(57)【要約】【課題】  アシストガスや液体を用いずにレーザ加工に対する加工除去物の影響を抑制し、加工効率を向上させることができる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にレーザ光を照射して加工する装置であって、第１のレーザ光Ｌ１を加工対象物Ｗが加工可能なレーザ光強度に集光して加工対象物Ｗの加工面に照射する第１のレーザ光照射機構２と、第２のレーザ光Ｌ２を加工対象物Ｗが加工されないレーザ光強度に集光して第１のレーザ光Ｌ１と同時に該第１のレーザ光Ｌ１による加工点の周囲に照射する第２のレーザ光照射機構３と、を備えている。【選択図】図１
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【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、
第１のレーザ光を前記加工対象物が加工可能なレーザ光強度に集光して前記加工対象物の加工面に照射する第１のレーザ光照射機構と、
第２のレーザ光を前記加工対象物が加工されないレーザ光強度に集光して前記第１のレーザ光と同時に該第１のレーザ光による加工点の周囲に照射する第２のレーザ光照射機構と、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、
前記第１のレーザ光照射機構が、前記第１のレーザ光を前記加工対象物の加工面に対して垂直方向側から照射し、
前記第２のレーザ光照射機構が、前記第２のレーザ光を前記加工対象物の加工面に対して水平方向側から照射することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
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、
第１のレーザ光を前記加工対象物が加工可能なレーザ光強度に集光して前記加工対象物の加工面に照射する第１のレーザ光照射工程と、
第２のレーザ光を前記加工対象物が加工されないレーザ光強度に集光して前記第１のレーザ光と同時に該第１のレーザ光による加工点の周囲に照射する第２のレーザ光照射工程と、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。
【０００３】
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。
【０００４】
このため、従来、加工除去物の堆積を防止する方法として、アシストガスによって加工除去物を吹き飛ばす方法や、吸引などによって加工除去物を除去しながら加工する方法を用いていると共に、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も提案されている。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】
【０００５】
【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】
【０００６】
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や吸引により加工除去物を除去する方法では、加工除去物をすべて吹き飛ばしたり、吸引したりすることが難しく、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。
【０００７】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、アシストガスや液体を用いずにレーザ加工に対する加工除去物の影響を抑制し、加工効率を向上させることができる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】
【０００８】
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、第１のレーザ光を前記加工対象物が加工可能なレーザ光強度に集光して前記加工対象物の加工面に照射する第１のレーザ光照射機構と、第２のレーザ光を前記加工対象物が加工されないレーザ光強度に集光して前記第１のレーザ光と同時に該第１のレーザ光による加工点の周囲に照射する第２のレーザ光照射機構と、を備えていることを特徴とする。
【０００９】
また、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、第１のレーザ光を前記加工対象物が加工可能なレーザ光強度に集光して前記加工対象物の加工面に照射する第１のレーザ光照射工程と、第２のレーザ光を前記加工対象物が加工されないレーザ光強度に集光して前記第１のレーザ光と同時に該第１のレーザ光による加工点の周囲に照射する第２のレーザ光照射工程と、を有していることを特徴とする。
【００１０】
これらのレーザ加工装置およびレーザ加工方法では、第２のレーザ光を加工対象物が加工されないレーザ光強度に集光して第１のレーザ光と同時に該第１のレーザ光による加工点の周囲に照射するので、第２のレーザ光によって加工点近傍の加工除去物を励起、細分化することで、この加工除去物による影響を抑制して、加工効率を向上させることができる。すなわち、従来は、加工点近傍に生じた加工除去物によって、本来加工に使われるレーザ光のエネルギーが吸収されてしまっていたが、本発明では、加工ビームとなる第１のレーザ光とは別に、レーザ光強度を低くした加工除去物励起ビームとなる第２のレーザ光によって加工点近傍の加工除去物を励起させると共に細分化することで、加工除去物による第１のレーザ光のエネルギー吸収を抑制することできる。
【００１１】
また、本発明のレーザ加工装置は、前記第１のレーザ光照射機構が、前記第１のレーザ光を前記加工対象物の加工面に対して垂直方向側から照射し、前記第２のレーザ光照射機構が、前記第２のレーザ光を前記加工対象物の加工面に対して水平方向側から照射することを特徴とする。
【００１２】
すなわち、このレーザ加工装置では、第１のレーザ光を加工対象物の加工面に対して垂直方向側から照射し、第２のレーザ光を加工対象物の加工面に対して水平方向側から照射するので、直接加工を担う第１のレーザ光は加工面の正面側である垂直方向側から回折限界まで効率的に集光可能であると共に、第２のレーザ光は加工面の側方である水平方向側から緩やかに集光されて、加工点周辺を広い照射面積で励起および加熱することが可能である。特に、第２のレーザ光を水平方向側から加工面に対して斜め照射した場合は、加工対象物の加工面表面も第２のレーザ光で励起および加熱することができ、第１のレーザ光による加工をより効率化することができる。
【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、第２のレーザ光を加工対象物が加工されないレーザ光強度に集光して第１のレーザ光と同時に該第１のレーザ光による加工点の周囲に照射するので、第２のレーザ光によって加工点近傍の加工除去物を励起、細分化することで、この加工除去物による影響を抑制して、加工効率を向上させることができる。これにより、脆性材料や難加工材であるセラミックス等の切断または研削などにおいても、高品質かつ高効率の加工が可能になる。
【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一実施形態において、レーザ加工装置を示す簡易的な全体構成図である。
【図２】本実施形態において、加工対象物に対する第１のレーザ光および第２のレーザ光の照射を示す要部の斜視図である。
【図３】本実施形態において、加工対象物に対する第１のレーザ光および第２のレーザ光の照射を示す説明図である。
【図４】本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法の実施例により実際にレーザ加工した溝（ａ）と、第１のレーザ光のみでレーザ加工した溝（ｂ）と、を示す電子顕微鏡による拡大画像（加工面に対して４５°斜め方向から見た画像）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一実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。
【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にレーザ光を照射して加工する装置であって、第１のレーザ光Ｌ１を加工対象物Ｗが加工可能なレーザ光強度に集光して加工対象物Ｗの加工面に照射する第１のレーザ光照射機構２と、第２のレーザ光Ｌ２を加工対象物Ｗが加工されないレーザ光強度に集光して第１のレーザ光Ｌ１と同時に該第１のレーザ光Ｌ１による加工点Ｐの周囲に照射する第２のレーザ光照射機構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。
【００１８】
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。
【００１９】
上記第１のレーザ光照射機構２は、Ｑスイッチのトリガー信号により第１のレーザ光Ｌ１を発振する第１のレーザ光源６Ａと、該第１のレーザ光源６Ａからの第１のレーザ光Ｌ１をスポット状に集光させる第１の光学系７Ａ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。なお、第１の光学系７Ａには、照射する第１のレーザ光Ｌ１を走査させるガルバノスキャナも設けられている。
また、第１のレーザ光照射機構２は、第１のレーザ光Ｌ１を加工対象物Ｗの加工面に対して垂直方向側から照射可能に、移動機構４の上方に設置されている。
なお、第１のレーザ光Ｌ１は、加工対象物Ｗの加工面に対して７５〜９０°の角度θ２で、垂直またはほぼ垂直に照射可能に設定される。
【００２０】
上記第２のレーザ光照射機構３は、Ｑスイッチのトリガー信号により第２のレーザ光Ｌ２を発振する第２のレーザ光源６Ｂと、該第２のレーザ光源６Ｂからの第２のレーザ光Ｌ２を第１のレーザ光Ｌ１よりも緩やかに集光させる第２の光学系７Ｂと、を備えている。すなわち、第２の光学系７Ｂでは、第２のレーザ光Ｌ２の焦点を第１のレーザ光Ｌ１による加工点Ｐよりも遠方に設定して、広い照射面積で加工点Ｐ近傍を広範囲に照射するように設定されている。
【００２１】
また、第２のレーザ光照射機構３は、第２のレーザ光Ｌ２を加工対象物Ｗの加工面に対して水平方向側から照射可能に、移動機構４の側方に設置されている。
なお、第２のレーザ光Ｌ２は、加工対象物Ｗの加工面に対して０〜１５°の角度θ２で、水平またはほぼ水平に照射可能に設定される。
【００２２】
上記第１のレーザ光源６Ａおよび第２のレーザ光源６Ｂは、波長１９０〜５５０ｎｍのレーザ光を用いることが可能であり、特に波長２６６ｎｍ以下のレーザ光を発振するレーザ光源が好ましい。なお、例えば本実施形態では、波長２６２ｎｍのレーザ光を発振するレーザ光源を用いている。
【００２３】
上記第１の光学系７Ａは、図２に示すように、直線偏光の第１のレーザ光Ｌ１を円偏光にする偏光板９と、円偏光とされた第１のレーザ光Ｌ１を集光する対物レンズ１０と、を備えている。
上記偏光板９は、第１のレーザ光Ｌ１の波長に対する減反射コーティングが施されたλ／４板である。
また、上記対物レンズ１０は、第１のレーザ光Ｌ１の波長に対する減反射コーティングが施されている。
また、上記ＣＣＤカメラ８は、第１の光学系７Ａに隣接して設置されている。
【００２４】
上記第２の光学系７Ｂは、第２のレーザ光Ｌ２を集光すると共に照射するパワー密度を調整するパワー密度調整レンズ１１を備えている。
また、上記パワー密度調整レンズ１１は、第２のレーザ光Ｌ２の波長に対する減反射コーティングが施されている。
なお、移動機構４の上方には、発生した加工除去物を吸引する吸引ノズル（図示略）が配設されている。
【００２５】
このように本実施形態のレーザ加工装置１では、第２のレーザ光Ｌ２を加工対象物Ｗが加工されないレーザ光強度に集光して第１のレーザ光Ｌ１と同時に該第１のレーザ光Ｌ１による加工点Ｐの周囲に照射するので、図３に示すように、第２のレーザ光Ｌ２によって加工点Ｐ近傍の加工除去物Ｄを励起、細分化することで、この加工除去物Ｄによる影響を抑制して、加工効率を向上させることができる。
【００２６】
すなわち、従来は、加工点Ｐ近傍に生じた加工除去物Ｄによって、本来加工に使われるレーザ光のエネルギーが吸収されてしまっていたが、本実施形態では、加工ビームとなる第１のレーザ光Ｌ１とは別に、レーザ光強度を低くした加工除去物励起ビームとなる第２のレーザ光Ｌ２によって加工点Ｐ近傍の加工除去物Ｄを励起させると共に細分化することで、加工除去物Ｄによる第１のレーザ光Ｌ１のエネルギー吸収を抑制することできる。
【００２７】
なお、第２のレーザ光Ｌ２が照射された加工除去物Ｄは、励起され高エネルギー状態とされるため、蒸気状態である場合はイオン状態に変わり、液体状態である場合は蒸気状態を介してイオン状態まで変化する。したがって、吸引ノズルにより、イオン化された加工除去物Ｄを容易に吸引して除去することができる。
【００２８】
また、第１のレーザ光Ｌ１を加工対象物Ｗの加工面に対して垂直方向側から照射し、第２のレーザ光Ｌ２を加工対象物Ｗの加工面に対して水平方向側から照射するので、直接加工を担う第１のレーザ光Ｌ１は加工面の正面側である垂直方向側から回折限界まで効率的に集光可能であると共に、第２のレーザ光Ｌ２は加工面の側方である水平方向側から緩やかに集光されて、加工点Ｐ周辺を広い照射面積で励起および加熱することが可能である。特に、第２のレーザ光Ｌ２を水平方向側から加工面に対して斜め照射した場合は、加工対象物Ｗの加工面表面も第２のレーザ光Ｌ２で励起および加熱することができ、第１のレーザ光Ｌ１による加工をより効率化することができる。
【実施例１】
【００２９】
上記実施形態のレーザ加工装置およびレーザ加工方法により実際に加工対象物を加工し、評価した結果を以下に示す。
なお、加工対象物としてα−Ａｌ２Ｏ３焼結体を溝加工し、その加工面を電子顕微鏡により観察した。また、比較例として、第１のレーザ光のみを照射して溝加工を行った場合についても同様に加工面を観察した。これらの溝加工による加工面の電子顕微鏡写真を、図４に示す。
【００３０】
この画像からわかるように、第１のレーザ光のみを照射して溝加工を行った比較例の加工面（図４の（ｂ））では、加工溝周辺に加工除去物が堆積してしまっているのに対し、ほぼ垂直方向からの第１のレーザ光とほぼ水平方向からの第２のレーザ光とを同時に照射して溝加工した本実施例の加工面（図４の（ａ））では、加工溝周辺には加工除去物がほとんど無く、きれいな加工溝が得られている。
【００３１】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００３２】
例えば、上記実施形態では、第１のレーザ光照射機構と第２のレーザ光照射機構とで別々にレーザ光源を設けているが、一つのレーザ光源を共用し、このレーザ光源から出射された一つのレーザ光を光学系により二つのレーザ光に分けて、第１のレーザ光と第２のレーザ光として使用しても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明のレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、特に脆性材料、難加工材であるセラミックスの切断、研削などの加工において好適なものである。
【符号の説明】
【００３４】
１…レーザ加工装置、２…第１のレーザ光照射機構、３…第２のレーザ光照射機構、４…移動機構、７Ａ…第１の光学系、７Ｂ…第２の光学系、Ｌ１…第１のレーザ光、Ｌ２…第２のレーザ光、Ｗ…加工対象物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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