レーザー加工装置およびレーザー加工装置の制御方法
【課題】速度制御が困難な球面に対して、レーザーにより微細溝加工を実施する。
【解決手段】ワーク回転用モータ１２のシャフト１２ａの端部に取付けられた被加工球体１４と、加工用レンズ１９を介して被加工球体１４の中心にパルス状のレーザー光が入射するように配設されたレーザー発振器１８と、被加工球体１４の中心を通り且つ前記シャフト１２ａと直交する回転ブロック回転用モータ１５のシャフト１５ａに固着され、該シャフト１５ａに直交し且つシャフト１２ａに平行に配設されて該シャフト１２ａを保持する回転ブロック１６とを備え、前記被加工球体１４の回転速度、前記回転ブロック１６の回転速度、前記レーザー発振器１８のパルス繰り返し周波数の３つのパラメータの内、少なくとも２つ以上のパラメータの組合せによって、前記被加工球体１４の球面上のパルス照射密度が一定になるように同期制御を行う。
【解決手段】ワーク回転用モータ１２のシャフト１２ａの端部に取付けられた被加工球体１４と、加工用レンズ１９を介して被加工球体１４の中心にパルス状のレーザー光が入射するように配設されたレーザー発振器１８と、被加工球体１４の中心を通り且つ前記シャフト１２ａと直交する回転ブロック回転用モータ１５のシャフト１５ａに固着され、該シャフト１５ａに直交し且つシャフト１２ａに平行に配設されて該シャフト１２ａを保持する回転ブロック１６とを備え、前記被加工球体１４の回転速度、前記回転ブロック１６の回転速度、前記レーザー発振器１８のパルス繰り返し周波数の３つのパラメータの内、少なくとも２つ以上のパラメータの組合せによって、前記被加工球体１４の球面上のパルス照射密度が一定になるように同期制御を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球面にレーザー光線を用いて精密な溝を形成する加工装置および加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、球面上に規則的な溝を形成するのには、曲面印刷の手法を応用した化学エッチング法が用いられてきた。しかしながら、この手法はレジスト用マスク露光面が球面ゆえに十分な加工精度が得られなかった。
【０００３】
さらに、この化学エッチング法はセラミック等の高耐腐食性の材質への適応は困難である。
【０００４】
近年、マイクロマシーン技術の進歩に伴い、高精度の５軸加工機により球面に対しても精密な溝形成加工が可能になってきた。これは精密に成形された刃物を回転させながら被加工材を少しづつ削っていく方法である。高剛性の精密数値制御装置で行った場合高精度の加工が可能となる。
【０００５】
しなしながら、刃物を使っての加工であるため、加工部の幅は刃物の大きさによって制限を受ける。刃物切削部の速度を確保するためには、刃物が小さくなればなるほど刃物の高速回転が必要となる。また、微小な刃物を用いて大きな面積の加工を行なうには多大な時間を要することとなる。
【０００６】
さらに、加工する刃物の大きさには制限があり微細な幅の溝加工は困難となる。
【０００７】
また、加工刃物と被加工材の硬度の差で行なわれる加工であるためダイヤモンド、セラミックス、超硬等の高硬度脆性材への適応は困難である。
【０００８】
被加工材の硬度、耐薬品性に依存しない除去加工法としてレーザー加工法がある。これはレーザー光線を被加工部表面に集光照射することにより、被加工材を蒸発除去する方法であり、非接触で被加工素材の硬度、耐薬品性に依存せずに加工を行なうことができる。
【０００９】
また、このレーザー光線は容易に１０μΦ程度のスポットに集光することができ、微細な除去加工が可能となる。
【００１０】
このレーザー光線による溝加工法は型彫り放電加工に似たものである。放電加工における微小パルス放電と同じように、パルス化されたレーザー光線を目的部に制御集光することにより３次元除去加工を行なうものである。
【００１１】
レーザーで均一な深さの溝加工を行なう場合には、除去する場所に同じパルス密度で均一なレーザーを集光照射する必要がある。
【００１２】
図１０はこの集光照射による溝加工法の最も簡単な従来の実施例を示したものである。図１０において、レーザーを集光するためのレンズ１は、図示省略の２軸ステージ上に固定された矩形板状の被加工材２と平行な面に、被加工材２から所定距離隔てて固定されており、レーザー発振器（図示省略）からのレーザー光線３が、ステージと直角な方向からレンズ中心に入射されるよう配設されている。
【００１３】
前記ステージ上の被加工材２は、一定速度でＸ軸方向に予め設定された距離を移動した後、Ｙ軸方向にピッチ送りがなされ、次にＸ軸を前記と反対方向に設定量戻る。Ｘ軸が開始位置に戻ったとき再びＹ軸方向のピッチ送りがなされ、これらの移動とピッチ送りが繰り返して行なわれる。
【００１４】
この往復運動が繰り返される被加工材２に、一定の周波数で同一のパルス状レーザー光を集光照射することにより、被加工材２には同じパルス密度で均一なレーザーの集光照射がなされる。
【００１５】
同様な加工は、図１１のような一定速度で回転しながら定速送りがなされる、円筒状の被加工材４に対しても同じパルス密度で均一なレーザーの集光照射を行なうことができる。
【００１６】
これらのレーザー加工法によりセラミックス製平板円盤上に螺旋状の溝を加工した化学ポンプの軸受けや円筒材の外周部に溝加工を行なった空圧軸受けの加工が実施されてきた。
【００１７】
尚、パルス発振レーザーを用いた加工装置は、例えば特許文献１、２、３に開示され、また、ＱスイッチＹＡＧレーザーをセラミックス加工へ応用する技術は、例えば非特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開平８−１７９８５号公報
【特許文献２】特開平１０−１３７９５９号公報
【特許文献３】特開平１１−１１４６８２号公報
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】高橋良夫、「周波数変調されたＱスイッチＹＡＧレーザーのセラミックス加工への応用」、社団法人応用物理学会誌「応用物理」 第５７巻 第１１号 Ｐ．１７８９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
従来、機械加工では困難な微細な溝加工をレーザーを用いて行なう場合、加工は、容易に移動２軸の定速度送り制御が行え、且つレーザーを集光するためのレンズと被加工材の距離を一定に保つことができる場合に限り、実施可能である。
【００２１】
これに対し、レーザーを用いて球面に対して溝加工を行なう場合は、速度制御が難しく、且つ前記レーザー集光用のレンズと被加工材の距離を一定に保つことが困難である。
【００２２】
本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、速度制御が困難な球面に対して微細な溝加工をレーザーを用いて実施することができるレーザー加工装置およびレーザー加工装置の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題を解決するために本発明では、ワーク回転用モータの軸の端部に取付けられた被加工球体と、集光手段を介して前記被加工球体の中心にパルス状のレーザー光が入射するように配設されたパルス発振型レーザー発振器と、前記被加工球体の中心を通り且つ前記ワーク回転用モータの軸と直交するブロック回転軸に固着され、該ブロック回転軸に直交し且つ前記ワーク回転用モータの軸に平行に配設されて該モータの軸を保持する回転ブロックと、前記ブロック回転軸を回転させる回転ブロック回転用モータと、前記ワーク回転用モータにより回転される前記被加工球体の回転速度、前記回転ブロック回転用モータにより回転される前記回転ブロックの回転速度、前記レーザー発振器のパルス繰り返し周波数の３つのパラメータの内、少なくとも２つ以上のパラメータの組合せによって、前記被加工球体の球面上のパルス照射密度が一定になるように同期制御を行うことを特徴としている。
【００２４】
また、前記回転ブロック回転用モータの回転速度を一定としたときに、前記回転ブロック回転用モータの回転を検出する回転検出器によって検出した、前記回転ブロックの回転にともなう前記被加工球体へのレーザー光の相対入射角度に応じて、前記被加工球体の球面上のレーザー照射部の周速が一定となるように前記ワーク回転用モータの回転速度を制御することを特徴としている。
【００２５】
また、前記制御手段は、前記回転ブロック回転用モータの回転速度を一定としたときに、前記回転ブロック回転用モータの回転を検出する回転検出器によって検出した、前記回転ブロックの回転にともなう前記被加工球体へのレーザー光の相対入射角度に応じて、前記被加工球体の球面上のレーザー照射部の周速が一定となるように前記レーザー発振器のパルス繰り返し周波数を制御することを特徴としている。
【００２６】
また、前記ワーク回転用モータに取付けられた回転検出器の検出量に基づいて前記レーザー発振器の出力のＯＮ，ＯＦＦ制御を行って、前記被加工球体の球面上に対して溝加工する部位としない部位の比率を調整することを特徴としている。
【００２７】
また、前記ＯＮ，ＯＦＦ制御におけるＯＮ制御のタイミングを、前記ワーク回転用モータの１回転毎に、前記回転検出器の所定検出量分だけ遅延させることを特徴としている。
【００２８】
また、前記レーザー発振器が出力するレーザーは、光パルス軸が５ナノ秒以下のＱスイッチ発振レーザーか、又は光パルス幅がピコ秒、フェムト秒のレーザーであることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２９】
(１)請求項１〜１０に記載の発明によれば、被加工球体の球面上に、同じパルス密度で均一なレーザーを集光照射することができ、微細幅で深さの揃った溝加工を行なうことができる。
【００３０】
（２）また、請求項４、９に記載の発明によれば、被加工球体の球面上における溝加工比を任意に調整することができる。
【００３１】
（３）また、請求項５、１０に記載の発明によれば、被加工球体の球面上に螺旋形状の溝を形成することができ、また前記遅延させるタイミングを変えることによって、螺旋の立ち上がり角を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態例を示す全体構成図。
【図２】本発明の実施形態例の要部構成図。
【図３】本発明の実施形態例において、被加工球体の球面上にレーザーを集光照射させる様子を示す説明図。
【図４】短パルス発振のレーザー発振器の特性図。
【図５】本発明の実施形態例におけるレーザー制御信号とレーザー出力の信号波形図。
【図６】本発明の実施形態例におけるエンコーダ出力とレーザー制御信号の信号波形図。
【図７】本発明を適用した溝加工品の一例を示す正面図。
【図８】本発明を適用して溝加工を実施したときの、溝加工するタイミングと溝加工しないタイミングを表し、（ａ）は同一タイミングで制御する場合の説明図、（ｂ）は１回転毎にタイミングをずらす制御の場合の説明図。
【図９】本発明を適用した溝加工品の他の例を示す正面図。
【図１０】従来のレーザー加工法によって、矩形板状の被加工材にレーザーを集光照射した様子を示す説明図。
【図１１】従来のレーザー加工法によって、円筒状の被加工材にレーザーを集光照射した様子を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。図１は本実施形態例によるレーザー加工装置１００の全体構成を示し、図２はレーザー加工装置１００の要部構成を示している。
【００３４】
図１において、１１はベース板であり、このベース板１１の上面に直交し該上面から所定距離隔てた部位には、シャフト１２ａがベース板１１の上面と平行となるようにワーク回転用モータ１２が配設されている。
【００３５】
前記モータ１２のシャフト１２ａは、円筒状のワーク固定用チャックブロック１３の中心孔を回転自在に貫通し、その先端には被加工球体１４が取付けられている。
【００３６】
前記ベース板１１の下面に直交し該下面から所定距離隔てた部位には、シャフト１５ａが前記シャフト１２ａに直交し且つシャフト１５ａの先端位置が前記被加工球体１４の中心と一致するように、回転ブロック回転用モータ１５が配設されている。
【００３７】
前記モータ１５のシャフト１５ａは、ベース板１１の孔１１ａを回転自在に貫通し、その先端には、ベース板１１と被加工球体１４の間の位置において回転ブロック１６の一端が固着されている。
【００３８】
回転ブロック１６の他端側には前記ワーク固定用チャックブロック１３が載置され固定されている。
【００３９】
前記ベース板１１の上面側のワーク回転用モータ１２のシャフト１２ａに直交する部位には、レーザー制御装置１７、パルス状のレーザーを発振するレーザー発振器（パルス発振型レーザー発振器）１８および加工用レンズ１９が配設され、レーザー発振器１８から出射されるレーザー光線２０を加工用レンズ１９によって被加工球体１４の球面に集光照射するように構成している。
【００４０】
入射するレーザー光線２０の光軸は正確にシャフト１２ａと直角で、且つ被加工球体１４の中心に向かうよう調整されている。レーザー発振器１８から出射されるレーザーパルスは、レーザー制御装置１７によりパルス繰り返し周波数および後述するＯＮ，ＯＦＦの制御がなされる。
【００４１】
１２ｄはワーク回転用モータ１２の回転を制御するワーク回転用モータドライバーであり、１２ｅは前記モータ１２に取付けられ、該モータの回転位置を監視（回転速度を検出）するワーク回転検出用エンコーダである。
【００４２】
１５ｄは回転ブロック回転用モータ１５の回転を制御する回転ブロック回転用モータドライバーであり、１５ｅは前記モータ１５に取付けられ、該モータの回転位置を監視（回転速度を検出）する回転ブロック回転検出用エンコーダである。
【００４３】
上記のように構成された装置において、ワーク回転用モータ１２の回転によって、被加工球体１４はシャフト１２ａを軸として回転され、回転ブロック回転用モータ１５を回転させることにより、先端に被加工球体１４が取付けられたシャフト１２ａおよびワーク固定用チャックブロック１３を保持している回転ブロック１６が、シャフト１５ａ、すなわち被加工球体１４の中心を中心軸として、ベース板１１の上面に沿って回転移動する。
【００４４】
このため回転ブロック１６の回転にともなって被加工球体１４へのレーザー光線２０の相対入射角度が変化することになる。
【００４５】
尚、前記シャフト１２ａが本発明のワーク回転用モータの軸を、シャフト１５ａが本発明のブロック回転軸を、ワーク回転検出用エンコーダ１２ｅ、回転ブロック回転検出用エンコーダ１５ｅが本発明の回転検出器を各々形成している。
【００４６】
レーザー加工装置１００は、被加工球体１４の回転速度、回転ブロック１６の回転速度およびレーザー発振器１８のパルス繰り返し周波数の３つのパラメータの内、少なくとも２つ以上のパラメータによって、被加工球体１４の球面上のパルス照射密度が一定になるように同期制御を行う制御手段（図示省略）を備えており、図２のように構成されている。
【００４７】
図２において、１１０は、本発明の制御手段としての制御部であり、前記ワーク回転検出用エンコーダ１２ｅの出力（ワーク回転用モータ１２の回転速度）、回転ブロック回転検出用エンコーダ１５ｅの出力（回転ブロック回転用モータ１５の回転速度）およびレーザー制御装置１７のレーザーのパルス繰り返し周波数を入力としている。
【００４８】
そして制御部１１０は、前記３つの入力パラメータの内、少なくとも２つ以上のパラメータによって、被加工球体１４の球面上のパルス照射密度が一定になるように、回転ブロック回転用モータドライバー１５ｄに対して回転ブロック回転用モータ１５（回転ブロック１６）の回転周波数ｆ１を設定し、ワーク回転用モータドライバー１２ｄに対してワーク回転用モータ１２（被加工球体１４）の回転周波数ｆ２を設定し、レーザー制御装置１７に対してレーザーのパルス繰り返し周波数ｆＬと後述するＯＮ，ＯＦＦ制御（レーザーの照射、停止）信号を設定する。
【００４９】
制御部１１０は、例えば制御コンピュータによって構成される。
【００５０】
次に上記のように構成されたレーザー加工装置の動作を、レーザー照射部の様子を示す図３とともに説明する。
【００５１】
図３において図１と同一部分は同一符号をもって示している。まず、回転ブロック回転用モータ１５の回転周波数をｆ１一定とし、ワーク回転用モータ１２の回転周波数をｆ２とし、レーザー発振器１８のパルス繰り返し周波数ｆＬを一定とする。
【００５２】
この場合、被加工球体１４は周波数ｆ２で回転方向３０に回転し、被加工球体１４へのレーザー入射軸は、回転ブロック１６が回転ブロック回転用モータ１５の回転によって回転することにより、相対的に加工開始時の位置３１から回転方向３３に定速（ｆ１）で入射位置３２側へ移動していく。
【００５３】
加工開始位置を被加工球体１４の赤道面上とした場合、開始位置におけるレーザー照射部の周速Ｖθは、
Ｖθ＝２πｆ２×Ｒ…（１） （但しＲは被加工球体１４の半径）
となる。
【００５４】
そして回転ブロック１６の回転が始まり、レーザー入射軸がθの方向になった（入射位置が３２へ移動した)場合のレーザー照射部の周速Ｖθは、
Ｖθ＝２πｆ２×（図示線分３４の長さ）
＝２πｆ２×Ｒｃｏｓθ…（２）
となる。
【００５５】
ここで、図示線分３４とは、レーザー入射位置３２における被加工球体１４の球面上の点から、被加工球体１４の中心を通るシャフト１２ａの軸線への垂線である。
【００５６】
そして、入射軸の回転が定速であるので回転角θは、
θ＝２πｆ１×ｔ（回転時間）…（３）
となる。
【００５７】
このため、前記式（２）、（３）から、ワーク回転用モータ１２の回転周波数ｆ２は、
ｆ２＝Ｖθ／２πＲｃｏｓθ
＝（Ｖθ／２πＲ）×ｓｅｃ（２πｆ１×ｔ）…（４）
で求められる。
【００５８】
したがって、式（４）におけるＲとｆ１は本実施例において一定であるので、回転角θ、すなわち回転時間ｔの変化に応じて、レーザー集光部（溝加工部）の周速Ｖθが一定となるように、制御部１１０がワーク回転用モータ１２の回転周波数ｆ２を変化させるものである。
【００５９】
これによって、被加工球体１４の球面上のパルス照射密度が一定となり、均一な溝加工を行なうことができる。
【００６０】
尚、前記回転角θは、回転ブロック回転検出用エンコーダ１５ｅの出力信号によって得られる。
【００６１】
具体的には、制御部１１０が、回転ブロック回転検出用エンコーダ１５ｅからの回転周波数ｆ１を読み込んで回転角θ（＝２πｆ１×ｔ）を算出し、
Ｃ＝Ｖθ／２πＲｃｏｓθ＝常数×ｓｅｃθ
なる電圧信号Ｃを演算し、該演算された電圧をＶ−ｆ変換した値でワーク回転用モータ１２の回転周波数ｆ２の制御を行う。
【００６２】
また、ワーク回転用モータ１２の回転数（ｆ１）を一定にしておき、照射するレーザーパルスの周波数（ｆＬ）を変化させることにより、単位面積あたりのパルス照射密度を合わせる方法も考えられる。
【００６３】
この場合、レーザーの照射周波数ｆＬは次のようになる。
【００６４】
ｆＬ＝定数／Ｖθ…（５）
ここで、図４に一般的な短パルス発振のレーザー発振器の特性を示す。この図４から分かるように、レーザーの出力は、同じ出力状態でその繰り返し周波数を変化させた場合、レーザーパルスのパルス幅とそのパルスエネルギーが変わってしまう。
【００６５】
このため、今回の精密溝堀加工に適用した場合、単位面積当たりのパルス照射数は揃えることができるが、パルスの状態（パルス幅、パルスエネルギー）が揃っていないため加工溝深さを一定に保つことは困難となる。
【００６６】
しかしながら、例えば非特許文献１にも開示されているように、レーザー発振器の中には繰り返しの周波数が低い領域においては、比較的揃ったパルスを周波数に依存せずに出力できるものが有る（これはレーザー発振媒質の励起準位の寿命に依存し、良く使われるＹＡＧレーザーでは１ＨＺ〜３ＫＨＺとなる）。
【００６７】
レーザー集光部の周速Ｖθは、前記式（２）のとおり
Ｖθ＝２πｆ２×Ｒｃｏｓθ
であり、ｆ２を制御せずに回転させた場合、周速Ｖθは変化する。
【００６８】
ここで、レーザー発振器の発振周波数（レーザー自体のパルス繰り返し周波数）をｆＬとした場合、周速Ｖθにおけるレーザー照射ピッチは、
照射ピッチ＝Ｖθ／ｆＬ
となる。
【００６９】
したがって、レーザー発振周波数に下式（６）の変調を掛けることにより、レーザー照射密度一定の加工が実施可能となる。
【００７０】
ｆＬ＝Ｖθ／照射ピッチ
＝２πｆ２×Ｒｃｏｓθ／照射ピッチ…（６） （ｆ２は定数）
これは、レーザー発振器１８として、外部同期で制御可能なレーザー発振器を用意し、制御部１１０に、関数同期信号を発生するファンクションジェネレータを設けることによって実現できる。
【００７１】
すなわち、制御部１１０において、回転ブロック回転検出用エンコーダ１５ｅからの回転周波数ｆ１をファンクションジェネレータに入力し、ファンクションジェネレータの出力信号をレーザー発振器１８のパルス繰り返し周波数ｆＬとして制御するものである。
【００７２】
例えば、前記Ｒ＝５ｍｍ、ｆ２＝１ＨZ、レーザー照射ピッチ＝０．０１ｍｍとすると、前記式（６）から、加工開始時（赤道線上；図３の入射位置３１）においては、
ｆＬ＝２π×１×５／０．０１＝３１４０ＨZとなり、
加工開始後においては、
ｆＬ＝３１４０×ｃｏｓ（２πｆ１×ｔ）から、２πｆ１×ｔ＝６０°時ではｆＬ＝１５７０ＨZとなる。
【００７３】
このような制御を行うことで、定照射密度を実現することができる。
【００７４】
次に、加工される溝パターンの制御法を説明する。
【００７５】
レーザー発振器１８は、制御部１１０で設定されレーザー制御装置１７から出力されるＯＮ，ＯＦＦ信号にてレーザーの照射、停止を行なう。図５にレーザー制御信号に対するレーザー出力状態を示す。レーザーのパルスエネルギーとその繰り返し周波数は、予め設定された揃った値となる。
【００７６】
図５（ａ）に示すように、レーザー制御装置１７からのレーザーＯＮ信号（通常はＴＴＬによる）が入力された時間だけ、図５（ｂ）のようにレーザー光が照射される。レーザーのＯＮ，ＯＦＦは光学的なシャッターによってなされるので、それぞれの信号からの動作遅れ時間は通常ナノ秒程度であり、加工精度に影響は及ぼさない。また、高精度の加工を行なうためには短いパルス幅で高繰り返しのレーザーを使用することが有効になる。
【００７７】
ワーク回転用モータ１２にはモータの回転位置を測定するためのワーク回転検出用エンコーダ１２ｅが取付けられている。例えば一回転当たり２５００パルスの出力のエンコーダを使用した場合に、前記モータ１２が一回転するとエンコーダは１００００パルスの出力を出すことになる。
【００７８】
図６に、ワーク回転検出用エンコーダ１２ｅの出力に対するレーザーの制御信号の様子を示す。
【００７９】
制御部１１０は、図６（ａ）に示すワーク回転検出用エンコーダ１２ｅの出力パルスをカウントし、例えば１０パルスカウントする毎に図６（ｂ）に示すようなレーザーＯＮ，ＯＦＦ信号を設定し、レーザー制御装置１７がこのＯＮ，ＯＦＦのレーザー制御信号を出力する。
【００８０】
ワーク回転用モータ１２の一回転当たり１００００パルスのエンコーダ出力を５００カウント毎にＯＮ，ＯＦＦさせた場合、被加工球体１４上には、１回転につき間隔の揃った１０条の溝加工がなされる。この制御はレーザー入射軸θに依存しないため、加工開始部から球面先端部に向かって、溝加工比が５０％の溝加工が行なえる。
【００８１】
このレーザー出力制御（レーザーのＯＮ，ＯＦＦ制御）と前記モータ回転制御（回転周波数ｆ２の制御）を組み合わせることにより、深さの揃った溝加工が実施できる。図７にこの加工を実施した加工品の例を示す。
【００８２】
また、前記エンコーダ１２ｅに、例えば１７ビットの高分解能を用いれば、更に高分解能の加工が行なえる。
【００８３】
また、前記エンコーダ１２ｅの出力の計測を４００カウントしてＯＮ、６００カウントしてＯＦＦというような制御にすることにより、溝加工比が５０％以外の加工も可能となる。
【００８４】
次に球面ワーク（被加工球体１４）上に螺旋加工を実施した例を説明する。図８に同制御法の原理を示す。前述したように、ワーク回転用モータ１２の回転位置を測定するためのエンコーダ１２ｅからは該モータ１２の１回転あたり１００００パルスの位置信号が出力される。制御部１１０およびレーザー制御装置１７では、前述したように５００パルスカウント毎にレーザーをＯＮ，ＯＦＦするように設定されているとする。
【００８５】
図８は、ワーク回転用モータ１２により矢印方向に回転がなされる被加工球体１４の球面上に加工形成された溝を平面上に表しており、一番下の段のレーザー照射開始位置Ｐ１より右側と下から２段目のＰ１より左側の太実線が、１回転目に形成される溝を示し、下から２段目のＰ１より右側と下から３段目のＰ１より左側の太実線が、２回転目に形成される溝を示し、下から３段目のＰ１より右側の太実線が３回転目に形成される溝を示している。
【００８６】
図８（ａ）は直線溝加工の実施例を表し、何回転目であってもすべて同一のＯＮ，ＯＦＦタイミングで制御した場合を示している。
【００８７】
すなわち、１回転目は、レーザー照射開始位置Ｐ１から前記エンコーダ１２ｅのパルスを５００カウントした位置Ｐ２までの区間ＯＮ制御がなされ、位置Ｐ２から前記エンコーダパルスを５００カウントした位置Ｐ３までの区間ＯＦＦ制御がなされ、このＯＮ，ＯＦＦ制御が繰り返されて、１回転目の最終ＯＦＦ制御区間が終わった位置Ｐ１から２回転目のレーザー照射が前記と同様に開始され、以降、同様のＯＮ，ＯＦＦ制御が繰り返される。
【００８８】
これに対して図８（ｂ）は、螺旋溝加工の実施例を表し、ワーク回転用モータ１２の１回転毎にレーザー照射のＯＮタイミングをずらす制御を行った場合を示している。
【００８９】
すなわち、図８（ｂ）において、１回転目のＰ１〜Ｐ４までは前記図８（ａ）の場合と同様に前記エンコーダパルスの５００カウント毎にＯＮ，ＯＦＦ制御を行う。
【００９０】
しかし２回転目は、前記エンコーダパルスを５００＋ｎ個カウントした後の位置Ｐ５（１回転目のレーザー照射開始位置Ｐ１からｎパルス分遅れた位置）からレーザー照射をＯＮ制御する。
【００９１】
その後の２回転目の回転期間中は通常の前記エンコーダパルスの５００カウント毎のＯＮ，ＯＦＦ制御を繰り返す（すなわち位置Ｐ５からＰ６までの区間ＯＮ制御がなされ、位置Ｐ６からＰ７までの区間ＯＦＦ制御がなされる）。
【００９２】
次に３回転目は、２回転目の最終ＯＮ制御区間が位置Ｐ８で終わると、前記エンコーダパルスの５００＋ｎ個カウントした後の位置Ｐ９（２回転目のレーザー照射開始位置Ｐ５からｎパルス分遅れた位置）からレーザー照射をＯＮ制御する。
【００９３】
このため３回転目は、１回転目のレーザー照射開始位置Ｐ１から２ｎパルス分遅れた位置Ｐ９からレーザー照射が開始されることになる。
【００９４】
その後の３回転目の回転期間中は通常の前記エンコーダパルスの５００カウント毎のＯＮ，ＯＦＦ制御を繰り返す。
【００９５】
以上の制御を繰り返すことにより、１回転毎にレーザー照射位置は回転回数×ｎパルスづれて加工がなされ、この結果被加工球体１４上には螺旋形状の溝が形成される。
【００９６】
この遅延パルス数ｎを変化させることにより、螺旋の立ち上がり角を調整することができる。
【００９７】
図９はこの方法により製作した加工品の例を示し、直径５ｍｍのダイス鋼球面上に９条の螺旋溝加工を行なったものである。加工に使用したレーザーは、カンタムエレクトロニクス社が扱うレーザー発振器である。レーザーパルスは繰り返し周波数は５０ＫＨｚ、パルスエネルギー３０μＪで行なったものである。
【００９８】
尚、本発明では上記実施例に限らず、前記３つのパラメータｆ１、ｆ２、ｆＬのうち少なくとも２つ以上のパラメータの組合せによって、前記被加工球体の球面上のパルス照射密度が一定になるように同期制御を行うものである。
【００９９】
さらに、本発明では上記実施例に限らず、前記ｆ１、ｆ２、ｆＬの制御と前記レーザーのＯＮ，ＯＦＦ制御とを組み合わせて実施するものである。
【０１００】
したがって、一定値のレーザー（繰り返し周波数固定）パルスを定ピッチで照射した場合（被加工球体の球面へのレーザーが照射される密度が一定）は、全ての曲面で同じ条件で加工がなされることとなり、微細幅で深さの揃った溝加工を行なうことができる。
【０１０１】
レーザーのパルス幅は１０ｎｓ以下である場合、通常モータの定格回転数領域では、回転移動の影響はない。
【０１０２】
また、レーザー発振器１８のパルス繰り返し周波数を制御することにより、加工する溝の深さを制御することができる。
【０１０３】
また、レーザーのＯＮ，ＯＦＦ制御を行うことにより、溝の形状を確保することができる。
【０１０４】
また、レーザー発振器１８が出力するレーザーは、光パルス軸が５ナノ秒以下のＱスイッチ発振レーザーか、又は光パルス幅がピコ秒、フェムト秒のレーザーとする。
【符号の説明】
【０１０５】
１１…ベース板
１２…ワーク回転用モータ
１２ａ…シャフト
１２ｄ…ワーク回転用モータドライバー
１２ｅ…ワーク回転検出用エンコーダ
１３…ワーク回転用チャックブロック
１４…被加工球体
１５…回転ブロック回転用モータ
１５ａ…シャフト
１５ｄ…回転ブロック回転用モータドライバー
１５ｅ…回転ブロック回転検出用エンコーダ
１６…回転ブロック
１７…レーザー制御装置
１０９…出力内容生成部
１８…レーザー発振器
１９…加工用レンズ
２０…レーザー光線
１００…レーザー加工装置
１１０…制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球面にレーザー光線を用いて精密な溝を形成する加工装置および加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、球面上に規則的な溝を形成するのには、曲面印刷の手法を応用した化学エッチング法が用いられてきた。しかしながら、この手法はレジスト用マスク露光面が球面ゆえに十分な加工精度が得られなかった。
【０００３】
さらに、この化学エッチング法はセラミック等の高耐腐食性の材質への適応は困難である。
【０００４】
近年、マイクロマシーン技術の進歩に伴い、高精度の５軸加工機により球面に対しても精密な溝形成加工が可能になってきた。これは精密に成形された刃物を回転させながら被加工材を少しづつ削っていく方法である。高剛性の精密数値制御装置で行った場合高精度の加工が可能となる。
【０００５】
しなしながら、刃物を使っての加工であるため、加工部の幅は刃物の大きさによって制限を受ける。刃物切削部の速度を確保するためには、刃物が小さくなればなるほど刃物の高速回転が必要となる。また、微小な刃物を用いて大きな面積の加工を行なうには多大な時間を要することとなる。
【０００６】
さらに、加工する刃物の大きさには制限があり微細な幅の溝加工は困難となる。
【０００７】
また、加工刃物と被加工材の硬度の差で行なわれる加工であるためダイヤモンド、セラミックス、超硬等の高硬度脆性材への適応は困難である。
【０００８】
被加工材の硬度、耐薬品性に依存しない除去加工法としてレーザー加工法がある。これはレーザー光線を被加工部表面に集光照射することにより、被加工材を蒸発除去する方法であり、非接触で被加工素材の硬度、耐薬品性に依存せずに加工を行なうことができる。
【０００９】
また、このレーザー光線は容易に１０μΦ程度のスポットに集光することができ、微細な除去加工が可能となる。
【００１０】
このレーザー光線による溝加工法は型彫り放電加工に似たものである。放電加工における微小パルス放電と同じように、パルス化されたレーザー光線を目的部に制御集光することにより３次元除去加工を行なうものである。
【００１１】
レーザーで均一な深さの溝加工を行なう場合には、除去する場所に同じパルス密度で均一なレーザーを集光照射する必要がある。
【００１２】
図１０はこの集光照射による溝加工法の最も簡単な従来の実施例を示したものである。図１０において、レーザーを集光するためのレンズ１は、図示省略の２軸ステージ上に固定された矩形板状の被加工材２と平行な面に、被加工材２から所定距離隔てて固定されており、レーザー発振器（図示省略）からのレーザー光線３が、ステージと直角な方向からレンズ中心に入射されるよう配設されている。
【００１３】
前記ステージ上の被加工材２は、一定速度でＸ軸方向に予め設定された距離を移動した後、Ｙ軸方向にピッチ送りがなされ、次にＸ軸を前記と反対方向に設定量戻る。Ｘ軸が開始位置に戻ったとき再びＹ軸方向のピッチ送りがなされ、これらの移動とピッチ送りが繰り返して行なわれる。
【００１４】
この往復運動が繰り返される被加工材２に、一定の周波数で同一のパルス状レーザー光を集光照射することにより、被加工材２には同じパルス密度で均一なレーザーの集光照射がなされる。
【００１５】
同様な加工は、図１１のような一定速度で回転しながら定速送りがなされる、円筒状の被加工材４に対しても同じパルス密度で均一なレーザーの集光照射を行なうことができる。
【００１６】
これらのレーザー加工法によりセラミックス製平板円盤上に螺旋状の溝を加工した化学ポンプの軸受けや円筒材の外周部に溝加工を行なった空圧軸受けの加工が実施されてきた。
【００１７】
尚、パルス発振レーザーを用いた加工装置は、例えば特許文献１、２、３に開示され、また、ＱスイッチＹＡＧレーザーをセラミックス加工へ応用する技術は、例えば非特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開平８−１７９８５号公報
【特許文献２】特開平１０−１３７９５９号公報
【特許文献３】特開平１１−１１４６８２号公報
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】高橋良夫、「周波数変調されたＱスイッチＹＡＧレーザーのセラミックス加工への応用」、社団法人応用物理学会誌「応用物理」 第５７巻 第１１号 Ｐ．１７８９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
従来、機械加工では困難な微細な溝加工をレーザーを用いて行なう場合、加工は、容易に移動２軸の定速度送り制御が行え、且つレーザーを集光するためのレンズと被加工材の距離を一定に保つことができる場合に限り、実施可能である。
【００２１】
これに対し、レーザーを用いて球面に対して溝加工を行なう場合は、速度制御が難しく、且つ前記レーザー集光用のレンズと被加工材の距離を一定に保つことが困難である。
【００２２】
本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、速度制御が困難な球面に対して微細な溝加工をレーザーを用いて実施することができるレーザー加工装置およびレーザー加工装置の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題を解決するために本発明では、ワーク回転用モータの軸の端部に取付けられた被加工球体と、集光手段を介して前記被加工球体の中心にパルス状のレーザー光が入射するように配設されたパルス発振型レーザー発振器と、前記被加工球体の中心を通り且つ前記ワーク回転用モータの軸と直交するブロック回転軸に固着され、該ブロック回転軸に直交し且つ前記ワーク回転用モータの軸に平行に配設されて該モータの軸を保持する回転ブロックと、前記ブロック回転軸を回転させる回転ブロック回転用モータと、前記ワーク回転用モータにより回転される前記被加工球体の回転速度、前記回転ブロック回転用モータにより回転される前記回転ブロックの回転速度、前記レーザー発振器のパルス繰り返し周波数の３つのパラメータの内、少なくとも２つ以上のパラメータの組合せによって、前記被加工球体の球面上のパルス照射密度が一定になるように同期制御を行うことを特徴としている。
【００２４】
また、前記回転ブロック回転用モータの回転速度を一定としたときに、前記回転ブロック回転用モータの回転を検出する回転検出器によって検出した、前記回転ブロックの回転にともなう前記被加工球体へのレーザー光の相対入射角度に応じて、前記被加工球体の球面上のレーザー照射部の周速が一定となるように前記ワーク回転用モータの回転速度を制御することを特徴としている。
【００２５】
また、前記制御手段は、前記回転ブロック回転用モータの回転速度を一定としたときに、前記回転ブロック回転用モータの回転を検出する回転検出器によって検出した、前記回転ブロックの回転にともなう前記被加工球体へのレーザー光の相対入射角度に応じて、前記被加工球体の球面上のレーザー照射部の周速が一定となるように前記レーザー発振器のパルス繰り返し周波数を制御することを特徴としている。
【００２６】
また、前記ワーク回転用モータに取付けられた回転検出器の検出量に基づいて前記レーザー発振器の出力のＯＮ，ＯＦＦ制御を行って、前記被加工球体の球面上に対して溝加工する部位としない部位の比率を調整することを特徴としている。
【００２７】
また、前記ＯＮ，ＯＦＦ制御におけるＯＮ制御のタイミングを、前記ワーク回転用モータの１回転毎に、前記回転検出器の所定検出量分だけ遅延させることを特徴としている。
【００２８】
また、前記レーザー発振器が出力するレーザーは、光パルス軸が５ナノ秒以下のＱスイッチ発振レーザーか、又は光パルス幅がピコ秒、フェムト秒のレーザーであることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２９】
(１)請求項１〜１０に記載の発明によれば、被加工球体の球面上に、同じパルス密度で均一なレーザーを集光照射することができ、微細幅で深さの揃った溝加工を行なうことができる。
【００３０】
（２）また、請求項４、９に記載の発明によれば、被加工球体の球面上における溝加工比を任意に調整することができる。
【００３１】
（３）また、請求項５、１０に記載の発明によれば、被加工球体の球面上に螺旋形状の溝を形成することができ、また前記遅延させるタイミングを変えることによって、螺旋の立ち上がり角を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態例を示す全体構成図。
【図２】本発明の実施形態例の要部構成図。
【図３】本発明の実施形態例において、被加工球体の球面上にレーザーを集光照射させる様子を示す説明図。
【図４】短パルス発振のレーザー発振器の特性図。
【図５】本発明の実施形態例におけるレーザー制御信号とレーザー出力の信号波形図。
【図６】本発明の実施形態例におけるエンコーダ出力とレーザー制御信号の信号波形図。
【図７】本発明を適用した溝加工品の一例を示す正面図。
【図８】本発明を適用して溝加工を実施したときの、溝加工するタイミングと溝加工しないタイミングを表し、（ａ）は同一タイミングで制御する場合の説明図、（ｂ）は１回転毎にタイミングをずらす制御の場合の説明図。
【図９】本発明を適用した溝加工品の他の例を示す正面図。
【図１０】従来のレーザー加工法によって、矩形板状の被加工材にレーザーを集光照射した様子を示す説明図。
【図１１】従来のレーザー加工法によって、円筒状の被加工材にレーザーを集光照射した様子を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。図１は本実施形態例によるレーザー加工装置１００の全体構成を示し、図２はレーザー加工装置１００の要部構成を示している。
【００３４】
図１において、１１はベース板であり、このベース板１１の上面に直交し該上面から所定距離隔てた部位には、シャフト１２ａがベース板１１の上面と平行となるようにワーク回転用モータ１２が配設されている。
【００３５】
前記モータ１２のシャフト１２ａは、円筒状のワーク固定用チャックブロック１３の中心孔を回転自在に貫通し、その先端には被加工球体１４が取付けられている。
【００３６】
前記ベース板１１の下面に直交し該下面から所定距離隔てた部位には、シャフト１５ａが前記シャフト１２ａに直交し且つシャフト１５ａの先端位置が前記被加工球体１４の中心と一致するように、回転ブロック回転用モータ１５が配設されている。
【００３７】
前記モータ１５のシャフト１５ａは、ベース板１１の孔１１ａを回転自在に貫通し、その先端には、ベース板１１と被加工球体１４の間の位置において回転ブロック１６の一端が固着されている。
【００３８】
回転ブロック１６の他端側には前記ワーク固定用チャックブロック１３が載置され固定されている。
【００３９】
前記ベース板１１の上面側のワーク回転用モータ１２のシャフト１２ａに直交する部位には、レーザー制御装置１７、パルス状のレーザーを発振するレーザー発振器（パルス発振型レーザー発振器）１８および加工用レンズ１９が配設され、レーザー発振器１８から出射されるレーザー光線２０を加工用レンズ１９によって被加工球体１４の球面に集光照射するように構成している。
【００４０】
入射するレーザー光線２０の光軸は正確にシャフト１２ａと直角で、且つ被加工球体１４の中心に向かうよう調整されている。レーザー発振器１８から出射されるレーザーパルスは、レーザー制御装置１７によりパルス繰り返し周波数および後述するＯＮ，ＯＦＦの制御がなされる。
【００４１】
１２ｄはワーク回転用モータ１２の回転を制御するワーク回転用モータドライバーであり、１２ｅは前記モータ１２に取付けられ、該モータの回転位置を監視（回転速度を検出）するワーク回転検出用エンコーダである。
【００４２】
１５ｄは回転ブロック回転用モータ１５の回転を制御する回転ブロック回転用モータドライバーであり、１５ｅは前記モータ１５に取付けられ、該モータの回転位置を監視（回転速度を検出）する回転ブロック回転検出用エンコーダである。
【００４３】
上記のように構成された装置において、ワーク回転用モータ１２の回転によって、被加工球体１４はシャフト１２ａを軸として回転され、回転ブロック回転用モータ１５を回転させることにより、先端に被加工球体１４が取付けられたシャフト１２ａおよびワーク固定用チャックブロック１３を保持している回転ブロック１６が、シャフト１５ａ、すなわち被加工球体１４の中心を中心軸として、ベース板１１の上面に沿って回転移動する。
【００４４】
このため回転ブロック１６の回転にともなって被加工球体１４へのレーザー光線２０の相対入射角度が変化することになる。
【００４５】
尚、前記シャフト１２ａが本発明のワーク回転用モータの軸を、シャフト１５ａが本発明のブロック回転軸を、ワーク回転検出用エンコーダ１２ｅ、回転ブロック回転検出用エンコーダ１５ｅが本発明の回転検出器を各々形成している。
【００４６】
レーザー加工装置１００は、被加工球体１４の回転速度、回転ブロック１６の回転速度およびレーザー発振器１８のパルス繰り返し周波数の３つのパラメータの内、少なくとも２つ以上のパラメータによって、被加工球体１４の球面上のパルス照射密度が一定になるように同期制御を行う制御手段（図示省略）を備えており、図２のように構成されている。
【００４７】
図２において、１１０は、本発明の制御手段としての制御部であり、前記ワーク回転検出用エンコーダ１２ｅの出力（ワーク回転用モータ１２の回転速度）、回転ブロック回転検出用エンコーダ１５ｅの出力（回転ブロック回転用モータ１５の回転速度）およびレーザー制御装置１７のレーザーのパルス繰り返し周波数を入力としている。
【００４８】
そして制御部１１０は、前記３つの入力パラメータの内、少なくとも２つ以上のパラメータによって、被加工球体１４の球面上のパルス照射密度が一定になるように、回転ブロック回転用モータドライバー１５ｄに対して回転ブロック回転用モータ１５（回転ブロック１６）の回転周波数ｆ１を設定し、ワーク回転用モータドライバー１２ｄに対してワーク回転用モータ１２（被加工球体１４）の回転周波数ｆ２を設定し、レーザー制御装置１７に対してレーザーのパルス繰り返し周波数ｆＬと後述するＯＮ，ＯＦＦ制御（レーザーの照射、停止）信号を設定する。
【００４９】
制御部１１０は、例えば制御コンピュータによって構成される。
【００５０】
次に上記のように構成されたレーザー加工装置の動作を、レーザー照射部の様子を示す図３とともに説明する。
【００５１】
図３において図１と同一部分は同一符号をもって示している。まず、回転ブロック回転用モータ１５の回転周波数をｆ１一定とし、ワーク回転用モータ１２の回転周波数をｆ２とし、レーザー発振器１８のパルス繰り返し周波数ｆＬを一定とする。
【００５２】
この場合、被加工球体１４は周波数ｆ２で回転方向３０に回転し、被加工球体１４へのレーザー入射軸は、回転ブロック１６が回転ブロック回転用モータ１５の回転によって回転することにより、相対的に加工開始時の位置３１から回転方向３３に定速（ｆ１）で入射位置３２側へ移動していく。
【００５３】
加工開始位置を被加工球体１４の赤道面上とした場合、開始位置におけるレーザー照射部の周速Ｖθは、
Ｖθ＝２πｆ２×Ｒ…（１） （但しＲは被加工球体１４の半径）
となる。
【００５４】
そして回転ブロック１６の回転が始まり、レーザー入射軸がθの方向になった（入射位置が３２へ移動した)場合のレーザー照射部の周速Ｖθは、
Ｖθ＝２πｆ２×（図示線分３４の長さ）
＝２πｆ２×Ｒｃｏｓθ…（２）
となる。
【００５５】
ここで、図示線分３４とは、レーザー入射位置３２における被加工球体１４の球面上の点から、被加工球体１４の中心を通るシャフト１２ａの軸線への垂線である。
【００５６】
そして、入射軸の回転が定速であるので回転角θは、
θ＝２πｆ１×ｔ（回転時間）…（３）
となる。
【００５７】
このため、前記式（２）、（３）から、ワーク回転用モータ１２の回転周波数ｆ２は、
ｆ２＝Ｖθ／２πＲｃｏｓθ
＝（Ｖθ／２πＲ）×ｓｅｃ（２πｆ１×ｔ）…（４）
で求められる。
【００５８】
したがって、式（４）におけるＲとｆ１は本実施例において一定であるので、回転角θ、すなわち回転時間ｔの変化に応じて、レーザー集光部（溝加工部）の周速Ｖθが一定となるように、制御部１１０がワーク回転用モータ１２の回転周波数ｆ２を変化させるものである。
【００５９】
これによって、被加工球体１４の球面上のパルス照射密度が一定となり、均一な溝加工を行なうことができる。
【００６０】
尚、前記回転角θは、回転ブロック回転検出用エンコーダ１５ｅの出力信号によって得られる。
【００６１】
具体的には、制御部１１０が、回転ブロック回転検出用エンコーダ１５ｅからの回転周波数ｆ１を読み込んで回転角θ（＝２πｆ１×ｔ）を算出し、
Ｃ＝Ｖθ／２πＲｃｏｓθ＝常数×ｓｅｃθ
なる電圧信号Ｃを演算し、該演算された電圧をＶ−ｆ変換した値でワーク回転用モータ１２の回転周波数ｆ２の制御を行う。
【００６２】
また、ワーク回転用モータ１２の回転数（ｆ１）を一定にしておき、照射するレーザーパルスの周波数（ｆＬ）を変化させることにより、単位面積あたりのパルス照射密度を合わせる方法も考えられる。
【００６３】
この場合、レーザーの照射周波数ｆＬは次のようになる。
【００６４】
ｆＬ＝定数／Ｖθ…（５）
ここで、図４に一般的な短パルス発振のレーザー発振器の特性を示す。この図４から分かるように、レーザーの出力は、同じ出力状態でその繰り返し周波数を変化させた場合、レーザーパルスのパルス幅とそのパルスエネルギーが変わってしまう。
【００６５】
このため、今回の精密溝堀加工に適用した場合、単位面積当たりのパルス照射数は揃えることができるが、パルスの状態（パルス幅、パルスエネルギー）が揃っていないため加工溝深さを一定に保つことは困難となる。
【００６６】
しかしながら、例えば非特許文献１にも開示されているように、レーザー発振器の中には繰り返しの周波数が低い領域においては、比較的揃ったパルスを周波数に依存せずに出力できるものが有る（これはレーザー発振媒質の励起準位の寿命に依存し、良く使われるＹＡＧレーザーでは１ＨＺ〜３ＫＨＺとなる）。
【００６７】
レーザー集光部の周速Ｖθは、前記式（２）のとおり
Ｖθ＝２πｆ２×Ｒｃｏｓθ
であり、ｆ２を制御せずに回転させた場合、周速Ｖθは変化する。
【００６８】
ここで、レーザー発振器の発振周波数（レーザー自体のパルス繰り返し周波数）をｆＬとした場合、周速Ｖθにおけるレーザー照射ピッチは、
照射ピッチ＝Ｖθ／ｆＬ
となる。
【００６９】
したがって、レーザー発振周波数に下式（６）の変調を掛けることにより、レーザー照射密度一定の加工が実施可能となる。
【００７０】
ｆＬ＝Ｖθ／照射ピッチ
＝２πｆ２×Ｒｃｏｓθ／照射ピッチ…（６） （ｆ２は定数）
これは、レーザー発振器１８として、外部同期で制御可能なレーザー発振器を用意し、制御部１１０に、関数同期信号を発生するファンクションジェネレータを設けることによって実現できる。
【００７１】
すなわち、制御部１１０において、回転ブロック回転検出用エンコーダ１５ｅからの回転周波数ｆ１をファンクションジェネレータに入力し、ファンクションジェネレータの出力信号をレーザー発振器１８のパルス繰り返し周波数ｆＬとして制御するものである。
【００７２】
例えば、前記Ｒ＝５ｍｍ、ｆ２＝１ＨZ、レーザー照射ピッチ＝０．０１ｍｍとすると、前記式（６）から、加工開始時（赤道線上；図３の入射位置３１）においては、
ｆＬ＝２π×１×５／０．０１＝３１４０ＨZとなり、
加工開始後においては、
ｆＬ＝３１４０×ｃｏｓ（２πｆ１×ｔ）から、２πｆ１×ｔ＝６０°時ではｆＬ＝１５７０ＨZとなる。
【００７３】
このような制御を行うことで、定照射密度を実現することができる。
【００７４】
次に、加工される溝パターンの制御法を説明する。
【００７５】
レーザー発振器１８は、制御部１１０で設定されレーザー制御装置１７から出力されるＯＮ，ＯＦＦ信号にてレーザーの照射、停止を行なう。図５にレーザー制御信号に対するレーザー出力状態を示す。レーザーのパルスエネルギーとその繰り返し周波数は、予め設定された揃った値となる。
【００７６】
図５（ａ）に示すように、レーザー制御装置１７からのレーザーＯＮ信号（通常はＴＴＬによる）が入力された時間だけ、図５（ｂ）のようにレーザー光が照射される。レーザーのＯＮ，ＯＦＦは光学的なシャッターによってなされるので、それぞれの信号からの動作遅れ時間は通常ナノ秒程度であり、加工精度に影響は及ぼさない。また、高精度の加工を行なうためには短いパルス幅で高繰り返しのレーザーを使用することが有効になる。
【００７７】
ワーク回転用モータ１２にはモータの回転位置を測定するためのワーク回転検出用エンコーダ１２ｅが取付けられている。例えば一回転当たり２５００パルスの出力のエンコーダを使用した場合に、前記モータ１２が一回転するとエンコーダは１００００パルスの出力を出すことになる。
【００７８】
図６に、ワーク回転検出用エンコーダ１２ｅの出力に対するレーザーの制御信号の様子を示す。
【００７９】
制御部１１０は、図６（ａ）に示すワーク回転検出用エンコーダ１２ｅの出力パルスをカウントし、例えば１０パルスカウントする毎に図６（ｂ）に示すようなレーザーＯＮ，ＯＦＦ信号を設定し、レーザー制御装置１７がこのＯＮ，ＯＦＦのレーザー制御信号を出力する。
【００８０】
ワーク回転用モータ１２の一回転当たり１００００パルスのエンコーダ出力を５００カウント毎にＯＮ，ＯＦＦさせた場合、被加工球体１４上には、１回転につき間隔の揃った１０条の溝加工がなされる。この制御はレーザー入射軸θに依存しないため、加工開始部から球面先端部に向かって、溝加工比が５０％の溝加工が行なえる。
【００８１】
このレーザー出力制御（レーザーのＯＮ，ＯＦＦ制御）と前記モータ回転制御（回転周波数ｆ２の制御）を組み合わせることにより、深さの揃った溝加工が実施できる。図７にこの加工を実施した加工品の例を示す。
【００８２】
また、前記エンコーダ１２ｅに、例えば１７ビットの高分解能を用いれば、更に高分解能の加工が行なえる。
【００８３】
また、前記エンコーダ１２ｅの出力の計測を４００カウントしてＯＮ、６００カウントしてＯＦＦというような制御にすることにより、溝加工比が５０％以外の加工も可能となる。
【００８４】
次に球面ワーク（被加工球体１４）上に螺旋加工を実施した例を説明する。図８に同制御法の原理を示す。前述したように、ワーク回転用モータ１２の回転位置を測定するためのエンコーダ１２ｅからは該モータ１２の１回転あたり１００００パルスの位置信号が出力される。制御部１１０およびレーザー制御装置１７では、前述したように５００パルスカウント毎にレーザーをＯＮ，ＯＦＦするように設定されているとする。
【００８５】
図８は、ワーク回転用モータ１２により矢印方向に回転がなされる被加工球体１４の球面上に加工形成された溝を平面上に表しており、一番下の段のレーザー照射開始位置Ｐ１より右側と下から２段目のＰ１より左側の太実線が、１回転目に形成される溝を示し、下から２段目のＰ１より右側と下から３段目のＰ１より左側の太実線が、２回転目に形成される溝を示し、下から３段目のＰ１より右側の太実線が３回転目に形成される溝を示している。
【００８６】
図８（ａ）は直線溝加工の実施例を表し、何回転目であってもすべて同一のＯＮ，ＯＦＦタイミングで制御した場合を示している。
【００８７】
すなわち、１回転目は、レーザー照射開始位置Ｐ１から前記エンコーダ１２ｅのパルスを５００カウントした位置Ｐ２までの区間ＯＮ制御がなされ、位置Ｐ２から前記エンコーダパルスを５００カウントした位置Ｐ３までの区間ＯＦＦ制御がなされ、このＯＮ，ＯＦＦ制御が繰り返されて、１回転目の最終ＯＦＦ制御区間が終わった位置Ｐ１から２回転目のレーザー照射が前記と同様に開始され、以降、同様のＯＮ，ＯＦＦ制御が繰り返される。
【００８８】
これに対して図８（ｂ）は、螺旋溝加工の実施例を表し、ワーク回転用モータ１２の１回転毎にレーザー照射のＯＮタイミングをずらす制御を行った場合を示している。
【００８９】
すなわち、図８（ｂ）において、１回転目のＰ１〜Ｐ４までは前記図８（ａ）の場合と同様に前記エンコーダパルスの５００カウント毎にＯＮ，ＯＦＦ制御を行う。
【００９０】
しかし２回転目は、前記エンコーダパルスを５００＋ｎ個カウントした後の位置Ｐ５（１回転目のレーザー照射開始位置Ｐ１からｎパルス分遅れた位置）からレーザー照射をＯＮ制御する。
【００９１】
その後の２回転目の回転期間中は通常の前記エンコーダパルスの５００カウント毎のＯＮ，ＯＦＦ制御を繰り返す（すなわち位置Ｐ５からＰ６までの区間ＯＮ制御がなされ、位置Ｐ６からＰ７までの区間ＯＦＦ制御がなされる）。
【００９２】
次に３回転目は、２回転目の最終ＯＮ制御区間が位置Ｐ８で終わると、前記エンコーダパルスの５００＋ｎ個カウントした後の位置Ｐ９（２回転目のレーザー照射開始位置Ｐ５からｎパルス分遅れた位置）からレーザー照射をＯＮ制御する。
【００９３】
このため３回転目は、１回転目のレーザー照射開始位置Ｐ１から２ｎパルス分遅れた位置Ｐ９からレーザー照射が開始されることになる。
【００９４】
その後の３回転目の回転期間中は通常の前記エンコーダパルスの５００カウント毎のＯＮ，ＯＦＦ制御を繰り返す。
【００９５】
以上の制御を繰り返すことにより、１回転毎にレーザー照射位置は回転回数×ｎパルスづれて加工がなされ、この結果被加工球体１４上には螺旋形状の溝が形成される。
【００９６】
この遅延パルス数ｎを変化させることにより、螺旋の立ち上がり角を調整することができる。
【００９７】
図９はこの方法により製作した加工品の例を示し、直径５ｍｍのダイス鋼球面上に９条の螺旋溝加工を行なったものである。加工に使用したレーザーは、カンタムエレクトロニクス社が扱うレーザー発振器である。レーザーパルスは繰り返し周波数は５０ＫＨｚ、パルスエネルギー３０μＪで行なったものである。
【００９８】
尚、本発明では上記実施例に限らず、前記３つのパラメータｆ１、ｆ２、ｆＬのうち少なくとも２つ以上のパラメータの組合せによって、前記被加工球体の球面上のパルス照射密度が一定になるように同期制御を行うものである。
【００９９】
さらに、本発明では上記実施例に限らず、前記ｆ１、ｆ２、ｆＬの制御と前記レーザーのＯＮ，ＯＦＦ制御とを組み合わせて実施するものである。
【０１００】
したがって、一定値のレーザー（繰り返し周波数固定）パルスを定ピッチで照射した場合（被加工球体の球面へのレーザーが照射される密度が一定）は、全ての曲面で同じ条件で加工がなされることとなり、微細幅で深さの揃った溝加工を行なうことができる。
【０１０１】
レーザーのパルス幅は１０ｎｓ以下である場合、通常モータの定格回転数領域では、回転移動の影響はない。
【０１０２】
また、レーザー発振器１８のパルス繰り返し周波数を制御することにより、加工する溝の深さを制御することができる。
【０１０３】
また、レーザーのＯＮ，ＯＦＦ制御を行うことにより、溝の形状を確保することができる。
【０１０４】
また、レーザー発振器１８が出力するレーザーは、光パルス軸が５ナノ秒以下のＱスイッチ発振レーザーか、又は光パルス幅がピコ秒、フェムト秒のレーザーとする。
【符号の説明】
【０１０５】
１１…ベース板
１２…ワーク回転用モータ
１２ａ…シャフト
１２ｄ…ワーク回転用モータドライバー
１２ｅ…ワーク回転検出用エンコーダ
１３…ワーク回転用チャックブロック
１４…被加工球体
１５…回転ブロック回転用モータ
１５ａ…シャフト
１５ｄ…回転ブロック回転用モータドライバー
１５ｅ…回転ブロック回転検出用エンコーダ
１６…回転ブロック
１７…レーザー制御装置
１０９…出力内容生成部
１８…レーザー発振器
１９…加工用レンズ
２０…レーザー光線
１００…レーザー加工装置
１１０…制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス状のレーザー光を被加工球体の球面に照射して溝を形成するレーザー加工装置であって、
ワーク回転用モータの軸の端部に取付けられた被加工球体と、
集光手段を介して前記被加工球体の中心にパルス状のレーザー光が入射するように配設されたパルス発振型レーザー発振器と、
前記被加工球体の中心を通り且つ前記ワーク回転用モータの軸と直交するブロック回転軸に固着され、該ブロック回転軸に直交し且つ前記ワーク回転用モータの軸に平行に配設されて該モータの軸を保持する回転ブロックと、
前記ブロック回転軸を回転させる回転ブロック回転用モータと、
前記ワーク回転用モータにより回転される前記被加工球体の回転速度、前記回転ブロック回転用モータにより回転される前記回転ブロックの回転速度、前記レーザー発振器のパルス繰り返し周波数の３つのパラメータの内、少なくとも２つ以上のパラメータの組合せによって、前記被加工球体の球面上のパルス照射密度が一定になるように同期制御を行う制御手段と、
を備えたことを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記回転ブロック回転用モータの回転速度を一定としたときに、前記回転ブロック回転用モータの回転を検出する回転検出器によって検出した、前記回転ブロックの回転にともなう前記被加工球体へのレーザー光の相対入射角度に応じて、前記被加工球体の球面上のレーザー照射部の周速が一定となるように前記ワーク回転用モータの回転速度を制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザー加工装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記回転ブロック回転用モータの回転速度を一定としたときに、前記回転ブロック回転用モータの回転を検出する回転検出器によって検出した、前記回転ブロックの回転にともなう前記被加工球体へのレーザー光の相対入射角度に応じて、前記被加工球体の球面上のレーザー照射部の周速が一定となるように前記レーザー発振器のパルス繰り返し周波数を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザー加工装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記ワーク回転用モータに取付けられた回転検出器の検出量に基づいて前記レーザー発振器の出力のＯＮ，ＯＦＦ制御を行って、前記被加工球体の球面上に対して溝加工する部位としない部位の比率を調整することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記ＯＮ，ＯＦＦ制御におけるＯＮ制御のタイミングを、前記ワーク回転用モータの１回転毎に、前記回転検出器の所定検出量分だけ遅延させることを特徴とする請求項４に記載のレーザー加工装置。
【請求項６】
前記レーザー発振器が出力するレーザーは、光パルス軸が５ナノ秒以下のＱスイッチ発振レーザーか、又は光パルス幅がピコ秒、フェムト秒のレーザーであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項７】
ワーク回転用モータの軸の端部に取付けられた被加工球体と、集光手段を介して前記被加工球体の中心にパルス状のレーザー光が入射するように配設されたパルス発振型レーザー発振器と、前記被加工球体の中心を通り且つ前記ワーク回転用モータの軸と直交するブロック回転軸に固着され、該ブロック回転軸に直交し且つ前記ワーク回転用モータの軸に平行に配設されて該モータの軸を保持する回転ブロックと、前記ブロック回転軸を回転させる回転ブロック回転用モータとを備え、パルス状のレーザー光を前記被加工球体の球面に照射して溝を形成するレーザー加工装置の制御方法であって、
前記回転ブロック回転用モータの回転速度を一定制御し、前記回転ブロックの回転にともなう前記被加工球体へのレーザー光の相対入射角度に応じて、前記被加工球体の球面上のレーザー照射部の周速が一定となるように前記ワーク回転用モータの回転速度を同期制御することを特徴とするレーザー加工装置の制御方法。
【請求項８】
ワーク回転用モータの軸の端部に取付けられた被加工球体と、集光手段を介して前記被加工球体の中心にパルス状のレーザー光が入射するように配設されたパルス発振型レーザー発振器と、前記被加工球体の中心を通り且つ前記ワーク回転用モータの軸と直交するブロック回転軸に固着され、該ブロック回転軸に直交し且つ前記ワーク回転用モータの軸に平行に配設されて該モータの軸を保持する回転ブロックと、前記ブロック回転軸を回転させる回転ブロック回転用モータとを備え、パルス状のレーザー光を前記被加工球体の球面に照射して溝を形成するレーザー加工装置の制御方法であって、
前記回転ブロック回転用モータの回転速度を一定制御し、前記回転ブロックの回転にともなう前記被加工球体へのレーザー光の相対入射角度に応じて、前記被加工球体の球面上のレーザー照射部の周速が一定となるように前記レーザー発振器のパルス繰り返し周波数を同期制御することを特徴とするレーザー加工装置の制御方法。
【請求項９】
前記ワーク回転用モータの回転検出量に基づいて前記レーザー発振器の出力のＯＮ，ＯＦＦ制御を行って、前記被加工球体の球面上に対して溝加工する部位としない部位の比率を調整することを特徴とする請求項７又は８に記載のレーザー加工装置の制御方法。
【請求項１０】
前記ＯＮ，ＯＦＦ制御におけるＯＮ制御のタイミングを、前記ワーク回転用モータの１回転毎に所定回転検出量分だけ遅延させることを特徴とする請求項９に記載のレーザー加工装置の制御方法。
【請求項１】
パルス状のレーザー光を被加工球体の球面に照射して溝を形成するレーザー加工装置であって、
ワーク回転用モータの軸の端部に取付けられた被加工球体と、
集光手段を介して前記被加工球体の中心にパルス状のレーザー光が入射するように配設されたパルス発振型レーザー発振器と、
前記被加工球体の中心を通り且つ前記ワーク回転用モータの軸と直交するブロック回転軸に固着され、該ブロック回転軸に直交し且つ前記ワーク回転用モータの軸に平行に配設されて該モータの軸を保持する回転ブロックと、
前記ブロック回転軸を回転させる回転ブロック回転用モータと、
前記ワーク回転用モータにより回転される前記被加工球体の回転速度、前記回転ブロック回転用モータにより回転される前記回転ブロックの回転速度、前記レーザー発振器のパルス繰り返し周波数の３つのパラメータの内、少なくとも２つ以上のパラメータの組合せによって、前記被加工球体の球面上のパルス照射密度が一定になるように同期制御を行う制御手段と、
を備えたことを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記回転ブロック回転用モータの回転速度を一定としたときに、前記回転ブロック回転用モータの回転を検出する回転検出器によって検出した、前記回転ブロックの回転にともなう前記被加工球体へのレーザー光の相対入射角度に応じて、前記被加工球体の球面上のレーザー照射部の周速が一定となるように前記ワーク回転用モータの回転速度を制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザー加工装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記回転ブロック回転用モータの回転速度を一定としたときに、前記回転ブロック回転用モータの回転を検出する回転検出器によって検出した、前記回転ブロックの回転にともなう前記被加工球体へのレーザー光の相対入射角度に応じて、前記被加工球体の球面上のレーザー照射部の周速が一定となるように前記レーザー発振器のパルス繰り返し周波数を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザー加工装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記ワーク回転用モータに取付けられた回転検出器の検出量に基づいて前記レーザー発振器の出力のＯＮ，ＯＦＦ制御を行って、前記被加工球体の球面上に対して溝加工する部位としない部位の比率を調整することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記ＯＮ，ＯＦＦ制御におけるＯＮ制御のタイミングを、前記ワーク回転用モータの１回転毎に、前記回転検出器の所定検出量分だけ遅延させることを特徴とする請求項４に記載のレーザー加工装置。
【請求項６】
前記レーザー発振器が出力するレーザーは、光パルス軸が５ナノ秒以下のＱスイッチ発振レーザーか、又は光パルス幅がピコ秒、フェムト秒のレーザーであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーザー加工装置。
【請求項７】
ワーク回転用モータの軸の端部に取付けられた被加工球体と、集光手段を介して前記被加工球体の中心にパルス状のレーザー光が入射するように配設されたパルス発振型レーザー発振器と、前記被加工球体の中心を通り且つ前記ワーク回転用モータの軸と直交するブロック回転軸に固着され、該ブロック回転軸に直交し且つ前記ワーク回転用モータの軸に平行に配設されて該モータの軸を保持する回転ブロックと、前記ブロック回転軸を回転させる回転ブロック回転用モータとを備え、パルス状のレーザー光を前記被加工球体の球面に照射して溝を形成するレーザー加工装置の制御方法であって、
前記回転ブロック回転用モータの回転速度を一定制御し、前記回転ブロックの回転にともなう前記被加工球体へのレーザー光の相対入射角度に応じて、前記被加工球体の球面上のレーザー照射部の周速が一定となるように前記ワーク回転用モータの回転速度を同期制御することを特徴とするレーザー加工装置の制御方法。
【請求項８】
ワーク回転用モータの軸の端部に取付けられた被加工球体と、集光手段を介して前記被加工球体の中心にパルス状のレーザー光が入射するように配設されたパルス発振型レーザー発振器と、前記被加工球体の中心を通り且つ前記ワーク回転用モータの軸と直交するブロック回転軸に固着され、該ブロック回転軸に直交し且つ前記ワーク回転用モータの軸に平行に配設されて該モータの軸を保持する回転ブロックと、前記ブロック回転軸を回転させる回転ブロック回転用モータとを備え、パルス状のレーザー光を前記被加工球体の球面に照射して溝を形成するレーザー加工装置の制御方法であって、
前記回転ブロック回転用モータの回転速度を一定制御し、前記回転ブロックの回転にともなう前記被加工球体へのレーザー光の相対入射角度に応じて、前記被加工球体の球面上のレーザー照射部の周速が一定となるように前記レーザー発振器のパルス繰り返し周波数を同期制御することを特徴とするレーザー加工装置の制御方法。
【請求項９】
前記ワーク回転用モータの回転検出量に基づいて前記レーザー発振器の出力のＯＮ，ＯＦＦ制御を行って、前記被加工球体の球面上に対して溝加工する部位としない部位の比率を調整することを特徴とする請求項７又は８に記載のレーザー加工装置の制御方法。
【請求項１０】
前記ＯＮ，ＯＦＦ制御におけるＯＮ制御のタイミングを、前記ワーク回転用モータの１回転毎に所定回転検出量分だけ遅延させることを特徴とする請求項９に記載のレーザー加工装置の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−３５０５７（Ｐ２０１３−３５０５７Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７５６８９（Ｐ２０１１−１７５６８９）
【出願日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【出願人】（５９３０４３４６２）ライテック株式会社 (1)
【出願人】（５０１４９２５３５）カンタムエレクトロニクス株式会社 (4)
【出願人】（５１１１９６６４１）株式会社カムテック (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【出願人】（５９３０４３４６２）ライテック株式会社 (1)
【出願人】（５０１４９２５３５）カンタムエレクトロニクス株式会社 (4)
【出願人】（５１１１９６６４１）株式会社カムテック (1)
【Ｆターム（参考）】
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