JP2018199159A - 面取り加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属材料における微小部分の面取りを高精度に行うことができる面取り加工方法を提供する。【解決手段】面取り加工方法は、エッジ部Ｅの延在方向であるＹ方向に沿ってレーザ光Ｌを照射しつつ走査する走査工程と、Ｙ方向に直交するＸ方向に沿ってレーザ光Ｌの照射位置を切り換える切換工程と、を備え、ＸＹ面９１におけるエッジ部Ｅから離れた位置を照射位置として走査工程を開始し、走査工程と切換工程とを交互に繰り返して複数回に亘って走査工程を実行することにより、Ｘ方向における照射位置をエッジ部Ｅに近付けつつレーザ光Ｌを照射する。【選択図】図１

Description

本発明は、金属材料の面取りを行う面取り加工方法に関する。

例えば、下記の特許文献１には、レーザ光を用いてガラス基板等の脆性材料の面取りを行う技術が開示されている。特許文献１に記載の技術では、レーザ光によるアブレーション加工を行うことにより、面取り時にクラック（割れ）等の欠陥が生じることを抑制している。

国際公開第２００９／１５７３１９号

ところで、特許文献１に記載の技術では脆性材料が面取りの対象とされているが、高硬度の金属材料（例えばプレス加工を行う金型等）が面取りの対象とされる場合には、従来、手作業による研磨によって面取りが行われていた。このような金属材料は、微細粒子の金属粉末とバインダ（粘結剤）とを焼結することにより得られる焼結体であることが多い。そのため、金属材料の面取りが研磨によって行われる場合には、摩擦により金属材料の表面から金属の粒子が脱落して、粒子が脱落した部分に窪みが生じることがある。このような場合には、研磨された部分が凹凸面となるため、精度の高い面取りを行うことは困難となる。特に、微小部分の面取りを行う場合には、小さな凹凸であっても面取りの精度に影響し易い。

そこで、金属材料における微小部分の面取りを高精度に行うことができる面取り加工方法が求められる。

本開示に係る面取り加工方法は、
金属材料の複数の面が交差して形成されるエッジ部を面取り対象として、当該エッジ部を形成する複数の面のうち何れかの面である対象面に対向する位置からレーザ光を照射してアブレーション加工することにより面取りを行う面取り加工方法であって、
前記エッジ部の延在方向に沿って前記レーザ光を照射しつつ走査する走査工程と、
前記対象面内で前記延在方向に直交する直交方向に沿って前記レーザ光の照射位置を切り換える切換工程と、を備え、
前記対象面における前記エッジ部から離れた位置を前記照射位置として前記走査工程を開始し、前記走査工程と前記切換工程とを交互に繰り返して複数回に亘って前記走査工程を実行することにより、前記直交方向における前記照射位置を前記エッジ部に近付けつつ前記レーザ光を照射する。

本構成によれば、アブレーション加工によって、金属粒子の結合状態によらず金属材料における所望の箇所を蒸発、飛散させることが可能となり、金属粒子自体を削り取ることにより金属材料表面からの金属粒子の脱落を抑制しつつ加工することができる。また、走査工程と切換工程とを交互に繰り返し行うことで、エッジ部の延在方向及びこれに直交する直交方向の範囲で、当該エッジ部の周辺部分を蒸発、飛散させて、削り取る形状の調整が可能となるので、Ｒ形状等の面取りを任意に行うことができる。このように、本構成によれば、金属材料における微小部分の面取りを高精度に行うことができる。

また、
前記走査工程により前記延在方向に沿う溝部を形成し、
前記走査工程と前記切換工程とを組み合わせて実行することにより前記溝部の幅を前記直交方向に沿って拡大させ、
前記切換工程を１回行ったときの前記照射位置の移動量を、前記溝部の最大幅の半分よりも小さく設定していると好適である。

本構成によれば、延在方向に沿う溝部を直交方向に拡大させていくことで、エッジ部の周辺部分を蒸発、飛散させることが可能となり、エッジ部の面取りを行うことができる。そして、切換工程を１回行ったときの照射位置の移動量が溝部の最大幅の半分よりも小さく設定されていることで、切換工程を実行する前後でのそれぞれの照射位置を直交方向に沿って互いに近接させることが可能となり、溝部を直交方向に拡大させていく過程で溝部の底部分を滑らかに形成することができる。従って、本構成によれば、面取り部分を滑らかな面状に仕上げることができる。

また、
前記切換工程により前記照射位置を前記エッジ部に近付けていくに従って、１回の前記走査工程における走査回数を増やしていくと好適である。

本構成によれば、エッジ部に近い領域ほど、金属材料における対象面を基準とする深い部分に亘って、当該部分を蒸発、飛散させることができる。これにより、金属材料の微小部分の面取りを適切に行うことができる。

また、
前記切換工程により前記照射位置を前記エッジ部に近付けていくに従って、１回の前記走査工程において照射される前記レーザ光の出力を上げていくと好適である。

本構成によれば、エッジ部に近い領域ほど、金属材料における対象面を基準とする深い部分に亘って、当該部分を蒸発、飛散させることができる。これにより、金属材料の微小部分の面取りを適切に行うことができる。

また、
前記切換工程により前記照射位置が前記対象面から外れた位置に設定された後は、前記切換工程により前記照射位置を前記エッジ部から遠ざけていくに従って、１回の前記走査工程における走査回数を増やしていくと好適である。

本構成によれば、面取りにより形成される面を、滑らかな曲面状となるように仕上げることが可能となる。

また、
前記切換工程により前記照射位置が前記対象面から外れた位置に設定された後は、前記切換工程により前記照射位置を前記エッジ部から遠ざけていくに従って、１回の前記走査工程において照射される前記レーザ光の出力を上げていくと好適である。

本構成によれば、面取りにより形成される面を、滑らかな曲面状となるように仕上げることが可能となる。

また、
前記切換工程により前記照射位置を前記エッジ部から遠ざけていく場合における前記エッジ部から前記照射位置までの最大距離が、前記溝部の前記最大幅の半分に相当する距離以下であると好適である。

本構成によれば、エッジ部がレーザ光の照射範囲から外れることを抑制しつつ、エッジ部を滑らかな曲面状に仕上げることが可能となる。

本開示に係る技術のさらなる特徴と利点は、図面を参照して記述する以下の例示的かつ非限定的な実施形態の説明によってより明確になるであろう。

光学系の構成を示す模式図である。 光学系の制御構成を示すブロック図である。 各条件で走査工程を行った場合に得られる各溝部を示す図である。 各条件で切換工程を行った場合に得られる各溝部の比較例を示す図である。 面取り加工の一過程を示す図である。 面取り加工の一過程を示す図である。 面取り加工の一過程を示す図である。 面取り加工の一過程を示す図である。 面取り加工の一過程を示す図である。 レーザ光のエネルギー密度と各材料の加工閾値との関係を示す図である。 第２実施形態の構成を示す図である。 第２実施形態の変形例を示す図である。 第３実施形態の構成を示す図である。 第３実施形態の変形例を示す図である。 第４実施形態の構成を示す図である。 第４実施形態の変形例を示す図である。 その他の実施形態の構成を示す図である。

本発明は、金属材料に対してレーザ光を照射してアブレーション加工することにより面取りを行う面取り加工方法であり、金属材料の微小部分の面取りを行う際に用いられると好適である。以下、本発明に係る面取り加工方法の実施形態について説明する。ただし、以下で説明する実施形態は本発明の一例に過ぎず、このような実施形態によって本発明が限定されるものではない。また、本発明は、面取りを行うための加工方法に限定されることはなく、当該方法を実現するための装置等についても本発明の範囲とすることができる。

〔第１実施形態〕
第１実施形態に係る面取り加工方法について図面を参照して説明する。

図１には、金属材料としてのワーク９の面取りを行うための光学系１００が示されている。ワーク９は、高硬度の金属材料であり、例えばプレス加工を行う際の金型等である。図１に示されるように、光学系１００を用いた面取り加工方法では、ワーク９の複数の面９１、９２が交差して形成されるエッジ部Ｅを面取り対象として、当該エッジ部Ｅを形成する複数の面９１、９２のうち何れかの面である対象面に対向する位置からレーザ光Ｌを照射してアブレーション加工することにより面取りを行う。

なお、本実施形態では、エッジ部Ｅの延在方向をＹ方向と定義し、レーザ光Ｌの照射方向をＺ方向と定義し、Ｙ方向及びＺ方向に直交する直交方向をＸ方向と定義する（図１等参照）。

図１に示される例では、エッジ部Ｅは、Ｘ方向及びＹ方向に沿うＸＹ面９１と、Ｙ方向及びＺ方向に沿うＹＺ面９２と、が交差して形成されている。本実施形態では、これらの面９１、９２のうち、ＸＹ面９１が「対象面」とされる。従って、本実施形態では、ＸＹ面９１に対向する位置から（ＸＹ面９１に垂直なＺ方向に沿って）レーザ光Ｌを照射してアブレーション加工を行う。

図１に示されるように、光学系１００は、光学定盤１と、光学定盤１に設けられたＸＹステージ２と、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器３と、レーザ発振器３により発振されたレーザ光Ｌを偏向する光偏向装置としてのガルバノスキャナ５と、を備えている。なお、本実施形態では、レーザ発振器３により発振されたレーザ光Ｌは、複数のミラーから構成される光ガイド機構４によってガルバノスキャナ５へと導かれる。ただし、光学系１００は、光ガイド機構４を備えない構成とされていても良く、その場合には、レーザ発振器３により発振されたレーザ光Ｌが直接ガルバノスキャナ５に導かれるように構成されると良い。

ＸＹステージ２は、ワーク９の位置合わせを行うための装置である。ＸＹステージ２は、Ｘ方向又はＹ方向に摺動自在な複数（図示の例では２つ）のステージを有しており、ステージ駆動部２Ａ（図２参照）によってこれらのステージが駆動される。本実施形態では、ＸＹステージ２は、ワーク台２Ｂを介して当該ＸＹステージ２の上に配置されたワーク９を、Ｘ方向及びＹ方向に移動させることにより、ワーク９の位置合わせを行う。なお、ワーク９の位置合わせは、光学系１００に備えられた撮像装置６（例えばＣＣＤカメラ）により得られた画像に基づいて行われると良い。

レーザ発振器３は、レーザ光Ｌを発振するための装置である。レーザ発振器３は、レーザ光Ｌの出力、パルス幅、繰り返し周波数等を調整可能に構成されている。本実施形態では、レーザ発振器３は、パルス幅が短い短パルスレーザを発振する。本実施形態では、レーザ光Ｌのパルス幅は３５０フェムト秒（ｆｓ）に設定され、当該レーザ光Ｌは、いわゆるフェムト秒レーザとして構成されている。ただし、これに限らず、レーザ光Ｌは、例えばパルス幅がピコ秒オーダーのピコ秒レーザとして構成されていても良い。そして、本実施形態では、レーザ光Ｌは、その出力が０．８ワット（Ｗ）に設定され、その繰り返し周波数が２００キロヘルツ（ｋＨｚ）に設定され、その波長が赤外線領域である１０４５ナノメートル（ｎｍ）に設定される。ただし、これらの数値は単なる例示であり、この例示によって設定値が限定されるものではない。

光ガイド機構４は、レーザ発振器３により発振されたレーザ光Ｌをガルバノスキャナ５に導くための装置である。本実施形態では、光ガイド機構４は、複数（図示の例では３つ）のミラーを含んで構成されている。複数のミラーによってレーザ光Ｌの光路が変換され、レーザ光Ｌがガルバノスキャナ５に導かれる。光ガイド機構４により、レーザ光Ｌの光路を比較的自由に設定でき、これにより、光学系１００を構成する各装置（少なくともレーザ発振器３及びガルバノスキャナ５）の相対的な配置関係を柔軟に設定することができる。

ガルバノスキャナ５は、レーザ光Ｌを偏向して、これをワーク９に照射するための装置である。ガルバノスキャナ５によりレーザ光Ｌが走査される。本実施形態では、ガルバノスキャナ５は、レーザ光ＬをＸ方向及びＹ方向に偏向可能に構成されており、図２に示されるように、レーザ光ＬをＸ方向に偏向するＸ軸ガルバノミラー５１Ｘと、Ｙ方向に偏向するＹ軸ガルバノミラー５１Ｙと、を備えている。

Ｘ軸ガルバノミラー５１Ｘは、軸を介してＸ軸ガルバノモータ５２Ｘに連結されており、Ｘ軸ガルバノモータ５２Ｘの作動により回転するように構成されている。これにより、レーザ光ＬがＸ方向に偏向される。

Ｙ軸ガルバノミラー５１Ｙは、軸を介してＹ軸ガルバノモータ５２Ｙに連結されており、Ｙ軸ガルバノモータ５２Ｙの作動により回転するように構成されている。これにより、レーザ光ＬがＹ方向に偏向される。

図１に示されるように、光学系１００は、ガルバノスキャナ５によって偏向されたレーザ光Ｌを加工の対象とされる部分で結像するための結像機構７を更に備えている。本実施形態では、結像機構７は、ｆθレンズとして構成されている。これにより、結像部分における走査速度を等速にすることができる。本実施形態では、レーザ光Ｌの走査速度が１メートル毎秒（ｍ／ｓ）に設定されている。なお、本実施形態において「走査」とは、特に説明しない場合には、Ｙ方向に沿うレーザ光Ｌの走査を意味するものとする。

次に、光学系１００の制御構成について説明する。

光学系１００は、図２に示されるように、当該光学系１００を構成する各装置を制御するための制御装置８を備えている。

制御装置８は、ステージ駆動部２Ａを制御してＸＹステージ２を駆動する。制御装置８は、ＸＹステージ２を駆動し、撮像装置６によって得られる画像に基づいてＸ方向及びＹ方向においてワーク９の位置合わせを行う。これにより、加工を行うための適切な位置にワーク９を配置することができる。このように、本実施形態に係る面取り加工方法は、金属材料としてのワーク９の位置合わせを行う位置調整工程を備えている。

制御装置８は、Ｘ軸ガルバノモータ５２Ｘを制御してＸ軸ガルバノミラー５１Ｘを駆動する。これにより、レーザ光ＬをＸ方向に偏向することができ、その結果、レーザ光Ｌの照射位置ＰをＸ方向に沿って切り換えることができる。本実施形態では、制御装置８は、予め設定されたタイミングでＸ軸ガルバノミラー５１Ｘを駆動することにより、レーザ光Ｌの照射位置ＰをＸ方向に沿って切り換えるように構成されている。このように、面取り加工方法は、対象面としてのＸＹ面９１内でＹ方向に直交する方向であるＸ方向に沿ってレーザ光Ｌの照射位置Ｐを切り換える切換工程Ｃを備えている。

制御装置８は、Ｙ軸ガルバノモータ５２Ｙを制御してＹ軸ガルバノミラー５１Ｙを駆動する。これにより、レーザ光ＬをＹ方向に偏向することができ、その結果、レーザ光ＬをＹ方向に沿って走査することができる。本実施形態では、制御装置８は、レーザ光Ｌの走査がＹ方向に沿って往復して行われるように、Ｙ軸ガルバノモータ５２Ｙを正逆回転させつつＹ軸ガルバノミラー５１Ｙを駆動するように構成されている。このように、面取り加工方法は、エッジ部Ｅの延在方向であるＹ方向に沿ってレーザ光Ｌを照射しつつ走査する走査工程Ｓを備えている。

制御装置８は、レーザ発振器３を制御してレーザ光Ｌの出力、パルス幅、繰り返し周波数等を調整する。これらの値は、用途に応じて適宜調整することができる。

本実施形態では、以上のように構成された光学系１００によって、ワーク９のエッジ部Ｅの面取りを行う。

本実施形態では、走査工程ＳによりＹ方向に沿う溝部９３をＸＹ面９１に形成する（図３参照）。図３には、各条件で走査工程Ｓを行った場合に得られる複数の溝部９３が模式的に示されている。図３に示されるように、溝部９３は、最も深い部分である最深部９３Ａと、Ｘ方向におけるエッジ部Ｅ（図３において省略）に向かう側を基準として、最深部９３Ａに向かって下降する下降部９３Ｂと、最深部９３Ａからエッジ部Ｅに向かって上昇する上昇部９３Ｃと、を有している。

走査工程Ｓは、照射位置Ｐと走査回数とが異なる各条件下で行われる。異なる条件下で走査工程Ｓを行うことにより、異なる深さＤ（最深部９３Ａの深さ）の溝部９３を形成することができる。

本実施形態における走査工程Ｓには、図３に示されるように、加工されていない状態のＸＹ面９１に深さＤ１の溝部９３を形成する条件で行われる第１走査工程Ｓ１と、深さＤ２の溝部９３を形成する条件で行われる第２走査工程Ｓ２と、深さＤ３の溝部９３を形成する条件で行われる第３走査工程Ｓ３と、深さＤ４の溝部９３を形成する条件で行われる第４走査工程Ｓ４と、深さＤ５の溝部９３を形成する条件で行われる第５走査工程Ｓ５と、がある。

深さＤ１〜深さＤ５は、次第に深さが深くなっていくものであり、深さＤ１が最も浅く、深さＤ５が最も深い（図３参照）。

本実施形態では、第１走査工程Ｓ１〜第５走査工程Ｓ５は、次第に走査回数が多くなっていくものであり、第１走査工程Ｓ１が最も走査回数が少なく、第５走査工程Ｓ５が最も走査回数が多い。

本実施形態では、各走査工程Ｓ１〜Ｓ５における走査回数は、切換工程Ｃを行うタイミングによって調整される。すなわち、本実施形態では、Ｙ方向に沿うレーザ光Ｌの走査は、Ｘ方向における同じ位置において往復して行われ、その走査速度は一定とされている（本例では１ｍ／ｓ）。そして、切換工程Ｃによって照射位置ＰをＸ方向に沿って移動させない限り、Ｘ方向における同じ位置においてＹ方向の走査が繰り返し行われる（走査回数が増加する）。

切換工程Ｃによって照射位置Ｐを移動させる（切り換える）タイミングが早いほど、１回の走査工程Ｓによって行われる走査回数が少なくなり、これによって形成される溝部９３の深さＤは浅くなる。反対に、切換工程Ｃによって照射位置Ｐを移動させるタイミングが遅いほど、１回の走査工程Ｓによって行われる走査回数が多くなり、これによって形成される溝部９３の深さＤは深くなる。

本実施形態では、走査工程Ｓと切換工程Ｃとを組み合わせて実行することにより溝部９３の幅Ｗ（最大幅）をＸ方向に沿ってエッジ部Ｅ側に拡大させていく。これにより、エッジ部Ｅの周辺部分を蒸発、飛散させることができ、エッジ部Ｅの面取りを行うことができる。

ここで、溝部９３の幅Ｗを拡大させていくことによりエッジ部Ｅの面取りを適切に行うには、切換工程Ｃを１回行ったときの照射位置Ｐの移動量ΔＸを適切な値に設定する必要がある。この点に関して、図４の比較例を参照して説明する。

図４には、切換工程Ｃを１回行ったときの照射位置Ｐの移動量ΔＸを異なる値に設定した場合に、１回の切換工程Ｃにより合計で２回の走査工程Ｓを行ったときに形成される各溝部９３の比較例が示されている。図４中の細線は、１回の走査工程Ｓで形成される仮想的な溝部の外形を示しており、図４中の太線は、２回の走査工程Ｓによって実際に形成される溝部９３の外形を示している。

図４中の左図は本実施形態に係るものであり、移動量ΔＸが溝部９３の基準幅ＷＲの半分幅Ｗｈ（以下、単に半分幅Ｗｈという場合がある。）よりも小さい場合に形成される溝部９３を示している（ΔＸ＜Ｗｈ）。図４中の中央図は、移動量ΔＸと半分幅Ｗｈとが同じ場合に形成される溝部９３を示している（ΔＸ＝Ｗｈ）。図４中の右図は、移動量ΔＸが半分幅Ｗｈよりも大きい場合に形成される溝部９３を示している（ΔＸ＞Ｗｈ）。ここで、「溝部９３の基準幅ＷＲ（最大幅）」とは、加工されていない状態のＸＹ面９１に走査工程Ｓを１回行った場合における溝部９３の幅Ｗ（最大幅）であり、この幅Ｗ（基準幅ＷＲ）の半分の幅が半分幅Ｗｈとなる（図３参照）。従って、本実施形態では、拡大している途中の溝部９３の幅Ｗは、基準幅ＷＲには相当せず、この幅Ｗが移動量ΔＸの基準となるわけではない。

図４中の中央図に示されるように、移動量ΔＸと半分幅Ｗｈとが同じ場合には（ΔＸ＝Ｗｈ）、２箇所の照射位置Ｐでそれぞれ行われた合計２回の走査工程Ｓにより、底部分が平らな溝部９３が形成された。このような溝部９３をＸ方向に沿って拡大させていったとしても、エッジ部Ｅの面取りを適切に行うことはできない。

図４中の右図に示されるように、移動量ΔＸが半分幅Ｗｈよりも大きい場合には（ΔＸ＞Ｗｈ）、２箇所の照射位置Ｐでそれぞれ行われた合計２回の走査工程Ｓにより、底部分が波状（凹凸状）の溝部９３が形成された。このような溝部９３をＸ方向に沿って拡大させていったとしても、エッジ部Ｅの面取りを適切に行うことはできない。

そこで、本実施形態では、図４中の左図に示されるように、切換工程Ｃを１回行ったときの照射位置Ｐの移動量ΔＸを、溝部９３の基準幅ＷＲの半分幅Ｗｈよりも小さく設定している。このように半分幅Ｗｈを設定した場合には、２箇所の照射位置Ｐでそれぞれ行われた合計２回の走査工程Ｓにより、全体が滑らかに連続した曲面状の溝部９３が形成された。これによれば、溝部９３を、Ｘ方向に拡大させていく過程で滑らかに形成することができ、その結果、面取り部分を滑らかな曲面状に仕上げることができる。なお、照射位置Ｐの移動量ΔＸは、Ｘ軸ガルバノミラー５１Ｘの回転量を制御することにより調整することができる。

次に、面取り加工方法の手順について、図５〜図９を参照して説明する。なお、各図中の細線は、１回の走査工程Ｓで形成される仮想的な溝部の外形を示しており、各図中の太線は、走査工程Ｓを複数回繰り返すことによって実際に形成される溝部９３の外形を示している。

面取り加工方法では、ＸＹ面９１におけるエッジ部Ｅから離れた位置を照射位置Ｐとして走査工程Ｓを開始し、走査工程Ｓと切換工程Ｃとを交互に繰り返して複数回に亘って走査工程Ｓを実行することにより、Ｘ方向における照射位置Ｐをエッジ部Ｅに近付けつつレーザ光Ｌを照射する。

本実施形態では、切換工程Ｃにより照射位置Ｐをエッジ部Ｅに近付けていくに従って、１回の走査工程Ｓにおける走査回数を増やしていく。これにより、エッジ部Ｅに近い領域ほど、ワーク９の深い部分に亘って、当該部分を蒸発、飛散させることができる。

本実施形態では、レーザ光Ｌの照射位置Ｐを第１照射位置Ｐ１とした状態で、各走査工程Ｓ１〜Ｓ５のうち、第１走査工程Ｓ１を最初に行う（図５参照）。第１照射位置Ｐ１は、エッジ部Ｅから離れた位置に設定され、面取り加工（アブレーション加工）を行う際の開始位置となる。第１走査工程Ｓ１を行うことにより、最深部９３Ａの位置を第１照射位置Ｐ１とする溝部９３が、ＸＹ面９１に形成される。このとき形成される溝部９３は、幅Ｗ（基準幅ＷＲ）、深さＤ１とされる。本実施形態では、第１走査工程Ｓ１は、第１走査工程Ｓ１の開始（加工の開始）から時間Ｔ１が経過するまでの間行われる。

第１走査工程Ｓ１の開始から時間Ｔ１が経過後した後は、第２走査工程Ｓ２に移行するための切換工程Ｃを１回行い、レーザ光Ｌの照射位置Ｐを次の照射位置である第２照射位置Ｐ２に移動させて、第２走査工程Ｓ２を行う（図６参照）。前述のように、このときの移動量ΔＸは、溝部９３の基準幅ＷＲの半分幅Ｗｈよりも小さく設定されている。本実施形態では、第２走査工程Ｓ２は、第２走査工程Ｓ２の開始（時間Ｔ１の経過後）から時間Ｔ２が経過するまでの間行われる。時間Ｔ２は、時間Ｔ１よりも長く設定されている。これにより、第２走査工程Ｓ２で実行される走査回数が、第１走査工程Ｓ１で行われる走査回数よりも多くなる。面取り加工方法では、第２走査工程Ｓ２の実行により、第１走査工程Ｓ１で形成された溝部９３をＸ方向に沿って拡大させつつ当該溝部９３の最深部９３Ａを深く形成する。なお、図６に示される例では、第２走査工程Ｓ２を実行することにより、溝部９３（詳細には溝部９３の上昇部９３Ｃ）がエッジ部Ｅに到達する。従って、この時点で溝部９３の幅Ｗは最大となる。そして、第２走査工程Ｓ２を終えた時点で、エッジ部Ｅと上昇部９３Ｃとが繋がると共に、Ｚ方向におけるエッジ部Ｅの位置が第１走査工程Ｓ１を終えた時点（図５参照）での位置よりも低い（深い）位置となっている。

第２走査工程Ｓ２の開始から時間Ｔ２が経過した後は、第３走査工程Ｓ３に移行するための切換工程Ｃを１回行い、レーザ光Ｌの照射位置Ｐを次の照射位置である第３照射位置Ｐ３に移動させて、第３走査工程Ｓ３を行う（図７参照）。このときの移動量ΔＸは、溝部９３の基準幅ＷＲの半分幅Ｗｈよりも小さく設定されている。本実施形態では、第３走査工程Ｓ３は、第３走査工程Ｓ３の開始（時間Ｔ２の経過後）から時間Ｔ３が経過するまでの間行われる。時間Ｔ３は、時間Ｔ２よりも長く設定されている。これにより、第３走査工程Ｓ３で実行される走査回数が、第２走査工程Ｓ２で行われる走査回数よりも多くなる。面取り加工方法では、第３走査工程Ｓ３の実行により、第２走査工程Ｓ２で形成された溝部９３の最深部９３Ａを深く形成する。なお、図７に示される例では、第３走査工程Ｓ３を実行することにより、Ｚ方向におけるエッジ部Ｅの位置が第２走査工程Ｓ２を終えた時点（図６参照）での位置よりも更に低い位置となっている。そして、第３走査工程Ｓ３を終えた時点では、第２走査工程Ｓ２を終えた時点（図６参照）に比べて上昇部９３Ｃが短くなるものの、エッジ部Ｅと上昇部９３Ｃとは未だ繋がっている状態である（図７参照）。

第３走査工程Ｓ３の開始から時間Ｔ３が経過した後は、第４走査工程Ｓ４に移行するための切換工程Ｃを１回行い、レーザ光Ｌの照射位置Ｐを次の照射位置である第４照射位置Ｐ４に移動させて、第４走査工程Ｓ４を行う（図８参照）。このときの移動量ΔＸは、溝部９３の基準幅ＷＲの半分幅Ｗｈよりも小さく設定されている。図８に示される例では、第４照射位置Ｐ４は、Ｘ方向においてワーク９のＸＹ面９１から外れた位置（Ｚ方向視でＸＹ面９１と重ならない位置）に設定されている。本実施形態では、切換工程Ｃにより照射位置Ｐがワーク９のＸＹ面９１から外れた位置に設定された後は、切換工程Ｃにより照射位置Ｐをエッジ部Ｅから遠ざけていくに従って、１回の走査工程Ｓにおける走査回数を増やしていく。照射位置Ｐをワーク９のＸＹ面９１から外れた位置に設定して走査工程Ｓを実行することで、面取りにより形成される面を、滑らかな曲面状となるように仕上げることが可能となる。本実施形態では、第４走査工程Ｓ４は、第４走査工程Ｓ４の開始（時間Ｔ３の経過後）から時間Ｔ４が経過するまでの間行われる。時間Ｔ４は、時間Ｔ３よりも長く設定されている。これにより、第４走査工程Ｓ４で実行される走査回数が、第３走査工程Ｓ３で行われる走査回数よりも多くなる。面取り加工方法では、第４走査工程Ｓ４の実行により、溝部９３の最深部９３Ａを深く形成する。なお、図８に示される例では、第４走査工程Ｓ４を実行することにより、Ｚ方向におけるエッジ部Ｅの位置が第３走査工程Ｓ３を終えた時点（図７参照）での位置よりも更に低い位置となっている。この時点で、上昇部９３Ｃが消滅し、下降部９３Ｂとエッジ部Ｅとが連続した溝部９３が形成されている状態である。そして、エッジ部Ｅが溝部９３の最深部９３Ａとなる。

第４走査工程Ｓ４の開始から時間Ｔ４が経過した後は、第５走査工程Ｓ５に移行するための切換工程Ｃを１回行い、レーザ光Ｌの照射位置Ｐを次の照射位置である第５照射位置Ｐ５に移動させて、第５走査工程Ｓ５を行う（図９参照）。このときの移動量ΔＸは、溝部９３の基準幅ＷＲの半分幅Ｗｈよりも小さく設定されている。本実施形態では、第５走査工程Ｓ５は、第５走査工程Ｓ５の開始（時間Ｔ４の経過後）から時間Ｔ５が経過するまでの間行われる。時間Ｔ５は、時間Ｔ４よりも長く設定されている。これにより、第５走査工程Ｓ５で実行される走査回数が、第４走査工程Ｓ４で行われる走査回数よりも多くなる。面取り加工方法では、第５走査工程Ｓ５を実行することにより、溝部９３の最深部９３Ａを深く形成する。なお、図９に示される例では、第５走査工程Ｓ５を実行することにより、Ｚ方向におけるエッジ部Ｅの位置（最深部９３Ａの位置）が第４走査工程Ｓ４を終えた時点（図８参照）での位置よりも更に低い位置となっている。

本実施形態では、第５走査工程Ｓ５が、第１走査工程Ｓ１〜第５走査工程Ｓ５のうち最後に行われる工程である。そして、ワーク９のＸＹ面９１から外れた位置である第４照射位置Ｐ４及び第５照射位置Ｐ５のうち、第５走査工程Ｓ５において設定される第５照射位置Ｐ５が、エッジ部Ｅから最も離れた位置に設定されている。

本実施形態では、切換工程Ｃにより照射位置Ｐをエッジ部Ｅから遠ざけていく場合におけるエッジ部Ｅから照射位置Ｐまでの最大距離が、溝部９３の基準幅ＷＲ（最大幅）の半分に相当する距離以下となるように設定されている。図９に示されるように、エッジ部Ｅから第５照射位置Ｐ５までのＸ方向における離間距離Ｘ５は、基準幅ＷＲの半分幅Ｗｈ（図３も参照）に相当する距離以下となるように設定されている。

上述したように、照射位置Ｐをワーク９のＸＹ面９１から外れた位置に設定して走査工程Ｓ（第４走査工程Ｓ４及び第５走査工程Ｓ５）を実行することで、面取りにより形成される面を、滑らかな曲面状となるように仕上げることが可能となる。一方で、エッジ部Ｅから第５照射位置Ｐ５までの離間距離Ｘ５が、基準幅ＷＲの半分幅Ｗｈに相当する距離よりも大きく設定されている場合には、エッジ部Ｅがレーザ光Ｌの照射範囲から外れて加工できなくなる可能性が高い。本実施形態では、エッジ部Ｅから第５照射位置Ｐ５までの離間距離Ｘ５が、基準幅ＷＲの半分幅Ｗｈに相当する距離以下に設定されているため、エッジ部Ｅがレーザ光Ｌの照射範囲から外れることを抑制しつつ、エッジ部Ｅを滑らかな曲面状に仕上げることが可能となる。

このように、第１走査工程Ｓ１〜第５走査工程Ｓ５を行うことにより、図９に示されるように、滑らかな曲面状となるようにワーク９の面取りを行うことができる。

ここで、照射位置Ｐをワーク９のＸＹ面９１から外れた位置に設定して走査工程Ｓ（第４走査工程Ｓ４及び第５走査工程Ｓ５）を実行することにより、ワーク９を下方で支持するワーク台２Ｂに対してレーザ光Ｌが照射される場合がある。この場合には、ワーク台２Ｂが、意図せず削られる可能性がある。

そこで、本実施形態では、非加工対象であるワーク台２Ｂの加工閾値が、加工対象（面取り対象）であるワーク９の加工閾値よりも大きい値に設定されている。これにより、照射位置Ｐをワーク９のＸＹ面９１から外れた位置に設定して走査工程Ｓを実行した場合であっても、レーザ光Ｌによってワーク台２Ｂが削られることを抑制することができる。

図１０には、レーザ光Ｌのエネルギー密度と、各材料（ここでは、ワーク９及びワーク台２Ｂ）の加工閾値と、の関係が示されている。本実施形態において「加工閾値」とは、レーザ光Ｌが照射された材料が加工される（削られる）か否かの境界を示すレーザ光Ｌのエネルギー密度の値である。例えば、エネルギー密度の単位は、「Ｊ/ｃｍ^２」などであって良い。

図１０における縦軸が、レーザ光Ｌのエネルギー密度の高低を示しており、横軸が、レーザ光Ｌの照射範囲を示している。横軸における「Ｐ」で示された位置が、レーザ光Ｌの照射位置Ｐである。そして、図中において、レーザ出力を小さく設定した場合におけるレーザ光Ｌ１でのエネルギー密度及び照射範囲の関係を「Ｌ１」が付された実線で示し、同様に、レーザ出力を上記レーザ光Ｌ１よりも大きく設定した場合におけるレーザ光Ｌ２での上記関係を「Ｌ２」が付された実線で示し、レーザ光Ｌの出力を上記レーザ光Ｌ２よりも大きく設定した場合におけるレーザ光Ｌ３での上記関係を「Ｌ３」が付された実線で示している。また、図中の「Ｖ１」はワーク９に用いられる材料（以下、単にワーク９という）の加工閾値（第１加工閾値Ｖ１）を示しており、「Ｖ２」はワーク台２Ｂに用いられる材料（以下、単にワーク台２Ｂという）の加工閾値（第２加工閾値Ｖ２）を示している。

図１０に示されるように、非加工対象であるワーク台２Ｂの第２加工閾値Ｖ２が、加工対象（面取り対象）であるワーク９の第１加工閾値Ｖ１よりも大きい値に設定されている。

レーザ出力を小さく設定した場合におけるレーザ光Ｌ１によって加工しようとする場合、そのエネルギー密度は第１加工閾値Ｖ１及び第２加工閾値Ｖ２の双方を超えない。従って、この場合には、ワーク９及びワーク台２Ｂのいずれも加工することができない。

また、レーザ出力を大きく設定した場合におけるレーザ光Ｌ３によって加工しようとする場合、そのエネルギー密度は第１加工閾値Ｖ１及び第２加工閾値Ｖ２の双方を超える。従って、この場合には、加工対象であるワーク９の他、非加工対象であるワーク台２Ｂについても意図せず加工されることになる。

一方、本実施形態では、レーザ光Ｌ１を照射する場合よりも大きく、且つ、レーザ光Ｌ３を照射する場合よりも小さくなるようにレーザ出力を設定した場合におけるレーザ光Ｌ２によって加工する。この場合、レーザ光Ｌ２のエネルギー密度は、第２加工閾値Ｖ２を超えない範囲で第１加工閾値Ｖ１を超える。従って、この場合には、非加工対象であるワーク台２Ｂが加工されることを抑制しつつ、加工対象であるワーク９のみを加工することが可能となる。これにより、照射位置Ｐをワーク９のＸＹ面９１から外れた位置に設定して走査工程Ｓを実行した場合であっても、レーザ光Ｌによってワーク台２Ｂが加工される（削られる）ことを抑制することができる。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態について説明する。上記の第１実施形態では、ワーク９及びワーク台２Ｂそれぞれの加工閾値Ｖ１，Ｖ２の差を利用することにより、ワーク台２Ｂが加工されることを抑制しつつ、ワーク９のみを加工することが可能な構成について説明した。第２実施形態では、ワーク台２Ｂにおけるレーザ光Ｌが照射される部分での当該レーザ光Ｌのエネルギー密度を調整する。これにより、ワーク台２Ｂが加工されることを抑制しつつ、ワーク９のみを加工することが可能となる。以下、第２実施形態について図１１を参照して説明する。なお、以下において特に説明しない部分については、上記第１実施形態と同様の構成である。

図１１に示されるように、第２実施形態では、ワーク台２Ｂにおける、Ｘ方向においてワーク９のＸＹ面９１から外れた部分（Ｚ方向視でＸＹ面９１と重ならない部分）に、段部２１が形成されている。段部２１は、レーザ光Ｌの走査方向と等しい方向（Ｙ方向）に沿って形成されている。

ワーク台２Ｂに段部２１が形成されていることで、レーザ光Ｌの照射範囲のうち最もエネルギー密度が高くなる部分である焦点Ｆとワーク台２Ｂとを離間させることができる（図１１の右図参照）。これにより、ワーク台２Ｂにおけるレーザ光Ｌが照射される部分において、レーザ光Ｌのエネルギー密度を低くすることができ、ワーク台２Ｂが意図せず加工されることを抑制することが可能となる。

なお、図１２に示されるように、ワーク台２Ｂは、段部２１に代えて、当該ワーク台２Ｂの一部分が切り欠かれて形成された切欠部２２を有していても良い。この構成によれば、ワーク台２Ｂに段部２１が形成されている場合と同様の効果を奏することができる。更に、この構成によれば、ワーク台２Ｂに段部２１が形成されている場合に比べてワーク台２Ｂの厚みを確保し易いため、ワーク台２Ｂの剛性が低下することを抑制することも可能となる。

〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態について説明する。上記の第２実施形態では、段部２１又は切欠部２２によって、焦点Ｆとワーク台２Ｂとを離間させることにより、ワーク台２Ｂにおけるレーザ光Ｌが照射される部分での当該レーザ光Ｌのエネルギー密度を低くしていた。第３実施形態では、ワーク台２Ｂにおけるレーザ光Ｌが照射される部分の面積を大きくすることで、当該部分でのレーザ光Ｌのエネルギー密度を低くする。これにより、ワーク台２Ｂが加工されることを抑制しつつ、ワーク９のみを加工することが可能となる。以下、第３実施形態について図１３を参照して説明する。

図１３に示されるように、第３実施形態では、ワーク台２Ｂにおける、Ｘ方向においてワーク９のＸＹ面９１から外れた部分（Ｚ方向視でＸＹ面９１と重ならない部分）に、Ｘ方向の外側に向かって下方に傾斜する傾斜面部２３が形成されている。傾斜面部２３は、レーザ光Ｌの走査方向と等しい方向（Ｙ方向）に沿って形成されている。傾斜面部２３の傾斜により、ワーク台２Ｂにおけるレーザ光Ｌが照射される部分の面積を大きくすることができ、当該部分におけるレーザ光Ｌのエネルギー密度を低くすることができる。

なお、図１４に示されるように、ワーク台２Ｂは、傾斜面部２３に代えて、曲面状に形成された曲面部２４を有していても良い。この構成によれば、ワーク台２Ｂに傾斜面部２３が形成されている場合と同様の効果を奏することができる。

〔第４実施形態〕
次に、第４実施形態について説明する。上記の第１実施形態では、ワーク台２Ｂに用いられる材料の加工閾値を、ワーク９に用いられる材料の加工閾値よりも大きな値である第２加工閾値Ｖ２となるように設定していた。第４実施形態では、レーザ光Ｌを照射されても加工される（削られる）ことのない加工閾値に設定されている抵抗部材２５を、加工されることが望ましくない箇所に配置する（図１５参照）。以下、第４実施形態について図１５を参照して説明する。

図１５に示されるように、第４実施形態では、レーザ光Ｌを照射されても加工される（削られる）ことのない加工閾値に設定されている抵抗部材２５を、ワーク台２Ｂにおける、Ｘ方向においてワーク９のＸＹ面９１から外れた部分（Ｚ方向視でＸＹ面９１と重ならない部分）に配置する。抵抗部材２５によりレーザ光Ｌを遮断することによって、ワーク台２Ｂにおける当該抵抗部材２５の裏側に位置する部分が加工されることを抑制することができる。

抵抗部材２５は、Ｙ方向に沿って配置されており、図示の例では、板状に形成されている。但し、レーザ光Ｌを遮断できる形状であれば、例えば直方体状など、どのような形状であっても良い。抵抗部材２５の加工閾値は、レーザ光Ｌの出力との関係で適宜設定されると良い。

なお、図１６に示されるように、抵抗部材２５をワーク台２Ｂに配置することに代えて、抵抗部材２５をワーク９自体に配置するようにしても良い。この構成によれば、ワーク９における当該抵抗部材２５の裏側に位置する部分が加工されることを抑制することができる。

〔その他の実施形態〕
（１）上記の実施形態では、切換工程Ｃにより照射位置Ｐをエッジ部Ｅに近付けていくに従って、１回の走査工程Ｓにおける走査回数を増やしていく例について説明した。しかし、切換工程Ｃにより照射位置Ｐをエッジ部Ｅに近付けていくに従って、１回の走査工程Ｓにおいて照射されるレーザ光Ｌの出力を上げていくように構成しても良い。この構成によっても、エッジ部Ｅに近い領域ほどワーク９の深い部分に亘って当該部分を蒸発、飛散させることができる。また、これとは別に、切換工程Ｃにより照射位置Ｐをエッジ部Ｅに近づけていくに従って、１回の走査工程Ｓにおける走査速度を上げていくように構成しても良い。これにより、エッジ部Ｅに近い領域ほど走査回数を多くすることができ、ワーク９の深い部分に亘って当該部分を蒸発、飛散させることができる。

（２）上記の実施形態では、切換工程Ｃにより照射位置Ｐがワーク９のＸＹ面９１から外れた位置に設定された後は、切換工程Ｃにより照射位置Ｐをエッジ部Ｅから遠ざけていくに従って、１回の走査工程における走査回数を増やしていく例について説明した。しかし、切換工程Ｃにより照射位置Ｐをエッジ部Ｅから遠ざけていくに従って、１回の走査工程Ｓにおいて照射されるレーザ光Ｌの出力を上げていくように構成しても良い。

（３）上記の実施形態では、制御装置８は、レーザ光Ｌの走査がＹ方向に沿って往復して行われるように、Ｙ軸ガルバノモータ５２Ｙを正逆回転させつつＹ軸ガルバノミラー５１Ｙを駆動するように構成されている例について説明した。しかし、ガルバノスキャナ５がいわゆるポリゴンミラー（多角形状ミラー）を含んで構成され、制御装置８は、当該ポリゴンミラーを制御して、レーザ光Ｌの走査がＹ方向に沿って行われるようにしても良い。

（４）上記の実施形態では、走査工程Ｓと切換工程Ｃとを交互に繰り返して複数回に亘って走査工程Ｓを実行することにより、面取り部分が滑らかな曲面状となるようにワーク９の面取りを行う例について説明した。しかし、走査工程Ｓと切換工程Ｃとを実行することにより、面取り部分が斜面状となるようにワーク９の面取りを行っても良い。この場合には、切換工程Ｃを１回行ったときの照射位置Ｐの移動量ΔＸ、切換工程Ｃを行うタイミング、レーザ光Ｌの出力等を必要に応じて適宜設定すると良い。

（５）上記の実施形態では、第１走査工程Ｓ１〜第５走査工程Ｓ５からなる合計５回の走査工程Ｓを行う例について説明した。しかし、走査工程Ｓを行う回数は複数回であれば良く、面取りの用途や形状等に応じて適宜設定することができる。

（６）上記の実施形態では、非加工対象であるワーク台２Ｂが加工されることを抑制しつつ、加工対象であるワーク９のみを加工することが可能な構成について説明した。このような構成として、例えば図１７に示すように、ワーク９を、Ｘ方向においてワーク台２Ｂからはみ出す部分を有するように、ワーク台２Ｂ上に配置するようにしても良い。換言すれば、ワーク９を、Ｚ方向視においてワーク台２Ｂと重ならない部分を有するように、ワーク台２Ｂ上に配置するようにしても良い。この構成によれば、ワーク９のエッジ部Ｅの面取りを行う過程で、ワーク台２Ｂにレーザ光Ｌが照射されることを抑制でき、ワーク台２Ｂが加工される（削られる）ことを抑制することが可能である。

（７）なお、前述した各実施形態で開示された構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示された構成と組み合わせて適用することも可能である。その他の構成に関しても、本明細書において開示された実施形態は全ての点で単なる例示に過ぎない。従って、本開示の趣旨を逸脱しない範囲内で、適宜、種々の改変を行うことが可能である。

本発明は、金属材料の面取りを行う面取り加工方法に利用することができる。

１００ ：光学系
１ ：光学定盤
２ ：ＸＹステージ
３ ：レーザ発振器
４ ：光ガイド機構
５ ：ガルバノスキャナ
６ ：撮像装置
７ ：結像機構
８ ：制御装置
５１Ｘ ：Ｘ軸ガルバノミラー
５１Ｙ ：Ｙ軸ガルバノミラー
５２Ｘ ：Ｘ軸ガルバノモータ
５２Ｙ ：Ｙ軸ガルバノモータ
９１ ：ＸＹ面（対象面）
９２ ：ＹＺ面
９３ ：溝部
９３Ａ ：最深部
Ｅ ：エッジ部
Ｌ ：レーザ光
Ｐ ：照射位置
Ｃ ：切換工程
Ｓ ：走査工程
ＷＲ ：基準幅
Ｗｈ ：半分幅
ΔＸ ：移動量
Ｘ５ ：離間距離（エッジ部から照射位置までの最大距離）

Claims (7)

1. 金属材料の複数の面が交差して形成されるエッジ部を面取り対象として、当該エッジ部を形成する複数の面のうち何れかの面である対象面に対向する位置からレーザ光を照射してアブレーション加工することにより面取りを行う面取り加工方法であって、
   前記エッジ部の延在方向に沿って前記レーザ光を照射しつつ走査する走査工程と、
   前記対象面内で前記延在方向に直交する直交方向に沿って前記レーザ光の照射位置を切り換える切換工程と、を備え、
   前記対象面における前記エッジ部から離れた位置を前記照射位置として前記走査工程を開始し、前記走査工程と前記切換工程とを交互に繰り返して複数回に亘って前記走査工程を実行することにより、前記直交方向における前記照射位置を前記エッジ部に近付けつつ前記レーザ光を照射する面取り加工方法。
2. 前記走査工程により前記延在方向に沿う溝部を形成し、
   前記走査工程と前記切換工程とを組み合わせて実行することにより前記溝部の幅を前記直交方向に沿って拡大させ、
   前記切換工程を１回行ったときの前記照射位置の移動量を、前記溝部の最大幅の半分よりも小さく設定している請求項１に記載の面取り加工方法。
3. 前記切換工程により前記照射位置を前記エッジ部に近付けていくに従って、１回の前記走査工程における走査回数を増やしていく請求項１又は２に記載の面取り加工方法。
4. 前記切換工程により前記照射位置を前記エッジ部に近付けていくに従って、１回の前記走査工程において照射される前記レーザ光の出力を上げていく請求項１又は２に記載の面取り加工方法。
5. 前記切換工程により前記照射位置が前記対象面から外れた位置に設定された後は、前記切換工程により前記照射位置を前記エッジ部から遠ざけていくに従って、１回の前記走査工程における走査回数を増やしていく請求項３に記載の面取り加工方法。
6. 前記切換工程により前記照射位置が前記対象面から外れた位置に設定された後は、前記切換工程により前記照射位置を前記エッジ部から遠ざけていくに従って、１回の前記走査工程において照射される前記レーザ光の出力を上げていく請求項４に記載の面取り加工方法。
7. 前記走査工程により前記延在方向に沿う溝部を形成し、
   前記切換工程により前記照射位置を前記エッジ部から遠ざけていく場合における前記エッジ部から前記照射位置までの最大距離が、前記溝部の最大幅の半分に相当する距離以下である請求項５又は６に記載の面取り加工方法。

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