JP6385622B1 - レーザ加工方法およびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

レーザ加工方法は、第１のレーザビームであるレーザビーム（Ｌ１）をパルス発振する第１のレーザ発振器であるレーザ発振器（２）と、第１のレーザビームとは波長またはパルス幅が異なる第２のレーザビームであるレーザビーム（Ｌ２）をパルス発振する第２のレーザ発振器であるレーザ発振器（３）とを備えるレーザ加工装置（１）のレーザ加工方法である。レーザ加工方法において、第１のレーザビームと第２のレーザビームとを交互にワーク（１５）に照射する。

Description

本発明は、レーザビームの照射により被加工物を加工するレーザ加工方法およびレーザ加工装置に関する。

レーザビームの照射による被加工物の加工では、被加工物に残される熱影響層ができるだけ少なくなるような高い加工品質を実現できることが望まれている。

特許文献１には、波長域が互いに異なる２つのレーザビームを照射して被加工物を加工するレーザ加工装置の技術が開示されている。特許文献１のレーザ加工装置は、焦点距離を互いに異ならせた短波長のレーザビームと長波長のレーザビームとを被加工物へ照射する。特許文献１には、予熱のための短波長のレーザビームのスポットの中心に長波長のレーザビームの焦点を合わせる第１の手法と、加工のための短波長のレーザビームの焦点を中心とする領域に、溶融した被加工物の温度を上昇させるための長波長のレーザビームのスポットを形成する第２の手法とが示されている。特許文献２には、互いに異なるビーム形状のレーザビームを被加工物にて重畳して照射するレーザ加工装置の技術が提案されている。

特開２０１５−４４２３８号公報 特開２０１３−１７６８００号公報

特許文献１および特許文献２の技術では、被加工物の材料によっては熱影響層が増大し、高い加工品質を得ることが困難となる場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高品質な加工を可能とするレーザ加工方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるレーザ加工方法は、第１のレーザビームをパルス発振する第１のレーザ発振器と、第１のレーザビームとは波長またはパルス幅が異なる第２のレーザビームをパルス発振する第２のレーザ発振器とを備えるレーザ加工装置が第１のレーザビームと第２のレーザビームとの照射により被加工物を加工するレーザ加工方法である。レーザ加工方法は、ビームの中心に比べて周縁の強度が高い円環状の強度分布を有する第１のレーザビームの照射により、強度分布の照射位置に対応する被加工物の円環状の領域である第１領域を加工する工程と、第１のレーザビームが照射された後の第２のレーザビームの照射により、第１領域よりも円環の中心側の領域である第２領域を加工する工程と、を含み、第１のレーザビームと第２のレーザビームとを交互に被加工物に照射する。

本発明にかかるレーザ加工方法は、高品質な加工が可能となるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 図１に示すワークにおけるレーザビームＬ１の強度分布の例を示す図 図１に示すワークにおけるレーザビームＬ２の強度分布の例を示す図 図１に示すビーム整形器の一例を示す斜視図 図４に示すビーム整形器の上面図 図１に示すワークへ長波長のレーザビームを照射した場合に生じる熱影響層を示す断面図 図１に示すワークへ短波長のレーザビームを照射した場合に生じる熱影響層を示す断面図 図１に示すレーザ加工装置による加工の様子を示す第１の図 図８に示すIX−IX線におけるワークの断面図 図８に示すX−X線におけるワークの断面図 図１に示すレーザ加工装置による加工の様子を示す第２の図 図１に示すレーザ加工装置によるレーザビームＬ１，Ｌ２の出力について説明する図 図１に示すレーザ加工装置によるレーザビームＬ１の出力の変形例を示す図 実施の形態１にかかるレーザ加工方法の手順を示すフローチャート 図１に示す制御器のハードウェア構成の例を示すブロック図 本発明の実施の形態２にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 図１６に示すレーザ加工装置による加工の様子を示す第１の図 図１７に示すXVIII−XVIII線におけるワークの断面図 図１７に示すXIX−XIX線におけるワークの断面図 図１６に示すレーザ加工装置による加工の様子を示す第２の図 図１６に示すレーザ加工装置によるレーザビームＬ３，Ｌ４の出力について説明する図 図１に示すレーザ加工装置によるレーザビームＬ３の出力の変形例を示す図 図１に示すレーザ加工装置によるレーザビームＬ４の出力の変形例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置１の構成を示す図である。レーザ加工装置１は、レーザビームの照射により、被加工物であるワーク１５を加工する。図１において、Ｘ軸とＹ軸とは、水平方向に平行、かつ互いに垂直な２軸とする。Ｚ軸は、鉛直方向に平行、かつＸ軸とＹ軸とに垂直な軸とする。ワーク１５は、ステージ１３にて、Ｘ軸とＹ軸とに平行な面に載置される。なお、Ｘ軸方向のうち、図中矢印で示す方向をプラスＸ方向、矢印で示した方向とは逆の方向をマイナスＸ方向と称することがある。また、Ｚ軸方向のうち、図中矢印で示す方向をプラスＺ方向、矢印で示した方向とは逆の方向をマイナスＺ方向と称することがある。プラスＺ方向は、鉛直上方向である。マイナスＺ方向は、鉛直下方向である。

レーザ加工装置１は、第１のレーザ発振器であるレーザ発振器２と、第２のレーザ発振器であるレーザ発振器３とを備える。レーザ発振器２は、第１のレーザビームをパルス発振する。レーザ発振器３は、第１のレーザビームとは波長が異なる第２のレーザビームをパルス発振する。第１のレーザビームであるレーザビームＬ１は、第１の波長のパルスレーザである。第２のレーザビームであるレーザビームＬ２は、第２の波長のパルスレーザである。第２の波長は、第１の波長より長い。なお、実施の形態１にて、レーザビームＬ１のパルス幅とレーザビームＬ２のパルス幅とは同じである。

ビーム整形器４は、ワーク１５に照射されるレーザビームＬ１のビーム形状を、ビームの中心に比べて周縁の強度が高い円環状のビーム形状に整形する。レーザビームＬ１は、ワーク１５にて、ビームの中心に比べて周縁の強度が高い円環状のビーム形状を有する。ビーム整形器５は、ワーク１５に照射されるレーザビームＬ２のビーム形状を、ビームの中心にて強度が極大値となる円状のビーム形状に整形する。レーザビームＬ２は、ワーク１５にて、ビームの中心にて強度が極大値となる円状のビーム形状を有する。

レーザ発振器２，３は、固体レーザ、半導体レーザ、ファイバーレーザ、ＣＯ_２レーザ、あるいはＣＯレーザである。第１の波長および第２の波長の例は、１０．６μｍ、９．３μｍ、５μｍ、１．０６μｍ、１．０３μｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍおよび２６６ｎｍであって、第１の波長が第２の波長より短くなるように、第１の波長および第２の波長は設定される。

ミラー６は、ビーム整形器４からのレーザビームＬ１の光路に配置されている。ミラー６は、レーザビームＬ１を反射して、ダイクロイックミラー７へレーザビームＬ１を進行させる。ダイクロイックミラー７は、ミラー６からのレーザビームＬ１の光路と、ビーム整形器５からのレーザビームＬ２の光路との交点に配置されている。

ダイクロイックミラー７は、第１の波長の光を反射し、第２の波長の光を透過させる波長特性を持つ。ダイクロイックミラー７は、レーザビームＬ１を反射し、かつレーザビームＬ２を透過させることで、レーザビームＬ１の進行方向とレーザビームＬ２の進行方向とを一致させる。なお、ダイクロイックミラー７は、レーザビームＬ２を反射し、かつレーザビームＬ１を透過させるものであっても良い。

ミラー８は、ダイクロイックミラー７からのレーザビームＬ１，Ｌ２を反射して、加工ヘッド１０へレーザビームＬ１，Ｌ２を進行させる。ガルバノスキャナ１１，１２は、加工ヘッド１０に収容されている。

ガルバノスキャナ１１は、ワーク１５に照射されるレーザビームＬ１，Ｌ２をＹ軸方向に偏向させる。ガルバノスキャナ１１は、レーザビームＬ１，Ｌ２を反射する反射面の回転により、ワーク１５上におけるレーザビームＬ１，Ｌ２の入射位置を、Ｙ軸方向において変位させる。ガルバノスキャナ１２は、ワーク１５の照射されるレーザビームＬ１，Ｌ２をＸ軸方向に偏向させる。ガルバノスキャナ１２は、ガルバノスキャナ１１からのレーザビームＬ１，Ｌ２を反射する反射面の回転により、ワーク１５上におけるレーザビームＬ１，Ｌ２の入射位置を、Ｘ軸方向において変位させる。ガルバノスキャナ１１，１２は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とへレーザビームＬ１，Ｌ２を変位させる。

集光光学系９は、加工ヘッド１０に設けられている。集光光学系９は、レーザビームＬ１，Ｌ２を収束する。集光光学系９は、１つあるいは複数の集光レンズを備える。集光光学系９は、レーザビームＬ１，Ｌ２の集光位置を、集光光学系９の焦点距離ｆにガルバノスキャナ１１，１２の偏向角θを掛け合せたｆθの位置とするｆθレンズであっても良い。集光光学系９の入射瞳の位置は、ガルバノスキャナ１１とガルバノスキャナ１２との中間位置に設定されている。

レーザ加工装置１は、ガルバノスキャナ１１，１２のうちの一方のみを備えるものであっても良い。また、レーザ加工装置１は、ガルバノスキャナ１１，１２以外の構成部品を用いて、レーザビームＬ１，Ｌ２を偏向させても良い。レーザ加工装置１は、ガルバノスキャナ１１，１２に代えて、音響光学効果を利用して光を偏向させる音響光学偏向器（Acousto-Optic Deflector，ＡＯＤ）、あるいは電気光学効果を利用して光を偏向させる電気光学偏向器（Electro-Optic Deflector，ＥＯＤ）を備えていても良い。

加工ヘッド１０は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに移動可能とされている。加工ヘッド１０は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とのうちの一方のみへ移動可能とされていても良い。

制御器１４は、レーザ加工装置１の全体を制御する。制御器１４は、レーザ発振器２，３のレーザ発振と、加工ヘッド１０の駆動と、ガルバノスキャナ１１，１２の駆動とを制御する。制御器１４は、レーザ発振器２とレーザ発振器３との制御により、レーザビームＬ１とレーザビームＬ２とを１パルスごとに交互にワーク１５に照射させる。

ワーク１５の例は、炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastics，ＣＦＲＰ）、ガラス繊維強化プラスチック（Glass Fiber Reinforced Plastics，ＧＦＲＰ）およびアラミド繊維強化プラスチック（Aramid Fiber Reinforced Plastics，ＡＦＲＰ）といった複合材料、半導体薄膜、およびガラス材料である。１つの例では、レーザ加工装置１は、レーザビームＬ１，Ｌ２の照射によりワーク１５を切断する加工を行う。

レーザ加工装置１は、ワーク１５のプラスＺ方向側の面へレーザビームＬ１，Ｌ２を照射する。レーザ加工装置１は、レーザビームＬ１とレーザビームＬ２とを、同一の光軸上にてワーク１５に照射する。同一の光軸上とは、ワーク１５に照射するレーザビームＬ１の中心とレーザビームＬ２の中心とを一致させることを指すものとする。レーザ加工装置１は、レーザビームＬ１，Ｌ２を交互に照射しながらワーク１５にてレーザビームＬ１，Ｌ２を走査させることにより、ワーク１５を切断する。レーザ加工装置１は、ワーク１５の同一ライン上にてレーザビームＬ１，Ｌ２を繰り返し走査させて、当該ライン上の各位置へレーザビームＬ１，Ｌ２を複数回照射しても良い。この場合、レーザビームＬ１，Ｌ２の照射を繰り返して、ワーク１５のマイナスＺ方向側の面にまで加工点を到達させることにより、レーザ加工装置１は、当該ラインに沿ってワーク１５を切断する。

なお、レーザ加工装置１は、切断以外に、溝を形成する溝加工、あるいは穴を形成する穴加工を行うものであっても良い。ワーク１５の材料は、レーザビームＬ１，Ｌ２の複数回の照射による加工が行われるものであれば良く、上述する材料に限られない。ステージ１３は、Ｘ軸とＹ軸とに平行な方向において移動可能であっても良い。レーザ加工装置１は、加工ヘッド１０とステージ１３との一方あるいは双方を移動させるとともに、ガルバノスキャナ１１，１２による走査により、ワーク１５上におけるレーザビームＬ１，Ｌ２の入射位置を変位させる。

図２は、図１に示すワーク１５におけるレーザビームＬ１の強度分布の例を示す図である。図２に示す曲線は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向におけるレーザビームＬ１の中心Ｏからの距離と、レーザビームＬ１の強度との関係を表したグラフである。

レーザビームＬ１の強度は、中心Ｏからある一定の距離Ｄの位置にて極大値となる。また、レーザビームＬ１の強度は、距離Ｄの位置から中心Ｏへ向かうにしたがって低下する。中心ＯにおけるレーザビームＬ１の強度はゼロとなる。ワーク１５上におけるレーザビームＬ１のＸＹ断面において、強度が高い部分は、レーザビームＬ１の周縁に沿って円環状に表れる。

なお、中心ＯにおけるレーザビームＬ１の強度はゼロである場合に限られない。中心ＯにおけるレーザビームＬ１の強度は、ワーク１５の加工閾値未満の強度であれば良い。さらに、極大値にて十分な強度を得られる場合には、中心ＯにおけるレーザビームＬ１の強度は、ワーク１５の加工閾値以上の強度であっても良い。

図３は、図１に示すワーク１５におけるレーザビームＬ２の強度分布の例を示す図である。レーザビームＬ２の強度分布は、レーザビームＬ２の中心Ｏからある一定の距離の範囲にて強度が極大値かつ一定となるフラットトップ形状の強度分布である。レーザビームＬ２は、スーパーガウス分布に近似可能な強度分布を持つスーパーガウシアンビームとする。ワーク１５上におけるレーザビームＬ２のＸＹ断面において、強度が高い部分は、中心Ｏを中心とする円状に表れる。

なお、レーザビームＬ２は、正規分布に近似可能な強度分布を持つガウシアンビームであっても良い。この場合、レーザビームＬ２の中心Ｏにて強度は極大値となり、中心Ｏから離れるにしたがって強度は低下する。ワーク１５上におけるレーザビームＬ２のＸＹ断面において、強度が高い部分は、中心Ｏを中心とする円状に表れる。

図４は、図１に示すビーム整形器４の一例を示す斜視図である。図５は、図４に示すビーム整形器４の上面図である。ビーム整形器４は、レーザ発振器２からのレーザの主光線に平行な方向への厚みを互いに異ならせた複数の透過領域１６を備える光学素子である。各透過領域１６は、螺旋階段状の段差をなしている。ビーム整形器４は、互いに厚みが異なる透過領域１６を透過した光成分同士において位相差を生じさせることにより、レーザ発振器２からのレーザの位相を変換させる。かかる位相変換により、ビーム整形器４は、レーザ発振器２からのレーザビームＬ１を、円環状の強度分布を持つレーザビームＬ１へ変換する。

ビーム整形器４は、複数のアキシコンレンズであっても良い。複数のアキシコンレンズは、レーザ発振器２からのレーザの光路において分散させて配置されたものであっても良い。ビーム整形器４は、アキシコンレンズ以外の非球面レンズを含むものであっても良い。なお、レーザ加工装置１は、レーザ発振器２とビーム整形器４とに代えて、高次の円環状のビームモードのレーザビームＬ１を出力可能なレーザ発振器を備えていても良い。

また、図１に示すビーム整形器５の１つの例は、非球面レンズである。レーザ加工装置１は、レーザ発振器３とビーム整形器５とに代えて、高次の円状のビームモードのレーザビームＬ２を出力可能なレーザ発振器を備えていても良い。

ここで、長波長のレーザビームを照射したときと短波長のレーザビームを照射したときとにおけるワーク１５の加工の様子の違いについて説明する。図６は、図１に示すワーク１５へ長波長のレーザビームを照射した場合に生じる熱影響層１７を示す断面図である。図７は、図１に示すワーク１５へ短波長のレーザビームを照射した場合に生じる熱影響層１７を示す断面図である。

通常、長波長のレーザビームは、短波長のレーザビームと比べて高出力であることから、長波長のレーザビームは、短波長のレーザビームと比べて、被加工物において深い位置に到達することができる。仮に、長波長のレーザビームのみによる加工を行った場合、レーザ加工装置１は、加工の進行を速めることができ、高速な加工が可能となる。その一方で、長波長のレーザビームによる加工では、レーザビームが深い位置にまで到達することで、熱影響層１７の厚さが増大することとなる。

熱影響層１７は、レーザ加工による加工品のうち、熱的影響により元の状態から変化が生じた部分である。ワーク１５の材料が繊維強化プラスチックである場合、熱影響層１７では、プラスチック成分が除去される一方、繊維成分が残される。このような熱影響層１７が加工品の強度の低下、外観の悪化の要因となるため、熱影響層１７が加工品に多く残存するほど、加工品の品質を低下させることとなる。

また、短波長のレーザビームは、長波長のレーザビームと比べて低出力であって、エネルギーの浸透によって生じる熱影響層１７を少なくすることができる。仮に、短波長のレーザビームのみによる加工を行った場合、レーザ加工装置１は、高品質な加工を行うことができる。その一方で、短波長のレーザビームによる加工では、加工に長い時間を要することとなり、ワーク１５の加工の開始から完了までの時間が大幅に延びることがある。レーザ加工では、被加工物の効率的な加工と、高品質な加工とを両立できることが望まれている。

次に、実施の形態１にかかるレーザ加工方法による加工の手順について説明する。図８は、図１に示すレーザ加工装置１による加工の様子を示す第１の図である。図８には、プラスＸ方向へ切断を進行させている最中におけるワーク１５へのレーザビームＬ１，Ｌ２の照射の様子を示している。ワーク１５のうち加工が施された部分には、切断面１８が形成されている。レーザ加工装置１は、レーザビームＬ１の中心ＯとレーザビームＬ２の中心Ｏとを一致させて、レーザビームＬ１とレーザビームＬ２とを加工領域２０へ順次進行させる。なお、レーザ加工装置１は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向における任意の方向へ切断を進行させることができる。

図９は、図８に示すIX−IX線におけるワーク１５の断面図である。レーザ加工装置１は、加工領域２０の中心位置Ｃに中心Ｏを合わせてレーザビームＬ１を照射することにより、加工領域２０の外縁部分を円環状に加工する。加工領域２０の外縁部分には、深さｄ１の加工溝２１が形成される。加工溝２１は、ＸＹ平面にて円環形状をなす。

中心ＯにおけるレーザビームＬ１の強度をゼロあるいは加工閾値未満とすることで、加工領域２０の中心位置Ｃ付近には加工が施されない。なお、中心位置Ｃにおけるワーク１５の表面より深く掘り下げられた形状の加工溝２１を形成可能であれば、中心ＯにおけるレーザビームＬ１の強度は、ワーク１５の加工閾値以上の強度であっても良い。

図１０は、図８に示すX−X線におけるワーク１５の断面図である。レーザ加工装置１は、レーザビームＬ１の照射に続いて、加工領域２０へレーザビームＬ２を照射することにより、加工領域２０のうち外縁部分により囲われた部分を円状に加工する。外縁部分により囲われた部分には、深さｄ２の加工溝２２が形成される。加工溝２２は、レーザビームＬ１による加工溝２１の外縁より中心位置Ｃ側の部分に形成される。

ワーク１５のうち、Ｘ軸方向およびＹ軸方向における加工溝２１の外側の部分は、加工品において残される部分となる。レーザ加工装置１は、短波長のレーザビームＬ１の照射によって加工溝２１を形成することで、加工品において残される部分の熱影響層１７を少なくすることができる。

また、レーザ加工装置１は、レーザビームＬ２の照射より先に加工溝２１を形成しておくことで、レーザビームＬ２による除去の対象とする部分を、加工品において残される部分から分離させる。長波長のレーザビームＬ２の照射によって生じる熱影響層１７は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向において、加工溝２１の外縁より中心位置Ｃ側の範囲に収められる。これにより、レーザ加工装置１は、加工領域２０からＸ軸方向およびＹ軸方向への熱影響層１７の拡がりを低減可能とし、加工品に残される熱影響層１７を少なくすることができる。

さらに、レーザ加工装置１は、長波長のレーザビームＬ２による加工を含めたことで、短波長のレーザビームのみによる加工を行う場合と比較して、加工に要する時間を短縮できる。これにより、レーザ加工装置１は、ワーク１５を効率的に加工することができる。

レーザビームＬ２の１回の照射により形成される加工溝２２の深さｄ２は、レーザビームＬ１の１回の照射により形成される加工溝２１の深さｄ１と同じである。レーザビームＬ２の照射による熱影響層１７の拡がりが加工溝２１において遮られることにより、レーザ加工装置１は、熱影響層１７の拡がりを抑制することができる。なお、レーザビームＬ１の１回の照射による加工溝２１の深さｄ１と、レーザビームＬ２の１回の照射による加工溝２２の深さｄ２とは、同じである場合に限られず、加工溝２１の深さｄ１が加工溝２２の深さｄ２より深くなることがあっても良い。この場合も、レーザ加工装置１は、レーザビームＬ２の照射による熱影響層１７の拡がりを抑制することができる。

図１１は、図１に示すレーザ加工装置１による加工の様子を示す第２の図である。レーザ加工装置１は、加工ヘッド１０の駆動により、加工が施された部分からプラスＸ方向へ、レーザビームＬ１，Ｌ２を照射させる位置を移動させる。

レーザ加工装置１は、図１１に示す位置Ｐ１にレーザビームＬ１，Ｌ２の照準を合わせる動作の後、レーザビームＬ１の照射による加工を行い、その後レーザビームＬ２の照射による加工を行う。位置Ｐ１へのレーザビームＬ１，Ｌ２による加工を終えると、レーザ加工装置１は、レーザビームＬ１，Ｌ２の照準を、プラスＸ方向における位置Ｐ１の隣の位置Ｐ２へ移動させる。レーザ加工装置１は、位置Ｐ２へのレーザビームＬ１の照射による加工を行い、その後レーザビームＬ２の照射による加工を行う。このように、レーザ加工装置１は、レーザビームＬ１，Ｌ２の照準を移動させながら、レーザビームＬ１の照射とレーザビームＬ２の照射とを１パルスごとに交互に繰り返して、ワーク１５を加工する。レーザ加工装置１は、レーザビームＬ１，Ｌ２を１回ずつ照射するごとに位置を移動させるほか、レーザビームＬ１，Ｌ２を複数回ずつ照射するごとに位置を移動させても良い。

図１２は、図１に示すレーザ加工装置１によるレーザビームＬ１，Ｌ２の出力について説明する図である。図１２において、縦軸ＰＬ１，ＰＬ２はレーザビームＬ１，Ｌ２のパワーを表し、横軸は時間を表す。レーザ加工装置１は、一定のパワーでのレーザビームＬ１の出力のオンとオフとを繰り返す。レーザ加工装置１は、一定のパワーでのレーザビームＬ２の出力と、出力オフとを繰り返す。レーザビームＬ１，Ｌ２の出力は、一定の幅の矩形波により表される。

レーザ加工装置１は、時間Ｔ１にて、位置Ｐ１へレーザビームＬ１を射出する。レーザ加工装置１は、時間Ｔ１の後の時間Ｔ２にて、位置Ｐ１へレーザビームＬ２を射出する。レーザ加工装置１は、制御器１４によるレーザ発振器２，３の制御により、位置Ｐ１の加工領域２０へレーザビームＬ１を進行させてから、当該加工領域２０へレーザビームＬ２を進行させる。

次に、レーザ加工装置１は、時間Ｔ２の後の時間Ｔ３にて、位置Ｐ２へレーザビームＬ１を射出する。また、レーザ加工装置１は、時間Ｔ３の後の時間Ｔ４にて、位置Ｐ２へレーザビームＬ２を射出する。レーザ加工装置１は、制御器１４によるレーザ発振器２，３の制御により、位置Ｐ２の加工領域２０へレーザビームＬ１を進行させてから、当該加工領域２０へレーザビームＬ２を進行させる。レーザ加工装置１は、制御器１４の制御により、レーザビームＬ１とレーザビームＬ２とを１パルスごとに交互にワーク１５に照射する。なお、レーザ加工装置１は、レーザビームＬ１とレーザビームＬ２とを複数パルスごとに交互にワーク１５に照射しても良い。レーザビームＬ１のパルスの一部とレーザビームＬ２のパルスの一部とは重複していても良い。

レーザ加工装置１は、ワーク１５の各位置へレーザビームＬ１とレーザビームＬ２とを１回ずつ照射することによりワーク１５を切断するほか、ワーク１５の各位置へレーザビームＬ１とレーザビームＬ２とを交互に複数回ずつ照射することによりワーク１５を切断しても良い。この場合、レーザ加工装置１は、ガルバノスキャナ１１，１２の駆動により、レーザビームＬ１とレーザビームＬ２とを複数回走査させても良い。

レーザビームＬ１，Ｌ２の出力は、矩形波以外の波形により表されるものであっても良い。図１３は、図１に示すレーザ加工装置１によるレーザビームＬ１の出力の変形例を示す図である。変形例において、レーザビームＬ１の出力は、パワーの立ち上がり時にパワーレベルがピークとなる波形により表される。レーザビームＬ１の出力と同様に、レーザビームＬ２の出力も、図１３に示す波形と同様の波形により表されるものであっても良い。この他、レーザビームＬ１，Ｌ２の出力は、ガウス分布に近い波形により表されるものであっても良い。

図１４は、実施の形態１にかかるレーザ加工方法の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１にて、レーザ加工装置１は、加工領域２０へレーザビームＬ１を照射して、加工領域２０の外縁部分を加工する。ステップＳ１に続くステップＳ２にて、レーザ加工装置１は、当該加工領域２０へレーザビームＬ２を照射して、外縁部分により囲われた部分を加工する。

当該加工領域２０へレーザビームＬ１，Ｌ２を照射してから、ステップＳ３にて、制御器１４は、ワーク１５の加工が完了したか否かを判断する。ワーク１５の加工が完了していない場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、レーザ加工装置１は、ステップＳ４にて、レーザビームＬ１，Ｌ２の照準を次の位置へ移動させる。レーザ加工装置は、次の位置について、ステップＳ１からの手順を繰り返す。ワーク１５の加工が完了した場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、レーザ加工装置１は、図１４に示す手順を終了する。

制御器１４による制御機能は、ハードウェア構成を使用して実現される。図１５は、図１に示す制御器１４のハードウェア構成の例を示すブロック図である。ハードウェア構成の１つの例は、マイクロコントローラである。制御器１４の機能は、マイクロコントローラにて解析および実行されるプログラム上で実行される。なお、制御器１４の機能の一部は、ワイヤードロジックによるハードウェア上で実行しても良い。

制御器１４は、各種処理を実行するプロセッサ２５と、各種処理のためのプログラムが格納されるメモリ２６とを備える。プロセッサ２５とメモリ２６とは、バス２７を介して互いに接続されている。プロセッサ２５は、ロードされたプログラムを展開して、レーザ加工装置１の制御のための各種処理を実行する。

実施の形態１によると、レーザ加工装置１は、短波長のレーザビームＬ１と長波長のレーザビームＬ２とを１パルスごとに交互にワーク１５に照射する。レーザ加工装置１は、レーザビームＬ１の照射により加工領域２０の外縁部分を加工してから、レーザビームＬ２の照射により、外縁部分により囲われた部分を加工することで、加工品に残される熱影響層１７を少なくする。これにより、レーザ加工装置１は、高品質な加工が可能となるという効果を奏する。

実施の形態２．
図１６は、本発明の実施の形態２にかかるレーザ加工装置３０の構成を示す図である。レーザ加工装置３０は、実施の形態１のレーザビームＬ１，Ｌ２に代えて、パルス幅が互いに異なるレーザビームＬ３，Ｌ４の照射によりワーク１５を加工する。上記の実施の形態１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

レーザ加工装置３０は、第１のレーザ発振器であるレーザ発振器３１と、第２のレーザ発振器であるレーザ発振器３２とを備える。レーザ発振器３１は、第１のレーザビームをパルス発振する。レーザ発振器３２は、第１のレーザビームとはパルス幅が異なる第２のレーザビームをパルス発振する。第１のレーザビームであるレーザビームＬ３は、第１のパルス幅のパルスレーザである。第２のレーザビームであるレーザビームＬ４は、第２のパルス幅のパルスレーザである。第２のパルス幅は、第１のパルス幅より長い。なお、実施の形態２にて、レーザビームＬ３の波長とレーザビームＬ４の波長とは同じである。

ビーム整形器４は、ワーク１５に照射されるレーザビームＬ３のビーム形状を、ビームの中心に比べて周縁の強度が高い円環状のビーム形状に整形する。レーザビームＬ３は、ワーク１５にて、ビームの中心に比べて周縁の強度が高い円環状のビーム形状を有する。ビーム整形器５は、ワーク１５に照射されるレーザビームＬ４のビーム形状を、ビームの中心にて強度が極大値となる円状のビーム形状に整形する。レーザビームＬ４は、ワーク１５にて、ビームの中心にて強度が極大値となる円状のビーム形状を有する。

レーザ発振器３１，３２は、固体レーザ、半導体レーザ、ファイバーレーザ、ＣＯ_２レーザ、あるいはＣＯレーザである。レーザ発振器３１，３２から発振されるレーザの波長の例は、１０．６μｍ、９．３μｍ、５μｍ、１．０６μｍ、１．０３μｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍおよび２６６ｎｍである。レーザ発振器３１は、レーザ発振器３２と比べて、短パルスかつ高ピークのパルスレーザを発振する。第１のパルス幅は、ピコ秒、ナノ秒、マイクロ秒、あるいはミリ秒の単位にて、第２のパルス幅より短い。また、レーザ発振器３１から発振されるパルスレーザと、レーザ発振器３２から発振されるパルスレーザとは、偏光方向が互いに異なる。

ミラー６は、レーザビームＬ３を反射して、薄膜偏光子３３へレーザビームＬ３を進行させる。薄膜偏光子３３は、ミラー６からのレーザビームＬ３の光路と、ビーム整形器５からのレーザビームＬ４の光路との交点に配置されている。薄膜偏光子３３は、レーザビームＬ３を反射し、レーザビームＬ３とは偏光方向が異なるレーザビームＬ４を透過させることで、レーザビームＬ３の進行方向とレーザビームＬ４の進行方向とを一致させる。なお、薄膜偏光子３３は、レーザビームＬ４を反射し、かつレーザビームＬ３を透過させるものであっても良い。

制御器１４は、レーザ発振器３１とレーザ発振器３２との制御により、レーザビームＬ３とレーザビームＬ４とを１パルスごとに交互にワーク１５に照射させる。レーザ加工装置３０は、レーザビームＬ１とレーザビームＬ２とを、同一の光軸上にてワーク１５に照射する。レーザ加工装置３０は、レーザビームＬ３，Ｌ４を交互に照射しながらワーク１５にてレーザビームＬ３，Ｌ４を走査させることにより、ワーク１５を切断する。なお、レーザ加工装置３０は、切断以外に、溝を形成する溝加工、あるいは穴を形成する穴加工を行うものであっても良い。

なお、レーザ加工装置３０は、レーザ発振器３１，３２およびビーム整形器４，５に代えて、パルス幅が互いに異なるレーザを発振可能な１つのレーザ発振器を備えていても良い。かかるレーザ発振器は、円環状の強度分布を持つ第１のパルス幅のレーザビームＬ３と、円状の強度分布を持つ第２のパルス幅のレーザビームＬ４とを射出する。レーザ加工装置３０は、薄膜偏光子３３を用いず、共通の光路へレーザビームＬ３とレーザビームＬ４とを進行させる。

ここで、長パルスのレーザビームを照射したときと短パルスのレーザビームを照射したときとにおけるワーク１５の加工の様子の違いについて説明する。長パルスのレーザビームは、短パルスのレーザビームと比べて、被加工物において深い位置に到達することができる。仮に、長パルスのレーザビームのみによる加工を行った場合、レーザ加工装置３０は、加工の進行を速めることができ、高速な加工が可能となる。その一方で、長パルスのレーザビームによる加工では、レーザビームが深い位置にまで到達することで、図６に示す長波長のレーザビームを照射した場合と同様に、熱影響層１７の厚さが増大することとなる。

また、短パルスのレーザビームは、図７に示す短波長のレーザビームを照射した場合と同様に、エネルギーの浸透によって生じる熱影響層１７を少なくすることができる。仮に、短パルスのレーザビームのみによる加工を行った場合、レーザ加工装置３０は、高品質な加工を行うことができる。その一方で、短パルスのレーザビームによる加工では、加工に長い時間を要することとなり、ワーク１５の加工の開始から完了までの時間が大幅に延びることがある。レーザ加工では、被加工物の効率的な加工と、高品質な加工とを両立できることが望まれている。

次に、実施の形態２にかかるレーザ加工方法による加工の手順について説明する。図１７は、図１６に示すレーザ加工装置３０による加工の様子を示す第１の図である。図１７には、プラスＸ方向へ切断を進行させている最中におけるワーク１５へのレーザビームＬ３，Ｌ４の照射の様子を示している。レーザ加工装置３０は、レーザビームＬ３の中心ＯとレーザビームＬ４の中心Ｏとを一致させて、レーザビームＬ３とレーザビームＬ４とを加工領域２０へ順次進行させる。なお、レーザ加工装置３０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向における任意の方向へ切断を進行させることができる。

図１８は、図１７に示すXVIII−XVIII線におけるワーク１５の断面図である。レーザ加工装置３０は、加工領域２０の中心位置Ｃに中心Ｏを合わせてレーザビームＬ３を照射することにより、加工領域２０の外縁部分を円環状に加工する。加工領域２０の外縁部分には、深さｄ１の加工溝２１が形成される。加工溝２１は、ＸＹ平面にて円環形状をなす。

中心ＯにおけるレーザビームＬ３の強度をゼロあるいは加工閾値未満とすることで、加工領域２０の中心位置Ｃ付近には加工が施されない。なお、中心位置Ｃに対しある程度の深さｄ１の加工溝２１が得られる程度のレーザビームＬ３の十分な強度を得られる場合には、中心ＯにおけるレーザビームＬ３の強度は、ワーク１５の加工閾値以上の強度であっても良い。

図１９は、図１７に示すXIX−XIX線におけるワーク１５の断面図である。レーザ加工装置３０は、レーザビームＬ３の照射に続いて、加工領域２０へレーザビームＬ４を照射することにより、加工領域２０のうち外縁部分により囲われた部分を円状に加工する。外縁部分により囲われた部分には、深さｄ２の加工溝２２が形成される。加工溝２２は、レーザビームＬ３による加工溝２１の外縁より中心位置Ｃ側の部分に形成される。

ワーク１５のうち、Ｘ軸方向およびＹ軸方向における加工溝２１の外側の部分は、加工品において残される部分となる。レーザ加工装置３０は、短パルスのレーザビームＬ３の照射によって加工溝２１を形成することで、加工品において残される部分の熱影響層１７を少なくすることができる。

また、レーザ加工装置３０は、レーザビームＬ４の照射より先に加工溝２１を形成しておくことで、レーザビームＬ４による除去の対象とする部分を、加工品において残される部分から分離させる。長パルスのレーザビームＬ４の照射によって生じる熱影響層１７は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向において、加工溝２１の外縁より中心位置Ｃ側の範囲に収められる。これにより、レーザ加工装置３０は、加工領域２０からＸ軸方向およびＹ軸方向への熱影響層１７の拡がりを低減可能とし、加工品に残される熱影響層１７を少なくすることができる。

さらに、レーザ加工装置３０は、長パルスのレーザビームＬ４による加工を含めたことで、短パルスのレーザビームのみによる加工を行う場合と比較して、加工に要する時間を短縮できる。これにより、レーザ加工装置３０は、ワーク１５を効率的に加工することができる。

レーザビームＬ４の１回の照射により形成される加工溝２２の深さｄ２は、レーザビームＬ３の１回の照射により形成される加工溝２１の深さｄ１と同じである。レーザビームＬ４の照射による熱影響層１７の拡がりが加工溝２１において遮られることにより、レーザ加工装置３０は、熱影響層１７の拡がりを抑制することができる。なお、レーザビームＬ３の１回の照射による加工溝２１の深さｄ１と、レーザビームＬ４の１回の照射による加工溝２２の深さｄ２とは、同じである場合に限られず、加工溝２１の深さｄ１が加工溝２２の深さｄ２より深くなることがあっても良い。この場合も、レーザ加工装置３０は、レーザビームＬ４の照射による熱影響層１７の拡がりを抑制することができる。

図２０は、図１６に示すレーザ加工装置３０による加工の様子を示す第２の図である。レーザ加工装置３０は、加工ヘッド１０の駆動により、加工が施された部分からプラスＸ方向へ、レーザビームＬ３，Ｌ４を照射させる位置を移動させる。

レーザ加工装置３０は、図２０に示す位置Ｐ１にレーザビームＬ３，Ｌ４の照準を合わせる動作の後、レーザビームＬ３の照射による加工を行い、その後レーザビームＬ４の照射による加工を行う。位置Ｐ１へのレーザビームＬ３，Ｌ４による加工を終えると、レーザ加工装置３０は、レーザビームＬ３，Ｌ４の照準を、プラスＸ方向における位置Ｐ１の隣の位置Ｐ２へ移動させる。レーザ加工装置３０は、位置Ｐ２へのレーザビームＬ３の照射による加工を行い、その後レーザビームＬ４の照射による加工を行う。このように、レーザ加工装置３０は、レーザビームＬ３，Ｌ４の照準を移動させながら、レーザビームＬ３の照射とレーザビームＬ４の照射とを１パルスごとに交互に繰り返して、ワーク１５を加工する。

図２１は、図１６に示すレーザ加工装置３０によるレーザビームＬ３，Ｌ４の出力について説明する図である。図２１において、縦軸ＰＬ３，ＰＬ４はレーザビームＬ３，Ｌ４のパワーを表し、横軸は時間を表す。レーザ加工装置３０は、一定のパワーでのレーザビームＬ３の出力と出力オフとを繰り返す。レーザビームＬ３の出力は、一定の幅ｗ１の矩形波により表される。レーザ加工装置３０は、一定のパワーでのレーザビームＬ４の出力のオンとオフとを繰り返す。レーザビームＬ４の出力は、一定の幅ｗ２の矩形波により表される。幅ｗ１は、幅ｗ２より短く、ｗ１＜ｗ２の関係が成り立つ。

レーザ加工装置３０は、時間Ｔ１にて、位置Ｐ１へレーザビームＬ３を射出する。レーザ加工装置３０は、時間Ｔ１の後の時間Ｔ２にて、位置Ｐ１へレーザビームＬ４を射出する。レーザ加工装置３０は、制御器１４によるレーザ発振器３１，３２の制御により、位置Ｐ１の加工領域２０へレーザビームＬ３を進行させてから、当該加工領域２０へレーザビームＬ４を進行させる。

次に、レーザ加工装置３０は、時間Ｔ２の後の時間Ｔ３にて、位置Ｐ２へレーザビームＬ３を射出する。また、レーザ加工装置３０は、時間Ｔ３の後の時間Ｔ４にて、位置Ｐ２へレーザビームＬ４を射出する。レーザ加工装置３０は、制御器１４によるレーザ発振器３１，３２の制御により、位置Ｐ２の加工領域２０へレーザビームＬ３を進行させてから、当該加工領域２０へレーザビームＬ４を進行させる。レーザ加工装置３０は、制御器１４の制御により、レーザビームＬ３とレーザビームＬ４とを１パルスごとに交互にワーク１５に照射する。なお、レーザ加工装置３０は、レーザビームＬ３とレーザビームＬ４とを複数パルスごとに交互にワーク１５に照射しても良い。レーザビームＬ３のパルスの一部とレーザビームＬ４のパルスの一部とは重複していても良い。

レーザ加工装置３０は、ワーク１５の各位置へレーザビームＬ３とレーザビームＬ４とを１回ずつ照射することによりワーク１５を切断するほか、ワーク１５の各位置へレーザビームＬ３とレーザビームＬ４とを交互に複数回ずつ照射することによりワーク１５を切断しても良い。この場合、レーザ加工装置３０は、ガルバノスキャナ１１，１２の駆動により、レーザビームＬ３とレーザビームＬ４とを複数回走査させても良い。

レーザビームＬ３，Ｌ４の出力は、矩形波以外の波形により表されるものであっても良い。図２２は、図１に示すレーザ加工装置１によるレーザビームＬ３の出力の変形例を示す図である。図２３は、図１に示すレーザ加工装置１によるレーザビームＬ４の出力の変形例を示す図である。変形例において、レーザビームＬ３の出力は、パワーの立ち上がり時にパワーレベルがピークとなる波形により表される。レーザビームＬ４の出力は、パワーの立ち上がり時にパワーレベルがピークとなる波形により表される。この他、レーザビームＬ３，Ｌ４の出力は、ガウス分布に近い波形により表されるものであっても良い。

実施の形態２によると、レーザ加工装置３０は、短パルスのレーザビームＬ３と長パルスのレーザビームＬ４とを１パルスごとに交互にワーク１５に照射する。レーザ加工装置３０は、レーザビームＬ３の照射により加工領域２０の外縁部分を加工してから、レーザビームＬ４の照射により、外縁部分により囲われた部分を加工することで、加工品に残される熱影響層１７を少なくする。これにより、レーザ加工装置３０は、高品質な加工が可能となるという効果を奏する。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，３０ レーザ加工装置、２，３，３１，３２ レーザ発振器、４，５ ビーム整形器、６，８ ミラー、７ ダイクロイックミラー、９ 集光光学系、１０ 加工ヘッド、１１，１２ ガルバノスキャナ、１３ ステージ、１４ 制御器、１５ ワーク、１６ 透過領域、１７ 熱影響層、１８ 切断面、２０ 加工領域、２１，２２ 加工溝、２５ プロセッサ、２６ メモリ、２７ バス、３３ 薄膜偏光子、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ レーザビーム。

Claims (8)

1. 第１のレーザビームをパルス発振する第１のレーザ発振器と、前記第１のレーザビームとは波長またはパルス幅が異なる第２のレーザビームをパルス発振する第２のレーザ発振器とを備えるレーザ加工装置が前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとの照射により被加工物を加工するレーザ加工方法であって、
   ビームの中心に比べて周縁の強度が高い円環状の強度分布を有する前記第１のレーザビームの照射により、前記強度分布の照射位置に対応する前記被加工物の円環状の領域である第１領域を加工する工程と、
   前記第１のレーザビームが照射された後の前記第２のレーザビームの照射によって、前記第１領域よりも円環の中心側の領域である第２領域を加工する工程と、を含み、
   前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとを交互に前記被加工物に照射することを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記第２のレーザビームは、ビームの中心にて強度が極大値となる円状のビーム形状を有す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. 前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとを１パルスごとに交互に前記被加工物に照射することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとを、同一の光軸上にて前記被加工物に照射することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のレーザ加工方法。
5. 第１のレーザビームをパルス発振する第１のレーザ発振器と、
   前記第１のレーザビームとは波長またはパルス幅が異なる第２のレーザビームをパルス発振する第２のレーザ発振器と、
   被加工物に照射される前記第１のレーザビームのビーム形状を、ビームの中心に比べて周縁の強度が高い円環状のビーム形状に整形するビーム整形器と、
   前記第１のレーザ発振器と前記第２のレーザ発振器との制御により、前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとを交互に前記被加工物に照射させる制御器と、
   を備え、
   前記第１のレーザビームの照射により、前記ビーム形状に対応する前記被加工物の円環状の領域である第１領域を加工し、前記第１のレーザビームが照射された後の前記第２のレーザビームの照射によって、前記第１領域よりも円環の中心側の領域である第２領域を加工することを特徴とするレーザ加工装置。
6. 前記被加工物に照射される前記第２のレーザビームのビーム形状は、ビームの中心にて強度が極大値となる円状のビーム形状であることを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工装置。
7. 前記制御器は、前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとを１パルスごとに交互に前記被加工物に照射させることを特徴とする請求項５または６に記載のレーザ加工装置。
8. 前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとを、同一の光軸上にて前記被加工物に照射することを特徴とする請求項５から７のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。

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