JPH03501364A - レーザビームを用いてワーク表面を微細加工する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザビームを用いてワーク表面を微細加工する方法筑−玉−丘一■ 本発明は、レーザビームを用い、このレーザビームをワーク表面に直角に指向さ せてワークの表面を微細加工する方法、特に、ワーク表面を微細表面切削加工す る方法に関するものである。

宜−」し」Ｌ−徘 レーザビームによって表面加工する種々の方法が実用され既知である。例えば、 レーザビームによって溶接する場合、材料を溶かすも、しかし、溶接すべき部品 の変形および材料除去は行なわれない。レーザビームによる穿孔および切断時に は、材料は実際上除去されるが形成される切断によって運び去られる。

このように材料を除去する方法はできるだけ急速に行なわれなければならず、こ の目的のため材料の急速蒸発および排除が要求される。この目的のため、後に必 然的に再調整されない高出力密度がワークの切断プロセスの開始に際して要求さ れる。

レーザ光によりマーキング、刻字または表面彫刻を行なう場合のほとんどにおい て、また電子部品を調整するため？、こレーザ極　薄材料層は高いレーザ吸収力 を有し、その下側のキャリヤ層は極めて低いレーザ吸収力ををするかまたはレー ザ光を反射し得る異種材料で形成されている。照射時間を適切に調整して下側の 他の材料が伝導熱エネルギによって侵食されないようにしている。材料表面の焼 入れに際しては、材料表面層が加熱され、変態焼入れが行なわれる。この焼入れ 中、焼入れ温度において材料は溶解してはならない。例えば、表面合金（合金お よびタラッディング）のような他の表面仕上方法においては、材料自体または材 料の沈着層が溶融され、この溶融プール内に例えば、粉末が導入される。

従来、火花侵食、超音波加工および食刻方法のような材料精密加工方法もまた既 知である。火花侵食の場合には、電極を使用しなければならず、表面における導 電性材料だけしか加工されない。この加工方法では、電極を幾度も取換える必要 があるという問題が生じている。超音波加工方法では粗仕上しかできず、微細加 工するにはマイクロスケール上の電極を必要としている。食刻方法では、限られ た深さでしか加工できず、加工量の過不足が生じるという問題がある。

光１とｙ二足 本発明の目的は、金属、合成樹脂、セラミックスその地間様材料のワークの表面 を微細加工または精密加工する方法であって、使用材料の性質に無関係に、所要 に応じ、大きなまたは極めて小さい深さで、ワーク表面を局部的に微細加工し得 る高精度に制御可能の微細加工方法を提供しようとするものである。

本発明によれば、前述した形式の方法において、レーザビームの焦点がワーク表 面近くに位置するようにレーザビームをワーク表面に対して焦点させ、また、レ ーザビームとワークとの相対的往復走査移動が前記焦点の直径より小さい距離で 段歩的に生じるとともにレーザビームを同じ小表面区域上をオーバーラツプさせ て移動させて照射するようにレーザビームとワークとを相対的往復走査移動させ 、またワーク表面での材料の減少が極めて少量で、実質的に蒸発によって生じる ようにレーザビームのパルス期間および出力密度ならびにワークに対するレーザ ビームの相対的移動を調整する。

かかる本発明方法によれば、材料の性質に無関係に、材料を零深さから大きな深 さ範囲にわたって制御量で除去することができ、この除去プロセスを自己制御す ることができる。

本発明を実施するに当たっては、例えばＮｄ　−ＹＡＧレーザのようなパルス発 生レーザビームを０．２〜０．３ｍ５ｅｃのパルス期間の短いパルスおよび２０ ００Ｗまでのピーク出力で発生させて用いる。

レーザビーム出力をより高い出力密度が得られるよう断面積全体にわたり実質的 にガウスセン方法で分布させる。レーザビームをレンズ系または鎖糸で焦点させ る。予定の長さおよび輝度のプラズマおよびまたは材料上記のブルームがレーザ エネルギの照射の結果として、光現象として表面上に生じるような方法で加工す べき表面に対してＺ一方向に焦点区域を位置させる。

この瞬間において、加工プロセスに好適な出力密度に到達する。

次に本発明を添付図面につきさらに詳細に説明する。

因皿夏五垂星設凱 第１図は走査パターンの種々の例を示す路線図、第２図はレーザビーム照射中に 形成されるプルームの線図的側面図である。

口　るための」９１旦 レーザビームを照射する際における重要なことは、いわゆる材料の予熱である。

例えば、穿孔および切断のような標準的加工プロセスにおいては過量のエネルギ が要求される。パルスの初めに、光の大部分が反射される。しかし蒸気またはプ ラズマが形成される瞬間においては、吸収およびカンプリングが著しく増大する 。この結果として、穿孔および切断加工プロセスのそれぞれが著しく加速され、 穿孔および切断のそれぞれにおいては、形成された孔を経てエネルギが消滅する から、上述の吸収およびカンプリングは問題とならない。

微細加工または微細表面切削加工プロセスでは、僅かな制御量の供給エネルギが 吸収されるに過ぎず、材料を予熱することによって加工プロセスが著しく改善さ れる。材料を予熱する結果として、表面部分が局部的に蒸発し始めるために、極 く僅かな温度差をなくせばよい。この方法では、材料の極く少量の減少のために 極く僅かなエネルギパケットがあればよい。他の利点として、温度が高くなれば 、吸収が増大すると考えられ、固体のエネルギ吸収が増大すれば、プロセス中に おけるエネルギ吸収が一層均一になる。この結果、カップリングだけのための高 いピークレーザ出力は余分のものである。この結果として、主として蒸発によっ て各パルスにおいて材料を除去するために必要とされる相対的により高いレーザ 出力密度は低くなる。

本発明によれば、レーザビームをワーク表面上に急速に往復移動させることによ って上述した予熱を行なう。これを上述の焦点の直径より小さい距離で段歩的に 行ない、この結果として、レーザビームはワーク表面の同じ部分をオーバーラツ プして移動して照射する。したがって、焦点の位置は予定の方法で予定の手段に したがって変化され、焦点に対するワークの平均位置は往復移動方向またはこれ に対し垂直方向における所望の直線または曲線通路に沿って移動する。

第１ａ〜ｌｄ図は急速往復移動およびこれより低速の前方への主移動の種々の例 を示す。

この場合、微細加工または微細表面切削加工の深さは、元の表面に対して焦点の 位置を再調整することによってワーク表面の同じ部分に往復移動する回数によっ て決定される。焦点は加工すべき表面部分に追従する必要がある。

第２図に示すように前述した微細加工に際してプルームが存在することは極めて 重大な問題である。材料の蒸気および／またはプラズマよりなるプルームはレー ザ光の相当部分を吸収し、前のパルスでの予熱の結果として、ワークの表面温度 および蒸発が増大している場合には、プルームがさらに大きくなる。レーザ光の 残りの部分が材料に吸収される。上述した予熱の結果として、所望の加工温度と の温度差が次のエネルギパケットの供給より小さくなり、材料の蒸発、したがっ て、少量の材料除去が生じる程度に表面が再び照射される区域における温度を上 昇させるに充分である。

したがって、前述したプルームは、いわば、カップリングの程度の自己制御素子 を形成し、レーザ光の一部はプルームに吸収され、加工深さが自己制御される。

より多くのエネルギが導入され、その結果、平衡状態となる場合には、温度およ び蒸発が増大し、その結果として、プルームの大きさもまた増大し、この結果と して、ワークに到達するエネルギの量が減少する。

この結果として蒸発等が減少する。十分な金属蒸気が発生される場合、この結果 としてプルームが消滅する。この結果、プルームを用いてプロセスを制御するこ とができる。各パルス後にプルームは最終的に消滅する。各順次のパルスによっ て蒸発される材料が少なくなればなるほど、プルームによる吸収は少なくなり、 プルームは次第に小さくなってプロセスが終了する。プルームにおける高いガス 圧力は材料の表面を滑らかにする効果がある。

プルームの存在下で高精度の微細加工を行なうため、レーザビームをワーク表面 またはその近くに焦点させることが必要である。例えば、平らな底を有する孔を 形成するためには、底より数ミリメータ上方位置に焦点させる。この距離を適切 に選定して低エネルギ密度およびプルームの結果として材料の除去が零または実 質的に零であるようにすることが必要である。

プルームの自己制御効果の結果として予定の深さにまで微細加工またはミーリン グプロセスを行なうことができる。この目的のため、レーザビームの焦点を、プ ロセスで予定されたワークの表面より所定の深さに調整する。特に、加工表面区 域が焦点より下方の深さに到達して材料の蒸発および除去が段々少なくなって完 全に終るまで、照射中、焦点を同じ高さに維持して材料除去を続行する。

ワークとレーザビームとの所要の相対的移動をワークテーブルで機械的にまたは 鏡制御レーザビームによって光学的に、あるいはこれら両者の組合わせによって 行なわせることができる。

究極的には、いわゆる制御プログラムの手段によってワークの材料表面に対して レーザビームを相対的に往復移動させて小表面区域を繰返し照射する。このレー ザビームとワークの小表面区域との相対的移動量が常に焦点レーザビームの直径 より小であるようにする。

前述したように、例えば、？Ｉｄ　−ＹＡＧレーザその他の適当なレーザのパル ス発生レーザをレーザエネルギが材料に容易に吸収される１００Ｍｗ／　ｃｍ” 以上の表面出力密度で用いるのがよい。レーザパルスの期間を適切に選択して少 量の材料を蒸発させるに十分なエネルギを供給する。パルス期間もまた十分短く して、例えば０．２〜３　ｍ５ｅｃとして隣接する材料が熱伝導によって加熱さ れて溶は始めないようにする。０．０５〜１ジユールの範囲内のパルスエネルギ を用いる。

微細加工またはミーリング加工を、例えば、次のような３工程で行なうことがで きる（開示の値はＮｄ　−ＹＡＧレーザを用いる例である）。

１、急速予備加工工程：パルス期間的３　ｍ５ｅｃ％パルスエネルギ約１ジュー ル、パルス再発生周波数的４０Ｈｚとする。多量の熱エネルギを短時間で供給し 、１ｍｍ／ｍｉｎの深さで１５ｍｍ２７ｍ１ｎの表面積の穿孔を得ることができ る。

２、加工工程：バルス期間０．２〜Ｑ、３ｍ５ｅｃ　％パルスエネルギ約０．０ ５ジュール、パルス再発生周波数的１００Ｈｚとする。除去すべき深さを実質的 に零に再調整することができる。この工程における加工速度は、例えば、０．１ ５ｍｍ”／ｍｉｎである。

３、後加工工程、パルス期間約３　ｍ５ｅｃ、パルスエネルギ約０．８ジユール 、パルス再発生周波数的５０Ｈｚで加工表面を平滑に仕上げる。

本発明は、金属、合成樹脂またはセラミックスのワークに予定の形状および寸法 および表面状態の貫通孔、盲孔、溝孔、または条溝を形成するのに特に好適に用 いることができる。本発明は、工具、成形型、ダイスおよび高精度の部品の製造 プロセスに特に有利に用いることができる。

国際調査報告

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．パルス発生レーザビームを用い、ワーク表面に指向させ、レーザビームをワ ーク表面上に焦点させてワーク表面の材料を微細加工する方法において、 ａ）レーザビームの焦点をワーク表面の近くに調整し、ｂ）レーザビームとワー クとの相対的往復走査移動が前記焦点の直径より一方の移動方向に小さい距離で 段歩的に生じるとともにレーザビームを同じ小表面区域上にオーバーラップさせ て移動させて照射するようにレーザビームとワークとを相対的往復走査移動させ 、 ｃ）レーザビームのパルス期間および出力密度ならびに前記相対的移動を調整し て、各パルスで材料蒸気または材料プラズマのブルームがワーク表面上に形成さ れるようにし、また、レーザエネルギのカップリング量を制御し、前記レーザエ ネルギの一部を吸収させ、ワーク表面をブルームで発生した熱エネルギによって 予熱し、その温度上昇の結果として、以後のレーザエネルギの供給を蒸発によっ て実質的に発生する極少量の材料除去に対し十分小さくすることを特徴とするワ ーク表面を微細加工する方法。
2. ２．前記走査移動において、ブルームを自己制御素子として用いて、所望の微細 加工に応じて、ワーク表面より下方の所定深さに焦点を調整し、特に加工した表 面積が焦点より下方の深さに到達して材料の蒸発が段々少なくなって完全に終る まで焦点を調整位置に保持して照射し続けることを特徴とする請求項１記載の方 法。
3. ３．往復移動を段歩的に行なう第２移動に対する前記往復直線または曲線移動の 方向を加工した表面の形状および表面加工速度を決定することを特徴とする請求 項１または２記載の方法。
4. ４．Ｎｄ−ＹＡＧレーザのようなパルス発生レーザビームのパルス期間、パルス エネルギおよびパルス再発生周波数を約０．０２〜３ｍｓｅｃ、０．０５〜１ジ ュールおよび３０〜１００Ｈｚにそれぞれ調整することを特徴とする請求項１〜 ３のいずれか１項に記載の方法。