TWI599431B - 雷射加工裝置及雷射排屑裝置 - Google Patents

雷射加工裝置及雷射排屑裝置 Download PDF

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Description

雷射加工裝置及雷射排屑裝置
本發明係關於一種雷射加工裝置及雷射排屑裝置，特別是一種大孔徑加工之雷射加工裝置及雷射排屑裝置。
隨著觸控面板產業的快速發展，保護玻璃的基板厚度變薄且強度提升為趨勢。傳統CNC機械鑽孔製程面臨瓶頸，而雷射非接觸鑽孔技術因能對高強度之基板進行鑽孔，進而逐漸取代CNC機械鑽孔。
雷射鑽孔分為小範圍的單點鑽孔與大範圍的區域性鑽孔。傳統的雷射噴嘴是針對單點鑽孔所設計，鑽孔範圍的直徑通常小於2.5毫米。若欲進行大範圍的區域性鑽孔(直徑大於10毫米或以上)，則需將傳統的雷射噴嘴配合雙軸向移動平台，才能夠達成大範圍的區域性鑽孔。然而，因雙軸向移動平台的移動速度慢，使得雷射鑽孔的產速難以提升，故亦有將傳統的雷射噴嘴搭配掃描振鏡來進行鑽孔，以期藉由掃描振鏡高掃描頻率的特性來加快鑽孔效率。
理論上，傳統雷射噴嘴搭配掃描振鏡雖然可以加快鑽孔速度，但實際上，傳統雷射噴嘴搭配掃描振鏡的鑽孔速度卻會受到排屑速度的限制而難以提升。詳細來說，目前大都是採用氣體來將碎屑移除，孔徑加大意指氣體的吹氣範圍也會加大。然而，排屑氣體的吹氣範圍變大卻會連帶使排屑氣體的氣壓大幅降低。此狀況將會導致排屑氣體的排屑效果降低，而難以提升雷射鑽孔的鑽孔效率與鑽孔品質。因此，如何提升雷射鑽孔設備進行大孔徑孔洞時的鑽孔效率與鑽孔品質，則為研發人員應解決的問題之一。
本發明在於提供一種雷射加工裝置，以提升雷射鑽孔設備進行大孔徑孔洞時的鑽孔效率與鑽孔品質。
本發明之一實施例所揭露之雷射加工裝置，包含一雷射產生元件、一光學繞孔元件、一導流元件及一氣源。雷射產生元件用以產生一雷射光束。光學繞孔元件位於雷射光束之光路上，並令雷射光束沿一環形加工路徑移動。導流元件具有一光學通道、一環形流道及對應環形流道之一環形出氣口。雷射光束穿過光學通道。環形流道將光學通道環繞於內。環形流道靠近環形出氣口之一出口端傾斜設置。氣源裝設於導流元件並與環形流道相連通。氣源用以提供一氣流，且氣流經環形流道之導引。
根據上述實施例之雷射加工裝置，透過環形流道的引導，使得氣源所產生之氣流於加工表面上形成中空環狀並匹配於環形加工路徑的吹氣範圍。藉此，來提升氣流吹至加工表面時的氣壓，進而提升雷射加工裝置的鑽孔效率與鑽孔品質。
以上關於本發明內容的說明及以下實施方式的說明係用以示範與解釋本發明的原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。
10、10a、10b、10c‧‧‧雷射加工裝置
20‧‧‧加工件
21‧‧‧加工表面
22‧‧‧孔洞
100、100a、100b、100c‧‧‧雷射產生元件
200、200a、200b、200c‧‧‧光學繞孔元件
300、300a、300b、300c‧‧‧導流元件
301‧‧‧本體
302‧‧‧內擋牆
303‧‧‧外擋牆
304‧‧‧導流件
305‧‧‧組裝件
306‧‧‧第一密封組件
307‧‧‧第二密封組件
301a‧‧‧外擋牆
302a‧‧‧組裝件
303a‧‧‧內擋牆
310、310a、310b、310c‧‧‧光學通道
320、320a、320b、320c‧‧‧環形流道
330、330a、330b、330c‧‧‧環形出氣口
340、340a、340b、340c‧‧‧出口端
350、350a、350b、350c‧‧‧進氣口
400、400a、400b、400c‧‧‧氣源
410、410a、410b、410c‧‧‧管路
450‧‧‧阻流透光鏡
500b、500c‧‧‧遮流元件
510b、510c‧‧‧氣流道
600c‧‧‧旋轉驅動組件
610c‧‧‧驅動馬達
620c‧‧‧傳動輪
630c‧‧‧傳動皮帶
a‧‧‧方向
A‧‧‧中心軸線
D1、D2‧‧‧距離
L‧‧‧雷射光束
F‧‧‧氣流
P‧‧‧環形加工路徑
G、g‧‧‧吹氣範圍
圖1為根據本發明第一實施例所述之雷射加工裝置的部分剖面示意圖。
圖2為沿圖1之2-2割面線所繪示的剖面示意圖。
圖3A為圖1之部分放大示意圖。
圖3B為圖3A之分解示意圖。
圖4為圖2之環形加工路徑改為方形的剖面示意圖。
圖5為根據本發明第二實施例所述之雷射加工裝置的部分剖面示意圖。
圖6為圖5之分解示意圖。
圖7為根據本發明第三實施例所述之雷射加工裝置的部分剖面示意圖。
圖8為沿圖7之8-8割面線所繪示的剖面示意圖。
圖9為根據本發明第四實施例所述之雷射加工裝置的部分剖面示意圖。
圖10為沿圖9之10-10割面線所繪示的剖面示意圖。
請參閱圖1至圖2。圖1為根據本發明第一實施例所述之雷射加工裝置的部分剖面示意圖。圖2為沿圖1之2-2割面線所繪示的剖面示意圖。
本實施例之雷射加工裝置10用以對一加工件20進行鑽孔，使加工件20之加工表面21上形成一孔洞22。雷射加工裝置10包含一雷射產生元件100、一光學繞孔元件200及一雷射排屑裝置。其中，雷射排屑裝置包含一導流元件300、一氣源400及一阻流透光鏡450。
雷射產生元件100用以產生一雷射光束L。雷射光束L例如為紫外光雷射、半導體綠光、近紅外光雷射或遠紅外光雷射。
光學繞孔元件200例如為旋轉鑽孔(trepan)光學模組或掃描振鏡模組，並位於雷射光束L之光路上。雷射光束L受光學繞孔元件200驅動而可沿一環形加工路徑P(如圖2所示)移動。環形加工路徑P位於加工件20之加工表面21上，且環形加工路徑P也就是形成孔洞22的邊緣。在本實施例中，環形加工路徑P的形狀為圓形，且環形加工路徑的直徑大於等於1毫米。
導流元件300具有一光學通道310、一環形流道320、對應環形流道320之一環形出氣口330及至少一進氣口350。
光學通道310具有一中心軸線A，雷射光束L穿過光學通道310，並在光學通道310內繞圈而沿環形加工路徑P移動。環形流道320 將光學通道310環繞於內，且環形流道320靠近環形出氣口330之一出口端340傾斜設置。進一步來說就是，環形流道320靠近環形出氣口330的位置到光學通道310之中心軸線A的距離D1小於環形流道320遠離環形出氣口330的位置到光學通道310之中心軸線A的距離D2。
進氣口350位於導流元件300之一側，並連通光學通道310與環形流道320。
值得注意的是，本實施例之進氣口350的數量是以一個為例，但並不以此為限，在其他實施例中，進氣口350的數量也可以為多個，且分別位於導流元件300之相異側。
此外，請參閱圖2至圖3B。圖3A為圖1之部分放大示意圖。圖3B為圖3A之分解示意圖。在本實施例中，導流元件300包含一本體301、一內擋牆302、一外擋牆303、一導流件304、一組裝件305、一第一密封組件306及一第二密封組件307。內擋牆302、外擋牆303、導流件304、組裝件305、第一密封組件306及一第二密封組件307皆為環形，且光學通道310貫穿本體301、內擋牆302、外擋牆303、導流件304、組裝件305、第一密封組件306及第二密封組件307。內擋牆302與外擋牆303裝設於本體301之下緣，且外擋牆303將內擋牆302圍繞於內。導流件304裝設於內擋牆302靠近外擋牆303之一側，令環氣流道320呈流線設計。組裝件305穿過內擋牆302，且部分凸出內擋牆302之下緣，並被外擋牆303圍繞於內。如此一來，內擋牆302、外擋牆303、導流件304與組裝件305共同圍繞出環形流道320。第一密封組件306透過組裝件305裝設於本體301，並將阻流透光鏡450固定於內擋牆302之中。第二密封組件307裝設於本體301，並位於第一密封組件306上方。其中，由於光學通道310與環形流道320相通，故第一密封組件306與第二密封組件307設置於本體301可用以避免氣流F自光學通道310外漏，以令氣流F能經環形流道320之導引而自環形出氣口330流出。
更詳細來說，當氣流F自進氣口350流入本體301時，氣流F會流入第一密封組件306與第二密封組件307之間的空間。接著，氣流F會受到中央處之第一密封組件306的阻擋而流向四周圍，並接著流過由內擋牆302、外擋牆303、導流件304與組裝件305圍繞而成的環形流道320，再經由環形出氣口330流出。
本實施例之導流元件300之本體301、內擋牆302、外擋牆303、導流件304及組裝件305為組合式之結構，但並不以此為限，在其他實施例中，導流元件300之本體301、內擋牆302、外擋牆303、導流件304及組裝件305也可以是一體成型之結構。
氣源400透過一管路410裝設於導流元件300之進氣口350。阻流透光鏡450裝設於光學通道310內，令氣源400僅與環形流道320相連通。也就是說，透過阻流透光鏡450的設置，使得氣源400所產生之氣流僅會從環形流道320之環形出氣口330流至加工表面21而不會從光學通道310流至加工表面。
如圖2所示，透過上述環形流道320之導引，氣流F會在加工表面21上形成中空環狀的一吹氣範圍g。中空環狀的吹氣範圍g具有相對的一外緣及一內緣。外緣具有一直徑Di，內緣具有一直徑Do，且內徑不等於零。在吹氣範圍g內(在外緣與內緣之間的區域)的氣壓會大於吹氣範圍外(大於外緣的區域與小於內緣的區域)的氣壓。經實測，若氣源400提供約10bar的氣壓，則吹氣範圍g內(在外緣與內緣之間的區域)的氣壓約介於5bar至6bar，而吹氣範圍外(大於外緣的區域與小於內緣的區域)約介於0bar至5bar之間。
再者，上述之吹氣範圍g會包覆雷射光束L。換言之，環形加工路徑P位於吹氣範圍g內。由於本實施例透過阻流透光鏡450將原本欲流向內徑Do以內區域的氣流擋住，而讓氣源400所產生之氣流能集中吹向碎屑產生量最多的位置(環形加工路徑P周圍)。如此一來，將可提升 氣流對碎屑的排屑效果，進而提升雷射加工裝置10的鑽孔效率。其實測結果，傳統之雷射加工器加工直徑10毫米的孔洞所花費時間約38秒，且在加工過程中，加工件之加工表面上有粉塵堆積。但本實施例之雷射加工裝置10加工直徑10毫米的孔洞所花費的時間確實有效地自38秒縮短至25秒，且加工過程中，加工件20之加工表面22上並無粉塵堆積。因此，從實測結果中可知，透過環形流道320之導引所產生之氣流(落於吹氣範圍g內)確實能夠有效提升雷射加工裝置10的鑽孔效率及鑽孔品質。
上述實施例之環形加工路徑P的形狀為圓形，但並不以此為限，在其他實施例中，環形加工路徑P的形狀也可以為矩形、三角形或星形。以下將以矩形為例，請參閱圖4。圖4為圖2之環形加工路徑改為方形的剖面示意圖。
在本實施例中，透過上述環形流道320之導引，氣流會在加工表面21上形成中空環狀的一吹氣範圍g。中空環狀的吹氣範圍g具有相對的外緣及一內緣。外緣具有一外徑Di，內緣具有一內徑Do，且內徑不等於零。在吹氣範圍g內(在外緣與內緣之間的區域)的氣壓會大於吹氣範圍外(大於外緣的區域與小於內緣的區域)的氣壓。經實測，若氣源400提供約10bar的氣壓，則吹氣範圍g內(在外緣與內緣之間的區域)的氣壓約介於5bar至6bar，而吹氣範圍外(大於外緣的區域與小於內緣的區域)約介於0bar至5bar之間。環形加工路徑P的形狀為矩形，以透過雷射光束加工出矩形的孔洞。值得注意的是，矩形的環形加工路徑P仍然是落於吹氣範圍g內，以同樣透過環形流道320之導引所產生之氣流來提升雷射加工裝置10的鑽孔效率及鑽孔品質。
在上述實施例中，導流元件300之進氣口350與光學通道310相連通，故透過阻流透光鏡450來封閉光學通道310。但並不以此為限，請參閱圖5與圖6。圖5為根據本發明第二實施例所述之雷射加工裝置的部分剖面示意圖。圖6為圖5之分解示意圖。
本實施例之雷射加工裝置10a包含一雷射產生元件100a、一光學繞孔元件200a、一導流元件300a及一氣源400a。其中，雷射產生元件100a、光學繞孔元件200a及氣源400a與圖1之雷射產生元件100、光學繞孔元件200及氣源400相似，故不再贅述。
本實施例之導流元件300a具有一光學通道310a、一環形流道320a、對應環形流道320a之一環形出氣口330a及至少一進氣口350a。其中，進氣口350a位於導流元件300a之一側，並僅與環形流道320a相連通。換言之，進氣口350a並無和光學通道310a相通，故本實施例之雷射加工裝置10a無需額外設置阻流透光鏡來封閉光學通道310a。
在本實施例中，導流元件300a包含一外擋牆301a、一組裝件302a及一內擋牆303a。外擋牆301a與內擋牆303a透過組裝件302a相互組裝，並於外擋牆301a與內擋牆303a間形成環形流道320a。光學通道310a貫穿外擋牆301a、組裝件302a與內擋牆303a，且光學通道310a不與環形流道320a相連通。
本實施例之導流元件300之本體301、內擋牆302、外擋牆303、導流件304及組裝件305為組合式之結構，但並不以此為限，在其他實施例中，導流元件300之本體301、內擋牆302、外擋牆303、導流件304及組裝件305也可以是一體成型之結構。
請參閱圖7與圖8。圖7為根據本發明第三實施例所述之雷射加工裝置的部分剖面示意圖。圖8為沿圖7之8-8割面線所繪示的剖面示意圖。
本實施例之雷射加工裝置10b包含一雷射產生元件100b、一光學繞孔元件200b、一導流元件300b、一氣源400b、一阻流透光鏡450b及一遮流元件500b。其中，雷射產生元件100b、光學繞孔元件200b、氣源400b及阻流透光鏡450b與圖1之雷射產生元件100、光學繞孔元件200、氣源400及阻流透光鏡450相似，故不再贅述。
本實施例之遮流元件500b具有多個氣流道510b。這些氣流道510b環狀排列。遮流元件500b裝設於導流元件300b之環形出氣口330b。
在本實施例中，透過上述環形流道320b與這些氣流道510b之導引，氣流會在加工表面21上形成沿環狀排列的多個吹氣範圍G。由於遮流元件500b遮住環形出氣口330b之部分，使得這些吹氣範圍G的總面積遠小於圖2之吹氣範圍g之總面積。藉此使得氣源400b所產生之氣流更集中，並加大氣流在吹氣範圍G內形成的氣壓。經實測，若氣源400b提供約10bar的氣壓，則吹氣範圍G內的氣壓約為7.5bar。並且，雷射加工裝置10b加工直徑10毫米的孔洞所花費的時間更進一步縮短至22秒。
請參閱圖9與圖10。圖9為根據本發明第四實施例所述之雷射加工裝置的部分剖面示意圖。圖10為沿圖9之10-10割面線所繪示的剖面示意圖。
本實施例之雷射加工裝置10c包含一雷射產生元件100c、一光學繞孔元件200c、一導流元件300c、一氣源400c、一阻流透光鏡450c、一遮流元件500c及一旋轉驅動組件600c。其中，雷射產生元件100c、光學繞孔元件200c、氣源400c及阻流透光鏡450c與圖1之雷射產生元件100、光學繞孔元件200、氣源400及阻流透光鏡450相似，故不再贅述。
本實施例之遮流元件500c具有單個氣流道510c。遮流元件500c裝設於導流元件300c之環形出氣口330c。
旋轉驅動組件600c連接於遮流元件500c，以驅動遮流元件500c以光學通道310c之中心軸線A為旋轉中心線轉動。詳細來說，旋轉驅動組件600c包含一驅動馬達610c、二傳動輪620及一傳動皮帶630。二傳動輪620c分別裝設於驅動馬達610c與導流元件300c。傳動皮帶630c套設二傳動輪620c，以透過導流元件300c帶動遮流元件500c轉動。
在本實施例中，透過上述環形流道320c與這些氣流道510c之導引，氣流會在加工表面21上沿環形加工路徑P移動(如箭頭a所指示的方向)而形成動態式的吹氣範圍G。由於遮流元件500b遮住環形出氣口330b之大部分，使得動態式吹氣範圍G的總面積遠小於圖6之吹氣範圍G之總面積。藉此使得氣源400b所產生之氣流更集中，並加大氣流在動態式的吹氣範圍G內形成的氣壓。經實測，若氣源400c提供約10bar的氣壓，則動態式的吹氣範圍G內的氣壓約為9bar。並且，雷射加工裝置10c加工直徑10毫米的孔洞所花費的時間更進一步縮短至20.6秒。
根據上述實施例之雷射加工裝置及雷射排屑裝置，透過環形流道的引導，使得氣源所產生之氣流於加工表面上形成中空環狀並匹配於環形加工路徑的吹氣範圍。藉此，來提升氣流吹至加工表面時的氣壓，進而提升雷射加工裝置的鑽孔效率與鑽孔品質。
此外，除上述環形流道之導引外，更透過遮流元件的引導，來使得氣源所產生之氣流於加工表面上形成沿環形加工路徑排列的多個吹氣範圍或是形成沿環形加工路徑移動的動態式吹氣範圍。藉此，進一步地提升氣流吹至加工表面時的氣壓，以更進一步地提升雷射加工裝置的鑽孔效率與鑽孔品質。
雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，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，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧雷射加工裝置
20‧‧‧加工件
21‧‧‧加工表面
22‧‧‧孔洞
100‧‧‧雷射產生元件
200‧‧‧光學繞孔元件
300‧‧‧導流元件
310‧‧‧光學通道
320‧‧‧環形流道
330‧‧‧環形出氣口
340‧‧‧出口端
350‧‧‧進氣口
400‧‧‧氣源
410‧‧‧管路
450‧‧‧阻流透光鏡
A‧‧‧中心軸線
D1、D2‧‧‧距離
L‧‧‧雷射光束
P‧‧‧環形加工路徑

Claims (16)

  1. 一種雷射加工裝置，包含：一雷射產生元件，用以產生一雷射光束；一光學繞孔元件，位於該雷射光束之光路上，並令該雷射光束沿一環形加工路徑移動；一導流元件，具有一光學通道、一環形流道及對應環形流道之一環形出氣口，該雷射光束穿過該光學通道，該環形流道將該光學通道環繞於內，該環形流道靠近該環形出氣口之一出口端傾斜設置；以及一氣源，裝設於該導流元件並與該環形流道相連通，該氣源用以提供一氣流，且該氣流經環形流道之導引。
  2. 如請求項1所述之雷射加工裝置，更包含一遮流元件，具有多個氣流道，該些氣流道環狀排列，該遮流元件裝設於該導流元件之該環形出氣口。
  3. 如請求項1所述之雷射加工裝置，更包含一遮流元件及一旋轉驅動組件，該遮流元件具有一氣流道，該遮流元件裝設於該導流元件之該環形出氣口，該旋轉驅動組件包含一驅動馬達、二傳動輪及一傳動皮帶，該二傳動輪分別裝設於該驅動馬達與該導流元件，該傳動皮帶套設該二傳動輪，以透過該導流元件帶動該遮流元件轉動以該光學通道之中心軸線為旋轉中心線轉動。
  4. 如請求項1所述之雷射加工裝置，更包含一阻流透光鏡，封閉該光學通道。
  5. 如請求項1所述之雷射加工裝置，其中該環形加工路徑的形狀為圓形、矩形、三角形或星形。
  6. 如請求項7所述之雷射加工裝置，其中該環形加工路徑的形狀為圓形，且該環形加工路徑的直徑大於等於1毫米，小於800毫米。
  7. 如請求項1所述之雷射加工裝置，其中該氣流與該雷射光束作用於一加工件之一加工表面，該氣流於該加工表面上形成環形的一吹氣範圍，該環形加工路徑位於該加工表面上，且該環形加工路徑落於該吹氣範圍內。
  8. 如請求項7所述之雷射加工裝置，其中該吹氣範圍具有相對的一外緣及一內緣，該內緣之直徑大於零，並小於800毫米。
  9. 如請求項1所述之雷射加工裝置，其中該雷射光束為紫外光雷射、半導體綠光、近紅外光雷射或遠紅外光雷射。
  10. 如請求項1所述之雷射加工裝置，其中光學繞孔元件為旋轉鑽孔(trepan)光學模組或掃描振鏡模組。
  11. 一種雷射排屑裝置，包含：一導流元件，具有一光學通道、一環形流道及對應環形流道之一環形出氣口，該光學通道用以供一雷射光束穿過，該環形流道將該光學通道環繞於內，該環形流道靠近該環形出氣口之一出口端傾斜設置；以及一氣源，裝設於該導流元件並與該環形流道相連通，該氣源用以提供一氣流，且該氣流經環形流道之導引。
  12. 如請求項11所述之雷射排屑裝置，更包含一遮流元件，具有多個氣流道，該些氣流道環狀排列，該遮流元件裝設於該導流元件之該環形出氣口。
  13. 如請求項11所述之雷射排屑裝置，更包含一遮流元件及一旋轉驅動組件，該遮流元件具有一氣流道，該遮流元件裝設於該導流元件之該環形出氣口，該旋轉驅動組件包含一驅動馬達、二傳動輪及一傳動皮帶，該二傳動輪分別裝設於該驅動馬達與該導流元件，該傳動皮帶套設該二傳動輪，以透過該導流元件帶動該遮流元件轉動以該光學通道之中心軸線為旋轉中心線轉動。
  14. 如請求項11所述之雷射排屑裝置，更包含一阻流透光鏡，封閉該光學通道。
  15. 如請求項11所述之雷射排屑裝置，其中該氣流與該雷射光束作用於一加工件之一加工表面，該氣流於該加工表面上形成環形的一吹氣範圍，該環形加工路徑位於該加工表面上，且該環形加工路徑落於該吹氣範圍內。
  16. 如請求項15所述之雷射排屑裝置，其中該吹氣範圍具有相對的一外緣及一內緣，該內緣之直徑大於零，並小於800毫米。
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