JP5861494B2 - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、小さい表面粗さで傾斜面等の３次元加工が可能なレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。

近年、今まで砥石を使って研削加工されていた部材等の形態形成（形状形成）にも、レーザビーム（レーザ光）を照射して加工を行うレーザ加工装置が用いられている。この３次元形状を加工する方法としては、レーザ光を層状に走査することによって行う方法が提案されている。また、特許文献１では、レーザ光の断面形状を楕円形状にし、回転制御を実施して加工に用いるレーザ加工装置が提案されている。

このレーザ加工装置では、円形のレーザビームから楕円形状のレーザビームを成形する楕円形状成形手段と、楕円形状成形手段により得られる楕円形状のレーザビームを分岐させる分岐手段と、分岐手段により得られる各楕円形状の角度が異なるように、楕円形状のレーザビームを回転させる回転手段と、回転手段により得られる楕円形状のレーザビームを合成させる合成手段と、合成されたレーザビームを所定形状に切り出すマスク機構を有している。

特開２００８−４９３６１号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
レーザ光を層状に走査することによって傾斜面を加工する方法について、走査するビームの形状や走査方法については様々な検討がなされている。しかしながら、層状に加工して傾斜面をより平滑に加工するためには、レーザビームのパルス痕等によって充分な面粗さを得る方法がなかった。また、傾斜面を加工するための方法ではないが、楕円ビームを用いた加工方法として、特許文献１に記載のレーザ加工装置のように、２つの楕円ビームを重ね合わせて回転させマスクパターンに投入する方法も提案されているが、この方法は均質なビームを得ることを目的としているため、加工面の面粗さを低減する効果が得られない。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、３次元加工において、小さい表面粗さで傾斜面加工が可能なレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のレーザ加工装置は、加工対象物にレーザビームを照射して加工する装置であって、レーザビームを発振して前記加工対象物に一定の繰り返し周波数で照射すると共に走査可能なレーザ照射機構と、前記加工対象物を保持して該加工対象物と前記レーザビームとの相対的な位置関係を調整可能な位置調整機構と、これらの機構を制御する制御部とを備え、前記レーザ照射機構が、前記レーザビームのビーム断面形状を楕円形状に整形して楕円ビームとする楕円ビーム整形光学部と、前記楕円ビームを回転させ前記楕円形状の短軸を所定の方向に向ける楕円ビーム回転光学部とを有し、前記制御部が、前記加工対象物の加工領域において設計上の加工後形状の表面における法線ベクトルを求め、該法線ベクトルの前記楕円ビームの照射方向に垂直な面への正射影ベクトルの方向に前記楕円形状の短軸を向ける制御を行うことを特徴とする。

また、本発明のレーザ加工方法は、加工対象物にレーザビームを照射して加工する方法であって、レーザビームを発振して前記加工対象物に一定の繰り返し周波数で照射すると共に走査するレーザ照射工程と、前記加工対象物を保持して該加工対象物と前記レーザビームとの相対的な位置関係を調整する位置調整工程とを有し、前記レーザ照射工程が、前記レーザビームのビーム断面形状を楕円形状に整形して楕円ビームとする楕円ビーム整形工程と、前記楕円ビームを回転させ前記楕円形状の短軸を所定の方向に向ける楕円ビーム回転工程とを有し、前記加工対象物の加工領域において設計上の加工後形状の表面における法線ベクトルを求め、該法線ベクトルの前記楕円ビームの照射方向に垂直な面への正射影ベクトルの方向に前記楕円形状の短軸を向けることを特徴とする。

すなわち、これらのレーザ加工装置及び方法では、加工対象物の加工領域において設計上の加工後形状の表面における法線ベクトルを求め、該法線ベクトルの楕円ビームの照射方向に垂直な面への正射影ベクトルの方向に前記楕円形状の短軸を向けるので、傾斜した加工面において表面粗さを小さくすることが可能になる。

さらに、本発明のレーザ加工装置は、前記制御部が、前記楕円ビームの走査を行う際に、前記加工領域を前記楕円ビームの照射方向に複数の加工レイヤーを積み重ねたものとして設定し、各加工レイヤーに対して前記楕円ビームを照射し、前記加工レイヤー毎に所定部分を除去して、三次元形状の加工面を形成する制御を行い、隣接する２つの前記加工レイヤーにおいて前記設計上の加工後形状を決定する前記走査の開始点又は終点の座標から前記法線ベクトルを演算することを特徴とする。

また、本発明のレーザ加工方法は、前記楕円ビームの走査を行う際に、前記加工領域を前記楕円ビームの照射方向に複数の加工レイヤーを積み重ねたものとして設定し、各加工レイヤーに対して前記楕円ビームを照射し、前記加工レイヤー毎に所定部分を除去して、三次元形状の加工面を形成し、隣接する２つの前記加工レイヤーにおいて前記設計上の加工後形状を決定する前記走査の開始点又は終点の座標から前記法線ベクトルを演算することを特徴とする。

すなわち、これらのレーザ加工装置及び方法では、隣接する２つの加工レイヤーにおいて設計上の加工後形状を決定する走査の開始点又は終点の座標から前記法線ベクトルを演算するので、簡易な演算で法線ベクトルを算出することができ、容易に楕円ビームの短軸方向を決定することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法によれば、加工対象物の加工領域において設計上の加工後形状の表面における法線ベクトルを求め、該法線ベクトルの楕円ビームの照射方向に垂直な面への正射影ベクトルの方向に前記楕円形状の短軸を向けるので、傾斜した加工面において表面粗さを小さくすることが可能になる。
したがって、本発明のレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、例えば、切削工具等の３次元的で面精度の高い形状加工に好適である。

本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法において、レーザ加工装置を示す概略的な全体構成図である。 本実施形態において、レーザビームの各光路における断面形状を示す図である。 本実施形態において、加工後形状と加工レイヤーとの交線と楕円ビームの短軸方向と走査方向との関係を示す説明図である。 本実施形態において、楕円ビームのビーム断面形状に関して長軸と短軸とを示す説明図である。 本実施形態のレーザ加工方法において、隣接する加工レイヤーの３点に基づいて法線ベクトルの向きを算出する方法を示す説明図である。 本実施形態において、楕円ビームによる加工状態（ａ）と円形ビームによる加工状態（ｂ）とを示す説明図である。 本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法の実施例において、加工対象物の加工前形状（ａ）及び設計上の加工後形状（ｂ）を示す側面図である。 本実施例において、レーザ加工方法を工程順に示すフローチャートである。 本実施例のレーザ加工方法において、加工範囲を示す説明図である。 本実施例のレーザ加工方法において、工程順に示す説明図である。 本実施例のレーザ加工方法において、例外処理に示す説明図である。 本実施例において、加工途中の加工対象物を示す拡大写真画像である。

以下、本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法の一実施形態を、図１から図６を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している部分がある。

本実施形態のレーザ加工装置１は、図１に示すように、加工対象物Ｗにレーザビーム（レーザ光）を照射して加工する装置であって、レーザビームＬ１を発振して加工対象物Ｗに一定の繰り返し周波数で照射すると共に走査可能なレーザ照射機構２と、加工対象物Ｗを保持して該加工対象物ＷとレーザビームＬ１との相対的な位置関係を調整可能な位置調整機構３と、これらの機構を制御する制御部４とを備えている。

上記レーザ照射機構２は、レーザビームＬ１となる図２の（ａ）に示すような断面円形状のレーザ光をパルス発振すると共に、図２の（ａ）に示すように断面円形状のスポット状に集光させる光学系も有するレーザ光源５を備えている。
また、レーザ照射機構２は、レーザビームＬ１のビーム断面形状を楕円形状に整形して楕円ビームＬ２とする楕円ビーム整形光学部６と、楕円ビームＬ２を回転させ前記楕円形状の短軸を所定の方向に向ける楕円ビーム回転光学部７とを有している。
また、レーザ照射機構２は、回転させた楕円ビームＬ２は反射して光路を変更するミラー８と、照射する楕円ビームＬ２を走査させるガルバノスキャナ９と、楕円ビームＬ２を集光するｆ−θレンズの集光レンズ１０とを有している。

上記楕円ビーム整形光学部６は、２つのシリンドリカルレンズ６ａ等のレンズを備えた光学系であり、上記断面円形状のレーザビームＬ１を、図２の（ｂ）に示すように断面楕円形状の楕円ビームＬ２に整形する機能を有している。なお、図４に示すように、整形後の楕円ビームＬ２の断面楕円形状は、短軸／長軸≦０．５とすることが好ましい。すなわち、楕円ビームＬ２の断面楕円形状の長軸径をａとし、短軸径をｂとしたとき、ｂ／ａ≦０．５とする。

上記楕円ビーム回転光学部７は、図２の（ｃ）に示すように楕円ビームＬ２をその断面楕円形状の短軸を所定方向に向けて回転させるダブプリズム７ａを備えた光学系である。なお、上記ダブプリズム７ａは、ホルダ７ｂ内に収納されている。
また、この楕円ビーム回転光学部７は、回転させた楕円ビームＬ２は反射して光路を変更するミラー８と、照射する楕円ビームＬ２を走査させるガルバノスキャナ９と、楕円ビームＬ２を集光するｆ−θレンズの集光レンズ１０とを備えている。

上記位置調整機構３は、水平面に平行なＸ方向に移動可能なＸ軸ステージ部１０ｘと、該Ｘ軸ステージ部１０ｘ上に設けられＸ方向に対して垂直でかつ水平面に平行なＹ方向に移動方向なＹ軸ステージ部１０ｙと、該Ｙ軸ステージ部１０ｙ上に設けられ加工対象物Ｗを保持可能であると共に水平面に対して垂直方向に移動可能なＺ軸ステージ部１０ｚとで構成されている。
上記ガルバノスキャナ９及び集光レンズ１０は、Ｚ軸ステージ部１０ｚの直上に配置されている。

このレーザ照射機構２により出射されるレーザビームＬ１及び楕円ビームＬ２は、シングルモードでありビーム断面の光強度分布がガウシアン分布となっていると共に、図４に示すように、集光点においてビーム断面の光強度分布が楕円形状となっている。
上記レーザ光源５は、１９０〜５５０ｎｍのいずれかの波長のレーザ光を照射できるものが使用可能であり、例えば本実施形態では、波長３５５ｎｍのレーザ光を発振して出射できるものを用いている。

上記制御部４は、図３に示すように、加工対象物Ｗの加工領域において設計上の加工後形状の表面における法線ベクトルＨを求め、該法線ベクトルＨの楕円ビームＬ２の照射方向に垂直な面への正射影ベクトルの方向に前記楕円形状の短軸を向ける制御を行う機能を有している。
また、制御部４は、図５に示すように、楕円ビームＬ２の走査を行う際に、加工プログラムにおいて、加工領域を楕円ビームＬ２の照射方向に複数の加工レイヤーＬＹを積み重ねたものとして設定し、各加工レイヤーＬＹに対して楕円ビームＬ２を照射し、加工レイヤーＬＹ毎に所定部分を除去して、三次元形状の加工面を形成するように各機構を制御する。

また、制御部４は、隣接する２つの加工レイヤーＬＹにおいて設計上の加工後形状を決定する走査の開始点又は終点の座標から法線ベクトルＨを演算する。
例えば、図５の（ａ）（ｂ）に示すように、隣接する２つの加工レイヤーＬＹにおいて設計上の加工後形状を決定する走査の終点位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の座標に基づいてこれら３点で構成される面に対する法線ベクトルＨを算出する。さらに、制御部４は、求めた法線ベクトルＨの楕円ビームＬ２の照射方向であるＺ方向に垂直な面、すなわちＸ−Ｙ面への正射影ベクトルの方向に前記楕円形状の短軸を向けるように楕円ビーム回転光学部７を制御し、楕円ビームＬ２を回転させる。

このように制御部４は、上記各機構を制御して、図３及び図５に示すように、所定方向に回転させた楕円ビームＬ２を加工レイヤーＬＹ毎に走査させて加工を行う。この際、図３に示すように、同一加工レイヤーＬＹにおける楕円ビームＬ２の走査間隔ｄは、隣接する楕円ビームＬ２が長軸方向に面積の１／３以上が重なるように設定すると共に、隣接する加工レイヤーＬＹ間で直前の加工レイヤーＬＹの走査線Ｓ１（走査方向）の間を通るように走査位置を変えて走査することが好ましい。例えば隣接する加工レイヤーＬＹ間で走査間隔の１／２分の走査位置を変えて走査する。

なお、図３において、１層目の加工レイヤーＬＹにおける走査線Ｓ１を破線の矢印で図示し、２層目の加工レイヤーＬＹにおける走査線Ｓ２を二点鎖線の矢印で図示している。また、図３において、符号Ｃは、加工形状と加工レイヤーＬＹとの交線を示している。なお、加工レイヤーＬＹの厚みを無限小とみれば、加工レイヤーＬＹと上記設計上の加工後形状との交わりは線とみなせる。

このように楕円ビームＬ２の断面楕円形状の短軸方向を、傾斜面等である加工面向きに合わせて上記のように走査することで、図６の（ａ）に示すように、隣接する楕円ビームＬ２による加工痕で形成された凸部Ｗ１が、図６の（ｂ）に示すように、断面円形状のレーザビームＬ０を走査した場合に比べて小さくなり、加工面における面粗さが低減される。

このように本実施形態のレーザ加工装置１およびレーザ加工方法では、加工対象物Ｗの加工領域において設計上の加工後形状の表面における法線ベクトルＨを求め、該法線ベクトルＨの楕円ビームＬ２の照射方向（Ｚ方向）に垂直な面（Ｘ−Ｙ面）への正射影ベクトルの方向に前記楕円形状の短軸を向けるので、傾斜した加工面において表面粗さを小さくすることが可能になる。
また、隣接する２つの加工レイヤーＬＹにおいて設計上の加工後形状を決定する走査の開始点又は終点の座標から法線ベクトルＨを演算するので、簡易な演算で法線ベクトルＨを算出することができ、容易に楕円ビームＬ２の短軸方向を決定することができる。

次に、本発明のレーザ加工装置およびレーザ加工方法により、実際に加工対象物を形状形成した実施例について、図７から図９を参照して説明する。

本発明の実施例では、図７の（ａ）に示す加工前の厚い平板状の加工対象物Ｗを、図７の（ｂ）に示す設計上の加工後形状として、上部を４つの傾斜面から成る四角錐形状（ピラミッド形状）に形状加工した。なお、上記４つの傾斜面全部を加工する指定面にし、４つの傾斜面に分けて加工を実施した。
この実施例では、波長３５５ｎｍ，繰り返し周波数１６６ｋＨｚのレーザビームＬ１及び楕円ビームＬ２を用いた。また、加工対象物Ｗには、セラミックス焼結体（ＳｉＣ，ｃＢＮ等）を用いた。

さらに、ビーム整形後の楕円形状は短軸／長軸＝０．３とした。同一平面での楕円ビームＬ２の走査間隔は楕円形状の１／３が重なるように走査すると共に、各加工レイヤーＬＹ間で直前の加工レイヤーＬＹの走査線Ｓ１の間を通るように走査間隔ｄの１／２分の走査位置をずらせて走査した。

次に、図８から図１１に示すフローチャート及び説明図を用いて、楕円ビームＬ２の回転制御について説明する。
まず、制御部４が、図９に示すように、４つの傾斜面のうち１つの指定面のＺ方向の範囲、すなわち加工深さを求め（ステップＳ１）、Ｚ方向範囲内の２層分（ｎ層目と（ｎ＋１）層目の２つの加工レイヤーＬＹ分）のプログラム（例えば、Ｚ方向の中間点前後の２層分のプログラム）を求める（ステップＳ２）。

そして、ｎ層目の加工レイヤーＬＹの加工プログラムにおいて、走査本数ｍを１本目として「ｍ＝１」に設定する（ステップＳ３）。次に、ｍ本目の開始点または終了点が規定値と一致するか否かを判断し（ステップＳ４）、規定値と一致しないときは、走査本数ｍを「ｍ＝１＋１」に設定し（ステップＳ５）、再度上記ステップＳ４の判断を行う。すなわち、その走査線が、法線ベクトルＨを求めるための傾斜面を形成する線であるか判定を行う。
なお、規定値は、ｎ層目の加工レイヤーＬＹの加工プログラムにおいてｎ層目に対応するｚ座標での傾斜面の位置を表す座標となる。法線ベクトルＨを求めるための傾斜面の位置を設定する数値となる。

図１０の（ａ）に示すように、上記規定値に一致するときは、１点目の位置Ｐ１として、その座標（ｘ１、ｙ１、ｚ１）を記憶する（ステップＳ６）。さらに、走査本数ｍを「ｍ＝ｍ＋１」に設定し、再びｍ本目の開始点又は終了点が規定値と一致するか判断する（ステップＳ８）。図１０の（ｂ）に示すように、規定値と一致する場合、２点目の位置Ｐ２として座標（ｘ２、ｙ２、ｚ２）を記憶する（ステップＳ９）。そして、走査本数ｍを「ｍ＝ｍ」に設定する。既定値に一致しないときは、「ｍ＝ｍ＋１」に設定し、再度上記ステップＳ４の判断を行う。すなわち、該当する２本の連続する走査線（ｍ及び、ｍ＋１）が、法線ベクトルＨを求めるための傾斜面を形成する線であるか判定を行う。そして、図１１に示すように、１つの走査線しか該当しない場合に、例外処理（ステップＳ９’）を行い、上記ステップＳ９と同じ処理とする。

次に、（ｎ＋１）層目の加工レイヤーＬＹの加工プログラムにおいて、図１０の（ｃ）に示すように、（ｎ＋１）層目のｍ本目の終点を３点目の位置Ｐ３として座標（ｘ３、ｙ３、ｚ３）を記録する（ステップＳ１１）。このようにして得た位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の３点より傾斜面の法線ベクトルＨを求め、該法線ベクトルＨのＸ−Ｙ面の成分のみを算出する（ステップＳ１２）。このように算出した法線ベクトルＨのＸ−Ｙ面の成分の向きに基づいて楕円ビームＬ２の回転角度を求め、該回転角度で楕円ビーム回転光学部７により楕円ビームＬ２を回転させ、レーザ加工を開始する。

このように上記レーザ加工を実施したところ、従来の方法では、Ｒｍａｘが約１．５μｍであったのに対し、本実施例では、Ｒｍａｘが０．５μｍ以下となった。
なお、本実施例において、２つの傾斜面をレーザ加工した状態を示す拡大写真画像を図１２に示す。この写真画像からわかるように、非常に表面粗さが小さく面精度の高い傾斜面が得られている。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態および上記実施例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。

１…レーザ加工装置、２…レーザ照射機構、３…位置調整機構、４…制御部、６…楕円ビーム整形光学部、７…楕円ビーム回転光学部、Ｈ…法線ベクトル、Ｌ１…レーザビーム、Ｌ２…楕円ビーム、ＬＹ…加工レイヤー、Ｗ…加工対象物

Claims (4)

1. 加工対象物にレーザビームを照射して加工する装置であって、
   レーザビームを発振して前記加工対象物に一定の繰り返し周波数で照射すると共に走査可能なレーザ照射機構と、
   前記加工対象物を保持して該加工対象物と前記レーザビームとの相対的な位置関係を調整可能な位置調整機構と、
   これらの機構を制御する制御部とを備え、
   前記レーザ照射機構が、前記レーザビームのビーム断面形状を楕円形状に整形して楕円ビームとする楕円ビーム整形光学部と、
   前記楕円ビームを回転させ前記楕円形状の短軸を所定の方向に向ける楕円ビーム回転光学部とを有し、
   前記制御部が、前記加工対象物の加工領域において設計上の加工後形状の表面における法線ベクトルを求め、該法線ベクトルの前記楕円ビームの照射方向に垂直な面への正射影ベクトルの方向に前記楕円形状の短軸を向ける制御を行うことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザ加工装置において、
   前記制御部が、前記楕円ビームの走査を行う際に、前記加工領域を前記楕円ビームの照射方向に複数の加工レイヤーを積み重ねたものとして設定し、各加工レイヤーに対して前記楕円ビームを照射し、前記加工レイヤー毎に所定部分を除去して、三次元形状の加工面を形成する制御を行い、隣接する２つの前記加工レイヤーにおいて前記設計上の加工後形状を決定する前記走査の開始点又は終点の座標から前記法線ベクトルを演算することを特徴とするレーザ加工装置。
3. 加工対象物にレーザビームを照射して加工する方法であって、
   レーザビームを発振して前記加工対象物に一定の繰り返し周波数で照射すると共に走査するレーザ照射工程と、
   前記加工対象物を保持して該加工対象物と前記レーザビームとの相対的な位置関係を調整する位置調整工程とを有し、
   前記レーザ照射工程が、前記レーザビームのビーム断面形状を楕円形状に整形して楕円ビームとする楕円ビーム整形工程と、
   前記楕円ビームを回転させ前記楕円形状の短軸を所定の方向に向ける楕円ビーム回転工程とを有し、
   前記加工対象物の加工領域において設計上の加工後形状の表面における法線ベクトルを求め、該法線ベクトルの前記楕円ビームの照射方向に垂直な面への正射影ベクトルの方向に前記楕円形状の短軸を向けることを特徴とするレーザ加工方法。
4. 請求項３に記載のレーザ加工方法において、
   請求項１に記載のレーザ加工装置を用い、
   前記制御部が、前記楕円ビームの走査を行う際に、前記加工領域を前記楕円ビームの照射方向に複数の加工レイヤーを積み重ねたものとして設定し、各加工レイヤーに対して前記楕円ビームを照射し、前記加工レイヤー毎に所定部分を除去して、三次元形状の加工面を形成し、隣接する２つの前記加工レイヤーにおいて前記設計上の加工後形状を決定する前記走査の開始点又は終点の座標から前記法線ベクトルを演算することを特徴とするレーザ加工方法。