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(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】6804224
(24)【登録日】2020年12月4日
(45)【発行日】2020年12月23日
(54)【発明の名称】レーザ加工装置およびレーザ加工方法
(51)【国際特許分類】
B23K 26/064 20140101AFI20201214BHJP
B23K 26/382 20140101ALI20201214BHJP
B23K 26/388 20140101ALI20201214BHJP
B23K 26/384 20140101ALI20201214BHJP
【ＦＩ】
B23K26/064 Z
B23K26/382
B23K26/388
B23K26/384
【請求項の数】11
【全頁数】28
(21)【出願番号】特願2016-123735(P2016-123735)
(22)【出願日】2016年6月22日
(65)【公開番号】特開2017-225994(P2017-225994A)
(43)【公開日】2017年12月28日
【審査請求日】2019年2月25日
(73)【特許権者】
【識別番号】000006208
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】呉屋 真之
(72)【発明者】
【氏名】団野 実
(72)【発明者】
【氏名】渡辺 俊哉
【審査官】
岩見 勤
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１５−０６１７３１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０９−１６４４９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０２−１９２８９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００９−２９７７７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００３−２０５３８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００８−０５５４７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２００９−５２３６１６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｂ２３Ｋ ２６／００ − ２６／７０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
加工対象物を支持するステージを含むステージユニットと、
前記加工対象物にレーザを照射するレーザ加工ユニットであって、第一レーザを出力する第一レーザ光源と、前記第一レーザとはパルス幅が異なる第二レーザを出力する第二レーザ光源と、前記加工対象物を加工するレーザを照射するレーザ加工ヘッドと、前記加工対象物とレーザ光源の間に設けられ、該加工対象物に対し少なくとも前記第一レーザ及び前記第二レーザを集光させる集光光学系と、前記集光光学系とレーザ光源の間に設けられ、該集光光学系に対して前記第一レーザ及び前記第二レーザの少なくともいずれか一方を入射させる位置に移動可能に設けられた切換機構と、前記集光光学系と前記切換機構の間に設けられ、該集光光学系を介して前記加工対象物に照射される前記第一レーザ及び前記第二レーザの少なくともいずれか一方の照射角度を変更する照射角度変更機構と、前記切換機構と前記照射角度変更機構との間に設けられて前記第一レーザ及び前記第二レーザの少なくともいずれか一方を前記照射角度変更機構に向けて走査するレーザ走査部と、を有するレーザ加工ユニットと、
前記レーザ加工ヘッドを制御する制御部と、を含み、
前記制御部は、前記加工対象物の加工条件に応じて前記レーザ加工ヘッドを制御して、貫通孔を加工する、レーザ加工装置。
前記加工対象物にレーザを照射するレーザ加工ユニットであって、第一レーザを出力する第一レーザ光源と、前記第一レーザとはパルス幅が異なる第二レーザを出力する第二レーザ光源と、前記加工対象物を加工するレーザを照射するレーザ加工ヘッドと、前記加工対象物とレーザ光源の間に設けられ、該加工対象物に対し少なくとも前記第一レーザ及び前記第二レーザを集光させる集光光学系と、前記集光光学系とレーザ光源の間に設けられ、該集光光学系に対して前記第一レーザ及び前記第二レーザの少なくともいずれか一方を入射させる位置に移動可能に設けられた切換機構と、前記集光光学系と前記切換機構の間に設けられ、該集光光学系を介して前記加工対象物に照射される前記第一レーザ及び前記第二レーザの少なくともいずれか一方の照射角度を変更する照射角度変更機構と、前記切換機構と前記照射角度変更機構との間に設けられて前記第一レーザ及び前記第二レーザの少なくともいずれか一方を前記照射角度変更機構に向けて走査するレーザ走査部と、を有するレーザ加工ユニットと、
前記レーザ加工ヘッドを制御する制御部と、を含み、
前記制御部は、前記加工対象物の加工条件に応じて前記レーザ加工ヘッドを制御して、貫通孔を加工する、レーザ加工装置。
【請求項2】
前記切換機構は、前記レーザを反射させるミラーと、当該ミラーをスライド移動させるスライド移動機構部と、を含み、前記スライド移動機構部による前記ミラーのスライド移動によって、前記第一レーザまたは前記第二レーザの一方を前記ミラーにより反射させて前記集光光学系に対して入射させる状態と、前記第一レーザまたは前記第二レーザの他方を前記ミラーを介さずに前記集光光学系に対して入射させる状態とに切り換える請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項3】
前記切換機構は、前記レーザを反射させるミラーと、当該ミラーを回転移動させる回転移動機構部と、を含み、前記回転移動機構部による前記ミラーの回転移動によって、前記第一レーザまたは前記第二レーザの一方を前記ミラーにより反射させて前記集光光学系に対して入射させる状態と、前記第一レーザまたは前記第二レーザの他方を前記ミラーを介さずに前記集光光学系に対して入射させる状態とに切り換える請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項4】
前記照射角度変更機構は、前記レーザを反射させるミラーと、当該ミラーを前記レーザの軸方向に沿ってスライド移動させるスライド移動機構部と、を含み、前記スライド移動機構部による前記ミラーのスライド移動によって、前記第一レーザと前記第二レーザとの前記集光光学系に対する入射位置を変更する請求項１から３のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【請求項5】
前記照射角度変更機構は、前記レーザを反射させる第一ミラーと、当該第一ミラーを回転移動させる回転移動機構部と、前記第一ミラーに対して前記レーザの軸方向で位置が異なり固定されて前記レーザを反射させる第二ミラーと、を含み、前記回転移動機構部による前記第一ミラーの回転移動によって、前記第一レーザまたは前記第二レーザの一方を前記第一ミラーにより反射させて前記集光光学系に対して入射させる状態と、前記第一レーザまたは前記第二レーザの他方を前記第一ミラーを介さずに前記第二ミラーにより反射させて前記集光光学系に対して入射させる状態とに変更する請求項１から３のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【請求項6】
前記第一レーザ光源は、第一レーザとしてパルス幅がサブミリ秒以上のレーザを出力し、
前記第二レーザ光源は、第二レーザとしてパルス幅が１００マイクロ秒以下の短パルスレーザを出力する請求項１から５のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
前記第二レーザ光源は、第二レーザとしてパルス幅が１００マイクロ秒以下の短パルスレーザを出力する請求項１から５のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【請求項7】
前記レーザ加工ヘッドは、前記短パルスレーザを前記集光光学系に入射させる距離が、前記パルス幅がサブミリ秒以上のレーザを前記集光光学系に入射させる距離よりも短くなるように構成される請求項６に記載のレーザ加工装置。
【請求項8】
前記制御部は、金属層の表面に保護層が形成された積層構造の前記加工対象物の加工条件に応じ、前記加工対象物に対して表面側が大径に開口する大径部と奥側が小径の小径部とが連通する貫通孔を加工するにあたり、前記加工対象物における前記貫通孔の加工範囲内に前記小径部よりも小径の補助貫通孔を切削するように前記第一レーザ光源または前記第二レーザ光源を制御すると共に、前記レーザ加工ヘッドを制御し、前記補助貫通孔を切削後、前記補助貫通孔を拡げる態様で前記大径部を切削するように前記第一レーザ光源または前記第二レーザ光源を制御すると共に、前記レーザ加工ヘッドを制御し、前記大径部を切削後、前記補助貫通孔を拡げる態様で前記小径部を切削するように前記第一レーザ光源または前記第二レーザ光源を制御すると共に、前記レーザ加工ヘッドを制御する、請求項１から７のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【請求項9】
金属層の表面に保護層が形成された積層構造の加工対象物に対してレーザにて表面側が大径に開口する大径部と奥側が小径の小径部とが連通する貫通孔を加工するレーザ加工方法であって、
前記加工対象物における前記貫通孔の加工範囲内に前記小径部よりも小径の補助貫通孔を切削する工程と、
前記補助貫通孔を拡げる態様で前記大径部を切削する工程と、
前記大径部の切削後に前記補助貫通孔を拡げる態様で前記小径部を切削する工程と、
を含むレーザ加工方法。
前記加工対象物における前記貫通孔の加工範囲内に前記小径部よりも小径の補助貫通孔を切削する工程と、
前記補助貫通孔を拡げる態様で前記大径部を切削する工程と、
前記大径部の切削後に前記補助貫通孔を拡げる態様で前記小径部を切削する工程と、
を含むレーザ加工方法。
【請求項10】
前記補助貫通孔を切削する工程は、パルス幅がサブミリ秒以上のレーザを照射して加工し、
前記貫通孔を切削する工程は、パルス幅が１００マイクロ秒以下の短パルスレーザを照射して前記大径部を加工し、その後パルス幅がサブミリ秒以上のレーザを照射して前記小径部を加工する請求項９に記載のレーザ加工方法。
前記貫通孔を切削する工程は、パルス幅が１００マイクロ秒以下の短パルスレーザを照射して前記大径部を加工し、その後パルス幅がサブミリ秒以上のレーザを照射して前記小径部を加工する請求項９に記載のレーザ加工方法。
【請求項11】
前記補助貫通孔を切削する工程は、パルス幅が１００マイクロ秒以下の短パルスレーザを照射した後、パルス幅がサブミリ秒以上のレーザを照射して加工し、
前記貫通孔を切削する工程は、パルス幅が１００マイクロ秒以下の短パルスレーザを照射して前記大径部を加工し、その後パルス幅がサブミリ秒以上のレーザを照射して前記小径部を加工する請求項９に記載のレーザ加工方法。
前記貫通孔を切削する工程は、パルス幅が１００マイクロ秒以下の短パルスレーザを照射して前記大径部を加工し、その後パルス幅がサブミリ秒以上のレーザを照射して前記小径部を加工する請求項９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、レーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、例えば、特許文献１には、ガスタービンの翼などにフィルム冷却孔を開けるため、翼の表面に設けられたサーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）をパルス紫外線レーザで加工し、金属の母材をＹＡＧレーザなどで加工する技術が示されている。
【0003】
また、特許文献２には、金属層の表面に保護層（ＴＢＣ）が形成された複合材である加工対象物に冷却孔を形成するにあたり、短パルスレーザで保護層に生じる熱影響層をより低減しつつ高精度に切削加工し、ファイバレーザで金属層を高速で切削加工する技術が示されている。また、特許文献２には、加工対象物を加工する加工装置としてレーザを照射するレーザ加工ヘッドを含み、このレーザ加工ヘッドは、ファイバレーザと短パルスレーザとを切り替えて加工対象物に照射する切換機構を有することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】米国特許第５２１６８０８号明細書
【特許文献2】特開２０１５−０６１７３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
近年では、冷却効率を高めるため、内部では円形状の断面をなしているが、表面における開口形状では間口が放射状に広がったシェイプトと呼ばれる複雑な形状の冷却孔が適用されている。しかし、金属層の表面に保護層（セラミックス等）が形成された加工対象物において、保護層の加工はドリル等の機械加工で行われ、金属層の加工は放電加工により行われることが主流であり、一貫して加工を行う技術は確立されていない。
【0006】
具体的には、冷却効率を向上させるため、冷却孔の小径化、保護層の厚膜化が望まれているが、金属層に冷却孔を加工した後に、保護層のコーティングを施工し、窪んだ箇所を狙ってドリル加工すると、冷却孔の小径化、保護層の厚膜化により、保護層の加工位置の特定が困難になる問題がある。そして、放電加工は、絶縁材料であるＴＢＣの保護層の加工が困難であるため、一貫加工が適用できない。
【0007】
ところで、レーザ加工は、金属層の保護層も材料を問わず加工可能であって、一貫加工に有力な加工方法の１つであるが、高品質加工と高速加工を両立する加工装置および加工方法が確立されていない。シェイプト形状の孔は、表面部のシェイプト形状部と当該シェイプト形状部に繋がる円形孔とで構成され、シェイプト形状部を高精度に加工するには、精密加工に適した短パルスレーザ（１００マイクロ秒以下のパルス間隔）が優れているのに対し、円形孔部の加工には、サブミリ秒もしくはミリ秒オーダーのパルスレーザ（ファイバレーザ、ＹＡＧレーザなど）が適している。このため、高速で高品質に加工するためには、シェイプト形状部を加工するレーザ加工機と円形孔部を加工する別のレーザ加工機の２台が必要であるため、装置コストが高く、段替えで加工時間が増大すると共に、加工対象物へのレーザ照射位置の変更を複数回行わなければならない問題があった。また、シェイプト形状の孔は、円形孔部の中心軸の角度とシェイプト形状部の壁面の角度がずれている構成があるため、それぞれの加工に対して加工対象物へのレーザ照射角度を変えて加工することが望ましい。例えば、加工対象物に対するレーザ照射角度を変更する場合、加工対象物またはレーザ加工ヘッドを移動させることで加工が可能であるが、角度の変更に時間を要し、加工時間が増大すると共に、加工対象物へのレーザ照射位置の変更を複数回行わなければならない問題があった。
【0008】
また、パルスレーザによる加工においては、加工対象物の材料が溶融したドロスを生じる。そして、孔が貫通するまではドロスが表面側に溢れ出ることから、加工対象物の表面にドロスが飛散してスパッタとして付着固化して品質が低下することになる。特に、ＴＢＣの保護層と金属層では入熱に対する熱膨張率が異なるため、金属層のスパッタがＴＢＣの保護層に付着固化すると熱影響により保護層にクラックなどが生じやすく、保護層の品質に影響を及ぼすおそれがある。また、付着固化したスパッタを除去する作業を要すことから、加工時間および作業コストが増大する問題があった。
【0009】
本発明は上述した課題を解決するものであり、高品質に切削加工することのできるレーザ加工装置および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】
【0010】
上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係るレーザ加工装置は、加工対象物を支持するステージを含むステージユニットと、第一レーザを出力する第一レーザ光源、前記第一レーザとはパルス幅が異なる第二レーザを出力する第二レーザ光源、および前記加工対象物を加工するレーザを照射するレーザ加工ヘッドを含むレーザ加工ユニットと、を含み、前記レーザ加工ヘッドは、レーザを集光させる集光光学系に対して前記第一レーザを入射させる状態、または前記集光光学系に対して前記第二レーザを入射させる状態に切り換える切換機構と、前記集光光学系に対して前記レーザの入射位置を変更し、前記レーザの照射角度を変更する照射角度変更機構と、を有する。
【0011】
このレーザ加工装置によれば、切換機構により照射するレーザを切り換え可能とすることで、加工対象物の大きさ、厚み、材料などに応じて、使用するレーザを切り換えることができる。これにより、１つのレーザ加工ヘッドで第一レーザおよび第二レーザによる加工ができる。このため、加工対象物の固定状態を維持したまま、加工を行うことができ、加工した部分で軸ズレが生じることを抑制できる。この結果、用途に応じた加工を高品質に高い精度かつ短時間で行うことができる。しかも、このレーザ加工装置によれば、照射角度変更機構により、集光光学系の中心軸に対してレーザをシフト（平行移動）させて入射させ、加工対象物に対して、レーザ光の照射角度を中心軸に対して傾斜させ、かつ集光位置が同一となるように照射することで、径や形状などの異なる加工に応じて使用するレーザの照射角度を変更することができる。これにより径や形状などの異なりに応じた加工を高品質に高い精度かつ短時間で行うことができる。
【0012】
また、本発明の一態様に係るレーザ加工装置では、前記切換機構は、前記レーザを反射させるミラーと、当該ミラーをスライド移動させるスライド移動機構部と、を含み、前記スライド移動機構部による前記ミラーのスライド移動によって、前記第一レーザまたは前記第二レーザの一方を前記ミラーにより反射させて前記集光光学系に対して入射させる状態と、前記第一レーザまたは前記第二レーザの他方を前記ミラーを介さずに前記集光光学系に対して入射させる状態とに切り換えることが好ましい。
【0013】
このレーザ加工装置によれば、各レーザの切り換えを実現することができる。
【0014】
また、本発明の一態様に係るレーザ加工装置では、前記切換機構は、前記レーザを反射させるミラーと、当該ミラーを回転移動させる回転移動機構部と、を含み、前記回転移動機構部による前記ミラーの回転移動によって、前記第一レーザまたは前記第二レーザの一方を前記ミラーにより反射させて前記集光光学系に対して入射させる状態と、前記第一レーザまたは前記第二レーザの他方を前記ミラーを介さずに前記集光光学系に対して入射させる状態とに切り換えることが好ましい。
【0015】
このレーザ加工装置によれば、切換機構は、回転移動機構部によりミラーを回転移動させる構成のため、スライド移動に比較して各レーザの切り換えを高速化でき、より短時間で加工を行うことができる。しかも、切換機構は、回転移動機構部によりミラーを回転移動させる構成のため、スライド移動に比較して回転軸でミラーの姿勢を安定して支持することができ、高品質で高精度な加工を行うことができる。
【0016】
また、本発明の一態様に係るレーザ加工装置では、前記照射角度変更機構は、前記レーザを反射させるミラーと、当該ミラーを前記レーザの軸方向に沿ってスライド移動させるスライド移動機構部と、を含み、前記スライド移動機構部による前記ミラーのスライド移動によって、前記第一レーザと前記第二レーザとの前記集光光学系に対する入射位置を変更することが好ましい。
【0017】
このレーザ加工装置によれば、レーザの照射角度の変更を実現することができる。
【0018】
また、本発明の一態様に係るレーザ加工装置では、前記照射角度変更機構は、前記レーザを反射させる第一ミラーと、当該第一ミラーを回転移動させる回転移動機構部と、前記第一ミラーに対して前記レーザの軸方向で位置が異なり固定されて前記レーザを反射させる第二ミラーと、を含み、前記回転移動機構部による前記第一ミラーの回転移動によって、前記第一レーザまたは前記第二レーザの一方を前記第一ミラーにより反射させて前記集光光学系に対して入射させる状態と、前記第一レーザまたは前記第二レーザの他方を前記第一ミラーを介さずに前記第二ミラーにより反射させて前記集光光学系に対して入射させる状態とに変更することが好ましい。
【0019】
このレーザ加工装置によれば、照射角度変更機構は、回転移動機構部により第一ミラーを回転移動させる構成のため、スライド移動に比較してレーザの入射位置の変更を高速化でき、高速で加工を行うことができる。しかも、照射角度変更機構は、回転移動機構部により第一ミラーを回転移動させる構成のため、スライド移動に比較して回転軸で第一ミラーの姿勢を安定して支持することができ、高品質で高精度な加工を行うことができる。
【0020】
また、本発明の一態様に係るレーザ加工装置は、加工対象物を支持するステージを含むステージユニットと、第一レーザを出力する第一レーザ光源、前記第一レーザとはパルス幅が異なる第二レーザを出力する第二レーザ光源、および前記加工対象物を加工するレーザを照射するレーザ加工ヘッドを含むレーザ加工ユニットと、を含み、前記レーザ加工ヘッドは、レーザを集光させる集光光学系に対して前記第一レーザを入射させる状態、または前記集光光学系に対して前記第二レーザを入射させる状態に切り換える切換機構を有し、前記切換機構は、前記レーザを反射させるミラーと、当該ミラーを回転移動させる回転移動機構部と、を含み、前記回転移動機構部による前記ミラーの回転移動によって、前記第一レーザまたは前記第二レーザの一方を前記ミラーにより反射させて前記集光光学系に対して入射させる状態と、前記第一レーザまたは前記第二レーザの他方を前記ミラーを介さずに前記集光光学系に対して入射させる状態とに切り換える。
【0021】
このレーザ加工装置によれば、切換機構により照射するレーザを切り換え可能とすることで、加工対象物の大きさ、厚み、材料などに応じて、使用するレーザを切り換えることができる。これにより、１つのレーザ加工ヘッドで第一レーザおよび第二レーザによる加工ができる。このため、加工対象物の固定状態を維持したまま、加工を行うことができ、加工した部分で軸ズレが生じることを抑制できる。この結果、用途に応じた加工を高品質に高い精度かつ短時間で行うことができる。しかも、このレーザ加工装置によれば、切換機構は、回転移動機構部によりミラーを回転移動させる構成のため、スライド移動に比較して各レーザの切り換えを高速化でき、より短時間で加工を行うことができる。しかも、切換機構は、回転移動機構部によりミラーを回転移動させる構成のため、スライド移動に比較して回転軸でミラーの姿勢を安定して支持することができ、高品質で高精度な加工を行うことができる。
【0022】
また、本発明の一態様に係るレーザ加工装置は、加工対象物を支持するステージを含むステージユニットと、レーザを出力するレーザ光源、および前記加工対象物を加工するレーザを照射するレーザ加工ヘッドを含むレーザ加工ユニットと、を含み、前記レーザ加工ヘッドは、レーザを集光させる集光光学系に対して前記レーザの入射位置を変更し、前記レーザの照射角度を変更する照射角度変更機構を有し、前記照射角度変更機構は、前記レーザを反射させるミラーと、当該ミラーを前記レーザの軸方向に沿ってスライド移動させるスライド移動機構部と、を含み、前記スライド移動機構部による前記ミラーのスライド移動によって、前記レーザの前記集光光学系に対する入射位置を変更する。
【0023】
このレーザ加工装置によれば、照射角度変更機構により、集光光学系の中心軸に対してレーザをシフト（平行移動）させて入射させ、加工対象物に対して、レーザ光の照射角度を中心軸に対して傾斜させ、かつ集光位置が同一となるように照射することで、径や形状などの異なる加工に応じて使用するレーザの照射角度を変更することができる。これにより径や形状などの異なりに応じた加工を高品質に高い精度かつ短時間で行うことができる。
【0024】
また、本発明の一態様に係るレーザ加工装置は、加工対象物を支持するステージを含むステージユニットと、レーザを出力するレーザ光源、および前記加工対象物を加工するレーザを照射するレーザ加工ヘッドを含むレーザ加工ユニットと、を含み、前記レーザ加工ヘッドは、レーザを集光させる集光光学系に対して前記レーザの入射位置を変更する照射角度変更機構を有し、前記照射角度変更機構は、前記レーザを反射させる第一ミラーと、当該第一ミラーを回転移動させる回転移動機構部と、前記第一ミラーに対して前記レーザの軸方向で位置が異なり固定されて前記レーザを反射させる第二ミラーと、を含み、前記回転移動機構部による前記第一ミラーの回転移動によって、前記レーザを前記第一ミラーにより反射させて前記集光光学系に対して入射させる状態と、前記レーザを前記第一ミラーを介さずに前記第二ミラーにより反射させて前記集光光学系に対して入射させる状態とに変更する。
【0025】
このレーザ加工装置によれば、照射角度変更機構により、集光光学系の中心軸に対してレーザをシフト（平行移動）させて入射させ、加工対象物に対して、レーザ光の照射角度を中心軸に対して傾斜させ、かつ集光位置が同一となるように照射することで、径や形状などの異なる加工に応じて使用するレーザの照射角度を変更することができる。これにより径や形状などの異なりに応じた加工を高品質に高い精度かつ短時間で行うことができる。しかも、照射角度変更機構は、回転移動機構部により第一ミラーを回転移動させる構成のため、スライド移動に比較してレーザの入射位置の変更を高速化でき、高速で加工を行うことができる。しかも、照射角度変更機構は、回転移動機構部により第一ミラーを回転移動させる構成のため、スライド移動に比較して回転軸で第一ミラーの姿勢を安定して支持することができ、高品質で高精度な加工を行うことができる。
【0026】
また、本発明の一態様に係るレーザ加工装置では、前記レーザ光源は、第一レーザを出力する第一レーザ光源、および前記第一レーザとはパルス幅が異なる第二レーザを出力する第二レーザ光源を含み、前記照射角度変更機構は、前記集光光学系に対して前記第一レーザと前記第二レーザとの入射位置を変更することが好ましい。
【0027】
このレーザ加工装置によれば、照射角度変更機構は、パルス幅が異なるレーザの入射位置を変更するため、加工対象物の大きさ、厚み、材料などに応じて、使用するレーザを切り換えることができる。これにより、１つのレーザ加工ヘッドで第一レーザおよび第二レーザによる加工ができる。このため、加工対象物の固定状態を維持したまま、加工を行うことができ、加工した部分で軸ズレが生じることを抑制できる。この結果、用途に応じた加工を高品質に高い精度かつ短時間で行うことができる。
【0028】
また、本発明の一態様に係るレーザ加工装置では、前記第一レーザ光源は、第一レーザとしてパルス幅がサブミリ秒以上のレーザを出力し、前記第二レーザ光源は、第二レーザとしてパルス幅が１００マイクロ秒以下の短パルスレーザを出力することが好ましい。
【0029】
このレーザ加工装置によれば、パルス幅がサブミリ秒以上のレーザは、比較的高速で加工を行うことができ、短パルスレーザは、比較的高精度で加工を行うことができる。従って、それぞれのレーザの長所を生かして切り換えたり、入射位置を変更したりすることで、高品質に高い精度かつ短時間で加工を行うことができる。
【0030】
また、本発明の一態様に係るレーザ加工装置では、前記レーザ加工ヘッドは、前記短パルスレーザを前記集光光学系に入射させる距離が、前記パルス幅がサブミリ秒以上のレーザを前記集光光学系に入射させる距離よりも短くなるように構成されることが好ましい。
【0031】
このレーザ加工装置によれば、精度が要求される加工を行う短パルスレーザのエネルギー損失を低減することができ、高精度な加工を行うことができる。
【0032】
上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係るレーザ加工方法は、加工対象物に対してレーザにて貫通孔を加工するレーザ加工方法であって、前記加工対象物における前記貫通孔の加工範囲内に前記貫通孔よりも小径の補助貫通孔を切削する工程と、前記補助貫通孔を拡げる態様で前記貫通孔を切削する工程と、を含む。
【0033】
このレーザ加工方法によれば、加工対象物に貫通孔を形成するにあたり、当該貫通孔よりも小径の補助貫通孔を形成してから補助貫通孔を拡げる態様で貫通孔を形成する。従って、先に補助貫通孔が形成されていることで、その後に貫通孔を加工する際、加工対象物の材料が溶融したドロスが補助貫通孔を通して排出される。このため、加工対象物の表面にドロスが溢れ出して飛散する事態を防ぐことができ、ドロスがスパッタとして加工対象物の表面側に付着固化することを防止し、高品質に切削加工することができる。しかも、スパッタの付着を防ぐことで、当該スパッタを除去する作業を要さないことから、加工時間および作業コストを低減することができる。
【0034】
また、本発明の一態様に係るレーザ加工方法は、金属層の表面に保護層が形成された積層構造の加工対象物に対してレーザにて表面側が大径に開口する大径部と奥側が小径の小径部とが連通する貫通孔を加工するレーザ加工方法であって、前記加工対象物における前記貫通孔の加工範囲内に前記小径部よりも小径の補助貫通孔を切削する工程と、前記補助貫通孔を拡げる態様で前記貫通孔を切削する工程と、を含む。
【0035】
このレーザ加工方法によれば、加工対象物に貫通孔を形成するにあたり、当該貫通孔よりも小径の補助貫通孔を形成してから補助貫通孔を拡げる態様で貫通孔を形成する。補助貫通孔は、貫通孔のうち最も小径の小径部の孔径よりも小径である。従って、先に補助貫通孔が形成されていることで、その後に大径部や小径部を加工する際、加工対象物の材料が溶融したドロスが補助貫通孔を通して排出される。このため、加工対象物の表面にドロスが溢れ出して飛散する事態を防ぐことができ、ドロスがスパッタとして加工対象物の表面側に付着固化することを防止し、高品質に切削加工することができる。しかも、スパッタの付着を防ぐことで、当該スパッタを除去する作業を要さないことから、加工時間および作業コストを低減することができる。
【0036】
また、本発明の一態様に係るレーザ加工方法では、前記補助貫通孔を切削する工程は、パルス幅がサブミリ秒以上のレーザを照射して加工し、前記貫通孔を切削する工程は、パルス幅が１００マイクロ秒以下の短パルスレーザを照射して前記大径部を加工し、その後パルス幅がサブミリ秒以上のレーザを照射して前記小径部を加工することが好ましい。
【0037】
このレーザ加工方法によれば、パルス幅がサブミリ秒以上のレーザは、比較的高速で小径部の加工を行うことができ、短パルスレーザは、比較的高精度で大径部の加工を行うことができる。従って、それぞれのレーザの長所を生かすことで、高品質に高い精度かつ短時間で加工を行うことができる。
【0038】
また、本発明の一態様に係るレーザ加工方法では、前記補助貫通孔を切削する工程は、パルス幅が１００マイクロ秒以下の短パルスレーザを照射した後、パルス幅がサブミリ秒以上のレーザを照射して加工し、前記貫通孔を切削する工程は、パルス幅が１００マイクロ秒以下の短パルスレーザを照射して前記大径部を加工し、その後パルス幅がサブミリ秒以上のレーザを照射して前記小径部を加工することが望ましい。
【0039】
このレーザ加工方法によれば、加工対象物の表面へのスパッタ付着をごく少量にとどめることができ、スパッタを除去する作業を要さずに済む、もしくは簡易的な除去作業で十分とすることで、作業コストを低減できる。パルス幅が１００マイクロ秒以下の短パルスレーザは、ピークパワーが数十ｋＷ以上と高く、ドロスの発生を抑制できる高品質加工なため、スパッタ付着量の極小化に有効である。スパッタの発生について観測したところ、特にレーザ加工の初期に発生しやすいことが分かった。そこで、前記補助貫通孔の形成において、スパッタの発生しやすい初期に、パルス幅が１００マイクロ秒以下の短パルスレーザを照射して加工し、その後、パルス幅がサブミリ秒以上のレーザを照射することで、スパッタ付着量を極小化しつつ、加工時間を短縮する事が可能となった。
【発明の効果】
【0040】
本発明によれば、高品質に切削加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【0041】
【発明を実施するための形態】
【0042】
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【0043】
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す模式図である。図２は、レーザ加工ヘッドの概略構成を示す模式図である。図３および図４は、それぞれレーザ加工ヘッドの動作を説明するための説明図である。
【0044】
図１に示すように、レーザ加工装置１０は、加工対象物１００に対して、切断加工、穴あけ加工などの各種加工を行う装置である。なお、加工の種類は特に限定されないが、本実施形態のレーザ加工装置１０は、穴あけにおける切削加工を行う。また、レーザ加工装置１０は、加工対象物１００の計測も行う。
【0045】
レーザ加工装置１０は、フレーム１２と、移動ユニット１４と、ステージユニット１６と、レーザ加工ヘッド６０を含むレーザ加工ユニット２２と、制御部２４と、を有する。レーザ加工装置１０は、ステージユニット１６に保持される加工対象物１００にレーザ加工ユニット２２によりレーザを照射し、加工対象物１００をレーザ加工する。ここで、本実施形態では、水平面をＸ軸方向と、Ｘ軸に直交するＹ軸方向とを含むＸＹ平面とし、水平面に直交する方向をＺ軸方向とする。また、Ｙ軸周りに回転する方向をθＹ方向とする。
【0046】
フレーム１２は、レーザ加工装置１０の筐体であり、地面、土台などの設置面に固定されている。フレーム１２は、門１２ａと門１２ａの空間に挿入された土台１２ｂとを有する。フレーム１２は、移動ユニット１４の固定部が固定されている。従って、本実施形態のレーザ加工装置１０は、フレーム１２の門１２ａと土台１２ｂとに移動ユニット１４が固定され、移動ユニット１４により加工対象物１００と、レーザ加工ユニット２２とを相対的に移動させる、いわゆる門型の加工装置である。
【0047】
移動ユニット１４は、加工対象物１００とレーザ加工ヘッド６０とを相対移動させる。移動ユニット１４は、Ｙ軸移動機構３０と、Ｘ軸移動機構３４と、Ｚ軸移動機構３８と、θＹ回転機構３９と、を有する。Ｙ軸移動機構３０は、フレーム１２の土台１２ｂ上に配置され、Ｙ軸方向に延在するレール３０ａと、レール３０ａに沿って移動するＹ軸移動部材３０ｂと、を有する。Ｙ軸移動機構３０は、Ｙ軸移動部材３０ｂにステージユニット１６が固定されている。Ｙ軸移動機構３０は、レール３０ａに沿って、Ｙ軸移動部材３０ｂを移動させることで、ステージユニット１６をＹ軸方向に移動させる。Ｙ軸移動機構３０は、Ｙ軸移動部材３０ｂをＹ軸方向に移動させる機構として、種々の機構を用いることができる。例えば、Ｙ軸移動部材３０ｂにボールねじを挿入し、ボールねじをモータなどで回転させる機構や、リニアモータ機構、ベルト機構などを用いることができる。Ｘ軸移動機構３４と、Ｚ軸移動機構３８も同様に種々の機構を用いることができる。
【0048】
Ｘ軸移動機構３４は、フレーム１２の門１２ａ上に配置され、Ｘ軸方向に延在するレール３３と、レール３３に沿って移動するＸ軸移動部材３４ａと、を有する。Ｘ軸移動機構３４は、Ｘ軸移動部材３４ａにＺ軸移動機構３８が固定されている。Ｘ軸移動機構３４は、レール３３に沿って、Ｘ軸移動部材３４ａを移動させることで、Ｚ軸移動機構３８をＸ軸方向に移動させる。Ｚ軸移動機構３８は、Ｘ軸移動部材３４ａに固定され、Ｚ軸方向に延在するレール３８ａと、レール３８ａに沿って移動するＺ軸移動部材３８ｂと、を有する。Ｚ軸移動機構３８は、Ｚ軸移動部材３８ｂにθＹ回転機構３９が固定されている。Ｚ軸移動機構３８は、レール３８ａに沿って、θＹ回転機構３９を移動させることで、θＹ回転機構３９をＺ軸方向に移動させる。θＹ回転機構３９は、Ｚ軸移動部材３８ｂに固定され、レーザ加工ヘッド６０が固定されている。θＹ回転機構３９は、Ｚ軸移動部材３８ｂに対して、レーザ加工ヘッド６０をθＹ方向に回転させることで、レーザ加工ヘッド６０をθＹ方向に回転させる。
【0049】
移動ユニット１４は、Ｙ軸移動機構３０とＸ軸移動機構３４とＺ軸移動機構３８とを用いて、加工対象物１００とレーザ加工ヘッド６０とをＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向のそれぞれに相対移動させる。また、移動ユニット１４は、θＹ回転機構３９を用いて、加工対象物１００に対してレーザ加工ヘッド６０を回転させる。これにより、レーザ加工ヘッド６０から加工対象物１００に対して照射されるレーザの向きを調整することができる。移動ユニット１４は、レーザ加工ヘッド６０をＸ軸周りに回転させる機構を備えていてもよい。また、レーザが照射される向きを調整する機構は、レーザ加工ヘッド６０に設けてもよい。
【0050】
ステージユニット１６は、Ｙ軸移動機構３０のＹ軸移動部材３０ｂ上に配置されている。ステージユニット１６は、加工対象物１００を支持するステージである。本実施形態のステージユニット１６は、Ｙ軸移動部材３０ｂと一体化させた部材、つまり、Ｙ軸移動部材３０ｂをステージユニット１６のステージとしたが、Ｙ軸移動部材３０ｂ上に別の支持部材をステージとして設けてもよい。ステージユニット１６は、Ｙ軸移動機構３０が加工対象物１００を移動させるステージ移動機構４２となる。ステージユニット１６は、加工対象物１００をＹ軸移動部材３０ｂの所定の位置に固定する固定機構を備えている。また、ステージユニット１６は、ステージ移動機構４２として、さらにＹ軸移動部材３０ｂに対して加工対象物１００の向きを、つまり姿勢を調整する調整機構を備えていてもよい。具体的には、ステージ移動機構４２として、加工対象物１００を回転させる機構を備えていてもよい。
【0051】
レーザ加工ユニット２２は、レーザ加工ヘッド６０と、ファイバレーザ光源（第一レーザ光源）６２と、短パルスレーザ光源（第二レーザ光源）６４と、を有する。ファイバレーザ光源６２は、光ファイバを媒質としてパルス幅がサブミリ秒以上のレーザであるファイバレーザ（第一レーザ）Ｌ１を出力する装置である。ファイバレーザ出力装置としては、例えば、ファブリペロー型ファイバレーザ出力装置やリング型ファイバレーザ出力装置を用いることができ、これらの出力装置が励起されることによりレーザが発振される。ファイバレーザ出力装置のファイバは、例えば、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）などの希土類元素が添加されたシリカガラスを用いることができる。なお、本実施形態では、ファイバレーザ（第一レーザ）Ｌ１としてＹＡＧレーザやＹＶＯ４レーザなどのマイクロ秒オーダーパルス発振もしくはそれ以下のパルス発振をするレーザも使用可能である。短パルスレーザ光源６４は、レーザを短パルス、例えば、周波数２０ｋＨｚで出力する。短パルスレーザ出力装置としては、レーザの発振源として例えば、チタンサファイアレーザを用いることができ、パルス幅が１００ピコ秒以下のパルスを発振することができる。ここで、本実施形態において、短パルスレーザ（第二レーザ）Ｌ２は、パルス幅が１００マイクロ秒以下の短パルスでレーザを出力するものである。なお、レーザ加工ユニット２２は、短パルスレーザＬ２を、パルス幅が１００ナノ秒以下の短パルスとすることが好ましく、パルス幅が１ナノ秒未満のレーザとすることがより好ましい。
【0052】
次に、レーザ加工ヘッド６０について、説明する。レーザ加工ヘッド６０は、図２に示すように、ファイバレーザ光源６２から出力されたファイバレーザＬ１と、短パルスレーザ光源６４から出力された短パルスレーザＬ２と、が入射され、入射されたレーザＬ１，Ｌ２のうち一方を加工対象物１００に照射することで、加工対象物１００をレーザ加工する。なお、ファイバレーザ光源６２から出力されたファイバレーザＬ１と、短パルスレーザ光源６４から出力された短パルスレーザＬ２とは、光ファイバなどのレーザ光を導く光学部材でレーザ加工ヘッド６０まで案内される。
【0053】
レーザ加工ヘッド６０は、切換機構７２と、レーザ走査部７４と、照射角度変更機構７６と、集光光学系７８と、ノズル８０と、を含む。
【0054】
切換機構７２は、レーザ走査部７４にファイバレーザ光源６２から出力されたファイバレーザＬ１を入射させるか、短パルスレーザ光源６４から出力された短パルスレーザＬ２を入射させるかを切り換える機構である。切換機構７２は、レーザＬ１，Ｌ２を反射するミラー７２Ａと、ミラー７２Ａをスライド移動させるスライド移動機構部７２Ｂと、を有する。スライド移動機構部７２Ｂは、ミラー７２Ａに連結された支持棒７２Ｂａと、支持棒７２Ｂａをスライド移動させる駆動部７２Ｂｂと、を有する。切換機構７２は、駆動部７２Ｂｂにより支持棒７２Ｂａを介してミラー７２Ａを図２に実線で示すようにファイバレーザＬ１と短パルスレーザＬ２とが相互に交差して重なる位置と、図２に一点鎖線で示すように短パルスレーザＬ２の経路から外れた位置とに配置する。
【0055】
切換機構７２は、図３に示すように、駆動部７２Ｂｂにより支持棒７２Ｂａを介してミラー７２ＡをファイバレーザＬ１と短パルスレーザＬ２とが重なる位置に配置し、ファイバレーザＬ１をミラー７２Ａで反射し、短パルスレーザＬ２を遮ることで、ファイバレーザＬ１がレーザ走査部７４に入射する状態とする。なお、図３に示す例では、短パルスレーザ光源６４で短パルスレーザＬ２を遮っているため、短パルスレーザＬ２は、ミラー７２Ａまで到達しない。
【0056】
また、切換機構７２は、図４に示すように、駆動部７２Ｂｂにより支持棒７２Ｂａを介してミラー７２Ａを短パルスレーザＬ２の経路から外れた位置に配置し、つまり、ミラー７２ＡをファイバレーザＬ１と短パルスレーザＬ２とが重なる位置からミラー７２Ａが配置されていない状態に退避して配置し、短パルスレーザＬ２をそのまま通過させることで、短パルスレーザＬ２がレーザ走査部７４に入射する状態とする。短パルスレーザＬ２をそのまま通過させる場合、ミラー７２Ａの手前にシャッタを設けてファイバレーザＬ１遮るようにしてもよい。なお、図４に示す例では、ファイバレーザ光源６２でファイバレーザＬ１を遮っているため、ファイバレーザＬ１は、ミラー７２Ａまで到達しない。
【0057】
なお、図には明示しないが、切換機構７２は、上記構成以外に、例えば、ミラー７２Ａをレールでスライド移動可能に設け、駆動部７２Ｂｂでレールに沿ってミラー７２Ａをスライド移動させる構成であってもよい。また、切換機構７２は、短パルスレーザＬ２をミラー７２Ａで反射させ、ファイバレーザＬ１をそのまま通過させることで、それぞれレーザ走査部７４に入射する状態としてもよい。
【0058】
なお、図には明示しないが、レーザ加工ヘッド６０は、ファイバレーザ光源６２から出力されたファイバレーザＬ１をコリメートし、コリメートしたファイバレーザＬ１を切換機構７２に向けて射出するコリメート光学系が設けられている。また、レーザ加工ヘッド６０は、短パルスレーザ光源６４から出力された短パルスレーザＬ２をコリメートし、コリメートした短パルスレーザＬ２を切換機構７２に向けて射出するコリメート光学系が設けられている。
【0059】
レーザ走査部７４は、切換機構７２を経たファイバレーザＬ１や短パルスレーザＬ２のレーザを照射角度変更機構７６に向けて走査するもので、例えば、ガルバノスキャナが用いられる。すなわち、レーザ走査部７４は、切換機構７２を経たファイバレーザＬ１や短パルスレーザＬ２の経路を屈折させて、当該経路を照射角度変更機構７６における入射の光軸に合わせる。
【0060】
照射角度変更機構７６は、ファイバレーザＬ１や短パルスレーザＬ２の集光光学系７８への入射位置を変更し、レーザＬ１，Ｌ２の照射角度を変更するものである。照射角度変更機構７６は、レーザを反射するミラー７６Ａと、ミラー７６Ａをスライド移動させるスライド移動機構部７６Ｂと、を有する。スライド移動機構部７６Ｂは、ミラー７６Ａに連結された支持棒７６Ｂａと、支持棒７６Ｂａをスライド移動させる駆動部７６Ｂｂと、を有する。照射角度変更機構７６は、駆動部７６Ｂｂにより支持棒７６Ｂａを介してミラー７６Ａを図２に実線で示すようにファイバレーザＬ１や短パルスレーザＬ２の光軸の延在方向に沿ってスライド移動した異なる位置に配置する。
【0061】
照射角度変更機構７６は、図３に示すように、駆動部７６Ｂｂにより支持棒７６Ｂａを介してミラー７６Ａを、例えばファイバレーザＬ１の光軸に沿って後退した位置に配置し、ファイバレーザＬ１をミラー７６Ａで反射させることで、ファイバレーザＬ１が集光光学系７８の中心軸に対してシフト（平行移動）して入射する状態とする。なお、図３に示す例では、短パルスレーザ光源６４で短パルスレーザＬ２を遮っているため、短パルスレーザＬ２は、ミラー７６Ａまで到達しない。なお、照射角度変更機構７６は、同経路で短パルスレーザＬ２を集光光学系７８の中心軸に対してシフト（平行移動）して入射する状態とすることもできる。
【0062】
また、照射角度変更機構７６は、図４に示すように、駆動部７６Ｂｂにより支持棒７６Ｂａを介してミラー７６Ａを、例えば、短パルスレーザＬ２の光軸に沿って前進した位置に配置し、短パルスレーザＬ２をミラー７６Ａで反射させることで、短パルスレーザＬ２が集光光学系７８の中心軸上に入射する状態とする。なお、図４に示す例では、ファイバレーザ光源６２でファイバレーザＬ１を遮っているため、ファイバレーザＬ１は、ミラー７６Ａまで到達しない。なお、照射角度変更機構７６は、同経路でファイバレーザＬ１を集光光学系７８の中心軸上に入射する状態とすることもできる。
【0063】
集光光学系７８は、複数のレンズを有し（図示では１つ）、複数のレンズにより、照射角度変更機構７６を通過したレーザＬ１，Ｌ２を集光し、所定の焦点距離、焦点深度となるレーザＬ１，Ｌ２を形成する。集光光学系７８は、加工対象物１００に所定のスポット径のレーザＬ１，Ｌ２を照射する。また、集光光学系７８は、冷却機構を有することが好ましい。冷却機構は、例えば、上記複数のレンズを冷却するための冷却ジャケットなどである。
【0064】
ノズル８０は、レーザＬ１，Ｌ２の進行方向の先側に向かうにつれて次第に径が縮小する中空の円錐形状である。ノズル８０は、集光光学系７８に装着される。ノズル８０は、加工対象物１００の加工点で生じるスパッタなどにより集光光学系７８が汚損するのを防ぐための透過部材を有する。また、ノズル８０は、アシストガス供給源（図示せず）からアシストガスが供給され、このアシストガスを加工対象物１００に向けて噴射可能である。
【0065】
本実施形態において、アシストガスは、例えば、空気、窒素ガス、酸素ガス、アルゴンガス、キセノンガス、ヘリウムガス、または、これらの混合ガスを用いることができる。アシストガスとして、酸化反応熱を加工処理に利用できる酸素ガスを用いた場合、金属などの加工対象物１００に対する加工速度をより向上させることができる。また、アシストガスとして、熱影響を与える熱影響層としての酸化被膜の生成を抑える窒素ガスやアルゴンガスなどを用いた場合、金属などの加工対象物１００に対する加工精度をより向上させることができる。アシストガスのガス種、混合比、および、ノズル８０からの噴出量（圧力）などは、加工対象物１００の種類や加工モードなどの加工条件に応じて変えることができる。例えば、金属に対しては、酸素を含むガスをアシストガスとして用いることで、加工速度を向上させるとともに、酸化反応によりドロスが高温となって流動性が向上して除去されやすくなり、品質を向上させることができる。また、窒素ガスなどの不活性ガスを用いることで、金属に対しては酸化を抑制出来、酸化金属層の生成を抑制する事ができる。また、スパッタ物が生じた場合、保護層が酸化物の場合、窒素ガスをアシストガスとして金属加工を行なうと、生成されるスパッタが窒化物となるため、保護層へ付着した際の密着力を抑制することができる。
【0066】
また、レーザ加工ユニット２２は、レーザを照射する位置の画像を撮影する撮影手段、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサなどを有するカメラを備えていてもよい。これにより、取得した画像に基づいてレーザの照射位置などを調整することができる。
【0067】
レーザ加工ユニット２２は、ファイバレーザ光源６２または短パルスレーザ光源６４から出力されるレーザをレーザ加工ヘッド６０から加工対象物１００に照射することで、貫通孔があけられる。また、レーザ加工ユニット２２は、レーザの照射位置を移動させることで、加工対象物を線で切削することができ、加工対象物を切断することもできる。
【0068】
制御部２４は、移動ユニット１４、ステージユニット１６、レーザ加工ユニット２２の各部の動作を制御する。制御部２４は、移動ユニット１４やステージユニット１６のステージ移動機構４２の動作を制御し、加工対象物１００とレーザ加工ヘッド６０とを相対移動させる。また、制御部２４はレーザ加工ユニット２２の駆動を制御し、レーザ加工を制御する。具体的には、制御部２４は、加工対象物１００の加工手順に基づいて、ファイバレーザＬ１で加工を行うか、短パルスレーザＬ２で加工を行うかを決定し、決定に基づいて切換機構７２および照射角度変更機構７６を含む各部を動作し、加工対象物１００にレーザを照射する。
【0070】
図５から図７に示すように、他の例の切換機構８２は、レーザ走査部７４にファイバレーザ光源６２から出力されたファイバレーザＬ１を入射させるか、短パルスレーザ光源６４から出力された短パルスレーザＬ２を入射させるかを切り換える機構であり、上述した切換機構７２に代えて用いられる。切換機構８２は、回転盤８２Ａと、回転移動機構部８２Ｂと、を有する。回転盤８２Ａは、回転移動機構部８２Ｂの回転軸８２Ｂａを中心に回転可能に設けられている。また、回転盤８２Ａは、回転軸８２Ｂａを中心とした回転に際して回転移動する位置にミラー８２Ａａが設けられている。また、回転盤８２Ａは、回転軸８２Ｂａを中心とした回転に際して回転移動する位置に透過手段をなす石英８２Ａｂが設けられている。本実施形態においては、回転盤８２Ａは、回転軸８２Ｂａを中心とした１箇所にミラー８２Ａａが設けられ、回転軸８２Ｂａを中心としてミラー８２Ａａから１２０度の２箇所に石英８２Ａｂが設けられている。従って、回転盤８２Ａが回転軸８２Ｂａを中心として回転することで、ファイバレーザＬ１と短パルスレーザＬ２とが相互に交差して重なる位置において、ミラー８２Ａａまたは石英８２Ａｂが回転移動して配置される。回転移動機構部８２Ｂは、回転盤８２Ａを回転可能に支持する回転軸８２Ｂａと、回転軸８２Ｂａを回転駆動する駆動部８２Ｂｂとを有する。
【0071】
このように構成された他の例の切換機構８２は、駆動部８２Ｂｂにより回転軸８２Ｂａを介して回転盤８２Ａを回転させることで、ミラー８２ＡａがファイバレーザＬ１と短パルスレーザＬ２とが相互に交差して重なる位置に配置された場合、図６に示すように、ファイバレーザＬ１をミラー８２Ａａで反射し、短パルスレーザＬ２を遮ることで、ファイバレーザＬ１がレーザ走査部７４に入射する状態とする。一方、他の例の切換機構８２は、駆動部８２Ｂｂにより回転軸８２Ｂａを介して回転盤８２Ａを回転させることで、石英８２ＡｂがファイバレーザＬ１と短パルスレーザＬ２とが相互に交差して重なる位置に配置された場合、図７に示すように、短パルスレーザＬ２を石英８２Ａｂで透過し、ファイバレーザＬ１を遮ることで、短パルスレーザＬ２がミラー８２Ａａを介さずにレーザ走査部７４に入射する状態とする。そして、ミラー８２Ａａと石英８２Ａｂとの位置の切り換えは、駆動部８２Ｂｂにより回転軸８２Ｂａを１２０度の範囲で正逆回転させることで行うことができ、もう１つの石英８２Ａｂを予備として用いることができる。また、図には明示しないが、ミラー８２Ａａを２つとし石英８２Ａｂを１つとして１つのミラー８２Ａａを予備として用いることもできる。
【0072】
なお、回転盤８２Ａは、図８に示すように、ミラー８２Ａａが回転軸８２Ｂａを中心とした１２０度ごとの３箇所に設けられ、透過手段をなす切欠８２Ａｃがミラー８２Ａａの中間で回転軸８２Ｂａを中心とした１２０度ごとの３箇所に設けられていてもよい。この構成の場合、ミラー８２Ａａと切欠８２Ａｃとの位置の切り換えは、駆動部８２Ｂｂにより回転軸８２Ｂａを６０度の範囲で正逆回転させることで行うことができ、他の２つのミラー８２Ａａおよび切欠８２Ａｃを予備として用いることができる。なお、図８に示す回転盤８２Ａにおいて、切欠８２Ａｃは、石英８２Ａｂであってもよい。また、図５に示す回転盤８２Ａにおいて、石英８２Ａｂは、切欠８２Ａｃであってもよい。
【0073】
図９は、照射角度変更機構の他の例を示す模式図である。図１０および図１１は、照射角度変更機構の他の例の動作を説明するための説明図である。図１２は、照射角度変更機構の他の例の変形例を示す模式図である。
【0074】
図９から図１１に示すように、他の例の照射角度変更機構８６は、ファイバレーザＬ１や短パルスレーザＬ２の集光光学系７８への入射位置を変更する機構であり、上述した照射角度変更機構７６に代えて用いられる。照射角度変更機構８６は、回転盤８６Ａと、回転移動機構部８６Ｂと、固定ミラー８６Ｃと、を有する。回転盤８６Ａは、回転移動機構部８６Ｂの回転軸８６Ｂａを中心に回転可能に設けられている。また、回転盤８６Ａは、回転軸８６Ｂａを中心とした回転に際して回転移動する位置に第一ミラーであるミラー８６Ａａが設けられている。また、回転盤８６Ａは、回転軸８６Ｂａを中心とした回転に際して回転移動する位置に透過手段をなす石英８６Ａｂが設けられている。本実施形態においては、回転盤８６Ａは、回転軸８６Ｂａを中心とした１箇所にミラー８６Ａａが設けられ、回転軸８６Ｂａを中心としてミラー８６Ａａから１２０度の２箇所に石英８６Ａｂが設けられている。従って、回転盤８６Ａが回転軸８６Ｂａを中心として回転することで、ファイバレーザＬ１や短パルスレーザＬ２の光軸上にミラー８６Ａａまたは石英８６Ａｂが回転移動して配置される。回転移動機構部８６Ｂは、回転盤８６Ａを回転可能に支持する回転軸８６Ｂａと、回転軸８６Ｂａを回転駆動する駆動部８６Ｂｂとを有する。また、固定ミラー８６Ｃは、第二ミラーをなすもので、ファイバレーザＬ１や短パルスレーザＬ２の光軸上で回転盤８６Ａよりも光軸に沿って後退した位置に配置されている。
【0075】
このように構成された他の例の照射角度変更機構８６は、駆動部８６Ｂｂにより回転軸８６Ｂａを介して回転盤８６Ａを回転させることで、ミラー８２ＡａがファイバレーザＬ１または短パルスレーザＬ２の光軸上に配置された場合、例えば、図１０に示すように、短パルスレーザＬ２をミラー８６Ａａで反射させることで、短パルスレーザＬ２が集光光学系７８の中心軸上に入射する状態とする。一方、他の例の照射角度変更機構８６は、駆動部８６Ｂｂにより回転軸８６Ｂａを介して回転盤８６Ａを回転させることで、石英８６ＡｂがファイバレーザＬ１または短パルスレーザＬ２の光軸上に配置された場合、例えば、図１１に示すように、ファイバレーザＬ１を石英８２Ａｂで透過させて固定ミラー８６Ｃで反射させることで、ファイバレーザＬ１が集光光学系７８の中心軸に対してシフト（平行移動）して入射する状態とする。そして、ミラー８６Ａａと石英８６Ａｂとの位置の切り換えは、駆動部８６Ｂｂにより回転軸８６Ｂａを１２０度の範囲で正逆回転させることで行うことができ、もう１つの石英８６Ａｂを予備として用いることができる。また、図には明示しないが、ミラー８６Ａａを２つとし石英８６Ａｂを１つとして１つのミラー８６Ａａを予備として用いることもできる。
【0076】
なお、回転盤８６Ａは、図１２に示すように、ミラー８６Ａａが回転軸８６Ｂａを中心とした１２０度ごとの３箇所に設けられ、透過手段をなす切欠８６Ａｃがミラー８６Ａａの中間で回転軸８６Ｂａを中心とした１２０度ごとの３箇所に設けられていてもよい。この構成の場合、ミラー８６Ａａと切欠８６Ａｃとの位置の切り換えは、駆動部８６Ｂｂにより回転軸８６Ｂａを６０度の範囲で正逆回転させることで行うことができ、他の２つのミラー８６Ａａおよび切欠８６Ａｃを予備として用いることができる。なお、図１２に示す回転盤８６Ａにおいて、切欠８６Ａｃは、石英８６Ａｂであってもよい。また、図９に示す回転盤８６Ａにおいて、石英８６Ａｂは、切欠８６Ａｃであってもよい。
【0077】
次に、図１３から図１７を用いて、レーザ加工装置１０の動作の一例について説明する。図１３は、加工対象物の構造の一例を示す模式図である。図１４は、レーザ加工装置の動作を説明するためのフローチャートである。図１５から図１７は、レーザ加工装置の動作を説明するための説明図である。
【0078】
まず、図１３を用いて、加工対象物１００の構造を説明する。加工対象物１００は、金属層１０２の表面に保護層１０４が積層されている。保護層１０４は、金属層１０２を熱、応力および異物の接触の少なくとも１つから保護する層である。保護層１０４は、耐熱性材料もしくは、耐摩耗性材料で形成することが好ましい。ここで、耐熱性材料または耐摩耗性材料としては、より具体的には、保護層１０４は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、ニクシリー（ＮｉＣｒＡｌ）、コクラリー（ＣｏＣｒＡｌ）、アルミナ−チタニア（Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２）、クロミア（Ｃｒ２Ｏ３）、クロムカーバイド（Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ）、タングステンカーバイド（Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ、Ｃｒ３Ｃ２−ＣｏＣｒ、Ｃｒ３Ｃ２−Ｃｏ）を用いることが好ましい。上記材料を用いることで、耐熱性および耐摩耗性のうち少なくとも一方を高くすることができる。また、図には明示しないが、金属層１０２と保護層１０４との間には、金属層１０２と保護層１０４とを接合する接着層が形成されている。なお、金属層１０２に保護層１０４を直接形成できる場合、接着層はなくてもよい。
【0079】
加工対象物１００としては、タービン翼が例示される。タービン翼の場合、耐熱鋼で形成された金属層１０２の表面にＴＢＣ（サーマルバリアコート）となる保護層１０４が溶射などにより形成されている。保護層１０４は、タービン翼の耐熱性の向上に寄与する膜である。また、加工対象物１００の例として、タービン翼を示したが、加工対象物は、これに限定されない。加工対象物１００は、金属層１０２に、保護層１０４が積層された各種部材を対象とすることができる。例えば、タービン翼と同様に、金属層１０２となる耐熱鋼の表面に保護層１０４となる溶射膜を形成する部分としては、エンジン燃焼器がある。
【0080】
図１３において破線で示す部分は、レーザ加工装置１０により加工対象物１００に加工される貫通孔１１０である。貫通孔１１０は、主に加工対象物１００の表面側である保護層１０４に加工される大径部１１０Ａと、主に加工対象物１００の奥側である金属層１０２に加工されて大径部１１０Ａよりも小径の小径部１１０Ｂと、を含む。貫通孔１１０の大径部１１０Ａをシェイプト形状部ともいい、加工対象物１００の表面側から視て矩形状の孔となる。また、貫通孔１１０の小径部１１０Ｂは、円形状の孔である。そして、貫通孔１１０は、大径部１１０Ａから小径部１１０Ｂに至り徐々に孔径および孔形状が変形している。このような貫通孔１１０は、加工対象物１００がタービン翼の場合、当該タービン翼の金属層１０２および保護層１０４にフィルム冷却用の冷却孔として形成される。
【0081】
次に、図１４から図１７を用いて、レーザ加工装置１０の動作の一例を説明する。レーザ加工装置１０は、加工条件を決定する（図１４：ステップＳ１２）。具体的には、加工対象物１００の金属層１０２、保護層１０４のそれぞれ厚み、材料などに基づいて、加工時間、使用するレーザの種類（ファイバレーザＬ１または短パルスレーザＬ２）、レーザの出力、レーザの照射角度などを決定する。
【0082】
レーザ加工装置１０は、加工条件を決定したら、短パルスレーザＬ２で加工を行う（図１４：ステップＳ１４）。具体的には、レーザ加工装置１０は、短パルスレーザ光源６４から照射される短パルスレーザＬ２が切換機構７２（８２）でレーザ走査部７４に入射される状態とし、かつレーザ走査部７４を経た短パルスレーザＬ２が照射角度変更機構７６（８６）で集光光学系７８の中心軸上に入射される状態として、短パルスレーザＬ２を加工対象物１００に照射し、加工対象物１００の切削を行う。レーザ加工装置１０は、短パルスレーザＬ２で加工対象物１００の保護層１０４を切削する。これにより、図１５および図１６に示すように加工対象物１００の主に保護層１０４に大径部１１０Ａが形成される。
【0083】
レーザ加工装置１０は、短パルスレーザＬ２で加工を行ったら、ファイバレーザＬ１で加工を行う（図１４：ステップＳ１６）。具体的には、レーザ加工装置１０は、ファイバレーザ光源６２から照射されるファイバレーザＬ１が切換機構７２（８２）でレーザ走査部７４に入射される状態とし、かつレーザ走査部７４を経たファイバレーザＬ１が照射角度変更機構７６（８６）で集光光学系７８の中心軸に対してシフト（平行移動）して入射される状態として、ファイバレーザＬ１を加工対象物１００に照射し、加工対象物１００の切削を行う。レーザ加工装置１０は、ファイバレーザＬ１で加工対象物１００の金属層１０２を切削する。これにより、図１７に示すように加工対象物１００の主に金属層１０２に小径部１１０Ｂが形成され、保護層１０４の大径部１１０Ａおよび金属層１０２の小径部１１０Ｂが繋がった貫通孔１１０が形成される。レーザ加工装置１０は、ファイバレーザＬ１で加工を行ったら、本処理を終了する。
【0084】
なお、レーザ加工装置１０は、上記動作において、大径部１１０Ａの全てを短パルスレーザＬ２で加工しているが、これに限定されない。例えば、レーザ加工装置１０は、大径部１１０Ａのうち保護層１０４の部分を短パルスレーザＬ２で加工し、他をファイバレーザＬ１で加工して貫通孔１１０を形成してもよい。この場合、短パルスレーザＬ２での加工は、金属層１０２における表面（保護層１０４を設けている表面）から０．００１ｍｍ以上、かつ、金属層１０２の厚みの５０％以下の深さとすることが好ましい。つまり、金属層１０２の表面に直交する方向において、金属層１０２を０．００１ｍｍ以上、かつ、金属層１０２の厚みの５０％以下で短パルスレーザＬ２で加工し切削することが好ましい。上記深さとすることで、その後にファイバレーザＬ１が金属層１０２に照射されて加工が行われる際に生じる保護層１０４への熱影響をより小さくすることができる。
【0085】
このように、レーザ加工装置１０は、短パルスレーザＬ２で保護層１０４を切削することで、保護層１０４に生じる熱影響をより小さくすることができる。また、レーザ加工装置１０は、ファイバレーザＬ１で金属層１０２を切削することで、金属層１０２を切削する時間を短くすることができる。これにより、レーザ加工装置１０は、加工対象物１００の加工時間が長くなることを抑制しつつ、保護層１０４の熱影響を小さくすることができ、加工対象物１００の加工を高精度かつ高速で行うことができる。
【0086】
例えば、上述したガスタービンのタービン翼のように、金属層（耐熱鋼）１０２に保護層（ＴＢＣ）１０４を溶射などの方法により形成する構造の場合、複合材料のため、耐熱鋼だけの場合に比べて、高品質に切削加工を行なうことが困難である。具体的には、金属層１０２と保護層１０４では、適正加工条件が異なるため、どちらか一方の加工に適正な条件を設定すると、他方の品質が低下する。また、ＴＢＣと耐熱鋼では入熱に対する熱膨張率が異なり、ＴＢＣにクラックなどの熱影響が生じやすい。ＴＢＣの表面は耐熱鋼に比べて表面粗さが大きく、ドロスが付着しやすく、とれにくく、つまり熱影響が大きくなりやすい。これに対して、レーザ加工装置１０は、保護層１０４を短パルスレーザＬ２で切削することで、熱影響を小さくしつつ高品質に切削加工を行うことができる。
【0087】
また、レーザ加工装置１０は、金属層１０２をファイバレーザＬ１で加工することで、金属層１０２の加工を短時間で行うことができる。
【0088】
以上より、本実施形態のレーザ加工装置１０は、ファイバレーザ光源６２と、短パルスレーザ光源６４と、を設け、切換機構７２（８２）により照射するレーザを切り換え可能とすることで、加工対象物１００の大きさ、厚み、材料などに応じて、使用するレーザを切り換えることができる。これにより、１つのレーザ加工ヘッド６０でファイバレーザＬ１による加工と短パルスレーザＬ２による加工ができる。このため、加工対象物１００の固定状態を維持したまま、加工を行うことができ、加工した部分で軸ズレが生じることを抑制できる。この結果、用途に応じた加工を高品質に高い精度かつ短時間で行うことができる。
【0089】
また、本実施形態のレーザ加工装置１０は、照射角度変更機構７６（８６）により、集光光学系７８の中心軸に対してレーザをシフト（平行移動）させて入射させ、加工対象物１００に対して、レーザ光の照射角度を中心軸に対して傾斜させ、かつ集光位置が同一となるように照射して照射するレーザの集光光学系７８への入射位置を変更することで、加工する貫通孔１１０において孔径および孔形状の異なる大径部１１０Ａや小径部１１０Ｂに応じて、使用するレーザの照射角度を変更することができる。これにより孔径や孔形状に応じた加工を高品質に高い精度かつ短時間で行うことができる。
【0090】
また、本実施形態のレーザ加工装置１０は、切換機構７２として、レーザを反射させるミラー７２Ａと、当該ミラー７２Ａをスライド移動させるスライド移動機構部７２Ｂと、を含み、スライド移動機構部７２Ｂによるミラー７２Ａのスライド移動によって、ファイバレーザＬ１または短パルスレーザＬ２の一方をミラー７２Ａにより反射させて集光光学系７８に対して入射させる状態と、ファイバレーザＬ１または短パルスレーザＬ２の他方をミラー７２Ａを介さずに集光光学系７８に対して入射させる状態とに切り換える構成とすることで、各レーザＬ１，Ｌ２の切り換えを実現できる。
【0091】
また、本実施形態のレーザ加工装置１０は、切換機構８２として、レーザを反射させるミラー８２Ａａと、ミラー８２Ａａを回転移動させる回転移動機構部８２Ｂと、を含み、回転移動機構部８２Ｂによるミラー８２Ａａの回転移動によって、ファイバレーザＬ１または短パルスレーザＬ２の一方をミラー８２Ａａにより反射させて集光光学系７８に対して入射させる状態と、ファイバレーザＬ１または短パルスレーザＬ２の他方をミラー８２Ａａを介さずに集光光学系７８に対して入射させる状態とに切り換える構成とすることで、各レーザＬ１，Ｌ２の切り換えを実現できる。特に、切換機構８２は、回転移動機構部８２Ｂによりミラー８２Ａａを回転移動させる構成のため、スライド移動に比較して各レーザＬ１，Ｌ２の切り換えを高速化でき、より短時間で加工を行うことができる。しかも、切換機構８２は、回転移動機構部８２Ｂによりミラー８２Ａａを回転移動させる構成のため、スライド移動に比較して回転軸８２Ｂａでミラー８２Ａａの姿勢を安定して支持することができ、高品質で高精度な加工を行うことができる。
【0092】
また、本実施形態のレーザ加工装置１０は、照射角度変更機構７６として、レーザを反射させるミラー７６Ａと、ミラー７６Ａをレーザの軸方向に沿ってスライド移動させるスライド移動機構部７６Ｂと、を含み、スライド移動機構部７６Ｂによるミラー７６Ａのスライド移動によって、ファイバレーザＬ１と短パルスレーザＬ２との集光光学系７８に対する入射位置の変更を実現することができる。そして、照射角度変更機構７６によりファイバレーザＬ１と短パルスレーザＬ２との集光光学系７８に対する入射位置を変更することで、各レーザＬ１，Ｌ２の照射角度を変更して径や形状の異なる加工を高精度かつ短時間で行うことができる。
【0093】
また、本実施形態のレーザ加工装置１０は、照射角度変更機構８６として、レーザを反射させるミラー８６Ａａと、ミラー８６Ａａを回転移動させる回転移動機構部８６Ｂと、ミラー８６Ａａに対してレーザの軸方向で位置が異なり固定されてレーザを反射させる固定ミラー８６Ｃと、を含み、回転移動機構部８６Ｂによるミラー８６Ａａの回転移動によって、ファイバレーザＬ１または短パルスレーザＬ２の一方をミラー８６Ａａにより反射させて集光光学系７８に対して入射させる状態と、ファイバレーザＬ１または短パルスレーザＬ２の他方をミラー８６Ａａを介さずに固定ミラー８６Ｃにより反射させて集光光学系７８に対して入射させる状態と、に変更する構成とすることで、ファイバレーザＬ１と短パルスレーザＬ２との集光光学系７８に対する入射位置の変更を実現することができる。そして、照射角度変更機構８６によりファイバレーザＬ１と短パルスレーザＬ２との集光光学系７８に対する入射位置を変更することで、各レーザＬ１，Ｌ２の照射角度を変更して径や形状の異なる加工を高精度かつ短時間で行うことができる。特に、照射角度変更機構８６は、回転移動機構部８６Ｂによりミラー８６Ａａを回転移動させる構成のため、スライド移動に比較して各レーザＬ１，Ｌ２の入射位置の変更を高速化でき、高速で加工を行うことができる。しかも、照射角度変更機構８６は、回転移動機構部８６Ｂによりミラー８６Ａａを回転移動させる構成のため、スライド移動に比較して回転軸８６Ｂａでミラー８６Ａａの姿勢を安定して支持することができ、高品質で高精度な加工を行うことができる。
【0094】
また、本実施形態のレーザ加工装置１０では、レーザ加工ヘッド６０は、短パルスレーザＬ２を切換機構７２（８２）から集光光学系７８に入射させる距離が、ファイバレーザＬ１を切換機構７２（８２）から集光光学系７８に入射させる距離よりも短くなるように構成されている。具体的には、切換機構７２（８２）において、ファイバレーザＬ１はミラー７２Ａ（８２Ａａ）により反射して集光光学系７８に入射され、短パルスレーザＬ２はミラー７２Ａ（８２Ａａ）を介さず集光光学系７８に入射される。このように構成することで、精度が要求される加工を行う短パルスレーザＬ２のエネルギー損失を低減することができ、高精度な加工を行うことができる。
【0095】
なお、本実施形態のレーザ加工装置１０では、切換機構８２により各レーザＬ１，Ｌ２を切り換える構成において、照射角度変更機構７６（８６）を必ずしも有さなくてもよく、回転移動機構部８２Ｂによりミラー８２Ａａを回転移動させる構成のため、スライド移動に比較して各レーザＬ１，Ｌ２の切り換えを高速化でき、より短時間で加工を行うことができる。しかも、切換機構８２は、回転移動機構部８２Ｂによりミラー８２Ａａを回転移動させる構成のため、スライド移動に比較して回転軸８２Ｂａでミラー８２Ａａの姿勢を安定して支持することができ、高精度な加工を行う効果を得ることができる。
【0096】
また、本実施形態のレーザ加工装置１０では、照射角度変更機構７６により各レーザＬ１，Ｌ２の集光光学系７８に対する入射位置を変更する構成において、切換機構７２（８２）を必ずしも有さなくてもよい。照射角度変更機構７６によりファイバレーザＬ１と短パルスレーザＬ２との集光光学系７８に対する入射位置を変更することで、各レーザＬ１，Ｌ２の照射角度を変更して径や形状の異なる加工を高精度かつ短時間で行うことができる。
【0097】
また、本実施形態のレーザ加工装置１０では、照射角度変更機構８６により各レーザＬ１，Ｌ２の集光光学系７８に対する入射位置を変更する構成において、切換機構７２（８２）を必ずしも有さなくてもよい。照射角度変更機構８６によりファイバレーザＬ１と短パルスレーザＬ２との集光光学系７８に対する入射位置を変更することで、各レーザＬ１，Ｌ２の照射角度を変更して径や形状の異なる加工を高精度かつ短時間で行うことができる。
【0098】
また、本実施形態のレーザ加工装置１０では、照射角度変更機構７６（８６）により各レーザＬ１，Ｌ２の集光光学系７８に対する入射位置を変更する構成において、レーザ光源は、ファイバレーザＬ１を出力するファイバレーザ光源６２、およびファイバレーザＬ１とはパルス幅が異なる短パルスレーザＬ２を出力する短パルスレーザ光源６４を含み、集光光学系７８に対してファイバレーザＬ１と短パルスレーザＬ２との入射位置を変更することで、径や形状の異なる加工を高精度かつ短時間で行う効果を顕著に得ることができる。
【0099】
次に、図１８から図２１を用い、レーザ加工装置１０の動作の他の例であって、レーザ加工方法について説明する。図１８は、レーザ加工装置の動作の他の例を説明するためのフローチャートである。図１９から図２１は、レーザ加工装置の動作の他の例を説明するための説明図である。
【0100】
加工対象物１００および加工する貫通孔１１０については上述と同様である（図１３参照）。
【0101】
レーザ加工装置１０は、加工条件を決定する（図１８：ステップＳ２２）。具体的には、加工対象物１００の金属層１０２、保護層１０４のそれぞれ厚み、材料などに基づいて、加工時間、使用するレーザの種類（ファイバレーザＬ１または短パルスレーザＬ２）、レーザの出力、レーザの照射角度などを決定する。
【0102】
レーザ加工装置１０は、加工条件を決定したら、ファイバレーザＬ１で加工を行う（図１８：ステップＳ２４）。具体的には、レーザ加工装置１０は、ファイバレーザ光源６２から照射されるファイバレーザＬ１が切換機構７２（８２）でレーザ走査部７４に入射される状態とし、かつレーザ走査部７４を経たファイバレーザＬ１が照射角度変更機構７６（８６）で集光光学系７８の中心軸に対してシフト（平行移動）して入射される状態として、ファイバレーザＬ１を加工対象物１００に照射し、加工対象物１００の切削を行う。レーザ加工装置１０は、ファイバレーザＬ１で加工対象物１００の保護層１０４および金属層１０２を切削する。ここでの加工は、図１９に示すように、大径部１１０Ａおよび小径部１１０Ｂよりも小径の補助貫通孔１２０が形成される。
【0103】
レーザ加工装置１０は、ファイバレーザＬ１で補助貫通孔１２０の加工を行ったら、短パルスレーザＬ２で加工を行う（図１８：ステップＳ２６）。具体的には、レーザ加工装置１０は、短パルスレーザ光源６４から照射される短パルスレーザＬ２が切換機構７２（８２）でレーザ走査部７４に入射される状態とし、かつレーザ走査部７４を経た短パルスレーザＬ２が照射角度変更機構７６（８６）で集光光学系７８の中心軸上に入射される状態として、短パルスレーザＬ２を加工対象物１００に照射し、加工対象物１００の切削を行う。レーザ加工装置１０は、短パルスレーザＬ２で加工対象物１００の保護層１０４を切削する。これにより、図２０に示すように加工対象物１００の主に保護層１０４に大径部１１０Ａが形成される。
【0104】
レーザ加工装置１０は、短パルスレーザＬ２で大径部１１０Ａの加工を行ったら、ファイバレーザＬ１で加工を行う（図１８：ステップＳ２８）。具体的には、レーザ加工装置１０は、ファイバレーザ光源６２から照射されるファイバレーザＬ１が切換機構７２（８２）でレーザ走査部７４に入射される状態とし、かつレーザ走査部７４を経たファイバレーザＬ１が照射角度変更機構７６（８６）で集光光学系７８の中心軸に対してシフト（平行移動）して入射される状態として、ファイバレーザＬ１を加工対象物１００に照射し、加工対象物１００の切削を行う。レーザ加工装置１０は、ファイバレーザＬ１で加工対象物１００の金属層１０２を切削する。これにより、図２１に示すように加工対象物１００の主に金属層１０２に小径部１１０Ｂが形成され、保護層１０４の大径部１１０Ａおよび金属層１０２の小径部１１０Ｂが繋がった貫通孔１１０が形成される。レーザ加工装置１０は、ファイバレーザＬ１で加工を行ったら、本処理を終了する。
【0105】
このレーザ加工方法は、加工対象物１００に貫通孔１１０を形成するにあたり、当該貫通孔１１０よりも小径の補助貫通孔１２０を形成してから補助貫通孔１２０を拡げる態様で貫通孔１１０を形成する。補助貫通孔１２０は、貫通孔１１０のうち最も小径の小径部１１０Ｂの孔径よりも小径である。従って、先に補助貫通孔１２０が形成されていることで、その後に大径部１１０Ａや小径部１１０Ｂを加工する際、加工対象物１００の材料が溶融したドロスが補助貫通孔１２０を通して奥側（レーザの入射方向の下流側）に排出される。このため、加工対象物１００の表面にドロスが溢れ出して飛散する事態を防ぐことができ、ドロスがスパッタとして加工対象物１００の表面側に付着固化することを防止し、高品質に切削加工することができる。しかも、スパッタの付着を防ぐことで、当該スパッタを除去する作業を要さないことから、加工時間および作業コストを低減することができる。
【0106】
なお、上記実施形態では、大径部１１０Ａと小径部１１０Ｂとでなる貫通孔１１０を加工する場合に、補助貫通孔１２０を先に加工するレーザ加工方法について説明したが、これに限定されない。例えば、図には明示しないが、一様の内径の貫通孔を加工する際に、当該貫通孔よりも小径の補助貫通孔を先に加工することで、同様の効果を得ることができる。
【0107】
次に、図２２から図２６を用い、レーザ加工装置１０の動作の他の例であって、レーザ加工方法について説明する。図２２は、レーザ加工装置の動作の他の例を説明するためのフローチャートである。図２３から図２６は、レーザ加工装置の動作の他の例を説明するための説明図である。
【0108】
加工対象物１００および加工する貫通孔１１０については上述と同様である（図１３参照）。
【0109】
レーザ加工装置１０は、加工条件を決定する（図２２：ステップＳ３０）。具体的には、加工対象物１００の金属層１０２、保護層１０４のそれぞれ厚み、材料などに基づいて、加工時間、使用するレーザの種類（ファイバレーザＬ１または短パルスレーザＬ２）、レーザの出力、レーザの照射角度などを決定する。
【0110】
レーザ加工装置１０は、加工条件を決定したら、短パルスレーザＬ２で加工を行う（図２２：ステップＳ３２）。具体的には、レーザ加工装置１０は、短パルスレーザ光源６４から照射される短パルスレーザＬ２が切換機構７２（８２）でレーザ走査部７４に入射される状態とし、かつレーザ走査部７４を経た短パルスレーザＬ２が照射角度変更機構７６（８６）で集光光学系７８の中心軸上に入射される状態として、短パルスレーザＬ２を加工対象物１００に照射し、加工対象物１００の切削を行う。レーザ加工装置１０は、短パルスレーザＬ２で加工対象物１００の保護層１０４を切削する。ここでの加工は、図２３に示すように、加工対象物１００の主に保護層１０４に大径部１１０Ａおよび小径部１１０Ｂよりも小径の補助孔１２０ａが形成される。
【0111】
レーザ加工装置１０は、短パルスレーザＬ２で補助貫通孔１２０ａの加工を行ったら、ファイバレーザＬ１で加工を行う（図２２：ステップＳ３４）。具体的には、レーザ加工装置１０は、ファイバレーザ光源６２から照射されるファイバレーザＬ１が切換機構７２（８２）でレーザ走査部７４に入射される状態とし、かつレーザ走査部７４を経たファイバレーザＬ１が照射角度変更機構７６（８６）で集光光学系７８の中心軸に対してシフト（平行移動）して入射される状態として、ファイバレーザＬ１を加工対象物１００に照射し、加工対象物１００の切削を行う。レーザ加工装置１０は、ファイバレーザＬ１で加工対象物１００の保護層１０４および金属層１０２を切削する。ここでの加工は、図２４に示すように、補助孔１２０ａに続き当該補助孔１２０ａとほぼ同径の補助貫通孔１２０ｂが形成される。
【0112】
レーザ加工装置１０は、ファイバレーザＬ１で補助貫通孔１２０ｂの加工を行ったら、短パルスレーザＬ２で加工を行う（図２２：ステップＳ３６）。具体的には、レーザ加工装置１０は、短パルスレーザ光源６４から照射される短パルスレーザＬ２が切換機構７２（８２）でレーザ走査部７４に入射される状態とし、かつレーザ走査部７４を経た短パルスレーザＬ２が照射角度変更機構７６（８６）で集光光学系７８の中心軸上に入射される状態として、短パルスレーザＬ２を加工対象物１００に照射し、加工対象物１００の切削を行う。レーザ加工装置１０は、短パルスレーザＬ２で加工対象物１００の保護層１０４を切削する。これにより、図２５に示すように加工対象物１００の主に保護層１０４に大径部１１０Ａが形成される。
【0113】
レーザ加工装置１０は、短パルスレーザＬ２で大径部１１０Ａの加工を行ったら、ファイバレーザＬ１で加工を行う（図２２：ステップＳ３８）。具体的には、レーザ加工装置１０は、ファイバレーザ光源６２から照射されるファイバレーザＬ１が切換機構７２（８２）でレーザ走査部７４に入射される状態とし、かつレーザ走査部７４を経たファイバレーザＬ１が照射角度変更機構７６（８６）で集光光学系７８の中心軸に対してシフト（平行移動）して入射される状態として、ファイバレーザＬ１を加工対象物１００に照射し、加工対象物１００の切削を行う。レーザ加工装置１０は、ファイバレーザＬ１で加工対象物１００の金属層１０２を切削する。これにより、図２６に示すように加工対象物１００の主に金属層１０２に小径部１１０Ｂが形成され、保護層１０４の大径部１１０Ａおよび金属層１０２の小径部１１０Ｂが繋がった貫通孔１１０が形成される。レーザ加工装置１０は、ファイバレーザＬ１で加工を行ったら、本処理を終了する。
【0114】
このレーザ加工方法は、加工対象物１００に貫通孔１１０を形成するにあたり、当該貫通孔１１０よりも小径の補助孔１２０ａを主に保護層１０４を形成した後、補助孔１２０ａに続く補助貫通孔１２０ａを主に金属層１０２に形成してから補助孔１２０ａおよび補助貫通孔１２０ｂを拡げる態様で貫通孔１１０を形成する。補助孔１２０ａおよび補助貫通孔１２０ｂは、貫通孔１１０のうち最も小径の小径部１１０Ｂの孔径よりも小径である。従って、先に補助孔１２０ａおよび補助貫通孔１２０ｂが形成されていることで、その後に大径部１１０Ａや小径部１１０Ｂを加工する際、加工対象物１００の材料が溶融したドロスが補助貫通孔１２０ｂを通して奥側（レーザの入射方向の下流側）に排出される。このため、加工対象物１００の表面にドロスが溢れ出して飛散する事態を防ぐことができ、ドロスがスパッタとして加工対象物１００の表面側に付着固化することを防止し、高品質に切削加工することができる。しかも、スパッタの付着を防ぐことで、当該スパッタを除去する作業を要さないことから、加工時間および作業コストを低減することができる。
【0115】
特に、パルス幅が１００マイクロ秒以下の短パルスレーザＬ２は、ピークパワーが数十ｋＷ以上と高く、ドロスの発生を抑制できる高品質加工なため、当該短パルスレーザＬ２で補助孔１２０ａを保護層１０４に形成することで保護層１０４へのスパッタ付着量の極小化に有効である。スパッタの発生について観測したところ、特にレーザ加工の初期に発生しやすいことが分かった。そこで、補助貫通孔１２０ｂの形成においても、スパッタの発生しやすい初期に、パルス幅が１００マイクロ秒以下の短パルスレーザＬ２を照射して補助孔１２０ａを加工し、その後、ファイバレーザＬ１を照射することで、スパッタ付着量を極小化しつつ、加工時間を短縮する事が可能となった。
【0116】
なお、上記実施形態では、大径部１１０Ａと小径部１１０Ｂとでなる貫通孔１１０を加工する場合に、補助孔１２０ａおよび補助貫通孔１２０ｂを先に加工するレーザ加工方法について説明したが、これに限定されない。例えば、図には明示しないが、一様の内径の貫通孔を加工する際に、当該貫通孔よりも小径の補助孔および補助貫通孔を先に加工することで、同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【0117】
１０ レーザ加工装置１４ 移動ユニット
１６ ステージユニット
２２ レーザ加工ユニット
２４ 制御部
３０ Ｙ軸移動機構
３４ Ｘ軸移動機構
３８ Ｚ軸移動機構
６０ レーザ加工ヘッド
６２ ファイバレーザ光源（第一レーザ光源）
６４ 短パルスレーザ光源（第二レーザ光源）
７２ 切換機構
７２Ａ ミラー
７２Ｂ スライド移動機構部
７６ 照射角度変更機構
７６Ａ ミラー
７６Ｂ スライド移動機構部
７８ 集光光学系
８２ 切換機構
８２Ａａ ミラー
８２Ｂ 回転移動機構部
８６ 照射角度変更機構
８６Ａａ ミラー（第一ミラー）
８６Ｂ 回転移動機構部
８６Ｃ 固定ミラー（第二ミラー）
１００ 加工対象物
１０２ 金属層
１０４ 保護層
１１０ 貫通孔
１１０Ａ 大径部
１１０Ｂ 小径部
１２０ 補助貫通孔
Ｌ１ ファイバレーザ（第一レーザ）
Ｌ２ 短パルスレーザ（第二レーザ）