JP7496141B2 - 液体噴流でガイドされた合成レーザービームを用いて被加工材を切断または切除する方法および装置 - Google Patents

Description

本願発明は被加工材、具体的に被加工材の特定の材料を、加圧された液体噴流中に入射させてその加圧された液体噴流と結合させたレーザービームを用いて切断または切除するための方法および装置に関する。上記の方法および装置で用いられるレーザービームは、合成パルスレーザービーム、すなわち、重ね合わされた複数のレーザーパルスを含むパルスレーザービームである。本願発明の複数の実施形態によれば、前記合成パルスレーザービームの複数のパルス波によって、被加工材に複数の異なる効果を及ぼすことができ、例えば、同複数のパルス波を用いれば、それぞれのパルス波の働きにより、被加工材の特定の材料を切断または切除し、さらに平滑にすることができる。

被加工材を機械加工するための従来の方法は加圧された液体噴流に入射させその加圧された液体噴流と結合させた単一のレーザービームを用いる。このようなレーザービームを用いて被加工材を切断するため、液体噴流を被加工材を横切る所定の切断経路上を動かす。この液体噴流は通常液体噴流発生ノズルを用いて発生させ、レーザービームは発生した液体噴流中に入射させその液体噴流と結合させて、内部全反射により同液体噴流中でガイドされて被加工材上に当たる。従来の方法によるレーザービームは連続したレーザービームまたは単一のパルスレーザーを含むパルスレーザーのいずれかである。

被加工材従来の方法で生じる問題、特に液体噴流でガイドされたレーザービームを用いて被加工材中に深い切り込みを入れたり、さらに被加工材を完全に切断する時に生じる問題は切断面の品質が悪く、さらに／または欠陥を有するという問題があることである。例えば、切断面はその表面粗さが極めて大きく、さらに／または表面品質が切断部上で不規則に変化している。

さらに、従来の方法は被加工材を切断中にその被加工材中に欠陥を生じさせることが多い。特に端または表面の材料が部分的に欠け落ちてしまう。例えば、被加工材の表側および裏側の両方がこのようなチッピング（欠け落ち）の被害を受ける。また、従来の方法により切断されると、切断部上に尖鋭な端部ができる。

前記した問題によって、従来の方法および装置を用いるのでは、所定の種類の材料を切断することが難しいか、または不可能である。例えば新しい種類の合金材料または極めて脆い材料の場合である。また、前記した問題により被加工材中に入れる切り込み深さ、または２個以上の部分に分断される被加工材の全厚さがかなりな程度制限される。

そのため本願発明の実施形態は液体噴流でガイドされたレーザービームを用いて被加工材を切断または切除するための従来の方法および装置を改良すること目標とする。本願発明の目的は特に被加工材を切断または切除し、しかも切断または切除の結果を改良するのに適した方法および装置を提供することである。通常、切断表面または切除表面は従来の方法または装置を用いる場合よりも向上させなければならない。もっと具体的には、切断表面または切除表面の表面粗さは十分に低くしなければならない。さらに、切断部上の表面品質ばらつき部分および欠陥部分または欠け部分を少なくしまたは避けなければならない。

前記した本願発明の目的は、すべての種類の複数の異なる材料、特に新しい合金材料および極めて脆い材料、を切断または切除する場合にも達成できなければならない。さらに、本願発明の方法および装置は、従来の方法および装置を用いるのに比べて、被加工材中により深い切り込みを入れたり、より深く切除でき、またはより厚い被加工材を分断できるものでなければならない。

前記した本願発明の目的は後記する特許請求の範囲の独立請求項によって与えられる実施形態により達成される。これらの実施形態の有利な実施は独立請求項の従属請求項中で定められる。特に、本願発明の実施形態は液体噴流中に入射されその液体噴流と結合する合成パルスレーザービームの使用に基づく。合成パルスレーザービームは具体的に切断しようとする材料を切断し、その品質を向上させるのに適している。

本願発明の第１の特長は、パルスレーザービームを用いて被加工材の特定の材料を切断または除去するための方法であって、少なくとも一個のレーザー光源を用いて前記パルスレーザービームを発生させるステップと、加圧された液体噴流を供給して前記被加工材に当てるステップと、前記パルスレーザービームを前記加圧された液体噴流中に入射させて前記加圧された液体噴流と結合させて前記被加工材に向かわせるステップと、を有し、 前記パルスレーザービームは前記被加工材の前記特定の材料に基づいて選ばれる少なくとも２つの重ね合わされたパルス波を有し、第１パルス波のパワーと周波数は第２パルス波と異なる方法を与える。

言い換えれば、前記第１の特長が与える方法を用いて切断または切除される単一の被加工材の材料用に、少なくとも２つのパルス波が選ばれ、重ね合わされて合成パルスレーザービームができる。各レーザーパルス波は特定のパターンが繰り返される所定のパルス波形を前記合成パルスレーザービームに与える。すなわち、所定のパルス波形とは、少なくとも第１レーザーパワーと第１レーザー周波数を有する第１レーザーパルス波形と第２レーザーパワーと第２レーザー周波数を有する第２レーザーパルス波形のそれぞれである。これら2つのレーザーパワーおよび２つの周波数が重なり合う。このようにして合成パルスレーザービームは繰り返しパターンを示す。

主として前記方法は一種類の材料（特定の材料）からなる中実のブロックからできている被加工材を切断または切除するために指定され、このような特定の材料の切断に適した少なくとも２つのパルス波を用いる。しかし、前記方法は２つ以上の材料を含む被加工材、例えば複数の異なる材料からなる複数の層からできている被加工材にも使うことができる。この場合、理想的には各材料層ごとに少なくとも２つのパルス波を用いて切断または切除される。もしもそのような2つの材料層が一度に切断または切除される場合、複数のパルス波が選ばれること、特に材料層ごとに少なくとも２つのパルス波が選ばれることが望ましい。

前記パルスレーザービーム中の第１パルス波は、例えば第１レーザー光源によって出力される主要／マスターレーザー発光によってできるものでよく、第２パルス波は例えば第２レーザー光源によって出力されるスレーブレーザー発光によってできるものでよい。各レーザー光源は、所定のパワー（独立したピークパワーおよび／またはパルス幅）および周波数（パルス繰り返し速度）を有する単一のパルスレーザービームを出力するものでよい。例えば、前記主要／マスターレーザー発光は、そのレーザー発光に対して切断あるいは切除される前記特定の材料が比較的強い吸収を示すように、かつ／または前記主要／マスターレーザー発光の光強度が前記スレーブレーザー発光よりも高くなるように選ばれる。一方、前記スレーブレーザー発光は、そのレーザー発光に対して前記特定の材料が比較的弱い吸収を示すように、かつ／または前記スレーブレーザー発光の光強度が前記主要レーザー発光よりも低くなるように選ばれる。しかし、上述の前記マスター／スレーブレーザー発光の効果は本明細書中では必ずしも「第１」および「第２」の名称で定められるわけではない。各レーザーパルス波のパワーと周波数の選択は切断または切除される前記特定の材料の周波数に依存する光吸収係数に基づく（依存する）。言い換えれば、前記特定の材料の光吸収はレーザー発光波長およびパルス特性が異なれば変化する。特に、2つの重ね合わせられるパルス波は単一の専用のレーザー光源によって作られるものでもよい。

被加工材を完全に切断して／被加工材中に切込みを入れて、その後にできる切断表面が極めて均一になるように、または被加工材を切除し、その後にできるその切除表面が極めて均一になるように前記合成パルスレーザービームは合成される。（レーザービームを用いて切断する場合の）切断表面はレーザービームの進行方向に沿って、例えばレーザービームが垂直に被加工材表面に当たる場合は被加工材表面に垂直に形成される。切断によって、例えば被加工材が２つの部分に分断される。切除表面は、フライス加工表面とも言い（レーザービームを用いて切除／フライス加工する時）、被加工材表面から被加工材の材料を一層ずつ除去することによって形成される。このように、切除／フライス加工表面は新しい被加工材表面になり、均一な厚さの一つ以上の層が除去される場合は元の被加工材表面と平行となる。特に、切除された被加工材の材料の層によって切除表面の品質が決まる。

特に、被加工材の特定の材料に基づいて前記少なくとも２つのパルス波を選ぶことによって、切断表面または切除表面の表面粗さが極めて小さくなり、切断表面または切除表面のばらつき部分がほとんど無いまたは全く無い表面になる。さらに、欠陥部分および欠け部分の発生がかなり減少し、または完全に抑制することもできる。また、いわゆる切断表面のテーパ形状効果も防げる。したがって、前記第１の特長の方法は被加工材、特に硬質材料および／または脆い材料でできた被加工材の切断および／または切除を全般的に改良する。さらに、前記第１の特長の方法によれば、切断部の表面品質を落とすことなく、従来技術の方法に比べて、被加工材中により深い切り込みを入れたり、より厚い被加工材を切断することや、被加工材のより厚い層を切除することが可能になる。

本願発明の方法の一実施態様では、前記第１パルス波は前記被加工材の前記特定の材料を切断または切除するのに適しており、前記第２パルス波は前記被加工材の前記特定の材料を切断または切除するのに適していない。

このことは、前記パルスレーザービーム中の前記第１パルス波（すなわち主要レーザー発光）のみを用いるだけで被加工材が完全に切断すること、あるいは被加工材中に少なくとも十分な切り込みを入れること、または被加工材が切除することができるが、表面品質は余り良くない状態であることを意味する。前記第２パルス波（第２パルスレーザー発光）を用いるだけでは、被加工材が完全に切断すること、あるいは被加工材中に少なくとも十分な切り込みを入れることはできないし、また被加工材を切除することもできないが、前記第２パルス波は被加工材の表面に引っかき傷をつけることのみができる。これらの２つのパルス波の能力はこれらパルス波の固有の特性、特にこれらパルス波それぞれのパワーと周波数によるものである。これらの特性は切断または切除する材料の種類に基づいて選ばれる。前記少なくとも２つのレーザーパルス波が重ね合わされて前記第１の特長の方法で用いられるパルスレーザービームになると、これらのレーザーパルス波が協働することにより被加工材を切断または切除し、しかも表面品質が改良される。

本願発明の方法の一実施態様では、前記第１パルス波は前記被加工材の前記特定の材料を切断または切除するのに適しており、前記第２パルス波は前記被加工材の前記特定の材料の表面を平滑にする、特に前記第１パルス波を用いて前記特定の材料を切断または切除することによってできた表面を平滑にするのに適している。

このことによって、切断部の縁が滑らかになり、さらに表面粗さがかなり小さくなり、または切除断面が平滑になる。また、欠陥部分および欠け部分を概ね防ぐことができる。

本願発明の方法の一実施態様では、前記第２パルス波は前記被加工材の前記特定の材料として均一な金属またはセラミック材料の表面を平滑にして、表面粗さプロファイルの算術平均を０．３μｍ以下、好ましくは０．１μｍ以下にするのに適している。

したがって、極めて滑らかな切断部または滑らかな切除部にすることができる。被加工材の厚さは０．３～１ｍｍ、例えば０．５mm程度でよく、または被加工材の厚さは１ｍｍよりも厚くてもよく、特に数ｍｍ、例えば１～５ｍｍでもよい。さらに、切断部の真直度は高く、特に切断部は完全に鉛直になる（ここで、「鉛直」は設計切断方向によって定められ、この切断方向とは例えば前記加圧された液体噴流の方向と平行であり、前記パルスレーザービームはこの液体噴流方向にガイドされる）。また、一つのパルス波のみを有するパルスレーザービームを用いた場合と違って、切断された被加工材の下側縁部には稜線ができない。

本願発明の方法の一実施態様では、前記被加工材の前記特定の材料の厚さが１ｍｍ以上である。

例えば、この厚さは数ｍｍでよい。したがって、従来技術の場合と比べてかなり厚い被加工材を切断または切除できることになる。

本願発明の方法の一実施態様では、前記方法は前記被加工材の２つ以上の材料を切断または切除するために用いる方法であり、前記被加工材は複数の異なる材料層を有し、前記パルスレーザービームは前記被加工材の複数の異なる材料層のそれぞれに対して選ばれる少なくとも２つの重ね合わされたパルス波を有する。

すなわち、前記被加工材の複数の（特定の）材料を切断または切除できる。例えば、被加工材は、複数の異なる材料層を有するまたは複数の異なる材料層からできた、複数の材料からなる被加工材でよい。この複数の材料層は、金属、半導体および／またはセラミックスを有するものでよい。

本願発明の方法の一実施態様では、前記少なくとも２つの重ね合わされたパルス波はさらに少なくとも一つのパラメータに基づいて、特に前記加圧された液体噴流の幅および／または圧力に基づいて選ばれる。

前記液体噴流によりガイドされたパルスレーザービームの特定の環境がここでは考慮される。例えば、前記少なくとも２つのパルス波は前記加圧された液体噴流が不安定になったり、断絶したりすることがないように選ばれる。例えば、前記加圧された液体噴流が水噴流と仮定すると、２つのパルス波は水が蒸発しないように選ばれる。さらに、前記パルスレーザービームの用いる液体との相互作用、例えば用いる液体によって周波数シフトがおきる可能性やレーザー光が減衰することが考慮される。

前記加圧された液体噴流が不安定になったり、断絶したりしないように前記２つのパルス波を選ぶため、次のことが関連している。選択したレーザーパルス波の特性（パルス幅、パルスエネルギー、平均パワー）と前記加圧された液体噴流との相互作用は通常非線形な関係を示す。前記加圧された液体噴流が断絶するか否か（すなわち、水の蒸発／キャビテーション並びに前記加圧された液体噴流の流体力学のモードおよび節の変化）は主にレーザーパルス波の周波数およびパルスのエネルギーに依存する。したがって、周波数および／またはパルスエネルギーは加圧された液体噴流の液体または特性（例えば、幅、圧力）に基づいて選べばよい。さらに、周波数および／またはパルスエネルギーはレーザービームが前記加圧された液体噴流中に入射して同液体噴流と結合している空間の割合に依存する。したがって、レーザービームの直径は前記加圧された液体噴流を発生させるのに用いるノズルの直径の半分よりも小さくなるように選べばよい。さらに、前記加圧された液体噴流とパルスの特性で決まる特定の断絶流束量が通常存在する。そのため、レーザーパルス波のピークパルス強度は２GW／ｃｍ²より小さくなるように選ばれる。

本願発明の方法の一実施態様では、前記第１パルス波の周波数は前記第２パルス波の周波数整数倍と異なる。

このことによりはパルスレーザービームの重ね合わせパターンが生じ、この重ね合わせパターンによって各パルス波が被加工材を問題なく切断または切除することに貢献することが可能になる。

本願発明の方法の一実施態様では、前記第１パルス波の周波数は前記第２パルス波と技術的に異なる周波数レベルであり、特に前記第１パルス波の周波数は１～４０ｋＨｚであり、前記第２パルス波の周波数は６０～３００ｋＨｚである。

また、前記パルスレーザービームは少なくとも第３パルス波を含むものでよい。この第３パルス波の周波数は１００ｋHz～１ＭＨｚでよい。３つの異なるパルス波を含むこのような合成パルスレーザービームを用いると、特に良い結果が得られる。パルス波周波数のこれらの異なる技術レベルは、パルス波それぞれの異なる目的にしたがって選ばれるものでよく、そのようなパルス波の目的とは、例えば前記第１パルスによる粗い切断または粗い切除、前記第２パルスによる切断表面／切断エッジまたは切除表面の粗い平滑化、および前記第３パルスによる切断表面／切断エッジまたは切除表面の微細な平滑化である。

本願発明の方法の一実施態様では、前記第１パルス波と前記第２パルス波は同期している。

本願発明の方法の一実施態様では、前記第１パルス波と前記第２パルス波は非同期である。

このようにすれば、重ね合わされて合成された複数のパルス波を前記パルスレーザービーム中に発生させることができ、前記パルスレーザービームは時間とともに変化する。このことを用いれば被加工材中に特定の不均一な切込みを入れる、または被加工材表面上の所定の構造を補うことができる。

本願発明の方法の一実施態様では、前記第１パルス波と前記第２パルス波の少なくとも一つは複数のサブパルスからなるバーストを有する。

特に、第１パルス波および／または第２パルス波の各パルスは複数のサブパルスからなるバーストを含む。このようなバーストのそれぞれは対応するサブパルスからできている。前記第１パルス波および／または第２パルス波を発生させる前記少なくとも一つのレーザー光源は、複数の周波数で発光するものでよく、高い周波数はバースト－インタパルスに特有の周波数であり、低い周波数はバースト繰り返し速度に対応する周波数である。バーストは隣り合うサブパルスの間の時間間隔を固定して発生させるものでよい。隣り合うバーストの間、すなわち一つのバーストの最後のサブパルスと次のバーストの第１サブパルスの間の固定時間間隔は長くしてもよい。

本願発明の方法の一実施態様では、前記被加工材の前記特定の材料は、コバルト－クロム－ニッケル合金、特にフィノックス合金（すなわち、特定のコバルト－クロム－ニッケル合金）、または銅－亜鉛－ニッケル合金、銅基合金あるいはアモルファス鋼であり、 前記第１パルス波の周波数は４～８ｋＨｚであり、前記第１パルス波の半値全幅（ＦＷＨＭ）のパルス幅は９０～１６０ｎｓであり、前記第２パルス波の周波数は８０～１２０ｋＨｚであり、前記第２パルス波の半値全幅のパルス幅は５～２０ｎｓである

本願発明の方法の一実施態様では、前記被加工材の前記特定の材料は半導体であり、前記第１パルス波の周波数は１８～４０ｋHzであり、前記第１パルス波の半値全幅（ＦＷＨＭ）のパルス幅は２００～５００ｎｓであり、前記第２パルス波の周波数は１００～３００ｋHzであり、前記第２パルス波の半値全幅（ＦＷＨＭ）のパルス幅は１５～３０ｎｓである

本願発明の方法の一実施態様では、前記被加工材の前記特定の材料は超硬質材料、特にセラミックまたはダイヤモンドであり、前記第１パルス波の周波数は１～１３ｋHzであり、前記第１パルス波の半値全幅（ＦＷＨＭ）のパルス幅は１００～１９０ｎｓであり、前記第２パルス波の周波数は５０～１５０ｋHzであり、前記第２パルス波の半値全幅（ＦＷＨＭ）のパルス幅は６～２０ｎｓである。

上述した好ましいパラメータを用いれば、特に被加工材が前記した材料でできている場合、切断表面または切除表面の表面品質が著しく優れたものになる。

本願発明の第２の特長は、パルスレーザービームを用いて被加工材の特定の材料を切断または切除するための装置であって、該装置は、前記パルスレーザービームを発生する少なくとも１個のレーザー光源と、加圧された液体噴流を供給して前記被加工材に当て、前記パルスレーザービームを前記加圧された液体噴流の中に入射させて前記加圧された液体噴流と結合させて前記被加工材に向かわせる少なくとも１個の機械加工ユニットと、を有し、前記パルスレーザービームは前記被加工材の前記特定の材料に基づいて選ばれる少なくとも２つの重ね合わされたパルス波を有し、第１パルス波のパワーと周波数は第２パルス波と異なる装置を与える。

この第２の特長の装置は前記第１の特長の方法のために述べた同じ利点をもたらす。すなわち、第２の特長の装置を用いれば、被加工材の材料を切断または切除することができ、しかも従来技術の装置よりも高い品質にすることができる。

本願発明の装置の一実施態様では、前記装置は前記パルスレーザービームを発生する単一のレーザー光源を有する。

本願発明の装置の一実施態様では、前記装置は前記パルスレーザービームを発生する複数のレーザー光源を有する。

例えば、２個のレーザー光源の場合、レーザー光の色（波長）は異なるものでよい。例えば、５３２ｎｍと５１５ｎｍ（緑）、または５３２ｎｍ（緑）と１０２４ｎｍ（赤外線）である。

本願発明の装置の一実施態様では、前記装置は前記パルスレーザービームを発生させるために前記複数のレーザー光源のそれぞれが発光するレーザー光を重ね合わせる光学系と、前記パルスレーザービームを前記機械加工ユニットまでガイドする光結合素子と、をさらに有する。

この態様では、前記光学系は前記機械加工ユニットの外部に配置されることになる。例えば、前記光学系は前記レーザー光源を有するレーザーユニットの内部にあるか、または前記レーザー光源用のレーザーヘッド内にあるものでよい。

本願発明の装置の一実施態様では、前記複数のレーザー光源が発光するレーザー光は少なくとも２つの互いに異なるパルス波周波数および／または少なくとも２つの互いに異なる色を有する。

前記第２の特長の装置はさらに複数の周辺デバイスを含むものでよい。例えば、レーザーコントローラ、水供給コントローラ、ガス供給コントローラまたは動作軸コントローラのような周辺デバイスを含むものでよい。

本願発明の前記した特長および実施態様は、以下の図面と関連する所定の実施形態の次節の記載により説明される。

図１は本願発明の実施形態にしたがう方法の流れ図を示す。 図２は本願発明の実施形態にしたがう方法で用いられるパルスレーザービームを概略的に示す。 図３は本願発明の実施形態にしたがう装置を示す。 図４は本願発明の実施形態にしたがう装置を示す。 図４は本願発明の実施形態にしたがう装置を示す。 図６は従来技術の方法／装置を用いて得られた切断結果と本願発明の実施形態にしたがう方法／装置を用いて得られた切断結果とを比較している。 図７は従来技術の方法／装置を用いて得られた切断結果を示す。 図８は従来技術のパルスレーザービームを示す。 図９は本願発明の実施形態にしたがう方法／装置を用いて得られた切断結果を示す。 図１０は本願発明の実施形態にしたがう方法／装置を用いて実施される切断方法の一つを示す。

図１は流れ図により本願発明の実施形態にしたがう方法１００を示す。方法１００はパルスレーザービームを用いて被加工材３１０の特定の材料を切断または切除するのに特に適している。方法１００は本願発明の実施形態にしたがう装置３００が実行する、または同装置３００を用いて実行されるものでよい（装置３００の詳細は図３を参照）。

方法１００は第１ステップ１０１を含み、第１ステップ１０１は一つ以上のレーザー光源、例えば装置３００の第１レーザー光源３０１および／または第２レーザー光源３０１ａを用いてパルスレーザー２００（図２参照）を発生させるものである。さらに、方法１００は第２ステップ１０２と第３ステップ１０３を含む。第２ステップ１０２は、例えば装置３００が出力する加圧された液体噴流３０３を供給して被加工材３１０上に当てるものであり、第３ステップ１０３は合成パルスレーザービーム２００を液体噴流３０３中に入射させて液体噴流３０３と結合させて被加工材３１０に向かわせるものである。

パルスレーザービーム２００を発生するステップ１０１は図１の方法１００で特に重要である。特に、パルスレーザー２００は切断または切除しようとする特定の被加工材３１０の材料に基づいて発生させる。すなわち該特定の被加工材３１０の材料の特性にしたがってレーザービーム２００中のパルス波を選択することによって発生させる。この目的のため、方法１００は少なくとも２個の重ね合わされたパルス波２０１、２０２を有するパルスレーザービーム２００を発生するステップ１０１を有する。各パルス波は被加工材３１０の特定の材料に基づいて選択される。前記２個の重ね合わされたパルス波２０１、２０２のうちの第１パルス波２０１のパワーと周波数は前記２個の重ね合わされたパルス波２０１，２０２のうちの第２パルス波２０２と相違する。

図２の（ｂ）は合成パルスレーザービーム２００を概略的に示し、この合成パルスレーザービーム２００は図１中に示す方法１００で用いられる。さらに、図２の（ａ）は２個のパルス波２０１、２０２を示し、これらのパルス波２０１、２０２はそれぞれパルスレーザービーム２００中に含まれる。図２中ではレーザーパワーＰがｙ軸で示され、時間がｘ軸で示されている。２個のパルス波２０１、２０２が重ね合わされてパルスレーザービーム２００となっている。重ね合わされたパルス波２０１、２０２は最終的なレーザービーム２００中の時間に対するレーザービームパワーの合成されたパターンを作っている。２個のパルス波２０１、２０２のパワーと周波数は互いに異なる（例えば、図２中ではパルス波２０２のピークパワーはパルス波２０１より低く、パルス波２０２の周波数はパルス波２０１よりも高い）。図２（ｂ）中に示す合成パルスレーザービーム２００が最終的に特定の被加工材材料を切断または切除するのに用いられる。

少なくとも２個の別々のパルス波形（少なくとも一つのレーザー光源３０１、３０１ａにより作られた）がレーザービーム２００中で重ね合わされている。ここで、少なくとも２個のパルス波２０１、２０２の周波数は互いに異なる。例えば、第１パルス波２０１の周波数は１～２５ｋＨｚでよく、第２パルス波２０２の周波数は８０～２５０ｋＨｚでよい。一例として、第１パルス波２０１の周波数をｆ₁＝１０ｋＨｚで、第２パルス波２０２の周波数をｆ₂＝１００ｋＨｚとすることができる。

一方、第２パルス波２０２の周波数ｆ₂は第１パルス波２０１の周波数ｆ₁の整数倍となるように選ばなくてもよい。さらに、ｆ₂はｆ₁とは技術的に異なる周波数レベルから選ぶことができる（例えば、ｆ₁はｎｓ－周波数レベルで、ｆ₂はｐｓ－周波数レベルとしてよい）。少なくとも２個のパルス波２０１、２０２はさらに同期していても、非同期であってもよく、少なくとも一つのレーザー光源３０１、３０２が同期している状態から非同期の状態に切り替わってもよいし、その逆でもよい。

第１パルス波２０１は材料を切断または切除するだけでよく、第１パルス波２０１により切断または切除のみする場合、切断表面の品質が低く、すなわち表面粗さが大きく、例えば表面粗さ（Ｒａ）の算術平均がＲａ＞０．３μｍ、またはＲａ＞１μｍとなる。このような状態でも、パルス波２０１が被加工材３１０の特定の材料を切断または切除するのに適していると考えて差し支えない。第２パルス波２０２のみでは、被加工材３１０の特定の材料に引っ掻き傷をつけることしかできず（すなわち、その特定の材料の最表面のみに引っ掻き傷をつけるだけで）、被加工材３１０の特定の材料を実質的に切断したり切除したりする（すなわち、所定の深さまで切断または切除する）のには適していないと考えられる。

しかし、少なくとも２個のパルス波２０１，２０２が重ね合わされてパルスレーザービーム２００になると、第１パルス波２０１は被加工材３１０の特定の材料の比較的大きい部分を除去して切断または切除を行い、第２パルス波２０２が切断または切除された表面を平滑にすることができる（例えば、Ｒａ？０．３μｍまたはＲａ？０．１μｍにすることもできる）。従来は切断または切除できなかった新しい種類の材料もこのようにすれば切断することができる。

図３は本願発明の実施形態にしたがう装置３００を示す。装置３００は通常パルスレーザービーム２００を用い、パルスレーザービーム２００を加圧された液体噴流中に入射させてその加圧された液体噴流と結合させて被加工材３１０を機械加工、特に被加工材３１０を切断または切除する。この目的のために、装置３００は機械加工ユニット３０２により加圧された液体噴流３０３を発生して供給し、パルスレーザービーム２００を加圧された液体噴流３０３の中に入射させてその加圧された液体噴流３０３と結合させる。パルスレーザービーム２００は一つのレーザー光源または複数のレーザー光源３０１、３０１ａ（２個は一例にすぎない）から受光する。このパルスレーザービーム２００の結合は機械加工ユニット３０２中で行われるのが好ましい。機械加工工程の間、被加工材３１０は機械加工表面上に配置されればよい。この機械加工表面は装置３００の一部であっても、そうでなくてもよい。どちらの場合でも、装置３００は前記機械加工表面上に配置された被加工材３１０を機械加工できるようになっている。この場合、装置３００は前記機械加工表面の３次元までの動きを制御できる。装置３００は特に液体噴流でガイドされたパルスレーザービーム２００を被加工材３１０を横切る切断または切除の経路上を動かして被加工材３１０を切断または切除できる。このパルスレーザービーム２００の動きは連続的な動きでも、ステップ単位の動きでもよく、その動きの速度は選択する／変化させることができる。

図４は本願発明の実施形態にしたがう装置３００を示し、この装置３００は図３中に示す装置３００に別の構成が追加されたものである。図３と図４中にある同一の構成要素は同じ参照符号が付けられ、同じ機能を果たす。したがって、図４の装置３００も少なくとも一個のレーザー光源３０１、３０１ａを有し、合成パルスレーザービーム２００を機械加工ユニット３０２に供給し、機械加工ユニットに合成パルスレーザービーム２００を供給し、機械加工ユニット中で合成パルスレーザービーム２００が加圧された液体噴流中３０３に入射させられその加圧された液体噴流３０３と結合する。

図４は装置３００の機械加工ユニット３０２中に配置される光学系および液体回路のさらに詳細部分を示す。機械加工ユニット３０２は、パルスレーザービーム２００を加圧された液体噴流３０３中に入射させてパルスレーザービーム２００を加圧された液体噴流３０３と結合させるために用いられる、少なくとも一個のレンズのような光学素子を特に含むものでよい。パルスレーザービーム２００は機械加工ユニット３０２の外部で作られ、機械加工ユニット３０２中に入光する。機械加工ユニット３０２中では、ミラーまたはビームスプリッタ４０２または他の光学素子によってパルスレーザービーム２００をガイドして少なくとも一個のレンズ４０３に向かわせる。ビームスプリッタ４０２を用いて、例えば工程制御のために、さらに装置３００の外部からレーザー光の一部を入射・結合させることもできる。機械加工ユニット３０２はまた光学的に透明な保護窓（図示せず）を有するものでよい。この保護窓により、前記光学系すなわちその一例としては光学素子４０３を、前記液体回路および加圧された液体噴流３０３を発生させる機械加工ユニット３０２の領域から分離できる。

加圧された液体噴流３０３を発生させるために、機械加工ユニット３０２は液体ノズル開口を有する液体噴流発生ノズルを含むものでよい。この液体噴流発生ノズルは保護された環境中で加圧された液体噴流を発生させるため機械加工ユニット３０２の内部に配置されるのが好ましい。前記液体ノズル開口によって加圧された液体噴流３０３の幅が決まる。前記液体ノズル開口の直径は、例えば１０～２００μｍであり、加圧された液体噴流の直径の直径は、例えば前記液体ノズル開口の約０．６～１倍になる。加圧された液体噴流３０３の圧力は外部の液体源を介して供給されるのが好ましい。加圧された液体噴流３０３の圧力は好ましくは５０～８００ｂａｒの間である。 装置３００から加圧された液体噴流３０３を出力するため、機械加工ユニット３０２は出口開口を有する出口ノズルを含むものでよい。この出口開口は前記液体ノズル開口よりも大きいことが好ましい。

図４は、装置３００が例えば複数のレンズのような複数の光学素子からなる組である光学系４００含むものでよいことをさらに示す。光学系４００は２個以上のレーザー光源（図４では２個のレーザー光源３０１、３０１ａ）が出光するレーザー光を重ね合わせてパルスレーザービーム２００を発生する。さらに、装置３００はパルスレーザービーム２００を機械加工ユニット３０２まで、さらにその中までガイドする光結合素子４０１を有するものでよい。光結合素子４０１は、例えば光ファイバでよい。

図５は本願発明の実施形態にしたがう装置３００を示す。この装置３００は図３に示す装置３００に別の構成要素が追加されたものである。図４と図５中にある同一の構成要素は同じ参照符号が付けられ、同じ機能を果たす。したがって、図５の装置３００も少なくとも１個のレーザー光源３０１、３０１ａを有し、合成パルスレーザービーム２００を機械加工ユニット３０２に供給し、機械加工ユニット３０２中で合成パルスレーザービーム２００が加圧された液体噴流３０３中に入射させられその加圧された液体噴流３０３と結合する。

図５に示す装置３００はさらに制御ユニット５００を含む。制御ユニット５００は少なくとも１個のレーザー光源３０１を制御することができる（例えば、少なくとも１個のレーザー光源３０１、３０１ａのレーザーコントローラ―に命令できる）。例えば、制御ユニット５００は少なくとも１個のレーザー光源３０１、３０１ａに発生させるパルス波２０１、２０２を決めて、これらのパルス波が最終的に重ね合って合成パルスレーザービーム２００になる。制御ユニット５００にはまた少なくとも２個のパルス波２０１、２０２を示す信号が入力されるものでよい。すなわち、制御ユニット５００は少なくとも１個のレーザー光源３０１、３０１ａのそれぞれのレーザーコントローラに指示して、指示に従ったレーザー発光を出力させる。この場合、制御ユニット５００は特にパルス波２０１とパルス波２０２のうちの一つ、またはそれぞれを制御用の参照信号とするものでよい。ここでレーザー光源３０１、３０１ａのそれぞれのレーザーコントローラは、制御ユニット５００からの指示にしたがって、パルスパワー、パルス幅、パルス補充速度、パルスバースト率（パルスがバーストを含む場合に、パルスごとのバースト率）またはパルス間の停止時間を設定できるものでよい。装置３００はヒト－機械インタフェース（ＨＭＩ）５０１を含むものでよい。ヒト－機械インタフェース（ＨＭＩ）５０１を用いて、装置３００のユーザーは制御ユニット５００に入力することができる。例えば、ユーザーの入力は切断または切除する被加工材３１０の特定の材料の少なくとも一つのパラメータを含む場合もある。制御ユニット５００はこのようにして少なくとも１個のレーザー光源３０１、３０１ａを制御するものでよい。

装置３００はさらに複数の周辺デバイスを含むものでよく、制御ユニット５００はそのような１台以上の周辺デバイスに指示信号を与えるものでよい。この場合、制御ユニット５００は選択したレーザーパルス波２０１、２０２に基づいて前記周辺デバイスを制御することができ、例えば前記周辺デバイスを指示して、指示に対応する動作を始動、中断、停止および／または再始動することができる。

例えば、図５中に示す装置３００は周辺デバイスとして液体／気体供給コントローラ５０２と動作軸コントローラ５０４（例えば、「コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）」）を含む。動作軸コントローラ５０４は被加工材３１０が置かれている機械加工表面、または代わりに被加工材３１０自身をＸ、ＹおよびＺ方向並びに／またはａ、ｂおよびｃ回転方向に動かすものでよい。この場合、Ｚ方向は加圧された液体噴流３０３と平行な方向であり、ＸおよびＹ方向は、Ｚ方向に垂直な方向になり、例えば機械表面の平面を特定する。したがって、被加工材３１０を３次元の自由度で動かして、Ｘ，ＹおよびＺ方向に変位させることができ、またはこれらの方向に平行な一つ以上の軸のそれぞれの周りで回転させることができる。

制御ユニット５００は複数の異なる周辺デバイスのそれぞれに指示信号を与える。制御ユニット５００は複数の周辺デバイスのそれぞれを他と独立に制御できる。制御ユニット５００から与えられる指示にしたがって、複数の周辺デバイスは指示された動作を行うことができる。例えば、少なくとも１個のレーザー光源３０１、３０１ａはレーザー発光用のレーザー光の供給を始動、休止または停止できる。液体／ガス供給コントローラ５０２は液体／ガス圧力制御弁５０３を制御して、機械加工ユニット３０２への液体（例えば、水）および／またはガス（供給する水の保護用ガスとしてヘリウム）の供給を始動、中断または停止することができる。動作軸コントローラ５０４によって被加工材３１０に特定の動きをさせることができる。すなわち、動作軸コントローラ５０４は被加工材３１０が配置される機械加工表面を制御できる。このようにすれば、被加工材３０１を加圧された液体噴流３０３中のパルスレーザービーム２００に対して相対的に動かすことができ、切断経路または切除経路を定めることができる。

動作軸コントローラ５０４は被加工材３１０の機械加工ユニット３０２に対する相対的なｘ－ｙ―ｚ方向位置を変化させることができる。特に、動作軸コントローラ５０４はパルスレーザービーム２００のレーザーパルスのそれぞれの後に被加工材３１０の位置を変えることができる。ここで、被加工材の位置はステップ単位で変化させてもよいし、連続的に変化させてもよい。動作軸コントローラ５０４が、被加工材３１０を所定の軌道上を動かしながら被加工材３１０のｘ－ｙ－ｚ方向位置の変化を加速または減速させることも可能である。このようにすることにより、切り込みまたは切除の深さを変化させることができる。

図６は、従来技術の装置６００および方法により得られた切断結果（ａ）と本願発明の実施形態にしたがう方法１００および装置３００により得られた切断結果（ｂ）との比較を概略的に示す。

特に、図６（ａ）に示す装置６００は機械加工ユニット６０２を含み、液体噴流６０３を出力し、液体噴流６０３の中にはレーザービームが入射して液体噴流６０３と結合する。このレーザービームは連続的なレーザービームまたは単一のパルス波を有するパルスレーザービームである。液体噴流６０３中のレーザービームは所定の切断経路６２０上を動いて被加工材３１０を横切る。これにより切断表面６０１（影が付けられている）ができる。しかし、残念ながら切断表面６０１の表面品質は余り高くない。特に、切断表面６０１には表面品質ばらつき部分６０４ができることが多い。この表面品質ばらつき部分６０４は切断経路の沿ったどの部分の切断表面にも発生しうる。さらに、欠陥部分または欠け部分６０５、６０６が切断部の縁上にできる。特に、欠け部分６０６は被加工材３１０の表の面にでき（すなわち、装置６００に向き合う側）、欠け部分６０５は被加工材３１０の裏の面にできる。

しかし、本願発明の実施形態にしたがう図６（ｂ）中に示す装置３００を用いるやり方で、または本願発明の実施形態にしたがう通常の方法１００を用いるやり方で、同じ切断経路６２０に沿って被加工材３１０が切断されれば、切断表面６１０はかなり改良される。特に、切断表面６１０は表面品質ばらつき部分のない極めて均一な表面になっている。さらに、例えば欠けによって生じる欠陥部分も抑えられている。

図７は従来技術の方法および装置６００の場合で、用いるパルスレーザービームの種類を変えて得られる複数の切断結果を示す。これらの切断結果に関して、図８は２つの従来技術のパルスレーザービームを概略的に示す。標準的なレーザー光源は一つの型のパルス波しか出力できない。この点に関し、図８の（ａ）は高パワーで低い周波数のパルス波８０１を示す一方、図８の（ｂ）は低パワーで高い周波数のパルス波８０２を示す。複数の異なるオプションの間での切り替え、例えば互いに異なるパルス波８０１とパルス波８０２との間で切り替えると、レーザービームが不安定になり、切断部の結果が正確でなくなる。特に、図７の（ａ）はパルス波８０１を用いたときの切断結果を示し、図７の（ｂ）では図８のパルス波８０２を用いたときの切断結果を示す。

高パワーで低い周波数のパルス波８０１を用いた場合、欠け部分７００が多く生じ、切断表面７０１の品質は余りよくないが、テーパ形状にはなっていない。例えば、図８（ａ）中に示す大きなレーザーパルスを用いてフィノックス合金材料を切断すると、切断表面上に火山状の構造ができ、すなわち表面粗さが大きくなる。

低パワーで高い周波数のパルス波８０２を用いると、欠けの発生は比較的少ないが、切断表面はテーパ形状になる場合が多く、良くない品質の表面になる。例えば、０．２５ｍｍよりも厚い金属基板を図８（ｂ）中に示す比較的短いレーザーパルスを用いて切断する時の大きな問題は、テーパ効果が＞１０μｍになり、表面粗さが許容範囲になるのは頂面から底側までの最初の１００～２００μｍまでの表面のみだけである。

図９は本願発明の実施形態にしたがう方法１００および装置３００を用いて得られた切断結果を概略的に示すものであり、この切断結果は図７中に示す切断経路と同様な切断経路６２０に対応する結果である。テーパ形状や欠け部分がない高い品質の切断表面６１０が得られた。したがって、この切断品質は従来技術の装置６００および方法をかなり改良したものになっている。

本願発明の実施形態にしたがう方法１００を用いて実施される既定の切断方法においては、被加工材３１０の特定の材料を合成パルスレーザービーム２００のみを用いて切断する。この方法では、被加工材３１０の切断は、比較的遅い速度での単一のパス（すなわち、材料が切断されて単一層ができる）、あるいは例えば比較的速い速度で複数のパス（すなわち、すべての材料を除去するには複数の層が必要である）のいずれかで行うか、または、単一あるいは複数のパスで切断するが最後のパス（仕上げパス）ではブリッジ部分を残して材料を保持して、その後切断表面を平滑にしてブリッジ部分を切断する。

図１０は代わりの切断方法を概略的に示すものであり、この切断方法は本願発明の実施形態にしたがう方法１００を用いて実施できるので有利である。この切断方法は通常のパルスレーザービームと合成パルスレーザービーム２００の両方を用いる。第１ステップでは、被加工材３１０の特定の材料は最終切断部１０００よりも大きいが深さが浅い切り込み１００１を入れる機械加工を行うものでよい。例えば、切り込み１００１は最終切断部１０００よりも１０～６０μｍ大きく、その深さが最終切断部１０００の９０～９５％でよい。この第１ステップを行うために、被加工材３１０を始めに高速で切断して切り込み１００１を入れることを（前記特定の材料用に選んだ）前記した少なくとも２つのパルス波２０１、２０２の一つのみを用いることができる。その後第２ステップでは、被加工材３１０中の所望の切断部１０００を仕上げるため、合成パルスレーザービーム２００を用いて最終切断部１０００ができる。まとめると、高速切断でしかも高い表面品質という結果になる。

本願発明を様々な実施形態および実施態様とともに説明した。しかし、当業者ならば、添付した図面を見て、明細書および独立請求項を読めば、他の変更例を理解し、考えつくことができる。発明の詳細な説明中だけでなく特許請求の範囲中で、「有する(comprising)」は他の要素やステップを排除するものではなく、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は複数を排除するものではない。単一の要素または他のユニットは特許請求の範囲中の複数の物や製品の機能を果たしてもよい。所定の複数の手段が互いに異なる請求項に記載されているからといって、これらの手段の組み合わせを用いて好都合な実施態様にすることできないということを示すものではない。

Claims (16)

1. パルスレーザービーム（２００）を用いて被加工材（３１０）の特定の材料を切断または除去するための方法（１００）であって、
   少なくとも一個のレーザー光源（３０１、３０１ａ）を用いて前記パルスレーザービーム（２００）を発生させるステップ（１０１）と、
   加圧された液体噴流（３０３）を供給して前記被加工材（３１０）に当てるステップ（１０２）と、
   前記パルスレーザービーム（２００）を前記加圧された液体噴流（３０３）中に入射させて前記加圧された液体噴流（３０３）と結合させて前記被加工材（３１０）に向かわせるステップ（１０３）と、を有し、
   前記パルスレーザービーム（２００）は前記被加工材（３１０）の前記特定の材料に基づいて選ばれる少なくとも２つの重ね合わされたパルス波（２０１，２０２）を有し、
   第１パルス波（２０１）のパワーと周波数は第２パルス波（２０２）と異なり、
   前記第１パルス波（２０１）は、前記被加工材（３１０）の前記特定の材料を切断または切除するように構成され、
   前記第２パルス波（２０２）は、前記第１パルス波（２０１）を用いて前記被加工材（３１０）の前記特定の材料を切断または切除することによってできた表面（６１０）を平滑にするように構成される方法（１００）。
2. 前記第２パルス波（２０２）は前記被加工材（３１０）の前記特定の材料を切断または切除しないように構成される請求項１に記載する方法（１００）。
3. 前記第２パルス波（２０２）は前記被加工材（３１０）の前記特定の材料として均一な金属またはセラミック材料の表面を平滑にして、表面粗さプロファイルの算術平均を０．３μｍ以下にするように構成される請求項１または２記載する方法（１００）。
4. 前記被加工材（３１０）の前記特定の材料の厚さが１ｍｍ以上である請求項１～３のいずれか１項に記載する方法（１００）。
5. 前記被加工材（３１０）の２つ以上の材料を切断または切除するための請求項１～４のいずれか１項に記載する方法（１００）であって、
   前記被加工材（３１０）は複数の異なる材料層を有し、
   前記パルスレーザービーム（２００）は前記被加工材（３１０）の複数の異なる材料層のそれぞれに対して選ばれる少なくとも２つの重ね合わされたパルス波（２０１、２０２）を有する方法（１００）。
6. 前記少なくとも２つの重ね合わされたパルス波（２０１、２０２）はさらに少なくとも一つのパラメータに基づいて選ばれる請求項１～５のいずれか１項に記載する方法（１００）。
7. 前記第１パルス波（２０１）の周波数は前記第２パルス波（２０２）と技術的に異なる周波数レベルであって、前記第１パルス波（２０１）の周波数は１～４０ｋＨｚであり、前記第２パルス波（２０２）の周波数は６０～３００ｋＨｚである請求項１～６のいずれか１項に記載する方法（１００）。
8. 前記第１パルス波と前記第２パルス波は同期している請求項１～７のいずれか１項に記載する方法（１００）。
9. 前記第１パルス波（２０１）と前記第２パルス波（２０２）は非同期である請求項１～８のいずれか１項に記載する方法（１００）。
10. 前記第１パルス波（２０１）と前記第２パルス波（２０２）の少なくとも一つは複数のサブパルスからなるバーストを有する請求項１～９のいずれか１項に記載する方法（１００）。
11. 前記被加工材（３１０）の前記特定の材料は、コバルト－クロム－ニッケル合金、または銅－亜鉛－ニッケル合金、銅基合金あるいはアモルファス鋼であり、
    前記第１パルス波（２０１）の周波数は４～８ｋＨｚであり、前記第１パルス波（２０１）の半値全幅（ＦＷＨＭ）のパルス幅は９０～１６０ｎｓであり、
    前記第２パルス波（２０２）の周波数は８０～１２０ｋＨｚであり、前記第２パルス波（２０２）の半値全幅のパルス幅は５～２０ｎｓである請求項１～１０のいずれか１項に記載する方法（１００）。
12. 前記被加工材（３１０）の前記特定の材料は半導体であり、
    前記第１パルス波（２０１）の周波数は１８～４０ｋＨｚであり、前記第１パルス波（２０１）の半値全幅のパルス幅は２００～５００ｎｓであり、
    前記第２パルス波（２０２）の周波数は１００～３００ｋＨｚであり、前記第２パルス波（２０２）の半値全幅のパルス幅は１５～３０ｎｓである請求項１～１０のいずれか１項に記載する方法（１００）。
13. 前記被加工材（３１０）の前記特定の材料は硬質材料であり、
    前記第１パルス波（２０１）の周波数は１～１３ｋＨｚであり、前記第１パルス波（２０１）の半値全幅のパルス幅は１００～１９０ｎｓであり、
    前記第２パルス波（２０２）の周波数は５０～１５０ｋＨｚであり、前記第２パルス波（２０２）の半値全幅のパルス幅は６～２０ｎｓである請求項１～１０のいずれか１項に記載する方法（１００）。
14. パルスレーザービーム（２００）を用いて被加工材（３１０）の特定の材料を切断または切除するための装置（３００）であって、
    該装置（３００）は、
    前記パルスレーザービーム（２００）を発生する少なくとも１個のレーザー光源（３０１、３０１ａ）と、
    加圧された液体噴流（３０３）を供給して前記被加工材（３１０）に当て、前記パルスレーザービーム（２００）を前記加圧された液体噴流（３０３）の中に入射させて前記加圧された液体噴流（３０３）と結合させて前記被加工材（３１０）に向かわせる少なくとも１個の機械加工ユニット（３０２）と、を有し、
    前記パルスレーザービーム（２００）は前記被加工材（３１０）の前記特定の材料に基づいて選ばれる少なくとも２つの重ね合わされたパルス波（２０１、２０２）を有し、
    第１パルス波（２０１）のパワーと周波数は第２パルス波（２０２）と異なり、
    前記第１パルス波（２０１）は、前記被加工材（３１０）の前記特定の材料を切断または切除するように構成され、
    前記第２パルス波（２０２）は、前記第１パルス波（２０１）を用いて前記被加工材（３１０）の前記特定の材料を切断または切除することによってできた表面（６１０）を平滑にするように構成される装置（３００）。
15. 前記パルスレーザービーム（２００）を発生させるために前記複数のレーザー光源（３０１，３０１ａ）のそれぞれが発光するレーザー光を重ね合わせる光学系（４００）と、
    前記パルスレーザービーム（２００）を前記機械加工ユニット（３０２）までガイドする光結合素子（４０２）と、をさらに有する請求項１４に記載する装置（３００）。
16. 前記複数のレーザー光源（３０１，３０１ａ）が発光するレーザー光が少なくとも２つの互いに異なるパルス波周波数および／または少なくとも２つの互いに異なる色を有する請求項１４または１５に記載する装置（３００）

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