(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ加工装置、および、ワーク保持具を支持するとともにワーク保持具を所定角度回転させるスピンドル、ならびに、該レーザ加工装置とスピンドルとをＸＹＺ方向に相対移動させる移動ステージを備えた小径の軸形状ワークを加工するための高精度レーザ加工装置であって、
前記レーザ加工装置は、レーザ発振器、加工用レーザ光および計測用レーザ光を出射する唯一のレーザ光出射手段としてのレーザヘッドと、小径の軸形状ワークで反射された計測用レーザ光の反射光量を測定するための反射光量測定手段と、計測用レーザ光の反射光を用いて小径の軸形状ワークを撮影可能な撮像素子と、レーザヘッドから出射された加工用レーザ光および計測用レーザ光の光路を形成するための光学系と、加工用レーザ光および計測用レーザ光の光軸方向で、レーザヘッドに対して、小径の軸形状ワークよりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射板と、前記移動ステージ、レーザ発振器、反射光量測定手段および撮像素子を制御する制御手段とを備え、
計測用レーザ光を用いてワーク保持具に保持された小径の軸形状ワークの軸径を考慮した初期位置、および、スピンドルを初期位置から少なくとも１つの所定角度だけ回転させたときのワーク保持具に保持された小径の軸形状ワークの軸径を考慮した少なくとも１つの回転位置を計測して、当該初期位置と少なくとも１つの回転位置から制御手段により小径の軸形状ワークの軸径を考慮した３次元位置を把握し、小径の軸形状ワークの加工照射点を求めることにより小径の軸形状ワークの保持誤差を補正するワーク保持誤差補正手段を備えることを特徴とする高精度レーザ加工装置。
【請求項２】
レーザ加工装置、および、ワーク保持具を支持するとともにワーク保持具を所定角度回転させるスピンドル、ならびに、該レーザ加工装置とスピンドルとをＸＹＺ方向に相対移動させる移動ステージを備えた小径の軸形状ワークを加工するための高精度レーザ加工装置であって、
前記レーザ加工装置は、レーザ発振器、加工用レーザ光および計測用レーザ光を出射する唯一のレーザ光出射手段としてのレーザヘッドと、計測用レーザ光の反射光を用いて小径の軸形状ワークを撮影可能な撮像素子と、レーザヘッドから出射された加工用レーザ光および計測用レーザ光の光路を形成するための光学系と、加工用レーザ光および計測用レーザ光の光軸方向で、レーザヘッドに対して、小径の軸形状ワークよりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射板と、前記移動ステージ、レーザ発振器、反射光量測定手段および撮像素子を制御する制御手段とを備え、
計測用レーザ光を用いてワーク保持具に保持された小径の軸形状ワークの軸径を考慮した初期位置、および、スピンドルを初期位置から少なくとも１つの所定角度だけ回転させたときのワーク保持具に保持された小径の軸形状ワークの軸径を考慮した少なくとも１つの回転位置を計測して、当該初期位置と少なくとも１つの回転位置から制御手段により小径の軸形状ワークの軸径を考慮した３次元位置を把握し、小径の軸形状ワークの加工照射点を求めることにより小径の軸形状ワークの保持誤差を補正するワーク保持誤差補正手段を備えることを特徴とする高精度レーザ加工装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の高精度レーザ加工装置において、レーザ加工装置が載置されたステージ上にレーザ加工装置に隣接するようにして電解加工装置を載置し、レーザ加工後、レーザ加工時の小径の軸形状ワーク保持状態のまま、レーザ加工時において把握した小径の軸形状ワークの軸径を考慮した３次元位置を用いて小径の軸形状ワークと電解電極との相対距離を求めて電解加工を行うことを特徴とするレーザ・電解複合加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置、特に、血管拡張用ステント、回路検査用コンタクトプローブ、注射針、医療用検査プローブ等の小径軸の加工対象物を高精度にレーザ加工し、電解仕上げ加工する高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
心臓外科，脳外科に応用される手術用カテーテル，ステント等の医療用カテーテル，チューブ，及び小径，高柔軟性が要求される高密度電子回路検査用プローブ等の需要が増加している。
医療用カテーテル，チューブ市場は約1,819億円(2006年，株式会社矢野経済研究所調べ)であり，前年と比較して増加傾向にある．特に発展途上であるマイクロカテーテル市場は脳外科手術用として期待されている．カテーテル，ステント材には樹脂，コイル状小径ワイヤ，編まれた小径ワイヤ等も用いられるが，比較的高剛性のステンレスの金属細管が多く用いられている．細管材の表面には，直径を拡大させる，剛性と柔軟性を両立する，注入するため皮膚を切り裂く，摩擦を軽減する，採血する等の機能を持たせるため，複雑形状を形成することが必要である．特に脳外科手術では直径0.2mm以下のマイクロカテーテルが要求されるため表面へ複雑形状の形成は非常に困難である．医療用カテーテル・チューブ，回路検査用プローブの加工には現在機械加工，放電加工等が用いられるが，複雑微細形状の加工に極端な長時間を要する，加工力による変形のためカテーテル径などをある程度以上小さく出来ないなどの問題点がある。これらの問題点を解決するため，非接触加工のため加工力が発生せず，ワークと工具(電極)間隙の複雑なコントロールを必要としないレーザ加工を用いることが考えられる。
レーザ加工を適用する場合，非接触加工であるためにワーク・工具間の相対位置を検出することが難しい。また，カテーテル，ステント，プローブ等の微小部品を精度良く保持することは全ての加工法共通の課題である．  
【０００３】
一方、従来から、加工対象物（以下「ワーク」ともいう。）に対して加工用レーザ光で除去加工等の微細なレーザ加工を行うレーザ加工装置が利用されている。
この種のレーザ加工装置として、加工用レーザ光を出射する加工用レーザ光源に加え、加工用レーザ光の焦点とワークとの位置合せを行うため、加工用レーザ光と波長の異なる計測用レーザ光を出射する計測用レーザ光源を有するレーザ加工装置が知られている（たとえば、特許文献１および２参照）。
【０００４】
特許文献１に記載のレーザ加工装置では、ワークで反射された計測用レーザ光は、ピンホールマスクを介してフォトディテクタに入射させ、共焦点効果を用いて材料の高さを計測，その情報を基に加工用レーザの焦点高さを調整する。
また、特許文献２に記載のレーザ加工装置では、計測用レーザ光源から出射されワークで反射された計測用レーザ光は、ＣＣＤカメラに入射する。そして、ＣＣＤカメラでの撮影結果やフォトディテクタでの受光量に基づいて、円筒内の高さを計測，その情報を基に加工用レーザの照射位置を調整する。
なお、特許文献１および２に記載のレーザ加工装置では、加工用レーザ光源からワークまでの光路の一部と、計測用レーザ光源からワークまでの光路の一部とが共通になっている。
【０００５】
さらに、特許文献３に記載のレーザ加工装置では、計測用レーザを用いてワークのＺ軸方向を計測し、ＣＣＤカメラによりワークを撮影することにより、ＸＹ軸方向の計測を行うものである。
【特許文献１】特開２００２−３２１０８０号公報
【特許文献２】特開２００５−１６１３８７号公報
【特許文献３】特開２００４−２４３３８３号公報
【０００６】
特許文献１および２に記載のレーザ加工装置では、加工用レーザおよび計測用レーザの２つのレーザ源を用いるものであり、両者の設置誤差が計測誤差に反映されるという問題点がある。また、基本的にZ方向の位置情報のみ計測可能であり、軸姿勢の測定を行うことはできない。
【０００７】
また、特許文献３記載のレーザ加工の加工装置では、加工用レーザおよび計測用レーザの２つのレーザ源を用いるものであり、両者の設置誤差が計測誤差に反映されるという問題点がある。また、X,Y軸方向の計測はあらかじめ設定された基準加工地点のみで行われるため、正確なワーク設置が要求される。さらに、軸姿勢の測定は行うことができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
保持、搬送が難しい血管拡張用ステント、回路検査用コンタクトプローブ、注射針、医療用検査プローブ等の小径の軸形状のものでは正確に加工機へ設置することが難しいため、所望の位置に微細な形状を加工することは非常に困難である。
もし、ワークの姿勢を機上で計測、保持誤差を補正することができれば、高精度にワークを設置しなくてもワーク上の加工点へ正確にレーザを照射することができる。
計測用レーザによってワーク形状を計測し、必要に応じてレーザ除去加工を行う加工システムは多く存在するが、計測用レーザ、加工用レーザが同一ではないため計測点と加工点は異なる。もし、加工と計測を同一光源で行えば、計測点と加工点を同一とすることができる。
従来、軸位置をCCD、計測用レーザ等を用いて撮影・計測し、これらのデータを基に軸位置補正が行われているが、この場合、加工用光学系に加え、計測用光学系、照明が必要となるばかりか、移動可能エリアの減少、システムの巨大化などの問題の原因となっている。
一方、レーザ加工後の材料表面には熱影響層(HAZ)、バリ等が発生することが問題となっている。
【０００９】
本発明は、加工用レーザおよび計測用レーザを出射するレーザヘッドからの唯一の光源を用いて微小ワークの形状、位置、姿勢、およびレーザとの相対位置を計測できるようにすることにより、画期的かつ独自性の高い高精度レーザ加工装置を提供することを目的とする。その際、微小ワークの形状が既知の場合は、レーザ出射方向（Ｚ軸方向）のワーク形状の測定を省略して行うことができる。
また、本発明は、加工製品のひとつに医療部品を想定しているため、レーザ加工後の微細形状の仕上げにバリの発生する機械加工を避け電解仕上げ加工することにより、加工量を高能率，高精度でコントロールすることが可能であり、また、仕上げに必要な材料除去量を最小にすることができる高精度レーザ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】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の高精度レーザ加工装置は、レーザ加工装置およびワーク保持具を支持するスピンドル、ならびに、該レーザ加工装置とスピンドルとをＸＹＺ方向に相対移動させる移動ステージを備え、前記レーザ加工装置は、レーザ発振器、加工用レーザ光および計測用レーザ光を出射するレーザ光出射手段としてのレーザヘッドと、ワークで反射された計測用レーザ光の反射光量を測定するための反射光量測定手段と、計測用レーザ光の反射光を用いてワークを撮影可能な撮像素子と、レーザヘッドから出射された加工用レーザ光および計測用レーザ光の光路を形成するための光学系と、加工用レーザ光および計測用レーザ光の光軸方向で、レーザヘッドに対して、ワークよりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射板と、前記移動ステージ、レーザ発振器、反射光量測定手段および撮像素子を制御する制御手段とを備え、計測用レーザ光を用いてワークの初期位置、および、ワーク保持手段によりワークを所定角度回転させたときの回転位置を計測して、制御手段によりワークの３次元位置を把握し、ワークの加工照射点を求めることによりワークの保持誤差を補正するワーク保持誤差補正手段を備えることを特徴としている。
また、本発明の高精度レーザ加工装置は、レーザ加工装置およびワーク保持具を支持するスピンドル、ならびに、該レーザ加工装置とスピンドルとをＸＹＺ方向に相対移動させる移動ステージを備え、前記レーザ加工装置は、レーザ発振器、加工用レーザ光および計測用レーザ光を出射するレーザ光出射手段としてのレーザヘッドと、計測用レーザ光の反射光を用いてワークを撮影可能な撮像素子と、レーザヘッドから出射された加工用レーザ光および計測用レーザ光の光路を形成するための光学系と、加工用レーザ光および計測用レーザ光の光軸方向で、レーザヘッドに対して、ワークよりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射板と、前記移動ステージ、レーザ発振器、反射光量測定手段および撮像素子を制御する制御手段とを備え、計測用レーザ光を用いてワークの初期位置、および、ワーク保持手段によりワークを所定角度回転させたときの回転位置を計測して、制御手段によりワークの３次元位置を把握し、ワークの加工照射点を求めることによりワークの保持誤差を補正するワーク保持誤差補正手段を備えることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明のレーザ・電解複合加工装置は、前記高精度レーザ加工装置において、レーザ加工装置が載置されたステージ上にレーザ加工装置に隣接するようにして電解加工装置を載置することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）加工用レーザおよび計測用レーザを出射する唯一のレーザヘッドからの光源で形状計測を行うため，計測位置と加工位置のずれがない形状計測／加工が可能となる。
（２）ワークの形状、位置、姿勢、およびレーザとの相対位置を計測できるようにすることにより、保持位置が一定しないワークに対して、または、保持誤差のあるワークに対してもレーザを正確な位置に照射することができる。
（３）計測用レーザ，専用光学系を必要としないため、システムの飛躍的な小型化が実現できる。
【００１３】
（４）レーザ加工された微細形状の仕上げ加工を、バリの発生する機械加工を避け電解仕上げ加工することにより、電解電流量を変化させることで仕上げ領域、加工量を高能率、高精度でコントロールすることが可能である。また、仕上げに必要な材料除去量を最小にすることで、管剛性が高く保たれた状態で高い柔軟性、拡張性等の機能を付加できる。
（５）また電解加工ではワークへ電極を取り付け／取り外しする工程がボトルネックとなるケースが多く、特に微小ワークの場合更に顕在化するが、レーザ加工と電解加工を逐次に同一機上、ワンチャックで行うレーザ・電解逐次複合加工装置によれば、電解加工用電源とワーク保持機構を導通させることで、この問題を解決できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置の実施の形態について詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。
【００１５】
〔実施の形態１〕
図１および２は、実施の形態１を説明するものであり、ワーク形状が既知でない場合である。
（高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置の概略構成）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置の概略構成を模式的に示す図である。
図２は、図１の高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置のレーザ加工装置を説明するための説明図である。  
【００１６】
図１において、移動ステージ１上には、レーザ加工装置４および電解加工装置５が載置されており、また、移動ステージ２にはスピンドル６を支持する回転ステージ３が載置されている。
ステージドライバ（図示は省略されている。以下同じ。）により、移動ステージ１はＹ方向（紙面に垂直方向）に、また、移動ステージ２はＸおよびＺ方向に移動され、さらに、回転ステージ３は矢印Ｒで示す方向に回転される。
なお、スピンドル６を載置する移動ステージ２をＸＹＺ方向に移動できるように構成する場合には、移動ステージ１を固定ステージとすることができる。要は、レーザ加工装置４および電解加工装置５とスピンドルとをＸＹＺ方向に相対移動できるように構成しておけばよい。
ワーク保持具１１は、血管拡張用ステント、回路検査用コンタクトプローブ、注射針、医療用検査プローブ等の小径軸の加工対象物であるワーク１５を保持するものであって、スピンドル６に支持されており、スピンドル６の中心軸周りに回転駆動（図１の矢印Ｃ参照。）される。
【００１７】
レーザ加工装置４のレーザヘッド７はレーザ発振器８に接続されており、また、電解加工装置５の電解電極１０およびスピンドル６のワーク保持具１１は電解加工用電源９に接続されている。
制御手段を構成するコントロールＰＣ１２は、ステージドライバ、レーザ発振器８、電解加工用電源９および後記する受光素子１３、９９、撮像素子１４からの情報取得およびそれぞれの制御を行う。
【００１８】
（レーザ加工装置）
レーザ加工装置４について、図２を参照しながら説明する。
このレーザ加工装置４は、ワーク１５の加工を行うための加工用レーザ光および加工用レーザ光の焦点とワーク１５との位置合せ等を行うための計測用レーザ光を出射するレーザ光出射手段としてのレーザヘッド７と、レーザヘッド７からのレーザ出力変動測定手段としての受光素子１３と、ワーク１５で反射された計測用レーザ光の反射光量を測定するための反射光量測定手段としての受光素子９９と、計測用レーザ光の反射光を用いてワーク１５を撮影可能な撮像素子１４と、レーザヘッド７から出射された加工用レーザ光や計測用レーザ光の光路を形成するための光学系１６とを備えている。
また、レーザ加工装置４は、加工用レーザ光および計測用レーザ光の光軸方向で、レーザヘッド７に対して、ワーク１５よりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射板１７とを備えている。
【００１９】
なお、以下では、加工用レーザ光および計測用レーザ光をまとめて表す場合には「レーザ光」と表記する。また、以下では、図１の左右方向（すなわち、ワーク１５に照射されるレーザ光の光軸方向）をＺ方向、紙面垂直方向をＹ方向、上下方向をＸ方向と表記する。
また、本形態では、ワーク１５に照射されるレーザ光の光軸方向を加工表面に対して垂直にしているが、角度をつけ斜めに照射しても実施可能である。
【００２０】
光学系１６は、レンズ１８、ミラー１９、ビームサンプラー２０、ビームスプリッタ９８と、受光素子１３、９９、撮像素子１４、レンズ２１および対物レンズ２２とを備えている。
【００２１】
ビームサンプラー２０は、レーザヘッド７から出射され、レンズ１８、ミラー１９により導かれたレーザ光の大半を対物レンズ２２に向かって透過させるとともに、残りのレーザ光を受光素子１３に向かって反射する。また、ビームサンプラー２０は、ワーク１５や反射板１７で反射された計測用レーザ光の一部をビームサンプラー９８に向かって反射する。対物レンズ２２は、レンズ２１を透過したレーザ光をワーク１５に集光する。ビームサンプラー９８はワーク１５や反射板１７で反射された計測用レーザ光の一部を撮像素子１４へ透過させると共に受光素子９９へ反射する。
【００２２】
レーザヘッド７およびレーザ発振器８は、たとえばファイバーレーザであり、上述のように、加工用レーザ光と計測用レーザ光とを出力する。計測用レーザ光の出力は、加工用レーザ光の出力よりも非常に小さくなっている。たとえば、計測用レーザ光の出力は、加工用レーザ光の出力の２０分の１程度である。また、本形態のレーザヘッド７は、ワーク１５の適切な加工を行うため、出力の安定した加工用レーザ光を出射する。
【００２３】
受光素子１３、９９は、フォトダイオードやフォトトランジスタ等の素子で構成されている。受光素子１３、９９は、その受光量を電気量に変換することで、レーザヘッド7からの出力光量のばらつき及びワーク１５で反射された計測用レーザ光の反射光量を測定する。
【００２４】
撮像素子１４は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージセンサである。この撮像素子１４は、ワーク１５が計測用レーザ光の焦点Ｆの位置にあるときに、ワーク１５の反射光が結像する位置が撮像素子１４の受光面となるように配置されている。
【００２５】
反射板１７は、ワーク１５が、Ｘ方向で計測用レーザ光の焦点Ｆから外れた位置にあるときに、計測用レーザ光を反射する。この反射板１７は、後述のように、ワーク２のＸ、Ｙ方向の端部を検出するために用いられる。本形態の反射板１７は、セラミック部材や金属部材で形成されている。
【００２６】
図１において、コントロールＰＣ１２には、レーザ発振器８と受光素子１３、９９と撮像素子１４と電解加工用電源９と移動ステージ１、２および回転ステージ３を駆動するステージドライバとが接続されている。コントロールＰＣ１２は、上述のように、レーザ加工装置４、電解加工用電源９、ステージドライバの各種の制御を行う。たとえば、コントロールＰＣ１２は、レーザヘッド７に対して、レーザ光の出射指令、または、停止指令を出力する。また、コントロールＰＣ１２は、受光素子９９で測定された反射光量に基づいて、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置を特定し、移動ステージ２を駆動させて焦点Ｆの位置までワーク１５を移動する。また、コントロールＰＣ１２は、上記反射光量の変化に基づいて加工対象物の加工状態を検知する加工状態検知手段を備え、加工状態に応じてレーザ光の停止指令等の制御を行う。また、コントロールＰＣ１２は受光素子１３で測定された光量を用いて計測用レーザ光の出力変動を正規化するための演算を行う。
【００２７】
（計測用レーザ光の焦点のＺ方向位置の検出原理）
図３は、図１に示すワーク１５のＺ方向の位置と、受光素子９９で測定される反射光量との関係を示すグラフである。
【００２８】
レーザヘッド７から出射される計測用レーザ光の出力が一定である場合には、受光素子１３で測定される計測用レーザ光の反射光量と、ワーク１５のＺ方向位置との関係は、図３の実線で示すグラフＧのように略正規分布状になる。すなわち、Ｚ方向で、ワーク１５が計測用レーザ光の焦点Ｆの位置にあるときには、受光素子９９で測定される反射光量は極大値Ｌとなり、ワーク１５が焦点Ｆから対物レンズ２２側または反射板１７側に向かって離れるにしたがって、受光素子９９で測定される反射光量は小さくなる。
【００２９】
したがって、計測用レーザ光の出力が一定である場合には、移動ステージ２でＺ方向にワーク１５を移動させながら、受光素子１３で計測用レーザ光の反射光量を測定して、極大点Ｍを特定し、極大点Ｍに対応するワーク１５のＺ方向位置を測定することで、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置が検出される。
【００３０】
（ワークのＸ、Ｙ方向端部の検出原理）
図４は、図１に示す反射板１７で計測用レーザ光が反射されたときに撮像素子１４で撮影される映像の一例を示す図である。
【００３１】
本形態では、反射板１７で反射された計測用レーザ光を用いて、ワーク１５のＸ、Ｙ方向の端部が検出される。以下、説明の都合上便宜的に直方体状のワーク１５のＸ方向端部１５ｂ（図２も併せて参照。）が検出される場合を例に、本形態のワーク１５のＸ、Ｙ方向端部の検出原理を説明する。
【００３２】
ワーク１５のＸ方向端部１５ｂの検出前に、まず、上述の方法で計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置が検出され、ワーク１５と焦点Ｆとの位置合せが行われる。すなわち、図２に示すように、Ｚ方向で、ワーク１５の面と焦点Ｆとの位置合せが行われる。この状態で、撮像素子１４によって撮影された映像上に、焦点Ｆに対応する焦点対応点Ｆ１が設定される（図４参照）。その後、移動ステージ１によってワーク１５がＹ方向へ移動され、Ｙ方向で焦点Ｆから外れた位置に配置される。
【００３３】
ワーク１５がＹ方向で焦点Ｆから外れると、撮像素子１４によってたとえば、図４に示す映像が撮影される。すなわち、反射板１７で乱反射された計測用レーザ光の一部がワーク１５によって遮られるため、撮像素子１４によって撮影された映像上の、ワーク１５に対応するワーク対応エリア１５ｃが暗くなり、その他のエリアは明るくなる。また、Ｚ方向で、ワーク１５の面と焦点Ｆとの位置合せが行われているため、ワーク１５のＹ方向端部に対応する端部対応線１５ｄは、撮像素子１４によって撮影された映像上で明確に特定される。すなわち、ワーク１５のＹ方向端部１５ｄが検出される。
【００３４】
端部対応線１５ｄが明確に特定されると、端部対応線１５ｄと焦点対応点Ｆ１とのＹ方向の距離Ｙ１が算出される。すなわち、Ｙ方向端部１５ｄと焦点Ｆとの距離が算出される。また、Ｙ方向端部１５ｄとワーク１５の加工部位と距離は予め、設計上でわかっているため、焦点Ｆとワーク１５の加工部位までのＹ方向の距離が算出される。同様に、ワーク１５のＸ方向の端部も検出され、焦点Ｆとワーク１５の加工部位までのＺ方向の距離が算出される。また、焦点Ｆとワーク１５の加工部位までの距離の算出は、コントロールＰＣ１２で行われている。
【００３５】
（ワークの厚み計測）
図５は、図１に示す高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置でのワーク１５の厚み計測の手順を示すフローチャートである。以上のように構成された高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置では、以下のように、ワーク１５の厚み計測を行う。
【００３６】
まず、移動ステージ１および２によって、レーザ装置４とワーク１５とをＸ、Ｙ方向へ相対移動させて、レーザヘッド７から出射されるレーザ光が照射される位置にワーク１５を配置する（ステップＳ１）。その後、レーザヘッド７から計測用レーザ光を出射し（ステップＳ２）、受光素子９９で反射光量を測定する（ステップＳ３）。
【００３７】
その後、ワーク２をＸ方向の所定範囲に配置して、各配置位置で反射光量を測定したか否かを判断する（ステップＳ４）。具体的には、ステップＳ４では、Ｚ方向で計測用レーザ光の焦点Ｆの位置を含む所定範囲にワーク１５を配置して、各配置位置で反射光量を測定したか否かを判断する。所定範囲で測定が行われていない場合には、ステップＳ３へ戻る。
【００３８】
一方、所定範囲で反射光量を測定している場合には、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置を検出する（ステップＳ６）。
このときの計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置がそのＸ、Ｙ方向におけるワーク１５の厚みを表している。
【００３９】
その後、移動ステージ１および２によって、ワーク１５をＸ、Ｙ方向へ移動させ、各Ｘ、Ｙ方向におけるワーク１５の厚みを計測する（ステップ７）。Ｘ、Ｙ方向のある領域についてワーク１５の高さを検出したら、加工が必要と判断された位置にフラグを立て、加工位置を特定する（ステップＳ８）。ワーク１５の加工位置の特定後には、特定された加工位置にレーザヘッド７から加工用レーザ光を出射してワーク１５のレーザ加工を行う。また、加工用レーザ光に計測用レーザ光を混入し、規定の反射・散乱光量まで操作を繰り返してもよい。
【００４０】
なお、本実施の形態１では、ステップＳ２は、レーザヘッド７から計測用レーザ光を出射する計測用レーザ光出射ステップであり、ステップＳ３は、ワーク１５で反射された計測用レーザ光の特性の１つである反射光量を測定する反射光特性測定ステップであり、ステップＳ６は、計測用レーザ光の焦点Ｆの位置を検出する焦点検出ステップである。
【００４１】
上記したワーク厚みの計測には、ワーク１５のＸＹＺ位置計測工程が含まれているが、加工対象であるワークの加工に厳密な精度が要求されない場合、例えば、事前にワークの形状・構造が既知で、あらかじめ設定した加工位置および加工量を加工すればよいような場合には、ＸＹＺ位置計測工程（上記のＳ３〜Ｓ６）を省略して以下の要領でワークの焦点位置を決定することができる。
（１）図５におけるＳ２の後、ワークの形状・寸法から算出して加工が可能な位置にワークを設置する。
（２）加工の進行に伴う加工深さ変化に起因する照射レーザスポット変化が残留加工厚の測定に致命的な影響を及ぼさない光学系（焦点距離の長い集光レンズ等を配置）を用いる。
（３）ワークの形状・寸法から事前にワークの加工位置および加工量を決定し、加工の進行に伴い残留加工厚の測定に致命的な影響を与えない範囲で適宜Ｘ方向にワークを移動させる。
【００４２】
（ワークの軸中心計測）
本形態における加工対象物である小径の軸形状のワークの軸中心を計測するには、移動ステージ１および２によって、ワーク１５をＸ、Ｙ方向へ移動させて、レーザヘッド７から計測用レーザ光を出射し、反射板１７で反射された計測用レーザ光を撮像素子１４で撮影し、反射光が検出される部分とワーク１５により遮られた部分の境界のピントが合った高さをワークの軸中心高さとする。
【００４３】
（ワーク保持誤差の補正）
図６に示すように、ワーク保持具１１に対してワーク１５が正確に保持されていない場合、レーザを本来の加工位置に照射しても正しい加工ができない。そのため、ワーク保持誤差を把握し、レーザ照射位置を移動させる必要がある。
本形態は、以下に説明するように、計測用レーザ光を用いてワーク１５の初期位置、および、ワーク保持具１１によりワーク１５を所定角度回転させたときの回転位置を計測して、コントロールＰＣによりワークの３次元位置を把握し、ワーク１５の加工照射点を求めることにより、ワークの保持誤差を補正する手段を備えるものである。
【００４４】
例として、図７に示すように、ワーク１５であるところの微小管がその回転中心、すなわち、スピンドル６の回転中心ｓから偏心しているとする。
なお、測定においては、微小管の管径を考慮して、微小管の径方向のエッジの位置から微小管の中心座標を算出する。以下、微小管の中心座標のみを示す。
座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚは本発明の高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置の持つ座標軸であり、微小管の回転中心ｓの座標軸Ｘ、Ｙ、ＺにおけるＹおよびＺ方向の位置ｙｃおよびｚｃは未知である。
【００４５】
〈測定１〉
図８に示すように、微小管の初期位置において、Ｙ方向の位置ｙ０とＹ方向の傾きＶｙを計測用レーザ光を用いて測定する。
微小管のｘ点におけるＹ方向位置ｙは、
ｙ＝Ｖｙｘ＋ｙ０                                      （１）
となる。
【００４６】
〈測定２〉
図９に示すように、微小管を初期位置から時計回りに９０゜回転させ、その回転位置において、Ｚ方向の位置ｚ０とＺ方向の傾きＶｚを計測用レーザ光を用いて測定する。
微小管のｘ点におけるＺ方向位置ｚは、
ｚ＝Ｖｚｘ＋ｚ０                                      （２）
【００４７】
〈測定３〉
図１０に示すように、微小管を初期位置から時計回りに１８０゜回転させ、その回転位置において、Ｙ方向の位置ｙ-０とＺ方向のＹ方向の傾きＶ-ｙを計測用レーザ光を用いて測定する。
微小管のｘ点におけるＹ方向位置ｙ-は、
ｙ-＝Ｖ-ｙｘ＋ｙ-０                                  （３）
となり、
Ｖ-ｙ＝-Ｖｙ 
ｙ０＋ｙ-０＝ｙ＋ｙ-＝２ｙｃ
の関係がある。
【００４８】
式（１）（３）より微小管の回転中心のｙ位置ｙｃを算出すると、
ｙｃ＝（ｙ０＋ｙ-０）／２＝（ｙｐ＋ｙ-ｐ）／２            （４）
【００４９】
次に、図１１に基づいて、微小管の加工照射点の求め方を説明する。
加工点Ｘ＝ｘｐにおけるＹ、Ｚ座標値は式（１）（２）より
ｙｐ＝Ｖｙｘｐ＋ｙ０
ｚｐ＝Ｖｚｘｐ＋ｚ０
【００５０】
微小管の回転中心からの偏差は式（４）の結果を用いて、
ｙ’＝（ｙｐ-ｙｃ）
ｚ’＝（ｚｐ-ｙｃ）
である。
したがって、微小管を回転角θだけ回転させたときの加工点におけるＹ、Ｚ座標値は、
Ｙ＝ｙ’ｃｏｓθ＋ｚ’ｓｉｎθ＋ｙｃ
Ｚ＝-ｙ’ｓｉｎθ＋ｚ’ｃｏｓθ＋ｚｃ
ただし、上式よりわかるように、加工用レーザの焦点のＺ軸方向位置を厳密に加工点に合わせるにはｚｃを別途測定する必要がある。
【００５１】
上記のように、ワーク保持誤差の補正することができるので、ワーク保持機構は保持精度が比較的悪いが素早く簡単にワークを保持することが可能な機構，例えば平行板でワークを挟む様な機構を適用することが可能である。さらに同機構を用いれば，ワーク径が変化しても保持具を変えずに保持することが可能である。
【００５２】
（電解加工装置）
レーザ加工後のワーク表面には再凝固物，熱影響層が存在し，製品としては不完全である。これを仕上げるには、機械研磨、化学研磨等があるが、直径が０．５〜数ｍｍの微小管を機械加工することは加工物の剛性の関係で適しておらず、また、化学研磨の場合、溶液温度の制御が難しく、加工時間が長い等の問題がある。
本形態では、図１に示すように、レーザ加工装置４が載置された移動ステージ１上にレーザ加工装置４に隣接するようにして電解加工装置５が載置されており、ワーク保持具１１に保持されたワーク１５を電解加工槽２５および電解電極１０近傍まで自由に移動できる構成となっている。
なお、スピンドル６を載置する移動ステージ２をＸＹＺ方向に移動できるように構成する場合には、移動ステージ１を固定ステージとすることができ、要は、レーザ加工装置４および電解加工装置５とスピンドルとをＸＹＺ方向に相対移動
できるように構成されていればよい。
【００５３】
ワーク１５をレーザ加工装置４でレーザ加工後、ワーク１５をワーク保持具１１に保持したまま、電解加工槽２５へ移動させる。スピンドル６のワーク保持具１１および電解電極１０を電解加工用電源９に導通させると、レーザ加工時の保持状態のまま電解仕上げ加工が可能となる。その際、レーザ加工時における計測結果とあらかじめ測定されたスピンドル６、電解電極１０の相対位置からワーク１５、電解電極１０の相対距離を求め、電解加工に適したワーク位置をステージコントロールにより行い、電解加工を行うことができる。
【００５４】
レーザ加工後に電解仕上げ加工を行うレーザ・電解複合加工によれば、直径０．１ｍｍ以下の微小管の加工が可能であり、機械加工＋機械研磨、あるいは、機械加工＋化学研磨に比べ仕上げ加工量を減少できるので加工能率が約１０倍となり、バリレスであり、残留応力を低減でき、残留砥粒を無しとすることができる。
【００５５】
ワークを加工する工程を説明すると以下のようになる。
（１）設計形状をコントロールPC１２へ入力する。
（２）ワーク１５をワーク保持具１１に設置する。
（３）集光光学系１６、反射板１７間にワーク１５を移動する。
（４）ワーク保持誤差をレーザ計測する。
（５）計測結果からワーク保持誤差の補正を行いつつ設計形状の加工を行うためのステージコントロール、加工用レーザのOnOffを行いながら、ワーク１５のレーザ加工を行う。
（６）ワーク１５を電解加工漕２５へ移動させる。ワーク保持具１１、電解電極，に電解加工電源を導通させる。
（７）電解仕上げ加工を行う。
【００５６】
〔実施の形態２〕
図１２および１３は、実施の形態２を説明するものであり、ワーク形状が既知の場合である。
本実施の形態２においては、撮像素子１４の画像情報に基づいて、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置を特定する方式を採用しているため、上記した実施の形態１とは光学系１６の構成が相違するものであり、実施の形態１における上記した（計測用レーザ光の焦点のＺ方向位置の検出原理）、（ワークの厚み計測）の作業を省略できる点に特徴がある。
なお、本実施の形態２において、実施の形態１において説明した（ワーク保持誤差の補正）（電解加工装置）は同じであるので、説明は省略する。
【００５７】
図１２および１３において、光学系１６は、凸レンズ２３、ミラー１９、ビームサンプラー２０と、撮像素子１４、凸レンズ２４および対物レンズ２２とを備えている。
【００５８】
ビームサンプラー２０は、レーザヘッド７から出射され、レンズ１８、ミラー１９により導かれたレーザ光の大半を対物レンズ２２に向かって透過させる。また、ビームサンプラー２０は、ワーク１５や反射板１７で反射された計測用レーザ光の一部を撮像素子１４に向かって反射する。対物レンズ２２は、凸レンズ２4を透過したレーザ光をワーク１５に集光する。
【００５９】
レーザヘッド７は、たとえばファイバーレーザであり、上述のように、加工用レーザ光と計測用レーザ光とを出力する。計測用レーザ光の出力は、加工用レーザ光の出力よりも非常に小さくなっている。たとえば、計測用レーザ光の出力は、加工用レーザ光の出力の２０分の１程度である。また、本形態のレーザヘッド７は、ワーク１５の適切な加工を行うため、出力の安定した加工用レーザ光を出射する。
【００６０】
撮像素子１４は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージセンサである。この撮像素子１４は、ワーク１５が計測用レーザ光の焦点Ｆの位置にあるときに、ワーク１５の反射光が結像する位置が撮像素子１４の受光面となるように配置されている。
【００６１】
反射板１７は、ワーク１５が、Ｘ方向で計測用レーザ光の焦点Ｆから外れた位置にあるときに、計測用レーザ光を反射する。この反射板１７は、後述のように、ワーク２のＸ、Ｙ方向の端部を検出するために用いられる。本形態の反射板１７は、セラミック部材や金属部材で形成されている。
【００６２】
図１２において、コントロールＰＣ１２には、レーザ発振器８と撮像素子１４と電解加工用電源９と移動ステージ１、２および回転ステージ３を駆動するステージドライバとが接続されている。コントロールＰＣ１２は、上述のように、レーザ加工装置４、電解加工用電源９、ステージドライバの各種の制御を行う。たとえば、コントロールＰＣ１２は、レーザヘッド７に対して、レーザ光の出射指令、または、停止指令を出力する。また、コントロールＰＣ１２は、撮像素子１４の情報に基づいて、計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置を特定し、移動ステージ２を駆動させて焦点Ｆの位置までワーク１５を移動する。また、コントロールＰＣ１２は、上記反射光量の変化に基づいて加工対象物の加工状態を検知する加工状態検知手段を備え、加工状態に応じてレーザ光の停止指令等の制御を行う。
【００６３】
（ワークのＸ、Ｙ方向端部の検出原理）
図４は、図１２に示す反射板１７で計測用レーザ光が反射されたときに撮像素子１４で撮影される映像の一例を示す図である。
【００６４】
本形態では、反射板１７で反射された計測用レーザ光を用いて、ワーク１５のＸ、Ｙ方向の端部が検出される。以下、説明の都合上便宜的に直方体状のワーク１５のＸ方向端部１５ｂ（図１３も併せて参照。）が検出される場合を例に、本形態のワーク１５のＸ、Ｙ方向端部の検出原理を説明する。
【００６５】
ワーク１５のＸ方向端部１５ｂの検出前に、まず、上述の方法で計測用レーザ光の焦点ＦのＺ方向位置が検出され、ワーク１５と焦点Ｆとの位置合せが行われる。すなわち、図１３に示すように、Ｚ方向で、ワーク１５の面と焦点Ｆとの位置合せが行われる。この状態で、撮像素子１４によって撮影された映像上に、焦点Ｆに対応する焦点対応点Ｆ１が設定される（図４参照）。その後、移動ステージ１によってワーク１５がＹ方向へ移動され、Ｙ方向で焦点Ｆから外れた位置に配置される。
【００６６】
ワーク１５がＹ方向で焦点Ｆから外れると、撮像素子１４によってたとえば、図４に示す映像が撮影される。すなわち、反射板１７で乱反射された計測用レーザ光の一部がワーク１５によって遮られるため、撮像素子１４によって撮影された映像上の、ワーク１５に対応するワーク対応エリア１５ｃが暗くなり、その他のエリアは明るくなる。また、Ｚ方向で、ワーク１５の面と焦点Ｆとの位置合せが行われているため、ワーク１５のＹ方向端部に対応する端部対応線１５ｄは、撮像素子１４によって撮影された映像上で明確に特定される。すなわち、ワーク１５のＹ方向端部１５ｄが検出される。
【００６７】
端部対応線１５ｄが明確に特定されると、端部対応線１５ｄと焦点対応点Ｆ１とのＹ方向の距離Ｙ１が算出される。すなわち、Ｙ方向端部１５ｄと焦点Ｆとの距離が算出される。また、Ｙ方向端部１５ｄとワーク１５の加工部位と距離は予め、設計上でわかっているため、焦点Ｆとワーク１５の加工部位までのＹ方向の距離が算出される。同様に、ワーク１５のＸ方向の端部も検出され、焦点Ｆとワーク１５の加工部位までのＺ方向の距離が算出される。また、焦点Ｆとワーク１５の加工部位までの距離の算出は、コントロールＰＣ１２で行われている。
【００６８】
（ワークのＺ位置計測）
本形態における加工対象物である小径の軸形状のワークの軸中心を計測するには、移動ステージ１および２によって、ワーク１５をＸ、Ｙ方向へ移動させて、レーザヘッド７から計測用レーザ光を出射し、反射板１７で反射された計測用レーザ光を撮像素子１４で撮影し、反射光が検出される部分とワーク１５により遮られた部分の境界のピントが合った高さをワークの軸中心高さとする。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置の概略構成を模式的に示す図である。
【図２】図１に示す高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置におけるレーザ加工装置を説明するための説明図である。
【図３】図１に示すワークのＺ方向の位置と、受光素子で測定される反射光量との関係を示すグラフである。
【図４】図１に示す反射板で計測用レーザ光が反射されたときに撮像素子で撮影される映像の一例を示す図である。
【図５】図１に示す高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置でのワークの厚み計測の手順を示すフローチャートである。
【図６】ワークの保持誤差を説明するための説明図である。
【図７】ワークの保持誤差を補正する手段を説明するための説明図である。
【図８】ワークが初期位置にある状態を示す説明図である。
【図９】ワークが９０゜回転位置にある状態を示す説明図である。
【図１０】ワークが１８０゜回転位置にある状態を示す説明図である。
【図１１】加工照射点を求める方法を説明するための説明図である。
【図１２】本発明の実施の形態２にかかる高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置の概略構成を模式的に示す図である。
【図１３】図１２に示す高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置におけるレーザ加工装置を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００７０】
１  移動ステージ
２  移動ステージ
３  回転ステージ
４  レーザ加工装置
５  電解加工装置
６  スピンドル
７  レーザヘッド
８  レーザ発振器
９  電解加工用電源
１０  電解電極
１１  ワーク保持具
１２  コントロールＰＣ（制御手段）
１３  受光素子
１４  撮像素子
１５  ワーク
１６  光学系
１７  反射板
１８  レンズ
１９  ミラー
２０  ビームサンプラー
２１  レンズ
２２  対物レンズ
２３    凸レンズ
２４    凸レンズ
９８    ビームサンプラー
９９    受光素子
【図１】
0005177643.tif 000002
【図２】
0005177643.tif 000003
【図３】
0005177643.tif 000004
【図４】
0005177643.tif 000005
【図５】
0005177643.tif 000006
【図６】
0005177643.tif 000007
【図７】
0005177643.tif 000008
【図８】
0005177643.tif 000009
【図９】
0005177643.tif 000010
【図１０】
0005177643.tif 000011
【図１１】
0005177643.tif 000012
【図１２】
0005177643.tif 000013
【図１３】
0005177643.tif 000014