JP5634497B2 - レーザー使用による材料除去中の熱効果の最小化方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、部材から材料を除去するための機械加工により用いられるレーザーに起因する熱効果を最小化することに関する。

コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）によるシステムまたはダイヤモンド鋸システムのような機械システムは、樹脂、金属シートまたは無機質の板を切り抜くために主要なツールである。時々、そうしたアプリケーションのために、切り抜きのための鋭利な角が要求される。この場合、鋭利な角を達成するために直径の小さいドリルビットが必要とされる。通常、この種のドリルビットの損傷を回避するために、処理速度が低下される。時おり、材料はもろい層でおおわれている。この場合、機械システムは、また、もろい層における亀裂を最小化するために、処理速度を低下させる。

代替的ツールは、もろい層での亀裂を減らすことができ、および／又は、小さい切り抜き特性を可能とする、レーザーベースのシステムである。

本発明の実施形態は、レーザーを使用したシート材料を切断する処理において、改良を提供する。その改良の１つは、例えば、レーザーの第１の工具経路を用いる第１の複数のルーティングを実行し、第１の工具経路を用いる第１の複数のルーティングが実行された後に、レーザーの第２の工具経路を用いる少なくとも１つの第２のルーティングを実行する。ここで、第２の工具経路は、第１の複数のルーティングを実行した結果としてレーザーにより形成された切り溝から横切るものとする。

この実施形態および他の実施形態に基づく本発明の応答や詳細は、添付図面と共に下記詳細な説明を読むことにより当業者にとって明確となる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等の構成要素は同一符号によって示されている：

ルーティングの数と切り溝の深さとの比較により、エッチングの飽和状態を示しているグラフである；

図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、レーザー処理中における、切り溝の断面を示す概要図である；

本発明の実施形態を組み込んでいるシステムの概略図である；

図４（Ａ）は、経時的にレーザーによって発生する矩形パルスを示す図である；

図４（Ｂ）は、Ｒｆ（周波数）を上昇させたＣＯ２レーザーの、緩やかな上昇、又は、三角パルスを示すオシロスコープからの出力の拡大図である；

図４（Ｃ）は、異なる経時的プロフィールを有する２つの異なるレーザーパルスによる、材料の温度上昇を比較しているグラフである；

図５（Ａ）は、複数の矩形パルスによって処理される切り口の拡大された上面図である；

図５（Ｂ）は、緩やかな立ち上がり時間を有する複数のパルスによって処理される切り溝の拡大された上面図である；

図６（Ａ）は、本発明の一実施形態に基づくツーステップ・プロセスの第１のステップにおいて生成される切り溝の横断面の簡略・概略図である；

図６（Ｂ）は、本発明の一実施形態に基づくツーステップ・プロセスの第２のステップにおいて生成される切り溝の横断面の簡略・概略図である；

図６（Ｃ）は、本発明の他の実施形態に基づくツーステップ・プロセスの第２のステップにおいて生成される切り溝の横断面の簡略・概略図である；

図７（Ａ）は、図６（Ａ）による第１のステップにおけるレーザー・ルーティングの簡略平面図である；

図７（Ｂ）は、図６（Ｂ）または図６（Ｃ）による第２のステップにおけるレーザー・ルーティングの簡略平面図である；

図６（Ａ）による第１のステップの様々な数のレーザー・ルーティングに基づいて処理された切り口の拡大された断面図である；

切り溝の深さと、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）、図７（Ａ）および図７（Ｂ）について述べたさまざまな処理方法におけるルーティングの数と、を比較したグラフである。

厚い材料の一部は、例えば樹脂、ポリマーまたは金属シート、レーザーによって切り抜かれるときに、特に角または小さい湾曲部において、熱効果は鈍角エッジ（dull edge）として現れる。この鈍角エッジは、他の領域とは異なるように光を反射し、その結果は、切り溝に沿って現れる熱環（thermal ring）である。切り溝が樹脂シート内部で十分に深い場合、エッチング率は、下記詳細において述べられるように、飽和する傾向がある。炎（flame）は、切り溝内部で発生し得る。結果として生じる切り溝に沿った溶融および炭化は、処理品質および最終製品の品質を劣化させる。

ファイバ・レーザーまたはガスレーザーを含む固体（solid state）レーザーが用いられる場合、単一のルーティングの複数の反復は、通常、エッチング率に依存して厚い材料を切断するのに必要とされる。この種の処理において、大きいパルスエネルギーまたはパルス力でのルーティングについての、これらの課題を減らせたとしても、熱は、まだ、材料内に取り込まれ得る。その結果、鈍角エッジ、隆起、または、変色のような熱効果が、切り溝に現れ得る。

本発明の実施形態は、レーザーおよび処理される材料の間の結合が最大化することを介して、熱効果を最小化し、材料除去を最適化することを目的とする。

特定材料からなる部品のレーザー切除の間、クリーンプロセスは、材料の熱緩和時間と比較し、高吸収率の波長と短いパルスを有するレーザーを用いることがあげられ得る。

大きなパルスエネルギーまたは強いパルス力の高いフルエンス（fluence）が材料に与えられる場合、切り溝がより深くなるにつれて、レーザー切除によって発生するプラズマおよび／又は微粒子は切り溝内部に捕捉される。そして、プラズマおよび／又は粒子と、入射ビームとの間の相互作用が顕著になり、結果として、飽和状態となる。図１は、比較的厚くもろい被覆で厚さ約１ｍｍのポリカーボネートまたはＡＢＳ基板における、飽和状態の一例を示す。図１に示すように、ルーティングの数が増加するにつれて、達成する深さは同様に増加する。この増加は、少数のルーティングにおいて、おおよそ直線である。しかしながら、ルーティングの数がある点に達すると、ここでは約６回のルーティングで、エッチングが飽和し始める。すなわち、より深い深さが生成できないように、熱効果はルーティングに干渉する。

理論に囚われずとも、いくつかの損失メカニズムが原因であると考えられる。プラズマへの入射レーザービームの吸収、小さい粒子による入射ビームの拡散、焦点深度の変動および／又は強度の変化である。例えば、複数のルーティングの後、頂面における切り溝内においては、レーザー強度は弱いかもしれない。プラズマによるレーザーの吸収は、波長と比例している。散乱は、波長の４乗（4th power）に反比例する。吸収による相互作用は、近傍の材料を加熱することができるプラズマの温度を上昇させる。更に、プラズマによる入射ビームの吸収は、処理速度および品質の低下につながりかねない。これは、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示される。図２（Ａ）は、レーザー（入射ビーム１２によって表される）を使用する第１のルーティング後の切り溝１０の断面図である。後続の、切り溝を深める為のルーティングの間、プラズマ（切断された原料）１４は、エッチング中に蓄積されると共に、切り溝１０のトレンチに捕捉され得る。

１つの可能な解決手段は、工具経路内のレーザー・パラメータを変更すると共に、後続するルーティングを実行することであり、特に、図２（Ｂ）（定縮尺でない）に概略的に示されるように、レーザービームおよび／又はワークピースのｚ軸（ｚ軸高さ）位置を変更することである。プラズマ１４は入射ビーム１２の経路全体をブロックするわけではないので、ｚ軸位置を変更することによって、第１の工具経路を使用するルーティングを繰り返すことよりも、より多くの入射ビーム１２が、プラズマ１４を介して切り溝１０に到達する。プラズマ１４との干渉を最小化または回避することの更なる利点は、レーザーのルーティングにおける横シフト（transverse shift）（例えばレーザービームおよび／又はワークピースのＸ軸シフト）により得られる。これにより、１回以上の追加的ルーティングが、当初のルーティングの近傍で発生することが、より容易にプラズマ１４が分散するよう、プラズマ１４が捕捉され得る領域を拡大する。本発明の方法およびその処理制御の詳細は、以下において記述されている。

本発明の実施形態は、２００８年０７月３１日に発行された米国特許公開公報Ｎｏ．２００８／０１７９３０４Ａ１に例えば記載されているレーザーシステムの制御に組み込むことができ、これら内容全体は、参照により本願開示の一部をなす。図３は、本発明を組み込むことができる、一片のシート材料１６に作用するレーザーシステムの１実施形態を示す。図３において、連続波（ＣＷ）ＣＯ２レーザー１８および音響光学変調器（ＡＯＭ）２０は、サブマイクロ秒（sub-microsecond）レーザーパワーコントローラ／シャッタとして構成される。また、擬似ＣＷ＿ＣＯ２レーザーを用いることもできる。ＡＯＭ２０は、ＣＷレーザー１８のためのパルサー（pulser）としても構成される。他の実施形態では、ＡＯＭ２０は、パルスレーザーのパルスピッカー（picker）として構成されてよい。定速度期間中だけでなく、加速および減速期間中にも処理が可能となるよう、ＡＯＭ２０を、パルスエネルギーおよび反復率を調整するように構成することができる。ＣＷレーザー１８およびＡＯＭ２０の間に任意に配置されるのは、絶縁装置２２、例示としてのブルースター（Brewster）・ウインドウ、およびシャッタ２４である。絶縁装置２２およびシャッタ２４が組み込まれる場合、コリメータ２６は、絶縁装置２２およびシャッタ２４の間に任意に配置され得る。

ＡＯＭ２０によって選択される偏向角に依存し、レーザービームは、ＡＯＭ２０から、位相反射型リターダ（reflective phase retarder）（ＲＰＲ）３２を介して、ビームダンプ２８または第１のミラー３０のいずれかへと導かれる。第１のミラー３０は、レーザービームをＡＯＭ２０から、任意のズームレンズシステム３４を介して、開口部３８を介しレーザービームを導く第２のミラー３６まで導く。開口部３８は、第２のミラー３６に隣接するレーザービーム経路に位置する第１のレンズ３８ａと、この第１のレンズ３８ａに隣接する開口部３８ｂと、この開口部３８ｂの反対側に位置する第２のレンズ３８ｃと、を備えている。第１のレンズ３８ａは、例えば回折光学素子などの、空間変更要素（spatially modifying element）に変更することができる。トップハット（top hat）ビームを、この種の回折光学素子で用いることができる。また、第２のミラー３６の代わりに、ビームスプリッタを組み込むことができる。このビームスプリッタは、レーザービームの一部を、ＡＯＭ２０にレーザーパワー制御をもたらすよう構成されたパワーモニタへ導き、更に、レーザービームの一部を開口部３８へ導く。開口部３８は、レーザービームを、ＸステージおよびＹステージ（構台）に位置する処理ヘッドへ導く。説明を簡略化するため、処理ヘッドおよび構台は、レンズ４０として示される。処理ヘッドは、レーザービームを、追加的作業ステージ表面４２に整列配置されるシート材料１６に導く。もちろん、２００８年０７月３１日に発行された米国特許公開公報Ｎｏ．２００８／０１８１２６９Ａ１に記載されていているように、また、その全体は参照によりここに組み込まれるが、このシステムは、複数のＡＯＭ２０などの追加的構成部品を組み込むことができ、複数のレーザービームをＣＷレーザー１８から複数の処理ヘッドへ分配する。ここに示され記載される、スライスされたＣＷレーザー１８の利点の一つは、インターパルス期間中に開口部３８を冷却すると共に、開口部３８への過剰な熱負荷を回避することができることである。

上記説明から明らかなように、この配置に対する変更は種々可能であり、また、本発明の実施形態はさまざまなシステム構成に組み込むことができる。更なる実施例として、ＲＰＲ３２を含めることで、シート材料１６の表面の入射ビーム１２を、環状に偏光させて、処理方向に左右されずに均一な処理を達成することを支援するが、こうした構成部品は不可欠ではない。また、ＡＯＭ２０は、鋭い矩形パルスを供給し、そして、開口部３８ｂと３つのレンズ３８ａ、３８ｃ、４０との組合せは、開口部３８ｂでクリップされたビームをシート材料１６へと伝達し、鋭利な空間端部を提供する。ある実施形態によれば、一方または両方の構成部品を有することが望ましい。しかしながら、いずれも不可欠ではない。ここで記載されるように、例えば、必ずしも好適ではないが、ＣＷレーザー１８からの遅い立ち上がり時間パルスを、本発明の実施形態で用いることができる。

少なくとも一つのコントローラ４４は、図３に示されるシステムに組み込まれて、例えば構台およびＡＯＭ２０などの各種構成部品を制御する。コントローラ４４は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）と、リード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）と、システムを制御してここに記載される一定の処理ステップを実行する入力信号を受信すると共に出力信号を発信する入出力ポートと、を有する標準的なマイクロコントローラであってよい。ここに記載の機能は、通常、メモリに保存されたプログラム指令であって、ＣＰＵのロジックにより実行される。もちろん、ここでの機能を実行するコントローラは、外部メモリを用いるマイクロプロセッサであってもよく、あるいは、このようなマイクロプロセッサの組合せや、他の集積ロジック回路と結合されたマイクロプロセッサであっても良い。コントローラ４４は、通常、例えばスクリーンとキーボードなどの入力装置とを備え、コマンドを入力して処理制御をモニターするパーソナルコンンピュータに組み込まれるか、共に動作する。

ここでの教示によれば、シート材料１６を単に温めるだけの、結果として材料の変形および／又は変色を起こすレーザー出力の部分を最小とすることで、つまり、切断箇所１４と接する入射ビーム１２を最小とすることで、レーザーと素材との結合が改善され得る。

図４（Ａ）は、図３に基づくシステムを用いて生成される、立ち上がり時間が１μ秒未満のいわゆる矩形パルスを示す。矩形パルスは、いわゆる三角パルスと比較して比較的短い立ち上がり時間を組み込み、パルスがシート材料１６を切断するための上昇温度に到達するのにより長い時間を要するように、比較的長い立ち上がり時間を有する。このような立ち上がり時間の遅いパルスのオシロスコープの出力は、図４（Ｂ）に示される。図４（Ｂ）に示されるように、パルス立ち上がり時間は、およそ３００μ秒であり、パルス幅は、約４００μ秒である（ＦＷＨＭ）。

熱方程式（１）は、材料の熱力学を推定するのに用いられ、すなわち、例えばレーザーパルスなどの熱源の適用に基づき時間の経過と共にどのくらい早く材料が熱くまた冷たくなるかを推定する。
Ｔ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）は、空間および時間における材料の温度である；
ｋは、材料の熱拡散係数である；
αは、材料の吸収係数である；
Ｉ（ｘ，ｙ，ｔ）は、入射放射照度の非反射部分である；
Ｖは、材料のモル体積である；
Ｃｐは、材料の熱容量である；

図４（Ｃ）は、熱方程式（１）の一部修正を利用して実行されたシミュレーションであり、２つの異なるタイプのレーザーパルスでの熱力学をシミュレーションする。使われる両方のパルスの形状は、通常、同じピーク（図４（Ａ）および図４（Ｂ）において示される波形例の単位あたり１）を有する三角形であるが、それぞれ違う時間プロファイルを有している。１つのパルスは、５μ秒の立ち上がり時間を有し、もう一方のパルスは１００μ秒の立ち上がり時間を有する。同じ材料に対して、シミュレーションは、立ち上がり時間に大きな違いが、材料の温度上昇効率に影響すること、従って、切断効率に影響すること、を示している。結果として、シート材料１６には、その延長された立ち上がり時間の間、壁と端部の品質に影響を及ぼす内部熱が詰め込まれる（is loaded）。

シミュレーションを実証するために、樹脂シートが、異なる時間プロファイルを有するＣＯ２レーザーを用いて切断される。すなわち、立ち上がり時間の早いパルスと立ち上がり時間の遅いパルスを使用し、その結果は、図５（Ａ）および図５（Ｂ）にそれぞれ示される。図５（Ａ）は、ＣＷレーザー１８及びＡＯＭ２０により切断された切り溝のプロファイルを示し（立ち上がり時間の早いパルス）、図５（Ｂ）は、通常にパルス化されたＣＯ２レーザーにより切断された切り溝のプロファイルを示している（立ち上がり時間の遅いパルス）。図５（Ｂ）における切断の最初のポイントは、より顕著な熱効果を示している。すなわち、図５（Ｂ）に示される比較的遅い立ち上がり時間を有するパルスを用いてレーザー処理された切り溝のプロファイルよりも、図５（Ａ）に示される矩形パルスを用いてレーザー処理された切り溝のプロファイルの方が、熱効果、例えば変色や焼付等がより少ないことを示す。このテストは、シミュレーション内容を裏付ける結果となった。材料除去率が飽和状態になるとき、効率は下がる。より大きなレーザーパワーが、熱プラズマおよび隣接材料へ導かれる。結果として起きるのは、最上被覆（top coating）の剥離による、切り溝の壁の溶融、および／又は、切り溝の拡大、および／又は、最上表面の退色である。図５（Ｂ）にて示されるように、三角パルスによっても、より大きな径の切り溝がもたらされる。小さいテーパーを有する壁が必要となるとき、プラズマ誘発燃焼の発生を回避することが望ましい。このような熱効果は、以下に記載されるように、図８において、１１回のルーティングの後の切り溝の端部において示される。このような熱効果の発生を回避するのがより容易となることから、本発明の実施形態は、立ち上がり時間の早いパルス（例えば、矩形パルス）を用いるのがより望ましく、ここで示される例はこのようなパルスを用いている。しかしながら、より遅い立ち上がり時間パルスを用いることもできる。

本発明に係る一つの方法は、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）、図７（Ａ）および図７（Ｂ）にて更に詳しく記載される。概して、当該方法は、少なくとも２つのステップからなる。第１のステップは、第１の工具経路（通常、例えば工具経路ファイルとしてコントローラ４４による実施のため格納されている）に基づいて多数のルーティング（routings）を実行するレーザーを用いて材料を除去する。第１のステップは、材料除去の線形領域（linear region）において実行されることが好ましく、すなわち、第１の工具経路を用いた追加的ルーティングが、飽和の兆候無しに、材料除去を継続する領域で実行されることが好ましい。別の言い方をすると、線形部分は、材料除去のために入力パワーが線形状に使用されるということである。傾斜が減少すると（例えば図１に示すように）、材料除去の効率は落ちる。しかしながら、いくつかの状況において、特に、線形領域が小さい場合、および／又は、要求される切り溝１０の深さが深い場合、第１のステップは、飽和領域に突入するまで継続してよい。完成された端部の要件が、外見にいくらかの柔軟性を持たせるものとある場合、これは特に真実である。図６（Ａ）は、第１のステップの間、複数のルーティングに基づいて、レーザーで形成された切り溝１０の入射ビーム１２を示したものである。材料のほとんどは、典型的には、第１のステップにおいて除去される。

第２又は以後のステップは、第１の工具経路からの横シフト、すなわち、第１のステップにおいて生成された痕跡（trace）からの横シフト（ここでは、図６（Ａ）に示される切り溝１０）、を備える第２の工具経路を用いた少なくとも１回の追加的ルーティングを実行することを含む。もちろん、本発明は、第２のステップに限られるものではなく、ｘ軸、ｚ軸、又は、その両方への更なる調整をする追加的ステップを含めることも可能である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の切り溝１０において、第２のステップの間の上記横シフトを示したものである。この第２のステップは、より少ない入射ビーム１２が、プラズマ１４（切除された材料）により吸収され、および／又は、偏向されるため、例えばＣＷレーザー１８などのレーザーは、材料とより良く組み合わされることができる。つまり、レーザービーム経路がプラズマ１４に導かれないことで、材料除去の飽和状態が最小化され得る。図６（Ｂ）は、図２（Ｂ）において前述の横シフト（ｘ軸シフトとも言う）とｚ軸シフトの両方を含む、他の第２のステップを示す。この実施形態によれば、第２のステップは、また、テーパー（taper）を改善して、切り溝１０の最深部近傍で材料を除去すること、および壁部の品質を改善することができる。第１の工具経路に基づいてルーティングの継続的適用に対して、第２のステップのルーティングにおいて、材料およびレーザー（特に入射ビーム１２）のより良い結合により、熱効果は最小化される。

横シフトまたはｘ軸シフトは、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）において、より明瞭に記載されている。第１のステップは、もし可能であれば、処理が飽和状態に到達する前に材料のいくらかを除去し、そして、所望する切り溝幅ｗ２よりも小さい所定の寸法である切り溝幅ｗ１を提供する。例えば、第１の工具経路は、図７（Ａ）に示すように、複数のルーティングを適用することで円を形成する。そして、第２のステップは、図７（Ｂ）に示すように、横（ｘ軸）方向にいくらかシフトした第２の工具経路の一回以上のルーティングを適用する。第２のステップにおいて、図６（Ｃ）に関連して記載されたように、より深い切断のために、ｚ軸における高さも調整されてよい。このように、第２のステップは、所望の切り溝幅ｗ２の切り溝１０を点線で示すように提供し、ｚ軸シフトについても同様に関連してよい。

図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示すように、切断処理は、円形切り溝１０を結果とする、円形切断である。しかしながら、本発明は、他の切断処理にも適用可能であり、線形セグメントへの切断処理も含まれる。第２の工具経路は、どのような状況においても、第１のステップにより生成される切り溝または痕跡の中心に対しての横シフトを組み込む。もし本処理の適用が裁断（cut out）であり、かつ、除去される片（例えば図７（Ａ）に示す円形片）の品質が重要でない場合、第２のステップ後に多くの熱効果を残さない範囲で、当業者に知られるように、第１のステップは、比較的侵入的切断処理（aggressive cut）であってよい。このように、第２のステップは、開口部における綺麗な（clean）端部を生成しながら、最小の熱効果とするための最適なパラメータを適用し得る。

上述の通り、材料除去の線形領域において、第１のステップにおける複数のルーティングは、最も好適に実施される。この線形領域は、材料の熱影響を受けた領域に依存する。知られる熱影響を受けた領域の範囲において、ｘ軸シフトおよび／又はｚ軸シフトが実行されて、線形領域を拡張し、適切な横シフトで複数の工具経路ファイルを規定する。これらのステップの詳細は、図８及び図９において最も適切に記載されている。

図８および図９における実施例において、シート材料１６は、厚さ３０μｍのもろいコーティングを有する約１ミリ厚の樹脂（ポリカーボネイト）である。レーザー処理後の端部は鋭利であることが望まれる。単一のルーティングにおいて、熱影響を受ける領域は、パルス幅の二乗根に比例している。すなわち、拡散する長さ、または、熱影響を受ける領域は、数式（２）により大まかに推定することができる。
ここで、ｋは、熱さ（熱）拡散係数である；
そして、Ｔｐは、パルス幅である。

この関係により、短いパルスを使用することが好ましいが、パルス幅およびパルス高さの積であるパルスエネルギーによって、材料除去率は上昇する。このテストにおける変数を制限するために、ピーク高さは固定とした。結果として、パルス幅は、熱効果およびスループットを調整するための変数である。第１のステップの各ルーティングの間に、材料が冷却する時間と反復率を調整する時間とが加味されたとしても、トレンチの内部に閉じ込められるプラズマにより多くの入射ビームが吸収されると推定されることから、ルーティングの数が増加するにつれて、材料除去率は飽和する。

数式（２）が一つのルーティングにおける熱影響領域（heat affected zone）を大まかに推定するが、ルーティングの数によってこの推定の精密度は急激に減少する。熱影響を受ける領域は、切断ではなく、熱効果が起きる切り溝の外側にある。材料の吸収係数の逆数として、エッチングの深さを推定することができる。エッチングの深さが判明することで、図１に示すような実験に基づく経験的数式を、線形領域を予測するのに使用することができる。

代替的に、複数のルーティングが実行され、熱影響領域を推定する場合、空間と時間における材料の熱力学を推定するための熱方程式（１）を修正することができる。

ここに説明の通り、熱影響領域を規定することにより、第１および第２のルーティングを決定することは、横シフトおよび／又はｚ軸（またはｚ軸高さ）シフトと共に、試験的になされた。所望する切り溝のプロファイルと、厚さ３０μｍのもろいコーティングを有する厚さ約１ミリの樹脂（ポリカーボネート）のシート材料１６と、を所与として、パルス特性を選択する方法は、従来から適用されてきた。これにより、５．１μ秒の波長を有する５０ＫＨｚレーザーと、１５０ミリ／秒のルーティング速度を用いた実験条件が結果としてもたらされた。開口部３８は、５００μｍの直径を有して、パワーで２０％のビームをクリップし、結果的パルスは、２５ＫＨｚにて９５％の負荷サイクルを有した。

いつ材料除去率が飽和するのかを決定するために、第１のステップにおいてルーティングが複数実行されて、ルーティングの数が１、３、５、７、９、１１において、深さの測定がなされた。図８に示されるように、５回目（５）のルーティング後に飽和状態が始まった。ここで、第１のステップで選択されたルーティングの数は５（５）となった。線形領域におけるルーティングの数を採取する（pick）必要はない。しかしながら、綺麗な端部が望まれる場合および材料がより広い線形領域を有する場合においては、好適である。端部に要求される品質に依存して、より大きな数のルーティングを選択することができる。また、テーパーやスループットなどの端部の品質によって、第２のステップにおけるｘ軸に沿ったシフト量が決定され得る。シフト量が切り溝幅と比較してあまりに小さい場合、線形状での材料への更なる侵入（penetration）は、起きないかもしれない。理論に囚われることなく、これは、生成されたプラズマ１４には、拡張（退避）して、プラズマ１４と入射ビーム１２との結合を緩和するための、充分な空間がないためである。

ここで、シフト量は、実験的に決定された。ｚ軸高さ（つまりｚ軸方向）におけるシフトは、材料に依存するかも知れない。しかしながら、本来の目的は、ワンステップ・プロセスが損傷を最小化すると共に追加的材料の除去を行うポイントを越えて、除去率を線形状に伸ばすために、最適なシフト量を見出すことである。なお、第１のルーティングおよび後続のルーティングは、空間的に重なり合っている。

図９は、さまざまな処理方法における切断とルーティングの数との対比を示す。ワンステップ・プロセスは、第１の工具経路のあらゆるパラメータを変更することなく、ルーティングの数を増加するだけである。第２のステップは、横シフト（ｘ軸シフト）および／又はｚ軸高さの変更を組み込んでいる。図９に示されるように、第２のステップとしての横シフトおよびｚ軸調整を伴うツーステップ・プロセスは、更なる深さの切断を削減された熱効果とともに達成することができるので、切断処理を改善する。図９において、ルーティングの総数は、第１のステップと第２のステップのルーティングの合計であり、第１のステップは５つ（５）のルーティングを備える。ｘ軸シフトが５０μｍであった一方で、ｚ軸の高さは、頂面から頂面の下方７００μｍに移動した。

本発明の実施形態は、横シフトおよび／又はｙ軸シフトを含む第２のステップを加えることで、レーザーと材料の結合を最大にする。これにより、最小のテーパーと鋭利な切り溝の端部を有する壁部を得ることになる。壁部も、過剰な溶融や変色などの熱効果が最小であることを示す。結果として、処理中の材料の切除が最適化される。

本発明は、所定の実施例に基づいて記載されたが、これに限定されることなく、しかし、特許請求の範囲においてその内容を含む範囲で 各種変更および同等の態様を含めるものとする。この特許請求の範囲には、特許法に基づく範囲における全ての変更および同様の構造を含め、最も広い解釈のものが認められるものとする。

Claims (9)

1. レーザーを使用するポリマーシート材料を切断する方法であって、
   前記レーザーの第１の工具経路を用いて複数の第１のルーティングを実行することにより形成される切り溝であって、前記ポリマーシート材料の頂面の下方に延在する切り溝が、前記第１の工具経路に沿った第１の深さに到達するまで前記複数の第１のルーティングを実行し、前記複数の第１のルーティングの各ルーティングでは、前記複数の第１のルーティングのうち前回のルーティングよりも前記第１の工具経路に沿って前記ポリマーシート材料に前記切り溝をより深く拡張することと、
   前記複数の第１のルーティングが実行された後に、前記レーザーの第２の工具経路を用いる少なくとも１つの第２のルーティングを実行することとを有し、
   前記第２の工具経路は、前記ポリマーシート材料の前記頂面に沿った方向で前記第１の工具経路と離間することにより、前記第２の工具経路に沿った量で前記切り溝の幅を拡張し、前記第２の工具経路に沿った前記量を少なくとも前記第１の深さにまで拡張し、
   前記複数の第１のルーティングを実行することは、前記レーザーにより除去される前記ポリマーシート材料の線形領域において、前記レーザーにより除去される前記ポリマーシート材料の前記線形領域を条件とすることで、前記レーザーは、前記ポリマーシート材料を同量除去し、前記複数の第１のルーティングの各ルーティングの間に前記切り溝を形成することを特徴とする方法。
2. 前記複数の第１のルーティングを実行することおよび前記少なくとも１つの第２のルーティングを実行することは、前記頂面から反対側の表面まで前記ポリマーシート材料を切断することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記複数の第１のルーティングを実行することは、
   前記複数の第１のルーティングのうちの最初のルーティングを、前記第１の工具経路に沿って前記ポリマーシート材料の前記頂面下方の最初の深さまで実行することと、
   前記複数の第１のルーティングのうちの次のルーティングを、前記第１の工具経路に沿って実行し、前記最初の深さよりも前記第１の工具経路に沿って前記ポリマーシート材料に前記切り溝をより深く拡張することとを有し、
   前記最初のルーティングおよび前記次のルーティングではそれぞれ、前記ポリマーシート材料を同量除去することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記第２の工具経路は、前記第１の工具経路からｚ軸高さシフトを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. テストにより除去される前記ポリマーシート材料の前記線形領域を決定し、
   前記テストに基づいて前記第１のルーティングの数を選択することにより、前記第１のルーティングの数を決定することをさらに有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記第１の工具経路を用いた少なくとも３つのルーティングを、前記ポリマーシート材料のサンプル上で実行し、
   前記少なくとも３つのルーティングから、前記第１のルーティングの数として、１つを選択することにより、
   前記第１のルーティングの数を決定することをさらに有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
7. 少なくとも１つの第２のルーティングを実行することは、
   前記複数の第１のルーティングが実行された後に、前記レーザーの前記第２の工具経路を用いて複数の前記第２のルーティングを実行することを有することを特徴とする請求項請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記少なくとも１つの第２のルーティングが実行された後に、前記レーザーの第３の工具経路を用いて少なくとも１つの第３のルーティングを実行することをさらに有し、
   前記第３の工具経路は、前記第１の工具経路からｚ軸高さシフトを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記レーザーのパルスは、１マイクロ秒よりも短い立ち上がり時間を有する矩形パルスであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。