JP2002137080A - 光学孔あけ装置 - Google Patents

光学孔あけ装置

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JP2002137080A JP2001280474A JP2001280474A JP2002137080A JP 2002137080 A JP2002137080 A JP 2002137080A JP 2001280474 A JP2001280474 A JP 2001280474A JP 2001280474 A JP2001280474 A JP 2001280474A JP 2002137080 A JP2002137080 A JP 2002137080A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 偏向光学系ＡＯを用いレーザビームＬＳｔに
より孔をあけるための光学孔あけ装置において、射し込
み角度と孔の長手方向セクションの形状を設定するため
の新たな構成を提供する。 【解決手段】 偏向光学系ＡＯにより孔の幅が設定され
る。この偏向光学系ＡＯは、工作物Ｗへのレーザビーム
ＬＳｔの射し込み角度δαを定める機構をもつ。また、
レーザビームを工作物Ｗ上またはその近くでフォーカシ
ングさせるためのフォーカシング光学系Ｌが設けられて
いる。入射角δαを定める機構は偏向光学系ＡＯのミラ
ーＳｐ１である。フォーカシング光学系Ｌに対する偏向
ミラーの間隔を主光軸ＯＡと平行に変えることができ、
これによって深さ方向で孔に規定の輪郭形状をつくるこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、偏向光学系を用い
レーザビームにより工作物の材料の厚さに比べて狭い孔
をあけるための光学孔あけ装置に関する。この場合、前
記偏向光学系により孔の幅が設定され、該偏向光学系
は、工作物へのレーザビームの射し込み角度を定める装
置を有しており、レーザビームを工作物上またはその近
くでフォーカシングさせるためのフォーカシング光学系
が設けられている。
【０００２】
【従来の技術】この種の光学装置は DE 197 41 029 A1
において公知のもとして示されている。たとえば噴射ノ
ズルにおける噴射孔をあけるためのこの公知の装置の場
合、望まし半径つまりトレパニング半径をもつレーザビ
ームが導かれ、これは所望の孔半径に対応する。主ビー
ムの方向を変化させることにより、ビーム工具の射し込
み角度つまりは孔のテーパを変えることができる。望ま
しいトレパニング半径を設定するため、レーザビームを
工作物上で束ねるフォーカシング光学系の手前にくさび
プレートが配置され、さらにその前には射し込み角度な
いしは入射角の調整用に傾斜可能な平行平面プレートが
レーザビーム束の変位装置として設けられている。射し
込み角度を調整するためのビーム変位とトレパニング半
径を調整するためのビーム変位は別個に設定可能であ
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭
で述べた形式の光学装置において、たとえば射し込み角
度と孔の長手方向セクションの所期の形状の設定のため
の新たな構成を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明によればこの課題
は、射し込み角度を定める装置は偏向光学系の少なくと
も１つのミラーであり、フォーカシング光学系に対する
該偏向ミラーの間隔が主光軸と平行に変えられることに
より解決される。さらに上記の課題は、請求項３から６
記載の装置によって解決される。
【０００５】
【発明の実施の形態】たとえば光学孔あけ装置の場合に
はレーザビーム誘導用のスキャナ光学系とともに設けら
れている偏向ミラーは、主光軸に平行に変位可能に支承
することでレンズから様々な距離のところにつまりはそ
のレンズの焦点の外に位置決めすることができ、その結
果、レーザビーム束を様々な角度でフォーカシング光学
系に向けることができ、つまりは様々な主方向で工作物
に配向可能でもある。これにより偏向ミラーの位置に応
じて種々の射し込み角度ないしは入射角つまりは孔の長
手方向セクションが得られるようになり、その際にたと
えば孔の入口側開口部から出口側開口部に向かって拡が
るまたは狭くなる輪郭を設定することができ、様々なテ
ーパを実現することができる。この場合、工作物に関し
てレーザビームを種々異なる位置でフォーカシングさせ
ることによっても、たとえば孔の出口側近くまたは入口
側近くでフォーカシングさせることによっても、長手方
向セクションを変化させることができる。その際に偏向
光学系をたとえば、様々な孔の横断面形状が実現される
ように構成することもできる。互いに直交する２つの軸
を中心に旋回可能な２つのミラーを備えたスキャナ光学
系であればこのことは周知のように、各ミラーを所定の
ように互いに別個に制御することによって行われる。
【０００６】その際に有利な構成によれば、ミラーおよ
び／またはフォーカシング光学系はシフト可能に支承さ
れており、および／または光学経路長を制御する素子が
その間に配置されている。
【０００７】所望の孔の長手方向セクションを実現する
ための別の構成によれば、偏向光学系とフォーカシング
光学系との間の光学経路長を変化させるために、くさび
プレートだけがまたはユニットとして面平行プレートと
もに主光軸に平行にシフト可能に支承されており、およ
び／またはフォーカシング光学系がシフト可能に支承さ
れている。くさびプレートもしくはフォーカシング光学
系を面平行プレートと共働させてシフトさせることによ
っても、フォーカシング光学系に対する様々な入射角を
達成することができ、その結果として様々な入射角が得
られ上述の形状を実現できるようになる。そしてこの場
合にも、工作物に対する焦点の調節により長さ方向の輪
郭をさらに制御することができる。また、やはり光学経
路長を制御する素子を偏向光学系とフォーカシング光学
系との間に配置させることができる。
【０００８】課題を解決するためそして既述のように所
望の孔の長手方向セクションを実現するためのさらに別
の構成によれば、くさびプレートまたはレンズ状の素子
が傾斜可能に支承されている。くさびプレートの傾斜に
よって、孔の長手方向セクションの成形のために望まし
いレーザビームの調節が行われる。この場合、レンズ状
の素子としてたとえば一方の側を湾曲させたくさびプレ
ートが用いられる。
【０００９】課題を解決するためそして規定された孔の
長手方向セクションを実現するためのさらに別の構成に
よれば、入射角を定めるための装置は少なくとも１つの
回折素子または屈折素子を有しており、また、入射角を
定める装置は少なくとも１つの適応形ミラーまたは特別
に湾曲させたミラーを有している。最後に挙げた両方の
構成の場合、たとえば回折素子または屈折素子の交換も
しくは適応形ミラーまたは特別に湾曲させたミラーの交
換により、様々な孔の長手方向セクションを実現でき
る。この構成と先に挙げた構成との組み合わせも考えら
れる。
【００１０】本発明による装置の有利な実施形態によれ
ば、フォーカシング光学系における少なくとも１つのレ
ンズが特別に実現された屈折率により入射角を定めるよ
うに構成されている。フォーカシング光学系にこのよう
に特別な屈折特性をもたせることによって、孔の長手方
向セクションの輪郭をさらに所期のように制御すること
ができる。
【００１１】たとえばスキャナ光学系またはトレパニン
グ光学系を備えた光学装置は、工作物にたとえば噴射ノ
ズルなどのような精密な孔をあけたり刻んだりするのに
適しており、この場合、孔の幅は材料の厚さに比べて相
対的に小さく、たとえば材料の厚さの半分よりも僅かで
ある。たとえば１ｍｍよりも大きい厚さの工作物に１０
０μｍの幅の孔を取り込むことができる。
【００１２】次に、図面を参照しながら実施例に基づき
本発明について詳しく説明する。
【００１３】
【実施例】レーザビームＬＳｔを用いて工作物Ｗに孔を
あけるためのもしくは刻むための図１に示されている光
学装置は、互いに別個に旋回可能な２つのミラーＳｐ
１，Ｓｐ２を有しており、この場合、回転軸が互いに直
交するように配置されている。たとえばミラーＳｐ１を
用いることでレーザユニットＬＡから到来するレーザビ
ームＬＳｔが図平面において偏向される一方、ミラーＳ
ｐ２を用いることで図平面に対し垂直な偏向が行われ
る。ビーム路中でミラーＳ２のあとに続くレンズＬをも
つ光学系によりレーザビームＬＳｔが工作物Ｗ上にフォ
ーカシングされ、これは開孔もしくは切断のためのエネ
ルギーを束ねるためである。この場合、工作物Ｗの距離
はレンズＬの焦点距離に対応し、切断特性もしくは開孔
特性ならびに開口部輪郭の作用を変化させるため、たと
えば開口部の入口側であるかその出口側が焦点の近くに
おかれるよう、この距離を様々に調整することもでき
る。
【００１４】ミラーＳｐ１はたとえば、仮想の図Ｓｐ
１′により破線で描かれているように、ビーム路中にお
いてレンズＬよりも手前で焦点距離ｆ内におかれる。こ
れによりレーザビームＬＳｔのビーム束は、フォーカシ
ング光学系Ｌから工作物Ｗへ主光軸ＯＡについて角度δ
αで入射するよう、傾斜してフォーカシング光学系Ｌに
当たる。その結果、レーザビームは工作物Ｗに斜めに射
し込むようになり、このことで孔入口側から孔出口側へ
と孔の長手方向セクションを拡げることができるように
なる。第１のミラーＳＰ１の位置を変えることにより、
射し込み角度すなわち入射角δαつまりは輪郭経過を孔
の長手方向セクションにわたって変えることができ、そ
の際、様々な開口角をもつ円錐形の拡開形状の代わりに
たとえば様々な開口角をもつ円錐形の先細り形状を実現
できる。また、上述のようにフォーカシング光学系Ｌと
工作物Ｗとの距離を変えることでも、長手方向セクショ
ンの輪郭を制御できる。たとえば仮想の図Ｓｐ１′の距
離が距離ｆにあるとき、入射角δαは０になる。
【００１５】長手方向セクションにおける孔の輪郭のさ
らに別の制御は、屈折率の特別な構成のもとで焦点距離
または焦点特性についてレンズＬを適切に選択すること
により達成することができ、したがって個々の適用事例
に合わせることができるようになる。たとえばこの光学
装置は、ディーゼル噴射ノズルの孔の製造や、精確に再
現可能な所望のインジェクションイメージの達成に適し
ている。また、円形の孔横断面のほか、別個に旋回可能
なミラーＳｐ１，Ｓｐ２の相応の制御により、実質的に
任意の他の孔横断面も実現できる。さらにこの装置は、
材料の厚さと比べて幅の小さい孔の開孔もしくは切断に
適用され、ここで孔の幅に対する材料の厚さの係数はた
とえば５または１０よりも大きい。
【００１６】図２には、光学的に孔をあけるための別の
装置がトレパニング光学系として描かれている。この場
合、レーザビームＬＳｔのビーム路において（ここには
図示されていない）レーザユニットＬＡからみてまずは
じめに面平行プレートＰＰが配置されており、これによ
ってレーザビームＬＳｔは主光軸ＯＡに関して平行にず
らされ、さらにレンズＬをもつフォーカシング光学系の
手前にはくさびプレートＫが配置されており、これによ
ってレーザビームＬＳｔが傾けられる。主光軸ＯＡの領
域からの平行移動およびそれに続く傾斜によってレーザ
ビームＬＳｔはレンズＬに斜めに当射し、レンズＬから
工作物Ｗへ導かれそこで束ねられるレーザビームＬＳｔ
の主方向が主光軸ＯＡの方向から入射角δαだけ逸れる
ようになる。レンズＬに対しくさびプレートＫを、ある
いはくさびＫに対しレンズＬを、主光軸ＯＡに平行にず
らすことにより、レンズＬにおけるレーザビームＬＳｔ
の投射角つまりは入射角δαを変えることができる。こ
の場合、くさびプレートＫを面平行プレートＰＰとは別
個にずらすことができるし、あるいはそれといっしょに
ユニットとしてずらすことができる。また、冒頭で挙げ
た DE 197 41 029 A1 に示されているように、２つ１組
のくさび−くさびプレートＫの相対的なシフトによりト
レパニング半径を変えることができる。
【００１７】さらに、いわば傾斜されたレンズが生じる
ようにくさびプレートＫを傾けたり付加的な湾曲をつけ
たりして、入射角を変えることもできる。
【００１８】また、偏向光学系ＡＯを全体的にあるいは
部分的に、回折特性または屈折特性をもつ光学素子によ
って置き換えることができる。さらにビーム偏向のため
に適応形ミラーおよび／または適応形レンズ素子を用い
ることができる。さらに所期のように実現された屈折率
をもつレンズを、孔の長手方向セクションをさらに制御
するために使用することができる。
【００１９】変位運動は孔の長手方向セクションの所望
の輪郭を実現するために重要であるので、変位メカニズ
ムは変位運動の再現可能な精確な調節が行われるように
構成されており、その際に調節装置は、規定された手動
のシフトが行われるように、あるいは制御ユニットを用
いて自動的に制御されるシフトが行われるように構成さ
れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザビームにより孔をあけるためのスキャナ
光学系を備えた光学装置の概略図である。
【図２】レーザビームにより孔をあけるためのトレパニ
ング光学系を備えた別の光学装置を示す図である。
【符号の説明】
ＬＡ レーザユニット Ｌｓｔ レーザビーム Ｓｐ１，Ｓｐ２ 旋回可能なミラー ＡＯ 偏向光学系 Ｗ 工作物 ＯＡ 光軸 ＰＰ 面平行プレート Ｋ くさびプレート Ｌ フォーカシング光学系
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クラウス ヴェストファル ドイツ連邦共和国 グロスボットヴァール ケルテンシュトラーセ ７ Ｆターム(参考） 4E068 AF00 CA09 CD06 CE02

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 偏向光学系（ＡＯ）を用いレーザビーム
    （ＬＳｔ）により工作物（Ｗ）の材料の厚さに比べて狭
    い孔をあけるための光学孔あけ装置であって、 前記偏向光学系（ＡＯ）により孔の幅が設定され、 該偏向光学系（ＡＯ）は、工作物（Ｗ）へのレーザビー
    ム（ＬＳｔ）の射し込み角度（δα）を定める装置を有
    しており、 レーザビームを工作物（Ｗ）上またはその近くでフォー
    カシングさせるためのフォーカシング光学系（Ｌ）が設
    けられている光学孔あけ装置において、 前記射し込み角度（δα）を定める装置は偏向光学系
    （ＡＯ）の少なくとも１つのミラー（Ｓｐ１）であり、
    フォーカシング光学系（Ｌ）に対する該偏向ミラーの間
    隔が主光軸（ＯＡ）と平行に変えられることを特徴とす
    る、光学孔あけ装置。
  2. 【請求項２】 前記のミラー（Ｓｐ１）および／または
    フォーカシング光学系（Ｌ）は変位可能に支承されてお
    り、および／または光学経路長を制御する素子が間に配
    置されている、請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 偏向光学系（ＡＯ）を用いレーザビーム
    （ＬＳｔ）により工作物（Ｗ）の材料の厚さに比べて狭
    い孔をあけるための光学孔あけ装置であって、 前記偏向光学系（ＡＯ）により孔の幅が設定され、 該偏向光学系（ＡＯ）は、工作物（Ｗ）へのレーザビー
    ム（ＬＳｔ）の射し込み角度（δα）を定める装置を有
    しており、 レーザビームを工作物（Ｗ）上またはその近くでフォー
    カシングさせるためのフォーカシング光学系（Ｌ）が設
    けられており、 前記偏向光学系（ＡＯ）は、孔の幅を設定するためくさ
    びプレート（Ｋ）を有し射し込み角度（δα）を定める
    ため面平行プレート（ＰＰ）を有する光学孔あけ装置に
    おいて、 前記の偏向光学系（ＡＯ）とフォーカシング光学系
    （Ｌ）との間の光学経路長を変えるため、前記くさびプ
    レート（Ｋ）だけがまたはユニットとして面平行プレー
    ト（ＰＰ）といっしょに主光軸（ＯＡ）と平行にシフト
    可能に、および／または前記フォーカシング光学系
    （Ｌ）がシフト可能に支承されており、および／または
    光学素子が間に配置されていることを特徴とする、光学
    孔あけ装置。
  4. 【請求項４】 偏向光学系（ＡＯ）を用いレーザビーム
    （ＬＳｔ）により工作物（Ｗ）の材料の厚さに比べて狭
    い孔をあけるための光学孔あけ装置であって、 前記偏向光学系（ＡＯ）により孔の幅が設定され、 該偏向光学系（ＡＯ）は、工作物（Ｗ）へのレーザビー
    ム（ＬＳｔ）の射し込み角度（δα）を定める装置を有
    しており、 レーザビームを工作物（Ｗ）上またはその近くでフォー
    カシングさせるためのフォーカシング光学系（Ｌ）が設
    けられており、 前記偏向光学系（ＡＯ）は、孔の幅を設定するためくさ
    びプレート（Ｋ）を有しまたはレンズ状の素子を有する
    光学孔あけ装置において、 前記のくさびプレート（Ｋ）またはレンズの状素子は傾
    斜可能に支承されていることを特徴とする、光学孔あけ
    措置。
  5. 【請求項５】 偏向光学系（ＡＯ）を用いレーザビーム
    （ＬＳｔ）により工作物（Ｗ）の材料の厚さに比べて狭
    い孔をあけるための光学孔あけ装置であって、 前記偏向光学系（ＡＯ）により孔の幅が設定され、 該偏向光学系（ＡＯ）は、工作物（Ｗ）へのレーザビー
    ム（ＬＳｔ）の射し込み角度（δα）を定める装置を有
    しており、 レーザビームを工作物（Ｗ）上またはその近くでフォー
    カシングさせるためのフォーカシング光学系（Ｌ）が設
    けられている光学孔あけ装置において、 前記射し込み角度（δα）を定める装置は少なくとも１
    つの回折素子または屈折素子を有することを特徴とす
    る、光学孔あけ装置。
  6. 【請求項６】 偏向光学系（ＡＯ）を用いレーザビーム
    （ＬＳｔ）により工作物（Ｗ）の材料の厚さに比べて狭
    い孔をあけるための光学孔あけ装置であって、 前記偏向光学系（ＡＯ）により孔の幅が設定され、 該偏向光学系（ＡＯ）は、工作物（Ｗ）へのレーザビー
    ム（ＬＳｔ）の射し込み角度（δα）を定める装置を有
    しており、 レーザビームを工作物（Ｗ）上またはその近くでフォー
    カシングさせるためのフォーカシング光学系（Ｌ）が設
    けられている光学孔あけ装置において、 前記射し込み角度（δα）を定める装置は、少なくとも
    １つの適応形または特別に湾曲のつけられたミラーを有
    することを特徴とする、光学孔あけ装置。
  7. 【請求項７】 前記フォーカシング装置（Ｌ）における
    少なくとも１つのレンズは、特別に形成された屈折率に
    より射し込み角度（δα）を定めるように構成されてい
    る、請求項１から６のいずれか１項記載の装置。
JP2001280474A 2000-09-16 2001-09-14 光学孔あけ装置 Expired - Lifetime JP5408831B2 (ja)

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