(57)【要約】【課題】脆性材料の加工速度を上げ、生産性を向上する。【解決手段】本発明のレーザー装置の代表的な構成は、レーザー光を出射するレーザー発振器と、前記レーザー光を反射する反射ミラーと、一つの回転中心軸で回転できるスピンドルと、前記反射ミラーで反射されたレーザー光を集光部分に集光する集光レンズからなるレーザー装置において、前記反射ミラーの反射面と前記回転中心軸とのなす角度が９０度以外の角度で固定されていることを特徴とするレーザー装置である。さらに、前記スピンドルを前記回転中心軸で回転することにより、前記反射ミラーを前記回転中心軸で回転させることにより、前記集光部分を回転させる事を特徴とするレーザー装置である。【選択図】図８
2014184483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を出射するレーザ発振器と、前記レーザー光を反射する反射ミラーと、一つの回転中心軸で回転できるスピンドルと、前記反射ミラーで反射されたレーザー光を集光部分に集光する集光レンズからなるレーザ装置において、前記反射ミラーの反射面と前記回転中心軸のなす角度が９０度以外の角度で固定されていることを特徴とするレーザー装置
【請求項２】
前記スピンドルを前記回転中心軸を中心に回転することにより前記反射ミラーを前記回転中心を中心に回転させ、前記集光部分を回転させる事を特徴とする請求項１に記載のレーザー装置
【請求項３】
前記レーザー発振器から出射されたレーザー光が、前記回転中心軸と前記反射ミラーの反射面との交点に入射することを特徴とする請求項２に記載とレーザー装置
【請求項４】
前記レーザー発振器から出射されたレーザー光が、前記回転中心軸と前記反射ミラーの反射面との交点以外の部分に入射することを特徴とする請求項２に記載とレーザー装置
【請求項５】
前記スピンドルを、圧力モータで回転させる事を特徴とする請求項２から４に記載のレーザー装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、脆性材料の被加工物に対して加工を主目的としたレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】現在、ガラスに代表される脆性材料の加工が行われているが、脆性材料は割れやすく切削抵抗に代表される加工時に発生する力により、加工中に材料が割れやすい。現在、加工量を減らして切削抵抗を減らす方法や、非接触加工のできるレーザを用いた加工がおこなわれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１９２２８６号公報特許文献１に示されたような機構を用い、レーザ光を螺旋回転させながら加工を行うことにより加工を容易にしているが、脆性材料を加工する場合、加工時間がかかるという問題があることが多い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】現在、ガラスに代表される脆性材料の加工行われているが、脆性材料は割れやすく、加工中に加工点から加工部分以外に亀裂が発生し、目的の加工形状が実現できない問題点がある。亀裂を発生させる力として、被加工物に加わる外力と被加工物の内部応力が主にあげられる。【０００５】被加工物に加わる外力の代表例として砥石加工法による切削抵抗が挙げられる。切削抵抗を減らすには、加工量を減らす方法があるが、加工時間が増大し、加工費が高くなるという問題点がある。【０００６】被加工物に加わる外力がほとんど発生しないレーザを使った加工方法も実施されている。レーザ加工は、光エネルギーを集光レンズで小さい面積に集光する事で、エネルギー密度を高め、その高いエネルギーによって加工する方法である。この方法は被加工物に対し非接触に加工でき、砥石加工よりも切削抵抗が発生しない利点がある。【０００７】  代表的なレーザー装置は図１に示すように、レーザー発振器１０１から出射されるレーザー光１０２を集光レンズ１０３に入射させ、集光レンズの焦点１０４を含むの集光部分（図示省略）に光が集光するような光学系を使用しているのが一般的である。図１に示すレーザー装置を使って、図２に示すシステムで被加工物１０５をｍ点からｎ点までレーザーにて溝加工する例を説明する。図２に示すシステムは、レーザー発振器１０１と、集光レンズ１０３と、被加工物移動ステージ（図示省略）とから構成されている。【０００８】  まず、被加工物１０５を被加工物移動ステージ（図示省略）に固定する。次に、被加工物１０５のｍ点にレーザ光が入射する位置まで被加工物移動ステージ（図示省略）を動作させる。次に、レーザー発振器１０１からレーザー光１０２を出射すると同時に、被加工物１０５のｎ点にレーザー光が入射する位置まで被加工物移動ステージ（図示省略）を所定の速度で直線動作させ、レーザー加工を行う。ｎ点までレーザー加工されたらレーザー発振器１０１でレーザー光１０２の出力を停止する。【０００９】  図３は、ｎ点までレーザー光１０２による溝加工が進行した状態を示す図である。上記のｍ点からｎ点までレーザ加工された加工部分１０６の断面図を図４に示す。図４に示す加工部分１０６の底面１０７の形状は集光部分の大きさに関連し、一般的には底面１０７の面積が小さい形状になる。この被加工物１０５に力が加わった場合、面積が小さい加工部分１０６の底面１０７に力が集中し、力の大きさが、ある大きさを超えると、この底面１０７から亀裂が発生する可能性が大きくなる。レーザー加工中に被加工物１０５に亀裂１０８が発生したイメージを図５に示す。特に、内部応力が大きい材料を加工した場合、材料の一部がレーザー加工によって除去され、内部応力のバランスが崩れ加工部分１０６の底面１０７に力が発生し、加工中に加工部分の底面１０７から割れてしまう可能性が大きくなる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】  本発明のレーザー装置の代表的な構成は、レーザー光を出射するレーザー発振器と、前記レーザー光を反射する反射ミラーと、一つの回転中心軸で回転できるスピンドルと、前記反射ミラーで反射されたレーザー光を集光部分に集光する集光レンズからなるレーザー装置において、前記反射ミラーの反射面と前記回転中心軸とのなす角度が９０度以外の角度で固定されていることを特徴とするレーザー装置である。
さらに、前記スピンドルを前記回転中心軸で回転することにより、前記反射ミラーを前記回転中心軸で回転させることにより、前記集光部分を回転させる事を特徴とするレーザー装置である。
【発明の効果】
【００１１】本発明によれば、脆性材料の加工速度を上げることができ、生産性を向上する事が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】代表的なレーザ加工を示す図である。
【図２】被加工物をレーザ加工で溝加工する例を示す図である。
【図３】レーザ光による溝加工が進行した状態を示す図である。
【図４】レーザ加工された加工部分の断面図である。
【図５】レーザ加工中に被加工物に亀裂が発生したイメージを図である。
【図６】本発明との比較例を示す図である。
【図７】本発明の実施例１を示す図である。
【図８】本発明の実施例２を示す図である。
【図９】被加工物表面の集光部分の中心点の軌跡を示す図である。
【図１０】レーザ加工後の加工物の外観を示す図である。
【図１１】図１０で示す被加工物の加工部分の断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】  まず、本発明との比較例を図６に示す。
【００１４】  図６に示すように、レーザー発振器１０１から出射したレーザー光１０２は、反射ミラー２０１の反射面（Ｄ）に入射し反射する。反射ミラー２０１で反射したレーザー光２０１は、集光レンズ１０３に入射し、焦点面（Ｅ）に集光する。反射ミラー２０１はスピンドル２０２に固定されており、スピンドル２０２が回転中心軸（ｂ−ｂ’）で回転することにより反射ミラー２０１も回転中心軸（ｂ−ｂ’）で回転できる。スピンドル２０２と反射ミラー２０１は、スピンドル２０２の回転中心軸（ｂ−ｂ’）と反射ミラー２０１の反射面（Ｄ）とのなす角度がα度になるように固定されている。比較例の場合、前記αは９０度である。
【００１５】さらに、レーザー発振器１０１から出射されるレーザー光２０１の中心軸（ａ−ａ’）とスピンドル２０２の回転中心軸（ｂ−ｂ’）とのなす角度θが４５度になるように設置されている。反射ミラー２０１で反射したレーザー光１０２は、集光レンズ１０３に入射し、焦点面（Ｅ）に集光する。
【００１６】  図６に示すレーザー装置において、スピンドル２０２を回転中心軸（ｂ−ｂ’）で回転させるとスピンドル２０２に固定されている反射ミラー２０１の反射面（Ｄ）も回転中心軸（ｂ−ｂ’）で回転する。しかし、反射面（Ｄ）を回転させても、前記αが９０度であるため、反射面（Ｄ）に入射し反射されるレーザー光１０２の入射角と反射角が変化しない。よって、集光レンズ１０３で集光される集光部分ｓ０の位置は変化しない。
【００１７】  集光部分ｓ０の位置は、前記θの値によって決まり、θが４５度の場合、集光部分ｓ０は、図６に示すように、集光レンズ１０３の光軸と集光面（Ｅ）の交点となり、前記θが４５度以外の角度の場合の集光部分ｓ０の位置は、集光レンズ１０３の光軸と集光面（Ｅ）の交点以外の部分となる。
【００１８】  本発明の実施例は、以下に示される。但し、本願の請求内容はこの実施例に制限されないことは言うまでもない。
【実施例１】
【００１９】  図７は、本発明の第１のレーザー装置１０００を示す。図７を用いて本発明の実施例１を説明する。【００２０】図７に示すように、レーザー発振器１０１から出射したレーザー光１０２は、反射ミラー２０１の反射面（Ｄ）に入射し反射する。【００２１】  反射ミラー２０１で反射したレーザー光１０２は、集光レンズ１０３に入射し、焦点面（Ｅ）に集光する。反射ミラー１０３はスピンドル２０２に固定されており、スピンドル２０２が回転中心軸（ｂ−ｂ’）で回転することにより反射ミラー２０１も回転中心軸（ｂ−ｂ’）で回転できる。【００２２】スピンドル２０２と反射ミラー２０１は、スピンドル２０２の回転中心軸（ｂ−ｂ’）と反射ミラー２０１の反射面（Ｄ）とのなす角度がα度になるように固定されている。本発明の場合、前記αは９０度以外の角度である。前記αが９０度以外の角度であることを明示するために、α＝９０＋εと示すこともある。ただし本発明におけるεは０以外の値をとる。【００２３】さらに、レーザー発振器１０１から出射されるレーザー光１０２の中心軸（ａ−ａ’）が、スピンドル２０２の回転中心軸（ｂ−ｂ’）と反射面（Ｄ）との交点と一致するように配置されている。さらに、レーザー発振器１０１から出射されるレーザー光２０１の中心軸（ａ−ａ’）とスピンドル２０２の回転中心軸（ｂ−ｂ’）とのなす角度θが４５度になるように設置されている。【００２４】  反射ミラー２０１で反射したレーザー光１０２は、集光レンズ１０３に入射し、焦点面（Ｅ）に集光する。【００２５】  図７に示すレーザー装置１０１において、スピンドル２０２を回転中心軸（ｂ−ｂ’）で回転させるとスピンドル２０２に固定されている反射ミラー２０１の反射面（Ｄ）も回転中心軸（ｂ−ｂ’）で回転する。
反射面（Ｄ）を回転させると、前記αが９０度以外の角度であるため、反射面（Ｄ）に入射し反射されるレーザー光１０２の入射角と反射角が、反射面（Ｄ）の回転角度によって変化する。よって、集光レンズ１０３に入射するレーザ光１０２の入射角が変化し、集光面（Ｅ）集光される集光部分ｓ０の位置は変化する。スピンドル２０２を回転させると、集光部分ｓ０が、下記の（式１）で示される半径Δで回転する。ｆは、集光レンズ１０３の焦点距離である。
Δ＝ｆ×  ｔａｎ（２ε）・・・・・・・・・・・（式１）【００２６】集光部分ｓ０の回転中心Ｃ０は、前記θの値によって決まり、前記θが４５度の場合、集光部分の回転中心は、図７に示すように、集光レンズ１０３の光軸と集光面（Ｅ）の交点Ｃ０の位置となり、前記θが４５度以外の角度の場合の集光部分ｓ０の中心Ｃ０は、集光レンズ１０３の光軸と集光面（Ｅ）の交点以外の位置となる。【００２７】  上記の実施例１では、レーザー発振器１０１から出射されるレーザー光１０２の中心軸（ａ−ａ’）がスピンドル２０２の回転中心軸（ｂ−ｂ’）と反射面（Ｄ）との交点と一致するように配置されているが、レーザー光１０２の中心軸（ａ−ａ’）がスピンドル２０２の回転中心軸（ｂ−ｂ’）と反射面（Ｄ）との交点と一致していなくとも、集光部分ｓ０は回転する。【００２８】また、上記の実施例１では、レーザー発振器１０１から出射されるレーザー光２０１の中心軸（ａ−ａ’）とスピンドル２０２の回転中心軸（ｂ−ｂ’）とのなす角度θが４５度になるように設置されているが、前記θが４５度以外の角度であっても、集光部分ｓ０は回転する。
【実施例２】
【００２９】  図７に示す第１のレーザー装置１０００を使って、被加工物１５０１を加工するシステムをレーザー加工システム１００１と呼び、図８に示す。図８を用いて本発明の実施例２を説明する。【００３０】  図８に示すレーザー加工システム１００１において、レーザー発振器１０１の設定は、レーザー光１０２の波長λを１０６４ｎｍとし、出射されるレーザー光１０２の径ｄを３ｍｍとし、レーザー光１０２の繰返周波数Ｒを４００ｋＨｚとする。【００３１】  さらに、前記αを９０．５度となるように、反射ミラー２０１とスピンドル２０２が固定されている。また、前記θが４５度となるように、レーザー発振器１０１と反射ミラー２０１を設置する。【００３２】  さらに、集光レンズ１０３を反射ミラー２０１から出射されるレーザー光２０１が入射する位置に設置する。集光レンズの焦点距離ｆは２０ｍｍの物を使用する。【００３３】  第１のレーザー装置１０００の集光レンズ１０３から出射されるレーザー光１０２が被加工物１５０１の表面に入射するように、被加工物１５０１を被加工物移動ステージ（図示省略）に固定する。【００３４】  次に、被加工物１５０１のｍ点にレーザー光１０２が入射する位置まで被加工物移動ステージ（図示省略）を動作させる。【００３５】  次に、スピンドル２０２の回転数Ｐを１６０００ｒｐｍに設定し、スピンドル２０２を回転させる。スピンドル２０２に回転運動を与える動力は、電気モーターやエアモーターが望ましい。【００３６】  次に、レーザー発振器１０１からレーザー光１０２を出射すると同時に、被加工物１５０１のｎ点にレーザー光１０２が入射する位置まで被加工物移動ステージ（図示省略）を所定の速度Ｖで直線動作させる。前記速度Ｖは５ｍｍ／秒に設定する。ｎ点までレーザー加工されたらレーザー発振器１０１でレーザー光１０２の出射を停止する。【００３７】  前記の被加工物１５０１の加工条件を加工条件１として、表１に示す。
【表１】
2014184483.tif 000003
【００３８】  図９に、被加工物１５０１に入射するレーザー光１０２の集光部分ｓ０の中心点の軌跡３１１をしめす。上記実施例２において集光部分ｓ０の中心点の軌跡３１１は螺旋状になる。【００３９】被加工物１５０１に連続的な溝を形成するには、被加工物１５０１に入射される集光部分ｓ０が、他の集光部分と重なっている必要がある。【００４０】  集光レンズ１０３の焦点距離をｆとし、集光レンズに入射する光径をｄとし、レーザー光の波長をλとし、レーザー光がガウシアンビームとすると、集光部分ｓ０の径ΦＳＰは、下記の（式２）で与えられる。
ΦＳＰ＝１．８３×λ×ｆ÷ｄ・・・・・・・（式２）【００４１】前記加工条件１、上記（式１）と（式２）によって、集光部分ｓ０が重なる条件であることが示され、被加工物１５０１に連続した溝が形成される。【００４２】図１０に、レーザー加工システム１００１で加工された被加工物１５０１の外観を示す。レーザー加工部分１５０２は、集光部分が重なった連続した溝となっている。【００４３】  図１１に図１０で示す被加工物１５０１の加工部分１５０２の断面Ｂ−Ｂ断面図を示す。被加工物１５０１に加工部分１５０２が形成されており、加工部分の断面はおよそ台形の形状となっている。【００４４】  加工部分１５０２の底面の面積が、図４に示す集光部分を固定したレーザー加工部分１０６の底面１０７の面積よりも大きく、被加工物１５０１に加わる外力および内部応力集中が低減されることにより、被加工物１５０１に亀裂が発生しにくくなり、加工スピードを向上できる。【００４５】  被加工物１５０１の例では、強化ガラス、シリコン、サファイヤ、炭化ケイ素、窒化ガリウム、Ｌｏｗ−ｋ材等の材料があげられる。【００４６】  また、スピンドル２０２を回転させる動力の例として、ＤＣモータ、ＡＣモータ等の電気モーターや、エアーモータ、油圧モータ等の圧力モータがあげられる。
【符号の説明】
【００４７】１０１  レーザ発振器
１０２  レーザ光
１０３  集光レンズ
１０４  集光点
１０５  被加工物
１０６  加工部分
１０７  加工部分の底面
１０８  亀裂
２０１  反射ミラー
２０２  スピンドル
１０００  第１のレーザー装置
１００１  第１のレーザー加工システム
１５０１  被加工物
１５０２  加工部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2014184483.tif 000008
【図６】
2014184483.tif 000009
【図７】
2014184483.tif 000010
【図８】
2014184483.tif 000011
【図９】
2014184483.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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