CN1644296B

CN1644296B - 激光加工设备

Info

Publication number: CN1644296B
Application number: CN2005100018646A
Authority: CN
Inventors: 石井和久; 渡边文雄
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2004-01-20
Filing date: 2005-01-18
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2025-01-18
Also published as: US20050161445A1; JP2005205429A; HK1077250A1; KR101100514B1; KR20050076624A; US7473867B2; CN1644296A; TWI331061B; TW200533453A; JP4184288B2

Abstract

一种有利于加工位置和成形方面的精度的激光加工设备。该激光加工设备包括设置在从激光振荡器输出的激光束的基光轴上的光轴调节单元，用于将从激光振荡器输出的激光束调节到工件上。所述激光加工设备还包括以下装置：反射镜，其设置在激光振荡器和光轴调节单元之间，用于任意偏转激光束的光轴；以及光轴位置检测装置，其设置在光轴调节单元和光轴偏转装置之间，用于检测激光束的光轴位置。该设备根据光轴位置检测装置检测的结果，利用反射镜使入射到光轴调节单元上的激光束的光轴与基光轴对准。

Description

激光加工设备

技术领域

本发明涉及激光加工设备，其通过包括两个反射镜的光轴调节单元在工件的X和Y方向上调节从激光振荡器发出的激光束。

背景技术

图4是常规激光加工设备的结构示意图，图5是常规光学系统的示意图。

常规激光加工设备60包括：激光振荡器1、全反射镜3、外部光学系统4、全反射镜5、光轴调节单元6、聚光镜(fθ透镜)8和工作台10。从激光振荡器1的开孔(发光部分)1a中心发出的激光束2通过全反射镜3进入由透镜和其他部件组成的外部光学系统4，并通过光轴调节单元6和聚光镜(fθ透镜)8照射到固定在工作台10上的工件9上。

光轴调节单元6包括，其转动轴彼此相交的全反射镜6a和6b、及用于转动全反射镜6a和6b的扫描电动机6c和6d。工作台10设置成可以在X和Y方向(横向和垂直图面的方向)上移动。因此，通过转动全反射镜6a和6b，可以将激光束2调到工件9的目标位置。注意，在光学上，设置光轴调节单元6是为了利用聚光镜8在加工点上缩小在外光学体系4后已成的像并形成所述像的像。

另外，在一种情况中，根据全反射镜6a的转动角，激光束2不经过聚光镜8的偏光点。因此，日本公开专利1993-228673已经提出一种方法，其中在激光振荡器1和全反射镜6a之间设置全反射镜，以在全反射镜6a上调节激光束2的入射位置，从而通过在保持全反射镜与入射光的角度不变下移动全反射镜，使激光束2经过聚光镜8的偏光点。

图6是示出激光振荡器1的开孔1a的平面示意图。在激光振荡器1中的包括透镜和反射镜的光学系统使在激光振荡器1内的振荡源中形成的激光束2成形并控制其发散角，从而所述激光束的光轴如图6所示与激光振荡器1的开孔1a的中心Q一致，并且垂直平行于图面的开孔1a。然而，因为当激光振荡器1中的透镜和反射镜的温度升高，导致当激光束通过它们时产生热变形，从而存在这样的情况，开孔1a中的光轴位置移到偏离中心Q的点，如Q1，或者光轴不垂直开孔1a。而且，当改变激光振荡器1的振荡频率或输出时，开孔1a中的光轴位置也可能偏离中心Q，或者该光轴可能不垂直开孔1a。对光轴中心Q的偏离、偏离方向及其在开孔1a处的输出角还根据使用的条件变化，并且不是一致的。

上述常规激光加工设备设置为，使得激光束经由全反射镜通过聚光镜8的偏光点，从而只要入射到全反射镜上的激光束的光轴不变，该常规激光加工设备允许执行高精度的加工。但是，一旦激光束的光轴偏离或改变其输出角，将激光束2调到目标位置的精度下降，因此加工位置的精度下降。而且在外部光学系统4后成的像发生畸变或具有缺陷，从而降低加工点的成形精度。

因此，本发明的目的是提供一种激光加工设备，其通过利用预定光轴调节激光束的光轴而解决上述问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，激光加工设备包括光轴调节单元，其设置在从激光振荡器输出的激光束的预定光轴上的，以将从激光振荡器输出的激光束调节到工件上，所述设备还包括：光轴偏转装置，其设置在所述激光振荡器和所述光轴调节单元之间，用于任意偏转所述激光束的光轴；以及光轴位置检测装置，其设置在所述光轴调节单元和所述光轴偏转装置之间，用于检测所述激光束的光轴位置，其中，所述光轴偏转装置由两个能够绕其轴转动的反射镜组成；所述反射镜的轴分别被设置为垂直于包括入射到该反射镜和从其反射的所述预定光轴的平面，并且所述两个反射镜的轴彼此相交，并且，反射镜的轴在入射到所述反射镜或从其反射的所述预定光轴的方向上能够移动；所述光轴偏转装置根据由所述光轴位置检测装置检测的结果，利用所述预定光轴调节入射到所述光轴调节单元上的所述激光束的光轴；以及当从所述激光振荡器输出的激光束的光轴相对于预定光轴平行偏离时，在入射到所述反射镜或从其反射的所述预定光轴的方向上移动所述反射镜的轴，以将激光振荡器输出的激光束的光轴与预定光轴对准。

尤其优选地是，光轴位置检测装置设置为，其可以在两个不同点上检测激光束的光轴。根据上述的本发明，因为即使在激光束的光轴由于加工条件而发生偏离或倾斜时，入射到光轴调节单元上的激光束的光轴总是固定的，从而可以获得在加工部件的成形精度和加工位置上的均匀加工质量，其中所述加工条件可能相应于经过的加工时间、工件的材料质量或钻孔尺寸而变化。通过参考附图深入理解和详细描述本发明的优选实施例，将使本发明的其它目的和优点更加显而易见。

附图说明

图1是说明本发明的光学系统的示意图；

图2A和2B是说明反射镜的操作图，其中，图2A示出了反射镜沿Z方向移动的情况，以及图2B示出了反射镜在u′方向上转动的情况；

图3是说明光子检测器的操作的示图；

图4是示出常规激光加工设备的结构的示意图；

图5是示出常规光学系统的示意图；以及

图6是示出激光振荡器的发光部分的平面示意图。

具体实施方式

下面参考图1-3说明本发明的优选实施例。图1是说明本发明的光学系统的示意图。图2A和2B是说明反射镜12的操作的示图，其中，图2A示出了反射镜12沿Z方向移动的情况，图2B示出了反射镜12在u′方向上转动的情况，以及图3是说明光子检测器的操作的示图。注意，与图4 中相同或具有相同功能的部分以相同的标号表示，在此不再对其作重复说明。

反射镜(光轴偏转装置)12具有垂直于激光束的入射方向和反射方向(即在垂直于图面的方向上)的轴11，所述镜可以在箭头u-u′方向上绕轴11转动，并可以通过未示出的移动单元在垂直于基光轴O的箭头z-z′方向上，即在图中的垂直方向(或在横向)上移动。也就是说，将反射镜12的轴11设置为垂直于包括入射到反射镜12或从其反射的基光轴O的平面，并且在经反射镜12反射(或入射到反射镜12)的基光轴O的方向上可以移动。注意，基光轴O是从激光振荡器1的开孔1a中心Q垂直输出的激光束的中心轴。并且反射镜12与基光轴O的参考角是45°。而且，将反射镜12的轴11设置为使其与在下文中描述的反射镜20的轴21彼此相交。

因此，通过在箭头u-u′方向上转动反射镜12和在Z轴，即在箭头z-z′方向上移动该镜，可以在工件9的表面上的X和Y轴之一上使激光束2的光轴与基光轴O对准。

全反射镜13在垂直图面的方向上将经过反射镜12偏转的基光轴O偏转向图面的背面。

反射镜(光轴偏转装置)20具有轴21，该轴垂直于经全反射镜13偏转的激光束的入射方向和反射方向，即在平行于图面的垂直方向上，该镜可以在箭头v-v′方向上绕轴21转动，还可以通过未示出的移动单元在垂直于图面的方向(或在图中的垂直方向)上移动。也就是说，将反射镜20的轴21设置为垂直于包括入射到反射镜20或经其反射的基光轴O的平面，并且在经反射镜20反射(或入射到反射镜20)的基光轴O的方向上可以移动。注意，从图中的A方向看到的反射镜20和轴21之间的相互关系与反射镜12和轴11之间的关系相同，并且反射镜20与基光轴O之间的参考角也是45°。并且反射镜20的轴21设置为与上述反射镜12的轴11彼此相交。

光轴位置检测装置是由第一、第二分束器14和15以及光子检测器16和17组成。第一、第二分束器14和15设置为，与基光轴O成45°倾斜角，并将入射激光束2的1％部分反射为待检测光束14S和15S，而透射光束的其它部分。光子检测器16和17设置在分束器14和15的反射侧上。光子检测器16、17的表面上设置有多个小型光接收元件，其将被检测的中心设置在基光轴O的延伸线上(当激光束与基光轴O对准时)，所述表面在垂直于待检测光束14S和15S的平面的方向上。

注意，外部光学系统4设置为，其轴线与基光轴O共轴，并且光轴调节单元6的全反射镜6a设置为，其转动轴垂直于基光轴O。

下面说明本发明的操作。

存在三种激光束2的光轴与基光轴O不对准的情况，即：光轴平行偏离基光轴O；光轴斜偏离基光轴O；以及光轴平行偏离并斜偏离基光轴O。

下面依次说明针对这三种情况的设备的操作。

第一种情况：激光束2的光轴在Z轴方向上平行偏离基光轴O：

当激光束2平行偏离到例如在图2A中所示的双点连线指示的位置时，激光束2在M1点入射到反射镜12上。在该情况下，通过沿箭头Z方向将反射镜12移到图中点线指示的位置，便可以使激光束2的光轴与基光轴O对准。

第二种情况：激光束2的光轴与基光轴O倾斜α角：

当激光束2倾斜α角到达例如图2B中的双点连线指示的位置时，激光束2在M2点入射到反射镜12上。在该情况下，通过将反射镜12倾斜α角到达图中双点连线指示的位置，可以将光轴调节到与基光轴O平行，如激光束2′所示。然后，如第一种情况中所说明的，通过在图中向上即在箭头Z方向上移动反射镜12，则可以使激光束2的光轴与基光轴O对准。

第三种情况：激光束2的光轴平行偏离并倾斜偏离基光轴O：

因为该情况是上述第一种情况和第二种情况的结合，所以通过改变反射镜12的角度和移动反射镜12的位置，可以使激光束2的光轴与基光轴O对准。

由于反射镜13对光轴的反射，从而通过在箭头v-v′方向上转动反射镜20并沿垂直于图面的方向移动该反射镜，可以类似于反射镜12地利用来自激光振荡器1的基光轴O，在工件9的表面上的X和Y轴中的另一方向上使激光束2的光轴与基光轴O对准。

注意，可以通过计算待检测光束14S和15S的中心到光子检测器16和17的中心的偏离，获得反射镜12和20将要移动的角度和距离。

现在说明提供两个光子检测器的必要性。

一般，光子检测器16和17不能辨别入射光束的入射角。因此，可能发生这样的情况，从激光束中分离出的待检测光束14S斜偏离基光轴O，并在光子检测器16的中心处进入该检测器，例如如图3所示的待检测光束14S的光轴。然而，如图所示，待检测光束15S的光轴偏离光子检测器17的中心。

也就是说，当设置反射镜12和20的转动角和位置使得待检测光束14S和15S的光轴分别进入光子检测器16和17的中心时，则激光束2的光轴与基光轴O一致。

注意，当激光束2的光轴与基光轴O重合时，待检测光束14S和15S的光轴分别进入光子检测器16和17的中心。因此，将不需要移动反射镜12和20。

当本实施例中已经设置两个分束器和两个光子检测器时，可以借助于一个移动装置在基光轴O的方向上移动它们而利用它们，并将其设置为检测在图1中的分束器14和15的两点处的激光束的光轴。

而且，虽然在本实施例中反射镜12和20设置为可以绕其转动轴转动，但是当激光束2对基光轴O的倾斜非常小时，它们可以是固定的。在这种情况下，可以利用每个分束器和光子检测器并固定它们。

尽管已经通过示例用于在平面中加工工件的激光加工设备50说明了本实施例，但是本发明不仅适用于此例，而且还适用于加工例如固体工件的激光加工设备。

对于本领域的技术人员显然地是，在上述本发明优选实施例的细节中可以进行多种变化。因此，本发明的范围将由所附的权力要求书所限定。

Claims

1.一种激光加工设备，包括设置在从激光振荡器输出的激光束的预定光轴上的光轴调节单元，用于将从所述激光振荡器输出的所述激光束调节到工件上，

所述激光加工设备还包括以下装置：

光轴偏转装置，其设置在所述激光振荡器和所述光轴调节单元之间，用于任意偏转所述激光束的光轴；以及

光轴位置检测装置，其设置在所述光轴调节单元和所述光轴偏转装置之间，用于检测所述激光束的光轴位置，

其中，所述光轴偏转装置由两个能够绕其轴转动的反射镜组成；

所述反射镜的轴分别被设置为垂直于包括入射到该反射镜和从其反射的所述预定光轴的平面，并且所述两个反射镜的轴彼此相交，并且，所述反射镜的轴在入射到所述反射镜或从其反射的所述预定光轴的方向上能够移动；以及

所述光轴偏转装置根据由所述光轴位置检测装置检测的结果，通过在从所述反射镜反射的激光的预定光轴的方向上移动每个所述反射镜和/或围绕在垂直于入射到该反射镜和从其反射的激光的光轴的每个轴旋转每个所述反射镜，将入射到所述光轴调节单元上的所述激光束的光轴与所述预定光轴对准。

2.根据权利要求1的激光加工设备，其中所述光轴位置检测装置设置在所述预定光轴上，使得能够在两个不同点上检测所述激光束的光轴。

3.根据权利要求2的激光加工设备，其中所述光轴位置检测装置包括：在所述预定光轴经过的所述两个不同点上设置的第一分束器和第二分束器，用于分离所述激光束；以及两个光子检测器，用于分别接收由所述第一分束器和所述第二分束器分离的所述激光束。