透過特性の差を利用した新3次元レーザ微細加工法に関する研究

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11450055
• Research Institution: SAITAMA UNIVERSITY
• Principal Investigator: 池野 順一 埼玉大学, 大学院・理工学研究科, 助教授 (10184441)
• Keywords: レーザ加工 / 3次元微細加工 / 穴あけ / 硬脆材料 / クラックフリー / ガラス / YAGレーザ / 透過特性

Research Abstract

従来、「穴あけ加工」は材料にストレートな穴を形成することを意味している。これは如何なる従来技術を用いても、自由形状の穴あけが困難であったために生じた常識である。しかし、自由方向の穴あけが可能となれば,新たな製品機能開発、生産工程や部品点数の削減、材料の適用範囲の拡大など、モノづくりに計り知れない波及効果が期待できる。そこで本研究では、オプトエレクトロニクス精密部品、精密構造部品、電子部品などに多用されるガラスセラミックスを対象に自由形状の穴あけ加工法を確立することを試みた。ここでは、全く新しい概念に基づいた「3次元レーザ微細加工法」を提案した。すなわち、従来レーザ加工では材料のレーザ光吸収特性に着目し、「レーザ光を吸収する材料ほどよく加工できる」という概念が存在していた。しかし、本研究で提案するレーザ加工法は、材料のレーザ光吸収特性のみではなく透過特性にも着目し、「レーザを吸収しない材料は、3次元微細加工ができる」という新しい概念を有するものである。具体的に本研究で明らかになったことは以下の通りである。
1)レーザ加工における材料除去メカニズムは、レーザ光線を吸収する物質が加熱され、その周辺で蒸発し易い材料から除去されること。
2)除去後の加工部には、最後まで蒸発し難かった材料が加工変質層として残留していること。
3)ガラスセラミックスでは、YAGレーザ光線(λ=1.06μm)を吸収し易いアルミナが主成分となって残留するため、母材よりもYAGレーザ光線を吸収しやすい変質層であること。
4)レーザ光線の照射方向を様々に変えることでレーザ光線は母材を透過して加工変質層に吸収され、3次元で自由方向の穴あけが可能となった。
5)3次元穴あけが進むと深穴になるため、溶融除去時の穴内部の圧力上昇が顕著になり、材料が破裂してしまう。加工穴深さには限界がある。
6)その限界を突破する方法としては、溶融した材料を飛散させずに加工変質層のみを形成する。その後、変質層と母材が成分比で異なっていることを利用してエッチングで加工穴を仕上げる。
7)上記の開発した手法を用いて、螺旋状の深穴や広い内部空間が形成可能となった。
以上より、今まで不可能であった
"母材と変質層のレーザ透過特性差を利用したガラスセラミックスの3次元穴あけ"に成功した。

Research Products

• [Publications] 池野順一,森幸博,澤木大輔,堀内宰: "レーザ光線を利用した3次元微小構造物の組立技術に関する研究(第2報)"日本機械学会論文集(C編). 65・633. 2110-2115 (1999)
• [Publications] 池野順一,澤木大輔,森幸博,堀内宰: "レーザ光線を用いた微粒子の配列法に関する研究(第1報)(水中における複数微粒子の配列と運動制御)"日本機械学会論文集(C編). 65・636. 3452-3457 (1999)
• [Publications] 真杉豊,池野順一,堀内宰: "ガラスの3次元レーザ加工(第2報)"精密工学会講演論文集. 331 (2000)
• [Publications] 橋本隆寛,池野順一,堀内宰: "YAGレーザによるガラス表面の微細加工 〜微細塑性加工の検討〜"精密工学会講演論文集. 220 (2000)
• [Publications] 橋本隆寛,池野順一,堀内宰,河西敏雄: "ガラスのレーザマイクロ加工"2000年度砥粒加工学会学術講演会講演論文集. 345-346 (2000)
• [Publications] 船山強,池野順一,堀内宰: "レーザトラッピング時の微粒子振動現象を利用した形状計測"2000年度砥粒加工学会学術講演会講演論文集. 405-406 (2000)
• [Publications] 橋本隆寛,池野順一,中野康範,堀内宰,河西敏雄: "YAGレーザによるガラス表面の微細加工(第3報) 〜任意形状の凸部平面創成〜"精密工学会講演論文集. 277 (2000)
• [Publications] 橋本隆寛,池野順一,堀内宰,河西敏雄: "ガラス表面のレーザ微細成形加工"日本機械学会第2回生産加工・工作機械部門講演会講演論文集. 113-114 (2000)
• [Publications] Daisuke SAWAKI, Junichi IKENO,Osamu HORIUCHI, Toshio KASAI: "Three Dimensional Micro-assembly Technique Applying Laser Trapping"Proceedings of LPM2000. 110-114 (2000)
• [Publications] 池野順一: "ガラスの3次元レーザ加工技術"科学と工業. 74〜4. 175-179 (2000)