TWI309186B - Laser working device - Google Patents

Description

1309186 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於照射雷射光將加工對象物予 射加工裝置。 【先前技術】 先則的雷射加工裝置，有記載於日本國專 。記載於該專利文獻1的雷射加工裝置，設置 載物台上方，使從雷射頭所放射雷射光之放射 加工對象物的載物台成爲垂直。 採用了如此的構成，係使雷射光的放射方 成爲平行來設置雷射頭，爲了對載物台垂直的 就變成需要反射鏡，導致構造會複雜化。再者 鏡的受到雷射光，在反射鏡產生熱膨脹，藉其 雷射光特性之慮。 日本國專利文獻1 ··特開平5 -245 67 5號公 【發明內容】 (發明欲解決的課題） 然而，如上述的雷射加工裝置，存在有以 亦即從雷射頭所放射雷射光之放射方向，在其 若干有偏差。因而爲了雷射頭之損傷等更換雷 每一雷射頭所放射雷射光方向的偏差，有雷射 向從雷射加工裝置本體之光軸偏離之慮。如此 射方向之偏離，係由照射雷射光將加工對象物 時特別成爲大的問題。 以加工的雷 利文獻1者 有雷射頭在 方向對載置 向對載物台 照射雷射光 ，由於反射 膨脹有變化 報 下的問題， 每一雷射頭 射頭時•因 光的放射方 的雷射光放 作精密加工 1309186 本發明係提供爲了解決如此的問題所實施者 校正每一雷射頭放射雷射光方向偏差的雷射加工 的。 (爲了解決課題的手段） 關於本發明雷射加工裝置，係爲照射雷射光 象物來加工加工對象物的雷射加工裝置，其特徵 放射雷射光的雷射頭、保持雷射頭並冷卻雷射頭 、將從雷射頭放射的雷射光調整爲規定特性的光 部、及配置在冷卻套與光學系本體部之間用以調 對光學系本體部之位置及傾斜的調整部。 於本雷射加工裝置，因藉由冷卻套保持雷射 ，所以能使雷射頭穩定的動作。而且於該雷射加 即使用雷射頭之損傷等更換雷射頭之際，有雷射 方向偏差時，由於藉調整部調整冷卻套對光學系 位置及傾斜，能使雷射光之放射方向一致於光學 之光軸。如此地，本雷射加工裝置能夠容易修正 頭之雷射光放射方向偏差。 再者，冷卻套，係予以保持開閉從雷射頭所 光光路的快門單元，同時予以冷卻快門單元爲理 此構成，由於閉鎖雷射光之光路，能藉用於冷卻 冷卻套來冷卻發熱的快門單元。如此藉共同的冷 雷射頭及快門單元雙方能有效率的冷卻，一倂亦 雷射加工裝置的小型化。 又光學系本體部，具有調整從雷射頭所放射 ，能予以 裝置爲目 於加工對 爲具備： 的冷卻套 學系本體 整冷卻套 頭來冷卻 工裝置， 光之放射 本體部的 系本體部 每一雷射 放射雷射 想。並依 雷射頭的 卻套，將 可以謀求 雷射光之 1309186 光束尺寸的光束擴束器（beam expander)，與爲了觀察加工 對象物的加工對象物觀察光學系，及聚光雷射光於加工對 象物的加工用物鏡爲理想。依此構成，藉光束擴束器能調 整從雷射頭放射雷射光的光束尺寸，藉加工對象物觀察光 學系能觀察加工對象物’又藉加工用物鏡聚光雷射光於加 工對象物，能予加工對象物加工。 (發明之效果） 依本發明’能予以校正每一雷射頭所放射雷射光發射 方向的偏差。 【實施方式】 (欲實施發明的較佳形態） 以下參照圖式，詳細說明關於本發明雷射加工裝置合 適的實施形態。 第1圖係表示有關本發明雷射加工裝置1的一實施形 態槪略構成圖。如第1圖所示，雷射加工裝置1係於載置 在載物台2上的平板狀加工對象物S之內部配合聚光點P 照射雷射光L，形成藉多光子吸收的改質區域R於加工對 象物S內部的裝置。載物台2，爲能夠向上下方向及左右 方向移動並旋轉移動者，在該載物台2上方主要配置有由 雷射頭單元3、光學系本體部4及物鏡單元5所構成的雷 射輸出裝置6。 雷射頭單元3，以裝卸自如地安裝在光學系本體部4 之上端部。該雷射頭單元3具有L字狀的冷卻套11’該冷 卻套1 1之縱壁1 1 a內，用蛇行狀態埋設有流通冷卻水的冷 1309186 卻管1 2。該縱壁1 1 a之前面’藉螺絲以裝卸自如地安裝有 將雷射光L向下方放射的雷射頭1 3，與選擇地實行開放及 閉鎖從該雷射頭1 3所放射雷射光L的光路的快門單元1 4 。因而’雷射頭1 3損傷之際，能更換雷射頭1 3者。又將 藉驅動發熱的雷射頭13，及藉閉鎖雷射光L光路發熱的快 門單元1 4，由共同的冷卻套1 1能有效率的冷卻，一倂亦 謀求了雷射加工裝置1的小型化。尙雷射頭13，例如乃使 用 Nd:YAG(Neodymium doped yttrium Aluminum Garnet: 參銨鏡鋁石榴石）雷射者’作爲雷射光L係放射脈衝寬度1 # s以下的脈衝雷射光。 再者，於雷射頭單元3，在冷卻套11底壁lib之下面 ’安裝有爲了調整冷卻套1 1之位置及傾斜的調整部1 5。 該調整部1 5係使從雷射頭1 3所放射的雷射光L光軸α， 如朝上下方向延伸地一致於設定在光學系本體部4及物鏡 單元5的光軸/5者。亦即雷射頭單元3之冷卻套1 1係隔介 調整部15安裝在光學系本體部4。其後，由調整部15予 以調整冷卻套1 1的位置及傾斜，就因應於冷卻套1 1之動 作亦調整了雷射頭1 3之位置及傾斜。藉此，雷射光L用其 光軸α與光軸/3 —致的狀態在光學系本體部4內進行。尙 冷卻套11之底壁11b、調整部15及光學系本體部4之框 體21，形成有通過雷射光L的貫穿孔。 又在光學系本體部4框體21內之光軸/3上，自上至下 用以下順序配置：擴大從雷射頭1 3所放射雷射光L光 束尺寸的光束擴束器22、調整雷射光L輸出的光衰減器 (attenuator )2 3、觀察由光衰減器23所調整雷射光L之輸出 1309186 的輸出觀察光學系24、調整雷射光L偏光的偏光調整光學 系2 5。尙光衰減器2 3安裝有吸收去除雷射光的光束阻尼 器26，該光束阻尼器26係藉由熱管（heat pipe)27連接在 冷卻套1 1。藉此，能予以防止吸收雷射光的光束阻尼器26 過熱。作成爲如此，從雷射頭1 3所放射的雷射光L，於光 學系本體部4調整爲規定之特性。 再者，應予觀察載置在載物台2上的加工對象物S， 於光學系本體部4之框體2 1，安裝引導觀察用可視光的光 導（light guide)材料28，框體21內配置有CCD(Charge Coupled Devices :電荷耦合元件）照相機29。觀察用可視 光係由光導材料28導至框體21內，依順序通過視野光圈 31、標度線（reticule)32、二向色鏡（dichroic mirror)33 等之 後’藉配置在光軸/3上的二向色鏡3 4來反射。所反射的觀 察用可視光’係向下方行進於光軸沒上而照射在加工對象 物S。尙雷射光L係透射二向色鏡3 4。 然後’在加工對象物S表面反射的觀察用可視光之反 射光，係向上方行進於光軸0，藉二向色鏡3 4所反射。藉 該二向色鏡34反射的反射光，係由二向色鏡33再予反射 通過成像鏡35等’入射於cCd照相機29。藉該CCD照相 機29所攝影的加工對象物s之圖像乃照出在監視器（未圖 示）。如此由光導材料28、CCD照相機29、視野光圈3 1、 標度線3 2、一向色鏡3 3、3 4、成像鏡3 5構成爲加工對象 物觀察光學系。 又物鏡單兀5係裝卸自如地安裝在光學系本體部4之 下端部。物鏡單兀5係藉複數之定位銷對光學系本體部4 -10- 1309186 之下端部予以定位’所以使設定於光學系本體部4的光軸 /5與設定於物鏡單元5的光軸/3能容易一致。該物鏡單元 5之框體41下端’ _介用壓電（piezo)元件的制動器（actuat〇r) 43 ’用光軸α —致於光軸卢狀態組裝有加工用物鏡42。尙 光學系本體部4之框體21及物鏡單元5之框體41，形成 有通過雷射光L·的貫穿孔。又藉加工用物鏡42所聚光的雷 射光L聚光點Ρ的峰値功率密度成爲丨χ ；! 〇 8 ( w/ c m 2)以上。 再者，在物鏡單元5之框體41內，應予使雷射光L之 聚光點P位於從加工對象物S之表面至規定之深度，配置 有放射測定用雷射光的雷射二極體4 4與受光部4 5。測定 用雷射光係從雷射二極體44放射，藉反光鏡46、半反光 鏡4 7依序反射之後，由配置在光軸^上的二向色鏡4 8反 射。所反射的測定用雷射光，向下方行進光軸0上，通過 加工用物鏡4 2照射在加工對象物s。尙雷射光L乃透射二 向色鏡4 8。 然後，在加工對象物S表面反射的測定用雷射光之反 射光，再入射於加工用物鏡42向上方進行光軸上，藉二 向色鏡4 8反射。由該二向色鏡4 8反射的測定用雷射光之 反射光’係通過半反光鏡47入射於受光部45內，聚光在 4等分光敏二極體所構成的4分割位置檢測元件上。根據 聚光於該4分割位置檢測元件上的測定用雷射光之反射光 聚光像圖案，能檢測出由加工用物鏡42的測定用雷射光之 聚光點，對加工對象物S之表面是在哪個位置。 其次參照第2圖〜第7圖’更詳細的說明配置在冷卻 1309186 套1 1與光學系本體部4之間的調整部1 5。在此以冷卻套 Η之左右方向爲X軸方向，前後方向爲Y軸方向，上下方 向爲Ζ軸方向。 如第2圖及第3圖所示’調整部15，由對光學系本體 部4將冷卻套i〗移動於χ_γ方向的χ_γ方向校正機構5〇 ’及對光學系本體部4予以調整冷卻套1 1傾斜的傾斜調整 機構5 1所構成。χ_γ方向校正機構5〇係由γ軸校正機構 5 2及X軸校正機構5 3所構成’傾斜調整機構$ 1係設置在 Χ-Υ方向校正機構50上。 Υ軸校正機構5 2具有：長方形狀的板狀構件5 4、形成 在框體21頂板2 1 a上的前側緣部的螺旋保持部5 6、藉其 螺旋保持部5 6沿γ軸方向所保持的進給螺旋5 7、及立設 在頂板2 1 a上的一對銷5 8、5 9。板狀構件5 4之前側側面 形成螺旋孔6 1 ’板狀構件5 4之後側緣部，形成有延伸於γ 軸方向的一對缺口 62、63。 如第3圖及第4圖所示，板狀構件54在缺口 62內配 置銷5 8 ’且以缺口 6 3內用配置銷5 9狀態載置於頂板2 1 a 上’進給螺旋57係螺合在螺旋孔6 1。尙頂板2 1 a之中央 ’形成有使從雷射頭1 3放射的雷射光L通過的貫穿孔2 1 b ’亦在板狀構件5 4之中央，同樣形成有使雷射光l通過的 貫穿孔64。 X軸校正機構53具有：長方形狀之板狀構件66、形成 在板狀構件5 4上的左側緣部的螺旋保持部6 7、由其螺旋 保持部6 7沿X軸方向所保持的進給螺旋6 8、及立設在板 -12- 1309186 旋 向 69 係 雷 66 斜 有 支 〇 螺 又 旋 旋 定 栓 栓 墊 狀構件5 4上的銷6 9。板狀構件6 6之左側側面形成有螺 孔7 1，在板狀構件6 6之右側緣部形成有延伸於X軸方 的缺口 72。 如第3圖及第5圖所示，板狀構件66係用配置銷 在缺口 7 2內的狀態載置於板狀構件5 4上，進給螺旋6 8 螺合於螺旋孔7 1。尙板狀構件6 6之中央，形成有使從 射頭1 3放射的雷射光L通過的貫穿孔7 3。 又如第3圖所示’傾斜調整機構51由板狀構件6 6 長方形狀之板狀構件7 4、用四角隅連結該等板狀構件 及板狀構件7 4的1個傾斜校正支點機構7 7、及3個傾 校正動點機構7 8所構成。尙板狀構件7 4之中央，形成 使從雷射頭1 3所放射的雷射光L通過的貫穿孔7 9。 如第3圖及第6圖所示’傾斜校正支點機構7 7具有 持螺栓8 1，該支持螺栓8 1之前端形成有小徑螺旋部82 支持螺栓8 1係貫穿板狀構件7 4之螺旋插通孔8 3，小徑 旋部8 2乃螺合於形成在板狀構件6 6上面的螺旋孔8 4。 從板狀構件6 6之側面形成有螺旋孔8 6，如貫穿於該螺 孔8 4。然後’用支持螺栓8 1之小徑螺旋部8 2螺合在螺 孔84的狀態，螺合固定螺旋87於螺旋孔86，由於用固 螺栓8 7之前端推壓小徑螺旋部8 2，強固的固定支持螺 81在板狀構件66。 又板狀構件7 4與板狀構件6 6之間，貫穿有支持螺 8 1的球體8 8及球面墊圈8 9、9 1，配置爲用各凹狀球面 -13- 1309186 圈8 9、9 1之球面夾住球體8 8狀態》 再者，在板狀構件74上，配置爲用互相嵌合貫穿有 持螺栓8 1的凹狀球面墊圈92及凸狀球面墊圈93狀態， 該等凹狀球面墊圈92及凸狀球面墊圏93之上側，螺合 螺帽9 4在支持螺栓8 1。 又如第3圖及第7圖所示，傾斜校正動點機構7 8亦 有支持螺栓81，支持螺栓81乃貫穿板狀構件74之螺旋 通孔83，小徑螺旋部82螺合於形成在板狀構件66上面 螺旋孔84。再者’用支持螺栓8 1之小徑螺旋部82螺合 螺旋孔8 4狀態，螺合固定螺栓8 7於形成在板狀構件66 面的螺旋孔86，用固定螺栓87之前端推壓小徑螺旋部 ，強固的固定支持螺栓8 1於板狀構件6 6。 在板狀構件7 4與板狀構件6 6之間，配置成貫穿有 持螺栓81的凹狀球面墊圏96及凸狀球面墊圈97爲互相 合狀態。再者，於該等凹狀球面墊圏9 6及凸狀球面墊 9 7之下側，在支持螺栓8 1螺合有螺帽9 8。 又板狀構件7 4上，配置成貫穿有支持螺栓8 1的凹 球面墊圈99及凸狀球面墊圏1〇1爲互相嵌合狀態，再考 於該等凹狀球面墊圈9 9及凸狀球面墊圏1 〇 !之上側，在 持螺栓81螺合有螺帽102。 次說明如以上所構成調整部1 5使用方法之一例。該 整部〗5，係於更換雷射頭1 3時等使用。 如第4圖所示’予以正轉或逆轉γ軸校正機構52之 給螺旋5 7，板狀構件5 4就由銷5 8及銷5 9所導引向γ 支 於 有 具 插 的 在 側 82 支 嵌 圈 狀 支 調 進 軸 -14- 1309186 方向移動。伴隨該移動’因存在於較板狀構件5 4上面的χ 軸校正機構53、傾斜調整機構51、及冷卻套丨丨對頂板2u 移動於Y軸方向，所以能使雷射頭丨3之光軸α與光學系本 體部4之光軸0，於又軸方向成爲一致。 接著如第5圖所示，予以正轉或逆轉χ軸校正機構5 3 之進給螺旋6 8 ’板狀構件6 6就由銷6 9所導引移動於χ軸 方向。伴隨該移動’因存在於較板狀構件6 6上面的傾斜調 整機構5 1及冷卻套1 1，對頂板2 1 a移動於χ軸方向，而 能使雷射頭13之光軸〇：與光學系本體部4之光軸々，於γ 軸方向成爲一致。 再者’於傾斜調整機構5 1 ’放鬆傾斜校正支點機構7 7 的螺帽94 ’及各傾斜校正動點機構78之螺帽98、1 02 (參 照第6圖及第7圖）。然後，傾斜固定有冷卻套I〗的板狀 構件7 4 ’使雷射頭1 3之光軸α與光學系本體部4之光軸 卢成爲一致。此時在傾斜校正支點機構7 7，凹狀球面墊圈 8 9、9 1之各凹狀球面就對球體8 8之球面滑動，凹狀球面 墊圈92之凹狀球面與凸狀球面墊圈93之凸狀球面邊作滑 動，予以傾斜板狀構件7 4。又在各傾斜校正動點機構7 8 如第8圖所示，凸狀球面墊圈97之凸狀球面與凹狀球面墊 圈96之凹狀球面滑動，凹狀球面墊圏99之凹狀球面與凸 狀球面墊圈1 〇 1之凸狀球面滑動。然後使板狀構件74之傾 斜在最合適狀態，將傾斜校正支點機構77之螺帽94鎖緊 在下方，同時藉由於向板狀構件74從兩側鎖緊各傾斜校正 動點機構78之螺帽98及螺帽1 02 ’固定板狀構件74。 -15- 1309186 如此由於使用傾斜調整機構5丨，能予以調整板狀構件 74的傾斜。在此板狀構件74上安裝有冷卻套u，該冷卻 套1 1安裝有雷射頭1 3。因而，藉傾斜調整機構5 1來調整 板狀構件7 4的傾斜，成爲能夠調整雷射頭丨3的傾斜。 如以上用X-Y方向校正機構5 〇及傾斜調整機構5 1， 由於調整雷射頭1 3對光學系本體部4的位置及傾斜，能使 雷射頭13之光軸α與光學系本體部4的光軸yS —致。因而 ’即使每一雷射頭有雷射光L的放射方向偏差時，在每次 的更換雷射頭13’藉調整部15能容易的校正每一雷射頭 1 3的雷射光放射L方向之偏差。尙使用該調整部1 5的光 軸調整，將雷射頭1 3以每一冷卻套1 1來更換時亦可能者 〇 以上，將本發明根據實施形態具體的加以說明，但本 發明並不限定於上述實施形態者。例如，亦可用電動旋轉 Y軸校正機構5 2之進給螺旋5 7或X軸校正機構5 3之進給 螺旋6 8設置馬達。又上述實施形態，係連結板狀構件74 及板狀構件66的四角隅之中，設置傾斜校正動點機構96 在三角隅，但設於任何的二角隅，亦能穩定的連結板狀構 件74及板狀構件66。又上述實施形態，乃光學系本體部4 與物鏡單元5成爲個別體，但並不限定於此，雷射加工裝 置，亦可爲組裝物鏡單元5在光學系本體部4的構造。 (產業上之利用可能性） 依本發明，能予以校正每一雷射頭的放射雷射光方向 之偏差。 -16* 1309186 【圖式簡單說明】 第1圖表示關於本發明雷射加工裝置之一實施形態槪 略構成圖。 第2圖爲第1圖所示雷射加工裝置的雷射頭單元斜視 圖。 第3圖爲第2圖所示調整部之分解斜視圖。 第4圖爲Y軸校正機構之橫剖面圖。 第5圖爲X軸校正機構之橫剖面圖。

第6圖爲第2圖所示傾斜校正支點機構之縱剖面圖。 第7圖爲第2圖所示傾斜校正動點機構之縱剖面圖。 第8圖爲第7圖所示於傾斜校正動點機構中，傾斜板 狀構件狀態的縱剖面圖。 【主要元件符號說明】

1 雷 射 加 工 裝 置 4 光 學 系 本 體 部 11 冷 卻 套 13 雷 射 頭 14 快 門 單 元 15 調 整 部 22 光 束 擴 束 器 42 加 工 用 物 鏡 L 雷 射 光 S 加 工 對 象 物 -17-

Claims (1)

1309186 第9 3 1 3 7 8 7 9號「雷射加工裝置」亨利案 中0$年,1〇無丨1.曰修正） 十、申請專利範圍： L— '琴 1 · 一種雷射加工裝置，係照射雷射光於加工對象物予以加 工該加工對象物者，其特徵爲具備： 放射雷射光的雷射頭； 保持該雷射頭並冷卻該雷射頭的冷卻套； 將從該雷射頭所放射的雷射光調整爲規定特性的光 學系本體部；及 配置在該冷卻套與該光學系本體部之間，用以調整該冷 卻套對該光學系本體部的位置及傾斜的調整部。 2 .如申請專利範圍第1項之雷射加工裝置，其中，該冷卻 套，係保持開閉從該雷射頭所放射的雷射光光路的快門 單元，同時予以冷卻該快門單元。 3 .如申請專利範圍第1項之雷射加工裝置，其中，該光學 系本體部具有· 調整從該雷射頭所放射的該雷射光光束尺寸的光 束擴束器； 觀察該加工對象物用的加工對象物觀察光學系；及 將该雷射光水光於该加工對象物的加工用物鏡。 4_如申請專利範圍第1項之雷射加工裝置，其中，該調整 部於該雷射頭之光軸及該光學系本體部的光軸上、配置 1309186 在該冷卻套與該光學系本體部之間，用以調整該冷卻套 對該光學系本體部的位置及傾斜，使得該雷射頭之光軸 能與該光學系本體部的光軸一致。