レーザ加工装置およびレーザ加工方法
【課題】 ３次元加工において、より高い寸法精度を得ることができるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供すること。
【解決手段】 加工対象物５にレーザビームＬを照射して形状形成を行う加工装置であって、加工対象物にレーザビームを照射すると共に走査するレーザ光照射機構２２と、加工対象物を保持して該加工対象物と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、これら機構を制御する制御部２５と、を備え、レーザ光照射機構が、ビーム断面の光強度分布がガウシアン分布であるレーザビームを照射し、制御部が、加工対象物の加工領域を、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対するレーザビームの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、レーザ光照射機構と位置調整機構とを制御して、分割した領域毎にレーザビームを走査して照射する。
【解決手段】 加工対象物５にレーザビームＬを照射して形状形成を行う加工装置であって、加工対象物にレーザビームを照射すると共に走査するレーザ光照射機構２２と、加工対象物を保持して該加工対象物と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、これら機構を制御する制御部２５と、を備え、レーザ光照射機構が、ビーム断面の光強度分布がガウシアン分布であるレーザビームを照射し、制御部が、加工対象物の加工領域を、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対するレーザビームの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、レーザ光照射機構と位置調整機構とを制御して、分割した領域毎にレーザビームを走査して照射する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高寸法精度で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。
【背景技術】
【０００２】
近年、今まで砥石を使って切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。例えば、特許文献１には、切刃部を有するダイヤモンドチップとエンドミル本体とを備えるエンドミルであって、すくい面切り取り部を紫外線レーザによるレーザ加工で切り取った単結晶ダイヤモンドを用いたエンドミルが記載されている。なお、このエンドミルでも、切刃を構成する部分は砥石や遊離砥粒で研磨することで形成される。
【０００３】
このようなレーザ加工装置では、高い寸法精度で加工を行うことが要求され、例えば、特許文献２には、加工対象物を保持する加工テーブルをレーザ光の照射方向に沿って移動可能にすると共に、レーザ光の加工対象物への照射角度を変えるために加工テーブルを傾ける３自由度ステージを備えたレーザ加工装置が提案されている。すなわち、このレーザ加工装置では、照射するレーザビームと加工対象物との角度を、加工対象物を設置しているステージを傾斜させることによって、レーザビームのエッジ面が加工領域のエッジ面に内接するように変えている。これにより、レーザビームの集光点を加工対象物に一致させ、円錐形状となるレーザビームの集光点以外が加工対象物に照射されてしまうことによる加工精度の悪化を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３３９５７３号公報
【特許文献２】特開２０００−３３４５９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
上記従来のレーザ加工装置でレーザ加工を行う場合、単にレーザビームの集光点が加工対象物の表面に一致していたとしても、照射するレーザビームと加工面とのなす角度によって、加工後のモホロジーが変わり、寸法精度が悪くなる場合がある。すなわち、レーザビームは、通常、ビーム断面の光強度分布がガウシアン分布を有しており、図１４に示すように、レーザビームＬの中心ほど強度が高いため、レーザビームＬの中心ほど深く加工されると共に周辺ほど浅く加工され、加工対象物５のレーザ照射した加工部分５ａの側面に一定の傾斜が生じて加工形状がだれてしまう。したがって、円錐形状のレーザビームのエッジ面が加工領域のエッジ面に内接するにように加工対象物を傾けても、ビーム断面の光強度分布によって加工部分の側面が傾斜してしまうことから、高い寸法精度を得ることができなかった。特に、加工対象物を３次元的に加工する場合、上記従来のレーザ加工装置では、加工対象物の３次元形状に対応して加工対象物の傾きを細かく頻繁に変更する必要があり、ステージによる傾き制御が複雑で実用化が困難であった。例えば、ボールエンドミルなどを加工対象物とした場合、高い寸法精度や小さい面粗さが要求される切刃などをレーザ加工で３次元的に形状形成することが困難であった。
【０００６】
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、より高い寸法精度を得ることができる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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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形状形成を行う加工装置であって、前記加工対象物に前記レーザビームを照射すると共に走査するレーザ光照射機構と、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、これら機構を制御する制御部と、を備え、前記レーザ光照射機構が、ビーム断面の光強度分布がガウシアン分布であるレーザビームを照射し、前記制御部が、前記加工対象物の加工領域を、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対する前記レーザビームの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、前記レーザ光照射機構と前記位置調整機構とを制御して、前記分割した領域毎に前記レーザビームを走査して照射することを特徴とする。
【０００８】
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形状形成を行う加工方法であって、前記加工対象物に前記レーザビームを照射すると共に走査するレーザ光照射工程と、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、ビーム断面の光強度分布がガウシアン分布である前記レーザビームを照射し、前記加工対象物の加工領域を、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対する前記レーザビームの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、前記分割した領域毎に前記レーザビームを走査して照射することを特徴とする。
【０００９】
これらのレーザ加工装置およびレーザ加工方法では、加工対象物の加工領域を、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対するレーザビームの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、分割した領域毎にレーザビームを走査して照射するので、分割領域内の加工面全域で、小さい面粗さかつ高寸法精度で形状形成することができる。すなわち、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対するレーザビームの角度（レーザビームの伝播方向とレーザビームが照射される面の法線方向とがなす角度）を、ビーム断面の光強度分布を考慮した角度である５０°未満に設定することで、ガウシアン分布である光強度分布の影響を受け難く、加工形状がだれずに、小さい面粗さかつ高寸法精度で形状形成を行うことができる。また、加工領域を、レーザビームの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、分割した領域毎にレーザビームを走査して照射するので、分割領域内では、レーザビームの走査中に加工対象物の傾きを変化させるような複雑なステージ制御等が不要で、分割領域内の加工面全域に対して容易に高い寸法精度で形状形成することができる。
【００１０】
また、本発明のレーザ加工装置は、前記レーザ光照射機構が、前記レーザビームのビーム断面形状を楕円形状とし、前記レーザビームの走査方向を、上記ビーム断面形状の長軸方向または短軸方向に一致させていることを特徴とする。
レーザビームの走査方向が、光強度分布の長軸方向または短軸方向に一致せずに長軸または短軸に対して傾いた方向であると、走査終端部分の加工形状が傾いてズレが生じてしまうが、本発明のレーザ加工装置では、レーザビームの走査方向を、ビーム断面形状の長軸方向または短軸方向に一致させているので、走査終端部分の加工形状が傾かず、ズレが生じ難くなるため、より正確な形状形成が可能になる。
【００１１】
また、本発明のレーザ加工装置は、前記制御部が、前記レーザビームの走査を行う際に、前記加工領域を前記レーザ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レーザビームを照射し、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ていくことを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工装置では、各加工レイヤーに対してレーザビームを照射し、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ていくので、加工レイヤーの分解能（厚さ）と加工レイヤー自体の平滑さとが加工後の面精度（ＲｚやＲａ等）を律することになり、高精度に面粗さを設定することができる。また、この各加工レイヤーをレーザ加工した面は、互いに略平行に並んで延在した多数の微細長溝と、隣接する微細長溝間に該隣接する方向に延在する多数の微細短溝と、からなる網目状の微細凹凸が形成された面粗さが小さく高い面精度の加工面となる。
【発明の効果】
【００１２】
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を、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対するレーザビームの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、分割した領域毎にレーザビームを走査して照射するので、走査中に加工対象物の傾きを変化させるような複雑な制御が不要で、分割領域内の加工面全域で小さい面粗さかつ高寸法精度で形状形成することができる。
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、直径２ｍｍ以下の小径ボールエンドミルなどの切削工具の３次元的な形状加工に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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。
【図２】本実施形態において、レーザビームの走査方向とレーザビームの断面形状との関係を示す説明図である。
【図３】本実施形態において、レーザビームの照射角度に対する設計上の加工面と実際の加工面との傾斜角ズレを示す説明図である。
【図４】本実施形態において、レーザビームの照射角度に対する傾斜角ズレを示すグラフである。
【図５】本実施形態において、加工前の加工面と設計上の加工後の加工面とに対するレーザビームの照射角度を示す説明図である。
【図６】本実施形態において、加工レイヤー毎の加工を示す説明図である。
【図７】本実施形態において、加工面の微細凹凸を示す模式図である。
【図８】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、加工対象物である加工後のエンドミルを示す工具先端部の側面図および上面図である。
【図９】本実施例において、加工対象物である加工後のエンドミルを示す全体の側面図である。
【図１０】本実施例において、レーザビームと加工面との関係を示す２分割で加工する方法（ａ）と本実施形態の４分割で加工する方法（ｂ）との説明図である。
【図１１】本実施例において、加工領域を周方向に４分割して加工する工程を示す説明図である。
【図１２】本実施例において、形状形成した加工面を示す拡大画像である。
【図１３】本実施例において、形状形成の設計値と実施例の測定値とを示すグラフである。
【図１４】レーザビームが照射されて加工された部分の断面形状を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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７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。
【００１５】
本実施形態のレーザ加工装置２１は、図１に示すように、加工対象物５にレーザビーム（レーザ光）Ｌを照射して３次元加工する装置であって、レーザビームＬをパルス発振して加工対象物５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光照射機構２２と、加工対象物５を保持して回転可能なモータ等の回転機構２３と、該回転機構２３が設置されて移動可能な移動機構２４と、これらを制御する制御部２５と、を備えている。なお、回転機構２３と移動機構２４とにより、加工対象物５を保持して該加工対象物５とレーザビームＬとの相対的な位置関係を調整可能な位置調整機構が構成されている。
【００１６】
上記移動機構２４は、水平面に平行なＸ方向に移動可能なＸ軸ステージ部２４ｘと、該Ｘ軸ステージ部２４ｘ上に設けられＸ方向に対して垂直な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２４ｙと、該Ｙ軸ステージ部２４ｙ上に設けられ回転機構２３が固定されて加工対象物５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２４ｚと、で構成されている。
【００１７】
上記レーザ光照射機構２２は、Ｑスイッチのトリガー信号によりレーザビームＬとなるレーザ光を発振すると共にスポット状に集光させる光学系も有するレーザ光源２６と、照射するレーザビームＬを走査させるガルバノスキャナ２７と、保持された加工対象物５の加工位置を確認するために撮像するＣＣＤカメラ２８と、を備えている。
【００１８】
このレーザ光照射機構２２により出射されるレーザビームＬ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２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。
また、レーザ光照射機構２２は、レーザビームＬの走査方向を、楕円形状である上記光強度分布の長軸方向または短軸方向に一致させている。これは、レーザビームＬの走査方向が、上記光強度分布の長軸方向または短軸方向に一致せずに長軸または短軸に対して傾いた方向であると、走査終端部分の加工形状が傾いてズレが生じてしまうためである。なお、図２では、レーザビームＬの走査方向を、上記光強度分布の短軸方向に一致させている。
【００１９】
上記レーザ光源２６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。
上記ガルバノスキャナ２７は、移動機構２４の直上に配置されている。また、上記ＣＣＤカメラ２８は、ガルバノスキャナ２７に隣接して設置されている。
【００２０】
上記制御部２５は、加工対象物５の加工領域を、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対するレーザビームＬの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、分割した領域毎にレーザビームＬを走査して照射するようにレーザ光照射機構２２と位置調整機構（回転機構２３および移動機構２４）とを制御する。
【００２１】
すなわち、図３に示すように、形状形成しようとする加工面２９ａの傾斜角度θ２と実際にレーザビームＬで加工して形状形成した加工面２９ｂの傾斜角度θ３とは、上述したようにビーム断面の光強度分布がガウシアン分布を有しているため、レーザビームＬが大きく傾いて照射されると傾斜角度にズレが発生してしまう。この現象は、図４に示すグラフからわかるように、形状形成しようとする加工面２９ａに対するレーザビームＬの照射角度が５０°以上になると顕著に生じて、傾斜角度が大きくずれる。
【００２２】
このため、本実施形態では、図５に示すように、加工前形状の加工面２９ｃと設計上の加工後形状の加工面２９ｄとの両方に対するレーザビームＬの角度θ４および角度θ５を、５０°未満に設定してレーザビームＬを照射する。また、レーザビームＬの角度θ４および角度θ５を、５０°未満に設定するため、加工領域を分割し、レーザビームＬの角度θ４および角度θ５が５０°未満となる分割領域毎に、レーザ加工を行う。
【００２３】
また、上記制御部２５は、図６に示すように、レーザビームＬの走査を行う際に、加工領域をレーザビームＬの照射方向に複数の加工レイヤー３０を積み重ねたものとして設定し、各加工レイヤー３０に対してレーザビームＬを垂直に照射し、加工レイヤー３０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レーザ光照射機構２２、回転機構２３および移動機構２４を制御する。
【００２４】
すなわち、本実施形態では、レーザビームＬの走査を行う際に、走査プログラム上、複数の加工レイヤー３０を積み重ねて設定することで、各加工レイヤー３０に対してレーザビームＬを垂直に照射し、加工レイヤー３０毎に所定部分を除去して、三次元形状の加工面２９を形成していく。このため、レーザビームＬの走査制御において、まず加工対象物５をレーザビームＬの照射方向に複数の加工レイヤー３０に分けて設定する。
【００２５】
そして、加工前の形状と設計上の加工後形状とから加工除去する部分を、加工レイヤー３０毎に設定し、加工レイヤー３０毎にレーザビームＬを走査して所定部分を除去することで、所定の加工面２９を形成していく。この加工方法では、加工レイヤー３０の分解能（厚さ）と加工レイヤー３０自体の平滑さとが加工後の面精度（ＲｚやＲａ等）を律することになる。例えば、本実施形態では、面粗さが、少なくともＲｚ（最大面粗さ）：２μｍ以下、Ｒａ（算術平均粗さ）：１μｍ以下となるように加工レイヤー３０の分解能等が設定される。
【００２６】
このレーザ加工装置２１によりレーザ加工した面は、図７に示すように、互いに略平行に並んで延在した多数の微細長溝Ｍ１と、隣接する微細長溝Ｍ１間に該隣接する方向に延在する多数の微細短溝Ｍ２と、からなる網目状の微細凹凸が形成された面粗さが小さく高い面精度の加工面となる。
【００２７】
なお、加工面２９のテクスチャーは、多数の微細長溝Ｍ１と多数の微細短溝Ｍ２とによる微細凹凸となることから、本実施形態のレーザ加工方法によれば、面粗さＲｚ：２μｍ以下かつ面粗さＲａ：１μｍ以下が実現可能である。なお、微細長溝Ｍ１のピッチは、例えば０．７〜１５μｍであり、微細短溝Ｍ２のピッチは、例えば０．５〜１０μｍである。
【００２８】
このように本実施形態のレーザ加工装置２１およびレーザ加工方法では、加工対象物５の加工領域を、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面２９に対するレーザビームＬの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、分割した領域毎にレーザビームＬを走査して照射するので、分割領域内の加工面２９全域で、小さい面粗さかつ高寸法精度で形状形成することができる。
【００２９】
すなわち、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面２９に対するレーザビームＬの角度を、ビーム断面の光強度分布を考慮した角度である５０°未満に設定することで、ガウシアン分布である光強度分布の影響を受け難く、加工形状がだれずに、小さい面粗さかつ高寸法精度で形状形成を行うことができる。また、加工領域を、レーザビームＬの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、分割した領域毎にレーザビームＬを走査して照射するので、分割領域内では、レーザビームＬの走査中に加工対象物５の傾きを変化させるような複雑なステージ制御等が不要で、分割領域内の加工面２９全域に対して容易に高い寸法精度で形状形成することができる。
【００３０】
また、レーザビームＬの走査方向を、ビーム断面形状の長軸方向または短軸方向に一致させているので、走査終端部分の加工形状が傾かず、ズレが生じ難くなるため、より正確な形状形成が可能になる。
さらに、各加工レイヤー３０に対してレーザビームＬを照射し、加工レイヤー３０毎に所定部分を除去して、三次元形状の加工面を形成していくので、加工レイヤー３０の分解能（厚さ）と加工レイヤー３０自体の平滑さとが加工後の面精度（ＲｚやＲａ等）を律することになり、高精度に面粗さを設定することができる。
【実施例】
【００３１】
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、加工対象物としてエンドミルをレーザ加工で実際に形状形成した実施例について、図８から図１３を参照して説明する。
【００３２】
加工対象物であるエンドミル１０の加工最終形状は、図８および図９に示すように、軸線０回りに回転される工具先端部１２に、一対の切刃１３が先端において軸線０を挟んで互いに反対側に形成され、切刃１３として上記軸線０回りの回転軌跡が略半球状をなす一対のボール刃部１３ａを有した２枚刃のボールエンドミルである。このエンドミル１０は、超硬合金等の硬質材料により形成され先端側に小径の首部１４ａを有した円柱状のシャンク部１４と、首部１４ａ先端に拡散接合により接合された略円柱状のチップ部１１と、で構成されている。
【００３３】
上記チップ部１１は、首部１４ａに接合される超硬合金部１５と、該超硬合金部１５に接合されたｃＢＮ焼結体の刃部となる工具先端部１２と、で構成されている。すなわち、上記チップ部１１の工具先端部１２は、ｃＢＮ焼結体で形成されている。
そして、このエンドミル１０は、切刃１３の外径が、直径２ｍｍ以下であり、工具先端部１２全体がレーザ加工で形状形成されると共に、切刃１３のすくい面１６側にチャンファ１９（図１のハッチング部分）がレーザ加工で帯状に形成される。
【００３４】
上記切刃１３は、先端側に設けられ円弧状に形成された一対のボール刃部１３ａと、ボール刃部１３ａから連続して軸線０に沿って直線状に延在する一対の外周刃部１３ｂと、を有している。すなわち、工具先端部１２は、ボール刃部１３ａおよび外周刃部１３ｂからなる切刃１３が形成された先端部分である。なお、ボール刃部１３ａの外径は、例えばＲ＝０．５ｍｍに設定されている。
【００３５】
上記工具先端部１２には、エンドミル回転方向を向く壁面に先端から基端側に向かって軸線０に沿って延びる平面状のすくい面１６が形成されている。また、工具先端部１２の外周面には、逃げ面１７が形成されている。すなわち、レーザ加工で形状形成されるすくい面１６と逃げ面１７との交差稜線に、ボール刃部１３ａと外周刃部１３ｂとが形成される。
【００３６】
上記逃げ面１７の設定される面粗さは、Ｒｚ（最大面粗さ）が２μｍ以下かつ面粗さＲａ（算術平均粗さ）が１μｍ以下である。
上記チャンファ１９は、ボール刃部１３ａから外周刃部１３ｂまで延在して一定幅で形成されている。例えば、チャンファ幅は、３０〜４０μｍの範囲で一定に設定される。また、チャンファ１９の設定される面粗さは、少なくともＲｚ：２μｍ以下、Ｒａ：１μｍ以下である。
【００３７】
上記本実施形態のレーザ加工装置２１を用いてエンドミル１０を作製するには、まず略円柱状のチップ部１１を接合したシャンク部１４を回転機構２３に設置して保持させる。
この状態で、レーザビームＬを照射して工具先端部１２全体を形状形成する（三次元レーザ加工工程）。この際、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対するレーザビームＬの角度を５０°未満に設定してレーザビームＬを照射する。
【００３８】
すなわち、図１０の（ａ）に示すように、工具先端部１２を周方向に２分割してレーザ加工する場合、周方向の端部では、加工面２９に対するレーザビームＬの角度θが５０°以上になってしまう。この場合、レーザビームＬのビーム断面の光強度分布がガウシアン分布を有しているため、図１４に示すように、レーザビームＬの中心ほど強度が高く、レーザビームＬの中心ほど深く加工されると共に周辺ほど浅く加工され、レーザ照射した加工部分５の側面に一定の傾斜が生じて加工形状がだれてしまう。
【００３９】
このため、本実施例では、図５に示すように、加工前形状の加工面２９ｃと設計上の加工後形状の加工面２９ｄとの両方に対するレーザビームＬの角度θ４および角度θ５を、５０°未満に設定してレーザビームＬを照射する。また、レーザビームＬの角度θ４および角度θ５を、５０°未満に設定するため、図１０の（ｂ）および図１１に示すように、工具先端部１２を周方向に４分割（領域Ａ〜Ｄに分割）してレーザ加工を行う。
【００４０】
すなわち、工具先端部１２を周方向に４分割したうちの１つの領域（分割領域）だけでレーザビームＬを走査することで、この加工領域内ではどの加工面（加工前形状の加工面２９ｃと設計上の加工後形状の加工面２９ｄとの両方を含む）に対してもレーザビームＬの角度θが５０°未満となる。したがって、図１１に示すように、レーザビームＬの照射方向と照射される加工面とのなす角度が、常に適切な角度範囲（θ＜５０°）になるように、回転機構２３を用いて工具先端部１２を、軸線０を中心に９０°毎４回分割回転させて加工を行う。なお、本実施例では、レーザビームＬがチップ部１１の軸線０方向に沿って走査される。
【００４１】
また、本実施例では、レーザビームＬの走査を行う際に、図６に示すように、走査プログラム上、複数の加工レイヤー３０を積み重ねて設定することで、各加工レイヤー３０に対してレーザビームＬを垂直に照射し、加工レイヤー３０毎に所定部分を除去して、三次元形状の加工面２９（逃げ面１７やチャンファ１９など）を形成していく。すなわち、レーザビームＬの走査制御において、まず加工対象物のチップ部１１をレーザビームＬの照射方向に複数の加工レイヤー３０に分けて設定する。
【００４２】
そして、加工前の形状と設計上の加工後形状とから加工除去する部分を、加工レイヤー３０毎に設定し、加工レイヤー３０毎にレーザビームＬを走査して所定部分を除去することで、逃げ面１７等の所定の加工面２９を形成していく。
【００４３】
このように実際にレーザ加工した面（逃げ面１７）を拡大した写真画像（３５０倍の拡大画像）を、図１２に示す。
この画像からわかるように、本実施例で加工された面は、互いに略平行に並んで延在した多数の微細長溝と、隣接する微細長溝間に該隣接する方向に延在する多数の微細短溝と、からなる網目状の微細凹凸が形成されていると共に、面粗さＲｚが２μｍ以下、Ｒａが１μｍ以下であった。
【００４４】
次に、本発明のレーザ加工装置において、波長３５５ｎｍ、繰り返し周波数１６６ｋＨｚ、平均出力０．５ＷのレーザビームをＦθレンズによって集光し、ガルバノスキャナを用いて３００ｍｍ／ｓの走査速度で、加工対象物であるセラミックスの３次元形成を実際に行い、狙いの形状設計値と実際に加工した形状測定値とを比較した。この設計値と測定値とを比較したグラフを、図１３に示す。
【００４５】
このグラフでは、形状は３次元であるが、紙面に対して垂直な方向は前後に同じ形状が続いているので、その任意の部位の断面をプロットし２次元で表している。グラフ中の太線がレーザ加工後の実際の形状を示し、細線が狙いの設計上の形状（設計図）を示している。なお、加工対象物のセラミックスは平板であり、必要としない部分をレーザ加工で上述した加工レイヤー毎に層状に加工し除去した。この加工層である加工レイヤーの間隔は、各１μｍに設定した。また、このグラフ中の矢印は、各加工レイヤーの層状加工を模式的に示したものである。
【００４６】
狙いの加工後の形状も加工前の平板の形状および配置も、それぞれ加工面に対するレーザビームの照射角度が５０°未満になるように設定して本発明のレーザ加工方法によって加工した。また、レーザビームのビーム断面は、集光点で長軸２０μｍ、短軸１５μｍの楕円形状とし、レーザビームの走査方向は長軸方向と一致する方向とした。
この結果、図１３のグラフに示すように、狙いの形状設計値と実際の加工した形状測定値とが２μｍの差で高い寸法精度により一致させることができた。
【００４７】
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。
【符号の説明】
【００４８】
５…加工対象物、１０…エンドミル（加工対象物）、２２…レーザ光照射機構、２３…回転機構（位置調整機構）、２４…移動機構（位置調整機構）、２５…制御部、２９，２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄ…加工面、３０…加工レイヤー、Ｌ…レーザビーム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高寸法精度で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。
【背景技術】
【０００２】
近年、今まで砥石を使って切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。例えば、特許文献１には、切刃部を有するダイヤモンドチップとエンドミル本体とを備えるエンドミルであって、すくい面切り取り部を紫外線レーザによるレーザ加工で切り取った単結晶ダイヤモンドを用いたエンドミルが記載されている。なお、このエンドミルでも、切刃を構成する部分は砥石や遊離砥粒で研磨することで形成される。
【０００３】
このようなレーザ加工装置では、高い寸法精度で加工を行うことが要求され、例えば、特許文献２には、加工対象物を保持する加工テーブルをレーザ光の照射方向に沿って移動可能にすると共に、レーザ光の加工対象物への照射角度を変えるために加工テーブルを傾ける３自由度ステージを備えたレーザ加工装置が提案されている。すなわち、このレーザ加工装置では、照射するレーザビームと加工対象物との角度を、加工対象物を設置しているステージを傾斜させることによって、レーザビームのエッジ面が加工領域のエッジ面に内接するように変えている。これにより、レーザビームの集光点を加工対象物に一致させ、円錐形状となるレーザビームの集光点以外が加工対象物に照射されてしまうことによる加工精度の悪化を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３３９５７３号公報
【特許文献２】特開２０００−３３４５９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
上記従来のレーザ加工装置でレーザ加工を行う場合、単にレーザビームの集光点が加工対象物の表面に一致していたとしても、照射するレーザビームと加工面とのなす角度によって、加工後のモホロジーが変わり、寸法精度が悪くなる場合がある。すなわち、レーザビームは、通常、ビーム断面の光強度分布がガウシアン分布を有しており、図１４に示すように、レーザビームＬの中心ほど強度が高いため、レーザビームＬの中心ほど深く加工されると共に周辺ほど浅く加工され、加工対象物５のレーザ照射した加工部分５ａの側面に一定の傾斜が生じて加工形状がだれてしまう。したがって、円錐形状のレーザビームのエッジ面が加工領域のエッジ面に内接するにように加工対象物を傾けても、ビーム断面の光強度分布によって加工部分の側面が傾斜してしまうことから、高い寸法精度を得ることができなかった。特に、加工対象物を３次元的に加工する場合、上記従来のレーザ加工装置では、加工対象物の３次元形状に対応して加工対象物の傾きを細かく頻繁に変更する必要があり、ステージによる傾き制御が複雑で実用化が困難であった。例えば、ボールエンドミルなどを加工対象物とした場合、高い寸法精度や小さい面粗さが要求される切刃などをレーザ加工で３次元的に形状形成することが困難であった。
【０００６】
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、より高い寸法精度を得ることができる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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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形状形成を行う加工装置であって、前記加工対象物に前記レーザビームを照射すると共に走査するレーザ光照射機構と、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、これら機構を制御する制御部と、を備え、前記レーザ光照射機構が、ビーム断面の光強度分布がガウシアン分布であるレーザビームを照射し、前記制御部が、前記加工対象物の加工領域を、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対する前記レーザビームの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、前記レーザ光照射機構と前記位置調整機構とを制御して、前記分割した領域毎に前記レーザビームを走査して照射することを特徴とする。
【０００８】
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形状形成を行う加工方法であって、前記加工対象物に前記レーザビームを照射すると共に走査するレーザ光照射工程と、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、ビーム断面の光強度分布がガウシアン分布である前記レーザビームを照射し、前記加工対象物の加工領域を、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対する前記レーザビームの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、前記分割した領域毎に前記レーザビームを走査して照射することを特徴とする。
【０００９】
これらのレーザ加工装置およびレーザ加工方法では、加工対象物の加工領域を、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対するレーザビームの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、分割した領域毎にレーザビームを走査して照射するので、分割領域内の加工面全域で、小さい面粗さかつ高寸法精度で形状形成することができる。すなわち、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対するレーザビームの角度（レーザビームの伝播方向とレーザビームが照射される面の法線方向とがなす角度）を、ビーム断面の光強度分布を考慮した角度である５０°未満に設定することで、ガウシアン分布である光強度分布の影響を受け難く、加工形状がだれずに、小さい面粗さかつ高寸法精度で形状形成を行うことができる。また、加工領域を、レーザビームの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、分割した領域毎にレーザビームを走査して照射するので、分割領域内では、レーザビームの走査中に加工対象物の傾きを変化させるような複雑なステージ制御等が不要で、分割領域内の加工面全域に対して容易に高い寸法精度で形状形成することができる。
【００１０】
また、本発明のレーザ加工装置は、前記レーザ光照射機構が、前記レーザビームのビーム断面形状を楕円形状とし、前記レーザビームの走査方向を、上記ビーム断面形状の長軸方向または短軸方向に一致させていることを特徴とする。
レーザビームの走査方向が、光強度分布の長軸方向または短軸方向に一致せずに長軸または短軸に対して傾いた方向であると、走査終端部分の加工形状が傾いてズレが生じてしまうが、本発明のレーザ加工装置では、レーザビームの走査方向を、ビーム断面形状の長軸方向または短軸方向に一致させているので、走査終端部分の加工形状が傾かず、ズレが生じ難くなるため、より正確な形状形成が可能になる。
【００１１】
また、本発明のレーザ加工装置は、前記制御部が、前記レーザビームの走査を行う際に、前記加工領域を前記レーザ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レーザビームを照射し、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ていくことを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工装置では、各加工レイヤーに対してレーザビームを照射し、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ていくので、加工レイヤーの分解能（厚さ）と加工レイヤー自体の平滑さとが加工後の面精度（ＲｚやＲａ等）を律することになり、高精度に面粗さを設定することができる。また、この各加工レイヤーをレーザ加工した面は、互いに略平行に並んで延在した多数の微細長溝と、隣接する微細長溝間に該隣接する方向に延在する多数の微細短溝と、からなる網目状の微細凹凸が形成された面粗さが小さく高い面精度の加工面となる。
【発明の効果】
【００１２】
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を、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対するレーザビームの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、分割した領域毎にレーザビームを走査して照射するので、走査中に加工対象物の傾きを変化させるような複雑な制御が不要で、分割領域内の加工面全域で小さい面粗さかつ高寸法精度で形状形成することができる。
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、直径２ｍｍ以下の小径ボールエンドミルなどの切削工具の３次元的な形状加工に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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。
【図２】本実施形態において、レーザビームの走査方向とレーザビームの断面形状との関係を示す説明図である。
【図３】本実施形態において、レーザビームの照射角度に対する設計上の加工面と実際の加工面との傾斜角ズレを示す説明図である。
【図４】本実施形態において、レーザビームの照射角度に対する傾斜角ズレを示すグラフである。
【図５】本実施形態において、加工前の加工面と設計上の加工後の加工面とに対するレーザビームの照射角度を示す説明図である。
【図６】本実施形態において、加工レイヤー毎の加工を示す説明図である。
【図７】本実施形態において、加工面の微細凹凸を示す模式図である。
【図８】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、加工対象物である加工後のエンドミルを示す工具先端部の側面図および上面図である。
【図９】本実施例において、加工対象物である加工後のエンドミルを示す全体の側面図である。
【図１０】本実施例において、レーザビームと加工面との関係を示す２分割で加工する方法（ａ）と本実施形態の４分割で加工する方法（ｂ）との説明図である。
【図１１】本実施例において、加工領域を周方向に４分割して加工する工程を示す説明図である。
【図１２】本実施例において、形状形成した加工面を示す拡大画像である。
【図１３】本実施例において、形状形成の設計値と実施例の測定値とを示すグラフである。
【図１４】レーザビームが照射されて加工された部分の断面形状を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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７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。
【００１５】
本実施形態のレーザ加工装置２１は、図１に示すように、加工対象物５にレーザビーム（レーザ光）Ｌを照射して３次元加工する装置であって、レーザビームＬをパルス発振して加工対象物５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光照射機構２２と、加工対象物５を保持して回転可能なモータ等の回転機構２３と、該回転機構２３が設置されて移動可能な移動機構２４と、これらを制御する制御部２５と、を備えている。なお、回転機構２３と移動機構２４とにより、加工対象物５を保持して該加工対象物５とレーザビームＬとの相対的な位置関係を調整可能な位置調整機構が構成されている。
【００１６】
上記移動機構２４は、水平面に平行なＸ方向に移動可能なＸ軸ステージ部２４ｘと、該Ｘ軸ステージ部２４ｘ上に設けられＸ方向に対して垂直な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２４ｙと、該Ｙ軸ステージ部２４ｙ上に設けられ回転機構２３が固定されて加工対象物５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２４ｚと、で構成されている。
【００１７】
上記レーザ光照射機構２２は、Ｑスイッチのトリガー信号によりレーザビームＬとなるレーザ光を発振すると共にスポット状に集光させる光学系も有するレーザ光源２６と、照射するレーザビームＬを走査させるガルバノスキャナ２７と、保持された加工対象物５の加工位置を確認するために撮像するＣＣＤカメラ２８と、を備えている。
【００１８】
このレーザ光照射機構２２により出射されるレーザビームＬ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２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。
また、レーザ光照射機構２２は、レーザビームＬの走査方向を、楕円形状である上記光強度分布の長軸方向または短軸方向に一致させている。これは、レーザビームＬの走査方向が、上記光強度分布の長軸方向または短軸方向に一致せずに長軸または短軸に対して傾いた方向であると、走査終端部分の加工形状が傾いてズレが生じてしまうためである。なお、図２では、レーザビームＬの走査方向を、上記光強度分布の短軸方向に一致させている。
【００１９】
上記レーザ光源２６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。
上記ガルバノスキャナ２７は、移動機構２４の直上に配置されている。また、上記ＣＣＤカメラ２８は、ガルバノスキャナ２７に隣接して設置されている。
【００２０】
上記制御部２５は、加工対象物５の加工領域を、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対するレーザビームＬの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、分割した領域毎にレーザビームＬを走査して照射するようにレーザ光照射機構２２と位置調整機構（回転機構２３および移動機構２４）とを制御する。
【００２１】
すなわち、図３に示すように、形状形成しようとする加工面２９ａの傾斜角度θ２と実際にレーザビームＬで加工して形状形成した加工面２９ｂの傾斜角度θ３とは、上述したようにビーム断面の光強度分布がガウシアン分布を有しているため、レーザビームＬが大きく傾いて照射されると傾斜角度にズレが発生してしまう。この現象は、図４に示すグラフからわかるように、形状形成しようとする加工面２９ａに対するレーザビームＬの照射角度が５０°以上になると顕著に生じて、傾斜角度が大きくずれる。
【００２２】
このため、本実施形態では、図５に示すように、加工前形状の加工面２９ｃと設計上の加工後形状の加工面２９ｄとの両方に対するレーザビームＬの角度θ４および角度θ５を、５０°未満に設定してレーザビームＬを照射する。また、レーザビームＬの角度θ４および角度θ５を、５０°未満に設定するため、加工領域を分割し、レーザビームＬの角度θ４および角度θ５が５０°未満となる分割領域毎に、レーザ加工を行う。
【００２３】
また、上記制御部２５は、図６に示すように、レーザビームＬの走査を行う際に、加工領域をレーザビームＬの照射方向に複数の加工レイヤー３０を積み重ねたものとして設定し、各加工レイヤー３０に対してレーザビームＬを垂直に照射し、加工レイヤー３０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レーザ光照射機構２２、回転機構２３および移動機構２４を制御する。
【００２４】
すなわち、本実施形態では、レーザビームＬの走査を行う際に、走査プログラム上、複数の加工レイヤー３０を積み重ねて設定することで、各加工レイヤー３０に対してレーザビームＬを垂直に照射し、加工レイヤー３０毎に所定部分を除去して、三次元形状の加工面２９を形成していく。このため、レーザビームＬの走査制御において、まず加工対象物５をレーザビームＬの照射方向に複数の加工レイヤー３０に分けて設定する。
【００２５】
そして、加工前の形状と設計上の加工後形状とから加工除去する部分を、加工レイヤー３０毎に設定し、加工レイヤー３０毎にレーザビームＬを走査して所定部分を除去することで、所定の加工面２９を形成していく。この加工方法では、加工レイヤー３０の分解能（厚さ）と加工レイヤー３０自体の平滑さとが加工後の面精度（ＲｚやＲａ等）を律することになる。例えば、本実施形態では、面粗さが、少なくともＲｚ（最大面粗さ）：２μｍ以下、Ｒａ（算術平均粗さ）：１μｍ以下となるように加工レイヤー３０の分解能等が設定される。
【００２６】
このレーザ加工装置２１によりレーザ加工した面は、図７に示すように、互いに略平行に並んで延在した多数の微細長溝Ｍ１と、隣接する微細長溝Ｍ１間に該隣接する方向に延在する多数の微細短溝Ｍ２と、からなる網目状の微細凹凸が形成された面粗さが小さく高い面精度の加工面となる。
【００２７】
なお、加工面２９のテクスチャーは、多数の微細長溝Ｍ１と多数の微細短溝Ｍ２とによる微細凹凸となることから、本実施形態のレーザ加工方法によれば、面粗さＲｚ：２μｍ以下かつ面粗さＲａ：１μｍ以下が実現可能である。なお、微細長溝Ｍ１のピッチは、例えば０．７〜１５μｍであり、微細短溝Ｍ２のピッチは、例えば０．５〜１０μｍである。
【００２８】
このように本実施形態のレーザ加工装置２１およびレーザ加工方法では、加工対象物５の加工領域を、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面２９に対するレーザビームＬの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、分割した領域毎にレーザビームＬを走査して照射するので、分割領域内の加工面２９全域で、小さい面粗さかつ高寸法精度で形状形成することができる。
【００２９】
すなわち、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面２９に対するレーザビームＬの角度を、ビーム断面の光強度分布を考慮した角度である５０°未満に設定することで、ガウシアン分布である光強度分布の影響を受け難く、加工形状がだれずに、小さい面粗さかつ高寸法精度で形状形成を行うことができる。また、加工領域を、レーザビームＬの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、分割した領域毎にレーザビームＬを走査して照射するので、分割領域内では、レーザビームＬの走査中に加工対象物５の傾きを変化させるような複雑なステージ制御等が不要で、分割領域内の加工面２９全域に対して容易に高い寸法精度で形状形成することができる。
【００３０】
また、レーザビームＬの走査方向を、ビーム断面形状の長軸方向または短軸方向に一致させているので、走査終端部分の加工形状が傾かず、ズレが生じ難くなるため、より正確な形状形成が可能になる。
さらに、各加工レイヤー３０に対してレーザビームＬを照射し、加工レイヤー３０毎に所定部分を除去して、三次元形状の加工面を形成していくので、加工レイヤー３０の分解能（厚さ）と加工レイヤー３０自体の平滑さとが加工後の面精度（ＲｚやＲａ等）を律することになり、高精度に面粗さを設定することができる。
【実施例】
【００３１】
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、加工対象物としてエンドミルをレーザ加工で実際に形状形成した実施例について、図８から図１３を参照して説明する。
【００３２】
加工対象物であるエンドミル１０の加工最終形状は、図８および図９に示すように、軸線０回りに回転される工具先端部１２に、一対の切刃１３が先端において軸線０を挟んで互いに反対側に形成され、切刃１３として上記軸線０回りの回転軌跡が略半球状をなす一対のボール刃部１３ａを有した２枚刃のボールエンドミルである。このエンドミル１０は、超硬合金等の硬質材料により形成され先端側に小径の首部１４ａを有した円柱状のシャンク部１４と、首部１４ａ先端に拡散接合により接合された略円柱状のチップ部１１と、で構成されている。
【００３３】
上記チップ部１１は、首部１４ａに接合される超硬合金部１５と、該超硬合金部１５に接合されたｃＢＮ焼結体の刃部となる工具先端部１２と、で構成されている。すなわち、上記チップ部１１の工具先端部１２は、ｃＢＮ焼結体で形成されている。
そして、このエンドミル１０は、切刃１３の外径が、直径２ｍｍ以下であり、工具先端部１２全体がレーザ加工で形状形成されると共に、切刃１３のすくい面１６側にチャンファ１９（図１のハッチング部分）がレーザ加工で帯状に形成される。
【００３４】
上記切刃１３は、先端側に設けられ円弧状に形成された一対のボール刃部１３ａと、ボール刃部１３ａから連続して軸線０に沿って直線状に延在する一対の外周刃部１３ｂと、を有している。すなわち、工具先端部１２は、ボール刃部１３ａおよび外周刃部１３ｂからなる切刃１３が形成された先端部分である。なお、ボール刃部１３ａの外径は、例えばＲ＝０．５ｍｍに設定されている。
【００３５】
上記工具先端部１２には、エンドミル回転方向を向く壁面に先端から基端側に向かって軸線０に沿って延びる平面状のすくい面１６が形成されている。また、工具先端部１２の外周面には、逃げ面１７が形成されている。すなわち、レーザ加工で形状形成されるすくい面１６と逃げ面１７との交差稜線に、ボール刃部１３ａと外周刃部１３ｂとが形成される。
【００３６】
上記逃げ面１７の設定される面粗さは、Ｒｚ（最大面粗さ）が２μｍ以下かつ面粗さＲａ（算術平均粗さ）が１μｍ以下である。
上記チャンファ１９は、ボール刃部１３ａから外周刃部１３ｂまで延在して一定幅で形成されている。例えば、チャンファ幅は、３０〜４０μｍの範囲で一定に設定される。また、チャンファ１９の設定される面粗さは、少なくともＲｚ：２μｍ以下、Ｒａ：１μｍ以下である。
【００３７】
上記本実施形態のレーザ加工装置２１を用いてエンドミル１０を作製するには、まず略円柱状のチップ部１１を接合したシャンク部１４を回転機構２３に設置して保持させる。
この状態で、レーザビームＬを照射して工具先端部１２全体を形状形成する（三次元レーザ加工工程）。この際、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対するレーザビームＬの角度を５０°未満に設定してレーザビームＬを照射する。
【００３８】
すなわち、図１０の（ａ）に示すように、工具先端部１２を周方向に２分割してレーザ加工する場合、周方向の端部では、加工面２９に対するレーザビームＬの角度θが５０°以上になってしまう。この場合、レーザビームＬのビーム断面の光強度分布がガウシアン分布を有しているため、図１４に示すように、レーザビームＬの中心ほど強度が高く、レーザビームＬの中心ほど深く加工されると共に周辺ほど浅く加工され、レーザ照射した加工部分５の側面に一定の傾斜が生じて加工形状がだれてしまう。
【００３９】
このため、本実施例では、図５に示すように、加工前形状の加工面２９ｃと設計上の加工後形状の加工面２９ｄとの両方に対するレーザビームＬの角度θ４および角度θ５を、５０°未満に設定してレーザビームＬを照射する。また、レーザビームＬの角度θ４および角度θ５を、５０°未満に設定するため、図１０の（ｂ）および図１１に示すように、工具先端部１２を周方向に４分割（領域Ａ〜Ｄに分割）してレーザ加工を行う。
【００４０】
すなわち、工具先端部１２を周方向に４分割したうちの１つの領域（分割領域）だけでレーザビームＬを走査することで、この加工領域内ではどの加工面（加工前形状の加工面２９ｃと設計上の加工後形状の加工面２９ｄとの両方を含む）に対してもレーザビームＬの角度θが５０°未満となる。したがって、図１１に示すように、レーザビームＬの照射方向と照射される加工面とのなす角度が、常に適切な角度範囲（θ＜５０°）になるように、回転機構２３を用いて工具先端部１２を、軸線０を中心に９０°毎４回分割回転させて加工を行う。なお、本実施例では、レーザビームＬがチップ部１１の軸線０方向に沿って走査される。
【００４１】
また、本実施例では、レーザビームＬの走査を行う際に、図６に示すように、走査プログラム上、複数の加工レイヤー３０を積み重ねて設定することで、各加工レイヤー３０に対してレーザビームＬを垂直に照射し、加工レイヤー３０毎に所定部分を除去して、三次元形状の加工面２９（逃げ面１７やチャンファ１９など）を形成していく。すなわち、レーザビームＬの走査制御において、まず加工対象物のチップ部１１をレーザビームＬの照射方向に複数の加工レイヤー３０に分けて設定する。
【００４２】
そして、加工前の形状と設計上の加工後形状とから加工除去する部分を、加工レイヤー３０毎に設定し、加工レイヤー３０毎にレーザビームＬを走査して所定部分を除去することで、逃げ面１７等の所定の加工面２９を形成していく。
【００４３】
このように実際にレーザ加工した面（逃げ面１７）を拡大した写真画像（３５０倍の拡大画像）を、図１２に示す。
この画像からわかるように、本実施例で加工された面は、互いに略平行に並んで延在した多数の微細長溝と、隣接する微細長溝間に該隣接する方向に延在する多数の微細短溝と、からなる網目状の微細凹凸が形成されていると共に、面粗さＲｚが２μｍ以下、Ｒａが１μｍ以下であった。
【００４４】
次に、本発明のレーザ加工装置において、波長３５５ｎｍ、繰り返し周波数１６６ｋＨｚ、平均出力０．５ＷのレーザビームをＦθレンズによって集光し、ガルバノスキャナを用いて３００ｍｍ／ｓの走査速度で、加工対象物であるセラミックスの３次元形成を実際に行い、狙いの形状設計値と実際に加工した形状測定値とを比較した。この設計値と測定値とを比較したグラフを、図１３に示す。
【００４５】
このグラフでは、形状は３次元であるが、紙面に対して垂直な方向は前後に同じ形状が続いているので、その任意の部位の断面をプロットし２次元で表している。グラフ中の太線がレーザ加工後の実際の形状を示し、細線が狙いの設計上の形状（設計図）を示している。なお、加工対象物のセラミックスは平板であり、必要としない部分をレーザ加工で上述した加工レイヤー毎に層状に加工し除去した。この加工層である加工レイヤーの間隔は、各１μｍに設定した。また、このグラフ中の矢印は、各加工レイヤーの層状加工を模式的に示したものである。
【００４６】
狙いの加工後の形状も加工前の平板の形状および配置も、それぞれ加工面に対するレーザビームの照射角度が５０°未満になるように設定して本発明のレーザ加工方法によって加工した。また、レーザビームのビーム断面は、集光点で長軸２０μｍ、短軸１５μｍの楕円形状とし、レーザビームの走査方向は長軸方向と一致する方向とした。
この結果、図１３のグラフに示すように、狙いの形状設計値と実際の加工した形状測定値とが２μｍの差で高い寸法精度により一致させることができた。
【００４７】
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。
【符号の説明】
【００４８】
５…加工対象物、１０…エンドミル（加工対象物）、２２…レーザ光照射機構、２３…回転機構（位置調整機構）、２４…移動機構（位置調整機構）、２５…制御部、２９，２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄ…加工面、３０…加工レイヤー、Ｌ…レーザビーム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物にレーザビームを照射して形状形成を行う加工装置であって、
前記加工対象物に前記レーザビームを照射すると共に走査するレーザ光照射機構と、
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、
これら機構を制御する制御部と、を備え、
前記レーザ光照射機構が、ビーム断面の光強度分布がガウシアン分布であるレーザビームを照射し、
前記制御部が、前記加工対象物の加工領域を、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対する前記レーザビームの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、前記レーザ光照射機構と前記位置調整機構とを制御して、前記分割した領域毎に前記レーザビームを走査して照射することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記レーザ光照射機構が、前記レーザビームのビーム断面形状を楕円形状とし、前記レーザビームの走査方向を、前記ビーム断面形状の長軸方向または短軸方向に一致させていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザ加工装置において、
前記制御部が、前記レーザビームの走査を行う際に、前記加工領域を前記レーザ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レーザビームを照射し、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ていくことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
加工対象物にレーザビームを照射して形状形成を行う加工方法であって、
前記加工対象物に前記レーザビームを照射すると共に走査するレーザ光照射工程と、
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、
ビーム断面の光強度分布がガウシアン分布である前記レーザビームを照射し、
前記加工対象物の加工領域を、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対する前記レーザビームの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、前記分割した領域毎に前記レーザビームを走査して照射することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１】
加工対象物にレーザビームを照射して形状形成を行う加工装置であって、
前記加工対象物に前記レーザビームを照射すると共に走査するレーザ光照射機構と、
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、
これら機構を制御する制御部と、を備え、
前記レーザ光照射機構が、ビーム断面の光強度分布がガウシアン分布であるレーザビームを照射し、
前記制御部が、前記加工対象物の加工領域を、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対する前記レーザビームの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、前記レーザ光照射機構と前記位置調整機構とを制御して、前記分割した領域毎に前記レーザビームを走査して照射することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工装置において、
前記レーザ光照射機構が、前記レーザビームのビーム断面形状を楕円形状とし、前記レーザビームの走査方向を、前記ビーム断面形状の長軸方向または短軸方向に一致させていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザ加工装置において、
前記制御部が、前記レーザビームの走査を行う際に、前記加工領域を前記レーザ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レーザビームを照射し、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ていくことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
加工対象物にレーザビームを照射して形状形成を行う加工方法であって、
前記加工対象物に前記レーザビームを照射すると共に走査するレーザ光照射工程と、
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、
ビーム断面の光強度分布がガウシアン分布である前記レーザビームを照射し、
前記加工対象物の加工領域を、加工前形状と設計上の加工後形状との両方において加工面に対する前記レーザビームの角度が５０°未満になる複数の領域に分割し、前記分割した領域毎に前記レーザビームを走査して照射することを特徴とするレーザ加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１４】
【図４】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１４】
【図４】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１６７３５（Ｐ２０１２−１６７３５Ａ）
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５６４１４（Ｐ２０１０−１５６４１４）
【出願日】平成２２年７月９日（２０１０．７．９）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月９日（２０１０．７．９）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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