JP2004268146A - レーザ穴あけするための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特に短いパルス幅（ｆｓ／ｐｓ／ｎｓ）を有したレーザを用いて穴あけおよび除去を行うために、レーザビームの作用箇所の上方に形成される材料蒸気を減じる方法および装置を提供する。
【解決手段】作用箇所（２ａ）を電界（５）に曝すようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワークの作用箇所を、レーザにより生ぜしめられるレーザビームによって負荷する、レーザ穴あけおよびレーザ除去する方法に関する。さらに本発明は、レーザによってレーザ穴あけまたはレーザ除去するための装置であって、レーザにより生ぜしめられるレーザビームがワークの作用箇所を負荷する形式のものに関する。

レーザを用いたレーザ穴あけもしくは除去プロセスの場合、一般に高いレーザビーム強度が、加工箇所の材料をパルス状に蒸発させるために使用される。この高い強度により、加工箇所の上方にはプラズマが形成され得る。プラズマの強さ（密度および拡がり）は雰囲気、レーザ波長およびレーザビームの強度に依存している。強度が高くなればなるほど、生ぜしめられるプラズマは強くなる。雰囲気の性質は周辺条件、特にプロセスガスおよび流出する材料粒子に依存している。その際、レーザビームはプラズマとの相互作用により影響を受ける。一方ではプラズマによりエネルギが吸収されてしまい、このエネルギは本来の除去のためにはもはや供与されない。さらに、レーザビームはプラズマで反射させられ、このことはレーザビームのビーム品質を悪化させる。この場合、レーザビームはフィラメント化（ｆｉｌａｍｅｎｔｉｅｒｅｎ）されるか、または不都合な形で全般的な方向変化を被る。特に超短パルスレーザ穴あけ時に、このことは加工品質が悪化することにつながる。それを理解できるのは、低い真円度および穿孔の出口側における孔のドロスである。さらに、孔が斜めに位置する、すなわち孔軸線がレーザビーム軸線からずれていることもあり得る。

これらの影響を回避する、もしくは減じるために、例えばレーザパルスの強度を減じることができる。しかし、このことは長い加工時間につながる。さらに、僅かな密度のプロセスガスで、または負圧において加工されることもある。これに関してさらに進んだ手段は真空中での穴あけであろう。

本発明の課題は、特に短いパルス幅（ｆｓ／ｐｓ／ｎｓ）を有したレーザを用いて穴あけおよび除去を行うために、レーザビームの作用箇所の上方に形成される材料蒸気を減じる方法および装置を提供することである。

上記課題を解決した本発明の方法によれば、作用箇所を電界に曝すようにした。さらに上記課題を解決した本発明の構成によれば、電界を作用箇所の領域に生ぜしめるための装置が設けられているようにした。

この方法が有する利点は、レーザ穴あけ中に出現する材料蒸気および／または出現するプラズマが作用箇所の領域から除去される点にある。

特に有利な構成では、電界を、電気伝導性のワークと、作用箇所から離間した電極とに電圧を印加することにより生ぜしめるようにした。材料蒸気内の粒子、特に正の電荷を有するイオンは方向付けられた電界により狙い通りに作用箇所から取り除かれる。さらにこのことから、後続のレーザパルスにおいて、プラズマが励起できる粒子は僅かに存在するに過ぎなくなる。さらに、本発明により有利な形式で、さもなければプラズマもしくは材料蒸気により惹起される、レーザビームのフィラメント化および変向が最小化されるようになる。このことは結果として、それにより加工品質、特に小さな孔直径のレーザ穴あけ時の加工品質が改善されるようになる。付加的に、繰返し率ひいてはレーザ穴あけ時の加工速度が明らかに向上する。ワークが電気伝導性である場合、金属蒸気もしくは材料蒸気は、電界を適当に極性付ければ、作用箇所に対して対向して位置する電極に向かって加速される。それにより、材料除去の箇所の周りに存在する僅かな金属蒸気も駆逐される。

本発明の別の有利な構成では、作用箇所を磁界に曝すようにした。この種の磁界は特に十分に電界に対して垂直に方向付けられている。このことが有する利点は、作用箇所から離間運動するイオンが、イオンに作用するローレンツ力に基づいて付加的に側方に変向される点にある。

さらに、印加された電界により生ぜしめられる電流を測定するようになっていることができる。この電流はイオンをワークから電極へと搬送することにより惹起される。それにより、特に簡単な形式で、簡単にチェック可能なパラメータが供与されることになり、このパラメータはプロセスの安定を図るための変量として使用されることができる。この電流が高ければ高いほど、ワークからの材料の蒸発率もしくは除去率も高い。除去率をオンラインで測定する可能性が存在する。さらにそこから、穴あけ速度に関する指標が導き出される。

本発明により、作用箇所の領域にまたはワークと電極との間に交番電界を生ぜしめ、該交番電界の容量性の抵抗を測定するようになっていることができる。対向して位置する２つのコンデンサプレートとも解釈できるワークと電極との間の、イオン化された材料蒸気または金属蒸気もしくはプラズマによって、容量性の抵抗が影響を及ぼされる。容量性の抵抗を測定することにより、プラズマの強さを求め得る手段が提供される。

さらに、電流・電圧源が直流・電圧源として形成されているようになっている。この構成により、フェムト秒、ピコ秒もしくはナノ秒領域にある比較的に短いレーザパルス中に、十分に静的な電界がワークと電極との間に存在するようになっている。

本発明の別の構成では、ワークと電極とが互いに、ワークを正、電極を負に帯電するように接続されている。高い強度の、パルス化されたレーザビームによる除去の場合、ワークの加工箇所でパルスの度に材料、特に金属が蒸発する。その際に、本発明による、電界の極性付けに基づいて、正の金属イオンが発生する。これらの金属イオンならびに別の陽イオン、特に雰囲気中のプラズマイオンは正に帯電したワークから突き放されて、加工箇所から離れるように負の電極に向かって加速される。このことにより、有利には、金属蒸気の密度が個々のレーザパルス間に作用箇所の上方で減じられることになる。

さらに、特にワンピースで形成された電極が少なくとも１つの開口を有しており、該開口を通してレーザビームが妨害なしに通り抜けるようになっている。この種の開口のサイズは必要に応じて選択される。それにより、一方ではワークの作用箇所に対するレーザビームの自由な伝播が保証されており、他方では負の電極により、大抵の場合レーザ穴あけにより作用箇所で発生する陽イオンが取り除かれる。

以下に図面を参照しながら本発明の実施例について詳説する。

図１において、金属のワーク２の表面に対向して電極３が配置されている。この電極３は開口３ａを有しており、この開口を通して、レーザ１ａにより生ぜしめられるレーザビーム１が通り抜けることができる。装置の掲載図面は、電極３の開口３ａを通過するように断面した、装置の概略図を示している。電極３はワンピースに、つまり一体的に形成されていることが判る。ワーク２は電流・電圧源４を介して電極３に接続されている。電流・電圧源４の極は、ワーク２が正、電極３が負に帯電しているように接続されている。ワーク２と電極３との間に存在する、電流・電圧源４によって生ぜしめられる電界５は図面では点線により暗示されている。

図２には図１に示したのと同じ装置が示されており、本図では、ワーク２をレーザビーム１により負荷することに基づいて、作用箇所２ａで材料除去が行われている。その際に発生する金属イオンおよび／またはプラズマイオン６の雲は図２に、楕円形の、点々を施した領域により示されている。ワーク２が正に帯電していることにより、レーザビーム１によって惹起される材料除去に基づき作用箇所２ａに生ぜしめられる金属イオンおよび／またはプラズマイオン６は正の電荷を有している。電磁相互作用に基づいて、金属イオンおよび／またはプラズマイオン６はワーク２から突き放され、電界５により加速されて電極３に向かって引き寄せられる。表１には、このために必要な物理的な基盤が示されている。

例えばＵ＝１０００ボルトの電圧によって、ワーク２と電極３との間の間隔が５ｍｍの場合に惹起される電界５において、室温にある標準雰囲気では、鉄イオンに関して言えばドリフト速度は約６０ｍ／ｓである。プラズマ中の高圧および高温により、実際のドリフト速度は数オーダー分僅かであるだろう。使用に応じて、電極３の技術的な構成は最適化することができるので、可能な限り高い電界５がレーザビーム１の作用領域に生ぜしめられる。

本発明による方法を実施する場合、レーザパルスによって、流出する材料粒子もしくは金属および／またはプラズマイオン６の、極めて高い蒸気圧、温度、ひいては加速度が生ぜしめられる。それゆえ、加速度および結果的に生ぜしめられる速度は、単に電界５に基づいて引き起こされる加速度および速度よりも大きく定められることができる。ただし、レーザパルスの後に蒸気圧および温度は迅速に解消されてしまうので、そうすると電界の影響が優勢となる。レーザパルス中の電界の影響は僅かである。フェムト秒もしくはピコ秒のオーダーにあるパルス幅は、ミリ秒のオーダーにある２つのレーザパルス間の時間に比して小さい。それにより、電界５の決定的な作用は主としてレーザパルス間で行われる。

金属の粒子またはプラズマイオンはレーザ穴あけ時に必然的に発生し、レーザ穴あけを同時に妨害してしまう。これから、本発明による装置を使用することによって、これらの金属の粒子またはプラズマイオンを、加工したい領域もしくは作用箇所から取り除いて、それによりレーザ穴あけおよびレーザ除去を最適化することが可能である。

本発明による装置の有利な実施形態の、概略的な断面図である。

本発明による装置の有利な実施形態の、本発明による方法を実施している最中の概略的な断面図である。

符号の説明

１ レーザビーム、 １ａ レーザ、 ２ ワーク、 ２ａ 作用箇所、 ３ 電極、 ３ａ 開口、 ４ 電流・電圧源、 ５ 電界、 ６ 金属イオンおよび／またはプラズマイオン

Claims (16)

1. ワーク（２）の作用箇所（２ａ）を、レーザ（１ａ）により生ぜしめられるレーザビーム（１）によって負荷する、レーザ穴あけおよびレーザ除去する方法において、作用箇所（２ａ）を電界（５）に曝すことを特徴とする、レーザ穴あけする方法。
2. 電界を、電気伝導性のワーク（２）と、作用箇所（２ａ）から離間した電極（３）とに電圧を印加することにより生ぜしめる、請求項１記載の方法。
3. 電界の極性を、正に帯電したイオン（６）が電界（５）によりワーク（２）から離間する方向で加速されるように付与する、請求項１または２記載の方法。
4. 作用箇所（２ａ）を磁界に曝す、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 印加された電界（５）により生ぜしめられる電流を測定する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 作用箇所（２ａ）の領域にまたはワーク（２）と電極（３）との間に交番電界を生ぜしめ、該交番電界の容量性の抵抗を測定する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 当該方法を、レーザ穴あけまたはレーザ除去中に出現する材料蒸気および／またはプラズマ（６）を除去するために使用する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 当該方法を、レーザ穴あけまたはレーザ除去時のプロセスを確保するために使用する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
9. レーザ（１ａ）によってレーザ穴あけおよびレーザ除去するための装置であって、レーザ（１ａ）により生ぜしめられるレーザビーム（１）がワーク（２）の作用箇所（２ａ）を負荷する形式のものにおいて、電界（５）を作用箇所（２ａ）の領域に生ぜしめるための装置（３，４）が設けられていることを特徴とする、レーザ穴あけするための装置。
10. 電界を生ぜしめるための装置が電極（３）と電流・電圧源（４）とを有しており、作用箇所（２ａ）から間隔を置いて電極（３）が配置されており、電気伝導性のワーク（２）と電極（３）との間に電流・電圧源（４）が接続されており、それにより、ワーク（２）と電極（３）との間に電界（５）が存在するようになっている、請求項９記載の装置。
11. 電流・電圧源（４）が直流・電圧源として形成されている、請求項９または１０記載の装置。
12. ワーク（２）と電極（３）とが互いに、ワーク（２）を正、電極（３）を負に帯電させるように接続されている、請求項１０または１１記載の装置。
13. ワーク（２）の作用箇所（２ａ）の領域に磁界が印加されている、請求項９から１２までのいずれか１項記載の装置。
14. ワーク（２）と電極（３）との間で流れる電流を測定するための電気的な測定装置が設けられている、請求項１０から１３までのいずれか１項記載の装置。
15. 電流・電圧源（４）が、高周波の交流電圧を生ぜしめるために設計されており、ワーク（２）と電極（３）との間の容量性の抵抗を測定するための測定装置が設けられている、請求項１０から１４までのいずれか１項記載の装置。
16. 特にワンピースで形成された電極（３）が少なくとも１つの開口（３ａ）を有しており、該開口（３ａ）を通してレーザビーム（１）が妨害なしに通り抜ける、請求項９から１５までのいずれか１項記載の装置。

Images