TWI613026B - 雷射加工裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種能夠抑制脈衝能量的偏差的同時抑制加工時間的延長之雷射加工裝置。光束偏轉器在加工對象物的表面使脈衝雷射光束的入射位置移動，若移動結束則發送定位結束訊號。切換器為打開狀態時，脈衝雷射光束從雷射光源入射到光束偏轉器，為關閉狀態時不入射。在控制裝置向光束偏轉器發送移動指令訊號之後直到接收定位結束訊號的期間，將切換器設為關閉狀態，以恆定的第1重複頻率發送輸出指令訊號。若接收定位結束訊號，則從包含第1重複頻率之頻率變動範圍內選擇之前的輸出指令訊號到下一個輸出指令訊號為止的第2重複頻率。藉由以第2重複頻率向雷射光源發送下一個輸出指令訊號，從而在高品質加工模式下進行加工。

Description

雷射加工裝置
本發明係有關一種雷射加工裝置。
利用雷射進行鑽孔加工時，藉由利用電流掃描儀在二維方向上擺動雷射光束，從而使雷射光束入射到被加工點。雷射光束入射到1個被加工點之後，操作電流掃描儀來將雷射光束的入射位置移動至下一個被加工點。以電流掃描儀被定位在下一個被加工點為契機，輸出脈衝雷射光束。被加工點的間隔不恆定的情況下，用於使入射位置移動至下一個被加工點的所需時間亦不恆定。因此，從雷射光源輸出之脈衝雷射光束的脈衝的重複頻率(以下，簡稱為“頻率”。)中產生偏差。若脈衝雷射光束的頻率出現偏差，則導致脈衝能量亦出現偏差。
下述專利文獻1中，揭示了抑制脈衝能量的偏差之雷射加工裝置。專利文獻1中揭示之雷射加工裝置中，從雷射光源以恆定的頻率輸出脈衝雷射光束。直到電流掃描儀的定位結束的期間，脈衝雷射光束由開關元件而暫時被切斷。藉由電流掃描儀的定位結束之後打開開關元件，藉此 使脈衝雷射光束入射到加工對象物。
從雷射光源以恆定的重複頻率輸出脈衝雷射光束，因此由重複頻率的變動引起之脈衝能量的變動得到抑制。其結果，能夠進行高品質的加工。
(先前技術文獻) (專利文獻)
專利文獻1：日本特開2011-56521號公報
專利文獻1中揭示之雷射加工裝置中，由於脈衝雷射光束以恆定的頻率被輸出，因此並不能限定電流掃描儀的定位結束之後立即輸出下一個脈衝。從電流掃描儀的定位結束時刻到下一個脈衝輸出期間產生等待時間。因此，導致加工時間變長。
本發明的目的在於提供一種能夠抑制脈衝能量的偏差的同時抑制加工時間的延長之雷射加工裝置。
依本發明的一個觀點，提供一種雷射加工裝置，其具有：雷射光源，按照輸出指令訊號來輸出脈衝雷射光束；載物台，保持加工對象物；光束偏轉器，配置在前述雷射光源與前述加工對象物 之間的前述脈衝雷射光束的路徑，若接收移動指令訊號，則在前述加工對象物的表面使前述脈衝雷射光束的入射位置移動，若移動結束則發送定位結束訊號；切換器，切換從前述雷射光源輸出之前述脈衝雷射光束入射到前述光束偏轉器之打開狀態與不入射到前述光束偏轉器之關閉狀態；及控制裝置，控制前述雷射光源、前述光束偏轉器及前述切換器，前述控制裝置具有如下功能：向前述光束偏轉器發送前述移動指令訊號之後，直到從前述光束偏轉器接收前述定位結束訊號的期間，將前述切換器設為前述關閉狀態，以恆定的第1重複頻率向前述雷射光源發送前述輸出指令訊號，若從前述光束偏轉器接收前述定位結束訊號，則從包含前述第1重複頻率之第1頻率變動範圍內選擇之前的前述輸出指令訊號到下一個前述輸出指令訊號的第2重複頻率，藉由以前述第2重複頻率向前述雷射光源發送下一個前述輸出指令訊號，從而在高品質加工模式下進行加工。
不管光束偏轉器的運行狀態如何，與以恆定的重複頻率輸出脈衝雷射光束之情況相比，能夠縮短從光束偏轉器的定位結束到下一個雷射脈衝的輸出的等待時間。藉此， 能夠縮短加工時間。
在光束轉換器的操作期間，與不發送輸出指令訊號之情況相比，能夠抑制脈衝雷射光束的重複頻率的變動。因此，能夠縮小脈衝能量的偏差。
10‧‧‧雷射光源
11‧‧‧切換器
12‧‧‧折疊式反射鏡
13‧‧‧光束偏轉器
14‧‧‧fθ透鏡
15‧‧‧XY載物台
16‧‧‧射束阻尼器
17‧‧‧高品質加工模式時的頻率變動範圍
18‧‧‧通常加工模式時的頻率變動範圍
20‧‧‧控制裝置
21‧‧‧記憶部
25‧‧‧輸入裝置
30‧‧‧加工對象物
SHQ‧‧‧最高品質加工模式
HQ‧‧‧高品質加工模式
STD‧‧‧通常加工模式
sig1‧‧‧輸出指令訊號
sig2‧‧‧切換訊號
sig3‧‧‧移動指令訊號
sig4‧‧‧定位結束訊號
sig5‧‧‧移動指令訊號
sig6‧‧‧移動結束訊號
第1圖係基於實施例的雷射裝置的概略圖。
第2圖係表示脈衝的重複頻率與脈衝能量之間的關係、及加工模式為通常加工模式STD、高品質加工模式HQ、和最高品質加工模式SHQ時的頻率變動範圍之圖表。
第3圖係在最高品質加工模式SHQ下進行加工時的各種訊號的時序圖。
第4圖係在高品質加工模式HQ下進行加工時的各種訊號的時序圖。
第5圖係在通常加工模式STD下進行加工時的各種訊號的時序圖。
在第1圖中示出基於實施例的雷射加工裝置的概略圖。若雷射光源10從控制裝置20接收輸出指令訊號sig1，則輸出脈衝雷射光束L1。輸出指令訊號sig1係脈衝訊號，且與輸出指令訊號sig1的1個脈衝相對應，並輸出脈衝雷射光束L1的1個雷射脈衝。雷射光源10中例 如能夠使用二氧化碳雷射及Nd：YAG雷射等。
從雷射光源10輸出之脈衝雷射光束L1經由切換器11、折疊式反射鏡12、光束偏轉器13、fθ透鏡14而入射到加工對象物30。加工對象物30保持於XY載物台15。切換器11藉由從控制裝置20接收切換訊號sig2來切換打開狀態和關閉狀態。切換器11為打開狀態時，使入射之脈衝雷射光束L1入射到折疊式反射鏡12。亦即，在打開狀態時，雷射光束入射到加工對象物30。切換器11為關閉狀態時，使入射之脈衝雷射光束L1入射到射束阻尼器16。亦即，在關閉狀態時，雷射光束不入射到加工對象物。切換器11能夠使用聲光元件(AOM)及聲光偏轉元件(AOD)等。
fθ透鏡14使脈衝雷射光束聚光在加工對象物30的表面。可採用在脈衝雷射光束的路徑上配置光束截面整形用的遮罩，並將遮罩成像在加工對象物30的表面而進行加工之遮罩成像法，亦可採用在束腰(bcam waist)的位置進行加工之方法。
從控制裝置20接收移動指令訊號sig3時，光束偏轉器13在加工對象30的表面上改變脈衝雷射光束的行進方向，以使脈衝雷射光束的入射位置移動。脈衝雷射光束的入射位置資訊由移動指令訊號sig3所賦予。光束偏轉器13的定位結束時，從光束偏轉器13向控制裝置20發送定位結束訊號sig4。光束偏轉器13例如能夠使用包含一對活動反射鏡之電流掃描儀。
XY載物台15從控制裝置20接收移動指令訊號sig5而使加工對象物30移動。移動結束時，從XY載物台15向控制裝置20發送移動結束訊號sig6。在雷射加工時，在使加工對象物30靜止之狀態下，藉由使光束偏轉器13動作，從而進行由光束偏轉器13可掃描的範圍內的加工。藉由交替地反覆進行基於XY載物台15的加工對象物30的移動與基於光束偏轉器13的動作的可掃描範圍內的加工，能夠對加工對象物30的表面的整個區域進行加工。
控制裝置20包含記憶各種加工模式之記憶部21。記憶部21記憶被劃定在加工對象物30的表面之被加工點的位置資訊(例如，座標等)及被加工點的加工順序。而且，記憶發送輸出指令訊號sig1之頻率資訊(例如，輸出指令訊號sig1的重複頻率的變動範圍)。並且，記憶部21記憶預先將切換器11設為打開狀態之時間寬度。
藉由由操作員操作輸入裝置25，藉此從輸入裝置25向控制裝置20輸入指示加工模式的命令。加工模式中例如包含通常加工模式STD、高品質加工模式HQ及最高品質加工模式SHQ。在這些加工模式間，從雷射光源10輸出之脈衝雷射光束L1的頻率的變動範圍不同。
在第2圖中示出脈衝的頻率與脈衝能量之間的關係、及加工模式為通常加工模式STD、高品質加工模式HQ及最高品質加工模式SHQ時的頻率變動範圍。第2圖所示之圖表的橫軸表示脈衝雷射光束的頻率，縱軸表示脈衝能 量。在通常加工模式STD下進行加工時，可從下限頻率f1到上限頻率f4的頻率變動範圍18內選擇脈衝雷射光束的頻率。在高品質加工模式HQ下進行加工時，從下限頻率f2到上限頻率f4的頻率變動範圍17內選擇脈衝雷射光束的頻率。高品質加工模式HQ的頻率變動範圍17比通常加工模式STD的頻率變動範圍18窄。在最高品質加工模式SHQ下進行加工時，脈衝雷射光束的頻率固定在基準頻率f3。
脈衝能量顯示隨著脈衝的重複頻率提高而降低之傾向。在最高品質加工模式SHQ下進行加工時，脈衝雷射光束的頻率恆定，因此脈衝能量亦幾乎維持為恆定。在高品質加工模式HQ下進行加工時，及在通常加工模式STD下進行加工時，各脈衝雷射光束的頻率可在頻率變動範圍17、18內變動。若脈衝雷射光束的頻率變動，則脈衝能量亦變動。但是，高品質加工模式HQ中的頻率的變動寬度比通常加工模式中的頻率的變動寬度窄。因此，在高品質加工模式HQ下進行加工時的脈衝能量的偏差小於在通常加工模式下進行加工時的脈衝能量的偏差。
在第3圖中示出在最高品質加工模式SHQ下進行加工時的各種訊號的時序圖。在第3圖的時序圖中，從上依次示出輸出指令訊號sig1、從雷射光源10輸出之脈衝雷射光束L1、比切換器11更靠後方的脈衝雷射光束L2、切換訊號sig2、定位結束訊號sig4、移動指令訊號sig3、來自XY載物台15的移動結束訊號sig6及向XY載物台15 的移動指令訊號sig5。
與切換訊號sig2的上升同步，切換器11成為打開狀態，與下降同步，切換器11成為關閉狀態。定位結束訊號sig4的上升與光束偏轉器13的動作開始(電流掃描儀的活動反射鏡的旋轉開始)相對應的下降與光束偏轉器13的定位結束相對應。具體而言，若光束偏轉器13被整定(若電流掃描儀的活動反射鏡的旋轉方向的當前位置與目標位置的誤差落在允許範圍內，活動反射鏡幾乎靜止)，則定位結束訊號sig4下降。亦即，藉由定位結束訊號sig4的下降，光束轉換器13的定位結束被通知到控制裝置20。在本說明書中，將降低定位結束訊號sig4之控制稱為“發送定位結束訊號sig4”。
XY載物台15的移動結束訊號sig6的上升與XY載物台15的移動開始相對應。若XY載物台15被整定，則移動結束訊號sig6下降。亦即，藉由移動結束訊號sig6的下降來通知XY載物台15的移動結束。移動端的位置資訊藉由移動指令訊號sig5從控制裝置20指示到XY載物台15。
啟動雷射加工裝置，由操作員指示加工開始時，控制裝置20以第2圖所示之恆定的基準頻率f3向雷射光源10發送輸出指令訊號sig1。來自操作員的加工開始的指示例如藉由按下加工開始按鈕等來進行。雷射光源10與輸出指令訊號sig1的接收同步地輸出脈衝雷射光束L1。
從控制裝置20向XY載物台15發送移動指令訊號 sig5時(時刻t1)，開始XY載物台15的移動。XY載物台15的移動結束時(時刻t2)，移動結束訊號sig6下降。藉此，向控制裝置20通知移動結束。從XY載物台15接收移動結束的通知時，控制裝置20向光束偏轉器13發送使脈衝雷射光束的入射位置移動到最初的被加工點之移動指令訊號sig3。
光束偏轉器13的定位結束時(時刻t3)，從光束偏轉器13向控制裝置20發送定位結束訊號sig4。直到接收來自光束偏轉器13的定位結束訊號sig4為止，控制裝置20將切換器11預先設為關閉狀態。因此，從雷射光源10輸出之脈衝雷射光束L1入射到射束阻尼器16。在此期間，脈衝雷射光束L2不顯現。
接收定位結束訊號sig4時，控制裝置20在與下一個輸出指令訊號sig1相對應之脈衝雷射光束L1的雷射脈衝P1的脈衝寬度內的至少一部分中，將切換器11設為打開狀態(時刻t4)。藉此，雷射脈衝P1的至少一部分入射到加工對象物30。例如，在未輸出雷射脈衝P1之期間的局部期間，藉由將切換器11設為打開狀態，從而從雷射脈衝P1切出一部分。切出之雷射脈衝P2入射到加工對象物30。若在雷射脈衝P1的脈衝寬度的整個期間將切換器11設為打開狀態，則雷射脈衝P1直接入射到加工對象物30。第3圖中，示出切出雷射脈衝P1的中央部而形成雷射脈衝P2之例子。
控制裝置20在輸出雷射脈衝P1的下一個雷射脈衝 P3之前，將切換器11設為關閉狀態。切換器11成為關閉狀態之後，藉由向光束偏轉器13發送移動指令訊號sig3(時刻t5)，從而將脈衝雷射光束的入射位置移動到下一個被加工點。光束偏轉器13的定位結束時(時刻t6)，使下一個輸出之雷射脈衝P3的至少一部分入射到加工對象物30。
以後，同樣地，使光束偏轉器13的定位結束之後立即輸出之雷射脈衝的至少一部分入射到加工對象物30。
最高品質加工模式SHQ中，以恆定的基準頻率f3激發雷射光源10。因此，能夠將脈衝能量維持為恆定。但是，光束偏轉器13的定位結束(時刻t3)之後，直到輸出下一個雷射脈衝P1為止，導致產生等待時間Tw。
在第4圖中示出在高品質加工模式HQ下進行加工時的各種訊號之時序圖。第4圖中省略第3圖的移動指令訊號sig5及移動結束訊號sig6的記載。
向光束偏轉器13發送移動指令訊號sig3之後，直到定位結束為止的期間(時刻t10到t11的期間、時刻t12到t13的期間、時刻t14到t15的期間)，切換器11被設為關閉狀態。相當於在此期間發送之輸出指令訊號sig1與之前發送之輸出指令訊號sig1的間隔的頻率f5例如與在最高品質加工模式SHQ中適用之恆定的基準頻率f3相同。另外，頻率f5與基準頻率f3亦並不一定相同。作為頻率f5，從高品質加工模式HQ的頻率變動範圍17(第2圖)內選擇亦即可。
光束偏轉器13的定位結束(時刻t11、t13、t15)時，控制裝置20從高品質加工模式HQ時的頻率變動範圍17(第2圖)內選擇之前的輸出指令訊號sig1到下一個輸出指令訊號sig1的頻率。
定位結束之時刻t11中，作為相當於之前的輸出指令訊號sig1到下一個輸出指令訊號sig1的周期的頻率，可選擇頻率變動範圍17(第2圖)的上限頻率f4。定位結束之時刻t13、t15中，輸出之前的輸出指令訊號sig1後的經過時間超過相當於上限頻率f4之周期。因此，作為之前的輸出指令訊號sig1到下一個輸出指令訊號sig1的頻率，無法選擇上限頻率f4。此時，選擇與從之前的輸出指令訊號sig1的輸出時刻到定位結束之時刻t13、t15的經過時間相對應之頻率f6、f7。頻率f6、f7與高品質加工模式HQ的頻率變動範圍17(第2圖)的下限頻率f2相等或高於下限頻率f2且低於上限頻率f4。亦即，從頻率變動範圍17(第2圖)內選擇頻率，以使從之前的輸出指令訊號sig1到下一個輸出指令訊號sig1的頻率滿足最高之條件。
如在最高品質加工模式SHQ下進行加工之情況，始終以恆定的頻率f5輸出輸出指令訊號sig1時，光束偏轉器13的定位結束之時刻t11、t13、t15之後，如虛線所示，在經過相當於頻率f5之周期之時刻發送輸出指令訊號sig1。因此，從定位結束時刻(時刻t11、t13、t15)到發送輸出指令訊號sig1之前，需要等待時間。
高品質加工模式HQ中，時刻t11後，在發送之前的輸出指令訊號sig1後與恆定的頻率f5的周期相對應之時間經過之前，在與上限頻率f4相對應之周期經過之時刻輸出輸出指令訊號sig1。定位結束之時刻t13、t15後，基本上無需設定等待時間，可立即輸出輸出指令訊號sig1。因此，在高品質加工模式HQ中，與最高品質加工模式SHQ相比，能夠縮短從光束偏轉器13的定位結束到輸出脈衝雷射L1為止的等待時間。
在第5圖中示出在通常加工模式STD下進行加工時的各種訊號的時序圖。第5圖中省略第3圖的移動指令訊號sig5及移動結束訊號sig6的記載。
通常加工模式STD中，控制裝置20向光束偏轉器13發送移動指令訊號sig3，在直到從光束偏轉器13接收定位結束訊號sig4為止的期間(t21到t22的期間、t23到t24的期間、t25到t26的期間)，未輸出輸出指令訊號sig1。控制裝置20以接收定位結束訊號sig4為契機，向雷射光源10發送輸出指令訊號sig1(時刻t22、t24、t26)。
而且，控制裝置20向切換器11發送切換訊號sig2，並將切換器11設為打開狀態，藉此使脈衝雷射光束L1的各雷射脈衝的至少一部分入射到加工對象物30。
通常加工模式STD中，若光束偏轉器13的定位結束，則基本上無需等待時間，可向雷射光源10發送輸出指令訊號sig1。但是，受到光束偏轉器13的定位所需時 間的偏差的影響，脈衝雷射光束L1的頻率出現偏差。因此，與高品質加工模式HQ相比，脈衝能量的偏差變大。
最高品質加工模式SHQ具有脈衝能量的偏差最小，但是加工時間長的特徵。通常加工模式STD具有加工時間短，但是脈衝能量的偏差較大的特徵。高品質加工模式HQ具有在某種程度抑制脈衝能量的偏差，且抑制加工時間的延長之特徵。按照加工對象物中所要求之加工品質，可從通常加工模式STD、高品質加工模式HQ及最高品質加工模式SHQ中能夠選擇最適合之加工模式。
基於上述實施例的雷射加工裝置具有在最高品質加工模式SHQ、高品質加工模式HQ及通常加工模式STD中的任一種加工模式中進行加工之功能。實施例的雷射加工裝置可以是具有僅在高品質加工模式HQ下進行加工之功能之構成，且亦可以是具有在高品質加工模式HQ及其他一種加工模式的任一種模式中進行加工之功能之結構成。
以上，藉由實施例對本發明進行了說明，但本發明並不限於此。例如能夠進行各種變更、改良、組合等係本領域技術人員顯而易見的。
Sig1‧‧‧輸出指令訊號
Sig2‧‧‧切換訊號
Sig3‧‧‧移動指令訊號
Sig4‧‧‧定位結束訊號
L1、L2‧‧‧脈衝雷射光束
f2‧‧‧下限頻率
f4‧‧‧上限頻率
f5、f6、f7‧‧‧頻率
t10、t11、t12、t13、t14、t15‧‧‧時刻

Claims (6)

  1. 一種雷射加工裝置，其具有：雷射光源，按照輸出指令訊號來輸出脈衝雷射光束；載物台，保持加工對象物；光束偏轉器，配置在前述雷射光源與前述加工對象物之間的前述脈衝雷射光束的路徑，若接收移動指令訊號，則在前述加工對象物的表面使前述脈衝雷射光束的入射位置移動，若移動結束則發送定位結束訊號；切換器，切換從前述雷射光源輸出之前述脈衝雷射光束入射到前述光束偏轉器之打開狀態與不入射到前述光束偏轉器之關閉狀態；及控制裝置，控制前述雷射光源、前述光束偏轉器及前述切換器，前述控制裝置具有如下功能：在向前述光束偏轉器發送前述移動指令訊號之後，直到從前述光束偏轉器接收到前述定位結束訊號為止的期間，將前述切換器設為前述關閉狀態，以恆定的第1重複頻率向前述雷射光源發送前述輸出指令訊號，若從前述光束偏轉器接收到前述定位結束訊號，則從包含前述第1重複頻率之第1頻率變動範圍內選擇之前的前述輸出指令訊號到下一個前述輸出指令訊號的第2重複頻率，藉由以前述第2重複頻率向前述雷射光源發送下一個前述輸出指令訊號，從而在高品質加工模式下進行加工。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射加工裝置，其中，選擇前述第2重複頻率時，前述控制裝置選擇前述第2重複頻率，以使之前的前述輸出指令訊號到下一個前述輸出指令訊號的重複頻率滿足最高之條件。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之雷射加工裝置，其還具有：輸入裝置，具備輸入指示加工模式之命令之功能，所輸入之前述命令指示前述高品質加工模式時，前述控制裝置在前述高品質加工模式下進行加工。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之雷射加工裝置，其中，所輸入之前述命令指示通常加工模式時，前述控制裝置向前述光束偏轉器發送前述移動指令訊號，直到從前述光束偏轉器接收前述定位結束訊號為止的期間，不發送前述輸出指令訊號，以從前述光束偏轉器接收前述定位結束訊號為契機，藉由向前述雷射光源發送前述輸出指令訊號，從而在前述通常加工模式下進行加工。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之雷射加工裝置，其中，所輸入之前述命令指示最高品質加工模式時，前述控制裝置在以恆定的第3重複頻率向前述雷射光 源發送前述輸出指令訊號的期間，若從前述光束偏轉器接收到前述定位結束訊號，則在與下一個前述輸出指令訊號相對應之前述脈衝雷射光束的雷射脈衝的脈衝寬度內的至少一部分中，藉由將前述切換器設為前述打開狀態，從而在前述最高品質加工模式下進行加工。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之雷射加工裝置，其中，前述第3重複頻率與前述第1重複頻率相同。
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