特開 2023-34935 ワーク加工方法およびレーザ加工機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023034935

(43)【公開日】2023-03-13

(54)【発明の名称】ワーク加工方法およびレーザ加工機

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/36 20140101AFI20230306BHJP

   B23K 26/073 20060101ALI20230306BHJP

   B23K 26/08 20140101ALI20230306BHJP

   B23K 26/0622 20140101ALI20230306BHJP

【ＦＩ】

B23K26/36

B23K26/073

B23K26/08

B23K26/0622

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021141429

(22)【出願日】2021-08-31

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2022-04-12

(71)【出願人】

【識別番号】000146847

【氏名又は名称】ＤＭＧ森精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松田 拓也

(72)【発明者】

【氏名】太田 道春

(72)【発明者】

【氏名】近藤 昌樹

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168AB01

4E168AD03

4E168AD18

4E168CB02

4E168DA34

4E168DA46

4E168DA47

4E168DA54

4E168EA13

4E168EA17

4E168EA19

4E168HA00

4E168JA02

4E168KA07

(57)【要約】

【課題】ワークの加工時間を短縮しつつ、ワークに所望の形状を有する複数の凹部を加工することが可能なワーク加工方法およびレーザ加工機、を提供する。
【解決手段】ワーク加工方法は、扁平状レーザ光をワークＷに向けてパルス状に照射する照射区間Ｓａと、扁平状レーザ光の照射を停止する停止区間Ｓｂとを交互に実行するように、レーザ光出射部より扁平状レーザ光を出射するステップと、ワークＷおよびレーザ光出射部の移動方向と、扁平状レーザ光の長軸方向とがなす角度が、ワークＷおよびレーザ光出射部の移動方向と、扁平状レーザ光の短軸方向とがなす角度よりも大きくなり、かつ、複数回実行される照射区間Ｓａの間において、各照射区間Ｓａで扁平状レーザ光が照射されるワークＷ上の領域が互いに重なり合わないように、ワークＷおよびレーザ光出射部を相対的に移動させるステップとを備える。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

扁平状レーザ光をワークに向けて連続的またはパルス状に照射する照射区間と、前記ワークに対する前記扁平状レーザ光の照射を停止する停止区間とを交互に実行するように、レーザ光出射部より前記扁平状レーザ光を出射するステップを備え、
前記扁平状レーザ光は、その光軸に直交する平面により切断された場合に、短軸方向と、前記短軸方向と直交し、前記短軸方向における長さよりも大きい長さの長軸方向とを含む扁平断面を有し、さらに、
前記レーザ光出射部から前記ワークに向けて出射される前記扁平状レーザ光の光軸方向に見て、前記ワークおよび前記レーザ光出射部の移動方向と、前記長軸方向とがなす角度がαであり、前記ワークおよび前記レーザ光出射部の移動方向と、前記短軸方向とがなす角度がβである場合に（α＋β＝９０°）、角度αは、角度βよりも大きくなり、かつ、複数回実行される前記照射区間の間において、各前記照射区間で前記扁平状レーザ光が照射される前記ワーク上の領域が互いに重なり合わないように、前記レーザ光出射部により前記照射区間および前記停止区間が交互に実行される間、前記ワークおよび前記レーザ光出射部を相対的に移動させるステップを備える、ワーク加工方法。

【請求項2】

前記角度αは、９０°である、請求項１に記載のワーク加工方法。

【請求項3】

前記扁平状レーザ光は、長円断面を有する、請求項１または２に記載のワーク加工方法。

【請求項4】

前記相対的に移動させるステップ時、前記ワークおよび前記レーザ光出射部を一定速度で相対的に移動させる、請求項１から３のいずれか１項に記載のワーク加工方法。

【請求項5】

前記扁平状レーザ光を出射するステップ時、前記照射区間において、前記扁平状レーザ光を前記ワークに向けてパルス状に照射する、請求項１から４のいずれか１項に記載のワーク加工方法。

【請求項6】

前記ワークは、円筒形状を有し、
前記扁平状レーザ光を出射するステップ時、前記レーザ光出射部より前記ワークの周面に向けて前記扁平状レーザ光を出射し、
前記相対的に移動させるステップ時、前記ワークおよび前記レーザ光出射部を、前記ワークの軸方向、かつ、前記ワークの周方向に相対的に移動させる、請求項１から５のいずれか１項に記載のワーク加工方法。

【請求項7】

前記扁平状レーザ光を出射するステップ時、前記ワークの軸方向に互いに間隔を設けて配置される複数の前記レーザ光出射部より前記ワークの周面に向けて、前記扁平状レーザ光を出射する、請求項６に記載のワーク加工方法。

【請求項8】

レーザ光を、扁平状レーザ光とする光学部品を備え、
前記扁平状レーザ光は、その光軸に直交する平面により切断された場合に、短軸方向と、前記短軸方向と直交し、前記短軸方向における長さよりも大きい長さの長軸方向とを含む扁平断面を有し、さらに、
前記扁平状レーザ光をワークに向けて連続的またはパルス状に照射する照射区間と、前記ワークに対する前記扁平状レーザ光の照射を停止する停止区間とを交互に実行するように、前記扁平状レーザ光を出射するレーザ光出射部と、
前記レーザ光出射部から前記ワークに向けて出射される前記扁平状レーザ光の光軸方向に見て、前記ワークおよび前記レーザ光出射部の移動方向と、前記長軸方向とがなす角度がαであり、前記ワークおよび前記レーザ光出射部の移動方向と、前記短軸方向とがなす角度がβである場合に（α＋β＝９０°）、角度αは、角度βよりも大きくなり、かつ、複数回実行される前記照射区間の間において、各前記照射区間で前記扁平状レーザ光が照射される前記ワーク上の領域が互いに重なり合わないように、前記レーザ光出射部により前記照射区間および前記停止区間が交互に実行される間、前記ワークおよび前記レーザ光出射部を相対的に移動させる移動機構部とを備える、レーザ加工機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、ワーク加工方法およびレーザ加工機に関する。

【背景技術】

【0002】

たとえば、特開２００９－１３１８９６号公報（特許文献１）には、金属材料からなるローラの表面に複数の凹部を形成するためのローラ加工方法が開示されている。特許文献１に開示されるローラ加工方法は、ローラを回転させる工程と、回転されるローラの位置を検出する工程と、ローラが一回転する毎にレーザ光をローラの表面の同一箇所に照射することを複数回繰り返して、ローラの表面に凹部を形成する工程とを備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９－１３１８９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

レーザヘッドからワークに向けてレーザ光を照射することにより、ワーク表面に複数の凹部を加工するワーク加工方法が知られている。このようなワーク加工方法において、レーザヘッドからワークに向けたレーザ光の照射と、レーザヘッドおよび／またはワークの移動および停止とを交互に繰り返すことによって、ワーク表面に複数の凹部を加工する場合が想定される。

【0005】

しかしながら、この場合、レーザ光の照射の合間に、レーザヘッドおよび／またはワークを加減速させるための時間を要するため、ワークの加工時間が長くなる。一方、レーザヘッドおよび／またはワークを移動させたまま、レーザ光を照射すると、レーザ光の照射領域がレーザヘッドおよびワークの相対的な移動方向に間延びするため、所望の形状の凹部を加工することができない。

【0006】

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、ワークの加工時間を短縮しつつ、ワークに所望の形状を有する複数の凹部を加工することが可能なワーク加工方法およびレーザ加工機を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

この発明に従ったワーク加工方法は、扁平状レーザ光をワークに向けて連続的またはパルス状に照射する照射区間と、ワークに対する扁平状レーザ光の照射を停止する停止区間とを交互に実行するように、レーザ光出射部より扁平状レーザ光を出射するステップを備える。扁平状レーザ光は、その光軸に直交する平面により切断された場合に、短軸方向と、短軸方向と直交し、短軸方向における長さよりも大きい長さの長軸方向とを含む扁平断面を有する。ワーク加工方法は、レーザ光出射部からワークに向けて出射される扁平状レーザ光の光軸方向に見て、ワークおよびレーザ光出射部の移動方向と、長軸方向とがなす角度がαであり、ワークおよびレーザ光出射部の移動方向と、短軸方向とがなす角度がβである場合に（α＋β＝９０°）、角度αは、角度βよりも大きくなり、かつ、複数回実行される照射区間の間において、各照射区間で扁平状レーザ光が照射されるワーク上の領域が互いに重なり合わないように、レーザ光出射部により照射区間および停止区間が交互に実行される間、ワークおよびレーザ光出射部を相対的に移動させるステップをさらに備える。

【0008】

このように構成されたワーク加工方法によれば、レーザ光出射部により、照射区間と、停止区間とを交互に実行する間、移動機構部により、ワークおよびレーザ光出射部を相対的に移動させる。これにより、ワークおよびレーザ光出射部を相対的に移動させ続けながら、ワークに複数の凹部を加工することが可能となるため、ワークの加工時間を短縮することができる。また、ワークおよびレーザ光出射部の移動方向と、扁平状レーザ光の長軸方向および短軸方向とがそれぞれなす角度αおよび角度βが、α＞βの関係を満たすように、移動機構部によりワークおよびレーザ光出射部を相対的に移動させる。これにより、各照射区間で扁平状レーザ光が照射されるワーク表面上の領域が、ワークおよびレーザ光出射部の移動方向に間延びすることを抑制して、ワークに所望の形状を有する複数の凹部を加工することができる。

【0009】

また好ましくは、角度αは、９０°である。

【0010】

このように構成されたワーク加工方法によれば、ワークおよびレーザ光出射部の移動方向と、扁平状レーザ光の長軸方向とを直交関係とすることによって、各照射区間で扁平状レーザ光が照射されるワーク表面上の領域が、ワークおよびレーザ光出射部の移動方向に間延びすることをより効果的に抑制できる。

【0011】

また好ましくは、扁平状レーザ光は、長円断面を有する。

【0012】

このように構成されたワーク加工方法によれば、ワークおよびレーザ光出射部の移動方向と、長円断面を有する扁平状レーザ光の長軸方向および短軸方向とがそれぞれなす角度αおよび角度βが、α＞βの関係を満たすことによって、各照射区間で扁平状レーザ光が照射されるワーク表面上の領域が、ワークおよびレーザ光出射部の移動方向に間延びすることを抑制できる。

【0013】

また好ましくは、相対的に移動させるステップ時、ワークおよびレーザ光出射部を一定速度で相対的に移動させる。

【0014】

このように構成されたワーク加工方法によれば、レーザ光出射部および移動機構部の制御を簡易にしつつ、ワークに複数の凹部を加工することができる。

【0015】

また好ましくは、扁平状レーザ光を出射するステップ時、照射区間において、扁平状レーザ光をワークに向けてパルス状に照射する。

【0016】

このように構成されたワーク加工方法によれば、ワークにレーザ光による熱損傷が生じることを抑制できる。

【0017】

また好ましくは、ワークは、円筒形状を有する。扁平状レーザ光を出射するステップ時、レーザ光出射部よりワークの周面に向けて扁平状レーザ光を出射する。相対的に移動させるステップ時、ワークおよびレーザ光出射部を、ワークの軸方向、かつ、ワークの周方向に相対的に移動させる。

【0018】

このように構成されたワーク加工方法によれば、円筒形状を有するワークの周面に、螺旋状に並ぶ複数の凹部を、短時間で、かつ、高精度に加工することができる。

【0019】

また好ましくは、扁平状レーザ光を出射するステップ時、ワークの軸方向に互いに間隔を設けて配置される複数のレーザ光出射部よりワークの周面に向けて、扁平状レーザ光を出射する。

【0020】

このように構成されたワーク加工方法によれば、円筒形状を有するワークの周面に、螺旋状に並ぶ複数の凹部をさらに短時間で加工することができる。

【0021】

この発明に従ったレーザ加工機は、レーザ光を、扁平状レーザ光とする光学部品を備える。扁平状レーザ光は、その光軸に直交する平面により切断された場合に、短軸方向と、短軸方向と直交し、短軸方向における長さよりも大きい長さの長軸方向とを含む扁平断面を有する。レーザ加工機は、扁平状レーザ光をワークに向けて連続的またはパルス状に照射する照射区間と、ワークに対する扁平状レーザ光の照射を停止する停止区間とを交互に実行するように、扁平状レーザ光を出射するレーザ光出射部と、レーザ光出射部からワークに向けて出射される扁平状レーザ光の光軸方向に見て、ワークおよびレーザ光出射部の移動方向と、長軸方向とがなす角度がαであり、ワークおよびレーザ光出射部の移動方向と、短軸方向とがなす角度がβである場合に（α＋β＝９０°）、角度αは、角度βよりも大きくなり、かつ、複数回実行される照射区間の間において、各照射区間で扁平状レーザ光が照射されるワーク上の領域が互いに重なり合わないように、レーザ光出射部により照射区間および停止区間が交互に実行される間、ワークおよびレーザ光出射部を相対的に移動させる移動機構部とをさらに備える。

【0022】

このように構成されたレーザ加工機によれば、ワークの加工時間を短縮しつつ、ワークに所望の形状を有する複数の凹部を加工することができる。

【発明の効果】

【0023】

以上に説明したように、この発明に従えば、ワークの加工時間を短縮しつつ、ワークに所望の形状を有する複数の凹部を加工することが可能なワーク加工方法およびレーザ加工機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】この発明の実施の形態におけるワーク加工方法を用いたワーク加工の様子を示す図である。

【図2】この発明の実施の形態におけるワーク加工方法を用いたワーク加工の様子を示す別の図である。

【図3】この発明の実施の形態におけるワーク加工方法を用いたワーク加工の様子を示すさらに別の図である。

【図4】ワークに対してレーザ光出射部が走査されるルートを模式的に示す図である。

【図5】レーザ光出射部から出射されるレーザ光のレーザ出力の変化を模式的に示すグラフである。

【図6】図５中のレーザ光のレーザ出力の変化をより具体的に示すグラフである。

【図7】パルスエネルギ、パルス間隔およびパルス数を示す図である。

【図8】図５中の照射区間および停止区間と、ワーク表面上のレーザ光の照射領域との関係を模式的に示す図である。

【図9】図８中のＩＸ－ＩＸ線上の矢視方向に見たワークを示す断面図である。

【図10】図３中のワークおよびレーザ光出射部の移動方向と、扁平状レーザ光の長軸方向および短軸方向とがなす角度の変形例を示す図である。

【図11】図５中に示すレーザ光のレーザ出力の変化の変形例を模式的に示すグラフである。

【図12】ワークに向けた扁平状レーザ光の照射の形態の変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

【0026】

図１から図３は、この発明の実施の形態におけるワーク加工方法を用いたワーク加工の様子を示す図である。図１から図３を参照して、本実施の形態におけるワーク加工方法は、レーザ加工によりワークＷを加工する方法である。

【0027】

ワークＷは、鋳鉄等の金属からなる。ワークＷは、中心軸１１０を中心とする円筒形状を有する。ワークＷは、シリンダライナであり、エンジンブロックに設けられたシリンダボアに挿入される。

【0028】

本実施の形態におけるワーク加工方法は、ワークＷの表面に複数の凹部を形成するための方法である。ワーク加工方法は、ワークＷの内周面に、中心軸１１０を中心に螺旋状に並ぶ複数の凹部（ディンプル）を形成するための方法である。レーザ加工機１０は、本実施の形態におけるワーク加工方法に用いられる。

【0029】

以下においては、レーザ加工機１０の構造と、そのレーザ加工機１０を用いた場合の本実施の形態におけるワーク加工方法とについて説明する。レーザ加工機１０は、レーザヘッド３１と、レーザ発振器４１とを有する。

【0030】

レーザ発振器４１は、ワークＷの加工に用いられるレーザ光を発振する。レーザ発振器４１で発振されたレーザ光は、光ファイバ４２を通じてレーザヘッド３１に導かれる。レーザヘッド３１は、レーザ発振器４１からのレーザ光をワークＷに向けて照射する。レーザヘッド３１は、レーザ光をワークＷの内周面に向けて照射する。

【0031】

レーザヘッド３１は、ヘッド本体３２と、レーザ光出射部３３とを有する。ヘッド本体３２には、光ファイバ４２が接続されている。

【0032】

レーザ光出射部３３は、ヘッド本体３２と一体に設けられている。ワークＷの加工時、レーザ光出射部３３は、ワークＷと対向して位置決めされる。レーザ光出射部３３（レーザヘッド３１）は、円筒形状を有するワークＷの内側に配置される。レーザ光出射部３３は、ワークＷの内周面と対向して位置決めされる。

【0033】

レーザヘッド３１は、第１光学部品３４と、第２光学部品３５（本発明における「光学部品」に対応）と、第３光学部品３６とをさらに有する。

【0034】

第１光学部品３４、第２光学部品３５および第３光学部品３６は、レーザヘッド３１におけるレーザ光の光路上に設けられている。第１光学部品３４、第２光学部品３５および第３光学部品３６は、挙げた順に、レーザヘッド３１におけるレーザ光の光路の上流側から下流側に並んでいる。第１光学部品３４および第２光学部品３５は、ヘッド本体３２に配置されている。第３光学部品３６は、レーザ光出射部３３に配置されている。

【0035】

第１光学部品３４は、レーザ発振器４１からレーザヘッド３１に導かれたレーザ光を平行光にする。第１光学部品３４は、コリメーションレンズを含む。

【0036】

第２光学部品３５は、第１光学部品３４からのレーザ光を、扁平状レーザ光にする。第２光学部品３５は、シリンドリカルレンズを含む。第２光学部品３５は、扁平形状の開口部が設けられたマスクを含んでもよい。第２光学部品３５は、回折型光学部品（DOE：Diffractive Optical Element）を含んでもよい。

【0037】

第３光学部品３６は、第２光学部品３５からの扁平状レーザ光をワークＷの表面上に集光する。第３光学部品３６は、集光レンズを含む。

【0038】

レーザ光出射部３３は、第３光学部品３６からの扁平状レーザ光Ｌを出射する。レーザ光出射部３３から出射された扁平状レーザ光Ｌは、光軸１２０を中心に直進し、ワークＷの表面（内周面）に照射される。

【0039】

なお、レーザヘッド３１には、レーザ光の進行方向を変化させるためのミラー、または、レンズ等を保護するための保護ガラスなどの光学部品がさらに設けられてもよい。レーザ光は、ワーク上の加工位置まで、空間的にミラーにより伝送されてもよいし、光ファイバにより伝送されてもよい。

【0040】

図３に示されるように、扁平状レーザ光Ｌは、光軸１２０に直交する平面１８０により切断された場合に、短軸方向（矢印１６０に示される方向）と、短軸方向（矢印１６０に示される方向）と直交し、短軸方向（矢印１６０に示される方向）における長さｄａよりも大きい長さｄｂの長軸方向（矢印１７０に示される方向）とを含む扁平断面を有する。扁平状レーザ光Ｌは、長円断面を有する。

【0041】

なお、扁平状レーザ光が有する扁平断面は、上記の長円形状に限られず、たとえば、菱形形状、長方形または平行四辺形などの多角形であってもよいし、互いに平行な２本の直線と、２本の直線の一方端に接続される半円と、２本の直線の他方端に接続される半円とが組み合わさったトラック形状であってもよい。

【0042】

扁平状レーザ光が有する扁平形状は、光軸１２０を通り、短軸方向に延びる直線を挟んで、対称形状を有することが好ましい。扁平状レーザ光が有する扁平形状は、光軸１２０を通り、長軸方向に延びる直線を挟んで、対称形状を有することが好ましい。

【0043】

レーザ光出射部３３から出射された扁平状レーザ光Ｌは、ワークＷの表面（内周面）に、レーザ光が照射される照射領域Ｇを形成する。照射領域Ｇは、扁平形状、より具体的には、長円形状を有する。

【0044】

図４は、ワークに対してレーザ光出射部が走査されるルートを模式的に示す図である。図１から図４を参照して、レーザ加工機１０は、移動機構部２１をさらに有する。移動機構部２１は、ワークＷおよびレーザ光出射部３３を相対的に移動させる。移動機構部２１は、ワークＷおよびレーザ光出射部３３を一定速度で相対的に移動させる。

【0045】

レーザ加工機１０は、移動機構部２１として、第１移動機構部２１Ａと、第２移動機構部２１Ｂとをさらに有する。

【0046】

第１移動機構部２１Ａは、ワークＷに対してレーザ光出射部３３（レーザヘッド３１）を移動させる。第１移動機構部２１Ａは、レーザ光出射部３３（レーザヘッド３１）を、ワークＷの中心軸１１０の軸方向に移動させる。

【0047】

第１移動機構部２１Ａは、本体部２２と、アーム部２３とを有する。アーム部２３は、本体部２２から延出し、レーザヘッド３１（ヘッド本体３２）に接続されている。アーム部２３は、ワークＷの中心軸１１０の軸方向に延びている。本体部２２には、アーム部２３をワークＷの中心軸１１０の軸方向に沿って進退させるための直動アクチュエータが内蔵されている。直動アクチュエータは、たとえば、モータと、モータから出力された回転運動を直線運動に変換して、アーム部２３に伝達するラックピニオンとの組み合わせであってもよい。

【0048】

第２移動機構部２１Ｂは、レーザ光出射部３３に対してワークＷを移動させる。第２移動機構部２１Ｂは、ワークＷを中心軸１１０を中心に回転させる。

【0049】

第２移動機構部２１Ｂは、ワーク主軸からなる。第２移動機構部２１Ｂは、チャック２４を有する。チャック２４は、ワークＷを着脱可能に保持する。第２移動機構部２１Ｂは、モータ駆動によって、チャック２４により保持されたワークＷを中心軸１１０を中心に回転させる。

【0050】

このような構成により、移動機構部２１（第１移動機構部２１Ａ，第２移動機構部２１Ｂ）は、ワークＷおよびレーザ光出射部３３を、ワークＷの軸方向（中心軸１１０の軸方向）、かつ、ワークＷの周方向（中心軸１１０を中心とする周方向）に相対的に移動させる。レーザ光出射部３３は、ワークＷの内周面と対向する姿勢を維持したまま、ワークＷに対して、中心軸１１０を中心に螺旋状に走査される。

【0051】

なお、図３および図４、ならびに、後出の図８、図１０および図１２中には、ワークＷおよびレーザ光出射部３３の相対的な移動方向（中心軸１１０を中心に螺旋状に延びる方向）が、矢印Ｄにより示されている。

【0052】

移動機構部２１は、静止するワークＷに対して、レーザ光出射部３３（レーザヘッド３１）を、ワークＷの軸方向、かつ、ワークＷの周方向に移動させるものであってもよいし、静止するレーザ光出射部３３（レーザヘッド３１）に対して、ワークＷを、ワークＷの軸方向、かつ、ワークＷの周方向に移動（動作）させるものであってもよい。本発明における移動機構部は、ワーク加工に伴ってワークおよびレーザ光出射部を相対的に移動させることが可能なものであれば、特に限定されない。

【0053】

図５は、レーザ光出射部から出射されるレーザ光のレーザ出力（パルス出力）の変化を模式的に示すグラフである。図６は、図５中のレーザ光のレーザ出力の変化をより具体的に示すグラフである。図７は、パルスエネルギ、パルス間隔およびパルス数を示す図である。

【0054】

図５から図７を参照して、レーザ光出射部３３は、扁平状レーザ光ＬをワークＷに向けてパルス状に照射する照射区間Ｓａと、ワークＷに対する扁平状レーザ光Ｌの照射を停止する停止区間Ｓｂとを交互に実行するように、扁平状レーザ光Ｌを出射する。

【0055】

照射区間Ｓａでは、レーザ光出射部３３から扁平状レーザ光Ｌのパルス波を連続的に出射する。パルス波は、パルス幅が１×１０^－１５ｓのオーダであるフェムト秒レーザである。パルス波のパルスエネルギ（図６中の面積Ｋに相当）は、たとえば、１μＪである。パルス波の間隔（パルス間隔）は、たとえば、０．２μｓである。各照射区間Ｓａにおけるパルス波の波数（パルス数）は、たとえば、５０である。各照射区間Ｓａの時間（ｔ２－ｔ１）は、たとえば、１０μｓである。各照射区間Ｓａの時間は、１０μｓ未満であってもよいし、５μｓ以下であってもよい。

【0056】

なお、パルス波として、パルス幅が１×１０^－１２ｓのオーダであるピコ秒レーザが用いられてもよい。フェムト秒レーザまたはピコ秒レーザを用いることによって、ワークへの熱影響をより効果的に抑えることができる。また、レーザ発振器４１は、１ｓｈｏｔから数１０ＭＨｚの発振が可能であるため、図６および図７に示されるパルス間隔が０．１μｓとなる間隔でレーザ照射することが可能であり、多数のレーザパルスにより生産性を向上させることができる。

【0057】

停止区間Ｓｂでは、レーザ光出射部３３からの扁平状レーザ光Ｌの出射を停止させる。各停止区間Ｓｂの時間（ｔ３－ｔ２）は、各照射区間Ｓａの時間（ｔ２－ｔ１）以上であってもよいし、各照射区間Ｓａの時間（ｔ２－ｔ１）未満であってもよい。照射区間Ｓａおよび停止区間Ｓｂは、交互に繰り返し実行される。

【0058】

図８は、図５中の照射区間および停止区間と、ワーク表面上のレーザ光の照射領域との関係を模式的に示す図である。図９は、図８中のＩＸ－ＩＸ線上の矢視方向に見たワークを示す断面図である。

【0059】

図１から図９を参照して、移動機構部２１（第１移動機構部２１Ａ，第２移動機構部２１Ｂ）は、ワークＷおよびレーザ光出射部３３の移動方向と、レーザ光出射部３３からワークＷに向けて出射される扁平状レーザ光Ｌの長軸方向とが直交関係となり、かつ、複数回実行される照射区間Ｓａの間において、各照射区間Ｓａで扁平状レーザ光Ｌが照射されるワークＷ上の領域Ｊが互いに重なり合わないように、レーザ光出射部３３により照射区間Ｓａおよび停止区間Ｓｂが交互に実行される間、ワークＷおよびレーザ光出射部３３を相対的に移動させる。

【0060】

図３および図８に示されるように、ワークＷおよびレーザ光出射部３３の相対的な移動方向（矢印Ｄに示される方向）は、扁平状レーザ光Ｌにおける長軸方向（矢印１７０に示される方向）と直交する。ワークＷおよびレーザ光出射部３３の相対的な移動方向（矢印Ｄに示される方向）は、扁平状レーザ光Ｌにおける短軸方向（矢印１６０に示される方向）と平行である。

【0061】

図８および図９に示されるように、照射区間Ｓａおよび停止区間Ｓｂが交互に実行されるように、レーザ光出射部３３より扁平状レーザ光Ｌを出射しつつ、移動機構部２１（第１移動機構部２１Ａ，第２移動機構部２１Ｂ）によって、ワークＷおよびレーザ光出射部３３を相対的にワークＷの中心軸１１０を中心に螺旋状に移動させる。これにより、ワークＷの表面（内表面）に、中心軸１１０を中心に螺旋状に並ぶ複数の凹部５１を形成する。

【0062】

凹部５１の深さＨは、たとえば、３μｍ以上１０μｍ以下である。凹部５１の直径は、たとえば、１０μｍ以上５０μｍ以下である。凹部５１の深さは、凹部５１の直径以下である。凹部５１の深さが、凹部５１の直径より大きい場合であってもよい。

【0063】

各照射区間Ｓａにおいて、パルス状の扁平状レーザ光ＬがワークＷの表面（内周面）に照射されることによって、凹部５１が形成される。より具体的には、ワークＷの表面（内周面）には、扁平状レーザ光Ｌのパルス波が照射されるごとに、レーザ光の照射領域Ｇが形成される。ワークＷおよびレーザ光出射部３３が相対的に移動しつつ、複数のパルス波が一定のパルス間隔で照射されることによって、複数の照射領域Ｇが、隣接する照射領域Ｇ同士が部分的に重なり合いながら、ワークＷおよびレーザ光出射部３３の移動方向に並んで形成される。凹部５１は、複数の照射領域Ｇに対応する範囲にパルスエネルギが投入され、ワークＷが非熱的に蒸発、プラズマ化されることによって形成される。

【0064】

一方、各停止区間Ｓｂにおいて、扁平状レーザ光Ｌの照射が停止されることによって、隣接する凹部５１の間の非加工領域が設けられる。

【0065】

各照射区間Ｓａで扁平状レーザ光Ｌが照射されるワークＷ上の領域Ｊは、隣接する照射領域Ｇ同士が部分的に重なり合いながら、ワークＷおよびレーザ光出射部３３の移動方向に並ぶ複数の照射領域Ｇに対応している。複数の領域Ｊは、互いに重なり合うことなく、中心軸１１０を中心に螺旋状に並んでいる。

【0066】

本実施の形態におけるワーク加工方法では、ワークＷおよびレーザ光出射部３３を相対的に移動させ続けながら、ワークＷに複数の凹部５１を加工するため、ワークＷおよびレーザ光出射部３３の相対的な移動および停止と、レーザ光の照射とを繰り返す場合と比較して、ワークＷの加工時間を短縮することができる。

【0067】

また、長円断面を有する扁平状レーザ光Ｌにおける長軸方向と、ワークＷおよびレーザ光出射部３３の移動方向とが直交関係であるため、各照射区間Ｓａにおいて、ワークＷおよびレーザ光出射部３３の移動方向に直交する方向に、長軸半径を有し、ワークＷおよびレーザ光出射部３３の移動方向に平行な方向に短軸半径を有する複数の照射領域Ｇが、ワークＷおよびレーザ光出射部３３の移動方向に並んで形成される。これにより、アスペクト比が１に近い所望の形状の凹部５１をワークＷに形成することができる。加えて、ワークＷに向けて扁平状レーザ光Ｌをパルス状に照射するため、ワークＷにレーザ光による熱損傷（熱だれ）が生じることを抑制できる。これにより、凹部５１の形状をさらに高精度に仕上げることができる。

【0068】

図１０は、図３中のワークおよびレーザ光出射部の移動方向と、扁平状レーザ光の長軸方向および短軸方向とがなす角度の変形例を示す図である。

【0069】

図１０を参照して、レーザ光出射部３３からワークＷに向けて出射される扁平状レーザ光Ｌの光軸１２０の軸方向に見て、ワークＷおよびレーザ光出射部３３の移動方向（矢印Ｄに示される方向）と、扁平状レーザ光Ｌの長軸方向（矢印１７０に示される方向）とがなす角度がαであり、ワークＷおよびレーザ光出射部３３の移動方向（矢印Ｄに示される方向）と、扁平状レーザ光Ｌの短軸方向（矢印１６０に示される方向）とがなす角度がβである（α＋β＝９０°）。この場合に、角度αが、角度βよりも大きくなる（α＞β）。本変形例では、角度αが、４５°よりも大きく、９０°よりも小さい範囲である。

【0070】

角度αは、６０°以上であってよいし、８０°以上であってもよいし、８５°以上であってもよい。

【0071】

本変形例に示されるように、ワークＷおよびレーザ光出射部３３の移動方向と、扁平状レーザ光Ｌの長軸方向とが４５°よりも大きく、９０°よりも小さい範囲の角度αをなす場合、凹部５１の形状が、ワークＷおよびレーザ光出射部３３の移動方向に間延びすることを抑制できる。一方、図３に示されるように、ワークＷおよびレーザ光出射部３３の移動方向と、扁平状レーザ光Ｌの長軸方向とが、９０°の角度をなす場合、凹部５１の形状がワークＷおよびレーザ光出射部３３の移動方向に間延びすることを最も効率的に抑制できる。

【0072】

図１１は、図５中に示すレーザ光のレーザ出力の変化の変形例を模式的に示すグラフである。図１１を参照して、本変形例では、照射区間Ｓａにおいて、扁平状レーザ光ＬをワークＷに向けて連続的に照射する。この場合であっても、ワークＷの加工時間を短縮しつつ、アスペクト比が１に近い所望の形状の凹部５１をワークＷに形成することができる。

【0073】

図１２は、ワークに向けた扁平状レーザ光の照射の形態の変形例を示す図である。図１２を参照して、本変形例では、レーザ加工機１０が、複数のレーザヘッド３１（レーザ光出射部３３）を有する。複数のレーザヘッド３１（レーザ光出射部３３）は、ワークＷの中心軸１１０の軸方向において、互いに間隔を開けて配置されている。

【0074】

このような構成において、照射区間Ｓａおよび停止区間Ｓｂが交互に実行されるように、複数のレーザ光出射部３３より扁平状レーザ光Ｌを出射しつつ、移動機構部２１によって、ワークＷおよび複数のレーザ光出射部３３を相対的にワークＷの中心軸１１０を中心に螺旋状に移動させる。これにより、ワークＷに複数の凹部５１をより短時間で形成することができる。

【0075】

以上に説明した、本実施の形態におけるワーク加工方法の構成についてまとめると、ワーク加工方法は、扁平状レーザ光ＬをワークＷに向けて連続的またはパルス状に照射する照射区間Ｓａと、ワークＷに対する扁平状レーザ光Ｌの照射を停止する停止区間Ｓｂとを交互に実行するように、レーザ光出射部３３より扁平状レーザ光Ｌを出射するステップを備える。扁平状レーザ光Ｌは、その光軸１２０に直交する平面１８０により切断された場合に、短軸方向と、短軸方向と直交し、短軸方向における長さよりも大きい長さの長軸方向とを含む扁平断面を有する。ワーク加工方法は、レーザ光出射部３３からワークＷに向けて出射される扁平状レーザ光Ｌの光軸１２０の軸方向に見て、ワークＷおよびレーザ光出射部３３の移動方向と、扁平状レーザ光Ｌの長軸方向とがなす角度がαであり、ワークＷおよびレーザ光出射部３３の移動方向と、扁平状レーザ光Ｌの短軸方向とがなす角度がβである場合に（α＋β＝９０°）、角度αが、角度βよりも大きくなり、かつ、複数回実行される照射区間Ｓａの間において、各照射区間Ｓａで扁平状レーザ光Ｌが照射されるワークＷ上の領域Ｊが互いに重なり合わないように、レーザ光出射部３３により照射区間Ｓａおよび停止区間Ｓｂが交互に実行される間、ワークＷおよびレーザ光出射部３３を相対的に移動させるステップをさらに備える。

【0076】

このように構成された、この発明の実施の形態におけるワーク加工方法およびレーザ加工機１０によれば、ワークＷの加工時間を短縮しつつ、ワークＷに所望の形状を有する複数の凹部５１を加工することができる。

【0077】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【産業上の利用可能性】

【0078】

この発明は、レーザ加工を用いてワークを加工する方法に適用される。

【符号の説明】

【0079】

１０ レーザ加工機、２１ 移動機構部、２１Ａ 第１移動機構部、２１Ｂ 第２移動機構部、２２ 本体部、２３ アーム部、２４ チャック、３１ レーザヘッド、３２ ヘッド本体、３３ レーザ光出射部、３４ 第１光学部品、３５ 第２光学部品、３６ 第３光学部品、４１ レーザ発振器、４２ 光ファイバ、５１ 凹部、１１０ 中心軸、１２０ 光軸、１８０ 平面、Ｇ 照射領域、Ｌ 扁平状レーザ光、Ｊ 領域、Ｓａ 照射区間、Ｓｂ 停止区間、Ｗ ワーク。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【手続補正書】

【提出日】2021-12-14

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

扁平状レーザ光をワークに向けて連続的またはパルス状に照射する照射区間と、前記ワークに対する前記扁平状レーザ光の照射を停止する停止区間とを交互に実行するように、レーザ光出射部より前記扁平状レーザ光を出射するステップを備え、
前記扁平状レーザ光は、その光軸に直交する平面により切断された場合に、短軸方向と、前記短軸方向と直交し、前記短軸方向における長さよりも大きい長さの長軸方向とを含む扁平断面を有し、さらに、
前記レーザ光出射部から前記ワークに向けて出射される前記扁平状レーザ光の光軸方向に見て、前記ワークおよび前記レーザ光出射部の移動方向と、前記長軸方向とがなす角度がαであり、前記ワークおよび前記レーザ光出射部の移動方向と、前記短軸方向とがなす角度がβである場合に（α＋β＝９０°）、角度αは、角度βよりも大きく、９０°よりも小さい範囲であり、かつ、複数回実行される前記照射区間の間において、各前記照射区間で前記扁平状レーザ光が照射される前記ワーク上の領域が互いに重なり合わないように、前記レーザ光出射部により前記照射区間および前記停止区間が交互に実行される間、前記ワークおよび前記レーザ光出射部を相対的に移動させるステップを備え、
前記ワークは、円筒形状を有し、
前記扁平状レーザ光を出射するステップ時、前記レーザ光出射部より前記ワークの周面に向けて前記扁平状レーザ光を出射し、
前記相対的に移動させるステップ時、前記ワークおよび前記レーザ光出射部を、前記ワークの軸方向に相対的に移動させると同時に、前記ワークの周方向に相対的に移動させることにより、前記レーザ光出射部を前記ワークに対して螺旋状に走査する、ワーク加工方法。

【請求項2】

前記扁平状レーザ光は、長円断面を有する、請求項１に記載のワーク加工方法。

【請求項3】

前記相対的に移動させるステップ時、前記ワークおよび前記レーザ光出射部を一定速度で相対的に移動させる、請求項１または２に記載のワーク加工方法。

【請求項4】

前記扁平状レーザ光を出射するステップ時、前記照射区間において、前記扁平状レーザ光を前記ワークに向けてパルス状に照射する、請求項１から３のいずれか１項に記載のワーク加工方法。

【請求項5】

前記扁平状レーザ光を出射するステップ時、前記ワークの軸方向に互いに間隔を設けて配置される複数の前記レーザ光出射部より前記ワークの周面に向けて、前記扁平状レーザ光を出射する、請求項１から４のいずれか１項に記載のワーク加工方法。

【請求項6】

レーザ光を、扁平状レーザ光とする光学部品を備え、
前記扁平状レーザ光は、その光軸に直交する平面により切断された場合に、短軸方向と、前記短軸方向と直交し、前記短軸方向における長さよりも大きい長さの長軸方向とを含む扁平断面を有し、さらに、
前記扁平状レーザ光をワークに向けて連続的またはパルス状に照射する照射区間と、前記ワークに対する前記扁平状レーザ光の照射を停止する停止区間とを交互に実行するように、前記扁平状レーザ光を出射するレーザ光出射部と、
前記レーザ光出射部から前記ワークに向けて出射される前記扁平状レーザ光の光軸方向に見て、前記ワークおよび前記レーザ光出射部の移動方向と、前記長軸方向とがなす角度がαであり、前記ワークおよび前記レーザ光出射部の移動方向と、前記短軸方向とがなす角度がβである場合に（α＋β＝９０°）、角度αは、角度βよりも大きく、９０°よりも小さい範囲であり、かつ、複数回実行される前記照射区間の間において、各前記照射区間で前記扁平状レーザ光が照射される前記ワーク上の領域が互いに重なり合わないように、前記レーザ光出射部により前記照射区間および前記停止区間が交互に実行される間、前記ワークおよび前記レーザ光出射部を相対的に移動させる移動機構部とを備え、
前記ワークが円筒形状を有する場合に、前記レーザ光出射部は、前記ワークの周面に向けて前記扁平状レーザ光を出射し、
前記移動機構部は、前記ワークおよび前記レーザ光出射部を、前記ワークの軸方向に相対的に移動させると同時に、前記ワークの周方向に相対的に移動させることにより、前記レーザ光出射部を前記ワークに対して螺旋状に走査する、レーザ加工機。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0007】

この発明に従ったワーク加工方法は、扁平状レーザ光をワークに向けて連続的またはパルス状に照射する照射区間と、ワークに対する扁平状レーザ光の照射を停止する停止区間とを交互に実行するように、レーザ光出射部より扁平状レーザ光を出射するステップを備える。扁平状レーザ光は、その光軸に直交する平面により切断された場合に、短軸方向と、短軸方向と直交し、短軸方向における長さよりも大きい長さの長軸方向とを含む扁平断面を有する。ワーク加工方法は、レーザ光出射部からワークに向けて出射される扁平状レーザ光の光軸方向に見て、ワークおよびレーザ光出射部の移動方向と、長軸方向とがなす角度がαであり、ワークおよびレーザ光出射部の移動方向と、短軸方向とがなす角度がβである場合に（α＋β＝９０°）、角度αは、角度βよりも大きく、９０°よりも小さい範囲であり、かつ、複数回実行される照射区間の間において、各照射区間で扁平状レーザ光が照射されるワーク上の領域が互いに重なり合わないように、レーザ光出射部により照射区間および停止区間が交互に実行される間、ワークおよびレーザ光出射部を相対的に移動させるステップをさらに備える。ワークは、円筒形状を有する。扁平状レーザ光を出射するステップ時、レーザ光出射部よりワークの周面に向けて扁平状レーザ光を出射する。相対的に移動させるステップ時、ワークおよびレーザ光出射部を、ワークの軸方向に相対的に移動させると同時に、ワークの周方向に相対的に移動させることにより、レーザ光出射部をワークに対して螺旋状に走査する。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0021】

この発明に従ったレーザ加工機は、レーザ光を、扁平状レーザ光とする光学部品を備える。扁平状レーザ光は、その光軸に直交する平面により切断された場合に、短軸方向と、短軸方向と直交し、短軸方向における長さよりも大きい長さの長軸方向とを含む扁平断面を有する。レーザ加工機は、扁平状レーザ光をワークに向けて連続的またはパルス状に照射する照射区間と、ワークに対する扁平状レーザ光の照射を停止する停止区間とを交互に実行するように、扁平状レーザ光を出射するレーザ光出射部と、レーザ光出射部からワークに向けて出射される扁平状レーザ光の光軸方向に見て、ワークおよびレーザ光出射部の移動方向と、長軸方向とがなす角度がαであり、ワークおよびレーザ光出射部の移動方向と、短軸方向とがなす角度がβである場合に（α＋β＝９０°）、角度αは、角度βよりも大きく、９０°よりも小さい範囲であり、かつ、複数回実行される照射区間の間において、各照射区間で扁平状レーザ光が照射されるワーク上の領域が互いに重なり合わないように、レーザ光出射部により照射区間および停止区間が交互に実行される間、ワークおよびレーザ光出射部を相対的に移動させる移動機構部とをさらに備える。ワークが円筒形状を有する場合に、レーザ光出射部は、ワークの周面に向けて扁平状レーザ光を出射する。移動機構部は、ワークおよびレーザ光出射部を、ワークの軸方向に相対的に移動させると同時に、ワークの周方向に相対的に移動させることにより、レーザ光出射部をワークに対して螺旋状に走査する。