レーザ加工装置及びレーザ加工方法
【課題】 回転体の平滑な加工面を容易に得ることができるレーザ加工装置及び方法を提供すること。
【解決手段】 加工対象物にレーザビームＬを照射して形状形成を行うレーザ加工装置であって、加工対象物を軸中心に回転させると共に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する位置調整機構と、加工対象物の外周面にレーザビームを集光して照射するレーザ光照射機構と、制御部とを備え、制御部が、位置調整機構及びレーザ光照射機構により、レーザビームの光軸に直交する仮想面Ｋに対して加工対象物の回転軸Ｏを傾斜させ、光軸を回転軸に対してねじれの位置に配した状態で加工対象物を回転させ、焦点位置と仮想面との距離を一定に維持したままレーザビームを加工対象物の外周面に照射させると共に回転軸に沿って揺動させて加工を行う。
【解決手段】 加工対象物にレーザビームＬを照射して形状形成を行うレーザ加工装置であって、加工対象物を軸中心に回転させると共に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する位置調整機構と、加工対象物の外周面にレーザビームを集光して照射するレーザ光照射機構と、制御部とを備え、制御部が、位置調整機構及びレーザ光照射機構により、レーザビームの光軸に直交する仮想面Ｋに対して加工対象物の回転軸Ｏを傾斜させ、光軸を回転軸に対してねじれの位置に配した状態で加工対象物を回転させ、焦点位置と仮想面との距離を一定に維持したままレーザビームを加工対象物の外周面に照射させると共に回転軸に沿って揺動させて加工を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円柱状または円筒状等の加工対象物を回転させながらレーザ加工する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】
従来、円柱状または円筒状の加工対象物を回転させながら加工する方法として、切削、研削工具を用いた旋盤加工がある。これは、微小寸法の脆性材料を加工する場合、μｍ単位の高い加工寸法精度を得ることが困難であることや、チッピング等の問題を生ずることがあり、これを解消できる加工方法としてレーザを用いた旋盤加工方法が開発されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、円柱状の加工対象物を中心軸の周りに回転させながら、比較的長い焦点距離のレンズにより集光したレーザ光の焦点が円柱状の加工対象物の側面に接するように照射して加工を行う方法や、円柱状の加工対象物を中心軸の周りに回転させながら、比較的短い焦点距離のレンズにより集光したレーザ光の光軸が加工対象物の表面に対して垂直に、かつレーザ光の焦点が加工対象物の表面となるように照射して加工を行う方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０８−１３２２５９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。
従来のレーザ加工を行った加工面の平滑性は、切削工具での加工と比較して悪く、面粗さの小さい加工面を得ることが困難であった。一方、光学部材や工具の切刃など、表面の平滑さが要求される製品に対しても、近年、レーザ加工が採用されてきている。そのため、レーザ加工による平滑仕上げが各所で試みられている。しかしながら、特許文献１の技術では、回転体の軸方向へのレーザ光の走査と、回転体の回転に伴って加工面に凹凸の大きい螺旋状の加工痕が発生してしまうため、平滑な加工面を得るためには同一箇所を繰り返しレーザ照射することで加工痕を低減する必要があり、加工時間の増加を招いていた。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、回転体の平滑な加工面を容易に得ることができるレーザ加工装置及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、円柱状、円筒状または外周面の少なくとも一部が断面円弧状とされた柱状若しくは棒状の加工対象物にレーザビームを照射して形状形成を行うレーザ加工装置であって、前記加工対象物を保持して軸中心に回転させると共に前記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機構と、前記加工対象物の外周面に前記レーザビームを集光して照射するレーザ光照射機構と、前記位置調整機構及び前記レーザ光照射機構を制御する制御部とを備え、前記制御部が、前記位置調整機構及び前記レーザ光照射機構により、前記レーザビームの光軸に直交する仮想面に対して前記加工対象物の回転軸を傾斜させ、前記レーザビームの光軸を前記回転軸に対してねじれの位置に配した状態で前記加工対象物を回転させ、前記レーザビームの焦点位置と前記仮想面との距離を一定に維持したまま前記レーザビームを前記加工対象物の外周面に照射させると共に前記回転軸に沿って揺動させてレーザ旋盤加工を行うことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のレーザ加工方法は、円柱状、円筒状または外周面の少なくとも一部が断面円弧状とされた柱状若しくは棒状の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、前記加工対象物を保持して軸中心に回転させると共に前記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、前記加工対象物の外周面に前記レーザビームを集光して照射するレーザ光照射工程とを有し、前記レーザビームの光軸に直交する仮想面に対して前記加工対象物の回転軸を傾斜させ、前記レーザビームの光軸を前記回転軸に対してねじれの位置に配した状態で前記加工対象物を回転させ、前記レーザビームの焦点位置と前記仮想面との距離を一定に維持したまま前記レーザビームを前記加工対象物の外周面に照射させると共に前記回転軸に沿って揺動させてレーザ旋盤加工を行うことを特徴とする。
【０００９】
これらのレーザ加工装置及びレーザ加工方法では、上記状態で加工対象物を回転させ、レーザビームの焦点位置と前記仮想面との距離を一定に維持したままレーザビームを加工対象物の外周面に照射させると共に前記回転軸に沿って揺動させてレーザ旋盤加工を行うので、揺動によりレーザ光の焦点位置と加工対象物の照射位置との距離が周期的に変動することで、加工対象物の照射位置におけるレーザ光のビーム形状が周期的に変化し、凹凸の小さい平滑な加工面を得ることができる。したがって、加工対象物の外周面に、螺旋状の加工痕が発生することを抑制することができ、面粗さの小さい加工面を短時間で得ることができる。
【００１０】
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焦点位置を前記加工対象物の加工面上における前記レーザビームの揺動範囲の中心位置に配することを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工装置では、制御部が、レーザビームの焦点位置を加工対象物の加工面上におけるレーザビームの揺動範囲の中心位置に配するので、揺動の中心位置で最もエネルギー密度が高い小径でレーザビームが照射されると共に揺動の両端部では、エネルギー密度の低い比較的大きな径でレーザビームが照射される。このため、揺動中心では深く大きな凹凸で加工対象物が加工されると共に揺動端部では、浅く小さな凹凸で加工対象物が加工される。したがって、揺動中心では大きく加工できると共に揺動幅全体としては滑らかな加工痕を得ることができる。
【００１１】
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、ガウシアン形状の断面光強度分布を有した前記レーザビームを照射することを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工装置では、レーザ光照射機構が、ガウシアン形状の断面光強度分布を有したレーザビームを照射するので、レーザビームの光軸を回転軸に対してねじれの位置に配した状態で加工対象物の外周面に対してレーザビームを照射する際（特に接線方向からレーザビームを照射した際）にビームの外周側のエネルギー密度が大きく低下しているガウシアン形状の断面光強度分布により加工面の面粗さがより小さくなる。
【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及びレーザ加工方法によれば、レーザビームの焦点位置と前記仮想面との距離を一定に維持したままレーザビームを加工対象物の外周面に照射させると共に前記回転軸に沿って揺動させてレーザ旋盤加工を行うので、螺旋状の加工痕の発生を抑制して凹凸の小さい平滑な加工面を短時間で得ることができる。したがって、簡易な装置構成で加工可能であり、加工面の平滑性が向上すると共に高い生産性が得られる。
例えば、本発明のレーザ加工装置及びレーザ加工方法は、ドリルやエンドミルの形態加工等の円柱または円筒に類する形状の金属元素の無機化合物や非金属元素の単体または化合物を主成分とする材料などの加工に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法の一実施形態において、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、回転軸に対する垂直断面において加工対象物とレーザビームの照射方向との位置関係を示す説明図である。
【図３】本実施形態において、正面（Ｙ方向）から見た加工対象物とレーザビームの揺動との位置関係を示す説明図である。
【図４】本実施形態において、加工対象物に照射されるレーザビーム径と揺動との関係を示す説明図である。
【図５】本実施形態において、揺動範囲における加工対象物でのレーザビームの照射状態（ａ）と加工状態（ｂ）とを示す図である。
【図６】本実施形態において、加工対象物の外周面に垂直にレーザビームを照射した場合（ａ）と外周面の接線方向からレーザビームを照射した場合（ｂ）についての加工状態を示す説明図である。
【図７】本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法の実施例において、揺動させた場合と揺動させない場合とにおける加工時間に対する加工面の面粗さを示すグラフである。
【図８】本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法の比較例において、レーザビームを揺動させない場合における加工後の加工対象物を示す拡大写真である。
【図９】本発明の実施例において、レーザビームを揺動させた場合における加工後の加工対象物を示す拡大写真である。
【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及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。
【００１５】
本実施形態のレーザ加工装置１は、図１に示すように、円柱状、円筒状または外周面の少なくとも一部が断面円弧状とされた柱状若しくは棒状の加工対象物Ｗにレーザビーム（レーザ光）Ｌを照射して形状形成を行うレーザ加工装置であって、加工対象物Ｗを保持して軸中心に回転させると共に加工対象物ＷとレーザビームＬとの相対的な位置関係を調整する位置調整機構２と、加工対象物Ｗの外周面にレーザビームＬを集光して照射するレーザ光照射機構３と、位置調整機構２及びレーザ光照射機構３を制御する制御部４とを備えている。
【００１６】
上記制御部４は、位置調整機構２及びレーザ光照射機構３により、図２及び図３に示すように、レーザビームＬの光軸ＬＡに直交する仮想面Ｋに対して加工対象物Ｗの回転軸Ｏを傾斜させ、レーザビームＬの光軸ＬＡを回転軸Ｏに対してねじれの位置に配した状態で加工対象物Ｗを回転させ、レーザビームＬの焦点位置と仮想面Ｋとの距離を一定に維持したままレーザビームＬを加工対象物Ｗの外周面（加工面）に照射させると共に回転軸Ｏに沿って揺動させてレーザ旋盤加工を行う機能を有している。
また、図２において、符号Ｗ０は、加工前の加工対象物Ｗの断面形状（加工前形態）を示し、符号Ｗ１は、加工目標の加工対象物Ｗの断面形状（加工目標形態）を示している。なお、図２は加工前形態Ｗ０が不均衡な略円柱形態である場合を示しており、そのような場合でも、加工後の加工対象物の形態は、加工対象物の回転軸とレーザビームの光軸ＬＡの位置関係、およびレーザビームＬの焦点位置により半径が決定される精度の高い円柱となることを表している。
【００１７】
上記加工対象物Ｗとしては、種々の材料で形成されたものが加工可能である。例えば、金属元素を主成分とする材料（単体金属、合金、金属間化合物など）、金属元素の無機化合物（酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物など）、非金属元素の単体または化合物（シリコン、ダイヤモンド、ｃＢＮなど）、有機化合物や有機金属化合物、あるいはそれらの微粒子を混合した焼結体などである。特に、本発明の効果を得るためには、金属元素の無機化合物や非金属元素の単体または化合物などが好ましい。すなわち、加工対象物Ｗが上記材料で構成されていると、金属元素を主成分とする材料や有機化合物などに比べてレーザ照射部の溶融が小さく、レーザ加工痕がはっきり現れるため、より高い平滑性の向上効果が得られるからである。なお、後述する実施例の加工対象物Ｗでは、円柱状のｃＢＮ焼結体が採用されている。
【００１８】
上記位置調整機構２は、水平面に平行なかつ互いに直交するＸ方向及びＹ方向に移動可能なＸＹステージ部５と、該ＸＹステージ部５上に設けられ水平面に対しての加工対象物Ｗの設置面を任意の角度θ１で傾斜可能なゴニオステージ部６と、該ゴニオステージ部６上に設けられ加工対象物Ｗを保持して回転可能なモータ等の回転機構７が固定されていると共に傾斜方向に移動可能な１軸ステージ部８とで構成されている。
なお、図中、上記のＸ，Ｙ方向及びこれらに直交するＺ方向に対して、角度θ１で水平面に対して傾斜した回転軸Ｏの延在方向をＸθ方向とし、これに直交する水平方向をＹθとし、これらに直交する方向をＺθ方向として記載している。
【００１９】
上記レーザ光照射機構３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レーザ光源９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１０と、保持された加工対象物Ｗの加工位置を確認するために撮像するＣＣＤカメラ１１とを備えている。なお、ガルバノスキャナ１０の直下には、レーザビームＬをスポット状に集光する光学系（集光光学系）（図示略）が設置されている。
【００２０】
上記レーザ光源９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、例えば後述する実施例では、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１０及び集光光学系は、位置調整機構２の直上に配置されている。また、上記ＣＣＤカメラ１１は、ガルバノスキャナ１０及び集光光学系に隣接して設置されている。
【００２１】
上記制御部４は、位置調整機構２とレーザ光照射機構３とを制御して加工対象物ＷとレーザビームＬとの相対的な位置関係を調整する機能を有している。すなわち、制御部４は、レーザ旋盤加工を行うために、図２から図４に示すように、レーザビームＬの光軸ＬＡを加工対象物Ｗの回転軸Ｏに対してねじれの位置に配する位置調整を行うと共にレーザビームＬを照射しつつ揺動させる。この揺動は、焦点位置Ｐ１の高さを維持したままレーザビームＬを光軸ＬＡに対して垂直な方向に一定の幅で繰り返し往復させて走査させる動作である。
【００２２】
例えば、制御部４は、上記レーザ旋盤加工を行う際にＸＹステージ部５や１軸ステージ８を動かし、図２に示すようにレーザビームＬの焦点を加工対象物Ｗの加工目標形態Ｗ１の表面とし、かつ、レーザビームＬの照射点における加工目標形態Ｗ１の外周面の法線ＨとレーザビームＬの光軸ＬＡとの角度θ２が予め設定した値となる位置へ加工対象物を移動する。なお、制御部４はＸＹステージ部５を動かす代わりに、ガルバノスキャナ１０及び集光光学系のミラーの操作によりレーザビームＬの光軸ＬＡを動かすことで同様の位置調整を行っても良い。
角度θ２の値は次のように設定する。一般に、レーザビームを加工対象物の傾斜面に照射する場合、加工対象物のレーザ照射部における傾斜面の法線とレーザビームの光軸のなす角θがある一定の大きさを超えると、加工対象物表面へ照射されるレーザビームのエネルギー密度（ｃｏｓθに比例）が加工対象物の加工閾値を下回り、加工が進行しなくなる。そのときの角度を、加工限界角と定義する。そのため、レーザ旋盤加工において、レーザビームＬの照射点Ｐ２における加工目標形態Ｗ１の外周面の法線ＨとレーザビームＬの光軸ＬＡとの角度θ２を加工限界角に設定し、十分な時間レーザ加工を行った場合、加工対象物Ｗの形態は加工目標形態Ｗ１に一致することになる。また、その際に加工対象物Ｗの実際の加工後の形態は加工前形態Ｗ０にはほとんど影響されない。なお、加工限界角は、レーザビームの種類やエネルギー密度、加工対象物の材種などの組み合わせによって変化するため、予め実験により調べておく必要がある。
【００２３】
また、揺動による加工面の平滑化の効果を得ながら、最も大きなレーザ加工速度を得るためには、揺動の全ての領域において加工対象物Ｗに照射されるレーザビームＬを、レーザ光によりアブレーション反応が生じるエネルギー密度の下限以上とすれば良い。また、加工対象物Ｗの材料種類に応じて、レーザ光によりアブレーション反応が生じるエネルギー密度の下限未満であってアブレーション反応は生じないが溶融が生じるエネルギー密度の下限以上の領域にレーザビームＬのエネルギー密度を設定して表面を溶融させることで面粗さを低減させる効果が得られる場合もある。
【００２４】
このレーザ加工装置１を用いた本実施形態のレーザ加工方法は、図２および図３の（ｂ）に示すように、レーザビームＬの光軸ＬＡを加工対象物Ｗの回転軸Ｏに対してねじれの位置に配した状態で加工対象物Ｗを回転させ、レーザビームＬを加工対象物Ｗの外周面に照射させるレーザ旋盤加工を行う。
【００２５】
このレーザ旋盤加工を行う際、制御部４は、レーザビームＬの光軸ＬＡに直交する仮想面Ｋに対して加工対象物Ｗの回転軸Ｏを傾斜させ、レーザビームＬの光軸ＬＡを回転軸Ｏに対してねじれの位置に配した状態で加工対象物Ｗを回転させ、レーザビームＬの焦点位置Ｐ１と仮想面Ｋとの距離を一定に維持したままレーザビームＬを加工対象物Ｗの外周面に照射させると共に回転軸Ｏに沿って揺動させてレーザ旋盤加工を行う。
また、制御部４は、レーザビームＬの焦点位置Ｐ１を加工対象物Ｗの加工面上におけるレーザビームＬの揺動範囲の中心位置に配する。
【００２６】
すなわち、図４及び図５の（ａ）に示すように、焦点位置Ｐ１に一致している揺動範囲の中心位置で最もエネルギー密度が高い小径でレーザビームＬが照射されると共に、焦点位置Ｐ１から離間した揺動の両端部では、エネルギー密度の低い比較的な大きな径でレーザビームＬが照射される。このため、図５の（ｂ）に示すように、揺動範囲の中心位置では深く大きな凹凸で加工対象物Ｗが加工されると共に揺動端部では、浅く小さな凹凸で加工対象物Ｗが加工される。したがって、揺動中心では大きく加工できると共に揺動幅全体としては滑らかな加工痕を得ることができる。
【００２７】
このようにレーザビームＬが揺動するため、局所的なレーザ照射部において焦点位置Ｐ１からの距離が変化するため、パルス照射されるレーザビームＬのパルス毎の加工痕（パルス痕）の形状も揺動範囲で変化し、全体としてランダムなパルス痕が分散する結果、加工面の凹凸が小さく、均等化される。
【００２８】
なお、レーザビームＬの繰り返し周波数と揺動時の走査速度とで決定されるレーザビームＬのパルス間距離δは、図５の（ａ）に示すように、パルス照射され加工面上で隣接するレーザビームＬのビーム径が互いに一部重なるように設定される。
さらに、上記揺動時の走査速度と加工対象物Ｗの回転速度は、揺動するレーザビームＬによる加工面上のビーム径が、揺動の往復時で互いに一部重なるように設定される。すなわち、上記揺動速度は、上記回転速度に比べて十分に早い速度に設定される。なお、レーザビームＬの走査速度は、一定でなくても構わず、揺動に合わせて周期的に変化させても構わない。
【００２９】
また、上記レーザ光照射機構３は、ガウシアン形状の断面光強度分布を有した基本モード（ＴＥＭ００）のレーザビームＬを照射する。このようなレーザビームＬを用いる理由は、図６の（ａ）に示すように、レーザビームＬの光軸ＬＡを加工対象物Ｗの回転軸Ｏに対して垂直に配した場合（加工面に垂直に照射した場合）、１つのパルスによる加工痕が断面Ｕ字型の鋭利な形状になってしまい加工面の凹凸が大きくなるのに対し、レーザビームＬの光軸ＬＡを加工対象物Ｗの回転軸Ｏに対してねじれの位置に配した場合、特に加工面の接線方向から照射した場合、幅が広く浅い加工面となり加工面の凹凸が小さいためである。
【００３０】
また、レーザビームＬの照射位置は、図２に示すように、レーザビームＬが加工対象物Ｗの加工目標形態Ｗ１の接線付近となる位置Ｐ２に設定する。Ｐ２は、レーザビームＬの光軸ＬＡと加工目標形態Ｗ１のＰ２における法線とのなす角が加工限界角となる位置である。
【００３１】
上述したように、本実施形態のレーザ加工装置１及びレーザ加工方法では、上記状態で加工対象物Ｗを回転させ、レーザビームＬの焦点位置Ｐ１と仮想面Ｋとの距離を一定に維持したままレーザビームＬを加工対象物Ｗの外周面に照射させると共に回転軸Ｏに沿って揺動させてレーザ旋盤加工を行うので、揺動によりレーザビームＬの焦点位置Ｐ１と加工対象物Ｗの照射位置との距離が周期的に変動することで、加工対象物Ｗの照射位置におけるレーザビームＬのビーム形状が周期的に変化し、凹凸の小さい平滑な加工面を得ることができる。したがって、加工対象物Ｗの外周面に、螺旋状の加工痕が発生することを抑制することができ、面粗さの小さい加工面を短時間で得ることができる。
【００３２】
また、制御部４が、レーザビームＬの焦点位置Ｐ１を加工対象物Ｗの加工面上におけるレーザビームＬの揺動範囲の中心位置に配するので、揺動中心では大きく加工できると共に揺動幅全体としては滑らかな加工痕を得ることができる。
さらに、レーザ光照射機構３が、ガウシアン形状の断面光強度分布を有したレーザビームＬを照射するので、レーザビームＬの外周側のエネルギー密度が大きく低下しているガウシアン形状の断面光強度分布により加工面の面粗さがより小さくなる。
【実施例】
【００３３】
次に、上記実施形態のレーザ加工装置を用いて実際に円柱形状のｃＢＮのトリミング加工（外径寸法の変更）を行い、その加工面の状態を評価した結果を示す。
なお、トリミング前の外径は６００μｍであり、トリミング後の外径は５００μｍである。この際の加工設定条件を以下に示す。
【００３４】
＜加工設定条件＞
・レーザ光波長：３５５ｎｍ
・レーザビームの繰り返し周波数：１６６ｋＨｚ
・レーザビームのビーム径（焦点位置）ｄ：１２．５μｍ
・レーザビーム焦点におけるエネルギー密度（単位面積、単位パルス当たり）：１９ｍＪ／ｍｍ２
・レーザビームの揺動の走査速度：５８０ｍｍ／ｓ（一定）
・加工対象物の材種：ｃＢＮ焼結体
・加工対象物の回転速度：１８０°／ｓ
・加工対象物の軸方向移動速度：４０μｍ／ｓ
・加工対象物の傾斜角θ：４５°
・パルス間距離δ：５μｍ
・揺動幅Δ：１００μｍ
【００３５】
なお、図４に示す隣り合うパルス間の距離δ（パルス照射されるレーザビームによってパルス毎に生じる隣接する加工痕の中心の間隔）は、上記条件により、
δ＝（（５８０×１０００）／（１６６×１０００））／ｃｏｓ４５°≒５μｍ
となり、δ≒０．４ｄ（ｄ：ビーム径）となる。
また、揺動幅Δ＝１００μｍ、加工対象物の傾斜角θ＝４５°により、回転軸方向の揺動幅ΔＡは約１４１μｍとなる。加工対象物Ｗの３６０°回転時の軸方向の移動量ｐは８０μｍであるため、ｐ＝０．５７ΔＡとなる。
【００３６】
なお、上記パルス間の距離δは、焦点位置Ｐ１におけるビーム径ｄに対し、０．２５ｄ≦δ≦０．７５ｄとなるように設定しており、揺動による平滑化の効果を最大化するためにはこの範囲に設定することが望ましい。パルス間の距離δは、レーザビームＬの繰り返しをαｋＨｚ、レーザビームＬに対する加工対象物Ｗの回転軸Ｏの傾斜角をθ［°］、揺動の走査速度をｖ［ｍｍ／ｓ］とすると
δ＝（１０００・ｖ）／（α・ｃｏｓθ）［μｍ］
として得られる。このとき、加工対象物Ｗの回転軸方向の送り速度と、加工対象物Ｗの回転により発生する表面速度については、レーザビームＬの揺動速度に比べて十分に小さいとして無視する。
【００３７】
また、加工対象物Ｗが３６０°回転する間の、レーザ照射点（揺動走査の中心点）の回転軸方向の送り量ｐは、回転軸方向の揺動幅ΔＡに対し、０．２５ΔＡ≦ｐ≦０．７５ΔＡとなるよう設定しており、揺動による平滑化の効果を最大化するためにはこの範囲に設定することが望ましい。なお、レーザ照射点の回転軸方向の送りは連続かつ一定速度とし、１軸ステージ部８にて行う。
【００３８】
このように設定した条件で本発明の実施例の加工を行ったが、本発明の比較例として、上記加工条件に対してレーザビームＬの揺動を行わない場合についても同様に円柱形状のｃＢＮのトリミング加工（外径寸法の変更）を行い、その加工面の状態を評価した。なお、揺動させない点以外は、上記本実施例と同様の加工条件に設定した。
【００３９】
これらの揺動させた場合（本実施例）と揺動させない場合（比較例）とにおける加工時間と加工面の面粗さＲａとの関係を測定した結果を図７に示す。この測定には、レーザ顕微鏡を用いて面粗さＲａを計測した。
これらの測定結果からわかるように、レーザビームＬの揺動を行わない比較例では、加工時間に対して面粗さＲａの低下度合いが小さく、１０分加工後でも面粗さＲａが０．２程度であるのに対し、本発明の実施例では、短い加工時間で面粗さＲａが大きく低下し、５分程度で最小値（面粗さＲａ：約０．０４μｍ）まで達している。
【００４０】
また、レーザビームＬを揺動させた場合（本実施例）と揺動させない場合（比較例）とにおける加工後の加工対象物Ｗの拡大写真を図８及び図９に示す。
これらの写真からわかるように、レーザビームＬを揺動させない場合（比較例）では、表面に螺旋状の加工痕が発生して凹凸が大きいのに対し、レーザビームＬを揺動させた場合（本実施例）では、螺旋状の加工痕が無く、外周面全体にわたって均一で平滑な表面状態が確認できる。
【００４１】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び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。
【００４２】
例えば、上記実施形態では、加工対象物として円柱状のものを用いたが、円柱状の他に、円筒状または外周面の少なくとも一部が断面円弧状とされた柱状若しくは棒状のものが採用可能である。例えば、半割円柱状（軸方向から見て半円状の柱形状）や円柱形状の外周面に複数のスリットが軸方向に沿って形成された略円柱状などの円柱または円筒に類する形状の加工対象物にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１…レーザ加工装置、２…位置調整機構、３…レーザ光照射機構、４…制御部、Ｋ…レーザビームの光軸に直交する仮想面、Ｌ…レーザビーム、ＬＡ…レーザビームの光軸、Ｏ…加工対象物の回転軸、Ｐ１…レーザビームの焦点位置、Ｗ…加工対象物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円柱状または円筒状等の加工対象物を回転させながらレーザ加工する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】
従来、円柱状または円筒状の加工対象物を回転させながら加工する方法として、切削、研削工具を用いた旋盤加工がある。これは、微小寸法の脆性材料を加工する場合、μｍ単位の高い加工寸法精度を得ることが困難であることや、チッピング等の問題を生ずることがあり、これを解消できる加工方法としてレーザを用いた旋盤加工方法が開発されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、円柱状の加工対象物を中心軸の周りに回転させながら、比較的長い焦点距離のレンズにより集光したレーザ光の焦点が円柱状の加工対象物の側面に接するように照射して加工を行う方法や、円柱状の加工対象物を中心軸の周りに回転させながら、比較的短い焦点距離のレンズにより集光したレーザ光の光軸が加工対象物の表面に対して垂直に、かつレーザ光の焦点が加工対象物の表面となるように照射して加工を行う方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０８−１３２２５９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。
従来のレーザ加工を行った加工面の平滑性は、切削工具での加工と比較して悪く、面粗さの小さい加工面を得ることが困難であった。一方、光学部材や工具の切刃など、表面の平滑さが要求される製品に対しても、近年、レーザ加工が採用されてきている。そのため、レーザ加工による平滑仕上げが各所で試みられている。しかしながら、特許文献１の技術では、回転体の軸方向へのレーザ光の走査と、回転体の回転に伴って加工面に凹凸の大きい螺旋状の加工痕が発生してしまうため、平滑な加工面を得るためには同一箇所を繰り返しレーザ照射することで加工痕を低減する必要があり、加工時間の増加を招いていた。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、回転体の平滑な加工面を容易に得ることができるレーザ加工装置及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、円柱状、円筒状または外周面の少なくとも一部が断面円弧状とされた柱状若しくは棒状の加工対象物にレーザビームを照射して形状形成を行うレーザ加工装置であって、前記加工対象物を保持して軸中心に回転させると共に前記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機構と、前記加工対象物の外周面に前記レーザビームを集光して照射するレーザ光照射機構と、前記位置調整機構及び前記レーザ光照射機構を制御する制御部とを備え、前記制御部が、前記位置調整機構及び前記レーザ光照射機構により、前記レーザビームの光軸に直交する仮想面に対して前記加工対象物の回転軸を傾斜させ、前記レーザビームの光軸を前記回転軸に対してねじれの位置に配した状態で前記加工対象物を回転させ、前記レーザビームの焦点位置と前記仮想面との距離を一定に維持したまま前記レーザビームを前記加工対象物の外周面に照射させると共に前記回転軸に沿って揺動させてレーザ旋盤加工を行うことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のレーザ加工方法は、円柱状、円筒状または外周面の少なくとも一部が断面円弧状とされた柱状若しくは棒状の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、前記加工対象物を保持して軸中心に回転させると共に前記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、前記加工対象物の外周面に前記レーザビームを集光して照射するレーザ光照射工程とを有し、前記レーザビームの光軸に直交する仮想面に対して前記加工対象物の回転軸を傾斜させ、前記レーザビームの光軸を前記回転軸に対してねじれの位置に配した状態で前記加工対象物を回転させ、前記レーザビームの焦点位置と前記仮想面との距離を一定に維持したまま前記レーザビームを前記加工対象物の外周面に照射させると共に前記回転軸に沿って揺動させてレーザ旋盤加工を行うことを特徴とする。
【０００９】
これらのレーザ加工装置及びレーザ加工方法では、上記状態で加工対象物を回転させ、レーザビームの焦点位置と前記仮想面との距離を一定に維持したままレーザビームを加工対象物の外周面に照射させると共に前記回転軸に沿って揺動させてレーザ旋盤加工を行うので、揺動によりレーザ光の焦点位置と加工対象物の照射位置との距離が周期的に変動することで、加工対象物の照射位置におけるレーザ光のビーム形状が周期的に変化し、凹凸の小さい平滑な加工面を得ることができる。したがって、加工対象物の外周面に、螺旋状の加工痕が発生することを抑制することができ、面粗さの小さい加工面を短時間で得ることができる。
【００１０】
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焦点位置を前記加工対象物の加工面上における前記レーザビームの揺動範囲の中心位置に配することを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工装置では、制御部が、レーザビームの焦点位置を加工対象物の加工面上におけるレーザビームの揺動範囲の中心位置に配するので、揺動の中心位置で最もエネルギー密度が高い小径でレーザビームが照射されると共に揺動の両端部では、エネルギー密度の低い比較的大きな径でレーザビームが照射される。このため、揺動中心では深く大きな凹凸で加工対象物が加工されると共に揺動端部では、浅く小さな凹凸で加工対象物が加工される。したがって、揺動中心では大きく加工できると共に揺動幅全体としては滑らかな加工痕を得ることができる。
【００１１】
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、ガウシアン形状の断面光強度分布を有した前記レーザビームを照射することを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工装置では、レーザ光照射機構が、ガウシアン形状の断面光強度分布を有したレーザビームを照射するので、レーザビームの光軸を回転軸に対してねじれの位置に配した状態で加工対象物の外周面に対してレーザビームを照射する際（特に接線方向からレーザビームを照射した際）にビームの外周側のエネルギー密度が大きく低下しているガウシアン形状の断面光強度分布により加工面の面粗さがより小さくなる。
【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及びレーザ加工方法によれば、レーザビームの焦点位置と前記仮想面との距離を一定に維持したままレーザビームを加工対象物の外周面に照射させると共に前記回転軸に沿って揺動させてレーザ旋盤加工を行うので、螺旋状の加工痕の発生を抑制して凹凸の小さい平滑な加工面を短時間で得ることができる。したがって、簡易な装置構成で加工可能であり、加工面の平滑性が向上すると共に高い生産性が得られる。
例えば、本発明のレーザ加工装置及びレーザ加工方法は、ドリルやエンドミルの形態加工等の円柱または円筒に類する形状の金属元素の無機化合物や非金属元素の単体または化合物を主成分とする材料などの加工に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法の一実施形態において、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、回転軸に対する垂直断面において加工対象物とレーザビームの照射方向との位置関係を示す説明図である。
【図３】本実施形態において、正面（Ｙ方向）から見た加工対象物とレーザビームの揺動との位置関係を示す説明図である。
【図４】本実施形態において、加工対象物に照射されるレーザビーム径と揺動との関係を示す説明図である。
【図５】本実施形態において、揺動範囲における加工対象物でのレーザビームの照射状態（ａ）と加工状態（ｂ）とを示す図である。
【図６】本実施形態において、加工対象物の外周面に垂直にレーザビームを照射した場合（ａ）と外周面の接線方向からレーザビームを照射した場合（ｂ）についての加工状態を示す説明図である。
【図７】本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法の実施例において、揺動させた場合と揺動させない場合とにおける加工時間に対する加工面の面粗さを示すグラフである。
【図８】本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法の比較例において、レーザビームを揺動させない場合における加工後の加工対象物を示す拡大写真である。
【図９】本発明の実施例において、レーザビームを揺動させた場合における加工後の加工対象物を示す拡大写真である。
【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及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。
【００１５】
本実施形態のレーザ加工装置１は、図１に示すように、円柱状、円筒状または外周面の少なくとも一部が断面円弧状とされた柱状若しくは棒状の加工対象物Ｗにレーザビーム（レーザ光）Ｌを照射して形状形成を行うレーザ加工装置であって、加工対象物Ｗを保持して軸中心に回転させると共に加工対象物ＷとレーザビームＬとの相対的な位置関係を調整する位置調整機構２と、加工対象物Ｗの外周面にレーザビームＬを集光して照射するレーザ光照射機構３と、位置調整機構２及びレーザ光照射機構３を制御する制御部４とを備えている。
【００１６】
上記制御部４は、位置調整機構２及びレーザ光照射機構３により、図２及び図３に示すように、レーザビームＬの光軸ＬＡに直交する仮想面Ｋに対して加工対象物Ｗの回転軸Ｏを傾斜させ、レーザビームＬの光軸ＬＡを回転軸Ｏに対してねじれの位置に配した状態で加工対象物Ｗを回転させ、レーザビームＬの焦点位置と仮想面Ｋとの距離を一定に維持したままレーザビームＬを加工対象物Ｗの外周面（加工面）に照射させると共に回転軸Ｏに沿って揺動させてレーザ旋盤加工を行う機能を有している。
また、図２において、符号Ｗ０は、加工前の加工対象物Ｗの断面形状（加工前形態）を示し、符号Ｗ１は、加工目標の加工対象物Ｗの断面形状（加工目標形態）を示している。なお、図２は加工前形態Ｗ０が不均衡な略円柱形態である場合を示しており、そのような場合でも、加工後の加工対象物の形態は、加工対象物の回転軸とレーザビームの光軸ＬＡの位置関係、およびレーザビームＬの焦点位置により半径が決定される精度の高い円柱となることを表している。
【００１７】
上記加工対象物Ｗとしては、種々の材料で形成されたものが加工可能である。例えば、金属元素を主成分とする材料（単体金属、合金、金属間化合物など）、金属元素の無機化合物（酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物など）、非金属元素の単体または化合物（シリコン、ダイヤモンド、ｃＢＮなど）、有機化合物や有機金属化合物、あるいはそれらの微粒子を混合した焼結体などである。特に、本発明の効果を得るためには、金属元素の無機化合物や非金属元素の単体または化合物などが好ましい。すなわち、加工対象物Ｗが上記材料で構成されていると、金属元素を主成分とする材料や有機化合物などに比べてレーザ照射部の溶融が小さく、レーザ加工痕がはっきり現れるため、より高い平滑性の向上効果が得られるからである。なお、後述する実施例の加工対象物Ｗでは、円柱状のｃＢＮ焼結体が採用されている。
【００１８】
上記位置調整機構２は、水平面に平行なかつ互いに直交するＸ方向及びＹ方向に移動可能なＸＹステージ部５と、該ＸＹステージ部５上に設けられ水平面に対しての加工対象物Ｗの設置面を任意の角度θ１で傾斜可能なゴニオステージ部６と、該ゴニオステージ部６上に設けられ加工対象物Ｗを保持して回転可能なモータ等の回転機構７が固定されていると共に傾斜方向に移動可能な１軸ステージ部８とで構成されている。
なお、図中、上記のＸ，Ｙ方向及びこれらに直交するＺ方向に対して、角度θ１で水平面に対して傾斜した回転軸Ｏの延在方向をＸθ方向とし、これに直交する水平方向をＹθとし、これらに直交する方向をＺθ方向として記載している。
【００１９】
上記レーザ光照射機構３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レーザ光源９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１０と、保持された加工対象物Ｗの加工位置を確認するために撮像するＣＣＤカメラ１１とを備えている。なお、ガルバノスキャナ１０の直下には、レーザビームＬをスポット状に集光する光学系（集光光学系）（図示略）が設置されている。
【００２０】
上記レーザ光源９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、例えば後述する実施例では、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１０及び集光光学系は、位置調整機構２の直上に配置されている。また、上記ＣＣＤカメラ１１は、ガルバノスキャナ１０及び集光光学系に隣接して設置されている。
【００２１】
上記制御部４は、位置調整機構２とレーザ光照射機構３とを制御して加工対象物ＷとレーザビームＬとの相対的な位置関係を調整する機能を有している。すなわち、制御部４は、レーザ旋盤加工を行うために、図２から図４に示すように、レーザビームＬの光軸ＬＡを加工対象物Ｗの回転軸Ｏに対してねじれの位置に配する位置調整を行うと共にレーザビームＬを照射しつつ揺動させる。この揺動は、焦点位置Ｐ１の高さを維持したままレーザビームＬを光軸ＬＡに対して垂直な方向に一定の幅で繰り返し往復させて走査させる動作である。
【００２２】
例えば、制御部４は、上記レーザ旋盤加工を行う際にＸＹステージ部５や１軸ステージ８を動かし、図２に示すようにレーザビームＬの焦点を加工対象物Ｗの加工目標形態Ｗ１の表面とし、かつ、レーザビームＬの照射点における加工目標形態Ｗ１の外周面の法線ＨとレーザビームＬの光軸ＬＡとの角度θ２が予め設定した値となる位置へ加工対象物を移動する。なお、制御部４はＸＹステージ部５を動かす代わりに、ガルバノスキャナ１０及び集光光学系のミラーの操作によりレーザビームＬの光軸ＬＡを動かすことで同様の位置調整を行っても良い。
角度θ２の値は次のように設定する。一般に、レーザビームを加工対象物の傾斜面に照射する場合、加工対象物のレーザ照射部における傾斜面の法線とレーザビームの光軸のなす角θがある一定の大きさを超えると、加工対象物表面へ照射されるレーザビームのエネルギー密度（ｃｏｓθに比例）が加工対象物の加工閾値を下回り、加工が進行しなくなる。そのときの角度を、加工限界角と定義する。そのため、レーザ旋盤加工において、レーザビームＬの照射点Ｐ２における加工目標形態Ｗ１の外周面の法線ＨとレーザビームＬの光軸ＬＡとの角度θ２を加工限界角に設定し、十分な時間レーザ加工を行った場合、加工対象物Ｗの形態は加工目標形態Ｗ１に一致することになる。また、その際に加工対象物Ｗの実際の加工後の形態は加工前形態Ｗ０にはほとんど影響されない。なお、加工限界角は、レーザビームの種類やエネルギー密度、加工対象物の材種などの組み合わせによって変化するため、予め実験により調べておく必要がある。
【００２３】
また、揺動による加工面の平滑化の効果を得ながら、最も大きなレーザ加工速度を得るためには、揺動の全ての領域において加工対象物Ｗに照射されるレーザビームＬを、レーザ光によりアブレーション反応が生じるエネルギー密度の下限以上とすれば良い。また、加工対象物Ｗの材料種類に応じて、レーザ光によりアブレーション反応が生じるエネルギー密度の下限未満であってアブレーション反応は生じないが溶融が生じるエネルギー密度の下限以上の領域にレーザビームＬのエネルギー密度を設定して表面を溶融させることで面粗さを低減させる効果が得られる場合もある。
【００２４】
このレーザ加工装置１を用いた本実施形態のレーザ加工方法は、図２および図３の（ｂ）に示すように、レーザビームＬの光軸ＬＡを加工対象物Ｗの回転軸Ｏに対してねじれの位置に配した状態で加工対象物Ｗを回転させ、レーザビームＬを加工対象物Ｗの外周面に照射させるレーザ旋盤加工を行う。
【００２５】
このレーザ旋盤加工を行う際、制御部４は、レーザビームＬの光軸ＬＡに直交する仮想面Ｋに対して加工対象物Ｗの回転軸Ｏを傾斜させ、レーザビームＬの光軸ＬＡを回転軸Ｏに対してねじれの位置に配した状態で加工対象物Ｗを回転させ、レーザビームＬの焦点位置Ｐ１と仮想面Ｋとの距離を一定に維持したままレーザビームＬを加工対象物Ｗの外周面に照射させると共に回転軸Ｏに沿って揺動させてレーザ旋盤加工を行う。
また、制御部４は、レーザビームＬの焦点位置Ｐ１を加工対象物Ｗの加工面上におけるレーザビームＬの揺動範囲の中心位置に配する。
【００２６】
すなわち、図４及び図５の（ａ）に示すように、焦点位置Ｐ１に一致している揺動範囲の中心位置で最もエネルギー密度が高い小径でレーザビームＬが照射されると共に、焦点位置Ｐ１から離間した揺動の両端部では、エネルギー密度の低い比較的な大きな径でレーザビームＬが照射される。このため、図５の（ｂ）に示すように、揺動範囲の中心位置では深く大きな凹凸で加工対象物Ｗが加工されると共に揺動端部では、浅く小さな凹凸で加工対象物Ｗが加工される。したがって、揺動中心では大きく加工できると共に揺動幅全体としては滑らかな加工痕を得ることができる。
【００２７】
このようにレーザビームＬが揺動するため、局所的なレーザ照射部において焦点位置Ｐ１からの距離が変化するため、パルス照射されるレーザビームＬのパルス毎の加工痕（パルス痕）の形状も揺動範囲で変化し、全体としてランダムなパルス痕が分散する結果、加工面の凹凸が小さく、均等化される。
【００２８】
なお、レーザビームＬの繰り返し周波数と揺動時の走査速度とで決定されるレーザビームＬのパルス間距離δは、図５の（ａ）に示すように、パルス照射され加工面上で隣接するレーザビームＬのビーム径が互いに一部重なるように設定される。
さらに、上記揺動時の走査速度と加工対象物Ｗの回転速度は、揺動するレーザビームＬによる加工面上のビーム径が、揺動の往復時で互いに一部重なるように設定される。すなわち、上記揺動速度は、上記回転速度に比べて十分に早い速度に設定される。なお、レーザビームＬの走査速度は、一定でなくても構わず、揺動に合わせて周期的に変化させても構わない。
【００２９】
また、上記レーザ光照射機構３は、ガウシアン形状の断面光強度分布を有した基本モード（ＴＥＭ００）のレーザビームＬを照射する。このようなレーザビームＬを用いる理由は、図６の（ａ）に示すように、レーザビームＬの光軸ＬＡを加工対象物Ｗの回転軸Ｏに対して垂直に配した場合（加工面に垂直に照射した場合）、１つのパルスによる加工痕が断面Ｕ字型の鋭利な形状になってしまい加工面の凹凸が大きくなるのに対し、レーザビームＬの光軸ＬＡを加工対象物Ｗの回転軸Ｏに対してねじれの位置に配した場合、特に加工面の接線方向から照射した場合、幅が広く浅い加工面となり加工面の凹凸が小さいためである。
【００３０】
また、レーザビームＬの照射位置は、図２に示すように、レーザビームＬが加工対象物Ｗの加工目標形態Ｗ１の接線付近となる位置Ｐ２に設定する。Ｐ２は、レーザビームＬの光軸ＬＡと加工目標形態Ｗ１のＰ２における法線とのなす角が加工限界角となる位置である。
【００３１】
上述したように、本実施形態のレーザ加工装置１及びレーザ加工方法では、上記状態で加工対象物Ｗを回転させ、レーザビームＬの焦点位置Ｐ１と仮想面Ｋとの距離を一定に維持したままレーザビームＬを加工対象物Ｗの外周面に照射させると共に回転軸Ｏに沿って揺動させてレーザ旋盤加工を行うので、揺動によりレーザビームＬの焦点位置Ｐ１と加工対象物Ｗの照射位置との距離が周期的に変動することで、加工対象物Ｗの照射位置におけるレーザビームＬのビーム形状が周期的に変化し、凹凸の小さい平滑な加工面を得ることができる。したがって、加工対象物Ｗの外周面に、螺旋状の加工痕が発生することを抑制することができ、面粗さの小さい加工面を短時間で得ることができる。
【００３２】
また、制御部４が、レーザビームＬの焦点位置Ｐ１を加工対象物Ｗの加工面上におけるレーザビームＬの揺動範囲の中心位置に配するので、揺動中心では大きく加工できると共に揺動幅全体としては滑らかな加工痕を得ることができる。
さらに、レーザ光照射機構３が、ガウシアン形状の断面光強度分布を有したレーザビームＬを照射するので、レーザビームＬの外周側のエネルギー密度が大きく低下しているガウシアン形状の断面光強度分布により加工面の面粗さがより小さくなる。
【実施例】
【００３３】
次に、上記実施形態のレーザ加工装置を用いて実際に円柱形状のｃＢＮのトリミング加工（外径寸法の変更）を行い、その加工面の状態を評価した結果を示す。
なお、トリミング前の外径は６００μｍであり、トリミング後の外径は５００μｍである。この際の加工設定条件を以下に示す。
【００３４】
＜加工設定条件＞
・レーザ光波長：３５５ｎｍ
・レーザビームの繰り返し周波数：１６６ｋＨｚ
・レーザビームのビーム径（焦点位置）ｄ：１２．５μｍ
・レーザビーム焦点におけるエネルギー密度（単位面積、単位パルス当たり）：１９ｍＪ／ｍｍ２
・レーザビームの揺動の走査速度：５８０ｍｍ／ｓ（一定）
・加工対象物の材種：ｃＢＮ焼結体
・加工対象物の回転速度：１８０°／ｓ
・加工対象物の軸方向移動速度：４０μｍ／ｓ
・加工対象物の傾斜角θ：４５°
・パルス間距離δ：５μｍ
・揺動幅Δ：１００μｍ
【００３５】
なお、図４に示す隣り合うパルス間の距離δ（パルス照射されるレーザビームによってパルス毎に生じる隣接する加工痕の中心の間隔）は、上記条件により、
δ＝（（５８０×１０００）／（１６６×１０００））／ｃｏｓ４５°≒５μｍ
となり、δ≒０．４ｄ（ｄ：ビーム径）となる。
また、揺動幅Δ＝１００μｍ、加工対象物の傾斜角θ＝４５°により、回転軸方向の揺動幅ΔＡは約１４１μｍとなる。加工対象物Ｗの３６０°回転時の軸方向の移動量ｐは８０μｍであるため、ｐ＝０．５７ΔＡとなる。
【００３６】
なお、上記パルス間の距離δは、焦点位置Ｐ１におけるビーム径ｄに対し、０．２５ｄ≦δ≦０．７５ｄとなるように設定しており、揺動による平滑化の効果を最大化するためにはこの範囲に設定することが望ましい。パルス間の距離δは、レーザビームＬの繰り返しをαｋＨｚ、レーザビームＬに対する加工対象物Ｗの回転軸Ｏの傾斜角をθ［°］、揺動の走査速度をｖ［ｍｍ／ｓ］とすると
δ＝（１０００・ｖ）／（α・ｃｏｓθ）［μｍ］
として得られる。このとき、加工対象物Ｗの回転軸方向の送り速度と、加工対象物Ｗの回転により発生する表面速度については、レーザビームＬの揺動速度に比べて十分に小さいとして無視する。
【００３７】
また、加工対象物Ｗが３６０°回転する間の、レーザ照射点（揺動走査の中心点）の回転軸方向の送り量ｐは、回転軸方向の揺動幅ΔＡに対し、０．２５ΔＡ≦ｐ≦０．７５ΔＡとなるよう設定しており、揺動による平滑化の効果を最大化するためにはこの範囲に設定することが望ましい。なお、レーザ照射点の回転軸方向の送りは連続かつ一定速度とし、１軸ステージ部８にて行う。
【００３８】
このように設定した条件で本発明の実施例の加工を行ったが、本発明の比較例として、上記加工条件に対してレーザビームＬの揺動を行わない場合についても同様に円柱形状のｃＢＮのトリミング加工（外径寸法の変更）を行い、その加工面の状態を評価した。なお、揺動させない点以外は、上記本実施例と同様の加工条件に設定した。
【００３９】
これらの揺動させた場合（本実施例）と揺動させない場合（比較例）とにおける加工時間と加工面の面粗さＲａとの関係を測定した結果を図７に示す。この測定には、レーザ顕微鏡を用いて面粗さＲａを計測した。
これらの測定結果からわかるように、レーザビームＬの揺動を行わない比較例では、加工時間に対して面粗さＲａの低下度合いが小さく、１０分加工後でも面粗さＲａが０．２程度であるのに対し、本発明の実施例では、短い加工時間で面粗さＲａが大きく低下し、５分程度で最小値（面粗さＲａ：約０．０４μｍ）まで達している。
【００４０】
また、レーザビームＬを揺動させた場合（本実施例）と揺動させない場合（比較例）とにおける加工後の加工対象物Ｗの拡大写真を図８及び図９に示す。
これらの写真からわかるように、レーザビームＬを揺動させない場合（比較例）では、表面に螺旋状の加工痕が発生して凹凸が大きいのに対し、レーザビームＬを揺動させた場合（本実施例）では、螺旋状の加工痕が無く、外周面全体にわたって均一で平滑な表面状態が確認できる。
【００４１】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び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。
【００４２】
例えば、上記実施形態では、加工対象物として円柱状のものを用いたが、円柱状の他に、円筒状または外周面の少なくとも一部が断面円弧状とされた柱状若しくは棒状のものが採用可能である。例えば、半割円柱状（軸方向から見て半円状の柱形状）や円柱形状の外周面に複数のスリットが軸方向に沿って形成された略円柱状などの円柱または円筒に類する形状の加工対象物にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１…レーザ加工装置、２…位置調整機構、３…レーザ光照射機構、４…制御部、Ｋ…レーザビームの光軸に直交する仮想面、Ｌ…レーザビーム、ＬＡ…レーザビームの光軸、Ｏ…加工対象物の回転軸、Ｐ１…レーザビームの焦点位置、Ｗ…加工対象物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱状、円筒状または外周面の少なくとも一部が断面円弧状とされた柱状若しくは棒状の加工対象物にレーザビームを照射して形状形成を行うレーザ加工装置であって、
前記加工対象物を保持して軸中心に回転させると共に前記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機構と、
前記加工対象物の外周面に前記レーザビームを集光して照射するレーザ光照射機構と、
前記位置調整機構及び前記レーザ光照射機構を制御する制御部とを備え、
前記制御部が、前記位置調整機構及び前記レーザ光照射機構により、前記レーザビームの光軸に直交する仮想面に対して前記加工対象物の回転軸を傾斜させ、前記レーザビームの光軸を前記回転軸に対してねじれの位置に配した状態で前記加工対象物を回転させ、前記レーザビームの焦点位置と前記仮想面との距離を一定に維持したまま前記レーザビームを前記加工対象物の外周面に照射させると共に前記回転軸に沿って揺動させてレーザ旋盤加工を行う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、
前記制御部が、前記レーザビームの焦点位置を前記加工対象物の加工面上における前記レーザビームの揺動範囲の中心位置に配することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項１又は２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、ガウシアン形状の断面光強度分布を有した前記レーザビームを照射することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
円柱状、円筒状または外周面の少なくとも一部が断面円弧状とされた柱状若しくは棒状の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、
前記加工対象物を保持して軸中心に回転させると共に前記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、
前記加工対象物の外周面に前記レーザビームを集光して照射するレーザ光照射工程とを有し、
前記レーザビームの光軸に直交する仮想面に対して前記加工対象物の回転軸を傾斜させ、前記レーザビームの光軸を前記回転軸に対してねじれの位置に配した状態で前記加工対象物を回転させ、前記レーザビームの焦点位置と前記仮想面との距離を一定に維持したまま前記レーザビームを前記加工対象物の外周面に照射させると共に前記回転軸に沿って揺動させてレーザ旋盤加工を行うことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１】
円柱状、円筒状または外周面の少なくとも一部が断面円弧状とされた柱状若しくは棒状の加工対象物にレーザビームを照射して形状形成を行うレーザ加工装置であって、
前記加工対象物を保持して軸中心に回転させると共に前記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機構と、
前記加工対象物の外周面に前記レーザビームを集光して照射するレーザ光照射機構と、
前記位置調整機構及び前記レーザ光照射機構を制御する制御部とを備え、
前記制御部が、前記位置調整機構及び前記レーザ光照射機構により、前記レーザビームの光軸に直交する仮想面に対して前記加工対象物の回転軸を傾斜させ、前記レーザビームの光軸を前記回転軸に対してねじれの位置に配した状態で前記加工対象物を回転させ、前記レーザビームの焦点位置と前記仮想面との距離を一定に維持したまま前記レーザビームを前記加工対象物の外周面に照射させると共に前記回転軸に沿って揺動させてレーザ旋盤加工を行う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、
前記制御部が、前記レーザビームの焦点位置を前記加工対象物の加工面上における前記レーザビームの揺動範囲の中心位置に配することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項１又は２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、ガウシアン形状の断面光強度分布を有した前記レーザビームを照射することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
円柱状、円筒状または外周面の少なくとも一部が断面円弧状とされた柱状若しくは棒状の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、
前記加工対象物を保持して軸中心に回転させると共に前記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、
前記加工対象物の外周面に前記レーザビームを集光して照射するレーザ光照射工程とを有し、
前記レーザビームの光軸に直交する仮想面に対して前記加工対象物の回転軸を傾斜させ、前記レーザビームの光軸を前記回転軸に対してねじれの位置に配した状態で前記加工対象物を回転させ、前記レーザビームの焦点位置と前記仮想面との距離を一定に維持したまま前記レーザビームを前記加工対象物の外周面に照射させると共に前記回転軸に沿って揺動させてレーザ旋盤加工を行うことを特徴とするレーザ加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
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【図５】
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【図７】
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【公開番号】特開２０１３−９１０９５（Ｐ２０１３−９１０９５Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３６０９８（Ｐ２０１１−２３６０９８）
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【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２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【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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