CN114850679A - 利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在利用飞秒脉冲激光使大面积平面加工物整平后执行改善表面粗糙度的抛光的装置，位置固定部具有供被加工物安置在其上以对被加工物的表面进行加工的台、在台上固定被加工物的固定夹具、及使台在X轴、Y轴上移动的移动装置，表面形状测量部对限定在被加工物的表面上的多个测量点中的高低进行测量，并且对被加工物的表面形状进行数据化并传输，激光加工部基于获得的表面形状数据而执行将飞秒脉冲激光仅照射到加工区域以进行整平工艺，之后执行照射又一预定功率的飞秒脉冲激光，控制部接收表面形状数据并将其变换为用于整平加工的面数据，且对激光加工部的驱动控制以应用对于根据面数据决定的加工区域输入的加工参数以使激光加工部整平。

Description

利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置和方法

技术领域

本发明涉及利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置和方法，更详细地，涉及在执行实现如在叠层型电子陶瓷制造中使用的精密模具的大面积平面加工物的平坦度的整平工艺的之后，执行用于改善大面积的平面加工物的表面粗糙度(surface roughness)的抛光工艺的装置和方法。

背景技术

广义含义的研磨加工是指通过多种方法使被加工物的表面形状变得平滑并且改善表面粗糙度的加工方法。

其中，使被加工物的表面变得平滑的研磨通过根据微小的磨粒的摩擦的研磨(grinding)来构成，并且作为改善表面的粗糙度的方法，一般通过在由布、皮革、毛毡等制成的抛光片(buff)上使用磨料的抛光(polishing)作业来构成。

尤其是，抛光作业通过机械、电气或化学机构来构成。

机械抛光方法不仅可作业的被加工物的形状有限，作业消耗时间长，因研磨石上嵌入削片的堵塞(loading)现象而导致被加工物的表面粗糙度变得不均匀，因所使用的加工油而导致作业环境的恶化，因加工油的废弃处理而导致环境污染，而且未来可能会因为对于环境问题的法律法规的加强而导致大幅增加作业成本的可能性高。

虽然除了机械抛光方法以外还有电气或化学方法，但是这无法仅对选择性区域进行抛光，对于获得期望的表面粗糙度的精密作业而言受到制约，因所使用的化学药品而导致作业环境的恶化，并且依然会产生环境污染问题，因此在近来，不仅能够进行精密工艺而且在也能够缩短作业时间的同时利用环保的激光的抛光系统受到瞩目。

作为这种用于改善表面粗糙度的激光抛光方法，已公开有专利文献1(韩国专利公报第10-1594688号，2016.02.17公告)的根据激光抛光的电子器件用金属基板的表面处理方法、专利文献2(韩国专利公报第10-1358332号，2014.02.06公告)的利用激光的金属表面抛光方法、专利文献3(韩国专利公报第10-2094556号，2020.03.30公告)的激光抛光系统。

专利文献1的激光抛光方法作为使用激光以改善用作电子器件的基板的表面粗糙度的方法，其包括测量经过轧制工艺制造的金属基板的表面粗糙度Rz的步骤、以及在垂直方向上以10至500mm/sec的行进速度将激光照射到金属基板的表面以使金属基板的表面平坦化的步骤，其特征在于激光的波长为100nm以上，并且测量的金属基板的表面粗糙度不足。

专利文献2的利用激光的金属表面抛光方法包括在金属表面上形成用于防止氧化的涂覆膜的步骤、在涂覆膜的形成之后在使所述涂覆膜硬化的而步骤、将激光束照射到涂覆的金属表面以引起金属表面的熔融的步骤；以及在金属表面的熔融之后从金属表面去除所述涂覆膜的步骤，从而具有能够省略用于为了防止氧化而使用的惰性气体的喷射的室的优点。

此外，专利文献3的激光抛光系统涉及通过加热装置恒定地控制已预热到适合于玻璃生产和制造的适当温度的玻璃基板的温度并且能够对玻璃边缘面进行研磨的具有加热装置的激光抛光系统。

然而，上述的专利文献1至3等的传统技术为了抛光而使用激光，然而均通过在激光照射(irradiation)到被加工物的表面时发生的热量而使被加工物的表面凹凸熔融进而减小峰与谷的高度差的机构来改善表面粗糙度。

因此，如上所述的传统的激光抛光使表面因热量而融化，因此在熔融(melting)的金属再次重结晶化(recrystallization)的同时表面的细微组织和表面的硬度(hardness)发生变化，并且由于会发生表面的残留应力，因此存在着无法应用于反复地施加有高负载的施加模具的技术局限。

尤其是，在生成包括有符合使用目的的硬度、强度、韧性、延展性等的机械性质之后，作为收尾工艺在对表面执行抛光作业的情况下，表面的机械性质和表面的残留应力的生成只能成为使用上的致命缺陷。

根据传统的激光抛光作业，虽然可期待作为表面粗糙度的测量值的Ra或Ry值等在某种程度上得到改善，但是在被加工物的表面上存在有宏观的弯曲的情况下，例如，在表面研磨工艺中由于机械误差而在被加工物的表面形状中在轮廓上形成有峰和谷的弯曲的情况下，存在着只能够在某种程度上改善表面的粗糙度，而几乎难以期待对于微米级程度的平坦度的改善的局限。

然而，即使在被加工物的表面上存在有轮廓上的弯曲的情况下，虽然能够进行选择性地用高功率的激光仅照射宏观的峰部分的方法，但是不仅在现实中难以实现将照射的激光的焦点准确地仅集中在峰部分的焦点控制，而且由于高功率的激光束，这会使金属表面熔融进而发生热变形，因此仍任无法解决因机械性质的变化、表面残留应力的生成等而导致的裂纹发生和尺寸变化等的可能对被加工物的性能导致致命性问题的问题。

尤其是，在像为了生产叠层型电子陶瓷部件而使用的真空板(vacuum plate)模具那样数十吨至数百吨的负载被反复作用数十万次至数百万次的大面积的平面加工物的情况下，在激光抛光过程中不应生成表面的机械性质的变化和表面残留应力，并且与此同时需要高度的平坦度和表面粗糙度，因此这种问题已经达到了仅通过传统的激光抛光方法的表面粗糙度的改善无法应对的地步。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：韩国专利公报第10-1594688号，2016.02.17公告。

专利文献2：韩国专利公报第10-1358332号，2014.02.06公告。

专利文献3：韩国专利公报第10-2094556号，2020.03.30公告。

发明内容

要解决的技术问题

本发明是为了解决如上所述的技术问题而创出的，其目的在于提供执行使用如皮秒或飞秒脉冲激光的具有飞秒的激光来使相对大面积的平面加工物的表面平滑的整平作业、以及改善表面粗糙度的抛光的装置和方法。

此外，本发明的目的在于提供并不是像传统的激光抛光那样使金属表面熔融以改善表面粗糙度，而是将具有飞秒的激光照射到金属表面，从而能够在被加工物的表面上不产生热变形的情况下改善表面粗糙度的装置和方法。

不仅如此，本发明的又一目的在于提供不仅是仅对表面的微观的凹凸进行加工以仅改善表面粗糙度，而且通过简单地控制照射到金属表面上的激光的功率来选择性地对宏观的轮廓曲线进行加工，进而能够迅速地改善表面的平坦度的装置和方法。

解决问题的手段

具有如上所述的技术目的的根据本发明的利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置涉及在利用飞秒脉冲激光使大面积的平面加工物整平(planing)之后执行用于改善表面粗糙度的抛光的装置，其包括位置固定部100、表面形状测量部200、激光加工部300和控制部400，其中，位置固定部100具有供被加工物P安置在其上以对被加工物P的表面进行加工的台110、用于在所述台110上固定所述被加工物P的固定夹具120、以及用于使所述台110在X轴、Y轴上移动的移动装置130，表面形状测量部200对限定在所述被加工物P的表面上的多个测量点中的高低进行测量以测量所述被加工物P的表面平坦度，并且对所述被加工物P的表面形状进行数据化并传输，激光加工部300基于从所述表面形状测量部200获得的表面形状数据ZD而执行将所述飞秒脉冲激光选择性地照射到加工区域以进行平坦化的整平工艺，并且在所述整平工艺之后执行照射又一预定功率的飞秒脉冲激光以减少凹凸从而用于减少形成在加工物的表面上的凹凸以改善表面粗糙度的抛光，控制部400接收从所述表面形状测量部200获得的表面形状数据ZD并将其变换为用于所述整平加工的面数据SD，并且对所述激光加工部300的驱动进行控制以应用对于根据所述面数据SD决定的加工区域输入的加工参数以使所述激光加工部300整平。

此时，优选地，所述表面形状测量部200为将激光束照射到所述被加工物P的表面的所述测量点，并且读取反射的激光束的状态以对所述测量点中的高低进行测量的激光位移传感器。

此外，在所述表面形状测量部200中测量的表面形状数据ZD作为多个测量点中的Z轴(高度)上的位移数据，所述控制部400即将所述表面形状数据ZD变换为面数据SD，并且基于所述面数据SD而将为了所述整平加工而输入的所述加工参数传输到所述激光加工部300以控制对所述激光加工部300的驱动，其中，所述面数据SD将在连接所述多个测量点中高度相同的点而制成的虚拟的断层面在作为高度方向的Z轴方向上以预定间隔排列的状态下从所述断层面以相同的高度突出的区域决定为所述整平加工区域。

此处，优选地，在所述激光加工部300中在所述整平工艺时照射的激光束为波长为580nm以下且脉冲长度为270fs至700fs的飞秒脉冲激光。

此外，优选地，所述整平加工依次对从最上层的面数据SD上的所述整平加工区域至最下层的面数据SD上的所述整平加工区域进行加工，其中，在所述激光加工部300依次下降或者所述台110在Z轴(高度)方向上依次上升的同时进行加工。

此外，所述激光加工部300的一侧还可设置有光学相机CA，而光学相机CA能够实时地肉眼确认安置在所述位置固定部100上的所述被加工物P的对齐状态、以及根据从所述激光加工部300照射的激光束的加工状态，并且所述被加工物P的上部还可设置有工艺气体供给装置G，而工艺气体供给装置G对在根据所述激光照射部300的激光加工时使用的工艺气体进行控制并供给。

不仅如此，优选地还设置有用于去除在对于所述被加工物根据所述激光照射部的激光加工时产生的加工粉尘的粉尘去除装置D，并且所述粉尘去除装置D可包括在所述台110上的所述被加工物P的周边形成负压的负压产生装置D1、以及对通过所述负压吸入的粉尘进行过滤的过滤器D2。

而且，所述台110上还可设置有用于抵消外部振动的具有弹性的防震垫V。

此外，优选地，在所述激光抛光加工中使用的激光束为波长为580nm以下且脉冲长度为270fs至700fs的飞秒脉冲激光。

根据又一实施例的本发明的利用飞秒脉冲激光的整平抛光方法涉及在利用飞秒脉冲激光来使大面积的被加工物的表面平坦化的激光整平之后执行用于改善表面粗糙度的激光抛光的方法，其包括：将大面积的被加工物定位并固定在台上的加工原点处以对所述被加工物的表面进行加工的加工准备步骤(S1)；利用激光位移传感器来对设定在所述被加工物的表面中的多个点的高低进行测量并数据化以测量作为所述被加工物的表面的平滑程度的平坦度的表面形状测量步骤(S2)；基于经过所述表面形状测量步骤获得的所述表面形状数据而将连接高度相同的点而形成的虚拟的断层面变换为排列成具有预定间隔的多个面数据，将从相应的所述断层面以相同的高度突出的部分决定为整平加工区域，并且决定并输入用于所述整平加工的加工参数的步骤(S3)；对于基于所述面数据而决定的所述整平加工区域应用所述加工参数并且以预定图案照射激光束，从而使被加工物的表面平坦化的激光整平步骤(S4)；以及照射具有比在所述激光整平步骤(S4)中使用的激光束低的功率的激光束以减少形成在所述被加工物的表面上的凹凸以改善表面粗糙度的激光抛光步骤(S5)。

优选地，所述加工准备步骤、所述表面形状测量步骤、所述激光整平步骤和所述激光抛光步骤在通过光学相机实时地肉眼确认激光束照射到所述被加工物P的状态的同时执行。

此时，优选地，所述激光整平步骤在使所述激光加工部依次下降或者使所述台在Z轴(高度)方向上依次上升的同时在所述多个面数据中依次对最上层的面数据上的所述整平加工区域至最下层的面数据上的整平加工区域执行，并且优选地，所述激光整平步骤的激光束为波长为580nm以下且脉冲长度为270fs至700fs的飞秒脉冲激光。

此时，所述激光整平步骤和所述激光抛光步骤可在通过负压去除在激光加工时产生的加工粉尘的同时执行，并且所述被加工物可为在叠层用电子陶瓷的制造中使用的精密模具。

所述激光整平步骤和所述激光抛光步骤可在供给用于防止可能在激光加工时产生的被加工物的表面的机械性质的变化和表面残留应力的生成的工艺气体的同时执行，并且在所述激光抛光步骤中使用的激光束可为波长为580nm以下且脉冲长度为270fs至700fs的飞秒脉冲激光。

有益效果

根据具有如上所述的配置的根据本发明的整平抛光装置，由于一同执行使用具有如皮秒或飞秒脉冲激光的飞秒的脉冲长度的激光来使相对大面积的平面加工物的表面平滑的整平作业、以及改善表面粗糙度的抛光，因此能够在显著减小加工误差的同时极大化产量。

此外，本发明并不像传统的激光抛光那样使金属表面熔融以改善表面粗糙度，而是将具有飞秒的脉冲长度的激光照射到金属表面，从而能够在被加工物的表面上没有热变形的情况下改善表面粗糙度。

不仅如此，具有如下效果，即，不仅是仅对表面的微观的凹凸进行加工以仅改善表面粗糙度，而且通过简单地控制照射到金属表面上的激光的功率，选择性地仅对宏观的轮廓曲率高的部分进行加工，进而能够迅速地改善表面的平坦度。

附图说明

图1是示出通过传统的激光抛光装置实现的抛光前后的截面状态的示意图。

图2是示出通过与图1成对比的根据本发明的整平抛光装置实现的工艺前后的截面状态的示意图。

图3是用于说明根据本发明的利用飞秒脉冲激光的整平抛光方法的流程图。

图4是示出根据图3的流程图的加工过程的示意图。

图5是在本发明的整平抛光装置中使用的激光加工部的立体图。

图6是示出本发明的整平抛光装置的整体配置的连接状态的配置图。

具体实施方式

下文中将通过优选的实施例按照附图对本发明进行更加详细的说明。

应明确，在本发明中使用的整平(planing)意味着使宏观的轮廓高度平坦化的过程，其为本申请人为了与抛光工艺区分开而做出的创造性术语，并且使用为与减小对于微观角度中的凹凸的Ra值和Ry值的抛光不同的含义。

通常，以精密研磨的精度为基准观察时，本发明的整平工艺中的加工程度为10μm左右，并且抛光工艺具有0.8μm左右的加工程度，两个工艺被严格地区分开并使用。

图1是示出通过传统的激光抛光作业的工艺前后的材料截面的状态的示意图，并且图2是将通过根据本发明的利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置的加工前后的材料截面的状态与图1进行对比并示出的示意图。

图1的(a)示出了具有大面积平面的被加工物的形状，并且用虚线表示了一部分。

当夸张地放大虚线部分来观察时，如图1的(b)中所示，中央部分被形成为高的，因此示出了宏观地形成有弯曲。在本申请中，这种情况被称为平坦度下降的状态。

在图1的(b)中，夸装地示出了任意的两个点(A)中的微观的表面状态。即，当放大示出A部分时，示出了形成有决定表面粗糙度的微观角度中的凹凸。

形成在该A部分中的凹凸横跨被加工物的表面整体形成，而与图1的(b)中所示的轮廓高低无关，并且必然会不可避免地发生在机械研磨工艺中。

图1的(c)用A'表示了将在经过传统的激光抛光工艺之后使形成在A部分的凹凸被大幅减小的状态。

在激光抛光工艺之前的A部分中，凹凸的峰部分通过根据激光束的照射的热熔融而融化，从而填充谷部分，进而在整体上减小峰与谷的高度差，并且减小决定表面粗糙度的Ra值和Ry值。

然而，如图1的(c)中所示，表面粗糙度因传统的激光抛光而得到了很大改善，但是宏观视角中的轮廓高低几乎不变，因此可知平坦度依然处于降低的状态。

图1的(d)直接仅对传统的激光抛光工艺前后的A部分的变化进行比较并示出，并且由实线示出的部分示出了通过激光抛光减小凹凸的状态，并且由虚线示出的部分为在激光抛光之前存在的凹凸部分。

如图1的(d)中所示，传统的激光抛光工艺作为在微观角度中的凹凸A中峰部分熔融的同时填充谷部分的机构，其通过减小凹凸来改善表面粗糙度，因此可确认凹凸中的峰部分和谷部分变化为柔和的曲线形状A'，并且由于因熔融而导致的被加工物的表面的热变形，会发生硬度和强度的变化和表面的残留应力，而这正如上文中所述。

图2的(a)至(d)是示出为了与图1进行对比而示出的通过本发明的利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置和方法实现的大面积平面被加工物的表面变化的视图。

如图1的(a)和(b)，图2的(a)和(b)示出了加工之前的状态，因此省略重复说明。

与图1的(c)不同，图2的(c)可知，通过根据本发明的整平加工使宏观视角中的轮廓高低平坦化并且在通过整平加工的平坦化之后通过对于微观角度中的凹凸部分的激光抛光来改善表面粗糙度。

与图1的(c)中的A'部分不同，在图2的(c)中的B'部分可确认是切除峰部分，而不是通过热熔融来使峰部分融化来填充谷部分。

即，由于根据本发明的激光抛光是照射飞秒脉冲激光的，因此在其为使热量的发生最小化并且使峰部分通过物理打击而脱落的机构的这一方面与传统的激光抛光工艺明确地区分开。

如在图2的(d)中被极端地表现的，这种机构展现出使峰部分被切除的形状，而不是通过使峰部分热熔融来填充谷。

因此，由于热量发生被最小化，因此被加工物的表面上几乎不产生热变形，并且被加工物的机械性质几乎不变，而且不会发生因热量的残留应力，这是本发明的最大特征。

在下文中，出于便利性，先对用于构成图2中所示的被加工物的表面变化的本发明的利用飞秒脉冲激光的整平抛光方法进行说明之后，再对装置的配置进行说明。

图3是按照步骤记载本发明的利用飞秒脉冲激光的整平抛光方法的流程图，并且图4是示意性地示出各个步骤的处理的视图。

首先，为了对大面积的被加工物P的表面进行加工，将被加工物P定位并固定在台110上的加工原点，从而准备加工(S1)。

台110作为可供被加工物P安置在其上的矩形，其内角为直角，因此易于设置加工原点。

被加工物安置在台110上的加工原点并且利用固定夹具120(未示出)来固定被加工物的位置，从而使被加工物的位置在加工期间不变。

此外，虽然有能够使台110在X轴、Y轴和/或Z轴(高度)方向上移动的移动装置130，但是在本申请的实施例中说明了使激光加工部300在X轴、Y轴和/或Z轴(高度)方向上移动的情况，而不是使台110移动。

固定夹具120只要是能够在台110上固定被加工物的位置的手段即可，并不对具体形状或材质等进行特别限定。

台110作为具有高度的平坦度的平面加工物，其为强度和硬度高的金属材质即可，并且只要是如陶瓷材质的不受温度等的影响的材质即可，并不对其进行特别限定。

作为实质性加工的第一步骤，为了测量作为被加工物P的表面的平坦程度的平坦度，从利用激光位移传感器对所述被加工物P的表面的高低进行测量并数据化的表面形状测量步骤(S2)开始。

如图4的(a)中所示，表面形状的测量步骤(S2)为对横跨被加工物P的表面整体任意地决定的多个测量点中的高低进行测量，并且对该测量值进行数据化以获得关于表面状态的数据的步骤。

在图4的(a)中任意地指定共计24个点，即，横轴上的8个点和纵轴上的3个点，并且对该点中的Z轴上的高度进行测量。

对于Z轴上的高度，通过激光位移传感器将激光束照射到被加工物的表面并且观察反射的激光束来测量高度，并且其结果获得如右图的表面形状数据值。

该表面形状数据ZD值作为与Z轴(高度方向轴)上的坐标相似的概念，其表示如0、1、3、5、9等的单纯的Z轴上的高度。

该数据值根据加工量或精度等的条件而在预设范围内通过四舍五入、上舍入、下舍入等的演算而换算成单纯的数字数值。

为了有助于本发明的理解，被加工物的中央部分示出为取为凸出得稍微夸张的表面形状，然而实际上，考虑到机械研磨工艺的精度，其为10微米左右的微小的高度差。

在本发明中，将这种表面形状表现为宏观视角中的轮廓高低，并且为与决定表面粗糙度的微观角度中的凹凸完全不同的概念。

本发明的重要特征中的一个在于通过相同的装置依次构成使宏观视角中的轮廓高低平坦化的工艺、以及缓解决定表面粗糙度的微观角度中的凹凸的工艺。

接着，对基于上面说明的表面形状数据ZD来使对于大面积的平面被加工物的表面的宏观视角中的轮廓高低平坦化的整平加工区域的决定步骤(S3)和激光整平工艺(S4)进行具体说明。

如图4的(b)中所示，基于经过所述表面形状测量步骤(S2)获得的所述表面形状数据ZD，将包括Z轴上的高度相同的两个以上的点的虚拟的断层面排列成具有预定间隔。

在本发明中该断层面称为面数据。

该虚拟的断层面之间的间隔可根据被加工物的所需精度来设定，并且虚拟的断层面自身的厚度也可被任意地设定。

在变换为叠层排列为多个的面数据之后，从相应的所述断层面以相同的高度突出的部分成为用于使宏观视角中的轮廓高低平坦化的整平加工区域，并且考虑整平加工区域的大小或厚度等的诸多情况来决定用于激光加工的参数。

作为上面的加工参数的实例，有着激光波长、重复率、平均功率、激光重叠率、光束焦距、光束直径、焦点品质、扫描速度、被加工物的输送速度等。

所述整平加工区域作为在上面的多个面数据上突出的区域，其通过控制部的输入程序自动决定，并且该信息传输到直接执行整平加工的激光加工部。

控制部400以如上所述地生成的面数据为基准来决定整平加工区域，并且将整平加工区域计算为X轴、Y轴上的坐标并且控制将激光加工部300移动到该位置的驱动，以使得激光加工部300能够移动到经决定的整平加工区域。

此处，由于各个面数据上的整平加工区域可各不相同，因此成为各个面数据上的加工区域的X轴、Y轴上的坐标可通过控制部400各自计算并变换。

虽然在本实施例中示出了当决定并输入加工参数时，从控制部将该信息和加工区域传输到激光加工部，但是当输入关于初始加工条件的事项时，也可通过控制部自身的程序自行决定并调节最佳的加工参数。

如图4的(c)中所示，所述激光加工部对有上述步骤(S3)决定的整平加工区域应用预定的加工参数以按照预定图案照射激光束，从而执行使对于被加工物的表面的轮廓高低平坦化的激光整平工艺(S4)。

图4的(c)的左图示出了在激光整平工艺(S4)时以多个面数据中的任一个面数据为基准将激光加工部300驱动到该区域以按照线图案照射激光进而进行加工的形态。

激光束的照射图案可进行多种变化，并且从最上侧的面数据至最下侧的面数据为止，依次执行整平工艺。

此时，也可设定为在Z轴上按照各个面数据之间的设定的一个面的厚度移动的同时构成整平工艺，并且使激光加工部300下降或者使台110上升以便能够在按照各个面数据之间的间隔移动的同时构成。

本实施例作为激光的焦距保持恒定的情况，其为激光加工部按照面数据之间的间隔下降的情况。

图4的(c)的右图示意性地示出了完成激光整平工艺(S4)并且表面形状被去除，从而宏观视角中的轮廓高低被平坦化的状态。

由于本发明为通过飞秒脉冲激光产生物理脱落的机构的加工，而不是使被加工物熔融的机构，因此在激光整平工艺(S4)中照射的激光束主要使用飞秒脉冲激光。

为了使被加工物的表面上的热变形最小化，在本实施例中使用的激光束具有除了IR区域以外的580nm以下的515nm的波长，并且在具有270fs至700fs的脉冲长度的飞秒脉冲激光中使用了700fs的飞秒脉冲激光。

此外，重复率为250kHz至450kHz，光束尺寸具有2.5mm至3.5mm的直径，并且每脉冲能量应用了200μJ至500μJ的加工参数。

此时，在进行激光整平工艺期间，能够通过设置在激光加工部的一侧的光学相机CA用肉眼实时地观察加工状态，并且根据需要，可对加工的程度或加工参数等的加工条件进行调节。

如图4的(d)中所示，在激光整平工艺(S4)之后，为了改善所述被加工物的表面粗糙度，执行用于减小微观角度中的凹凸的激光抛光步骤(S5)。

本发明中的激光抛光步骤(S5)也通过激光加工部的激光束的照射来构成，并且在激光抛光步骤(S5)中使用的激光束与在激光整平步骤(S4)中使用的激光束不同。

即，与整平工艺中使用的激光束相比，通过对激光抛光中使用的激光束的功率和重复率进行改变，从而成为加工量更少并且精密的作业。

通常，抛光工艺是指实现Ra值为0.8μm以下的表面粗糙度的工艺。

该激光抛光步骤(S5)为在已通过上述整平工艺构成表面的平坦化的状态下作为后续工艺进行的精密收尾工艺，因此加工程度非常精细。

本发明的特征中又一重要特征在于，尽管是减小微观角度中的凹凸的工艺，然而是通过选择性地仅切除(蚀刻)凹凸中的峰部分来构成，在这方面与传统的激光抛光存在着区别。

由此，通过使宏观视角中的高低平坦化并且选择性地仅去除微观角度中的凹凸的峰部分的工艺，能够在不使被加工物的机械性质变化的同时使平坦度和表面粗糙度均得到显著改善。

在下文中，通过优选实施例对本发明的利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置进行详细说明。

图5是示出根据本发明的优选实施例的利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置的配置的图，并且图6是示出图5的装置的连接结构的系统图。

如图5中所示，本发明的利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置在被用于固定被加工物P的位置的位置固定部100牢固地固定的状态下进行激光加工和输送。

上述的位置固定部100由供被加工物P安置在其上的台110、用于在所述台110上固定所述被加工物P的固定夹具120(未示出)、以及用于使所述台110在X轴、Y轴上移动的移动装置130(未示出)构成。

本实施例中的移动装置130使用沿着各个轴移动以便能够在X轴、Y轴上移动的线性电机，并且在Z轴(高度)方向上使用伺服电机，然而移动装置130的具体规格或类型能够进行任意变形。

上述的移动装置130也可使激光加工部300移动，并且根据情况也可使台110移动。

本实施例中的被加工物P作为具有大面积的表面的六面体形状，示出了叠层型电子陶瓷，例如，MLCC叠层用模具。

被加工物P的上侧定位有照射激光束的激光加工部300。

激光加工部300由发生激光束的发生器310、扩束器320、第一反射镜330a、第二反射镜330b、布置在上述反射镜330a、330b之间的光束闸340、以及将激光束照射到被加工物P的扫描器350构成。

发生器310作为发生激光束的配置，本实施例中的激光束的波长带具有能够最大限度地抑制至被加工物P的吸热率的515nm的绿色区域的波长带。

目前通常使用的激光束为具有1064nm程度的波长的近红外线(NIR)区域的激光，然而由于热影响高，因此在本发明中使用的激光具有属于上述的近红外线区域的激光波长的1/2程度的530nm左右的波长。

因此，本申请人确认到具有580nm以下的波长带的激光受到的热影响为显著小的，并且根据未来激光技术的发展，预计使用比其短的波长的激光将是更有利的。

激光束从发生器310出射到扩束器320，而扩束器320能够进行能够扩大或缩小激光束的大小的调节，并且通过扩束器320调节大小的激光束通过第一反射镜330a和第二反射镜330b在直角方向上被反射并且出射到扫描器350。

扫描器350的内部设置有可更换的f镜，并且通过在Z轴(高度)上一同的同时对Δf值(焦点系数)进行补偿，从而能够出射出清晰的激光束。

另外，第一反射镜330a与第二反射镜330b之间设置有具有开/关功能的光束闸340，并且通过执行阻挡通过第一反射镜330a出射的激光束或使其通过的功能，能够使激光束对齐。

扫描器350的一侧设置有激光位移传感器，而激光位移传感器为对限定在所述被加工物P的表面上的多个测量点中的高低进行测量以测量所述被加工物P的表面平坦度，并且对所述被加工物P的表面形状进行数据化并传输的表面形状测量部200。

该激光位移传感器作为识别利用激光束的直进性来出射的激光束和反射的激光束的状态变化来测量从基准点至测量点的距离的配置，在本实施例中使用的激光位移传感器的距离精度为0.1μm程度。

该激光位移传感器作为测量被加工物的表面的宏观视角中的轮廓高低的配置，对已设定的多个测量点中的Z轴上的相对高度进行数据化并传输到控制部400。

控制部400接收从所述表面形状测量部200获得的表面形状数据ZD，生成包括该数据ZD上的相同的高度的两个以上的点的多个面数据SD，并且将从该面数据SD突出的区域决定为整平加工区域。

面数据SD的数量可基于表面形状数据ZD值而根据其偏差和加工的精度、加工的程度等来进行多种设定。

例如，当假设在测量的表面形状数据ZD上最下点与最上点之间为10μm时，也可按照1μm进行10等分来生成10个面数据SD，并且也可按照2μm进行5等分来生成5个面数据SD。

因此，控制部400因面数据SD而决定具有相同的突出高度的多个整平加工区域，并且在将对于该加工区域的信息传输到激光加工部300的同时将预先输入的加工参数传输到激光加工部300，从而对激光加工部300的驱动进行控制以使其执行整平工艺。

控制部400基于如上所述地生成的面数据来决定整平加工区域，并且将整平加工区域计算为X轴、Y轴上的坐标并且控制使激光加工部移动到该位置的驱动以便激光加工部能够移动到经决定的整平加工区域。

此处，由于各个面数据上的整平加工区域可各不相同，因此成为各个面数据上的加工区域的X轴、Y轴上的坐标可由控制部400各自计算并变化。

在本实施例中的激光整平工艺中使用的激光束使用了具有515nm程度的波长，在金属中的吸热率高且避开谐振频带的近红外线(NIR)区域，为其中具有515nm的波长的绿色区域的可视光线，并且具有270fs至700fs的脉冲长度的飞秒脉冲激光。

用于实现本发明的目的的激光束的波长带的上限为580nm，并且预计波长越短越有利。

飞秒脉冲激光束仅选择性地以预定图案照射到决定为基于从所述表面形状测量部200获得的表面形状数据ZD来生成的面数据SD的整平加工区域，从而执行使被加工物P的表面平坦化的整平工艺。

上述的激光整平工艺按照从最上层的面数据至最下层的面数据为止的预定加工深度依次执行。

由于沿着Z轴依次执行上述的激光整平工艺，因此在使激光加工部300依次下降或者使台110依次上升的情况均可，然而在本实施例中是在使激光加工部300下降的同时进行。

当通过该激光加工部300完成整平工艺时，在宏观视角中的轮廓高低被平坦化的状态下，继续使微观角度中的凹凸减小以改善表面粗糙度的激光抛光工艺。

此外，与所述激光整平工艺相比，由于通过从激光加工部300照射的激光束过程的加工的程度非常细微，因此照射的激光束的每脉冲能量和功率为显著小的。

与传统的激光抛光不同，本发明的激光抛光并不是通过热熔融来使峰融化来填充谷的机构，而是使用使其物理脱离的飞秒脉冲激光，而不是使金属表面的粒子热熔融，因此其为通过选择性地仅对峰部分进行蚀刻来减小凹凸的机构。

例如，在被加工物P为像MLCC叠层用精密模具那样反复地作用有大负荷的情况下，被加工物的表面的热变形或机械性质的变化可能成为使用上的致命性缺陷，因此根据本发明的装置将会在业界受到非常划时代的认可。

图6是示出对于根据本发明的利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置的整体配置的连接状态的配置图。

对于前述的配置，将省略重复说明。

如图6中所示，连接有两个线性电机LM与一个伺服电机，以使得位置固定部100的台110能够分别由X轴、Y轴、Z轴移动，并且连接有用于抵消来自外部的振动的橡胶材质的防震垫V。

防震垫V并不必须是橡胶材质，并且像空气悬架那样能够吸收并抵消振动即可。

此外，被加工物P的上侧还设置有用于供给诸如氦气或氩气的惰性气体、或者诸如氮气、氧气和空气的工艺气体以防止可能在激光加工时发生的化学变化的供给气体供给装置G，并且该供给气体供给装置G包括吹气的风机、以及用于控制供给气体的供给的阀。

不仅如此，台110的下部设置有用于去除可能在加工时发生的粉尘的粉尘去除装置D，并且在本实施例中包括作为能够在被加工物P的周边形成负压以吸入粉尘的真空泵的负压产生装置D1、以及用于对通过真空泵吸入的粉尘进行过滤的粉尘过滤器D2，并且也包括用于控制根据真空泵的负压的阀。

另外，图6中所示的激光加工部300示出为光束闸340布置在第二反射镜330b与扫描器350之间，这与图5略有不同，但是光束闸340作为阻挡激光束或者使激光束通过的配置，其能够根据反射镜的使用与否以及位置来进行任意变形。

在上文中已通过优选实施例对本发明的利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置和方法进行了说明，但这仅仅是为了有助于本发明的理解，而不是限定本发明的技术范围。

本发明的技术范围仅由权利要求书来限定，并且在不背离本发明的技术范围的情况下也能够在本领域的技术人员的立场上进行多种变形或改造，并且这种变形或改造也属于本发明的技术范围内。

Claims (18)

1.一种利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置，所述利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置(1)在利用飞秒脉冲激光使平面加工物整平之后执行用于改善表面粗糙度的抛光，所述利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置包括：

位置固定部(100)，所述位置固定部具有供被加工物(P)安置在其上以对被加工物(P)的表面进行加工的台(110)、用于在所述台(110)上固定所述被加工物(P)的固定夹具(120)、以及用于使所述台(110)在X轴、Y轴上移动的移动装置(130)；

表面形状测量部(200)，所述表面形状测量部对限定在所述被加工物(P)的表面上的多个测量点中的高低进行测量以测量所述被加工物(P)的表面平坦度，并且对所述被加工物(P)的表面形状进行数据化并传输；

激光加工部(300)，所述激光加工部执行基于从所述表面形状测量部(200)获得的表面形状数据(ZD)而将所述飞秒脉冲激光选择性地照射到加工区域以进行平坦化的整平加工，并且在所述整平加工之后执行照射又一预定功率的飞秒脉冲激光以减少凹凸从而用于减少形成在加工物的表面上的凹凸以改善表面粗糙度的抛光；以及

控制部(400)，在所述表面形状测量部(200)中测量的表面形状数据(ZD)作为多个测量点中的Z轴(高度)上的位移数据，所述控制部将所述表面形状数据(ZD)变换为面数据(SD)，并且基于所述面数据(SD)而将为了所述整平加工而输入的加工参数传输到所述激光加工部(300)并且对所述激光加工部(300)的驱动进行控制，其中，所述面数据(SD)将在使连接所述多个测量点中高度相同的点而制成的虚拟的断层面在高度方向上以预定间隔排列的状态下从所述断层面以相同的高度突出的区域决定为整平加工区域。

2.如权利要求1所述的利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置，其中，所述表面形状测量部(200)为将激光束照射到所述被加工物(P)的表面的所述测量点，并且读取反射的激光束的状态以对所述测量点中的高低进行测量的激光位移传感器。

3.如权利要求1所述的利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置，其中，在所述激光加工部(300)中在所述整平加工时照射的激光束为波长为580nm以下且脉冲长度为270fs至700fs的飞秒脉冲激光。

4.如权利要求3所述的利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置，其中，所述整平加工依次对从最上层的面数据(SD)上的所述整平加工区域至最下层的面数据(SD)上的所述整平加工区域进行加工，其中，在使所述激光加工部(300)依次下降或者使所述台(110)在Z轴方向上依次上升的同时进行加工。

5.如权利要求1所述的利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置，其中，所述激光加工部(300)的一侧处还设置有光学相机(CA)，所述光学相机能够实时地对安置在所述位置固定部(100)上的所述被加工物(P)的对齐状态、以及根据从所述激光加工部(300)照射的激光束的加工状态进行肉眼确认。

6.如权利要求1所述的利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置，其中，所述被加工物(P)的上部还可设置有工艺气体供给装置(G)，所述工艺气体供给装置对在根据所述激光加工部(300)的激光加工时使用的工艺气体进行控制并供给。

7.如权利要求1所述的利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置，其中，还包括：

粉尘去除装置(D)，所述粉尘去除装置针对所述被加工物对在根据所述激光加工部(300)的激光加工时产生的加工粉尘进行去除。

8.如权利要求7所述的利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置，其中，所述粉尘去除装置(D)包括在所述台(110)上的所述被加工物(P)的周边形成负压的负压产生装置(D1)、以及对通过所述负压吸入的粉尘进行过滤的过滤器(D2)。

9.如权利要求1所述的利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置，其中，所述台(110)上还设置有用于抵消外部振动的具有弹性的防震垫(V)。

10.如权利要求3所述的利用飞秒脉冲激光的整平抛光装置，其中，在所述激光抛光加工中使用的激光束为波长为580nm以下且脉冲长度为270fs至700fs的飞秒脉冲激光。

11.一种利用飞秒脉冲激光的整平抛光方法，所述利用飞秒脉冲激光的整平抛光方法在利用飞秒脉冲激光来使平面加工物的表面平坦化的激光整平之后执行用于改善表面粗糙度的激光抛光，所述利用飞秒脉冲激光的整平抛光方法包括：

将被加工物定位并固定在台上的加工原点处以对所述被加工物的表面进行加工的加工准备步骤(S1)；

利用激光位移传感器来对设定在所述被加工物的表面中的多个点的高低进行测量并数据化以测量作为所述被加工物的表面的平滑程度的平坦度的表面形状测量步骤(S2)；

基于经过所述表面形状测量步骤获得的表面形状数据而将连接高度相同的点而形成的虚拟的断层面变换为排列成具有预定间隔的多个面数据，将从相应的所述断层面以相同的高度突出的部分决定为整平加工区域，并且决定并输入用于整平加工的加工参数的步骤(S3)；

对于基于所述面数据而决定的所述整平加工区域在激光加工部中应用所述加工参数来以预定图案照射激光束，从而使被加工物的表面平坦化的激光整平步骤(S4)；以及

照射具有比在所述激光整平步骤(S4)中使用的激光束低的功率的激光束以减少形成在所述被加工物的表面上的凹凸以改善表面粗糙度的激光抛光步骤(S5)。

12.如权利要求11所述的利用飞秒脉冲激光的整平抛光方法，其中，所述加工准备步骤、所述表面形状测量步骤、所述激光整平步骤和所述激光抛光步骤在通过光学相机肉眼确认激光束照射到所述被加工物(P)的状态的同时执行。

13.如权利要求11所述的利用飞秒脉冲激光的整平抛光方法，其中，所述激光整平步骤在使激光加工部依次下降或者使所述台在Z轴(高度)方向上依次上升的同时在所述多个面数据中依次对最上层的面数据上的所述整平加工区域至最下层的面数据上的整平加工区域执行。

14.如权利要求11所述的利用飞秒脉冲激光的整平抛光方法，其中，所述激光整平步骤的激光束为波长为580nm以下且脉冲长度为270fs至700fs的飞秒脉冲激光。

15.如权利要求11所述的利用飞秒脉冲激光的整平抛光方法，其中，所述激光整平步骤和所述激光抛光步骤在通过负压去除在激光加工时产生的加工粉尘的同时执行。

16.如权利要求11所述的利用飞秒脉冲激光的整平抛光方法，其中，所述被加工物为在叠层用电子陶瓷的制造中使用的精密模具。

17.如权利要求11所述的利用飞秒脉冲激光的整平抛光方法，其中，所述激光整平步骤和所述激光抛光步骤在供给用于防止可能在激光加工时产生的被加工物的表面的机械性质的变化和表面残留应力的生成的工艺气体的同时执行。

18.如权利要求11所述的利用飞秒脉冲激光的整平抛光方法，其中，在所述激光抛光步骤中使用的激光束为波长为580nm以下且脉冲长度为270fs至700fs的飞秒脉冲激光。

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