(57)【要約】  本願発明はレーザービーム１０１を用いて被加工材を機械加工する装置１００に関する。装置１００は加圧液体噴流１０３を放出して、レーザービーム１０１を加圧液体噴流１０３の中に入射させて加圧液体噴流１０３と結合させる機械加工ユニット１０２を有する。装置１００は機械加工ユニットをｘ方向軸および／またはｙ方向軸の周りに回転させる駆動ユニット１０４と、加圧液体噴流１０３と前記ｙ方向軸の間の第１角度および／または加圧液体噴流１０３と前記ｘ方向軸の間の第２角度を測定する測定ユニット１０５と、駆動ユニット１０４を制御して駆動ユニット１０４に前記第１角度に基づいて前記ｘ方向軸の周りでおよび／または前記第２角度に基づいて前記ｙ方向軸の周りで機械加工ユニット１０２を回転させる処理ユニットと１０６をさらに有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザービーム（１０１）を用いて被加工材を機械加工する装置（１００）であって、
加圧液体噴流（１０３）を放出して、前記レーザービーム（１０１）を前記加圧液体噴流（１０３）の中に入射させて前記加圧液体噴流（１０３）と結合させる機械加工ユニット（１０２）と、
前記機械加工ユニット（１０２）をｘ方向軸および／またはｙ方向軸の周りに回転させる駆動ユニット（１０４）と、
前記加圧液体噴流（１０３）と前記ｙ方向軸の間の第１角度および／または前記加圧液体噴流（１０３）と前記ｘ方向軸の間の第２角度を測定する測定ユニット（１０５）と、
前記駆動ユニット（１０４）を制御して前記駆動ユニット（１０４）に前記第１角度に基づいて前記ｘ方向軸の周りでおよび／または前記第２角度に基づいて前記ｙ方向軸の周りで前記機械加工ユニット（１０２）を回転させる処理ユニットと（１０６）、を有する装置（１００）。
【請求項２】
前記処理ユニット（１０６）は前記駆動ユニット（１０４）を制御して、前記駆動ユニット（１０４）に前記機械加工ユニット（１０２）を前記ｘ方向軸の周りに第１調節角度だけ、および／または前記ｙ方向軸の周りに第２調節角度だけ回転させ、
前記第１調節角度は第１目標角度と前記第１角度の差によって定められ、
前記第２調節角度は第２目標角度と前記第２角度の差によって定められる請求項１に記載する装置（１００）。
【請求項３】
前記駆動ユニット（１０４）は前記ｘ方向軸および／または前記ｙ方向軸の周りで前記機械加工ユニット（１０２）を１°以下の精度で回転させる請求項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（１０５）は
機構ユニット（２０３）と、
前記レーザービーム（１０１）の光を感知し、その感知した光に相当する感知信号を作る感知ユニット（２０１）と、を含み、さらに
前記測定ユニット（１０５）は、前記機構ユニット（２０３）に対して前記機械加工ユニット（１０２）をx方向および／またはｙ方向に動かす間に、前記感知ユニット（２０１）からの感知信号の変化に基づき前記加圧液体噴流（１０３）のｘ方向位置および／またはy方向位置を測る請求項１乃至３のいずれかに記載する装置（１００）。
【請求項５】
前記機構ユニット（２０３）は、前記加圧液体噴流（１０３）が触れると前記加圧液体噴流（１０３）を乱す尖った縁部（４０１）を有する衝突素子（４００）を少なくとも含む請求項４に記載する装置（１００）。
【請求項６】
前記機構ユニット（２０３）は前記衝突素子（４００）である前記尖った縁部（４０１）を有する板（４００）を含み、さらに／または前記衝突素子（４００）はリング形状もしくは十字形状である請求項５に記載する装置（１００）。
【請求項７】
前記被加工材を載せる機械加工表面（３０４）をさらに含み、前記機構ユニット（２０３）は前記機械加工表面（３０４）を含むか、または前記機械加工表面（３０４）に取り付けられている請求項５または６に記載する装置（１００）。
【請求項８】
前記測定ユニット（１０５）は前記機械加工ユニット（１０２）に対して前記機構ユニット（２０３）をx方向、ｙ方向およびｚ方向に動かす移動ユニット（２０２）をさらに含む請求項４乃至７のいずれかに記載する装置（１００）。
【請求項９】
前記処理ユニット（１０６）は、前記測定ユニット（１０５）を制御し、前記第１角度および／または前記第２角度を測るために、前記機構ユニット（２０３）が前記機械加工ユニット（１０２）に対する２つ以上の異なるｚ方向位置にある時に、前記測定ユニット（１０５）に前記加圧液体噴流（１０３）のｘ方向位置および／またはｙ方向位置を測らせる請求項４乃至８のいずれかに記載する装置（１００）。
【請求項１０】
前記感知ユニット（２０１）は前記機構ユニット（２０３）、機械加工表面（３０４）または前記被加工材から反射する前記レーザービーム（１０３）の光（３０１）を感知する請求項４乃至９のいずれかに記載する装置（１００）。
【請求項１１】
前記感知ユニット（２０１）は前記機械加工ユニット（１０２）の中に入れられて前記機械加工ユニット（１０２）と一体になっている請求項４乃至１０のいずれかに記載する装置（１００）。
【請求項１２】
前記感知ユニット（２０１）は前記加圧液体噴流（１０３）を通って戻る方向に伝播する前記レーザービーム（１０１）の光（３０１）を感知する請求項４乃至１１のいずれかに記載する装置（１００）。
【請求項１３】
被加工材を機械加工するためのレーザービーム（１０１）をガイドする加圧液体噴流（１０３）の角度を調節する方法であって、
前記加圧液体噴流（１０３）を放出し、前記レーザービーム（１０１）を前記加圧液体噴流（１０３）の中に入射させて前記加圧液体噴流（１０１）と結合させ（５０１）、
前記加圧液体噴流（１０３）とy方向軸の間の第１角度および／または前記加圧液体噴流（１０３）とｘ方向軸の間の第２角度を測り（５０２）、
前記第１角度に基づき前記x方向軸の周りに前記加圧液体噴流（１０３）を回転させ、さらに／または前記第２角度に基づき前記ｙ方向軸の周りに前記加圧液体噴流（１０３）を回転させる（５０３）方法（５００）。
【請求項１４】
第１目標角度および／または第２目標角度を定め（６０１）、
前記第１角度および／または前記第２角度を測り（５０２、６０２）、
前記第１目標角度と前記第１角度の差から第１調節角度を算出し、および／または前記第２目標角度と前記第２角度の差から第２調節角度を算出し（５０３）、さらに
前記加圧液体噴流（１０３）を前記ｘ方向軸の周りに前記第１調節角度だけ回転させ、さらに／または前記加圧液体噴流（１０３）を前記ｙ方向軸の周りに前記第２調節角度だけ回転させる（５０３、６０４）請求項１３に記載する方法（６００）。
【請求項１５】
第１公差および／または第２公差を定め（６０１）、
もしも前記第１調節角度が前記第１公差よりも小さいとき、もしくは前記第２調節角度が前記第２公差よりも小さいとき、または前記第１調節角度が前記第１公差よりも小さく、かつ前記第２調節角度が前記第２公差よりも小さいときは、前記加圧液体噴流（１０３）を回転する（５０３、６０４）前に前記方法（６００）を中断する請求項１４に記載する方法（６００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は加圧液体噴流の中に入射してその加圧液体噴流と結合するレーザービームを用いて被加工材を機械加工する装置に関する。本願発明にかかる装置は少なくとも一つの軸に対する加圧液体噴流の角度を自動的に調節する。さらに本願発明はレーザービームをガイドする液体噴流の角度を調節する方法に関するものである。液体噴流の角度を調節することは、具体的に目標角度に対する角度を修正することを含む。したがって、本願発明は空間中の加圧液体噴流の角度を少なくとも一つ測ることを含む。
【背景技術】
【０００２】
加圧液体噴流の中に入射してその加圧液体噴流と結合する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一般に知られている。このようなレーザービームを用いて被加工材を機械加工するためには、レーザービームは加圧液体噴流の中を全反射によってガイドされて被加工材上に入射する。
【０００３】
被加工材を機械加工して複数の決められた角度のまたは傾斜した面を有する所定の製品にする場合、被加工材に対する加圧液体噴流の角度を繰り返し調節する必要がある。加圧液体噴流の角度を正確に調節可能であればあるほど、作製される製品の形状の精度を高めることができる。加圧液体噴流を正確に鉛直方向に平行に合わせて、傾いた構造を形状加工する時に被加工材を鉛直方向に対して傾けるのが望ましい場合がある。また、より複雑な構造の製品を作製するため、加圧液体噴流を鉛直方向に対して正確に傾けること（傾斜角と向きの角度）が望ましい場合もある。
【０００４】
従来の装置で通常おきる問題は、その装置が液体噴流の角度を自動的に調節することがまったくできないことである。液体噴流の角度の調節は手作業でしかできないが、この調節は結構面倒で時間のかかる工程である。さらに、従来の装置を所定時間使用して操作した後では、液体噴流の角度が再びずれる。しかし、従来の装置はそれ自身では機械加工中の加工中液体噴流の角度を測ることができないので、従来の装置では液体噴流の角度がわずかにずれていることがわからない。さらに、機械加工をしている間は角度のずれた液体噴流を修正することはできない。
そのため、また手作業で液体噴流の角度を調節することが、時間がかかる工程であることから、液体噴流の角度を修正することは機械加工工程の時間と効率に与える影響が大きいので、液体噴流の角度の修正は通常定期的に行われるわけではない。したがって、従来の装置を用いて行う機械加工工程の精度は通常最適化されたものではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記した問題および不利な点に鑑み、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機械加工する従来の装置およびその機械加工方法を改良することを目標とする。レーザービームをガイドする液体噴流の少なくとも一つの角度を自動的にかつ高精度で調節できる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。この目的のため、本願発明の装置および方法は少なくとも一つの液体噴流の角度を高精度で測定できなければならない。また本願発明の装置および方法は目標角度から液体噴流角度が少しでもずれていれば、そのずれは自動的に修正できなければならない。これらの角度の調節および／または修正を迅速に行うこと、理想的には被加工材の機械加工工程の間にできるようにすることが可能であるはずである。その結果、本願発明は傾いた表面および／または複雑な構造を有する被加工材を従来よりも高精度でしかも高い効率で機械加工する装置および方法を目標とする。そのため、本願発明はさらに単純で小型の装置を実現することも目標とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明の目的は添付した特許請求の範囲の独立項で与えられる解決策により達成される。本願発明は有利な実施の態様は従属項で定められる。
【０００７】
本願発明の第１の特徴は、レーザービームを用いて被加工材を機械加工する装置であって、前記装置が、加圧液体噴流を放出して、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る機械加工ユニットと、前記機械加工ユニットをｘ方向軸および／またはｙ方向軸の周りに回転させる駆動ユニットと、前記加圧液体噴流と前記ｙ方向軸の間の第１角度および／または前記加圧液体噴流と前記ｘ方向軸の間の第２角度を測る測定ユニットと、前記駆動ユニットを制御して前記駆動ユニットに前記第１角度に基づいて前記ｘ方向軸の周りでおよび／または前記第２角度に基づいて前記ｙ方向軸の周りで前記機械加工ユニットを回転させる処理ユニットと、を有する。
【０００８】
前記測定ユニットによる前記少なくとも一つの角度の測定は、一つ以上の代表的な測定値を前記処理ユニットに与えることを含むものでよく、前記処理ユニットは受け取った測定値に基づき前記少なくとも一つの角度を算出する。ここで前記測定ユニットは前記処理ユニットに制御されて、前記測定値を得るものでよい。例えば、前記処理ユニットは前記測定ユニットが測定値をいくつ得る必要があるか、またはいつ測定すべきかを前記測定ユニットに伝える。しかし、前記測定ユニットは前記少なくとも一つの角度を直接測定して、測定した角度を前記処理ユニットに与えるものでもよい。
【０００９】
前記処理ユニットは前記第１角度および／または前記第２角度を用いて、少なくとも一つの軸の周りに前記機械加工ユニットを回転させる少なくとも一つの命令を前記駆動ユニットに与える。前記駆動ユニットは、前記少なくとも一つ軸の周りに前記機械加工ユニットを回転させることによって、前記加圧液体噴流を空間中でこの前記少なくとも一つの軸に対して傾けることができる。
【００１０】
前記測定ユニットと、前記処理ユニットと、前記駆動ユニットとの間の相互作用により、少なくとも一つの液体噴流の角度を、前記装置は、特に機械加工工程の間に自動的に調節することができる。その結果、前記少なくとも一つの液体噴流角度を従来技術の装置で（手作業で）可能であったよりも、高精度で、しかもより迅速に調節可能である。
【００１１】
好ましい実施の態様の本願発明の装置では、前記処理ユニットは前記駆動ユニットを制御して、前記駆動ユニットが前記機械加工ユニットを前記ｘ方向軸の周りに第１調節角度だけ、および／または前記ｙ方向軸の周りに第２調節角度だけ回転させ、前記第１調節角度は第１目標角度と前記第１角度の差によって定められ、前記第２調節角度は第２目標角度と前記第２角度の差によって定められる。
【００１２】
前記少なくとも一つの目標角度は、例えば前記液体噴流が鉛直方向に平行になるように選択されるものでよい。しかし、特に液体が加圧されるため加圧された液体が真っ直ぐ進むので、鉛直方向に平行にしなくても任意の目標角度が可能である。前記少なくとも一つの調節角度だけ前記機械加工ユニットを自動的に回転することによって、機械加工工程の間に、またはその後で生じる前記液体噴流角度のずれを修正することが可能になる。機械加工工程を中断したり、手作業で角度を合わせたりすることは必要ない。前記測定ユニットからのフィードバックによって、前記処理ユニットを制御して、極めて迅速な角度の修正を行わせることができる。その結果、余り長くない時間を使うことなく、被加工材をより複雑な製品に形状加工できる。
【００１３】
好ましい実施の態様の本願発明の装置では、前記駆動ユニットは前記ｘ方向軸および／または前記ｙ方向軸の周りで前記機械加工ユニットを１°以下の精度で回転させる。
【００１４】
例えば、０．５〜１°もしくは０．１〜１°も可能だし、または０．０１〜０．１°の精度も可能である。したがって、前記加圧液体噴流の少なくとも一つの角度を調節して、極めて高精度で修正でき、被加工材から複雑な製品の構造および形状を極めて高精度で作ることができる。
【００１５】
好ましい実施の態様の本願発明の装置では、前記測定ユニットは機構ユニットと、前記レーザービームの光を感知し、その感知した光に相当する感知信号を作る感知ユニットと、を含み、さらに前記測定ユニットは、前記機構ユニットに対して前記機械加工ユニットをx方向および／またはｙ方向に動かす間に、前記感知ユニットからの感知信号の変化に基づき前記加圧液体噴流のｘ方向位置および／またはy方向位置を測る。
【００１６】
前記感知ユニットはカメラ、光検知器等を含むものでよい。前記機構ユニットは板、リング、十字等を含むものでよい。前記移動ユニットは移動モーター等を含むものでよい。前記測定ユニットは前記加圧液体噴流に影響を与えずに前記加圧液体噴流の少なくとも一つの位置を光学的に測定する。レーザービームの光をこの測定に用いるのがさらに好都合である。この手法によれば簡単で小型の装置にすることが可能になるからである。少なくとも２つのｚ方向位置でｘ方向位置および／またはｙ方向位置の測定が少なくともなされれば、測定したｘ方向位置および／またはｙ方向位置を用いて前記加圧液体噴流の少なくとも一つの角度を測ることができる。
【００１７】
好ましい実施の態様の本願発明の装置では、前記機構ユニットは、前記加圧液体噴流が触れると前記加圧液体噴流を乱す尖った縁部を有する衝突素子を少なくとも含む。
【００１８】
前記衝突素子に前記加圧液体噴流が当たると、前記衝突素子はレーザービームを反射するのが好ましい。が前記加圧液体噴流に触れると、前記尖った縁部により前記加圧液体噴流が極めて明瞭にかつ際立って乱され、その結果レーザービームの反射も乱されるのが好ましい。したがって前記機構ユニットを用いて前記加圧液体噴流の少なくとも一方向位置を測るための正確な信号を発生させることができる。前記機構ユニットは機械加工工程の間に被加工材を支持して運ぶ機械加工表面とともに作られて、同機械加工表面と一体とすることができる。したがって、前記測定ユニットによる測定を機械加工工程の間におこなうことができる。すなわち前記装置を停止させ被加工材を除くことでやっと前記加圧液体噴流の測定ができるわけではない。さらに、このような機構ユニットにすれば、前記装置を小型にすることができる。
【００１９】
好ましい実施の態様の本願発明の装置では、前記機構ユニットは前記衝突素子である前記尖った縁部を有する板を含み、さらに／または前記衝突素子はリング形状もしくは十字形状である。
【００２０】
このような態様にすれば、前記機構ユニットを単純で、廉価で作れ、しかも効率よく使えるものにできる。
【００２１】
好ましい実施の態様の本願発明の装置は、前記被加工材を載せる機械加工表面をさらに含み、前記機構ユニットは前記機械加工表面を含むか、または前記機械加工表面に取り付けられている。
【００２２】
このようにすれば、前記装置は機械加工を行いながら角度の測定と調節をできる。この目的のために、被加工材と前記機械加工表面を取り除く必要がない。前記加圧液体噴流の少なくとも一つの液体噴流の角度を測り、前記加圧液体噴流を調節、修正または再び方向合わせするために、前記加圧液体噴流を機械加工工程の間に被加工材から前記機構ユニットまで動かし、その後引き続いて前記加圧液体噴流が被加工材の形状加工を行うものでよい。その結果、被加工材を設計どおりに従来よりも迅速で効率的に加工して、傾いた表面および／または複雑な構造を有する製品にすることができる。
【００２３】
好ましい実施の態様の本願発明の装置では、前記測定ユニットが前記機械加工ユニットに対して前記機構ユニットをx方向、ｙ方向およびｚ方向に動かす移動ユニットをさらに含む。  
【００２４】
前記移動ユニットは、前記機構ユニットと前記機械加工ユニットとを互いに相対的に変位させるため、前記機構ユニットもしくは前記機械加工ユニットのいずれかを動かすことができるか、またはこれら両方を動かすことができる。
【００２５】
好ましい実施の態様の本願発明の装置では、前記処理ユニットは前記測定ユニットを制御し、前記第１角度および／または前記第２角度を測るために、前記機構ユニットが前記機械加工ユニットに対する２つ以上の異なるｚ方向位置にある時に、前記測定ユニットに前記加圧液体噴流のｘ方向位置および／またはｙ方向位置を測らせる。  
【００２６】
前記した２つ以上の異なるｚ方向位置で測定された前記加圧液体噴流のｘ方向位置および／またはｙ方向位置を用いて、前記加圧液体噴流の空間中での１つまたは２つの角度を測ることができる。前記処理ユニットは、例えば前記機構ユニットおよび前記測定ユニットを制御して、複数の測定した位置から角度を算出する。
【００２７】
好ましい実施の態様の本願発明の装置では、前記感知ユニットは前記機構ユニット、機械加工表面または前記被加工材から反射するレーザービームの光を感知する。
【００２８】
レーザービームの光は前記機構ユニットの専用の衝突素子で反射するのが好ましい。反射光、具体的には前記機構ユニットを前記機械加工ユニットに対して動かした時の反射光の変化が前記加圧液体噴流の位置を特定する正確な特徴を与える。したがって、前記加圧液体噴流の少なくとも２つの位置、したがって前記加圧液体噴流の少なくとも一つの角度を正確に測定できる。
【００２９】
好ましい実施の態様の本願発明の装置では、前記感知ユニットは前記機械加工ユニットの中に入れられて前記機械加工ユニットと一体になっている。
【００３０】
このようにすれば、小型の装置を組み立てることができる。さらに、前記感知ユニットは例えば機械加工工程の間に被加工材から飛び跳ねて戻ってくる液体から保護される。
【００３１】
好ましい実施の態様の本願発明の装置では、前記感知ユニットは前記加圧液体噴流を通って戻る方向に伝播する前記レーザービームの光を感知する。
【００３２】
前記加圧液体噴流は反射レーザー光を、反対方向に伝播するレーザービームをガイドして被加工材上に入射させるように、ガイドすることができる。このようにして、対象の光が極めてよく調節されたやり方で前記感知ユニットまでガイドされるので、前記測定ユニットはさらに高精度に働く。さらに、このような態様のために、測定に必要とする光成分の量は最低ですんでいる。
【００３３】
本願発明の第２の特徴は、被加工材を機械加工するためのレーザービームをガイドする加圧液体噴流の角度を調節する方法であって、前記加圧液体噴流を放出し、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、前記加圧液体噴流とy方向軸の間の第１角度および／または前記加圧液体噴流とｘ方向軸の間の第２角度を測り、前記第１角度に基づき前記x方向軸の周りに前記加圧液体噴流を回転させ、さらに／または前記第２角度に基づき前記ｙ方向軸の周りに前記加圧液体噴流を回転させる方法を与える。
【００３４】
本願発明の方法の好ましい実施の態様の前記方法は、第１目標角度および／または第２目標角度を定め、前記第１角度および／または前記第２角度を測り、前記第１目標角度と前記第１角度の差から第１調節角度を算出し、および／または前記第２目標角度と前記第２角度の差から第２調節角度を算出し、さらに前記加圧液体噴流を前記ｘ方向軸の周りに前記第１調節角度だけ回転させ、さらに／または前記加圧液体噴流を前記ｙ方向軸の周りに前記第２調節角度だけ回転させる。
【００３５】
本願発明の方法の好ましい実施の態様の前記方法は、前記第１公差および／または第２公差を定め、もしも前記第１調節角度が前記第１公差よりも小さいとき、もしくは前記第２調節角度が前記第２公差よりも小さいとき、または前記第１調節角度が前記第１公差よりも小さく、かつ前記第２調節角度が前記第２公差よりも小さいときは、前記加圧液体噴流を回転する前に前記方法を中断する。
【００３６】
本願発明の第２の特徴の前記方法は、本願発明の第１の特徴の前記した有利な点および効果をもたらす。この第２の特徴の前記方法は、本願発明の第１の特徴の装置の前記した様々な他の好ましい実施の態様と類似する複数の実施の態様と組み合わせることにより、さらに拡張することができる。この第２の特徴の前記方法は特に本願発明の第１の特徴の装置、またはその複数の好ましい実施の態様の装置のいずれでも実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
本願発明の前記した特徴および好ましい実施の態様は、添付した図面とともに以下の具体的な実施形態により説明される。
【００３８】
【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は本願発明の実施形態にかかる装置を示す。
【図３】図３は本願発明の実施形態にかかる装置を示す。
【図４】図４は本願発明の実施形態にかかる装置が液体噴流の角度を測定する手法の考え方を示す。
【図５】図５は本願発明の実施形態にかかる方法を示す。
【図６】図６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】
【００３９】
図１は本願発明の実施形態にかかる装置１００を示す。装置１００は加圧液体噴流１０３の中に入射させ加圧液体噴流１０３と結合させたレーザービーム１０１を用いて被加工材を機械加工する。被加工材は、例えば金属、セラミックス、ダイアモンド、半導体、合金、超合金または超硬材料を含む材料でできたものでよい。被加工材を機械加工することには、被加工材を切断もしくは穿孔すること、または材料除去加工により被加工材を３次元までの形状加工することを含むものでよい。レーザービームのレーザーパワーは２０〜４００Wまたはそれよりも大きいものであることが好ましい。レーザービームはパルスレーザービームでもよいし、連続的なレーザービームとすることもできる。加圧液体噴流の圧力は５０〜８００ｂａｒとすることが好ましい。
【００４０】
装置１００は加圧液体噴流１０３を放出して被加工材に当てる。被加工材は機械加工表面３０４上に置かれる（図３参照）。機械加工表面３０４は装置１００の一部でもよいし、そうでなくてもよい。いずれの場合でも、装置１００は、機械加工表面３０４上に配置された被加工材を機械加工するように構成されている。装置１００は機械加工表面３０４の３次元までの動きを制御できる。
【００４１】
本願発明の装置１００は具体的にレーザービーム１０１をガイドする加圧液体噴流１０３の（複数の）角度を調節できるように構成されている。したがって、この目的に必要な装置１００の部品が図１に示されている。具体的に装置１００は機械加工ユニット１０２と、駆動ユニット１０４と、測定ユニット１０５と、処理ユニット１０６とを有する。
【００４２】
機械加工ユニット１０２は加圧液体噴流１０３を放出し、レーザービーム１０１を加圧液体噴流１０３の中に入射させ加圧液体噴流１０３と結合させる。
【００４３】
駆動ユニット１０４はｘ方向軸および／またはｙ方向軸の周りで、すなわち少なくとも一つの軸の周りで機械加工ユニット１０２を回転させる。ｘ方向軸およびｙ方向軸は、（図１中に示すように）互いに垂直であることが好ましい。ｚ方向軸はｘ方向軸とｙ方向軸の両方に垂直である。ｘ方向軸とｙ方向軸が水平面を定め、ｚ方向軸が鉛直方向を定めるものでよいが、これに必ずしも該当しなくてもよい。加圧液体噴流１０３は（すなわち、その進行方向は）ｚ方向軸と平行とするか、および／または鉛直方向と平行となるようにしてよい。しかしながら、加圧液体噴流１０３は加圧されているので、このように方向を合わせることは加圧液体噴流１０３が真っ直ぐに進行するために必要なわけではない。
【００４４】
駆動ユニット１０４は、例えば機械加工ユニット１０２をｘ方向軸の周りに第１調節角度Ｄａだけ回転させて、または機械加工ユニット１０２をｙ方向軸の周りに第２調節角度Ｄｂだけ回転させて機械加工ユニット１０２を制御する。このようにして、機械加工ユニット１０２、ｙ方向軸およびｚ方向軸に対して、並びに／またはｘ方向軸およびｚ方向軸に対して傾き、したがって加圧液体噴流１０３も同じように傾く。
【００４５】
測定ユニット１０５は加圧液体噴流１０３（その進行方向）とｙ方向軸の間の第１角度、および／または加圧液体噴流１０３（その進行方向）とｘ方向軸の間の第２角度を測定する。すなわち、測定ユニット１０５は加圧液体噴流１０３の少なくとも一つの（現在の）角度を測定する。ここで、少なくとも一つの角度を測定することは、測定ユニット１０５が角度に相当する（生の）測定値を測り、処理ユニット１０６がその測定値を処理して角度（値）にすること、または角度の計算値を出力して直接処理ユニット１０６に送ることを意味するものでよい。
【００４６】
処理ユニット１０６は測定ユニット１０５が測定した加圧液体噴流１０３の少なくとも一つの角度に基づいて駆動ユニット１０４を制御する。すなわち、処理ユニット１０６は加圧液体噴流１０３の少なくとも一つの角度に基づいて駆動ユニット１０４を制御する。処理ユニット１０６は具体的に駆動ユニット１０４を制御して測定した第１角度に基づいて駆動ユニット１０４が機械加工ユニット１０２をｘ方向軸の周りに回転させ、さらに／または測定した第２角度に基づいて駆動ユニット１０４が機械加工ユニット１０２をｙ方向軸の周りに回転させることができる。このようにすれば、処理ユニット１０６は測定した角度を用いて、例えば前記した少なくとも一つの調節角度Ｄａおよび／またはＤｂを算出することができる。
【００４７】
図２は本願発明の実施形態にかかる装置１００を示す。この装置１００は図１中に示す装置１００を発展させたものである。図２と図１中の同一な要素は、同じ符号が付され、同じように機能する。したがって、図２の装置１００もレーザービーム１０１をガイドする加圧液体噴流１０３を作る機械加工ユニット１０２と、機械加工ユニット１０２の（複数の）回転を調節する駆動ユニット１０４と、少なくとも駆動ユニット１０４を制御する処理ユニット１０６と、加圧液体噴流１０３の少なくとも一つの角度を測定する測定ユニット１０５とを有する。
【００４８】
図２は測定ユニット１０５をさらに詳しく図解する。具体的に言うと、図２中の測定ユニット１０５は、機構ユニット２０３と、移動ユニット２０２と、感知ユニット２０１と含む。
【００４９】
感知ユニット２０１はレーザービーム１０１の光を感知し（すなわち、感知ユニット２０１はレーザービームの波長を感知できる）、感知した光に相当する感知信号を出力する（すなわち、この感知信号は少なくとも受光した光の強度に対応している）。図２中に示されている感知ユニット２０１は代表的に機械加工ユニット１０２の上方に配置されている。しかし、感知ユニット２０１は、反射したレーザーライトを受光できる位置ならば他の位置に配置されてもよい。例えば、感知ユニット２０１は機械加工ユニット１０２の下方かつ／もしくは加圧液体噴流１０３の隣に配置されてもよいし、また機構ユニット２０３の下方に配置されてもよい。
【００５０】
測定ユニット１０５は、具体的に、機械加工ユニット１０２が機構ユニット２０３に対してｘ方向および／またはｙ方向に動かされる間に、感知ユニット２０１が与える感知信号の変化に基づいて加圧液体噴流１０３のｘ方向位置および／またはｙ方向位置を測定する。これにより、測定ユニット１０５は感知ユニット２０１を用いて機械加工ユニット１０２に対する機構ユニット２０３の複数の異なる位置で複数の感知信号を発生できる。すなわち、機構ユニット２０３は機械加工ユニット１０２に対して動かすことができ、その間に感知ユニット２０１は一方少なくとも一つの感知信号を、例えば所定の時間間隔で、さらに／または各移動ステップ後に出力するものでよい。
【００５１】
機構ユニット２０３を動かすために測定ユニット１０５は、移動ユニット２０２を含む。移動ユニット２０２は機構ユニット２０３を機械加工ユニット１０２に対して機構ユニット２０３をｘ方向、ｙ方向およびｚ方向に動かすのが好ましい。具体的に、移動ユニット２０２は、この相対的な動きを可能にするため、機構ユニット２０３および／または機械加工ユニット１０２を動かすことができるものでよい。
【００５２】
機械加工ユニット１０２が機構ユニット２０３を基準として動かされる時、レーザー光は機構ユニット２０３から複数の異なる態様で、具体的に言えば、加圧液体噴流１０３の現在のｘ／ｙ方向位置に依存して反射する（注目すべきことに、所定のｘ／ｙ方向位置では機構ユニット２０３からレーザー光は全く反射しない）。
【００５３】
測定ユニット１０５は機械加工ユニット１０２に対する機構ユニット２０３の２以上のｚ方向位置で、加圧液体噴流１０３の前記した第１および第２ｘ方向位置並びに／または第１および第２ｙ方向位置を測定するものでよい。この目的のため、移動ユニット２０２は、例えば機械加工ユニット１０２を基準とする第１ｚ方向位置に機構ユニット２０３を動かし、この第１ｚ方向位置で測定ユニット１０５は前記第１ｘ方向位置および／または前記第１ｙ方向位置を測る。その後、移動ユニット２０２は異なる第２ｚ方向位置に機構ユニット２０３を動かし、この第２ｚ方向位置で測定ユニット１０５が前記第２ｘ方向位置および／または前記第２ｙ方向位置を測る。これらの第１および第２ｘ方向位置並びに／または第１および第２ｙ方向位置に基づいて、測定ユニット１０５は加圧液体噴流１０３の前記第１角度および／または前記第２角度を測ることができる。
【００５４】
処理ユニット１０６は具体的に測定ユニット１０５を制御して、測定ユニット１０５に前記した機構ユニット２０３が複数の異なるｚ方向位置にあるときの位置の測定を行わせる。例えば、図２中に（破線で）示すように、処理ユニット１０６は感知ユニット２０１を制御して、感知ユニット２０１に光を感知させ感知信号を出力させ、処理ユニット１０６は当然この感知信号を受信して処理することができる。さらに、処理ユニット１０６は移動ユニット２０２を制御して、移動ユニット２０２が機構ユニット２０３を動かし、処理ユニット１０６は移動ユニット２０２から設定した（複数の）位置についてのフィードバックを受け取ることができる。このようにして、処理ユニット１０６は加圧液体噴流１０３のｘ方向位置および／またはｙ方向位置を算出するために、移動ユニット２０２が設定しフィードバックする複数のｘ方向、ｙ方向およびｚ方向位置を考慮して感知ユニット２０１の感知信号を処理し、最終的に前記第１および／または第２角度を算出することができる。
【００５５】
例えば、処理ユニット１０６はマイクロプロセッサもしくはコンピュータおよび／またはソフトウェアによって実現され、感知ユニット２０１から受信した（複数の）感知信号に信号処理を行う。信号処理は、例えばスケーリング、平均化、所定時間中の記録、時間積分または（複数の）感知信号の変換を含むものでよく、さらに（複数の）感知信号、または平均化した信号または積分信号を基準信号と比較することを含むものでよい。
【００５６】
処理ユニット１０６はさらに機械加工ユニット１０２を制御するものでよい。具体的に言えば、処理ユニット１０６はレーザーユニットによって発生するレーザービーム１０１の発生および／またはパルス変換（パルス幅、振幅および／またはレート）を調節する。さらに、処理ユニット１０６は例えば加圧液体噴流１０３用の液体を供給する液体源を制御することによって、並びに／または供給バルブおよび／もしくは供給ポンプを制御することによって、加圧液体噴流１０３の発生および圧力を調節することができる。
【００５７】
機械加工ユニット１０２はさらにレーザービーム１０１を加圧液体噴流１０３の中に入射させて加圧液体噴流１０３に結合させるレンズのような少なくとも一つの光学素子２０４を含むものでよい。レーザービーム１０１は処理ユニット１０６によって制御されるレーザーユニットによって作られる。機械加工ユニット１０２はまた光学部品配置部を、すなわち代表的には少なくとも一つの光学素子２０４を、液体回路部と隔離し、さらに加圧液体噴流１０３が作られる機械加工ユニット１０２の領域と隔離するために、光学的に透明な保護窓（図示せず）を含むものでよい。
【００５８】
図３は本願発明の実施形態にかかる装置１００を示す。この装置１００は図１中に示す装置１００を発展させたものである。図３と図１中の同一な要素は、同じ符号が付され、同じように機能する。具体的に言えば、図３中の装置１００もレーザービーム１０１を搬送する加圧液体噴流１０３を作る機械加工ユニット１０２と、機械加工ユニット１０２を移動／回転させる駆動ユニット１０４と、角度測定用の測定ユニット１０５（感知ユニット２０１と、移動ユニット２０２と、機構ユニット２０３とを含む）と、好ましくは装置１００とその複数のユニットのすべての動作を調節する処理ユニット１０６とを含む。
【００５９】
図３は機械加工ユニット１０２をより詳細に示している。加圧液体噴流１０３を作るために、機械加工ユニット１０２がノズル開口を有する液体噴流発生ノズル３０３を含むのが好ましい。液体噴流発生ノズル３０３は保護された環境下で加圧液体噴流１０３を作るため機械加工ユニット１０２の内部に配置されるのが好ましい。前記ノズル開口により加圧液体噴流１０３の幅が定まる。前記ノズル開口の直径は１０〜２００μｍとすることが好ましく、加圧液体噴流１０３の直径は前記ノズル開口の０．６〜１倍とすることが好ましい。加圧液体噴流１０３用の圧力は処理ユニット１０６によって制御される外部の液体供給源を通して与えられる。加圧液体噴流１０３用に供給される液体は好ましくは水であり、すなわち加圧液体噴流１０３は水噴流である。装置１００から加圧液体噴流１０３を放出するために、機械加工ユニット１０２は放出開口を有する放出ノズルを含むのが好ましい。この放出開口は前記ノズル開口よりも大きいのが好ましい。
【００６０】
機械加工ユニット１０２はさらにレーザー光源３００を含むものでよく、処理ユニット１０６がレーザー光源３００を制御するものでよい。レーザー光源３００はレーザービーム１０１を供給する。レーザー光源３００は機械加工ユニット１０２にも装置１００にも含まれない外部デバイスであって機械加工ユニット１０２のレーザー供給ポートにレーザー光を供給する外部デバイスでもよい。機械加工ユニット１０２内でレーザービーム１０１は加圧液体噴流１０３の中に入射して加圧液体噴流１０３と結合するように、光学ユニット３０２によって少なくとも一つの光学素子２０４の方向に向けられるのが好ましい。光学ユニット３０２は、好ましくはビームスプリッタであり、また少なくとも一つの光学素子２０４と測定ユニット１０５の感知ユニット２０１との間の光路中に設置するのが好ましい。
【００６１】
注目すべき点は、反射光３０１（図３中で機械加工表面３０４で反射した）も加圧液体噴流１０３中をレーザービーム１０１と反対方向に光学ユニット３０２にまで伝播する。反射光３０１は光学ユニット３０２によって感知ユニット２０１に向けられる。図３中で、感知ユニット２０１が機械加工ユニット１０２の内部に含まれている（ただし、これはオプションにすぎない）のは有利である。
【００６２】
装置１００はさらに波長分離ユニット（図示せず）を含んでもよい。波長分離ユニットは反射光３０１の少なくとも一部を分離して感知ユニット２０１に入射させる。この波長分離ユニットは光学ユニット３０２と感知ユニット２０１の間の光路中に配置するのが好ましい。そのようにすれば、この波長分離ユニットは、加圧液体噴流１０３と光学ユニット３０２を通って伝播する反射光３０１を受光し、反射光３０１の少なくとも一部を含む対象とする光を出光して感知ユニット２０１上に入射させる。この波長分離ユニットは一つ以上の光フィルタからなり、不要な電磁放射光（特に他の光）をフィルタにより除く光フィルタユニットとしてよい。すなわち、この波長分離ユニットは所定の波長の（不要な）光が感知ユニット２０１に入射するのを防ぐ。間違って波長分離ユニットに入射する（反射レーザー光３０１以外の）光は、この波長分離ユニットがなければ感知ユニット２０１に入射してしまうが、波長分離ユニットあるので除かれる。
【００６３】
図３に示すように、レーザー光はレーザービーム１０１が入射する機械加工表面３０４上で反射する。同様に、レーザー光は機械加工表面３０４上に置かれた被加工材からも反射する。反射光３０１は、機械加工ユニット１０２の中に入れられ、好ましくは機械加工ユニット１０２と一体になった感知ユニット２０１により感知される。このようにして、感知ユニット２０１が加圧液体噴流１０３を通って戻る方向に伝播するレーザービーム１０１の反射光３０１を感知するのが好ましい。機構ユニット２０３が移動ユニット２０２により動かされて加圧液体噴流１０３の中に入ると（図３中に示されていない状況）、レーザー光は機構ユニット２０３からも反射する。
【００６４】
しかし、機構ユニット２０３からのレーザービーム１０１の反射は機械加工表面３０４からのレーザービーム１０１の反射とも、被加工材からのレーザービーム１０１の反射とも異なる。反射に少しでも違いが生じれば、その違いは感知ユニット２０１が検出でき、例えば処理ユニット１０６がその違いを用いて、機構ユニット２０３が機械加工ユニット１０２に対して所定のｚ方向位置にある時の加圧液体噴流１０３のｘ方向位置および／またはｙ方向位置を測定することができる。さらに、加圧液体噴流１０３が機構ユニット２０３に触れると、機構ユニット２０３は加圧液体噴流１０３を乱すので、その結果レーザービーム１０１は、戻る方向に反射して加圧液体噴流１０３の中に入って感知ユニット２０１に向かってガイドされることなく、散乱することになる。このことは以下で詳しく説明する。
【００６５】
図４は本願発明の実施形態にかかる装置１００が液体噴流１０３の角度を測定する代表的な手法の考え方を示す。図４中で機構ユニット２０３は縁部４０１を有する少なくとも一つの衝突素子４００を含む。具体的に言えば、衝突素子４００は尖った縁部４０１を有するのが好ましい。ここで「尖った」とは尖った縁部４０１がナイフの縁部のような形状をしていることを意味することが好ましい。加圧液体噴流１０３が尖った縁部４０１に触れると、尖った縁部４０１は加圧液体噴流１０３を乱す。尖った縁部４０１は、例えば衝突素子４００の中に設けられる開口の内縁部によって形成される。図４に示すように、具体的に、機構ユニット２０３は尖った縁部４０１を有する衝突素子４００である板４００を含むものでよい。代わりに、または加えて、衝突素子４００はリング形状または十字形状でもよい。
【００６６】
図４（Ａ）中で、機械加工ユニット１０２は加圧液体噴流１０３を放出し、加圧液体噴流１０３が衝突素子４００内の開口を通り抜け、機械加工表面３０４に当たるように、機構ユニット２０３は機械加工ユニット１０２を基準として配置されている（例えば、移動ユニット２０２によって配置される）。レーザービーム１０１の少なくとも一部が機械加工表面３０４から反射し、反射光３０１は加圧液体噴流１０３を通って戻る方向（レーザービーム１０１と反対の方向に）に伝播して機械加工ユニット１０２の中に入射する。機械加工ユニット１０２内で反射光３０１は感知ユニット２０１によって検出されるものでよい。被加工材が機械加工表面３０４上に載せられていない状態では、示されている角度測定および調節工程は被加工材を載置して機械加工する前に行うのが好都合である。しかし、機械加工の間に被加工材を載せた状態でも同じ測定および調節工程は可能である。この場合、被加工材は図４（Ａ）の状況でレーザー光を反射することができる。
【００６７】
図４（Ｂ）において、機構ユニット２０３が動かされ（例えば、移動ユニット２０２によって）、その結果加圧液体噴流１０３が衝突素子４００の尖った縁部４０１に触れている。これによって加圧液体噴流１０３が乱されるので、レーザービーム１０１は戻る方向に反射しなくなり、例えば散乱により失われてしまう。すなわち、加圧液体噴流１０３が尖った縁部４０１に触れると、感知ユニット２０１により検出できる反射光３０１がない（または、少なくとも反射光３０１は極めて弱い）。
【００６８】
図４（C）において、機構ユニット２０３をさらに外側に動かし（例えば、移動ユニット２０２によって）、その結果加圧液体噴流１０３は機構ユニット２０３の衝突素子４００に当たっている。レーザービーム１０１の少なくとも一部が衝突素子４００から反射し、再び反射光３０１が加圧液体噴流１０３を通って戻る方向に（レーザービーム１０１と反対の方向に）伝播して機械加工ユニット１０２の中に入射するようになっている。機械加工ユニット１０２内で反射光３０１は感知ユニット２０１によって検出される。反射光（の強度）は図４（Ａ）の場合と同じか、または反射光の強度は機械加工表面３０４から反射するよりも低いかまたは高い。すなわち、感知ユニット２０１は図４（Ａ）と図４（Ｃ）に示す状況での反射光を区別することができるのである。
【００６９】
いずれにしても、図４（Ａ）から図４（Ｂ）および図４（Ｃ）へと移行するときの反射のパターンの変化は、感知ユニット２０１の感知信号出力中に現れるので、この手順を２つ以上のｚ方向位置で行えば、この反射パターンの変化を用いて加圧液体噴流１０３の位置を測定でき、最終的に加圧液体噴流１０３の角度を測定できる。
【００７０】
図５は本願発明の実施形態にかかるレーザービーム１０１をガイドする加圧液体噴流１０３の角度調節の方法５００を示す。レーザービーム１０１は被加工材の機械加工に用いることができる。方法５００は図１乃至４のどの図中に示した装置１００によっても実施することができる。具体的に、方法５００は、加圧液体噴流１０３を放出してレーザービーム１０１を加圧液体噴流１０３の中に入射させて加圧液体噴流１０３と結合させるステップ５０１と、加圧液体噴流１０３とｙ方向軸の間の第１角度および／または加圧液体噴流１０３とｘ方向軸の間の第２角度を測定するステップ５０２と、前記第１角度に基づいて前記ｘ方向軸の周りにおよび／または前記第２角度に基づいて前記ｙ方向軸の周りに加圧液体噴流１０３を回転させるステップ５０３を有する。
【００７１】
図６は、図５に示す方法５００を発展させた方法６００を示す。方法６００は次のステップを有することが好ましい。
【００７２】
１．  第１目標角度ａ０および／または第２目標角度ｂ０を定め（または、例えばメモリもしくは他の記憶デバイスから読み出す）、さらに好ましくは第１公差ｔ１および／または第２公差ｔ２を定める（６０１）。
【００７３】
２．  （方法５００のステップ５０２と同様に）加圧液体噴流１０３の第１角度および／または第２角度（ａおよび／またはｂ）を測定する（６０２）。
【００７４】
３．  第１目標角度ａ０と第１角度ａとの差から第１調節角度Ｄａを、および／または第２目標角度ｂ０と第２角度ｂとの差から第２調節角度Ｄｂを算出する（６０３）。
【００７５】
もしも第１調節角度Ｄａが第１公差ｔ１よりも小さいならば、もしくは、もしも第２調節角度Ｄｂが第２公差ｔ２よりも小さいならば、または、もしも第１調節角度Ｄａが第１公差ｔ１よりも小さく、かつ第２調節角度Ｄｂが第２公差ｔ２よりも小さいならば、方法６００を終える。
【００７６】
４．  （方法５００のステップ５０３と同様に）加圧液体噴流１０３を前記ｘ方向軸の周りに第１調節角度Ｄａだけ、および／または前記ｙ方向軸の周りに第２調節角度Ｄｂだけ回転させる（６０４）。好ましくは“２”（ステップ６０２）に戻り“３”（ステップ６０３）のいずれかの場合に該当して方法６００が終わるまで、すべてのステップを繰り返す。
【００７７】
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】
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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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【図６】
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【国際調査報告】
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