JP4614844B2 - 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し、特に、トレパニング加工により加工対象物に穴を形成するレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。

レーザビームのビームスポットより大きな開口を有する穴を形成するトレパニング加工が行われている。図７を参照して、従来のトレパニング加工方法について説明する。加工対象物５０の表面上に、円周状の軌道５１が画定されている。軌道５１上に、レーザビームを入射させるべき複数の目標入射位置Ｐ_Ａ、Ｐ_Ｂ等が配置されている。被加工面上のレーザビームの入射位置を、ガルバノスキャナにより移動させる。

まず、軌道５１上の第１の目標入射位置Ｐ_Ａに、ガルバノスキャナが整定される。整定完了後、ガルバノスキャナを通して、第１の目標入射位置にレーザビームを入射させる。これにより、目標入射位置Ｐ_Ａに対応する穴Ｈ_Ａが形成される。次に、目標入射位置が軌道５１上の第２の目標入射位置Ｐ_Ｂに移動され、ガルバノスキャナが整定される。整定完了後、ガルバノスキャナを通して、第２の目標入射位置Ｐ_Ｂにレーザビームを入射させる。これにより、目標入射位置Ｐ_Ｂに対応する穴Ｈ_Ｂが形成される。

このように、軌道５１上の目標入射位置にガルバノスキャナを整定し、整定完了後に、ガルバノスキャナを通して目標入射位置にレーザビームを入射させる工程が複数回繰り返される。各目標入射位置に入射したレーザビームで形成された穴同士が部分的に重なることにより、ビームスポットより大きな１つの穴が形成される。

次に、図８を参照して、例えば上述のトレパニング加工等に従来用いられているガルバノスキャナについて説明する。ガルバノスキャナは、第１のスキャナ５４及び第２のスキャナ５５を含んで構成される。第１のスキャナ５４が、被加工面上でレーザビームの入射位置を一方向に移動させ、第２のスキャナ５５が、被加工面上でレーザビームの入射位置を、第１のスキャナ５４による移動方向と直交する方向に移動させる。両スキャナの動作を組み合わせることにより、被加工面上で２次元方向にレーザビームの入射位置を移動させることができる。

ガルバノスキャナは、ガルバノ制御装置（ガルバノドライバ）５３により制御される。ガルバノ制御装置５３は、主制御装置５２により制御される。主制御装置５２は、例えばパーソナルコンピュータを含んで構成される。ガルバノ制御装置５３は、入力インターフェース５３ａ、メモリ５３ｂ、出力回路５３ｃ、及び演算回路５３ｄを含んで構成される。

図７を参照して説明したトレパニング加工方法において、目標入射位置Ｐ_Ａにレーザビームを入射させた後、目標入射位置をＰ_ＡからＰ_Ｂまで移動させる場合のガルバノスキャナの制御について説明する。ここで、目標入射位置Ｐ_Ａを始点と呼び、目標入射位置Ｐ_Ｂを終点と呼ぶこととする。

主制御装置５２が、終点Ｐ_Ｂに対応する位置データを、ガルバノ制御装置５３の入力インターフェース５３ａに送出する。目標入射位置を終点Ｐ_Ｂまで移動させるために、終点Ｐ_Ｂまでの経路を定める必要がある。終点Ｐ_Ｂまでの経路が、演算回路５３ｄに予め定められた形状（例えば直線状）となるように、演算回路５３ｄが、終点Ｐ_Ｂの位置データに基づいて、経路を定める位置データ（経路上に設定される各点の位置データ）を生成する。この位置データを、経路位置データと呼ぶこととする。制御周期（例えば５０μｓ）ごとの経路位置データが生成される。

経路位置データが、メモリ５３ｂに格納される。制御周期ごとに、メモリ５３ｂから出力回路５３ｃに経路位置データが読み出される。出力回路５３ｃが、経路位置データに基づいて第１のスキャナ５４及び第２のスキャナ５５を制御することにより、目標入射位置が、終点Ｐ_Ｂまで移動する。ガルバノスキャナが終点Ｐ_Ｂに整定された後、被加工面にレーザビームを入射する。このようなガルバノスキャナについて、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００２−１９６２７５号公報

高品質な穴を形成することが可能なトレパニング加工技術が望まれている。また、時間効率の良いトレパニング加工技術が望まれている。

本発明の一目的は、より高品質な穴を形成するトレパニング加工に適用可能なレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することである。

本発明の他の目的は、時間効率の良いトレパニング加工に適用可能なレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することである。

本発明の第１の観点によれば、加工対象物上で目標入射位置を移動させると、レーザビームの入射位置が移動後の目標入射位置に向かって移動するようにレーザビームを走査するビーム走査器を用いてレーザ加工を行う方法において、（ａ）表面上に、レーザビームを入射させるべき閉じた軌道が画定された加工対象物の該軌道上の始点に、前記ビーム走査器の目標入射位置を移動させる工程と、（ｂ）目標入射位置が前記始点を出発し前記軌道に沿って移動するように前記ビーム走査器を制御しながら、該ビーム走査器を通してパルスレーザビームを前記加工対象物に入射させ、前記パルスレーザビームの相互に連続するパルスのビームスポット同士を部分的に重ならせて、前記軌道の全周に亘り前記パルスレーザビームを照射する工程とを、前記工程（ａ）における始点を異ならせて少なくとも２回繰り返すレーザ加工方法が提供される。

本発明の第２の観点によれば、第１の観点のレーザ加工方法の工程（ｂ）において、各目標入射位置にビーム走査器を整定させることなく、前記軌道に沿って目標入射位置を移動させるレーザ加工方法が提供される。

本発明の第３の観点によれば、レーザビームを入射させるべき閉じた軌道が表面上に画定された加工対象物を保持する保持台と、パルスレーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたパルスレーザビームを、前記保持台に保持された加工対象物に入射させ、外部から目標入射位置が入力されると、パルスレーザビームの入射位置が目標入射位置に向かって移動するようにパルスレーザビームを走査するビーム走査器と、前記レーザ光源を制御するとともに、前記ビーム走査器に目標入射位置を与える制御装置とを有し、該制御装置は、（ａ）前記加工対象物の軌道上の始点の位置を、目標入射位置として前記ビーム走査器に与える工程、及び（ｂ）目標入射位置が前記始点から出発して前記軌道に沿って移動するように、前記ビーム走査器に与える目標入射位置を変化させながら、前記レーザ光源からパルスレーザビームを出射させ、前記パルスレーザビームの相互に連続するパルスのビームスポット同士を部分的に重ならせて、前記軌道の全周に亘り前記パルスレーザビームを照射する工程を、前記工程（ａ）における始点を異ならせて少なくとも２回繰り返すレーザ加工装置が提供される。

本発明の第４の観点によれば、第３の観点のレーザ加工装置の制御装置が、工程（ｂ）において、各目標入射位置に前記ビーム走査器を整定させることなく、前記軌道に沿って目標入射位置を移動させるように、該ビーム走査器を制御するレーザ加工装置が提供される。

第１の観点のレーザ加工方法及び第３の観点のレーザ加工装置は、工程（ａ）及び（ｂ）を、始点を異ならせて少なくとも２回繰り返す。例えば、工程（ｂ）で目標入射位置が移動する軌道上の部分の、始点近傍とその他の区間とで、入射するレーザビームのエネルギ密度が異なるような場合について考える。このような場合、工程（ａ）及び（ｂ）を、始点を異ならせて２回以上繰り返すことにより、始点の位置が軌道上で分散するので、軌道の周方向に関するエネルギ密度分布を均一に近づけることができる。これにより、加工品質の向上が図られる。

第２の観点のレーザ加工方法及び第４の観点のレーザ加工装置は、工程（ｂ）において、軌道上の各目標入射位置にビーム走査器を整定させることなく、目標入射位置を移動させる。軌道上の各目標入射位置にビーム走査器を整定させて、各目標入射位置にレーザビームを入射させるレーザ加工に比べて、時間効率の向上が図られる。

図１は、本発明の実施例によるレーザ加工装置を概略的に示す。レーザ光源１が、パルスレーザビームを出射する。所望の期間中に一定のパルス周期でパルスレーザビームが出射されるように、主制御装置８がレーザ光源１を制御する。

レーザ光源１から出射されたパルスレーザビームが、ガルバノスキャナ２とｆθレンズ５とを経て、加工対象物６の表面（被加工面）に入射する。保持台７が加工対象物６を保持する。被加工面に平行なＸＹ面を有し、ｆθレンズに固定されたＸＹ直交座標系が画定されている。

ガルバノスキャナ２は、第１のスキャナ３及び第２のスキャナ４を含んで構成される。第１のスキャナ３は、走査ミラー３ａ及び揺動機構３ｂを含んで構成され、第２のスキャナ４は、走査ミラー４ａ及び揺動機構４ｂを含んで構成される。走査ミラー３ａ及び４ａが、それぞれパルスレーザビームを反射させる。揺動機構３ｂ及び４ｂが、それぞれ、走査ミラー３ａ及び４ａを揺動させる。

第１のスキャナ３の有する走査ミラー３ａを揺動させることにより、被加工面上で、パルスレーザビームの入射位置がＸ方向に移動する。第２のスキャナ４の有する走査ミラー４ａを揺動させることにより、被加工面上で、パルスレーザビームの入射位置が、Ｙ方向に移動する。両走査ミラーの揺動動作を組み合わせることにより、被加工面上で、２次元方向にパルスレーザビームを移動させることができる。ガルバノスキャナ２は、ガルバノ制御装置（ガルバノドライバ）９により制御される。ガルバノ制御装置９は、主制御装置８により制御される。

次に、図２を参照して、ガルバノスキャナ２を制御するための主制御装置８及びガルバノ制御装置９について詳しく説明する。主制御装置８は、例えばパーソナルコンピュータを含んで構成され、演算回路８ａを有する。演算回路８ａは、例えばパーソナルコンピュータの中央演算処理装置（ＣＰＵ）である。ガルバノ制御装置９は、入力インターフェース９ａ、メモリ９ｂ、及び出力回路９ｃを含んで構成される。入力インターフェース９ａは、例えばデュアルポートランダムアクセスメモリ（ＤＰＲＡＭ）から構成される。

被加工面上に画定された軌道の始点から終点まで、この軌道に沿ってレーザビームが走査されるように、ガルバノスキャナ２を制御する場合について考える。主制御装置８の演算回路８ａが、軌道上の始点から終点までの間に設定される各指令入射位置に対応するＸＹ座標データ（これを指令入射位置データと呼ぶこととする）を生成する。軌道上に設定される指令入射位置の個数は、例えば１００個程度である。主制御装置８の演算回路８ａで生成された指令入射位置データが、ガルバノ制御装置９の入力インターフェース９ａに格納され、さらに、メモリ９ｂに転送される。

主制御装置８が、ガルバノ制御装置９に移動コマンドを発行する。移動コマンドは、軌道上に設定される全ての指令入射位置のＸＹ座標データがガルバノ制御装置９に入力された後に発行される。ガルバノ制御装置９は、移動コマンドを受信すると、メモリ９ｂから、指令入射位置データを、指令入射位置ごとに、例えば５０μｓ周期で出力回路９ｃに送出する。

出力回路９ｃは、メモリ９ｂから転送された指令入射位置データに基づき、第１のスキャナ３の揺動機構３ｂ及び第２のスキャナ４の揺動機構４ｂを制御する。メモリ９ｂから出力回路９ｃに転送された指令入射位置データで特定される、被加工面上の位置を、目標入射位置と呼ぶこととする。このようにして、被加工面上で、始点から終点まで軌道に沿って、制御周期（例えば５０μｓ）ごとに、目標入射位置を移動させることができる。

ガルバノスキャナ２を通ったレーザビームが入射すると想定される被加工面上の位置を、実入射位置と呼ぶこととする。被加工面上で目標入射位置が移動すると、移動後の目標入射位置に向かって実入射位置が移動するように、レーザビームが走査される。

実施例の主制御装置８及びガルバノ制御装置９は、始点から終点までの経路を定める位置データ（経路上に設定される各点の位置データ）を、主制御装置８の有する演算回路８ａが生成する。従来のガルバノスキャナにおいては、始点から終点までの経路を定める位置データを、ガルバノ制御装置が有する演算回路が生成する。

主制御装置８の有する演算回路８ａは、例えばパーソナルコンピュータのＣＰＵである。パーソナルコンピュータのＣＰＵは、ガルバノ制御装置が有する演算回路に比べて高速な計算が可能である。このため、実施例の主制御装置８及びガルバノ制御装置９を用いれば、始点から終点までの経路の形状を、従来のもの（例えば直線状）よりも複雑にすることが容易となる。

なお、主制御装置８とガルバノ制御装置９とをまとめて１つの制御装置と考え、この制御装置がガルバノスキャナ２を制御すると考えることもできる。

次に、図３を参照して、ある目標入射位置にガルバノスキャナ２を整定する方法について説明する。走査ミラー３ａの揺動角が、走査ミラー３ａの基準姿勢からの変位角で定義され、走査ミラー４ａの揺動角が、走査ミラー４ａの基準姿勢からの変位角で定義される。走査ミラー３ａの揺動角が、実入射位置のＸ座標に対応し、走査ミラー４ａの揺動角が、実入射位置のＹ座標に対応する。

整定させたい目標入射位置のＸ座標及びＹ座標に対応する揺動角を、それぞれＱ_ｘ及びＱ_ｙとする。揺動角Ｑ_ｘ及びＱ_ｙを、それぞれ、目標揺動角Ｑ_ｘ及びＱ_ｙと呼ぶこととする。Ｘ用走査ミラー３ａについて説明を進める。

図３に、揺動角が目標揺動角Ｑ_ｘとなるように揺動機構を制御した場合の、走査ミラー３ａの揺動角の時間変動を示す。この例では、制御前の揺動角が、目標揺動角Ｑ_ｘより小さい。目標揺動角Ｑ_ｘを含む揺動角の許容範囲Ａが定められている。また、走査ミラー３ａが整定されたかどうか判断するための待ち時間Ｓが定められている。

揺動角が目標揺動角Ｑ_ｘとなるように制御されると、揺動角は増加し、時刻ｔ_０に許容範囲Ａ内に入る。その後、揺動角は増加を続け、ある時刻に目標揺動角Ｑ_ｘに到達する。しかし、走査ミラー３ａの慣性等に起因して、揺動角はさらに増加を続け、時刻ｔ_１に許容範囲Ａから外れる。その後、揺動角は、所定の極大値まで増加したのち減少に転じ、時刻ｔ_２に再び許容範囲Ａ内に入る。

時刻ｔ_２に再び許容範囲Ａ内に入った後、揺動角は減少を続け、ある時刻に再び目標揺動角Ｑ_ｘに到達する。しかし、走査ミラー３ａの慣性等に起因して、揺動角はさらに減少を続ける。揺動角は、所定の極小値まで減少したのち増加に転じる。この極小値は、許容範囲Ａ内に収まっている。このように、揺動角は、減衰振動しながら目標揺動角Ｑ_ｘに近づく。時刻ｔ_２以後、揺動角は許容範囲Ａから外れない。

許容範囲Ａ外から許容範囲Ａ内に入った時刻から、待ち時間Ｓの間、揺動角が許容範囲Ａ内に収まっていたら、走査ミラー３ａが目標揺動角に（つまり目標入射位置に）整定されたと判断する。この例では、時刻ｔ_２から待ち時間Ｓだけ経過した時刻ｔ_３において、走査ミラー３ａが、目標揺動角Ｑ_ｘに整定されたと判断される。

以上、Ｘ用走査ミラー３ａについて説明したが、Ｙ用走査ミラー４ａについても同様である。Ｘ用走査ミラー３ａ及びＹ用４ａの双方が整定されることにより、ガルバノスキャナ２が整定される。

次に、図４を参照して、本願発明者の先の提案によるレーザ加工方法、及びそれに起因する問題点について説明する。まず、レーザ加工方法について説明する。図４は、加工対象物６の平面図である。被加工面上に、円周状の閉じた軌道Ｔが画定されており、軌道Ｔ上に始点Ｐ_ｓが配置されている。

まず、始点Ｐ_ｓに、目標入射位置を移動させ、ガルバノスキャナ２を整定させる。次に、始点Ｐ_ｓから軌道Ｔに沿って目標入射位置を周回させる。図４に示す例では、矢印で示すように、目標入射位置を時計周りに周回させる。

目標入射位置が軌道Ｔに沿って等角速度で周回するように、指令入射位置データが生成されている。目標入射位置を周回させている期間中は、軌道Ｔ上の各目標入射位置にガルバノスキャナ２が整定されるまでの待ち時間Ｓ（図３参照）を確保しない（ガルバノスキャナ２を整定させない）。目標入射位置の周回に対応して、実入射位置がほぼ軌道Ｔに沿って周回する。

目標入射位置が周回している期間中に、被加工面にパルスレーザビームを入射させる。被加工面上のビームスポットは、例えば円形である。パルスレーザビームのパルスは、一定の周期で被加工面に入射する。パルスレーザビームが実際に入射する被加工面上の位置を、パルス入射位置と呼ぶこととする。

目標入射位置の移動開始と同時に、パルスレーザビームの入射を開始する。移動開始に先立って、始点Ｐ_ｓにガルバノスキャナ２が整定されているので、パルスレーザビームの最初のパルスのパルス入射位置が、始点Ｐ_ｓとほぼ一致する。その後のパルスのパルス入射位置Ｐ_１〜Ｐ_１０が、実入射位置の軌跡上（ほぼ軌道Ｔ上）に配置される。パルス入射位置が終点Ｐ_１０に到達したら、被加工面へのパルスレーザビームの入射と、目標入射位置の移動とを終了する。この例では、パルス入射位置の終点Ｐ_１０が、パルス入射位置の始点Ｐ_ｓと一致している。

なお、ガルバノスキャナ２による目標入射位置の移動のタイミングと、パルスレーザビームの入射タイミングとが、同期している必要はない。言い換えると、ガルバノ制御装置９が揺動機構３ｂ及び４ｂを制御するタイミングと、レーザ光源１からパルスレーザビームのパルスが出射されるタイミングとが同期している必要はない。

パルスレーザビームにより、被加工面に、パルス入射位置Ｐ_ｓ、Ｐ_１〜Ｐ_１０の各々に対応した穴が形成される。図４において、各パルス入射位置Ｐ_ｓ、Ｐ_１〜Ｐ_１０を中心とする円が、それぞれのパルス入射位置に対応した穴の開口を示す。各パルス入射位置に対応する穴の開口同士が部分的に重なることにより、ビームスポットよりも大きな一つの穴（これをトレパニング加工穴と呼ぶこととする）が形成される。各パルス入射位置に対応する穴の開口同士が部分的に重なって、一つの穴が形成されるように、ビームスポットの半径に対する軌道Ｔの半径の比率が選択されている。

このレーザ加工方法では、ガルバノスキャナ２を整定させることなく、目標入射位置を軌道Ｔに沿って周回させながら、ガルバノスキャナ２を通して被加工面にレーザビームを入射させて、トレパニング加工穴を形成する。周回の途中でガルバノスキャナ２を整定させないので、周回の途中でガルバノスキャナ２の整定を繰り返す従来のトレパニング加工方法に比べて、時間効率の向上が図られる。

次に、このレーザ加工方法に起因する問題点について説明する。始点Ｐ_ｓから軌道Ｔに沿って、目標入射位置が等角速度で移動するように、ガルバノ制御装置９が、ガルバノスキャナ２を制御する。つまり、実入射位置を軌道Ｔに沿って等角速度で移動させるようにしたい。実入射位置を等角速度で移動させるためには、走査ミラー３ａ及び４ａを所定の角速度で揺動させる必要がある。

しかし、実入射位置の移動開始前に、ガルバノスキャナ２は始点Ｐ_ｓに整定されており、走査ミラー３ａ及び４ａはともにほぼ静止している。したがって、実際には、実入射位置の移動開始と同時に移動角速度を等角速度にすることはできない（移動開始時点の移動角速度はほぼゼロである）。実入射位置の移動角速度は、移動開始後から加速した後に、等角速度になる。実入射位置の移動角速度が加速している期間を加速期間と呼び、その後、実入射位置の移動角速度が等角速度に維持されている期間を等角速度期間と呼ぶこととする。

パルスレーザビームのパルスは、一定の周期で被加工面に入射する。したがって、軌道Ｔ上で互いに最隣接するパルス入射位置同士の間隔（これをパルス入射間隔と呼ぶこととする）は、加速期間中において、実入射位置の移動角速度の増加とともに広くなり、等角速度期間中は一定となる。加速期間中、特に、実入射位置の移動開始の直後は（つまり、始点Ｐ_ｓの近傍では）、等角速度期間中に比べて移動角速度が遅いので、パルス入射間隔が狭い。

互いに最隣接するパルス入射位置に入射するパルスレーザビームの入射領域（ビームスポット内の領域）同士の重なりは、パルス入射間隔が狭いほど大きくなる。したがって、特に、始点Ｐ_ｓの近傍に入射する総エネルギの密度は、等角速度期間中に実入射位置が通過する軌跡上に配置されたパルス入射位置（例えばパルス入射位置Ｐ_６）の近傍に入射する総エネルギの密度より高くなる。このように、軌道Ｔの周方向に関するエネルギ密度の分布を、均一に近づけることができない。

なお、トレパニング加工穴の開口形状を円周状に近づけるには、軌道Ｔ上（厳密には実入射位置の軌跡上）に配置されるパルス入射位置の個数を充分に多くすればよい（上述の例では説明のため、パルス入射位置の個数を実際の加工より少なくした）。パルス入射位置の個数を増やすには、例えば、パルス周期が一定であるとき、目標入射位置の移動角速度を遅くすればよい。また例えば、目標入射位置の移動角速度が一定であるとき、パルス周期を短くすればよい。図４に一点鎖線で示す円周が、パルス入射位置の個数が充分に多い場合のトレパニング加工穴の開口形状を示す。

例えば、パルスレーザビームの繰り返し周波数は１０ｋＨｚである。この場合、１つのトレパニング加工穴は、例えば５０ショットで開けられる。パルスレーザビームの５０ショットに要する時間は５ｍｓとなる。ガルバノ制御装置の制御周期が、例えば５０μｓである。この場合、トレパニング加工穴を開けるために軌道Ｔ上に設定される目標入射位置の個数は（トレパニング加工穴を開ける５ｍｓの期間に必要な目標入射位置の個数は）、１００個程度となる。

なお、上述の例では、パルス入射位置の終点がパルス入射位置の始点に到達してから、被加工面へのレーザビーム入射を終了させた。この場合は、目標入射位置の始点から終点まで移動する経路が、閉じている。

しかし、パルス入射位置の終点が、パルス入射位置の始点の少し手前に配置されていても、トレパニング加工穴を開けることは可能である。つまり、軌道Ｔ上の目標入射位置の終点が、目標入射位置の始点より少し手前に配置されていても（軌道Ｔ上の目標入射位置の終点が目標入射位置の始点に到達する少し前に、目標入射位置の移動を終了させるとしても）、トレパニング加工穴を開けることは可能である。この場合は、目標入射位置の始点から終点まで移動する経路が閉じていない。

被加工面上に形成したい所望のトレパニング加工穴に対応するように、閉じた軌道Ｔを画定することができる。軌道Ｔ上の目標入射位置の始点を出発し、軌道Ｔの少なくとも一部に沿って目標入射位置を移動させながら、被加工面にパルスレーザビームを入射させることにより、トレパニング加工穴を形成することができる。

次に、図５を参照し、実施例によるレーザ加工方法について説明する。この方法では、図４を参照して説明したレーザ加工工程（これをトレパニング走査工程と呼ぶこととする）を、軌道Ｔの周方向に関して始点を異ならせて複数回繰り返す。以下、トレパニング走査工程を３回繰り返す場合について具体的に説明する。

図５の上段が、１回目の工程に対応する。加工対象物６の表面上に円周状の軌道Ｔが画定されており、軌道Ｔ上に点Ｐ_Ｓ１が配置されている。点Ｐ_Ｓ１を始点として、１回目のトレパニング走査工程を実施する。これにより、トレパニング加工穴Ｈが形成される。

図５の中段が、２回目の工程に対応する。軌道Ｔ上で、１回目の工程の始点Ｐ_Ｓ１を時計周りに１２０°ずらした位置に、点Ｐ_Ｓ２が配置されている。点Ｐ_Ｓ２を始点として、２回目のトレパニング走査工程を実施する。これにより、トレパニング加工穴Ｈが深くなる。

図５の下段が、３回目の工程に対応する。軌道Ｔ上で、２回目の工程の始点Ｐ_Ｓ２を時計周りに１２０°ずらした位置に（または、軌道Ｔ上で、１回目の工程の始点Ｐ_Ｓ１を時計周りに２４０°ずらした位置に）、点Ｐ_Ｓ３が配置されている。点Ｐ_Ｓ３を始点として、３回目のトレパニング走査工程を実施する。これにより、トレパニング加工穴Ｈがさらに深くなる。

図５を参照して説明したレーザ加工方法では、始点を異ならせて複数回のトレパニング走査工程を行う。これにより、エネルギ密度の高い始点の位置が、軌道Ｔ上の周方向に関して分散されるので、軌道Ｔの周方向に関するエネルギ密度分布を均一に近づけることができる。つまり、形成されたトレパニング加工穴の開口の周方向に関して、エネルギ密度分布を均一に近づけることができる。これにより、トレパニング加工穴の加工品質の向上が図られる。なお、毎回のトレパニング走査工程において、目標入射位置を始点に移動させたときに、ガルバノスキャナが整定される。

加工対象物に入射させるパルスレーザビームとして、必要に応じて種々の波長、種々のパルス周期のものを用いることができる。例えば、紫外領域の波長を有するパルスレーザビームが用いられる。加工対象物は、どのようなものでもよいが、例えば表面に銅箔が積層された樹脂部材である。

このような樹脂部材に紫外パルスレーザビームを入射させ、銅箔を貫通し、底面に樹脂部材が露出するトレパニング加工穴を形成する場合について考える。１回のトレパニング走査のみ行う場合、高いエネルギ密度となる走査の始点近傍で、穴の開口形状の、円周形状からの歪が大きい。上述のように始点を異ならせて複数回のトレパニング走査を行うことにより、穴の開口の周方向に関してエネルギ密度分布が均一に近づけられるので、１回のトレパニング走査のみ行う場合に比べて、穴の開口形状が円周形状に近づく（真円度が高くなる）。

上述の例では、トレパニング走査工程を３回繰り返した。２回目の工程の始点が、１回目の工程の始点を軌道Ｔの周方向に１２０°だけずらした位置に配置され、３回目の工程の始点が、２回目の工程の始点を軌道Ｔの周方向に１２０°だけずらした位置に配置された。これにより、３回分の工程に対応する３つの始点が、軌道Ｔの周方向に関して均等な間隔で配置される。なお、例えば、上述のようにトレパニング走査工程を３回繰り返す工程を単位として、これを複数回繰り返すことも可能である。

Ｎを２以上の整数として、トレパニング走査工程をＮ回繰り返す場合には、ある回のトレパニング走査工程の始点が、その直前の回のトレパニング走査工程の始点を軌道Ｔの周方向に３６０°／Ｎ（またはその整数倍）だけずらした位置に配置されるようにすることにより、軌道Ｔの周方向に関するエネルギ密度の分布を均一に近づけることが容易となる。

なお、軌道Ｔの周方向に関するエネルギ密度の分布を均一に近づける観点から、各回のトレパニング走査工程で、軌道Ｔに沿って目標入射位置を移動させる量は、等しいことが好ましい。例えば、トレパニング走査工程の１回当たりに、Ｍを１以上の整数として、目標入射位置を軌道Ｔ上でＭ周させるようにする。

次に、図６（Ａ）を参照して、第１の変形例によるレーザ加工方法について説明する。図５を参照して説明した方法では、１つのトレパニング加工穴に対して、３回のトレパニング走査工程を連続して行った。これはバースト加工に対応する。以下のように、サイクル加工に対応する加工を行うことも可能である。

図６（Ａ）に示すように、加工対象物６の表面に、レーザビームを入射すべき複数の円周状の軌道Ｔ_１〜Ｔ_３が画定されている。各軌道Ｔ_１〜Ｔ_３に対して、図５を参照して説明したように、始点を異ならせて、例えば３回ずつのトレパニング走査工程を行って、トレパニング加工穴Ｈ_１〜Ｈ_３を形成する。ただし、１つのトレパニング加工穴に対して、２回連続してトレパニング走査工程が行われないようにする。例えば、軌道Ｔ_１〜Ｔ_３に対して順に１回目のトレパニング走査工程を行い、次に、軌道Ｔ_１〜Ｔ_３に対して順に２回目のトレパニング走査工程を行い、次に、軌道Ｔ_１〜Ｔ_３に対して順に３回目のトレパニング走査工程を行うようにすればよい。

次に、図６（Ｂ）を参照して、第２の変形例によるレーザ加工方法について説明する。加工対象物６の表面に、同心の円周状の軌道Ｔ_４〜Ｔ_６が画定されている。軌道Ｔ_４の外側に軌道Ｔ_５が配置され、軌道Ｔ_５の外側に軌道Ｔ_６が配置されている。

軌道Ｔ_５の半径は、軌道Ｔ_５上の入射位置に入射したレーザビームのビームスポットが、軌道Ｔ_５の中心を含まない程度に大きい。よって、軌道Ｔ_５に沿って、指令入射位置を周回させながら、被加工面にパルスレーザビームを入射させると、穴ではなく、軌道Ｔ_５に沿った環状の溝が形成される。軌道Ｔ_６についても同様である。なお、このように、ビームスポットが軌道の中心を含まず、軌道に沿った環状の溝が形成される場合も、トレパニング走査工程と呼ぶこととする。軌道Ｔ_４については、ビームスポットが軌道Ｔ_４の中心を含み、トレパニング走査工程で穴が形成される。

まず、軌道Ｔ_４に対するトレパニング走査工程により、軌道Ｔ_４に対応する穴を形成する。次に、軌道Ｔ_５に対するトレパニング走査工程により、軌道Ｔ_５に沿った環状の溝を形成する。軌道Ｔ_５に対するトレパニング走査工程で形成される環状の溝が、軌道Ｔ_４に対するトレパニング走査工程で形成される穴と重なりを持つように、軌道Ｔ_５の半径が選択されている。これにより、軌道Ｔ_４に対するトレパニング走査工程で形成された穴の半径を拡大することができる。

さらに、軌道Ｔ_６に対するトレパニング走査工程により、軌道Ｔ_６に沿った環状の溝を形成する。軌道Ｔ_６に対するトレパニング走査工程で形成される環状の溝が、軌道Ｔ_５に対するトレパニング走査工程で形成される環状の溝と重なりを持つように、軌道Ｔ_６の半径が選択されている。これにより、穴の半径をさらに拡大することができる。軌道Ｔ_４〜Ｔ_６に沿ったトレパニング走査工程が終了すると、軌道Ｔ_６に沿った環状の溝の外径と等しい直径を有する穴Ｈ_４が形成される。

各軌道Ｔ_４、Ｔ_５及びＴ_６に対して、始点を異ならせて複数回のトレパニング走査工程を行うようにすれば、各軌道Ｔ_４、Ｔ_５及びＴ_６の周方向に関してエネルギ密度分布を均一に近づけることができる。

なお、トレパニング走査工程を行うための軌道は円周状に限らない。円周状の軌道以外の、他の形状の閉じた軌道に対しても、軌道の周方向に関して始点を異ならせて複数回のトレパニング走査工程を行うことにより、軌道の周方向に関するエネルギ密度分布を均一に近づけることができる。

なお、レーザビームにより穴を形成する加工について説明したが、穴を形成する加工でなくとも、実施例のトレパニング加工と同様に加工対象物にレーザビームを入射させる加工において、レーザビームを入射すべき軌道の周方向に関するエネルギ密度分布を均一に近づけることができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

本発明の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 実施例によるレーザ加工装置において、ガルバノスキャナを制御するための主制御装置及びガルバノ制御装置のブロック図である。 ガルバノスキャナの整定について説明するための、走査ミラーの揺動角の時間変化を示すグラフである。 本願発明者の先の提案によるレーザ加工方法について説明するための加工対象物の平面図である。 実施例によるレーザ加工方法について説明するための加工対象物の平面図である。 図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、それぞれ、第１及び第２の変形例によるレーザ加工方法について説明するための加工対象物の平面図である。 従来のトレパニング加工方法について説明するための加工対象物の平面図である。 従来のレーザ加工装置において、ガルバノスキャナを制御するための主制御装置及びガルバノ制御装置のブロック図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ ガルバノスキャナ
３ 第１のスキャナ
３ａ （第１のスキャナの）走査ミラー
３ｂ （第１のスキャナの走査ミラーを揺動させる）揺動機構
４ 第２のスキャナ
４ａ （第２のスキャナの）走査ミラー
４ｂ （第２のスキャナの走査ミラーを揺動させる）揺動機構
５ ｆθレンズ
６ 加工対象物
７ 保持台
８ 主制御装置
９ ガルバノ制御装置
Ｔ 軌道
Ｐ_ｓ１、Ｐ_ｓ２、Ｐ_ｓ３ 始点
Ｈ トレパニング加工穴

Claims (9)

1. 加工対象物上で目標入射位置を移動させると、レーザビームの入射位置が移動後の目標入射位置に向かって移動するようにレーザビームを走査するビーム走査器を用いてレーザ加工を行う方法において、
   （ａ）表面上に、レーザビームを入射させるべき閉じた軌道が画定された加工対象物の該軌道上の始点に、前記ビーム走査器の目標入射位置を移動させる工程と、
   （ｂ）目標入射位置が前記始点を出発し前記軌道に沿って移動するように前記ビーム走査器を制御しながら、該ビーム走査器を通してパルスレーザビームを前記加工対象物に入射させ、前記パルスレーザビームの相互に連続するパルスのビームスポット同士を部分的に重ならせて、前記軌道の全周に亘り前記パルスレーザビームを照射する工程と
   を、前記工程（ａ）における始点を異ならせて少なくとも２回繰り返すレーザ加工方法。
2. 前記工程（ｂ）において、各目標入射位置にビーム走査器を整定させることなく、前記軌道に沿って目標入射位置を移動させる請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記工程（ａ）は、前記軌道上の始点にビーム走査器を整定させる工程を含む請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記工程（ｂ）において、パルスレーザビームのパルスが一定の周期で前記加工対象物に入射する請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
5. 前記工程（ｂ）において、目標入射位置の移動とは非同期でパルスレーザビームの入射を行う請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
6. 前記軌道が円周状であり、Ｎを２以上の整数として、前記工程（ａ）及び（ｂ）をＮ回繰り返し、ある回の工程（ａ）及び（ｂ）の始点が、その直前の回の工程（ａ）及び（ｂ）の始点を前記軌道の周方向に３６０°／Ｎまたはその整数倍だけずらした位置に配置される請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
7. Ｍを１以上の整数として、前記工程（ｂ）１回あたり、目標入射位置を前記軌道上でＭ周させる請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
8. レーザビームを入射させるべき閉じた軌道が表面上に画定された加工対象物を保持する保持台と、
   パルスレーザビームを出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射されたパルスレーザビームを、前記保持台に保持された加工対象物に入射させ、外部から目標入射位置が入力されると、パルスレーザビームの入射位置が目標入射位置に向かって移動するようにパルスレーザビームを走査するビーム走査器と、
   前記レーザ光源を制御するとともに、前記ビーム走査器に目標入射位置を与える制御装置とを有し、
   該制御装置は、
   （ａ）前記加工対象物の軌道上の始点の位置を、目標入射位置として前記ビーム走査器に与える工程、及び
   （ｂ）目標入射位置が前記始点から出発して前記軌道に沿って移動するように、前記ビーム走査器に与える目標入射位置を変化させながら、前記レーザ光源からパルスレーザビームを出射させ、前記パルスレーザビームの相互に連続するパルスのビームスポット同士を部分的に重ならせて、前記軌道の全周に亘り前記パルスレーザビームを照射する工程
   を、前記工程（ａ）における始点を異ならせて少なくとも２回繰り返すレーザ加工装置。
9. 前記工程（ｂ）において、各目標入射位置に前記ビーム走査器を整定させることなく、前記軌道に沿って目標入射位置を移動させるように、前記制御装置が、該ビーム走査器を制御する請求項８に記載のレーザ加工装置。

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