JP3455903B2 - レーザによるセラミック材料の加工方法 - Google Patents
レーザによるセラミック材料の加工方法Info
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Description
てセラミック板に歪みを与えるための加工方法に関す
る。
のサイズを持つセラミック薄板に制御された歪みを発生
させるような加工が要求されている。具体的な一例をあ
げれば、セラミック薄板を凸形状に歪ませるような加工
である。そして、このような加工方法の1つとしてレー
ザ照射加工が提案されている。レーザ照射加工にも2種
類あり、第1の方法では、セラミック薄板の面積に比べ
て十分小さく集光させたレーザビームによりセラミック
薄板の表面の一部を除去し(削り)、圧縮応力を発生さ
せることで歪みを発生させる。第2の方法では、セラミ
ック薄板の面積と同程度の断面積を持つレーザビームを
照射し、セラミック薄板の表面に焼けを発生させること
により引っ張り応力を発生させて歪みを生ずるようにし
ている。
方法では表面除去のため粉塵が発生するという問題があ
る。一方、上記の第2の方法では、大面積照射のためセ
ラミック薄板の内部に欠陥部分が存在すると、その欠陥
部分に応力が加わる確率が高くなり、割れが発生すると
いう欠点がある。これは、セラミック薄板が脆性材料で
あるために脆く、しかもある確率でその内部に欠陥部分
が持つことが避けられないという事情による。従って、
上記の第2の方法では、上記のある確率で決まる確率で
割れが発生し、歩留まりに制約を生ずることが避けられ
ない。
が存在していたような場合でも、割れを発生すること無
く歪みを与えることのできるセラミック材料の加工方法
を提供することにある。
からのパルス状レーザ光をガルバノスキャナにより振ら
せてステージ上のセラミック板に照射して歪みを与える
加工方法において、前記ガルバノスキャナと前記ステー
ジとの間に、前記パルス状レーザ光の照射パターンを規
定するためのマスクと、該マスクで規定されたパターン
を持つパルス状レーザ光を前記セラミック板上に結像さ
せるための少なくとも1つの結像レンズとが配置され、
前記パルス状レーザ光のパルス幅を1nsec〜0.4
msecとすることにより、前記セラミック板の割れを
防止することを特徴とする。
ザ光は、前記セラミック板において歪みを発生させるべ
き領域に1つの領域につき少なくとも1発照射される。
ク板は、少なくとも一軸方向に可動のステージ上に複数
個配列されており、前記レーザ発振器からの前記パルス
状レーザ光をガルバノスキャナにより振らせて前記複数
個のセラミック板のそれぞれに照射する。
スキャナと前記マスクとの間に、コリメーションレンズ
が配置される。
振器と前記ガルバノスキャナとの間に、前記パルス状レ
ーザ光の断面積におけるエネルギー強度を均一にするた
めの均一光学系が配置される。
った経過について説明する。図2を参照して、レーザ光
の照射時間(以下、これをパルス幅と呼ぶ)とセラミッ
ク材料によるサンプルの内部に発生する応力についてシ
ミュレーション解析を行い、歪みが大きくかつ割れが発
生しない条件を見つけた。その条件は、パルス幅を短く
することで歪みが発生し、かつ内部に発生する応力が小
さくなり大面積照射においても割れが発生しなくなると
いうものである。これは、パルス幅を短くすることでサ
ンプルの昇温速度が上がり、それにより引っ張り応力が
発生してサンプルが歪み、しかも応力は破断応力以下で
あるので割れないという理由に基づく。
度を示し、1以下が好ましい。一方、破線は歪みを発生
させる相対応力指標を示し、1以上が好ましい。このこ
とから、割れを発生することなく歪みを発生させること
ができるのは、図2中に斜線を入れた領域であり、パル
ス幅で言えば約0.6msec以下である。
ザ光を照射する大面積照射の場合のパルス幅に対する実
際の加工結果を示す。図3において、レーザ光照射部分
の焼けと歪み量とは比例関係にあり、焼けが濃いほど歪
み量は大きくなる。そして、パルス幅0.4msec以
下では歪みを起こす領域が大きく、しかも大きなエネル
ギーを投入しても割れにくくなっていることがわかる。
により異なるが、例えばYAGレーザ発振器では約0.
1msec程度、Qスイッチレーザを使用した場合に
は、1nsec程度のパルス幅を実現できる。
るレーザ加工装置の一形態について説明する。本形態に
よるレーザ加工装置は、YAGパルスレーザ発振器10
からのパルス状レーザ光をセラミック板11に照射して
歪みを与える加工装置であり、パルス状レーザ光を、セ
ラミック板11において歪みを発生させるべき領域、こ
こではそのほぼ全面に少なくとも1発照射することで歪
みを与えるようにしている。特に、YAGパルスレーザ
発振器10で発生するパルス状レーザ光のパルス幅を上
述の理由により、0.4msec以下としている。
向に可動のステージ12上に一列当たり複数個でかつ複
数列が配列されている。このため、YAGパルスレーザ
発振器10からのパルス状レーザ光をガルバノスキャナ
13により振らせて一列当たりの複数個のセラミック板
11のそれぞれに照射できるようにしている。ガルバノ
スキャナ13は、モータによる回転駆動軸に反射鏡を取
り付けて成る、いわゆるガルバノミラーと呼ばれるもの
で、ここではパルス状レーザ光をステージ12上で一軸
方向に振らせるようにしている。
間には、パルス状レーザ光の照射パターンを規定するた
めのマスク14と、このマスク14で規定されたパター
ンを持つパルス状レーザ光をセラミック板11上に焦点
を結ぶように結像させるための結像レンズ15、16と
が配置されている。結像レンズ15、16は、それらの
焦点距離を選択することで、マスク14で規定されたパ
ターンのセラミック板11上での縮小比を任意に選択す
ることができる。
には、コリメーションレンズ17が配置されている。コ
リメーションレンズ17は、ガルバノスキャナ13から
斜めに入射するパルス状レーザ光をコリメーションレン
ズ17の光軸に平行にするためのものである。これは、
ガルバノスキャナ13によりパルス状レーザ光は一軸方
向に振られるので、コリメーションレンズ17の光軸か
ら離れたパルス状レーザ光ほど光軸から離れていってし
まうからである。このため、コリメーションレンズ17
は、ガルバノスキャナ13のスキャン範囲をカバーし得
る大きさの径を持つ。
3のスキャン動作により変化するパルス状レーザ光の通
過域をカバーし得るスリットを持ち、このスリットを通
過するパルス状レーザ光の断面形状を同じにする。図1
では、ガルバノスキャナ13のスキャン動作によりパル
ス状レーザ光は上下方向に位置が変化するので、スリッ
トが上下方向に延びている。なお、ガルバノスキャナ1
3のスキャン動作により変化するパルス状レーザ光の通
過域は一義的に決めることができるので、それぞれの通
過域に照射パターンを規定する穴を持つマスクを使用し
ても良い。
ザ発振器10とガルバノスキャナ13との間に、パルス
状レーザ光の断面積におけるエネルギー強度を均一にす
るための均一光学系18を配置している。均一光学系1
8は、YAGパルスレーザ発振器10を使用する場合に
は、光ファイバで実現することができる。すなわち、Y
AGレーザ光は光ファイバで伝送することができ、光フ
ァイバはそこを伝送するレーザ光の強度分布を均一にす
る作用があるからである。この他、均一光学系18は、
他の周知の光学系、例えばカライドスコープと呼ばれる
もので実現することもできる。
2、23、24を介在させることでYAGパルスレーザ
発振器10からステージ12までの光路が形成されてい
る。なお、図1では、マスク14を通過したパルス状レ
ーザ光が反射ミラー22から外れるように描かれている
が、マスク14を拡大して描いているためである。実際
には、ガルバノスキャナ13によるスキャン範囲は数c
m程度のエリアであり、反射ミラー22はこれによるパ
ルス状レーザ光の入射位置変化に十分に対応できる。
ンズ17から外れた位置に、ダンパ25が配置されてい
る。ダンパ25は、ステージ12側へのパルス状レーザ
光照射が行われない間のパルス状レーザ光を照射するた
めのものであり、パルス状レーザ光照射による発熱を防
ぐために水冷等による冷却手段が設けられている。この
ようなダンパ25を使用する理由については後述する。
過するものを用い、その上方に反射ミラー26を介して
観察光学系27を配置している。観察光学系27には通
常、CCDカメラが使用され、加工中のセラミック板1
1を観察したり、ステージ12の位置決め動作に利用さ
れる。また、反射ミラー24はパルス状レーザ光を一部
透過するものを使用し、その透過側にエネルギーモニタ
28を配置している。エネルギーモニタ28は、そこに
入射する1発毎のパルス状レーザ光のエネルギー値を監
視する。この監視結果は、例えば本加工装置の制御装置
(図示せず)に送ることにより、エネルギー値が低すぎ
るというような異常があった場合には、再度同じセラミ
ック板11にパルス状レーザ光の照射を行わせるという
ような制御を行うことができる。あるいは、上記のよう
な異常があっても上記のような制御を行わない場合に
は、エネルギー値の低いパルス状レーザ光の照射が行わ
れたセラミック板11に加工不良発生の可能性があるこ
とを知らせることができる。
作について説明する。連続発振しているYAGパルスレ
ーザ発振器10からのパルス状レーザ光は、反射ミラー
21を経由して均一光学系18によりその断面積に関し
て均一なエネルギー強度を持つようにされる。均一光学
系18を出たパルス状レーザ光は、ガルバノスキャナ1
3で振られ、更にコリメーションレンズ17でその光軸
に平行なレーザ光にされる。このレーザ光は、マスク1
4で特定の照射パターンを持つように整形され、反射ミ
ラー22、23を経由して結像レンズ15に入射する。
結像レンズ15を通過したパルス状レーザ光は反射ミラ
ー24を経由し、結像レンズ16を通して所定の縮小比
でセラミック板11に照射される。
ン動作により、ステージ12上において一列に配置され
ている複数個のセラミック板11には順にパルス状レー
ザ光が照射される。この間、ステージ12は移動しな
い。そして、一列分の複数個のセラミック板11に対す
るパルス状レーザ光の照射が終了すると、ステージ12
が移動して次の列の複数個のセラミック板11がパルス
状レーザ光の照射域にくるようにされる。
移動の間は、ダンパ25の方へパルス状レーザ光を入射
させるようにしている。一方、加工中、YAGパルスレ
ーザ発振器10は発振させ続けるようにしている。YA
Gパルスレーザ発振器10を発振させ続けるのは、パル
ス状レーザ光のエネルギー安定性確保のためである。す
なわち、ステージ12の移動の間、YAGパルスレーザ
発振器10の発振を停止させるようにすると、パルス状
レーザ光のエネルギーが変動してしまう。例えば、1〜
3Hzで発振周期が変動する場合には±15%、3Hz
の発振では±7%、20Hzの発振では±3%、100
Hzの発振では、±2%というように、単位面積当たり
の照射エネルギーが変動してしまうので、YAGパルス
レーザ発振器10は連続発振させておく方が好ましい。
これが、ダンパ25を使用する理由である。
ャナを使用することで複数個のセラミック板に連続して
パルス状レーザ光の照射を行うようにしているが、ガル
バノスキャナを使用せずに、ステージの移動のみでセラ
ミック板に順にパルス状レーザ光の照射を行うようにし
ても良い。また、ガルバノスキャナ13として一軸方向
のみのスキャン機能を持つものを使用しているが、2つ
のガルバノミラーを組合わせることでパルス状レーザ光
をX軸方向とこれに直角なY軸方向に振らせることので
きる2軸タイプのガルバノスキャナを用いることもでき
る。この場合、ステージ12上に配列されたセラミック
板11のある列から次の列への移動をガルバノスキャナ
で実現することができる。更に、歪みを与えるというの
は、セラミック板が凸あるいは凹となるように加工する
ということだけでなく、セラミック板に製造工程におい
て生じている凸あるいは凹の変形を修正するように加工
することをも意味する。
ザ発振器に限らず、YLFパルスレーザ発振器の他、前
に述べたQスイッチレーザ等を使用することもできる。
更に、マスクは、均一光学系18とガルバノスキャナ1
3との間に配置しても良く、この場合のマスクは1つの
通過穴を持つもので良い。
ば、セラミック板に照射するパルス状レーザ光のパルス
幅を1nsec〜0.4msecとすることにより、内
部に欠陥部分が存在しているようなセラミック板の場合
でも、割れを発生すること無く歪みを与えることができ
る。したがって、本発明によれば歩留まりの高いセラミ
ック材料の加工方法を提供することができる。
の構成を示した図である。
によるサンプルの内部に発生する応力についてシミュレ
ーション解析を行った結果を示した図である。
る場合のパルス幅に対する実際の加工結果を示した図で
ある。
Claims (5)
- 【請求項1】 レーザ発振器からのパルス状レーザ光を
ガルバノスキャナにより振らせてステージ上のセラミッ
ク板に照射して歪みを与える加工方法において、 前記ガルバノスキャナと前記ステージとの間に、前記パ
ルス状レーザ光の照射パターンを規定するためのマスク
と、該マスクで規定されたパターンを持つパルス状レー
ザ光を前記セラミック板上に結像させるための少なくと
も1つの結像レンズとが配置され、 前 記パルス状レーザ光のパルス幅を1nsec〜0.4
msecとすることにより、前記セラミック板の割れを
防止することを特徴とするレーザによるセラミック材料
の加工方法。 - 【請求項2】 請求項1記載のセラミック材料の加工方
法において、前記パルス状レーザ光は、前記セラミック
板において歪みを発生させるべき領域に1つの領域につ
き少なくとも1発照射されることを特徴とするレーザに
よるセラミック材料の加工方法。 - 【請求項3】 請求項1又は2に記載のセラミック材料
の加工方法において、前記セラミック板は、少なくとも
一軸方向に可動の前記ステージ上に複数個配列されてお
り、前記レーザ発振器からの前記パルス状レーザ光をガ
ルバノスキャナにより振らせて前記複数個のセラミック
板のそれぞれに照射することを特徴とするレーザによる
セラミック材料の加工方法。 - 【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載のセラミ
ック材料の加工方法において、前記ガルバノスキャナと
前記マスクとの間に、コリメーションレンズが配置され
ていることを特徴とするレーザによるセラミック材料の
加工方法。 - 【請求項5】 請求項1〜4のいずれかに記載のセラミ
ック材料の加工方法において、前記レーザ発振器と前記
ガルバノスキャナとの間に、前記パルス状レーザ光の断
面積におけるエネルギー強度を均一にするための均一光
学系が配置されていることを特徴とするレーザによるセ
ラミック材料の加工方法。
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JP34197999A JP3455903B2 (ja) | 1999-12-01 | 1999-12-01 | レーザによるセラミック材料の加工方法 |
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JP4925101B2 (ja) * | 2006-10-25 | 2012-04-25 | 住友重機械工業株式会社 | ビーム照射方法、及び、ビーム照射装置 |
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1999
- 1999-12-01 JP JP34197999A patent/JP3455903B2/ja not_active Expired - Fee Related
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