JP2006205178A - 加工方法および加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の技術の有する問題点を解消するようにして、簡単に被加工物を加工する。
【解決手段】レーザー光に対して透明な第１の材料とレーザー光を吸収して溶解する第２の材料とを、第１の材料と第２の材料が隙間なく緊密に接触するようにして静置する第１の段階と、第１の段階によって第２の材料の接触面に隙間なく緊密に接触している第１の材料の接触面の背面側の面から、レーザー光を入射し、第１の材料を透過したレーザー光を第２の材料の接触面に集光させて、第２の材料の接触面のレーザー光が集光した領域を局所的に加熱して溶解し、当該溶解した第２の材料を第１の材料の接触面に局所的に密着する第２の段階と、第１の材料の接触面の背面側の面からレーザー光を入射し、第１の材料を透過したレーザー光を、第２の段階によって第２の材料と第１の材料とが局所的に密着された領域に集光する第３の段階とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加工方法および加工装置に関し、さらに詳細には、数値制御により被加工物の表面に、任意の文字や図形、模様、あるいは、微細なパターンを形成する際に用いて好適な加工方法および加工装置に関する。

従来より、被加工物たるガラスの表面に、所望の文字や図形を描画する手法として、カッターなどのツールによって切削する手法や、あるいは、サンドブラスト、レーザーアブレーションなどの種々の手法が知られている。

ここで、カッターなどの切削用ツールを被加工物に直に接触させて、当該切削用ツールにより被加工物を削って加工する場合は、使用する切削用ツールの刃物径以下の細かいパターンを加工することが困難であるという第１の問題点があった。

また、サンドブラストは、予め、ガラス表面にマスクのためのシートを貼り、その後、当該ガラス表面に微小な砂を吹き付けて加工を行うものである（例えば、特許文献１を参照する。）。

このため、サンドブラストによりガラスを加工する際には、被加工物の加工したくない部分に、予め吹き付けられる砂が当らないようにマスキングシートを被覆させる作業が必要であり、非常に煩雑で、加工時間が長時間になるという第２の問題点があった。

さらに、サンドブラストにおいては、被加工物の表面にマスキングシートを貼り付けて加工を行なうので、非常に狭い幅の線などの細かいパターンを加工することが困難であるという第３の問題点があった。

また、レーザーアブレーションによりガラスの加工を行う場合には（例えば、特許文献２を参照する。）、数Ｗ〜数十Ｗの大出力で、かつ、横モードの高品質なレーザー源を用いて、レーザー光を微小なスポットに集光する必要があるため、非常に高価で、装置全体が大型化するという第４の問題点があった。

ところで、上記したガラスとは異なる種類の被加工物たるゴムの表面に、レーザー光を照射して、所望の文字や図形を描画する手法も知られている。

しかし、レーザー光を照射してゴムを加工すると、加工中に多量の煙や有毒ガスが発生してしまう。そこで、従来よりゴムの加工に際しては、巨大な脱臭集塵機が欠かせず、当該脱臭集塵機のフィルターや活性炭により、発生した多量の煙や有毒ガスの集塵・脱臭を行なわなければならないものであった（例えば、特許文献３を参照する。）。

つまり、従来のゴムの加工の手法では、大型の脱臭集塵機を配設しなければならず、システム全体として非常に大型化してしまい、高価なものになるという第５の問題点があった。

さらに、ゴムの加工中に発生する煙は可燃性であるため、脱臭集塵機内やゴム表面で発火する危険性があるという第６の問題点があった。

そして、この第６の問題点を解消するために、ゴムを加工する際に不活性ガスを吹き付けることも提案されているが、不活性ガスを使用するための構成がさらに必要になるので構成が複雑化し、コストの上昇を招来するという第７の問題点があった。
特開２０００−２８０６９５号公報 特開２０００−３１２９８３号公報 特開平８−２１５８６６号公報

本発明は、上記したような従来の技術の有する種々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、従来の技術の有する上記した第１の問題点乃至第７の問題点を解消するようにして、簡単に被加工物を加工することを可能にした加工方法および加工装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、レーザー光に対して透明な第１の材料と上記レーザー光を吸収して溶解する第２の材料とを、上記第１の材料と上記第２の材料の接触面が隙間なく緊密に接触するようにして静置する第１の段階と、上記第１の段階によって上記第２の材料の接触面に隙間なく緊密に接触している上記第１の材料の接触面の背面側の面から、上記レーザー光を入射し、上記第１の材料を透過した上記レーザー光を上記第２の材料の接触面に集光させて、上記第２の材料の接触面の上記レーザー光が集光した領域を局所的に加熱して溶解し、当該溶解した上記第２の材料を上記第１の材料の接触面に局所的に密着する第２の段階と、上記第１の材料の接触面の背面側の面から上記レーザー光を入射し、上記第１の材料を透過した上記レーザー光を、上記第２の段階によって上記第２の材料と上記第１の材料とが局所的に密着された領域に集光する第３の段階とを有するようにしたものである。

従って、本発明のうち請求項１に記載の発明によれば、接触面同士が緊密に接触する第１の材料と第２の材料との境界にレーザー光を集光して、第１の材料と第２の材料とが密着した状態で、被加工物たる第１の材料あるいは第２の材料を簡単に加工することができる。

また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記第２の材料は、上記第２の段階において上記第２の材料の接触面に集光したレーザー光を貫通させない厚みを有するものであるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、レーザー光に対して透明なガラスと上記レーザー光を吸収して溶解するゴムとを、上記ガラスと上記ゴムの接触面が隙間なく緊密に接触するようにして静置する第１の段階と、上記第１の段階によって上記ゴムの接触面に隙間なく緊密に接触している上記ガラスの接触面の背面側の面から、上記レーザー光を入射し、上記ガラスを透過した上記レーザー光を上記ゴムの接触面に集光させて、上記ゴムの接触面の上記レーザー光が集光した領域を局所的に加熱して溶解し、当該溶解した上記ゴムを上記ガラスの接触面に局所的に密着する第２の段階と、上記ガラスの接触面の背面側の面から上記レーザー光を入射し、上記ガラスを透過した上記レーザー光を、上記第２の段階によって上記ゴムと上記ガラスとが局所的に密着された領域に集光して、上記レーザー光によって上記ゴムが加熱された熱を上記ゴムと密着している上記ガラスの接触面に作用させて、上記ガラスの接触面を加工する第３の段階とを有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、レーザー光に対して透明なガラスと上記レーザー光を吸収して溶解するゴムとを、上記ガラスと上記ゴムの接触面が隙間なく緊密に接触するようにして静置する第１の段階と、上記第１の段階によって上記ゴムの接触面に隙間なく緊密に接触している上記ガラスの接触面の背面側の面から、上記レーザー光を入射し、上記ガラスを透過した上記レーザー光を上記ゴムの接触面に集光させて、上記ゴムの接触面の上記レーザー光が集光した領域を局所的に加熱して溶解し、当該溶解した上記ゴムを上記ガラスの接触面に局所的に密着する第２の段階と、上記ガラスの接触面の背面側の面から上記レーザー光を入射し、上記ガラスを透過した上記レーザー光を、上記第２の段階によって上記ゴムと上記ガラスとが局所的に密着された領域に集光して、上記レーザー光によって上記ゴムと上記ガラスとが局所的に密着された領域を加熱して、上記ゴムを加工する第３の段階とを有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の発明において、上記第２の段階で上記レーザー光が上記ゴムの接触面において集光位置を変化させる軌跡と、上記第３の段階で上記レーザー光が上記ゴムと上記ガラスとが局所的に密着された領域において集光位置を変化させる軌跡とは、同一であり、かつ、加工するパターンに応じたものであるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、上記第２の段階と上記第３の段階とを一連して生起させるエネルギーが供給されるように上記レーザー光を上記ガラスの接触面の背面側の面から入射するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、請求項４、請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の発明において、上記ガラスは石英ガラスであるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、レーザー光に対して透明な第１の材料と上記レーザー光を吸収して溶解する第２の材料とを、上記第１の材料の接触面と上記第２の材料の接触面とが隙間なく緊密に接触するようにして静置する加工用テーブルと、上記加工用テーブルに静置された上記第１の材料の上記第２の材料の接触面に隙間なく緊密に接触している上記接触面の背面側の面から、上記レーザー光が入射するようにして上記レーザー光を出射するレーザー・ヘッドと、上記レーザー・ヘッドと上記加工用テーブルに静置された上記第１の材料ならびに上記第２の材料との相対的な位置関係を三次元方向で変化させる駆動手段と、加工するパターンを示す加工用データを記憶する記憶手段と、上記記憶手段に記憶された上記加工用データに従って、上記レーザー・ヘッドから出射される上記レーザー光の集光位置を変化させ、上記第１の材料の接触面の背面側の面から、上記レーザー光を入射し、上記第１の材料を透過した上記レーザー光を上記第２の材料の接触面に集光させて、上記第２の材料の接触面の上記レーザー光が集光した領域を局所的に加熱して溶解し、当該溶解した上記第２の材料を上記第１の材料の接触面に局所的に密着する第１の工程と、上記第１の材料の接触面の背面側の面から上記レーザー光を入射し、上記第１の材料を透過した上記レーザー光を、上記第１の工程によって上記第２の材料と上記第１の材料とが局所的に密着された領域に集光する第２の工程とを生起するように上記レーザー・ヘッドからの上記レーザー光の出射を制御する制御手段とを有するようにしたものである。

本発明による加工方法および加工装置は、従来の技術の有する上記した第１の問題点乃至第７の問題点を解消して、簡単に被加工物を加工することができるという優れた効果を奏する。

以下、添付の図面に基づいて、本発明による加工方法および加工装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。

図１には、本発明による加工方法を実現する加工装置の実施の形態の一例を示す概念構成説明図が示されている。

この加工装置１０は、上面１２ａに第１材料３０ならびに第２材料４０を載置して、ＸＹＺ直交座標系（図１に示す座標系参照。）におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向ならびにＺ軸方向にそれぞれ移動自在に配設されたテーブル１２と、テーブル１２の上面１２ａと対向するようにして配設されレーザー光Ｌ（図１参照）を出射するレーザー・ヘッド１４とを有して構成されている。

なお、加工装置１０は、全体の動作をマイクロ・コンピューター２０により制御されているものである。

また、マイクロ・コンピューター２０の図示しない記憶領域には、加工する任意の文字や図形、模様、あるいは、微細なパターンを示す加工用データが予め記録されており、適宜読み出し可能となされている。

レーザー・ヘッド１４は、図示しない半導体レーザーから出射されたレーザー光を、出射口１４ａから出射するものである。そして、レーザー・ヘッド１４から出射されるレーザー光は、第１材料３０に対して透明で第１材料３０に吸収されることのない波長であって、かつ、第２材料４０に吸収される波長を有するレーザー光に設定されている。

より詳細には、半導体レーザーとしては、例えば、波長８０８ｎｍ、レーザー・エネルギー（出力）５００ｍＷ、レーザー媒質ＧａＡｓのものを使用することができる。こうした半導体レーザーは、連続レーザーであるもののパルス動作可能なように制御されている。より詳細には、図２に示すようにしてその駆動が制御されており、当該半導体レーザーは、モーター駆動パルスに同期して一定幅のパルス（例えば、１５８０μｓ）で尖頭値５００ｍＷの駆動をし（図２に示す（Ａ）ならびに（Ｃ）の部分参照）、モーター駆動パルスがレーザーパルス幅以下になった場合にはＣＷ発光するものである（図２に示す（Ｂ）の部分参照）。

つまり、レーザー・ヘッド１４からのレーザー光の出射は、マイクロ・コンピューター２０により制御されて、半導体レーザーから出射されたレーザー光が所定の焦点位置に集光するようにして出射されるともに、当該焦点位置を変化させて移動する移動速度に応じて、移動速度が低速区間（例えば、移動速度が０ｍｍ／ｓ〜２ｍｍ／ｓ未満程度の区間）においてはパルス発光とし、移動速度が高速区間（例えば、移動速度が２ｍｍ／ｓ以上〜５ｍｍ／ｓ程度の区間）においてはＣＷ発光として、照射されたレーザー光によって所定のエネルギーが供給されるように設定されている。

このレーザー・ヘッド１４と、レーザー・ヘッド１４の出射口１４ａと上面１２ａとが対向するテーブル１２に載置された第１材料３０と、第２材料４０とは、レーザー・ヘッド１４から出射されたレーザー光が、第１材料３０を透過して第２材料４０に照射可能なようにして配置されている。

そして、レーザー・ヘッド１４は固定されているものの、テーブル１２がマイクロ・コンピューター２０によって所定の分解能に応じてモーター（図示せず）の駆動が制御され、当該モーターの駆動によって、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向ならびにＺ軸方向の三次元方向に移動される。従って、レーザー・ヘッド１４とテーブル１２に載置される第１材料３０ならびに第２材料４０との相対的な位置関係は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の任意の方向で移動可能となっている。

以上の構成において、この加工装置１０を用いて本発明の加工方法によりガラスを加工する場合の動作を説明する。

まず、ガラスに加工を行なう場合には、第１材料３０として被加工物であるガラスを用い、第２材料４０としてゴムを用いる。

より詳細には、第１材料３０たるガラスは、例えば、光学ガラス、青板ガラス、白板ガラス、あるいは、石英ガラスなどの様々な種類のものを利用することができる。

例えば、平滑な表面を備えた板状体の合成石英ガラスであって、およそ３０．０ｍｍ×３０．０ｍｍ×２．０ｍｍのサイズのものや、あるいは、平滑な表面を備えた板状体の青板ガラスであって、およそ１２７．０ｍｍ×１７７．８ｍｍ×３．０ｍｍのサイズのものを用いることができる。

一方、第２材料４０たるゴムは、例えば、天然ゴム（ＮＲ）、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、あるいは、クロロプレンゴム（ＣＲ）などの様々な種類のものを利用することができる。

例えば、平滑な表面を備えた板状体の黒色の天然ゴムであって、およそ３５．０ｍｍ×３５．０ｍｍ×５．０ｍｍのサイズのものを用いることができ、この場合には、レーザー・ヘッド１４から出射されるレーザー光は、ゴムよりなる黒色の第２材料４０に吸収されることになる。

なお、このガラスの加工の実施の形態においては、第１材料３０として板状体である石英ガラス板を用い、第２材料４０として板状体で黒色の天然ゴム板を用いるものとして、アルファベットの大文字の「Ｇ」をガラス表面に描画（図３（ｇ）参照）する工程を以下詳細に説明することとする。

まず、テーブル１２の上面１２ａに第２材料４０である天然ゴム板を載置する。そして、第２材料４０の上面４０ａに、第１材料３０である石英ガラス板を積載する（図３（ａ）（ｂ）参照）。

この際、第２材料４０たる天然ゴム板の平滑な表面である上面４０ａと、第１材料３０である石英ガラス板の平滑な表面である表面３０ａとが面接触する。こうして、第１材料３０の接触面である表面３０ａと第２材料４０の接触面である上面４０ａとが、隙間なく緊密に接触するようにして静置される。なお、この実施の形態においては、第１材料３０が被加工物となり、第２材料４０の上面４０ａ側に位置する第１材料３０の表面３０ａが被加工面となる。

そして、マイクロ・コンピューター２０の制御により、テーブル１２をＺ軸方向に移動して高さ位置を変化させるなどして、レーザー・ヘッド１４の出射口１４ａから出射されるレーザー光の集光位置を、第１材料３０の表面３０ａが面接触している第２材料４０の接触面たる上面４０ａに一致させる（図１に示す状態参照）。

この後、レーザー・ヘッド１４からレーザー光を出射して、出射されたレーザー光を第２材料４０の上面４０ａに隙間なく緊密に接触している第１材料３０の表面３０ａの背面側の表面３０ｂから入射させる。そして、マイクロ・コンピューター２０により、予め記録されている加工用データに従って、テーブル１２をＸ軸方向ならびにＹ軸方向に移動して、加工用データの示すパターンに沿ってトレースするように第２材料４０の上面４０ａにおけるレーザー光の集光位置を変化させる。

より詳細には、アルファベットの大文字の「Ｇ」を示す加工用データに従って、レーザー光の集光位置を第２材料４０の上面４０ａにおいて、「Ｇ」の文字の輪郭をトレースするようにして変化させる。

ここで、レーザー・ヘッド１４から出射されるレーザー光は、第１材料３０に対して吸収されることのない波長を有するレーザー光であるので、第２材料４０上に載置された第１材料３０たる石英ガラス板を透過して、第１材料３０の下方に位置する第２材料４０の上面４０ａにスポットを結ぶようにして照射される。

そして、レーザー・ヘッド１４から出射されるレーザー光は、黒色の天然ゴムよりなる第２材料４０に吸収されるので、第２材料４０の接触面たる上面４０ａのレーザー光が集光した微小な領域が、照射されたレーザー光によって局所的に加熱される。すると、その熱により、第２材料４０たる天然ゴムが局所的に軟化・膨張して溶解し、この溶解した第２材料４０が上面４０ａと面接触している第１材料３０の接触面の表面３０ａに局所的に密着するようになる。こうして第２材料４０と第１材料３０とが局所的に密着された領域を、図３（ｃ）においては破線で示してあり、図３（ｄ）においては太線で示している。

なお、このレーザー光の１回目の照射により供給されるエネルギーは、照射されたレーザー光によって第２材料４０の上面４０ａの非常に微小な領域が加熱され、第２材料４０の上面４０ａと第１材料３０の表面３０ａとが密着するのに十分なように設定されている。

こうして「Ｇ」の文字の輪郭をトレースするようにしてレーザー光の１回目の照射を行ない、当該文字の輪郭に沿って第２材料４０たる天然ゴムを第１材料３０の石英ガラスに密着させた（図３（ｃ）に示す状態参照）後、再び、レーザー・ヘッド１４からレーザー光を出射して、出射されたレーザー光を第１材料３０の表面３０ｂから入射させる。そして、加工用データに従って、レーザー光の集光位置を第２材料４０たるゴムと第１材料３０たるガラスとが局所的に密着された領域において、「Ｇ」の文字の輪郭をトレースするようにして変化させる。

なお、このレーザー光の２回目の照射により供給されるエネルギーは、レーザー光の１回目の照射により第２材料４０たるゴムと第１材料３０たるガラスとが「Ｇ」の文字の輪郭に沿って密着している微小な領域（図３（ｃ）（ｄ）参照）で、照射されたレーザー光によって、天然ゴムの熱が石英ガラスに伝達され、その熱により第１材料３０の被加工面たる表面３０ａに「Ｇ」の文字が加工されるように設定されている。

即ち、先の１回目のレーザー光の照射によって第２材料４０と第１材料３０とが密着している微小な領域に、２回目の照射によって再びレーザー光が照射されると、第２材料４０たる天然ゴムの熱が石英ガラスの表面に伝達される。

その結果、第１材料３０の接触面たる表面３０ａに作用が及び、第２材料４０たる天然ゴムが密着した石英ガラスの表面の微小な領域が、急激に温度上昇して溶解したり、あるいは、当該石英ガラスの表面の微小な領域だけが熱膨張することにより熱歪が発生して、当該表面３０ａの微小な領域のガラスが剥離したり、あるいは、亀裂を生じるなどして、第１材料３０の表面３０ａが加工され、加工用データの示すパターンがガラス板の表面に形成される（図３（ｅ）（ｆ）（ｇ）参照）。

このように、上面４０ａと表面３０ａとが緊密に接触している第２材料４０ならびに第１材料３０に対して、第２材料４０の上面４０ａにスポット状に集光するようなレーザー光の照射を１度行なって、第２材料４０を第１材料３０の表面３０ａに局所的に密着させる工程（図３（ｃ）（ｄ）参照）と、その後再びレーザー光の照射を行なって、第２材料４０が加熱された熱を第１材料３０の表面３０ａに作用させて、第１材料３０の表面３０ａのガラスを微小な領域で変化させて接触面である表面３０ａを加工する工程（図３（ｅ）（ｆ）参照）とが行なわれる。

ただし、上記したようにすると、加工しようとする「Ｇ」の文字の輪郭に沿って、第２材料４０を第１材料３０の表面３０ａに局所的に密着させるために第２材料４０の上面４０ａにおいてレーザー光の集光位置を変化させる軌跡と、第１材料３０の表面３０ａを加工するために第２材料４０と第１材料３０とが局所的に密着された領域においてレーザー光の集光位置を変化させる軌跡とは同一であり、同じパターンを２回トレースするようにしてレーザー光の照射が繰り返されることになる。

そこで、上記した２回のレーザー光の照射によるエネルギーと等しいエネルギーが与えられるようにして、即ち、第２材料４０を第１材料３０の表面３０ａに局所的に密着させる工程（図３（ｃ）（ｄ）参照）と第１材料３０の表面３０ａを加工する工程（図３（ｅ）（ｆ）参照）とが一連して生起されるエネルギーが供給されるようにして、レーザー光の照射を行うようにする。すると、「Ｇ」の文字の輪郭に沿って１回トレースしてレーザー光を照射すれば、当該１回の照射でレーザー光の焦点位置が変化するのに伴って、第２材料４０が第１材料３０の表面３０ａに密着し、加熱された第２材料４０の熱が第１材料３０の表面３０ａに作用して表面３０ａを加工できるようになる。

上記したようにして、本発明による加工装置１０においては、第２材料４０としてゴムを用い、当該ゴムの上面４０ａに第１材料３０として被加工物であるガラスを接触面同士で緊密に接触するようにして配設して、第２材料４０と第１材料３０との境界部分にレーザー光を集光させて照射するようにしたため、第２材料４０の上面４０ａのゴムと密着するガラスの表面３０ａに加工することができる。

こうした本発明による加工方法によれば、レーザー光をトレースするように照射して所望の文字や図形を描画するので、非常に狭い幅の線などの細かいパターンを加工することができる。つまり、レーザー光を照射して被加工物に接触することなしに加工を行なう本願発明によれば、上記した「背景技術」の項に記載したカッターなどの切削用ツールによるガラス加工の第１の問題点、即ち、「使用する切削用ツールの刃物径以下の細かいパターンを加工することが困難である」という問題点を解消することができる。

また、本発明による加工方法は、加工用データに従って、レーザー光の照射位置を変化させるだけで被加工物に文字などを加工することができ、こうしたレーザー光の集光位置の調整、移動速度の制御、あるいは、照射位置の変更などは、マイクロ・コンピューター２０などのコンピューター制御によって非常に容易にできるものである。つまり、加工のための制御が非常に容易で簡単な本願発明によれば、上記した「背景技術」の項に記載したサンドブラストによるガラス加工の第２の問題点、即ち、「非常に煩雑で、加工時間が長時間になる」という問題点を解消することができる。

より詳細には、従来のサンドブラストでは欠かせない被加工物へのマスキングの工程は、本願発明では全く必要なく、被加工物に対して予め処理を施さずに、単に被加工物をゴム板に載置するだけでよく、作業は非常に簡単で、加工時間も短時間ですむ。特に、上記したようにして１回のトレースで十分なエネルギーが供給されるようにしてレーザー光を照射すれば、第２材料４０が第１材料３０の表面３０ａに密着する工程と表面３０ａを加工する工程とが一連して行なわれるので、加工する形状に沿ったトレースは１回で済み、加工時間をより一層短縮することができる。

また、上記したようにして、微細加工が可能な本願発明によれば、上記した「背景技術」の項に記載したサンドブラストによるガラス加工の第３の問題点、即ち、「細かいパターンを加工することが困難である」という問題点を解消することができる。

そして、本発明による加工方法は、上記したようにレーザー・ヘッド１４から出射されるレーザー光は、半導体レーザーから出射されたレーザー光を使用することができ、５００ｍＷ程度のレーザー光源で、第１材料３０たる被加工物の石英ガラス板に加工することができる。つまり、低出力のレーザー光源でガラスを微細加工することができる本願発明によれば、上記した「背景技術」の項に記載したレーザーアブレーションによる加工の第４の問題点、即ち、「非常に高価で、装置全体が大型化する」という問題点を解消することができる。

より詳細には、従来のレーザーアブレーションでは、数Ｗ〜数十Ｗの大出力で高品質なレーザー源を使用するため、数百万円もの高価で大型なシステムとなるが、本願発明によれば、５００ｍＷ程度のレーザー光源で済むため、数万円程度の安価で小型なシステムとすることができる。

また、本発明による加工方法によれば、第２材料４０のゴムの上面４０ａに第１材料３０として被加工物であるガラスを載置して、表面３０ｂから入射して第１材料３０内を透過したレーザー光を第２材料４０の上面４０ａに集光させると、第２材料４０たるゴムの上面４０ａと第１材料３０たるガラスの表面３０ａとが密着した状態で加工が進行する。このため、被加工物たる第１材料３０の表面３０ａが加工される最中に、発生する煙はほとんどなく、仮に極微量の煙や粉塵が発生したとしても、互いに密着する第１材料３０のガラスと第２材料４０のゴムとの間に閉じ込められて、外部に漏れ出すことはない。

従って、本発明による加工方法によれば、加工中に多量の煙が発生したり、粉塵が飛散することなどを、非常に簡単に防ぐことができ、加工するための特別なチャンバーなどを用意する必要がなく、大気中で非常に簡単に加工を行うことができる。

次ぎに、上記した構成の加工装置１０を用いて本発明の加工方法によりゴムを加工する場合の動作を説明する。

まず、ゴムに加工を行なう場合には、第１材料３０としてガラスを用い、第２材料４０として被加工物であるゴムを用いる。

つまり、ゴムの加工を行なう場合も、上記したガラスの加工の場合と同様に、第１材料３０としてガラスを用い、第２材料４０としてゴムを用いるものである。従って、第１材料３０として使用可能なガラスの種類や、第２材料４０として使用可能なゴムの種類などは、上記したガラスの加工における説明を援用して詳細な説明は省略することとする。

なお、このゴムの加工の実施の形態においては、第１材料３０として板状体である石英ガラス板を用い、第２材料４０として板状体で黒色の天然ゴム板を用いるものとして、アルファベットの大文字の「Ｇ」をガラス表面に描画する工程を以下詳細に説明することとする。つまり、上記したガラスの加工の実施の形態と同様である。

そして、テーブル１２に第２材料４０である天然ゴム板を載置する。そして、第２材料４０の上面４０ａに、第１材料３０である石英ガラス板を積載する。

この際、第２材料４０たる天然ゴム板の平滑な表面である上面４０ａと、第１材料３０である石英ガラス板の平滑な表面である表面３０ａとが面接触する。こうして、第１材料３０の接触面である表面３０ａと第２材料４０の接触面である上面４０ａとが、隙間なく緊密に接触するようにして静置される。なお、この実施の形態においては、第２材料４０が被加工物となり、第１材料３０の表面３０ａが面接触している第２材料４０の上面４０ａが被加工面となる。

そして、マイクロ・コンピューター２０の制御により、テーブル１２をＺ軸方向に移動して高さ位置を変化させるなどして、レーザー・ヘッド１４の出射口１４ａから出射されるレーザー光の集光位置を、第１材料３０の表面３０ａが面接触している第２材料４０の上面４０ａに一致させる（図１に示す状態参照）。

この後、レーザー・ヘッド１４からレーザー光を出射して、第１材料３０の表面３０ｂから入射させるとともに、マイクロ・コンピューター２０により、予め記録されている加工用データに従って、テーブル１２をＸ軸方向ならびにＹ軸方向に移動して、加工用データの示すパターンに沿ってトレースするように第２材料４０の上面４０ａにおける出射されたレーザー光の集光位置を変化させる。

この際、加工しようとする「Ｇ」の文字の輪郭に沿って、２回トレースするようにしてレーザー光の照射が繰り返されるが、当該レーザー光の照射動作は、上記したガラスの加工の際の動作と同様であるので、上記したガラスの加工における説明を援用して詳細な説明は省略することとする。

そして、上面４０ａと表面３０ａとが緊密に接触している第２材料４０ならびに第１材料３０に対して、第２材料４０の上面４０ａにスポット状に集光するようなレーザー光の照射を１度行なって、第２材料４０を第１材料３０の表面３０ａに局所的に密着させる工程（図３（ｃ）（ｄ）参照）と、その後再びレーザー光の照射を行なって、加熱された第２材料４０の被加工面たる上面４０ａを微小な領域で加工する工程とが行なわれる。

なお、ゴムの加工に際しても、上記したガラスの加工と同様に、加工しようとする「Ｇ」の文字の輪郭に沿って、同じ軌跡で２回トレースするようにしてレーザー光の照射を繰り返すことに限られるものではないことは勿論である。つまり、レーザー光を１回トレースして照射するだけで、上記した２回の照射によるエネルギーと等しいエネルギーが与えられるようにして、第２材料４０が第１材料３０の表面３０ａに密着する工程と、第２材料４０の上面４０ａを加工する工程とが一連して行なわれるようにしてもよい。

上記したようにして、本発明による加工装置１０においては、第２材料４０として被加工物であるゴムを用い、当該ゴムの上面４０ａに第１材料３０としてガラスを接触面同士で緊密に接触するようにして配設して、第２材料４０と第１材料３０との境界部分にレーザー光を集光させて照射するようにしたため、第１材料３０の表面３０ａのガラスと密着するゴムの上面４０ａに加工することができる。

こうした本発明による加工方法によれば、第２材料４０たるゴムの上面４０ａと第１材料３０たるガラスの表面３０ａとが密着した状態で加工が進行するので、被加工物たる第２材料４０の面４０ａのゴムが加工される最中に、発生する煙はほとんどなく、仮に極微量の煙や粉塵が発生したとしても、互いに密着する第１材料３０のガラスと第２材料４０のゴムとの間に閉じ込められて、外部に漏れ出すことはない。

つまり、加工中に多量の煙が発生するという状況そのものを非常に簡単に回避できる本願発明によれば、上記した「背景技術」の項に記載した従来のゴム加工の第５の問題点、即ち、「大型の脱臭集塵機を配設しなければならず、システム全体として非常に大型化してしまい、高価なものになる」という問題点を解消することができる。

より詳細には、従来のゴムの加工では欠かせない多量の煙や有毒ガスを集塵・脱臭するための巨大な脱臭集塵機は本願発明では全く必要なく、特に集塵や脱臭のための構成を設けずとも、被加工物たるゴムの上に載置したガラスによって煙の放出が抑止でき、特別な設備を必要とせずに、簡単で小型化された安価なシステムで、レーザー光によるゴムの加工を実現することができる。

さらに、本発明による加工方法によれば、上記したようにして煙の発生が防止されているので、上記した「背景技術」の項に記載した従来のゴム加工の第６の問題点、即ち、「ゴムの加工中に発生する脱臭集塵機内やゴム表面で発火する危険性がある」という問題点を解消することができ、安全にゴムを加工することができる。

従って、上記した「背景技術」の項に記載した従来のゴム加工の第７の問題点、即ち、「不活性ガスのための構成がさらに必要になるので構成が複雑化し、コストの上昇を招来すると」いう問題点も解消することができ、ゴムを加工する際に不活性ガスを吹き付ける必要がなく、大幅なコストダウンを実現して、大気中で容易にゴムを加工することができる。

また、上記したガラスの加工の場合と同様に、ゴムの加工に際しても、本発明による加工方法によれば、レーザー光をトレースするように照射して所望の文字や図形を描画するので、非常に狭い幅の線などの細かいパターンをゴムに加工することができる。また、加工のための制御が非常に容易で簡単である。また、被加工物たるゴムに対して予め処理を施さずに、単に被加工物上にガラス板に載置するだけでよく、作業は非常に簡単で、加工時間も短時間ですむ。そして、低出力のレーザー光源でゴムを微細加工することができ、数万円程度の安価で小型なシステムとすることができる。

なお、上記したゴムの加工に際して、レーザー光の照射により加熱された第２材料４０の熱が、被加工面たる上面４０ａと面接触している第１材料３０の表面３０ａに作用して、当該第１材料３０の表面３０ａのガラスが微小な領域で変化し、ゴム板の被加工面たる面４０ａに対応する加工が第１材料３０の表面３０ａにもなされるものである。

しかしながら、第１材料３０は石英ガラス板であるので、上記したようにして第２材料４０たるゴムの加工に伴って石英ガラス板が加工されるとしても、石英ガラスは加工難度の高いガラスであるので、第１材料３０の表面３０ａには深さ数ミクロン程度の傷しか生じない。

このため、第１材料３０として石英ガラスのような加工難度の高いガラスを使用すれば、既に加工が終了した第２材料４０を第１材料３０から剥がしとった後、未だ加工されていない別のゴムからなる第２材料４０を第１材料３０の表面３０ａと密着させて、当該第２材料４０たるゴムの加工を行なうことができる。このように第１材料３０たる石英ガラスを繰り返し使用することができるので、第１材料３０の再利用によって廃棄物を減らすことができ環境にも配慮することができる。

一方、第１材料３０として、例えば、青板ガラスのような加工難度低いガラスを使用すれば、上記したようにして第２材料４０たるゴムの加工に伴って青板ガラスも加工され、第１材料３０の表面３０ａには深さ数１０〜数１００ミクロン程度の傷が生じてしまう。このため、加工難度の低いガラスを第１材料３０として再利用すると、表面３０ａの深い傷によって照射されたレーザー光が拡散してしまってゴムを加工することが困難になってしまうため、こうした加工難度の低いガラスよりなる第１材料３０は、使い捨て可能な場合に用いることが好ましい。

ここで、本願発明者による実施例を説明する。

ガラスに加工を行なう場合には、被加工物である第１材料３０として、平滑な表面を備えた板状体の合成石英ガラスであって、およそ３０．０ｍｍ×３０．０ｍｍ×２．０ｍｍのサイズのものを用い、第２材料４０として、平滑な表面を備えた板状体の黒色の天然ゴム（ＮＲ）であって、およそ５０．０ｍｍ×５０．０ｍｍ×０．５ｍｍのサイズのものを用いる。

そして、レーザー光を２回トレースして照射することによりガラス加工する場合には、まず、１回目のレーザー光の照射を、連続（ＣＷ）発光、波長８０８ｎｍ、エネルギー２００μＪ、照射時間４００μｓで行ない、ゴムとガラスとを密着させる。それから、２回目のレーザー光の照射を、連続（ＣＷ）発光、波長８０８ｎｍ、エネルギー２００μＪ、照射時間４００μｓで行ない、被加工物であるガラスを加工する。その結果、合成石英ガラスにはおよそ３２μｍの線幅で加工がなされた。

なお、レーザー光を１回トレースして照射することにより上記したガラスを加工する場合には、レーザー光の照射を、連続（ＣＷ）発光、波長８０８ｎｍ、エネルギー４００μＪ、照射時間８００μｓで行なえば、ゴムとガラスとが密着する工程とガラスを加工する工程とが一連して生起され、レーザー光を２回の照射した場合と同じく、合成石英ガラスの表面にはおよそ３２μｍの線幅で加工がなされた。

また、ゴムに加工を行なう場合には、被加工物である第２材料４０として、平滑な表面を備えた板状体の黒色の天然ゴム（ＮＲ）であって、およそ５０．０ｍｍ×５０．０ｍｍ×０．５ｍｍのサイズのものを用い、第１材料３０として、平滑な表面を備えた板状体の青板ガラスであって、およそ１０５．０ｍｍ×５０．０ｍｍ×１．８ｍｍのサイズのものを用いる。

そして、レーザー光を２回トレースして照射することによりゴムを加工する場合には、まず、１回目のレーザー光の照射を、連続（ＣＷ）発光、波長８０８ｎｍ、エネルギー１００μＪ、照射時間２００μｓで行ない、ゴムとガラスとを密着させる。それから、２回目のレーザー光の照射を、連続（ＣＷ）発光、波長８０８ｎｍ、エネルギー１００μＪ、照射時間２００μｓで行ない、被加工物であるゴムを加工する。その結果、天然ゴムの表面にはおよそ４０μｍの線幅で加工がなされた。

なお、レーザー光を１回トレースして照射することにより上記したゴムを加工する場合には、レーザー光の照射を、連続（ＣＷ）発光、波長８０８ｎｍ、エネルギー２００μＪ、照射時間４００μｓで行なえば、ゴムとガラスとが密着する工程とゴムを加工する工程とが一連して生起され、レーザー光を２回の照射した場合と同じく、ゴムにはおよそ４０μｍの線幅で加工がなされた。

そして、上記に詳述したようにして、本発明による加工装置１０を用いた本発明による手法によれば、第１材料３０たるガラスの加工も、第２材料４０たるゴムの加工も行うことができ、単一の装置で異なる種類の被加工物を簡単に加工することができ、高い汎用性を有するものである。

なお、本発明によれば、ガラスの加工に際しては、第１材料３０のレーザー光が入射する表面３０ｂの反対側の面である表面３０ａに加工がなされ、ゴムの加工に際しては、当該第１材料３０の被加工面３０ａと面接触する上面４０ａが加工されるものである。そして、ガラスの加工では、例えば、およそ５０μｍ前後の線幅の加工は容易に行うことができ、ゴムの加工では、図４に詳細に示すようにして、移動速度３０ｍｍ／ｓという超高速の移動速度で、パルス駆動により、ＣＷ発光で加工すると、およそ４０μｍの線幅の加工も可能である。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（７）に説明するように変形してもよい。

（１）上記した実施の形態においては、第１材料３０としてガラスを用い、第２材料４０としてゴムを用いるようにしたが、それぞれ種々のガラスやゴムを使用することができるのに留まるものではないことは勿論であり、被加工物が第１材料３０の場合と第２材料４０の場合とで適宜材料を選択可能なものである。

例えば、第１材料３０としては、表面３０ｂから入射するレーザー光に対して透明な各種材料を使用することができる。

また、第２材料４０としては、レーザー光を吸収する波長帯からなるゴム系密着性板材料の他に、第１材料３０に対して密着性がよく、熱を加えたときに溶けて加工し易い程度に融点が低い、固形材料を使用することができる。

なお、使用する第１材料３０と第２材料４０との組み合わせによっては、第１材料３０の接触面と第２材料４０の接触面とを隙間なく緊密に接触させるために、圧力をかけるようにするなどしてもよい。

（２）上記した実施の形態においては、第１材料３０と第２材料４０とのサイズは同一であってもよいし、あるいは、いずれか一方が他方より大きいものであってもよい。要は、第１材料３０と第２材料４０とが接触する互いの接触面が、実際に加工される被加工物の加工面の領域を確保する程度あればよい。

（３）上記した実施の形態においては、第２材料４０を第１材料３０の表面３０ａに局所的に密着させるために第２材料４０の上面４０ａにおいてレーザー光の集光位置を変化させる軌跡と、第１材料３０の表面３０ａあるいは第２材料４０の上面４０ａを加工するために第２材料４０と第１材料３０とが局所的に密着された領域においてレーザー光の集光位置を変化させる軌跡とは同一であるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論である。

例えば、加工精度を高めるためなどの目的で、第２材料４０を第１材料３０の表面３０ａに確実に密着させるために、実際に加工する領域以外の部分にレーザー光を照射させて、第２材料４０を第１材料３０の表面３０ａに密着させるようにしてもよい。この際、加工用データとは異なるデータを用意するなどの変更を適宜行うとよい。

（４）上記した実施の形態においては、第１材料３０ならびに第２材料４０はいずれも平滑な表面を備えた板状体であったが、これに限られるものではないことは勿論であり、曲面を備えるなどの各種形状や外表面を備えた材料を、第１材料３０あるいは第２材料４０として用いることができる。

そして、第１材料３０や第２材料４０の形状などに応じて適宜最適な材料の組合せを選択し、第１材料３０と第２材料４０とが所定の領域において密着可能なようにすればよい。さらに、曲面に加工を施す際には、センサを設けるようにしたり、被加工面のスキャンを行ってレーザー・ヘッド１４から出射されるレーザー光の焦点位置の調整を行なうなど各種変更をするとよい。

（５）上記した実施の形態においては、半導体レーザーを使用するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、各種レーザー源を使用可能なものである。そして、レーザー装置から出射したレーザー光を所定の焦点位置に集光するためのレンズなどを適宜配設し、焦点深度を調整したりして、被加工物の被加工面に形成される加工の深さなども適宜変更可能なものである。

（６）上記した実施の形態においては、レーザー・ヘッド１４は移動せずに、テーブル１２がＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、レーザー・ヘッド１４とテーブル１２とがそれぞれ移動する、あるいは、レーザー・ヘッド１４のみが移動するようにして、レーザー・ヘッド１４とテーブル１２に載置される第１材料３０ならびに第２材料４０との相対的な位置関係が、三次元方向で変化するようにしてもよい。

（７）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（６）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、試作あるいは量産に用いて好適なものであり、任意の文字や図形を彫り込んで所望の名札などを制作する二次元彫刻装置や三次元加工装置などにおいて利用することができる。

図１は、本発明による加工方法を実現する加工装置の実施の形態の一例を示す概念構成説明図である。 図２は、図１に示す加工装置の半導体レーザーの駆動を示す波形である。 図３（ａ）乃至図３（ｇ）は、図１に示す加工装置によりガラスを加工する場合の動作を模式的に示す説明図であり、図３（ａ）は、静置された第１材料ならびに第２材料を示す一部断面斜視説明図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すＤ−Ｄ線断面図に対応する説明図であり、図３（ｃ）は、レーザー光の１回目の照射が行われた状態を模式的に示す斜視説明図であり、図３（ｄ）は、図３（ｃ）の一部拡大断面説明図であり、図３（ｅ）は、レーザー光の２回目の照射が行われた状態を模式的に示す斜視説明図であり、図３（ｆ）は、図３（ｅ）の一部拡大断面説明図であり、図３（ｇ）は加工されたガラスを示す説明図である。 図４は、本発明による加工方法による加工結果の一例を示す表である。

符号の説明

１０ 加工装置
１２ テーブル
１４ レーザー・ヘッド
２０ マイクロ・コンピューター
３０ 第１材料
３０ａ，３０ｂ 表面
４０ 第２材料
４０ａ 上面

Claims (8)

1. レーザー光に対して透明な第１の材料と前記レーザー光を吸収して溶解する第２の材料とを、前記第１の材料と前記第２の材料の接触面が隙間なく緊密に接触するようにして静置する第１の段階と、
   前記第１の段階によって前記第２の材料の接触面に隙間なく緊密に接触している前記第１の材料の接触面の背面側の面から、前記レーザー光を入射し、前記第１の材料を透過した前記レーザー光を前記第２の材料の接触面に集光させて、前記第２の材料の接触面の前記レーザー光が集光した領域を局所的に加熱して溶解し、該溶解した前記第２の材料を前記第１の材料の接触面に局所的に密着する第２の段階と、
   前記第１の材料の接触面の背面側の面から前記レーザー光を入射し、前記第１の材料を透過した前記レーザー光を、前記第２の段階によって前記第２の材料と前記第１の材料とが局所的に密着された領域に集光する第３の段階と
   を有することを特徴とする加工方法。
2. 請求項１に記載の加工方法において、
   前記第２の材料は、前記第２の段階において前記第２の材料の接触面に集光したレーザー光を貫通させない厚みを有するものである
   ことを特徴とする加工方法。
3. レーザー光に対して透明なガラスと前記レーザー光を吸収して溶解するゴムとを、前記ガラスと前記ゴムの接触面が隙間なく緊密に接触するようにして静置する第１の段階と、
   前記第１の段階によって前記ゴムの接触面に隙間なく緊密に接触している前記ガラスの接触面の背面側の面から、前記レーザー光を入射し、前記ガラスを透過した前記レーザー光を前記ゴムの接触面に集光させて、前記ゴムの接触面の前記レーザー光が集光した領域を局所的に加熱して溶解し、該溶解した前記ゴムを前記ガラスの接触面に局所的に密着する第２の段階と、
   前記ガラスの接触面の背面側の面から前記レーザー光を入射し、前記ガラスを透過した前記レーザー光を、前記第２の段階によって前記ゴムと前記ガラスとが局所的に密着された領域に集光して、前記レーザー光によって前記ゴムが加熱された熱を前記ゴムと密着している前記ガラスの接触面に作用させて、前記ガラスの接触面を加工する第３の段階と
   を有することを特徴とする加工方法。
4. レーザー光に対して透明なガラスと前記レーザー光を吸収して溶解するゴムとを、前記ガラスと前記ゴムの接触面が隙間なく緊密に接触するようにして静置する第１の段階と、
   前記第１の段階によって前記ゴムの接触面に隙間なく緊密に接触している前記ガラスの接触面の背面側の面から、前記レーザー光を入射し、前記ガラスを透過した前記レーザー光を前記ゴムの接触面に集光させて、前記ゴムの接触面の前記レーザー光が集光した領域を局所的に加熱して溶解し、該溶解した前記ゴムを前記ガラスの接触面に局所的に密着する第２の段階と、
   前記ガラスの接触面の背面側の面から前記レーザー光を入射し、前記ガラスを透過した前記レーザー光を、前記第２の段階によって前記ゴムと前記ガラスとが局所的に密着された領域に集光して、前記レーザー光によって前記ゴムと前記ガラスとが局所的に密着された領域を加熱して、前記ゴムを加工する第３の段階と
   を有することを特徴とする加工方法。
5. 請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の加工方法において、
   前記第２の段階で前記レーザー光が前記ゴムの接触面において集光位置を変化させる軌跡と、前記第３の段階で前記レーザー光が前記ゴムと前記ガラスとが局所的に密着された領域において集光位置を変化させる軌跡とは、同一であり、かつ、加工するパターンに応じたものである
   ことを特徴とする加工方法。
6. 請求項５に記載の加工方法において、
   前記第２の段階と前記第３の段階とを一連して生起させるエネルギーが供給されるように前記レーザー光を前記ガラスの接触面の背面側の面から入射する
   ことを特徴とする加工方法。
7. 請求項４、請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の加工方法において、
   前記ガラスは石英ガラスである
   ことを特徴とする加工方法。
8. レーザー光に対して透明な第１の材料と前記レーザー光を吸収して溶解する第２の材料とを、前記第１の材料の接触面と前記第２の材料の接触面とが隙間なく緊密に接触するようにして静置する加工用テーブルと、
   前記加工用テーブルに静置された前記第１の材料の前記第２の材料の接触面に隙間なく緊密に接触している前記接触面の背面側の面から、前記レーザー光が入射するようにして前記レーザー光を出射するレーザー・ヘッドと、
   前記レーザー・ヘッドと前記加工用テーブルに静置された前記第１の材料ならびに前記第２の材料との相対的な位置関係を三次元方向で変化させる駆動手段と、
   加工するパターンを示す加工用データを記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段に記憶された前記加工用データに従って、前記レーザー・ヘッドから出射される前記レーザー光の集光位置を変化させ、前記第１の材料の接触面の背面側の面から、前記レーザー光を入射し、前記第１の材料を透過した前記レーザー光を前記第２の材料の接触面に集光させて、前記第２の材料の接触面の前記レーザー光が集光した領域を局所的に加熱して溶解し、該溶解した前記第２の材料を前記第１の材料の接触面に局所的に密着する第１の工程と、前記第１の材料の接触面の背面側の面から前記レーザー光を入射し、前記第１の材料を透過した前記レーザー光を、前記第１の工程によって前記第２の材料と前記第１の材料とが局所的に密着された領域に集光する第２の工程とを生起するように前記レーザー・ヘッドからの前記レーザー光の出射を制御する制御手段と
   を有することを特徴とする加工装置。

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