JP2007175721A - レーザ穴あけ加工方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工穴の周囲にドロスを付き難くし、レーザ照射面側の穴径の広がりを少なくし、穴加工ピッチを小さくすること。
【解決手段】出射ユニット３２と加工ステージ３６上の被加工材３６との間にバキューム筒体４０が配置された状態で、より詳細にはバキューム筒体４０が被加工材３８の上面（レーザ照射面）に穴加工点Ｗを筒の内側に入れて被せられた状態で、さらにはバキューム筒体４０内に真空源４６からの負圧（バキューム）が供給される条件の下で、レーザ出射ユニット３２からのＹＡＧレーザ光ＬＢが被加工材３６の穴加工点Ｗに集光照射される。
【選択図】図２

Description

本発明は、被加工材にレーザ光を用いて穴をあけるレーザ穴あけ加工方法および装置に関する。

レーザ穴あけ加工は、被加工材の表面にレーザ光（レーザビーム）を照射し、その照射した部分をレーザエネルギーで溶融ないし蒸発させて除去し、照射跡に穴を形成する加工法である。被加工材の材質等に応じて、ＹＡＧレーザ、ＣＯ₂レーザ、エキシマレーザ、ルビーレーザなど様々なレーザが用いられており、またロングパルス（またはノーマルパルス）レーザ、ＣＷ（連続発振）変調レーザ、Ｑスイッチパルスレーザ等も使い分けられている。

いずれのレーザを使用するにしても、従来のレーザ穴あけ加工法は、図１０に示すように、被加工材１００に対してレーザ出射部１０２よりレーザ光ＬＡを照射するのと同時にアシストガスＧを吹き付け、レーザ光ＬＡのエネルギーにより穴加工点ｗで生じた溶融物や蒸発物をアシストガスの風力を利用して吹き飛ばし、さらにはアシストガスＧに酸素ガス等を使用する場合はアシストガスＧによる化学反応熱（酸化熱）で溶融・蒸発を促進するようにしている。

しかしながら、従来のレーザ穴あけ加工法においては、図１１に示すように、照射跡に形成される加工穴１０４の周囲にドロス（溶融付着物）１０６が残ることと、レーザ照射面側で穴径が大きく広がって穴形状のプロファイルが良くない（アスペクト比が低い）ことが問題になっている。

穴加工点ｗで生じた溶融物や蒸発物に対してアシストガスＧの風力は上から押さえつける方向に働くため、ドロスを吹き飛ばす作用が不十分であり、穴加工の進捗に伴ってレーザ照射面側にドロス１０６が溜まる。そして、加工穴１０４が裏側に抜けると（貫通すると）、その瞬間にアシストガスＧの圧力によってドロス１０６の一部または大部分がレーザ照射面側から加工穴１０４の中を通って裏面側で加工穴１０４の周囲に付着する。また、加工穴１０４が大きな広がり角で逆テーパ状になるのは、被加工材１００自体の熱影響に加えて、アシストガスによる材料除去促進効果によりレーザ照射面側で穴加工点ｗの周囲が広範囲に除去されるためである。

一般に、ロングパルスレーザやＣＷ変調レーザを用いる場合は、不活性ガス（たとえば窒素ガス）のアシストガスを併用することから、被加工材１００の裏面側で加工穴１０４の周囲に多量のドロス１０６が付着する度合いが大きい。また、Ｑスイッチパルスレーザは、平均パワーが小さく長時間の定点照射による掘り込み工法であるため、酸素ガスやエア等のアシストガスを併用することが多く、この場合は加工穴１０４の逆テーパ形状の度合いが大きくなる。

いずれにしても、上記のようなドロス１０６の残留または付着や逆テーパの大きな穴形状プロファイルは、図１１および図１２に示すように、レーザ穴加工の品質（外観形状）を損なうだけでなく、相隣接する穴加工点ｗ，ｗ間のピッチＬを狭めるのが難しく、微細径穴の高密度化を図るうえで大きなネックとなっている。なお、加工穴１０４の周囲に付着したドロス１０６を除去するには、穴加工終了後に被加工材１００にブラッシングやエアブローを施す工程が必要である。

本発明は、上記のような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、加工穴の周囲にドロスを付き難くし、レーザ照射面側の穴径の広がりを少なくし、穴加工ピッチを小さくすることができるレーザ穴あけ加工方法及び装置を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、Ｑスイッチパルスのレーザ光を用いる穴あけ加工において穴あけ加工能力の大幅な向上を実現するレーザ穴あけ加工方法及び装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のレーザ穴あけ加工方法は、被加工材にレーザ光を用いて穴をあけるレーザ穴あけ加工方法であって、下面が開口し上面に前記レーザ光を透過させるレーザ透過部材を設けた筒状体を、前記被加工材のレーザ照射側の面に、所望の穴加工点が筒の内側に入るように被せ、前記筒状体の内側の空間を真空源に接続し、前記レーザ光を前記筒状体のレーザ透過部材を通して前記被加工材の前記穴加工点に照射し、前記レーザ光のレーザエネルギーにより前記穴加工点付近で生じた溶融物または蒸発物を前記真空源からのバキューム力により吸引して前記穴加工点付近から除去する。

また、本発明のレーザ穴あけ加工装置は、被加工材にレーザ光を用いて穴をあけるためのレーザ穴あけ加工装置であって、前記レーザ光を生成するためのレーザ発振部と、前記レーザ発振部より前記レーザ光を受け取って、前記被加工材の所望の穴加工点に前記レーザ光を集光して照射するためのレーザ出射部と、下面が開口し、上面に前記レーザ出射部からのレーザ光を通すレーザ透過部材を設け、前記被加工材のレーザ照射側の面に所望の穴加工点を筒の内側に入れて被さるように前記レーザ出射部と前記被加工材との間に配置される筒状体と、前記筒状体の内側の空間に接続される真空源とを有し、前記レーザ出射部より集光照射される前記レーザ光のレーザエネルギーにより前記穴加工点付近で生じた溶融物または蒸発物を前記真空源からのバキューム力により吸引して前記穴加工点付近から除去する。

本発明においては、被加工材のレーザ照射側の面に、所望の穴加工点が筒の内側に入るように筒状体を被せ、筒状体の内側の空間を真空源に接続した状態の下で、レーザ光が筒状体のレーザ透過部材を通って被加工材の穴加工点に集光照射される。そうすると、被加工材の穴加工点付近の部分がレーザ光のエネルギーを吸収して溶融し、通常はその一部が蒸発する。こうしてレーザ光のエネルギーにより穴加工点付近で生じた溶融物または蒸発物は、真空源からのバキューム力または吸引力によって加工点付近から分離または脱離して上方空間へ巻き上げられて凝固し、固体屑の状態で真空源側へ送られる。このように、筒状体の内側で、穴加工点に対するレーザ光の照射と、それによって生じた溶融物ないし蒸発物のバキューム吸引による除去が同時に行われる。このことにより、レーザ照射中に穴加工点の周囲にドロスが溜まるようなことはなく、加工穴が抜けた（貫通した）直後にドロスが裏面側に回って穴の周囲に付着するようなこともない。また、アシストガスは不要であり、アシストガスを使わないことによって被加工材のレーザ照射面側で穴加工点付近およびその周囲に余分な熱（酸化熱等）を与えなくて済むので、加工穴径の逆テーパ形状の度合いを低減できる。したがって、穴加工ピッチを小さくすることもできる。

本発明のレーザ穴あけ加工装置においては、好適な一態様として、レーザ出射部が、筒状の出射ユニットと、レーザ光を集光させるために出射ユニットの中に配置された光学レンズと、この光学レンズを保護するために出射ユニットの先端部に取り付けられる保護ガラスとを有する。この場合、筒状体を出射ユニットに一体的に設け、出射ユニットの保護ガラスに筒状体のレーザ透過部材を兼用させる構成とすることができる。あるいは、筒状体をレーザ出射部から分離した独立の冶具に構成することも可能である。

本発明の好適な一態様においては、筒状体の下端部に、外の空気を内部に取り込むための通気孔または通気溝が設けられる。また、筒状体の側面に１つまたは複数の排気口が設けられ、真空源に通じるバキューム管が該排気口に接続される。

本発明においては、Ｑスイッチパルスのレーザ光、ロングパルスのレーザ光または連続発振のレーザ光のいずれも使用可能である。

Ｑスイッチパルスのレーザ光を用いる場合、本発明の好適な一態様によれば、Ｑスイッチパルスが複数組のパルス列からなり、各組のパルス列における周期が、Ｑスイッチパルスのレーザ光を発振出力するレーザ発振器内で反転分布が最小値から飽和値に到達するのに要する基準時間よりも短い値に設定され、相前後するパルス列の間に挿入される休止時間が、パルス列内の周期よりも長く、かつ基準時間の５倍値よりも短い値（最も好ましくは基準時間に略等しい値）に設定される。好適には、各々のパルス列毎に持続時間および繰り返し周波数の少なくとも１つが独立（個別）に設定される。このようなＱスイッチング制御方式においては、１回の穴あけ加工時間内に最大ピークパワーを有するファーストパルスの出現回数または頻度を適宜選定することで穴あけ加工速度を任意に調整できるとともに、穴あけ加工の各フェーズに応じて最適なレーザ穴加工特性（単位時間当たりのビーム照射回数、パワー密度等）を選定することが可能であり、穴あけ加工能力（加工速度、精細性、多様性）を大幅に向上させることができる。

本発明のレーザ穴あけ加工方法及び装置によれば、上記のような構成および作用により、加工穴の周囲にドロスを付き難くし、レーザ照射面側の穴径の広がりを少なくし、穴加工ピッチを小さくすることができる。さらには、Ｑスイッチパルスのレーザ光を用いる穴あけ加工において穴あけ加工能力を大幅に改善することができる。

以下、図１〜図９を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

図１および図２に、本発明の一実施形態におけるレーザ穴あけ加工装置の全体の構成および要部の構成をそれぞれ示す。このレーザ穴あけ加工装置はＱスイッチパルスのＹＡＧレーザを用いる。

図１において、レーザ発振器１０は、平行に対向する一対の光共振器ミラー１２，１４の間に直線配列型で活性媒質（Ｎｄ：ＹＡＧロッド）１６とＱスイッチ１８とを配置し、活性媒質１６の傍に電気光学励起部２０を配置している。電気光学励起部２０は、活性媒質１６に向けて励起光を発生するための励起光源（たとえばレーザダイオードあるいは励起ランプ）を有し、この励起光源をレーザ電源部２２からの励起電流で発光駆動することにより、活性媒質１６を持続的にポンピングする。こうして活性媒質１６で生成される所定波長（１０６４ｎｍ）の光ビームが光共振器ミラー１２，１４の間に閉じ込められて増幅される。なお、レーザ電源部２２は制御部２４の制御の下で電気光学励起部２０を発光駆動する。

Ｑスイッチ１８はたとえば音響光学Ｑスイッチからなる。制御部２４がＱスイッチドライバ２６を介して所定の周期で一時中断する高周波電気信号によりＱスイッチ１８を駆動する。高周波電気信号が中断する度毎にピークパワーのきわめて高いＱスイッチパルスのＹＡＧレーザ光ＬＢが光共振器ミラー１２，１４より出力される。

レーザ発振器１０で生成されたＱスイッチパルスのＹＡＧレーザ光ＬＢは、たとえば折り返しミラー２８を有するレーザ伝送系３０を通って出射ユニット３２へ送られる。出射ユニット３２は、集光レンズ３４等の光学部品を内蔵しており、レーザ発振器１０からのＹＡＧレーザ光ＬＢを加工ステージ３６上に位置決めされている被加工材３８の穴加工点Ｗに向けて集光照射する。被加工材３８はたとえば金属板である。出射ユニット３２の出射口には、集光レンズ３４を大気中の塵埃や汚染等から保護するための保護ガラス３５が着脱可能に取り付けられる。

この実施形態では、出射ユニット３２のレーザ出射口と加工ステージ３６上の被加工材３８との間に穴加工用の冶具としてバキューム筒体４０が配置される。
図２に示すように、このバキューム筒体４０は、下面が開口し、上面がガラス板（レーザ透過部材）４２で閉塞されており、被加工材３８の上面（レーザ照射面）に穴加工点Ｗが筒の内側に入るように被せられる。バキューム筒体４０の側面には排気口４４が設けられ、真空源４６に通じるバキューム管４８が排気口４４に接続されている。真空源４６は、たとえば真空ポンプ、エジェクタ装置あるいは吸気ファンを用いる。バキューム管４８の途中には開閉弁５０およびフィルタ５２が設けられる。

開閉弁５０は、制御部２４の切換制御により加工時間の時だけ開（オン）状態になる。開閉弁５０が開いていると、真空源４６からの負圧（バキューム）がバキューム管４８を介してバキューム筒体４０内に送られる。バキューム筒体４０の側面たとえば側面下端部には、周回方向に適当な間隔を置いて１つまたは複数の通気孔または通気溝５４が形成されている。外の空気が各通気孔または通気溝５４を通ってバキューム筒体４０内に取り込まれ、排気口４４からバキューム管４８へ吸い込まれるようになっている。

加工ステージ３６は、制御部２４の制御の下で、ステージ上の被加工材３８を出射ユニット３２に対してたとえばＸ、Ｙ、Ｚ、θの４軸で位置決めできるように構成されている。また、図２に示すように、加工ステージ３６において出射ユニット３２の真下つまり穴加工点Ｗの裏側に相当する位置には、レーザ通り抜け用の穴５６が形成されている。レーザ穴加工において加工穴が貫通した際にレーザ光ＬＢがこのステージ３６の穴５６を下に通り抜けるようになっている。なお、穴５６の底にレーザ吸収体（図示せず）を配置してもよい。

次に、図２〜図５につきこの実施形態におけるレーザ穴あけ加工法の作用を説明する。

上記のように、出射ユニット３２と加工ステージ３６上の被加工材３６との間にバキューム筒体４０が配置された状態で、より詳細にはバキューム筒体４０が被加工材３６の上面（レーザ照射面）に穴加工点Ｗを筒の内側に入れて被せられた状態で、さらにはバキューム筒体４０内に真空源４６からの負圧（バキューム）が供給される条件の下で、レーザ出射ユニット３２からのＹＡＧレーザ光ＬＢが被加工材３６の穴加工点Ｗに集光照射される。

そうすると、図３に示すように、被加工材３６の穴加工点Ｗ付近の部分がＹＡＧレーザ光ＬＢのエネルギーを吸収して溶融し、その一部は蒸発する。こうしてＹＡＧレーザ光ＬＢのエネルギーにより穴加工点Ｗ付近で生じた溶融物ないし蒸発物Ｓは、真空源４６からのバキューム力または吸引力によって加工点Ｗ付近から分離または脱離して上方空間へ巻き上げられ、バキューム筒体４０の排気口４４よりバキューム管４８の中へ吸い込まれる。その際、溶融物ないし蒸発物Ｓは巻き上げられながら凝固し、固体屑の状態でバキューム管４８の中を流れ、途中でフィルタ５２（図１）に捕集される。

上記のようにして、バキューム筒体４０の内側で、穴加工点Ｗに対するＹＡＧレーザ光ＬＢの照射と、それによって生じた溶融物ないし蒸発物Ｓのバキューム吸引による除去が同時に行われる。このことにより、図４に示すように、レーザ照射中に穴加工点Ｗの周囲にドロスが溜まるようなことはなく、加工穴６０が抜けた（貫通した）直後にドロスが裏面側に回って穴６０の周囲に付着するようなこともない。したがって、加工穴６０を形成した後に被加工材３８にブラッシングやエアブローを施す工程は不要である。

なお、穴あけ加工時に溶融物ないし蒸発物Ｓが凝固して出来る固体の屑の一部がバキューム管４８の中へ吸い込まれずにバキューム筒体４０の内壁や被加工材３６の表面に付いたりすることもある。しかし、これらの固体屑は布などで容易に拭き取ることができる。

また、アシストガスを使用せず、被加工材３８のレーザ照射面側で穴加工点Ｗ付近およびその周囲に余分な熱（酸化熱等）を与えなくて済むので、加工穴径の逆テーパ形状の度合いを小さくすることができる。すなわち、レーザ照射面側の穴径Ｄと裏面側の穴径ｄとの比（Ｄ：ｄ）を小さくすることができる。このことによって、穴形状のプロファイルまたはアスペクト比（穴径に対する穴深さの比）を大きく向上させることができる。そして、図５に示すように、相隣接する穴加工点Ｗ，Ｗ間のピッチＬを可及的に狭めることが可能となる。

この実施形態におけるレーザ穴あけ加工装置は、上記のようにＱスイッチパルスのＹＡＧレーザ光ＬＢを用いる。一般に、ＱスイッチパルスのＹＡＧレーザは金属材料の穴あけに多用されている。ロングパルスのＹＡＧレーザやＣＷ変調ＹＡＧレーザに比して熱影響が少ないため微細径の穴加工に有利とされている。しかしながら、平均パワーが小さいため、穴あけ速度が遅いという一面があり、従来は酸素系のアシストガスを使用してその弱点を補っていた。この実施形態では、アシストガスを使用することなく、以下に説明する手法によりＱスイッチパルスレーザを用いる穴あけ加工の加工速度を大幅に向上させている。

制御部２４は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、メモリ、入出力装置等を有しており、メモリに格納された所定のプログラムにしたがって装置各部の動作および装置全体のシーケンスを制御する。上記のように、レーザ発振器１０内のＱスイッチ１８に対するＱスイッチング制御も制御部２４によって行われる。

図６に、この実施形態において１回の穴あけ加工のためのＱスイッチング制御によって得られるスイッチパルスＹＡＧレーザ光ＬＢのレーザ出力波形を示す。このＱスイッチング制御においては、１回の穴加工時間Ｔ_S内に生成されるＱスイッチパルスが複数組たとえば３組のパルス列Ａ，Ｂ，Ｃで構成され、第１パルス列Ａと第２パルス列Ｂとの間および第２パルス列Ｂと第３パルス列Ｃとの間に休止時間Ｔ_α，Ｔ_βがそれぞれ挿入される。各パルス列Ａ，Ｂ，Ｃの持続時間をそれぞれＴ_A，Ｔ_B，Ｔ_Cとすると、１回の穴あけ加工時間Ｔ_SはＴ_S＝Ｔ_A＋Ｔ_α＋Ｔ_B＋Ｔ_β＋Ｔ_Cで与えられる。

各パルス列Ａ，Ｂ，Ｃ内の周期τ_A、τ_B，τ_Cは、レーザ発振器１０内の反転分布が最小値から最大値または飽和値に到達するのに要する基準時間Ｔ_Rよりも短い値に設定される。一方、休止時間Ｔ_α，Ｔ_βは各パルス列Ａ，Ｂ，Ｃ内の周期τ_A、τ_B，τ_Cよりも大きく、かつ好ましくは基準時間Ｔ_Rの５倍値よりも小さい値に設定され、最も好ましくは基準時間Ｔ_Rに等しい値に設定される。

一例として、基準時間Ｔ_Rが１ミリ秒の場合において、各パルス列Ａ，Ｂ，Ｃ内の繰り返し周波数ｆ_A、ｆ_B，ｆ_Cはｆ_A＝３ｋＨｚ（τ_A＝０．３３３ミリ秒）、ｆ_B＝８ｋＨｚ（τ_A＝０．１２５ミリ秒）、ｆ_C＝３ｋＨｚ（τ_A＝０．３３３ミリ秒）にそれぞれ設定され、休止時間Ｔ_α，Ｔ_βはＴ_α＝１ミリ秒、Ｔ_β＝１ミリ秒にそれぞれ設定される。このように、休止時間Ｔ_α，Ｔ_βは各パルス列Ａ，Ｂ，Ｃ内の周期τ_A、τ_B，τ_Cよりも格段（好ましくは２倍以上）に大きな値に設定されるのが好ましい。

図７に、Ｑスイッチ方式によるレーザ発振器１０内の反転分布の時間特性を模式的に示す。時刻零（０）でＱスイッチングすると、光共振器のＱ値が最大になり、反転分布が最小になる。その後、時間の経過とともにＱ値が下がり反転分布が増大し、一定時間つまり基準時間Ｔ_Rで反転分布が最大値または飽和値に到達し、そこから先は増加しなくなる。したがって、Ｑスイッチングの時間間隔が基準時間Ｔ_R以上であるときは一律に最大のピークパワーＰ_Mを有するＱスイッチパルスのレーザ光が発振出力され、Ｑスイッチングの時間間隔が基準時間Ｔ_Rよりも小さいときはその時間間隔の基準時間Ｔ_Rに対する比率を最大ピークパワーＰ_Mに乗じた値に略等しい中間ピークパワーを有するＱスイッチパルスのレーザ光が発振出力されることになる。

この実施形態では、上記のように休止時間Ｔ_α，Ｔ_βが好ましくは基準時間Ｔ_Rに等しい値に設定されることで、第１パルス列Ａのファーストパルスだけでなく、第２パルス列Ｂおよび列Ｂのファーストパルスも最大ピークパワーＰ_Mで出力される。そして、各パルス列Ａ，Ｂ，Ｃ内でファーストパルスの後に続くパルスは、基準時間Ｔ_Rよりも格段に小さい周期でＱスイッチングが繰り返されることにより、最大ピークパワーＰ_Mよりも相当低いピークパワーＰ_A，Ｐ_B，Ｐ_Cで出力される。

このようなＱスイッチング制御方式においては、１回の穴あけ加工時間（Ｔ_S）内に最大ピークパワーＰ_Mを有するファーストパルスを任意の回数多用できるとともに、穴あけ加工の各フェーズに応じて加工特性（単位時間当たりのビーム照射回数、パワー密度等）を段階的に可変制御することができる。すなわち、ファーストパルスの出現回数または頻度を適宜選定することにより、穴あけ加工速度を任意に調整することができる。また、各パルス列の持続時間および繰り返し周波数を独立に設定し、複数のパルス列の間でそれらのパラメータを適宜組み合わせることにより、穴あけ加工の精細性や多様性に自由度をもたせることができる。このことにより、穴あけ加工能力（加工速度、精細性、多様性）を大幅に向上させることができる。

なお、本発明において休止時間を基準時間Ｔ_Rの５倍値以下とするのは、これを超えると加工時間の短縮化が十分に図れなくなることと、熱引きによってレーザ加工の連続性ないし効率性が失われるためである。

図８に、比較例として、１回の穴あけ加工のための従来方式のＱスイッチング制御によって得られるスイッチパルスＹＡＧレーザ光のレーザ出力波形を示す。図示のように、従来は、１回の穴あけ加工時間Ｔ_S内に生成されるＱスイッチパルスが１組のパルス列Ｄで構成され、本発明の休止時間（Ｔ_α，Ｔ_β）に相当するようなものはない。このため、パルス列Ｄの持続時間をＴ_Dとすると、１回の穴あけ加工時間Ｔ_SはＴ_S＝Ｔ_Dで与えられる。したがって、最大ピークパワーＰ_Mを有するファーストパルスは１回出るだけであり、その後は加工終了（ｔ_e）まで最大ピークパワーＰ_Mよりも相当低いピークパワーＰ_DでＱスイッチパルスが繰り返される。このような従来方式は、レーザ照射の加工条件が一定のパターンに固定されるため、穴あけ加工能力（精細性および多様性）が乏しいうえ、穴加工点Ｗでレーザ光が散乱されやすくなり、材料除去のレートつまり加工速度が遅い。結果として、穴あけ加工時間Ｔ_Sが長くなる。

一例として、板厚０．８ｍｍのアルミニウム板に対するレーザ穴あけ加工における穴あけ加工時間を実施例（図６）と比較例（図７）とで比較した。

比較例（図８）においては、下記の条件の下で、１穴あたりの穴あけ加工時間Ｔ_S（Ｔ_D）は５００ミリ秒であった。
繰り返し周波数 ｆ_D＝３ｋＨｚ
ファーストパルスのピークパワー Ｐ_M＝５０ｋＷ
後続パルスのピークパワー Ｐ_D＝４ｋＷ

本実施例（図６）においては、下記の条件により穴あけ加工時間Ｔ_Sを１１２ミリ秒に短縮できた。
繰り返し周波数 ｆ_A＝３ｋＨｚ、ｆ_B＝８ｋＨｚ、ｆ_C＝３ｋＨｚ
パルス時続時間 Ｔ_A＝５０ミリ秒、Ｔ_B＝５０ミリ秒、Ｔ_C＝１０ミリ秒
休止時間 Ｔ_α＝１ミリ秒、Ｔ_β＝１ミリ秒（但し、Ｔ_R＝１ミリ秒）
ファーストパルスのピークパワー Ｐ_M＝５０ｋＷ
後続パルスのピークパワー Ｐ_A＝２４ｋＷ、Ｐ_B＝６ｋＷ、Ｐ_C＝２４ｋＷ

このように、本発明によれば、穴あけ加工時間を従来方式に比して約１／４まで短縮することが可能であり、加工時間の大幅な向上を実現することができる。なお、図６に示すＱスイッチパルスレーザの波形パターンおよび上記実施例の数値条件は一例である。パルス列の個数や各パルス列内の持続時間および繰り返し周波数は任意に設定できる。

次に、図９につき、上記実施形態におけるバキューム筒体４０回りの変形例を説明する。図示の構成には複数の変形例が含まれている。第１の変形例は、レーザ発振器１０（図１）で生成したレーザ光ＬＢを出射ユニット３２まで伝送するレーザ伝送系３０に光ファイバ６２を用いている点である。このように光ファイバ６２でレーザ発振器１０と出射ユニット３２とを光学的に接続する場合は、光ファイバ６２の終端面より放射状に出射されるレーザ光ＬＢを平行光にするコリメートレンズ６４が出射ユニット３２内に設けられる。なお、図示省略するが、出射ユニット３２をレーザ発振器１０と直結または一体化する構成も可能である。

第２の変形例は、バキューム筒体４０を出射ユニット３２に一体的に設けている点である。たとえば、図示のように、出射ユニット３２の先端筒部を延長してその延長部分をバキューム筒体４０の本体とすることができる。このように一体型または組込み型の場合は、出射ユニット３２の保護レンズ３５にバキューム筒体４０のレーザ透過部材４２の機能（レーザ光の透過と密閉構造）を兼用させることができる。

第３の変形例は、バキューム筒体４０において排気口４４を円周方向に一定間隔を置いて複数個（たとえば８個）設ける構成とし、穴加工点Ｗより巻き上げられた溶融物ないし蒸発物を四方ないし八方で吸引回収するようにしている。この場合、穴加工点Ｗに対するバキューム力を円周方向で均一化させるために、各排気口４４と連通する環状のバッファ室６６をバキューム筒体４０の外側面に設けるのが好ましい。

第４の変形例は、加工ステージ３６において、出射ユニット３２の真下、つまり被加工材３８の穴加工点Ｗの裏面の位置にもバキューム空間６８を設けている点である。図示の例では、加工ステージ３６の上面にバキューム空間６８と外気とを結ぶ空気取入れ用の溝７０を設けるとともに、加工ステージ３６の側面にバキューム空間６８とバキューム管７２とを結ぶバキューム通路７２を設けている。バキューム管７２は真空源（図示せず）に通じている。このバキューム管７２にも開閉弁７４およびフィルタ（図示せず）が設けられる。また、バキューム空間６８を形成する密閉板７６をガラス板で構成し、穴加工点Ｗで加工穴６０（図４）が貫通した直後にレーザ光ＬＢを下に透過させるようにしている。この密閉板７６をレーザ吸収体で構成することも可能である。

このように、被加工材３８の穴加工点Ｗの裏面にバキューム空間６８を設けることで、被加工材３８からスパッタが飛んでもこれを吸引除去して被加工材３８の裏面焼けを防止することができる。もっとも、穴加工点Ｗで加工穴６０（図４）が貫通すると、被加工材３８のおもて側と裏側とに上下のバキューム力が同時に加わるので、上下バキューム間のバランスをとる必要がある。上記のように裏面焼けを防止するうえでは、バキューム筒体４０側の上部バキュームの吸引力よりも裏側バキューム空間６８側の下部バキュームの吸引力を一段大きくするのが好ましい。

他にも、本発明の技術思想に基づいて種々の変形が可能である。たとえば、上記実施形態はＱスイッチパルスのＹＡＧレーザを用いたが、ロングパルスまたはＣＷ変調のＹＡＧレーザも使用可能であり、さらにはＣＯ₂レーザ、エキシマレーザ、ルビーレーザなども使用可能である。本発明の適用可能な被加工材３８の材質は金属に限るものではなく、樹脂、セラミックス、ガラスなど任意の材料が可能である。本発明における穴あけ加工は、貫通穴の穴あけに限るものではなく未貫通穴の穴あけにも適用可能である。また、定点（一箇所）レーザ照射による丸穴加工に限らず、多点（多数箇所）レーザ照射による長穴加工または溝加工などにも適用可能である。装置各部の構成も種々の変形が可能であり、たとえばバキューム筒体の形状は上記実施形態におけるような円筒形に限るものではなく、たとえば逆テーパ形状（先細り型）のものも可能である。

本発明の一実施形態におけるレーザ穴あけ加工装置の全体の構成を示すブロメック図である。 実施形態におけるレーザ穴あけ加工装置の要部の構成を示す断面図である。 実施形態におけるレーザ穴あけ加工の作用（加工中の状態）を示す縦断面図である。 実施形態におけるレーザ穴あけ加工の作用（加工後の状態）を示す縦断面図である。 実施形態におけるレーザ穴あけ加工の作用（加工後の状態）を示す平面図である。 実施形態における１回の穴あけ加工用のスイッチパルスＹＡＧレーザ光ＬＢのレーザ出力波形を示す図である。 Ｑスイッチレーザにおける反転分布の時間特性を模式的に示す図である。 比較例（従来方式）における１回の穴あけ加工用のスイッチパルスＹＡＧレーザ光ＬＢのレーザ出力波形を示す図である。 実施形態におけるバキューム筒体回りの変形例を示す縦断面図である。 従来の代表的なレーザ穴あけ加工法を示す図である。 従来のレーザ穴あけ加工法における問題点を示す縦断面図である。 従来のレーザ穴あけ加工法における問題点を示す平面図である。

符号の説明

１０ レーザ発振器
１８ Ｑスイッチ
２４ 制御部
３２ 出射ユニット
３４ 集光レンズ
３５ 保護ガラス
４０ バキューム筒体
４２ ガラス板（レーザ透過部材）
４４ 排気口
４６ 真空源
４８ バキューム管
５０ 開閉弁
５４ 通気孔または通気溝
６０ 加工穴
Ｗ 穴加工点

Claims (18)

1. 被加工材にレーザ光を用いて穴をあけるレーザ穴あけ加工方法であって、
   下面が開口し上面に前記レーザ光を透過させるレーザ透過部材を設けた筒状体を、前記被加工材のレーザ照射側の面に、所望の穴加工点が筒の内側に入るように被せ、
   前記筒状体の内側の空間を真空源に接続し、
   前記レーザ光を前記筒状体のレーザ透過部材を通して前記被加工材の前記穴加工点に照射し、
   前記レーザ光のレーザエネルギーにより前記穴加工点付近で生じた溶融物または蒸発物を前記真空源からのバキューム力により吸引して前記穴加工点付近から除去するレーザ穴あけ加工方法。
2. 前記レーザ光がＱスイッチパルスのレーザ光である請求項１に記載のレーザ穴あけ加工方法。
3. 前記Ｑスイッチパルスが複数組のパルス列からなり、
   各組のパルス列における周期が、前記Ｑスイッチパルスのレーザ光を発振出力するレーザ発振器内で反転分布が最小値から飽和値に到達するのに要する基準時間よりも短い値に設定され、
   相前後する前記パルス列の間に挿入される休止時間が、前記パルス列内の周期よりも長く、かつ前記基準時間の５倍値よりも短い値に設定される請求項２に記載のレーザ穴あけ加工方法。
4. 前記休止時間が前記基準時間に略等しい値に設定される請求項３に記載のレーザ穴あけ加工方法。
5. 各々の前記パルス列毎に持続時間および繰り返し周波数の少なくとも１つが独立した値に設定される請求項３または請求項４に記載のレーザ穴あけ加工方法。
6. 前記レーザ光がロングパルスのレーザ光である請求項１記載のレーザ穴あけ加工方法。
7. 前記レーザ光が連続発振のレーザ光である請求項１に記載のレーザ穴あけ加工方法。
8. 被加工材にレーザ光を用いて穴をあけるためのレーザ穴あけ加工装置であって、
   前記レーザ光を生成するためのレーザ発振部と、
   前記レーザ発振部より前記レーザ光を受け取って、前記被加工材の所望の穴加工点に前記レーザ光を集光して照射するためのレーザ出射部と、
   下面が開口し、上面に前記レーザ出射部からのレーザ光を通すレーザ透過部材を設け、前記被加工材のレーザ照射側の面に所望の穴加工点を筒の内側に入れて被さるように前記レーザ出射部と前記被加工材との間に配置される筒状体と、
   前記筒状体の内側の空間に接続される真空源と
   を有し、前記レーザ出射部より集光照射される前記レーザ光のレーザエネルギーにより前記穴加工点付近で生じた溶融物または蒸発物を前記真空源からのバキューム力により吸引して前記穴加工点付近から除去するレーザ穴あけ加工装置。
9. 前記レーザ出射部が、
   筒状の出射ユニットと、
   前記レーザ光を集光させるために前記出射ユニットの中に配置された光学レンズと、
   前記光学レンズを保護するために前記出射ユニットの先端部に取り付けられる保護ガラスと
   を有する請求項８に記載のレーザ穴あけ加工装置。
10. 前記筒状体が、前記出射ユニットに一体的に設けられている請求項９に記載のレーザ穴あけ加工装置。
11. 前記出射ユニットの保護ガラスが前記筒状体のレーザ透過部材を兼ねる請求項１０に記載のレーザ穴あけ加工装置。
12. 前記筒状体が、前記レーザ出射部から分離している請求項８または請求項９に記載のレーザ穴あけ加工装置。
13. 前記筒状体の下端部に、外の空気を内部に取り込むための通気孔を設ける請求項８〜１２のいずれか一項に記載のレーザ穴あけ加工装置。
14. 前記筒状体の側面に１つまたは複数の排気口を設け、前記真空源に通じるバキューム管を前記排気口に接続してなる請求項８〜１３のいずれか一項に記載のレーザ穴あけ加工装置。
15. 前記レーザ発振部が、Ｑスイッチパルスのレーザ光を発振出力する請求項８〜１４のいずれか一項に記載のレーザ穴あけ加工装置。
16. 前記Ｑスイッチパルスが複数組のパルス列からなり、
    各組のパルス列における周期が、前記Ｑスイッチパルスのレーザ光を発振出力するレーザ発振器内で反転分布が最小値から飽和値に到達するのに要する基準時間よりも短い値に設定され、
    相前後する前記パルス列の間に挿入される休止時間が、前記パルス列内の周期よりも長く、かつ前記基準時間の５倍値よりも短い値に設定される請求項１５に記載のレーザ穴あけ加工装置。
17. 前記休止時間が前記基準時間に略等しい値に設定される請求項１６に記載のレーザ穴あけ加工装置。
18. 各々の前記パルス列毎に持続時間および繰り返し周波数の少なくとも１つが独立した値に設定される請求項１６または請求項１７に記載のレーザ穴あけ加工装置。
    
    
    
    

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