特許 7217363 被加工物をレーザー加工するための機械加工装置、被加工物をレーザー加工するための機械加工装置用の部品セット、およびそのような機械加工装置を用いて被加工物をレーザー加工するための方法

(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】2023-01-25

(45)【発行日】2023-02-02

(54)【発明の名称】被加工物をレーザー加工するための機械加工装置、被加工物をレーザー加工するための機械加工装置用の部品セット、およびそのような機械加工装置を用いて被加工物をレーザー加工するための方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/70 20140101AFI20230126BHJP

   B23K 26/38 20140101ALI20230126BHJP

【ＦＩ】

B23K26/70

B23K26/38 A

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2021560109

(86)(22)【出願日】2020-08-14

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-05-24

(86)【国際出願番号】 EP2020072878

(87)【国際公開番号】W WO2021032625

(87)【国際公開日】2021-02-25

【審査請求日】2021-10-11

(31)【優先権主張番号】102019122064.5

(32)【優先日】2019-08-16

(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】ツォーリンガー ローラント

(72)【発明者】

【氏名】ムメンターラー マーティン

【審査官】岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】特開平０７－２６１１００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－１０２２９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第３２１９０７２（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特許第３０６０８１３（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特表２０１９－５１９３７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／７０

Ｂ２３Ｋ ２６／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

機械加工部位（１３）において被加工物（１２）をレーザー加工、特にレーザー切断するための機械加工装置、特にレーザー加工ヘッドであって、
加工用レーザービーム（１５）を生成するための加工用レーザー光源（１６）のための第１のインターフェース（１４）と、
前記加工用レーザービーム用の出口開口部（１８）と、
前記第１のインターフェースと前記出口開口部との間の光学系であって、少なくとも１つの可動面（２４）および前記可動面（２４）を動的に調整可能である少なくとも１つのアクチュエータ（２６）を有する少なくとも１つのレーザービームガイド装置（２２）を有する光学系と、
前記少なくとも１つのアクチュエータを冷却するための冷却装置（２８）であって、前記アクチュエータと接触することなく第１の冷却流体が流れることができる少なくとも１つの一次回路（３０、３２）を有する冷却装置（２８）と、を備え、
前記冷却装置が、それを通って第２の冷却流体が前記アクチュエータと接触して流れることができ、第１の前記一次回路（３２）によって冷却され得る閉じた二次回路（３４）を有し、
前記第１の一次回路（３２）は、前記レーザービームガイド装置（２２）の外側に設けられる、
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、
前記冷却装置が、前記少なくとも１つのアクチュエータおよび／または前記レーザービームガイド装置が少なくとも部分的に配置されている内部（３６）から選択された少なくとも１つの要素と、冷却構造（３７）と、を有することを特徴とする機械加工装置。

【請求項3】

請求項２に記載の機械加工装置であって、
前記内部が前記二次回路の一部であり、および／または、
前記冷却構造が前記第１もしくは第２の一次回路の一部であることを特徴とする機械加工装置。

【請求項4】

請求項２または３に記載の機械加工装置であって、
前記冷却構造は、流れを通すことができ、特に、前記冷却装置および／もしくは前記レーザービームガイド装置の前記内部を少なくとも部分的に取り囲む、前記冷却装置の壁を有し、ならびに／または
前記冷却構造は、流れを通すことができ、特に、前記冷却装置の前記内部に配置される少なくとも１つの冷却フィン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１から４のいずれか１項に記載の機械加工装置であって、
前記機械加工装置は、前記冷却装置および／もしくは前記レーザービームガイド装置が互いに交換可能に提供される第２のインターフェース（１７）を有し、ならびに／または、
前記第１の冷却流体は液体であり、および／もしくは前記第２の冷却流体はガス状であり、ならびに／または、
前記冷却装置、特に前記冷却装置の前記壁は、前記機械加工装置上に気密に設けら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１から５のいずれか１項に記載の機械加工装置であって、
前記少なくとも１つのアクチュエータは、ピエゾアクチュエータ、検流計スキャナのアクチュエータ、それらの複数、およびそれらの組合せから選択され、ならびに／または
前記少なくとも１つの可動面は、前記加工用レーザービームに対して少なくとも部分的に反射性であり、ならびに／または
前記少なくとも１つの可動面は動的に方向付け可能であり、ならびに／または
前記少なくとも１つの可動面は、動的に変形可能である連続面であり、ならびに／または
前記可動面（２４）は、時間的に統合された前記加工用レーザービームのビームパラメータ積を変更するように動的に調整可能であり、ならびに／または
前記少なくとも１つの可動面は、前記光学系の焦点距離を変更するように調整可能であり、ならびに／または
前記少なくとも１つの可動面は、前記加工用レーザービームの軸方向の焦点位置を変更するように調整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１から６のいずれか１項に記載の機械加工装置であって、
前記レーザービームガイド装置は、前記少なくとも１つの可動面として、それぞれが動的に配向可能な複数のミラーセグメントを含む少なくとも１つのセグメント化されたミラーを有し、および／または
前記レーザービームガイド装置は、前記少なくとも１つの可動面として、少なくとも１つの動的に変形可能なミラー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１から７のいずれか１項に記載の機械加工装置であって、
前記少なくとも１つの可動面は、前記加工用レーザービームを伝播方向に対して少なくとも垂直に動的に移動させるように調整可能であり、ならびに／または
前記少なくとも１つの可動面は、前記加工用レーザービームを動的に移動させ、少なくとも１つの振動振幅および少なくとも１つの振動周波数を有し、２次元もしくは３次元のリサージュ図形または２次元もしくは３次元の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つの焦点振動を生成するように調整可能であることを特徴とする機械加工装置。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか１項に記載の機械加工装置であって、
前記少なくとも１つのアクチュエータは、前記可動面を高周波で動的に調整するように構成され、および／または
前記少なくとも１つの可動面は、１０Ｈｚから１５ｋＨｚの間、好ましくは１００Ｈｚから１０ｋＨｚの間、より好ましくは４００Ｈｚから１０ｋＨｚの間の周波数で調整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から９のいずれか１項に記載の機械加工装置であって、
前記レーザービームガイド装置、特に前記少なくとも１つの可動面は、前記加工用レーザービームが９０°未満、９０°、もしくは９０°より大きい角度で偏向されるように配置および構成されており、ならびに／または
前記第１のインターフェース（１４）は、前記加工用レーザービーム（１５）を生成するための加工用レーザー光源（１６）に接続され、もしくは含み、ならびに／または
前記レーザービームガイド装置、特に前記少なくとも１つのアクチュエータを制御するための制御ユニット（２７）が提供され、ならびに／または
前記加工用レーザー光源は、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の間のレーザー出力を提供することを特徴とする機械加工装置。

【請求項11】

被加工物をレーザー加工、特にレーザー切断するための請求項１から１０のいずれか１項に記載の機械加工装置の使用。

【請求項12】

機械加工部位（１３）において被加工物（１２）をレーザー加工、特にレーザー切断するための、特に請求項１から１０のいずれか１項に記載の機械加工装置用の部品セットであって、
レーザー加工ヘッド（１００、２００、３００）であって、加工用レーザービーム（１５）を生成するための加工用レーザー光源（１６）用の第１のインターフェース（１４）、前記加工用レーザービーム用の出口開口部（１８）、および前記第１のインターフェースと前記出口開口部との間の第２のインターフェース（１７）を有し、
前記第２のインターフェースが、少なくとも１つの可動面（２４）および前記可動面（２４）を動的に調整可能である少なくとも１つのアクチュエータ（２６）を有する光学系用の少なくとも１つのレーザービームガイド装置（２２）を受け入れるように構成されている、レーザー加工ヘッド（１００、２００、３００）と、
前記少なくとも１つのアクチュエータを冷却するための冷却装置（２８）であって、前記アクチュエータと接触することなく第１の冷却流体が流れることができる少なくとも１つの一次回路（３０、３２）を有し、
前記レーザービームガイド装置および前記冷却装置が、前記第２のインターフェースに配置、特に取り付けられ得る、冷却装置（２８）と、を備え、
前記冷却装置（２８）が、それを通って第２の冷却流体が前記アクチュエータと接触して流れることができ、第１の前記一次回路（３２）によって冷却され得る閉じた二次回路（３４）を有し、
前記第１の一次回路（３２）は、前記レーザービームガイド装置（２２）の外側に設けられる、
ことを特徴とする部品セット。

【請求項13】

請求項１２に記載の部品セットであって、少なくとも１つの可動面（２４）および前記可動面（２４）を動的に調整可能である少なくとも１つのアクチュエータ（２６）を有する光学系用の少なくとも１つのレーザービームガイド装置（２２）を有することを特徴とする部品セット。

【請求項14】

請求項１から１０のいずれか１項に記載の機械加工装置を用いて被加工物をレーザー加工、特にレーザー切断するための方法であって、
機械加工装置（１００、２００、３００、４００）の第１のインターフェース（１４）に提供される加工用レーザー光源（１６）からの加工用レーザービーム（１５）により、前記機械加工装置の出口開口部（１８）を通して被加工物（１２）の機械加工部位（１３）を照射するステップと、
レーザービームガイド装置の少なくとも１つのアクチュエータ（２６）を、前記アクチュエータと接触することなく少なくとも１つの一次回路（３０、３２）を通って流れる第１の冷却流体によって冷却するステップと、
冷却された前記少なくとも１つのアクチュエータ（２６）を用いて前記可動面（２４）を動的に調整するステップと、
を含み、
前記第２の冷却流体は、前記アクチュエータと接触して、前記閉じた二次回路（３４）を通って流れ、
前記閉じた二次回路（３４）は、前記第１の前記一次回路（３２）を通って流れる前記第１の冷却流体によって冷却され、
前記第１の一次回路（３２）は、前記レーザービームガイド装置（２２）の外側に設けられる、
ことを特徴とする方法。

【請求項15】

請求項１４に記載の方法であって、前記アクチュエータを冷却するステップは、
第２の一次回路（３０）、特に冷却構造（３７）を通って流れる前記第１の冷却流体によって前記アクチュエータを冷却するステップを含むことを特徴とする方法。

【請求項16】

請求項１４または１５に記載の方法であって、
前記可動面（２４）は、時間的に統合された加工用レーザービームのビームパラメータ積を変更するように動的に調整され、ならびに／または
前記レーザービームガイド装置、特に前記少なくとも１つの可動面（２４）は、前記加工用レーザービームを伝播方向に対して少なくとも垂直に動的に移動させ、ならびに／または
前記レーザービームガイド装置、特に前記少なくとも１つの可動面は、前記加工用レーザービームを動的に移動させて、少なくとも１つの振動振幅および少なくとも１つの振動周波数を有し、２次元もしくは３次元のリサージュ図形または２次元もしくは３次元の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つの焦点振動を生成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、被加工物をレーザー加工するための機械加工装置、被加工物をレーザー加工するための機械加工装置の使用、被加工物をレーザー加工するための機械加工装置用の部品セット、および被加工物をレーザー加工するための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザー加工装置は、被加工物のレーザー加工、特にレーザー切断などのレーザー放射による材料の熱分離方法において使用される。多くの場合、加工用レーザービームを被加工物、たとえば加工するシートにガイドするためにレーザー加工ヘッドが使用される。たとえば、フラットベッド切断システムでは、レーザービームおよびガスジェットを用いて被加工物が加工される。機械加工ヘッドは切断ヘッドとして構成され、２つのビームを最適な方法で被加工物に向ける。被加工物（材料および厚さ）と所望の処理に応じて、最適なレーザービームは異なり得る。

【0003】

１ｋＷを超える中程度のレーザー出力で利用可能な切断ヘッドのほとんどは、加工する被加工物へのレーザービームの光学投影が不変である。この投影は妥協点を表す。ビームは、さまざまな材料だけでなく、薄い被加工物および厚い被加工物にも使用できる。対照的に、レーザービームの剛直な光学投影は、ほとんどの材料および厚さで切断品質および／または送り速度の低下を伴う。

【0004】

そのため、レーザー加工用にズーム光学系が開発され、切断ヘッドに使用されている。これらを使用すると、特に被加工物の種類および厚さに応じて、イメージング比、すなわち光学系の焦点距離を特定の範囲内で変更できる。ズーム光学系では、通常、加工用レーザービームの焦点の位置がその伝搬方向と平行に変位するように、少なくとも２つの光学素子を設定することができる。

【0005】

さらに、レーザービームを成形するレーザー加工のアプローチがある。ビーム成形は、レーザービームのビームパラメータ積を変更すること、および／または電磁レーザーモードの混合を変更すること、および／またはレーザービームの出力の横方向分布を変更することを意味すると理解することができる。欧州特許出願公開第３４１２４００（Ａ１）号に記載されているように、ビームパラメータ積が１度にまたは複数の特異な（分離された）時間に調整される、静的ビーム成形がある。さらに、ビームパラメータ積が、レーザービームの一定期間にわたる連続的な動的移動によって、平均化または統合された方法で、たとえばビーム振動によって変化する、動的ビーム成形（ＤＢＳ：ｄｙｎａｍｉｃ ｂｅａｍ ｓｈａｐｉｎｇ）もある。この方向のさまざまな解決策が知られており、たとえば、静的ビーム成形用の米国特許第８７８１２６９（Ｂ２）号、米国特許第９２５０３９０（Ｂ２）号、米国特許第９３４６１２６（Ｂ２）号、欧州特許出願公開第２７３０３６３（Ａ１）号、欧州特許出願公開第２７６２２６３（Ａ１）号、独国特許第２８２１８８３（Ｂ１）号、独国特許出願公開第１０２０１５１１６０３３（Ａ１）号、欧州特許第２７７８７４６（Ｂ１）号、および独国特許出願公開第１０２０１５１０１２６３（Ａ１）号や、動的ビーム成形用の独国特許第１０２００８０５３３９７（Ｂ４）号がある。

【0006】

動的ビーム成形を使用するレーザー加工では、レーザービームは、たとえば１００Ｈｚから１０ｋＨｚの周波数で、すなわちレーザービームと材料との間の通常の反応時間よりも大幅に高い周波数で、機械加工される被加工物を横切って移動する。したがって、被加工物は、時間の経過と共に平均化された、または時間の経過と共に統合された加工用レーザービームの出力分布で機械加工される。動的ビーム成形により、レーザービームスポットのほぼすべての出力分布および強度分布を生成できる。そのような適合されたレーザービームを用いて、より良い切断結果を達成できることも知られている。たとえば、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｗｓ．ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ．ｄｅ／ｅｎ／ｐｒｅｓｓａｎｄｍｅｄｉａ／ｐｒｅｓｓ＿ｒｅｌｅａｓｅｓ／２０１６／ｐｒｅｓｓ＿ｒｅｌｅａｓｅ＿２０１６－１５．ｈｔｍｌを参照。

【0007】

適応ミラーまたは変形可能ミラーは、ＡＯＳ（Ａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、ＬＬＣ）またはフラウンホーファー（Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ）ＩＯＦから入手可能なものなどのレーザービームのビーム成形に使用できる（「材料処理用の高速適応集束ミラー（Ｆａｓｔ ａｄａｐｔｉｖｅ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｍｉｒｒｏｒｓ ｆｏｒ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｏｆ．ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ．ｄｅ／ｄｅ／ｐｒｅｓｓｅ－ｍｅｄｉｅｎ／ｐｒｅｓｓｅｍｉｔｔｅｉｌｕｎｇｅｎ／２０１９／ＬＡＳＥＲ－Ｍｅｓｓｅ－Ｈｉｇｈｌｉｇｈｔｓ．ｈｔｍｌも参照）。ミラーの表面積を互いに独立して、たとえば１００Ｈｚを超える周波数ですばやく調整できる場合は、そのようなミラーを使用して動的ビーム成形を実行できる。

【0008】

さらに、フラウンホーファー（Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ）ＩＷＳ Ｄｒｅｓｄｅｎは、チップ／チルトピエゾスキャナが動的ビーム成形に適しているように見えることを示した。Ｃ．ゴッポルド（Ｃ．Ｇｏｐｐｏｌｄ）らの、「チップ－チルトピエゾプラットフォームスキャナは、切断用途での高レーザー出力の動的ビーム成形に適している（Ｔｉｐ－Ｔｉｌｔ ｐｉｅｚｏ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｓｃａｎｎｅｒ ｑｕａｌｉｆｉｅｓ ｄｙｎａｍｉｃ ｂｅａｍ ｓｈａｐｉｎｇ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｌａｓｅｒ ｐｏｗｅｒ ｉｎ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）。」、ＬＩＭ会議、ミュンヘン、２０１９年６月、を参照。この目的のために、約１インチ（２．５４ｃｍ）のミラーが、非常に動的な方法でミラーを動かすピエゾアクチュエータに結合された。このようにして、２ｋＨｚまでは短期間の動作で達成された。市販のガルバノスキャナ（またはガルバノメータースキャナ）システムは、通常、ｋＨｚの範囲まで使用できる。

【0009】

ただし、動的レーザービーム成形用に市場で入手可能な装置、たとえばチップ／チルトピエゾスキャナは、特に高い振動周波数（数１００Ｈｚから数ｋＨｚ）の範囲で、および／または長期的な用途で、高熱暴露／発生を伴う障害の影響を受けやすいことが示されている。結果として生じる高い振動振幅により、特に連続運転において、アクチュエータによって高熱発生自体が決定され得る。

【0010】

欧州特許出願公開第１０３０２０６（Ａ２）号は、レーザービーム用の変形可能なミラーと、冷却水チャネルを有するミラーマウントとを開示している。米国特許第５７７７８０７（Ａ）号および米国特許出願公開第２００１００８４６９（Ａ）号によれば、レーザー処理機の変形可能ミラーのミラープラットフォームを冷却することが提案されている。欧州特許出願公開第１１０４９４０（Ａ１）号は、コールドフィンガーを備えたソリッドステートアクチュエータについて説明している。欧州特許出願公開第１１０４９４０（Ａ１）号は、アクチュエータの空冷が技術的に複雑であり、閉鎖系として設計することはできないとも述べている。ピエゾアクチュエータの空冷については、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｐｉｅｚｏｍｅｃｈａｎｉｋ．ｃｏｍ／ｆｉｌｅａｄｍｉｎ／ｆｉｌｅｓｔｏｒａｇｅ／Ｋａｔａｌｏｇｅ／ｄｅ／Ｐｉｅｚｏｍｅｃｈａｎｉｋ＿Ｋａｔａｌｏｇ＿Ｄ＿２０１０－０５－０５＿ｗｅｂ．ｐｄｆ、４２ページ、ｈｔｔｐｓ：／／ｓｔａｔｉｃ．ｐｈｙｓｉｋｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．ｃｏｍ／ｆｉｌｅａｄｍｉｎ／ｕｓｅｒ＿ｕｐｌｏａｄ／ｐｈｙｓｉｋ＿ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ／ｆｉｌｅｓ／ｕｓｅｒ＿ｍａｎｕａｌｓ／Ｐ－２１ｘ－Ｂｅｎｕｔｚｅｒａｎｌｅｉｔｕｎｇ－ＰＺ２４９Ｄ１１０．ｐｄｆ、２６ページ、およびｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｙｎｅｏｓ．ｃｈ／ｐｄｆ／Ｄｙｎｅｏｓ＿Ｋａｔａｌｏｇ＿Ｐｉｅｚｏｅｌｅｋｔｒｉｓｃｈｅ＿Ａｋｔｏｒ．ｐｄｆ、６２ページ、図４８、に記載されている。米国特許出願公開第２０１９０１５１９８５（Ａ１）号は、複数の反射領域を含む連続的な曲率を有する反射面を備えた変形可能な制御された表面反射要素と、直接チャネリングによって水で冷却されるコンタクトホルダへの取り付けとを含む、レーザー加工用の作業ヘッドを開示している。ドイツ特許出願公開４２０６７９２（Ａ１）号は、固定カラーによってアクチュエータに取り付けられたミラープレートからなる変形可能なミラーを対象としている。液体窒素の冷却剤は、チャネルを通じて装置に流入出する。また、液体窒素の冷却剤を供給してカラーの温度を低下させ、交換のためにミラーを解放する。特開昭和６０－１０２２９０号公報は、冷却水で冷却される凸面鏡を開示している。米国特許第６７０６９９９（Ｂ１）号には、Ｘ軸とＹ軸のステージを採用した３次位置決めシステムにおいて、ガルバノメータ駆動ミラー、および高速ステアリングミラーを用いて、レーザービームをワークピース上の目標位置に照射する、ことが開示されている。

【0011】

レーザー加工ヘッドは、高い清浄度要件を満たす必要がある。ミラーによるレーザービーム成形の一般的な装置、たとえばチップ／チルトピエゾスキャナでは、ミラーの後部の下にレーザー加工ヘッドの光学チャンバへの開口部がある。ガス状の冷却媒体を使用して、スキャナを積極的に冷却することができる。この目的のために、大量の冷却媒体（冷却空気の標準値＞１００ｌ／分）がスキャナハウジングに導入される。しかしながら、冷却媒体は、開口部を通って光学チャンバに入り、ミラー表面および他の光学素子（たとえば、偏向ミラー、レンズ、および保護ガラス）と接触する可能性がある。ただし、レーザービームとの相互作用による汚染は、これらの光学素子の損傷または破壊にさえつながる可能性がある。したがって、冷却媒体は、それ自体がスキャナハウジングおよび／または光学チャンバ内の汚れの原因となり得るか、または高い流速で光学チャンバ内に存在する汚れを渦巻かせ、したがってそれらを光学素子内のレーザービームの有効範囲内に向けることができる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明の目的は、信頼性が高く、および／またはエラーが発生しにくいレーザービーム成形を可能にする、被加工物のレーザー加工のための機械加工装置および方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

この目的は、請求項１に記載の被加工物をレーザー加工するための機械加工装置、請求項１１に記載の機械加工装置の使用、請求項１２に記載の被加工物をレーザー加工するための機械加工装置の部品セット、および請求項１４に記載の被加工物をレーザー加工するための方法によって達成される。

【0014】

本発明の一実施形態では、機械加工部位において被加工物をレーザー加工、特にレーザー切断するための機械加工装置、特にレーザー加工ヘッドであって、加工用レーザービームを生成するための加工用レーザー光源のための第１のインターフェースと、加工用レーザービーム用の出口開口部と、第１のインターフェースと出口開口部との間の光学系であって、少なくとも１つの可動面および可動面を動的に調整可能である少なくとも１つのアクチュエータを有する少なくとも１つのレーザービームガイド装置を有する光学系と、少なくとも１つのアクチュエータを冷却するための冷却装置であって、アクチュエータと接触することなく第１の冷却流体が流れることができる少なくとも１つの一次回路を有する冷却装置と、を備え、前記冷却装置が、それを通って第２の冷却流体が前記アクチュエータと接触して流れることができ、第１の前記一次回路によって冷却され得る閉じた二次回路を有する、ことを特徴とする機械加工装置が提供される。

【0015】

一次回路の少なくとも１つは、第１の冷却流体によって能動的に通過するように構成することができる。たとえば、一次回路の少なくとも１つは、ポンプ装置など、一次回路を通して第１の冷却流体を能動的に流すための装置を含むことができる。機械加工装置の内部は、第１のインターフェースと出口開口部との間に設けることができる。レーザービームガイド装置は、機械加工装置の内部への開口部を有することができる。可動面は、機械加工装置の内部および／または機械加工装置の内部への開口部に配置することができる。

【0016】

機械加工装置は、第１の冷却流体がアクチュエータと接触することなく、少なくとも１つのアクチュエータを冷却することを可能にする。したがって、アクチュエータおよび可動面の汚染が回避される。このようにして、アクチュエータの周囲からの第１の冷却流体が、光学チャンバとも呼ばれる機械加工装置の内部に入り、そこでさらなる光学素子と接触したり、汚れ粒子を渦巻かせたりすることも回避される。さらに、アクチュエータの冷却により、たとえば、産業用途での長期間の動作においてさえ、高温でのレーザービームガイド装置の機能が安定する。したがって、少なくとも１つの可動面は、少なくとも１つの冷却されたアクチュエータによって、所望の周波数範囲で、さらには数１００Ｈｚから数ｋＨｚの高周波でさえも確実に調整でき、特に高熱暴露／高熱発生の干渉はほとんどなしで確実に動作することができる。

【0017】

したがって、実施形態の機械加工装置では、少なくとも１つの可動面を調整することにより、時間的に統合された加工用レーザービームのビームパラメータ積を、長期間の使用およびレーザー加工に典型的な熱暴露／発生の場合でさえ、確実に修正することができる。また、可動面を空間的にのみ調整する場合は、ビームパラメータ積を設定し、加工用レーザービームの静的ビーム成形を行うことができる。可動面が空間的だけでなく時間的にも調整される場合、すなわち１つ以上の期間にわたって、ビームパラメータ積を設定または変更することができ、加工用レーザービームの動的ビーム成形が可能になる。このようにして、加工用レーザービームのビームスポットおよびビームパラメータ積のほぼすべての強度分布を提供することができる。可動面により、焦点距離の変化の機能、軸方向の焦点位置の調整、ならびに静的および／または動的ビーム成形の機能も、単一の構成要素で実施することができる。したがって、加工用レーザービームのビーム経路の省スペース配置も、冷却装置と一緒に実現することができる。さらに、焦点距離を変更する機能、焦点位置調整、ならびに静的および／または動的ビーム成形の機能を提供するために、レーザービームガイド装置全体を移動または変位させる必要はない。したがって、少なくとも１つのレーザービームガイド装置および／または少なくとも１つのアクチュエータは、機械加工装置に静止して提供することができ、冷却することができる。

【0018】

冷却装置は、それを通って第２の冷却流体がアクチュエータと接触して流れることができ、第１の一次回路によって冷却され得る、閉じた二次回路を有する。したがって、冷却中に、第２の冷却流体が少なくとも１つのアクチュエータと接触する可能性がある。さらに、二次回路は実質的に閉じている。いくつかの実施形態では、二次回路は、機械加工装置の内部（光学チャンバ）を少なくとも部分的に含み得る。これは、たとえば、第２の冷却流体が、特にレーザービームガイド装置の光学チャンバへの開口部を通って光学チャンバに入ることができる場合に当てはまる可能性がある。これらの実施形態においても、機械加工装置の出口開口部から、したがって光学チャンバから少量またはわずかな量の第２の冷却流体しか出てこないので、二次回路は本質的に閉じている。さらに、第２の冷却流体は、一次回路によって冷却することができる。二次回路は、第２の冷却流体によって能動的に通過して流れるように構成することができる。たとえば、二次回路は、ポンプ装置など、二次回路を通して第２の冷却流体を能動的に流すための装置を含むことができる。

【0019】

これらの対策により、少なくとも１つのアクチュエータの最適かつ効果的な冷却を実現できる。同時に、第２の冷却流体が汚染を引き起こす可能性があることを回避する。第２の冷却流体は、第２の冷却流体または二次回路の清浄度を維持することができるように、閉じた冷却回路内を特に循環する。したがって、二次回路と第２の冷却流体は、光学チャンバに適用されるのと同じ清浄度要件を満たす。このことは、二次回路も、光学チャンバを含む外部に対して実質的に閉じた系を形成するため、２次冷却流体の一部が光学チャンバに到達した場合にも当てはまる。さらに、任意の量の第２の冷却流体が二次回路を通って流れ得る。さらに、実質的に閉じた二次回路のために、第２の冷却流体の損失が回避され、および／または比較的少量の第２の冷却流体が必要とされる。これにより、高い冷却効率が保証される。

【0020】

機械加工装置において、冷却装置は、少なくとも１つのアクチュエータおよび／またはレーザービームガイド装置が少なくとも部分的に配置されている内部から選択される少なくとも１つの要素、ならびに冷却構造を有することができる。これらの要素は、アクチュエータの効果的な冷却を促進する。

【0021】

したがって、内部は二次回路の一部であり得る。少なくとも１つのアクチュエータが少なくとも部分的に内部に配置されている場合、少なくとも１つのアクチュエータは第２の冷却流体で冷却することができる。レーザービームガイド装置が少なくとも部分的に内部に配置されている場合、少なくとも１つのアクチュエータだけでなく、レーザー処理過程中に熱にさらされるレーザービームガイド装置の他の要素も、たとえば熱伝導によって、第２の冷却流体で冷却することができる。これにより、特に高周波でのレーザービームガイド装置の信頼性が最適化される。

【0022】

さらに、冷却構造は、第１または第２の一次回路の一部であり得る。冷却構造が第１の一次回路の一部である場合、第１の冷却流体は、二次回路だけでなく、冷却構造も冷却することができる。冷却構造が第２の一次回路の一部である場合、二次回路と冷却構造とは互いに独立して冷却され得る。

【0023】

機械加工装置の実施形態では、冷却構造は、流れを通すことができ、特に、冷却装置および／またはレーザービームガイド装置の内部を少なくとも部分的に取り囲む、冷却装置の壁を有することができる。結果として、アクチュエータを取り囲む内部、特にそこに含まれるガス、たとえば第２の冷却流体を冷却することができる。したがって、内部に配置された少なくとも１つのアクチュエータも冷却することができる。追加的または代替的に、レーザービームガイド装置は、少なくとも部分的に冷却することができる。たとえば、冷却装置の壁は、少なくとも部分的に、レーザービームガイド装置の外壁に隣接し得る。このようにして、レーザービームガイド装置の外壁およびレーザービームガイド装置の他の部分の両方を、熱伝導によって冷却することができる。

【0024】

代替的または追加的に、冷却構造は、流れを通すことができ、特に冷却装置の内部に配置される少なくとも１つの冷却フィンを有することができる。結果として、アクチュエータを取り囲む内部、特にそこに含まれる流体、たとえば空気、またはアクチュエータの周りを流れる流体、たとえば第２の冷却流体を冷却することができる。したがって、内部に配置された少なくとも１つのアクチュエータも冷却することができる。

【0025】

実施形態では、機械加工装置は、冷却装置および／またはレーザービームガイド装置が互いに交換可能に提供される第２のインターフェースを有することができる。したがって、冷却装置もしくはレーザービームガイド装置、またはその両方を第２のインターフェースに取り付け、必要に応じて取り外しまたは交換することができる。

【0026】

さらに、第１の冷却流体は液体であり得、および／または第２の冷却流体はガス状であり得る。このようにして、一次回路は、たとえば、第１の冷却流体としてＨ_２Ｏを用いて動作され得る。さらに、ガス状の第２の冷却流体、たとえば、Ｎ_２が、少なくとも１つのアクチュエータの周りを流れることができる。

【0027】

さらに、冷却装置、特に冷却装置の壁は、機械加工装置上に気密に設けることができる。これにより、第１の冷却流体および／または第２の冷却流体の損失が最小限に抑えられる。

【0028】

機械加工装置の実施形態では、少なくとも１つのアクチュエータは、ピエゾアクチュエータ、検流計スキャナのアクチュエータ、それらの複数、およびそれらの組合せから選択され得る。したがって、言及されたアクチュエータは、効果的に冷却され、確実に動作され得る。

【0029】

実施形態によれば、少なくとも１つの可動面は、加工用レーザービームに対して少なくとも部分的に反射性であり得る。少なくとも１つの可動面はまた、動的に方向付け可能であり得る。さらに、少なくとも１つの可動面は、動的に変形可能な連続面であり得る。代替的または追加的に、可動面は、時間的に統合された加工用レーザービームのビームパラメータ積を変更するように動的に調整可能である。少なくとも１つの可動面はまた、光学系の焦点距離を変更するように調整可能であり得る。さらに、少なくとも１つの可動面は、加工用レーザービームの軸方向焦点位置を変更するように調整可能であり得る。これらの手段を個別にまたは組み合わせて、加工用レーザービームを最適な形で被加工物に向けることができ、たとえば、被加工物の材料および／または厚さに適合させ、所望の処理過程と調整することができる。

【0030】

実施形態では、レーザービームガイド装置は、少なくとも１つの可動面として、それぞれが動的に配向可能な複数のミラーセグメントを有する少なくとも１つのセグメント化されたミラーを有することができる。さらに、レーザービームガイド装置は、少なくとも１つの可動面として、少なくとも１つの動的に変形可能なミラーを有することができる。これらの対策により、加工用レーザービームの柔軟性の高いおよび／または高周波の動的ビーム成形が可能になる。代替的または追加的に、光学系の焦点距離の変更および／または加工用レーザービームの焦点位置調整を実行することができる。

【0031】

実施形態の機械加工装置では、少なくとも１つの可動面は、加工用レーザービームを伝播方向に対して少なくとも垂直に動的に移動させるように調整可能であり得る。少なくとも１つの可動面は、加工用レーザービームを動的に移動させ、少なくとも１つの振動振幅および少なくとも１つの振動周波数を有し、２次元もしくは３次元のリサージュ図形または２次元もしくは３次元の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つの焦点振動を生成するように調整可能である。これらの手段はまた、加工用レーザービームの非常に柔軟で非常に動的なおよび／または高周波のビーム成形を可能にする。

【0032】

実施形態の機械加工装置では、少なくとも１つのアクチュエータは、可動面を高周波で動的に調整するように構成することができる。さらに、少なくとも１つの可動面は、１０Ｈｚから１５ｋＨｚの間、好ましくは１００Ｈｚから１０ｋＨｚの間、より好ましくは４００Ｈｚから１０ｋＨｚの間の周波数で調整可能であり得る。これにより、加工用レーザービームの動的ビーム成形が容易になる。特に、可動面の高周波動的調整、およびそれによる加工用レーザービームの高周波動的移動、たとえば、加工用レーザービームのビーム振動または焦点振動を行うことができる。

【0033】

機械加工装置において、レーザービームガイド装置、特に少なくとも１つの可動面は、加工用レーザービームが９０°未満、９０°、または９０°より大きい角度で偏向されるように配置および構成することができる。これにより、機械加工装置の柔軟な空間構成が可能になる。さらに、第１のインターフェースは、加工用レーザービームを生成するための加工用レーザー光源に接続され、または含むことができる。さらに、レーザービームガイド装置、特に少なくとも１つのアクチュエータを制御するための制御ユニットが提供され得る。さらに、加工用レーザー光源は、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の間のレーザー出力を提供することができる。

【0034】

本発明はまた、被加工物のレーザー加工、特にレーザー切断のための、前述の実施形態のいずれか１つに記載の機械加工装置の使用に関する。このようにして、機械加工装置について説明したレーザー加工、特にレーザー切断のための対策および有利な効果を実施することができる。

【0035】

さらに、本発明は、機械加工部位において被加工物をレーザー加工するための機械加工装置、特に前の実施形態の１つによる機械加工装置、特にレーザー切断のための部品セットに関する。部品セットは、加工用レーザービームを生成するための加工用レーザー光源のための第１のインターフェース、加工用レーザービームのための出口開口部、および第１のインターフェースと出口開口部との間の第２のインターフェースとを有するレーザー加工ヘッドを含む。それにより、第２のインターフェースは、少なくとも１つの可動面および可動面を動的に調整可能である少なくとも１つのアクチュエータを有する光学系用の少なくとも１つのレーザービームガイド装置を受け入れるように構成される。さらに、部品セットは、少なくとも１つのアクチュエータを冷却するための冷却装置を備え、冷却装置は、アクチュエータと接触することなく第１の冷却流体が流れることができる少なくとも１つの一次回路を有し、前記冷却装置が、それを通って第２の冷却流体が前記アクチュエータと接触して流れることができ、第１の前記一次回路によって冷却され得る閉じた二次回路を有する。したがって、レーザービームガイド装置および冷却装置は、第２のインターフェースに配置することができ、特に取り付けることができる。したがって、部品セットにより、少なくとも１つのアクチュエータを冷却するための冷却装置を備えた既存の機械加工装置の改造、ならびにその修理が可能になる。

【0036】

上記の実施形態の変形において、部品セットは、少なくとも１つの可動面と、可動面を動的に調整することができる少なくとも１つのアクチュエータとを有する光学系用の少なくとも１つのレーザービームガイド装置を備える。したがって、機械加工装置は、アクチュエータ用の冷却装置だけでなく、レーザービームガイド装置も備えることができる。

【0037】

本発明はさらに、前述の実施形態のいずれか１つによる機械加工装置を用いて被加工物をレーザー加工するための方法、特にレーザー切断のための方法に関する。方法は、機械加工装置の第１のインターフェースに提供された加工用レーザー光源からの加工用レーザービームにより、機械加工装置の出口開口部を通して被加工物の機械加工部位を照射するステップと、レーザービームガイド装置の少なくとも１つのアクチュエータを、アクチュエータと接触することなく少なくとも１つの一次回路を通って流れる第１の冷却流体によって冷却するステップと、冷却された少なくとも１つのアクチュエータを用いて可動面を動的に調整するステップと、を含み、前記第２の冷却流体は、前記アクチュエータと接触して、前記閉じた二次回路を通って流れ、前記閉じた二次回路は、前記第１の前記一次回路を通って流れる前記第１の冷却流体によって冷却される。

【0038】

上記の実施形態の方法において、アクチュエータを冷却するステップは、第１の一次回路を通って流れる第１の冷却流体が、第１および／または第２の一次回路、特に冷却構造を通って流れるステップを含むことができる。

【0039】

実施形態の方法では、可動面は、時間的に統合された加工用レーザービームのビームパラメータ積を変更するように動的に調整することができる。代替的または追加的に、レーザービームガイド装置、特に少なくとも１つの可動面は、加工用レーザービームを伝播方向に対して少なくとも垂直に動的に移動させる。さらに、レーザービームガイド装置、特に少なくとも１つの可動面は、加工用レーザービームを動的に移動させて、少なくとも１つの振動振幅および少なくとも１つの振動周波数を有し、２次元もしくは３次元のリサージュ図形または２次元もしくは３次元の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つの焦点振動を生成することができる。

【0040】

上記の実施形態の被加工物をレーザー加工するための方法を用いて、特に同一および／または類似の特徴を有する、被加工物をレーザー加工するための機械加工装置の実施形態と同じ利点、動作モードおよび機能を実現することができる。

【0041】

さらなる特徴および利点は、以下の実施形態の説明、図および従属請求項から明らかになる。

【0042】

本明細書に記載の実施形態の相互に排他的でないすべての特徴は、互いに組み合わせることができる。実施形態の同じ要素には、以下の説明において同じ参照記号が与えられている。一実施形態の個々のまたは複数の要素は、さらに言及することなく、他の実施形態で使用することができる。ここで、本発明の実施形態は、それによるいかなる制限を意図することなく、図を参照して以下の実施例を使用してより詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0043】

【図1】本発明の実施形態による第１の例として、被加工物をレーザー加工するための機械加工装置１００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、被加工物をレーザー加工するための機械加工装置２００を概略的に示す図である。

【図3】本発明の実施形態による第３の例として、被加工物をレーザー加工するための機械加工装置３００を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0044】

本発明の実施形態による機械加工装置は、とりわけ、本発明をそれに限定することなく、機械加工ヘッドを備えた例として以下に説明される。本発明の実施形態による機械加工装置および方法はまた、機械加工ヘッドなしで実現することができる。

【0045】

さらに、ここで値の範囲が説明されている場合、より狭い代替または優先範囲を伴う広い範囲の指定は、指定された下限範囲および指定された上限範囲の任意の組合せによって形成され得る範囲を開示すると見なされる。

【0046】

「経時的に統合された」または「経時的に平均化された」という用語は、ある期間またはある期間にわたって統合または平均化されたことを意味する。焦点振動に関連して、「経時的に統合された」または「経時的に平均化された」という用語は、少なくとも１つの振動周期にわたって統合または平均化され、少なくとも１つの振動周期にわたってビーム振動に関連して統合または平均化されることを意味する。

【0047】

レーザービームの「動的移動」または「動的に移動する」レーザービームという用語およびそれらの変形は、レーザービームが高周波、たとえば１０Ｈｚから１５ｋＨｚの周波数で移動することを意味する。同じことが、機械加工装置の「動的に」移動可能、方向付け可能、および／または調整可能な要素にも同様に当てはまる。

【0048】

図１は、機械加工部位１３において被加工物１２をレーザー加工するための本発明の実施形態による機械加工装置１００の第１の例を概略的に示す。この例では、機械加工装置１００は、機械加工ヘッドとして設計されている。

【0049】

機械加工装置１００は、加工用レーザービーム１５を生成するための加工用レーザー光源１６用の第１のインターフェース１４を有し、これは、破線を１つのビームとして図１に示されている。加工用レーザー光源は図１には示されていない。図３の例に示されるように、加工用レーザー光源１６または加工用レーザー光源１６の輸送繊維は、特に気密様式で、第１のインターフェース１４に提供され得る。本例では、加工用レーザー光源１６は、約６ｋＷのレーザー出力を提供し、１０７０ｎｍの波長を含むスペクトル範囲で加工用レーザービームを生成する。しかしながら、６ｋＷ未満、たとえば約１ｋＷの出力、または６ｋｗを超える、たとえば約２０ｋＷの出力の加工用レーザー光源も使用することができる。

【0050】

さらに、機械加工装置１００は、加工用レーザービーム１５用の出口開口部１８を有する。第１のインターフェース１４と出口開口部１８との間、特に第１のインターフェース１４と出口開口部１８の前の保護ガラス、たとえば図３に示されるような保護ガラス４０ｃとの間に、光学チャンバとしても知られる機械加工装置１００の内部が存在する。

【0051】

機械加工装置１００は、断面図の形で図１に示されているレーザービームガイド装置２２を備えた光学系を有する。レーザービームガイド装置２２は、第１のインターフェース１４と出口開口部１８との間の領域の固定位置に配置されている。レーザービームガイド装置２２は、光学チャンバへの開口部２３を有する。

【0052】

この例では、レーザービームガイド装置２２は、加工用レーザービーム１５を反射する可動面２４を有し、可動面２４は、機械加工ビーム１５を９０°偏向させるように光学チャンバ内に配置および整列される。図１に示されるように、加工用レーザービーム１５は、出口開口部１８を通って被加工物に向けられる前に、機械加工装置内で、たとえば９０°で、再び偏向され得る。この目的のために、たとえば、図３に示されるような偏向ミラー４０ｄを提供することができる。

【0053】

反射面２４は、少なくとも１つのアクチュエータ２６によって少なくとも部分的に動的に移動可能である。図１および以下の説明において、本例は、アクチュエータ２６を用いて示され、説明されるが、反射面２４が少なくとも部分的に調整され得る複数のアクチュエータ２６を提供することも可能である。

【0054】

この例では、レーザービームガイド装置２２は、可動面２４を提供する、ＳｉＣ（炭化ケイ素）で作られた動的に配向可能な平面ミラーを含む。平面ミラーは、レーザービームを反射する表面コーティング、たとえば誘電体層、金属層（たとえば銅）または金属酸化物層を備えている。あるいは、誘電体層、金属層（たとえば、銅）または金属酸化物層を備えたガラス基板（たとえば、溶融石英、石英ガラス）またはサファイアで作られたミラーを使用することができる。ミラーのサイズは、ミラーの位置にある加工用レーザービームの直径に対応するように選択される。ピエゾアクチュエータは、アクチュエータ２６として提供され、それによって、ミラーを動的に動かすことができ、それによって方向付けることができる。ミラーと少なくとも１つのアクチュエータで構成されるユニットは、ピエゾスキャナとも呼ばれる。複数のアクチュエータの場合、各ピエゾアクチュエータ２６は、制御ユニット（図１には示されていない）によって個別に制御することができる。この例では、これは、１２０Ｖの標準駆動電圧を持つ修正されたＰＺＴ（ｌｅａｄ－ｚｉｒｃｏｎａｔｅ－ｔｉｔａｎａｔｅ：チタン酸ジルコン酸鉛）セラミックに基づくピエゾアクチュエータである。

【0055】

冷却装置２８は、レーザービームガイド装置２２上に設けられている。これは、冷却流体、たとえば水が流れることができる一次回路３０を含む。この例では、冷却装置２８は、レーザービームガイド装置２２を冷却構造として壁３７で部分的に囲み、たとえばフランジを使用して、または一体的に機械加工装置１００に気密に取り付けられた冷却ハウジングとして設計されている。「気密」という用語は、たとえば、＜１０^－４（ｍｂａｒ＊ｌ）／ｓでのヘリウム気密を意味する。

【0056】

この例では、冷却ハウジングの壁３７、したがって冷却装置の壁は、冷却流体供給ラインおよび冷却流体排出ラインと共に、冷却装置２８の一次回路３０を形成する内部ラインを有する。

【0057】

動作中、冷却流体、たとえば水は、一次回路３０および冷却ハウジングを通過する。これにより、冷却ハウジング内のアクチュエータ２６を取り囲む流体、たとえば空気が冷却される。したがって、アクチュエータ２６も冷却される。冷却ハウジングの壁３７は、レーザービームガイド装置の外壁に少なくとも部分的に隣接しているので、レーザービームガイド装置の外壁およびレーザービームガイド装置の他の部分の両方が、熱伝導によって冷却される。

【0058】

レーザー加工の場合、可動面２４を備えたミラーは、加工用レーザービーム１５が偏向されるように、ピエゾアクチュエータ２６によって傾斜される。同時に、ミラー２４は、ピエゾアクチュエータ２６によって動的に移動され、偏向に適切な傾斜角を提供し、その結果、加工用レーザービーム１５が動的に移動される。このようにして、加工用レーザービーム１５の焦点は、たとえば１０Ｈｚから１５ｋＨｚの間の周波数でその伝播方向に少なくとも垂直になるように動的に移動され、したがってレーザービームスポットが成形されるので、加工用レーザービーム１５のビームパラメータ積および被加工物１２上のレーザービームスポットの強度分布を、レーザー加工のそれぞれの方法に対して最適に設計することができる。たとえば、加工用レーザービーム１５が動的に移動するとき、少なくとも１つの振動振幅および少なくとも１つの振動周波数を有し、２次元もしくは３次元のリサージュ図形または２次元もしくは３次元の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焦点振動が生成される。

【0059】

第１の例の機械加工装置１００が冷却装置２８を有することにより、加工用レーザービーム１５の動的ビーム成形中に、少なくとも１つのアクチュエータ２６を第１の冷却流体と接触することなく冷却することができる。これにより、アクチュエータおよびミラーの汚染が防止される。このようにして、第１の冷却流体が機械加工装置の光学チャンバに入り、他の光学素子と接触したり、汚れ粒子を渦巻かせたりする可能性も回避される。さらに、アクチュエータの冷却により、数百Ｈｚから数ｋＨｚの高周波でもビーム形成が安定する。したがって、少なくとも１つのアクチュエータは、高熱暴露／発生の場合、および、たとえば産業用途などの長期動作においても確実に使用することができる。

【0060】

第１の例の変形（図示せず）では、レーザービームガイド装置２２は、検流計スキャナの一部である２つの可動面２４を含む。この目的のために、検流計スキャナは、それぞれが可動面２４を提供する２つのミラーを含むことができる。これらはそれぞれ、個別に制御可能な検流計を使用して、アクチュエータとして個別に動的に移動できる。アクチュエータは、それに応じて構造的に適合された冷却装置２８によって冷却される。検流計スキャナは、たとえば、加工用レーザービーム１５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回偏向されるように配向可能な２つのミラーを備えている。動作中、２つのミラーは、加工用レーザービーム１５が２回偏向され、同時に動的に移動するように、互いに対して配向および移動される。結果として、動的ビーム成形によって加工用レーザービーム１５のビームスポットおよびビームパラメータ積のほぼすべての強度分布が提供され、特にレーザービームで被加工物にリサージュ図形を書き込むことができる。アクチュエータの冷却により、高熱暴露／発生および長期間の動作でも安定した方法で行うことができる。

【0061】

図２は、被加工物１２をレーザー加工するための本発明の実施形態による機械加工装置２００の第２の例を概略的に示す。第１の例とは対照的に、冷却装置２８は、機械加工装置２００とは別の一次回路３２と、二次回路３４とを有する。第１の例の一次回路３０と同様に、一次回路３２は、供給ラインおよび排出ラインを介して、第１の冷却流体、たとえば、Ｈ_２Ｏを通すことができる。二次回路３４は、少なくとも１つのアクチュエータと接触しているガス状の第２の冷却流体、たとえばＮ_２を通すことができ、第１の一次回路３０によって冷却され得る。この例では、一次回路３２は、二次回路３４も部分的に流れ、したがって冷却され得る熱交換器を含む。

【0062】

二次回路３４は、この場合、循環ポンプ３５（図２の円内の矢印によって示される）を備えた、冷却装置の内部３６への供給ラインを有する。内部３６は、機械加工装置２００の外側に対して、冷却装置の壁によって気密に密封されている。この場合、壁はハウジングとして設計されている。レーザービームガイド装置２２は、ハウジング内に配置されている。さらに、二次回路は内部３６からの排出ラインを有する。二次回路３４の供給ラインおよび排出ラインは、一次回路３２の熱交換器内で互いに接続されている。このようにして、二次回路３４は実質的に閉じている。したがって、図２から分かるように、第２の冷却流体は、内部３６に導入され得、また、そこから排出され得る。この目的のために、この例の二次回路３４は、循環ポンプ３５を含む。代替的または追加的に、第２の冷却流体は、一次回路３２を介した冷却に起因して、排出ラインに拡散して戻ることができる。両方の手段は、個別にまたは組み合わせて、第２の冷却流体が実質的に損失なしに内部３６から二次回路３４の排出に戻されることができるという結果をもたらす。冷却装置２８の内部３６は、本例の二次回路３４の一部である。

【0063】

この例の変形では、二次回路３４は、少なくとも部分的に、機械加工装置２００の内部（光学チャンバ）も含む。これは、たとえば、第２の冷却流体が開口部２３を通過して光学チャンバに入る場合に当てはまる可能性がある。この変形においても、機械加工装置２００の内部、特に出口開口部１８から漏洩する第２の冷却流体がわずかまたは少量のみであるため、二次回路は実質的に閉じられている。

【0064】

動作中、第２の冷却流体（この場合はガス状Ｎ_２）は二次回路３４を通過し、第１の冷却流体（この場合はＨ_２Ｏ）は一次回路３２を通過する。このようにして、第２の冷却流体が冷却され、内部３６に送られる。レーザー加工の場合、可動面２４を備えたミラーは、加工用レーザービーム１５が偏向されるように、少なくとも１つのピエゾアクチュエータ２６によって傾斜される。同時に、ミラー２４は、ピエゾアクチュエータ２６によって動的に移動され、偏向に適切な傾斜角を提供し、その結果、加工用レーザービーム１５が動的に移動される。ピエゾアクチュエータ２６は、内部３６内においてその周りを流れる第２の冷却流体で冷却される。加工用レーザービーム１５の焦点は、たとえば１０Ｈｚから１５ｋＨｚの間の周波数で、その伝播方向に少なくとも垂直に動的に移動され、レーザービームスポットが成形される。したがって、アクチュエータの冷却により、加工用レーザービーム１５の所望のビームパラメータ積および被加工物１２上のレーザービームスポットの所望の強度分布が、高熱暴露／発生および長期動作においてさえ確実に提供される。

【0065】

少なくとも１つのアクチュエータ２６が内部３６内に少なくとも部分的に配置されているので、アクチュエータ２６は、第２の冷却流体で冷却することができる。さらに、上で説明したように、この例では、レーザービームガイド装置２２は、ハウジング内に配置され、したがって、少なくとも部分的に内部３６内にも配置される。したがって、アクチュエータ２６だけでなく、レーザー加工処理中に熱にさらされるレーザービームガイド装置２２の他の要素、たとえばミラーも、第２の冷却流体で冷却することができる。その結果、レーザービームガイド装置２２の信頼性がさらに向上する。

【0066】

一次回路３２と二次回路３４との組合せは、アクチュエータ２６の最適な冷却を保証するだけではない。実質的に閉じた二次回路３４のために、機械加工装置の光学チャンバ内の第２の冷却流体が汚染を引き起こす可能性があることがさらに回避される。さらに、実質的に閉じた二次回路３４のために、第２の冷却流体の損失が最小限に抑えられ、および／または比較的少量の第２の冷却流体が必要とされる。

【0067】

図３は、被加工物１２をレーザー加工するための本発明の実施形態による機械加工装置３００の第３の例を概略的に示している。第３の例では、冷却装置２８は、第１の例の一次回路３０と、第２の例の一次回路３２および二次回路３４との組合せを含む。

【0068】

図３はまた、光学系のオプションの光学素子４０ａ、４０ｂ、４０ｃおよび４０ｄを示している。このことは、光学系のすべての例と実施形態において、１つ以上の追加の透過光学素子（たとえば、レンズ４０ａ、４０ｂおよび保護ガラス４０ｃ）および／または反射光学素子（たとえば、平面偏向ミラー４０ｄ）を、たとえば、加工用レーザービーム１５を偏向させるために提供することができることを意味する。さらに、図３では、例として、加工用レーザー光源１６のファイバ端が第１のインターフェース１４に取り付けられている。同様に、図３は、例として、２つのアクチュエータ２６を備えたレーザービームガイド装置２２を示している。図３はまた、アクチュエータ２６を制御するために、レーザービームガイド装置２２が、有線または無線のデータ伝導方式で制御ユニット２７に接続され得ることを示している。たとえば、２７個のリサージュ図形を制御ユニットのデータベースに保存でき、制御ユニットはそれに応じて個々のアクチュエータを制御できる。前述の変形はまた、図１および図２の機械加工装置１００および２００においても提供され得る。

【0069】

したがって、第３の例の冷却装置２８は、第１の例の一次回路３０と、第２の例の一次回路３２および二次回路３４とからなる。冷却装置２８はこのようにして２つの段階で設計され、一次回路３０が第１の段階を形成し、一次回路３２および二次回路３４が第２の段階を形成する。第１および第２の一次回路３０および３２は、同じ冷却流体で結合および動作することができる。第１および第２の例の要素および機能は、第３の例でも同様に実装されている。したがって、第２の例ではハウジングを形成し、レーザービームガイド装置２２を部分的に取り囲む、冷却装置２８の壁は、第１の例のように冷却ハウジングの壁３７として設計される。冷却ハウジングは、冷却流体供給ラインおよび冷却流体排出ラインと共に、冷却装置２８の第１の一次回路３０を形成する内部ラインを有する。

【0070】

二段冷却装置２８は、機械加工装置３００およびレーザービームガイド装置２２の動作中に優れた冷却性能を提供することができる。二次回路３４によって内部３６に導入され、アクチュエータ２６の周りを流れる第２の冷却流体は、すなわち、一次回路３２だけでなく一次回路３０によっても冷却される。したがって、アクチュエータ２６は、特に効果的に冷却され、動作中に安定化される。このようにして、高熱暴露／発生および長期間の動作においてさえ、加工用レーザービーム１５の設計されたビームパラメータ積および被加工物１２上のレーザービームスポットの所望の強度分布が確実に提供され得る。一次回路３０によって引き起こされる内部３６内の第２の冷却流体の追加の冷却はまた、冷却流体が内部３６内に保持されることを容易にし、光学チャンバに流入するわずかな傾向のみを示す。このようにして、実質的に閉じた二次回路３４が安定化される。第２の冷却流体による光学チャンバの汚染が回避され、第２の冷却流体の損失が最小限に抑えられる。

【0071】

図３の例の変形では、レーザービームガイド装置２２は、約５０ｍｍの直径を有する実質的に円形のセグメント化ミラーを、同心パターンを形成する４１個のミラーセグメントが互いに分離され、互いに隣接して配置された反射可動面２４として有することができる。各ミラーセグメントは金のコーティングが施され、加工用レーザービーム１５に対して反射性であり、ピエゾアクチュエータ２６によって個別に動的に配向され得る。この変形では、ミラーセグメントのパターンに従って配置された、いくつかのピエゾアクチュエータ２６が提供される。この例では、これらは、１２０Ｖの標準動作電圧を持つ修正されたＰＺＴセラミックに基づくピエゾアクチュエータである。したがって、レーザービームガイド装置２２は、加工用レーザービーム１５を反射するセグメント化された全表面を提供し、その表面形状、特にその曲率は、非常に動的な方法で調整することができる。

【0072】

セグメント化されたミラーを使用した第３の例の上記の変形の次の用途が可能である。レーザービームガイド装置２２は、ズーム光学系として使用することができ、加工用レーザービーム１５は、所望の選択可能なビーム発散を伴ってセグメント化されたミラーによって偏向される。光学系の焦点距離も、レーザービームガイド装置２２を用いて変更され得る。レーザービームガイド装置２２はまた、静的ビーム成形光学系として使用することができる。セグメント化されたミラーの表面２４は、所望の収差に応じて適切な制御可能な表面曲率を想定している。セグメント化されたミラーを動作するアクチュエータが多いほど、表面はより任意になり得る。さらに、レーザービームガイド装置２２は、動的ビーム成形に使用することができる。したがって、セグメント化されたミラーの表面２４は、１０Ｈｚより上、特に１００Ｈｚより上で十分に高い周波数で変化し、その結果、被加工物１２への結果として生じる焦点は、レーザービーム伝搬に対して少なくとも横方向に所望の動きを実行する。このような動きは、必要に応じて構成でき、たとえば、可能なすべてのリサージュ図形を被加工物に書き込むことができ、時間の経過と共に統合される加工用レーザービームのビームパラメータ積が変更される。

【0073】

第３の例のさらなる変形では、レーザービームガイド装置２２は、可動で反射性の連続した表面２４を提供するために、変形可能なミラー（ｄｙｎａｍｉｃ ｍｉｒｒｏｒ：ＤＭ、動的ミラー）を有する。ミラーは、アクチュエータによって動的に変形可能である変形可能な材料で作られた膜によって形成されている。この例では、膜は直径が約４５ｍｍの円形である。膜の下側には、円形パターンで均一に分布された個別に制御可能なピエゾアクチュエータ２６がある。この例は、１２０Ｖの標準動作電圧を持つ修正ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）セラミックに基づくピエゾアクチュエータに関するものである。たとえば、３２個のピエゾアクチュエータ２６が提供され、これらを用いて、膜の３２個の個別の平坦な領域を個別に調整することができる。膜の上部は、銅を含み得る反射率の高い多層誘電体コーティングで覆われている。このように、提供された変形可能で反射性の連続した表面は、１０６０から１０９０ｎｍの波長で最大１２０ｋＷのレーザービームに適している。変形可能ミラー（ＤＭ、動的ミラー）の可動で反射性の連続した表面２４は、前述のセグメント化ミラーと同じ方法で動作することができる。

【0074】

機械加工装置の実施形態では、少なくとも１つの可動面は、少なくとも１つの冷却されたアクチュエータによって調整可能である。さらに、少なくとも１つの可動面は、その表面形状、特にその曲率を動的に調整することができるレーザービームガイド装置の表面ユニットを提供することができる。結果として、加工用レーザービームは、その伝播方向に対して少なくとも垂直に成形および／または移動できるだけでなく、加工用レーザービームの発散も変更することができ、および／または加工用レーザービームの焦点位置をその伝播方向に平行にシフトすることができる。

【0075】

レーザービームガイド装置および動的に調整可能な可動面を用いることで、機械加工装置の実施形態は、加工用レーザービームのビームパラメータ積を変更することができる。ビームパラメータ積は、加工用レーザービームの静的または動的ビーム成形で変更することができ、その結果、そのビームスポットの有利な強度分布および出力分布が提供され得る。

【0076】

少なくとも１つのアクチュエータを冷却することにより、レーザービームガイド装置の前述の機能は、特に、たとえば、産業用途における長期の動作において、高熱暴露／発生の場合でさえ安定化される。したがって、少なくとも１つの可動面は、少なくとも１つの冷却されたアクチュエータによって、所望の周波数範囲および数１００Ｈｚから数ｋＨｚの高周波でさえ、高熱暴露／発生で、および長期間の動作でさえ、確実に調整され得る。

【0077】

実施形態による機械加工装置はさらに、第１の冷却流体がそれに接触することなく、少なくとも１つのアクチュエータを冷却することを可能にする。したがって、アクチュエータおよび機械加工装置の光学チャンバの第１の冷却流体による汚染が回避される。さらなる実施形態は、アクチュエータと接触して冷却する第２の冷却流体が、実質的に閉じた冷却回路を通って流れることを可能にする。このようにして、光学チャンバ内の光学素子への汚染および損傷が最小限に抑えられる。

【0078】

最後に、本発明の説明および例示的な実施形態は、本発明の特定の物理的実現に関して限定的であると理解されるべきではないことに留意されたい。本発明の個々の実施形態に関連して説明および示されるすべての特徴は、それらの有利な効果を同時に実現するために、本発明による主題において異なる組合せで提供され得る。

【0079】

本発明の保護の範囲は、特許請求の範囲によって与えられ、説明に示されている、または図に示されている特徴によって限定されない。

【0080】

本発明がレーザー加工システムだけでなく、レーザーを含む他のデバイスにも使用できることは、当業者には特に明らかである。さらに、被加工物をレーザー加工するための機械加工装置の構成要素は、複数の物理的な製品に分散するように製造することができる。

【符号の説明】

【0081】

１２ 被加工物、１３ 機械加工部位、１４ 第１のインターフェース、１５ 加工用レーザービーム、１６ 加工用レーザー光源、１７ 第２のインターフェース、１８ 出口開口部、２２ レーザービームガイド装置、２３ 開口部、２４ 可動面、２６ アクチュエータ、２７ 制御ユニット、２８ 冷却装置、３０ 一次回路、３２ 一次回路、３４ 二次回路、３５ 循環ポンプ、３６ 内部、３７ 冷却構造、壁、４０ａ レンズ、４０ｂ レンズ、４０ｄ 偏向ミラー、４０ｃ 保護ガラス、１００ 機械加工装置、２００ 機械加工装置、３００ 機械加工装置。

【図1】

【図2】

【図3】