JP7098211B1

JP7098211B1 - レーザ加工装置、厚さ検出方法および厚さ検出装置

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Publication number: JP7098211B1
Application number: JP2022516644A
Authority: JP
Inventors: 文広糸魚川; 修近田; 奨藤原; 将太郎安田
Original assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2022-07-11
Anticipated expiration: 2041-02-26
Also published as: US20220347791A1; JPWO2022180775A1; CN114502316B; WO2022180775A1; CN114502316A

Abstract

所定方向に光軸が延びるレーザに対し、角部に光透過性を有する材料によるコーティング層が形成された加工対象物を、相対的に変位させることで、前記角部を加工するレーザ加工装置であって、アクチュエータを前記光軸に対して前記加工対象物が相対的に接近するまたは離れるよう制御する変位制御手段と、前記光軸と交差する平面視で、少なくとも前記レーザにおいて筒状に延びる照射領域の外側となる位置に設けられ、この位置にまで到達する光の強度を検知する検知部と、前記光軸に対して前記加工対象物が相対的に接近するまたは離れる過程で、前記検知部により、所定の第１強度、前記第１強度よりも小さい第２強度および前記第１強度より大きい第３強度が順に検知された場合に、前記第１強度および前記第３強度それぞれの検知された地点間において前記加工対象物が相対的に変位した距離を、前記コーティング層の厚さとして検出する検出手段と、を備える。

Description

本発明は、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。

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。

特許６５６２５３６号公報

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加工にも用いられている。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、加工面として角部に新たなすくい面または逃げ面を形成したり、エッジや凹凸など特定用途で用いるための形状を形成する、といったことである。

また、加工対象物は、角部にダイヤモンド被膜などのコーティング層を形成して硬度を高めることも行われているが、このようなコーティング層への加工面の形成や機能付与を行う場合には、適切な厚さのコーティング層であるかを事前にチェックする必要がある。

しかし、コーティング層の厚さは、そのための測定装置に加工対象物をセットして測定しなければならず、適切な厚さのコーティング層であることを確認したうえで、あらためてレーザ加工装置にセットする必要があり、従来は、実際の加工までの作業が煩雑になっているという課題があった。

本願発明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、加工対象物に形成されたコーティング層の厚さを簡便にチェックできるようにするための技術を提供することである。

上記課題を解決するため第１局面は、所定方向に光軸が延びるように照射されたレーザに対し、それぞれ隣接する複数の面により角部が形成され、かつ、前記角部に光透過性を有する材料によるコーティング層が形成された加工対象物を、前記角部を前記レーザ側に向けて相対的に変位させることで、前記レーザによって前記角部を加工するように構成されたレーザ加工装置であって、前記レーザに対して前記加工対象物を前記光軸と交差する方向に沿って相対的に変位させるためのアクチュエータを、前記光軸に対して前記加工対象物が相対的に接近するまたは離れるよう制御する変位制御手段と、前記光軸と交差する平面視で、少なくとも前記レーザにおいて筒状に延びる照射領域の外側となる位置に設けられ、この位置にまで到達する光の強度を検知する検知部と、前記光軸に対して前記加工対象物が相対的に接近するまたは離れる過程で、前記検知部により、所定の第１強度、前記第１強度よりも所定のしきい値以上小さい第２強度、および、前記第１強度より大きい第３強度が順に検知された場合に、前記第１強度および前記第３強度それぞれの検知された地点間において前記加工対象物が相対的に変位した距離を、前記角部に施されたコーティング層の厚さとして検出する検出手段と、を備える、レーザ加工装置である。

この第１局面は、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、前記検知部は、前記光軸に沿って延びる空間を加工対象物で２分した場合における前記照射部と反対側の領域のうち、前記光軸と交差する平面視で少なくとも前記レーザにおいて筒状に延びる照射領域の外側の位置に設けられている。

上記課題を解決するため第３局面は、所定方向に光軸が延びるように照射されるレーザの光軸に対し、それぞれ隣接する複数の面により角部が形成され、かつ、前記角部に光透過性を有する材料によるコーティング層が形成された加工対象物を、前記角部を前記レーザ側に向けた状態で相対的に接近させるまたは離す変位制御手順と、前記光軸と交差する平面視で、少なくとも前記レーザにおいて筒状に延びる照射領域の外側となる位置で、この位置にまで到達する光の強度を検知する検知手順と、前記光軸に対して前記加工対象物が相対的に接近するまたは離れる過程で、前記検知手順により、所定の第１強度、前記第１強度よりも所定のしきい値以上小さい第２強度、および、前記第１強度より大きい第３強度が順に検知された場合に、前記第１強度および前記第３強度それぞれの検知された地点間において前記加工対象物が相対的に変位した距離を、前記角部に施されたコーティング層の厚さとして検出する検出手順と、を備える厚さ検出方法である。

上記課題を解決するため第４局面は、所定方向に光軸が延びるようにレーザを照射する照射部と、前記レーザに対し、それぞれ隣接する複数の面により角部が形成され、かつ、前記角部に光透過性を有する材料によるコーティング層が形成された加工対象物を、前記角部を前記レーザ側に向けた状態で、前記光軸と交差する方向に沿って相対的に変位させるアクチュエータと、前記光軸に対して前記加工対象物が相対的に接近するまたは離れるよう前記アクチュエータを制御する変位制御手段と、前記光軸と交差する平面視で、少なくとも前記レーザにおいて筒状に延びる照射領域の外側となる位置に設けられ、この位置にまで到達する光の強度を検知する検知部と、前記光軸に対して前記加工対象物が相対的に接近するまたは離れる過程で、前記検知部により、所定の第１強度、前記第１強度よりも所定のしきい値以上小さい第２強度、および、前記第１強度より大きい第３強度が順に検知された場合に、前記第１強度および前記第３強度それぞれの検知された地点間において前記加工対象物が相対的に変位した距離を、前記角部に施されたコーティング層の厚さとして検出する検出手段と、を備える、厚さ検出装置である。

上記各局面では、光軸と加工対象物とが接近するまたは離れる過程において、第１強度、第２強度および第３強度が順に検知された場合、第１強度となった地点（第１地点）と第３強度となった地点（第３地点）との間における相対的な変位距離が、コーティング層の厚さとなる。上記局面では、このような光の強度の推移、および、加工対象物の相対的な変位距離に基づき、コーティング層の厚さを検出することができる。

また、上記各局面では、このような光の強度の推移および加工対象物の相対的な変位距離を、レーザ加工装置の有する機能に基づいて特定することができるため、そのための測定装置に加工対象物をセットし直すことなく、コーティング層の厚さを確認することができる結果、実際の加工までの作業を簡略化することができる。

レーザ加工装置の全体構成を示すブロック図照射部の構成を示すブロック図レーザの照射領域と検知部との位置関係を示す図厚さ検出処理の処理手順を示すフローチャートレーザの光軸へと加工対象物が接近する様子を示す図検知部により検知される光強度の推移を示すグラフ

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）装置構成
レーザ加工装置１は、図１に示すように、所定方向（図１における上下方向）に光軸が延びるようにレーザを照射させる照射部１０と、加工対象物１００を保持するための保持部２０と、加工対象物１００に対して照射部１０を変位させるための照射部変位機構３０と、レーザに対して保持部２０を変位させるための保持部変位機構４０と、所定の位置において光の強度を検知する検知部５０と、レーザ加工装置１全体の動作を制御する制御部６０と、を備えている。

照射部１０は、図２に示すように、パルスレーザを出力する発振器１１、レーザの振動数の次数を調整する振動調整器１３、偏光状態を調整する偏光素子１４、レーザの出力を調整するアッテネータ（ＡＴＴ）１５、レーザの径を調整するためのビームエキスパンダー（ＥＸＰ）１７などを備え、これらを経たレーザが光学レンズ１９を介して出力されるように構成されており、所定の方向（本実施形態ではＺ軸方向）に光軸を向けてレーザを照射させる。これらのうち、発振器１１には、Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザが用いられている。なお、ここでは、単一の光学レンズ１９からなる構成となっているが、所定間隔を空けて配置された一組の光学レンズと、この光学レンズの間隔を調整するための機構を備えた構成としてもよい。

保持部２０は、レーザの光軸と交差する方向（図１における左右方向）に延びる棒状の部材であり、その先端に加工対象物１００を保持可能に構成されている。この加工対象物１００は、その端部が保持部２０の先端から突出する位置関係で保持される。

照射部変位機構３０は、照射部１０が取り付けられた状態で所定方向に変位するアクチュエータである機構本体３１と、外部からの指令に基づいて機構本体３１を動作させる駆動部３３と、を備えている。本実施形態において、機構本体３１は、照射部１０をレーザの光軸とそれぞれ交差する方向（図１における紙面の手前から奥へ向かう方向）に変位させるように構成されている。

保持部変位機構４０は、保持部２０が取り付けられた状態で所定方向に変位するアクチュエータである機構本体４１と、外部からの指令に基づいて機構本体４１を動作させる駆動部４３と、を備えている。本実施形態において、機構本体４１は、保持部２０をその延びる方向に変位させるように構成されている。

検知部５０は、図３に示すように、光軸２１０に沿って延びる空間を加工対象物１００で２分した場合における照射部１０と反対側の領域（図３における保持部２０よりも下方の領域）のうち、光軸２１０と交差する平面（図３における破線の面）視で少なくとも照射領域２００の外側となる位置に設けられた光センサであり、この位置にまで到達する光の強度（以降「光強度」ともいう）を検知する。本実施形態では、検知部５０として、光軸２１０から離れる方向に向けて複数の受光素子が配置されたラインセンサが採用されている。なお、この検知部５０は、後述する厚さ検出処理において回折光が十分な強度で到達可能な位置に配置されたものである。

制御部６０は、各部への制御指令により、照射部１０によるレーザの照射、照射部変位機構３０による照射部１０の変位、保持部変位機構４０による保持部２０の変位などを制御するコンピュータである。

加工対象物１００は、それぞれ隣接する複数の面により角部１１０が形成されている。本実施形態において、加工対象物１００は、２つの面のいずれか一方がすくい面、他方が逃げ面として形成された切削工具であり、光透過性を有していない超硬合金をその材料とするものである。

また、加工対象物１００としては、角部１１０に光透過性の高い材料によるコーティング層１２０が形成されたものも用いられる。具体的な例として、コーティング層１２０として光透過性を有するダイヤモンド被膜が用いられる。なお、この例では、加工対象物１００の材料である超硬合金が光透過性を有していないため、ダイヤモンド被膜で形成されたコーティング層１２０は角部１１０そのものよりも光透過性が高い。

そして、この加工対象物１００は、角部１１０をレーザの照射領域２００側に向けた位置関係で設置されることにより、角部１００のなす面が光軸２１０に対して傾斜した状態となる。

このような構成のレーザ加工装置１では、角部１１０のなす面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１１０に加工面を形成することができる。

（２）制御部６０による処理手順
以下に、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「厚さ検出処理」の手順を図４に基づいて説明する。この厚さ検出処理は、コーティング層１２０の形成された加工対象物１００を保持部２０に保持させて位置決めした後に実行させるものであり、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。

この加工処理が起動されると、まず、内蔵メモリ６１にあらかじめ格納されている設定情報が読み出される（ｓ１１０）。この設定情報は、事前にユーザが設定した情報であって、照射部１０により照射されるレーザの出力Ｐ０［ｗ］と、保持部２０に設置された加工対象物１００の材料特性に応じた加工しきい値Ｐｔｈ［ｗ］と、光軸２１０を規定した座標情報と、からなる。ここで、レーザの出力レベルＰ０は、厚さ検出のために、加工しきい値Ｐｔｈより小さくなるような値（Ｐ０＜Ｐｔｈ）が設定されている。

次に、照射部１０によるレーザの照射が開始される（ｓ１２０）。ここでは、制御部６０からの指示を受けた照射部１０がレーザの照射を開始する。

次に、照射部１０の照射するレーザの光軸２１０側への加工対象物１００の変位が開始される（ｓ１３０）。ここでは、保持部２０が光軸２１０に向けて変位するように保持部変位機構４０への制御指令がなされ、これを受けた保持部変位機構４０が、光軸２１０側への加工対象物１００の変位を開始する。こうして、加工対象物１００は、単位時間ごとにあらかじめ定められた単位距離ずつ変位するようになる。

次に、検知部５０により検知される光強度の監視が開始される（ｓ１４０）。ここでは、単位距離の変位で到達する地点ごとに検知される光強度を取得するとともに、その記録が行われる。なお、本実施形態では、検知部５０として採用されたラインセンサの受光素子それぞれから出力される光強度（Ｗ）を合計した値または平均化した値をもって、その地点における光強度として検知されるように構成されている。

次に、本厚さ検出処理の終了条件が充足されているか否かがチェックされる（ｓ１５０）。ここでは、例えば、光強度が一定距離（例えば、単位距離の数倍となる距離）にわたって終了条件として定められた終了しきい値以下となった、加工対象物１００の先端が終了条件として定められた終了位置（例えば光軸２１０の位置）にまで到達した、ことをもって終了条件が充足したと判定される。

次に、本厚さ検出処理の終了条件が充足するまで待機状態となり（ｓ１５０：ＮＯ）、その間に単位距離の変位で到達する地点ごとの光強度の推移が記録される。

ここで、レーザの光軸２１０に対して加工対象物１００が接近する過程では、加工対象物１００が、図５に示すように、レーザの照射領域２００が角部１１０に形成されたコーティング層１２０の表面に到達する第１地点（図５（Ａ））、照射領域２００がコーティング層１２０と重なる第２地点（図５（Ｂ））、および、照射領域２００が加工対象物１００本体の表面に到達する第３地点（図５（Ｃ））をそれぞれ経ることになる。

これら３つの地点のうち、まず、第１地点では、コーティング層１２０の表面を回り込んだ回折光などが照射領域２００の外側にまで到達するものの、コーティング層１２０が光透過性を有しているため、光の強度（第１強度）は後述する第３地点よりも小さくなる（図６における（Ａ）参照）。続いて、第２地点では、コーティング層１２０を光が透過しやすくなり、回折光も発生しにくくなるため、照射領域２００の外側にまで到達する光の強度（第２強度）は第１地点と比べても小さくなる（図６における（Ｂ）参照）。そして、第３地点では、加工対象物１００本体の表面を回り込んだ回折光が、照射領域２００の外側にまで到達することとなり、加工対象物１００本体が光を透過しにくいだけに、照射領域２００の外側にまで到達する光の強度（第３強度）はいずれの地点よりも大きくなる（図６における（Ｃ）参照）。

つまり、光軸２１０と加工対象物１００とが接近する過程において、第１強度、第２強度および第３強度が順に検知された場合、第１強度となった地点（第１地点）と第３強度となった地点（第３地点）との間における加工対象物１００の変位距離が、コーティング層１２０の厚さとなる。

なお、加工対象物１００が上述した第３地点を越えて変位した場合、レーザの照射領域２００が加工対象物１００に大きく遮られることから、照射領域２００の外側にまで到達する光の強度は、上述したいずれの地点よりも小さい値まで低下する（図６における（Ｃ）よりも右側の領域）。本実施形態では、このような小さい値を「終了しきい値」としている。

その後、終了条件が充足されたら（ｓ１５０：ＹＥＳ）、ここまでに記録された光強度の推移に基づいてコーティング層１２０の厚さが検出される（ｓ１６０）。ここでは、光強度の推移として、所定の第１強度、第１強度よりも所定のしきい値以上小さい第２強度、および、第１強度より大きい第３強度が順に検知されている場合に、第１強度および第３強度それぞれの検知された地点間において加工対象物１００が変位した距離を、角部１１０に施されたコーティング層１２０の厚さとして検出する。

なお、このステップでは、光強度の推移として第１強度、第２強度および第３強度が順に検知されない場合、エラー処理として、コーティング層１２０が形成された加工対象物１００ではない、コーティング層１２０に異常が生じているなどといったことの報知が、図示されないインタフェース（表示装置または通信装置）経由で実施される。

こうしてｓ１６０の後、本厚さ検出処理が終了する。
なお、上述したｓ１３０が本発明における変位制御手段、変位制御手順であり、ｓ１４０が本発明における検知手順であり、ｓ１６０が本発明における検出手段、検出手順である。

（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。

例えば、上記実施形態では、保持部２０を変位させることで光軸２１０と加工対象物１００とを接近させるように構成されたものを例示した。しかし、本発明としては、光軸２１０に対して加工対象物１００を相対的に接近させることができればよく、照射部１０を変位させるように構成してもよい。この場合、照射領域２００に対する検知部５０の位置関係が固定されるよう、検知部５０と照射部１０とを連動して変位させるようにするとよい。

また、上記実施形態では、レーザ加工装置１に検知部５０を設け、制御部６０が厚さ検出処理を実行するように構成することで、レーザ加工装置１に厚さ検出の機能が一体化されたものを例示した。しかし、この機能は、レーザ加工装置１などの装置に一体化されている必要はなく、例えば、照射部１０、保持部変位機構４０、検知部５０の他、厚さ検出処理を実行する制御部６０を独立して備えた装置として構成してもよい。

また、上記実施形態では、光軸２１０と加工対象物１００とを両者が離れた状態から接近させ、その過程における光強度に基づいてコーティング層１２０の厚さを検出するように構成されたものを例示した。しかし、上記実施形態は、光軸２１０と加工対象物１００とが近接または重なった状態から離していき、その過程における光強度に基づいてコーティング層１２０の厚さを検出するように構成してもよい。この場合、光軸２１０と加工対象物１００とが離れる過程で、加工対象物１００が第３地点（図５（Ｃ））、第２地点（図５（Ｂ））および第１地点（図５（Ａ））、を経て、第３強度、第２強度および第１強度が順に検出された場合に、第１強度となった地点（第１地点）と第３強度となった地点（第３地点）との間における加工対象物１００の変位距離を、コーティング層１２０の厚さとして検出するようにすればよい。

（４）作用効果
上記実施形態では、光軸２１０と加工対象物１００とが接近する過程において、第１強度、第２強度および第３強度が順に検知された場合、第１強度となった地点（第１地点）と第３強度となった地点（第３地点）との間における相対的な変位距離が、コーティング層１２０の厚さとなる。上記実施形態では、このような光の強度の推移、および、加工対象物１００の相対的な変位距離に基づき、コーティング層１２０の厚さを検出することができる。

そして、上記実施形態では、このような光の強度の推移および加工対象物１００の相対的な変位距離を、レーザ加工装置１の有する機能に基づいて特定することができるため、そのための測定装置に加工対象物をセットし直すことなく、コーティング層１２０の厚さを確認することができる結果、実際の加工までの作業を簡略化することができる。

本発明のレーザ加工装置、厚さ検出方法および厚さ検出装置は、角部にコーティング層が形成された加工対象物について、そのコーティング層の厚さを検出する用途で用いることができる。

１…レーザ加工装置、１０…照射部、１１…発振器、１３…振動調整器、１４…偏光素子、１５…アッテネータ（ＡＴＴ）、１７…ビームエキスパンダー（ＥＸＰ）、１９…光学レンズ、２０…保持部、３０…照射部変位機構、３１…機構本体、３３…駆動部、４０…保持部変位機構、４１…機構本体、４３…駆動部、５０…検知部、６０…制御部、６１…メモリ、１００…加工対象物、１１０…角部、１２０…コーティング層、２００…照射領域、２１０…光軸。

Claims

所定方向に光軸が延びるように照射されたレーザに対し、それぞれ隣接する複数の面により角部が形成され、かつ、前記角部に光透過性を有する材料によるコーティング層が形成された加工対象物を、前記角部を前記レーザ側に向けて相対的に変位させることで、前記レーザによって前記角部を加工するように構成されたレーザ加工装置であって、
前記レーザに対して前記加工対象物を前記光軸と交差する方向に沿って相対的に変位させるためのアクチュエータを、前記光軸に対して前記加工対象物が相対的に接近するまたは離れるよう制御する変位制御手段と、
前記光軸と交差する平面視で、少なくとも前記レーザにおいて筒状に延びる照射領域の外側となる位置に設けられ、この位置にまで到達する光の強度を検知する検知部と、
前記光軸に対して前記加工対象物が相対的に接近するまたは離れる過程で、前記検知部により、所定の第１強度、前記第１強度よりも所定のしきい値以上小さい第２強度、および、前記第１強度より大きい第３強度が順に検知された場合に、前記第１強度および前記第３強度それぞれの検知された地点間において前記加工対象物が相対的に変位した距離を、前記角部に施されたコーティング層の厚さとして検出する検出手段と、を備える、
レーザ加工装置。
前記検知部は、前記光軸に沿って延びる空間を加工対象物で２分した場合における前記照射部と反対側の領域のうち、前記光軸と交差する平面視で少なくとも前記レーザにおいて筒状に延びる照射領域の外側の位置に設けられている、
請求項１に記載のレーザ加工装置。
所定方向に光軸が延びるように照射されるレーザの光軸に対し、それぞれ隣接する複数の面により角部が形成され、かつ、前記角部に光透過性を有する材料によるコーティング層が形成された加工対象物を、前記角部を前記レーザ側に向けた状態で相対的に接近させるまたは離す変位制御手順と、
前記光軸と交差する平面視で、少なくとも前記レーザにおいて筒状に延びる照射領域の外側となる位置で、この位置にまで到達する光の強度を検知する検知手順と、
前記光軸に対して前記加工対象物が相対的に接近するまたは離れる過程で、前記検知手順により、所定の第１強度、前記第１強度よりも所定のしきい値以上小さい第２強度、および、前記第１強度より大きい第３強度が順に検知された場合に、前記第１強度および前記第３強度それぞれの検知された地点間において前記加工対象物が相対的に変位した距離を、前記角部に施されたコーティング層の厚さとして検出する検出手順と、を備える、
厚さ検出方法。
所定方向に光軸が延びるようにレーザを照射する照射部と、
前記レーザに対し、それぞれ隣接する複数の面により角部が形成され、かつ、前記角部に光透過性を有する材料によるコーティング層が形成された加工対象物を、前記角部を前記レーザ側に向けた状態で、前記光軸と交差する方向に沿って相対的に変位させるアクチュエータと、
前記光軸に対して前記加工対象物が相対的に接近するまたは離れるよう前記アクチュエータを制御する変位制御手段と、
前記光軸と交差する平面視で、少なくとも前記レーザにおいて筒状に延びる照射領域の外側となる位置に設けられ、この位置にまで到達する光の強度を検知する検知部と、
前記光軸に対して前記加工対象物が相対的に接近するまたは離れる過程で、前記検知部により、所定の第１強度、前記第１強度よりも所定のしきい値以上小さい第２強度、および、前記第１強度より大きい第３強度が順に検知された場合に、前記第１強度および前記第３強度それぞれの検知された地点間において前記加工対象物が相対的に変位した距離を、前記角部に施されたコーティング層の厚さとして検出する検出手段と、を備える、
厚さ検出装置。