JP5177643B2 - 高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置 - Google Patents
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Description
医療用カテーテル,チューブ市場は約1,819億円(2006年,株式会社矢野経済研究所調べ)であり,前年と比較して増加傾向にある.特に発展途上であるマイクロカテーテル市場は脳外科手術用として期待されている.カテーテル,ステント材には樹脂,コイル状小径ワイヤ,編まれた小径ワイヤ等も用いられるが,比較的高剛性のステンレスの金属細管が多く用いられている.細管材の表面には,直径を拡大させる,剛性と柔軟性を両立する,注入するため皮膚を切り裂く,摩擦を軽減する,採血する等の機能を持たせるため,複雑形状を形成することが必要である.特に脳外科手術では直径0.2mm以下のマイクロカテーテルが要求されるため表面へ複雑形状の形成は非常に困難である.医療用カテーテル・チューブ,回路検査用プローブの加工には現在機械加工,放電加工等が用いられるが,複雑微細形状の加工に極端な長時間を要する,加工力による変形のためカテーテル径などをある程度以上小さく出来ないなどの問題点がある。これらの問題点を解決するため,非接触加工のため加工力が発生せず,ワークと工具(電極)間隙の複雑なコントロールを必要としないレーザ加工を用いることが考えられる。
レーザ加工を適用する場合,非接触加工であるためにワーク・工具間の相対位置を検出することが難しい。また,カテーテル,ステント,プローブ等の微小部品を精度良く保持することは全ての加工法共通の課題である.
この種のレーザ加工装置として、加工用レーザ光を出射する加工用レーザ光源に加え、加工用レーザ光の焦点とワークとの位置合せを行うため、加工用レーザ光と波長の異なる計測用レーザ光を出射する計測用レーザ光源を有するレーザ加工装置が知られている(たとえば、特許文献1および2参照)。
また、特許文献2に記載のレーザ加工装置では、計測用レーザ光源から出射されワークで反射された計測用レーザ光は、CCDカメラに入射する。そして、CCDカメラでの撮影結果やフォトディテクタでの受光量に基づいて、円筒内の高さを計測,その情報を基に加工用レーザの照射位置を調整する。
なお、特許文献1および2に記載のレーザ加工装置では、加工用レーザ光源からワークまでの光路の一部と、計測用レーザ光源からワークまでの光路の一部とが共通になっている。
もし、ワークの姿勢を機上で計測、保持誤差を補正することができれば、高精度にワークを設置しなくてもワーク上の加工点へ正確にレーザを照射することができる。
計測用レーザによってワーク形状を計測し、必要に応じてレーザ除去加工を行う加工システムは多く存在するが、計測用レーザ、加工用レーザが同一ではないため計測点と加工点は異なる。もし、加工と計測を同一光源で行えば、計測点と加工点を同一とすることができる。
従来、軸位置をCCD、計測用レーザ等を用いて撮影・計測し、これらのデータを基に軸位置補正が行われているが、この場合、加工用光学系に加え、計測用光学系、照明が必要となるばかりか、移動可能エリアの減少、システムの巨大化などの問題の原因となっている。
一方、レーザ加工後の材料表面には熱影響層(HAZ)、バリ等が発生することが問題となっている。
また、本発明は、加工製品のひとつに医療部品を想定しているため、レーザ加工後の微細形状の仕上げにバリの発生する機械加工を避け電解仕上げ加工することにより、加工量を高能率,高精度でコントロールすることが可能であり、また、仕上げに必要な材料除去量を最小にすることができる高精度レーザ加工装置を提供することを目的とする。
また、本発明の高精度レーザ加工装置は、レーザ加工装置およびワーク保持具を支持するスピンドル、ならびに、該レーザ加工装置とスピンドルとをXYZ方向に相対移動させる移動ステージを備え、前記レーザ加工装置は、レーザ発振器、加工用レーザ光および計測用レーザ光を出射するレーザ光出射手段としてのレーザヘッドと、計測用レーザ光の反射光を用いてワークを撮影可能な撮像素子と、レーザヘッドから出射された加工用レーザ光および計測用レーザ光の光路を形成するための光学系と、加工用レーザ光および計測用レーザ光の光軸方向で、レーザヘッドに対して、ワークよりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射板と、前記移動ステージ、レーザ発振器、反射光量測定手段および撮像素子を制御する制御手段とを備え、計測用レーザ光を用いてワークの初期位置、および、ワーク保持手段によりワークを所定角度回転させたときの回転位置を計測して、制御手段によりワークの3次元位置を把握し、ワークの加工照射点を求めることによりワークの保持誤差を補正するワーク保持誤差補正手段を備えることを特徴としている。
(1)加工用レーザおよび計測用レーザを出射する唯一のレーザヘッドからの光源で形状計測を行うため,計測位置と加工位置のずれがない形状計測/加工が可能となる。
(2)ワークの形状、位置、姿勢、およびレーザとの相対位置を計測できるようにすることにより、保持位置が一定しないワークに対して、または、保持誤差のあるワークに対してもレーザを正確な位置に照射することができる。
(3)計測用レーザ,専用光学系を必要としないため、システムの飛躍的な小型化が実現できる。
(5)また電解加工ではワークへ電極を取り付け/取り外しする工程がボトルネックとなるケースが多く、特に微小ワークの場合更に顕在化するが、レーザ加工と電解加工を逐次に同一機上、ワンチャックで行うレーザ・電解逐次複合加工装置によれば、電解加工用電源とワーク保持機構を導通させることで、この問題を解決できる。
図1および2は、実施の形態1を説明するものであり、ワーク形状が既知でない場合である。
(高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置の概略構成)
図1は、本発明の実施の形態1にかかる高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置の概略構成を模式的に示す図である。
図2は、図1の高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置のレーザ加工装置を説明するための説明図である。
ステージドライバ(図示は省略されている。以下同じ。)により、移動ステージ1はY方向(紙面に垂直方向)に、また、移動ステージ2はXおよびZ方向に移動され、さらに、回転ステージ3は矢印Rで示す方向に回転される。
なお、スピンドル6を載置する移動ステージ2をXYZ方向に移動できるように構成する場合には、移動ステージ1を固定ステージとすることができる。要は、レーザ加工装置4および電解加工装置5とスピンドルとをXYZ方向に相対移動できるように構成しておけばよい。
ワーク保持具11は、血管拡張用ステント、回路検査用コンタクトプローブ、注射針、医療用検査プローブ等の小径軸の加工対象物であるワーク15を保持するものであって、スピンドル6に支持されており、スピンドル6の中心軸周りに回転駆動(図1の矢印C参照。)される。
制御手段を構成するコントロールPC12は、ステージドライバ、レーザ発振器8、電解加工用電源9および後記する受光素子13、99、撮像素子14からの情報取得およびそれぞれの制御を行う。
レーザ加工装置4について、図2を参照しながら説明する。
このレーザ加工装置4は、ワーク15の加工を行うための加工用レーザ光および加工用レーザ光の焦点とワーク15との位置合せ等を行うための計測用レーザ光を出射するレーザ光出射手段としてのレーザヘッド7と、レーザヘッド7からのレーザ出力変動測定手段としての受光素子13と、ワーク15で反射された計測用レーザ光の反射光量を測定するための反射光量測定手段としての受光素子99と、計測用レーザ光の反射光を用いてワーク15を撮影可能な撮像素子14と、レーザヘッド7から出射された加工用レーザ光や計測用レーザ光の光路を形成するための光学系16とを備えている。
また、レーザ加工装置4は、加工用レーザ光および計測用レーザ光の光軸方向で、レーザヘッド7に対して、ワーク15よりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射板17とを備えている。
また、本形態では、ワーク15に照射されるレーザ光の光軸方向を加工表面に対して垂直にしているが、角度をつけ斜めに照射しても実施可能である。
図3は、図1に示すワーク15のZ方向の位置と、受光素子99で測定される反射光量との関係を示すグラフである。
図4は、図1に示す反射板17で計測用レーザ光が反射されたときに撮像素子14で撮影される映像の一例を示す図である。
図5は、図1に示す高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置でのワーク15の厚み計測の手順を示すフローチャートである。以上のように構成された高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置では、以下のように、ワーク15の厚み計測を行う。
このときの計測用レーザ光の焦点FのZ方向位置がそのX、Y方向におけるワーク15の厚みを表している。
(1)図5におけるS2の後、ワークの形状・寸法から算出して加工が可能な位置にワークを設置する。
(2)加工の進行に伴う加工深さ変化に起因する照射レーザスポット変化が残留加工厚の測定に致命的な影響を及ぼさない光学系(焦点距離の長い集光レンズ等を配置)を用いる。
(3)ワークの形状・寸法から事前にワークの加工位置および加工量を決定し、加工の進行に伴い残留加工厚の測定に致命的な影響を与えない範囲で適宜X方向にワークを移動させる。
本形態における加工対象物である小径の軸形状のワークの軸中心を計測するには、移動ステージ1および2によって、ワーク15をX、Y方向へ移動させて、レーザヘッド7から計測用レーザ光を出射し、反射板17で反射された計測用レーザ光を撮像素子14で撮影し、反射光が検出される部分とワーク15により遮られた部分の境界のピントが合った高さをワークの軸中心高さとする。
図6に示すように、ワーク保持具11に対してワーク15が正確に保持されていない場合、レーザを本来の加工位置に照射しても正しい加工ができない。そのため、ワーク保持誤差を把握し、レーザ照射位置を移動させる必要がある。
本形態は、以下に説明するように、計測用レーザ光を用いてワーク15の初期位置、および、ワーク保持具11によりワーク15を所定角度回転させたときの回転位置を計測して、コントロールPCによりワークの3次元位置を把握し、ワーク15の加工照射点を求めることにより、ワークの保持誤差を補正する手段を備えるものである。
なお、測定においては、微小管の管径を考慮して、微小管の径方向のエッジの位置から微小管の中心座標を算出する。以下、微小管の中心座標のみを示す。
座標軸X、Y、Zは本発明の高精度レーザ加工およびレーザ・電解複合加工装置の持つ座標軸であり、微小管の回転中心sの座標軸X、Y、ZにおけるYおよびZ方向の位置ycおよびzcは未知である。
図8に示すように、微小管の初期位置において、Y方向の位置y0とY方向の傾きVyを計測用レーザ光を用いて測定する。
微小管のx点におけるY方向位置yは、
y=Vyx+y0 (1)
となる。
図9に示すように、微小管を初期位置から時計回りに90゜回転させ、その回転位置において、Z方向の位置z0とZ方向の傾きVzを計測用レーザ光を用いて測定する。
微小管のx点におけるZ方向位置zは、
z=Vzx+z0 (2)
図10に示すように、微小管を初期位置から時計回りに180゜回転させ、その回転位置において、Y方向の位置y- 0とZ方向のY方向の傾きV-yを計測用レーザ光を用いて測定する。
微小管のx点におけるY方向位置y-は、
y-=V- yx+y- 0 (3)
となり、
V- y=-Vy
y0+y- 0=y+y-=2yc
の関係がある。
yc=(y0+y- 0)/2=(yp+y- p)/2 (4)
加工点X=xpにおけるY、Z座標値は式(1)(2)より
yp=Vyxp+y0
zp=Vzxp+z0
y’=(yp-yc)
z’=(zp-yc)
である。
したがって、微小管を回転角θだけ回転させたときの加工点におけるY、Z座標値は、
Y=y’cosθ+z’sinθ+yc
Z=-y’sinθ+z’cosθ+zc
ただし、上式よりわかるように、加工用レーザの焦点のZ軸方向位置を厳密に加工点に合わせるにはzcを別途測定する必要がある。
レーザ加工後のワーク表面には再凝固物,熱影響層が存在し,製品としては不完全である。これを仕上げるには、機械研磨、化学研磨等があるが、直径が0.5〜数mmの微小管を機械加工することは加工物の剛性の関係で適しておらず、また、化学研磨の場合、溶液温度の制御が難しく、加工時間が長い等の問題がある。
本形態では、図1に示すように、レーザ加工装置4が載置された移動ステージ1上にレーザ加工装置4に隣接するようにして電解加工装置5が載置されており、ワーク保持具11に保持されたワーク15を電解加工槽25および電解電極10近傍まで自由に移動できる構成となっている。
なお、スピンドル6を載置する移動ステージ2をXYZ方向に移動できるように構成する場合には、移動ステージ1を固定ステージとすることができ、要は、レーザ加工装置4および電解加工装置5とスピンドルとをXYZ方向に相対移動
できるように構成されていればよい。
(1)設計形状をコントロールPC12へ入力する。
(2)ワーク15をワーク保持具11に設置する。
(3)集光光学系16、反射板17間にワーク15を移動する。
(4)ワーク保持誤差をレーザ計測する。
(5)計測結果からワーク保持誤差の補正を行いつつ設計形状の加工を行うためのステージコントロール、加工用レーザのOnOffを行いながら、ワーク15のレーザ加工を行う。
(6)ワーク15を電解加工漕25へ移動させる。ワーク保持具11、電解電極,に電解加工電源を導通させる。
(7)電解仕上げ加工を行う。
図12および13は、実施の形態2を説明するものであり、ワーク形状が既知の場合である。
本実施の形態2においては、撮像素子14の画像情報に基づいて、計測用レーザ光の焦点FのZ方向位置を特定する方式を採用しているため、上記した実施の形態1とは光学系16の構成が相違するものであり、実施の形態1における上記した(計測用レーザ光の焦点のZ方向位置の検出原理)、(ワークの厚み計測)の作業を省略できる点に特徴がある。
なお、本実施の形態2において、実施の形態1において説明した(ワーク保持誤差の補正)(電解加工装置)は同じであるので、説明は省略する。
図4は、図12に示す反射板17で計測用レーザ光が反射されたときに撮像素子14で撮影される映像の一例を示す図である。
本形態における加工対象物である小径の軸形状のワークの軸中心を計測するには、移動ステージ1および2によって、ワーク15をX、Y方向へ移動させて、レーザヘッド7から計測用レーザ光を出射し、反射板17で反射された計測用レーザ光を撮像素子14で撮影し、反射光が検出される部分とワーク15により遮られた部分の境界のピントが合った高さをワークの軸中心高さとする。
2 移動ステージ
3 回転ステージ
4 レーザ加工装置
5 電解加工装置
6 スピンドル
7 レーザヘッド
8 レーザ発振器
9 電解加工用電源
10 電解電極
11 ワーク保持具
12 コントロールPC(制御手段)
13 受光素子
14 撮像素子
15 ワーク
16 光学系
17 反射板
18 レンズ
19 ミラー
20 ビームサンプラー
21 レンズ
22 対物レンズ
23 凸レンズ
24 凸レンズ
98 ビームサンプラー
99 受光素子
Claims (3)
- レーザ加工装置、および、ワーク保持具を支持するとともにワーク保持具を所定角度回転させるスピンドル、ならびに、該レーザ加工装置とスピンドルとをXYZ方向に相対移動させる移動ステージを備えた小径の軸形状ワークを加工するための高精度レーザ加工装置であって、
前記レーザ加工装置は、レーザ発振器、加工用レーザ光および計測用レーザ光を出射する唯一のレーザ光出射手段としてのレーザヘッドと、小径の軸形状ワークで反射された計測用レーザ光の反射光量を測定するための反射光量測定手段と、計測用レーザ光の反射光を用いて小径の軸形状ワークを撮影可能な撮像素子と、レーザヘッドから出射された加工用レーザ光および計測用レーザ光の光路を形成するための光学系と、加工用レーザ光および計測用レーザ光の光軸方向で、レーザヘッドに対して、小径の軸形状ワークよりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射板と、前記移動ステージ、レーザ発振器、反射光量測定手段および撮像素子を制御する制御手段とを備え、
計測用レーザ光を用いてワーク保持具に保持された小径の軸形状ワークの軸径を考慮した初期位置、および、スピンドルを初期位置から少なくとも1つの所定角度だけ回転させたときのワーク保持具に保持された小径の軸形状ワークの軸径を考慮した少なくとも1つの回転位置を計測して、当該初期位置と少なくとも1つの回転位置から制御手段により小径の軸形状ワークの軸径を考慮した3次元位置を把握し、小径の軸形状ワークの加工照射点を求めることにより小径の軸形状ワークの保持誤差を補正するワーク保持誤差補正手段を備えることを特徴とする高精度レーザ加工装置。 - レーザ加工装置、および、ワーク保持具を支持するとともにワーク保持具を所定角度回転させるスピンドル、ならびに、該レーザ加工装置とスピンドルとをXYZ方向に相対移動させる移動ステージを備えた小径の軸形状ワークを加工するための高精度レーザ加工装置であって、
前記レーザ加工装置は、レーザ発振器、加工用レーザ光および計測用レーザ光を出射する唯一のレーザ光出射手段としてのレーザヘッドと、計測用レーザ光の反射光を用いて小径の軸形状ワークを撮影可能な撮像素子と、レーザヘッドから出射された加工用レーザ光および計測用レーザ光の光路を形成するための光学系と、加工用レーザ光および計測用レーザ光の光軸方向で、レーザヘッドに対して、小径の軸形状ワークよりも離れた位置に配置され、計測用レーザ光を反射する反射板と、前記移動ステージ、レーザ発振器、反射光量測定手段および撮像素子を制御する制御手段とを備え、
計測用レーザ光を用いてワーク保持具に保持された小径の軸形状ワークの軸径を考慮した初期位置、および、スピンドルを初期位置から少なくとも1つの所定角度だけ回転させたときのワーク保持具に保持された小径の軸形状ワークの軸径を考慮した少なくとも1つの回転位置を計測して、当該初期位置と少なくとも1つの回転位置から制御手段により小径の軸形状ワークの軸径を考慮した3次元位置を把握し、小径の軸形状ワークの加工照射点を求めることにより小径の軸形状ワークの保持誤差を補正するワーク保持誤差補正手段を備えることを特徴とする高精度レーザ加工装置。 - 請求項1または2記載の高精度レーザ加工装置において、レーザ加工装置が載置されたステージ上にレーザ加工装置に隣接するようにして電解加工装置を載置し、レーザ加工後、レーザ加工時の小径の軸形状ワーク保持状態のまま、レーザ加工時において把握した小径の軸形状ワークの軸径を考慮した3次元位置を用いて小径の軸形状ワークと電解電極との相対距離を求めて電解加工を行うことを特徴とするレーザ・電解複合加工装置。
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