JP2004122173A - レーザマイクロジェット加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体ビームへの液滴の混入を防止したレーザマイクロジェット加工装置を提供すること。
【解決手段】ビーム源からのレーザ光をノズルに収束させ、そのノズルから噴射される液体ビーム内を通して被加工表面にレーザ光を到達させるものであって、ノズル２４を備えたノズルブロック１０は、液体ビームが噴射される噴射口２７ａの形成された底面が、当該噴射口２７ａから周辺部に向かって下向き傾斜した傾斜面２７ｂの形成されたレーザマイクロジェット加工装置。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧で噴射されるウォータジェット等の液体ビームを導波路とし、その導波路内を通したレーザ光を被加工材に当てることにより、その被加工材を切断加工するレーザマイクロジェット加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種のレーザマイクロジェット加工装置としては、例えば特表平１０−５００９０３号公報に記載されたようなものがある。これはノズルに液体流路を形成し、その液体流路を通して供給した高圧の液体をノズルから液体ビームとして噴射させると共に、ノズルの中心軸上にあるガラス板の外側に配置された収束レンズを通してレーザ光を液体ビームの中に入射させることにより、液体ビーム内を通してレーザ光を被加工材に当てて加工するものである。
【０００３】
こうしたレーザマイクロジェット加工装置では、図３に示すように液体ビームとなるウォータジェット５０をレーザ光６０の導波路として利用し、被加工材７０表面にレーザ光６０を到達させるものであり、レーザ光６０が光ファイバのように水と空気との屈折率の違いによって水の界面にて全反射しながら被加工材７０表面まで進行する。被加工材７０を切断するエネルギはレーザ光６０から供給され、ウォータジェット５０は、最大圧力５００ｂａｒの導波路として働き、その後は加工中の材料冷却と除去材料を洗い流す役割を果たすことになる。なお、液体ビームは、水の他にもシリコンオイルなどによるものでもよい。
【０００４】
ウォータジェット５０は、例えば最小径のものでは５０μｍにもなる極めて細い流線である。従って、レーザマイクロジェット加工装置は、薄い材料を高精度、高品質で切断することに適しており、例えば３００μｍ厚のＳｉウェハのダイシングや、肉厚０．０５〜０．１１ｍｍで外径１．５〜１．７ｍｍの小径なステンレスチューブに複雑な切り込みを入れるステントの加工などに使用される。
【０００５】
そして、ウォータジェット５０の安定長さ（見掛け上の焦点深さ）はノズル径によって異なるが、例えば１００μｍの径の場合に約１００ｍｍに達する。従って、その距離の間でレーザ加工が可能になるため、被加工材７０が波打って高さが変動するものや加工深さの大きいものでも加工距離が長いため適切な加工を行うことができる。例えば、金型の加工において深孔をあけるような場合に適している。
【０００６】
そしてまたレーザマイクロジェット加工装置は、液体ビームを導波路とすることによってレーザ光による熱損傷を冷却効果によって防ぎ、ウェハがごく限定された素子にしか適用されなかった問題を解決し、体内の管状器官の内腔に挿入されるステントに対しても熱による酸化を回避することができるようになった。
【０００７】
【特許文献１】
特表平１０−５００９０３号公報（第１２−１４頁、図２）
【特許文献２】
特開２０００−３３４５９０号公報（図１）
【非特許文献１】
社団法人日本溶接協会誌「溶接技術」（Ｖｏｌ．４８，Ｎｏ１１，Ｐ９２−９６（２０００））
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来のレーザマイクロジェット加工装置は、ウォータジェット５０を利用することによってレーザ光６０による熱損傷を抑えた精密加工が可能なものでありながら、その機能を損なう構造を有していた。すなわち、ウォータジェット５０となって勢い良く噴射された水は、被加工材７０を跳ね返ってノズル側に付着し、それが水滴となって流れ、噴射しているウォータジェット５０に吸収されることによって加工精度を決定する流線の径を大きしてしまっていた。図４は、そうした従来のレーザマイクロジェット加工装置における問題部分を示した図である。
【０００９】
ノズルブロック８０は、矢印で示すように流入した水がダイヤモンドチップ８１の微少孔を通ることにより、柱状のウォータジェット５０となって噴射口８２から噴射され、ダイヤモンドチップ８１の微少孔で収束したレーザ光６０を、ウォータジェット５０を導波路として被加工材７０表面に到達させるものである。そして、こうしたノズルブロック８０では、前述した問題原因が噴射口８２の周りの形状が下方に傾斜した漏斗状になっていることにあった。
【００１０】
被加工材７０に勢い良くウォータジェット５０が当たると、水は跳ね返り、また湿気の多い雰囲気の中で加工が行われているので、図示するようにノズルブロック８０に水滴９０が着き、それが斜面を流れ、噴射されるウォータジェット５０に吸収される。ウォータジェット５０は１００μｍ程の極めて細い流線であるため、自然にできた水滴１００はウォータジェット５０に多量の水を部分的に加えることになる。これによってウォータジェット５０は瞬間的に太くなってしまい、加工精度を大きく狂わしてしまう。例えばＳｉウェハでは１００μｍの加工寸法に対して±５μｍ程の誤差しか許されず、水滴による加工精度への影響は大きいといえる。
【００１１】
そこで本発明は、かかる課題を解決すべく、液体ビームへの液滴の混入を防止したレーザマイクロジェット加工装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザマイクロジェット加工装置は、ビーム源からのレーザ光をノズルに収束させ、そのノズルから噴射される液体ビーム内を通して被加工表面にレーザ光を到達させるものであって、前記ノズルを備えたノズルブロックは、液体ビームが噴射される噴射口の形成された底面が、当該噴射口から周辺部に向かって下向き傾斜した傾斜面の形成されたものであることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、加工の際に液体ビームが被加工材に跳ね返ったり、湿気の多い雰囲気によってノズルカバーの底面に水滴が生じても、傾斜面にできた液滴は液体ビームが噴射される噴射口から離れる方向に流れるため、噴射される液体ビームへの液滴混入を防ぐことができ、その結果、レーザ光の導波路を常に一定径に保つことによって精度の高い加工を行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係るレーザマイクロジェット加工装置の一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は、レーザマイクロジェット加工装置について概略の構成を示した図である。
【００１５】
レーザマイクロジェット加工装置１は、ビーム源として１．０６４μｍの波長を有するレーザービーム３を送出する１００Ｗ出力のＮＤ：ＹＡＧレーザー発振器２を備えている。レーザービーム３は、フォーカスユニット４によって数１００μｍの心直径を有するビームガイド５に結合されるようになっており、そのビームガイド５の心直径は供給すべきビーム出力に相応して選択できるようになっている。レーザー発振器２のレーザ光は光ファイバからなるビームガイド５を通して送られ、コリメータ６によって平行光線束７とされ、その平行光線束７がフォーカスレンズ８によって収束される。
【００１６】
そうしてノズルブロック１０に収束して送られたレーザ光は、そこから噴射される液体ビーム１１を導波路として被加工材１２に照射され、不図示のＸＹテーブル上に配置された被加工材１２に所定の加工が施される。被加工材１２の下には噴射された液体を受ける容器１３が設置されており、そこに収容された液体は導管１４を流れてフィルタ１５により浄化され、タンク１６へと回収される。その後タンク１６内の液体はポンプ１７によって吸い上げられ、導管９を介して再びノズルブロック１０へと圧送される。導管９はリリーフ弁１８を介してタンク１６に接続され、ノズルブロック１０へと圧送される液体の圧力調整が行われている。
【００１７】
続いて、ノズルブロック１０について図２を参照しながら説明する。ノズルブロック１０は、ボディ２１に対して圧力チャンバ２２が下からはめ込まれ、その圧力チャンバ２２内に耐圧ガラス２３及びノズル２４が装填されている。ボディ２１の外側面には不図示の液体供給ポートが形成され、内周面側に形成された環状溝３１に連通している。圧力チャンバ２２には中心孔２２ａが上下に貫き、外側から中心孔２２ａに貫通した横孔の液体供給孔３２，３２…が環状溝３１に重なる高さで複数形成されている。
【００１８】
耐圧ガラス２３とノズル２４とは中心孔２２ａ内に上下に配置され、液体供給孔３２，３２…の位置にできた両者の隙間が液体供給空間３３として構成されている。圧力チャンバ２２にはメスネジブロック２５が取り付けられ、それに螺設されたノズル押え２６がノズル２４に対して下から突き当てられている。ノズル押え２６のねじ込み量を調節することによってノズル２４の位置を上下させることができ、耐圧ガラス２３との隙間からなる液体供給空間３３の容積が変えられるようになっている。
【００１９】
圧力チャンバ２２は外周に雄ネジが切られ、底部にはめ込み可能なノズルカバー２７が図示するように螺設されている。ノズルカバー２７にはその中心に噴射口２７ａが形成され、特に本実施形態の場合、噴射口２７ａから周辺部に向かって下向き傾斜した傾斜面２７ｂが形成されている。
【００２０】
ノズルブロック１０は、レーザ光が上下方向に通過できる光路と、そのレーザ光の導波路となる液体を噴射させる流路とが重なるように形成されている。ボディ２１には、すり鉢状に大きく開いた開口が形成され、更にその中に開口した圧力チャンバ２２の中心孔２２ａの入口もすり鉢状に形成されている。こうしてノズルブロック１０の入口が円錐形をしているのは、フォーカスレンズ２５によって収束するレーザ光の入力を可能とするためである。
【００２１】
中心孔２２ａ内には、入口開口の下に反射防止コーティングされた耐圧ガラス２３が配置されており、レーザ光は、フォーカスレンズ２５（図１参照）によってこの耐圧ガラス２３を通過して収束する。一方、図１に示すタンク１６内からポンプ１７によってノズルブロック１０へと圧送された液体（本実施形態では「水」を使用する）は、環状溝３１から液体供給孔３２，３２…を通って耐圧ガラス２３によって閉じられた液体供給空間３３に送り込まれる。
【００２２】
液体供給孔３２，３２…を通って各方向から液体供給空間３３に流入した水は、ノズル通路２４ａの入口にはめ込まれたダイヤモンドチップ２８の微少孔を通って細い水流、すなわちウォータジェットとなる。そしてウォータジェットは、連通したノズル押え２６の通路２６ａを通り、ノズルカバー２７に開設された噴射口２７ａから噴射される。耐圧ガラス２３を通過してダイヤモンドチップ２８の微少孔内に収束したレーザ光は、そのウォータジェットをレーザ光の導波路として、図３に示すように水と空気との屈折率の違いによって水の界面にて全反射しながら進行して被加工材１２の表面に到達する。
【００２３】
レーザマイクロジェット加工装置１による加工の際、ウォータジェットが被加工材１２に跳ね返ったり、湿気の多い雰囲気によってノズルカバー２７の底面に水滴が生じる。しかし本実施形態では、傾斜面２７ｂにできた水滴はウォータジェットが噴射される噴射口２７ａから離れるよう矢印で示す向きに流れ落ちる。従って、噴射されるウォータジェットに水滴が吸収されてしまうことはなく、レーザ光の導波路を常に一定径に保つことができ、精度の高い加工を行うことができる。
【００２４】
ところでこの点に関し、特許文献１に示したレーザマイクロジェット加工装置１では、噴射口が形成されたノズルブロック１０の底面が平らになっているため、中心が下向きになって傾斜しているものに比べ水滴がウォータジェットに流れ込んで吸収されるという状態は起こりにくい。しかし、レーザマイクロジェット加工装置１の場合、勢い良く噴射されるウォータジェットの周りが負圧になり、自重で流れ込まなくても近くにできた水滴が引き込まれて加工径を狂わせてしまう。従って、本実施形態のように噴射口２７ａの周りを外側に向けて傾斜させる傾斜面２７ｂとすることによって、確実に水滴の影響を防ぐことができる。
【００２５】
また、本実施形態のレーザマイクロジェット加工装置１は、ノズルブロック１０からノズル２４を交換可能とし、ノズル押え２７によってノズル２４の高さを調節できるようになっている。従って、ノズル２４の交換によって簡単にウォータジェットの径を変えることができ、また耐圧ガラス２３とノズル２４との間にできた液体供給空間３３は、理論的にはその高さがノズル通路２４ａの横断面の半分を有するようにすればよいが、ノズル押え２７によってノズル２４の変更に対する液体供給空間３３の高さを簡単に調整することができる。
【００２６】
以上、レーザマイクロジェット加工装置の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなくその趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、ノズルブロックの底面に形成する傾斜面は、円錐形の他に碗形であってもよい。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は、ビーム源からのレーザ光をノズルに収束させ、そのノズルから噴射される液体ビーム内を通して被加工表面にレーザ光を到達させるものであって、ノズルを備えたノズルブロックの底面を噴射口から周辺部に向かって下向き傾斜した傾斜面としたので、液体ビームへの液滴の混入を防止したレーザマイクロジェット加工装置を提供することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザマイクロジェット加工装置の一実施形態を示した構成図である。
【図２】ノズルブロックを示した断面図である。
【図３】液体ビームによりレーザ光が導かれる状態を示した概念図である。
【図４】従来のレーザマイクロジェット加工装置における加工ヘッドを示した図である。
【符号の説明】
１　　レーザマイクロジェット加工装置
１０　ノズルブロック
２３　耐圧ガラス
２４　ノズル
２６　ノズル押え
２７　ノズルカバー
２７ａ　噴射口
２７ｂ　傾斜面

Claims (1)

1. ビーム源からのレーザ光をノズルに収束させ、そのノズルから噴射される液体ビーム内を通して被加工表面にレーザ光を到達させるレーザマイクロジェット加工装置において、
   前記ノズルを備えたノズルブロックは、液体ビームが噴射される噴射口の形成された底面が、当該噴射口から周辺部に向かって下向き傾斜した傾斜面の形成されたものであることを特徴とするレーザマイクロジェット加工装置。

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