(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一又は複数のサブビームから成るレーザービームを用いて、加工対象物から所定の除去深度で材料を除去する方法であって、
前記それぞれのサブビームは定義されたビーム軸を有し、
前記レーザービームの軸又は個々の前記サブビームの軸が除去ラインに沿って所定の移動速度でガイドされ、
前記レーザービームは所定の空間的なエネルギー流密度を有し、該空間的なエネルギー流密度は、値Ｉ０ｆ（ｘ）及び方向ｓを備えるポインティングベクトルＳを定義し、
前記空間的なエネルギー流密度によって、除去方向の先端部としての尖部（頂点）を備える除去面が形成され、該除去面が側方の除去面を形成し、
前記除去面へのそれぞれの法線ベクトルｎと前記ポインティングベクトルの方向ｓとにより形成される該除去面へのそれぞれのレーザービームの入射角αが、該除去面の尖部（頂点）周辺の所定の領域で最大値αＭＡＸを超えないように設定され、
前記側方の除去面の上方部分の小さい溝の振幅から該側方の除去面の下方部分の大きい溝の振幅への変化が生じることにより、前記最大値を超えたことが発見され、
前記入射角αは、α＝α（[ｓ＊ｎ]）によって与えられ、
ここで、ｓはポインティングベクトルＳの方向における単位ベクトルであり、
｜ｓ｜＝１であり、
ｎは法線ベクトルであり、
｜ｎ｜＝１であり、
αＭＡＸ＞α＋Δα（ｔ）が当てはまり、ここでΔα（ｔ）は時間とともに変化する入射角αの技術的に不可避な変動である、
ことを特徴とする、材料除去方法。
【請求項２】
前記所定の領域を、前記尖部（頂点）から離れる方向に拡張することにより、前記側方の除去面の下方部分の溝の振幅が減少されることを特徴とする、請求項１に記載の材料除去方法。
【請求項３】
レーザー内部又はレーザー外部でビーム成形光学素子を介してポインティングベクトルＳを除去面で回転させることにより、又は、
レーザー内部又はレーザー外部でビーム成形光学素子を介してポインティングベクトルＳを除去面で回転させ、前記ビーム成形光学素子として気体又は液体の媒体を用いることにより、又は
レーザー内部又はレーザー外部でビーム成形光学素子を介してポインティングベクトルＳを除去面で回転させ、前記ビーム成形光学素子として回折光学素子、屈折光学素子、反射光学素子又は分散光学素子を用いることにより、
前記入射角αが設定されることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の材料除去方法。
【請求項４】
レーザービームの直径を大きくすることで空間的に変動するエネルギー流密度の値Ｉ０ｆ（ｘ）の分布を定めることによって前記入射角αが設定されることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の材料除去方法。
【請求項５】
レーザー出力、強度分布、及び／又は、移動速度の方向及び値がそれぞれ除去パラメータとして考慮されることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の材料除去方法。
【請求項６】
前記入射角αについて時間的変動が発生した場合、原因となる前記除去パラメータの変動振幅がαＭＡＸ＞α＋Δα（ｔ）を満たすように低減されることを特徴とする、請求項５に記載の材料除去方法。
【請求項７】
前記ビーム成形光学素子の収差の値を生むことにより又は増加させることにより、又は
前記ビーム成形光学素子の収差の値を生むことにより又は増加させることにより及び前記ビーム成形光学素子として気体又は液体の媒体を用いることにより、又は
前記光学素子の正又は負の球面収差の値あるいは当該光学素子の色彩収差の値を生むことにより又は増加させることにより、
前記入射角αが設定されることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の材料除去方法。
【請求項８】
前記レーザービームが、最大値I０および分布ｆ（ｘ）（０＜f＜１）を用いて表される、空間的に変動するエネルギー流密度の値I０ｆ（ｘ）を有し、ここでｘは、前記除去ラインに沿った方向での、前記ビーム軸（１０）からの距離であり、
除去深度が単調に増加するように前記分布ｆ（ｘ）の幅を設定することによって、前記入射角αが設定されることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか一つに記載の材料除去方法。
【請求項９】
焦点深度が増加する個々のレーザービーム又はサブビームのビーム軸の位置を、除去方向に対して一律に補正することにより、前記入射角αが設定されることを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれか一つに記載の材料除去方法。
【請求項１０】
空間的に変動するエネルギー流密度の値I０ｆ（ｘ）の分布ｆ（ｘ）が、ビーム成形のための一又は複数のアキシコンを用いることによって設定されることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一つに記載の材料除去方法。
【請求項１１】
空間的に変動するエネルギー流密度の値I０ｆ（ｘ）の分布ｆ（ｘ）が、収差を生む光学素子を用いることによって設定されることを特徴とする、請求項５から請求項７のいずれか一つに関連する請求項１０に記載の材料除去方法。
【請求項１２】
定義されたビーム軸をそれぞれが有する一又は複数のサブビームから成るレーザービームを生成する手段と、
前記レーザービームの軸又は個々の前記サブビームの軸を除去ラインに沿って所定の移動速度でガイドする手段と、を備え、
空間的なエネルギー流密度によって、除去方向の先端部として尖部（頂点）を備える除去面が形成され、該除去面が側方の除去面を構成し、
前記レーザービームが、ポインティングベクトルＳを定義する特定の空間的なエネルギー流密度を有する材料除去装置において、
前記除去面へのそれぞれの法線ベクトルｎと前記ポインティングベクトルの方向ｓとにより形成される該除去面へのそれぞれのレーザービームの入射角αが、該除去面の尖部（頂点）周辺の所定の領域で最大値αＭＡＸを越えないように設定され、
前記入射角αは、α＝α（[ｓ＊ｎ]）によって与えられ、
ｓはポインティングベクトルＳの方向における単位ベクトルであり、
｜ｓ｜＝１であり、
ｎは法線ベクトルであり、
｜ｎ｜＝１であり、
αＭＡＸ＞α＋Δα（ｔ）が当てはまり、ここでΔα（ｔ）は時間とともに変化する入射角αの技術的に不可避な変動である、
ことを特徴とする、請求項１から請求項１１のいずれか一つに記載の材料除去方法を実施するための材料除去装置。
【請求項１３】
レーザー出力、強度分布、又は、移動速度の方向及び値が前記除去パラメータとして、記録及び評価されることを特徴とする、請求項１２に記載の材料除去装置。
【請求項１４】
レーザー内部又はレーザー外部の光学素子の収差を増加させる手段が設けられていることを特徴とする、請求項１２又は請求項１３に記載の材料除去装置。
【請求項１５】
前記除去面の尖部（頂点）へのレーザービームの入射角を設定するビーム成形手段を備えており、
該ビーム成形手段は、レーザー共振器の内側又は外側に配置されていて、楕円形のビーム横断面を形成し、当該楕円形の半長軸が除去ラインの方向を指すことを特徴とする、請求項１２から請求項１４のいずれか一つに記載の材料除去装置。
【請求項１６】
複数のレーザービーム又はレーザービームを複数のビーム成分に分けるビーム分割手段を備え、
前記それぞれのレーザービーム又はビームの一部が、異なる焦点深度に設定され、
焦点深度が増加された前記それぞれのレーザービーム又はビームの一部は、ビーム半径がより小さく、レーリー長がより大きく設定されることを特徴とする、請求項１４又は請求項１５に記載の材料除去装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一又は複数のサブビームから成るレーザービームを用いて、加工対象物から所定の除去深度で材料を除去する方法に関するものである。さらに、本発明は、このような材料除去方法を実施するための材料除去装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザー切断は、融解による材料除去に対して確立された方法である。この方法によって形成される除去深度は加工対象物の厚み全体を含む。金属を切断する場合、除去面は融解しており、除去面は切断面ともよばれる。レーザーを用いた加工方法のうち、かかる方法は産業上の利用性において先導的な立場にある。ユーザーの視点からみれば、かかる方法についての生産性向上及び品質向上は不変の要求である。
【０００３】
レーザー切断（１ｍｍから３０ｍｍの範囲の金属薄板に対して使用される技術分野）には、波長１０μｍ及びレーザー出力１〜６ｋＷの高出力ＣＯ２（炭酸ガス）レーザー（１０μエミッター）が工業的に用いられる。さらに、波長１μｍ及びレーザー出力１〜８ｋＷのファイバーレーザー及びディスクレーザー（１μエミッター）もレーザー切断に用いられる。これらの光源は特に経済的な利益を提供するため、ますます用いられるようになっている。しかしながら、加工対象物における切断部の品質は、例えば、使用する光源（ファイバーレーザー、ディスクレーザー１μエミッター、ガスレーザー１０μエミッター）や、例えば、切断される加工対象物のシート厚および送り速度に依存することが明らかになりつつある。このため、レーザー融解による切断では次に示すような重要な品質的特徴を確実に獲得しなければならない。
【０００４】
[作業性の向上]
基本的に要求されることは、機械加工時間をより短縮して、より大きな材料厚に対する高品質の除去または分離を行うことである。このため、大きなレーザー出力と高駆動性を有するシステムが生産現場に次第に導入されている。これらの開発は、作業管理に関する技術的限界の拡張を目指すものである。
【０００５】
[切り口の品質]
表面粗さやバリの付着及び酸化被膜の形成に加えて、平面且つ直角であることが切り口についての重要な品質的特徴である。切断と溶接の作業連鎖は一つの例であり、これにより、接合部の隙間の形成に関する切り口の品質の重要性を認識することができる。研磨あるいは目直しによる後処理を一切必要とすることなく、レーザーを用いて溶接シームを細く形成するためには、構成部材の切断部が平面且つ直角の状態で接合されるとともに付着したバリが平滑化され且つ酸化物が結合していない状態が望ましい。したがって、次に示すように、これらについての以下の特徴が考慮されるべきである。
【０００６】
金属薄板の厚みが増加するとともに、切り口は次第に粗削りな溝になる。この溝は特に切り口の下方部分に（あるいは磨耗切り口、それぞれに）現れる。この問題点は加工対象物のシート厚が大きくなればなる程さらに悪化する。
【０００７】
特に低速又は高速の送り速度では、融解物が底部側から完全に除去されない。付着した後に凝固した融解物は好ましくないバリを形成する。そのようなバリが形成されるメカニズムはある程度しか理解されていない。
【０００８】
溶接シームにおけるクラックや細孔の形成は、接合した端部が酸化することに起因している。そのようなクラックや細孔は、火炎切断に伴って発生する。このため、酸化物のない切り口を得るために不活性切断ガスを用いた融解切断が採用されている。
【０００９】
レーザービームを用いた金属切断に関する周知技術は、切断のためのエネルギーを導入するために関与するメカニズムによって次のいずれかに分類される。すなわち、活性切断ガス流を用いたレーザービーム切断と、不活性切断ガス流を用いたレーザービーム切断のいずれかである。
【００１０】
活性切断ガス流（酸素、圧縮空気など）を用いたレーザービーム切断においては、レーザービームおよび発熱化学反応が、切断のためのエネルギーをともに提供する。活性切断ガス流を用いたレーザービーム切断に関する技術は、さらに、レーザービームが切断部の継ぎ目で顕著に作用するもの（レーザービーム火炎切断）であるか、あるいは、レーザービームが金属薄板の表側の方へさらに放射されるもの（燃焼の安定化されたレーザービーム火炎切断）であるかによって区別される。
【００１１】
不活性切断ガス流（窒素など）を用いたレーザービーム切断においては、レーザービームが切断のためのエネルギーをもたらす。不活性切断ガス流を用いたレーザービーム切断は、融解の促進あるいは融解物の排出のための種々のメカニズムによって区別される。切断ガス流の作用に加えて、融解した材料の蒸発を発生させ、溶融を促進することができる。融解した材料の蒸発によって、送り速度の増加とともに駆動効率が高まる。
【００１２】
不活性切断ガス流を用いたレーザービーム切断では、以下の三つの変形作業に区別される。
【００１３】
（１）レーザービーム融解切断
融解物の表面温度は蒸発温度よりも低い温度に保たれ、融解物は切断ガス流のみによって排出される。この変形方法は、高純度の金属薄板、中間厚の金属薄板および厚手の金属薄板に対して工業的に使用される。融解物は、主に切断面の尖部（頂点）から、即ち、レーザービームの軸の前方で流出する。溝やバリの形成により品質が制限される。
【００１４】
（２）急速切断
切断面の下方部分では蒸発温度を超えており、切断ガスに基づく排出効果と蒸発する材料に基づく排出効果とは同程度である。融解物は切断面の前方の領域で、すなわちレーザービームの軸の左右方向で主に流出する。この変形方法は、高純度の金属薄板および中間厚の金属薄板に対して使用することができる。溝やバリの形成により品質が制限される。
【００１５】
（３）高速切断
切断面上のほぼ全体で蒸発温度を超えている。排出効果は主に蒸発による。融解物はレーザービームの軸の周囲を流れ、レーザービームに続いて切断の隙間の一部を閉じ、切断ガスの作用の下によって排出される。この変形方法は、高純度の金属薄板に対して使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の主な課題は、溝やバリの形成を最小限に抑えることができ、且つ、除去作業中に最適なレーザービームの形成が可能な、所定の除去深度で材料を除去する方法を提供することにある。従来から周知のように、除去パラメータ（切断パラメータなど）を不適切に設定すると、除去深度が増加するほど溝の振幅が不要に激しく増加してしまうことがある。例えば、ガス圧が低すぎる場合、除去切り口が狭すぎる場合（細かい切断など）、あるいは送り速度が速すぎる場合などである。したがって、周知の手段を適切に使用してもなお減少させることができない溝が不要に大きい振幅で形成されるのを回避することが主な課題となる。本発明の課題は、従来技術に関する驚くべき見解に基づいて本発明者らにより発見されたものである。例えば、１μエミッター（ファイバーレーザー、ディスクレーザーなど）のような選択された光源をレーザー切断のために用いる場合、あるいは、大きな加工対象物を切断する場合には、大きい振幅の溝が形成される。周知の手段ではこれを回避することができない。また、周知の研究レベルでは、その原因またはメカニズムについての明快な情報を提供できず、望ましくない大きい振幅の溝が形成される結果となってしまう。
【００１７】
経験的見地から、望ましくなく、今日現在では回避できない溝が、所定の除去深度（あるいは切断深度）からの領域では、溝振幅の小さい値から著しく大きな値まで変化してしまうことが知られるようになった。この変化は、加工対象物の厚みと比べて小さい切断深度の領域で発生し得る。切断中にこの領域が、切り口の上（あるいは側方の除去面の上）の様々な深度で発生することもある。
【００１８】
したがって、解決すべき課題は、溝の形成に関するこの未知のメカニズムの影響を完全に抑える又は回避するために使用し得る方法を提供することにある。さらなる課題は、溝の振幅が所定の除去深度（あるいは切断深度、それぞれ）からは小さい値から大きい値に変化することに作用するパラメータを提示することにある。
【００１９】
これに加えて、そのような方法を実施するための装置も提供されるべきである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記課題は、一又は複数のサブビームから成るレーザービームを用いた、所定の除去深度での加工対象物からの材料除去方法であって、それぞれのサブビームは定義されたビーム軸を有し、レーザービームの軸又は個々のサブビームの軸が除去ラインに沿って所定の移動速度でガイドされ、レーザービームは、所定の空間的なエネルギー流密度を有し、当該空間的なエネルギー流密度は、値Ｉ０ｆ（ｘ）及び方向ｓであるポインティングベクトルＳを定義し、空間的なエネルギー流密度は、除去方向の先端部に尖部（頂点）が形成されるように除去面を形成し、該除去面が側方の除去面を形成し、前記除去面に対する法線ベクトルｎと前記ポインティングベクトルの方向ｓとが成す、当該除去面のそれぞれの入射角αは、除去面の尖部（頂点）周辺の所定の領域で最大値αＭＡＸを超えないように設定され、側方の除去面の上方部分の小さい溝の振幅から側方の除去面の下方部分の大きい溝の振幅への変化が生じることにより、前記最大値を超えたことが発見されることを特徴とする材料除去方法により解決される。
前記課題はさらに、
定義されたビーム軸をそれぞれが有する一又は複数のサブビームから成るレーザービームを生成する手段と、
空間的なエネルギー流密度によって、除去方向の先端部として尖部（頂点）を備える除去面を形成するように、レーザービームの軸又は個々のサブビームの軸を除去ラインに沿って所定の移動速度でガイドする手段と、
を備え、該除去面が側方の除去面を構成し、
レーザービームが、ポインティングベクトルＳを定義する所定の空間的なエネルギー流密度を示すように調整されている、
上記材料除去方法を実施するための材料除去装置において、
除去面のそれぞれの法線ベクトルｎと、ポインティングベクトルの方向ｓとが形成する、除去面のそれぞれの入射角αが、除去面の尖部（頂点）周辺の所定の領域で最大値を超えないように、当該入射角αを設定するための装置
を有することを特徴とする、上記材料除去方法を実施するための材料除去装置によっても解決される。
本発明の材料除去方法の有利な実施態様では、各入射角αが、前記除去面の尖部からの距離がより大きい領域において最大値αを超えないように、除去隙間の下方部分において前記溝の振幅が次第に減少していくことを特徴とする。
有利には、本発明に係る方法の上述の好適な実施形態では、レーザー内部又はレーザー外部でビーム成形光学素子を用いてポインティングベクトルＳを回転させることにより、入射角を設定する。レーザー内部でのポインティングベクトルＳの設定は、たとえば切除作業を行うためにビーム成形光学素子と加工対象物との間の作業間隔を過度に小さくする必要があり、かつ、それゆえレーザー外部装置を適用するのが有利でない場合に用いられるものである。それに対し、レーザー外部における回転は、１つの装置を用いて複数の切除工程を頻繁に交代して行わなければならず、かつ、レーザー内部光学素子のパラメータの面倒な調整を常に適合しなければならない場合、または、レーザの機能（たとえばレーザの時間的安定性）を阻害してしまう場合、または、レーザー内部における回転を行うと、追加光学素子または変更された光学部品にレーザービームによってかかる負荷が過度に大きい場合に用いられるものである。
レーザー内部又はレーザー外部でビーム成形を行う光学素子を用いてポインティングベクトルＳを除去面で回転させ、前記ビーム成形光学素子として気体又は液体の媒体を用いることにより、入射角αを設定することができる。これに代えて択一的に、レーザー内部又はレーザー外部でビーム成形を行う光学素子を用いることにより、ポインティングベクトルＳを除去面で回転させるという効果を実現することにより、かつ、前記ビーム成形を行う光学素子として回折光学素子、屈折光学素子、反射光学素子又は／及び分散光学素子を用いることにより、前記入射角αの設定を行うこともできる。
また、直径を大きくすることで空間的に変動する前記エネルギーの流れの密度の前記値Ｉ０ｆ（ｘ）の分布を設定することにより、前記入射角αを設定することもできる。直径を大きくする一例として、焦点位置を加工対象物の上方または下方において調整する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明による方法を用いれば、特にレーザービームを用いて加工対象物を完全に分離する（切断する）ための加工対象物からの材料除去に関する従来からの技術で、シート厚がより大きい材料を切断する場合やより速い速度で切断を行う場合でも、溝の振幅が小さく基本的にはバリが形成されない切断の品質を得られるように改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明について考えられる加工形状の状態を説明するためのものであり、図２に示す除去ラインI−Iに沿った除去を示す。
【図２】レーザービームを用いた材料除去により除去ラインに沿った側方の除去面が形成される材料片の概略斜視図を示す。
【図３】ガウスビームに基づく、集中的なレーザービームのくびれ部の半径についての相表面及びビーム軸に関する説明図を示す。
【図４】必須光学素子を備えた本発明の材料除去装置の一例についての概略説明図であり、detail"Ａ"は拡大説明図を示す。
【図５】アキシコンを用いて図４に示す材料除去装置を改良した構造図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の好ましい実施形態に係る材料除去方法は特許請求の範囲に記載された請求項２乃至請求項１１から明らかになる。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態に係る材料除去装置は特許請求の範囲に記載された請求項１３乃至請求項１６から明らかになる。
【００２５】
以下にいくつかの概論を示す。特に、加工対象物の除去領域における形状に関しては任意であり、本発明に係る材料除去装置の具体例に関しても同様である。
【００２６】
本発明者らは、除去作業中、例えば、除去部に隙間が形成されている間、除去面の動きに対して内部が不安定な状態が存在することを認識しており、このことが、除去部の隙間の幅の変動、及び加工対象物上の側方の除去面（切り口）の領域で溝が形成されることの原因となる。
【００２７】
したがって、上述の条件での制御値は、ｄｑＡ/ｄｘ＝ｇ（α），ただしｑＡ＝μＡ（μ）Ｉ０ｆ（ｘ），μ＝ｃｏｓ（α）で定められる。ここでは、αＭＡＸ＝αが不安定な状態への移行を指示する。除去作業は、除去面上で入射角αが最大値を超える位置、即ちαＭＡＸ＜αとなる位置では不安定である。入射角αの余弦μは、ポインティングベクトルの方向ｓにおける単位ベクトルと除去面への法線ベクトルｎとのスカラー積μ＝ｓ（ｘ）＊ｎ（ｘ）である。
【００２８】
除去面上でのレーザービームの吸収度は入射角によって決まり、Ａ（μ）で示される。レーザービームの強度（時間的に平均化されたポインティングベクトルＳの値）は、最大値Ｉ０と空間的な分布ｆ（ｘ）（０＜ｆ＜１）によって表される。ｘは歪んでいない状態の値（ｘ＝０）から変動によって歪んだ除去面までの距離を示す。特に、除去面の幾何学形状およびこのような除去面上への法線ベクトルｎは、ポインティングベクトルＳの所定の値Ｉ０ｆ（x）値によって決まる。
【００２９】
本発明によれば、入射角α（ｔ）は時間的に、αＭＡＸ＞α（ｔ）がすべての時間ｔについて当てはまるように設定される。これにより、励起状態（又は不安定な状態）から粗い溝が形成されることはなく、溝の振幅は、固定的に設定された除去パラメータの不可避な変動によってのみ発生する最小可能値となる。除去面の領域で溝の振幅が急増することにより発生する変化が調整手段として用いられる。Ｉ１＜ｄであり、ｚ＝Ｉ１は、不可避な変動により生じる振幅の小さい溝から、励起状態（又は不安定な状態）のため振幅の大きい溝に移行するときの深度を表し、ｄは、加工対象物の表側からの除去深度（加工対象物の最大の厚み）であり、したがってαＭＡＸ＞α（ｔ）が当てはまる。
【００３０】
入射角αは、上述のとおりα＝α（[ｓ＊ｎ]）によって与えられる。
【００３１】
ｓはポインティングベクトルＳの方向における単位ベクトルであり、｜ｓ｜＝１である。｜Ｓ｜はポインティングベクトルの絶対値である。ｎは法線ベクトルであり、｜ｎ｜＝１である。
【００３２】
本発明によれば、入射角の設定に関して次の点が考慮される。
【００３３】
ポインティングベクトルの値および方向によってレーザービームに形成された二次元位相空間全体が利用される。
【００３４】
ポインティングベクトルの値および方向は互いに独立して設定される。
【００３５】
Ｍ２について大きな値が意図的に設定される。すなわち、Ｍ２＞１となる。Ｍ２＝１はレーザービームの最高品位の物理的限界を表す。
【００３６】
ビーム半径ｗ０について大きな値が、意図的に設定される。
【００３７】
収差の最大値が、意図的に設定される。
【００３８】
なぜなら、上記手段により入射角の値が縮小されると確認されたからである。
【００３９】
これとは対照的に、従来技術では、作業パラメータの変化／変更は、一次元位相空間において近似的にのみ行われる。例えば、切断パラメータの変化あるいは光学パラメータの変化である。詳述すれば、レーザービームの品質については物理的な理想値であるＭ２＝１ができる限り実現されるべきであり、ビーム半径ｗ０はできる限り小さく、さらには、収差が存在しない状態であるのが望ましい。Ｍ２＝１の条件下では、空間的な三次元の放射場に関してポインティングベクトルの値と方向との関係が固定される。例えば技術的不完全さのため、条件設定が近似的に行われるだけでなく理想的に行われれば、これは一次元位相空間に制限を及ぼす。
【００４０】
本明細書においてシステムの又はシステム固有の特性について述べる場合、これは、作業を行うための構成要素全体について、あるいは、例えばビーム源、操作機械をそれぞれ含む構成要素全体およびガス流をガイドするための構成要素全体の固有の特性についてそれぞれ言及するものである。入射角αについてシステム固有の変動が時間的に発生する場合、除去パラメータの変動振幅がαＭＡＸ＞α＋Δα（ｔ）を満たすように低減される。
【００４１】
レーザー出力、強度分布、ガス圧、及び／又は、レーザービームまたはレーザービーム軸の移動速度の方向及び値がそれぞれ除去パラメータとして考慮される。除去パラメータ値が固定的に設定されたシステムを用いる場合であっても、これらの値について技術的に不可避な変動が常に発生する。
【００４２】
前述の規定αＭＡＸ＞α＋Δα（ｔ）は、以下の内容を示す。即ち、除去パラメータの値が固定的に設定された条件での技術的に不可避な変動は、設定された入射角αの変動Δαの原因となる。また、これにより、変動幅Δα（ｔ）が過度に大きくなるため、切断中に入射角α（ｔ）＝α＋Δα（ｔ）の許容値αＭＡＸを超えてしまう。そのため、最大入射角αＭＡＸを上回り、励起状態が形成される。
【００４３】
本明細書において励起状態について述べる場合、これは、入射角が過度に大きい場合の作用について言及するものであり、除去面の波状運動の形態の不安定性に、波振幅が増加するにしたがって作用する。
【００４４】
本発明による方法を用いれば、特にレーザービームを用いて加工対象物を完全に分離する（切断する）ための、加工対象物からの材料除去に関する従来技術を改善することができ、シート厚がより大きい材料を切断する場合や、より高速で切断を行う場合でも、溝の振幅が小さく、バリがほとんど形成されない高品質の切断が得られる。
【００４５】
これまで周知のような意図的調整を行わない方法では、除去に関するパラメータはその切断面において時間的に平均化されたエネルギーバランスから経験的に導き出される。溝はほとんどが、切り口の輪郭に形成された空間的に周期的な変動であり、切断中の動的作業の結果である。したがって、この動的な課題を解決しなければならない。
【００４６】
切断パラメータの調整を行う周知のすべての方法では、溝の振幅を所望のように減少させることはできない。それらの方法は、切り口の品質を変えることなく、移動速度を低減して輪郭の切断の際に発生するバリを回避すること、切断速度をより速くすること、および切断可能な材料の厚みをより大きくすることを第一の目的とする。
【００４７】
本発明によれば、切断パラメータの不可避な変動に基づいて軸方向に伝播する光線を減衰し、励起状態に至らせないパラメータを特定する。これにより、（今まで解決されなかった）上記の動的な課題が新たに解決される。
【００４８】
本発明は、切断パラメータの不可避の変動に起因して内部が不安定な状態になることが原因で除去を行う際の変動が励起されることにより、あるいは除去を行う際の変動の振幅をとくに大きくする周波数のインターバル内に不可避の変動があり、この不可避の変動の振幅が過度に大きくなることにより、溝が形成されるという知識を利用するものである。今日まで、この内部が不安定な状態になることは知られておらず、本発明者らによって初めて溝の形成についての重要なパラメータであるものとして認識されることになった。また、本発明者らによって初めて除去又は切断それぞれの品質の改善に利用されることになった。
【００４９】
したがって、本発明者らは、外部の変動に起因して、除去を行う際の変動が減衰された状態から励起状態へと移行するのは、特に、光線の局所的入射角α、レーザービームの強度の最大値I０及びレーザービームの強度の空間的な分布ｆ（ｘ）によって決まるということを認識している。
【００５０】
除去を行う際の変動が励起状態へ移行するのは、以下のような場合である。即ち、光線の入射角αが過度に大きい値に設定されている場合、レーザービームの強度の最大値I０が過度に高く設定されている場合、及び、吸収面または切断面それぞれに対して垂直な方向ｘにおける分布ｆ（ｘ）が、過度に下り勾配になるように設定される場合、すなわち、ｄｆ（ｘ）／ｄｘ＜ｃ＜０となるような場合である。
【００５１】
除去面へのそれぞれの法線ベクトルｎと、対応するポインティングベクトルの方向ｓにとより定義される除去面の入射角αは、光学素子における光学的画像の収差を増加させることにより調整することができる。
【００５２】
光学素子の収差は、屈折光学素子（レンズなど）、反射光学素子（鏡など）、回折光学素子（開口部など）、分散光学素子（素粒子など）を用いることによって増加させることができる。屈折光学素子は、レーザー出力（ＣＯ２レーザーで６ｋＷよりも小さい場合など）が小さい場合に使用される。反射光学素子は、吸収により加熱される屈折光学素子の負荷が好ましくない収差の原因になる場合、あるいは光学素子の破壊の原因にさえなる場合に、大きいレーザー出力のビーム成形のために有利に使用される。回折光学素子は、偏向角度が大きくなる場合や、あるいはレーザービームの端部の領域のみが成形される場合に有利に使用される。
【００５３】
光学素子の収差は、凹面レンズと凸面レンズとを組み合わせて用いることによっても増加させることができる。そのような光学素子は収差の値を特に大きい値に設定可能であるという点において有利である。収差を生むレンズを組み合わせて用いれば、レーザービームの視準及び／又は焦点合わせを同時に行うことができるため、構造上の支出を低減することができる。
【００５４】
光学素子の収差は、表面が非球面状の光学素子を用いることによっても増加させることができる。光学素子はアキシコンあるいはフレネルレンズとして構成してもよい。アキシコンは、除去面の領域で増加する値を有するリング状の分布ｆ（ｘ）を調整すべき場合に用いるのが好ましい。一方、フレネルレンズは偏向角度が大きくなる場合に有効である。
【００５５】
また、光学素子の収差は、レーザー内部またはレーザー外部に設けられた屈折率分布型の光学素子によっても生み出すことができる。屈折率分布型の光学素子は、例えば、屈折率分布型ファイバーあるいは屈折率分布型レンズとして構成してもよい。
【００５６】
収差の値を調整可能にするため、光学素子が適応型光学素子として構成される。
【００５７】
レーザービームが、最大値I０および分布ｆ（ｘ）（０＜f＜１）を備える空間的に変動するエネルギー流密度の値I０ｆ（ｘ）を有するように設定すれば、所定の除去深度を備える分布ｆ（ｘ）の幅が単調に増加するように調整することによって入射角が設定される。
【００５８】
さらに、入射角は、レーザー共振器の内側又は外側に配置されたビーム成形光学素子を用いて楕円断面が形成されることにより、除去面の尖部（頂点）に沿うように設定される。このとき、楕円断面の半長軸の位置は除去ラインの方向を指す。除去面の尖部（頂点）は、除去方向における除去面の先端部として定義される。この基準により、励起状態により発生する波の振幅が最大となる場所では、尖部（頂点）に近い位置でのみ励起状態が回避されるということ、及び、励起状態により発生する波の振幅がより小さい場所では、この場所の外側での励起状態を意図的に許容するということが利用される。
【００５９】
最大値I０および分布ｆ（ｘ）（０＜f＜１）を備えた空間的に変動するエネルギー流密度の値I０ｆ（ｘ）をレーザービームが有するという条件下では、空間的に変動するエネルギー流密度の値が小さい、分布ｆ（ｘ）の端部領域を、除去が発生しない範囲まで抑える（遮閉する又は再配分する）ことによって入射角が設定される。この手段は、入射角が不要に小さくなるのを回避するものである。入射角は、特に分布の端部領域において小さくなる可能性がある。
【００６０】
入射角αを設定するために、複数のレーザービームを使用することができる。又はビーム分割光学素子を用いて一のレーザービームから分割された複数のサブビームを使用することができる。この場合、複数のサブビームは異なる焦点深度で設定され、焦点深度が増加するサブビームは、ビーム半径をより小さく、レーリー長をより大きく、出力をより大きく設定する。そのような手段は、特に急勾配な除去面が形成されるような場合であっても励起状態が回避される点で有利であり、厚みが大きい加工対象物の除去を行う場合や、移動速度が速い場合に利用される。例えば、位相関係が異なる独立した複数のレーザービーム源から形成される複数のレーザービームを使用すれば、技術的コストはより大きくなるが、それぞれの波動場について非干渉的に重ね合わせを行うことが利用可能になり、除去面におけるポインティングベクトルＳの二つの自由度（値および方向）について所望の調整を選択することが可能になるから有利である。
【００６１】
厚みが大きい加工対象物の除去を行う場合や移動速度が高速に達する場合に励起状態を回避するためには、焦点深度が増加するサブビームのビーム軸の位置を除去方向に対して一律に補正して設定することにより、入射角を設定すべきである。
【００６２】
最大値I０および分布ｆ（ｘ）（０＜f＜１）を備えた空間的に変動するエネルギー流密度の値I０ｆ（ｘ）をレーザービームが有するという条件下では、分布ｆ（ｘ）は、あまり激しく下り勾配にならないように、あるいは除去面で増加するように設定され、これにより入射角が減少される。この場合、距離ｘとともに空間的に下り勾配となる分布ｆ（ｘ）の部分は、より弱く下り勾配（拡大されたガウス分布など）になるように設定されるのが好ましい。ここで、レーザービームとは、複数のサブビームの共同作用であり、分布は複数のサブビームの重ね合わせを表す。
【００６３】
側方の除去面の下方部分での溝の形成をさらに減少させるためには、入射角が許容値よりも小さい値に設定された所定の領域が、尖部（頂点）から大きな距離を含まなければならない。これは、距離ｘとともに空間的に下り勾配となる分布ｆ（ｘ）の部分が一定の形状となるように設定することにより達成される。
【００６４】
溝の振幅が除去部の隙間の下方部分で最小値に達することが必要な場合は、前記所定の領域が、尖部（頂点）から最大の距離を含むべきである。これは、除去面の領域において空間的な分布ｆ（ｘ）が空間的に増加し、その結果、分布ｆ（ｘ）がリング状に形成されるように設定することにより達成される。
【００６５】
空間的に変動するエネルギー流密度の分布ｆ（ｘ）は、ビーム成形のために一又は複数のアキシコンを用いるによって設定することができる。前記設定は、収差を生む上述のような光学素子を用いることによっても行うことができる。
【００６６】
機械加工中に軸方向に経過する波の励起状態の評価を行い、これを決定するために、切断面の領域における融解被膜の高温面の熱放射、アンダーカットの発生、及び付加的な光源の反射をカメラで記録してもよい。
【００６７】
そのような光源は切断面の上方端部に配置され、この上方端部での除去面の位置を決定するために、材料表面の予熱の熱的効果が測定される。このようにして決定された上方端部での除去面の位置が入射角を決定する。
【００６８】
カメラ画像の集中的な照明域の広がりおよび測定信号の強度が評価される。その目的は以下のとおりである。切断前に測定された特別に形成されたレーザービームの値を用いてこれらを調整することによって実際に生じた切断面の幾何学形状を監視するため、前記設定により達成入射角αに関する値を監視するため、さらに制御効率も監視するためである。
【００６９】
監視ではフォトダイオードを用いて、融解被膜の高温面の熱放射を検出することができる。集中的な照明域および測定信号の強度も、フォトダイオードの空間的に平均化された信号によって定量的に検出される。
【００７０】
上述してきたように、不可避な程度を超え、溝の形成に反映されるような、除去パラメータの不要に大きな振動は、回避可能な振動と認識することができ、少なくとも減少すべきである。
【００７１】
図２は、加工対象物３において除去ラインＩ−Ｉ（符号２）に沿ってレーザービームにより形成された切断部１を概略的に示すものである。切断部１における材料の除去は、レーザービームを包囲するガス流によって加工対象物の材料を融解させることにより、あるいは蒸発させることにより行われる。加工対象物の材料に関して、ガス流は活性のものであっても不活性のものであってもよい。
【００７２】
切断部１は、二つの切り口又は側方の除去面４（図２の半切断面においてはこれらのうちの一つのみが示されている）及び除去正面部１１を有する切断の隙間である。一般的に、側方の除去面又は切り口４は、加工対象物底部９の上にある下側の切断端部８に、程度の差はあるが特徴的な溝６及び場合によってはバリ７をそれぞれ示す。
【００７３】
溝６及びバリ７は後処理を必要とし、回避あるいは少なくとも減少すべきものである。
【００７４】
図１に基づいて、図２に示す除去ラインＩ−Ｉに沿った切断を切断部１の中心に示すいくつかの理論的考察について説明する。
【００７５】
ビーム軸１０を備えたレーザービームの一部の部分強度ΔＩが吸収され、加工対象物３の材料を融解させる。融解した除去面１１は法線ベクトルｎと逆方向に速度ｖＰで移動する。図示の座標ｚは、加工対象物３の表側１２を始点とする、切断部１の分離部又は切断の隙間における部分強度ΔＩのそれぞれの衝突位置を示す。融解した除去面１１（尖部（頂点）とも称される）の移動は、レーザービームの吸収エネルギー流密度ｑＡによって決まる。同様に、吸収エネルギー流密度ｑＡは、除去面１１上におけるレーザービームのビーム軸１０の入射角αおよび吸収度Ａによって決まり、吸収度Ａは、使用されるレーザーの波長λと入射角αの余弦とによって決まる。
【００７６】
次の考察では、集束されたレーザービーム１３のレーザービーム軸１０の入射角αの使用は近似的にのみ示される。さらに正確に言えば、レーザービーム（ポインティングベクトル）のそれぞれの相表面における法線ｐｈの角度が基準となる。（図３参照）
図３は、相表面１５ａ、１５ｂ、１５ｃと、…、集束されたレーザービーム１３のくびれ部の半径ｗ０と、ビーム軸１０との相関関係を、ゼロ次のガウスビームに基づいて示すものである。しかしながら、材料の機械加工によく用いられる高次のガウスビームは、このような単純な説明で示されるものではない。
【００７７】
図2で再度示すように、例えば、加工対象物の上側１２に向かって小さい溝の振幅を有する複数の溝６が、側方の除去面又は切り口４に沿って観測され、符号１４で示される。一方、下方部分では、大きい溝の振幅が特定の状況下で現れ、符号１５で示される。これらは、加工対象物の下側９に向かう領域で発生する。
【００７８】
所定領域の境界が、図２において符号１６で示される。この所定領域は、溶解した除去面１１で形成される波（符号５）が軸方向に伸びる領域である。
【００７９】
レーザービームで形成される切断部１の半値幅が符号１７で示され、除去深度が符号１８で示される。
【００８０】
図１に示すように、入射角αの余弦ｃｏｓ（α）＝ｓ＊ｎは、ポインティングベクトルＳ＝ｌ（ｘ）ｓの単位ベクトルｓと吸収面１１上における法線ベクトルｎとのスカラー積から形成される。
【００８１】
ここで思い出すべきことは、上述のように、除去部あるいは切断部の内部が不安定な状態であることに起因して粗い溝が発生するということである。不安定な状態あるいは除去変動が励起状態へ移行するための制御変数を示すことができる。さらに、除去作業で１０μエミッター及び１μエミッターのうちどちらを用いた場合でも、同じメカニズムに起因して溝が発生することが発見された。
【００８２】
本来、溝は切断パラメータ（レーザー及び機械的パラメータ）の変動に起因して発生するものであり、このことは、除去速度の変動（除去変動）が発生する原因となる。
【００８３】
励起状態への移行とは、切断面の移動の応答特性が減衰された状態から不安定な状態へ変化すること、あるいは、切断パラメータの外部変化に対する除去変動の感受性が、所望の小さい値から望ましくない大きい値へ突然変化することである。
【００８４】
物理量｜ｄｑＡ（ｘ，ｚ，ｔ）／ｄｘ｜は、切断面の移動が減衰された応答特性から不安定な状態へ移行するための制御変数である。本発明によれば、溝の振幅の形成を減少するために、この励起状態への移行が回避される。励起状態への移行を回避するために、制御変数ｄｑＡ（ｘ，ｚ，ｔ）／ｄｘが調整設定または減少される。
【００８５】
とりわけ、制御変数は、吸収度およびレーザービームの波長によって決まる。１０μエミッターの標準値は、１μエミッターと比べて最大で係数４ほど小さい。そのため、技術的に及び科学的に改善された検査が行われる１０μエミッターでの過度に大きい入射角の影響は、技術的に興味対象でない境界例で発生することもある。そのため不安定な状態への移行に関する影響は、移行についての制御変数と同様に知られていない。
【００８６】
不安定な状態への移行を超えた後、安定した位置へ時間的に素早く戻ろうとする除去面の回避すべき運動が、不可避な変動又は除去面の定常的形状からの偏差からそれぞれ発生するという事実は、新たな発見である。制御変数の値とともに単調に増加する移動速度からの速度ｖＰ（ｘ，ｚ，ｔ）の偏差、および除去面の不可避な偏差が安定した位置に戻るまでの緩和時間ＴＲｅｌａｘａｔｉｏｎが重要である。本発明によれば、除去パラメータは、速度ｖＰ（ｘ，ｚ，ｔ）の偏差が小さい値を取り、これにより緩和時間ＴＲｅｌａｘａｔｉｏｎが切断深度全体にわたる融解時間ＴＥｓｃａｐｅよりも大きくなるように設定される。
【００８７】
図４は、上述した本発明による材料除去方法を行うための装置の概略図を示すものである。この装置は、所定の除去深度にわたり材料除去を行うことを目的とするものである。
【００８８】
本発明の材料除去装置は、光源としてファイバー誘導型レーザービームを有する任意のレーザーを備え、概略的に矢印２０で示されている。符号１０で示されるビーム軸をそれぞれ有するレーザー２０またはファイバー光学素子によって放出される光線は、視準光学素子２１を介して視準合わせが行われる。視準合わせされたレーザービーム２２は収差光学素子２３に供給される。収差光学素子２３は、具体的には、凹凸面状の光学素子である。
【００８９】
収差光学素子２３によって放出される光線は、さらに集束光学素子２４を介して加工対象物（図示省略）上に集束される。ここで集束領域は「detail"Ａ"（参照）」に拡大して示されている。この「detail"Ａ"」を見てみると、収差ビームの焦点は、表示された平面２５の周辺にあることが確認できる。
【００９０】
これらの視準光学素子２１および集束光学素子２４は一のレンズとしてあるいは複数のレンズを備えたシステムとして設計することができる。また、収差光学素子２３についても、凹面と凸面の他の組合せで設計可能であり、透過光学素子は、反射及び／又は回折光学素子に置換できるのみならず、乱反射光学素子に置換することもできる。また、集束光学素子及び／又は視準光学素子と収差光学素子とを一の光学システムとして一体化することも可能である。
【００９１】
図５は、図４に示す収差光学素子２３が複数のアキシコン２６、２７で形成された実施形態を示すものである。これらのアキシコンは表面に等角部を有し、これら互いが向き合う方向に配置されている。図５の集束光学素子２８は単レンズにより概略的に表されている。
【００９２】
図５に示された収差光学素子であるアキシコン２６，２７は、表面に等角部または非等角部を有していてもよく、あるいはレーザービームの伝播方向に関しては、逆方向性を有していてもよい。また、一のアキシコンを用いてもよく、あるいは二以上のアキシコンを用いてもよい。さらに、曲面状のアキシコンを用いてもよく、あるいは、反射光学素子として設計されたアキシコンを用いることもできる。
【符号の説明】
【００９３】
１：切断部
２：除去ラインＩ−Ｉ
３：加工対象物
４：側方の除去面、切り口
５：軸方向に伸びる波
６：溝
７：バリ
８：切り口
９：底側、下側
１０：ビーム軸
１１：除去面、吸収面
１２：表側
１３：レーザービーム
１４：小さい溝の振幅
１５：大きい溝の振幅
１６：所定領域の境界
１７：切断部の半値幅
１８：除去深度
２０：レーザー
２１：視準光学素子
２２：レーザービーム
２３：収差光学素子
２４、２８：集束光学素子
２５：平面
２６、２７：アキシコン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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