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(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】P2024009086
(43)【公開日】2024-01-19
(54)【発明の名称】レーザ加工装置
(51)【国際特許分類】
B23K 26/00 20140101AFI20240112BHJP
B23K 26/36 20140101ALI20240112BHJP
B23K 26/03 20060101ALI20240112BHJP
B23K 26/361 20140101ALI20240112BHJP
【ＦＩ】
B23K26/00 N
B23K26/36
B23K26/03
B23K26/361
【審査請求】有
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023194330
(22)【出願日】2023-11-15
(62)【分割の表示】P 2022044922の分割
【原出願日】2022-03-22
(71)【出願人】
【識別番号】000132725
【氏名又は名称】株式会社ソディック
(74)【代理人】
【識別番号】110001139
【氏名又は名称】ＳＫ弁理士法人
(74)【代理人】
【識別番号】100130328
【弁理士】
【氏名又は名称】奥野 彰彦
(74)【代理人】
【識別番号】100130672
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 寛之
(72)【発明者】
【氏名】今井 哲也
(72)【発明者】
【氏名】神 武志
(57)【要約】
【課題】超短パルスレーザを用いたより高精度の加工を行うことが可能なレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】
本発明によれば、照射装置と、制御装置とを備え、前記照射装置は、パルス幅が１０ピコ秒未満のパルスレーザ光を所定の低フルエンスで照射して、母材中に介在物を含有する被加工物から１以上の加工レイヤーを順次加工し、加工レイヤー全面にわたりパルス幅が１０ピコ秒未満の前記パルスレーザ光を前記低フルエンスよりも高い高フルエンスで照射することにより、前記低フルエンスの前記パルスレーザ光の照射により前記介在物の存在に起因して生じた突起を除去するように構成され、前記制御装置は、切替部と、切替条件設定部とを備え、前記切替部は、前記照射装置から出力される前記パルスレーザ光を前記低フルエンスと前記高フルエンスとの間で切替条件に基づき切り替え、前記切替条件設定部は、前記被加工物の条件に基づき前記切替条件を設定する、レーザ加工装置が提供される。
【選択図】図１
【解決手段】
本発明によれば、照射装置と、制御装置とを備え、前記照射装置は、パルス幅が１０ピコ秒未満のパルスレーザ光を所定の低フルエンスで照射して、母材中に介在物を含有する被加工物から１以上の加工レイヤーを順次加工し、加工レイヤー全面にわたりパルス幅が１０ピコ秒未満の前記パルスレーザ光を前記低フルエンスよりも高い高フルエンスで照射することにより、前記低フルエンスの前記パルスレーザ光の照射により前記介在物の存在に起因して生じた突起を除去するように構成され、前記制御装置は、切替部と、切替条件設定部とを備え、前記切替部は、前記照射装置から出力される前記パルスレーザ光を前記低フルエンスと前記高フルエンスとの間で切替条件に基づき切り替え、前記切替条件設定部は、前記被加工物の条件に基づき前記切替条件を設定する、レーザ加工装置が提供される。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ加工装置であって、
照射装置と、制御装置とを備え、
前記照射装置は、パルス幅が１０ピコ秒未満のパルスレーザ光を所定の低フルエンスで照射して、母材中に介在物を含有する被加工物から１以上の加工レイヤーを順次加工し、加工レイヤー全面にわたりパルス幅が１０ピコ秒未満の前記パルスレーザ光を前記低フルエンスよりも高い高フルエンスで照射することにより、前記低フルエンスの前記パルスレーザ光の照射により前記介在物の存在に起因して生じた突起を除去するように構成され、
前記制御装置は、切替部と、切替条件設定部とを備え、
前記切替部は、前記照射装置から出力される前記パルスレーザ光を前記低フルエンスと前記高フルエンスとの間で切替条件に基づき切り替え、
前記切替条件設定部は、前記被加工物の条件に基づき前記切替条件を設定する、レーザ加工装置。
照射装置と、制御装置とを備え、
前記照射装置は、パルス幅が１０ピコ秒未満のパルスレーザ光を所定の低フルエンスで照射して、母材中に介在物を含有する被加工物から１以上の加工レイヤーを順次加工し、加工レイヤー全面にわたりパルス幅が１０ピコ秒未満の前記パルスレーザ光を前記低フルエンスよりも高い高フルエンスで照射することにより、前記低フルエンスの前記パルスレーザ光の照射により前記介在物の存在に起因して生じた突起を除去するように構成され、
前記制御装置は、切替部と、切替条件設定部とを備え、
前記切替部は、前記照射装置から出力される前記パルスレーザ光を前記低フルエンスと前記高フルエンスとの間で切替条件に基づき切り替え、
前記切替条件設定部は、前記被加工物の条件に基づき前記切替条件を設定する、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であって、
前記照射装置は、最終加工の加工レイヤーに対して前記低フルエンスの前記パルスレーザ光を照射して加工を完了するように構成されている、レーザ加工装置。
前記照射装置は、最終加工の加工レイヤーに対して前記低フルエンスの前記パルスレーザ光を照射して加工を完了するように構成されている、レーザ加工装置。
【請求項3】
請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
前記加工レイヤーの画像を取得する撮像装置と、
前記画像を解析して前記加工レイヤーの表面上の前記突起を検出する画像処理装置とを備え、
前記切替部は、前記突起の検出結果に基づき前記パルスレーザ光を前記低フルエンスと前記高フルエンスとの間で切り替える、レーザ加工装置。
前記加工レイヤーの画像を取得する撮像装置と、
前記画像を解析して前記加工レイヤーの表面上の前記突起を検出する画像処理装置とを備え、
前記切替部は、前記突起の検出結果に基づき前記パルスレーザ光を前記低フルエンスと前記高フルエンスとの間で切り替える、レーザ加工装置。
【請求項4】
請求項３に記載のレーザ加工装置であって、
前記画像処理装置は、前記画像を解析して前記加工レイヤーの前記表面上の前記突起の数又は面積を取得する、レーザ加工装置。
前記画像処理装置は、前記画像を解析して前記加工レイヤーの前記表面上の前記突起の数又は面積を取得する、レーザ加工装置。
【請求項5】
請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
前記切替条件設定部は、前記切替条件として低フルエンス加工レイヤー数と高フルエンス加工レイヤー数とを設定し、
前記切替部は、前記低フルエンス加工レイヤー数に基づき前記パルスレーザ光を前記低フルエンスから前記高フルエンスへ切り替え、前記高フルエンス加工レイヤー数に基づき前記パルスレーザ光を前記高フルエンスから前記低フルエンスへ切り替える、レーザ加工装置。
前記切替条件設定部は、前記切替条件として低フルエンス加工レイヤー数と高フルエンス加工レイヤー数とを設定し、
前記切替部は、前記低フルエンス加工レイヤー数に基づき前記パルスレーザ光を前記低フルエンスから前記高フルエンスへ切り替え、前記高フルエンス加工レイヤー数に基づき前記パルスレーザ光を前記高フルエンスから前記低フルエンスへ切り替える、レーザ加工装置。
【請求項6】
請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
前記切替条件設定部は、前記切替条件として低フルエンス加工深さと高フルエンス加工深さとを設定し、
前記切替部は、前記低フルエンス加工深さに基づき前記パルスレーザ光を前記低フルエンスから前記高フルエンスへ切り替え、前記高フルエンス加工深さに基づき前記パルスレーザ光を前記高フルエンスから前記低フルエンスへ切り替える、レーザ加工装置。
前記切替条件設定部は、前記切替条件として低フルエンス加工深さと高フルエンス加工深さとを設定し、
前記切替部は、前記低フルエンス加工深さに基づき前記パルスレーザ光を前記低フルエンスから前記高フルエンスへ切り替え、前記高フルエンス加工深さに基づき前記パルスレーザ光を前記高フルエンスから前記低フルエンスへ切り替える、レーザ加工装置。
【請求項7】
請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
前記照射装置は、前記パルスレーザ光を前記高フルエンスとしての第１高フルエンスと第１高フルエンスよりも低い第２高フルエンスとで照射可能に構成され、
前記切替部は、前記照射装置から出力される前記パルスレーザ光を、前記低フルエンスと、第１高フルエンスと、第２高フルエンスとの間で前記切替条件に基づき切り替えるように構成される、レーザ加工装置。
前記照射装置は、前記パルスレーザ光を前記高フルエンスとしての第１高フルエンスと第１高フルエンスよりも低い第２高フルエンスとで照射可能に構成され、
前記切替部は、前記照射装置から出力される前記パルスレーザ光を、前記低フルエンスと、第１高フルエンスと、第２高フルエンスとの間で前記切替条件に基づき切り替えるように構成される、レーザ加工装置。
【請求項8】
請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
前記制御装置は、フルエンス設定部を備え、
前記フルエンス設定部は、加工条件に基づき前記高フルエンス及び前記低フルエンスの値を設定し、
前記加工条件には、前記被加工物の材質が含まれる、レーザ加工装置。
前記制御装置は、フルエンス設定部を備え、
前記フルエンス設定部は、加工条件に基づき前記高フルエンス及び前記低フルエンスの値を設定し、
前記加工条件には、前記被加工物の材質が含まれる、レーザ加工装置。
【請求項9】
請求項８に記載のレーザ加工装置であって、
前記加工条件には、前記パルスレーザ光の走査速度及び繰り返し周波数がさらに含まれる、レーザ加工装置。
前記加工条件には、前記パルスレーザ光の走査速度及び繰り返し周波数がさらに含まれる、レーザ加工装置。
【請求項10】
請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
前記加工レイヤーは、端部に隣接する領域である第１領域と、第１領域とは異なる領域である第２領域とを含み、
第１領域に照射される前記パルスレーザ光のスポット径は、第２領域に照射される前記パルスレーザ光のスポット径よりも小さく、
第１領域に照射される前記パルスレーザ光のフルエンスは、第２領域に照射される前記パルスレーザ光のフルエンスと等しく設定される、レーザ加工装置。
前記加工レイヤーは、端部に隣接する領域である第１領域と、第１領域とは異なる領域である第２領域とを含み、
第１領域に照射される前記パルスレーザ光のスポット径は、第２領域に照射される前記パルスレーザ光のスポット径よりも小さく、
第１領域に照射される前記パルスレーザ光のフルエンスは、第２領域に照射される前記パルスレーザ光のフルエンスと等しく設定される、レーザ加工装置。
【請求項11】
請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
前記加工レイヤーは、前記母材中に前記介在物を含有する合金鋼により構成され、
前記高フルエンスは、前記介在物のレーザアブレーション閾値以上である、レーザ加工装置。
前記加工レイヤーは、前記母材中に前記介在物を含有する合金鋼により構成され、
前記高フルエンスは、前記介在物のレーザアブレーション閾値以上である、レーザ加工装置。
【請求項12】
請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
前記照射装置は、レーザ発振器を備え、
前記レーザ発振器の出力パルスエネルギーを変化させることにより前記パルスレーザ光の前記低フルエンスと前記高フルエンスとの間の切り替えを行うように構成される、レーザ加工装置。
前記照射装置は、レーザ発振器を備え、
前記レーザ発振器の出力パルスエネルギーを変化させることにより前記パルスレーザ光の前記低フルエンスと前記高フルエンスとの間の切り替えを行うように構成される、レーザ加工装置。
【請求項13】
請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
前記パルスレーザ光のスポット径を変化させることにより前記パルスレーザ光の前記低フルエンスと前記高フルエンスとの間の切り替えを行うように構成される、レーザ加工装置。
前記パルスレーザ光のスポット径を変化させることにより前記パルスレーザ光の前記低フルエンスと前記高フルエンスとの間の切り替えを行うように構成される、レーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ加工装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
パルス幅がシングルピコ秒以下の超短パルスレーザを被加工物に照射すると、照射部分の材料が非熱的に飛散して除去（アブレーション）される。このような現象を利用した超短パルスレーザ加工は、原子サイズ程度の微細加工を可能にし、また照射部分の周囲への熱影響が小さいため多様な材料に対して高品質な加工を可能にする。特許文献１には、ワイヤ放電加工において用いられるワイヤ電極のダイヤモンド製ダイスの製造方法として、フェムト秒レーザを用いた加工により高い面精度を有するダイス孔を短時間で形成することが可能な方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許６３４０４５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
被加工物の加工対象部分を所定の除去量を有する複数の加工レイヤーに分割し、超短パルスレーザを照射することにより加工レイヤーを順次加工していくと、加工の途中で加工レイヤーの表面に断面が略楕円形状の突起が発生する場合がある。このような突起の発生は、金属及び樹脂を含む多様な材料において確認されている。また、一度突起が発生すると加工レイヤーの加工の進行とともに突起が成長してしまうため、特に比較的深さが深い有底穴等の加工において加工品質の低下を招く要因となっていた。
【0005】
加工レイヤーの加工に必要なフルエンスの下限（レーザアブレーション閾値）よりもはるかに高いフルエンスで超短パルスレーザを照射することにより、突起の発生を抑制することが可能である。しかし、このような高フルエンスで加工を行うと、材料への熱影響が大きくなり、加工面の精度が低下するおそれがある。
【0006】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、超短パルスレーザを用いたより高精度の加工を行うことが可能なレーザ加工装置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】
本発明によれば、レーザ加工装置であって、照射装置と、制御装置とを備え、前記照射装置は、パルス幅が１０ピコ秒未満のパルスレーザ光を所定の低フルエンスで照射して被加工物から１以上の加工レイヤーを順次加工し、前記パルスレーザ光を前記低フルエンスよりも高い高フルエンスで照射して、前記加工レイヤーの表面上に発生する突起を除去するように構成され、前記制御装置は、切替部と、切替条件設定部とを備え、前記切替部は、前記照射装置から出力される前記パルスレーザ光を前記低フルエンスと前記高フルエンスとの間で切替条件に基づき切り替え、前記切替条件設定部は、前記被加工物の条件に基づき前記切替条件を設定する、レーザ加工装置が提供される。
【発明の効果】
【0008】
本発明に係るレーザ加工装置においては、パルスレーザ光のフルエンスを低フルエンスと高フルエンスとの間で切替条件に基づき切り替え可能である。加工レイヤーの表面上に突起が発生した場合には、高フルエンスに切り替えて照射して突起を除去することが可能である。また、突起の除去後は、低フルエンスに切り替えて加工レイヤーの加工を継続することにより、高フルエンスでの加工を最小限に留め、熱影響による加工面の精度の低下を抑制することが可能となる。
【0009】
以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、前記レーザ加工装置は、前記加工レイヤーの画像を取得する撮像装置と、前記画像を解析して前記加工レイヤーの前記表面上の前記突起を検出する画像処理装置とを備え、前記切替部は、前記突起の検出結果に基づき前記パルスレーザ光を前記低フルエンスと前記高フルエンスとの間で切り替える。
好ましくは、前記画像処理装置は、前記画像を解析して前記加工レイヤーの前記表面上の前記突起の数又は面積を取得する。
好ましくは、前記切替条件設定部は、前記切替条件として低フルエンス加工レイヤー数と高フルエンス加工レイヤー数とを設定し、前記切替部は、前記低フルエンス加工レイヤー数に基づき前記パルスレーザ光を前記低フルエンスから前記高フルエンスへ切り替え、前記高フルエンス加工レイヤー数に基づき前記パルスレーザ光を前記高フルエンスから前記低フルエンスへ切り替える。
好ましくは、前記切替条件設定部は、前記切替条件として低フルエンス加工深さと高フルエンス加工深さとを設定し、前記切替部は、前記低フルエンス加工深さに基づき前記パルスレーザ光を前記低フルエンスから前記高フルエンスへ切り替え、前記高フルエンス加工深さに基づき前記パルスレーザ光を前記高フルエンスから前記低フルエンスへ切り替える。
好ましくは、前記照射装置は、前記パルスレーザ光を前記高フルエンスとしての第１高フルエンスと第１高フルエンスよりも低い第２高フルエンスとで照射可能に構成され、前記切替部は、前記照射装置から出力される前記パルスレーザ光を、前記低フルエンスと、第１高フルエンスと、第２高フルエンスとの間で前記切替条件に基づき切り替えるように構成される。
好ましくは、前記制御装置は、フルエンス設定部を備え、前記フルエンス設定部は、加工条件に基づき前記高フルエンス及び前記低フルエンスの値を設定し、前記加工条件には、前記被加工物の材質が含まれる。
好ましくは、前記加工条件には、前記パルスレーザ光の走査速度及び繰り返し周波数がさらに含まれる。
好ましくは、前記加工レイヤーは、端部に隣接する領域である第１領域と、第１領域とは異なる領域である第２領域とを含み、第１領域に照射される前記パルスレーザ光のスポット径は、第２領域に照射される前記パルスレーザ光のスポット径よりも小さく、第１領域に照射される前記パルスレーザ光のフルエンスは、第２領域に照射される前記パルスレーザ光のフルエンスと等しく設定される。
好ましくは、前記加工レイヤーは、母材中に介在物を含有する合金鋼により構成され、前記高フルエンスは、前記介在物のレーザアブレーション閾値以上である。
好ましくは、前記照射装置は、レーザ発振器を備え、前記レーザ発振器の出力パルスエネルギーを変化させることにより前記パルスレーザ光の前記低フルエンスと前記高フルエンスとの間の切り替えを行うように構成される。
好ましくは、前記パルスレーザ光のスポット径を変化させることにより前記パルスレーザ光の前記低フルエンスと前記高フルエンスとの間の切り替えを行うように構成される。
好ましくは、前記レーザ加工装置は、前記加工レイヤーの画像を取得する撮像装置と、前記画像を解析して前記加工レイヤーの前記表面上の前記突起を検出する画像処理装置とを備え、前記切替部は、前記突起の検出結果に基づき前記パルスレーザ光を前記低フルエンスと前記高フルエンスとの間で切り替える。
好ましくは、前記画像処理装置は、前記画像を解析して前記加工レイヤーの前記表面上の前記突起の数又は面積を取得する。
好ましくは、前記切替条件設定部は、前記切替条件として低フルエンス加工レイヤー数と高フルエンス加工レイヤー数とを設定し、前記切替部は、前記低フルエンス加工レイヤー数に基づき前記パルスレーザ光を前記低フルエンスから前記高フルエンスへ切り替え、前記高フルエンス加工レイヤー数に基づき前記パルスレーザ光を前記高フルエンスから前記低フルエンスへ切り替える。
好ましくは、前記切替条件設定部は、前記切替条件として低フルエンス加工深さと高フルエンス加工深さとを設定し、前記切替部は、前記低フルエンス加工深さに基づき前記パルスレーザ光を前記低フルエンスから前記高フルエンスへ切り替え、前記高フルエンス加工深さに基づき前記パルスレーザ光を前記高フルエンスから前記低フルエンスへ切り替える。
好ましくは、前記照射装置は、前記パルスレーザ光を前記高フルエンスとしての第１高フルエンスと第１高フルエンスよりも低い第２高フルエンスとで照射可能に構成され、前記切替部は、前記照射装置から出力される前記パルスレーザ光を、前記低フルエンスと、第１高フルエンスと、第２高フルエンスとの間で前記切替条件に基づき切り替えるように構成される。
好ましくは、前記制御装置は、フルエンス設定部を備え、前記フルエンス設定部は、加工条件に基づき前記高フルエンス及び前記低フルエンスの値を設定し、前記加工条件には、前記被加工物の材質が含まれる。
好ましくは、前記加工条件には、前記パルスレーザ光の走査速度及び繰り返し周波数がさらに含まれる。
好ましくは、前記加工レイヤーは、端部に隣接する領域である第１領域と、第１領域とは異なる領域である第２領域とを含み、第１領域に照射される前記パルスレーザ光のスポット径は、第２領域に照射される前記パルスレーザ光のスポット径よりも小さく、第１領域に照射される前記パルスレーザ光のフルエンスは、第２領域に照射される前記パルスレーザ光のフルエンスと等しく設定される。
好ましくは、前記加工レイヤーは、母材中に介在物を含有する合金鋼により構成され、前記高フルエンスは、前記介在物のレーザアブレーション閾値以上である。
好ましくは、前記照射装置は、レーザ発振器を備え、前記レーザ発振器の出力パルスエネルギーを変化させることにより前記パルスレーザ光の前記低フルエンスと前記高フルエンスとの間の切り替えを行うように構成される。
好ましくは、前記パルスレーザ光のスポット径を変化させることにより前記パルスレーザ光の前記低フルエンスと前記高フルエンスとの間の切り替えを行うように構成される。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の実施形態に係るレーザ加工装置１の概略構成図である。
【図2】レーザ加工装置１の制御装置８の概略構成図である。
【図6】本発明の実施形態に係るレーザ加工装置１を用いた加工方法のフロー図である。
【図7】変形例４におけるパルスレーザ光７１の照射態様を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。また、各特徴事項について独立して発明が成立する。
【0012】
１．レーザ加工装置１
図１に示すように、本実施形態のレーザ加工装置１は、パルス幅が１０ピコ秒未満のパルスレーザ光７１を被加工物１０に照射し、照射箇所の材料を飛散させることにより被加工物１０を所望の形状に加工する。レーザ加工装置１は、レーザ発振器２と、光学系３と、走査装置４と、ビームスプリッタ５１と、集光レンズ５２と、結像レンズ５３と、撮像装置９１と、画像処理装置９２と、制御装置８とを備える。
図１に示すように、本実施形態のレーザ加工装置１は、パルス幅が１０ピコ秒未満のパルスレーザ光７１を被加工物１０に照射し、照射箇所の材料を飛散させることにより被加工物１０を所望の形状に加工する。レーザ加工装置１は、レーザ発振器２と、光学系３と、走査装置４と、ビームスプリッタ５１と、集光レンズ５２と、結像レンズ５３と、撮像装置９１と、画像処理装置９２と、制御装置８とを備える。
【0013】
レーザ発振器２は、レーザ光源（不図示）から発振されたレーザ光をパルス幅が１０ピコ秒未満のパルスレーザ光７１に変換し、所定のパルスエネルギーに調節して出力する。なお、パルス幅とは、パルスレーザ光７の１パルスあたりの時間幅を指す。光学系３は、内蔵されたレンズ（不図示）によりレーザ発振器２から出力されたパルスレーザ光７１のビーム径を調整する。光学系３は、例えば、ビームエキスパンダを用いて構成することができる。
【0014】
パルスレーザ光７１による加工においては、被加工物１０の加工対象部分を深さ方向において１以上の加工レイヤーに分割し、上面側から当該加工レイヤーを順次加工することで被加工物１０を所望の形状に加工する。走査装置４は、各加工レイヤーに対してパルスレーザ光７１を２次元走査する。走査装置４は、第１ガルバノミラー４１と、第２ガルバノミラー４２と、各ガルバノミラー４１，４２の動作をそれぞれ制御するアクチュエータ（不図示）を備える。光学系３から出力されたパルスレーザ光７１は、第１ガルバノミラー４１に反射されることにより水平１軸方向である第１方向に走査されるとともに、第２ガルバノミラー４２に反射されることにより第１方向に垂直な他の水平１軸方向である第２方向に走査される。これにより、加工レイヤーの所定箇所にパルスレーザ光７１が照射され、照射箇所の材料が除去される。なお、走査装置４によるパルスレーザ光７１の走査方式は、上記のガルバノスキャン方式に限定されるものではない。例えば、被加工物１０が載置されるテーブルを駆動し、テーブルとともに移動する被加工物１０に対してパルスレーザ光７１を走査する方式や、レーザ発振器２を駆動することにより被加工物１０に対してパルスレーザ光７１を走査する方式を用いることも可能である。
【0015】
ビームスプリッタ５１は、走査装置４から出力されたパルスレーザ光７１を反射し、且つ被加工物１０からの反射光７２を透過させるように構成される。ビームスプリッタ５１は、走査装置４から出力されたパルスレーザ光７１の光路上であって、鉛直方向に沿って集光レンズ５２と結像レンズ５３の間の位置に配置される。これにより、走査装置４から出力されたパルスレーザ光７１は、ビームスプリッタ５１により反射されて集光レンズ５２を経由して被加工物１０上に照射される。また、被加工物１０からの反射光７２は、ビームスプリッタ５１を透過し、結像レンズ５３を経由して撮像装置９１に到達する。
【0016】
集光レンズ５２は、ビームスプリッタ５１の下方に配置され、走査装置４から出力されたパルスレーザ光７１のビーム径を調整する。集光レンズ５２は、対物レンズを用いて構成することができる。光学系３及び集光レンズ５２におけるビーム径の調整により、加工レイヤーにパルスレーザ光７１を所定のスポット径（加工レイヤー上の照射箇所におけるパルスレーザ光７１のビーム径）で照射することが可能となる。結像レンズ５３は、ビームスプリッタ５１の上方に配置され、被加工物１０からの反射光７２を集光し、撮像装置９１において結像させる。
【0017】
この他、ビームスプリッタ５１と集光レンズ５２との間、又は集光レンズ５２の下方に、パルスレーザ光７１を複数のサブビームに分割するためのビーム分割素子（不図示）をさらに配置してもよい。ビーム分割素子を用いることにより、所定の形状を複数加工する総加工時間が短縮される。
【0018】
撮像装置９１は、被加工物１０の加工レイヤーの画像を取得する。撮像装置９１は、集光レンズ５２の上方に配置され、これにより加工レイヤーを上方から見た画像を取得することができる。撮像装置９１は、例えば、ＣＭＯＳカメラ又はＣＣＤカメラを用いて構成することができる。また、撮像装置９１による撮像に際し、被加工物１０を照らすためにＬＥＤライト等の照明装置を必要に応じて用いてもよい。
【0019】
画像処理装置９２は、撮像装置９１が取得した加工レイヤーの画像を解析して加工レイヤーの表面上の突起２０を検出する。本実施形態の画像処理装置９２は、画像を解析して加工レイヤーの表面上の突起２０の数又は面積を取得するように構成されている。具体的には、撮像装置９１が取得した画像に対して適宜補正を行った後に、加工レイヤーの表面において突起２０が存在する部分とそれ以外の部分（突起２０が存在せず加工レイヤー自体が露呈している部分）とを識別するための２値化処理を行う。通常、加工レイヤーの表面において突起２０が存在する部分はそれ以外の部分と比較して画像において明るく表示される。このような画像上の明るさの差異を利用して、突起２０が存在する部分とそれ以外の部分を２値化処理により識別する。
【0020】
このような２値化処理は、画像のピクセル単位、又は画像を格子状に分割したセル単位で行われることが好ましい。例えば、画像のピクセル単位で２値化処理を行い、突起２０が存在する部分を白色に、それ以外の部分を黒色にラベリングする。そして、白色にラベリングされたピクセルのうち外縁の少なくとも一部が重複するもの同士を１以上の領域にグルーピングし、当該領域の数を突起２０の数として用いることができる。或いは、白色にラベリングされたピクセル数をカウントし、当該ピクセル数に１つのピクセルの面積を乗じて、加工レイヤーの表面上における突起２０の存在部分の面積として用いることができる。
【0021】
２．制御装置８
制御装置８は、レーザ加工装置１の上記構成要素を制御する。以下、制御装置８の制御動作のうち、本発明に関係する制御に限定して説明する。図２に示すように、制御装置８は、入力部８１と、数値制御部８２と、照射制御部８３とを備える。
制御装置８は、レーザ加工装置１の上記構成要素を制御する。以下、制御装置８の制御動作のうち、本発明に関係する制御に限定して説明する。図２に示すように、制御装置８は、入力部８１と、数値制御部８２と、照射制御部８３とを備える。
【0022】
なお、下記の各構成要素は、ソフトウェアによって実現してもよく、ハードウェアによって実現してもよい。ソフトウェアによって実現する場合、ＣＰＵがコンピュータプログラムを実行することによって各種機能を実現することができる。プログラムは、内蔵の記憶部に格納してもよく、コンピュータ読み取り可能な非一時的な記録媒体に格納してもよい。また、外部の記憶部に格納されたプログラムを読み出し、いわゆるクラウドコンピューティングにより実現してもよい。ハードウェアによって実現する場合、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又はＤＲＰ（Ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などの種々の回路によって実現することができる。本実施形態においては、様々な情報やこれを包含する概念を取り扱うが、これらは、０又は１で構成される２進数のビット集合体として信号値の高低によって表され、上述のソフトウェア又はハードウェアの態様によって通信や演算が実行され得るものである。
【0023】
制御装置８の外部には、ＣＡＤ装置９３及びＣＡＭ装置９４が設置される。ＣＡＤ装置９３は、被加工物１０の加工形状及び寸法を示す三次元形状データ（ＣＡＤデータ）を作成するためのものである。ＣＡＭ装置９４は、ＣＡＤデータに基づき、被加工物１０を加工する際のレーザ加工装置１の動作手順データ（ＣＡＭデータ）を作成するためのものである。ＣＡＭデータには、例えば、各加工レイヤーにおけるパルスレーザ光７１の照射位置のデータや、パルスレーザ光７１に係る各種設定のデータなどが含まれる。
【0024】
入力部８１は、数値制御部８２における各種処理に必要な情報を作業者が入力するためのものであり、例えば、タッチパネル、キーボード、又はマウスにより構成することができる。入力情報には、例えば、被加工物１０の材質、パルスレーザ光７１の走査速度、パルスレーザ光７１の繰り返し周波数（単位時間あたりのパルス生成数）等が含まれる。入力情報は、数値制御部８２へ送られる。
【0025】
数値制御部８２は、ＣＡＭデータ及び入力部８１からの入力情報に対して数値制御プログラムを用いた処理を行うことで、レーザ加工装置１の各構成要素に対する動作指令を作成する。数値制御部８２は、演算部８４と記憶部８５とを備える。
【0026】
演算部８４は、記憶部８５に記憶されている数値制御プログラムを用いて、レーザ加工装置１の各構成要素に対する動作指令を作成する。演算部８４は、切替条件設定部８６と、フルエンス設定部８７と、切替部８８とを備える。
【0027】
切替条件設定部８６は、被加工物１０の条件に基づき、パルスレーザ光７１のフルエンスの切替条件を設定する。本実施形態においては、被加工物１０の加工レイヤーを加工する際には比較的低いフルエンス（低フルエンスＦＬ）でパルスレーザ光７１を照射し、加工レイヤーの表面上に発生した突起２０を除去する際には低フルエンスＦＬよりも高いフルエンス（高フルエンスＦＨ）でパルスレーザ光７１を照射する。なお、フルエンスとは、パルスレーザ光７の照射スポットにおける単位面積あたりのエネルギー量を指し、本発明におけるフルエンスとは、加工レイヤー上の照射箇所におけるパルスレーザ光７１のフルエンスを指す。切替条件設定部８６は、パルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬと高フルエンスＦＨとの間で切り替える際の条件を設定する。
【0028】
被加工物１０の条件には、例えば、被加工物１０の材質が含まれる。本実施形態の切替条件設定部８６は、被加工物１０の条件に基づき、加工レイヤーの表面上に発生する突起２０の数又は面積の閾値を設定する。例えば、被加工物１０の条件と閾値との関係をデータベース又は数値制御プログラムとして記憶部８５に記憶させ、切替条件設定部８６が入力情報に含まれる被加工物１０の材質に応じてデータベース又は数値制御プログラムから対応値を読み出すことで閾値を決定することができる。
【0029】
フルエンス設定部８７は、加工条件に基づき、低フルエンスＦＬ及び高フルエンスＦＨの値を設定する。例えば、加工条件に対応する最適な低フルエンスＦＬ及び高フルエンスＦＨのデータベース又は数値制御プログラムを記憶部８５に記憶させ、フルエンス設定部８７が入力情報に含まれる加工条件に応じて対応値を読み出すことで、低フルエンスＦＬ及び高フルエンスＦＨの値を設定することができる。或いは、変数としての加工条件から低フルエンスＦＬ及び高フルエンスＦＨの値を求めるための関数を記憶部８５に記憶させ、フルエンス設定部８７が当該関数を用いて低フルエンスＦＬ及び高フルエンスＦＨを算出し設定してもよい。なお、フルエンス設定部８７による低フルエンスＦＬ及び高フルエンスＦＨの設定の詳細については、後述する。
【0030】
切替部８８は、切替条件設定部８６により設定された切替条件に基づき、照射装置から出力されるパルスレーザ光７１を、低フルエンスＦＬと高フルエンスＦＨとの間で切り替える。本実施形態の切替部８８は、画像処理装置９２から加工レイヤーの表面上の突起２０の数又は面積のデータを受け取り、突起２０の数又は面積と切替条件設定部８６により設定された閾値との比較を行う。切替部８８は、比較により低フルエンスＦＬから高フルエンスＦＨへ、又は高フルエンスＦＨから低フルエンスＦＬへの切替が必要と判断した場合、照射制御部８３に対してパルスレーザ光７１のフルエンスの切替のための動作指令を出力する。具体的には、切替部８８は、フルエンス設定部８７により設定された低フルエンスＦＬ又は高フルエンスＦＨの具体的な値に基づき、照射箇所におけるパルスレーザ光７１のフルエンスが所定の値となるように、数値制御プログラムを用いて動作指令を作成し照射制御部８３に対して出力する。
【0031】
記憶部８５は、ＣＡＭデータ、入力部８１から送られた入力情報、数値制御プログラム、切替条件設定部８６及びフルエンス設定部８７で用いられるデータベースや関数等を記憶する。
【0032】
照射制御部８３は、数値制御部８２から送られた動作指令に従い、レーザ加工装置１の各構成要素を制御する。パルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬと高フルエンスＦＨとの間で切り替える場合には、レーザ発振器２を制御してパルスレーザ光７１の出力パルスエネルギーを変化させることにより、又は光学系３或いは集光レンズ５２を制御してパルスレーザ光７１のスポット径を変化させることにより、所望のフルエンスへ調整することができる。
【0033】
３．フルエンスの設定
次に、フルエンス設定部８７によるフルエンスの設定について、さらに詳細に説明する。本実施形態のフルエンス設定部８７は、所定の加工条件に基づき低フルエンスＦＬ及び高フルエンスＦＨの値を設定する。加工条件としては、被加工物１０の材質、パルスレーザ光７１の走査速度、及びパルスレーザ光７１の繰り返し周波数が例示される。
次に、フルエンス設定部８７によるフルエンスの設定について、さらに詳細に説明する。本実施形態のフルエンス設定部８７は、所定の加工条件に基づき低フルエンスＦＬ及び高フルエンスＦＨの値を設定する。加工条件としては、被加工物１０の材質、パルスレーザ光７１の走査速度、及びパルスレーザ光７１の繰り返し周波数が例示される。
【0034】
本実施形態において、低フルエンスＦＬの値は、被加工物１０の材質に基づき、加工レイヤーを構成する材料の除去に必要なフルエンスの下限であるレーザアブレーション閾値以上となるように設定される。また、フルエンスが低すぎると加工レイヤーの加工効率が低下し、フルエンスが高すぎると加工品質が低下する。具体的には、フルエンスが高すぎると、熱影響により加工面に微小孔が生じ面粗度が増大したり、硬度等の材料特性の変化や材料の歪みが生じたり、パルスレーザ光７１の照射時に発生するスパッタ（パルスレーザ光７１の照射箇所又はその周辺から飛散する材料の粒子）が増加する。
【0035】
さらに、低フルエンスＦＬの値は、パルスレーザ光７１の走査速度及び繰り返し周波数を考慮して設定されることが好ましい。具体的には、パルスレーザ光７１の走査速度及び繰り返し周波数で決まるスポット間隔に対して加工時に設定された低フルエンスＦＬの値による加工効果が、変化しないようにすることが好ましい。例えば、低フルエンスＦＬの値を、加工レイヤーを構成する材料のレーザアブレーション閾値以上とし、且つパルスレーザ光７１の走査速度及び繰り返し周波数で決まるスポット間隔に対して加工時に設定された低フルエンスＦＬの値による加工効果が変化しないように調節することができる。なお、本発明における加工効果とは、加工レイヤー上の領域に照射されるパルスレーザ光７１による単位体積当たりの加工に要したエネルギー量を指す。つまり、低フルエンスＦＬの値による加工効果とは、加工レイヤー上の領域に低フルエンスＦＬで照射されるパルスレーザ光７１による単位体積当たりの加工に要したエネルギー量を指す。
【0036】
パルスレーザ光７１は、各加工レイヤー上を所定のスポット間隔でラスタ走査又はベクトル走査される。ここで、スポット間隔とは、パルスレーザ光７１の走査方向（加工レイヤー上における照射スポットの進行方向）に沿って隣り合う２つの照射スポットの中心間の距離を指す。パルスレーザ光７１の走査速度及び繰り返し周波数によってスポット間隔は決まり、例えば、繰り返し周波数が大きく、走査速度が遅いほど、スポット間隔は小さくなり、隣り合う照射スポット同士の重複領域が大きくなる。照射スポット同士の重複領域においては、パルスレーザ光７１の照射対象の加工レイヤー及び当該加工レイヤーの下側に存在する材料への熱影響がそれ以外の領域と比べて大きいため、熱影響による加工面の精度低下が起きやすくなる。上記の構成においては、スポット間隔が比較的小さい（重複領域が大きい）場合には、低フルエンスＦＬの値を小さく設定し、スポット同士の重複領域への熱影響を抑制することが可能となる。
【0037】
一方、加工レイヤーの加工の進行とともに加工レイヤーの表面上に発生する突起２０は、多くの場合、加工レイヤーの加工に適した低フルエンスＦＬでのパルスレーザ光７１の照射によっては除去が困難である。例えば、合金鋼製の被加工物１０においては母材としての合金鋼に含有される介在物が原因となり断面が略楕円形状の突起２０が発生するが、介在物のレーザアブレーション閾値は合金鋼のレーザアブレーション閾値よりもはるかに高いため、加工レイヤーの加工に適した低フルエンスＦＬでのパルスレーザ光７１の照射によっては突起２０を除去することが困難である。従って、一旦突起２０が発生すると、加工レイヤーが順次加工されるにつれて突起２０が深さ方向に成長してしまう。ここで、介在物とは、合金鋼の製造工程において不可避的に混入し、除去が困難な微量の非金属化合物を指す。合金鋼の介在物は、通常粒径が数μｍ～数十μｍ程度であり、母材としての合金鋼中に不規則に分布して含有されている。介在物としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ等の酸化物系介在物、ＭｎＳ、ＣａＳ等の硫化物系介在物、ＴｉＮ、ＮｂＮ等の窒化物系介在物が挙げられる。
【0038】
高フルエンスＦＨは、このように発生した突起２０を除去するために、低フルエンスＦＬよりも高い値に設定される。高フルエンスＦＨが低フルエンスＦＬに対してα倍の値である場合（すなわち、ＦＨ＝α×ＦＬの場合）、例えば、２≦α≦２０であり、具体的には例えば、α＝２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。また、突起２０の除去効率と材料への熱影響を両立させるためには、７≦α≦１５となるように高フルエンスＦＨを設定すること好ましい。また、被加工物１０の材料が合金鋼の場合は、介在物を起点とする突起２０を効率的に除去するために、高フルエンスＦＨを介在物のレーザアブレーション閾値以上に設定することが好ましい。さらに、パルスレーザ光７１の走査速度及び繰り返し周波数で決まるスポット間隔に対して加工時に設定された高フルエンスＦＨの値による加工効果が、変化しないようにすることが好ましい。なお、高フルエンスＦＨの値による加工効果とは、加工レイヤー上の領域に高フルエンスＦＨで照射されるパルスレーザ光７１による単位体積当たりの加工に要したエネルギー量を指す。
【0039】
４．被加工物１０の加工方法
次に、図３Ａから図６を参照して、本実施形態のレーザ加工装置１を用いた被加工物１０の加工方法について説明する。以下、レーザ加工装置１による加工の一例として、図３Ａ及び図３Ｂに示す被加工物１０に対して有底穴１０ａを形成する場合について説明する。被加工物１０は合金鋼製であり、形成対象の有底穴１０ａは、平面視におけるサイズがＷ１×Ｗ２の矩形の開口部を有し、深さがＤである。
次に、図３Ａから図６を参照して、本実施形態のレーザ加工装置１を用いた被加工物１０の加工方法について説明する。以下、レーザ加工装置１による加工の一例として、図３Ａ及び図３Ｂに示す被加工物１０に対して有底穴１０ａを形成する場合について説明する。被加工物１０は合金鋼製であり、形成対象の有底穴１０ａは、平面視におけるサイズがＷ１×Ｗ２の矩形の開口部を有し、深さがＤである。
【0040】
図６に示すように、加工に先駆けて、作業者は、被加工物１０の材質、パルスレーザ光７１の走査速度、パルスレーザ光７１の繰り返し周波数等の条件を入力部８１に入力する（ステップＳ１）。入力部８１は、入力情報を取り込んで数値制御部８２へ送る。フルエンス設定部８７は、加工条件に基づき低フルエンスＦＬ及び高フルエンスＦＨの値を設定する。また、切替条件設定部８６は、被加工物１０の条件に基づきパルスレーザ光７１のフルエンスの切替条件を設定する（ステップＳ２）。数値制御部８２は、レーザ加工装置１の各構成要素に対する動作指令を作成し、照射制御部８３へ送る。
【0041】
本実施形態においては、加工対象部分を、被加工物１０の上面側からｎ個の加工レイヤーＬ１，Ｌ２，Ｌ３，......Ｌｎに分割する。なお、各加工レイヤーＬ１，Ｌ２，Ｌ３，......Ｌｎの厚みは、同一でもよく、相互に異なっていてもよい。
【0042】
加工の開始時には、レーザ加工装置１は、パルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬで照射して被加工物１０から加工レイヤーＬ１，Ｌ２，Ｌ３，......を順次加工する（ステップＳ３）。具体的には、図４Ａに示すように、１層目（最上位）の加工レイヤーＬ１に対してパルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬで照射することにより、加工レイヤーＬ１を加工する。次に、図４Ｂに示すように、加工レイヤーＬ１の直下に位置する２層目の加工レイヤーＬ２にパルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬで照射し、加工レイヤーＬ２を加工する。同様の操作を３層目以降の加工レイヤーＬ３，Ｌ４...に対して繰り返し、深さ方向に加工レイヤーを順次加工する。
【0043】
次に、撮像装置９１は、被加工物１０の加工レイヤーの画像を取得する（ステップＳ４）。画像処理装置９２は、取得された画像を解析して加工レイヤーの表面上の突起２０の数Ｎを取得する（ステップＳ５）。なお、撮像装置９１による加工レイヤーの画像の取得は、所定数の加工レイヤーが加工されるごとに行われてもよく、深さ方向に所定の厚み分の加工レイヤーが加工されるごとに行われてもよく、低フルエンスＦＬでの照射による加工が所定時間進行するごとに行われてもよい。
【0044】
切替部８８は、突起２０の数Ｎと切替条件設定部８６により設定された閾値ＴＨとの比較を行う（ステップＳ６）。突起２０の数Ｎが閾値ＴＨ以下である場合、切替部８８は高フルエンスＦＨへの切替は不要と判断し、低フルエンスＦＬでの照射による加工レイヤーの加工が続行される。突起２０の数Ｎが閾値ＴＨよりも大きい場合、切替部８８は高フルエンスＦＨへの切替が必要と判断し、照射制御部８３に対してパルスレーザ光７１を高フルエンスＦＨへ切り替えるための動作指令を出力する。
【0045】
フルエンスの切替後、レーザ加工装置１は、パルスレーザ光７１を高フルエンスＦＨで照射して加工レイヤーの表面上に発生した突起２０を除去する（ステップＳ７）。図５Ａに示すようにｋ層目の加工レイヤーＬｋ上に突起２０が発生した場合、加工レイヤーＬｋに対してパルスレーザ光７１を高フルエンスＦＨで照射する。これにより、突起２０が加工レイヤーとともに除去される。
【0046】
撮像装置９１は、被加工物１０の加工レイヤーの画像を取得する（ステップＳ８）。画像処理装置９２は、取得された画像を解析して加工レイヤーの表面上の突起２０の数Ｎを取得する（ステップＳ９）。なお、撮像装置９１による加工レイヤーの画像の取得は、所定数の加工レイヤーが加工されるごとに行われてもよく、深さ方向に所定の厚み分の加工レイヤーが加工されるごとに行われてもよく、高フルエンスＦＨでの照射による加工が所定時間進行するごとに行われてもよい。
【0047】
切替部８８は、突起２０の数Ｎと切替条件設定部８６により設定された閾値ＴＨとの比較を行う（ステップＳ１０）。突起２０の数Ｎが閾値ＴＨよりも大きい場合、高フルエンスＦＨでの照射による突起２０の除去が続行される。突起２０の数Ｎが閾値ＴＨ以下である場合、切替部８８は低フルエンスＦＬへの切替が必要と判断し、照射制御部８３に対してパルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬへ切り替えるための動作指令を出力する。
【0048】
高フルエンスＦＨでのパルスレーザ光７１の照射は、切替部８８により低フルエンスＦＬへの切替が行われるまでに、１以上の加工レイヤーに対して実行される。低フルエンスＦＬへの切替後は、再びパルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬで照射することにより、加工レイヤーが順次加工される。例えば、加工レイヤーＬｋを含むｍ個の加工レイヤーに対してパルスレーザ光７１を高フルエンスＦＨで照射して突起２０を除去した後、切替部８８により低フルエンスＦＬへの切替がおこなわれた場合、図５Ｂに示すように、ｋ＋ｍ層目以降の加工レイヤーＬｋ＋ｍ，Ｌｋ＋ｍ＋１，......に対してパルスレーザ光７１が低フルエンスＦＬで照射され、加工レイヤーが順次加工される。
【0049】
以上の工程を、ｎ層目の加工レイヤーＬｎが加工されるまで繰り返すことにより、図４Ｃのような所望の深さＤを有する有底穴１０ａを形成することができる。なお、有底穴１０ａの加工面の精度を高めるために、最終加工（少なくともｎ層目の加工レイヤーＬｎを含む部分を加工する加工）を低フルエンスＦＬでの照射により実行して加工を完了させることが好ましい。
【0050】
５．作用効果
本実施形態のレーザ加工装置１の制御装置８は、切替部８８と、切替条件設定部８６とを備え、切替条件設定部８６が設定した切替条件に基づき、切替部８８がパルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬと高フルエンスＦＨとの間で切り替える。低フルエンスＦＬでの照射による加工レイヤーの加工の進行とともに加工レイヤー上に突起２０が発生した場合は、高フルエンスＦＨへ切り替えて突起２０を除去することが可能である。また、突起２０の除去後は低フルエンスＦＬへ切り替えて加工レイヤーの加工を継続することが可能であり、これにより高フルエンスＦＨでの加工を最小限に留め、材料への熱影響による加工面の精度の低下を抑制することが可能である。また、一部の加工レイヤーをパルスレーザ光７１の高フルエンスＦＨでの照射により加工するため、低フルエンスＦＬでの照射のみにより加工を行った場合と比較して、総加工時間が短縮される。
本実施形態のレーザ加工装置１の制御装置８は、切替部８８と、切替条件設定部８６とを備え、切替条件設定部８６が設定した切替条件に基づき、切替部８８がパルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬと高フルエンスＦＨとの間で切り替える。低フルエンスＦＬでの照射による加工レイヤーの加工の進行とともに加工レイヤー上に突起２０が発生した場合は、高フルエンスＦＨへ切り替えて突起２０を除去することが可能である。また、突起２０の除去後は低フルエンスＦＬへ切り替えて加工レイヤーの加工を継続することが可能であり、これにより高フルエンスＦＨでの加工を最小限に留め、材料への熱影響による加工面の精度の低下を抑制することが可能である。また、一部の加工レイヤーをパルスレーザ光７１の高フルエンスＦＨでの照射により加工するため、低フルエンスＦＬでの照射のみにより加工を行った場合と比較して、総加工時間が短縮される。
【0051】
また、本実施形態のレーザ加工装置１は、加工レイヤーの画像を取得する撮像装置９１、及び画像を解析して突起２０を検出する画像処理装置９２を備え、切替部８８は突起２０の検出結果に基づきパルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬと高フルエンスＦＨとの間で切り替える。突起２０の発生をリアルタイムで監視可能であるため、突起２０の発生時には即時に高フルエンスＦＨに切り替えて突起２０を除去し、突起２０の成長を回避することができる。また、突起２０の除去完了後は即時に低フルエンスＦＬに切り替えることで、材料への熱影響を抑制することが可能である。
【0052】
６．他の実施形態
本発明は、以下の態様でも実施可能である。
本発明は、以下の態様でも実施可能である。
【0053】
＜変形例１及び変形例２＞
上記実施形態では、撮像装置９１により加工レイヤーの画像を取得し、画像処理装置９２により画像を解析して突起２０を検出し、突起２０の検出結果と切替条件設定部８６が設定した閾値との比較により切替部８８がパルスレーザ光７１のフルエンスを切り替える構成であった。切替部８８及び切替条件設定部８６の構成は、これに限定されるものではなく、他の構成としてもよい。
上記実施形態では、撮像装置９１により加工レイヤーの画像を取得し、画像処理装置９２により画像を解析して突起２０を検出し、突起２０の検出結果と切替条件設定部８６が設定した閾値との比較により切替部８８がパルスレーザ光７１のフルエンスを切り替える構成であった。切替部８８及び切替条件設定部８６の構成は、これに限定されるものではなく、他の構成としてもよい。
【0054】
変形例１として、切替条件設定部８６を、切替条件として低フルエンス加工レイヤー数ＮＬと高フルエンス加工レイヤー数ＮＨを設定するように構成し、切替部８８を、低フルエンス加工レイヤー数ＮＬに基づきパルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬから高フルエンスＦＨへ切り替え、高フルエンス加工レイヤー数ＮＨに基づきパルスレーザ光７１を高フルエンスＦＨから低フルエンスＦＬへ切り替えるように構成してもよい。具体的には、レーザ加工装置１が低フルエンスＦＬでのパルスレーザ光７１の照射により加工レイヤーの加工を開始した後、ＮＬ層の加工レイヤーが加工された時点で、切替部８８は、パルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬから高フルエンスＦＨへ切り替える。さらに、レーザ加工装置１が高フルエンスＦＨでのパルスレーザ光７１の照射によりＮＨ層の加工レイヤーを加工した時点で、切替部８８は、パルスレーザ光７１を高フルエンスＦＨから低フルエンスＦＬへ切り替える。以降、低フルエンスＦＬでの照射によるＮＬ層の加工レイヤーの加工、及び高フルエンスＦＨでの照射によるＮＨ層の加工レイヤーの加工を、所望の深さＤを有する有底穴１０ａが形成されるまで繰り返す。
【0055】
変形例２として、切替条件設定部８６を、切替条件として低フルエンス加工深さＤＬと高フルエンス加工深さＤＦとを設定するように構成し、切替部８８を、低フルエンス加工深さＤＬに基づきパルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬから高フルエンスＦＨへ切り替え、高フルエンス加工深さＤＦに基づきパルスレーザ光７１を高フルエンスＦＨから低フルエンスＦＬへ切り替えるように構成してもよい。具体的には、レーザ加工装置１が低フルエンスＦＬでのパルスレーザ光７１の照射により加工レイヤーの加工を開始した後、深さＤＬ分の加工レイヤーが加工された時点で、切替部８８は、パルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬから高フルエンスＦＨへ切り替える。さらに、レーザ加工装置１が高フルエンスＦＨでのパルスレーザ光７１の照射により深さＤＦ分の加工レイヤーを加工した時点で、切替部８８は、パルスレーザ光７１を高フルエンスＦＨから低フルエンスＦＬへ切り替える。以降、低フルエンスＦＬでの照射による深さＤＬ分の加工レイヤーの加工、及び高フルエンスＦＨでの照射による深さＤＨ分の加工レイヤーの加工を、所望の深さＤを有する有底穴１０ａが形成されるまで繰り返す。
【0056】
突起２０の起点は所定の深さ分の加工レイヤーの加工が進行するごとに発生し、このような起点の深さ方向の分布は、被加工物１０の条件である被加工物１０の材質によって異なる。従って、各種材質に対して事前調査として試験加工を行って起点の分布を把握することによって、突起２０を除去しながら加工を進めるうえで最適な低フルエンス加工レイヤー数ＮＬ及び高フルエンス加工レイヤー数ＮＨ、又は低フルエンス加工深さＤＬ及び高フルエンス加工深さＤＦを決定することができる。上記の例においては、材質ごとに最適な低フルエンス加工レイヤー数ＮＬ及び高フルエンス加工レイヤー数ＮＨ、又は低フルエンス加工深さＤＬ及び高フルエンス加工深さＤＦを記憶部８５にデータベース又は数値制御プログラムとして記憶させ、切替条件設定部８６が入力情報に含まれる被加工物１０の材質に応じて対応値を読み出すことで、低フルエンス加工レイヤー数ＮＬ及び高フルエンス加工レイヤー数ＮＨ、又は低フルエンス加工深さＤＬ及び高フルエンス加工深さＤＦを設定することができる。
【0057】
変形例１及び変形例２においては、低フルエンス加工レイヤー数ＮＬ及び高フルエンス加工レイヤー数ＮＨ、又は低フルエンス加工深さＤＬ及び高フルエンス加工深さＤＦに基づき、フルエンスの切替が行われる。このような構成においても、発生した突起２０を比較的早い段階で除去し突起２０の成長を回避するとともに、材料への熱影響による加工面の精度の低下を抑制することが可能である。また、上記の例においては、実際の加工時においては撮像装置９１及び画像処理装置９２による監視を要しない。
【0058】
＜変形例３＞
上記実施形態では、有底穴１０ａの形成のための加工において低フルエンスＦＬ及び高フルエンスＦＨの値をそれぞれ１つの固定値とした。低フルエンスＦＬ及び高フルエンスＦＨの設定は、これに限定されるものではなく、低フルエンスＦＬ及び高フルエンスＦＨとしてそれぞれ２つ以上のフルエンスを設定してもよい。例えば、照射装置を、パルスレーザ光７１を高フルエンスＦＨとしての第１高フルエンスＦＨ１と第１高フルエンスＦＨ１よりも低い第２高フルエンスＦＨ２とで照射可能に構成し、切替部８８を、照射装置から出力されるパルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬと、第１高フルエンスＦＨ１と、第２高フルエンスＦＨ２との間で切替条件に基づき切り替えるように構成してもよい。
上記実施形態では、有底穴１０ａの形成のための加工において低フルエンスＦＬ及び高フルエンスＦＨの値をそれぞれ１つの固定値とした。低フルエンスＦＬ及び高フルエンスＦＨの設定は、これに限定されるものではなく、低フルエンスＦＬ及び高フルエンスＦＨとしてそれぞれ２つ以上のフルエンスを設定してもよい。例えば、照射装置を、パルスレーザ光７１を高フルエンスＦＨとしての第１高フルエンスＦＨ１と第１高フルエンスＦＨ１よりも低い第２高フルエンスＦＨ２とで照射可能に構成し、切替部８８を、照射装置から出力されるパルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬと、第１高フルエンスＦＨ１と、第２高フルエンスＦＨ２との間で切替条件に基づき切り替えるように構成してもよい。
【0059】
具体的には、切替部８８は、突起２０を除去するために低フルエンスＦＬからの切替を行う際に、パルスレーザ光７１を第１高フルエンスＦＨ１へ切り替える。パルスレーザ光７１を第１高フルエンスＦＨ１で照射して突起２０の少なくとも一部を除去した後、パルスレーザ光７１を第１高フルエンスＦＨ１よりも低い第２高フルエンスＦＨ２へ切り替え、第２高フルエンスＦＨ２での照射により突起２０を完全に除去する。なお、第１高フルエンスＦＨ１から第２高フルエンスＦＨ２への切替は、加工レイヤーの表面上に発生する突起２０の数又は面積に基づく切替条件を設定し、当該切替条件に基づき実行してもよい。或いは、第１高フルエンスＦＨ１により所定の層数又は加工深さ分の加工レイヤーが加工された時点で、第２高フルエンスＦＨ２へ切り替えてもよい。
【0060】
変形例３においては、高フルエンスＦＨを２段階で設定し、突起２０の少なくとも一部が除去された時点で比較的低い第２高フルエンスＦＨ２へ切り替える。これにより、突起２０を効率的に除去しつつ、被加工物１０の材料への熱影響をより効果的に抑制することが可能となる。
【0061】
＜変形例４＞
同一の加工レイヤーへのパルスレーザ光７１の照射に際し、パルスレーザ光７１のスポット径を変化させてもよい。変形例４として、図７に示す加工レイヤーＬｋにおけるパルスレーザ光７１の照射態様を説明する。加工レイヤーＬｋは、端部に隣接する領域である第１領域Ｒ１と、第１領域Ｒ１とは異なる領域である第２領域Ｒ２とを含む。具体的には、加工レイヤーＬｋの外縁に沿った領域を第１領域Ｒ１とし、第１領域Ｒ１よりも内側の領域を第２領域Ｒ２とする。制御装置８は、パルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬ又は高フルエンスＦＨで照射する際、第１領域Ｒ１に照射されるパルスレーザ光７１の照射スポットＳＰ１のスポット径Ｈ１が、第２領域Ｒ２に照射されるパルスレーザ光７１の照射スポットＳＰ２のスポット径Ｈ２よりも小さくなるように、レーザ加工装置１を制御する。こここで、高フルエンスＦＨ及び低フルエンスＦＬの照射の何れにおいても、第１領域Ｒ１に照射されるパルスレーザ光７１のフルエンスは、第２領域Ｒ２に照射されるパルスレーザ光７１のフルエンスと等しく設定される。また第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２の境界においてはパルスレーザ光７１の照射スポットＳＰ１と照射スポットＳＰ２が重なるようにレーザ加工装置１を制御してもよい。
同一の加工レイヤーへのパルスレーザ光７１の照射に際し、パルスレーザ光７１のスポット径を変化させてもよい。変形例４として、図７に示す加工レイヤーＬｋにおけるパルスレーザ光７１の照射態様を説明する。加工レイヤーＬｋは、端部に隣接する領域である第１領域Ｒ１と、第１領域Ｒ１とは異なる領域である第２領域Ｒ２とを含む。具体的には、加工レイヤーＬｋの外縁に沿った領域を第１領域Ｒ１とし、第１領域Ｒ１よりも内側の領域を第２領域Ｒ２とする。制御装置８は、パルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬ又は高フルエンスＦＨで照射する際、第１領域Ｒ１に照射されるパルスレーザ光７１の照射スポットＳＰ１のスポット径Ｈ１が、第２領域Ｒ２に照射されるパルスレーザ光７１の照射スポットＳＰ２のスポット径Ｈ２よりも小さくなるように、レーザ加工装置１を制御する。こここで、高フルエンスＦＨ及び低フルエンスＦＬの照射の何れにおいても、第１領域Ｒ１に照射されるパルスレーザ光７１のフルエンスは、第２領域Ｒ２に照射されるパルスレーザ光７１のフルエンスと等しく設定される。また第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２の境界においてはパルスレーザ光７１の照射スポットＳＰ１と照射スポットＳＰ２が重なるようにレーザ加工装置１を制御してもよい。
【0062】
例えば、第１領域Ｒ１に対してパルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬで照射する際には、制御装置８は、光学系３又は集光レンズ５２を制御してビーム径を調整することによりパルスレーザ光７１を所望のスポット径Ｈ１とし、且つレーザ発振器２を制御して出力パルスエネルギーを調整することによりパルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬとする。さらに、第２領域Ｒ２に対してパルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬで照射する際には、制御装置８は、光学系３又は集光レンズ５２を制御してビーム径を調整することによりパルスレーザ光７１を所望のスポット径Ｈ１とし、且つレーザ発振器２を制御して出力パルスエネルギーを調整することによりパルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬとする。
【0063】
変形例４においては、端部に隣接する第１領域Ｒ１においては、比較的小さいスポット径Ｈ１でパルスレーザ光７１を照射することにより、加工レイヤーＬｋの端部、特に隅角部分を高精度な形状で加工することが可能となる。一方、第１領域Ｒ１とは異なる第２領域Ｒ２においては、比較的大きいスポット径Ｈ２でパルスレーザ光７１を照射することにより、加工効率を高めることが可能となる。また、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２には、パルスレーザ光７１が等しいフルエンスで照射されているため、同一加工レイヤーＬｋ内における加工面の精度は略一定に維持できる。
【0064】
＜その他＞
上記実施形態においては有底穴の形成を例として示したが、本発明のレーザ加工方法の適用対象となる加工形状は、これに限定されるものではない。本発明のレーザ加工方法は、例えば、溝形状の形成、及び表面仕上げにも適用可能である。ここで、溝形状とは、窪みの４側面のうち少なくとも１つの側面が開放されている形状を指す。
上記実施形態においては有底穴の形成を例として示したが、本発明のレーザ加工方法の適用対象となる加工形状は、これに限定されるものではない。本発明のレーザ加工方法は、例えば、溝形状の形成、及び表面仕上げにも適用可能である。ここで、溝形状とは、窪みの４側面のうち少なくとも１つの側面が開放されている形状を指す。
【0065】
また、上記実施形態においては、合金鋼製の被加工物１０を加工対象としたが、本発明のレーザ加工方法の適用対象となる被加工物１０の材質は、これに限定されるものではない。本発明のレーザ加工方法は、例えば、炭素鋼等の他の金属素材や、樹脂素材にも適用可能である。
【0066】
また、上記実施形態においては、１台のレーザ発振器２から出力されるパルスレーザ光７１のフルエンスを、出力パルスエネルギー又はスポット径を変化させることで低フルエンスＦＬと高フルエンスＦＨとの間で切り替えるが、フルエンスの切替の態様は、これに限定されるものではない。例えば、レーザ発振器２、光学系３、及び走査装置４から構成される照射装置を２台設けてもよい。この場合、一方の照射装置から出力される第１パルスレーザ光を低フルエンスＦＬで、他方の照射装置から出力される第２パルスレーザ光を高フルエンスＦＨで照射可能に構成し、照射制御部８３により２台の照射装置を切り替えることでフルエンスの切替を行うことができる。
【実施例0067】
以下、本発明の詳細な内容について実施例を用いて説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【0068】
レーザ加工装置１を用いて、被加工物１０に対して超短パルスレーザ加工を行って有底穴１０ａを形成し、有底穴１０ａの加工面の状態を観察した。実施例１においては、パルス幅が４１０［ｆｓ］のパルスレーザ光７１（波長：５１５［ｎｍ］、周波数２００［ｋＨｚ］）を、ＳＵＳ３０４製の被加工物１０に対して、走査速度５００［ｍｍ／ｓ］、スポット径９［μｍ］、スポット間隔２．５［μｍ］、ライン間隔２．５［μｍ］の条件でラスタ走査した。ここで、ライン間隔とは、ラスタ走査におけるパルスレーザ光７１の走査方向と直交する水平１軸方向において隣り合う２つの照射スポットの中心間の距離を指す。
【0069】
低フルエンスＦＬを０．６３［Ｊ／ｃｍ２］とし、低フルエンスＦＬでの照射においては加工レイヤー１層あたりの加工深さを０．３６［μｍ］としてパルスレーザ光７１を照射して加工レイヤーを順次加工した。また、高フルエンスＦＨを６．３［Ｊ／ｃｍ２］とし、高フルエンスＦＨでの照射においては加工レイヤー１層あたりの加工深さを１．５［μｍ］として、パルスレーザ光７１を照射して加工レイヤー上の突起２０を加工レイヤーとともに除去した。低フルエンス加工レイヤー数ＮＬを５０層とし、高フルエンス加工レイヤー数ＮＨを５層として、低フルエンス加工レイヤー数ＮＬ及び高フルエンス加工レイヤー数ＮＨに基づき切替部８８によりパルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬと高フルエンスＦＨとの間で切り替えながら加工レイヤーの加工を繰り返した。有底穴１０ａの最下部を構成する５０層分を低フルエンスＦＬでの照射により加工して加工を終了し、平面視におけるサイズが１０００×１０００［μｍ］の略正方形の開口部を有し、深さ４８１［μｍ］の有底穴１０ａが得られた。
【0070】
比較例１においては、高フルエンスＦＨでの照射を行わず、パルスレーザ光７１を低フルエンスＦＬでのみ照射して加工を行った。低フルエンスＦＬを０．６３［Ｊ／ｃｍ２］とし、１層あたりの加工深さを０．３６［μｍ］として、パルスレーザ光７１を照射して加工レイヤーを順次加工した。その他の条件は、実施例１と同様に設定した。平面視におけるサイズが１０００×１０００［μｍ］の略正方形の開口部を有し、深さ４７７［μｍ］の有底穴１０ａが得られた。
【0071】
比較例２においては、低フルエンスＦＬでの照射を行わず、パルスレーザ光７１を高フルエンスＦＨでのみ照射して加工を行った。高フルエンスＦＨを６．３［Ｊ／ｃｍ２］とし、１層あたりの加工深さを１．５［μｍ］として、パルスレーザ光７１を照射して加工レイヤーを順次加工した。その他の条件は、実施例１と同様に設定した。平面視におけるサイズが１０００×１０００［μｍ］の略正方形の開口部を有し、深さ４６８［μｍ］の有底穴１０ａが得られた。
【0072】
図８Ａ及び図８Ｂはそれぞれ、実施例１及び比較例１において形成された有底穴１０ａの加工面の画像であり、有底穴１０ａを上方から撮像して得られた画像である。実施例１の有底穴１０ａは、底面及び側面において突起２０が数個確認されたのみで、面粗度の指標である算術平均粗さＲａが約０．１３μｍであり、比較的高精度な加工面を有していた。なお、算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１－２００１に準じて測定された。一方、比較例１の有底穴１０ａは、底面及び側面において突起２０が多数確認され、算術平均粗さＲａは約２．０μｍであった。
【0073】
図９Ａは、比較例２において形成された有底穴１０ａの加工面の画像であり、有底穴１０ａを上方から撮像して得られた画像である。図９Ｂは、図９Ａの領域Ｂを拡大した画像である。比較例２の有底穴１０ａは、底面及び側面において突起２０がほぼ確認されなかった。一方、加工面には熱影響により生じた微小孔が多数確認され、算術平均粗さＲａは約０．２６μｍであった。
【0074】
以上、本発明に係る種々の実施形態を説明したが、これらは例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。当該新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。当該実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0075】
１ ：レーザ加工装置
２ ：レーザ発振器
３ ：光学系
４ ：走査装置
８ ：制御装置
１０ ：被加工物
１０ａ ：有底穴
２０ ：突起
４１ ：第１ガルバノミラー
４２ ：第２ガルバノミラー
５１ ：ビームスプリッタ
５２ ：集光レンズ
５３ ：結像レンズ
７１ ：パルスレーザ光
７２ ：反射光
８１ ：入力部
８２ ：数値制御部
８３ ：照射制御部
８４ ：演算部
８５ ：記憶部
８６ ：切替条件設定部
８７ ：フルエンス設定部
８８ ：切替部
９１ ：撮像装置
９２ ：画像処理装置
９３ ：ＣＡＤ装置
９４ ：ＣＡＭ装置
２ ：レーザ発振器
３ ：光学系
４ ：走査装置
８ ：制御装置
１０ ：被加工物
１０ａ ：有底穴
２０ ：突起
４１ ：第１ガルバノミラー
４２ ：第２ガルバノミラー
５１ ：ビームスプリッタ
５２ ：集光レンズ
５３ ：結像レンズ
７１ ：パルスレーザ光
７２ ：反射光
８１ ：入力部
８２ ：数値制御部
８３ ：照射制御部
８４ ：演算部
８５ ：記憶部
８６ ：切替条件設定部
８７ ：フルエンス設定部
８８ ：切替部
９１ ：撮像装置
９２ ：画像処理装置
９３ ：ＣＡＤ装置
９４ ：ＣＡＭ装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
