０の刃先部分を加工するのに好適である。従来、切削工具３０には、切削力や耐久力を向上させるために各種のコーティングを施すことがあるが、コーティングによって刃先のエッジ部分が丸みを帯びることがある。この場合は、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、切削工具３０の刃先３１に対して点ＰＡから点ＰＢまで（例えば図示したハッチングの幅で）上述した方法でレーザー加工を行うことによって、この部分を薄く均一に削除する。これにより、刃先３１のエッジ部分の丸みを取り除くことができるため、更に切削力や耐久力を向上させることができる。なお、切削工具３０を加工するにあたっては、図１４に示すようにワークステージ１６の保持機構によって切削工具３０を垂直方向に沿って保持した後、切削工具３０の先端をレーザーヘッド２２に設けた撮像装置で撮像することによって刃先３１の位置を特定し、その後チルトステージ１５によって切削工具３０を水平方向に傾倒させて、刃先３１がレーザー光に正対するようにしている。なお、図示の切削工具３０は刃先３１が２つ設けられているが、１つの刃先をレーザー加工した後は、ワークステージ１６を１８０度回転させることによって、もう一つの刃先３１も加工することができる。このように本実施形態のレーザー加工装置１によれば、１つの部材に対して複数の加工を容易に行うことができる。
【００５３】
なお各種のコーティングは、例えば手術に使用するはさみやメスなどに施されることもあるが、本実施形態のレーザー加工装置１では、これらの器具に対しても加工を施すことができる。また、コーティングによる丸みを取り除くことだけでなく、時計の針や微細な部品の軽量化を目的に使用することも可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１：レーザー加工装置
１０：ステージユニット
１１：ＸＹステージ
１２：Ｙステージ
１３：Ｘステージ
１４：θステージ
１５：チルトステージ
１６：ワークステージ
２０：レーザーユニット
２１：レーザー発振器
２２：レーザーヘッド
２３：Ｚステージ
２４：対物レンズ
Ｗ：対象物
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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