(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光が照射される被加工表面を有する加工対象物を準備する工程と、
該加工対象物を冷却する工程と、
該被加工表面にレーザ光を照射し、レーザ加工する工程と、
を有し、
上記加工対象物はセラミックス板であって、
上記レーザ加工する工程では、上記冷却する工程で冷却された上記加工対象物の被加工表面や反対側の面に、大気中の水分が結露し水滴もしくは氷として付着している状態でレーザ加工することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
請求項１のレーザ加工方法において、
上記レーザ光の照射方向に対し垂直な面内で上記加工対象物を平行移動させて、該加工対象物にレーザ加工を行うことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項３】
加工対象物の被加工表面にレーザ光を照射してレーザ加工を行うレーザ加工装置において、
上記加工対象物はセラミックス板であって、
上記加工対象物を冷却する冷却手段を有し、
上記冷却手段で冷却された上記加工対象物の被加工表面や反対側の面に、大気中の水分が結露し水滴もしくは氷として付着している状態でレーザ加工することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項３のレーザ加工装置において、
上記冷却手段が、固体二酸化炭素と、
該固体二酸化炭素を上記加工対象物の被加工表面と反対側の面に当接させる当接手段とを有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
請求項３のレーザ加工装置において、
上記冷却手段が、上記加工対象物の被加工表面もしくは該被加工表面と反対側の面のうち少なくとも一方の面に向けて液化ガスを噴射する噴射手段を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
請求項３、４または５のレーザ加工装置において、
上記レーザ光の照射方向に対し垂直な面内で上記加工対象物を平行移動させる移動手段を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を用いたレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関し、特にレーザ光の照射によって生じるデブリやドロスの付着防止、及び、クラックの発生防止に適したレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セラミックスやポリマー等の加工対象物（以下、ワークという）にレーザ光を照射して、アブレーションもしくは熱溶融により加工を行う方法が知られている。このレーザ光としてはＹＡＧレーザやエキシマレーザ等が用いられている。
【０００３】
しかし、レーザ光によってワークとしてセラミックス板を加工すると、加工領域周辺にデブリ（debris）と呼ばれる飛散物が付着する。また、レーザ光によってワークを急速かつ瞬時に加熱し、その加熱部分を溶融し排除するため、加工に伴って溶融物がドロス（dross）として加工面に付着する。さらに、加工部位からクラックが発生してしまい、このクラックがワーク端部まで達する場合もある。
【０００４】
上記デブリやドロスの付着を防止するために、本出願人は、特願２０００−２０１６３４号において、加工対象物の被加工表面と反対側の面に液体を接触させた状態で、被加工表面側からレーザ光を照射し、貫通孔を加工するレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提案している。このレーザ加工方法及びレーザ加工装置によれば、例えばセラミックス板に貫通孔を加工する場合において、加工部位やその近傍にデブリやドロスが付着することなく良好な加工面を持った貫通孔を簡単に加工することができるという効果がある。
【０００５】
また、上記クラックの発生を防止するために、本出願人は、特願２０００−３０９３８５号において、レーザ光を走査し、もしくは、加工対象物を移動させることにより、同一箇所に少なくとも二回以上レーザ光を照射して加工するレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提案している。同一箇所に少なくとも二回以上レーザ光を照射して加工するために、例えば、ウエッジ光学基板を回転させ、加工予定孔径よりも小さなスポット径のレーザ光を、そのスポットの外周を加工予定孔に内接させながらこの加工予定孔に沿って走査し、被加工表面に照射している。上記被加工表面に照射された上記レーザ光は、上記加工対象物を上記加工予定孔に沿って螺旋状に徐々に深く加工していき、貫通孔を形成する。このレーザ加工方法及びレーザ加工装置によれば、同一箇所を一回で加工する場合に比べ、加工部位の温度上昇を抑えて熱膨張を低減することができる。従って、上記加工部位に掛かるストレスが小さく、クラックの発生を防止することができるという効果がある。また、加工部位の温度上昇を抑えられるので、ドロスの発生自体を抑制することができ、該加工部位へのドロスの付着を低減することができるという効果もある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、上記特願２０００−３０９３８５号で提案したレーザ加工方法及びレーザ加工装置において、ドロス付着防止の効果をさらに高めるべく、上記特願２０００−２０１６３４号で提案した発明と組合わせた構成でレーザ加工を行った。より具体的には、セラミックス板の被加工表面と反対側の面に液体（水）を接触させた状態で、被加工表面側から、同一箇所に少なくとも二回以上レーザ光を照射して貫通孔を加工した。
【０００７】
ところが、レーザ光を照射して貫通孔を形成した加工部位からクラックが発生してしまった。このクラックの発生原因については、次のような理由が考えられる。
同一箇所に少なくとも二回以上レーザ光を照射し、加工予定孔に沿って螺旋状に徐々に深く加工していくため、被加工表面と反対側の面とが最初に貫通してから、完全に加工予定孔に対応した貫通孔が形成されるまでの間に、貫通した部分では液体に直接レーザ光が照射されることになる。すると、レーザ光が照射された部分の液体は気化して体積が急激に膨張する。この液体の気化による体積の急激な膨張は、デブリやドロスの付着防止に効果があるが、その反面、加工部位に衝撃を与えることになる。このため、被加工表面と反対側の面とが最初に貫通してから、完全に加工予定孔に対応した貫通孔が形成されるまでの間、複数回にわたって加工部位に衝撃が加わり、クラックが発生するものと考えられる。
【０００８】
本発明は以上の背景に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、簡易な方法でデブリやドロスが加工部位やその近傍に付着して堆積することを防止しつつ、加工部位のクラックの発生を防止することができるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、レーザ光が照射される被加工表面を有する加工対象物を準備する工程と、該加工対象物を冷却する工程と、該被加工表面にレーザ光を照射し、レーザ加工する工程と、を有し、上記加工対象物はセラミックス板であって、上記レーザ加工する工程では、上記冷却する工程で冷却された上記加工対象物の被加工表面や反対側の面に、大気中の水分が結露し水滴もしくは氷として付着している状態でレーザ加工することを特徴とするものである。
【００１０】
実験によれば、常温の大気雰囲気中において加工対象物としてセラミックス板を冷却した状態で、セラミックス板の被加工表面にＹＡＧレーザを照射して貫通孔を加工したところ、デブリやドロスが貫通孔の内部や近傍に付着することを防止できた。また、セラミックス板を常温でレーザ加工する場合に比べ加工時間を短縮することができた。さらに、加工部位のクラックの発生を防止することもできた。
この理由としては、常温の大気雰囲気中でセラミックス板を冷却すると、被加工表面（以下、「表側の面」という）や、該表側の面と反対側の面（以下、「裏側の面」という）に接触している大気が冷やされて、大気中の水分が結露する。結露した水分は表側の面や裏側の面に水滴として付着したり、氷として付着したりする。このようにセラミックス板の表側や裏側の面に水滴もしくは氷が付着した状態で、該表側の面にＹＡＧレーザを照射すると、レーザ加工による熱で該水滴もしくは氷が気化して体積が急激に膨張する。上記水滴もしくは氷の気化による急激な体積の膨張により、レーザ加工で発生したデブリやドロスが吹き飛ばされて大気中に飛散する。よって、デブリやドロスが貫通孔の内部や近傍に付着することを防止できるものと考えられる。
また、セラミックス板を冷却することによって、常温で加工する場合に比べてドロスの生成を抑制して該ドロスの加工部位への再溶着を防ぐことができるため、加工時間を短縮することができるものと考えられる。さらに、冷却によって、レーザ加工によるセラミックス板への熱的ストレスが緩和されるため、加工部位のクラックの発生を防止することができるものと考えられる。
以上、加工対象物としてセラミックス板にＹＡＧレーザを照射してレーザ加工する場合について説明した。しかし、加工対象物は上記セラミックス板に限られるものではなく、レーザの照射により加工部位やその近傍にデブリやドロスが付着する材質のものであれば、デブリやドロスを吹き飛ばして加工部位やその近傍に付着することを有効に防止できるものと考えられる。また、加工時間の短縮や加工部位のクラックの発生を防止することもできると考えられる。さらに、加工対象物に照射するレーザ光は上記ＹＡＧレーザに限られるものではなく、アブレーションもしくは熱溶融により加工を行うレーザ光であれば用いることができると考えられる。例えば、ＣＯ２レーザやエキシマレーザを用いることができると考えられる。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１のレーザ加工方法において、上記レーザ光の照射方向に対し垂直な面内で上記加工対象物を平行移動させて、該加工対象物にレーザ加工を行うことを特徴とするものである。
【００１２】
この請求項２のレーザ加工方法では、上記レーザ光の照射方向に対し垂直な面内で上記加工対象物を平行移動させて該加工対象物のレーザ加工を行うので、該加工対象物の複数の箇所を加工したり、切断したりすることができる。
【００１３】
請求項３の発明は、加工対象物の被加工表面にレーザ光を照射してレーザ加工を行うレーザ加工装置において、上記加工対象物はセラミックス板であって、上記加工対象物を冷却する冷却手段を有し、上記冷却手段で冷却された上記加工対象物の被加工表面や反対側の面に、大気中の水分が結露し水滴もしくは氷として付着している状態でレーザ加工することを特徴とするものである。
【００１４】
この請求項３のレーザ加工装置では、請求項１に関して述べたように、上記加工対象物であるセラミックス板を冷却し、該加工対象物の被加工表面や反対側の面に、大気中の水分が結露し水滴もしくは氷として付着している状態でレーザ加工することで、レーザ加工により発生したデブリやドロスが加工部位やその近傍に付着することを防止できる。また、加工対象物を常温で加工する場合に比べ加工時間の短縮を図ることができる。さらに、加工部位のクラックの発生を防止することができる。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項３のレーザ加工装置において、上記冷却手段が、固体二酸化炭素と、該固体二酸化炭素を上記加工対象物の被加工表面と反対側の面に当接させる当接手段とを有することを特徴とするものである。
【００１６】
実験によれば、固体二酸化炭素（ドライアイス）をセラミックス板の裏側の面に当接させた状態でＹＡＧレーザを照射したところ、例えば後述する液化ガスを用いて該セラミックス板を冷却する構成に比べ、加工部位の内部や近傍へのデブリやドロスの付着をより防止することができた。
この理由について説明する。セラミックス板にレーザ光を照射して表側の面から内部に向かって徐々に加工していくと、裏側の面に貫通した瞬間に該レーザ光が固体二酸化炭素に照射され、該レーザ光が照射された部分の固体二酸化炭素が昇華して炭酸ガスが吹き出す。上記セラミックス板の冷却により結露した水分の気化に加え、上記炭酸ガスの吹き出しで上記デブリやドロスを吹き飛ばすため、加工部位の内部や近傍に該デブリやドロスが付着することをより有効に防止できるものと考えられる。
以上、加工対象物としてセラミックス板を用いた場合について説明したが、セラミックス板に限られるものではなく、レーザの照射により加工部位やその近傍にデブリやドロスが付着する材質のものであれば、該デブリやドロスの付着を有効に防止できるものと考えられる。また、加工対象物に照射するレーザ光は上記ＹＡＧレーザに限られるものではなく、アブレーションもしくは熱溶融により加工を行うレーザ光であれば用いることができると考えられる。
また、上記固体二酸化炭素は大気中での融解温度が−７８．９[℃]であるため、該固体二酸化炭素を上記加工対象物の被加工表面と反対側の面（裏側の面）に当接させることで、該加工対象物を瞬時に冷却することができる。これにより、上記加工対象物を冷却するのに要する時間が短くてすみ、生産性の向上を図ることができる。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項３のレーザ加工装置において、上記冷却手段が、上記加工対象物の被加工表面もしくは該被加工表面と反対側の面のうち少なくとも一方の面に向けて液化ガスを噴射する噴射手段を有することを特徴とするものである。
【００１８】
この請求項５のレーザ加工装置では、上記噴射手段で液化ガスを噴射すると該液化ガスが気化して極低温ガスとなり、上記加工対象物の被加工表面もしくは該被加工表面と反対側の面のうち少なくとも一方の面に向けて噴射される。すると、上記加工対象物は、上記極低温ガスが噴射された面が冷却されるとともに、内部の熱が奪われて瞬時に冷却される。これにより、上記加工対象物を冷却するのに要する時間が短くてすみ、生産性の向上を図ることができる。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項３、４または５のレーザ加工装置において、上記レーザ光の照射方向に対し垂直な面内で上記加工対象物を平行移動させる移動手段を有することを特徴とするものである。
【００２０】
この請求項６のレーザ加工装置では、請求項２に関して述べたように、上記レーザ光の照射方向と垂直な面内で上記加工対象物を平行移動させることで、該加工対象物の複数の箇所を加工したり、切断したりすることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
〔実施形態１〕
以下、本発明を固体レーザであるＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザを用いたレーザ加工装置に適用した一実施形態について説明する。図１は本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。
【００２２】
レーザ加工装置は、ＹＡＧレーザ装置１、該ＹＡＧレーザ装置内部に配設された後述するウエッジ光学基板を回転させるための回転駆動手段７、ワークを冷却するワーク冷却手段２、ワークを保持するワーク保持機構３、ワークをＸ−Ｙ方向に移動させるためのＸ−Ｙテーブル４、メインコントローラ５から主に構成されている。
【００２３】
図２は上記ＹＡＧレーザ装置１の概略構成説明図である。
ＹＡＧレーザ装置１は、ＹＡＧレーザ発振器１０と加工ヘッド１１とから構成されている。ＹＡＧレーザ発振器１０は、適量のＮｄ（ネオジウム）が添加されたＹＡＧの棒状結晶体であるレーザロッド及びこれの励起用のランプを内蔵するレーザチャンバ１２と、これから発せられる誘導放出光の光路に沿って所定の距離を隔てて対向配置されたフロントミラー１３及びリアミラー１４を備えている。
【００２４】
レーザチャンバ１２は、図中に一点鎖線にて示す如く、誘導放出光を出射する。また、上記リアミラー１４とレーザチャンバ１２との間に、シャッタ１５とＱスイッチ１６とが取り付けてある。
【００２５】
上記フロントミラー１３は、一部の光の透過が可能な反射率を有するミラーであり、レーザチャンバ１２から発せられる誘導放出光の光路にその鏡面の中心を正対せしめて取り付けてある。
上記リアミラー１４は、実質的な全反射が可能な鏡面を有しており、上記フロントミラー１３と対向するように取り付けてある。レーザチャンバ１２から発せられる誘導放出光は、フロントミラー１３とリアミラー１４との間での多重反射の間に増幅される。
【００２６】
上記シャッタ１５は、レーザチャンバ１２から発せられる誘導放出光の光路を遮断して、誘導放出光の増幅を抑えるものである。
上記Ｑスイッチ１６は、フロントミラー１３とリアミラー１４との間での共振器としてのメリット数（Ｑ値）を高め、励起原子の反転分布を発生させ、高出力のレーザパルスを取り出す作用をなすものである。なお、必要出力によっては、このＱスイッチ１６を用いなくてもよい。
【００２７】
なお、上記ＹＡＧレーザ発振器１０の構成は一例であって、これに限られるものではない。他の構成としては、例えばＬＤ励起を用いたものがある。
【００２８】
前記加工ヘッド１１は、アパーチャ１１１と、落射ミラー１１２と、ウエッジ光学基板１１３と、該ウエッジ光学基板を保持するホルダ１１４と、集光レンズ１１５とを備えている。この加工ヘッド１１は、上記ウエッジ光学基板１１３を回転させて、加工予定孔の外周に沿ってレーザ光を走査することに特徴を有している。
【００２９】
上記アパーチャ１１１は、開口の面積を変えることができるシャッタ機構を有する遮光板であり、該開口の中心を前記ＹＡＧレーザ発振器１０から発せられるレーザ光の光路に合わせて取り付けてある。上記ウエッジ光学基板１１３は、基板の表裏両面が平面であって、基板裏面（出射面）１１３ｂに微小なウエッジ角を有する光学基板である。このウエッジ光学基板１１３の基板表面（入射面）１１３ａに対し垂直にレーザ光を入射すると、入射したレーザ光が微小角度屈折して基板裏面１１３ｂから出射する。また、上記ホルダ１１４は円筒形状をなしており、ウエッジ光学基板１１３の基板表面１１３ａをレーザ光の光軸に対し垂直となるように支持する。このホルダ１１４は一対のボールベアリング１１６ａ，１１６ｂによって加工ヘッド１１のケース１１７に回動可能に支持されており、ウエッジ光学基板１１３に入射するレーザ光の光軸と同軸でウエッジ光学基板１１３を回動することができるようになっている。また、上記集光レンズ１１５はレーザ光をワークＷ上に集光させて結像させるものである。
【００３０】
前記回転駆動手段７は、ステッピングモータ７１と、該ステッピングモータの回転制御を行うステッピングモータドライバ７２と、ステッピングモータコントローラ７３と、該ステッピングモータの駆動力を伝達する駆動ギヤ７４と、従動ギヤ７５とを備えている。
上記ステッピングモータ７１はモータ本体７６と、減速器であるギヤヘッド７７と、駆動ロータ（不図示）の回転位置を検出するエンコーダ７８とからなる。モータ本体７６は、例えば５相励磁で基本ステップ角０．７２[°]のステッピングモータを用いることができる。モータ本体７６の回転はギヤヘッド７７により減速されて駆動ギヤ７４を回転させる。この駆動ギヤ７４は前記ホルダ１１４に固設された従動ギヤ７５と噛み合っていて、ホルダ１１４に保持されたウエッジ光学基板１１３を回転させるようになっている。なお、上記駆動ギヤ７４と従動ギヤ７５とは、駆動力を滑らかに且つ静粛に伝達するために、ハス歯歯車を用いることが望ましい。
上記ステッピングモータドライバ７２はモータ本体７６内部の巻線へ電流を流すための制御回路である。また、ステッピングモータコントローラ７３はステッピングモータ７１を制御するためのパルス信号を出力する回路である。
【００３１】
上記構成の回転駆動手段７において、ステッピングモータ７１の回転駆動中はオープンモードで制御を行うが、駆動ロータ（不図示）の回転位置をエンコーダ７８が検出し、サーボモータと同様に回転速度及び回転量の情報を監視している。そして、脱調しそうになると即座にクローズドモードに切り替えて制御を行い、脱調を防ぐようになっている。これにより、上記ウエッジ光学基板１１３を所望の回転速度で安定して回転することができる。
【００３２】
前記ワーク冷却手段２は、図１に示すように、ワークＷを冷却するレンガ状の固体二酸化炭素（以下、「ブロックドライアイス」という）２１と、このブロックドライアイス２１を保持する断熱トレイ２２と、ブロックドライアイス２１をワークＷの裏側の面に付勢して当接させるための一対のコイルスプリング２３，２４とから構成されている。上記ブロックドライアイス２１は大気中での融解温度が−７８．９[℃]であり、融解して固体から直接気体に変化する（昇華）。このブロックドライアイス２１をワークＷの裏側の面に当接させることで、ワークＷが冷却され、表側の面に大気中の水分が凝結して結露する。なお、ブロックドライアイス２１は、常温では昇華して徐々になくなってしまうので、保冷庫等に保管しておき、加工開始前に保冷庫等から取出して装置にセットする。
【００３３】
前記ワーク保持手段３は、一対のワーク保持部材３１，３２と、一対のワーク押え３３，３４とからなる。一対のワーク保持部材３１，３２にワークＷを載置し、図中左側のワーク保持部材３１の段差部３１ａでワークＷを位置決めした後、一対のワーク押え３３，３４でワークＷを固定して保持する。なお、上記一対のワーク押え３３，３４は、上記ワーク冷却手段２の一対のコイルスプリング２３，２４の付勢力に抗してワークＷを浮き上がらないように押えて固定することができるようになっている。
【００３４】
前記Ｘ−Ｙテーブル４は、Ｘ−Ｙテーブル本体４１と、Ｘ−Ｙテーブル本体４１を制御するＸ−Ｙテーブルコントローラ４２とから主に構成されている。Ｘ−Ｙテーブル本体４１には、上記ワーク保持手段３の一対のワーク保持部材３１，３２が固設されている。
【００３５】
前記メインコントローラ５は、レーザ加工装置全体を制御するものであり、ＹＡＧレーザ装置１、Ｘ−Ｙテーブルコントローラ４２、ステッピングモータコントローラ７３が接続されている。
【００３６】
次に、上記構成のレーザ加工装置によって、ワークＷとして外径φ１００[ｍｍ]、厚さ０．８[ｍｍ]の円板状のセラミックス板に、内径φ６００[μｍ]の貫通孔の加工を行う場合について説明する。
【００３７】
まず加工準備として、メインコントローラ５に貫通孔の加工径、個数及び加工位置等の加工情報を入力する。加工情報入力後、ブロックドライアイス２１を保冷庫等から取出して断熱トレイ２２に載置する。そして、ワークＷを一対のワーク保持部材３１，３２に載置し、図中左側のワーク保持部材３１の段差部３１ａで位置決めした後、一対のワーク押え３３，３４で押えて固定する。このとき、ブロックドライアイス２１がワークＷの裏側の面に確実に当接していることを確認する。ワークＷは常温の大気雰囲気中（例えば、２０[℃]、５０[％ＲＨ]）に置かれているので、ワークＷの表側の面には大気中の水分が凝結して結露する。この結露を目視で確認する。以上で加工準備が完了する。なお、上記ワークＷが冷却され、その表側の面に大気中の水分が結露するには、ワークＷの裏側の面にブロックドライアイス２１を当接させてから常温で概ね数秒から数十秒かかる。
【００３８】
上記加工準備が完了したら、メインコントローラ５の図示しない加工開始スイッチを押圧することによって加工が開始する。
すると、上記加工ヘッド１１のアパーチャ１１１（図２参照）は、ワークＷ上にφ１００[μｍ]のスポット径のレーザ光Ｌを照射するように自動的に調整される。また、Ｘ−Ｙテーブル４によって最初の貫通孔を加工する位置にレーザ光Ｌが結像するようにワークＷを位置決めする。
【００３９】
そして、図２において、上記ＹＡＧレーザ発振器１０のレーザチャンバ１２から発せられる誘導放出光は、フロントミラー１３とリアミラー１４との間を往復する間に、Ｑスイッチ１６の作用を受け、フロントミラー１３を経て加工ヘッド１１のアパーチャ１１１にレーザ光として送り出される。アパーチャ１１１を通過したレーザ光は落射ミラー１１２で光路を９０度折り曲げられた後にウエッジ光学基板１１３に入射する。レーザ光の入射に先立って上記ウエッジ光学基板１１３は回転駆動手段７によって回転している。このため、ウエッジ光学基板１１３に入射したレーザ光は、光路が微小角度屈折して出射し、集光レンズ１１５に入射する。集光レンズ１１５に入射したレーザ光は、集光されてφ１００[μｍ]のスポット径を持ったレーザ光ＬとなってワークＷに対しパルス状に断続的に照射される。このとき、上記レーザ光Ｌのスポット外周は加工予定孔に内接しながら該加工予定孔に沿って走査される。そして、徐々に深く加工されていき、ついにはワークＷの裏側の面まで貫通する。
【００４０】
図３（ａ）〜（ｄ）は、レーザ光ＬによるワークＷの加工状態を経時的に示した説明図である。
図３（ａ）において、前記ウエッジ光学基板１１３（図２参照）により、上記レーザ光Ｌはその光軸中心が加工予定孔の中心に対して２５０[μｍ]ずれた位置に照射される。また、図３（ｂ）において、ウエッジ光学基板１１３の回転により、レーザ光Ｌは加工予定孔の中心から半径２５０[μｍ]の円周に沿って走査され照射位置が移動する。そして、図３（ｃ）に示すように、ワークＷの加工部位は螺旋状に徐々に深く加工されていく。ワークＷの裏側の面まで貫通すると、図３（ｄ）に示すように、レーザ光Ｌが照射された部分の内側がワークＷから分離し、ワークＷにφ６００[μｍ]の貫通孔が形成される。
【００４１】
ここで、本実施形態に係るレーザ加工装置では、ワークＷの裏側の面にブロックドライアイス２１を当接させることで、レーザ加工で発生したデブリやドロス（以下、「ドロス等」という）がワークＷの加工部位の内部や近傍に付着することを防止できる。また、ワークＷを常温で加工する場合に比べ加工時間を短縮することができる。さらに、加工部位のクラックの発生を防止することもできる。この理由について図４（ａ），（ｂ）により説明する。ワークＷの表側の面にレーザ光Ｌを照射すると、図４（ａ）に示すように、表側の面に結露していた水分２５のうち加工部位やその近傍の水分２５がレーザ加工による熱で気化して急激に体積が膨張し、ドロスＤ等を吹き飛ばして大気中に飛散させる。また、レーザ光ＬがワークＷの裏側の面に貫通した瞬間に、図４（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌがブロックドライアイス２１に照射され、レーザ光Ｌが照射された部分が昇華して炭酸ガスが図中略鉛直上方向Ａに向かって吹き出す。この炭酸ガスの吹き出しによって、ドロスＤ等を吹き飛ばして大気中に飛散させる。これにより、ワークＷの加工部位の内部や近傍にドロスＤ等が付着することを防止できるものと考えられる。
【００４２】
また、上記ブロックドライアイス２１の冷却効果によって、ワークＷを常温でレーザ加工する場合に比べてドロスの生成を抑制して再溶着を防ぐことができるため、加工時間を短縮することができる。さらに、上記冷却効果によって、ワークＷへの熱的ストレスが緩和され加工部位のクラックの発生を防止することもできる。
【００４３】
そして、最初の貫通孔の加工が終了すると、次の加工部位の加工を行うためにＸ−Ｙテーブル４を動作させてワークＷを位置決めし、上記加工工程を繰り返す。これにより、複数の貫通孔を効率よくレーザ加工することができる。
【００４４】
以上説明したように、ワークＷの裏側の面にブロックドライアイス２１を当接させてワークＷを冷却するという簡単な方法で、加工部位の内部や近傍にドロス等が付着することを防止できる。また、上記ブロックドライアイス２１の冷却効果によって、ワークＷを常温で加工する場合に比べてドロスの生成を抑制して再溶着を防ぎ、加工時間を短縮することができる。さらに、上記冷却効果によって、ワークＷへの熱的ストレスが緩和され加工部位のクラックの発生を防止することもできる。
【００４５】
なお、上記実施形態では、ワークＷを常温の大気雰囲気中でＹＡＧレーザ加工する場合について説明したが、常温の大気雰囲気中での加工に限られるものではなく、ワークＷの冷却によりワークＷに結露が生じる湿度を持った雰囲気中であればよい。
【００４６】
また、上記実施形態では、ＹＡＧレーザを用いてワークＷを加工する装置について説明したが、これに限られるものではなく、ＣＯ２レーザやエキシマレーザを用いることもできる。また、ワークＷに複数箇所の加工を行わない場合や、作業者がその都度ワークＷの位置決めを行って複数箇所の加工を行う場合には、上記Ｘ−Ｙテーブル４を設けなくてもよい。また、ワークＷとしてセラミックス板を加工した例について説明したが、これに限られるものではなくレーザの照射により加工部位やその近傍にドロス等が付着する材質のもの、例えばプラスチック材料や金属材料を加工することも可能である。さらに、ワークＷの板厚（０．８[ｍｍ]）や貫通孔の径（φ６００[μｍ]）は加工の一例であって、これらに限られるものではない。
【００４７】
さらに、上記実施形態では、ウエッジ光学基板１１３を回転させて、加工予定孔の内径（φ６００[μｍ]）よりも小さな直径のレーザ光（φ１００[μｍ]）を走査し、加工予定孔の円周に沿って照射して貫通孔を加工したが、ワークＷにリング状のレーザ光Ｌを照射して加工したり、加工予定孔の断面積に相当するスポット径のレーザ光を照射して加工したりする場合であっても、クラック発生の防止や、デブリ等の付着を防止する効果が得られることはもちろんである。
【００４８】
〔変形例１〕
上記実施形態１では、ワーク冷却手段として、ドライアイスを当接させて冷却する構成について説明したが、液化ガスをワークに噴射してワークを冷却する構成とすることもできる。図５は、本変形例に係るレーザ加工装置の概略構成図である。
【００４９】
本変形例に係るレーザ加工装置は、ＹＡＧレーザ装置１、該ＹＡＧレーザ装置内部に配設されたウエッジ光学基板を回転させるための回転駆動手段７、ワーク冷却手段としての液化ガス噴射手段６、ワークを保持するワーク保持機構３、ワークをＸ−Ｙ方向に移動させるためのＸ−Ｙテーブル４、メインコントローラ５から主に構成されている。
【００５０】
本変形例に係るレーザ加工装置の液化ガス噴射手段６は、液化炭酸ガスボンベ６１、減圧弁６２、電磁弁６３、噴射ノズル６４から構成されている。上記電磁弁６３はメインコントローラ５に接続しており、電気的な制御がなされる。
【００５１】
次に、上記構成のレーザ加工装置でワークＷに貫通孔の加工を行う場合について説明する。まず、メインコントローラ５に貫通孔の加工径等の加工情報を入力し、ワーク保持機構３でワークＷを保持した後に、メインコントローラ５の図示しない加工開始スイッチを押圧する。すると、上記電磁弁６３がオンになって噴射ノズル６４から液化炭酸ガスが噴射し、該液化炭酸ガスが気化して極低温炭酸ガス６５となって、ワークＷの表側の面に噴射される。すると、ワークＷは表側の面が冷却されるとともに内部の熱が奪われて瞬時に冷却され、該表側の面に大気中の水分が結露して付着する。上記極低温炭酸ガス６５は加工終了まで連続もしくは断続的にワークＷに向けて噴射される。そして、上記電磁弁６３がオンしてから数秒後に、ＹＡＧレーザ装置１がワークＷの表側の面に、例えばφ１００[μｍ]のレーザ光Ｌをパルス状に断続的に照射する。すると、ワークＷの表側の面に結露していた水分のうち加工部位やその近傍の水分がレーザ加工による熱で気化して急激に体積が膨張し、上記ドロス等を吹き飛ばして大気中に飛散させる。これにより、ワークＷの加工部位の内部や近傍にドロス等が付着することを防止できる。
また、上記極低温炭酸ガス６５の冷却効果によって、ワークＷを常温でレーザ加工する場合に比べてドロスの生成を抑制して再溶着を防ぐことができるため、加工時間を短縮することができる。さらに、上記冷却効果によって、ワークＷへの熱的ストレスが緩和され加工部位のクラックの発生を防止することもできる。
【００５２】
以上説明したように、液化炭酸ガスを噴射して気化した極低温炭酸ガス６５をワークＷの表側の面に向けて噴射するという簡単な方法で、加工部位の内部や近傍にドロスＤ等が付着することを防止できる。また、ワークＷを冷却するのに要する時間が短くてすみ、生産性の向上を図ることができる。また、加工時間の短縮や、加工部位のクラックの発生を防止することもできる。さらに、上記液化炭酸ガスボンベ６１は実施形態１で用いたブロックドライアイス２１に比べ保管や運搬等の取扱いが容易なため、操作性を向上させることができる。
【００５３】
なお、上記変形例１では、ワークＷに極低温炭酸ガス６５を噴射する構成について説明したが、極低温炭酸ガスの代わりに極低温窒素ガスを噴射しても同様の効果が得られる。また、窒素ガスは不活性ガスなので、冷却による効果に加えてドロス等の生成を抑制する効果もある。極低温窒素ガスを噴射する場合には、図５において、液化炭酸ガスボンベ６１の代わりに液体窒素ガスボンベを用いた構成とすればよい。
【００５４】
また、上記変形例１では、ワークＷの表側の面に液化ガスが気化した極低温ガスを噴射する構成について説明したが、ワークＷの裏側の面に極低温ガスを噴射しても同様の効果が得られる。また、ワークＷの表側と裏側との両面に極低温ガスを噴射してもよい。
【００５５】
また、スポットクーラーでワークを冷却する構成でもよい。上記極低温の炭酸ガスや窒素ガスを噴射する構成に比べてワークを冷却する能力は若干低いが、スポットクーラーで冷気を吹き付けることで、ワークを冷却して大気中の水分をその表側の面もしくは裏側の面に結露させることができる。これにより、加工部位の内部や近傍にドロス等が付着することを防止できる。また、加工時間の短縮や、加工部位のクラックの発生を防止することも可能となる。
【００５６】
【発明の効果】
請求項１乃至６の発明によれば、上記加工対象物であるセラミックス板を冷却し、該加工対象物の被加工表面や反対側の面に、大気中の水分が結露し水滴もしくは氷として付着している状態でレーザ加工するという簡易な方法でデブリやドロスが加工部位やその近傍に付着して堆積することを防止しつつ、加工部位のクラックの発生を防止することができるという優れた効果がある。また、上記加工対象物を常温で加工する場合に比べ加工時間を短縮することができるという優れた効果もある。
【００５７】
特に、請求項２及び６の発明によれば、上記レーザ光の照射方向に対し垂直な面内で上記加工対象物を平行移動させることで、該加工対象物の複数の箇所を加工したり、切断したりすることができるという優れた効果がある。
【００５８】
特に、請求項４の発明によれば、上記固体二酸化炭素を加工対象物の裏側の面に当接させた状態でレーザ加工を行うことで、該加工対象物の冷却で結露した水分の気化に加え、炭酸ガスの吹き出しで上記デブリやドロスを吹き飛ばして、加工部位の内部や近傍への該デブリやドロスの付着をより防止できるという優れた効果がある。また、上記固体二酸化炭素で上記加工対象物が瞬時に冷却されるので、生産性の向上を図ることができるという優れた効果もある。
【００５９】
特に、請求項５の発明によれば、上記極低温ガスで上記加工対象物が瞬時に冷却されるので、生産性の向上を図ることができるという優れた効果がある。特に、液化ガスを充填した液化ガスボンベを用いた場合には、該液化ガスボンベは保管や運搬などの取扱いが容易なので、操作性の向上を図ることができるという優れた効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図。
【図２】ＹＡＧレーザ装置の概略構成図。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、レーザ光でワークを螺旋状に加工するときのワーク断面の説明図。
【図４】（ａ），（ｂ）は、レーザ光でワークを加工するときの断面の説明図。
【図５】変形例に係るレーザ加工装置の概略構成図。
【符号の説明】
１        ＹＡＧレーザ装置
２        ワーク冷却手段
３        ワーク保持手段
４        Ｘ−Ｙテーブル
５        メインコントローラ
６        液化ガス噴射手段
７        ウエッジ光学基板の回転駆動手段
１０      ＹＡＧレーザ発振器
１１      加工ヘッド
２１      ブロックドライアイス
２５      ワーク表面に結露した水分
６１      液化炭酸ガスボンベ
６４      噴射ノズル
６５      極低温炭酸ガス
Ｄ        ドロス等
Ｗ        ワーク
【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】
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