CN105935841A - 激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够抑制脉冲能量的偏差的同时抑制加工时间的延长的激光加工装置。光束偏转器使脉冲激光束的入射位置在加工对象物的表面移动，且当移动结束时发送定位结束信号。在切换器处于打开状态时，脉冲激光束从激光光源入射到光束偏转器，处于关闭状态时不入射到光束偏转器。控制装置在向光束偏转器发送移动指令信号之后到接收到定位结束信号为止的期间，使切换器处于关闭状态，并以恒定的第1重复频率发送输出指令信号。若接收到定位结束信号，则从包含第1重复频率的频率变动范围内选择从前一次输出指令信号到下一个输出指令信号为止的第2重复频率。以第2重复频率向激光光源发送下一个输出指令信号，从而在高品质加工模式下进行加工。

Description

激光加工装置

本申请主张基于2015年3月6日申请的日本专利申请第2015-044283号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种激光加工装置。

背景技术

利用激光进行钻孔加工时，利用电流计扫描振镜使激光束在二维方向上摆动，从而使激光束入射到被加工点。激光束入射到1个被加工点之后，操作电流计扫描振镜来将激光束的入射位置移动至下一个被加工点。以电流计扫描振镜定位在下一个被加工点为契机，输出脉冲激光束。若被加工点的间隔不恒定，则用于使入射位置移动至下一个被加工点所需时间也不恒定。因此，从激光光源输出的脉冲激光束的脉冲的重复频率(以下，简称为“频率”)也出现偏差。若脉冲激光束的频率出现偏差，则脉冲能量也会出现偏差。

下述专利文献1中公开了抑制脉冲能量的偏差的激光加工装置。在专利文献1中公开的激光加工装置中，从激光光源以恒定的频率输出脉冲激光束。在电流计扫描振镜的定位结束为止的期间，通过开关元件暂时切断脉冲激光束。通过在电流计扫描振镜的定位结束之后打开开关元件，由此使脉冲激光束入射到加工对象物。

由于从激光光源以恒定的重复频率输出脉冲激光束，因此由重复频率的变动引起的脉冲能量的变动得到抑制。其结果，能够进行高品质的加工。

专利文献1：日本特开2011-56521号公报

在专利文献1中公开的激光加工装置中，由于以恒定的频率输出脉冲激光束，因此不一定在电流计扫描振镜的定位结束之后立即能够输出下一个脉冲。在从电流计扫描振镜的定位结束时刻到下一个脉冲输出为止的期间会产生等待时间。因此，导致加工时间变长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够抑制脉冲能量的偏差的同时抑制加工时间的延长的激光加工装置。

根据本发明的一种观点，提供一种激光加工装置，其具有：

激光光源，根据输出指令信号输出脉冲激光束；

载物台，保持加工对象物；

光束偏转器，配置在所述激光光源与所述加工对象物之间的所述脉冲激光束的路径上，并且当接收到移动指令信号时，使所述脉冲激光束的入射位置在所述加工对象物的表面移动，且当移动结束时发送定位结束信号；

切换器，在打开状态和关闭状态之间进行切换，在所述打开状态下，从所述激光光源输出的所述脉冲激光束入射到所述光束偏转器，在所述关闭状态下，所述脉冲激光束无法入射到所述光束偏转器；及

控制装置，控制所述激光光源、所述光束偏转器及所述切换器，

所述控制装置具有如下功能：

在向所述光束偏转器发送所述移动指令信号之后到从所述光束偏转器接收到所述定位结束信号为止的期间，使所述切换器处于所述关闭状态，并以恒定的第1重复频率向所述激光光源发送所述输出指令信号，

若从所述光束偏转器接收到所述定位结束信号，则从包含所述第1重复频率在内的第1频率变动范围内选择从前一次输出指令信号到下一个输出指令信号为止的第2重复频率，

以所述第2重复频率向所述激光光源发送下一个所述输出指令信号，从而在高品质加工模式下进行加工。

不管光束偏转器的运行状态如何，与以恒定的重复频率输出脉冲激光束的情况相比，能够缩短从光束偏转器的定位结束到下一个激光脉冲的输出为止的等待时间。由此，能够缩短加工时间。

与在光束偏转器的操作期间不发送输出指令信号的情况相比，能够抑制脉冲激光的重复频率变动。因此，能够缩小脉冲能量的偏差。

附图说明

图1是表示实施例的激光装置的示意图。

图2是表示脉冲的重复频率与脉冲能量之间的关系、加工模式分别为通常加工模式STD、高品质加工模式HQ、最高品质加工模式SHQ时的频率变动范围的图表。

图3是在最高品质加工模式SHQ下进行加工时的各种信号的时序图。

图4是在高品质加工模式HQ下进行加工时的各种信号的时序图。

图5是在通常加工模式STD下进行加工时的各种信号的时序图。

图中：10-激光光源，11-切换器，12-折返镜，13-光束偏转器，14-fθ透镜，15-XY载物台，16-束流收集器，17-高品质加工模式时的频率变动范围，18-通常加工模式时的频率变动范围，20-控制装置，21-存储部，25-输入装置，30-加工对象物，SHQ-最高品质加工模式，HQ-高品质加工模式，STD-通常加工模式，sig1-输出指令信号，sig2-切换信号，sig3-移动指令信号，sig4-定位结束信号，sig5-移动指令信号，sig6-移动结束信号。

具体实施方式

图1中示出实施例的激光加工装置的示意图。若激光光源10从控制装置20接收到输出指令信号sig1，则激光光源10输出脉冲激光束L1。输出指令信号sig1为脉冲信号，针对输出指令信号sig1的1个脉冲输出脉冲激光束L1的1个激光脉冲。激光光源10使用例如二氧化碳激光器及Nd：YAG激光器等。

从激光光源10输出的脉冲激光束L1经由切换器11、折返镜12、光束偏转器13、fθ透镜14而入射到加工对象物30。加工对象物30保持于XY载物台15。切换器11根据从控制装置20接收到的切换信号sig2在打开状态和关闭状态之间进行切换。在切换器11处于打开状态时，入射的脉冲激光束L1入射到折返镜12。即，在打开状态下，激光束入射到加工对象物30。在切换器11处于关闭状态时，入射的脉冲激光束L1入射到束流收集器16。即，在关闭状态下，激光束不会入射到加工对象物。切换器11可以使用声光元件(AOM)及声光偏转元件(AOD)等。

fθ透镜14使脉冲激光束在加工对象物30的表面聚光。另外，可以采用在脉冲激光束的路径上配置光束截面整形用的掩模，并将掩模成像在加工对象物30的表面而进行加工的掩模成像法，也可采用在光束腰的位置进行加工的方法。

从控制装置20接收到移动指令信号sig3时，光束偏转器13改变脉冲激光束的行进方向以使脉冲激光束的入射位置在加工对象30的表面移动。脉冲激光束的入射位置信息由移动指令信号sig3所赋予。若光束偏转器13结束定位，则从光束偏转器13向控制装置20发送定位结束信号sig4。光束偏转器13可以使用例如包含一对活动反射镜的电流计扫描振镜。

XY载物台15若从控制装置20接收到移动指令信号sig5则使加工对象物30移动。若结束移动，则从XY载物台15向控制装置20发送移动结束信号sig6。在进行激光加工时，在使加工对象物30静止的状态下，使光束偏转器13动作，从而对光束偏转器13可扫描的范围进行加工。通过交替地反复进行基于XY载物台15的加工对象物30的移动与基于光束偏转器13的动作的对可扫描范围的加工，能够对加工对象物30的整个表面进行加工。

控制装置20包括用于存储各种加工模式的存储部21。存储部21存储划定在加工对象物30的表面的被加工点的位置信息(例如，坐标等)及被加工点的加工顺序。而且，还存储发送输出指令信号sig1的频率信息(例如，输出指令信号sig1的重复频率的变动范围)。并且，存储部21还存储使切换器11保持打开状态的时间宽度。

通过操作员操作输入装置25，从输入装置25向控制装置20输入指示加工模式的命令。加工模式中包括例如通常加工模式STD、高品质加工模式HQ及最高品质加工模式SHQ。从激光光源10输出的脉冲激光束L1的频率的变动范围在这些加工模式中互不相同。

图2中示出脉冲激光束的频率与脉冲能量之间的关系、加工模式分别为通常加工模式STD、高品质加工模式HQ及最高品质加工模式SHQ时的频率变动范围。在图2所示的图表中，横轴表示脉冲激光束的频率，纵轴表示脉冲能量。在通常加工模式STD下进行加工时，脉冲激光束的频率选自从下限频率f1到上限频率f4的频率变动范围18。在高品质加工模式HQ下进行加工时，脉冲激光束的频率选自从下限频率f2到上限频率f4的频率变动范围17。高品质加工模式HQ的频率变动范围17比通常加工模式STD的频率变动范围18窄。在最高品质加工模式SHQ下进行加工时，脉冲激光束的频率固定在基准频率f3。

脉冲能量有随着脉冲的重复频率变高反而降低的倾向。在最高品质加工模式SHQ下进行加工时，脉冲激光束的频率恒定，因此脉冲能量也几乎维持为恒定。在高品质加工模式HQ下进行加工时以及在通常加工模式STD下进行加工时，各自的脉冲激光束的频率可在频率变动范围17、18内变动。若脉冲激光束的频率发生变动，则脉冲能量也会发生变动。但是，高品质加工模式HQ中的频率的变动宽度比通常加工模式中的频率的变动宽度窄。因此，在高品质加工模式HQ下进行加工时的脉冲能量的偏差小于在通常加工模式下进行加工时的脉冲能量的偏差。

图3中示出在最高品质加工模式SHQ下进行加工时的各种信号的时序图。在图3的时序图中，从上往下依次表示输出指令信号sig1、从激光光源10输出的脉冲激光束L1、切换器11后方的脉冲激光束L2、切换信号sig2、定位结束信号sig4、移动指令信号sig3、来自XY载物台15的移动结束信号sig6及向XY载物台15的移动指令信号sig5。

切换器11与切换信号sig2的上升同步成为打开状态，并与切换信号sig2的下降同步成为关闭状态。定位结束信号sig4的上升对应于光束偏转器13的动作开始(电流计扫描振镜的活动反射镜的旋转开始)，下降对应于光束偏转器13的定位结束。具体而言，若光束偏转器13变得稳定(电流计扫描振镜的活动反射镜的旋转方向的当前位置与目标位置之间的误差落在允许的范围内，并且活动反射镜几乎静止)，则定位结束信号sig4就会下降。即，通过定位结束信号sig4的下降，向控制装置20通知光束偏转器13的定位结束。在本说明书中，使定位结束信号sig4降低的控制被称作“发送定位结束信号sig4”。

XY载物台15的移动结束信号sig6的上升对应于XY载物台15的移动开始。若XY载物台15变得稳定，则移动结束信号sig6就会下降。即，通过移动结束信号sig6的下降来通知XY载物台15的移动结束。移动目的地的位置信息通过移动指令信号sig5从控制装置20指示到XY载物台15。

若启动激光加工装置并由操作员指示开始加工，则控制装置20以图2所示的恒定的基准频率f3向激光光源10发送输出指令信号sig1。操作员的加工开始的指示是例如通过按下加工开始按钮等来进行的。激光光源10一旦接收到输出指令信号sig1就同步输出脉冲激光束L1。

若移动指令信号sig5从控制装置20发送到XY载物台15(时刻t1)，则XY载物台15开始移动。若XY载物台15的移动结束(时刻t2)，则移动结束信号sig6就会下降。由此，向控制装置20通知移动结束。若从XY载物台15接收到移动结束的通知，则控制装置20向光束偏转器13发送使脉冲激光束的入射位置移动到最初的被加工点的移动指令信号sig3。

若光束偏转器13的定位结束(时刻t3)，则从光束偏转器13向控制装置20发送定位结束信号sig4。控制装置20使切换器11在接收到来自光束偏转器13的定位结束信号sig4为止保持关闭状态。因此，从激光光源10输出的脉冲激光束L1入射到束流收集器16。在此期间，不会出现脉冲激光束L2。

当接收到定位结束信号sig4时，控制装置20使切换器11在与下一个输出指令信号sig1相对应的脉冲激光束L1的激光脉冲P1的脉冲宽度内的至少一部分中处于打开状态(时刻t4)。由此，使激光脉冲P1的至少一部分入射到加工对象物30。例如，通过使切换器11在输出激光脉冲P1的期间的一部分期间处于打开状态，从而从激光脉冲P1切取一部分激光脉冲。而被切取的激光脉冲P2就会入射到加工对象物30。若使切换器11在激光脉冲P1的整个脉冲宽度的期间均处于打开状态，则激光脉冲P1完整地入射到加工对象物30。图3中示出切取激光脉冲P1的中央部而形成激光脉冲P2的例子。

控制装置20在输出激光脉冲P1的下一个激光脉冲P3之前将切换器11设为关闭状态。切换器11成为关闭状态之后，通过向光束偏转器13发送移动指令信号sig3(时刻t5)，从而将脉冲激光束的入射位置移动到下一个被加工点。若光束偏转器13的定位结束(时刻t6)，则使下一个输出的激光脉冲P3的至少一部分入射到加工对象物30。

之后，以相同的方式，使光束偏转器13结束定位之后立即输出的激光脉冲的至少一部分入射到加工对象物30。

在最高品质加工模式SHQ中，激光光源10被恒定的基准频率f3所激励。因此，能够将脉冲能量维持为恒定。但是，光束偏转器13的定位结束(时刻t3)之后到输出下一个激光脉冲P1为止，会产生等待时间Tw。

图4中示出在高品质加工模式HQ下进行加工时的各种信号的时序图。图4中省略了图3的移动指令信号sig5及移动结束信号sig6的记载。

在向光束偏转器13发送移动指令信号sig3之后到定位结束为止的期间(时刻t10到t11的期间、时刻t12到t13的期间、时刻t14到t15的期间)，使切换器11处于关闭状态。相当于在此期间发送的输出指令信号sig1与前一次发送的输出指令信号sig1之间的间隔的频率f5例如与在最高品质加工模式SHQ中适用的恒定的基准频率f3相同。另外，频率f5与基准频率f3并非一定要相同。作为频率f5只要从高品质加工模式HQ的频率变动范围17(图2)内选择即可。

若光束偏转器13的定位结束(时刻t11、t13、t15)，则控制装置20从高品质加工模式HQ时的频率变动范围17(图2)内选择前一次输出指令信号sig1到下一个输出指令信号sig1为止的频率。

在定位结束的时刻t11，作为相当于前一次输出指令信号sig1到下一个输出指令信号sig1为止的周期的频率选择频率变动范围17(图2)的上限频率f4。在定位结束的时刻t13、t15，前一次输出指令信号sig1输出之后的经过时间超过相当于上限频率f4的周期。因此，作为前一次输出指令信号sig1到下一个输出指令信号sig1为止的频率，无法选择上限频率f4。此时，选择与从前一次输出指令信号sig1的输出时刻到定位结束的时刻t13、t15为止的经过时间相对应的频率f6、f7。频率f6、f7与高品质加工模式HQ的频率变动范围17(图2)的下限频率f2相等或高于下限频率f2且低于上限频率f4。即，以使从前一次输出指令信号sig1到下一个输出指令信号sig1为止的频率变得最高的方式从频率变动范围17(图2)内选择频率。

若如同在最高品质加工模式SHQ下进行加工时那样始终以恒定的频率f5输出输出指令信号sig1，则在光束偏转器13的定位结束的时刻t11、t13、t15之后，如虚线所示，会在经过了相当于频率f5的周期的时刻发送输出指令信号sig1。因此，从定位结束时刻(时刻t11、t13、t15)到发送输出指令信号sig1为止，需要等待时间。

在高品质加工模式HQ中，在时刻t11之后且在发送前一次输出指令信号sig1之后经过与恒定的频率f5的周期相对应的时间之前，即在经过了与上限频率f4相对应的周期的时刻输出输出指令信号sig1。而在定位结束的时刻t13、t15之后，基本上无需等待时间立即输出输出指令信号sig1。因此，在高品质加工模式HQ中，与最高品质加工模式SHQ相比，能够缩短从光束偏转器13的定位结束到输出脉冲激光L1为止的等待时间。

图5中示出在通常加工模式STD下进行加工时的各种信号的时序图。图5中省略了图3的移动指令信号sig5及移动结束信号sig6的记载。

在通常加工模式STD中，控制装置20在向光束偏转器13发送移动指令信号sig3之后到从光束偏转器13接收到定位结束信号sig4为止的期间(t21到t22的期间、t23到t24的期间、t25到t26的期间)不输出输出指令信号sig1。控制装置20以接收到定位结束信号sig4为契机向激光光源10发送输出指令信号sig1(时刻t22、t24、t26)。

而且，控制装置20向切换器11发送切换信号sig2以使切换器11成为打开状态，由此使脉冲激光束L1的各激光脉冲的至少一部分入射到加工对象物30。

在通常加工模式STD中，若光束偏转器13的定位结束，则基本上无需等待时间立即向激光光源10发送输出指令信号sig1。但是，受到光束偏转器13的定位所需时间存在偏差的影响，脉冲激光束L1的频率也会出现偏差。因此，与高品质加工模式HQ相比，脉冲能量的偏差更大。

最高品质加工模式SHQ具有如下特征：脉冲能量的偏差最小而加工时间较长。通常加工模式STD具有如下特征：加工时间较短而脉冲能量的偏差较大。高品质加工模式HQ具有如下特征：能够在一定程度上抑制脉冲能量的偏差且能够抑制加工时间变长。根据加工对象物的所要求的加工品质，可从通常加工模式STD、高品质加工模式HQ及最高品质加工模式SHQ中选择最适合的加工模式。

基于上述实施例的激光加工装置具有如下功能：能够在最高品质加工模式SHQ、高品质加工模式HQ及通常加工模式STD中的任一种加工模式下进行加工。基于实施例的激光加工装置也可以构成为具有仅在高品质加工模式HQ下进行加工的功能，并且基于实施例的激光加工装置还可以构成为具有在高品质加工模式HQ及其他一种加工模式中的任一种模式下进行加工的功能。

以上，通过实施例对本发明进行了说明，但本发明并不只限于此。例如，本领域技术人员可以理解能够施以各种变更、改良、组合等。

Claims (6)

1.一种激光加工装置，其特征在于，具有：

激光光源，根据输出指令信号输出脉冲激光束；

载物台，保持加工对象物；

光束偏转器，配置在所述激光光源与所述加工对象物之间的所述脉冲激光束的路径上，并且当接收到移动指令信号时，使所述脉冲激光束的入射位置在所述加工对象物的表面移动，且当移动结束时发送定位结束信号；

切换器，在打开状态和关闭状态之间进行切换，在所述打开状态下，从所述激光光源输出的所述脉冲激光束入射到所述光束偏转器，在所述关闭状态下，所述脉冲激光束无法入射到所述光束偏转器；及

控制装置，控制所述激光光源、所述光束偏转器及所述切换器，

所述控制装置具有如下功能：

在向所述光束偏转器发送所述移动指令信号之后到从所述光束偏转器接收到所述定位结束信号为止的期间，使所述切换器处于所述关闭状态，并以恒定的第1重复频率向所述激光光源发送所述输出指令信号，

若从所述光束偏转器接收到所述定位结束信号，则从包含所述第1重复频率在内的第1频率变动范围内选择从前一次输出指令信号到下一个输出指令信号为止的第2重复频率，

以所述第2重复频率向所述激光光源发送下一个输出指令信号，从而在高品质加工模式下进行加工。

2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

在选择所述第2重复频率时，所述控制装置以使从前一次输出指令信号到下一个输出指令信号为止的重复频率变得最高的方式选择所述第2重复频率。

3.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，

还具有输入装置，所述输入装置具有输入用于指示加工模式的命令的功能，

在所输入的所述命令为所述高品质加工模式时，所述控制装置在所述高品质加工模式下进行加工。

4.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，

在所输入的所述命令为通常加工模式时，所述控制装置在向所述光束偏转器发送所述移动指令信号后到从所述光束偏转器接收到所述定位结束信号为止的期间，不发送所述输出指令信号，

所述控制装置以从所述光束偏转器接收到所述定位结束信号为契机向所述激光光源发送所述输出指令信号，从而在所述通常加工模式下进行加工。

5.根据权利要求3或4所述的激光加工装置，其特征在于，

在所输入的所述命令为最高品质加工模式时，所述控制装置在向所述激光光源以恒定的第3重复频率发送所述输出指令信号的期间，若从所述光束偏转器接收到所述定位结束信号，则使所述切换器在与下一个输出指令信号相对应的所述脉冲激光束的激光脉冲的脉冲宽度内的至少一部分中处于所述打开状态，从而在所述最高品质加工模式下进行加工。

6.根据权利要求5所述的激光加工装置，其特征在于，

所述第3重复频率与所述第1重复频率相同。