JP2002059282A - 液体中における曲がり穴の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高出力レーザー光を用いて屈曲した微細な径
の穴を容易に形成するための曲がり穴の形成方法を提供
することを目的としている。 【解決手段】 先端部分の曲がった光ファイバー等の導
波路を用いて屈曲した穴を形成するものであり、レーザ
ー発振器などの電磁波供給装置からのレーザー光などの
電磁波を先端部の屈曲した電磁波導波路に導き、上記の
電磁波導波路の先端部分より該電磁波を被加工物に照射
することによって、電磁波導波路のその屈曲した部分が
被加工物に没入する深さに達した状況で穿孔する。加工
においては、蒸発した被加工物の断片から光ファイバの
先端を保護するために純水中で、あるいは、ごみの発生
を抑えるためにエッチング作用のある液体中で行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電磁波を導波路
で被加工物の表面に導き、その表面に穿孔する方法に関
しており、特にレーザー光を光ファイバーで被加工物の
表面に導き、その表面に穴の中心軸の軌跡について有限
の曲率を持った穴を形成する液体中における曲がり穴の
形成方法に関している。

【０００２】

【従来の技術】高出力レーザー光を用いて被加工物を加
工することは、広く行われている。例えば、レーザー光
を光ガイドを用いて被加工物の表面近くまで導き、高強
度のレーザー光を照射して穿孔あるいは切断する装置
は、既に普及している。また、レーザー光を光ファイバ
ーを用いて被加工物に照射し、微細なしかし深さのある
直線状の穴を形成する穿孔方法が、文献１（特許１-１
８８３４号公報）に開示されている。

【０００３】また、放電加工による曲がり穴の加工方法
が、文献２（石田徹，竹内芳美、「曲がり穴の加工法の
開発（第２報）-電極軌跡の曲率制御-」、２０００年度
精密光学会春季大会学術講演会講演論文集、２４８頁、
Ｅ６２）、あるいは文献３（内山光男，芝崎禎四郎、
「電解加工による曲がり穴加工法の開発」、２０００年
度精密光学会春季大会学術講演会講演論文集、２４９
頁、Ｅ６３）に記載されている。これらの加工方法で
は、放電加工用の電極を屈曲させて加工するという特徴
が有る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のレーザ
ー光を用いて被加工物を加工する方法では、直線状の穴
を形成できるが、屈曲した穴を形成できなかった。ま
た、上記の放電加工による方法では、屈曲した穴は加工
できるが、屈曲した部分の制御が困難であり、放電用の
導電線の絶縁が必要となり、形成できる穴の細さは、絶
縁被服の分、太くなっていた。

【０００５】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
高出力レーザー光を用いて屈曲した微細な径の穴を容易
に形成するための液体中における曲がり穴の形成方法を
提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、先端部分の曲がった導波
路を用いて屈曲した穴を形成するものであり、加工部付
近に発生する加工生成物を除去し、また、加工部分を保
護するために、電磁波供給装置からの電磁波を先端部の
屈曲した電磁波導波路に導き、上記の電磁波導波路の先
端部分より該電磁波を被加工物に照射することによっ
て、電磁波導波路のその屈曲した部分が被加工物に没入
する深さに達した状況で穿孔することを特徴とする曲が
り穴の形成方法において、電磁波の射出する電磁波導波
路の先端部分と、被加工部分とを液体に浸漬して加工す
ることを特徴としている。

【０００７】また、請求項２に記載の発明は、加工部付
近に発生する加工生成物を除去し、あるいは、加工速度
を改善するために、請求項１に記載の発明に加え、電磁
波の射出する電磁波導波路の先端部分と、被加工部分を
被加工物の溶解する液体に浸漬して加工することを特徴
としている。

【０００８】また、請求項３に記載の発明は、加工する
部分以外の所の溶解を防止するために、請求項２に記載
の発明に加えて、エッチングマスクによりすくなくとも
被加工物の一部を被覆して、電磁波の射出する電磁波導
波路の先端部分と、被加工部分とを、被加工物の溶解す
る液体に浸漬して加工することを特徴としている。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の望ましい実施の形態図を
用いて以下に説明する。なお同じ機能を持った装置は同
じ符号を付して説明するものとする。

【００１０】本発明の望ましい実施の形態図を、図1に
示す構成を持った曲がり穴の形成を行なう加工装置によ
り説明する。図１に示す加工装置は、レーザ発振器１
と、上下移動および回転移動させることのできる移動機
構７と、それに取り付けられたレンズ３と、光ファイバ
５と、それを振動させる振動機構４を用いて構成されて
いる。ここで、レーザ発振器１は、Nd：YAGレーザー
で、波長1.06μm平均出力8WのQスイッチパルスレーザー
である。この場合、2Hzのパルスでアクリルを加工した
場合、1パルスで15〜20μmの加工ができる。また、レー
ザー光としては、ＣＯ2レーザーあるいは半導体レーザ
ーなどを用いた連続波発振器を用いることができるが、
加工深さの制御上はパルスレーザーの方が適している。
また、アルゴンイオンレーザー等さらに短波長のレーザ
ーを用いることができるが、一般に短波長になると浅い
加工が可能となるので、加工条件に合わせて、レーザー
発振器や発振条件等を選択することが望ましい。

【００１１】レンズ３を通った光が、散乱されること無
く光ファイバ５に伝送されるようにするために、整合器
を通してレンズ３、整合器、光ファイバ５の順で光が伝
送されることが望ましい。

【００１２】振動機構４は、ピエゾ効果を利用したピエ
ゾ振動子であり、その変位量は±10μmである。このた
めの信号源は平均出力12W，最大出力36Wのピエゾアクチ
ュエータドライバを用いる。ピエゾアクチュエータ４の
代わりに磁歪振動子等も用いることができる。

【００１３】光ファイバ５は、ステップインデックス
型、コア径1mm、長さ5mの光ファイバである。この光フ
ァイバ５は単線のものでも、複数の線からなる縒り線で
も支障無く用いることができる。

【００１４】縒り合せた光ファイバの場合は、加工を行
うファイバと同型（1mm径，30cm程度）のアクリル線を1
本用意して撚り合わせても用いることができる。

【００１５】光ファイバ５の先端部分は、図２に示す様
に屈曲している。この屈曲した先端部分から、レーザー
光を射出することにより、曲がり穴を形成することがで
きる。また、この形状は図２に示したものに限定する理
由は無く、実現すべき曲がり穴の形状に応じた先端形状
にすることにより、効率的な形成が可能となる。

【００１６】さらに任意に形成した集光系を光ファイバ
５の先端に設けることにより、集光系の特性に応じた穴
を形成することができる。より具体的には、ファイバの
先端にレンズ厚がその中心軸に対して非対称であるレン
ズを接着することによっても、集光方向を変えることが
できる。この模式図を図３（ａ）に示す。

【００１７】また、この先端部分を僅かに溶融した後、
固化させることによって、球形の形状をなし、これを集
光系として用いることもできる。この模式図を図３
（ｂ）に示す。また、この球形の一部を平坦にし、さら
にこの平坦部分に反射膜を設けることにより、光の射出
方向を容易に偏向させることができる。この模式図を図
３（ｃ）に示す。

【００１８】加工においては、蒸発した被加工物の断片
から光ファイバの先端を保護するために液体（たとえば
純水）の中で行なうのが望ましい。

【００１９】この液体として、被加工物をエッチングす
ることのできる液体とすることにより、加工速度を増加
させたり、レーザー光線により飛散した被加工物の断片
を溶解することにより効果的に除去したりすることがで
きる。エッチング液として例えば、超硬合金の場合は、
硫酸（H2SO4）や水酸化カリウム（KOH）等があり、構造
用セラミック用としては、アルミナであれば、弗化水素
（HF）やリン酸（H3PO4）を、また、Si3N4であれば、リ
ン酸（H3PO4）や水酸化カリウム（KOH）を、また、炭化
珪素（SiC）であれば、弗化水素（HF）を用いることが
できる。この際、エッチングされることを防ぐ必用のあ
る部分は、良く知られた方法で、エッチングマスクとな
るフォトレジスト膜を塗布することが望ましい。

【００２０】また、比較的低温で溶融する加工物であれ
ば、光ファイバの先端部の保護の上から、その加工部で
は、加工物の一部が溶融した状態で加工するのが望まし
い。

【００２１】振動機構４は、加工くずを穴内部から除去
するために取り付けられているが、これを用いて光ファ
イバ５を振動させることにより、振動を用いて加工くず
を除去することができる。この方法は、放電加工、電解
加工にも用いられている方法であるが、本発明の場合も
効果的である。

【００２２】また、極端な微小深穴加工を行う場合に
は、図４に示す様に、ファイバ５の外側にシリコンで20
0μm厚程の度被覆層をつくり，その被覆層に切り込みを
5mmピッチで設けたものを用いる。このファイバを振動
させることにより、パルスレーザーによる飛散物を速や
かに除去し、また、加工くずを穴内部から効果的に除去
することができる。さらに、複数本撚り合わせたファイ
バをもちいて、これを回転させながら加工する事によ
り、液体を移動させて加工くずの除去を効果的に行うこ
とができる。この方法は、円筒対称の穴を形成する場合
に用いることができる。

【００２３】次に加工しながら穴の形状を観測する方法
について説明する。透明あるいは、半透明のアクリルを
用いた場合は，直接観察することが可能であるが、不透
明な材質に関しては、直接観察する場合は、図５に示す
様に、超音波あるいは、軟Ｘ線を含めたＸ線を用いて逐
次透過映像を観測することにより、その加工状況を観測
することができるので、この観測データをもとに、加工
情況を制御することが望ましい。

【００２４】電磁波導波路、特にレーザー光を導く光フ
ァイバーの先端部の湾曲を制御する機構自体は既に良く
知られており、内視鏡の湾曲部の構成と同じ、多関節を
もった湾曲機構を用いることができる。これらは、例え
ば、特開平11-253390号公報、特開2000-023908号公報、
あるいは特開2000-135197号公報に開示されている。こ
れら機構を備えた光ファイバーを用いて、しかも、上記
の観測手段を併用することによって、曲率の変化する曲
がり穴を容易に形成することができる。湾曲機構を持っ
た光ファイバーの例の断面図を図６に示す。図６の湾曲
機構はお椀型の部品を積み重ねた構造のもので、ワイヤ
ーで引っ張られる方向に曲がるものである。この様な湾
曲機構を用いることにより、曲がり穴の曲率を自由に変
えられるようになった。

【００２５】

【発明の効果】請求項１に記載の発明では、加工生成物
（ごみ）が除去されるため、電磁波導波路の先端部分の
損傷が減少した。

【００２６】また、請求項２に記載の発明では、加工速
度が増加し、加工生成物（ごみ）が溶解除去されるた
め、電磁波導波路の先端部分の損傷が減少した。

【００２７】また、請求項３に記載の発明では、意図し
ないところのエッチングを防止できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の望ましい実施の形態図を説明するため
の加工装置を示す図である。

【図２】屈曲した光ファイバ５の先端部分を示す図であ
る。

【図３】集光系を光ファイバの先端に設ける構成を示す
図で、（ａ）は中心軸に対して非対称であるレンズを接
着したものを示し、（ｂ）は先端部分を僅かに溶融した
後固化させることによって球形の形状をなしこれを集光
系として用いたものを示し、（ｃ）はこの球形の一部を
平坦にしさらにこの平坦部分に反射膜を設けることによ
り光の射出方向を偏向させたものを示す図である。

【図４】比較的厚い被覆層を形成した光ファイバの被覆
層に切り込みを形成した光導波路を示す図である。

【図５】加工しながら穴の形状を観測するための構成を
示すブロック図である。

【図６】先端部の湾曲を制御する機構を持った光ファイ
バーを示す図である。

【符号の説明】

１ レーザ発振器 ２ ミラー ３ レンズ ４ 振動機構 ５ 光ファイバ ６ 被加工材料 ７ 移動機構 ８ 加工槽 ９ 加工液 １０ ワイヤー １１ 多関節機構 １２ ファイバ保持

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 栗田 恒雄 埼玉県川口市本町四丁目１番８号 科学技 術振興事業団内 Ｆターム(参考） 4E068 AF01 CC00 CE08 CJ07 DB10

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電磁波供給装置からの電磁波を先端部の
   屈曲した電磁波導波路に導き、上記の電磁波導波路の先
   端部分より該電磁波を被加工物に照射することによっ
   て、電磁波導波路のその屈曲した部分が被加工物に没入
   する深さに達した状況で穿孔することを特徴とする曲が
   り穴の形成方法において、 電磁波の射出する電磁波導波路の先端部分と、被加工部
   分とを液体に浸漬して加工することを特徴とする液体中
   における曲がり穴の形成方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の液体中における曲がり
   穴の形成方法において、電磁波の射出する電磁波導波路
   の先端部分と、被加工部分を被加工物の溶解する液体に
   浸漬して加工することを特徴とする液体中における曲が
   り穴の形成方法。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の液体中における曲がり
   穴の形成方法において、エッチングマスクによりすくな
   くとも被加工物の一部を被覆して、電磁波の射出する電
   磁波導波路の先端部分と、被加工部分とを、被加工物の
   溶解する液体に浸漬して加工することを特徴とする液体
   中における曲がり穴の形成方法。