JP5744991B2 - フェムト秒レーザー加工機 - Google Patents

Description

本発明は照射焦点域を拡大するフェムト秒レーザー加工機並びにその加工方法に関する。

従来のレーザー光線を利用した加工は金属、木材等の切断、曲げ加工等多岐に亘り広範囲に活用されてきた。

特にそれらレーザー加工の主流としては、レーザー光線に対し炭酸ガスを噴射する所謂CO２レーザーが用いられ、その加工方法は、高精度仕上げが意図であることから一挙に各方面に拡がった。

しかし、此のCO２レーザーは、加工に必然的に高熱加工が伴い、被加工対照物に対し、素材の内部応力の変化や加熱溶解にての加工を主とする隘路や加工精度が更なる探究が課題である。

この状況下、米国に於いて開発され、従来のレーザー加工に出来ない発熱をともなわないレーザー加工方式の実用化として着目されたものがフェムト秒レーザーと称する超短パルスレーザーである。

而してフェムト秒レーザーの独得の特性は、種々の研究機関にて着目され実験が始まった。それ等のデーターはインターネットにても披見できる。当該レーザーの特性は、名称のごとく超短パルスレーザーであり、その特有の特性にともない超微細加工のできる事及び非熱加工の情報は、必然的に関係業者の注目となった。

特にフェムト秒レーザーは、照射時間の単位はフェムトであり、１００兆分の１秒であり、フェムト秒レーザーの照射焦点は、此の数字を基礎として作動している。

又、従前のレーザー加工方法と最大の相違点として、実験は中心波長８００ｎｍを基準とし、フェムト秒レーザーを使用した場合Sｉウェハ炭素クローム鋼の加工において金属表面の走査にて、凹凸高低差３００ｎｍで、秒間５０００本の凹凸構造の微細サイクルによる詳細が公開され、照射源は５ＫＨｚにての、話題の非熱加工の実験結果も公開されている。

対し、フェムト秒レーザーについては、種々の実施条件によるテスト結果が発表され注目のレーザーとして、精度上の微細加工が出来、しかも加工機に熱量の影響をおよぼさず、非熱として産業界に注目されることは当然の成り行きと言える。

しかし、超微細加工は、余りの微細により所望領域の所要域加工に大変な時間を要し、この加工所要時間が課題となってきた。超微細加工については現在此れに優るものはないが、一般加工業界においては、しかしフェムト精度単位の加工を要求する加工業界種別は微少である。

このフェムト秒レーザーの開発について得られた顕著なる特性は当然生かさるべきであり、１００兆分の１秒サイクルの加工の単位を考慮する時、加工ベースにおける採算性の問題に加工の時間がかかることは避けることのできぬ事由である。当該レーザーによる焦点径が１０マイクロメートルと言われ、超微細加工及び加工作業上の問題点を示している。

特開２００３−３３４６８３号公報 特開２００３−１９４７１９号公報 特開２００４−２１６４３０号公報 特開２００８−２９６２６９号公報 特開２００８−２００６９９号公報 特開２００９−１６０６２５号公報 特開２００９−５０９０４号公報 特開２００９−２８７６６号公報

前記のごとく１００兆分の１秒を基準とするフェムト秒レーザーは、様々な特記すべき特性をもつことが発表され、非熱加工、８００ｎｍの周波等々の顕著なる特性に、平面粗度加工秒間５０００本の凹凸加工痕跡との実験値における高密度性、非熱加工等、これ等の特性を生かし、汎用加工市場 の採算性を得ることが必要である。又、ナノメートルからマイクロメートルの微細基準対単位時間あたりの加工速度についての使用要求について、此の顕著なる特性を生かし、現在の汎用使用のＣＯ２レーザーの如き加工速度を上げる事及び使用の容易化が課題である。

フェムト秒レーザーによる照射によって、得られる焦点の直径は略々１０マイクロと言われており、１００ｍｍの長さを加工したい場合、１０マイクロ径にて加工長さ１００ｍｍを計算すれば、その所要加工時間は容易に算出できるが、長時間がかかる。この加工速度では、合理性はない。何故なれば此処で１０マイクロの連続照射焦点の長時間かけることが、汎用加工についての必須条件は加工ワークの厚み、深さｔの存在であり、省力化は望めない。

フェムト秒レーザーの単位時間あたり１０マイクロ直径の焦点の照射面積に比して、公知のフェムト秒レーザー加工と同時間あたりの加工量に対して照射加工域の拡大を計り、この拡大効果による照射焦点面積を同時間内にての照射完了において、一般加工業界の採算性に近づけたものである。

フェムト秒レーザーの照射焦点の単位時間当あたりの加工面積１焦点１０マイクロ径において、表面粗度の秒間５０００本凹凸を念頭に、前記同単位時間あたりに照射面積を拡大し、その拡大面積に対するワークの送り時間を体積相応の進行速度の算出により、一般加工採算性に近づける様にしたものである。よって顕著なる所定効果が得られた。

ここで前述のごとく、５ＫＨｚに於ける照射回数が５０００ショット／秒を用いた研究公開があり、本発明加工ショット数より考え、１ＫＨｚにおける実測について、１０００ショット／秒を得、この１０００ショット／秒を同一箇所の照射ではなく、照射範囲を拡大する事において、摺動テーブルの操作方法に重点を置き、前述採算性の解決を得たものである。即ちＫＨｚに合致する照射に焦点余白部を零化する目的に合致する照射範囲を求めた。以下照射焦点とは、焦点の光学的手段によるビーム光の結像であり、照射は焦点に至る前過程である事を示す。

上記目的を達成するために、本発明のフェムト秒レーザー加工機は、フェムト秒レーザー発振器から発振された光源ビームを、主光軸ビーム及び光路長が相互相違する複数の分岐ビームに分流すると共に、該主光軸ビーム及び分岐ビームを回帰集光させた統合ビームを、集光レンズに導くようにして、上記複数の分岐ビームの光路長の相違により照射時におけるタイムラグを発生させるフェムト秒レーザー加工機であって、上記集光レンズに上記統合ビームを導く直前に、照射密度の均一化をコントロールするためのシャッターを設け、上記集光レンズは、低屈折率のクラウンガラスレンズに高屈折率メニスカスレンズを貼り合わせた複合レンズから成る第１レンズと、焦点の拡散性の制御を行うシリンドリカルレンズから成る第２レンズと、を積層状に配置したレンズであり、上記統合ビームの光軸中心に対して上記集光レンズのレンズ中心位置を偏心させると共に、上記集光レンズを上記統合ビームの光軸中心周りに回転させ、さらに、加工対象となるワークを移動させて、該ワークを連続照射することにより、照射軌跡を該ワークの被加工平面に沿って水平移動させた水平スパイラル形状に形成させると共に、円弧状に照射焦点面積を拡大させるものである。
また、上記集光レンズのレンズ中心位置を、上記統合ビームの光軸中心に対して水平方向に移動させて偏心させるためのレンズ偏心位置アジャストを備え、上記レンズ偏心位置アジャストは、ナットと、該ナットに螺合するアジャスト螺子と、を備え、上記集光レンズが装着されるレンズ保持具に、上記ナットを固着し、上記統合ビームの光軸中心に回転軸心を合わせて回転可能であって上記レンズ保持具が設置された回転ベースに、上記アジャスト螺子を設けているものである。

本発明は、フェムト秒レーザーによる照射加工機において、フェムト秒レーザー発振器から出光の光源ビームを送光途上にて、主光軸ビーム及び各光路長相違の分岐ビームに分流後、該全ビームを統合ビームとして集光させ、受光ヘッド内のレンズを装着した保持具に導光し、前記統合ビームの光軸中心と回転ベースの回転軸心は同心円であり、統合ビームに対し受光ヘッドを偏心位置まで摺動させ固定させることによりレンズの中心は、統合ビーム光軸中心との対比において離間距離を発生維持し、かかる離間距離発生に回転ベースの回転作動が加わり、離間距離による円弧作成となり、それが照射面積の拡大となり、摺動テーブルを作動することにより加工対象のワークの照射形状がスパイラル形状に形成される加工において、照射は連続及び間隙照射することで焦点位置の結像部に単位時間あたりの照射面積に表面均一化を保った照射域拡大を作成することを特徴とするものである。

更に、本発明はフェムト秒レーザー発振器の光源ビームを、分岐器で分流した主光軸ビームを、光路長が相違する複数の分岐ビームに分流してのタイムラグの発生をさせることを一助とし、その分岐ビームを主光軸に回帰集光したビームを、統合ビームとして受光ヘッドに導くことにより、摺動テーブルを同時進行させ、前記構成手段による拡大域の照射密度の均一化をおこないスパイラル形状を作成することを特徴とするものである。

また、本発明は前記分岐器で分流した主光軸ビームの後で、且つ分岐ビームに分流する直前、又は、分岐ビームを集光器にて回帰集光し、受光ヘッドに導く直前に、照射密度の均一化をコントロールするためのシャッターを設けることにより、受光ヘッドに光路妨害又は連続及び間隙しての光路調整等照射できるようにしたことを特徴とするものである。

本発明は、受光ヘッドのレンズは、第１レンズと第２レンズを積層搭載一体化し、第１レンズは、極少に球面収差も押さえ、低屈折率のレンズに高屈折率レンズの貼り合せた複合レンズであり、第２レンズは焦点の拡散性の制御を行う特殊なシリンドリカルレンズとしたことを特徴とするものである。

本発明は照射拡大域作成において、受光ヘッドのレンズを装着した保持具を搭載した回転ベースの回転軸心と統合ビームの光軸中心を合致させた上、回転ベースの回転軸心より受光ヘッド内の保持具を離間移設する機構にて、保持具に導光する統合ビームにおいて、回転ベースの回転により円弧作成となる偏心により照射拡大位置を作成することを特徴とするものである。

本発明は、前記統合ビームの偏心、回転により作成された拡大照射域は、偏心量の可変、回転ベースの回転速度制御、此れ等に併用する被加工物の移動同時２軸自動制御を行う。進行速度可変制御の摺動テーブルを具備し、寸動による各作動の単一工程寸動テスト及び切替え自動制御機能を具備する事を特徴とするものである。

本発明は、前記の構成状況の基本となる３要素を集約すると、複数の分岐ビームは回帰光路により統合ビームとなり、此の光軸は集光、照射において照射時間のタイムラグを発生しつつ、前記照射焦点拡大域内の照射、焦点散布となる。これが本発明の第１要素である。集光された統合ビームの光軸中心と受光ヘッドとしての保持具を固着支持する回転ベースの回転軸心は同心円であり、此の同心円状態において保持具を回転ベースの中心の所定位置に移動離間させ、固着することが偏心量として離間距離になることにおいて、回転ベースの回転において、此の偏心位置は統合ビームの通光における照射焦点は円弧を作成する。此れが第２要素である。この離間による統合ビームよりの出光のビームは、図３（ｄ）のごとく回転によりレンズの屈折により、焦点軌跡を画く。これが照射焦点面積であり、通常のフェムト秒レーザーの照射軌跡と大なる焦点面積差となる。此れが第３要素であり、かかる第１、第２、第３要素に併合して移動テーブルの自在操作性が大きく作用することとなることを特徴とするものである。尚、光軸制御のシャッターも前記第１要素を強く補佐するものである事を特徴とするものである。

単位時間当りの照射領域を拡大でき、短時間で微細加工を実現できる。非熱処理の加工性によって、高精度な微細加工を実現できる。

受光ヘッドを示す斜視図。 （ａ） 偏心量を零として、照射の際の摺動テーブル作動による照射軌跡図 。（ｂ） 偏心の場合の照射回転付与の照射面積拡大域軌跡図。 保持具の偏心移動による統合ビームの照射軌跡各条件下図。（ａ） レンズ を装着する保持具の中心と統合ビーム光軸中心を合致させた時の照射軌跡図。（ｂ） 統合ビームは中心位置不動とし、保持具を統合ビームに対し右に移動偏心させた時 の照射軌跡図。（ｃ） 統合ビームは中心位置不動とし、保持具を統合ビームに対し 左に移動偏心させた時の照射軌跡図。（ｄ） 保持具を偏心移動させ回転ベースにて 回転させた時のレンズ屈折による統合ビームの円弧照射軌跡を示す図。 本発明によるフェムト秒レーザー加工機の全体構成を示す図。 受光ヘッド内のシリンドリカルレンズ形態及び特性を示す図。（ａ） シリ ンドリカルレンズの立体形成を示し、以下は拡大図。（ｂ） 当該レンズの基本形に ての焦点結像図。（ｃ） 受光ヘッド内の保持具のレンズ積層による照射焦点結像図 。（ｄ） 当該レンズの使用による（ｃ）の結像図。 （ａ） 回転ベース上の偏心位置に固着した保持具平面図。（ｂ） 図６（ ａ）Ａ―Ａ断面による偏心位置における保持具と回転ベースの関係図。

実施の照射源１ＫＨｚの基本形照射としてパルス巾１２０フェムト秒、中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数１ＫＨｚで１０００ショット／秒をベースとしたものを実施例としての操作形態として示す。１ＫＨｚ、１０００ショット／秒の設定は照射焦点軌跡における重複照射の無駄を排除すること及び省力化、操作性のためである。

以下本発明のフェムト秒レーザー加工機として単位時間あたりに働く照射面積の拡大、同一時間あたりの加工域の拡大により、一般加工業界の採算性を得ることを目的として設定した。

図４はフェムト秒レーザー加工機の全体構成である。フェムト秒レーザー発振器１９から出光された光源ビーム２１は、分岐器４７により主光軸ビーム１と計測監視用のビームに分岐され計測部２８に送られる。

図４に示す如く、主光軸ビーム１は、シャッター４５を通り、分岐器８で分岐ビーム２と分岐ビーム３に分流される。この分岐ビーム２，３の光路長は相違させる。この各分岐ビーム２，３は受光ヘッド５に光路長に応じた受光速度の相違時間をもって、本流と合流し回帰集光しタイムラグ発生しつつ、フェムト秒レーザーの周波形状のズレを利用し、照射密度の均一化を計りつつ、シャッター４６を通り統合ビーム４となり、保持具２４内の集光レンズ７（第１レンズ７１と第２レンズ７２）を通光する。

図１に示したようにレンズ７を装着した保持具２４は、レンズ偏心位置アジャスト２５により、統合ビーム４に対して偏心できる。レンズ７を偏心した状態では回転ベース９の回転軸心に対して、レンズ位置は離間した状態となる。回転ベース９の回転軸心を統合ビーム４の光軸中心２０１に合わせて、回転ベース９を回転させて円弧の回転照射を行ない、摺動テーブル４０の進行方向１４におけるワーク４１を移動させることで、図２の（ｂ）に示すようにスパイラル状にワーク４１を照射焦点軌跡ができる。

図２は本発明の照射面積域の拡大を示す。
（ａ）はレンズ７の統合ビーム４に対する偏心量が零で、統合ビーム４の光軸中心２０１と保持具２４の中心を一致させ、回転ベース９を回転させるか又は回転停止において、摺動テーブル４０を移動させた場合の照射焦点軌跡で、従来方式の照射軌跡になる。
（ｂ）はレンズ７の統合ビーム４に対して偏心させ、回転ベース９を回転させ、摺動テーブル４０を移動させたときの照射軌跡で、その照射軌跡はスパイラル状になる。レンズ７の統合ビーム４に対する偏心量はレンズ偏心位置アジャスト２５により調整する。偏心させた保持具２４による照射において摺動テーブル４０の進行速度１０６を落とすことにより照射焦点密度は焦点の重なり量が多くなる。此処により、ワーク４１の照射密度は、摺動テーブル４０の進行速度１０６によりコントロールされる。

図３は、保持具２４の偏心移動による統合ビーム４の照射軌跡を示す。
（ａ） レンズ７を装着する保持具２４のレンズ７の中心軸（中心位置）２０２と統合ビーム４の光軸中心２０１を合致させた時の照射軌跡。
（ｂ） 保持具２４を統合ビーム４に対し右に偏心移動させた時の照射軌跡。
（ｃ） 保持具２４を統合ビーム４に対し左に偏心移動させた時の照射軌跡。
（ｄ） 保持具２４を偏心させ回転ベース９にて回転させた時の保持具回転における円弧作成照射軌跡を示す。

レンズ７の統合ビーム４に対して偏心量が無く、回転ベース９の回転軸心と保持具２４の中心が一致する場合は、図３（ａ）のように照射軌跡は同心円となり、拡大域は作られない。従来のフェムト秒レーザーの操作と同じ焦点形状に超微細表面加工用が照射される。

統合ビーム４に対し、レンズ７を偏心させた場合は、図３（ｄ）のように、フェムト秒レーザーのワーク４１へはテーブル進行を加えると照射焦点はスパイラル状になる。図３の（ｄ）は、図３の（ｂ）と（ｃ）を合成した照射域となり、回転ベース９により夫々のレンズ位置での照射焦点の離間距離が照射面積拡大域の円弧半径２０３となり、図３（ｄ）のように偏心によって焦点位置１０４による円弧が画かれる。これが最大回転直径範囲２０８になる。回転ベース９の回転により、円弧状の照射となり照射焦点の領域が拡大される。

摺動テーブル４０のテーブル進行速度１０６は、ワーク材質、厚み等の材料形態の関係で定まり、フェムト秒レーザー加工機の時間当りのショット数の重複量の多い照射から重複量の無い分離状況照射等々に影響し、加工条件に合致する照射密度の適正化の調整を得るよう制御される。尚、照射密度とは焦点の集光性範囲を示すものである。

図１は本発明の受光ヘッド５の構成を示す。受光ヘッド５は、保持具２４、回転ベース９、レンズ偏心位置アジャスト２５等で構成される。回転ベース９上にはレンズ７が装着された保持具２４とレンズ偏心位置アジャスト２５を備える。

レンズ偏心位置アジャスト２５は統合ビーム４に対して、レンズ７の位置を偏心移動させる機能を有する。レンズ偏心位置アジャスト２５はレンズ７を装着した保持具２４を両側から支持し、統合ビーム４に対して偏心照射させるためにレンズ７の位置を図１の移動軌跡４９に示すように移動できる。

図５はシリンドリカルレンズを示す。
（ａ）はシリンドリカルレンズの外型の基本形状を示す。
（ｂ）は本来のシリンドリカルレンズにおける使用にて全面照射の状態を示し、照射焦点の結像が直線状に形成される軌跡を示す。
（ｃ）は本発明のシリンドリカルレンズ７２を使用した形状を示し、レンズ７１との照射の組み合わせ焦点形態である。シリンドリカルレンズ形態はこの場合、保持具の実装として円筒型（ａ’）が好ましい。
（ｄ）は図５の（ｃ）図の照射面積拡大域の図である。照射焦点が偏心の位置の如何を問わず、（ｃ）（ｄ）のような焦点結像を行い、正常な照射焦点形状を得ることができる。焦点の輪郭部は通常円弧状を画くが、保持具２４の偏心移動にともないフェムト秒レーザーの微細照射焦点による焦点の側傍がピンポイントのブレの如き状況を発生することがあり、これら焦点輪郭を補正する型を示したものである。

レンズ偏心位置アジャスト２５は、保持具２４の両側面にて支持固着するため、片側はアジャスト螺子２９でそれに螺入したナット２６ブロックを保持具２４に固着している。対称側は研磨加工されたシャフトで、その外周にガイドレールスライダーを用いて、そのスライダーをナット２６にて対称側に固着している。両軸の両端末は支持メタル２７で、回転ベース９に固着されることで回転ベース９とレンズ偏心位置アジャスト２５とレンズ７を装着した保持具２４は一体化する。その保持具２４を偏心、固定させ、回転ベース９を回転させることにより、統合ビーム４は偏心位置にある保持具２４を通光し、照射軌跡は円弧を作成する。円弧によって、照射面積拡大をすることができる。尚、アジャスト螺子２９に嵌合ナット２６は図示省略のロックナットがはめ込みされている。

レンズ７は第１レンズ７１と第２レンズ７２が積層搭載状に配置している。第１レンズ７１は低屈折率のクラウンガラスレンズと凹凸レンズの高屈折率メニスカスレンズを２枚貼り合わせた一体化レンズであり、光に対して収差を補正し、結像性能を向上させる優れたレンズ構成をもって微少の球面収差も押さえている。

第２レンズ７２としてシリンドリカルレンズを使用している。図５はシリンドリカルレンズである。シリンドリカルレンズとは、片面がフラットなカマボコ形状の異形レンズである。通常の円形レンズは、その焦点は「点」形状に結像するが、シリンドリカルレンズでは、フラット成形の反対面は全長一方向に同心円の弦状に成形されているので、円心、円弧全面照射の場合その焦点は全長にわたり図５（ｂ）のごとく直線状に結像し、レンズ７１の屈折変換と融合し、図５（ｃ）（ｄ）のごとく焦点の拡散性は極度に抑えられ鮮明な結像をする。この特性の全長にわたる直線状焦点を利用し、レンズ偏心位置の変更にともなう統合ビーム４の焦点位置の偏心量の不確定の固定位置の多様性における焦点の拡散を防ぎ補正し、焦点径の適正化を計り、鮮明な結像を得る。

図６（ａ）は回転ベース９上に保持具２４を偏心位置に固着した平面図である。回転ベース９の回転中心軸は統合ビーム４の光軸中心２０１と同心円であり、回転ベース９上に図示のごとく保持具２４を偏心固着することにより、レンズ７に当接する統合ビーム光軸の当接位置が変位する。回転ベース９の回転により、偏心位置の保持具２４のレンズセンターと回転ベース回転軸心、統合ビーム光軸中心２０１の円心の間に離間距離を発生させ、此の離間距離が回転ベース回転軸心の回転により円弧を作成する。

図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ部にて保持具２４の偏心位置を示した断面図であり、又、統合ビーム４及び回転ベース９との回転による焦点の変位を示している。即ち、統合ビーム４の光軸の対称レンズ保持具２４のセンターの当接位置が回転ベース９の回転により当接位置は変位する。この状況を偏心位置における照射の開始により焦点１０４が回転に伴い、焦点１０７に変位する、この変位量２０８が照射面積域の直径となり拡大なることを示す図６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

ワーク４１は摺動テーブル４０に搭載され、摺動テーブル４０はＸＹ軸作動し、前進自動送り、ピッチ制御、固定位置焦点等の同時２軸制御による円形作動も行なうことができる。

摺動テーブル４０の駆動速度、回転ベース９の回転速度等は、図示省略の速度制御無段変速モーターにより行われる。回転速度は本実施機における１０００ショット／秒がベースとなり算出されている。

上記の方法により、単位時間あたりのワーク４１の被照射焦点面積が拡大され、照射ショット数に加え、従来からの単照射と比して偏心量分の加工送り込みの速度を上げることができる。

回転ベース９においての回転速度の対ワーク４１の材質の適性条件には、回転に図示省略のモーターに、無段変速モーターを用い、所望加工回転速度が得られるよう制御できる。分岐光路差によるタイムラグに合わせ、シャッター４５，４６のウィンドウの適正によるビームの連続、間隙、妨害、照射拡大域における照射焦点の様態の均一化及び照射密度において、照射焦点の重複量と逆の空白部の発生不調の解決やシャッター制御も無段変速モーターのコントロールにより施工される。テーブル４０の前進速度の制御により省力化問題は解決する。照射部位の適正化の速度はコントロールパネル３３のスクリーンにて確認でき、条件の適正化をコントロールできる手段を具備している。適合条件の確保の最良手段の寸動加工操作は、確実なる各数値を求めることに必須の方策であり、寸動により得られる最良の数値は寸動ボタンを操作し、目的数値が得られれば、確認ボタンにて登録し、切換により自動制御処理が実現できる。又は、寸動より得た関係数値による加工面の面粗度も解決できる。それは回転ベース９の回転速度、テーブル４０の進行速度１０６による適合数値が保存され、自動制御の安定操作性の実現可能とした。拡大域内の照射焦点の均一性、照射密度情報が本機保有の記憶機能により達成されることを特徴とするフェムト秒レーザー加工機である。

本発明のフェムト秒レーザー加工機のコントロールシステムは、コントロールパネル３３によって表示操作制御される。統合ビーム４の連続照射、間隙照射の制御は、シャッター４６の回転によって行われ、回転途上において円形シャッター４６は平面部に設けられた切抜き窓状のウィンドウにて、統合ビーム４の通過、妨害により行われる。加工面の面粗度に分岐器８で分離した主光軸ビーム１の後で、且つビーム２、３に分流する前、又は、分岐ビーム２、３を集光器４８により回帰集光し、受光ヘッド５に導く前に、夫々シャッター４５，４６を設けることにより、受光ヘッド５に連続或は間隙して集光できるようにしている。照射面積拡大域作成の目的に応じ、２器のシャッター４５，４６のいずれか１方を停止する等のコントロールも行え、統合ビーム４のタイムラグ照射と共に、照射域の均一化を行う。計測部２８はパソコンにて構成され、データー計測制御部として用い、所望効果を確認できる。

コントロールボックス３４は主光軸ビーム１から分岐器４７により分岐されたビームを管理し、計測部２８に連携してフェムト秒レーザー加工機の全体の制御を行う。又、コントロールパネル３３は、前記加工処理方法に関連する操作系統ソフトを内蔵保持し、コントロールパネル３３の押しボタン関連の制御、寸動加工制御等々のソフトを保有するものである。記憶機能を内蔵し、電源元をつかさどる。尚、寸動とは単一作業のみの加工手順のことであり、寸動テストの確認後切換ボタンの操作により自動化となる。

コントロールパネル３３スクリーンには、回転ベース９の始動表示、各モーターの始動回転及び速度の表示、偏心確認位置表示等々、必要可動とするアイテムが表示され、押しボタン位置を手動にて操作し、表示部の必要アイテムを指示名に合わせ、手動回転にて決定する。回転中央の押しボタンをプッシュする事により作動し、寸動作動が行える。この場合電源通電は表示スクリーンに電気的諸元とも表示されている。電源及び非常停止ボタンは独立させてある。又、表示スクリーンにおける不要データーを抹消し、使用会社に必要適合データーのみに集約する機能を保持させている。

また、フェムト秒レーザーによる照射加工機において、フェムト秒レーザー発振器１９から発振された光源ビーム２１を主光軸ビーム１及び光路長が相互相違する複数の分岐ビーム２，３に分流すると共に、該主光軸ビーム１及び分岐ビーム２，３を回帰集光させた統合ビーム４を、集光レンズ７を備えた受光ヘッド５に導き、更に回転ベース９上に設置した前記受光ヘッド５のレンズ保持具２４は、回転ベース９の回転軸心に対して移動偏心させた状態において、該回転ベース９を統合ビーム４の光軸中心２０１に合わせて同心円状に回転させながら、前記統合ビーム４の光軸中心２０１に対し摺動テーブル４０を、円軌道を可とする進行において（円軌道上において）、Ｘ軸Ｙ軸の同時２軸制御による移動に、加工対象となるワーク４１を連続照射することにより照射をスパイラル形状に形成させて円弧状に照射焦点面積を拡大することを特徴とする。
また、前記、照射面積拡大により、照射面積拡大域の表面の粗度は複数の分岐ビーム２，３の光路長の相違により照射時におけるタイムラグの発生をさせ、摺動テーブル４０の同時進行にての照射において、前記スパイラル形状焦点軌跡による照射面積拡大の照射密度の均一化を成し得ることを特徴とし、表面粗度の所望密度が得られる。
また、前記主光軸ビーム１を主流とし、複数の分岐ビーム２，３に作成し、回帰集光後、該光路差にて照射時間差によるタイムラグを計り、前記照射面積拡大域の表面粗度の照射密度の均一化をコントロールするために、光路妨害シャッター４５，４６を構設し、偏心による照射焦点の移動にての焦点軌跡の重なり量の制御を行い、連続又は間隙の光軸調整を制御する機能を有してなることを特徴とする効果をもつものである。複数のシャッター４５，４６を用いることで、偏心による照射焦点の移動による焦点重なり量発生の制御及び照射密度の従来からの手法による微細加工のためのビームのレンズ通過にての制御コントロールをすることができる。
また、前記構成の受光ヘッド５内のレンズ７は第１レンズ７１と第２レンズ７２を積層状搭載により一体化し、第１レンズ７１は極微の球面収差も押さえ、低屈折率レンズに高屈折率レンズを貼り合せた複合レンズであり、第２レンズ７２は焦点の拡散性の制御を行う特殊レンズシリンドリカルレンズとしたことにより焦点輪郭の形成の確立化を得ることを特徴とする効果を有するものである。
また、照射面積拡大域作成において、受光ヘッド５のレンズ７を装着した保持具２４を搭載した回転ベース９の回転軸心と統合ビーム４の光軸中心２０１を合致させた上、回転ベース９の回転軸心より受光ヘッド５の保持具２４を離間移設する機構にて、レンズ保持具２４に導光する統合ビーム４において、回転ベース９の回転によりレンズ通光のビームの屈折照射にて円弧作成となり、尚、偏心量により照射面積拡大域の調整をすること及び回転を止めることにおいて、従来からの加工方法と同一の超微細加工をなし得ることを特徴とする効果をもつものである。
また、前記統合ビーム４の偏心、回転により作成された拡大照射域は、偏心量の可変、回転ベースの回転速度制御、これ等に併用する被加工物の移動同時２軸自動制御を行う進行速度可変制御の摺動テーブル４０を具備し、寸動による各作動の単一工程寸動テストを行い。適正数値の確保、記憶機能及び切替え自動制御機能を具備することを特徴とする。

以上のように、本発明のフェムト秒レーザー加工機は、フェムト秒レーザー発振器１９から発振された光源ビーム２１を、主光軸ビーム１及び光路長が相互相違する複数の分岐ビーム２，３に分流すると共に、該主光軸ビーム１及び分岐ビーム２，３を回帰集光させた統合ビーム４を、集光レンズ７に導くようにして、上記複数の分岐ビーム２，３の光路長の相違により照射時におけるタイムラグを発生させ、統合ビーム４の光軸中心２０１に対して集光レンズ７のレンズ中心位置２０２を偏心させると共に、集光レンズ７を統合ビーム４の光軸中心２０１周りに回転させ、さらに、加工対象となるワーク４１を移動させて、ワーク４１を連続照射することにより、照射軌跡をワーク４１の被加工平面に沿って水平移動させた水平スパイラル形状に形成させると共に、円弧状に照射焦点面積を拡大させるので、単位時間当りの照射領域を拡大でき、短時間で微細加工を実現できる。非熱処理の加工性によって、高精度な微細加工を実現できる。

また、集光レンズ７のレンズ中心位置２０２を、統合ビーム４の光軸中心２０１に対して水平方向に移動させて偏心させるためのレンズ偏心位置アジャスト２５を備え、レンズ偏心位置アジャスト２５は、ナット２６と、ナット２６に螺合するアジャスト螺子２９と、を備え、集光レンズ７が装着されるレンズ保持具２４に、ナット２６を固着し、統合ビーム４の光軸中心２０１に回転軸心を合わせて回転可能であって上記レンズ保持具２４が設置された回転ベース９に、アジャスト螺子２９を設けているので、照射焦点面積を拡大するための集光レンズ７の偏心量を容易かつ高精度に調整できる。

単位時間当りの照射域の拡大化により、短時間においてのフェムト秒レーザーの特徴を具備した加工が行われ、超短パルスレーザーとしても、照射焦点加工部の微細化加工もでき、汎用化として市場のマイクロメートルからナノメートルの表面粗度の加工性が実施でき、汎用実用化に近づき非熱処理の加工性を持つ事による加工素材の内部応力を損耗することもなく、実質汎用レーザー化に一歩踏み込んだ効果を得ることができる。１ショット１０マイクロ径と称される成果における利用方法であり、今後、マイクロ及ナノの領域の加工において、各方面の急激なる利用が期待でき、汎用機への移行によりＩＣ産業、金属加工業界、樹脂業界、木工業界とその省力化機能により工業界域は広げることができる。

１ 主光軸ビーム
２ 分岐ビーム
３ 分岐ビーム
４ 統合ビーム
５ 受光ヘッド
６ 偏心ビームライン
７ レンズ
７１ 第１レンズ
７２ 第２レンズ
８ 分岐器
９ 回転ベース
１０ 分岐．ビーム照射光
１１ 偏心
１３ 焦点
１４ 摺動テーブル進行方向
１８ フェムト秒レーザー発振アッセンブリ
１９ フェムト秒レーザー発振器
２０ 励起レーザー
２１ 光源ビーム
２３ １０１、１０２受光回転
２４ 保持具
２５ レンズ偏心位置アジャスト
２６ ナット
２７ 支持メタル
２８ 計測部
２９ アジャスト螺子
３０ ストレッチャー
３１ コンプレッサー
３２ 回転ベルト
３３ コントロールパネル
３４ コントロールボックス
３９ 反射ミラー
４０ 摺動テーブル
４１ ワーク
４２ 増幅システム
４３ 本機取付金具
４４ テーブルスピード軌跡
４５ シャッター
４６ シャッター
４７ 分岐器
４８ 集光器
４９ 移動軌跡
５０ 直線型焦点
５１ 照射線
５２ 側傍補正
１０１ 第１ビーム焦点
１０２ 第２ビーム焦点
１０３ 第３ビーム焦点
１０４ 偏心による焦点位置
１０６ テーブル進行速度
１０７ 回転による焦点軌跡
１０８ シリンドリカルレンズ焦点幅
１０９ 偏心による焦点軌跡
２００ ショット中心軌跡
２０１ ビーム光軸中心
２０２ レンズ中心位置
２０３ 偏心巾（半径）
２０８ 最大回転直径範囲
２０９ ショット軌跡径
２１０ 秒間１０００ショット軌跡

Claims (2)

1. フェムト秒レーザー発振器（１９）から発振された光源ビーム（２１）を、主光軸ビーム（１）及び光路長が相互相違する複数の分岐ビーム（２）（３）に分流すると共に、該主光軸ビーム（１）及び分岐ビーム（２）（３）を回帰集光させた統合ビーム（４）を、集光レンズ（７）に導くようにして、上記複数の分岐ビーム（２）（３）の光路長の相違により照射時におけるタイムラグを発生させるフェムト秒レーザー加工機であって、
   上記集光レンズ（７）に上記統合ビーム（４）を導く直前に、照射密度の均一化をコントロールするためのシャッター（46）を設け、
   上記集光レンズ（７）は、低屈折率のクラウンガラスレンズに高屈折率メニスカスレンズを貼り合わせた複合レンズから成る第１レンズ（７１）と、焦点の拡散性の制御を行うシリンドリカルレンズから成る第２レンズ（７２）と、を積層状に配置したレンズであり、
   上記統合ビーム（４）の光軸中心（２０１）に対して上記集光レンズ（７）のレンズ中心位置（２０２）を偏心させると共に、上記集光レンズ（７）を上記統合ビーム（４）の光軸中心（２０１）周りに回転させ、さらに、加工対象となるワーク（４１）を移動させて、該ワーク（４１）を連続照射することにより、照射軌跡を該ワーク（４１）の被加工平面に沿って水平移動させた水平スパイラル形状に形成させると共に、円弧状に照射焦点面積を拡大させることを特徴とするフェムト秒レーザー加工機。
2. 上記集光レンズ（７）のレンズ中心位置（２０２）を、上記統合ビーム（４）の光軸中心（２０１）に対して水平方向に移動させて偏心させるためのレンズ偏心位置アジャスト（２５）を備え、
   上記レンズ偏心位置アジャスト（２５）は、ナット（２６）と、該ナット（２６）に螺合するアジャスト螺子（２９）と、を備え、
   上記集光レンズ（７）が装着されるレンズ保持具（２４）に、上記ナット（２６）を固着し、
   上記統合ビーム（４）の光軸中心（２０１）に回転軸心を合わせて回転可能であって上記レンズ保持具（２４）が設置された回転ベース（９）に、上記アジャスト螺子（２９）を設けている請求項１記載のフェムト秒レーザー加工機。

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