JP5037132B2 - キャビティを生成する方法および装置 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、独立クレームの前提部に係るキャビティを生成する方法および装置に関する。このような方法および装置は、国際公開第００／１８５３５号に開示されている。

フィリグリ・キャビティは、レーザビームによって生成可能である。図１は、この加工を施す公知の装置を示す。１はレーザビーム源であり、２は（光学または電気）スイッチ、３は焦点制御装置、４はビームガイド、５は工作物、６はキャビティ、７は制御装置、８はセンサ（深さセンサおよび位置センサ）、９は工作物台、１０はレーザビーム、１１は工作物台のｚ軸調節器である。簡略化した図において、投影面をｘ−ｚ面とする。ｙ平面は、投影面に垂直である。

レーザビーム１０は、レーザ１で生成される。２は、オン／オフ装置であり、Ｑスイッチとして設計されてもよく、強度制御装置として設計されてもよい。スイッチを入れてから、必要に応じて強度制御されたレーザ光は、ｚ方向に焦点の位置を調節できる焦点制御装置３に到達する。そして、レーザ光は、相互に直角を成す各ミラーなどから成るビームガイド４を通過する。これらのミラーは、一定の角度範囲内で回転可能であるので、これによって、工作物６上にあるレーザビーム１０の光点がｘ−ｙ平面において制御される。

物質の除去は、工作物の表面の物質が液化すること、および気化することによって行われる。このようにするために、レーザビームの焦点を工作物の表面に位置付けると、表面動作入力は、物質が融解して気化する程度に高くなるので、物質が除去される。レーザビームは、生成されるべきキャビティのキャビティデータに従って、露光表面上を表面方向に案内される。６は、既に生成された（部分的な）キャビティを示しており、６ａは、所望の完成キャビティの外表面を示す。除去は層状に行われる。１つの層が除去されると、工作物台９は工作物５とともに１層分だけ持ち上げられるので、次の層の除去が可能となる。

焦点調節装置３は非平面の球状キャップである。焦点調節装置３は、通常はボール状であり、その上でｘ方向およびｙ方向に偏向が生じると、レーザビームの焦点が移動する。これに関しては、図３を参照して、より詳細に説明する。

制御装置７は、各構成部材（レーザ１、スイッチおよび強度制御装置２、焦点調節装置３、ビームガイド４、ｚ軸１１）を制御する。これらの構成部材は、キャビティデータ１２および、必要であればその他のパラメータも参照することによって得られるデータを取得する。キャビティデータ１２は、たとえばＣＡＤデータであってよい。

図２は、焦点調節装置３をより詳細に示す。レーザ１０は、レーザ１およびスイッチ２から、まず発散レンズ２１を通過してから、収束レンズ２２および２３を通過する。発散レンズ２１は、調節装置２４によってｚ方向に移動可能である。各光線は異なる進路を取り、これによって焦点の位置も発散レンズ２１の配置に対応して、ｚ方向に移動することになる。２本の光線を、１本は実線で、もう１本は破線で簡略化して示す。レンズの位置は、それぞれＰ１およびＰ２で示される。Ｐ１およびＰ２がそれぞれ異なる位置であるため、焦点位置ｆ１およびｆ２も異なる。これらに２０−１および２０−２と付し、その差をΔｚとする。Δｚの可能な範囲における最大値を１ストロークと呼ぶ。

図３は、通常のキャビティ生成方法、および焦点調節装置の通常の使用方法を示す。図３およびその説明において、同一の部材には一様に同一の参照符号を付す。６は、部分的には既に完成したキャビティである。３１ａ、３１ｂおよび３１ｃは順々に除去される層を示す。ここに示す実施形態において、レーザビーム１０は、特定の経路に沿って、表面上を矢符３０の方向に案内される。物質は光点で融解して気化することによって除去される。３２は、生成されるべきキャビティ部分の外表面を示す。３３は、既に露光された表面を示す。レーザが回転可能なミラーによってｘおよびｙ方向に案内されるので、その焦点２０は、空間平面上を移動するのではなく、ボール状のアーチ型球状キャップ３４上を移動する。これによって、レーザビームおよびその焦点２０を表面に案内して、除去されるべき層の範囲にのみ容易に導くことができる。その他の表面では、レーザビームの焦点位置が物質表面の内側または外側になるので、エネルギ密度は不充分であり、物質が気化することはなく、気化したとしてもわずかな程度に抑えられる。その結果、除去性能は下がるか、または非常に不均一となる。

この効果を補償するために、公知の除去方法および除去装置では焦点調節装置を使用する。焦点調節装置は、調整容易な球状キャップ３４と、直線３５で示される平面における所望の位置との焦点位置差を最終的に修正する。このように、焦点調節装置は、瞬間的に除去される層３１ａに対応する平面３５上に焦点がくるように調節するために、レーザビームのｘおよびｙ方向の一時的な各位置に基づいて、焦点位置をｚ方向に変更する。

１つの層が完全に除去されると、ｚ軸は１層分高くなるように機械的に調整される。この調整は、たとえば、図１において、位置付け部材１１を用いて工作物台９を持ち上げることによって実行することができる。この調節によって、次の層（３１ｂ）が同様に除去される。この方法の欠点は、キャビティをｚ方向に機械的に調節するのに時間がかかることである。小型のキャビティの場合にはこの影響が特に顕著であり、１つの層を除去する時間よりもｚ方向に調節する時間が相対的に長い。

図３は、公知の層状除去について、別の欠点を示す。３２は、最終的に生成されるべきキャビティの（理論的な）所望の外表面を示している。しかしながら、この層を成す除去によれば、実際は３３で示すような非理想的な経路を辿ることになる。この層を成す除去によると、層の厚みに対応する段差毎に段階的に壁を加工する。この欠点は、キャビティの外表面の所望の品質によって、より重大にも軽微にも感じられる。

本発明の目的は、小形のキャビティの高速生成および外表面が滑らかなキャビティの形成を可能にするキャビティ形成方法および装置を提供することである。

この目的は、独立クレームに記載した特徴によって達成される。独立クレームは、本発明の好適な実施形態に向けられている。

工作物にキャビティを生成する方法では、キャビティを生成するために、レーザビームをビームガイドに通して、工作物の表面に案内する。レーザビームは、焦点位置をキャビティの深さ方向に少なくとも一時的に変更できるように制御されている。

本発明に係る方法では、機械調整をするのではなく、焦点調節装置を通過させて焦点位置を調整することによって、ｚ方向の各層に移動させることが可能である。したがって、１つの層から次の層への移行時にキャビティの深さ方向におけるレーザビームの焦点位置を変更できるように、レーザビームを案内する。

また、レーザビームは、最終的には層を平面状に除去せずに、所定または所望の方法で非平面状に除去するように、１つの層を除去している間にも、その焦点の位置調節を変更できるようにしてもよい。

瞬時に除去された層に対して、ｙ方向における焦点が規定の位置になるように、焦点位置を調節することができる。焦点位置は、たとえば層の内部に位置付けられても、規定された方法で層に対して補正されてもよい。

キャビティ生成装置は、前述のとおり、レーザ光源、焦点調節装置、ビームガイド、およびそれらの構成部材の制御装置を含む。制御装置は、焦点位置をキャビティの深さ方向に少なくとも一時的に変更可能とする制御を行うように設計される。

以下、図面を参照して、各実施形態について説明する。
本発明に係る方法は、図１の制御装置７を適切に設計することによって、また図１および図２の焦点調節装置３を適切に制御することによって、実現可能である。図４は、生成されるべきキャビティの「層マップ」を簡略化して示す。４０は、最終的に生成されるべき所望のキャビティの外表面を示す。４１は、除去されるべき層のうちの１つの層を示しており、以下、層４２、層４３・・・と続く。これは、層状に除去することによって、結果的に矢符４４の方向に作業が行われることを意味する。１つの層の除去が終了すると、（制御装置７に駆動される）焦点調節装置３が焦点位置を変えることによって、次の層に移る。これは、１つの層の除去が終了した後に焦点調節装置３を適切に制御することによって、焦点全体が図４のΔｚだけ下方に移動して、次の層が除去されることになるということである。図３を参照して説明したように、この除去中に焦点位置を公知の方法で再度ｚ方向に補正してもよい。焦点位置は、焦点調節装置３によって得られるストロークの許容範囲内であれば何度でも各層４１、４２、４３・・・に調節可能である。図３で説明したように、このストロークの特定部分は、焦点位置を補正するために必要となる可能性がある。さらに利用可能なストローク部分は、各層を制御するために使用されてもよい。ストロークが可能な範囲における最大値に達した場合、数層を除去した後にｚ軸に沿って機械調整が行われる（図１の位置付け部材１１）。その後、Δｚだけ焦点位置を調節しながら、再度、数層を数回に渡って調整することができる。

このように、機械調整および１回以上焦点位置を調節する調整は、全体を通して交互に実行可能である。焦点調節装置３によって得られるストロークの許容範囲であれば、焦点位置を適切に調整することによって、たとえば、連続して２０層の処理が可能である。そして、ｚ方向に沿って、２１層の厚み分の機械調整が行われ、複数の層、たとえば２０層が、再度、焦点位置を調節しながら処理される。

焦点位置の調整は、ｚ軸に沿った機械調整（必要な制御工程の初期化および、あまり時間はかからないが、次に繰返される除去制御への切替え）よりもかなり速いので、全体として時間を節約できる。

図５は、本発明に係る別の方法を示す。除去は、平面状の層ではなく、非平面状の層５１、５２、５３・・・で実行される。作業は、矢符５４の方向に沿って、次々に実行される。図に示すように、層は、最終的に生成されるべきキャビティの外表面４０まで連続して、たとえば規定の間隔を空けて（「外表面に平行」になるように）類似した形で形成されてよい。この規定の間隔は、各層ごとに異なるが、１つの層内では一定であり、外表面４０に近づくにつれて１層ごとに狭くなる。これらの各層の値は、制御装置７のキャビティデータ１２に基づいて計算されており、ビームガイド４に挿入される一方で、連続する焦点制御装置３にも挿入される。ビームガイド４は、レーザビームをｘ方向およびｙ方向に調整し、焦点調節装置３は、焦点が除去直後の層に対して規定の位置、たとえば層の内部に位置付けられるように、焦点位置をｚ方向に調整する。

これに関連して注目すべきことは、ｚ方向における焦点位置が変化すると、焦点が当たる位置のｘ座標およびｙ座標にも影響することがあることである。すなわち、レーザビームは、キャビティの表面に当たるときにｚ軸に平行でないことがある。これは、制御データの判断時に、制御装置によって適切に考慮される。

理論上、焦点の位置調節は、重なり合う２つの成分によって行われると考えられる。この２つの成分とは、すなわち、図３を参照して説明したような、除去されるべき層を所望の形状にする制御値と、球状キャップの補正をする制御値である。これらの２つの成分は、別々に求められても一緒に求められてもよい。

各層の厚みは、相互に比較した場合、同一であっても異なっていてもよい。特に、外表面に近い層は、外表面から遠い層よりも薄くてよい。１つの層は、一定の厚みを有していてよいが、必ずしも一定の厚みである必要はない。

図６は、最終的に（外表面４０において）層６５も「外表面に垂直」になるように層状の除去が行われる場合の実施形態を示す。通常、層６１、６２および６３は、矢符６４の方向に沿って一層ずつ除去され、特にキャビティの縁６６における層厚がキャビティの中心６７よりも小さい形状であるとき、各層自体の厚みの変更が可能である。

図７は、異なる各除去方法を組合わせて実施する実施形態を示す。この方法においては滑らかな外表面４０にするために、生成されるべきキャビティの外表面４０のキャビティが最終段階に近づくと、外表面に平行な層５５によって物質を除去して、キャビティを生成することが可能である。このような外表面には、図３において参照符号３３で示したような段差は現れない。また、それ以前に、図４または図６を参照して説明したような、より高速で粗い除去方法などを選択してもよい。最終的に図７は、図４および図６を組合せた形状を示している。まず、図４の方法に従って作業を実行する。ここでは、相対的に厚い層（たとえば３〜２０μｍ）を除去可能であり、各層の除去は、キャビティの実際に到達可能な完成されるべき各外表面まで進めることなく、その手前（キャビティの「さらに内部」）で止める。矢符４４の方向（作業方向）に沿った各層４１、４２および４３がこれを示している。この方法では、各層の内部で中断することができ、通常は完成されるべきキャビティの外表面４０に対して規定の距離を隔てたところで中断する。その後、前述のとおり、相対的に薄い層（１〜３μｍ）を外表面に平行に除去する工程に移行することが可能である。

この方法は、高速で粗く層を除去する利点と、キャビティの生成の最後に外表面に平行に、少なくとも最外層では相対的に薄く、層を除去することによって、外表面を正確に生成する利点とを兼ね備えている。図４または図７の最初の部分は、平面状の平行な層ではなく、焦点を制御する焦点球状キャップ上にある層であってもよい。こうすれば、連続的な焦点制御、それに対応する計算、および制御作用が必要ではなくなる。

図８は、焦点調節の利用可能なストロークに従って、除去されるべき数層または全ての層を決定する実施形態を示す。深いキャビティの場合、焦点調節の利用可能なストロークがキャビティのｚ方向の外表面４０全体には及ばないこともある。このとき、キャビティを論理上、各部８６および８７に分けて、それに応じて、生成部８４および８５に分ける。生成部８４および８５は、各部８６および８７のうちの部分的なキャビティとして見なされてもよく、それぞれ、焦点調節の利用可能なストロークの範囲に完全に及び得る。図５〜図７を参照して説明したように、対応する部分８６および８７内それぞれにおいて、作業の再開が可能である。図８は、「キャビティの一部」である各部８６および８７が図５において説明したように処理される実施形態を示す。部分的なキャビティは、焦点調節装置３のストロークの範囲内でそれぞれ生成可能なように規定される。この場合、特に、深さ方向にキャビティを生成するときには利用できないように、球状キャップの補正に必要とされるハブの部分を選択的に考慮することが可能である。この方法の利点は、キャビティの一部の「継ぎ目」８８においてのみ、外表面４０が不安定になり得ることである。その他の部分の作業は、再度、外表面に平行に行われてよいからである。キャビティの一部８６および８７を図５のように処理する代わりに、これらのキャビティの一部を図６または図７に従って処理してもよい。

深さセンサ８は、位置を感知する深さセンサであることが好ましい。この深さセンサは、ｘおよびｙの各位置に対するｚ方向の深さおよび寸法それぞれを測定できる。この測定は、レーザビームによる瞬時の各処理点において、作用する放射量を適切に計ることなどによって、実時間で実行されることが好ましい。したがって、ｚおよびｙの各座標に基づいて、キャビティの深さを示す「マップ」が作成される。また、これらの測定値を参照することによって、焦点制御を調節することも可能である。

通常、瞬時に除去する厚みは、レーザ出力またはレーザのパラメータ（出力、経路、案内速度など）を制御することによって制御可能である。除去性能のこのような制御は特に瞬間的なｘ座標およびｙ座標に基づいて、位置によって異なってもよい。

キャビティ生成装置の構造を簡略化して示す。 特に焦点調節装置における光線の経路を示す。 公知の方法を示す。 本発明に係る第１の方法を説明するための図を示す。 本発明に係る別の方法を説明するための図を示す。 本発明に係る別の方法を説明するための図を示す。 本発明に係る別の方法を説明するための図を示す。 本発明に係る別の方法を説明するための図を示す。

Claims (11)

1. キャビティを生成するために、ビームガイドにレーザビームを通して、工作物の表面に案内する、工作物にキャビティを生成する方法において、焦点位置をキャビティの深さ方向に少なくとも一時的に変更できるようにレーザビームを制御する方法であって、
   層の内部であってキャビティの深さ方向の焦点位置が、制御装置におけるキャビティデータに従って、非平面状の層に対して規定位置になるようにレーザビームを制御しながら、照射点における工作物の物質を瞬時に除去するレーザビームを工作物の表面上で移動させ、レーザビームの焦点を深さ方向に動かして操作することにより、深さ方向が変化する曲面を有する非平面状の層を厚さ１〜２０μｍで除去することによってキャビティを生成することを特徴とする方法。
2. レーザビームの焦点位置を制御することによって、１つの層から次の層に切替えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 完成されるべきキャビティの外表面に続く層、または該層に平行な層状に、少なくとも部分的に除去を行うことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 第１工程において、完成されるべきキャビティの外表面に到達していない層を除去し、第２工程において、非平面状の層であって、完成されるべきキャビティの外表面に続く層、または該層に平行な層状に除去することによって、キャビティの生成を行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 厚みが一定でない層状に除去を行うことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. キャビティの外表面に近い層の層厚が、該外表面から遠い層の層厚よりも小さいことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 焦点調節の利用可能なストロークに応じて、各層を決定することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 焦点調節のストロークの範囲内で制御可能な層を決定することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 焦点調節の利用可能なストロークに応じて、レーザビームの焦点位置をキャビティの深さ方向に制御することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法を実施するための、工作物（５）にキャビティ（６）を生成する装置であって、
    物質を除去するレーザビームを生成するレーザ光源（１）と、
    レーザビームの焦点位置を調節する焦点調節装置（３）と、
    工作物の表面にレーザビーム（２０）を案内するビームガイド（４）と、
    焦点調節装置(３)およびビームガイド（４）を制御する制御装置（７）とを含み、
    制御装置は、焦点調節装置（３）によって、レーザビームの焦点位置をキャビティの深さ方向に少なくとも一時的に変更可能とする制御を行うように設計され、層の内部であってキャビティの深さ方向の焦点位置が、制御装置におけるキャビティデータ（１２）に従って、非平面状の層に対して規定位置になるようにレーザビームを制御しながら、照射点における工作物の物質を瞬時に除去するレーザビームを工作物の表面上で移動させ、レーザビームの焦点を深さ方向に動かして操作することにより、深さ方向が変
    する曲面を有する非平面状の層を厚さ１〜２０μｍで除去することを特徴とする装置。
11. 深さセンサ（８）を有し、レーザビームによる瞬時の各処理点において、前記制御装置が、該深さセンサ（８）の出力に応じてレーザビームの出力、経路または案内速度を制御するように設計されることを特徴とする、請求項１０の装置。

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