JP6984978B2 - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

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、レーザ加工方法として、例えば、レーザ光により被加工物の被加工面を溶融させ表面張力の作用により被加工面を平坦化する方法がある。なお、特許文献１には、レーザ光により被加工面を除去して凹部を形成する材料加工方法が開示されている。

特開２００８−１１９７３５号公報

ところで、従来のレーザ加工方法は、例えば、被加工面を平坦化する場合に、熱影響により被加工物が変形する等の軟化や変態が生じるおそれがあり、この熱影響を考慮してレーザのパワーを下げた場合、加工時間が増加する傾向にある。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、被加工物が受ける熱影響を抑制した上で加工時間を短縮することが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、本発明に係るレーザ加工方法は、酸化を促進する酸化雰囲気において、凹凸を有する第一被加工面に第一レーザ光を照射して前記第一被加工面の凸部を除去し、前記第一被加工面の凸部よりも低い凸部を有する第二被加工面を形成する除去工程と、前記除去工程の後、酸化を抑制する酸化抑制雰囲気において、前記除去工程で前記第二被加工面に形成された酸化層に前記第一レーザ光とは異なる第二レーザ光を照射して当該酸化層を除去する酸化層除去工程と、を有することを特徴とする。

上記レーザ加工方法において、前記酸化層除去工程の後、前記酸化層が除去された前記第二被加工面に前記第一レーザ光及び前記第二レーザ光とは異なる第三レーザ光を照射して当該第二被加工面の凸部を溶融し当該第二被加工面を平坦化した加工平坦面を形成する溶融工程をさらに有することが好ましい。

上記レーザ加工方法において、前記酸化層除去工程では、前記第二レーザ光により前記第二被加工面に形成された前記酸化層を除去し、且つ、前記第二レーザ光により前記第二被加工面の凸部を溶融し当該第二被加工面を平坦化した加工平坦面を形成することが好ましい。

本発明に係るレーザ加工装置は、凹凸を有する第一被加工面に、第一レーザ光と、前記第一レーザ光とは異なる第二レーザ光とを照射するレーザ光照射部と、酸化を促進する酸化促進用ガス又は酸化を抑制する酸化抑制用ガスを供給するガス供給装置と、前記レーザ光照射部及び前記ガス供給装置を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ガス供給装置を制御し前記酸化促進用ガスにより形成した酸化雰囲気において、前記レーザ光照射部を制御し前記第一被加工面に前記第一レーザ光を照射して前記第一被加工面の凸部を除去し、前記第一被加工面の凸部よりも低い凸部を有する第二被加工面を形成し、前記第二被加工面を形成後、前記ガス供給装置を制御し前記酸化抑制用ガスにより形成した酸化抑制雰囲気において、前記レーザ光照射部を制御し前記第二被加工面に形成された酸化層に前記第一レーザ光とは異なる第二レーザ光を照射して前記酸化層を除去することを特徴とする。

本発明に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置は、酸化雰囲気において、第一レーザ光により被加工物の第一被加工面の凸部を除去した第二被加工面を形成し、酸化抑制雰囲気において、第二レーザ光により、除去時に第二被加工面に形成された酸化層を除去する。これにより、レーザ加工方法及びレーザ加工装置は、被加工物を除去することにより当該被加工物が受ける熱影響を抑制することができ、酸化反応熱により除去加工を促進することで加工時間を短縮することができる。

図１は、実施形態に係るレーザ加工装置の構成例を示すブロック図である。 図２は、実施形態に係るガス供給装置の構成例を示す模式図である。 図３は、実施形態に係るアブレーション工程を示す説明図である。 図４は、実施形態に係るアブレーション工程のレーザ強度分布を示す図である。 図５は、実施形態に係るアブレーション工程を示す模式図である。 図６は、実施形態に係る酸化層及び酸化デブリの形成例を示す模式図である。 図７は、実施形態に係る酸化層及び酸化デブリの形成例を示す画像（上面図）である。 図８は、実施形態に係る酸化層及び酸化デブリの形成例を示す画像（断面図）である。 図９は、実施形態に係る酸化層除去工程を示す模式図である。 図１０は、実施形態に係る酸化層及び酸化デブリが除去された第二被加工面の形成例を示す模式図である。 図１１は、実施形態に係る酸化層及び酸化デブリが除去された第二被加工面の形成例を示す画像（上面図）である。 図１２は、実施形態に係る酸化層及び酸化デブリが除去された第二被加工面の形成例を示す画像（断面図）である。 図１３は、実施形態に係る溶融工程を示す説明図である。 図１４は、実施形態に係る溶融工程のレーザ強度分布を示す図である。 図１５は、実施形態に係る溶融工程を示す模式図である。 図１６は、実施形態に係る加工平坦面の形成例を示す模式図である。 図１７は、実施形態に係る加工平坦面の形成例を示す画像（上面図）である。 図１８は、実施形態に係る加工平坦面の形成例を示す画像（断面図）である。 図１９は、実施形態に係るレーザ加工方法を示すフローチャートである。 図２０は、比較例に係る酸化抑制雰囲気においてアブレーション加工を行う加工量を示す図である。 図２１は、実施形態に係る酸化雰囲気においてアブレーション加工を行う加工量を示す図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

〔実施形態〕
実施形態に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置１について説明する。レーザ加工方法は、被加工物Ｗの被加工面Ｗａにパルスレーザ光を照射して被加工面Ｗａを加工する方法である。レーザ加工装置１は、レーザ加工方法を実施するための装置であり、パルスレーザ光ＬＢを被加工物Ｗに照射して当該被加工物Ｗを加工する。ここで、被加工物Ｗは、例えば、金属素材等から形成される。被加工物Ｗは、例えば、３Ｄプリンタによる積層造形物や、ツールマーク等が形成された金属加工物である。以下、レーザ加工方法及びレーザ加工装置１について詳細に説明する。

なお、以下の説明では、第一方向（Ｘ方向）と第二方向（Ｙ方向）と第三方向（Ｚ方向）とは、それぞれ直交する方向である。第一方向と第二方向とは、後述する被加工物Ｗを載置する載置面８１ｂ上で直交する方向である。第三方向は、載置面８１ｂに直交する方向である。なお、第一方向と前記第二方向とは、典型的には、被加工物Ｗの厚み方向に直交する面を仮想平面とした場合、当該仮想平面上で直交する方向であり、第三方向は、仮想平面に直交する方向である。

レーザ加工装置１は、例えば、パルスレーザ光ＬＢの焦点を固定し当該パルスレーザ光ＬＢを被加工物Ｗの被加工面Ｗａに集光して加工する。レーザ加工装置１は、図１に示すように、レーザ光照射部１０と、シャッター２０と、アッテネータ３０と、ビームエキスパンダ４０と、ビーム伝送光学系５０と、落射光学系６０と、対物レンズ７０と、駆動部８０と、ランプ照明９０と、カメラ１００と、ガス供給装置１１０と、制御部１２０とを備える。

レーザ光照射部１０は、パルス状の出力（パルスレーザ光ＬＢ）を一定の繰り返し周波数で発振するレーザ光発振器である。レーザ光照射部１０は、例えば、パルス幅可変光源をシード光源に用いた主発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ；Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）である。レーザ光照射部１０は、ＭＯＰＡを用いた場合、パルスレーザ光ＬＢの出力特性の一例は次の通りである。すなわち、パルスレーザ光ＬＢの動作波長は、１０３０ｎｍ±１ｎｍ程度であり、繰り返し周波数は、５ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ程度であり、パルス幅は、５０ｐｓ〜１μｓ程度であり、出力パワーは、１０Ｗ以上であり、偏波は、直線であり、ビーム品質であるスクエア（Ｍ^２）は、１．２未満であり、真円度は、８０％超過である。レーザ光照射部１０は、パルスレーザ光ＬＢをシャッター２０に出力（出射）する。なお、パルス幅とは、パルスレーザ光ＬＢのピークパワーの半分の地点におけるパルスの立ち上がりと立ち下がりの時間間隔である。レーザ光照射部１０は、ＭＯＰＡを用いることによりパルス幅を可変することができるので、様々な加工に対応することができ、加工コストを抑制することができる。

シャッター２０は、パルスレーザ光ＬＢの透過と遮断とを切り替えるものである。シャッター２０は、レーザ光照射部１０とアッテネータ３０との間に設置され、レーザ光照射部１０から出力されたパルスレーザ光ＬＢを透過又は遮断する。シャッター２０は、透過したパルスレーザ光ＬＢをアッテネータ３０に出力する。

アッテネータ３０は、パルスレーザ光ＬＢの強度を調整する減衰器である。アッテネータ３０は、シャッター２０とビームエキスパンダ４０との間に設置され、シャッター２０から出力されたパルスレーザ光ＬＢの強度を調整してビームエキスパンダ４０に出力する。

ビームエキスパンダ４０は、パルスレーザ光ＬＢのビーム径を広げるものである。ビームエキスパンダ４０は、アッテネータ３０とビーム伝送光学系５０との間に設置され、アッテネータ３０から出力されたパルスレーザ光ＬＢのビーム径を広げてビーム伝送光学系５０に出力する。

ビーム伝送光学系５０は、パルスレーザ光ＬＢを導光する導光ミラー等から構成される光学系である。ビーム伝送光学系５０は、ビームエキスパンダ４０と落射光学系６０との間に設置され、ビームエキスパンダ４０から出力されたパルスレーザ光ＬＢを導光して落射光学系６０に出力する。

落射光学系６０は、パルスレーザ光ＬＢが進行する方向を変更する方向変更ミラー等から構成される光学系である。落射光学系６０は、ビーム伝送光学系５０と対物レンズ７０との間に設置され、ビーム伝送光学系５０から出力されたパルスレーザ光ＬＢの進行方向を変更して対物レンズ７０に出力する。

対物レンズ７０は、パルスレーザ光ＬＢを集光して被加工物Ｗの被加工面Ｗａにパルスレーザ光ＬＢを照射するものである。対物レンズ７０は、落射光学系６０と駆動部８０との間に設置され、落射光学系６０から出力されたパルスレーザ光ＬＢを集光し、駆動部８０に載置された被加工物Ｗの被加工面Ｗａにパルスレーザ光ＬＢを照射する。

駆動部８０は、被加工物Ｗを保持すると共に対物レンズ７０等を含む光学系に対して被加工物Ｗを相対移動させるものである。駆動部８０は、ＸＹ軸駆動部８１と、Ｚ軸駆動部８２とを備える。ＸＹ軸駆動部８１は、平板状の載置台８１ａと、固定部（図示省略）と、ボールネジ等から構成されるＸＹ軸駆動機構（図示省略）とを備える。ＸＹ軸駆動部８１は、固定部により被加工物Ｗを載置台８１ａの載置面８１ｂに固定し、ＸＹ軸駆動機構により対物レンズ７０等の光学系に対して被加工物ＷをＸ方向又はＹ方向に相対移動させる。Ｚ軸駆動部８２は、ボールネジ等から構成されるＺ軸駆動機構（図示省略）を備え、Ｚ軸駆動機構により対物レンズ７０等の光学系に対して被加工物ＷをＺ方向に相対移動させる。

ランプ照明９０は、被加工物Ｗを照明により照らすものである。ランプ照明９０は、例えば、駆動部８０の載置面８１ｂに対向して設置され、載置面８１ｂに載置された被加工物Ｗに照明を照らす。

カメラ１００は、被加工物Ｗを撮像するものである。カメラ１００は、駆動部８０の載置面８１ｂに対向して設置され、載置面８１ｂに載置された被加工物Ｗの被加工面Ｗａの凹凸を撮像する。カメラ１００は、撮像した画像を制御部１２０に出力する。

ガス供給装置１１０は、ガスを供給するものである。ガス供給装置１１０は、例えば、図２に示すように、空気配管１１１と、ガス配管１１２と、分岐コネクタ１１３と、混合ガス配管１１４と、第１流量調整部１１５と、第２流量調整部１１６と、集塵機１１７とを含んで構成される。

空気配管１１１は、酸化促進用ガス（助燃性ガス）としての空気（大気）を供給可能な配管である。空気配管１１１は、一端が空気供給部（図示省略）に接続され他端が分岐コネクタ１１３に接続されている。空気配管１１１は、空気供給部から供給される空気を分岐コネクタ１１３に向けて流す。

ガス配管１１２は、酸化抑制用ガスとしての不活性ガス（例えばアルゴン、窒素ガス等）を供給可能な配管である。ガス配管１１２は、一端が不活性ガス供給部（図示省略）に接続され他端が分岐コネクタ１１３に接続されている。ガス配管１１２は、不活性ガス供給部から供給される不活性ガスを分岐コネクタ１１３に向けて流す。

分岐コネクタ１１３は、流体を分岐又は混合させるコネクタである。分岐コネクタ１１３は、いわゆるＴ型分岐コネクタであり、第１流入口１１３ａ、第２流入口１１３ｂ、及び、流出口１１３ｃを有している。分岐コネクタ１１３は、第１流入口１１３ａが空気配管１１１に接続され、第２流入口１１３ｂがガス配管１１２に接続され、流出口１１３ｃが混合ガス配管１１４に接続されている。分岐コネクタ１１３は、例えば、空気配管１１１を介して流れる空気、及び、ガス配管１１２を介して流れる不活性ガスを混合する。そして、分岐コネクタ１１３は、空気及び不活性ガスを混合した混合ガスを混合ガス配管１１４に向けて流す。

混合ガス配管１１４は、空気、不活性ガス、又は、混合ガスが流通可能な配管である。混合ガス配管１１４は、一端が分岐コネクタ１１３に接続され、他端にノズル１１４ａが設けられている。混合ガス配管１１４は、ノズル１１４ａが被加工物Ｗに向けられている。混合ガス配管１１４は、分岐コネクタ１１３から流出した空気、不活性ガス、又は、混合ガスをノズル１１４ａから被加工物Ｗの被加工面Ｗａに噴射する。

第１流量調整部１１５は、流体の流量を調整及び計測する計測器である。第１流量調整部１１５は、第１調整バルブ１１５ａ及び第１流量計１１５ｂを有する。第１調整バルブ１１５ａ及び第１流量計１１５ｂは、空気配管１１１に設けられ、それぞれ制御部１２０に接続される。第１調整バルブ１１５ａは、制御部１２０から出力される制御信号に基づいて空気配管１１１を流れる空気の流量を調整する。第１流量計１１５ｂは、空気配管１１１を流れる空気の流量を計測し、計測した空気の流量を制御部１２０に出力する。

第２流量調整部１１６は、流体の流量を調整及び計測する計測器である。第２流量調整部１１６は、第２調整バルブ１１６ａ及び第２流量計１１６ｂを有する。第２調整バルブ１１６ａ及び第２流量計１１６ｂは、ガス配管１１２に設けられ、それぞれ制御部１２０に接続される。第２調整バルブ１１６ａは、制御部１２０から出力される制御信号に基づいてガス配管１１２を流れる不活性ガスの流量を調整する。第２流量計１１６ｂは、ガス配管１１２を流れる不活性ガスの流量を計測し、計測した不活性ガスの流量を制御部１２０に出力する。

制御部１２０は、レーザ加工装置１を制御するものである。制御部１２０は、ＣＰＵ、記憶部を構成するＲＯＭ、ＲＡＭ及びインターフェースを含む周知のマイクロコンピュータを主体とする電子回路を含んで構成される。制御部１２０は、レーザ光照射部１０及びシャッター２０等の光学系を制御し、パルスレーザ光ＬＢの出力を調整する。また、制御部１２０は、第１流量計１１５ｂから出力される空気の流量に基づいて制御信号を出力し第１調整バルブ１１５ａを制御する。また、制御部１２０は、第２流量計１１６ｂから出力される不活性ガスの流量に基づいて制御信号を出力し第２調整バルブ１１６ａを制御する。

集塵機１１７は、粉塵を収集する機器である。集塵機１１７は、粉塵を収集する収集管１１７ａを有し、当該収集管１１７ａの一端が被加工物Ｗに向けられている。集塵機１１７は、被加工物Ｗを加工する際に生じる酸化デブリＤ（粉塵）を収集管１１７ａを介して収集する。

次に、レーザ加工装置１によるアブレーション加工について説明する。ここで、アブレーション加工とは、パルスレーザ光ＬＢが照射された部分が瞬時に蒸発、飛散することで行われる除去加工である。アブレーション加工は、加工部が瞬時に蒸発、飛散し除去されるため、加工部周辺への熱影響が少なく熱損傷の少ない非熱加工である。レーザ加工装置１は、アブレーション加工では、パルス幅がピコ秒オーダー又はそれ以下の短パルス幅である第一パルスレーザ光ＬＢ１（第一レーザ光）を用いる。第一パルスレーザ光ＬＢ１は、後述する第二パルスレーザ光ＬＢ２（第二レーザ光）及び第三パルスレーザ光ＬＢ３（第三レーザ光）よりもレーザ強度のピーク値が高く（図４、図１４参照）且つパルス幅が短い。第一パルスレーザ光ＬＢ１は、レーザ強度のピーク値が、第一被加工面Ｗ１の凸部Ｐ１の最大の高さ（例えば１０μｍを超える高さ）に相当する加工深さを得ることが可能な光エネルギー密度である。第一被加工面Ｗ１の凸部Ｐ１は、第一被加工面Ｗ１の最も深い部分（凹部Ｑの底）を基準位置とした場合、Ｚ方向に沿って突出している部分である（図３参照）。第一パルスレーザ光ＬＢ１は、第一被加工面Ｗ１に照射された部分の径であるスポット径ｒ１が第三パルスレーザ光ＬＢ３のスポット径ｒ２よりも小さい（図３、図１３参照）。

レーザ加工装置１は、アブレーション工程の場合、被加工物Ｗの酸化（酸化層Ｖの生成）を促進する酸化雰囲気を形成する。ここで、酸化雰囲気とは、大気下による酸化雰囲気及び意図的に形成する酸化雰囲気を含む。大気下による酸化雰囲気は、大気（空気）により形成される。また、意図的に形成する酸化雰囲気は、酸化を促進させる気体（例えば酸素等）を意図的に混合した混合気体により形成される。大気下による酸化雰囲気でアブレーション工程を行う場合には、意図的に酸化雰囲気を形成するような雰囲気の調整が必要ないため、作業負荷を軽減することができる。本実施形態では、レーザ加工装置１は、ガス供給装置１１０により空気（大気）を被加工物Ｗに噴射することで大気下による酸化雰囲気を形成する。レーザ加工装置１は、例えば、制御部１２０により空気を供給するための制御信号を第１調整バルブ１１５ａに送信し、当該第１調整バルブ１１５ａにより空気が空気配管１１１を通過可能である空気通過状態とする。また、レーザ加工装置１は、制御部１２０により不活性ガスを供給停止とするための制御信号を第２調整バルブ１１６ａに送信し、当該第２調整バルブ１１６ａにより不活性ガスがガス配管１１２を通過不可であるガス停止状態とする。レーザ加工装置１は、空気通過状態且つガス停止状態とすることにより空気を被加工物Ｗに向けて噴射し、当該被加工物Ｗの酸化（酸化層Ｖの生成）を促進する酸化雰囲気を形成する。レーザ加工装置１は、図５に示すように、この酸化雰囲気において、第一被加工面Ｗ１に第一パルスレーザ光ＬＢ１を照射して第一被加工面Ｗ１の表層、特に凸部Ｐ１を選択的に除去する。そして、レーザ加工装置１は、図６に示すように、第一被加工面Ｗ１の凸部Ｐ１よりも低い凸部Ｐ２を有する第二被加工面Ｗ２を形成する。つまり、レーザ加工装置１は、第一被加工面Ｗ１に第一パルスレーザ光ＬＢ１を照射し第一被加工面Ｗ１の表層、特に凸部Ｐ１を選択的に瞬時に蒸発、飛散することで第一被加工面Ｗ１の凸部Ｐ１を除去して第二被加工面Ｗ２を形成する。レーザ加工装置１は、アブレーション加工により第一被加工面Ｗ１の表面粗さ（凹凸）Ｒａを例えば０．５μｍ程度〜０．８μｍ程度まで低減させた第二被加工面Ｗ２を形成する。レーザ加工装置１は、例えば、加工影響範囲を相対的に小さくすることで第一被加工面Ｗ１のより細かい凸部Ｐ１を除去し、０．５μｍ程度まで低減させた第二被加工面Ｗ２を形成することができる。ここで、表面粗さＲａは、公知の数式により求められた値であり、一例として算術平均粗さであるがこれ以外でもよい。レーザ加工装置１は、酸化雰囲気でアブレーション加工を行うので、被加工物Ｗの酸化（酸化層Ｖの生成）を抑制する酸化抑制雰囲気でアブレーション加工する場合と比較して酸化反応熱によりアブレーション加工を促進することができる。このとき、レーザ加工装置１は、図６、図７、図８に示すように、酸化雰囲気で照射される第一パルスレーザ光ＬＢ１により第二被加工面Ｗ２の表面が酸化した酸化層Ｖが形成され、酸化層Ｖの一部が気化したもの同士が結合して生じる酸化デブリＤが酸化層Ｖの上に堆積される。ここで、図６は、酸化層Ｖ及び酸化デブリＤの形成例を示す模式図である。図７は、酸化層Ｖ及び酸化デブリＤの形成例を示す画像（上面図）である。図８は、酸化層Ｖ及び酸化デブリＤの形成例を示す画像（断面図）である。レーザ加工装置１は、混合ガス配管１１４のノズル１１４ａから噴射する空気により酸化デブリＤを吹き飛ばして除去するが、完全には酸化デブリＤを除去することができない。

レーザ加工装置１は、酸化層除去加工では、第二被加工面Ｗ２に形成された酸化層Ｖ及び酸化デブリＤを除去する。レーザ加工装置１は、第二パルスレーザ光ＬＢ２（第二レーザ光）を用いて、第二被加工面Ｗ２に形成された酸化層Ｖ及び酸化デブリＤを除去し、且つ、第二被加工面Ｗ２の凸部Ｐ２を可能な限り溶融しない。第二パルスレーザ光ＬＢ２は、例えば、パルス幅がナノ秒〜マイクロ秒オーダーのパルス幅である。第二パルスレーザ光ＬＢ２は、第一パルスレーザ光ＬＢ１よりもレーザ強度のピーク値が低く、且つ、後述する溶融加工で用いる第三パルスレーザ光ＬＢ３（第三レーザ光）よりもレーザ強度のピーク値が低い。第二パルスレーザ光ＬＢ２は、例えば、レーザ強度のピーク値が、第二被加工面Ｗ２の酸化層Ｖ及び酸化デブリＤを除去可能であり、且つ、可能な限り第二被加工面Ｗ２を加工しない光エネルギー密度である。第二パルスレーザ光ＬＢ２は、第二パルスレーザ光ＬＢ２は、第一パルスレーザ光ＬＢ１よりもパルス幅が広く、且つ、第三パルスレーザ光ＬＢ３とパルス幅が同等である。

レーザ加工装置１は、酸化層除去工程の場合、ガス供給装置１１０により不活性ガスを被加工物Ｗに供給する。レーザ加工装置１は、例えば、制御部１２０により空気を供給停止するための制御信号を第１調整バルブ１１５ａに送信し、当該第１調整バルブ１１５ａにより空気が空気配管１１１を通過不可である空気停止状態とする。また、レーザ加工装置１は、制御部１２０により不活性ガスを供給するための制御信号を第２調整バルブ１１６ａに送信し、当該第２調整バルブ１１６ａにより不活性ガスがガス配管１１２を通過可能であるガス通過状態とする。レーザ加工装置１は、空気停止状態且つガス通過状態とすることにより不活性ガスを被加工物Ｗに向けて噴射し、当該被加工物Ｗの酸化（酸化層Ｖの生成）を抑制する酸化抑制雰囲気（不活性ガス雰囲気）を形成する。レーザ加工装置１は、図９に示すように、この酸化抑制雰囲気において、第二被加工面Ｗ２の酸化層Ｖ及び酸化デブリＤに第二パルスレーザ光ＬＢ２を照射して酸化層Ｖ及び酸化デブリＤを除去する。ここで、例えば、光波長１μｍにおける光吸収率は、鉄の非酸化物が３５％であり、鉄の酸化物が８５％であり、酸化物のほうが非酸化物より光吸収率が高い。従って、酸化層Ｖは、第二パルスレーザ光ＬＢ２により加熱されて気化し、又は、高温下で還元反応が促進されて除去される。そして、レーザ加工装置１は、図１０、図１１、図１２に示すように、酸化層Ｖ及び酸化デブリＤを除去した第二被加工面Ｗ２を形成する。ここで、図１０は、酸化層Ｖ及び酸化デブリＤが除去された第二被加工面Ｗ２の形成例を示す模式図である。図１１は、酸化層Ｖ及び酸化デブリＤが除去された第二被加工面Ｗ２の形成例を示す画像（上面図）である。図１２は、酸化層Ｖ及び酸化デブリＤが除去された第二被加工面Ｗ２の形成例を示す画像（断面図）である。

レーザ加工装置１は、酸化層Ｖ及び酸化デブリＤを除去した第二被加工面Ｗ２の表層、特に凸部Ｐ２を選択的に溶融して平坦化する。レーザ加工装置１は、溶融加工では、例えば、パルス幅がナノ秒〜マイクロ秒オーダーのパルス幅である第三パルスレーザ光ＬＢ３（第三レーザ光）を用いる。第三パルスレーザ光ＬＢ３は、第一パルスレーザ光ＬＢ１よりもレーザ強度のピーク値が低く、且つ、酸化層除去工程で用いる第二パルスレーザ光ＬＢ２よりもレーザ強度のピーク値が高い。第三パルスレーザ光ＬＢ３は、レーザ強度のピーク値が、加工深さ方向（Ｚ方向）への加工影響が第一パルスレーザ光ＬＢ１より小さく第二被加工面Ｗ２の凸部Ｐ２を溶融することが可能な光エネルギー密度である。第二パルスレーザ光ＬＢ２は、第一パルスレーザ光ＬＢ１よりもパルス幅が広く、且つ、第三パルスレーザ光ＬＢ３とパルス幅が同等である。第三パルスレーザ光ＬＢ３のスポット径ｒ２は、第一パルスレーザ光ＬＢ１のスポット径ｒ１よりも大きい。また、第三パルスレーザ光ＬＢ３のスポット径ｒ２は、第二被加工面Ｗ２の隣接する凸部Ｐ２の間隔よりも大きいことが好ましい。これは、加工時間を低減できるほか、第二被加工面Ｗ２の隣接する凸部Ｐ２と当該凸部Ｐ２の間の凹部とに第三パルスレーザ光ＬＢ３の加工スポットが及ぶことにより表面張力を得やすくうねりを除去できるため、長周期の凹凸成分に対して効率的に平滑化ができる。

レーザ加工装置１は、溶融工程の場合、ガス供給装置１１０により不活性ガスに微量の空気を混合した混合ガスを被加工物Ｗに供給する。レーザ加工装置１は、例えば、制御部１２０により微量の空気を供給するための制御信号を第１調整バルブ１１５ａに送信し、当該第１調整バルブ１１５ａにより微量の空気が空気配管１１１を通過可能である微量空気通過状態とする。また、レーザ加工装置１は、制御部１２０により不活性ガスを供給するための制御信号を第２調整バルブ１１６ａに送信し、当該第２調整バルブ１１６ａにより不活性ガスがガス配管１１２を通過可能であるガス通過状態とする。レーザ加工装置１は、微量空気通過状態且つガス通過状態とすることにより混合ガスを被加工物Ｗに向けて噴射し、当該被加工物Ｗの顕著な酸化による硬度低下等の物性変化を抑制すると共に、微量の空気で生じる酸化反応による酸化熱により溶融加工を促進させる混合ガス雰囲気を形成する。レーザ加工装置１は、図１５に示すように、酸化層Ｖが除去された第二被加工面Ｗ２に第三パルスレーザ光ＬＢ３を照射して当該第二被加工面Ｗ２の表層、特に凸部Ｐ２を選択的に溶融させる。そして、レーザ加工装置１は、図１６、図１７、図１８に示すように、第二被加工面Ｗ２を平坦化した加工平坦面Ｗ３を形成する。つまり、レーザ加工装置１は、第二被加工面Ｗ２に第三パルスレーザ光ＬＢ３を照射し、第二被加工面Ｗ２（極表面）の特に凸部Ｐ２を溶融して液状化し表面張力により第二被加工面Ｗ２を平坦化した加工平坦面Ｗ３を形成する。ここで、図１６は、加工平坦面Ｗ３の形成例を示す模式図である。図１７は、加工平坦面Ｗ３の形成例を示す画像（上面図）である。図１８は、加工平坦面Ｗ３の形成例を示す画像（断面図）である。レーザ加工装置１は、溶融加工により第二被加工面Ｗ２の表面粗さ（凹凸）Ｒａを０．１μｍ以下まで低減させて平坦化する。なお、レーザ加工装置１は、不活性ガス（例えばアルゴン）に対する空気の混合率を例えば０％〜９．４％の範囲で徐々に増やすことにより、酸化反応による酸化熱が増加して溶融加工が促進することが分かった。また、レーザ加工装置１は、混合ガス雰囲気において溶融加工をする場合が、不活性ガス（例えばアルゴン）による酸化抑制雰囲気において溶融加工をした場合と比較して、レーザ光照射部１０が３割程度低いレーザ出力で溶融加工することができた。

次に、図１９を参照してレーザ加工装置１の動作例について説明する。レーザ加工装置１は、作業者により予め加工条件が設定される（ステップＳ１）。ここで、加工条件は、例えば、パルスレーザ光ＬＢのエネルギー密度、走査時のスポット径ｒ１、ｒ２の重なり、繰り返し照射数、加工時間等である。これらの加工条件は、被加工物Ｗの材質や被加工面Ｗａの凹凸の粗さ等に基づいて、予め実験等により求めておく。

レーザ加工装置１は、加工条件が設定された後、アブレーション工程を実施する（ステップＳ２）。レーザ加工装置１は、駆動部８０の載置台８１ａに載置された被加工物Ｗを駆動部８０に固定し、ＸＹ軸駆動部８１によりＸ方向又はＹ方向に被加工物Ｗを移動させ、さらにＺ軸駆動部８２によりＺ方向に被加工物Ｗを移動させて被加工物Ｗを加工開始位置に移動させる。レーザ加工装置１は、ガス供給装置１１０を空気通過状態且つガス停止状態とすることにより空気を被加工物Ｗに向けて噴射し酸化雰囲気を形成する。そして、レーザ加工装置１は、カメラ１００により被加工物Ｗの第一被加工面Ｗ１を撮像しながら、第一被加工面Ｗ１の凸部Ｐ１に対して第一パルスレーザ光ＬＢ１を照射する。レーザ加工装置１は、当該第一パルスレーザ光ＬＢ１を照射した状態でＸＹ軸駆動部８１によりＸ方向又はＹ方向に被加工物Ｗを移動させることで、第一被加工面Ｗ１に対して第一パルスレーザ光ＬＢ１を走査させながら第一被加工面Ｗ１の表層、特に凸部Ｐ１を選択的に除去する。レーザ加工装置１は、非熱加工であるアブレーション加工を行うことにより、被加工物Ｗの加工部周辺への熱影響を抑制することができる。また、レーザ加工装置１は、酸化雰囲気においてアブレーション加工を行うことにより、酸化反応熱によりアブレーション加工を促進することができる。

次に、レーザ加工装置１は、第一被加工面Ｗ１の全域に渡ってアブレーション加工を行うアブレーション工程が終了したか否かを判定する（ステップＳ３）。レーザ加工装置１は、アブレーション工程が終了したと判定すると（ステップＳ３；Ｙｅｓ）、酸化層除去工程を実施する（ステップＳ４）。レーザ加工装置１は、酸化層除去工程において、ガス供給装置１１０を空気停止状態且つガス通過状態とすることにより不活性ガスを被加工物Ｗに向けて噴射し酸化抑制雰囲気を形成する。レーザ加工装置１は、カメラ１００により第二被加工面Ｗ２の酸化層Ｖ及び酸化デブリＤを撮像した画像に基づいて、Ｚ軸駆動部８２によりＺ方向に被加工物Ｗを移動させて被加工物Ｗを所望の高さに設定する。そして、レーザ加工装置１は、カメラ１００により酸化層Ｖ及び酸化デブリＤを撮像しながら、酸化層Ｖ及び酸化デブリＤに対して第二パルスレーザ光ＬＢ２を照射する。レーザ加工装置１は、当該第二パルスレーザ光ＬＢ２を照射した状態でＸＹ軸駆動部８１によりＸ方向又はＹ方向に被加工物Ｗを移動させることで、酸化層Ｖ及び酸化デブリＤに対して第二パルスレーザ光ＬＢ２を走査させながら酸化層Ｖ及び酸化デブリＤを除去する。レーザ加工装置１は、酸化抑制雰囲気において酸化層除去加工を行うことにより、第二被加工面Ｗ２の酸化を抑制した上で酸化層Ｖ及び酸化デブリＤを除去することができる。次に、レーザ加工装置１は、第二被加工面Ｗ２の全域に渡って酸化層Ｖ及び酸化デブリＤを除去する酸化層除去工程が終了したか否かを判定する（ステップＳ５）。レーザ加工装置１は、酸化層除去工程が終了したと判定すると（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、溶融工程を実施する（ステップＳ６）。

レーザ加工装置１は、溶融工程において、ガス供給装置１１０を微量空気通過状態且つガス通過状態とすることにより混合ガスを被加工物Ｗに向けて噴射し混合ガス雰囲気を形成する。レーザ加工装置１は、カメラ１００により第二被加工面Ｗ２を撮像した画像に基づいて、Ｚ軸駆動部８２によりＺ方向に被加工物Ｗを移動させて被加工物Ｗを所望の高さに設定する。そして、レーザ加工装置１は、カメラ１００により第二被加工面Ｗ２を撮像しながら、第二被加工面Ｗ２の凸部Ｐ２に対して第三パルスレーザ光ＬＢ３を照射する。レーザ加工装置１は、当該第三パルスレーザ光ＬＢ３を照射した状態でＸＹ軸駆動部８１によりＸ方向又はＹ方向に被加工物Ｗを移動させることで、第二被加工面Ｗ２に対して第三パルスレーザ光ＬＢ３を走査させながら第二被加工面Ｗ２の凸部Ｐ２を溶融する。レーザ加工装置１は、混合ガス雰囲気において溶融加工を行うことにより、顕著な酸化による硬度低下等の物性変化を抑制でき、微量の空気で生じる酸化反応による酸化熱により溶融加工を促進させることができる。次に、レーザ加工装置１は、第二被加工面Ｗ２の全域に渡って溶融加工を行う溶融工程が終了したか否かを判定する（ステップＳ７）。レーザ加工装置１は、溶融工程が終了したと判定すると（ステップＳ７；Ｙｅｓ）、加工処理を終了する。

なお、上述のステップＳ３で、レーザ加工装置１は、アブレーション工程が終了していないと判定すると（ステップＳ３；Ｎｏ）、ステップＳ２に戻って第一被加工面Ｗ１の凸部Ｐ１の除去を継続する。また、上述のステップＳ５で、レーザ加工装置１は、酸化層除去工程が終了していないと判定すると（ステップＳ５；Ｎｏ）、ステップＳ４に戻って酸化層Ｖ及び酸化デブリＤの除去を継続する。また、上述のステップＳ７で、レーザ加工装置１は、溶融工程が終了していないと判定すると（ステップＳ７；Ｎｏ）、ステップＳ６に戻って第二被加工面Ｗ２の凸部Ｐ２の溶融を継続する。

以上のように、実施形態に係るレーザ加工方法は、アブレーション工程と、酸化層除去工程とを有する。アブレーション工程は、酸化を促進する酸化雰囲気において、凹凸を有する第一被加工面Ｗ１に第一パルスレーザ光ＬＢ１を照射して第一被加工面Ｗ１の凸部Ｐ１を除去し、第一被加工面Ｗ１の凸部Ｐ１よりも低い凸部Ｐ２を有する第二被加工面Ｗ２を形成する。酸化層除去工程は、アブレーション工程の後、酸化を抑制する酸化抑制雰囲気において、アブレーション工程で第二被加工面Ｗ２に形成された酸化層Ｖに第一パルスレーザ光ＬＢ１とは異なる第二パルスレーザ光ＬＢ２を照射して当該酸化層Ｖを除去する。

これにより、レーザ加工方法は、第一被加工面Ｗ１をアブレーション加工するので、従来のように第一被加工面Ｗ１を溶融させて平坦化する場合と比較して第一被加工面Ｗ１に与える熱影響を抑制することができ、第一被加工面Ｗ１の変形、うねり、変質、変色等の軟化、変態を抑制することができる。レーザ加工方法は、酸化雰囲気でアブレーション加工するので、酸化抑制雰囲気でアブレーション加工する場合と比較して酸化反応熱によりアブレーション加工を促進することができる（図２０、図２１参照）。ここで、図２０は、比較例に係る酸化抑制雰囲気においてアブレーション加工を行う加工量を示す図である。図２１は、実施形態に係る酸化雰囲気においてアブレーション加工を行う加工量を示す図である。比較例に係るアブレーション加工は、実施形態に係るアブレーション加工と同じ条件の第一パルスレーザ光ＬＢ１を用いて加工している。比較例に係るアブレーション加工は、図２０に示すように、加工量が１μｍ程度である。これに対して、実施形態に係るアブレーション加工は、図２１に示すように、加工量が３μｍ程度である。このように、実施形態に係るアブレーション加工は、酸化雰囲気において加工が行われるので酸化抑制雰囲気でアブレーション加工する場合と比較して酸化反応熱により加工量を３倍程度増加することができ、エネルギー効率を向上することができる。この結果、レーザ加工方法は、被加工物Ｗが受ける熱影響を抑制した上で加工時間を短縮することができる。また、レーザ加工方法は、アブレーション工程で第二被加工面Ｗ２に形成された酸化層Ｖを除去するので、当該酸化層Ｖを起因として被加工物Ｗの本体にクラックやひび割れ等が生じることを防止することができる。

上記レーザ加工方法において、溶融工程をさらに有する。当該溶融工程は、酸化層除去工程の後、酸化層Ｖが除去された第二被加工面Ｗ２に第一パルスレーザ光ＬＢ１及び第二パルスレーザ光ＬＢ２とは異なる第三パルスレーザ光ＬＢ３を照射して当該第二被加工面Ｗ２の凸部Ｐ２を溶融し当該第二被加工面Ｗ２を平坦化した加工平坦面Ｗ３を形成する。これにより、レーザ加工方法は、従来のように溶融加工のみで平坦化する場合と比較してアブレーション工程で表面をある程度滑らかにした後に溶融加工により平坦化するので、被加工物Ｗに対する熱影響を抑制することができる。従って、レーザ加工方法は、熱影響により加工平坦面Ｗ３の変形、うねり、変質、変色等の軟化、変態を抑制することができる。レーザ加工方法は、例えば、図１８に示すように、加工平坦面Ｗ３において結晶構造や再凝固によるボイド（空洞）を防ぐことができ、酸化や熱影響の深さ方向への影響を抑制することができた。また、レーザ加工方法は、従来のように手研磨を実施することなく自動で表面粗さ（凹凸）Ｒａを０．１μｍ以下まで低減することができる。これにより、レーザ加工方法は、被加工面Ｗａを平坦化して鏡面加工を実施することができる。また、レーザ加工方法は、隣接する凸部Ｐ１の間隔が広い被加工物Ｗにおいても、低周波なうねりの成分を抑制した平坦化加工を実施することができる。

実施形態に係るレーザ加工装置１は、レーザ光照射部１０と、制御部１２０とを備える。レーザ光照射部１０は、凹凸を有する第一被加工面Ｗ１に、第一パルスレーザ光ＬＢ１と、第一パルスレーザ光ＬＢ１とは異なる第二パルスレーザ光ＬＢ２とを照射する。ガス供給装置１１０は、酸化を促進する酸化雰囲気を形成するための空気又は酸化を抑制する酸化抑制雰囲気を形成するための不活性ガスを供給する。制御部１２０は、レーザ光照射部１０及びガス供給装置１１０を制御する。制御部１２０は、ガス供給装置１１０を制御し空気を供給した酸化雰囲気を形成し、レーザ光照射部１０を制御し第一被加工面Ｗ１に第一パルスレーザ光ＬＢ１を照射して第一被加工面Ｗ１の凸部Ｐ１を除去し、第一被加工面Ｗ１の凸部Ｐ１よりも低い凸部Ｐ２を有する第二被加工面Ｗ２を形成する。制御部１２０は、第二被加工面Ｗ２を形成後、ガス供給装置１１０を制御し不活性ガスを供給した酸化抑制雰囲気を形成し、レーザ光照射部１０を制御し第二被加工面Ｗ２に形成された酸化層Ｖに第一パルスレーザ光ＬＢ１とは異なる第二パルスレーザ光ＬＢ２を照射して酸化層Ｖを除去する。この構成により、レーザ加工装置１は、上述のレーザ加工方法と同等の効果を奏することができる。

〔変形例〕
次に、実施形態の変形例について説明する。レーザ加工方法は、第二パルスレーザ光ＬＢ２により酸化層Ｖ及び酸化デブリＤを除去する酸化層除去工程と、第三パルスレーザ光ＬＢ３により第二被加工面Ｗ２の凸部Ｐ２を溶融し当該第二被加工面Ｗ２を平坦化した加工平坦面Ｗ３を形成する溶融工程とを別々に行う例について説明したが、これに限定されない。レーザ加工方法は、例えば、酸化層Ｖ及び酸化デブリＤの除去と加工平坦面Ｗ３の形成とを同時に行ってもよい。この場合、第二パルスレーザ光ＬＢ２は、例えば、レーザ強度のピーク値が、第二被加工面Ｗ２の酸化層Ｖ及び酸化デブリＤを除去可能であり、且つ、第二被加工面Ｗ２の凸部Ｐ２を溶融可能な光エネルギー密度である。レーザ加工方法は、例えば、酸化層除去工程としての酸化層除去溶融工程では、第二パルスレーザ光ＬＢ２により第二被加工面Ｗ２に形成された酸化層Ｖ及び酸化デブリＤを除去し、且つ、第二パルスレーザ光ＬＢ２により第二被加工面Ｗ２の凸部Ｐ２を溶融し、当該第二被加工面Ｗ２を平坦化した加工平坦面Ｗ３を形成する。これにより、レーザ加工方法は、酸化層Ｖ及び酸化デブリＤの除去と加工平坦面Ｗ３の形成とを同時に行うことができるので、加工時間をさらに短縮することができる。なお、酸化層Ｖ及び酸化デブリＤの除去と加工平坦面Ｗ３の形成とを同時に行い、さらに、その後に溶融加工を行って平坦度をより向上させてもよい。

酸化を促進させる気体としては、空気の他に、酸素、オゾン、亜酸化窒素、一酸化窒素、二酸化窒素、フッ素、塩素、二酸化塩素、三フッ化窒素、三フッ化塩素、四塩化ケイ素、二フッ化酸素、ペルクロリルフルオリド等があり、これらの混合気体も含まれる。

第一〜第三パルスレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３は、ライン状に照射するビームを形成してもよい。これにより、第一〜第三パルスレーザ光ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３は、点状のビームと比較して広範囲に照射することができるので加工時間（タクトタイム）を削減することができる。

レーザ加工装置１は、不活性ガスに微量の空気を混合した混合ガス雰囲気において溶融加工を行う例について説明したが、これに限定されない。レーザ加工装置１は、例えば、上述の酸化抑制雰囲気において溶融加工を行ってもよい。

レーザ加工装置１は、対物レンズ７０等を含む光学系の位置を固定し、被加工物ＷをＸ方向、Ｙ方向、又は、Ｚ方向に相対移動させて加工する例について説明したが、これに限定されない。レーザ加工装置１は、例えば、被加工物Ｗの位置を固定し、対物レンズ７０等を含む光学系をＸ方向、Ｙ方向、又は、Ｚ方向に相対移動させて被加工物Ｗを加工するガルバノスキャナ等を用いてもよい。

レーザ光照射部１０は、パルス幅可変光源をシード光源に用いた主発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ）である例について説明したが、これに限定されない。レーザ光照射部１０は、例えば、パルス幅毎に別のレーザ光源を用いてもよい。この場合、第一パルスレーザ光ＬＢ１としては、フェムト秒レーザやピコ秒レーザを用いる。また、第二及び第三パルスレーザ光ＬＢ２、ＬＢ３としては、ナノ秒、マイクロ秒、ミリ秒のパルスレーザを用いる。第二及び第三パルスレーザ光ＬＢ２、ＬＢ３は、一定の出力を連続して発振する連続波レーザ光（ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーザ光））でもよい。

１ レーザ加工装置
１０ レーザ光照射部
１１０ ガス供給装置
１２０ 制御部
ＬＢ１ 第一パルスレーザ光（第一レーザ光）
ＬＢ２ 第二パルスレーザ光（第二レーザ光）
ＬＢ３ 第三パルスレーザ光（第三レーザ光）
Ｐ１、Ｐ２ 凸部
Ｗ１ 第一被加工面
Ｗ２ 第二被加工面
Ｗ３ 加工平坦面
Ｖ 酸化層

Claims (4)

1. 酸化を促進する酸化雰囲気において、凹凸を有する第一被加工面に第一レーザ光を照射して前記第一被加工面の凸部を除去し、前記第一被加工面の凸部よりも低い凸部を有する第二被加工面を形成する除去工程と、
   前記除去工程の後、酸化を抑制する酸化抑制雰囲気において、前記除去工程で前記第二被加工面に形成された酸化層に前記第一レーザ光とは異なる第二レーザ光を照射して当該酸化層を除去する酸化層除去工程と、
   を有することを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記酸化層除去工程の後、前記酸化層が除去された前記第二被加工面に前記第一レーザ光及び前記第二レーザ光とは異なる第三レーザ光を照射して当該第二被加工面の凸部を溶融し当該第二被加工面を平坦化した加工平坦面を形成する溶融工程をさらに有する請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記酸化層除去工程では、前記第二レーザ光により前記第二被加工面に形成された前記酸化層を除去し、且つ、前記第二レーザ光により前記第二被加工面の凸部を溶融し当該第二被加工面を平坦化した加工平坦面を形成する請求項１に記載のレーザ加工方法。
4. 凹凸を有する第一被加工面に、第一レーザ光と、前記第一レーザ光とは異なる第二レーザ光とを照射するレーザ光照射部と、
   酸化を促進する酸化促進用ガス又は酸化を抑制する酸化抑制用ガスを供給するガス供給装置と、
   前記レーザ光照射部及び前記ガス供給装置を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記ガス供給装置を制御し前記酸化促進用ガスにより形成した酸化雰囲気において、前記レーザ光照射部を制御し前記第一被加工面に前記第一レーザ光を照射して前記第一被加工面の凸部を除去し、前記第一被加工面の凸部よりも低い凸部を有する第二被加工面を形成し、
   前記第二被加工面を形成後、前記ガス供給装置を制御し前記酸化抑制用ガスにより形成した酸化抑制雰囲気において、前記レーザ光照射部を制御し前記第二被加工面に形成された酸化層に前記第一レーザ光とは異なる第二レーザ光を照射して前記酸化層を除去することを特徴とするレーザ加工装置。

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