DE3940694C2

DE3940694C2 -

Info

Publication number: DE3940694C2
Application number: DE3940694A
Authority: DE
Inventors: Minoru Suzuki; Kazuo Hitachi Jp Mera
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-12-09
Filing date: 1989-12-08
Publication date: 1993-05-06
Also published as: JPH02155589A; DE3940694A1; US5045679A

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlengang-Justierein richtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Laseroszillator wird üblicherweise an einer inneren Elektrode entladen, um ein Lasermedium zur Erzeugung eines Laserstrahles anzuregen. Der Laserstrahl wird zwischen minde stens einem Spiegelpaar einer Resonanzverstärkung unterworfen, wobei der verstärkte Laserstrahl durch einen Austritts-Spiegel parallel ausgerichtet nach außen tritt. Der parallele Laser strahl wird mittels eines Umlenkungs-Spiegels rechtwinklig ab gelenkt, tritt durch eine Sammellinse, und bestrahlt ein Werkstück zum Zweck der Feinbearbeitung, wie beispielsweise Schneiden, Schweißen o. ä. Auf diese Weise erfolgt seit eini ger Zeit die Bearbeitung elektronischer Bauteile mittels La serstrahlen. Um eine derartige Bearbeitung präzise durchzu führen, wird der Laserstrahl auf eine vorgegebene Bearbei tungsstelle genau ausgerichtet.

Der Laseroszillator erzeugt jedoch aufgrund der Entladun gen an der Elektrode eine gewisse Entladungswärme, wobei die hierdurch hervorgerufene Temperatur abhängig vom Bearbeitungs umfang am Werkstück variiert. Als Folge dieses Temperatur wechsels besteht die Gefahr, daß sich verschiedene Teile des Laseroszillators, der Umlenkungs-Spiegel etc. geringfügig ausdehnen/zusammenziehen, so daß die Position des Laserstrahl- Leuchtfleckes etwas schwankt und so eine präzise Bearbeitung erschwert.

Daher wurde in der japanischen Offenlegungsschrift JP-A 61-2 35 091 eine Vorrichtung zur Einstellung der Leuchtfleck position eines Laserstrahles vorgeschlagen. Diese Vorrichtung ist mit einer Vergleichslichtquelle und einem optischen System zum deckungsgleichen Eintritt des Vergleichslichtes in den Laserstrahlengang versehen. Ferner sind eine Videokamera zur Ermittlung der Leuchtfleckposition des Vergleichslichtes als Bildsignal, und Einrichtungen vorgesehen, die die tatsächli chen Positionsdaten des Vergleichslichtes mit den vorher ge speicherten Positionsdaten des Laserleuchtfleckes vergleichen. Eine sich hierbei ergebende Abweichung wird sofort an eine Ablenkvorrichtung zurückgekoppelt, um automatisch die Leucht fleckposition des Vergleichslichtstrahles, und zugleich auch des Laserstrahles zu korrigieren.

Bei einer derartigen Anordnung wird die Ablenkvorrichtung so betrieben, daß die Abweichung bezüglich des Vergleichslich tes zu Null wird. Die Ablenkvorrichtung ist hierzu derart aufgebaut, daß ein Umlenkungsspiegel mit der Welle eines Elek tromotors verbunden ist, und der Elektromotor vor-/zurückge schaltet wird, um den Umlenkungsspiegel nach rechts/links zu verschwenken, und somit das Licht in Übereinstimmung mit dem Leuchtfleck des Vergleichslichtes zu bringen. Wenn beispiels weise der Ablenkungswinkel (Arbeitswinkel) "1" beträgt, dann ist grundsätzlich die tatsächliche Ablenkung des Lichtes "2". Mit anderen Worten, zur Ablenkung des Lichtes um "1" muß der Motor um den Ablenkungswinkel "0,5" gedreht werden. Nachdem also der Ablenkungswinkel des Motors geringer ist als der des Lichtes, muß die Stellvorrichtung für den Ablenkungswinkel zur Verstellung kleiner Winkel mit hoher Präzision geeignet sein. Dementsprechend ist die Stellvorrichtung für den Ablenkungs winkel baulich aufwendig und umständlich zu bedienen. Wenn beispielsweise der Ablenkungswinkel als Arbeitsmaßstab ange zeigt wird, ist es unmöglich, die Maßstabsteilung zu ver größern, und die Ablesung des Maßstabes gestaltet sich schwie rig. Daher ist diese vorgenannte Vorrichtung im Betrieb unpraktisch.

Eine Strahlengang-Justiereinrichtung mit den im Oberbe griff angegebenen Merkmal ist aus US 38 96 362 bekannt. Die Ablenkeinrichtung für den Strahl besteht dort aus einem Spie gel, der zur Verstellung seiner Winkellage durch Magnetspulen angetrieben wird.

In ähnlicher Weise erfolgt die Änderung des Strahlen gangs bei einem aus US 42 70 472 bekannten Gerät mittels ei nes in seiner Stellung veränderbaren Spiegels. Aus US 45 15 474 ist ferner eine Strahlengang-Justiereinrichtung bekannt, die zwei im Strahlengang hintereinandergeschaltete, um die optische Achse verdrehbare Prismen aufweist. Eine Strahlkor rektur ist dort durch Versetzung des Strahls parallel zu sich selbst sowie in begrenztem Maße auch in zur optischen Achse senkrechten Richtungen möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgaabe zugrunde, eine Strahlen gang-Justiereinrichtung anzugeben, die eine flexible und ge naue Justierung auch bei großen Verstellungen gestattet.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kenn zeichenteil des Anspruchs 1 angegeben. Danach sind die beiden vorhandenen Prismen in zwei zueinander senkrechten Richtungen keilförmig gestaltet, und zu diesen beiden Richtungen paral lele Achsen verschwenkbar und in Richtung ihrer Keilform ver schiebbar. Dadurch wird eine universelle Beeinflussung des Strahlengangs ermöglicht.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1(A) und 1(B) zeigen schematisch eine Ausführungs form der Strahlengang-Einstellvorrichtung,

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt der Strahlengang-Einstell- Vorrichtung der in Fig. 1(A) gezeigten Ausführung,

Fig. 3(A), 3(B) und 3(C) stellen Ansichten zur Erklärung der Wirkungsweise der Strahlengang-Einstellvorrichtung gemäß Fig. 2 dar, und

Fig. 4 ist ein Kennlinien-Diagranm und zeigt die Bezieh ung zwischen dem Arbeitswinkel und dem Stellwinkel beim Be trieb der Strahlengang-Einstellvorrichtung gemäß den Fig. 3(A) bis 3(C).

Bezugnehmend auf die Fig. 1 bis 4 wird eine Ausfüh rungsform der Erfindung nachfolgend beschrieben.

Fig. 1(A) zeigt ein schematisches Schaltbild einer Strah lengang-Einstellvorrichtung, die wie folgt aufgebaut ist. Ein von einem Laseroszillator 1 emittierter Laserstrahl 2 wird durch einen Umlenk-Spiegel 3 rechtwinklig in seiner Richtung umgelenkt, passiert eine keilförmige Ablenkeinrichtung 4 und wird mittels einer Sammellinse 6 auf einem Werkstück 7 fokus siert, nachdem er einen Beobachtungsspiegel 5 passiert hat. Das Werkstück ist auf einem in x- und y-Richtungen bewegbaren Bearbeitungstisch 8 angebracht, wobei der Bearbeitungstisch 8 von einer Tischsteuerung 10 über eine numerisch gesteuerte Vorrichtung 9 bewegbar ist. Die Tischsteuerung 10 ist über einen Oszillatorregler 11 mit dem Laseroszillator 1 verbunden. Obwohl die Tischsteuerung 10 und der Oszillatorregler 11 in der dargestellten Ausführungsform getrennt voneinander ausge führt sind, können selbstverständlich diese beiden Baugruppen 10 und 11 in integrierter Form vorliegen.

Der Beobachtungsspiegel 5 weist ein Wellenlängen-Selek tionsvermögen auf, so daß eine für die Beobachtung erforderliche Wellenlängenkomponente des Lichtes reflektiert wird und dadurch der Zustand am Bearbeitungspunkt auf dem Werkstück 7 als Bild auf dem Beobachtungsbildschirm 14 (Fernsehempfangsgerät) durch die Vergrößerungslinsen 12 und die Videokamera 13 betrachtet wer den kann. Wie in Fig. 1(B) dargestellt, entspricht ein Abbil dungsanzeigeschirm 14A des Beobachtungsmonitors 14 der Werk stückoberfläche 7 derart, daß die Koordinaten der x- und y- Achsen auf diesem Anzeigenschirm darstellbar sind. Der Ur sprung des Koordinatensystemes stellt eine Sollwertstrahlen achse (Bezugsposition) 0 dar. Der Beobachtungsmonitor 14 ist mit einer Steuereinheit 15 verbunden.

Die Steuereinheit 15 speichert vorher Daten zur Bezeich nung eines Positionsfehlers, der einer tatsächlich gemessenen Position x1 in Richtung der x- und y-Achsen von der Sollwert strahlenachse aus entspricht. Wenn dabei beispielsweise die von der korrekten Leuchtfleckposition abweichende Position x1 des Laserstrahles auf dem Bildschirm 14A als Position x1 er mittelt wird, so beaufschlagt die Steuereinheit 15 eine Antriebseinheit 16 mit einem Ausgangssignal, das dem notwen digen Korrekturmaß dieser fehlerhaften Position entlang den x- und y-Achsen entspricht. Die Steuereinheit 15 und die An triebseinheit 16 können dabei in integrierter Form ausgeführt sein. Die Antriebseinheit 16 versorgt einen Elektromotor 17 mit einem Rotationsstellsignal, so daß die Inklination der keilförmigen Ablenkeinrichtung 4 durch die Rotation des Elek tromotors 17 gesteuert wird, um so den Laserstrahl auf die optische Achse der Sammellinse 6 auszurichten.

Bezugnehmend auf Fig. 2 wird der Aufbau der keilförmigen Ablenkeinrichtung 4 im einzelnen beschrieben. Die keilförmige Ablenkeinrichtung 4 besteht aus einer keilförmigen x-Achsen- Ablenkeinheit 4x und einer keilförmigen y-Achsen-Ablenkeinheit 4y, die unterhalb der keilförmigen x-Achsen-Ablenkeinheit 4x und quer zu dieser angeordnet ist. Die keilförmige x-Achsen- Ablenkeinheit 4x und die keilförmige y-Achsen-Ablenkeinheit 4y sind drehbar, so daß der Leuchtfleck des Laserstrahles in den x- und y-Richtungen auf der Werkstückoberfläche verschiebbar ist. Der Elektromotor 17 beinhaltet einen x-Achsen-Elektromo tor 17x und einen y-Achsen-Elektromotor 17y, wobei die keilförmige x-Achsen-Ablenkeinheit 4x und die keilförmige y-Achsen-Ablenkeinheit 4y auf den Wellen des x-Achsen-Elektromotors 17x bzw. des y-Achsen-Elektromotors 17y angebracht sind. Entsprechend den Signalen von der Antriebs einheit 16 rotieren der x-Achsen-Elektromotor 17x und der y-Achsen-Elektromotor 17y vorwärts/rückwärts, um die keilför mige x-Achsen-Ablenkeinheit 4x und die keilförmige y-Achsen- Ablenkeinheit 4y um die Wellen des x-Achsen-Elek tromotors 17x bzw. des y-Achsen-Elektromotors 17y zur Kor rektur der x- und y-Positionskoordinaten zu drehen. Jede Ablenkeinheit 4x, 4y hat eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche, von denen eine als zur optischen Achse geneigte Fläche 18 und die andere als zur optischen Achse senkrechte Fläche ausgebildet ist. Die geneigte Fläche 18 kann ent weder auf der Einfallsseite oder der Austrittsseite vorgesehen sein.

Als nächstes wird das Verfahren zur Einstellung des Strahlenganges der Strahlengang-Einstellvorrichtung beschrie ben.

Der Laserstrahl 2 bestrahlt das Werkstück 7. Die Leucht fleckposition 0 wird in diesem Fall als Sollwertstrahlenachse definiert. Diese Sollwertstrahlenachse 0 weist einen Strahlen gang parallel zur optischen Achse der Sammellinse 6 auf, wie in Fig. 3(A) und 3(B) gezeigt. Die optische Achse und der Laserstrahl 2 verlaufen rechtwinklig zur Unterseite der Sammellinse 6. Als nächstes sei angenommen, daß ein Laser strahl 2A das Werkstück 7 geneigt zum vorherigen Laserstrahl 2 bestrahlt und auf die keilförmige Ablenkeinrichtung 4 auf trifft (Fig. 3(A)). Hierbei ist die tatsächlich gemessene Bearbeitungs position die Position x1, welche gegenüber der Sollwertstrah lenachse 0 versetzt ist. Hierbei ist der Einfallswinkel des Laserstrahles 2A auf die keilförmige Ablenkeinrichtung 4 gegenüber demjenigen des Laserstrahles 2 um den Winkel ε ver setzt, so daß, wie in Fig. 3A gezeigt, der Laserstrahl 2A nicht parallel zur optischen Achse der Sammellinse, sondern geneigt hierzu ist.

Die Leuchtfleckposition des Laserstrahls 2 oder 2A wird auf dem Bildschirm angezeigt und der Steuereinheit 15 zuge führt. Die Steuereinheit 15 berechnet den Positionsfehler des Leuchtfleckes x1 zur Sollwertstrahlenachse 0 und versorgt die Antriebseinheit 16 mit einem Korrektursignal, um den Laserstrahl 2A parallel zur optischen Achse auszurichten. Als Reaktion auf dieses Korrektursignal beaufschlagt die Antriebseinheit 16 den x-Achsen-Elektromotor 17x und den y-Achsen-Elektromotor 17y mit Rotationsstellsignalen.

Genauer gesagt, wenn der x-Achsen-Elektromotor 17x um einen Arbeitswinkel Φ entgegen dem Uhrzeigersinn dreht, wie in Fig. 2 durch den Pfeil X angedeutet, wird der die keilförmige x-Ach sen-Ablenkeinheit 4x verlassende Laserstrahl 2A′ so abgelenkt, daß er sich bezüglich des Laserstrahles 2A entlang der x-Achse in Richtung der Sollwertstrahlenachse bewegt. Hierdurch wird die Leuchtfleckposition x1 in Richtung zu einer x-Achsen-kor rigierten Bearbeitungsposition x2 bewegt.

Wenn als nächstes der y-Achsen-Elektromotor 17y, wie durch den Pfeil Y gezeigt, im Uhrzeigersinn rotiert, wird der die keilförmige y-Achsen-Ablenkeinheit 4y verlassende Laser strahl 2A′′ derart abgelenkt, daß er entlang der y-Achse in Richtung der Sollwertstrahlenachse bezüglich des Laserstrahles 2A′ bewegt wird, so daß hierdurch die x-Achsen-korrigierte Bearbeitungsposition x2 zu einer y-Achsen-korrigierten Bear beitungsposition y1 bewegt wird. Jetzt ist der Laserstrahl 2A′′ derart korrigiert, daß er parallel zum Laserstrahl 2 in der Sammellinse 6 verläuft, wie in Fig. 3(B) gezeigt. Daher werden die beiden parallelen Laserstrahlen 2 und 2A nach dem Passieren der Sammellinse 6 in einem einzigen Punkt fokussiert, welcher der Sollwertstrahlenachse 0 entspricht, und auf diese Weise die Laserbearbeitung stets genau an der richtigen Position durch führt.

Daher ist es mittels der Strahlengang-Einstellvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, daß der Laserstrahl 2A′′ derart korrigiert wird, daß er parallel zur optischen Achse in der Sammellinse ausgerichtet ist. Dabei läßt sich der Laserstrahl 2A′′ mittels der Sammellinse 6 im Durchmesser verringern, und so in einem Punkt ohne Streuungen fokussieren. Dementsprechend ist es möglich, die Laserleistungsdichte zu erhöhen und eine genaue Bearbeitung zu erzielen. Ferner, da es gelingt, den Laserstrahl 2A′′ parallel zur optischen Achse in der Sammellinse auszurichten, kann der Einstellbereich ver glichen mit herkömmlichen Techniken, bei denen der Leuchtfleck in Übereinstimmung mit der Sollwertposition gebracht wird, erweitert werden. Hierdurch kann die Einstellung dementspre chend einfach durchgeführt werden, und die Genauigkeitstoleran zen der Strahlengang-Einstellvorrichtung können vergrößert werden.

Wenn andererseits, wie in Fig. 3(C) dargestellt, die keilförmige Ablenkeinrichtung 4 um einen Arbeitswinkel Φ ro tiert, so tritt der einfallende Laserstrahl 2 aus der keil förmigen Ablenkeinrichtung als Laserstrahl 2A′ aus. Dabei kann der Einstellwinkel an dieser parallelen Fläche Δγ betragen, welches der Bedingung Φ < Δγ genügt. Diese Eigen schaften werden unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben, wel che die Beziehung zwischen dem Arbeitswinkel Φ und dem Einstellwinkel Δγ angibt. Wenn beispielsweise der Arbeits winkel Φ als 15° (0,262 rad) gewählt wird, so ergibt sich der Einstellwinkel Δγ zu 1,0 mrad, und das Verhältnis des Arbeits winkels Φ zum Einstellwinkel Δγ wird ausgedrückt als Φ/Δγ= 0,262 (rad)/1 (mrad)=0,262×10³=260. Dies bedeutet, daß 1 rad des Einstellwinkels Δγ auf 260 Grad des Arbeitswinkels Φ vergrößert werden kann. Das heißt, daß es möglich ist, eine genaue Einstellung des Einstellwinkels Δγ mit dem vergrößerten Maßstab des Arbeitswinkels Φ durchzuführen. Entsprechend kann der Arbeitswinkel Φ leicht abgelesen werden, so daß die Be triebseigenschaften verbessert werden. Ferner gestaltet sich die Benutzung dieser Strahlengang-Einstellvorrichtung beson ders einfach. In der Zeichnung repräsentieren N bzw. N′ Nor malen.

Im Betrieb kann das Bedienungspersonal die auf dem Bild schirm dargestellte Leuchtfleckposition auf eine x-Achsen- korrigierte Arbeitsposition x2 und anschließend auf die y-Ach sen-korrigierte Arbeitsposition y2 verstellen, indem die keil förmige x-Achsen-Ablenkeinheit 4x und die keilförmige y-Ach sen-Ablenkeinheit 4y zur Erzeugung des Laserstrahles 2A′′ ent sprechend verstellt wird, welcher parallel zum Laserstrahl 2 ausgerichtet ist.

In der obigen Ausführung kann anstelle von Laserstrahlen auch eine andere elektromagnetische Strahlenart, wie bei spielsweise Lichtstrahlen, Röntgenstrahlen, γ-Strahlen o. ä. verwendet werden.

Claims

1. Strahlengang-Justiereinrichtung mit
einer von einem Strahl beaufschlagten Sammellinse (6),
einem Detektor (12, 13) zur Erfassung der Lage des Brenn flecks in der Bildebene der Sammellinse (6),
einer im Strahlengang angeordneten ansteuerbaren Ablenk einrichtung (4) zur Änderung der Lage des Brennflecks, und
einer Steuerschaltung (15, 16), die aus einem Vergleich der vom Detektor (12, 13) erfaßten Lage des Brennflecks mit einer Sollposition ein Korrektursignal zur Verstellung der Ab lenkeinrichtung (4) erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung (4) zwei im Strahlengang hintereinander angeordnete keilförmige Prismen 4x, 4y) umfaßt, von denen das eine (4x) in einer zur optischen Achse senkrechten x-Richtung keilförmig, in der x- Richtung verschiebbar und um eine zur optischen Achse und zu der x-Richtung senkrechte y-Achse verschwenkbar und das andere (4y) in der y-Richtung keilförmig, in der y-Richtung ver schiebbar und um eine x-Achse schwenkbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl ein Laserstrahl ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß zwischen dem Detektor (12, 13) und der Steuerschal tung (15, 16) eine Anzeigeeinrichtung (14) zur Anzeige von x- und y-Achsen einer Werkstückoberfläche (7), der Sollposition und der Lage des Brennflecks vorgesehen ist.