特許 7274807 レーザ加工装置、レーザ加工方法およびプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-05-09

(45)【発行日】2023-05-17

(54)【発明の名称】レーザ加工装置、レーザ加工方法およびプログラム

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/36 20140101AFI20230510BHJP

   B23K 26/08 20140101ALI20230510BHJP

   B23K 26/082 20140101ALI20230510BHJP

【ＦＩ】

B23K26/36

B23K26/08 D

B23K26/082

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023507390

(86)(22)【出願日】2023-01-31

(86)【国際出願番号】 JP2023002995

【審査請求日】2023-02-02

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】304021277

【氏名又は名称】国立大学法人 名古屋工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002424

【氏名又は名称】ケー・ティー・アンド・エス弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】糸魚川 文広

(72)【発明者】

【氏名】前川 覚

(72)【発明者】

【氏名】近田 修

【審査官】黒石 孝志

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－６１３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－８３５６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１９０９７７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－３０１２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１２６８１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１０４１６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／００ － ２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源から照射されるレーザを加工対象物の加工面へと導く導光部と、
前記導光部に導かれるレーザの光路を、その光軸が母線となり、かつ、前記加工面と重なる光軸上の位置を頂点とする仮想円錐の円錐面に沿って、その軸線周りに変位させる光路変位部、および、前記加工対象物を、前記仮想円錐の軸線と交差する対象平面に沿って変位させる対象変位部、による変位をそれぞれ制御する制御部と、を備え、
前記対象平面に沿って底面が拡がる仮想円錐台をその軸線周りに所定の角度範囲だけ切り取った形状における円錐台面を、前記加工面として形成する場合において、
前記制御部は、
前記対象平面上で、前記加工面が前記仮想円錐台の底面周りになす対象円弧の一端が前記仮想円錐の頂点となる対象開始位置から、前記仮想円錐の頂点を中心に前記対象円弧と同じ半径で描かれる仮想円の円周に沿って、前記対象円弧の他端側が前記仮想円錐の頂点と重なる対象終了位置に到達するまで、前記対象変位部に前記加工対象物を所定の対象角速度で変位させる対象制御と、
前記対象平面視で、レーザの光軸が、前記対象開始位置にある前記対象円弧の中心と前記仮想円錐の頂点とをつなぐ線分の延びる方向に沿う光路開始位置から、前記仮想円錐の軸線周りに、前記対象終了位置にある前記対象円弧の中心と前記仮想円錐の頂点とをつなぐ線分の延びる方向に沿う光路終了位置に到達するまで、前記光路変位部にレーザの光路を前記対象角速度と同じ光路角速度で変位させる光路制御と、
を同時に実施することで前記加工対象物にレーザによる前記加工面を形成する、
レーザ加工装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記仮想円錐台における円錐台面と天面との境界稜線と重なる光軸上の位置を前記仮想円錐の頂点として、前記光路変位部にレーザの光路を変位させる、
請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項3】

前記導光部は、光源から照射されるレーザが透過する筒状領域内で、該筒状領域の軸線と同軸かつ軸線方向に間隔を空けて配置された一対のウェッジプレートと、前記ウェッジプレートよりもレーザの光路下流側で、前記筒状領域の軸線と同軸に配置され、前記ウェッジプレート透過後のレーザを前記加工面に向けて屈折させるレンズと、前記ウェッジプレートを前記筒状領域の軸線周りに回転させることで、前記ウェッジプレート透過後のレーザを周方向に走査させる回転機構と、を備え、
前記光路変位部は、前記回転機構に前記ウェッジプレートを回転させることにより、前記導光部に導かれるレーザの光路を、前記仮想円錐の円錐面に沿って変位させる、
請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項4】

光源から照射されるレーザを加工対象物の加工面へと導く導光部と、
前記導光部に導かれるレーザの光路を、その光軸が母線となり、かつ、前記加工面と重なる光軸上の位置を頂点とする仮想円錐の円錐面に沿って、その軸線周りに変位させる光路変位部と、
前記加工対象物を、前記仮想円錐の軸線と交差する対象平面に沿って変位させる対象変位部と、
を備えるレーザ加工装置によって、前記加工対象物に前記加工面を形成させるためのレーザ加工方法であって、
前記対象平面に沿って底面が拡がる仮想円錐台をその軸線周りに所定の角度範囲にわたって切り取った形状における円錐台面を、前記加工面として形成する場合において、
前記対象平面上で、前記加工面が前記仮想円錐台の底面周りになす対象円弧の一端が前記仮想円錐の頂点となる対象開始位置から、前記仮想円錐の頂点を中心に前記対象円弧と同じ半径で描かれる仮想円の円周に沿って、前記対象円弧の他端側が前記仮想円錐の頂点と重なる対象終了位置に到達するまで、前記対象変位部に前記加工対象物を所定の対象角速度で変位させる対象制御と、
前記対象平面視で、レーザの光軸が、前記対象開始位置にある前記対象円弧の中心と前記仮想円錐の頂点とをつなぐ線分の延びる方向に沿う光路開始位置から、前記仮想円錐の軸線周りに、前記対象終了位置にある前記対象円弧の中心と前記仮想円錐の頂点とをつなぐ線分の延びる方向に沿う光路終了位置に到達するまで、前記光路変位部にレーザの光路を前記対象角速度と同じ光路角速度で変位させる光路制御と、を同時に実施する、
レーザ加工方法。

【請求項5】

請求項１に記載の制御部としてコンピュータを機能させるためのプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザによる加工を行うレーザ加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、レーザの光軸方向に延びる円筒状の照射領域を、その光軸と交差する方向へ変位させることにより、この照射領域が通過する加工対象物の表面側に加工面を形成する技術が提案されている（特許文献１）。この加工方法は、機械的な加工方法に比べて機械的損傷を減らし滑らかに加工面を形成できるという点で優れた加工方法である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許６５６２５３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

この種の加工方法は、例えば、すくい面および逃げ面で形成された角部を有する切削工具のように、それぞれ隣接する２つの端面で形成された角部を有する加工対象物における角部の再生、といった用途でも用いられている。具体的には、すくい面または逃げ面の拡がる方向に沿って光軸が延びるようにレーザを照射させ、このレーザを変位させることによって、角部に新たなすくい面または逃げ面を形成することができる。

【0005】

ただ、このレーザによる加工が必ずしも現実的とはいえない加工対象物も存在する。例えば、ボールエンドミルのように、円錐台を軸線周りに所定の角度範囲だけ切り取った形状における円錐台面および底面のなす角部が形成されたものである。この角部では、一方の面（逃げ面）が円錐台面に沿った複雑な曲面形状をなしている。

【0006】

このように、角部が複雑な曲面形状の面を有していると、レーザの光軸や加工対象物を複雑に変位させなければ適切に加工面を形成できず、そのために多軸化が必要になるなど装置構成や制御が著しく複雑になってしまう。このようなことから、複雑な曲面形状の加工面に対しては、レーザによる加工が必ずしも現実的ではないという課題があった。

【0007】

本開示はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、複雑な曲面形状の加工面であっても、装置構成や制御の複雑化を抑えつつ、レーザによる加工を実現できるようにすることである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するため第１局面は、光源から照射されるレーザを加工対象物の加工面へと導く導光部と、前記導光部に導かれるレーザの光路を、その光軸が母線となり、かつ、前記加工面と重なる光軸上の位置を頂点とする仮想円錐の円錐面に沿って、その軸線周りに変位させる光路変位部、および、前記加工対象物を、前記仮想円錐の軸線と交差する対象平面に沿って変位させる対象変位部、による変位をそれぞれ制御する制御部と、を備え、前記対象平面に沿って底面が拡がる仮想円錐台をその軸線周りに所定の角度範囲だけ切り取った形状における円錐台面を、前記加工面として形成する場合において、前記制御部は、前記対象平面上で、前記加工面が前記仮想円錐台の底面周りになす対象円弧の一端が前記仮想円錐の頂点となる対象開始位置から、前記仮想円錐の頂点を中心に前記対象円弧と同じ半径で描かれる仮想円の円周に沿って、前記対象円弧の他端側が前記仮想円錐の頂点と重なる対象終了位置に到達するまで、前記対象変位部に前記加工対象物を所定の対象角速度で変位させる対象制御と、前記対象平面視で、レーザの光軸が、前記対象開始位置にある前記対象円弧の中心と前記仮想円錐の頂点とをつなぐ線分の延びる方向に沿う光路開始位置から、前記仮想円錐の軸線周りに、前記対象終了位置にある前記対象円弧の中心と前記仮想円錐の頂点とをつなぐ線分の延びる方向に沿う光路終了位置に到達するまで、前記光路変位部にレーザの光路を前記対象角速度と同じ光路角速度で変位させる光路制御と、を同時に実施することで前記加工対象物にレーザによる前記加工面を形成する、レーザ加工装置である。

【0009】

また、この局面においては、以下に示す第２局面のようにしてもよい。
第２局面において、前記制御部は、前記仮想円錐台における円錐台面と天面との境界稜線と重なる光軸上の位置を前記仮想円錐の頂点として、前記光路変位部にレーザの光路を変位させる。

【0010】

また、上記各局面においては、以下に示す第３局面のようにしてもよい。
第３局面において、前記導光部は、光源から照射されるレーザが透過する筒状領域内で、該筒状領域の軸線と同軸かつ軸線方向に間隔を空けて配置された一対のウェッジプレートと、前記ウェッジプレートよりもレーザの光路下流側で、前記筒状領域の軸線と同軸に配置され、前記ウェッジプレート透過後のレーザを前記加工面に向けて屈折させるレンズと、前記ウェッジプレートを前記筒状領域の軸線周りに回転させることで、前記ウェッジプレート透過後のレーザを周方向に走査させる回転機構と、を備え、前記光路変位部は、前記回転機構に前記ウェッジプレートを回転させることにより、前記導光部に導かれるレーザの光路を、前記仮想円錐の円錐面に沿って変位させる。

【発明の効果】

【0011】

上記局面のレーザ加工装置では、レーザの光路を仮想円錐の円錐面に沿って変位させつつ、加工対象物を仮想円の円周に沿って変位させる。これによって、レーザは、加工対象物における仮想円錐台の母線に沿った状態で、その円錐台面上を軸線周りに相対変位するため、仮想円錐台の円錐台面に沿った加工面が加工対象物に形成される。こうして、円錐台面のような複雑な曲面形状の端面を加工面として形成することができる。

【0012】

ここで、加工対象物に対するレーザの相対変位は、光路変位部および対象変位部に対する２軸制御によって実現できるため、複雑な曲面形状の加工面であっても、それ以上の多軸化および複雑な制御を要することなく、レーザによる加工を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本開示の一実施形態におけるレーザ加工装置の装置構成を示すブロック図

【図2】本開示の一実施形態における加工対象物の先端形状を示す正面図

【図3】本開示の一実施形態における導光部の構成を示す要部断面図

【図4】本開示の一実施形態における加工対象物およびレーザの光路が変位する様子を示す正面図（ａ）および右側面図（ｂ）

【図5】本開示の一実施形態における加工処理の処理手順を示すフローチャート

【図6】本開示の一実施形態における加工対象物およびレーザの光路が変位する様子を示す正面図

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下に本発明を実施するための形態を、図面を参照して詳細に説明する。
（１）全体構成

【0015】

レーザ加工装置１は、図１に示すように、レーザを出力する光源１０と、加工対象物１００を保持する保持部２０と、光源１０から照射されるレーザを加工対象物１００の加工面１１１へと導く導光部３０と、導光部３０に導かれるレーザの光路を変位させる光路変位部４０と、加工対象物１００を変位させる対象変位部５０、レーザ加工装置１全体の動作を制御する制御部６０と、を備える。

【0016】

本実施形態において、加工対象物１００は、図２に示すように、棒状に延びる部材の先端側（本実施形態では下端側）に複数の角部１１０が形成されたボールエンドミルである。角部１１０は、それぞれが仮想円錐台を軸線周りに所定の角度範囲（具体的には９０度の範囲）だけ切り取った形状における円錐台面および底面で構成された刃であり、一方の面（逃げ面）が円錐台面に沿った曲面形状をなしている。

【0017】

光源１０は、パルスレーザを出力するレーザ発振器、レーザの振動数の次数を調整する振動調整器、レーザの出力を調整するアッテネータ、レーザの径を調整するためのビームエキスパンダーなどを備え、これらを経たレーザが光学レンズ経由で出力されるように構成されている。これらのうち、レーザ発振器にはＮｄ：ＹＡＧパルスレーザが用いられている。

【0018】

保持部２０は、加工対象物１００を、その先端が下方に位置し、角部における他方の面（すくい面）が後述する対象平面に沿う向きで保持する。

【0019】

導光部３０は、図３に示すように、光源１０から照射されるレーザが透過する筒状領域を包囲する筒状の本体部３１、筒状領域内で本体部３１の軸線３３と同軸かつ軸線３３方向に間隔を空けて配置された一対のウェッジプレート３５、３７、光路下流側のウェッジプレート３７よりもさらに光路下流側に配置されたレンズ３９を備える。

【0020】

これらのうち、ウェッジプレート３５、３７は、光路下流側のウェッジプレート３７を軸線３３方向に沿った任意の位置に変位可能に構成されており（同図矢印参照）、これにより、一対のウェッジプレート３５、３７の間隔を任意に変更することができる。本実施形態では、一対のウェッジプレート３５、３７の間隔が広くなるほど、レーザの透過する位置が軸線３３から径方向に遠くなる。

【0021】

また、レンズ３９は、本体部３１の軸線３３と同軸に配置され、ウェッジプレート３５、３７透過後のレーザを加工対象物１００の加工面１１１に向けて屈折させる光学レンズである。

【0022】

光路変位部４０は、制御部６０からの指令を受けて本体部３１を軸線３３周りに回転させるアクチュエータであり、この回転に伴って本体部３１内に配置されたウェッジプレート３５、３７を軸線３３周りに回転させる。

【0023】

ここで、ウェッジプレート３５、３７を回転させることは、ウェッジプレート３５、３７透過後のレーザをその光軸と交差する平面上で周方向に走査させることを意味する。こうして、ウェッジプレート３５、３７を透過したレーザは、さらにレンズ３９を透過することで、光軸の軸線３３に対する径方向の位置に応じた角度で屈折する。

【0024】

これによって、レーザは、図４に示すように、その光軸を母線としかつ加工面１１１と重なる光軸上の位置を頂点２１０とする仮想円錐２００の円錐面２２０に沿って、その軸線２３０周りに変位する（同図矢印ａ参照）。

【0025】

対象変位部５０は、保持部２０を仮想円錐２００の軸線２３０と直交する対象平面（図４（ａ）参照）に沿って変位させるアクチュエータであり、この保持部２０を介してこれに保持される加工対象物１００を変位させる。

【0026】

（２）制御部６０による加工処理
続いて、制御部６０が内蔵メモリ６１に格納されたプログラムにより実行する加工処理を図５に基づいて説明する。この加工処理は、図示されないインタフェース（操作装置または通信装置） からの起動指令を受けた際に起動される。

【0027】

なお、本実施形態では、図２に示すように、加工対象物１００の角部１１０をなす一方の面（逃げ面）、つまり、仮想円錐台の円錐台面に沿った曲面形状を加工面１１１として形成する場合を例示する。

【0028】

この加工処理が起動されると、まず、加工対象物１００が対象開始位置１００ｓに位置決めされる（ｓ１１０）。対象開始位置１００ｓは、図６に示すように、仮想円錐２００の軸線２３０と交差する対象平面上で、加工面１１１が仮想円錐台の底面周りになす対象円弧の一端１１３が仮想円錐２００の頂点２１０となる位置である。ここでは、レーザの光軸が仮想円錐台における円錐台面と天面との境界稜線と重なる位置が、仮想円錐２００の頂点２１０として設定されており（図３（ｂ）参照）、この設定に基づいて以降の処理が実行される。

【0029】

次に、加工対象物１００を変位させる対象制御と、レーザの光路を変位させる光路制御と、が同時に開始される（ｓ１２０）。

【0030】

対象制御とは、図６に示すように、加工対象物１００を対象開始位置１００ｓから対象終了位置１００ｅに到達するまで変位させるための制御であり、対象変位部５０への指令により実施される。ここで、対象終了位置１００ｅは、対象平面上で対象円弧の他端１１５が仮想円錐２００の頂点２１０と重なる位置である。

【0031】

そして、対象開始位置１００ｓと対象終了位置１００ｅとの間は、仮想円錐２００の頂点２１０を中心に対象円弧と同じ半径で描かれる仮想円１２０の円周に沿って所定の対象角速度で変位するように、対象変位部５０が制御される（同図矢印ｂ参照）。

【0032】

他方、光路制御は、レーザの光路を光路開始位置３００ｓから光路終了位置３００ｅに到達するまで変位させるための制御であり、光路変位部４０への指令により実施される。ここで、光路開始位置３００ｓは、図６に示すように、レーザの光軸が、対象開始位置１００ｓにある対象円弧の中心１１７と仮想円錐２００の頂点２１０とをつなぐ線分の延びる方向に沿う位置である。また、光路終了位置３００ｅは、対象終了位置１００ｅにある対象円弧の中心１１７と仮想円錐２００の頂点２１０とをつなぐ線分の延びる方向に沿う位置である。

【0033】

そして、光路開始位置３００ｓと光路終了位置３００ｅとの間は、仮想円錐２００の軸線２３０周りに対象角速度と同じ光路角速度で変位するように、光路変位部４０が制御される。

【0034】

こうして、対象制御および光路制御が開始された以降、これら制御が終了するまで待機状態となり（ｓ１３０：ＮＯ）、終了したら（ｓ１３０：ＹＥＳ）、本加工処理が終了する。こうして対象制御と光路制御とを同時に実行することによって加工対象物１００へのレーザによる加工面１１１の形成が実現される。

【0035】

（３）変形例
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。

【0036】

例えば、上記実施形態では、導光部３０が、一対のウェッジプレート３５、３７およびレンズ３９により構成されたものを例示した。しかし、この導光部３０としては、レーザの光路を仮想円錐２００の円錐面２２０に沿ってその軸線２３０周りに変位させることができるものであれば上記構成に限られない。

【0037】

また、上記実施形態では、各構成要素を備えたものをレーザ加工装置１としているが、例えば、保持部２０と、光路変位部４０および対象変位部５０に相当するアクチュエータとを備える汎用的な工作機械に対し、光源１０、導光部３０および制御部６０（または当該工作機械の備える制御部に加工処理を実行させるためのプログラム）を搭載することによって、レーザ加工装置１を実現してもよい。

【0038】

また、上記実施形態では、レーザの光軸が仮想円錐台における円錐台面と天面との境界稜線と重なる位置が、仮想円錐２００の頂点２１０として設定される構成を例示した。しかし、仮想円錐２００の頂点２１０としては、加工面１１１において光路上流側の端部から下流側の端部に至る範囲における別の位置（例えば、光路上流側の端部）が設定される構成としてもよい。

【0039】

（４）作用効果
上記実施形態に係るレーザ加工装置１では、レーザの光路を仮想円錐２００の円錐面２２０に沿って変位させつつ、加工対象物１００を仮想円１２０の円周に沿って変位させる。これによって、レーザは、加工対象物１００における仮想円錐台の母線に沿った状態で、その円錐台面上を軸線周りに相対変位するため、仮想円錐台の円錐台面に沿った加工面１１１が加工対象物１００に形成される。こうして、円錐台面のような複雑な曲面形状の端面を加工面１１１として形成することができる。

【0040】

ここで、加工対象物１００に対するレーザの相対変位は、光路変位部４０および対象変位部５０の２軸制御によって実現することができるため、複雑な曲面形状の加工面１１１であっても、それ以上の多軸化および制御を要することなく、レーザによる加工を実現することができる。

【0041】

また、上記実施形態のレーザ加工装置１では、ウェッジプレート３５、３７透過後のレーザがレンズ３９により加工面１１１に向けて屈折するため、光源１０からのレーザをウェッジプレート３５、３７の回転により周方向に走査させることで、レーザの光路を仮想円錐２００の円錐面２２０に沿ってその軸線２３０周りに変位させることができる。

【0042】

また、上記実施形態において、汎用的な工作機械に光源１０、導光部３０および制御部６０を搭載することでレーザ加工装置１を実現した場合には、汎用的な工作機械に一部構成要素を搭載するだけで、上記実施形態のレーザ加工装置１を低コストで実現することができる。

【産業上の利用可能性】

【0043】

本開示のレーザ加工装置は、複雑な曲面形状の加工面であっても、装置構成や制御の複雑化を抑えつつ、レーザによる加工を実現できる。

【符号の説明】

【0044】

１…レーザ加工装置、１０…光源、２０…保持部、３０…導光部、３１…本体部、３３…軸線、３５…ウェッジプレート、３７…ウェッジプレート、３９…レンズ、４０…光路変位部、５０…対象変位部、６０…制御部、６１…内蔵メモリ、１００…加工対象物、１００ｅ…対象終了位置、１００ｓ…対象開始位置、１１０…角部、１１１…加工面、１１３…一端、１１５…他端、１１７…中心、１２０…仮想円、２００…仮想円錐、２１０…頂点、２２０…円錐面、２３０…軸線、３００ｅ…光路終了位置、３００ｓ…光路開始位置。

【要約】

光源から照射されるレーザを加工対象物の加工面へと導く導光部と、前記導光部に導かれるレーザの光路を、その光軸が母線となり、かつ、前記加工面と重なる光軸上の位置を頂点とする仮想円錐の円錐面に沿って、その軸線周りに変位させる光路変位部、および、前記加工対象物を、前記仮想円錐の軸線と交差する対象平面に沿って変位させる対象変位部、による変位をそれぞれ制御する制御部と、を備え、前記制御部は、対象開始位置から、前記仮想円錐の頂点を中心に前記対象円弧と同じ半径で描かれる仮想円の円周に沿って、対象終了位置に到達するまで、前記対象変位部に前記加工対象物を所定の対象角速度で変位させる対象制御と、光路開始位置から、前記仮想円錐の軸線周りに、光路終了位置に到達するまで、前記光路変位部にレーザの光路を前記対象角速度と同じ光路角速度で変位させる光路制御と、を同時に実施することで前記加工対象物に前記加工面を形成する、レーザ加工装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】