DE102015103887A1

DE102015103887A1 - Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Funktion zur Überwachung der Ausbreitung eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE102015103887A1
Application number: DE102015103887.0A
Authority: DE
Inventors: c/o Fanuc Corp. Izumi Takashi
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2015-09-24
Also published as: US20150268040A1; JP2015182104A; CN104942434A

Abstract

Eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer einfachen Struktur und einem Mittel zum genauen Erfassen von Aufweitung oder Fehlausrichtung eines Laserstrahls. Ein Sensor, welcher den Laserstrahl nach Durchtritt durch einen Halbspiegel empfängt, ist auf einer Rückseite des Halbspiegels, gegenüber einer Vorderseite, welche den Laserstrahl reflektiert, angeordnet. Der Sensor ist mittels eines wärmeisolierenden Materials zwischen der Rückseite des Halbspiegels und einer Abschirmplatte zum Abschirmen oder Absorbieren des Laserstrahls nach Durchtritt durch den Halbspiegel positioniert, so dass der Sensor thermisch unabhängig von den anderen Komponenten ist. Der Sensor ist so positioniert, dass der Sensor den Laserstrahl nach Durchtritt durch den Halbspiegel im normalen Zustand nicht empfängt und dass der Sensor direkt den Laserstrahl nach Durchtritt durch den Halbspiegel empfängt, wenn der Laserstrahl aufgeweitet oder fehlausgerichtet ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Funktion zur Überwachung der Ausbreitung eines Laserstrahls.
Beschreibung des Stands der Technik
In einer Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Gaslaseroszillator breitet sich ein Laserstrahl, welcher vom Laseroszillator ausgegeben wird, durch die Atmosphäre aus und wird an einem Bearbeitungspunkt über einen oder mehrere reflektierende Spiegel eingebracht. Normalerweise wird, um den Laserstrahl am Bearbeitungspunkt einzubringen, ein Strahlpfad, welcher durch einen Faltenbalg oder einen Kanal eingeschlossen ist, durch den Einsatz von sauberem Gas gereinigt.
Der Faltenbalg zum Aufbau des Strahlpfades wird beim Laserbearbeiten ausgezogen oder zusammengeschoben, daher kann Außenluft in den Strahlpfad von einem Saum des Faltenbalgs oder von einem Spalt zwischen einem Ende des Faltenbalgs und einer Stopfbuchse, welche am Saum angeordnet ist, eindringen. Im Stand der Technik kann, wenn ein Lack oder Verdünnter in einer Fabrik, wo die Laserbearbeitungsvorrichtung eingesetzt wird, verwendet wird, verunreinigtes Gas in den Strahlpfad eindringen, so dass (ein Durchmesser des Laserstrahls) der Laserstrahl aufgeweitet wird, wodurch die Laserbearbeitung nachteilig beeinflusst werden kann. Ferner kann eine Strahlachse aufgrund von Vibrationen der Umfangsausrüstung verschoben oder fehlausgerichtet werden. Daher ist zu bevorzugen, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Vorrichtung zum Überwachen oder Erfassen der Fehlerausrichtung der Strahlachse vorgesehen ist.
Im Allgemeinen können die folgenden drei Optionen eingesetzt werden, um die Ausdehnung oder Fehlausrichtung des Laserstrahls zu überwachen.

(a) Eine Öffnung (oder eine Platte mit einer Öffnung) ist koaxial mit dem Strahlpfad angeordnet und die Temperatur der Öffnung oder ein von der Öffnung reflektierter Strahl wird überwacht.
(b) Ein Gassensor wird im Strahlpfad angeordnet und es wird überwacht, ob Gas oder ein Partikel, welches die Ausbreitung des Laserstrahles negativ beeinflussen kann, im Strahlpfad vorhanden ist.
(c) Ein Halbspiegel ist auf dem Strahlpfad angeordnet und der Laserstrahl, welcher durch den Halbspiegel zerstreut wird, wird mittels eines Strahlprofilers überwacht.

Als eine herkömmliche Technik in Bezug auf die Option (a) offenbart JP H07-290259 A eine anormale Laserstrahlerfassungsvorrichtung, in welcher ein Öffnungselement mit einer Öffnung auf einem optischen Ausbreitungspfad positioniert ist, wobei eine Vorfallsseite des Eröffnungselementes als ein konkaver Spiegel ausgebildet ist und ein Detektor an einem Brennpunkt des konkaven Spiegels positioniert ist.
Ferner offenbart JP 2000-094172 A eine Laserstrahlachsenfehlausrichtungserfassungsvorrichtung mit einem Basisblock mit einem Loch (Öffnung), durch welche ein Laserstrahl hindurchgeht, mit einem Infrarotsensor, welcher in ein Loch eingeschoben ist, das auf einer inneren Oberfläche der Öffnung ausgebildet ist, und mit einer Reflexionsplatte mit einer Öffnung, mit einer sich verjüngenden Kante und mit einem kleineren Durchmesser als die Öffnung des Basisblocks. In dieser Vorrichtung dringt, wenn die Strahlachse fehlausgerichtet ist, ein reflektiertes Licht von der Reflexionsplatte in den Infrarotsensor ein.
Als eine herkömmliche Technik in Bezug auf die Option (b) offenbart JP H05-212575 A eine Laserbearbeitungsvorrichtung, in welcher ein Raucherfassungssensor innerhalb eines Lichtführungspfades angeordnet ist, um so eine Transmission im Führungspfad zu erfassen.
Als eine andere herkömmliche Technik zum Überwachen des Durchmessers eines Laserstrahls offenbart JP HV03-070876 U eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem teilweise durchlässigen Spiegel, in welchem ein Mittelabschnitt des Spiegels als ein total reflektierender Teil und ein Umfangsabschnitt desselben als ein durchlässiger Teil ausgebildet ist. In dieser Vorrichtung kann eine Veränderung im Durchmesser durch Überwachen eines Lichts nach dem Durchtritt durch den teilweise durchlässigen Spiegel erfasst werden.
Obwohl ein Überwachungsverfahren (a), welches eine Öffnung wie in JP H07-290259 A oder JP 2000-094172 A einsetzt, am gebräuchlichsten ist, weist dieses Verfahren die folgenden technischen Probleme auf.

(a1) In Anbetracht einer Reaktion des Sensors wird bevorzugt, dass der Durchmesser der Öffnung so klein wie möglich ist. Wenn jedoch der Öffnungsdurchmesser kleiner wird, wird die Charakteristik des Laserstrahls beeinflusst. Wenn ferner das Öffnungselement mit einem Laserstrahl mit beträchtlicher Leistung bestrahlt wird, können Wärmeverformungen des Öffnungselementes und/oder Verdampfung einer Beschichtung des Eröffnungselementes auftreten, wodurch der reflektierende Spiegel verunreinigt werden kann.
(a2) Da ein von der Öffnung reflektiertes Licht einen gewissen Grad an Leistung aufweist, ist es notwendig, Mittel zum Abschwächen des reflektierten Lichtes vorzubereiten, um einen Sensor vor dem reflektierten Licht zu schützen. Andererseits wird die Laserbearbeitung auf verschiedenen Ausgabeleistungspegel durchgeführt, wobei diese vom Gegenstand, der bearbeitet werden soll, abhängt. Wenn daher eine Laserbearbeitung auf relativ geringer Ausgabeleistung durchgeführt wird, kann der Sensor den Laserstrahl, der durch die obigen Mittel abgeschwächt ist, möglicherweise nicht erkennen. Wenn ferner das reflektierte Licht verwendet wird (das heißt, der Laserstrahl wird indirekt überwacht), kann die Reaktion des Sensors verzögert sein.
(a3) Da ein Teil des Strahlpfades durch die Öffnung eingeengt ist, kann das Spülgas beim Reinigungsvorgang nicht glatt im Strahlpfad fließen, wobei das Spülgas leicht im Strahlpfad ins Stocken gerät.

Ein Überwachungsverfahren (b), welches einen Gassensor einsetzt, wie in JP H05-212575 A offenbart, weist die folgenden technischen Probleme auf.

(b1) Es gibt viele Arten von Gasen, welche die Ausbreitung des Laserstrahls beeinflussen können (zum Beispiel Schwefelhexafluorid, Ethylen, Halogenkohlenwasserstoff, Ammoniak, Azeton, Alkohol, Kohlendioxid usw.). Daher kann es notwendig sein, einige Arten von Gassensoren in Abhängigkeit von den Arten von Gasen bereitzustellen.
(b2) Um den Strahlpfad zu reinigen, werden verschiedene Arten von Gasen verwendet (zum Beispiel Luft, trockene Luft, Stickstoff, Luft mit verringertem Kohlendioxid usw.). Daher kann der Gassensor nicht unbedingt stabil betrieben werden, zum Beispiel kann eine Ausgabe des Gassensors einen Versatz (oder Versatzspannung) umfassen und/oder es kann ein Alarm ausgegeben werden, auch wenn der Strahlpfad sich in einem normalen Zustand befindet.
(b3) Feine Partikel wie Staub können die Ausbreitung des Laserstrahls beeinflussen, wobei ein normaler Gassensor Partikel nicht erfassen kann.

Außerdem ist eine Vorrichtung in einem Verfahren (c) zum Ausbreiten eines Laserstrahls und zu dessen Überwachen mittels eines Profilers relativ groß, kompliziert und teuer. Daher ist es schwierig, das Verfahren (c) auf ein Massenproduktionssystem anzuwenden.
Andererseits verwendet die Technik, welche in JP HV03-070876 U beschrieben ist, einen teilweise durchlässigen Spiegel mit dem Mittelabschnitt, welcher als ein total reflektierender Teil ausgebildet ist, und mit dem Umfangsabschnitt desselben, welcher als der durchlässige Teil ausgebildet ist. Daher kann abgeleitet werden, dass der Durchmesser des Laserstrahls verringert wird, wenn der Laserstrahl nicht durch den Umfangsabschnitt übertragen wird. Jedoch in einem normalen Zustand kann, da der Laserstrahl durch den Umfangsabschnitt übertragen und der übertragene Laserstrahl durch den Sensor empfangen wird, die Ausbreitung des Laserstrahls (oder des Laserdurchmessers) relativ zum normalen Zustand nicht erfasst werden. Zusätzlich kann es schwierig sein, den teilweise durchlässigen Spiegel mit dem runden zentralen totalreflektierenden Abschnitt und den dazugehörigen Umfangsabschnitt herzustellen. Ferner ist es schwierig, wenn ein äußerer Umfangsabschnitt des teilweise durchlässigen Spiegels mit dem Laserstrahl bestrahlt wird, die Reflexion, Absorption und nachfolgende Beugung des Laserstrahls abzuschätzen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer einfachen Struktur und mit Mitteln zum genauen Erfassen von Ausbreitung und Fehlausrichtung eines Laserstrahls bereitzustellen.
Dementsprechend stellt die Erfindung eine Laserbearbeitungsvorrichtung bereit, welche umfasst: einen Laseroszillator; einen Strahlpfad, durch welchen ein vom Laseroszillator ausgegebener Laserstrahl übertragen wird; und wenigstens einen reflektierenden Spiegel, welcher im Strahlpfad positioniert ist, wobei der Laserstrahl sich innerhalb des Strahlpfades ausbreitet, wobei der wenigstens eine reflektierende Spiegel wenigstens einen Halbspiegel umfasst und wenigstens ein Sensor auf einer Oberfläche des Halbspiegels, gegenüberliegend einer Oberfläche, an der der Laserstrahl reflektiert wird, angeordnet ist, wobei der Sensor konfiguriert ist, um den Laserstrahl nach dem Durchtritt durch den Halbspiegel zu empfangen, und wobei der Sensor so positioniert ist, dass der Sensor nicht den Laserstrahl in einem normalen Zustand empfängt und so dass der Sensor den Laserstrahl empfängt, wenn der Laserstrahl relativ zum normalen Zustand aufgeweitet ist oder wenn eine Strahlachse des Laserstrahls relativ zum normalen Zustand fehlausgerichtet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der wenigstens eine Sensor eine Mehrzahl von Sensoren und die Sensoren sind in gleichförmigen Abständen auf einem Umfang eines Kreises, der einen Durchmesser aufweist, welcher größer ist als ein Durchmesser des Laserstrahls nach dem Durchtritt durch den Halbspiegel, oder auf einem Umfang einer Ellipse positioniert, die einen kleineren Radius aufweist, welcher größer als der Durchmesser des Laserstrahls nach dem Durchtritt durch den Halbspiegel ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor konfiguriert, um direkt den Laserstrahl nach dem Durchtritt durch den Halbspiegel zu empfangen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung ferner einen Spiegeltemperatursensor, der konfiguriert ist, um eine Temperatur des Halbspiegels zu messen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Sensor aus einer Gruppe ausgewählt, welche ein Thermoelement, einen Temperaturschalter, ein Thermostat, eine Thermosäule und einen Platinwiderstandstemperaturdetektor umfasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung ferner einen einen Alarm ausgebenden Teil, welcher konfiguriert ist, um einen Alarm auszugeben, wenn der Sensor den Laserstrahl empfängt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlicher durch die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen derselben mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, wobei:
1 eine schematische Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2a ein Beispiel zeigt, wobei ein Thermoelement auf einer Rückenfläche eines Halbspiegels angeordnet ist;
2b ein Beispiel zeigt, wobei eine Thermosäule auf einer Rückenfläche eines Halbspiegels angeordnet ist;
2c ein Beispiel zeigt, wobei drei Thermostate auf einer Rückenfläche eines Halbspiegels angeordnet sind;
2d ein Beispiel zeigt, wobei drei Thermoelemente und drei Platinwiderstandstemperaturdetektoren auf einer Rückenfläche eines Halbspiegels angeordnet sind;
2e ein Beispiel zeigt, wobei ein Temperaturschalter auf einer Rückenfläche eines Halbspiegels angeordnet ist und ein Thermoelement zum Messen der Temperatur des Halbspiegels auf einer vorderen Oberfläche des Halbspiegels angeordnet ist;
2f ein Beispiel zeigt, wobei ein Thermoelement auf einer Rückenfläche eines Halbspiegels angeordnet ist und ein Licht empfangender Teil auf einer vorderen Seite des Thermoelements angeordnet ist;
3a eine Querschnittsansicht in der Richtung einer Laserstrahlachse der Konfigurationen aus 2a, 2b und 2c ist;
3b eine Querschnittsansicht in der Richtung einer Laserstrahlachse einer Konfiguration aus 2d ist;
3c eine Querschnittsansicht in der Richtung einer Laserstrahlachse einer Konfiguration aus 2e ist;
3d eine Querschnittsansicht in der Richtung einer Laserstrahlachse einer Konfiguration aus 2f ist;
4a zeigt, dass der Laserstrahl in der Konfiguration aus 2a aufgeweitet ist;
4b zeigt, dass der Laserstrahl in der Konfiguration aus 2b aufgeweitet ist;
4c zeigt, dass der Laserstrahl in der Konfiguration aus 2c aufgeweitet ist;
5a zeigt, dass die Laserstrahlachse in der Konfiguration aus 2a fehlausgerichtet ist;
5b zeigt, dass die Laserstrahlachse in der Konfiguration aus 2b fehlausgerichtet ist;
5c zeigt, dass die Laserstrahlachse in der Konfiguration aus 2c fehlausgerichtet ist;
6 ein Flussdiagramm ist, welches einen Vorgang zeigt, wenn der Halbspiegel mit der Konfiguration aus 2a, 2b oder 2f verwendet wird;
7 ein Flussdiagramm ist, welches einen Vorgang zeigt, wenn der Halbspiegel mit der Konfiguration aus 2c verwendet wird;
8 ein Flussdiagramm ist, welches einen Vorgang zeigt, wenn der Halbspiegel mit der Konfiguration aus 2d verwendet wird;
9 ein Flussdiagramm ist, welches einen Vorgang zeigt, wenn der Halbspiegel mit der Konfiguration aus 2e verwendet wird;
10 ein Flussdiagramm ist, welches einen Vorgang zeigt, wenn zwei Halbspiegel, von denen jeder einen Sensor auf seiner Rückseite aufweist, verwendet werden;
11 ein Graph ist, welcher die Ausbreitungsmerkmale eines Laserstrahls zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt eine schematische Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 umfasst einen Gaslaseroszillator 12, dessen Lasermedium Kohlendioxid usw. ist; einen Strahlpfad (oder einen Laserübertragungspfad) 16, durch welchen ein vom Laseroszillator 12 ausgegebener Laserstrahl 14 übertragen wird; und wenigstens einen reflektierenden Spiegel, welcher im Strahlpfad 16 positioniert ist, wobei der Laserstrahl 14 sich im Strahlpfad 16 ausbreitet und zum bearbeitenden Werkstück hingeleitet wird. In der dargestellten Ausführungsform wird der Laserstrahl 14, welcher vom Laseroszillator 12 ausgestrahlt wird, vollständig durch einen beweglichen Halbspiegel (oder einem teilweise durchlässigen Spiegel) 24 reflektiert und durchstrahlt dann eine bewegliche Prozesslinse 26, so dass eine vorbestimmte Verarbeitung in Bezug auf das Werkstück 18 durchgeführt wird. Zusätzlich sind die Abmessungen, die in 1 gekennzeichnet sind, bloße Beispiele und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Konfiguration mit solchen Abmessungen beschränkt.
Der Strahlpfad 16 besitzt eine eingeschlossene Struktur, welche durch einen Balg erreicht wird. In der Ausführungsform von 1 sind vier Bälge 30, 32, 34 und 36 in dieser Reihenfolge verbunden, so dass benachbarte Bälge allgemein orthogonal zueinander sind. Aufgrund des Ausziehens oder des Zusammenziehens der Bälge 34 (in horizontaler Richtung, in 1) können der Halbspiegel 24 und die Prozesslinse 26 bewegt werden. Zusätzlich kann unter den Komponenten, welche den Strahlpfad 16 aufbauen, eine Komponente, welche nicht den beweglichen Teil (Halbspiegel 24 und Prozess Linse 26) umfasst, durch einen im Wesentlichen starren Kanal usw. anstelle der Bälge hergestellt werden.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 umfasst einen Kompressor 38, welcher trockene Spülluft (oder saubere Luft) erzeugt, um dem Strahlpfad 16 zugeführt zu werden; einen Gaszylinder 40, in welchem reines Stickstoffgas eingeschlossen ist; und ein Schaltventil 44, welches fluidmäßig mit dem Strahlpfad 16 über einen Luftfilter 42 verbunden ist. Durch Betreiben des Schaltventils 44 kann das Spülgas, welches dem Strahlpfad 16 zugeführt wird, zwischen sauberer Luft und Stickstoff umgeschaltet werden.
Als reflektierende Spiegel 20 und 22 können ein Metallspiegel wie ein Kupferspiegel, ein Molybdenspiegel oder ein Aluminiumspiegel eingesetzt werden. Andererseits kann ein Spiegel mit hoher Reflexivität und mit geringer Absorption von Kohlendioxidlaserlicht, wie ein Spiegel auf Siliziumbasis ist, eingesetzt werden. Wiederum andererseits kann als Halbspiegel 24 ein Spiegel, welcher mehr als 98% des Kohlendioxidlasers reflektiert und den Rest (2% oder weniger) durchlässt, wie ein Zinkselenid(ZnSe)-Spiegel, ein Germanium-Spiegel oder ein Galliumarsenid(GaAs)-Spiegel eingesetzt werden. Zusätzlich ist, obwohl ein Reflexionswinkel des Laserstrahls an jedem Spiegel mit 90 Grad dargestellt ist, die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt.
Die Prozesslinse 26 hat eine Funktion zum Verdichten des Laserstrahls 14 auf dem Werkstück 18. Eine Dichtung usw. ist an einer Grenze zwischen Prozesslinse 26 und den Bälgen 36 angeordnet, wobei Umgebungsluft oder Hilfsgas daran gehindert wird, in den Strahlpfad 16 einzudringen. In ähnlicher Weise ist eine Dichtung zwischen den benachbarten Bälgen, welche den Strahlpfad 16 ausbilden, angeordnet, wobei Umgebungsluft daran gehindert wird, in den Strahlpfad 16 einzudringen. In der Ausführungsform von 1 wird die Laserbearbeitung ausgeführt, während die Prozesslinse 26 in der horizontalen Richtung aufgrund des Ausziehens/Zusammenziehens der Bälge 34 bewegt wird. In dieser Hinsicht kann die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 eine weitere Achse aufweisen, welche in der Vorwärts-Zurück-Richtung (oder der Richtung, senkrecht zur Zeichnung) oder in der vertikalen Richtung beweglich ist. Auch in diesem Fall werden dehnbare Bälge als der bewegliche Teil verwendet, um so den Strahlpfad einzuschließen.
Als Nächstes werden konkrete Beispiele eines Sensors, welcher auf dem Halbspiegel 24 angeordnet ist, mit Bezugnahme auf 2a bis 2f und 3a bis 3d erklärt werden. In diesem Zusammenhang zeigt 3a einen Querschnitt in der Richtung der Laserstrahlachse der Konfigurationen von 2a bis 2c und 3b bis 3d zeigen jeweils Querschnitte in die Richtung der Strahlachse der Konfigurationen von 2d bis 2f.
3a (3a) zeigt ein Beispiel, wobei ein Sensor 50, welcher den Laserstrahl nach Durchlass durch den Halbspiegel 24 empfängt, auf einer (Rück-)Seite 48 des Halbspiegels 24, gegenüberliegend einer (Vorder-)Seite 46, welche den Laserstrahl 14 reflektiert, angeordnet ist. Der Sensor 50 in 2a ist ein Thermoelement, welches mittels eines wärmeisolierenden Materials 52 zwischen der Rückseite 48 des Halbspiegels 24 und einer Abschirmplatte 54 zum Abschirmen oder Absorbieren des Laserstrahls nach dem Durchtritt durch den Halbspiegel 24 positioniert ist. Mit anderen Worten, der Sensor 50 ist thermisch abhängig von den anderen Komponenten. Der Sensor 50 ist außerhalb des Laserstrahls nach dem Durchtritt durch den Halbspiegel 24 in einem normalen Zustand positioniert. Daher ist der Sensor 50 so positioniert, dass der Sensor 50 den Laserstrahl nach dem Durchtritt durch den Halbspiegel 24 im normalen Zustand nicht empfängt und dass der Sensor 50 den Laserstrahl nach dem Durchtritt durch den Halbspiegel 24 direkt empfängt, wenn (der Durchmesser des Laserstrahls) der Laserstrahl aufgeweitet ist oder die Strahlachse des Laserstrahls fehlausgerichtet ist. Dies wird im Folgenden erklärt.
2b (3a) zeigt ein Beispiel, wobei anstelle des Thermoelements 50, oben beschrieben, eine allgemeine ringförmige Thermosäule 56, welche durch eine Mehrzahl von Thermoelementen in Serie oder parallel aufgebaut ist, auf der Rückseite 48 des Halbspiegels 24 angeordnet ist. Ähnlich dem Sensor 50 ist die Thermosäule 56 außerhalb des Laserstrahls nach Durchtritt durch den Halbspiegel 24 im normalen Zustand positioniert. Da die anderen Komponenten von 2b dieselben wie in 2a sein können, wird eine detaillierte Erklärung davon weggelassen.
2c (3a) zeigt ein Beispiel, wobei anstelle des Thermoelements 50, oben beschrieben, eine Mehrzahl von Thermostaten 55 angeordnet ist. Konkret sind drei Thermostate 55 mit gleichen Abständen auf einem Umfang eines Kreises, welcher einen Durchmesser aufweist, der größer als der Durchmesser des Laserstrahls nach dem Durchtritt durch den Halbspiegel 24 im normalen Zustand ist, oder auf einem Umfang einer Ellipse positioniert, welche einen kleinen Radius aufweist, der größer ist als der Durchmesser des Laserstrahls nach dem Durchtritt durch den Halbspiegel. Obwohl vier oder mehr Thermostate 55 eingesetzt werden können und sie nicht in gleichen Abständen positioniert sein müssen, wird bevorzugt, dass sie in gleichen Abständen positioniert sind. Ferner müssen die Sensoren nicht vom selben Typ sein, zum Beispiel können ein Thermoelement und zwei Thermostate eingesetzt werden. Da die anderen Komponenten von 2c dieselben wie in 2a sein können, wird eine detaillierte Erklärung davon weggelassen.
In diesem Zusammenhang ist die Mehrzahl der Sensoren (Thermostate) auf dem Umfang eines Kreises positioniert, wenn die Sensoren auf demselben Querschnitt, senkrecht zur Laufrichtung des Laserstrahls 14, positioniert sind, wie in einer vergrößerten Ansicht ”A” von 1 gezeigt. Andererseits ist die Mehrzahl der Sensoren auf dem Umfang der Ellipse positioniert, wenn die Sensoren parallel zum Halbspiegel 24 positioniert sind (oder wenn der Abstand zwischen jedem Sensor und dem Halbspiegel 24 konstant ist), wie in einer vergrößerten Ansicht ”B” von 1 gezeigt.
2d (3b) zeigt ein Beispiel, wobei zusätzlich zur Mehrzahl der Thermoelemente 50 der andere Typ Sensor (im Fall ein Platinwiderstandstemperaturdetektor) 58 benachbart jedem Thermoelement 50 positioniert ist. Ähnlich zu den drei Thermoelementen 50 sind drei Platinwiderstandstemperaturdetektoren 58 in gleichen Abständen auf einem Umfang eines Kreises, welcher einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser des Laserstrahls nach Durchtritt durch den Halbspiegel 24 im normalen Zustand, oder auf einem Umfang einer Ellipse positioniert, welche eine kleinen Radius aufweist, der größer ist als der Durchmesser des Laserstrahls nach Durchtritt durch den Halbspiegel. In diesem Zusammenhang umfasst der Kreis oder die Ellipse, auf dem die Platinwiderstandstemperaturdetektoren 58 positioniert sind, den Kreis oder die Ellipse, auf dem die Thermoelemente 50 positioniert sind. Da die anderen Komponenten von 2d dieselben wie in 2a sein können, wird eine detaillierte Erklärung davon weggelassen.
2e (3c) zeigt ein Beispiel, wo in der Konfiguration von 2a das Thermoelement 50 durch einen Temperaturschalter 59 ersetzt ist und ein Spiegeltemperatursensor (in diesem Fall ein Thermoelement zum Erfassen der Temperatur des Spiegels) 60 an einer Vorderseite des Halbspiegels 24 angebracht ist. Da die anderen Komponenten von 2e dieselben wie in 2a sein können, wird eine detaillierte Erklärung davon weggelassen.
2f (3d) zeigt ein Beispiel, wo in der Konfiguration von 2a ein Laserempfangsteil 62 wie ein metallischer Teil auf einer Vorderseite des Sensors 50 angebracht ist. In dem Beispiel von 2f, anders als die anderen Beispiele, empfängt der Laserempfangsteil 62, nicht der Sensor 50, direkt den Laserstrahl, wenn der Laserstrahl aufgeweitet ist oder die Achse des Laserstrahls fehlausgerichtet ist. Dann ist der Sensor 50 konfiguriert, um die Temperatur des Laserempfangsteils 62 zu erfassen, nachdem der Laserempfangsteil 62 den Laserstrahl empfangen hat. Da die anderen Komponenten von 2f dieselben wie in 2a sein können, wird eine detaillierte Erklärung davon weggelassen.
Als Nächstes wird die Funktion des obigen Sensors mit Bezugnahme auf 4a bis 4c und 5a bis 5c erklärt. In diesem Zusammenhang zeigen 4a bis 4c Beispiele, wobei der Laserstrahl aufgrund von Verunreinigungen, die im Laserpfad 16 gefangen sind, aufgeweitet ist, und 5a bis 5c zeigen Beispiele, wobei die Laserstrahlachse vom normalen Zustand aufgrund eines Ausrichtungsfehlers des reflektierenden Spiegels oder eines Defekts des Laseroszillators usw. fehlausgerichtet ist.
4a zeigt ein Beispiel, wobei der Halbspiegel 24 mit einem Thermoelement 50 (2a) mit dem Laserstrahl 14a bestrahlt wird, der relativ zum normalen Zustand aufgeweitet ist und wobei ein Abschnitt des Laserstrahls durch den Halbspiegel 24 übertragen wird. Das Thermoelement 50 empfängt den Laserstrahl 14 im normalen Zustand, aber kann direkt den aufgeweiteten Laserstrahl 14a empfangen. Ferner, wie in 5a gezeigt, kann, auch wenn die Strahlachse des Laserstrahls 14 im normalen Zustand nach oben verschoben ist (Laserstrahl 14c), der verschobene Laserstrahl durch den Sensor 50 erfasst werden.
Wie oben beschrieben, ist der Sensor an einem Ort positioniert, so dass der Sensor den Laserstrahl nach Durchtritt durch den Halbspiegel 24 im normalen Zustand nicht empfängt und den Laserstrahl direkt nach Durchtritt durch den Halbspiegel 24 nur empfängt, wenn der Laserstrahl aufgeweitet ist oder die Strahlachse fehlausgerichtet ist, wobei die Aufbereitung des Laserstrahls oder die Fehlausrichtung der Strahlachse des Laserstrahls einfach und schnell erfasst werden kann. In diesem Zusammenhang ist es, da der Sensor den Laserstrahl nach Durchtritt durch den Halbspiegel empfängt (normalerweise ist eine Leistung des Laserstrahls kleiner als 2% einer Leistung vor dem Durchtritt durch den Halbspiegel), unwahrscheinlich, dass der Sensor durch Wärme verformt wird oder dass schädliche Dämpfe vom Sensor erzeugt werden. Da der Sensor den Laserstrahl im normalen Zustand nicht empfängt, kann beurteilt werden, dass der Laserstrahl sich im abnormalen Zustand befindet, unmittelbar wenn der Sensor den Laserstrahl empfängt. Daher ist es nicht notwendig, eine empfangene Lichtmenge quantitativ zu messen oder auszuwerten. Zusätzlich kann im Wesentlichen der gleiche Effekt erzielt werden, wenn die unterschiedlichen Typen von Sensoren auf dem Umfang desselben Kreises oder derselben Ellipse positioniert sind.
Andererseits, wie in 5a gezeigt, kann, wenn ein Sensor (Thermoelement) 50 eingesetzt wird, die Fehlausrichtung der Strahlachse in Abhängigkeit, in welche Richtung die Strahlachse verschoben ist, erkannt werden oder nicht. Zum Beispiel kann der Laserstrahl 14c, welcher nach oben zum Laserstrahl 14 im normalen Zustand verschoben ist, durch den Sensor 50 erfasst werden, wohingegen der Laserstrahl 14d, welcher nach unten zum Laserstrahl 14 im normalen Zustand verschoben ist, nicht erkannt werden kann.
In einem solchen Fall kann durch Einsatz einer allgemeinen ringförmigen Thermosäule 56, wie in 2b gezeigt, der aufgeweitete Laserstrahl 14a erfasst werden (4b), ferner kann die Fehlausrichtung der Strahlachse sicher erfasst werden, auch wenn der Laserstrahl in eine beliebige Richtung verschoben ist (5b). Auch wenn die Sensoren 55, wie in 2c gezeigt, mit gleichen Abständen auf dem Umfang des Kreises oder der Ellipse positioniert sind, kann der aufgeweitete Laserstrahl 14a erfasst werden (4c) und die Fehlausrichtung der Strahlachse kann fast gesichert erfasst werden (5c). Wie oben beschrieben, können durch Einsatz der Thermosäule oder der Mehrzahl der Sensoren sowohl die Aufweitung des Laserstrahls als auch die Fehlausrichtung der Strahlachse erfasst werden und die Richtung der Fehlausrichtung kann bestimmt werden.
In den Konfigurationen von 2d bis 2f wird wenigstens der Effekt ähnlich zu 2a erzielt. Wie in 2d gezeigt, kann, wenn die unterschiedlichen Typen von Sensoren (Thermoelement 50 und Widerstandstemperaturdetektor 58) mit unterschiedlichen Erfassungsbereichen verwendet werden, eine Schritt für Schritt Vorgangsweise ausgeführt werden, abhängig vom Grad der Aufbereitung des Laserstrahls zusätzlich zum Effekt ähnlich zu 2c (Bezugnahme auf ein drittes Flussdiagramm (8), wie unten erklärt). Andererseits, wie in 2e gezeigt, kann, wenn ein Sensor 60 zum Messen der Temperatur des Halbspiegels 24 angeordnet ist, ein Defekt aufgrund der thermischen Verformung oder Verunreinigung des Halbspiegels erfasst werden (Bezugnahme auf ein viertes Flussdiagramm (9), wie unten erklärt).
Wie in 2f gezeigt, kann, wenn ein Lichtempfangsteil 62 auf der Vorderseite des Sensors 50 angeordnet ist, eine breite Fläche des Halbspiegels 24 mittels eines Sensors durch geeignetes Auswählen der Abmessung und/oder der Form des Lichtempfangsteils 62 überwacht werden. Da andererseits eine Wärmeleitaktion des Lichtempfangsteils 62 in diesem Fall ausgenutzt wird, kann sich die Erfassung relativ zu dem Fall, wo der Sensor direkt den Laserstrahl empfängt, verzögern. Daher können der Sensor zum direkten Empfangen des Strahls (wie in 2a gezeigt) und der Sensor zum indirekten Empfangen des Strahls (wie in 2f gezeigt) kombiniert werden, um so die Vorteile beider Sensortypen zu erzielen.
Die Sensoren, welche in 2a bis 2f gezeigt sind, sind bloße Beispiele und folglich können der Typ, die Position oder die Anzahl der Sensoren verändert werden und/oder es kann ein anderer Typ von Sensor eingesetzt werden, solange der Sensor nicht den Laserstrahl im normalen Zustand empfängt, sondern den Laserstrahl nur nach Durchtritt durch den Halbspiegel im abnormalen Zustand empfängt. Ferner kann die Konfigurationen des Sensortyps in Abhängigkeit, auf welchem Spiegel in der Laserbearbeitungsvorrichtung der Sensor angeordnet werden soll, oder in Abhängigkeit vom Wesen des Defekts, der erfasst werden soll, modifiziert oder verändert werden.
Als Nächstes werden mit Bezugnahme auf das erste, zweite, dritte und vierte Flussdiagramm (6 bis 9) Verfahren zum Erfassen der Aufbereitung des Laserstrahls und/oder der Fehlausrichtung der Strahlachse durch Verwenden des Halbspiegels mit der Konfiguration, wie in 2a bis 2f gezeigt, erklärt.
Das erste Flussdiagramm von 6 zeigt das Verfahren, wobei der Halbspiegel mit der Konfiguration von 2a, 2b und 2f eingesetzt wird. Zuerst wird die Laserbearbeitung eingeleitet oder fortgesetzt (Schritt S101) und es wird überwacht, ob der Sensor den Laserstrahl empfängt oder nicht (Schritt S102). Solange der Sensor den Laserstrahl nicht empfängt, wird die Laserbearbeitung fortgesetzt. Andererseits, wenn der Sensor den Laserstrahl empfängt, wird beurteilt, dass eine Abnormalität im Laserstrahl auftritt (Schritt S103). Jedoch kann in diesem Moment nicht erfasst werden, ob die Abnormalität aus der Aufbereitung des Laserstrahls oder der Fehlausrichtung der Strahlachse herrührt. Daher wird im nächsten Schritt S104 geprüft, ob verunreinigtes Gas um die Laserbearbeitungsvorrichtung herum verwendet wird.
Wenn verunreinigtes Gas verwendet wird, kann die Laserbearbeitung unter Aufheben des Einsatzes von verunreinigtem Gas und unter Reinigen des Strahlpfades mit Spülgas fortgesetzt werden (Schritt S105). Wenn andererseits kein verunreinigtes Gas verwendet wird, kann die Strahlachse fehlausgerichtet sein. Daher wird durch Einsatz eines geeigneten Mittels geprüft, ob die Strahlachse fehlausgerichtet ist (Schritt S106), und die Strahlachse wird erneut ausgerichtet, wenn die Strahlachse fehlausgerichtet ist (Schritt S107).
Wenn andererseits die Fehlausrichtung der Strahlachse nicht überwacht wird, wird ein Modus (oder eine Intensitätsverteilung) des Laserstrahls geprüft (Schritt S108). Wenn der Modus eine Abnormalität aufweist, wird die Laserbearbeitung angehalten und der Laseroszillator wird eingestellt (Schritt S109). Wenn der Modus des Laserstrahls keine Abnormalität aufweist, dann kann ein Faktor unterschiedlich zu verunreinigtem Gas oder der Fehlausrichtung der Strahlachse vorliegen. Daher sollte der Faktor untersucht werden und entfernt werden.
Das zweite Flussdiagramm aus 7 zeigt das Verfahren, wobei der Halbspiegel mit der Konfiguration von 2c eingesetzt wird. Zuerst wird die Laserbearbeitung eingeleitet oder fortgesetzt (Schritt S201) und es wird überwacht, ob der Sensor den Laserstrahl empfängt (Schritt S202). Solange der Sensor den Laserstrahl nicht empfängt, wird die Laserbearbeitung fortgesetzt. Wenn andererseits der Sensor den Laserstrahl empfängt, wird erfasst wie viele Sensoren den Laserstrahl empfangen (Schritt S203). Da das Beispiel von 2c drei Sensoren (Thermostate 55) umfasst, gilt die Abnormalität des Laserstrahls, wenn einer oder zwei Sensoren den Laserstrahl empfangen, als wahrscheinlich durch Fehlausrichtung der Strahlachse verursacht. Daher wird unter Einsatz eines geeigneten Mittels wie eines Alarmausgabeteils 64, welcher einen Alarm ausgibt oder angezeigt, ein Alarm, der für die Fehlausrichtung der Strahlachse steht, ausgegeben, um so die Steuereinrichtung der Laserbearbeitungsvorrichtung und/oder den Bediener zu benachrichtigen (Schritt S204). Wenn andererseits alle (in diesem Fall drei) Sensoren den Laserstrahl empfangen, dann ist die Abnormalität des Laserstrahls wahrscheinlich durch das verunreinigte Gas (oder die Aufweitung des Laserstrahls) verursacht. Daher wird unter Einsatz eines geeigneten Mittels wie eines Alarmausgabeteils 64 ein Alarm, der für den Einschluss von verunreinigtem Gas steht, ausgegeben, um so die Steuereinrichtung der Laserbearbeitungsvorrichtung und/oder den Bediener zu benachrichtigen (Schritt S205).
Wenn einer oder zwei Sensoren den Laserstrahl empfängt/empfangen, schreitet das Verfahren zu Schritt S206 voran, in welchem beurteilt wird, ob die Strahlachse tatsächlich fehlausgerichtet oder verschoben ist oder nicht. Wenn die Fehlausrichtung auftritt, kann die Laserbearbeitungsvorrichtung wiederum betriebsbereit gemacht werden, indem die Laserstrahlachse erneut eingerichtet wird (Schritt S207).
Wenn andererseits keine Fehlausrichtung der Strahlachse vorliegt und alle Sensoren den Laserstrahl empfangen, beruht die Abnormalität des Laserstrahls wahrscheinlich auf verunreinigtem Gas. Dann wird geprüft, ob verunreinigtes Gas um die Laserbearbeitungsvorrichtung herum verwendet wird (Schritt S208). Wenn verunreinigtes Gas verwendet wird, kann die Laserbearbeitung durch Aufheben des Einsatzes des verunreinigten Gases und durch Spülen des Strahlpfades mit Spülgas fortgesetzt werden (Schritt S209). Wenn andererseits das verunreinigte Gas nicht eingesetzt wird, während alle Sensoren den Laserstrahl empfangen, kann die Strahlachse fehlausgerichtet sein. Daher wird geprüft, ob die Strahlachse fehlausgerichtet ist (Schritt S206), und die Strahlachse wird erneut eingestellt, wenn die Strahlachse fehlausgerichtet ist (Schritt S207).
Zusätzlich können im Flussdiagramm von 7 die Schritte S206 und S208 abwechselnd wiederholt werden, wenn weder der Einsatz des verunreinigten Gases noch die Fehlausrichtung der Strahlachse erfasst wird. In solch einem Fall sollte, da ein Faktor unterschiedlich zum verunreinigten Gas oder der Fehlausrichtung der Strahlachse vorliegen kann, der Faktor untersucht und entfernt werden.
Das dritte Flussdiagramm von 8 zeigt das Verfahren, wobei der Halbspiegel mit der Konfiguration von 2d eingesetzt wird. Zuerst wird die Laserbearbeitung eingeleitet oder fortgesetzt (Schritt S301) und es wird überwacht, ob der Sensor den Laserstrahl empfängt oder nicht (Schritt S302). Solange der Sensor den Laserstrahl nicht empfängt, wird die Laserbearbeitung fortgesetzt. Da die Konfiguration von 2d drei innere Sensoren und drei äußere Sensoren (Thermoelemente 50 und Platinwiderstandstemperaturdetektoren 58) umfasst, wird in diesem Zusammenhang zuerst geprüft, ob der innere Sensor 50 (näher zum Laserstrahl in normalen Zustand) den Laserstrahl empfängt (Schritt S303). Wenn einer oder zwei der inneren Sensoren den Laserstrahl empfangen, wird die Abnormalität des Laserstrahls wahrscheinlich durch die Fehlausrichtung der Strahlachse verursacht. Daher wird unter Einsatz eines geeigneten Mittels wie eines Alarmausgabeteils 64, welcher einen Alarm ausgibt oder angezeigt, ein Alarm, der für die Fehlausrichtung der Strahlachse steht, ausgegeben, um so die Steuereinrichtung der Laserbearbeitungsvorrichtung und/oder den Bediener zu benachrichtigen (Schritt S304).
Wenn andererseits alle (in diesem Fall drei) Sensoren den Laserstrahl empfangen, dann ist die Abnormalität des Laserstrahls wahrscheinlich durch das verunreinigte Gas (oder die Aufweitung des Laserstrahls) verursacht. Daher wird unter Einsatz eines geeigneten Mittels wie eines Alarmausgabeteils 64 ein Alarm, der für den Einschluss von verunreinigtem Gas steht, ausgegeben, um so die Steuereinrichtung der Laserbearbeitungsvorrichtung und/oder den Bediener zu benachrichtigen (Schritt S305), und dann das Spülgas von getrockneter Luft auf Stickstoffgas umgestellt (Schritt S309). Durch Verändern des Spülgases kann verhindert werden, dass der Alarm ausgegeben wird.
Wenn einer oder zwei der inneren Sensoren den Laserstrahl empfangen, schreitet das Verfahren zu Schritt S306 voran, in welchem beurteilt wird, ob die Strahlachse tatsächlich fehlausgerichtet oder verschoben ist. Wenn die Fehlausrichtung auftritt, kann die Laserbearbeitungsvorrichtung wiederum betriebsbereit gemacht werden, indem die Laserstrahlachse neu eingestellt wird (Schritt S307).
Wenn andererseits keine Fehlausrichtung der Strahlachse vorliegt und alle Sensoren den Laserstrahl empfangen, beruht die Abnormalität des Laserstrahls wahrscheinlich auf verunreinigtem Gas. Dann wird geprüft, ob verunreinigtes Gas um die Laserbearbeitungsvorrichtung herum verwendet wird (Schritt S308). Wenn verunreinigtes Gas verwendet wird, kann die Laserbearbeitung durch Aufheben des Einsatzes des verunreinigten Gases und Belüften der Fabrik oder des Gebäudes, wo die Laserbearbeitungsvorrichtung eingebaut ist, (Schritt S310) und Verändern des Spülgases von Stickstoffgas zu getrockneter Luft (Schritt S311) fortgesetzt werden. Mit anderen Worten gesagt, ist es in dem Fall, in dem der Faktor der Abnormalität, wie das verunreinigte Gas entfernt wird, während das Spülgas zu Stickstoffgas verändert wird und die Laserbearbeitung fortgesetzt wird, nicht notwendig, die Laserbearbeitung auszusetzen. Wenn andererseits kein verunreinigtes Gas verwendet wird, während alle inneren Sensoren den Laserstrahl empfangen, kann die Strahlachse fehlausgerichtet sein. Daher wird geprüft, ob die Strahlachse fehlausgerichtet ist oder nicht (Schritt S306), und die Strahlachse wird erneut ausgerichtet, wenn die Strahlachse fehlausgerichtet ist (Schritt S307).
Wenn erfasst wird, dass verunreinigtes Gas verwendet wird (Schritt S308), wird gleichzeitig mit Schritt S310 überwacht, ob die äußeren Sensoren 58 (weiter vom Laserstrahl im normalen Zustand entfernt) den Laserstrahl empfangen (Schritt S312). Wenn wenigstens einer der äußeren Sensoren den Laserstrahl empfängt, kann beurteilt werden, dass der Laserstrahl sehr groß aufgeweitet ist. Daher wird in solch einem Fall die Laserbearbeitung angehalten (Schritt S313).
Wie in 1 gezeigt, kann, wenn der Abstand zwischen dem Laseroszillator 12 und dem Halbspiegel 24 deutlich variiert werden kann, ein Schwellenwert des Strahldurchmessers in Abhängigkeit von der Position des Halbspiegels 24 unterschiedlich sein, wobei ein Alarm ausgegeben werden muss, wenn der Strahldurchmesser des aufgeweiteten Laserstrahls den Schwellenwert übersteigt. In solch einem Fall kann der Sensor mit der Konfiguration von 2d auf unterschiedliche Weisen eingesetzt werden: das heißt, das Verfahren wird gemäß dem Flussdiagramm von 8 ausgeführt, wenn der Halbspiegel 24 relativ nahe dem Laseroszillator 12 positioniert ist; und die inneren Sensoren 50 sind ausgeschaltet und die äußeren Sensoren 58 werden ähnlich den Sensoren 55 von 2c eingesetzt, wenn der Halbspiegel 24 relativ weit vom Laseroszillator 12 weg positioniert ist.
In 2d sind die inneren Sensoren und die äußeren Sensoren von unterschiedlichem Typ. Jedoch können die Sensortypen in Abhängigkeit von einer erforderlichen Reaktionsgeschwindigkeit und/oder einer Art des Signalempfangs geeignet ausgewählt werden, zum Beispiel die inneren Sensoren und die äußeren Sensoren sind vom selben Typ. Ferner ist es nicht notwendig, dass jeder innere Sensor vom selben Typ ist, und folglich kann der Typ jedes inneren Sensors unterschiedlich sein. Gleichzeitig ist es nicht notwendig, dass jeder äußere Sensor vom selben Typ ist, und folglich kann der Typ jedes äußeren Sensors unterschiedlich sein.
Das vierte Flussdiagramm von 9 zeigt das Verfahren, wobei der Halbspiegel mit der Konfiguration von 2e eingesetzt wird. Das Verfahren von 9 ist dasselbe wie vom Flussdiagramm von 1, außer dass ein Schritt S410 zum Messen der Temperatur des Halbspiegels 24 mittels eines Temperatursensors 60, welcher am Halbspiegel 24 angebracht ist, und ein Schritt S411 zum Reinigen des Halbspiegels 24 in Abhängigkeit vom Messergebnis in Schritt S410 vor dem Schritt S402 zum Prüfen, ob der Sensor den Laserstrahl empfängt, eingeschoben sind.
Das Verfahren von 9 ist vorgesehen, um den Halbspiegel 24 zu reinigen, wenn die Temperatur des Halbspiegels 24 einen vorbestimmten Temperaturschwellenwert übersteigt, wobei berücksichtigt wird, dass der Halbspiegel 24 durch Absorbieren des Laserstrahls erwärmt wird, da der Halbspiegel verunreinigt ist, und dann der Halbspiegel verformt werden kann und/oder reflektiertes Licht und durchgelassenes Licht am Halbspiegel beeinträchtigend beeinflusst werden können. Aufgrund dessen können unkorrekte Erfassung der Aufweitung des Laserstrahls und der Fehlausrichtung der Strahlachse vermieden werden. Da die Schritte in Flussdiagramm von 9, ausgenommen die Schritte S410 und S411, dieselben wie in Flussdiagramm von 6 sein können, wird eine Zahl 300 zu der Nummer jedes Schrittes in 9 hinzugefügt, welcher dem Schritt in 6 entspricht (zum Beispiel, Schritt S401 in 9 entspricht dem Schritt S101 in 6), und die detaillierte Erklärung desselben wird weggelassen.
In der oben erklärten Ausführungsform weist die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 einen Halbspiegel 24 auf (konkret, in 1, ein (dritter) Spiegel, welcher am weitesten vom Laseroszillator 12 entfernt ist, ist ein Halbspiegel). Jedoch kann eine Mehrzahl von Halbspiegeln, von denen jeder den obigen Sensor besitzt, im Strahlpfad 16 positioniert sein. In diesem Zusammenhang zeigt das fünfte Flussdiagramm von 10 das Verfahren, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung von 1 eine Konfiguration aufweist, in welcher der erste reflektierende Spiegel 20, der am nächsten zum Laseroszillator 12 positioniert ist, durch einen Halbspiegel (oder einen teilweise durchlässigen Spiegel) 25 ersetzt ist und jeder der Halbspiegel 24 und 25 drei Sensoren aufweist (2c).
Zuerst wird die Laserbearbeitung eingeleitet oder fortgesetzt (Schritt S501) und es wird überwacht, ob der Sensor des Halbspiegels 24 (weiter weg vom Laseroszillator) den Laserstrahl empfängt oder nicht (Schritt S502). Wenn einer oder zwei der Sensoren den Laserstrahl empfangen, wird überwacht, ob der Sensor des Halbspiegels 25 (näher zum Laseroszillator) den Laserstrahl empfängt (Schritt S503). Wenn wenigstens ein Sensor des Halbspiegels 25 den Laserstrahl empfängt, wird angenommen, dass der Laseroszillator oder die Strahlachse fehlausgerichtet ist (Schritt S504), und geeignete Maßnahmen werden durchgeführt. Wenn andererseits keiner der Sensoren des Halbspiegels 25 den Laserstrahl empfängt, kann beurteilt werden, dass der Halbspiegel 25 oder der andere reflektierende Spiegel versetzt oder fehlausgerichtet ist (Schritt S505), und geeignete Maßnahmen werden ausgeführt.
Wenn alle (drei) Sensoren des Halbspiegels 24 den Laserstrahl in Schritt S502 empfangen, wird zuerst geprüft, ob der Halbspiegel 24 verschmutzt ist oder nicht (Schritt S506), und dann wird der Halbspiegel 24 ausgetauscht oder gereinigt, wenn er verschmutzt ist (Schritt S507). Wenn andererseits der Halbspiegel 24 nicht verschmutzt ist, ist es wahrscheinlich, dass der Laserstrahl auf der stromaufwärtigen Seite relativ zum Halbspiegel 24 aufgeweitet ist, und folglich wird überwacht, ob der Sensor des Halbspiegels 25 den Laserstrahl empfängt oder nicht (Schritt S508). Wenn wenigstens ein Sensor des Halbspiegels 25 den Laserstrahl empfängt, wird angenommen, dass das verunreinigte Gas im Strahlpfad eingeschlossen ist oder der Laseroszillator eine Störung hat (Schritt S509), und geeignete Maßnahmen werden ausgeführt.
Wenn keiner der Sensoren des Halbspiegels 25 den Laserstrahl in Schritt S508 empfängt, können der Halbspiegel 25 oder der andere reflektierende Spiegel verschmutzt sein und folglich wird geprüft, ob der Halbspiegel 25 oder der andere reflektierende Spiegel verschmutzt ist (Schritt S510). Wenn er verschmutzt ist, wird der verschmutzte Spiegel ausgetauscht oder gereinigt (Schritt S511). Andererseits, wenn er nicht verschmutzt ist, wird angenommen, dass das verunreinigte Gas im Strahlpfad eingeschlossen ist (Schritt S512), und geeignete Maßnahmen werden durchgeführt.
Wenn keiner der Sensoren des Halbspiegels 24 den Laserstrahl in Schritt S502 empfängt, wird geprüft, ob der Sensor des Halbspiegels 25 den Laserstrahl empfängt (Schritt S513). Wenn keiner der Sensoren des Halbspiegels 25 den Laserstrahl empfängt, wird die Laserbearbeitung fortgesetzt (Schritt S501). Wenn andererseits einer oder zwei Sensoren des Halbspiegels 25 den Laserstrahl empfangen, wird geurteilt, dass der Laseroszillator oder die Strahlachse fehlausgerichtet ist (Schritt S514), und geeignete Maßnahmen werden durchgeführt.
Wenn alle (drei) Sensoren des Halbspiegels 25 den Laserstrahl in Schritt S513 empfangen, wird geprüft, ob der Halbspiegel 25 oder der andere reflektierende Spiegel verschmutzt ist (Schritt S515) und dann wird der verschmutzte Spiegel ausgetauscht oder gereinigt, wenn er verschmutzt ist (Schritt S516). Andererseits, wenn der Halbspiegel 25 nicht verschmutzt ist, wird geurteilt, dass das verunreinigte Gas im Strahlpfad eingeschlossen ist oder die Strahlachse weit verschoben oder fehlausgerichtet ist (Schritt S517), und geeignete Maßnahmen werden durchgeführt.
11 ist ein Graph, welcher Ausbreitungsmerkmale eines Laserstrahls zeigt, konkret die Beziehung zwischen der Ausbreitungsstrecke und dem Laserstrahldurchmesser zeigt, wobei die Art und die Durchflussrate des Spülgases im Strahlpfad als Parameter verwendet werden. Wie in 11 gezeigt, hängt der Durchmesser des Laserstrahls von der Art und der Durchflussrate des Spülgases und dem Abstands vom Laseroszillator (oder der Ausbreitungsstrecke) ab, kann ferner durch die Strahlabsorption aufgrund des Kohlendioxidgases in der Luft und/oder der Konzentration der Gaszusammensetzung beeinflusst sein, welche den Laserstrahl zerstreuen kann. Daher kann der Durchmesser des Laserstrahls in Bezug auf den Abstand vom Laseroszillator und die Zusammensetzung und die Durchflussrate des verwendeten Spülgases berechnet werden.
Durch vorheriges Erzielen des Graphs oder der Daten, wie in 11 gezeigt, kann der Strahldurchmesser im ”normalen Zustand”, wie oben beschrieben, bestimmt werden. Zum Beispiel kann in der Laserbearbeitungsvorrichtung von 1 die Position des Halbspiegels 24 innerhalb eines Bereichs von 5 bis 7 Metern vom Laseroszillator 12 variiert werden und folglich beträgt der maximale Durchmesser des Laserstrahls 23,5 Millimeter. Die Befestigungsposition des Sensors auf dem Halbspiegel kann geeignet auf Grundlage des Strahldurchmessers im normalen Zustand, einer gewünschten Genauigkeit der Laserbearbeitung und des Materials und der Dicke des Werkstücks usw. bestimmt werden. Zum Beispiel können die Sensoren auf oder in einem Umfang eines Kreises mit einem Durchmesser des 1,2 bis 2-fachen (vorzugsweise 1,5 bis 1,8-fachen) des maximalen Strahldurchmessers im normalen Zustand positioniert werden.
Theoretisch breitet sich ein Randbereich des Laserstrahls unbegrenzt aus und folglich ist es schwer, eine Grenze des Laserstrahls genau zu definieren. Daher bedeutet ”Laserstrahl” hierin ein (allgemein zylindrischer) Laserstrahl mit einem Strahldurchmesser, wie in 11 gezeigt. Ferner wird der Strahldurchmesser so bestimmt, dass der obige Sensor wie ein Thermoelement keine Abnormalität aufweist, auch wenn der Sensor einen Abschnitt des Laserstrahls außerhalb des bestimmten Strahldurchmessers für eine längere Zeit empfängt. Wenn zum Beispiel der Laserstrahl asymmetrisch ist, kann durch Berechnen eines Kreises, welcher ein gewisses Leistungsverhältnis zur Gesamtleistung des Laserstrahls, basierend auf einer Spitzenleistung desselben, umfasst, ein Durchmesser des berechneten Kreises als der maximale Strahldurchmesser bestimmt werden. Wenn andererseits der Laserstrahl allgemein symmetrisch ist, kann eine Position (oder ein Kreis), wo die Bestrahlungsintensität des Laserstrahls gleich zu ”1/e” (36,8%) oder ”1/e²” (13,5%) der Spitzenleistung ist, als der Strahldurchmesser bestimmt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist wenigstens einer der reflektierenden Spiegel im Strahlpfad als ein Halbspiegel konfiguriert und ein Sensor ist auf der Rückseite des Halbspiegels angeordnet und außerhalb des maximalen Durchmessers des Laserstrahls im normalen Zustand positioniert. Daher kann der Sensor den Laserstrahl nur empfangen, wenn der Laserstrahl aufgeweitet ist oder die Strahlachse des Laserstrahls fehlausgerichtet ist, wobei die Aufweitung und die Fehlausrichtung des Laserstrahls leicht erfasst werden kann. Da der Sensor nicht im Strahlpfad positioniert ist, tritt kein nachteiliger Effekt aufgrund der Ausbreitung des Laserstrahls oder der Zurückhaltung des Spülgases auf. Da ferner die Leistung des Laserstrahls nach Durchtritt durch den Halbspiegel deutlich verringert ist (normalerweise 2% oder weniger), wird der Sensor nicht durch Wärme verformt und es werden keine schädlichen Dämpfe vom Sensor erzeugt. Da die Leistung des übertragenen Laserstrahls sehr gering ist, wird der Sensor nicht durch den übertragenen Laserstrahl beschädigt, wobei die Laserleistung und die Position des Sensors optimiert werden können.
Durch Positionieren einer Mehrzahl von Sensoren auf einem Kreis oder einer Ellipse mit gleichen Abständen können die Aufweitung des Laserstrahls und die Fehlausrichtung der Strahlachse unterschieden werden und die Richtung der Fehlausrichtung kann ebenfalls bestimmt werden.
Durch direktes Empfangen des Laserstrahls nach Durchtritt durch den Halbspiegel mittels des Sensors kann die Konfiguration des Sensors vereinfacht werden und die Abnormalität in der Laserausbreitung kann schnell erfasst werden. Ferner ist es unwahrscheinlich, dass solch ein Sensor relativ zu einem Gassensor usw. zum Überwachen der Atmosphäre fehlerhaft funktioniert und ein ununterbrochener Betrieb der Laserbearbeitungsvorrichtung wird nicht nachteilig beeinflusst.
Durch Verwenden des Spiegeltemperatursensors zum Messen der Temperatur des Halbspiegels kann die Absorption oder Zerstreuung des Laserstrahls aufgrund der Verschmutzung oder Wärmeverformung des Halbspiegels im Vorhinein erfasst werden und ferner kann die Erfassungsgenauigkeit der Aufweitung oder Fehlausrichtung des Laserstrahls verbessert werden.
Durch Ausgeben eines Alarms unmittelbar dann, wenn eine Abnormalität oder ein Defekt in der Laserbearbeitungsvorrichtung auftritt, kann ein Verlust aufgrund von defekten Produkten minimiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 290259 A [0005, 0009]
JP 2000-094172 A [0006, 0009]
JP 212575 A [0007]
JP 03-070876 U [0008, 0012]
JP 05-212575 A [0010]

Claims

Laserbearbeitungsvorrichtung, umfassend: einen Laseroszillator (12); einen Strahlpfad (16), durch welchen ein vom Laseroszillator ausgegebener Laserstrahl übertragen wird; und wenigstens einen reflektierenden Spiegel, welcher im Strahlpfad positioniert ist, wobei der Laserstrahl sich innerhalb des Strahlpfades ausbreitet, wobei der wenigstens eine reflektierende Spiegel (20, 22, 24) wenigstens einen Halbspiegel (24) umfasst und wenigstens ein Sensor (50, 55, 56, 58, 59) auf einer Oberfläche des Halbspiegels, gegenüberliegend einer Oberfläche, an der der Laserstrahl reflektiert wird, angeordnet ist, wobei der Sensor konfiguriert ist, um den Laserstrahl nach dem Durchtritt durch den Halbspiegel zu empfangen, und wobei der Sensor so positioniert ist, dass der Sensor nicht den Laserstrahl in einem normalen Zustand empfängt und dass der Sensor den Laserstrahl empfängt, wenn der Laserstrahl relativ zum normalen Zustand aufgeweitet ist oder wenn eine Strahlachse des Laserstrahls relativ zum normalen Zustand fehlausgerichtet ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensor eine Mehrzahl von Sensoren umfasst und die Sensoren in gleichförmigen Abständen auf einem Umfang eines Kreises, der einen Durchmesser aufweist, welcher größer ist als ein Durchmesser des Laserstrahls nach dem Durchtritt durch den Halbspiegel, oder auf einem Umfang einer Ellipse positioniert sind, die einen kleineren Radius aufweist, welcher größer ist als der Durchmesser des Laserstrahls nach dem Durchtritt durch den Halbspiegel.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor konfiguriert ist, um den Laserstrahl nach dem Durchtritt durch den Halbspiegel direkt zu empfangen.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung ferner einen Spiegeltemperatursensor (60) umfasst, welcher konfiguriert ist, um eine Temperatur des Halbspiegels zu messen.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor aus einer Gruppe ausgewählt wird, welche ein Thermoelement (50), einen Temperaturschalter (59), ein Thermostat (55), eine Thermosäule (56) und einen Platinwiderstandstemperaturdetektor (58) umfasst.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung ferner einen einen Alarm ausgebenden Teil (64) umfasst, welcher konfiguriert ist, um einen Alarm auszugeben, wenn der Sensor den Laserstrahl empfängt.