JP2002248593A

JP2002248593A - シート部材のレーザ加工治具及び加工方法

Info

Publication number: JP2002248593A
Application number: JP2001087142A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Nishi; 雄一西; Masasane Tawara; 将真俵; Tomoyuki Kanekiyo; 智幸兼清; Shinichi Wai; 伸一和井; Mitsuhiro Azumaguchi; 光博東口; Hideko Fukushima; 英子福島
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2002-09-03

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】シート部材にレーザ光を照射して形成した貫
通部を通過したレーザ光の反射を防止することができる
レーザ加工治具を提供する。【解決手段】一方の表面からその裏面に向かってレー
ザ光が通過して貫通部３が形成されるシート部材１を支
持するレーザ加工治具において、シート部材１の裏面を
保持する載置部は、シート部材を突き抜けたレーザ光が
通過し、かつ断面積がレーザ光の進行方向に沿って増加
する通路４を有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックグリー
ンシートやプラスチックフィルムなどのシート部材に、
レーザを用いて穴加工や切断加工を行う時に使用するレ
ーザ加工治具及びレーザ加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】シート部材に穴加工を行う方法として、
シート部材を治具上にセットし、レーザ光を照射して穴
明けを行う方法がある。この方法にはシート部材を通過
したレーザ光が治具の表面で反射して、加工穴が再加工
される、シート部材の裏面に熱影響を与える、或いは飛
散したシート部材のかすがシート部材表面に付着する、
といった問題がある。この対策として、治具のシート部
材をセットする部分を板状部材で構成し、予め板状部材
には加工穴に対応する位置に貫通穴を明けておくことが
提案されている。この貫通穴は通常、加工穴を通過した
レーザ光を逃がすことに加えて、シート部材を治具に固
定するための吸引穴としても使用される。

【０００３】シート部材に、例えば数百個或いは数万個
もの多数の加工穴を設ける場合、これに対応する貫通穴
を板状部材に効率的に精度良く形成しておくことが重要
となる。このため、加工穴形成用のレーザ装置を用い、
治具にセットした板状部材の加工穴が設けられる位置に
貫通穴を明けることが行われる。図６に、このようにし
て製作された治具の従来例を示す。図６に示す治具５０
は、多数の貫通穴５４が形成された板状部材５２を、空
間部２を有する治具台５１の上面に取付けたものであ
る。レーザ光を照射して穴加工を行うと、必然的に入射
側の穴の方が出射側の穴より大きなテーパ状の穴が形成
されので、板状部材５２の貫通穴５４も、上方が広く下
方が狭い正テーパ形状となる。板状部材５２は、シート
部材１を吸引固定するために空間部２からの吸引力を受
け、またレーザ光照射時にアシストガスの加圧力を受け
てもほとんど撓まないような厚さをもっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述した板状部材５２
は厚いため、多数の貫通穴５４を形成する時間が長くか
かって製作費が高くなり、最終製品のコストアップを招
く。また、貫通穴５４が大きいと、穴加工時にシート部
材が撓み、レーザ光の焦点がずれて加工穴の精度が低下
するので、貫通穴の穴径は小さい方がよい。また、貫通
穴が小さいと、レーザの照射時間や照射エネルギーも少
なくてすむという利点がある。しかし、貫通穴５４は下
方に行くほど狭くなる正テーパ形状の断面を有すること
に起因して、穴径が小さい程、また板状部材の厚さが厚
い程、加工穴を通過したレーザ光が貫通穴を通過する時
壁面に当たり易く、貫通穴内にシート部材のかすが飛
散、堆積し易くなるため、壁面や堆積物から反射したレ
ーザ光が加工穴に作用して過加工をしたり、また飛散物
で穴が詰まったりして板状部材５２の寿命が短くなると
いう問題が生ずる。さらに、貫通穴５４を通過したレー
ザ光は、治具台５１の空間部２に面する壁面で反射して
板状部材５２に当たると、板状部材５２は加熱されて変
形し、シート部材を変形させたり、シート部材に達する
ものは、前述と同様加工穴などに作用して過加工を引起
こすという問題も生ずる。

【０００５】従って本発明は、シート部材にレーザ光を
照射して形成した貫通部を通過したレーザ光の反射を防
止することができるレーザ加工治具を提供することを目
的としている。また、本発明は、シート部材に所定の貫
通部を精度良くかつ効率良く形成することのできるレー
ザ加工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】本発明は、一方の表面か
らその裏面に向かってレーザ光が通過して貫通部が形成
されるシート部材を支持するレーザ加工治具において、
シート部材の裏面を保持する載置部は、シート部材を突
き抜けたレーザ光が通過し、かつ断面積がレーザ光の進
行方向に沿って増加する通路を有することを特徴として
いる。なお、通路の壁面は、シート部材を突き抜けたレ
ーザ光が当たらないような傾斜をなしている。

【０００７】また、本発明は、一方の表面からその裏面
に向かってレーザ光が通過して貫通部が形成されるシー
ト部材を支持するレーザ加工治具において、シート部材
の裏面を保持しシート部材を突き抜けたレーザ光が通過
しかつ断面積がレーザ光の進行方向に沿って増加する通
路を有する治具板と、治具板を保持する治具台を有する
ことを特徴としたものである。上記発明において、治具
台が中空形状であり、その内面の少なくとも一部はレー
ザ光を吸収する機能を有するようにすることが好まし
い。また、治具板は支持部材を介して基台に保持されて
いるようにすることが好ましい。またさらに好ましく
は、支持部材は、シート部材に所定の貫通部が形成され
るよう、治具板の撓みを抑制する機能を有するようにす
ることが望ましい。また支持部材は、レーザ光を吸収す
る機能を有するようにすることが望ましい。

【０００８】本発明のシート部材のレーザ加工方法は、
治具台に保持された治具板上にシート部材を載置し、シ
ート部材にレーザ光を照射して貫通部を形成するレーザ
加工方法において、治具台に搭載した治具板にレーザ光
を照射してレーザ光の通路を形成し、この治具板を表裏
反転して治具台に保持し、その上にシート部材を載置
し、シート部材にレーザ光を照射することを特徴として
いる。なお、前記発明においては、レーザ光はパルス発
振式或いは連続発振式の何れを用いてもよいが、シート
部材としてセラミックグリーンシートを用いる場合、レ
ーザ光はパルスレーザを用いるとよい。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を添付図面に
より説明する。（実施例１）図１は本発明の実施例に係わるレーザ加工
用治具（以下単に治具と言う）１０の概略断面図、図２
は図１をＢ方向から見た矢視図図である。治具１０は、
その上方に図示しないレーザ光照射装置が配設され、例
えばパルス状に発振するＣＯ２レーザを用い、シート部
材１に貫通部としての穴を加工するように構成されてい
る。図２に示すように、治具１０は、図示しない駆動手
段によりＸ軸方向及びＹ軸方向に駆動され、所定の位置
に配設される。

【００１０】治具１０は、シート部材１の穴加工される
領域の全てに臨む空間部２を有する治具台１１と、前記
空間部２を覆って配設されその上面にシート部材１がセ
ット載置される治具板１２を備えている。治具台１１の
下部には、空間部２に連通する吸引通路１３が形成さ
れ、配管を介して減圧吸引装置（いずれも図示せず）に
連結されている。治具板１２は、シート部材１に形成す
べき加工穴３に対応する位置にレーザ光が通過する通路
である貫通穴４を有し、貫通穴４は治具板１２の厚さ方
向に沿って面積が変化するように形成されており、シー
ト部材１側の面積が治具台１１側の面積より小さい逆テ
ーパ状態になるように、治具台１１にネジ、嵌合、接着
などで取付けられている。治具板１２は金属、セラミッ
ク、樹脂などの種々の材料を用いて作成することができ
るが、その厚さは、材料の物性（縦弾性係数、比重等）
を考慮し、減圧吸引力やアシストガスの加圧力などが作
用しても加工穴の形成に支障をきたさないような撓みし
か生じないように設定すればよい。但し、治具板１２が
厚いと前述したような不具合が生じるので薄くすること
が好ましく、貫通穴４がない部分を支持ブロック１５で
支えて撓みを抑制するとよい。

【００１１】貫通穴４は、シート部材１の撓みを少なく
するためには小さい方が良いが、少なくともシート部材
１を通過したレーザ光が治具板１２の表面に当たって反
射しないような大きさを有することが望ましく、貫通穴
４のレーザ光が入射する側は、加工穴３のレーザ光が出
射する側を包含するような大きさの寸法とする。また、
シート部材１は、加工穴３の壁面だけでなく底面部も、
治具台１１からの反射光など余分なレーザ光を受けて損
傷しないようにするため、貫通穴４に露出する面積を少
なくすることが望ましい。従って、図３に示すように、
貫通穴４のレーザ光が入射する側の穴径Ｄは、加工穴３
のレーザ光が出射する側の穴径ｄより、加工穴の形成誤
差と貫通穴の形成誤差を加味した分だけ大きくすること
が好ましい。また、貫通穴４のテーパ角度θ２は、加工
穴３を通過したレーザ光が貫通穴４の壁面に照射されず
に通過するように、加工穴３のテーパ角度θ１と同じか
又はそれより大きくすることが好ましい。

【００１２】治具台１１の内周面及びそこに位置する部
材には、レーザ光の反射を防止する機能を付加するとさ
らに良い結果が得られる。即ち、治具台１１及び支持ブ
ロック１５を、ＣＯ_２レーザを８０％以上吸収する材
料、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やア
クリル系樹脂で形成するか、或いは両部材をアルミニウ
ム又はその合金で形成し、黒色アルマイトや黒色二硫化
モリブデンにより表面処理を行えばよい。また、治具台
１１をレーザ光を吸収し難い材料で形成し、少なくとも
治具台１１の内周面の底面部にＰＥＴ材、アクリル材又
は表面処理を施したアルミナ材などのレーザ光吸収部材
６を敷き、通過してきたレーザ光を吸収するようにして
もよい。

【００１３】上記構成の治具１０を用い、シート部材１
に穴加工を行う方法を説明する。以下の説明では、シー
ト部材１は例えば積層電子部品に用いられる厚さが０．
１ｍｍ程度のキャリアフィルム付きセラミックグリーン
シートであり、そこに直径０．１ｍｍ程度の穴を多数加
工するとする。シート部材１を、治具板１２上の所定位
置に載置し、治具台１１の吸引通路１３から吸引してシ
ート部材１を固定する。次いで、レーザ光をシート部材
１に順次照射し、加工穴３を形成していく。穴加工に際
しては、レーザ光の照射位置と治具板１２に形成された
貫通穴４位置が一致するように、治具は駆動されるの
で、シート部材１を貫通した加工穴３が形成されると、
レーザ光は治具板１２の貫通穴４を通って治具台１１の
空間部２へと抜ける。

【００１４】レーザ光はシート部材１の上方より照射さ
れるため、加工穴３は正テーパ状に形成されるが、治具
板１２の貫通穴４は逆テーパ状であるため、図４に示す
ように加工穴３を通過したレーザ光Ｒは貫通穴４の壁面
には照射されずに通過する。貫通穴４を通過したレーザ
光は、治具台１１の空間部２の底面部或いは支持ブロッ
ク１５に照射されるが、上述したレーザ光反射防止機能
をもたすことによりほとんどが吸収される。治具台１１
の内面で反射して治具板１２に戻るレーザ光はわずかで
あり、治具板１２が加熱されて変形することはほとんど
ない。また、貫通穴４に戻るレーザ光も皆無ではない
が、シート部材裏面のうち、貫通穴４に面している部分
の面積は少なく、シート部材１の裏面はほとんど損傷を
受けない。

【００１５】また、レーザ光の照射時に、シート部材１
から飛散する異物のほとんどは、吸引通路１３からの減
圧吸引作用で、貫通穴４を通って空間部２に流入し外部
に排出される。この時、異物が貫通穴４の壁面に付着す
ることもあるが、貫通穴４が逆テーパ状となっているた
め大量に堆積することはなく、ましてや貫通穴４を閉塞
させるようなことはない。従って、治具板１２の寿命を
長くすることができるだけでなく、貫通穴４を通過する
レーザ光が、壁面に堆積した異物で反射される現象もほ
とんどなく、反射に起因する不具合も生じない。治具板
１２の厚さは薄い方が上記作用は加速されるので、例え
ば０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度とすることが好ましい。貫通
穴４は切削加工やレーザ加工で形成することができる
が、厚さが薄い方が短時間で加工でき、治具板の製作工
数の点でも有利である。

【００１６】なお、治具板１２の貫通穴４をレーザ加工
で形成する場合、例えば次のようにして行うことができ
る。シート部材１を穴加工するのに用いるレーザ光を８
０％以上吸収して穴明けされるような材料、例えばＣＯ
_２レーザの場合ではＰＥＴ或いはアクリルで形成された
治具板１２の素材（平板）をセットした治具台１１を、
シート部材穴加工用のレーザ穴加工装置に取付け、シー
ト部材１に形成される穴位置と、所定の軸例えばＸ軸に
対して線対称の位置にレーザ光を照射して穴加工を行
う。この時の照射エネルギーは、形成する貫通穴４の大
きさと、治具板１２の材質、厚さに応じて調整し、貫通
穴４の小径側寸法が、加工穴の小径側寸法より所定余裕
値分大きくなるようにする。次いで、貫通穴４形成後の
治具板１２を、前記線対称用の軸、例えばＸ軸を中心に
して表裏を逆にして治具台１１にセットし直す。これに
より、治具板１２の貫通穴４は、シート部材１に形成さ
れる穴と同じ位置関係となるとともに、シート部材１が
載置される側の面積の方が治具台１１側の面積より小さ
な逆テーパ状態になる。上記の例では、治具として、別
々に作成した治具板と治具台を組合わせた構造で説明し
たが、両者を一体とした構造の治具であっても、本発明
の最大の特徴である逆テーパ状の貫通穴を形成すること
に特に問題はなく、適応できることは言うまでもない。

【００１７】（実施例２）シート部材の加工穴仕様に合
せた貫通穴の形成が効率的に行えるようにし、また熱や
応力など貫通穴加工時の負荷を小さくして治具板を変形
させないようにするためには、治具板をできるだけ薄く
することが望ましい。図５にそのような場合に好適な治
具２０の例を示す。基本構成は実施例１で示したものと
同様であるが、治具板１２よりさらに薄い治具板２２を
用い、支持板２５で面支持する点で異なる。治具板２２
は、シート部材１を穴加工するのに用いるレーザ光を８
０％以上吸収して穴明けされるような材料、例えばＣＯ
_２レーザの場合ＰＥＴで形成し、その厚さは０．２〜
０．５ｍｍ程度とする。支持板２５は、穴加工に用いる
レーザ光が照射されると表面が溶融するようなレーザ吸
収率を有する、例えばアクリル系樹脂やポリカーボネイ
ト系樹脂で形成され、厚さは３ｍｍ程度であって、治具
板２２の少なくとも穴加工領域が撓まないような剛性を
有する肉厚部材である。

【００１８】治具板２２は、治具台２１の空間部２を覆
うように配設し、シート部材穴加工用のレーザ穴加工装
置を用いて貫通穴４を形成する。貫通穴４が形成されて
いない治具板２２を治具台２１にセットし、前述したと
同様、シート部材１に形成される穴位置と、所定の軸例
えばＸ軸に対して線対称の位置にレーザ光を照射して穴
加工を行う。この時の照射エネルギーは、形成する貫通
穴４の大きさと、治具板２２の材質、厚さに応じて調整
し、貫通穴４の小径側寸法が、加工穴の小径側寸法より
所定余裕値分大きくなるようにする。次いで、貫通穴４
形成後の治具板２２を、前記線対称用の軸、例えばＸ軸
を中心にして表裏を逆にして治具台２１にセットし直
す。これにより、治具板２２の貫通穴４は、シート部材
１に形成される穴と同じ位置関係となるとともに、シー
ト部材１が載置される側の面積の方が治具台２１側の面
積より小さな逆テーパ状態になる。

【００１９】上記構成の治具２０を用い、シート部材１
に穴加工を行う方法を説明する。前述したと同様、シー
ト部材１を治具板２２上の所定位置に載置固定し、レー
ザ光を照射して穴加工を行う。シート部材１の固定は、
例えば治具台２１の上面に開口するように形成した吸引
口２３からシート部材周辺を吸引して行われる。シート
部材１に穴があくと、レーザ光は治具板２２の貫通穴４
を通って支持板２５を照射する。支持板２５はレーザ光
を吸収して溶融する。この時、シート部材１から飛散し
た異物は、支持板２５の溶融部に混入し捕捉される。こ
のようにして異物は支持板２５内に取込まれるが、支持
板２５はシート部材１とは直接接していないので、溶融
物がシート部材１の裏面や加工穴３に付着することはな
い。また、加工穴３形成後のレーザ光は支持板２５で吸
収されてほとんど反射しないので、シート部材１の裏面
や加工穴３に余分な加工が施されることはない。

【００２０】支持板２５のレーザ光が照射される箇所
は、溶融と凝固を繰返し異物を取込むが、支持板２５は
厚いので数百回程度は使用することができ、さらに厚く
すればより長寿命化が可能である。なお、シート部材の
厚さが0.08mm程度以下の薄さであれば、支持板２５の損
傷はほとんどなくほぼ永久的に使用できる。治具板２２
は薄く、穴加工工程で用いる穴加工装置で貫通穴４を形
成するので、短時間で安価に製造することができ、穴加
工仕様が変わった場合でも容易に対応することができ
る。なお、治具板２２の材質は、穴加工に使用するレー
ザ光を吸収し貫通穴が形成されるものであればよく、必
ずしも上述したＰＥＴ材或いはアクリル材に限定されな
い。

【００２１】以上の説明では、貫通部として丸い穴を加
工する場合を例に説明したが、長穴や曲面形状穴などで
もよいし、また各種形状に溝を形成して切断加工を行う
ような場合にも適用できることは言うまでもない。ま
た、シート部材としてはキャリアフィルム付きセラミッ
クグリーンシートの他に、セラミックグリーンシートだ
けでもよいし、他の樹脂シートでもよい。また、ロール
状のものから連続的に供給されるような場合にも適用す
ることができる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
シート部材を通過したレーザ光が、シート部材へ反射さ
れることがほとんどないので、加工穴やシート部材底面
が損傷することがない。また、反射して治具板へ達する
レーザ光も極めて少ないので、治具板が加熱されて変形
することがなく、所定の形状の加工穴を明けることがで
きる。また、シート部材をセットする治具板は薄いもの
を使用することができるので、治工具費が安くなり、シ
ート部材穴明けに係わるコスト上昇を抑えることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係わるレーザ穴加工治具の概
略断面を示す図

【図２】図１をＢ方向から見た矢視図

【図３】図１のＡ部拡大断面図

【図４】本発明における加工穴通過レーザ光と貫通穴と
の関係を説明するための断面図

【図５】本発明の他の実施例に係わるレーザ穴加工治具
の概略断面図

【図６】従来のレーザ穴加工治具を示す断面図

【符号の説明】

１…シート部材、２…空間部、３…加工穴、４…
貫通穴、６…レーザ吸収材、１０…第1の治具、２
０…第2の治具、１３…吸引通路、１５…支持ブロッ
ク、２５…支持板、１１、２１…治具台、１２、２
２…治具板、５０…従来の治具、５２…従来の板状部
材、５４…従来の貫通穴

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者和井伸一埼玉県熊谷市三ケ尻6010番地日立金属株式会社生産システム研究所内 (72)発明者東口光博鳥取県鳥取市南栄町70番地２日立金属株式会社鳥取工場内 (72)発明者福島英子埼玉県熊谷市三ケ尻5200番地日立金属株式会社磁性材料研究所内Ｆターム(参考） 3C069 AA04 BA08 CA03 CB01 CB03 EA05 4E068 CE09 CF04 DA14 DB10 DB12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一方の表面からその裏面に向かってレー
ザ光が通過して貫通部が形成されるシート部材を支持す
るレーザ加工治具において、シート部材の裏面を保持す
る載置部は、シート部材を突き抜けたレーザ光が通過
し、かつ断面積がレーザ光の進行方向に沿って増加する
通路を有することを特徴とするレーザ加工治具。
【請求項２】一方の表面からその裏面に向かってレー
ザ光が通過して貫通部が形成されるシート部材を支持す
るレーザ加工治具において、シート部材の裏面を保持し
シート部材を突き抜けたレーザ光が通過しかつ断面積が
レーザ光の進行方向に沿って増加する通路を有する治具
板と、治具板を保持する治具台を有することを特徴とす
るレーザ加工治具。
【請求項３】治具台が中空形状であり、その内面の少
なくとも一部はレーザ光を吸収する機能を有する請求項
２記載のレーザ加工治具。
【請求項４】治具板は支持部材を介して基台に保持さ
れている請求項２又は３記載のレーザ加工治具。
【請求項５】支持部材は、シート部材に所定の貫通部
が形成されるよう、治具板の撓みを抑制する機能を有す
る請求項４記載のレーザ加工治具。
【請求項６】支持部材はレーザ光を吸収する機能を有
する請求項４又は５記載のレーザ加工治具。
【請求項７】治具台に保持された治具板上にシート部
材を載置し、シート部材にレーザ光を照射して貫通部を
形成するレーザ加工方法において、治具台に搭載した治
具板にレーザ光を照射してレーザ光の通路を形成し、こ
の治具板を表裏反転して治具台に保持し、その上にシー
ト部材を載置し、シート部材にレーザ光を照射すること
を特徴とするレーザ加工方法。