JP6137767B2 - 半完成品の表面形成用レーザ加工装置及び方法 - Google Patents

Description

本出願は、２００９年１０月２２日に出願された独国特許出願第１０２００９０４４３１６．９−３４の優先権を主張する。

本発明は、半完成品の表面を形成する、レーザ加工装置及び方法に関する。具体的には、１以上の刃先（cutting edge）、チップ面領域、及び自由面領域が半完成品上に形成される。形成される面領域は、例えば、チップ又は自由面である。この面製造と同時に、エッジ、特にカッティングエッジを形成することが可能である。このようにして、半完成品からカッティングツールを作ることが可能である。半完成品は、相互に接続された数層の材料層、又はいくつかの要素から構成されていてもよい。

半完成品の加工には、例えば、機械研削などのいくつかの切除方法が知られている。非常に硬い材料、例えば多結晶ダイアモンド（ＰＣＤ）やＣＶＤ（化学気相成長）ダイアモンドなどを機械研削することは、技術的にも経済的にも限界がある。短パルスレーザを利用するレーザ切断（アブレーション：ablation）は、このような材料から例えば工具を経済的に加工できる、より大きな可能性を持っている。

しかし、高品質の刃先の製造には課題がある。現在の技術においては、レーザスキャナを利用し、スキャナに対して固定された半完成品の輪郭に沿って動くレーザシステムが知られている。これは、レーザスキャナを高速動作させて、個々のレーザビームパルスを半完成品に沿って高速移動させることができるが、このプロセスで達成される精度は、今日の要求レベルには対応できない。また、このようにして製造された面やエッジは直線ではなく、むしろ不均一なぎざぎざの形状となる。

更に、装置の軸を介して、半完成品に対してレーザが相対的に動く、レーザ加工装置が知られている。これにより、半完成品上で得られる面やエッジの精度及び品質を向上できる。ただし、実現できるアブレーション速度は遅い。その理由は、装置の軸の運動及び速度に限界があるからである。装置軸の運動の向上には、大きな努力と費用が必要であり、それによりレーザ加工設備が高価なものになってしまう。

半完成品のレーザ加工の方法と装置としては、例えば、独国実用新案第２９９０８５８５（Ｕ１）号明細書によるものが知られている。その構造は、駆動ユニットを介してレーザビームインパルスを発生するためのレーザを含み、レーザ及び／又はワーク支持構造は、レーザの光軸を横断する方向に移動する。個々の材料層をアブレーションするために、工程中にレーザビームは、対象領域の全幅にわたり、隣接又は部分的に重複するライン上を数回移動させられる。材料は、レーザビームインパルスの接触点において点状にアブレーションされる。材料を連続的にアブレーションするために、接触点は５〜２５％ほど重複する。非常に高周波のパルスレーザに関しては、対応する大きな前進速度が必要である。既に述べたように、この方法ではアブレーション速度は小さく、従って加工時間は長くなる。

国際公開第２００６／０３８０７（Ａ２）号パンフレットでは、レーザ加工装置の２つの異なる実施形態が開示されている。第１の実施形態においては、レーザスキャナを用いて、レーザビームインパルスのいくつかの隣接する衝撃（衝突）点により、インパルス領域が形成される。インパルス領域のレーザビームインパルスの衝突位置で、材料のアブレーションが発生する。第２の実施形態においては、実質的なアブレーションは起きないが、半完成品が切断分離される。先ず、半完成品が貫通される。貫通後、前進運動が開始されて、中断することなく半完成品が切断される。これは前に述べたレーザ加工の変形例に相当する。

独国特許出願公開第１０２００７０１２８１５（Ａ１）号明細書は、レーザビームインパルスの衝突位置をスキャナによってパターン状に選択する方法を開示している。その上、衝突点のパターンと半完成品との間に１次元又は２次元の相対運動を行なうこともできる。この重畳される相対運動は、レーザインパルスのスキャナ経路に沿う移動よりも高速であるとされている。そのような重畳する高速運動の生成方法については、開示されていない。当技術分野において周知の機械軸ではこれを行うことができない。

本発明の目的は、高精度な面領域とエッジパターンとを経済的に構成可能とする方法及びレーザ加工装置を提供することである。

本発明は、半完成品（２７）のレーザ加工の方法及び装置に関する。半完成品（２７）は、カッティングエッジ（６０）と自由面（６２）とを有するカッティングツールを形成するためのものである。レーザビームインパルス（２４）を発生させるレーザが提供され、レーザビームインパルスがリダイレクト装置（２３）によって、半完成品（２７）の表面上に向けられる。レーザビームインパルス（２４）のレーザビーム方向（Ｒ）と半完成品（２７）上の形成予定の面（６２）との間に傾斜角を成す状態で、レーザビームインパルス（２４）は、半完成品（２７）の面上の衝突位置（２６）に到達する。リダイレクト装置（２３）が制御されて、レーザビームインパルス（２４）が隣接する衝突位置を照射し、パルスゾーン（５５）を形成する。位置決め装置により、パルスゾーン（５５）と半完成品との間に所定速度の相対運動が行われ、複数の衝突位置により形成されるパルスゾーン（５５）が半完成品（２７）の面（２６）に沿って移動し、１回の連続パスの度に厚さ（ｄＳ）のアブレーション層が除去される。

本発明によれば、所定の周波数でレーザビームインパルスを発生する、パルスレーザが利用される。偏向装置を介して、レーザビームインパルスは、所定の順番でワーク面上の多数の衝突位置に向けられる。これらの所定の衝突位置は、半完成品の面上に２次元のパルス領域を形成する。パルス面に直交する方向から見れば、衝突位置は、２つの空間方向に並んで配置される。こうして、パルス面上のそれぞれ異なる所定の衝突位置に向けられたレーザビームインパルスのシーケンスが生成される。このシーケンスは、所定の順番で多数回反復される。それと同時に、半完成品とパルス領域との間に、連続的な相対運動が行われる。この相対運動は、半完成品の面上でパルス領域が停止することがないように行われる。例えば、移動方向の反転に伴い、相対運動が短期間停止する場合には、その停止の期間、パルス領域は半完成品の表面領域から外される。パルス領域の一部でも、半完成品の表面に到達すると、相対運動は停止することなしに継続される。位置決め装置は、半完成品及び／又は偏向装置を、多くの場合はレーザと共に、生成されるエッジ又は面領域に沿う相対運動の方向へ移動させる。本プロセスにおいては、パルス領域は、位置決め装置によって決められた、半完成品の面に沿う相対運動の速度によって移動する。これにより、半完成品に対して相対運動をするパルス領域において、工具のような材料にアブレーションが生じる。その結果、高速のアブレーションが達成されると共に、この方法では、所望の輪郭からの精度のずれ即ち偏差が僅かしかない、非常に正確なエッジ又は面領域を提供することが可能となる。本発明においては、２つの代替的に使用されるレーザ加工手順を併用する。パルス面の形成には、高速走査光学系が利用される。走査光学系は、本プロセスにおけるレーザインパルスを、形成予定の面領域又はエッジの所望の輪郭に沿って位置決めするのではなく、パルス面の衝突領域上にレーザビームインパルスを向ける。半完成品に対してパルス面を、機械軸上で同時に相対運動させることにより、所定のパターンからの偏差が小さいエッジと領域構造の実現に、所望の精度を保証する。

好ましくは、位置決め装置は、レーザビームインパルスの照射方向と半完成品上の形成される領域との間の、０度より大きい値の傾斜角を、少なくとも数回調整する。レーザビームインパルスは、好ましくは、相対移動方向に対して直角を成す。パルス領域は、生成される面領域を横切る方向を向いている。レーザビームインパルスは、生成される面に対してある傾斜角の方向に向けられるので、材料のアブレーション中に、別の開放空間が生成され、それによってアブレーション領域でのプラズマの除去が改善される。プロセスの開始時は、傾斜角は０であってよい。本方法が製造過程の所定の段階に達した時に、傾斜角は増加される。

好ましくは、１〜１０ＭＨｚの間の周波数でパルス化されたレーザが用いられる。

傾斜角の調整は、例えば、加工される半完成品の材料に依存する。傾斜角としては、０〜４５度の範囲の角度、好ましくは、５〜２５度の範囲の値が想定される。傾斜角は、半完成品が加工されている間に位置決め装置によって変更され、所望の値に調整されてもよい。特に、半完成品が異なる数層の材料から成る場合、及び、加工される材料が加工の途中で変化する場合には、傾斜角を変更して、それぞれの材料に適した値を取るようにすることができる。

パルス領域は、基本的に輪郭が矩形であってよい。パルス領域を形成する複数の衝突位置は、レーザビームインパルスが衝突位置に形成するクレータのいくつかが矩形の輪郭線に沿うように、矩形輪郭の内部に並んで配列される。別の表現をすれば、パルス領域の衝突位置の外側が、矩形パルス領域の周囲に沿うように配置される。矩形のパルス領域の代わりに、多角形、楕円、円形、又は環状のパルス領域等のような、他のパルス領域が提供されてもよい。パルス領域の形状は、所望材料のアブレーション、及び半完成品から形成される完成品の所望輪郭に適合されていてよい。

リダイレクト装置は、好ましくはレーザビームインパルスを、所定のパルス経路に沿うように配置された衝突領域上へ向ける。パルス経路は、パルス領域の形状に依存し、好ましくは、蛇行状、又は螺旋状の形状である。ここで、パルス経路は、始点として特定の衝突位置を有し、終点として別の特定の衝突位置を有してもよい。終点は、形成される輪郭に割り当てられたパルス領域の端に配置される。この終点を含むパルス経路の終りの部分は、好ましくは、相対移動方向に接するか、又は平行に延伸する。終点から始点へリセットする移動には、比較的大きな調整経路が取られ、これはパルス経路に沿った次の衝突位置へのリセット距離に比べてはるかに大きい。リダイレクト装置によるレーザビームインパルス位置決め精度には限界があり、又リダイレクト装置は過剰動作する傾向があるために、リセット移動の移動方向は、形成されるエッジ、及び／又は領域から外れた方向に向けられる。こうすることにより、作製される輪郭の品質劣化を防ぐことができる。

パルス経路に沿う連続する２つの衝突位置の距離は、特に、レーザのインパルス周波数の選択又は設定と、リダイレクト装置の調整速度とにより、所望通りに与えられる。

２つの連続するレーザビームインパルスは、パルス領域の異なる衝突位置に向けられてもよい。或いは、２つ以上のレーザビームインパルスを含むインパルスシーケンスは、同一の衝突位置に向けられて、その次のインパルスシーケンスが異なる衝突位置に向けられてもよい。１つのインパルスのエネルギー、又は特定の衝突位置に向けられるインパルスシーケンスのエネルギーは、前以って決められ、使用するインパルスの数に従って配分される。１つのインパルスシーケンスに含まれるレーザインパルスの数が多いほど、個別のレーザビームインパルスに含まれるエネルギーは小さくなる。

アブレーション対象の半完成品において生成しようとする面を覆っている材料部分は、好ましくは、パルス面領域に実質的に平行な層状に除去される。レーザインパルス放射方向のアブレーション層の厚さは、レーザのインパルス周波数と、半完成品に対するパルス領域の相対速度とに依存する。この層の厚さとしては、数百ミリメータの厚さが達成可能である。アブレーション層は、形成される領域の前方に亘って延在する。半完成品は、例えば、少なくとも１つのカッティングエッジを有する切断ツールに仕上ることができる。この目的のために、半完成品は、好ましくは、担体（キャリア）層又は担体要素上に配置された、カッティング材料層又はカッティング材料要素を含む。アブレーションされる材料部分は、この両方の層を覆っている。位置決め装置は、カッティング材料層の材料をアブレーションするための第１の傾斜角と、担体層の材料をアブレーションするための第２の傾斜角とを調整することができる。このようにして、アブレーションする材料によって最適なアブレーション速度を提供することが可能であり、各層をアブレーションした後に、焦点レンズ又は焦点機構によってレーザビームインパルスの焦点位置を調整できる。

特定の材料に依存する追加的な操作パラメータを決定することも可能である。例えば、カッティング材料層の材料をアブレーションするときのレーザインパルス強度は、担体層の材料をアブレーションする時の強度とは違ってもよい。このようにして、形成するカッティングエッジ又は領域の所望の進路からのずれを減少させることができる。

本発明の利点は、本発明を例示する以下の図面から明らかとなるであろう。

レーザ加工装置の一実施形態のブロック図である。 レーザ加工装置の一実施形態の模式的斜視図である。 パルス領域の様々な形状を示す図である。 パルス領域の様々な形状を示す図である。 パルス領域の様々な形状を示す図である。 ２つの衝突位置を示す断面図である。 レーザビームインパルスの強度、又は、インパルスシーケンスの時間経過を示す図である。 半完成品をパルス領域と共に模式的に示した斜視図である。 パルス領域と半完成品との間の相対移動により得られる、材料除去の詳細を模式的に示す図である。 半完成品の相対移動方向を横断する方向から見た、異なる加工段階での模式的断面図である。 半完成品の相対移動方向を横断する方向から見た、異なる加工段階での模式的断面図である。 半完成品の相対移動方向を横断する方向から見た、異なる加工段階での模式的断面図である。 半完成品の相対移動方向を横断する方向から見た、異なる加工段階での模式的断面図である。 半完成品の相対移動方向を横断する方向から見た、異なる加工段階での模式的断面図である。 別の実施形態による、真空チャンバを有するレーザ加工装置の模式図である。 図１４に示す実施形態の変形の模式図である。

図１は、レーザ加工装置２０を模式的に示す。レーザ加工装置２０は、パルスレーザビーム２２を発生し、リダイレクト装置２３を有するレーザヘッド１９へ放出する、パルスレーザ２１を含む。リダイレクト装置２３は、レーザビームインパルス２４の方向を変え、半完成品２７の面２６の所定の衝突領域２５上へレーザビームインパルス２４を配向させる。リダイレクト装置２３は、スキャナ装置とも呼ばれる。リダイレクト装置２３の中には、焦点光学系２８も含まれる。半完成品２７は収納領域４７に配置される。

レーザ加工装置２０は、レーザヘッド１９と半完成品との間の相対的な位置を調整し変更することができる位置決め装置３０を制御する、制御ユニット２９も含む。位置決め装置３０の直線軸と回転軸の数は、変化されてもよい。好適な実施形態においては、位置決め装置３０は、レーザヘッド１９を第１の方向３２に動かすことのできる第１の調整装置３１を含む。好ましくは、これは第１の方向３２への直線運動である。第１の調整駆動装置３１は、例えば、第１のキャリッジ３３を含み、これは、第１のキャリッジ支持構造３４上に直線的に摺動可能に支持されている。この第１のキャリッジ３３にレーザヘッド１９が取り付けられる。

レーザヘッド１９と同様に、オブジェクトホルダ１８又は半完成品２７を各々直線移動させるために、位置決め装置３０は更なる調整駆動機構を含んでもよい。例えば、第２のキャリッジ支持構造３４が設けられて、その上を第２のキャリッジが、第２の方向３７に案内されるように摺動可能に支持される。この第２のキャリッジ３６の上に、第１のキャリッジ支持構造３４が取り付けられる。第２の方向３７は、第１の方向３２に対して垂直である。この第１の方向３２と第２の方向３７とが、レーザビームインパルス２４のビーム放射方向Ｒを実質的に横断する面を画定する。

第３の方向３８は、他の２つの方向３２、３７に対して直交する方向となっている。第３のキャリッジ３９は、第３のキャリッジ支持構造４０に上記の第３の方向に直線摺動可能に支持されている。このキャリッジ構成３９、４０を介して、加工対象品、即ちワークピース又はオブジェクトホルダ１８は、第３の方向に移動可能となる。これにより、レーザヘッド１９からのワークピースホルダ１８、及び結果的に半完成品２７の距離を調整することが可能となる。第３の方向３８は、例えば、放射方向Ｒに対応する。図２による実施形態では、放射方向Ｒは、実質的に水平方向になっているが、或いは垂直方向であってもよい。

従って、位置決め装置３０は、レーザヘッド１９と、オブジェクトホルダ１８又は個別に半完成品２７を、相対移動方向Ｖに相対移動できる。相対的移動方向Ｖは、空間的に一定である必要はないが、３つの方向３２、３７、３８を基準として経路を画定することができる。

オブジェクトホルダ１８は、第３のキャリッジ３９上にピボット駆動機構４１を介して配置される。ピボット駆動機構４１は、第１のピボット軸４２ａ及び／又は第２のピボット軸４２ｂを中心に、ワークホルダを枢動させることができる。第１のピボット軸４２ａは第２の方向３７へ伸び、第２のピボット軸４２ｂは第１の方向３２に伸びている。ピボット駆動機構４１の助けにより、弱いビームインパルスが半完成品２７に到達する角度は変更可能であり、所望通りに調整できる。

位置決め装置３０は、半完成品２７とレーザビームインパルス２４との間の相対位置を調整するために、更なる調整駆動装置、又はピボット、又は個別の回転駆動装置を更に含んでもよい。図示した実施形態とは違い、レーザヘッドは固定であってもよく、半完成品２７のためのオブジェクトホルダ１８のみが、摺動可能かつ枢動可能に支持されるように設計されてもよい。位置決め装置３０の実現には、多くの変形が可能である。位置決め調整装置３０によって調整される、レーザヘッド１９とオブジェクトホルダ１８との間の相対位置は、制御ユニット２９で制御される。

制御ユニット２９は、半完成品２７の加工を始める前又は加工中に、加工パラメータの調整又は変更のために、レーザヘッド１９を制御する。操作パラメータは例えば、レーザビームインパルスの強度Ｉ、好ましくは１〜１０ＭＨｚの周波数範囲のレーザ２１のインパルス周波数ｆ、及び／又は、焦点光学系又はそれと類似のものの焦点距離、等である。

レーザ加工装置２０は、プロセスガス供給ライン４５、並びにプロセスガス除去構造４６を含む。これらは図１を参照すれば、収納領域４７の第２の方向３７の両側に配置されている。好適な実施形態においては、このように第２の方向３７でのプロセスガス流Ｐが生成される。半完成品２７を加工する際に、アブレーション中に加工位置から材料が昇華して発生するプラズマを除去するために、加工される面２６の領域のプロセスガス流Ｐを調整することができる。

図１４、１５に示す実施形態では、プロセスガス流Ｐを生成するために、替わりに真空チャンバ４８が設けられ、その中に半完成品２７用のオブジェクトホルダ１８と収納領域４７とが配置される。真空チャンバ４８は、吸引ライン４９を介して真空ポンプ５０に接続されており、収納領域４７を制御された真空とすることが可能である。 この場合には、リダイレクト装置２３は、真空チャンバ４８の内部に配置される（図１４参照）てもよく、或いは、例えば図２、１５に示すように、真空チャンバ４８の外側に配置されてもよい。後者の場合、真空チャンバは、レーザビームインパルス２４のために、少なくとも入口領域５１においては使用するレーザ波長に対して透過性であることが必要である。

リダイレクト装置２３により、レーザビームインパルス２４は半完成品２７の面２６上のパルスゾーン５５の中に向けられる。レーザビームインパルス２４は面２６の衝突位置２５上で衝突して材料のアブレーションを起こし、その結果、図６に模式的に示すように、漏斗状のクレータ５６が形成される。衝突位置２６はここでは中心点、もしくはクレータ５６の中心軸で示されるものとする。所定の間隔を置いて配列された多数の衝突位置２５が、パルスゾーン５５を形成する。

制御ユニット２９は、リダイレクト装置に２３に対して、次の衝突位置２５の配置のための、パルス経路Ｂを決定する。リダイレクト装置２３は、パルス経路Ｂに沿って次の衝突位置２５へレーザビームインパルス２４を向ける。パルス経路Ｂの進路はパルスゾーン５５の形状に依存し、図３の矩形のパルスゾーン５５の場合、直線の部分進路から成る蛇行状の経路を取る。パルスゾーン５５の１つのコーナポイント（角）の衝突位置２５が、開始点Ｓとなる。これは、形成されるエッジ６０、又は面領域６２からは離れた位置にある。レーザビームインパルス２４は、開始点Ｓからスタートして、パルス経路Ｂに沿って配置され、パルスゾーンの対角位置のコーナにある衝突位置２５まで進み、これがパルス経路Ｂの終点Ｅとなる。パルス経路Ｂの部分経路５７は、例えば、構成しようとする面領域６２、又はエッジ６０に平行に延伸する。この経路の終端部分５７は、作製しようとする面領域６２又はエッジ６０に直接隣接するように配置される。終点Ｅに到達すると、リダイレクト装置２３により反転移動が開始され、その後、レーザビームインパルス２４は、開始点Ｓからスタートするパルス経路Ｂ上に再び向けられる。反転移動は、作製される輪郭領域６０、６２からは離れた方向に延伸する。反転移動は、図３から５のそれぞれにおいて、破線の矢印で示されている。

レーザビームインパルス２４のレーザ光は直線偏光となっている。レーザ２１及び／又はレーザ光のビームガイド（これは、レーザ２１とレーザヘッド１９のレーザビームインパルス２４の出口位置との間にある）は、レーザビームインパルス２４の偏光方向が、パルス経路Ｂに対して所定の方向となるように設計されている。その偏光方向は、好ましくは、偏光方向Ｌとパルス経路Ｂの少なくとも一部とが、相互に平行となるように選択される。偏光方向は、特に部分経路５７に平行となる。偏光方向Ｌは、図３の一部のクレータ５６において、パルス経路Ｂの衝突領域２５内の矢印で示されている。

パルス経路Ｂに対して偏光方向Ｌを変えるために、レーザ２１は、放射方向を中心に所望の位置まで回転することができる。しかし、全てのタイプのレーザ２１が任意の所望の位置を取れるわけではない。偏光方向を調整するために、替わりにレーザ光のビーム通路内に、入射するレーザ光と出射するレーザ光の偏光方向を変える少なくとも１つの光学要素を導入してもよい。これは例えば、位相シフト遅延板、特にλ／２板のようなものであってよい。λ／２板は、λ／２板の光軸に対して入射光の偏光方向が成す入射角の２倍の大きさの回転角だけ、レーザ光の偏光方向を回転させる。偏光方向は、１以上のリダイレクト鏡を介する反射によっても変化させることができる。

パルス経路Ｂに沿った、２つの連続する衝突位置２５の間の距離Ａは、レーザ２１のインパルス周波数ｆとリダイレクト装置２３の調整速度とによって、前以って決定される。パルス経路Ｂの方向変化によっても、距離は変化する。

パルスゾーン５５が丸か楕円形、もしくはその他の曲線形状をしている場合、終点Ｅを含む部分経路５７は、作製される輪郭６０、６２に対して接線方向に延伸してもよい（図４参照）。パルス経路Ｂは、この場合螺旋形を有する。パルスゾーン５５は、図５に示すようにリング形状の一部分であってもよい。

或いは又、後続のレーザビームインパルス２４を、曲折又は蛇行する経路に沿って位置決めする代わりに、制御ユニット中に保存された他のパルス経路を選択してもよい。この場合、パルスゾーンを画定する全ての衝突位置２５を通る順序は、始点Ｓから終点Ｅまでを通過する。始点Ｓと終点Ｅはプロセスガス流Ｐの方向にあり、可能な限り相互に離れていることが好ましくこの場合、プロセスガスは終点Ｅから始点Ｓに向かって流れる。

好適な実施形態においては、各衝突位置２５には１つのレーザビームインパルス２４だけが向けられ、次のレーザビームインパルスはパルスゾーン５５の別の衝突位置５５に向けられる。そのような手順は図７の上部の図に示されている。２つの連続するインパルス２４の間の時間間隔は、レーザ２１の実際のインパルス周波数ｆの逆数として求めることができる。パルスレーザ２１は、ピコ秒レーザ又はフェムト秒レーザの形態であってよい。

後続のレーザビームインパルス２４が異なる衝突位置２５に向けられる場合、これらのレーザビームインパルス２４は強度Ｉ１を有する。図７の他（下部）の２つの図に示すように、次の衝突位置に移る前に、２以上のレーザインパルス２４が１つの衝突位置２５に振り向けられてもよい。つまり、リダイレクト装置２３は、いくつかのレーザビームインパルス２４からなるインパルスシーケンス６５を１つの衝突位置２５に向けた後に、後続のインパルスシーケンス６５を別の衝突位置２５に向ける。１つのインパルスシーケンス６５に含まれる、衝突位置２５に対して有効なエネルギーは、Ｉ１の強度を有する単一のレーザビームインパルス２４に相当するべきである。これが、インパルスシーケンス６５の個々のレーザビームインパルス２４の強度が小さくなる理由である。ここに示す実施形態においては、インパルスシーケンス６５の全強度Ｉは一定である。従って、インパルスシーケンス６５の個々のレーザインパルス２４の強度Ｉは、強度Ｉ１を、レーザインパルスシーケンス６５に含まれるレーザインパルス２４の数で割った商に相当する。

クレータ５６の直径Ｄは、衝突位置２５におけるレーザインパルス２４の実効直径に依存する。これは焦点光学系２８によって前以って決定することができ、特に加工プロセス中においても調整可能である。

ここで、リダイレクト装置２３によって、２次元の限定された領域のパルスゾーン５５が加工される場合、位置決め装置３０は同時に、半完成品２７の面２６上に形成されるエッジ６０、又は面領域６２に沿うパルスゾーン５５の相対運動を開始する。即ち、レーザインパルス２４の多数の衝突位置２５を有するパルス領域５５に形成される材料アブレーション領域が、形成されるエッジ６０又は面領域６２の側面に沿って、相対移動方向Ｖの方向に、所定の相対速度Ｖｒｅｌで移動する。相対速度Ｖｒｅｌは、パルスゾーン５５の少なくとも一部が半完成品の面２６上にある限りは、常に０よりも大きい。こうして、半完成品上に、所望のエッジ又は面の輪郭からごく僅かしかずれのない、エッジ又は面を作ることができる。これは、特に、削り面６１と自由面領域６２とで境界を定められる、１以上のカッティングエッジ６０を備えるカッティングツールの製造に関する。

傾斜角αは、例えば、位置決め装置３０とピボット装置４１とによって調整される。傾斜角αは、レーザビームインパルス２４のビーム方向Ｒと、半完成品からパルスゾーン５５で加工されてできる面領域６２が配置される平面Ｆとの間の角度として定義される。輪郭が曲面の場合には、面Ｆは実際に加工される位置に対する接平面を表す。調整すべき傾斜角αは、制御ユニット２９により決定され、半完成品２７の加工途中で変化されてもよい。最適のアブレーション速度を得るために、傾斜角αは、アブレーションする半完成品の材料に合わせて調整される。このように、異なる部分又は材料層から成る半完成品２７に関しては、傾斜角αは常に材料に対して最適に調整される。これにより処理効率が顕著に向上する。

以下に、カッティングエッジ６０と、そのカッティングエッジ６０に隣接する面領域６２とを形成するための、半完成品２７の加工の種々の段階を、図９〜１３を参照して説明する。

半完成品２７は、例えば、多結晶ダイアモンド（ＰＣＤ）、又はＣＶＤダイアモンドから成るカッティング要素７０で形成されたカッティング材料層を含む。カッティング要素７０は、例えば硬質金属から成る担体層である担体要素７１の上に配置される。２つの要素７０、７１は、例えば半田層などの接続層７２によって強固に相互接続される。又は、カッティング材料層は、担体層の上に、ＰＶＤなどのプロセスによって直接配置することもできる。

半完成品２７の上側は、完成後にはカッティングツールの削り面６１となる。削り面６１に隣接して、自由面領域６２が半完成品２７から加工される。この所望の輪郭は、線７３で示されている。形成される楔の角度は、例えば９０度である。形成されるカッティングエッジ６０に隣接して配置される、第１の自由面部分６２ａは、削り面６１に対して楔角を成す。第１の自由面部分６２ａに隣接して第２の自由面部分６２ｂが配置され、これは削り面領域６１に対関して楔角よりも小さい角度を成す。自由面領域６２、及びその結果としてカッティングエッジ６０を露出させるために、半完成品の材料部分６３が完全に除去されなければならない。この材料部分６３は、形成される自由面領域６２を完全に覆い、カッティング要素７０の部分と担体要素７１の部分とを含んでいる。この材料部分６３は、削り面６１に隣接して配置される半完成品２７の側面部分を含んでいる。材料部分６３は、アブレーション過程でほぼ完全に昇華し、くず片として小さい残留部分６４が残るだけであることが好ましい。残留部分は、材料部分６３の体積の１０％未満、好ましくは５％未満である。

レーザビームインパルス２４が表面２６のパルスゾーン５５の領域内に到達すると、材料のアブレーションが起きる。レーザヘッド１９は、レーザインパルス２４を発生している間、パルスゾーン５５が半完成品２７の面２６に沿って移動するように、図９〜１３の紙面と直角の相対移動方向Ｖに移動させられる。この相対移動速度は毎分数ミリメートルかそれ以下であり、衝突位置２５をパルス経路Ｂに沿って動かすリダイレクト装置２３の、毎秒数メートル台の調整速度に比べると数桁も小さい。材料のアブレーションは、形成される自由面領域６２に沿って、１層ずつ行われる。形成される面領域６２に沿って、相対移動方向Ｖにパルスゾーン５５が完全に１回移動し終えると（これを連続パスＫｉ（ｉ＝１．．．ｎ）と称する）、アブレーション層が除去される。連続パスＫ１．．．Ｋｎは、材料部分６３が完全に除去されるまで、ｎ回反復される。アブレーション層は、数百ミリメートルの厚さｄＳを有する。

図８ｂに模式的に示すように、パルスゾーン５５が相対的に移動する結果として、材料のアブレーション深さは、パルスゾーン５５の領域内で移動方向とは反対の方向に増加していく。パルスゾーン５５の、相対移動方向Ｖの後端において、材料のアブレーション深さは最大となり、アブレーション層の厚さｄＳを決定する。これは、連続移動の結果として、パルスゾーン５５の先行（後端）領域が、半完成品２７の面２６のこの領域を既に通過して行っているからである。これとは対照的に、パルスゾーン５５の先端における面領域では、この領域はパルスゾーン５５が到達したばかりであるので、材料のアブレーション深さはまだ小さい。

連続パスＫｉ（ｉ＝１．．．ｎ）が１回終わる度に、レーザビームインパルス２４の焦点設定が自動的に調整される。厚さｄＳのアブレーション層が除去されることにより、レーザヘッド１９から面２６までの距離が変化してしまうからである。これは、各連続パスＫｉ（ｉ＝１．．．ｎ）の後に、焦点光学系２８、及び／又は位置決め装置３０の焦点設定を調整することにより補償される。焦点設定は、パルスゾーン５５の上をレーザビームインパルスが通過している間に自動的に適応させてもよい。これは、前述したように、パルスゾーン５５内で材料のアブレーション深さは相対移動方向Ｖとは反対方向に増加し、レーザヘッド１９と半完成品２７の表面２６との距離がパルスゾーン５５の内部でも変化するからである。

図９及び１０に示すように、手順の最初に、第１の表面部分６２ａと、レーザビーム放射方向Ｒとの間の傾斜角度αをゼロに設定してく、従ってこの時のαは図９及び１０には示されていない。そして、カッティングエッジ６０に隣接する層を、１ないし数層アブレーションした後にαを増加してよい。傾斜角αは、数学的には、正であっても、負であってもよい。好適な傾斜角αを判定することにより、楔角及びカッティングエッジ６０は非常に高精度に作ることが可能となる。しかし、代替的に、ゼロではない傾斜角αを手順の最初から設定してもよい。

この最初の表面部分６２ａを作るために、図１１に示すように、約５〜１０度の、第１の傾斜角α１を設定する。レーザビームインパルス２４の強度Ｉは、第１の強度ＩＫである。十分に大きな領域の自由面６２が生成され、その結果カッティングエッジ６０からのパルスゾーン５５の距離が最小になると、レーザビームインパルス２４の強度を、図１２に比較的太い破線のレーザビームインパルス２４で示した、第２の強度ＩＧに変更できる。この第２の強度は、ここでの例では、図１１に比較的細い破線のレーザビームインパルス２４で示した第１の強度ＩＫよりも大きい。即ち、ＩＫ＜ＩＧである。

例示的な実施形態において、カッティング要素７０の領域の材料部分６３がアブレーションされ、接続層７２に達すると、強度Ｉは第２の強度ＩＧに変更される。この時点において、制御ユニット２９は傾斜角αを、第１の傾斜角α１から第２の傾斜角α２へ変更することを開始する。ここで、一例として、第２の傾斜角α２は第１の傾斜角α１よりも大きい。例示的な実施形態においては、担体要素７１の材料アブレーションのための第２の傾斜角α２は、図１２に示すように、約１０〜２５度である。傾斜角αは、常に、形成される自由面領域６２ａ、６２ｂに対して計測される。形成される自由面領域６２が傾斜したり曲がっている場合には、位置決め装置３０がレーザヘッド１９と半完成品２７との間の相対位置を変えて、所望の傾斜角αを維持するようにする。

本発明は、半完成品２７のレーザ加工の方法及び装置に関するものである。半完成品２７は、特に、カッティングエッジ６０と自由面領域６２とを有するカッティングツールを形成するためのものである。レーザによりレーザビームインパルス２４を発生し、リダイレクト装置２３を介して半完成品２７の面２６上へ向ける。レーザビームインパルス２４は、レーザビームインパルス２４のビーム方向Ｒと、半完成品２７上に形成される自由面領域６２との間に傾斜角αを成して、衝突領域２５に到達する。傾斜角αは、材料のアブレーションの前、及びその途中において、位置決め装置３０によって調整され、運転パラメータの変化に順応させることができる。リダイレクト装置２３は、レーザビームインパルス２４が隣接して配置される衝突領域２５を衝突するように制御される。所定数の衝突位置２５により、パルスゾーン５５が形成される。パルスゾーン５５の各衝突領域２５の上に、レーザビームインパルス２４は、所定の順序で反復して向けられる。位置決め装置３０を介して、パルスゾーン５５と半完成品２７とは一定速度で相対移動し、所定の衝突位置２５で形成されるパルスゾーン５５が半完成品の面２６に沿って移動して、連続パス毎に層がアブレーションされる。従って、パルスゾーン５５の領域内で行われる材料のアブレーションは、面２６に沿って連続的に移動する。このようにして、非常に高精度なエッジと面輪郭とを、高速のアブレーション速度で、半完成品２７の内部、又は表面に形成することが可能である。

１８ オブジェクトホルダ
１９ レーザヘッド
２０ レーザ加工装置
２１ パルスレーザ
２２ レーザビーム
２３ リダイレクト装置
２４ レーザビームインパルス
２５ 衝突領域
２６ 半完成品の面
２７ 半完成品
２８ 焦点光学系
２９ 制御ユニット
３０ 位置決め装置
３１ 第１の調整駆動装置
３２ 第１の方向
３３ 第１のキャリッジ
３４ 第１のキャリッジ支持構造
３５ 第２のキャリッジ支持構造
３６ 第２のキャリッジ
３７ 第２の方向
３８ 第３の方向
３９ 第３のキャリッジ
４０ 第３のキャリッジ支持構造
４１ ピボット駆動機構
４２ａ 第１のピボット軸
４２ｂ 第２のピボット軸
４５ プロセスガス供給ライン
４６ プロセスガス除去構造
４７ 収納領域
４８ 真空チャンバ
４９ 吸引ライン
５０ 真空ポンプ
５１ 入口領域
５５ パルスゾーン
５６ 漏斗状のクレータ
５７ 部分経路
６０ カッティングエッジ
６１ 削り面
６２ 自由面領域
６２ａ 第１の自由面部分
６２ｂ 第２の自由面部分
６３ 材料部分
６４ 残留部分
６５ インパルスシーケンス
７０ カッティング要素
７１ 担体要素
７２ 接続層
７３ 線
α 傾斜角
Ａ 距離
Ｂ パルス経路
Ｄ 直径
ｄＳ 層厚さ
Ｅ 終点
ｆ インパルス周波数
Ｆ 面
Ｉ 強度
Ｋｉ 連続パス（ｉ＝１〜ｎ）
Ｌ 偏光方向
Ｐ プロセスガス流
Ｒ ビーム放射方向
Ｓ 始点
Ｖ 相対移動方向
ｖｒｅｌ 相対速度

Claims (18)

1. 半完成品（２７）の輪郭（６０、６２）を製造するためのレーザ加工装置であって、
   レーザビームインパルス（２２、２４）を供給するレーザ（２１）と、
   前記レーザ（２１）の前記レーザビームインパルス（２４）を、前記半完成品（２７）上の所定のパルスゾーン（５５）内の、間隔をおいた所定の複数の衝突位置（２５）の各々の上へ向かうよう移動させる、リダイレクト装置（２３）であって、前記パルスゾーン（５５）が、前記パルスゾーン（５５）の輪郭に沿った外側衝突位置（２５）と前記外側衝突位置（２５）の内側に位置する内側衝突位置（２５）とを含む、リダイレクト装置（２３）と、
   形成されるエッジ（６０）又は面（６２）に沿って相対移動方向（Ｖ）に、前記半完成品（２７）と前記パルスゾーン（５５）とを連続的に相対移動させ、前記相対移動は、前記半完成品（２７）の面上で前記パルスゾーン（５５）の移動が停止することがないよう、停止することなく継続される、位置決め装置（３０）と
   を備える、レーザ加工装置。
2. 前記位置決め装置（３０）は、前記レーザビームインパルス（２４）のレーザビーム方向（Ｒ）と、前記半完成品（２７）上に形成される面（６２）との間に傾斜角（α）を与えて設定する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 形成される前記エッジ（６０）又は面（６２）を覆う、前記半完成品（２７）の材料部分（６３）は、前記パルスゾーン（５５）に対して実質的に平行に伸びる層状アブレーションパスを数回行うことにより、層状に除去される、請求項１に記載のレーザ加工装置。
4. アブレーション層は、前記半完成品（２７）上に形成される前記面（６２）に交わる方向に拡がる、請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記位置決め装置（３０）は、前記半完成品（２７）の加工中に傾斜角（α）を変更する、請求項２に記載のレーザ加工装置。
6. 前記傾斜角（α）は、前記半完成品（２７）の材料に依存して前記位置決め装置において予め定められている、請求項２に記載のレーザ加工装置。
7. 前記半完成品（２７）は、担体層（７１）の上に配置されたカッティング材料層（７０）と、２つの層（７０、７１）上に拡がる、除去される材料部分（６３）とを含み、
   前記位置決め装置（３０）は、前記カッティング材料層（７０）のアブレーション用の第１の傾斜角（α１）と、前記担体層（７１）材料のアブレーション用の第２の傾斜角（α２）を調整する、請求項２に記載のレーザ加工装置。
8. 前記カッティング材料層（７０）の材料をアブレーションするときの前記レーザビームインパルス（２４）の強度（Ｉ）は、前記担体層（７１）の材料をアブレーションするときに適用する前記レーザビームインパルス（２４）の強度とは異なる、請求項７に記載のレーザ加工装置。
9. 前記カッティング材料層は、カッティングエッジ構成のために提供され、前記担体層（７１）は前記カッティング材料層を支持するために提供され、前記２つの層は強固に接合されている、請求項７に記載のレーザ加工装置。
10. 前記傾斜角（α）は、０度から４５度の範囲にある、請求項２に記載のレーザ加工装置。
11. 前記リダイレクト装置（２３）は、前記パルスゾーン（５５）の前記衝突位置（２５）上へ、前記レーザビームインパルス（２４）を所定の順序で向ける、請求項１に記載のレーザ加工装置。
12. 前記リダイレクト装置（２３）は、所定のパルス経路（Ｂ）に沿って配置された所定の入射位置（２５）上へ前記レーザビームインパルス（２４）を向ける、請求項１に記載のレーザ加工装置。
13. 前記パルス経路（Ｂ）は、始点（Ｓ）と終点（Ｅ）とを有し、前記終点（Ｅ）となる前記衝突位置（２５）は、形成される前記エッジ（６０）又は前記面（６２）に割り当てられた前記パルスゾーン（５５）の外周に配置される、請求項１２に記載のレーザ加工装置。
14. 前記パルス経路（Ｂ）に沿う２つの連続する衝突位置（２５）の間の距離（Ａ）は、前記レーザ（２１）のインパルス周波数（ｆ）とリダイレクト装置（２３）の調整速度とによって予め定められている、請求項１２に記載のレーザ加工装置。
15. 前記リダイレクト装置（２３）は、２つの連続するレーザインパルス（２４）を前記パルスゾーン（５５）の異なる衝突位置（２５）上へ向ける、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
16. 前記リダイレクト装置（２３）は、少なくとも２つのレーザビームインパルス（２４）を含む２つの連続するレーザインパルスシーケンス（６５）を、前記パルスゾーン（５５）の異なる衝突位置（２５）上へ向ける、請求項１に記載のレーザ加工装置。
17. 前記傾斜角（α）は、５度から２５度の範囲にある、請求項１０に記載のレーザ加工装置。
18. 半完成品（２７）上に輪郭（６０、６２）を製造するための方法であって、
    半完成品（２７）を提供し、
    レーザビームインパルス（２２、２４）を発生させ、前記レーザビームインパルス（２４）を、前記半完成品（２７）上のパルスゾーン（５５）内に間隔をあけて配置された複数の衝突位置の各々の上へ向かうよう移動させ、前記パルスゾーン（５５）が、前記パルスゾーン（５５）の輪郭に沿った外側衝突位置（２５）と前記外側衝突位置（２５）の内側に位置する内側衝突位置（２５）とを含み、
    前記半完成品（２７）と前記パルスゾーン（５５）との間の連続的な相対移動を実行し、前記相対移動は、形成される前記輪郭（６０、６２）に沿った方向へ、前記半完成品（２７）の面上で前記パルスゾーン（５５）の移動が停止することがないよう、停止することなく継続される、
    ステップを含む、方法。
    

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