レーザービームを用いた材料の穿孔および除去装置
本発明はレーザービームを用いて材料を穿孔および除去する装置に関連し、前記装置は回転する像回転器（２）；ビーム方向から見たとき像回転器の前面に設けられ、ビームの角度と位置を像回転器の回転軸に対して調整するビーム操作器（１）、像回転器の出力側に設けられた焦点部品（３）からなる。本発明は補償部品（３、１３、１４、１５）が像回転器と焦点部品の間に設けられ、像回転器と同じ回転方向に同じ回転周波数で回転することが特徴である。補償機構は平行移動ユニット（１５）と角度変更ユニット（１３、１４）を有し、基本設定では、回転位置が像回転器に対して調節可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザービームを用いた穿孔および材料除去のための装置に関し、本装置は回転する像回転器、ビーム方向から見て像回転器の前面に設けられビームの角度と位置を像回転器の回転軸に対して調整するビーム操作器、像回転器の出力側に設けられた焦点部品からなる。
【背景技術】
【０００２】
自動車産業では、フィルタリング技術、エレクトロニクスその他多くの方面で、小孔や穿孔が多種多様の応用に必要とされる。例えば噴射過程で一様な燃料分布を確実にするように特定の配置をされた多数の穿孔や小孔が結果的に燃料消費を少なくする燃料噴射ノズルがある。この分野そして他の応用で可能な限り一様で再現可能な分布を達成するため、穿孔は極小かつ高精度に製造されなければならない。典型的な孔径は、例えばディーゼル噴射ノズルの場合、部材の厚さが１ｍｍに対して１００μｍ程度で、精度１μｍが必要である。同等の要求があり、一部はより小径の直径２０μｍ〜５０μｍの孔の他の例は、織物繊維の出糸突起、空気軸受けの出口ノズル、ワイヤーカットＥＤＭの開始孔の穿孔である。これら全ての例において、従来の穿孔方法は部材、アスペクト比、要求された孔の幾何学的配置、作業速度に対する要求により限定された程度で使用されるに過ぎない。
【０００３】
特有の照射特性を有するレーザー技術は、過去何年もの間、上述の方面で多くの応用を導く代替案を提供した。ここでは異なる穿孔原理が用いられる。
【０００４】
単発穿孔の場合、パルス継続時間が典型的には数百μｓの単発のレーザーパルスが部材を加熱・溶融し、部分的蒸発により穿孔から放出する。
【０００５】
衝撃穿孔の場合、多数の連続的パルスにより穿孔は形成される。穿孔のさい、小径の孔が最初に形成され、より大きい孔が次に切り抜かれる。
【０００６】
これらいずれの場合も穿孔過程自体は強力な溶融の形成に特徴があり、そのため孔の品質は低い。最高の品質はいわゆるラセン穿孔技法、すなわち部材が主に短レーザーパルスにより蒸発する平面的除去過程で達成される。高度に反復的なレーザーの個々のレーザーパルスが重なり合って並べられ、円軌跡に沿って孔周囲に沿って導かれる。各々の完全な回転により、レーザーエネルギーと部材によるが、０．１μｍ〜１０μｍの薄い層が除去される。多数のこのような円運動により適切な孔が形成される。孔径はビーム回転径とビーム径に追随する。連続するパルスの重畳程度は、一方では照射を受けていないエッジの数が可能な限り少なくなるように、他方ではレーザー照射が、先行するパルスにより溶融した液状部に完全には当たらないように、２つのパルスの間に移動するように選択される。典型的には重畳程度は５０％〜９５％の範囲に選択される。
【０００７】
溶融物はレーザービームが通過したあと再度凝固するため、部材はほとんど蒸発で除去され、その結果、高品質の孔の壁が得られ、また孔の再現性が高い。この効果は短パルスおよび極短パルスのレーザーの使用で更に増加する。
【０００８】
特にフェムト秒ないしピコ秒領域のレーザーは、パルスパワーが１００ＭＷの範囲であり、溶融膜の厚さが１μｍを切るため、特に孔の品質が高くなる。
【０００９】
この穿孔過程を使用するための必須の前提条件は輪郭上をレーザービームが回転することである。最も単純な場合は円形の軌跡である。レーザービームの円運動速度は極めて速いので、ビームを回転させる光学系への要求は特に厳しい。例えばレーザービームの径が２０μｍ、重畳度が５０％、パルス周波数が２０ｋＨｚの場合、円運動速度は２００ｍｍ／ｓである。要求の孔径が６０μｍならばレーザービームの回転周波数は約１０００Ｈｚとなる。
【００１０】
このような高周波数は、もはや従来のビーム偏向系、たとえばガルバノメーター走査系では実現できない。この目的のため多数の異なる高速回転する系が過去に開発され、既に文献に記載されている。
【００１１】
レーザービームを円軌跡に回転させる一つの可能性はレーザービームを円軌跡に導くような回転するくさび板からなる構成により提供される。この系ではレーザービームはくさび板と同一の速さで回転する。孔の径と開き角の設定は、回転するくさび板の相互の移動と回転により実現される。
【００１２】
もう一つの可能性はレーザー照射が中を通過するような回転する像回転器を使用することである。像回転器を通過後レーザー照射は像回転器の回転軸とそれ自体の両方について回転する。静止した焦点レンズを像回転器の下流に設置すれば、円形の孔が焦点を合わせられたレーザー照射の２つの回転運動により形成される。レーザー照射自体の回転により、最小の孔径をらせんの径にすること、つまり像回転器の軸の周りのレーザー照射の回転径をゼロにすることも可能になる。しかしこれはレーザー照射自体が回転していない系では不可能であり、その場合は最小のらせん径が常に必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、レーザービームを用いて部材を穿孔および除去する本発明の装置の一部品である像回転器を製造する際に発生する幾何学的欠陥の影響を補償することである。像回転器はドーブプリズムやアッベ・ケーニッヒプリズムのような照射伝播プリズムだけでなくＫ鏡機構のような反射系もあり得る。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の型の装置においてこの目的は、補償部品が像回転器と焦点部品の間に設置され、像回転器と同じ回転方向と回転周期で回転し、補償部品は平行移動ユニットと角度変更ユニットからなり、補償部品は、基本設定では、回転位置が像回転器に対して調節可能であることにより達せられる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の構成によれば一様な回転動作（ビーム形状）とその結果として一様な除去が作業平面で実現され丸孔が形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の構成に必須の部品は、基本設定では、相対的回転位置が像回転器に対して調節可能な補償部品である。好ましくは、傾斜可能に支持された平行平面板と傾斜可能に支持された二枚のくさび板を有する平面変位ユニットからなるこのような補償部品により、像回転器から出射されたレーザービームは図的な円軌跡から中心に再調整される。補償部品は、好ましくは中空軸内に置かれた像回転器の軸の周りを回転可能に設置され、ドーブプリズムと同じ角速度で回転する。この構成により、像回転器に基礎を置く回転光学系の全ての製作および調整誤差を完全に補償することができる。この機構の特に有利なことは、修正のための調整が一度は必要であるが、その後は像回転器への全入力ビームの位置と角度に適用できることである。補償部品は調整作業後には中空軸に堅く結合される。
【００１７】
ビーム回転の径はビーム操作器を通じて、したがって像回転器に対する入力レーザービームの角度調整により設定される。ビームの横移動は、好ましくは焦点レンズである、穿孔光学に用いられる焦点部品の焦点位置にある部材へのレーザー照射の入射角の変化に影響する。ビーム操作器による変位とビーム傾斜の設定に従い、異なる径を有する正負の円錐度を有する孔が形成され得る。
【００１８】
さらに像回転器と、同時回転する補償部品すなわち好ましい実施例における修正・調整くさび板との特別な配置のおかげで、より複雑で従ってより融通の利くユニットが、最後に述べた部品の入射角と回転径のためのビーム操作器の静止調整部品に利用できる。
【００１９】
ドーブプリズムとＫ鏡は付加手段なしで像回転器として用いられるが、偏向および反射面の僅かの角度誤差により、プリズムの回転に偏向誤差を引き起こし、不規則なビーム運動をもたらすという決定的な欠点があることを強調しておく。例えば原理的にレーザービームはプリズムが１回転するとドーブプリズム内でプリズムの２倍の角速度で回転する。レーザービームがドーブプリズムに特定の角度で入射したとき、レーザービームはプリズムの１回転の間に同一直径の２個の同心円を描く。プリズムの幾何学的寸法が僅か数ｍｒａｄないしはμ（Ｎ）ｍだけ偏差しただけでも２個の円の直径は明らかに異なり、円の中心はもはや同心ではなく、円軌跡は一方向に扁平になる。もし入射光ビームが正確にプリズムの回転軸に位置したならば、レーザービームは幾何学的誤差のため、それ自体のみの代わりに、プリズムと同じ角速度でプリズムに追随して円軌跡に沿って回転する。
【００２０】
これらの不十分さは既に文献に記載され補償不可能と考えられてきたが、像回転器の出力側に補償部品を備えた本発明の構成により取り除かれた。
【００２１】
好ましい実施態様において補償部品の一部である平行移動ユニットは、好ましくはレーザービームの軸に垂直方向に傾斜可能または回転可能に保持された平行平面板である。レーザービームの軸に対して小角度で平行平面板を調整することは、像回転器の製造欠陥によるレーザー照射の、理想的に製造された像回転器を通過したレーザービーム位置からの位置ずれを補償する。
【００２２】
第二の部品は補償機構の一部で、好ましくは、それぞれが像回転器と補償部品の回転軸に垂直な方向に、従ってレーザービームの軸にも垂直な方向に回転可能に設けられた二個のくさび板を備えた角度変更ユニットである。好ましくは逆のくさび角度を有する、この二個のくさび板により、像回転器の製造欠陥によるレーザー照射の、理想的に製造された像回転器を通過したレーザービーム位置からの角度変化は補償される。
【００２３】
基本配置では、二個のくさび板と平行平面板は互いに調整可能に保持される。この末端には適当な作動装置が設けられる。基本配置では、さらにこれらの部品は像回転器に対して固定した配列で中空軸内に取り付けられる。
【００２４】
最初に述べたように像回転器はプリズムにより最も簡単な構成をとることが可能である。さらにドーブプリズムが像回転器に用いられる。
【００２５】
像回転器内のプリズムは、像回転器が１回転したとき、プリズム内を導かれるレーザービームが何回も回転するように、最も簡単な場合２回転するように構成される。
【００２６】
本発明の構成により、例えば、高速回転レーザービーム穿孔光学機器の要素としてのドーブプリズムの系に内在する制約が取り除かれる。
【００２７】
最も単純な構成では像回転器は中空軸モーターに組み込まれる。
【００２８】
ドーブプリズムは安価な設計が望まれ、レーザー照射源がプリズムから高度に伝播される波長で使用されるときいつも像回転器として好まれるが、固定式Ｋ鏡機構は異なる波長の照射源が全体構成中で使用されるとき像回転器として使われる。
【００２９】
このようなＫ鏡機構は中空軸モーターに対する像回転器の調整が、例えば温度変化により問題があるときも、調整可能として配備される。
【００３０】
ドーブプリズムの代わりにアッベ−ケーニッヒプリズムも像回転器として使用可能である。
【００３１】
補償部品の中で角度変更ユニットとして好ましく用いられる二個のくさび板はビーム方向から見たとき互いに隣接するように設けられる。簡単な構成では二個のくさび板は固定した関係のまま回転することができる。
【００３２】
レーザービームの入射ビームの位置と入射ビームの角度を設定するため、対応する部品がビーム操作器に設けられる。これらの調整ユニットは高度に動的な作動装置である。
【００３３】
このようなビーム操作装置は、例えば回転径を設定するのに光学素子が必要で入射ビーム角が同時回転できない回転式くさび板機構と比べると利点がある。これにより機械的構造が簡単になり構造寸法がかなり小さくなる。さらにこの構成により１０００Ｈｚを超えるより速い回転速度が像回転器と組み合わせて実現される。レーザービームはプリズムの一回転の間に２回転するから、これはこの系のおかげでプリズムは５００Ｈｚで回転すればよいことを意味する。
【００３４】
必要な１０００Ｈｚを超える高い偏向周波数を実現するためニオブ酸リチウムを基材とするねじり傾斜鏡のような高度に動的な偏向系が用いられる。
【００３５】
例えば本発明の実施形態においては高度に動的な走査器がビーム偏向、従ってビーム操作器内の回転径を設定するのに用いられる。回転角とビーム偏向を同期させることにより、例えば人工繊維の出糸突起の製造に必要な長方形や自由形状のような所望の穿孔形状が実現される。
【００３６】
補償部品の後にビーム方向に設けられる焦点部品は、加工部品上の焦点または焦点深さを事前または加工中に設定できるように、ビーム方向に移動できるように好ましくは付加的に設けられる。
【００３７】
像回転器中のレーザービームの入射ビーム位置、そして孔の入口径を設定するため、そして入射ビーム角度、そして孔の出口径を設定するため、光路に垂直な方向に回転できるように設けられた回転可能なくさび板と、くさび板と結合してビーム伝播方向に移動可能な鏡が用いられる。この構成により二つの調整因子を結合して設定できる。例えばもし入口径がくさび板の調節で変更されたが出口径は変わっていないとすると、入射ビーム角度は鏡とくさび板の移動により適合させられる。
【００３８】
レーザー照射の偏光は孔の高い品質を形成し管理する上に重要な因子である。レーザー照射の一回転中のレーザー照射の異なる偏光方向は異なる除去結果を生む。これが、偏光が入射平面に対して定められた方法で同時回転させられるとき、または円偏光レーザー光が用いられるときに有利な理由である。しかしこの結果、同時回転しなければならない特別な光学要素が必要になる。偏光を同時回転させるため、像回転器と同期して同時回転するλ／２板がビーム操作器と像回転器の間に設けられる。
【００３９】
別の方法として、直線偏光照射の場合、前記の照射は静置されたλ／４板を用いて円偏光照射に変換され、偏光に起因する除去のばらつきは低減される。
【００４０】
本発明の特定の実施態様においては、照射されたレーザービームの偏光に起因する性能のばらつきが最小化され、ビーム回転に沿った穿孔された孔形状への影響が認識できないような、特殊な台形角度を有するドーブプリズムが用いられる。像回転器のプリズムはプリズムの一回転中の偏光に起因する除去ばらつきが最小化された台形角度を有する。台形角度はできるだけ大きく保たれるが、これは回転光学系の構成長を著しく長くする、従って装置のため大きな台形角度と最大の構成長を互いに比較検討する必要がある。
【００４１】
もし回転対称でない穿孔が形成されたらならば、ビーム操作器の要素が像回転器の回転運動と同期して運動できるように調整される。
【００４２】
本発明の装置は特に最初に従来技術を参照して概説した分野で用いられる。
【００４３】
本発明の更なる利点と特徴は図と結合した以下の実施態様の記載から明らかになる。
【実施例】
【００４４】
本装置は図に示されるようにレーザービームを用いて材料に穿孔し除去するように設けられている。
【００４５】
本装置は符号５を付したレーザービームの延長方向に見てビーム操作器１、像回転器２、補償部品３、焦点部品４に分割できる。
【００４６】
像回転器２は高速回転する中空軸モーター６内に設けられ、その中心が穿孔光学系を形成し、図示された実施態様ではドーブプリズム７が像回転器２として用いられる。ドーブプリズム７は、像回転器２または中空軸モーター６がそれぞれ回転矢印８に描かれたように一回転したとき、プリズム７を通り抜けるレーザービーム５が中空軸モーター６の出力側に二回転矢印８’で示されているように２回転するように、中空軸モーター６内に設置される。
【００４７】
ビーム操作器１はレーザー５のビーム方向から見たとき中空軸モーター６の前に設けられ、符号９、１０を付した２つの調整部品からなる。調整部品９は、図１のように端に鏡９が軸１１（軸１１はレーザービーム５のビーム方向の垂直方向に延びている）について回転可能または傾斜可能に保持され、レーザービーム５の入射ビーム位置を調整する機能をもつ部品である。調整部品１０は像回転器２のプリズム７に入射するレーザービーム５の入射ビーム角度を調整する機能をもつ。２つの調整部品９、１０には図の細部は示されていないが、例えばピエゾ調整器、固体傾斜調整器のような高度に動的な作動装置が備えられており、符号１２をつけた加工平面で回転対称でない穿孔を実現することができる。
【００４８】
レーザービーム５のビーム方向から見て、２つの調整可能なくさび板１３、１４が平行平面板１５と共に中空軸モーター６の後ろに設けられる。この平行平面板と２つの調整可能のくさび板１３、１４は回転軸について同軸的に回転可能なスリーブ１６内に保持される。ビーム方向から見て平行平面板１５は中空軸モーター６と像回転器２それぞれの直後に設けられ、レーザービーム５の平行移動ユニットを形成し、ビーム方向から見て平行平面板１５に続くくさび板１３、１４はレーザービーム５の角度変更ユニットを形成する。この補償部品３により、ドーブプリズムの幾何学的ないしは位置欠点により中心からずれたレーザービーム５は中心すなわち像回転器２の回転軸に戻すように調整できる。
【００４９】
このような構成により平行平面板１５は軸１７について、二方向の矢印１８に示されるように、ビーム軸または中空軸モーター６の軸に直交する方向に傾斜させることができる。このことは各々の軸１９、２０について、ビーム軸に直交する方向に二方向の矢印２１に示されるように傾斜可能な二つのくさび板１３、１４についてもまた真である。二枚のくさび板１３、１４についての角度誤差（平行移動）を修正するため、図１に見られるように、これらのくさび板は逆方向のくさび角度を有する。しかしこれらのくさび角度は同一でなくてもよい。
【００５０】
平行平面板１５と同様に二枚のくさび板１３、１４も補償部品３の内部で、互いに異なる構成と互いに異なる距離で、その時々平板とくさび板の幾何学的関係に依存して構成される。しかし補償部品のこれらの光学部品はスリーブ１６内で調整されるようにスリーブ１６内に設けられ、レーザービームを設定するため、調整完了後は互いに固定された位置関係を保って像回転器２と一緒に回転し、そのため補償部品３のスリーブ１６は図示の結合部品２３を通して結合していることが重要である。スリーブ１６を通じたこの結合のおかげで中空軸モーター６、像回転器２、補償部品３、スリーブ１６はそれぞれ同じ回転速度で回転している。
【００５１】
ビーム方向から見ると、補償部品３の後ろに設けられた焦点部品４は、図１にはレーザービーム５が加工部品と加工面１２のそれぞれに焦点を結ぶための１枚のレンズしか示されていないが、１枚から数枚の焦点レンズからなる。この焦点部品４は両矢の矢印２２で示されるように、ビーム方向に追加的に移動可能で、深い孔や孔の幾何形状変更のためレーザービーム焦点の連続的な調節を可能にする。
【００５２】
図２はプリズム７、平行平面板１５、二枚のくさび板１３、１４を通ったレーザービーム５の延長を示す。
【００５３】
プリズム７に入射したビーム５はプリズム７中の対応する反射とプリズム７の出口面での回折により変位する。製造工程の公差によりプリズム７から出射するレーザービーム５は位置と角度が、理想的なプリズムを通って得られるレーザービーム３９と図２のように異なる。図２は平行平面板１５とくさび板１３、１４の軸がレーザービーム５と３９により形成される平面と垂直で、プリズム７に対して同軸的に変化または回転する補償部品３を示す。これは空間位置と角度のずれを平面的なずれに変換する（プリズム７に対する補償部品３の回転運動が両矢の矢印４０により示される）。
【００５４】
角度を変更するためくさび板１３、１４が、くさび角度と入射レーザービームに対するくさび角度の方向、各々の軸１９、２０に対する傾きを考慮して、レーザービーム５の角度を理想的なレーザービーム３９の角度に変更するように備えられる。レーザービーム５はくさび板１３、１４により位置も変えられる。平行平面板１５はレーザービーム５の位置を、ビーム５に角度変化をもたらさないで変更する。これは実際のプリズム７のレーザービーム５が理想的なレーザービーム３９の位置に調整されるという効果を有する。
【００５５】
図２を参照して見られるように補償部品３により、像回転器２の製造欠陥により発生する空間位置とレーザービーム５の角度変化を補償することが可能である。
【００５６】
各図は他の図と同一またはほぼ同一の部品を示しており、似た符号が使用されているので、一つの実施態様の観察は他の実施態様に類推で応用できることに注意すべきである。
【００５７】
同様に図２から８の各図にはそれぞれレーザー照射の理想的な光路を一点鎖線で、（プリズムの幾何学的および位置欠陥を有する）実際の光路を実線で表わされている。
【００５８】
図３は図２のドーブプリズムに比べて大きい台形角度を有するドーブプリズム７を示す。このような大きな台形角度を有するドーブプリズム７はレーザー照射の一回転において偏光により引き起こされる除去のばらつきを最小にする効果がある。
【００５９】
図４の実施態様において像回転器として使用されているのはアッベ−ケーニッヒプリズム２５だけである。アッベ−ケーニッヒプリズム２５は図２、３に示されたドーブプリズム７と置換可能である。
【００６０】
ドーブプリズム７やアッベ−ケーニッヒプリズム２５の代わりにＫ鏡構造２６も像回転器２に用いられる。像回転器としても知られるこのようなＫ鏡構造２６は二枚の鏡面２８からなる屋根型の鏡構造２７、さらに前記の鏡面２８と対向する鏡面２９からなり、これは第一の鏡面２８に当たるレーザービーム５が先の鏡面２９の方向に向かい、そこから他の鏡面２８に当たり、そこから機構の軸２４の方向に伝播するように設けられている。固定された、すなわち硬い鏡面２８、２９を含むこのＫ鏡構造２６において、再び、Ｋ鏡構造２６から出射するレーザービーム５が軸２４に平行には進まないという問題が発生するので、上述したような補償部品３による対応する補正が再び必要となる。
【００６１】
図５は硬いＫ鏡構造２６を示しているが、図６は二枚の鏡面２８’が互いに分離され、それぞれの軸３１に対して旋回する矢印３２で示されるように調整可能で、更に次の鏡２９’が軸３３回りに矢印３４の方向に旋回可能で、さらに両矢印３５の方向に軸２４に垂直距離を移動可能で調整可能なＫ鏡構造３０を用いた可動構造を示している。これらの調整可能性により中空軸モーターに対する像回転器の位置誤差は補償できる。
【００６２】
図７は図１の構成を示しているが、レーザービームの光路内のビーム操作器１の入力側に設けられた追加のλ／４板３６を有する。このλ／４板３６は直線偏光レーザー照射を円偏光レーザー照射に変換する。他の点では図７の装置構成は図１に示されたものと同じで、図１を参照して記載された。
【００６３】
最後に図８は図１の装置と同様であるが、レーザービーム５の光路内のビーム操作器１の出力側に設けられた追加のλ／２板３７を有する。このλ／２板３７は連動輪と二個の結合部材とからなる回転ユニット３８に取り付けられ、二個の結合部材はそれぞれ連動輪と中空軸モーターの間および連動輪とλ／２板３７の間にあり、これによりλ／２板３７は中空軸モーター６と同軸方向に回転させられる。このようなλ／２板３７はレーザー照射の偏光を同時回転させる機能を有するため、レーザー照射の一回転において偏光により引き起こされる除去のばらつきを最小にする。
【００６４】
図７のλ／４板３６、図８のλ／２板３７は図２から６に示された他の装置でも図７、８に示されたように対応する位置で使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】ドーブプリズム様式の像回転器を有する本発明の装置。
【図２】図１の像回転器、補償部品、焦点部品の細部。
【図３】図２に対応する図、但しより大きな台形角度のドーブプリズムを有する。
【図４】図２、３に対応する図でアッベ−ケーニッヒプリズムが像回転器として用いられる。
【図５】図２から４に対応する図で固定構成のＫ鏡構造が用いられる。
【図６】図５に対応する図、但し調整可能なＫ鏡構造が用いられる。
【図７】図１に対応する説明図で、図１と比較してλ／４板がビーム操作器の入力側に備えられている。
【図８】図１に対応する説明図で、図１と比較してλ／２板がビーム操作器の出力側に備えられている。
【符号の説明】
【００６６】
１ ビーム操作器
２ 像回転器
３ 補償部品
４ 焦点部品
５ レーザービーム
６ 中空軸モーター
７ ドーブプリズム
８、８’ 矢印
９ 調整部品、鏡
１０ 調整部品
１１ 軸
１２ 加工面
１３、１４ くさび板
１５ 平行平面板
１６ スリーブ
１７ 軸
１８ 矢印
１９ 軸
２１ 矢印
２２ 矢印
２３ 結合部品
２４ 軸
２５ アッベ−ケーニッヒプリズム
２６ 鏡構造
２７ 鏡構造
２８ 鏡面
２９ 鏡
２９ 鏡面
３０ 鏡構造
３１ 軸
３２ 矢印
３３ 軸
３４ 矢印
３５ 矢印
３６ λ／４板
３７ λ／２板
３８ 回転ユニット
３９ レーザービーム
４０ 矢印
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザービームを用いた穿孔および材料除去のための装置に関し、本装置は回転する像回転器、ビーム方向から見て像回転器の前面に設けられビームの角度と位置を像回転器の回転軸に対して調整するビーム操作器、像回転器の出力側に設けられた焦点部品からなる。
【背景技術】
【０００２】
自動車産業では、フィルタリング技術、エレクトロニクスその他多くの方面で、小孔や穿孔が多種多様の応用に必要とされる。例えば噴射過程で一様な燃料分布を確実にするように特定の配置をされた多数の穿孔や小孔が結果的に燃料消費を少なくする燃料噴射ノズルがある。この分野そして他の応用で可能な限り一様で再現可能な分布を達成するため、穿孔は極小かつ高精度に製造されなければならない。典型的な孔径は、例えばディーゼル噴射ノズルの場合、部材の厚さが１ｍｍに対して１００μｍ程度で、精度１μｍが必要である。同等の要求があり、一部はより小径の直径２０μｍ〜５０μｍの孔の他の例は、織物繊維の出糸突起、空気軸受けの出口ノズル、ワイヤーカットＥＤＭの開始孔の穿孔である。これら全ての例において、従来の穿孔方法は部材、アスペクト比、要求された孔の幾何学的配置、作業速度に対する要求により限定された程度で使用されるに過ぎない。
【０００３】
特有の照射特性を有するレーザー技術は、過去何年もの間、上述の方面で多くの応用を導く代替案を提供した。ここでは異なる穿孔原理が用いられる。
【０００４】
単発穿孔の場合、パルス継続時間が典型的には数百μｓの単発のレーザーパルスが部材を加熱・溶融し、部分的蒸発により穿孔から放出する。
【０００５】
衝撃穿孔の場合、多数の連続的パルスにより穿孔は形成される。穿孔のさい、小径の孔が最初に形成され、より大きい孔が次に切り抜かれる。
【０００６】
これらいずれの場合も穿孔過程自体は強力な溶融の形成に特徴があり、そのため孔の品質は低い。最高の品質はいわゆるラセン穿孔技法、すなわち部材が主に短レーザーパルスにより蒸発する平面的除去過程で達成される。高度に反復的なレーザーの個々のレーザーパルスが重なり合って並べられ、円軌跡に沿って孔周囲に沿って導かれる。各々の完全な回転により、レーザーエネルギーと部材によるが、０．１μｍ〜１０μｍの薄い層が除去される。多数のこのような円運動により適切な孔が形成される。孔径はビーム回転径とビーム径に追随する。連続するパルスの重畳程度は、一方では照射を受けていないエッジの数が可能な限り少なくなるように、他方ではレーザー照射が、先行するパルスにより溶融した液状部に完全には当たらないように、２つのパルスの間に移動するように選択される。典型的には重畳程度は５０％〜９５％の範囲に選択される。
【０００７】
溶融物はレーザービームが通過したあと再度凝固するため、部材はほとんど蒸発で除去され、その結果、高品質の孔の壁が得られ、また孔の再現性が高い。この効果は短パルスおよび極短パルスのレーザーの使用で更に増加する。
【０００８】
特にフェムト秒ないしピコ秒領域のレーザーは、パルスパワーが１００ＭＷの範囲であり、溶融膜の厚さが１μｍを切るため、特に孔の品質が高くなる。
【０００９】
この穿孔過程を使用するための必須の前提条件は輪郭上をレーザービームが回転することである。最も単純な場合は円形の軌跡である。レーザービームの円運動速度は極めて速いので、ビームを回転させる光学系への要求は特に厳しい。例えばレーザービームの径が２０μｍ、重畳度が５０％、パルス周波数が２０ｋＨｚの場合、円運動速度は２００ｍｍ／ｓである。要求の孔径が６０μｍならばレーザービームの回転周波数は約１０００Ｈｚとなる。
【００１０】
このような高周波数は、もはや従来のビーム偏向系、たとえばガルバノメーター走査系では実現できない。この目的のため多数の異なる高速回転する系が過去に開発され、既に文献に記載されている。
【００１１】
レーザービームを円軌跡に回転させる一つの可能性はレーザービームを円軌跡に導くような回転するくさび板からなる構成により提供される。この系ではレーザービームはくさび板と同一の速さで回転する。孔の径と開き角の設定は、回転するくさび板の相互の移動と回転により実現される。
【００１２】
もう一つの可能性はレーザー照射が中を通過するような回転する像回転器を使用することである。像回転器を通過後レーザー照射は像回転器の回転軸とそれ自体の両方について回転する。静止した焦点レンズを像回転器の下流に設置すれば、円形の孔が焦点を合わせられたレーザー照射の２つの回転運動により形成される。レーザー照射自体の回転により、最小の孔径をらせんの径にすること、つまり像回転器の軸の周りのレーザー照射の回転径をゼロにすることも可能になる。しかしこれはレーザー照射自体が回転していない系では不可能であり、その場合は最小のらせん径が常に必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、レーザービームを用いて部材を穿孔および除去する本発明の装置の一部品である像回転器を製造する際に発生する幾何学的欠陥の影響を補償することである。像回転器はドーブプリズムやアッベ・ケーニッヒプリズムのような照射伝播プリズムだけでなくＫ鏡機構のような反射系もあり得る。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の型の装置においてこの目的は、補償部品が像回転器と焦点部品の間に設置され、像回転器と同じ回転方向と回転周期で回転し、補償部品は平行移動ユニットと角度変更ユニットからなり、補償部品は、基本設定では、回転位置が像回転器に対して調節可能であることにより達せられる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の構成によれば一様な回転動作（ビーム形状）とその結果として一様な除去が作業平面で実現され丸孔が形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の構成に必須の部品は、基本設定では、相対的回転位置が像回転器に対して調節可能な補償部品である。好ましくは、傾斜可能に支持された平行平面板と傾斜可能に支持された二枚のくさび板を有する平面変位ユニットからなるこのような補償部品により、像回転器から出射されたレーザービームは図的な円軌跡から中心に再調整される。補償部品は、好ましくは中空軸内に置かれた像回転器の軸の周りを回転可能に設置され、ドーブプリズムと同じ角速度で回転する。この構成により、像回転器に基礎を置く回転光学系の全ての製作および調整誤差を完全に補償することができる。この機構の特に有利なことは、修正のための調整が一度は必要であるが、その後は像回転器への全入力ビームの位置と角度に適用できることである。補償部品は調整作業後には中空軸に堅く結合される。
【００１７】
ビーム回転の径はビーム操作器を通じて、したがって像回転器に対する入力レーザービームの角度調整により設定される。ビームの横移動は、好ましくは焦点レンズである、穿孔光学に用いられる焦点部品の焦点位置にある部材へのレーザー照射の入射角の変化に影響する。ビーム操作器による変位とビーム傾斜の設定に従い、異なる径を有する正負の円錐度を有する孔が形成され得る。
【００１８】
さらに像回転器と、同時回転する補償部品すなわち好ましい実施例における修正・調整くさび板との特別な配置のおかげで、より複雑で従ってより融通の利くユニットが、最後に述べた部品の入射角と回転径のためのビーム操作器の静止調整部品に利用できる。
【００１９】
ドーブプリズムとＫ鏡は付加手段なしで像回転器として用いられるが、偏向および反射面の僅かの角度誤差により、プリズムの回転に偏向誤差を引き起こし、不規則なビーム運動をもたらすという決定的な欠点があることを強調しておく。例えば原理的にレーザービームはプリズムが１回転するとドーブプリズム内でプリズムの２倍の角速度で回転する。レーザービームがドーブプリズムに特定の角度で入射したとき、レーザービームはプリズムの１回転の間に同一直径の２個の同心円を描く。プリズムの幾何学的寸法が僅か数ｍｒａｄないしはμ（Ｎ）ｍだけ偏差しただけでも２個の円の直径は明らかに異なり、円の中心はもはや同心ではなく、円軌跡は一方向に扁平になる。もし入射光ビームが正確にプリズムの回転軸に位置したならば、レーザービームは幾何学的誤差のため、それ自体のみの代わりに、プリズムと同じ角速度でプリズムに追随して円軌跡に沿って回転する。
【００２０】
これらの不十分さは既に文献に記載され補償不可能と考えられてきたが、像回転器の出力側に補償部品を備えた本発明の構成により取り除かれた。
【００２１】
好ましい実施態様において補償部品の一部である平行移動ユニットは、好ましくはレーザービームの軸に垂直方向に傾斜可能または回転可能に保持された平行平面板である。レーザービームの軸に対して小角度で平行平面板を調整することは、像回転器の製造欠陥によるレーザー照射の、理想的に製造された像回転器を通過したレーザービーム位置からの位置ずれを補償する。
【００２２】
第二の部品は補償機構の一部で、好ましくは、それぞれが像回転器と補償部品の回転軸に垂直な方向に、従ってレーザービームの軸にも垂直な方向に回転可能に設けられた二個のくさび板を備えた角度変更ユニットである。好ましくは逆のくさび角度を有する、この二個のくさび板により、像回転器の製造欠陥によるレーザー照射の、理想的に製造された像回転器を通過したレーザービーム位置からの角度変化は補償される。
【００２３】
基本配置では、二個のくさび板と平行平面板は互いに調整可能に保持される。この末端には適当な作動装置が設けられる。基本配置では、さらにこれらの部品は像回転器に対して固定した配列で中空軸内に取り付けられる。
【００２４】
最初に述べたように像回転器はプリズムにより最も簡単な構成をとることが可能である。さらにドーブプリズムが像回転器に用いられる。
【００２５】
像回転器内のプリズムは、像回転器が１回転したとき、プリズム内を導かれるレーザービームが何回も回転するように、最も簡単な場合２回転するように構成される。
【００２６】
本発明の構成により、例えば、高速回転レーザービーム穿孔光学機器の要素としてのドーブプリズムの系に内在する制約が取り除かれる。
【００２７】
最も単純な構成では像回転器は中空軸モーターに組み込まれる。
【００２８】
ドーブプリズムは安価な設計が望まれ、レーザー照射源がプリズムから高度に伝播される波長で使用されるときいつも像回転器として好まれるが、固定式Ｋ鏡機構は異なる波長の照射源が全体構成中で使用されるとき像回転器として使われる。
【００２９】
このようなＫ鏡機構は中空軸モーターに対する像回転器の調整が、例えば温度変化により問題があるときも、調整可能として配備される。
【００３０】
ドーブプリズムの代わりにアッベ−ケーニッヒプリズムも像回転器として使用可能である。
【００３１】
補償部品の中で角度変更ユニットとして好ましく用いられる二個のくさび板はビーム方向から見たとき互いに隣接するように設けられる。簡単な構成では二個のくさび板は固定した関係のまま回転することができる。
【００３２】
レーザービームの入射ビームの位置と入射ビームの角度を設定するため、対応する部品がビーム操作器に設けられる。これらの調整ユニットは高度に動的な作動装置である。
【００３３】
このようなビーム操作装置は、例えば回転径を設定するのに光学素子が必要で入射ビーム角が同時回転できない回転式くさび板機構と比べると利点がある。これにより機械的構造が簡単になり構造寸法がかなり小さくなる。さらにこの構成により１０００Ｈｚを超えるより速い回転速度が像回転器と組み合わせて実現される。レーザービームはプリズムの一回転の間に２回転するから、これはこの系のおかげでプリズムは５００Ｈｚで回転すればよいことを意味する。
【００３４】
必要な１０００Ｈｚを超える高い偏向周波数を実現するためニオブ酸リチウムを基材とするねじり傾斜鏡のような高度に動的な偏向系が用いられる。
【００３５】
例えば本発明の実施形態においては高度に動的な走査器がビーム偏向、従ってビーム操作器内の回転径を設定するのに用いられる。回転角とビーム偏向を同期させることにより、例えば人工繊維の出糸突起の製造に必要な長方形や自由形状のような所望の穿孔形状が実現される。
【００３６】
補償部品の後にビーム方向に設けられる焦点部品は、加工部品上の焦点または焦点深さを事前または加工中に設定できるように、ビーム方向に移動できるように好ましくは付加的に設けられる。
【００３７】
像回転器中のレーザービームの入射ビーム位置、そして孔の入口径を設定するため、そして入射ビーム角度、そして孔の出口径を設定するため、光路に垂直な方向に回転できるように設けられた回転可能なくさび板と、くさび板と結合してビーム伝播方向に移動可能な鏡が用いられる。この構成により二つの調整因子を結合して設定できる。例えばもし入口径がくさび板の調節で変更されたが出口径は変わっていないとすると、入射ビーム角度は鏡とくさび板の移動により適合させられる。
【００３８】
レーザー照射の偏光は孔の高い品質を形成し管理する上に重要な因子である。レーザー照射の一回転中のレーザー照射の異なる偏光方向は異なる除去結果を生む。これが、偏光が入射平面に対して定められた方法で同時回転させられるとき、または円偏光レーザー光が用いられるときに有利な理由である。しかしこの結果、同時回転しなければならない特別な光学要素が必要になる。偏光を同時回転させるため、像回転器と同期して同時回転するλ／２板がビーム操作器と像回転器の間に設けられる。
【００３９】
別の方法として、直線偏光照射の場合、前記の照射は静置されたλ／４板を用いて円偏光照射に変換され、偏光に起因する除去のばらつきは低減される。
【００４０】
本発明の特定の実施態様においては、照射されたレーザービームの偏光に起因する性能のばらつきが最小化され、ビーム回転に沿った穿孔された孔形状への影響が認識できないような、特殊な台形角度を有するドーブプリズムが用いられる。像回転器のプリズムはプリズムの一回転中の偏光に起因する除去ばらつきが最小化された台形角度を有する。台形角度はできるだけ大きく保たれるが、これは回転光学系の構成長を著しく長くする、従って装置のため大きな台形角度と最大の構成長を互いに比較検討する必要がある。
【００４１】
もし回転対称でない穿孔が形成されたらならば、ビーム操作器の要素が像回転器の回転運動と同期して運動できるように調整される。
【００４２】
本発明の装置は特に最初に従来技術を参照して概説した分野で用いられる。
【００４３】
本発明の更なる利点と特徴は図と結合した以下の実施態様の記載から明らかになる。
【実施例】
【００４４】
本装置は図に示されるようにレーザービームを用いて材料に穿孔し除去するように設けられている。
【００４５】
本装置は符号５を付したレーザービームの延長方向に見てビーム操作器１、像回転器２、補償部品３、焦点部品４に分割できる。
【００４６】
像回転器２は高速回転する中空軸モーター６内に設けられ、その中心が穿孔光学系を形成し、図示された実施態様ではドーブプリズム７が像回転器２として用いられる。ドーブプリズム７は、像回転器２または中空軸モーター６がそれぞれ回転矢印８に描かれたように一回転したとき、プリズム７を通り抜けるレーザービーム５が中空軸モーター６の出力側に二回転矢印８’で示されているように２回転するように、中空軸モーター６内に設置される。
【００４７】
ビーム操作器１はレーザー５のビーム方向から見たとき中空軸モーター６の前に設けられ、符号９、１０を付した２つの調整部品からなる。調整部品９は、図１のように端に鏡９が軸１１（軸１１はレーザービーム５のビーム方向の垂直方向に延びている）について回転可能または傾斜可能に保持され、レーザービーム５の入射ビーム位置を調整する機能をもつ部品である。調整部品１０は像回転器２のプリズム７に入射するレーザービーム５の入射ビーム角度を調整する機能をもつ。２つの調整部品９、１０には図の細部は示されていないが、例えばピエゾ調整器、固体傾斜調整器のような高度に動的な作動装置が備えられており、符号１２をつけた加工平面で回転対称でない穿孔を実現することができる。
【００４８】
レーザービーム５のビーム方向から見て、２つの調整可能なくさび板１３、１４が平行平面板１５と共に中空軸モーター６の後ろに設けられる。この平行平面板と２つの調整可能のくさび板１３、１４は回転軸について同軸的に回転可能なスリーブ１６内に保持される。ビーム方向から見て平行平面板１５は中空軸モーター６と像回転器２それぞれの直後に設けられ、レーザービーム５の平行移動ユニットを形成し、ビーム方向から見て平行平面板１５に続くくさび板１３、１４はレーザービーム５の角度変更ユニットを形成する。この補償部品３により、ドーブプリズムの幾何学的ないしは位置欠点により中心からずれたレーザービーム５は中心すなわち像回転器２の回転軸に戻すように調整できる。
【００４９】
このような構成により平行平面板１５は軸１７について、二方向の矢印１８に示されるように、ビーム軸または中空軸モーター６の軸に直交する方向に傾斜させることができる。このことは各々の軸１９、２０について、ビーム軸に直交する方向に二方向の矢印２１に示されるように傾斜可能な二つのくさび板１３、１４についてもまた真である。二枚のくさび板１３、１４についての角度誤差（平行移動）を修正するため、図１に見られるように、これらのくさび板は逆方向のくさび角度を有する。しかしこれらのくさび角度は同一でなくてもよい。
【００５０】
平行平面板１５と同様に二枚のくさび板１３、１４も補償部品３の内部で、互いに異なる構成と互いに異なる距離で、その時々平板とくさび板の幾何学的関係に依存して構成される。しかし補償部品のこれらの光学部品はスリーブ１６内で調整されるようにスリーブ１６内に設けられ、レーザービームを設定するため、調整完了後は互いに固定された位置関係を保って像回転器２と一緒に回転し、そのため補償部品３のスリーブ１６は図示の結合部品２３を通して結合していることが重要である。スリーブ１６を通じたこの結合のおかげで中空軸モーター６、像回転器２、補償部品３、スリーブ１６はそれぞれ同じ回転速度で回転している。
【００５１】
ビーム方向から見ると、補償部品３の後ろに設けられた焦点部品４は、図１にはレーザービーム５が加工部品と加工面１２のそれぞれに焦点を結ぶための１枚のレンズしか示されていないが、１枚から数枚の焦点レンズからなる。この焦点部品４は両矢の矢印２２で示されるように、ビーム方向に追加的に移動可能で、深い孔や孔の幾何形状変更のためレーザービーム焦点の連続的な調節を可能にする。
【００５２】
図２はプリズム７、平行平面板１５、二枚のくさび板１３、１４を通ったレーザービーム５の延長を示す。
【００５３】
プリズム７に入射したビーム５はプリズム７中の対応する反射とプリズム７の出口面での回折により変位する。製造工程の公差によりプリズム７から出射するレーザービーム５は位置と角度が、理想的なプリズムを通って得られるレーザービーム３９と図２のように異なる。図２は平行平面板１５とくさび板１３、１４の軸がレーザービーム５と３９により形成される平面と垂直で、プリズム７に対して同軸的に変化または回転する補償部品３を示す。これは空間位置と角度のずれを平面的なずれに変換する（プリズム７に対する補償部品３の回転運動が両矢の矢印４０により示される）。
【００５４】
角度を変更するためくさび板１３、１４が、くさび角度と入射レーザービームに対するくさび角度の方向、各々の軸１９、２０に対する傾きを考慮して、レーザービーム５の角度を理想的なレーザービーム３９の角度に変更するように備えられる。レーザービーム５はくさび板１３、１４により位置も変えられる。平行平面板１５はレーザービーム５の位置を、ビーム５に角度変化をもたらさないで変更する。これは実際のプリズム７のレーザービーム５が理想的なレーザービーム３９の位置に調整されるという効果を有する。
【００５５】
図２を参照して見られるように補償部品３により、像回転器２の製造欠陥により発生する空間位置とレーザービーム５の角度変化を補償することが可能である。
【００５６】
各図は他の図と同一またはほぼ同一の部品を示しており、似た符号が使用されているので、一つの実施態様の観察は他の実施態様に類推で応用できることに注意すべきである。
【００５７】
同様に図２から８の各図にはそれぞれレーザー照射の理想的な光路を一点鎖線で、（プリズムの幾何学的および位置欠陥を有する）実際の光路を実線で表わされている。
【００５８】
図３は図２のドーブプリズムに比べて大きい台形角度を有するドーブプリズム７を示す。このような大きな台形角度を有するドーブプリズム７はレーザー照射の一回転において偏光により引き起こされる除去のばらつきを最小にする効果がある。
【００５９】
図４の実施態様において像回転器として使用されているのはアッベ−ケーニッヒプリズム２５だけである。アッベ−ケーニッヒプリズム２５は図２、３に示されたドーブプリズム７と置換可能である。
【００６０】
ドーブプリズム７やアッベ−ケーニッヒプリズム２５の代わりにＫ鏡構造２６も像回転器２に用いられる。像回転器としても知られるこのようなＫ鏡構造２６は二枚の鏡面２８からなる屋根型の鏡構造２７、さらに前記の鏡面２８と対向する鏡面２９からなり、これは第一の鏡面２８に当たるレーザービーム５が先の鏡面２９の方向に向かい、そこから他の鏡面２８に当たり、そこから機構の軸２４の方向に伝播するように設けられている。固定された、すなわち硬い鏡面２８、２９を含むこのＫ鏡構造２６において、再び、Ｋ鏡構造２６から出射するレーザービーム５が軸２４に平行には進まないという問題が発生するので、上述したような補償部品３による対応する補正が再び必要となる。
【００６１】
図５は硬いＫ鏡構造２６を示しているが、図６は二枚の鏡面２８’が互いに分離され、それぞれの軸３１に対して旋回する矢印３２で示されるように調整可能で、更に次の鏡２９’が軸３３回りに矢印３４の方向に旋回可能で、さらに両矢印３５の方向に軸２４に垂直距離を移動可能で調整可能なＫ鏡構造３０を用いた可動構造を示している。これらの調整可能性により中空軸モーターに対する像回転器の位置誤差は補償できる。
【００６２】
図７は図１の構成を示しているが、レーザービームの光路内のビーム操作器１の入力側に設けられた追加のλ／４板３６を有する。このλ／４板３６は直線偏光レーザー照射を円偏光レーザー照射に変換する。他の点では図７の装置構成は図１に示されたものと同じで、図１を参照して記載された。
【００６３】
最後に図８は図１の装置と同様であるが、レーザービーム５の光路内のビーム操作器１の出力側に設けられた追加のλ／２板３７を有する。このλ／２板３７は連動輪と二個の結合部材とからなる回転ユニット３８に取り付けられ、二個の結合部材はそれぞれ連動輪と中空軸モーターの間および連動輪とλ／２板３７の間にあり、これによりλ／２板３７は中空軸モーター６と同軸方向に回転させられる。このようなλ／２板３７はレーザー照射の偏光を同時回転させる機能を有するため、レーザー照射の一回転において偏光により引き起こされる除去のばらつきを最小にする。
【００６４】
図７のλ／４板３６、図８のλ／２板３７は図２から６に示された他の装置でも図７、８に示されたように対応する位置で使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】ドーブプリズム様式の像回転器を有する本発明の装置。
【図２】図１の像回転器、補償部品、焦点部品の細部。
【図３】図２に対応する図、但しより大きな台形角度のドーブプリズムを有する。
【図４】図２、３に対応する図でアッベ−ケーニッヒプリズムが像回転器として用いられる。
【図５】図２から４に対応する図で固定構成のＫ鏡構造が用いられる。
【図６】図５に対応する図、但し調整可能なＫ鏡構造が用いられる。
【図７】図１に対応する説明図で、図１と比較してλ／４板がビーム操作器の入力側に備えられている。
【図８】図１に対応する説明図で、図１と比較してλ／２板がビーム操作器の出力側に備えられている。
【符号の説明】
【００６６】
１ ビーム操作器
２ 像回転器
３ 補償部品
４ 焦点部品
５ レーザービーム
６ 中空軸モーター
７ ドーブプリズム
８、８’ 矢印
９ 調整部品、鏡
１０ 調整部品
１１ 軸
１２ 加工面
１３、１４ くさび板
１５ 平行平面板
１６ スリーブ
１７ 軸
１８ 矢印
１９ 軸
２１ 矢印
２２ 矢印
２３ 結合部品
２４ 軸
２５ アッベ−ケーニッヒプリズム
２６ 鏡構造
２７ 鏡構造
２８ 鏡面
２９ 鏡
２９ 鏡面
３０ 鏡構造
３１ 軸
３２ 矢印
３３ 軸
３４ 矢印
３５ 矢印
３６ λ／４板
３７ λ／２板
３８ 回転ユニット
３９ レーザービーム
４０ 矢印
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する像回転器と、
ビーム方向から見て像回転器の前面に設けられ、像回転器の回転軸に対してビームの角度と位置を調整する機能を有するビーム操作器と、
像回転器の出力側に設けられた焦点部品とからなるレーザービームを用いた材料の穿孔および除去装置において、
補償部品（３）が像回転器（２）と焦点部品（４）との間に設けられ、像回転器（２）と同じ回転方向と同じ回転周波数で回転し、補償部品（３）が平行移動ユニット（１５）と角度変更ユニット（１３、１４）からなり、
補償部品（３；１３、１４、１５）が基本構成では回転位置を像回転器（２）に対して調整可能であることを特徴とするレーザービームを用いた材料の穿孔および除去装置。
【請求項２】
平行移動ユニットが平行平面板（１５）からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
平行平面板（１５）が回転軸に垂直方向に回転可能であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
角度変更ユニットが二個のくさび板（１３、１４）からなり、それぞれが回転軸に垂直方向に回転可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
二個のくさび板（１３、１４）が反対のくさび角度を有することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
二個のくさび板（１３、１４）と平行平面板（１５）が基本構成で互いに調整可能に維持されていることを特徴とする請求項２または４に記載の装置。
【請求項７】
像回転器（２）がプリズム（７；２５）からなることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
像回転器（２）がドーブプリズム（７）により形成されてなることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
像回転器（２）が一回転するときプリズム（７；２５）を通過するレーザービーム（５）が二回転するように像回転器（２）内にプリズム（７；２５）が設けられたことを特徴とする請求項６または７に記載の装置。
【請求項１０】
像回転器（２）が硬いＫ鏡機構（２６）からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
像回転器（２）がアッベ−ケーニッヒプリズム（２５）からなることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項１２】
二個のくさび板（１３、１４）が互いに近接して設けられたことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項１３】
像回転器（２）が中空軸モーター（６）内に設けられたことを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
ビーム操作器（１）が入射ビーム位置の調整と入射ビーム角度の調整をする各々の調整部品（９、１０）からなることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
各々の調整部品（９、１０）が高度な動的作動装置からなることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
補償部品（３）の部品（１３、１４、１５）がスリーブ（１６）内に像回転器（２）の軸について同軸的に回転可能であるように設けられたことを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
ビーム方向から見たとき焦点部品（４）が補償部品（３）の後ろに設けられ、焦点部品が付加的にビーム方向（２２）に移動可能に備えられたことを特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
入射ビーム位置そして孔入口径と、入射ビーム角度そして孔出口径が、光路に垂直方向に回転可能なくさび板（１０）とビーム伝播方向にくさび板と共に移動可能な鏡（９）により調整可能なことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１９】
プリズム（７）が、プリズム（７）の一回転において偏光により引き起こされる強度ばらつきが最小になるような台形角度を有することを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項２０】
像回転器（２）と同期して同時回転するλ／２板（３７）が、ビーム操作器（１）と像回転器（２）の間に、偏光を同時回転させるために設けられたことを特徴とする請求項１から１９のいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
非回転対称な孔をあけるため、ビーム操作器（１）の要素が像回転器（２）の回転運動と同期して運動可能なことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項２２】
像回転器が、反射表面（２８’、２９’）が互いに調整可能なＫ鏡機構（３０）からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
ビーム伝播方向に垂直方向に調整可能なλ／４板（３６）がビーム操作器（１）の前面に設けられたことを特徴とする請求項１から２２のいずれかに記載の装置。
【請求項１】
回転する像回転器と、
ビーム方向から見て像回転器の前面に設けられ、像回転器の回転軸に対してビームの角度と位置を調整する機能を有するビーム操作器と、
像回転器の出力側に設けられた焦点部品とからなるレーザービームを用いた材料の穿孔および除去装置において、
補償部品（３）が像回転器（２）と焦点部品（４）との間に設けられ、像回転器（２）と同じ回転方向と同じ回転周波数で回転し、補償部品（３）が平行移動ユニット（１５）と角度変更ユニット（１３、１４）からなり、
補償部品（３；１３、１４、１５）が基本構成では回転位置を像回転器（２）に対して調整可能であることを特徴とするレーザービームを用いた材料の穿孔および除去装置。
【請求項２】
平行移動ユニットが平行平面板（１５）からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
平行平面板（１５）が回転軸に垂直方向に回転可能であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
角度変更ユニットが二個のくさび板（１３、１４）からなり、それぞれが回転軸に垂直方向に回転可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
二個のくさび板（１３、１４）が反対のくさび角度を有することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
二個のくさび板（１３、１４）と平行平面板（１５）が基本構成で互いに調整可能に維持されていることを特徴とする請求項２または４に記載の装置。
【請求項７】
像回転器（２）がプリズム（７；２５）からなることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
像回転器（２）がドーブプリズム（７）により形成されてなることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
像回転器（２）が一回転するときプリズム（７；２５）を通過するレーザービーム（５）が二回転するように像回転器（２）内にプリズム（７；２５）が設けられたことを特徴とする請求項６または７に記載の装置。
【請求項１０】
像回転器（２）が硬いＫ鏡機構（２６）からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
像回転器（２）がアッベ−ケーニッヒプリズム（２５）からなることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項１２】
二個のくさび板（１３、１４）が互いに近接して設けられたことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項１３】
像回転器（２）が中空軸モーター（６）内に設けられたことを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
ビーム操作器（１）が入射ビーム位置の調整と入射ビーム角度の調整をする各々の調整部品（９、１０）からなることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
各々の調整部品（９、１０）が高度な動的作動装置からなることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
補償部品（３）の部品（１３、１４、１５）がスリーブ（１６）内に像回転器（２）の軸について同軸的に回転可能であるように設けられたことを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
ビーム方向から見たとき焦点部品（４）が補償部品（３）の後ろに設けられ、焦点部品が付加的にビーム方向（２２）に移動可能に備えられたことを特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
入射ビーム位置そして孔入口径と、入射ビーム角度そして孔出口径が、光路に垂直方向に回転可能なくさび板（１０）とビーム伝播方向にくさび板と共に移動可能な鏡（９）により調整可能なことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１９】
プリズム（７）が、プリズム（７）の一回転において偏光により引き起こされる強度ばらつきが最小になるような台形角度を有することを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項２０】
像回転器（２）と同期して同時回転するλ／２板（３７）が、ビーム操作器（１）と像回転器（２）の間に、偏光を同時回転させるために設けられたことを特徴とする請求項１から１９のいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
非回転対称な孔をあけるため、ビーム操作器（１）の要素が像回転器（２）の回転運動と同期して運動可能なことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項２２】
像回転器が、反射表面（２８’、２９’）が互いに調整可能なＫ鏡機構（３０）からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
ビーム伝播方向に垂直方向に調整可能なλ／４板（３６）がビーム操作器（１）の前面に設けられたことを特徴とする請求項１から２２のいずれかに記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２００８−５４３５７６（Ｐ２００８−５４３５７６Ａ）
【公表日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５１８６４７（Ｐ２００８−５１８６４７）
【出願日】平成１８年３月３日（２００６．３．３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００６／００１９６４
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０００１９４
【国際公開日】平成１９年１月４日（２００７．１．４）
【出願人】（５０５２０１１６８）フラウンホファー ゲゼルシャフト ツール フェルドルンク デル アンゲヴァントテン フォルシュンク エー ファウ (10)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月３日（２００６．３．３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００６／００１９６４
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０００１９４
【国際公開日】平成１９年１月４日（２００７．１．４）
【出願人】（５０５２０１１６８）フラウンホファー ゲゼルシャフト ツール フェルドルンク デル アンゲヴァントテン フォルシュンク エー ファウ (10)
【Ｆターム（参考）】
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