特許 6546207 レーザ加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6546207

(24)【登録日】2019年6月28日

(45)【発行日】2019年7月17日

(54)【発明の名称】レーザ加工方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/40 20140101AFI20190705BHJP

   B23K 26/16 20060101ALI20190705BHJP

   B23K 26/18 20060101ALI20190705BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20190705BHJP

   B23K 26/382 20140101ALI20190705BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/40

   B23K26/16

   B23K26/18

   B23K26/00 P

   B23K26/00 Q

   B23K26/382

【請求項の数】9

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2017-7927(P2017-7927)

(22)【出願日】2017年1月19日

(65)【公開番号】特開2018-114544(P2018-114544A)

(43)【公開日】2018年7月26日

【審査請求日】2018年2月14日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106002

【弁理士】

【氏名又は名称】正林 真之

(74)【代理人】

【識別番号】100165157

【弁理士】

【氏名又は名称】芝 哲央

(74)【代理人】

【識別番号】100160794

【弁理士】

【氏名又は名称】星野 寛明

(72)【発明者】

【氏名】和泉 貴士

【審査官】 柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−１７５７２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０９１３８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−０８４２８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０４−５０２４２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／４０

Ｂ２３Ｋ ２６／００

Ｂ２３Ｋ ２６／１６

Ｂ２３Ｋ ２６／１８

Ｂ２３Ｋ ２６／３８２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミックワークにレーザ光を照射して加工するレーザ加工方法であって、
前記ワークに前記レーザ光を照射する際に、前記レーザ光の照射時間とパワーと吸収率との積が、前記ワークの溶融対象部分の体積を溶融させるのに必要なエネルギ以上になるように設定するとともに、このレーザ光の照射に伴って発生する前記ワークの溶融材料を、熱拡散により前記ワークの母材と溶融部付近との温度差が前記ワークの耐熱衝撃性を示す所定の温度差以上にならないような速度で前記ワークのレーザ受光部から除去する際に、前記溶融材料にその重量以上の吸引力を作用させ、前記ワークのレーザ受光部に負圧を発生させて、前記溶融材料を吸引して除去するレーザ加工方法。

【請求項2】

前記ワークの前記溶融対象部分は、前記レーザ光のスポットサイズに対応する直径０．０１ｍｍ〜１ｍｍの円形の底面と、前記ワークの溶融深さに対応する１００μｍ以上の高さと、を有する円柱に近似する形状である請求項１に記載のレーザ加工方法。

【請求項3】

前記ワークに前記レーザ光を照射する際に、予め前記ワークの前記レーザ受光部に反射防止膜をコーティングして、前記ワークに対する前記レーザ光の吸収率を増加させる請求項１または２に記載のレーザ加工方法。

【請求項4】

前記反射防止膜は、厚さが０．１ｍｍ以下である請求項３に記載のレーザ加工方法。

【請求項5】

前記ワークに前記レーザ光を照射する際に、前記ワークの厚さに応じて、前記レーザ光の焦点位置を前記ワークの裏面側に移動させる請求項１から４までのいずれかに記載のレーザ加工方法。

【請求項6】

前記レーザ光の焦点位置を移動させるときに、この焦点位置の移動動作および停止動作を交互に行い、この焦点位置の移動中に前記レーザ光の照射動作を停止するとともに、この焦点位置の停止中に前記レーザ光の照射動作を実行する請求項５に記載のレーザ加工方法。

【請求項7】

前記ワークに前記レーザ光を照射する際に、前記ワークの前記レーザ受光部の周囲温度を測定し、このレーザ受光部の周囲温度が規定値を超えた場合に、このレーザ受光部に対する前記レーザ光の照射動作を中断する請求項１から６までのいずれかに記載のレーザ加工方法。

【請求項8】

前記ワークに前記レーザ光を照射する際に、前記ワークの前記レーザ受光部の周囲温度を測定し、このレーザ受光部の周囲温度が規定値を超えた場合に、このレーザ受光部を冷却する請求項１から７までのいずれかに記載のレーザ加工方法。

【請求項9】

前記レーザ光は、炭酸ガスレーザ、ファイバレーザ、ダイレクトダイオードレーザまたはＹＡＧレーザである請求項１から８までのいずれかに記載のレーザ加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アルミナ（酸化アルミニウム）等のセラミックからなるワーク（セラミックワーク）にレーザ光を照射して加工するレーザ加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、セラミックワークにレーザ光を照射して加工する際には、パルス幅が数μ秒以下のレーザ照射により、ワークに穴開け加工を行っていた（例えば、特許文献１、２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平０６−１５５０６１号公報

【特許文献2】特開２０１５−０４７６３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、これでは、次のような不都合があった。

【0005】

第１に、セラミックは、アルミニウム等の金属に比べて熱伝導率が悪い。例えば、アルミナの場合は、図４に示すように、熱伝導率が２３Ｗ／ｍ・Ｋである。そのため、セラミックワークの厚さが１ｍｍ以上の場合は穴開けに時間がかかり、熱伝導率が悪いため加工点周辺が局部的に高温になる。また、セラミックワークに連続して穴開け加工を行う場合には、熱が蓄積される。そのため、セラミックワークに大きな温度差が局部的に発生することで、セラミックワークに割れや破損、変形が発生しやすい。

【0006】

第２に、セラミックは、レーザ光の波長依存性が大きい。通常、微細加工を実施したい場合、集光径を小さくできるレーザの種類を選択するが、反射率が高い（吸収率が低い）場合は、出力の大きな発振器を用いる必要がある。そのため、レーザ発振器を含む装置（レーザ加工機）が肥大化し、レーザ加工に要するコストが増大する。

【0007】

本発明は、厚さ１ｍｍ以上のセラミックワークにレーザ加工を行う場合や、セラミックワークに連続してレーザ加工を行う場合においても、そのセラミックワークの割れや破損、変形なくレーザ加工を迅速かつ低廉に実行することが可能なレーザ加工方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係るレーザ加工方法は、セラミックワーク（例えば、後述のワーク３）にレーザ光（例えば、後述のレーザ光ＬＢ）を照射して加工するレーザ加工方法であって、前記ワークに前記レーザ光を照射する際に、前記レーザ光の照射時間とパワーと吸収率との積が、前記ワークの溶融対象部分の体積を溶融させるのに必要なエネルギ以上になるように設定するとともに、このレーザ光の照射に伴って発生する前記ワークの溶融材料（例えば、後述の溶融材料１０）を前記ワークのレーザ受光部（例えば、後述のレーザ受光部３ａ）から除去する。

【0009】

前記ワークの前記溶融対象部分は、前記レーザ光のスポットサイズに対応する直径０．０１ｍｍ〜１ｍｍの円形の底面と、前記ワークの溶融深さに対応する１００μｍ以上の高さと、を有する円柱に近似する形状であってもよい。

【0010】

前記ワークの前記溶融材料を前記ワークの前記レーザ受光部から除去する際に、前記ワークの前記レーザ受光部に負圧を発生させて、前記溶融材料を吸引して除去してもよい。

【0011】

前記ワークに前記レーザ光を照射する際に、予め前記ワークの前記レーザ受光部に反射防止膜をコーティングして、前記ワークに対する前記レーザ光の吸収率を増加させてもよい。

【0012】

前記反射防止膜は、厚さが０．１ｍｍ以下であってもよい。

【0013】

前記ワークに前記レーザ光を照射する際に、前記ワークの厚さに応じて、前記レーザ光の焦点位置を前記ワークの裏面側に移動させてもよい。

【0014】

前記レーザ光の焦点位置を移動させるときに、この焦点位置の移動動作および停止動作を交互に行い、この焦点位置の移動中に前記レーザ光の照射動作を停止するとともに、この焦点位置の停止中に前記レーザ光の照射動作を実行してもよい。

【0015】

前記ワークに前記レーザ光を照射する際に、前記ワークの前記レーザ受光部の周囲温度を測定し、このレーザ受光部の周囲温度が規定値を超えた場合に、このレーザ受光部に対する前記レーザ光の照射動作を中断してもよい。

【0016】

前記ワークに前記レーザ光を照射する際に、前記ワークの前記レーザ受光部の周囲温度を測定し、このレーザ受光部の周囲温度が規定値を超えた場合に、このレーザ受光部を冷却してもよい。

【0017】

前記レーザ光は、炭酸ガスレーザ、ファイバレーザ、ダイレクトダイオードレーザまたはＹＡＧレーザであってもよい。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、厚さ１ｍｍ以上のセラミックワークにレーザ加工を行う場合や、セラミックワークに連続してレーザ加工を行う場合においても、そのセラミックワークの割れや破損、変形なくレーザ加工を迅速かつ低廉に実行することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の第１実施形態に係るレーザ加工機を示す概略構成図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係るレーザ加工機のノズルを示す垂直断面図である。

【図3】アルミナその他の材料について、レーザ光の波長と反射率との関係を示す片対数グラフである。

【図4】アルミナの物性を示す表である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施形態の一例について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ加工機を示す概略構成図である。図２は、本発明の第１実施形態に係るレーザ加工機のノズルを示す垂直断面図である。

【0021】

この第１実施形態に係るレーザ加工機１は、図１に示すように、アルミナの平板状ワーク３を水平に支持する可動テーブル４と、円形断面のレーザ光ＬＢを出射するレーザ発振器５と、レーザ発振器５から出射されたレーザ光ＬＢをワーク３に誘導する導波路６と、レーザ光ＬＢを集光レンズ７で集光してワーク３に照射する加工ヘッド８と、加工ヘッド８の先端に装着されるノズル２と、可動テーブル４、レーザ発振器５、集光レンズ７および加工ヘッド８の動作を制御する制御装置９と、を備えている。

【0022】

なお、可動テーブル４は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に移動自在になっている。また、加工ヘッド８は、Ｚ軸方向に移動自在になっている。集光レンズ７は、加工ヘッド８内でＺ軸方向に移動自在になっている。さらに、導波路６には、レーザ発振器５から出射されたレーザ光ＬＢを反射して集光レンズ７に誘導する反射ミラー６ａが含まれている。また、レーザ光ＬＢの種類は特に限定されず、例えば、炭酸ガスレーザ、ファイバレーザ、ダイレクトダイオードレーザ、ＹＡＧレーザ等を用いることができる。

【0023】

ノズル２は、図２に示すように、レーザ光ＬＢをワーク３に照射する略円筒状のノズル本体２１と、ノズル本体２１に形成された給気口２２と、ノズル本体２１に、給気口２２に対向して形成された排気口２３と、を備えている。給気口２２には、円筒状の給気管３２が接続されている。排気口２３には、円筒状の排気管３３が接続されている。そして、ノズル２は、ノズル本体２１に誘導されるレーザ光ＬＢの光軸ＣＬを横切る形で、給気口２２から排気口２３に至る直線的なガス流路２５に沿ってノズル本体２１の内部にガスＧを供給することにより、ノズル本体２１の先端の開口部２１ａの近傍に負圧を発生させるように構成されている。

【0024】

ここで、給気口２２の口径Ｄ２は、図２に示すように、ノズル本体２１に誘導されるレーザ光ＬＢのガスＧに横切られる部位における直径Ｄ１以上である（Ｄ２≧Ｄ１）。また、排気口２３の口径Ｄ３は、給気口２２の口径Ｄ２より大きい（Ｄ３＞Ｄ２）。例えば、Ｄ３＝５ｍｍ、Ｄ２＝１ｍｍとすることができる。また、給気口２２は、ガスＧの直進性を向上させるための所定の長さＬ２（例えば、１ｍｍ）の直線部を有している。

【0025】

また、ノズル２は、ガス流路２５に沿ってガスＧが供給されるときには、例えば、ガスＧの圧力や流量を適宜調整することにより、ワーク３の穴開け加工に伴って発生する溶融材料１０に、その重量以上の吸引力を作用させ、この溶融材料１０がノズル本体２１の開口部２１ａから吸引されて排気口２３からノズル本体２１の外部へ排出されるように構成されている。

【0026】

さらに、ノズル２の近傍にはサーモグラフィ３１が、ワーク３のレーザ受光部３ａの周囲温度を測定しうるように設置されている。

【0027】

レーザ加工機１は以上のような構成を有するので、このレーザ加工機１を用いてアルミナのワーク３の穴開け加工を行う際には、次の手順による。

【0028】

まず、図１に示すように、可動テーブル４上にワーク３を載置した状態で、制御装置９からの指令に基づき、可動テーブル４をＸ軸方向、Ｙ軸方向に適宜移動させて、ワーク３をＸ軸方向およびＹ軸方向の所定の位置に位置決めする。

【0029】

次いで、制御装置９からの指令に基づき、加工ヘッド８をＺ軸方向に適宜移動させて、ノズル２をＺ軸方向の所定の位置に位置決めする。すると、ノズル２は、図２に示すように、ノズル本体２１の開口部２１ａがワーク３の表面から所定の距離Ｌ１（例えば、Ｌ１＝０．５ｍｍ〜５ｍｍ）だけ上方に離れた状態になる。

【0030】

さらに、制御装置９からの指令に基づき、集光レンズ７を加工ヘッド８内でＺ軸方向に適宜移動させる。すると、ノズル本体２１の開口部２１ａとワーク３の表面との距離Ｌ１を保持した状態で、レーザ光ＬＢの焦点位置がＺ軸方向の所定の位置に位置決めされる。

【0031】

次に、制御装置９からの指令に基づき、給気口２２から排気口２３に至るガス流路２５に沿って、ノズル本体２１の内部にガスＧを所定の圧力（例えば、０．５ＭＰａ）で供給する。すると、このガスＧの流れに巻き込まれてノズル本体２１の内部のガスが排気口２３から排出されるため、ノズル本体２１の開口部２１ａの近傍に負圧が発生する。

【0032】

このとき、排気口２３は、給気口２２に対向しているとともに、その口径Ｄ３が給気口２２の口径Ｄ２より大きく、給気口２２にガスＧの直進性を向上させる所定の長さＬ２の直線部が設けられているため、給気口２２からノズル本体２１の内部に供給されたガスＧは、残らず排気口２３から排出される。その結果、ガスＧの供給に無駄が生じることはなく、負圧の発生を効率的に進めることができる。

【0033】

さらに、制御装置９からの指令に基づき、サーモグラフィ３１を用いて、ワーク３のレーザ受光部３ａの周囲温度を測定する。

【0034】

この状態で、制御装置９からの指令に基づき、レーザ発振器５からレーザ光ＬＢを出射する。すると、そのレーザ光ＬＢは、導波路６に沿って誘導された後、集光レンズ７で集光されてノズル２のノズル本体２１の開口部２１ａからワーク３に照射される。その結果、ワーク３は、そのレーザ受光部３ａがレーザ光ＬＢのレーザ照射によって溶融し、穴開け加工が開始される。

【0035】

このとき、レーザ光ＬＢの照射時間とパワーと吸収率との積が、ワーク３の溶融対象部分の体積を溶融させるのに必要なエネルギ以上になるように設定する。このワーク３の溶融対象部分は、レーザ光ＬＢが円形断面を有していることから、円柱に近似する形状であると考えられる。この円柱は、レーザ光ＬＢのスポットサイズに対応する直径０．０１ｍｍ〜１ｍｍの円形の底面と、ワーク３の溶融深さに対応する１００μｍ以上の高さと、を有している。

【0036】

ここで、レーザ光ＬＢのスポットサイズとは、ワーク３のレーザ受光部３ａにおけるレーザ光ＬＢの断面積をいう。また、ワーク３の溶融深さとは、レーザ光ＬＢの照射によって溶融するワーク３のレーザ受光部３ａの深さをいう。

【0037】

また、ワーク３に対する反射率が高いレーザ光ＬＢを選択し、照射する際には、予めワーク３のレーザ受光部３ａに厚さが０．１ｍｍ以下の反射防止膜をコーティングして、ワーク３に対するレーザ光ＬＢの吸収率を増加させることが望ましい。吸収率が低い場合、溶融までに時間がかかる為、熱拡散がおこるためである。なお、このレーザ光ＬＢの吸収率を増加させるべく、鉄粉入りのテープ（図示せず）をワーク３の表面に貼ることも考えられるが、これでは、ワーク３の溶融材料１０がこのテープに付着して吸引できない可能性がある。これに対して、反射防止膜をコーティングすれば、こうした可能性がない点で好ましい。

【0038】

また、ワーク３が厚い場合には、１回のレーザ照射でワーク３の穴開け加工が完了しないので、ワーク３の厚さに応じて、集光レンズ７をＺ軸方向に移動させることにより、図２に二点鎖線で示すように、レーザ光ＬＢの焦点位置をワーク３の裏面側（図２下方）に所定の回数（例えば、３回）だけ移動させる。

【0039】

このとき、焦点位置の移動動作および停止動作を交互に行い、この焦点位置の移動中にレーザ光ＬＢの照射動作を停止するとともに、この焦点位置の停止中にレーザ光ＬＢの照射動作を実行する。こうすることにより、レーザ照射を停止している間にワーク３の溶融材料１０の排出時間を作ることができるため、レーザ光ＬＢが溶融材料１０に照射され、ワーク３に反射し、周囲温度が上昇することを防ぐことができる。

【0040】

また、アルミナの耐熱衝撃性は、図４に示すように、２００℃であるため、ワーク３の穴開け加工を行っている最中に、ワーク３のレーザ受光部３ａの温度差が、この温度を超えた場合、材料が破壊する。サーモグラフィなどでは、ワーク３のレーザ受光部３ａを直接高精度で温度測定できない場合、このレーザ受光部３ａの周囲温度が規定値（例えば、６０℃）を超えた場合には、このレーザ受光部３ａに対するレーザ光ＬＢの照射動作を中断する。そして、レーザ受光部３ａが冷却するのを待つか、或いは、温度が規定値を超えていない部分に対して先にレーザ加工を行う。このとき、ワーク３のレーザ受光部３ａに風や冷却水を当てることにより、このレーザ受光部３ａを強制的に冷却してもよい。

【0041】

こうしたワーク３の穴開け加工に伴って、ワーク３のレーザ受光部３ａは、レーザにより加熱され溶融するが、このレーザ受光部３ａに供給されるエネルギ量が大きい場合、瞬間的にレーザ受光部３ａは沸点を超え、このレーザ受光部３ａに溶融材料１０が発生してレーザ光ＬＢと同軸方向へ跳ね上がる。しかし、ノズル２内には、上述したとおり、レーザ光ＬＢを横切るようにガスＧが流れているので、溶融材料１０が集光レンズ７に達することを阻止して、集光レンズ７を保護することができる。これに加えて、ノズル２は、レーザ光ＬＢの光軸ＣＬを横切るガスＧの流れにより、ノズル本体２１の開口部２１ａの近傍が負圧になっているため、このレーザ受光部３ａにも負圧が発生する。しかも、ガスＧは、溶融材料１０の重量以上の吸引力が作用するように供給されている。その結果、この溶融材料１０は、ノズル本体２１の内部に吸い上げられつつ冷却されながら、排気口２３からノズル本体２１の外部に排出される。したがって、溶融材料１０がノズル本体２１の内部に滞留してレーザ光ＬＢの照射の邪魔をすることはなく、ワーク３の穴開け加工を効率よく実行することができる。

【0042】

このように、ワーク３にレーザ光ＬＢを照射する際には、レーザ光ＬＢの照射時間とパワーと吸収率との積が、ワーク３の溶融対象部分の体積を溶融させるのに必要なエネルギ以上になるように設定される。しかも、このレーザ光ＬＢの照射に伴って発生する溶融材料１０は、素早く取り除かれるので、溶融材料１０からワーク３のレーザ受光部３ａ以外の部分への熱拡散を抑制し、過熱に起因するワーク３の割れや破損、変形を防止することができる。その結果、厚さ１ｍｍ以上のアルミナのワーク３にレーザ加工を行う場合や、アルミナのワーク３に連続してレーザ加工を行う場合においても、ワーク３に割れ等が発生することを回避しつつ、レーザ加工を実行することができる。

【0043】

また、ワーク３のレーザ受光部３ａに反射防止膜をコーティングすることにより、反射率が高いレーザ光ＬＢでも吸収率を増加させることができる。そのため、出力の小さなレーザ発振器５を使用することができ、レーザ加工を迅速かつ低廉に実行することが可能となる。

【0044】

こうして、ワーク３の穴開け加工が終了すると、ワーク３のレーザ受光部３ａがワーク３の表面から裏面へ貫通しているので、ワーク３の溶融材料１０をワーク３の裏面から下方に排出することができる。したがって、それ以降は、ワーク３の溶融材料１０を吸引する必要がなくなり、ガスＧの供給を停止し、ノズル２からアシストガスを供給しながら、ワーク３の切断加工を行うことも可能になる。

【0045】

なお、本発明は、上述した第１実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。

【0046】

例えば、上述した第１実施形態では、加工ヘッド８内の光学系として集光レンズ７のみを備えている場合について説明した。しかし、集光レンズ７を保護する光学系としてのウインド（図示せず）が集光レンズ７の下方に取り付けられている場合にも、本発明を同様に適用することができる。

【0047】

また、上述した第１実施形態では、ノズル本体２１の開口部２１ａをワーク３の表面から所定の距離Ｌ１だけ離した状態でレーザ加工を行う場合について説明した。しかし、例えば、ノズル本体２１の開口部２１ａの下側に円筒状のシリコーンゴムからなる弾性部材（図示せず）をワーク３に接触するように取り付けることにより、ノズル本体２１の密閉度を高め、溶融材料１０の吸引力を増大させることも可能である。

【0048】

また、上述した第１実施形態では、ワーク３のレーザ受光部３ａの温度を測定するのにサーモグラフィ３１を使用する場合について説明したが、サーモグラフィ３１に代えて、各種の温度センサ（図示せず）を用いることもできる。

【0049】

さらに、上述した第１実施形態では、アルミナのワーク３にレーザ加工を行う場合について説明したが、アルミナ以外のセラミックからなるワークにレーザ加工を行う場合にも、本発明を同様に適用することができる。

【実施例】

【0050】

以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は実施例に限定されるものではない。

【0051】

図３は、アルミナその他の材料について、レーザ光の波長と反射率との関係を示す片対数グラフである。図３のグラフにおいて、横軸（対数）はレーザ光の波長（単位：μｍ）を表し、縦軸はレーザ光の反射率（単位：％）を表す。図４は、アルミナの物性を示す表である。

【0052】

＜実施例１＞
炭酸ガスレーザを用いて、上述した第１実施形態に係るレーザ加工方法により、厚さ２ｍｍのアルミナのワークにレーザ加工を行った。炭酸ガスレーザ（波長：約１０μｍ）は、図３から明らかなように、アルミナに対する反射率が約２０％、つまり吸収率が約８０％である。また、アルミナは、図４に示すように、密度が３．９ｇ／ｃｍ³ 、比熱が０．７５ｋＪ／ｋｇ・Ｋ、融点が１７７７Ｋ、沸点が２７２３Ｋである。

【0053】

これらを踏まえて、ワークを溶融させるために必要なエネルギおよびワークを沸騰させるために必要なエネルギを算出する。すなわち、ワークの溶融対象部分が円柱状であり、その底面（つまり、レーザ光のスポットサイズに対応するもの）を直径０．５ｍｍの円形、その高さ（つまり、ワークの溶融深さに対応するもの）を０．１ｍｍと仮定すると、この円柱の体積は、円周率を３．１４として、０．２５ｍｍ×０．２５ｍｍ×３．１４×０．１ｍｍ＝０．０１９６ｍｍ³ となる。したがって、この円柱の重さは、この体積に密度を乗じて、０．０１９６ｍｍ³ ×３．９ｇ／ｃｍ³ ＝０．０７６５×１０^-3ｇになる。その結果、室温を２９３Ｋとして、ワークを溶融させるために必要なエネルギは、０．０７６５×１０^-3ｇ×（１７７７Ｋ−２９３Ｋ）×０．７５ｋＪ／ｋｇ・Ｋ＝０．０８５Ｊと算出される。また、ワークを沸騰させるために必要なエネルギは、０．０７６５×１０^-3ｇ×（２７２３Ｋ−２９３Ｋ）×０．７５ｋＪ／ｋｇ・Ｋ＝０．１３９Ｊと算出される。

【0054】

一方、レーザ発振器が、パワー１０００Ｗ、デューティ２０％、周波数１０００Ｈｚ、照射時間０．００５秒とすれば、アルミナに対する吸収率を８０％として、このレーザ発振器から与えられるエネルギは、１０００Ｗ×２０％×０．００５秒×０．８＝０．８Ｊとなる。したがって、レーザ発振器から与えられるエネルギ（０．８Ｊ）は、ワークを沸騰させるために必要なエネルギ（０．１３９Ｊ）より大きくなる。

【0055】

その結果、このワークは、瞬間的に沸点を超える形で溶融した。また、このレーザ照射に伴って発生する溶融材料を吸引して瞬間的に取り除くことで、この溶融材料から母材への熱伝導を少なくし、母材の過熱を低減することができた。このように、ワークが瞬間的に沸点を超える場合、溶融材料はレーザの照射方向へ跳ね上がることがある。このような場合でも、レーザ光の光軸を横切るガスGの流れにより流され、集光レンズを汚染することは無い。

【0056】

１回のレーザ照射で深さ０．３ｍｍ〜０．４ｍｍ程度の穴が形成されると考えられるため、レーザ光の焦点位置を０．３ｍｍずつワークの裏面側に移動させつつ、レーザ照射を５、６回繰り返した。その結果、厚さ２ｍｍのアルミナのワークに直径０．５ｍｍの穴を貫通して形成することができた。

【0057】

＜実施例２＞
レーザの種類を炭酸ガスレーザからファイバレーザに置き換えたこと以外は、上述した実施例１と同様にして、厚さ２ｍｍのアルミナのワークにレーザ加工を行った。ファイバレーザ（波長：約１μｍ）は、図３から明らかなように、アルミナに対する吸収率が約８％、つまり、炭酸ガスレーザ（実施例１参照）の吸収率の１／１０である。そのため、同じレーザ出力でレーザ加工を行うと、炭酸ガスレーザの１０倍の時間がかかる。加工時間が長引くと、熱伝導により、母材が温められて割れる危険性が高くなる。同じ時間で行う場合には、１０倍の出力のレーザを用意する必要がある。

【0058】

そこで、加工時間を短縮すべく、レーザ照射に先立ち、ワークの表面に反射防止剤（ファインケミカルジャパン製「ブラックガードスプレー」）を噴き付けて反射防止膜をコーティングして、レーザ光の吸収率を増加させた。これにより、高出力のレーザ発振器を用いなくても、母材の割れを防止しつつ、厚さ２ｍｍのアルミナのワークに穴を貫通して形成することができた。

【符号の説明】

【0059】

３……ワーク
３ａ……レーザ受光部
１０……溶融材料
ＬＢ……レーザ光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】