JP5165485B2 - Laser cutting device - Google Patents
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本発明は、金属板などのワークをレーザ光を照射して切断加工するレーザ切断装置に関し、特に広範囲の切断にはワークを支持するテーブルを移動させ、微小範囲の切断にはレーザ光の光軸を微小変動させるレーザ切断装置に関する。 The present invention relates to a laser cutting apparatus that cuts a workpiece such as a metal plate by irradiating a laser beam, and in particular, moves a table that supports a workpiece for a wide range of cutting, and an optical axis of the laser beam for a small range of cutting. The present invention relates to a laser cutting device that minutely fluctuates the angle.
レーザ切断装置は、金属板のワークに対して集光したレーザ光を照射するとともに、アシストガスを噴射して高精度・高品質な微細切断を行う加工装置である。図4は、従来のレーザ切断装置を示した断面図である。
このレーザ切断装置は、不図示のレーザ発振器から加工ヘッド101内の集光レンズ102にレーザ光Lが入射し、その集光レンズ102によって集光されたレーザ光Lは金属板のワークWに焦点を結ぶように照射される。ワークWは、不図示のワーク用テーブルの取付枠によって周縁部が保持され、XY平面上の移動が可能になっている。そのワークWに対し、加工ヘッド101からレーザ光Lが照射されると、ワークW自身が加工ヘッド101に対して相対的に移動することにより、所定形状の切断が行われる。
The laser cutting device is a processing device that irradiates a focused laser beam onto a metal plate workpiece and injects an assist gas to perform fine cutting with high accuracy and high quality. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a conventional laser cutting device.
In this laser cutting device, laser light L is incident on a
このとき、供給部103から入れられたアシストガスは、レーザ光Lと同じく、ワークWを押さえ付けるチップシール部材110の開口部110aを通ってワークWへ吹き付けられ、その切断部Aを通ってワークWの裏面へ流出する。これにより、切断部Aの溶融によって生じた溶融物が吹き飛ばされて除去され、ワークWへドロスやスパッタの付着が防止される。また、ワークWは、加工時のアシストガスによって撓まないように、加工ヘッド101の直下にはワークWを裏面から支持する加工台120が配置される。
ところで、従来のレーザ切断装置は、ワークWの周縁部を保持したワーク用テーブルが、そのワークWをXY方向に移動させることで所定の切断加工が行われていた。しかし、これでは、電子部品などのように小型かつ高密度化が進み、極めて微小な数百μm程度の孔を多数あける加工などが行われるものには十分対応できなかった。そこで、レーザ光Lを照射する加工ヘッド101側にヘッド側ステージが設けられ、狭い範囲でレーザ光Lの照射位置を変化させる構造のものが提案されている。
By the way, in the conventional laser cutting apparatus, a predetermined cutting process is performed by moving the work W in the XY directions by a work table holding the peripheral edge of the work W. However, this has not been able to sufficiently cope with processing such as processing of drilling a very small number of holes of about several hundreds μm, such as electronic parts, which has been reduced in size and increased in density. Therefore, a structure has been proposed in which a head side stage is provided on the
しかし、高速および高精度を満足するには、加工ヘッド101の軽量化や、移動制御にともなって生じる負荷に耐え得る剛性が必要であり、その両立が困難であった。また、ワークWを有効に利用するには、保持された周縁部付近まで加工できるようにすることが好ましいが、加工ヘッドが大きいとワーク保持部材によって周縁部に近づけず、加工領域が狭くなってしまい、材料の無駄が生じてしまう問題もあった。
However, in order to satisfy high speed and high accuracy, it is necessary to reduce the weight of the
そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、加工ヘッドを移動させることなく微小な孔あけ加工が可能なレーザ切断装置を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a laser cutting device capable of performing a minute drilling process without moving a machining head in order to solve such a problem.
本発明に係るレーザ切断装置は、ベースに対して加工ヘッドが吊り下げられるように取り付けられ、集光レンズを備えた当該加工ヘッドのノズル先端の開口部からレーザ光をワークに照射して切断加工を行うものであって、前記加工ヘッドは、前記集光レンズをレーザ光の光軸と直交する平面上で微小変動させるレンズ可動手段を有し、そのレンズ可動手段には中央部に透過孔が形成され、前記集光レンズが当該透過孔の範囲内で変位するようにレンズホルダを介して取り付けられ、そのレンズホルダと干渉しないように前記透過孔を通した柱部材によって、前記ノズル側の加工ヘッド構成部材が前記ベースに対して取り付けられるようにしたものであることを特徴とする。
また、本発明に係るレーザ切断装置は、前記レンズ可動手段が、中央部分に略四角形の透過孔が形成され、下面側に可動テーブルが設けられた圧電アクチュエータであり、前記レンズホルダは、中央に前記集光レンズを保持する保持部を備えた十字形状をしたものであって、前記透過孔の四辺に掛け渡すようにして前記可動テーブルに取り付けられ、前記柱部材は、前記透過孔の四隅に形成された前記レンズホルダとの隙間を通して配置されたものであることが好ましい。
The laser cutting device according to the present invention is attached so that the processing head is suspended from the base, and cuts the workpiece by irradiating the workpiece with laser light from the opening at the tip of the nozzle of the processing head provided with the condenser lens. The processing head has lens moving means for minutely changing the condenser lens on a plane orthogonal to the optical axis of the laser beam, and the lens moving means has a transmission hole at the center. The nozzle side is formed by a pillar member that is formed and attached via a lens holder so that the condenser lens is displaced within the range of the transmission hole, and that passes through the transmission hole so as not to interfere with the lens holder. The head constituting member is attached to the base.
Further, in the laser cutting device according to the present invention, the lens moving means is a piezoelectric actuator in which a substantially square transmission hole is formed in the central portion and a movable table is provided on the lower surface side, and the lens holder is in the center. It has a cross shape with a holding portion for holding the condenser lens, and is attached to the movable table so as to span the four sides of the transmission hole, and the column members are formed at the four corners of the transmission hole. It is preferable that the lens holder is disposed through a gap with the formed lens holder.
よって、本発明のレーザ切断装置によれば、加工ヘッド内のレンズ可動手段によって微小孔の加工を行うようにしたので、加工ヘッドを移動させることなく集光レンズのみを駆動すればよいため、高速高精度の加工が可能になる。そしてまた、レンズ可動手段が透過孔を有し、そこを通った柱部材によって加工ヘッド構成部材をベース側に取り付け、加工ヘッドを構成するようにしたので、外側を通した支持部材によって構成するのに比べて加工ヘッドをコンパクトにすることができる。そのため、加工ヘッド自身を移動させて加工を行う場合、その加工ヘッドをワークの端部により近づけることが可能になり、材料の無駄を少なくすることができる。 Therefore, according to the laser cutting device of the present invention, since the minute holes are processed by the lens moving means in the processing head, it is only necessary to drive the condensing lens without moving the processing head. High precision machining is possible. In addition, since the lens moving means has a transmission hole, the processing head constituting member is attached to the base side by the pillar member passing therethrough, and the processing head is constituted, so that the lens moving means is constituted by the support member that passes outside. Compared to, the machining head can be made compact. Therefore, when processing is performed by moving the processing head itself, the processing head can be brought closer to the end of the workpiece, and waste of material can be reduced.
次に、本発明に係るレーザ切断装置について一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図1は、レーザ切断装置の加工ヘッドの断面図である。
本実施形態のレーザ切断装置は、従来のものと同様に、加工ヘッド1がヘッド側ステージ2に固定されている。加工ヘッド1の下には不図示のワーク用テーブルが設けられ、金属板のワークは、その周縁部が保持され、加工可能な状態にセットされる。ワークは、それ自身がワーク用テーブルによってXY平面上を移動し、更にそのワークに対し、加工ヘッド1がヘッド側ステージ2によってXY平面と平行な平面上を移動するよう構成されている。
Next, an embodiment of a laser cutting apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a processing head of a laser cutting device.
In the laser cutting apparatus of this embodiment, the machining head 1 is fixed to the
ワークの下側には、加工時の加工ヘッド1から噴射されるアシストガスによってワークが撓まないように、不図示の加工台が配置され、加工ヘッド1と加工台とによってワークを上下から挟み込むように構成されている。その加工ヘッド1は、図示するようにベース11の下方に吊り下げられるように固定して取り付けられ、ヘッド側ステージ2のLMガイド12などによって移動可能になっている。加工ヘッド1には、金属板のワークを切断するため、不図示のレーザ発振器から光ファイバ5を介してレーザ光Lが送られるようになっている。
A work table (not shown) is arranged below the work so that the work is not bent by the assist gas injected from the work head 1 during the work, and the work is sandwiched from above and below by the work head 1 and the work table. It is configured as follows. The machining head 1 is fixed and attached so as to be suspended below the
加工ヘッド1は筒状に形成され、光ファイバ5を介して送られたレーザ光Lが不図示のコリメートレンズを介し、図示するように平行光として進入する。加工ヘッド1の筒内の途中にはレーザ光Lを集光する集光レンズ21が存在し、筒状部を有するレンズホルダ22によって保持されている。集光レンズ21は、このレンズホルダ22によって光軸方向の位置決めが行われ、レーザ光Lのワークへの焦点位置が設定されている。加工ヘッド1の下部には、レーザ光Lが集光する部分にノズル23が設けられている。ノズル23の先端には600μmの径の開口部が形成され、その開口部を通ったレーザ光Lの焦点位置での直径が30μm以下でワークに照射されるよう構成されている。
The processing head 1 is formed in a cylindrical shape, and the laser light L sent through the
加工ヘッド1には、ワークに対するレーザ切断部にアシストガスを吹き付けるためガス管24が接続され、不図示のガス供給装置からのアシストガスを内部に供給するよう構成されている。そして、このガス管24から供給されたアシストガスは、ノズル23へのガス流路を通って流れ、そのノズル23の形状によってワークの切断部位に集中的に流れ込むようになっている。集光レンズ21の下には、アシストガスが流れ込まないようにレンズカバー25を保持したカバーホルダ26が設けられている。ガス管24から流れるアシストガスは、このカバーホルダ26の外側を流れるように流路が形成され、ノズル23へと吹き込まれるようになっている。
The processing head 1 is connected to a
本実施形態では、集光レンズ21をレーザ光Lの光軸Oに対して直交方向に微小変動させ、その焦点位置を制御できるように構成されている。集光レンズ21を変動させるレンズ可動手段には圧電アクチュエータ30が使用され、それに対してレンズホルダ22を介して集光レンズ21が取り付けられている。圧電アクチュエータ30には、例えば株式会社ナノコントロールから販売されている多軸一体タイプの「ナノサーボステージ(製品名)」を用いることができる。ここで、図2は、圧電アクチュエータ30による集光レンズの駆動部を装置下方から示した図である。
In the present embodiment, the
圧電アクチュエータ30は、図1に示すような一定の厚みをもち、図2に示すように略四角形の平面形状を有し、その中心には同じく略四角形の透過孔31が形成されている。この圧電アクチュエータ30は、その本体35の四隅にボルト32が下方から貫通し、図1に示すように、固定部材13に対してネジ止めされている。固定部材13はベース11に対して一体に設けられ、これにより圧電アクチュエータ30がベース11側に固定して取り付けられる。圧電アクチュエータ30は、上面側が固定部材13に当てられているが、下面側が可動部であって非接触状態で配置されている。
The
圧電アクチュエータ30は、その下面側に図2の縦横或いは斜め方向に変位する可動テーブル33が取り付けられ、電圧を加えて制御することによってその可動テーブル33が所定方向に変位するよう構成されている。本実施形態のレーザ切断装置では、この可動テーブル36に集光レンズ21が取り付けられ、変位可能な構成になっている。集光レンズ21は、透過孔31のほぼ中心に設置されており、レーザ光Lは、その透過孔31を通って照射できるようになっている。
The
可動テーブル36には、透過孔31を跨ぐように十字形状のレンズホルダ22がネジ止めされている。レンズホルダ22の中心にはレンズ保持部22aが形成され、そこに集光レンズ21が嵌め込まれており、集光レンズ21が透過孔31のほぼ中心に位置している。ところで、透過孔31の四隅には、レンズホルダ22には塞がれていない貫通部分が存在する。そうした4つの貫通部分には柱部材27が配置され、ベース11側の固定部材13と下方のカバーホルダ26などを連結させている。
A
加工ヘッド1は、こうして圧電アクチュエータ30の透過孔31を通った柱部材27によって下方の構造物が取り付けられている。すなわち、カバーホルダ26の他、加工ヘッド2を構成する円筒形の下部ブロック28や、ノズル23を囲むように円筒形状の上部ホルダ29が取り付けられ、ベース11に対して固定された構造をしている。この柱部材27は、可動するレンズホルダ22の動きに干渉しないようにする必要がある。圧電アクチュエータ30は、例えば直径が200μm以下の孔あけ加工に使用されるため、レンズホルダ22の可動範囲は狭い。柱部材27は、そうしたレンズホルダ22の可動領域を考慮して設けられている。
The machining head 1 is attached to the lower structure by the
次に、本実施形態のレーザ切断装置を使用したレーザ切断加工について説明する。
先ず、ワークは、その周縁部が不図示のXYテーブルに保持され、予め設定された切断データに基づいてXY平面上の移動が行われる。XYテーブルへのワークの取り付け後に下の加工台が上昇し、ワークが上下のホルダによって挟み込まれる。
Next, laser cutting processing using the laser cutting device of this embodiment will be described.
First, the peripheral part of the work is held on an XY table (not shown), and the work is moved on the XY plane based on preset cutting data. After the work is attached to the XY table, the lower work table rises and the work is sandwiched between the upper and lower holders.
加工ヘッド1からは、光ファイバ5を介して送られたレーザ光Lが不図示のコリメートレンズを介して図示するように平行光となって進入し、集光レンズ21によって集光したレーザ光Lがノズル23の開口部を通ってワークに照射される。ワークはレーザ光Lの入熱により局部的かつ瞬間的に溶融し、XYテーブルの設定された移動によって所定の切断が行われる。その際、ガス管24を通って加工ヘッド1内にアシストガスが高圧力で供給されると、レンズカバー25の下部空間へて流れた後にノズル23によって絞られ、ワークの切断部位に集中的に吹き付けられる。
From the processing head 1, the laser light L sent via the
また、ワーク下に位置する不図示の加工台では、吸引装置によって吸引されて負圧になっている。従って、アシストガスはワークの切断部を通って加工台の吸引孔内に流れ込み、ワークの切断に伴って生じるドロスなどの溶融物は、こうしたアシストガスの流れによって吸引管へと引かれて排出される。 Further, in a processing table (not shown) located under the workpiece, the vacuum is sucked by the suction device and becomes negative pressure. Therefore, the assist gas flows into the suction hole of the work table through the workpiece cutting part, and the molten material such as dross generated by the cutting of the workpiece is drawn to the suction pipe by the assist gas flow and discharged. The
レーザ切断装置では、固定された状態の加工ヘッド1からレーザ光Lが照射され、XYテーブルの操作によって移動するワークに対して所定の切断加工が行われる。そして、大きな形状の切断加工にはXYテーブルが変位し、より狭い範囲の切断加工では、停止したワークに対してヘッド側ステージ2の動作によって加工ヘッド1が移動する。更に、本実施形態では、より微小な孔あけなどには、ワークと加工ヘッド1をともに停止させたままレーザ光Lの焦点位置を変化させた加工が行われる。
In the laser cutting device, the laser beam L is irradiated from the fixed processing head 1, and a predetermined cutting process is performed on the workpiece that moves by operating the XY table. Then, the XY table is displaced in the cutting process of a large shape, and in the cutting process in a narrower range, the processing head 1 is moved by the operation of the
それには、ヘッド側ステージ2によって加工ヘッド1を移動させて位置決めした後、圧電アクチュエータ30に電圧を印加して所定動作を与えた加工制御が行われる。すなわち、可動テーブル33が平面上を所定方向に微小変動することにより、レンズホルダ22を介して一体に設けられた集光レンズ21が変位する。こうして集光レンズ21が光軸Oに対して直交する平面上を微小変動し、図3に示すように、ノズル23先端の開口部23a内でレーザ光Lの焦点Sを変位させ、略四角形の微少孔40が形成される。
For this purpose, machining control is performed in which the machining head 1 is moved and positioned by the
集光レンズ21によって集光されたレーザ光Lは、ノズル23先端の開口部23aの大きさである直径600μmの円の範囲内に、焦点Sの直径が30μm以下のレーザ光Lによって孔あけ加工が行われる。すなわち、圧電アクチュエータ30によって集光レンズ21の位置を微小変動させることにより、ワークに対して照射するレーザ光Lの焦点Sの位置を変位させて溶融し、ノズル23先端の開口部23aより小さい円形や四角形などの所定形状の微小孔を形成する。そして、ヘッド側ステージ2によってワークに沿った平面上で加工ヘッド1を移動させて位置決めし、同様に圧電アクチュエータ30を駆動させた微小の孔あけ加工が繰り返される。
The laser beam L condensed by the
従って、本実施形態のレーザ切断装置によれば、加工ヘッド1内の圧電アクチュエータ30によって微小孔の加工を行うようにしたので、集光レンズ21のみを駆動すればよく、高速高精度の加工が可能になった。すなわち、加工ヘッド1自身を移動させるのに比べて圧電アクチュエータ30による集光レンズ21の高速高精度の変位が可能であり、しかも加工ヘッド1とワークとの摩耗が無いことも高速高精度のレーザ加工に寄与している。
Therefore, according to the laser cutting apparatus of the present embodiment, since the minute holes are machined by the
また、レーザ切断装置の加工ヘッド1は、透過孔31を通して設けられた柱部材27を介して、圧電アクチュエータ30下方のカバーホルダ26や下部ブロック28、上部ホルダ29などが支持されていている。従って、こうした加工ヘッド1の部材を圧電アクチュエータ30の外側から囲むように設けた支持部材では、加工ヘッド1が勢い大きくなってしまうのに対して、コンパクトな構成にすることができるようになった。そのため、加工ヘッド1自身を移動させて加工を行う場合、その加工ヘッド1をワークの端部により近づけることが可能になり、材料の無駄を少なくすることができる。
In addition, the processing head 1 of the laser cutting apparatus supports a
また、このレーザ切断装置では、XYテーブルの操作による大きな範囲の加工の他、固定したワークに対して加工ヘッド1を移動させることが行われる。その場合、移動する加工ヘッド1には光ファイバ5を介してレーザ光Lが送られるため、加工ヘッド1の自由な移動に対応することが容易である。
更に、光ファイバ5や微小加工を行うために圧電アクチュエータ30などの構成としたため、加工ヘッド1を軽量化することができ、加工ヘッド1を移動させた加工も高速かつ高精度に行うことが可能になる。
In this laser cutting apparatus, the machining head 1 is moved relative to a fixed workpiece in addition to machining in a large range by operating the XY table. In that case, since the laser beam L is sent to the moving processing head 1 via the
Furthermore, since the configuration of the
以上、本発明に係るレーザ切断装置の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、集光レンズ21を微小変動させるためのレンズ可動手段として挙げた圧電アクチュエータ30に限定されない。
Although one embodiment of the laser cutting device according to the present invention has been described above, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, the present invention is not limited to the
1 加工ヘッド
2 ヘッド側ステージ
11 ベース
21 集光レンズ
22 レンズホルダ
23 ノズル
25 レンズカバー
26 カバーホルダ
27 柱部材
30 圧電アクチュエータ
31 透過孔
36 可動テーブル
L レーザ光
O 光軸
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (2)
前記加工ヘッドは、前記集光レンズをレーザ光の光軸と直交する平面上で微小変動させるレンズ可動手段を有し、
そのレンズ可動手段には中央部に透過孔が形成され、前記集光レンズが当該透過孔の範囲内で変位するようにレンズホルダを介して取り付けられ、そのレンズホルダと干渉しないように前記透過孔を通した柱部材によって、前記ノズル側の加工ヘッド構成部材が前記ベースに対して取り付けられるようにしたものであることを特徴とするレーザ切断装置。 In the laser cutting device that is attached so that the processing head is suspended from the base and performs cutting by irradiating the workpiece with laser light from the opening of the nozzle tip of the processing head equipped with a condenser lens,
The processing head has lens moving means for minutely changing the condenser lens on a plane orthogonal to the optical axis of the laser beam,
A transmission hole is formed in the center of the lens moving means, and the condenser lens is attached via a lens holder so as to be displaced within the range of the transmission hole, and the transmission hole does not interfere with the lens holder. A laser cutting device characterized in that the nozzle-side processing head constituting member is attached to the base by a column member passed through.
前記レンズ可動手段は、中央部分に略四角形の透過孔が形成され、下面側に可動テーブルが設けられた圧電アクチュエータであり、
前記レンズホルダは、中央に前記集光レンズを保持する保持部を備えた十字形状をしたものであって、前記透過孔の四辺に掛け渡すようにして前記可動テーブルに取り付けられ、
前記柱部材は、前記透過孔の四隅に形成された前記レンズホルダとの隙間を通して配置されたものであることを特徴とするレーザ切断装置。 The laser cutting device according to claim 1, wherein
The lens moving means is a piezoelectric actuator in which a substantially square transmission hole is formed in the central portion and a movable table is provided on the lower surface side,
The lens holder has a cross shape with a holding portion that holds the condenser lens in the center, and is attached to the movable table so as to span the four sides of the transmission hole,
The laser cutting apparatus according to claim 1, wherein the column member is disposed through a gap with the lens holder formed at the four corners of the transmission hole.
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