JP2014210276A - 回転体のレーザ加工方法及び加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工終了判断の精度を向上させたレーザ加工方法及び加工装置を提供する。
【解決手段】加工対象物ｗを保持して回転しながらレーザ光Ｌをその照射方向が加工対象物ｗの回転中心Ｃに対してずれた配置となるように照射して、加工対象物ｗを加工するレーザ加工方法であって、加工対象物ｗの表面でレーザ光Ｌを反射させ、その反射光をスクリーンに投影し、加工進行に伴う投影光の位置の変化、径の変化、振動の変化等により加工終点を判定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、回転体を形態形成または表面研磨するためのレーザ加工方法及び加工装置に関する。

円柱状または円筒状の加工対象物をその中心軸の周りに回転させ、レーザ光をその中心軸からずらして照射するレーザ加工（回転体のレーザ加工）では、加工の進行と共に加工対象物表面におけるレーザ光の入射角が変化するため、単位時間あたりの加工除去量が変化する。そのため、加工除去を行う体積などから必要な加工時間を見積もることが難しく、他の方法で加工終了を判断する必要がある。
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

特許文献１の方法では、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った。特許文献２の方法では、レーザ光照射部の発光強度は加工対象物の内部組成の揺らぎなどによる影響を受けるため、発光強度と現状の加工量を精度良く対応付けることが難しい問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、加工終了判断の精度を向上させたレーザ加工方法及び加工装置を提供することを目的とする。

本発明は、加工対象物を保持して回転しながらレーザ光をその照射方向が前記加工対象物の回転中心に対してずれた配置となるように照射して、前記加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、前記加工対象物の表面で前記レーザ光を反射させ、加工進行に伴う反射光の変化により加工終点を判定することを特徴とする。

加工対象物を回転させながらレーザ光を照射して加工すると、加工対象物の表面でレーザ光が反射する。この反射光は、レーザ光の照射方向が加工対象物の回転中心に対してずれた配置となっているので、加工進行に伴うレーザ光の照射位置におけるビーム径、照射位置等の変化が拡大して反射光に反映される。この反射光による拡大したレーザ光の変化から加工終点を判定することができ、高精度の判定を行うことができる。例えば、加工対象物の表面でのビーム径や照射位置のミクロン単位の変化を反射光ではミリ単位に増幅することができ、この増幅された反射光の変化から加工終点を高精度に判定することができる。

本発明のレーザ加工方法において、前記レーザ光の加工位置の変化に対応する前記反射光の位置の変化から前記加工終点を判定することができる。
加工対象物からの反射光の位置の変化は、レーザ光の加工位置の変化に対して拡大されるので、その反射光の位置の変化から高精度に終点判定することができる。

また、本発明のレーザ加工方法において、前記加工対象物の表面状態に対応する前記反射光の径の変化から前記加工終点を判定することができる。
加工対象物の表面を研磨する場合には、レーザ光の反射光の径は、加工対象物の表面が粗い場合にはレーザ光が乱反射するため大きくなり、表面が平滑になるほど小さくなる。この反射光の径の変化から加工対象物の表面研磨の終点判定をすることができる。

本発明の加工方法において、前記加工対象物の半径方向寸法の局部的な変化に対応する反射光の振動の変化から前記加工終点を判定することができる。
加工対象物の表面に局部的な突起等が存在する場合、レーザ光の反射方向が突起により変化することにより、反射光に振動が生じる。この振動の幅は加工の進行に伴う突起の縮小により小さくなる。したがって、反射光の振幅の減少が基準値に達したところで加工終点と判定することができる。

本発明のレーザ加工方法において、前記反射光をスクリーンに投影し、その投影光から前記反射光の変化を検出するとよい。
反射光の挙動をスクリーンに投影することにより、加工終点を目視等により容易かつ正確に判定することができる。

本発明は、加工対象物を保持して回転するワーク保持手段と、前記加工対象物にレーザ光をその照射方向が回転中心に対してずれた配置となるように照射して前記加工対象物を加工するレーザ照射手段とを備えるレーザ加工装置であって、前記加工対象物の表面で反射した前記レーザ光の反射光の変化により加工終点を判定可能な終点判定手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、加工進行に伴うレーザ光の位置やビーム径の変化を反射光により拡大するので、この拡大した反射光の変化から加工終点を高精度に判定することができる。

本発明に係るレーザ加工装置を示す全体構成図である。 加工対象物に照射したレーザ光の反射光をスクリーンに投影している状態を模式的に示す斜視図である。 加工対象物の外径を加工するレーザ光とその反射光との関係を説明する模式図である。 加工対象物の表面を研磨するレーザ光とその反射光との関係を説明する模式図である。 加工対象物の表面でのレーザ光の反射状態を説明する模式図である。 研磨加工における加工時間と投影光の直径の変化との関係を示すグラフである。 加工対象物表面に突起が存在する場合のレーザ光の反射状態を説明する模式図である。

以下、本発明に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
まず、レーザ加工装置の実施形態について説明する。この実施形態のレーザ加工装置１は、図１に示すように、加工対象物ｗにレーザ光Ｌを照射して加工する装置であり、加工対象物ｗにレーザ光Ｌを照射するレーザ照射手段２と、加工対象物ｗを保持した状態で回転及びｘ，ｙ，ｚ軸方向に移動可能なステージを有するワーク保持手段３と、加工対象物ｗの表面で反射したレーザ光Ｌの反射光Ｒの変化により加工終点を判定可能な終点判定手段４と、これらを制御するコンピュータからなる制御手段５とを備える。

レーザ照射手段２は、例えばレーザ光Ｌを一定の繰り返し周波数でパルス発振するレーザ光源１１と、レーザ光Ｌの広がりを調整するビーム調整部１２と、照射するレーザ光Ｌを走査させるガルバノスキャナ１３と、レーザ光Ｌをスポット状に集光する集光レンズ１４と、光路を屈曲する複数のミラーｍ１，ｍ２とを備えている。
レーザ光源１１には、１９０ｎｍ〜１１００ｎｍの波長のレーザ光を照射できる光源を使用することができ、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。

ワーク保持手段３は、加工対象物ｗを把持するチャック２１と、このチャック２１を回転する回転機構２２と、この回転機構２２を搭載してｘ，ｙ，ｚ軸方向に移動可能なステージ２３ｘ〜２３ｚを有している。具体的には、水平面に平行なｘ方向に移動可能なｘ軸ステージ部２３ｘと、そのｘ軸ステージ部２３ｘの下に設けられｘ方向に対して垂直で、かつ水平面に平行なｙ方向に移動可能なｙ軸ステージ部２３ｙと、ｙ軸ステージ部２３ｙの下に設けられ水平面に対して垂直方向に移動可能なｚ軸ステージ部２３ｚとを備える構成とされている。

終点判定手段４は、加工対象物ｗの表面で反射するレーザ光Ｌの反射光Ｒを受光する受光手段３１と、この受光手段３１で受光された反射光Ｒから加工終点を判定するコンピュータからなる判定部３２とを備える。
受光手段３１は、本実施形態では反射光Ｒを投影するスクリーン３３と、このスクリーン３３に投影された反射光Ｒの投影光Ｓの挙動を観察する撮像手段３４とから構成される。スクリーン３３は、図示例の場合は、その表面が垂直方向（ｚ軸方向）に沿って設けられているが、反射光Ｒを投影できる姿勢であれば、必ずしも垂直方向でなくてもよく、垂直方向に対して傾斜した姿勢も可能であり、また、平面状のもの以外にも円弧面状等であってもよい。また、本実施形態では透過型のスクリーンが用いられている。

撮像手段３４は、例えばＣＣＤカメラ等の撮像機器３５が透過型のスクリーン３３の背部に配置され、スクリーン３３上の投影光Ｓの移動を追跡できるように移動機構３６が備えられている。移動機構３６は、本実施形態の場合、投影光Ｓが垂直方向に移動するため、撮像機器３５を垂直方向に沿うレール３６ａ上で上下に移動する構成である。
スクリーンを反射型とする場合は、スクリーンの前面（反射面）の前方に撮像手段を配置すればよい。
判定部３２は、スクリーン３３上の終点位置の座標が予め記憶されており、後述するように投影光Ｓがスクリーン３３上でその終点位置に到達したときに加工終点であると判定する。この判定部３２は図１に示すように制御部５に設けられる。

次に、このレーザ加工装置１を用いて加工対象物ｗを加工する方法について説明する。
まず、加工対象物ｗの外径を縮小する加工など、形態加工する場合について説明する。
ワーク保持手段３のチャック２１に加工対象物ｗを保持し、レーザ光Ｌとステージ部２３ｘ〜２３ｚとを制御して加工対象物ｗにレーザ光Ｌを照射し、回転機構２２によって加工対象物ｗを回転しながら所望の外径に加工する。このとき、加工対象物ｗの中心軸Ｃに対して水平方向（ｙ軸方向）にずれた位置にレーザ光Ｌを照射する。

レーザ光Ｌは、加工対象物ｗを加工する際に、一部が加工対象物ｗの表面で反射する。この反射光Ｒを受けるように受光手段３１のスクリーン３３を配置し、スクリーン３３に反射光Ｒを投影する。加工対象物ｗは、レーザ光Ｌによる加工の進行に伴い直径が小さくなり、その直径の縮小に応じて表面の位置が変化する。このため、レーザ光Ｌは、加工の進行に応じて加工対象物ｗの表面の反射位置がｚ軸方向に変化するとともに、表面の曲率半径が小さくなることから加工対象物ｗへの入射角（加工対象物表面の法線となす角度）も徐々に大きくなる。この反射位置及び入射角の変化に対応して、反射光Ｒの径の広がり及び反射方向が変化し、スクリーン３３上の投影光Ｓの大きさ及び投影位置も変化する。
本発明は、この反射光Ｒの投影光Ｓの移動状況から加工終了時を判定する。

この形態加工時における加工終了判定の具体的方法について、図３を参照しながら説明する。
図３は円柱形の加工対象物ｗを半径ｒ_０からｒ_１へ外径補正をする際の加工方法である。この加工の場合は、レーザ光の径の広がりの変化ではなく、加工対象物表面におけるレーザ光の中心（光軸）のｚ軸方向の位置変化により加工終了を判定する。
レーザ光の光軸（図１のレーザ光と同じ符号を用いる）Ｌのｙ座標（加工対象物ｗの回転中心からの水平距離）を一定値ａに保って加工対象物ｗに垂直方向（ｚ軸方向）に沿ってレーザ光を照射する。また、スクリーン３３は、加工対象物ｗの回転中心Ｃから距離Ｈの位置に例えば垂直に配置する。

加工の進行とともに、加工対象物ｗからの反射光は、図３のＲ_０からＲ_１に中心が移動し、スクリーン３３上の投影光の中心が初期位置ｚ_０から−ｚ方向へ移動する。この投影光の中心が、加工対象物ｗの加工終了点である半径ｒ_１となったときに相当するｚ座標の値であるｚ_１に達したときを加工終了と判定すれば良い。
この加工終了位置の座標ｚ_１は次の関係式により求められる。

ｎ＝０が加工初期、ｎ＝１が加工終了時を示す。
上式によると、例えば初期値をｒ_０＝５０ｍｍ、ａ＝３８ｍｍ、Ｌ＝３００ｍｍとした場合、ｚ_０≒−８．７ｍｍとなる。半径方向に１００μｍ加工し、ｒ_１＝４９．９ｍｍとすると、ｚ_１≒−１０．１ｍｍとなり、ｚ_０とｚ_１の差分Δｚは約１．４ｍｍとなり、投影光の移動量は加工対象物ｗ表面における加工量よりも大幅に拡大されることがわかる。なお、Δｚは、距離Ｈやスクリーンのｚ軸に対する傾斜角を変えることで、更に高めることも可能である。

このように、この方法によれば、レーザ光Ｌの照射方向を加工対象物ｗの回転中心Ｃに対してずれた配置とすることで、加工の進行に伴うレーザ光Ｌの照射位置の変化が拡大して反射光に反映され、スクリーン３３上での投影光の位置変化から加工終点を容易に判定することができ、高精度の判定を行うことができる。

次に、加工対象物ｗの表面を研磨する際の加工終了判定について図４から図６を参照して説明する。
この研磨加工では、投影光Ｓの大きさなどの変化を加工終了の判断基準に出来る。図４は加工対象物ｗの表面粗さと投影光Ｓの大きさの関係を模式的に表したものであるが、加工対象物ｗの表面にレーザ光Ｌのスポット径よりも十分に小さな凹凸がある場合、その凹凸による散乱が発生するため、投影光Ｓの直径は、平滑な表面で反射した場合よりも大きくなる。レーザ加工の進行につれて加工対象物ｗは平滑化されるため、投影光Ｓの直径は減少する。図５にこれを拡大して示したように、表面の凹凸が大きい加工初期の状態では、レーザ光Ｌの反射光が乱反射により実線矢印で示すように広がることから、前述したように投影光の直径が大きくなり、これに対して、加工終了時に平滑化した加工対象物ｗの表面では図５の二点鎖線矢印で示すように反射光の広がりが小さくなり、これにより投影光の直径も小さくなる。
この投影光の直径の変化をグラフに表示したのが、図６であり、この投影光の直径が予め定めた基準値に達した時を加工終了時とすれば良い。

なお、加工対象物ｗ表面の凹凸の大きさがレーザ光Ｌのスポット径と同程度以上に大きく、加工対象物ｗの半径方向寸法が局部的に変化する場合は、加工対象物ｗの回転に伴い、凹凸により投影光が不規則に振動するように動くため、その振動の振幅を基準とすれば良い。図７は、加工対象物ｗの表面のレーザ光Ｌが照射される位置に大きな突起Ｐが存在する場合を示しており、加工対象物ｗが回転すると、レーザ光Ｌの反射光Ｒの反射方向が例えば実線矢印と二点鎖線矢印との間で振れるように移動する。加工の進行に伴い、突起Ｐが小さくなると、反射光Ｒの振幅も小さくなるので、スクリーンに投影している場合は、投影光の移動の振幅が小さくなる。この振幅が予め定めた基準値以下となったときに加工終了と判定すればよい。

なお、本発明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。
例えば、 反射光を受ける受光手段としては、スクリーン３３と撮像手段３４の組み合わせ以外の構成であってもよく、例えば、形態加工の際には、反射光Ｒの移動経路上に複数個の光電変換素子を並べておき、加工終点位置に対応する光電変換素子が受光したことで加工終点を判定する構成でもよい。また、表面研磨の場合は、反射光を複数個の光電変換素子により受光し、その径の縮小に伴い受光し得る光電変換素子の個数が減少するので、予め設定した個数まで減少したときを加工終了と判定すればよい。また、加工対象物の表面に大きな突起が存在する場合も、反射光の振動方向に沿って複数の光電変換素子を並べておき、反射光の振動範囲内で受光した光電変換素子の個数が減少することにより加工終了を判定すればよい。これらの場合は、投影光ではなく、光電変換素子に反射光Ｒが直接受光される。

１ レーザ加工装置
２ レーザ照射手段
３ ワーク保持手段
４ 終点判定手段
５ 制御手段
１１ レーザ光源
１２ ビーム調整部
１３ ガルバノスキャナ
１４ 集光レンズ
２１ チャック
２２ 回転機構
２３ｘ ｘ軸ステージ
２３ｙ ｙ軸ステージ
２３ｚ ｚ軸ステージ
３１ 受光手段
３２ 判定部
３３ スクリーン
３４ 撮像手段
３５ 撮像機器
３６ 移動機構
３６ａ レール
Ｌ レーザ光
Ｒ 反射光
Ｓ 投影光
ｗ 加工対象物
ｍ１，ｍ２ ミラー

Claims (6)

1. 加工対象物を保持して回転しながらレーザ光をその照射方向が前記加工対象物の回転中心に対してずれた配置となるように照射して、前記加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、前記加工対象物の表面で前記レーザ光を反射させ、加工進行に伴う反射光の変化により加工終点を判定することを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記レーザ光の加工位置の変化に対応する前記反射光の位置の変化から前記加工終点を判定することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
3. 前記加工対象物の表面状態に対応する前記反射光の径の変化から前記加工終点を判定することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
4. 前記加工対象物の半径方向寸法の局部的な変化に対応する反射光の振動の変化から前記加工終点を判定することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
5. 前記反射光スクリーンに投影し、その投影光から前記反射光の変化を検出することを特徴とする請求項１から４記載のいずれか一項記載のレーザ加工方法。
6. 加工対象物を保持して回転するワーク保持手段と、前記加工対象物にレーザ光をその照射方向が回転中心に対してずれた配置となるように照射して前記加工対象物を加工するレーザ照射手段とを備えるレーザ加工装置であって、前記加工対象物の表面で反射した前記レーザ光の反射光の変化により加工終点を判定可能な終点判定手段を有することを特徴とするレーザ加工装置。

Images