JPH11267867A

JPH11267867A - レーザ加工方法及び装置

Info

Publication number: JPH11267867A
Application number: JP10092255A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Umetsu; 一成梅津; Yoshifumi Yoshida; 佳史吉田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-03-23
Filing date: 1998-03-23
Publication date: 1999-10-05

Abstract

(57)【要約】【課題】飛散溶融物の発生及びその再付着を抑制し、
加工精度及び品質を向上させる。【解決手段】レーザ光による穴又は溝の形成加工にお
いて、最初に、被加工物６の表面及びその近傍の表面層
部分を、所定の加工しきい値と同一又はそれより僅かに
大きい第１エネルギのレーザ光Ｂを照射する。それより
深い被加工物の部分には、第１エネルギよりも実質的に
大きい第２エネルギのレーザ光を照射して加工する。所
定の加工しきい値は、少なくとも被加工材料をその融点
まで加熱して材料除去を開始できる必要最小限の照射エ
ネルギに基づいて決定される。レーザ光はパルス幅が短
く、熱影響の少ないＱスイッチ発振ＹＡＧレーザが好ま
しく、そのピーク出力、パワー密度、パルス幅、又は照
射回数等を調整することにより照射エネルギを制御す
る。【効果】様々な材料について微細で深く、汚れが少な
く形状の良い穴又は溝の加工が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光を照射し
て被加工物を加工する技術に関し、特に金属やセラミッ
クス、プラスチック材料などに微細な穴や溝を形成する
方法及びそのための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属その他様々な材料の穴あけ、
溝削りには、ドリル加工や打抜き等の機械加工が一般的
であるが、最近は、非接触加工で機械加工のような加工
歪みが少なく、無機質から金属、高分子材料まで広範な
材料を加工することができ、特に微細加工に適したレー
ザ加工が多く利用されている。

【０００３】レーザ加工は、高エネルギ密度のレーザ光
を照射して被加工物表面を溶融、蒸発させて材料の一部
を除去することにより、穴や溝を形成する。図７（Ａ）
に示すように、レーザ光Ｂの照射により被加工物１表面
に溶融部２が形成される。更にレーザ光を照射すると、
溶融部が蒸発又は飛散して穴の形成が始まる（図７
（Ｂ））。穴３は、溶融物の噴出により図７（Ｃ）のよ
うに成長する。穴３から飛散した溶融物４即ちドロスの
一部は、穴の周辺に再付着して固化する。このため、穴
の形状や見栄えが汚くなり、仕上げ処理が必要になった
り、加工精度が低下する。

【０００４】かかる問題を解消するために、例えば特開
昭６３−１１５７６１号公報に記載されるように、被加
工物を水等の液体中に配置してレーザ光を照射すること
により、溶融物を液体で急激に冷却し、固体化させて再
付着しないようにするレーザ加工方法が知られている。
更に同公報には、レーザ照射部にジェット水流を噴射し
たり超音波振動を加えて、軽微に付着した溶融スラグを
容易に除去することが記載されている。

【０００５】また、特開平８−１５５６７０号公報に
は、真空槽内で被加工物にレーザ光を照射してレーザ加
工する際に、被加工物近傍に電界をかけて加工残渣を外
側に引き出し、効率よく排出させて微細孔や微細溝を良
好に形成する方法が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】レーザ光を用いて微細
孔又は溝を形成する場合、通例被加工物に照射されるレ
ーザ光のエネルギは加工の開始から終了まで一定の大き
さである。一般に穴深さＤと照射エネルギとの関係は、
次の（１）式で表されることが知られている。ここで、
ρ、Ｌ、ｃ、Ｔはそれぞれ被加工材料の密度、融解又は
蒸発熱、比熱、除去温度であり、ｑは材料表面における
吸収パワー密度、τは加工時間である。

【０００７】

【数１】

【０００８】（１）式中、ｑ・τは、被加工物のレーザ
光照射部における単位面積当たりのエネルギ（Ｊ／cm
² ）である。ρ（Ｌ＋ｃＴ）は被加工物の材料によって
決定される一定値である。従って、穴が深くなるに連れ
て、必要なレーザ光のエネルギは大きくなる。

【０００９】深穴を形成する場合、使用するレーザ光の
エネルギの大きさが一定であると、被加工物表面及びそ
の近傍の表面層部分には、必要以上の過大なエネルギが
照射される。このため、表面層部分は単位時間当たりの
加工量が多くなり、飛散する溶融物が多量でその粒径が
大きいので、再付着する飛散溶融物の量が多くなり、か
つ穴径も必要以上に大きくなるという問題が生じる。ま
た、逆に使用レーザ光のエネルギを小さくすると、所望
の深さを加工できなくなる。

【００１０】上述した従来のレーザ加工方法において
も、同様に使用レーザ光のエネルギの大きさは一定であ
るから、多量の溶融物が噴出しかつ穴径が過大になると
いう上記問題を解消することはできない。更に特開平８
−１５５６７０号公報記載のレーザ加工方法は、被加工
物を配置するための真空槽が必要であるため、加工装置
全体が複雑かつ大型で価格が高騰し、作業工程が面倒で
時間がかかり、効率が低下するという問題が生じる。

【００１１】そこで、本発明は、上述した従来の問題点
に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、特に微細で深い穴及び溝の形成に適しており、飛散
溶融物の発生を抑制しかつその再付着をできる限り少な
くして、加工精度及び品質を向上させることができるレ
ーザ加工方法を提供することにある。本発明の別の目的
は、上記レーザ加工方法を実施するのに適したレーザ加
工装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した目的
を達成するためのものであり、以下にその内容を図面に
示した実施例を用いて説明する。本発明のレーザ加工方
法は、被加工物の表面にレーザ光を照射して、該表面に
穴又は溝を形成する工程において、被加工物の表面及び
その近傍の部分は、所定の加工しきい値と同一又は僅か
に大きい第１のエネルギのレーザ光で加工し、それより
深い被加工物の部分は、第１のエネルギよりも実質的に
大きい第２のエネルギのレーザ光で加工することを特徴
とする。

【００１３】ここで、被加工物の前記所定の加工しきい
値は、例えばその材料に応じて次のように設定すること
ができる。被加工物に穴や溝を形成するためには、少な
くとも材料をその融点まで加熱しなければならない。そ
のためには、レーザ光のパワー密度ｑ（レーザ出力／ス
ポット面積）が或る値以上であって、照射部分の温度を
上昇させ得ることが必要である。そのために必要かつ最
小限のパワーＱは、次の（２）式で与えられる。ここ
で、Ｋ、Ｔm はそれぞれ被加工材料の熱伝導率と融点、
ｒ0 はレーザ光のスポット半径である。

【００１４】

【数２】

【００１５】ｒ0 は加工しようとする穴径によって変化
するが、これが決定すれば、（２）式から、必要最小限
のパワーＱは被加工材料の種類によって決定されること
が分かる。本発明によれば、この最小パワーＱに基づい
て前記所定の加工しきい値を決定することができる。但
し、レーザ加工の様々な条件によって、材料除去が開始
する前記所定の加工しきい値が最小パワーＱより高くな
る場合がある。

【００１６】このように、本発明によれば、被加工物の
表面及びその近傍の表面層部分に、穴や溝を加工するた
めの必要最小限のエネルギをかけるので、飛散溶融物の
発生が少なくかつその粒径が小さくなり、しかも不必要
な穴径の拡大を抑制できると共に、それより深い部分
は、所望の深さまで速い速度で効率的に加工することが
できる。

【００１７】前記第１のエネルギは、その大きさを所定
の加工しきい値の１．０〜１．５倍の範囲内に設定する
と、飛散溶融物を極力少なくして良好に表面層の加工を
開始することができるので、好都合である。

【００１８】或る実施例によれば、前記第２のエネルギ
は、レーザ光により被加工物に形成されていく穴又は溝
の深さに対応して、その大きさを変化させることができ
る。それにより、被加工物のより深い部分は、その深さ
に対応して過大とならない最適のエネルギでレーザ加工
することができ、加工工程全体を通じて飛散溶融物の発
生を少なくしつつ、効率的に品質の良い加工ができる。

【００１９】また、別の実施例では、被加工物を水など
の液体中に浸漬しつつレーザ光を照射することにより、
僅かに発生した飛散溶融物の再付着を有効に阻止するこ
とができ、より一層品質の向上が図られる。

【００２０】照射されるエネルギの制御、高出力、熱影
響などの観点から、パルス発振特にＱスイッチパルスの
レーザ光を使用するのが好ましい。より具体的には、レ
ーザ光のピーク出力、パワー密度、パルス幅、又は照射
回数を調整することにより、被加工物に照射されるレー
ザ光のエネルギを所望の大きさに制御することができ
る。

【００２１】また、本発明の別の側面によれば、上述し
たレーザ光のエネルギ制御を実現するために、パルス発
振のレーザ光を発生させるレーザ発振器と、前記レーザ
発振器から発振されたレーザ光の光路を選択的に開閉す
るシャッタ手段とを備えることを特徴とするレーザ加工
装置が提供される。

【００２２】レーザ発振器から発振されるパルスエネル
ギの大小は、その待機時間の大小に依存するから、最初
のパルスにより発振するレーザエネルギは所望の大きさ
より大きい。このレーザ光をシャッタ手段により選択的
に遮断することにより、所望の一定の大きさで発振する
レーザ光のみが被加工物に照射されるので、照射エネル
ギを容易に適正に制御することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１〜図３は、本発明によるレー
ザ加工方法を用いて被加工物に微細穴を形成する過程を
示している。本実施例では、パルス幅が短く、熱影響が
少ないＱスイッチパルス発振のＹＡＧレーザを使用し、
レーザ光Ｂを集光レンズ５で集光してステンレス鋼板６
に照射し、加工する。加工を開始する前に、ステンレス
のレーザビーム吸収率、熱伝導率などを考慮し、上記
（２）式などを用いて、材料表面が溶融して除去され始
める照射エネルギの大きさを、加工しきい値として設定
する。

【００２４】最初に、図１（Ａ）のステンレス鋼板６の
表面及びその近傍の表面層部分を加工する段階では、図
１（Ｂ）に示すように、そのピーク値Ｐ1 が前記加工し
きい値に対応する出力Ｐ0 より僅かに高い出力のレーザ
光を用いる。Ｐ1 の値は、実験的にはＰ0 の１．０〜
１．５倍の範囲内が好ましい。これにより、表面層部分
に形成され始めた穴７から噴出する溶融物を最小限に低
減させすることができる。また、入熱量が少ないので、
穴の周囲への熱影響が少なく、かつ穴径の不必要な拡大
を抑制される。

【００２５】次に、穴の成長に伴って、図２（Ａ）の前
記表面層より深い中間層部分を加工する段階では、図２
（Ｂ）に示すように、そのピーク値Ｐ2 が加工しきい値
の出力Ｐ0 の２倍近く高い出力のレーザ光を用いる。こ
れにより、加工中の穴７の深さに対応した大きさの照射
エネルギでレーザ光が照射されるので、穴７は引き続き
良好に形成され、同様に溶融物の噴出が少ない。

【００２６】最後に、図３（Ａ）の最深層部分を加工す
る段階では、図３（Ｂ）に示すように、そのピーク値Ｐ
3 が更に加工しきい値の出力Ｐ0 の２倍以上に高い出力
のレーザ光を用いることにより、貫通穴７が完成する。
このようにして、穴あけ加工の開始から終了までの全工
程を通じて、レーザ光の照射エネルギを制御することに
より、特に表面層部分において、飛散溶融物の噴出量低
減、加工精度の向上が図られ、品質の良い穴を効率的に
形成できる。

【００２７】これに対し、従来のレーザ加工による穴あ
けの場合、加工の開始から終了までの全工程を通じて、
図４（Ｂ）に示すようにステンレス鋼板６の貫通に必要
な一定の大きさのパルス出力Ｐ′（＝Ｐ3 ）を使用す
る。このため、特に表面層部分には過大なエネルギが照
射され、飛散溶融物が多量に噴出しかつその粒径が大き
くなり、穴の周囲に多量に付着する。これに加えて、入
口端の穴径が非常に大きくなり、出口端の穴径との比即
ちアスペクト比が非常に大きくなるという欠点があっ
た。

【００２８】本実施例における照射エネルギの制御は、
上述したレーザ光のピーク出力だけでなく、パワー密
度、パルス幅、照射回数、又はそれらを適当に組み合わ
せて調整することにより行うことができる。また、集光
レンズの焦点距離を変化させることによりレーザ光のパ
ワー密度を変化させることができるので、これを本実施
例に組み合わせることによって、より高精度かつ高品質
の穴あけ加工が可能になる。

【００２９】本実施例ではレーザ光の照射エネルギを３
段階に分けて制御したが、別の実施例では、より多段階
に分けて又は無段階で連続的に変化させながら制御する
ことができる。

【００３０】また、別の実施例では、前記ステンレス鋼
板を例えば水などの液体中に配置した状態でレーザ光を
照射し、穴あけ加工を行うことができる。この場合に
は、穴から噴出した溶融物が水により急激に冷却されて
固体化するので、その再付着が有効に防止される。ま
た、前記液体に水の代わりにエッチング液を用いること
ができ、化学作用の併用により溶融物の発生及び再付着
をより一層少なくすることができる。

【００３１】更に別の実施例では、前記ステンレス鋼板
のレーザ光照射部に、酸素ガス、圧縮空気又は窒素ガス
などのアシストガスを吹き付けて、溶融物を除去しなが
らかつ／又は加工を補助・促進しながら加工することが
できる。

【００３２】図５は、本発明のレーザ加工方法を用いて
微細穴を形成するのに適したレーザ加工装置の実施例を
概略的に示している。このレーザ加工装置は、Ｑスイッ
チパルス発振のレーザ光を発生させるレーザ発振器１０
と、ミラー１１と、集光レンズ１２と、前記レーザ発振
器とミラー間のレーザ光の光路内に配置された機械的シ
ャッタ手段１３とを備える。レーザ発振器１０とシャッ
タ手段１３とは、これらの動作を制御するコンピュータ
１４に電気的に接続されている。レーザ発振器１０から
発振されたレーザ光Ｂは、シャッタ手段１３を通過して
ミラー１１で反射され、集光レンズ１２で集光して、被
加工物１５に照射される。

【００３３】コンピュータ１４は、図６（Ａ）に示すよ
うに、加工穴の深さに対応した異なるパルス幅のレーザ
発振信号Ｓ1、Ｓ2をレーザ発振器１０に出力する。レー
ザ発振器１０は、各レーザ発振信号Ｓ1、Ｓ2に応じて、
図６（Ｂ）に示すように、それぞれに対応した大きさの
異なるピーク出力のレーザ光を連続してパルス発振す
る。各パルスｐ1、ｐ2のピークの大小は、その待機時間
の長短に依存するから、各パルス列の最初のパルスｐ1
1、ｐ21は、それぞれピークが大きくなる。これをその
まま照射すると、照射エネルギを十分に制御できず、特
に微細加工では十分に加工精度を上げることができなく
なるので好ましくない。

【００３４】そこでコンピュータ１４は、図６（Ｃ）に
示すように、連続する各レーザ発振信号Ｓ1、Ｓ2に同期
させて、即ちその最初のパルスｐ11、ｐ21にタイミング
を合わせて、シャッタ信号ＳQ をシャッタ手段１３に出
力する。シャッタ手段１３は、シャッタ信号ＳQ に応じ
てオンオフ動作し、オンになると閉じてレーザ光Ｂを遮
断し、オフになると開いてレーザ光を通過させる。これ
により、各パルス列の最初のパルスｐ11、ｐ21のみがカ
ットされ、図６（Ｄ）に示すようにそれぞれ一定のピー
ク出力に制御されたパルス列ｐ1、ｐ2が得られる。この
ようにして照射エネルギを制御したレーザ光を用いるこ
とにより、被加工物１５を良好にかつ高精度に加工する
ことができる。

【００３５】以上、本発明について好適な実施例を用い
て詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定される
ものでなく、その技術的範囲内において様々な変形・変
更を加えて実施することができる。上記実施例ではＱス
イッチパルス発振のレーザ光を採用したが、当然なが
ら、ノーマルパルス発振又は連続発振のレーザ光を用い
ることができる。また、レーザ光の光路中にマスク手段
を配置して、ビームの外周付近の部分をカットすること
により、照射されるレーザ光のパワー密度をより均一に
かつ高くすることができる。

【００３６】

【発明の効果】本発明は、以上のように構成されている
ので、以下に記載されるような効果を奏する。本発明の
レーザ加工方法によれば、従来の装置・設備を実質的に
そのまま用いて、被加工物の表面及びその近傍の部分を
加工する際に、飛散溶融物の発生を少なくし、その粒径
を小さくし、かつ不必要な穴径の拡大を抑制でき、それ
より深い部分は、所望の深さまで効率的に速く加工する
ことができるので、様々な材料の被加工物について微細
で深く、汚れが少なく形状の良い穴又は溝の加工が可能
になる。従って、レーザ加工の様々な適用分野におい
て、低コストで加工精度及び品質の大幅な向上が図ら
れ、歩留まりが改善され、かつ加工効率の向上により生
産性が改善される。

【００３７】また、本発明のレーザ加工装置によれば、
従来の装置・設備にシャッタ手段を付加するだけで、レ
ーザ光の照射エネルギを適正に制御できるので、低コス
トで高精度なレーザ加工が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）図は、本発明のレーザ加工方法による被
加工物の表面層部分の穴あけ過程を示す概略断面図、
（Ｂ）図は、使用するレーザ光の発振パルスを示す線図
である。

【図２】（Ａ）図は、被加工物の中間層部分の加工過程
を示す概略断面図、（Ｂ）図は、使用するレーザ光の発
振パルスを示す線図である。

【図３】（Ａ）図は、被加工物の最深層部分の加工過程
を示す概略断面図、（Ｂ）図は、使用するレーザ光の発
振パルスを示す線図である。

【図４】（Ａ）図は、従来のレーザ加工方法による被加
工物の表面層部分の穴あけ過程を示す概略断面図、
（Ｂ）図は、使用するレーザ光の発振パルスを示す線図
である。

【図５】本発明によるレーザ加工装置の構成を概略的に
示す図である。

【図６】（Ａ）図〜（Ｄ）図は、それぞれ図５の装置に
おいてレーザ光を発振させるレーザ発振信号、発振パル
ス、シャッタ信号、照射パルスを示す線図である。

【図７】（Ａ）図〜（Ｃ）図は、レーザ加工による穴の
成長過程を示す断面図である。

【符号の説明】

１被加工物１２溶融部３穴４溶融物５集光レンズ６ステンレス鋼板７、８穴１０レーザ発振器１１ミラー１２集光レンズ１３シャッタ手段１４コンピュータ１５被加工物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＢ２３Ｋ 26/16 Ｂ２３Ｋ 26/16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加工物の表面にレーザ光を照射して、
該表面に穴又は溝を形成するレーザ加工方法において、前記被加工物の表面及びその近傍の部分は、所定の加工
しきい値と同一又は僅かに大きい第１エネルギのレーザ
光を照射し、それより深い前記被加工物の部分を、前記
第１エネルギよりも実質的に大きい第２エネルギのレー
ザ光を照射することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】前記第１エネルギが前記所定の加工しき
い値の１．０〜１．５倍の範囲内であることを特徴とす
る請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】前記レーザ光により前記被加工物に形成
されていく穴又は溝の深さに対応して、前記第２エネル
ギの大きさを変化させることを特徴とする請求項１又は
２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】パルス発振のレーザ光を使用し、該レー
ザ光のピーク出力、パワー密度、パルス幅、又は照射回
数を調整することにより、前記被加工物に照射される前
記レーザ光のエネルギを制御することを特徴とする請求
項１乃至３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項５】前記被加工物を液体中に浸漬して、前記
レーザ光を照射することを特徴とする請求項１に記載の
レーザ加工方法。
【請求項６】前記液体が水であることを特徴とする請
求項５に記載のレーザ加工方法。
【請求項７】請求項４に記載の方法を実施するため
に、パルス発振のレーザ光を発生させるレーザ発振器
と、前記レーザ発振器から発振されたレーザ光の光路を
選択的に開閉するシャッタ手段とを備えることを特徴と
するレーザ加工装置。