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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einbringen von voneinander in einer Längsrichtung beabstandeten Vertiefungen oder Öffnungen in eine in diese Längsrichtung bewegte Materialbahn.
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Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 29 18 283 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird ein Laserstrahl mit einem drehbaren Polygonspiegel, der eine Vielzahl von ebenen Spiegelflächen (Facetten) enthält, über eine Reihe von nebeneinander liegenden, fokussierenden Elementen (Fokussiereinheiten) geschwenkt, wobei sich die Schwenkbewegung entsprechend der Anzahl der ebenen Spiegelflächen zyklisch wiederholt. Mit einer solchen Vorrichtung ist es möglich, in eine Materialbahn, die sich in eine Längsrichtung bewegt, in dieser Längsrichtung voneinander beabstandete Vertiefungen oder Öffnungen in mehreren nebeneinander angeordneten Spuren einzubringen. Die Anzahl der maximal möglichen Spuren hängt dabei von der Anzahl der nebeneinander liegenden fokussierenden Elemente ab, über die der Laserstrahl durch eine der ebenen Spiegelflächen bei der Drehbewegung des Polygonspiegels geschwenkt wird.
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Ein besonderes Problem stellt jedoch die gleichmäßige Perforation großflächiger, d. h. breiter Materialbahnen dar. Um bei solchen breiten Materialbahnen eine über die gesamte Oberfläche gleichmäßig verteilte Perforation zu erzielen, sind entsprechend viele Perforationsspuren erforderlich, die grundsätzlich mit einer entsprechenden Anzahl von nebeneinander angeordneten fokussierenden Elementen erzeugt werden könnten. Ein derartiger Aufbau ist jedoch aufwändig und im Hinblick auf die jeweils gewünschte Verteilung der Öffnungen oder Vertiefungen wenig flexibel.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Einbringen von voneinander in eine Längsrichtung beabstandeten Vertiefungen oder Öffnungen in eine in diese Längsrichtung bewegte Materialbahn anzugeben, mit der es möglich ist, diese Vertiefungen oder Öffnungen auch in großflächige Materialbahnen mit einer möglichst gleichmäßigen Flächendichte einzubringen.
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Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen enthält die Vorrichtung eine Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines kontinuierlichen Laserstrahls und einen um eine Rotationsachse rotierenden ersten Polygonspiegel mit einer Mehrzahl von Spiegelflächen zum Schwenken des Laserstrahl über eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Fokussiereinheiten, wobei jede Fokussiereinheit eine Ablenkeinrichtung mit zumindest einem schwenkbar gelagerten Ablenkspiegel sowie eine diesem nachgeordnete Fokussieroptik enthält, die den von den jeweiligen Spiegelflächen reflektierten Laserstrahl je nach Schwenkposition des Ablenkspiegels auf unterschiedliche Stellen der Materialbahn fokussiert, die voneinander in einer senkrecht zur Längsrichtung verlaufenden Querrichtung beabstandet sind.
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Durch diese Maßnahme ist es möglich, eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Spuren zu erzeugen, die ein Vielfaches der Anzahl der nebeneinander angeordneten Fokussiereinheiten beträgt, da die Schwenkposition des zumindest einen schwenkbar gelagerten Ablenkspiegel in aufeinanderfolgenden Zyklen unterschiedlich eingestellt werden kann.
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Wenn die Schwenkposition des Ablenkspiegels von Zyklus zu Zyklus geändert wird, entstehen dementsprechend voneinander in der senkrecht zur Längsrichtung verlaufenden Querrichtung beabstandete Spuren. Auf diese Weise kann auch bei einer geringen Anzahl von Fokussiereinheiten eine gleichmäßige und hohe Flächendichte der Vertiefungen oder Öffnungen in der Materialbahn erzeugt werden.
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Vorzugsweise verschwenkt die Ablenkeinrichtung den Laserstrahl in einer senkrecht zur Materialbahn und senkrecht zur Längsrichtung orientierten Schwenkebene. Auf diese Weise können mit kleinen Schwenkwinkeln eng benachbarte Spuren erzeugt werden.
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Eine besonders hohe Flexibilität wird erzielt, wenn als Ablenkeinrichtung ein Galvokopf vorgesehen ist, mit dem eine besonders flexible Einstellbarkeit der Fokuslage des Laserstrahls erzielt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als Ablenkeinrichtung ein zweiter rotierender Polygonspiegel vorgesehen. Mit einem solchen zweiten rotierenden Polygonspiegel kann eine Erhöhung der Anzahl der Spuren auf besonders einfache Weise technisch realisiert werden.
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Vorzugsweise ist als Fokussieroptik eine f-Theta-Linse vorgesehen.
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Wenn zwischen Ablenkeinrichtung und Fokussieroptik ein diffraktives optisches Element zur Strahlformung angeordnet ist, können außerdem je nach Auslegung dieses Elementes Öffnungen oder Vertiefungen mit komplexer Geometrie erzeugt werden, ohne dass es hierzu einer mechanischen Verstellung von Ablenkspiegeln bedarf. Ebenso kann mit einem solchen diffraktiven Element auch eine Strahlteilung, d. h. ein Mehrfachstrahl erzeugt werden, so dass die Anzahl der Spuren zusätzlich erhöht ist.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele verwiesen. Es zeigen:
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1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer schematischen Prinzipdarstellung in einer Draufsicht auf eine zu bearbeitende Materialbahn,
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2 einen Ausschnitt auf nebeneinander angeordnete Fokussiereinheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Draufsicht parallel zur Längsrichtung der Materialbahn, bei der als Ablenkeinrichtung ein Galvokopf vorgesehen ist,
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3 eine alternative Ausgestaltung bei der als Ablenkeinrichtung ein zweiter rotierender Polygonspiegel vorgesehen ist.
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Gemäß 1 umfasst die Vorrichtung eine Laserstrahlquelle 2, die einen kontinuierlichen Laserstrahl LS erzeugt, der mit einer nicht näher dargestellten Fokussieroptik in einem ersten Fokus F1 fokussiert ist. Im Strahlengang des von der Laserstrahlquelle 2 erzeugten Laserstrahls LS ist ein Polygonspiegel 4 angeordnet, der um eine Rotationsachse 6 drehbar gelagert ist. Der Polygonspiegel 4 weist eine Mehrzahl von ebenen Facetten oder Spiegelflächen 8 auf, auf die der Laserstrahl LS auftrifft und entsprechend der Drehposition des Polygonspiegels 4 abgelenkt wird. Im Beispiel sind 6 ebene Spiegelflächen 8 dargestellt. In der Praxis können deutlich mehr Spiegelflächen 8 zum Einsatz gelangen.
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Der Fokus F1 liegt zumindest annähernd auf der im Strahlengang des Laserstrahls LS jeweils befindlichen Spiegelfläche 8, wobei eine exakte Lage des Fokus F1 auf dieser Spiegelfläche 8 nur für eine Winkelposition des Polygonspiegels 4 bzw. Auftreffstelle des Laserstahls LS auf der Spiegelfläche 8 erreicht werden kann.
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Der vom Polygonspiegel 4 reflektierte Laserstrahl LS wird durch die Rotationsbewegung des Polygonspiegels 4 über eine Mehrzahl nebeneinander angeordneter Fokussiereinheiten 10 geschwenkt, die den vom Polygonspiegel 4 reflektierten divergenten Laserstrahl LS kollimieren und auf einer beispielsweise in der Figur unterhalb der Fokussiereinheiten 10 angeordneten Materialbahn B fokussieren. Im Beispiel der Figur sind acht nebeneinander angeordnete Fokussiereinheiten dargestellt. Durch die Drehung des Polygonspiegels 4 wird der Laserstrahl LS in eine der Anzahl der Fokussiereinheiten 10 entsprechenden Anzahl von Pulsen aufgeteilt oder zerhackt, und mit einer in der Fokussiereinheit 10 angeordneten Fokussieroptik 12 in einem Fokus F2 auf der Materialbahn B fokussiert. Oberhalb der Fokussieroptik 12, vorzugsweise eine f-Theta-Linse, ist eine schematisch veranschaulichte Ablenkeinrichtung 14 angeordnet, die zumindest einen schwenkbar gelagerten Ablenkspiegel umfasst, dessen Schwenkposition über eine Steuereinrichtung 15 eingestellt werden kann. Im dargestellten Beispiel befinden sich die Ablenkspiegel bei jedem Zyklus in derselben Schwenkposition. Nach dem Wechsel des reflektierten Laserstrahls LS von einer Fokussiereinheit 10 zur nächsten benachbarten Fokussiereinheit 10, verbleibt ein der Zykluszeit entsprechender Zeitraum, um die Ablenkeinrichtung 14 der verlassenen Fokussiereinheit 10 anzusteuern und die Schwenkposition des oder der betreffenden Ablenkspiegel zu ändern. Auf diese Weise ergibt sich in der Materialbahn B das in der Figur anhand von Vertiefungen oder Öffnungen 16 dargestellte Punktmuster.
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Der Figur ist zu entnehmen, dass die von Zyklus zu Zyklus von einer der Fokussiereinheiten 10 erzeugten Strukturen in der Materialbahn B entsprechend der Stellung des Ablenkspiegels zueinander quer zur Längsrichtung 18 der Materialbahn B, die mit deren Bewegungsrichtung übereinstimmt, versetzt zueinander sind. In der Figur ist eine Situation dargestellt, bei der jede Ablenkeinrichtung 14 den Laserstrahl LS in sechs zeitlich aufeinanderfolgende Zyklen auf sechs unterschiedliche Stellen oder Positionen der Materialbahn B fokussiert, die voneinander in einer senkrecht zur Längsrichtung 18 verlaufenden Querrichtung beabstandet sind. Nach jeweils sechs solcher Zyklen springt der Laserstrahl LS bezogen auf die Querrichtung auf eine Anfangsposition zurück. Auf diese Weise springt der fokussierte Laserstrahl LS entlang der in der Figur dargestellten mäanderförmigen Linien 19 von Punkt zu Punkt. Dementsprechend werden auf der Materialbahn B anstelle von nur 8 Spuren 48 Spuren 20, d. h. die sechsfache Spurzahl erzeugt. Anstelle des in der Figur dargestellten Rücksprungs der Ablenkeinheiten können diese auch entgegengesetzt zurückgeschwenkt werden. Darüber hinaus ist es grundsätzlich auch möglich, die Ablenkeinheiten 14 getrennt voneinander anzusteuern. Ebenso ist nicht zwingend notwendig, den Laserstrahl LS in der Ablenkeinheit 14 senkrecht zur Längsrichtung 18, d. h. in einer senkrecht zur Materialbahn 8 und senkrecht zur Längsrichtung 18 orientierten Schwenkebene zu schwenken. Wesentlich ist nur, dass beim Schwenken ein Versatz mit einer quer zur Längsrichtung 18 liegenden Richtungskomponente erfolgt.
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In dem Ausführungsbeispiel der 2 ist als Ablenkeinrichtung ein Galvokopf 22 vorgesehen, der einen Umlenkspiegel 24 sowie einen schwenkbar um eine zur senkrecht zur Zeichenebene orientierte Längsrichtung 18 parallele Drehachse 25 gelagerten Ablenkspiegel 26 enthält, die den Laserstrahl LS auf die Fokussieroptik 12 (f-Theta-Linse) ablenken, so dass dieser entsprechend der Position des Ablenkspiegels 26 über die Materialbahn B geschwenkt wird. Im dargestellten Beispiel bewegt sich die Materialbahn B senkrecht zur Zeichenebene. Die Bewegung des Ablenkspiegels 26 kann dabei während eines Zyklus kontinuierlich erfolgen, wenn eine geringe Ovalität der erzeugten Vertiefung oder Perforation akzeptiert wird. Grundsätzlich kann auch ein Galvokopf eingesetzt werden, der zwei um zueinander senkrechte Drehachsen schwenkbar gelagerte Ablenkspiegel enthält.
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In
2 ist außerdem gestrichelt ein zwischen den Ablenkspiegel
24,
26 angeordnetes diffraktives optisches Element
28 eingezeichnet, mit dem es möglich ist, Form und Größe der Vertiefungen bzw. Öffnungen einzustellen oder eine Strahlaufteilung zu erzeugen, wie dies ausführlich in der
EP 0 734 809 B1 erläutert ist, auf deren Offenbarungsgehalt explizit Bezug genommen wird.
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Im Ausführungsbeispiels gemäß 3 ist als Ablenkeinrichtung anstelle eines Galvokopfes ein zweiter rotierender Polygonspiegel 30 vorgesehen. Die Spiegelflächen 32 des zweiten Polygonspiegels 30 sind dabei im Sinne der Erfindung ebenfalls als schwenkbare Ablenkspiegel zu verstehen, die anders als die Ablenkspiegel 24, 26 des Galvokopfes 22 (2) jeweils um eine außerhalb der Spiegelebene liegende Achse, nämlich die Rotationsachse 34 des zweiten Polygonspiegels 30 geschwenkt werden. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann zwischen dem Spiegel 30 und der Fokussiereinheit 12 ein diffraktives optisches Element 28 zur Strahlformung angeordnet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2918283 A1 [0002]
- EP 0734809 B1 [0022]
