(57)【要約】 【課題】  機械部品（４；８４）を複数の部品に分割するために、前記機械部品（４；８４）の側壁又は表面に初期クラックを形成する溝（８，９，３０）をエッチングするレーザー加工装置（２）を提供する。【解決手段】  本発明のレーザー加工装置（２）は、ファイバーレーザー装置（１２）を具備し、レーザーパルスを供給し、前記ファイバーレーザー装置（１２）のレーザーパルスのピークパワーは、４００Ｗ以上で、前記ファイバーレーザー装置（１２）の平均パワーの２倍以上であり、前記レーザーパルスの持続時間は、１ｎｓ−１０００ｎｓの間にある。前記ファイバーレーザー装置（１２）は、ＱＣＷモード又は、Ｑ−スイッチモードで動作する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの機械部品（４；８４）を複数の部品に分割するために、前記機械部品（４；８４）の側壁又は表面に初期クラックを形成する溝（８，９，３０）をエッチングするレーザー加工装置（２）に於いて、
前記レーザー加工装置（２）は、ファイバーレーザー装置（１２）を具備し、レーザーパルスを供給し、
前記レーザーパルスのピークパワーは、４００Ｗ以上で、前記レーザーパルスの平均パワーの２倍以上であり、
前記レーザーパルスの持続時間は、１ｎｓ−１０００ｎｓの間にある
ことを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項２】
前記ファイバーレーザー装置（１２）は、ＱＣＷモードで動作する
ことを特徴とする請求項１記載のレーザー加工装置。
【請求項３】
前記レーザーパルスのピークパワーは、４００Ｗ−３０００Ｗの間である
ことを特徴とする請求項２記載のレーザー加工装置。
【請求項４】
前記ファイバーレーザー装置（１２）は、Ｑ−スイッチモードで動作する
ことを特徴とする請求項１記載のレーザー加工装置。
【請求項５】
前記ファイバーレーザー装置（１２）は、シードレーザーソースとファイバ光学増幅媒体とを有し、
前記ファイバ増幅媒体は、前記レーザーパルス出力する
ことを特徴とする請求項１記載のレーザー加工装置。
【請求項６】
前記レーザーパルスの持続時間は、５０ｎｓ−４００ｎｓの間である
ことを特徴とする請求項４−５のいずれかに記載のレーザー加工装置。
【請求項７】
前記ファイバーレーザー装置（１２）は、ピークパワーが１０００Ｗ以上のレーザービームを供給する
ことを特徴とする請求項４−６のいずれかに記載のレーザー加工装置。
【請求項８】
前記ファイバーレーザー装置（１２）は、周波数が１０ｋＨｚ−２００ｋＨｚの間のレーザーパルスを供給する
ことを特徴とする請求項４−７のいずれかに記載のレーザー加工装置。
【請求項９】
前記ファイバーレーザー装置（１２）と加工ヘッド（２２）との間に、低モードの光学ケーブルを更に有する
ことを特徴とする請求項４−８のいずれかに記載のレーザー加工装置。
【請求項１０】
前記レーザー加工装置（２）は、前記機械部品の開口の壁に半径方向に対向した２個の切欠きを同時に機械加工するものであり、
前記レーザー加工装置（２）は、加工ヘッド（３２）とプリズム・ミラー（５４）とを有し、
前記加工ヘッド（３２）は、来入する第１レーザービーム(３４)を２個の第２ビーム（４０，４２）に分割する半透明ミラー（３６）を具備し、
前記プリズム・ミラー（５４）は、前記２個の第２ビーム（４０，４２）がそれぞれ入射する２個の傾斜した反射表面を有し、
前記第２ビーム（４０，４２）は、同一の高さ面を伝搬することにより、前記加工ヘッド（３２）の半径方向に対向する２個の開口を介して出力される
ことを特徴とする請求項１−９のいずれかに記載のレーザー加工装置。
【請求項１１】
前記レーザー加工装置（２）は、端部スロット（７２）を具備する加工ヘッド（６０）を有し、
前記加工ヘッド（６０）の高さは、前記機械加工される溝の長さに等しく、
前記加工ヘッド（６０）は、着脱可能ミラー（６２）と焦光手段（６８）とを有し、
前記焦光手段（６８）は、前記着脱可能ミラー（６２）と一体に形成され、線形に移動し、
前記レーザービームは、前記端部スロット（７２）に沿って移動することにより、前記端部スロット（７２）から出力され、
前記加工ヘッド（６０）は、前記機械部品の線形の溝をレーザー加工する間、固定されている
ことを特徴とする請求項１−９のいずれかに記載のレーザー加工装置。
【請求項１２】
前記レーザー加工装置（２）は、加工ヘッド（６０，８２）を有し、
前記加工ヘッド（６０，８２）は、非回転の上部部分（６０Ａ，８２Ａ）と底部部分（６０Ｂ；８２Ｂ）とから構成され、
前記加工ヘッド（６０，８２）は、モータ（７６）により回転し、前記機械部品の開口の壁に、半径方向に対向する溝を連続的に形成する
ことを特徴とする請求項１−９のいずれかに記載のレーザー加工装置。
【請求項１３】
前記加工ヘッド（８２）の底部部分（８２Ｂ）は、前記機械部品の上方に配置され、前記機械部品の開口より大きな開口を有する
ことを特徴とする請求項１２記載のレーザー加工装置。
【請求項１４】
前記機械部品は、半径方向に対向する２個の溝を中心に有する連結ロッドである
ことを特徴とする請求項１−１３のいずれかに記載のレーザー加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械部品の表面又は壁に溝をレーザー加工する分野に関する。特にこの溝は、機械部品を複数の部品に分割する切込みを形成する。この機械加工された部品は、エンジンの連結ロッドである。このような連結ロッドは、主開口を有し最初は１個の部品から形成されている。直径方向に対向する２個の溝が、前記の主開口の円形の側面壁にエッチングされる。その後、機械的手段を用いて連結ロッドを２つの部品に力を掛けて分割する。この技術は当業者に公知である。
【背景技術】
【０００２】
開始切欠きを形成する溝をエッチングするレーザービームを用いることは様々な利点がある。特にレーザー技術を用いて比較的狭く且つ深いスロットを形成しこれにより連結ロッドの主開口の中心軸を含む面に沿ってきれいな部品が得られる。
【０００３】
ファイバーレーザー装置１２は公知である。例えば特許文献１から公知である。特許文献１に記載されているように、様々なタイプのレーザーが特定のアプリケーション用に用いられてきたが、得られた溝の形状は必ずしも最適なものではなかった。機械加工された溝の品質は、所定の面に沿ったきれいな割れ目／裂け目を得るため更に小さな力で切り欠くための重要なファクターである。特許文献１は機械加工装置すなわちファイバーレーザーに於いて特定のタイプのレーザー装置の使用を提案している。ファイバーレーザーは活性媒体（ドープしたファイバー）をポンピングするためにダイオードを有する。ダイオードのポンピング手段を使用することにより提案されたパルスモードでのレーザー装置により与えられるパルスの周波数を上げることが出来る。特許文献１によれば、ポンピング手段を形成するダイオードはパルスで動作する。生成されたレーザーパルスの周波数は１０ｋＨｚと１００ｋＨｚの範囲内にある。そのため特許文献１はパルスモードで動作するファイバーレーザーの使用を提案している。パルスモードとは即ちポンピング手段にパルス状にパワーが与えられてレーザー装置の出力点に生成されるレーザービームを変調する。斯してパルスモードはレーザーの連続パワー（ＣＷ）を変調し、その結果最大パルスパワーはレーザーのＣＷ（最大平均パワー）に等しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ドイツ特許出願第１０２００７０５３８１４号明細書
【０００５】
特許文献１のレーザー装置は、最適な形状を有する溝を生成することはできない。ファイバーレーザーの使用が良好な品質のレーザービームを得るための有利なソリューションである。これは狭く深い溝を機械加工するのに必要な良好な品質のレーザービームを得るのに必要である。ファイバーレーザーは高品質のレーザービームを生成し、これは低モード・ファイバ光学装置（好ましくはシングルモード）でレーザー加工装置の加工ヘッドまで伝搬する間劣化することはない。しかし特許文献１で提案されたパルス・モードは、ファイバーレーザーの使用から生じる潜在的な能力を大幅に制限してしまう、特に溝の深さ／幅の比率と溝の底部の半径と壁の金属学的品質に関し大幅に制限してしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、浮遊する熱ストレスを減らすことのできるレーザー装置を提案することにより、初期（開始）クラックを形成する溝をレーザー加工で形成する方法を提案する。この熱ストレスは、溝を形成する際、溝の周囲領域に幾つかの損傷（例、溝の壁と溝の微細割れ目の発生の両方における金属学的構造の変化）を引き起こす。本発明の他の目的は、連結ロッドの側面の壁に溝をレーザー加工して形成する際の効率を上げることである。これは、簡単な装置あるいは加工速度を向上させた装置で、連結ロッドの主開口内の半径方向に対向する２個の溝をレーザー加工する加工ヘッドの移動を押さえることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のレーザー加工装置を開発するにあたって、本発明者等が観測したことによれば、従来のパルスモードで動作するファイバーレーザー装置では、溝の幅と深さの比率が小さな溝、更には底部の半径が小さな溝を提供することが出来ないことが解った。これ等の要件（細い溝の形成）は、所定の面に対し裂け目を形成したり、機械部品を切り離すのに必要な力を減少させるために重要な要素である。
従来技術のファイバーレーザー装置の不具合点は、動作モードの２つの欠点から主に生ずる。第１の欠点は、従来技術で提案されたパルスモードでは、生成されたレーザービームのみを変調するだけで、レーザーが提供できるＣＷ（連続波）エネルギーに等しい最大パワー即ちピークパワーのパルスを提供できない点である。
従来技術に於いては、パルスパワーは１０Ｗ−１００Ｗの間、好ましくは４０Ｗ−６０Ｗの間である。大きな連結ロットに於いては、より強力なレーザー（例、２００Ｗのピークパワーを有するレーザー）を使用することが提案されている。
この様な強力なパワーのＣＷのレーザーは存在はしていたが、産業界で経済的に利用できるものではなかった。従来提案されていたパルスモードでは、非常に強力なレーザー（現在の産業界が提供できる限界）を、２００Ｗのピークパワーを有するパルスを得るために使用しなければならなかった。
【０００８】
２００Ｗ以下の最大パワーを有するレーザーパルスは、材料の剥離を行うために十分なエネルギーを提供できる長期のパルスと持続時間を有し、機械加工された部品を形成する材料が溶融する主な原因となる。溶融した材料は良好な品質の溝を得るのに問題となる。特にこの溶融材料は高圧ガスのジェットを用いて除去しなければならない。溶融材料は、溝の清潔さと機械加工された表面に関する問題を引き起こし、更に機械加工ヘッドの出力点で保護ガラスを必要とする。更にまた溶融した材料とそれを高圧ガスを用いて取り除くことは、ファイバーレーザー装置により生成されるレーザービームは高い品質を有するにもかかわらず、溝の底部における湾曲の半径を小さくことができなくなる。
【０００９】
従来技術の動作モードにより発生する別の問題点は、一般的にマイクロ秒（μｓ）レベルのパルスの持続時間である。特にパルスモードで動作するダイオードは、５−１０μｓの間の持続時間でパルスを提供する。特許文献１とは対照的に、周波数を増加させることは、パルスあたりのエネルギーの量を減少させることには必ずしもならない。各レーザーパルスに含まれるエネルギー量は、パルスのパワーと持続時間の両方によって決定される。高周波数は、確かに所定の平均パワーに対しパルスの持続時間の減少に繋がるが、特許文献１で提案されたパルスモードでは、パルスの持続時間は、従来装置では１μｓ以下には減らすことができなかった。これにより、好ましくない二次的な熱の影響の問題を引き起こす。
機械加工された材料の熱の拡散は、パルスの持続時間に依存する。パルスの持続時間が長くなると、二次的な熱影響も大きくなる。特に機械加工された溝の領域における熱エネルギーの拡散（伝搬）が多くなる。その結果、溶融した材料が増加することになり、溝の幅が広くなり、溝の底部の平均半径も大きくなる。斯して、パルスあたりの全エネルギーは１００Ｗのと数μｓの持続時間では、正しいが、得られた溝の形状は最適なものではなくなる。
【００１０】
本発明の於いては、供給されるレーザーパルスのピークパワーを増加させることにより、昇華する材料の量を増加させ、液状の材料の量を減らすことが出来る。更にパルスパワーを増加させることにより、短いパルスの持続時間で、パルスあたりに必要とされるエネルギーを供給することができ、これにより溝近傍の熱ストレスを減少させ、底部の湾曲半径を小さくできる。
【００１１】
機械部品を複数の部品に分割するために、前記機械部品の側壁又は表面に初期クラックを形成する溝をエッチングする、本発明のレーザー加工装置は、ファイバーレーザー装置を具備し、レーザーパルスを供給する。前記レーザーパルスのピークパワーは、４００Ｗ以上で、前記レーザーパルスの平均最大パワーの２倍以上であり、前記レーザーパルスの持続時間は、１ｎｓ−１０００ｎｓの間にある。特に、５０ｎｓ−４００ｎｓの間にある。
【００１２】
本発明の一実施例によれば、本発明のファイバーレーザー装置は、疑似連続波（ＱＣＷ）モードで動作する。ＱＣＷモードで動作するファイバーレーザー装置は、最大パワー即ちピークパワーは、ファイバーレーザー装置の最大パワーの平均値の１０倍以上である。
【００１３】
本発明の一実施例によれば、本発明のファイバーレーザー装置は、Ｑスイッチモードで動作する。
本発明の一実施例によれば、本発明のファイバーレーザー装置は、シードレーザーソースとファイバ光学増幅媒体を有する。これにより、出力点に、加工用レーザーパルスを提供する。
【００１４】
上記した本発明の特徴により、狭く深い溝で且つその底部が小さな半径の溝を、レーザーで機械加工できる。本発明のファイバーレーザー装置より与えられるレーザーパルスは、溶ける材料の量を減らし、得られた溝の質の劣化を引き起こす熱影響を大幅に制限できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】溝を加工するヘッドを具備したファイバーレーザー装置の斜視図。
【図２Ａ】従来の装置を用いて機械加工した溝の斜視図。
【図２Ｂ】本発明のレーザー加工装置を用いて機械加工した溝の斜視図。
【図３】本発明のレーザー加工装置の加工ヘッドの第１実施例の断面図。
【図４】本発明のレーザー加工装置の加工ヘッドの第２施例の断面図。
【図５】本発明のレーザー加工装置の加工ヘッドの第３実施例の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、連結ロッド４の主開口６の側面の壁に溝８，９を形成するレーザー加工装置２の斜視図である。溝８，９は主開口６の中心軸に沿った方向を向いている。このレーザー加工装置２は、加工ヘッド２２にフレキシブルな光学ケーブル２４で接続されたファイバーレーザー装置１２を有する。加工ヘッド２２と連結ロッド４は、溝８，９をエッチングする中心軸に沿って移動できるような駆動装置に接続されている。ファイバーレーザー装置１２は、ファイバ光学活性媒体１４とこのファイバ光学活性媒体１４に結合される光学ダイオードから形成されるポンピング装置１６とを含む。このファイバーレーザー装置１２は、制御ユニット１８を有する。この制御ユニット１８は、ポンピング装置１６のパワーと他のパラメータを、選択された動作モードに従って制御する。一連のレーザーパルスが与えられる。
【００１７】
ファイバーレーザー装置１２で得られたレーザービームの品質は、幾つかの利点がある。このレーザービームは、その品質を良好に維持しながら、低モードの光学ケーブルにより加工ヘッド２２に導くことができる。これによりレーザー加工装置を簡単に構成できる。レーザービームの品質は適正な集光能力を与えるのに重要であり、斯して、焦点においてビームの直径を減らすことができる。小径の光学集光システムにレーザービームを与える場合でさえ減らすことができる。これにより、狭い溝が形成可能となる。狭く且つ深い溝を良好に形成することは、レーザービームの品質以外の他のパラメータも関与してくる。このような溝は底部と小さな直径を規定する壁を有する。上記したように、エネルギーの供給、特に発光強度を制御すること即ちパワー密度を制御することは、最適な形状を具備するこの種の溝を機械加工で形成する際に、決定的なファクタとなる。連結ロッド４の壁の材料をはく離する方法は、最適の形状の溝を形成するのに必須の事項である。
【００１８】
活性媒体のポンピングパワーを変えることにより、パルスモードで動作するファイバーレーザー装置の使用により、従来から提案されているように、レーザーの公称パワーに等しいピークパワーを有するパルスを発生させることができる。公称パワーは、一般的に工業用のファイバーレーザー装置１２では２００Ｗ以下でありその持続時間は１μｓ以上である。しかし、この程度の低パワーでは、十分な発光強度を得ることは出来ず、レーザーパルスを受光する材料の多くの部分が溶融するのを阻止できず、液状に変化するだけである。この溶融した液状の材料の排出には問題であり、溝の底部に溶融材料が一部残ることになる。その結果、溝の底部が大きな平均半径Ｒ１を有することになる（図２Ａ）。更に、パルスの持続時間が長いことにより、被加工材料中に熱ストレス又は二次的な熱影響を引き起こす。これは、熱エネルギーが加工済み溝２８の周辺領域２６に更に伝搬するからである。そのため、溶融した材料と各レーザーパルスにより与えられるエネルギーと各パルスの持続時間の全てが、溝を広げる方向に寄与し、溝の底部で比較的大きな平均直径Ｒ１を形成することになる。
【００１９】
このような知見により本発明に至った。即ち、ファイバーレーザー装置１２の適正な制御が可能となった。本発明のファイバーレーザー装置の制御方法は、ファイバーレーザー装置のレーザーパルスのピークパワーは、４００Ｗ以上で、レーザーパルスの平均パワーの２倍以上であり、レーザーパルスの持続時間は、１ｎｓ−１０００ｎｓの間にあるようにすることである。
【００２０】
本発明のファイバーレーザー装置１２の第１動作モードによれば、レーザー装置は疑似連続波（ＱＣＷ）モードで制御される。これにより、パワーが５０Ｗ−１５０Ｗのレーザーにとっては、１０００Ｗ近辺のピークパワーを有するレーザーパルスを得ることができる。アプリケーションによっては、レーザー装置は、４００Ｗ−３０００Ｗの間のピークパワー（即ち最大パルスパワー）を得るように構成される。当業者のとって、ＱＣＷモードとこのようなレーザーパルスを生成する特定のダイオードは、既知である。
【００２１】
ナノ秒（ｎｓ）範囲の短いパルス特に５０ｎｓ−４００ｎｓの範囲の短いパルスで且つ高いパワーピークを有するパルスを得るために、２つの実施例を以下説明する。
【００２２】
第２動作モードによれば、ファイバーレーザー装置１２はＱ−スイッチモードで制御される。この第２動作モードは第１動作モードであるＱＣＷモードよりも好ましい、Ｑ−スイッチモードは、極めて短いパルス持続時間と極めて高いピークパワー（１０ｋＷ）を得ることが出来るからである。そのため、機械加工された部品の材料を昇華（即ち固体状態から気体状態に直接変化）させるのに十分な極めて高い発光強度を得ることが出来る。      例えばファイバーレーザー装置１２は、１０ｋＨｚ−２００ｋＨｚの間の周波数のレーザーパルスを供給するよう、制御される。このパルスの持続時間は極めて短いために、１パルスあたり供給されるエネルギー量は限られる。このエネルギー量（０．１ｍＪ−２ｍＪ）は、本発明によるレーザー機械加工の方法を最適化する。このパルスの持続時間は極めて短いために、二次的な熱影響と熱エネルギーが材料内に入り込むことを防ぐことができる。これにより、狭くて深い最適な形状を有する溝が得られる（図２Ｂ）。
本発明の方法による穿孔は従来よりも小さくなる。加工済み溝３０の深さ／溝の比率は、従来のレーザー装置で得られたよりも小さく、溝の底部における平均半径Ｒ２は図２Ａの半径Ｒ１よりも遥かに小さい。これにより、溝の開口の壁への溶けた材料の噴出を最小限に抑えられ、同時に１個の機械部品を２つの部品に後で分割するための切込みの形状を改善できる。
【００２３】
本発明の第３実施例によれば、本発明のファイバーレーザー装置１２は、シードレーザーソースとファイバ光学増幅媒体とを含む。このファイバ光学増幅媒体は、加工用のレーザーパルスを出力点に与える。このシードレーザーパルスは、低パワーのパルスを形成するが、これは極めて高い周波数（例、１０ＭＨｚ）と極めて短い持続時間のパルスである。このシードパルスは、ファイバ光学増幅媒体に入る。このファイバ光学増幅媒体が、シードパルスの持続時間と周波数を維持しながら、パルスパワーを大幅に増幅する。このファイバ光学増幅手段は、１０００Ｗ以上のピークパワーを容易に発生できる。この種のファイバーレーザー装置１２の製造方法は当業者には公知である。
【００２４】
本発明による機械加工方法とこの方法を実行するには、更なる利点がある。第１の利点としては、極めて高いパワーのパルスを生成することにより、連結ロッド４の半径方向に対向する２つの溝を同時に機械加工することが出来る点である。これは第１のレーザーパルスのエネルギーを２つの第２パルスに分けるが、そのパワーは第１レーザーパルスの半分となるが、本発明の利点を維持できる。
図３に示す加工ヘッド２２は、この更なる利点を用いた実施例である。第２の利点として、レーザー加工で溶融した材料は、本発明のレーザー加工装置２では極めて限られるか或いは無くすことができる為に、従来技術で使用していた高圧ガスは本発明では不要となる点である。斯して小さなオリフィスを具備するノズルの使用は不要となる。高圧ガスを、レーザービームで機械加工するべき部品の壁に当てる場所に注入する必要はなくなる。しかし、ガスは、加工ヘッド２２を常にクリーンに維持するために、依然として使用される。しかしこのガスは低圧ガスであり、より広い領域に行き渡る。図４，５に示す加工ヘッド２２は、この更なる利点を得るために実施例である。
【００２５】
図３の加工ヘッド３２は、光学ケーブル２４に接続され、入力点で本発明のレーザーパルスから構成される第１レーザービーム３４を受光する。この加工ヘッド３２の入力点は、コリメータ４４と半透明の第１ミラー３６と第２ミラー３８とを有する。コリメータ４４は、ファイバ光学装置から出た大きな開口のレーザービームをコリメートする。半透明の第１ミラー３６を用い、て第１レーザービーム３４を２つの第２ビーム４０，４２に分割する。第２ミラー３８は、第２ビーム４２を軸方向に反射する。各第２ビーム４０，４２は、光学焦点手段（凸レンズ４８，５０）に入力されて、この第２ビーム４０，４２を連結ロッド４の側壁に焦点を当てる。
この第２ビーム４０，４２のそれぞれの焦点を調整するために、凸レンズ４８，５０が軸方向（垂直方向）に動く。ファイバーレーザー装置１２により生成されたレーザービームの高い品質により、極めて良好な焦点調節が、小さな直径の焦点手段上にレーザービームを当てるのに際し、得られる。斯して凸レンズ４８，５０は、比較的小さな直径を有し、その結果加工ヘッド３２は小型にできる。
連結ロッド４の開口内に導入された加工ヘッド３２の端部５２は、２つの傾斜した反射表面を有するプリズム・ミラー５４を有する。これにより、溝８，９を同時に機械加工する為に、２つの第２ビームを連結ロッド４の開口の側面に直交する方向に向ける。
２つの第２ビーム４０，４２は、端部５２から２つの反対方向の端部の開口から放射される。この開口はノズル５６，５８からなるオリフィスにより規定される。そしてこの光は、同一面（高さ）を伝搬する。この変形例として、プリズム・ミラー５４の反射表面は傾斜面を有し、この傾斜面が第２の入力ビームを機械加工された側面に対し斜めに反射するよう構成することもできる。
ガスは加工ヘッド３２の内側に与えられ、この２つのノズル５６，５８から放出される。連結ロッド４と加工ヘッド３２の間の垂直方向の相対的な動きにより、機械加工されるべき２つの溝８，９を平行に且つ同時に機械加工できるようになる。
【００２６】
図4の加工ヘッド６０は、光学ケーブル２４に接続され、その入力点で、本発明のレーザーパルスから構成される第１レーザービーム３４を受光する。この加工ヘッド３２の入力点は、コリメート手段６６と着脱可能ミラー６２と焦光手段６８とを有する。コリメート手段６６は、光ファイバー装置からでた大きな開口のレーザービームをコリメートする。着脱可能ミラー６２は着脱可能ミラー６２の線形運動を可能とする駆動手段６４に接続される。この着脱可能ミラー６２は、第１レーザービームを加工ヘッド３２の長手軸方向と平行な方向に反射する。焦光手段６８は、凸レンズから形成され、前記着脱可能ミラー６２と一体に形成される。本発明の変形例に於いては、焦光手段６８は、着脱可能ミラー６２の後方で機械加工される部品の側面表面近傍に配置してもよい。焦光手段６８は着脱可能ミラー６２に対し移動可能で、焦点の位置を調整する。
レーザービームは、加工ヘッド６０の端部に傾斜して配置された傾斜ミラー７０に最終的に当たる。この傾斜ミラー７０は、レーザービームの出力方向が、着脱可能ミラー６２の移動方向に一致するよう配置される。傾斜ミラー７０により反射されたレーザービームは、加工ヘッド６０から端部スロット７２を介して放出される。端部スロット７２の高さは溝８の長さに等しい。連結ロッド４の高さ若しくはそれ以上である。着脱可能ミラー６２を動かすことにより、レーザービームは連結ロッド４の開口の壁を垂直方向にスイープする。斯してレーザービームは、端部スロット７２に沿って徐々に移動し、加工ヘッド６０と連結ロッド４との間の相対的垂直移動をせずに、溝８を機械加工できる。その為加工ヘッド６０は、溝のレーザー加工の間一定位置に保持される。端部スロット７２は、特別な問題を生じさせないが、高圧ガスが溶融した材料を除去するために使用されないからである。しかし低圧ガスが、端部スロット７２を介して注入されて、端部スロット７２の近傍に配置された保護ガラスを保護する。
本発明の変形例に於いては、ガスは、連結ロッド４と端部スロット７２の壁の間に機械加工の方向により上又は下から注入される。加工ヘッド６０は、上部分６０Ａと下部分６０Ｂから形成される。上部分６０Ａは固定されるか或いは水平方向に移動する。下部分６０Ｂは、半径方向に向い合った２つの溝が機械加工されるよう回転するので、光学ケーブルに接続された上部分６０Ａを回転させる必要はない。下部分６０Ｂを回転させるためにトルク・モータ７６が配置される。トルク・モータ７６のステータ７８は、上部分６０Ａに連結され、ロータ７９は下部分６０Ｂに連結される。このモーター７６は、レーザービーム用に中央に開口を有し、そこをレーザービームが通り、プログラムされた制御ユニット８０により制御駆動され、駆動用電力が与えられる。
【００２７】
図５は、本発明の加工ヘッド８２の他の実施例を示す。この加工ヘッド８２は、垂直方向に動く上部部分８２Ａと、回転する底部部分８２Ｂとを有する。上記のトルク・モータ７６が、底部部分８２Ｂを回転させて、半径方向に対向する２個の溝を機械加工するが、光学ケーブル２４に連結された底部部分８２Ｂを回転させる必要はない。光学ケーブルの出力点には、ミラー８４に入るレーザービームをコリメートするコリメート手段６６が配置される。ミラー８４は、第１レーザービーム３４を装置の軸方向に反射させるために斜めに配置されている。底部部分８２Ｂは対物レンズ８６を有する。この対物レンズ８６は、垂直方向に移動可能で焦点を調節する。底部部分８２Ｂは、更に斜めに配置された第１ミラー８８とミラー８９を有する。これらがレーザービームを斜めに反射させる。レーザービームの出口角は、ミラー８８，８９の方向を変えることにより、変更可能である。      このような配列により、小さな開口内に半径方向に対向する２個の溝を形成するが、これは加工ヘッド８２の上部部分８２Ａを回転させる必要はない。斯して、上部部分８２Ａの光軸は、機械加工部品８４の開口の中心軸と一致する。
底部部分８２Ｂは様々な直径用に提供される。好ましくは対物レンズ８６の垂直位置を調整して、連結ロッドの直径に依存する焦点を調整する。加工ヘッド８２の底部部分８２Ｂは、機械加工されるべき被加工部品８４の上方に配置される。これは本発明の方法が、形成された溝内に溶けた材料を除去するためのガスを必要としないことにより達成可能であり、Ｍ２の比例品質係数は、これは溝を形成する集光手段から離れた小さな焦点を有するの十分小さい。ミラー８４と加工ヘッド８２の間の相対垂直移動即ちスキャンは、２個のミラー８８，８９の少なくとも一方の位置を変えることにより、達成できる。
【００２８】
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。用語「又は」に関して、例えば「Ａ又はＢ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」ならず、「ＡとＢの両方」を選択することも含む。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。
【符号の説明】
【００２９】
２  レーザー加工装置
４  連結ロッド
６  主開口
８，９  溝
１２  ファイバーレーザー装置
１４  ファイバ光学活性媒体
１６  ポンピング装置
１８  制御ユニット
２２  加工ヘッド
２４  光学ケーブル
２６  周辺領域
２８，３０  加工済み溝
３２  加工ヘッド
３４  第１レーザービーム
３８  第２ミラー
４０，４２  第２ビーム
４４  コリメータ
４８，５０  凸レンズ
５２  端部
５４  プリズム・ミラー
５６，５８  ノズル
６０  加工ヘッド
６０Ａ，６０Ｂ  部分
６０Ａ  上部部分
６０Ｂ  底部部分
６２  着脱可能ミラー
６４  駆動手段
６６  コリメート手段
６８  焦光手段
７０  傾斜ミラー
７２  端部スロット
７６  トルク・モータ
７８  ステータ
７９  ロータ
８２  加工ヘッド
８２Ａ  上部部分
８２Ｂ  底部部分
８４  被加工部品
８６  対物レンズ
８８，８９  ミラー
【図１】
2013532067.tif 000003
【図２Ａ）】
2013532067.tif 000004
【図２Ｂ）】
2013532067.tif 000005
【図３】
2013532067.tif 000006
【図４】
2013532067.tif 000007
【図５】
2013532067.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成25年2月18日(2013.2.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械部品（４；８４）を複数の部品に分割するために、前記機械部品（４；８４）の側壁又は表面に初期クラックを形成する溝（８，９，３０）をファイバーレーザー装置（１２）から供給されるレーザーパルスの手段（２）により、エッチングする方法において、
前記レーザーパルスのピークパワーは、４００Ｗ以上で、前記レーザーパルスの平均最大パワーの２倍以上であり、
前記レーザーパルスの持続時間は、１ｎｓ−１０００ｎｓの間にある
ことを特徴とするエッチングする方法。
【請求項２】
前記ファイバーレーザー装置（１２）は、ＱＣＷモードで動作する
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記レーザーパルスのピークパワーは、４００Ｗ−３０００Ｗの間である
ことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記ファイバーレーザー装置（１２）は、Ｑ−スイッチモードで動作する
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記ファイバーレーザー装置（１２）は、シードレーザーソースとファイバ光学増幅媒体とを有し、
前記ファイバ増幅媒体が、前記レーザーパルス出力する
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記レーザーパルスの持続時間は、５０ｎｓ−４００ｎｓの間である
ことを特徴とする請求項４−５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記ファイバーレーザー装置（１２）は、ピークパワーが１０００Ｗ以上のレーザーパルスを供給する
ことを特徴とする請求項４−６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記ファイバーレーザー装置（１２）は、周波数が１０ｋＨｚ−２００ｋＨｚの間のレーザーパルスを供給する
ことを特徴とする請求項４−７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記ファイバーレーザー装置（１２）とレーザーパルスが供給される加工ヘッド（２２）との間に、低モードの光学ケーブルを有する
ことを特徴とする請求項１−８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記機械部品（４；８４）は、連結ロッドであり、
前記連結ロッドの主開口内に、半径方向の反対側に、溝（８，９）が同時に前記レーザーパルスで形成される
ことを特徴とする請求項１−９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
連結ロッドの開口内に半径方向に対向する２個の切欠きを規定する溝を同時に機械加工するレーザー加工装置（２）において、
前記レーザー加工装置（２）は、加工ヘッド（３２）とミラー（５４）とを有し、
前記加工ヘッド（３２）は、来入する第１レーザービーム(３４)を２個の第２ビーム（４０，４２）に分割する半透明ミラー（３６）を具備し、
前記プリズム・ミラー（５４）は、前記２個の第２ビーム（４０，４２）がそれぞれ入射する２個の傾斜した反射表面を有し、
前記第２ビーム（４０，４２）は、同一の面を伝搬することにより、前記加工ヘッド（３２）の半径方向に対向する２個の開口を介して出力される
ことを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項１２】
機械部品（４；８４）の開口内に、切り欠きを規定する長方形の溝を同時に機械加工するレーザー加工装置（２）において、
前記レーザー加工装置（２）は、端部スロット（７２）を具備する加工ヘッド（６０）を有し、
前記加工ヘッド（６０）の高さは、前記機械加工される溝の長さに等しく、
前記加工ヘッド（６０）は、着脱可能ミラー（６２）と焦光手段（６８）とを有し、
前記焦光手段（６８）は、前記着脱可能ミラー（６２）と一体に形成され、線形に移動し、
前記レーザービームは、前記端部スロット（７２）に沿って移動することにより、前記端部スロット（７２）から出力され、
前記加工ヘッド（６０）は、前記機械部品の線形の溝をレーザー加工する間、固定されている
ことを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項１３】
連結ロッドの開口内に半径方向に対向する２個の切り欠きを規定する２個の溝を同時に機械加工するレーザー加工装置（２）において、
前記加工ヘッド（８２）の底部部分（８２Ｂ）は、前記連結ロッドの開口の直径より大きな幅を有し、
前記加工ヘッド（８２）の底部部分（８２Ｂ）は、前記溝をレーザー加工する間、前記連結ロッド上方に配置されている
ことを特徴とするレーザー加工装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明の目的は、浮遊する熱ストレスを減らすことのできるレーザー装置及びこの装置を用いたエッチング方法を提案することにより、初期（開始）クラックを形成する溝をレーザー加工で形成する方法を提案する。この熱ストレスは、溝を形成する際、溝の周囲領域に幾つかの損傷（例、溝の壁と溝の微細割れ目の発生の両方における金属学的構造の変化）を引き起こす。本発明の他の目的は、連結ロッドの側面の壁に溝をレーザー加工して形成する際の効率を上げることである。これは、簡単な装置あるいは加工速度を向上させた装置で、連結ロッドの主開口内の半径方向に対向する２個の溝をレーザー加工する加工ヘッドの移動を押さえることができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明のレーザー加工装置及びこの装置を用いたエッチング方法を開発するにあたって、本発明者等が観測したことによれば、従来のパルスモードで動作するファイバーレーザー装置では、溝の幅と深さの比率が小さな溝、更には底部の半径が小さな溝を提供することが出来ないことが解った。これ等の要件（細い溝の形成）は、所定の面に対し裂け目を形成したり、機械部品を切り離すのに必要な力を減少させるために重要な要素である。
従来技術のファイバーレーザー装置の不具合点は、動作モードの２つの欠点から主に生ずる。第１の欠点は、従来技術で提案されたパルスモードでは、生成されたレーザービームのみを変調するだけで、レーザーが提供できるＣＷ（連続波）エネルギーに等しい最大パワー即ちピークパワーのパルスを提供できない点である。
従来技術に於いては、パルスパワーは１０Ｗ−１００Ｗの間、好ましくは４０Ｗ−６０Ｗの間である。大きな連結ロットに於いては、より強力なレーザー（例、２００Ｗのピークパワーを有するレーザー）を使用することが提案されている。
この様な強力なパワーのＣＷのレーザーは存在はしていたが、産業界で経済的に利用できるものではなかった。従来提案されていたパルスモードでは、非常に強力なレーザー（現在の産業界が提供できる限界）を、２００Ｗのピークパワーを有するパルスを得るために使用しなければならなかった。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
機械部品を複数の部品に分割するために、前記機械部品の側壁又は表面に初期クラックを形成する溝をエッチングする、本発明のエッチング方法で使用されるレーザー加工装置は、ファイバーレーザー装置を具備し、レーザーパルスを供給する。前記レーザーパルスのピークパワーは、４００Ｗ以上で、前記レーザーパルスの平均最大パワーの２倍以上であり、前記レーザーパルスの持続時間は、１ｎｓ−１０００ｎｓの間にある。特に、５０ｎｓ−４００ｎｓの間にある。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明の一実施例によれば、本発明のエッチング方法で使用されるファイバーレーザー装置は、疑似連続波（ＱＣＷ）モードで動作する。ＱＣＷモードで動作するファイバーレーザー装置は、最大パワー即ちピークパワーは、ファイバーレーザー装置の最大パワーの平均値の１０倍以上である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明の一実施例によれば、本発明のエッチング方法で使用されるファイバーレーザー装置は、Ｑスイッチモードで動作する。
本発明の一実施例によれば、本発明のエッチング方法で使用されるファイバーレーザー装置は、シードレーザーソースとファイバ光学増幅媒体を有する。これにより、出力点に、加工用レーザーパルスを提供する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
図１は、連結ロッド４の主開口６の側面の壁に溝８，９を形成するレーザー加工装置２の斜視図である。溝８，９は主開口６の中心軸に沿った方向を向いている。このレーザー加工装置２は、加工ヘッド２２にフレキシブルな光学ケーブル２４で接続されたファイバーレーザー装置１２を有する。加工ヘッド２２と連結ロッド４は、溝８，９をエッチングする中心軸に沿って移動できるような駆動装置に接続されている。ファイバーレーザー装置１２は、ファイバ光学活性媒体１４とこのファイバ光学活性媒体１４に結合される光学ダイオードから形成されるポンピング装置１６とを含む。このファイバーレーザー装置１２は、制御ユニット１８を有する。この制御ユニット１８は、ポンピング装置１６のパワーと他のパラメータを、選択された動作モードに従って制御して、一連のレーザーパルスを与える。
【国際調査報告】
2013532067.tif 000009
2013532067.tif 000010
2013532067.tif 000011
2013532067.tif 000012
2013532067.tif 000013
2013532067.tif 000014