JP2002126892A

JP2002126892A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置

Info

Publication number: JP2002126892A
Application number: JP2000324948A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Miyamoto; 和徳宮本; Takeshi Kobayashi; 丈司小林
Original assignee: Ricoh Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Ricoh Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2000-10-25
Filing date: 2000-10-25
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2020-10-25
Also published as: JP4472152B2

Abstract

(57)【要約】【課題】簡易な方法でデブリやドロスが加工部位やそ
の近傍に付着して堆積することを防止しつつ、加工部位
のクラックの発生を防止することができるレーザ加工方
法及びレーザ加工装置を提供する。【解決手段】常温の大気雰囲気中でワークＷのレーザ
照射面と反対側の面に固体二酸化炭素（ドライアイス）
を当接させて、ワークＷを冷却する。すると、ワークＷ
のレーザ照射面に大気中の水分が結露し、水滴や氷とし
て付着する。この状態で、ワークＷにレーザ光Ｌを照射
すると、レーザ加工による熱で水滴や氷が気化して体積
が急激に膨張し、レーザ加工で発生したデブリやドロス
が吹き飛ばされて大気中に飛散する。また、ワークＷに
加工孔が貫通した瞬間に、固体二酸化炭素が昇華して炭
酸ガスが吹き出し、デブリやドロスを吹き飛ばす。これ
らのことにより、デブリやドロスが貫通孔の内部や近傍
に付着することを防止できる。また、冷却によって、レ
ーザ加工によるワークＷへの熱的ストレスが緩和される
ため、クラックの発生を防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光を用いた
レーザ加工方法及びレーザ加工装置に関し、特にレーザ
光の照射によって生じるデブリやドロスの付着防止、及
び、クラックの発生防止に適したレーザ加工方法及びレ
ーザ加工装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、セラミックスやポリマー等の加工
対象物（以下、ワークという）にレーザ光を照射して、
アブレーションもしくは熱溶融により加工を行う方法が
知られている。このレーザ光としてはＹＡＧレーザやエ
キシマレーザ等が用いられている。

【０００３】しかし、レーザ光によってワークとしてセ
ラミックス板を加工すると、加工領域周辺にデブリ（de
bris）と呼ばれる飛散物が付着する。また、レーザ光に
よってワークを急速かつ瞬時に加熱し、その加熱部分を
溶融し排除するため、加工に伴って溶融物がドロス（dr
oss）として加工面に付着する。さらに、加工部位から
クラックが発生してしまい、このクラックがワーク端部
まで達する場合もある。

【０００４】上記デブリやドロスの付着を防止するため
に、本出願人は、特願２０００−２０１６３４号におい
て、加工対象物の被加工表面と反対側の面に液体を接触
させた状態で、被加工表面側からレーザ光を照射し、貫
通孔を加工するレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提
案している。このレーザ加工方法及びレーザ加工装置に
よれば、例えばセラミックス板に貫通孔を加工する場合
において、加工部位やその近傍にデブリやドロスが付着
することなく良好な加工面を持った貫通孔を簡単に加工
することができるという効果がある。

【０００５】また、上記クラックの発生を防止するため
に、本出願人は、特願２０００−３０９３８５号におい
て、レーザ光を走査し、もしくは、加工対象物を移動さ
せることにより、同一箇所に少なくとも二回以上レーザ
光を照射して加工するレーザ加工方法及びレーザ加工装
置を提案している。同一箇所に少なくとも二回以上レー
ザ光を照射して加工するために、例えば、ウエッジ光学
基板を回転させ、加工予定孔径よりも小さなスポット径
のレーザ光を、そのスポットの外周を加工予定孔に内接
させながらこの加工予定孔に沿って走査し、被加工表面
に照射している。上記被加工表面に照射された上記レー
ザ光は、上記加工対象物を上記加工予定孔に沿って螺旋
状に徐々に深く加工していき、貫通孔を形成する。この
レーザ加工方法及びレーザ加工装置によれば、同一箇所
を一回で加工する場合に比べ、加工部位の温度上昇を抑
えて熱膨張を低減することができる。従って、上記加工
部位に掛かるストレスが小さく、クラックの発生を防止
することができるという効果がある。また、加工部位の
温度上昇を抑えられるので、ドロスの発生自体を抑制す
ることができ、該加工部位へのドロスの付着を低減する
ことができるという効果もある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記特
願２０００−３０９３８５号で提案したレーザ加工方法
及びレーザ加工装置において、ドロス付着防止の効果を
さらに高めるべく、上記特願２０００−２０１６３４号
で提案した発明と組合わせた構成でレーザ加工を行っ
た。より具体的には、セラミックス板の被加工表面と反
対側の面に液体（水）を接触させた状態で、被加工表面
側から、同一箇所に少なくとも二回以上レーザ光を照射
して貫通孔を加工した。

【０００７】ところが、レーザ光を照射して貫通孔を形
成した加工部位からクラックが発生してしまった。この
クラックの発生原因については、次のような理由が考え
られる。同一箇所に少なくとも二回以上レーザ光を照射
し、加工予定孔に沿って螺旋状に徐々に深く加工してい
くため、被加工表面と反対側の面とが最初に貫通してか
ら、完全に加工予定孔に対応した貫通孔が形成されるま
での間に、貫通した部分では液体に直接レーザ光が照射
されることになる。すると、レーザ光が照射された部分
の液体は気化して体積が急激に膨張する。この液体の気
化による体積の急激な膨張は、デブリやドロスの付着防
止に効果があるが、その反面、加工部位に衝撃を与える
ことになる。このため、被加工表面と反対側の面とが最
初に貫通してから、完全に加工予定孔に対応した貫通孔
が形成されるまでの間、複数回にわたって加工部位に衝
撃が加わり、クラックが発生するものと考えられる。

【０００８】本発明は以上の背景に鑑みなされたもので
あり、その目的とするところは、簡易な方法でデブリや
ドロスが加工部位やその近傍に付着して堆積することを
防止しつつ、加工部位のクラックの発生を防止すること
ができるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供する
ことである。

【０００９】

【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の発明は、レーザ光が照射される被加工表
面を有する加工対象物を準備する工程と、該加工対象物
を冷却する工程と、該被加工表面にレーザ光を照射し、
レーザ加工する工程とを含むことを特徴とするものであ
る。

【００１０】実験によれば、常温の大気雰囲気中におい
て加工対象物としてセラミックス板を冷却した状態で、
セラミックス板の被加工表面にＹＡＧレーザを照射して
貫通孔を加工したところ、デブリやドロスが貫通孔の内
部や近傍に付着することを防止できた。また、セラミッ
クス板を常温でレーザ加工する場合に比べ加工時間を短
縮することができた。さらに、加工部位のクラックの発
生を防止することもできた。この理由としては、常温の
大気雰囲気中でセラミックス板を冷却すると、被加工表
面（以下、「表側の面」という）や、該表側の面と反対
側の面（以下、「裏側の面」という）に接触している大
気が冷やされて、大気中の水分が結露する。結露した水
分は表側の面や裏側の面に水滴として付着したり、氷と
して付着したりする。このようにセラミックス板の表側
や裏側の面に水滴もしくは氷が付着した状態で、該表側
の面にＹＡＧレーザを照射すると、レーザ加工による熱
で該水滴もしくは氷が気化して体積が急激に膨張する。
上記水滴もしくは氷の気化による急激な体積の膨張によ
り、レーザ加工で発生したデブリやドロスが吹き飛ばさ
れて大気中に飛散する。よって、デブリやドロスが貫通
孔の内部や近傍に付着することを防止できるものと考え
られる。また、セラミックス板を冷却することによっ
て、常温で加工する場合に比べてドロスの生成を抑制し
て該ドロスの加工部位への再溶着を防ぐことができるた
め、加工時間を短縮することができるものと考えられ
る。さらに、冷却によって、レーザ加工によるセラミッ
クス板への熱的ストレスが緩和されるため、加工部位の
クラックの発生を防止することができるものと考えられ
る。以上、加工対象物としてセラミックス板にＹＡＧレ
ーザを照射してレーザ加工する場合について説明した。
しかし、加工対象物は上記セラミックス板に限られるも
のではなく、レーザの照射により加工部位やその近傍に
デブリやドロスが付着する材質のものであれば、デブリ
やドロスを吹き飛ばして加工部位やその近傍に付着する
ことを有効に防止できるものと考えられる。また、加工
時間の短縮や加工部位のクラックの発生を防止すること
もできると考えられる。さらに、加工対象物に照射する
レーザ光は上記ＹＡＧレーザに限られるものではなく、
アブレーションもしくは熱溶融により加工を行うレーザ
光であれば用いることができると考えられる。例えば、
ＣＯ_２レーザやエキシマレーザを用いることができると
考えられる。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１のレーザ加工
方法において、上記レーザ光の照射方向に対し垂直な面
内で上記加工対象物を平行移動させて、該加工対象物に
レーザ加工を行うことを特徴とするものである。

【００１２】この請求項２のレーザ加工方法では、上記
レーザ光の照射方向に対し垂直な面内で上記加工対象物
を平行移動させて該加工対象物のレーザ加工を行うの
で、該加工対象物の複数の箇所を加工したり、切断した
りすることができる。

【００１３】請求項３の発明は、加工対象物の被加工表
面にレーザ光を照射してレーザ加工を行うレーザ加工装
置において、上記加工対象物を冷却する冷却手段を有す
ることを特徴とするものである。

【００１４】この請求項３のレーザ加工装置では、請求
項１に関して述べたように、上記加工対象物を冷却する
ことで、レーザ加工により発生したデブリやドロスが加
工部位やその近傍に付着することを防止できる。また、
加工対象物を常温で加工する場合に比べ加工時間の短縮
を図ることができる。さらに、加工部位のクラックの発
生を防止することができる。

【００１５】請求項４の発明は、請求項３のレーザ加工
装置において、上記冷却手段が、固体二酸化炭素と、該
固体二酸化炭素を上記加工対象物の被加工表面と反対側
の面に当接させる当接手段とを有することを特徴とする
ものである。

【００１６】実験によれば、固体二酸化炭素（ドライア
イス）をセラミックス板の裏側の面に当接させた状態で
ＹＡＧレーザを照射したところ、例えば後述する液化ガ
スを用いて該セラミックス板を冷却する構成に比べ、加
工部位の内部や近傍へのデブリやドロスの付着をより防
止することができた。この理由について説明する。セラ
ミックス板にレーザ光を照射して表側の面から内部に向
かって徐々に加工していくと、裏側の面に貫通した瞬間
に該レーザ光が固体二酸化炭素に照射され、該レーザ光
が照射された部分の固体二酸化炭素が昇華して炭酸ガス
が吹き出す。上記セラミックス板の冷却により結露した
水分の気化に加え、上記炭酸ガスの吹き出しで上記デブ
リやドロスを吹き飛ばすため、加工部位の内部や近傍に
該デブリやドロスが付着することをより有効に防止でき
るものと考えられる。以上、加工対象物としてセラミッ
クス板を用いた場合について説明したが、セラミックス
板に限られるものではなく、レーザの照射により加工部
位やその近傍にデブリやドロスが付着する材質のもので
あれば、該デブリやドロスの付着を有効に防止できるも
のと考えられる。また、加工対象物に照射するレーザ光
は上記ＹＡＧレーザに限られるものではなく、アブレー
ションもしくは熱溶融により加工を行うレーザ光であれ
ば用いることができると考えられる。また、上記固体二
酸化炭素は大気中での融解温度が−７８．９[℃]である
ため、該固体二酸化炭素を上記加工対象物の被加工表面
と反対側の面（裏側の面）に当接させることで、該加工
対象物を瞬時に冷却することができる。これにより、上
記加工対象物を冷却するのに要する時間が短くてすみ、
生産性の向上を図ることができる。

【００１７】請求項５の発明は、請求項３のレーザ加工
装置において、上記冷却手段が、上記加工対象物の被加
工表面もしくは該被加工表面と反対側の面のうち少なく
とも一方の面に向けて液化ガスを噴射する噴射手段を有
することを特徴とするものである。

【００１８】この請求項５のレーザ加工装置では、上記
噴射手段で液化ガスを噴射すると該液化ガスが気化して
極低温ガスとなり、上記加工対象物の被加工表面もしく
は該被加工表面と反対側の面のうち少なくとも一方の面
に向けて噴射される。すると、上記加工対象物は、上記
極低温ガスが噴射された面が冷却されるとともに、内部
の熱が奪われて瞬時に冷却される。これにより、上記加
工対象物を冷却するのに要する時間が短くてすみ、生産
性の向上を図ることができる。

【００１９】請求項６の発明は、請求項３、４または５
のレーザ加工装置において、上記レーザ光の照射方向に
対し垂直な面内で上記加工対象物を平行移動させる移動
手段を有することを特徴とするものである。

【００２０】この請求項６のレーザ加工装置では、請求
項２に関して述べたように、上記レーザ光の照射方向と
垂直な面内で上記加工対象物を平行移動させることで、
該加工対象物の複数の箇所を加工したり、切断したりす
ることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】〔実施形態１〕以下、本発明を固
体レーザであるＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・
ガーネット）レーザを用いたレーザ加工装置に適用した
一実施形態について説明する。図１は本実施形態に係る
レーザ加工装置の概略構成図である。

【００２２】レーザ加工装置は、ＹＡＧレーザ装置１、
該ＹＡＧレーザ装置内部に配設された後述するウエッジ
光学基板を回転させるための回転駆動手段７、ワークを
冷却するワーク冷却手段２、ワークを保持するワーク保
持機構３、ワークをＸ−Ｙ方向に移動させるためのＸ−
Ｙテーブル４、メインコントローラ５から主に構成され
ている。

【００２３】図２は上記ＹＡＧレーザ装置１の概略構成
説明図である。ＹＡＧレーザ装置１は、ＹＡＧレーザ発
振器１０と加工ヘッド１１とから構成されている。ＹＡ
Ｇレーザ発振器１０は、適量のＮｄ（ネオジウム）が添
加されたＹＡＧの棒状結晶体であるレーザロッド及びこ
れの励起用のランプを内蔵するレーザチャンバ１２と、
これから発せられる誘導放出光の光路に沿って所定の距
離を隔てて対向配置されたフロントミラー１３及びリア
ミラー１４を備えている。

【００２４】レーザチャンバ１２は、図中に一点鎖線に
て示す如く、誘導放出光を出射する。また、上記リアミ
ラー１４とレーザチャンバ１２との間に、シャッタ１５
とＱスイッチ１６とが取り付けてある。

【００２５】上記フロントミラー１３は、一部の光の透
過が可能な反射率を有するミラーであり、レーザチャン
バ１２から発せられる誘導放出光の光路にその鏡面の中
心を正対せしめて取り付けてある。上記リアミラー１４
は、実質的な全反射が可能な鏡面を有しており、上記フ
ロントミラー１３と対向するように取り付けてある。レ
ーザチャンバ１２から発せられる誘導放出光は、フロン
トミラー１３とリアミラー１４との間での多重反射の間
に増幅される。

【００２６】上記シャッタ１５は、レーザチャンバ１２
から発せられる誘導放出光の光路を遮断して、誘導放出
光の増幅を抑えるものである。上記Ｑスイッチ１６は、
フロントミラー１３とリアミラー１４との間での共振器
としてのメリット数（Ｑ値）を高め、励起原子の反転分
布を発生させ、高出力のレーザパルスを取り出す作用を
なすものである。なお、必要出力によっては、このＱス
イッチ１６を用いなくてもよい。

【００２７】なお、上記ＹＡＧレーザ発振器１０の構成
は一例であって、これに限られるものではない。他の構
成としては、例えばＬＤ励起を用いたものがある。

【００２８】前記加工ヘッド１１は、アパーチャ１１１
と、落射ミラー１１２と、ウエッジ光学基板１１３と、
該ウエッジ光学基板を保持するホルダ１１４と、集光レ
ンズ１１５とを備えている。この加工ヘッド１１は、上
記ウエッジ光学基板１１３を回転させて、加工予定孔の
外周に沿ってレーザ光を走査することに特徴を有してい
る。

【００２９】上記アパーチャ１１１は、開口の面積を変
えることができるシャッタ機構を有する遮光板であり、
該開口の中心を前記ＹＡＧレーザ発振器１０から発せら
れるレーザ光の光路に合わせて取り付けてある。上記ウ
エッジ光学基板１１３は、基板の表裏両面が平面であっ
て、基板裏面（出射面）１１３ｂに微小なウエッジ角を
有する光学基板である。このウエッジ光学基板１１３の
基板表面（入射面）１１３ａに対し垂直にレーザ光を入
射すると、入射したレーザ光が微小角度屈折して基板裏
面１１３ｂから出射する。また、上記ホルダ１１４は円
筒形状をなしており、ウエッジ光学基板１１３の基板表
面１１３ａをレーザ光の光軸に対し垂直となるように支
持する。このホルダ１１４は一対のボールベアリング１
１６ａ，１１６ｂによって加工ヘッド１１のケース１１
７に回動可能に支持されており、ウエッジ光学基板１１
３に入射するレーザ光の光軸と同軸でウエッジ光学基板
１１３を回動することができるようになっている。ま
た、上記集光レンズ１１５はレーザ光をワークＷ上に集
光させて結像させるものである。

【００３０】前記回転駆動手段７は、ステッピングモー
タ７１と、該ステッピングモータの回転制御を行うステ
ッピングモータドライバ７２と、ステッピングモータコ
ントローラ７３と、該ステッピングモータの駆動力を伝
達する駆動ギヤ７４と、従動ギヤ７５とを備えている。
上記ステッピングモータ７１はモータ本体７６と、減速
器であるギヤヘッド７７と、駆動ロータ（不図示）の回
転位置を検出するエンコーダ７８とからなる。モータ本
体７６は、例えば５相励磁で基本ステップ角０．７２
[°]のステッピングモータを用いることができる。モー
タ本体７６の回転はギヤヘッド７７により減速されて駆
動ギヤ７４を回転させる。この駆動ギヤ７４は前記ホル
ダ１１４に固設された従動ギヤ７５と噛み合っていて、
ホルダ１１４に保持されたウエッジ光学基板１１３を回
転させるようになっている。なお、上記駆動ギヤ７４と
従動ギヤ７５とは、駆動力を滑らかに且つ静粛に伝達す
るために、ハス歯歯車を用いることが望ましい。上記ス
テッピングモータドライバ７２はモータ本体７６内部の
巻線へ電流を流すための制御回路である。また、ステッ
ピングモータコントローラ７３はステッピングモータ７
１を制御するためのパルス信号を出力する回路である。

【００３１】上記構成の回転駆動手段７において、ステ
ッピングモータ７１の回転駆動中はオープンモードで制
御を行うが、駆動ロータ（不図示）の回転位置をエンコ
ーダ７８が検出し、サーボモータと同様に回転速度及び
回転量の情報を監視している。そして、脱調しそうにな
ると即座にクローズドモードに切り替えて制御を行い、
脱調を防ぐようになっている。これにより、上記ウエッ
ジ光学基板１１３を所望の回転速度で安定して回転する
ことができる。

【００３２】前記ワーク冷却手段２は、図１に示すよう
に、ワークＷを冷却するレンガ状の固体二酸化炭素（以
下、「ブロックドライアイス」という）２１と、このブ
ロックドライアイス２１を保持する断熱トレイ２２と、
ブロックドライアイス２１をワークＷの裏側の面に付勢
して当接させるための一対のコイルスプリング２３，２
４とから構成されている。上記ブロックドライアイス２
１は大気中での融解温度が−７８．９[℃]であり、融解
して固体から直接気体に変化する（昇華）。このブロッ
クドライアイス２１をワークＷの裏側の面に当接させる
ことで、ワークＷが冷却され、表側の面に大気中の水分
が凝結して結露する。なお、ブロックドライアイス２１
は、常温では昇華して徐々になくなってしまうので、保
冷庫等に保管しておき、加工開始前に保冷庫等から取出
して装置にセットする。

【００３３】前記ワーク保持手段３は、一対のワーク保
持部材３１，３２と、一対のワーク押え３３，３４とか
らなる。一対のワーク保持部材３１，３２にワークＷを
載置し、図中左側のワーク保持部材３１の段差部３１ａ
でワークＷを位置決めした後、一対のワーク押え３３，
３４でワークＷを固定して保持する。なお、上記一対の
ワーク押え３３，３４は、上記ワーク冷却手段２の一対
のコイルスプリング２３，２４の付勢力に抗してワーク
Ｗを浮き上がらないように押えて固定することができる
ようになっている。

【００３４】前記Ｘ−Ｙテーブル４は、Ｘ−Ｙテーブル
本体４１と、Ｘ−Ｙテーブル本体４１を制御するＸ−Ｙ
テーブルコントローラ４２とから主に構成されている。
Ｘ−Ｙテーブル本体４１には、上記ワーク保持手段３の
一対のワーク保持部材３１，３２が固設されている。

【００３５】前記メインコントローラ５は、レーザ加工
装置全体を制御するものであり、ＹＡＧレーザ装置１、
Ｘ−Ｙテーブルコントローラ４２、ステッピングモータ
コントローラ７３が接続されている。

【００３６】次に、上記構成のレーザ加工装置によっ
て、ワークＷとして外径φ１００[ｍｍ]、厚さ０．８
[ｍｍ]の円板状のセラミックス板に、内径φ６００[μ
ｍ]の貫通孔の加工を行う場合について説明する。

【００３７】まず加工準備として、メインコントローラ
５に貫通孔の加工径、個数及び加工位置等の加工情報を
入力する。加工情報入力後、ブロックドライアイス２１
を保冷庫等から取出して断熱トレイ２２に載置する。そ
して、ワークＷを一対のワーク保持部材３１，３２に載
置し、図中左側のワーク保持部材３１の段差部３１ａで
位置決めした後、一対のワーク押え３３，３４で押えて
固定する。このとき、ブロックドライアイス２１がワー
クＷの裏側の面に確実に当接していることを確認する。
ワークＷは常温の大気雰囲気中（例えば、２０[℃]、５
０[％ＲＨ]）に置かれているので、ワークＷの表側の面
には大気中の水分が凝結して結露する。この結露を目視
で確認する。以上で加工準備が完了する。なお、上記ワ
ークＷが冷却され、その表側の面に大気中の水分が結露
するには、ワークＷの裏側の面にブロックドライアイス
２１を当接させてから常温で概ね数秒から数十秒かか
る。

【００３８】上記加工準備が完了したら、メインコント
ローラ５の図示しない加工開始スイッチを押圧すること
によって加工が開始する。すると、上記加工ヘッド１１
のアパーチャ１１１（図２参照）は、ワークＷ上にφ１
００[μｍ]のスポット径のレーザ光Ｌを照射するように
自動的に調整される。また、Ｘ−Ｙテーブル４によって
最初の貫通孔を加工する位置にレーザ光Ｌが結像するよ
うにワークＷを位置決めする。

【００３９】そして、図２において、上記ＹＡＧレーザ
発振器１０のレーザチャンバ１２から発せられる誘導放
出光は、フロントミラー１３とリアミラー１４との間を
往復する間に、Ｑスイッチ１６の作用を受け、フロント
ミラー１３を経て加工ヘッド１１のアパーチャ１１１に
レーザ光として送り出される。アパーチャ１１１を通過
したレーザ光は落射ミラー１１２で光路を９０度折り曲
げられた後にウエッジ光学基板１１３に入射する。レー
ザ光の入射に先立って上記ウエッジ光学基板１１３は回
転駆動手段７によって回転している。このため、ウエッ
ジ光学基板１１３に入射したレーザ光は、光路が微小角
度屈折して出射し、集光レンズ１１５に入射する。集光
レンズ１１５に入射したレーザ光は、集光されてφ１０
０[μｍ]のスポット径を持ったレーザ光Ｌとなってワー
クＷに対しパルス状に断続的に照射される。このとき、
上記レーザ光Ｌのスポット外周は加工予定孔に内接しな
がら該加工予定孔に沿って走査される。そして、徐々に
深く加工されていき、ついにはワークＷの裏側の面まで
貫通する。

【００４０】図３（ａ）〜（ｄ）は、レーザ光Ｌによる
ワークＷの加工状態を経時的に示した説明図である。図
３（ａ）において、前記ウエッジ光学基板１１３（図２
参照）により、上記レーザ光Ｌはその光軸中心が加工予
定孔の中心に対して２５０[μｍ]ずれた位置に照射され
る。また、図３（ｂ）において、ウエッジ光学基板１１
３の回転により、レーザ光Ｌは加工予定孔の中心から半
径２５０[μｍ]の円周に沿って走査され照射位置が移動
する。そして、図３（ｃ）に示すように、ワークＷの加
工部位は螺旋状に徐々に深く加工されていく。ワークＷ
の裏側の面まで貫通すると、図３（ｄ）に示すように、
レーザ光Ｌが照射された部分の内側がワークＷから分離
し、ワークＷにφ６００[μｍ]の貫通孔が形成される。

【００４１】ここで、本実施形態に係るレーザ加工装置
では、ワークＷの裏側の面にブロックドライアイス２１
を当接させることで、レーザ加工で発生したデブリやド
ロス（以下、「ドロス等」という）がワークＷの加工部
位の内部や近傍に付着することを防止できる。また、ワ
ークＷを常温で加工する場合に比べ加工時間を短縮する
ことができる。さらに、加工部位のクラックの発生を防
止することもできる。この理由について図４（ａ），
（ｂ）により説明する。ワークＷの表側の面にレーザ光
Ｌを照射すると、図４（ａ）に示すように、表側の面に
結露していた水分２５のうち加工部位やその近傍の水分
２５がレーザ加工による熱で気化して急激に体積が膨張
し、ドロスＤ等を吹き飛ばして大気中に飛散させる。ま
た、レーザ光ＬがワークＷの裏側の面に貫通した瞬間
に、図４（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌがブロックド
ライアイス２１に照射され、レーザ光Ｌが照射された部
分が昇華して炭酸ガスが図中略鉛直上方向Ａに向かって
吹き出す。この炭酸ガスの吹き出しによって、ドロスＤ
等を吹き飛ばして大気中に飛散させる。これにより、ワ
ークＷの加工部位の内部や近傍にドロスＤ等が付着する
ことを防止できるものと考えられる。

【００４２】また、上記ブロックドライアイス２１の冷
却効果によって、ワークＷを常温でレーザ加工する場合
に比べてドロスの生成を抑制して再溶着を防ぐことがで
きるため、加工時間を短縮することができる。さらに、
上記冷却効果によって、ワークＷへの熱的ストレスが緩
和され加工部位のクラックの発生を防止することもでき
る。

【００４３】そして、最初の貫通孔の加工が終了する
と、次の加工部位の加工を行うためにＸ−Ｙテーブル４
を動作させてワークＷを位置決めし、上記加工工程を繰
り返す。これにより、複数の貫通孔を効率よくレーザ加
工することができる。

【００４４】以上説明したように、ワークＷの裏側の面
にブロックドライアイス２１を当接させてワークＷを冷
却するという簡単な方法で、加工部位の内部や近傍にド
ロス等が付着することを防止できる。また、上記ブロッ
クドライアイス２１の冷却効果によって、ワークＷを常
温で加工する場合に比べてドロスの生成を抑制して再溶
着を防ぎ、加工時間を短縮することができる。さらに、
上記冷却効果によって、ワークＷへの熱的ストレスが緩
和され加工部位のクラックの発生を防止することもでき
る。

【００４５】なお、上記実施形態では、ワークＷを常温
の大気雰囲気中でＹＡＧレーザ加工する場合について説
明したが、常温の大気雰囲気中での加工に限られるもの
ではなく、ワークＷの冷却によりワークＷに結露が生じ
る湿度を持った雰囲気中であればよい。

【００４６】また、上記実施形態では、ＹＡＧレーザを
用いてワークＷを加工する装置について説明したが、こ
れに限られるものではなく、ＣＯ_２レーザやエキシマレ
ーザを用いることもできる。また、ワークＷに複数箇所
の加工を行わない場合や、作業者がその都度ワークＷの
位置決めを行って複数箇所の加工を行う場合には、上記
Ｘ−Ｙテーブル４を設けなくてもよい。また、ワークＷ
としてセラミックス板を加工した例について説明した
が、これに限られるものではなくレーザの照射により加
工部位やその近傍にドロス等が付着する材質のもの、例
えばプラスチック材料や金属材料を加工することも可能
である。さらに、ワークＷの板厚（０．８[ｍｍ]）や貫
通孔の径（φ６００[μｍ]）は加工の一例であって、こ
れらに限られるものではない。

【００４７】さらに、上記実施形態では、ウエッジ光学
基板１１３を回転させて、加工予定孔の内径（φ６００
[μｍ]）よりも小さな直径のレーザ光（φ１００[μ
ｍ]）を走査し、加工予定孔の円周に沿って照射して貫
通孔を加工したが、ワークＷにリング状のレーザ光Ｌを
照射して加工したり、加工予定孔の断面積に相当するス
ポット径のレーザ光を照射して加工したりする場合であ
っても、クラック発生の防止や、デブリ等の付着を防止
する効果が得られることはもちろんである。

【００４８】〔変形例１〕上記実施形態１では、ワーク
冷却手段として、ドライアイスを当接させて冷却する構
成について説明したが、液化ガスをワークに噴射してワ
ークを冷却する構成とすることもできる。図５は、本変
形例に係るレーザ加工装置の概略構成図である。

【００４９】本変形例に係るレーザ加工装置は、ＹＡＧ
レーザ装置１、該ＹＡＧレーザ装置内部に配設されたウ
エッジ光学基板を回転させるための回転駆動手段７、ワ
ーク冷却手段としての液化ガス噴射手段６、ワークを保
持するワーク保持機構３、ワークをＸ−Ｙ方向に移動さ
せるためのＸ−Ｙテーブル４、メインコントローラ５か
ら主に構成されている。

【００５０】本変形例に係るレーザ加工装置の液化ガス
噴射手段６は、液化炭酸ガスボンベ６１、減圧弁６２、
電磁弁６３、噴射ノズル６４から構成されている。上記
電磁弁６３はメインコントローラ５に接続しており、電
気的な制御がなされる。

【００５１】次に、上記構成のレーザ加工装置でワーク
Ｗに貫通孔の加工を行う場合について説明する。まず、
メインコントローラ５に貫通孔の加工径等の加工情報を
入力し、ワーク保持機構３でワークＷを保持した後に、
メインコントローラ５の図示しない加工開始スイッチを
押圧する。すると、上記電磁弁６３がオンになって噴射
ノズル６４から液化炭酸ガスが噴射し、該液化炭酸ガス
が気化して極低温炭酸ガス６５となって、ワークＷの表
側の面に噴射される。すると、ワークＷは表側の面が冷
却されるとともに内部の熱が奪われて瞬時に冷却され、
該表側の面に大気中の水分が結露して付着する。上記極
低温炭酸ガス６５は加工終了まで連続もしくは断続的に
ワークＷに向けて噴射される。そして、上記電磁弁６３
がオンしてから数秒後に、ＹＡＧレーザ装置１がワーク
Ｗの表側の面に、例えばφ１００[μｍ]のレーザ光Ｌを
パルス状に断続的に照射する。すると、ワークＷの表側
の面に結露していた水分のうち加工部位やその近傍の水
分がレーザ加工による熱で気化して急激に体積が膨張
し、上記ドロス等を吹き飛ばして大気中に飛散させる。
これにより、ワークＷの加工部位の内部や近傍にドロス
等が付着することを防止できる。また、上記極低温炭酸
ガス６５の冷却効果によって、ワークＷを常温でレーザ
加工する場合に比べてドロスの生成を抑制して再溶着を
防ぐことができるため、加工時間を短縮することができ
る。さらに、上記冷却効果によって、ワークＷへの熱的
ストレスが緩和され加工部位のクラックの発生を防止す
ることもできる。

【００５２】以上説明したように、液化炭酸ガスを噴射
して気化した極低温炭酸ガス６５をワークＷの表側の面
に向けて噴射するという簡単な方法で、加工部位の内部
や近傍にドロスＤ等が付着することを防止できる。ま
た、ワークＷを冷却するのに要する時間が短くてすみ、
生産性の向上を図ることができる。また、加工時間の短
縮や、加工部位のクラックの発生を防止することもでき
る。さらに、上記液化炭酸ガスボンベ６１は実施形態１
で用いたブロックドライアイス２１に比べ保管や運搬等
の取扱いが容易なため、操作性を向上させることができ
る。

【００５３】なお、上記変形例１では、ワークＷに極低
温炭酸ガス６５を噴射する構成について説明したが、極
低温炭酸ガスの代わりに極低温窒素ガスを噴射しても同
様の効果が得られる。また、窒素ガスは不活性ガスなの
で、冷却による効果に加えてドロス等の生成を抑制する
効果もある。極低温窒素ガスを噴射する場合には、図５
において、液化炭酸ガスボンベ６１の代わりに液体窒素
ガスボンベを用いた構成とすればよい。

【００５４】また、上記変形例１では、ワークＷの表側
の面に液化ガスが気化した極低温ガスを噴射する構成に
ついて説明したが、ワークＷの裏側の面に極低温ガスを
噴射しても同様の効果が得られる。また、ワークＷの表
側と裏側との両面に極低温ガスを噴射してもよい。

【００５５】また、スポットクーラーでワークを冷却す
る構成でもよい。上記極低温の炭酸ガスや窒素ガスを噴
射する構成に比べてワークを冷却する能力は若干低い
が、スポットクーラーで冷気を吹き付けることで、ワー
クを冷却して大気中の水分をその表側の面もしくは裏側
の面に結露させることができる。これにより、加工部位
の内部や近傍にドロス等が付着することを防止できる。
また、加工時間の短縮や、加工部位のクラックの発生を
防止することも可能となる。

【００５６】

【発明の効果】請求項１乃至６の発明によれば、上記加
工対象物を冷却するという簡易な方法でデブリやドロス
が加工部位やその近傍に付着して堆積することを防止し
つつ、加工部位のクラックの発生を防止することができ
るという優れた効果がある。また、上記加工対象物を常
温で加工する場合に比べ加工時間を短縮することができ
るという優れた効果もある。

【００５７】特に、請求項２及び６の発明によれば、上
記レーザ光の照射方向に対し垂直な面内で上記加工対象
物を平行移動させることで、該加工対象物の複数の箇所
を加工したり、切断したりすることができるという優れ
た効果がある。

【００５８】特に、請求項４の発明によれば、上記固体
二酸化炭素を加工対象物の裏側の面に当接させた状態で
レーザ加工を行うことで、該加工対象物の冷却で結露し
た水分の気化に加え、炭酸ガスの吹き出しで上記デブリ
やドロスを吹き飛ばして、加工部位の内部や近傍への該
デブリやドロスの付着をより防止できるという優れた効
果がある。また、上記固体二酸化炭素で上記加工対象物
が瞬時に冷却されるので、生産性の向上を図ることがで
きるという優れた効果もある。

【００５９】特に、請求項５の発明によれば、上記極低
温ガスで上記加工対象物が瞬時に冷却されるので、生産
性の向上を図ることができるという優れた効果がある。
特に、液化ガスを充填した液化ガスボンベを用いた場合
には、該液化ガスボンベは保管や運搬などの取扱いが容
易なので、操作性の向上を図ることができるという優れ
た効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図。

【図２】ＹＡＧレーザ装置の概略構成図。

【図３】（ａ）〜（ｄ）は、レーザ光でワークを螺旋状
に加工するときのワーク断面の説明図。

【図４】（ａ），（ｂ）は、レーザ光でワークを加工す
るときの断面の説明図。

【図５】変形例に係るレーザ加工装置の概略構成図。

【符号の説明】

１ＹＡＧレーザ装置２ワーク冷却手段３ワーク保持手段４Ｘ−Ｙテーブル５メインコントローラ６液化ガス噴射手段７ウエッジ光学基板の回転駆動手段１０ＹＡＧレーザ発振器１１加工ヘッド２１ブロックドライアイス２５ワーク表面に結露した水分６１液化炭酸ガスボンベ６４噴射ノズル６５極低温炭酸ガスＤドロス等Ｗワーク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光が照射される被加工表面を有する
加工対象物を準備する工程と、該加工対象物を冷却する
工程と、該被加工表面にレーザ光を照射し、レーザ加工
する工程とを含むことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】請求項１のレーザ加工方法において、上記
レーザ光の照射方向に対し垂直な面内で上記加工対象物
を平行移動させて、該加工対象物にレーザ加工を行うこ
とを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項３】加工対象物の被加工表面にレーザ光を照射
してレーザ加工を行うレーザ加工装置において、上記加
工対象物を冷却する冷却手段を有することを特徴とする
レーザ加工装置。
【請求項４】請求項３のレーザ加工装置において、上記
冷却手段が、固体二酸化炭素と、該固体二酸化炭素を上
記加工対象物の被加工表面と反対側の面に当接させる当
接手段とを有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】請求項３のレーザ加工装置において、上記
冷却手段が、上記加工対象物の被加工表面もしくは該被
加工表面と反対側の面のうち少なくとも一方の面に向け
て液化ガスを噴射する噴射手段を有することを特徴とす
るレーザ加工装置。
【請求項６】請求項３、４または５のレーザ加工装置に
おいて、上記レーザ光の照射方向に対し垂直な面内で上
記加工対象物を平行移動させる移動手段を有することを
特徴とするレーザ加工装置。