JP2019155445A - Processing method, processing system, and processing program - Google Patents

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真 吉田
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Abstract

To provide a processing method capable of forming an internal surface of a cavity portion into a desired shape and shortening processing time when processing a workpiece having the cavity portion inside.SOLUTION: There is provided a processing method for processing a light-permeable material by laser beam irradiation to prepare a processed material having a cavity portion inside. The method includes irradiating a processing site corresponding to the internal surface of the cavity portion with a laser beam with a first spot size, and irradiating the processing site corresponding to the inside of the internal surface with the laser beam with a second spot size larger than the first spot size.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、内部に空洞部分を有する加工物を作成する加工方法、当該加工方法を実行する加工システム、加工システムに当該加工方法を実行させるための加工プログラムに関する。   The present invention relates to a machining method for creating a workpiece having a hollow portion therein, a machining system for executing the machining method, and a machining program for causing the machining system to execute the machining method.

マイクロ流体デバイスは、バイオ・生化学分野や化学工学において広く利用されている。マイクロ流体デバイスは、流体(たとえば、血液)をデバイス内に供給するためのポートや流体をデバイス外に排出するポート、及びそれらのポート間を連通する流路部分を備える。ポートや流路は、レーザー光による熱処理やエッチング処理のような微細加工により形成される。   Microfluidic devices are widely used in bio / biochemical fields and chemical engineering. The microfluidic device includes a port for supplying a fluid (for example, blood) into the device, a port for discharging the fluid out of the device, and a flow path portion communicating between the ports. The port and the channel are formed by fine processing such as heat treatment or etching treatment using laser light.

たとえば、マイクロ流体デバイスの流路部分Lを作成する場合、図8に示すように、材料M(樹脂材料、ガラス材料等)の表面に微細加工を行って溝Cを形成し、その上から別の材料M´を貼り合わせることが一般的である。   For example, when the flow path portion L of the microfluidic device is created, as shown in FIG. 8, the surface of the material M (resin material, glass material, etc.) is finely processed to form the groove C, and another portion is formed thereon. The material M ′ is generally bonded together.

一方、特許文献1には、ガラス基板内にレーザー光を直接照射してエッチング耐性を低下させた後、レーザー光を照射した箇所に対してエッチング処理を施すことにより、内部に流路部分を形成するというマイクロ流体デバイスの製造方法が開示されている。   On the other hand, in Patent Document 1, a glass substrate is directly irradiated with laser light to reduce etching resistance, and then the portion irradiated with the laser light is etched to form a flow path portion therein. A method of manufacturing a microfluidic device is disclosed.

特開2016−148592号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2006-148592

このように、従来のマイクロ流体デバイスの製造方法は、材料に溝を形成した後に別の材料を貼り合わせたり、レーザー光を照射した後にエッチング処理を行う等、複数の異なる処理が必要となり、煩雑である。また、材料を貼り合わせる際に接着が不十分となる箇所が生じ、そこから流体が漏れ出すという問題もある。   As described above, the conventional manufacturing method of the microfluidic device requires a plurality of different processes such as attaching another material after forming a groove in the material, or performing an etching process after irradiating a laser beam. It is. In addition, there is a problem that when the materials are bonded together, a portion where the adhesion is insufficient is generated, and the fluid leaks from the portion.

更に、複数のポートや複数の流路部分を多層構造で形成したり、流路部分の形状を複雑化するといった、マイクロ流体デバイスの多チャンネル化や大規模化の要請がある。この場合、上記問題はより顕著となる。   Furthermore, there is a demand for a multi-channel or large-scale microfluidic device, such as forming a plurality of ports and a plurality of flow path portions with a multilayer structure, or complicating the shape of the flow path portions. In this case, the above problem becomes more prominent.

たとえば、マイクロ流体デバイス内に傾斜した流路部分Lを作成する場合、図9Aに示すように、複数の材料Mそれぞれの表面に微細加工を行って孔Hを形成し、それらの材料と、別の材料M´を貼り合わせる。   For example, when the inclined flow path portion L is created in the microfluidic device, as shown in FIG. 9A, the surface of each of the plurality of materials M is finely processed to form the holes H. The material M ′ is pasted together.

しかし、複数の材料を加工したり、それぞれの材料を貼り合わせる作業が必要となるため、煩雑である。また、複数の材料を貼り合わせるため、接着が不十分な箇所が生じる可能性がより高くなる。更に、流路部分Lの内壁面は、流体がスムーズに流れるよう滑らかな形状になっていることが要求される。しかしながら、複数の材料を張り合わせて流路部分Lを形成した場合、図9B(図9AのA−A断面)に示したように、内壁面に段差やつなぎ目が生じてしまう。   However, since it is necessary to work a plurality of materials or to bond each material, it is complicated. Moreover, since a plurality of materials are bonded together, there is a higher possibility that a portion having insufficient adhesion will occur. Furthermore, the inner wall surface of the flow path portion L is required to have a smooth shape so that the fluid flows smoothly. However, when the flow path portion L is formed by laminating a plurality of materials, as shown in FIG. 9B (cross section AA in FIG. 9A), a step or a joint is generated on the inner wall surface.

本発明の目的は、内部に空洞部分を有する加工物を加工する際、空洞部分の内壁面を所望の形状に形成し、且つ加工時間を短縮することが可能な技術を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a technique capable of forming an inner wall surface of a hollow portion into a desired shape and shortening a machining time when a workpiece having a hollow portion is processed.

上記目的を達成するための一の発明は、レーザー光を照射して光透過性の材料を加工し、内部に空洞部分を有する加工物を作成する加工方法であって、前記空洞部分の内壁面に対応する加工部位に対して、第1のスポットサイズで前記レーザー光を照射し、前記空洞部分の内壁面より内側に対応する加工部位に対して、前記第1のスポットサイズよりも大きい第2のスポットサイズで前記レーザー光を照射する加工方法である。
本発明の他の特徴については、本明細書の記載により明らかにする。
One invention for achieving the above object is a processing method of processing a light-transmitting material by irradiating a laser beam to create a workpiece having a hollow portion therein, and the inner wall surface of the hollow portion. The laser beam is irradiated with the first spot size to the processing site corresponding to the second, and the processing site corresponding to the inner side of the inner wall surface of the cavity portion is larger than the first spot size. This is a processing method of irradiating the laser beam with a spot size of.
Other features of the present invention will become apparent from the description of this specification.

本発明によれば、内部に空洞部分を有する加工物を加工する際、空洞部分の内壁面を所望の形状に形成し、且つ加工時間を短縮することが可能な技術を提供することにある。   According to the present invention, there is provided a technique capable of forming the inner wall surface of a hollow portion into a desired shape and shortening the machining time when a workpiece having a hollow portion is processed.

実施形態に係る加工物を示した図である。It is the figure which showed the processed material which concerns on embodiment. 実施形態に係る加工システムの構成を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing composition of a processing system concerning an embodiment. 実施形態に係るポートの加工経路を示す図である。It is a figure which shows the process path | route of the port which concerns on embodiment. 実施形態に係るポートの加工経路を示す図である。It is a figure which shows the process route of the port which concerns on embodiment. 実施形態に係るポートの加工経路を示す図である。It is a figure which shows the process route of the port which concerns on embodiment. 実施形態に係る流路部分の加工経路を示す図である。It is a figure which shows the process path | route of the flow-path part which concerns on embodiment. 実施形態に係る流路部分の加工経路を示す図である。It is a figure which shows the process path | route of the flow-path part which concerns on embodiment. 実施形態に係る流路部分の加工経路を示す図である。It is a figure which shows the process path | route of the flow-path part which concerns on embodiment. 実施形態に係る加工方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing method which concerns on embodiment. 実施形態に係る加工方法により加工されるポートを示す図である。It is a figure which shows the port processed by the processing method which concerns on embodiment. 実施形態に係る加工方法により加工されるポートを示す図である。It is a figure which shows the port processed by the processing method which concerns on embodiment. 実施形態に係る加工方法により加工される流路部分を示す図である。It is a figure which shows the flow-path part processed by the processing method which concerns on embodiment. 実施形態に係る加工方法により加工される流路部分を示す図である。It is a figure which shows the flow-path part processed by the processing method which concerns on embodiment. 実施形態に係る加工方法により加工される流路部分を示す図である。It is a figure which shows the flow-path part processed by the processing method which concerns on embodiment. 従来例における加工物の作成方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the creation method of the workpiece in a prior art example. 従来例における加工物の作成方法を説明するため図である。It is a figure for demonstrating the creation method of the workpiece in a prior art example. 図9Aに示した加工物のA−A断面である。It is an AA cross section of the workpiece shown in FIG. 9A.

==加工方法の概要==
本実施形態に係る加工方法は、加工部位に対してレーザー光を照射することにより、材料内部に所定形状の空洞部分を有する加工物を作成する方法である。レーザー光を用いることにより、材料に対して非接触での加工が可能となる。
== Outline of processing method ==
The processing method according to the present embodiment is a method of creating a workpiece having a cavity with a predetermined shape inside the material by irradiating the processing site with laser light. By using laser light, non-contact processing can be performed on the material.

本実施形態に係る材料はレーザー光を透過するもの(光透過性の材料)を用いる。光透過性の材料としては、ガラス、または所望の機能を持たせるために元素、イオン、粒子をドープしたガラスが挙げられるが、たとえば、PMMAなどの光透過性を持つ樹脂やジルコニア系の材料も用いることができる。ジルコニア系の材料は、ジルコニア配合型ガラスセラミックのような複合材料であってもよいし、一定の透過率を有するジルコニア単体であってもよい。また、材料の光透過率は100%である必要はなく、所定の位置(加工部位)までレーザー光が届き加工可能な程度の値であればよい。   As the material according to this embodiment, a material that transmits laser light (light-transmitting material) is used. Examples of the light-transmitting material include glass or glass doped with elements, ions, and particles to provide a desired function. For example, a light-transmitting resin such as PMMA or a zirconia-based material may be used. Can be used. The zirconia-based material may be a composite material such as a zirconia-containing glass ceramic, or a zirconia simple substance having a certain transmittance. Further, the light transmittance of the material does not need to be 100%, and may be a value that allows laser light to reach a predetermined position (processing part) and be processed.

加工部位は、材料表面または材料内部においてレーザー光が照射される位置である。加工部位は、複数の線分(直線または曲線)、面(所定の面積を有する二次元領域)、或いは立体(所定の体積を有する三次元領域)として設定される。加工部位にレーザー光が照射されることにより、材料の一部が除去される。なお、レーザー光を照射した加工部位には改質(材料の組成や構造が変化すること)が生じる。   The processing site is a position where the laser beam is irradiated on the material surface or inside the material. The processing site is set as a plurality of line segments (straight line or curved line), a surface (a two-dimensional region having a predetermined area), or a solid (a three-dimensional region having a predetermined volume). A part of the material is removed by irradiating the processing site with laser light. Note that modification (change in the composition and structure of the material) occurs in the processing site irradiated with the laser beam.

レーザー光は、短パルスレーザーによる光を用いる。特に、材料内部の加工部位に対して直接、レーザー光を照射するためには、超短パルスレーザーによる光を用いることが好ましい。超短パルスレーザーは、一のパルス幅が数ピコ秒〜数フェムト秒のレーザー光を照射するレーザーである。超短パルスレーザーによるレーザー光を材料内部の加工部位に短時間照射することにより、アブレーション加工(非熱加工)を行うことができる。アブレーション加工は、レーザー光により溶融した箇所が瞬時に蒸発、飛散し除去されるため、一般的なレーザー加工(熱加工)と比べ、熱による加工部位の損傷が少ない。なお、本実施形態で用いるアブレーション加工は、内部加工による空孔を生成することで、たとえばマイクロ流体デバイスの流路を作る際に使用する方法である。つまり、アブレーション加工は、熱加工のような方法や3Dレーザー彫刻のような材料に微小なキズ(クラック)を形成する方法とは技術的に区別される。   As the laser light, light from a short pulse laser is used. In particular, in order to irradiate a laser beam directly to a processing site inside the material, it is preferable to use light from an ultrashort pulse laser. An ultrashort pulse laser is a laser that emits laser light having a pulse width of several picoseconds to several femtoseconds. Ablation processing (non-thermal processing) can be performed by irradiating the processing site inside the material with laser light by an ultrashort pulse laser for a short time. Ablation processing instantly evaporates, scatters, and removes the melted portion by the laser beam, so that damage to the processing site due to heat is small compared to general laser processing (thermal processing). The ablation process used in the present embodiment is a method used when, for example, a flow path of a microfluidic device is created by generating holes by internal processing. That is, ablation processing is technically distinguished from a method such as thermal processing and a method of forming minute scratches (cracks) in a material such as 3D laser engraving.

加工物は、材料を加工して得られる物である。加工物は、内部に所定形状の空洞部分を有する。空洞部分の形状は、CADシステム300により作成される設計データ(後述)に基づいて設定される。本実施形態に係る加工物は、マイクロ流体デバイスである。   A processed product is a product obtained by processing a material. The workpiece has a hollow portion having a predetermined shape inside. The shape of the hollow portion is set based on design data (described later) created by the CAD system 300. The workpiece according to this embodiment is a microfluidic device.

マイクロ流体デバイスは、使用目的に応じた複数の構成要素により構成される。構成要素は、試薬や検体の注入、試薬と検体の混合、反応、分離、精製、検出等を行うための構成である。具体的に、構成要素は、流路、ポート、反応室、マイクロポンプ等である。   The microfluidic device is composed of a plurality of components according to the purpose of use. The component is a configuration for performing injection of a reagent or specimen, mixing of the reagent and specimen, reaction, separation, purification, detection, or the like. Specifically, the constituent elements are a flow path, a port, a reaction chamber, a micro pump, and the like.

ポートは、マイクロ流体デバイスに対して試薬等を注入するための部分である。ポートは、マイクロ流体デバイスの表面に開口部分を有する。ポートは、開口部分から所定の深さを有する中空の形状となっている。流路は、ポートから注入された試薬等が流れる部分である。つまり、マイクロ流体デバイスにおいてポート(中空の部分)と流路とは連結している。また、ポートの開口部分は、材料表面において外部に開口する部分(流路と材料外部とを連通する部分)である。   The port is a part for injecting a reagent or the like into the microfluidic device. The port has an opening in the surface of the microfluidic device. The port has a hollow shape having a predetermined depth from the opening. The flow path is a portion through which the reagent or the like injected from the port flows. That is, in the microfluidic device, the port (hollow part) and the flow path are connected. Moreover, the opening part of a port is a part (part which connects a flow path and the material exterior) to the exterior in the material surface.

図1は、マイクロ流体デバイスDの一例を示す。図1において、マイクロ流体デバイスDの長手方向をX方向とし、短手方向をY方向とし、縦方向をZ方向とする。マイクロ流体デバイスDは、三つのポートP1〜ポートP3、及び二股の流路部分Fを有する。   FIG. 1 shows an example of a microfluidic device D. In FIG. 1, the longitudinal direction of the microfluidic device D is the X direction, the short direction is the Y direction, and the longitudinal direction is the Z direction. The microfluidic device D has three ports P1 to P3 and a bifurcated flow path portion F.

ポートP1〜ポートP3それぞれは、Z方向に延びる筒状の空洞である(筒状の底面は閉塞している)。各ポートは、それぞれ開口部分O1〜開口部分O3を有する。流路部分Fは、XY平面上に延びる筒状の空洞であり、ポートP1とポートP3、及びポートP2とポートP3を連通する二股の空洞である。ポートP1〜ポートP3及び流路部分Fは、「空洞部分」の一例である。なお、ポートはZ方向に延びるだけでなく、X方向またはY方向に傾斜するように設けられてもよい。また、流路部分Fは、XYの二次元平面だけでなく、Z方向に傾斜するよう設けられていてもよい。   Each of the ports P1 to P3 is a cylindrical cavity extending in the Z direction (the cylindrical bottom surface is closed). Each port has an opening portion O1 to an opening portion O3. The flow path portion F is a cylindrical cavity extending on the XY plane, and is a bifurcated cavity that communicates the ports P1 and P3 and the ports P2 and P3. The ports P1 to P3 and the flow path portion F are examples of the “cavity portion”. The port may be provided not only to extend in the Z direction but also to be inclined in the X direction or the Y direction. Further, the flow path portion F may be provided not only in the XY two-dimensional plane but also in the Z direction.

材料に対するレーザー光の照射は、予め作成された加工データ(後述)に基づいて行われる。具体的に、本実施形態に係る加工方法は、空洞部分の内壁面に対応する加工部位に対して、第1のスポットサイズでレーザー光を照射し、空洞部分の内壁面より内側に対応する加工部位に対して、第1のスポットサイズよりも大きい第2のスポットサイズでレーザー光を照射する。また、本実施形態に係る加工方法は、図2に示すような加工システム100により実施される。加工システム100は、CAMシステム200で作成された加工プログラムを実行することにより材料の加工を行う。以下、「設計データ」、「加工データ」、「加工システム」、「加工システムによる加工(加工方法)」について詳述する。   Irradiation of the laser beam to the material is performed based on processing data (described later) created in advance. Specifically, the processing method according to the present embodiment irradiates the processing portion corresponding to the inner wall surface of the hollow portion with laser light at the first spot size, and performs processing corresponding to the inner side of the inner wall surface of the hollow portion. The part is irradiated with laser light with a second spot size larger than the first spot size. Moreover, the processing method according to the present embodiment is performed by a processing system 100 as shown in FIG. The processing system 100 processes a material by executing a processing program created by the CAM system 200. Hereinafter, “design data”, “machining data”, “machining system”, and “machining by the machining system (machining method)” will be described in detail.

==設計データ==
設計データは、材料内部に形成されるマイクロ流体デバイスの構成要素を示すデータである。CADシステム300(図2参照)は、設計データを作成することができる(設計データの作成方法については、特願2017−032591号公報を参照して援用する。但し、設計データの作成方法はこれに限られるものではない)。
== Design data ==
The design data is data indicating the components of the microfluidic device formed inside the material. The CAD system 300 (see FIG. 2) can create design data (the design data creation method is referred to Japanese Patent Application No. 2017-032591). Not limited to).

本実施形態に係る設計データは、材料データ及び要素データを含む。   The design data according to the present embodiment includes material data and element data.

材料データは、加工物(マイクロ流体デバイス)の元となる材料を特定するための情報である。材料を特定するための情報は、たとえば、材質(ガラス、樹脂、ジルコニア等)、形状(円柱、直方体、立方体等)、サイズ(縦、横、高さ(厚み)等)、色、材料内部における屈折率である。   The material data is information for specifying the material that is the basis of the workpiece (microfluidic device). Information for specifying the material includes, for example, the material (glass, resin, zirconia, etc.), shape (cylinder, rectangular parallelepiped, cube, etc.), size (vertical, horizontal, height (thickness), etc.), color, and inside of the material. Refractive index.

要素データは、加工物の構成要素それぞれの具体的な位置、形状等を示すデータである。要素データは、構成要素毎の座標値を含む。たとえば図1に示したマイクロ流路デバイスDの要素データは、ポートP1〜P3、及び流路部分Fそれぞれの座標値が設定されている。座標値は、ある点(たとえば、材料の角部分)を原点とした場合におけるXYZの値である。   The element data is data indicating the specific position, shape, etc. of each component of the workpiece. The element data includes coordinate values for each component. For example, in the element data of the microchannel device D shown in FIG. 1, the coordinate values of the ports P1 to P3 and the channel portion F are set. The coordinate values are XYZ values when a certain point (for example, a corner portion of the material) is the origin.

また、要素データは、構成要素毎の属性情報を含む。属性情報は、材料内部における深さ、太さ、及び断面形状等である。たとえば、ポートの属性情報は、開口部分に相当する位置から材料内部における所定位置までの深さ(図1に示したマイクロ流体デバイスDであれば、開口部分に相当する位置から所定位置までのZ方向の距離)、太さ(円形であれば直径や半径、方形であれば対角線の長さ等)、及び断面形状(円形、方形)を含む情報である。流路の属性情報は、材料内部における深さ方向の位置(図1に示したマイクロ流体デバイスDであれば、Z方向の位置)、太さ(円形であれば直径や半径、方形であれば対角線の長さ等)、及び断面形状(円形、方形)を含む情報である。ポートや流路の属性情報として流速や連結先の情報(座標値)を含めてもよい。   The element data includes attribute information for each constituent element. The attribute information includes the depth, thickness, cross-sectional shape, and the like inside the material. For example, the port attribute information includes a depth from a position corresponding to the opening portion to a predetermined position inside the material (in the case of the microfluidic device D shown in FIG. 1, Z from the position corresponding to the opening portion to the predetermined position). This is information including a direction distance), a thickness (diameter or radius if circular, a diagonal length if square), and a cross-sectional shape (circular or square). The attribute information of the flow path includes the position in the depth direction inside the material (the position in the Z direction in the case of the microfluidic device D shown in FIG. 1), the thickness (in the case of a circle, the diameter and radius, and in the case of a square Information including the length of the diagonal line) and the cross-sectional shape (circular, square). Flow rate and connection destination information (coordinate values) may be included as port and flow path attribute information.

なお、マイクロ流体デバイスによっては、流路の多層化(図1の流路部分FがZ方向に重畳して複数設けられる場合)、三次元化(図1の流路部分FがZ方向に傾斜して設けられる場合)が要求される場合もありうる。このような場合であっても、構成要素毎に要素データを設定することで設計データを得ることができる。また、設計データは、ポート及び流路それぞれの座標値、属性情報を有するデータであってもよいし、それらを用いて作成された三次元データ(ソリッドデータ等)であってもよい。   Depending on the microfluidic device, the flow path is multilayered (when a plurality of flow path portions F in FIG. 1 are provided in the Z direction) and three-dimensional (the flow path portions F in FIG. 1 are inclined in the Z direction). May be required). Even in such a case, design data can be obtained by setting element data for each component. The design data may be data having the coordinate values and attribute information of the ports and flow paths, or may be three-dimensional data (solid data or the like) created using them.

==加工データ==
加工データは、空洞部分を有する加工物を作成する際に加工システム100で使用されるデータである。加工データは、CADシステム300で作成された設計データに基づいて、CAMシステム200で作成される。
== Processing data ==
The machining data is data used in the machining system 100 when creating a workpiece having a hollow portion. The machining data is created by the CAM system 200 based on the design data created by the CAD system 300.

本実施形態に係る加工データは、少なくとも加工部位データ、スポットサイズデータ、及び加工経路データを含む。   The machining data according to the present embodiment includes at least machining site data, spot size data, and machining path data.

加工部位データは、材料における加工部位を特定するためのデータ(加工部位に相当するデータ)である。加工部位データは、設計データに含まれる構成要素毎に作成される。加工部位は、設計データに含まれる各構成要素の座標値により特定される。加工部位データは、たとえば、複数の点データからなる。点データは材料のサイズや加工物の形状(空洞部分の形状)等を加味して所定の間隔で設定される。各点データは、三次元(XYZ)の座標値、及びベクトル情報を有する。   The processed part data is data (data corresponding to the processed part) for specifying the processed part in the material. The processing site data is created for each component included in the design data. The machining site is specified by the coordinate value of each component included in the design data. The processing site data is composed of a plurality of point data, for example. The point data is set at predetermined intervals in consideration of the size of the material, the shape of the workpiece (the shape of the hollow portion), and the like. Each point data has three-dimensional (XYZ) coordinate values and vector information.

各座標値は、レーザー光の焦点位置を決定する際に用いられる(すなわち、各座標値は材料表面または材料内部においてレーザー光が照射される位置に相当する)。ベクトル情報は、レーザー光の照射方向(材料に対するレーザー光の入射方向)を決定する際に用いられる。なお、材料内部にレーザー光を入射させる場合、材料表面における反射の影響が生じる。そこで、ベクトル情報を設定する場合、材料表面に対して垂直にレーザー光が入射するように設定することがより好ましい。また、加工部位データは、材料内部に空洞部分を形成することができれば、複数の点データでなくともよい。たとえば、材料に対してレーザー光を照射する範囲(位置及び幅)を設定する二次元または三次元の領域データであってもよい。   Each coordinate value is used when determining the focal position of the laser beam (that is, each coordinate value corresponds to a position where the laser beam is irradiated on the material surface or inside the material). The vector information is used when determining the irradiation direction of the laser beam (the incident direction of the laser beam with respect to the material). In addition, when a laser beam is incident inside the material, an influence of reflection on the material surface occurs. Therefore, when setting the vector information, it is more preferable to set so that the laser beam is incident perpendicular to the material surface. Further, the processing site data may not be a plurality of point data as long as a hollow portion can be formed inside the material. For example, it may be two-dimensional or three-dimensional region data for setting a range (position and width) in which a material is irradiated with laser light.

なお、材料によって屈折率が異なるため、設計データに含まれる座標値に対してレーザー光の焦点位置を合わせてレーザー光を照射しても屈折率の影響によって、加工部位にレーザー光が当たらない場合もある。そこで、CAMシステム200は、材料データに含まれる屈折率を考慮して、加工部位データの座標値を補正してもよい。   In addition, since the refractive index varies depending on the material, even if the laser beam is irradiated with the laser beam with the focal position of the laser beam aligned with the coordinate value included in the design data, the laser beam does not hit the processing site due to the influence of the refractive index. There is also. Therefore, the CAM system 200 may correct the coordinate value of the processed part data in consideration of the refractive index included in the material data.

スポットサイズデータは、加工部位に対して照射するレーザー光のスポットサイズを示すデータである。スポットサイズは、レーザー光が点で照射される場合には、その径(スポット径)に相当する。一方、後述するLCOS−SLM等を用いて二次元領域或いは三次元領域に対してレーザー光を照射する場合、スポットサイズは、二次元領域の面積或いは三次元領域の体積に相当する。   The spot size data is data indicating the spot size of the laser beam irradiated to the processing site. The spot size corresponds to the diameter (spot diameter) when the laser beam is irradiated with a spot. On the other hand, when laser light is irradiated to a two-dimensional region or a three-dimensional region using an LCOS-SLM or the like described later, the spot size corresponds to the area of the two-dimensional region or the volume of the three-dimensional region.

スポットサイズデータは、各加工部位に対して設定される。本実施形態においては、空洞部分の内壁面より内側に対応する加工部位に対して設定されるスポットサイズ(第2のスポットサイズ)が、空洞部分の内壁面に対応する加工部位に対して設定されるスポットサイズ(第1のスポットサイズ)よりも大きくなるように設定される。   Spot size data is set for each processed part. In the present embodiment, the spot size (second spot size) set for the machining portion corresponding to the inside of the inner wall surface of the hollow portion is set for the machining portion corresponding to the inner wall surface of the hollow portion. It is set to be larger than the spot size (first spot size).

なお、ある加工部位に対する第1のスポットサイズ(第2のスポットサイズ)と、別の加工部位に対する第1のスポットサイズ(第2のスポットサイズ)とは同じ値が設定されていてもよいし、異なる値が設定されていてもよい。たとえば、図1に示したポートP1〜P3を加工する際の第1のスポットサイズと流路部分Fを加工する際の第1のスポットサイズは、同じ値が設定されていてもよいし、異なる値が設定されていてもよい。   The first spot size (second spot size) for a certain processing site and the first spot size (second spot size) for another processing site may be set to the same value, Different values may be set. For example, the first spot size when processing the ports P1 to P3 shown in FIG. 1 and the first spot size when processing the flow path portion F may be set to the same value or different. A value may be set.

加工経路データは、レーザー光の照射を行う経路及び順番を設定するデータである。レーザー光を照射する順番は、構成要素の数や配置、空洞部分の形状等により決定される。たとえば、図1のマイクロ流体デバイスDにおける加工経路データは、最初にポート部分P1〜P3の加工を行い、次に流路部分Fの加工を行うように設定することができる。   The processing route data is data for setting a route and order for performing laser light irradiation. The order of irradiating the laser light is determined by the number and arrangement of components, the shape of the hollow portion, and the like. For example, the processing path data in the microfluidic device D of FIG. 1 can be set such that the port portions P1 to P3 are first processed and then the flow path portion F is processed.

ここで、非熱加工の場合、レーザー光を照射した加工部位には改質が生じる(レーザー光のエネルギーにより材料の組成や構造が変化する)。この場合、改質された加工部位より遠い位置にはレーザー光が到達できないか、或いは改質による粗面化の影響により、意図しないレーザー光の屈折や反射が生じる。従って、設定した加工部位に対してレーザー光を照射することが困難となり、その結果、所望の空洞部分を作成できない恐れがある。   Here, in the case of non-thermal processing, modification occurs in the processing site irradiated with laser light (the composition and structure of the material change depending on the energy of the laser light). In this case, the laser beam cannot reach a position far from the modified processing site, or unintended refraction or reflection of the laser beam occurs due to the effect of roughening due to the modification. Therefore, it becomes difficult to irradiate the set processing site with laser light, and as a result, there is a possibility that a desired cavity portion cannot be created.

そこで、加工経路データは、レーザー光の照射方向において重畳する加工部位がある場合、レーザー光が入射する材料表面から離れている順(材料表面から遠い順)にレーザー光が照射されるように設定する。材料表面と加工部位との距離は、上述の材料に対するレーザー光の入射方向に沿って決定される。   Therefore, the processing path data is set so that the laser light is emitted in the order of distance from the material surface where the laser light enters (in the order farthest from the material surface) when there is a processing part that overlaps in the direction of laser light irradiation. To do. The distance between the material surface and the processing site is determined along the incident direction of the laser beam with respect to the material.

たとえば、図1に示したポートP1及び流路部分Fに対して設定される加工経路データについて説明する。   For example, the processing path data set for the port P1 and the flow path portion F shown in FIG.

図3A及び図3Bは、図1に示したポートP1をZ方向から見た図である。図3Cは、図1に示したポートP1をY方向から見た図である。この例では、Z方向に沿って上側から下側に向かってレーザー光を照射し、ポートP1を加工するとする。この場合、まずポートP1の径に沿って円状の加工経路L1を設定する(図3A参照)。加工経路L1に沿ってレーザー光を照射することで、ポートP1の内壁面を形成することができる。その後、加工経路L1の内側に、加工経路L1と同心円状の加工経路L2を複数設定する(図3B参照)。加工経路L2に沿ってレーザー光を照射することで、ポートP1の空洞部分(内壁面よりも内側の部分)を形成することができる。   3A and 3B are views of the port P1 shown in FIG. 1 viewed from the Z direction. 3C is a view of the port P1 shown in FIG. 1 as viewed from the Y direction. In this example, it is assumed that the laser beam is irradiated from the upper side to the lower side along the Z direction to process the port P1. In this case, first, a circular machining path L1 is set along the diameter of the port P1 (see FIG. 3A). By irradiating laser light along the processing path L1, the inner wall surface of the port P1 can be formed. Thereafter, a plurality of machining paths L2 concentric with the machining path L1 are set inside the machining path L1 (see FIG. 3B). By irradiating the laser beam along the processing path L2, a hollow portion (portion inside the inner wall surface) of the port P1 can be formed.

一方、ポートP1はZ方向において所定の長さで形成されるため、上側に位置する加工部位に対して先にレーザー光を照射してしまうと、それよりも下側に位置する加工部位にレーザー光を照射することが困難となる。よって、加工経路は、ポートP1の下側から上側に向かって加工するよう設定される(図3C参照。太い矢印は、加工する方向を示す)。つまり、図3Cの例であれば、Z方向に沿って下側から上側へ加工経路が設定されることとなる。なお、ポートP1をZ方向にいくつかの層に分け、層毎に図3A及び図3Bに示す加工経路を設定することも可能である。この場合、最下層から順にレーザー光が照射されるよう加工経路(加工順)を設定する。   On the other hand, since the port P1 is formed with a predetermined length in the Z direction, if the laser beam is first irradiated to the processing site located on the upper side, the laser is applied to the processing site located on the lower side. It becomes difficult to irradiate light. Therefore, the machining path is set so as to machine from the lower side to the upper side of the port P1 (see FIG. 3C. A thick arrow indicates the direction of machining). That is, in the example of FIG. 3C, the machining path is set from the lower side to the upper side along the Z direction. It is also possible to divide the port P1 into several layers in the Z direction and set the machining path shown in FIGS. 3A and 3B for each layer. In this case, a processing path (processing order) is set so that laser light is irradiated in order from the lowest layer.

図4A〜図4Cは、図1に示した流路部分FをY方向から見た断面図である。この例では、Z方向に沿って上側から下側に向かってレーザー光を照射し、流路部分Fを加工するとする。この場合、流路部分FはZ方向において所定の径で形成されるため、上側に位置する加工部位に対して先にレーザー光を照射してしまうと、それよりも下側に位置する加工部位にレーザー光を照射することが困難となる。よって、加工経路としては、まず流路部分Fの径の下半分に対し、下側から順に加工経路L1を設定する(図4A参照)。加工経路L1に沿ってレーザー光を照射することで、流路部分Fの内壁面の下半分を形成することができる。次に、加工経路L1の内側において、下側から順に加工経路L2を複数設定する(図4B参照)。加工経路L2に沿ってレーザー光を照射することで、流路部分Fの空洞部分(内壁面よりも内側の部分)を形成することができる。最後に、流路部分Fの径の上半分に対し、下側から順に加工経路L3を設定する(図4C参照)。加工経路L3に沿ってレーザー光を照射することで、流路部分Fの内壁面の上半分を形成することができる。なお、流路部分FはY方向に所定の長さで形成されるため、各加工経路はY方向に所定の長さを有する。或いは、流路部分FをX方向にいくつかの層に分け、層毎に図4A〜図4Cに示す加工経路を設定することも可能である。   4A to 4C are cross-sectional views of the flow path portion F shown in FIG. 1 as viewed from the Y direction. In this example, it is assumed that the flow path portion F is processed by irradiating laser light from the upper side to the lower side along the Z direction. In this case, since the flow path portion F is formed with a predetermined diameter in the Z direction, if the laser beam is first irradiated to the processing portion located on the upper side, the processing portion located on the lower side thereof It becomes difficult to irradiate the laser beam. Therefore, as the machining path, first, the machining path L1 is set in order from the lower side with respect to the lower half of the diameter of the flow path portion F (see FIG. 4A). By irradiating the laser beam along the processing path L1, the lower half of the inner wall surface of the flow path portion F can be formed. Next, a plurality of machining paths L2 are set in order from the lower side inside the machining path L1 (see FIG. 4B). By irradiating the laser beam along the processing path L2, a hollow portion (portion inside the inner wall surface) of the flow path portion F can be formed. Finally, the machining path L3 is set in order from the lower side with respect to the upper half of the diameter of the flow path portion F (see FIG. 4C). By irradiating the laser beam along the processing path L3, the upper half of the inner wall surface of the flow path portion F can be formed. Since the flow path portion F is formed with a predetermined length in the Y direction, each processing path has a predetermined length in the Y direction. Alternatively, the flow path portion F can be divided into several layers in the X direction, and the processing paths shown in FIGS. 4A to 4C can be set for each layer.

加工データは、照射パターンデータを含んでいてもよい。照射パターンデータは、加工部位に対するレーザー光の照射方法を決定するためのデータである(照射パターンの具体例は後述)。照射パターンデータは、ある加工データに対して一のデータが設定されていてもよいし、加工部位データ毎に異なる照射パターンデータが設定されていてもよい。なお、加工システム100によって、搭載するレーザーの性能や調整部20の構成が決まっている。従って、CAMシステム200側で照射パターンを設定したとしてもそれを実行できない場合もありうる。そこで、加工データに照射パターンを含めず、加工時に加工システム100側で照射パターンを設定することでもよい。   The processing data may include irradiation pattern data. The irradiation pattern data is data for determining a method of irradiating the processing site with laser light (a specific example of the irradiation pattern will be described later). As the irradiation pattern data, one data may be set for certain processing data, or different irradiation pattern data may be set for each processing site data. The processing system 100 determines the performance of the laser to be mounted and the configuration of the adjustment unit 20. Therefore, even if an irradiation pattern is set on the CAM system 200 side, it may not be executed. Therefore, the irradiation pattern may be set on the processing system 100 side during processing without including the irradiation pattern in the processing data.

加工データは、照射パターン以外のレーザー光の出力に関する情報(レーザー光の照射速度または単位時間あたりの照射時間、強度等)や加工精度に関する情報(照射部10や保持部20の送り速度、加工ピッチや角度に関する情報等)、加工後の壁面処理に関する情報(仕上げ処理。鏡面加工や表面改質)を含んでいてもよい。   The processing data includes information on the output of laser light other than the irradiation pattern (laser light irradiation speed or irradiation time per unit time, intensity, etc.) and information on processing accuracy (feed speed of irradiation unit 10 and holding unit 20, processing pitch) And information on angles, etc.) and information on wall processing after processing (finishing processing, mirror processing and surface modification) may be included.

なお、一旦作成された加工データは、CAMシステム200上(或いは加工システム100上)で任意に変更することができる。たとえば、加工データの作成者は、ある加工データを作成した後、CAMシステム200上で使用する材料を変更できる。この場合、CAMシステム200は、変更した材料の材料データに含まれる屈折率に基づいて、ある加工データに含まれる加工部位データの座標値を補正することができる。   The machining data once created can be arbitrarily changed on the CAM system 200 (or on the machining system 100). For example, a creator of machining data can change the material used on the CAM system 200 after creating certain machining data. In this case, the CAM system 200 can correct the coordinate value of the processing site data included in certain processing data based on the refractive index included in the material data of the changed material.

CAMシステム200は、作成した加工データを加工システム100に出力する。加工システム100は、加工データに基づき、設定された加工経路に沿って加工部位に対してレーザー光を照射することにより材料の加工を行う。出力されるデータの形式は、加工システム100で使用できるものであれば特に限定されない。   The CAM system 200 outputs the created machining data to the machining system 100. The processing system 100 processes the material by irradiating the processing site with laser light along the set processing path based on the processing data. The format of the output data is not particularly limited as long as it can be used in the processing system 100.

==加工システム==
図2は、加工システム100を模式的に示した図である。加工システム100は、レーザー光を照射して材料を加工し、内部に空洞部分を有する加工物を作成する。加工システム100は、加工装置1及びコンピューター2を有する。但し、コンピューター2の果たす機能を加工装置1で実現することによって、加工システム100が加工装置1単体で構成されてもよい。
== Machining system ==
FIG. 2 is a diagram schematically showing the processing system 100. The processing system 100 irradiates a laser beam to process a material, and creates a workpiece having a hollow portion inside. The processing system 100 includes a processing apparatus 1 and a computer 2. However, the processing system 100 may be configured by the processing device 1 alone by realizing the function performed by the computer 2 by the processing device 1.

本実施形態に係る加工装置1は、5軸(X軸、Y軸、Z軸、A回転軸(X軸回りの回転軸)、B回転軸(Y軸回りの回転軸))の駆動軸を有する。加工装置1は、加工データに基づき、加工部位に対してレーザー光を照射することにより材料Mを加工する。加工装置1は、照射部10、調整部20、保持部30、及び駆動機構40を含む。   The processing apparatus 1 according to the present embodiment includes five drive axes (X axis, Y axis, Z axis, A rotation axis (rotation axis around the X axis), and B rotation axis (rotation axis around the Y axis)). Have. The processing apparatus 1 processes the material M by irradiating the processing site with laser light based on the processing data. The processing apparatus 1 includes an irradiation unit 10, an adjustment unit 20, a holding unit 30, and a drive mechanism 40.

照射部10は、材料Mに対してレーザー光を照射する。照射部10は、レーザー光の発振器10a、及び発振器10aからのレーザー光を材料Mに集光させるためのレンズ群10b等を含む。レーザーの発振器10aは、加工装置1の外部に設けられていてもよい。   The irradiation unit 10 irradiates the material M with laser light. The irradiation unit 10 includes a laser light oscillator 10a, a lens group 10b for condensing the laser light from the oscillator 10a on the material M, and the like. The laser oscillator 10 a may be provided outside the processing apparatus 1.

調整部20は、レーザー光のスポットサイズ及び照射パターンを調整する。調整部20は、たとえば、ガルバノミラー、フレネルレンズ、回折光学素子(DOE)、空間光位相変調器(LCOS−SLM)等の部材である。調整部20は、照射部10内において、たとえば、発振器10aとレンズ群10bとの間に配置される。ある加工装置において使用できる照射パターンは、各装置が備える調整部20の構成により決定される。   The adjustment unit 20 adjusts the spot size and irradiation pattern of the laser light. The adjusting unit 20 is a member such as a galvano mirror, a Fresnel lens, a diffractive optical element (DOE), a spatial light phase modulator (LCOS-SLM), or the like. The adjusting unit 20 is disposed in the irradiating unit 10 between, for example, the oscillator 10a and the lens group 10b. The irradiation pattern that can be used in a certain processing apparatus is determined by the configuration of the adjusting unit 20 provided in each apparatus.

ここで、照射パターンの具体例について説明する。   Here, a specific example of the irradiation pattern will be described.

たとえば、加工部位に対して所定のスポット径のレーザー光を点として照射するパターンが可能である。このように加工部位の加工を点(点群)で行う場合、加工時間を要するが、より細かい加工が可能となる。   For example, a pattern in which a laser beam having a predetermined spot diameter is irradiated as a point to a processing site is possible. In this way, when processing a processing site with points (point groups), processing time is required, but finer processing is possible.

また、加工部位に対して所定のスポット径のレーザー光を所定方向に走査しながら照射するパターンが可能である。   In addition, a pattern can be used in which a laser beam having a predetermined spot diameter is irradiated to a processing site while scanning in a predetermined direction.

これは、調整部20として、ガルバノミラーを用いることにより実現できる。ガルバノミラーは2つのミラーを有し、各ミラーを別々に駆動させることにより、発振器10aからのレーザー光をXY平面で走査することができる。ガルバノミラーは、高速で走査することが可能であるため、加工時間を短縮することができる。   This can be realized by using a galvanometer mirror as the adjustment unit 20. The galvanometer mirror has two mirrors, and by driving each mirror separately, the laser light from the oscillator 10a can be scanned in the XY plane. Since the galvanometer mirror can scan at high speed, the processing time can be shortened.

別の照射パターンとして、二次元または三次元の加工部位に一括でレーザー光を照射するパターンは、調整部20として空間光位相変調器を用いることにより実現できる。空間光位相変調器は、液晶の配向を調整することにより、発信器10aからのレーザー光を任意の形状に成形することができる。たとえば、空間光位相変調器は、ビーム状のレーザー光を平面に成形し且つ所定の厚みを持たせることで、薄板状のレーザー光(3次元形状のレーザー光)を照射することを可能とする。このような空間光位相変調器を用いることにより、たとえば、ある加工部位に対して一回の照射でアブレーション加工を実施できる。すなわち、空間光位相変調器を利用することにより広範囲の加工部位を一括で加工できるため、加工時間を短縮することができる。また、空間光位相変調器は、加工部位の形状が複雑な場合(たとえば、加工部位の境界面が波状)であっても、液晶の配向を調整することによって、レーザー光のビーム形状を様々な形(点状、線状等)に変形することができる。なお、上記照射パターンを実現できる構成であれば、調整部20は空間光位相変調器でなくてもよい。たとえば、レーザー光を平面状にするためには、調整部20としてMEMSミラーを使用できる。   As another irradiation pattern, a pattern in which a two-dimensional or three-dimensional processing site is irradiated with a laser beam at once can be realized by using a spatial light phase modulator as the adjustment unit 20. The spatial light phase modulator can shape the laser light from the transmitter 10a into an arbitrary shape by adjusting the orientation of the liquid crystal. For example, a spatial light phase modulator can irradiate a thin plate-like laser beam (three-dimensional laser beam) by forming a beam-like laser beam into a flat surface and giving it a predetermined thickness. . By using such a spatial light phase modulator, for example, ablation processing can be performed with a single irradiation on a certain processing site. That is, since a wide range of processing parts can be processed collectively by using the spatial light phase modulator, the processing time can be shortened. In addition, the spatial light phase modulator can adjust the alignment of the liquid crystal to change the beam shape of the laser light in various ways even when the shape of the processing site is complicated (for example, the boundary surface of the processing site is wavy). It can be transformed into a shape (dotted, linear, etc.). Note that the adjustment unit 20 may not be a spatial light phase modulator as long as the irradiation pattern can be realized. For example, a MEMS mirror can be used as the adjusting unit 20 in order to make the laser light planar.

或いは、フレネルレンズや回折光学素子といった光学系は、レーザー光をその光軸に平行または垂直な方向に複数の焦点(多焦点)を持つように調整することができる。これらの光学系を調整部20として使用することにより、一回の照射で加工部位の幅方向または厚さ方向の所定領域に対して加工が可能となる。更に、ガルバノミラーとフレネルレンズまたは回折格子とを組み合わせることにより、より広範囲でレーザー光を走査することも可能である。   Alternatively, an optical system such as a Fresnel lens or a diffractive optical element can be adjusted so that the laser beam has a plurality of focal points (multifocal points) in a direction parallel or perpendicular to the optical axis. By using these optical systems as the adjusting unit 20, it is possible to process a predetermined region in the width direction or the thickness direction of the processing site with a single irradiation. Further, by combining a galvanometer mirror with a Fresnel lens or a diffraction grating, it is possible to scan a laser beam in a wider range.

なお、本実施形態における調整部20は、各照射パターンでレーザー光を照射する際、加工部位に応じてスポットサイズの変更が可能となっている。たとえば、ガルバノミラーを用いた照射パターンの場合、調整部20がレーザー光の焦点位置を調整することによりスポット径を変更できる。また、空間光位相変調器を用いた照射パターンの場合、調整部20がレーザー光を任意の形状に成形することによりスポットサイズを変更できる。   In addition, the adjustment part 20 in this embodiment can change a spot size according to a process site | part, when irradiating a laser beam with each irradiation pattern. For example, in the case of an irradiation pattern using a galvanometer mirror, the spot diameter can be changed by the adjustment unit 20 adjusting the focal position of the laser beam. In the case of an irradiation pattern using a spatial light phase modulator, the spot size can be changed by the adjustment unit 20 shaping the laser light into an arbitrary shape.

保持部30は材料Mを保持する。材料Mを保持する方法は、保持された材料Mを5軸に沿って移動・回転させることができれば、特に限定されるものではない。   The holding unit 30 holds the material M. The method for holding the material M is not particularly limited as long as the held material M can be moved and rotated along the five axes.

駆動機構40は、照射部10(調整部20)及び保持部30を相対的に移動させる。駆動機構40は駆動用のサーボモータ等を含む。駆動機構40は、照射部10及び保持部30の少なくとも一方をXYZ方向の三軸で同時に移動させることができる、材料内部を三次元的に加工することができる。   The drive mechanism 40 moves the irradiation unit 10 (adjustment unit 20) and the holding unit 30 relatively. The drive mechanism 40 includes a servo motor for driving. The drive mechanism 40 can process the inside of the material three-dimensionally, which can move at least one of the irradiation unit 10 and the holding unit 30 simultaneously in three axes in the XYZ directions.

コンピューター2は、加工装置1が備える各種構成の動作を制御する。たとえば、コンピューター2は、加工部位にレーザー光の焦点が位置するよう、駆動機構40を制御して照射部10と保持部30(保持部30に保持される材料M)との相対的な位置関係を調整する。そして、コンピューター2は、照射部10を制御し、加工部位毎にレーザー光を照射する。   The computer 2 controls the operation of various configurations included in the processing apparatus 1. For example, the computer 2 controls the drive mechanism 40 so that the focal point of the laser beam is located at the processing site, and the relative positional relationship between the irradiation unit 10 and the holding unit 30 (the material M held by the holding unit 30). Adjust. And the computer 2 controls the irradiation part 10, and irradiates a laser beam for every process site | part.

本実施形態において、コンピューター2は、加工データに基づき、空洞部分の内壁面に対応する加工部位に対して、第1のスポットサイズでレーザー光を照射し、空洞部分の内壁面より内側に対応する加工部位に対して、第1のスポットサイズよりも大きい第2のスポットサイズでレーザー光を照射するよう照射部10及び駆動機構40を制御する。このようにレーザー光を照射して加工部位に対してアブレーション加工を施すことで、材料内部に空洞部分を形成できる。またこの際、コンピューター2は、加工部位毎に所定のスポットサイズ及び所定の照射パターンでレーザー光が照射されるよう、調整部20を制御する。   In the present embodiment, the computer 2 irradiates the processing portion corresponding to the inner wall surface of the hollow portion with the laser beam with the first spot size based on the processing data, and corresponds to the inner side of the inner wall surface of the hollow portion. The irradiation unit 10 and the drive mechanism 40 are controlled to irradiate the laser beam with a second spot size larger than the first spot size with respect to the processing site. Thus, a cavity part can be formed in a material by irradiating a laser beam and performing ablation processing to a processing part. At this time, the computer 2 controls the adjustment unit 20 so that the laser beam is irradiated with a predetermined spot size and a predetermined irradiation pattern for each processing site.

更に、コンピューター2は、照射部10を制御し、レーザー光の強度や照射時間等の調整を行ってもよい。レーザー光の強度や照射時間は、照射されるレーザー光の出力(エネルギー)に影響を与えるものである。これらの値は、上述の通り加工データに予め組み込まれていてもよいし、加工装置1側で設定することでもよい。また、これらの値を決定する際には、加工対象となる材料の種類や特性を加味してもよい。コンピューター2は、「制御部」の一例である。   Furthermore, the computer 2 may control the irradiation unit 10 and adjust the intensity of the laser light, the irradiation time, and the like. The intensity and irradiation time of the laser light affect the output (energy) of the irradiated laser light. These values may be previously incorporated into the machining data as described above, or may be set on the machining apparatus 1 side. Moreover, when determining these values, the type and characteristics of the material to be processed may be taken into account. The computer 2 is an example of a “control unit”.

なお、後述の加工方法を実施することが可能であれば、加工システム100は5軸である必要はない。たとえば、照射部10をZ方向に駆動させる駆動軸、保持部30をX方向及びY方向に駆動させる駆動軸の3軸の加工装置を用いることも可能である。   Note that the machining system 100 does not need to have five axes as long as a machining method described later can be performed. For example, it is also possible to use a three-axis machining device that drives the irradiation unit 10 in the Z direction and drives the holding unit 30 in the X and Y directions.

==加工システムによる加工==
次に図5〜図7Cを参照して、本実施形態に係る加工方法の具体例について説明する。本実施形態においては、材料Mを加工し、図1に示したマイクロ流体デバイスDを作成する例について述べる。
== Machining by machining system ==
Next, specific examples of the processing method according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, an example in which the material M is processed to produce the microfluidic device D shown in FIG. 1 will be described.

マイクロ流体デバイスDの加工データはCAMシステム200により予め作成されている。この加工データは、ポートP1〜P3、流路部分Fの加工部位データ、スポットサイズデータ、及び加工経路データを含む。なお、加工経路データは、図3A〜図3C及び図4A〜図4Cを参照する。   Processing data of the microfluidic device D is created in advance by the CAM system 200. This machining data includes ports P1 to P3, machining site data of the flow path portion F, spot size data, and machining path data. For processing route data, refer to FIGS. 3A to 3C and FIGS. 4A to 4C.

図5は、本実施形態に係る加工方法を示すフローチャートである。加工方法は、加工システム100によって実行される。また、加工方法は、専用の加工プログラムとして、加工システム100に予めインストールされている。   FIG. 5 is a flowchart showing the processing method according to the present embodiment. The processing method is executed by the processing system 100. Further, the machining method is preinstalled in the machining system 100 as a dedicated machining program.

まず、使用する材料Mを選択し、加工装置1の保持部30にセットする(材料のセット。S10)。材料Mは、加工データを作成する際に使用した形状データ(外形)に対応する形状であることが好ましい。但し、材料Mは、少なくともマイクロ流体デバイスDを包含する形状であればよい。   First, the material M to be used is selected and set in the holding unit 30 of the processing apparatus 1 (material setting. S10). The material M preferably has a shape corresponding to the shape data (outer shape) used when creating the processing data. However, the material M may be a shape that includes at least the microfluidic device D.

コンピューター2は、マイクロ流体デバイスDの加工データに基づいて、加工装置1に材料Mの加工を実行させる。   The computer 2 causes the processing apparatus 1 to process the material M based on the processing data of the microfluidic device D.

まず、コンピューター2は、加工経路データに基づいて、最初にレーザー光の照射を行うポートP1を特定する。コンピューター2は、特定したポートP1に対応する加工部位データ及びスポットサイズデータを選択する(ポートの加工部位データ及びスポットサイズデータを選択。S11)。   First, the computer 2 specifies a port P1 for performing laser light irradiation first based on the processing path data. The computer 2 selects the processing site data and spot size data corresponding to the specified port P1 (selects the processing site data and spot size data of the port. S11).

次に、コンピューター2は、S11で選択されたポートP1に対応する加工部位に対してレーザー光の照射を行うよう加工装置1を制御する。コンピューター2は、レーザー光の焦点位置が加工部位に合うよう調整を行う。具体的には、コンピューター2は、照射部10及び駆動機構40の相対的な位置を調整したり、照射部10に含まれるレンズ群の向きや角度、調整部20の状態等を調整する。レーザー光の焦点位置と加工部位とを一致させた後、コンピューター2は、加工部位に対して所定の照射パターンでレーザー光を照射させる。   Next, the computer 2 controls the processing apparatus 1 so as to irradiate the processing portion corresponding to the port P1 selected in S11 with laser light. The computer 2 performs adjustment so that the focal position of the laser beam matches the processing site. Specifically, the computer 2 adjusts the relative positions of the irradiation unit 10 and the drive mechanism 40, adjusts the orientation and angle of the lens group included in the irradiation unit 10, the state of the adjustment unit 20, and the like. After matching the focal position of the laser beam and the processing site, the computer 2 irradiates the processing site with the laser beam in a predetermined irradiation pattern.

この際、コンピューター2は、ポートP1の内壁面に対応する加工部位に対し、スポットサイズデータに基づいて、第1のスポットサイズS1でレーザー光を照射させる(ポートの内壁面に対応する加工部位に第1のスポットサイズでレーザー光を照射。S12)。図6Aは、図3Aで示した加工経路L1に沿ってレーザー光を照射した例を示している。   At this time, the computer 2 irradiates the processing site corresponding to the inner wall surface of the port P1 with laser light with the first spot size S1 based on the spot size data (the processing site corresponding to the inner wall surface of the port). Irradiate laser light with the first spot size (S12). FIG. 6A shows an example in which laser light is irradiated along the processing path L1 shown in FIG. 3A.

また、コンピューター2は、ポートP1の内壁面より内側に対応する加工部位に対し、スポットサイズデータに基づいて、第1のスポットサイズS1よりも大きい第2のスポットサイズS2でレーザー光を照射させる(ポートの内壁面より内側に対応する加工部位に第2のスポットサイズでレーザー光を照射。S13)。図6Bは、図3Bで示した加工経路L2に沿ってレーザー光を照射した例を示している。ここで、図6Bから明らかなように、加工経路L2に沿って照射されるレーザー光のスポットサイズS2は、加工経路L1に沿って照射されるレーザー光のスポットサイズS1よりも大きくなっている。   Further, the computer 2 irradiates a laser beam with a second spot size S2 that is larger than the first spot size S1, based on the spot size data, on the processing site corresponding to the inside of the inner wall surface of the port P1 ( The laser beam is irradiated with the second spot size to the processing site corresponding to the inside of the inner wall surface of the port (S13). FIG. 6B shows an example in which laser light is irradiated along the processing path L2 shown in FIG. 3B. Here, as is clear from FIG. 6B, the spot size S2 of the laser light irradiated along the processing path L2 is larger than the spot size S1 of the laser light irradiated along the processing path L1.

なお、ポートP1の加工経路L1及び加工経路L2に対するレーザー光の照射は、Z方向に沿って材料Mの下側から上側に向けて行われる。また、ステップ12とステップ13は逆の順で行われてもよい。   Note that the laser beam irradiation to the processing path L1 and the processing path L2 of the port P1 is performed from the lower side to the upper side of the material M along the Z direction. Steps 12 and 13 may be performed in the reverse order.

ポートP1〜P3に対応する加工部位へのレーザー光の照射が全て完了した後(S14でYの場合)、コンピューター2は、ポートP1〜P3と連通する流路部分Fを特定する。コンピューター2は、特定した流路部分Fに対応する加工部位データ及びスポットサイズデータを選択する(流路部分の加工部位データ及びスポットサイズデータを選択。S15)。コンピューター2は、選択された流路部分Fに対応する加工部位に対してレーザー光の照射を行うよう加工装置1を制御する。   After the irradiation of the laser beam to the processing parts corresponding to the ports P1 to P3 is completed (in the case of Y in S14), the computer 2 specifies the flow path portion F communicating with the ports P1 to P3. The computer 2 selects processing site data and spot size data corresponding to the identified flow path portion F (selects processing site data and spot size data of the flow path portion. S15). The computer 2 controls the processing apparatus 1 so as to irradiate the processing portion corresponding to the selected flow path portion F with laser light.

この際、コンピューター2は、流路部分Fの内壁面に対応する加工部位のうち下半分の加工部位に対し、スポットサイズデータに基づいて、第1のスポットサイズS1でレーザー光を照射する(流路部分の内壁面の下半分に対応する加工部位に第1のスポットサイズでレーザー光を照射。S16)。図7Aは、図4Aで示した加工経路L1に沿ってレーザー光を照射した例を示している。   At this time, the computer 2 irradiates the lower half of the processed portion corresponding to the inner wall surface of the flow path portion F with the laser beam with the first spot size S1 based on the spot size data (flow). Laser beam is irradiated with the first spot size to the processing site corresponding to the lower half of the inner wall surface of the road portion (S16). FIG. 7A shows an example in which laser light is irradiated along the processing path L1 shown in FIG. 4A.

次に、コンピューター2は、流路部分Fの内壁面より内側に対応する加工部位に対し、スポットサイズデータに基づいて、第2のスポットサイズS2でレーザー光を照射する(流路部分の内壁面より内側に対応する加工部位に第2のスポットサイズでレーザー光を照射。S17)。図7Bは、図4Bで示した加工経路L2に沿ってレーザー光を照射した例を示している。   Next, the computer 2 irradiates the processing site corresponding to the inner side of the inner wall surface of the flow path portion F with the laser beam with the second spot size S2 based on the spot size data (the inner wall surface of the flow path portion). Laser beam is irradiated with the second spot size to the processing site corresponding to the inner side (S17). FIG. 7B shows an example in which laser light is irradiated along the processing path L2 shown in FIG. 4B.

最後に、コンピューター2は、流路部分Fの内壁面に対応する加工部位のうち上半分の加工部位に対し、スポットサイズデータに基づいて、第1のスポットサイズS1でレーザー光を照射する(流路部分の内壁面の上半分に対応する加工部位に第1のスポットサイズでレーザー光を照射。S18)。図7Cは、図4Cで示した加工経路L3に沿ってレーザー光を照射した例を示している。図7Cから明らかなように、加工経路L2に沿って照射されるレーザー光のスポットサイズS2は、加工経路L1及び加工経路L3に沿って照射されるレーザー光のスポットサイズS1よりも大きくなっている。   Finally, the computer 2 irradiates the upper half of the machining site corresponding to the inner wall surface of the flow path portion F with laser light at the first spot size S1 based on the spot size data (flow). The processing site corresponding to the upper half of the inner wall surface of the road portion is irradiated with laser light at the first spot size (S18). FIG. 7C shows an example in which laser light is irradiated along the processing path L3 shown in FIG. 4C. As is apparent from FIG. 7C, the spot size S2 of the laser light irradiated along the processing path L2 is larger than the spot size S1 of the laser light irradiated along the processing path L1 and the processing path L3. .

なお、流路部分Fの加工経路L1〜加工経路L3に対するレーザー光の照射は、Z方向に沿って材料Mの下側から上側に向けて行われる。   In addition, irradiation of the laser beam to the processing path L1 to the processing path L3 of the flow path portion F is performed from the lower side to the upper side of the material M along the Z direction.

流路部分Fに対応する加工部位全てに対してレーザー照射を行うことにより(S19でYの場合)、ポートP1〜P3及び空洞部分Fが形成されたマイクロ流体デバイスDが得られる(加工物の完成。S20)。   By irradiating all the processing parts corresponding to the flow path part F (in the case of Y in S19), the microfluidic device D in which the ports P1 to P3 and the cavity part F are formed can be obtained (workpieces) Completion S20).

このように、本実施形態に係る加工方法によれば、レーザー光を照射して光透過性の材料を加工し、内部に空洞部分を有する加工物を作成する加工方法であって、空洞部分の内壁面に対応する加工部位に対して、第1のスポットサイズでレーザー光を照射し、空洞部分の内壁面より内側に対応する加工部位に対して、第1のスポットサイズよりも大きい第2のスポットサイズでレーザー光を照射する。   Thus, according to the processing method according to the present embodiment, a processing method of processing a light-transmitting material by irradiating a laser beam and creating a workpiece having a hollow portion therein, A laser beam is irradiated with a first spot size to the processing site corresponding to the inner wall surface, and a second larger than the first spot size is applied to the processing site corresponding to the inner side of the inner wall surface of the cavity portion. Irradiate laser light at spot size.

空洞部分の内壁面より内側に対応する加工部位は、加工により除去される部分である。つまり、内壁面より内側に対応する加工部位は加工精度が要求されるものではない。そこで、当該加工部位に対して第1のスポットサイズよりも大きい第2のスポットサイズでレーザー光を照射することにより、一回のレーザー光の照射で広範囲を加工できる。従って、空洞部分全体に対して同じスポットサイズでレーザー光を照射して加工する場合に比べ、加工時間を短縮できる。一方、空洞部分の内壁面に対応する加工部位に対しては、第2のスポットサイズよりも小さい第1のスポットサイズでレーザー光を照射することで、細かい加工が可能となる。従って、内壁面を所望の形状に形成することができる。また、レーザー光を用いて空洞部分を形成することにより、複数の材料を加工したり、材料同士を貼り合わせるといった作業が不要となるため、短時間で簡易に加工物を作成できる。更に、材料同士の貼り合わせが不要となるため、流路に段差やつなぎ目が生じたり、貼り合わせた箇所から流体が漏れだすといったこともない。すなわち、本実施形態に係る加工方法によれば、内部に空洞部分を有する加工物を加工する際、空洞部分の内壁面を所望の形状に形成し、且つ加工時間を短縮することができる。   A processing portion corresponding to the inside of the inner wall surface of the hollow portion is a portion removed by processing. That is, machining accuracy corresponding to the inside of the inner wall surface does not require machining accuracy. Therefore, by irradiating the processing site with laser light with a second spot size larger than the first spot size, a wide range can be processed with a single laser light irradiation. Therefore, the processing time can be shortened as compared with the case where the entire cavity portion is processed by irradiating the laser beam with the same spot size. On the other hand, fine processing is possible by irradiating the laser beam with the first spot size smaller than the second spot size to the processing portion corresponding to the inner wall surface of the hollow portion. Therefore, the inner wall surface can be formed in a desired shape. In addition, by forming a hollow portion using laser light, it is not necessary to process a plurality of materials or to bond materials together, so that a workpiece can be easily created in a short time. Furthermore, since it is not necessary to bond materials together, there are no steps or joints in the flow path, and no fluid leaks from the bonded locations. That is, according to the processing method according to the present embodiment, when processing a workpiece having a hollow portion therein, the inner wall surface of the hollow portion can be formed into a desired shape, and the processing time can be shortened.

また、本実施形態に係る加工方法は、レーザー光の照射方向において重畳する加工部位がある場合、当該重畳する加工部位に対し、レーザー光が入射する材料表面から離れている順にレーザー光を照射することができる。このように、重畳する加工部位に対してはレーザー光が入射する材料表面から離れている順にレーザー光を照射することにより、照射されたレーザー光が改質の影響を受けることが無い。すなわち、改質した加工部位をレーザー光が透過できないといった問題や、改質した加工部位でレーザー光の屈折や反射が起こり、別の加工部位に対して正確にレーザー光を照射できないといった問題が生じ難い。このように、本実施形態に係る加工方法によれば、レーザー光の照射に伴う材料の改質の影響を受けずに加工物を作成できる。   Further, in the processing method according to the present embodiment, when there are processing parts that overlap in the irradiation direction of the laser light, the laser light is irradiated to the overlapping processing parts in an order away from the material surface on which the laser light is incident. be able to. As described above, the irradiated laser light is not affected by the modification by irradiating the laser beam with the laser beam in the order away from the surface of the material on which the laser beam is incident on the overlapped processing site. In other words, there is a problem that the laser beam cannot be transmitted through the modified processing site, and a problem that the laser beam is refracted or reflected at the modified processing site, and the laser beam cannot be accurately irradiated to another processing site. hard. Thus, according to the processing method according to the present embodiment, it is possible to create a workpiece without being affected by the modification of the material accompanying the irradiation of laser light.

また、本実施形態に係る加工方法は、レーザー光を、直交するX軸、Y軸、Z軸に沿って同時に移動させながら照射できる。このようにレーザー光を三軸同時で移動させることにより、空洞部分が複雑な形状(交差した形状や、傾斜している形状)であっても容易に加工できる。   Moreover, the processing method according to the present embodiment can irradiate the laser beam while simultaneously moving the laser beam along the orthogonal X axis, Y axis, and Z axis. By moving the laser light in three axes simultaneously in this way, even if the hollow portion has a complicated shape (crossed shape or inclined shape), it can be easily processed.

或いは、本実施形態に係る加工システム100は、レーザー光を照射して光透過性の材料を加工し、内部に空洞部分を有する加工物を作成する。加工システム100は、照射部10と、保持部30と、駆動機構40と、コンピューター2とを含む。照射部10は、レーザー光を照射する。保持部30は、材料Mを保持する。駆動機構40は、照射部10及び保持部30を相対的に移動させる。コンピューター2は、空洞部分の内壁面に対応する加工部位に対して、第1のスポットサイズでレーザー光を照射し、空洞部分の内壁面より内側に対応する加工部位に対して、第1のスポットサイズよりも大きい第2のスポットサイズでレーザー光を照射するよう照射部10及び駆動機構40を制御する。また、本実施形態に係る加工プログラムは、レーザー光を照射して光透過性の材料を加工し、内部に空洞部分を有する加工物を作成する加工システム100で実行されるプログラムである。加工プログラムは、加工システム100に対し、空洞部分の内壁面に対応する加工部位に対して、第1のスポットサイズでレーザー光を照射させ、空洞部分の内壁面より内側に対応する加工部位に対して、第1のスポットサイズよりも大きい第2のスポットサイズでレーザー光を照射させる。このような加工システム100や加工プログラムによれば、内部に空洞部分を有する加工物を加工する際、空洞部分の内壁面を所望の形状に形成し、且つ加工時間を短縮することができる。   Alternatively, the processing system 100 according to the present embodiment processes a light transmissive material by irradiating a laser beam, and creates a workpiece having a hollow portion inside. The processing system 100 includes an irradiation unit 10, a holding unit 30, a drive mechanism 40, and the computer 2. The irradiation unit 10 emits laser light. The holding unit 30 holds the material M. The drive mechanism 40 moves the irradiation unit 10 and the holding unit 30 relatively. The computer 2 irradiates the processing portion corresponding to the inner wall surface of the hollow portion with the first spot size, and the first spot is applied to the processing portion corresponding to the inner side of the inner wall surface of the hollow portion. The irradiation unit 10 and the drive mechanism 40 are controlled so that the laser beam is irradiated with a second spot size larger than the size. The processing program according to the present embodiment is a program executed by the processing system 100 that processes a light transmissive material by irradiating a laser beam and creates a workpiece having a hollow portion therein. The machining program causes the machining system 100 to irradiate the machining site corresponding to the inner wall surface of the cavity portion with laser light at the first spot size, and to the machining site corresponding to the inner side of the inner wall surface of the cavity portion. Then, the laser beam is irradiated with a second spot size larger than the first spot size. According to such a processing system 100 and a processing program, when processing a workpiece having a hollow portion therein, the inner wall surface of the hollow portion can be formed into a desired shape, and the processing time can be shortened.

[その他]
上記加工方法で作成できる加工物は、マイクロ流体デバイスに限らない。上記加工方法は、内部に空洞部分を有する加工物を作成する場合に広く利用することができる。
[Others]
The workpiece that can be created by the above processing method is not limited to a microfluidic device. The said processing method can be widely utilized when producing the workpiece which has a cavity part inside.

上記実施形態の加工方法を実施する加工プログラムが記憶された非一時的なコンピューター可読媒体(non-transitory computer readable medium with an executable program thereon)を用いて、コンピューターにプログラムを供給することも可能である。なお、非一時的なコンピューターの可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ)、CD−ROM(Read Only Memory)等がある。   It is also possible to supply a program to a computer using a non-transitory computer readable medium with an executable program, in which a machining program for performing the machining method of the above embodiment is stored. . Examples of non-transitory computer-readable media include magnetic recording media (for example, flexible disks, magnetic tapes, hard disk drives), CD-ROMs (Read Only Memory), and the like.

上記実施形態は、発明の例として提示したものであり、発明の範囲を限定するものではない。上記の構成は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   The above embodiment is presented as an example of the invention and does not limit the scope of the invention. The above configuration can be variously omitted, replaced, and changed without departing from the gist of the invention. The above-described embodiments and modifications thereof are included in the invention described in the claims and equivalents thereof in the same manner as included in the scope and spirit of the invention.

1 加工装置
2 コンピューター
10 照射部
20 調整部
30 保持部
40 駆動機構
100 加工システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Processing apparatus 2 Computer 10 Irradiation part 20 Adjustment part 30 Holding part 40 Drive mechanism 100 Processing system

Claims (5)

レーザー光を照射して光透過性の材料を加工し、内部に空洞部分を有する加工物を作成する加工方法であって、
前記空洞部分の内壁面に対応する加工部位に対して、第1のスポットサイズで前記レーザー光を照射し、
前記空洞部分の内壁面より内側に対応する加工部位に対して、前記第1のスポットサイズよりも大きい第2のスポットサイズで前記レーザー光を照射する加工方法。
A processing method of processing a light transmissive material by irradiating a laser beam and creating a workpiece having a hollow portion inside,
Irradiating the laser beam with a first spot size to the processing site corresponding to the inner wall surface of the hollow portion,
A processing method of irradiating the laser beam with a second spot size larger than the first spot size to a processing site corresponding to the inner side of the inner wall surface of the hollow portion.
前記レーザー光の照射方向において重畳する加工部位がある場合、当該重畳する加工部位に対し、前記レーザー光が入射する材料表面から離れている順に前記レーザー光を照射することを特徴とする請求項1記載の加工方法。   2. When there is a processing portion that overlaps in the irradiation direction of the laser light, the laser light is irradiated to the overlapping processing portion in order away from the material surface on which the laser light is incident. The processing method described. 前記レーザー光を、直交するX軸、Y軸、Z軸に沿って同時に移動させながら照射することを特徴とする請求項1または2記載の加工方法。   3. The processing method according to claim 1, wherein the laser beam is irradiated while simultaneously moving along the X axis, the Y axis, and the Z axis that are orthogonal to each other. レーザー光を照射して光透過性の材料を加工し、内部に空洞部分を有する加工物を作成する加工システムであって、
レーザー光を照射する照射部と、
前記材料を保持する保持部と、
前記照射部及び前記保持部を相対的に移動させる駆動機構と、
前記空洞部分の内壁面に対応する加工部位に対して、第1のスポットサイズで前記レーザー光を照射し、前記空洞部分の内壁面より内側に対応する加工部位に対して、前記第1のスポットサイズよりも大きい第2のスポットサイズで前記レーザー光を照射するよう前記照射部及び前記駆動機構を制御する制御部と、
を有する加工システム。
A processing system for processing a light-transmitting material by irradiating a laser beam and creating a workpiece having a hollow portion inside,
An irradiation unit for irradiating a laser beam;
A holding part for holding the material;
A drive mechanism for relatively moving the irradiation unit and the holding unit;
The laser beam is irradiated with a first spot size to the processing site corresponding to the inner wall surface of the hollow portion, and the first spot is applied to the processing site corresponding to the inner side of the inner wall surface of the hollow portion. A control unit for controlling the irradiation unit and the drive mechanism to irradiate the laser beam with a second spot size larger than the size;
Processing system.
レーザー光を照射して光透過性の材料を加工し、内部に空洞部分を有する加工物を作成する加工システムで実行されるプログラムであって、
前記加工システムに対し、前記空洞部分の内壁面に対応する加工部位に対して、第1のスポットサイズで前記レーザー光を照射させ、前記空洞部分の内壁面より内側に対応する加工部位に対して、前記第1のスポットサイズよりも大きい第2のスポットサイズで前記レーザー光を照射させるための加工プログラム。
A program that is executed in a processing system that processes a light-transmitting material by irradiating a laser beam and creates a workpiece having a hollow portion therein,
The processing system is configured to irradiate the laser beam with a first spot size to a processing site corresponding to the inner wall surface of the hollow portion, and to the processing site corresponding to the inner side of the inner wall surface of the hollow portion. A processing program for irradiating the laser beam with a second spot size larger than the first spot size.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113897608A (en) * 2021-10-23 2022-01-07 河南省锅炉压力容器安全检测研究院 Laser surface strengthening processing equipment for valve sealing surface

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