特許 7175407 加工物のレーザ加工のための機械加工装置および加工物のレーザ加工のための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-10

(45)【発行日】2022-11-18

(54)【発明の名称】加工物のレーザ加工のための機械加工装置および加工物のレーザ加工のための方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/082 20140101AFI20221111BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20221111BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20221111BHJP

   G02B 26/10 20060101ALI20221111BHJP

   G02B 26/08 20060101ALN20221111BHJP

【ＦＩ】

B23K26/082

B23K26/00 P

B23K26/064 N

G02B26/10 Z

G02B26/08

【請求項の数】 21

(21)【出願番号】P 2021572074

(86)(22)【出願日】2020-06-05

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-06-09

(86)【国際出願番号】 EP2020065615

(87)【国際公開番号】W WO2020245349

(87)【国際公開日】2020-12-10

【審査請求日】2022-02-01

(31)【優先権主張番号】102019115554.1

(32)【優先日】2019-06-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】503168692

【氏名又は名称】バイストロニック レーザー アクチェンゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】シャイディガー ジーモン

(72)【発明者】

【氏名】ルーディ アンドレアス

(72)【発明者】

【氏名】ムメンターラー マルティン

(72)【発明者】

【氏名】シュタインリン マルクス

【審査官】柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１６１９０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－２２８６７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５２５２２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／００－２６／７０

Ｇ０２Ｂ ２６／１０

Ｇ０２Ｂ ２６／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

加工物（１２）の機械加工ゾーン（１３）内のレーザ加工のための機械加工装置、特にレーザ切削のための機械加工装置、特にレーザ加工ヘッドであって、
機械加工レーザビーム（１５）を発生させるための機械加工レーザ源のための第１のインタフェース（１４）と、
前記機械加工ゾーンによって発射された放射（１７）を検出する検出デバイスのための第２のインタフェース（１６）と、
前記機械加工レーザビームのための出口開口（１８）と、
第１および第２のレーザビーム誘導デバイス（２０、２２）と
を有し、
前記第１のレーザビーム誘導デバイス（２０、２０ａ、２０ｂ）が、前記機械加工レーザビームを前記第２のレーザビーム誘導デバイスへ誘導するように、および前記機械加工レーザビームを動的に運動させるように、特に、前記機械加工レーザビームを動的に整形するように配置および設計されており、
前記第２のレーザビーム誘導デバイス（２２）が、動的に運動させた前記機械加工レーザビームを前記出口開口を通り抜けるように誘導するように、および前記機械加工ゾーンによって発射され前記出口開口を通り抜けた前記放射を少なくとも部分的に前記第２のインタフェースへ誘導するように配置および設計されており、
前記第１のレーザビーム誘導デバイスが、偏向前の前記機械加工レーザビームに対して、９０°よりも小さい角度もしくは９０°よりも大きい角度で少なくとも１回、および９０°よりも小さい角度で少なくとも１回、前記機械加工レーザビームを偏向させるように設計されている、
ことを特徴とする機械加工装置。

【請求項2】

請求項１に記載の機械加工装置であって、
前記第２のインタフェースが、前記機械加工ゾーンによって発射され前記出口開口を通り抜けた前記放射の少なくとも一部分を検出する検出デバイス（２４）に接続されているか、もしくは前記検出デバイス（２４）を備え、ならびに／または
前記第２のレーザビーム誘導デバイスが、前記機械加工レーザビームを偏向させるように設計されている
ことを特徴とする機械加工装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載の機械加工装置であって、
前記第１のレーザビーム誘導デバイス（２０）が、前記機械加工レーザビームのための少なくとも１つの偏向デバイス（２０ａ；３０；４０；５０；５２）を有し、前記少なくとも１つの偏向デバイス（２０ａ；３０；４０；５０；５２）が、少なくとも１つの運動ユニット（２０ｂ；３２ａ；３２ｂ；３２ｃ）によって少なくとも部分的に動的に運動可能である
ことを特徴とする機械加工装置。

【請求項4】

請求項３に記載の機械加工装置であって、
前記偏向デバイスが、動的に向き付け可能な少なくとも１つのミラー（３０）を有する
ことを特徴とする機械加工装置。

【請求項5】

請求項３または４に記載の機械加工装置であって、
前記第１のレーザビーム誘導デバイスが少なくとも１つのガルバノメータスキャナ（４０）を有し、かつ／または前記偏向デバイスがガルバノメータスキャナ（４０）として設計されている
ことを特徴とする機械加工装置。

【請求項6】

請求項３に記載の機械加工装置であって、
前記偏向デバイスが、複数のミラーセグメントを有する少なくとも１つのセグメント化ミラー（５０）を有し、前記複数のミラーセグメントがそれぞれ動的に向き付け可能である
ことを特徴とする機械加工装置。

【請求項7】

請求項３に記載の機械加工装置であって、
前記偏向デバイスが、動的に変形可能な少なくとも１つのミラー（５２）を有する
ことを特徴とする機械加工装置。

【請求項8】

請求項７に記載の機械加工装置であって、
前記偏向デバイスが、少なくとも１つのピエゾアクチュエータによって変形可能なミラー、変形可能なバイモルフミラー、ＭＥＭＳまたはＭＯＥＭＳに基づいて変形可能なミラー、および振動コイルに基づいて変形可能なミラーの中から選択された少なくとも１つの要素を有する
ことを特徴とする機械加工装置。

【請求項9】

請求項３および４のいずれか一項に記載の機械加工装置であって、
前記偏向デバイスが、軸の周りを回転することができる少なくとも１つのミラー（３０）を有し、前記軸が、前記ミラーの反射平面との間に角度を形成し、前記少なくとも１つのミラー（３０）が、前記角度が９０°よりも大きくなるようにまたは９０°よりも小さくなるように向き付け可能である
ことを特徴とする機械加工装置。

【請求項10】

請求項１および２のいずれか一項に記載の機械加工装置であって、
前記第１のレーザビーム誘導デバイス（２０）が、
少なくとも１つの運動ユニット（７１）によって少なくとも部分的に動的に運動可能な少なくとも１つの光学ユニット（７０）、特に屈折光学ユニットおよび／または軸外し放物面ミラーと、
任意選択で、前記機械加工レーザビームのための少なくとも１つの第１の偏向デバイス（７２）と、
を有し、前記少なくとも１つの第１の偏向デバイス（７２）が動的に運動可能でなく、
前記屈折光学ユニットおよび／または軸外し放物面ミラーは、特に動的に運動可能なレーザファイバエンドユニットである、
ことを特徴とする機械加工装置。

【請求項11】

請求項３から１０のいずれか一項に記載の機械加工装置であって、
前記運動ユニット（３２ａ；３２ｂ；３２ｃ；７１）が、１つのピエゾアクチュエータ、電動機、空気圧モータ、カム、振動電磁場を発生させるための装置、ＭＥＭＳ発振器、振動コイル、静電的に運動可能なアクチュエータ、複数のピエゾアクチュエータ、電動機、空気圧モータ、カム、振動電磁場を発生させるための装置、ＭＥＭＳ発振器、振動コイル、静電的に運動可能なアクチュエータ、および／またはそれらの組合せの中から選択された少なくとも１つの要素を有する
ことを特徴とする機械加工装置。

【請求項12】

請求項２から１１のいずれか一項に記載の機械加工装置であって、
前記第１のレーザビーム誘導デバイスが、９０°よりも小さい角度、９０°に等しい角度および／もしくは９０°よりも大きい角度で前記機械加工レーザビームを少なくとも１回、偏向させるように設計されており、かつ／または
前記第２のレーザビーム誘導デバイスが、偏向前の前記機械加工レーザビームに対して、９０°よりも小さい角度、９０°に等しい角度もしくは９０°よりも大きい角度で前記機械加工レーザビームを偏向させるように設計されている
ことを特徴とする機械加工装置。

【請求項13】

請求項２から１２のいずれか一項に記載の機械加工装置であって、
前記第２のレーザビーム誘導デバイス（２２）が、前記機械加工レーザビームのための少なくとも１つの第２の偏向デバイス（２３）を有し、前記少なくとも１つの第２の偏向デバイス（２３）が動的に運動可能でない
ことを特徴とする機械加工装置。

【請求項14】

請求項１３に記載の機械加工装置であって、
前記第２のレーザビーム誘導デバイス、特に前記第２の偏向デバイスが、前記機械加工ゾーンによって発射された前記放射に対して少なくとも部分的に透過性であり、ならびに／または
前記第２のレーザビーム誘導デバイス、特に前記第２の偏向デバイスが、動的に運動させた前記機械加工レーザビームを、前記機械加工ゾーンによって発射され前記出口開口を通り抜けた前記放射と少なくとも部分的に同軸で誘導するように配置および設計されており、ならびに／または
前記第２のレーザビーム誘導デバイス、特に前記第２の偏向デバイスが少なくとも１つのダイクロイックミラーを有するか、もしくはダイクロイックミラーとして設計されている
ことを特徴とする機械加工装置。

【請求項15】

請求項１から１４のいずれか一項に記載の機械加工装置であって、
前記第１のレーザビーム誘導デバイスが、前記第１のインタフェースと前記第２のレーザビーム誘導デバイスの間のエリアに配置されており、ならびに／または
前記第２のレーザビーム誘導デバイスが、前記第２のインタフェースと前記出口開口の間のエリアに配置されており、ならびに／または
前記第１のインタフェースと前記出口開口の間のエリアおよび／もしくは前記第２のインタフェースと前記出口開口の間のエリアに少なくとも１つの光学部材（８０）が配置されており、ならびに／または
前記第２のレーザビーム誘導デバイスと前記出口開口の間のエリアに集束光学部材（８０）が配置されている
ことを特徴とする機械加工装置。

【請求項16】

請求項３から１１のいずれか一項に記載の機械加工装置であって、
前記第１のインタフェース（１４）が、前記機械加工レーザビームを発生させるための機械加工レーザ源（８２）に接続されているか、もしくは前記機械加工レーザ源（８２）を備え、および／または
前記機械加工装置、特に前記第１のレーザビーム誘導デバイス、特に前記少なくとも１つの運動ユニットを制御するために制御ユニット（８４）が提供されている
ことを特徴とする機械加工装置。

【請求項17】

請求項２から１６のいずれか一項に記載の機械加工装置であって、
前記検出デバイスが適応光学ユニット（２５）を有する
ことを特徴とする、機械加工装置。

【請求項18】

請求項３から９のいずれか一項に記載の機械加工装置であって、
前記第１のレーザビーム誘導デバイス（２０）が、少なくとも１つの運動ユニット（７１）によって少なくとも部分的に動的に運動可能な少なくとも１つの光学ユニット（７０）を有し、
前記機械加工レーザ源が、少なくとも１ｋＷ、好ましくは少なくとも４ｋＷ、より好ましくは１から３０ｋＷの間、最も好ましくは１から２５ｋＷの間のレーザパワーを提供し、ならびに／あるいは
前記第１のレーザビーム誘導デバイスの前記動的に運動可能な偏向デバイスもしくは前記動的に運動可能な光学ユニット（７０）が、１０Ｈｚから１５ｋＨｚの間、好ましくは１００Ｈｚから１０ｋＨｚの間の周波数で少なくとも部分的に運動可能であり、ならびに／あるいは
前記第１のレーザビーム誘導デバイスが、前記機械加工レーザビームを動的に運動させたときに、２次元もしくは３次元リサージュ図形または２次元もしくは３次元リサージュ図形の組合せに対応する焦点振動経路を有する、少なくとも１つの振動振幅および少なくとも１つの振動周波数の焦点振動を発生させるように設計されている
ことを特徴とする機械加工装置。

【請求項19】

加工物のレーザ加工のための、特にレーザ切削のための請求項１から１８のいずれか一項に記載の機械加工装置の使用。

【請求項20】

請求項１から１８のいずれか一項に記載の機械加工装置（１０；１００；２００；２０１；３００；３０１；４００；５００）を使用した加工物のレーザ加工のための方法、特にレーザ切削のための方法であって、
機械加工装置の第１のインタフェース（１４）に提供された機械加工レーザ源（８２）からの機械加工レーザビーム（１５）を、前記機械加工装置の出口開口（１８）を通して、加工物（１２）の機械加工ゾーン（１３）に照射するステップと、
前記機械加工ゾーンによって発射され前記出口開口を通り抜けた前記放射（１７）の少なくとも一部分を、前記機械加工装置の第２のインタフェース（１６）に接続された検出デバイス（２４）または前記第２のインタフェース（１６）上に提供された検出デバイス（２４）によって検出するステップと
を有し、
前記機械加工レーザビームが、前記機械加工装置の第１のレーザビーム誘導デバイス（２０）によって動的に運動し、特に、前記機械加工装置の前記第１のレーザビーム誘導デバイス（２０）によって動的に整形され、前記機械加工装置の第２のレーザビーム誘導デバイス（２２）へ誘導され、動的に運動した前記機械加工レーザビームが、前記第２のレーザビーム誘導デバイスによって前記出口開口を通り抜けるように誘導され、
前記機械加工ゾーンによって発射され前記出口開口を通り抜けた前記放射が、少なくとも部分的に、前記第２のレーザビーム誘導デバイスによって前記第２のインタフェースへ誘導される
ことを特徴とする方法。

【請求項21】

請求項２０に記載の方法であって、前記第２のレーザビーム誘導デバイスが、動的に運動した前記機械加工レーザビームを、前記機械加工ゾーンによって発射され前記出口開口を通り抜けた前記放射と少なくとも部分的に同軸で誘導することを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、加工物のレーザ加工のための機械加工装置、加工物のレーザ加工のための機械加工装置の使用、および加工物のレーザ加工のための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ加工装置は、加工物のレーザ加工、特に、レーザ切削などのレーザ放射によって材料を熱により分離するための方法で使用されている。多くの場合に、加工物上へ機械加工レーザビームを誘導するため、例えば、機械加工する金属シート上へ機械加工レーザビームを誘導するために、レーザ加工ヘッドが使用される。

【0003】

加工物のタイプ、例えば金属シートの厚さおよび加工物の材料によっては、ならびに／または機械加工プロセスによっては、異なるレーザビームを使用することが望ましいことがある。市販の一部のレーザ加工ヘッドは、レーザ源からのレーザビームに対する変更できない光学撮像比（ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｒａｔｉｏ）を提供する。しかしながら、実際には、固定された撮像は、切削品質の減失、具体的には粗さおよびばり付着、ならびにより低い送り速度、特に中程度の金属シート厚から厚い金属シート厚に対するより低い送り速度に関連するため、このタイプの撮像は妥協策とみなされることがある。近年、焦束レーザビームのスポットサイズを対応するそれぞれの用途（例えばレーザ切削の場合には金属シートの厚さおよび材料）に適合させるため、レーザ加工ヘッド用のズーム光学部品が開発された。

【0004】

レーザビームを機械加工プロセスに適合させるための手法であって、強度分布および／または品質、特にレーザビームのビームパラメータ積（ｂｅａｍ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔ）（ＢＰＰ）を用途に適合させることができる以下のような手法も存在する。
米国特許第８７８１２６９（Ｂ２）号明細書は、レーザビームのビーム断面特性を変化させるための方法を記載している。

【0005】

米国特許第９２５０３９０（Ｂ２）号明細書は、スポットサイズと同時にレーザビームの発散を動的に調整することができる、レーザ加工システム用のウェーブガイドシステムに関する。

【0006】

米国特許第９３４６１２６（Ｂ２）号明細書は、レーザ発振器によって発射されたレーザビームを球面レンズを用いて収束させるレーザ加工ヘッドを開示している。

【0007】

欧州特許出願公開第２７３０３６３（Ａ１）号明細書は、レンズおよびアキシコン（ａｘｉｃｏｎ）によってレーザビームの強度分布を変更することができる、レーザ加工装置用の光学系を記載している。

【0008】

欧州特許出願公開第２７６２２６３（Ａ１）号明細書は、膨張する内径および外径を有する環状レーザビームが集光レンズによって生成される、レーザ切削装置に関する。

【0009】

独国特許出願公告第２８２１８８３（Ｂ１）号明細書によれば、アキシコンおよび下流のレンズによって、環状の温度分布またはカップ形の温度分布を生じさせることができ、それによって加工物内の温度を均質にすることができる。

【0010】

独国特許出願公開第１０２０１５１１６０３３（Ａ１）号明細書は、ビーム直径拡大部分を有する光学透過要素を備えるレーザ加工装置を記載している。

【0011】

欧州特許第２７７８７４６（Ｂ１）号明細書は、焦点面におけるビームスポットのサイズパラメータを変更することができるデバイスを開示している。

【0012】

独国特許出願公開第１０２０１５１０１２６３（Ａ１）号明細書は、レーザ放射によって材料を機械加工するための装置であって、集束光学部品と、プレート形の少なくとも２つの光学部材を用いて強度分布を設定するための設定光学部品とを有する装置に関する。

【0013】

独国特許第１０２００８０５３３９７（Ｂ４）号明細書は、レーザ放射を用いて加工物を溶断するための方法であって、レーザビームの入射角がブルースター角付近の１つの間隔内に維持されるようなやり方でフィード運動の上に重ねられたレーザビームの焦点の運動によって切削前面の傾斜角が永続的に変化する方法を開示している。

【0014】

高周波ビーム振動は動的ビーム整形技術に含まれる。高周波ビーム振動は、異なる強度分布を生じさせることができ、レーザビームを対応するそれぞれの金属シート厚／品質に適合させる際に高度の柔軟性が存在するという大きな利点を有する。このようにすると、さらに、レーザ加工においてより良好な結果を達成することができる（ゴッポルド他（Ｇｏｐｐｏｌｄ，ｅｔ ａｌ．）：Ｃｈａｎｃｅｎ ｕｎｄ Ｈｅｒａｕｓｆｏｒｄｅｒｕｎｇｅｎ ｄｅｒ ｄｙｎａｍｉｓｃｈｅｎ Ｓｔｒａｈｌｆｏｒｍｕｎｇ，Ｄｅｕｔｓｃｈｅｒ Ｓｃｈｎｅｉｄｋｏｎｇｒｅｓｓ，２０１８、ゴッポルド他（Ｇｏｐｐｏｌｄ，ｅｔ ａｌ．）：Ｄｙｎａｍｉｃ Ｂｅａｍ Ｓｈａｐｉｎｇ Ｉｍｐｒｏｖｅｓ Ｌａｓｅｒ Ｃｕｔｔｉｎｇ ｏｆ Ｔｈｉｃｋ Ｓｔｅｅｌ Ｐｌａｔｅｓ，Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，２０１７、ゴッポルド他（Ｇｏｐｐｏｌｄ，ｅｔ ａｌ．）：Ｌａｓｅｒｓｃｈｍｅｌｚｓｃｈｎｅｉｄｅｎ ｍｉｔ ｄｙｎａｍｉｓｃｈｅｒ Ｓｔｒａｈｌｆｏｒｍｕｎｇ，Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ ＩＷＳ Ｊａｈｒｅｓｂｅｒｉｃｈｔ，２０１５、マーレ他（Ｍａｈｒｌｅ，ｅｔ ａｌ．）：Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｆｉｂｒｅ ｌａｓｅｒ ｃｕｔｔｉｎｇ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００９を参照されたい）。

【0015】

レーザビームツールと同じくらい重要なのが、できるだけ自律的かつ自己充足的に動作し、操作員なしでまたはできるだけ少ない操作員で生産に使用することができるレーザ加工装置である。このような場合、調整付きのプロセス監視がしばしば使用される。この調整付きのプロセス監視は、レーザ加工における望まれていないプロセス振る舞いを自律的に検出し、理想的には、そのようなプロセス振る舞いを正すことができる。機械加工レーザビームと同軸の加工物の機械加工ゾーンのカメラ観察、例えば同軸照射を有する加工物の機械加工ゾーンのカメラ観察は、プロセス観察の一例を構成する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

本発明の目的は、加工物のレーザ加工のための機械加工装置および方法であって、動的ビーム整形とプロセス観察とを同時に可能にする機械加工装置および方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0017】

この目的は、請求項１に記載された加工物のレーザ加工のための機械加工装置、請求項２０に記載された機械加工装置の使用、および請求項２１に記載された加工物のレーザ加工のための方法によって達成される。

【0018】

本発明の一実施形態では、加工物の機械加工ゾーン内のレーザ加工のための機械加工装置、特にレーザ切削のための機械加工装置、特にレーザ加工ヘッドが提供され、この機械加工装置、特にレーザ加工ヘッドは、機械加工レーザビームを発生させるための機械加工レーザ源のための第１のインタフェースと、機械加工ゾーンによって発射された放射を検出する検出デバイスのための第２のインタフェースと、機械加工レーザビームのための出口開口と、第１および第２のレーザビーム誘導デバイスとを有し、第１のレーザビーム誘導デバイスは、機械加工レーザビームを第２のレーザビーム誘導デバイスへ誘導するように、および機械加工レーザビームを動的に運動させるように、特に、機械加工レーザビームを動的に整形するように配置および設計されており、第２のレーザビーム誘導デバイスは、動的に運動させた機械加工レーザビームを出口開口を通り抜けるように誘導するように、および機械加工ゾーンによって発射され出口開口を通り抜けた放射を少なくとも部分的に第２のインタフェースへ誘導するように配置および設計されている。

【0019】

したがって、第１のレーザビーム誘導デバイスによって機械加工レーザビームを動的に運動させることができ、第２のレーザビーム誘導デバイスによって機械加工レーザビームを、出口開口を通り抜けるように誘導することができる。同時に、機械加工された加工物によって発射され、出口開口を通り抜けた放射を、第２のレーザビーム誘導デバイスから第２のインタフェースへ、例えばプロセス観察のために誘導することができる。このことは、機械加工ゾーンによって発射され、出口開口を通り抜け、第２のインタフェースへ誘導される放射のビーム経路を、機械加工レーザのビーム経路の、機械加工レーザビームの動的運動、特にビーム整形運動が生じる部分とは別個に、この部分の影響を受けずに配置することを可能にする。出口開口と第２のレーザビーム誘導デバイスの間のエリアにおいて、機械加工ゾーンによって発射され、第２のインタフェースへ誘導される放射のビーム経路は、機械加工レーザビームのビーム経路と同軸で延びることができる。さらに、機械加工レーザのビーム経路と、機械加工ゾーンによって発射され、出口開口を通り抜け、第２のインタフェースへ誘導される放射のビーム経路との空間節約配置が実現される。さらに、機械加工レーザのビーム経路の、機械加工レーザビームの動的運動および／またはビーム改変運動が生じる部分が別個に配置されるため、たとえこの機械加工装置が機械加工ヘッドとして設計されているとしても、この機械加工装置を、４ｋＷよりも大きい機械加工レーザのパワーに対して使用することができる。特に、機械加工レーザビームを、少なくとも機械加工レーザビームの伝搬方向に対して垂直に動的に運動させることができる。このようにすると、ほぼ全ての機械加工レーザビームのビームスポットの強度分布およびビームパラメータ積を提供することができ、その一方で、機械加工ゾーンによって発射され、出口開口を通り抜け、第２のインタフェースへ誘導される放射は影響を受けない。

【0020】

第２のインタフェースは、機械加工ゾーンによって発射され出口開口を通り抜けた放射の少なくとも一部分を検出する検出デバイスに接続されたものとすることができ、またはそのような検出デバイスを備えることができる。このことは、機械加工ゾーンの検出器ベースのプロセス観察が機械加工レーザビームの動的運動のビーム改変効果の影響を受けないように、プロセス観察のビーム経路を、機械加工レーザのビーム経路とは別個に配置することを可能にする。

【0021】

第１のレーザビーム誘導デバイスおよび／もしくは第２のレーザビーム誘導デバイスは、機械加工レーザビームを偏向させるように設計されたものとすることができる。したがって、機械加工装置内で少なくとも１回、機械加工ビームを偏向させることができる。偏向が起こるときにビーム整形を実行することができる。機械加工レーザビームの別の偏向が起こるときに、この別の偏向を、プロセス観察と組み合わせることができる。このようにすると、機械加工ゾーンによって発射され、出口開口を通り抜けた放射のための別個の非ビーム改変エリアを生み出すことができ、プロセス観察検出器、例えばカメラのための機械加工ゾーンの撮像に影響を及ぼすことなく、ビーム改変エリアで、機械加工レーザビームを改変する、例えば整形することができる。さらに、これらの実施形態は、機械加工装置の空間節約設計を助長する。

【0022】

第１のレーザビーム誘導デバイスは、機械加工レーザビームのための少なくとも１つの偏向デバイスを有することができ、この少なくとも１つの偏向デバイスは、少なくとも１つの運動ユニットによって少なくとも部分的に動的に運動可能である。この目的のため、偏向デバイスは、機械加工レーザビームを少なくとも部分的に反射する動的に運動可能な表面を有することができる。これらの実施形態は、機械加工装置の特に空間節約的な構成を提供する。

【0023】

偏向デバイスはさらに、動的に向き付け可能な少なくとも１つのミラーを有することができる。したがって、機械加工レーザビームを、高度に可変であるように整形することができる。

【0024】

追加の実施形態では、第１のレーザビーム誘導デバイスが、少なくとも１つのガルバノメータスキャナ（ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ ｓｃａｎｎｅｒ）を有することができる。偏向デバイスを、ガルバノメータスキャナとして設計することができる。このことは、機械加工装置に異なるビームを供給することを可能にする。さらに、ガルバノメータスキャナは、完成したユニットとして入手可能であり、機械加工装置内で直ちに使用することができる。さらに、ガルバノメータスキャナは、機械加工レーザビームの高度に柔軟な動的ビーム整形、特に、機械加工レーザビームの伝搬方向に対して垂直な方向の機械加工レーザビームの高度に柔軟な動的ビーム整形を可能にし、したがって、ほぼ全てのレーザビームスポットの強度分布およびビームパラメータ積の提供を可能にする。

【0025】

一実施形態では、偏向デバイスが、複数のミラーセグメントを有する少なくとも１つのセグメント化ミラーを有することができ、これらの複数のミラーセグメントはそれぞれ動的に向き付け可能である。代替実施形態によれば、偏向デバイスは、動的に変形可能な少なくとも１つのミラーを有することができる。両設計において、偏向デバイスは、機械加工レーザビームを少なくとも部分的に反射する全表面を提供することができ、この表面の表面幾何形状、特に曲率は高度に動的に調整可能である。したがって、これらの実施形態によって、機械加工レーザビームの伝搬方向に対して垂直な方向の、機械加工レーザビームの高度に柔軟な動的なビーム整形を達成することが可能である。それだけでなく、レーザビームの伝搬方向に対して平行な方向のレーザビームの焦点の位置の調整、特に機械加工装置の光学系の焦点距離の変更、例えばズーム機能を実現することも可能である。

【0026】

以上の実施形態では、偏向デバイスが、少なくとも１つのピエゾアクチュエータによって変形可能なミラー、変形可能なバイモルフミラー（ｂｉｍｏｒｐｈｉｃ ｍｉｒｒｏｒ）、ＭＥＭＳまたはＭＯＥＭＳに基づいて変形可能なミラー、および振動コイルに基づいて変形可能なミラーの中から選択された少なくとも１つの要素を有することができる。

【0027】

追加の実施形態によれば、偏向デバイスが、軸の周りを回転することができる少なくとも１つのミラーを有することができ、この軸は、ミラーの反射平面との間に角度を形成し、この少なくとも１つのミラーは、この角度が９０°よりも大きくなるようにまたは９０°よりも小さくなるように向き付け可能である。これによって、ミラーの傾斜角を設定することができ、傾けられたミラーは、ミラーの軸の周りを高速で、例えば１００Ｈｚから１０ｋＨｚの周波数で回転することができる。この角度が９０°に等しくない角度に設定されている場合、レーザビームは円運動を描く。このようにすると、機械加工レーザビームを、調整可能な半径を有する、加工物上の円形経路に沿って高速で誘導することができる。したがって、熱的に不活性の切削プロセスに関して、高度に動的に運動する機械加工レーザビームは、時間平均にわたって、ドーナツビームと呼ばれるもののように作用することができる。

【0028】

別の実施形態では、第１のレーザビーム誘導デバイスが、少なくとも１つの運動ユニットによって少なくとも部分的に動的に運動可能な少なくとも１つの光学ユニット、特に屈折光学ユニットおよび／または軸外し放物面ミラー（ｏｆｆ－ａｘｉｓ ｐａｒａｂｏｌｉｃ ｍｉｒｒｏｒ）、特に動的に運動可能なレーザファイバエンドユニット、ならびに、任意選択で、機械加工レーザビームのための少なくとも１つの第１の偏向デバイス、を有することができ、この少なくとも１つの第１の偏向デバイスが動的に運動可能でない。その結果、機械加工レーザビームを機械加工装置内へ結合または供給するエリアにおいて、機械加工レーザビームの動的運動を実現することができ、次いで、このビームを、動的に運動可能な追加の誘導要素なしで、第２のレーザビーム誘導デバイスへ誘導することができる。特に、動的に運動可能な光学ユニットによって、機械加工レーザビームの振動振り子ビーム運動を達成することができる。

【0029】

上述の実施形態では、運動ユニットが、１つのピエゾアクチュエータ、電動機、空気圧モータ、カム、振動電磁場を発生させるための装置、ＭＥＭＳ発振器、振動コイル、静電的に運動可能なアクチュエータ、複数のピエゾアクチュエータ、電動機、空気圧モータ、カム、振動電磁場を発生させるための装置、ＭＥＭＳ発振器、振動コイル、静電的に運動可能なアクチュエータ、および／またはそれらの組合せの中から選択された少なくとも１つの要素を有することができる。このことは、機械加工レーザビームの高度に可変の動的運動および／または高周波数の動的運動を可能にする。

【0030】

追加の実施形態では、第１のレーザビーム誘導デバイスを、９０°よりも小さい角度、９０°に等しい角度および／もしくは９０°よりも大きい角度で機械加工レーザビームを少なくとも１回、偏向させるように設計されたものとすることができる。第２のレーザビーム誘導デバイスは、９０°よりも小さい角度、９０°に等しい角度もしくは９０°よりも大きい角度で機械加工レーザビームを偏向させるように設計されたものとすることができる。第１のレーザビーム誘導デバイスは、９０°よりも小さい角度もしくは９０°よりも大きい角度で少なくとも１回、および９０°よりも小さい角度で少なくとも１回、機械加工レーザビームを偏向させるように設計されたものとすることができる。上述の実施形態は、機械加工装置内への機械加工レーザビームのビーム供給を可能にし、機械加工装置内では、第１のインタフェースと第１のレーザビーム誘導デバイスの間の機械加工レーザビームのビーム経路が、第２のレーザビーム誘導デバイスと出口開口の間の機械加工レーザのビーム経路に対して平行に延び、または任意の角度で、特に垂直に延びる。第１のレーザビーム誘導デバイスと第２のレーザビーム誘導デバイスの間の機械加工レーザビームのビーム経路は、第２のレーザビーム誘導デバイスと出口開口の間の機械加工レーザのビーム経路に対して任意の角度で、特に垂直に延びることができる。

【0031】

第２のレーザビーム誘導デバイスは、機械加工レーザビームのための少なくとも１つの第２の偏向デバイスを有することができ、この少なくとも１つの第２の偏向デバイスは動的に運動可能でない。この構成はさらに、機械加工ゾーンによって発射され、出口開口を通り抜け、第２のレーザビーム誘導デバイスによって第２のインタフェースへ誘導される放射が、動的に運動可能な要素の影響を受けないことを助長する。

【0032】

実施形態では、第２のレーザビーム誘導デバイス、特に第２の偏向デバイスを、機械加工ゾーンによって発射された放射に対して少なくとも部分的に透過性のものとすることができる。第２の偏向デバイスは、少なくとも１つのダイクロイックミラーを有することができ、もしくはダイクロイックミラーとして設計されたものとすることができる。このようすると、第２の偏向デバイスは、機械加工ゾーンによって発射された放射を少なくとも部分的に第２のインタフェースへ誘導することができ、その一方で、機械加工レーザビームを出口開口へ誘導することができる。さらに、第２のレーザビーム誘導デバイス、特に第２の偏向デバイスは、動的に運動させた機械加工レーザビームを、機械加工ゾーンによって発射され出口開口を通り抜けた放射と少なくとも部分的に同軸で誘導するように配置および設計されたものとすることができる。

【0033】

第１のレーザビーム誘導デバイスは、第１のインタフェースと第２のレーザビーム誘導デバイスの間のエリアに配置することができる。さらに、第２のレーザビーム誘導デバイスは、第２のインタフェースと出口開口の間のエリアに配置することができる。

【0034】

実施形態によれば、第１のインタフェースと出口開口の間のエリアおよび／もしくは第２のインタフェースと出口開口の間のエリアに少なくとも１つの光学部材を配置することができる。第２のレーザビーム誘導デバイスと出口開口の間のエリアに集束光学部品もしくは集束光学部材を配置することができる。

【0035】

実施形態では、第１のインタフェースを、機械加工レーザビームを発生させるための機械加工レーザ源に接続することができ、または第１のインタフェースが機械加工レーザ源を備えることができる。さらに、機械加工装置は、機械加工装置、特に第１のレーザビーム誘導デバイス、特に少なくとも１つの運動ユニットを制御するための制御ユニットを有することができる。制御ユニットを、例えば、検出デバイスおよび第１のレーザビーム誘導デバイスに、有線または無線データ伝達方式で接続することができ、したがって、制御ユニットを、調整付きのプロセス監視に使用することができる。この調節付きのプロセス監視は、レーザ加工における望まれていないプロセス振る舞いを自律的に検出し、かつ／またはそのようなプロセス振る舞いを正すことができる。

【0036】

さらに、実施形態の検出デバイスは、適応光学ユニットを有することができる。この適応光学ユニット、例えば適応光学部品または適応レンズ（焦点を調節できるレンズ）は、焦点位置、加工物の厚さおよび所望のプロセス観察レベルに応じて、検出デバイスの鮮鋭度レベルを、機械加工ビームの伝搬方向に対して平行な方向に変化させることができる。

【0037】

実施形態の機械加工装置では、機械加工レーザ源が、少なくとも１ｋＷ、好ましくは少なくとも４ｋＷ、より好ましくは１から３０ｋＷの間、最も好ましくは１から２５ｋＷの間のレーザパワーを提供することができる。最大４ｋＷのレーザパワーまでの以前から知られている動的ビーム整形とは対照的に、実施形態の機械加工装置、特にレーザ加工ヘッドとしての機械加工装置は、少なくとも１０ｋＷまでおよびそれ以上のレーザパワーに対して使用可能である。機械加工レーザビームの動的運動、例えば機械加工レーザビームのビーム整形におけるこのような高いレーザパワーは、実施形態に従ってその場で機械加工プロセスを観察および調整することができることと相まって、レーザ加工、特にレーザ切削における新たな用途領域を創始する。

【0038】

実施形態では、第１のレーザビーム誘導デバイスの動的に運動可能な偏向デバイスもしくは動的に運動可能な光学ユニットを、１０Ｈｚから１５ｋＨｚの間、好ましくは１００Ｈｚから１０ｋＨｚの間の周波数で少なくとも部分的に運動可能なものとすることができる。このことは、機械加工レーザビームの高度に動的な運動、特に、機械加工レーザビームの伝搬方向に垂直な方向の機械加工レーザビームの高度に動的な運動を可能にする。さらに、第１のレーザビーム誘導デバイスは、機械加工レーザビームを動的に運動させたときに、２次元もしくは３次元リサージュ図形（Ｌｉｓｓａｊｏｕｓ ｆｉｇｕｒｅ）または２次元もしくは３次元リサージュ図形の組合せに対応する焦点振動経路を有する、少なくとも１つの振動振幅および少なくとも１つの振動周波数の焦点振動を発生させるように設計されたものとすることができる。

【0039】

本発明の一実施形態は、加工物のレーザ加工のための、特にレーザ切削のための上記実施形態のうちのいずれか１つに基づく機械加工装置の使用に関する。

【0040】

本発明の追加の実施形態は、加工物のレーザ加工のための方法、特にレーザ切削のための方法、特に、機械加工装置の上記実施形態のうちのいずれか１つに基づく機械加工装置を使用した加工物のレーザ加工のための方法、特にレーザ切削のための方法を提供する。この方法は、機械加工装置の第１のインタフェースに提供された機械加工レーザ源からの機械加工レーザビームを、機械加工装置の出口開口を通して、加工物の機械加工ゾーンに照射するステップと、機械加工ゾーンによって発射され出口開口を通り抜けた放射の少なくとも一部分を、機械加工装置の第２のインタフェースに接続された検出デバイスまたは第２のインタフェース上に提供された検出デバイスによって検出するステップとを有し、機械加工レーザビームは、機械加工装置の第１のレーザビーム誘導デバイスによって動的に運動し、特に、機械加工装置の第１のレーザビーム誘導デバイスによって動的に整形され、機械加工装置の第２のレーザビーム誘導デバイスへ誘導され、動的に運動した機械加工レーザビームは、第２のレーザビーム誘導デバイスによって出口開口を通り抜けるように誘導され、機械加工ゾーンによって発射され出口開口を通り抜けた放射は、少なくとも部分的に、第２のレーザビーム誘導デバイスによって第２のインタフェースへ誘導される。

【0041】

その際に、第２のレーザビーム誘導デバイスは、動的に運動した機械加工レーザビームを、機械加工ゾーンによって発射され出口開口を通り抜けた放射と少なくとも部分的に同軸で誘導することができる。

【0042】

上記の実施形態の加工物のレーザ加工のための方法によって、加工物のレーザ加工のための機械加工装置の実施形態と同じ、特に、同一の特徴および／または類似の特徴を有するそのような実施形態と同じ利点および機能を実現することができる。

【0043】

追加の特徴および利点は、実施形態の以下の説明、図および従属請求項から明らかになる。

【0044】

本明細書に記載された実施形態の互いに排他的でない特徴は全て、互いに組み合わせることができる。以下の説明では、実施形態の同じ要素に同じ参照符号が与えられている。特に言及されていなくても、１つの実施形態の個々の要素または複数の要素を他の実施形態で使用することができる。次に、図に関する以下の例を使用して、本発明の実施形態をより詳細に説明する。この説明によって本発明の実施形態を限定する意図はない。

【図面の簡単な説明】

【0045】

【図1】本発明の実施形態による第１の例として、加工物のレーザ加工のための機械加工装置１０を概略的に示す図である。

【図2】本発明の実施形態による第２の例として、加工物のレーザ加工のための機械加工装置１００を概略的に示す図である。

【図3a】本発明の実施形態による第３の例として、加工物のレーザ加工のための機械加工装置２００を概略的に示す図である。

【図3b】第３の例の変更形態として、機械加工装置２０１を概略的に示す図である。

【図4a】本発明の実施形態による第４の例として、加工物のレーザ加工のための機械加工装置３００を概略的に示す図である。

【図4b】第４の例の変更形態として、機械加工装置３０１を概略的に示す図である。

【図5】本発明の実施形態による第５の例として、加工物のレーザ加工のための機械加工装置４００を概略的に示す図である。

【図6】本発明の実施形態による第６の例として、加工物のレーザ加工のための機械加工装置５００を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0046】

例
以下では、とりわけ、機械加工ヘッドを用いた例によって、本発明の実施形態に基づく機械加工装置を説明する。本発明はそれらの例に限定されない。本発明の実施形態に基づく機械加工装置および方法は、機械加工ヘッドなしで実現することもできる。

【0047】

加工物の機械加工ゾーンによって発射され、出口開口を通り抜けた放射は、加工物のレーザ加工に起因する放射および／または反射された照射光を含むことがあり、以下ではこの放射を「プロセス光（ｐｒｏｃｅｓｓ ｌｉｇｈｔ）」という用語で呼ぶ。

【0048】

さらに、本明細書に値の範囲が記載されている場合、より幅の狭い代替範囲または好ましい範囲を含む幅広い範囲の指定はさらに、範囲の指定された下限と範囲の指定された上限の任意の組合せによって形成されうる範囲を開示しているとみなされる。

【0049】

レーザビームの「動的運動」または「動的に運動した」レーザビームという用語、およびこれらの用語の変更形は、現在のところ、高い周波数、例えば１０Ｈｚから１５ｋＨｚの周波数でレーザビームを運動させることを意味している。類似的に、同じことが、機械加工装置の「動的に」運動可能な要素、向き付け可能な要素、調整可能な要素および／または変形可能な要素にもあてはまる。

【0050】

図１は、本発明の実施形態による、加工物１２の機械加工ゾーン１３内のレーザ加工のための機械加工装置１０の第１の例を概略的に示している。

【0051】

機械加工装置１０は、機械加工レーザビーム１５を発生させるための機械加工レーザ源のための第１のインタフェース１４、および機械加工ゾーン１３からのプロセス光１７を検出する検出デバイスのための第２のインタフェース１６を有する。

【0052】

図１に機械加工レーザ源および検出デバイスは示されていない。図３ｂの例によって示されているように、第１のインタフェース１４に機械加工レーザ源８２を提供することができ、第２のインタフェース１６に検出デバイス２４を提供することができる。機械加工レーザ源８２は、機械加工レーザビーム１５、例えば１から３０ｋＷの範囲のレーザパワーを有する機械加工レーザビーム１５を提供する。これらの例では、機械加工レーザ源８２が約６ｋＷ以上のパワー、特に１０ｋＷのパワーを有し、波長１０７０ｎｍを含むスペクトル範囲の機械加工レーザビームを発生させる。あるいは、機械加工装置の所望の用途に従って選択された、用途に対応する適合されたパワーを有するダイレクトダイオードレーザ（通常９４０から９８０ｎｍ）、さらに固体レーザ（通常１０３０から１０８０ｎｍ）を使用することもでき、パワーは、６ｋＷ未満または６ｋＷ超とすることができる。検出デバイス２４は例えば、プロセス光１７を感受するカメラである。一方、機械加工装置が機械加工ヘッドとして設計されている場合、第１のインタフェース１４は、例えばトランスポートファイバによって機械加工レーザ源８２に結合し、機械加工レーザ源８２に接続される役目を果たすことができ、第２のインタフェース１６は、無線または有線で、検出デバイス２４に結合し、検出デバイス２４に接続される役目を果たすことができる。

【0053】

機械加工装置１０は、機械加工レーザビーム１５のための出口開口１８を有する。

【0054】

機械加工装置１０内には、第１のレーザビーム誘導デバイス２０および第２のレーザビーム誘導デバイス２２が置かれている。

【0055】

第１のレーザビーム誘導デバイス２０は、第１のインタフェース１４と第２のレーザビーム誘導デバイス２２の間のエリアに配置されている。この例では、第１のレーザビーム誘導デバイス２０が、機械加工レーザビーム１５を反射する少なくとも１つの表面２０ａを有する偏向デバイスを有する。反射面２０ａは、機械加工ビーム１５を第２のレーザビーム誘導デバイス２２の方へ偏向させるような向きに向けられており、少なくとも１つの運動ユニット２０ｂによって少なくとも部分的に動的に運動可能である。例えば、運動ユニット２０ｂは、１つのピエゾアクチュエータ、電動機、空気圧モータ、カム、振動電磁場を発生させるための装置、ＭＥＭＳ発振器、振動コイル、静電的に運動可能なアクチュエータ、複数のピエゾアクチュエータ、電動機、空気圧モータ、カム、振動電磁場を発生させるための装置、ＭＥＭＳ発振器、振動コイル、静電的に運動可能なアクチュエータ、および／またはそれらの組合せの中から選択される。したがって、第１のレーザビーム誘導デバイス２０は、機械加工レーザビーム１５を第２のレーザビーム誘導デバイス２２の方へ偏向させるように、および機械加工レーザビーム１５を例えば１０Ｈｚから１５ｋＨｚの間の周波数で動的に運動させるように配置および設計されている。

【0056】

第２のレーザビーム誘導デバイス２２は、第１のレーザビーム誘導デバイス２０、第２のインタフェース１６および出口開口１８の間のエリアに配置されている。この例では、第２のレーザビーム誘導デバイス２２が、ダイクロイックミラーとして設計された、運動可能でない偏向デバイス２３を有する。ここで説明する例では、偏向デバイス２３が、例として、ガラスミラー（例えばＳｉＯ_２、溶融シリカ）または可視プロセス光に対して透過性の別のミラーである。このダイクロイックミラーは少なくとも片面に、すなわちレーザ源に面した面に、誘電体コーティングを有する。ミラーのサイズは、ミラーのサイズが、ミラーの位置における機械加工レーザビームの直径に対応するように選択される。このダイクロイックミラーは機械加工レーザビーム１５を少なくとも部分的に反射し、プロセス光１７の少なくとも一部分に対して選択的に透過性である。このダイクロイックミラーは、機械加工レーザビーム１５が出口開口１８の方へ偏向するような向きに向けられている。したがって、この例では、第２のレーザビーム誘導デバイス２２が、動的に運動させた機械加工レーザビーム１５を偏向させ、それを出口開口１８を通して加工物１２上へ誘導するように設計されている。同時に、第２のレーザビーム誘導デバイス２２は、機械加工ゾーン１３によって発射され出口開口１８を通り抜けたプロセス光１７が少なくとも部分的に第２のインタフェース１６に到達する効果を有する。

【0057】

機械加工装置１０の動作中、機械加工レーザビーム１５は、インタフェース１４から第１のレーザビーム誘導デバイス２０の反射面２０ａ上へ導かれる。反射面２０ａは、運動ユニット２０ｂによって、１０Ｈｚから１５ｋＨｚの間の周波数で動的に運動する。その結果、機械加工レーザビーム１５は動的に運動し、第２のレーザビーム誘導デバイス２２の方向に偏向する。機械加工レーザビーム１５は、そこで、偏向デバイス２３のダイクロイックミラーに衝突し、偏向デバイス２３によって出口開口１８の方向に偏向する。動的に運動し偏向した機械加工レーザビーム１５は、出口開口１８を出て加工物１２に衝突する。加工物１２の機械加工ゾーン１３はプロセス光１７を発射し、発射されたプロセス光１７は、その一部が出口開口１８を通って機械加工装置１０に入り、ダイクロイックミラーを透過し、第２のインタフェース１６に到達する。このようにすると、動的に運動した機械加工レーザビーム１５は、プロセス光１７の第２のレーザビーム誘導デバイス２２と出口開口１８の間の部分と同軸で誘導される。第２のインタフェースのところで検出デバイスによってプロセス光１７を検出することができる。

【0058】

このことは、第２のインタフェース１６へ誘導されるプロセス光１７のビーム経路が別個に配置され、機械加工レーザビーム１５のビーム経路の機械加工レーザビーム１５の動的運動が生じる部分の影響を受けないことを可能にする。そのため、両方の機能、すなわち動的ビーム整形とプロセス光検出の両方を１つの機械加工ヘッドに含めることができる。出口開口１８と第２のレーザビーム誘導デバイス２２の間のエリアにおいて、プロセス光１７のビーム経路は、機械加工レーザビーム１５のビーム経路と同軸で延びる。したがって、機械加工レーザビームのビーム経路とプロセス光のビーム経路の空間節約配置が実現される。特に、機械加工レーザビームは、少なくとも機械加工レーザビームの伝搬方向に対して垂直に動的に運動する。このようにすると、動的ビーム整形によって、機械加工する加工物１２に適合したほぼ全ての機械加工レーザビーム１５のビームスポットの強度分布、したがってビームパラメータ積が提供され、その一方で、プロセス観察のために第２のインタフェース１６へ誘導されるプロセス光１７は、機械加工レーザビーム１５から本質的に分離され、影響を受けない。

【0059】

第１のインタフェース１４と第１のレーザビーム誘導デバイス２０の間の機械加工レーザビーム１５のビーム経路は、第２のレーザビーム誘導デバイス２２と出口開口１８の間のビーム経路と本質的に平行に配置され、このことも同様に、機械加工レーザビームのビーム経路とプロセス光のビーム経路の空間節約配置を可能にする。

【0060】

図２から図６は、図１の機械加工装置の例示的な変更形態を示している。したがって、これらの図の対応するそれぞれの説明では図１の例との違いが説明される。

【0061】

図２は、本発明の実施形態による第２の例として、加工物１２のレーザ加工のための機械加工装置１００を概略的に示している。この例では、第１のレーザビーム誘導デバイス２０の偏向デバイスが、ＳｉＣ（炭化ケイ素）でできた動的に向き付け可能な平面ミラー３０を含む。あるいは、誘電体層、金属層（例えば銅）または金属酸化物層を備えるガラス基板（例えば溶融シリカ）をミラー３０として使用することもできる。ミラーのサイズは、ミラーのサイズが、ミラー３０の位置における機械加工レーザビームの直径に対応するように選択される。ピエゾスキャナとも呼ばれる３つのピエゾアクチュエータ３２ａが運動ユニットとして提供されており、これらの３つのピエゾアクチュエータ３２ａによって、ミラー３０は動的に運動可能となり、したがって向き付け可能となる。ピエゾアクチュエータ３２ａは個別に制御可能である。この例では、ピエゾアクチュエータ３２ａが、修正ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）セラミックに基づく、典型的な１２０Ｖの駆動電圧を有するピエゾアクチュエータである。

【0062】

レーザ加工時、ミラー３０は、ピエゾアクチュエータ３２ａによって、機械加工レーザビーム１５が第２のレーザビーム誘導デバイス２２の方へ偏向するようなやり方で傾けられる。同時に、ミラー３０は、偏向のための適当な傾斜角を提供するピエゾアクチュエータ３２ａによって動的に運動して、機械加工レーザビーム１５が動的に運動するようにする。このようにすると、レーザ加工のための対応するそれぞれの方法に対して、機械加工レーザビーム１５のビームパラメータ積および加工物１２上におけるレーザビームスポットの強度分布を最適に設計することができる。これは、機械加工レーザビーム１５の焦点が、少なくとも機械加工レーザビーム１５の伝搬方向に対して垂直に、１０Ｈｚから１５ｋＨｚの間の周波数で動的に運動し、したがってレーザビームスポットが整形されるためである。例えば、機械加工レーザビーム１５を動的に運動させると、２次元もしくは３次元リサージュ図形または２次元もしくは３次元リサージュ図形の組合せに対応する焦点振動経路を有する、少なくとも１つの振動振幅および少なくとも１つの振動周波数の焦点振動が発生する。

【0063】

図３ａは、本発明の実施形態による第３の例として、加工物１２のレーザ加工のための機械加工装置２００を概略的に示している。レーザビーム誘導デバイス２０は、偏向デバイスとして、２つのミラー３０を有するガルバノメータスキャナ４０を含み、２つのミラー３０はそれぞれ、制御可能なガルバノメータ（図示せず）によって個別に動的に運動可能である。このガルバノメータスキャナは、機械加工レーザビームが９０°よりも大きい角度で少なくとも１回、および９０°よりも小さい角度で少なくとも１回、偏向するように向き付け可能な２つのミラー３０を備える。動作中、２つのミラー３０は、互いに対して、機械加工レーザビーム１５が２回偏向し、それと同時に動的に運動するように向き付けされ、運動する。機械加工ビーム１５は、一方のミラー３０によって、機械加工ビーム１５の伝搬方向に対して垂直な１軸上で運動し、もう一方のミラー３０によって、機械加工ビーム１５の伝搬方向に対して垂直な別の軸上で運動する。例えば、これらの２つの軸は互いに対して垂直に配置される。その結果、動的ビーム整形によって、ほとんど全ての機械加工レーザビーム１５のビームスポットの強度分布およびビームパラメータ積が提供され、特に、機械加工レーザビーム１５で加工物上にリサージュ図形を書くことができる。

【0064】

図３ｂは、図３ａに基づく第３の例の変更形態を示している。機械加工装置２０１では、機械加工レーザビーム１５が、第１のレーザビーム誘導デバイス２０を通過する前と後のそれぞれのケースで、第２のレーザビーム誘導デバイス２２と出口開口１８の間のビーム経路に対して１つの角度で進むように、この例では直角に進むように、第１のレーザビーム誘導デバイス２０が設計されている。このことは、機械加工レーザビーム１５が機械加工装置２０１の中へ横方向に供給されることを意味する。ビーム経路のこのような構成は、図１から５の他の全ての例に対しても類似的に可能である。

【0065】

図３ｂに示されているように、第１のインタフェース１４と第１のレーザビーム誘導デバイス２０の間の機械加工レーザビーム１５のビーム経路は、第２のレーザビーム誘導デバイス２２と出口開口１８の間のビーム経路に対して１つの角度で延びることができる。したがって、第１のレーザビーム誘導デバイス２０を通過する前および／または後の機械加工レーザビーム１５のビーム経路を、第２のレーザビーム誘導デバイス２２と出口開口１８の間のビーム経路に対して任意の角度で誘導することができる。このことは、機械加工装置の柔軟な空間構成を可能にする。ビーム経路のこのような構成は、図１から図５の他の全ての例に対しても類似的に可能である。

【0066】

詳細には、図３ｂの変更形態では、ガルバノメータスキャナが、機械加工レーザビームが９０°よりも小さい角度で少なくとも１回、および９０°よりも小さい角度で少なくとももう１回、偏向するように向き付け可能な２つのミラー３０を備える。動作中、２つのミラー３０は、互いに対して、機械加工レーザビーム１５が２回偏向し、それと同時に動的に運動するように向き付けされ、運動する。

【0067】

図３ｂは、機械加工装置２０１の要素を示しており、これらの要素を、個々に、または互いに独立した組合せで、機械加工装置の他の全ての実施形態、例えば本明細書に記載された機械加工装置１０、１００、２００、３００、３０１、４００および５００に提供することもできる。第１のインタフェース１４と第１のレーザビーム誘導デバイス２０の間および／または第２のレーザビーム誘導デバイス２２と出口開口１８の間のエリアに、光学部材８０を配置することができる。図３ｂの例では、第１のインタフェース１４と第１のレーザビーム誘導デバイス２０の間の光学部材８０としてコリメーションレンズが配置されている。偏向させる第２のレーザビーム誘導デバイス２２と出口開口１８の間の光学部材８０として集束レンズが提供されており、それによって、１０ｋＷまでおよび１０ｋＷ以上の高いレーザパワーにおいても、偏向と集束の相互補償により、熱焦点シフトを低く維持することができる。さらに、第１のインタフェース１４に機械加工レーザ源８２が提供されており、第２のインタフェース１６に検出デバイス２４が提供されている。さらに、検出デバイス２４は適応光学ユニット２５を含む。この例では、検出デバイス２４がカメラであり、適応光学ユニット２５が、適応レンズ（焦点を調節できるレンズ）として設計されている。適応光学ユニット２５は、焦点位置、加工物の厚さおよび所望のプロセス観察レベルに応じて、検出デバイス２４の鮮鋭度レベルを、機械加工ビーム１５の伝搬方向に対して平行な方向に変化させることができる。さらに、機械加工装置を制御するために制御ユニット８４が提供されており、制御ユニット８４によって、第１のレーザビーム誘導デバイス２０、特に第１のレーザビーム誘導デバイス２０の少なくとも１つの運動ユニットが制御される。

【0068】

図４ａは、本発明の実施形態による第４の例として、加工物１２のレーザ加工のための機械加工装置３００を概略的に示している。偏向デバイスは、互いから分離され、互いに隣り合わせに配置されて同心パターンを形成した４１個のミラーセグメントを有する、直径約５０ｍｍの本質的に円形のセグメント化ミラー５０を有する。それぞれのミラーセグメントは金コーティングを有し、機械加工レーザビーム１５に対して反射性であり、それぞれのミラーセグメントを、運動ユニットとして、ピエゾアクチュエータ３２ｂによって個別に動的に向き付けすることができる。駆動電圧１２０Ｖのピエゾアクチュエータ３２ｂは、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックでできており、ミラーセグメントのパターンと一致するように配置されている。したがって、この偏向デバイスは、機械加工レーザビーム１５を反射するセグメント化された総表面を形成し、この表面の表面幾何形状、特に曲率を、高度に動的なやり方で調整することができる。

【0069】

図４ｂは、第４の例の変更形態として、機械加工装置３０１を概略的に示している。偏向デバイスは、動的に変形可能なミラー５２（ＤＭ、ダイナミックミラー（ｄｙｎａｍｉｃ ｍｉｒｒｏｒ））を有する。動的に変形可能なミラー５２は、変形可能な材料でできた膜によって形成されており、この膜は、膜の下面に均等に分配された個別に制御可能なＰＺＴセラミックピエゾアクチュエータ（駆動電圧：１２０Ｖ）３２ｂによって動的に変形可能である。この例では、この膜は、直径約４５ｍｍの円形である。この例では、３２個のピエゾアクチュエータが提供されており、これらのピエゾアクチュエータによって、膜の３２個の個々の表面エリアが個別に調整可能である。膜の上面は、高度に反射性の光学コーティング、すなわちこの例では銅層を備える。あるいは、このコーティングを誘電体材料、別の金属もしくは金属酸化物から形成すること、またはこのコーティングが誘電体材料、別の金属もしくは金属酸化物を含むこともできる。このようにして提供された変形可能で反射性の連続表面は、波長約１０７０ｎｍの１２０ｋＷまでのレーザビームに適する。

【0070】

あるいは、ミラー５２として、変形可能なバイモルフミラー、ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）発振器もしくはＭＯＥＭＳ（マイクロオプティカルエレクトロメカニカルシステム）発振器に基づいて変形可能なミラー、または振動コイルに基づいて変形可能なミラーが提供される。変形可能なバイモルフミラーは、例えば、極性の異なる２つのピエゾ層からなるピエゾセラミックプレートに接続された薄いガラスプレートを有する。コーナにおいて、それらのプレートは、それらのプレートが共振特性を有するように保持されている。ガラスとピエゾプレートの間の接続部は導電性電極を含み、ピエゾプレートの裏面は個々の制御電極を備える。動作中、制御電極に電圧が印加され、この電圧は、ピエゾプレート内に横向きの力を発生させ、それによってミラーを曲げる。ＭＥＭＳまたはＭＯＥＭＳに基づいて変形可能なミラーの場合には、例えば、変形していない状態では平らな、連続した運動可能な電極であって、機械加工レーザビーム１５にさらされる表面が機械加工レーザビーム１５に対して反射性である、連続した運動可能な電極が、平行に配置された別の平面電極のアクチュエータによって静電力を介して運動する。振動コイルに基づいて変形可能なミラーの場合には、振動コイルがアクチュエータとして使用され、この振動コイルは、厚いベースプラットホームを比較的に薄い変形可能なガラスプレートに接続している。ガラスプレートとベースプラットホームの間に、その中に穴が挿入された基準プレートが置かれている。そこにコイルアクチュエータが提供されている。コイルアクチュエータを流れる電流によって生み出された交番磁場が、コイルアクチュエータを偏向させる。コイルアクチュエータは、コイルアクチュエータに接続されたガラスプレートを運動させる。

【0071】

図４ａおよび図４ｂの例では、偏向デバイスが、機械加工レーザビーム１５を少なくとも部分的に反射する全表面を提供し、この表面の表面幾何形状、特に曲率は高度に動的なやり方で調整可能である。したがって、例示的な動作中に、機械加工レーザビーム１５の高度に柔軟なビーム整形が、少なくとも機械加工レーザビーム１５の伝搬方向に対して垂直に実行される。例えば、２次元もしくは３次元リサージュ図形または２次元もしくは３次元リサージュ図形の組合せに対応する焦点振動経路を有する、例えば０．６ｍｍの少なくとも１つの振動振幅および例えば５００Ｈｚの少なくとも１つの振動周波数の焦点振動を発生させることができる。例示的な動作中にはさらに、機械加工レーザビーム１５の焦点の位置が、機械加工レーザビーム１５の伝搬方向に対して平行な方向に調整され、それによって機械加工装置の光学系の焦点距離が設定または変更される。

【0072】

図５は、本発明の実施形態による第５の例として、加工物１２のレーザ加工のための機械加工装置４００を概略的に示している。偏向デバイスは、運動デバイス３２ｃの軸の周りを回転することができるミラー３０を有する。このミラーは、この軸上に、この軸がミラー３０の反射面と１つの角度を形成するように配置されている。この反射面は、この角度が９０°よりも大きくまたは小さくなるように向き付け可能である。動作中、ミラーの角度は９０°に等しくならないように設定され、このように傾けられたミラーは、ミラーの軸の周りを、１００Ｈｚから１０ｋＨｚの周波数で回転する。したがってレーザビームは円運動をなす。このようにすると、機械加工レーザビームは、調整可能な可変の半径を有する、加工物１２上の円形経路に沿って高速で誘導される。したがって、熱的に不活性の切削プロセスに関して、高度に動的に運動する機械加工レーザビーム１５は、時間平均にわたって、ドーナツビームと呼ばれるもののように作用することができる。

【0073】

図６は、本発明の実施形態による第６の例として、加工物１２のレーザ加工のための機械加工装置５００を概略的に示している。第１のレーザビーム誘導デバイス２０は、トランスポートファイバエンドキャップの形態の、例えば石英ガラスでできた屈折光学ユニットを、動的に運動可能な光学ユニット７０として有する。このエンドキャップは、少なくとも１つの運動ユニット７１によって動的に運動可能であり、したがって、動的に運動可能な状態に維持されたレーザファイバエンドユニットを形成している。この例では、この運動ユニットが、機械加工レーザビーム１５の伝搬方向に対して垂直な、すなわちｚ方向に対して垂直なｘ／ｙ平面内に提供された２つのＰＺＴセラミックピエゾアクチュエータ（駆動電圧：１２０Ｖ）として設計されており、これらの２つのＰＺＴセラミックピエゾアクチュエータは、例えば接着剤によって、トランスポートファイバエンドキャップに動作可能に接続されている。一方のピエゾアクチュエータは、エンドキャップをｘ方向に偏向させる役目を果たし、もう一方のピエゾアクチュエータは、エンドキャップをｙ方向に偏向させる役目を果たす。このことは、機械加工レーザビーム１５の伝搬方向（ｚ方向）に対して垂直な平面内でのトランスポートファイバエンドキャップ７０の自由端の反復振動運動を可能にする。このようにすると、ビームパラメータ積を調整または変更することにより、機械加工レーザビーム１５の伝搬方向に対して垂直な平面内での機械加工レーザビーム１５の焦点の振動を誘起することができ、それによってビーム整形を誘起することができる。

【0074】

図６の例では、第１のレーザビーム誘導デバイス２０がさらに、機械加工レーザビーム１５のための偏向デバイス７２を有し、偏向デバイス７２は動的に運動可能でない。偏向デバイス７２の前において、機械加工レーザビーム１５のビーム経路は、第２のレーザビーム誘導デバイス２２と出口開口１８の間のビーム経路と実質的に平行に配置されている。このことは、機械加工装置の空間節約構成を可能にする。あるいは、偏向デバイス７２の前および／または後の機械加工レーザビーム１５のビーム経路を、第２のレーザビーム誘導デバイス２２と出口開口１８の間のビーム経路に対して異なる角度で誘導することもできる。このことは、機械加工装置の柔軟な空間構成を可能にする。この例の１つの変更形態では偏向デバイス７２が提供されない。その代わりに、トランスポートファイバエンドキャップ７０から第２のレーザビーム誘導デバイス２２へ機械加工レーザビーム１５を直接に誘導することができる。その際に、エンドキャップ７０から発射された機械加工レーザビーム１５のビーム経路を、第２のレーザビーム誘導デバイス２２と出口開口１８の間のビーム経路に対して本質的に９０°の角度で、レーザビーム誘導デバイス２２上へ誘導することができる。９０°の代わりに、レーザビーム誘導デバイス２２における偏向を可能にする別の角度を選択することもできる。図６の例および図６の例の変更形態はともに、第１のレーザビーム誘導デバイス２０の動的運動からの第２のレーザビーム誘導デバイス２２の十分な分離を達成し、それによって、第１のレーザビーム誘導デバイス２０の動的運動からの、観察されるプロセス光１７のビーム経路の十分な分離を達成する。

【0075】

機械加工装置５００の動作中、機械加工レーザビーム１５を機械加工装置内へ結合または供給するエリアの直後において、１０Ｈｚから１５ｋＨｚの間、好ましくは１００Ｈｚから１０ｋＨｚの間の振動周波数、＋／－５ｍｍ以下または＋／－１ｍｍ以下の振動振幅、および経路長０．０５ｍｍ以上の焦点振動経路の、機械加工レーザビームの動的運動が発生する。運動した機械加工ビーム１５は、動的に運動可能な追加の誘導要素なしで、第２のレーザビーム誘導デバイス２２へ誘導され、最終的に出口開口１８を通り抜ける。したがって、動的に運動可能な光学ユニット７０によって、加工物１２を機械加工する機械加工レーザビーム１５の振動振り子ビーム運動が達成される。同時に、第２のインタフェース１６へ誘導されるプロセス光１７のビーム経路は、機械加工レーザビーム１５のビーム経路の機械加工レーザビーム１５の動的運動が生じる部分から分離され、この部分の影響を受けない。

【0076】

例えば、機械加工レーザビーム１５で加工物１２上にリサージュ図形を書くことができる。このリサージュ図形は、運動ユニット７１のピエゾアクチュエータを制御する制御ユニット８４のデータベースに記憶されていたものとすることができる。機械加工レーザビーム１５を動的に運動させると、１つの２次元リサージュ図形または２次元リサージュ図形の組合せに対応する０．０５ｍｍ以上の焦点振動経路を有する、＋／－５ｍｍ以下の振動振幅、１００Ｈｚから１０ｋＨｚの間の振動周波数の焦点振動が発生する。焦点は、例えば０．１ｍｍ以上または０．０５ｍｍ以上の直径またはサイズを有する。３次元リサージュ図形を発生させるため、図６の運動ユニット７１は追加のピエゾアクチュエータを含み、この追加のピエゾアクチュエータは、エンドキャップをｚ方向にも偏向させる。

【0077】

動的に運動可能な屈折光学ユニット７０として、光ファイバの自由端または運動可能なファイバカップリングを、トランスポートファイバエンドキャップの代替として提供することができる。あるいは、レンズ、例えば集束レンズまたはコリメーションレンズが、動的に運動可能な屈折光学ユニット７０の役目を果たすこともできる。あるいは、屈折光学ユニットの代わりに、動的に運動可能な別の光学ユニット７０、例えば軸外し放物面ミラーを使用することもできる。その際、このレンズまたは放物面ミラーも同様に、動的に運動可能なやり方で、機械加工レーザビーム１５の伝搬方向の第１のインタフェース１４の後ろに、上述の動的に運動可能なトランスポートファイバエンドキャップの代わりに、例えばインタフェース１４にある動的に運動可能でないトランスポートファイバエンドキャップの後ろに、提供することができる。

【0078】

動的に運動可能な光学ユニット７０は、第１のインタフェース１４のところに、または機械加工レーザビーム１５の伝搬方向の第１のインタフェース１４の後ろに、あるいは第１のインタフェース１４と偏向デバイス７２の間のエリアに提供することができる。

【0079】

さらに、運動ユニット７１として、ピエゾアクチュエータの代わりに、１つのカム、振動電磁場を発生させるためのデバイス、ＭＥＭＳ発振器、または複数のカム、振動電磁場を発生させるためのデバイス、ＭＥＭＳ発振器を使用することができる。

【0080】

全ての実施形態において、動的ビーム整形によって、有利な機械加工レーザビーム１５のビームスポットの強度分布およびビームパラメータ積を提供することができ、その一方で、プロセス観察のために第２のインタフェース１６へ誘導されるプロセス光１７は、機械加工レーザビーム１５の動的運動の影響を受けない。

【0081】

最後に、本発明および例示的な実施形態の説明は本発明の特定の物理的実現に関する限定を意図したものであると理解すべきでないことに留意すべきである。本発明の個々の実施形態に関して説明および図示された特徴は全て、それらの特徴の有利な効果を同時に実現するために、本発明に基づく主題に、異なる組合せで提供することができる。

【0082】

本発明の保護の範囲は特許請求項に記載されており、以上の説明に示された特徴または図に示された特徴によって限定されない。

【0083】

本発明を、レーザ加工システムに対してだけでなく、レーザを含む他のデバイスに対しても使用することができることは、当業者には特に明らかである。さらに、加工物のレーザ加工のための機械加工装置の構成要素は、いくつかの物理的製品にわたって分散するように生産することができる。

【符号の説明】

【0084】

１０ 機械加工装置、１２ 加工物、１３ 機械加工ゾーン、１４ 第１のインタフェース、１５ 機械加工レーザビーム、１６ 第２のインタフェース、１７ 機械加工ゾーンによって発射された放射、プロセス光、１８ 出口開口、２０ 第１のレーザビーム誘導デバイス、２０ａ 反射面、２０ｂ 運動ユニット、２２ 第２のレーザビーム誘導デバイス、２３ 動的に運動可能でない第２の偏向デバイス、２４ 検出デバイス、２５ 検出デバイスの適応光学ユニット、３０ 動的に運動可能なミラー、３２ａ、ｂ、ｃ 運動ユニット、４０ ガルバノメータスキャナ、５０ セグメント化ミラー、５２ 変形可能なミラー、７０ 光学ユニット、７１ 運動ユニット、７２ 動的に運動可能でない第１の偏向デバイス、８０ 光学部材、８２ 機械加工レーザ源、８４ 制御デバイス、１００ 機械加工装置、２００ 機械加工装置、２０１ 機械加工装置、３００ 機械加工装置、３０１ 機械加工装置、４００ 機械加工装置、５００ 機械加工装置。

【図1】

【図2】

【図3a】

【図3b】

【図4a】

【図4b】

【図5】

【図6】