TW202212037A - 雷射加工裝置 - Google Patents

Abstract

一種雷射加工裝置，用以對一工件進行加工。雷射加工裝置包括一雷射光源、一透鏡模組、一驅動模組、一攝像模組以及一處理單元。攝像模組用以擷取一工件之影像，處理單元電性連接攝像模組以及驅動模組。攝像模組根據工件之影像傳送一影像資料至處理單元，且處理單元根據影像資料傳送一驅動訊號至驅動模組，以驅使透鏡模組之一光學透鏡移動。

Description

雷射加工裝置

本發明是有關於一種雷射加工裝置，特別是有關於一種可調整雷射光斑大小的雷射加工裝置。

一般雷射焊錫裝置在進行雷射加工時，可利用光學透鏡組合，將光束的能量匯聚在特定範圍之內以進行焊盤加工。然而，在雷射焊錫加工程序中，往往需要對不同大小的焊盤進行加工，若雷射光斑過小將無法均勻地加熱焊盤，然而當雷射光斑過大時則可能會燒毀印刷電路基板。

第1圖表示一習知雷射加工裝置10對一基板B(例如印刷電路基板)上之焊盤S進行加工的示意圖。如第1圖所示，在一習知雷射加工裝置10內部通常設有一或數個光學透鏡11，且位在雷射加工裝置10內部之一雷射光源可發出雷射光E，且該雷射光E會穿過前述光學透鏡11後投射在一基板B的焊盤S上(如雷射光E’所示)。

從第1圖中可以看出，基板B上的焊盤S具有一直徑Ld，而從雷射加工裝置10所發出的雷射光E’則可在基板B上形成與焊盤S大小相對應之光斑。然而，由於習知雷射加工裝置10內部的光學透鏡11無法任意移動，故習知若需調整光斑大小時，必須移動整個雷射加工裝置10到一特定位置，惟如此往往會造成使用上的不便，同時亦會降低生產效率。

有鑒於此，如何提供一種高效率且更具使用彈性的雷射加工裝置始成為一重要之挑戰。

有鑑於前述習知問題點，本發明之一實施例提供一種雷射加工裝置，用以對一工件進行加工。雷射加工裝置包括一雷射光源、一透鏡模組、一驅動模組、一攝像模組以及一處理單元。透鏡模組具有一第一光學透鏡以及一第二光學透鏡。雷射光源發出一雷射光經過第一、第二光學透鏡並投射於工件上。驅動模組用以驅使第一光學透鏡相對於第二光學透鏡移動。攝像模組用以擷取工件之一影像，處理單元電性連接攝像模組以及驅動模組，攝像模組根據工件之影像傳送一影像資料至處理單元，且處理單元根據影像資料傳送一驅動訊號至驅動模組，以驅使第一光學透鏡相對於第二光學透鏡移動。

於一實施例中，雷射加工裝置更包括一功率量測模組，用以量測雷射光之功率強度。

於一實施例中，雷射加工裝置更包括一分光鏡，從雷射光源所發出之雷射光的一部份經由分光鏡反射後到達工件，且雷射光的另一部份穿過分光鏡而到達功率量測模組。

於一實施例中，雷射加工裝置更包括一反射鏡，從雷射光源所發出之雷射光經由反射鏡反射後穿過透鏡模組而到達分光鏡。

於一實施例中，驅動模組包括一馬達、一載台以及一滾珠螺桿，第一光學透鏡設置於載台上，且滾珠螺桿連接馬達以及載台，其中當馬達驅使滾珠螺桿旋轉時，載台相對於滾珠螺桿沿第一光學透鏡之一光軸方向運動。

於一實施例中，雷射加工裝置更包括一分光鏡，且從雷射光源所發出之雷射光的一部份經由分光鏡反射後到達工件。

於一實施例中，一外界光線經由工件反射後穿過分光鏡而到達攝像模組。

於一實施例中，雷射加工裝置更包括兩個反射鏡，且經由工件反射後之外界光線穿過分光鏡，並依序經由些反射鏡反射後到達攝像模組。

於一實施例中，雷射加工裝置更包括一距離感測器，用以感測雷射加工裝置與工件間之一距離，且距離感測器，並根據距離傳送一高度位置訊號至處理單元。

於一實施例中，處理單元根據高度位置訊號以及影像資料傳送一驅動訊號至驅動模組，以驅使第一光學透鏡相對於第二光學透鏡移動。

以下說明本發明實施例之雷射加工裝置。然而，可輕易了解本發明實施例提供許多合適的發明概念而可實施於廣泛的各種特定背景。所揭示的特定實施例僅僅用於說明以特定方法使用本發明，並非用以侷限本發明的範圍。

除非另外定義，在此使用的全部用語(包括技術及科學用語)具有與此篇揭露所屬之一般技藝者所通常理解的相同涵義。能理解的是這些用語，例如在通常使用的字典中定義的用語，應被解讀成具有一與相關技術及本揭露的背景或上下文一致的意思，而不應以一理想化或過度正式的方式解讀，除非在此特別定義。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下各實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，實施方式中所使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

第2圖表示本發明一實施例之雷射加工裝置100對一基板B(例如印刷電路基板)上之焊盤S進行雷射焊錫加工的示意圖。如第2圖所示，本發明一實施例之雷射加工裝置100主要包括有一雷射光源L、一驅動模組V以及一透鏡模組K。透鏡模組K包括一第一光學透鏡K1以及一第二光學透鏡K2，其中設置在雷射加工裝置100內部之雷射光源L可發出一雷射光L1，且該雷射光L1在通過第一、第二光學透鏡K1、K2後可聚焦並投射在基板B的焊盤S上，藉以對焊盤S進行雷射焊錫加工。

從第2圖中可以看出，驅動模組V主要包括有一馬達V1、一導螺桿V2(例如滾珠導螺桿)以及一可動之載台V3，其中第一光學透鏡K1設置於可動之載台V3上，第二光學透鏡K2固定於雷射加工裝置100內部，導螺桿V2則連接馬達V1以及載台V3。應了解的是，當欲對基板B上的不同焊盤S加工而需要改變雷射光L1在焊盤S上的光斑大小時，可透過驅動模組V中的馬達V1帶動導螺桿V2旋轉，從而可驅使載台V3以及載台V3上的第一光學透鏡K1一起相對於導螺桿V2沿著第一光學透鏡K1之光軸方向移動(如第2圖中箭頭方向所示)，藉以適當地改變第一、第二光學透鏡K1、K2間之距離d，並使雷射光L1能夠聚焦在基板B的焊盤S且形成大小適中的光斑。

第3圖表示本發明另一實施例之雷射加工裝置100對一基板B上之焊盤S進行雷射加工的示意圖。如第3圖所示，本實施例之雷射加工裝置100與第2圖的主要不同之處在於，本實施例之雷射加工裝置100更包括一殼體H、一攝像模組C、一距離感測器P以及一功率量測模組W，其中雷射光源L以及攝像模組C皆設置於殼體H內，距離感測器P設置於殼體H之一第一側101，功率量測模組W則是嵌設於殼體H之一第二側102。

在本實施例中，距離感測器P可包括一雷射位移計(Laser Displacement meter)，用以感測雷射加工裝置100與基板B之間的距離D，功率量測模組W則可包含一光功率計(optical power meter)，用以在雷射加工過程中即時監測雷射光的輸出功率，其中基板B可為一印刷電路板。

當欲使用雷射加工裝置100對基板B(例如印刷電路基板)進行雷射加工時，可透過雷射光源L發出一雷射光L1，雷射光L1會經由反射鏡R1反射後依序穿過第一、第二光學透鏡K1、K2而到達一分光鏡R2(splitter)。接著，雷射光L1的一部分會經由該分光鏡R2反射後通過殼體H上的穿孔H1而到達該基板B，藉以對該基板B上之一焊盤S進行雷射加工，而雷射光L1的另一部分則會穿過分光鏡R2而到達功率量測模組W(如第3圖中之光線L3所示)，藉此能夠在加工過程中即時監控雷射光的輸出功率。

另一方面，外界光線可被基板B反射後經由穿孔H1進入到殼體H內，之後該外界光線會穿過分光鏡R2而到達一反射鏡R3(如第3圖中之光線L2所示)；接著，經過反射鏡R3反射後的光線L2會再被另一反射鏡R4反射而到達攝像模組C。在此，攝像模組C可藉由接收光線L2以獲得基板B表面上之一局部影像 (例如焊盤S的影像)，且根據該影像可計算出一理想的雷射光斑大小資訊。

需特別說明的是，本實施例的殼體H內側表面上設有一導軌G，其中第一光學透鏡K1和/或第二光學透鏡K2可透過如第2圖所示的驅動模組V帶動而沿著導軌G滑行，藉此能夠適當地調整第一、第二光學透鏡K1、K2在其光軸方向(X軸方向)上的距離d，從而使雷射光源L所發出之雷射光L1能夠在基板B的表面上形成一對應於焊盤S尺寸大小的雷射光斑。

第4圖表示本發明另一實施例之雷射加工裝置100對一基板B(例如印刷電路基板)上之焊盤S進行雷射焊錫加工的系統方塊示意圖。如第4圖所示，本實施例之雷射加工裝置100與第3圖的主要不同之處在於，本實施例之雷射加工裝置100更包括一處理單元110以及一雷射控制器120，其中該處理單元110例如為一工業電腦(Industrial PC, IPC)，電性連接距離感測器P、攝像模組C以及驅動模組V，雷射控制器120則是電性連接該處理單元110以及該雷射光源L。

具體而言，距離感測器P在進行雷射加工程序之前可預先量測雷射加工裝置100與基板B之間的距離D，並據此傳送一高度位置訊號N1到處理單元110；此外，外界光線在經過基板B上之焊盤S反射後會進入到雷射加工裝置100內部並穿過分光鏡R2(如第4圖中光線L2所示)，其中攝像模組C可接收光線L2以獲得基板B上之焊盤S的影像資料，並可在進行雷射加工之前根據該影像資料傳送一影像訊號N2到處理單元110。

接著，處理單元110可根據高度位置訊號N1和影像訊號N2計算出一理想的雷射光斑大小資訊，然後再根據該雷射光斑大小資訊傳送一驅動訊號N3到驅動模組V，以透過驅動模組V中的連接機構(例如導螺桿V2)驅使透鏡模組K中的一或多個光學透鏡(例如第一、第二光學透鏡K1、K2)彼此產生相對運動，從而使透鏡模組K中之各光學透鏡間形成適當之距離。

最後，處理單元110可傳送一控制指令N4到雷射控制器120，且雷射控制器120可根據控制指令N4傳送一發射指令N5到雷射光源L，並透過雷射光源L發射雷射光L1到透鏡模組K。

雷射光L1的一部分在通過透鏡模組K後可經由分光鏡R2反射而到達基板B，藉以對基板B上之一焊盤S進行雷射焊錫加工。此外，雷射光L1的另一部分則可穿過分光鏡R2而到達功率量測模組W(如第4圖中之光線L3所示)，藉此能夠在加工過程中即時監控雷射光L1的輸出功率。

綜上所述，本發明之雷射加工裝置100主要係用以對一工件(workpiece)進行雷射加工(例如對基板B上的焊盤S進行雷射焊錫加工)，其可透過攝像模組C擷取當下焊盤S的影像，並透過處理單元110(例如工業電腦)自動計算出理想的雷射光斑大小資訊，因此不再需要藉由人為設定輸入以及判別，從而能大幅降低人力成本及誤判之風險，同時亦可滿足智能製造之需求，本發明之雷射加工裝置係可應用於雷射切割、 雷射鑽孔或雷射焊接等。

需特別說明的是，除了光路當中之光學透鏡的相對距離外，由於雷射光斑尺寸也與工作高度有關，因此在本發明的雷射加工裝置100中亦整合了距離感測器P(例如雷射位移計)，以即時監測雷射焊錫時工作高度的變異，同時可補償雷射加工過程中因入料件的高度偏差或是治具加工誤差所造成的工作高度變異，以有效改善加工精度並大幅提高生產效率。

雖然本發明的實施例及其優點已揭露如上，但應該瞭解的是，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動、替代與潤飾。此外，本發明之保護範圍並未侷限於說明書內所述特定實施例中的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，任何所屬技術領域中具有通常知識者可從本發明揭示內容中理解現行或未來所發展出的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，只要可以在此處所述實施例中實施大抵相同功能或獲得大抵相同結果皆可根據本發明使用。因此，本發明之保護範圍包括上述製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟。另外，每一申請專利範圍構成個別的實施例，且本發明之保護範圍也包括各個申請專利範圍及實施例的組合。

雖然本發明已以較佳實施例揭露於上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項工藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10:雷射加工裝置 11:光學透鏡 100:雷射加工裝置 101:第一側 102:第二側 110:處理單元 120:雷射控制器 B:基板 C:攝像模組 d:距離 D:距離 E:雷射光 E’:雷射光 G:導軌 H:殼體 H1:穿孔 K:透鏡模組 K1:第一光學透鏡 K2:第二光學透鏡 L:雷射光源 L1:雷射光 L2:光線 L3:光線 Ld:直徑 N1:高度位置訊號 N2:影像訊號 N3:驅動訊號 N4:控制指令 N5:發射指令 P:距離感測器 R1:反射鏡 R2:分光鏡 R3:反射鏡 R4:反射鏡 S:焊盤 V:驅動模組 V1:馬達 V2:導螺桿 V3:載台 W:功率量測模組

第1圖表示一習知雷射加工裝置10對一基板B上之焊盤S進行加工的示意圖。 第2圖表示本發明一實施例之雷射加工裝置100對一基板B上之焊盤S進行加工的示意圖。 第3圖表示本發明另一實施例之雷射加工裝置100對一基板B上之焊盤S進行雷射加工的示意圖。 第4圖表示本發明另一實施例之雷射加工裝置100對一基板B上之焊盤S進行雷射加工的系統方塊示意圖。

100:雷射加工裝置

B:基板

d:距離

K:透鏡模組

K1:第一光學透鏡

K2:第二光學透鏡

L:雷射光源

L1:雷射光

S:焊盤

V:驅動模組

V1:馬達

V2:導螺桿

V3:載台

Claims (11)

1. 一種雷射加工裝置，用以對一工件進行加工，該雷射加工裝置包括： 一雷射光源； 一透鏡模組，具有一第一光學透鏡以及一第二光學透鏡，其中該雷射光源發出一雷射光經過該第一、第二光學透鏡並投射於該工件上； 一驅動模組，用以驅使該第一光學透鏡相對於該第二光學透鏡移動； 一攝像模組，用以擷取該工件之一影像；以及 一處理單元，電性連接攝像模組以及該驅動模組，其中該攝像模組根據該工件之該影像傳送一影像資料至該處理單元，且該處理單元根據該影像資料傳送一驅動訊號至該驅動模組，以驅使該第一光學透鏡相對於該第二光學透鏡移動。
2. 如請求項1之雷射加工裝置，其中該雷射加工裝置更包括一功率量測模組，用以量測該雷射光之功率強度。
3. 如請求項2之雷射加工裝置，其中該雷射加工裝置更包括一分光鏡，從該雷射光源所發出之該雷射光的一部份經由該分光鏡反射後到達該工件，且該雷射光的另一部份穿過該分光鏡而到達該功率量測模組。
4. 如請求項3之雷射加工裝置，其中該雷射加工裝置更包括一反射鏡，從該雷射光源所發出之該雷射光經由該反射鏡反射後穿過該透鏡模組而到達該分光鏡。
5. 如請求項1之雷射加工裝置，其中該驅動模組包括一馬達、一載台以及一滾珠螺桿，該第一光學透鏡設置於該載台上，且該滾珠螺桿連接該馬達以及該載台，其中當該馬達驅使該滾珠螺桿旋轉時，該載台相對於該滾珠螺桿沿該第一光學透鏡之一光軸方向運動。
6. 如請求項1之雷射加工裝置，其中該雷射加工裝置更包括一分光鏡，且從該雷射光源所發出之該雷射光的一部份經由該分光鏡反射後到達該工件。
7. 如請求項6之雷射加工裝置，其中一外界光線經由該工件反射後穿過該分光鏡而到達該攝像模組。
8. 該如請求項7之雷射加工裝置，其中該雷射加工裝置更包括兩個反射鏡，且經由該工件反射後之該外界光線穿過該分光鏡，並依序經由該些反射鏡反射後到達該攝像模組。
9. 如請求項1之雷射加工裝置，其中該雷射加工裝置更包括一距離感測器，用以感測該雷射加工裝置與該工件間之一距離，且該距離感測器，並根據該距離傳送一高度位置訊號至該處理單元。
10. 如請求項9之雷射加工裝置，其中該處理單元根據該高度位置訊號以及該影像資料傳送一驅動訊號至該驅動模組，以驅使該第一光學透鏡相對於該第二光學透鏡移動。
11. 如請求項1之雷射加工裝置，其中該雷射加工裝置係應用於雷射切割、 雷射鑽孔或/以及雷射焊接。

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