JP2015077629A - レーザ加工方法及び加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザを用いて加工対象物の表面を研磨する、あるいは加工対象物の表面に合わせて形状加工する等の場合に、エネルギー密度がほぼ一定となる光軸方向の長さを大きくし、熱影響による不良の発生を防止して良好な加工面を得る。【解決手段】加工対象物の表面にレーザビームを集光させて、該表面を加工するレーザ加工方法であって、レーザビームの光軸と直交する一の半径方向をｘ方向、該ｘ方向に直交する半径方向をｙ方向とするとき、レーザビームの拡がり角をｘ方向とｙ方向とで異ならせて伝搬させた後に集光させるによって、レーザビームのエネルギー密度が加工対象物の材料の加工閾値以上で、且つほぼ一定となる光軸方向の長さを大きくする。【選択図】 図１

Description

本発明は、加工対象物の表面を研磨する、あるいは加工対象物の表面に合わせて形状加工する等の場合に有効なレーザ加工方法及び加工装置に関する。

切削工具の切刃に用いられるインサートのチャンファー加工やホーニング加工をレーザを用いて行う場合、集光したビームの側面を加工対象物の表面に当て、目標とする形態に倣ってビームを走査することにより、加工対象物の表面を研磨する方法が知られている。
このようなレーザ研磨加工では、加工時間の短縮のため、ｚステージ（試料台）の移動などによりビームの焦点位置を変えることなく、ｚ方向（ビーム伝搬方向）に深い領域まで研磨加工が出来ることが望ましい。
そこで、特許文献１では、集光レンズの開口数を０．２以下とすることにより、ビームの焦点深度（集光ビームの加工エネルギー領域断面径を光軸方向で略一定にした範囲）を大きくする方法が提案されている。また、特許文献２では、ビームを２つに分割し、それぞれのビームの焦点位置（ｚ座標）を変えて同時に照射することで２つのビームの和としての焦点深度を大きくする方法が提案されている。

特開２００９−６６６２７号公報 特許第２７９８２２３号公報

特許文献１のように集光レンズの開口数を小さくする方法では、集光スポット直径が大きくなるために、加工に必要なエネルギー密度まで高めるためには、ビームの出力を増加する必要があった。しかし、装置上の出力限界による制約や、過剰なエネルギーが投入されることによる加工対象物への熱影響などの問題があった。また、特許文献２の方法では、２つのビームを高精度に合わせるための装置の構成が複雑になり、ビームの照射位置精度が低下するなどの懸念があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、レーザを用いて加工対象物の表面を研磨する、あるいは加工対象物の表面に合わせて形状加工する等の場合に、エネルギー密度が加工対象物の材料の加工閾値以上で、且つほぼ一定となる光軸方向の長さを大きくし、熱影響による不良の発生を防止して良好な加工面を得ることができるレーザ加工方法及び加工装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザ加工方法は、加工対象物の表面にレーザビームを集光させて、該表面を加工するレーザ加工方法であって、前記レーザビームの光軸と直交する一の半径方向をｘ方向、該ｘ方向に直交する半径方向をｙ方向とするとき、前記レーザビームの拡がり角をｘ方向とｙ方向とで異ならせて伝搬させた後に集光させることを特徴とする。

レーザビームの拡がり角をｘ方向とｙ方向とで異ならせて伝搬させた後に集光すると、ビーム断面が楕円状となるため、その焦点位置がｘ方向とｙ方向とで異なった状態で集光される。その焦点をｘ方向焦点、ｙ方向焦点とすると、ｘ方向焦点とｙ方向焦点とが光軸方向（ｚ方向）にずれて配置され、その結果、ｘ方向焦点位置とｙ方向焦点位置との間でレーザビームが収束した細い状態となり、その間を焦点深度とみなすことができる。したがって、所定の長さの範囲でエネルギー密度がほぼ一定となり、その範囲でエネルギー密度を加工対象物に固有の最適値にして加工することができ、熱影響による変質層やクラック等の発生を防止して良好な加工面を得ることができる。

本発明のレーザ加工方法において、前記レーザビームを光軸回りに回転又は所定角度で往復回動させるとよい。
レーザビームの拡がり角をｘ方向とｙ方向とで異ならせたことにより、レーザビームの断面が楕円状に形成される。このため、レーザビームの周面を使って加工対象物を研磨加工する場合などには、楕円の長径側周面で加工する場合と、短径側周面で加工する場合とでは、加工により表面に生じる凹凸状態が異なることになる。そこで、レーザビームを光軸回りに回転又は所定角度で往復回動させることにより、均一な表面状態に加工することができる。

本発明のレーザ加工装置は、レーザ発振機と、発振されたレーザビームの光軸と直交する一の半径方向をｘ方向、該ｘ方向に直交する半径方向をｙ方向とするとき、前記レーザビームの拡がり角をｘ方向とｙ方向とで異ならせる拡がり角制御手段と、該拡がり角制御手段を経由したレーザビームを加工対象物の表面に向けて集光する集光レンズとを備えることを特徴とする。
また、本発明のレーザ加工装置において、前記拡がり角制御手段を経由したレーザビームを光軸回りに回転又は所定角度で往復回動させるビーム回転手段を備えているとよい。
１本のレーザビームによって焦点深度を長くすることができ、装置構成を簡単にすることができる。

本発明によれば、レーザビームの所定長さの範囲でエネルギー密度を加工対象の材料の加工閾値以上で、且つほぼ一定にすることができるので、熱影響による不良の発生を防止し、良好な加工面を得ることができる。しかも１本のレーザビームを用いた簡単な装置構成により達成することができる。

本発明に係るレーザ加工装置の実施形態を示す全体構成図である。 実施形態のレーザ加工装置におけるレーザビームの焦点付近を模式化して示す正面図である。 実施形態におけるレーザビームの焦点付近の光軸方向の位置とエネルギー密度との関係を示すグラフである。 従来技術におけるレーザビームの焦点付近の光軸方向の位置とエネルギー密度との関係を示すグラフである。 実施形態における加工方法によって研磨加工した加工対象物表面のＳＥＭ像であり、左が５００倍、右が３０００倍の倍率で示している。 従来技術における加工方法によって研磨加工した加工対象物表面のＳＥＭ像であり、左が５００倍、右が３０００倍の倍率で示している。

以下、本発明に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
まず、レーザ加工装置の実施形態について説明する。この実施形態のレーザ加工装置１は、図１に示すように、加工対象物２にレーザ光３を照射して加工する装置であり、加工対象物１にレーザ光を照射するレーザ照射手段５と、加工対象物２を保持した状態で回転及びｘ，ｙ，ｚ軸方向に移動可能なステージを有するワーク保持手段６と、これらレーザ照射手段５及びワーク保持手段６を制御するコンピュータからなる制御手段７とを備える。

レーザ照射手段５は、例えばレーザ光３を一定の繰り返し周波数でパルス発振するレーザ発振機１１と、レーザ光３のビーム（レーザビームとし、レーザ光と同じ符号３を用いる）の拡がり角を調整する拡がり角制御手段１２と、レーザビーム３を光軸回りに回転させるビーム回転手段１３と、レーザビーム３を走査する走査手段１４と、レーザビーム３をスポット状に集光する集光レンズ１５と、光路を屈曲する複数のミラー１６とを備えている。図１にレーザビーム３の伝搬方向を直線矢印で示している。また、レーザビーム３の回転についても矢印で示した。
レーザ発振機１１には、１９０ｎｍ〜１１００ｎｍの波長のレーザ光３を照射できる光源を使用することができ、例えば本実施形態では、波長３５５ｎｍのレーザ光３を発振して出射できるものを用いている。

拡がり角制御手段１２は、図示例では、二組のシリンドリカルレンズＬ１〜Ｌ４と各組のシリンドリカルレンズＬ１〜Ｌ４の距離を調整するレンズ距離調整器（図示略）とによって構成されている。
シリンドリカルレンズＬ１〜Ｌ４は、例えば、一の表面が縦割り円柱状の凸面又は凹面の形状の屈折面、反対面が平面に形成されたレンズであり、入射光に対して屈折面によって周方向に沿う１軸方向にのみ集光又は発散させることができる。このシリンドリカルレンズＬ１〜Ｌ４を屈折面が凹面と凸面、あるいは凸面どうしを対向させて一組とする。
そして、レーザビーム３の光軸と直交する一の半径方向をｘ方向、ｘ方向に直交する半径方向をｙ方向とするとき、一組を屈折面の周方向がｘ方向に沿うように配置し、他の一組を屈折面の周方向がｙ方向に沿うように配置するというように、相互に直交させた状態で光軸に沿って並べて配置した構成とされる。図示はしないが、二組のうち、屈折面の周方向をｘ方向に沿って配置した組をｘ方向制御器、屈折面の周方向をｙ方向に沿って配置した組をｙ方向制御器とする。

つまり、レーザビーム３はｘ方向制御器によりｘ方向に発散もしくは収束され、ｙ方向制御器によりｙ方向に拡散もしくは収束される。その一方、レーザビームは、ｘ方向制御器においてはｙ方向には変化なくコリメートした状態で通過し、ｙ方向制御器においてはｘ方向には変化なくコリメートした状態で通過する。これらｘ方向制御器及びｙ方向制御器において、対をなしている一組のシリンドリカルレンズＬ１，Ｌ２の距離Ｄ_１２、他の組のシリンドリカルレンズＬ３，Ｌ４の距離Ｄ_３４、一方の組の後段のシリンドリカルレンズＬ２と他方の組の前段のシリンドリカルレンズＬ３との離間距離Ａ、及び最も後段のシリンドリカルレンズＬ４と走査手段１４との間の距離Ｂをレンズ距離調整器によって変えることができるようになっている。そして、これらの距離を適切に調整することにより、ｘ方向及びｙ方向のレーザビーム３の拡がり角をそれぞれ調整して、レーザビームの断面を任意の楕円形とすることができる。

ビーム回転手段１３は、例えば像回転プリズムとしてのダブプリズムを回転させる構成とされ、レーザビーム３を光軸回りに連続的に回転させる。
走査手段１４は、例えば２枚のミラーを動かすことでレーザビーム３を走査するガルバノスキャナが用いられる。また、集光レンズ１５はＦ−θレンズであり、走査手段１４のガルバノスキャナと一体に設けられている。
また、走査手段１４には加工対象物２を撮像するＣＣＤカメラ等の撮像手段１７が付属して設けられている。

ワーク保持手段６は、加工対象物２を搭載してｘ，ｙ，ｚ軸方向に移動可能なステージ２１ｘ〜２１ｚを有している。具体的には、水平面に平行なｘ方向に移動可能なｘ軸ステージ部２１ｘと、そのｘ軸ステージ部２１ｘの下に設けられｘ方向に対して垂直で、かつ水平面に平行なｙ方向に移動可能なｙ軸ステージ部２１ｙと、ｙ軸ステージ部２１ｙの下に設けられ水平面に対して垂直方向に移動可能なｚ軸ステージ部２１ｚとを備える構成とされている。

制御手段７は、拡がり角制御手段１２、ビーム回転手段１３、走査手段１４、ワーク保持手段６をそれぞれ制御するものであり、加工対象物２へのレーザビーム３の照射位置をＣＣＤカメラ１７によって確認しながら制御することができる。

次に、このレーザ加工装置１を用いて加工対象物２を研磨加工する方法について説明する。
ワーク保持手段６に加工対象物２を保持し、レーザビーム３とワーク保持手段６のステージ部２１ｘ〜２１ｚとを制御しながら加工対象物２にレーザビーム３を照射し、加工対象物２の表面を研磨加工する。
この研磨加工において、レーザビーム３は、拡がり角制御手段１２によってｘ方向とｙ方向との拡がり角を個別に制御してビームの断面を楕円状に形成することにより、集光レンズ１５で絞られたレーザビーム３の焦点付近の断面積がほぼ一定となる範囲が光軸方向に所定長さで形成される。

具体的には、一対のシリンドリカルレンズｎ，ｍ（例えばＬ１とＬ２）を通したビームの拡がり角θｎｍ［ｒａｄ］は、一つ目のシリンドリカルレンズ（例ではＬ１）に入射するビームがコリメートされていたとすると、次の数１で求めることが出来る。数１のｆｎ、ｆｍは各シリンドリカルレンズの焦点距離［ｍｍ］であり、Ｗｎは一つ目のシリンドリカルレンズ（Ｌ１）に入射するビームの半径［ｍｍ］、Ｗｍは次のシリンドリカルレンズ（Ｌ２）に入射するビームの半径［ｍｍ］である。また、Ｄｎｍは２つのシリンドリカルレンズ（Ｌ１，Ｌ２）間の距離［ｍｍ］である。
なお、他の組のシリンドリカルレンズＬ３，Ｌ４においても同様であり、数１の添え字のｎｍについて、（ｎ，ｍ）＝（１，２）または（３，４）とする。

一方、拡がり角θｎｍを持つビームを集光レンズ（Ｆ−θレンズ）へ入射したときの、集光レンズ位置からビームの焦点位置までの距離ｄｎｍ［ｍｍ］は、集光レンズに入射するビームの半径をＷｎｍ［ｍｍ］、集光レンズに入射するビームの拡がり角をθｎｍ［ｒａｄ］、集光レンズの焦点距離をｆ［ｍｍ］とすると、次の数２で表される。
数２の添字ｎｍは数１と揃えて用い、仮に光学系の調整によりシリンドリカルレンズＬ１とＬ２を、集光レンズにおいてｘ方向のビームの拡がりに対応するよう設定すれば、ｄ_１２＝ｄｘ（ｘ方向の焦点距離の意味）と表される（図２参照）。また、シリンドリカルレンズＬ３とＬ４を、集光レンズにおいてｙ方向のビームの拡がりに対応するように設定すれば、ｄ_３４＝ｄｙ（ｙ方向の焦点距離の意味）で表される。なお、集光レンズに入射するビームの半径ｗｎｍは、図１のＡやＢの距離の変更により調整すれば良い。

このようにｄｎｍのｘ方向の焦点距離とｙ方向の焦点距離とを適宜に設定することにより、図２に示すように、集光レンズ１５で絞られたレーザビーム３の断面積がほぼ一定となる範囲が光軸方向に所定長さＦで形成される。したがって、この所定長さＦの範囲でエネルギー密度がほぼ一定となり、その範囲で加工対象物の表面を加工することができ、変質層やクラックの発生を防止して良好な加工面を得ることができる。

焦点付近における光軸方向のエネルギー密度をグラフ化すると、従来のレーザビームの場合は図４に示すように、焦点位置において最もエネルギー密度が大きく、その前後で小さくなるのに対して、本実施形態の場合は、図３に示すように、所定長さの範囲でエネルギー密度がほぼ一定になる。これらのグラフは、いずれも集光レンズの焦点ｆを１００ｍｍ、集光レンズに入射するレーザビームの半径を６ｍｍ、集光レンズで集光された部分の直径を約９μｍ、出力を１２Ｗに設定して求めた。また、ｘ方向及びｙ方向の焦点のずれは図４においては０、図３においては１２００μｍとした。

ここで、加工可能なエネルギー密度以上のレーザビーム伝搬方向（ｚ軸方向）の範囲をＨとすると、Ｈは、図４では約１２００μｍであるのに対して、図３では約１８００μｍに増加する。また、白抜き矢印で示す領域が加工に適正なエネルギー密度の領域であるとすると、図４の従来技術においては、エネルギー密度が高過ぎる（加工適正上限を超える）領域が存在することになり、その領域において加工対象物に過大な熱影響が付与され、変質層やクラックが生じるおそれがある。これに対して、図３の本実施形態の場合は、加工に適正な領域（加工閾値以上で加工適正上限以下の加工適正範囲）内のほぼ一定のエネルギー密度となり、良好な加工面を得ることができる。

なお、レーザビームの断面が楕円形となるため、楕円の長径側周面で加工する場合と、短径側周面で加工する場合とでは、加工により表面に生じる凹凸状態が異なることになるが、ビーム回転手段１３によってレーザビームを光軸回りに回転させることにより、加工対象物表面に対する照射位置を楕円の外周面に沿って移動しながら加工することができ、均一な表面状態に加工することができる。
この場合、ビーム回転手段は、必ずしもレーザビームを連続的に回転させる必要はなく、光軸回りに所定角度で往復回動させる構成でもよい。

図５及び図６は、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）を波長３５５ｎｍの同じＱスイッチパルスレーザ発振機を用いてレーザ研磨加工を行った面のＳＥＭ像である。図６はｘ方向及びｙ方向でビームのｚ方向における焦点位置がほぼ一致する従来方法で加工を行った場合で、図５はｘ方向及びｙ方向で焦点位置を１０００μｍずらして適正なエネルギー密度を持つｚ方向の範囲を広くした場合であり、光軸回りの回転はせずに加工した。ビームの照射方向は、ＳＥＭ像の上から下へ向かう方向であり、試料台のｚステージを移動しながら複数回ビームの走査を行った。
いずれの図も右側の像は左の像の部分拡大である。図６の像では、加工部表面が変質層に覆われており、また、一度のビーム走査による加工深さも浅く、パルスビームによる加工痕は明確には見られなかった。一方、図５では加工部表面の変質層はなく、内部組織が識別出来る程度の平滑な表面が見られており（右側の像で白と黒に見えるのはそれぞれＣｏバインダーとダイヤモンド粒子）、また、パルスビームによる加工痕も顕著に現れていた。加工時間は、図６に示す従来技術より図５の本発明の方が２割程度短かった。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
上述の実施形態では加工対象物の表面を研磨する場合について説明したが、本発明は、研磨加工に限らず、加工対象物の表面に彫刻する場合等にも用いることができる。

１ レーザ加工装置
２ 加工対象物
３ レーザ光（レーザビーム）
５ レーザ照射手段
６ ワーク保持手段
７ 制御手段
１１ レーザ発振機
１２ 拡がり角制御手段
１３ ビーム回転手段
１４ 走査手段
１５ 集光レンズ
１６ ミラー
１７ 撮像手段
２１ｘ，２１ｙ、２１ｚ ステージ

Claims (4)

1. 加工対象物の表面にレーザビームを集光させて、該表面を加工するレーザ加工方法であって、前記レーザビームの光軸と直交する一の半径方向をｘ方向、該ｘ方向に直交する半径方向をｙ方向とするとき、前記レーザビームの拡がり角をｘ方向とｙ方向とで異ならせて伝搬させた後に集光させることを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記レーザビームを光軸回りに回転又は所定角度で往復回動させることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
3. レーザ発振機と、発振されたレーザビームの光軸と直交する一の半径方向をｘ方向、該ｘ方向に直交する半径方向をｙ方向とするとき、前記レーザビームの拡がり角をｘ方向とｙ方向とで異ならせる拡がり角制御手段と、該拡がり角制御手段を経由したレーザビームを加工対象物の表面に向けて集光する集光レンズとを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
4. 前記拡がり角制御手段を経由したレーザビームを光軸回りに所定角度で往復回動又は周方向に回転させるビーム回転手段を備えていることを特徴とする請求項３記載のレーザ加工装置。