(57)【要約】  本願発明はレーザービーム１０２を用いる材料除去加工により被加工材１０１を三次元形状加工するための装置１００に関する。装置１００は加圧液体噴流１０４を放出して被加工材１０１に当て、レーザービーム１０２を液体噴流１０４の中に入射させて液体噴流１０４と結合させて、レーザービーム１０２を被加工材１０１に向けて伝播させる機械加工ユニット１０３を有する。さらに装置１００は機械加工ユニット１０３に対する被加工材１０１のｘ−ｙ−ｚ方向位置を定める移動コントローラ１０５を含む。装置１００は被加工材１０１上の加圧液体噴流１０４の入射点１０８のｚ方向位置を測定する測定ユニット１０７も含む。【選択図】  図１
2021505406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザービーム（１０２）を用いる材料の除去加工により被加工材（１０１）を三次元形状加工するための装置（１００）であって、
加圧液体噴流（１０４）を放出して被加工材（１０１）に当て、前記レーザービーム（１０２）を前記液体噴流（１０４）の中に入射させて前記液体噴流（１０４）と結合させて、前記レーザービーム（１０２）を前記被加工材（１０１）に向けて伝播させる機械加工ユニット（１０３）と、
前記機械加工ユニット（１０３）に対する前記被加工材（１０１）のｘ−ｙ−ｚ方向位置を定める移動コントローラ（１０５）と、
前記被加工材（１０１）上の前記加圧液体噴流（１０４）の入射点（１０８）のｚ方向位置を測定する測定ユニット（１０７）と、を有する装置（１００）。
【請求項２】
前記移動コントローラ（１０５）が定めるｘ−ｙ−ｚ方向位置および前記測定ユニット（１０７）が測定する被加工材（１０１）上の前記加圧液体噴流（１０４）の入射点（１０８）のｚ方向位置に基づいて、前記レーザービーム（１０２）のパワーまたはエネルギーを調節するレーザーコントローラ（１０６）をさらに有する請求項１に記載する装置（１００）。
【請求項３】
前記レーザービーム（１０２）はパルスであり、
前記装置（１００）はレーザーコントローラ（１０６）をさらに有し、該レーザーコントローラ（１０６）は前記移動コントローラ（１０５）が各レーザーパルス（２００）に対して定めるｘ−ｙ−ｚ方向位置と、前記各レーザーパルス（２００）の前に前記測定ユニット（１０７）が測定する被加工材（１０１）上の前記加圧液体噴流（１０４）の入射点（１０８）のｚ方向位置とに基づいて、前記各レーザーパルス（２００）ごとにそのエネルギーを調節する請求項１または２に記載する装置（１００）。
【請求項４】
前記測定ユニット（１０７）が前記各レーザーパルス（２００）の後で、前記測定ユニット（１０７）が測定した前記被加工材（１０１）上の前記加工液体噴流（１０４）の入射点（１０８）のｚ方向位置でのそのレーザーパルス（２００）の除去加工の結果を判定し、前記レーザーコントローラ（１０７）が前記判定した除去加工の結果に基づいて、次の前記レーザーパルス（２００）のエネルギーを調節する請求項３に記載する装置（１００）。
【請求項５】
前記レーザーコントローラ（１０６）が前記レーザーパルス（２００）の幅および／もしくは振幅を定めて、並びに／または前記レーザーパルス（２００）のパルスレートと結果的に連続する２個のパルス（２００）の間の時間遅れを定め、および／もしくはパルスバースト（２０１）を作って、前記各レーザーパルス（２００）のエネルギーを調節する請求項３または４に記載する装置（１００）。
【請求項６】
前記レーザーコントローラ（１０６）は、各レーザーパルス（２００）に対して前記移動コントローラ（１０５）が定めた前記被加工材（１０１）のｘ−ｙ−ｚ方向位置で、その前記各レーザーパルス（２００）が１〜１０００μｍのｚ方向深さの被加工材の材料を除去するように前記各レーザーパルス（２００）のエネルギーを調節する請求項５に記載する装置（１００）。
【請求項７】
前記レーザービームを発生させるレーザー光源（１１０）であって、前記レーザーコントローラ（１０６）と、前記レーザーパルス（２００）を変調する高速スイッチ、好ましくはQスイッチとを含むレーザー光源（１１０）をさらに有する請求項３乃至６のいずれかに記載する装置（１００）。
【請求項８】
前記測定ユニット（１０７）は２つの連続した前記レーザーパルス（２００）の間の時間内に前記被加工材（１０１）上の前記液体噴流（１０４）の入射点（１０８）のｚ方向位置を測定する請求項３乃至７のいずれかに記載する装置（１００）。
【請求項９】
前記移動コントローラ（１０５）は前記各レーザーパルス（２００）の後、前記機械加工ユニット（１０３）に対する前記被加工材（１０１）のｘ−ｙ−ｚ方向位置をステップ単位で、または連続的に変化させる請求項３乃至８のいずれかに記載する装置（１００）。
【請求項１０】
前記移動コントローラ（１０５）は前記被加工材（１０１）を所定の軌道上で動かす時に、被加工材（１０１）のｘ−ｙ−ｚ方向位置を変化させることを加速させ、または減速させ、さらに
前記レーザーコントローラ（１０６）は単位距離あたりの前記レーザーパルス（２００）の数が前記所定の軌道の間で一定になるように、レーザーパルス周波数を増大または減少させる請求項９に記載する装置（１００）。
【請求項１１】
前記レーザービーム（１０２）がｘ−ｙ方向面内の前記被加工材表面（１０９）を走査するように、前記移動ユニット（１０５）が前記被加工材（１０１）のｘ−ｙ−ｚ方向位置を繰り返し変える請求項１乃至１０のいずれかに記載する装置（１００）。
【請求項１２】
前記移動コントローラ（１０５）が与えるｘ−ｙ−ｚ方向位置に依り、前記被加工材表面（１０９）を走査している間、前記レーザービーム（１０２）を選択的に照射するか、または非照射にする請求項１１に記載する装置（１００）。
【請求項１３】
前記レーザー（１０２）を用いて被加工材の材料の複数の層（８００）を一層ずつ除去加工することにより被加工材（１０２）を形状加工する請求項１乃至１２のいずれかに記載する装置（１００）。
【請求項１４】
前記複数の層（８００）のそれぞれが、層ごとに予め決められたｘ−ｙ方向面内の領域を占め、層ごとに予め決められた均一または不均一なz方向の厚さを有する請求項１３に記載する装置（１００）。
【請求項１５】
前記被加工材（１０１）の除去しようとする体積からなる積層体で表される部分（６０１）を算出する処理ユニット（６００）をさらに有し、この算出した積層体で表される部分（６０１）に基づいて、被加工材の材料からなる前記複数の層（８００）を除去する請求項１３または請求項１４に記載する装置（１００）。
【請求項１６】
請求項２にしたがう装置（１００）であって、前記レーザーコントローラ（１０６）が、さらに前記処理ユニット（６００）から受信した前記積層体で表される部分（６０１）に基づいて、前記レーザービーム（１０２）のエネルギーまたはパワーを調節する請求項１５に記載する装置（１００）。
【請求項１７】
前記測定ユニット（１０７）は前記被加工材（１０１）上の前記液体噴流（１０４）の入射点（１０８）の測定したｚ方向位置を前記処理ユニット（６００）にフィードバックし、
前記処理ユニット（６００）は前記測定ユニット（１０７）からのフィードバックに基づいて前記積層体で表される部分（６０１）、特に前記積層体で表される部分（６０１）の層数を再び算出する請求項１５または請求項１６に記載する装置（１００）。
【請求項１８】
前記処理ユニット（６００）は前記被加工材（１０１）から除去される各被加工材の材料層（８００）の後、前記積層体で表される部分（６０１）を再び算出する請求項１５乃至１７のいずれかに記載する装置（１００）。
【請求項１９】
前記測定ユニット（１０７）はｘ−ｙ方向面内の前記被加工材表面（１０９）を走査し、それにより前記被加工材（１０１）上の前記液体噴流（１０４）の複数の入射点（１０８）でのｚ方向位置を測定することによって最後に除去された被加工材の材料層（９００）の第１の傾きおよび／または表面凹凸（９０１）を決定して前記被加工材（１０１）の表面（１０９）上の第２の傾きおよび／または表面凹凸（９０２）を決定し、
少なくとも前記測定ユニット（１０７）が測定した前記第１の傾きおよび／または表面凹凸（９０１）に基づいて、少なくとも次の一層（８００）を除去する請求項１３乃至請求項１８のいずれかに記載する装置（１００）。
【請求項２０】
請求項３にしたがう装置（１００）であって、前記レーザーコントローラ（１０６）は少なくとも次の層（８００）のために、前記測定ユニット（１０７）が測定した前記第１の傾きおよび／または表面凹凸（９０１）に基づいて、各レーザーパルス（２００）ごとにそのエネルギーを調節し、さらに／または前記各レーザーパルス（２００）の後に前記被加工材（１０１）のｘ−ｙ−ｚ方向位置を変えて前記被加工材（１０１）を動かす軌道を調節する請求項１９に記載する装置（１００）。
【請求項２１】
前記測定ユニット（１０７）は電磁波または音波を用いて前記被加工材（１０１）上の前記液体噴流の入射点（１０８）のｚ方向位置を測定する請求項１乃至２０のいずれかに記載する装置（１００）。
【請求項２２】
前記測定ユニット（１０７）は前記液体噴流（１０４）の有効長さを測定することによって前記被加工材（１０１）上の前記液体噴流の入射点（１０８）のｚ方向位置を測定する請求項１乃至２１のいずれかに記載する装置（１００）。
【請求項２３】
前記測定ユニット（１０７）は前記液体噴流（１０４）によって前記被加工材（１０１）上の前記液体噴流の入射点（１０８）のｚ方向位置を測定する請求項１乃至２２のいずれかに記載する装置（１００）。
【請求項２４】
前記測定ユニット（１０７）が前記機械加工ユニット（１０３）の中に入れられて一体になっている請求項１乃至２３のいずれかに記載する装置（１００）。
【請求項２５】
レーザービーム（１０２）を用いる材料除去加工により被加工材（１０１）を三次元加工するための方法（１０００）であって、
加圧液体噴流（１０４）を放出して被加工材（１０１）に当て、レーザービーム（１０２）を前記液体噴流（１０４）の中に入射させ前記液体噴流（１０４）と結合させて、前記被加工材（１０１）に向けて該レーザービーム（１０２）を伝播させること（１００１）、
前記液体噴流に対する前記被加工材（１０１）のｘ−ｙ−ｚ方向位置を定めること（１００２）、および
前記被加工材（１０１）上の前記加圧液体噴流（１０４）の入射点（１０８）のz方向位置を測定すること（１００３）、
を含む方法（１０００）。
【請求項２６】
前記液体噴流（１０４）に入射して前記液体噴流（１０４）と結合する前記レーザービーム（１０２）はパルスになっており、
前記被加工材（１０１）のｘ−ｙ−ｚ方向位置を定めることは各レーザーパルス（２００）に対して行い、
前記各レーザーパルス（２００）の前に前記液体噴流（１０４）の入射点（１０８）のz方向位置を測定し、
前記各レーザーパルス（２００）用に定めるｘ−ｙ−ｚ方向位置と各レーザーパルス（２００）の前に測定される前記被加工材（１０１）上の前記加圧液体噴流（１０４）の入射点（１０８）のz方向位置とに基づいて、レーザーパルスごとに前記各レーザーパルス（２００）のエネルギーを調節することをさらに含む請求項２５に記載する方法（１０００）。
【請求項２７】
ｘ−ｙ方向面内の前記被加工材（１０１）の表面（１０９）を走査すること、
前記被加工材（１０１）上の前記液体噴流（１０４）の複数の入射点（１０８）のｚ方向位置を測定することによって前記表面（１０９）の輪郭を決定すること、および、
前記表面（１０９）の前記決定した輪郭に基づいて、各レーザーパルス（２００）ごとにそのエネルギーを定め、さらに／または前記各レーザーパルス（２００）の後に前記被加工材（１０１）のｘ−ｙ−ｚ方向位置を変えて前記被加工材（１０１）を動かす軌道を定めることを含む請求項２５に記載する方法（１０００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は被加工材を材料の除去加工（アブレーション）により三次元（３Ｄ）形状加工して最終部材にする装置に関する。材料の除去加工はレーザービーム、好ましくはパルスレーザーにより行われる。このレーザービームは液体噴流の中でガイドされて被加工材に入射する。本願発明はさらに被加工材を液体噴流の中に入射させてその液体噴流と結合させたレーザービームを用いる材料の除去加工による三次元形状加工する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
加圧液体噴流に中に入射させ、その加圧液体噴流と結合させたレーザービームを用いて被加工材を機械加工する従来技術の装置が知られている。しかし、そのような従来技術の装置を用いる被加工材の「機械加工」は、完全に切断することおよび貫通孔を穿つことに限定されている。このような装置の機械加工工程の制御は、被加工材を完全な三次元形状加工して最終部材にすることができるほど十分ではない。これは、従来の装置ではレーザービームが除去加工する被加工材のｘ−ｙ方向位置はわかっているが、材料の除去加工がおきているｚ方向位置がわかっていないことが主な理由である。その結果、従来の装置は被加工材のｚ（深さ）方向でレーザービームが実際に除去加工した材料の量を決めることもできない。そのため、従来技術の装置では、例えば被加工材の中まで行う切断または穿孔の深さを精度よく制御することができない。
【０００３】
被加工材の三次元形状加工は付加製造法（ＡＭ）または除去製造法（ＳＭ）のいずれかである。「ＡＭ」は材料を堆積する、通常一層ごとに堆積することにより最終部材の所望の三次元形状を作り上げる工程を言うが、「ＳＭ」は所望の形状の最終部材を得るために被加工材（中実な塊）から材料を除去する工程を言う。実用的な用途の多くでは、ＡＭよりもＳＭの方が好まれる。これは、ＳＭを用いることによって、多くの部材がより迅速に、より効率的に、かつより安く製造することができるからである。
【０００４】
さらに、より効率的な形状加工工程を実現するために、レーザーＳＭ、すなわちレーザービームを用いて被加工材から材料を除去することは、従来の機械加工の手法、例えばミリングと組み合わせることができる。しかし、従来のレーザーＳＭは比較的時間がかかり、精度が低い工程である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記事情に鑑み、本願発明は所望の三次元形状を有する部材を製造するための従来技術のＳＭを改良すること、特に工程速度および精度を改良することを目標とする。この目的のため、本願発明は液体噴流の中に入射させてその液体噴流と結合させたレーザービームを用いて被加工材を機械加工する装置の有利な点を利用する。したがって、液体噴流によってガイドされるレーザービームを用いて被加工材を三次元形状加工するための装置および方法を提供することが本願発明の目的である。特に、このような装置及び方法ならば、被加工材を形状加工して所望する任意の三次元形状を有する最終部材にすることができるはずである。このような形状加工工程は迅速かつ正確でなければならない。そこで、本願発明の装置および方法はＳＭ工程を従来のＳＭよりも効率的かつ安くするはずである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明の目的は特許請求の範囲の独立項中に与えられる解決策によって達成される。本願発明の有利な実施の態様が従属項に定められる。
【０００７】
具体的に、本願発明は材料の除去加工により被加工材を三次元形状加工するために液体噴流の中に入射してその液体噴流と結合するレーザービームを用いることを提案する。このレーザービームによって被加工材を形状加工し、被加工材から材料を除去することによって最終部材にする。言い換えれば、最終部材はＳＭによって得られる。
【０００８】
本願発明の第１の特徴は、レーザービームを用いる材料の除去加工により被加工材を三次元形状加工するための装置であって、加圧液体噴流を放出して被加工材に当て、前記レーザービームを前記加圧液体噴流の中に入射させて前記加圧液体噴流と結合させて前記レーザービームを前記被加工材に向けて伝播させる機械加工ユニットと、前記機械加工ユニットに対する前記被加工材のｘ−ｙ−ｚ方向位置を定める移動コントローラと、前記被加工材上の前記加圧液体噴流の入射点のｚ方向位置を測定する測定ユニットと、を有する装置である。
【０００９】
前記移動コントローラは被加工材を三次元的に動かし、前記レーザービームを用いて任意の３Ｄの輪郭の形状加工を可能にする。定められたｘ−ｙ−ｚ方向位置は所定の座標軸（座標）系における原点（０−０−０位置）に対する被加工材の位置に対応する。前記移動コントローラが定める被加工材のｘ−ｙ−ｚ方向位置は、したがって被加工材が載置される移動可能な機械加工表面の配置によって決まるものでよい。前記移動コントローラは、さらに被加工材を回転方向に沿って被加工材を動かすこと（例えば、回転させること、傾けること、向きを変えること）ができるものでよい。前記移動コントローラは被加工材の位置を高速かつ高精度で変えることができるのが好ましい。そのようにして、材料の除去加工による被加工材の三次元形状加工が現在存在しない速度および精度で可能になる。代わりに、軸システムが前記機械加工ユニットをすべての直線軸および回転軸に沿ってまたはこれらの軸うちのいくつかの軸に沿って動かす。
【００１０】
三次元形状加工工程の間、前記測定ユニットは深さセンサーとして機能し、任意の時点および任意の位置での材料の除去加工のｚ方向位置、すなわち液体噴流とレーザービームが被加工材に当たる部位について知らせる。このｚ方向位置は普通前記移動コントローラによって定められた材料の表面とは相違する。液体噴流が被加工材表面上を動くと、またはレーザービームが被加工材表面から材料を除去する、すなわちレーザービームが機械加工し被加工材の中に入っていくと、このｚ方向位置は変わる。後者の場合、前記入射点が被加工材の中に深く入っていく。前記移動コントローラがｚ方向位置も定める一つの理由は、形状加工工程の制御を確実に行うためである。液体噴流発生点から被加工材に液体噴流が当たる個所までの距離が常に所定の範囲内になるように被加工材を配置するのが好ましい。したがって、被加工材からｚ方向に次々と被加工材の材料が除去されても、被加工材は常に最も効率的にレーザービームをガイドする液体噴流の部分と相互作用することができる。注目すべき点は、本明細書中で「液体噴流」という語はファイバのようにレーザービームをガイドできる層流の液体噴流を意味することである。前記装置から放出される液体は所定の長さまで層流の液体噴流を形成し、その所定の長さを超えると液体噴流は不安定な液体の流れとなり、最後には散りじりになって液滴になってしまうのである。
【００１１】
本明細書中では、被加工材上の前記液体噴流の入射点のｚ方向位置を「測定する」ことは、所定の物理量を少なくとも一つ実際に測定することを含む。例えば、この「測定する」ことは、前記測定ユニットが波を放射した時点と前記測定ユニットが被加工材から反射した波を受波した時点の時間差を測定する測定でもよい。別の例として、干渉の原理を用いる場合は、この「測定する」ことには、複数の異なる波の位相差を測定することが含まれるものでよい。別の例として、この「測定する」ことには、液体噴流の有効長さを光学的に、電気的にまたは静電容量を用いて測定することが含まれるものでよい。ｚ方向位置を「測定する」ことは、例えば前記装置、被加工材および／または最終部品の所定の既知の寸法に基づいて、ｚ方向位置を推定することを単に意味するわけではない。測定された被加工材上の液体噴流の入射点のｚ方向位置により、レーザービームによって所定のｘ−ｙ方向位置において被加工材からｚ方向にどれくらいの材料が除去されたかを判定することができる。完全な三次元形状加工能力を得るためには、この情報が極めて重要である。材料の除去加工が行われているｘ−ｙ方向位置は、前記移動コントローラが定めたｘ−ｙ−ｚ方向位置のｘ−ｙ座標から求めることができる。したがって、第１の特徴にかかる装置は被加工材の三次元形状加工工程について完全な制御および位置の情報を有している。
【００１２】
したがって、前記装置が被加工材上の加圧液体噴流の入射点のｚ方向位置に基づいて材料の除去加工による被加工材の三次元形状加工を制御するのは有利である。
【００１３】
第１の特徴の好ましい実施の態様では、レーザーコントローラが、前記移動コントローラが定めたｘ−ｙ−ｚ方向位置および前記測定ユニットが測定する被加工材上の加圧液体噴流の入射点のｚ方向位置に基づいてレーザービームのパワーまたはエネルギーを調節する。そのようにすれば、迅速な、高精度な、さらに完全に制御された被加工材の三次元形状加工工程が可能である。
【００１４】
第１の特徴の別の実施の態様では、レーザービームはパルスであり、前記装置は前記移動コントローラが各レーザーパルスに対して定めるｘ−ｙ−ｚ方向位置と、そのレーザーパルスの前に前記測定ユニットが測定する被加工材上の加圧液体噴流の入射点のｚ方向位置とに基づいて、前記各レーザーパルスごとにそのエネルギーを調節するレーザーコントローラをさらに有する。
【００１５】
このことは、前記装置が各レーザーパルスのエネルギーをレーザーパルスごとに調節して、（レーザー除去が起きる所定位置で）被加工材のｚ方向の材料除去を所定の量（深さ）にできることである。特に、各レーザーパルスの除去加工結果を迅速で、しかも直接的に制御できる。その結果、迅速で精度の高い被加工材の形状加工工程が可能になる。
【００１６】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記測定ユニットが各レーザーパルスの後で、前記測定ユニットが測定した被加工材上の加工液体噴流の入射点のｚ方向位置でのそのレーザーパルスの除去加工の結果を判定し、前記レーザーコントローラが前記判定した除去加工の結果に基づいて次のレーザーパルスのエネルギーを調節する。
【００１７】
したがって、前記装置はレーザーパルスによりｚ方向で除去された材料の量について知り、次のレーザーパルスのエネルギーを定める時にこの情報を考慮することができる。被加工材から表面層を除去するため、２個のレーザーパルスは被加工材上の異なるｘ−ｙ方向位置に当たるものでよい。しかし、所定の量の材料を除去する、または除去加工の結果を修正するため、２個のレーザーパルスは被加工材上の同じｘ−ｙ方向位置に当たるものでもよい。結果として、前記装置は被加工材の各位置での除去加工を調整して、極めて高精度で被加工材の三次元加工を行うことができる。
【００１８】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記レーザーコントローラが前記レーザーパルスの幅および／もしくは振幅を定めて、並びに／または前記レーザーパルスのパルスレートと結果的に連続する２個のパルスの間の時間遅れを定め、および／もしくはパルスバーストを作って、前記各レーザーパルスのエネルギーを、調節する。
【００１９】
したがって、前記装置はレーザービーム除去加工を制御するいくつかの手段を備えており、このことが三次元形状加工工程の精度および効率をさらに高める。
【００２０】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記レーザーコントローラは、各レーザーパルスに対して前記移動コントローラが定めた被加工材のｘ−ｙ−ｚ方向位置で、そのレーザーパルスが１〜１０００μｍのｚ方向深さの被加工材の材料を除去するように各レーザーパルスのエネルギーを調節する。
【００２１】
したがって、前記装置は各ｘ−ｙ方向位置でｚ方向の除去加工深さをｘ−ｙ方向位置ごとに定める。そのため、前記装置は被加工材の表面から一つ以上の層を除去する。それによって、除去される層の厚さは１〜１０００μｍの間で、好ましくは１〜２００μｍの間で均一でもよいし、不均一でもよい。
【００２２】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記装置は、レーザービームを発生させるレーザー光源であって、前記レーザーコントローラとレーザーパルスを変調する高速スイッチ、好ましくはQスイッチを含むレーザー光源をさらに有する。
【００２３】
前記装置はレーザー光源を含む。前記高速スイッチにより、前記装置はレーザーパルスを高速で変調し、複数のレーザーパルスのエネルギーを正確に、しかもレーザーパルスごとに０％から１００％まで調節できる。したがって、高速かつ高精度の三次元形状加工が支援される。
【００２４】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記測定ユニットは２つの連続したレーザーパルスの間の時間内に被加工材上の前記液体噴流の入射点のｚ方向位置を測定する。
【００２５】
このようにすれば、前記装置が行うz方向位置の測定によって、複数のレーザービームパルスによって生じる材料の除去加工が妨げられない。その結果、z方向位置の測定の精度も高くなる。三次元形状加工工程の制御も比較的容易になる。
【００２６】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記移動コントローラは各レーザーパルスの後、前記機械加工ユニットに対する被加工材のｘ−ｙ−ｚ方向位置をステップ単位で、または連続的に変化させる。
【００２７】
したがって、前記装置は被加工材の決められたｘ−ｙ方向位置で、パルス単位で材料を除去加工することができる。その結果、完全にデジタル化した材料除去加工工程が可能になる。材料からなる複数の層または構造体を被加工材の表面から除去できる。除去される層は表面全体を覆うものでもよいし、または表面の一部のみを覆うものでもよい。このようにして、被加工材の複数の異なる領域を領域ごとに異なるｚ方向深さまで材料を除去することができ、それによって被加工材を三次元形状加工することができる。
【００２８】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記移動コントローラは被加工材を所定の軌道上で動かす時に、被加工材のｘ−ｙ−ｚ方向位置を変化させることを加速させ、または減速させ、さらに前記レーザーコントローラは単位距離あたりのレーザーパルスの数が前記軌道の間で一定になるように、レーザーパルス周波数を増大または減少させる。
【００２９】
材料の除去加工工程の精度は、このようにして高めることができる。注目すべき点は、所定の段階の動きをしている間または被加工材の所定の領域内では、前記レーザーコントローラは通常より多いまたは通常より少ないレーザーパルスを照射することも可能であることである。例えば、通常より多いまたは通常より少ないレーザーパルスの照射により得られる通常より精度の高い加工または通常より精度の低い加工（または通常より多くの材料または通常より少ない材料の除去が必要とされる）が局所的にのみ必要な場合である。
【００３０】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記レーザービームがｘ−ｙ方向面内の前記被加工材表面を走査するように、前記移動ユニットが被加工材のｘ−ｙ−ｚ方向位置を繰り返し変える。
【００３１】
例えば、被加工材のｘ−ｙ−ｚ方向位置は各レーザーパルスの後に変えてよい。そのようにすれば、被加工材全体（または、帆加工材の一部のみ）を覆う層を除去加工できる。このことにより、被加工材を高精度で修正可能に三次元形状加工して最終部品にすることができる。
【００３２】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記装置が前記被加工材表面を走査している間、前記移動コントローラが与えるｘ−ｙ−ｚ方向位置に依り前記レーザービームを選択的に照射するか、または非照射にする。
【００３３】
被加工材を連続的に動かす間、レーザービームはレーザー光源の高速スイッチ、例えばQ−スイッチにより選択的に照射されるか、または非照射にされる（「動きながら変える」）。移動コントローラは動作中に様々なｘ−ｙ−ｚ方向位置でレーザーコントローラに信号を送り、この信号にしたがって前記高速スイッチが制御される。その結果、レーザービームは移動コントローラが定める所定のｘ−ｙ−ｚ方向位置では照射されて材料を除去し、移動コントローラが定める他のｘ−ｙ−ｚ方向位置では非照射にされて材料を除去しない。このようにすれば、材料除去加工が行われるか否かは機械加工ユニットに対する被加工材の位置に依り、所定の位置または所定の領域のみで材料除去加工が行われることになり、また材料除去加工の速度は一定であり、このことはさらに材料除去の深さが一定になることを意味する。前記装置はこのように高速加工処理ができる利点を有する。
【００３４】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、レーザービームを用いて被加工材の材料の複数の層を一層ずつ除去加工することにより被加工材を形状加工する。
【００３５】
前記したように各層の厚さは１〜１０００μｍであり、各層は均一な厚さでなくてもよい。さらに、各層は被加工材表面の異なる部分を覆うものでもよい。したがって、被加工材を一層ずつ正確に形状加工して所望の三次元形状にすることが可能である。
【００３６】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記複数の層のそれぞれが、層ごとに予め決められたｘ−ｙ方向面内の領域を占め、層ごとに予め決められた均一または不均一なz方向の厚さを有する。
【００３７】
各層の領域および厚さは層ごとに決めることができる。複数の層が層ごとに除去されていくことによって、被加工材の材料の除去される総体積になり、残った被加工材の材料からなる最終的な三次元部材が生まれる。
【００３８】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、被加工材の除去しようとする体積からなる積層体で表される部分を算出する処理ユニットをさらに有し、この算出した積層体で表される部分に基づいて被加工材の材料からなる前記複数の層を除去する。
【００３９】
積層体で表される部分は三次元加工工程の前またはその間に算出され、除去される被加工材の材料の全体の体積および形状を決めるデジタル入力として機能する。したがって、除去加工工程を完全に、かつ正確に調節することができる。積層体で表される部分は材料除去加工工程の間に調節することも可能にする。
【００４０】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記レーザーコントローラが、さらに前記処理ユニットから受信した前記積層体で表される部分に基づいて、レーザービームのエネルギーを調節する。
【００４１】
具体的に言うと、前記レーザーコントローラは積層体で表される部分に基づいて各レーザーパルスのエネルギーを調節することができる。積層体で表される部分はデジタル入力として、または前記装置のプログラミングするために働き、正確で完全な三次元除去加工工程を行うことを可能にする。
【００４２】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記測定ユニットは被加工材上の液体噴流の入射点の測定したｚ方向位置を前記処理ユニットにフィードバックし、前記処理ユニットは前記測定ユニットからのフィードバックに基づいて前記積層体で表される部分、特に前記積層体で表される部分の層数を再び算出する。
【００４３】
このような手法により、除去加工工程が調整されてその精度が高められる。例えば、所定の位置で、または所定のレーザーパルスを用いて行おうとする材料除去は、その材料除去の結果と一致しない場合、このずれを考慮して、三次元形状加工工程の精度を補償し、保証する。
【００４４】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記処理ユニットは前記被加工材から除去される各被加工材の材料層の後、前記積層体で表される部分を再び算出する。
【００４５】
このような手法により、形状加工工程中に起きる凹凸のような、予定していた除去の結果との誤差およびずれが早期に矯正される。その結果、被加工材を三次元形状加工した最終部品の精度が向上する。
【００４６】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記測定ユニットはｘ−ｙ方向面内の被加工材表面を走査し、それにより被加工材上の液体噴流の複数の入射点でのｚ方向位置を測定することによって最後に除去された被加工材の材料層の第１の傾きおよび／または表面凹凸を決め、さらに前記被加工材の表面の第２の傾きおよび／または表面凹凸を決め、少なくとも前記測定ユニットが決定した前記第１の傾きおよび／または表面凹凸に基づいて、少なくとも次の１層または次の複数の層を除去する。
【００４７】
除去工程中に誤って生じる任意の傾きまたは凹凸は次の層を用いて、または次の層から矯正できる。傾きおよび／または凹凸を完全に補償するには１層以上の層が必要になる。その結果、予定していた除去加工の結果からのずれが、工程が継続する間に悪化し、最悪の場合、所定の時点では矯正できなくなるということを回避できる。
【００４８】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記レーザーコントローラは少なくとも次の層のために、前記測定ユニットが決定した第１の傾きおよび／または表面凹凸に基づいて、各レーザーパルスのエネルギーをレーザーパルスごとに調節し、さらに／または各レーザーパルスの後にｘ−ｙ−ｚ方向位置を変えて被加工材を動かす軌道を調節する。
【００４９】
被加工材と液体噴流とが互いに相対的に動くことにより、被加工材が移動する軌道を変えることはまた、液体噴流が被加工材表面全体にわたって動く時の液体噴流の軌道を変えることを意味する。被加工材の移動の軌道を変えることには、具体的に動きの方向、動きの速度、加速度および／または曲線移動の半径を変えることを含むものとしてよい。
【００５０】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記測定ユニットは電磁波または音波を用いて被加工材上の液体噴流の入射点のｚ方向位置を測定する。
【００５１】
電磁放射光または音波は、被加工材から材料除去を一切しないような電磁放射光または音波を選ぶことが好ましい。このようにすれば、除去加工工程を妨げることなく、被加工材上の液体噴流の入射点を正確に決めることができる。
【００５２】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記測定ユニットが液体噴流の有効長さを測定することによって被加工材上の液体噴流の入射点のｚ方向位置を測定する。
【００５３】
例えば、測定ユニットは液体噴流中でガイドされるレーザー光を用いて液体噴流の有効長さを測定できる。有効長さは所定の測定範囲によって定義される。測定された有効長さの変化は、例えば前記機械加工ユニットと被加工材の間の完全な長さについての正確な指標となり、したがって被加工材上の液体噴流の入射点のｚ方向位置についての正確な指標となる。
【００５４】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記測定ユニットは液体噴流によって被加工材上の液体噴流の入射点のｚ方向位置を測定する。
【００５５】
具体的に、前記測定ユニットは例えば電磁放射光または音波を放射し、液体噴流を通して被加工材に入射させる。したがって、この電磁放射光または音波は液体噴流によりガイドされてｚ方向位置を測定するｘ−ｙ方向位置まで正確に伝播する。反射した電磁放射光または音波も液体噴流中でガイドされて測定ユニットに戻る。例えば、この電磁放射光または音波の放射と受波する時間差に基づいて、被加工材上の液体噴流の入射点のｚ方向位置を高精度で測定することができる。したがって、極めて高精度な除去加工工程が可能になる。
【００５６】
第１の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記測定ユニットが前記機械加工ユニットの中に入れられて一体になっている。
【００５７】
このようにすれば、前記装置は極めて小型になり、前記装置自体が被加工材の任意の部分上の液体噴流の入射点のｚ方向位置を測定できる。
【００５８】
本願発明の第２の特徴は、レーザービームを用いる材料除去加工により被加工材を三次元加工するための方法であって、加圧液体噴流を放出して被加工材に当て、レーザービームを前記液体噴流の中に入射させ、その液体噴流と結合させて、前記被加工材に向けて該レーザービームを伝播させること、前記液体噴流に対する前記被加工材のｘ−ｙ−ｚ方向位置を定めること、および前記被加工材上の前記加圧液体噴流の入射点のz方向位置を測定することを含む方法を与える。
【００５９】
前記方法が有利な点は、被加工材上の加圧液体噴流の入射点の定められたｘ−ｙ−ｚ方向位置の組と被加工材上の加圧液体噴流の入射点の測定されたｚ方向位置に基づいてレーザービームのエネルギーを調節することである。
【００６０】
第２の特徴の別の好ましい実施の態様では、前記方法では、液体噴流に入射して液体噴流と結合するレーザービームはパルスになっており、被加工材のｘ−ｙ−ｚ方向位置を定めることは各レーザーパルスに対して行い、各レーザーパルスの前に液体噴流の入射点のz方向位置を測定し、前記方法はさらに、各レーザーパルス用に定めるｘ−ｙ−ｚ方向位置と、各レーザーパルスの前に測定される被加工材上の加圧液体噴流の入射点のz方向位置とに基づいて、レーザーパルスごとに各レーザーパルスのエネルギーを調節することを含む。
【００６１】
第２の特徴の別の好ましい実施の態様では、ｘ−ｙ方向面内の被加工材の表面を走査すること、被加工材上の液体噴流の複数の入射点のｚ方向位置を測定することによって前記表面の輪郭を決めること、および、前記表面の前記決めた輪郭に基づいて、レーザーパルスのエネルギーを定め、さらに／または各レーザーパルスの後に被加工材のｘ−ｙ−ｚ方向位置を変えて被加工材を動かす軌道を定めることを前記方法は含む。
【００６２】
第２の特徴の前記方法は、第１特徴の装置の効果および利点として説明したのと同じ効果および利点を与える。注目すべき点は、第２の特徴の前記方法は第１の特徴の前記装置で説明した実施の態様にしたがう実施の態様とともに展開できることである。前記方法は第１の特徴の前記装置によって実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
前記した本願発明の特徴および実施の態様は、本明細書添付した次の図面と関連する所定の実施形態の記載により説明される。
【図１】図１は本願発明の実施形態にかかる装置を示す。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本願発明の実施形態にかかる装置による可能なレーザーパルスの制御方法を示す。
【図３】図３は願発明の実施形態にかかる装置によりレーザー周波数およびレーザーパルス数を被加工材の移動に適合させることを示す。
【図４】図４は本願発明の実施形態にかかる装置を示す。
【図５】図５（ａ）は本願発明の実施形態にかかる装置を示し、図５（ｂ）は２個のレーザーパルスの間でのｚ方向位置測定スキームを示す。
【図６】図６は本願発明の実施形態にかかる装置内で算出される除去しようとする量からなる積層体で表される部分を示す図である。
【図７】図７は本願発明の実施形態にかかる装置内での液体噴流の中に入射し同液体噴流と結合したレーザービームにより行う被加工材表面の走査を示す。
【図８】本願発明の実施形態にかかる装置による被加工材の材料の一層ごとの除去工程を示す。
【図９】図９は本願発明の実施形態にかかる装置が行う表面の傾きおよび／または凹凸の訂正方法を示す。
【図１０】図１０は本願発明の実施形態にかかる方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００６４】
図１は本願発明の実施形態にかかる装置１００を示す。具体的に、図１はが示す装置１００はレーザービーム１０２を用いる材料除去加工により被加工材を三次元までの形状加工を（完全三次元形状加工）行う。この目的のため、装置１００は少なくとも一つの機械加工ユニット１０３と、移動コントローラ１０５と、測定ユニット１０７とを有する。好ましくは、装置１００はレーザービーム１０２を発生するレーザー光源１１０を制御するレーザーコントローラ１０６をさらに有する。したがって、レーザー光源１１０は装置１００の一部である。レーザーコントローラ１０６とレーザー光源１１０は図１中点線で示されている。
【００６５】
機械加工ユニット１０３は加圧液体噴流１０４を放出して被加工材１０１に当てる。加圧液体噴流１０４の液体は水であることが好ましい。被加工材１０１はレーザービーム１０２を加圧液体噴流１０４の中に入射させてレーザービーム１０２を加圧液体噴流１０４と結合させる。レーザービーム１０２は、特に限定されるわけではないが金属、セラミックス、ダイヤモンド、半導体、合金、超合金または超硬材料を含む材料の切断および形状加工に適した高光強度レーザービームである。レーザービーム１０２の代表的なレーザーパワーは１〜２０００Ｗである。
【００６６】
移動コントローラ１０５は被加工材１０１の機械加工ユニット１０３に対するｘ−ｙ−ｚ方向位置を定め、すなわち移動コントローラ１０５は３次元方向の被加工材１０１の動きを制御する。この目的のため、移動コントローラ１０５は被加工材１０１もしくは機械加工ユニット１０３を動かすこと、または被加工材１０１を動かすことと機械加工ユニット１０３を動かすことを組み合わせること、のいずれかを行うものでよい。被加工材１０１は機械加工表面上に配置されるものでよい。この機械加工表面は装置１００の一部でもよいし、一部でなくてもよい。いずれの場合でも、装置１００はこの機械加工表面上に配置された被加工材１０１を機械加工できるような構成を有する。図１に示すように、移動コントローラ１０５は被加工材１０１が配置される移動可能な機械加工表面に対して定めるｘ−ｙ−ｚ方向位置を与えるものでよい。その結果、この機械加工表面は予め較正された軸（座標）系の内部でこの位置に配置される。
【００６７】
測定ユニット１０７は被加工材１０１上のｚ方向における加圧液体噴流１０４の（したがってレーザービーム１０２の）入射点１０８を測定する。入射点１０８は被加工材表面１０９上の点か、または例えばレーザービーム１０２によって定められたｘ−ｙ方向位置にある被加工材の材料が既に除去加工されている場合は被加工材表面１０９の下方の点としてよい。すなわち、入射点１０８は図１に示すように被加工材表面１０９内の溝またはくぼみ１１１の中にあることもある。測定ユニット１０７が測定する点ｚｐは材料除去加工のｚ方向位置、すなわちレーザービーム１０２によって機械加工される被加工材の深さを示すので、レーザービーム１０２は深さセンサーと言ってもよい。
【００６８】
測定ユニット１０７は、特に液体噴流１０４が被加工材表面１０９に沿って動く場合、複数の入射点１０８の複数のz方向位置ｚｐを測定できるものであることが好ましい。このようにすれば、測定ユニット１０７は被加工材１０１の正確な表面形状を測定できる。注目すべき点は、液体噴流１０４の進行方向は好ましくは鉛直方向に平行な方向であるが、鉛直方向に対して所定の角度をなす方向にすることもできることである。液体噴流１０４は加圧されているので、液体噴流１０４は常に真っ直ぐに進行する。この場合のz方向は鉛直方向かつ／または液体噴流１０４の進行方向に平行な方向としているが、そうでなくてもよい。ｘ−ｙ方向面は通常ｚ方向に対して直角である。
【００６９】
オプションであるが好ましいレーザーコントローラ１０６はレーザービーム１０２を機械加工ユニット１０３に供給する。レーザーコントローラ１０６は、好ましくは移動コントローラ１０５が定める被加工材１０１のｘ−ｙ−ｚ方向位置を与えられる。さらに、レーザーコントローラ１０６には被加工材１０１上の最後に測定された入射点１０８のｚ方向位置が与えられるものでよい。好ましくは、レーザーコントローラ１０６は、移動コントローラ１０５が定めるｘ−ｙ−ｚ方向位置に基づいて、および／または測定ユニット１０７が測定した一つ以上のｚ方向位置ｚｐに基づいて、レーザービーム１０２のレーザーパワーを調節できる。
【００７０】
好都合なことに、装置１００が用いるレーザービーム１０２はパルスにしてよい。このため、レーザー光源１１０はパルスレーザービーム１０２を供給するものでよい。好ましくはレーザーコントローラ１０６がパルスの幅、パルスの振幅、パルスレート等を調節する。この場合、移動コントローラ１０５が各レーザーパルス２００用に定めるｘ−ｙ−ｚ方向位置に基づいて、さらに測定ユニット１０７がその各レーザーパルス２００の前に測定する被加工材１０１上の加圧液体噴流１０４の入射点１０８のｚ方向位置に基づいて、レーザーコントローラ１０６は各レーザーパルス２００のエネルギーを調節する。
【００７１】
このようにすれば、各レーザーパルスにより生じる被加工材の除去を特に迅速に、しかも直接的に調節できる。したがって、被加工材１０１の高精度の三次元形状加工が可能になる。特にレーザーコントローラ１０６と移動コントローラ１０５の両方が高速の動作が可能であるならば、極めて精度の高い三次元の輪郭をいかなる既知の技術をも上回る速度と精度で作り出すことができる。
【００７２】
図２は装置１００によって、特にレーザーコントローラ１０６によって一つ以上のレーザーパルス２００のエネルギーをどのようにして調節できるかを示す。図２（ａ）はレーザーコントローラ１０６がレーザーパルスの幅を定めることを示す。図２（ａ）中で、すべてのレーザーパルス２００が１００％の振幅を有しているのがわかるが、これらのレーザーパルス２００が異なる幅（すなわち、継続時間）を有し、これらの幅にはτ１、τ２およびτ３の符号が付けられている。したがって、各レーザーパルス２００により与えられるエネルギーは異なる。
【００７３】
図２（ｂ）はレーザーコントローラ１０６が各レーザーパルス２００の振幅も定めることができることを示す。ここでも、３個のレーザーパルス２００が示されている。しかし、第１のレーザーパルス２００のみが１００％の振幅Ａ１を有している、他のレーザーパルス２００はそれぞれ低い振幅Ａ２またはＡ３を有している。したがって、各レーザーパルス２００のレーザーパルスエネルギーは異なる。
【００７４】
図２（ｃ）はレーザーコントローラ１０６がさらにパルスレートを調節し、その結果連続する２個のレーザーパルス２００の間の時間遅れを調節できることを示す。さらに、レーザーコントローラ１０６はパルスバースト２０１を作ることができる。最初の３個のパルス２００（図２（ｃ）中の左側）がパルスバースト２０１を構成し、そのため連続する２個のパルス２００の間の時間遅れΔ１が短い、すべてのパルス２００は同一のパルス幅τ０を有している。対照的に、後半の３個のパルス２００（図２中の右側）は連続する２個のパルス２００の間の時間遅れΔ２が大きい。ずなわち、後半の３個のレーザーパルス２００のパルスレートは低い。したがって、レーザービーム１０２は、パルスバースト２０１とその他の複数のパルス２００を用いて単位時間あたりに異なるエネルギーを与える。
【００７５】
移動コントローラ１０５は機械加工ユニット１０３に対する被加工材１０１のｘ−ｙ−ｚ方向の位置を変えるのが好ましい。特に、レーザービームがパルスの場合、移動コントローラ１０５は各レーザーパルス２００の後に被加工材１０１の位置を変えることができる。そのため、被加工材の位置はステップ単位で、または連続的に変えられる。移動コントローラ１０５が被加工材１０１を所定の軌道上で動かしながら、被加工材１０１のｘ−ｙ−ｚ方向位置の変化を加速させる、または減速させることも可能である。このことは図３（１）に示され、同図では被加工材１０１が動く速度が時間とともに変化している。被加工材は具体的にはｘ−、ｙ−、ｚ−方向軸に沿って、または回転方向Ａ、Ｂ，Ｃに沿って動かされる。
【００７６】
レーザーコントローラ１０６は（図３（３）に示すように）移動する軌道の間で単位距離あたりのレーザーパルス２００の数が一定になるように（図３（２）に示すように）レーザーパルス周波数を増加または減少できる。そのため移動コントローラ１０５はレーザーコントローラ１０６に情報を送って、移動する軌道の間でのパルス２００の数が、座標軸系でのいかなる加速および減速の段階があっても変わらないようにする。
【００７７】
しかし、移動コントローラ１０５はレーザーコントローラ１０６に知らせて、または命令して、速度に依りパルス２００の数を調節して、例えば１ｍｍより小さい半径の回転運動が行われる時は、レーザーコントローラ１０６が例えばより多くのパルス２００を発生させるようにする。さらに図３のスキームはレーザー周波数（パルスレート）に関して適用できるだけでなく、図２で示したレーザーエネルギーを調節する他のオプションを用いても適用可能である。
【００７８】
装置１００はさらに高速レーザー切り替え制御を用いて、図７中に示すように、また図７に関して以下で説明するように座標軸系により被加工材の表面走査像が決まると、被加工材１０１が連続して動く間に機械加工ユニット１０３に対する被加工材１０１の実際の位置に依存するこの表面走査像の所定の領域のみに、除去加工用のレーザービーム１０２が作動するようになっている。このような動作は移動コントローラ１０５によるｘ−ｙ−ｚ方向位置の出力が高速であるおかげである。前記したやり方により、装置１００はレーザーの周波数を補償する必要がなく、一定の速度で材料を除去する加工（一定の深さを意味する）を行い、しかもその加工を迅速に行う利点を有する。
【００７９】
図４は図１に示す装置１００を発展させた本願発明の実施形態にかかる装置１００を示す。図１と図４の中にある同じ要素は同じ参照符号を有し、同様な働きをする。図４の装置１００も機械加工ユニット１０３を有し、さらにレーザービーム１０２を機械加工ユニット１０３に供給するレーザー光源１１０を有する。この場合、レーザービーム１０２はレーザー光源１１０から機械加工ユニット１０３に光ファイバ４０１によって供給される。機械加工ユニット１０３内では、レーザービーム１０２が直接的に、または一つ以上の光学素子４０２を用いて優先的に、液体噴流１０４の中に入射して液体噴流１０４と結合する。この光学素子４０２はレンズ、レンズ組み立て部品またはレーザービームを合焦させて液体噴流の中に入射させる他の任意の適切な素子としてよい。
【００８０】
機械加工ユニット１０３の端部から少なくとも一つの光学素子４０２までレーザービーム１０２をガイドするため、機械加工ユニット１０３はさらにビームスプリッター、ミラー、格子、フィルタ等の他の光学素子を含むものでもよい。光構成部（ここでは、光学素子４０２）を液体回路および液体噴流１０４が作られる機械加工ユニット１０３の領域と隔離するため、機械加工ユニット１０３はさらに光学的に透明な保護窓（図示せず）を含んでもよい。通常、液体噴流１０４は液体ノズル開口を有する液体噴流発生ノズルによって作られ、作られた液体噴流１０４はこのノズルを介して機械加工ユニット１０３から放出される。
【００８１】
レーザー光源１１０はレーザーコントローラ１０６とレーザー共振器４０３を含む。もしもレーザービーム１０２がパルスレーザービームならば、レーザー光源１１０はレーザーパルス２００を変調するスイッチ４００を含むものでよい。好ましい実施の態様では、スイッチ４００は０％と１００％の間で光強度を極めて高速で変調する能力を有するＱスイッチである。スイッチ４００はレーザーコントローラ１０６により制御される。
【００８２】
図５（ａ）は図１に示す装置１００を発展させた本願発明の実施形態にかかる装置１００を示す。図１と図５（ａ）の中にある同じ要素は同じ参照符号を有し、同様な働きをする。具体的に、図５（ａ）は装置１００の機械加工ユニット１０３とレーザービーム１０２をガイドして被加工材１０１の上に入射させる液体噴流１０４を示す。図５（ａ）の装置１００は測定ユニット１０７を有し、この測定ユニット１０７は機械加工ユニット１０３の中に入れて機械加工ユニット１０３と一体にするのが好都合である。このようにすれば、測定ユニット１０７は被加工材１０１上の液体噴流１０４の入射点１０８のｚ方向位置を、液体噴流１０４を通して測定できる。このことにより、装置１００を小型にすることが可能になり、同時に被加工材１０１の所定のｘ−ｙ方向位置でのｚ方向位置を高精度かつ高速で測定することが可能になる。図５（ａ）は現在測定されるｚ方向位置が被加工表面１０９内のくぼみ１１１の中にある、すなわち被加工表面１０９よりもｚ方向において下にあるということを示している。しかし、測定ユニット１０７は被加工表面１０９上の液体噴流１０４の入射点１０８のｚ方向位置も同様に測定することができる。
【００８３】
測定ユニット１０７は電磁放射光または音波を用いて前記したｚ方向位置を測定できる。測定ユニット１０７は電磁放射光または音波を放射し、この電磁放射光または音波が全反射により液体噴流１０４中でガイドされて被加工材１０１上に入射する。測定ユニット１０７は反射した電磁放射光または音波を同様に受波する。これらの反射信号は液体噴流１０４中を通って測定ユニット１０７に向かって伝播する。例えば、対応する信号の送信と受信の時間差を求めることによって、測定ユニット１０７は入射点１０８のｚ方向位置を計算できる。このｚ方向位置から測定ユニット１０７はさらに液体噴流１０４の長さ、例えば機械加工ユニット１０３と被加工材表面１０９または図に示される被加工材表面１０９内のくぼみ１１１との間の完全な長さｌを求めることができる。
【００８４】
図５（ｂ）は測定ユニット１０７がどの時点で被加工材１０１上の液体噴流１０４の入射点１０８のｚ方向位置を測定するか、すなわち後続の２つのレーザーパルス２００の間の時間内のどの時点で測定されるかを示す（点線参照）。言い換えれば、測定ユニット１０７は各レーザーパルス２００の後と前でそれぞれ前記ｚ方向位置を測定するものでよい。レーザーパルス２００を供給している間は、測定が行わないのが好ましい。このようにすれば、測定ユニット１０７が行う測定によって、レーザーパルス２００によって生じる材料除去加工が妨げられない。
【００８５】
注目すべき点は、装置１００が材料除去加工のためにレーザービーム１０２またはレーザーパルス２００を被加工材１０１上に入射させることを始める前に、測定ユニット１０７は被加工材表面１０９を完全に走査して、測定することが可能であることである。例えば、装置１００はレーザービーム１０２を用いて被加工材の材料の複数の層を１層ずつ除去して、被加工材１０１を形状加工できる。この場合、測定ユニット１０７は各層の前に電磁放射光または音波により被加工材表面１０９を走査して、それにより被加工材表面１０９の表面形状を決めることができる。決定した表面形状に基づいて、レーザーコントローラ１０６は次の層の除去加工を制御するためにレーザービーム１０２またはレーザーパルス２００ごとのエネルギーを調節することができる。
【００８６】
図６は図１、図４または図５（ａ）に示す本願発明の実施形態にかかる装置１００に含めることができる有利なユニットをさらに示している。具体的に、装置１００は処理ユニット６００を有し、処理ユニット６００は被加工材１０１のこれから除去加工する体積からなる積層体で表される部分６０１を算出する。これから除去加工する体積とは、すなわち複数の層によって表される材料の体積であって、最終部品の形状にするために元の被加工材１０１から除去されるべき体積である。算出した積層体で表される部分６０１に基づいて装置１００は被加工材１０１をほとんどの場合形状加工することができる。
【００８７】
積層体で表される部分６０１を作るため、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）による手法を用いることができる。積層体で表される部分６０１は複数の層を含み、各層は定められた厚さを有していて、これらの複数の層の和が被加工材１０１から除去されなければならない体積となる。これらの複数の層は被加工材１０１を各回の完全な表面の走査で除去される材料の量を示す。積層体で表される部分６０１は処理ユニット６００によってレーザーコントローラ１０６に与えられ、レーザーコントローラ１０６は、積層体で表される部分６０１に基づき各層の厚さを定められた厚さにするためにレーザービーム１０２のエネルギーまたは各レーザーパルス２００のエネルギーを調節できる。
【００８８】
図７は装置１００がレーザービーム１０２をガイドする液体噴流１０４を用いて被加工材１０１の表面の走査を実施するやり方を示す（材料を除去しない状態で表面１０９を測定する場合、液体噴流１０４を用いない）。この目的で、移動コントローラ１０５は液体噴流１０４および／またはレーザービーム１０２が水平面であるｘ−ｙ方向面内の被加工材表面１０９を走査するように被加工材１０１のｘ−ｙ方向位置を変化させる。この表面走査は一つのラインごとに、一列ごとに、または任意の適切なやり方で行われる。具体的に、移動コントローラ１０５は（レーザービーム１０２がパルスの場合は）各レーザーパルス２００の後で被加工材１０１の位置を変化させる。
【００８９】
表面走査が行われるたびに、レーザービームエネルギーが正しく定められれば材料が被加工材１０１から除去される。例えば、レーザービーム１０２または各レーザーパルス２００には、被加工材１０１の所定のｘ−ｙ−ｚ方向位置での１〜１０００μｍのｚ方向深さ分の被加工材を除去するようなエネルギーが与えられている。このようにすれば、被加工材表面１０９を完全に走査するたびに、１〜１０００μｍの厚さの層を除去することができる。除去される層のｚ方向厚さは均一でもいいし、不均一でもよい。レーザービームエネルギーを十分に低く定めていれば、またはレーザービーム１０２を止めていれば、表面の走査を材料の除去加工なしで行ってもよい。このような走査をすれば、測定ユニット１０７は被加工材表面１０９の輪郭を測定できる。
【００９０】
図８は被加工材１０１が被加工材の材料からなる複数の層８００を１層ごとに除去することによって被加工材１０１を形状加工するやり方を図解する。複数の層８００は図６中に示される算出された積層体で表される部分６０１と同一としてよい。複数の層８００の各層はｘ−ｙ方向面内の所定の領域を有し、この所定の領域は移動コントローラ１０５が定めるｘ−ｙ方向位置により決まる。好ましくは、移動コントローラ１０５は積層体で表される部分６０１に基づき被加工材のｘ−ｙ−ｚ方向位置を定める。
【００９１】
各層８００のｚ方向の厚さは層によって均一であっても、不均一であってもよい。ここで層の厚さはレーザーコントローラ１０６が機械加工ユニット１０３に対する被加工材１０１の各ｘ−ｙ−ｚ方向位置に対して定めるレーザーエネルギーによるものである。被加工材１０１の定められた各ｘ−ｙ−ｚ方向位置に対して、装置１００は被加工材１０１上の液体噴流１０４の入射点１０８のｚ方向位置を測定して、その測定した位置にしたがってレーザーパワーを調節する。その結果、被加工材の各位置で所定のｚ方向深さの被加工材の材料が除去される。
【００９２】
図９は図１、図４または図５（ａ）に示される本願発明の実施形態にかかる装置が被加工材の材料を除去加工している間に、間違って発生する傾きおよび／または凹凸を修正することができることを示す。もしもこのような傾きおよび／または凹凸を早い段階で修正しないと、各層８００の加工ごとに誤差が累積して、最終部品が不正確な三次元形状になってしまう。特に測定ユニット１０７は最後に除去された被加工材の材料層９００の傾きおよび／または凹凸を測定する。例えば、この測定は各レーザーパルスの後で深さを測定することによって、またはｘ−ｙ方向面内の被加工材表面１０９を（例えば、材料除去加工を行わないで）走査し、それによって被加工材１０１上の複数の液体噴流１０４の入射点１０８のｚ方向位置を測定することによって行うことができる。したがって、被加工材１０１の被加工材表面１０９上の傾きおよび／または表面の凹凸９０２を測定することができ、この被加工材１０１の被加工材表面１０９上の傾きおよび／または表面の凹凸９０２から、傾き／凹凸９０１を算出できる。このことは図９（ａ）に示される。
【００９３】
装置１００は最後に除去された層９００の測定した傾きおよび／または凹凸９０１に基づいて、少なくとも次の層８００を除去する。したがって、表面の凹凸および／または傾き９０２を少なくとも次の層８００を除去することにより除くことができる。この目的で、装置１００はレーザーエネルギーを調節するか、または被加工材１０１を動かす軌道、すなわち移動コントローラ１０５が定める被加工材１０１のｘ−ｙ−ｚ方向位置を繰り返し変えることによって生じる被加工材１０１の動きを調節する。このように調節することによって、液体噴流１０４が被加工材１０１全体にわたって動く軌道を、少なくとも次の層８００の除去加工するために調節する。言い換えれば、レーザーコントローラ１０６は複数の異なるｘ−ｙ方向位置のそれぞれに合わせてレーザービーム１０２のエネルギーを調節できる、または各レーザーパルス２００のエネルギーをレーザーパルスごとに調節できる。さらに（または、オプションになるが）、例えば表面の凹凸がある被加工材表面１０９上の所定の位置でのみ、またはその位置で優先的に材料を除去するために、移動コントローラ１０５は加圧液体噴流１０４の軌道も調節できる。
【００９４】
レーザーエネルギーの調節、被加工材１０１を動かす軌道の調節および／または被加工材１０１上でのレーザービーム１０２の入射角度の調節は、測定した傾きおよび／または凹凸９０１に基づいて（または、被加工材表面１０９上の表面の傾きおよび／または凹凸９０２に基づいて）行うのが好ましい。このようにして装置１００は表面の傾きおよび／または凹凸９０２を除くことを、次に除去される層８００から始めることができる。表面の傾きおよび／または凹凸を除くには、いくつかの層の加工が必要となってもよい。表面の傾きおよび／または凹凸を除去することができると、通常の一層ずつの除去加工を続けることができる。
【００９５】
図１０はレーザービーム１０２を用いる材料除去加工による被加工材１０１の三次元形状加工の方法１０００を示す。方法１０００は加圧液体噴流１０４を放出して被加工材１０１に当て、レーザービーム１０２を液体噴流１０４の中に入射させてレーザービーム１０２を液体噴流１０４と結合させ被加工材１０１に向けて伝播させる第１ステップ１００１を含む。さらに、方法１０００は液体噴流１０４に対する被加工材１０１のｘ−ｙ−ｚ方向位置を定める第２ステップ１００２を含む。最後に方法１０００は被加工材１０１上の加圧液体噴流１０４の入射点１０８のｚ方向位置を測定する第３ステップ１００３を少なくとも含む。
【００９６】
方法１０００はさらに装置１００の前記した機能にしたがうステップを含むものでよい。方法１０００は具体的に装置１００によって行われるものでよい。好ましくは、方法１０００はパルスレーザービーム１０２を供給し、レーザーパルス２００に対して定めるｘ−ｙ−ｚ方向位置とそのレーザーパルス２００の前に測定された被加工材１０１上の加圧液体噴流１０４の入射点１０８のｚ方向位置とに基づいて、各レーザーパルス２００のエネルギーをレーザーパルスごとに調節することを含む。
【００９７】
本願発明を様々な実施形態および実施の態様とともに説明した。しかし、当業者ならば、添付した図面、明細書および独立請求項から他の変更例を考えつくことができる。発明の詳細な説明中だけでなく特許請求の範囲中で、「有する(comprising)」は他の要素やステップを排除するものではなく、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は複数を排除するものではない。単一の要素または他のユニットは特許請求の範囲中の複数の物や製品の機能を果たしてもよい。所定の複数の手段が互いに異なる請求項に記載されているからといって、これらの手段の組み合わせを用いて好都合な実施の態様にすることできないということを示すものではない。
【図１】
2021505406.tif 000003
【図２】
2021505406.tif 000004
【図３】
2021505406.tif 000005
【図４】
2021505406.tif 000006
【図５】
2021505406.tif 000007
【図６】
2021505406.tif 000008
【図７】
2021505406.tif 000009
【図８】
2021505406.tif 000010
【図９】
2021505406.tif 000011
【図１０】
2021505406.tif 000012
【国際調査報告】
2021505406.tif 000013
2021505406.tif 000014