JP2022547412A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の軸に沿って容易に方向付けられるコンパクトな光学式トレパニング装置を提供する。【解決手段】光学式トレパニングヘッド（１）を備えた機械加工装置であって、回転装置（２２）を備えたヘッド本体（２１）と、ピコ秒又はフェムト秒パルスレーザ光源（３）と、少なくとも１本の光ファイバ（４）とを備えた光学機械システムであり、光学機械システム（２）の回転装置（２２）が回転式回折格子（Ｒ１）を備えていることを特徴とする機械加工装置。この装置を用いた光学式トレパニングによる加工方法。

Description

本発明は、レーザ加工装置に関するものである。特に、光学式トレパニングヘッドを備えたピコ秒又はフェムト秒のパルスレーザ加工機を対象としている。

ピコ秒やフェムト秒レーザの登場により、深穴加工が知られるようになった。この技術は、電解加工技術よりも短いサイクルタイムを可能にする。

加工する穴の直径に対応した直径を持つレーザスポットが一般的に使用されている。しかし、この方法ではドラフト角度を制御できない。

光学式トレパニングと呼ばれる穴あけ方法では、加工する穴の円周上をレーザ光が円運動する。レーザビームが加工対象表面から発散することでドラフト角が発生し、レーザビームの入射角を変えることで補正する必要がある。

現在使用されているトレパニングヘッドには、レーザビームを加工対象に照射するためのガルバノミラーアレイが搭載されている。また、例えばドーブプリズム、くさび型プリズム、アッベケーニッヒプリズムなどのプリズムを用いた回転集束光学系を使用するシステムもある。

しかしながら、プリズムなどの屈折光学部品はかさばるため、光学式トレパニングヘッドの小型化には限界がある。また、その大きさは、光学式トレパニングヘッドの動きの妨げにもなっている。

そのため、トレパニング加工には、特に柔軟性と速度の点で改善の余地がある。

本発明は、加工部品のクリアランス角度を制御するように、複数の軸に沿って容易に方向付けられるコンパクトな光学式トレパニング装置を提供するものである。特に、正負のクリアランス角度は、加工する形状に関わらず、非常に高い精度で得られる。

本発明の課題は、高さと直径の比率が大きい外形に特に適した微細加工の解決手段を提供することである。本発明は、高さ／直径比が２以上、さらには３や５以上の部品の加工に特に適している。そして、インジェクターや回転ノズルなどの高精度な機械部品を加工できる。本発明では、直径５０μｍから１ｍｍの穴を加工できる。

本発明のもう一つの目的は、多種多様な材料、特に熱拡散特性に適応した解決手段を提供することである。

特に、本発明による微細加工装置は、光学式トレパニングヘッドを備えていて、これは
回転装置を備えたヘッド本体を有する光学機械システムと、
ピコ秒又はフェムト秒のパルスレーザ光源と、
少なくとも１本の光ファイバを備えている。

光学機械システムの回転装置は、回転する回折格子を備え、その形状は円形であってもよい。回転格子の厚さは１ｍｍ以下である。１次及び－１次回折は、主に回転格子を通して利用される。

本発明による回転装置は、１８０，０００ｒｐｍ以上、さらには２００，０００ｒｐｍの回転速度を有する市販の主軸であってもよい。

本発明による装置の光学機械システムは、有利には、レーザ源と回転装置との間に配置された第１レンズを備えていて、その焦点距離は可変であってもよい。また、光学機械システムは、回転装置の下流側に配置され、光学機械システムの長手方向の軸に沿って並進移動可能な第２レンズを備えていてもよい。第２レンズは円錐形であってもよい。光学機械システムは、固定焦点距離の最後のレンズをさらに備えていてもよい。光学機械システムの最後のレンズは、フォーカシングレンズとして機能する。第２レンズと最後のレンズの間には、１つ又は複数の他のレンズが配置され、場合によってはレンズ列を形成することもある。

また、本発明は、光学式トレパニングによる加工方法に関するものである。

本発明の実施例は、添付の図に表される説明に示されている。

図１は、本発明の１実施形態に係るトレパニングヘッドの概略図である。 図２ａ及び図２ｂは、２つの異なるモードによるレーザビームの軌跡を示す模式図である。 図３は、本発明で使用する回転式回折格子の模式図である。 図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄは、レーザビームの加工対象への入射角に応じたクリアランス角度の例である。

本発明は、例えば、図１に示すように、光学機械システム２とレーザ光源３とを備えるトレパニングヘッド１に関するものである。光学機械システム２は、１本又は複数の光ファイバ４によってレーザ源３に接続されている。光ファイバ４は、レーザ光源３からのレーザ光ＦＬを光学機械システム２に導出するもので、光接続部４１により接続されている。光ファイバ４は、好ましくは中空であり、レーザ光源３の光出力に適合している。レーザ光源３は、好ましくは固定されている。ピコレーザやフェムトレーザのタイプである。

光学式トレパニングヘッド１は、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸のいずれかに沿って、好ましくは２つの水平なｘ軸、ｙ軸に沿って移動可能である。また、この装置は、ドリルや機械加工される加工対象Ｐを保持するための支持体Ｓを備えている。支持体Ｓは、水平方向に固定して配置してよい。Ｘ軸及びＹ軸に沿って移動可能な光学式トレパニングヘッド１は、そこで、加工対象Ｐの表面上を移動し、所定の位置に穴をあけられるものである。各ドリル作業は、トレパニングヘッド１の円形の動きを可能にするように、さらに、ｘ軸及びｙ軸の両方に沿ったトレパニングヘッド１の移動を要するものとしてよい。

代替的な実施形態によると、光学式トレパニングヘッド１は固定されていてもよく、ホルダＳは、回転運動を可能にするため、ｘ軸及びｙ軸の両方に沿って移動可能に取り付けられていてもよい。

光学式トレパニングヘッド１、又はホルダＳ、又はその両方は、さらにｚ軸方向に移動可能に取り付けられていてもよい。そうすると、様々な厚さや形状の加工対象を加工できる。

１実施形態によると、ホルダＳ、又は光学式トレパニングヘッド１、又は両方が、ｘ軸、、又はＹ軸、又はＸ軸ｙ軸の両方のような、少なくとも１つの水平軸を中心に回転可能なようにさらに取り付けられてもよい。このようにして、加工対象Ｐの表面に対して直角とは異なる入射角で加工を行える。

レーザ源３は、ピコ秒又はフェムト秒のパルスレーザ源である。このような光源では、約１０ピコ秒以下、好ましくは１００フェムト秒以下、さらには１０フェムト秒以下の持続時間のパルスでレーザビームを照射する。様々なピコ秒及びフェムト秒レーザ源が市販されていて、当業者に知られている。３０Ｗ以上、好ましくは５０Ｗ以上の光出力が有利に用いられる。各パルスのエネルギーは、１００マイクロジュール以上、好ましくは５００マイクロジュール以上である。

このようなパルス光源の利点は、加工に有用なエネルギーをレーザビームＦＬの衝突点に周回させ、近隣領域への熱伝達を避けられることである。そのため、ＦＬレーザビームの当たるところの周囲の素材にはダメージがなく、高品質な穴あけや加工が可能で、加工できる素材の種類も豊富である。

光学機械システム２は、様々な光学機械要素が組み立てられたヘッド本体２１を備えている。この場合、ヘッド本体２１は、光学機械システム２に含まれる光学機械要素を介して、光ファイバ（複数）４から加工対象の加工対象Ｐに衝突するまで、レーザビームＦＬの通過とその案内を可能にする中央空間を構成している。光ファイバ接続部４１と、ヘッド本体２１の光ファイバ接続部と反対側の端部２６との間のレーザ光ＦＬの経路には、複数の光学機械要素が配置されている。そのため、光学機械システム２は、レーザビームＦＬの経路に概ね相当する長手方向の軸線を有している。

１実施形態によると、ヘッド本体２１は、第１レンズＬ１と、回転式回折格子Ｒ１を持つピン２２と、第２レンズＬ２と、最後のレンズＬ３とを備えている。最後のレンズＬ３は、ヘッド本体２１の端部２６に配置されていて、光ファイバ４からのレーザ光ＦＬは、第１レンズＬ１を通過した後、ピン２２を通過し、その後、第２レンズＬ２及び最後のＬ３を通過する。第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、及び最後のレンズＬ３の配置は、第２レンズＬ２が第１レンズＬ１の下流にあり、最後のレンズＬ３の上流にあるようになっている。

「上流」及び「下流」という用語は、本文中では、レーザビームＦＬの伝搬方向に関して定義されている。他の要素の上流に位置する要素は、その前のＦＬレーザビームの影響を受ける。他の要素の下流に位置する要素は、その要素の後にあるＦＬレーザビームＦＬの影響を受ける。

第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、最後のレンズＬ３は、レーザビームＦＬを集中して収束させ、そのエネルギーを集中させるためのものである。第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、及び最後のレンズＬ３のそれぞれの焦点距離は、所定のものであっても、可変のものであってもよい。

第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、及び最後のレンズＬ３のそれぞれの相対的な位置は、予め決められていても、可変であってもよい。各レンズは、ヘッドボディ２１内で、固定式又は可動式のレンズホルダー上に配置されていてもよい。レンズホルダーは、レーザビームＦＬの経路に沿って並進可能であってもよいし、レーザビームＦＬの経路の方向を変化させるように、ｘ軸又はｙ軸の１つ又は複数に沿って回転可能であってもよい。可動式レンズホルダーは、目的に応じてモーターで制御し得る。また、第２レンズＬ２と第３レンズＬ３の間には、１つ以上の中間レンズ（図示せず）を設けることがある。これらは独立して固定されていても、レーザビームＦＬの経路に沿って並進可能であっても、ｘ軸又はｙ軸の１つ又は両方に沿って回転可能であってもよい。

１実施形態によると、第１レンズＬ１は可変焦点レンズである。したがって、第１レンズＬ１の焦点距離に対応する集束面ＰＬ１の位置は、加工前又は加工中に変えられる。そのため、焦点距離を簡単かつ迅速に変更できるレンズが有利である。例えば、バリオプティック（Ｖａｒｉｏｐｔｉｃ）社が開発し、欧州特許第１８７０７４２号明細書（ＥＰ１８７０７４２）、欧州特許第１６６２２７６号明細書（ＥＰ１６６２２７６）、国際出願公開第２００７／１１３６３７号（ＷＯ２００７１１３６３７）に記載されているような液体レンズをこの目的のために使用できる。レンズのピント合わせの速さは、ピント面の調整をほぼ瞬時に行える。

次に、ＦＬレーザ光は、ピン２２に含まれる回転格子Ｒ１を通過する。回転格子Ｒ１は、光学機械システム２の中で唯一の回転する光学機械要素である。回転する回折格子Ｒ１は、図３に示すように、レーザビームＦＬからの光を回折次数と呼ばれる所定の方向に偏向させるために使用される。市販の回転式回折格子Ｒ１を使用できる。例えば、回折効率の良さで知られる位相格子型のＲ１回転回折格子を使用できる。

回折格子は、好ましくは位相格子であり、そのレリーフは、連続的（例えば正弦波）であるか、又は限られた数の高さレベル（バイナリー又はマルチレベル）で構成されている。好ましくは、＋１及び－１の回折次数が利用され、位相格子の幾何学的形状は、これら２つの次数で最大の回折効率を可能にしなければならない。また、より高い回折次数を利用した他の回折格子形状を使用し得る。

回転格子Ｒ１は、非常にコンパクトな部品である。例えば、厚さ１ｍｍ以下のガラス板上にマイクロメートルサイズの格子状の線を配置したものでもよい。回転式回折格子Ｒ１は、円対称で軽い。そのため、超高速主軸２２との組み合わせが有利になる。このような主軸は、毎分１８００００回転、２０００００回転、３０００００の速度で回転する。回転格子Ｒ１の特性により、主軸２２が回転する際に最適な平衡を可能にしている。回転式回折格子Ｒ１のフットプリントが小さいため、主軸２２を小型化し、不具合を軽減できる。

このような回転式回折格子Ｒ１を使用することで、いかなる並進運動に対しても若干敏感か、あるいは敏感でない状態の維持が可能となる。そのため、主軸２２の欠陥、特に動きの真円度に影響を与える欠陥が、減衰するか、又は見えなくなる。

回転式回折格子Ｒ１は非常に薄いため、プリズムやミラーを用いた他の配置に比べて、角度のずれによる影響が大幅に軽減される。特に、本発明による装置では、３０ｍｒａｄまでの回転格子Ｒ１の角度のずれを許容可能である。

主軸２２は、毎分１８０，０００回転以上、好ましくは毎分３００，０００回転以上、より有利には毎分５００，０００回転以上の速度で回転するように設計されている。例えば、５００，０００ｒｐｍ、２１Ｈｚの切削速度で回転するＭＵＨＤ主軸のような工業用マイクロドリル主軸であってもよい。また、ガス式のマイクロタービンの場合もある。この目的のために、スイス国特許出願第７１０１２０号明細書（ＣＨ７１０１２０）に記載されている空力／静力学ハイブリッド支承部の組み合わせに基づく主軸２２の例を使用してよい。本発明の範囲内で、例えば微細加工用の他の主軸も使用可能である。

実施形態によると、第２レンズＬ２が円錐型であるため、レーザビームＦＬを環状や中空円筒状に成形可能となる。特に、第２レンズＬ２は、「アキシコン」タイプであってもよい。第２レンズＬ２は、好ましくは、ヘッド本体１に沿って並進移動可能なレンズホルダ（図示せず）に取り付けられる。換言すると、第２レンズＬ２は、光学機械システム２の長手方向に沿って移動可能である。回転する回折格子Ｒ１からのレーザビームＦＬは、リング状又は中空円筒状のレーザビームを生成するように設計された第２レンズＬ２を通過する。第２レンズＬ２が距離ｄ１にわたって垂直方向に変位することで、最後のレンズＬ３との間の距離Ｄを調節できる。

１実施形態によると、第２レンズＬ２は、円錐形であってもよい。このようなレンズの円錐形の先端は、その特性や装置の必要性に応じて、レーザ光源の方向に向けても、最後のレンズＬ３の方向に向けてもよい。

１実施形態によると、第２レンズＬ２は、複数のレンズのセットを備えてもよい。

最後のレンズＬ３は、好ましくは、第２レンズＬ２とヘッド本体２１の端部２６との間の固定支持体に取り付けられる。最後のレンズＬ３の焦点距離は、好ましくは予め決められている。最後のレンズＬ３は、好ましくは収束型である。

光学式トレパニングヘッド１の配置によっては、第１レンズＬ１の焦点距離や第２レンズＬ２の位置を、微細加工前の事前設定や加工中に変えられる。

１実施形態によると、第１レンズＬ１の焦点距離と位置、及び第２レンズＬ２の位置は、加工操作の前に事前設定するか、又は加工中に調節できる。

加工される加工対象ピースＰに対するレーザビームＦＬの影響は、２０マイクロメートルの規模の直径を有する単一の点の形態をとり得る。使用する調整変数、特に第１レンズＬ１の焦点距離と第２レンズＬ２の位置に応じて、主軸２２が回転していないときのレーザビームＦＬの影響は、直径が２０マイクロメートルのオーダーの２つの点の形をとることがある。機械加工される加工対象Ｐの表面上の２つの光点の間隔は、特に第２レンズＬ２の位置に依存する。

本発明による光学式トレパニングヘッド１は、コンパクトであるという利点がある。特に、光学式トレパニングヘッド１の光学機械システム２は、直径５０ｍｍ、長さ２００ｍｍの円筒よりも小さいフットプリントを有している。また、トレパニングヘッドは並進軸と回転軸に簡単に取り付けられる。

ドラフト角Ａは、図４Ａ及び図４Ｂに示すように正であってもよいし、図４Ｃ及び図４Ｄに示すように負であってもよい。０°から５°の負のドラフト角Ａを実現できる。

本発明の他の目的は、加工される加工対象Ｐのドラフト角Ａを制御する光学式トレパニング加工方法である。クリアランス角Ａは、例えば図４Ａに示すように、直線状であってもよい。この構成では、加工部品Ｐの穴の縁は、その外周面に対して垂直になっている。つまり、穴は円筒形である。図４Ｂに示すように、ドラフト角Ａは正の値であってもよい。この場合、穴は、加工対象Ｐに、上面の直径が加工対象Ｐの下面の直径よりも大きいテーパ部を形成する。加工対象Ｐの上面は、レーザビームＦＬが入射する面であると理解される。また、図４Ｃ及び図４Ｄに示すように、ドラフト角Ａを負にしてもよい。この場合、穴は、加工対象Ｐにおいて、上面の直径が加工対象Ｐの下面の直径よりも小さい円錐形の部分を形成している。クリアランス角Ａは、レーザ光ＦＬの被加工物Ｐの上面への入射角を直接表すものではなく、被加工物Ｐの上面に直交してレーザ光を入射させると、図４Ｄに示すように、まっすぐなクリアランス角Ａは得られず、負のクリアランス角Ａが得られる。右ドラフト角Ａは、図４Ａに示すように、加工対象Ｐの上面にレーザ光ＦＬが傾斜して入射することで得られる。この場合、加工対象Ｐの上面へのレーザビームＦＬの入射は、正の方向、すなわち加工される穴の内側に向けられなければならない。レーザ光ＦＬの被加工物Ｐの上面への正の入射角が大きくなると、図４Ｂに示すように、ドラフト角Ａが正になる。図４Ｃに示すように、レーザ光ＦＬの加工対象Ｐの上面への入射角が負になると、ドラフト角Ａは負になる。

本方法は、ピコ秒又はフェムト秒のパルスレーザビームＦＬを、加工される加工対象Ｐに集光するステップを備える。具体的には、上述した光学式トレパニングヘッド１によって、レーザ光ＦＬが加工対象Ｐに集光される。

この方法は、回転する回折格子Ｒ１によって、レーザビームＦＬの歳差運動を開始するステップを備える。回転回折格子Ｒ１の回転速度は毎分１８万回転以上。回転回折格子Ｒ１の回転速度は、レーザビームＦＬのパルス周波数や加工条件、特に加工対象Ｐに加工される穴の直径に合わせられ、回転速度が高いほど、より速く加工できる。特に、回転式回折格子Ｒ１は、上述したように主軸２２と一体化できる。このレーザビームＦＬの歳差運動により、レーザビームＦＬは加工対象Ｐの上面に所定の直径の円を形成できる。

本発明による方法は、回転する回折格子Ｒ１に対して、並進移動可能な第２レンズＬ２の距離を調節するステップを備える。なお、第２レンズＬ２は、距離ｄ１にわたって移動可能であってもよい。そして、第２レンズＬ２と最後のレンズＬ３の間の距離Ｄは、最小距離Ｄｍから最大距離ＤＭまで変えられる。最小距離Ｄｍ及び最大距離ＤＭと、距離ｄ１ｆとは、第２レンズＬ２の特性に応じて、特に第２レンズＬ２を特徴づける回折角及び偏向角に応じて、適合させられる。

第２レンズＬ２と回転回折格子Ｒ１との間の距離によって、例えば回転回折格子Ｒ１の＋１／－１の回折次数によって生成された第２レンズＬ２の出力における２つのレーザビームの分離距離の変調が可能となる。レンズＬ３の下流側では、これらの＋１／－１の回折次数に起因するレーザビームの加工対象Ｐへの入射角が適応可能である。また、＋１／－１の回折次数で得られたレーザビームＦＬは、加工対象Ｐの表面に１０マイクロメートルから２０マイクロメートルの間の直径の点で集光できる。加工対象の表面に直交するように入射すると、負のドラフト角Ａが得られる。代替的に、＋１／－１の回折次数で得られたレーザ光ＦＬは、被加工物Ｐの上面に正に入射するため、右又は正のドラフト角Ａが形成されることになる。代替的に、＋１／－１の回折次数で得られたレーザ光ＦＬは、被加工物Ｐの上面に負に入射し、それによって負のドラフト角Ａが形成される。

回折の結果得られるレーザビームの集束は、＋１、－１の回折次数以外の回折次数にも適用可能である。特に、高次の回折レーザ光を加工対象の表面に集光してもよい。

Ａ ドラフト角
ｄ１ 第２レンズＬ２の移動距離
Ｄ１ 第２レンズと第３レンズの間の距離
ＦＬ レーザビーム
Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｌ３ （最後の）第３レンズ
Ｐ 加工対象
Ｒ１ 回転式回折格子
Ｓ 加工対象の支持部
ｘ、ｙ、ｚ 配向の軸
１ 光学式トレパニングヘッド
２ 光学機械システム
２１ ヘッド本体
２２ 主軸
２６ ヘッド本体端部
３ レーザ光源
４ 光ファイバ
４１ 光接続

Claims (10)

1. 光学式トレパニングヘッド（１）を備えた加工装置であって、
   先端部（２６）を有するヘッド本体（２１）と、回転装置（２２）とを備える光学機械システム（２）と、
   ピコ秒又はフェムト秒のパルスレーザ光源（３）と、
   少なくとも１本の光ファイバ（４）と、
   第１レンズ（Ｌ１）と、
   第２レンズ（Ｌ２）と、を備える前記加工装置において、
   光学機械システム（２）の回転装置（２２）が、回転する回折格子（Ｒ１）を備えていることを特徴とする、前記加工装置。
2. 回転回折格子（Ｒ１）が円形形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 回転回折格子（Ｒ１）が１ｍｍ未満の厚さを持つことを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 回転回折格子（Ｒ１）が位相格子のタイプであることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 回転装置（２２）が、回転速度が１分当たり１８００００回転超である主軸であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 第１レンズ（Ｌ１）が、レーザ光源（３）と回転装置（２２）との間に配置されていて、第１レンズ（Ｌ１）の焦点が可変であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 第２レンズ（Ｌ２）が回転装置（２２）の下流に配置されていて、光学機械システム（２）の長手方向軸線に沿って移動可能であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 第２レンズ（Ｌ２）が円錐状であることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 前記光学機械システムが、ヘッド本体（２６）の端部に配置されていて固定された焦点を持つ最後のレンズ（Ｌ３）を備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. ピコ秒又はフェムト秒のパルスレーザ光（ＦＬ）を被加工物（Ｐ）の上面に集光するステップと、
    前記ピコ秒又はフェムト秒のパルスレーザ光の前記被加工物（Ｐ）の上面への入射角を制御するステップと、
    加工される加工対象（Ｐ）の前記上面上でレーザビームＦＬの歳差運動を開始し、レーザビーム（ＦＬ）が円軌道を描くようにするステップと
    を備える、光学的トレパニングによる方法。

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