(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して、被加工部材を加工する加工装置であって、
被加工部材をレーザ光の筒状照射領域に対して相対移動させる送り機構と、
レーザ光を受光する受光部と、
受光したレーザ光の強度を検出する強度検出部と、
検出した光強度が減少するタイミングで、レーザ光が被加工部材に切り込み始めたことを判定する制御部と、
を備える加工装置。
【請求項２】
前記制御部は、レーザ光の強度を、レーザ光が被加工部材を加工するレベルよりも低く設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
【請求項３】
前記制御部は、検出した光強度にもとづいて、レーザ光と被加工部材の切れ刃稜線の相対位置関係を特定する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の加工装置。
【請求項４】
レーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して、被加工部材を加工する加工装置であって、
被加工部材をレーザ光の筒状照射領域に対して相対移動させる送り機構と、
被加工部材の加工に利用されずに通過したレーザ光を受光する受光部と、
受光したレーザ光の強度を検出する強度検出部と、
検出した光強度にもとづいて、被加工部材の加工に利用されているレーザ光の量を特定する制御部と、
を備える加工装置。
【請求項５】
前記制御部は、検出した光強度が減少するタイミングで、レーザ光が被加工部材に切り込み始めたことを判定する、
ことを特徴とする請求項４に記載の加工装置。
【請求項６】
レーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して、被加工部材を加工する加工装置において、レーザ光と被加工部材との相対位置関係を特定する方法であって、
被加工部材をレーザ光の筒状照射領域に対して相対移動させるステップと、
レーザ光を受光するステップと、
受光したレーザ光の強度を検出するステップと、
検出した光強度が減少するタイミングで、レーザ光が被加工部材に切り込み始めたことを判定するステップと、
を備える相対位置関係特定方法。
【請求項７】
レーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して、被加工部材を加工する加工装置において、レーザ光量を特定する方法であって、
被加工部材をレーザ光の筒状照射領域に対して相対移動させるステップと、
被加工部材の加工に利用されずに通過したレーザ光を受光するステップと、
受光したレーザ光の強度を検出するステップと、
検出した光強度にもとづいて、被加工部材の加工に利用されているレーザ光の量を特定するステップと、
を備えるレーザ光量特定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザ光と被加工部材との相対位置関係を特定する技術および／またはレーザ光による加工を監視する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光を利用した加工法として、パルスレーザ光を集光し、集束箇所を含む筒状の照射領域を被加工部材の表面上で走査して面加工するパルスレーザ研削が知られている。特許文献１は、パルスレーザ光において筒状に延び且つ加工可能なエネルギをもつ照射領域を加工対象物の表面側の部位に重ねて、加工可能な速度で走査することで、加工対象物の表面領域を除去する方法を開示する。非特許文献１は、パルスレーザ研削により工具母材の逃げ面を２方向に加工して、Ｖ字形状の切れ刃を形成する技術を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１５９３１８号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Hiroshi Saito, Hongjin Jung, Eiji Shamoto, Shinya Suganuma, and Fumihiro Itoigawa;「Mirror Surface Machining of Steel by Elliptical Vibration Cutting with Diamond-Coated Tools Sharpened by Pulse Laser Grinding」, International Journal of Automation Technology, Vol.12, No.4, pp.573-581(2018年)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１（ａ）および図１（ｂ）は、非特許文献１に記載された、パルスレーザ研削によりダイヤモンドコーティング工具の刃先を鋭利化する方法を説明するための図である。図１（ａ）は、すくい面側をパルスレーザ研削する様子を示し、図１（ｂ）は、逃げ面側を２方向にパルスレーザ研削する様子を示す。パルスレーザ研削を利用すると、工具刃先に対してレーザ光をわずかに切り込ませ、その状態で刃先稜線に沿った送り運動をレーザ光と工具の間に与えることで、刃先の鋭利化を行うことができる。【０００６】
現在のところ、レーザ光が工具刃先に切り込んだことを検出する技術が開発されていないため、レーザ研削を自動化するには至っていない。現状では、わずかな切込み時に発生するプラズマを作業者が目視またはカメラの撮影画像を利用して視認することで、レーザ光が工具刃先に当たったことを確認している。そこでレーザ研削加工において、レーザ光と被加工部材との相対位置関係を特定する技術の開発が望まれている。またレーザ研削加工を監視する技術の開発も望まれている。【０００７】
本開示はこうした状況に鑑みてなされており、その目的とするところの１つは、レーザ研削加工において、レーザ光と被加工部材との相対位置関係を特定する技術を提供することにある。また本開示の目的の１つは、レーザ研削加工を監視する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本開示のある態様の加工装置は、レーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して、被加工部材を加工する加工装置であって、被加工部材をレーザ光の筒状照射領域に対して相対移動させる送り機構と、被加工部材に照射されなかったレーザ光を受光する受光部と、受光したレーザ光の強度を検出する強度検出部と、検出した光強度にもとづいて、レーザ光と被加工部材との相対位置関係を特定する制御部とを備える。【０００９】
本開示の別の態様の加工装置は、レーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して、被加工部材を加工する加工装置であって、被加工部材をレーザ光の筒状照射領域に対して相対移動させる送り機構と、被加工部材に照射されなかったレーザ光を受光する受光部と、受光したレーザ光の強度を検出する強度検出部と、検出した光強度にもとづいて、被加工部材の加工に利用されているレーザ光の量を特定する制御部とを備える。【００１０】
本開示の別の態様は、レーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して、被加工部材を加工する加工装置において、レーザ光と被加工部材との相対位置関係を特定する方法であって、被加工部材をレーザ光の筒状照射領域に対して相対移動させるステップと、被加工部材に照射されなかったレーザ光を受光するステップと、受光したレーザ光の強度を検出するステップと、検出した光強度にもとづいて、レーザ光と被加工部材との相対位置関係を特定するステップとを備える。【００１１】
本開示の別の態様は、レーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して、被加工部材を加工する加工装置において、レーザ光と被加工部材との相対位置関係を特定する方法であって、被加工部材をレーザ光の筒状照射領域に対して相対移動させるステップと、被加工部材に照射されなかったレーザ光を受光するステップと、受光したレーザ光の強度を検出するステップと、検出した光強度にもとづいて、被加工部材の加工に利用されているレーザ光の量を特定するステップとを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】パルスレーザ研削によりダイヤモンドコーティング工具の刃先を鋭利化する方法を説明するための図である。
【図２】パルスレーザ研削を説明するための図である。
【図３】レーザ加工装置の概略構成を示す図である。
【図４】原点設定処理を説明するための図である。
【図５】（ａ）は原点設定処理における送り量の時間変化を示す図であり、（ｂ）は原点設定処理における光強度の時間変化を示す図である。
【図６】（ａ）は、パルスレーザ研削の様子を示す図であり、（ｂ）はパルスレーザ研削中の光強度の時間変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図２は、パルスレーザ研削を説明するための図である。パルスレーザ研削は、特許文献１および非特許文献１に開示されるように、レーザ光２の光軸方向に延び且つ加工可能なエネルギをもつ円筒状の照射領域を被加工部材２０の表面に重ねて、その光軸と交差する方向へ走査することで、円筒状の照射領域が通過した被加工部材２０の表面領域を除去する加工法である。パルスレーザ研削は、被加工部材２０の表面に、光軸方向および走査方向に平行な面を成形する。
【００１４】
図３は、パルスレーザ研削を行うレーザ加工装置１の概略構成を示す。レーザ加工装置１は、レーザ光２を出射するレーザ光照射部１０、被加工部材２０を支持する支持装置１４、レーザ光照射部１０の被加工部材２０に対する相対的な移動を可能とする案内機構１１、案内機構１１に沿って所定の移動を実現するためのアクチュエータ１２、およびレーザ加工装置１の全体の動作を制御する制御部１３を備える。案内機構１１およびアクチュエータ１２は、被加工部材２０をレーザ光２の筒状照射領域に対して相対移動させる送り機構を構成する。実施形態において被加工部材２０は切削工具であって、レーザ加工装置１は、切削工具の刃先を先鋭化するパルスレーザ研削を行うが、被加工部材２０は他の種類の部材であってもよい。
【００１５】
レーザ光照射部１０は、レーザ光を発生するレーザ発振器、レーザ光の出力を調整する減衰器、レーザ光の向きを変えるミラーなどを備え、これらを経たレーザ光２が光学レンズ経由で集光され、出射されるように構成される。たとえばレーザ発振器は、Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザ光を発生してよい。
【００１６】
実施形態の送り機構は、被加工部材２０に対するレーザ光照射部１０の相対的な位置を変化させるものであって、相対的な姿勢を変化させるための機構も有してよい。アクチュエータ１２は、制御部１３からの指令に応じて所望の相対移動を行い、これにより被加工部材２０に対するレーザ光照射部１０の相対位置、さらに必要に応じて相対姿勢を変化させる。なお図３に示すレーザ加工装置１では、案内機構１１がレーザ光照射部１０の位置、さらに必要に応じて姿勢を変化させるが、レーザ光照射部１０を固定することが好ましい場合は、支持装置１４の位置、さらに必要に応じて姿勢を変化させてよい。いずれにしても送り機構は、被加工部材２０を、レーザ光２の筒状照射領域に対して相対的に移動させ、また必要に応じて相対的に姿勢変化させるための機構を有する。
【００１７】
実施形態のレーザ加工装置１は、レーザ光照射部１０より出射されて、被加工部材２０を通過し、被加工部材２０に照射されなかったレーザ光を受光する受光部１６を備える。受光部１６はレーザ光照射口に対向して、所定距離だけ離れた位置に配置される。送り機構によってレーザ光照射部１０が動かされる場合、受光部１６はレーザ光照射部１０との相対位置関係を維持しながら、レーザ光照射部１０とともに動かされる。
【００１８】
パルスレーザ研削は被加工部材２０の表面に、レーザ光２の光軸方向および走査方向に平行な面を成形する加工法であるため、レーザ光２の一部のみが被加工部材２０の材料除去に利用され、レーザ光２の大部分は被加工部材２０を照射せずに通過する。そこで実施形態の受光部１６は、被加工部材２０の加工に利用されずに通過したレーザ光２を受光する。強度検出部１８は、受光部１６が受光したレーザ光の強度を検出する。受光部１６および強度検出部１８は、別体として設けられてよいが、一体として設けられてもよい。
【００１９】
パルスレーザ研削に利用されるレーザ光２は、被加工部材２０の付近で集束するように出射されるため、被加工部材２０の付近で最も高いエネルギ密度をもつ。受光部１６の破損および劣化を防ぐため、受光部１６は、集束した筒状照射領域から、ある程度離れた位置に設置されることが好ましい。たとえばレーザ光照射部１０のレーザ光を集光する光学レンズから被加工部材２０までの距離Ｌに対して、被加工部材２０から受光部１６までの距離は、Ｌ以上すなわち同程度以上に設定されることが好ましい。
【００２０】
レーザ加工装置１は、レーザ光２の筒状照射領域を被加工部材２０に対して徐々に切り込む（食い込む）ように移動させる際に、切り込み始める瞬間の相対位置（原点）を正確に特定することで、被加工部材２０に対して正確な除去量（切込み量）の加工を実現できる。そこで実施形態のレーザ加工装置１は、パルスレーザ研削を行う前に、強度検出部１８が検出した光強度にもとづいて、レーザ光２が被加工部材２０に切り込み始める瞬間の相対位置を特定する機能（原点設定機能）を備える。
【００２１】
図４（ａ）〜（ｃ）は、レーザ加工装置１における原点設定処理を説明するための図である。図４（ａ）〜（ｃ）は、送り機構がレーザ光２を被加工部材２０に切り込む方向（近づける方向）に移動させる様子を示すが、実際には被加工部材２０をレーザ光２に近づける方向に移動させてよい。ここでは送り方向をｘ軸正方向とし、移動速度ｖを一定とする。
【００２２】
図４（ａ）は、レーザ光２の光軸中心のｘ座標が初期位置ｘ０にある状態を示す。この状態から、送り機構がレーザ光２を切込み方向に一定速度ｖで動かす。図４（ｂ）は、レーザ光２の筒状照射領域の最外周部分が被加工部材２０に当たった瞬間、すなわち切り込み始めた瞬間の状態を示す。このときのレーザ光軸中心のｘ座標はｘ１である。送り機構が引き続きレーザ光２を一定速度ｖで動かすと、レーザ光２の一部分が被加工部材２０を照射する。図４（ｃ）は、レーザ光２の筒状照射領域の一部分が被加工部材２０を照射しているときの状態を示す。このときのレーザ光軸中心のｘ座標はｘ２である。
【００２３】
実施形態の制御部１３は、レーザ光２の筒状照射領域が被加工部材２０に切り込み始めたときの座標ｘ１を原点座標として特定することで、その後のレーザパルス研削の切込み量を正確に設定できる。
【００２４】
図５（ａ）は、送り量の時間変化を示す。図５（ａ）には、時間ｔ０から時間ｔ２までの間、光軸中心がｘ０からｘ２まで一定速度で動かされて、その後移動を停止されたレーザ光２の送り動作が示される。
【００２５】
図５（ｂ）は、強度検出部１８が検出する光強度の時間変化を示す。制御部１３は、強度検出部１８が検出する光強度を監視する。図４（ａ）および図４（ｂ）に示されるように、光軸中心がｘ０からｘ１まで移動する間（つまり時間ｔ０から時間ｔ１までの間）、筒状照射領域は被加工部材２０に切り込まない、つまり当たらないため、強度検出部１８が検出する光強度は、基準値である初期値Ｉ０から変化しない。制御部１３は、光強度が初期値Ｉ０で一定である場合に、レーザ光２が被加工部材２０に切り込んでいないことを判定する。
【００２６】
時間ｔ１でレーザ光２の筒状照射領域の最外周部分が被加工部材２０に切り込み始めると、被加工部材２０に切り込んだ（入り込んだ）レーザ光のエネルギは被加工部材２０の加工に利用されるため、強度検出部１８が検出する光強度は減少する。制御部１３は、強度検出部１８が検出した光強度が初期値Ｉ０から減少するタイミングで、レーザ光照射部１０から出射されるレーザ光２が被加工部材２０に切り込み始めたことを判定する。この例では、時間ｔ１のタイミングで、つまりはｘ軸において光軸中心のｘ座標がｘ１になったときに、制御部１３は、筒状照射領域の最外周部分が被加工部材２０に切り込み始めたことを特定する。この特定処理は、いわゆる原点設定処理に相当し、制御部１３は、ｘ１の座標値を基準として、その後のパルスレーザ研削の切込み量を正確に設定できる。
【００２７】
なお図５（ａ）に示す送り動作例では、送り機構が、レーザ光２の光軸中心をｘ２まで移動して停止している。図５（ｂ）に示すように、時間ｔ１から時間ｔ２までの間、レーザ光２が被加工部材２０を照射する面積が増えることで、強度検出部１８が検出する光強度は徐々に減少する。基準値である初期値Ｉ０からの光強度減少分は、被加工部材２０の加工に利用されているレーザ光の量に対応し、このレーザ光量は、被加工部材２０の材料除去に利用されているエネルギに対応する。したがって制御部１３は、初期値Ｉ０からの光強度減少分を監視することで、被加工部材２０の加工に利用されているレーザ光の量を特定し、現在加工中の被加工部材２０の除去面積を推定できる。
【００２８】
被加工部材２０の除去面積を推定する際、強度検出部１８がレーザ光強度の変動を監視し、制御部１３が、被加工部材２０に向けて出射される光強度の変動分を加味して、加工に利用されているレーザ光の量を特定してよい。たとえば強度検出部１８は、光強度変動の監視用に、レーザ光２の一部を分岐して光強度を常時監視する。制御部１３は、光強度の監視結果から光強度の変動割合を算出し、変動割合を用いて被加工部材２０に向けて出射される光強度の瞬時値Ｉ０を算出して、出射光強度Ｉ０からの光強度減少分を監視することで、被加工部材２０の加工に利用されているレーザ光の量を特定してよい。これにより被加工部材２０の除去面積をより正確に推定できるようになる。
【００２９】
一方、時間ｔ２から時間ｔ３までの間、強度検出部１８が検出する光強度は徐々に増加してＩ０に近い値に復帰する。時間ｔ２でレーザ光２の送り動作が停止されると（図４（ｃ）に示す状態）、レーザ光２による材料除去がレーザ光２の進行方向に進み、材料が除去されて被加工部材２０を通過（貫通）するレーザ光が増え、強度検出部１８が検出する光強度は徐々に増加する。なお原点設定処理のためには、光強度が減少する時間ｔ１さえ分かればよいため、制御部１３は、時間ｔ１におけるｘ座標（ｘ１）を特定した時点で、送り機構の動作を停止させてよい。
【００３０】
加工対象となる被加工部材２０の切れ刃が円弧形状を有する場合、原点設定処理は、被加工部材２０の切れ刃稜線に沿って複数の点で、または連続的に実施されることが好ましい。レーザ光２と切れ刃稜線の間の原点設定を複数の点で行うことで、レーザ光２と被加工部材２０の切れ刃稜線との相対位置関係を同定することができ、レーザ加工装置１が高精度な刃先加工を実現できるようになる。なお、原点設定処理の点数が２つ以上の場合には切れ刃稜線の傾きを同定することができ、３つ以上の場合には円弧形状の切れ刃稜線に対してその相対的な中心位置と半径を同定することができる。
【００３１】
原点設定処理において制御部１３は、レーザ光照射部１０が出力するレーザ光２の強度を、レーザ光２が被加工部材２０を加工するレベルよりも低く設定してよい。原点設定処理時のレーザ光強度を加工レベルよりも低く設定することで、レーザ光２が被加工部材２０を加工しないため、強度検出部１８が、送り速度に依存することなく、被加工部材２０に照射されなかったレーザ光の強度を正確に測定できる。これにより制御部１３は原点の座標値を正確に導出でき、原点座標値を用いた高精度なレーザパルス研削を実行できる。原点設定処理に際して、制御部１３は、レーザ光照射部１０が出力するレーザ光２の強度を、被加工部材２０に熱的な損傷を与えない程度に十分低く設定してもよい。
【００３２】
図６（ａ）は、パルスレーザ研削の様子の一例を示す。制御部１３は、複数の点で原点設定処理を行った後、被加工部材２０の切れ刃稜線を特定し、特定した切れ刃稜線に沿って刃先を加工する。図６（ａ）に示す例では、被加工部材２０の刃先に対してΔｘだけ筒状照射領域を入り込ませ、筒状照射領域を切れ刃稜線に沿って一定の送り速度で移動させる。
【００３３】
図６（ｂ）は、パルスレーザ研削中の光強度の時間変化を示す。レーザ加工装置１が、一定の送り速度で刃先加工する場合、筒状照射領域の進入量（Δｘ）が刃先稜線に沿って一定であり、レーザ光軸方向の被加工部材厚さが各進入深さ位置で一定であれば、強度検出部１８が検出する光強度は一定となる。この状態が、実線で示される。一方で、進入量が刃先稜線に沿って次第に小さくなる（進入不足）と、強度検出部１８が検出する光強度は次第に大きくなり、進入量が刃先稜線に沿って次第に大きくなる（進入し過ぎ）と、強度検出部１８が検出する光強度は次第に小さくなる。このように制御部１３は、パルスレーザ研削時の光強度を監視することで、パルスレーザ研削が適切に実施されているか判断できる。なお光強度の監視中に、突然光強度が大きくなった場合、制御部１３は、刃先に欠損が生じていることを判定してよい。
【００３４】
以上、本開示を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００３５】
本開示の態様の概要は、次の通りである。本開示のある態様は、レーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して、被加工部材を加工する加工装置であって、被加工部材をレーザ光の筒状照射領域に対して相対移動させる送り機構と、被加工部材に照射されなかったレーザ光を受光する受光部と、受光したレーザ光の強度を検出する強度検出部と、検出した光強度にもとづいて、レーザ光と被加工部材との相対位置関係を特定する制御部とを備える。
【００３６】
パルスレーザ研削では被加工部材の材料除去に利用されないレーザ光が、被加工部材を照射せずに通過することを利用して、制御部は、通過したレーザ光の強度にもとづいて、レーザ光と被加工部材との相対位置関係を特定できる。たとえばレーザ光が被加工部材に入り込んでいないときの光強度をＩ０とすると、送り機構が被加工部材をレーザ光の筒状照射領域に対して近づけても光強度がＩ０で変化しなければ、制御部は、レーザ光が被加工部材に当たっていないことを判定してよい。
【００３７】
制御部は、検出した光強度が減少するタイミングで、レーザ光が被加工部材に切り込み始めたことを判定してよい。相対位置関係を特定する際、制御部は、レーザ光の強度を、レーザ光が被加工部材を加工するレベルよりも低く設定してよい。制御部は、レーザ光と被加工部材の切れ刃稜線の相対位置関係を特定してもよい。
【００３８】
本開示の別の態様は、レーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して、被加工部材を加工する加工装置であって、被加工部材をレーザ光の筒状照射領域に対して相対移動させる送り機構と、被加工部材に照射されなかったレーザ光を受光する受光部と、受光したレーザ光の強度を検出する強度検出部と、検出した光強度にもとづいて、被加工部材の加工に利用されているレーザ光の量を特定する制御部とを備える。
【００３９】
制御部は、被加工部材の加工に利用されているレーザ光の量を特定することで、被加工部材の加工状況を監視することが可能となる。
【００４０】
本開示の別の態様は、レーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して、被加工部材を加工する加工装置において、レーザ光と被加工部材との相対位置関係を特定する方法であって、被加工部材をレーザ光の筒状照射領域に対して相対移動させるステップと、被加工部材に照射されなかったレーザ光を受光するステップと、受光したレーザ光の強度を検出するステップと、検出した光強度にもとづいて、レーザ光と被加工部材との相対位置関係を特定するステップとを備える。
【００４１】
本開示の別の態様は、レーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して、被加工部材を加工する加工装置において、レーザ光と被加工部材との相対位置関係を特定する方法であって、被加工部材をレーザ光の筒状照射領域に対して相対移動させるステップと、被加工部材に照射されなかったレーザ光を受光するステップと、受光したレーザ光の強度を検出するステップと、検出した光強度にもとづいて、被加工部材の加工に利用されているレーザ光の量を特定するステップとを備える。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本開示は、パルスレーザ研削の加工装置において利用できる。
【符号の説明】
【００４３】
１・・・レーザ加工装置、２・・・レーザ光、１０・・・レーザ光照射部、１１・・・案内機構、１２・・・アクチュエータ、１３・・・制御部、１４・・・支持装置、１６・・・受光部、１８・・・強度検出部、２０・・・被加工部材。
【要約】
送り機構は、被加工部材２０をレーザ光２の筒状照射領域に対して相対移動させる。受光部１６は、被加工部材に照射されなかったレーザ光を受光する。強度検出部１８は、受光したレーザ光の強度を検出する。制御部１３は、検出した光強度にもとづいて、レーザ光と被加工部材２０との相対位置関係を特定する。制御部１３は、検出した光強度が減少するタイミングで、レーザ光が被加工部材２０に切り込み始めたことを判定する。【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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