DE112017004557T5

DE112017004557T5 - Laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112017004557T5
Application number: DE112017004557.6T
Authority: DE
Inventors: Kyohei ISHIKAWA; Naoyuki Nakamura; Tatsuya Yamamoto; Masaki Seguchi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2019-05-23
Also published as: US20190193197A1; JPWO2018047823A1; CN109689278A; WO2018047823A1; CN109689278B; US11446760B2; JP6395970B2

Abstract

Eine Laserbearbeitungsvorrichtung (100) beinhaltet einen Laseroszillator (1) zum Emittieren eines Laserstrahls (L); eine Fokussierlinse (4) zum Bestrahlen eines Werkstücks (W) mit dem Laserstrahl (L); einen Fokuspositionssteuermechanismus (2), der zwischen dem Laseroszillator (1) und der Fokussierlinse (4) angeordnet ist und in dem Strahlengang des Laserstrahls (L) angeordnet ist und der den Divergenzwinkel des Laserstrahls (L) und den Einfallsdurchmesser des Laserstrahls (L), der auf die Fokussierlinse (4) trifft, steuert; einen Laserstrahldeflektor (3) zum Ablenken des Laserstrahls (L), bevor der Laserstrahl (L) auf die Fokussierlinse (4) trifft; und einen Abstrahlwinkelsteuermechanismus (5) zum Steuern des Abstrahlwinkels des Laserstrahls (L), der aus der Fokussierlinse (4) austritt, nachdem er durch den Laserstrahldeflektor (3) abgelenkt wurde.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Durchführen einer Bearbeitung durch Bestrahlung mit einem Laserstrahl.
Hintergrund
Zur Bearbeitung von schwer zu bearbeitendem Material wie Halbleiterdünnschicht- oder Verbundmaterial, wie z. B. carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK), mit einem Laser und unter Berücksichtigung der thermischen Effekte auf das bearbeitete Material ist es erforderlich, den Laser mehrfach über das Material zu führen, d. h. es abzutasten, um das Material zu bearbeiten.
Entgegenhaltungsliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: japanische Offenlegungsschrift Nr. 2015-214771
Kurzdarstellung
Technisches Problem
Die in Patentliteratur 1 offenbarte Technik ist ein Verfahren zum Schneiden von faserverstärktem Grundmaterial durch mehrfaches Bestrahlen einer Schneidlinie auf dem Werkstück mit einem Laserstrahl. In Patentliteratur 1 werden durch mehrfaches Bestrahlen der Schneidlinie mit dem Laserstrahl die thermischen Effekte auf das faserverstärkte Grundmaterial, bei dem es sich um das Werkstück handelt, verringert.
In Fällen, in denen ein Werkstück eine gekrümmte Oberfläche aufweist, ist jedoch eine Drehung des Werkstücks oder eine Drehung des gesamten optischen Bearbeitungssystems, das dem Laseroszillator nachgelagert ist, erforderlich, um sowohl den Bestrahlungsdurchmesser, bei dem es sich um den Durchmesser eines fokussierten Laserstrahls handelt, als auch den Einfallswinkel des Laserstrahls in Bezug auf das Werkstück zu vereinheitlichen. In Fällen, in denen das Werkstück aus einem schwer zu bearbeitenden Material besteht, das durch mehrfaches Bestrahlen mit einem Laserstrahl bearbeitet werden muss, sind die obengenannten Bewegungen schwer zu erreichen, während der Laserstrahl mehrfach über das Material geführt wird. Somit verändern sich bei einem schwer zu bearbeitenden Werkstück, das eine Krümmung aufweist, der Bestrahlungsdurchmesser des Laserstrahls und der Einfallswinkel des Laserstrahls in Bezug auf das Werkstück, während der Laserstrahl über das Werkstück geführt wird, und somit ändern sich auch die Bearbeitungsbedingungen. Folglich beinhaltet das Bearbeiten eines schwer zu bearbeitenden Werkstücks mit Krümmung eine verringerte Produktivität im Vergleich zur Bearbeitung einer flachen Oberfläche, bei welcher der Bestrahlungsdurchmesser des Laserstrahls und der Einfallswinkel des Laserstrahls in Bezug auf ein Werkstück einheitlich sind.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des Vorstehenden entwickelt und der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitungsvorrichtung zu erhalten, mit der Bearbeitungsbedingungen beim Führen des Laserstrahls über ein Werkstück mit Krümmung einheitlich gemacht werden können.
Lösung des Problems
Um das obengenannte Problem zu lösen und die Aufgabe zu erfüllen, beinhaltet die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung: einen Laseroszillator zum Emittieren eines Laserstrahls; eine Fokussierlinse zum Bestrahlen eines Werkstücks mit dem Laserstrahl; und einen Fokuspositionssteuermechanismus zum Steuern eines Divergenzwinkels des Laserstrahls und eines Einfallsdurchmessers des Laserstrahls, der auf die Fokussierlinse trifft, wobei der Fokuspositionssteuermechanismus zwischen dem Laseroszillator und der Fokussierlinse angeordnet ist und in einem Strahlengang des Laserstrahls angeordnet ist. Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ferner einen Laserstrahldeflektor zum Ablenken des Laserstrahls, bevor der Laserstrahl auf die Fokussierlinse trifft; und einen Abstrahlwinkelsteuermechanismus zum Steuern eines Abstrahlwinkels des Laserstrahls, der aus der Fokussierlinse austritt, nachdem er durch den Laserstrahldeflektor abgelenkt wurde.
Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung kann eine Wirkung erzeugen, bei der es möglich ist, eine Laserbearbeitungsvorrichtung zu erhalten, die Bearbeitungsbedingungen beim Führen des Laserstrahls über ein Werkstück mit Krümmung vereinheitlichen kann.
Figurenliste

1 ist eine Schnittansicht, die eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel für die optische Anordnung von Linsen in einem Fokuspositionssteuermechanismus gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
3 ist eine Schnittansicht, die ein anderes Beispiel für die optische Anordnung von Linsen in dem Fokuspositionssteuermechanismus gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
4 ist eine Darstellung, welche die Beziehung zwischen einer Eintrittsöffnungsposition, einer Fokussierlinse und einem Werkstück gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
5 ist eine Darstellung, die ein Beispiel für die Beziehung zwischen der Dicke des Werkstücks und dem Einfallswinkel eines Laserstrahls gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
6 ist eine Darstellung, die ein anderes Beispiel für die Beziehung zwischen der Dicke des Werkstücks und dem Einfallswinkel des Laserstrahls gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
7 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel für die durch einen Einfallspositionssteuermechanismus durchgeführte Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
8 ist eine Schnittansicht, die ein anderes Beispiel für die durch den Einfallspositionssteuermechanismus durchgeführte Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
9 ist eine Schnittansicht, die eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
10 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel für die durch einen Einfallspositionssteuermechanismus durchgeführte Steuerung gemäß der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
11 ist eine Schnittansicht, die ein anderes Beispiel für die durch den Einfallspositionssteuermechanismus durchgeführte Steuerung gemäß der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
12 ist eine Schnittansicht, die eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
13 ist eine Schnittansicht, die eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
14 ist eine Schnittansicht, die eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
15 ist eine Darstellung, die eine Hardwarekonfiguration veranschaulicht, wenn Funktionen der Steuerung gemäß jeder der ersten bis fünften Ausführungsform durch ein Computersystem umgesetzt sind.
16 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration veranschaulicht, wenn die Funktionen der Steuerung gemäß jeder der ersten bis fünften Ausführungsform durch dedizierte Hardware umgesetzt sind.

Beschreibung von Ausführungsformen
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird nachfolgend eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt ist.
Erste Ausführungsform.
1 ist eine Schnittansicht, die eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 1 veranschaulicht eine X-Richtung und eine Z-Richtung, wobei eine Richtung senkrecht zur Papierfläche eine Y-Richtung ist. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 beinhaltet einen Laseroszillator 1, der einen Laserstrahl L emittiert; einen Fokuspositionssteuermechanismus 2, der die Fokusposition des Laserstrahls L steuert; einen Galvanometerscanner 3, der den Laserstrahl L ablenkt; eine Fokussierlinse 4, die ein Werkstück W mit dem Laserstrahl L bestrahlt; einen Einfallspositionssteuermechanismus 5, der die Einfallsposition des Laserstrahls L auf der Fokussierlinse 4 steuert; und eine Steuerung 50. Der Fokuspositionssteuermechanismus 2 ist zwischen dem Laseroszillator 1 und der Fokussierlinse 4 im Strahlengang des Laserstrahls L angeordnet. Der Galvanometerscanner 3, bei dem es sich um einen Laserstrahldeflektor handelt, ist an einer Position angeordnet, an welcher der Galvanometerscanner 3 den Laserstrahl L ablenken kann, bevor der Laserstrahl L in die Fokussierlinse 4 eintritt. Die Steuerung 50 steuert den Laseroszillator 1, den Fokuspositionssteuermechanismus 2, den Galvanometerscanner 3 und den Einfallspositionssteuermechanismus 5 .
2 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel für die optische Anordnung von Linsen 20, 21 und 22 in dem Fokuspositionssteuermechanismus 2 gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht. 3 ist eine Schnittansicht, die ein anderes Beispiel für die optische Anordnung der Linsen 20, 21 und 22 in dem Fokuspositionssteuermechanismus 2 gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht. In den 2 und 3 sind die Fokussierlinse 4 und der Laserstrahl L, der in die Fokussierlinse 4 eintritt, veranschaulicht der Galvanometerscanner 3 und andere Elemente sind hier weggelassen. 4 ist eine Darstellung, welche die Beziehung zwischen einer Eintrittsöffnungsposition 6, der Fokussierlinse 4 und dem Werkstück W gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
Der Laserstrahl L, der von dem schwingenden Laseroszillator 1 emittiert wird, tritt durch den Fokuspositionssteuermechanismus 2 hindurch, der aus einer Gruppe von mehreren Linsen besteht, und seine Position und sein Einfallswinkel auf die Fokussierlinse 4 werden durch den Galvanometerscanner 3 gesteuert. Der Laserstrahl L tritt dann durch die Fokussierlinse 4 hindurch, wodurch das Werkstück W mit dem fokussierten Laserstrahl L bestrahlt wird.
Eine Vielzahl von Linsen, die in dem Fokuspositionssteuermechanismus 2 enthalten sind, sind die Linsen 20, 21 und 22. Jede der Linsen 20, 21 und 22, die eine Gruppe von optischen Elementen bilden, ist mit einem Antriebsmechanismus versehen, um eine unabhängige Bewegung entlang der optischen Achse zu ermöglichen, und so wird die optische Anordnung der Linsen 20, 21 und 22 gesteuert.
Die optische Anordnung in 3, die durch eine unabhängige Steuerung der Linsen 21 und 22 in dem Fokuspositionssteuermechanismus 2 erhalten wird, ermöglicht es, dass der Laserstrahl L im Vergleich zu der optischen Anordnung in 2 einen kleineren Divergenzwinkel aufweist, wenn er aus der Linse 22 austritt, jedoch den gleichen Einfallsdurchmesser aufweist, wenn er in die Fokussierlinse 4 eintritt.
Wie oben beschrieben, können der Einfallsdurchmesser des Laserstrahls L, der auf die Fokussierlinse 4 trifft, und der Divergenzwinkel des Laserstrahls L, der aus dem Fokuspositionssteuermechanismus 2 austritt, durch die optische Anordnung der Linsen 20, 21 und 22 in dem Fokuspositionssteuermechanismus 2 gesteuert werden.
In 1 entspricht die optische Achse der Fokussierlinse 4 der Z-Richtung, die durch die gestrichelte Linie angegeben ist, während die Abtastrichtung des Galvanometerscanners 3 der X-Richtung entspricht. Da der Fokuspositionssteuermechanismus 2 den Einfallsdurchmesser des Laserstrahls L, der auf die Fokussierlinse 4 trifft, und den Divergenzwinkel des Laserstrahls L, der aus dem Fokuspositionssteuermechanismus 2 austritt, steuern kann, können der Bestrahlungsdurchmesser des Laserstrahls L, mit dem die Oberfläche des Werkstücks W bestrahlt wird, und die Fokusposition des Laserstrahls L in der Z-Richtung gesteuert werden. Während der Fokuspositionssteuermechanismus 2 an einer beliebigen Stelle zwischen der Fokussierlinse 4 und dem Laseroszillator 1 angeordnet sein kann, ist der Fokuspositionssteuermechanismus 2 bevorzugt zwischen dem Laseroszillator 1 und dem Galvanometerscanner 3 angeordnet. Der Fokuspositionssteuermechanismus 2 muss lediglich dazu imstande sein, den Einfallsdurchmesser des Laserstrahls L, der auf die Fokussierlinse 4 trifft, und den Divergenzwinkel des Laserstrahls L, der aus dem Fokuspositionssteuermechanismus 2 austritt, zu steuern. Somit müssen die Linsen nicht zwingend so angeordnet sein, wie in 1 veranschaulicht, und die Anzahl der beweglichen Linsen kann mehr als zwei betragen.
Der Einfallspositionssteuermechanismus 5 ist an der Fokussierlinse 4 bereitgestellt. In der ersten Ausführungsform handelt es sich bei dem Einfallspositionssteuermechanismus 5 um einen Mechanismus, der die Fokussierlinse 4 in der Z-Richtung bewegt, die der optischen Achse entspricht, um den Abstand in Z-Richtung zwischen dem Galvanometerscanner 3 und der Fokussierlinse 4 zu verändern.
Der Einfallspositionssteuermechanismus 5 positioniert die Eintrittsöffnungsposition 6 auf der optischen Achse der Fokussierlinse 4, sodass sie auf dem Galvanometerscanner 3 liegt. Dadurch ist es dem Galvanometerscanner 3 möglich, den Einfallswinkel des Laserstrahls L in Bezug auf die Fokussierlinse 4 an der Eintrittsöffnungsposition 6 zu verändern. Durch Verändern des Abstands in Z-Richtung zwischen dem Galvanometerscanner 3 und der Fokussierlinse 4 kann der Einfallspositionssteuermechanismus 5 die Einfallsposition des Laserstrahls L auf die Fokussierlinse 4 einstellen. Durch eine solche Einstellung des Einfallswinkels und der Einfallsposition des Laserstrahls L in Bezug auf die Fokussierlinse 4 kann der Abstrahlwinkel des Laserstrahls L, der aus der Fokussierlinse 4 austritt, verändert werden. Mit anderen Worten ist der Einfallspositionssteuermechanismus 5 zudem ein Abstrahlwinkelsteuermechanismus, der den Abstrahlwinkel des Laserstrahls L, der aus der Fokussierlinse 4 austritt, verändert. Folglich kann mit dem bereitgestellten Einfallspositionssteuermechanismus 5 der Einfallswinkel des Laserstrahls L in Bezug auf das Werkstück W verändert werden.
In 4 ist θ der Einfallswinkel des Laserstrahls L, der durch den Galvanometerscanner 3 in Bezug auf die Fokussierlinse 4 abgelenkt wird, ist β der Abstrahlwinkel des Laserstrahls L in Bezug auf die Fokussierlinse 4, ist D der Abstand in Z-Richtung zwischen dem Galvanometerscanner 3 und der Fokussierlinse 4, ist f die Brennweite der Fokussierlinse 4 und ist R der Krümmungsradius des Werkstücks W. Wenn die Eintrittsöffnungsposition 6 auf den Galvanometerscanner 3 durch den Einfallspositionssteuermechanismus 5 eingestellt ist, ist der Abstand D der Abstand in Z-Richtung zwischen der Eintrittsöffnungsposition 6 und der Fokussierlinse 4.
Hierbei ist zu beachten, dass, wenn die Eintrittsöffnungsposition 6 und der Krümmungsmittelpunkt des Werkstücks W auf der optischen Achse der Fokussierlinse 4 liegen, die folgenden Formeln (1) und (2) als Verhältnisausdrücke zutreffen, wenn das Werkstück W keine Krümmungsveränderung im Strahlungsbereich des Laserstrahls L aufweist.
[Formel 1] $tan β= \frac{D tan θ}{f + R}$
[Formel 2] $tan β= \frac{f tan θ}{R}$
Aus den obenstehenden Formeln (1) und (2) lässt sich die folgende Formel (3) für den Abstand D ableiten.
[Formel 3] $D = \frac{f}{R} (f + R)$
In einem Fall, in dem das Werkstück W eine ebene Form aufweist, wird der Krümmungsradius R des Werkstücks W hierbei als unendlich angesehen.
Gemäß der obenstehenden Formel (3) kann, wenn die Brennweite f der Fokussierlinse 4 konstant ist, der Abstand D in Z-Richtung zwischen dem Galvanometerscanner 3 und der Fokussierlinse 4 anhand des Krümmungsradius R bestimmt werden. Hierbei ist zu beachten, dass das Werkstück W eine konvexe Form aufweist, wenn sein Krümmungsradius R positiv ist, und das Werkstück W eine konkave Form aufweist, wenn sein Krümmungsradius R negativ ist.
Wenn das konvexe Werkstück W bearbeitet wird, wird der Abstand D in Z-Richtung zwischen dem Galvanometerscanner 3 und der Fokussierlinse 4 größer als die Brennweite f der Fokussierlinse 4 eingestellt, wodurch der Laserstrahl L auf den Krümmungsmittelpunkt des Werkstücks W gerichtet wird, nachdem er durch die Fokussierlinse 4 hindurchgetreten ist. Da eine Tangente zu einem Kreis ein Liniensegment senkrecht schneidet, das eine Länge eines Radius aufweist, der den Mittelpunkt des Kreises und einen Tangentialpunkt verbindet, kann der Laserstrahl L so eingestellt werden, dass er senkrecht auf das Werkstück W trifft.
5 ist eine Darstellung, die ein Beispiel für die Beziehung zwischen der Dicke des Werkstücks W und dem Einfallswinkel eines Laserstrahls L gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht. 6 ist eine Darstellung, die ein anderes Beispiel für die Beziehung zwischen der Dicke des Werkstücks W und dem Einfallswinkel des Laserstrahls L gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
In den 5 und 6 ist t die Dicke des Werkstücks W. Wenn der Laserstrahl L auf das Werkstück W in einem Winkel θ trifft, wie in 6 veranschaulicht, legt der Laserstrahl L einen Weg von t/cosθ durch das Werkstück W zurück. Wenn der Laserstrahl L senkrecht auf das Werkstück W trifft, wie in 5 veranschaulicht, legt der Laserstrahl L einen minimalen Weg von t durch das Werkstück W zurück. Das bedeutet, dass durch Einstellen des Laserstrahls L derart, dass er senkrecht auf das Werkstück W trifft, und damit durch Veranlassen des Laserstrahls L, den minimalen Weg durch das Werkstück W zurückzulegen, eine effiziente Bearbeitung durchgeführt werden kann.
Konkave Werkstücke W weisen negative Krümmungsradien R auf; daher werden Verfahren zum Bearbeiten der konkaven Werkstück W je nachdem, ob der durch die Formel (3) erhaltene Abstand D positiv oder negativ ist, in zwei Typen eingeteilt.
7 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel für die durch den Einfallspositionssteuermechanismus 5 durchgeführte Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht. 8 ist eine Schnittansicht, die ein anderes Beispiel für die durch den Einfallspositionssteuermechanismus 5 durchgeführte Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht. Es ist zu beachten, dass der Einfallspositionssteuermechanismus 5 selbst in den 7 und 8 weggelassen ist. In den 7 und 8 befindet sich, obwohl er in diesen Zeichnungen weggelassen ist, der Galvanometerscanner 3 eigentlich an der Eintrittsöffnungsposition 6.
Wenn der durch die Formel (3) erhaltene Abstand D positiv ist, führt der Einfallspositionssteuermechanismus 5 eine solche Steuerung durch, dass die Fokussierlinse 4 unter dem Krümmungsmittelpunkt des Werkstücks W positioniert wird, wie in 7 veranschaulicht. Indem man, mit Hilfe des Einfallspositionssteuermechanismus 5, den Abstand in Z-Richtung zwischen dem Galvanometerscanner 3 und der Fokussierlinse 4 kleiner als die Brennweite f der Fokussierlinse 4 einstellt, erhält man eine Anordnung bei der eine verlängerte Linie, entgegen der Richtung in der sich der Laserstrahls L nach Hindurchtreten durch die Fokussierlinse 4 auf das Werkstück W zubewegt, den Krümmungsmittelpunkt des Werkstücks W kreuzt (durch die dicken gestrichelten Linien angedeutet). Da eine Tangente zu einem Kreis ein Liniensegment senkrecht schneidet, das eine Länge eines Radius aufweist, der den Mittelpunkt des Kreises und einen Tangentialpunkt verbindet, kann die Anordnung in 7 es dem Laserstrahl L ermöglichen, senkrecht auf das Werkstück W zu treffen.
Wenn der durch die Formel (3) erhaltene Abstand D negativ ist oder wenn der Galvanometerscanner 3 mit der Fokussierlinse 4 kollidiert, weil er eine größere Größe als den Absolutwert des durch die Formel (3) erhaltenen Abstands D aufweist, führt der Einfallspositionssteuermechanismus 5 eine solche Steuerung durch, dass die Fokussierlinse 4 über dem Krümmungsmittelpunkt des Werkstücks W positioniert wird, wie in 8 veranschaulicht. Wenn der Abstand D negativ ist oder wenn die Größe des Galvanometerscanners 3 größer als der Absolutwert des Abstandes D ist, kann eine verlängerte Linie, entgegen der Richtung in der sich der Laserstrahl L nach Hindurchtreten durch die Fokussierlinse 4 auf das Werkstück W zubewegt, den Krümmungsmittelpunkt des Werkstücks W nicht kreuzen, anders als in 7 durch die dick gestrichelten Linien dargestellt. Daher bewirkt der Einfallspositionssteuermechanismus 5, durch Einstellen des Abstandes in Z-Richtung zwischen dem Galvanometerscanner 3 und der Fokussierlinse 4 auf einen größeren Wert als die Brennweite f der Fokussierlinse 4, dass der Laserstrahl L durch den Krümmungsmittelpunkt des Werkstücks W hindurchgeht, wenn er nach dem Durchlaufen der Fokussierlinse 4 in Richtung des Werkstücks W zeigt; in 8 dargestellt. Da eine Tangente zu einem Kreis ein Liniensegment senkrecht schneidet, das eine Länge eines Radius aufweist, der den Mittelpunkt des Kreises und einen Tangentialpunkt verbindet, kann die Anordnung in 8 es dem Laserstrahl L ermöglichen, senkrecht auf das Werkstück W zu treffen.
Beim Bearbeiten von schwer zu bearbeitendem Material wird der Laserstrahl L über das Material nicht nur einmal geführt, d. h. tastet es ab oder bewegt sich in Bahnen darüber, sondern im Allgemeinen mehrfach, um das Werkstück W zu bearbeiten, weil die thermischen Effekte auf das Werkstück W zu berücksichtigen sind. Aus diesem Grund muss die senkrechte Beziehung zwischen dem Werkstück W mit einer gekrümmten Oberfläche und dem Laserstrahl L, mit dem das Werkstück W bestrahlt wird, aufrechterhalten werden, während der Laserstrahl L über das Werkstück W geführt wird. Dies kann mit der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform erreicht werden. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 kann zudem zum dreidimensionalen Schneiden von Metall verwendet werden.
Es ist zu beachten, dass in Fällen, in denen ein schiefer Einfallswinkel des Laserstrahls L auf das Werkstück W die Produktivität erhöht, es durch eine Einstellung des Werts des Abstands D in Bezug auf einen Krümmungsradius R des Werkstücks W möglich ist, dass der Laserstrahl L schief auf das Werkstück W trifft.
Indem die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 mit dem Fokuspositionssteuermechanismus 2 versehen ist, der den Divergenzwinkel und den Einfallsdurchmesser des Laserstrahls L, der auf die Fokussierlinse 4 trifft, steuern kann, kann die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 die Fokusposition entlang der optischen Achse der Fokussierlinse 4 für den von der Fokussierlinse 4 emittierten Laserstrahl L und den Bestrahlungsdurchmesser des Laserstrahls L einstellen. Somit kann in Bezug auf das Werkstück W mit einer gekrümmten Oberfläche oder das Werkstück W mit einer solchen Form, dass ein Abschnitt, der sich in einem Führungsbereich des Laserstrahls befindet, nicht in einer Ebene liegt, die zu der optischen Achse der Fokussierachse 4 senkrecht ist, während des Führens des Laserstrahls die Fokusposition des Laserstrahls L, der aus der Fokussierlinse 4 austritt, auf das Werkstück W eingestellt werden und kann der Bestrahlungsdurchmesser des Laserstrahls L eingestellt werden.
Indem die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 mit dem Einfallspositionssteuermechanismus 5 versehen ist, der die Einfallsposition des abgelenkten Laserstrahls L auf die Fokussierlinse 4 steuert, kann die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 den Abstrahlwinkel des Laserstrahls L, der aus der Fokussierlinse 4 austritt, d. h. den Einfallswinkel des Laserstrahls L in Bezug auf das Werkstück W, einstellen. Somit kann die Oberfläche des Werkstücks W mit der oben beschriebenen Form mit dem senkrechten Laserstrahl L bestrahlt werden, indem der Einfallswinkel des Laserstrahls L in Bezug auf das Werkstück W eingestellt wird. Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 verwendet die Steuerung 50 Daten einer rechnergestützten Konstruktion (CAD) zu dem Werkstück W, um die Form des Werkstücks W im Voraus festzustellen, und veranlasst dann den Fokuspositionssteuermechanismus 2, die optischen Elemente in Übereinstimmung mit der Form des Werkstücks W anzuordnen; daher kann der Laserstrahl L auf eine Z-Achsen-Fokusposition auf der Form, zu der das Werkstück W bearbeitet werden soll, eingestellt werden. Es ist zu beachten, dass die Feststellung der Form des Werkstücks W anhand der CAD-Daten außerhalb der Steuerung 50 durchgeführt werden kann und Formdaten zu dem Werkstück W an die Steuerung 50 bereitgestellt werden können. Der Laserstrahl L kann zudem so eingestellt werden, dass er in einem Einfallswinkel auftrifft, der von dem Einfallspositionssteuermechanismus 5 gemäß der Krümmung der Form, zu der das Werkstück W bearbeitet wird, eingestellt wird.
Indem die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 mit dem Fokuspositionssteuermechanismus 2 und dem Einfallspositionssteuermechanismus 5 versehen ist, kann die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 mit anderen Worten Bearbeitungsbedingungen beim Führen des Laserstrahls L über das Werkstück W mit einer Krümmung der Z-Richtung, die der optischen Achse der Fokussierlinse 4 entspricht, vereinheitlichen. Folglich kann eine Abnahme der Bearbeitungsgeschwindigkeit im Verhältnis zu der Bearbeitungsgeschwindigkeit beim Bearbeiten einer flachen Oberfläche, d. h., der Bestrahlungsdurchmesser des Laserstrahls L und der Einfallswinkel des Laserstrahls L sind in Bezug auf das Werkstück W einheitlich, verringert werden. Überdies kann verhindert werden, dass die Bearbeitungsqualität je nach der Form des Werkstücks W variiert. Weiterhin wird eine höhere Produktivität beim dreidimensionalen Bearbeiten erreicht, als wenn ein Bearbeitungskopf oder das Werkstück W geschwenkt wird.
Die Fokussierlinse 4 muss lediglich dazu imstande sein, den Laserstrahl L zu fokussieren, und kann daher eine Linse oder eine Kombination mehreren Linsen sein. Eine andere Alternative besteht darin, eine fθ-Linse zu verwenden, welche die Beziehung aufrechterhält, dass die Führungsposition der Fokussierlinse 4 fθ ist, wobei θ der Ablenkwinkel des Galvanometerscanners 3 in Bezug auf die Brennweite f der Fokussierlinse 4 ist.
In 1 ist die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 mit einem Galvanometerscanner 3 versehen, der dazu imstande ist, sich um eine Y-Achse zu drehen, die senkrecht zu der Papierfläche ist. Wenn jedoch das Werkstück W mit einer dreidimensionalen Form bearbeitet wird, ist es erforderlich, einen weiteren Galvanometerscanner 3 hinzuzufügen, der dazu imstande ist, sich um eine andere Achse zu drehen. Beispielsweise wird der Galvanometerscanner 3 hinzugefügt, der dazu imstande ist, sich um eine X-Achse zu drehen. In diesem Fall kann der Einfallspositionssteuermechanismus 5 die Eintrittsöffnungsposition 6 der Fokussierlinse 4 in einem Mittelpunkt zwischen diesen beiden Galvanometerscannern 3 zur Drehung um die X-Achse und zur Drehung um die Y-Achse positionieren.
Der Einfallspositionssteuermechanismus 5, der den Abstand D in Z-Richtung zwischen dem Galvanometerscanner 3 und der Fokussierlinse 4 verändert, kann nicht nur für die Fokussierlinse 4, sondern auch für den Galvanometerscanner 3 bereitgestellt werden. Alternativ dazu können sowohl der Galvanometerscanner 3 als auch die Fokussierlinse 4 jeweils mit dem Einfallspositionssteuermechanismus 5 versehen sein.
Der Galvanometerscanner 3 muss lediglich dazu imstande sein, den Laserstrahl L abzulenken; daher kann stattdessen ein akustooptischer Deflektor (AOD), der eine akustooptische Modulation von Lichtwellen nutzt, oder ein elektrischer Modulationsdeflektor, der einen elektrooptischen Effekt nutzt, verwendet werden.
Der Fokuspositionssteuermechanismus 2 muss lediglich dazu imstande sein, den Einfallsdurchmesser und den Divergenzwinkel des Laserstrahls L, der auf die Fokussierlinse 4 trifft, zu steuern, und kann somit eine Linse mehrere Linsen beinhalten. Alternativ dazu kann der Fokuspositionssteuermechanismus 2 keine Linsen, sondern einen Spiegel beinhalten. Der Fokuspositionssteuermechanismus 2 kann nicht nur die Beziehung zwischen den Linsen in ihrer optischen Anordnung verändern, sondern auch z. B. die Anordnung und Ausrichtung des Spiegels oder den Krümmungsradius der Linse, um den Einfallsdurchmesser und den Divergenzwinkel des auf die Fokussierlinse 4 treffenden Laserstrahls L zu steuern.
Der Einfallsdurchmesser und der Divergenzwinkel des Laserstrahls L, der auf die Fokussierlinse 4 trifft, können zudem durch Einstellen der Krümmung oder Ersetzen der Außenfläche eines teilreflektierenden Spiegels des Laseroszillators 1 eingestellt werden; daher kann der teilreflektierende Spiegel des Laseroszillators 1 in dem Fokuspositionssteuermechanismus 2 enthalten sein.
In der vorangehenden Beschreibung weist die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform eine solche Konfiguration auf, dass der Laseroszillator 1, der Fokuspositionssteuermechanismus 2, der Galvanometerscanner 3 und der Einfallspositionssteuermechanismus 5, bei denen es sich um Bestandteile handelt, die jeweils einen Betriebssteuermechanismus aufweisen, mit der Fokussierlinse 4 kombiniert sind, bei der es sich um einen Bestandteil handelt, der keinen Betriebssteuermechanismus aufweist. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform ist jedoch nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 kann als eine Kombination aus einem Bestandteil mit einem Betriebssteuermechanismus und einem Bestandteil, der lediglich einen Antriebsmechanismus aufweist und dessen Betrieb durch die Steuerung 50 gesteuert wird, ausgebildet sein.
Das bedeutet, dass der Einfallspositionssteuermechanismus 5 z. B. nur einen Mechanismus aufweisen kann, der die Einfallsposition des Laserstrahls L auf die Fokussierlinse 4 verschiebt, und so die Einfallsposition in Reaktion auf ein Signal von der Steuerung 50 verschieben kann.
Der Fokuspositionssteuermechanismus 2 kann z. B. nur einen Mechanismus aufweisen, der die Fokusposition des Laserstrahls L verschiebt, und kann so die Fokusposition in Reaktion auf ein Signal von der Steuerung 50 verschieben.
Der Galvanometerscanner 3, bei dem es sich um den Laserstrahldeflektor handelt, kann z. B. nur einen Mechanismus aufweisen, der den Laserstrahl L ablenkt, und kann so den Laserstrahl L in Reaktion auf ein Signal von der Steuerung 50 ablenken.
Es versteht sich von selbst, dass einige der Bestandteile der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 jeweils einen Mechanismus aufweisen können, der ihren eigenen Betrieb steuert, während jeder der anderen Bestandteile nur einen Antriebsmechanismus aufweisen kann und so dessen Betrieb durch die Steuerung 50 gesteuert wird.
Zweite Ausführungsform.
9 ist eine Schnittansicht, die eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 9 veranschaulicht eine X-Richtung und eine Z-Richtung, wobei eine Richtung senkrecht zur Papierfläche eine Y-Richtung ist. Die optische Achse der Fokussierlinse 4 entspricht der Z-Richtung, wie durch die gestrichelte Linie angegeben. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform weist den Einfallspositionssteuermechanismus 5 auf, der an der Fokussierlinse 4 bereitgestellt ist, wohingegen bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 200 gemäß der zweiten Ausführungsform der Einfallspositionssteuermechanismus 5 an einem keilförmigen Substrat 7 breitgestellt ist, das zwischen dem Galvanometerscanner 3 und der Fokussierlinse 4 eingesetzt ist. Der Einfallspositionssteuermechanismus 5 stellt die Position des keilförmigen Substrats 7 entlang der optischen Achse der Fokussierlinse 4 ein, wodurch die Eintrittsöffnungsposition 6 der Fokussierlinse 4 über das keilförmige Substrat 7 verschoben wird. Das in 9 veranschaulichte keilförmige Substrat 7 ist um die optische Achse der Fokussierlinse 4 strukturell symmetrisch. Abgesehen von dem keilförmigen Substrat 7 und dem Einfallspositionssteuermechanismus 5 sind die Konfiguration und der Betrieb der Laserbearbeitungsvorrichtung 200 ähnlich denen der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform.
Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 200 von 9 tritt der Laserstrahl L, der von dem Laseroszillator 1 emittiert wird, durch den Fokuspositionssteuermechanismus 2 hindurch und gelangt zu dem Galvanometerscanner 3 wie bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform. Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 200 bestimmt die Positionierung des Galvanometerscanners 3 den Einfallswinkel des Laserstrahls L in Bezug auf das keilförmige Substrat 7. Der Laserstrahl L, der von dem Galvanometerscanner 3 eingetreten und durch das keilförmige Substrat 7 hindurchgetreten ist, wird durch Hindurchtreten durch die Fokussierlinse 4 zum Bestrahlen des Werkstücks W fokussiert.
10 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel für die durch den Einfallspositionssteuermechanismus 5 durchgeführte Steuerung gemäß der zweiten Ausführungsform veranschaulicht. 11 ist eine Schnittansicht, die ein anderes Beispiel für die durch den Einfallspositionssteuermechanismus 5 durchgeführte Steuerung gemäß der zweiten Ausführungsform veranschaulicht. Es ist zu beachten, dass der Einfallspositionssteuermechanismus 5 selbst in den 10 und 11 weggelassen ist. In den 10 und 11 befindet sich, obwohl er in diesen Zeichnungen weggelassen ist, der Galvanometerscanner 3 eigentlich an der Eintrittsöffnungsposition 6.
Wie in den 10 und 11 dargestellt, ist es durch das Einsetzen des keilförmigen Substrats 7 zwischen dem Galvanometerscanner 3, der sich an der Eintrittsöffnungsposition 6 befindet, und der Fokussierlinse 4 möglich, die Eintrittsöffnungsposition 6 der Fokussierlinse 4 zu verschieben. Der Ablenkwinkel δ des Laserstrahls L ist durch die folgende Formel angegeben: $δ= {sin}^{- 1} (n \times sin α) - α \approx (n - 1) α,$
wobei n der Brechungsindex des keilförmigen Substrats 7 ist und α der Keilwinkel des keilförmigen Substrats 7 ist.
Der Einfallspositionssteuermechanismus 5 bewegt das keilförmige Substrat 7 in der Z-Richtung, die der optischen Achse der Fokussierlinse 4 entspricht, wodurch die Eintrittsöffnungsposition 6 der Fokussierlinse 4 verschoben werden kann. Folglich kann die Einfallsposition des Laserstrahls L auf der Fokussierlinse 4 gesteuert werden. Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 200 werden, nachdem die Form des Werkstücks W festgestellt wurde, optische Elemente des Fokuspositionssteuermechanismus 2 der Form des Werkstücks W entprechend angeordnet; daher kann der Laserstrahl L auf eine Z-Achsen-Fokusposition auf der Form, zu der das Werkstück W bearbeitet werden soll, eingestellt werden. Der Laserstrahl L kann zudem so eingestellt werden, dass er in einem Einfallswinkel auftrifft, der durch den Einfallspositionssteuermechanismus 5 gemäß der Krümmung der Form, zu der das Werkstück W bearbeitet wird, eingestellt wird.
Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 200, die mit dem keilförmigen Substrat 7 versehen ist, das zwischen dem Galvanometerscanner 3 und der Fokussierlinse 4 eingesetzt ist, verschiebt der Einfallspositionssteuermechanismus 5 die Eintrittsöffnungsposition 6 der Fokussierlinse 4. Auf diese Weise kann die Oberfläche des Werkstücks W mit dem Laserstrahl L bestrahlt werden, der senkrecht dazu ist. Folglich können Bearbeitungsbedingungen einheitlich gemacht werden, während der Laserstrahl L über das Werkstück W mit einer Krümmung in der Z-Richtung geführt wird, und kann eine Abnahme der Bearbeitungsgeschwindigkeit im Verhältnis zu der Bearbeitungsgeschwindigkeit beim Bearbeiten einer flachen Oberfläche verringert werden. Überdies kann verhindert werden, dass die Bearbeitungsqualität je nach der Form des Werkstücks W variiert. Weiterhin wird eine höhere Produktivität beim dreidimensionalen Bearbeiten erreicht, als wenn ein Bearbeitungskopf oder das Werkstück W gedreht wird.
In der vorangehenden Beschreibung wird das keilförmige Substrat 7 in der Z-Richtung durch den Einfallspositionssteuermechanismus 5 bewegt, wobei der Galvanometerscanner 3 und die Fokussierlinse 4 in der Z-Richtung feststehend sind. Der Einfallspositionssteuermechanismus 5 kann jedoch eine Funktion zum Bewegen des Galvanometerscanners 3, der Fokussierlinse 4 oder beider in der Z-Richtung aufweisen. In Fällen, in denen der Einfallspositionssteuermechanismus 5 eine Funktion zum Bewegen des Galvanometerscanners 3, der Fokussierlinse 4 oder beider in der Z-Richtung aufweist, muss der Einfallspositionssteuermechanismus 5 nicht unbedingt eine Funktion zum Bewegen des keilförmigen Substrats 7 in der Z-Richtung aufweisen.
Indem die Laserbearbeitungsvorrichtung 200 mit dem keilförmigen Substrat 7 versehen ist und den Einfallspositionssteuermechanismus 5 mit einer anderen Konfiguration als jener des Einfallspositionssteuermechanismus 5 der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 in der ersten Ausführungsform verwendet, kann die Laserbearbeitungsvorrichtung 200 gemäß der zweiten Ausführungsform Wirkungen erzielen, die ähnlich denen der ersten Ausführungsform sind.
Dritte Ausführungsform.
12 ist eine Schnittansicht, die eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung 300 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 12 veranschaulicht eine X-Richtung und eine Z-Richtung, wobei eine Richtung senkrecht zur Papierfläche eine Y-Richtung ist. Die optische Achse der Fokussierlinse 4 entspricht der Z-Richtung, wie durch die gestrichelte Linie angegeben. Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 300 gemäß der dritten Ausführungsform ist der Galvanometerscanner 3 der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform durch einen Planspiegel 9, ein Keilprisma 10 und einen Drehmechanismus 8 ersetzt. Die Steuerung 50 steuert den Drehmechanismus 8 zusätzlich zum Steuern des Laseroszillators 1, des Fokuspositionssteuermechanismus 2 und des Einfallspositionssteuermechanismus 5. Der Planspiegel 9 ist feststehend. Das Keilprisma 10 ist ein Prisma, das den Laserstrahl L ablenkt. Der Drehmechanismus 8 weist eine Funktion zum Drehen des Keilprismas 10 in einer Ebene senkrecht zu der optischen Achse der Fokussierlinse 4 auf. Die Konfiguration und der Betrieb der Laserbearbeitungsvorrichtung 300 sind mit Ausnahme des Planspiegels 9, des Keilprismas 10 und des Drehmechanismus 8 ähnlich denen der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform.
Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 300 von 12 tritt der Laserstrahl L, der von dem Laseroszillator 1 emittiert wird, durch den Fokuspositionssteuermechanismus 2 wie bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform hindurch. Danach wird der Laserstrahl L durch den Planspiegel 9 reflektiert, durch das Keilprisma 10 abgelenkt und durch Hindurchtreten durch die Fokussierlinse 4, die mit dem Einfallspositionssteuermechanismus 5 versehen ist, zum Bestrahlen des Werkstücks W fokussiert.
Der Drehmechanismus 8 dreht das Keilprisma 10 in der Ebene senkrecht zur optischen Achse der Fokussierlinse 4, um den Laserstrahl L in der Führungsrichtung abzulenken. Somit fungieren der Drehmechanismus 8 und das Keilprisma 10 als Laserstrahldeflektor auf ähnliche Weise wie der Galvanometerscanner 3 der ersten Ausführungsform. Der Einfallspositionssteuermechanismus 5 der Laserbearbeitungsvorrichtung 300 positioniert die Eintrittsöffnungsposition 6 der Fokussierlinse 4 derart, dass sie auf dem Keilprisma 10 liegt.
Der Einfallspositionssteuermechanismus 5, der den Abstand in Z-Richtung zwischen dem Keilprisma 10 und der Fokussierlinse 4 verändert, kann entweder für die Fokussierlinse 4 oder das Keilprisma 10 bereitgestellt sein. Alternativ dazu können das Keilprisma 10 und die Fokussierlinse 4 jeweils mit dem Einfallspositionssteuermechanismus 5 versehen sein. Überdies kann das in der zweiten Ausführungsform beschriebene keilförmige Substrat 7 zwischen dem Keilprisma 10 und der Fokussierlinse 4 bereitgestellt sein. Variationen in dem Einfallspositionssteuermechanismus 5 sind bei solchen Fällen ähnlich den bei der zweiten Ausführungsform beschriebenen.
Indem die Laserbearbeitungsvorrichtung 300 mit dem Drehmechanismus 8 und dem Keilprisma 10 anstelle des Galvanometerscanners 3 versehen ist, d. h. einen Laserstrahldeflektor verwendet, der sich von dem Laserstrahldeflektor der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform unterscheidet, kann die Laserbearbeitungsvorrichtung 300 gemäß der dritten Ausführungsform Wirkungen erzielen, die ähnlich denen der ersten Ausführungsform sind.
Vierte Ausführungsform.
13 ist eine Schnittansicht, die eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung 400 gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 13 veranschaulicht eine X-Richtung und eine Z-Richtung, wobei eine Richtung senkrecht zur Papierfläche eine Y-Richtung ist. Die optische Achse der Fokussierlinse 4 entspricht der Z-Richtung, wie durch die gestrichelte Linie angegeben. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 400 gemäß der vierten Ausführungsform verwendet einen gepulsten CO₂-Laser 11 als den Laseroszillator 1 in der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform. Die Steuerung 50 steuert den gepulsten CO₂-Laser 11, den Fokuspositionssteuermechanismus 2, den Galvanometerscanner 3 und den Einfallspositionssteuermechanismus 5. Die Konfiguration und der Betrieb der Laserbearbeitungsvorrichtung 400 sind mit Ausnahme des gepulsten CO₂-Lasers 11 ähnlich denen der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform.
Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 400 von 13 tritt der Laserstrahl L, der von dem gepulsten CO₂-Laser 11 emittiert wird, durch den Fokuspositionssteuermechanismus 2 wie bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform hindurch. Danach wird der Laserstrahl L durch den Galvanometerscanner 3 abgelenkt und durch Hindurchtreten durch die Fokussierlinse 4, die mit dem Einfallspositionssteuermechanismus 5 versehen ist, zum Bestrahlen des Werkstücks W fokussiert.
Wenn Effekte wie etwa thermische Linsen und andere berücksichtigt werden, kann der gepulste CO₂-Laser 11 seine Laserleistung im Vergleich zu einem Festkörperlaser einfach erhöhen. Allgemein gibt es eine positive Korrelation zwischen Laserleistung und Bearbeitungsgeschwindigkeit; daher ermöglicht die Verwendung des gepulsten CO₂-Lasers 11 eine Erhöhung der Bearbeitungsgeschwindigkeit. Die Verwendung des gepulsten CO₂-Lasers 11 ermöglicht zudem eine hochwertige Bearbeitung. Es ist zu beachten, dass der gepulste CO₂-Laser 11 bevorzugt eine Laserwellenlänge im Bereich von 9 µm bis 12 µm aufweist.
Der Einfallspositionssteuermechanismus 5 kann nicht für die Fokussierlinse 4, sondern für den Galvanometerscanner 3 bereitgestellt sein. Alternativ können der Galvanometerscanner 3 und die Fokussierlinse 4 jeweils mit dem Einfallspositionssteuermechanismus 5 versehen sein. Überdies kann das in der zweiten Ausführungsform beschriebene keilförmige Substrat 7 zwischen dem Galvanometerscanner 3 und der Fokussierlinse 4 bereitgestellt sein. Variationen in dem Einfallspositionssteuermechanismus 5 sind bei solchen Fällen ähnlich den bei der zweiten Ausführungsform beschriebenen.
Der Einfallsdurchmesser und der Divergenzwinkel des Laserstrahls L, der auf die Fokussierlinse 4 trifft, können zudem durch Einstellen der Krümmung oder Ersetzen der Außenfläche eines teilreflektierenden Spiegels des gepulsten CO₂-Lasers 11 eingestellt werden; daher kann der teilreflektierende Spiegel des gepulsten CO₂-Lasers 11 in dem Fokuspositionssteuermechanismus 2 enthalten sein.
Ein gepulstes System, das für den gepulsten CO₂-Laser 11 verwendet werden kann, ist z. B. ein Güteschaltersystem (Q-Switch), das eine akustooptische Vorrichtung (einen akustooptischen Modulator: AOM) oder eine elektrooptische Modulationsvorrichtung (einen elektrooptischen Modulator: EOM) verwendet; ein Cavity-Dumping-System; oder ein Gain-Switching-System, das eine stoßartige Oszillation durch angeregte Entladung verursacht.
Fünfte Ausführungsform.
14 ist eine Schnittansicht, die eine Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung 500 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 14 veranschaulicht eine X-Richtung und eine Z-Richtung, wobei eine Richtung senkrecht zur Papierfläche eine Y-Richtung ist. Die optische Achse der Fokussierlinse 4 entspricht der Z-Richtung, wie durch die gestrichelte Linie angegeben. Neben den Komponenten der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform beinhaltet die Laserbearbeitungsvorrichtung 500 gemäß der fünften Ausführungsform ferner einen Abstandsmesssensor 23. Der Abstandsmesssensor 23 misst den Abstand zum Werkstück W, um die Form des Werkstücks W zu bestimmen, und berechnet den Krümmungsradius auf Grundlage des Messergebnisses. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 500 führt eine Bearbeitung unter Verwendung von Daten zum Krümmungsradius durch, die von dem Abstandsmesssensor 23 bestimmt werden.
Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 500 von 14 tritt der von dem Laseroszillator 1 emittierte Laserstrahl L durch den Fokuspositionssteuermechanismus 2 wie bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform hindurch. Danach wird der Laserstrahl L durch den Galvanometerscanner 3 abgelenkt und durch Hindurchtreten durch die Fokussierlinse 4, die mit dem Einfallspositionssteuermechanismus 5 versehen ist, zum Bestrahlen des Werkstücks W fokussiert. Die vom Abstandsmesssensor 23 bestimmten Daten zum Krümmungsradius des Werkstücks W werden von der Steuerung 50 eingelesen. Steuergrößen des Fokuspositionssteuermechanismus 2 und des Einfallspositionssteuermechanismus 5 werden unter Verwendung von den vom Abstandsmesssensor 23 bestimmten Daten zum Krümmungsradius bestimmt. Unter Verwendung der vom Abstandsmesssensor 23 bestimmten Daten zur gegenwärtigen Form kann die Laserbearbeitungsvorrichtung 500 sogar mit einer Verschiebung der Form des Werkstücks W beim Bearbeiten umgehen.
Es ist zu beachten, dass der Abstandsmesssensor 23 die Form des Werkstücks W bestimmen kann und dass die Steuerung 50 die Daten zum Krümmungsradius des Werkstücks W unter Verwendung des Ergebnisses der Bestimmung der Form des Werkstücks W berechnen kann.
Wenn die Laserbearbeitungsvorrichtungen 200, 300 und 400 der zweiten, dritten und vierten Ausführungsform jeweils mit dem Abstandsmesssensor 23 versehen werden können, kann eine ähnliche Wirkung wie die obengenannte erzielt werden.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 500 ist ferner dazu imstande, eine genauere Bearbeitung durchzuführen, wenn die Steuerung 50 detailliertere Formdaten zu dem Werkstück W durch Gegenprüfen der vom Abstandsmesssensor 23 bestimmten Form des Werkstücks W mit CAD-Daten zu dem Werkstück W, welche die Steuerung 50 im Voraus eingelesen hat, erhält.
15 ist eine Darstellung, die eine Hardwarekonfiguration veranschaulicht, wenn Funktionen der Steuerung 50 gemäß jeder der ersten bis fünften Ausführungsform durch ein Computersystem umgesetzt sind. Das bedeutet, dass die Steuerung 50 gemäß jeder der ersten bis fünften Ausführungsformen in einem solchen Computersystem umgesetzt werden kann, wie in 15 veranschaulicht. In diesem Fall werden die Funktionen der Steuerung 50 durch eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 101 und einen Speicher 102 umgesetzt. Die Funktionen der Steuerung 50 werden mittels Software, Firmware oder einer Kombination aus Software und Firmware umgesetzt. Die Software oder die Firmware wird als Programm geschrieben und in dem Speicher 102 gespeichert. Die CPU 101 setzt jede der Funktionen der Steuerung 50 durch Lesen und Ausführen des im Speicher 102 gespeicherten Programms um. Das bedeutet, dass das Computersystem den Speicher 102 beinhaltet, in dem Programm gespeichert sind, die Schritte zum Durchführen von Vorgängen enthalten, um die Funktionen der Steuerung 50 auszuführen. Diese Programme können auch als Programme angesehen werden, die einen Computer dazu veranlassen, eine Prozedur oder ein Verfahren der Steuerung 50 auszuführen. Der Speicher 102 entspricht hier einem nichtflüchtigen oder flüchtigen Halbleiterspeicher, wie z. B. einem Direktzugriffsspeicher (RAM), einem Festwertspeicher (ROM), einem Flash-Speicher, einem löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EPROM) oder einem elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM) (eingetragene Marke); einer magnetischen Platte; einer flexiblen Platte; einer optischen Platte; einer Compact Disk; einer Mini-Disk; oder einer Digital Versatile Disk (DVD).
16 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration veranschaulicht, wenn die Funktionen der Steuerung 50 gemäß jeder der ersten bis fünften Ausführungsform durch dedizierte Hardware umgesetzt sind. Wie in 16 veranschaulicht, kann die Steuerung 50 durch eine Verarbeitungsschaltung 103 konfiguriert sein, bei der es sich um dedizierte Hardware handelt. Die Verarbeitungsschaltung 103 entspricht einer Einzelschaltung, einer Verbundschaltung, einem programmierten Prozessor, einem parallel programmierten Prozessor, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA) oder einer Kombination davon.
Die vorstehenden Konfigurationen, die in den Ausführungsformen veranschaulicht sind, sind Beispiele für einen Aspekt der vorliegenden Erfindung und sie können mit anderen Techniken kombiniert werden, die öffentlich bekannt sind, und sie können teilweise weggelassen oder verändert werden, ohne vom Wesen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste
1 Laseroszillator; 2 Fokuspositionssteuermechanismus; 3 Galvanometerscanner; 4 Fokussierlinse; 5 Einfallspositionssteuermechanismus; 6 Eintrittsöffnungsposition; 7 keilförmiges Substrat; 8 Drehmechanismus; 9 Planspiegel; 10 Keilprisma; 11 gepulster CO₂-Laser; 20, 21, 22 Linse; 23 Abstandsmesssensor; 50 Steuerung; 100, 200, 300, 400, 500 Laserbearbeitungsvorrichtung; 101 CPU; 102 Speicher; 103 Verarbeitungsschaltung; L Laserstrahl; W Werkstück.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015214771 [0003]

Claims

Laserbearbeitungsvorrichtung, umfassend: einen Laseroszillator zum Emittiereneines Laserstrahls; eine Fokussierlinse zum Bestrahlen eines Werkstücks mit dem Laserstrahl; einen Fokuspositionssteuermechanismus zum Steuern eines Divergenzwinkels des Laserstrahls und eines Einfallsdurchmessers des Laserstrahls, der auf die Fokussierlinse trifft, wobei der Fokuspositionssteuermechanismus zwischen dem Laseroszillator und der Fokussierlinse angeordnet ist und in einem Strahlengang des Laserstrahls angeordnet ist; einen Laserstrahldeflektor zum Ablenken des Laserstrahls, bevor der Laserstrahl auf die Fokussierlinse trifft; und einen Abstrahlwinkelsteuermechanismus zum Steuern eines Abstrahlwinkels des Laserstrahls, der aus der Fokussierlinse austritt, nachdem er durch den Laserstrahldeflektor abgelenkt wurde.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abstrahlwinkelsteuermechanismus einen Abstand zwischen dem Laserstrahldeflektor und der Fokussierlinse entlang einer optischen Achse der Fokussierlinse einstellt.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abstrahlwinkelsteuermechanismus eine Position eines keilförmigen Substrats, das zwischen dem Laserstrahldeflektor und der Fokussierlinse bereitgestellt ist, entlang einer optischen Achse der Fokussierlinse bewegt und einstellt.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei es sich bei dem Laserstrahldeflektor um einen Galvoscanner handelt.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei es sich bei dem Laserstrahldeflektor um einen akustooptischen Deflektor handelt.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Laserstrahldeflektor ein Prisma und einen Drehmechanismus, der das Prisma in einer Ebene senkrecht zu einer optischen Achse der Fokussierlinse dreht, beinhaltet.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei es sich bei dem Laseroszillator um einen gepulsten CO₂-Laser handelt.