TWI532561B - Laser drilling signal detection device - Google Patents

Description

雷射鑽孔之訊號偵測裝置

本發明係有關一種雷射鑽孔之訊號偵測裝置，尤指一種兼具可降低電漿遮蔽效應、可提高電漿偵測訊號、可偵測並調整最佳之聚焦點、可偵測加工深度而控制鑽孔速度與可直接應用於現有裝置上的雷射鑽孔之訊號偵測裝置。

參閱第十七圖，傳統雷射加工裝置係包括：一雷射裝置71，係用以發出一雷射光711，而對一工件90進行加工；一第一極板72；一第二極板73，係與該第一極板72概呈相對；一正電供應部74，係用以對該第一極板72供入一正電741；一負電供應部75，係用以對該第二極板73供入一負電751，使該第一、該第二極板72與73之間產生一電場81；當利用電場進行雷射鑽孔偵測時，由於該第一、該第二極板72與73係採用單一極性極板(如第十七圖所示)做偵測，因此在這樣的情況下如果雷射誘發電漿中之正、負帶電粒子(原則上包括離子、電子)同時撞擊到電極板(不論該第一極板72或該第二極板73)就會產生正負中和抵消的現象，此現象則會降低訊號值及其偵測效率。

再者，因雷射加工產生之帶電粒子噴濺方式是朝四面八方隨機噴濺，因此假設當帶正、負電粒子同時飛往該第一極板72(帶正電)，此時只會產生該第一極板72吸引負電子的加速作用，而對於帶正電粒子則僅有初始噴濺時產生的速度，此帶正電粒子到達接近該第一極板72之位置時，就如同強弩之末已無法被該第一極板72所吸引。

而傳統的電極型態及配置，往往受限於雷射加工之光路干涉或夾治具干涉等問題，造成電場強度的提升將會受到侷限，因此電極型態及配置也將連帶影響到訊號偵測的靈敏度及訊號偵測值的高低。

關於聚焦偵測的部分，以往的聚焦點偵測儀器都是使用進階式電容感測器或是影像式偵測，但這兩項儀器的價格都非常昂貴，其中電容式感測器需非常接近加工物(亦即該工件90)，實際加工時的保護及維護較麻煩，且可能會有偵測材料的限制，而影像式的偵測則必須對光路做調整，必需在光路行進路徑上裝置半反射鏡，且兩光路的偏差必須非常小才能保證偵測數值準確，並由於裝置半反射鏡的關係，造成實際加工至工件的能量會下降。

有鑑於此，必需研發出可解決上述習用缺點之技術。

本發明之目的，在於提供一種雷射鑽孔之訊號偵測裝置，其兼具可降低電漿遮蔽效應、可提高電漿偵測訊號、可偵測並調整最佳之聚焦點、可偵測加工深度而控制鑽孔速度與可直接應用於現有裝置上等優點。特別是，本發明所欲解決之問題係在於公知單極性極板會降低訊號值與偵測效率、公知用於聚焦偵測之儀器存在價格昂貴、操作設置相當麻煩與應用範圍受限等問題。

解決上述問題之技術手段係提供一種雷射鑽孔之訊號偵測裝置，其包括：一雷射裝置，係用以發出一雷射光；一光調節裝置，係供該雷射光通過，且調節成一加工雷射光；一訊號偵測裝置，係包括：至少兩個偵測極板，其間具有一工作空間，該每一偵測極板均設有至少一正極部、至少一負極部及至少一絕緣部；該絕緣部使該正、該負極部之間概呈絕緣，該加工雷射光係通過該工作空間後進行雷射加工作業；一供電裝置，係設一正電供應部及一負電供應部，該正、該負電供應部皆連結並用以對該兩個偵測極板供入一正電及一負電，而使 該兩個偵測極板之該正、該負極部朝該工作空間產生電場；該加工雷射光進行雷射加工作業的過程中產生至少複數個正電熔渣、複數個負電熔渣與複數個中性雜質，係分別受該工作空間內之複數個電場吸引，並附著至鄰近之該負、該正極部上，使該電場產生變化；一訊號偵測部，係連結並透過該至少兩個偵測極板，偵測該電場變化產生之訊號，達到於雷射加工作業中，進行大氣電漿偵測、加工深度偵測及聚焦點偵測。

本發明之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中，獲得深入瞭解。

茲以下列實施例並配合圖式詳細說明本發明於後：

10、71‧‧‧雷射裝置

11、711‧‧‧雷射光

20‧‧‧光調節裝置

20A‧‧‧加工雷射光

21‧‧‧聚焦鏡

22‧‧‧雷射輸出部

23‧‧‧反射鏡

30‧‧‧訊號偵測裝置

30A‧‧‧偵測極板

30B‧‧‧供電裝置

30C‧‧‧訊號偵測部

31‧‧‧正極部

32‧‧‧負極部

33‧‧‧絕緣部

34、74‧‧‧正電供應部

341、741‧‧‧正電

35、75‧‧‧負電供應部

351、751‧‧‧負電

36、81‧‧‧電場

37‧‧‧電容

38‧‧‧電阻

39‧‧‧顯示裝置

72‧‧‧第一極板

73‧‧‧第二極板

90‧‧‧工件

91‧‧‧正電熔渣

92‧‧‧負電熔渣

93‧‧‧中性雜質

W‧‧‧工作空間

D‧‧‧絕緣距離

L1‧‧‧第一線段

L2‧‧‧第二線段

L11、L21‧‧‧第一擊發線段

L12、L22‧‧‧第二擊發線段

L13、L23‧‧‧第三擊發線段

L14、L24‧‧‧第四擊發線段

L15、L25‧‧‧第五擊發線段

L16、L26‧‧‧第六擊發線段

L17、L27‧‧‧第七擊發線段

X1‧‧‧參考點

X2‧‧‧聚焦點

XA‧‧‧正離焦點

XB‧‧‧負離焦點

P1‧‧‧最大值平均區

P2‧‧‧雜訊平均區

Q‧‧‧被擊發點

Q1‧‧‧第一擊發點

Q2‧‧‧第二擊發點

Q3‧‧‧第三擊發點

Q4‧‧‧第四擊發點

Q5‧‧‧第五擊發點

Q6‧‧‧第六擊發點

Q7‧‧‧第七擊發點

Z1‧‧‧第一區間

Z2‧‧‧第二區間線

第一A圖係本發明之第一實施例之示意圖

第一B圖係本發明之第二實施例之示意圖

第二圖係第一A及第一B圖之局部放大之示意圖

第三圖係第二圖之偵測極板之放大之示意圖

第四圖係第一A及第一B圖之加工過程之示意圖

第五圖係第四圖之熔渣吸附過程之示意圖

第六圖係本發明之電場變化之原理之示意圖

第七A、第七B及第七C圖係分別為本發明之偵測極板之不同數量組合之示意圖

第八圖係本發明之指叉電極與公知平板電極之電場強度之曲線圖

第九圖係本發明之指叉電極偵測電壓增幅百分比之曲線圖

第十A、第十B與第十C圖係分別為本發明之加工雷射光呈正離焦、負離焦與正確聚焦之示意圖

第十一圖係本發明之訊號量測之雜訊比之曲線圖

第十二圖係本發明之偵測聚焦點過程之電壓曲線圖

第十三圖係本發明之設定相同脈衝擊發數之加工雷射光對工件之不同位置分別擊發之示意圖

第十四A圖係本發明之無空氣噴射之加工過程之雷射能量之曲線圖

第十四B圖係本發明之有空氣噴射之加工過程之雷射能量之曲線圖

第十五圖係本發明之設定相同脈衝之加工雷射光並以不同擊發數分別對工件之不同位置擊發之示意圖

第十六圖係第十五圖之不同位置偵測之電壓曲線圖

第十七圖係傳統雷射加工裝置之示意圖

第十八圖係傳統雷射加工裝置之偵測聚焦點過程之電壓曲線圖

第十九圖係傳統雷射加工裝置之不同位置偵測之電壓曲線圖

參閱第一A、第二及第三圖，本發明係為一種雷射鑽孔之訊號偵測裝置，其第一實施例係包括：一雷射裝置10，係用以發出一雷射光11；一光調節裝置20，係供該雷射光11通過，且調節成一加工雷射光20A；一訊號偵測裝置30，係包括：至少兩個偵測極板30A，其間具有一工作空間W(以虛框表示)，該每一偵測極板30A均設有至少一正極部31、至少一負極部32及至少一絕緣部33；該絕緣部33使該正、該負極部31與32之間概呈絕緣，該加工雷射光20A係通過該工作空間W後進行雷射加工(鑽孔)作業；一供電裝置30B，係設一正電供應部34及一負電供應部35，該正、該負電供應部34與35皆連結並用以對該兩個偵測極板30A供入一正電341及一負電351，而使該兩個偵測極板30A之該正、該負極部31與32朝該工作空間W產生電場36(參閱第四圖)；該加工雷射光20A進行雷射加工作業的過程中產生至少複數個正電熔渣91、複數個負電熔渣92與複數個中性雜質93(參閱第五圖)，係分別受該工作空間W內之複數個電場36吸引，並附著至鄰近之該負、該正極部32與31上，使該電場36產生變化；一訊號偵測部30C，係連結並透過該至少兩個偵測極板30A(參閱第六圖)，偵測該電場36變化產生之訊號，達到於雷射加工作業 中，進行大氣電漿偵測、加工深度偵測及聚焦點偵測。

實務上，該雷射裝置10可為汝-釔鋁石榴石晶體雷射裝置(Nd-YAG Laser，其中Nd為鑭系元素-汝，其原子序60，至於YAG為Y₃Al₅O₁₂，Nd原子被植入YAG晶體後游離化為+3價，形成Nd-YAG)，為四能階系統，優點是汲發率高，且發出之該雷射光11相當強。

該光調節裝置20包括：一聚焦鏡21，係用以使該雷射光11聚焦變成該加工雷射光20A；一雷射輸出部22，係用以輸出該加工雷射光20A。

該正極部31係為複數個正電極體；該負極部32係為複數個負電極體；該絕緣部33係為至少兩個絕緣板；藉此，使該偵測極板30A概呈指叉電極；且複數個該正、該負極部31與32係彼此間隔一絕緣距離D，並依序排列於該至少兩個絕緣部33之相對內側，相鄰之複數個該正、該負極部31與32之間皆具有該電場36。

關於本發明之第二實施例，其與第一實施例之差異處(參閱第一B圖)，僅在於：該雷射裝置10與該聚焦鏡22概呈垂直；該光調節裝置20又包括：一反射鏡23，用以將該雷射裝置10發出之該雷射光11反射照向該聚焦鏡22的方向。

此第二實施例原則上為實際商業應用之調整，功能與第一實施例相同。

該偵測極板30A所設之絕緣板(即該絕緣部33)係可由最少兩個(如第一A及第七C圖所示，可再分成平板相對與弧板相對兩種樣態，達成之功能相同。)、三個(參閱第七B圖)、四個(參閱第七A圖)，、、、、或是更多數量(不同形狀)的板體結構組成，重點只在於包圍該工作空間W(並朝該工作空間W產生該電場36)即可。

更進一步來講，該每一偵測極板30A之高度皆為5mm，且該對偵測極板30A係相距至少7mm。

又，該加工雷射光20A所誘發之電漿團之最大高度為4.88mm，最大寬度為3.05mm(最大高度與最大高度係取決於雷射脈衝能量)，藉此，可防止因干涉現象造成各量測訊號之誤判。

參閱第六圖，該訊號偵測部30C係與該兩個偵測極板30A，以及該供電裝置30B相互並聯，並包括至少一電容37、至少一電阻38(本案係設兩個)及一顯示裝置39；該電容37及該電阻38用以偵測該電場36變化(產生電流並流過該電容37及該電阻38)產生之訊號，並顯示於該顯示裝置39。

指叉電極具有高信雜比、可單面測試、提高電流分佈均勻性與可在有限面積下製作密集的佈線而產生高電場強度等公知技術優點。故，極適用於偵測作業。

參閱第六圖，指叉電極公知偵測原理，係朝相對應之兩個偵測電極(亦即相對應之該偵測極板30A上的該正、該負極部31與32)供應正、負電(亦即本發明之該正、該負電341與351)。而於相鄰之該偵測電極間產生電場(亦即本發明之該電場36)，用以偵測電漿訊號。

亦即，當將任意兩個相鄰之偵測電極(由於該對偵測極板30A上具有概呈相對應之複數對偵測電極，故如第六圖所示，在此可將兩偵測極板30A當成是兩個相鄰之偵測電極)當成電容結構，且兩偵測電極間之電位差升高至與電源電壓相等時，則由兩偵測電極與供電部(亦即該供電裝置30B)構成之電路結構中的電子流動概呈靜止。此時對電路偵測不到訊號(呈穩定電場)，而當雷射誘發之電漿(或帶電粒子)產生於該兩偵測電極之間時，使穩定電場產生額外之電荷，兩偵測電極間造成電位差，電路為穩定電場而使電子流動，即可於電子流動過程中偵測到(電流)訊號。

本發明之使用方式係如下所述：參閱第一A圖，啟動該雷射裝置10及該供電裝置30B，該雷射裝置10(發出雷射光11之過程可由供電裝置30B自動控制)朝該光調節裝置20發出該雷射光11，該雷射光11經該光調節裝置20變成加工雷射光 20A，並在通過該工作空間W後對工件90進行加工，加工過程產生(大氣)電漿(包括該正電熔渣91、該負電熔渣92及該中性雜質93)遮蔽效應。

且該供電裝置30B並控制該正、該負電供應部34與35分別供應該正、該負電341與351，接著可進行以下不同的偵測模式：

[a]大氣電漿偵測模式：由於該每一絕緣板(亦即該絕緣部33)上，相鄰之該複數個正、負電極體(亦即該正、該負極部31與32)之間皆具有該電場36(參閱第四圖)，亦即，該每一絕緣板具有複數的該電場36；使該工作空間W之電場強度最高將近1,650,000(V/m)(參閱第八圖之第一線段L1，其至少為第二線段L2代表之公知平板電極的電場強度之35倍)。

如同上述提及當電場強度提升後，即提高了極板間之電位差，因此對於偵測訊號將可有效提升，且偵測靈敏度也將隨之提升。

重點在於，該每一偵測極板30A上皆具有複數個該正、該負極部31與32，而噴濺之帶電粒子(包括該正、該負電熔渣91與92)亦具有相對的極性關係(參閱第四及第五圖)，因此可增強帶電粒子的吸附作用。

故大氣電漿中的複數個該正、該負電熔渣91與92不論朝該哪一偵測極板30A散佈，均可快速被其上之該電場36吸引，而撞擊並附著至鄰近之該負、該正電極部32與31上，於加工過程中減少電漿遮蔽效應，減少阻擋該加工雷射光20A之能量。(如第九圖之參考點X1所示，於輔射能量170mJ時，與平板電極相比，電壓增幅百分比可達到126%)。

亦即，本發明為利用電場輔助偵測的機制，主要是利用該對偵測極板30A產生之電場36，來對雷射加工過程中所產生之電漿團帶電粒子(包括：該正電熔渣91、該負電熔渣92、該中性雜質93、…及自由基等)有效的吸引，此輔助機制除了能夠輔助排屑外，更能夠減少電漿遮蔽效應所引起的偵測訊號效率衰減現象。

[b]聚焦點偵測模式：本發明係設定該加工雷射光20A之光路中心對應該兩偵測極板30A之中心。再藉由偵測加工時產生電漿而造成電場30C變化產生之訊號，便可以分析聚焦點X2是否產生偏差。舉例來講，參閱第十A圖，係示意該加工雷射光20A聚焦於該工件90上方之正離焦點XA(大約0.5mm)，稱為正離焦。參閱第十B圖，係示意該加工雷射光20A 聚焦於該工件90內部之負離焦點XB(大約0.5mm)，稱為負離焦。至於第十C圖則示意該加工雷射光20C正確聚焦於該工件90表面之聚焦點X2。

關於訊號量測之雜訊比(Signal-to-noise ratio，簡稱s/n比)(如下表一所示)，係擷取第十一圖中之數據(舉例來講，分別取最大值平均區P1之數據，與雜訊平均區P2之30點的平均數據)，並代入公式：計算求得。

再請參閱第十二圖，指叉電極其聚焦點X2偵測之訊號可達4.144V(參閱第十八圖，大約是平板電極其2.992V的1.38倍大)，而指叉電極之S/N比為26.33，優於平板電極的22.67，兩種評比標準中都是指叉電極能夠得到最佳的效益，與平板電極相比偵測電壓平均可提升38.5%，而S/N比則可提高16.1%，證實指叉電極應用於實際的雷射聚焦點偵測同樣能有最明顯的訊號結果與信雜比。

[c]同一加工深度偵測：本發明係設定相同脈衝擊發數之加工雷射光20A對該工件90之不同位置分別擊發10點(參閱第十三圖之被擊發點Q)後，藉偵測所得之訊號與加工深度比對，並計算10點中所偵測到之平均(電壓)訊號、標準差與S/N比，參閱下表二及第十四A圖(此為未加空氣噴射)，於實驗過程中，由於該電場36增強，帶電熔渣吸附率提升，當 加工時間位於9~12微秒(第一區間Z1)時，電壓可達1.596伏特，而再加入空氣噴射(噴離熔渣)時，如第十四B圖所示，同樣於加工時間9~12微秒(第二區間Z2)時電壓可達3.232伏特。明顯達到改善電漿遮蔽效應，提高雷射加工效率。

此結果證實了在同樣加工深度之下，可得到較大之訊號值，這同時也表示指叉電極非常適用於深孔加工的偵測以及厚板工件的鑽孔偵測領域上。

[d]加工深度改變之偵測：本發明係設定相同脈衝之加工雷射光20A，以不同擊發數(參閱第十五圖之第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七擊發點Q11、Q12、Q3、Q4、Q5、Q6與Q7，其分別對應1發、5發、10發、15發、20發、25發與30發等七組參數，且由上到下設置七組對照組)分別對該工件90之不同位置擊發而改變加工深度。

參閱十七圖(係指叉電極分別以第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七擊發線段L11、L12、L13、L14、L15、L16與L17對應該第一、該第二、該第三、該第四、該第五、該第六、該第七擊發點Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6與Q7)及第十九圖(係平板電極分別以第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七擊發線段L21、L22、L23、L24、L25、L26與L27 進行比較)。

如第十六圖所示，其中第一擊發線段L11(對應第1發雷射擊發後所偵測到的訊號)對應之電壓值高達4V，至於第七擊發線段L17(對應第七組的30發雷射擊發後所偵測到的訊號)對應之電壓值近1.5V。

參閱第十九圖，其中第一擊發線段L21(對應第1發雷射擊發後所偵測到的訊號)對應之電壓值僅約3.04V，至於第七擊發線段L27(對應第七組的30發雷射擊發後所偵測到的訊號)對應之電壓值僅約0.3V。

相較之下，相同鑽孔深度下，指叉電極偵測到的訊號值皆大於平板電極，而其平均信號雜訊比(S/N比)更可從11.45(平板電極)提升至20.33(指叉電極)，提升幅度為77.5%，可看出指叉電極的偵測訊號能力，在相同條件下不僅可提高偵測訊號，且非常適用於深孔偵測(平板電極難以偵測到深孔之訊號)。

本發明之優點及功效可歸納如下：

[1]可降低電漿遮蔽效應。由偵測極板包圍之工作空間係位於工件上，故加工過程產生之電漿(包括正電熔渣、負電熔渣與中性雜質)大部分會朝工作空間散佈，此時正、負電熔渣不論朝哪一極板散佈，都會被電場吸引，而快速的撞擊並附著於偵測極板上，減少散佈於工作空間而阻擋加工雷射光能量之情況。故，可降低電漿遮蔽效應。

[2]可提高電漿偵測訊號。本發明係由至少兩個偵測極板包圍一工作空間，每一偵測極板均具有正極部、負極部及絕緣部，使每一偵測極板均可朝工作空間的方向產生複數個電場，亦即，每一工作空間內均具有複數個電場。可增強元件表面切線電場力而有助於吸附(排除)熔渣(亦 即電漿)。故，可提高電漿偵測訊號。

[3]可偵測並調整最佳之聚焦點。本發明係設定加工雷射光之光路中心對應該兩偵測極板之中心。再藉由偵測加工時產生電漿，造成電場變化產生之訊號，便可以分析聚焦點是否產生偏差，進而可調整加工雷射光正確聚焦，以進行最有效率之鑽孔作業。故，可偵測並調整最佳之聚焦點。

[4]可偵測加工深度而控制鑽孔速度。本發明可偵測不同擊發數進行鑽孔之訊號，藉此控制鑽孔速度，而可調整鑽孔作業所需時間。故，可偵測加工深度而控制鑽孔速度。

[5]可直接應用於現有裝置上。本發明係以正極部、負極部與絕緣部構成偵測極板(公知偵測極板為可替換性結構)，並供應正、負電力。不需大幅度之改裝。故，可直接應用於現有裝置上。

以上僅是藉由較佳實施例詳細說明本發明，對於該實施例所做的任何簡單修改與變化，皆不脫離本發明之精神與範圍。

10‧‧‧雷射裝置

11‧‧‧雷射光

20‧‧‧光調節裝置

20A‧‧‧加工雷射光

21‧‧‧聚焦鏡

22‧‧‧雷射輸出部

30‧‧‧輔助電極組

30A‧‧‧偵測極板

30B‧‧‧供電裝置

30C‧‧‧訊號偵測部

34‧‧‧正電供應部

341‧‧‧正電

35‧‧‧負電供應部

351‧‧‧負電

90‧‧‧工件

W‧‧‧工作空間

Claims (2)

1. 一種雷射鑽孔之訊號偵測裝置，其包括：一雷射裝置，係用以發出一雷射光；一光調節裝置，係供該雷射光通過，且調節成一加工雷射光；一訊號偵測裝置，係包括：至少兩個偵測極板，其間具有一工作空間，該每一偵測極板均設有至少一正極部、至少一負極部及至少一絕緣部；該絕緣部使該正、該負極部之間概呈絕緣，該加工雷射光係通過該工作空間後進行雷射加工作業；一供電裝置，係設一正電供應部及一負電供應部，該正、該負電供應部皆連結並用以對該兩個偵測極板供入一正電及一負電，而使該兩個偵測極板之該正、該負極部朝該工作空間產生電場；該加工雷射光進行雷射加工作業的過程中產生至少複數個正電熔渣、複數個負電熔渣與複數個中性雜質，係分別受該工作空間內之複數個電場吸引，並附著至鄰近之該負、該正極部上，使該電場產生變化；一訊號偵測部，係連結並透過該至少兩個偵測極板，偵測該電場變化產生之訊號，達到於雷射加工作業中，進行大氣電漿偵測、加工深度偵測及聚焦點偵測；其中：該正極部係為複數個正電極體；該負極部係為複數個負電極體；該絕緣部係為至少兩個絕緣板； 藉此，複數個該正、該負極部係彼此間隔一絕緣距離，並依序排列於該至少兩個絕緣部之相對內側，相鄰之複數個該正、該負極部之間皆具有該電場。
2. 一種雷射鑽孔之訊號偵測裝置，其包括：一雷射裝置，係用以發出一雷射光；一光調節裝置，係供該雷射光通過，且調節成一加工雷射光；一訊號偵測裝置，係包括：至少兩個偵測極板，其間具有一工作空間，該每一偵測極板均設有至少一正極部、至少一負極部及至少一絕緣部；該絕緣部使該正、該負極部之間概呈絕緣，該加工雷射光係通過該工作空間後進行雷射加工作業；一供電裝置，係設一正電供應部及一負電供應部，該正、該負電供應部皆連結並用以對該兩個偵測極板供入一正電及一負電，而使該兩個偵測極板之該正、該負極部朝該工作空間產生電場；該加工雷射光進行雷射加工作業的過程中產生至少複數個正電熔渣、複數個負電熔渣與複數個中性雜質，係分別受該工作空間內之複數個電場吸引，並附著至鄰近之該負、該正極部上，使該電場產生變化；一訊號偵測部，係連結並透過該至少兩個偵測極板，偵測該電場變化產生之訊號，達到於雷射加工作業中，進行大氣電漿偵測、加工深度偵測及聚焦點偵測；其中： 該訊號偵測部、該兩個偵測極板，及該供電裝置概呈相互並聯；該訊號偵測部係包括至少一電容、至少一電阻及一顯示裝置；該電容及該電阻用以偵測該電場變化產生之訊號，並顯示於該顯示裝置。