(57)【要約】本発明は、測定ビームにより、穿孔プロセス、特にレーザ穿孔プロセスをプロセス確実化する方法に関する。レーザビームが、未加工部品の所定の領域を負荷し、測定ビームが、前記領域の内部に生ぜしめられる孔に向けられる。孔の内部に貫通部が形成されるやいなや、測定ビームは孔を横断し、センサにより検出することができる。測定ビームの検出はセンサにより行われる。これにより、貫通部が得られたのかどうか、若しくはいつ得られたのかを正確に検出することができる。
2006513861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
穿孔プロセス、特にレーザ穿孔プロセスにおいてプロセスを確実化するための方法であって、次のステップが設けられている、すなわち、
・穿孔装置、特にレーザにより生ぜしめられるレーザビーム（３）により、加工したい未加工部品（４）に孔を形成し、
・測定ビーム（１ａ，１ｂ）を発生させるための測定ビーム源（１）を準備し、測定ビームを未加工部品（４）に向け、
・測定ビーム（１ａ，１ｂ）を検出するためのセンサ（２）を準備する、
ステップが設けられている方法において、
未加工部品（４）、測定ビーム源（１）及びセンサ（２）を互いに相対的に配置し、これにより、孔に貫通部が生じた場合にはじめて測定ビーム（１ａ，１ｂ）の検出を行うことを特徴とする、穿孔プロセスにおいてプロセスを確実化する方法。
【請求項２】
測定ビーム（１ａ，１ｂ）を、穿孔軸線に対して平行に孔に向ける、請求項１記載の方法。
【請求項３】
レーザビーム（３）と測定ビーム（１ａ，１ｂ）とを、少なくとも部分的に、特に孔の領域内で、同じビーム通路に沿って案内する、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
レーザビーム（３）と測定ビーム（１ａ，１ｂ）とを、同じビーム通路に沿って、同方向又は逆方向に案内する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
レーザビーム（３）と測定ビーム（１ａ，１ｂ）とを、ほぼ同時に、同じビーム通路に沿って案内する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
レーザビーム（３）と測定ビーム（１ａ，１ｂ）とが、種々異なった波長を有しているようにする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
測定ビーム（１ａ，１ｂ）の周波数を次のように選択する、すなわち、該周波数が、穿孔時に生じるプロセス光内で放出される周波数外に位置するように選択する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
レーザビーム（３）を、数フェムト秒から数ピコ秒までの大きさのパルス長さを有する超短パルス・レーザビームの形で形成する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
穿孔法、特にレーザ穿孔法においてプロセスを確実化するための装置であって、穿孔装置、特にレーザにより生ぜしめられるレーザビーム（３）により、加工したい未加工部品（４）に孔が形成され、測定ビーム（１ａ，１ｂ）を発生させるための測定ビーム源（１）と、前記測定ビーム（１ａ，１ｂ）を検出するためのセンサ（２）とが設けられている形式のものにおいて、未加工部品（４）、測定ビーム源（１）及びセンサ（２）が、互いに相対的に配置可能であり、これにより、孔に貫通部が生じた場合にはじめて測定ビーム（１ａ，１ｂ）の検出が行われることを特徴とする、穿孔法においてプロセスを確実化するための装置。
【請求項１０】
センサ（２）が、分光計の形で形成されているか、又は複数のセンサを有しており、前記センサ（２）により、周波数であらかじめ規定された信号が検出可能である、請求項９記載の装置。
【請求項１１】
レーザビーム（３）及び測定ビーム（１ａ，１ｂ）のビーム通路に沿って、光学的なエレメント、例えばミラー（７，７ａ，７ｂ）又は光学系（５，６）が配置可能である、請求項９又は１０記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の、穿孔プロセスにおいてプロセスを確実化する方法及び請求項９の上位概念部に記載の対応した装置に関する。
【０００２】
従来技術
５００μｍよりも小さい範囲の直径を有する小さい孔をレーザ穿孔する場合にプロセスを確実化するためには、従来のプロセスエミッション、例えばプロセス光（プラズマ）又は音響信号が、対応したセンサによりピックアップされ、測定信号が評価アルゴリズムにより分析される。
【０００３】
レーザ精密穿孔においては、有利には貫通センサが使用され、これにより、プロセス光の強度に基づき、レーザビームによる未加工部品の穿孔（貫通）の瞬間を検出することができる。この情報により、例えば穿孔プロセスに関する判断を行い、孔の望ましい直径を仕上げるために必要な穿孔時間を規定することができる。短パルスレーザ照射（例えばｎｓパルス）により穿孔した場合の貫通のための判断基準は、例えばプロセス光の強度のための信号の著しい降下である。
【０００４】
しかしながら、超短パルスレーザ照射（数フェムト秒から数ピコ秒までの範囲のパルス長さ）により穿孔した場合に生じるプロセス光の、未加工部品の最初の貫通時に測定可能な強度は極めてわずかな程度にしか変化せず、それ故、比較的手間のかかるセンサ装置によってのみ検出可能である。したがって従来の貫通センサは、０．５〜１ｍｍまでの穿孔したい厚さを有する未加工部品内に５００μｍ以下の小さい孔をレーザ穿孔する場合には、経済的に有意義な形では貫通検出のためにはほとんど使用することができない。
【０００５】
そこで本発明の課題は、特に５００μｍよりも小さい直径を有する孔をレーザ穿孔する場合に超短パルスレーザ照射による貫通を検出することができるようにし、これにより、超短パルスレーザ穿孔時にもプロセス確実化をもたらすことである。
【０００６】
この課題は、請求項１の特徴部に記載の、穿孔プロセスにおいてプロセスを確実化する方法、並びに請求項９の特徴部に記載の対応した装置により達成される。
【０００７】
発明の利点
本発明による方法は、穿孔プロセス、特にレーザ穿孔プロセスにおいてプロセスを確実化するために役立つ。このような穿孔プロセスを実施する場合には、レーザ穿孔装置によって、加工したい未加工部品に孔が形成される。本発明による方法を実施するためには、さらに測定ビームを生ぜしめるための測定ビーム源と、この測定ビームを検出するためのセンサとが使用される。本発明によれば、未加工部品、測定ビーム源及びセンサが互いに相対的に配置され、これにより、孔内に貫通部が生じた場合にはじめて測定ビームの検出が行われるようになっている。
【０００８】
加工したい未加工部品にまだ貫通部が形成されていない間は、この未加工部品は、測定ビーム源とセンサとの間の距離において測定ビームのための障害物である。貫通部が形成されるやいなや、測定ビーム源により生ぜしめられた測定ビームは、孔、ひいては未加工部品を通過し、センサにより検出することができる。これにより、特に簡単な形式で、未加工部品の内部の孔内に貫通部が提供されているかどうかに関して明確な判断を行うことができる。
【０００９】
本発明による方法を実施する場合には、有利には測定ビームが、穿孔軸線に対して平行に孔に向けられるようになっている。これにより、未加工部品が完全に穿孔されるやいなや、測定ビームが孔を通過することができることが保証されている。
【００１０】
別の有利な構成では、レーザビームと測定ビームとが、少なくとも部分的に、特に孔の領域内では同じビーム通路に沿って案内される。孔の内部で測定ビームとレーザビームとが同一に案内されることにより、特に正確な形式で、貫通部が提供されていることが検出される。
【００１１】
本発明の別の構成では、レーザビームと測定ビームとを、同一のビーム通路に沿って、等しい又は逆の光方向に案内することができる。これにより、例えば測定ビーム源と穿孔装置とを、加工したい未加工部品の同じ側又は逆側に配置し、これにより、場合によっては、提供されたスペースを最適に使用することができる。
【００１２】
本発明によれば、特にレーザビームと測定ビームとがほぼ同時に同一のビーム通路に沿って案内されるようになっていてよい。このような特に有利な構成に基づき、穿孔法、特にレーザ穿孔法を特に効果的に監視することができる。ほぼリアルタイムで、すなわち、レーザビームが貫通部を形成した瞬間に、この場合に使用されたセンサが測定ビームを感知する。これにより、貫通の正確な時点を記録することができる。このような手段により、例えばセンサとレーザビームとの間の適宜な配置（Ｖｅｒｓｃｈａｌｔｕｎｇ）により、レーザビームを貫通の瞬間にスイッチオフする可能性が提供される。
【００１３】
有利な構成では、レーザビームと測定ビームとは種々異なった波長を有している。これにより、特に簡単な形式で、センサが測定ビームとレーザビームとを取り違えることが阻止される。
【００１４】
有利には、測定ビームの周波数は、穿孔時に生じるプロセス光が放出される周波数範囲外に位置するように選択することができる。これにより、センサがプロセス光と測定ビームとを取り違えることが阻止される。
【００１５】
本方法は、特にレーザビームが超短パルス・レーザビームの形で形成されている場合に使用することができる。超短パルス・レーザビームは、数フェムト秒から数ピコ秒までの大きさのパルス長さを有している。
【００１６】
本発明によるセンサは分光計の形で形成されているか、又は複数のセンサを有しており、この場合にセンサにより、周波数であらかじめ規定された信号が検出可能である。このセンサは有利には測定ビーム若しくは測定信号の周波数に同調若しくは調整されている。使用されるレーザビームの周波数並びに穿孔プロセスの枠内で生じるプロセス光の周波数には、センサは有利には反応しない。
【００１７】
さらにレーザビーム及び測定ビームのビーム通路に沿って、光学的なエレメント、例えばミラー又は光学系若しくは光学的なエレメントを配置してよい。
【００１８】
本発明の枠内では、有利な形式で、ビーム、すなわちレーザビーム及び測定ビームの経過又は方向を制御することが可能である。この場合に設けることのできる光学的なエレメントは、例えばミラーを有しており、これらのミラーは測定ビームの方向もレーザビームの方向も反射するか、又は変向し、かつ／又はミラーはビームのいずれか一方、有利にはレーザビームの方向を反射又は変向するが、しかしながら、他方のビーム、有利には測定ビームのためには透過性である。さらにビームのいずれか一方、有利には測定ビームを反射、変向又は透過させ、他方のビーム、有利にはレーザビームを吸収する光学的なエレメントが設けられていてよい。これらの光学的なエレメントの適宜な配置により、測定ビーム若しくはレーザのビーム通路を互いに平行に案内するか、又は変向により互いに分離させることもできる。これにより、測定ビームが孔を少なくとも一度通過し、測定ビームのみをセンサに到達させ、このセンサにより検出することができることが保証されている。有利な福次効果として、このような手段により、妨害となる、若しくは危険なレーザビームからセンサを保護することができる。
【００１９】
本発明により使用される測定ビームは孔を貫通照射し、適宜なセンサにより検出される。測定ビームの、測定された強度又はエネルギ量に基づき、孔の貫通が行われたかどうか、又はいつ行われたのかを規定することができる。特に孔の最も狭い直径がどの程度の大きさであるのかを量的に判断することができる。このようにして、超短パルス（数フェムト秒から数ピコ秒までの範囲のパルス長さ）により穿孔した場合にも、貫通を信頼性良く、若しくはリアルタイムで規定することができる。この場合、孔進行具合の評価がオンラインで可能である。超短パルスレーザ穿孔により、微細孔が、最高の正確さ及び意図的な許容誤差をもって形成可能である。この形式の微細孔は、例えばディーゼルノズル又は弁のための噴射孔の形で使用されることを（例としてのみ）指摘しておく。
【００２０】
この形式のプロセス確実化により、製造経過を最適化することができる。さらに欠陥率を都合良く制御することもできる。
【００２１】
次に本発明の実施の形態を図面につき説明する。
【００２２】
図１ａ、図１ｂ及び図１ｃは、それぞれ本発明による装置の択一的な構成を概略的に簡易化した側面図を示している。ここではレーザビーム３がそれぞれミラー７及び光学系５を介して未加工部品４上へ案内される。この場合の目的は未加工部品４を穿孔することである。
【００２３】
測定ビーム源１が測定ビーム１ａを送出する。この測定ビーム１ａの波長はレーザビーム３の波長には対応しておらず、理想的には、穿孔時に生じるプロセス光が放出されないか、又は極わずかにしか放出されない波長領域に位置している。センサ２が、本来のセンサエレメントと並んで、測定信号１ａのためのビーム案内のための光学的なエレメントをも有している。前記センサ２は分光計の形で形成されているか、又は複数の個別のセンサを有しており、これらのセンサが、周波数であらかじめ規定された信号を検出するようになっていてよい。
【００２４】
図１ａに示した構成では、レーザビーム３が変向ミラー７を介して（図面の方向で見て）下方へ、光学系５を介して、加工したい未加工部品４に加えられる。この場合に、測定ビーム源１により生ぜしめられた測定ビーム１ａが、光学系６で対応して変向された後に、下方から未加工部品４に当たるようになっており、この場合にレーザビーム３と測定ビーム１ａとは互いに逆方向に同じ軸線１１上を走る。光学系６の使用は、測定ビーム１ａを未加工部品の下側へ向け、この場合にレーザビーム３が未加工部品４を完全に穿孔した後に、測定ビーム源１をレーザビーム３から保護するという役割を有している。
【００２５】
レーザビーム３による未加工部品４の穿孔後には、測定ビーム１ａはこのようにして生ぜしめられた孔を通過し、レーザビームに対して逆方向に、光学系５と、測定ビーム１ａの波長に対しては透光性若しくは透過性の変向ミラー７とを通過してセンサ２に至る。このセンサ２では、測定ビーム１ａが測定信号１ｂとして検出される。
【００２６】
図１ｂに示した構成では、測定ビーム１ａが光学的なエレメント７ａでレーザビーム３によりオーバラップされ、これにより、レーザビーム３と測定ビーム１ａとはミラー７ｂを介した変向及び光学系５の通過後に同方向に未加工部品４に当たる。レーザ３が貫通部を穿孔するやいなや、両方のビームは孔を通過し、光学系６に到達する。この光学系６はレーザビーム３を吸収するか又は透過させ、測定ビーム１ａを反射する。この反射に基づき測定ビーム１ａが孔を再び通過した後には、この測定ビーム１ａはミラー７ｂを介して透過され、センサ２により測定信号１ｂとして検出される。ミラー７ｂは測定ビーム１ａに関して有利には半透過性に形成されており、これにより、測定ビーム源１から放出された測定ビームの強度の一部は、レーザビーム３と一緒に未加工部品４に当たり、次いで光学系６に反射され、この場合に測定ビーム１ａの、光学系６で反射された強度は、センサ２に到達するためにミラー７ｂを部分的に通過する。
【００２７】
図１ｃに示した、本発明による装置の変化態様では、レーザビーム３がミラー７で反射若しくは変向される。ここでは測定ビーム源１がミラー７の上方に配置された測定ビーム１ａは、変向されることなしにミラー７を通過する。両方のビームは互いにオーバラップされて、同方向に未加工部品４に当たる。レーザ３による未加工部品４の穿孔後には、光学系６により前記測定ビーム１ａはセンサ２に向かって変向され、測定信号１ｂとして検出される。レーザビーム３は光学系６内へ透過されるか、若しくはこの光学系６により吸収される。
【００２８】
センサ２は、それぞれこのセンサ２に衝突する測定ビーム１ａのエネルギ量若しくは強度を測定する。測定ビーム１ａの強度は、孔が最大の場合にセンサ２が過負荷されないように調節される。穿孔開始時には測定ビーム１ａの部分はセンサ２に当たることができない。なぜならば、孔はまだ開けられていないからである。場合によってはプロセス光は測定ビーム１ａの周波数においても放出され、これにより、センサ２の始動信号はゼロに等しくならないようになっている。孔に貫通部が形成されるやいなや、測定ビーム１ａの部分はセンサ２に到達し、測定信号１ｂとして検出される。
【００２９】
上に述べた３つの構成では、センサ２は、測定ビーム１ａが妨げられずに孔を介して伝わることができた場合にはじめて測定信号１ｂを測定することができる。これにより、レーザ孔の進行を時間的な経過で信頼性良く観察することができる。
【００３０】
図２若しくは図３に示した図表２０，３０にはビームのための強度Ｉが時間ｔにわたって記入されている。図表２０，３０には測定線が記入されている。すなわち、測定線２０ａ，３０ａ（点線で示す）はプラズマのビームの強度から得られたものであり、測定線２０ｂ，３０ｂ（実線で示す）は、測定ビームの強度から得られたものであり、かつ測定線２０ｃ、３０ｃ（破線で示す）は、レーザビームの強度から得られたものである。
【００３１】
図２に示した図表２０には、穿孔コアを有する大きい孔から得られた測定線２０ａ，２０ｂ，２０ｃが示されている（直径約３００μｍ）。大きい直径をドリルする場合には第１の貫通部（測定線２０ａの区分２１）を再び閉じることができ、孔の周にわたって複数の貫通部（区分２２）があってよい。それ故、測定ビーム（測定線２０ｂ）のための強度は、既に述べたように再び閉じることのできる第１の貫通部（区分２１）からは極わずかにしか上昇しない。これに対して穿孔コアの脱落時（区分２３）には、測定ビームの強度は飛躍的に上昇し、特に簡単に検出することができる。さらなる経過では孔の直径が拡大される（区分２４）。測定ビームの信号が一定不変にとどまった場合には、孔は最終直径に達した（区分２５）。
【００３２】
図３に示した図表３０には、穿孔コアなしの小さい孔を穿孔した場合の測定線３０ａ，３０ｂ，３０ｃが示されている（直径約１００μｍ）。この例では、図２による図表と比較して、貫通面が孔面全体に対して比較して一層大きくなっており、これにより、第１の貫通部（区分３１）により、測定信号（測定線３０ｂ）の強度の著しい上昇が得られる。第１の破断部（区分３１）後に穿孔プロセスが続行された場合には、孔は拡開され（湾曲された矢印３４）、測定ビームの強度（測定線３０ｂ）は再び上昇する。
【００３３】
図４による図表４０には、孔の面Ａのための座標軸が、測定ビームの強度信号のための座標軸Ｉにわたってμｍ２で記入されている。測定点４１は１００μｍよりもわずかな直径を有する孔に由来し、測定点４２は中位の直径の孔に由来し、測定点４３はより大きい直径（２５０μｍ〜３５０μｍまで）の孔に由来する。測定信号の強度は、孔の貫通照射に関係しており、それ故、孔の最も狭い直径の面と相関関係にある。信号のための妨害値は、（孔内の）可能なプラズマの遮蔽作用、測定ビーム源の強度変動、孔内の回折並びに反射作用である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１ａ】本発明による装置の有利な構成の概略的な側面図である。
【図１ｂ】本発明による装置の別の有利な構成の概略的な側面図である。
【図１ｃ】本発明による装置の別の有利な構成の概略的な側面図である。
【図２】本発明により評価可能な強度信号を説明するための図である。
【図３】本発明により評価可能な別の強度信号を説明するための別の図である。
【図４】評価可能な強度信号と、この場合に提供される孔サイズとの間の関係を例として説明するための図である。
2006513861.tif 000003
【図２】
2006513861.tif 000004
【図３】
2006513861.tif 000005
【図４】
2006513861.tif 000006
【国際調査報告】
2006513861.tif 000007
2006513861.tif 000008
2006513861.tif 000009
2006513861.tif 000010
2006513861.tif 000011
2006513861.tif 000012