JP4558775B2 - 加工装置および加工方法並びに板ばねの製造方法 - Google Patents

加工装置および加工方法並びに板ばねの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、加工にあたってレーザー光線のエネルギーを利用する加工装置および加工方法に関する。
例えば特許文献1に記載されるように、被加工物の切断にあたってレーザー光線は広く用いられる。レーザー光線は被加工物上にビームスポットを形成する。ビームスポットでレーザー光線は被加工物を貫通する。ビームスポットの移動に応じて被加工物は切断される。
例えば屈曲線の切断線で被加工物が切断される場合、寸法精度の確保にあたってビームスポットの移動速度は直線の切断線に比べて減速する。このとき、減速に応じてレーザーのエネルギーが一定に維持されれば、被加工物では良好な切断面は得られる。こういったエネルギーの調整にあたってレーザー光線の出力パワーやパルスデューティ、パルス周波数が制御される。
特開平9−150282号公報 特開平5−138374号公報 特開平10−128565号公報
レーザー光線の出力パワー、パルスデューディーおよびパルス周波数の制御にあたってレーザー発振器の駆動電圧は制御される。しかしながら、駆動電圧が変化する際に瞬時に駆動電圧を安定させることはできない。その結果、ビームスポットのエネルギーはばらつく。
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、ビームスポットのエネルギーのばらつきを確実に回避することができる加工装置および加工方法を提供することを目的とする。本発明は、そういった加工方法に基づく板ばねの製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、被加工物を支持するステージと、発振条件を一定に維持したレーザー光線を発振する光源と、集光部に基づき前記被加工物に前記レーザー光線を集光させる光学系と、前記光学系および前記ステージの間で前記レーザー光線の照射方向に相対移動を引き起こす第1移動機構と、前記光学系および前記ステージの間で前記照射方向に対して垂直な方向に相対移動を引き起こす第2移動機構と、前記第2移動機構による相対移動の速度変化に応じて前記第1移動機構による相対移動を制御する制御部とを備えることを特徴とする加工装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、被加工物を支持するステージと、発振条件を一定に維持したレーザー光線を発振する光源と、複数のフィルターに基づき、前記被加工物に照射される前記レーザー光線の光量を変化させる光学系と、前記光学系および前記ステージの間で前記レーザー光線の照射方向に対して垂直な方向に相対移動を引き起こす移動機構と、前記移動機構による相対移動の速度変化に応じて前記光学系を制御して前記光量を調整する制御部とを備えることを特徴とする加工装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、被加工物を支持するステージと、発振条件を一定に維持したレーザー光線を発振する光源と、絞りに基づき、前記被加工物に照射される前記レーザー光線の光量を変化させる光学系と、前記光学系および前記ステージの間で前記レーザー光線の照射方向に対して垂直な方向に相対移動を引き起こす移動機構と、前記移動機構による相対移動の速度変化に応じて前記光学系を制御して前記光量を調整する制御部とを備えることを特徴とする加工装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、ステージ上の被加工物に向かって発振条件を一定に維持したレーザー光線を照射し、集光部を備えた光学系によって前記被加工物に前記レーザー光線を集光させる工程と、前記レーザー光線の照射にあたって、前記光学系および前記ステージの間で前記レーザー光線の照射方向に対して垂直な方向に相対移動を引き起こす工程と、前記相対移動の速度変化に応じて、前記光学系および前記ステージの間の前記照射方向の相対移動を制御する工程とを備えることを特徴とする加工方法が提供される。
本発明の他の態様によれば、発振条件を一定に維持したレーザー光線を、複数のフィルターを備えた光学系を経由してステージ上の被加工物に照射する工程と、前記レーザー光線の照射にあたって、前記光学系および前記ステージの間で前記レーザー光線の照射方向に対して垂直な方向に相対移動を引き起こす工程と、前記相対移動の速度変化に応じて、前記フィルターを用いて前記レーザー光線の光量を調整する工程とを備えることを特徴とする加工方法が提供される。
本発明の他の態様によれば、発振条件を一定に維持したレーザー光線を、絞りを備えた光学系を経由してステージ上の被加工物に照射する工程と、前記レーザー光線の照射にあたって、前記光学系および前記ステージの間で前記レーザー光線の照射方向に対して垂直な方向に相対移動を引き起こす工程と、前記相対移動の速度変化に応じて、前記絞りを用いて前記レーザー光線の光量を調整する工程とを備えることを特徴とする加工方法が提供される。
本発明の他の態様によれば、ステージ上の板ばねに向かって発振条件を一定に維持したレーザー光線を照射し、集光部を備えた光学系によって前記板ばねに前記レーザー光線を集光させる工程と、前記レーザー光線の照射にあたって、前記光学系および前記ステージの間で前記レーザー光線の照射方向に対して垂直な方向に相対移動を引き起こす工程と、前記相対移動の速度変化に応じて、前記光学系および前記ステージの間の前記照射方向の相対移動を制御し、前記板ばねに折り曲げ加工を施すことを特徴とする板ばねの製造方法が提供される。
本発明の他の態様によれば、発振条件を一定に維持したレーザー光線を、複数のフィルターを備えた光学系を経由して、ステージ上の板ばねに照射する工程と、前記レーザー光線の照射にあたって、前記光学系および前記ステージの間で前記レーザー光線の照射方向に対して垂直な方向に相対移動を引き起こす工程と、前記相対移動の速度変化に応じて、前記フィルターを用いて前記レーザー光線の光量を調整し、前記板ばねに折り曲げ加工を施すことを特徴とする板ばねの製造方法が提供される。
本発明の他の態様によれば、発振条件を一定に維持したレーザー光線を、絞りを備えた光学系を経由してステージ上の板ばねに照射する工程と、前記レーザー光線の照射にあたって、前記光学系および前記ステージの間で前記レーザー光線の照射方向に対して垂直な方向に相対移動を引き起こす工程と、前記相対移動の速度変化に応じて、前記絞りを用いて前記レーザー光線の光量を調整し、前記板ばねに折り曲げ加工を施すことを特徴とする板ばねの製造方法が提供される。
以上のように本発明によれば、ビームスポットのエネルギーのばらつきを確実に回避することができる加工装置および加工方法は提供されることができる。そういった加工方法に基づく板ばねの製造方法は提供されることができる。
以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。
図1は本実施形態に係るレーザー加工装置11を示す。図1に示されるように、レーザー加工装置11は被加工物配置ステージ12を備える。被加工物配置ステージ12には任意の水平面に沿って広がる支持面13が区画される。支持面13は垂直方向すなわちz軸方向に移動することができる。こういったz軸方向移動の実現にあたって被加工物配置ステージ12はz軸方向移動機構14で支持される。z軸方向移動機構14は例えば土台15およびz軸方向移動体16を備える。土台15はz軸方向に立ち上がる。土台15はz軸方向移動体16のz軸方向移動を案内する。z軸方向移動体16に被加工物配置ステージ12は搭載される。z軸方向移動体16の移動は例えばボールねじ機構やリニアモーター機構に基づき実現される。同時に支持面13は水平面に平行に規定されるx軸方向に移動することができる。こういったx軸方向移動の実現にあたって被加工物配置ステージ12はx軸方向移動機構17で支持される。x軸方向移動機構17は例えば案内レール18を備える。案内レール18はz軸方向移動体16上でx軸方向に延びる。案内レール18は被加工物配置ステージ12のx軸方向移動を案内する。被加工物配置ステージ12のx軸方向移動は例えばボールねじ機構やリニアモーター機構に基づき実現される。
被加工物配置ステージ12には加工ヘッドユニット19が組み合わせられる。加工ヘッドユニット19は支柱21に支持される。支柱21は水平面に沿ってy軸方向に移動することができる。y軸は前述のx軸に水平面内で直交する。こういったy軸方向移動の実現にあたって支柱21はy軸方向移動機構22で支持される。y軸方向移動機構22は、例えば支柱21のy軸方向移動を案内する案内レール23を備える。
加工ヘッドユニット19にはレーザー光源24が組み込まれる。レーザー光源24はレーザー発振器25を備える。レーザー発振器25は印加電圧に応じて所定出力のレーザー光線を発振する。レーザー発振器25には例えば反射ミラー26その他の光学部品が光学的に連結される。レーザー発振器25から出力されるレーザー光線は反射ミラー26の働きで下向きの出射口27に導かれる。出射口27からz軸方向すなわち重力方向に平行光のレーザー光線は照射される。レーザー発振器25には例えばYAGレーザー発振器といった固体レーザー発振器のほか、CO2(二酸化炭素)発振器やAr(アルゴン)発振器、エキシマレーザー発振器といった気体レーザー発振器が用いられればよい。その他、レーザー発振器25から出射口27までレーザー光線は光ファイバーで導かれてもよい。レーザー光源24は例えば支柱21に不動に固定される。
レーザー光源24の出射口27には第1実施形態に係る光学系28が接続される。光学系28は集光レンズ29を備える。集光レンズ29の光軸は前述の出射口27の光軸に合わせ込まれる。レーザー光線は集光レンズ29で集束する。集光レンズ29からレーザー光線は重力方向に出力される。集光レンズ29はz軸方向に変位することができる。こういったz軸方向変位の実現にあたって集光レンズ29はz軸方向変位機構31に取り付けられる。z軸方向変位機構31は案内レール32を備える。集光レンズ29は案内レール32に装着される。案内レール32は支持体33上で垂直方向すなわちz軸方向に延びる。案内レール32は集光レンズ29のz軸方向変位を案内する。集光レンズ29のz軸方向変位は例えばボールねじ機構やリニアモーター機構に基づき実現されればよい。本実施形態では、集光レンズ29に平行光が入射することから、集光レンズ29のz軸方向変位に基づき出射レーザー光線の焦点は垂直方向すなわちz軸方向に変位することができる。同様に、集光レンズ29はy軸方向に変位することができる。こういったy軸方向変位の実現にあたって支持体33はy軸方向変位機構34に取り付けられる。y軸方向変位機構34は案内レール35を備える。支持体33は案内レール35に装着される。案内レール35は支柱21上で水平方向すなわちy軸方向に延びる。案内レール35は支持体33のy軸方向変位を案内する。支持体33のy軸方向変位は例えばボールねじ機構やリニアモーター機構に基づき実現される。
図2に示されるように、レーザー発振器25には光源コントローラー36が接続される。光源コントローラー36はレーザー発振器25の動作を制御する。光源コントローラー36は、レーザー光線のレーザーパワー、レーザーパルス幅、パルスデューティおよびパルス周波数といった発振条件に従ってレーザー発振器25に駆動電圧を印加する。パルスデューティやパルス周波数が調整されると、レーザー発振器25から出射されるレーザー光線のピークエネルギーは変化する。レーザーパワーやパルス幅が調整されると、レーザー発振器25から出射されるレーザー光線の平均エネルギーは変化する。
z軸方向変位機構31およびy軸方向変位機構34には光学系コントローラー37が接続される。光学系コントローラー37はz軸方向変位機構31およびy軸方向変位機構34の動作を制御する。こうした制御に基づき光学系28のz軸方向変位およびy軸方向変位は制御される。光学系コントローラー37は、z軸方向に設定されるレーザー光線の焦点の位置に従ってz軸方向変位機構31に制御信号を供給する。z軸方向変位機構31はこの制御信号の受信に応じてz軸方向に光学系28すなわち集光レンズ29の進退移動を引き起こす。同時に、光学系コントローラー37は、y軸方向に設定されるレーザー光線の焦点の位置に従ってy軸方向変位機構34に制御信号を供給する。y軸方向変位機構34はこの制御信号の受信に応じてy軸方向に光学系28すなわち集光レンズ29の水平移動を引き起こす。
z軸方向移動機構14、x軸方向移動機構17およびy軸方向移動機構22にはステージドライバー38が接続される。ステージドライバー38はz軸方向移動機構14、x軸方向移動機構17およびy軸方向変位機構34の動作を制御する。ステージドライバー38はこれら移動機構14、17、22の動作の制御にあたって所定の位置情報を取得する。取得された位置情報に基づき光学系28と被加工物配置ステージ12上の支持面13との間で相対位置が特定される。ステージドライバー38は、特定される相対位置に従ってz軸方向移動機構14、x軸方向移動機構17およびy軸方向移動機構22に制御信号を供給する。z軸方向移動機構14は制御信号の受信に応じてz軸方向に被加工物配置ステージ12を動かす。同様に、x軸方向移動機構17は制御信号の受信に応じてx軸方向に被加工物配置ステージ12を動かす。y軸方向移動機構22は制御信号の受信に応じてy軸方向に加工ヘッドユニット19を動かす。
光源コントローラー36、光学系コントローラー37およびステージドライバー38にはコンピューター39が接続される。コンピューター39は所定のプログラムに従って統括的に光源コントローラー36、光学系コントローラー37およびステージドライバー38の動作を制御する。制御にあたってコンピューター39はレーザー光線すなわち集光レンズ29と被加工物配置ステージ12との目標相対移動速度並びにレーザー光線の単位時間当たりエネルギー密度を特定する。レーザー光線および被加工物配置ステージ12の相対移動速度は目標相対移動速度すなわち最大相対移動速度で維持される。すなわち、レーザー光線は目標相対移動速度で水平方向に等速移動する。目標相対移動速度に従って光学系コントローラー37はy軸方向変位機構34の制御信号を生成する。相対移動速度確立時の単位時間当たりエネルギー密度が特定されると、コンピューター39はレーザー光線のレーザーパワー、レーザーパルス幅、パルスデューティおよびパルス周波数といった発振条件を算出する。算出された発振条件は光源コントローラー36に通知される。光源コントローラー36は通知された発振条件に基づき駆動電圧を生成する。なお、本実施形態では、ひとたび発振条件が決定されると、被加工物の加工期間中を通じてレーザー発振器25の発振条件は算出された条件に維持される。
同時に、コンピューター39は、特定された目標相対移動速度に基づき、加速時の相対移動速度すなわち加速時相対移動速度および減速時の相対移動速度すなわち減速時相対移動速度を特定する。図3に示されるように、レーザー光線と被加工物配置ステージ12との相対移動速度は静止状態Vから目標相対移動速度Vsに向かって任意の加速度(例えば等加速度)で変化する。同様に、レーザー光線と被加工物配置ステージ12との相対移動速度は目標相対移動速度Vsから静止状態Vに向かって任意の減速度(等減速度)で変化する。そういった加速度や減速度に基づきコンピューター39は集光レンズ29の軸方向移動速度を特定する。特定された集光レンズ29の軸方向移動速度は光学系コントローラー37に通知される。光学系コントローラー37は通知された軸方向移動速度に基づき制御信号を生成する。本実施形態では、加速度や減速度と軸方向移動速度との関係は参照テーブルから取り込まれる。参照テーブルは、例えばコンピューター39に組み込まれる記憶装置に格納されればよい。加速度や減速度と軸方向移動速度との関係は予め実測に基づき特定されればよい。以上のような制御にあたってコンピューター39ではリアルタイムOS上でプログラムの動作は実現されればよい。
いま、レーザー加工装置11でいわゆるヘッドサスペンションアセンブリの折り曲げ加工を実施する場面を想定する。ヘッドサスペンションアセンブリはハードディスク駆動装置で使用される。ヘッドサスペンションアセンブリはハードディスク駆動装置の筐体内に組み込まれる。例えば図4に示されるように、ヘッドサスペンションアセンブリ41は先端で浮上ヘッドスライダ42を支持する。浮上ヘッドスライダ42には電磁変換素子が搭載される。ハードディスク駆動装置の動作中、浮上ヘッドスライダ42は回転中の磁気ディスクに向き合わせられる。
ヘッドサスペンションアセンブリ41はベースプレート43でキャリッジ(図示されず)に連結される。キャリッジは垂直方向に延びる支軸に回転自在に支持される。ベースプレート43はキャリッジアームの先端に重ね合わせられる。キャリッジアームは支軸から水平方向に延びる。キャリッジが支軸回りで回転すると、浮上ヘッドスライダ42は磁気ディスクの半径方向に移動することができる。こういった半径方向移動に基づき浮上ヘッドスライダ42上の電磁変換素子は所望の記録トラックに位置合わせされることができる。
ベースプレート43にはヘッドサスペンション44が取り付けられる。ヘッドサスペンション44は、ベースプレート43から前方に所定の間隔で隔てられるロードビーム45を備える。ベースプレート43とロードビーム45との間でヘッドサスペンション44にはヒンジ46が区画される。ヒンジ46は所定の弾性力を発揮する。こういった弾性力の確立にあたってヘッドサスペンション44は例えばアルミニウムやマグネシウム、ステンレス鋼といった金属素材の板材から成形される。
ヘッドサスペンション44の表面にはフレキシャ47が固定される。フレキシャ47はヘッドサスペンション44の先端でいわゆるジンバルを区画する。ジンバルに浮上ヘッドスライダ42は固着される。ジンバルの働きで浮上ヘッドスライダ42はヘッドサスペンション44に対して任意に姿勢を変化させることができる。図5に示されるように、ヒンジ46は折れ線49に沿って折り曲げられる。折れ線49は1直線上を延びる。ベースプレート43とロードビーム45との間には所定の折り曲げ角θが設定される。この折り曲げ角θに基づきロードビーム45では規定の押し付け力が確立される。
浮上ヘッドスライダ42が回転中の磁気ディスクに向き合わせられると、浮上ヘッドスライダ42には空気流の働きで浮力が作用する。この浮力は浮上ヘッドスライダ42の表面形状に基づき設定される。同時に、浮上ヘッドスライダ42にはヘッドサスペンション44から磁気ディスクに向かってヒンジ46の押し付け力が作用する。浮力および押し付け力のバランスに基づき浮上ヘッドスライダ42の浮上高さは決定される。押し付け力の大きさは折り曲げ角θに基づき設定される。したがって、折り曲げ角θのずれは押し付け力を変化させる。浮上ヘッドスライダ42の浮上高さは変化する。押し付け力は0.01[g]単位で調整される。
ヒンジ46の弾性力すなわちばね圧は浮上ヘッドスライダ42の浮上高さを決定する。浮上高さに応じてヒンジ46のばね圧は設定される。しかしながら、ヘッドサスペンション44の加工精度の問題などから、必ずしもヒンジ46で所望のばね圧が確立されることはできない。ばね圧の調整にあたってヘッドサスペンション44にはレーザー光線が照射される。レーザー光線の照射に応じてヘッドサスペンション44の折り曲げ加工は修正される。こうした修正に基づきヒンジ46のばね圧は調整される。
ヒンジ46のばね圧の調整にあたって、まず、加工対象のヒンジ46のばね圧は測定される。測定されたばね圧と規定のばね圧との差分が算出される。算出された差分に基づき折り曲げの向きと修正量(折り曲げ角α)とが求められる。続いて、算出されたヒンジ46の折り曲げ角αに応じてレーザー光線の照射条件が求められる。レーザー光線の照射条件には、レーザー光線のレーザーパワー、レーザーパルス幅、パルスデューティおよびパルス周波数といったレーザー光線の発振条件や、レーザー光線の照射位置、照射回数、ヒンジ46に対するレーザー光線の走査速度、レーザー光線の焦点距離その他の条件が組み合わせられる。これら照射条件は、想定されるヒンジ46の折り曲げ角αに応じて予め用意されることができる。実際の加工時には用意された照射条件の中から適正な照射条件が選択される。
例えば図6に示されるように、折り曲げ加工にあたってヘッドサスペンションアセンブリ41はレーザー加工装置11の被加工物配置ステージ12上に搭載される。ヘッドサスペンションアセンブリ41はベースプレート43で支持面13に固定される。図7から明らかなように、ヘッドサスペンション44のヒンジ46すなわち板ばねには折れ線49が規定される。折れ線49は1直線上を延びる。折れ線49はy軸に平行に規定される。ヘッドサスペンション44すなわちヒンジ46は被加工配置ステージ12上の一水平面内で広がる。折れ線49はビームスポットの移動経路に相当する。
コンピューター39では、折り曲げ角αの大きさに応じてレーザー光線と被加工物配置ステージ12との目標相対移動速度並びにビームスポットの単位時間当たりエネルギー密度が決定される。単位時間当たりエネルギー密度は、集光レンズ29の焦点で確立されるレーザー光線のビームスポットに基づき特定される。こうして目標相対移動速度および単位時間当たりエネルギー密度が設定されると、ヒンジ46上の特定の位置ごとに微小単位面積当たりのエネルギーが特定される。この微小単位面積当たりのエネルギーが折り曲げ角すなわち修正量を決定する。目標相対移動速度に従ってコンピューター39はy軸方向変位機構34の制御量を決定する。単位時間当たりエネルギー密度に従ってコンピューター39はレーザーパワー、レーザーパルス幅、パルスデューティおよびパルス周波数を決定する。これら発振条件は一定の状態に維持される。
ヘッドサスペンションアセンブリ41が支持面13に固定されると、コンピューター39は集光レンズ29の光軸51に対して折れ線49を位置合わせする。集光レンズ29の光軸51は折れ線49の任意の位置に垂直方向から直交する。同時に、集光レンズ29とヒンジ46の表面との距離は集光レンズ29の焦点距離に合わせ込まれる。位置合わせにあたってコンピューター39は光学系28の位置情報および被加工物配置ステージ12の位置情報を取得する。これら位置情報に基づきz軸方向移動機構14の制御量、x軸方向移動機構17の制御量、y軸方向移動機構22の制御量、z軸方向変位機構31の制御量およびy軸方向変位機構34の制御量は決定される。決定された制御量に基づきステージドライバー38は制御信号を生成する。生成された制御信号はz軸方向移動機構14、x軸方向移動機構17およびy軸方向移動機構22にそれぞれ供給される。同様に、決定された制御量に基づき光学系コントローラー37は制御信号を生成する。生成された制御信号はz軸方向変位機構31およびy軸方向変位機構34にそれぞれ供給される。
コンピューター39は目標相対移動速度およびビームスポットの移動距離に基づき集光レンズ29とヘッドサスペンションアセンブリ41との間で相対移動速度の変化を特定する。すなわち、相対移動速度で速度変化が特定される。コンピューター39は速度変化に基づき集光レンズ29のz軸方向移動速度を特定する。その結果、z軸方向変位機構31の制御量は特定される。本実施形態では、z軸方向移動速度の判別にあたってz軸方向変位機構31の加速度が用いられる。ここで、加速度には負の加速度すなわち減速度が含まれる。加えて、本実施形態では、集光レンズ29とヘッドサスペンションアセンブリ41との相対移動速度の変化に拘わらず、光学系28の働きに応じて、ヘッドサスペンションアセンブリ41に照射されるレーザー光線の微小単位面積当たりのエネルギーは一定に維持される。図8に示されるように、レーザー光線の微小単位面積当たりのエネルギーの維持にあたって、静止状態Vから目標相対移動速度Vsに向かって相対移動速度の加速に応じて単位時間当たりエネルギー密度は増大する。反対に、目標相対移動速度Vsから静止状態Vに向かって相対移動速度の減速に応じて単位時間当たりエネルギー密度は減少する。ここで、ビームスポットのエネルギー密度は集光レンズ29の焦点の位置に応じて設定される。焦点位置の移動に応じてレーザー光線のビームスポットが拡大すると、レーザー光線の単位時間当たりエネルギー密度は減少する。焦点位置の移動は光学系28のz軸方向移動に基づき実現される。
コンピューター39ではレーザー光線の発振条件を特定する通知信号が生成される。通知信号は光源コントローラー36に供給される。光源コントローラー36は、通知された発振条件に従ってレーザー発振器25に駆動電圧を印加する。レーザー発振器25からレーザー光線は出力される。レーザー光線は反射ミラー26の働きで出射口27に導かれる。出射口27から出射したレーザー光線は光学系28に導入される。集光レンズ29はレーザー光線を集光する。
図9にはz軸方向にヒンジ46と集光レンズ29との位置関係が概念的に示される。ヒンジ46上に形成されるビームスポットはx位置(時間t)からx位置(時間t)に向けてy軸方向に移動する。x位置(時間t)からx位置(時間t)まで集光レンズ29は加速する。x位置(時間t)からx位置(時間t)まで集光レンズ29は等速移動する。x位置(時間t)からx位置(時間t)まで集光レンズ29は減速する。本実施形態では、ビームスポットの移動にあたってy軸方向の集光レンズ29の変位が利用される。このとき、集光レンズ29はビームスポットの移動距離に対して十分な大きさの直径を有することが望まれる。同時に、集光レンズ29は平行光のレーザー光線の断面径よりも十分に大きな直径を有することが望まれる。
図9に示されるように、x位置(時間t)では集光レンズ29とヒンジ46との相対速度は低い。このとき、集光レンズ29のz軸方向変位に基づき、レーザー光線の焦点はヒンジ46の表面から離れた位置に配置される。この位置では集光レンズ29は焦点距離よりも大きな距離でヒンジ46の表面から遠ざかる。x位置(時間t)ではヒンジ46の表面に最大径のビームスポットが形成される。
コンピューター39では、レーザー光線の出射と同時に、前述の目標相対移動速度に基づきy軸方向変位機構34の制御量が特定される。特定された制御量に基づき光学系コントローラー37は制御信号を生成する。生成された制御信号はy軸方向変位機構34に供給される。集光レンズ29はy軸方向に移動し始める。レーザー光線のビームスポットは折れ線49上を移動していく。
静止状態から目標相対移動速度まで集光レンズ29は所定の加速度で加速する。光学系コントローラー37では、集光レンズ29の加速度に基づき特定される制御量に基づき制御信号が生成される。制御信号はz軸方向変位機構31に供給される。集光レンズ29が加速するにつれて集光レンズ29はz軸方向にヒンジ46に近づく。その結果、集光レンズ29の焦点はヒンジ46の表面に近づく。ヒンジ46の表面ではビームスポットは次第に縮小していく。x位置に比べてレーザー光線の単位時間当たりエネルギー密度は増大する。相対移動の加速中にも拘わらずヒンジ46上では個々の位置ごとに微小単位面積当たりのエネルギーは一定に維持される。静止位置(x位置)から加速度終端位置(x位置)まで均一な谷折りは実現される。
位置で集光レンズ29のy軸方向変位は目標相対移動速度に達する。集光レンズ29のz軸方向変位は停止する。集光レンズ29のz軸方向変位の停止にあたってz軸方向変位機構31には光学系コントローラー37から制御信号が供給される。集光レンズ29の焦点はヒンジ46の表面に合わせ込まれる。すなわち、集光レンズ29とヒンジ46の表面との距離は集光レンズ29の焦点距離に一致する。x位置に向かって集光レンズ29が等速度で移動する間、この状態は維持される。ヒンジ46の表面には最小径のビームスポットが形成される。ビームスポットでは単位時間当たりエネルギー密度は最大限に高まる。こうして個々の位置ごとに微小単位面積当たりのエネルギーは一定に維持される。加速度終端位置(x位置)から目標相対移動速度終端位置(x位置)まで均一な谷折りは実現される。
集光レンズ29がx位置に達すると、集光レンズ29のy軸方向変位の停止に先立って集光レンズ29は所定の減速度で減速し始める。光学系コントローラー37では、減速度に基づき特定される制御量に基づきz軸方向変位機構31の制御信号が生成される。制御信号はz軸方向変位機構31に供給される。集光レンズ29がy軸方向に減速するにつれて集光レンズ29はz軸方向にさらにヒンジ46に近づく。その結果、集光レンズ29の焦点はヒンジ46の表面から遠ざかる。ヒンジ46の表面ではビームスポットは次第に拡大していく。レーザー光線の単位時間当たりエネルギー密度は次第に減少する。減速にも拘わらずヒンジ46上では個々の位置ごとに微小単位面積当たりのエネルギーは一定に維持される。目標相対移動速度終端位置(x位置)から停止位置(x位置)まで均一な谷折りは実現される。
集光レンズ29がx位置に達すると、y軸方向に集光レンズ29の移動は停止する。このとき、光源コントローラー36はレーザー発振器25に対して駆動電圧の印加を停止する。レーザー発振器25からレーザー光線の出力は終了する。なお、以上の折り曲げ加工では、ビームスポットの拡大にあたって、集光レンズ29の焦点よりも遠い位置でヒンジ46の表面にビームスポットが形成されてもよく、集光レンズ29の焦点よりも近い位置でヒンジ46の表面にビームスポットが形成されてもよい。
図8を併せて参照し、時間tあるいは時間tでは、ヒンジ46の表面に形成されるビームスポットのスポット径が大きいことから、レーザー光線の単位時間当たりエネルギー密度(ΔE)は低い。その一方で、時間tあるいは時間tでは、ヒンジ46の表面に形成されるビームスポットのスポット径が小さいことから、レーザー光線の単位時間当たりエネルギー密度(ΔE)は高い。ただし、経過時間tに応じて集光レンズ29とヒンジ46との相対移動速度は変化することから、ヒンジ46上ではいずれの位置でもエネルギー(E)は一定に維持される。エネルギーは、単位時間当たりエネルギー密度、並びに、集光レンズ29とヒンジ46との相対移動速度の関数となる。すなわち、集光レンズ29がy軸方向に相対的に加速する状態では集光レンズ29の焦点は被加工物の表面に徐々に近づけられる。接近に応じて、被加工物に作用する単位時間当たりエネルギー密度は高められる。反対に、集光レンズ29がy軸方向に相対的に減速する状態では集光レンズ29の焦点は被加工物の表面から徐々に遠ざけられる。こうして均一なレーザーエネルギーに基づきヒンジ46の折り曲げ加工は実施されることができる。
なお、上記実施形態では、集光レンズ29と被加工物との距離は集光レンズ29の移動に基づき変化する。ただし、集光レンズ29と被加工物との距離は、被加工物配置ステージ12の移動に基づき変化してもよく、集光レンズ29の移動および被加工物配置ステージ12の移動に基づき変化してもよい。
いま、例えば図10に示されるように、前述のヘッドサスペンションアセンブリ41で折れ線49が所定の傾斜角βで水平面から傾斜する場面を想定する。ここでは、光源コントローラー36は前述と同様にレーザー発振器25の動作を制御する。光学系コントローラー37は前述と同様にz軸方向変位機構31およびy軸方向変位機構34の動作を制御する。ステージドライバー38は前述と同様にx軸方向移動機構17およびy軸方向移動機構22の動作を制御する。ステージドライバー38は傾斜角βに基づきz軸方向移動機構14の動作を制御する。
静止状態(x位置)から目標相対移動速度の到達(x位置)まで集光レンズ29はy軸方向に前述の加速度で加速する。ステージドライバー38では、その加速度に基づき特定される制御量に基づきz軸方向移動機構14の制御信号が生成される。制御信号はz軸方向移動機構14に供給される。z軸方向移動機構14の働きに応じて、集光レンズ29がy軸方向に加速するにつれてヒンジ46は下降していく。ヒンジ46の表面に形成されるビームスポットは1仮想水平面52内で移動していく。前述と同様にレーザー光線の単位時間当たりエネルギー密度は増大する。相対移動の加速中およびヒンジ46の傾斜にも拘わらずヒンジ46上では個々の位置ごとにレーザー光線の微小単位面積当たりのエネルギーは一定に維持される。静止位置(x位置)から加速度終端位置(x位置)まで均一な谷折りは実現される。
位置で集光レンズ29が目標相対移動速度に達すると、ステージドライバー38では、目標相対移動速度に基づき特定される制御量に基づきz軸方向移動機構14の制御信号が生成される。生成された制御信号はz軸方向移動機構14に供給される。x位置からx位置まで集光レンズ29が一定の速度で移動するにつれてz軸方向移動機構14の働きに応じてヒンジ46は下降していく。ヒンジ46の表面に形成されるビームスポットは1仮想水平面52内で移動していく。ヒンジ46の表面には最小径のビームスポットが形成される。x位置からx位置までz軸方向に集光レンズ29の移動は停止されることから、最小径のビームスポットは維持される。その結果、レーザー光線の単位時間当たりエネルギー密度は最大限に高まる。ヒンジ46の傾斜にも拘わらずヒンジ46上では個々の位置ごとに微小単位面積当たりのエネルギーは一定に維持される。加速度終端位置(x位置)から目標相対移動速度終端位置(x位置)まで均一な谷折りは実現される。
集光レンズ29のy軸方向変位の停止に先立って集光レンズ29はx位置でy軸方向に前述の減速度で減速し始める。ステージドライバー38では、減速度に基づき特定される制御量に基づきz軸方向移動機構14の制御信号が生成される。制御信号はz軸方向移動機構14に供給される。集光レンズ29が減速するにつれてz軸方向移動機構14の働きに応じてヒンジ46はさらに下降していく。こうしてヒンジ46の表面に形成されるビームスポットは1仮想水平面52内で移動していく。集光レンズ29の焦点はヒンジ46の表面から遠ざかることから、単位時間当たりエネルギー密度は減少する。その結果、相対移動の減速中および傾斜にも拘わらずヒンジ46上では個々の位置ごとに微小単位面積当たりのエネルギーは一定に維持される。目標相対移動速度終端位置(x位置)から停止位置(x位置)まで均一な谷折りは実現される。
図11は本発明の第2実施形態に係る光学系28aを概略的に示す。この光学系28aでは例えば出射口27と集光レンズ29との間に光学フィルター53が組み込まれる。光学フィルター53は任意の範囲で段階的にまたは連続的にレーザー光線に対して光学濃度を変化させる。すなわち、光学フィルター53の働きで、集光レンズ29から出射するレーザー光線の光量は変化する。レーザー光線の光量の変化に応じて単位時間当たりエネルギー密度の変化は引き起こされる。その結果、前述と同様に、集光レンズ29と被加工物との相対移動速度の変化に拘わらず微小単位面積当たりのエネルギーは一定に維持される。具体的には、集光レンズ29がy軸方向に相対的に加速する状態では光学フィルター53の働きでレーザー光線の透過量は次第に減少する。集光レンズ29がy軸方向に相対的に減速する状態では光学フィルター53の働きでレーザー光線の透過量は次第に減少する。本実施形態では、光学フィルター53は出射口27の光軸上で支柱21に不動に固定される。その他、光学フィルター53は集光レンズ29とともに移動してもよい。
図12は光学フィルター53の一具体例を示す。この光学フィルター53は円盤形に形成される。円周方向に複数種類のレーザー透過度のフィルター要素53a〜53fが配列される。ここでは、例えば透過度100%のフィルター要素53a、90%のフィルター要素53b、80%のフィルター要素53c、70%のフィルター要素53d、60%のフィルター要素53eおよび50%のフィルター要素53fといった具合に中心角60度ごとに異なる光学濃度の光学フィルターが確立される。光学フィルター53には中心で直交する回転軸54が結合される。回転軸54には例えばステッピングモーター55が連結される。ステッピングモーター55の駆動軸55aおよび回転軸54にタイミングベルト56が巻き付けられる。ステッピングモーター55の働きで回転軸54回りで光学フィルター53の回転は実現される。ステッピングモーター55の動作は前述の光学系コントローラー37で制御されればよい。光学濃度は例えば透過度100%〜50%の範囲で円周方向に連続的に変化してもよい。光学フィルター53には、電気的な制御に基づき光の透過度を変化させる素子が用いられてもよい。例えば液晶によれば1枚の光学フィルター53で複数の透過度が実現されることができる。この場合には光学フィルター53そのものが物理的に移動する必要はない。その他、光学系28aには複数枚の光学フィルター53、53…が組み込まれてもよい。この場合には、個々の光学フィルター53、53…で異なる透過度が確立されればよい。光学フィルター53、53…は順番に入れ替えられればよい。個々の光学フィルター53、53…では同一の透過度が確立されてもよい。光学フィルター53の枚数に基づき透過度は調整されればよい。
図13は本発明の第3実施形態に係る光学系28bを概略的に示す。この光学系28bでは例えば出射口27と集光レンズ29との間に絞り58が組み込まれる。絞り58は任意の範囲で段階的にまたは連続的に開口面積を変化させる。すなわち、絞り58の働きで絞り58を通過するレーザー光線の光量は変化する。その結果、前述と同様に、集光レンズ29と被加工物との相対移動速度の変化に拘わらず微小単位面積当たりのエネルギーは一定に維持される。絞り58は、例えば絞り羽根の働きでレーザー光線の透過量を調節すればよい。絞り58にはその他の構造のものが用いられてもよい。本実施形態では、絞り58は出射口27の光軸上で支柱21に不動に固定される。その他、絞り58は集光レンズ29とともに移動してもよい。
図14は本発明の第4実施形態に係る光学系28cを概略的に示す。この光学系28cでは例えば出射口27と集光レンズ29との間にビームエキスパンダー61が組み込まれる。ビームエキスパンダー61の光軸は集光レンズ29の光軸に合わせ込まれる。ビームエキスパンダー61では拡大レンズ62はレーザー光線の平行光を拡大する。レンズ63は拡大レンズ62から出射されるレーザー光線を平行光に変換する。拡大レンズ62がレンズ63から遠ざかれば遠ざかるほど、集光レンズ29から出力されるレーザー光線のビームスポットは縮小する。単位時間当たりエネルギー密度は増大する。その結果、前述と同様に、集光レンズ29と被加工物との相対移動速度の変化に拘わらず微小単位面積当たりのエネルギーは一定に維持される。ビームエキスパンダー61には例えばアクチュエーターが接続されればよい。アクチュエーターは光軸に沿ってビームエキスパンダー61の移動を実現する。
前述のように折れ線49が所定の傾斜角βで水平面から傾斜する場合でも、前述の光学系28に代えて光学系28a、28b、28cが組み込まれることができる。こういった場合には、前述と同様に、ステージドライバー38は傾斜角βに基づきz軸方向移動機構14の動作を制御すればよい。
(付記1) 被加工物を支持するステージと、出射口から被加工物に向かってレーザー光線を照射する光源と、出射口および被加工物の間に配置され、出射口から単位時間当たりに単位面積に照射されるレーザー光線のエネルギーを調整する光学系とを備えることを特徴とする加工装置。
(付記2) 付記1に記載の加工装置において、前記ステージおよび出射口の間で相対移動を引き起こす移動機構と、前記相対移動の加速度に応じて前記エネルギーの調整を制御する制御回路とをさらに備えることを特徴とする加工装置。
(付記3) 付記1に記載の加工装置において、前記光学系は、前記被加工物上に形成されるレーザー光線のビームスポットを拡大縮小させることを特徴とする加工装置。
(付記4) 付記1に記載の加工装置において、被加工物および出射口の距離に応じて前記エネルギーの調整を制御する制御回路をさらに備えることを特徴とする加工装置。
(付記5) 付記1に記載の加工装置において、前記光学系は、前記被加工物に対して進退移動する集光レンズを備えることを特徴とする加工装置。
(付記6) 付記1に記載の加工装置において、前記光学系は、複数値の光学濃度を有する光学フィルターを備えることを特徴とする加工装置。
(付記7) 付記1に記載の加工装置において、前記光学系は絞りを備えることを特徴とする加工装置。
(付記8) 付記1に記載の加工装置において、前記光学系はビームエキスパンダーを備えることを特徴とする加工装置。
(付記9) 出射口からステージ上の被加工物にレーザー光線を照射する工程と、レーザー光線の照射にあたって、出射口および被加工物の間に配置される光学系に基づき出射口から単位時間当たりに単位面積に照射されるレーザー光線のエネルギーを調整する工程とを備えることを特徴とする加工方法。
(付記10) 付記9に記載の加工方法において、前記ステージおよび出射口の間で相対移動を引き起こす工程と、前記相対移動の加速度に応じて前記エネルギーの調整を制御する工程とをさらに備えることを特徴とする加工方法。
(付記11) 付記9に記載の加工方法において、前記エネルギーの調整にあたって前記被加工物上に形成されるレーザー光線のビームスポットを拡大縮小する工程を備えることを特徴とする加工方法。
(付記12) 付記9に記載の加工方法において、被加工物および出射口の距離に応じて前記エネルギーの調整を制御する工程をさらに備えることを特徴とする加工方法。
(付記13) 出射口からステージ上の板ばねにレーザー光線を照射し、板ばねに折り曲げ加工を施す工程と、レーザー光線の照射にあたって、出射口および板ばねの間に配置される光学系に基づき出射口から単位時間当たりに単位面積に照射されるレーザー光線のエネルギーを調整する工程とを備えることを特徴とする板ばねの製造方法。
(付記14) 付記13に記載の板ばねの製造方法において、前記ステージおよび出射口の間で相対移動を引き起こす工程と、前記相対移動の加速度に応じて前記エネルギーの調整を制御する工程とをさらに備えることを特徴とする板ばねの製造方法。
(付記15) 付記13に記載の板ばねの製造方法において、前記エネルギーの調整にあたって前記被加工物上に形成されるレーザー光線のビームスポットを拡大縮小する工程を備えることを特徴とする板ばねの製造方法。
(付記16) 付記13に記載の板ばねの製造方法において、板ばねおよび出射口の距離に応じて前記エネルギーの調整を制御する工程をさらに備えることを特徴とする板ばねの製造方法。
本発明の一実施形態に係るレーザー加工装置の構造を概略的に示す正面図である。 レーザー加工装置の制御系を概略的に示すブロック図である。 レーザー光線の移動速度を概念的に示すグラフである。 ヘッドサスペンションアセンブリの構造を概略的に示す拡大斜視図である。 ヘッドサスペンションアセンブリの側面図である。 ヘッドサスペンションアセンブリの折り曲げ加工時のレーザー加工装置を示す正面図である。 レーザー加工装置に搭載されるヘッドサスペンションアセンブリを概略的に示す平面図である。 レーザー光線の移動にあたって単位時間当たりエネルギー密度の変化と微小面積当たりのエネルギーとを示すグラフである。 本発明の第1実施形態に係る光学系の働きを概念的に示すレーザー加工装置の動作図である。 折れ線が傾斜する際に第1実施形態に係る光学系の働きを概念的に示すレーザー加工装置の動作図である。 本発明の第2実施形態に係る光学系の働きを概念的に示すレーザー加工装置の動作図である。 一具体例に係る光学フィルターの構造を概略的に示す拡大斜視図である。 本発明の第3実施形態に係る光学系の働きを概念的に示すレーザー加工装置の動作図である。 本発明の第4実施形態に係る光学系の働きを概念的に示すレーザー加工装置の動作図である。
符号の説明
11 加工装置(レーザー加工装置)、12 ステージ(被加工物配置ステージ)、24 光源、27 出射口、28(28a〜28c) 光学系、29 集光レンズ、37 制御回路(光学系コントローラー)、39 制御回路(コンピューター)、41 被加工物(ヘッドサスペンションアセンブリ)、46 板ばね(ヒンジ)、53 光学フィルター、58 絞り、61 ビームエキスパンダー。

Claims (3)

  1. 被加工物を支持するステージと、
    発振条件を一定に維持したレーザー光線を発振する光源と、
    集光部を用いて前記被加工物に前記レーザー光線を集光させる光学系と、
    前記光学系および前記ステージの間で前記レーザー光線の照射方向に相対移動を引き起こす第1移動機構と、
    前記光学系および前記ステージの間で前記照射方向に対して垂直な方向に相対移動を引き起こす第2移動機構と、
    前記第2移動機構による相対移動の速度変化に応じて前記第1移動機構による相対移動を制御する制御部と
    を備えることを特徴とする加工装置。
  2. ステージ上の被加工物に向かって発振条件を一定に維持したレーザー光線を照射し、集光部を備えた光学系によって前記被加工物に前記レーザー光線を集光させる工程と、
    前記レーザー光線の照射にあたって、前記光学系および前記ステージの間で前記レーザー光線の照射方向に対して垂直な方向に相対移動を引き起こす工程と、
    前記相対移動の速度変化に応じて、前記光学系および前記ステージの間の前記照射方向の相対移動を制御する工程と
    を備えることを特徴とする加工方法。
  3. ステージ上の板ばねに向かって発振条件を一定に維持したレーザー光線を照射し、集光部を備えた光学系によって前記板ばねに前記レーザー光線を集光させる工程と、
    前記レーザー光線の照射にあたって、前記光学系および前記ステージの間で前記レーザー光線の照射方向に対して垂直な方向に相対移動を引き起こす工程と、
    前記相対移動の速度変化に応じて、前記光学系および前記ステージの間の前記照射方向の相対移動を制御し、前記板ばねに折り曲げ加工を施す工程と
    を備えることを特徴とする板ばねの製造方法。
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