DE112012001628B4

DE112012001628B4 - Laser-Bearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112012001628B4
Application number: DE112012001628.9T
Authority: DE
Inventors: Tatsuya Yamamoto; Junichi Nishimae; Shuichi Fujikawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2016-04-14
Anticipated expiration: 2032-03-14
Also published as: WO2012137579A1; US9289850B2; DE112012001628T5; CN103459083A; CN103459083B; TWI478784B; JP5558629B2; TW201249581A; JPWO2012137579A1; US20130341309A1

Abstract

Laser-Bearbeitungsvorrichtung, die folgendes aufweist: – eine Laserlichtquelle; – ein transparentes Teil (3, 3A), das im Strahlengang eines von der Laserlichtquelle emittierten Laserstrahls (2) angeordnet ist, und das den Laserstrahl (2) hindurchlässt; – einen Temperaturdifferenzsensor (5) vom Kontakttyp, der auf einer Fläche des transparenten Teils (3, 3A) außerhalb des Bestrahlungsbereichs des Laserstrahls (2) angeordnet ist, um die Temperaturdifferenz zwischen einer Fläche des transparenten Teils (3, 3A) zu detektieren, die von der Mitte des transparenten Teils (3, 3A) mit einem ersten Abstand beabstandet ist, und einer weiteren Fläche des transparenten Teils (3, 3A), die von der Mitte des transparenten Teils (3, 3A) mit einem zweiten Abstand beabstandet ist, der größer ist als der erste Abstand; und – eine Steuereinrichtung (7, 8) zum Korrigieren einer Fokuslage auf der Basis von der mittels des Temperaturdifferenzsensors (5) vom Kontakttyp detektierten Temperaturdifferenz, um den Strahldurchmesser des auf ein Bearbeitungsobjekt gebündelten Laserstrahls (2) zu stabilisieren.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung, die eine Einrichtung zum automatischen Einstellen der Brennweite aufweist.
Stand der Technik
Eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung ist dazu ausgebildet, eine Bearbeitung, wie z. B. Durchbohren oder Schneiden durchzuführen, indem sie einen Laserstrahl in Richtung eines Bearbeitungsobjekts – z. B. ein Metallmaterial oder ein Harzmaterial – aussendet, wobei der Laserstrahl derart gebündelt ist, dass er eine hohe Leistungsdichte hat. Eine Linse zum Bündeln des Laserstrahls wird als Bearbeitungslinse bezeichnet. Sie absorbiert einen Teil des Laserstrahls, der dort hindurchgeht, und erwärmt sich dabei. Die Wärme breitet sich von einem Mittelbereich der Linse, durch welche der Laserstrahl geht, in Richtung eines äußeren peripheren Bereichs der Linse aus. Folglich ergibt sich eine Temperaturverteilung, bei welcher die Temperatur im Mittelbereich der Bearbeitungslinse höher und relativ dazu in ihrem äußeren peripheren Bereich niedriger ist.
Der Brechungsindex des Materials für die Bearbeitungslinse weist eine Temperaturabhängigkeit auf. Wenn die Bearbeitungslinse eine Temperaturverteilung aufweist, dann verursacht diese Temperaturverteilung eine Verteilung des Brechungsindex. Im Ergebnis wird ein so genannter thermischer Linseneffekt erzeugt.
Die Brechungsindex-Verteilung verändert sich mit der Zeit der Aussendung des Laserstrahls, und sie konvergiert mit festgelegter Zeitkonstante gegen einen Wert im stationären Zustand. Mit anderen Worten: Die Stärke des thermischen Linseneffekts neigt dazu, sich einhergehend mit dem Verstreichen der Bearbeitungszeit zu verändern, und sie neigt dann zur Sättigung bei einem vorbestimmten Wert.
Wenn der Laserstrahl mit der Bearbeitungslinse gebündelt wird und dann auf das Bearbeitungsobjekt gestrahlt wird, verursacht der thermische Linseneffekt eine Veränderung der Brennweite der Bearbeitungslinse und eine Veränderung des Strahldurchmessers des auf das zu Bearbeitungsobjekt abgestrahlten Laserstrahls. Ferner verändert sich die Stärke des thermischen Linseneffekts einhergehend mit dem Verstreichen der Bearbeitungszeit, und auch der Strahldurchmesser verändert sich zusammen mit der Bearbeitungszeit. Im Ergebnis wird die Bearbeitung instabil, was Bearbeitungsfehler zur Folge haben kann.
Zum Verhindern der Veränderung des Strahldurchmessers auf dem Bearbeitungsobjekt, die durch den thermischen Linseneffekt verursacht wird, und zum Verhindern der zeitlichen Veränderung des Strahldurchmessers während des Bearbeitens, wurde angesichts dieser Umstände eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung vorgeschlagen, welche eine Funktion zum automatischen Korrigieren der Fokuslage aufweist, welche mittels eines Ferninfrarot-Strahlungsthermometers und eines Thermoelements die Temperaturen des Laser-Bestrahlungsbereichs auf der Bearbeitungslinse und eines peripheren Bereichs der Bearbeitungslinse detektiert und einen Zwischenraum zwischen der Bearbeitungslinse und dem Bearbeitungsobjekt auf der Basis von den so detektierten Temperaturen korrigiert, um den thermischen Linseneffekt zu kompensieren, so dass sie dadurch den Strahldurchmesser des Laserstrahls auf dem Bearbeitungsobjekt stabilisiert (vgl. z. B. die JP H01-122 688 A als Patentliteratur 1).
Nachstehend wird eine herkömmliche Laser-Bearbeitungsvorrichtung mit einer Einrichtung zum automatischen Einstellen der Brennweite unter Bezugnahme auf 10 beschrieben. 10 ist eine Ansicht des Aufbaus der herkömmlichen, in der Patentliteratur 1 beschriebenen Laser-Bearbeitungsvorrichtung.
In 10 wird die Temperatur des Mittelbereichs einer Bearbeitungslinse 31 zum Zeitpunkt des Eintretens eines Laserstrahls 32 mittels eines Ferninfrarot-Strahlungsthermometers 34 gemessen, das an einer von der Bearbeitungslinse 31 beabstandeten Position angeordnet ist. Die Temperatur der Seitenfläche der Bearbeitungslinse 31 wird mittels eines Thermoelements 33 gemessen. Die Messergebnisse dieser Temperaturen werden einem Mikrocomputer 36 zugeführt, und der benötigte Bewegungsbetrag der Linse wird berechnet. Hierdurch wird die Position der Bearbeitungslinse 31 mittels einer Z-Achsenstufe 38 in Richtung der optischen Achse des Laserstrahls 32 eingestellt.
Die Bearbeitungslinse 31 absorbiert einen Teil des Laserstrahls 32 zu dem Zeitpunkt, zu welchem der Laserstrahl 32 durch diese gesendet wird, und dadurch gleichzeitig absorbierte Wärme strömt in Richtung einer äußeren Peripherie der Bearbeitungslinse 31. Im Ergebnis steigt die Temperatur des Mittelbereichs der Bearbeitungslinse 31 an. Dagegen sinkt die Temperatur des äußeren peripheren Bereichs. Mit anderen Worten: Es ergibt sich eine radiale Temperaturverteilung in der Bearbeitungslinse 31, und es wird dann ein Phänomen, thermische Linse genannt, erzeugt.
Der Brechungsindex des Materials für die Bearbeitungslinse 31 weist eine Temperaturabhängigkeit auf. Wenn sich eine Temperaturverteilung ergibt, so tritt folglich auch eine Brechungsindex-Verteilung auf. Mit anderen Worten: Die thermische Linse bezeichnet einen Linseneffekt, der durch die Brechungsindex-Verteilung verursacht wird. Es ist jedoch zu beachten, dass die Temperatur der Bearbeitungslinse 31 selbst nicht die thermische Linse verursacht. Die thermische Linse der Bearbeitungslinse 31 ist normalerweise eine konvexe Linsenkomponente. Wenn die thermische Linse auftritt, dann verändert sich die Brennweite der Bearbeitungslinse 31, was zur Folge hat, dass sich der Durchmesser des auf das Bearbeitungsobjekt abgestrahlten Laserstrahls verändert.
Nach dem Beginn der Bestrahlung der Bearbeitungslinse 31 durch den Laserstrahl 32 zum Beginn der Bearbeitung nähert sich zudem die Temperaturverteilung der Bearbeitungslinse 31 mit einer gewissen Zeitkonstante dem Wert im stationären Zustand an. Folglich verändert sich die Stärke der thermischen Linse während der Bearbeitung. Mit anderen Worten: Der Durchmesser des auf das Bearbeitungsobjekt abgestrahlten Laserstrahls verändert sich während der Bearbeitung. Im Ergebnis kann die Bearbeitung instabil werden, oder es können Bearbeitungsfehler auftreten.
Um dies zu verhindern, kann es ratsam sein, die Position der Bearbeitungslinse 31 gemäß der Stärke der thermischen Linse zu verändern, um die Veränderung der Brennweite zu korrigieren. Wie oben beschrieben, verändert sich die Stärke der thermischen Linse während der Bearbeitung. Folglich muss die Stärke der thermischen Linse während der Bearbeitung in Echtzeit detektiert werden.
Die thermische Linse wird durch die Temperaturverteilung beeinflusst. Somit kann die Stärke der thermischen Linse durch Messen der Temperaturverteilung erhalten werden. In der Patentliteratur 1 wird die thermische Linse durch Messen der Temperaturen des Laserstrahl-Bestrahlungsbereichs auf der Bearbeitungslinse 31 und des peripheren Bereichs der Bearbeitungslinse 31 mittels des Thermoelements 33 und des Ferninfrarot-Strahlungsthermometers 34 berechnet.
Die Druckschrift JP 2000 094 173 A (Patentliteratur 2) betrifft die Messung der Temperatur einer Linse durch einen Temperatursensor. Hierzu ist der Temperatursensor an der Linse angebracht und erfasst die Temperatur der Linse. Eine Steuereinrichtung steuert einen Antriebsmotor, um die Schwankung der Brennweite der Linse auf der Basis des detektierten Ergebnisses auszugleichen. Der Antriebsmotor bewegt einen Linsenhalter in der optischen Axialrichtung und ordnet die Linse in der richtigen Position an, so dass die Fokusposition mit dem Teil eines Werkstücks, das bearbeitet werden soll, übereinstimmt. Der Temperatursensor kann z. B. ein Thermoelement sein. Der Temperatursensor ist auf einer Seite der Linse vorgesehen, so dass die Temperatur der Linse direkt auf den Temperatursensor übertragen wird. Darüber hinaus wird die Temperatur der Linse korrekt und in Echtzeit detektiert.
Die Druckschrift JP S63-264 289 A (Patentliteratur 3) betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen. Hierbei wird die Beziehung zwischen der Temperatur einer Sammellinse und der Variation der Fokusposition untersucht, und beim Heizen die Temperatur der Sammellinse ständig durch einen Sensor überwacht, um einen Temperaturanstieg zu detektieren. Dann wird die Position des Werkstücks oder die Position der Sammellinse verändert und hierdurch die Fokusposition für die gemessene Temperatur variiert. Durch dieses Verfahren kann der Abstand zwischen der Fokusposition des Laserstrahls und der Oberfläche des Werkstücks auf einen Wert gleich einem Initialwert gehalten werden.
Die Druckschrift FR 2 698 495 A1 (Patentliteratur 4) betrifft eine Laserlinse, um Laserstrahlung auf einen Punkt zu konzentrieren. Ein Überwachungssystem weist verschiedene Arten von Temperatursensoren auf, die um eine Außenseite der Linse herum plaziert sind. Auf diese treffen somit kaum Laserstrahlen. Verschiedene Temperatursensortypen bieten eine hohe Zuverlässigkeit. Jeder Sensor weist eine Leitung durch die Außenstützwand zu einer Temperaturvergleichseinrichtung auf. Wenn ein vorbestimmtes Temperaturniveau erreicht wird, wird ein Alarm ausgelöst. Hierdurch wird ein Bediener rechtzeitig gewarnt, wenn eine Linse gewechselt werden muss.
Liste zum Stand der Technik
Patentliteratur

[PTL 1] JP H01-122 688 A (Seite 4, Zeilen 7 bis 18)
[PTL 2] JP 2000 094 173 A
[PTL 3] JP S63-264 289 A
[PTL 4] FR 2 698 495 A1

Zusammenfassung der Erfindung
Technische Probleme
Die Laser-Bearbeitungsvorrichtung mit einer solchen Einrichtung zum automatischen Einstellen der Brennweite muss jedoch Temperatursensoren zweier Arten – mit anderen Worten: das Thermoelement und das Strahlungsthermometer – verwenden. Insbesondere das Strahlungsthermometer ist relativ teuer. Wenn ferner ein CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von ungefähr 10 μm als Laserlichtquelle in der Laser-Bearbeitungsvorrichtung verwendet wird, ergeben sich dahingehende Probleme, dass Ausfälle des Ferninfrarot-Strahlungsthermometers beispielsweise durch Einflüsse, wie Streulicht des CO₂-Lasers von dem Bearbeitungsobjekt und des durch die Temperatur des Bearbeitungsobjekts beeinflussten Strahls verursacht werden können, und dass eine stabile Bearbeitung nicht durchgeführt werden kann.
In der Laser-Bearbeitungsvorrichtung muss außerdem während der Bearbeitung der Zwischenraum zwischen der Bearbeitungslinse und dem Bearbeitungsobjekt in Abhängigkeit von dem Bearbeitungsmaterial und gemäß den Bearbeitungsbedingungen verändert werden. Folglich verändert sich in Abhängigkeit der Befestigungsposition des Strahlungsthermometers der Zwischenraum zwischen dem Strahlungsthermometer und der Bearbeitungslinse, und auch die Messpunkte verändern sich.
Im Ergebnis können die Temperaturen nicht genau gemessen werden. Um den Zwischenraum zwischen dem Strahlungsthermometer und der Bearbeitungslinse zu fixieren, muss das Strahlungsthermometer gleichzeitig zusammen mit dem Strahlungsthermometer bewegt werden, was zu einem weiteren Problem führen kann, nämlich der Zunahme der Größe der Vorrichtung.
Die vorliegende Erfindung wurde zum Lösen der oben beschriebenen Probleme konzipiert. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung anzugeben, die dazu in der Lage ist, den Aufbau einer Einrichtung zum automatischen Einstellen der Brennweite zu vereinfachen, und die infolgedessen auf preiswerte Weise eine ausfallsichere Funktion zum automatischen Korrigieren der Fokuslage aufweist und dazu in der Lage ist, eine stabile Bearbeitung durchzuführen.
Lösung der Probleme
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung angegeben, die folgendes aufweist: eine Laserlichtquelle; ein transparentes Teil das im Strahlengang eines von der Laserlichtquelle emittierten Laserstrahls angeordnet ist, und das den Laserstrahl hindurchlässt; einen Temperaturdifferenzsensor vom Kontakttyp, der auf einer Fläche des transparenten Teils außerhalb des Bestrahlungsbereichs des Laserstrahls angeordnet ist, um die Temperaturdifferenz zwischen einer Fläche des transparenten Teils zu detektieren, die von der Mitte des transparenten Teils mit einem ersten Abstand beabstandet ist, und einer weiteren Fläche des transparenten Teils die von der Mitte des transparenten Teils mit einem zweiten Abstand beabstandet ist, der größer ist als der erste Abstand; und eine Steuereinrichtung zum Korrigieren einer Fokuslage auf der Basis von der mittels des Temperaturdifferenzsensors vom Kontakttyp detektierten Temperaturdifferenz, um den Strahldurchmesser des auf ein Bearbeitungsobjekt gebündelten Laserstrahls zu stabilisieren.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Laser-Bearbeitungsvorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der Laser-Bearbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird durch den Temperatursensor vom Kontakttyp die Temperaturdifferenz zwischen den zwei Punkten auf einem transparenten Teil detektiert, das sich im Strahlengang des Laserstrahls befindet. Außerdem wird die Fokuslage auf der Basis von den Ergebnissen der Detektion der Temperaturdifferenz korrigiert. Es wird kein teures Ferninfrarot-Strahlungsthermometer verwendet. Somit können Kosten eingespart werden. Ferner ergeben sich keine Ausfälle, die beispielsweise durch folgendes verursacht werden: Das Streulicht des Lasers, das von dem Bearbeitungsobjekt reflektierte Licht und die Beeinflussung des Strahls durch die Temperatur des Bearbeitungsobjekts.
Außerdem verändern sich die relativen Positionen der Temperatur-Messpunkte und der Linse nicht. Somit kann die Temperatur unter einer gewissen Bedingung konstant genau gemessen werden, und zwar unabhängig von der Position der Linse. Auf der Basis von der so detektierten Temperatur wird der Brennpunkt automatisch gemäß der Stärke der thermischen Linse eingestellt. Im Ergebnis kann eine stabile Bearbeitung bei geringen Kosten und mit einem einfachen Aufbau durchgeführt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine teilweise Schnittansicht des Aufbaus einer Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 eine vergrößerte Schnittansicht des Aufbaus um eine Bearbeitungslinse der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 eine Ansicht, die ein Draht-Verbindungsverfahren für ein Thermoelement als Temperatursensor der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
4 Ansichten, die jeweils ein Draht-Verbindungsverfahren für eine Vielzahl von Thermoelementen der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
5 eine Ansicht, die ein weiteres Draht-Verbindungsverfahren für die Vielzahl von Thermoelementen der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
6 einen Graph, der die radialen Temperaturverteilungen der Bearbeitungslinse der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 einen Graph, der die zeitliche Veränderung der Temperaturdifferenz zwischen einer Messstelle und einer Vergleichsstelle des Thermoelements zum Zeitpunkt der Bestrahlung des Laserstrahls auf die Bearbeitungslinse der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 eine teilweise Schnittansicht des Aufbaus einer Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 eine teilweise Schnittansicht des Aufbaus einer Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 eine Ansicht des Aufbaus einer herkömmlichen Laser-Bearbeitungsvorrichtung.
11 eine Draufsicht eines Temperaturdifferenzsensors vom Thermosäulen-Typ einer Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 eine teilweise vergrößerte Ansicht des Temperaturdifferenzsensors vom Thermosäulen-Typ einer Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 eine teilweise Schnittansicht des Aufbaus einer Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 eine Draufsicht eines Temperaturdifferenzsensors vom Thermosäulen-Typ einer Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15 eine Draufsicht eines Fensters der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsformen
Erste Ausführungsform
Im folgenden wird die Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Es ist zu beachten, dass sowohl in der Beschreibung der Ausführungsformen als auch in den Zeichnungen, die gleichen Bezugszeichen gleiche oder äquivalente Teile bezeichnen.
Unter Bezugnahme auf 1 bis 7 wird zunächst die Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 ist eine teilweise Schnittansicht des Aufbaus der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 zeigt die nähere Umgebung eines Bearbeitungskopfs der Laser-Bearbeitungsvorrichtung. Im Einzelnen zeigt sie einen Querschnitt in der Mitte der Bearbeitungslinse, aber sie zeigt nicht die anderen Bestandteile der Laser-Bearbeitungsvorrichtung, wie z. B. einen Laseroszillator zum Erzeugen des Laserstrahls und ein Strahlengangsystem, um den Laserstrahl zum Bearbeitungskopf zu führen.
In 1 weist die Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung folgendes auf: Einen Bearbeitungskopf 1 mit einer äußeren Form, wie einer kreisförmigen säulenartigen Form und einer polygonalen säulenartigen Form, eine Bearbeitungslinse 3, die eine zirkular konvexe Linse ist, zum Bündeln eines Laserstrahls 2 auf ein Bearbeitungsobjekt 9, einen Linsenhalter 4 zum Halten der Bearbeitungslinse 3, wobei der Linsenhalter 4 eine äußere Form, wie eine kreisförmige zylindrische Form und eine polygonale zylindrische Form hat, einen Temperatursensor 5, eine Linsen-Antriebseinrichtung 6 zum Bewegen des Linsenhalters 4 entlang einer optischen Achse des Laserstrahls 2, einen Berechnungscomputer 7 zum Berechnen der Stärke der thermischen Linse der Bearbeitungslinse 3 auf der Basis von einer Potentialdifferenz, die einer mittels des Temperatursensors 5 detektierten Temperaturdifferenz entspricht, und einen Steuercomputer 8 zum Berechnen eines Linsenposition-Korrekturbetrags gemäß der Stärke der thermischen Linse und zum Ausgeben eines Steuersignals an die Linsen-Antriebseinrichtung 6. Es ist zu beachten, dass der Berechnungscomputer 7 und der Steuercomputer 8 in einen Einzelcomputer (Steuereinrichtung) integriert sein können, wobei der Einzelcomputer die Funktionen dieser Computer aufweist.
2 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Aufbaus um die Bearbeitungslinse der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 2 weist der Linsenhalter 4 einen Kühlmittelkanal 10 auf, der die Form eines Doughnuts oder Ringwulstes oder dergleichen hat und der derart angeordnet ist, dass er den gesamten äußeren Rand des Laserstrahls 2 umgibt. Außerdem weist er Abschirmungen 13 auf, die die Form eines Doughnuts oder dergleichen haben und auf beiden Seiten der Bearbeitungslinse 3 (Einfallsseite und Austrittsseite des Laserstrahls 2) gegenüberliegende Endbereiche haben und die derart angeordnet sind, dass sie den gesamten äußeren Rand des Laserstrahls 2 umgeben.
Ferner sind auf einer oberen Fläche der Bearbeitungslinse 3 eine Messstelle 11 eines als Temperatursensor 5 dienenden Thermoelements und eine Vergleichsstelle 12 des Thermoelements vorgesehen. Die Messstelle 11 und die Vergleichsstelle 12 des Thermoelements können auch auf einer unteren Seite der Bearbeitungslinse 3 angeordnet sein.
3 ist eine Ansicht, die ein Draht-Verbindungsverfahren für das Thermoelement als Temperatursensor der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Wie in 3 dargestellt, ist ein negativer Draht 14 des Thermoelements zwischen der Messstelle 11 und der Vergleichsstelle 12 des Thermoelements angeschlossen, und ein positiver Draht 15 des Thermoelements ist sowohl mit der Messstelle 11, als auch mit der Vergleichsstelle 12 verbunden.
4 und 5 sind Ansichten, die jeweils ein Draht-Verbindungsverfahren für eine Vielzahl von Thermoelementen der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
4 sind jeweils Draufsichten auf die Vorderseite der Bearbeitungslinse 3 in der axialen Blickrichtung, in welcher der Laserstrahl 2 einfällt. 4(a) veranschaulicht den Fall, in welchem eine Vielzahl von (vier) Thermoelementen parallelgeschaltet sind. 4(b) veranschaulicht den Fall, in welchem eine Vielzahl von (acht) Thermoelementen in Reihe geschaltet sind. Im Falle der Parallelschaltung werden die von den Thermoelementen detektierten Potentialdifferenzen (Temperaturdifferenzen) gemittelt, und somit kann eine Veränderung der Wärmeleitung unterbunden werden.
Im Ergebnis kann die Genauigkeit erhöht werden. Indes kann im Falle der Reihenschaltung die Detektionsgenauigkeit proportional zu der Anzahl von Thermoelementen erhöht werden. Daher ist die Reihenschaltung vorteilhaft, wenn die von einem der Thermoelemente detektierte Potentialdifferenz (Temperaturdifferenz) besonders klein ist. 5 zeigt auch einen Fall, in welchem eine Vielzahl von Thermoelement miteinander in Reihenschaltung verbunden sind.
Die 4 zeigen jeweils ein Beispiel, in welchem die Messstelle 11 und die Vergleichsstelle 12 eines jeden der Thermoelemente entlang einer Radialrichtung von der Mitte der Bearbeitungslinse 3 ausgerichtet sind. Wie jedoch in 5 gezeigt, brauchen die Messstelle 11 und die Vergleichsstelle 12 nicht ausgerichtet werden, und es ist auch zweckmäßig, eine weitere Vergleichsstelle 12 vorzusehen und gewöhnliche Signalleitungen 22 als Verdrahtung zu verwenden, die sich von der Bearbeitungslinse 3 nach draußen erstrecken.
Im folgenden wird der Betrieb der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
6 ist ein Graph, der die radialen Temperaturverteilungen der Bearbeitungslinse der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In 6 wird der Bestrahlungszeitraum des Laserstrahls 2 in Bezug auf die Bearbeitungslinse 3 als Parameter verwendet, und der Bestrahlungszeitraum verlängert sich in der Reihenfolge der in 6 dargestellten Bestrahlungszeiträume 1, 2 und 3.
7 ist ein Graph, der die zeitliche Veränderung der Temperaturdifferenz zwischen der Messstelle und der Vergleichsstelle des Thermoelements zum Zeitpunkt der Bestrahlung des Laserstrahls auf die Bearbeitungslinse der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
In 1 wird der Laserstrahl 2 von dem Laseroszillator (nicht dargestellt) über das optische System zu dem Bearbeitungskopf 1 geleitet. Nachdem er in den Bearbeitungskopf 1 eingetreten ist, tritt der Laserstrahl 2 in die Bearbeitungslinse 3 in dem Bearbeitungskopf 1 ein und wird dann gebündelt und auf das Bearbeitungsobjekt 9 abgestrahlt.
Beispiele für das Bearbeitungsobjekt 9 beinhalten Metalle, wie Flussstahl und rostfreien Stahl. Beim Schneiden diese Metalle wird der Bearbeitungskopf 1 parallel zur Oberfläche des Metalls geführt (normalerweise in Horizontalrichtung), oder es wird das Metall des Bearbeitungsobjekts 9 bewegt. Hierdurch wird ein Schneidvorgang durchgeführt. Beispiele für den in diesem Fall verwendeten Laser beinhalten einen CO₂-Laser, einen YAG-Laser, einen Faserlaser und einen Halbleiterlaser.
Die Bearbeitungslinse 3 absorbiert einen Teil des Laserstrahls 2 zu dem Zeitpunkt, zu welchem der Laserstrahl 2 durch diese gesendet wird, und dadurch gleichzeitig absorbierte Wärme strömt in Richtung des Linsenhalters 4 an einer äußeren Peripherie der Bearbeitungslinse 3. Im Ergebnis werden die in 6 gezeigten Temperaturverteilungen in Radialrichtung der Bearbeitungslinse 3 erzeugt, und es tritt das oben erwähnte Phänomen auf, das „thermische Linse” genannt wird.
Ferner hängt die Temperaturverteilung von den Bestrahlungszeiträumen des Laserstrahls 2 in Bezug auf die Bearbeitungslinse 3 ab. Wenn die Bestrahlungszeiträume länger werden, werden die Temperaturdifferenzen in der Radialrichtung der Bearbeitungslinse 3 größer. Schließlich werden bestimmte Temperaturverteilungs-Profile erhalten.
Die Temperaturverteilung wird in Radialrichtung der Bearbeitungslinse 3 erzeugt, so dass die in 7 gezeigte Temperaturdifferenz zwischen der Messstelle 11 und der Vergleichsstelle 12 des Thermoelements gemäß dem Bestrahlungszeitraum des Laserstrahls 2 erzeugt wird. Auf diese Weise tritt die Potentialdifferenz in dem Thermoelement auf. Auf der Basis von dieser Potentialdifferenz berechnet der Berechnungscomputer die Stärke der thermischen Linse.
Gemäß der mittels des Berechnungscomputers 7 ermittelten Stärke der thermischen Linse berechnet der Steuercomputer 8 einen Linsenposition-Korrekturbetrag, der zum Aufrechterhalten eines stabilen Strahldurchmessers des Laserstrahls 2 in Bezug auf das Bearbeitungsobjekt 9 benötigt wird, und er sendet ein Steuersignal an die Linsen-Antriebseinrichtung 6.
Hier wird beschrieben, wie der Berechnungscomputer 7 die Stärke der thermischen Linse auf der Basis von der Potentialdifferenz berechnet. Wie im bekannten Dokument 1 (im Einzelnen: „The Physics and Technology of Laser Resonators” D. R. Hall, P. E. Jackson, ISBN: 0-85274-117-0, S. 181) angegeben, wird die Stärke der thermischen Linse durch die folgende Gleichung (1) beschrieben. Mathematischer Ausdruck 1
In Gleichung (1) bezeichnen: „f” die Brennweite der thermischen Linse, „κ” die Wärmeleitfähigkeit (physikalische Eigenschaft), „AI₀” die in der Bearbeitungslinse 3 zu absorbierenden Wärmemenge pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit, „A” den Absorptionskoeffizienten, „I₀” die Strahlintensität, „dn/dT” die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex (physikalische Eigenschaft), und „T” die Temperatur.
Die Stärke der thermischen Linse ist gleich einem Wert, der durch Multiplikation der Gleichung (1) mit einem Koeffizienten erhalten wird, der einem Strahlprofil entspricht. Wie durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt, in welcher „λ” die Wärmeleitfähigkeit (physikalische Eigenschaft) bezeichnet, gilt folgendes: Wenn die Wärme nur in Radialrichtung strömt, so wird das Fouriersche Gesetz in einem eindimensionalen Zylinderkoordinatensystem angewendet.
Mathematischer Ausdruck 2

q = –λ·2πr ∂T / ∂r (2)

Mit anderen Worten: Wenn der Temperaturgradient in Radialrichtung der Bearbeitungslinse 3 ermittelt wird, so wird auch die der Bearbeitungslinse 3 zugeführte Wärmemenge erhalten. Ferner wird die zeitliche Veränderung der Temperatur durch die wohlbekannte Wärmeleitungsgleichung erhalten. Beispielsweise zeigt 6 die Zeitabhängigkeit der radialen Temperaturverteilungen der Bearbeitungslinse 3.
Mit anderen Worten: Wenn eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten auftritt und deren zeitliche Veränderung ermittelt wird, so werden die der die Bearbeitungslinse 3 zugeführte Wärmemenge und deren zeitliche Veränderung im Prinzip ermittelt. Die zugeführte Wärmemenge wird ermittelt, indem ein Ausgang des Laserstrahls, der in die Bearbeitungslinse 3 einfällt, mit einer Absorptionsrate der Bearbeitungslinse 3 multipliziert wird. Folglich wird die Stärke der thermischen Linse aus Gleichung (1) erhalten.
Im Berechnungscomputer 7 kann die Zeitabhängigkeit der in 6 gezeigten Temperaturverteilungen in Echtzeit berechnet werden, oder die zugeführte Wärmemenge – mit anderen Worten: die Stärke der thermischen Linse – kann ermittelt werden, indem vorab berechnete oder vorab gemessene und in einer Datenbank gespeicherte Werte mit der in Echtzeit gemessenen Temperaturdifferenz verglichen werden.
Als nächstes wird beschrieben, wie der Steuercomputer 8 den benötigten Linsenposition-Korrekturbetrag gemäß der Stärke der thermischen Linse berechnet. Aus der Brennweite „f₀” der Bearbeitungslinse 3 und der Brennweite „f” der thermischen Linse in Gleichung (1) wird der Linsenposition-Korrekturbetrag „dz” durch die folgende Gleichung (3) dargestellt. Mathematischer Ausdruck 3
Wenn die Brennweite ”f” der thermischen Linse ausreichend größer ist als die Brennweite ”f₀” der Bearbeitungslinse 3, dann kann die folgende Näherung hergeleitet werden. Mathematischer Ausdruck 4
Als nächstes wird beschrieben, wie der durch den Steuercomputer 8 berechnete Linsenposition-Korrekturbetrag in das Steuersignal umgewandelt wird, das an die Linsen-Antriebseinrichtung 6 gesendet werden soll. Außerdem wird beschrieben, wie die Linsen-Antriebseinrichtung 6 den Linsenhalter 4 in Antwort auf das Steuersignal antreibt. Wie im bekannten Dokument 2 (im Einzelnen: 3 der internationalen Patentanmeldung Nr. ” WO2009/122758A1 ”) angegeben, kann die Linsen-Antriebseinrichtung 6 den Linsenhalter 4 antreiben, indem sie einen Schrittmotor und einen Kugelgewindetrieb verwendet.
Im oben erwähnten bekannten Dokument 2 (3) wird der Kugelgewindetrieb gemäß der Rotation des Schrittmotors rotiert, so dass Fixierplatten in Vertikalrichtung entlang von Führungsstangen bewegt werden.
Auf diese Art wird eine Bearbeitungslinse 7 in Vertikalrichtung in einem Bearbeitungskopf 10 bewegt. In der ersten Ausführungsform wird der benötigte Umdrehungsbetrag des Schrittmotors auf der Basis von dem von dem Steuercomputer 8 berechneten Linsenposition-Korrekturbetrag berechnet. Ein Steuersignal zum Rotieren des Schrittmotors um den erforderlichen Betrag wird an die Linsen-Antriebseinrichtung 6 gesendet. Auf diese Art kann die Position der Bearbeitungslinse 3 gemäß der Stärke der thermischen Linse korrigiert werden.
Wie in 7 gezeigt, verändert sich die Temperaturdifferenz zwischen der Messstelle 11 und der Vergleichsstelle 12 des Thermoelements im Zeitverlauf, und somit verändert sich die Stärke der thermischen Linse im Zeitverlauf ebenfalls. Wenn also diese Faktoren in Echtzeit während der Bearbeitung geregelt werden, wird der Laserstrahl 2 auf das Bearbeitungsobjekt 9 abgestrahlt, während ein stabiler Strahldurchmesser desselben aufrechterhalten wird. Im Ergebnis kann eine stabile Bearbeitung durchgeführt werden.
In diesem Fall ist es wichtig, die Messstelle 11 und die Vergleichsstelle 12 des Thermoelements an Positionen desselben Einzelteils anzubringen, wobei die Positionen aus demselben Material hergestellt sind und frei von dazwischenliegenden Kontaktflächen oder dergleichen sind. Hierdurch kann das Fouriersche Gesetz in der Wärmeleitungstheorie unverändert verwendet werden, um die der Bearbeitungslinse 3 zugeführte Wärmemenge auf der Basis von der Temperaturdifferenz zwischen den zwei Punkten zu berechnen. Die Wärmeleitfähigkeit in der Gleichung des Fourierschen Gesetzes ist eine physikalische Eigenschaft. Folglich wird sie genau durch einen Wert beschrieben.
Wenn die Messstelle 11 und die Vergleichsstelle 12 an Positionen angebracht sind, die jeweils aus verschiedenen Materialen hergestellt sind, und wenn eine dazwischenliegende Kontaktfläche dazwischen angeordnet ist, muss die Wärmebeständigkeit an einem Kontakt berechnet werden, um die Wärmemenge zu erfassen. Die Wärmebeständigkeit ist jedoch keine physikalische Eigenschaft, und sie verändert sich stark in Abhängigkeit vom Zustand der Kontaktfläche. Somit ist es schwierig, die Wärmemenge genau zu ermitteln.
Ferner strömt Wärme in Richtung der Radialrichtung der Bearbeitungslinse 3. Somit sind die Positionen der Messstelle 11 und der Vergleichsstelle 12 wünschenswerterweise entlang der Radialrichtung ausgehend von der Mitte der Bearbeitungslinse 3 ausgerichtet.
Um die Temperaturdifferenz direkt in die Potentialdifferenz umzuwandeln, wird – wie in 3 dargestellt – eine Reihenschaltung als Draht-Verbindungsverfahren für das Thermoelement zum Berechnen der Temperaturdifferenz verwendet. Die Polaritäten der in 3 dargestellten Drähte 14 und 15 des Thermoelements können zueinander entgegengesetzt sein. Ferner kann die Temperaturdifferenz wie folgt berechnet werden:
Unabhängiges Messen der Temperaturen der Messstelle 11 und der Vergleichsstelle 12 in dem Fall, in welchem die Temperatur mit einem gewöhnlichen Thermoelement gemessen wird; und Berechnen der Differenz zwischen diesen mit dem Berechnungscomputer 7. In diesem Fall kann der Temperatursensor 5 ein Platinwiderstands-Temperaturdetektor oder ein Thermistor mit Ausnahme eines Thermoelements sein.
Die Messstelle 11 und die Vergleichsstelle 12 als Temperaturmesspunkte werden an Positionen außerhalb des Bestrahlungsbereichs des Laserstrahls 2 angeordnet. Wie in 2 dargestellt, sind außerdem die Abschirmungen 13 vorgesehen, um Streulicht des Laserstrahls 2 und vom Bearbeitungsobjekt 9 reflektiertes Licht daran zu hindern, in die Temperaturmesspunkte einzutreten.
Der Strahldurchmesser zum Beispiel eines CO₂-Lasers, der in die Bearbeitungslinse 3 einfällt, reicht normalerweise ungefähr von Φ20 mm bis Φ30 mm. Folglich muss die Messstelle 11 des Thermoelements an einer von dem Mittelpunkt der Linse um einen Radius von 10 mm oder mehr beabstandeten Position angebracht werden. Die Vergleichsstelle 12 des Thermoelements muss auf einer Außenseite in Bezug auf die Messstelle 11 angebracht werden. Somit muss der Durchmesser der Bearbeitungslinse 3 in einen Bereich von ungefähr Φ2 inch (5 cm) bis Φ2.5 inch (6,25 cm) fallen.
Wenn die in der Bearbeitungslinse 3 durch das Eintreten des Laserstrahls 2 in die Bearbeitungslinse 3 absorbierte Wärmemenge in andere Bereiche strömt, bevor sie die Messstelle 11 und die Vergleichsstelle 12 passiert, dann kann die Wärmemenge auf der Basis von der Temperaturdifferenz nicht genau gemessen werden. Als Gegenmaßnahme wird nichts außer der Messstelle 11 des Thermoelements in Kontakt mit der Bearbeitungslinse 3 zwischen der Mitte der Bearbeitungslinse und der Messstelle 12 des Thermoelements gehalten.
Ferner ist vorzugsweise die Abschirmung 13 um 1 mm oder mehr von der Bearbeitungslinse 3 beabstandet. Es ist zu beachten, dass von der Messstelle 11 verschiedene Komponenten in Kontakt mit der Bearbeitungslinse 3 gehalten werden können, solange ein wärmeisolierendes Teil oder dergleichen vorgesehen ist, das die Wärme daran hindert, zu anderen Komponenten zu strömen.
Zum Beispiel hat als Bearbeitungslinse 3 in dem CO₂-Laser verwendetes ZnSe eine Wärmeleitfähigkeit von 18 W/(m·K). Wenn ein Bereich einer Kontaktfläche der Bearbeitungslinse 3 in Bezug auf den Linsenhalter 4, der auf einer Außenseite in Bezug auf die Vergleichsstelle 12 des Thermoelements angeordnet ist, und ein Bereich eines Kontaktteils zwischen der Bearbeitungslinse 3 und dem wärmeisolierenden Teil zueinander etwa gleich groß gemacht werden, so dass die Wärmemenge, die zum wärmeisolierenden Teil strömen soll, auf 1/20 verringert wird, so ist es nur nötig, ein wärmeisolierendes Teil mit einer Wärmeleitfähigkeit gleich oder kleiner 0,9 W/(m·K) vorzusehen (d. h. 1/20 der Wärmeleitfähigkeit von ZnSe).
In diesem Fall entstehen bei der durch das Thermoelement ermittelten Stärke der thermischen Linse und bei der Berechnung durch den Berechnungscomputer 7 Fehler von ca. 5%. Die Bearbeitung kann jedoch auch mit Fehlern um die 5% ausreichend stabil durchgeführt werden.
Ein oder eine Vielzahl von Thermoelementen sind auf der Bearbeitungslinse 3 vorgesehen, und die Stärke der thermischen Linse wird auf der Basis von der Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten berechnet. Während der Bearbeitung wird die Position der Bearbeitungslinse geregelt, um dies zu korrigieren. Hierdurch kann die Bearbeitung unabhängig von der Stärke der thermischen Linse stabil durchgeführt werden.
Im Unterschied zur oben erwähnten Patentliteratur 1 verändern sich in der ersten Ausführungsform die relativen Positionen der Temperaturmesspunkte und der Bearbeitungslinse 3 nicht. Somit kann die genaue Temperatur konstant unter bestimmten Bedingungen unabhängig von der Position der Bearbeitungslinse 3 gemessen werden. Im Ergebnis wird eine Einrichtung zum automatischen Einstellen der Brennweite mit einfachem Aufbau bei geringen Kosten erhalten.
Zweite Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf 8 wird eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 8 ist eine teilweise Schnittansicht des Aufbaus der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 8 zeigt einen Teil eines Bearbeitungskopfs der Laser-Bearbeitungsvorrichtung. Im Einzelnen zeigt sie nicht die anderen Bestandteile der Laser-Bearbeitungsvorrichtung, wie z. B. den Laseroszillator zum Erzeugen des Laserstrahls und das Strahlengangsystem, um den Laserstrahl zum Bearbeitungskopf zu führen.
In 8 ist die Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anstelle der Linsen-Antriebseinrichtung 6 mit einem Spiegel mit variabler Krümmung und einer Spiegel-Antriebseinrichtung 16 zum Verändern der Krümmung versehen. Eine unterbrochene Linie veranschaulicht den Spiegel mit veränderter Krümmung.
Im folgenden wird der Betrieb der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform wird in 8 der Laserstrahl 2 von dem Laseroszillator (nicht dargestellt) abgestrahlt und fällt über das optische System in den Spiegel 16 mit variabler Krümmung ein. Er wird dann zu dem Bearbeitungskopf 1 geleitet. Nachdem er in den Bearbeitungskopf 1 eingetreten ist, tritt der Laserstrahl 2 in die Bearbeitungslinse 3 in den Bearbeitungskopf 1 ein und wird dann gebündelt und auf das Bearbeitungsobjekt 9 abgestrahlt.
Beispiele für das Bearbeitungsobjekt 9 beinhalten Metalle, wie Flussstahl und rostfreien Stahl. Beispiele für den in diesem Fall verwendeten Laser beinhalten einen CO₂-Laser, einen YAG-Laser, einen Faserlaser und einen Halbleiterlaser.
Die Bearbeitungslinse 3 absorbiert einen Teil des Laserstrahls 2, während der Laserstrahl 2 durch diese gesendet wird, und dadurch gleichzeitig absorbierte Wärme strömt in Richtung des Linsenhalters 4 in der äußeren Peripherie der Bearbeitungslinse 3. Im Ergebnis tritt die thermische Linse auf.
Wie in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform ist der Temperatursensor 5 wie in 3 veranschaulicht aufgebaut. Es wird eine Temperaturdifferenz zwischen der Messstelle 11 und der Vergleichsstelle 12 des Thermoelements erzeugt. Der Berechnungscomputer 7 berechnet zu diesem Zeitpunkt die Stärke der thermischen Linse auf der Basis von der Potentialdifferenz des Thermoelements.
Gemäß der mittels des Berechnungscomputers 7 ermittelten Stärke der thermischen Linse berechnet der Steuercomputer 8 einen Betrag der Krümmungsvariation, der zum Aufrechterhalten eines stabilen Strahldurchmessers des Laserstrahls 2 in Bezug auf das Bearbeitungsobjekt 9 benötigt wird, und er sendet ein Steuersignal an die Spiegel-Antriebseinrichtung für den Spiegel 16 mit variabler Krümmung.
Als nächstes wird beschrieben, wie der Steuercomputer 8 den benötigten Betrag der Krümmungsvariation gemäß der Stärke der thermischen Linse berechnet. Wenn folgendes gilt, so wird ein durch die nachfolgende Gleichung (4) (Mathematischer Ausdruck 5) dargestelltes Verhältnis erhalten: „dD” bezeichnet den Betrag der Krümmungsvariation, „f” bezeichnet die Brennweite des Laserstrahls von der Bearbeitungslinse 3 zu dem Bearbeitungsobjekt 9, „f₀” bezeichnet die Brennweite der Bearbeitungslinse 3, und „f” bezeichnet die Brennweite der thermischen Linse. Mathematischer Ausdruck 5
Es muss verhindert werden, dass sich die Brennweite von der Bearbeitungslinse 3 zu dem Bearbeitungsobjekt 9 verändert, und zwar sogar dann, wenn die thermische Linse auftritt. Folglich muss ein durch die nachfolgende Gleichung (5) (Mathematischer Ausdruck 6) beschriebenes Verhältnis hergestellt werden. Mathematischer Ausdruck 6
Mit anderen Worten: Der Betrag der Krümmungsvariation wird durch die nachfolgende Gleichung (6) (Mathematischer Ausdruck 7) beschrieben.
Mathematischer Ausdruck 7

dD = – 1 / f (6)

Im folgenden wird beschreiben, wie der von dem Steuercomputer 8 errechnete Betrag der Krümmungsvariation in das Steuersignal umgewandelt wird, das an die Spiegel-Antriebseinrichtung gesendet werden soll, und wie die Spiegel-Antriebseinrichtung 16 den Spiegel mit variabler Krümmung in Antwort auf das Steuersignal antreibt. Wie im bekannten Dokument 3 (im Einzelnen: 2 der internationalen Patentanmeldung Nr. „ JP 3138613 B ”) angegeben, kann die Spiegel-Antriebseinrichtung den Spiegel unter Verwendung von Luftdruck verformen.
Im oben erwähnten bekannten Dokument 3 (2) führt eine Steuereinrichtung einer Lufthülle Luft zu, um Druck auszuüben, wobei die Lufthülle auf einer rückwärtigen Fläche des Spiegels mit variabler Krümmung angeordnet ist. Auf diese Weise wird die Krümmung des Spiegels verändert. Der Druck der Luft wird durch Magnetventile eingestellt, und die Steuereinrichtung steuert die Magnetventile an.
In der zweiten Ausführungsform kann die Spiegel-Antriebseinrichtung 16 den gleichen Aufbau haben wie derjenige, der oben beschrieben ist. In der zweiten Ausführungsform berechnet der Steuercomputer 8 den benötigten Betrag der Krümmungsvariation und sendet ein Steuersignal an die Spiegel-Antriebseinrichtung 16, um die gewünschte Veränderung der Krümmung zu erzielen.
Wie im bekannten Dokument 3 führt die Spiegel-Antriebseinrichtung 16 der rückwärtigen Fläche des Spiegels Luft zu, um Druck auszuüben. Auf diese Weise wird die Krümmung des Spiegels verändert.
Der Spiegel 16 mit variabler Krümmung hat die Aufgabe, die Krümmung einer Wellenfront des Laserstrahls 2 zu dem Zeitpunkt zu verändern, in welchem er in die Bearbeitungslinse 3 eintritt, um die Veränderung des Brennpunkts zu korrigieren, der durch die thermische Linse verursacht wird.
Wenn diese Abläufe in Echtzeit während der Bearbeitung durchgeführt werden, so wird der Laserstrahl 2 auf das Bearbeitungsobjekt gestrahlt, während dessen stabiler Strahldurchmesser aufrechterhalten wird. Im Ergebnis kann eine stabile Bearbeitung durchgeführt werden.
Ein oder eine Vielzahl von Thermoelementen sind auf der Bearbeitungslinse 3 vorgesehen, und die Stärke der thermischen Linse wird auf der Basis von der Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten berechnet. Während der Bearbeitung wird die Krümmung des Spiegels mit variabler Krümmung geregelt, um dies zu korrigieren. Hierdurch kann die Bearbeitung unabhängig von der Stärke der thermischen Linse stabil durchgeführt werden.
Im Unterschied zur oben erwähnten Patentliteratur 1 verändern sich in der ersten Ausführungsform die relativen Positionen der Temperaturmesspunkte und der Bearbeitungslinse 3 nicht. Somit kann die genaue Temperatur konstant unter bestimmten Bedingungen unabhängig von der Position der Bearbeitungslinse 3 gemessen werden. Im Ergebnis wird eine Einrichtung zum automatischen Einstellen der Brennweite mit einfachem Aufbau bei geringen Kosten erhalten.
Dritte Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf 9 wird eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 9 ist eine teilweise Schnittansicht des Aufbaus der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 9 zeigt die nähere Umgebung des Bearbeitungskopfs der Laser-Bearbeitungsvorrichtung. Im Einzelnen zeigt sie einige der anderen Bestandteile der Laser-Bearbeitungsvorrichtung nicht, wie z. B. den Laseroszillator zum Erzeugen des Laserstrahls und das Strahlengangsystem, um den Laserstrahl zum Bearbeitungskopf zu führen.
In 9 ist die Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anstelle der Bearbeitungslinse 3 mit einem kreisförmigen Fenster 3A, das beispielsweise aus demselben Material wie dasjenige der Bearbeitungslinse 3 hergestellt ist, und mit einem Parabolspiegel oder einem Toroidspiegel 18 ausgestattet. Sie ist außerdem anstelle des Linsenhalters 4 mit einem Fensterhalter 4A zum Halten des Fensters 3A und mit einem Klappspiegel 20 ausgestattet. Es ist zu beachten, dass das Fenster 3A unmittelbar hinter dem Parabolspiegel oder dem Toroidspiegel 18 vorgesehen ist. Es kann aber auch unmittelbar davor vorgesehen sein.
Im folgenden wird der Betrieb der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Bei der Laserbearbeitung wird in manchen Fällen ein Parabolspiegel oder ein Toroidspiegel 18 anstelle der Bearbeitungslinse 3 verwendet, um den Laserstrahl 2 auf das Bearbeitungsobjekt 9 zu bündeln. In diesen Fällen kann auch das Fenster 3A zum Durchlassen des Laserstrahls 2 durch den Bearbeitungskopf 1 vorgesehen sein. Das Fenster 3A erzeugt die thermische Linse, wie es oben in der ersten Ausführungsform beschrieben ist.
Wie bei der ersten Ausführungsform wird in 9 der Laserstrahl 2 von dem Laseroszillator (nicht dargestellt) abgestrahlt und fällt über das optische System in den Spiegel 16 mit variabler Krümmung ein. Er breitet sich dann über den Klappspiegel 20 durch das Fenster 3A aus und wird dann zu dem Bearbeitungskopf 1 geleitet.
Nachdem er in den Bearbeitungskopf 1 eingefallen ist, fällt der Laserstrahl 2 in den Parabolspiegel oder den Toroidspiegel 18 in dem Bearbeitungskopf 1 ein. Er wird dann gebündelt und zu dem Bearbeitungsobjekt 9 abgestrahlt.
Beispiele für das Bearbeitungsobjekt 9 beinhalten Metalle, wie Flussstahl und rostfreien Stahl. Beispiele für den in diesem Fall verwendeten Laser beinhalten einen CO₂-Laser, einen YAG-Laser, einen Faserlaser und einen Halbleiterlaser.
Das Fenster 3A absorbiert einen Teil des Laserstrahls 2, während der Laserstrahl 2 durch dieses gesendet wird, und dadurch gleichzeitig absorbierte Wärme strömt in Richtung des Fensterhalters 4A in der äußeren Peripherie des Fensters 3A. Im Ergebnis tritt die thermische Linse auf.
Wie in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform ist der Temperatursensor 5 wie in 3 veranschaulicht aufgebaut. Es wird eine Temperaturdifferenz zwischen der Messstelle 11 und der Vergleichsstelle 12 des Thermoelements erzeugt. Der Berechnungscomputer 7 berechnet zu diesem Zeitpunkt die Stärke der thermischen Linse auf der Basis von der Potentialdifferenz des Thermoelements.
Gemäß der mittels des Berechnungscomputers 7 ermittelten Stärke der thermischen Linse berechnet der Steuercomputer 8 einen Betrag der Krümmungsvariation, der zum Aufrechterhalten eines stabilen Strahldurchmessers des Laserstrahls 2 in Bezug auf das Bearbeitungsobjekt 9 benötigt wird, und er sendet ein Steuersignal an die Spiegel-Antriebseinrichtung für den Spiegel 16 mit variabler Krümmung.
Der Spiegel 16 mit variabler Krümmung hat die Aufgabe, die Krümmung der Wellenfront des Laserstrahls 2 zu dem Zeitpunkt zu verändern, in welchem er in den Parabolspiegel oder den Toroidspiegel 18 eintritt, um den Brennpunkt zu korrigieren, der durch die thermische Linse verursacht wird.
Wenn diese Abläufe in Echtzeit während der Bearbeitung durchgeführt werden, so wird der Laserstrahl 2 auf das Bearbeitungsobjekt gestrahlt, während dessen stabiler Strahldurchmesser aufrechterhalten wird. Im Ergebnis kann eine stabile Bearbeitung durchgeführt werden.
Ein oder eine Vielzahl von Thermoelementen sind an dem Fenster 3A vorgesehen, und die Stärke der thermischen Linse wird auf der Basis von der Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten berechnet. Während der Bearbeitung wird die Krümmung des Spiegels mit variabler Krümmung geregelt, um dies zu korrigieren. Hierdurch kann die Bearbeitung unabhängig von der Stärke der thermischen Linse stabil durchgeführt werden.
Vierte Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf 9 wird eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 11 und 12 sowie 1 und 2 beschrieben.
Der Aufbau der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der gleiche wie derjenige, der in 1 veranschaulicht ist (in welcher der Bearbeitungskopf 1 und das Bearbeitungsobjekt 9 im Querschnitt dargestellt sind). Ferner ist die periphere Struktur der Bearbeitungslinse 3, die in dem Bearbeitungskopf 1 der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist (Querschnitt nahe der Bearbeitungslinse 3 als transparentes Teil zum Durchlassen des Laserstrahls 2) die gleiche wie diejenige, die in 2 dargestellt ist.
In diesem Fall wird ein CO₂-Laser als Laser verwendet. Es wird ein Temperaturdifferenzsensor vom Thermosäulen-Typ als Temperatursensor 5 verwendet.
Der Bearbeitungskopf 1 ist derart aufgebaut, dass er den von der (nicht dargestellten) Laserlichtquelle emittierten Laserstrahl 2 bündelt und dann den Laserstrahl 2 auf das Bearbeitungsobjekt 9 abstrahlt. Er ist in einem festen Zwischenraum in Bezug auf das Bearbeitungsobjekt 9 angeordnet. Wie in 1 gezeigt, weist der Bearbeitungskopf 1 die Bearbeitungslinse 3, den Linsenhalter 4, den Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ, der ein Temperaturdifferenzsensor vom Kontakttyp ist (genauer unten beschrieben), und die Linsen-Antriebseinrichtung 6 auf. Die Bearbeitungslinse 3 ist im Strahlengang des Laserstrahls 2 angeordnet, so dass sie den Laserstrahl 2 bündelt. Eine kreisförmige Linse mit Planfläche wird als Bearbeitungslinse 3 verwendet.
Eine mit dem Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ versehene Isolierschicht ist mit der Oberfläche der Bearbeitungslinse 3 auf der Austrittsseite des Laserstrahls 2 verbunden, und die Bearbeitungslinse 3 wird durch Linsenhalter 4 gehalten. Ferner ist der Linsenhalter 4 an der Linsen-Antriebseinrichtung 6 angebracht, um die Bearbeitungslinse 3 in den Richtungen der optischen Achsen des Laserstrahls 2 zu bewegen (durch Pfeile gekennzeichnet).
Steuerungseinrichtungen zum Korrigieren der Fokuslage auf der Basis von der Temperaturdifferenz, die mittels des Temperaturdifferenzsensors 5 vom Thermosäulen-Typ gemessen wurde, beinhalten: Die Linsen-Antriebseinrichtung 6, den Berechnungscomputer 7 zum Berechnen des Bewegungsbetrags der Linse auf der Basis von den Detektionsergebnissen der Temperaturdifferenz, und den Steuercomputer 8 zum Antreiben der Linsen-Antriebseinrichtung 6 auf der Basis von den Berechnungsergebnissen des Bewegungsbetrags der Linse.
Der Linsenhalter 4 hat eine kreisförmige zylindrische Form, und er ist mit dem ringförmigen Kühlmittelkanal 10 versehen hat, der eine solche Form aufweist, dass er die gesamte Peripherie des Laserstrahls 2 umgibt. Die ringförmigen Licht-Abschirmungen 13 sind oberhalb und unterhalb der Bearbeitungslinse 3 mit festen Zwischenräumen in Bezug auf die Bearbeitungslinse 3 vorgesehen, so dass verhindern, dass der Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ dem beispielsweise von einer Fläche des Bearbeitungsobjekts reflektierten Laserstrahl 2 ausgesetzt ist, um dadurch Fehler in den Temperaturdifferenzwerten zu unterbinden.
Es ist zu beachten, dass in der vierten Ausführungsform der Linsenhalter 4 anstelle einer kreisförmigen zylindrischen Form auch eine polygonale zylindrische Form und dergleichen haben kann.
Ferner wird der Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ, der einen Temperaturdifferenzsensor vom Kontakttyp darstellt, zum Detektieren der Temperaturdifferenz zwischen den zwei Punkten auf der Oberfläche der Bearbeitungslinse 3 verwendet, welche von der Mitte der Bearbeitungslinse 3 um verschiedene Abstände beabstandet sind. Es können jedoch auch Sensoren anderen Typs verwendet werden, solange die Temperaturdifferenz zwischen den zwei Punkten auf der Oberfläche der Bearbeitungslinse 3 detektiert werden kann.
Beispielsweise kann die Temperaturdifferenz wie folgt berechnet werden: Unter Verwendung eines Thermoelementes, das durch Verbinden zweier ungleichartiger Metalle gebildet wird, Bonden zweier Thermoelemente an die zwei Punkte auf der Oberfläche der Bearbeitungslinse, die von der Mitte der Bearbeitungslinse 3 um verschiedene Abstände beabstandet sind; und Messen der Temperaturen. Alternativ kann die Temperaturdifferenz wie folgt berechnet werden: Anbringen zweier Platinwiderstands-Temperaturdetektoren an den zwei Punkten auf der Oberfläche der Bearbeitungslinse, die von der Mitte der Bearbeitungslinse 3 um verschiedene Abstände beabstandet sind; und individuelles Messen der Temperaturen.
Alternativ kann die Temperaturdifferenz wie folgt berechnet werden: Unter Verwendung eines Thermoelements und eines Platinwiderstands-Temperaturdetektors, Anbringen des Thermoelements und des Platinwiderstands-Temperaturdetektors auf den jeweiligen der zwei Punkte auf der Oberfläche der Bearbeitungslinse 3, die von der Mitte der Bearbeitungslinse 3 um verschiedene Abstände beabstandet sind; und Messen der Temperaturen.
Zusätzlich ist die Detektionsgenauigkeit des Temperaturdifferenzsensors 5 vom Thermosäulen-Typ, der in der vierten Ausführungsform verwendet wird, exzellent. Er ist geeignet, die Temperaturdifferenz auf der Oberfläche der Bearbeitungslinse 3 zu detektieren.
Ferner kann in der vierten Ausführungsform anstelle der plankonvexen Linse eine bikonvexe Linse als die Bearbeitungslinse 3 verwendet werden, solange der Laserstrahl 2 auf das Bearbeitungsobjekt 9 gebündelt werden kann.
Ferner kann die Isolierschicht, die mit dem Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ versehen ist und die mit der Oberfläche der Bearbeitungslinse 3 auf der Austrittsseite des Laserstrahls 2 verbunden ist, mit einer Oberfläche der Bearbeitungslinse 3 auf der Einfallsseite des Laserstrahls 2 verbunden sein, solange die Veränderung der Temperaturverteilung der Bearbeitungslinse 3 detektiert werden kann, die durch den Laserstrahl 2 verursacht wirkt.
Im folgenden wird der Aufbau des Temperaturdifferenzsensors 5 vom Thermosäulen-Typ unter Bezugnahme auf 11 und 12 detailliert beschrieben.
11 ist eine Draufsicht des Temperaturdifferenzsensors 5 vom Thermosäulen-Typ der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 12 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht des Temperaturdifferenzsensors 5 vom Thermosäulen-Typ der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 11 ist der Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ der Laser-Bearbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung aus Richtung der optischen Achse gezeigt, in welcher der Laserstrahl 2 austritt.
In 11 ist auf einer ringförmigen Polyimidschicht 44 eine Vielzahl von jeweils aus zwei ungleichartigen Metallen gebildeten Thermoelementen in abwechselnder Reihenschaltung aufgereiht, um somit den Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ auszubilden. Detektionsanschlüsse 45 und 46 sind an den jeweiligen Enden der Reihenschaltung von Thermoelementen angeordnet.
Die Polyimidschicht 44, die den Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ bildet, ist mit der Bearbeitungslinse 3 verbunden. Der Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ detektiert die auf der Potentialdifferenz zwischen den Detektionsanschlüssen beruhende Temperaturdifferenz.
In der vergrößerten Teilansicht aus 12 sind die Thermoelemente jeweils aus L-förmigen Metalldrähten 47 und 48 gebildet, die ihrerseits aus zwei ungleichartigen Metallen gebildet sind und miteinander mit einem zwischen ihnen liegenden Kreuzungsbereich auf der Polyimidschicht 44 elektrisch verbunden sind. Diese Thermoelemente sind derart angeordnet, dass sie Doppelkreise bilden.
Der Laserstrahl 2 wird in die Nähe der Mitte der Bearbeitungslinse 3 abgestrahlt. Folglich steigt die Temperatur im Mittelbereich der Bearbeitungslinse 3 an, und die Temperatur im äußeren peripheren Bereich der Bearbeitungslinse 3 sinkt relativ dazu. Im Ergebnis fungieren die Thermoelemente, die den Kreis auf der der Mitte zugewandten Seite der Bearbeitungslinse 3 bilden, als Messstellen 11. Die Thermoelemente, die den Kreis auf der Außenseite bilden, fungieren als die Vergleichsstellen 12.
Kupfer und Konstantan (eine Legierung mit einer Zusammensetzung aus 55% Kupfer und 45% Ni) werden als die zwei ungleichartigen Metalle verwendet und nach einer Abscheidung aus der Gasphase mittels Photolithographie musterförmig ausgebildet. Auf diese Weise werden die Metalldrähte 47 und 48 jeweils so ausgebildet, dass sie eine Filmdicke von 0,5 μm und eine Drahtbreite von 0,5 mm haben.
Die Teile, an welchen sich die zwei ungleichartigen Metalle überlappen und miteinander in Kontakt gehalten werden, fungieren als Thermoelemente, die aus folgendem gebildet sind: Zweiunddreißig Messstellen 11, die auf der der Mitte zugewandten Seite der Bearbeitungslinse 3 angeordnet sind und eine relativ hohe Temperatur aufweisen, und einunddreißig Vergleichsstellen 12, die auf der Außenseite der Bearbeitungslinse 3 angeordnet sind und eine relativ geringe Temperatur aufweisen.
Der auf der Anordnung (Array) der Messstellen 11 gebildete Kreis hat einen Radius von 20 mm. Der auf der Anordnung (Array) der Vergleichsstellen 12 gebildete Kreis hat einen Radius von 25 mm. Die Messstellen 11 und die Vergleichsstellen 12 sind 5 mm voneinander in der Radialrichtung der Kreise beabstandet. Ferner hat die Polyimidschicht 44 eine Dicke von 50 μm.
Die Polyimidschicht 44, die mit dem Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ versehen ist, der die abwechselnd in Reihenschaltung angeordneten Messstellen 11 und Vergleichsstellen 12 aufweist, ist mit der Bearbeitungslinse 3 verbunden, und der Laserstrahl 2 wird auf die Bearbeitungslinse 3 abgestrahlt.
Hierdurch wird die Potentialdifferenz zwischen den Detektionsanschlüssen 45 und 46 an beiden Enden der Reihenanordnung (des Reihenarrays) der Vielzahl von Messstellen 11 und der Vielzahl von Vergleichsstellen 12 detektiert. Wenn die Temperatur der Messstellen 11 und die Temperatur der Vergleichsstellen 12 verschieden voneinander sind, wird dann die Potentialdifferenz detektiert, die durch einen thermoelektrischen Effekt verursacht wird.
Im Gegensatz zu einem Temperaturdifferenzsensor, der eine einzelne Messstelle 11 und eine einzelne Vergleichsstelle 12 aufweist, gilt außerdem folgendes: Wenn eine Vielzahl von Messstellen 11 und eine Vielzahl von Vergleichsstellen 12 vorgesehen ist, summieren sich die Potentialdifferenzen infolge des thermoelektrischen Effekts auf. Folglich kann sogar eine geringfügige Temperaturdifferenz auf der Basis von der großen Potentialdifferenz genau detektiert werden.
Es ist zu beachten, dass in der vierten Ausführungsform anstelle von Kupfer und Konstantan auch andere Kombinationen verschiedener Metallmaterialien verwendet werden können, wie zum Beispiel Chromel/Alumel, Eisen/Konstantan und Platinrhodium/Platin, welche gemeinhin für Thermoelemente verwendet werden.
Wenn außerdem zur Vereinfachung der Verdrahtung die nicht speziell begrenzte Breite der Metalldrähte 47 und 48 in einem Bereich von 0,25 mm bis 1 mm vorgesehen wird, wenn die Messstellen 11 und die Vergleichsstellen 12 in großer Anzahl angeordnet werden, dann können das Verdrahtungsdesign und dergleichen vereinfacht werden.
Ferner wird die Schichtdicke der aus verschiedenen Metallen gebildeten Metalldrähte 47 und 48 auf 0,5 μm gesetzt. Die Schichtdicke ist jedoch nicht speziell darauf begrenzt, solange die Schicht durch gewöhnliche Abscheidung aus der Gasphase oder dergleichen ausgebildet werden kann und keine Defekte wie beispielsweise ein Trennen der Verbindung auftreten.
Ferner sind in der vierten Ausführungsform die Messstellen 11 des Temperaturdifferenzsensors 5 vom Thermosäulen-Typ, die auf Seiten der Mitte der Bearbeitungslinse 3 angeordnet sind, 20 mm von der Mitte der Bearbeitungslinse beabstandet angeordnet.
Der Strahldurchmesser beispielsweise eines CO₂-Lasers, der in die Bearbeitungslinse 3 eintritt, reicht normalerweise ungefähr von einem Radius von 10 mm bis zu einem Radius von 15 mm. Folglich müssen die Messstellen 11 des Thermoelements an einer von dem Mittelpunkt der Linse um einen Radius von 10 mm oder mehr beabstandeten Position angebracht werden, um den Laserstrahl 2 nicht zu blockieren. Die Vergleichsstellen 12 des Thermoelements müssen außerdem auf einer Außenseite in Bezug auf die Messstellen 11 angebracht werden. Somit muss der Durchmesser der Bearbeitungslinse 3 in einen Bereich von ungefähr 25 mm bis 30 mm fallen.
Die Befestigungspositionen der Messstellen 11 und der Vergleichsstellen 12 des Temperaturdifferenzsensors 5 vom Thermosäulen-Typ müssen aus demselben Material hergestellt sein, zwischen ihnen frei sein von einer Kontaktfläche oder dergleichen, und innerhalb desselben Einzelteils angeordnet sein. Innerhalb desselben Einzelteils kann das Fouriersche Gesetz der Wärmeleitungstheorie angewendet werden.
Folglich kann die auf die Bearbeitungslinse 3 einwirkende Wärmemenge auf der Basis von den Temperaturdifferenzen berechnet werden, die von dem Temperatursensor 5 vom Thermosäulen-Typ detektiert werden. Wenn eine Kontaktfläche zwischen den Messstellen 11 und den Vergleichsstellen 12 eingefügt ist, verändert sich der Wert der Wärmebeständigkeit am Kontakt im hohen Maße in Abhängigkeit von dem Zustand des Kontakts. Folglich kann der Wert der Wärmemenge nicht genau berechnet werden.
Die Anzahl von Messstellen 11 und Vergleichsstellen 12 und der radiale Abstand zwischen den Messstellen 11 und den Vergleichsstellen 12 auf der Bearbeitungslinse 3 sind nicht speziell beschränkt. Sie können auf der Basis von den zu detektierenden Temperaturdifferenzen und der Empfindlichkeit der Messinstrumente zum Detektieren der Potentialdifferenz festgesetzt werden.
Für gewöhnlich ist es bevorzugt, dass der radiale Abstand zwischen den Messstellen 11 und den Vergleichsstellen 12 auf der Bearbeitungslinse 3 einen Wert von 10 mm oder weniger besitzt, und zwar in Anbetracht des Durchmessers der zu verwendenden Bearbeitungslinse 3 und des Aufbaus zum Verhindern, dass der Laserstrahl 2 von dem Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ blockiert wird. Ferner reicht es aus, dass die Anzahl der Messstellen 11 und die Anzahl der Vergleichsstellen 12 jeweils Eins oder mehr beträgt. Ein Vorsehen von größeren Anzahlen an Messstellen 11 und Vergleichsstelle 12 ist bevorzugter, da die Detektionsempfindlichkeit für Temperaturdifferenzen gesteigert werden kann.
Ferner ist der Positionsbezug zwischen den Messstellen 11 und den Vergleichsstellen 12 nicht speziell beschränkt. Wenn jedoch nebeneinander liegende Messstellen 11 und Vergleichsstellen 12 im Wesentlichen in der gleichen Richtung von der Mitte der Bearbeitungslinse 3 aus vorgesehen sind, dann können die Temperaturdifferenzen genauer detektiert werden, und zwar ohne Einfluss der Verteilung der Wärmeleitfähigkeit in einer Ebene der Bearbeitungslinse 3.
Im Einzelnen kann die Temperaturdifferenz genauer detektiert werden, wenn eine Messstelle 11 und eine benachbart liegende Vergleichsstelle 12 innerhalb eines Bereichs eines Mittelwinkels von 60° von der Mitte der Bearbeitungslinse ausgebildet sind.
Ferner ist die Dicke der Polyimidschicht 44 nicht speziell beschränkt, und es können Isolierschichten anderer Art verwendet werden, welche Isoliereigenschaften und eine Fläche aufweisen, die mit dem Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ versehen werden kann. Beispielsweise kann eine Polyimidschicht 44 verwendet werden, die eine Dicke von ungefähr 10 μm bis 125 μm hat. Ferner ist das Material nicht auf Polyimid beschränkt.
Es kann eine elektronische Leiterplatte verwendet werden, die aus einem dünnen Harz und Fasern hergestellt ist, und die Isoliereigenschaften aufweist und eine Dicke von ungefähr 0,3 bis 2 mm hat. Oder es kann ein FPC-Board verwendet werden, das aus einer Polyimidschicht gebildet ist, die eine Dicke von ungefähr 0,1 mm bis 0,3 mm hat.
Die Messstellen 11 und die Vergleichsstellen 12 des Temperaturdifferenzsensors 5 vom Thermosäulen-Typ werden an Positionen außerhalb des Bestrahlungsbereichs des Laserstrahls 2 gesetzt. Wie ferner in 2 dargestellt, gilt folgendes: Wenn die Licht-Abschirmungen 13 derart vorgesehen sind, dass sie das Streulicht des Laserstrahls 2, das von dem Bearbeitungsobjekt 9 reflektierte Licht und einen Infrarotstrahl daran hindern, in die Temperaturmesspunkte einzutreten, dann können die Temperaturdifferenzen genauer detektiert werden.
Folglich ist das Vorsehen der Licht-Abschirmungen 13 zweckmäßig. Um in diesem Fall den Einfluss von Strahlungswärme von der Licht-Abschirmung 13 auf den Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ zu beseitigen, ist es bevorzugt, dass die Licht-Abschirmungen 13 jeweils 1 mm oder mehr von der Bearbeitungslinse 3 entfernt beabstandet sind.
In der vierten Ausführungsform ist ferner die Polyimidschicht 44, die mit dem Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ versehen ist, mittels eines Klebstoffs mit der Bearbeitungslinse 3 verbunden. Das Verbinden der Polyimidschicht 44 auf die Bearbeitungslinse 3 ist jedoch nicht darauf beschränkt. Es können andere Verfahren verwendet werden, solange die Polyimidschicht 44, die mit dem Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ versehen ist, fest auf der Bearbeitungslinse 3 montiert werden kann.
Beispielsweise kann die Polyimidschicht 44 an der Bearbeitungslinse 3 angebracht werden, indem sie von einem wärmeisolierenden Teil mit geringer Wärmeleitfähigkeit angedrückt wird, wie beispielsweise einem Fluorharz. Im Einzelnen kann die Polyimidschicht 44, die mit dem Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ versehen ist, auf der Bearbeitungslinse 3 durch das wärmeisolierende Teil festgehalten werden, das in einer Ringform hergestellt wurde, und zwar indem eine Kraft aufgebracht wird, mittels derer der periphere Bereich der Bearbeitungslinse 3 mit dem Linsenhalter 4 mit dem darauf angebrachten wärmeisolierenden Teil eingezwängt und festgelegt wird.
Wenn die in der Bearbeitungslinse 3 durch den in die Bearbeitungslinse 3 eintretenden Laserstrahl 2 absorbierte Wärme in andere Bereiche strömt, bevor sie die Messstellen 11 und die Vergleichsstellen 12 passiert hat, dann spiegeln ggf. die detektierten Temperaturdifferenzen den Zustand der thermischen Linse der Bearbeitungslinse 3 nicht wider. Als Gegenmaßnahme ist es nötig, dass nichts außer den Messstellen 11 der Thermoelemente in Kontakt mit der Bearbeitungslinse 3 zwischen der Mitte der Bearbeitungslinse 3 und den Vergleichsstellen 12 gehalten wird.
Dies kann durch das folgende Verfahren erreicht werden. Lediglich auf der äußeren peripheren Seite in Bezug auf die Vergleichsstellen 12 auf der Bearbeitungslinse 3 wird die Bearbeitungslinse 3 mittels des Linsenhalters 4 im Strahlengang des Laserstrahls 2 gehalten. Die Polyimidschicht 44, die mit dem Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ versehen ist, wird mittels eines Klebstoffs mit der Bearbeitungslinse 3 verbunden.
Wenn der Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ dadurch fixiert wird, dass er auf der Bearbeitungslinse 3 durch das wärmeisolierende Teil gehalten wird, so ergibt sich ein dahingehendes Risiko, dass das wärmeisolierende Teil in Kontakt mit der Oberfläche der Bearbeitungslinse 3 zwischen der Mitte der Bearbeitungslinse 3 und den Vergleichsstellen 12 gehalten wird. Um ausreichend stabile Bearbeitungseigenschaften sicherzustellen, müssen die Fehler in den Werten der Temperaturdifferenzen auf 5% oder weniger verringert werden.
Um stabile Bearbeitungseigenschaften durch Verringern der Detektionsfehler der Temperaturdifferenzen auf 5% oder weniger sogar dann zu erreichen, wenn das wärmeisolierende Teil in Kontakt mit der Oberfläche der Bearbeitungslinse 3 zwischen der Mitte der Bearbeitungslinse 3 und den Vergleichsstellen 12 gehalten wird, ist es folglich nötig, eine Kontaktfläche zwischen dem äußeren peripheren Bereich der Bearbeitungslinse 3, der in Bezug auf den Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ auf der Außenseite angeordnet ist, und dem Linsenhalter 4 und eine Kontaktfläche des wärmeisolierenden Teils derart auszubilden, dass sie gleich zueinander sind.
Außerdem ist es nötig, die Wärmeleitfähigkeit des wärmeisolierenden Teils zum Halten des Temperaturdifferenzsensors 5 vom Thermosäulen-Typ auf 5% oder weniger der Wärmeleitfähigkeit von 18 W/(m·K) von Zinkselenid (ZnSe) als Hauptmaterial für die Bearbeitungslinse 3 festzusetzen; mit anderen Worten mit 0,9 W/(m·K) oder weniger vorzugeben.
Wenn die Thermoelemente in Dünnschichtform ausgebildet sind, indem für die Drähte aus den zwei ungleichartigen Metallen ein Schichtausbildungsverfahren, wie Abscheidung aus der Gasphase verwendet wird, dann können die Thermoelemente einfacher ausgebildet werden und miteinander bei höherer Dichte verbunden werden, als in dem Fall, in welchem die Vielzahl von Thermoelementen miteinander mittels normaler Thermoelement-Drähte miteinander verbunden sind. Folglich kann ein Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ mit hoher Empfindlichkeit erhalten werden.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf 1, 6 und 7 ein Verfahren zum Steuern der Fokuslage in der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
6 zeigt, wie die Temperatur der Bearbeitungslinse der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von der Entfernung von der Mitte der Bearbeitungslinse 3 abhängig ist. Ferner zeigt 7 die Abhängigkeit der Laserbestrahlung von der Temperaturdifferenz, die unter Verwendung des Temperaturdifferenzsensors 5 vom Thermosäulen-Typ detektiert worden ist, der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 1 gezeigt, fällt der von der (nicht dargestellten) Laserlichtquelle emittierte Laserstrahl 2 in die Bearbeitungslinse 3 ein. Er wird dann gebündelt und auf das Bearbeitungsobjekt 9 abgestrahlt. Die Temperatur des Mittelbereichs der Bearbeitungslinse 3 steigt infolge der Absorption eines Teils des Laserstrahls 2 an. Die Wärme strömt in Richtung ihres äußeren peripheren Bereichs, da der äußere periphere Bereich durch den Linsenhalter 4 damit in Kontakt gehalten wird. Wie in 6 gezeigt, sind folglich die radialen Temperaturverteilungen ausgehend von der Mitte der Bearbeitungslinse 3 im Mittelbereich hoch und relativ niedrig im äußeren peripheren Bereich.
Wenn sich ferner der Bestrahlungszeitraum vom Bestrahlungszeitraum 1 zum Bestrahlungszeitraum 3 verlängert, dann vergrößern sich auch die Temperaturdifferenzen zwischen dem Mittelbereich und dem äußeren peripheren Bereich der Bearbeitungslinse 3. Obwohl nicht in 6 gezeigt, werden bestimmte Temperaturverteilungs-Profile erhalten, und die Temperaturdifferenzen zwischen dem Mittelbereich und dem äußeren peripheren Bereich der Bearbeitungslinse 3 werden konstant.
Wie in 7 gezeigt, neigen die Temperaturdifferenzen zwischen den Messstellen 11 und den Vergleichsstellen 12, die unter Verwendung des Temperaturdifferenzsensors 5 vom Thermosäulen-Typ auf der Bearbeitungslinse 3 detektiert werden, jeweils dazu, allmählich mit dem Verstreichen des Bestrahlungszeitraums des Laserstrahls 2 anzusteigen und allmählich in Sättigung gegen einen bestimmten Wert zu streben.
Linsenpositions-Korrekturbeträge der Bearbeitungslinse 3, die benötigt werden, um Veränderungen der Brennweite des Laserstrahls 2 entsprechend der Temperaturdifferenz auszugleichen und um einen stabilen Strahldurchmesser des auf das Bearbeitungsobjekt 9 abgestrahlten Laserstrahls 2 aufrechtzuerhalten, werden durch Messen bestimmt und vorab im Berechnungscomputer 7 gespeichert.
Entsprechend den mittels des Temperaturdifferenzsensors 5 vom Thermosäulen-Typ auf der Bearbeitungslinse 3 detektierten Temperaturdifferenzen wählt der Berechnungscomputer 7 den Linsenposition-Korrekturbetrag aus und gibt den Linsenposition-Korrekturbetrag an den Steuercomputer 8 aus. Der Steuercomputer 8 treibt die Linsen-Antriebseinrichtung 6 auf der Basis von dem Wert des Linsenposition-Korrekturbetrags an, um die Position der Bearbeitungslinse 3 in der Richtung der optischen Achse des Laserstrahls 2 (Richtungen der Pfeile in 1) zu verschieben. Auf diese Weise wird die Position der Bearbeitungslinse 3 korrigiert. Im Ergebnis kann ein stabiler Strahldurchmesser auf dem Bearbeitungsobjekt aufrechterhalten werden. Somit kann eine stabile Laserbearbeitung durchgeführt werden.
Wie aus 7 ersichtlich, verändert sich die Temperaturdifferenz auf der Bearbeitungslinse 3 in Abhängigkeit von dem Bestrahlungszeitraum des Laserstrahls 2. Folglich kann dann, wenn die oben beschriebene Steuerung in hoher Geschwindigkeit in Echtzeit durchgeführt wird, der Laserstrahl 2 auf das Bearbeitungsobjekt 9 abgestrahlt werden, während dessen stabiler Strahldurchmesser aufrechterhalten wird. Im Ergebnis kann eine stabile Bearbeitung durchgeführt werden.
Gemäß der vierten Ausführungsform wird eine Polyimidschicht 44 verwendet, die mit dem Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ versehen ist, indem sie mit der Bearbeitungslinse 3 verbunden wird. Somit verändern sich die relativen Positionen der Detektionsposition der Temperaturdifferenz und der Bearbeitungslinse 3 nicht. Folglich kann – im Gegensatz zu Patentliteratur 1 – die Temperaturdifferenz unter einer bestimmten Bedingung stets genau detektiert werden, und zwar unabhängig von der Position der Bearbeitungslinse 3. Im Ergebnis kann eine stabile Bearbeitung durchgeführt werden.
Gemäß der vierten Ausführungsform wird – im Gegensatz zu Patentliteratur 1 – kein Ferninfrarot-Strahlungsthermometer verwendet. Somit können Kosten eingespart werden. Ferner kann eine stabile Bearbeitung ohne Ausfälle durchgeführt werden, die sich beispielsweise durch folgende Einflüsse ergeben: Das Streulicht des Laserstrahls 2, das von dem Bearbeitungsobjekt 9 reflektierte Licht und die Beeinflussung des Strahls durch die Temperatur des Bearbeitungsobjekts 9.
Es ist zu beachten, dass in der vierten Ausführungsform das folgende Steuerungsverfahren durchgeführt wird: Auf der Basis von der Temperaturdifferenz, die auf der Bearbeitungslinse 3 detektiert wurde, Auswählen eines optimalen Linsenposition-Korrekturbetrags aus den im Berechnungscomputer 7 gespeicherten Linsenposition-Korrekturbeträgen; und Senden des Werts an den Steuercomputer 8.
Diese Vorgehensweise zum Berechnen des optimalen Linsenposition-Korrekturbetrags ist jedoch nicht speziell beschränkt, und beliebige andere Verfahren können verwendet werden, solange der Linsenposition-Korrekturbetrag zum Ausgleichen der Veränderung der Brennweite des Laserstrahls 2 während der Veränderung der Temperaturdifferenz der Bearbeitungslinse 3 berechnet werden kann.
Zum Beispiel kann das folgende Steuerungsverfahren eingesetzt werden: Mit dem Berechnungscomputer 7: Berechnen der Stärke der thermischen Linse mit der detektierten Temperaturdifferenz und einer physikalischen Konstante, wie zum Beispiel Wärmeleitfähigkeit; Berechnen des Linsenposition-Korrekturbetrags zum Ausgleichen der Veränderung der Brennweite des Laserstrahls 2, die durch den Einfluss der thermischen Linse verursacht wird; und Ausgeben von dessen Wert an den Steuercomputer 8.
Fünfte Ausführungsform
Unter vorwiegender Bezugnahme auf 13 wird eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
13 ist eine teilweise Schnittansicht des Aufbaus einer Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 13 gezeigt, wird der Bearbeitungskopf 1 zum Emittieren des gebündelten Laserstrahls auf einen festen Zwischenraum in Bezug auf das Bearbeitungsobjekt 9 gesetzt. Der Aufbau der Laser-Bearbeitungsvorrichtung ist im Wesentlichen der gleiche wie der Aufbau der oben in der vierten Ausführungsform beschriebenen Laser-Bearbeitungsvorrichtung, mit der Ausnahme, dass – wie unten beschrieben – ein Temperaturdifferenzsensor 5A vom Thermosäulen-Typ, der auf der Bearbeitungslinse 3 ausgebildet ist, einen anderen Aufbau hat. Im Einzelnen ist eine größere Anzahl von Ausgangsdrähten ausgehend vom Temperaturdifferenzsensor 5A vom Thermosäulen-Typ mit dem Berechnungscomputer 7 verbunden.
Im folgenden wird der Aufbau des Temperaturdifferenzsensors 5A vom Thermosäulen-Typ unter Bezugnahme auf 14 beschrieben.
14 ist eine Draufsicht des Temperaturdifferenzsensors 5A vom Thermosäulen-Typ der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der Temperaturdifferenzsensor 5A vom Thermosäulen-Typ ist insofern der gleiche wie der in der vierten Ausführungsform verwendete Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ, als die Vielzahl von jeweils aus zwei ungleichartigen Metallen gebildeten Thermoelementen in abwechselnder Reihenschaltung auf der ringförmigen Polyimidschicht 44 aufgereiht ist.
Der oben beschriebene Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ (11) ist jedoch mit Thermoelementen versehen, die ohne Unterbrechung über der gesamten Peripherie ausgebildet sind, und er detektiert die Temperaturdifferenz auf der Basis von der Detektion der Potentialdifferenz zwischen den Detektionsanschlüssen 45 und 46.
Wie in 14 dargestellt, sind die hier verwendeten Thermoelemente des Temperaturdifferenzsensors 5 vom Thermosäulen-Typ ringförmig in vier unterteilten Bereichen angeordnet. Auf der Basis von den Potentialdifferenzen, die jeweils zwischen den jeweils an beiden Enden der jeweiligen Reihenschaltung von vorgesehenen Detektionsanschlüssen 50 und 51, Detektionsanschlüssen 52 und 53, Detektionsanschlüssen 54 und 55 bzw. Detektionsanschlüssen 56 und 57 detektiert wurden, werden die Temperaturdifferenzen zwischen den Messstellen 11 und den Vergleichsstellen 12 in jedem der vier Bereiche detektiert.
Im folgenden wird ein Verfahren zum Steuern der Fokuslage in der Laser-Bearbeitungsvorrichtung 5 der vorliegenden Erfindung beschrieben, welches in 13 und 14 veranschaulicht ist.
Das Verfahren zum Steuern der Fokuslage ist im Wesentlichen das gleiche wie das in der vierten Ausführungsform. Die Temperatur der Bearbeitungslinse 3 wird durch den Laserstrahl 2 verändert, und die Temperaturdifferenzen zwischen den Messstellen 11 und den Vergleichsstellen 12 wird mittels des Temperaturdifferenzsensors 5 vom Thermosäulen-Typ detektiert, der auf der Bearbeitungslinse 3 ausgebildet ist.
Auf der Basis von der Detektion der Temperaturdifferenzen berechnet der Berechnungscomputer 7 den Bearbeitungslinsen-Korrekturwert zum Ausgleichen der Veränderung der Brennweite des Laserstrahls 2, und er gibt den Korrekturwert an den Steuercomputer 8 aus. Dann treibt der Steuercomputer 8 die Linsen-Antriebseinrichtung 6 an, um die Position der Bearbeitungslinse zu korrigieren, um damit den Durchmesser des Laserstrahls auf dem Bearbeitungsobjekt 9 zu stabilisieren.
Hierbei detektiert der Temperaturdifferenzsensor 5A vom Thermosäulen-Typ die Temperaturdifferenzen zwischen den Messstellen 11 und den Vergleichsstellen 12 in jedem der vier Bereiche, und er gibt die Detektionsergebnisse an den Berechnungscomputer 7 aus. Wenn der Laserstrahl 2 auf die Mitte der Bearbeitungslinse 3 abgestrahlt wird, sind die vier Werte untereinander gleich groß. Folglich kann auf der Basis von diesen Detektionsergebnissen der Bearbeitungslinsen-Korrekturwert mit dem Berechnungscomputer berechnet werden.
Wenn ferner der Laserstrahl 2 aus der Mitte der Bearbeitungslinse 3 verschoben wird, werden die Werte der vier detektierten Temperaturdifferenzen untereinander ungleich. In diesem Fall wird mit dem Berechnungscomputer 7 auf der Basis von den vier detektierten Temperaturdifferenzen ein verschobener Betrag des Laserstrahls 2 berechnet. Eine Ausrichtung des Spiegels im Strahlengang wird mit einem Elektromotor oder dergleichen vorgenommen, oder die Position des Bearbeitungskopfs 1 wird automatisch mit einem dafür vorgesehenen Mechanismus eingestellt.
Hierdurch wird es dem Laserstrahl 2 ermöglicht, konstant in die Mitte der Bearbeitungslinse 3 einzutreten. Alternativ ist es möglich, einen Bediener über die Verschiebung des Laserstrahls 2 aus der Mitte der Bearbeitungslinse 3 zu informieren, beispielsweise durch einen Alarm, und den Bediener dazu zu veranlassen, die Einstellung vorzunehmen.
Es ist zu beachten, dass der Temperaturdifferenzsensor 5A vom Thermosäulen-Typ in der fünften Ausführungsform in vier Bereiche unterteilt ist. Die Anzahl von Unterteilungen ist jedoch nicht auf vier beschränkt. Wenn zwei oder mehr Bereiche vorgesehen sind, kann die Verschiebung des Laserstrahls 2 berechnet werden, und somit können zwei oder mehr Bereiche verwendet werden.
Ferner ist auch die Anzahl der Messstellen 11 und der Vergleichsstellen 12 in jeder der unterteilten Bereiche nicht speziell beschränkt. Dies rührt daher, dass diese Anzahlen die Detektionsgenauigkeit der Temperaturdifferenzen beeinflussen. Solange die angestrebte Detektionsgenauigkeit der Temperaturverteilungen sichergestellt werden kann, ist es folglich ausreichend, dass mindestens eine Messstelle 11 und mindestens eine Vergleichsstelle 12 vorgesehen werden.
Gemäß der fünften Ausführungsform wird außerdem eine Polyimidschicht 44 verwendet, die mit dem Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ versehen ist, indem sie mit der Bearbeitungslinse 3 verbunden wird. Somit verändern sich die relativen Positionen der Detektionspositionen der Temperaturdifferenz und der Bearbeitungslinse 3 nicht. Folglich kann – im Gegensatz zur Patentliteratur 1 – die Temperaturdifferenz unter einer bestimmten Bedingung stets genau detektiert werden, und zwar unabhängig von der Position der Bearbeitungslinse 3. Im Ergebnis kann eine stabile Bearbeitung durchgeführt werden.
Gemäß der fünften Ausführungsform wird außerdem – im Gegensatz zu Patentliteratur 1 – kein Ferninfrarot-Strahlungsthermometer verwendet. Somit können Kosten eingespart werden. Ferner kann eine stabile Bearbeitung ohne Ausfälle durchgeführt werden, die sich beispielsweise durch folgende Einflüsse ergeben: Das Streulicht des Laserstrahls 2, das von dem Bearbeitungsobjekt 9 reflektierte Licht und die Beeinflussung des Strahls durch die Temperatur des Bearbeitungsobjekts 9.
Sechste Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf 8 wird eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Aufbau der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der gleiche wie der in 8 (teilweise Schnittansicht) veranschaulichte.
Der Aufbau des Bearbeitungskopfs 1 ist im Wesentlichen der gleiche wie derjenige der in der vierten Ausführungsform beschriebenen Laser-Bearbeitungsvorrichtung, mit der Ausnahme, dass die in 1 dargestellte Linsen-Antriebseinrichtung 6 weggelassen ist, und dass der Laserstrahl 2 von der (nicht dargestellten) Laserlichtquelle in den Bearbeitungskopf 1 über den Spiegel 16 mit variabler Krümmung einfällt, der mit einer Krümmungs-Einstelleinrichtung versehen ist, die mit dem Steuercomputer 8 verbunden ist.
Wie durch Pfeile in 8 dargestellt, ist der Spiegel 16 mit variabler Krümmung dazu in der Lage, die Krümmung zu verändern, indem die Spiegeloberfläche zwischen der durchgehenden Linie und der unterbrochenen Linie verändert wird. Der Steuercomputer 8 ist dazu ausgelegt, die Krümmungs-Einstelleinrichtung für den Spiegel 16 mit variabler Krümmung anzutreiben, um die Krümmung des Spiegels 16 mit variabler Krümmung einzustellen.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Steuern der Fokuslage gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die Temperaturverteilung der Bearbeitungslinse 3, die im Strahlengang des Laserstrahls 2 angeordnet ist, wird durch den Laserstrahl 2 verändert. Die Temperaturdifferenzen zwischen den Messstellen 11 und den Vergleichsstellen 12 werden vom Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ detektiert.
Der Spiegel 16 mit variabler Krümmung, der Berechnungscomputer 7 und der Steuercomputer 8 fungieren als Steuereinrichtungen zum Korrigieren der Fokuslage. Zunächst berechnet der Berechnungscomputer 7 auf der Basis von den Werten der mittels des Temperaturdifferenzsensors 5 vom Thermosäulen-Typ detektierten Temperaturdifferenzen den Korrekturbetrag für die Fokuslage der Bearbeitungslinse 3, um welchen die Veränderung der Brennweite des Laserstrahls 2 ausgeglichen wird.
Außerdem berechnet er den Betrag der Krümmungsvariation des Spiegels 16 mit variabler Krümmung, der für die Korrektur benötigt wird. Diese Beträge werden dann an den Steuercomputer 8 ausgegeben. Auf der Basis von den Ergebnissen treibt der Steuercomputer 8 die Krümmungs-Einstelleinrichtung für den Spiegel 16 mit variabler Krümmung an, um die Krümmung des Spiegels mit variabler Krümmung einzustellen.
Auf diese Weise wird die Fokuslage des Laserstrahls 2 verändert, um den Strahldurchmesser des Laserstrahls 2 auf dem Bearbeitungsobjekt 9 zu stabilisieren. Im Ergebnis kann eine stabile Bearbeitung durchgeführt werden.
Gemäß der sechsten Ausführungsform wird zudem – im Gegensatz zur Patentliteratur 1 – kein Ferninfrarot-Strahlungsthermometer verwendet. Somit können Kosten eingespart werden. Ferner kann eine stabile Bearbeitung ohne Ausfälle durchgeführt werden, die sich beispielsweise durch folgende Einflüsse ergeben: Das Streulicht des Laserstrahls 2, das von dem Bearbeitungsobjekt 9 reflektierte Licht und die Beeinflussung des Strahls durch die Temperatur des Bearbeitungsobjekts 9.
Der Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ, der in der sechsten Ausführungsform verwendet wird, ist der gleiche wie derjenige gemäß der vierten Ausführungsform, welcher Thermoelemente besitzt, die durchgehend über die gesamten Peripherie ausgebildet sind. Es kann jedoch auch der Temperaturdifferenzsensor 5A vom Thermosäulen-Typ gemäß der fünften Ausführungsform verwendet werden, der in eine Vielzahl von Bereichen unterteilt ist. Ferner ist die Art des Spiegels 16 mit variabler Krümmung nicht speziell beschränkt. Zum Beispiel kann ein Spiegel AO090/70 (Produktname: Hergestellt von der Kugler GmbH) verwendet werden, welcher die Spiegelkrümmung mittels Luftdrucks einstellt.
Siebte Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf 9 wird eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Aufbau der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der gleiche wie der in 9 (teilweise Schnittansicht) veranschaulichte.
Der Laserstrahl 2 wird von der (nicht dargestellten) Laserlichtquelle emittiert, um in den Spiegel 16 mit variabler Krümmung einzufallen, der mit der Krümmungs-Einstelleinrichtung versehen ist. Dann wird er zum Bündeln über den Klappspiegel 20 auf den Toroidspiegel 18 abgestrahlt. Der von dem Toroidspiegel 18 reflektierte Laserstrahl 2 wird gebündelt und auf das Bearbeitungsobjekt 9 abgestrahlt.
Während der Laserbearbeitung wird ein Hilfsgas zum Entfernen des mittes des Laserstrahls 2 geschmolzenen Bearbeitungsobjekts in den Bearbeitungskopf geblasen. Um das Hilfsgas daran zu hindern, in andere Teile der Laser-Bearbeitungsvorrichtung zu strömen, ist folglich zwischen dem Bearbeitungskopf 1 und dem Hauptkörper der Laser-Bearbeitungsvorrichtung das Fenster 3A als ein transparentes Teil zum Durchlassen des Laserstrahls 2 vorgesehen, und zwar im Strahlengang des Laserstrahls 2.
Als Hilfsgas wird Argon verwendet. Ferner ist das Fenster 3A aus ZnSe, das das gleiche Material wie das der Bearbeitungslinse 3 ist. Es wird mittels des Fensterhalters 4A gehalten. Die Polyimidschicht 44, die mit dem Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ versehen ist, und die durchgehend über die gesamte Peripherie hinweg verbunden ist, ist mit einer Oberfläche des Fensters 3A auf Seiten des Klappspiegels 20 verbunden.
Im folgenden wird ein Verfahren zum Steuern der Fokuslage gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Der Laserstrahl 2 fällt durch das Fenster 3A auf den Toroidspiegel 18 ein und wird dann reflektiert und gebündelt, um auf das Bearbeitungsobjekt 9 abgestrahlt zu werden. Das Fenster 3A absorbiert den Laserstrahl 2 ein wenig, und die Temperatur des Fensters steigt. Die Fokuslage verändert sich durch den thermischen Linseneffekt. Im Ergebnis verändert sich der Strahldurchmesser auf dem Bearbeitungsobjekt 9.
Angesichts dieser Tatsache ist der Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ auf dem Fenster 3A ausgebildet, um die Temperaturdifferenz zwischen festgelegten Positionen auf dem Fenster 3A zu detektieren. Die Steuereinrichtung weist folgendes auf: den Spiegel 16 mit variabler Krümmung, der derart ausgebildet ist, dass er die Spiegeloberfläche zwischen der durchgehenden Linie und der unterbrochenen Linie verändert, wie es in 9 durch Pfeile angedeutet ist; den Berechnungscomputer 7; und den Steuercomputer 8. Auf der Basis von den Detektionsergebnissen der Temperaturdifferenz berechnet der Berechnungscomputer 7 den Betrag der Krümmungsvariation des Spiegels 16 mit variabler Krümmung, welcher benötigt wird, um die Veränderung der Brennweite des Laserstrahls 2 auszugleichen. Der Steuercomputer 8 stellt den Spiegel 16 mit variabler Krümmung ein.
Auf diese Weise wird die Fokuslage des Laserstrahls 2 verändert, um den Strahldurchmesser des Laserstrahls 9 auf dem Bearbeitungsobjekt 9 zu stabilisieren. Im Ergebnis kann eine stabile Bearbeitung durchgeführt werden.
Gemäß der siebten Ausführungsform wird – im Gegensatz zur Patentliteratur 1 – kein Ferninfrarot-Strahlungsthermometer verwendet. Somit können Kosten eingespart werden. Ferner kann eine stabile Bearbeitung ohne Ausfälle durchgeführt werden, die sich beispielsweise durch folgende Einflüsse ergeben: Das Streulicht des Laserstrahls 2, das von dem Bearbeitungsobjekt 9 reflektierte Licht und die Beeinflussung des Strahls durch die Temperatur des Bearbeitungsobjekts 9.
Es ist zu beachten, dass das Fenster 3A zwischen dem Toroidspiegel 18 und dem Klappspiegel 20 verwendet wird. Es kann jedoch auch zwischen dem Toroidspiegel 18 und dem Bearbeitungsobjekt 9 angeordnet sein, oder es kann zwischen dem Klappspiegel 20 und dem Spiegel 16 mit variabler Krümmung angeordnet sein.
Ferner wird die Polyimidschicht 44, die mit dem Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ versehen ist, verwendet, indem sie mit der Oberfläche des Fensters 3A auf Seiten des Klappspiegels 20 verbunden ist. Sie kann jedoch auch verwendet werden, indem sie mit der gegenüberliegenden Seite des Klappspiegels 20 verbunden ist, solange die Temperaturdifferenz in der Ebene des Fensters 3A genau detektiert werden kann.
Ferner ist der Toroidspiegel 18 nicht speziell beschränkt, solange der Laserstrahl 2 auf das Bearbeitungsobjekt 9 gebündelt werden kann, und er kann einen Toroidspiegel und einen Parabolspiegel umfassen. Ferner ist das Hilfsgas nicht speziell beschränkt, und es werden in der siebten Ausführungsform bevorzugt übliche Inertgase verwendet, die von Argon verschieden sind.
Der Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ, der in der siebten Ausführungsform verwendet wird, ist der gleiche wie derjenige gemäß der vierten Ausführungsform, welcher Thermoelemente besitzt, die durchgehend über die gesamte Peripherie ausgebildet sind. Es kann jedoch auch der Temperaturdifferenzsensor 5A vom Thermosäulen-Typ gemäß der fünften Ausführungsform verwendet werden, der in eine Vielzahl von Bereichen unterteilt ist.
Achte Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf 15 wird eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
15 ist eine Draufsicht eines Fensters 3A der Laser-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der Aufbau der Laser-Bearbeitungsvorrichtung und das Verfahren zum Steuern der Fokuslage sind im Wesentlichen die gleichen wie die in der oben beschriebenen, in 9 dargestellten, siebten Ausführungsform, und zwar mit der Ausnahme, dass – wie in 15 gezeigt – der Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ direkt auf der Oberfläche des Fensters 3A ausgebildet ist, das das transparente Teil darstellt, welches im Strahlengang des Laserstrahls 2 angeordnet ist und den Laserstrahl 2 durchlässt. Der Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ ist direkt auf dem Fenster 3A ausgebildet, beispielsweise durch ein Abscheidungsverfahren aus der Gasphase. Er hat einen Aufbau, welcher Thermoelemente besitzt, die durchgehend über die gesamte Peripherie verbunden sind.
Das Fenster 3A ist mit einem Ausschnitt 58 versehen, um die Positionen der Anschlüsse zum Detektieren der Potentialdifferenz klarzustellen. Es hat keine kreisförmige äußere Form, sondern eine asymmetrische äußere Form. Dadurch kann eine Einbaurichtung des Fensters 3A definiert werden, und somit wird der Zusammenbau, die Reparatur und dergleichen der Laser-Bearbeitungsvorrichtung erleichtert.
Wenn die Thermoelemente direkt auf dem Fenster 3A ausgebildet werden, kann – wie oben beschrieben – die Temperaturdetektion mit größerer Genauigkeit durchgeführt werden, da das Fenster 3A und der Temperaturdifferenz-Sensor 5 in gegenseitigem stabilem Kontakt gehalten werden.
Gemäß der achten Ausführungsform wird zudem – im Gegensatz zur Patentliteratur 1 – kein Ferninfrarot-Strahlungsthermometer verwendet. Somit können Kosten eingespart werden. Ferner kann eine stabile Bearbeitung ohne Ausfälle durchgeführt werden, die sich beispielsweise durch folgende Einflüsse ergeben: Das Streulicht des Laserstrahls 2, das von dem Bearbeitungsobjekt 9 reflektierte Licht und die Beeinflussung des Strahls durch die Temperatur des Bearbeitungsobjekts 9.
Es ist zu beachten, dass in der achten Ausführungsform der Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ direkt auf dem in der siebten Ausführungsform beschriebenen Fenster 3A ausgebildet ist. Die gleichen Vorteile können aber auch erzielt werden, wenn der Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ direkt auf der Bearbeitungslinse 3 in der vierten, fünften und sechsten Ausführungsform ausgebildet ist.
Ferner ist der Temperaturdifferenzsensor 5 vom Thermosäulen-Typ der gleiche wie derjenige gemäß der vierten Ausführungsform, welcher Thermoelemente besitzt, die durchgehend oder kontinuierlich über der gesamten Peripherie ausgebildet sind. Es kann jedoch auch der Temperaturdifferenzsensor 5A vom Thermosäulen-Typ gemäß der fünften Ausführungsform verwendet werden, der in eine Vielzahl von Bereichen unterteilt ist.
Ferner beinhalten Beispiele des Bearbeitungsobjekts in jeder der oben beschriebenen ersten bis achten Ausführungsform Metalle, wie Flussstahl und rostfreien Stahl, Carbonfaser und Harzmaterialien.
Ferner werden in jeder der oben beschriebenen ersten bis achten Ausführungsform einzelne Computer als Berechnungscomputer 7 und Steuercomputer 8 verwendet. Es kann jedoch ein einziger Computer als ein Berechnungs-Steuercomputer verwendet werden, der die Funktionen all dieser Computer ausübt.
Außerdem wird ein CO₂-Laser als die Laserlichtquelle verwendet. Die Art des Lasers ist jedoch nicht speziell beschränkt. Ein YAG-Laser, ein Faserlaser und ein Halbleiterlaser können verwendet werden.
In der vorliegenden Erfindung können die Ausführungsformen frei miteinander kombiniert werden, oder sie können passend verändert oder ausgelassen werden, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Bearbeitungskopf
2: Laserstrahl
3: Bearbeitungslinse
3A: Fenster
4: Linsenhalter
4A: Fensterhalter
5: Temperatursensor (Temperaturdifferenzsensor vom Thermosäulen-Typ)
5A: Temperatursensor (Temperaturdifferenzsensor vom Thermosäulen-Typ)
6: Linsen-Antriebseinrichtung
7: Berechnungscomputer
8: Steuercomputer
9: Bearbeitungsobjekt
10: Kühlmittelkanal
11: Messstelle
12: Vergleichsstelle
13: Abschirmung
16: Spiegel-Antriebseinrichtung
16: Spiegel mit variabler Krümmung
18: Parabolspiegel
18: Toroidspiegel
20: Klappspiegel
44: Polyimidschicht
45: Detektionsanschluss
46: Detektionsanschluss
47: Metalldraht
48: Metalldraht
58: Ausschnitt.

Claims

Laser-Bearbeitungsvorrichtung, die folgendes aufweist: – eine Laserlichtquelle; – ein transparentes Teil (3, 3A), das im Strahlengang eines von der Laserlichtquelle emittierten Laserstrahls (2) angeordnet ist, und das den Laserstrahl (2) hindurchlässt; – einen Temperaturdifferenzsensor (5) vom Kontakttyp, der auf einer Fläche des transparenten Teils (3, 3A) außerhalb des Bestrahlungsbereichs des Laserstrahls (2) angeordnet ist, um die Temperaturdifferenz zwischen einer Fläche des transparenten Teils (3, 3A) zu detektieren, die von der Mitte des transparenten Teils (3, 3A) mit einem ersten Abstand beabstandet ist, und einer weiteren Fläche des transparenten Teils (3, 3A), die von der Mitte des transparenten Teils (3, 3A) mit einem zweiten Abstand beabstandet ist, der größer ist als der erste Abstand; und – eine Steuereinrichtung (7, 8) zum Korrigieren einer Fokuslage auf der Basis von der mittels des Temperaturdifferenzsensors (5) vom Kontakttyp detektierten Temperaturdifferenz, um den Strahldurchmesser des auf ein Bearbeitungsobjekt gebündelten Laserstrahls (2) zu stabilisieren.
Laser-Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Temperaturdifferenzsensor (5) vom Kontakttyp folgendes aufweist: – ein Thermoelement, das in dem ersten Abstand ausgebildet ist; und – ein Thermoelement, das in dem zweiten Abstand ausgebildet ist.
Laser-Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das im ersten Abstand ausgebildete Thermoelement ein oder mehrere Thermoelemente aufweist, die Messstellen (11) aufweisen, wobei das im zweiten Abstand ausgebildete Thermoelement ein oder mehrere Thermoelemente aufweist, die Vergleichsstellen (12) aufweisen, und wobei der Temperaturdifferenzsensor (5) vom Kontakttyp einen Temperaturdifferenzsensor (5) vom Thermosäulen-Typ aufweist, der folgendes aufweist: – das eine oder die mehreren Thermoelemente, die die Messstellen (11) aufweisen; und – das eine oder die mehreren Thermoelemente, die die Vergleichsstellen (12) aufweisen, – wobei die Messstellen (11) und die Vergleichsstellen (12) in abwechselnder Reihenschaltung angeordnet sind, wobei der Temperaturdifferenzsensor (5) vom Thermosäulen-Typ dazu ausgebildet ist, Temperaturdifferenzen zwischen den Messstellen (11) und den Vergleichsstellen (12) zu detektieren.
Laser-Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das transparente Teil (3, 3A) eine Bearbeitungslinse (3) zum Bündeln des Laserstrahls (2) aufweist, und wobei die Steuereinrichtung (7, 8) einen Zwischenraum zwischen der Bearbeitungslinse (3) und dem Bearbeitungsobjekt auf der Basis von der Temperaturdifferenz einstellt, die von dem Temperaturdifferenzsensor (5) detektiert wird, um die Fokuslage des Laserstrahls (2) zu korrigieren, der aus der Bearbeitungslinse (3) austritt.
Laser-Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung (7, 8) den Zwischenraum zwischen der Bearbeitungslinse (3) und dem Bearbeitungsobjekt entsprechend der Temperaturdifferenz einstellt, um eine Veränderung der Brennweite des Laserstrahls (2) auszugleichen, die durch einen thermischen Linseneffekt der Bearbeitungslinse (3) verursacht wird, um so die Fokuslage des Laserstrahls (2) zu korrigieren.
Laser-Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das transparente Teil (3, 3A) eine Bearbeitungslinse (3) aufweist, wobei die Laser-Bearbeitungsvorrichtung ferner einen Spiegel mit variabler Krümmung zum Leiten des Laserstrahls (2) zu der Bearbeitungslinse (3) aufweist, und wobei die Steuereinrichtung (7, 8) eine Krümmung des Spiegels mit variabler Krümmung auf der Basis von der Temperaturdifferenz einstellt, die von dem Temperaturdifferenzsensor (5) detektiert wird, um die Fokuslage des Laserstrahls (2) zu korrigieren, der aus der Bearbeitungslinse (3) austritt.
Laser-Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Steuereinrichtung (7, 8) die Krümmung des Spiegels mit variabler Krümmung auf der Basis von der Temperaturdifferenz einstellt, um eine Veränderung der Brennweite des Laserstrahls (2) auszugleichen, die durch einen thermischen Linseneffekt der Bearbeitungslinse (3) verursacht wird, um so die Fokuslage des Laserstrahls (2) zu korrigieren.
Laser-Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das transparente Teil (3, 3A) ein Fenster (3A) aufweist, wobei die Laser-Bearbeitungsvorrichtung ferner folgendes aufweist: – einen Bündelspiegel zum Bündeln des Laserstrahls (2), und – einen Spiegel mit variabler Krümmung zum Leiten des Laserstrahls (2) zu dem Bündelspiegel, und – wobei die Steuereinrichtung (7, 8) eine Krümmung des Spiegels mit variabler Krümmung auf der Basis von der Temperaturdifferenz einstellt, die von dem Temperaturdifferenzsensor (5) detektiert wird, um die Fokuslage des Laserstrahls (2) zu korrigieren, der von dem Bündelspiegel reflektiert wird.
Laser-Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Steuereinrichtung (7, 8) die Krümmung des Spiegels mit variabler Krümmung auf der Basis von der Temperaturdifferenz einstellt, um eine Veränderung der Brennweite des Laserstrahls (2) auszugleichen, die durch einen thermischen Linseneffekt des Fensters (3A) verursacht wird, um so die Fokuslage des Laserstrahls (2) zu korrigieren.
Laser-Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei der Temperaturdifferenzsensor (5) vom Thermosäulen-Typ direkt auf einer Oberfläche des transparenten Teils (3, 3A) ausgebildet ist.
Laser-Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei der Temperaturdifferenzsensor (5) vom Thermosäulen-Typ auf einer Isolierschicht ausgebildet ist und auf einer Fläche des transparenten Teils (3, 3A) unter Zwischenschaltung der Isolierschicht angebracht ist.
Laser-Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, wobei ein Paar von aneinander angrenzenden Messstellen (11) und Vergleichsstellen (12) des Temperaturdifferenzsensors (5) vom Thermosäulen-Typ in im wesentlichen gleicher Richtung von der Mitte des transparenten Teils (3, 3A) ausgebildet ist.
Laser-Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, wobei der Temperaturdifferenzsensor (5) vom Thermosäulen-Typ in eine Vielzahl von Bereichen unterteilt ist.
Laser-Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, wobei eine Position der Messstelle des Temperaturdifferenzsensors (5) vom Thermosäulen-Typ derart ausgebildet ist, dass sie 10 mm oder mehr von der Mitte des transparenten Teils (3, 3A) beabstandet ist.
Laser-Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 14, wobei nur auf einer äußeren peripheren Seite in Bezug auf die Vergleichsstellen (12) des Temperaturdifferenzsensors (5) vom Thermosäulen-Typ das transparente Teil (3, 3A) mittels eines Halters im Strahlengang des Laserstrahls (2) gehalten wird.
Laser-Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 15, der ferner ein wärmeisolierendes Teil aufweist, das eine Wärmeleitfähigkeit von 0,9 W/(m·K) oder weniger hat und in Kontakt mit dem transparenten Teil zwischen der Mitte des transparenten Teils (3, 3A) und den Vergleichsstellen (12) gehalten wird.