JP4833773B2

JP4833773B2 - 微細穴開け加工方法

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Publication number: JP4833773B2
Application number: JP2006236382A
Authority: JP
Inventors: 崇小林; 克幸中島
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2026-08-31
Also published as: JP2008055477A

Description

本発明は、微細穴開け加工方法の改良に関するものである。

従来の微細加工方法として、まず、ナノ秒レーザ光を被加工物に照射して被加工物を予熱し、次に、フェムト秒レーザ光を被加工物に照射して加工するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−２１２６８５公報

特許文献１の図１を以下の図４で説明する。なお、符号は振り直した。
図４は従来の微細加工方法を実施するレーザー加工装置を示すブロック図であり、レーザー加工装置１００は、パルスレーザ光（ナノ秒レーザ光）１０１を出力するＹＡＧレーザ１０２と、フェムト秒レーザ光１０３を出力するチタンサファイヤレーザ１０４とを備える。

ＹＡＧレーザ１０２から出力されたパルスレーザ光１０１はビームスプリッタ１０６にて反射した後、集光レンズ１０７で集光されて水晶基板１０８上に形成されているクロム膜１１１に照射される。

また、チタンサファイヤレーザ１０４から出力されたフェトム秒レーザ光１０３は、全反射ミラー１１２によって反射された後にビームスプリッタ１０６を透過し、集光レンズ１０７で集光されたクロム膜１１１に照射される。

初めにパルスレーザ光１０１がクロム膜１１１に照射されてクロム膜１１１の温度が上昇し、次に、フェトム秒レーザ光１０３がクロム膜１１１に照射されることで、熱的ポテンシャルが高い状態のクロム膜１１１が気化しアブレーション加工がなされる。

上記したフェトム秒レーザ光１０３は、パルス幅が非常に短いためにパルスエネルギーが小さいことから、フェトム秒レーザ光１０３で狭い範囲を熱影響を与えずに精度良く加工するには都合がよいが、例えば、微細な深穴の穴開け加工を行う場合は、少しずつ徐々に加工することになるため、加工に多くの時間を要する。

本発明の目的は、精度良く加工が行える上、高速で穴開け加工が行える微細穴開け加工方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、部材にナノ秒レーザ光を照射して下穴を開ける下穴加工工程と、下穴の内壁にピコ秒レーザ光を照射して内壁を平滑に仕上げる仕上げ加工工程と、を有することを特徴とする。
作用として、部材に予めナノ秒レーザ光を照射して下穴を開け、次に、下穴の内壁にピコ秒レーザ光を照射して下穴の内壁を仕上げる。

ナノ秒レーザ光では、従来のようなピコ秒レーザ光、フェムト秒レーザ光等の超短パルスレーザ光に比べてパルス幅が大きく、１パルス当たりのエネルギー、即ち、パルスエネルギーが大きいために、微細な深穴を高速で開けることが可能になる。

ピコ秒レーザ光では、ナノ秒レーザ光に比べてパルス幅が小さくパルス繰返し周期毎の照射時間が短いため、ピコ秒レーザ光の照射部分に近い部分の温度が上昇しにくく、熱影響部が生じにくいから、下穴内壁の仕上げ精度が向上し、下穴内壁がより平滑になる。

請求項２に係る発明は、下穴加工工程では、ナノ秒レーザ光を、その光軸を回転させずに照射し、部材を蒸発除去加工することを特徴とする。
作用として、ナノ秒レーザ光で光軸を回転させて穴開け加工を行うと、集光する位置は、少し偏心している場合があるので、回転させると、偏心分だけ下穴の内径が大きくなるが、光軸を回転させなければ、照射範囲を小さくでき、加工径を小さくすることが可能になる。

請求項３に係る発明は、下穴加工工程の蒸発除去加工に際して、一旦溶融した後に凝固して下穴に形成される凝固部の層厚さを下穴の内径に対して１０％〜４０％としたことを特徴とする。

作用として、ナノ秒レーザ光による蒸発除去加工で下穴を開けた場合、パルスエネルギーが大きいことにより、下穴の内壁に一旦溶融してから凝固した凝固部が形成される。この凝固部は下穴の穴精度を低下させる。

凝固部の層厚さが４０％を超えると、後工程である仕上げ加工工程での加工量が多くなり、加工に多くの時間を要する。凝固部の層厚さを１０％〜４０％に抑えれば、仕上げ加工工程での加工時間を短縮することが可能になる。

請求項４に係る発明は、ピコ秒レーザ光を下穴の内径よりも小さく集光させ、下穴の内壁を蒸発除去加工することを特徴とする。
作用として、ピコ秒レーザ光を下穴の内径よりも小さく集光させ、下穴の内壁に照射して内壁を溶融、そして蒸発させる蒸発除去加工で徐々に除去すれば、下穴内壁の仕上げ精度が向上する。更に、ピコ秒レーザ光では熱影響部が生じにくいことからも、下穴内壁の仕上げ精度がより一層向上し、下穴内壁がより平滑になる。

請求項５に係る発明は、仕上げ加工工程では、ピコ秒レーザ光を部材と相対的に旋回させながら照射することを特徴とする。
作用として、ピコ秒レーザ光が下穴内壁の各部に均等に照射され、内壁の仕上げ精度がより向上する。また、ピコ秒レーザ光が下穴に局部的に照射されることがないため、熱影響部がより一層生じにくい。

請求項６に係る発明は、下穴加工工程、あるいは仕上げ加工工程の少なくとも一方の工程では、ナノ秒レーザ光又はピコ秒レーザ光を内壁に照射したときに内壁が溶融し蒸発して発生する蒸気を蒸気除去装置で吸引又は圧送することを特徴とする。
作用として、発生した蒸気が蒸気除去装置で吸引又は圧送されるため、蒸気によってナノ秒レーザ光又はピコ秒レーザ光が遮られることがない。

請求項７に係る発明は、ピコ秒レーザ光を発振するレーザ発振器のピーク出力を、３００ｋＷ〜１ＭＷとしたことを特徴とする。
作用として、レーザ発振器のピーク出力が３００ｋＷ未満では、例えば、部材を金属とした場合には、金属蒸発が発生しにくくなり、蒸発除去加工に多くの時間を要する。
レーザ発振器のピーク出力が１ＭＷを超えると、下穴の内壁に熱影響部が生じやすくなる。

請求項８に係る発明は、ピコ秒レーザ光のパルス繰返し周期のうちの非照射時間を、パルス繰返し周期のうちのパルス幅の５００倍以上としたことを特徴とする。
作用として、ピコ秒レーザ光のパルス繰返し周期のうちの非照射時間が、パルス繰返し周期のうちのパルス幅の５００倍未満であると、部材への入熱量が大きくなり、下穴内壁で熱影響部が生じやすくなる。

請求項１に係る発明では、部材にナノ秒レーザ光を照射して下穴を開ける下穴加工工程と、下穴の内壁にピコ秒レーザ光を照射して内壁を平滑に仕上げる仕上げ加工工程と、を有するので、下穴加工工程では、パルスエネルギーの大きなナノ秒レーザ光で下穴を高速で開けることができる。また、仕上げ加工工程では、パルス幅の小さなピコ秒レーザ光を照射することにより下穴内壁に熱影響部が生じにくくなり、下穴内壁を精度良く平滑に仕上げることができる。

請求項２に係る発明では、下穴加工工程では、ナノ秒レーザ光を、その光軸を回転させずに照射し、部材を蒸発除去加工するので、ナノ秒レーザ光で光軸を回転させて穴開け加工を行う場合に比べてナノ秒レーザ光の照射範囲を小さくすることができ、内径の小さな下穴を開けることができる。

請求項３に係る発明では、下穴加工工程の蒸発除去加工に際して、一旦溶融した後に凝固して下穴に形成される凝固部の層厚さを下穴の内径に対して１０％〜４０％としたので、凝固部の層厚さを下穴の内径の１０％〜４０％に抑えることで、後工程である仕上げ加工工程での加工量を少なくすることができ、加工時間を短縮することができる。

請求項４に係る発明では、ピコ秒レーザ光を下穴の内径よりも小さく集光させ、下穴の内壁を蒸発除去加工するので、下穴の内径よりも小さく集光させたピコ秒レーザ光によって、下穴の内壁の小さな範囲を徐々に蒸発除去加工することができ、下穴の内壁をより精度よく平滑に加工することができる。

請求項５に係る発明では、仕上げ加工工程では、ピコ秒レーザ光を部材と相対的に旋回させながら照射するので、ピコ秒レーザ光を下穴の内壁の各部により均等に照射することができ、下穴の内壁をより平滑に仕上げることができる。また、下穴に局部的に照射されることがないため、熱影響部をより一層生じにくくすることができる。

請求項６に係る発明では、下穴加工工程、あるいは仕上げ加工工程の少なくとも一方の工程では、ナノ秒レーザ光又はピコ秒レーザ光を内壁に照射したときに内壁が溶融し蒸発して発生する蒸気を蒸気除去装置で吸引又は圧送するので、蒸気によってナノ秒レーザ光又はピコ秒レーザ光が遮られることがなく、良好に仕上げ加工することができる。

請求項７に係る発明では、ピコ秒レーザ光を発振するレーザ発振器のピーク出力を、３００ｋＷ〜１ＭＷとしたので、下穴内壁の蒸発除去加工を短時間で行うことができるとともに下穴内壁に熱影響部を生じにくくすることができる。

請求項８に係る発明では、ピコ秒レーザ光のパルス繰返し周期のうちの非照射時間を、パルス繰返し周期のうちのパルス幅の５００倍以上としたので、ピコ秒レーザ光の非照射時間を大きくすることで、下穴内壁に熱影響部を生じにくくすることができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係るレーザ加工装置の説明図であり、レーザ加工装置１０は、ナノ秒レーザ光１１を発振するナノ秒レーザ発振器１２と、ピコ秒レーザ光１３を発振する超短パルスレーザ発振器１４と、この超短パルスレーザ発振器１４から発振されたピコ秒レーザ光１３を増幅する増幅器１６と、この増幅器１６から出力されたピコ秒レーザ光１７を反射させるミラー１８と、ピコ秒レーザ光１７を透過させるとともにナノ秒レーザ発振器１２で発振されたナノ秒レーザ光１１を反射させるミラー２１と、これらのナノ秒レーザ光１１又はピコ秒レーザ光１７の集光位置を変化させるビームローテータ２２と、ナノ秒レーザ光１１又はピコ秒レーザ光１７をワーク２３（例えば、鋼材）に集光させる集光レンズ２４と、ワーク２３を載せるテーブル２６と、ワーク２３にナノ秒レーザ光１１又はピコ秒レーザ光１７を照射したときにワーク２３から発生する蒸気を吸引する吸引装置２７と、ナノ秒レーザ発振器１２、超短パルスレーザ発振器１４、ビームローテータ２２の作動及びテーブル２６の水平移動を制御する制御装置２８とからなる。なお、３１は吸引装置２７に備える吸引ダクトである。

ナノ秒レーザ光１１は、ナノ秒レーザ発振器１２でパルス発振により生成されたパルスレーザ光であり、そのパルス幅がナノ秒のオーダー、即ち１０^−９秒のオーダーのものである。
ナノ秒レーザ発振器１２は、レーザ媒質（即ち、発光物質）としてＹＡＧ等を用いたものである。

ピコ秒レーザ光１３は、超短パルスレーザ発振器１４でパルス発振により生成されたパルスレーザ光であり、そのパルス幅がピコ秒のオーダー、即ち１０^−１２秒のオーダーのものである。

超短パルスレーザ発振器１４は、レーザ媒質としてイットリビウム（Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ）を用いたものであり、例えば、パルス繰返し周波数が５００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚのシード光（種光）用レーザを発振することができるシード光用レーザ発振器である。このようなシード光用レーザ発振器は市販されているため、安価に入手することができる。

まず、以上に述べたナノ秒レーザ光１１によってワーク２３に下穴を開ける下穴加工工程を次に説明する。
図２（ａ）〜（ｅ）は本発明に係るレーザ加工装置による下穴加工工程を示す作用図である。
（ａ）において、ワーク２３の上面２３ａに集光レンズの焦点が一致するように調整してワーク２３の上面２３ａにナノ秒レーザ光１１を照射する。なお、Ｄ０は焦点におけるナノ秒レーザ光１１の集光径（即ち、スポット径）であり、例えば、集光径Ｄ０＝約１００μｍである。
これにより、ワーク２３の上面２３ａは融点に達して溶融し始める。２３ｂは溶融部である。

ナノ秒レーザ光１１は、その横断面形状が円形でない場合には、その光軸を回転させることで横断面を円形にすることがある。しかし、光軸を回転させると、回転させる装置の精度によりナノ秒レーザ光のワークへの照射部分が広がり、加工径が大きくなる。

本実施形態では、ナノ秒レーザ光１１の光軸を回転させないので、照射範囲を小さくすることができる。ただし、ワーク２３への照射部分は円形でなくなる場合があるので、後工程である仕上げ加工工程で仕上げ加工と共に円形となるように加工する。従って、特別に円形に加工する工程は設けていない。

（ｂ）において、ナノ秒レーザ光１１が照射されたワーク２３には（ａ）のときよりも大きな溶融部２３ｄが出来る。
溶融部２３ｄの中央部は、周囲よりも温度が高いために、沸点に達して蒸気２３ｅが盛んに発生するため、蒸気２３ｅの圧力で外側に押し退けられる。この蒸気２３ｅがナノ秒レーザ光１１を遮ると、ワーク２３の穴開けに支障をきたすので、吸引装置の吸引ダクト３１から吸引する。

（ｃ）は、ナノ秒レーザ光が照射されない非照射時間での状態を示す。（ｂ）に示した溶融部２３ｄの母材に近い部分は凝固して凝固部２３ｆとなり、この凝固部２３ｆの内側に未凝固状態にある溶融部２３ｇが残る。
以降は、（ｂ）及び（ｃ）と同様な照射と非照射とを繰り返す。

（ｄ）は、ワーク２３の上面２３ａから下面２３ｊに貫通する下穴２３Ｌが開けられた状態を示す。２３ｋは加工中に一旦溶融し、そして凝固して下穴２３Ｌの表層に出来た筒状の凝固部、２３ｍは凝固部２３ｋの周囲に出来た熱影響部（複数の点で示される層状の部分）、３３は下穴２３Ｌの内面である。

熱影響部２３ｍは、凝固部２３ｋと、ワーク２３の熱影響を受けていない部分（即ち、母材原質域）との間の部分で、母材に対して組織が変化している部分である。
ここで、下穴２３Ｌの内径（即ち、凝固部２３ｋの内径）をＤ１、凝固部２３ｋの外径をＤ２、熱影響部２３ｍの外径をＤ３、下穴２３Ｌの穴深さ（ここでは、ワーク２３の厚さに一致する。）をｄｅとする。下穴２３Ｌの穴深さｄｅは、例えば、小さくとも１ｍｍである。
上記した凝固部２３ｋの層厚さ（Ｄ２−Ｄ１）／２は、下穴２３Ｌの内径Ｄ１の１０〜４０％である。

（ｅ）は、（ａ）〜（ｃ）に示したナノ秒レーザ光の発振器であるナノ秒レーザ発振器１２（図１参照）の出力と時間との関係を示すグラフであり、縦軸は出力、横軸は時間を表す。
ナノ秒レーザ発振器の出力はゼロからピーク出力Ｐ１までパルス状に変化する。図中のＴ１はパルス幅、即ちナノ秒レーザ光の照射時間（即ち、パルス幅Ｔ１は１０^−９秒のオーダーである。）、Ｔ２はナノ秒レーザ光の非照射時間、Ｔ０はパルス繰返し周期である。このパルス繰返し周期Ｔ０から求められるパルス繰返し周波数（発振周波数）は、例えば、１ｋＨｚ〜５０ｋＨｚである。

このように、パルスレーザ光であるナノ秒レーザ光をワークにパルス繰返し周期Ｔ０毎に照射時間Ｔ１だけ照射することで、段階的に母材を溶融・蒸発させて下穴加工することができる。

ナノ秒レーザ光では、照射時間がピコ秒レーザ光に比べて長いため、パルスエネルギーを大きくすることができ、蒸発除去加工量を多くすることができて、下穴をより高速で開けることができる。

次に、以上に述べたピコ秒レーザ光１７によってワーク２３の下穴２３Ｌの内壁を仕上げる仕上げ加工工程を説明する。
図３（ａ）〜（ｄ）は本発明に係るレーザ加工装置による下穴の仕上げ加工工程を示す作用図である。
（ａ）において、前工程である下穴加工工程では、下穴２３Ｌの表層に精度を低下させる凝固部２３ｋが残っているので、この凝固部２３ｋ（あるいは凝固部２３ｋとこの周囲の熱影響部２３ｍ）をピコ秒レーザ光１７で除去する。本実施形態では下穴２３Ｌに出来ている凝固部２３ｋを厚さを有する内壁とし、この内壁にピコ秒レーザ光１７を照射して除去し、内面の精度が高い平滑な穴を形成する。

まず、ワーク２３の凝固部２３ｋの上端面に集光レンズの焦点が一致するように調整して、ビームローテータによってピコ秒レーザ光１７が筒状の凝固部２３ｋの端面に常に照射されるように渦巻き状に照射される位置を変更する。（凝固部２３ｋと熱影響部２３ｍとを除去する場合は、凝固部２３ｋと熱影響部２３ｍとの両端面にピコ秒レーザ光１７を照射する。）
これにより、ワーク２３の凝固部２３ｋは渦巻き状に除去される。

（ｂ）は凝固部２３ｋの除去の途中の状態を示す。ピコ秒レーザ光１７を照射中は、凝固部２３ｋが沸点に達して蒸気２３ｐが発生するため、この蒸気２３ｐを吸引装置の吸引ダクト３１（吸引ダクト３１は吸引ダクト３１ａ，３１ｂからなる。）で吸引し、蒸気２３ｐによって仕上げ加工が阻害されるのを防止する。

仕上げ加工が進むにつれて、ピコ秒レーザ１７の入光側とは反対側の吸引ダクト３１ｂで吸引する方がよい。レーザ光を遮ることなく加工することができるからである。例えば、入光側から焦点位置までの距離に比して、吸引ダクト３１ｂの負圧を上げるように図示しない制御手段で制御してもよいし、また、吸引ダクト３１ａを利用して、吸引ダクト３１ａから気体を噴出させて気流を作り、入光側とは反対側から吸引ダクト３１ｂで気体と共に蒸気２３ｐを吸引してもよい。

凝固部２３ｋの除去は、引き続きワーク２３の下面まで行う。なお、３５は下穴２３Ｌの仕上げ加工が完了した仕上げ完了穴であり、仕上げ完了穴３５の内面３６は精度良く平滑に仕上げられている。

ピコ秒レーザ１７による蒸発除去加工中は、後述するように加工部分に近い部分、即ち、仕上げ完了穴３５に熱影響部が生じにくい。仕上げ完了穴３５の内壁３６はもともと熱影響部２３ｍであるが、この熱影響部２３ｍの熱影響度合がピコ秒レーザ１７による加工を行っても更に大きくなりにくい。
凝固部２３ｋと熱影響部２３ｍとの両方をピコ秒レーザ１７で蒸発除去加工した場合には、熱影響部２３ｍに隣接していた母材には熱影響部が生じにくい。

（ｃ）は凝固部２３ｋの平面図であり、この凝固部２３ｋに集光径Ｄ４のピコ秒レーザ光１７を矢印の向きに回転させながら照射する状態を示す。ピコ秒レーザ光１７の集光径Ｄ４は、例えば、５μｍである。

（ｄ）は、（ａ），（ｂ）に示したピコ秒レーザ光の発振器である超短パルスレーザ発振器１４（図１参照）の出力と時間との関係を示すグラフであり、縦軸は出力、横軸は時間を表す。
超短パルスレーザ発振器の出力はゼロからピーク出力Ｐ２までパルス状に変化する。図中のＴ４はパルス幅、即ちピコ秒レーザ光の照射時間（即ち、パルス幅Ｔ４は１０^−１２秒のオーダーである。）、Ｔ５はピコ秒レーザ光の非照射時間、Ｔ３はパルス繰返し周期である。

上記の非照射時間Ｔ５は、例えば、パルス幅Ｔ４の５００倍以上の時間である。
パルス繰返し周期Ｔ３から求められるパルス繰返し周波数（発振周波数）は、例えば、１００ｋＨｚ〜１．１ＭＨｚである。

このように、エネルギー密度を高くすることが可能なピコ秒レーザ光をワークにパルス繰返し周期Ｔ３毎に照射時間Ｔ４だけ照射することで、段階的に瞬時に母材を溶融・蒸発させて下穴２３Ｌの凝固部２３ｋを削除して高速で仕上げ加工することができる。

また、ピコ秒レーザ光で仕上げ加工を行う場合には、パルス繰返し周期Ｔ３に非照射時間Ｔ５を有するから、この非照射時間Ｔ５でワークへの入熱をコントロールすることができ、連続発振によるレーザ光に比べて、ワークの照射箇所近傍での温度上昇を抑えることができ、熱影響部を生じにくくすることができる。

以上の図２（ａ）〜（ｅ）及び図３（ａ）〜（ｄ）に示したように、本発明は第１に、部材としてのワーク２３にナノ秒レーザ光１１を照射して下穴２３Ｌを開ける下穴加工工程と、下穴２３Ｌの内壁（凝固部２３ｋ）にピコ秒レーザ光１７を照射して内壁を平滑に仕上げる仕上げ加工工程と、を有することを特徴とする。

これにより、下穴加工工程では、パルスエネルギーの大きなナノ秒レーザ光１１で下穴２３Ｌを高速で開けることができる。また、仕上げ加工工程では、パルス幅Ｔ４の小さなピコ秒レーザ光１７を照射することにより下穴２３Ｌの内壁に熱影響部が生じにくくなり、下穴２３Ｌの内壁を精度良く平滑に仕上げることができる。

本発明は第２に、下穴加工工程では、ナノ秒レーザ光１１を、その光軸を回転させずに照射し、ワーク２３を蒸発除去加工することを特徴とする。

これにより、ナノ秒レーザ光１１で光軸を回転させて穴開け加工を行う場合に比べてナノ秒レーザ光１１の照射範囲を小さくすることができ、内径Ｄ１の小さな下穴２３を開けることができる。

本発明は第３に、下穴加工工程の蒸発除去加工に際して、一旦溶融した後に凝固して下穴２３に形成される凝固部２３ｋの層厚さを下穴２３の内径Ｄ１に対して１０％〜４０％としたことを特徴とする。

凝固部２３ｋの層厚さを下穴２３の内径Ｄ１の１０％〜４０％に抑えることで、後工程である仕上げ加工工程での加工量を少なくすることができ、加工時間を短縮することができる。

本発明は第４に、ピコ秒レーザ光１７を下穴２３Ｌの内径Ｄ１よりも小さく集光させ、下穴２３Ｌの内壁を蒸発除去加工することを特徴とする。
ピコ秒レーザ光１７を下穴２３Ｌの内径Ｄ１よりも小さく集光させ、下穴２３Ｌの内壁に照射して内壁を溶融、そして蒸発させる蒸発除去加工で小さな範囲を徐々に除去すれば、下穴２３Ｌの内壁の仕上げ精度を向上させることができる。
更に、ピコ秒レーザ光１７による熱影響部が生じにくいことからも、下穴２３Ｌの内壁の仕上げ精度がより一層向上し、下穴２３Ｌの内壁をより平滑にすることができる。

本発明は第５に、ピコ秒レーザ光１７をワーク２３と相対的に旋回させながら照射することを特徴とする。
これにより、ピコ秒レーザ光１７を下穴２３Ｌの内壁の各部により均等に照射することができ、下穴２３Ｌの内壁をより平滑に仕上げることができる。また、ピコ秒レーザ光１７が下穴２３Ｌの内壁に局部的に照射されることがないため、熱影響部をより一層生じにくくすることができる。

本発明は第６に、下穴加工工程、あるいは仕上げ加工工程の少なくとも一方の工程では、ナノ秒レーザ光１１又はピコ秒レーザ光１７を内壁に照射したときに内壁が溶融し蒸発して発生する蒸気２３ｐを蒸気除去装置としての吸引装置２７で吸引することを特徴とする。
これにより、蒸気によってナノ秒レーザ光１１又はピコ秒レーザ光１７が遮られることがなく、良好に仕上げ加工することができる。

本発明は第７に、ピコ秒レーザ光１７を発振する超短パルスレーザ発振器１４（図１参照）のピーク出力は、３００ｋＷ〜１ＭＷであることを特徴とする。
超短パルスレーザ発振器１４の出力が３００ｋＷ未満では、例えば、ワーク２３を金属とした場合には、金属蒸発が発生しにくくなり、蒸発除去加工に多くの時間を要する。
超短パルスレーザ発振器１４の出力が１ＭＷを超えると、下穴２３Ｌの内壁に熱影響部が生じやすくなる。

従って、本発明では、超短パルスレーザ発振器１４の出力を、３００ｋＷ〜１ＭＷとしたので、下穴２３Ｌの内壁の蒸発除去加工を短時間で行うことができるとともに下穴２３Ｌの内壁に熱影響部を生じにくくすることができる。

本発明は第８に、ピコ秒レーザ光１７のパルス繰返し周期Ｔ３のうちの非照射時間Ｔ５を、パルス繰返し周期Ｔ３のうちのパルス幅Ｔ４の５００倍以上としたことを特徴とする。

ピコ秒レーザ光１７のパルス繰返し周期Ｔ３のうちの非照射時間Ｔ５が、パルス繰返し周期Ｔ３のうちのパルス幅Ｔ４の５００倍未満であると、ワーク２３への入熱量が大きくなり、下穴２３Ｌの内壁で熱影響部が生じやすくなる。

従って、本発明では、ピコ秒レーザ光１７の非照射時間Ｔ５をパルス幅Ｔ４の５００倍以上としたので、ピコ秒レーザ光１７の非照射時間Ｔ５を大きくすることができ、下穴２３Ｌの内壁に熱影響部を生じにくくすることができる。

尚、本実施形態では、図１に示したように、蒸気除去装置として吸引装置２７を用いたが、これに限らず、蒸気除去装置として、蒸気に圧縮空気を吹き付けて蒸気を圧送することで蒸気がピコ秒レーザ光を遮るのを防止する圧送装置を用いてもよい。

本発明の微細穴開け加工方法は、部材の深穴加工に好適である。

本発明に係るレーザ加工装置の説明図である。本発明に係るレーザ加工装置による下穴加工工程を示す作用図である。本発明に係るレーザ加工装置による下穴の仕上げ加工工程を示す作用図である。従来の微細加工方法を実施するレーザー加工装置を示すブロック図である。

符号の説明

１１…ナノ秒レーザ光、１４…レーザ発振器（超短パルスレーザ発振器）、１７…ピコ秒レーザ光、２２…ビームローテータ、２３…部材（ワーク）、２３ｐ…蒸気、２３ｋ…内壁（凝固部）、２３Ｌ…下穴、２７…蒸気除去装置（吸引装置）、Ｄ０…ナノ秒レーザ光の集光径、Ｄ１…下穴の内径（凝固部の内径）、Ｔ３…ピコ秒レーザ光のパルス繰返し周期、Ｔ４…ピコ秒レーザ光のパルス幅、Ｔ５…ピコ秒レーザ光の非照射時間、Ｐ２…レーザ発振器の出力（超短パルスレーザ発振器のピーク出力）。

Claims

部材にナノ秒レーザ光を照射して下穴を開ける下穴加工工程と、
前記下穴の内壁にピコ秒レーザ光を照射して前記内壁を平滑に仕上げる仕上げ加工工程と、を有することを特徴とする微細穴開け加工方法。
前記下穴加工工程では、前記ナノ秒レーザ光を、その光軸を回転させずに照射し、前記部材を蒸発除去加工することを特徴とする請求項１記載の微細穴開け加工方法。
前記下穴加工工程の蒸発除去加工に際して、一旦溶融した後に凝固して前記下穴に形成される凝固部の層厚さが前記下穴の内径に対して１０％〜４０％であることを特徴とする請求項２記載の微細穴開け加工方法。
前記ピコ秒レーザ光を前記下穴の内径よりも小さく集光させ、前記下穴の内壁を蒸発除去加工することを特徴とする請求項１記載の微細穴開け加工方法。
前記仕上げ加工工程では、前記ピコ秒レーザ光を前記部材と相対的に旋回させながら照射することを特徴とする請求項１又は請求項４記載の微細穴開け加工方法。
前記下穴加工工程、あるいは前記仕上げ加工工程の少なくとも一方の工程では、前記ナノ秒レーザ光又は前記ピコ秒レーザ光を前記内壁に照射したときに内壁が溶融し蒸発して発生する蒸気を蒸気除去装置で吸引又は圧送することを特徴とする請求項４又は請求項５記載の微細穴開け加工方法。
前記ピコ秒レーザ光を発振するレーザ発振器のピーク出力は、３００ｋＷ〜１ＭＷであることを特徴とする請求項４、請求項５又は請求項６記載の微細穴開け加工方法。
前記ピコ秒レーザ光のパルス繰返し周期のうちの非照射時間は、前記パルス繰返し周期のうちのパルス幅の５００倍以上であることを特徴とする請求項４〜請求項７のいずれか１項記載の微細穴開け加工方法。