JP2023512236A - レーザービームを使用する材料加工、特にレーザー穴あけを行うアセンブリ - Google Patents

Abstract

本発明は、レーザービームを使用する材料加工、特にレーザー穴あけを行うアセンブリであって、レーザービームＬＳの動的偏向装置ＡＥと、偏向装置ＡＥから出射するレーザービームＬＳを加工面Ｗに集束する光学アセンブリとを備える、アセンブリに関する。光軸に沿って、光学アセンブリは、第１の光学系ＯＳ１及び第２の光学系ＯＳ２を備え、第１の光学系ＯＳ１及び第２の光学系ＯＳ２は、レーザービームＬＳが、第１の光学系ＯＳ１と第２の光学系ＯＳ２との間で中間焦点ＺＦを形成し、光軸に対して或る角度をなして光軸から或る距離を置いて第１の光学系ＯＳ１に入射するとき、第２の光学系ＯＳ２と加工面Ｗとの間で光軸に交差するように設計及び配置される。提案されるアセンブリは、単純で安定した構造を有し、これにより、ワークピースにおける大きく深いボアホール又は切取り部の効率的なアブレーションを可能にする。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザービームを使用する材料加工、特にレーザー穴あけを行うアセンブリであって、レーザービームを互いに垂直に延びる２つの方向に偏向するように設計される、レーザービームの動的偏向装置と、偏向装置から出射するレーザービームを加工面に集束することが可能な光学アセンブリとを備える、アセンブリに関する。

レーザービーム切断又はレーザー穴あけのために短レーザーパルス及び超短レーザーパルスを使用する材料加工技法においては、垂直な照射によって典型的な加工パラメーターを用いて急峻な壁角度を作ることが可能ではない。アブレーション側面の達成可能な壁角度は、典型的には最大８５度の範囲内である。これは、傾斜したアブレーション側面に投影するときのパルス強度が低減し、結果として臨界角の後にアブレーションが停止することに起因する。しかしながら、例えば鉛直に切断される側面が可能ではなく又は円錐形のボアホールしか可能ではないことから、多くの用途においてこれは望ましくない。ディープアブレーション、切断又は穴あけにおいて、壁角度が制限されることにより、達成可能なアスペクト比（表面における直径に対するアブレーション深さ）も制限される。

レーザービームを用いる穴あけ及び精密切断のために、特殊な光学装置が利用可能であり、この光学装置を用いれば、円筒形のボアホール又は更には負の円錐形のボアホールを作り出すことができるように、レーザービームの位置を調整するために様々な手順を実行することができる。これらの光学装置を用いれば、垂直に入射するビームによって作られる壁角度は、レーザービームがワークピースに入射することによって補償される。精密切断の場合、光学系とワークピースとの間の相対移動が、穴あけ中に更に開始され、これにより、ボアホール直径と同じ幅を有する切取り部を作る。利用可能な光学装置は、レーザービームを誘導するために使用される方法の機能的原理に従って２つのグループに分割することができる。第１のグループにおいて、ビームは、回転光学素子、例えば回転プリズム、円柱レンズ又は光学くさびを用いて誘導される。第２のグループは、完全なビーム誘導のために、すなわちオフセット、入射及び偏向のために回転可能なミラーを使用する。

レーザー穴あけの１つの従来の応用分野は、通常１ｍｍを大幅に下回る厚さを有する薄箔に約１０μｍ～１００μｍの直径を有する極めて正確なマイクロボアホールを作ることである。ボアホール壁に沿ったマルチパス切断プロセスにおいて穴あけを実行する場合が多いため、フルアブレーションは行われない。このような場合、穴あけ光学系は、１ｍｍ程の最大ボアホール直径用に設計される場合が多い。穴あけ直径が大きくなるほど、回転可能な光学素子のサイズを大きくしなければならず、偏向速度は非線形的に低減する。

特許文献１は、レーザービームを使用して穴あけを行う光学装置を開示しており、迎え角及び偏向角を互いに別個に調整してトレパニング加工半径を規定することができる。アセンブリは、２つの偏向ミラーを有する偏向装置を有し、この偏向装置を用いて、偏向ミラーのうちの少なくとも一方の光学距離を、集束光学部品に対して光学的な主軸に平行に変更することができる。これにより、レーザービームを集束光学部品に異なる角度で向けることが可能になり、そして、偏向ミラーの位置決めに応じて異なる迎え角が生まれる。このアセンブリにおける集束光学部品は、集束レンズによって形成され、この集束レンズを通してレーザービームは加工面に集束される。この機構において、迎え角は偏向装置の偏向角よりも大きくなることができない。結果として、大きな輪郭についてしか大きな迎え角を実現することができない。

欧州特許第１１８８５０９号

本発明の目的は、レーザービームを使用する材料加工を行うアセンブリであって、簡単で結果として大いに安価で安定した構造を用いて大きく深いボアホール又は切取り部を作製することができるとともに、大きな迎え角を有する比較的小さなボアホールも可能にする、アセンブリを表すことである。

上記目的は請求項１に記載のアセンブリによって解決される。アセンブリの有利な変形は、従属請求項の主題である、又は以下の説明及び例示的な実施形態から理解することができる。

提案されるアセンブリは、レーザービームを互いに対して垂直に向く２つの方向に偏向するように設計される、レーザービームの動的偏向装置と、偏向装置と加工面との間の、偏向装置から出射するレーザービームを加工面に集束する光学アセンブリとを備える。動的偏向装置は、例えば２次元ガルバノスキャナーとすることができる。もちろん、レーザービームのそのような偏向装置の他のタイプを使用してもよい。偏向装置から出射するレーザービームを加工面に集束する光学アセンブリは、光学アセンブリの光軸に沿って少なくとも２つの光学系を備える。この文脈において、光学系は、１つ以上のビーム誘導及び／又はビーム成形光学素子、例えば１つ以上のレンズのアセンブリであるものと理解される。光軸は、入射するレーザービームが偏向せずに光学アセンブリを通過する光学アセンブリの対称軸を表す。提案されるアセンブリにおいて、第１の光学系及び第２の光学系は、加工面に集束されるレーザービームが、第１の光学系と第２の光学系との間で中間焦点を形成し、光軸に対して或る角度（≠０度）をなして光軸から或る距離を置いて光学系に入射するとき、第２の光学系と加工面との間で光軸に交差するように設計及び配置される。光軸に対して或る角度をなして光軸から或る距離を置いた光学系への進入は、動的偏向装置によって引き起こされ、ワークピースの表面領域に対するレーザービームの入射（表面法線に対して０度超の角度）を達成するように、加工される表面領域が加工面に配置される、ワークピースに切取り部又はボアホールを作り出すアセンブリの所望の動作モードを表す。本特許出願において、光軸に対して或る角度をなして光軸から或る距離を置いたレーザー又はレーザービームの進入と、レーザービームによる光軸の交差とは、レーザービームのビーム軸が光軸に対して或る角度をなして光軸から或る距離を置いて延在する又は光軸に交差することを意味することを既知の方法で理解される。

提案されるアセンブリにおいて、光学アセンブリの光軸に対する角オフセットが動的偏向装置によって生まれる。したがって、レーザーは、光軸に対して或る角度をなして光軸から或る距離を置いて第１の光学系に入射し、第１の光学系によって第１の光学系と第２の光学系との間の中間焦点に集束される。レーザービームは、中間焦点の後に拡散し、その後、第２の光学系によって加工面又はワークピース表面に集束される。提案されるアセンブリにおいて、光軸からのレーザービームのオフセットは、加工面又は焦点の上方にヘリカルポイント（ｈｅｌｉｃａｌ ｐｏｉｎｔ）があるレーザービームの入射に繋がる。このようにして、ボアホールの意図した急峻な壁角度を作るのに適切な照射方向は、加工面内に又はワークピースの表面上において実現される。提案される光学構造を用いれば、したがって、レーザービームの角偏向がオフセット及び入射角又は照射角に分けられる。迎え角は、光軸からのオフセットに比例し、比例係数は、いずれの場合にも光学構造及び／又は光学構造の寸法に応じたものである。レーザービームが加工面の上方でそれぞれの光軸に交差するヘリカルポイントによって、大きな迎え角を有する小さなボアホールを作ることも可能である。

リレーシステムの既知の使用とは異なり、提案されるアセンブリにおいて、その間に規定の距離を有する２つの光学系の使用により、レーザー照射は既に加工面に集束されており、これにより、レーザービームが、光軸に対して或る角度をなして光軸から或る距離を置いて第１の光学系に進入するとき、第２の光学系と加工面との間で光軸に交差する。

それとは対照的に、リレーシステムは、単に光学系の背後にある平面上に偏向面を結像する。その後、レーザー照射の集束は、結像された偏向面に入射瞳が位置決めされる追加の集束光学部品を介して達成することができる。これは、偏向装置及び集束レンズからなる従来の構造に対応し、光軸は集束光学部品と加工面との間で交差されない。この場合、リレーシステムは、単に、偏向装置と集束光学部品とを空間的に互いに分離する役割を果たし、又は空間フィルターを中間焦点に挿入する役割を果たす。

作り出されるボアホールの直径及び走査速度は、動的偏向装置の偏向速度及び回転速度によって決定される。比例係数及び焦点直径の双方は、２つの光学系の間の間隔、偏向装置と第１の光学系との間の間隔、及び第２の光学系と加工面又は集束面との間の間隔と、それぞれの光学系の焦点距離の選択とに基づいて設定又は規定される。ボアホールは、提案されるアセンブリを使用して切断又はフルアブレーションのいずれかによって作製することができる。したがって、レーザービームは、動的偏向装置の対応する作動によって誘導して、ボアホールの輪郭上を移動し、複数のパスにおいて層ごとに材料を除去することができる。ボアホールのこのマルチパス切断は、トレパニング加工光学部品における典型的な方法に対応する。一方、ボアホール表面全体の層アブレーション、すなわちフルアブレーションは、ボアホールの断面表面を異なる走査移動において走査することによっても行うことができる。このプロセスにおいて、表面は、例えば同心円又は螺旋状の運動での動的偏向装置の対応する作動によって様々に走査することができる。このフルアブレーションのために他のスキャン経路も可能である。

提案されるアセンブリを用いれば、最大数ｍｍの直径を有する正の円錐形、円筒形、また負の円錐形ボアホールを作ることが可能である。フルアブレーションによって、レーザー照射がプロセスにおいて隠れることなく、集束面をボアホールに進めることが可能である。さらに、３次元に形成されたボアホール、すなわち円筒形でない形状を有するボアホールを作り出すこともできる。例としては、穴あけファンネルの作製、砂時計のようにくびれた形状のボアホールの作製、又はラバルノズル形状を有するボアホールの作製がある。提案されるアセンブリに対するワークピースの移動を使用することにより、アセンブリは螺旋状切断にも使用することができる。加えて、これにより、鉛直アブレーション側面又は更には微細構造化の場合にはアンダーカット（ｕｎｄｅｒｃｕｔｓ）を有する表面アブレーションを行うことも可能になる。

好ましい変形において、第１の光学系及び第２の光学系は、それぞれレンズ又はレンズ機構から構成される。レンズ又は光学系の間の間隔だけでなく、偏向装置及び加工面からのレンズ又は光学系の距離も、これに関連して固定して指定することができる。有利な変形において、これらの間隔のうちの１つ以上は、一方又は双方の光学系及び／又は偏向装置上の適切な機械的位置決め素子又は変位機構によって調整可能とすることもできる。

ビーム誘導及び／又はビーム成形のための更なる部品は、偏向装置及び偏向装置に隣接する光学アセンブリに加えて、レーザービームのビーム経路に配置することもできる。したがって、例えば、提案されるアセンブリは、ビーム経路において偏向装置の正面にテレスコープを備えることができ、このテレスコープを用いて、レーザービームのビーム直径及び焦点直径を加工面においても適合させることができる。焦点直径を加工面においても適合させることを可能にするためにも、偏向装置の前にレーザービームをプリフォーカスする光学装置を設置することもできる。また、レーザー照射を使用して螺旋状穴あけを行うアセンブリから既知であるように、適切な回転光学素子、例えば、それ自体の長手方向軸の周りに回転するダブプリズムを用いて、材料を加工しながらレーザービームを回転させることも可能である。

更なる有利な変形において、１つ以上の適切な位置決め素子を設けて、加工中に集束面を光学アセンブリに対して垂直にシフト又は調整することを可能にする。集束面のこのようなＺシフトは、機械的なｚ軸移動によって、又は光学アセンブリの光軸に沿って第１の光学系及び／又は第２の光学系の光学素子をシフトすることによって達成することができる。提案されるアセンブリにおいて、レーザー照射の直線偏光、円偏光又は統計分布の偏光を生成する素子を、レーザービームのビーム経路に設置することもできる。いずれの場合にも、λ／２波長板、λ／４波長板、ダブプリズム（同期、非同期）等の適切な光学素子を使用して同時に偏光を回転させることが可能である。

提案されるアセンブリを用いて材料加工を行う場合、１つ以上の加工及び／又はレーザーパラメーターをプロセス中にプロセスワークフローに適合させることができる。レーザーパラメーターの場合、これは、パルスエネルギー、パルス持続時間（パルス幅）及び繰り返しレートが当てはまり、プロセスパラメーターに関しては、スキャンジオメトリ、走査速度、Ｚシフトの速度、Ｚシフトの進路及び個々の加工段階の間の待ち時間が当てはまる。加えて、空気、不活性ガス又は活性ガス等のプロセスガスを、加工中に既知の方法で、例えばクロスジェット又は同軸ノズルの使用を通じて、レーザー照射との相互作用領域からのアブレーション粒子の除去を改善するために使用することができる。

提案される方法を用いれば、大きく深いボアホール又は切取り部を、非常に安価で安定した構造で作ることができる。提案されるアセンブリは、多くの既存の加工及び構造化システムに後付けすることができる。このアセンブリは、それぞれ迎え角を適合させた状態で、螺旋状の又は円形の横断によってボアホール断面のフルアブレーション又は切断を可能にする。最も単純な事例において、光学アセンブリは２つのみのレンズを有し、結果として光学ビーム経路において軽微な損失しか生じない。光学アセンブリに可動部品が配置されないことから、提案されるアセンブリは、単純で安定した安価な構造を有する。このアセンブリを用いて穴あけすることができるボアホールのサイズは、２つの光学系の直径によってのみ制限される。切断が螺旋状である場合、切断切り口（ｋｅｒｆ）がより大きくなることに起因して切断深さもより大きくすることが可能である。提案されるアセンブリは、例えばターボマシン構築、電子部品製造又は半導体技術における穴あけと、例えば精密機械、半導体技術又は工具製作及び航空機組み立てにおける螺旋状切断とに使用することができる。

以下の文章において、例示的な実施形態を参照しながら、図面に関連して、提案されるアセンブリを再びより詳細に説明する。

提案されるアセンブリの一実施形態の一例を示す図である。

提案されるアセンブリを用いて、レーザービームが、ワークピース表面から材料を除去するために、特に、ワークピースにおいてボアホール又は切取り部を作るために、光学アセンブリを介して偏向装置によって上記ワークピース表面に集束される。図１は、提案されるアセンブリの例示的な構造の概略図である。この図において、レーザービーム源ＬＡからのコリメートされたレーザービーム照射ＬＳが、偏向ユニットＡＥによって、互いに垂直に延びる２つの方向（Ｘ方向及びＹ方向）に偏向される。上記偏向ユニットＡＥは、例えば、２次元ガルバノスキャナーとすることができる。この図は、偏向ユニットＡＥから生じるレーザー照射のビーム進路とともに、偏向ユニットＡＥのミラーのうちの１つの３つの位置を示す。表される３つの位置のうちの２つにおいて、レーザー照射は、光軸に対して或る角度をなして第１の光学系ＯＳ１、本例において単一の集束レンズに入射する。偏向ユニットＡＥの表されるミラーの中央位置において、レーザー照射は、光軸に沿って第１の光学系ＯＳ１を伝播する。第１の光学系ＯＳ１の焦点距離の距離ｂにおいて、中間焦点ＺＦが実現される。その後、拡散するレーザー照射は、第２の光学系ＯＳ２を通じてワークピースＷに集束される。この例における第２の光学系ＯＳ２も、単一の集束レンズのみによって形成される。偏向ユニットＡＥと第１の光学系ＯＳ１との間の間隔ａ、第１の光学系ＯＳ１と中間焦点ＺＦとの間の間隔ｂ、中間焦点ＺＦと第２の光学系ＯＳ２との間の間隔ｃ、及び、第２の光学系ＯＳ２と、この例において加工面に対応するワークピース表面Ｗとの間の間隔ｄは、レーザービームがワークピース表面Ｗに入射する前に光軸に交差するように選択される。このことを、この図の右側のセクションＡの拡大図に拡大して示す。対応するミラー位置とともに第１の光学系ＯＳ１を通る通過中に形成される中心線又は光軸からのレーザービームのオフセットにより、レーザービームは、角度α及び集束面の上方のヘリカルポイントを有して入射する。２つの光学系ＯＳ１、ＯＳ２は、偏向ユニットＡＥの上方の仮想偏向を有する仮想点をマッピングし、そのため、所望のボアホールの円錐状態（ｃｏｎｉｃｉｔｙ）に有利な方向における位置合わせがもたらされる。

偏向ユニットＡＥを用いたレーザービームＬＳの対応する動的偏向によって、所望のボアホールを作ることが可能である。ワークピース表面への照射角は、中心線又は光軸からの２つの光学系ＯＳ１、ＯＳ２の間のレーザービームのそれぞれのオフセットに比例する。比例係数及び焦点直径の双方は、間隔ａ、ｂ、ｃ及びｄの変更と、光学系ＯＳ１、ＯＳ２の焦点距離の適切な選択とによって調整することができる。

アセンブリの以下の例示的な寸法決定により、例えば、５ｍｍ厚のニッケルベース合金から作製されるワークピースにおいて５００μｍの直径を有するボアホールを生産することが可能である。これに関連して、約１ｍＪのパルスエネルギーが、４０μｍの焦点直径及び２０ｐｓ未満のパルス持続時間を有して使用され、螺旋運動によるフルアブレーションが起こる。この場合の図１に示すパラメーターは以下のように選択される。
ａ＝５０ｍｍ
ｂ＝５００ｍｍ
ｃ＝５００ｍｍ
ｄ＝８０ｍｍ
レンズＯＳ１の焦点距離：５００ｍｍ
レンズＯＳ２の焦点距離：７０ｍｍ

ＡＥ 偏向ユニット
ＬＡ レーザービーム源
ＬＳ レーザービーム
ＯＳ１ 第１の光学系
ＯＳ２ 第２の光学系
Ｗ ワークピース表面
ＺＦ 中間焦点
ａ～ｄ 間隔

Claims (9)

1. レーザービームを使用する材料加工、特にレーザー穴あけを行うアセンブリであって、
   互いに垂直に延びる２つの方向に前記レーザービーム（ＬＳ）を偏向するように設計される、前記レーザービーム（ＬＳ）の動的偏向装置（ＡＥ）と、
   前記偏向装置（ＡＥ）から出射するレーザービームを加工面（Ｗ）に集束する光学アセンブリと、
   を備え、
   前記光学アセンブリは、該光学アセンブリの光軸に沿って第１の光学系（ＯＳ１）及び第２の光学系（ＯＳ２）を備え、該第１の光学系（ＯＳ１）及び該第２の光学系（ＯＳ２）は、前記レーザービーム（ＬＳ）が、前記第１の光学系（ＯＳ１）と前記第２の光学系（ＯＳ２）との間で中間焦点（ＺＦ）を形成し、前記光軸に対して或る角度をなして該光軸から或る距離を置いて前記第１の光学系（ＯＳ１）に入射するとき、前記第２の光学系（ＯＳ２）と前記加工面（Ｗ）との間で前記光軸に交差するように設計及び配置される、アセンブリ。
2. １つ以上の位置決め素子が、２つの前記光学系（ＯＳ１、ＯＳ２）のうちの一方又は双方の光学系（ＯＳ１、ＯＳ２）に取り付けられ、前記１つ以上の位置決め素子を用いて、２つの前記光学系（ＯＳ１、ＯＳ２）間の間隔及び／又は前記第１の光学系（ＯＳ１）と前記偏向ユニット（ＡＥ）との間の間隔、及び／又は前記第２の光学系（ＯＳ２）と前記加工面（Ｗ）との間の間隔を設定又は変更することができることを特徴とする、請求項１に記載のアセンブリ。
3. テレスコープが前記レーザービーム（ＬＳ）のビーム経路において前記偏向装置（ＡＥ）の正面に配置され、前記テレスコープを用いて、前記レーザービーム（ＬＳ）のビーム直径を変更することができることを特徴とする、請求項１又は２に記載のアセンブリ。
4. 前記レーザービーム（ＬＳ）をプリフォーカスする光学装置が、前記レーザービーム（ＬＳ）のビーム経路において前記光学アセンブリ又は前記偏向装置（ＡＥ）の正面に配置されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のアセンブリ。
5. プリフォーカスする前記光学装置は、前記レーザービーム（ＬＳ）の可変なプリフォーカスを可能にするように設計されることを特徴とする、請求項４に記載のアセンブリ。
6. 前記光学アセンブリは、１つ以上の位置決め素子を備え、該１つ以上の位置決め素子を用いて、前記レーザービーム（ＬＳ）の集束面を前記材料加工中に前記光学アセンブリの前記光軸に沿ってシフトすることができることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載のアセンブリ。
7. 前記光学アセンブリは、偏光に影響を及ぼす少なくとも１つの素子を備え、該少なくとも１つの素子によって、前記材料加工に有利な偏光を設定することができることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載のアセンブリ。
8. フルアブレーションによってボアホールを層内に作るための、請求項１～７の１つ以上に記載のアセンブリの使用であって、いずれの場合にもレーザービームがボアホールの断面全体の上を通る、使用。
9. 前記レーザービームによる螺旋状の又は円形の横断によってボアホール輪郭を切り出すことによってボアホールを作るための、請求項１～７の１つ以上に記載のアセンブリの使用。

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