DE19803795A1

DE19803795A1 - Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung, Fokus-Positioniereinrichtung für eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung und Meßeinrichtung für den Durchmesser eines gesammelten Laserstrahls

Info

Publication number: DE19803795A1
Application number: DE19803795A
Authority: DE
Inventors: Hisao Tanaka; Akaru Usui; Shinji Sato; Hirokazu Miyagawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 1998-12-10
Also published as: CA2228192A1; FR2764222A1; TW352352B; US5948292A; JPH10328867A; CA2228192C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserstrahl- Bearbeitungsvorrichtung, eine Fokus-Positioniereinrichtung und eine Meßeinrichtung für den Durchmesser eines gesammelten Laserstrahls jeweils für die Laser-Bearbeitungsvorrichtung und insbesondere eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung zum Schneiden einer extrem dünnen Platte unter Verwendung eines Zusatzgases, einer Fokus-Positioniereinrichtung und einer Meßeinrichtung für den Durchmesser eines gesammelten Laserstrahls jeweils für die Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung.

Bei der Bearbeitung mit einem Laserstrahl wird ein Werkstück, wie beispielsweise eine Metallplatte, sofort und teilweise geschmolzen, wodurch es im Vergleich mit der Preßbearbeitung und der Ätzbearbeitung auf Grundlage der herkömmlichen Technologie möglich ist, eine Bearbeitung für winzige Dimensionen mit einer höheren Genauigkeit auszuführen.

Um ein Werkstück mit einer hohen Genauigkeit in einem Bearbeitungsverfahren unter Verwendung eines Laserstrahls in winzigen Schritten zu bearbeiten, ist es erforderlich, einen Laserstrahl durch eine Sammellinse fein zu sammeln (d. h. zusammenzufassen), und bei einer tatsächlichen Bearbeitung ist es wesentlich, den Laserstrahl an einem Punkt auf dem Werkstück durch die Sammellinse so zusammenzufassen oder zu konvergieren, daß ein Sammelpunkt, der eine Fokus-Position ist, nicht verschoben bzw. versetzt wird. Der Grund dafür besteht darin, daß es unmöglich ist, eine winzige Bearbeitung mit einer hohen Genauigkeit auszuführen, oder es unmöglich wird, eine Bearbeitung selbst auszuführen, wenn die Fokus-Position verschoben ist.

Eine Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer Sammelposition auf Grundlage der herkömmlichen Technologie zum Verhindern, daß eine Sammelposition verschoben wird, verwendet, wie in Fig. 11 gezeigt, ein Verschiebemeßgerät des Kontakt-Typs zum Steuern eines Abstands zwischen der Sammellinse und dem Werkstück auf einen konstanten Wert.

In Fig. 13 bezeichnet ein Bezugszeichen 1 einen Laserbearbeitungskopf und eine Düse 2 ist an einem Ende (dem unteren Ende) des Laserbearbeitungskopfes 1 vorgesehen.

Der Laserbearbeitungskopf 1 ist zylindrisch und weist darin eine Sammellinse 3 auf, und durch einen Laseroszillator, der hier nicht gezeigt ist, wird in den Zylinder ein Laserstrahl L eingegeben. Der an den Laserbearbeitungskopf 1 gegebene Laserstrahl L wird auf eine obere Oberfläche eines Werkstücks W durch die Sammellinse 3 zusammengefaßt bzw. fokussiert und durch die Düse 2 auf das Werkstück W hin gestrahlt. Eine Zusatzgas-Einlaßöffnung 4 ist in der Düse 2 vorgesehen.

Der Laserbearbeitungskopf 1 bewegt sich durch einen Z-Achsen-Servomotor (der in der Zeichnung nicht gezeigt ist), der durch eine NC-Einrichtung 20 angetrieben und gesteuert wird, in die Z-Achsenrichtung (in der vertikalen oder Fokussierrichtung in Fig. 13).

Ein Verschiebemeßgerät 5 des Kontakt-Typs ist bewegbar in dem Laserbearbeitungskopf 1 angeordnet. Das Verschiebemeßgerät 5 des Kontakt-Typs umfaßt ein externes Gehäuse 6, das mit dem Laserbearbeitungskopf 1 integriert ist, eine bewegbare Welle 7, die von dem externen Gehäuse 6 gehaltert wird und sich nach oben und nach unten bewegt, einen Kontakt 8 mit einer Form wie ein Plattenstück, das an dem unteren Ende der bewegbaren Welle 7 befestigt ist und das Werkstück W kontaktiert, einen Wellen-Antriebsabschnitt 9 zum Antreiben der bewegbaren Welle 7 nach oben und nach unten, um den Kontakt 8 an das Werkstück W zu drücken, und einen Positions- Erfassungsabschnitt 10 zum Erfassen einer Verschiebung (Position) der bewegbaren Welle 7 in der vertikalen Richtung.

Das Werkstück W ist auf Abstützstiften 12 (sogenannten Frosch-Stiften) angebracht, die auf einer Antriebsbasis 11 vorgesehen sind, und wird von den Abstützstiften 12 an vielen Punkten und auch in der Position einer spezifischen Höhe gehalten.

Die Antriebsbasis 11 wird in der X-Achsenrichtung (in den Richtungen nach links und nach rechts in Fig. 13) und in der Y-Achsenrichtung (einer Richtung senkrecht zu der in Fig. 11 gezeigten Ebene) durch X-Achsen- und Y-Achsen-Servomotoren (die in der Zeichnung nicht dargestellt sind), die von der NC-Einrichtung 20 angetrieben und gesteuert werden, bewegt.

Die Betriebsvorgänge in dem herkömmlichen Verfahren auf Grundlage der voranstehend beschriebenen Konfiguration werden nachstehend erläutert.

Das Verschiebemeßgerät 5 des Kontakt-Typs wird von dem Laserbearbeitungskopf 1 entfernt, der Laserbearbeitungskopf 1 wird in der Z-Achsenrichtung so positioniert, daß die Fokus-Position des Laserstrahls L auf dem Werkstück W positioniert ist, und ein Abstand zwischen der Düse 2 und dem Werkstück W wird eingestellt.

In diesem Zustand wird das Verschiebemeßgerät 5 des Kontakt-Typs an dem Laserbearbeitungskopf 1 plaziert, der Kontakt 8 wird mit dem Werkstück W in Kontakt gebracht und ein Positionssignal (ein Signal, das die Verschiebung der bewegbaren Welle 7 anzeigt), das von dem Positions- Erfassungsabschnitt 10 zu diesem Zeitpunkt ausgegeben wird, wird als ein Fokus-Positionssignal in der NC-Einrichtung 20 gespeichert.

Wenn, wie in Fig. 13 gezeigt, das Werkstück W geneigt ist, bewegt sich der Kontakt 8 entsprechend der Höhendifferenz aufgrund der Neigung nach oben oder nach unten; dies wird von dem Positions-Erfassungsabschnitt 10 erfaßt; und die NC-Einrichtung 20 bewegt den Laserbearbeitungskopf 1 (die Sammellinse 3) mit dem Z-Achsen-Servomotor (der in der Zeichnung nicht gezeigt ist) nach oben oder nach unten, so daß eine Positionsabweichung zwischen einer Position, die durch ein von dem Positions-Erfassungsabschnitt 10 ausgegebenes Positionssignal vorgegeben wird, und einer Position, die von dem Fokus-Positionssignal vorgegeben wird, nicht erzeugt wird, mit anderen Worten, so daß der fokussierte Zustand aufrechterhalten wird.

Aufgrund der voranstehend beschriebenen Betriebsvorgänge wird die Fokus-Position (d. h. die Brennpunktposition) an einer Kontaktposition an dem Werkstück W selbst dann aufrechterhalten, wenn das Werkstück W geneigt ist.

Eine der vorbereitenden Vorgänge einer Laserstrahlbearbeitung ist die Fokussierung eines Laserstrahls. Als ein herkömmlicher Typ von Fokussiervorrichtung zum Fokussieren eines Laserstrahls ist die in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. SHO 60-166185 gezeigte Vorrichtung. Diese Fokussiervorrichtung umfaßt, wie in Fig. 15 gezeigt, einen Strahlteiler 30, der unter einer Neigung von 45° in einem Übertragungspfad des Laserstrahls L vorgesehen ist, einen ersten Laserintensitätssensor 31 und einen zweiten Laserintensitätssensor 32, die auf beiden Seiten des Strahlteilers 30 vorgesehen sind, einen Teiler 33 und ein Meßgerät 34.

In dieser Fokussiervorrichtung wird ein Teil eines auf das Werkstück W einfallenden Lasers wegen einer spektralen Funktion von dem Strahlteiler 30 an den zweiten Laserintensitätssensor 32 geführt und gleichzeitig wird ein Teil des von dem Werkstück W reflektierten Lichts an den ersten Laserintensitätssensor 31 geführt; die Intensität des auf das Werkstück W einfallenden Lasers wird von dem zweiten Laserintensitätssensor 32 erfaßt; die Intensität des reflektierten Strahls (des reflektierten Laserstrahls) von dem Werkstück W wird von dem ersten Laserintensitätssensor 31 erfaßt; ein Verhältnis c = a/b, wobei a ein Ausgang von dem ersten Laserintensitätssensor 31 ist, und b ein Ausgang von dem zweiten Laserintensitätssensor 32 ist, wird von einem Teiler 33 berechnet; ein Ausgang (ein Verhältnis c) von dem Teiler 33 wird an das Meßgerät als ein numerischer Wert ausgegeben, der einen Fokussierungsgrad anzeigt, und der einen Fokussierungsgrad anzeigende numerische Wert wird von dem Meßgerät 34 angezeigt, so daß der Wert visuell quantitativ beobachtet werden kann.

Aufgrund dessen wird es möglich, eine Fokussierung zur Erreichung eines Brennpunkts auszuführen, an dem eine Intensität des reflektierten Strahls von dem Werkstück W das Maximum erreicht, indem der Laserstrahl L auf das Werkstück W gestrahlt wird und die Sammellinse 3 nach oben und nach unten bewegt wird, während eine Anzeige des Fokussiergrads von dem Meßgerät 34 betrachtet wird.

Wenn der Laserstrahl L auf das Werkstück W hingestrahlt wird, wird ein Teil davon reflektiert. Wenn der Laserstrahl auf das Werkstück W fokussiert wird, wird der reflektierte Strahl parallel zu dem ursprünglichen Laserstrahl und kehrt durch den Übertragungspfad zurück, durch den der Laserstrahl gekommen ist, wie in Fig. 16B gezeigt. Für den Fall, daß der Brennpunkt von einer rechten Position versetzt ist, wie in Fig. 16A und 16C gezeigt, geht im Gegensatz dazu ein Teil des reflektierten Strahls nicht zurück durch den Übertragungspfad, durch den der Laserstrahl gekommen ist, und selbst wenn der Teil des reflektierten Strahls durch die Sammellinse 3 geht, wird er gestreut, so daß eine Intensität des von dem zweiten Laserintensitätssensor 32 ausgegebenen reflektierten Laserstrahls maximal wird, wenn der Brennpunkt an einer richtigen Position fokussiert ist.

Deshalb weist die Korrelation zwischen der Verschiebung von dem Brennpunkt der Sammellinse 3 und dem Ausgang von dem Teiler 33 die Charakteristik, wie in Fig. 17 gezeigt, auf, und der Ausgang (das Verhältnis c) von dem Teiler 33 wird an der Fokusposition (der Brennpunktposition) maximal.

Wenn ein Wert von dem Meßgerät 34 durch Bewegen einer Position der Sammellinse 3 nach oben und nach unten gegenüber dem Werkstück W maximal wird, stimmt aufgrund der voranstehend beschriebenen Merkmale eine Fokusposition der Sammellinse 3 mit einer oberen Oberfläche des Werkstücks W überein.

Um eine minutiöse Bearbeitung mit einer hohen Genauigkeit auszuführen, ist es erforderlich, einen Durchmesser des Laserstrahls zu minimieren, indem der Laserstrahl an einer Position, die von dem Laserstrahl auf dem Werkstück W bestrahlt wird, herunter verschmälert wird. Herkömmlicherweise wird die Messung des Laserstrahldurchmessers an der von dem Laserstrahl auf dem Werkstück W bestrahlten Position durch Strahlen des Laserstrahls auf ein Acrylharz oder dergleichen ausgeführt, um eine Bearbeitung zur Herstellung eines Lochs auszuführen und um einen Durchmesser des perforierten Lochs mit einem geeigneten Meßinstrument zu messen.

Für den Fall, daß eine Bearbeitung mit einem Laserstrahl ausgeführt wird, wird allgemein ein Laserstrahl L auf ein Werkstück W hin gestrahlt und gleichzeitig wird ein Hilfs- oder Zusatzgas in die gleiche Richtung wie diejenige des Laserstrahls L eingespritzt, um eine Verbrennung eines Teils des zu bearbeitenden Werkstücks zu unterstützen oder um Grus oder Abfall, der auf der hinteren Oberfläche des Werkstücks gebildet wird, durch Wegblasen von darauf erzeugtem geschmolzenen Material zu unterdrücken, und deshalb wird mit einer Sammelposition-Beibehaltungsvorrichtung auf Grundlage der voranstehend beschriebenen, herkömmlichen Technologie die extrem dünne Platte, wenn ein Werkstück W eine extrem dünne Platte ist, an einer Bearbeitungsposition von der Standardposition für eine Aufstrahlung eines Laserstrahls wegen eines Drucks eines eingespritzten Zusatzgases, wie in Fig. 14 gezeigt, nach unten gebogen, wobei dies einem Kontakt 8 oder einem Verschiebemeßgerät 5 des Kontakt-Typs unmöglich macht, dem Werkstück W an der Bearbeitungsposition zu folgen.

Infolge dessen existiert eine Fokus-Position auf der extrem dünnen Platte nicht, und eine minutiöse Bearbeitung mit hoher Genauigkeit kann nicht ausgeführt werden, und in einem extremen Fall wird eine Bearbeitung selbst unmöglich.

Bei der voranstehend beschriebenen Sammelpositions-Beibehaltungsvorrichtung auf Grundlage der herkömmlichen Technologie ist es auch erforderlich, daß das Verschiebemeßgerät 5 an dem Bearbeitungskopf bei einem Fokus-Positioniervorgang angebracht oder davon entfernt wird, was den Arbeitsaufwand kompliziert macht und eine nachteilige lange Zeitperiode für die Arbeiten erfordert.

Der Durchmesser eines gesammelten (konvergierten) oder fokussierten Laserstrahls ist proportional zu einer Schneidebearbeitungsbreite, so daß es zum Ausführen einer minutiösen Bearbeitung mit dem Laserstrahl wesentlich ist, den Laserstrahl minutiös zusammenzufassen. Fig. 18 zeigt eine Korrelation (einen berechneten Wert) zwischen einer Verschiebung von einer Fokusposition und dem Durchmesser eines zusammengefaßten Laserstrahls für den Fall, wenn ein YAG-Laserstrahl durch eine Linse mit einer Brennweite von 50 mm zusammengefaßt (d. h. fokussiert) wird. Dieser Figur läßt sich entnehmen, daß selbst eine geringfügige Verschiebung einen Durchmesser eines gesammelten Laserstrahls beträchtlich ändert.

Jedoch wird eine Fokus-Positionierung auf Grundlage der herkömmlichen Technologie gemäß einem Verhältnis der Intensität eines reflektierten Lichts von einer Oberfläche eines flach-förmigen Werkstücks W mit einer relativ losen Änderungen in der Intensität eines reflektierten Lichts gegenüber einem darauf einfallenden Laserstrahl ausgeführt, so daß es schwierig ist, eine Fokus-Positionierung mit hoher Genauigkeit selbst bei einem Betrieb zur Fokus-Positionierung während einer Betrachtung eines Werts eines Meßgeräts 34 schwierig.

Bei der Messung des Laserstrahldurchmessers zum Messen eines Durchmessers eines gesammelten Laserstrahldurchmessers durch Aufstrahlen des Laserstrahls auf ein Acrylharz oder dergleichen zur Bildung eines Lochs und zum Messen eines Durchmessers des perforierten Lochs kann nur ein intermittierendes Meßergebnis für eine Verschiebung der Fokus-Position erhalten werden, und es ist unmöglich, eine Messung mit hoher Genauigkeit auszuführen. Ferner ist die Verwendung von Materialien, wie beispielsweise Acrylharz oder dergleichen, relativ verschwenderisch.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht, stabil eine minutiöse Bearbeitung mit einer hohen Genauigkeit auszuführen, ohne eine Fokus-Position aufgrund eines Drucks von einem eingespritzten Zusatzgas zu ändern, selbst für einen Fall, bei dem ein Werkstück eine extrem dünne Platte ist, sowie eine Fokus-Positionierung ohne Entfernen eines Verschiebemeßgeräts des Kontakt-Typs von einem Bearbeitungskopf auszuführen; eine Fokus-Positioniereinrichtung, die es ermöglicht, leicht eine Fokus-Positionierung mit hoher Genauigkeit auszuführen, so daß eine minutiöse Laserstrahlbearbeitung ausgeführt werden kann; und eine Meßeinrichtung für den Durchmesser eines gesammelten Laserstrahls, die es ermöglicht, eine genaue Messung eines zusammengefaßten Laserstrahldurchmessers auszuführen.

Mit der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der Erfindung wird das Werkstück zwischen dem oberen Werkstückhalteelement und der unteren festen Basis an einer Position benachbart zu der Laserstrahl-Bearbeitungsposition gehalten und das Werkstück wird nicht verschwenkt, selbst wenn ein Zusatzgas darauf eingespritzt wird, wodurch ein gesammelter Zustand eines Laserstrahls auf dem Werkstück in einem guten Zustand aufrechterhalten wird.

Mit der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird geschmolzenes Material, das beim Schneiden erzeugt wird, von dem sich verjüngenden Durchloch an eine Rückseite des Werkstücks durch einen Druck des Zusatzgases weggeblasen, ohne irgendeine Störung an einer Innenwand des Lochs zu erzeugen.

Mit der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung fließt ein Zusatzgas, das an einen Laserstrahl-Bearbeitungsabschnitt geblasen wird, von einem Schlitz nach außen.

Mit der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Bewegung des Werkstücks mit einem geringen Reibungswiderstand und ohne Erzeugen irgendwelcher Kratzer an dem Werkstück ausgeführt.

Mit der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dreht sich das Werkstück und ändert seine Position im Zusammenhang mit einer Drehung der Drehantriebsbasis.

Mit der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung legt ein Paar von Aufwicklungs-/Herauslaßspannungs-Rollen eine Zugkraft mit einer spezifischen Stärke an das Werkstück zwischen den Rollen an und bewegt das Werkstück mittels eines synchronen Antreibens der Rollen in einer axialen Richtung.

Mit der Fokus-Positioniereinrichtung für eine Laserstrahl- Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Änderung eines reflektierten Strahls aufgrund einer Verschiebung von der Fokus-Position größer, weil eine Fokus-Positionierung an einem Scheitel des vorstehenden Streifens ausgeführt wird.

Mit der Meßeinrichtung für den Durchmesser eines gesammelten Laserstrahls für eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Laserstrahldurchmesser durch Abtasten einer Aufstrahlung eines Laserstrahls an einem Scheitel eines vorstehenden Streifens durch Überprüfen eines fokussierten Zustands an dem Scheitel und durch Überprüfen einer Änderung in der Amplitude des reflektierten Laserstrahls zu messen.

Andere Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht, die eine Konfiguration einer Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht, die ein oberes Werkstückhalteelement zeigt, das in der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

Fig. 3 eine Ansicht, die eine Konfiguration einer Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 4A eine Draufsicht, die einen Prozeß einer Bewegung eines Werkstücks zur Positionierung bei der Ausführungsform 2 zeigt;

Fig. 4B eine Draufsicht, die einen Prozeß zum Bewegen eines Werkstücks zum Positionieren bei der Ausführungsform 2 zeigt;

Fig. 4C eine Draufsicht, die einen Prozeß zum Bewegen eines Werkstücks zur Positionierung bei der Ausführungsform 2 zeigt;

Fig. 5 ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration einer Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 6 ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration einer Fokus-Positioniervorrichtung unter Verwendung einer Fokus-Positioniereinrichtung für eine Laserstrahl- Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht, die eine Fokus-Positioniereinrichtung für eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 8A ein Erklärungsdiagramm, das einen defokussierten Zustand in der Fokus-Positioniereinrichtung zeigt;

Fig. 8B ein Erklärungsdiagramm, das einen defokussierten Zustand bei der Fokus-Positioniereinrichtung zeigt;

Fig. 8C ein Erklärungsdiagramm, das einen defokussierten Zustand von der Fokus-Positioniereinrichtung zeigt;

Fig. 9 einen Graph, der die Fokussierungsgrad-Charakteristiken bei der Fokus-Positionierung durch Verwenden einer Fokus-Positioniereinrichtung für eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 10 ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration einer Laserstrahldurchmesser-Meßvorrichtung unter Verwendung einer Laserstrahldurchmesser-Meßeinrichtung für eine Laserstrahl- Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht, die einen Prozeß zum Messen eines Laserstrahldurchmessers unter Verwendung einer Fokus-Positioniereinrichtung für eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 12 einen Graph, der Laserstrahl-Intensitätscharakteristiken bei der Laserstrahldurchmesser-Messung unter Verwendung einer Laserstrahldurchmesser-Meßeinrichtung für eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 13 ein Blockschaltbild, das ein Beispiel einer Konfiguration einer Laserstrahl- Bearbeitungsvorrichtung auf Grundlage der herkömmlichen Technologie zeigt;

Fig. 14 ein Erklärungsdiagramm, das einen Zustand einer Bearbeitung einer extrem dünnen Platte durch Verwendung der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung auf Grundlage der herkömmlichen Technologie zeigt;

Fig. 15 eine Ansicht, die eine Konfiguration einer Fokus-Positioniervorrichtung für eine Laserstrahl- Bearbeitungsvorrichtung auf Grundlage der herkömmlichen Technologie zeigt;

Fig. 16A ein Erklärungsdiagramm, das einen defokussierten Zustand sowie einen fokussierten Zustand bei der Fokus-Positionierung eines Fokus (eines Brennpunkts) bei der herkömmlichen Technologie zeigt;

Fig. 16B ein Erklärungsdiagramm, das einen defokussierten Zustand sowie einen fokussierten Zustand bei der Fokus-Positionierung eines Fokus bei der herkömmlichen Technologie zeigt;

Fig. 16C ein Erklärungsdiagramm, das einen defokussierten Zustand sowie einen fokussierten Zustand bei der Fokus-Positionierung eines Fokus bei der herkömmlichen Technologie zeigt;

Fig. 17 einen Graph, der die Fokussierungsgrad- Charakteristiken bei der Fokus-Positionierung in der herkömmlichen Technologie zeigt; und

Fig. 18 einen Graph, der eine Korrelation zwischen einem Laserstrahldurchmesser und einer Verschiebung eines Fokus zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Als nächstes wird eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen einer Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung, einer Fokus-Positioniereinrichtung für eine Laserstrahl- Bearbeitungsvorrichtung und einer Meßeinrichtung für den Durchmesser eines gesammelten Laserstrahls für eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung jeweils gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen vorgenommen. Es sei darauf hingewiesen, daß in den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen Abschnitte mit der gleichen Konfiguration wie diejenigen auf Grundlage der voranstehend beschriebenen herkömmlichen Technologie die gleichen Bezugszeichen tragen wie diejenigen in der Beschreibung des Beispiels auf Grundlage der herkömmlichen Technologie und eine Beschreibung davon wird hier weggelassen.

Fig. 1 zeigt eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. Diese Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung umfaßt eine zylindrische Ausdehnungsmanschette (Faltenbalg) 40 an einer Kante eines Bearbeitungskopfes 1, und eine Verbindungsplatte 41 ist mit dem Faltenbalg 40 so verbunden, daß sie ihre Position in der vertikalen Richtung (der Fokussierungsrichtung) verändern kann. Die Verbindungsplatte 41 umfaßt ein oberes Werkstückhalteelement 42, das auf der Bodenfläche der Verbindungsplatte angebracht ist. Das obere Werkstückhalteelement 42 ist aus einem Oberflächenmaterial mit einer hohen Gleitfähigkeit, wie beispielsweise Fluorkohlenstoff-Harz, gebildet, weist eine zylindrische Form auf, die wie eine nach unten umgedrehte Tasse aussieht, wie in Fig. 2 gezeigt, und umfaßt eine im wesentlichen horizontale Bodenfläche als eine Werkstückhalteoberfläche (eine Oberfläche, die auf ein Werkstück W zugekehrt ist) 43, ein Einstellbolzen-Einfügungsloch 44, das in dem oberen Oberflächenabschnitt vorgesehen ist, und eine Vielzahl von Schlitzen 45 zum Auslassen eines Zusatzgases, das in dem Umfangsabschnitt vorgesehen ist. Jeder der Schlitze 45 ist getrennt zu der Werkstückhalteoberfläche 43 geöffnet.

Mit anderen Worten, der Faltenbalg 40 ist ein hohles teleskopisches Kontaktelement und verbindet den Laserbearbeitungskopf 1 und das obere Werkstückhalteelement 42, so daß sie ihre relativen Positionen zueinander in der Fokussierungsposition ändern können.

Eine Düse 2 ist in dem oberen Werkstückhalteelement 42 befestigt. Wegen diesem Merkmal wird ein Abstand zwischen einer Endposition der Düse 2 und der Werkstückhalteoberfläche 43 auf einem konstanten Wert gehalten.

Es sei darauf hingewiesen, daß eine Zusatzgas-Einlaßöffnung 4 in dem Laserbearbeitungskopf 1 an der Stelle der Düse 2 vorgesehen ist. Selbst wenn die Zusatzgas-Einlaßöffnung 4 in dem Laserbearbeitungskopf 1 an der Stelle der Düse 2 vorgesehen ist, wird das Zusatzgas von der Spitze der Düse 2 auf den Laserbearbeitungsabschnitt im wesentlichen wie bei dem Fall, bei dem die Zusatzgas-Einlaßöffnung 4 in der Düse 2 vorgesehen ist, eingespritzt.

In Fig. 1 umfaßt der Laserbearbeitungskopf 1 ein Paar Verschiebemeßgeräte 5 des Kontakt-Typs, die jeweils auf der rechten Seite und der linken Seite des Laserbearbeitungskopfes vorgesehen sind. Die Verschiebemeßgeräte 5 des Kontakt-Typs halten die Verbindungsplatte 41 fast horizontal anstelle eines Kontaktteils 8 und erfassen eine Höhenposition der Verbindungsplatte 41.

Eine Arbeitsbasis 46 ist auf einem Arbeitstisch vorgesehen, der eine Y-Achsen-Antriebsbasis 11y und eine X-Achsen-Antriebsbasis 11x umfaßt. Die Arbeitsbasis 46 hält einen Umfangsabschnitt des Werkstücks W, das eine extrem dünne Platte umfaßt, um an das Werkstück W eine Zugkraft anzulegen, und spannt und hält das Werkstück W in der im wesentlichen horizontalen Stellung.

Eine untere feste Basis 47 ist an einer zentralen Position der Düse 2 vorgesehen, nämlich an einer Position, die der Laserstrahl-Bearbeitungsposition entspricht. Die untere feste Basis 47 ist über der X-Achsen-Antriebsbasis 11x durch einen Haltemechanismus (der in der Zeichnung nicht gezeigt ist) angeordnet und befestigt, so daß eine Bewegung der X-Achsen-Antriebsbasis 11y und auch diejenige der X-Achsen-Antriebsbasis 11x nicht behindert wird, und hält horizontal das Werkstück W durch Abstützen eines spezifischen Bereichs einer Bodenfläche (einer Rückseite) des Werkstücks W mit einer höchst gleitfähigen Platte 48, die aus Fluorkohlenwasserstoff oder dergleichen gebildet ist.

Ein verjüngtes oder konusförmiges Durchloch 49 ist an Positionen, die von einem Laserstrahl bestrahlt werden, auf der unteren festen Basis 47 und der höchst gleitfähigen Platte 48 vorgesehen. Das verjüngte Durchloch 49 umfaßt eine Aufweitung des verjüngten Lochs in einer entgegengesetzten Richtung zu der Seite, von der der Laserstrahl eingestrahlt wird, nämlich in einer Richtung auf die Bodenseite hin.

Als nächstes werden Betriebsvorgänge in der Ausführungsform 1 mit der voranstehend beschriebenen Konfiguration beschrieben.

Zunächst wird das Werkstück W auf die Werkstückbasis 46 gelegt und von der Werkstückbasis 46 in der im wesentlichen horizontalen Stellung gehalten und gespannt.

Als nächstes wird die Werkstückhalteoberfläche 43 des oberen Werkstückhalteelements 42 gegen eine obere Oberfläche der Werkstückbasis 46 gedrückt, das Werkstück W wird von dem oberen Werkstückhalteelement 42 und der höchst gleitfähigen Platte 48 der unteren festen Basis 47 sowohl von den oberen als auch den unteren Seiten an einer Position benachbart zu der Laserstrahl-Bearbeitungsposition gehalten und in diesem Zustand wird der Laserbearbeitungskopf 1 in der Z-Achsen-Richtung positioniert, so daß ein Brennpunkt eines Laserstrahls L auf das Werkstück W positioniert wird.

Bei diesem Brennpunkt- oder Fokus-Positionierbetrieb werden die Positionen der Verbindungsplatte 41, des oberen Werkstückhalteelements 42 und der Düse 2 nicht in der Z-Achsenrichtung geändert und nur der Laserbearbeitungskopf 1 bewegt sich entlang mit einer Sammellinse 3 in der Z-Achsenrichtung im Zusammenhang mit einer Ausweitung und Zusammenziehung des Faltenbalgs 40.

Es sei darauf hingewiesen, daß ein Spalt zwischen der Spitze der Düse 2 und dem Werkstück W gleichmäßig entsprechend einem Spalt zwischen der Spitzenposition der Düse 2 und der Werkstückhalteoberfläche 43 bestimmt wird und selbst dann nicht geändert wird, wenn sich der Laserbearbeitungskopf 1 für eine Fokus-Positionierung entlang der Sammellinse 3 bewegt, und deshalb ist es nicht erforderlich, den Spalt einzustellen.

In einem Zustand, bei dem die Fokus-Positionierung abgeschlossen ist, wird eine Positionssignal (ein Verschiebesignal), das von einem Positions- Erfassungsabschnitt 10 in dem Verschiebemeßgerät 5 des Kontakt-Typs ausgegeben wird, in einer NC-Einrichtung 20 als ein Fokus-Positionssignal gespeichert, und wenn danach eine Laserstrahlbearbeitung ausgeführt werden soll, wird der Laserbearbeitungskopf 1 durch einen Servomotor (in der Zeichnung nicht gezeigt) in der Z-Achsenrichtung so aufwärts und abwärts bewegt, daß ein Wert des Ausgangssignals von dem Positions-Erfassungsabschnitt 10 gleich zu dem gespeicherten Wert wird; mit anderen Worten, so daß ein Fokussierungszustand aufrechterhalten wird.

Wenn die Laserstrahlbearbeitung ausgeführt wird, wird der Laserstrahl L von einer Spitze der Düse 2 auf das Werkstück W gemäß einem Befehl von der NC-Einrichtung 20 aufgestrahlt und gleichzeitig wird das Zusatzgas, das von der Zusatzgas-Einlaßöffnung 4 in den Laserbearbeitungskopf geführt wird, auf einen von dem Laserstrahl bestrahlten Abschnitt des Werkstücks W gespritzt und die X-Achsen-Antriebsbasis 11x und die Y-Achsen-Antriebsbasis 11y bewegen sich jeweils in die X-Achsenrichtung und die Y-Achsenrichtung gemäß der Schneideformdaten, die vorher in der NC-Einrichtung 20 eingestellt werden, wodurch das Werkstück W, das auf der Werkstückbasis 46 mit einer Zugkraft befestigt wird, in eine spezifische Form geschnitten wird.

Wenn dieser Schneidevorgang ausgeführt wird, wird das Werkstück W zwischen dem oberen Werkstückhalteelement 42 und der höchst gleitfähigen Platte 48 der unteren festen Basis 47 an einer Position benachbart zu der Laserstrahl- Bearbeitungsposition gehalten, so daß das Werkstück W niemals in Schwingungen versetzt wird, selbst wenn darauf ein Zusatzgas eingespritzt wird, ein Zusammenfassungs- oder Konvergenzustand eines Laserstrahls auf dem Werkstück W in guten Bedingungen aufrechterhalten wird und eine Fokus-Position auf dem Werkstück W existiert, was es ermöglicht, eine minutiöse Bearbeitung mit hoher Genauigkeit auszuführen.

Das obere Werkstückhalteelement 42 ist aus einem Oberflächenmaterial mit einer hohen Gleitfähigkeit, wie beispielsweise einem Fluoreszenzmittel, gebildet, und das Werkstück W wird von der höchst gleitfähigen Platte 48 der unteren festen Basis 47 so gehalten, daß eine Bewegung des Werkstücks W in der X-Achsenrichtung und der Y-Achsenrichtung in einem Zustand, in dem das Werkstück zwischen dem oberen Werkstückhalteelement 42 und der höchst gleitfähigen Platte 48 der unteren festen Basis 47 gehalten wird, mit einem geringen Reibungswiderstand und ohne die Verursachung irgendwelcher Kratzer an dem Werkstück W sanft ausgeführt wird.

Das auf das Werkstück W von der Düse 2 eingespritzte Zusatzgas (Hilfs- oder Unterstützungsgas) fließt von einem Schlitz 45 des oberen Werkstückhalteelements 42 nach außen, so daß das obere Werkstückhalteelement 42 aufgrund des Drucks des Zusatzgases nicht angehoben wird und infolge dessen wird das Zusatzgas unter stabilen Bedingungen an den Laserbearbeitungsabschnitt auf dem Werkstück W eingespritzt, und zwar unabhängig davon, ob ein bearbeitetes Loch oder dergleichen existiert oder nicht.

Ferner ist das verjüngte oder konusförmige Durchloch 49 der unteren festen Basis 47 und die höchst gleitfähige Platte 48 ein verjüngtes Loch, das sich in eine Richtung entgegengesetzt zu einer von dem Laserstrahl bestrahlten Seite aufweitet, und deshalb wird eine geschmolzene Substanz (Grus), die während des Schneidevorgangs erzeugt wird, von dem verjüngten Durchloch 49 durch einen Druck des Zusatzgases ohne irgendwelche Behinderungen an der Innenwand des Lochs zu verursachen, an eine Rückseite des Werkstücks W weggeblasen, wodurch eine Verhinderung von Grus, der auf der Rückseite des Werkstücks W erzeugt wird, effektiv ausgeführt wird.

Mit dieser Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung kann der Fokus-Positionierungsbetrieb ausgeführt werden, ohne daß das Verschiebemeßgerät 5 des Kontakt-Typs von dem Laserbearbeitungskopf 1 entfernt und daran angebracht wird.

Eine Verbindung des Laserbearbeitungskopfes mit der Verbindungsplatte 41, dem oberen Werkstückhalteelement 42 und der Düse 2 wird nicht immer mit dem Faltenbalg 40 ausgeführt, und sie kann mit einem hohlen Ausweitungsmechanismus, wie beispielsweise einem teleskopischen Mechanismus (einem Einnestungsmechanismus) ausgeführt werden.

Fig. 3 zeigt eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. Es sei darauf hingewiesen, daß in Fig. 3 die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen, die in Fig. 1 bezeichnet werden, Abschnitten zugeordnet sind, die denjenigen Abschnitten in der Fig. 1 entsprechen und eine Beschreibung davon hier weggelassen wird. In dieser Ausführungsform umfaßt ein Arbeitstisch (eine Antriebsbasis) eine Dreh-Antriebsbasis 11θ, die sich um ihre Mittenachse dreht, zusätzlich zu der X-Achsen-Antriebsbasis 11y und der X-Achsen-Antriebsbasis 11x, und die Dreh-Antriebsbasis 11θ wird von einem θ-Achsen-Servomotor (der in der Zeichnung nicht gezeigt ist), der von der NC-Einrichtung 20 gesteuert und angetrieben wird, gedreht.

Wie in Fig. 4A gezeigt, ist das Werkstück W eine quadratische Platte mit einer Fläche A und wird in der im wesentlichen horizontalen Stellung durch die Werkstückbasis 46 wie in einem Fall der Ausführungsform 1 gespannt und gehalten. Hierbei ist das gesamte Werkstück W auf der Werkstückbasis 46 befestigt und die gesamte Oberfläche des Werkstücks W dient als eine Bearbeitungsfläche, so daß eine Fläche des Bearbeitungsbereichs gleich A ist. In Fig. 4A ist ein Punkt P eine Position, die von einem Laserstrahl bestrahlt wird, und befindet sich an einer Mitte der Bearbeitungsfläche.

Als nächstes wird ein Betrieb zum Bewegen des Werkstücks W in die Axialrichtung durch den Arbeitstisch mit der Dreh-Antriebsbasis beschrieben.

1) Wie in Fig. 4A gezeigt, werden die Y-Achsen-Antriebsbasis 11y und die X-Achsen-Antriebsbasis 11x an die Laserbestrahlungsposition P innerhalb der Fläche Am bewegt, um ein zu bearbeitendes Gebiet a1 des Werkstücks W zu bearbeiten.
2) Wenn, wie in Fig. 4B gezeigt, eine Bearbeitung der zu bearbeitenden Fläche a1 abgeschlossen ist, wird die Dreh- Antriebsbasis 11θ um 90° auf der Laserbestrahlungsposition P als eine Achse gedreht.
3) Die Bearbeitungsdaten werden um 90° gedreht und die Y-Achsen-Antriebsbasis 11y und die X-Achsen-Antriebsbasis 11x werden an die Laser-Bestrahlungsposition P innerhalb des Gebiets oder der Fläche Am bewegt, um eine zu bearbeitende Fläche a2 des Werkstücks W zu bearbeiten.
4) Durch die voranstehend beschriebenen Schritte wird die Dreh-Antriebsbasis 11θ um 90° gedreht und Bearbeitungsbereiche a3 und a4, die jeweils bearbeitet werden sollen, werden bearbeitet.

Mit dem voranstehenden Betriebsvorgang 4) ist eine Bearbeitung von allen Bereichen abgeschlossen.

Wenn ein Antrieb nur in die X-Achsen- und Y-Achsenrichtungen ausgeführt wird, wird, wie in Fig. 4C gezeigt, für den Fall eines Werkstücks mit einer bearbeiteten Fläche von A und einer quadratischen Form (einem Längen-zu-Breitenverhältnis = 1 : 0) ein Bewegungsbereich benötigt, der viermal so groß wie eine Fläche A des Werkstücks ist, nämlich der Bewegungsbereich Ao=4A. Wenn aber das Werkstück durch die Dreh-Antriebsbasis 11θ um 90° gedreht wird, wird der Bewegungsbereich Aθ=2,54A, was bedeutet, daß der Bewegungsbereich verringert wird. Wegen diesem Merkmal ist es möglich, eine belegte Bodenfläche, die für die Laserstrahlbearbeitung benötigt wird, zu verringern.

Fig. 5 zeigt eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung. Es sei darauf hingewiesen, daß auch in Fig. 5 die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen, die in Fig. 1 verwendet werden, Abschnitten zugeordnet sind, die denjenigen in Fig. 1 entsprechen, und eine Beschreibung davon wird hier weggelassen. In dieser Ausführungsform sind die X-Achsen- Antriebsbasis 11x und die Werkstückbasis 46 auf dem Arbeitstisch (der Antriebsbasis) weggelassen, und Aufwickel-/Herauslaß-Spannungsrollen 50 und 51 sind an beiden Seiten der Y-Achsen-Antriebsbasis 11y vorgesehen.

Die Aufwicklungs-/Herauslaß-Spannungsrollen 50 und 51 sind mit beiden Enden eines Abstreifungszustands verbunden, um an das Werkstück zwischen die Rollen eine Spannung mit einer vorgegebenen Stärke anzulegen, und das Werkstück W wird in die X-Achsenrichtung bewegt, wenn die Aufwicklungs- /Herauslaß-Spannungsrollen 50 und 51 synchron von dem X-Achsen-Servomotor (der hier nicht gezeigt ist), der als einer der Steuerwellen für die NC-Einrichtung 20 dient, angetrieben werden, so daß die Bewegung des Werkstücks in die Achsenrichtung wie diejenige von der X-Achsen-Antriebsbasis erreicht wird.

In dieser Ausführungsform werden Betriebsvorgänge wie in einem Fall der Ausführungsform 1 ausgeführt, mit dem Unterschied, daß das Werkstück W mittels eines synchronen Antriebs mit den Aufwicklungs-/Herauslaß-Spannungsrollen 50 und 51 in die X-Achsenrichtung bewegt wird, und wenn ein Schneidevorgang ausgeführt wird, wird das Werkstück W zwischen dem oberen Werkstückhalteelement 42 und der höchst gleitfähigen Platte 48 der unteren festen Basis 47 an einer Position benachbart zu der Laserstrahl-Bearbeitungsposition gehalten, wodurch das Werkstück W nicht in Schwingungen versetzt wird, selbst wenn darauf ein Zusatzgas eingespritzt wird, ein Sammelzustand eines Laserstrahls auf dem Werkstück W in guten Bedingungen aufrechterhalten wird und eine Fokus-Position auf dem Werkstück W gehalten wird, was ermöglicht, eine minutiöse Bearbeitung mit hoher Genauigkeit auszuführen.

Mit dieser Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung ist es möglich, eine Größe der Vorrichtung in der X-Achsenrichtung zu verringern.

Fig. 6 zeigt eine Fokus-Positioniervorrichtung unter Verwendung einer Fokus-Positioniereinrichtung für eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Es sei darauf hingewiesen, daß in Fig. 6 die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen, die in Fig. 15 verwendet werden, Abschnitten zugeordnet sind, die denjenigen in Fig. 15 entsprechen, und eine Beschreibung davon wird hier weggelassen.

Eine Fokus-Positioniereinrichtung 60 ist aus einem höchst reflektionsfähigem Material, wie beispielsweise Metall mit einer Silberfarbe, gebildet und wird auf eine Oberfläche zum Laden eines Werkstücks anstelle des Werkstücks plaziert, wenn ein Fokus-Positioniervorgang ausgeführt werden soll.

Wie sich der Fig. 7 deutlich entnehmen läßt, umfaßt die Fokus-Positioniereinrichtung 60 wenigstens einen vorstehenden Streifen 61 mit einem Querschnitt wie ein Trapezoid und mit einer Breite seines Scheitels t, die kleiner als ein Durchmesser eines Laserstrahls an einer Fokusposition ist.

Als nächstes wird ein Schritt einer Positionierung eines Fokus mit der Fokus-Positioniereinrichtung 60 beschrieben.

1) Zunächst wird die Fokus-Positioniereinrichtung 60 auf eine spezifische Oberfläche zum Laden eines Werkstücks geladen und eine Mitte eines Bereichs, der von einem Laserstrahl L ausstrahlt wird, wird mit dem Scheitel des vorstehenden Streifens 61 der Fokus-Positioniereinrichtung 60 in Übereinstimmung gebracht.
2) Wie bei dem Beispiel auf Grundlage der herkömmlichen Technologie, wird der Laserbearbeitungskopf 1 zusammen mit der Sammellinse 3 in der Z-Achsenrichtung bewegt und ein Verhältnis c eines Ausgangs a von einem ersten Laserintensitätssensor 31 zu einem Ausgang b von einem zweiten Laserintensitätssensor 32, c = a/b, wird von einem Teiler 33 berechnet, um einen Fokussierungsgrad (ein Verhältnis c) zu erhalten.

Fig. 8B zeigt einen Zustand, bei dem die Fokusposition mit dem Scheitel des vorstehenden Streifens 61 in Übereinstimmung gebracht worden ist, und nur in diesem Fall wird ein reflektierter Strahl parallel zu dem ursprünglichen Strahl und geht in den Übertragungspfad, durch den der Laserstrahl vorher gekommen ist, zurück, und in diesem Fall wird eine Intensität des von dem ersten Laserintensitätssensor 31 erfaßten reflektierten Strahls maximal, und auch der Fokussierungsgrad (das Verhältnis c) wird maximal.

Wenn im Gegensatz dazu, wie in Fig. 8A und Fig. 8C gezeigt, die Fokus-Position von dem Scheitel des vorstehenden Streifens 61 verschoben ist, wird fast der gesamte Laserstrahl auf eine geneigte Oberfläche des vorstehenden Streifens 61 gestrahlt, und sein reflektierter Strahl geht fast von dem ankommenden optischen Pfad weg, selbst wenn die Verschiebung geringfügig ist, so daß die Intensität des von dem ersten Laserintensitätssensor 31 erfaßten reflektierten Strahls drastisch auf fast Null herunter reduziert wird.

Wegen des voranstehend beschriebenen Merkmals, wie in Fig. 9 gezeigt, zeigt ein Fokussierungsgrad (das Verhältnis c), der von einem Meßgerät 34 angezeigt wird, im Vergleich mit dem Beispiel auf Grundlage der herkömmlichen Technologie (siehe Fig. 17) eine ausgeprägtere Spitze (ein ausgeprägteres Maximum) an der Fokusposition, so daß eine Fokus-Positionierung mit einer hohen Genauigkeit leicht durch eine visuelle Überprüfung eines Werts des Meßgeräts 34 ausgeführt werden kann.

Fig. 10 zeigt eine Laserstrahldurchmesser-Meßvorrichtung unter Verwendung einer Laserstrahldurchmesser-Meßeinrichtung für eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es sei darauf hingewiesen, daß auch in Fig. 10 die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen, die in Fig. 15 verwendet werden, Abschnitten zugeordnet sind, die denjenigen in Fig. 15 entsprechen, und eine Beschreibung davon wird hier weggelassen.

Eine Laserstrahldurchmesser-Meßeinrichtung 70 ist aus einem höchst reflektionsfähigen, reflektierenden Material, wie beispielsweise Metall mit einer Silberfarbe, gebildet und ist auf einer Oberfläche zum Laden eines Werkstücks anstelle des Werkstücks plaziert, wenn ein Fokus-Positioniervorgang ausgeführt werden soll.

Wie deutlich in Fig. 11 gezeigt, umfaßt die Laserstrahldurchmesser-Meßeinrichtung 70 wenigstens einen vorstehenden Streifen 71, der in der Y-Achsenrichtung verläuft, mit einer Querschnittsform wie ein Trapezoid und auch mit einer Breite an seinem Scheitel t, die sich kontinuierlich und linear ändert. Die Breite des Scheitel t ist in geeigneter Weise breiter als ein Laserstrahldurchmesser an der Fokus-Position an einem Ende des vorstehenden Streifens 71 in der Y-Achsenrichtung und in geeigneter Weise schmaler als der Laserstrahldurchmesser an der Fokus-Position an dem anderen Ende des vorstehenden Streifens 71 in der Y-Achsenrichtung.

Als nächstes wird ein Vorgang zum Messen eines Laserstrahldurchmessers durch Verwendung der Laserstrahldurchmesser-Meßeinrichtung 70 durchgeführt.

1) Zunächst wird die Laserstrahldurchmesser-Meßeinrichtung 70 auf eine spezifische Oberfläche zum Beladen eines Werkstücks geladen. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Korrelation zwischen der Breite t des Scheitels des vorstehenden Streifens 71 und der Position in der Y-Achsenrichtung vorher in einer NC-Einrichtung 20 gespeichert.
2) Als nächstes wird eine Mitte der Fläche, die von dem Laserstrahl L bestrahlt wird, und die Fokus-Position an dem Scheitel des vorstehenden Streifens 61 der Fokus-Positioniereinrichtung 60 in Übereinstimmung gebracht, die Laserstrahldurchmesser-Meßeinrichtung 70 wird in die Y-Achsenrichtung zu der Düse 2 bewegt, eine Bestrahlung des Laserstrahls L wird nämlich an dem Scheitel entlang getastet, und während der Bewegung in der Y-Achsenrichtung wird ein Verhältnis c eines Ausgangs a von dem ersten Laserintensitätssensor 31 zu einem Ausgang b des zweiten Laserintensitätssensors 32 (c = a/b) von dem Teiler 33 berechnet, um einen Fokussierungsgrad (ein Verhältnis c) zu erhalten.

Wenn ein Laserstrahl auf einen Scheitel des vorstehenden Streifens 71 in dem fokussierten Zustand gestrahlt wird, während der Laserstrahl auf eine Fläche zwischen einem Abschnitt, an dem die Breite des Scheitels t größer als ein Durchmesser des zusammengefaßten Laserstrahls ist, und einem Abschnitt, an dem die Breite des Scheitels t gleich zu dem Durchmesser des zusammengefaßten Laserstrahls ist, wie in Fig. 11(1) gezeigt, aufgestrahlt wird, wird eine Intensität des reflektierten Strahls nicht geändert, wie in Fig. 12 (1) und (2) gezeigt. Wenn der Laserstrahl auf einen Abschnitt gestrahlt wird, an dem die Breite des Scheitels t kleiner als der Laserstrahldurchmesser 9 ist, wird die Intensität des reflektierten Strahls im Vergleich zu derjenigen des Laserstrahls, der auf den Abschnitt gestrahlt wird, an dem die Breite des Scheitels t gleich zu dem Laserstrahldurchmesser ist, drastisch reduziert, wie in Fig. 12 (2) und (3) gezeigt, selbst wenn die Breite nur geringfügig kleiner als der Laserstrahldurchmesser ist.

Wegen dem voranstehend beschriebenen Merkmal kann eine Messung eines Durchmessers eines Laserstrahls mit einer hohen Genauigkeit und ohne Verschwendung eines Probenmaterials, wie beispielsweise eines Acrylharzes, ausgeführt werden, indem eine Breite t des Scheitels in der Y-Achsenrichtung erhalten wird, bei der eine Intensität des reflektierten Laserstrahls von den Daten, die in der NC-Einrichtung 20 gespeichert sind, beginnt abzunehmen.

Wie sich aus der obigen Beschreibung entnehmen läßt, wird bei quer Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Werkstück zwischen einem oberen Werkstückhalteelement und einer unteren festen Basis an einer Position benachbart zu der Laserstrahl-Bearbeitungsposition gehalten, so daß das Werkstück aufgrund eines Drucks eines eingespritzten Zusatzgases selbst dann nicht gebogen wird, wenn es sich bei dem Werkstück um eine extrem dünne Platte handelt, und eine Fokus-Position auf dem Werkstück wird nicht verändert, während der konvergierte Zustand eines Laserstrahls auf dem Werkstück in guten Bedingungen beibehalten wird, was die Durchführung einer minutiösen Bearbeitung stabil mit einer hohen Genauigkeit ermöglicht. Ferner ist es möglich, einen Fokus-Positioniervorgang auszuführen, ohne daß ein Verschiebesensor des Kontakt-Typs von dem Laserbearbeitungskopf entfernt und daran angebracht wird, wodurch die zur Vorbereitung und Einstellung des Fokus-Positioniervorgangs benötigte Zeit verkürzt werden kann.

Mit der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung ist ein Durchloch, das an einer von einem Laserstrahl bestrahlten Position auf der unteren festen Basis vorgesehen ist, ein verjüngtes Durchloch, das sich in einer Richtung entgegengesetzt zu einer Seite, die von dem Laserstrahl bestrahlt wird, aufweitet, so daß das Zusatzgas, das durch eine Schneidenut während des Vorgangs zur Schneidebearbeitung strömt, keinerlei Behinderung an einer Innenwand des Durchlochs ergibt, was die Erzeugung von Grus, der von einem geschmolzenen Material erzeugt wird, das von dem Zusatzgas nicht entfernt worden ist und darauf zurückbleibt, verringert, und die Schneidequalität wird verbessert.

Mit der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung strömt das Zusatzgas, das gegen den Laserstrahl-Bearbeitungsabschnitt geblasen wird, von einem Schlitz nach außen, was es ermöglicht, ein Zusatzgas auf ein Werkstück unter stabilen Bedingungen zu spritzen, und eine Menge von erzeugtem Grus oder Abfall wird verringert, wobei die Schneidequalität verbessert wird. Ferner ist es auch möglich, daß ein Werkstück, wie beispielsweise eine extrem dünne Platte, stabil mit der unteren festen Basis in Kontakt gebracht wird, ohne durch einen Druck eines Zusatzgases beeinflußt zu werden, so daß sich eine Fokus-Position nicht ändert und eine minutiöse Bearbeitung mit hoher Genauigkeit unter stabilen Bedingungen ausgeführt werden kann.

Mit der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung wird eine Oberfläche des oberen Werkstückhalteelements und/oder der unteren festen Basis, der dem Werkstück gegenüberliegenden Stirnfläche, aus einem Oberflächenmaterial mit einer hohen Gleitfähigkeit gebildet, so daß eine Bewegung des Werkstücks mit einem geringen Reibungswiderstand ausgeführt wird, was keinerlei Kratzer auf dem Werkstück verursacht, und somit ist es möglich, eine minutiöse Bearbeitung stabil mit hoher Genauigkeit auszuführen.

Mit der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung kann sich das Werkstück wegen einer Drehung der Dreh-Antriebsbasis drehen und seine Position ändern, so daß ein Bewegungsbereich für die Antriebsbasis bei einer Laserstrahlbearbeitung auf eine kleine Fläche reduziert werden kann, was die Minimierung der Vorrichtung ermöglicht.

Mit der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung legt ein Paar von Aufwicklungs- /Herauslaß-Spannungsrollen eine Zugkraft mit einer spezifizierten Stärke an das Werkstück zwischen die Rollen an und bewegt das Werkstück mittels eines synchronen Antriebs in der axialen Richtung, so daß eine Bewegungsfläche für die Antriebsbasis bei der Laserstrahlbearbeitung auf eine kleine Fläche verringert werden kann, was eine Minimierung der Vorrichtung ermöglicht.

Mit einer Fokus-Positioniereinrichtung für eine Laserstrahl- Bearbeitungsvorrichtung gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung wird eine Änderung eines reflektierten Strahls für eine Verschiebung von der Fokus-Position durch Ausführen einer Fokus-Positionierung an einem Scheitel eines vorstehenden Streifens größer, so daß eine Fokus-Positionierung mit hoher Genauigkeit leicht ausgeführt werden kann, und infolge dessen ist es möglich, eine minutiöse Laserstrahl-Bearbeitung mittels dieser Fokus-Positionierung stabil auszuführen.

Mit einer Meßeinrichtung für den Durchmesser eines konvergierten oder gesammelten Laserstrahls für eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung wird eine Aufstrahlung eines Laserstrahls auf einem Scheitel des vorstehenden Streifens abgetastet, wenn der Laserstrahl an dem Scheitel fokussiert ist, und der Laserstrahldurchmesser wird durch Überprüfung von Änderungen einer Reflexionsstrahl-Intensität in dem Schritt gemessen, so daß eine Messung des Laserstrahldurchmessers mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden kann und es infolge dessen möglich ist, eine minutiöse Laserstrahlbearbeitung gemäß einem Ergebnis der Messung stabil auszuführen.

Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. HEI 9-148342, die am japanischen Patentamt am 5. Juni 1997 eingereicht wurde, wobei der gesamte Inhalt davon hier durch Bezugnahme Teil der vorliegenden Anmeldung ist.

Obwohl die Erfindung bezüglich einer spezifischen Ausführungsform für eine vollständige und deutliche Offenbarung beschrieben worden ist, sind die beigefügten Ansprüche nicht als einschränkend ausgeführt, sondern sie sind zur Verkörperung sämtlicher Modifikationen und alternativen Konstruktionen aufgestellt, die einem Durchschnittsfachmann einfallen können und die relativ in die hier aufgeführte grundlegende Lehre fallen.

Claims

1. Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung, umfassend:
eine Antriebsbasis (11) zum Haltern eines plattenförmigen Werkstücks, die an dieses eine Zugkraft anlegt und das Werkstück in der axialen Richtung bewegt;
einen Laserbearbeitungskopf (1), der eine Einrichtung zum optischen Sammeln eines Laserstrahls aufweist und die Achse in einer Richtung bewegen kann, in der ein Laserstrahl auf dem Werkstück fokussiert wird;
ein oberes Werkstückhalteelement (42) mit einer Düse (2) zum Aufstrahlen eines Laserstrahls, der damit integriert ist;
ein hohles teleskopisches Kontaktelement (40), um den Laserbearbeitungskopf (1) und das obere Werkstückhalteelement (42) zu verbinden, so daß sie ihre relative Position zueinander in der Fokussierungsrichtung ändern können; und
eine untere feste Basis (47), die an einer Position entsprechend einer Mittenposition der Düse (2) befestigt ist; wobei das Werkstück zwischen dem oberen Werkstückhalteelement (42) und der unteren festen Basis (47) an einer Position benachbart zu der Laser-Bearbeitungsposition gehalten wird.

2. Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein verjüngtes Durchloch (49), das sich in einer Richtung entgegengesetzt zu einer von einem Laserstrahl bestrahlten Seite aufweitet, an einer von einem Laserstrahl bestrahlten Position auf der unteren festen Basis (47) vorgesehen ist.

3. Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Werkstückhalteelement (42) eine zylindrische Form aufweist, die auch wie eine umgedrehte Tasse aussieht, und auch einen Schlitz (45) aufweist, um ein Zusatzgas in den Umfangsabschnitt auszulassen.

4. Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberfläche des oberen Werkstückhalteelements (42) und/oder der unteren festen Basis (47), wobei diese Oberfläche auf ein Werkstück zugekehrt ist, aus einem Oberflächenmaterial mit einer hohen Gleitfähigkeit (48) gebildet ist.

5. Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsbasis (11) eine Dreh-Antriebsbasis (11θ) umfaßt.

6. Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsbasis (11) ein Paar von Aufwicklungs-/Herauslaß-Spannungsrollen (50, 51) umfaßt, um an ein Werkstück eine Zugkraft mit einer spezifizierten Stärke anzulegen, um das Werkstück mittels eines synchronen Antriebs in der axialen Richtung zu bewegen.

7. Fokus-Positioniereinrichtung für eine Laserstrahl- Bearbeitungsvorrichtung, umfassend wenigstens einen vorstehenden Streifen (61) mit einer Querschnittsform wie ein Trapezoid und mit einer Breite seines Scheitels, die kleiner als ein Durchmesser eines Laserstrahls an dem Fokus ist.

8. Meßeinrichtung für den Durchmesser eines zusammengefaßten Laserstrahls für eine Laserstrahl- Bearbeitungsvorrichtung mit wenigstens einem vorstehenden Streifen (71) mit einer Querschnittsform wie ein Trapezoid und auch mit einer Breite seines Scheitels, die sich von einem Abschnitt, der in geeigneter Weise breiter als ein Laserstrahldurchmesser an dem Fokus ist, linear auf einen Abschnitt, der in geeigneter Weise schmaler als ein Laserstrahldurchmesser an dem Fokus ist, ändert.