JP6808453B2

JP6808453B2 - 加工方法、加工システム、加工プログラム。

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Publication number: JP6808453B2
Application number: JP2016223151A
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Inventors: 敏男前田
Original assignee: Roland DG Corp
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Filing date: 2016-11-16
Publication date: 2021-01-06
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Description

本発明は加工方法、加工システム、及び加工プログラムに関する。

金属やプラスチック等の素材を切削加工して目的物を得るための加工装置が知られている。加工装置は、複数の駆動軸を有する。たとえば、５軸の加工装置は、左右（Ｘ軸）、前後（Ｙ軸）、上下（Ｚ軸）の移動、及びＸ軸回り（Ａ回転軸）、Ｙ軸回り（Ｂ回転軸）の回転を制御することにより、複雑な形状の目的物を加工することができる。

加工装置により加工される目的物としては、歯科医療に用いる補綴物がある。このような補綴物の素材としては、ジルコニアやジルコニア配合セラミックのような、セラミック系脆性材料が用いられる。セラミック系脆性材料の完全焼結体は、金属やプラスチックと比較して、硬度、耐摩耗性、耐熱性、耐食性等に優れている。

一方、セラミック系脆性材料の完全焼結体は、非常に硬いため、切削加工する際の加工効率が悪くなる。従って、切削加工は半焼結体のブロックやディスクに対して行われることが一般的である。たとえば、加工データに基づいて半焼結体を切削加工した後、焼成を行うことにより、完全焼結体とする。そして、完全焼結体に対して研磨等の仕上げ処理を行うことで補綴物を得ることができる（非特許文献１参照）。

なお、セラミック系脆性材料の完全焼結体を研削加工することも技術的には可能である（非特許文献２参照）。

"ジルコニアの基礎知識と製品レポート"、［ｏｎｌｉｎｅ］、山本貴金属地金株式会社、［平成２８年１１月１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.yamakin-gold.co.jp/technical#support/webrequest/pdf/zirconia.pdf＞ "Ｃ−ｐｒｏナノジルコニアＦタイプ"、［ｏｎｌｉｎｅ］、独立行政法人医薬品医療機器総合機構、［平成２８年１１月１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.info.pmda.go.jp/downfiles/md/PDF/730056/730056#221AABZX00156000#A#01#05.pdf＞

しかし、従来の加工方法は補綴物の完成までに長時間を要するという問題がある。

たとえば、非特許文献１の加工方法を使用する場合、切削加工後の半焼結体を焼成するためには、約７〜１５時間程度の時間を要する。また、非特許文献１の加工方法は、目的とする補綴物の形状によっては複数の切削ツールを付け替えて加工する必要があるため、加工時間が長くなる場合もありうる。

非特許文献２の加工方法を使用する場合、上述の通り完全焼結体は高硬度であることから補綴物の完成までに長時間を要する。

また、従来の加工方法は加工精度の確保が困難であるという問題がある。

たとえば、非特許文献１の加工方法を使用する場合、焼成に伴って素材の収縮や反りが生じるため、収縮や反りの程度を加味した加工データを作成することが一般的である。しかし、補綴物の形状や素材の種類、加工時の温度条件等によって収縮や反りの位置や程度が異なるため、収縮や反りを完全に予測した加工データを作成することは困難である。すなわち、補綴物の加工精度を十分に担保することが困難である。また、非特許文献１の加工方法では、切削加工の工程と焼成の工程とを別々の装置で行うため、装置に対する素材の位置合わせが複数回必要となる結果、加工精度が低下する可能性がある。

更に、非特許文献１及び非特許文献２のいずれの加工方法であっても、切削用や研削用のツールを素材に直接接触させて加工する必要がある。従って、接触により素材やツールに力が加わることで加工精度が低下する可能性もありうる。

このような問題を解決するための方法として、レーザーを用いて素材内部に目的物を形成する加工方法が考えられる。

一方、目的物の種類等によっては、光透過性が低い素材（強散乱体、多結晶体等）を用いることがある。このような素材に対してレーザーを用いた加工方法を実施する場合、照射したレーザーが素材の表面から目的物の表面まで到達できず、素材内部に目的物を形成することができない可能性がありうる。

本発明の目的は、光透過性が低い素材を用いる場合であっても目的物を得ることを可能とする加工方法、当該加工方法を実施するための加工システム、及び当該加工システムで実行される加工プログラムを提供することにある。

上記目的を達成するための一の発明は、レーザーを用いて素材を加工する加工方法であって、前記レーザーを照射することにより、素材内部の所定領域に対して割断部位を形成する第１の加工工程と、前記第１の加工工程がなされた前記素材を前記割断部位で割断させることにより、前記所定領域に相当する素材を取り除く第２の加工工程と、を繰り返し行い、前記素材内部から目的物を分離する加工方法である。
また、上記目的を達成するための別の発明は、レーザーを用いて素材を加工する加工システムであって、前記レーザーを照射する照射部と、前記素材を保持する保持部と、前記照射部及び前記保持部を相対的に移動させる駆動機構と、素材内部から目的物を分離するために、前記レーザーを照射して素材内部の所定領域に対して割断部位を形成する処理と、前記素材を前記割断部位で割断させることにより、前記所定領域に相当する素材を取り除く処理とを繰り返し行うよう前記照射部及び前記駆動機構を制御する制御部と、を含む加工システムである。
また、上記目的を達成するための別の発明は、レーザーを用いて素材を加工する加工システムで実行されるプログラムであって、前記加工システムに対し、素材内部から目的物を分離するために、前記レーザーを照射して素材内部の所定領域に対して割断部位を形成する処理と、前記素材を前記割断部位で割断させることにより、前記所定領域に相当する素材を取り除く処理とを繰り返し行わせる加工プログラムである。
本発明の他の特徴については、本明細書の記載により明らかにする。

本発明によれば、光透過性が低い素材を用いる場合であっても目的物を得ることを可能とする。

実施形態に係る加工方法の概略を示した図である。実施形態に係る加工方法の概略を示した図である。実施形態に係る加工方法の概略示した図である。実施形態に係る加工システムの構成を示す模式図である。実施形態に係る素材を模式的に示した図である。実施形態に係る素材を模式的に示した図である。実施形態に係る素材を模式的に示した図である。実施形態に係る加工システムの動作を示すフローチャートである。実施形態に係る素材を模式的に示した図である。実施形態に係る素材を模式的に示した図である。実施形態に係る素材を模式的に示した図である。実施形態に係る素材を模式的に示した図である。その他に係る素材を模式的に示した図である。

後述する明細書及び図面の記載から、上記の主たる発明の他、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

前記素材内部から分離した前記目的物を前記レーザーにより研磨する第３の加工工程を有する加工方法が明らかとなる。このような加工方法によれば、より高い加工精度で目的物を得ることができる。

また、前記第３の加工工程において照射されるレーザーのスポット径が、前記第１の加工工程及び前記第２の加工工程において照射されるレーザーのスポット径よりも小さい加工方法が明らかとなる。このような加工方法によれば、より高い加工精度で目的物を得ることができる。

＝＝実施形態の概要＝＝
本実施形態に係る加工方法は、レーザーを用いて素材を加工する。素材に対してレーザーを照射することにより、非接触での加工が可能となる。

本実施形態で使用する素材は、光（レーザー）の透過性が低いもの（光透過率が低いもの）である。本実施形態において「光の透過性が低い」とは、素材の表面から光を照射した場合に、素材内部に形成する目的物の表面まで光が到達できないことをいう。

具体的な素材としては、セラミック系（たとえばジルコニア）の強散乱体や多結晶体を用いることができる。これらの素材は、ジルコニア配合型ガラスセラミックのような複合材料であってもよいし、ジルコニア単体であってもよい。

また、本実施形態に係る加工方法で使用される材料は、完全焼結体である。完全焼結体は加工後の焼成が不要となるため、加工時間を短縮することができる。また、完全焼結体は、焼成に伴う収縮等の影響を受けないため、加工精度が低下することもない。

レーザーは超短パルスレーザーを用いる。超短パルスレーザーは、一のパルス幅が数ピコ秒〜数フェムト秒のレーザーである。超短パルスレーザーを素材内部の所定の位置に短時間照射することにより、アブレーション加工（非熱加工）を行うことができる。アブレーション加工は、レーザーにより溶融した箇所が瞬時に蒸発、飛散し除去されるため、一般的なレーザー加工（熱加工）と比べ、熱による加工部分の損傷が少ない。アブレーション加工は、たとえば、歯科医療に用いる補綴物等、サイズが小さい目的物の加工に対して特に有効である。

素材に対するレーザーの照射は、予め作成された加工データ（後述）に対応する位置に対して行われる。ここで、上述の通り本実施形態で使用される素材は、レーザーの透過性が低い。従って、素材の表面から目的物の表面に直接レーザーを照射することができない。そこで、本実施形態に係る加工方法は、レーザーを照射することにより、素材内部の所定領域に対して割断部位を形成する第１の加工工程と、第１の加工工程がなされた素材を割断部位で割断させることにより、所定領域に相当する素材を取り除く第２の加工工程とを所定領域の数だけ繰り返し行い、素材内部から目的物を分離する。

図１Ａ〜図１Ｃは、本実施形態に係る加工方法の概略を説明するための図面である。図１Ａ〜図１Ｃは、素材内部における目的物Ｘ及び目的物Ｘの外側に位置する複数の層領域を示している。図１Ｂ及び図１Ｃにおいては、取り除かれた層領域の外周面を破線で示す。また、最も外側に位置する第１の層領域Ｅ１の外周面と素材の表面は一致しているものとする。

本実施形態に係る加工方法は、まず、素材の表面（第１の層領域Ｅ１の外周面）からレーザーを照射することにより第１の層領域Ｅ１に割断部位を形成し、割断を行うことで第１の層領域Ｅ１に相当する素材を取り除く（図１Ａ参照）。次に、第２の層領域Ｅ２の外周面からレーザーを照射することにより第２の層領域Ｅ２に割断部位を形成し、割断を行うことで第２の層領域Ｅ２に相当する素材を取り除く（図１Ｂ参照）。このように割断部位の形成と割断とを素材内部の層領域それぞれに対して行い、目的物Ｘよりも外側にある全ての素材を取り除くことにより、素材内部から目的物Ｘを分離することができる（図１Ｃ参照）。割断部位の形成及び割断の詳細な方法は後述する。

本実施形態に係る加工方法は、図２に示すような加工システム１００により実施される。加工システム１００は、ＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００で作成された加工プログラムを実行することにより素材の加工を行う。以下、「加工データ」、「加工システム」、「加工システムによる加工（加工方法）」について詳述する。

＝＝加工データ＝＝
加工データは、目的物を加工する際に加工システム１００で使用するデータである。加工データは、目的物の三次元データや素材の三次元データに基づいて、ＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００で作成される。たとえば、歯科医療用の補綴物を加工する場合、ＣＣＤカメラやＸ線ＣＴにより口腔内をスキャンして得られた三次元データを使用して加工データを作成する。目的物の三次元データは、ＳＴＬデータや三次元ＣＡＤで使用されるソリッドデータ、或いは３Ｄプリンタで使用される３ＭＦやＡＭＦなどのデータである。

本実施形態に係る加工データは、少なくとも形状データ、境界データ及び割断データを含む。

形状データは、目的物の表面形状を示す。形状データは、たとえば、目的物の表面形状に沿った複数の点データからなる。各点データは、三次元（ＸＹＺ）の座標値、及び法線方向のベクトル情報を有する。座標値は、目的物とそれ以外の部分（取り除かれる素材）との境界を決定する際に用いられる。法線方向のベクトル情報は、境界データを形成する際に用いられる。点データは目的物の表面形状に沿って等間隔で設定されてもよいし、目的物の形状に合わせて点データの間隔を異ならせることでもよい。

境界データは、素材内部における所定領域の境界を示すデータである。境界データは、所定の素材の形状を示す三次元データに対して設定される。境界データは、目的物の形状データが含む各点（或いは一部の点を含む局所的な面）の座標値を、法線方向に所定量だけ拡張させることにより決定される座標値群で構成される。この座標値群は、所定領域同士の境界に相当する。すなわち、ある境界とそれよりも外側（或いは内側）の境界とで囲まれる領域が所定領域に相当する。所定領域は、素材内部において目的物の外側に位置する。一の所定領域の厚み（上記所定量）は、照射されるレーザーが透過可能な距離を最大値とするものであり、素材の種類や特性等により決定される。各所定領域には、割断データに基づく割断部位が形成される。

なお、目的物の形状が複雑な場合（たとえば、凹凸が激しい場合）、目的物の形状データに基づいて境界データを作成すると、所定領域の形状が複雑となる。その結果、割断データの作成が困難となったり、実際の加工作業において加工時間を要する等の問題が生じる可能性がある。そこで、このような場合、目的物を包含する単純な包絡形状を設定し、包絡形状の表面形状に沿った複数の点データ（少なくとも三次元（ＸＹＺ）の座標値、及び法線方向のベクトル情報を有する）を構成する。そして、各点データの座標値を法線方向に所定量だけ拡張させることによって境界を構成することも可能である。包絡形状の設定は、目的物の形状データのうち、凹凸が激しい部分のみを平滑化（曲面化）することでもよいし、予め登録されている基本立体（球体、円錐体、円柱体等）や多面体、半多面体等から目的物を包含できる図形を選択することでもよい。なお、包絡形状を設定した場合、素材内部から分離された目的物は、本来得たい形状とは異なっている。この場合であっても、たとえば、目的物の形状データに基づいた仕上げ処理（後述）を行うことにより、本来得たい形状の目的物を得ることができる。

割断データは、所定領域内における割断部位を示すデータである。割断データは、所定の素材の形状を示す三次元データに対して設定される。割断部位は、素材を割断する際の基準となる部位である。割断を容易にするため、割断部位は所定領域に対して複数設けられることが好ましい。割断部位は、面状の領域であってもよいし、複数の線分からなっていてもよい。また、割断部位は、予め設定されたパターンに基づいて指定されてもよいし、加工データを作成する際に素材の三次元データ上で任意の部位を指定することもできる。

本実施形態において、割断データは、複数の点データ及び当該点データが含まれる所定領域を示す情報により構成されている。各点データは、少なくとも、三次元の座標値及びベクトル情報を有する。座標値は、レーザーの焦点位置を決定する際に用いられる（すなわち、座標値は素材内部においてレーザーが照射される位置に相当する）。ベクトル情報は、レーザーを照射する方向を決定する際に用いられる。なお、割断データは、素材内部に割断部位を形成することができるデータであれば、複数の点データでなくともよい。たとえば、素材に対してレーザーを照射する範囲（位置及び幅）を設定するデータであってもよい。

ここで、図３Ａ〜図３Ｃを参照して、素材内部における目的物、所定領域（境界）、及び割断部位の一例について説明する。図３Ａ〜図３Ｃは、素材内部における目的物、所定領域（境界）、及び割断部位を模式的に示した図である。図３Ａ〜図３Ｃにおいて、素材の長手方向をＸ軸方向とし、長手方向に直交する方向をそれぞれＹ軸方向、Ｚ軸方向とする。また、素材はＸ軸及びＹ軸に沿って回転可能な回転軸（Ａ軸及びＢ軸）を有するものとする。素材の回転軸は、素材形状等に応じて加工データを作成する際に予め設定することが可能である。図３Ａは、素材の斜視図である。図３Ｂは、図３ＡのＡ−Ａ断面である。図３Ｃは、図３ＡのＢ−Ｂ断面である。図３Ａでは、割断部位の記載を省略する。

この例では、目的物Ｘの外周に３つの所定領域（第１の層領域Ｅ１〜第３の層領域Ｅ３）が存在するとする。第１の層領域Ｅ１〜第３の層領域Ｅ３それぞれは「所定領域」の一例である。また、この例において、素材の表面と第１の層領域Ｅ１の外周面とは一致する（素材の形状は、第１の層領域Ｅ１の外周面と同様である）。

第１の層領域Ｅ１〜第３の層領域Ｅ３それぞれは、素材の表面に相当する座標値や境界データに基づく座標値によって規定される。具体的には、第１の層領域Ｅ１は、素材の表面に相当する座標値及び第２の層領域Ｅ２との境界ａ₁に相当する座標値によって規定され、第２の層領域Ｅ２は、第１の層領域Ｅ１との境界ａ₁に相当する座標値及び第３の層領域Ｅ３との境界ａ₂に相当する座標値によって規定され、第３の層領域Ｅ３は、第２の層領域Ｅ２との境界ａ₂に相当する座標値及び目的物Ｍとの境界ａ₃（目的物Ｍの表面形状）に相当する座標値によって規定される。

一方、第１の層領域Ｅ１〜第３の層領域Ｅ３それぞれには、各層領域を割断するための割断部位が形成される。各層領域は、目的物Ｘ（或いは内側の層領域）の全周を覆うように規定されている。従って、それぞれの層領域を取り除くためには、層領域毎に細分化されていることが好ましい。

この例では、割断部位として、Ｘ軸に直交する平面（割断面ｂ_n。ｎは自然数。この例ではｎ＝１〜８）が、Ｘ軸方向において設定した任意の間隔で形成されている（図３Ｂ参照）。また、割断部位として、素材をＸ軸方向から見た場合の中心（Ａ軸の軸中心）から放射状に延びる複数の平面（割断面ｃ_n。ｎは自然数。この例ではｎ＝１〜８）が形成されている（図３Ｃ参照）。このような割断部位により、各層領域は複数の部分に分割される。本実施形態において、複数の部分それぞれは「所定領域」の一例である。なお、図３Ｂ及び図３Ｃからも明らかなように、割断部位（割断面）は、目的物Ｘに相当する部分には形成されない。

割断部位は、加工効率を考慮すると、図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、全ての層領域を貫く直線的な形状（割断面）であることが好ましい。一方、層領域毎に異なる位置に割断部位を形成することも可能である。また、各層領域において割断部位の数が異なっていてもよい。

加工データは、割断後の仕上げ処理（研磨）等で使用するためのデータを含んでいてもよい。また、加工データは、レーザーの出力に関する情報（各点に照射するレーザーのスポット径、照射時間、強度等）を含んでいてもよい。

ＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００は、作成した加工データを加工システム１００に出力する。加工システム１００は、加工データに対応する位置にレーザーを照射することにより素材の加工を行う。なお、出力されるデータの形式は、加工システム１００で使用できるものであれば特に限定されない。

＝＝加工システム＝＝
図２は、加工システム１００を模式的に示した図である。加工システム１００は、加工装置１及びコンピューター２を有する。但し、コンピューター２の果たす機能を加工装置１で実現することによって、加工システム１００が加工装置１単体で構成されてもよい。

本実施形態に係る加工装置１は、５軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ回転軸（Ｘ軸回りの回転軸）、Ｂ回転軸（Ｙ軸回りの回転軸））の駆動軸を有する。加工装置１は、加工データに対応する位置にレーザーを照射することにより素材を加工する。加工装置１は、照射部１０、保持部２０、及び駆動機構３０を含む。

照射部１０は、素材に対してレーザーを照射する。照射部１０は、レーザーの発振器、及び発振器からのレーザー光を素材まで導くためのレンズ群やガルバノミラー等の光学系を含む。

保持部２０は素材Ｍを保持する。素材を保持する方法は、保持された素材を５軸に沿って移動・回転させることができれば、特に限定されるものではない。たとえば、従来の５軸加工装置による切削加工を行う場合と同様、ディスク状の素材をクランプで挟み込んで保持する方法や、ブロック状の素材に金属製のピンを接着し、そのピンを保持部２０に差し込んで保持する方法等が可能である。

駆動機構３０は、照射部１０及び保持部２０を相対的に移動させる。駆動機構３０は駆動用のモータ等を含む。

コンピューター２は、照射部１０及び駆動機構３０の動作を制御する。具体的に、コンピューター２は、素材内部において、加工データに対応する位置にレーザーを照射できるよう、駆動機構３０を制御して照射部１０と保持部２０（素材Ｍ）との相対的な位置関係を調整する。また、コンピューター２は、照射部１０を制御し、レーザーの焦点位置、照射されるレーザーのスポット径、強度等の調整を行ったり、素材Ｍに対して所定時間だけレーザーの照射を行う。スポット径、強度、照射時間等は、照射されるレーザーの出力（エネルギー）に影響を与えるものである。これらの値は、上述の通り加工データに予め組み込まれていてもよいし、加工装置１側で設定することでもよい。また、これらの値を決定する際には、加工対象となる素材の種類や特性を加味してもよい。コンピューター２は、「制御部」の一例である。

なお、本実施形態に係る加工システム１００は、照射部１０から照射されるレーザーの出力を調整することにより、目的物や割断部位の形成だけでなく、割断処理や仕上げ処理を行うことも可能である。すなわち、素材Ｍから目的物を得るまでの処理を全て加工装置１で行うことができるため、素材Ｍの取り付け、取り外しによる加工精度低下の恐れがない。

＝＝加工システムによる加工＝＝
次に図４〜図５Ｄを参照して、本実施形態に係る加工方法の具体例について説明する。ここでは、加工方法が加工システム１００によって実施される例について述べる。この例では、素材Ｍを加工して目的物Ｘを得る。図４は、加工システム１００の動作を示すフローチャートである。図５Ａ〜図５Ｄは、加工中の素材Ｍを示す図である。目的物Ｘの加工データはＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００により予め作成されているものとする。

目的物Ｘの加工に使用する素材Ｍを選択し、加工装置１の保持部２０にセットする（素材のセット。ステップ１０）。選択する素材Ｍは、加工データ（割断データ）を作成する際に使用した素材の三次元データに対応する形状であることが好ましい。但し、選択された素材Ｍは、少なくとも目的物Ｘを包含する形状であればよい。

コンピューター２は、目的物Ｘの加工データに基づいて、加工装置１に素材Ｍの加工を実行させる。

まず、コンピューター２は、加工データに含まれる割断データに基づいて、所定領域における割断部位に相当する位置にレーザーを照射させる（所定領域における割断部位に相当する位置にレーザーを照射。ステップ１１）。

コンピューター２は、割断データに含まれる点データの座標値とレーザーの焦点位置が合うよう調整を行う。具体的には、コンピューター２は、照射部１０及び駆動機構３０の相対的な位置を調整したり、照射部１０に含まれるレンズ群やガルバノミラーの向きや角度を調整する。なお、焦点位置の調整は、素材Ｍの屈折率を考慮して行われる。点データの座標値とレーザーの焦点位置が一致した後、コンピューター２は、照射部１０を制御し、当該点データに含まれる法線方向の情報に基づいて、法線方向からレーザーを所定時間だけ照射させる。法線方向からレーザーを照射することにより、加工部分に与えるレーザーのエネルギー効率を高めることができる。

コンピューター２は、割断データに含まれる各点データに基づいて、順次、レーザーの照射を行う。レーザーが照射された部分（加工部分）は、レーザーのスポット径に応じた空洞となっている。このように素材Ｍ内部にレーザーを照射することにより割断部位を形成する工程は「第１の加工工程」の一例である。なお、レーザーの照射は、位置決めと照射を繰り返し行うことでもよいし、焦点位置が変化しない場合には加工効率を考慮し、レーザーの照射を行ったまま、隣接する点データに対応する位置の加工を連続しておこなってもよい。

ここで、所定領域において、割断データに含まれる全ての点データに対応する位置にレーザーの照射が完了した場合（ステップ１２でＹの場合）、素材Ｍの内部の所定領域には割断部位が形成される。

所定領域に割断部位を形成した後、コンピューター２は、素材Ｍを割断部位で割断させる（素材の割断。ステップ１３）。このように素材Ｍを割断する工程は「第２の加工工程」の一例である。

割断方法は、素材の種類や物性等により様々な方法を用いることができる。

たとえば、所定領域の境界に対し、通常の熱加工と同等の出力（ステップ１１等の出力よりも高出力）でレーザーを照射することにより、加熱による衝撃を素材Ｍに与えて割断する方法を用いることができる。この場合、照射部１０をそのまま利用することができる。

或いは、加工システム１００に割断専用の構成を設けることで目的物を分離することも可能である。

たとえば、冷却用のガス冷媒やドライアイスを噴射する構成を設ける。ガス冷媒等を噴射し、素材Ｍを急速に冷却することで割断することができる。また、超音波を発生するホーンを設け、素材Ｍに対して局所的に超音波の振動を与えて割断することや、ハンマー等を設け、素材Ｍに対して直接的に力を加えて割断すること（物理的干渉を利用する方法）も可能である。

更には、上記方法を組み合わせて割断を行うことも可能である。たとえば、所定領域の境界の一部にレーザーを照射し、切り欠きを形成する。そして、素材Ｍに対して直接的に力を加えることで切り欠き部分から割断を促すことも可能である。

これらの方法により、割断部位が形成された所定領域に相当する素材を取り除くことができる。

所定領域に相当する素材が取り除かれているかどうかを、加工システム１００に設けたＣＣＤカメラや画像処理装置を用いて、計測・監視を行ってもよい。所定領域に相当する素材が完全に取り除かれていない場合、上記割断の方法を複数回実施したり、組み合わせて行うことで割断を促すことでもよい。或いは、加工システム１００上で新たに割断部位を追加する処理を行い、割断部位の形成処理及び割断処理を実行することでもよい。

ここで、図３Ａ、図５Ａ〜図５Ｄを参照して、ステップ１１からステップ１３の処理の具体例について説明を行う。図５Ａは、図３ＡのＡ−Ａ断面である。図５Ｂは、図３ＡのＢ−Ｂ断面である。図５Ｃ及び図５Ｄは、素材Ｍの斜視図である。この例では、一の層領域を割断部位によって細分化する処理（割断部位を形成する処理）、及び細分化した部分を割断する処理を繰り返し行うことにより、一の層領域に相当する素材全てを取り除く例について述べる。

コンピューター２は、第１の層領域Ｅ１に対しレーザーを照射させ、Ａ軸を中心とする全周に渡って、割断面ｂ₄及び割断面ｂ₅を形成する（図５Ａ参照）。更に、コンピューター２は、第１の層領域Ｅ１に対しレーザーを照射させ、割断面ｃ₁及び割断面ｃ₂を形成する（図５Ｂ参照）。その後、コンピューター２は境界ａ₁にレーザーを照射させ、割断面ｂ₄、割断面ｂ₅、割断面ｃ₁及び割断面ｃ₂で囲まれる部分ｅ₁を割断する（図５Ｃ参照）。これら一連の処理により、部分ｅ₁に相当する素材を取り除くことができる（図５Ｄ参照。部分ｅ₁に相当する箇所を一点鎖線で示す）。

次に、コンピューター２は、第１の層領域Ｅ１に対しレーザーを照射させ、割断面ｃ₃を形成する。そして、コンピューター２は、境界ａ₁にレーザーを照射させ、割断面ｂ₄、割断面ｂ₅、割断面ｃ₂及び割断面ｃ₃で囲まれる部分ｅ₂を割断する（図５Ｄ参照）。これら一連の処理により、部分ｅ₂に相当する素材を取り除くことができる。同様の処理をＡ軸回りに繰り返し行うことにより、第１の層領域Ｅ１のうち、割断面ｂ₄及び割断面ｂ₅の範囲に相当する素材を取り除くことができる。

更に、同様の処理をＸ軸方向全体に渡って行うことにより、第１の層領域Ｅ１全体を取り除くことができる。この処理は第２の層領域Ｅ２及び第３の層領域Ｅ３に対しても同様に行うことが可能である。

なお、ここで説明した加工処理の具体例は一例であり、目的物の外側に位置する所定領域に割断部位を形成し、割断させて素材を取り除くことができれば上記処理には限られない。たとえば、図３Ａ等の例において、割断面ｂ₁〜割断面ｂ₈及び割断面ｃ₁〜割断面ｃ₈を形成した後（所定領域に対して最初に全ての割断面を形成した後）、境界ａ₁にレーザーを照射することで、第１の層領域Ｅ１全体をまとめて割断することでもよい。

図４に戻り、ステップ１３の後、目的物Ｘの周りに別の所定領域が残っている場合（ステップ１４でＹの場合）、コンピューター２は、加工システム１００に対し、ステップ１１〜ステップ１３の処理を再度実行させる。目的物Ｘの周りに存在する全ての所定領域に相当する素材を取り除くことで、素材内部から目的物Ｘを分離することができる（目的物の分離。ステップ１５）。

ここで、レーザーの照射位置の密度、レーザー照射の状態、割断の状況等により、分離した目的物Ｘの表面に素材Ｍの一部が残ってしまい、目的物Ｘの表面に凹凸が生じている可能性もある。従って、目的物の加工精度を高める観点からは、仕上げ処理を行うことがより好ましい。

この場合、コンピューター２は、ステップ１５で分離した目的物Ｘをレーザーにより研磨して仕上げ処理を行う（仕上げ処理。ステップ１６）。仕上げ処理の方法（研磨方法）は特に限定されるものではない。たとえば、加工データに含まれる形状データは目的物Ｘの表面形状に沿ったものあるため、この形状データに基づいて再度レーザーを照射する。仮にステップ１５で得られた目的物Ｘの表面に素材Ｍの一部が残っている場合、ステップ１６におけるレーザーの照射により残った素材Ｍが除去される。従って、より高い加工精度で目的物Ｘを得ることができる。分離した目的物Ｘをレーザーにより研磨する工程は「第３の加工工程」の一例である。

なお、仕上げ処理としてレーザーで研磨する例について述べたが、従来のような機械的な研磨を行うことでもよい。また、加工システム１００に専用の構成を設けることにより、仕上げ処理として染色やグレージングを行うことも可能である。

このように、本実施形態に係る加工方法によれば、所定領域にレーザーを照射して割断部位を形成し、素材を割断することにより、所定領域に相当する素材を取り除くことが可能となる。この処理を繰り返し行うことにより、素材内部から目的物を分離することができる。すなわち、素材の光透過性が低く、素材内部に目的物を直接形成することができない場合であっても、目的物を得ることができる。

また、本実施形態に係る加工方法によれば、素材の割断を所定領域単位で行えるため、目的物の外側にある素材全体に対し、レーザー照射によるアブレーション加工を行う必要が無い。すなわち、本実施形態に係る加工方法によれば、加工時間を短縮することができる。

更に、レーザーを用いて完全焼結体を加工することから、従来の加工方法のように焼成等の後処理に時間を要することがない。また、本実施形態に係る加工方法では、完全焼結体を加工するため、焼成による収縮等を考慮する必要がない。また、一の加工装置で目的物の加工を行うことができるため、一旦素材をセットした後の位置合わせ等が不要となる。すなわち、本実施形態に係る加工方法によれば、高い加工精度で目的物を得ることができる。

＝その他＝
仕上げ工程の研磨（第３の加工工程）は、目的物の三次元形状を再現するために、より緻密に行う必要がある。そこで、コントローラー２は、第３の加工工程において照射されるレーザーのスポット径が、第１の加工工程や第２の加工工程において照射されるレーザーのスポット径よりも小さくなるよう照射部１０を制御することも可能である。

上記実施形態では、加工システム１００において全ての加工処理を実施する例について述べた。一方、本発明においては、たとえば目的物や割断部位を形成する処理と割断等の処理を異なる装置で実施すること自体を排除するものではない。このように複数の装置を用いて本発明に係る加工方法を実施する場合であっても、少なくとも従来の加工方法に比べ、加工時間を短縮でき、且つ加工精度を高めることもできる。

上記実施形態では、加工システム１００において全ての加工処理を実施する例について述べた。一方、本発明においては、たとえば割断部位を形成する処理と割断の処理とを異なる装置で実施すること自体を排除するものではない。このように複数の装置を用いて本発明に係る加工方法を実施する場合であっても、光透過性の低い素材から目的物を得ることができる。

上記実施形態では、ブロック状の素材Ｍを加工する例について述べたが、素材Ｍはこれに限られない。上記実施形態による加工方法によれば、一の部材から複数の歯を加工することが可能なブリッジ状の部材や入れ歯（デンチャー）等の非対称形状を加工することも可能である。

上記実施形態では、外側の所定領域から順に割断部位を形成して割断する例について述べたが、所定領域に相当する素材を取り除く順番はこれに限られない。たとえば、ある所定領域の一部を割断した後、当該所定領域の他の部分を割断する前に、それよりも内側に位置する所定領域の一部（ある所定領域を取り除いたことによりレーザーの照射が可能となった部分）を割断することでもよい。

たとえば、図５Ｃで示したように、第１の層領域Ｅ１における割断面ｂ₄、割断面ｂ₅、割断面ｃ₁、割断面ｃ₂で囲まれる部分ｅ₁を境界ａ₁で割断したとする。その後、第１の層領域Ｅ１の他の部分（たとえば、図５Ｄに示した部分ｅ₂）を割断する前に、割断された部分（部分ｅ₁が取り除かれた箇所）から第２の層領域Ｅ２に直接レーザーを照射し、割断面ｂ₄、割断面ｂ₅、割断面ｃ₁、及び割断面ｃ₂を形成する。そして、境界ａ₂で割断することも可能である。

また、割断をより容易に実行するためには、割断される部分が素材と繋がっている領域が極力少ないことが望ましい。そこで、たとえば、図６（図３ＡのＡ−Ａ断面に相当する図である）に示すように、割断面ｃ_nと同様、素材の中心から放射状に複数の割断面ｂ_nを形成してもよい。

上記実施形態に係る加工方法は、光透過性の高い素材に対して用いることも当然に可能である。

上記実施形態の加工プログラムが記憶された非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium with an executable program thereon）を用いて、コンピュータにプログラムを供給することも可能である。なお、非一時的なコンピュータの可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）等がある。

上記実施形態は、発明の例として提示したものであり、発明の範囲を限定するものではない。上記の構成は、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。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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。

１加工装置
２コンピューター
１０照射部
２０保持部
３０駆動機構
１００加工システム

Claims

レーザーを用いて素材を加工する加工方法であって、
前記レーザーを照射することにより、素材内部の所定領域に対して割断部位を形成する第１の加工工程と、
前記第１の加工工程がなされた前記素材を前記割断部位で割断させることにより、前記所定領域に相当する素材を取り除く第２の加工工程と、
を繰り返し行い、前記素材内部から目的物を分離する加工方法。
前記加工方法は、更に、
前記素材内部から分離した前記目的物を前記レーザーにより研磨する第３の加工工程を有することを特徴とする請求項１記載の加工方法。
前記第３の加工工程において照射されるレーザーのスポット径は、前記第１の加工工程及び前記第２の加工工程において照射されるレーザーのスポット径よりも小さいことを特徴とする請求項２記載の加工方法。
レーザーを用いて素材を加工する加工システムであって、
前記レーザーを照射する照射部と、
前記素材を保持する保持部と、
前記照射部及び前記保持部を相対的に移動させる駆動機構と、
素材内部から目的物を分離するために、前記レーザーを照射して素材内部の所定領域に対して割断部位を形成する処理と、前記素材を前記割断部位で割断させることにより、前記所定領域に相当する素材を取り除く処理とを繰り返し行うよう前記照射部及び前記駆動機構を制御する制御部と、
を含む加工システム。
レーザーを用いて素材を加工する加工システムで実行されるプログラムであって、
前記加工システムに対し、
素材内部から目的物を分離するために、前記レーザーを照射して素材内部の所定領域に対して割断部位を形成する処理と、前記素材を前記割断部位で割断させることにより、前記所定領域に相当する素材を取り除く処理とを繰り返し行わせる加工プログラム。