特表 2024-515755 液体中のワークピースをレーザ加工するための方法およびシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-04-10

(54)【発明の名称】液体中のワークピースをレーザ加工するための方法およびシステム

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/122 20140101AFI20240403BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20240403BHJP

   B23K 26/146 20140101ALI20240403BHJP

【ＦＩ】

B23K26/122

B23K26/00 P

B23K26/146

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023565432

(86)(22)【出願日】2022-04-26

(85)【翻訳文提出日】2023-10-24

(86)【国際出願番号】 EP2022061047

(87)【国際公開番号】W WO2022229182

(87)【国際公開日】2022-11-03

(31)【優先権主張番号】102021111172.2

(32)【優先日】2021-04-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523310859

【氏名又は名称】リドロテック ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】ＬＩＤＲＯＴＥＣ ＧＭＢＨ

【住所又は居所原語表記】Ｌｏｔｈｒｉｎｇｅｒ Ａｌｌｅｅ ２，４４８０５ Ｂｏｃｈｕｍ Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】110000408

【氏名又は名称】弁理士法人高橋・林アンドパートナーズ

(72)【発明者】

【氏名】カーニッツ，アレクサンダー

(72)【発明者】

【氏名】ホピウス，ヤン シュテファン

(72)【発明者】

【氏名】ケーラー，ヤニス

(72)【発明者】

【氏名】イーゲルマン，アレクサンダー

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168AD07

4E168CA06

4E168CA07

4E168CB21

4E168DA37

4E168DA43

4E168EA11

4E168EA16

4E168FB09

(57)【要約】

本発明は液体中でワークピースをレーザ加工するための方法に関し、この方法は、液体で満たされたプロセスチャンバ（２０）内のワークピース（２２）を提供することと、集束ユニット（１８）を使用してワークピース（２２）の表面上にパルスレーザ放射（１４）を集束させることと、位置決めユニット（１６）を使用して、集束されたレーザ放射とワークピースの表面（２２ａ）との間の相対移動を生成することと、検出ユニット（３０）を用いて所定の検出領域内の気泡（２８）を検出することと、レーザ放射（１４）と検出された気泡（２８）との間の相互作用効果を回避または低減するための第１の動作を行うこと、を含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体中でワークピースをレーザ加工するための方法であって、
液体で満たされたプロセスチャンバ（２０）内にワークピース（２２）を提供すること（１１０）と、
集束ユニット（１８）を使用して、前記ワークピース（２２）の表面上にパルス状のレーザ放射（１４）を集束させること（１２０）と、
位置決めユニット（１６）を使用して、前記集束されたレーザ放射と前記ワークピースの表面（２２ａ）との間の相対移動を生成すること（１３０）と、
検出ユニット（３０）を使用して、所定の検出領域内の気泡（２８）を検出すること（１４０）と、
前記検出された気泡（２８）によって引き起こされるレーザ加工中の干渉効果を回避または低減するための第１の動作（１５０）を行うこと、を含む、方法。

【請求項2】

前記気泡を検出すること（１４０）が、
カメラユニットを用いて前記所定の検出領域の写真画像を撮影し、対応する画像ファイルを生成することと、
特にパターン認識アルゴリズムの使用を含む評価によって前記画像ファイルを評価すること、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記気泡（２８）を検出すること（１４０）は、散乱光測定を含み、前記散乱光測定が、
ＬＥＤを用いて前記検出領域を照明することと、
フォトダイオード（３０ｂ）を使用して検出信号を取得することであって、前記フォトダイオード（３０ｂ）は、前記検出領域を伝播した前記ＬＥＤ（３０ａ）によって放出される前記放射を取得するように構成されることと、
評価ユニットを用いて前記検出信号を評価すること、を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記第１の動作（１５０）が、前記プロセスチャンバ（２０）内の前記液体の流量を変化させることを含むことを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記第１の動作（１５０）が、前記レーザ放射（１４）が前記検出された気泡（２８）上に向けられるように前記レーザ放射（１４）を位置決めすることを含むことを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記レーザ放射（１４）が前記気泡（２８）が検出された前記ワークピースの表面（２２ａ）の前記領域上に、デフォーカスされた形態で向けられることを特徴とする、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記第１の動作（１５０）が、超音波発生器（３２）を使用して、前記検出された気泡（２８）の近傍に超音波を発生させることを含むことを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

前記第１の動作（１５０）は前記液体の流れのタイプを変化させることを含み、前記流れのタイプは特に、層流、乱流、および脈動流の間で変化させることができることを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

前記レーザ放射（１４）と前記気泡（２８）との間の相互作用が予想される領域に前記気泡（２８）が存在する、前記検出された気泡（２８）の通過時間を決定することと、
前記決定された通過時間の間、前記レーザ放射（１４）を非活性化すること、または、前記レーザ放射（１４）が前記気泡（２８）の外側に配置されるように、前記レーザ放射（１４）を位置決めすること、をさらに含むことを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

液体中のワークピースをレーザ加工するためのシステムであって、
パルス状のレーザ放射（１４）を生成するためのレーザビーム源（１２）と、
前記レーザ放射（１４）をワークピース（２２）の表面（２２ａ）上に集束させるための集束ユニット（１８）と、
前記ワークピース（２２）を受け入れるためのプロセスチャンバ（２０）と、
前記ワークピース（２２）の前記表面（２２ａ）上の前記レーザ放射（１４）の位置を調整するための位置決めユニット（１６）と、
所定の検出領域内の気泡（２８）を検出する検出ユニット（３０）と、
前記検出された気泡（２８）によって引き起こされるレーザ加工中の干渉効果を回避または低減するための第１の動作を行うように構成される制御ユニットと、を含む、システム。

【請求項11】

前記検出ユニットが、前記検出領域を監視するためのカメラユニットを備えることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。

【請求項12】

前記検出ユニットが、ＬＥＤ（３０ａ）とフォトダイオード（３０ｂ）とを備え、
前記フォトダイオード（３０ｂ）が、前記検出領域を通って伝播した前記ＬＥＤ（３０ａ）によって放出される前記放射を取得するように構成されていることを特徴とする、請求項１０または１１に記載のシステム。

【請求項13】

前記検出領域内で気泡（２８）が以前に検出されたか否かに応じて、前記プロセスチャンバ（２０）内の流量、流れの方向、および／または流れのタイプを変化させるように構成された流れ発生器（３４）をさらに備える、請求項１０～１２のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項14】

前記検出領域内で気泡（２８）が以前に検出された場合に、前記検出領域内で超音波を生成するように構成された超音波発生器（３２）をさらに備える、請求項１０～１３のいずれか一項に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体中のワークピースをレーザ加工するための方法および対応するシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ放射を使用してワークピースを加工することの利点は、一般に知られている。レーザ放射の使用は特に、材料加工における高精度および高い処理速度を可能にする。レーザを用いた材料加工において、集束されたレーザ放射の使用により加工されたワークピースが局所的に強く加熱されることは、課題と考えることができる。処理ゾーン外で得られる熱効果は、一般に望ましくない。

【0003】

レーザ加工処理を改善するために、いくつかの用途では、レーザ加工処理は液体中で行われる。このような場合、処理対象のワークピースは液体が充填されたプロセスチャンバ内に配置され、その結果、ワークピースは処理全体にわたって液体によって冷却される。

【0004】

さらに、このようなプロセスチャンバでは、場合によっては処理プロセス中にチャンバ内の液体が恒久的に交換される。一般に、ポンプは、プロセスチャンバ内に流れを生成し、プロセスチャンバ内で液体を絶えず交換する目的のために使用される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

液体中でワークピースをレーザ加工することの欠点は、プロセスチャンバ内に気泡が形成されることであると考えられる。気泡の形成の理由は多岐にわたる。特に、気泡は、レーザ放射とワークピースとの相互作用によって、または液体の循環によって形成され得る。

【0006】

例えば、付着気泡（持続気泡とも呼ばれる）は、レーザプロセスによって引き起こされ、加工された表面の領域においてワークピース表面上に形成され得る。これらは、経時的にワークピース表面から剥離し、自由気泡としてプロセスチャンバを通って移動し得る。さらに、システム内の液体の交換により、それらは、システム内を数回移動し、それによって、レーザ加工処理を繰り返し妨害することがある。

【0007】

他方では、レーザ放射とワークピースとの間の相互作用とは無関係に生成される気泡がシステム内に形成され得る。例えば、プロセスチャンバまたはホースが初期状態において空気で満たされている場合、システム起動時に自由気泡が生成され得る。リザーバからチャンバ内に搬送される液体でプロセスチャンバを充填する場合、プロセスチャンバ内に気泡が形成されることが多い。ここで、空気は、気泡の形態でホースから液体リザーバ内に数回流され、そこからホースチャンバシステム内にポンプで戻される。気泡はしばしば、数分後にのみリザーバ内の液体表面に到達し、そのときになってようやく、もはやレーザ加工処理を妨害しない。

【0008】

最初に説明したように、通常、２つの異なるタイプの気泡、すなわち、一方ではワークピース表面に一般に付着する付着性または持続性の気泡、および他方ではプロセスチャンバを通って、またはシステム全体（プロセスチャンバ、ホース、リザーバ）を通ってさえ移動することができる自由気泡がプロセスチャンバ内に形成される。基本的に、それは、付着気泡が経時的に自由気泡になり得、逆もまた同様であることが当てはまる。

【0009】

特定のタイプの気泡にかかわらず、レーザ放射の有効範囲内にある気泡は、レーザ放射との望ましくない相互作用を引き起こすことが常に当てはまる。この理由は空気と液体の屈折率の差であり、液体と気泡との間の界面で使用されるレーザ放射の望ましくない反射および回折を引き起こす。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上述の課題を解決するために、本発明は液体中のワークピースをレーザ加工する方法を提案する。この方法は、
液体で満たされたプロセスチャンバ内にワークピースを提供することと、
集束ユニットを使用してワークピースの表面上にパルスレーザ放射を集束させることと、
位置決めユニットを使用することによって、集束されたレーザ放射とワークピース表面との間の相対運動を生成することと、
検出部を用いて、所定の検出領域内の気泡を検出することと、
レーザ放射と検出された気泡との間の相互作用効果を回避または低減するための第１の動作を行うこと、を含む。

【0011】

本発明の方法は、プロセスチャンバ内の気泡によって引き起こされ得る干渉効果を排除するか、または少なくとも有意に低減することを可能にする。これにより、処理速度を向上させると同時に、処理されたワークピースの品質を向上させることができる。本発明の方法は特に、レーザ切断プロセス中の切断エッジの改善を可能にし、改善は、干渉効果の低減によって達成される。

【0012】

使用される液体は例えば、水であってよい。使用される集束ユニットは特に、集束レンズ、集束ミラー、またはレンズシステムとして構成されてもよい。相対運動は、放射線の偏向またはワークピースの位置決めのいずれかによって生成され得る。この点に関して、位置決めユニットは旋回可能なミラー（スキャナミラーとも呼ばれる）、回転可能なミラー（例えば、ポリゴンスキャナ）、または位置決めテーブルの形態で実施されてもよい。気泡の形成は例えば、プロセスチャンバ全体を包含する検出領域において監視することができる。ここで、検出領域は連続した領域を含んでもよいが、互いに分離した領域を含んでもよい。例えば、検出領域が一方ではプロセスチャンバの内部を含み、他方では、液体だけでなく気泡がチャンバ内に導入され得るホースを監視することが提供され得る。この場合、検出領域は静的であっても動的であってもよい。静的検出領域は例えば、プロセスチャンバの内部全体が監視される場合に有利であり得る。しかしながら、いくつかの実施形態では、プロセスチャンバ全体が監視されるのではなく、レーザ放射が現在有効であるプロセスチャンバの一部のみが監視されることが明示的に望まれ得る。これは、比較的大きなプロセスチャンバにとって望ましい場合がある。例えば、気泡の発生がレーザ放射から遠く離れていて、それらがレーザプロセスを妨げない場合には、そのような気泡の除去が最終的に必要ではないからである。この場合、検出領域は、現在のレーザビーム位置の関数として動的に設定されてもよい。

【0013】

第１の動作では、検出された気泡によって引き起こされるワークピースのレーザ加工中の干渉効果を回避または少なくとも低減するために、１つまたは複数のステップが実行される。ステップは特に、検出された気泡をプロセス領域から除去するのに役立つことができる。この文脈において、「第１の」の追加は、制限またはさらなるアクションへの言及として理解されるべきではない。むしろ、この追加は、本出願の文脈におけるより容易な参照のために役立つ。第１の動作は、所定の検出領域において気泡が検出されるたびに実行される。本発明の一実施形態によれば、第１の動作は、検出領域内にもはや気泡が存在しなくなるまで行われてもよい。第１の動作は気泡の検出に応答して行われ、特に、検出された気泡（例えば、気泡の位置およびサイズ）に応じて行うことができる。

【0014】

本発明の方法は理解を容易にするために方法ステップの具体的な順序で上述されているが、本発明において、個々のステップを特定の順序で最終的に実行することは、技術的効果を達成する上で必要ないことは当業者に明らかである。

【0015】

本発明の方法の一実施形態によれば、気泡を検出することは、
カメラユニットを用いて所定の検出領域の写真画像を撮影し、対応する画像ファイルを生成することと、
特にパターン認識アルゴリズムの使用を含む評価によって画像ファイルを評価すること、を含む。

【0016】

この実施形態によれば、気泡の発生の自動検出を行うことができ、気泡が検出された場合に、気泡を除去するための動作を自動的に行うことができる。さらに、検出された気泡（例えば、自由気泡または付着気泡）の位置およびサイズまたはタイプに応じて、実施されるべき動作が自動的に選択されてもよい。パターン認識アルゴリズムの使用は、本発明による方法の自動化の程度をさらに高めることを可能にする。

【0017】

さらに、本発明によれば、気泡を検出することが、散乱光測定を含み、散乱光測定が特に、
ＬＥＤを用いて検出領域を照明することと、
フォトダイオードを使用して検出信号を取得することであって、フォトダイオードは、検出領域を通って伝播したＬＥＤによって放出される放射を取得するように構成されることと、
評価ユニットを用いて検出信号を評価すること、を含む。

【0018】

ここで、ＬＥＤおよびフォトダイオードは例えば、プロセスチャンバの２つの対向する側に配置されてもよく、ＬＥＤによって放射された光は第１のプロセスウィンドウを通ってチャンバに入ることができ、一方、散乱光は、第２のプロセスウィンドウを通ってチャンバから導かれ、その後、フォトダイオードによって取り込まれることができる。

【0019】

ＬＥＤの代替として、ハロゲンランプまたはレーザ光源などの他の光源を使用することもできる。しかしながら、ＬＥＤの使用は、ＬＥＤの制御が容易であり、低コストで入手可能であるという点で有利である。監視される検出領域は例えば、プロセスチャンバの内部全体、または代替的に、プロセスチャンバの一部のみを含んでもよい。また、その中で気泡の形成が予期され得る供給ホースまたは排出ホースの個々のセクションが監視されてもよい。評価ユニットは特に、計算ユニットを含むことができる。例えば、評価ユニットは、ＰＣ、ラップトップ、またはマイクロコントローラを含むことができる。評価において、フォトダイオードによって生成された検出信号は特に、校正プロセス中に以前に取得された基準信号と比較することができる。例えば、校正中に、検出領域内に気泡が存在しなかったアプリケーションシナリオにおいて、基準信号が取得されていてもよい。検出信号が基準信号から著しく逸脱する場合、そこから、ＬＥＤとフォトダイオードとの間に気泡が存在すると結論付けることができる。

【0020】

検出ユニットは、超音波検出器、レーダセンサ、容量センサ、および／または電磁センサを備えていてもよい。検出ユニットは酸素センサユニットも備えていてもよい。プロセスチャンバ内の酸素濃度を測定することは、脱離した気泡またはマイクロバブルの酸素濃度が液体の酸素濃度と著しく異なるので、気泡が液体中に存在する確率に関する情報を与える。

【0021】

本発明の別の実施形態によれば、第１の動作は、プロセスチャンバ内の液体の流量の変化を含むことができる。特に、気泡の検出時にチャンバ内の流量を急激に増加させて、検出領域で検出された気泡を除去することができるようにすることができる。また、検出された気泡のより効率的な除去を達成するために、流れ方向が逆にされてもよい。ここで、流れ方向の反転は連続して数回行うことができ、好ましくは、表面に付着している検出された気泡がこの表面から分離されるまで繰り返すことができる。チャンバ内の流れは、特に、液体をチャンバ内に、またはチャンバから排出するポンプを使用することによって生成することができる。代替として、流れがチャンバの移動によって生成されてもよい。

【0022】

本発明によれば、第１の動作は、レーザ放射が検出された気泡に向けられるようにレーザ放射を位置決めすることを含むこともできる。特に、付着気泡では、気泡が付着する表面から気泡が分離されることが達成され得る。例えば、気泡がワークピース表面に付着し、レーザ放射が気泡に向けられる場合、レーザ放射とワークピース表面との相互作用は、ワークピース表面からの気泡の剥離に寄与する衝撃波を引き起こす。したがって、同じレーザビームが、材料の加工および付着気泡を分離するために有効に使用される。本発明のこの実施形態では、レーザビームがワークピースを加工し、気泡を分離するための複合ツールとして使用され、したがって、気泡を分離するための追加の構成要素は必要とされない。

【0023】

本発明の別の実施形態によれば、レーザ放射は、ワークピース表面の付着気泡が検出された領域上に焦点がずれた形態で向けられてもよい。これにより、衝撃波の発生をワークピース表面のより広い領域で行うことができ、ワークピース表面からの気泡のより均一かつ効率的な分離が可能になる。ワークピース表面のビーム直径は、気泡直径の５０％、８０％、または１００％であるように設定することができる。レーザ放射のデフォーカスは特に、フォーカスユニットの位置の変化によって、またはワークピースの位置の変化によって、行うことができる。

【0024】

本発明の一実施形態によれば、第１の動作は、超音波発生器を使用することによって、検出された気泡の近傍での超音波の生成であってもよい。この目的のために、特に、超音波発生器がワークピースのすぐ近くに、またはプロセスチャンバ内で流れを発生させるために使用されるホースまたはラインのすぐ近くに配置されてもよい。超音波発生器は特に、電気的に制御される圧電素子を備えることができる。

【0025】

さらに、本発明によれば、第１の動作は流れのタイプの変化を含むことができ、流れのタイプは、特に層流、乱流、および脈動流の間で変化させることができる。第１の調査は、付着気泡の特に効率的な分離が流れのタイプを変えることによって達成され得ることを示した。

【0026】

また、本発明によれば、
レーザ放射と気泡との間の相互作用が予想される領域内に気泡が存在する場合に、検出された気泡の通過時間を決定することと、
決定された通過時間の間、レーザ放射を非活性化することと、
レーザ放射が気泡の外側に配置されるようにレーザ放射を位置決めすること、を提供することができる。

【0027】

通過時間を決定する際、特に、検出領域内で自由気泡が移動する速度が決定されるカメラベースの方法を使用することが可能である。続いて、検出された気泡がレーザ放射と気泡との間の相互作用が予想される領域にある時間および持続時間（＝通過時間）を計算することができる。最終的に、レーザ放射は、決定された通過時間の間、非活性化されるか、またはレーザ放射と気泡との間に相互作用が生じない別の位置に移動される。レーザ放射の非活性化のために、例えば、レーザビーム源のスイッチを切ること、または、代替として、ビーム吸収体を使用することが可能である。代替として、ビーム変調器、特に音響光学変調器（ＡＣＭとも呼ばれる）または電気光学変調器（ＥＯＭとも呼ばれる）を、放射線の特に速い偏向のために使用することができる。検出された気泡が衝突領域を離れるとすぐに、レーザ放射を再び作動させることができる。代替として、レーザビームの軌道がレーザ加工処理のために事前に定義され、気泡の検出時にレーザビームと自由気泡との間の相互作用が差し迫っていると計算されてもよい。この場合、レーザ放射は事前設定された軌道を離れ、それによって衝突領域を「スキップ」することができ、その結果、ワークピースのこの領域は気泡が衝突領域を離れた後、すぐに処理される。このようにして、レーザ放射と気泡との間の相互作用が大幅に低減され、プロセス品質および速度が大幅に向上する。

【0028】

上述の目的を達成するために、本発明の別の実施形態によれば、液体中のワークピースをレーザ加工するためのシステムが提案され、このシステムは、
パルスレーザ放射を生成するためのレーザビーム源と、
レーザ放射をワークピースの表面上に集束させる集束ユニットと、
ワークピースを受け入れるためのプロセスチャンバと、
ワークピースの表面上のレーザ放射の位置を調整するための位置決めユニットと、
所定の検出領域内の気泡を検出するための検出ユニットと、
レーザ放射と検出された気泡との間の干渉効果を回避または低減する第１の動作を実行するように構成される、制御ユニットと、を含む。

【0029】

本発明によるシステムは、集束されたレーザ放射と気泡との間の望ましくない相互作用効果を大幅に回避するかまたは大幅に低減することによって、処理速度および処理品質を大幅に向上させることを可能にする。レーザビーム源は特に、約１００ｆｓ～１００ｐｓのパルス持続時間の超短パルスを生成するように設計されたレーザビーム源であってもよい。制御ユニットは特に、レーザ放射と検出された気泡との間の相互作用によって引き起こされる、レーザ加工中の干渉効果を回避または低減するための第１の動作を達成するように設計されてもよい。

【0030】

本発明のシステムの一実施形態によれば、検出ユニットは、検出領域を監視するためのカメラユニットを備えることができる。

【0031】

さらに、本発明のシステムでは検出ユニットがＬＥＤとフォトダイオードとを備え、フォトダイオードは、検出領域を伝播したＬＥＤによって放出される放射を取得するように構成されていてもよい。ここで、ＬＥＤおよびフォトダイオードは、プロセスチャンバの２つの対向する側に配置することができる。ＬＥＤの光は第１のプロセスウィンドウを介してプロセスチャンバに導入することができ、一方、この光はフォトダイオードによって検出され得るように、第２のプロセスウィンドウを介してチャンバから導出される。

【0032】

本発明のシステムの別の実施形態によれば、システムは、検出領域内で気泡が以前に検出されたかどうかに応じて、プロセスチャンバ内の流量、流れの方向、および／または流れのタイプを調整するように構成された流れ発生器をさらに備えることが好ましい。これにより、気泡が検出された場合には、プロセスチャンバ内の流れを調整することにより、処理領域から気泡を除去することができる。このようにして、上述のバブル除去方法を実施することができる。流れ発生器は特に、１つまたは複数の加圧ポンプおよび吸引ポンプを備えることができる。

【0033】

さらに、本発明のシステムの一実施形態によれば、システムは検出領域内で気泡が以前に検出された場合に、検出領域内で超音波を生成するように構成された超音波発生器を備えてもよい。それによって、特に、付着気泡の効率的な分離を達成することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0034】

以下において、本発明は、図面を参照してより詳細に例示される。

【0035】

【図1】従来技術による液体中でのレーザ材料加工のためのシステムである。

【図2】理想的な場合および加工領域に気泡が存在する場合のレーザ加工処理である。

【図3】本発明による方法の一実施形態の概略図を示す。

【図4】本発明による気泡の検出のための実施形態の概略図である。

【図5】本発明による、レーザ放射と検出された気泡との間の相互作用効果を回避するための動作の実施形態の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0036】

図１は、従来技術から既に知られている、液体中でのレーザ加工システム１０を示す。そのようなシステム１０は、パルスレーザ放射１４を生成するレーザビーム源１２を備える。レーザ放射１４の向きは、位置決めユニット１６を介して調整することができる。レーザ放射１４は、集束ユニット１８を介してプロセスチャンバ２０の内部に集束される。プロセスチャンバ２０内には、処理対象となるワークピース２２が配置されている。集束されたレーザ放射１４はワークピース２２の表面２２ａ上に向けられ、その結果、ワークピース２２は所望の位置で正確に加熱され、蒸発することができる。ここで、レーザ放射は透明なプロセスウィンドウ２４を介してプロセスチャンバ２０に入り、プロセスチャンバ２０は、その他の部分は光に対して透過性ではない。プロセスチャンバ２０は、液体２６で満たされている。液体２６としては、例えば、水を用いることができる。液体は例えば、処理プロセス中にワークピースを冷却するように機能する。

【0037】

図２は、従来技術によるレーザ加工処理において生じる問題を示している。図２に示すように、液体中でのレーザ加工は、レーザ加工処理に悪影響を及ぼす気泡の形成を引き起こす。

【0038】

まず、図２（ａ）は、プロセスチャンバ２０内に気泡が存在しない理想的な場合を示している。この場合、集束されたレーザ放射１４はワークピース２２の表面に妨げられずに衝突し、ワークピース２２を加熱することができる。

【0039】

これに対して、図２（ｂ）は、ワークピース２２の表面に付着気泡２８が形成されている場合を示している。液体２６と気泡２８との間の屈折率の差により、入射したレーザ放射１４の一部が反射される。反射されたレーザ放射１４ａは、ワークピース２２の表面に衝突せず、加工処理のために使用することができない。さらに、入射したレーザ放射１４の一部が偏向される。したがって、偏向されたレーザ放射１４ｂは、所望の位置でワークピース２２の表面に衝突しない。これは、レーザ加工処理の精度に悪影響を及ぼす。

【0040】

図２（ｃ）は自由気泡２８が処理領域に存在し、集束されたレーザ放射１４と相互作用する別のシナリオを示す。気泡２８は、入射したレーザ放射１４がデフォーカスされ、デフォーカスされたレーザ放射１４ｃがワークピース２２の表面に衝突するという結果をもたらす。この結果、放射強度（面積当たりの出力として定義される）は、ワークピース２２の表面で材料を蒸発させるには不十分となる。

【0041】

上記の例は、プロセスチャンバ２０内に形成された気泡がレーザ加工処理との著しい干渉に寄与することを示している。特に、気泡は、処理速度の低下、効率の低下、不安定性、および所望の処理結果からの逸脱を引き起こす。

【0042】

図３は、本発明による方法１００の実施形態を示す。実施形態を説明するために、以下では、「第１のステップ」、「第２のステップ」などを参照する。しかしながら、この用語は、本発明の枠組みにおいて最終的に必要な順序を明示的に決定せず、むしろ個々の方法ステップを区別するのに役立つ。第１のステップ１１０では、液体で満たされたプロセスチャンバ内にワークピースが提供される。パルスレーザ放射は、第２のステップ１２０において、ワークピースの表面上に集束される。ここでは、集束ユニットが使用される。ワークピースの加工のために、集束されたレーザ放射とワークピース表面との間の相対移動が、第３のステップ１３０において生成され、これに対して位置決めユニットが使用される。位置決めユニットは例えば、ワークピースの表面上の集束されたレーザ放射の位置を設定するように設計されたスキャナミラーとして構成されてもよく、またはワークピースの位置を変化させるように設計された位置決めテーブルとして構成されてもよい。第４のステップ１４０において、所定の検出領域で、気泡の存在についてチェックされる。この目的のために、特にカメラを含むことができる検出ユニットが使用される。気泡が検出されると、レーザ放射と検出された気泡との間の相互作用効果を回避または低減するために、第５のステップ１５０において第１の動作が行われる。言い換えると、第１の動作は、検出された気泡を検出領域または処理領域からそれぞれ除去する働きをする。

【0043】

図４は、気泡の検出に関する本発明の実施形態を示す。

【0044】

図４（ａ）は、カメラユニットとして構成された検出ユニット３０が設けられた実施形態を示す。カメラユニットは、気泡が干渉していると考えられる検出領域を撮像する。特に、カメラユニットは、プロセスチャンバ２０の内部を監視することができる。カメラユニットは、後に評価される画像ファイルを生成する。生成された画像ファイル内で気泡が検出されると、気泡を除去し、相互作用を低減するために、対応する動作が行われ得る。図４（ａ）に示すように、カメラは、レーザ放射１４に対して放射状に配置することができる。代替として、カメラユニットはまた、レーザ放射に対して軸方向に位置決めされてもよい。この目的のために、例えばビームスプリッタを使用することができる。さらに、検出ユニットは、レーザ放射に対して放射状に配置され、互いに９０°オフセットされた２つのカメラユニットを備えてもよい。２つのカメラユニットを使用することによって、気泡２８の３次元位置を正確に決定することができる。

【0045】

図４（ｂ）は、検出ユニット３０がＬＥＤ３０ａおよびフォトダイオード３０ｂを備えるさらなる実施形態を示す。ＬＥＤ３０ａおよびフォトダイオード３０ｂは、プロセスチャンバ２０の２つの対向する側に配置される。ＬＥＤ３０ａによって放射された光は、透明なプロセスウィンドウ２４を介してプロセスチャンバ２０の内部に入る。検出領域内に気泡が存在しない場合、ＬＥＤ３０ａによって放射された光は、反対側のプロセスウィンドウ２４を通って直接出て、フォトダイオード３０ｂによって取り込まれ得る。しかしながら、検出領域に気泡２８が存在する場合、ＬＥＤ３０ａによって放射された光は気泡２８において散乱され、その結果、フォトダイオード３０ｂは対応して変更された信号を生成する。フォトダイオード３０ｂの出力信号を以前に取り込まれた基準信号と比較することによって、監視された検出領域内に気泡が存在するかどうかを結論付けることができる。

【0046】

図５は、レーザ放射１４と気泡２８との間の相互作用効果を回避するための異なる作用を提供する、本発明の異なる実施形態を示す。図５（ａ）では、図示の実施形態はプロセスチャンバ２０の下側に配置された追加の超音波発生器３２を備える。検出ユニット３０が検出領域内の気泡２８の存在を検出する場合、超音波発生器３２は、制御ユニット（この図には図示せず）によって作動させることができる。これにより、気泡２８をワークピース２２の表面から剥離させることができる。例えば、超音波発生器３２は、付着気泡２８が活性化されたときにのみ活性化されるようにしてもよい。図２（ｂ）および（ｃ）にすでに示したように、付着気泡および自由気泡は形状が著しく異なり、したがって、互いに光学的に区別することができる。

【0047】

さらに、図５（ｂ）は、流れ発生器３４が設けられた本発明の別の実施形態を示している。この実施形態では、流れ発生器３４は液体入口３４ａおよび液体出口３４ｂ、ならびに液体入口３４ａおよび液体出口３４ｂに接続された圧力ポンプおよび吸引ポンプを備え、これらのポンプは図５（ｂ）には示されていない。流れ発生器３４は、気泡２８が検出された場合に流れを発生させるように構成され、それによって、気泡は処理領域から離れるように移動させられる。また、超音波発生器３２と流れ発生器３４とが組み合わされていてもよい。このように、例えば、付着気泡２８が検出された場合には超音波発生器３２を作動させることができ、一方、自由気泡が検出された場合には流れ発生器３４を作動させることができる。さらに、付着気泡の検出の場合、まず、超音波発生器３２がワークピース２２の表面から気泡２８を分離するために使用され、一方、流れ発生器３４がその後、検出領域または処理領域からそれぞれ離れるように自由気泡を移動させるように作動されることが有利に提供され得る。

【符号の説明】

【0048】

１０：レーザ加工システム
１２：レーザビーム源
１４：レーザ放射
１４ａ：反射されたレーザ放射
１４ｂ：偏向されたレーザ放射
１４ｃ：デフォーカスされたレーザ放射
１６：位置決めユニット
１８：集束ユニット
２０：プロセスチャンバ
２２：ワークピース
２２ａ：ワークピースの表面
２４：プロセスウィンドウ
２６：液体
２８：気泡
３０：検出ユニット
３０ａ：ＬＥＤ
３０ｂ：フォトダイオード
３２：超音波発生器
３４：流れ発生器
３４ａ：液体入口
３４ｂ：液体出口
１００：レーザ加工方法
１１０：第１の方法ステップ
１２０：第２の方法ステップ
１３０：第３の方法ステップ
１４０：第４の方法ステップ
１５０：第５の方法ステップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】