JP2003517375A - 工作物の表面から物質を除去するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 加工ヘッドからのレーザビームを工作物表面の加工部位に照射することにより物質の除去が層方向に行われ、層方向の物質除去が、工作物表面上でレーザを案内するレーザ案内を用いて、装置により予め決められた加工区域内で行われる、工作物の表面から物質を除去するための方法が、物質除去の開始後、工作物と加工ヘッドとの相対位置を、加工区域の境界が、同じ加工部位について、工作物表面の異なる区域に配置されるように、第１および／または第２の基準に従って変化させる位置決めステップを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、独立請求項の前提部に記載の工作物の表面から物質を除去するため
の方法および装置に関する。表面加工方法はＤＥ４２０９９３３より知られてい
る。

【０００２】 複雑な形状を得るのに適した製造方法として、所望の形に従って全体から物質
を除去するための方法がある。この場合、生成されたキャビティが最終的に所望
の完成品となり得るか（例えば成形品の場合）、または残りの物質が製造すべき
部分に相当し得るかのいずれかである。特に微細構造の物質除去の１つのタイプ
はレーザビームによって実行されるものである。

【０００３】 図１は対応する装置を示している。コラム１６には、工作物１１が配置される
固定式または移動可能な工作物台１４が設けられている。工作物１１内にキャビ
ティまたは穴１０を生成するためにレーザビーム１２を照射するレーザヘッド１
３もコラム１６に固定されている。物質の除去は、現在接近可能な工作物の面／
表面からそれぞれ行われる。比較的高いエネルギーのレーザビームが現在接近可
能な工作物表面に照射され、そこで工作物物質の気化や融解が生じる。物質の除
去は一般に層方向に行われる。レーザビームは、レーザビームガイダンスにより
走査するように工作物表面上で案内され、例えば工作物表面を曲がりくねって走
査し、その時に所望の限界または境界に従って融解および気化することにより層
を除去するよう案内される。

【０００４】 図１ではｘ座標およびｚ座標が概略的に示されている。ｙ座標は図の平面を通
り抜けて下方に突出している。除去すべき層は、ｚ軸上の異なる位置でほぼｘ−
ｙ平面にそれぞれ位置決めされている。

【０００５】 構造上の理由から、装置の加工区域は一般に限られている。例えばレーザビー
ムを限りなく遠くまで案内させたり偏位させたりすることはできない。これは図
１の下部に概略的に示されている。符号１３はレーザ光源を示す。符号１２ａ、
１２ｂはそれぞれレーザビームがｘ方向へ（例えばミラーを用いて）できる限り
遠くまで偏位した様子を示している。その後レーザビームは領域Ｂｘをｘ方向に
最大限走査する。相当する考察がｙ方向にも当てはまる。したがって装置は、一
般に矩形に限定されｘ方向にＢｘ、ｙ方向にＢｙの寸法を有する加工区域Ｂを有
している。

【０００６】 加工区域Ｂｘ、Ｂｙよりも大きい工作物１１の区域で物質を除去する場合、１
つの層の除去後に加工区域で工作物１１とレーザヘッド１３との相対位置を変化
させることが原則として可能である。それにより、工作物上の加工区域の位置が
、今度は工作物の他の区域を加工できるように適してずらされる。

【０００７】 これは図２に概略的に示されている。図２は、生成されたキャビティ１０の平
面図および横断面図である。４本の柱を残す平皿を例として挙げる。裏側の形は
大きなボタンに似ている。符号２１〜２４は装置の加工区域に関する４つの位置
を示している。それらは互いに直接隣接し、結合した際に所望の区域を覆うよう
選択される。各加工区域の寸法はＢｘおよびＢｙである。これにより、工作物１
１のレーザヘッド１３に対する相対位置の変化が必要となる第１の基準が生じる
。これは、大きすぎて装置の加工区域により完全に覆うことのできない工作物表
面を加工できるように、工作物に対して加工区域をずらす必要があることに相当
する。

【０００８】 相対位置を変化させる別の基準を、図２の横断面図を参照して説明する。符号
２０は上記の平面図で示されているキャビティの形状を示している。しかし、よ
り小さい、例えば破線２０’で示されるようなキャビティを想定した場合、この
ような工作物部分は装置の加工区域Ｂｘ、Ｂｙにより十分に覆われる。それにも
かかわらず、ある部分がレーザ光に対して遮断され得ることにより問題が生じる
。これは図２の横断面図において、光源がキャビティ上の中心に配置されること
を想定した場合に部分２６ａに生じる。他の部分２６ｂはおそらく、斜めに当た
りすぎて規定された除去率をそれ以上設定できなくなる交差部の下で、レーザ光
を受ける。したがって「小さい」キャビティの場合でも相対位置を変化させてキ
ャビティの壁でレーザ光が遮断されることを避け、および／またはレーザ光の適
宜の衝突角または入射角を得ることが望ましい。再び図１の下部に戻ると、この
ことが、工作物の一定の加工位置が加工区域Ｂｘ、Ｂｙの一定の一部の区域にあ
ることが望ましいため相対位置を変化させることが望ましい、という点で別様に
現されている。例えば、柱の左壁とそれによりキャビティ底部に形成される角に
は、図１の下部に示す円錐の右部分が比較的十分に接近でき、形成される柱の右
壁とそれによりキャビティ底部に形成される角には、図１の下部に示す円錐の左
部分が有利に到達できる。

【０００９】 ２つの基準は、例えば、一方では加工区域よりも大きく、他方では接近できな
い区域と比較的垂直な壁を有する、図２で示すキャビティを製造する際に、互い
に組み合わせて必要となり得る。

【００１０】 層方向の除去において相対位置が上記基準の要件に従ってずらされる場合、工
作物の一定の加工部位が常に装置の加工区域の同じ部分に配置されるという問題
が生じる。そこで加工特性および特に精度は、加工区域Ｂｘ、Ｂｙ全体について
均等ではないと一般に想定できる。特に縁部はここで何らかの途切れが生じた場
合に、レーザビームのスイッチが切り換えられるため、すなわち、例えばｘ方向
の動きが止まりｙ方向の動きが始まるため、重要である。これらの途切れの結果
、キャビティの層方向生成中に累積することがあることが不利である製造不正確
さが生じる。

【００１１】 本発明の目的は、加工区域での不均一な除去特性による製造上の精度不良を防
止できる、工作物の表面から物質を除去するための方法および装置を提供するこ
とである。

【００１２】 前記の目的は独立項の特徴により解決される。従属項は本発明の好適な実施形
態に向けられている。

【００１３】 本発明によれば、工作物と加工ヘッドとの相対位置は、上記基準の１つまたは
両方に加え、加工区域の限界が、同じ加工部位に関して（ｘ、ｙ座標に対して）
工作物表面の異なる部分に位置するように設定される。

【００１４】 本発明によれば、下の層では、加工区域の境界が、前の層とは異なって工作物
上に配置される。加工区域内で起こり得る途切れはこの方法では防止できない。
しかし、途切れは合わず、一方で境界のずれにより平均化され、他方では制御技
術により制限され得る。

【００１５】 本出願の提出日に非常に近い日付で、出願人は工作物をレーザ加工するための
方法および装置に関する２件の別の出願、すなわち、出願番号「深さ測定等」お
よび「分離手段」を提出していることに明確に留意すべきである。これらの出願
の内容全体についてここで言及している。

【００１６】 本発明の個々の実施形態について図面を参照しながら説明する。

【００１７】 まず、図１について説明する。本発明を、例えば制御装置または自動制御装置
（図示せず）に導入することにより、これに適用できる。レーザヘッド１３と工
作物１１との相対位置は、原則として、例えば工作物１１を可動式工作物台１４
に配置することにより変化させることができる。工作物台１４の位置はｘ、ｙ方
向に制御できる。この代わりにまたはこれに加えて、レーザヘッド１３もコラム
１６に対しｘ、ｙ方向にずれるよう制御できる。

【００１８】 キャビティ１０を生成するため工作物１１とレーザヘッド１３との相対位置を
ずらす必要がある場合（装置の加工区域Ｂｘ、Ｂｙに完全には嵌入しない工作物
をつくるため、および／または工作物壁でレーザビーム１２が遮断されたりレー
ザビーム１２の不利な衝突角が生じたりすることを避けるため）、相対位置がさ
らに設定されるので、加工区域の境界が、異なる層で工作物表面の異なる部分に
配置されるようになる。

【００１９】 これを図３に概略的に示す。図２に示したものと同様のキャビティ１０を想定
する。破線で示す構成３１、３２、３３はキャビティの異なる層の加工区域境界
をそれぞれ示している。位置決めは、例えば以下のように行うことができる。

【００２０】 第１の層を除去するため、加工区域境界を破線３１に従って設定する。これに
より、加工区域の各位置３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄに従って４つの相対位
置が生じる。これらは互いに直に隣接するよう選択されることが好ましい。３１
ａ〜ｄによる個々の相対位置は連続して制御または設定される。

【００２１】 相対位置の１つ（例えば３１ｂ）を設定すると、この加工区域内で物質の除去
が行われる。

【００２２】 レーザビームガイダンスおよび／またはレーザビーム自体を制御して、物質が
加工区域内で菱形模様にマークされた３５においてのみ除去されるようにする。
レーザビームは例えば表面上で曲がりくねって案内され、境界はレーザビームを
用いて走査することにより、および／またはレーザビームの案内を限定すること
により除去される模様に従って設定できる。

【００２３】 加工区域３１ｂで物質の除去が完了した後、次の加工区域３１ｃが設定される
。原則として上記の操作がここで繰り返される。その後、最後の加工区域である
と想定される加工区域３１ｄが設定される。そして１つの層の除去が完了する。

【００２４】 次に下の層の物質を除去するため、加工区域について例えば破線３２に沿って
別の限界が得られるように、相対位置が選択される。この境界位置決めによりキ
ャビティも完全に時間とともに覆われる。しかし境界は、下の層と上の層とで異
なる位置に位置決めされる。したがって加工区域の境界は、同じ加工位置に対し
て一層ごとに前の層とは異なる（ｘ、ｙ方向、例えば図３の３４）。

【００２５】 別の戦略を用いて一層ごとに境界３１〜３３をずらすことが可能である。した
がって、例えば境界が層ごとに位置３１〜３３の間でずれるような交互手法を選
択することができる。境界はすべての層についてずらす必要はない。例えばいく
つかの層が境界位置３１と、いくつかの層が境界位置３２と、いくつかの層が境
界位置３３と連動する等とすることができる。境界位置決めは、上記の基準の１
つまたは両方のそれぞれの考察に基づいて、層ごとに系統的にまたは不規則にず
らされる。

【００２６】 図４は、装置の加工区域の１つの位置決め内に接近できると想定される寸法の
キャビティを概略的に示している。それにもかかわらず、切り立った壁４４、４
８が生成され、タペットによりキャビティ底部が遮断される。したがって相対位
置の移動がこの場合にも必要になる。この移動は上記の第２の基準に相当する。
１つの層を除去するため、例えば相対位置が４１ａ〜ｄに対応して設定され、４
１ａと４１ｂは互いに境界４０に沿って、４１ｃと４１ｄは境界４５に沿って隣
接している。このような境界位置決めにより、それぞれタペットの壁に一定の区
域が到達でき、また有利な角で加工できる。相対位置４１ａ〜ｄの設定後、１つ
の層の加工が完了する。

【００２７】 次に下の層を加工するため、境界位置決めおよび特に共通の境界を前の層に対
してずらすことができる。４１ａと４１ｂの間の「継ぎ目」４０の代わりに、他
の位置、例えば線４５に沿った位置やそれより後の線４４に沿った位置を「継ぎ
目」として選択することができる。同じことが「継ぎ目」４２、４３についても
類似して当てはまる。このように、加工区域での途切れ加工特性の累積作用も防
止される。

【００２８】 符号４６は一定のｘ、ｙ座標を有する加工部位を示している。キャビティ内の
前記同じ加工部位４６に関し、異なる加工区域境界４０〜４５がキャビティの進
行と共に設定される。

【００２９】 図５はレーザビームの衝突角に関する考察を示している。レーザビームは符号
１２で示されている。レーザビームは現在の加工位置に集束される光の束である
ため、一般に円錐形のツールとして形に現される。円錐は境界５１、５２により
示されている。符号５３はその中心軸を示している。１１は工作物を示し、１０
ａ、１０ｂは生成されたキャビティ、５５、５６はキャビティの完成状態の壁を
示し、一方５４は現在の底部を示している。キャビティ壁５５、５６は破線５５
ａ、５６ａに従って続き、キャビティが下ヘ駆動されると現れる。壁をできる限
り規定通りに生成することができるように、レーザビームの衝突角が壁５５に沿
って交差しすぎないようにすることが望ましい。加工部位上の壁の接面とレーザ
ビームの中心軸５３との間の角である角βが示されている。工作物と加工ヘッド
との相対位置決めは、角βが１０°より大きく、好ましくは１５°より大きくな
るようにすべきである。図５の例では、壁５６が現在の相対位置決めに全く接近
できない。壁５６は遮断され、相対位置が変化した際にレーザビームが到達でき
るのみである。

【００３０】 １つの加工区域内での層の除去は、工作物と加工ヘッドとの相対位置の変化と
交互して一般に行われる。それにもかかわらず、１つの層で相対位置の変化と物
質の除去とを同時に行う解決法が可能である。

【００３１】 したがって、ツールと工作物との相対位置決めは、他の基準に加えて、物質の
除去が層方向に行われる場合に、ツールの加工区域内の同じ域が必ずしも工作物
の同じ加工位置に配置されるわけではない、と一般に言うことができる。したが
って、累積誤差を避けることができ、高品質のキャビティを生成することができ
る。

【００３２】 以下に代表的な数字を例として示す。物質を層方向に除去することは、層厚さ
１ｍｍ以下、好ましくは１００μｍ以下、ＹＡＧレーザの場合には好ましくは１
０μｍ以下のＣＯ₂レーザを用いて行われる。レーザヘッド１３と工作物１１と
の隙間は一般に２００ｍｍ以下、好ましくは１５０ｍｍ以下である。加工区域の
形状は一般に矩形であり、辺Ｂｘ、Ｂｙの長さは一般に１００ｍｍ以下となって
いる。工作物１１のｘ、ｙ方向の寸法は、上記の第１の基準によるずらしが許容
される場合は原則として任意である。キャビティ深さは数μｍ〜数ｍｍに生成す
ることができる。最近（１９９８年）の比較的良好な加工ステップでは、ＹＡＧ
レーザ、特にネオジウムＹＡＧレーザまたはＱスイッチＹＡＧレーザが好ましい
。ＣＯ₂レーザは厚さの大きい、例えば１００μｍ以上の層に現在適している。

【００３３】 レーザビームガイダンスは、レーザビームを固定レーザビーム源から案内する
枢動可能なミラーにより行うことができる。２つのミラーを、それらの相対運動
により光点がｘ、ｙ方向に動くよう配置する。通常の制御により、加工区域の光
点による走査が可能になる。

【００３４】 上記の操作は、電子式および一般のデジタルコントローラにより、制御または
自動的に制御される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を適用できる装置を示す図である。

【図２】 生成されたキャビティの例を示す図である。

【図３】 本発明による異なる層での加工区域の位置決めを示す概略図である。

【図４】 本発明による異なる層での加工区域の位置決めの他の例を示す図である。

【図５】 加工区域の位置決めに関する考察を説明する概略説明図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ライザヘル、マルチン ドイツ連邦共和国 ケムプテン、マリアベ ルゲルシュトラーセ 69 エイ Ｆターム(参考） 4E068 AA00 AC01 CA06 CA09 CA14 CE04

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工作物の表面から物質を除去する方法であって、加工ヘッド
   からのレーザビームを工作物表面の加工部位に照射することにより物質の除去が
   層方向に行われ、工作物表面上でレーザを案内するレーザビームガイダンスを用
   いて、装置により規定される加工区域内で層方向の除去が達成され、物質除去の
   開始後、加工区域の境界が、同じ加工部位について、工作物表面の異なる区域に
   位置するように、工作物と加工ヘッドとの相対位置を第１および／または第２の
   基準に従って変化させ、調節することを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 第１の基準が、装置の加工区域よりも大きい加工すべき工作
   物の区域を覆うように相対位置を変化させることであることを特徴とする請求項
   １に記載の方法。
3. 【請求項３】 １つの層の加工区域の境界位置が他の層の前記位置に対して
   ずらされるように、相対位置決めが行われることを特徴とする請求項２に記載の
   方法。
4. 【請求項４】 異なる相対位置での加工区域の境界が互いに隣接するように
   、１つの層内で相対位置決めが行われることを特徴とする請求項３に記載の方法
   。
5. 【請求項５】 第２の基準が、加工区域の特定の一部の区域で工作物の特定
   の加工部位を加工するように相対位置を変化させることであることを特徴とする
   前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
6. 【請求項６】 第２の基準の下で、加工部位へのレーザビームの入射角（β
   ）および／または加工部位に対して起こり得るレーザビームの遮断が考慮される
   ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 【請求項７】 位置決めが、入射角（β）が前記の物質除去により形成され
   る穴の表面に対して少なくとも１０°、好ましくは１５°となるよう行われるこ
   とを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 【請求項８】 位置決めステップと除去とが交互に行われることを特徴とす
   る請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の方法。
9. 【請求項９】 位置決めステップと前記除去とが同時に行われることを特徴
   とする請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の方法。
10. 【請求項１０】 レーザビームが回転可能なミラーを用いて案内されること
    を特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
11. 【請求項１１】 特に前記請求項のいずれか一項に記載の方法を実行するた
    めの、工作物（１１）の表面から物質を除去するための装置であって、加工ヘッ
    ド（１３）からのレーザビーム（１２）を工作物表面の加工部位（３４、４６）
    に照射することにより物質の除去が行われ、加工区域（Ｂｘ、Ｂｙ、３１ａ〜ｄ
    、４１ａ〜ｄ）内で工作物（１１）の表面上でレーザビームを案内するレーザビ
    ームガイダンスを含んでおり、物質除去の開始後、加工区域（Ｂｘ、Ｂｙ、３１
    ａ〜ｄ、４１ａ〜ｄ）の境界（３１〜３３、４０〜４５）が、同じ加工部位（３
    ４、４６）について、工作物表面の異なる区域に位置するように、工作物（１１
    ）と加工ヘッド（１３）との相対位置を第１および／または第２の基準に従って
    変化させ、調節することを特徴とする装置。
12. 【請求項１２】 第１の基準が、装置の加工区域（Ｂｘ、Ｂｙ、３１ａ〜ｄ
    、４１ａ〜ｄ）よりも大きい加工すべき工作物（１１）の区域を覆うように相対
    位置を変化させることであることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 【請求項１３】 第２の基準が、加工区域（４１ａ〜ｄ）の特定の一部の区
    域で工作物（１１）の特定の加工部位を加工するように相対位置を変化させるこ
    とであることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の方法。
14. 【請求項１４】 レーザビームガイダンスが回転可能なミラーを用いて達成
    されることを特徴とする請求項１１から請求項１３までのいずれか一項に記載の
    方法。
15. 【請求項１５】 加工区域（Ｂｘ、Ｂｙ、３１ａ〜ｄ、４１ａ〜ｄ）が矩形
    であることを特徴とする請求項１１から請求項１４までのいずれか一項に記載の
    方法。
16. 【請求項１６】 位置決め手段が、スタンド（１６）に対して移動可能な工
    作物台（１４）からなることを特徴とする請求項１１から請求項１５までのいず
    れか一項に記載の方法。
17. 【請求項１７】 位置決め手段が、スタンド（１６）に対して移動可能なレ
    ーザヘッド（１３）からなることを特徴とする請求項１１から請求項１６までの
    いずれか一項に記載の方法。
18. 【請求項１８】 レーザがＹＡＧレーザまたはＣＯ₂レーザであることを特
    徴とする請求項１１から請求項１７までのいずれか一項に記載の方法。