(57)【要約】  【課題】  従来の熱影響に敏感な電子デバイスを含む脆性材料を有する複合材料のレーザ加工技術は、熱影響の低減する加工と生産性が相反する関係にあり、両立せず実用化が妨げているという課題を有していた。  【解決手段】  本発明のレーザ加工装置は、被加工物の熱影響が低い部分と高い部分が相対移動の方向に対して略直角方向に位置するように駆動手段を回転する回転手段を設けかつ被加工物の熱影響が低い部分から熱影響が高い部分への方向とレーザビームのエネルギーが低くなる勾配の方向を略一致させる位置に調整手段、またはビーム形状変更手段により被加工物の熱影響が低い部分にエネルギーが高い小さなビームスポットを形成し、被加工物の熱影響が高い部分にエネルギーが低い大きなビームスポットを形成する手段を備えたものである。【選択図】  図１
2007021526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス状のレーザビームを出力するレーザ出力手段と、前記レーザビームのエネルギー分布をビームスポット内で異ならせる調整手段と、前記調整手段を経たレーザビームと熱影響の異なる部材で構成した被加工物を相対移動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段を備え、前記被加工物の熱影響が低い部分と高い部分が前記相対移動の方向に対して略直角方向に位置するように駆動手段を回転する回転手段を設けかつ前記被加工物の熱影響が低い部分から熱影響が高い部分への方向とレーザビームのエネルギーが低くなる勾配の方向を略一致させる位置に調整手段を配置したレーザ加工装置。
【請求項２】
前記調整手段は、レーザビームのエネルギー分布をビームスポット内で異ならせるとともにレーザビームのパターンを楕円又は矩形状に整形し、前記整形したレーザビームの楕円の長手方向又は矩形の長辺方向と前記相対移動の方向を略一致させる位置に前記調整手段を配置し、前記制御手段でパルス状のレーザビームパターンの一部が重複する速度に前記駆動手段を制御する請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
パルス状のレーザビームを出力するレーザ出力手段と、前記レーザビームのビームスポットの形状を異ならせるビーム形状変更手段と、前記ビーム形状変更手段を経たレーザビームと熱影響の異なる部材で構成した被加工物を相対移動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段を備え、前記被加工物の熱影響が低い部分と高い部分が前記相対移動の方向に対して略直角方向に位置するように駆動手段を回転する回転手段を設け、かつ前記ビーム形状変更手段により被加工物の熱影響が低い部分にエネルギーが高い小さなビームスポットを形成し、前記被加工物の熱影響が高い部分にエネルギーが低い大きなビームスポットを形成するレーザ加工装置。
【請求項４】
前記ビーム形状変更手段は、レーザビームのパターンを楕円又は矩形状のビームスポットの寸法を変更し、前記変更したレーザビームの楕円の長手方向又は矩形の長辺方向と前記相対移動の方向を略一致させる位置に前記ビーム形状変更手段を配置し、前記制御手段でパルス状のレーザビームパターンの一部が重複する速度に前記駆動手段を制御する請求項３記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物にグルービング加工を施すレーザ加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、被加工物となる複合材料に対し加工時に機械応力のかからないレーザ加工が注目されている。特に、複合材料が脆性材料である場合、機械加工ではマイクロクラックや応力による材料剥離が入り大きな問題となっている。このような場合、一般に図６に示すような２ステップの加工が実施されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
以下、図６を使用してプロセスの説明をする。図６に記載された２０１はレーザ光、２０２は被加工物であり、表層にラミネートまたは蒸着された脆性材料である。さらに、２０３は被加工物のベース基材、２０４はレーザで加工された加工溝、２０５は、機械式のプロセスの例として切断ホイールであるが、エンドミルによるマシニングでも良い。前述したようにこのような脆性材料が表層にある被加工物をマシニングする場合表層の脆性材料２０２に機械式のホイール２０５またはエンドミルを直接押し当てて加工をするとマイクロクラックや応力による材料剥離が発生する。そこで、最近では、ＳＴＥＰ１としてレーザ光２０１により、表層の脆性材料２０２部分のみグルービング加工により除去し、その後ＳＴＥＰ２としてベース基材２０３に対して機械式ホイール２０５またはエンドミルを押し当てて加工することが多い。
【０００４】
図７には、このような表層に脆性材料２０１を有する複合材料に対して、ステップ１で実施するレーザ光２０１によるグルービング加工を実施するためのレーザ加工装置の構成について記載した。
【０００５】
図７において、１０１はレーザ発振器、１０２はコリメータユニット、１０３はベンドミラー、１０４は集光レンズ、１０５はＸ−Ｙテーブルの移動軸、１０６は被加工物を固定する手段を有する加工テーブル、１０７は脆性材料を表層に有する複合材料を含む被加工物である。
【０００６】
以下、図７を用いて、従来のレーザグルービング技術について説明する。レーザ発振器１０１から出力されたレーザ光は、コリメータユニット１０２で所定の集光径になるようにレーザビーム径を変換され、ベンドミラー１０３を通して集光レンズ１０４に導かれる。集光レンズ１０４は加工テーブル１０６に固定されたレーザ光を被加工物１０７上に集光し、加熱除去加工を実施する。その時、Ｘ−Ｙ移動軸１０５により、レーザ照射中被加工物１０７は移動され、線状の加工溝が形成される。この時、特に脆性材料がある場合、材料表面にかかる熱応力をさけるため一般にパルスレーザが使用される。パルスレーザを使用することで、単位面積にかかる入熱をきめ細かく制御することが可能であり、被加工物にかかる熱応力を必要最小限にすることで加工品質を確保することができる。他方、使用するレーザがパルスレーザであることから連続した加工溝を形成する場合、レーザパルスとパルスの照射位置にある程度のオーバーラップが必要である。
【０００７】
ところが、最近さらに脆性材料を含む複合材料の構成が電子デバイスを中心に煩雑になってきている。図８には、最近の電子デバイスの構成例と従来のレーザグルービング加工方法を示した。図８において、３０１は熱影響を受けにくい電子デバイス、３０２は表層の脆性材料層、３０３はベース基材、３０４はレーザ光、３０５は加工溝、３０６は熱影響を受けやすい電子デバイスである。それでは、図８を用いて、従来のレーザグルービング加工方法について説明する。図８にあるように、表層にある脆性材料３０２を除去するために熱影響を受けやすい電子デバイス３０１の近傍をレーザ光３０４により加工しないといけない場合が少なくない。図８（ａ）には電子デバイスが熱影響を受けにくいデバイスである場合に利用されている加工方法であり、脆性材料３０２を１回の加工で全て除去する。当然、レーザによる除去加工による熱負荷が脆性材料にかかるため加工溝の側面には熱影響部分が残留する。図８（ｂ）は、一般に熱影響に敏感な電子デバイスの加工時に利用されるマルチパス手段を用いた加工方法である。この場合、マルチパスの回数が増加するにつれ、パルスエネルギを下げることが可能であり１パス当りの入熱が下げられるため、脆性材料３０２の加工時の温度上昇が少なく、周辺部位特に熱影響を受けやすい電子デバイス３０６に対する熱負荷が小さくなる。しかし、パス回数が増加するにつれ熱影響など加工品質は改善するが、生産性は著しく低下する課題が残る。
【特許文献１】特開２００３−３２０４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来の熱影響に敏感な電子デバイスを含む脆性材料を有する複合材料のレーザ加工技術は、熱影響の低減する加工と生産性が相反する関係にあり、両立せず実用化が妨げているという課題を有していた。
【０００９】
本発明は、レーザグルービング加工部位に照射するレーザ光の強度に分布を持たせるより、熱影響に敏感な部位の熱負荷を低減しつつ生産性を維持することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のレーザ加工装置は、被加工物の熱影響が低い部分と高い部分が相対移動の方向に対して略直角方向に位置するように駆動手段を回転する回転手段を設けかつ被加工物の熱影響が低い部分から熱影響が高い部分への方向とレーザビームのエネルギーが低くなる勾配の方向を略一致させる位置に調整手段、またはビーム形状変更手段により被加工物の熱影響が低い部分にエネルギーが高い小さなビームスポットを形成し、被加工物の熱影響が高い部分にエネルギーが低い大きなビームスポットを形成する手段を備えている。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように、本発明は被加工物の熱影響が低い部分と高い部分が相対移動の方向に対して略直角方向に位置するように駆動手段を回転する回転手段を設けかつ被加工物の熱影響が低い部分から熱影響が高い部分への方向とレーザビームのエネルギーが低くなる勾配の方向を略一致させる位置に調整手段、またはビーム形状変更手段により被加工物の熱影響が低い部分にエネルギーが高い小さなビームスポットを形成し、被加工物の熱影響が高い部分にエネルギーが低い大きなビームスポットを形成する手段を備えることにより、熱影響に敏感な部位の熱負荷を低減しつつ１回の加工で必要なエネルギー投入が可能となり、熱影響等の高品質確保と生産性を両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例について、図１を用いて説明する。
【００１３】
図１には、本発明の実施例を示した。図１において、１はエネルギー勾配を作る整形光学系であり、２はその角度を回転機構により制御する制御装置である。その他の構成は、従来の技術とおなじである。それでは、図１を用いて、本発明のレーザグルービング技術について説明する。レーザ発振器１０１から出力されたレーザ光は、コリメータユニット１０２で所定の集光径になるようにレーザビーム径を変換され、ベンドミラー１０３を通してエネルギー勾配を作る整形光学系１に入り、集光レンズ１０４に導かれる。集光レンズ１０４は加工テーブル１０６に固定されたレーザ光を被加工物１０７上に集光し、過熱除去加工を実施する。その時、Ｘ−Ｙ移動軸１０５により、レーザ照射中被加工物１０７は移動され、線状の加工溝が形成される。図１に示されるようにＸ−Ｙテーブルを用いたシステムでは、エネルギー勾配を作る整形光学系１の角度は最初の試験加工で、熱影響に対して弱い部位の方向にエネルギーの低い分布が配置されるようにエネルギー勾配を作る整形光学系１の角度をＸ軸、Ｙ軸独立に制御装置２により制御され、Ｘ−Ｙの方向が変更になった場合はエネルギー勾配を作る整形光学系１の角度があらかじめ設定された角度だけ回転する。また、Ｘ−Ｙ−Θテーブルの場合は、エネルギー勾配を作る整形光学系１をプリセット固定し、テーブル側で加工方向を変更することも可能である。
【００１４】
図２には、本発明のエネルギー勾配を作る整形光学系１を利用したレーザ加工の模式図を示した。図２において、１１は熱影響を受けやすい部位、１２は表層にある脆性材料からなる被加工物、１３はベース基材、１４はエネルギー勾配を持ったレーザ光、１５は本発明のレーザ光で形成された加工溝である。図２からも明らかであるように、エネルギー勾配を有するレーザ光１４は、熱影響を受けやすい部位１１に近い方にエネルギー密度の低い部分がくるように制御されたレーザ光により加工され、熱影響を受けやすい部位１１に近い方が浅くなる加工溝を形成する。熱影響を受けやすい部位１１はエネルギー密度の高い部分から距離的に離れた位置になるため、ある程度熱伝導で加熱されるが比較的熱負荷を小さくすることが可能である。従って、エネルギー分布により熱影響を受けやすい部位１１にかかる熱負荷を軽減できることから、より大きいパルスエネルギーで加工を行い、１回の加工で除去加工を完了させることができ、生産性を最大にすることが可能である。
【００１５】
図３には実際に設計したエネルギー勾配を持ったビーム形状を示す。図３に示したレーザビーム形状はＤＯＥなどの技術を用いて簡単に作ることが可能である。このようにして設計し実現されたレーザビームのエネルギー分布をビームプロフィーラーで測定し、エネルギー勾配を実測した上で、熱影響を受けやすい部位１１に近い方にエネルギー密度の低い部分がくるように配置し、加工溝を形成する。
【００１６】
エネルギー勾配をもつビーム整形はＤＯＥの技術を用いて実現することも可能であるが、脆性材料が変わった場合などエネルギー勾配を変更が伴う場合には再設計が必要になる。そこで、工学的に非常に簡便であり、フレキシビリティのあるトップハットビーム整形光学系を利用した方法を図４に示した。図４においては、４１はコリメータ内の固定側レンズであり、４２はコリメータ内の移動側のレンズであり、他は従来の技術と同じである。トップハットビーム整形光学系を非球面レンズまたはＤＯＥを用いて設計し、コリメータレンズの可動側のレンズを光軸からずらすことで、トップハットビーム整形光学系に入射するレーザ光の位置を設計位置から軸外にするとビームのエネルギー分布に勾配が生まれる。エネルギー分布の勾配は設計位置からの軸外へのシフト量に比例して制御可能であり、簡便に勾配を制御できる。エネルギー勾配をもつビーム整形はトップハットビーム整形光学系に入射する位置を制御することで実現でき、本実施例のように可動側レンズをシフトする方法だけでなく、コリメータレンズをティルトすることでも実現できる。また、プリズムを挿入しポジションを制御したり、斜めにウィンドウを挿入し傾きを制御したりする方法などもある。
【００１７】
図５には、２ステップ加工について記載した。図５において、５１は熱影響を受けやすい部位、５１２は表層にある脆性材料からなる被加工物、５３はベース基材、５４はエネルギーが高い小さなビームスポットを有するレーザ光、５５はエネルギーが高い小さなビームスポットを有するレーザ光で形成された加工溝、５６はエネルギーが低い大きなビームスポットを有するレーザ光で形成された加工溝、５７は形エネルギーが低い大きなビームスポットを有するレーザ光である。図５からも明らかなように、ビーム形状変更手段により被加工物の熱影響が低い部分にエネルギーが高い小さなビームスポットを形成し、被加工物の熱影響が高い部分にエネルギーが低い大きなビームスポットを形成する手段にを備えることにより同様の熱影響に敏感な部位の熱負荷を低減することが可能である。図５には解りやすいように２ステップ加工として記載したが、この２つのレーザ光をコンビネーションビームとして同時に加工できるようにＤＯＥなどを用いて製作することが可能であり、その場合か高品質と生産性の両立が図られる。
【００１８】
以上のように、本実施の形態によれば被加工物の熱影響が低い部分と高い部分が相対移動の方向に対して略直角方向に位置するように駆動手段を回転する回転手段を設けかつ被加工物の熱影響が低い部分から熱影響が高い部分への方向とレーザビームのエネルギーが低くなる勾配の方向を略一致させる位置に調整手段、またはビーム形状変更手段により被加工物の熱影響が低い部分にエネルギーが高い小さなビームスポットを形成し、被加工物の熱影響が高い部分にエネルギーが低い大きなビームスポットを形成する手段を備えることにより、熱影響に敏感な部位を含む脆性材料を有する複合材料のレーザ加工技術において加工品質と生産性を両立することができる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明のレーザ加工装置は、加工品質と生産性を両立することができ、被加工物にグルービング加工を施すレーザ加工装置として産業上有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態におけるレーザ加工装置の構成の概要を示す図
【図２】本発明の実施の形態におけるエネルギー勾配を作る整形光学系を利用したレーザ加工の模式図
【図３】本発明の実施の形態におけるエネルギー勾配を持ったビーム形状の模式図
【図４】本発明の実施の形態におけるエネルギー勾配をもつビーム整形の光学系の概要を示す図
【図５】本発明の実施の形態における２ステップ加工を説明する図
【図６】従来の脆性複合材料の加工プロセスの流れを説明する図
【図７】従来のレーザ加工装置の構成図
【図８】最近の電子デバイスの構成例と従来のレーザグルービング加工方法を説明する図
【符号の説明】
【００２１】
１  ・・・エネルギー勾配を作る整形光学系
２  ・・・回転機構により制御する制御装置
１１・・・熱影響を受けやすい部位
１２・・・表層にある脆性材料からなる被加工物
１３・・・ベース基材
１４・・・エネルギー勾配を持ったレーザ光
１５・・・本発明のレーザ光で形成された加工溝
４１・・・コリメータ内の固定側レンズ
４２・・・コリメータ内の移動側のレンズ
５１・・・熱影響を受けやすい部位
５２・・・表層にある脆性材料からなる被加工物
５３・・・ベース基材
５４・・・エネルギーが高い小さなビームスポットを有するレーザ光
５５・・・エネルギーが高い小さなビームスポットを有するレーザ光で形成された加工溝
５６・・・エネルギーが低い大きなビームスポットを有するレーザ光で形成された加工溝
５７・・・エネルギーが低い大きなビームスポットを有するレーザ光
１０１・・レーザ発振器
１０２・・コリメータユニット
１０３・・ベンドミラー
１０４・・集光レンズ
１０５・・Ｘ−Ｙテーブルの移動軸
１０６・・被加工物を固定する手段を有する加工テーブル
１０７・・脆性材料を表層に有する複合材料を含む被加工物
２０１・・レーザ光
２０２・・被加工物（表層の脆性材料を含む）
２０３・・被加工物のベース基材
２０４・・レーザで加工された加工溝
２０５・・機械式ホイール
３０１・・熱影響を受けにくい電子デバイス
３０２・・表層の脆性材料層
３０３・・ベース基材
３０４・・レーザ光
３０５・・加工溝
３０６・・熱影響を受けやすい電子デバイス
【図１】
2007021526.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2007021526.tif 000008
【図７】
2007021526.tif 000009
【図８】
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