TWI834977B

TWI834977B - 雷射裝置

Info

Publication number: TWI834977B
Application number: TW110122576A
Authority: TW
Inventors: 河村譲一; 田中研太
Original assignee: 日商住友重機械工業股份有限公司
Priority date: 2020-07-06
Filing date: 2021-06-21
Publication date: 2024-03-11
Also published as: JP7499627B2; JP2022014176A; TW202209772A; KR20220005392A; CN113904204B; CN113904204A

Abstract

提供一種即使腔室熱變形雷射束的路徑仍不易產生偏移之雷射裝置。腔室收納雷射介質氣體及光學共振器。台架支承腔室。腔室在1個部位，腔室相對於台架的水平方向的位置受到拘束。除了腔室相對於台架的水平方向的位置受到拘束的部位以外，腔室被支承成能夠相對於台架沿水平方向移動。

Description

雷射裝置

本發明關於一種雷射裝置。本申請主張基於2020年7月6日申請的日本專利申請第2020-116378號的優先權。該日本申請的全部內容通過參閱而援用於本說明書中。

氣體雷射振盪器的腔室由台架支承。在該結構中，通常將腔室在4個部位固定於台架上。在三軸正交型的雷射振盪器中，為了讓在放電電極的放電穩定，係使腔室內的雷射介質氣體高速循環。雷射介質氣體流入一對放電電極之間的放電區域，因放電而成為高溫的雷射介質氣體從放電區域往腔室內之其他區域排出。從放電區域被排出之雷射介質氣體藉由熱交換器冷卻，再次流入放電區域。由於經過放電而成為高溫的雷射介質氣體，腔室會熱膨脹。若腔室熱膨脹，則台架也隨著腔室的變形而變形。

在下述的專利文獻1中，公開有一種將光學共振器的鏡片配置在腔室之外的氣體雷射振盪器。腔室和光學共振器鏡片被固定在不同的台架上。因此，即使腔室或其台架熱變形，光學共振器仍不易受其熱變形的影響。 [先前技術文獻]

[專利文獻1]日本特開平2-105478號公報

[發明所欲解決之問題]

在腔室的內部配置有光學共振器的鏡片之結構中，若因腔室的熱變形而導致台架變形，則腔室的姿勢發生改變，腔室內的光學共振器的鏡片的姿勢、位置亦發生改變。其結果，導致光學共振器的光軸從初始的位置偏移。若光學共振器的光軸偏移，則雷射束向配置在雷射振盪器的後段之射束整形光學系統等的入射位置亦產生偏移。若向射束整形光學系統的入射位置偏移，則加工面中的射束輪廓走樣，導致加工品質下降。

本發明的目的在於提供一種雷射裝置，即使腔室熱變形，雷射束的路徑仍不易產生偏移。 [解決問題之技術手段]

根據本發明的一方式，提供一種雷射裝置，其具有：腔室，係收納雷射介質氣體及光學共振器；及台架，係支承前述腔室，前述腔室在1個部位，前述腔室相對於前述台架的水平方向的位置受到拘束，除了前述腔室相對於前述台架之水平方向的位置受到拘束的部位以外，前述腔室被支承成能夠相對於前述台架沿水平方向移動。 [發明之效果]

即使腔室熱變形，台架仍不易受到其變形的影響。藉此，減少腔室的姿勢的變動，雷射束的路徑的偏移亦不易產生。

參閱圖1～圖7B，對基於實施例的雷射裝置進行說明。圖1係基於實施例的雷射裝置10、及利用從雷射裝置10輸出之雷射束進行加工的加工裝置80的概略圖。在共用底座100上，固定有雷射裝置10及加工裝置80。共用底座100例如為地板。

雷射裝置10包括固定於共用底座100之台架11、由台架11支承之雷射振盪器12。加工裝置80包括射束整形光學系統81及載台82。加工對象物90被保持在載台82上。射束整形光學系統81及載台82被固定在共用底座100上。從雷射振盪器12輸出之雷射束藉由射束整形光學系統81對射束輪廓進行整形，入射到加工對象物90上。

圖2係雷射裝置10的側視圖，係表示關於雷射振盪器12的剖面之圖。雷射振盪器12包括收納雷射介質氣體及光學共振器20等之腔室15。腔室15在4個部位由台架11支承。即，台架11在4個部位承受來自腔室15的荷重。在圖2中，以三角形30表示腔室15被台架11支承之部位。圖2僅藉由三角形30示意性地表示腔室15被台架11支承之部位，三角形30並不代表台架11支承腔室15的支承結構的形狀。台架11藉由4個台架腳13而被支承於共用底座100上。圖2用三角形示意性地表示台架腳13，並不代表台架腳13的形狀。另外，在後面說明之放電電極支承構件23及光學共振器支承構件27亦在圖2中示意性地表示。

接著，對雷射振盪器12的結構進行說明。雷射介質氣體收納於腔室15中。腔室15的內部空間區分為位於相對上側之光學室16和位於相對下側之送風機室17。光學室16和送風機室17被上下分隔板18隔開。另外，在上下分隔板18上設置有使雷射氣體在光學室16與送風機室17之間流通之開口。光學室16的底板19從送風機室17的側壁朝光學共振器20的光軸20A的方向伸出，光學室16的光軸方向的長度比送風機室17的光軸方向的長度長。腔室15藉由底板19或經由固定於底板19的構件而由台架11支承。

在光學室16內配置有一對放電電極21及一對共振器鏡片25。一對放電電極21分別經由放電電極支承構件22、23而由底板19支承。一對放電電極21在上下方向上隔著間隔配置，從而在兩者之間劃定放電區域24。放電電極21讓放電區域24產生放電，藉此激勵雷射介質氣體。如在後面參閱圖3進行說明的那樣，雷射介質氣體沿與圖2的紙面垂直的方向流過放電區域24。

一對共振器鏡片25固定於配置於光學室16內的1個共振器底座26上。共振器底座26經由4個光學共振器支承構件27而由底板19支承。共振器鏡片25構成具有通過放電區域24的光軸20A的光學共振器20。在使光學共振器20的光軸20A沿一個方向(在圖1中，為左方向)延伸的延長線與光學室16的壁面的交叉部位，安裝有使雷射束穿透之透光窗28。在光學共振器內被激勵的雷射束穿透透光窗28向外部放射。

在送風機室17中配置有送風機29。送風機29使雷射介質氣體在光學室16與送風機室17之間循環。

圖3係與基於實施例的雷射裝置的光軸20A(圖2)垂直之剖面圖。如參閱圖2進行說明的那樣，腔室15的內部空間藉由上下分隔板18被區分為上方的光學室16與下方的送風機室17。在光學室16內配置有支承一對放電電極21、光學共振器20(圖2)之共振器底座26。在放電電極21之間劃定放電區域24。

在光學室16內配置有分隔板40。分隔板40劃定從設置於上下分隔板18之開口18A至放電區域24為止的第1氣體流路41、從放電區域24至設置於上下分隔板18之其他開口18B為止的第2氣體流路42。雷射介質氣體沿與光軸20A(圖2)正交的方向流過放電區域24。放電方向與雷射介質氣體流過的方向及光軸20A這兩者正交。藉由送風機室17、第1氣體流路41、放電區域24及第2氣體流路42形成讓雷射介質氣體循環的循環路徑。送風機29以使雷射介質氣體在該循環路徑循環的方式產生箭頭所示之雷射介質氣體流，。

在送風機室17內的循環路徑收納有熱交換器43。在放電區域24被加熱的雷射介質氣體藉由通過熱交換器43而被冷卻，被冷卻的雷射介質氣體再次供給到放電區域24。

在上下分隔板18設置有使雷射氣體從送風機室17向光學室16流出之流出孔44。藉由送風機29朝向第1氣體流路41的雷射介質氣體的一部分，通過流出孔44流向光學室16。在流出孔44設置有去除粒子的過濾器45。例如，過濾器45堵住流出孔44，從送風機室17向光學室16流出之雷射介質氣體通過過濾器45而被過濾。

接著，參閱圖4～圖5B，對腔室15由台架11支承之結構進行說明。圖4係腔室15及台架11的俯視圖。圖5A及圖5B分別是圖4的一點鏈線5A-5A及一點鏈線5B-5B的剖面圖。在俯視下，在光軸20A的方向上，在送風機室17的兩側設置有底板19。被支承部32從腔室15的2個底板19各一個向遠離光軸20A的二個方向突出。被支承部32可以與腔室15一體形成，亦可以利用螺栓等將被支承部32安裝並固定於腔室15。“一體形成”是指形成為不可分離，例如是指利用熔接等的連接或藉由單一構件來形成等。另外，亦可以利用底板19的一部分作為被支承部32。設置於2個底板19各一個的2個被支承部32，在光軸方向上配置於相同位置。即，4個被支承部32配置於與長方形的4個頂點相對應的位置。

在俯視下，台架11的4個支承部31設置於與被支承部32各個重疊的位置。支承部31從台架11的與光軸20A平行的2根框架朝向光軸20A突出。支承部31可以與台架11一體形成，亦可以利用螺栓等將支承部31安裝並固定於台架11。另外，亦可以利用台架11的一部分作為支承部31。支承部31各個接受來自被支承部32的荷重。即，腔室15在4個部位由台架11支承。在支承部31與被支承部32之間插入摩擦力減少構件36(圖5A、圖5B)。即，在支承腔室15的部位，台架11經由摩擦力減少構件36支承腔室15。與不配置摩擦力減少構件36而使支承部31與被支承部32直接接觸的情況相比，摩擦力減少構件36可減少摩擦力。作為摩擦力減少構件36，例如可以使用聚四氟乙烯(PTFE)等。

4個被支承部32中的1個被支承部32(在圖4中，為左下的被支承部32)利用螺栓33固定在支承部31上。藉此，被支承部32的相對於支承部31的水平方向的位置受到拘束。即，在1個部位，腔室15相對於台架11的水平方向的位置受到拘束。另外，在腔室15相對於台架11的水平方向的位置受到拘束的部位，可以不在腔室15與台架11之間配置摩擦力減少構件36。

在除了腔室15相對於台架11的水平方向的位置受到拘束的部位以外的3個部位，設置有固定於台架11的側壁部31A及頂蓋部31B(圖5A、圖5B)。側壁部31A與被支承部32的前端面相對向，頂蓋部31B與被支承部32的上表面相對向。在圖4中，頂蓋部31B與支承部31大致重疊。側壁部31A及頂蓋部31B可以與台架11一體形成，亦可以利用螺栓等安裝並固定於台架11。

在被支承部32與頂蓋部31B之間，配置有螺旋彈簧等的彈性構件34。對於支承部31，彈性構件34將被支承部32朝與施加荷重的方向相同的方向推壓。藉此，腔室15被朝向台架11推壓。

從光軸20A觀察，在配置於與固定於支承部31的被支承部32相反的一側的2個被支承部32(在圖4中為上側，在圖5A及圖5B中為右側的被支承部32)，在被支承部32的前端面與側壁部31A之間確保有空隙。因此，被支承部32能夠相對於支承部31沿與光軸20A平行的方向及正交的方向這二個方向移動。即，在2個部位，腔室15被支承成能夠相對於台架11沿水平的二個方向移動。

從光軸20A觀察，在配置於與固定於支承部31的被支承部32同一側的被支承部32(在圖4中為右下，在圖5B中為左側的被支承部32)，在被支承部32的前端面與側壁部31A之間夾入摩擦力減少構件36。在光軸20A的方向上配置於與該被支承部32相同位置的另1個被支承部32，在被支承部32的前端面與側壁部31A之間配置有彈性構件35。彈性構件35將被支承部32向隔著光軸20A之相反側的側壁部31A推壓。另外，在被支承部32的前端面與彈性構件35之間，配置有摩擦力減少構件36。

從光軸20A觀察，在配置於與固定於支承部31的被支承部32相同的一側的被支承部32(在圖5B中，為左側的被支承部32)的前端面與側壁部31A之間未確保有空隙。因此，該被支承部32相對於支承部31之與光軸20A正交的方向的位置受到拘束。另外，被支承部32能夠沿與光軸20A平行的方向自由移動。即，在1個部位，腔室15的旋轉方向的位置受到拘束，以使將腔室15相對於台架11的水平方向的位置受到拘束的部位為中心，腔室15在水平面內無法沿旋轉方向位移。

接著，參閱圖6A～圖6C，對共振器底座26由腔室15支承之結構進行說明。圖6A係共振器底座26的俯視圖，圖6B及圖6C分別係圖6A的一點鏈線6B-6B及一點鏈線6C-6C的剖面圖。共振器底座26為長邊在光軸20A的方向上長的平板。在共振器底座26的兩端附近的上表面，固定有共振器鏡片25。

在俯視下，在共振器底座26所涵蓋的位置上，配置有4根光學共振器支承構件27A、27B、27C、27D。光學共振器支承構件27A、27B分別為帶有台階的銷，在俯視下，從光軸20A觀察時配置於同一側。通過光學共振器支承構件27A、27B的中心的直線與光軸20A平行。其他2個光學共振器支承構件27C、27D為沒有設置台階的銷，在俯視下，以光軸20A為基準，分別配置於光學共振器支承構件27A、27B的線對稱的位置。即，4個光學共振器支承構件27A～27D配置於與長方形的4個頂點相對應的位置。4個光學共振器支承構件27A～27D的下端埋入底板19中並固定於底板19。

在共振器底座26設置有圓形孔51及長孔52。在俯視下，圓形孔51及長孔52分別配置於與光學共振器支承構件27A、27B相對應的位置。在俯視下，長孔52具有長軸在與光軸20A平行的方向上的形狀。光學共振器支承構件27A、27B各自的比台階更上方的部分被插入於圓形孔51及長孔52中。共振器底座26藉由光學共振器支承構件27A、27B的台階部分、及光學共振器支承構件27C、27D的上端面，在施加荷重的方向上被支承。

共振器底座26中，圓形孔51的周圍的部分相對於光學共振器支承構件27A，水平面內的位置受到拘束。插入長孔52的光學共振器支承構件27B能夠相對於共振器底座26沿與光軸20A平行的一維方向移動。光學共振器支承構件27C、27D能夠相對於共振器底座26，沿水平面內的兩個方向移動。即，共振器底座26相對於腔室15，在1個部位水平方向的位置受到拘束，在其他3個部位水平方向的位置沒有受到拘束。

接著，一邊與圖7A及圖7B所示的比較例進行比較，一邊對上述實施例的優異效果進行說明。

圖7A及圖7B分別係基於比較例的雷射裝置的概略俯視圖及概略剖面圖。在比較例中，腔室15的4個被支承部32全部利用螺栓33固定在台架11的4個支承部31上。在圖7B中，利用三角形30示意性地表示支承部31和被支承部32的配對。若使雷射振盪器12進行動作，則藉由放電而使雷射介質氣體的溫度上升。其結果，腔室15的溫度亦上升，腔室15會熱膨脹。在圖7A及圖7B中，用虛線表示熱膨脹後的各結構部分。另外，在圖7A及圖7B中，為了便於理解，與實際的變形量相比，將基於熱膨脹的變形量極端誇大表示。

在圖3中所示的剖面中，放電區域24之下游側的雷射介質氣體的溫度比上游側的雷射介質氣體的溫度高。因此，在腔室15的2個側面的溫度上升幅度產生差異，腔室15的側面的熱膨脹量亦產生差異。因此，如圖7A所示，腔室15的其中一個側面(在圖7A中，為上側的側面)比另一個側面膨脹量更大，腔室15產生變形。由於腔室15變形，台架11亦產生變形。

若台架11產生變形，則由台架11支承的腔室15的底板19的姿勢發生改變。由底板19支承的共振器底座26的姿勢亦發生改變，其結果，光軸20A的位置及方向發生改變。根據光軸20A的位置及方向的改變，從雷射振盪器12(圖1)輸出之雷射束的路徑發生改變，因此雷射束向射束整形光學系統81(圖1)的入射位置從初始的位置偏移。起因於此，加工對象物90的表面中的射束輪廓走樣，容易產生加工不良。

相對於此，在上述實施例中，4個被支承部32(圖4)中僅1個固定於支承部31上，其餘3個被支承部32能夠相對於支承部31沿水平方向移動。即，在支承腔室15的4個部位中的1個部位，腔室15相對於台架11的水平方向的位置受到拘束，在其餘3個部位，腔室15被支承成能夠相對於台架11沿水平方向移動。而且，由於在被支承部32與支承部31之間配置有摩擦力減少構件36，因此被支承部32容易相對於支承部31沿水平方向移動。因此，腔室15熱膨脹時的台架11的變形受到抑制。由於不易產生台架11的變形，因此亦不易產生由台架11的變形引起的光軸20A的偏移。

並且，在圖4中，右下的被支承部32能夠在與光軸20A平行的方向上移動，但與光軸20A正交的方向上的位置則受到拘束。因此，能夠拘束以固定於支承部31的被支承部32為中心的旋轉方向的姿勢。

而且，連結固定於支承部31的被支承部32(圖4)和與光軸20A正交的方向上的位置受到拘束的被支承部32的直線與光軸20A平行。因此，即使腔室15熱膨脹，腔室15的旋轉方向的姿勢實質上仍沒有發生改變。

在被支承部32沒有固定在支承部31的部位，被支承部32藉由彈性構件34向支承部31推壓。因此，可以得到腔室15的鉛直方向的位置穩定之優異效果。

共振器底座26(圖6A～圖6C)僅在由光學共振器支承構件27A支承的部位是在水平面內固定於腔室15，在由其他光學共振器支承構件27B、27C、27D支承的部位則允許水平方向的移動。因此，共振器底座26不易受到腔室15的變形的影響，亦不易產生光軸20A的偏移。

並且，關於共振器底座26之由光學共振器支承構件27B支承的部位，與光軸20A正交的方向上的位置受到拘束。因此，共振器底座26在水平面內的旋轉方向的位置受到拘束。

實際上，對基於上述實施例的雷射裝置和基於圖7A～圖7B所示之比較例之雷射裝置的射束路徑的位置穩定性進行了比較實驗。以下，對比較實驗的內容進行說明。

使基於實施例的雷射裝置和基於比較例的雷射裝置分別在脈衝的反覆頻率及輸出不同的2個振盪條件下進行動作。在腔室的溫度穩定的狀態下，偵測離光學共振器的輸出端一定距離的位置上的射束點，測量了2個振盪條件下的射束點的位置的偏移量。在脈衝的反覆頻率高且輸出亦大的條件下進行動作的情況下，與在脈衝的反覆頻率低且輸出亦低的條件下進行動作的情況相比，腔室變高溫。

基於本實施例的雷射裝置中的射束點的偏移量為基於比較例的雷射裝置中的射束點的偏移量的1/4～1/3左右。根據該比較實驗可知，基於上述實施例的結構的雷射裝置的雷射束的路徑的位置不易受到腔室的熱變形的影響。

接著，對上述實施例的變形例進行說明。在上述實施例中，分別將腔室15的被支承部32、及台架11的支承部31設為4個，亦可以設為2個，亦可以設為3個或5個以上。即，台架11亦可以在2個部位、3個部位或5個部位以上支承腔室15。當在2個部位支承腔室15的情況下，例如，可在連結圖4中位於左側的2個被支承部32之細長的區域中支承腔室15，在連結位於右側的2個被支承部32之細長的區域中支承腔室15。在該情況下，台架11的對應的支承部31在俯視下，亦成為細長的形狀。在支承腔室15的左側的細長的區域的其中一個端部附近的1個部位，可將腔室15利用螺栓等固定在台架11。在支承腔室15的左側的細長的區域中，在未利用螺栓等固定的區域中，腔室15相對於台架11的水平方向的位置不受拘束。並且，在支承腔室15的右側的細長的區域中，在其整個區域，腔室15能夠相對於台架11沿水平方向移動。

在3個部位支承腔室15的情況下，例如，可利用連結圖4中左側的2個被支承部32的1個細長的區域和右側的2個被支承部32支承腔室15。或者，可利用連結圖4中右側的2個被支承部32的1個細長的區域和左側的2個被支承部32支承腔室15。在5個部位以上支承腔室15的情況下，例如，可在圖4中上側或下側的2個被支承部32之間追加設置被支承部及支承部。

即，台架11可以在多個部位支承腔室15。在該情況下，將多個被支承部32中的1個被支承部32，設為相對於對應的支承部31水平方向的位置受到拘束的固定被支承部即可。即，在1個部位，拘束腔室15相對於台架11的水平方向的位置即可。

在多個被支承部32中除了固定被支承部以外的被支承部32，能夠相對於對應的支承部31沿水平方向移動即可。即，在除了腔室15的水平方向的位置受到拘束的支承部位以外的支承部位，腔室15能夠相對於台架11沿水平方向移動即可。在除了固定被支承部以外的多個被支承部32中的1個被支承部32，構成為相對於對應的支承部31，拘束以固定被支承部為中心的水平面內的旋轉方向的位置即可。即，在1個支承部位，拘束水平面內的腔室15的、以固定被支承部為中心的旋轉方向的位置即可。

上述實施例僅是示例，本發明並不限定於上述實施例。例如，能夠進行各種變更、改良、組合等對於本領域的技術人員來說是顯而易見的。

10:雷射裝置 11:台架 12:雷射振盪器 13:台架腳 15:腔室 16:光學室 17:送風機室 18:上下分隔板 18A,18B:開口 19:底板 20:光學共振器 20A:光軸 21:放電電極 22,23:放電電極支承構件 24:放電區域 25:共振器鏡片 26:共振器底座 27,27A,27B,27C,27D:光學共振器支承構件 28:透光窗 29:送風機 31:支承部 31A:側壁部 31B:頂蓋部 32:被支承部 33:螺栓 34,35:彈性構件 36:摩擦力減少構件 40:分隔板 41:第1氣體流路 42:第2氣體流路 43:熱交換器 44:流出孔 45:過濾器 51:圓形孔 52:長孔 80:加工裝置 81:射束整形光學系統 82:載台 90:加工對象物 100:共用底座

[圖1]係基於本實施例的雷射裝置、及利用從雷射裝置輸出的雷射束進行加工的加工裝置的概略圖。 [圖2]係基於實施例的雷射裝置之側視圖，是表示關於雷射振盪器的剖面之圖。 [圖3]係與基於實施例的雷射裝置的光軸垂直之剖面圖。 [圖4]係基於實施例的雷射裝置的腔室及台架的俯視圖。 [圖5A及圖5B]分別係圖4的一點鏈線5A-5A及一點鏈線5B-5B的剖面圖。 [圖6A]係基於實施例的雷射裝置的共振器底座的俯視圖，[圖6B及圖6C]分別係圖6A的一點鏈線6B-6B及一點鏈線6C-6C的剖面圖。 [圖7A及圖7B]分別係基於比較例的雷射裝置的概略俯視圖及概略剖面圖。

11:台架

15:腔室

17:送風機室

19:底板

20A:光軸

28:透光窗

31:支承部

31B:頂蓋部

32:被支承部

33:螺栓

Claims

一種雷射裝置，係具有：腔室，係收納雷射介質氣體及光學共振器；及台架，係支承前述腔室，前述腔室在1個部位，前述腔室相對於前述台架的水平方向的位置受到拘束，除了前述腔室相對於前述台架的水平方向的位置受到拘束的部位以外，前述腔室被支承成能夠相對於前述台架在水平方向上移動，在前述腔室被支承成能夠相對於前述台架沿水平方向移動的部位具有：朝與施加荷重的方向相同的方向推壓前述腔室的彈性構件。
如請求項1所述之雷射裝置，其中，在前述腔室被支承成能夠相對於前述台架沿水平方向移動的部位，前述台架經由減少摩擦力的摩擦力減少構件支承前述腔室。
如請求項1或2所述之雷射裝置，其中，在前述腔室被支承成能夠相對於前述台架沿水平方向移動的部位中的1個部位，以前述腔室相對於前述台架的水平方向的位置受到拘束的部位為中心的水平面內的前述腔室的旋轉方向的位置受到拘束。
如請求項1或2所述之雷射裝置，其中，前述光學共振器係具有：一對共振器鏡片；及共振器底座，係由前述腔室支承，並固定前述一對共振器鏡片，前述共振器底座在3個以上的多個部位在施加荷重的方向上被支承，在被支承的多個部位中，在1個部位水平方向的位置受到拘束，在其他多個部位水平方向的位置未受到拘束。
如請求項3所述之雷射裝置，其中，前述光學共振器係具有：一對共振器鏡片；及共振器底座，係由前述腔室支承，並固定前述一對共振器鏡片，前述共振器底座在3個以上的多個部位在施加荷重的方向上被支承，在被支承的多個部位中，在1個部位水平方向的位置受到拘束，在其他多個部位水平方向的位置未受到拘束。