JP2013043196A - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 加工終了の判断を正確に行うことが可能なレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供すること。
【解決手段】 円柱状または円筒状の加工対象物ＷにレーザビームＬを照射して形状形成を行うレーザ加工装置１であって、加工対象物を保持して軸中心に回転させると共に加工対象物と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機構２と、加工対象物の外周面にレーザビームを照射するレーザ光照射機構３と、位置調整機構とレーザ光照射機構とを制御する制御部４とを備え、制御部が、加工対象物にレーザビームが照射された際の反射光および発光光を撮像する撮像手段５を備え、撮像された反射光および発光光の加工対象物の少なくとも１回転分における発光面積の総和を算出し、該発光面積の総和が予め設定した基準値となった際に、レーザビームの照射を停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、円柱状または円筒状の加工対象物を回転させながらレーザ加工するレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。

従来、円柱状または円筒状の加工対象物を回転させながら加工する方法として、切削、研削工具を用いた旋盤加工がある。これは、微小寸法の脆性材料を加工する場合、チッピング等の問題を生ずることがあり、これを解消できる加工方法としてレーザを用いた旋盤加工方法が開発されている。しかしながら、この方法については、最初の寸法、材質による加工速度のばらつき等により。単に加工時間のみで判断することができず、どの時点で加工が終了したかの判断が不明瞭であった。

このため、加工終了の従来の判断方法として、例えば特許文献１では加工直後に画像にて寸法形状を測定し、加工形状が得られているかを確認する方法が提唱されている。また、特許文献２には、レーザ加工中の発光光の強度にて終了判断をする方法が記載されている。

特開平０７−１１６８７３号公報 特開平０７−１２４７６６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、形態の確認・再加工を繰り返す為、処理に時間がかかる問題がある。また、特許文献２に記載の技術では、旋盤加工の場合、レーザと加工対象物の間欠的な接触が起こるため、単にレーザ加工中に発生するプルームの発光強度から判断すると誤った終了判断がなされることがあった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、加工終了の判断を正確に行うことが可能なレーザ加工装置および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装置は、円柱状または円筒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レーザ加工装置であって、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機構と、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機構と、前記位置調整機構と前記レーザ光照射機構とを制御する制御部とを備え、前記制御部が、前記加工対象物に前記レーザビームが照射された際の反射光および発光光を撮像する撮像手段を備え、撮像された前記反射光および前記発光光の前記加工対象物の少なくとも１回転分における発光面積の総和を算出し、該発光面積の総和が予め設定した基準値となった際に、前記レーザビームの照射を停止することを特徴とする。

また、本発明のレーザ加工方法は、円柱状または円筒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レーザ加工方法であって、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、該レーザ光照射工程において、撮像手段により前記加工対象物に前記レーザビームが照射された際の反射光および発光光を撮像する工程と、撮像された前記反射光および前記発光光の前記加工対象物の少なくとも１回転分における発光面積の総和を算出し、該発光面積の総和が予め設定した基準値を下回った際に、前記レーザビームの照射を停止する工程とを有していることを特徴とする。

これらレーザ加工装置およびレーザ加工方法では、撮像手段により撮像された反射光および発光光の加工対象物の少なくとも１回転分における発光面積の総和を算出し、該発光面積の総和が予め設定した基準値を下回った際に、レーザビームの照射を停止するので、レーザビームと加工対象物との間欠的な接触が起きても加工終了判断を間違えずに加工を所定形状まで続けることができる。

また、本発明のレーザ加工装置は、前記撮像手段が、前記加工対象物に前記レーザビームが照射された際の反射光および発光光を撮像する第１ＣＣＤカメラと、該第１ＣＣＤカメラとは異なる角度から前記加工対象物の加工箇所を撮像する第２ＣＣＤカメラとを備えていることを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工装置では、撮像手段が、加工対象物にレーザビームが照射された際の反射光および発光光を撮像する第１ＣＣＤカメラと、該第１ＣＣＤカメラとは異なる角度から加工対象物の加工箇所を撮像する第２ＣＣＤカメラとを備えているので、加工最中のレーザ照射部位を２つのＣＣＤカメラで異なる角度から観察できると共に、加工終了時に第２ＣＣＤカメラにより加工形状の寸法測定を行うことで、加工の合否判定や基準値の修正を行うことが可能になる。

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装置及びレーザ加工方法によれば、撮像手段により撮像された反射光および発光光の加工対象物の少なくとも１回転分における発光面積の総和を算出し、該発光面積の総和が予め設定した基準値になった際に、レーザビームの照射を停止するので、加工終了判断を正確に行うことができ、歩留まりの向上及び加工時間の短縮が可能になる。
特に、本発明のレーザ加工装置及びレーザ加工方法は、ドリルやエンドミルの形態加工や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精密旋盤加工に好適である。

本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法の一実施形態において、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、レーザ加工の加工終了判断方法を示す説明図である。 本実施形態において、第２ＣＣＤカメラによる撮像画像を模式的に示す図である。 本実施形態において、レーザ加工方法を示すフローチャートである。 本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法の実施例において、加工前の加工対象物を示す第１ＣＣＤカメラによる撮像画像である。 本発明に係る実施例において、加工後の加工対象物を示す第１ＣＣＤカメラによる撮像画像である。 本発明に係る実施例において、加工中（初期）の加工対象物を示す第１ＣＣＤカメラによる撮像画像である。 本発明に係る実施例において、加工中（中期）の加工対象物を示す第１ＣＣＤカメラによる撮像画像である。 本発明に係る実施例において、加工中（後期）の加工対象物を示す第１ＣＣＤカメラによる撮像画像である。 本発明に係る実施例において、加工前の加工対象物を示すＳＥＭ画像である。 本発明に係る実施例において、加工後の加工対象物を示すＳＥＭ画像である。

以下、本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法の一実施形態を、図１から図４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装置１は、図１に示すように、円柱状または円筒状の加工対象物Ｗにレーザビーム（レーザ光）Ｌを照射して形状形成を行うレーザ加工装置であって、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機構２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機構３と、位置調整機構２とレーザ光照射機構３とを制御する制御部４とを備えている。

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、特にドリル、エンドミルまたはサージアブソーバ等の素材である円柱または円筒に類する形状のセラミックス部材で形成されているものが適している。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。

上記位置調整機構２は、水平面に平行なＸ方向に移動可能なＸ軸ステージ部２ｘと、該Ｘ軸ステージ部２ｘ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２ｙと、該Ｙ軸ステージ部２ｙ上に設けられ加工対象物Ｗを保持可能であると共に軸を中心に加工対象物Ｗを回転可能な回転機構２ｒとで構成されている。なお、回転機構２ｒに、水平面に対して垂直方向に移動可能なＺ軸ステージ部を内蔵させても構わない。

上記レーザ光照射機構３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レーザ発振機３ａと、該レーザ発振機３ａから照射されるレーザビームＬを光学的に成形、調整するビーム調整光学系３ｂと、該ビーム調整光学系３ｂからのレーザビームＬを加工対象物Ｗ側に反射する半透過ミラー３ｃと、該半透過ミラー３ｃで反射されたレーザビームＬを走査させるガルバノスキャナ３ｄと、走査されたレーザビームＬを集光する集光レンズ（ｆ−θレンズ）３ｅとを備えている。
上記半透過ミラー３ｃは、ビーム調整光学系３ｂからのレーザビームＬの波長に対して全反射し、加工対象物Ｗから生じる可視光の発光に対して半透過するものである。

上記レーザ発振機３ａ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３ｄは、位置調整機構２の直上に配置されている。

上記制御部４は、例えばパーソナルコンピュータ等の制御部本体４ａと、該制御部本体４ａに電気的に接続され加工対象物ＷにレーザビームＬが照射された際の反射光および発光光を撮像する撮像手段５を備えている。
上記制御部本体４ａは、撮像された反射光および発光光の加工対象物Ｗの少なくとも１回転分における発光面積の総和を算出し、該発光面積の総和が予め設定した基準値となった際に、レーザビームＬの照射を停止する機能を有している。

上記撮像手段５は、加工対象物ＷにレーザビームＬが照射された際の反射光および発光光を撮像する第１ＣＣＤカメラ５ａと、該第１ＣＣＤカメラ５ａとは異なる角度から加工対象物Ｗの加工箇所を撮像する第２ＣＣＤカメラ５ｂとを備えている。

上記第１ＣＣＤカメラ５ａは、半透過ミラー３ｃおよび反射ミラー５ｃを介して加工対象物Ｗにおけるビーム照射部をレーザビームＬの光軸方向から撮像可能な位置に設置され、図２に示すように、加工中の発光及びレーザの反射状態を観察することができる。制御部本体４ａでは、第１ＣＣＤカメラ５ａで撮像した画像の２値化処理を行い、高輝度部分のピクセル数をカウントする事によって発光面積を算出可能である。
また、上記第２ＣＣＤカメラ５ｂは、レーザビームＬの光軸方向に直交する方向から加工対象物Ｗを撮像可能な位置に設置され、図３に示すように、加工対象物Ｗの加工形状を確認可能である。

なお、第１ＣＣＤカメラ５ａは、３０ｆ／ｓｅｃ以上のＣＣＤカメラカメラが望ましい。例えば、回転機構２ｒによる加工対象物Ｗの回転数が３００ｒｐｍ（１秒間に５回転）とする場合、１周のフレーム数が６ｆとなる。１周のフレーム数が５を下回ると、誤差が大きくなるためである。

また、第１ＣＣＤカメラ５ａのフレームレートは１２０ｆ／ｓｅｃ以下のものが望ましい。例えば、回転数を６０ｒｐｍとする場合、１周のフレーム数が１２０ｆとなる。制御部本体４ａにおける内部処理の時間に８ｍｓｅｃ要した場合、１周での処理時間が０．９６秒となり、内部処理が間に合わなくなる可能性がある。これは本実施形態の現状での処理時間を考慮したものであり、解析手段の向上によって処理時間の短縮が可能である場合、この限りではない。

また、その他の方法として回転数とフレーム数とによる内部処理時間と誤差とを満たすため、１周のフレーム数が５以下になる場合はフレーム数が１０を超えるように積分する周回数を増やす方法や、処理時間が１周当たり０．９８を超える場合にはフレーム処理を１／２とする方法が考えられる。例えば、回転数が５００ｒｐｍの場合、２周以上、例えば３周分の積算（発光面積の総和）とすることによって、処理フレーム数が１０ｆとなる。また、第１ＣＣＤカメラ５ａに１２０ｆ／ｓｅｃを用いた場合、回転数が６０ｒｐｍ以下になると、処理時間が０．９６秒を上回るため、２ｆ毎に処理を実行するなどの方法が考えられる。

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４のフローチャートに示すように、まず位置調整機構２に取り付けた加工対象物Ｗの外形寸法を、図３に示すように、第２ＣＣＤカメラ５ｂにより測定し（ステップＳ１）、制御部本体４ａにより寸法・芯ブレが無いか確認、判定する（ステップＳ２）。この際、規定の寸法から外れていたり、芯ブレが生じている場合は制御部本体４ａが不良と判断して次の加工対象物Ｗの加工へと切り替える。

取り付けた加工対象物Ｗの寸法等が良好である場合、制御部本体４ａが加工形状の目標径および回転速度から回転周期（Ｔ）の演算を行う（ステップＳ３）。すなわち、終了目標の径から加工対象物Ｗが一回転する際にかかる時間を計算する。
なお、加工終了を判断する基準値は、予め所定寸法に加工されている標準試料を用いて、加工対象物Ｗ一回転分の加工時の発光面積の総和（回転周期Ｔでの発光面積総和）を求め、制御部本体４ａに入力、記憶させておく。

次に、回転機構２ｒにより加工対象物Ｗを所定回転速度で回転させると共に、レーザ光照射機構３により加工対象物ＷへのレーザビームＬの照射を開始する（ステップＳ４）。
加工が開始されると、レーザビームＬが照射された部位からは、レーザビームＬの反射光と加工による発光光とが生じて、第１ＣＣＤカメラ５ａによりこれらの発光が撮像される。このとき、図２に示すように、加工初期においては、発光強度が比較的高く発光面積も大きいが、加工対象物Ｗの凹凸が大きいために発光強度が大きくなったり小さくなったりして発光強度（発光面積）は一定でない。このため、制御部本体４ａは、第１ＣＣＤカメラ５ａで撮像された反射光および発光光の加工対象物Ｗの１回転分（回転周期Ｔ）における発光面積の総和（ａ）を算出する（ステップＳ５）。すなわち、１回転分のフレーム数の発光面積を積算する。

加工中期においては、加工初期よりも発光強度がやや小さくなり、さらに加工終期になると、発光強度がさらに小さくなる。この加工終期では、加工対象物Ｗに照射されるレーザ光のエネルギー密度が非常に小さくなるため加工がされなくなり、レーザ光は加工対象物Ｗの表面でほぼ反射する。制御部本体４ａは、加工終期に達したことを、発光面積の総和（ａ）が予め設定した基準値となったことで判断し、その際に、レーザビームＬの照射を停止する（ステップＳ６）。すなわち、図２に示すように、加工終期において、発光面積の総和（ａ）が予め設定した基準値となり、これを下回ったため、加工を中止する。
なお、必要に応じて、加工終了時に第２ＣＣＤカメラ５ｂにより加工形状の寸法測定を行うことで、加工の合否判定や基準値の修正を行う。

このレーザ加工装置１では、加工終期において、加工初期および中期よりも発光面積が小さくなるため、基準値は、加工時における発光面積の総和の下限値として設定される。なお、この基準値は、加工面の方向とレーザビームＬの照射角度と第１ＣＣＤカメラ５ａの設置位置との関係によっても変わるため、加工面が傾斜面であって該傾斜面の正面で第１ＣＣＤカメラ５ａが撮像する場合等で、基準値が加工時における発光面積の総和の上限値として設定される場合もあり得る。

このように本実施形態のレーザ加工装置１及びレーザ加工方法では、撮像手段５の第１ＣＣＤカメラ５ａにより撮像された反射光および発光光の加工対象物Ｗの少なくとも１回転分における発光面積の総和を算出し、該発光面積の総和が予め設定した基準値を下回った際に、レーザビームＬの照射を停止するので、レーザビームＬと加工対象物Ｗとの間欠的な接触が起きても加工終了判断を間違えずに加工を所定形状まで続けることができる。

また、撮像手段５が、第１ＣＣＤカメラ５ａとは異なる角度から加工対象物Ｗの加工箇所を撮像する第２ＣＣＤカメラ５ｂを備えているので、加工最中のレーザ照射部位を２つのＣＣＤカメラで異なる角度から観察できると共に、加工終了時に第２ＣＣＤカメラ５ｂにより加工形状の寸法測定を行うことで、加工の合否判定や基準値の修正を行うことが可能になる。

次に、本実施形態のレーザ加工装置により実際に上記レーザ加工方法を行った実施例について、図５から図１１を参照して説明する。
本発明の実施例としては、先端部分にチッピングを生じている円柱形態のセラミックスを加工対象物とし、上記レーザ加工方法によるレーザ旋盤加工を用いて面取り加工を行った際の加工終了判断の例を示す。

本実施例で使用した第１ＣＣＤカメラ及び第２ＣＣＤカメラはいずれも汎用のＣＣＤカメラであり、フレームレート３０ｆ／ｓｅｃのものを用いた。
また、加工対象物の直胴部の直径は０．５ｍｍであり、加工中の回転速度は６０ｒｐｍである。この場合、加工対象物が１回転する時間は１秒となり、制御部本体において３０フレーム分の面積の総和を計算している。１周分の発光面積の総和が基準値：０．０１２ｍｍ^２に達した際に終了と判断するように制御部本体を設定した。

図５及び図６は、加工前後の形態を示す加工対象物の画像（第１ＣＣＤカメラによる画像）である。また、図７から図９は、加工初期、加工中期及び加工終期における加工中の発光状態を示す画像である（第１ＣＣＤカメラによる画像）。なお、いずれの画像も加工対象物は回転中である。すなわち、図７は、加工開始直後の発光の状態であり、１フレーム当たりの発光面積は０．０５ｍｍ^２であって、１周分の総和は１．４２ｍｍ^２となった。なお、図７においては、発光部分を破線で囲んでいる。また、図８は、１００周目の画面であり、１フレーム当たりの発光面積は平均０．００４ｍｍ^２であって、１周分の総和は０．２０５ｍｍ^２となる。さらに、図９は、３００周目の画面であり、１フレーム当たりの発光面積は０．０００３８ｍｍ^２であって、１周分の総和は０．０１ｍｍ^２となる。この段階で、１周分の総和が基準値：０．０１２ｍｍ^２を下回ったため、基準値に達したことから加工終了と判断し、自動で加工が終了した。

このようにして加工した加工対象物について、加工前後のＳＥＭ像（静止像）を図１０及び図１１に示す。このように、本実施例のレーザ加工では、最短の時間で非常に高精度な面取り加工が実現されている。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び実施例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。
例えば、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、円筒状のものなどが採用可能である。

１…レーザ加工装置、２…位置調整機構、２ｒ…回転機構、３…レーザ光照射機構、４…制御部、５…撮像手段、５ａ…第１ＣＣＤカメラ、５ｂ…第２ＣＣＤカメラ、Ｌ…レーザビーム、Ｗ…加工対象物

Claims (3)

1. 円柱状または円筒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レーザ加工装置であって、
   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機構と、
   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機構と、
   前記位置調整機構と前記レーザ光照射機構とを制御する制御部とを備え、
   前記制御部が、前記加工対象物に前記レーザビームが照射された際の反射光および発光光を撮像する撮像手段を備え、撮像された前記反射光および前記発光光の前記加工対象物の少なくとも１回転分における発光面積の総和を算出し、該発光面積の総和が予め設定した基準値となった際に、前記レーザビームの照射を停止することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザ加工装置において、
   前記撮像手段が、前記加工対象物に前記レーザビームが照射された際の反射光および発光光を撮像する第１ＣＣＤカメラと、該第１ＣＣＤカメラとは異なる角度から前記加工対象物の加工箇所を撮像する第２ＣＣＤカメラとを備えていることを特徴とするレーザ加工装置。
3. 円柱状または円筒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レーザ加工方法であって、
   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、
   該レーザ光照射工程において、撮像手段により前記加工対象物に前記レーザビームが照射された際の反射光および発光光を撮像する工程と、
   撮像された前記反射光および前記発光光の前記加工対象物の少なくとも１回転分における発光面積の総和を算出し、該発光面積の総和が予め設定した基準値を下回った際に、前記レーザビームの照射を停止する工程とを有していることを特徴とするレーザ加工方法。