本发明涉及对由氧化铝(三氧化二铝)等的陶瓷构成的工件(陶瓷工件)照射激光进行加工的激光加工方法。
背景技术：
目前，在对陶瓷工件照射激光进行加工时，通过脉冲宽度为数μ秒以下的激光照射，对工件进行钻孔加工(例如，参照专利文献1、2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平06-155061号公报
专利文献2：日本特开2015-047638号公报
技术实现要素：
发明所要解决的课题
但是，在此存在如下不良情况。
第一，与铝等的金属相比，陶瓷的导热系数差。例如，在氧化铝的情况下，如图4所示，导热系数为23w/m·k。因此，在陶瓷工件的厚度为1mm以上的情况下，钻孔花费时间，由于导热系数差，因此加工点周边局部成为高温。另外，在对陶瓷工件连续地进行钻孔加工的情况下，热被蓄积。因此，在陶瓷工件上局部地产生较大的温度差，由此，容易在陶瓷工件上产生开裂或破损、变形。
第二，陶瓷的激光的波长依赖性较大。通常，在要实施微细加工的情况下，选择能够缩小聚光直径的激光的种类，但在反射率较高的(吸收率较低)的情况下，需要使用输出较大的振荡器。因此，包含激光振荡器的装置(激光加工机)扩大化，激光加工所需要的成本增大。
本发明的目的在于，提供一种激光加工方法，即使在对厚度1mm以上的陶瓷工件进行激光加工的情况及对陶瓷工件连续地进行激光加工的情况下，也能够没有该陶瓷工件的开裂或破损、变形并迅速且廉价地执行激光加工。
用于解决课题的方案
(1)本发明提供一种激光加工方法，向陶瓷工件(例如，后述的工件3)照射激光(例如，后述的激光lb)而进行加工，其特征在于，在对上述工件照射上述激光时，设定成上述激光的照射时间、功率、吸收率的积成为使上述工件的熔融对象部分的体积熔融所需的能量以上，并且将伴随着该激光的照射而产生的上述工件的熔融材料(例如，后述的熔融材料10)从上述工件的激光接收部(例如，后述的激光接收部3a)除去。
(2)在(1)的激光加工方法中，也可以是，上述工件的上述熔融对象部分呈近似于圆柱的形状，该圆柱具有与上述激光的光斑尺寸对应的直径0.01mm～1mm的圆形的底面以及与上述工件的熔融深度对应的100μm以上的高度。
(3)在(1)或(2)的激光加工方法中，也可以是，在将上述工件的上述熔融材料从上述工件的上述激光接收部除去时，在上述工件的上述激光接收部产生负压，从而吸引并除去上述熔融材料。
(4)在(1)至(3)中任一项的激光加工方法中，也可以是，在向上述工件照射上述激光时，预先在上述工件的上述激光接收部涂敷抗反射膜，从而增加上述激光相对于上述工件的吸收率。
(5)在(4)的激光加工方法中，也可以是，上述抗反射膜的厚度为0.1mm以下。
(6)在(1)至(5)中任一项的激光加工方法中，也可以是，在向上述工件照射上述激光时，根据上述工件的厚度，使上述激光的焦点位置向上述工件的背面侧移动。
(7)在(6)的激光加工方法中，也可以是，在使上述激光的焦点位置移动时，交替进行该焦点位置的移动动作以及停止动作，在该焦点位置的移动中停止上述激光的照射动作，并且在该焦点位置的停止中执行上述激光的照射动作。
(8)在(1)至(7)中任一项的激光加工方法中，也可以是，在向上述工件照射上述激光时，测定上述工件的上述激光接收部的周围温度，在该激光接收部的周围温度超过预定值的情况下，中断上述激光相对于该激光接收部的照射动作。
(9)在(1)至(8)中任一项的激光加工方法中，也可以是，在向上述工件照射上述激光时，测定上述工件的上述激光接收部的周围温度，在该激光接收部的周围温度超过预定值的情况下，冷却该激光接收部。
(10)在(1)至(9)中任一项的激光加工方法中，也可以是，上述激光为二氧化碳激光器、光纤激光器、直接二极管激光器或yag激光器。
发明效果
根据本发明，即使在对厚度1mm以上的陶瓷工件进行激光加工的情况及对陶瓷工件连续地进行激光加工的情况下，也能够没有该陶瓷工件的开裂或破损、变形并迅速且廉价地执行激光加工。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的激光加工机的概略结构图。
图2是表示本发明的第一实施方式的激光加工机的吸嘴的垂直剖视图。
图3是对于氧化铝以外的材料表示激光的波长与反射率的关系的半对数图表。
图4是表示氧化铝的物性的表。
图中：
3—工件；3a—激光接收部；10—熔融材料；lb—激光。
具体实施方式
以下，说明本发明的实施方式的一例。
图1是表示本发明的第一实施方式的激光加工机的概略结构图。图2是表示本发明的第一实施方式的激光加工机的吸嘴的垂直剖视图。
如图1所示，该第一实施方式的激光加工机1具备：将氧化铝的平板状工件3支撑为水平的可动工作台4；射出圆形截面的激光lb的激光振荡器5；将从激光振荡器5射出的激光lb向工件3诱导的波导路6；将激光lb利用聚光镜7进行聚光并向工件3照射的加工头8；装配于加工头8的前端的吸嘴2；控制可动工作台4、激光振荡器5、聚光镜7以及加工头8的动作的控制装置9。
此外，可动工作台4在x轴方向以及y轴方向上移动自如。另外，加工头8在z轴方向上移动自如。聚光镜7在加工头8内沿着z轴方向移动自如。另外，波导路6中包含将从激光振荡器5射出的激光lb反射并向聚光镜7诱导的反射镜6a。另外，激光lb的种类没有特别限定，例如能够使用二氧化碳激光器、光纤激光器、直接二极管激光器、yag激光器等。
如图2所示，吸嘴2具备：将激光lb向工件3照射的大致圆筒状的吸嘴主体21、形成于吸嘴主体21的供气口22、与供气口22对置地形成于吸嘴主体21的排气口23。在供气口22连接有圆筒状的供气管32。在排气口23连接有圆筒状的排气管33。而且，吸嘴2构成为，以横切向吸嘴主体21诱导的激光lb的光轴cl的形式，沿着从供气口22到排气口23的直线性的气体流路25向吸嘴主体21的内部供给气体g，由此，在吸嘴主体21的前端的开口部21a的附近产生负压。
在此，如图2所示，供气口22的口径d2为向吸嘴主体21诱导的激光lb的被气体g横切的部位的直径d1以上(d2≥d1)。另外，排气口23的口径d3比供气口22的口径d2大(d3＞d2)。例如，能够设为d3＝5mm，d2＝1mm。另外，供气口22具有用于提高气体g的直线前进性的预定的长度l2(例如，1mm)的直线部。
另外，吸嘴2构成为，在沿着气体流路25供给气体g时，通过适宜调整例如气体g的压力或流量，对随着工件3的钻孔加工而产生的熔融材料10作用其重量以上的吸引力，该熔融材料10从吸嘴主体21的开口部21a被吸引且从排气口23向吸嘴主体21的外部排出。
另外，在吸嘴2的附近，热成像仪31设置为能测定工件3的激光接收部3a的周围温度。
激光加工机1具有以上那样的结构，因此，使用该激光加工机1进行氧化铝的工件3的钻孔加工时，则根据下面的顺序。
首先，如图1所示，在可动工作台4上载置工件3的状态下，基于来自控制装置9的指令，使可动工作台4在x轴方向、y轴方向上适宜移动，将工件3定位于x轴方向以及y轴方向的预定的位置。
接着，基于来自控制装置9的指令，使加工头8在z轴方向上适宜移动，将吸嘴2定位于z轴方向的预定的位置。于是，如图2所示，吸嘴2处于如下状态，吸嘴主体21的开口部21a从工件3的表面向上方离开预定的距离l1(例如，l1＝0.5mm～5mm)。
另外，基于来自控制装置9的指令，使聚光镜7在加工头8内沿着z轴方向适宜移动。于是，在保持吸嘴主体21的开口部21a与工件3的表面的距离l1的状态下，激光lb的焦点位置定位于z轴方向的预定的位置。
接着，基于来自控制装置9的指令，沿着从供气口22到排气口23的气体流路25，向吸嘴主体21的内部以预定的压力(例如，0.5mpa)供给气体g。于是，吸嘴主体21的内部的气体卷入该气体g的流动并从排气口23排出，因此，在吸嘴主体21的开口部21a的附近产生负压。
此时，排气口23与供气口22对置，并且其口径d3比供气口22的口径d2大，在供气口22设置有提高气体g的直线前进性的预定的长度l2的直线部，因此，从供气口22向吸嘴主体21的内部供给的气体g全部从排气口23排出。其结果，气体g的供给中不会产生浪费，能够有效地进行负压的产生。
另外，基于来自控制装置9的指令，使用热成像仪31测定工件3的激光接收部3a的周围温度。
在该状态下，基于来自控制装置9的指令，从激光振荡器5射出激光lb。于是，该激光lb沿着波导路6被诱导之后，被聚光镜7聚光并从吸嘴2的吸嘴主体21的开口部21a向工件3照射。其结果，工件3的激光接收部3a通过激光lb的激光照射进行熔融，开始进行钻孔加工。
此时，设定为，激光lb的照射时间、功率、吸收率的积成为熔融工件3的熔融对象部分的体积所需要的能量以上。由于激光lb具有圆形截面，因此，认为该工件3的熔融对象部分为近似于圆柱的形状。该圆柱具有与激光lb的光斑尺寸对应的直径0.01mm～1mm的圆形的底面和与工件3的熔融深度对应的100μm以上的高度。
在此，激光lb的光斑尺寸是指工件3的激光接收部3a中的激光lb的截面面积。另外，工件3的熔融深度是指通过激光lb的照射而熔融的工件3的激光接收部3a的深度。
另外，在选择相对于工件3的反射率较高的激光lb进行照射时，优选预先在工件3的激光接收部3a涂敷厚度为0.1mm以下的抗反射膜，增加激光lb相对于工件3的吸收率。这是因为在吸收率较低的情况下，直到熔融花费时间，因此，引起热扩散。此外，为了增加该激光lb的吸收率，还考虑将带铁粉的胶带(未图示)贴附于工件3的表面，但这样，工件3的熔融材料10可能附着于该胶带而不能吸引。与之相对，如果涂敷抗反射膜，则没有这样的可能性，在该点上优选。
另外，在工件3较厚的情况下，通过一次激光照射不能完成工件3的钻孔加工，因此，根据工件3的厚度，使聚光镜7在z轴方向上移动，由此，如图2中双点划线所示，使激光lb的焦点位置向工件3的背面侧(图2下方)移动预定的次数(例如，三次)。
此时，交替进行焦点位置的移动动作以及停止动作，在该焦点位置的移动中停止激光lb的照射动作，并且在该焦点位置的停止中执行激光lb的照射动作。通过这样，能够在停止激光照射的期间形成工件3的熔融材料10的排出时间，因此，能够防止激光lb照射至熔融材料10，并反射至工件3而周围温度上升。
另外，如图4所示，氧化铝的耐热冲击性为200℃，因此，在进行工件3的钻孔加工时，在工件3的激光接收部3a的温度差超过该温度的情况下，材料被破坏。在利用热成像仪等不能直接以高精度温度测定工件3的激光接收部3a的情况下，在该激光接收部3a的周围温度超过预定值(例如，60℃)的情况下，中断激光lb相对于该激光接收部3a的照射动作。然后，等待激光接收部3a冷却，或对温度未超过预定值的部分先进行激光加工。此时，也可以通过使风或冷却水与工件3的激光接收部3a接触，而强制冷却该激光接收部3a。
随着这样的工件3的钻孔加工，工件3的激光接收部3a被激光加热而熔融，但在向该激光接收部3a供给的能量较大的情况下，激光接收部3a瞬间超过沸点，熔融材料10在该激光接收部3a产生并向与激光lb相同的轴方向飞溅。但是，如上述，在吸嘴2内，以横切激光lb的方式流动有气体g，因此，能够阻止熔融材料10到达聚光镜7，并保护聚光镜7。另外，吸嘴2通过横切激光lb的光轴cl的气体g的流动，吸嘴主体21的开口部21a的附近成为负压，因此，在该激光接收部3a也产生负压。而且，气体g以作用熔融材料10的重量以上的吸引力的方式供给。其结果，该熔融材料10一边向吸嘴主体21的内部吸起且冷却，一边从排气口23向吸嘴主体21的外部排出。因此，熔融材料10不会滞留于吸嘴主体21的内部而形成激光lb的照射的阻碍，能够高效地执行工件3的钻孔加工。
这样，在对工件3照射激光lb时，设定为，激光lb的照射时间、功率、吸收率的积成为熔融工件3的熔融对象部分的体积所需要的能量以上。而且，随着该激光lb的照射而产生的熔融材料10被迅速地除去，因此，能够抑制从熔融材料10向工件3的激光接收部3a以外的部分的热扩散，并防止过热所引起的工件3的开裂或破损、变形。其结果，即使在对厚度1mm以上的氧化铝的工件3进行激光加工的情况及对氧化铝的工件3连续地进行激光加工的情况下，也能够避免在工件3上产生开裂等，并执行激光加工。
另外，通过在工件3的激光接收部3a涂敷抗反射膜，即使是反射率较高的激光lb，也能够增加吸收率。因此，能够使用输出较小的激光振荡器5，能够迅速且廉价地执行激光加工。
这样，当工件3的钻孔加工结束时，工件3的激光接收部3a从工件3的表面向背面贯通，因此，能够将工件3的熔融材料10从工件3的背面向下方排出。因此，之后不需要吸引工件3的熔融材料10，也能够停止气体g的供给，一边从吸嘴2供给辅助气体，一边进行工件3的切断加工。
此外，本发明不限定于上述的第一实施方式，在能够达成本发明的目的的范围的变形、改良包含于本发明。
例如，上述的第一实施方式中，说明了作为加工头8内的光学系统仅具备聚光镜7的情况。但是，在作为保护聚光镜7的光学系统的窗户(未图示)安装于聚光镜7的下方的情况下，也能够同样应用本发明。
另外，上述的第一实施方式中，说明了在将吸嘴主体21的开口部21a从工件3的表面离开预定的距离l1的状态下进行激光加工的情况。但是，例如将由圆筒状的硅橡胶构成的弹性部件(未图示)以与工件3接触的方式安装于吸嘴主体21的开口部21a的下侧，由此，也能够提高吸嘴主体21的密闭程度，并增大熔融材料10的吸引力。
另外，上述的第一实施方式中，说明了为了测定工件3的激光接收部3a的温度而使用热成像仪31的情况，但也能够代替热成像仪31，而使用各种温度传感器(未图示)。
另外，上述的第一实施方式中，说明了对氧化铝的工件3进行激光加工的情况，但在对氧化铝以外的由陶瓷构成的工件进行激光加工的情况下，也能够同样应用本发明。
实施例
以下，说明本发明的实施例。此外，本发明不限定于实施例。
图3是对于氧化铝以外的材料表示激光的波长与反射率的关系的半对数图表。图3的图表中，横轴(对数)表示激光的波长(单位：μm)，纵轴表示激光的反射率(单位：％)。图4是表示氧化铝的物性的表。
＜实施例1＞
使用二氧化碳激光器，通过上述的第一实施方式的激光加工方法，对厚度2mm的氧化铝的工件进行激光加工。如从图3可知，二氧化碳激光器(波长：约10μm)相对于氧化铝的反射率约为20％，即吸收率约为80％。另外，如图4所示，氧化铝的密度为3.9g/cm3，比热为0.75kj/kg·k，熔点为1777k，沸点为2723k。
基于这些，算出熔融工件所需要的能量以及使工件沸腾所需要的能量。即，工件的熔融对象部分为圆柱状，将其底面(即，与激光的光斑尺寸对应的尺寸)假定为直径0.5mm的圆形，且将其高度(即，与工件的熔融深度对应的深度)假定为0.1mm时，将圆周率设为3.14，则该圆柱的体积成为0.25mm×0.25mm×3.14×0.1mm＝0.0196mm3。因此，就该圆柱的重量而言，其体积乘以密度，而成为0.0196mm3×3.9g/cm3＝0.0765×10-3g。其结果，将室温设为293k，熔融工件所需要的能量算出为0.0765×10-3g×(1777k－293k)×0.75kj/kg·k＝0.085j。另外，使工件沸腾所需要的能量算出为0.0765×10-3g×(2723k－293k)×0.75kj/kg·k＝0.139j。
另一方面，如果激光振荡器设为功率1000w、占空比20％、频率1000hz、照射时间0.005秒，则将相对于氧化铝的吸收率设为80％，从该激光振荡器赋予的能量成为1000w×20％×0.005秒×0.8＝0.8j。因此，从激光振荡器赋予的能量(0.8j)比使工件沸腾所需要的能量(0.139j)大。
其结果，该工件以瞬间超过沸点的形式熔融。另外，通过将随着该激光照射而产生的熔融材料进行吸引并瞬间地除去，能够减少从该熔融材料向母材的热传导，降低母材的过热。这样，在工件瞬间超过沸点的情况下，熔融材料有时向激光的照射方向飞溅。即使在这种情况下，也通过横切激光的光轴的气体g的流动而被冲走，不会污染聚光镜。
认为通过一次的激光照射，形成深度0.3mm～0.4mm程度的孔，因此，使激光的焦点位置每0.3mm向工件的背面侧移动，且反复进行5、6次激光照射。其结果，能够在厚度2mm的氧化铝的工件上贯通形成直径0.5mm的孔。
＜实施例2＞
除了将激光的种类从二氧化碳激光器置换成光纤激光器以外，与上述的实施例1一样，对厚度2mm的氧化铝的工件进行激光加工。如从图3可知，光纤激光器(波长：约1μm)相对于氧化铝的吸收率约为8％，即为二氧化碳激光器(参照实施例1)的吸收率的1/10。因此，通过相同的激光输出进行激光加工时，花费二氧化碳激光器的10倍的时间。当加工时间延长时，由于热传导，母材被加热而开裂的危险性变高。在以相同的时间进行的情况下，需要准备10倍输出的激光。
因此，为了缩短加工时间，在激光照射之前，对工件的表面喷涂抗反射剂(finechemicaljapanco.,ltd.制造的“blackguardspray”)，涂敷抗反射膜，增加激光的吸收率。由此，即使不使用高输出的激光振荡器，也能够防止母材的开裂，且在厚度2mm的氧化铝的工件上贯通形成孔。