DE112009000774B4

DE112009000774B4 - Laserprozessierungsvorrichtung beinhaltend eine Prozesssteuervorrichtung

Info

Publication number: DE112009000774B4
Application number: DE112009000774.0T
Authority: DE
Inventors: Keiji Takahashi; Tomonori Mukae; Shigeru Yokoi; Tatsuya Yamamoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2018-02-15
Anticipated expiration: 2029-04-04
Also published as: JPWO2009122758A1; CN101990478A; US8648279B2; WO2009122758A1; JP5100827B2; DE112009000774T5; US20110042360A1; CN101990478B

Abstract

Laserprozessierungsvorrichtung (100) beinhaltend eine Prozesssteuervorrichtung (200), wobei die Prozesssteuervorrichtung (200) eine Fokusposition eines Laserstrahls steuert, während die Laserprozessierungsvorrichtung (100) den Laserstrahl auf eine vorbestimmte Fokusposition konvergiert und eine Laserbearbeitung an einem Werkstück (9) durchführt, wobei die Prozesssteuervorrichtung (200) umfasst: einen Kalkulator (22), der basierend auf einer Größenordnung einer Ausgabe des Laserstrahls, die sich während der Laserbearbeitung ändert, einen Änderungsbetrag einer Positionsabweichung der Fokusposition in einer optischen Achsenrichtung berechnet, die sich während der Laserbearbeitung als eine Laserstrahl-Bestrahlungsposition ändert; und eine Fokuspositionssteuereinheit (23), die, basierend auf dem Änderungsbetrag der Positionsabweichung, die durch den Kalkulator (22) berechnet worden ist, die Fokusposition des Laserstrahls während der Laserbearbeitung so steuert, dass die Positionsabweichung der Fokusposition aufgelöst wird, wobei die Laserprozessierungsvorrichtung (100) weiter enthält: eine Arbeitslinse (7), die den Laserstrahl in die vorbestimmte Fokusposition konvergiert; und einen gebogenen Spiegel (6), der den Laserstrahl auf die Arbeitslinse (7) führt, und der Kalkulator (22) eine Strahlintensität des Laserstrahls pro Einheitsfläche unter Verwendung der Größenordnung der Ausgabe des Laserstrahls berechnet, und der Kalkulator (22) den Änderungsbetrag der Positionsabweichung unter Verwendung der Strahlintensität pro Einheitsfläche, die berechnet worden ist, und eines Wärmeabsorptionsfaktors der Arbeitslinse (7), der aus einer externen Quelle eingegeben wird, berechnet, wobei der Wärmeabsorptionsfaktor eine Konstante ist, die das ...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Laserprozessierungsvorrichtung beinhaltend eine Prozesssteuervorrichtung eine Laserprozessierungsvorrichtung beinhaltend eine Prozesssteuervorrichtung, wobei durch die Prozesssteuervorrichtung eine Fokusposition eines auf ein Werkstück gestrahlten Laserstrahls gesteuert wird.
HINTERGRUND
In einer Laserprozessierungsvorrichtung, die einen Laserstrahl auf ein Werkstück strahlt und eine Laserbearbeitung am Werkstück durchführt, bündelt eine Arbeitslinse den Laserstrahl auf eine vorgegebene Fokusposition, so dass der konvergierte Laserstrahl auf das Werkstück gestrahlt wird. Bei einer solchen Laserprozessierungsvorrichtung, wenn die Arbeitslinse den Laserstrahl absorbiert, ändert sich der effektive Index der Arbeitslinse. Dieses Phänomen wird thermischer Linseneffekt genannt und könnte eine Ursache dafür sein, dass sich die Fokusposition des Laserstrahls ändert. Aus diesem Grund ist eine solche Laserprozessierungsvorrichtung dafür konfiguriert, Abweichungen der Fokusposition zu korrigieren, die durch einen thermischen Linseneffekt verursacht werden, indem die Position der Arbeitslinse in Richtung der optischen Achse justiert wird, so dass der Laserstrahl auf einer gewünschten Fokusposition konvergiert wird.
Beispielsweise ist eine in Patentdokument 1 beschriebene Laserprozessierungsvorrichtung so konfiguriert, dass ein Testobjekt an einer Position (d. h. außerhalb eines Prozessierungstischs) platziert wird, die sich von einem Bereich unterscheidet, bei dem eine Prozessierungsprozedur an einem Werkstück durchgeführt wird, für den Zweck der Detektion einer Abweichung der Fokusposition. Bevor eine Laserbearbeitung gestartet wird, wird ein Laserstrahl auf das Testobjekt gestrahlt, so dass die Abweichung der Fokusposition basierend auf einem Anstieg der Temperatur des Testobjektes gemessen wird. Auch wird basierend auf einem Messergebnis die Distanz zwischen dem Werkstück und der Arbeitslinse korrigiert, bevor die Laserbearbeitung gestartet wird.
Als ein anderes Beispiel ist eine Laserprozessierungsvorrichtung gemäß Patentdokument 2 so konfiguriert, dass eine Arbeitsdüse mit einem Temperaturdetektor für den Zweck des Detektierens einer Abweichung der Fokusposition versehen ist. Basierend auf einem Messergebnis des Temperaturdetektors wird die Distanz zwischen dem Werkstück und der Arbeitslinse zum Durchführen einer Laserbearbeitung korrigiert.
Patentdokument 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. S63-93491
Patentdokument 2: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. S63-93492
ERFINDUNGSOFFENBARUNG DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM
Gemäß der oben beschriebenen, ersteren konventionellen Technologie ist es jedoch, weil die Laserbearbeitung gestartet wird, nachdem die Abweichung der Fokusposition unter Verwendung des Testobjektes korrigiert wird, nicht möglich, Abweichungen der Fokusposition, die während der Laserbearbeitung auftreten, in Echtzeit zu detektieren. Aus diesem Grund bleibt das Problem bestehen, dass es nicht möglich ist, die Laserbearbeitung durchzuführen, während die Abweichungen der Fokusposition genau korrigiert werden.
Weiter, gemäß der letzteren oben beschriebenen konventionellen Technik tritt ein Problem auf, bei dem die Konfiguration der Bearbeitungsdüse kompliziert ist. Zusätzlich, weil der Temperaturdetektor in einer Position vorgesehen ist, die von der Arbeitslinse entfernt ist, ist es nicht möglich, die Abweichungen der Fokusposition genau zu detektieren, die während der Laserbearbeitung auftreten. Aus diesem Grunde bleibt das Problem bestehen, dass es nicht möglich ist, die Laserbearbeitung durchzuführen, während die Abweichungen der Fokusposition genau korrigiert werden.
US 2006/0060571 A1 beschreibt eine Laservorrichtung zum Durchführen einer Laserbearbeitung mittels oszillierendem Laserlicht. Es wird ein Laserabgabewert, der auf einem dem Laseroszillator erteilten Befehlswert basiert, berechnet. Es wird eine Temperaturänderung oder Temperatur von spezifizierten Bestandteilselementen der Laservorrichtung basierend auf einer verstrichenen Zeit und dem Laserabgabewert abgeschätzt und die Bedingung zur Steuerung des Lasers und der Laserbearbeitung basierend auf der abgeschätzten Temperaturänderung oder Temperatur eingestellt, sodass ein stabile Laserbearbeitung ohne Temperatursensor erreicht wird.
EP 1 716 962 A1 beschreibt einen adaptiven Spiegel in einer Einrichtung, mit den Fokussiereigenschaften einer Laserbearbeitungsmaschine verändert werden können. Hierbei kann die Fokuslage als Funktion aus Zeit, Strahlleistung und Arbeitsposition zur Kompensation von Fokusveränderungen durchgeführt werden. Durch eine berührungslose Temperaturmessung kann zudem die Temperatur des Systems berücksichtigt werden.
DE 10 2007 039 878 A1 ist auf eine weitere Vorrichtung und Verfahren zur Fokuslagenstabilisierung bei Optiken von Lasereinrichtungen gerichtet, wobei hierbei die notwendige Korrektur der Fokuslage nicht basierend auf Temperaturmessungsinformation durchgeführt wird, sondern als Information über momentane Leistung des Laserstrahls, oder direkt durch einen Autofokussensor festgelegt wird.
DE 43 33 801 A1 beschreibt einen Ansatz zur Stabilisierung des Durchmessers eines Laserstrahls, dessen Divergenz durch thermische Effekte innerhalb des Lasers und in den Optiken verändert wird, sodass sich eine leistungs- und zeitabhängige Charakteristik ergibt, bei der diese thermischen Effekte rechnerisch erfasst und mittels adaptiver Optiken und eines Computermodells kompensiert werden.
EP 1 424 584 A1 beschreibt einen adaptiven, asphärischen Spiegel, der eine Spiegelplattenmembran und einen Membranträger umfasst, welcher im Bereich der Membranrückseite eine druckbeaufschlagbare, annähernd elliptische oder rechteckige oder ovale Fläche der Membranrückseite begrenzt bzw. definiert, wobei die Druckbeaufschlagung durch Kühlwasser, ein Fluid oder einen Aktuator erfolgt.
Im Hinblick auf die oben beschriebenen Umstände ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Prozesssteuervorrichtung und eine Laserprozessierungsvorrichtung zu erhalten, mit denen es möglich ist, genau die Fokusposition eines auf ein Werkstück gestrahlten Laserstrahls zu steuern.
MITTEL ZUM LÖSEN DES PROBLEMS
Um die obigen Probleme zu lösen und die Aufgabe zu erreichen, wird eine Laserprozessierungsvorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 bereitgestellt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
EFFEKT DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Änderungsbetrag der Positionsabweichung der Fokusposition basierend auf der Größenordnung der Ausgabe des Laserstrahls berechnet, der sich während einer Laserbearbeitung verändert. Somit wird ein vorteilhafter Effekt erzielt, bei dem es möglich ist, die Fokusposition des auf einem Werkstück gestrahlten Laserstrahls exakt zu steuern.
KURZE ZEICHNUNGSBESCHREIBUNGEN
1 ist eine Zeichnung einer schematischen Konfiguration einer Laserprozessierungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Zeichnung eines, eine Arbeitslinse enthaltenden Arbeitskopfs.
3 ist eine Zeichnung zum Erläutern einer Bewegungsoperation einer Arbeitslinse innerhalb des Arbeitskopfs.
4 ist ein Funktionsblockdiagramm einer Laserprozessierungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Flussdiagramm einer Operationsprozedur der Laserprozessierungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform.
6 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Beispiels einer Änderung in einer Soll-Ausgabe eines Laserstrahls während einer Bearbeitungsprozedur.
7 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Änderungsbeispiels in einem Fokuspositions-Abweichungsbetrag während einer Bearbeitungsprozedur.
8 ist ein Funktionsblockdiagramm einer Laserprozessierungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist ein Flussdiagramm einer Operationsprozedur der Laserprozessierungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausfuhrungsform.
10 ist eine Zeichnung zum Erläutern der Beziehung zwischen Änderungen in einer Krümmung eines gebogenen Spiegels und Änderungen einer Fokusposition.
Bezugszeichenliste

1: Laseroszillator
2: Spiegel
3: Gebogener Spiegel
4: Strahloptimierungseinheit
5, 6: Gebogener Spiegel
7: Arbeitslinse
9: Werkstück
10: Arbeitskopf
11: Linsen haltender Zylinder
13: Linsenhalte-Abstandhalter
14: Arbeitsdüse
21: Einstellungsinformations-Eingabeeinheit
22: Kalkulator
23: Steuereinheit
31: Thermische Linseninformation
32: Einstellinformation
40, 41: Antriebseinheit
100: Laserprozessierungsvorrichtung
200: Prozesssteuervorrichtung
300: Laserprozessierungsmechanismus

BESTER MODUS/BESTE MODI ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
In den nachfolgenden Abschnitten werden beispielhafte Ausführungsformen einer Prozesssteuervorrichtung und einer Laserprozessierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail basierend auf den beigefügten Zeichnungen erläutert. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beispielhaften Ausführungsformen beschränkt.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Zeichnung einer schematischen Konfiguration einer Laserprozessierungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Laserprozessierungsvorrichtung 100 ist dafür konfiguriert, einen Laseroszillator (d. h. eine Laserstrahlausgabeeinheit) 1, einen partiellen Reflektions-(PR)-Spiegel 2, einen gebogenen Spiegel 3, eine Strahl optimierende Einheit 4, gebogene Spiegel 5 und 6 und eine Prozessierungslinse 7 zu enthalten.
Ein Laseroszillator 1 ist eine Vorrichtung, die einen Laserstrahl (d. h. Strahllicht) wie etwa einen CO₂-Laser, dazu veranlasst, zu oszillieren. Wenn eine Laserbearbeitung durchgeführt wird, emittiert der Laseroszillator 1 einen Laserstrahl, während eine Laserausgabe verschiedentlich geändert wird. Der PR-Spiegel (d. h. der partielle Reflektionsspiegel) 2 reflektiert den Laserstrahl, der durch den Laseroszillator 1 emittiert worden ist und führt den partiell reflektierten Laserstrahl zum gebogenen Spiegel 3. Der gebogene Spiegel (d. h. ein Strahlwinkeländerungsspiegel) 3 ändert den Strahlwinkel des Laserstrahls, der aus dem PR-Spiegel 2 gesendet worden ist, und führt den Laserstrahl zur Strahloptimierungseinheit 4.
Die Strahloptimierungseinheit (d. h. eine Strahldurchmesser-Änderungsvorrichtung) 4 justiert das Strahlenkaliber (d. h. Durchmesser) des Laserstrahls, der aus dem gebogenen Spiegel 3 gesendet worden ist und sendet den Laserstrahl an den gebogenen Spiegel 5. Die gebogenen Spiegel 5 und 6 sind Strahlwinkel-ändernde Spiegel. Der gebogene Spiegel 5 lenkt den Strahlwinkel des Laserstrahls, der aus der Strahloptimierungseinheit 4 gesendet worden ist, in horizontaler Richtung ab und sendet den abgelenkten Laserstrahl an den gebogenen Spiegel 6. Der gebogene Spiegel 6 lenkt den Strahlwinkel des Laserstrahls, der aus dem gebogenen Spiegel 5 gesendet worden ist, in einer vertikalen Abwärtsrichtung ab und sendet den abgelenkten Laserstrahl an die Arbeitslinse 7. Ein (nicht gezeigter) Spiegel, der eine Änderung an den reflektierten Strahl anlegt, ist zwischen dem gebogenen Spiegel 5 und dem gebogenen Spiegel 6 installiert.
Die Arbeitslinse 7 konvergiert den Laserstrahl, der vom gebogenen Spiegel 6 kommt, um einen kleinen Punktdurchmesser aufzuweisen, und strahlt den Laserstrahl auf das Werkstück 9. Die Fokusposition der Arbeitslinse 7 gemäß der ersten Ausführungsform wird beispielsweise anhand der Größe der Leistung des Laserstrahles (d. h. einer Sol-Ausgabe des Laserstrahls), der aus dem Laseroszillator 1 ausgegeben worden ist, justiert. Weil die Soll-Ausgabe des Laserstrahls verschiedentlich während einer Laserbearbeitung variiert, ändert die Laserprozessierungsvorrichtung 100 die Position der Arbeitslinse 7 während der Laserprozessierung, anhand der Soll-Ausgabe des Laserstrahls verschiedentlich. Mit der oben beschriebenen Konfiguration führt die Laserprozessierungsvorrichtung 100 die Laserprozessierung am Werkstück 9 durch, während Abweichungen der Fokusposition korrigiert werden, die durch einen thermischen Linseneffekt verursacht werden. Der thermische Linseneffekt bei der Laserprozessierungsvorrichtung 100 tritt aufgrund von Hitze-Absorptionen des PR-Spiegels 2 und der Arbeitslinse 7 auf. Aus diesem Grund wird gemäß der ersten Ausführungsform die Position der Arbeitslinse 7 so justiert, dass sie die Abweichung der Fokusposition, die durch den thermischen Linseneffekt des PR-Spiegels 2 und der Arbeitslinse 7 verursacht wird, auflöst. Das Werkstück 9 ist auf einem Arbeitstisch platziert worden (nicht gezeigt) und die Laserbearbeitung wird am Werkstück 9 auf dem Arbeitstisch durchgeführt.
2 ist eine schematische Zeichnung eines eine Arbeitslinse beinhaltenden Arbeitskopfs. Ein Arbeitskopf 10 beinhaltet einen Linsenhaltezylinder 11, die Arbeitslinse 7, einen Linsenhalte-Abstandshalter 13 und eine Prozessierungsdüse 14.
Der Linsenhaltezylinder 11 ist ein Gehäuse, das darin die Arbeitslinse 7 und den Linsenhalte-Abstandshalter 13 lagert. Der Linsenhaltezylinder 11 ist am Hauptkörper der Laserprozessierungsvorrichtung 100 in einer solchen Weise angebracht, dass die optische Achse mit der Achse des Zylinders übereinstimmt.
Die Arbeitslinse 7 hat im Wesentlichen in Form einer Scheibe und ist innerhalb des Linsenhaltezylinders 11 auf solche Weise installiert, dass eine Hauptoberfläche der Arbeitslinse 7 sich in einer Richtung rechtwinklig zur Richtung der optischen Achse erstreckt (d. h. einer Fokustiefenrichtung). Die Arbeitslinse 7 ist auf solche Weise installiert, dass die Arbeitslinse 7 innerhalb des Linsenhaltezylinders 11 längs der Richtung der Achse des Zylinders beweglich ist.
Der Linsenhalte-Abstandshalter 13 ist zwischen dem Linsenhaltezylinder 11 und der Arbeitslinse 7 vorgesehen und fixiert die Arbeitslinse 7 an einer vorbestimmten Position innerhalb des Linsenhaltezylinders 11. Der Linsenhalte-Abstandshalter 13 ist so vorgesehen, dass er die Seitenfläche der Arbeitslinse 7 umgibt. Auch stößt der Linsenhalte-Abstandshalter 13 gegen die Innenwandoberflächenseite des Linsenhaltezylinders 11 über Fixierungsplatten 16A und 16B, die später erläutert werden. Die Arbeitsdüse 14 ist an einer Seite des unteren Teils des Linsenhaltezylinders 11 vorgesehen und strahlt den Laserstrahl, der über die Arbeitslinse 7 gesendet worden ist, zur Werkstück-9-Seite ab.
In 2 ist ein mit einer gestrichelten Doppelpunktlinie angezeigter optischer Pfad A ein optischer Pfad bei normalem Betrieb. Der optische Pfad B, der mit einer unterbrochenen Linie angezeigt ist, ist ein optischer Pfad in einer Situation, wenn der thermische Linseneffekt aufgetreten ist. Bei normaler Anwendung ist die Fokusposition in eine Position (d. h. eine gewünschte Arbeitsposition) nahe einer Oberfläche des Werkstücks eingestellt. Andererseits weicht in dem Fall, wenn der thermische Linseneffekt aufgetreten ist, die Fokusposition von der gewünschten Arbeitsposition ab. Gemäß der ersten Ausführungsform korrigiert selbst in dem Fall, wenn der thermische Linseneffekt aufgetreten ist, die Laserprozessierungsvorrichtung 100 die Fokusposition durch Bewegen der Arbeitslinse 7 auf eine Position in optischer Achsenrichtung anhand eines Abweichungsbetrags der Fokusposition (d. h. einem Fokuspositions-Abweichungsbetrag z). Spezifischer konvergiert die Laserprozessierungsvorrichtung 100 den Laserstrahl in die Fokusposition, welche dieselbe wie die Fokusposition in Situationen ist, wenn der thermische Linseneffekt nicht aufgetreten ist, indem (z. B. durch Korrigieren der Position) die Arbeitslinse 7 um einen Betrag bewegt wird, der gleich dem Positionskorrekturwert h (d. h. einem Justierbetrag) ist, der dieselbe Distanz wie ein Änderungsbetrag des Fokuspositions-Abweichungsbetrags z aufweist (d. h. einem Fokuspositions-Änderungsbetrag Δz). Die Laserprozessierungsvorrichtung 100 führt die Bearbeitung am Werkstück 9 durch, während die Arbeitslinse 7 um den Betrag gleich dem Positionskorrekturwert h bewegt wird, gemäß dem Fokuspositions-Änderungsbetrag Δz, der sich während der Laserbearbeitung verändert. Der Fokuspositions-Änderungsbetrag Δz, welcher hier erwähnt ist, entspricht dem in den Ansprüchen verwendeten ”Änderungsbetrag der Positionsabweichung”.
3 ist eine Zeichnung zum Erläutern eines Bewegungsbetriebs der Arbeitslinse innerhalb des Arbeitskopfs. Wie in 3 gezeigt, weist der Arbeitskopf 10 an seiner Innenseite Führungsstäbe (d. h. Auf- und Ab-Führungswellen) 15 auf. Jeder der Führungsstäbe 15 ist innerhalb des Arbeitskopfes 10 so installiert, dass ihre Längsrichtung der optischen Achsenrichtung des Laserstrahls entspricht. In 3 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem zwei Führungsstäbe 15 vorgesehen sind; jedoch können drei oder mehr Führungsstäbe 15 vorgesehen sein.
Die obere Oberflächenseite der Arbeitslinse 7 stößt gegen die Fixierplatte 16A über den Linsenhalte-Abstandshalter 13, während die untere Oberflächenseite der Arbeitslinse 7 an der Fixierplatte 16B über den Linsenhalte-Abstandshalter 13 auf solche Weise anstößt, dass die Arbeitslinse 7 durch die Fixierplatten 16A und 16B fixiert ist. Die Fixierplatte 16A hat die Form einer Scheibe mit einem Loch größer als der oberen Oberfläche der Arbeitslinse 7 in einem Teil derselben, der dem entspricht, wo der Laserstrahl in die Arbeitslinse 7 eintritt, so dass der Eintritt des Laserstrahls in die Arbeitslinse 7 nicht blockiert ist. Die Fixierplatte 168 ist in Form einer Scheibe mit einem größeren Loch als die untere Oberfläche der Arbeitslinse 7 in einem Teil derselben, entsprechend dem, wo der Laserstrahl die Arbeitslinse 7 austritt, so dass der Austritt des Laserstrahls aus der Arbeitslinse 7 nicht blockiert ist.
Jede der Fixierplatten 16A und 168 weist an ihren äußeren Umfangsteilen Durchgangslöcher auf, durch welche die Führungsstäbe 15 hindurchgehen. Jede der Fixierplatten 16A und 168 ist so konfiguriert, dass sie sich in Auf-Ab-Richtung längs der Layout-Richtung (d. h. der Längsrichtung) der Führungsstäbe 15 bewegen. Auch ist jede der Fixierplatten 16A und 168 in Eingriff mit Schrauben einer Kugelspindel 18. Die Kugelspindel 18 wird durch den Schrittmotor 17 gedreht. Wenn der Schrittmotor 17 läuft, rotiert die Ballspindel 18 so, dass die Fixierplatten 16A und 16B sich längs der Führungsstäbe 15 in Auf-Ab-Richtung bewegen. Bei dieser Anordnung bewegt sich die Arbeitslinse 7 innerhalb des Arbeitskopfs 10 in Auf-Ab-Richtung.
4 ist ein Funktionsblockdiagramm einer Laserprozessierungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. Die Laserprozessierungsvorrichtung 100 beinhaltet einen Laserbearbeitungsmechanismus 300 und eine Prozesssteuervorrichtung 200. Der Laserbearbeitungsmechanismus 300 ist so konfiguriert, das er den Laseroszillator 1, den Arbeitskopf 10 und eine Antriebseinheit 40 beinhaltet. Der Laserbearbeitungsmechanismus 300 führt eine Laserbearbeitung am Werkstück 9 basierend auf einem Befehl aus der Prozesssteuervorrichtung 200 durch.
Aus Elementen (Informationen), die einen thermischen Linseneffekt verursachen, sendet der Laserbearbeitungsmechanismus 300 Informationen, die durch den Laserbearbeitungsmechanismus 300 erhältlich sind, an die Prozesssteuervorrichtung 200, als thermische Linseninformation 31. Die thermische Linseninformation 31 ist eine Information, die sich auf den Zustand des Laserbearbeitungsmechanismus 300 bezieht, wenn eine Laserbearbeitung durchgeführt wird. Die thermische Linseninformation 31 beinhaltet beispielsweise eine Ausgabe des Laserstrahls, die im Laseroszillator 1 gesetzt worden ist (d. h. eine Sollausgabe P), eine Fokusdistanz f der Arbeitslinse 7, einen Sollwert in der Strahloptimierungseinheit 4 (d. h. einen Strahldurchmessersollwert) (nachfolgend der ”Strahloptimierungseinheits-Sollwert D_AO”). Die Sollausgabe P ist ein Wert, der sich während einer Laserbearbeitung ändert, anhand eines prozessierenden Computerprogramms (d. h. Prozessbedingungen). Die Fokusdistanz (Brennweite) f ist ein Wert, der durch die Art der Arbeitslinse 7 (z. B. ihren Durchmesser) bestimmt ist und ein fester Wert ist, der sich während der Laserbearbeitung nicht ändert. In dem Fall, wenn eine Laserbearbeitung durchgeführt wird, während der Strahldurchmesser des Laserstrahls, der auf das Werkstück 9 gestrahlt wird, geändert wird, ist der Strahloptimierungseinheits-Sollwert D_AO ein Wert, der sich während der Laserbearbeitung ändert. Im Gegensatz dazu ist in dem Fall, wenn eine Laserbearbeitung durchgeführt wird, während der Strahldurchmesser des auf das Werkstück 9 gestrahlten Laserstrahls fix ist, der Strahloptimierungseinheits-Sollwert D_AO ein fixierter Wert, der sich während der Laserbearbeitung nicht ändert.
Die Antriebseinheit 40 justiert die Position der Arbeitslinse 7 in optischer Achsenrichtung innerhalb des Arbeitskopfs 10 gemäß einem Befehl (d. h. einen Linsenpositionskorrekturbefehl) zum Einstellen der Position der Arbeitslinse 7, der aus der Prozesssteuervorrichtung 200 gesendet wird. Die Antriebseinheit 40 verwendet die aktuelle Position der Arbeitslinse 7 als eine Referenzposition zum Justieren der Position der Arbeitslinse 7 und bewegt die Arbeitslinse 7 aus der aktuellen Position um den Betrag gleich dem Positionskorrekturwert h.
Die Prozesssteuervorrichtung 200 berechnet den Fokuspositionsänderungsbetrag Δz anhand des thermischen Linseneffektes und sendet den Linsenpositionskorrekturbefehl (d. h. den Positionskorrekturwert h) entsprechend dem Fokuspositionsänderungsbetrag Δz an den Laserprozessierungsmechanismus 300. Die Prozesssteuervorrichtung 200 steuert die Position der Arbeitslinse 7 in optischer Achsenrichtung durch Senden des Linsenpositionskorrekturbefehls an den Laserprozessierungsmechanismus 300.
Die Prozesssteuervorrichtung 200 beinhaltet eine Einstellinformationseingabeeinheit 21, einen Kalkulator 22 und eine Steuereinheit (d. h. eine Fokuspositionssteuereinheit) 23. Die Einstellinformationseingabeeinheit 21 ist dafür konfiguriert, eine Maus und/oder eine Tastatur zu beinhalten. Sich auf Ursachen des Auftretens des thermischen Linseneffektes beziehende Informationen werden durch einen Anwender als Einstellinformationen 32 eingegeben. Die Einstellinformationen 32 sind Informationen, die sich anhand eines Verwendungsstatus und dergleichen der Laserprozessierungsvorrichtung 100 ändern. Beispielsweise ist es akzeptabel, die Einstellinformationen 32 zu durch den Anwender gewünschten Zeiten (z. B. einmal im Monat) einzustellen. Auch sind die Einstellinformationen 32 Informationen, die vorab eingegeben werden, bevor eine Laserbearbeitung gestartet wird und sind ein fixer Wert, der sich während der Laserbearbeitung nicht ändert.
Die Einstellinformationen 32 sind Informationen, die sich auf die Bearbeitungsbedingungen beziehen und beinhalten beispielsweise einen Wärmeabsorptionsfaktor Aw der Arbeitslinse 7, einen Wärmeabsorptionsfaktor Ap des PR-Spiegels 2, eine Zeitkonstante τ der Fokusänderung und einen Strahldurchmesser ω des auf das Werkstück 9 gestrahlten Laserstrahls. Es ist akzeptabel, den Strahldurchmesser ω über die Einstellinformationseingabeeinheit 21 einzugeben. Alternativ kann der Kalkulator 22 den Strahldurchmesser ω berechnen. In den folgenden Abschnitten wird ein Beispiel erläutert, bei dem der Kalkulator 22 den Strahldurchmesser ω berechnet.
Der Wärmeabsorptionsfaktor Aw der Arbeitslinse 7 wird beispielsweise innerhalb eines Bereiches von 0,16% bis 0,25% eingestellt. Der Wärmeabsorptionsfaktor Ap des PR-Spiegels 2 wird beispielsweise innerhalb eines Bereichs von 0,07% bis 0,15% eingestellt. Die Zeitkonstante τ der Fokusänderung ist eine Änderungsgeschwindigkeit der Fokusposition, während die Fokusposition verändert wird. Der Strahldurchmesser ω ist der Strahldurchmesser des auf das Werkstück 9 gestrahlten Laserstrahls und wird unter Verwendung einer vorgegebenen Berechnungsformel berechnet.
Der Kalkulator 22 berechnet den Fokuspositions-Änderungsbetrag Δz unter Verwendung der Einstellinformationen 32, die durch die Einstellinformationseingabeeinheit 21 eingegeben worden sind, und der thermischen Linseninformation 31, die aus dem Laserprozessierungsmechanismus 300 kommt. Der Kalkulator 22 sendet den berechneten Fokuspositions-Änderungsbetrag Δz an die Steuereinheit 23.
Der Kalkulator 22 berechnet den Fokuspositions-Änderungsbetrag Δz unter Verwendung beispielsweise von Ausdruck (1), der unten gezeigt ist: Δz = (α × Aw × P/ω² – z) × Δt/τ (1)
Wie in Ausdruck (1) gezeigt, hängt der Fokuspositions-Änderungsbetrag Δz vom Wärmeabsorptionsfaktor Aw der Arbeitslinse 7 und einer Strahlintensität pro Flächeneinheit (P/ω²) ab. In Ausdruck (1) ist α eine Konstante und ω² ist ein Wert, der von der Sollausgabe P, dem Wärmeabsoptionsfaktor Ap des PR-Spiegels 2 und dem Strahloptimierungseinheits-Sollwert D_AO und der Fokusdistanz f der Arbeitslinse 7 abhängt. Von diesen vier Elementen, durch welche ω² bestimmt wird, wird ein Polynom-Ausdruck für die Sollausgabe P verwendet. Somit gibt der Anwender diese vier Werte in die Einstellinformationseingabeeinheit 21 ein. Entsprechend berechnet der Kalkulator 22 den Wert von ω² und berechnet auch den Fokuspositions-Änderungsbetrag Δz unter Verwendung des berechneten Werts von ω².
Die Steuereinheit 23 justiert die Position der Arbeitslinse 7 in optischer Achsenrichtung, indem sie den Linsenpositionskorrekturbefehl (d. h. den Positionskorrekturwert h), der dem Fokuspositions-Änderungsbetrag Δz entspricht, der vom Kalkulator 22 bereitgestellt wird, an den Laserprozessierungsmechanismus 300 sendet.
Im vorliegenden Beispiel werden die Werte, die vom Anwender eingegeben worden sind, als die Einstellinformationen 32 verwendet; jedoch können vorbestimmte Standardwerte als Einstellinformationen 32 verwendet werden. Es ist eine Anordnung akzeptabel, bei der beispielsweise ein Standardwert des Wärmeabsorptionsfaktors Aw der Arbeitslinse 7 auf 0,12% eingestellt wird, während ein Standardwert des Wärmeabsorptionsfaktors Ap des PR-Spiegels 2 auf 0,15% eingestellt ist, so dass diese Standardwerte als der Wärmeabsorptionsfaktor Aw der Arbeitslinse 7 bzw. der Wärmeabsorptionsfaktor Ap des PR-Spiegels 2 verwendet werden können. Auch ist es akzeptabel, einen vorbestimmten Standardwert als die Zeitkonstante τ der Fokusänderung zu verwenden.
Als Nächstes wird eine Betriebsprozedur der Laserprozessierungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform erläutert. 5 ist ein Flussdiagramm einer Betriebsprozedur der Laserprozessierungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. Bevor eine Laserbearbeitung gestartet wird, gibt der Anwender die Einstellinformationen 32 unter Verwendung der Einstellinformationseingabeeinheit 21 ein (Schritt S10). Die Einstellinformationen werden an den Kalkulator 22 aus der Einstellinformationseingabeeinheit 21 eingegeben.
Auch wird, basierend auf den an der Laserprozessierungsvorrichtung 100 angebrachten Arbeitskopf 10 die Fokusdistanz 11 bestimmt. Beispielsweise wird eine Informationstabelle, die eine korrespondierende Beziehung zwischen dem Arbeitskopf 10 und der Fokusdistanz f anzeigt, in der Laserprozessierungsvorrichtung 100 gespeichert, so dass die Laserprozessierungsvorrichtung 100 die Fokusdistanz f extrahiert, die dem Arbeitskopf 10 entspricht, unter Bezugnahme auf die Informationstabelle. Auch wird der Strahloptimierungseinheits-Sollwert D_AO in der Strahloptimierungseinheit 4 durch den Anwender eingestellt.
Wenn die Laserbearbeitung gestartet worden ist, wird die Sollausgabe P aus dem Bearbeitungs-Computerprogramm oder dergleichen als eine aktuelle Laserausgabe des aus dem Laseroszillator 1 abgestrahlten Laserstrahls ausgelesen (Schritt S20). Nachfolgend werden aktuelle thermische Linseninformationen 31 einschließlich der Sollausgabe P, der Fokusdistanz f und dem Strahloptimierungseinheits-Sollwert D_AO aus dem Laserprozessierungsmechanismus 300 am Kalkulator 22 eingegeben (Schritt S30).
Es ist eine Anordnung akzeptabel, bei der der Laserprozessierungsmechanismus 300 die Fokusdistanz f in den Kalkulator 22 nur beim ersten Mal, nachdem die Bearbeitungsprozedur gestartet ist, eingibt. In dieser Situation ist nur, wenn die thermische Linseninformation 31 am Kalkulator 22 zum ersten Mal eingegeben wird, nachdem die Laserbearbeitung gestartet wird, die Fokusdistanz f in der thermischen Linseninformation 31 beinhaltet. Dies bedeutet, dass die Fokusdistanz f nicht in der thermischen Linseninformation 31 beinhaltet ist, die am Kalkulator 22 bei zweiten und nachfolgenden Malen eingegeben wird, nachdem die Bearbeitungsprozedur gestartet wird.
Es ist eine andere Anordnung akzeptabel, bei der in dem Fall, wo der Strahloptimierungseinheits-Sollwert D_AO sich während der Bearbeitungsprozedur nicht ändert, der Laserprozessierungsmechanismus 300 den Strahloptimierungseinheits-Sollwert D_AO am Kalkulator 22 nur beim ersten Mal, nachdem die Bearbeitungsprozedur gestartet ist, eingibt. In dieser Situation, nur wenn die thermische Linseninformation 31 zum ersten Mal, nachdem die Laserbearbeitung gestartet worden ist, am Kalkulator 22 eingegeben wird, ist der Strahloptimierungseinheits-Sollwert D_AO in der thermischen Linseninformation 31 beinhaltet. Dies bedeutet, dass der Strahloptimierungseinheits-Sollwert D_AO nicht in der thermischen Linseninformation beinhaltet ist, die beim zweiten und nachfolgenden Malen, nachdem die Bearbeitungsprozedur gestartet ist, am Kalkulator 22 eingegeben wird.
Andererseits trifft in dem Fall, bei dem sich der Strahloptimierungseinheits-Sollwert D_AO während der Bearbeitungsprozedur ändert, der Laserprozessierungsmechanismus 300 ein Arrangement, so dass jedes aller Teile der thermischen Linseninformationen 31, die am Kalkulator 22 eingegeben werden, einen Strahloptimierungseinheits-Sollwert D_AO und eine Sollausgabe P beinhalten. In dieser Situation wird der Strahloptimierungseinheits-Sollwert D_AO aus dem Prozessierungs-Computerprogramm ausgelesen und in jeden der Teile thermischer Linseninformation 31 gelegt.
Der Kalkulator 22 berechnet eine Fokuspositions-Änderungsbetrag Δz unter Verwendung der Einstellinformationen 32 und der thermischen Linseninformationen 31 (Schritt S40) und sendet das Berechnungsergebnis an die Steuereinheit 23. Die Steuereinheit 23 sendet einen Linsenpositionskorrekturbefehl (d. h. einen Positionskorrekturwert h), der zum Bewegen der Arbeitslinse 7 um eine Distanz entsprechend dem Fokuspositions-Änderungsbetrag Δz verwendet wird, an den Laserprozessierungsmechanismus 300 (d. h. den Arbeitskopf 10) (Schritt S50). Der Linsenpositionskorrekturbefehl wird an die Antriebseinheit 40 gesendet, die im Laserprozessierungsmechanismus 300 enthalten ist.
Die Antriebseinheit 40 bewegt die Arbeitslinse 7 um einen Betrag gleich dem Positionskorrekturwert h aus der aktuellen Position der Arbeitslinse 7 (Schritt S60). Spezifischer wird in dem Fall, wenn der Fokuspositionsabweichungsbetrag z zu einer n-ten Zeit (wobei n eine natürliche Zahl ist) als Zn ausgedrückt wird, während der Fokuspunktsabweichungsbetrag z zu einer (n + 1)-ten Zeit als Z(n + 1) ausgedrückt wird, die Arbeitslinse 7 um den als (Z(n + 1) – Zn) = Δz = h in der (n + 1)-ten Fokuspositionskorrekturprozedur ausgedrückten Betrag bewegt.
Die Antriebseinheit 40 prüft, um festzustellen, ob die Arbeitslinse 7 um den Betrag gleich dem Positionskorrekturwert h bewegt worden ist (Schritt S70). Im Fall, bei dem die Arbeitslinse 7 nicht um den Betrag gleich dem Positionskorrekturwert h bewegt worden ist (Schritt S70: Nein), wiederholt die Antriebseinheit 40 die Prozeduren der Schritte S60 und S70. In dem Fall, in dem die Arbeitslinse 7 um den Betrag gleich dem Positionskorrekturwert h bewegt worden ist (Schritt S70: Ja), benachrichtigt die Antriebseinheit 40 die Prozesssteuervorrichtung 200, dass die Bewegungsprozedur abgeschlossen worden ist (Schritt S80). Danach, falls die Laserbearbeitung nicht abgeschlossen worden ist (Schritt S90: Nein), wiederholt die Laserprozessierungsvorrichtung 100 die Prozeduren der Schritte S20 bis S90, bis die Laserbearbeitung abgeschlossen ist.
6 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Beispiels von Änderungen in der Sollausgabe P eines Laserstrahls während einer Bearbeitungsprozedur. 7 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Beispiels von Änderungen des Fokuspositions-Abweichungsbetrags während einer Bearbeitungsprozedur. Im in 6 gezeigten Diagramm drückt die vertikale Achse die Sollausgabe P (Watt) aus, während die horizontale Achse eine Bearbeitungszeit (Sekunden) ausdrückt. Im in 7 gezeigten Diagramm drückt die vertikale Achse den Fokuspositions-Abweichungsbetrag z (Millimeter) aus, während die horizontale Achse eine Prozesszeit (Sekunden) ausdrückt. Der in 7 illustrierte Fokuspositions-Abweichungsbetrag z ändert sich gemäß der in 6 illustrierten Sollausgabe P.
Wie in 6 dargestellt, wird die Sollausgabe P der Laserprozessierungsvorrichtung 100 verschiedentlich gesetzt, so dass die Emission eines Laserstrahls wiederholt ein- und ausgeschaltet wird. Zusätzlich ändert sich der Fokuspositions-Abweichungsbetrag z zusammen mit den Änderungen bei der Sollausgabe P. Anders ausgedrückt ist durch Berechnen des Fokuspositions-Änderungsbetrags Δz während der Laserbearbeitung die Laserprozessierungsvorrichtung 100 in der Lage, als ein Ergebnis die in 7 illustrierte Historie des Fokuspositions-Abweichungsbetrags z zu erhalten. Gemäß der ersten Ausführungsform werden durch Bewegen der Arbeitslinse, um so den Fokuspositions-Abweichungsbetrag z aufzulösen, die Abweichungen der Fokusposition, die durch den thermischen Linseneffekt verursacht sind, korrigiert. Bei der oben beschriebenen Konfiguration ist es möglich, den Laserstrahl in eine gewünschte Fokusposition zu konvergieren, ohne die Arbeitslinse 7 oder den PR-Spiegel 2 zu verwenden, deren Wärmeabsorptionsfaktor nahe bei 0 liegt. Entsprechend ist es möglich, die Laserbearbeitung auf dem Werkstück 9 bei niedrigen Kosten durchzuführen.
Bei der ersten Ausführungsform ist das Beispiel erläutert worden, bei dem der Fokuspositions-Änderungsbetrag Δz berechnet wird, während die Laserbearbeitung durchgeführt wird, so dass die Position der Bearbeitungslinse 7 korrigiert werden kann; jedoch ist eine andere Anordnung akzeptabel, bei der der Fokuspositions-Änderungsbetrag Δz vorab für jede Bearbeitungszeit berechnet wird, basierend auf dem Bearbeitungsprogramm, der thermischen Linseninformation 31, der Einstellinformation 32 und dergleichen, bevor die Laserbearbeitung gestartet wird.
Wie oben erläutert, ist es gemäß der ersten Ausführungsform, weil die Position der Arbeitslinse 7 in der optischen Achsenrichtung basierend auf der Sollausgabe P und dergleichen gesteuert wird, möglich, die Abweichungen der Fokusposition, die während der Laserbearbeitung auftreten, exakt aufzulösen. Als Ergebnis ist es unter Verwendung der einfachen Konfiguration möglich, eine Laserbearbeitung mit einem hohen Präzisionsniveau in Bezug auf Formen durchzuführen.
Zweite Ausführungsform
Als Nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 8 bis 10 erläutert. Gemäß der zweiten Ausführungsform steuert der gebogene Spiegel 6 die Fokusposition basierend auf der Sollausgabe P und dergleichen. Spezifischer wird eine Krümmung des gebogenen Spiegels 6 gemäß der zweiten Ausführungsform anhand beispielsweise der Größe der Leistung des Laserstrahls, der aus dem Laseroszillator ausgegeben wird, justiert. Weil die Sollausgabe des Laserstrahls sich verschiedentlich während einer Laserbearbeitung ändert, ändert die Laserprozessierungsvorrichtung 100 die Krümmung des gebogenen Spiegels 6 verschiedentlich während der Laserbearbeitung, gemäß der Sollausgabe P des Laserstrahls. Mit der oben beschriebenen Konfiguration führt die Laserprozessierungsvorrichtung 100 die Laserbearbeitung am Werkstück 9 aus, während Abweichungen der Fokusposition, die durch den thermischen Linseneffekt verursacht sind, korrigiert werden. Der thermische Linseneffekt in der Laserprozessierungsvorrichtung 100 tritt aufgrund von Wärmeabsorptionen des PR-Spiegels 2 und der Arbeitslinse 7 auf. Aus diesem Grund wird gemäß der zweiten Ausführungsform die Krümmung des gebogenen Spiegels 6 gesteuert (d. h. justiert), um so die Abweichungen der Fokusposition, die durch den thermischen Linseneffekt des PR-Spiegels 2 und der Arbeitslinse 7 verursacht sind, aufzulösen. In den nachfolgenden Abschnitten werden eine funktionale Konfiguration und eine Operationsprozedur einer Laserprozessierungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform erläutert.
8 ist ein Funktionsblockdiagramm der Laserprozessierungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform. Einige der in 8 illustrierten Bestandteilselemente, welche dieselben Funktionen erzielen wie jene, die in der Laserprozessierungsvorrichtung 100 gemäß der in 4 illustrierten ersten Ausführungsform enthalten sind, werden unter Verwendung derselben Bezugszeichen referenziert und deren wiederholte Erläuterung wird weggelassen. Die Laserprozessierungsvorrichtung 100 enthält den Laserprozessierungsmechanismus 300 und die Prozesssteuervorrichtung 200. Der Laserprozessierungsmechanismus 300 ist dafür konfiguriert, den Laseroszillator 1, den gebogenen Spiegel 6 und die Antriebseinheit 40 zu beinhalten. Der Laserprozessierungsmechanismus 300 führt eine Laserbearbeitung an einem Werkstück 9 basierend auf einem Befehl durch, der aus der Prozesssteuervorrichtung 200 gesendet wird.
Eine Antriebseinheit 41 justiert die Krümmung des gebogenen Spiegels 6 anhand eines Befehls (d. h. einen Krümmungskorrekturbefehl) zum Justieren der Krümmung des gebogenen Spiegels 6, welcher aus der Prozesssteuervorrichtung 200 gesendet wird und die Antriebseinheit 41 verwendet die aktuelle Krümmung des gebogenen Spiegels 6 als eine Referenzposition zum Justieren der Krümmung des gebogenen Spiegels 6 und ändert die Krümmung des gebogenen Spiegels 6 von der aktuellen Krümmung um einen Betrag gleich einem Krümmungskorrekturwert i.
Die Prozesssteuervorrichtung 200 berechnet den Fokuspositions-Änderungsbetrag Δz anhand des thermischen Linseneffekts und sendet den Krümmungskorrekturbefehl (d. h. den Krümmungskorrekturbefehl i), der zum Fokuspositions-Änderungsbetrag Δz korrespondiert, an den Laserprozessierungsmechanismus 300. Die Prozesssteuervorrichtung 200 gemäß der zweiten Ausführungsform steuert die Krümmung des gebogenen Spiegels 6 durch Senden des Krümmungskorrekturbefehls an den Laserprozessierungsmechanismus 300. Spezifischer justiert die Steuereinheit 23 die Krümmung des gebogenen Spiegels 6 durch Senden des Krümmungskorrekturbefehls (d. h. des Krümmungskorrekturwertes i), der dem Fokuspositions-Änderungsbetrag Δz entspricht, der durch den Kalkulator 22 bereitgestellt wird, an den Laserprozessierungsmechanismus 300 und korrigiert somit die Fokusposition des auf das Werkstück 9 konvergierten Laserstrahls.
Als Nächstes wird eine beispielhafte Konfiguration des gebogenen Spiegels (d. h. eines Krümmungsänderungsreflektionsspiegels), dessen Krümmung änderbar ist, erlautert. Der gebogene Spiegel 6 gemäß der zweiten Ausführungsform ist dafür konfiguriert, zu beinhalten: ein Laserstrahlreflektormittel, dessen Krümmung durch einen Fluiddruck von Luft, Wasser oder dergleichen änderbar ist; eine Reflektorelement-Unterstützungseinheit; eine Fluidzufuhreinheit; ein Mittel zum Ändern eines Fluidzufuhrdrucks in einer schrittweisen Manier oder einer kontinuierlichen Manier; und eine Fluidabgabeeinheit.
Das Laserstrahl-Reflektionselement ist im optischen Pfad des Laserstrahls vorgesehen und kann durch den Fluiddruck elastisch deformiert werden. Die Reflektorelement-Unterstützungseinheit stützt ein Umfangsteil des Laserstrahl-Reflektionselements und bildet zusammen mit dem Laserstrahl-Reflektionselement einen Raum auf der Seite entgegengesetzt einer Laserstrahl-Reflektionsoberfläche. Die Fluidzufuhreinheit führt das Fluid in den durch die Reflektionselement-Unterstützungseinheit ausgebildeten Raum. Die Fluidablasseinheit lässt das Fluid aus dem durch die Reflektionselement-Unterstützungseinheit gebildeten Raum ab.
Der gebogene Spiegel 6 ist so konfiguriert, dass der durch das Laserstrahl-Reflektionselement und die Reflektionselement-Unterstützungseinheit gebildete Raum eine hermetisch abgedichtete Struktur hat, außer bezüglich eines Fluidzufuhrpfades und eines Fluidablasspfades. Der Fluiddruck, der erforderlich ist, das Laserstrahl-Reflektionselement elastisch zu deformieren, wird auf der Seite entgegengesetzt der Laserstrahl-Reflektionsoberfläche angelegt. Gemäß einer Änderung des Fluiddrucks deformiert sich die Oberfläche des in dem gebogenen Spiegel beinhalteten Laserstrahl-Reflektionselements, um so eine konvexe Oberfläche oder eine konkave Oberfläche aufzuweisen, und so ändert sich seine Krümmung.
Als Nächstes wird eine Operationsprozedur der Laserprozessierungsvorrichtung 100 gemäß der zweiten Ausführungsform erläutert. 9 ist ein Flussdiagramm einer Operationsprozedur der Laserprozessierungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform. In den nachfolgenden Abschnitten werden einige der Prozeduren zum Durchführen derselben Operationen wie jene, die durch die Laserprozessierungsvorrichtung 100 gemäß der unter Bezugnahme auf 5 erläuterten ersten Ausführungsform durchgeführt werden, aus der Erläuterung weggelassen.
Bis zur Prozedur zum Berechnen des Fokuspositions-Änderungsbetrags Δz führt die Laserprozessierungsvorrichtung 100 dieselben Prozeduren durch, welche durch die Laserprozessierungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausfuhrungsform durchgeführt werden. Die in 9 illustrierten Prozeduren in den Schritten S110 bis S140 entsprechen den Prozeduren in den in 5 illustrierten Schritten S10 bis S40.
Der Kalkulator 22 sendet einen Fokuspositions-Änderungsbetrag Δz, d. h. ein Berechnungsergebnis), das unter Verwendung der Einstellinformationen 32 und der thermischen Linseninformationen 31 berechnet worden ist (d. h. die Sollausgabe P und dergleichen) an die Steuereinheit 23. Die Steuereinheit 23 sendet einen Krümmungskorrekturbefehl (d. h. einen Krümmungskorrekturwert i), der zum Bewegen des gebogenen Spiegels 6 um eine Krümmung entsprechend dem Fokuspositions-Änderungsbetrag Δz verwendet wird, an den Laserprozessierungsmechanismus 300 (Schritt S150). Der Krümmungskorrekturbefehl wird an die Antriebseinheit 140 gesendet, die im Laserprozessierungsmechanismus 300 beinhaltet ist.
Die Antriebseinheit 140 ändert die Krümmung des gebogenen Spiegels 6 um den Betrag gleich dem Krümmungskorrekturwert i, von der aktuellen Krümmung des gebogenen Spiegels 6 (Schritt S160). Spezifischer wird in einem Fall, bei dem der Fokuspositions-Abweichungsbetrag z zu einer m-ten Zeit (wobei m eine natürliche Zahl ist) als Zm ausgedruckt wird, während der Fokuspositions-Abweichungsbetrag z zu einer (m + 1)-ten Zeit als Z(m + 1) ausgedrückt wird, die Krümmung des gebogenen Spiegels so geändert, dass sich die Fokusposition um den als (Z(m + 1) – Zm) ausgedrückten Betrag in der (m + 1)-ten Fokuspositionskorrekturprozedur ändert.
Die Antriebseinheit 41 prüft, um festzustellen, ob die Krümmung des gebogenen Spiegels 6 um den Betrag gleich dem Krümmungskorrekturwert i geändert worden ist (Schritt S170). In dem Fall, bei dem die Krümmung des gebogenen Spiegels 6 nicht um den Betrag gleich dem Krümmungskorrekturwert i geändert worden ist (Schritt S170: Nein) wiederholt die Antriebseinheit 41 die Prozeduren der Schritte S160 und S170. In dem Fall, bei dem die Krümmung des gebogenen Spiegels 6 um den Betrag gleich dem Krümmungskorrekturwert i geändert worden ist (Schritt S170: Ja) notifiziert die Antriebseinheit 41 die Prozesssteuervorrichtung 200, dass die Krümmungsänderungsprozedur abgeschlossen worden ist (Schritt S180).
Als Nächstes wird eine Beziehung zwischen den Änderungen der Krümmung des gebogenen Spiegels 6 und den Änderungen der Fokusposition erlautert. 10 ist eine Zeichnung zum Erläutern einer Beziehung zwischen den Änderungen bei der Krümmung des gebogenen Spiegels und den Änderungen der Fokusposition. Die linke Hälfte von 10 entspricht einer Situation, bei der der gebogene Spiegel 6 eine konvexe Oberflache hat, während die rechte Hälfte von 10 einer Situation entspricht, bei der der gebogene Spiegel 6 eine konkave Oberfläche aufweist.
Ein Laserstrahl, der über den gebogenen Spiegel 6 mit der konvexen Oberfläche auf das Werkstück 9 gestrahlt wird, hat eine längere Fokusposition als derjenige in einer Situation, wo ein Parallelstrahl-Laserstrahl auf das Werkstück 9 gestrahlt wird. Ein Laserstrahl, der über den gebogenen Spiegel mit der konkaven Oberfläche auf das Werkstück 9 gestrahlt wird, hat eine kurzere Fokusposition als derjenige bei einer Situation, wenn ein Parallelstrahlen-Laserstrahl auf das Werkstück 9 gestrahlt wird.
Wie oben erläutert, ist es gemäß der zweiten Ausführungsform durch Ändern der Krümmung des gebogenen Spiegels 6 möglich, die Fokusposition des auf das Werkstück 9 gestrahlten Laserstrahles, wie im Beispiel, bei dem die Position der Arbeitslinse 7 geändert wird, zu ändern.
Nachdem die Antriebseinheit 41 die Prozesssteuervorrichtung 200 benachrichtigt, dass die Krümmungsänderungsprozedur abgeschlossen worden ist, wiederholt, falls die Laserbearbeitung nicht abgeschlossen ist (Schritt S190: Nein), die Laserprozessierungsvorrichtung 100 die Prozeduren der Schritte S120 bis S90, bis die Laserbearbeitung abgeschlossen ist.
Wie oben erläutert, ist es gemäß der zweiten Ausführungsform, weil die Krümmung des gebogenen Spiegels 6 basierend auf der Sollausgabe P und dergleichen gesteuert wird, möglich, genau die während der Laserbearbeitung auftretenden Abweichungen der Fokusposition aufzulösen. Als Ergebnis ist es unter Verwendung der einfachen Konfiguration möglich, eine Laserbearbeitung mit einem hohen Niveau an Genauigkeit in Bezug auf Formen durchzuführen.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie oben beschrieben, sind die Prozesssteuervorrichtung und die Laserprozessierungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung zum Steuern der Fokusposition des auf ein Werkstück gestrahlten Laserstrahles geeignet.

Claims

Laserprozessierungsvorrichtung (100) beinhaltend eine Prozesssteuervorrichtung (200), wobei die Prozesssteuervorrichtung (200) eine Fokusposition eines Laserstrahls steuert, während die Laserprozessierungsvorrichtung (100) den Laserstrahl auf eine vorbestimmte Fokusposition konvergiert und eine Laserbearbeitung an einem Werkstück (9) durchführt, wobei die Prozesssteuervorrichtung (200) umfasst: einen Kalkulator (22), der basierend auf einer Größenordnung einer Ausgabe des Laserstrahls, die sich während der Laserbearbeitung ändert, einen Änderungsbetrag einer Positionsabweichung der Fokusposition in einer optischen Achsenrichtung berechnet, die sich während der Laserbearbeitung als eine Laserstrahl-Bestrahlungsposition ändert; und eine Fokuspositionssteuereinheit (23), die, basierend auf dem Änderungsbetrag der Positionsabweichung, die durch den Kalkulator (22) berechnet worden ist, die Fokusposition des Laserstrahls während der Laserbearbeitung so steuert, dass die Positionsabweichung der Fokusposition aufgelöst wird, wobei die Laserprozessierungsvorrichtung (100) weiter enthält: eine Arbeitslinse (7), die den Laserstrahl in die vorbestimmte Fokusposition konvergiert; und einen gebogenen Spiegel (6), der den Laserstrahl auf die Arbeitslinse (7) führt, und der Kalkulator (22) eine Strahlintensität des Laserstrahls pro Einheitsfläche unter Verwendung der Größenordnung der Ausgabe des Laserstrahls berechnet, und der Kalkulator (22) den Änderungsbetrag der Positionsabweichung unter Verwendung der Strahlintensität pro Einheitsfläche, die berechnet worden ist, und eines Wärmeabsorptionsfaktors der Arbeitslinse (7), der aus einer externen Quelle eingegeben wird, berechnet, wobei der Wärmeabsorptionsfaktor eine Konstante ist, die das Wärmeabsorptionsvermögen anzeigt, die Fokuspositions-Steuereinheit die Fokusposition des Laserstrahls durch Steuern einer Krümmung des gebogenen Spiegels (6) während der Laserbearbeitung steuert, der gebogene Spiegel (6) beinhaltet: ein Laserstrahlreflektormittel, dessen Krümmung durch einen Fluiddruck änderbar ist, eine Reflektorelementunterstützungseinheit, und ein Mittel zum Ändern eines Fluidzufuhrdrucks zu einem durch das Laserstrahlreflektormittel und die Reflektorelementunterstützungseinheit ausgebildeten Raum in einer kontinuierlichen Manier.