JP4520644B2 - レーザー光線を用いてワークに穴を形成するための方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、レーザー光線を用いてワークに穴を形成するための方法に関する。
【０００２】
背景技術
例えば自動車・オット機関若しくはディーゼルエンジンのための噴射ノズルの製造のために多くの場合、穴(Loch)を穿孔穴(Bohrloch)の長手方向に所定の穴幾何学形状若しくは穴輪郭で形成することが望ましい。特に、断面が一方の端部に向かって増大する錐形(konisch)の穿孔穴を形成することが必要である。
【０００３】
錐形の穴をワイヤ放電加工によって形成することは公知であり、この場合、穿孔穴の錐形幾何学形状が放電ワイヤの振動によって規定される。該方法は、ワイヤの安定性の理由から必要な最小直径に基づき１５０μm以下の範囲の小さな穿孔穴直径にとって問題である。まさに小さな穿孔穴を高い精度で形成することが、例えば噴射ノズルにとって要求される。さらにワイヤ放電加工法においては欠点として、錐形の穴幾何学形状の再現性が低く、該方法は低速で従って費用がかかる。
【０００４】
発明の利点
レーザー光線を用いてワークに穴を形成するための、請求項１に記載の特徴を有する本発明に基づく方法においては、レーザー光線の光線幾何学形状及び／又は光線パラメータの調節によって、穿孔穴の長手方向での所定の穴幾何学形状（穴輪郭）が規定される。有利には穿孔穴が錐形に形成され、この場合、穿孔穴直径が光線進行方向で増大していてよい。本発明に基づく方法においては利点として、レーザー光線の光線幾何学形状及び／又は光線パラメータの調節によって、極めて多様な穴幾何学形状が高い精度で規定可能である。さらなる利点として、本発明に基づく方法は１００μm以下の範囲の極めて小さい穴直径にも使用可能である。さらに、本発明に基づく穿孔法は公知の穿孔法に比べて高い速度で行われ、これによって製品製造の際のコストに関する著しい利点が得られる。
【０００５】
本発明に基づく方法の実施態様では、レーザー光線がレンズによってワーク上にフォーカスされ、この場合、レンズの焦点距離、レーザー光線の、レンズ内への入口での光線直径、焦点直径及び出力密度が、錐形の穿孔穴を生ぜしめるように選ばれる。有利には、レーザー光線の焦点領域がワーク表面の穴入口に位置している。レーザー光線は焦点領域の後方で再び発散し、これによって、十分な出力密度で穿孔穴の長手方向の錐形（テーパー状）の成形面が得られる。
【０００６】
レーザー光線の、焦点領域での極めて密な光線束を得るために、レーザー光線がレンズを通る前にレーザー光線の断面を広げると有利である。このために、テレスコープ状のレンズ装置を用いてよく、該レンズ装置がレーザーとレンズとの間の光線路内で任意の箇所に配置される。
【０００７】
本発明に基づく方法の別の実施態様では、レーザー光線がワークに対して相対的に揺動運動を生ぜしめ、この場合、錐面に沿って移動する。このような揺動運動によって、穿孔穴の長手方向の成形面（成形輪郭）が正確に規定される。レーザー光線が付加的に、揺動運動と同期して固有の軸線を中心として回転させられると、各時点で、レーザー光線の方位角の同一箇所がワークに係合する。これによって、レーザー光線断面の円形の凹凸(unrunder Laserstrahlquerschnitt)が均等化されて、極めて正確な円形の穴断面が得られる。
【０００８】
本発明に基づく方法のさらに別の実施態様では、長手方向の穴幾何学形状が、偏光されたレーザー光を用いて偏光方向及び偏光形の選択によって調節される。光線出口の側での卵形の穴幾何学形状(ovale Lochgeometrie)が、直線偏光されたレーザー光線を用いて規定されてよい。特に円形の穴断面が、環状偏光(zirkular polarisieren)されたレーザー光線を用いて規定されてよい。レーザー光線の揺動運動と規定された偏光とを組み合わせることも可能である。
【０００９】
ワークに穴を形成するための本発明に基づく装置においては、レーザー光線源、レーザー光線をワークにフォーカスするためのレンズ、レーザー光線を揺動運動させるための装置、並びに、λ／２・波長板及びこれに対して相対的に回転可能なλ／４・波長板を備えた回転可能な偏光装置が設けられている。
【００１０】
次に本発明を図示の実施例に基づき詳細に説明する。図１は、ワーク１に穴７を形成するためのレーザー・穿孔過程の概略断面図である。
【００１１】
本発明に基づく方法の第１の実施例において、所定の穴テーパがレンズの焦点距離、レンズの入射箇所での光線直径、レーザー光線の焦点直径、及び出力密度の調節によって規定される。この場合、重要な点は、レンズの焦点距離とレンズ内に入射する際の光線の光線直径との商によって求められるいわゆるレンズ定数である。レンズ定数は光線発散若しくは焦点領域の光線直径の尺度である。レンズ定数が小さければ小さいほど、十分な出力密度においてレーザー光線で形成される穴のテーパが大きくなる。用いられる標準的なレンズ定数は８乃至２５の範囲である。
【００１２】
レーザー光線がワーク上面でフォーカスされると、穴直径はまず光線入射箇所で焦点直径によって規定される。次いで、引き続く穴経過（穴輪郭形状）並びに穴出口の直径が、レンズ定数及び光線質に基づく光線伝播によって規定される。光線形状を穿孔穴に写すために、穴領域全体でレーザー光線内のそれぞれの出力密度が材料切除過程のためのそれぞれの膨出率よりも大きくなければならない。
【００１３】
レーザー光線の適当な揺動運動（歳差運動、首振り運動）によっても、規定された穴テーパが得られる。このような方法が図１に示してある。レーザー光線２（該レーザー光線の、縦方向の光線形状が概略的に示してある）は、角周波数ωで、中心軸（鎖線）を中心とした破線によって示す錐面に沿って回転させられる。該回転運動の、光線断面を含む軌道が、所望の穴形状(Lochform)を規定する。この場合、レーザー光線とワークとの間の相対運動が重要であり、レーザー光線か若しくはワークが運動させられてよく、若しくは両方が運動させられてよく、複雑なワーク形状の場合にはレーザー光線を運動させることが技術的に最も簡単に実施できる。
【００１４】
レーザー光線が揺動運動の回転数に相応して同時にレーザー光線自体の軸線を中心として回転させられると、各時点で、レーザー光線の方位角の同一箇所がワークに係合する。これによって極めて正確な円形の穴が形成され、それというのはレーザー光線断面の不均一性が補償されるからである。該回転運動もレーザー光線源の回転によって、若しくはワークの回転によって行われてよい。
【００１５】
本発明に基づく方法の別の実施例では、所定の穴幾何学形状が、レーザー光線の偏光方向及び偏光形の適当な選択によって規定される。レーザー光線の偏光が、偏光方向の配向に応じて異なって吸収される。穴出口がレーザー光線の偏光によって一緒に正確に規定される。円形(kreisfoermig)の穴出口を得るためには、環状偏光を必要とし、該偏光は、直線偏光された光線からλ／４・波長板の適当な角度配置によって生ぜしめられる。円形の穴出口を形成するための別の可能性が、図１で述べた方法と関連して、λ／２・波長板若しくは像ローターを用いて揺動運動に対して同期的にレーザー光線の偏光面を回転させることにある。
【００１６】
このように規定された偏光を生ぜしめるための偏光装置が、図３に概略的に示してある。偏光装置４はλ／２・波長板５及びこれに対して回転可能に支承されたλ／４・波長板６を有している。λ／２・波長板に対するλ／４・波長板の相対位置に応じて、レーザー光線の偏光が、直線偏光（図２ｂの最も左側）と環状偏光（図２ｂの最も右側）との間で調節される。偏光装置４全体の回転によって、偏光面が回転させられてよい。
【００１７】
図２に、穴幾何学形状への種々の偏光の作用が概略的に示してある。
【００１８】
レーザー光線の直線偏光を用いて所定の卵形（長円）の穴出口断面が規定される。図２ａには、０°（垂直な偏光）から９０°（平行な偏光）との間の偏光角を有する５つの例が示してあり、この場合、レーザー光線が揺動運動を行い、揺動運動が図２ａの第２の列に示してある。穴入口の穴断面が図２ａの第３の列に実線によって示してあり、穴出口の穴断面が破線によって示してある。
【００１９】
図２ｂが直線偏光（左側）から環状偏光（右側）への移行を示している。穴入口の穴断面がいずれも円であるのに対して、穴出口の穴断面（破線）は環状偏光（円偏光）の場合にのみ円(rund)である。偏光の形を環状から直線へ変えることによって、穴出口の所定の卵形(Ovalfrom)が得られ、この場合、卵形の長軸が偏光面に対して垂直に位置している。
【００２０】
図２ｃに示す方法では、偏光面がレーザー光線の揺動運動と一緒に回転される。この場合には穴入口でも穴出口でも円形の穴断面が得られる。しかしながら、穴出口の穴直径、ひいてはテーパが、偏光面をレーザー光線の円運動に対して半径方向に位置させる（図２ｃの右側）か、円運動に対して接線方向に位置させる（図２ｃの左側）かに関連して変化する。偏光面をレーザー光線の円運動に対して半径方向に位置させた場合の穴テーパは、偏光面をレーザー光線の円運動に対して接線方向に位置させた場合の穴テーパよりも小さくなっている。
【００２１】
本発明に基づく方法においては、レーザー光線の光線幾何学形状の調節及び／又はレーザー光線の光線パラメータの調節によって、所定の長手方向成形面を有する精密な穿孔穴、特に錐形の穿孔穴が形成される。該方法は、１００μｍ以下の小さな直径の穴の形成のためにも適していて、従って特に噴射ノズル若しくは類似のものの制作のために有利に使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 運動させられるレーザー光線を用いてワークに錐形の穴を形成する手段の概略的な断面図。
【図２】 レーザー光線の偏光に関連した穴幾何学形状の概略図。
【図３】 種々の偏光角及び偏光形を生ぜしめる偏光装置の概略図。
【符号の説明】
１ ワーク、２ レーザー光線、４ 偏光装置、５ λ／２・波長板、６ λ／４・波長板、７ 穴（穿孔穴）

Claims (9)

1. レーザー光線（２）を用いてワーク（１）に穴（７）を形成するための方法であって、前記レーザー光線（２）を前記ワーク（１）に対して相対的に揺動運動せしめ、かつ、該揺動運動により画定された錐面に沿って前記レーザー光線（２）を進行させる形式のものにおいて、偏光された前記レーザー光線を用いて、該レーザー光線の偏光面が前記揺動運動と同期的に回転させられることを特徴とする、レーザー光線を用いてワークに穴を形成するための方法。
2. 穿孔穴（７）を錐形に形成する請求項１記載の方法。
3. 穿孔穴直径を光線出口方向に向かって増大させる請求項２記載の方法。
4. レーザー光線（２）をレンズに達する前に発散させる請求項１記載の方法。
5. レーザー光線（２）の焦点領域をワーク表面の穴入口に位置させる請求項１記載の方法。
6. 穴幾何学形状を偏光方向及び偏光形の選択によって調節する請求項１記載の方法。
7. 直線偏光されたレーザー光線を用いる請求項６記載の方法。
8. 環状偏光されたレーザー光線を用いる請求項６記載の方法。
9. ワーク（１）に穴（７）を形成するための装置において、
   レーザー光線源、
   前記レーザー光線（２）を前記ワーク（１）にフォーカスするためのレンズ、及び、
   前記レーザー光線（２）を揺動運動させるための装置が設けられ、この場合、前記レーザー光線が前記揺動運動により画定された錐面に沿って進行するようになっており、さらに、
   回転可能に配置されていてかつλ／２・波長板（５）及びこれに対して相対的に回転可能なλ／４・波長板（６）を備えた偏光装置（４）が設けられており、該偏光装置（４）が、前記レーザー光線（２）の偏光面を前記揺動運動と同期的に回転させるようになっていることを特徴とする、ワークに穴を形成するための装置。

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