JP2023015520A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基材の表面に微細な溝を多数形成できる、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】本発明のレーザ加工方法及びレーザ加工装置は、互いに離間して配置された複数のレーザ出射端２ｅから、それぞれ、パルス状のレーザ光Ｌ１を空間中に出射し、複数の前記レーザ光Ｌ１が被加工面１０ａにおいて互いに交わらない程度に離間間隔を縮小する集光光学系１に、複数の前記レーザ光Ｌ１を入射し、前記集光光学系１から出射した複数の前記レーザ光Ｌ１を前記被加工面１０ａに照射して、アブレーションを生じさせる複数の集光スポットを、第一方向に関して互いに離間して形成し、前記集光光学系１と前記被加工面１０ａとを、前記被加工面１０ａに沿い、且つ、前記第一方向に直交する第二方向に相対移動させて、前記被加工面１０ａに複数の溝を同時に形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。

従来、輸送機器等の工業製品には鋼板が使用されており、鋼板同士の接合をするには、スポット溶接を行うことが一般的である。

近年、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）にて、様々な産業分野においてエネルギーの効率的な利用が要請されている。輸送機器等の工業製品についても例外ではなく、輸送機器等の軽量化が求められている。そのため、従来の鋼板に代わる、軽量な素材を使用するための研究開発が行われている。

例えば、鋼板に代わる軽量素材の一つとして、アルミニウム材が知られている。ところが、アルミニウム材はスポット溶接に適していないため、アルミニウム材同士又はアルミニウム材と他の材料との接合には、リベット接合を行うこともある。しかしながら、リベット接合は、接合部分における部品点数の増加を招いたり、軽量化を妨げたりする要因となる。つまり、鋼板の代替材料を検討する際には、当該代替材料の接合方法も検討する必要がある。

昨今、多様な素材を接合する方法として、接着剤を用いた接合方法が注目されている。接着剤は、溶接と異なり、母材の材質や厚みに影響されずに接合できる。例えば、溶接では適切な接合が難しい、電気抵抗が低い母材や薄い母材であっても、接着剤を用いて適切に接合できる利点がある。

また、接着剤を用いた接合を行う際、接着力を高めるために、接合面に、接着剤を充填するための溝を配置することが行われている（特許文献１参照）。

特開２０１１－７２５０号公報

接着剤を用いた接合では、その接合強度や耐久性の向上が課題となっている。よって、本発明者は、接合する基材の表面に、接着剤を充填するための微細な溝を多数形成することを検討した。接着剤に接する表面積を増やすことで、接合強度及び耐久性を向上できる。本発明者の鋭意研究の結果、微細な溝の形成にレーザアブレーションを利用することを着想した。

そこで、基材の表面に微細な溝を多数形成できる、レーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することを課題とする。

本発明の、レーザ加工方法は、互いに離間して配置された複数のレーザ出射端から、それぞれ、パルス状のレーザ光を空間中に出射し、
複数の前記レーザ光が被加工面において互いに交わらない程度に離間間隔を縮小する集光光学系に、複数の前記レーザ光を入射し、
前記集光光学系から出射した複数の前記レーザ光を前記被加工面に照射して、アブレーションを生じさせる複数の集光スポットを、第一方向に関して互いに離間して形成し、
前記集光光学系と前記被加工面とを、前記被加工面に沿い、且つ、前記第一方向に直交する第二方向に相対移動させて、前記被加工面に複数の溝を同時に形成する。

高エネルギーのレーザ光を、基材の表面の小さな面積の集光スポットに集中して照射することにより、表面を局所的に熱し、蒸発又は昇華させて、基材に穴を開ける。この加工方法は、一般的に、レーザアブレーションと言われる。また、アブレーションにより穴を開けながら基材を相対移動させるから、溝を形成できる。レーザ光を使用して溝を形成すると、一般的な機械加工に比べて精確に微細な溝を形成できる。そして、レーザ光を使用した溝形成は、アルミニウム材を含む様々な素材に対して適用できる。

また、パルス状のレーザ光を使用しているため、温度上昇による素材への影響が少ない。例えば、アルミニウム材のような反射率が高く熱伝導率の高い基材に対し、高出力のレーザ光を連続発振させて基材に照射すると、高エネルギーが基材の表面に付与されて、表面が溶融したり、デブリが発生したりすることがある。しかしながら、パルス状のレーザを使用すると、パルス時のピークパワー密度を高く維持したまま、基材の表面に付与する総エネルギー量を抑えられるため、表面の溶融やデブリの発生を抑制できる。

詳細は後述するが、「互いに離間して配置された複数のレーザ出射端」とは、隣り合う溝を形成するレーザ光の出射端が、互いに接触せずに離間して配置されていることを表す。そして、本発明は、レーザ光の離間間隔を縮小する集光光学系を経た複数の光を表面に照射するから、複数の溝を狭ピッチ間隔で形成できる。溝の密度が高まることにより、接着剤に接する表面積をより増やすことができる。また、同時に複数の溝を形成できるため、量産プロセスに適用可能な生産効率を実現できる。

複数の前記集光スポットは、第三配列方向及び第四配列方向に並んで形成され、
前記第三配列方向及び第四配列方向は、いずれも、前記第二方向とは異なる方向であっても構わない。これにより、複数の溝をさらに狭ピッチ間隔で形成できるとともに、同時に形成できる溝の数を増やすことができる。

前記被加工面に入射する複数の前記レーザ光の各光軸が、前記表面の法線との間になす入射角θｓが２０度以下でも構わない。これにより、傾斜を抑えた深い溝を形成でき、接着剤の充填量及び充填性を高めて、接着性を良好に保つ。また、各レーザ光により形成される溝深さの均一化が進むため、接着力の均一化につながる。

前記集光光学系は、前記レーザ光を入射する、単一の集光レンズを備え、
前記集光レンズの焦点距離は３００ｍｍ未満であっても構わない。これにより、複数の溝を狭ピッチ（例えば、１００μｍ以下）に形成できる。

複数の前記レーザ出射端と前記集光光学系との間に、前記レーザ光の少なくとも一つを複数の分岐レーザ光に変換する回折光学素子が少なくとも一つ配置されても構わない。

前記少なくとも一つの回折光学素子は、複数の前記レーザ光を、それぞれ、複数の分岐レーザ光に変換しても構わない。

前記少なくとも一つの回折光学素子は、複数の前記レーザ光を同じ回折光学素子に入射しても構わない。

前記レーザ出射端は複数のファイバが束ねられたファイババンドルの出射端であり、
前記集光スポットが所定の位置に形成されるように、前記出射端において前記ファイバが配列しても構わない。

前記レーザ出射端は複数のファイバが束ねられたファイババンドルの出射端であり、
前記集光スポットの前記第三配列方向が前記第一方向と同じ方向となるように、前記出射端において前記ファイバを配列しても構わない。詳細は後述するが、これにより、溝形成開始位置を揃えることができ、溝の形成されない余白領域を小さくできる。

前記レーザ出射端と前記集光光学系との間に、複数の前記レーザ出射端のそれぞれに対応するビーム整形光学系を配置しても構わない。

前記ビーム整形光学系は、前記レーザ光それぞれのビーム径を拡大するビームエクスパンダと、前記ビームエクスパンダの出射側に収束光学系とを備え、
前記レーザ光のビーム径を徐々に縮小させながら前記集光光学系に入射しても構わない。集光光学系で集光された各レーザ光を互いに交わりにくくして、溝を細くできる。

同一の前記被加工面の、前記第二方向に離間した複数個所において、上記に記載のレーザ加工方法をそれぞれ行っても構わない。これにより、より深い溝、またはより多くの溝を形成でき、その結果、生産効率を高めることができる。

本発明のレーザ加工装置は、互いに離間して配置され、それぞれパルス状のレーザ光を空間中に出射する、複数のレーザ出射端と、
複数の前記レーザ出射端から出射された前記レーザ光を入射して、複数の前記レーザ光が被加工面において互いに交わらない程度に離間間隔を縮小する集光光学系と、
前記集光光学系と前記被加工面とを、前記被加工面に沿い、且つ、第一方向に直交する第二方向に相対移動させる駆動機構と、を備え
前記集光光学系から出射された複数の前記レーザ光を前記被加工面に照射して、前記第一方向に関して互いに離間する、複数の集光スポットを形成しながら、前記駆動機構で前記集光光学系と前記被加工面とを相対移動させて、前記被加工面に複数の溝を同時に形成するように制御される。

複数の前記集光スポットは、第三配列方向及び第四配列方向に並んで形成され、
前記第三配列方向及び第四配列方向は、いずれも、前記第二方向とは異なる方向であっても構わない。

複数の前記レーザ出射端と前記集光光学系との間に、前記レーザ光の少なくとも一つを複数の分岐レーザ光に変換する回折光学素子が、少なくとも一つ配置されても構わない。

前記レーザ出射端は複数のファイバが束ねられたファイババンドルの出射端であり、
前記集光スポットが所定の位置に形成されるように、前記出射端において前記ファイバが配列していても構わない。

前記レーザ出射端は複数のファイバが束ねられたファイババンドルの出射端であり、
前記集光スポットの前記第三配列方向が前記第一方向と同じ方向となるように、前記出射端において前記ファイバが配列していても構わない。

前記複数のレーザ出射端にそれぞれ接続された、ピークパワー密度が１００ｋＷ／ｃｍ^２以上のレーザを出力する複数の光源、を備え、
前記集光スポットにアブレーションを生じさせても構わない。

これにより、基材の表面に微細な溝を多数形成できる、レーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供できる。

第一実施形態のレーザ加工装置を示す図である。 レーザ光を照射する様子を示す図である。 図１のレーザ加工装置をより詳細に示す図である。 第一実施形態のレーザ加工装置におけるレーザ出射端をビームエクスパンダ側から－Ｚ方向に見た図である。 集光レンズが配置されている位置から＋Ｚ方向に基材の表面を見た図である。 レーザ光が基材に入射する断面図を示している。 第一実施形態のレーザ加工装置の変形例を示す図である。 変形例のレーザ出射端をビームエクスパンダ側から－Ｚ方向に見た図である。 集光レンズが配置されている位置から＋Ｚ方向に基材の表面を見た図である。 第一実施形態において集光レンズが配置されている位置から＋Ｚ方向に基材の表面を見た図である。 第二実施形態であるレーザ加工装置を示す図である。 集光レンズから回折光学素子を－Ｚ方向に見た図である。 第二実施形態のレーザ加工装置の変形例を示す図である。 集光レンズから変形例の回折光学素子を－Ｚ方向に見た図である。 複数のレーザ加工装置を組み合わせてレーザ加工をする第一例を示す図である。 複数のレーザ加工装置を組み合わせてレーザ加工をする第二例を示す図である。

レーザ加工装置の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の各図面は模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比は必ずしも実際の寸法比と一致しておらず、各図面間においても寸法比は必ずしも一致していない。

以下において、各図面は、ＸＹＺ座標系を参照しながら説明される。本明細書において、方向を表現する際に、正負の向きを区別する場合には、「＋Ｘ方向」、「－Ｘ方向」のように、正負の符号を付して記載される。正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「Ｘ方向」と記載される。すなわち、本明細書において、単に「Ｘ方向」と記載されている場合には、「＋Ｘ方向」と「－Ｘ方向」の双方が含まれる。Ｙ方向及びＺ方向についても同様である。以下に述べる実施形態では、Ｘ方向及びＹ方向に沿うＸＹ平面は、基材表面に沿う面であり、Ｚ方向は基材表面に対する法線方向を表す。

＜第一実施形態＞
［レーザ加工装置の概要］
図１は、本発明の一実施形態であるレーザ加工装置１００を示す図である。当図を参照しながら、レーザ加工装置１００の原理について説明する。

レーザ加工装置１００は、複数のレーザ出射端２ｅと、レーザ出射端２ｅから出射された各レーザ光Ｌ１を入射する集光光学系と、基材１０を移動させる駆動機構Ｍ１と、制御部（不図示）と、を有する。各レーザ出射端２ｅは、それぞれ、パルス状のレーザ光を生成するレーザ光源３に接続されており、各レーザ出射端２ｅからパルス状のレーザ光Ｌ１を空間中に出射する。各レーザ光Ｌ１の光軸Ｌｃは、破線で示されている。なお、図を見やすくするために、各図面において、複数存在する光や構成部材の多くは、その一部にしか符号を付していない。

レーザ出射端２ｅは、レーザ光源３から出射されたレーザ光が、最初に空間中に放射される箇所を指す。レーザ光源３には、光源自体、すなわち、レーザ光を生成する生成部の他に、レーザ光を増幅する増幅部（例えば、ファイバアンプ）を含んでいても構わない。レーザ光が生成されてから基材１０に照射されるまでの間にこのような増幅部が存在する場合、当該増幅部とその上流はレーザ光源３に含まれる。よって、レーザ光源が増幅部を含む場合には、レーザ出射端２ｅは、増幅部において増幅された後のレーザ光が、最初に空間中に放射される箇所を指す。

基材１０の被加工表面でアブレーションを生じさせ得るエネルギーを基材１０に付与するために、複数のレーザ光源３は、それぞれ、ピークパワー密度が１００ｋＷ／ｃｍ^２以上、より好ましくは１ＭＷ／ｃｍ^２以上のレーザを出力するとよい。基材１０の材質、溝深さ、及びパルスレーザの繰り返し周波数等の諸条件によっても異なるが、上記数値以上のピークパワー密度を有する場合、集光光学系と基材１０との相対移動速度を１２５ｍｍ／ｓｅｃ以上に設定することが容易となる。１２５ｍｍ／ｓｅｃの相対移動速度は、例えば３０ｍの基材のレーザ加工に要する時間が４分であることを表している。つまり、量産プロセスに適用可能な生産効率を実現できることを示唆している。なお、回折光学素子でレーザ光を分岐させる場合には（第二実施形態で詳述する）、レーザ光源３は、それぞれ、よりピークパワー密度の高いレーザを出力するとよい。レーザ光源３が出力するレーザの波長は、赤外域の波長（例えば、ファイバレーザ又はＹＡＧレーザの場合、波長は１０６４ｎｍ、ＣＯ_２レーザの場合、波長は１０６００ｎｍ）である。

レーザ出射端２ｅから出射される各レーザ光は、Ｘ方向（第一方向）に互いに離間している。図１では、３つのレーザ出射端２ｅがＸ軸に沿って一列に配列されているが、レーザ出射端２ｅがＸ軸に沿って二列以上に配列されてもよいし、または４つ以上のレーザ出射端２ｅが配列されてもよいし、Ｘ軸に沿って配列されなくてもよい。詳細は後述する。

基材１０は、前記集光光学系に対向する位置に、被加工面１０ａ（以降、単に「表面１０ａ」と称する場合がある。）を有する。本実施形態では、レーザ出射端２ｅから表面１０ａまで、＋Ｚ方向にレーザ光が進行しており、レーザ出射端２ｅと表面１０ａとの間に、レーザ光の進行方向を全体的に変更する光学系など（例えば、反射光学系）を有していない。しかしながら、レーザ出射端２ｅと表面１０ａとの間に、レーザ光の進行方向を変更する光学系を有していても構わない。また、レーザ加工装置１００に、レーザ光の進行方向を逐次変更可能な光学系を組み込んで、集光光学系と表面１０ａとを相対移動させながら、表面１０ａの形状に応じてレーザ光の進行方向を変更しても構わない。

本実施形態のレーザ加工装置１００は、それぞれ複数のレーザ出射端２ｅに接続される、複数のレーザ光源３を有している。しかしながら、レーザ加工装置１００自体が、レーザ光源３を有していなくても構わない。その場合には、各レーザ出射端２ｅを、レーザ加工装置１００の外部のレーザ光源に接続する。

基材１０はレーザ加工装置１００の構成要素ではないが、説明の都合上、図１に示している。同様に、他の図に示すレーザ加工装置においても、基材１０を示すことがある。基材１０は、アルミニウム材に限定されない。基材１０の材質は他の金属材料でも構わないし、樹脂であっても構わない。

各図面において、基材１０の表面１０ａはＸＹ平面に平行な面として描かれているが、表面１０ａの形状はこれに限定されない。被加工表面１０ａは、例えば、傾斜した平面、曲面及び凹凸を有する面などを含んでいても構わない。各図面において、基材１０は板状（ＸＹ方向に延び、Ｚ方向に薄い形状）に示されているが、必ずしもこのような形状に限定されない。基材１０は、例えば、棒状又はブロック形状を呈しても構わないし、板状、棒状又はブロック状を部分的に有する複雑な立体形状を呈しても構わない。

複数のレーザ光Ｌ１を基材１０の表面１０ａに照射すると、レーザ光Ｌ１ごとに集光スポットＬｓが形成される。レーザ光のエネルギーにより集光スポットＬｓが局所的に熱せられ、アブレーションを生じさせる。集光スポットＬｓでは、瞬間的に数千度（℃）まで上昇するため、集光スポットＬｓにおける表面１０ａが蒸発又は昇華し、表面１０ａに穴を開ける。

レーザ光源３から出力されるレーザ光はパルス状に出力されるため、ピークパワー（パルス幅（時間）あたりのパルスエネルギー）が高く、局所的には、表面１０ａが蒸発又は昇華するほどのエネルギーを基材１０に与える。しかしながら、パルス状のため総エネルギー量は小さく、レーザ光が基材１０の幅広い領域を高温にすることは困難である。そのため、表面１０ａの不必要な溶融やデブリの発生を抑制できるとともに、基材１０に熱による悪影響を与えにくい。

駆動機構Ｍ１を使用して、集光レンズ１（詳細は後述するが、集光光学系の一実施形態である）と表面１０ａとを、表面１０ａに沿い、且つ、Ｘ方向に直交するＹ方向に相対移動させる。本実施形態では、集光レンズ１を固定したまま、基材１０を、基材１０を載置するステージ１５とともに、＋Ｙ方向（第二方向）に移動させる。このとき、図２に示されるように、レーザ光Ｌ１を表面１０ａに照射しながら基材１０を移動させる。なお、集光レンズ１と基材１０が相対移動すればよいため、基材１０を移動させずに集光レンズ１を移動させてもよく、または、基材１０と集光レンズ１の両方を移動させてもよい。

図２は、レーザ光を照射する様子を示す図である。図２に示されるように、複数のレーザ光を表面１０ａに照射しつつ、表面１０ａを削りながら基材１０が移動することにより、表面１０ａに複数の溝が形成される。

集光光学系は、各レーザ光Ｌ１の離間間隔を縮小して、表面１０ａに照射させる。これにより、集光スポットＬｓを小さくするとともに、各集光スポットＬｓを密集させる。その結果、複数の溝を狭ピッチに形成できる。隣り合う溝同士の間隔が狭いため、溝の形成により表面積が増えて、接着剤を用いた接合を強固にできる。ただし、複数のレーザ光Ｌ１が表面１０ａにおいて互いに交わって集光スポットＬｓが重ならないように設計される。なお、この設計は、集光光学系から表面１０ａに到達するまでの光路において、各レーザ光Ｌ１が互いに交わることを妨げるものではない。

図１に示されるように、本実施形態の集光光学系は、単一の集光レンズ１から構成される。そして、全てのレーザ光Ｌ１を同じ集光レンズ１に入射させている。しかしながら、単一の集光レンズ１の形態に限らない。一つのレーザ光が複数の集光レンズを順に通過するように、集光レンズを直列配置してもよい。各レーザ光が入射する集光レンズが異なるように、集光レンズを並列配置してもよい。

本実施形態では、レーザ出射端２ｅと集光レンズ１との間に、複数のレーザ出射端２ｅのそれぞれに対応するように、ビーム整形光学系を配置している。本実施形態では、ビーム整形光学系としてビームエクスパンダ７が配置されている。ビームエクスパンダ７は、レーザ出射端２ｅから出射したビーム径を拡大する光学系である。ビームエクスパンダ７を使用することで、集光光学系の入射面において各レーザ光の離間間隔を所望の値にすることができる。その結果、表面１０ａにおける集光スポットＬｓの大きさと離間間隔を調整できる。

集光光学系を経たビームエクスパンダ７を出射したレーザ光Ｌ１は、コリメート光（平行光）となるようにしてもよいし、または、収束光となるようにしてもよい。図１に示されたレーザ加工装置１００では、ビームエクスパンダ７を出射したレーザ光Ｌ１は、収束光となり、ビーム径が縮小されている。収束光にすることにより、集光点を表面１０ａから意図的にずらして、表面１０ａにおける集光スポットＬｓの大きさ及び離間間隔をさらに微調整できる。

［レーザ加工装置の詳細］
図３はレーザ加工装置１００を詳細に示す図である。図３では、図を見やすくするために、図１で示した各レーザ光Ｌ１の光線束（一点鎖線）を示さず、各レーザ光の光軸Ｌｃのみを示している。複数のレーザ光源３は、それぞれ、光源部３ｓと、光源部３ｓからのレーザ光を導光するファイバ３ｆと、を有する。複数のファイバ３ｆは束ねられて、ファイババンドルを構成する。

本実施形態では、ビームエクスパンダ７は、２枚の凸レンズアレイを組み合わせて構成されている。しかしながら、ビームエクスパンダ７を、凸レンズアレイと凹レンズアレイとを組み合わせて構成しても構わない。レンズアレイに代えて、小さな個別のレンズを並べても構わない。また、ビーム整形光学系が、レーザ出射端２ｅの上流側に位置しても構わない。言い換えると、ビーム整形光学系が、レーザ光源３に内蔵されても構わない。よって、ビーム整形光学系は、本実施形態のレーザ加工装置１００にとって、必須の構成要素ではない。

図４Ａは、図３のレーザ加工装置１００において、バンドルされたレーザ出射端２ｅを、ビームエクスパンダ７側から－Ｚ方向に見た図である。図４Ａには、ファイババンドルを構成する複数のレーザ出射端２ｅと、各レーザ出射端２ｅの中央にレーザ光が出射されるコア３ｃと、が示されている。ファイバ３ｆのレーザ出射端２ｅは、Ｗ方向とＶ方向とに沿って配列されている。斯かるレーザ出射端２ｅの配列は、集光スポットＬｓの配列に反映される。上述したように、本実施形態は、レーザ出射端２ｅと表面１０ａとの間に、レーザ光の進行方向を全体的に変更する光学系を有していない。この場合には、レーザ出射端の配列方向が集光スポットの配列方向に一致する。本実施形態において、Ｗ方向は、集光スポットの第三配列方向に対応し、Ｖ方向は集光スポットの第四配列方向に対応する。

Ｗ方向とＶ方向に配列される各レーザ出射端２ｅを、各レーザ出射端の配置順に基づき「２ｅ（Ｗ，Ｖ）」の形式で表すと、例えば、２ｅ（１，１）、２ｅ（２，１）、２ｅ（１０，１）、２ｅ（１，３）、２ｅ（１，５）、（１，７）、及び２ｅ（１０，７）は、図４Ａのように示される。

第三配列方向及び第四配列方向（本実施形態ではＷ方向とＶ方向）が、相対移動方向である第二方向（Ｙ方向）とは異なる方向となるように、レーザ出射端２ｅを形成する。これにより、Ｖ方向に配列されたレーザ出射端２ｅである、２ｅ（１，１）、２ｅ（１，３）、２ｅ（１，５）、及び（１，７）から出射された各レーザ光の集光スポットＬｓは、互いに重なることなく、Ｘ方向に関して位置が異なることになる。これによる効果については後述する。

本実施形態では、レーザ出射端２ｅの配列は、格子の交点と格子の中央とに配列した千鳥状の配列が採用されている。千鳥状の配列であっても、レーザ出射端２ｅのＸ方向における位置は全て異なっている。よって、複数の溝をより狭ピッチに形成できる。レーザ出射端２ｅの配列を、格子の交点のみにレーザ出射端２ｅを配列した、格子状配列にしても構わない。

図４Ａでは、Ｗ方向に沿って９～１０個のファイバが、Ｖ方向に沿って３～４個のファイバが配列されているが、ファイバの配列数はとくに限定されず、図４Ａより多くても少なくても構わない。量産プロセスに適用可能な生産効率を有するレーザ加工装置を設計するには、通常、ファイバの数は図４Ａよりも多い方が好ましい。例えば、ファイバの数を１００本以上にするとよく、好ましくは２００本以上にするとよい。レーザ出射端２ｅにおけるファイババンドル全体の幅（Ｘ方向における寸法）は、２０ｍｍ以上、または４０ｍｍ以上を呈することがある。

図４Ｂは、集光レンズ１が配置されている位置から表面１０ａを見た図である。レーザ光で加工している途中の様子を示している。レーザ出射端２ｅのそれぞれから出射されたレーザ光Ｌ１が集光スポットＬｓを形成している。上述したように、集光スポットＬｓではレーザアブレーションにより表面１０ａが削られる。その結果、Ｙ方向へ相対移動してできる集光スポットＬｓの軌跡は、Ｙ方向に沿う溝Ｌｇとして表れる。

このとき、レーザ出射端２ｅのＸ方向における位置は全て異なっているため、各レーザ光によって形成される集光スポットＬｓのＸ方向における位置は全て異なることになる。その結果、各レーザ光によって形成される溝ＬｇのＸ方向における位置も全て異なるものとなる。

図４Ｂには、表面１０ａには存在しないレーザ出射端２ｅが、仮想的に示されている。図４Ａに示されたレーザ出射端２ｅのうち、２ｅ（１，１）、２ｅ（２，１）、２ｅ（１０，１）、２ｅ（１，３）、２ｅ（１，５）、（１，７）、及び２ｅ（１０，７）については、それぞれ符号を付して図４Ｂに例示する。図４Ｂに示されたレーザ出射端２ｅは、集光スポットＬｓをレーザ出射端２ｅにおけるコア３ｃと見立てて、集光レンズ１の分だけ所定の倍率に縮小することによって表されている。図４Ｂは、集光スポットＬｓがＸ方向に関して位置が異なるように配列させたレーザ出射端２ｅを使用することにより、隣り合う溝Ｌｇと溝Ｌｇとの間隔を、ファイバ径よりも小さくできることを表している。本明細書において、「互いに離間して配置された複数のレーザ出射端」とは、例えば、レーザ出射端２ｅ（１，１）とレーザ出射端２ｅ（１，３）のように、隣り合う溝を形成するためのレーザ光の出射端が、互いに接触せずに離間して配置されていることを表す。

隣り合う溝Ｌｇと溝Ｌｇとの間隔が一定となるように、レーザ加工装置１００を設計するとよい。溝のピッチｐ１は、一本の溝幅（溝のＸ方向の寸法）と、隣り合う溝Ｌｇと溝ＬｇとのＸ方向における間隔との和である。ピッチｐ１は、１００μｍ以下であるとよく、好ましくは、５０μｍであるとよい。ピッチｐ１が小さいほど、溝の密度を高めて表面積を増やすことができる。ピッチｐ１を小さくするには、溝Ｌｇの幅（Ｘ方向の寸法）も小さい方が好ましい。溝Ｌｇの幅は、５０μｍ以下であるとよく、好ましくは２５μｍであるとよい。

レーザ出射端２ｅを上述のように配列することで、溝のピッチｐ１を小さくできる。しかしながら、ピッチｐ１は、レーザ出射端２ｅを構成する各ファイバ３ｆの小径化や、集光光学系の焦点距離の短縮化によっても小さくできる。例えば、焦点距離が３００ｍｍ以下の集光レンズ１を使用すると、ピッチｐ１を１００μｍ以下に形成しやすい。

図５は、レーザ光Ｌ１が基材１０に入射するときの、レーザ光Ｌ１の光軸Ｌｃに沿う断面図を示している。表面１０ａに入射するレーザ光Ｌ１の光軸Ｌｃが、表面１０ａの法線Ｎ１０との間になす角を、入射角θｓとする。入射角θｓが小さくなるほど（表面１０ａに対するレーザ光Ｌ１の入射角が９０度に近づくほど）、傾斜を抑えた深い溝を形成できる。その結果、溝に充填される接着剤の量及び充填性を高めて、接着性を良好に保つことができる。また、各レーザ光により形成される溝深さの均一化が進むため、接着力の均一化につながる。レーザ光Ｌ１の入射角θｓを２０度以下にするとよく、好ましくは１０度以下にするとよく、より好ましくは７度以下にするとよい。

本実施形態のように、集光光学系に集光レンズ１を使用すると、集光レンズ１の端に近い位置を通過するレーザ光Ｌ１ほど、入射角θｓが大きくなる。そのため、入射角θｓが大きくなりやすい、集光レンズ１の最も端を通るレーザ光Ｌ１の入射角θｓが、上述の数値範囲を満たすように、集光レンズ１を設計するとよい。入射角θｓを小さくする設計とは、例えば、集光レンズ１の焦点距離を規定値以上（例えば、１００ｍｍ以上）にしてもよい。例えば、集光レンズ１の端にレーザ光Ｌ１を入射させないように、入射前にレーザ光を集光させるか、集光レンズ１の開口数を大きくしてもよい。例えば、単一の集光レンズ１に代えて、複数のレンズを組み合わせた集光光学系にして、入射角θｓをできるだけ小さくした状態を維持しつつ、複数のレーザ光を集光してもよい。

図６はレーザ加工装置の変形例を示している。レーザ加工装置１５０は、ビーム整形光学系として、ビームエクスパンダ７と、ビームエクスパンダ７の出射側に、複数のレーザ出射端２ｅのそれぞれに対応する収束光学系８と、を備える。収束光学系８により、レーザ光Ｌ１を収束させて、ビーム径を縮小したレーザ光Ｌ１を集光レンズ１に入射させる。これにより、集光点を表面１０ａから意図的にずらして、表面１０ａにおける集光スポットＬｓの大きさ及び隣り合う集光スポットＬｓの離間間隔を微調整できる。ビーム整形光学系が収束光学系８を有する場合には、ビームエクスパンダ７を出射したレーザ光Ｌ１が、コリメート光（平行光）又は収束光ではなく、発散光であっても構わない。なお、レーザ加工装置１５０の他の構成要素は、レーザ加工装置１００と同様である。

図７Ａはレーザ加工装置のレーザ出射端２ｅの変形例を示している。図７Ａは、バンドルされたレーザ出射端２ｅを、ビームエクスパンダ７側から－Ｚ方向に見た図である。ファイバ３ｆのレーザ出射端２ｅは、Ｗ２方向とＶ方向とに沿って配列されている。Ｗ２方向とＶ方向は、相対移動方向である第二方向（Ｙ方向）とは異なる方向である。これにより、レーザ出射端２ｅのＸ方向における位置は全て異なる。

本変形例では、Ｗ２方向がＸ方向と同じ方向である。例えば、図７Ａにおいて、Ｗ２方向に並ぶ、レーザ出射端２ｅ（１，１）、レーザ出射端２ｅ（２，１）及びレーザ出射端２ｅ（１０，１）は、いずれも、Ｙ方向に関する位置が同じである。

図７Ｂは、図７Ａのレーザ出射端２ｅを有するレーザ加工装置において、集光レンズ１が配置されている位置から表面１０ａを見た図である。図７Ｂには、表面１０ａには存在しないレーザ出射端２ｅが、仮想的に示されている。図７Ａに示されたレーザ出射端２ｅのうち、レーザ出射端２ｅ（１，１）、レーザ出射端２ｅ（２，１）及びレーザ出射端２ｅ（１０，１）については、それぞれ符号を付して図７Ｂに示す。

図７Ａに示したレーザ出射端２ｅの効果を、図７Ｂ及び図８を参照しながら説明する。図８は、図４Ｂと同じ、第一実施形態におけるレーザ出射端について集光レンズ１が配置されている位置から＋Ｚ方向に基材１０の表面１０ａを見た図である。図８では、レーザ出射端２ｅがＷ方向に配列するから、２ｅ（１，１）～２ｅ（１０，１）の間で溝の形成開始位置（溝のＹ方向端部位置）が異なる。溝の形成開始位置が異なると、溝の形成されない余白領域Ａ１（図８において一点鎖線で囲われた領域）が発生する。

これに対し、図７Ｂは、レーザ出射端２ｅ（１，１）～２ｅ（１０，１）は、Ｘ方向に平行なＷ２方向に配列しているため、溝の形成されない余白領域Ａ１が発生せず、溝の開始位置が揃っている。その結果、溝の形成されない余白領域を小さくして、接着剤による接合力を向上できる。ただし、図８におけるレーザ出射端２ｅの配置であったとしても、レーザ光の出射開始タイミングをレーザ出射端２ｅによって異ならせることができる場合には、溝の開始位置を揃えることができる。

レーザ加工装置１００は、駆動機構Ｍ１及び光源の点灯を制御する制御部（不図示）を有する。さらに、制御部は、集光レンズ１等の集光光学系、ビーム整形光学系及び収束光学系等を制御しても構わない。制御部は、レーザ加工装置１００にとって必須の構成ではない。例えば、レーザ加工装置１００の外にある制御部によって、レーザ加工装置１００が制御されても構わないし、操作者によって制御されても構わない。

＜第二実施形態＞
図９は、第二実施形態であるレーザ加工装置２００を示す図である。以下に示す事項については、第二実施形態が第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。以下に示していない事項は、第一実施形態と同様である。第三実施形態についても同様である。

複数のレーザ出射端２ｅと集光レンズ１との間に、レーザ光を複数の分岐レーザ光に変換する回折光学素子（ＤＯＥ）９が配置されている。本実施形態では、回折光学素子９は単一の光学素子からなり、複数のレーザ出射端２ｅから出射された全てのレーザ光を単一の光学素子である回折光学素子９に入射させている。なお、図を見やすくするため、図９及び後述する図１１では、各レーザ光は光軸のみで表されている。光軸Ｌｃ１を含む各レーザ光は、位置Ｌｉから回折光学素子９に入射し、回折光学素子９の内部で複数の分岐レーザ光に変換され、光軸Ｌｃ３を含む各分岐レーザ光として、位置Ｌｏから出射する。

図１０は、回折光学素子９を集光レンズ１側から－Ｚ方向に見た図である。各レーザ光が入射する位置Ｌｉは、図１０で示される回折光学素子９の裏面側にある。位置Ｌｉから入射した一本のレーザ光が９本の分岐レーザ光に変換され、分岐レーザ光が、位置Ｌｉの周辺Ｌｎ内にある、９つの位置Ｌｏから出射する。１本のレーザ光から分岐する分岐レーザの数は特に限定されない。しかしながら、数多く分岐するとその分だけレーザパワーが低下するため、１本のレーザ光から、２５本以下に分岐するとよく、好ましくは１６本以下に分岐するとよく、より好ましくは９本以下に分岐するとよい。図１０では、位置ＬｉがＸ方向（第一方向）に離間するようにレーザ光を入射させて、それぞれ分岐レーザを出射するよう構成されており、具体的には、１本のレーザ光から９本に分岐された分岐レーザの群が、Ｘ方向（第一方向）において複数形成されている。

回折光学素子９から出射する分岐レーザ光の位置Ｌｏは、Ｗ方向と、Ｗ方向に直交するＶ方向とに沿って配列されている。本実施形態は、レーザ出射端２ｅと表面１０ａとの間に、レーザ光の進行方向を全体的に変更する光学系を有していない。この場合には、分岐レーザ光の配列方向が集光スポットの配列方向に一致する。本実施形態において、Ｗ方向は集光スポットの第三配列方向に対応し、Ｖ方向は集光スポットの第四配列方向に対応する。

分岐レーザ光の出射位置Ｌｏは、Ｘ方向及びＹ方向に対して傾斜配置されている。線ｈ１は、位置ＬｏからそれぞれＹ方向に延ばした基準線を表している。基準線ｈ１は、他の基準線ｈ１と重ならない。これは、位置ＬｏのＸ方向における位置が、全て異なっていることを示している。基準線ｈ１と隣り合う基準線ｈ１との間隔が一定である（すなわち、一定のピッチを呈する）とよい。基準線ｈ１が基材１０に投影されると仮定するならば、基準線ｈ１は、図４Ｂで示されるような相対移動してできた集光スポットＬｓの軌跡、すなわち、溝に重なることになる。これは、回折光学素子９を使用した場合においても、分岐レーザ光の位置Ｌｏを傾斜配置することにより、複数の溝を狭ピッチ間隔で形成できることを示している。

図１１はレーザ加工装置２００の変形例のレーザ加工装置２５０を示している。レーザ加工装置２５０において、回折光学素子１１は、レーザ出射端２ｅの数と同じ数を有し、複数のレーザ出射端２ｅのそれぞれに対応して設けられている。この変形例に使用される回折光学素子１１は、単一の回折光学素子に比べて小型であるため、レーザ加工装置のレイアウト設計の自由度が高いという利点がある。さらなる変形例として、回折光学素子は、２つ以上を有し、かつ、レーザ出射端２ｅの数よりも少ない数を有しても構わない。

図１２は、回折光学素子１１を－Ｚ方向から見た図である。各レーザ光が入射する位置Ｌｉは、図１２で示される回折光学素子１１の裏面側にある。位置Ｌｉから入射した一本のレーザ光が９本の分岐レーザ光に変換され、分岐レーザ光が同じ回折光学素子１１の９つの位置Ｌｏから出射する。複数の回折光学素子１１をＸ方向に互いに接近して配置するため、レーザ加工装置２５０では、図１２に示すように円板形状の回折光学素子１１を千鳥状に配置している。ただし、回折光学素子１１の形状及びレイアウトはこれに限定されない。

図１０と同様に、回折光学素子１１から出射するレーザ光の位置Ｌｏは、Ｗ方向（第三配列方向）とＶ方向（第四配列方向）とに沿って配列されるように、回折光学素子１１は設計されている。線ｈ１は、位置ＬｏからそれぞれＹ方向に延ばした基準線を表している。基準線ｈ１は、他の基準線ｈ１と重ならない。基準線ｈ１と隣り合う基準線ｈ１との間隔が一定である（すなわち、一定のピッチを呈する）とよい。

＜第三実施形態＞
図１３Ａ及び図１３Ｂは、複数のレーザ加工装置を組み合わせてレーザ加工をする実施形態を例示している。いずれの図も、同一の表面１０ａの、Ｙ方向（第二方向）に離間した複数個所において、個々のレーザ加工装置でレーザ加工を行っている。個々のレーザ加工装置はそれぞれ制御部を有し、各制御部が通信することで、各レーザ加工装置が連携したレーザ加工を行っても構わない。または、個々のレーザ加工装置が共有する制御部を有し、当該共有する制御部が各レーザ加工装置を制御して、各レーザ加工装置が連携したレーザ加工を行っても構わない。

図１３Ａの第一例では、第一のレーザ加工装置から表面１０ａにレーザ光Ｌ１を照射して形成された溝と重なるように、第二のレーザ加工装置からレーザ光Ｌ２を照射している。これにより溝を深掘りすることができる。

図１３Ｂの第二例では、第一のレーザ加工装置から表面１０ａにレーザ光Ｌ１を照射して形成された溝に対して、Ｘ方向に僅かにずらして、第二のレーザ加工装置からレーザ光Ｌ２を照射している。これにより、一回の相対移動で、より多くの溝を形成できる。

以上で各実施形態とその変形例を説明した。しかしながら、本発明は、上記した各実施形態及び変形例に何ら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内で、上記の各実施形態に種々の変更又は改良を加えたりすることができる。また、各実施形態又は変形例を組み合わせても構わない。

第一実施形態及び第二実施形態では集光スポットが異なる二つの方向に配列されているが、これらの実施形態において、集光スポットは一方向のみに配列されても構わないし、集光スポットは配列していない（即ち、並んで列を形成しない）状態でも構わない。

１ ：集光レンズ
２ｅ ：レーザ出射端
３ ：レーザ光源
３ｃ ：コア
３ｆ ：ファイバ
３ｓ ：光源部
７ ：ビームエクスパンダ
８ ：収束光学系
９ ：回折光学素子
１０ ：基材
１０ａ ：（基材の）被加工面
１１ ：回折光学素子
１５ ：ステージ
１００，１５０，２００，２５０ ：レーザ加工装置
Ｌ１，Ｌ２ ：レーザ光
Ｌｃ、Ｌｃ１，Ｌｃ３ ：光軸
Ｌｇ ：溝
Ｌｓ ：集光スポット
Ｍ１ ：駆動機構

Claims (18)

1. 互いに離間して配置された複数のレーザ出射端から、それぞれ、パルス状のレーザ光を空間中に出射し、
   複数の前記レーザ光が被加工面において互いに交わらない程度に離間間隔を縮小する集光光学系に、複数の前記レーザ光を入射し、
   前記集光光学系から出射した複数の前記レーザ光を前記被加工面に照射して、アブレーションを生じさせる複数の集光スポットを、第一方向に関して互いに離間して形成し、
   前記集光光学系と前記被加工面とを、前記被加工面に沿い、且つ、前記第一方向に直交する第二方向に相対移動させて、前記被加工面に複数の溝を同時に形成することを特徴とする、レーザ加工方法。
2. 複数の前記集光スポットは、第三配列方向及び第四配列方向に並んで形成され、
   前記第三配列方向及び第四配列方向は、いずれも、前記第二方向とは異なる方向であることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記被加工面に入射する複数の前記レーザ光の各光軸が、前記被加工面の法線との間になす入射角θｓは、それぞれ２０度以下であることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工方法。
4. 前記集光光学系は、前記レーザ光を入射する、単一の集光レンズを備え、
   前記集光レンズの焦点距離は３００ｍｍ未満であることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ加工方法。
5. 複数の前記レーザ出射端と前記集光光学系との間に、前記レーザ光の少なくとも一つを複数の分岐レーザ光に変換する回折光学素子が少なくとも一つ配置されることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
6. 前記少なくとも一つの回折光学素子は、複数の前記レーザ光を、それぞれ、複数の分岐レーザ光に変換することを特徴とする、請求項５に記載のレーザ加工方法。
7. 前記少なくとも一つの回折光学素子は、複数の前記レーザ光を同じ回折光学素子に入射することを特徴とする、請求項５に記載のレーザ加工方法。
8. 前記レーザ出射端は複数のファイバが束ねられたファイババンドルの出射端であり、
   前記集光スポットが所定の位置に形成されるように、前記出射端において前記ファイバが配列していることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
9. 前記レーザ出射端は複数のファイバが束ねられたファイババンドルの出射端であり、
   前記集光スポットの前記第三配列方向が前記第一方向と同じ方向となるように、前記出射端において前記ファイバが配列していることを特徴とする、請求項２に記載のレーザ加工方法。
10. 前記レーザ出射端と前記集光光学系との間に、複数の前記レーザ出射端のそれぞれに対応するビーム整形光学系を配置することを特徴とする、請求項８に記載のレーザ加工方法。
11. 前記ビーム整形光学系は、前記レーザ光それぞれのビーム径を拡大するビームエクスパンダと、前記ビームエクスパンダの出射側に収束光学系とを備え、
    前記レーザ光のビーム径を徐々に縮小させながら前記集光光学系に入射することを特徴とする、請求項１０に記載のレーザ加工方法。
12. 同一の前記被加工面の、前記第二方向に離間した複数個所において、請求項１～４のいずれか一項に記載のレーザ加工方法をそれぞれ行うことを特徴とする、レーザ加工方法。
13. 互いに離間して配置され、それぞれパルス状のレーザ光を空間中に出射する、複数のレーザ出射端と、
    複数の前記レーザ出射端から出射された前記レーザ光を入射して、複数の前記レーザ光が被加工面において互いに交わらない程度に離間間隔を縮小する集光光学系と、
    前記集光光学系と前記被加工面とを、前記被加工面に沿い、且つ、第一方向に直交する第二方向に相対移動させる駆動機構と、を備え
    前記集光光学系から出射された複数の前記レーザ光を前記被加工面に照射して、前記第一方向に関して互いに離間する、複数の集光スポットを形成しながら、前記駆動機構で前記集光光学系と前記被加工面とを相対移動させて、前記被加工面に複数の溝を同時に形成するように制御されることを特徴とする、レーザ加工装置。
14. 複数の前記集光スポットは、第三配列方向及び第四配列方向に並んで形成され、
    前記第三配列方向及び第四配列方向は、いずれも、前記第二方向とは異なる方向であることを特徴とする、請求項１３に記載のレーザ加工装置。
15. 複数の前記レーザ出射端と前記集光光学系との間に、前記レーザ光の少なくとも一つを複数の分岐レーザ光に変換する回折光学素子が、少なくとも一つ配置されることを特徴とする、請求項１３又は１４に記載のレーザ加工装置。
16. 前記レーザ出射端は複数のファイバが束ねられたファイババンドルの出射端であり、
    前記集光スポットが所定の位置に形成されるように、前記出射端において前記ファイバが配列していることを特徴とする、請求項１３又は１４に記載のレーザ加工装置。
17. 前記レーザ出射端は複数のファイバが束ねられたファイババンドルの出射端であり、
    前記集光スポットの前記第三配列方向が前記第一方向と同じ方向となるように、前記出射端において前記ファイバが配列していることを特徴とする、請求項１４に記載のレーザ加工装置。
18. 前記複数のレーザ出射端にそれぞれ接続された、ピークパワー密度が１００ｋＷ／ｃｍ^２以上のレーザを出力する複数の光源、を備え、
    前記集光スポットにアブレーションを生じさせることを特徴とする、請求項１３又は１４に記載のレーザ加工装置。
    

Images