JP2012045581A - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 種々の材料の加工対象物に対して適用可能であり、装置構成が簡易で済むと共に、加工生産性が高く、高い平滑性が得られるレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】 円柱または円筒に類する形状の加工対象物ＷにレーザビームＬを照射して形状形成を行う加工方法であって、加工対象物Ｗを保持して軸中心に回転させると共に加工対象物ＷとレーザビームＬとの相対的な位置関係を調整する位置調整工程と、加工対象物Ｗの外周面にレーザビームＬを照射するレーザ光照射工程とを有し、レーザビームＬの光軸を加工対象物Ｗの回転軸ＷＡに対してねじれの位置に配した状態で加工対象物Ｗを回転させ、レーザビームＬを加工対象物Ｗの外周面に照射させるレーザ旋盤加工を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、加工面の高平滑性が得られるレーザ加工方法に関する。

従来、レーザ加工を行った加工面の平滑性は、切削工具での加工と比較して悪く、面粗さＲｚ（最大面粗さ）で１μｍ以下を得ることが困難であった。一方、光学部材や工具の切刃など、表面の平滑さが要求される製品に対しても、近年、レーザ加工が採用されてきている。そのため、レーザ加工による平滑仕上げが各所で試みられている。

例えば、従来、特許文献１には、パルスエネルギーの大きいナノ秒レーザで加工を行った後で、パルスエネルギーの小さいピコ秒レーザで加工面の平滑仕上げを行う微細穴開け加工方法が記載されている。また、特許文献２では、窒化硼素を含む焼結体の表面をレーザによりガラス化することで平滑化を行うインサートおよび切削工具の加工方法が記載されている。

さらに、特許文献３では、平面基板上に成膜したＣＶＤダイヤモンドの表面に、基板の法線ベクトルから傾けたレーザ光を照射し、表面の凹凸を除去するダイヤモンドのレーザ研磨方法が記載されている。また、特許文献４では、レーザ加工後に遊離砥石を用いてレーザ加工面を研磨することで、目的の面粗さを得るチップブレーカー付き硬質焼結体切削工具の製造方法が記載されている。

特開２００８−５５４７７号公報 特開２００８−２４６６５０号公報 特許第３０９６９４３号公報 特許第４１８５３７０号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、特許文献１に記載の技術では、２種類の波長のレーザを使い分ける必要があり、装置や加工プロセスが複雑になると共に、加工の寸法精度が悪くなるという不都合がある。また、特許文献２に記載の技術では、表面のガラス化を行うために、加工対象物の材料が限定されると共に加工対象物の物性に適したレーザ光源をその都度選定する必要があるという問題がある。さらに、特許文献３に記載の技術では、ダイヤモンド膜の平滑化のために必要な装置構成が複雑であり、他の用途への汎用性が無いなどの不都合がある。また、研磨だけでなく加工対象物の形状加工まで行うことが難しく、特に、円柱状または円筒状の加工対象物の外周面を加工することが困難である。また、特許文献４に記載の技術では、遊離砥石を用いた研磨をさらに行う必要があるため、研磨の手間や時間を要してしまうと共に、レーザ加工を行った部位だけを均一に研磨することが困難である。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、種々の材料の加工対象物に対して適用可能であり、装置構成が簡易で済むと共に、加工生産性が高く、高い平滑性が得られるレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のレーザ加工方法は、円柱状、円筒状または外周面の少なくとも一部が断面円弧状とされた柱状若しくは棒状の加工対象物にレーザビームを照射して形状形成を行う加工方法であって、前記加工対象物を保持して軸中心に回転させると共に前記加工対象物と前記レーザビームとの相対的な位置関係を調整する位置調整工程と、前記加工対象物の外周面に前記レーザビームを照射するレーザ光照射工程とを有し、前記レーザビームの光軸を前記加工対象物の回転軸に対してねじれの位置に配した状態で前記加工対象物を回転させ、前記レーザビームを前記加工対象物の外周面に照射させるレーザ旋盤加工を行うことを特徴とする。

このレーザ加工方法では、レーザビームの光軸を加工対象物の回転軸に対してねじれの位置に配した状態で加工対象物を回転させ、レーザビームを加工対象物の外周面に照射させるレーザ旋盤加工を行うので、レーザビームの光軸を回転軸からオフセットして加工面に対してレーザビームを傾斜させて照射することで、レーザ加工によって生じた微小穴が半径方向に対して斜めになる。このため、レーザ旋盤加工による加工痕の凹凸が減少し、加工面の平滑性が向上する。また、レーザ加工と表面研磨とが同時に行われるため、生産に要する時間が大幅に短縮されると共に、加工対象物の物性に対する依存性が小さく、種々の材料に対して平滑性の向上効果を期待することができる。さらに、複雑な制御や機構が不要で、装置構成が簡易で済む利点もある。

また、本発明のレーザ加工方法は、前記レーザビームの照射点における前記加工対象物の外周面の法線と前記レーザビームの光軸との角度を１５°〜４５°に設定することを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工方法では、レーザビームの照射点における加工対象物の外周面の法線とレーザビームの光軸との角度を１５°〜４５°に設定することにより、良好な平滑性向上効果と高い加工効率とを得ることができる。すなわち、上記角度が、１５°未満または４５°を超える場合では、面粗さの低減効果があまり得られないと共に、４５°を超える場合では、レーザビームの反射が生じて加工効率が大幅に低下するためである。

また、本発明のレーザ加工方法は、前記レーザ旋盤加工を行う前に、前記レーザビームの照射点における前記加工対象物の外周面の法線と前記レーザビームの光軸との角度を０°に設定して前記レーザビームを前記加工対象物の外周面に照射して加工する荒削り工程を行うことを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工方法では、上記レーザ旋盤加工を行う前に、レーザビームの照射点における加工対象物の外周面の法線とレーザビームの光軸との角度を０°に設定してレーザビームを加工対象物の外周面に照射して加工する荒削り工程を行うので、最初は荒削り工程で大きく深く削り、最終面では上記レーザ旋盤加工によってレーザビームをオフセットさせ、平滑性の高い加工面を形成することで、効率の良い高精度なレーザ加工が可能になる。

また、本発明のレーザ加工方法は、セラミックス材料で形成された前記加工対象物に好適である。
すなわち、このレーザ加工方法では、加工対象物がセラミックス材料で形成されていると、金属や有機物で形成された場合に比べてレーザ照射部の溶融が小さく、レーザ加工痕がはっきり現れるため、より高い平滑性の向上効果を得ることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るレーザ加工方法によれば、レーザビームの光軸を加工対象物の回転軸に対してねじれの位置に配した状態で加工対象物を回転させ、レーザビームを加工対象物の外周面に照射させるレーザ旋盤加工を行うので、簡易な装置構成で加工可能であり、加工面の平滑性が向上すると共に高い生産性が得られる。
例えば、本発明のレーザ加工方法は、ドリルやエンドミルの形態加工や円筒型チップサージアブソーバの溝加工（マイクロギャップ加工）等の円柱または円筒に類する形状のセラミックス部材の加工に好適である。

本発明に係るレーザ加工方法に用いるレーザ加工装置を示す概略的な全体構成図である。 本実施形態において、レーザビームの光軸と加工対象物の回転軸との位置関係を示す斜視図および正面図である。 本実施形態において、オフセットしない状態でのレーザ加工とオフセットした状態でのレーザ加工とによる微小穴の形状を示す説明図である。 レーザビームの照射点における加工対象物の外周面の法線とレーザビームの光軸との良好な角度範囲を得るために行った実験において、レーザビーム走査方向の断面図である。 本実施形態において、良好な角度範囲を得るために行った実験の結果を示す角度と面粗さとの関係を示すグラフである。

以下、本発明に係るレーザ加工方法の一実施形態を、図１から図５を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している部分がある。

本実施形態のレーザ加工方法に用いるレーザ加工装置１は、図１に示すように、円柱状、円筒状または外周面の少なくとも一部が断面円弧状とされた柱状若しくは棒状の加工対象物Ｗにレーザビーム（レーザ光）Ｌを照射して加工する装置であって、レーザビームＬをパルス発振して加工対象物Ｗに一定の繰り返し周波数で照射すると共に走査するレーザ光照射機構２と、加工対象物Ｗを保持して軸中心に回転可能なモータ等の回転機構３と、該回転機構３が設置されて移動可能な移動機構４と、これらを制御する制御部５と、を備えている。なお、回転機構３と移動機構４とにより、加工対象物Ｗを保持して該加工対象物ＷとレーザビームＬとの相対的な位置関係を調整可能な位置調整機構が構成されている。

上記加工対象物Ｗとしては、種々の材料で形成されたものが加工可能であるが、非金属または非有機物の固体が好ましく、特にセラミックス材料で形成されているものが好ましい。すなわち、加工対象物Ｗがセラミックス材料で形成されていると、金属や有機物で形成された場合に比べてレーザ照射部の溶融が小さく、レーザ加工痕がはっきり現れるため、より高い平滑性の向上効果が得られるからである。なお、本実施形態の加工対象物Ｗでは、円柱状のセラミックス材が採用されている。

上記移動機構４は、水平面に平行なＸ方向に移動可能なＸ軸ステージ部４ｘと、該Ｘ軸ステージ部４ｘ上に設けられＸ方向に対して垂直なかつ水平面に平行なＹ方向に移動方向なＹ軸ステージ部４ｙと、該Ｙ軸ステージ部４ｙ上に設けられ回転機構３が固定されて加工対象物Ｗを保持可能であると共に水平面に対して垂直方向に移動可能なＺ軸ステージ部４ｚと、で構成されている。

上記レーザ光照射機構２は、Ｑスイッチのトリガー信号によりレーザビームＬとなるレーザ光を発振すると共にスポット状に集光させる光学系も有するレーザ光源６と、照射するレーザビームＬを走査させるガルバノスキャナ７と、保持された加工対象物Ｗの加工位置を確認するために撮像するＣＣＤカメラ８と、を備えている。

上記レーザ光源６は、１９０〜５５０ｎｍのいずれかの波長のレーザ光を照射できるものが使用可能であり、例えば本実施形態では、波長３５５ｎｍのレーザ光を発振して出射できるものを用いている。
上記ガルバノスキャナ７は、移動機構４の直上に配置されている。また、上記ＣＣＤカメラ８は、ガルバノスキャナ７に隣接して設置されている。

上記制御部５は、回転機構３と移動機構４とレーザ光照射機構２とを制御して加工対象物ＷとレーザビームＬとの相対的な位置関係を調整する機能を有している。すなわち、制御部５は、レーザ旋盤加工を行うために、図２に示すように、レーザビームＬの光軸ＬＡを加工対象物Ｗの回転軸ＷＡに対してねじれの位置に配する位置調整を行う。

また、制御部５は、上記レーザ旋盤加工を行う際に、レーザビームＬの照射点における加工対象物Ｗの外周面の法線ＨとレーザビームＬの光軸ＬＡとの角度θを１５°〜４５°に設定する。なお、この角度θは、３０°がより好ましい。
このレーザビームＬの照射点における加工対象物Ｗの外周面の法線ＨとレーザビームＬの光軸ＬＡとの角度θは、次のような実験により設定した。

まず、窒化硼素を６０％以上含む焼結体の平板に対し、波長３５５ｎｍ、出力０．５Ｗ、繰り返し周波数１６６ｋＨｚのレーザビームＬを照射して、角度θが０〜５０°まで斜面を形成した。図４に、この実験におけるレーザビームＬの走査方向における断面図（ｚ−ｘ平面）を示す。なお、このレーザビームＬの光走査１回で加工除去される層の厚さは、約１μｍであり、加工の進行に合わせて平板を載せたＺ軸ステージ部４ｚを上昇させ、焦点の補正を行った。

この実験で加工した斜面に対し、レーザ顕微鏡を用いて面粗さＲｚ（最大面粗さ）、Ｒａ（算術平均粗さ）を測定した結果を、図５に示す。この結果から角度θが、１５°〜４５°の範囲で面粗さが急激に小さくなっていると共に、３０°付近でＲｚおよびＲａの極小値が存在することがわかった。したがって、この結果に基づいて、上記レーザ旋盤加工において、角度θの範囲を１５°〜４５°とし、より好ましくは３０°となるようにレーザビームＬの光軸ＬＡのオフセット量（加工対象物Ｗの回転軸ＷＡと交差する位置からのズレ量）を調整することとした。

このレーザ加工装置１を用いた本実施形態のレーザ加工方法は、図２および図３の（ｂ）に示すように、レーザビームＬの光軸ＬＡを加工対象物Ｗの回転軸ＷＡに対してねじれの位置に配した状態で加工対象物Ｗを回転させ、レーザビームＬを加工対象物Ｗの外周面に照射させるレーザ旋盤加工を行う。

上記レーザ旋盤加工を行う際、回転機構３による加工対象物Ｗの回転に合わせて、光軸ＬＡの位置をオフセットして固定したレーザビームの照射ＯＮ／ＯＦＦのタイミングを切り替えることで、加工対象物Ｗ上に任意の形態（形状）を加工する。
なお、レーザビームＬのオフセット量（角度θの大きさに相当）に応じて照射点の高さも変わるため、適宜、Ｚ軸ステージ部４ｚ等によってレーザビームＬの焦点位置を調整する。

このように、レーザビームＬの光軸ＬＡの位置を加工対象物Ｗの回転軸ＷＡと交わる位置（角度θ＝０°の位置）からオフセットすることで、レーザビームＬの照射点における加工対象物Ｗ表面の法線ベクトルとレーザビームＬの光軸ＬＡとの成す角度θを０°よりも大きくすることで、レーザビームＬによる表面研磨効果が増加し、加工面の平滑性が向上する。

すなわち、レーザビームＬの照射点における加工対象物Ｗ表面の法線ベクトルとレーザビームＬの光軸ＬＡとの成す角度θが０°である場合、図２の（ａ）に示すように、レーザビームＬの痕跡が加工面に深く残るため、表面粗さは大きくなるのに対し、レーザビームＬの光軸ＬＡを回転軸ＷＡからオフセットして加工面に対してレーザビームＬを傾斜させて照射すると、図２の（ｂ）に示すように、レーザ加工によって生じた微小穴が半径方向に対して斜めになる。このため、レーザ旋盤加工による加工痕の凹凸が減少し、加工面の平滑性が向上する。

なお、目的とする加工量が大きい場合には、まず最初に、図３の（ａ）に示すように、レーザビームＬの照射点における加工対象物Ｗの外周面の法線ＨとレーザビームＬの光軸ＬＡとの角度θを０°に設定し、レーザビームＬを加工対象物Ｗの外周面に垂直に照射して加工する荒削り工程を行う。この後、図２および図３の（ｂ）に示すように、レーザビームＬの光軸ＬＡをオフセットさせ、上記レーザ旋盤加工を行うことにより、加工面の加工および平滑化を行って効率的にレーザ加工を行うことができる。

このように本実施形態のレーザ加工方法では、レーザビームＬの光軸ＬＡを加工対象物Ｗの回転軸ＷＡに対してねじれの位置に配した状態で加工対象物Ｗを回転させ、レーザビームＬを加工対象物Ｗの外周面に照射させるレーザ旋盤加工を行うので、加工面に対して斜め方向に加工による微小穴が形成されて凹凸が小さくなり、加工面の平滑性が向上する。また、レーザ加工と表面研磨とが同時に行われるため、生産に要する時間が大幅に短縮されると共に、加工対象物Ｗの物性に対する依存性が小さく、種々の材料に対して平滑性の向上効果を期待することができる。さらに、複雑な制御や機構が不要で、装置構成が簡易で済む利点もある。

また、レーザビームＬの照射点における加工対象物Ｗの外周面の法線ＨとレーザビームＬの光軸ＬＡとの角度θを１５°〜４５°に設定することにより、良好な平滑性向上効果と高い加工効率とを得ることができる。
さらに、上記レーザ旋盤加工を行う前に、レーザビームＬの照射点における加工対象物Ｗの外周面の法線ＨとレーザビームＬの光軸ＬＡとの角度θを０°に設定してレーザビームＬを加工対象物Ｗの外周面に照射して加工する荒削り工程を行うことで、最初は荒削り工程で大きく深く削り、最終面では上記レーザ旋盤加工によってレーザビームＬをオフセットさせ、平滑性の高い加工面を形成することで、効率の良い高精度なレーザ加工が可能になる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
上記実施形態では、加工対象物として円柱状のものを用いたが、円柱状の他に、円筒状または外周面の少なくとも一部が断面円弧状とされた柱状若しくは棒状のものが採用可能である。例えば、半割円柱状（軸方向から見て半円状の柱形状）や円柱形状の外周面に複数のスリットが軸方向に沿って形成された略円柱状などの円柱または円筒に類する形状の加工対象物にも適用可能である。

１…レーザ加工装置、２…レーザ光照射機構、３…回転機構、４…移動機構、５…制御部、Ｈ…照射点における加工対象物の外周面の法線、Ｌ…レーザビーム、ＬＡ…レーザビームの光軸、Ｗ…加工対象物、ＷＡ…加工対象物の回転軸

Claims (4)

1. 円柱状、円筒状または外周面の少なくとも一部が断面円弧状とされた柱状若しくは棒状の加工対象物にレーザビームを照射して形状形成を行う加工方法であって、
   前記加工対象物を保持して軸中心に回転させると共に前記加工対象物と前記レーザビームとの相対的な位置関係を調整する位置調整工程と、
   前記加工対象物の外周面に前記レーザビームを照射するレーザ光照射工程とを有し、
   前記レーザビームの光軸を前記加工対象物の回転軸に対してねじれの位置に配した状態で前記加工対象物を回転させ、前記レーザビームを前記加工対象物の外周面に照射させるレーザ旋盤加工を行うことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 請求項１に記載のレーザ加工方法において、
   前記レーザビームの照射点における前記加工対象物の外周面の法線と前記レーザビームの光軸との角度を１５°〜４５°に設定することを特徴とするレーザ加工方法。
3. 請求項１または２に記載のレーザ加工方法において、
   前記レーザ旋盤加工を行う前に、前記レーザビームの照射点における前記加工対象物の外周面の法線と前記レーザビームの光軸との角度を０°に設定して前記レーザビームを前記加工対象物の外周面に照射して加工する荒削り工程を行うことを特徴とするレーザ加工方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ加工方法において、
   前記加工対象物が、セラミックス材料で形成されていることを特徴とするレーザ加工方法。