(57)【要約】【課題】  微細加工を目的としたレーザー加工装置において、高アスペクト比５以上の穴加工は加工径が一定にならないことや、貫通しない穴加工など実現が容易で無い加工が課題であった。【解決手段】  レーザービームを偏芯させる手法において、偏芯の基点と集光レンズの位置、および、集光レンズの焦点距離を一定の位置関係に配置することによる偏芯手法と、加工により生じる蒸散物を除去する手法により、貫通しない高アスペクト比の穴加工を実現するレーザー加工手法を提供する。【選択図】図１
2009269084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工を目的としたレーザーを光学装置において、集光点を含む面内（光軸に垂直な面）において、集光点が集光状態を維持したまま面内を移動することで、集光点１点だけを加工するのではなく、面を加工できる機能を有する、偏芯光学系および集光光学系を持つレーザー加工機。
【請求項２】
上記のレーザーを偏芯させる光学系において、反射型光学系構成により構成した角度付与機構を有し、かつ、その偏芯光学系が回転することで、入射するレーザーが規定する光軸に対して、偏芯してレーザーが出射する機能を有する光学系。
【請求項３】
上記偏芯光学系は、内部の構成要素である反射光学素子の微動により、偏芯位置と偏芯角度を自在に調整できる機構を有する光学系
【請求項４】
偏芯光学系と加工に寄与するレンズを含む集光光学系の位置関係において、集光レンズ光学系の焦点距離は、偏芯光学系により作られる、偏芯の基点と同一距離となるように配置することで、集光レンズを経たレーザーが光軸と平行となるように規定した光学系。
【請求項５】
上記の光学系による機能を補助するために、被加工物内部に形成される、加工塵を磁場あるいは電場を与えることにより集光点付近より除去する機能を有する、被加工物固定方法を有するレーザー加工装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【００１】本発明は、レーザーでアスペクト比の大きい穴を加工する際、ビームを適切に偏芯させること、および、被加工物内部の集光点付近の加工塵を取り除くことにより、従来技術では加工できなかった穴を形成する技術を提供することに関する。
【背景技術】
【０００２】従来、レーザーを用いて穴あけ加工を行うには、アスペクト比（穴径と深さの比）に応じて、焦点深度の長い、つまりレーリーレンジの長い、集光レンズを用いて、集光レンズを被加工物に対して穴の深さ方向に移動させる制御を行うにより、穴の深さ方向の加工が実施される。加工穴が被加工物を貫通する場合は、上記の従来技術でほとんどの穴加工は実施できる。しかし、穴径が数十ミクロン程度以下で、アスペクト比が１０に近く、さらに、穴先端が被加工物を貫通しない場合などの条件が重なると、従来技術で加工することは容易ではない。【０００３】フェムト秒レーザー加工は、従来のレーザーと比較して、熱を発生しにくい加工技術として知られている。被加工物が難加工材料であり、かつ高アスペクト比穴加工など、フェムト秒レーザーと上記の従来手法を用いた加工が試みられているが、加工した穴の先端部が細くなるなど適切な手法が確立されていない。フェムト秒レーザーの特長を生かすためにも、難加工材料に対して、高アスペクト比であり、かつ貫通しない穴加工を実現する新たな技術の確立が望まれている。【０００４】
【特許文献】特開２００８−０１０４８９  特開２００７−３３０９８５  特開２００７−１３６４７１  特開２００２−２３２１４３  特表２００８−５０２８９７  特表２００２−５０９０３３  特開２００５−０２１９６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】レーザーを用いて微細加工する際、レーザー集光点付近だけが加工点となり、集光点以外では、加工が進行しないことが精度の高い加工を実現する上で重要となる。また、微細加工の精度を保つためには、焦点の径（集光径）はできるだけ微細にする必要がある。【０００６】  目的とする穴径と微細加工を実現するレーザー集光径に寸法差が生じた場合、集光点位置を加工面積領域に渡り２次元的あるいは３次元的にスキャンさせるように移動させる必要もある。その加工が被加工物の表面などの場合は、上記のスキャン制御は容易であるが、高アスペクト比（穴径と深さの寸法比が５以上）の穴加工では単純なスキャンでは対応できない。また、従来の方法では、アスペクト比が高くなるほど、加工先端部の径が細くなる傾向にあり、被加工物の入り口部（加工開始箇所）の径と比較して大きな差が出てしまう欠点があった。【０００７】  さらに、貫通しない加工で、かつアスペクト比が高くなると、加工により生じる被加工物の塵、デブリ、ドロスなど、加工先端部の加工を進行させる上で障害となる粒子や粒塊が増大する。この残留した粒子や粒隗と集光点が作り出すプラズマとの間で相互作用することで、加工先端部が被加工物の側面部に異常な加工痕を残すなどの不具合が発生する欠点があった。【０００８】  従来、加工点をスキャンする手法のひとつとして、レーザービームを偏芯して回転させる方法が知られている。この方法では、平行平面に加工した光学ガラス板を集光レンズと光源の間に設置することにより、このガラス板に入射するビームの入射角を変えることにより、光軸からの偏芯量を制御していた。しかし、この光学系では、通過したビームは、光軸に対して常に平行であり、また、偏芯調整量は、ガラスの厚さに依存しており、一つのガラス板では偏芯量を大きく可変できなかった。集光レンズの光軸に平行にビームが入射すると、焦点位置にビームは集まり、上記の光学系で偏芯させたビームが入射しても、光軸に平行である限り、焦点位置を中心にした歳差運動しかしないため、焦点位置を焦点面内で移動させることはできない欠点があった。この手法は、穴が貫通し、円錐状の加工形状を形成するときには有効であるが、同一の穴径を保ちつつ高アスペクト比で、かつ、貫通しない穴加工には適切で無い手法であった。【０００９】  従来のようにガラス材料をレーザーが通過する方法では、フェムト秒レーザーパルスの通過に対しては、大きな分散効果を与えることになり、パルス幅広がりというフェムト秒加工にとっては欠点となる現象が生じることも課題であった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】上述の技術的課題を解決するために、本発明では、高アスペクト比の穴加工における加工点のスキャンを行う手法として、集光レンズに入射するビームを、その偏芯がレンズの中心軸の周りに回転するように偏芯させることができる偏芯光学系をもちいることにより、焦点位置が、焦点面内で円弧を描くように移動する光学系を加工用集光レンズとレーザー光源の間に設置する。【００１１】  この偏芯光学系の偏芯角を作る光軸上の起点から、集光レンズまでの距離を集光レンズの焦点距離と同一にすると、集光レンズからの出射ビームは平行となり、集光点で円弧の軌跡となる。その移動軌跡が作り出す加工面積は、集光レンズの焦点距離と、偏芯光学系が作り出した偏芯ビームと光軸との角度と、集光レンズと偏芯光学系の設置距離の３つのパラメーターにより決定される。【００１２】  この３つのパラメーターを適切に調整することにより、集光点の集光径よりも広い面積に亘って集光点（加工点）を移動させることが可能となり、さらに、この相対的位置関係を保存した状態で、集光レンズを穴の深さ方向に移動させることにより、加工先端部が細くならない加工を実現することが可能となる。【００１３】  特にフェムト秒レーザー加工では、加工先端部では、フェムト秒レーザー加工によって蒸散した物質が、加工先端部に生じているプラズマと相互作用を引き起こし、プラズマの制御を困難にしている。プラズマを安定させ、加工を開始した表面と同様の状態で加工を進行させるには、穴の深部に生じている飛散物を取り除く必要がある。【００１４】  この課題解決のために、被加工物の加工端付近に永久磁石あるは電磁石あるいは電場を印加する装置を配置することにより、加工が進行することにより加工穴の下部に生じる飛散物を上部の加工端へ移動させる機能を持たせた保持具を提供する。特に、被加工物が着磁性である場合、フェムト秒レーザー加工による飛散物は着磁性を示す。また、被加工物が着磁性でなくても、フェムト秒レーザーによる蒸散物が磁場に対して影響される物性を示す場合は、加工点付近から除去することは可能となり、同様の効果が得られる。この結果を利用して、かつ、上記偏芯手段を利用することにより、高アスペクト比の穴加工を実現する。
【発明の効果】
【００１５】  本発明を用いることにより、従来容易でないとされてきた、貫通しない穴加工で、かつ高アスペクト比の穴加工が難加工材料に対しても可能となり、産業機器として、高度医療器具の実現など高い付加価値の製品を生み出す精密微細加工レーザーシステムを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】  以下図を参照しながら本発明の詳細を説明する。図１に本発明を使用したレーザー加工システムの全体構成の一例を示す。レーザー光源からのレーザービーム１は、ビームの位置や角度を調整する光軸調整機構２を経て、ビーム折り曲げミラー３に入射する。ビーム折り曲げミラー３は、それに付随した微動機構により、ビームの方向を被加工物１０に向ける。このときのビームの方向が、このシステムの光軸８となる。ビーム折り曲げミラーから反射したビームは、先ず、偏芯光学系４に導かれる。この偏芯光学系４は光軸８に対して偏芯したビーム６を発生する。そして、偏芯ビーム６は集光レンズ光学系５に導かれ、集光ビーム７として出射し、そのまま被加工物１０に焦点を結ぶ。この焦点は、偏芯光学系４が光軸８の周りに回転１９することにより、偏芯ビーム６および集光ビーム７は回転し、被加工物の上に円弧の軌跡を描くように移動する。【００１７】  被加工物１０は、被加工物保持台１２により、Ｘ−Ｙ移動機構１３に固定されている。また、被加工物１０の上部には、蒸散物集塵機構１１が設置されており、加工穴の奥付近に発生する蒸散物を外部に取り出す機能を有する。そして、Ｚ軸上下機構９により、偏芯光学系４と集光レンズ光学系５は光軸８方向に移動することができる。【００１８】  偏芯光学系４において、光軸８に対して偏芯を与える基点１４から計測して、集光レンズ光学系５のレンズの中心位置１６、集光レンズ光学系が複合レンズの場合は等価単レンズとみなしたときの中心位置、までの距離１５が、集光レンズ光学系５の焦点距離１７と一致するように配置する。すなわち、加工点位置１８は、集光レンズ光学系５で決定される焦点距離１７で決まり、加工点位置１８から集光レンズ光学系の光学的中心位置１６までの距離と、集光レンズ光学系中心位置１６から偏芯光学系の基点１４までの距離は焦点距離１７と等しい。Ｚ軸光学系９はこれらの位置関係を保持したままで光軸８に沿って上下する。【００１９】  図２を用いて偏芯光学系４と集光レンズ光学系５、および、加工焦点位置１８との位置関係を詳しく説明する。図２では、偏芯光学系４の詳細は省略し、その光学系が作り出す偏芯の基点１４のみを示す。偏芯光学系４の構成は、図３において説明する。光軸８上にある偏芯の基点１４から出る偏芯したビーム６と光軸８とのなす角度を２１とする。集光レンズ光学系５を通過したビーム７が、偏芯光学系４の回転によって作り出されるビーム２０との最大偏芯量を２２とする。【００２０】  集光レンズ光学系における焦点距離１７と集光レンズ光学系の中心位置１６、および、偏芯光学系の基点１４が同じ距離に設置されていることから、偏芯角度２１を変化させることにより、変位量２２は自在に可変できる。このとき、光軸に対してビーム７、およびビーム２０は、レンズの基本原理に基づき平行を保っている。【００２１】  焦点付近の拡大図２３に示すように、加工点位置１８における集光点の寸法２４と、偏芯光学系４が作り出す回転１９に同期して回転する集光点の軌跡２５の直径２６は、偏芯量２２と一致するか、あるいは比例的な関係を保つ。偏芯角２１を変化させることにより、偏芯量２２を変化させ、加工点の直径２６を変化させることにより、加工穴の寸法を制御することができる。上記の関係を維持しながら、加工点位置１８を、被加工物１０の内部に向かって移動することにより、偏芯量２２で決定される穴を加工することが可能となる。【００２２】  図３を用いて偏芯光学系４の構成の一例を示す。光軸８を中心軸として回転する台座２７にビームを微動する４枚の反射鏡を配置する。光軸８と同軸上に入射するビーム２８は、第一の反射鏡２９に入射し、第二の反射鏡３０にビームを反射させる、次に第三の反射鏡３１を経て、第四の反射鏡３２までビームを伝送する。このときの各反射鏡の角度は微動機構により反射の法則を満足するように調整する。【００２３】  反射鏡３１から反射鏡３２に向かうビームにおいて、反射鏡３２上のビーム到達点は、反射鏡３２の微動の回転中心軸、および、光軸と交差点３３で交差しているものとする。このような配置に反射鏡３２および光軸を配置することにより、この交差点３３は偏芯光学系４の偏芯の基点１４となる。反射鏡３２を交差点３３に対して角度を微動することにより、光軸に対する偏芯角２１を可変することができる。反射鏡が配置された台座２７は、一定回転で回転するように制御された回転機構３４により、光軸の周りに回転１９する。このような機構により、回転する偏芯ビームが作られる。【００２４】  図１におけるビーム折り曲げミラー３を、上記反射鏡３２と同様にみなすことにより、偏芯光学系を簡素化できる。このとき、ビーム折り曲げミラー３の偏芯は、レーザービーム１がミラー３に入射した点と光軸８が交わる点を通る偏芯軸を中心に歳差運動させることで実現できる。【００２５】  図４を用いて蒸散物集塵機構１１の実施例を示す。被加工物の内部に加工点が入り込むと、加工により蒸散した蒸散物が加工に影響を与える場合がある。特にフェムト秒レーザー加工では、蒸散物が熱を帯びていないことと、きわめて微小であることなどから、加工点で生じているプラズマと相互作用し、加工点付近の加工痕に影響を与える。そこで、蒸散物を加工点から遠ざけるために、蒸散した粒子を電場、あるいは磁場で移動させる。図４に示す例は、被加工物１０に着磁性があり、蒸散した粒子３５にも着磁性がある場合に、加工口付近に磁石１１を配置して、内部の蒸散物を外部へ引き出す例を示している。この例では磁石１１は中空のリング形状を有する永久磁石であるが、磁場機能を電磁石に置換することにより、電気制御することにより、内部の蒸散粒子を外部まで移動させる交流磁場を与えることも可能である。図４の構成は、加工ビームが複数の場合は、同様の構成を複数設置することにより並列した加工を実施することも可能である。【００２６】  被加工物１０が着磁性であり、かつ、円柱状の場合は、被加工物保持台１２に対してＶ字溝３６を形成し、さらに、被加工物保持台１２を永久磁石あるいは、電磁石により磁化させることで、容易に被加工物１０を保持することができる。被加工物保持台１２は、Ｘ−Ｙステージ１３に取り付けられ、被加工物１０の加工中心軸３７と上述の光軸８とを一致させるように制御される。【００２７】  図５に偏芯光学系４を構成するための別の実施例を示す。この構成は、フェムト秒レーザーを光源として用いる場合において、特に光源のパルス幅が５０フェムト秒以上のときには分散によるパルス幅広がりが少ない場合において、光学系を簡素化できる手法として有効である。光軸８と同軸で入射するビーム２８は、第一の楔形ガラス板３８に入射し、次に、第二の楔形ガラス板３９に入射する。くさび状ガラス板３８と３９それぞれに対して、光軸に対して回転できる微動回転機構４０および機構４１が付随する。この回転機構を用いて、偏芯角２１を制御することができる。この機構はリスレープリズム機構として知られている。二つのくさび状ガラス板およびそれぞれの微動回転機構は偏芯回転機構４２に設置され、光軸８を中心軸として一定速度で回転させる制御機能を含む駆動機構４３により、偏芯光学系４は回転する。
【産業上の利用可能性】
【００２８】本発明は、医療分野で用いられる手術用の微小針への穴あけ加工や、半導体分野における難加工材料への高アスペクト比穴あけ加工など精密微細加工技術に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明を利用したレーザー加工システム一例を示す図である。
【図２】この発明の偏芯光学系とレンズ光学系および加工点の位置関係を示す一例である。
【図３】この発明の偏芯光学系の一例を示す図である。
【図４】この発明の蒸散物集塵機構の一例を示す図である。
【図５】この発明の偏芯光学系の簡素化例を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】  １  レーザービーム
２  光軸調整機構
３  ビーム折り曲げミラー
４  偏芯光学系
５  集光レンズ光学系
６  偏芯ビーム
７  集光ビーム
８  光軸
９  Ｚ軸上下機構
１０  被加工物
１１  蒸散物集塵機高
１２  被加工物保持台
１３  Ｘ−Ｙ移動機構
１４  偏芯の基点
１５  偏芯の基点と集光レンズの中心との距離
１６  集光レンズ光学系の光学的中心位置
１７  集光レンズ光学系の焦点距離
１８  加工点位置
１９  偏芯光学系の回転
２０  回転により作り出すビーム
２１  偏芯角度
２２  最大偏芯量
２３  焦点付近拡大図
２４  集光点の寸法
２５  集光点の軌跡
２６  集光点の軌跡の直径
２７  回転する台座
２８  入射ビーム
２９  第一反射鏡
３０  第二反射鏡
３１  第三反射鏡
３２  第四反射鏡
３３  光軸と反射鏡３１からのビームの交点
３４  回転機構
３５  蒸散した粒子
３６  Ｖ字溝
３７  被加工物の加工中心軸
３８  第一楔形ガラス板
３９  第二楔形ガラス板
４０  第一微動回転機構
４１  第二微動回転機構
４２  偏芯回転機構
４３  駆動機構
【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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