(57)【要約】【課題】０及び負のテーパ加工した切り込みを形成するために均一なビームプロファイル及び狭いビーム発散を有するレーザビームを用いたレーザ加工システム及び方法を提供する。【解決手段】レーザ加工方法は、約２５０ｍｍを超える長い焦点距離を有するＦ−θレンズから、レンズの光軸から非垂直なビーム傾斜角で、シルクハット型プロファイル及び約１度〜約３度の狭いビーム発散角を有するレーザビームを、少なくともＸ方向及びＹ方向に移動可能なステージ上のワークピースに向かって誘導するステップと、誘導されたレーザビームを使用可能な視野に配置されたワークピースに係合するステップと、ワークピース及び誘導されたレーザビームを互いに対して移動させるステップと、加工面を画成するために、誘導されたレーザビームでワークピースの一部分を除去するステップとを含む。【選択図】図１
2016132035.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピース（１２、１１２）をレーザ加工するための方法（２００）であって、
約２５０ｍｍを超える長い焦点距離を有するＦ−θレンズから、レンズの光軸から非垂直なビーム傾斜角で、シルクハット型プロファイル及び約１度乃至３度未満の狭いビーム発散角を有するレーザビーム（２８）を、少なくともＸ方向及びＹ方向に移動可能なステージ（６０）上に配置されたワークピース（１２、１１２）に向かって誘導するステップ（２１０）と、
誘導されたレーザビーム（２８）をワークピース（１２、１１２）に係合するステップ（２２０）と、
ワークピース（１２、１１２）及び誘導されたレーザビーム（２８）を互いに対して移動させるステップ（２３０）と、
加工面を画成するために、誘導されたレーザビーム（２８）でワークピース（１２、１１２）の一部分を除去するステップ（２４０）と
を含む方法（２００）。
【請求項２】
誘導するステップ（２１０）は、加工面がＺ方向に対してほぼ０テーパを有するように、約３度〜約６度の非垂直なビーム傾斜角でレーザビーム（２８）を誘導するステップを含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項３】
誘導するステップ（２１０）は、約４２０ｍｍを超える長い焦点距離を有するＦ−θレンズから誘導するステップを含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項４】
レーザビーム（２８）は、周辺部を有する使用可能な視野を規定するビーム傾斜角の範囲で誘導可能であり、
係合するステップ（２２０）は、誘導されたレーザビーム（２８）の軸が使用可能な視野の周辺部から離間している使用可能な視野に配置されたワークピース（１２、１１２）に、誘導されたレーザビーム（２８）を係合するステップを含み、
除去するステップ（２４０）は、加工面がＺ方向に対してほぼ０テーパを有するように、誘導されたレーザビーム（２８）を用いてワークピース（１２、１１２）の一部分を除去するステップを含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項５】
レーザビーム（２８）は、周辺部を有する使用可能な視野を規定する光軸からビーム傾斜角の範囲で誘導可能であり、
係合するステップ（２２０）は、誘導されたレーザビーム（２８）の軸が約１５ｍｍ〜約３０ｍｍで使用可能な視野の周辺部から離間している使用可能な視野に配置されたワークピース（１２、１１２）に、誘導されたレーザビーム（２８）を係合するステップを含み、
除去するステップ（２４０）は、加工面がＺ方向に対してほぼ０テーパを有するように、誘導されたレーザビーム（２８）を用いてワークピース（１２、１１２）の一部分を除去するステップを含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項６】
レーザビーム（２８）は、周辺部を有する使用可能な視野を規定する光軸からビーム傾斜角の範囲で誘導可能であり、
係合するステップ（２２０）は、誘導されたレーザビーム（２８）の軸が使用可能な視野の周辺部から離間している使用可能な視野に配置されたワークピース（１２、１１２）に、誘導されたレーザビーム（２８）を係合するステップを含み、
除去するステップ（２４０）は、加工面がＺ方向に対して負のテーパを有するように、誘導されたレーザビーム（２８）を用いてワークピース（１２、１１２）の一部分を除去するステップを含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項７】
レーザビーム（２８）は、周辺部を有する使用可能な視野を規定する光軸からビーム傾斜角の範囲で誘導可能であり、
係合するステップ（２２０）は、誘導されたレーザビーム（２８）の軸が使用可能な視野の周辺部から約１５ｍｍの範囲内で離間するように、誘導されたレーザビーム（２８）を使用可能な視野に配置されたワークピース（１２、１１２）に係合するステップを含み、
除去するステップ（２４０）は、加工面がＺ方向に対して負のテーパを有するように、誘導されたレーザビーム（２８）を用いてワークピース（１２、１１２）の一部分を除去するステップを含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項８】
誘導するステップ（２１０）は、シルクハット型プロファイル及び固定角の狭いビーム発散を有するレーザビーム（２８）を誘導するステップを含み、
移動させるステップ（２３０）は、ステージ（６０）をＸ方向及び／又はＹ方向に移動させるステップを含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項９】
誘導するステップ（２１０）は、ガウス型プロファイルを有するレーザビーム（２８）を、シルクハット型プロファイルを有する誘導されたレーザビーム（２８）に変換するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項１０】
変換するステップは、光ファイバ装置を通してガウス型プロファイルを有するレーザビーム（２８）を通過させるステップを含む、請求項９に記載の方法（２００）。
【請求項１１】
誘導されたレーザビーム（２８）をワークピース（１２、１１２）に係合するステップは、加工面の角度に基づいて使用可能な視野の中心からのシフト距離及び方向を決定し、加工すべきワークピース（１２、１１２）の一部を使用可能な視野の中心から所定の距離及び方向に位置決めするためにステージ（６０）を移動させるステップを含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項１２】
提供するステップは、ステージ（６０）上に配置されたセラミック母材複合ワークピース（１２、１１２）を提供するステップを含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項１３】
除去するステップ（２４０）は、ライン切り込みを形成するステップ又はスロットを形成するステップを含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項１４】
ワークピース（１２、１１２）をレーザ加工するためのレーザ加工システム（１０）であって、レーザ加工システム（１０）は、
ガウス型プロファイルを有するレーザビーム（２８）を生成するように動作可能なレーザと、
ガウス型プロファイルを有するレーザビーム（２８）を、シルクハット型プロファイルを有するレーザビーム（２８）に変換する変換器（３０）と、
約２５０ｍｍを超える長い焦点距離を有するＦ−θレンズと、
少なくともＸ方向及びＹ方向に移動可能な、ワークピース（１２、１１２）を支持し移動させるように動作可能なステージ（６０）と、
シルクハット型プロファイルを有するレーザビーム（２８）を受け取り、ステージ（６０）上のワークピース（１２、１１２）に向かってレンズの光軸からある角度でＦ−θレンズを通してレーザビーム（２８）を誘導するビームステアリング装置（４０）であって、レーザビーム（２８）は、周辺部を有する使用可能な視野を規定するレンズの光軸からある範囲の角度にわたって誘導可能であり、約１度乃至３度未満の狭いビーム発散角を有する、ビームステアリング装置（４０）と、
ステージ（６０）及び／又はビームステアリング装置（４０）の動作を制御して、Ｆ−θレンズを通してシルクハット型プロファイルを有するレーザビーム（２８）をワークピース（１２、１１２）上に配向させ、加工面を画成するために誘導されたレーザビーム（２８）によりワークピース（１２、１１２）の一部分を除去するように動作可能なコントローラ（７０）と
を備えるレーザ加工システム（１０）。
【請求項１５】
ビームステアリング装置（４０）は、加工面がＺ方向に対してほぼ０テーパを有するように、約３度〜約６度の非垂直なビーム傾斜角でレーザビーム（２８）を誘導するように動作可能である、請求項１４に記載のレーザ加工システム（１０）。
【請求項１６】
Ｆ−θレンズの焦点距離は、約４２０ｍｍを超えるものを含む、請求項１４に記載のレーザ加工システム（１０）。
【請求項１７】
システム（１０）は、加工面がＺ方向に対して０テーパを有するように、誘導されたレーザビーム（２８）の軸が使用可能な視野の周辺部から離間している使用可能な視野に配置されたワークピース（１２、１１２）に、誘導されたレーザビーム（２８）を係合するように動作可能である、請求項１４に記載のレーザ加工システム（１０）。
【請求項１８】
システム（１０）は、ワークピース（１２、１１２）の加工面がＺ方向に対して０テーパを有するように、誘導されたレーザビーム（２８）の軸が使用可能な視野の周辺部から１５ｍｍ〜約３０ｍｍ離間して動作可能である、請求項１４に記載のレーザ加工システム（１０）。
【請求項１９】
システム（１０）は、加工面がＺ方向に対してほぼ負のテーパを有するように、誘導されたレーザビーム（２８）の軸が使用可能な視野の周辺部から離間している使用可能な視野に配置されたワークピース（１２、１１２）に、誘導されたレーザビーム（２８）を係合するように動作可能である、請求項１４に記載のレーザ加工システム（１０）。
【請求項２０】
システム（１０）は、加工面がＺ方向に対してほぼ負のテーパを有するように、誘導されたレーザビーム（２８）の軸が使用可能な視野の周辺部から約１５ｍｍの範囲内にあるように動作可能である、請求項１４に記載のレーザ加工システム（１０）。
【請求項２１】
変換器（３０）は、光ファイバ装置を含む、請求項１４に記載のレーザ加工システム（１０）。
【請求項２２】
コントローラ（７０）は、切削の角度に基づいて使用可能な視野の中心からのシフト距離及び方向を決定し、加工すべきワークピース（１２、１１２）の一部を使用可能な視野の中心から所定の距離及び方向に位置決めするためにステージ（６０）の移動を制御するように動作可能である、請求項１４に記載のレーザ加工システム（１０）。
【請求項２３】
システム（１０）は、セラミックワークピースを含むワークピース（１２、１１２）の一部分を除去するように動作可能である、請求項１４に記載のレーザ加工システム（１０）。
【請求項２４】
システム（１０）は、ライン切り込み又はスロットを含むワークピース（１２、１１２）の一部分を除去するように動作可能である、請求項１４に記載のレーザ加工システム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的には、レーザ加工に関し、より具体的には、０及び負のテーパ加工した切り込みを形成するために均一なビームプロファイル及び狭いビーム発散を有するレーザビームを用いたレーザ加工システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工では、レーザビーム発生装置は、加工されるワークピース上にレーザビームを誘導する光学系と組み合わせて使用される。ワークピース上でのレーザビームの衝突により、ワークピース材料を局所的に溶融及び／又は気化させて、ワークピースに孔又は切り込みを生成又は延長させる。ワークピース上でのレーザビームの衝突点の位置は、レーザビーム及びワークピースの一方又は両方を移動させることにより制御することができ、それによって、孔又は切り込みの幾何学的形状を制御することができる。
【０００３】
ワークピースのレーザ加工は、しばしば、テーパを示す切削形状に沿ったエッジを生成する。テーパのついたエッジを回避する１つの方法は、固定チルト角でスポット位置においてレーザビームを回転させる特別なトレパニングヘッドを使用することである。部品は、静止したままである。このような方法は、小さい孔の穿孔にのみ有効である。別のアプローチは、レーザビームを同じ入射角に維持しつつ、部品を物理的に回転させることであるが、これは０テーパの切り込みを実現するために高精度ＣＮＣステージ（通常４〜５軸）及び高度な制御ソフトウェアを必要とする。
【０００４】
０及び負のテーパ加工した切り込みを形成するための均一なビームプロファイル及び狭いビーム発散を有するレーザビームを用いたレーザ加工システム及び方法が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０２６３２１２号明細書
【発明の概要】
【０００６】
本開示は、第１の態様では、ワークピースをレーザ加工するための方法を提供する。本方法は、約２５０ｍｍを超える長い焦点距離を有するＦ−θレンズから、レンズの光軸から非垂直なビーム傾斜角で、シルクハット型プロファイル及び約１度〜約３度の狭いビーム発散角を有するレーザビームを、少なくともＸ方向及びＹ方向に移動可能なステージ上に配置されたワークピースに向かって誘導するステップと、誘導されたレーザビームを使用可能な視野に配置されたワークピースに係合するステップと、ワークピース及び誘導されたレーザビームを互いに対して移動させるステップと、加工面を画成するために、誘導されたレーザビームでワークピースの一部分を除去するステップとを含む。
【０００７】
本開示は、第２の態様では、ワークピースをレーザ加工するためのレーザ微細加工システムを提供する。レーザ微細加工システムは、レーザと、変換器と、Ｆ−θレンズと、ステージと、ビームステアリング装置と、コントローラとを含む。レーザは、ガウス型プロファイルを有するレーザビームを生成するように動作可能である。変換器は、ガウス型プロファイルを有するレーザビームをシルクハット型プロファイルを有するレーザビームに変換するように動作可能である。Ｆ−θレンズは、約２５０ｍｍを超える長い焦点距離を有する。ステージは、少なくともＸ方向及びＹ方向に移動可能なワークピースを支持し移動させるように動作可能である。ビームステアリング装置は、シルクハット型プロファイルを有するレーザビームを受け取り、ステージ上のワークピースに向かってレンズの光軸からある角度でＦ−θレンズを通してレーザビームを誘導するように動作可能である。レーザビームは、周辺部を有する使用可能な視野を規定するレンズの光軸からある範囲の角度にわたって誘導可能であり、約１度〜約３度の狭いビーム発散角を有する。コントローラは、ステージ及び／又はビームステアリング装置の動作を制御して、Ｆ−θレンズを通してシルクハット型プロファイルを有するレーザビームをワークピース上に配向させ、加工面を画成するために誘導されたレーザビームによりワークピースの一部分を除去するように動作可能である。
【０００８】
本発明の上述した及び他の特徴、態様、並びに利点は、添付した図面と合わせて、本開示の様々な態様についての以下の詳細な説明から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ワークピースを加工するように動作可能な本発明の態様によるレーザ加工システムの模式図である。
【図２】シルクハット型プロファイルを有するレーザビームを用いる図１のレーザ加工システムを用いて作製した複数の加工された切り込みの側面断面図である。
【図３】ガウス型プロファイルを有するレーザビームを用いる従来技術のレーザ加工システムを用いて作製した複数の加工された切り込みの側面断面図である。
【図４】焦点距離の長いＦ−θレンズを用いる図１のレーザ加工システムを用いて作製した複数の加工された切り込みの側面断面図である。
【図５】焦点距離の短いレンズを用いる従来技術のレーザ加工システムを用いて作製した複数の加工された切り込みの側面断面図である。
【図６】本開示の態様によるレーザ加工方法を示す図である。
【図７】本開示の態様によるレーザ加工方法を示す図である。
【図８】本開示の態様によるレーザ加工方法を示す図である。
【図９】本開示の態様による、ワークピースをレーザ加工するための方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に示す各実施形態は、本開示の特定の態様の説明を容易にするものであって、本開示の範囲を限定するものと解釈するべきではない。さらに、近似する文言は、本明細書及び特許請求の範囲の全体にわたってここで用いられるように、それが関連する基本的機能の変更をもたらすことなく許容範囲で変化することができる定量的表現を修飾するために適用することができる。したがって、例えば「およそ」という１つ又は複数の用語によって修飾される値は、指定された正確な値に限定されない。場合によっては、近似する文言は、値を測定するための機器の精度に対応してもよい。様々な実施形態の要素を導入する場合に、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「前記（ｔｈｅ）」及び「前記（ｓａｉｄ）」は１つ又は複数の要素があることを意味するものである。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包括的なものであって、列挙された要素以外の付加的な要素があり得ることを意味している。本明細書で用いる「することができる（ｍａｙ）」及び「であってもよい（ｍａｙ  ｂｅ）」という用語は、一組の状況内での発生の可能性、指定された性質、特性もしくは機能の所有を示し、及び／又は修飾された動詞と関係する能力、性能、もしくは可能性のうちの１つ又は複数を表現することによって別の動詞を修飾する。したがって、「することができる（ｍａｙ）」及び「であってもよい（ｍａｙ  ｂｅ）」の使用は、修飾された用語が示された能力、機能、又は使用について、明らかに適切であるか、可能であるか、又は好適であることを示すが、いくつかの状況では、修飾された用語が適切でなかったり、可能でなかったり、又は好適でなかったりする場合があり得ることを考慮する。動作パラメータのいかなる例も、開示された実施形態の他のパラメータを排除するものではない。記載され、図示され、又はそうでなければ任意の特定の実施形態に関連して本明細書で開示された構成要素、態様、特徴、構成、配置、及び用途等は、本明細書に開示された他のいずれの実施形態にも同様に適用することができる。
【００１１】
本開示は、とりわけ、レーザ加工システム、より具体的には、０又は負のテーパ加工した切り込みを実現するために小さいビーム傾斜角が要求されるので、より小さい発散及びより均一なプロファイルを有するレーザビームを用いるレーザ加工システムに対処し、それを向上させる。例えば、本開示の技術は、ガウス型ビームプロファイルを有するレーザビームをシルクハット型ビームプロファイルを有するレーザビームに変換して、シルクハット型レーザビームが長い焦点距離を有するＦ−θレンズを通るようにすることを含む。以下に詳述するように、Ｆ−θレンズからの誘導されたシルクハット型プロファイルのレーザビームは、概ね狭い発散角と高い強度とを有する。さらに、Ｆ−θレンズからの誘導されたシルクハット型プロファイルのレーザビームは、Ｆ−θレンズの光軸に近くて、Ｆθレンズの使用可能な視野の周辺部から離間している０テーパの切り込みを形成するように動作可能である。ライン切り込み及び溝付きスロットは、加工すべきワークピースを支持し移動させるための２次元ステージとの組み合わせで容易に実現することができる。レーザ加工のこのような技術によって、同技術を用いるシステムは、特殊なトレパニングヘッド又は高価な精密ＣＮＣ機械を必要とする従来のレーザ加工に比べて安価になり得る。また、このような技術は、従来のレーザ加工処理と比較して、より少ない電力損失で動作可能とすることができる。さらに、このような技術は、セラミック母材の複合引張り試験片の切削に適する場合があり、シールスロットなどの他の形状にも適用することができる。
【００１２】
図１は、０テーパ又は制御されたもしくは角度のついたテーパを有するワークピースを加工するように動作可能な本発明の態様によるレーザ加工システム１０の模式図である。例えば、レーザ微細加工システム１０は、一般に、レーザ２０と、レーザビーム変換器３０と、ビームステアリング装置４０と、ビーム成形光学素子５０と、ワークピース１２を支持することができる可動ステージ６０と、コントローラ７０とを含むことができる。
【００１３】
レーザ源は、選択されたワークピースに所望の加工作業を行うことに適合する十分なパワー、コヒーレンシ、パルス幅、パルス繰り返し時間、及び波長のレーザビームを生成することができる任意のタイプのレーザシステムであってもよい。例えば、レーザ源は、約０．１ワットから約２０，０００ワットまでのパワーを有する固体、ＣＯ２、又はファイバレーザであってもよい。当業者には理解されるように、レーザシステムで使用される光部品は、動作中にこれらの部品を損傷することを回避するように、レーザ源に動作可能に適合している。レーザ２０は、断面においてガウス型プロファイル分布又は空間特性を有するレーザビーム２２又はパルスを出射し、それは、変換器３０で、断面においてシルクハット型プロファイル分布又は空間特性を有するレーザビーム２４又はレーザパルスに変換又は再成形される。このようなシルクハット型プロファイルの強度プロファイルでは、ガウス型ビームの強度プロファイルと異なり、ビームの強度はビームの直径など断面全体にわたって比較的一定である。したがって、成形されたビームのエッジは、ビームの中心とほぼ同じ強度を有し、ビームのエッジにおける強度低下を低減する。ガウス型からシルクハット型への変換器は、伝送損失を最小限に抑えつつ、１次元又は２次元のシングルモードガウス型ビームプロファイルをフラットトップ型プロファイルに変換する光学装置であってもよい。変換器は、屈折素子、回折素子、光ファイバ、その他の動作可能な部品、及びこれらの組み合わせを用いることができる。
【００１４】
ビームステアリング装置４０は、シルクハット型プロファイル分布を有するレーザビーム２４を受け取り、レーザビーム２４をビーム成形光学素子５０に向けてリダイレクトするための可動ミラー４２を含むことができる。例えば、ｘ−ｙチルトミラーは、加工するためのワークピース上にレーザスポットを位置決め又は走査するために使用することができる。ビームステアリング装置のミラーは、ビーム成形光学素子５０の光軸Ａに垂直な第１軸の周りに動的かつ往復的に傾斜可能であってもよい。また、ビームステアリング装置のミラーは、第１軸に垂直な第２軸の周りに動的かつ往復的に傾斜可能であってもよい。例えば、ビームステアリング装置は、ｘ軸及びｙ軸にそれぞれ１つずつ配置された２つの検流計に基づくスキャナを含むことができ、検流計、ミラー（又は複数のミラー）、及びビームステアリング装置を制御するサーボドライバ基板を含んでもよい。
【００１５】
ビーム成形光学素子５０は、長い焦点距離を有するＦ−θレンズを含むことができ、その焦点距離は、例えば約２５０ｍｍ超でもよいし、２５０ｍｍ超でもよいし、約２５０ｍｍ〜約４２０ｍｍであってもよいし、約４２０ｍｍ超でもよいし、或いは４２０ｍｍ超でもよい。ビームステアリング装置４０とビーム成形光学素子５０との組み合わせによって、ステージ６０上に配置されたワークピース１２に向かうシルクハット型プロファイルを有する制御可能な誘導されたレーザビーム２８が得られる。Ｆ−θレンズは、平面上に画像を形成するためと、走査長さｘと走査又は傾斜角θとの間の線形関係を提供するための両方のために、以下のいわゆるＦ−θ条件に従って設計される。
【００１６】
ｘ＝ｆ＊θ
走査長さｘは、単純に入射走査角θに焦点距離ｆを乗じたものに等しい。すなわち、撮像面上のスポットの位置は、走査角に正比例する。これは、標準的な走査レンズに必要な複雑な電子的補正の必要性を取り除く。
【００１７】
レーザビームは、集束レンズの中心を直接通過しない。代りに、レーザビームは、レンズの光軸Ａに対して角度θでレンズに入射する。レンズは、レーザビームを曲げて、ビームがレンズの中心軸に対してビーム傾斜角αでワークピースに到達するようにする。ビーム傾斜角αは、レンズの形状及びレーザビームとレンズの中心軸との間の距離に依存する。レーザビームと中心軸との間の距離を変化させると、ビーム傾斜角αが変化する。一態様では、レーザ加工中に、レーザビームはレンズの光軸から一定の距離を維持することができ、その結果、一定のビーム傾斜角αが得られる。誘導されたレーザビーム２８は、周辺部Ｐを有する視野ＦＯＶの上にビーム成形光学素子５０の中心光軸Ａに対してビーム傾斜角αで誘導することができる。
【００１８】
ステージ６０は、ワークピース１２を保持してＸ方向及びＹ方向に沿ってレーザビーム軸に対してワークピースを移動させるための移動制御装置（図示せず）を含むことができる。例えば、ステージは、Ｘ軸リニアモータ及びＹ軸リニアモータを含むことができる。好適なステージは、直交する３軸（Ｘ、Ｙ、及びＺ）の平行移動及び３軸の周りの回転を含む６つまでの軸で移動可能とすることができることが理解されよう。
【００１９】
コントローラ７０は、プロセッサもしくはマイクロプロセッサ、１つもしくは複数の入力及び出力装置、並びに１つもしくは複数のメモリを含む動作可能なコンピューティングユニットであってもよい。コントローラ７０は、レーザ２０、ビームステアリング装置４０、ビーム成形光学素子５０、及びステージ６０に動作可能に接続される。コントローラ７０は、レーザビーム経路に沿ってレーザビーム又はパルスを出射するようにレーザを指示し、誘導されたレーザビームに対してワークピースを位置決めするためにビームステアリング光学素子とステージとを調整し、誘導されたレーザビームがワークピースと係合してレーザ加工を行うように動作可能である。コントローラからのコマンド信号は、一般に、メモリに記憶されたプログラミング命令に基づいて出力され、プログラミング命令の各々の機能は、コンピューティングユニットのロジックによって実行される。ビームステアリング装置などの種々の構成要素は、コントローラとの間でデータをやり取りするそれ自体のコントローラを含んでもよい。さらに、コントローラは、パーソナルコンピュータなどのコンピュータに組み込まれてもよい。
【００２０】
図２は、本発明の態様による図１のシステムを用いたレーザ加工を示す図であり、レーザビーム又はパルスは、ビーム成形光学素子の垂直光軸Ａに対して異なるビーム傾斜角αでワークピース１２に３つの切り込みを得るためのシルクハット型強度プロファイル分布を有する。図３は、ビーム成形光学素子の垂直光軸Ａに対して異なるビーム傾斜角αでワークピース１２に３つの切り込みを得るためのガウス型強度プロファイル分布を有するレーザビーム又はパルスを用いたレーザ加工のための従来技術の方法を示す。図２と図３とを比較して示すように、シルクハット型ビームプロファイルを用いることにより、ガウス型プロファイルを有するレーザビームを用いて作製された切り込み又は加工面のテーパ角β２と比較して、加工された切り込み又は加工面のテーパ角β１（例えば、約３度乃至約５度未満）が小さくなる。さらに、ガウス型強度分布を有するレーザビームを用いる場合のビーム傾斜角α２と比較して、シルクハット型プロファイルを有するレーザビームを用いて０テーパの切り込みを実現するためには、より小さいビーム傾斜角α１（例えば、約４度〜約７度）が必要である。さらに、ビーム傾斜角α及びテーパ角βをより小さくすることにより、ガウス型強度分布プロファイルを有するレーザビームを用いた距離Ｘ２に比べて、例えば、走査ヘッド視野ＦＯＶ（図１）の周辺部Ｐ（図１）の内側のより大きな領域内においてビーム成形光学素子の光軸Ａから小さい距離Ｘ１で０テーパの切り込みを加工することができる。
【００２１】
図４は、ビーム成形光学素子の垂直光軸Ａに対して異なる角度αで４つの切り込みを得るための長い有効焦点距離ＥＦＬ１（例えば、約２５０ｍｍより長い）を有するＦ−θレンズなどのビーム成形光学素子５０を用いる、本発明の態様による図１のシステムを用いたレーザ加工を示す。図５は、ビーム成形光学素子の垂直光軸Ａに対して異なる角度αで３つの切り込みを得るための短い有効焦点距離ＥＦＬ２を有するビーム成形光学素子を用いたレーザビーム又はパルスを用いたレーザ加工のための従来技術の方法を示す。図４と図５とを比較して示されるように、焦点距離の長いＦ−θレンズを用いることで、焦点距離の短いレンズのビーム発散角φ２と比較して、より小さいビーム発散角φ１（例えば約１度〜約３度）が得られる。さらに、焦点距離の長いＦ−θレンズを用いることにより、焦点距離の短いレンズを用いて加工された切り込み又は加工面のテーパ角β４と比較して、加工された切り込み又は加工面のより小さなテーパ角度β３（例えば、約３度乃至５度未満）が得られる。さらに、焦点距離の短いレンズを用いた場合のビーム傾斜角α４と比較して、焦点距離が長いＦ−θレンズを用いて０テーパの切り込みを実現するためには、より小さいビーム傾斜角α３（例えば、約４度〜約７度）が必要である。また、ビーム傾斜角をより小さくすることにより、例えば、走査ヘッド視野ＦＯＶ（図１）の周辺部Ｐ（図１）の内側のより大きな領域内においてビーム成形光学素子の光軸Ａからの距離Ｘ３で０テーパの切り込みを加工することができる。さらに、ビーム傾斜角α及びテーパ角βをより小さくすることにより、焦点距離の短いレンズを用いた距離Ｘ４に比べて、例えば、走査ヘッド視野ＦＯＶ（図１）の周辺部Ｐ（図１）の内側のより大きな領域内においてビーム成形光学素子の光軸Ａから小さい距離Ｘ３で０テーパの切り込みを加工することができる。言い換えれば、より小さいビーム発散角φには、より小さいビーム傾斜角（α３＜α４）が必要である。０テーパのためのより小さいビーム傾斜によって、走査ヘッド視野の周辺部の内側のより大きな領域内において加工が可能になる。
【００２２】
本開示の態様による、図１のレーザ加工システムのさらなる実施形態は、長い有効焦点距離ＥＦＬ１（例えば、約２５０ｍｍ・約４２０ｍｍ）を有するＦ−θレンズなどのビーム成形光学素子と組み合わせて、シルクハット型強度プロファイル分布を有するレーザビーム又はパルスを用いることを含むことができる。このような構成によって、ガウス型強度分布プロファイルを有するレーザビーム及び焦点距離の短いレンズを用いる場合のビーム傾斜に比べて、０テーパの切り込みを実現するために必要となる、より小さいビーム傾斜角α（例えば、約３度〜約６度）が得られる。さらに、このような構成により、走査ヘッド視野の周辺部（例えば、周辺部から約１５ｍｍ〜約３０ｍｍ）の内側のより大きな領域内で加工を可能にする０テーパのためのより小さいビーム傾斜が得られる。
【００２３】
本開示の技術は、一般的に、レーザ加工中の切削面又は加工面のテーパを低減及び／又は制御することを可能にすることが理解されよう。具体的なレーザビームの入射角又は傾斜角は、０又はさらに負のテーパの切り込み角を有する形状を加工するために選択することができる。例えば、Ｘ−Ｙ移動ステージを使用することによって、ワークピースの所望のレーザ加工形状をビーム成形光学素子の光学中心又は光軸から較正された距離にシフトさせて、所望のレーザ加工形状に対応して試料の厚さを貫通する０又はさらに負のテーパの切り込みを行うように、レーザビームを所望のビーム傾斜角で誘導することができる。レーザ処理パラメータ及びシフト距離を制御することにより、異なる角度のテーパ（正から負まで）を実現することができる。
【００２４】
図６〜図８は、ワークピースの異なる方向又は形状のエッジに対してほぼ同一の加工テーパ角を実現するための本開示の態様による処理を模式的に示す。例えば、図６に示すように、ワークピース１１２をステージ６０上に配置することができる。システム１０（図１）は、ステージの中心軸Ａから離れる特定の方向に各切削エッジをシフトさせるように動作可能にプログラムすることができる。最初に、この処理は、グリッドパターン（図６）を用いて全レーザ走査フィールドを較正し、第１の切削についてレーザ加工設定及び形状エッジ方向に基づいて要求される０又は特定のテーパ値の切り込みのシフト距離及び方向を決定し、図７に示すように、中心軸Ａから所定の距離及び方向に加工エッジを移動させることを含むことができる。レーザ加工は、一部が静止状態（レーザを走査又は移動させる）で、又はステージ及びその上のワークピースを移動させることにより、エッジ１１３に対して行うことができる。その後、ワークピースを中心に戻して、第２の切削についてレーザ加工設定及び形状エッジ方向に基づいて要求される０又は特定のテーパ値の切り込みのシフト距離及び方向を決定し、図８に示すように、中心軸Ａから所定の距離及び方向に加工エッジを移動させることができる。レーザ加工は、一部が静止状態（レーザを走査又は移動させる）で、又はステージ及びその上のワークピースを移動させることにより、エッジ１１４に対して行うことができる。この処理は、エッジ１１５及び１１６などのさらなるエッジ又は形状を加工するために繰り返すことができる。
【００２５】
図９は、本開示の態様による、ワークピースをレーザ加工するための方法２００のフローチャートを示す。方法２００は、約２５０ｍｍを超える長い焦点距離を有するＦ−θレンズから、レンズの光軸から非垂直なビーム傾斜角で、シルクハット型プロファイル及び約１度乃至３度未満の狭いビーム発散角を有するレーザビームを、少なくともＸ方向及びＹ方向に移動可能なステージ上に配置されたワークピースに向かって誘導するステップ２１０を含む。ステップ２２０で、誘導されたレーザビームは、ワークピースに係合される。ステップ２３０で、ワークピース及び／又は誘導されたレーザビームを互いに対して移動させ、ステップ２４０で、誘導されたレーザビームによりワークピースの一部分を除去して、加工面を画成する。
【００２６】
１つの構成では、レーザビームは、固定された位置に誘導されて維持され、ステージが移動する。他の構成では、運動制御ステージ又はビームステアリング光学素子、或いはその両方を、ワークピースをレーザ加工するためにワークピースに対してレーザビーム経路を位置決めするために使用することができる。
【００２７】
本開示の本レーザ加工処理は、例えば、セラミック、金属、ガラス、宝石、ゴム、ポリマー、及び複合材料のほぼ任意の種類のワークピース材料で使用することができる。以上説明したように、本開示は、走査ヘッドによるレーザ加工において２Ｄ形状の切削又はスロット溝加工のテーパを制御するように動作可能な方法を提供する。部品の１つもしくは複数の、又は全部のエッジについて、０又はさらに負のテーパを実現することができる。
【００２８】
本開示は、より大きなビーム発散、より短い焦点深度、及びより大きなパワー空間分布を用いる現行のレーザ加工と比較して、例えばＣＭＣ引張り試験片の切削などの多くの用途の部品の上部と底部との間のより良好な公差管理を可能にすることができる。
【００２９】
したがって、本技術の利点は、物理的傾斜又は特殊トレパニング光学系を用いずに、部品サイズの公差要件を満たすように、レーザ加工ＣＭＣ又は他の材料などの０又は所望のテーパでレーザ加工することを可能にすることを含むことができる。また、本技術は、標準的な走査ヘッド及び２軸平面運動ハードウェアだけを使用して、より安価でより簡素なテーパ制御を提供することができる。また、例えば、特別なトレパニングヘッドを使用する場合よりも、処理速度はより速く、焦点距離の長いＦ−θレンズを通過する際のパワー損失はより小さくなり得る。本技術は、シールスロット加工などのＣＭＣ部品の様々な形状に適用可能であり得る。
【００３０】
上記の説明は例示するものであって、限定することを意図したものではないことを理解すべきである。添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定義される本開示の一般的な趣旨及び範囲から逸脱することなく、当業者は多くの変更及び修正を行うことができる。例えば、上記の実施形態（及び／又はその態様）は、互いに組み合わせて用いることができる。さらに、本発明の範囲を逸脱せずに特定の状況又は材料を様々な実施形態の教示に適応させるために、多くの修正を行うことができる。本明細書に記載した材料の寸法及び種類は、様々な実施形態のパラメータを規定するためのものであるが、それらは決して限定的なものではなく、単に例示的なものにすぎない。多くの他の実施形態は、上記の説明を検討することにより当業者には明らかであろう。したがって、様々な実施形態の範囲は、添付した特許請求の範囲に与えられる均等物の完全な範囲と共に、添付した特許請求の範囲によって決定されなければならない。添付した特許請求の範囲において、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「そこにおいて（ｉｎ  ｗｈｉｃｈ）」という用語は、それぞれ「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「そこにおいて（ｗｈｅｒｅｉｎ）」という用語の平易な英語に相当するものとして用いられる。さらに、以下の特許請求の範囲において、「第１の」、「第２の」、及び「第３の」等の用語は、単にラベルとして用いており、それらの対象物に対して数の要件を課すことを意図するものではない。また、結合された、接続された、接合された、封止された等の用語と併用された「動作可能に」という用語は、本明細書において、分離した個別の構成要素が直接的又は間接的に結合されることによる接続と、構成要素が一体に（すなわち、ワンピースに、一体に、又はモノリシックに）形成されることによる接続と、の両方をさすものとして使用される。さらに、以下の特許請求の範囲の限定は、そのような特許請求の範囲の限定が「のための手段（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ）」の後にさらなる構造のない機能についての記載が続くフレーズを明白に用いない限り、そしてそうするまでは、ミーンズプラスファンクション形式で書かれたものではなく、米国特許法第１１２条第６項に基づいて解釈されることを意図するものではない。任意の特定の実施形態に基づいて、上述したすべてのこのような対象物又は利点が必ずしも達成できるわけではないことを理解すべきである。したがって、例えば、当業者には明らかなように、本明細書に記載されたシステム及び技術は、本明細書で教示又は示唆されるように他の目的又は利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示される１つの利点もしくは１群の利点を達成又は最適化する態様で具現化又は実施してもよい。
【００３１】
本開示について限られた数の実施形態にのみ関連して詳述しているが、本開示がこのような開示された実施形態に限定されないことが直ちに理解されるべきである。むしろ、これまでに記載されていない任意の数の変形、変更、置換又は等価な構成を組み込むために、本開示を修正することができ、それらは本開示の趣旨と範囲に相応している。さらに、本開示の様々な実施形態について記載しているが、本開示の態様は記載した実施形態のうちのいくつかのみを含んでもよいことを理解すべきである。したがって、本開示は、上記の説明によって限定されるとみなされるのではなく、添付した特許請求の範囲によって限定されるだけである。
【００３２】
この明細書は、最良の形態を含む実施例を用いており、また、いかなる当業者も本開示を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイス又はシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本開示の特許され得る範囲は、請求項によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例が請求項の字義通りの文言と異ならない構造要素を有する場合、又は、それらが請求項の字義通りの文言と実質的な差異がない等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。
【符号の説明】
【００３３】
１０  レーザ加工システム
１２  ワークピース
２０  レーザ
２２  レーザビーム
２４  レーザビーム
２８  誘導されたレーザビーム
３０  レーザビーム変換器
４０  ビームステアリング装置
４２  可動ミラー
５０  ビーム成形光学素子
６０  可動ステージ
７０  コントローラ
１１２  ワークピース
１１３  エッジ
１１４  エッジ
１１５  エッジ
１１６  エッジ
２００  方法
２１０  ステップ
２２０  ステップ
２３０  ステップ
２４０  ステップ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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