DE19804305C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ablenken eines Laserstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ablenken eines Laserstrahls entlang einem Umfang einer Polarvektorfigur, wie z. B. einem Kreis oder einer Ellipse, wobei sich das Verfahren und die Vorrichtung insbesondere zum Trepanieren eignen.

Es ist bekannt, Laser nach dem Trepanierverfahren zum Schneiden bzw. Bearbeiten von Strukturen in bestimmten Gegenständen, wie z. B. dünnen Metallblättchen, zu verwenden. Mit Hilfe der dabei eingesetzten Laser-Schneidanlagen können kleine Strukturen in der Größenordnung von bis zu 200 µm geschnitten werden.

Aus der DE 37 02 330 A1 beispielsweise ist bekannt, eine Strahlablenkung durch Drehen von Prismen zu bewirken.

Bei der herkömmlichen Technik der obigen Laser-Schneidanlagen ist es jedoch notwendig, den gesamten Laserkopf oder das zu bearbeitende Objekt zu bewegen bzw. Laserkopf und Objekt zueinander zu bewegen. Nachteilig beim Bewegen des Laserkopfes ist dessen relativ große Masse von etwa 30 bis 40 kg, die das Erreichen einer hohen Präzision bei der gewünschten Struktur aufwendig macht. Wenn das Objekt bewegt wird, erweist sich als Nachteil, daß die Auflösung des Meß- und Regelsystems abhängig von der Bearbeitungsfläche ausgelegt werden muß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen, mit dem Strukturen von deutlich weniger als 200 µm geschnitten bzw. bearbeitet werden können, wobei die Auflösung unabhängig vom Antrieb eines Positioniersystems für die zu bearbeitenden Objekte ist und wobei ein hoher Durchsatz möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst.

Dadurch, daß das Zentrum einer fokussierenden Optik für den Laserstrahl, die beispielsweise aus einer Fokussierlinse bestehen kann, auf einer Bewegungsbahn relativ zu dem einfallenden Laserstrahl bewegt wird, die durch Addition zweier Vektoren entsteht, die rotiert werden, wird erreicht, daß nur die fokussierende Optik, und nicht der Laserkopf selbst oder das zu bearbeitende Objekt, bewegt zu werden braucht. Aufgrund der viel geringeren Masse der fokussierenden Optik bzw. der Fokussierlinse im Vergleich zu dem Laserkopf bzw. aufgrund der zum einen stets gleichbleibenden und zum anderen im Vergleich zu dem zu bearbeitenden Objekt oftmals relativ geringen Abmessungen der fokussierenden Optik ist auf besonders einfache und präzise Weise eine Bewegung des Laserstrahls relativ zu dem Objekt möglich. Dabei wird das physikalische Prinzip ausgenutzt, daß ein parallel zur optischen Achse auf eine Fokussierlinse treffender Lichtstrahl stets durch den Brennpunkt der Fokussierlinse verläuft. Wenn nun die Fokussierlinse senkrecht zu ihrer optischen Achse verschoben wird, verschiebt sich auch entsprechend ihr Brennpunkt. Der ortsfest gebliebene Laserstrahl wird jedoch nach dem Verschieben der Fokussierlinse weiterhin durch den verschobenen Brennpunkt verlaufen. Entsprechendes gilt für eine aus mehreren Komponenten bestehende fokussierende Optik.

Durch die Addition zweier Vektoren, die sich mit derselben Winkelgeschwindigkeit gegenüber einem ortsfesten Koordinatensystem bewegen, wird ein Gesamtvektor erzeugt, der sich ebenfalls mit dieser Winkelgeschwindigkeit dreht und stets einen konstanten Betrag aufweist und somit einen Kreis beschreibt, da die beiden addierten Vektoren relativ zueinander stets denselben Winkel beibehalten.

Es kann insbesondere vorgesehen sein, daß die beiden addierten Vektoren mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten rotiert werden. Dadurch lassen sich auch andere Bewegungsbahnen des Gesamtvektors als diese genannten Kreisbahnen erzielen, wie unten näher erläutert wird.

Da die fokussierende Optik bzw. die Fokussierlinse aufgrund ihrer geringen Masse und ihrer geringen Abmessungen leicht zu bewegen ist, ist es möglich, sehr kleine Strukturen mit einem hohen Durchsatz zu schneiden bzw. zu bearbeiten. Dabei kann die Auflösung des Meß- und Regelsystems unabhängig von der zu bearbeitenden Fläche ausgelegt werden. Darüber hinaus erlaubt die Erzeugung der gewünschten Bewegungsbahn auf der Grundlage der Addition zweier Vektoren ein erstmaliges Durchdringen des zu bearbeitenden Gegenstandes durch den Laserstrahl an einer Stelle, die innerhalb der gewünschten geschlossenen Bewegungsbahn liegt. Dadurch ist erreicht, daß erst nach dem "Einstechen" des Laserstrahls an den Umfang der gewünschten Struktur herangefahren wird. Auf diese Weise können Ungenauigkeiten, die möglicherweise beim "Einstechen" des Laserstrahls entstehen, in einen Bereich des zu bearbeitenden Gegenstandes verlagert werden, der nach Beendigung des Schneidens herausgeschnitten sein wird. Auch beim Beenden der gewünschten Schneidbahn bzw. beim "Herausnehmen" des Laserstrahls kann entsprechend verfahren werden, um zu erreichen, daß das System sich wieder in seiner Grundeinstellung befindet.

Vorzugsweise werden die Winkelgeschwindigkeiten der beiden addierten Vektoren zunächst derartig unterschiedlich, aber konstant gehalten oder auch unterschiedlich verändert, daß die Bewegungsbahn des Zentrums der fokussierenden Optik von einem Startpunkt, bei dem der Brennpunkt der fokussierenden Optik innerhalb der zu schneidenden Polarvektorfigur liegt, zum Umfang der in der entsprechenden Ebene der fokussierenden Optik bzw. der Linsenebene liegenden senkrechten Projektion der Figur hin verläuft. So können beispielsweise die beiden addierten Vektoren zu Beginn die gleiche Richtung, aber entgegengesetzte Orientierung aufweisen. Wenn die beiden Vektoren mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten bewegt werden, werden sich die beiden Vektoren aus ihrer antiparallelen Stellung heraus und vorzugsweise maximal in die parallele Stellung bewegen. Die relative Bewegung der beiden Vektoren zueinander erfolgt so lange, bis die beiden Winkelgeschwindigkeiten angeglichen sind. Ab diesem Zeitpunkt nehmen die beiden Vektoren einen festen Winkel zueinander ein, und der resultierende Gesamtvektor bewegt sich auf einer Kreisbahn. Die beiden Winkelgeschwindigkeiten können ab dem Zeitpunkt, in dem der Brennpunkt sich auf dem Umfang der zu schneidenden Polarvektorfigur befindet, konstant gehalten werden, und zwar so lange, bis der gesamte Umfang der Polarvektorfigur überstrichen ist. Auf diese Weise wird eine kreisförmige Schneidbahn erhalten.

Um andere Polarvektorfiguren als einen Kreis zu erhalten, wird die Differenz der beiden Drehwinkel auch variiert - d. h. die Winkelgeschwindigkeiten werden verschieden eingestellt -, während sich der Brennpunkt auf dem Umfang der zu schneidenden Polarvektorfigur befindet. Wie der zeitliche Verlauf der Differenz der Drehwinkel bzw. der Winkelgeschwindigkeiten auszusehen hat, hängt natürlich von der Form der Polarvektorfigur ab, zum anderen aber auch von der Länge der beiden addierten Vektoren.

Beispielsweise können mit Hilfe dieses Verfahren auf einfache Weise eine Ellipse, eine abgerundete Rechteckfigur und eine Fingerblendenfigur geschnitten werden. Auch das Schneiden eines Rechtecks ist möglich.

Nach Überstreichen des gesamten Umfangs der Polarvektorfigur können die Winkelgeschwindigkeiten erneut bzw. weiterhin unterschiedlich, aber konstant gehalten oder auch unterschiedlich verändert werden, und zwar so, daß die Bewegungsbahn des Zentrums der fokussierenden Optik wieder den Startpunkt erreicht. Damit befindet sich das Zentrum der fokussierenden Optik bzw. der Brennpunkt wieder in seiner definierten Ausgangsstellung, und es kann ein neuer Schneidvorgang gestartet werden.

Vorzugsweise haben die beiden zu addierenden Vektoren dieselbe Länge. Die Vielfalt der Polarvektorfiguren, die geschnitten werden können, ist dann besonders groß. Ferner können in diesem Fall die Vektoren so gedreht werden, daß der Gesamtvektor der Nullvektor ist, sich die Exzentrizitäten also aufheben, so daß der Laserstrahl durch das Zentrum der fokussierenden Optik verläuft. Die Polarvektorfiguren lassen sich sowohl aus dem Stillstand der fokussierenden Optik als auch aus deren Bewegung heraus erzeugen.

Es kann auch vorgesehen sein, daß zusätzlich das zu bearbeitende Objekt verfahren wird. Dies ist dann von Vorteil, wenn zum Beispiel Figuren geschnitten werden sollen, die relativ groß sind und - wie zum Beispiel Rechteckfiguren - mit Hilfe einer Bewegung des Objektes entlang zwei rechtwinkliger Achsen einfach zu schneiden sind. Es ist vorteilhaft, wenn dazu das System vorher, wie oben beschrieben, in seine Grundeinstellung gebracht worden ist, um eine möglichst hohe Positioniergenauigkeit beim Verfahren des Objektes zu erzielen. Das Objekt kann auch verfahren werden, um bei einem fest eingestellten Radius oder auch unter Variation des Radius mehrere Kreise nebeneinander zu schneiden, wobei nach Beendigung eines Kreises der Laserstrahl kurzfristig abgeschottet wird, während das Objekt verfahren wird, um anschließend einen weiteren Kreis zu schneiden, den Laserstrahl also wieder beispielsweise für einige Umdrehungen zu öffnen.

Die Aufgabe wird in Bezug auf die Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine erste drehbare Einheit auf, auf der eine zweite drehbare Einheit exzentrisch befestigt ist. Auf der zweiten drehbaren Einheit ist eine fokussierende Optik exzentrisch befestigt. Die fokussierende Optik kann zum Beispiel aus einer Fokussierlinse bestehen. Beide Einheiten werden jeweils von einem eigenen Antrieb gedreht.

Die beiden genannten Exzentrizitäten stellen die zu addierenden Vektoren dar. Somit ist es vorteilhaft, wenn die Exzentrizitäten betragsmäßig gleich sind.

Vorzugsweise sind die beiden drehbaren Einheiten kreisrunde Scheiben. Der Antrieb der zweiten drehbaren Einheit kann auf der ersten drehbaren Einheit angebracht sein. In diesem Fall muß der Antrieb nur eingeschaltet werden, wenn die Winkelgeschwindigkeiten der beiden drehbaren Einheiten unterschiedlich sein sollen; somit wird die zweite drehbare Einheit, wenn eine Kreisbahn erzielt werden soll, durch ihren Antrieb lediglich eingestellt. Wenn der Antrieb der zweiten drehbaren Einheit hingegen nicht auf der ersten drehbaren Einheit, sondern extern befestigt ist, muß, wenn ein Kreis geschnitten werden soll, der Antrieb der zweiten drehbaren Einheit diese mit derselben Winkelgeschwindigkeit antreiben, mit der der Antrieb der ersten drehbaren Einheit diese antreibt.

Die beiden Antriebe sind vorzugsweise Zahnriemenantriebe. Dies hat den Vorteil, daß in dem Fall, in dem der zweite Antrieb nicht auf der ersten drehbaren Einheit angebracht ist, der Zahnriemen so gespannt sein kann, daß er in jeder Position der exzentrisch gelagerten zweiten drehbaren Einheit gespannt ist.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung einen verfahrbaren, das zu bearbeitende Objekt aufnehmenden Positioniertisch auf, um auch das zu bearbeitende Objekt relativ zu dem Laserstrahl verfahren zu können.

Im folgenden werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:

Fig. 1, eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung;

Fig. 2, eine vergrößerte schematische Darstellung einer Teileinheit der Vorrichtung der Fig. 1;

Fig. 3, eine vergrößerte schematische Darstellung einer weiteren Teileinheit der Vorrichtung der Fig. 1;

Fig. 4, eine Prinzipskizze der Addition und der Bewegung zweier die Exzentrizitäten beschreibenden Vektoren;

Fig. 5, eine schematische Darstellung einer zum Schneiden eines Kreises vorgesehenen Bewegungsbahn des Zentrums der Fokussierlinse;

Fig. 6, ein Prinzipdiagramm, in dem die Differenz der Drehwinkel der beiden Exzentrizitätsvektoren in Abhängigkeit von dem Drehwinkel des Gesamtvektors dargestellt ist.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine erste drehbare Einheit in Form einer kreisrunden Scheibe 2 auf. Auf der Scheibe 2 ist eine zweite drehbare Einheit in Form einer weiteren kreisrunden Scheibe 3 befestigt. Die Scheibe 3 ist exzentrisch auf der Scheibe 2 befestigt, d. h. ihr Mittelpunkt ist in der in der Fig. 1 gezeigten momentanen Position entgegen der x-Richtung des dargestellten ortsfesten Koordinatensystems 4 in Bezug auf den Mittelpunkt M₀ der Scheibe 2 verschoben, der im Ursprung des Koordinatensystems 4 liegt.

Auf der Scheibe 3 ist eine Fokussierlinse 5 befestigt. Die Fokussierlinse 5 ist exzentrisch bezüglich der Scheibe 3 angeordnet, und zwar ist der Mittelpunkt der Fokussierlinse 5 in der in Fig. 1 dargestellten Position in Richtung der x-Achse in Bezug auf den Mittelpunkt der Scheibe 3 verschoben.

Die Scheibe 2 wird von einem ersten Zahnriemenantrieb 6 um ihren Mittelpunkt M₀ gedreht. Die Scheibe 3 wird von einem zweiten Zahnriemenantrieb 7 ebenfalls um ihren Mittelpunkt gedreht.

In Fig. 2 sind die Scheibe 2 und die Scheibe 3 detaillierter dargestellt. Die Scheibe 2 weist den Radius r₁ auf. Die Scheibe 3 besitzt den Mittelpunkt M₁ und weist den Radius r₂ auf. Ein auf die Scheibe 3 bezogenes Koordinatensystem mit den Achsen x und y' ist mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet. Die Exzentrizität der Scheibe 3 in Bezug auf die Scheibe 2 ist durch den Vektor ₁ dargestellt. In Fig. 3 sind die Scheibe 3 und die Fokussierlinse 5 detaillierter dargestellt. Die Fokussierlinse 5 besitzt den Mittelpunkt M₂ und weist den Radius r₃ auf. Die Exzentrizität der Fokussierlinse 5 in Bezug auf die Scheibe 3 ist durch den wiederum auf das Koordinatensystem 4 bezogenen Vektor ₂ dargestellt.

In Fig. 4 ist die Addition der Vektoren ₁ und ₂ zu dem Gesamtvektor dargestellt. Der Vektor ₁ wird mit der Winkelgeschwindigkeit ω₁ gedreht, so daß der Vektor den Drehwinkel Φ₁ zur x-Achse einnimmt. Der Vektor ₂ wird mit der Winkelgeschwindigkeit ω₂ gedreht und nimmt mit der x-Achse den Drehwinkel Φ₂ ein. Die Längen der Vektoren ₁ und ₂ sind gleich. Somit heben sich die beiden Vektoren in der Grundeinstellung, in der die in Fig. 4 definierte Differenz ΔΦ der Drehwinkel gleich Null ist, auf bzw. ergeben als Gesamtvektor den Nullvektor. Erst wenn ΔΦ durch Drehung der Scheibe 3 von Null verschieden wird, spannt sich ein von Null verschiedener Gesamtvektor auf. Die Drehwinkeldifferenz ΔΦ beträgt vorzugsweise maximal 180°. Wenn die Drehwinkeldifferenz ΔΦ, wie in Fig. 4 dargestellt, konstant ist, ergibt sich durch Drehung der Scheibe 2 als Polarvektorfigur ein Kreis. Der Radius dieses Kreises ist gleich der Länge c des Gesamtvektors .

Fig. 5 zeigt den prinzipiellen Verlauf der Bewegungsbahn des Zentrums der Fokussierlinse 5. Ausgehend von einem Startpunkt S bewegt sich das Linsenzentrum zunächst auf dem Teilabschnitt 9 bis zu dem Umfang 10 der in der Linsenebene liegenden senkrechten Projektion der zu schneidenden Polarvektorfigur, die in diesem Fall ein Kreis ist. Anschließend überstreicht das Linsenzentrum den gesamten Umfang des Kreises 10. Danach kehrt das Linsenzentrum wieder zu dem Startpunkt S zurück, indem sich das Linsenzentrum entlang des Teilabschnitts 11 bewegt. Die Drehwinkel der Vektoren ₁ und ₂ und des Gesamtvektors , der die Position des Linsenzentrums beschreibt, überstreichen dabei einen Winkel von mehr als 2 π.

In Fig. 6 ist die Differenz ΔΦ der Drehwinkel der Vektoren ₁ bzw. ₂ in Abhängigkeit des Drehwinkels Φ₃ des aus der Addition der beiden Vektoren resultierenden Gesamtvektors für den Fall der Bewegungsbahn der Fig. 5 dargestellt. Zu Beginn wird die Differenz der Drehwinkel variiert, bis ein Drehwinkel Φ₃ von etwa π/4 erreicht ist. Danach sind beide Winkelgeschwindigkeiten gleich und somit die Differenz der Drehwinkel konstant. Wenn ein Drehwinkel Φ₃ von etwa 2 1/4 π erreicht ist, werden die Winkelgeschwindigkeiten wieder unterschiedlich konstant gehalten bzw. unterschiedlich verändert. Im vorliegenden Beispiel wird die Differenz der Drehwinkel wieder auf Null zurückgeführt. Dieser Wert ist bei einem Drehwinkel Φ₃ von 5/2 π erreicht. Die Drehwinkel der beiden Vektoren können generell jedoch auch in der Anfangs- und in der Endposition unterschiedlich sein. Die Differenz der Drehwinkel Φ₁ und Φ₂ ist somit zwischen den Φ₃-Werten 0 und π/4 bzw. 2 1/4 π und 5/2 π nicht konstant. Dies sind die Bereiche der Drehwinkel der beiden addierten Vektoren, bei denen sich das Linsenzentrum nicht auf dem Umfang der senkrechten Projektion des zu schneidenden Kreises 10 befindet, sondern auf den Teilabschnitten 9 bzw. 11.

Die Bewegung des Linsenzentrums auf dem Teilabschnitt 9 dient dazu, den Laserstrahl von einer "Einstechposition" zu dem Umfang der zu schneidenden Polarvektorfigur zu führen, um beim "Einstechen" naturgemäß entstehende Ungenauigkeiten in den ausgeschnittenen Bereich zu verlagern. Die Bewegung des Linsenzentrums auf dem Teilabschnitt 11 dient dazu, nach Vollendung des Schneidens der vorgesehenen Polarvektorfigur den Brennpunkt wieder in seine Ausgangsstellung zurückzuführen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung können sehr feine Strukturen geschnitten bzw. bearbeitet werden.

Claims (15)

1. Verfahren zum Ablenken eines Laserstrahls entlang einem Umfang einer Polarvektorfigur, wie z. B. einem Kreis oder einer Ellipse, insbesondere zum Trepanieren, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum einer fokussierenden Optik für den Laserstrahl auf einer Bewegungsbahn relativ zu dem einfallenden Laserstrahl bewegt wird, wobei die Bewegungsbahn durch Addition zweier Vektoren entsteht, die rotiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vektoren mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten rotiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Winkelgeschwindigkeiten zunächst derartig unterschiedlich sind, daß die Bewegungsbahn des Zentrums der fokussierenden Optik von einem Startpunkt, bei dem der Brennpunkt der fokussierenden Optik innerhalb der zu schneidenden Polarvektorfigur liegt, zum Umfang der in der entsprechenden Ebene der fokussierenden Optik liegenden senkrechten Projektion der Polarvektorfigur hin verläuft.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ab dem Zeitpunkt, in dem der Brennpunkt sich auf dem Umfang der Polarvektorfigur befindet, die beiden Winkelgeschwindigkeiten gleich gehalten werden, bis der gesamte Umfang der Polarvektorfigur überstrichen ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ab dem Zeitpunkt, in dem der Brennpunkt sich auf dem Umfang der zu schneidenden Polarvektorfigur befindet, die beiden Winkelgeschwindigkeiten derartig unterschiedlich sind, daß die zu schneidende Polarvektorfigur erhalten wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach Überstreichen des Umfangs der Polarvektorfigur die beiden Winkelgeschwindigkeiten derartig unterschiedlich sind, daß die Bewegungsbahn wieder den Startpunkt erreicht.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vektoren dieselbe Länge haben.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich das zu bearbeitende Objekt verfahren wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer ersten drehbaren Einheit (2) eine zweite drehbare Einheit (3) exzentrisch befestigt ist, auf der wiederum eine fokussierende Optik (5) exzentrisch befestigt ist, wobei die erste drehbare Einheit (2) von einem ersten Antrieb (6) gedreht wird und die zweite Einheit (3) von einem zweiten Antrieb (7) gedreht wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die fokussierende Optik aus einer Fokussierlinse besteht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden drehbaren Einheiten kreisrunde Scheiben (2, 3) sind.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizitäten betragsmäßig gleich sind.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Antrieb (7) sich auf der ersten drehbaren Einheit (2) befindet.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Antriebe Zahnriemenantriebe (6, 7) sind.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen verfahrbaren Positioniertisch für das zu bearbeitende Objekt aufweist.