(57)【要約】【課題】  加工除去物を除去可能であると共に液体によるレーザ光学系の汚染を抑制でき、さらに効率的にレーザ光を照射可能なレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供すること。【解決手段】  加工対象物Ｗにレーザ光Ｌを照射して加工する装置であって、加工対象物Ｗにレーザ光Ｌを照射するレーザ光照射機構２と、加工対象物Ｗの加工表面上にレーザ光Ｌが透明な液体Ｆを、加工表面に沿う層流状態にして流す液体供給機構３と、を備えている。【選択図】図１
2011177738.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物にレーザ光を照射して加工する装置であって、
前記加工対象物に前記レーザ光を照射するレーザ光照射機構と、
前記加工対象物の加工表面上に前記レーザ光が透明な液体を、前記加工表面に沿う層流状態にして流す液体供給機構と、を備えていることを特徴と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において、
前記レーザ光照射機構が、前記加工表面上を流れる前記液体に対して前記液体の下流側に向けて斜めに前記レーザ光を入射させることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザ加工装置において、
前記液体供給機構が、前記液体を前記加工表面上へ供給する供給ノズルを備え、
該供給ノズルが、前記加工表面に沿って長い長孔状の開口端を有していることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置において、
前記液体供給機構が、前記液体を前記加工表面上へ供給する複数の供給ノズルを備え、
複数の前記供給ノズルが、同一方向に向けた各開口端を前記加工表面に沿って隣接状態に並べて配置されていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
加工対象物にレーザ光を照射して加工する方法であって、
前記加工対象物の加工表面上に前記レーザ光が透明な液体を、前記加工表面に沿う層流状態にして流すステップと、
前記層流状態の前記液体を通して前記加工対象物に前記レーザ光を照射するステップと、を有していることを特徴とするレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば超硬質材料の加工などに好適なレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、立方晶窒化硼素焼結体（以下ＣＢＮ焼結体とする）やダイヤモンド焼結体のような超硬質材料を用いた部材や工具などの形状加工には、砥石による研削など力学的な方法で整形が行われている。しかしながら、ＣＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体は、力学的に強固であり、加工ごとに変形する砥石などでは、ミクロンオーダーの精密な加工を施すことが困難であった。また、所望の加工性状を得るためにＣＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体などからなる表面を有する部材にレーザ光を照射し、繰り返し走査することで、切断等の加工を施す方法も知られている。この方法では、レーザ光の照射によって生じた溶融物等の加工除去物の堆積により、次のレーザ光が走査される際に、堆積した加工除去物によってレーザ光が阻害されると共に吸収されて加工速度が低下し、効率の良い精密な面加工が困難であった。
【０００３】
このため、加工除去物の堆積を防止する方法として、従来、アシストガスによって加工除去物を吹き飛ばす方法や、例えば特許文献１に記載されているように水を高圧で吹き付ける方法が提案されている。この方法では、水を高圧に吹き付けることで加工部の冷却を行っているが、加工除去物も吹き飛ばすことができると考えられる。また、特許文献２には、被加工物が保持された加工ハウジング内に蒸留水等の液体を収納して該液体を介して被加工物にレーザ光を照射する技術が提案されている。なお、この方法では、レーザ光を透過させるために加工ハウジングが透明ガラス又は透明樹脂の透明板で形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−９６０５１号公報
【特許文献２】特開２００９−６６６５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、従来のアシストガスを用いた加工方法では、加工除去物をすべて吹き飛ばすことが難しく、また従来の水を吹き付ける方法では、水圧が高く跳ね返りによってレーザ光の光学系が汚染されてしまうという不都合があった。また、特許文献２に記載の技術では、加工ハウジング内に液体を収容させているため加工ハウジングの外部から加工ハウジングを介してレーザ光を入射しているので、透明板で加工ハウジングを形成しても透過時にレーザ光が減衰してしまうと共にレーザ光により加工ハウジング自体が損傷してしまう問題があった。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、加工除去物を除去可能であると共に液体によるレーザ光学系の汚染を抑制でき、さらに効率的にレーザ光を照射可能なレーザ加工装置およびレーザ加工方法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】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のレーザ加工装置は、加工対象物にレーザ光を照射して加工する装置であって、前記加工対象物に前記レーザ光を照射するレーザ光照射機構と、前記加工対象物の加工表面上に前記レーザ光が透明な液体を、前記加工表面に沿う層流状態にして流す液体供給機構と、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
本発明のレーザ加工方法は、加工対象物にレーザ光を照射して加工する方法であって、前記加工対象物の加工表面上に前記レーザ光が透明な液体を、前記加工表面に沿う層流状態にして流すステップと、前記層流状態の前記液体を通して前記加工対象物に前記レーザ光を照射するステップと、を有していることを特徴とする。
【０００９】
これらのレーザ加工装置およびレーザ加工方法では、加工対象物の加工表面上に透明な液体を加工表面に沿う層流状態にして流すので、加工表面上の皮膜となる透明な液体を介して透過したレーザ光が加工対象物を加工し、生じた加工除去物が堆積物除去用液となる液体によって加工点近傍から飛散せず定常的に排出される。この際、加工表面に液体を単純に流した場合、液体が乱流状態となって波立ち、透過するレーザ光の集光が乱れて、その結像（焦点）が正確に合わない場合があるが、本発明では液体が光学的に安定な層流状態で流されるので、正確にレーザ光の焦点を加工表面に合わせることができる。また、液体が乱流状態になると、流された加工除去物が再び加工点近傍に戻ってしまうおそれがあるのに対し、本発明では液体が層流状態で流されるので、加工点近傍に加工除去物が戻ることがない。したがって、層流状態の液体によって加工除去物を残らず除去可能であると共に、液体の跳ね返りが無くレーザ光学系の汚染を抑制できる。さらに、透明板などにレーザ光を透過させないと共にレーザ光の集光に影響を与え難い層流状態の液体を介してレーザ光を照射するので、効率の良い加工を行うことができる。
【００１０】
また、本発明のレーザ加工装置は、前記レーザ光照射機構が、前記加工表面上を流れる前記液体に対して前記液体の下流側に向けて斜めに前記レーザ光を入射させることを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工装置では、レーザ光照射機構が、加工表面上を流れる液体に対して液体の下流側に向けて斜めにレーザ光を入射させるので、加工除去物が液体の下流方向に向けて出やすくなり、液体による除去効率が高くなる。
【００１１】
また、本発明のレーザ加工装置は、前記液体供給機構が、前記液体を前記加工表面上へ供給する供給ノズルを備え、該供給ノズルが、前記加工表面に沿って長い長孔状の開口端を有していることを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工装置では、供給ノズルが、加工表面に沿って長い長孔状の開口端を有しているので、扁平な開口端を有する供給ノズルから液体が幅広に加工表面に供給されて供給ノズルと加工点とを比較的近づけても層流状態を容易に得ることができ、小さい加工対象物にも適用可能となる。
【００１２】
また、本発明のレーザ加工装置は、前記液体供給機構が、前記液体を前記加工表面上へ供給する複数の供給ノズルを備え、複数の前記供給ノズルが、同一方向に向けた各開口端を前記加工表面に沿って隣接状態に並べて配置されていることを特徴とする。
すなわち、このレーザ加工装置では、複数の供給ノズルが、同一方向に向けた各開口端を加工表面に沿って隣接状態に並べて配置されているので、隣接する各供給ノズルからの液体が一体となって一つの供給ノズルの場合よりも流量を抑えて幅広な層流状態を容易に得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法によれば、加工対象物の加工表面上にレーザ光が透明な液体を、加工表面に沿う層流状態にして流すので、液体を透過するレーザ光の焦点が正確に合うと共に、加工除去物を定常的に効率よく排出することができる。したがって、基板、切削工具や金型の加工などにおいて、効率の良い加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法の第１実施形態において、レーザ加工装置を示す簡易的な全体構成図である。
【図２】第１実施形態において、加工対象物上に液体を供給する供給ノズルを示す平面図である。
【図３】第１実施形態において、レーザ加工時の状態を説明するための要部の拡大断面図である。
【図４】第１実施形態において、供給ノズルの先端部を示す斜視図である。
【図５】レーザ光の入射角度と水に対する反射率との関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法の第２実施形態において、供給ノズルを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法の第１実施形態を、図１から図５を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
【００１６】
本実施形態のレーザ加工装置１は、図１から図３に示すように、加工対象物Ｗにレーザ光Ｌを照射して加工する装置であって、加工対象物Ｗにレーザ光Ｌを照射するレーザ光照射機構２と、加工対象物Ｗの加工表面上にレーザ光Ｌが透明な液体Ｆを、加工表面に沿う層流状態にして流す液体供給機構３と、加工対象物Ｗを保持して移動可能な移動機構４と、これらを制御する制御部５と、を備えている。
【００１７】
上記加工対象物Ｗは、例えば、基板、切削工具や金型であり、ＳｉＣ基板等の基板、または加工される表面が焼結ダイヤモンド焼結体、ＣＢＮ焼結体若しくは気相合成によって成膜されたダイヤモンド膜などで構成されているもの等である。
上記移動機構４は、水平面に平行なＸ方向に移動可能なＸ軸ステージ部４ｘと、該Ｘ軸ステージ部４ｘ上に設けられＸ方向に対して垂直なかつ水平面に平行なＹ方向に移動方向なＹ軸ステージ部４ｙと、該Ｙ軸ステージ部４ｙ上に設けられ加工対象物Ｗを保持可能であると共に水平面に対して垂直方向に移動可能なＺ軸ステージ部４ｚと、で構成されている。
【００１８】
上記レーザ光照射機構２は、Ｑスイッチのトリガー信号によりレーザ光Ｌを発振すると共にスポット状に集光させる光学系も有するレーザ光源６と、照射するレーザ光Ｌを走査させるガルバノスキャナ７と、保持された加工対象物Ｗの加工位置を確認するために撮像するＣＣＤカメラ８と、を備えている。
上記レーザ光源６は、波長１９０〜５５０ｎｍのレーザ光を用いることが可能であり、例えば本実施形態では、波長３５５ｎｍのレーザ光Ｌを発振するレーザ光源を用いている。
【００１９】
上記ガルバノスキャナ７は、移動機構４の直上に配置されている。また、上記ＣＣＤカメラ８は、ガルバノスキャナ７に隣接して設置されている。
このレーザ光照射機構２は、図３に示すように、加工表面上を流れる液体Ｆに対して液体Ｆの下流側に向けて斜めにレーザ光Ｌを入射させるように光学系およびガルバノスキャナ７が設定されている。
なお、斜めにしたレーザ光Ｌの入射角度θは、液体Ｆ表面でのレーザ光の反射率が２０％以内となる範囲とする。すなわち、液体Ｆに斜めにレーザ光Ｌを入射する場合、入射角度θによって反射率が異なり、加工品質へ影響を与えるためであり、反射率が２０％を超える角度に設定した場合、均質な加工が困難となるためである。例えば、液体Ｆが水である場合、この入射角度θの範囲（反射率２０％以下となる角度）は、０〜６６度であり、液体Ｆがエタノールの場合、０〜６５度である。なお、レーザ光Ｌの入射角度θと水に対する反射率との関係を、図５に示す。この入射角度θは、加工対象物Ｗの加工表面に対して垂直にレーザ光Ｌを照射した際の角度θを０度として計算している。
【００２０】
上記液体供給機構３は、液体Ｆを加工表面上へ供給する供給ノズル９を備えている。この供給ノズル９は、液体Ｆの供給源（図示略）に接続されていると共に加工対象物Ｗ上に設置され、加工表面上に水平に液体Ｆを流すようにノズルの軸線が加工表面と平行に配されている。
供給ノズル９は、開口端が円形の単管を採用しても構わないが、図２および図４に示すように、加工表面に沿って長い長孔状の開口端を有した矩形管の供給ノズル９が好ましい。
上記液体Ｆは、レーザ光Ｌに対して透明な液体であって、例えばアルコールや純水が採用される。
【００２１】
本実施形態のレーザ加工装置１により実際に加工を行う場合、例えば加工対象物ＷとしてＳｉＣ基板を加工する場合について説明する。
【００２２】
まず、ＳｉＣ基板の加工表面に対して純水を液体Ｆとして供給ノズル９より１０ｍｌ／ｓｅｃにて流す。この際、基板表面に１ｍｍ厚の層流となった純水の膜が生成される。次に、液体Ｆを流しながら、波長３５５ｎｍ、出力６Ｗおよび繰り返し周波数６０ｋＨｚのレーザ光Ｌを３００ｍｍ／ｓｅｃにて走査する。また、この際のレーザ光Ｌの入射角度θは、基板平面とレーザ光Ｌとのなす角が３３度となる様に構成した（レーザ光Ｌの反射率は５％未満）。
この結果、従来では深さ方向に加工を繰り返していく際に加工除去物の飛散によってレーザ光が吸収され、加工速度が低下していたのに対し、本実施形態では、図３に示すように、層流状態の液体Ｆによって加工除去物が飛散することなく定常的に下流側へ排出され、効率の良い加工が可能になる。
【００２３】
このように本実施形態のレーザ加工装置１では、加工対象物Ｗの加工表面上に透明な液体Ｆを加工表面に沿う層流状態にして流すので、加工表面上の皮膜となる透明な液体Ｆを介して透過したレーザ光Ｌが加工対象物Ｗを加工し、生じた加工除去物が堆積物除去用液となる液体Ｆによって加工点ｋ近傍から飛散せず定常的に排出される。この際、加工表面に液体Ｆを単純に流した場合、液体Ｆが乱流状態となって波立ち、透過するレーザ光Ｌの集光が乱れて、その結像（焦点）が正確に合わない場合があるが、本実施形態では液体Ｆが光学的に安定な層流状態で流されるので、正確にレーザ光Ｌの焦点を加工表面に合わせることができる。
【００２４】
また、液体Ｆが乱流状態になると、流された加工除去物が再び加工点ｋ近傍に戻ってしまうおそれがあるのに対し、本実施形態では液体Ｆが層流状態で流されるので、加工点ｋ近傍に加工除去物が戻ることがない。したがって、層流状態の液体Ｆによって加工除去物を残らず除去可能であると共に、液体Ｆの跳ね返りが無くレーザ光学系の汚染を抑制できる。さらに、透明板などにレーザ光Ｌを透過させないと共にレーザ光Ｌの集光に影響を与え難い層流状態の液体Ｆを介してレーザ光Ｌを照射するので、効率の良い加工を行うことができる。
【００２５】
さらに、レーザ光照射機構２が、加工表面上を流れる液体Ｆに対して液体Ｆの下流側に向けて斜めにレーザ光Ｌを入射させるので、加工除去物が液体Ｆの下流方向に向けて出やすくなり、液体Ｆによる除去効率が高くなる。
また、供給ノズル９が、加工表面に沿って長い長孔状の開口端を有しているので、扁平な開口端を有する供給ノズル９から液体Ｆが幅広に加工表面に供給されて供給ノズル９と加工点ｋとを比較的近づけても層流状態を容易に得ることができ、小さい加工対象物Ｗにも適用可能となる。
【００２６】
次に、本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法の第２実施形態について、図６を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００２７】
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、一つの矩形管である供給ノズル９を採用しているのに対し、第２実施形態のレーザ加工装置では、図６に示すように、液体供給機構２３が、液体Ｆを加工表面上へ供給する複数の供給ノズル２９を備え、複数の供給ノズル２９が、同一方向に向けた各開口端を加工表面に沿って隣接状態に並べて配置されている点である。
【００２８】
すなわち、第２実施形態では、互いに同一方向に向けて並べられた複管の供給ノズル２９を有しており、各供給ノズル２９から供給される液体Ｆが加工点ｋでは合流して一つの層流を構成する。
この第２実施形態のレーザ加工装置では、複数の供給ノズル２９が、同一方向に向けた各開口端を加工表面に沿って隣接状態に並べて配置されているので、隣接する各供給ノズル２９からの液体Ｆが一体となって一つの供給ノズル２９の場合よりも流量を抑えて幅広な層流状態を容易に得ることができる。
【００２９】
なお、上記各実施形態の液体供給機構では、層流状態に液体を加工表面上に供給するための条件として、層流が乱流に遷移するときのレイノルズ数（臨界レイノルズ数）を超えないように次のように設定される。
【００３０】
まず、開口端が円形とされた単管の供給ノズルの場合、加工除去物を流すために必要な最小限の流量は５ｍｌ／ｍｉｎであり、この際の管内径は０．０７ｍｍ以上が層流の下限となる。この管内径を５ｍｍφを超えて大きくした場合、加工点ｋでの液体の層厚を揃えるため、加工点ｋと供給ノズルとの距離を離さなければならず、実用面で管内径は５ｍｍφが最大となる。管内径を５ｍｍφにした場合、層流を満たす条件は、管内径に流量が比例するため、流量を最大３７０ｍｌ／ｍｉｎまで増加させることができる。
この単管の供給ノズルでの層流条件を、以下の表１に示す。
【００３１】
【表１】
2011177738.tif 000003
【００３２】
次に、第１実施形態のような矩形管の供給ノズルの場合、単管の断面積と等価となる周長を設定することによって、単管の層流条件と同等の条件が適応可能である。矩形管を用いるメリットとしては、広範囲かつ適正厚さで層流を流すことが可能であることや、供給ノズルと加工点ｋとを比較的近くすることが可能であり、小さい加工対象物にも適用可能であることが挙げられる。なお、供給ノズルの開口部における厚さをｄとし、幅をｗとしたとき、条件としてｄ：ｗの比を１：２０とし、ｄ＝０．１〜１ｍｍとしたが、単管の断面積と等価となる周長であればこの限りではなく、適用可能である。
この矩形管の供給ノズルでの層流条件を、以下の表２に示す。
【００３３】
【表２】
2011177738.tif 000004
【００３４】
また、第２実施形態のような複管の供給ノズルの場合、単管の組み合わせと考え、単管の層流条件と同等の条件が適応可能である。複管を用いるメリットとしては、流量を最小として広範囲に層流を流すことが可能であることや、管内径を最適にした際、流量を管数分増加させることが可能であることが挙げられる。ただし、供給ノズルと加工点ｋとの距離は、ある程度空けておく必要がある。
この複管の供給ノズルでの層流条件を、以下の表３に示す。
【００３５】
【表３】
2011177738.tif 000005
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明のレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、特に基板、切削工具または金型などの加工において好適なものである。
【符号の説明】
【００３７】
１…レーザ加工装置、２…レーザ光照射機構、３，２３…液体供給機構、９，２９…供給ノズル、Ｆ…液体、Ｌ…レーザ光、Ｗ…加工対象物
【図１】
2011177738.tif 000006
【図２】
2011177738.tif 000007
【図３】
2011177738.tif 000008
【図４】
2011177738.tif 000009
【図６】
2011177738.tif 000010
【図５】
2011177738.tif 000011