複合材の加工方法及び複合材の加工装置
【課題】厚板の複合材で構成された大型構造部材においても、加工部周辺の熱影響を抑えつつ、ワークに垂直な加工壁面や、垂直穴を形成できる複合材の加工装置および加工方法を提供することを目的とする。
【解決手段】複合材の加工方法は、光源と、光源から発振されるレーザ光２を偏向させる偏向部３（３ａ、３ｂ）と、偏向されたレーザ光２を集光させるｆθレンズ４と、を備える加工装置を用い、ｆθレンズの中心線７と前記ｆθレンズで集光されたレーザ光の中心線８とのなす照射角度（φ）が、集光されたレーザ光２の収束角度（δ）以上となるようレーザ光２を被加工部材１の加工壁面が形成される箇所に照射する。
【解決手段】複合材の加工方法は、光源と、光源から発振されるレーザ光２を偏向させる偏向部３（３ａ、３ｂ）と、偏向されたレーザ光２を集光させるｆθレンズ４と、を備える加工装置を用い、ｆθレンズの中心線７と前記ｆθレンズで集光されたレーザ光の中心線８とのなす照射角度（φ）が、集光されたレーザ光２の収束角度（δ）以上となるようレーザ光２を被加工部材１の加工壁面が形成される箇所に照射する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材の加工方法及び複合材の加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
航空機の翼などの構造部材には、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などの複合材が使用される。ＣＦＲＰは、エポキシ系樹脂などのマトリクスを介して炭素繊維シートを多数枚積層したものである。炭素繊維は、ルツボに使用される黒鉛と同質であり、耐熱性が高く、難削材である。エポキシ系樹脂は、可燃性であり、軟化点が１００℃程度と耐熱性が低い。
【０００３】
複合材の切断・穴あけなどの加工は、現状、ドリル刃を用いた機械加工で実施されている。しかしながら、上記手法は、加工時の工具消耗が激しく、刃の再研磨や交換刃など消耗品費用が高額となる。そのため、加工時に工具等が消耗しない加工方法として、レーザを用いた加工方法の開発が行われている（特許文献１参照）。
【０００４】
レーザを用いて穴をあける場合、通常、図１２に示すように、大穴の中央に加工開始点の貫通穴あけ（ピアシング）を行った後、焦点位置は一定で、レーザ光を大穴の輪郭を円弧状に１周させて加工する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】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】
【０００６】
一般に、レーザ加工装置では、レーザ発振器から発振されたレーザが、集光レンズを介して集光されてワーク（被加工材）面に照射される。そのため、加工形状は、レーザ光のエッジ形状（円錐形状）に依存し、テーパ形状となる。航空機の翼では、ボルト締め固定のために複合材に穴あけが行われるため、穴壁面が垂直壁であることが好ましい。そのため、テーパ角が大きい場合、ドリルなどで追加工を行い垂直壁を形成させる必要が生じる。
【０００７】
特許文献１では、大穴中央のピアシングの後、焦点位置をワーク下面に設定して、円錐状の集光ビームエッジがワーク上面に垂直になるように、ワーク支持台を傾けて、穴壁面を垂直に加工する方法が記載されている。しかしながら、特許文献１に記載の方法は、ワ−クを傾けるために支持台の複数の支持点の高さを変えつつ、ＸＹ軸移動を行うため、制御が複雑である。また、ワークが航空機の翼のような大型の構造物である場合、ワークを動かすのが困難となる。また、ワークが厚板の場合、貫通させながらの円周加工ができない場合があるという課題がある。
【０００８】
また、集光レンズで集光されたレーザ光は、断面のエネルギー分布がガウス分布である。図１３及び図１４に、このようなレーザ光を用いて穴あけした加工部の一例を示す。レーザ光の焦点位置をワーク内部に設定して照射すると、加工閾値以上のエネルギー領域で、除去加工が進行する（図１３）。
【０００９】
加工しながら焦点位置を下げていくと、ワーク上面に照射されるレーザ光の径は広がる（図１３）。レーザ光の径が広がると、断面のエネルギー分布もブロードになる。そのため、レーザ光周縁部ではエネルギー密度が小さくなり、加工閾値に達しないケラレ部分が生じる。すなわち、レーザ光の焦点位置を下げていくと、ワーク上面では、レーザ光周縁部がケラレてしまい、集光されたレーザ光の中心部分のみが加工部内に入ることになる。加工部の上部内壁面は、レーザ照射方向となす角度が小さい。そのため、壁面に照射される単位面積当たりのレーザエネルギー密度が小さく、加工部上部の穴径は拡大されにくい。従って、加工部内に到達する光量が減少し、底の穴径が小さくなるため、加工が途中で進まなくなることがある。例えば、厚板の加工対象物の穴あけ加工の際に、ピアシングできない、または、ピアシングができたとしても、レーザ光を貫通させながら円周加工ができないという問題を生じる。
【００１０】
また、加工部の上部は、レーザ光の焦点位置を下げている間も、レーザ光が照射され続けているため、熱影響を受け変質する。このとき、レーザパワーを増加しても、貫通に至ることなく加工部周辺の温度が上昇する場合がある。
【００１１】
ＣＦＲＰは、樹脂を含むため金属に比べて熱伝導性が低く、レーザ加工の際に、レーザ光からの熱が加工部周辺で蓄熱され、加工部周辺の温度が上昇しやすい。ＣＦＲＰの厚板加工では、レーザ光からの入熱が大きくなるため、加工部周辺が溶融し、加工精度の悪化、層間剥離、樹脂の熱変質といった問題が発生する。また、ＣＦＲＰの厚板加工では、加工部周辺が４００℃以上となり、溶けた樹脂が炭素繊維シートの孔から噴出し、燃えることもある。これに対して、金属やセラミック板は不燃性であるため、溶融物の排出は問題とならない場合が多い。このように、ＣＦＲＰのような複合材の厚板加工は、金属やセラミックの厚板加工に比べて難しい面が多い。
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、厚板の複合材で構成された大型構造部材においても、加工部周辺の熱影響を抑えつつ、ワークに垂直な加工壁面や、垂直穴を形成できる複合材の加工装置および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】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明は、光源と、光源から発振されるレーザ光を偏向させる偏向部と、前記偏向されたレーザ光を集光させるｆθレンズと、を備える加工装置を用い、ｆθレンズの中心線と前記ｆθレンズで集光されたレーザ光の中心線とのなす照射角度（φ）が、前記集光されたレーザ光の収束角度（δ）以上となるようレーザ光を被加工部材の加工壁面が形成される箇所に照射する複合材の加工方法を提供する。
【００１４】
上記発明によれば、ｆθレンズを用いることで、偏向部で偏向されたレーザ光を平らな像面に収束させ、容易に等速度スキャンすることができるため、高速でレーザ加工することができるようになる。照射角度（φ）と収束角度（δ）とを、φ≧δとして被加工部材の加工壁面が形成される箇所に照射することで、加工領域の中心における接線に垂直な線に平行な加工壁面を形成することができる。また、レーザ光の照射角度を偏向部で制御できるため、被加工部材を傾ける必要がなく、複雑なステージ制御や基板高さ制御は不要である。
【００１５】
上記発明の一態様において、前記被加工部材にレーザ光を照射して、加工壁面が形成される箇所の上部から所定形状の溝を形成した後、前記レーザ光の照射位置を前記溝の幅よりも小さい距離だけ移動させて、同一焦点面内に、複数の別の溝を段階的に形成させ焦点面溝とすると良い。
【００１６】
レーザ光の照射位置を溝の幅、言い換えると、レーザ光のスポット径よりも小さい距離だけ移動させることで、焦点面溝を構成する各溝同士が重なるため、凹凸の少ない焦点面溝を形成することができる。
【００１７】
上記発明の一態様において、前記複数の別の溝を、前記加工壁面から離れる方向に、段階的に形成させると良い。
【００１８】
そのようにすることで、加工壁面付近に長時間、継続してレーザ光が照射されないため、被加工部材の加工壁面付近への蓄熱が少なくなる。そのため、被加工部材（複合材）の加工壁面付近での温度上昇を抑制することができ、熱変質が生じにくくなる。
【００１９】
上記発明の一態様において、前記溝と前記複数の別の溝とからなる焦点面溝を、その開口幅が所定距離となるよう形成した後、焦点面を前記溝の深さだけ下げ、開口幅が先の焦点面溝よりも狭い別の焦点面溝を形成する工程を繰り返し、前記加工壁面の下部に向かって近づくよう傾斜された側面を前記加工壁面に対向する側に有し、且つ、被加工部材を貫通する穴を形成すると良い。
【００２０】
上記一態様によれば、ワークの上部に形成される焦点面溝の開口幅を広く、板厚方向下部にいくに従って開口幅が狭くなるような穴が形成される。それによって、焦点位置を下げながら加工しても、ワーク上部でレーザ光のケラレが生じない。従って、加工が止まることなく確実に被加工部材の切断や開溝ができるようになる。また、間口が広くなるため、加工部分に吹き付けられる空気などのアシストガスが深部まで入りやすくなる。それによって、加工部分を効率よく冷却することができ、加工壁面周辺の熱変質が抑制される。
【００２１】
また、本発明は、光源と、光源から発振されるレーザ光を偏向させる偏向部、及び前記偏向されたレーザ光を集光させるｆθレンズで構成された光学系と、ｆθレンズの中心線と前記ｆθレンズで集光されたレーザ光の中心線とのなす照射角度（φ）が、前記集光されたレーザ光の収束角度（δ）以上となるようレーザ光を被加工部材の加工壁面が形成される箇所に照射するよう前記光学系を制御する制御部とを備える複合材の加工装置を提供する。
【００２２】
上記発明によれば、ｆθレンズを備えることで、偏向部で偏向されたレーザ光を平らな像面に集光させ、容易に等速度スキャンすることができるため、高速でレーザ加工することができる。制御部を備えることで、照射角度（φ）と収束角度（δ）とを、φ≧δとして被加工部材の加工壁面が形成される箇所に照射させることができるため、加工領域の中心における接線に垂直な線に平行な加工壁面を形成することができる。また、レーザ光の照射角度を光学系で制御できるため、被加工部材を傾ける必要がなく、複雑なステージ制御や基板高さ制御が不要となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ｆθレンズを備えたレーザ加工装置を用い、照射角度≧収束角度となるようレーザ光を被加工部材に照射することで、加工壁面をワーク上面に垂直に加工することができる。航空機の翼や自動車ボンネットのような複合材を用いた大型構造物の穴あけや切断にも対応しやすい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態で使用する加工装置を説明する図である。
【図２】ｆθレンズへの入射角度とレーザ光の照射角度との関係を説明する図である。
【図３】穴あけ加工を施した加工部分を説明する図である。
【図４】図３（ｂ）の破線領域Ｚの拡大図である。
【図５】穴あけ加工を施した加工部分を説明する図である。
【図６】切断加工を施した加工部分を説明する図である。
【図７】残材のＮ側端部の加工方法を説明する図である。
【図８】溝加工後の被加工部材の斜視図である図である。
【図９】溝加工の一例を説明する図である。
【図１０】溝加工の別の一例を説明する図である。
【図１１】溝加工の更に別の一例を説明する図である。
【図１２】従来の穴あけ加工方法を説明する図である。
【図１３】レーザ光を用いて穴あけした加工部の一例を示す図である。
【図１４】レーザ光を用いて穴あけした加工部の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明に係る複合材の加工方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
本実施形態で加工される被加工部材１は、複合材とされ、プリプレグなどの複合材料が複数積層された層を備える。複合材は、繊維で強化された樹脂からなる。繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド樹脂（ケブラー）等の樹脂繊維、ステンレス等の金属繊維、アルミナ等のセラミックス繊維、または木材チップなどが用いられる。樹脂としては、エポキシ系樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、またはアクリル樹脂などが用いられる。複合材は、チタンなどの金属材料の上に複合材からなる層が形成された部材であっても良い。
【００２６】
本実施形態で使用する加工装置を、図１を参照して説明する。
本実施形態で使用するレーザ加工装置は、レーザ光２を発振させる光源と、レーザ光２を偏向させる偏向部３、及び偏向されたレーザ光２が通過するｆθレンズ４で構成された光学系とを備える。
光源は、図示しないが、紙面に垂直な方向にレーザ光２を発振するよう偏向部３ａの紙面奥側に配置されている。
【００２７】
偏向部３は、ガルバノミラー系またはポリゴンミラー系のいずれかとされる。本実施形態では、ガルバノミラー系を用いる。ガルバノミラー系は、第１ガルバノミラー３ａと第２ガルバノミラー３ｂとを備えている。第１ガルバノミラー３ａは、軸回転可能であり、光源から発信されたレーザ光２を第２ガルバノミラー３ｂに向けて偏向させることができる。第２ガルバノミラー３ｂは、第１ガルバノミラー３ａの軸に対して垂直方向に軸回転可能であり、第１ガルバノミラー３ａで偏向されたレーザ光２を偏向させ、所望の角度でｆθレンズ４へ入射させることができる。
【００２８】
ｆθレンズ４は、有効焦点距離ｆのｆθレンズ４へレーザ光が入射角度θで入射された場合、ｆθレンズ系の中心線７の焦点位置６から中心線に対して垂直方向に、Ｘ＝ｆθ離れた位置に焦点を結ぶように設計されたレンズである。ｆθレンズ４に入射されたレーザ光は、平らな焦点面（像面）５に集光される。ｆθレンズ４は、所望の焦点面５及び収束角度（δ）を得られるレンズが適宜選択される。ｆθレンズ４は、複数枚組み合わせられたｆθレンズ系として使用されても良い。
なお、偏向部及びｆθレンズを含む光学系は、上下方向に移動することができる。
【００２９】
次に、上記加工装置を用いた複合材の加工方法を説明する。
上記構成の加工装置を、被加工部材の加工したい領域面の中心６における垂直線上に、ｆθレンズ４またはｆθレンズ系の中心線７を合せて配置する。また、偏向部３及びｆθレンズ４を含む光学系を、焦点面５が被加工部材２の上表面と略一致するような高さに配置する。
【００３０】
上記加工装置において、光源からレーザ光２を発振すると、レーザ光２は、第１ガルバノミラー３ａで第２ガルバノミラー３ｂに向けて偏向される。該偏向されたレーザ光２は、第２ガルバノミラー３ｂでｆθレンズ４に向かって偏向される。このとき、照射角度（Φ）が、ｆθレンズ４で集光されたレーザ光２の収束角度（δ）と同等以上の大きさとなるように、光学系を制御する。具体的には、ｆθレンズ４へのレーザ光２の入射角度（θ）を設定する。
【００３１】
収束角度（δ）とは、レーザ光２の中心線８とレーザ光２の外周線９（エッジライン）との間の角度である。照射角度（Φ）とは、ｆθレンズの中心線７とｆθレンズ４で集光されたレーザ光の中心線８との間の角度である。図２では、中心線７を平行移動させた線７ａを示す。Φは、焦点面からみたレーザ光２の仮想中心における振れ角でもある。入射角度（θ）とは、ｆθレンズの中心線７とレーザ光の中心線８との間の角度である。
【００３２】
レーザ光２のｆθレンズ４への入射角度とレーザ光の照射角度との関係を、図２を参照して説明する。
図２（ａ）：
レーザ光２のｆθレンズ４への入射角（θ）がθ＝０のとき、照射角度（Φ）はΦ＝０となる。すなわち、レーザ光の中心線８が、被加工部材１の加工したい面領域の中心における垂線と重なるとともに、焦点面５に対して垂直に照射される。
【００３３】
図２（ｂ）及び図２（ｃ）：
レーザ光２のｆθレンズ４への入射角（θ）がθ＞０のとき、照射角度（Φ）はΦ＞０となる。ここで、照射角度（Φ）と収束角度（δ）とを、Φ＝δとすると、レーザ光の一エッジライン９が、焦点面５に対して垂直な線と重なる（図２（ｂ））。また、Φ＞δとすると、図２（ｃ）のように、被加工部材５の加工したい領域面の中心から離れる方向Ｘに向けて焦点を移動させることができる。このような角度のレーザ光２を用いて複合材を加工すると、複合材に垂直壁を形成することができる。
【００３４】
上記のように、レーザ光の入射角度（θ）を変化させることにより、穴半径などの加工範囲を制御することができる。
例えば、レーザ光の焦点から有効焦点距離ｆだけ光源側にさかのぼった位置におけるレーザ光の径をｄとする。ｆ＝１８０ｍｍ、ｄ＝１２ｍｍ、のとき焦点のスポット径は３０μｍである。この値は、ｄに比べかなり小さいため、レーザ光の収束角度（δ）は、ｄ／２ｆで近似できるものと仮定すると、δ＝０．０３３ｒａｄ（１．９°）となる。
【００３５】
次に、穴あけ加工を例として、レーザ光２の照射手順を説明する。本実施形態のレーザ光の照射手順は、焦点面溝を形成する工程と、貫通穴を形成する工程とから構成される。図３は、穴あけ加工を施した加工部分を説明する図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線における断面図、（ｃ）は上面図を示す。図４は、図３（ｂ）の破線領域Ｚの拡大図である。
【００３６】
焦点面溝を形成する工程では、まず、照射位置を加工壁面が形成される箇所の上部の加工開始点（Ｃ）に合わせたレーザ光２を所定の形状（輪郭）に沿って照射して図３（ｃ）に示すように溝Ｃ１を形成させる。本実施形態における所定の形状は、ボルト締めするためのボルト孔を想定した円形（半径ｆθ）とされる。
レーザ光の照射条件（パルス周波数、パワー等）は、使用する加工装置や被加工部材の材質などによって適宜設定される。レーザ光の発振方式は、パルス発振または連続発振のいずれであっても良い。
【００３７】
炭素繊維で強化されたエポキシ樹脂からなる複合材を被加工部材とする場合、例えば、パルス幅３００ｆ（フェムト）秒、波長５３２ｎｍのレーザ加工装置を使用し、パルス周波数２０ｋＨｚ、パワー１．２ｗの条件でレーザ光を照射すると、加工深さ（Δｔ）が０．０６ｍｍの溝を形成することができる。
例えば、パルス幅１ｎ（ナノ）秒、波長５３２ｎｍのレーザを使用し、パルス周波数５０ｋＨｚ、パワー８ｗの条件でレーザ光を照射すると、加工深さ（Δｔ）が０．４ｍｍの溝を形成することができる。
例えば、パルス幅４００ｎ秒、波長１０６５ｎｍのレーザを使用し、パルス周波数５０ｋＨｚ、パワー３５ｗの条件でレーザ光を照射すると、加工深さ（Δｔ）が１．５ｍｍの溝を形成することができる。
【００３８】
溝Ｃ１を形成後、レーザ光２の照射位置を同一焦点面内で半径方向内側に移動させる。このとき、レーザ光２の照射位置の移動幅は、レーザ光のスポット径と同じまたはスポット径よりも小さい幅とされる。次に、レーザ光２を照射しながらＣ１溝の円周に沿って一回転回させ、溝Ｃ１と同心円の溝Ｃ２を形成させる。次に、溝Ｃ２と同様にレーザ光２の照射位置を移動させ、半径を順に小さくしながら、段階的に溝Ｃ１と同心円の溝を溝Ｃｎまで形成させ、第１の焦点面溝を加工する。焦点面溝の開口幅は、所定距離Ｌとされ、ｎは、開口幅（点Ｃから点Ｄまでの距離）が所定距離Ｌに達する整数とされる。
所定距離Ｌは、式（１）から算出される。
Ｌ＝ｔ・ｔａｎ（φ＋δ）・・・（１）
ｔは、被加工部材の厚さである。
【００３９】
なお、「照射位置」とは、レーザ光２の焦点位置であることが好ましいが、少しデフォーカスして、加工点におけるスポット径を大きくして照射することも含む。
【００４０】
貫通穴を形成する工程では、焦点面を溝の深さだけ下げ、開口幅が先の焦点面溝よりも狭い別の焦点面溝を形成する工程を繰り返し、被加工部材を貫通する穴を形成する。貫通穴は、加工壁面の下部に向かって近づくよう傾斜された側面を、加工壁面に対向する側に有する。
【００４１】
点Ｃから点Ｄまで焦点面溝を形成した後、照射位置を点Ｄから半径方向外側に向けてΔＬだけ移動させる。更に、焦点面５を被加工部材１の厚さ方向下側にΔｔだけ移動させ、照射位置を点Ｅに合わせる。焦点面５の移動は、光学系を被加工部材に対して移動させることで行うと良い。ΔＬは、式（２）から算出される。
ΔＬ＝Δｔ・ｔａｎ（φ＋δ）・・・（２）
【００４２】
レーザ光２を点Ｅに照射しながら一回転回させ、溝Ｃ１と同心円の溝Ｅ１を形成させる。レーザ照射条件は、溝Ｃ１の形成時と同様とする。続いて、レーザ光２の照射位置を半径方向外側に、スポット径と同じまたはスポット径よりも小さい幅だけ移動させる。次に、レーザを照射しながら、一回転回させ、溝Ｃ１と同心円の溝Ｅ２を形成させる。次に、溝Ｅ２と同様にレーザ光２の照射位置を移動させ、半径を順に大きくしながら、段階的に溝Ｃ１と同心円の溝を溝Ｅｍまで形成させ、第２の焦点面溝を加工する。ｍは、第２の焦点面溝の溝幅がＬ−ΔＬの距離（点Ｆ）に達するのに必要な整数とされる。
【００４３】
次に、焦点面５をΔｔだけ下方向に平行移動させ、照射位置を点Ｇに合わせる。レーザ光２を照射しながら、一回転回させ、溝Ｃ１と同心円の溝Ｇ１を形成させる。続いて、溝Ｃ２〜溝Ｃｎと同様に、半径を順に小さくしながら、点Ｈまで溝Ｇ２〜溝Ｇｏを形成させ、第３の焦点面溝を加工する。ｏは、第３の焦点面溝の溝幅（点Ｇから点Ｈまで）が、Ｌ−２ΔＬの距離に達するのに必要な整数とされる。
【００４４】
焦点壁面が被加工部材の下部（点Ｂ）に達するまで、溝Ｅ１〜Ｅｍ、溝Ｇ１〜溝Ｇｏの加工工程を繰り返し行い、複数の焦点面溝を形成させる。このとき、各焦点面溝は、一側面が加工壁面と一致し、且つ、先の焦点面溝よりも開口幅が狭くなるように形成される。具体的には、焦点面溝の加工壁面から離れた側の端面が、焦点面を１つ下げるごとに、ΔＬだけ加工壁面側に移動するように加工する。そうすることによって、被加工部材１の下部に向かって近づくよう角度（φ＋δ）で傾斜された側面を有する楔状にくりぬかれた穴を加工することができる。焦点面が点Ｂに達したとき、上記穴が被加工部材５の板厚方向に貫通される。側面がテーパ上になった残材を除去すると、垂直壁面を有する穴が形成される。尚、加工開始点は、点Ｃではなく、点Ｄから点Ｃに向けて、同心円の半径を大きくするように行ってもよい。
【００４５】
上記垂直壁面を有する穴はφ≧δとなる半径以上で形成可能である。φ＝δのときが、最も加工除去量が少なくなる。通常、ｆθレンズスガルバノミラースキャン光学系は、トリミング（配線などの微小部分の膜を除去）やマーキング（刻印）などに使われており、焦点のスポット径は１２〜５０μｍ程度である。また、スポット径を小さくするためにレーザ光の径ｄは８〜３０ｍｍと大きい。しかし、複合材の穴あけ加工では、スポット径を小さく絞る必要はない。むしろ、加工速度を速くするためには、スポット径は大きいほうが良く、５０〜３００μｍが好適である。そのため、ｄは１〜７ｍｍ程度でよい。ｄが小さいときビームの収束角度δが小さくなる。例えば、ｄ＝４ｍｍのとき半径が３ｍｍ以上、ｄ＝２ｍｍのとき半径が１．５ｍｍ以上（ただしφ／θ＝０．６５）の垂直穴あけ加工が可能である。また、半径５０ｍｍの大穴加工であっても、ｄが小さいほどδが小さくなり、加工除去量が少なくなる。
【００４６】
〔第２実施形態〕
図５を参照して、穴あけ加工の別の一例を説明する。本実施形態において、被加工部材や使用する加工装置などは、第１実施形態と同様とする。図５は、穴あけ加工を施した加工部分を説明する図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＫ−Ｌ線における断面図、（ｃ）は（ａ）のＩ−Ｊ線における断面図を示す。本実施形態では、第１実施形態と同様に、まず、レーザ光２を加工面２０上部の加工開始点に照射し、そのままレーザ光２を所定の形状（輪郭）に沿って照射して溝Ｃ１を形成させる。本実施形態における所定の形状は、正方形とされる。
【００４７】
レーザ光２の照射手順は、所定距離Ｌの算出方法が異なる以外は、第１実施形態と同様とする。
図５（ｂ）のＫ−Ｌ断面と図５（ｃ）のＩ−Ｊ断面とでは所定距離Ｌが異なる。Ｋ−Ｌ断面、Ｉ−Ｊ断面（対角）における所定距離Ｌ１及び所定距離Ｌ２は、それぞれ式（３）及び式（４）から算出される。
Ｌ１＝ｔ・ｔａｎ（φ１＋δ）・・・（３）
Ｌ２＝ｔ・ｔａｎ（φ２＋δ）・・・（４）
Ｌ２＝√２Ｌ１
φ２＞φ１
φ１：Ｋ−Ｌ断面における照射角度（Φ）の最大必要な角度
φ２：Ｉ−Ｊ断面（対角）における照射角度（Φ）の最大必要な角度
【００４８】
また、垂直壁を有する穴の形成には、Ｋ−Ｌ断面においてφ１≧δである必要がある。
【００４９】
〔第３実施形態〕
図６を参照して、切断加工の一例を説明する。図６は切断加工を施した加工部分を説明する図であり（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線の断面図である。図６（ａ）において、円形破線はレーザ照射可能範囲を示す。本実施形態において、被加工部材や使用する加工装置などは、第１実施形態と同様とする。
【００５０】
本実施形態では、第１実施形態と同様に、まず、レーザ光２を加工壁面３０上部の加工開始点Ｃに照射し、そのままレーザ光２を所定の形状（輪郭）に沿って照射して溝Ｃ１を形成させる。本実施形態における所定の形状は、直線状とされる。
本実施形態では、加工したい領域がレーザ光の照射可能範囲よりも広いため、被加工部材２１を移動させることで、所定の形状の溝Ｃ１を形成させる。例えば、前後左右に移動可能な保持台の上に被加工部材２１を保持させる。被加工部材２１の加工開始点Ｃに、レーザ光２の照射位置を合せ固定し、照射を開始する。保持台を切断方向Ｓ（片方向）に移動させることで被加工部材２１に所定形状の溝Ｃ１を形成させる。
【００５１】
溝Ｃ１を形成後、レーザ光２の照射位置を同一焦点面内で加工壁面３０と離れる方向（点Ｍから点Ｎに向かう方向）に移動させる。このとき、レーザ光２の照射位置の移動幅は、レーザ光のスポット径と同じまたはスポット径よりも小さい幅とされる。レーザ光２を固定し、被加工部材２１をＳとは反対方向に移動させることで溝Ｃ１に平行な溝Ｃ２を形成させる。次に、溝Ｃ２と同様にレーザ光２の照射位置を切断方向Ｓ（先と反対方向）に移動させ、段階的に溝Ｃ１に平行な溝を溝Ｃｐまで形成させて、第１の焦点面溝を加工する。ｐは、第１の焦点面溝の溝幅（点Ｍから点Ｎまで）が所定距離Ｌに達する整数とされる。所定距離Ｌは、第１実施形態と同様に算出する。
【００５２】
貫通穴を形成する工程では、第１実施形態と同様に、焦点面を溝の深さだけ下げ、開口幅が先の焦点面溝よりも狭い別の焦点面溝を形成する工程を繰り返し、被加工部材を貫通する穴を形成する。
【００５３】
本実施形態において、所定形状は直線状であるため、焦点面溝の開口幅を狭くするための照射位置の移動は、点Ｍから点Ｎに向かう方向、またはその逆方向で行われる。また、第２の焦点面溝以降の複数の焦点面溝の形成は、第１の焦点面溝の形成と同様に、レーザ光２は固定し、被加工部材２１を移動させて行う。
【００５４】
焦点面が被加工部材２１の下部（点Ｏ）に達するまで、焦点面溝の形成を繰り返し行い、貫通穴を形成させる。このとき、各焦点面溝は、一側面が加工壁面３０と一致し、且つ、先の焦点面溝よりも溝幅が狭くなるように形成される。具体的には、焦点面溝の加工壁面３０から離れた側の端面が、焦点面を１つ下げるごとに、ΔＬだけ加工壁面側に移動するように加工する。そうすることによって、被加工部材２１の下部に向かって近づくよう角度（φ＋δ）で傾斜された側面３２を有する楔状にくりぬかれた穴を加工することができる。
【００５５】
レーザ光２の照射位置を点Ｍと直径方向反対側に移動させることで、ｆθレンズの中心線７を挟んで対象な位置に上記と同様の加工を行うことができる。
【００５６】
本実施形態の変形例として、残材の加工方法を説明する。図７に残材３３のＮ側端部を示す。
まず、残材３３のＮ側端部をｆθレンズの中心線７を挟んで反対側移動させる。点Ｎを、ｆθレンズの中心線７を挟んで点Ｍと対象な位置に配置することが好ましい。所定距離Ｌは、各焦点面に含まれるテーパ部３４の幅（加工壁面３５から他端部までの距離）とされる。本変形例では、残材３３の端部のテーパ部３４を切除することで、残材３３の端部を垂直壁面とする。端部の加工では、ケラレを回避できる。そのため、レーザ光２をΦ≧δとなるような角度で点Ｎに照射し、点Ｐまで照射位置を垂直下方向に移動させて加工しても良い。そうすることで、切削量を最小とすることができる。
【００５７】
〔第４実施形態〕
図８〜図１１を参照して、溝加工の一例を説明する。図８は、溝加工後の被加工部材の斜視図である。図９は、溝加工の一例を説明する図であり（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の上面図である。図１０は、溝加工の別の一例を説明する図であり（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の上面図である。図１１は、溝加工の更に別の一例を説明する図であり（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の上面図である。図９（ｂ）、図１０（ｂ）、図１１（ｂ）において、円形破線はレーザ照射可能範囲を示す。本実施形態において、被加工部材や使用する加工装置などは、第１実施形態と同様とする。
【００５８】
本実施形態では、被加工部材は面内方向に移動可能な保持台で保持させ、被加工部材の予定する溝の幅の中心にｆθレンズの中心線７を合せる。所定形状は、直線状とされる。
図９では、第３実施形態の第１の焦点面溝と同様に、レーザ光２の照射位置を所定の位置に固定し、被加工部材４１を移動させて溝Ｃ１〜溝Ｃｑ（第１の焦点面溝）を形成させる。このとき、所定距離Ｌは開口幅Ｌ３とされる。開口幅Ｌ３は、点Ｑから、直径方向反対側に位置する点Ｒまでを指す。ｑは、第１の焦点面溝の開口幅が所定距離Ｌ３に達するのに必要な整数とされる。
本実施形態では、以降の焦点面溝の開口幅をすべてＬ３とし、所定深さに達するまで複数の焦点面溝を形成させる。
【００５９】
図１０では、被加工部材４１を固定したまま、点Ｑから点Ｒまでレーザ光２を走査し、開口幅方向（点Ｑから点Ｒに向かう方向）に溝Ｃ１を形成させる。その後、被加工部材４１を加工壁面４０と平行な方向Ｕに移動させる。このとき、被加工部材４１の移動幅（すなわち、レーザ光２の照射位置の移動幅）は、レーザ光のスポット径と同じまたはスポット径よりも小さい幅とされる。溝を形成して被加工部材を移動させる操作を繰り返して第１の焦点面溝（溝Ｃ１〜溝Ｃｒ）を形成させる。ｒは、第１の焦点面溝の長さ（加工壁面４０と平行な方向の長さ）が所定距離Ｌ４に達するのに必要な整数とされる。
【００６０】
図１１では、被加工部材４１を固定したまま、点Ｑから点Ｒまでレーザ光２を走査し、点Ｑから点Ｒに向かう方向に溝Ｃ１を形成させる。図１０では、点Ｑと点Ｒとを結ぶ線は、加工壁面４０に対して垂直としたが、図１１では、点Ｑと点Ｒとを結ぶ線が加工壁面４０に対して斜めになるようにした。それ以外は、図１０と同様に第１の焦点面溝を形成させる。溝加工において、レーザ光２の収束角度（δ）が大きい場合、レーザ光２を加工面４０に対して垂直方向に移動させると、開口幅（点Ｑから点Ｒまでの距離）が大きくなる。そのため、レーザ光２を加工面４０に対して斜め方向に移動させることで、開口幅（加工壁面に垂直な方向の幅）を小さくすることが可能となる。
【符号の説明】
【００６１】
１、１１、２１、４１ 被加工部材
２ レーザ光
３ 偏向部
４ ｆθレンズ
５ 焦点面
６ 被加工部材の加工したい領域面の中心
７ ｆθレンズの中心線
８ レーザ光の中心線
９ レーザ光の外周線
１０、２０、３０、３５、４０ 加工壁面
３２ 傾斜された側面
３３ 残材
３４ テーパ部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材の加工方法及び複合材の加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
航空機の翼などの構造部材には、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などの複合材が使用される。ＣＦＲＰは、エポキシ系樹脂などのマトリクスを介して炭素繊維シートを多数枚積層したものである。炭素繊維は、ルツボに使用される黒鉛と同質であり、耐熱性が高く、難削材である。エポキシ系樹脂は、可燃性であり、軟化点が１００℃程度と耐熱性が低い。
【０００３】
複合材の切断・穴あけなどの加工は、現状、ドリル刃を用いた機械加工で実施されている。しかしながら、上記手法は、加工時の工具消耗が激しく、刃の再研磨や交換刃など消耗品費用が高額となる。そのため、加工時に工具等が消耗しない加工方法として、レーザを用いた加工方法の開発が行われている（特許文献１参照）。
【０００４】
レーザを用いて穴をあける場合、通常、図１２に示すように、大穴の中央に加工開始点の貫通穴あけ（ピアシング）を行った後、焦点位置は一定で、レーザ光を大穴の輪郭を円弧状に１周させて加工する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】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】
【０００６】
一般に、レーザ加工装置では、レーザ発振器から発振されたレーザが、集光レンズを介して集光されてワーク（被加工材）面に照射される。そのため、加工形状は、レーザ光のエッジ形状（円錐形状）に依存し、テーパ形状となる。航空機の翼では、ボルト締め固定のために複合材に穴あけが行われるため、穴壁面が垂直壁であることが好ましい。そのため、テーパ角が大きい場合、ドリルなどで追加工を行い垂直壁を形成させる必要が生じる。
【０００７】
特許文献１では、大穴中央のピアシングの後、焦点位置をワーク下面に設定して、円錐状の集光ビームエッジがワーク上面に垂直になるように、ワーク支持台を傾けて、穴壁面を垂直に加工する方法が記載されている。しかしながら、特許文献１に記載の方法は、ワ−クを傾けるために支持台の複数の支持点の高さを変えつつ、ＸＹ軸移動を行うため、制御が複雑である。また、ワークが航空機の翼のような大型の構造物である場合、ワークを動かすのが困難となる。また、ワークが厚板の場合、貫通させながらの円周加工ができない場合があるという課題がある。
【０００８】
また、集光レンズで集光されたレーザ光は、断面のエネルギー分布がガウス分布である。図１３及び図１４に、このようなレーザ光を用いて穴あけした加工部の一例を示す。レーザ光の焦点位置をワーク内部に設定して照射すると、加工閾値以上のエネルギー領域で、除去加工が進行する（図１３）。
【０００９】
加工しながら焦点位置を下げていくと、ワーク上面に照射されるレーザ光の径は広がる（図１３）。レーザ光の径が広がると、断面のエネルギー分布もブロードになる。そのため、レーザ光周縁部ではエネルギー密度が小さくなり、加工閾値に達しないケラレ部分が生じる。すなわち、レーザ光の焦点位置を下げていくと、ワーク上面では、レーザ光周縁部がケラレてしまい、集光されたレーザ光の中心部分のみが加工部内に入ることになる。加工部の上部内壁面は、レーザ照射方向となす角度が小さい。そのため、壁面に照射される単位面積当たりのレーザエネルギー密度が小さく、加工部上部の穴径は拡大されにくい。従って、加工部内に到達する光量が減少し、底の穴径が小さくなるため、加工が途中で進まなくなることがある。例えば、厚板の加工対象物の穴あけ加工の際に、ピアシングできない、または、ピアシングができたとしても、レーザ光を貫通させながら円周加工ができないという問題を生じる。
【００１０】
また、加工部の上部は、レーザ光の焦点位置を下げている間も、レーザ光が照射され続けているため、熱影響を受け変質する。このとき、レーザパワーを増加しても、貫通に至ることなく加工部周辺の温度が上昇する場合がある。
【００１１】
ＣＦＲＰは、樹脂を含むため金属に比べて熱伝導性が低く、レーザ加工の際に、レーザ光からの熱が加工部周辺で蓄熱され、加工部周辺の温度が上昇しやすい。ＣＦＲＰの厚板加工では、レーザ光からの入熱が大きくなるため、加工部周辺が溶融し、加工精度の悪化、層間剥離、樹脂の熱変質といった問題が発生する。また、ＣＦＲＰの厚板加工では、加工部周辺が４００℃以上となり、溶けた樹脂が炭素繊維シートの孔から噴出し、燃えることもある。これに対して、金属やセラミック板は不燃性であるため、溶融物の排出は問題とならない場合が多い。このように、ＣＦＲＰのような複合材の厚板加工は、金属やセラミックの厚板加工に比べて難しい面が多い。
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、厚板の複合材で構成された大型構造部材においても、加工部周辺の熱影響を抑えつつ、ワークに垂直な加工壁面や、垂直穴を形成できる複合材の加工装置および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】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明は、光源と、光源から発振されるレーザ光を偏向させる偏向部と、前記偏向されたレーザ光を集光させるｆθレンズと、を備える加工装置を用い、ｆθレンズの中心線と前記ｆθレンズで集光されたレーザ光の中心線とのなす照射角度（φ）が、前記集光されたレーザ光の収束角度（δ）以上となるようレーザ光を被加工部材の加工壁面が形成される箇所に照射する複合材の加工方法を提供する。
【００１４】
上記発明によれば、ｆθレンズを用いることで、偏向部で偏向されたレーザ光を平らな像面に収束させ、容易に等速度スキャンすることができるため、高速でレーザ加工することができるようになる。照射角度（φ）と収束角度（δ）とを、φ≧δとして被加工部材の加工壁面が形成される箇所に照射することで、加工領域の中心における接線に垂直な線に平行な加工壁面を形成することができる。また、レーザ光の照射角度を偏向部で制御できるため、被加工部材を傾ける必要がなく、複雑なステージ制御や基板高さ制御は不要である。
【００１５】
上記発明の一態様において、前記被加工部材にレーザ光を照射して、加工壁面が形成される箇所の上部から所定形状の溝を形成した後、前記レーザ光の照射位置を前記溝の幅よりも小さい距離だけ移動させて、同一焦点面内に、複数の別の溝を段階的に形成させ焦点面溝とすると良い。
【００１６】
レーザ光の照射位置を溝の幅、言い換えると、レーザ光のスポット径よりも小さい距離だけ移動させることで、焦点面溝を構成する各溝同士が重なるため、凹凸の少ない焦点面溝を形成することができる。
【００１７】
上記発明の一態様において、前記複数の別の溝を、前記加工壁面から離れる方向に、段階的に形成させると良い。
【００１８】
そのようにすることで、加工壁面付近に長時間、継続してレーザ光が照射されないため、被加工部材の加工壁面付近への蓄熱が少なくなる。そのため、被加工部材（複合材）の加工壁面付近での温度上昇を抑制することができ、熱変質が生じにくくなる。
【００１９】
上記発明の一態様において、前記溝と前記複数の別の溝とからなる焦点面溝を、その開口幅が所定距離となるよう形成した後、焦点面を前記溝の深さだけ下げ、開口幅が先の焦点面溝よりも狭い別の焦点面溝を形成する工程を繰り返し、前記加工壁面の下部に向かって近づくよう傾斜された側面を前記加工壁面に対向する側に有し、且つ、被加工部材を貫通する穴を形成すると良い。
【００２０】
上記一態様によれば、ワークの上部に形成される焦点面溝の開口幅を広く、板厚方向下部にいくに従って開口幅が狭くなるような穴が形成される。それによって、焦点位置を下げながら加工しても、ワーク上部でレーザ光のケラレが生じない。従って、加工が止まることなく確実に被加工部材の切断や開溝ができるようになる。また、間口が広くなるため、加工部分に吹き付けられる空気などのアシストガスが深部まで入りやすくなる。それによって、加工部分を効率よく冷却することができ、加工壁面周辺の熱変質が抑制される。
【００２１】
また、本発明は、光源と、光源から発振されるレーザ光を偏向させる偏向部、及び前記偏向されたレーザ光を集光させるｆθレンズで構成された光学系と、ｆθレンズの中心線と前記ｆθレンズで集光されたレーザ光の中心線とのなす照射角度（φ）が、前記集光されたレーザ光の収束角度（δ）以上となるようレーザ光を被加工部材の加工壁面が形成される箇所に照射するよう前記光学系を制御する制御部とを備える複合材の加工装置を提供する。
【００２２】
上記発明によれば、ｆθレンズを備えることで、偏向部で偏向されたレーザ光を平らな像面に集光させ、容易に等速度スキャンすることができるため、高速でレーザ加工することができる。制御部を備えることで、照射角度（φ）と収束角度（δ）とを、φ≧δとして被加工部材の加工壁面が形成される箇所に照射させることができるため、加工領域の中心における接線に垂直な線に平行な加工壁面を形成することができる。また、レーザ光の照射角度を光学系で制御できるため、被加工部材を傾ける必要がなく、複雑なステージ制御や基板高さ制御が不要となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ｆθレンズを備えたレーザ加工装置を用い、照射角度≧収束角度となるようレーザ光を被加工部材に照射することで、加工壁面をワーク上面に垂直に加工することができる。航空機の翼や自動車ボンネットのような複合材を用いた大型構造物の穴あけや切断にも対応しやすい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態で使用する加工装置を説明する図である。
【図２】ｆθレンズへの入射角度とレーザ光の照射角度との関係を説明する図である。
【図３】穴あけ加工を施した加工部分を説明する図である。
【図４】図３（ｂ）の破線領域Ｚの拡大図である。
【図５】穴あけ加工を施した加工部分を説明する図である。
【図６】切断加工を施した加工部分を説明する図である。
【図７】残材のＮ側端部の加工方法を説明する図である。
【図８】溝加工後の被加工部材の斜視図である図である。
【図９】溝加工の一例を説明する図である。
【図１０】溝加工の別の一例を説明する図である。
【図１１】溝加工の更に別の一例を説明する図である。
【図１２】従来の穴あけ加工方法を説明する図である。
【図１３】レーザ光を用いて穴あけした加工部の一例を示す図である。
【図１４】レーザ光を用いて穴あけした加工部の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明に係る複合材の加工方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
本実施形態で加工される被加工部材１は、複合材とされ、プリプレグなどの複合材料が複数積層された層を備える。複合材は、繊維で強化された樹脂からなる。繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド樹脂（ケブラー）等の樹脂繊維、ステンレス等の金属繊維、アルミナ等のセラミックス繊維、または木材チップなどが用いられる。樹脂としては、エポキシ系樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、またはアクリル樹脂などが用いられる。複合材は、チタンなどの金属材料の上に複合材からなる層が形成された部材であっても良い。
【００２６】
本実施形態で使用する加工装置を、図１を参照して説明する。
本実施形態で使用するレーザ加工装置は、レーザ光２を発振させる光源と、レーザ光２を偏向させる偏向部３、及び偏向されたレーザ光２が通過するｆθレンズ４で構成された光学系とを備える。
光源は、図示しないが、紙面に垂直な方向にレーザ光２を発振するよう偏向部３ａの紙面奥側に配置されている。
【００２７】
偏向部３は、ガルバノミラー系またはポリゴンミラー系のいずれかとされる。本実施形態では、ガルバノミラー系を用いる。ガルバノミラー系は、第１ガルバノミラー３ａと第２ガルバノミラー３ｂとを備えている。第１ガルバノミラー３ａは、軸回転可能であり、光源から発信されたレーザ光２を第２ガルバノミラー３ｂに向けて偏向させることができる。第２ガルバノミラー３ｂは、第１ガルバノミラー３ａの軸に対して垂直方向に軸回転可能であり、第１ガルバノミラー３ａで偏向されたレーザ光２を偏向させ、所望の角度でｆθレンズ４へ入射させることができる。
【００２８】
ｆθレンズ４は、有効焦点距離ｆのｆθレンズ４へレーザ光が入射角度θで入射された場合、ｆθレンズ系の中心線７の焦点位置６から中心線に対して垂直方向に、Ｘ＝ｆθ離れた位置に焦点を結ぶように設計されたレンズである。ｆθレンズ４に入射されたレーザ光は、平らな焦点面（像面）５に集光される。ｆθレンズ４は、所望の焦点面５及び収束角度（δ）を得られるレンズが適宜選択される。ｆθレンズ４は、複数枚組み合わせられたｆθレンズ系として使用されても良い。
なお、偏向部及びｆθレンズを含む光学系は、上下方向に移動することができる。
【００２９】
次に、上記加工装置を用いた複合材の加工方法を説明する。
上記構成の加工装置を、被加工部材の加工したい領域面の中心６における垂直線上に、ｆθレンズ４またはｆθレンズ系の中心線７を合せて配置する。また、偏向部３及びｆθレンズ４を含む光学系を、焦点面５が被加工部材２の上表面と略一致するような高さに配置する。
【００３０】
上記加工装置において、光源からレーザ光２を発振すると、レーザ光２は、第１ガルバノミラー３ａで第２ガルバノミラー３ｂに向けて偏向される。該偏向されたレーザ光２は、第２ガルバノミラー３ｂでｆθレンズ４に向かって偏向される。このとき、照射角度（Φ）が、ｆθレンズ４で集光されたレーザ光２の収束角度（δ）と同等以上の大きさとなるように、光学系を制御する。具体的には、ｆθレンズ４へのレーザ光２の入射角度（θ）を設定する。
【００３１】
収束角度（δ）とは、レーザ光２の中心線８とレーザ光２の外周線９（エッジライン）との間の角度である。照射角度（Φ）とは、ｆθレンズの中心線７とｆθレンズ４で集光されたレーザ光の中心線８との間の角度である。図２では、中心線７を平行移動させた線７ａを示す。Φは、焦点面からみたレーザ光２の仮想中心における振れ角でもある。入射角度（θ）とは、ｆθレンズの中心線７とレーザ光の中心線８との間の角度である。
【００３２】
レーザ光２のｆθレンズ４への入射角度とレーザ光の照射角度との関係を、図２を参照して説明する。
図２（ａ）：
レーザ光２のｆθレンズ４への入射角（θ）がθ＝０のとき、照射角度（Φ）はΦ＝０となる。すなわち、レーザ光の中心線８が、被加工部材１の加工したい面領域の中心における垂線と重なるとともに、焦点面５に対して垂直に照射される。
【００３３】
図２（ｂ）及び図２（ｃ）：
レーザ光２のｆθレンズ４への入射角（θ）がθ＞０のとき、照射角度（Φ）はΦ＞０となる。ここで、照射角度（Φ）と収束角度（δ）とを、Φ＝δとすると、レーザ光の一エッジライン９が、焦点面５に対して垂直な線と重なる（図２（ｂ））。また、Φ＞δとすると、図２（ｃ）のように、被加工部材５の加工したい領域面の中心から離れる方向Ｘに向けて焦点を移動させることができる。このような角度のレーザ光２を用いて複合材を加工すると、複合材に垂直壁を形成することができる。
【００３４】
上記のように、レーザ光の入射角度（θ）を変化させることにより、穴半径などの加工範囲を制御することができる。
例えば、レーザ光の焦点から有効焦点距離ｆだけ光源側にさかのぼった位置におけるレーザ光の径をｄとする。ｆ＝１８０ｍｍ、ｄ＝１２ｍｍ、のとき焦点のスポット径は３０μｍである。この値は、ｄに比べかなり小さいため、レーザ光の収束角度（δ）は、ｄ／２ｆで近似できるものと仮定すると、δ＝０．０３３ｒａｄ（１．９°）となる。
【００３５】
次に、穴あけ加工を例として、レーザ光２の照射手順を説明する。本実施形態のレーザ光の照射手順は、焦点面溝を形成する工程と、貫通穴を形成する工程とから構成される。図３は、穴あけ加工を施した加工部分を説明する図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線における断面図、（ｃ）は上面図を示す。図４は、図３（ｂ）の破線領域Ｚの拡大図である。
【００３６】
焦点面溝を形成する工程では、まず、照射位置を加工壁面が形成される箇所の上部の加工開始点（Ｃ）に合わせたレーザ光２を所定の形状（輪郭）に沿って照射して図３（ｃ）に示すように溝Ｃ１を形成させる。本実施形態における所定の形状は、ボルト締めするためのボルト孔を想定した円形（半径ｆθ）とされる。
レーザ光の照射条件（パルス周波数、パワー等）は、使用する加工装置や被加工部材の材質などによって適宜設定される。レーザ光の発振方式は、パルス発振または連続発振のいずれであっても良い。
【００３７】
炭素繊維で強化されたエポキシ樹脂からなる複合材を被加工部材とする場合、例えば、パルス幅３００ｆ（フェムト）秒、波長５３２ｎｍのレーザ加工装置を使用し、パルス周波数２０ｋＨｚ、パワー１．２ｗの条件でレーザ光を照射すると、加工深さ（Δｔ）が０．０６ｍｍの溝を形成することができる。
例えば、パルス幅１ｎ（ナノ）秒、波長５３２ｎｍのレーザを使用し、パルス周波数５０ｋＨｚ、パワー８ｗの条件でレーザ光を照射すると、加工深さ（Δｔ）が０．４ｍｍの溝を形成することができる。
例えば、パルス幅４００ｎ秒、波長１０６５ｎｍのレーザを使用し、パルス周波数５０ｋＨｚ、パワー３５ｗの条件でレーザ光を照射すると、加工深さ（Δｔ）が１．５ｍｍの溝を形成することができる。
【００３８】
溝Ｃ１を形成後、レーザ光２の照射位置を同一焦点面内で半径方向内側に移動させる。このとき、レーザ光２の照射位置の移動幅は、レーザ光のスポット径と同じまたはスポット径よりも小さい幅とされる。次に、レーザ光２を照射しながらＣ１溝の円周に沿って一回転回させ、溝Ｃ１と同心円の溝Ｃ２を形成させる。次に、溝Ｃ２と同様にレーザ光２の照射位置を移動させ、半径を順に小さくしながら、段階的に溝Ｃ１と同心円の溝を溝Ｃｎまで形成させ、第１の焦点面溝を加工する。焦点面溝の開口幅は、所定距離Ｌとされ、ｎは、開口幅（点Ｃから点Ｄまでの距離）が所定距離Ｌに達する整数とされる。
所定距離Ｌは、式（１）から算出される。
Ｌ＝ｔ・ｔａｎ（φ＋δ）・・・（１）
ｔは、被加工部材の厚さである。
【００３９】
なお、「照射位置」とは、レーザ光２の焦点位置であることが好ましいが、少しデフォーカスして、加工点におけるスポット径を大きくして照射することも含む。
【００４０】
貫通穴を形成する工程では、焦点面を溝の深さだけ下げ、開口幅が先の焦点面溝よりも狭い別の焦点面溝を形成する工程を繰り返し、被加工部材を貫通する穴を形成する。貫通穴は、加工壁面の下部に向かって近づくよう傾斜された側面を、加工壁面に対向する側に有する。
【００４１】
点Ｃから点Ｄまで焦点面溝を形成した後、照射位置を点Ｄから半径方向外側に向けてΔＬだけ移動させる。更に、焦点面５を被加工部材１の厚さ方向下側にΔｔだけ移動させ、照射位置を点Ｅに合わせる。焦点面５の移動は、光学系を被加工部材に対して移動させることで行うと良い。ΔＬは、式（２）から算出される。
ΔＬ＝Δｔ・ｔａｎ（φ＋δ）・・・（２）
【００４２】
レーザ光２を点Ｅに照射しながら一回転回させ、溝Ｃ１と同心円の溝Ｅ１を形成させる。レーザ照射条件は、溝Ｃ１の形成時と同様とする。続いて、レーザ光２の照射位置を半径方向外側に、スポット径と同じまたはスポット径よりも小さい幅だけ移動させる。次に、レーザを照射しながら、一回転回させ、溝Ｃ１と同心円の溝Ｅ２を形成させる。次に、溝Ｅ２と同様にレーザ光２の照射位置を移動させ、半径を順に大きくしながら、段階的に溝Ｃ１と同心円の溝を溝Ｅｍまで形成させ、第２の焦点面溝を加工する。ｍは、第２の焦点面溝の溝幅がＬ−ΔＬの距離（点Ｆ）に達するのに必要な整数とされる。
【００４３】
次に、焦点面５をΔｔだけ下方向に平行移動させ、照射位置を点Ｇに合わせる。レーザ光２を照射しながら、一回転回させ、溝Ｃ１と同心円の溝Ｇ１を形成させる。続いて、溝Ｃ２〜溝Ｃｎと同様に、半径を順に小さくしながら、点Ｈまで溝Ｇ２〜溝Ｇｏを形成させ、第３の焦点面溝を加工する。ｏは、第３の焦点面溝の溝幅（点Ｇから点Ｈまで）が、Ｌ−２ΔＬの距離に達するのに必要な整数とされる。
【００４４】
焦点壁面が被加工部材の下部（点Ｂ）に達するまで、溝Ｅ１〜Ｅｍ、溝Ｇ１〜溝Ｇｏの加工工程を繰り返し行い、複数の焦点面溝を形成させる。このとき、各焦点面溝は、一側面が加工壁面と一致し、且つ、先の焦点面溝よりも開口幅が狭くなるように形成される。具体的には、焦点面溝の加工壁面から離れた側の端面が、焦点面を１つ下げるごとに、ΔＬだけ加工壁面側に移動するように加工する。そうすることによって、被加工部材１の下部に向かって近づくよう角度（φ＋δ）で傾斜された側面を有する楔状にくりぬかれた穴を加工することができる。焦点面が点Ｂに達したとき、上記穴が被加工部材５の板厚方向に貫通される。側面がテーパ上になった残材を除去すると、垂直壁面を有する穴が形成される。尚、加工開始点は、点Ｃではなく、点Ｄから点Ｃに向けて、同心円の半径を大きくするように行ってもよい。
【００４５】
上記垂直壁面を有する穴はφ≧δとなる半径以上で形成可能である。φ＝δのときが、最も加工除去量が少なくなる。通常、ｆθレンズスガルバノミラースキャン光学系は、トリミング（配線などの微小部分の膜を除去）やマーキング（刻印）などに使われており、焦点のスポット径は１２〜５０μｍ程度である。また、スポット径を小さくするためにレーザ光の径ｄは８〜３０ｍｍと大きい。しかし、複合材の穴あけ加工では、スポット径を小さく絞る必要はない。むしろ、加工速度を速くするためには、スポット径は大きいほうが良く、５０〜３００μｍが好適である。そのため、ｄは１〜７ｍｍ程度でよい。ｄが小さいときビームの収束角度δが小さくなる。例えば、ｄ＝４ｍｍのとき半径が３ｍｍ以上、ｄ＝２ｍｍのとき半径が１．５ｍｍ以上（ただしφ／θ＝０．６５）の垂直穴あけ加工が可能である。また、半径５０ｍｍの大穴加工であっても、ｄが小さいほどδが小さくなり、加工除去量が少なくなる。
【００４６】
〔第２実施形態〕
図５を参照して、穴あけ加工の別の一例を説明する。本実施形態において、被加工部材や使用する加工装置などは、第１実施形態と同様とする。図５は、穴あけ加工を施した加工部分を説明する図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＫ−Ｌ線における断面図、（ｃ）は（ａ）のＩ−Ｊ線における断面図を示す。本実施形態では、第１実施形態と同様に、まず、レーザ光２を加工面２０上部の加工開始点に照射し、そのままレーザ光２を所定の形状（輪郭）に沿って照射して溝Ｃ１を形成させる。本実施形態における所定の形状は、正方形とされる。
【００４７】
レーザ光２の照射手順は、所定距離Ｌの算出方法が異なる以外は、第１実施形態と同様とする。
図５（ｂ）のＫ−Ｌ断面と図５（ｃ）のＩ−Ｊ断面とでは所定距離Ｌが異なる。Ｋ−Ｌ断面、Ｉ−Ｊ断面（対角）における所定距離Ｌ１及び所定距離Ｌ２は、それぞれ式（３）及び式（４）から算出される。
Ｌ１＝ｔ・ｔａｎ（φ１＋δ）・・・（３）
Ｌ２＝ｔ・ｔａｎ（φ２＋δ）・・・（４）
Ｌ２＝√２Ｌ１
φ２＞φ１
φ１：Ｋ−Ｌ断面における照射角度（Φ）の最大必要な角度
φ２：Ｉ−Ｊ断面（対角）における照射角度（Φ）の最大必要な角度
【００４８】
また、垂直壁を有する穴の形成には、Ｋ−Ｌ断面においてφ１≧δである必要がある。
【００４９】
〔第３実施形態〕
図６を参照して、切断加工の一例を説明する。図６は切断加工を施した加工部分を説明する図であり（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線の断面図である。図６（ａ）において、円形破線はレーザ照射可能範囲を示す。本実施形態において、被加工部材や使用する加工装置などは、第１実施形態と同様とする。
【００５０】
本実施形態では、第１実施形態と同様に、まず、レーザ光２を加工壁面３０上部の加工開始点Ｃに照射し、そのままレーザ光２を所定の形状（輪郭）に沿って照射して溝Ｃ１を形成させる。本実施形態における所定の形状は、直線状とされる。
本実施形態では、加工したい領域がレーザ光の照射可能範囲よりも広いため、被加工部材２１を移動させることで、所定の形状の溝Ｃ１を形成させる。例えば、前後左右に移動可能な保持台の上に被加工部材２１を保持させる。被加工部材２１の加工開始点Ｃに、レーザ光２の照射位置を合せ固定し、照射を開始する。保持台を切断方向Ｓ（片方向）に移動させることで被加工部材２１に所定形状の溝Ｃ１を形成させる。
【００５１】
溝Ｃ１を形成後、レーザ光２の照射位置を同一焦点面内で加工壁面３０と離れる方向（点Ｍから点Ｎに向かう方向）に移動させる。このとき、レーザ光２の照射位置の移動幅は、レーザ光のスポット径と同じまたはスポット径よりも小さい幅とされる。レーザ光２を固定し、被加工部材２１をＳとは反対方向に移動させることで溝Ｃ１に平行な溝Ｃ２を形成させる。次に、溝Ｃ２と同様にレーザ光２の照射位置を切断方向Ｓ（先と反対方向）に移動させ、段階的に溝Ｃ１に平行な溝を溝Ｃｐまで形成させて、第１の焦点面溝を加工する。ｐは、第１の焦点面溝の溝幅（点Ｍから点Ｎまで）が所定距離Ｌに達する整数とされる。所定距離Ｌは、第１実施形態と同様に算出する。
【００５２】
貫通穴を形成する工程では、第１実施形態と同様に、焦点面を溝の深さだけ下げ、開口幅が先の焦点面溝よりも狭い別の焦点面溝を形成する工程を繰り返し、被加工部材を貫通する穴を形成する。
【００５３】
本実施形態において、所定形状は直線状であるため、焦点面溝の開口幅を狭くするための照射位置の移動は、点Ｍから点Ｎに向かう方向、またはその逆方向で行われる。また、第２の焦点面溝以降の複数の焦点面溝の形成は、第１の焦点面溝の形成と同様に、レーザ光２は固定し、被加工部材２１を移動させて行う。
【００５４】
焦点面が被加工部材２１の下部（点Ｏ）に達するまで、焦点面溝の形成を繰り返し行い、貫通穴を形成させる。このとき、各焦点面溝は、一側面が加工壁面３０と一致し、且つ、先の焦点面溝よりも溝幅が狭くなるように形成される。具体的には、焦点面溝の加工壁面３０から離れた側の端面が、焦点面を１つ下げるごとに、ΔＬだけ加工壁面側に移動するように加工する。そうすることによって、被加工部材２１の下部に向かって近づくよう角度（φ＋δ）で傾斜された側面３２を有する楔状にくりぬかれた穴を加工することができる。
【００５５】
レーザ光２の照射位置を点Ｍと直径方向反対側に移動させることで、ｆθレンズの中心線７を挟んで対象な位置に上記と同様の加工を行うことができる。
【００５６】
本実施形態の変形例として、残材の加工方法を説明する。図７に残材３３のＮ側端部を示す。
まず、残材３３のＮ側端部をｆθレンズの中心線７を挟んで反対側移動させる。点Ｎを、ｆθレンズの中心線７を挟んで点Ｍと対象な位置に配置することが好ましい。所定距離Ｌは、各焦点面に含まれるテーパ部３４の幅（加工壁面３５から他端部までの距離）とされる。本変形例では、残材３３の端部のテーパ部３４を切除することで、残材３３の端部を垂直壁面とする。端部の加工では、ケラレを回避できる。そのため、レーザ光２をΦ≧δとなるような角度で点Ｎに照射し、点Ｐまで照射位置を垂直下方向に移動させて加工しても良い。そうすることで、切削量を最小とすることができる。
【００５７】
〔第４実施形態〕
図８〜図１１を参照して、溝加工の一例を説明する。図８は、溝加工後の被加工部材の斜視図である。図９は、溝加工の一例を説明する図であり（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の上面図である。図１０は、溝加工の別の一例を説明する図であり（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の上面図である。図１１は、溝加工の更に別の一例を説明する図であり（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の上面図である。図９（ｂ）、図１０（ｂ）、図１１（ｂ）において、円形破線はレーザ照射可能範囲を示す。本実施形態において、被加工部材や使用する加工装置などは、第１実施形態と同様とする。
【００５８】
本実施形態では、被加工部材は面内方向に移動可能な保持台で保持させ、被加工部材の予定する溝の幅の中心にｆθレンズの中心線７を合せる。所定形状は、直線状とされる。
図９では、第３実施形態の第１の焦点面溝と同様に、レーザ光２の照射位置を所定の位置に固定し、被加工部材４１を移動させて溝Ｃ１〜溝Ｃｑ（第１の焦点面溝）を形成させる。このとき、所定距離Ｌは開口幅Ｌ３とされる。開口幅Ｌ３は、点Ｑから、直径方向反対側に位置する点Ｒまでを指す。ｑは、第１の焦点面溝の開口幅が所定距離Ｌ３に達するのに必要な整数とされる。
本実施形態では、以降の焦点面溝の開口幅をすべてＬ３とし、所定深さに達するまで複数の焦点面溝を形成させる。
【００５９】
図１０では、被加工部材４１を固定したまま、点Ｑから点Ｒまでレーザ光２を走査し、開口幅方向（点Ｑから点Ｒに向かう方向）に溝Ｃ１を形成させる。その後、被加工部材４１を加工壁面４０と平行な方向Ｕに移動させる。このとき、被加工部材４１の移動幅（すなわち、レーザ光２の照射位置の移動幅）は、レーザ光のスポット径と同じまたはスポット径よりも小さい幅とされる。溝を形成して被加工部材を移動させる操作を繰り返して第１の焦点面溝（溝Ｃ１〜溝Ｃｒ）を形成させる。ｒは、第１の焦点面溝の長さ（加工壁面４０と平行な方向の長さ）が所定距離Ｌ４に達するのに必要な整数とされる。
【００６０】
図１１では、被加工部材４１を固定したまま、点Ｑから点Ｒまでレーザ光２を走査し、点Ｑから点Ｒに向かう方向に溝Ｃ１を形成させる。図１０では、点Ｑと点Ｒとを結ぶ線は、加工壁面４０に対して垂直としたが、図１１では、点Ｑと点Ｒとを結ぶ線が加工壁面４０に対して斜めになるようにした。それ以外は、図１０と同様に第１の焦点面溝を形成させる。溝加工において、レーザ光２の収束角度（δ）が大きい場合、レーザ光２を加工面４０に対して垂直方向に移動させると、開口幅（点Ｑから点Ｒまでの距離）が大きくなる。そのため、レーザ光２を加工面４０に対して斜め方向に移動させることで、開口幅（加工壁面に垂直な方向の幅）を小さくすることが可能となる。
【符号の説明】
【００６１】
１、１１、２１、４１ 被加工部材
２ レーザ光
３ 偏向部
４ ｆθレンズ
５ 焦点面
６ 被加工部材の加工したい領域面の中心
７ ｆθレンズの中心線
８ レーザ光の中心線
９ レーザ光の外周線
１０、２０、３０、３５、４０ 加工壁面
３２ 傾斜された側面
３３ 残材
３４ テーパ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、光源から発振されるレーザ光を偏向させる偏向部と、前記偏向されたレーザ光を集光させるｆθレンズと、を備える加工装置を用い、
ｆθレンズの中心線と前記ｆθレンズで集光されたレーザ光の中心線とのなす照射角度（φ）が、前記集光されたレーザ光の収束角度（δ）以上となるようレーザ光を被加工部材の加工壁面が形成される箇所に照射する複合材の加工方法。
【請求項２】
前記被加工部材にレーザ光を照射して、前記加工壁面が形成される箇所の上部から所定形状の溝を形成した後、前記レーザ光の照射位置を前記溝の幅よりも小さい距離だけ移動させて、同一焦点面内に、複数の別の溝を段階的に形成させ焦点面溝とする請求項１に記載の複合材の加工方法。
【請求項３】
前記複数の別の溝を、前記加工壁面から離れる方向に、段階的に形成させる請求項２に記載の複合材の加工方法。
【請求項４】
前記溝と前記複数の別の溝とからなる焦点面溝を、その開口幅が所定距離となるよう形成した後、
焦点面を前記溝の深さだけ下げ、開口幅が先の焦点面溝よりも狭い別の焦点面溝を形成する工程を繰り返し、
前記加工壁面の下部に向かって近づくよう傾斜された側面を前記加工壁面に対向する側に有し、且つ、被加工部材を貫通する穴を形成する請求項２または請求項３に記載の複合材の加工方法。
【請求項５】
光源と、
光源から発振されるレーザ光を偏向させる偏向部、及び前記偏向されたレーザ光を集光させるｆθレンズで構成された光学系と、
ｆθレンズの中心線と前記ｆθレンズで集光されたレーザ光の中心線とのなす照射角度（φ）が、前記集光されたレーザ光の収束角度（δ）以上となるようレーザ光を被加工部材の加工壁面が形成される箇所に照射するよう前記光学系を制御する制御部と、
を備える複合材の加工装置。
【請求項１】
光源と、光源から発振されるレーザ光を偏向させる偏向部と、前記偏向されたレーザ光を集光させるｆθレンズと、を備える加工装置を用い、
ｆθレンズの中心線と前記ｆθレンズで集光されたレーザ光の中心線とのなす照射角度（φ）が、前記集光されたレーザ光の収束角度（δ）以上となるようレーザ光を被加工部材の加工壁面が形成される箇所に照射する複合材の加工方法。
【請求項２】
前記被加工部材にレーザ光を照射して、前記加工壁面が形成される箇所の上部から所定形状の溝を形成した後、前記レーザ光の照射位置を前記溝の幅よりも小さい距離だけ移動させて、同一焦点面内に、複数の別の溝を段階的に形成させ焦点面溝とする請求項１に記載の複合材の加工方法。
【請求項３】
前記複数の別の溝を、前記加工壁面から離れる方向に、段階的に形成させる請求項２に記載の複合材の加工方法。
【請求項４】
前記溝と前記複数の別の溝とからなる焦点面溝を、その開口幅が所定距離となるよう形成した後、
焦点面を前記溝の深さだけ下げ、開口幅が先の焦点面溝よりも狭い別の焦点面溝を形成する工程を繰り返し、
前記加工壁面の下部に向かって近づくよう傾斜された側面を前記加工壁面に対向する側に有し、且つ、被加工部材を貫通する穴を形成する請求項２または請求項３に記載の複合材の加工方法。
【請求項５】
光源と、
光源から発振されるレーザ光を偏向させる偏向部、及び前記偏向されたレーザ光を集光させるｆθレンズで構成された光学系と、
ｆθレンズの中心線と前記ｆθレンズで集光されたレーザ光の中心線とのなす照射角度（φ）が、前記集光されたレーザ光の収束角度（δ）以上となるようレーザ光を被加工部材の加工壁面が形成される箇所に照射するよう前記光学系を制御する制御部と、
を備える複合材の加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−７１３１４（Ｐ２０１２−７１３１４Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１５９３７（Ｐ２０１０−２１５９３７）
【出願日】平成２２年９月２７日（２０１０．９．２７）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２７日（２０１０．９．２７）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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