(57)【要約】【課題】本発明は、ガラス及び合成樹脂等の透明材料を精度良く、高速且つ表面にマイクロクラックを発生させることなく加工する方法及び加工装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の透明材料の加工方法は、工具と透明材料とを相対運動させながら透明材料を加工する方法において、透明材料の一側に工具を他側にレーザ照射光学系を対向して配置し、レーザ照射光学系から照射されるレーザ光を工具の反対側から工具と透明材料との接触部分及びその近傍のみに照射することにより、加熱により軟化、溶融した透明材料の加工を行うことを特徴としている。  また、本発明の透明材料の加工装置は、工具と透明材料とを相対運動させながら透明材料を加工する装置において、透明材料の一側に工具を他側にレーザ源及びレーザ照射光学系を対向して設置し、レーザ源から出射されたレーザ光をレーザ照射光学系をとおして工具の反対側から工具と透明材料との接触部分及びその近傍のみに照射するようにしたことを特徴としている。【選択図】    図１
2007301672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具と透明材料とを相対運動させながら透明材料を加工する方法において、透明材料の一側に工具を他側にレーザ照射光学系を対向して配置し、レーザ照射光学系から照射されるレーザ光を工具の反対側から工具と透明材料との接触部分及びその近傍のみに照射することにより、加熱により軟化、溶融した透明材料の加工を行うことを特徴とする透明材料の加工方法。
【請求項２】
工具と透明材料とを相対運動させながら透明材料を加工する装置において、透明材料の一側に工具を他側にレーザ源及びレーザ照射光学系を対向して設置し、レーザ源から出射されたレーザ光をレーザ照射光学系をとおして工具の反対側から工具と透明材料との接触部分及びその近傍のみに照射するようにしたことを特徴とする透明材料の加工装置。
【請求項３】
工具が切削工具であることを特徴とする請求項２記載の透明材料の加工装置。
【請求項４】
工具がエンボス加工用の金型であることを特徴とする請求項２記載の透明材料の加工装置。
【請求項５】
工具及び照射光学系を一体的に移動させる手段を備えることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の透明材料の加工装置。
【請求項６】
工具と照射光学系との間に透明材料を載置する機構を設け、透明材料を移動自在にすることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の透明材料の加工装置。
【請求項７】
レーザ光を照射可能な空孔又は窓を有する治具により透明材料を保持することを特徴とする請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載の透明材料の加工装置。
【請求項８】
工具に加工補助流体を供給可能な加工補助流体供給手段を備えることを特徴とする請求項２乃至請求項７のいずれか１項に記載の透明材料の加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透明材料の加工方法及び加工装置に関し、特に、ガラス、樹脂、液晶パネル等の切削加工及びエンボス加工、又は生物又は医療検査用の部品、その他透明な機械用部品の加工に関するものである。
なお、本発明において、被加工物である透明材料及び透明材料からなる部品等を総称して単に「透明材料」ということがある。
【背景技術】
【０００２】
切削加工が困難な材料の１つであるセラミック材の切削工具による切削方法及び切削装置として、セラミック材の所定部位にレーザ光を切削工具と同じ側から照射して、その加工対象部位を所定の加熱温度まで局所的に加熱するレーザ光照射手段を備え、レーザ光の照射によって加熱された状態にある加工対象部位に対して切削加工を行う発明が知られている（特許文献１参照。以下「従来技術１」という。）。
また、焼き入れ可能な鋼からなる工作物の切削工具による精密旋削加工において、切削直後の鋼材をレーザにより加熱することで材料を適切な状態で焼き入れする加工方法が知られている（特許文献２参照。以下「従来技術２」という。）。
【０００３】
上記の従来技術１では、レーザ光による照射は切削工具側から行われ背面からの照射は被加工物がセラミック材であることから不可能である。そのため、切削工具及びその支持手段がレーザ光の照射の障害になり、切削工具及び被加工物の接触部分及びその近傍のみにレーザ光を照射することができず、特許文献１の図２に示すようにレーザ光による加熱部分が大きくならざるを得ない。被加工物の加熱部分が大きくなると、被加工物が熱変形し、加工精度が低下するとともに、昇温、急冷などにより被加工物に亀裂、残留応力が発生し、製品品質を劣化させるという問題がある。また、レーザ光の集光位置と切削部位置とは同一ではないため加熱と加熱部切削とは同時期でないという問題もある。これらの問題点を回避するため、工具を加熱し、工具から被加工物への熱伝導で被加工物の加熱部位を最小とする加工も行われているが、工具昇温による工具変形、工具からの熱伝導による工作機械の熱変形が問題となる。
【０００４】
また、上記従来技術２では、被加工物の加熱は熱処理のためで切削加工を補助するものではなく、加熱は被加工物のみであり、背面からの照射は不可能で、加工部と加熱部は非常に接近しているが同じ位置ではない。
【特許文献１】特開２００５−８２４１４号公報
【特許文献２】特開平１０−１１３８３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
透明材料の１つであるガラスは、化学作用を利用して加工されることが多いが、化学作用による加工では加工速度が遅いという問題がある。
また、切削加工のみを用いると加工表面にマイクロクラックが発生するため、加工後の製品をそのまま用いた場合、加工部位が不透明になること及び強度的に弱いことなどの問題がある。
一方、クラックの発生しない切削（延性モード切削：サブミクロンの極めて微小な切り込み条件のもとで延性型の切りくずを形成し得る切削。）も可能であるが、切り込み量のコントロールが困難である。これを解決するためには超高精度の工作機械、高価な工具が必要になる。
【０００６】
さらに上記の従来技術１等のように、従来のレーザ光照射によりセラミック材の加工部位を加熱するものでは、レーザ光の照射は切削工具側から行われるため、切削工具及びその支持手段がレーザ光照射の障害になり、切削工具及び被加工物の接触部分及びその近傍のみにレーザ光を照射することができず、加工精度がよくないという問題があった。
【０００７】
本発明は、ガラス及び合成樹脂等の透明材料を精度良く、高速且つ表面にマイクロクラックを発生させることなく加工する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】
【０００８】
上記目的を達成するため本発明の透明材料の加工方法は、工具と透明材料とを相対運動させながら透明材料を加工する方法において、透明材料の一側に工具を他側にレーザ照射光学系を対向して配置し、レーザ照射光学系から照射されるレーザ光を工具の反対側から工具と透明材料との接触部分及びその近傍のみに照射することにより、加熱により軟化、溶融した透明材料の加工を行うことを特徴としている。
本発明において「近傍」とは、透明材料と工具が接触している部分にレーザを照射したとき、そのレーザが影響を及ぼす領域を指す。この領域は照射点におけるレーザのスポットサイズに依存し、レーザのスポットが円形の場合、照射点から直径０．１μｍ〜５０ｍｍの範囲である。
【０００９】
また、本発明の透明材料の加工装置は、工具と透明材料とを相対運動させながら透明材料を加工する装置において、透明材料の一側に工具を他側にレーザ源及びレーザ照射光学系を対向して設置し、レーザ源から出射されたレーザ光をレーザ照射光学系をとおして工具の反対側から工具と透明材料との接触部分及びその近傍のみに照射するようにしたことを特徴としている。
また、本発明の透明材料の加工装置は、工具が切削工具であることを特徴としている。
また、本発明の透明材料の加工装置は、工具がエンボス加工用の金型であることを特徴としている。
また、本発明の透明材料の加工装置は、工具及び照射光学系を一体的に移動させる手段を備えることを特徴としている。
また、本発明の透明材料の加工装置は、工具と照射光学系との間に透明材料を載置する機構を設け、透明材料を移動自在にすることを特徴としている。
また、本発明の透明材料の加工装置は、レーザ光を照射可能な空孔又は窓を有する治具により透明材料を保持することを特徴としている。
また、本発明の透明材料の加工装置は、工具に加工補助流体を供給可能な加工補助流体供給手段を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）工具と透明材料とを相対運動させながら透明材料を加工する方法において、透明材料の一側に工具を他側にレーザ照射光学系を対向して配置し、レーザ照射光学系から照射されるレーザ光を工具の反対側から工具と透明材料との接触部分及びその近傍のみに照射するようにしたことにより、工具と透明材料との接触部分及びその近傍に向かって透明材料の背後から加熱することができ、透明材料の加工部位を工具に邪魔されることなく効率良く加熱でき、ひいては、工具及び透明材料の昇温部位を最小にすることができる。また、加熱部と加工部位置を厳密に同一にすることができるとともに、加熱と加工を同時にすることもできる。したがって、ガラス及び合成樹脂等の透明材料を精度良く、高速且つ表面にマイクロクラックを発生させることなく加工することができる。
（２）工具と透明材料とを相対運動させながら透明材料を加工する装置において、透明材料の一側に工具を他側にレーザ源及びレーザ照射光学系を対向して設置し、レーザ源から出射されたレーザ光をレーザ照射光学系をとおして工具の反対側から工具と透明材料との接触部分及びその近傍のみに照射するようにしたことにより、工具と透明材料との接触部分及びその近傍に向かって透明材料の背後から加熱することができ、透明材料の加工部位を工具に邪魔されることなく効率良く加熱でき、ひいては、工具及び透明材料の昇温部位を最小にすることができる。
また、加熱部と加工部位置を厳密に同一にすることができるとともに、加熱と加工を同時にすることもできる。したがって、ガラス及び合成樹脂等の透明材料を精度良く、高速且つ表面にマイクロクラックを発生させることなく加工することができる。
（３）工具及び照射光学系を一体的に移動させる手段を備えることにより、レーザ光を絶えず、かつ、正確に工具と透明材料との接触部分及びその近傍のみに集光させることができる。
また、工具と照射光学系との間に透明材料を載置する機構を設け、透明材料を移動自在にすることにより、上記と同様、レーザ光を絶えず、かつ、正確に工具と透明材料との接触部分及びその近傍のみに集光させることができる。
（４）透明材料にレーザ光を照射可能な空孔又は窓を有する治具により透明材料を保持することにより、レーザ光を絶えず、かつ、容易に工具と透明材料との接触部分及びその近傍のみに集光させることができる
（５）工具に加工補助流体を供給可能な加工補助流体供給手段を備えることにより、切削された切りくずが工具及び透明材料に再付着することを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る透明材料の加工方法及び加工装置の最良の形態を図面を参照して以下に説明する。  
【００１２】
図１は、本発明に係る透明材料の加工装置の第一の実施形態を概略的に示す正面図である。
本加工装置は、透明材料の加工対象部位に対して工具であるエンドミルを用いて溝削り等の加工を行うものであり、装置本体１０と、レーザ光源２０とを備え、装置本体１０とレーザ光源２０との間に加工対象である透明材料３０が位置するように配置されている。
【００１３】
装置本体１０は、透明材料３０の上側に位置して配置されており、エンドミル１１を回転支持するスピンドル１２、エンドミル１１を回転駆動する駆動源１３及び支持フレーム１４等よりなっている。
【００１４】
レーザ光源２０は透明材料３０の下側にエンドミル１１と対向して配置されており、レーザ光源２０からのレーザ光２２は、光ファイバ、ミラー、レンズ等から成るレーザ照射光学系２１によりエンドミル１１の反対側からエンドミル刃先に向かって照射され、透明材料３０に吸収されることなく透過して、エンドミル刃先と透明材料との接触部分及びその近傍のみにおいて集光されるようになっている。
このように、加工対象である透明材料３０を挟んで工具であるエンドミル１１とレーザ照射光学系２１とを対向して設置し、レーザ源から出射されたレーザ光をレーザ照射光学系をとおして工具の反対側から工具と透明材料との接触部分及びその近傍のみに照射するものであるから、工具であるエンドミル１１に邪魔されることなくレーザ光２２を容易、かつ、正確に加工部位に集光させることができる。このため、工具及び透明材料の昇温部位を最小にすることができ、また、加熱部と加工部位置を厳密に同一にすることができ、加熱と加工を同時にすることができる。したがって、ガラス及び合成樹脂等の透明材料を精度良く、高速且つ表面にマイクロクラックを発生させることなく加工することができる。
なお、レーザ照射光学系２１は、支持フレーム２３により支持されている。
【００１５】
加工対象である透明材料３０は、例えば平板状をしており、上側からエンドミル１１により溝削り等の加工が行われるものであって、レーザ光２２を照射可能な空孔又は窓３２を有する治具３１により保持されている。
【００１６】
治具３１上側の透明材料３０を保持する側には、透明材料３０を囲うように加工補助液体を収容する液槽３３が形成されている。液漕３３は、上側が開口し、少なくとも底面部材がレーザ光２２０を透過する材料で形成されており、内部に透明あるいは半透明の液体でガラスあるいは樹脂を溶融する作用のある水酸化カリウム、弗酸等からなる加工補助液を収容している。加工補助液は、切削された切りくずが被加工物である透明材料に再付着するのを防止する役割を果たすものである。液槽３３に加工補助液を供給した状態では、透明材料３０は完全に加工補助液に埋没し、エンドミル１１による透明材料３０の加工部位は加工補助液中に位置するようになっている。
なお、エンドミル１１による透明材料３０の加工部位に加工補助液の供給手段としては、液槽を設けることに代えて、ノズルから加工補助液を加工部位に噴射するようにしてもよい。また、加工補助液に代えて加工補助液と同様の作用をする加工補助気体を用いてもよい。
さらに、透明材料３０の加工を不活性雰囲気又は真空雰囲気で行えるようにするため、加工部位をチャンバで覆うようにしてもよい。
【００１７】
スピンドル１２及び駆動源１３を支持する支持フレーム１４と、レーザ照射光学系２１を支持する支持フレーム２２とは、図示しない移動手段により一体的にＸＹＺ方向に移動されるようになっている。このため、エンドミル１１の刃先に集光されたレーザ光２２を絶えず透明材料３０の加工部位に正確に照射することができる。
【００１８】
図１に示す第一の実施形態において透明材料を加工する手順を説明する。
まず、ステージ３４上に透明材料３０を保持した治具３１を固定する。
次に、液槽３３に加工補助液を供給し透明材料３０を加工補助液に浸漬した状態とする。
次に、装置本体１０の駆動源１３を作動させエンドミル１１を回転駆動させながらエンドミル１１の刃先が透明材料３０の加工部位に位置するように装置本体１０の制御装置で制御する。
その後、レーザ光源２０からレーザ光２２を出射するとともに、レーザ照射光学系２１を制御してレーザ光２２をエンドミル１１の刃先と透明材料３０の接触部分及びその近傍のみに集光させる。
レーザ光２２がエンドミル１１の刃先と透明材料３０の接触部分及びその近傍のみにに集光した状態で、エンドミル１１により透明材料３０の加工を開始する。
工具スピンドル１２に支持されたエンドミル１１を加工すべき位置に移動させながら加工を進めるが、その際、レーザ光２２がエンドミル１１の刃先と透明材料との接触部分及びその近傍のみに集光した状態を維持する必要がある。そのため、工具スピンドル１２を支持するフレーム１４及びレーザ照射光学系２１を支持するフレーム２２を駆動・制御して、工具スピンドル１２及びレーザ照射光学系２１を一体的に移動させるものである。
【００１９】
図２は、本発明に係る透明材料の加工装置の第二の実施形態の要部を概略的に示す正面図である。
図２では、工具としてエンボス加工用の金型１５を用い、また、レーザ光源２０を金型１５の位置と同じ側に配置し、透明材料３０の下側に配置されたレーザ照射光学系２１にポリゴンミラー２４を備えたものである。レーザ光源２０から出射されたレーザ光２２はポリゴンミラー２４に向けて照射され、該ポリゴンミラー２４でレーザ光２２を反射し、レーザ照射光学系２１のレンズを通って透明材料３０の下側から金型１５の刃先と透明材料との接触部分及びその近傍のみに集光させるようになっている。金型１５と透明材料３０とは加工の進行に伴い相対運動するが、この相対運動に合わせてレーザ光２２をポリゴンミラー２４で線状に走査させ、金型１５と透明材料３０との接触している部分及びその近傍のみを加熱し、透明材料３０を溶融、軟化させ、金型１５の押圧力で金型１５の形状を転写することができる。
また、上記のようにレーザ光源２０を金型１５の位置と同じ側に配置することにより、レーザ光源２０の配置に柔軟性を持たせることが可能になる。
【００２０】
また、フライス１５を支持する支持フレーム及びレーザ照射光学系２１を支持するフレームを固定し、治具３１を介して透明材料３０を載置するステージ３４をＸＹＺ方向に移動自在に構成している。このため、金型１５と透明材料との接触部分及びその近傍のみに集光されたレーザ光２２を絶えず透明材料３０の加工部位に正確に照射することができる。
さらに、透明材料３０の加工部位に加工補助液を供給する手段としてノズル３５を設けている。
【実施例１】
【００２１】
φ０．５ｍｍの超硬製エンドミル，波長６００ｎｍのレーザを用いレーザ光の焦点が工具刃先と被加工物であるガラスの接触部分及びその近傍に照射されるよう設定する。
工具回転数４０００ｒｐｍでガラスの穴加工を行った。レーザ光を照射しない場合の穴加工では底面が不透明であったのに対しレーザ出力２２．５Ｗで工具を加熱しながら切削したところ底面が透明な穴の加工ができた。
図３は、レーザを照射しない場合、レーザ出力２０Ｗの場合、レーザ出力２２．５Ｗの場合及びレーザ出力２５Ｗの場合の穴加工の結果を示した平面図である。
レーザ出力２２．５Ｗで加工した場合、穴底面が透明なのはマイクロクラックが存在しないためである。
これはレーザが刃先に照射され工具を加熱、その熱によりガラス、特に加工点周辺のガラスが加熱され、軟化、溶融し切削を容易にしたものである。
【産業上の利用の可能性】
【００２２】
生物及び医療検査用の部品、フラットパネルディスプレイ用基板、透明であると有益な機械用部品の加工に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る透明材料の加工装置の第一の実施形態を概略的に示す正面図である。
【図２】本発明に係る透明材料の加工装置の第二の実施形態の要部を概略的に示す正面図である。
【図３】レーザを照射しない場合、レーザ出力２０Ｗの場合、レーザ出力２２．５Ｗの場合及びレーザ出力２５Ｗの場合の穴加工の結果を示した平面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０    装置本体
１１    エンドミル
１２    スピンドル
１３    駆動源
１４    支持フレーム
１５    金型
２０    レーザ光源
２１    レーザ照射光学系
２２    レーザ光
２３    支持フレーム
２４    反射鏡
３０    透明材料
３１    治具
３２    空孔又は窓
３３    液槽
３４    ステージ
３５    ノズル
【図１】
2007301672.tif 000003
【図２】
2007301672.tif 000004
【図３】
2007301672.tif 000005