JP2015085336A - レーザ加工方法及び加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工対象物の個体間に形状のばらつきが存在する場合にも、その個体ごとの形状に応じて正確にレーザ加工することができ、許容されている規格内の寸法ばらつきのある形態に対して倣い加工が精度よくできるレーザ加工方法及び加工装置を提供する。【解決手段】予め定めた加工プログラムに従って加工対象物にレーザビームを照射しながら加工するレーザ加工方法であって、加工対象物のエッジの位置を検出するエッジ位置検出工程と、該エッジ位置検出工程により検出したエッジの位置データに基づき加工プログラムを作成する加工プログラム作成工程とを備え、エッジ位置検出工程は、加工対象物に対する加工閾値未満のエネルギー密度の低出力レーザビームを加工対象物のエッジに交差するように走査することにより、低出力レーザビームの加工対象物からの反射光の強度の変化を観測し、該反射光の強度の変化に基づきエッジの位置を検出する。【選択図】 図１

Description

本発明は、加工対象物の表面を研磨する、あるいは加工対象物の表面に合わせて形状加工する等の場合に有効なレーザ加工方法及び加工装置に関する。

ドリルやエンドミルなどの切削工具において、超硬合金等からなる工具基体に化学気相蒸着（ＣＶＤ）法等によりダイヤモンド等の硬質皮膜を被覆して長寿命化するものが知られている。一方、これらの硬質皮膜を被覆した場合、元の工具基体の鋭利なエッジを鈍化させることが課題となっており、この被覆切削工具において、刃先稜線部のシャープエッジ化の要望は以前より存在していた。このような切削工具の場合、表面から数μｍの精度で均一に、成膜されたままの状態の皮膜を加工除去することが求められている。また、同じ仕様の切削工具であっても、砥石の変形を伴う研削加工で形態加工を行うため、そのエッジの一つ一つの形状は完全には一致していない。そのため、加工装置を使って形態を整える場合には、工具ごとに補正手続きが必要である。
特許文献１では、逃げ面に、ダイヤモンド被覆を除去しない範囲で元の逃げ角より小さい逃げ角のチャンファを設けることが開示されている。
このようなチャンファをレーザ加工により実現するためには、三次元曲線である刃先稜線に沿って数μｍ未満の誤差範囲でレーザビームを走査する必要があり、狙い精度上の困難性があった。
このレーザビームの狙い精度を向上する方法として、特許文献２では、狙いとする照射位置と実際に加工された穴の位置のずれを読み取り、そこから得られた補正量を次の加工時に反映するという方法を提案している

特許第３４７７１８３号公報 特開２０１０−９９６７４号公報

レーザ加工においては、レーザ光の照射によって加工対象物の材料を蒸発、飛散させるので、加工部の周囲にはデブリ（再凝固層）が形成され、特許文献２の方法では、加工穴の位置読み取り精度が、加工穴の周囲に堆積するデブリ等により低下してしまう問題がある。また、第１のワークへの加工結果により算出した補正情報に基づき第２のワークへのレーザ加工を行うものであるため、加工対象物の形状に個体ごとのばらつきが存在した場合は、そのばらつきにより発生するずれを補正出来ない問題もあった。例えば、規格寸法内でのばらつきを持つ基体にダイヤモンド等の皮膜の成膜をし、エッジの部分を鋭利に追加工しようとした場合、十分厚みのある皮膜であれば基体を露出させない追加工が可能であるが、薄膜の場合、一律に形状を揃える追加工をしてしまった場合、皮膜を取りすぎて基体を露出させてしまうことが考えられる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、加工対象物の個体間に形状のばらつきが存在する場合にも、その個体ごとの形状に応じて正確にレーザ加工することができ、許容されている規格内の寸法ばらつきのある形態に対して倣い加工が精度よくできるレーザ加工方法及び加工装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザ加工方法は、予め定めた加工プログラムに従って加工対象物にレーザビームを照射しながら加工するレーザ加工方法であって、前記加工対象物のエッジの位置を検出するエッジ位置検出工程と、該エッジ位置検出工程により検出した前記エッジの位置データに基づき前記加工プログラムを作成する加工プログラム作成工程とを備え、前記エッジ位置検出工程は、前記加工対象物に対する加工閾値未満のエネルギー密度の低出力レーザビームを前記加工対象物の前記エッジに交差するように走査することにより、前記低出力レーザビームの前記加工対象物からの反射光の強度の変化を観測し、該反射光の強度の変化に基づき前記エッジの位置を検出することを特徴とする。

レーザ加工時の加工閾値未満のエネルギー密度の低出力レーザビームを加工対象物のエッジに交差するように走査すると、その反射光の強度がエッジにより変化する。その変化に基づいてエッジの位置を検出し、その位置データに基づき加工プログラムを作成し、その加工プログラムに従って加工対象物を加工する。
つまり、エッジ位置検出工程により個々の加工対象物のエッジ位置を事前に検出しながら、その検出結果に基づいて加工しており、加工対象物の個体ごとのばらつきに対しても確実に補正した状態で加工することができる。この場合、エッジ位置検出工程では、次のレーザ加工工程で加工される加工対象物に対して、その加工に用いるレーザビームの出力を低下させて使用しており、光学系におけるレンズの収差や加工対象物を保持するステージの機械的誤差等を考慮する必要はなく効率的である。
なお、加工プログラムの作成には、予め定めた加工プログラムをエッジ位置検出工程によって検出されたエッジ位置データに基づき補正することも含むものとする。

本発明のレーザ加工方法において、前記エッジ位置検出工程では、前記低出力レーザビームを走査して前記反射光の強度の最大値を検出して、該最大値の中間の値のときの位置データを前記エッジの位置データとするとよい。
加工対象物の表面の被覆を部分的に除去する場合など、表面に対してわずかなレーザ加工を行う場合に、エッジの稜線を正確に検出して加工することができる。

本発明のレーザ加工方法において、前記エッジ位置検出工程では、前記加工対象物のエッジに沿う複数個所で低出力レーザビームを走査しながら前記最大値を検出し、各検出点ごとに前記位置データを求めるとよい。

加工対象物のエッジが三次元的形状を有している場合には、そのエッジに沿う複数個所で低出力レーザビームを走査すると、各検出点ごとに反射光の強度の最大値が異なる場合がある。そこで、各検出点ごとに反射光の強度の最大値を検出しながら、エッジの位置データを求めることにより、三次元的形状のエッジにおいても、正確にエッジ位置を検出することができる。

本発明によれば、加工対象物の個体間に形状のばらつきが存在する場合にも、レーザ加工前のエッジ検出工程により、個体ごとの形状を正確に把握してレーザ加工することができ、しかも、加工に用いるレーザの出力を低下させてエッジ検出に使用しているので、レンズの収差やステージの機械的誤差などを考慮する必要がなく、効率的で作業性がよい。

本発明に係るレーザ加工方法の実施形態を示すフローチャートである。 本発明の方法に用いられるレーザ加工装置の例を示す全体構成図である。 エッジ検出工程におけるレーザビームの走査と反射光の出力変化を説明するためのもので、（ａ）はエッジに垂直にレーザビームを走査している状態、（ｂ）はエッジに傾斜してレーザビームを走査している状態をそれぞれ示す模式図であり、（ｃ）はそれらの場合の反射光の出力変化を示したグラフである。 本発明の方法により研磨加工した加工対象物表面のＳＥＭ像を示す。

以下、本発明に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
まず、レーザ加工装置の実施形態について説明する。この実施形態のレーザ加工装置１は、図２に示すように、加工対象物２にレーザ光３を照射して加工する装置であり、加工対象物１にレーザ光を照射するレーザ照射手段５と、加工対象物２を保持した状態で回転及びｘ，ｙ，ｚ軸方向に移動可能なステージを有するワーク保持手段６と、これらレーザ照射手段５及びワーク保持手段６を制御するコンピュータからなる制御手段７とを備える。

レーザ照射手段５は、例えばレーザ光３を一定の繰り返し周波数でパルス発振するレーザ発振機１１と、レーザビーム３を走査する走査手段１２と、レーザビーム３をスポット状に集光する集光レンズ１３とを備えている。
レーザ発振機１１には、１９０ｎｍ〜１１００ｎｍの波長のレーザ光３を照射できる光源を使用することができ、例えば本実施形態では、波長３５５ｎｍのレーザ光３を発振して出射できるものを用いている。

走査手段１２は、例えば２枚のミラーを動かすことでレーザビーム３を走査するガルバノスキャナが用いられる。また、集光レンズ１３はＦ−θレンズであり、走査手段１２のガルバノスキャナと一体に設けられている。
また、加工対象物２におけるレーザビーム３の照射位置を撮像するＣＣＤカメラ等の撮像手段１４が設けられている。

ワーク保持手段６は、加工対象物ｗを把持するチャック２１と、このチャック２１を回転する回転機構２２と、この回転機構２２を搭載してｘ，ｙ，ｚ軸方向に移動可能なステージ２３ｘ〜２３ｚを有している。具体的には、水平面に平行なｘ方向に移動可能なｘ軸ステージ部２３ｘと、そのｘ軸ステージ部２３ｘの下に設けられｘ方向に対して垂直で、かつ水平面に平行なｙ方向に移動可能なｙ軸ステージ部２３ｙと、ｙ軸ステージ部２３ｙの下に設けられ水平面に対して垂直方向に移動可能なｚ軸ステージ部２３ｚとを備える構成とされている。

制御手段７は、予め設定した加工プログラムに従って走査手段１２、ワーク保持手段６をそれぞれ制御するものであり、レーザビームのＯＮ／ＯＦＦ、その出力の制御、走査手段１２の動作、ワーク保持手段６の各ステージ２３ｘ〜２３ｚ及び回転機構２２の動作を制御する。また、加工対象物２に照射されるレーザビーム３の発光時の座標から、加工対象物２のエッジの形状を計算により求め、走査手段１２の走査プログラム及びワーク保持手段６のステージ移動プログラムからなる加工プログラムの作成も行う。加工対象物２へのレーザビーム３の照射位置をＣＣＤカメラ等の撮像手段１４によって確認しながら制御することができる。

次に、このレーザ加工装置１を用いて加工対象物２を研磨加工する方法について説明する。このレーザ加工方法においては、研削加工等によって外形加工され、その刃先にダイヤモンド等の硬質皮膜が形成されている切削工具が加工対象物２である。
図１は加工順を示すフローチャートであり、まず、加工の対象とするエッジ（輪郭）を決定する（Ｓ１）。加工対象物２の刃先に形成したダイヤモンド等の硬質皮膜を部分的に研磨する場合であれば、その刃先の研磨する部分の形状に合わせたエッジを設計データ等に基づき決定する。
そして、ワーク保持手段６のチャック２１に加工対象物２を保持し、制御手段７により各ステージ２３ｘ〜２３ｚ及び必要に応じて回転機構２２を制御して、加工対象物２の加工対象部分をレーザビーム照射可能な範囲へ移動する（Ｓ２）。
次いで、加工対象物２のエッジ位置を検出して（Ｓ３）、その検出結果に基づき加工プログラムを作成し（Ｓ４）、その加工プログラムに従って加工対象物２のレーザ加工を行う（Ｓ５）。この加工対象物２のエッジ位置検出からレーザ加工までの詳細を以下に説明する。

＜エッジ位置検出工程＞
最初に、レーザ加工装置１のレーザビーム３の出力を、加工対象物２の被覆を研磨するために必要な加工閾値以下に設定する（このレーザビームを低出力レーザビームとする。符号は同じ３を用いる）。その低出力レーザビーム３を加工対象物２のエッジに向かって、加工対象物２の外側の何もない空間から走査手段（ガルバノスキャナ）１２の走査により移動し、低出力レーザビーム３がエッジに当たったときの反射による発光を検出することで一つ目のエッジ座標（ガルバノスキャナ上の仮想的座標ｘ１，ｙ１）とする。

図３は低出力レーザビーム３を、加工対象物２のエッジに向けて走査した場合の反射光の発光強度Ｅの変化を示している。符号２ａは加工対象物２の表面に形成されたダイヤモンド等の皮膜を示しており、レーザビーム３が矢印で示すように走査されるものとする。
レーザビーム３の直径の一部がエッジに到達して重なった場合はその重なり度合に合わせて発光強度が（ｃ）で示すグラフのように変化し、最大値Ｅｍへ至る。（ａ）で示すように低出力レーザビーム３の走査方向（この場合、ｘ方向）が加工対象物２のエッジに垂直である場合の発光強度の変化を（ｃ）にａで示す。
一方、（ｂ）で示すように低出力レーザビーム３の走査方向とエッジが垂直からずれて傾斜している場合は、レーザビーム３を走査したときの発光強度の変化率は、ａの場合よりも小さくなる（この変化をｂとする）。
いずれの場合も、レーザビーム３の断面形状に異方性が無い等方性の場合であれば、エッジ位置は発光強度がＥｍの半分の値であるＥｎとなったときのｘ座標（ｘ_ａ又はｘ_ｂ）とすれば良い。
なお、加工対象物の表面形状によっては、必ずしもＥｍの半分の値になったときをエッジとせずに、半分よりもずれた値の位置をエッジとすることもある。

＜加工プログラム作成工程＞
以上のようにして、加工対象物２のエッジ上の数点の座標を検出し、それらから得られたエッジの形状（輪郭形状）を多項式などで表し、それを用いて走査手段（ガルバノスキャナ）１２及びワーク保持手段６の加工プログラムを都度生成する。

なお、加工対象物２の図面上の輪郭がわかっている場合などには、発光の検出位置から都度多項式等で表す必要はなく、その輪郭の図面上の形状からずれるパラメータのみが分かれば良い。例えば、図面上で直線となっている輪郭は、その角度や長さなどの個体間ばらつきはあるにしても、それが曲線にはならないと考えることが出来る（例えば平坦な砥石を用いた研削加工で形成した輪郭の場合）。その場合、任意の２点の座標が分かれば直線が得られる。同様に、輪郭形状が円弧で、その半径のみばらつきがある場合は、２〜３点の座標を調べるだけで済む。そのようにして、必要最低限の数の座標だけを調べてゆけば良い。

＜レーザ加工工程＞
レーザビーム３の出力を加工閾値以上に設定した後、先に作成した加工プログラムを用いて実際のレーザ加工を行う。
このレーザ加工工程においては、先のエッジ位置検出工程により加工対象物２のエッジ位置が正確に検出されており、そのエッジ位置データに基づいて作成された加工プログラムにしたがって加工するので、事前の機械加工により個体差が生じている場合でも、その個体ごとの形状に応じてレーザ加工を実施することができる。本実施形態の場合は、加工対象物表面の被覆の一部を除去しながら研磨してシャープエッジにする加工であり、表面から数μｍの精度で均一に研磨することができる。
しかも、エッジ検出に用いるレーザ光は、加工に用いるレーザ光の出力を低下させただけで、レーザ発振機１１、走査手段１２及びワーク保持手段６は、加工に用いるものをそのまま使用しているため、エッジ検出においてレンズの収差やステージの機械的誤差などを考慮する必要がなく、効率的で作業性がよい。

図４は、工具の刃先にＣＶＤ法により形成したダイヤモンド被覆の一部を、本発明の方法により研磨して削除した実施例のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像を示している。レーザ光としては、出力３Ｗ、波長３５５ｎｍのナノ秒レーザを用いた。図４の三角矢印で示す方向にレーザビームを照射し、Ｓで示す部分の被覆を５μｍの厚みの範囲で除去した。
この図４に示されるように、目標位置の限られた範囲で被覆が除去されていることがわかる。また、この研磨加工により、Ｇで示すエッジがシャープエッジに仕上げられている。
また、特許文献２に記載の条件で任意に選んだダイヤモンド皮膜が形成された５本の直径４ｍｍのエンドミルのエッジのレーザ加工を実施したところ、２本については皮膜を除去しすぎて、基体を露出させてしまった。一方、本発明の方法によると、同じく任意に選んだ５本の前記仕様のエンドミルのエッジのレーザ加工を実施したところ、全てで基体の露出は無く、目標位置の限られた範囲で皮膜が除去された。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
上述の実施形態では加工対象物の表面を研磨する場合について説明したが、本発明は、研磨加工に限らず、加工対象物の表面に彫刻する場合等にも用いることができる。

１ レーザ加工装置
２ 加工対象物
３ レーザ光（レーザビーム）
５ レーザ照射手段
６ ワーク保持手段
７ 制御手段
１１ レーザ発振機
１２ 走査手段
１３ 集光レンズ
１４ 撮像手段
２１ チャック
２２ 回転機構
２３ｘ，２３ｙ、２３ｚ ステージ

Claims (3)

1. 予め定めた加工プログラムに従って加工対象物にレーザビームを照射しながら加工するレーザ加工方法であって、前記加工対象物のエッジの位置を検出するエッジ位置検出工程と、該エッジ位置検出工程により検出した前記エッジの位置データに基づき前記加工プログラムを作成する加工プログラム作成工程とを備え、前記エッジ位置検出工程は、前記加工対象物に対する加工閾値未満のエネルギー密度の低出力レーザビームを前記加工対象物の前記エッジに交差するように走査することにより、前記低出力レーザビームの前記加工対象物からの反射光の強度の変化を観測し、該反射光の強度の変化に基づき前記エッジの位置を検出することを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記エッジ位置検出工程では、前記低出力レーザビームを走査して前記反射光の強度の最大値を検出して、該最大値の中間の値のときの位置データを前記エッジの位置データとすることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
3. 前記エッジ位置検出工程では、前記加工対象物のエッジに沿う複数個所で低出力レーザビームを走査しながら前記最大値を検出し、各検出点ごとに前記位置データを求めることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工方法。