DE112017003559T5

DE112017003559T5 - Laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112017003559T5
Application number: DE112017003559.7T
Authority: DE
Inventors: Naoyuki Nakamura; Masaki Seguchi; Tomotaka Katsura; Daiji Morita
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-07-14
Filing date: 2017-07-05
Publication date: 2019-05-09
Also published as: WO2018012379A1; CN109475976A; JP6676168B2; US20190126395A1; JPWO2018012379A1; US11179802B2

Abstract

Eine Laserbearbeitungsvorrichtung weist Folgendes auf: einen Laseroszillator, der Laserlicht (L) mit einer Mehrzahl von Wellenlängen emittiert; ein diffraktives optisches Transmissionselement (21), das ermöglicht, dass das Laserlicht (L) dadurch verläuft; eine Bearbeitungslinse (3), die das Laserlicht (L) bündelt, das durch das diffraktive optische Transmissionselement (21) verlaufen ist; einen Abstandseinstellmechanismus (31), der einen Abstand zwischen dem diffraktiven optischen Transmissionselement (21) und der Bearbeitungslinse (3) verändert; und einen Winkeleinstellmechanismus (32), der einen Winkel des diffraktiven optischen Transmissionselements (21) verändert, um zwischen einem Zustand, in dem das Laserlicht (L) durch das diffraktive optische Transmissionselement (21) gestreut wird und anschließend in die Bearbeitungslinse (3) eintritt, und einem Zustand, in dem das Laserlicht (L) in die Bearbeitungslinse (3) eintritt, ohne durch das diffraktive optische Transmissionselement (21) gestreut zu werden, umschaltet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laserbearbeitungsvorrichtung.
Hintergrund
Die Geschwindigkeit und die Qualität von Laserbearbeitung kann durch Einstellen der Form eines Strahls oder der Intensitätsverteilung eines Strahls, der auf ein Bearbeitungsziel gerichtet ist, verbessert werden. Zu Beispielen für die Einstellung einer Strahlenform oder einer Strahlintensitätsverteilung können eine Einstellung der Strahlenform in einer ebenen Richtung eines Werkstücks, zum Beispiel Schneiden in einem ringförmigen Modus unter Verwendung einer Axicon-Linse und Schneiden mit einer Strahlintensitätsverteilung, die in einer Laseremissionsrichtung eingestellt ist, unter Verwendung einer bifokalen Linse zählen.
In der Patentliteratur 1 ist eine Technik offenbart, die Laserlicht mit einer Mehrzahl von Wellenlängen auf ein diffraktives optisches Element richtet und bewirkt, dass eine Kondensorlinse das Laserlicht, das von dem diffraktiven optischen Element gebrochen wird, bündelt, sodass Strahlen, die nach Wellenlänge geteilt werden, auf ein Bearbeitungsziel gerichtet werden.
In der Patentliteratur 2 ist eine Technik offenbart, die eine Laserausgangsvorrichtung beinhaltet, die Laserlicht mit einer Mehrzahl von Wellenlängenbändern zyklisch wechseln lässt und einen Emissionskopf aufweist, der Anteile des Laserlichts mit den jeweiligen Wellenlängenbändern auf einer identischen optischen Achse mit verschobenen Brennweiten bündelt und das resultierende Licht emittiert; diese Technik verbessert die Bearbeitungsproduktivität durch Ausrichten der Fokusposition eines Anteils des Laserlichts an einer langen Wellenlänge von 940 nm an der Werkstückposition und Bündeln eines Anteils des Laserlichts mit einer kurzen Wellenlänge von 808 nm mit dem Brennpunkt des Anteils mit der langen Wellenlänge innerhalb des Anteils mit der kurzen Wellenlänge.
Patentliteratur der Entgegenhaltungsliste

Patentliteratur 1: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2005-205464
Patentliteratur 2: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2015-44238

Kurzdarstellung
Technisches Problem
Um die Produktivität zu verbessern, ist es notwendig, Laserlicht zum Schneiden einer dünnen Platte oder Einbringen eines Lochs in einen Punkt zu bündeln und beim Schneiden einer dicken Platte auf Laserlicht mit einer Strahlenform und Intensitätsverteilung umzuschalten, die für die Dicke und das Material der dicken Platte geeignet ist. Wenngleich bei den in den Patentliteraturen 1 und 2 beschriebenen Techniken davon ausgegangen wird, dass sie die Geschwindigkeit für das Schneiden einer dicken Platte erhöhen, so können sie jedoch mit einer verringerten Effizienz beim Schneiden einer dünnen Platte oder beim Einbringen eines Lochs einhergehen, weil sie das Laserlicht nicht wie vorstehend beschrieben umschalten können und den Strahl somit nicht in einen Punkt bündeln können, wodurch die Gesamtproduktivität in einigen Fällen herabgesetzt wird. Darüber hinaus muss, wenn die Strahlenform oder die Intensitätsverteilung eine Anisotropie aufweist, was in Patentliteratur 1 der Fall ist, die Strahlenform entsprechend der Bearbeitungsrichtung verändert werden. Diese Umschaltvorgänge müssen schnell ausgeführt werden; es ist jedoch schwierig, ein derartiges schnelles Umschalten unter Verwendung einer einzigen Laserwellenlänge und eines einzigen optischen Elements zu erzielen.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung des Vorstehenden erzielt, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Laserbearbeitungsvorrichtung bereitzustellen, die ein schnelles Umschalten zwischen einer Strahlenform, die zum Schneiden einer dünnen Platte und zum Einbringen eines Lochs geeignet ist, und einer Strahlenform ermöglicht, die zum Schneiden einer dicken Platte geeignet ist.
Lösung des Problems
Um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen und die vorstehend beschriebene Aufgabe zu lösen, beinhaltet die vorliegende Erfindung Folgendes: einen Laseroszillator, der Laserlicht mit einer Mehrzahl von Wellenlängen emittiert; ein diffraktives optisches Element, das ermöglicht, dass das Laserlicht durch das diffraktive optische Element verläuft; und eine Bearbeitungslinse, die das Laserlicht bündelt, das durch das diffraktive optische Element verlaufen ist. Die vorliegende Erfindung beinhaltet Folgendes: einen Abstandseinstellmechanismus, der einen Abstand zwischen dem diffraktiven optischen Element und der Bearbeitungslinse verändert; und einem Winkeleinstellmechanismus, der einen Winkel des diffraktiven optischen Elements verändert.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat eine solche Wirkung, dass sie eine Laserbearbeitungsvorrichtung bereitstellt, die ein schnelles Umschalten zwischen einer Strahlenform, die zum Schneiden einer dünnen Platte und Einbringen eines Lochs geeignet ist, und einer Strahlenform bereitstellt, die zum Schneiden einer dicken Platte geeignet ist.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das schematisch eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist ein Diagramm, das eine innere Ausgestaltung eines Bearbeitungskopfs der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform und eine Strahlenform in einer Fokusposition in einer ebenen Werkstückrichtung veranschaulicht.
3 ist ein Diagramm, das die innere Ausgestaltung des Bearbeitungskopfs der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform und eine Strahlenform in der Fokusposition in der ebenen Werkstückrichtung veranschaulicht.
4 ist ein Diagramm, das Laserlicht veranschaulicht, das vorliegt, wenn ein Winkel eines diffraktiven optischen Transmissionselements durch einen Winkeleinstellmechanismus der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform verändert wird.
5 ist ein Diagramm, das Laserlicht veranschaulicht, das vorliegt, wenn ein Abstand von dem diffraktiven optischen Transmissionselement zu der Bearbeitungslinse durch einen Abstandseinstellmechanismus der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform verändert wird.
6 ist ein Diagramm, das Laserlicht veranschaulicht, das vorliegt, wenn sich das diffraktive optische Transmissionselement in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene durch einen Drehmechanismus der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform dreht.
7 ist eine Draufsicht des Drehmechanismus der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform.
8 ist ein Diagramm, das schematisch den Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
9 ist ein Diagramm, das schematisch den Bearbeitungskopf der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
10 ist ein Diagramm, das schematisch den Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
11 ist ein Diagramm, das schematisch den Bearbeitungskopf der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
12 ist ein Diagramm, das Definitionen eines Einfallswinkels und eines Beugungswinkels eines diffraktiven optischen Reflexionselements der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform beschreibt.
13 ist ein Diagramm, das schematisch den Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
14 ist ein Diagramm, das schematisch den Bearbeitungskopf der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
15 ist ein Diagramm, das einen Zustand veranschaulicht, der vorliegt, wenn ein Drehwinkel einer Polarisationsplatte auf einen Winkel eingestellt wird, bei dem sowohl p-Polarisation als auch s-Polarisation in Bezug auf das diffraktive optische Transmissionselement der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform vorhanden sind.
16 ist ein Diagramm, das einen Zustand veranschaulicht, der vorliegt, wenn der Drehwinkel an der Polarisationsplatte auf den Winkel eingestellt wird, bei dem sowohl p-Polarisation als auch s-Polarisation in Bezug auf das diffraktive optische Transmissionselement der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform vorhanden sind.
17 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Strahlintensitätsverhältnis an der Fokusposition veranschaulicht, das vorliegt, wenn ein Drehwinkel des diffraktiven optischen Transmissionselements und der Drehwinkel an der Polarisationsplatte in der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform verändert werden.
18 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für das Strahlintensitätsverhältnis an der Fokusposition veranschaulicht, das vorliegt, wenn der Drehwinkel des diffraktiven optischen Transmissionselements und der Drehwinkel der Polarisationsplatte in der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform verändert werden.
19 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für das Strahlintensitätsverhältnis an der Fokusposition veranschaulicht, das vorliegt, wenn der Drehwinkel des diffraktiven optischen Transmissionselements und der Drehwinkel an der Polarisationsplatte in der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform verändert werden.
20 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für das Strahlintensitätsverhältnis an der Fokusposition veranschaulicht, das vorliegt, wenn der Drehwinkel des diffraktiven optischen Transmissionselements und der Drehwinkel an der Polarisationsplatte in der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform verändert werden.
21 ist ein Diagramm, das schematisch den Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
22 ist ein Diagramm, das schematisch den Bearbeitungskopf der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
23 ist ein Diagramm, das schematisch den Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
24 ist ein Diagramm, das schematisch den Bearbeitungskopf der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
25 ist ein Diagramm, das schematisch den Bearbeitungskopf der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

Beschreibung von Ausführungsformen
Ausführungsbeispiele einer
Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt.
Erste Ausführungsform.
1 ist ein Diagramm, das schematisch eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Laserlicht L mit einer Mehrzahl von Wellenlängen wird von einem Laseroszillator 40 emittiert, durch eine Übertragungsfaser 5 in einen Bearbeitungskopf 1 übertragen und verläuft durch eine Bearbeitungslinse 3, die in dem Bearbeitungskopf 1 platziert ist, und durch eine Düse 2, sodass das Laserlicht L, das gebündelt wird, zusammen mit einem nicht dargestellten Bearbeitungsgas, das in den Bearbeitungskopf 1 zugeführt wird, auf ein Werkstück W gerichtet wird. Durch Bewegen von mindestens einem von dem Bearbeitungskopf 1 und dem Werkstück W können relative Positionen des Bearbeitungskopfs 1 und des Werkstück W willkürlich verändert werden.
2 und 3 sind Diagramme, die eine innere Ausgestaltung des Bearbeitungskopfs der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform und Strahlenformen an einer Fokusposition in einer ebenen Werkstückrichtung veranschaulichen. Die Düse 2, bei der es sich nicht um ein optisches Element handelt, wurde in 2 und 3 weggelassen. Das Laserlicht L, das die Mehrzahl von Wellenlängen aufweist und von dem Laseroszillator 40 emittiert wird, der in 1 dargestellt ist, wird über die Übertragungsfaser 5 in den Bearbeitungskopf 1 übertragen. Das Laserlicht L, das in den Bearbeitungskopf 1 übertragen wird, wird durch eine Kollimatorlinse 4 kollimiert, verläuft durch ein diffraktives optisches Transmissionselement 21, wird auf die Bearbeitungslinse 3 gelenkt und wird anschließend durch ein Schutzglas G übertragen, sodass das Laserlicht L, das gebündelt wird, auf das Werkstück W gelenkt wird. Durch das Schutzglas G vom Eintritt an einer Seite der Bearbeitungslinse 3 geschützt, verläuft das Bearbeitungsgas, das dem Bearbeitungskopf 1 zugeführt wird, durch die Bearbeitungsdüse 2 und wird dem Werkstück W zugeführt. Ein Abstandseinstellmechanismus 31 kann einen Abstand von dem diffraktiven optischen Transmissionselement 21 zu der Bearbeitungslinse 3 verändern. Ein Winkeleinstellmechanismus 32 kann eine Neigung des diffraktiven optischen Transmissionselements 21 in Bezug auf das Laserlicht L verändern. Der Winkeleinstellmechanismus 32 dient darüber hinaus als Umschaltmechanismus, der zwischen einem Zustand, in dem das Laserlicht L durch das diffraktive optische Transmissionselement 21 gestreut wird und anschließend in die Bearbeitungslinse 3 eintritt, und einem Zustand umschaltet, in dem das Laserlicht L in die Bearbeitungslinse 3 eintritt, ohne durch das diffraktive optische Transmissionselement 21 gestreut zu werden. Ein Drehmechanismus 33 kann das diffraktive optische Transmissionselement 21 in einer zur senkrechten Achse optischen Ebene drehen.
Das Laserlicht L mit der Mehrzahl von Wellenlängen wird, wenn es durch das diffraktive optische Transmissionselement 21 verläuft, in Beugungswinkeln gestreut, die den Wellenlängen entsprechen, und tritt in die Bearbeitungslinse 3 ein. Die Einfallswinkel auf die Bearbeitungslinse 3 unterscheiden sich in Abhängigkeit von den Wellenlängen; dementsprechend werden Anteile des Laserlichts L, die die jeweiligen Wellenlängen aufweisen, an Positionen entsprechend ihrer jeweiligen Einfallswinkel an der Fokusposition der Bearbeitungslinse 3 gebündelt. Wie in 2 veranschaulicht, wird das Werkstück W dementsprechend mit Strahlen bestrahlt, die sich in eine Streuungsrichtung verbreiten, die durch das diffraktive optische Transmissionselement 21 erzielt wird, wobei die Anteile des Laserlichts L mit der Mehrzahl von Wellenlängen miteinander überlappen.
Wie in 3 veranschaulicht, tritt, wenn ein Einfallswinkel des Laserlichts L auf das diffraktive optische Transmissionselement 21 senkrecht ist, keine Beugung auf, was verursacht, dass das Laserlicht L mit der Mehrzahl von Wellenlängen in die Bearbeitungslinse 3 eintritt, ohne gestreut zu werden. Das Laserlicht L, das auf das Werkstück W gelenkt wird, wird in diesem Fall in einen Punkt gebündelt.
Auf dem diffraktiven optischen Transmissionselement 21 erfüllen ein Einfallswinkel α, der sich zwischen einfallendem Licht und einer Normalen zu einem Beugungsgitter gebildet hat, und ein Beugungswinkel β, der sich zwischen gebeugtem Licht und der Normalen zu dem Beugungsgitter gebildet hat, eine Beziehung, die nachstehend in Gleichung (1) beschrieben ist.
$sin α− sin β= Nm λ$
[N: Anzahl der Spalten je 1 mm, m: Beugungsordnung (=0, ±1, ±2 ...), λ: Wellenlänge]
Wenn in der vorstehend beschriebenen Gleichung (1) beispielsweise m=l, so existiert für jede einzelne Wellenlänge ein anderer Beugungswinkel β; in Situationen, in denen keine Lösung existiert außer m=0, bewegt sich das Laserlicht L in einer geraden Linie ohne Streuung. 2 beschreibt eine Situation, in der die einzige Lösung, die existiert, in Gleichung (1) m=1 ist, das heißt, eine Situation, in der das gestreute Licht in der ersten Ordnung gebündelt wird; 3 beschreibt eine Situation, in der die Lösung von |m|≥1 nicht existiert. Der Winkeleinstellmechanismus 32 kann den Einfallswinkel α des Laserlichts L auf das diffraktive optische Transmissionselement 21 ändern und dadurch zwischen dem Zustand, der in 2 veranschaulicht ist, bei dem eine Beugung auftritt, und dem Zustand, der in 3 veranschaulicht ist, umschalten, in dem keine Beugung auftritt.
Um eine dicke Platte mit hoher Qualität zu schneiden, ist es notwendig, eine Spaltbreite zum Scheiden zu verbreitern und dadurch effizient Absonderungen abzulassen, bei denen es sich um Metall handelt, das durch Bestrahlung mit dem Laserlicht L geschmolzen wurde. Zu diesem Zweck ist es gängige Praxis, den Durchmesser eines Strahls des Laserlichts L, der auf das Werkstück W gerichtet ist, beim Schneiden einer dicken Platte zu vergrößern. Im Gegensatz dazu ist bekannt, dass die Geschwindigkeit der Bearbeitung durch Verringerung des Durchmessers eines Strahls des Laserlichts L, der auf das Werkstück W gerichtet ist, beim Schneiden einer dünnen Platte oder Durchstehen verbessert werden kann. Der Winkeleinstellmechanismus 32 kann den Einfallswinkel des Laserlichts L auf das diffraktive optische Transmissionselement 21 verändern und kann dadurch zwischen dem Vorhandensein und dem Nichtvorhandensein von Streuung des Laserlichts L, das in die Bearbeitungslinse 3 eintritt, umschalten; dadurch ermöglicht die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform eine Auswahl des Zustands, der in 2 dargestellt ist, in dem eine Beugung auftritt, beispielsweise beim Schneiden einer dicken Platte, und Auswahl des Zustands, der in 3 dargestellt ist, in dem beim Schneiden einer dünnen Platte oder beim Ausführen eines Durchstechens keine Beugung auftritt, wodurch die Bearbeitung effizient umgesetzt wird. Darüber hinaus kann das Umschalten der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zwischen dem Zustand, in dem die Beugung des Laserlichts L auftritt, und dem Zustand, in dem keine Beugung auftritt, nur durch Ändern des Winkels des diffraktiven optischen Transmissionselements 21 möglich sein, wodurch das Umschalten in einem kurzen Zeitraum erzielt und somit eine Verbesserung der Produktivität der Gesamtbearbeitung ermöglicht wird.
4 ist ein Diagramm, das Laserlicht veranschaulicht, das vorliegt, wenn der Winkel des diffraktiven optischen Transmissionselements durch den Winkeleinstellmechanismus der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform verändert wird. Wie in 4 veranschaulicht, können durch Einstellen des Einfallswinkels des Laserlichts L auf das diffraktive optische Transmissionselement 21 unter Verwendung des Winkeleinstellmechanismus 32 Winkel von Anteilen des Laserlichts L, die nach Wellenlänge durch das diffraktive optische Transmissionselement 21 gestreut werden, verändert werden. Dies ermöglicht eine Einstellung von Proportionen von Überlappungen zwischen den Strahlen des Laserlichts L, die auf das Werkstück W gerichtet sind, wodurch eine Auswahl einer Strahlenform gemäß der Dicke und dem Material des Werkstücks W ermöglicht wird.
5 ist ein Diagramm, das Laserlicht veranschaulicht, das vorliegt, wenn der Abstand von dem diffraktiven optischen Transmissionselement zu der Bearbeitungslinse durch den Abstandseinstellmechanismus der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform verändert wird. In 5 werden, wenngleich die Beugungswinkel der Anteile mit jeweiligen Wellenlängen, die durch das diffraktive optische Transmissionselement 21 erzielt werden, nicht verändert werden, Positionen, in denen die Anteile des Laserlichts L, die durch Wellenlänge gestreut werden, die Bearbeitungslinse 3 erreichen, verändert. Bündelungspositionen von Anteilen des Laserlichts L an der Fokusposition der Bearbeitungslinse 3 werden lediglich durch die Einfallswinkeln auf die Bearbeitungslinse 3 bestimmt; somit verändert eine Änderung des Abstands von dem diffraktiven optischen Transmissionselement 21 zu der Bearbeitungslinse 3 nicht die Bestrahlungspositionen der gestreuten Anteile des Laserlichts L und ändert somit nicht die Proportionen von Überlappungen zwischen den Strahlen an der Fokusposition. Die Positionen, in denen die Anteile des Laserlichts L, die durch Wellenlänge gestreut werden, die Bearbeitungslinse 3 erreichen, verändern sich; somit werden die Proportionen von Überlappungen des Laserlichts L in Bezug auf die Laseremissionsrichtung verändert, und dadurch kann eine Strahlintensitätsverteilung in Bezug auf eine Dickenrichtung des Werkstücks W eingestellt werden. Darüber hinaus ermöglicht ein Kombinieren des Winkeleinstellmechanismus 32 in 4 und des Abstandseinstellmechanismus 31 in 5 eine Veränderung der Strahlenform und der Strahlintensitätsverteilung in der ebenen Werkstückrichtung und der Werkstückdickenrichtung gemäß der Dicke und dem Material des Werkstücks, wodurch die Bearbeitung effizient umgesetzt wird. Ferner ermöglicht die Verwendung des diffraktiven optischen Transmissionselements 21 ein Platzieren eines optischen Elements in der Mitte der optischen Achse des Laserlichts L, wodurch eine Verringerung der Größe des Bearbeitungskopfs 1 ermöglicht wird.
6 ist ein Diagramm, das Laserlicht veranschaulicht, das vorliegt, wenn das diffraktive optische Transmissionselement in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse durch den Drehmechanismus der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform gedreht wird. 7 ist eine Draufsicht des Drehmechanismus der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. Eine Beugungsrichtung, die durch das diffraktive optische Transmissionselement 21 erzielt wird, wird durch eine Ausrichtung einer periodischen Struktur bestimmt, die ein Beugungsgitter konfiguriert; dementsprechend kann durch Drehen des diffraktiven optischen Transmissionselements 21 in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse unter Verwendung des Drehmechanismus 33 eine Streuungsrichtung des Laserlichts L in Bezug auf das Werkstück W verändert werden. Durch Einstellen des Drehmechanismus 33 derart, dass die Streuungsrichtung des Laserlichts L in Bezug auf eine Bearbeitungsrichtung konsistent ist, kann eine Bearbeitung an einer willkürlichen Form ausgeführt werden, während die Bearbeitungsgeschwindigkeit und die Schneidqualität beibehalten werden.
Wenngleich der Laseroszillator 40, der eine Mehrzahl von Wellenlängen erzeugt, in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, kann eine Mehrzahl von Laseroszillatoren, von denen jeder eine andere Wellenlänge erzeugt, verwendet werden, sodass Strahlen, die von jedem der Oszillatoren emittiert werden, gebündelt und an den Bearbeitungskopf 1 überführt werden. Alternativ dazu kann ein Laseroszillator, der ein breites Spektrum an Laserwellenlängen erzeugt, zum Beispiel eine Laserdiode, verwendet werden. Mit anderen Worten kann ein Laseroszillator verwendet werden, der Laserlicht L mit einer Wellenlängenbreite emittiert; insbesondere kann ein Laseroszillator, der eine Wellenlängenbreite erzeugt, die gleich oder größer als 10 nm ist, verwendet werden.
Der Abstandseinstellmechanismus 31 kann ein Mechanismus sein, der den Abstand von dem diffraktiven optischen Transmissionselement 21 zu der Bearbeitungslinse 3 verändern kann; beispielsweise kann ein Abstandseinstellmechanismus 31 an jedem der diffraktiven optischen Transmissionselemente 21 und der Bearbeitungslinse 3 platziert werden, sodass der Abstand von dem diffraktiven optischen Transmissionselement 21 zu der Bearbeitungslinse 3 und ein Abstand von der Bearbeitungslinse 3 zu dem Werkstück W individuell eingestellt werden.
Der Winkeleinstellmechanismus 32 kann ein Mechanismus sein, der dazu ausgelegt ist, den Einfallswinkel des Laserlichts L auf das diffraktive optische Transmissionselement 21 zu verändern; beispielsweise kann ein Reflektorspiegel zwischen dem diffraktiven optischen Transmissionselement 21 und der Kollimatorlinse 4 platziert werden, und der Winkel des Reflektorspiegels kann eingestellt werden.
Darüber hinaus kann der Drehmechanismus 33 ein Mechanismus sein, der dazu ausgelegt ist, die Beugungsrichtung des Laserlichts L, die durch das diffraktive optische Transmissionselement 21 erzielt wird, in Bezug auf die Bearbeitungsrichtung konsistent halten; beispielsweise kann der Drehmechanismus 33 an dem Bearbeitungskopf 1 platziert sein, sodass sich der gesamte Bearbeitungskopf 1 entsprechend der Bearbeitungsrichtung dreht, oder das Werkstück W selbst kann sich entsprechend der Bearbeitungsrichtung drehen.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform ermöglicht ein schnelles Umschalten zwischen einer Strahlenform, die zum Schneiden einer dünnen Platte und zum Einbringen eines Lochs geeignet ist, und einer Strahlenform, die zum Schneiden einer dicken Platte geeignet ist.
Zweite Ausführungsform. 8 und 9 sind Diagramme, die schematisch den Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen. Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform streut das Laserlicht L unter Verwendung eines Prismas 23 anstelle des diffraktiven optischen Transmissionselements 21. Die Düse 2, bei der es sich nicht um ein optisches Element handelt, wurde in 8 und 9 ausgelassen.
In der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform tritt das Laserlicht L, das durch die Kollimatorlinse 4 kollimiert wurde, wie im Fall der ersten Ausführungsform, in das Prisma 23 ein. Ein Brechungsindex des Prismas 23 weist eine Wellenlängenabhängigkeit auf; dementsprechend wird das Laserlicht L mit der Mehrzahl von Wellenlängen an Brechungswinkeln gestreut, die den Wellenlängen entsprechen, nachdem sie durch das Prisma 23 verlaufen sind. Die gestreuten Anteile des Laserlichts L treten in die Bearbeitungslinse 3 mit Einfallswinkeln ein, die den Wellenlängen entsprechen, und das Werkstück W wird mit Strahlen bestrahlt, die sich in der Richtung der Streuung verteilen, die durch das Prisma 23 erzielt wird, wie in 8 veranschaulicht.
Der Abstandseinstellmechanismus 31 verändert einen Abstand von dem Prisma 23 zu der Bearbeitungslinse 3 und kann dadurch die Positionen verwenden, in denen die Anteile des Laserlichts L, die durch Wellenlänge gestreut werden, auf die Bearbeitungslinse 3 gerichtet sind. Der Winkeleinstellmechanismus 32 verändert eine Neigung des Prismas 23 in Bezug auf das Laserlicht L und kann dadurch die Einfallswinkel der Anteile des Laserlichts L, die durch Wellenlänge gestreut werden, auf die Bearbeitungslinse 3 verändern.
Der Drehmechanismus 33 kann das Prisma 23 in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse drehen und dadurch die Streuungsrichtung des Laserlichts L in Bezug auf das Werkstück W verändern.
Ein Umschaltmechanismus 34 ist mit dem Prisma 23 verbunden und kann das Prisma 23 in eine Position bewegen, in der das Laserlicht L nicht in das Prisma 23 eintritt. Wenn das Laserlicht L aufgrund des Umschaltmechanismus 34 nicht in das Prisma 23 eintritt, wird Laserlicht L nicht durch Wellenlänge gestreut und wird in einen Punkt durch die Bearbeitungslinse 3 gebündelt. Der Umschaltmechanismus 34 ermöglicht eine Auswahl des Zustands, der in 8 dargestellt ist, in dem das Laserlicht L durch Wellenlänge gestreut wird, wenn beispielsweise eine dicke Platte geschnitten wird, und Auswahl des Zustands, der in 9 dargestellt ist, in der das Laserlicht L nicht durch Wellenlänge gestreut wird, wenn eine dünne Platte geschnitten oder durchstochen wird; dementsprechend kann die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform die Bearbeitung effizient umsetzen. Darüber hinaus kann ein Umschalten der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zwischen dem Zustand, in dem das Laserlicht L durch Wellenlänge gestreut wird, und dem Zustand, in dem das Laserlicht L nicht durch Wellenlänge gestreut wird, nur durch Bewegen des Prismas 23 möglich sein, wodurch das Umschalten in einem kurzen Zeitraum erzielt wird und somit eine Verbesserung hinsichtlich der Produktivität der Gesamtbearbeitung ermöglicht wird.
Die Einfallswinkel und Einfallpositionen der Anteile des Laserlichts L, das von Wellenlänge gestreut wird, auf die Bearbeitungslinse 3 können unter Verwendung des Abstandseinstellmechanismus 31 und des Winkeleinstellmechanismus 32 eingestellt werden; dementsprechend werden Änderungen der Strahlform und der Strahlintensitätsverteilung und die Werkstückdickenrichtung gemäß der Dicke und dem Material des Werkstücks ermöglicht, wodurch die Bearbeitung effizient ausgeführt werden kann. Darüber hinaus kann durch Einstellen des Drehmechanismus 33 derart, dass die Streuungsrichtung des Laserlichts L in Bezug auf die Bearbeitungsrichtung konsistent ist, ein Bearbeiten an einer willkürlichen Form ausgeführt werden, während die Bearbeitungsgeschwindigkeit und die Schneidqualität beibehalten werden. Das Laserlicht L mit der Mehrzahl von Wellenlängen kann durch Wellenlänge unter Verwendung von Brechung wie vorstehend beschrieben gestreut werden.
Wie in der ersten Ausführungsform kann ein Laseroszillator, der eine Mehrzahl von Wellenlängen erzeugt oder eine Mehrzahl von Laseroszillatoren, von denen jeder unterschiedliche Wellenlängen erzeugt, als Lichtquelle des Laserlichts L verwendet werden, sodass Strahlen, die von dem Oszillator oder den Oszillatoren emittiert werden, gebündelt und zu dem Bearbeitungskopf 1 überführt werden. Alternativ dazu kann ein Laseroszillator verwendet werden, der ein breites Spektrum an Laserwellenlängen erzeugt, zum Beispiel eine Laserdiode.
Der Abstandseinstellmechanismus 31 kann ein Mechanismus sein, der den Abstand von dem Prisma 23 zu der Bearbeitungslinse 3 verändern kann; beispielsweise kann ein Abstandseinstellmechanismus 31 an jedem der Prismen 23 und der Bearbeitungslinse 3 platziert werden, sodass der Abstand von dem Prisma 23 zu der Bearbeitungslinse 3 und der Abstand von der Bearbeitungslinse 3 zu dem Werkstück W individuell eingestellt werden können. Ein ähnlicher Effekt wird erzielt, indem die Position des Laserlichts L, das auf das Prisma 23 gerichtet ist, unter Verwendung des Umschaltmechanismus 34 verändert wird; dementsprechend kann der Umschaltmechanismus 34 für seine Schubmenge anstelle des Abstandseinstellmechanismus 31 verwendet werden.
Der Winkeleinstellmechanismus 32 kann ein Mechanismus sein, der dazu ausgelegt ist, den Einfallswinkel des Laserlichts L auf das Prisma 23 zu verändern; beispielsweise kann ein Reflektorspiegel zwischen dem Prisma 23 und der Kollimatorlinse 4 platziert werden, und der Winkel des Reflektorspiegels kann eingestellt werden.
Der Drehmechanismus 33 kann ein Mechanismus sein, der dazu ausgelegt ist, die Streuungsrichtung des Laserlichts L in Bezug auf die Bearbeitungsrichtung konsistent zu halten; beispielsweise kann der Drehmechanismus 33 derart auf dem Bearbeitungskopf 1 platziert sein, dass sich der gesamte Bearbeitungskopf 1 entsprechend der Bearbeitungsrichtung dreht, oder das Werkstück W selbst kann sich entsprechend der Bearbeitungsrichtung drehen.
Dritte Ausführungsform.
10 und 11 sind Diagramme, die schematisch den Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen. Die Düse 2, bei der es sich nicht um ein optisches Element handelt, wurde in 10 und 11 ausgelassen. Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform verwendet ein diffraktives optisches Reflexionselement 22 anstelle des diffraktiven optischen Transmissionselements 21.
In der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform wird das Laserlicht L mit der Mehrzahl von Wellenlängen von der Übertragungsfaser 5 emittiert und durch die Kollimatorlinse 4 kollimiert, die in dem Bearbeitungskopf 1 platziert ist, was bei der ersten Ausführungsform der Fall ist. Das kollimierte Laserlicht L wird durch einen Spiegel 6 reflektiert und auf das diffraktive optische Reflexionselement 22 gerichtet. Das Laserlicht L, das auf das diffraktive optische Reflexionselement 22 einfällt, wird an Beugungswinkeln reflektiert, die den Wellenlängen entsprechen, und tritt in die Bearbeitungslinse 3 ein. In der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform unterscheiden sich die Einfallswinkeln auf die Bearbeitungslinse 3 in Abhängigkeit von den Wellenlängen wie in der ersten Ausführungsform; dementsprechend werden Anteile des Laserlichts L, die die jeweiligen Wellenlängen aufweisen, an Positionen gebündelt, die den jeweiligen Einfallswinkeln an der Fokusposition der Bearbeitungslinse 3 entsprechen. Wie in 10 veranschaulicht, wird das Werkstück W dementsprechend mit Strahlen bestrahlt, die in eine Streuungsrichtung verbreiten, die durch das diffraktive optische Reflexionselement 22 erzielt wird, wobei die Anteile des Laserlichts L mit der Mehrzahl von Wellenlängen miteinander überlappen.
Der Abstandseinstellmechanismus 31 kann einen Abstand von dem diffraktiven optischen Reflexionselement 22 zu der Bearbeitungslinse 3 verändern; der Winkeleinstellmechanismus 32 kann eine Neigung des diffraktiven optischen Reflexionselements 22 verändern; und der Drehmechanismus 33 kann den gesamten Bearbeitungskopf 1 in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse drehen.
12 ist ein Diagramm, das Definitionen des Einfallswinkels und des Beugungswinkels des diffraktiven optischen Reflexionselements der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform beschreibt. Bei der Erörterung der Beugung durch das diffraktive optische Reflexionselement 22 wird eine Beziehung, die nachstehend in Gleichung (2) beschrieben ist, erfüllt, wenn ein Einfallswinkel α und ein Reflexionswinkel β als Winkel definiert sind, die mit einer Normalen zu einem Beugungsgitter gebildet werden, wie in 12 beschrieben, wobei die Winkel in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn positiv sind.
$sin α− sin β= Nm λ$
[N: Anzahl der Spalte je 1 mm, m: Beugungsordnung (=0, +1, ±2 ...), A: Wellenlänge]
Wenn in der vorstehend beschriebenen Gleichung (2) beispielsweise m=1 ist, existiert ein anderer Beugungswinkel β für jede Wellenlänge; in Situationen, in denen keine Lösung existiert außer m≥1, zeigt das diffraktive optische Reflexionselement 22 lediglich Spiegelreflexion, ohne dass gestreutes Licht auftritt, wodurch ein Effekt erzielt wird, der dem Effekt eines Spiegels ähnelt. Ein Zustand, der in 10 veranschaulicht ist, kommt in einer Situation vor, in der die einzige Lösung, die existieren kann, m=1 in Gleichung (2) ist, das heißt, eine Situation, in der das gestreute Licht in der ersten Ordnung gebündelt wird; ein Zustand, der in 11 veranschaulicht ist, ist eine Situation, in der die Lösung von |m|≥1 nicht existiert. Der Winkeleinstellmechanismus 32 kann den Einfallswinkel des Laserlichts L auf das diffraktive optische Reflexionselement 22 verändern und dadurch zwischen dem Zustand, der in 10 veranschaulicht ist, in dem das Laserlicht L durch Wellenlänge gestreut wird, und dem Zustand, der in 11 veranschaulicht ist, in dem das Laserlicht L nicht durch Wellenlänge gestreut wird, umschalten. Wenngleich der Winkeleinstellmechanismus 32 den Winkel des diffraktiven optischen Reflexionselements 22 in 10 und 11 ändert, kann der Winkeleinstellmechanismus 32 auf dem Reflektorspiegel 6 derart platziert werden, dass der Einfallswinkel des Laserlichts L auf das diffraktive optische Reflexionselement 22 durch Verändern des Winkels des Reflektorspiegels 6 verändert wird. Die Verwendung des reflexionsartigen Elements wie vorstehend beschrieben kann die Absorption des Laserlichts L durch das optische Element reduzieren, wodurch die thermische Wirkung gehemmt und ein stabiler Betrieb ermöglicht wird.
Wenngleich eine Ausgestaltung, die den Laseroszillator 40 beinhaltet, der eine Mehrzahl von Wellenlängen erzeugt, in der dritten Ausführungsform beschrieben wurde, kann eine Mehrzahl von Laseroszillatoren, wobei jeder der Laseroszillatoren eine andere Wellenlänge erzeugt, verwendet werden, sodass die Strahlen, die von jedem der Oszillatoren emittiert werden, gebündelt und an den Bearbeitungskopf 1 übertragen werden. Alternativ dazu kann ein Laseroszillator, der ein breites Spektrum an Laserwellenlängen erzeugt, zum Beispiel eine Laserdiode, verwendet werden.
Der Abstandseinstellmechanismus 31 kann ein Mechanismus sein, der den Abstand von dem diffraktiven optischen Reflexionselement 22 zu der Bearbeitungslinse 3 verändern kann; beispielsweise kann ein Abstandseinstellmechanismus 31 an jedem von dem diffraktiven optischen Reflexionselements 22 und der Bearbeitungslinse 3 platziert sein, sodass der Abstand von dem diffraktiven optischen Reflexionselement 22 zu der Bearbeitungslinse 3 und der Abstand von der Bearbeitungslinse 3 zu dem Werkstück W individuell eingestellt werden.
Der Winkeleinstellmechanismus 32 kann ein Mechanismus sein, der dazu ausgelegt ist, den Einfallswinkel des Laserlichts L auf das diffraktive optische Reflexionselement 22 zu verändern; beispielsweise kann ein Reflektorspiegel zwischen dem diffraktiven optischen Reflexionselement 22 und der Kollimatorlinse 4 platziert sein, und der Winkel des Reflektorspiegels kann eingestellt werden.
Der Drehmechanismus 33 kann ein Mechanismus sein, der dazu ausgelegt ist, die Beugungsrichtung des Laserlichts L, die von dem diffraktiven optischen Reflexionselement 22 erzielt wurde, übereinstimmend in Bezug auf die Bearbeitungsrichtung zu halten; beispielsweise kann sich das Werkstück W selbst entsprechend der Bearbeitungsrichtung drehen.
Vierte Ausführungsform.
13 und 14 sind Diagramme, die schematisch den Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen. Die Düse 2, bei der es sich nicht um ein optisches Element handelt, wurde in 13 und 14 ausgelassen. Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform schaltet durch Polarisationszustandssteuerung zwischen dem Zustand, in dem das Laserlicht L mit den unterschiedlichen Wellenlängen gestreut wird, und dem Zustand, in dem das Laserlicht L nicht gestreut wird, um.
In der vierten Ausführungsform wird eine Polarisationsplatte 24 als Polarisationssteuermechanismus verwendet; nachdem das Laserlicht L, das von der Übertragungsfaser 5 emittiert wurde, durch die Kollimatorlinse 4 kollimiert wird, wird das Laserlicht L durch die Polarisationsplatte 24 derart gesteuert, dass es sich in linearer Polarisation befindet, und auf das diffraktive optische Transmissionselement 21 gerichtet. Der Umschaltmechanismus 34 ist auf der Polarisationsplatte 24 platziert und kann die Polarisationsplatte 24 um die optische Achse drehen.
Ein diffraktives optisches Element weist im Allgemeinen eine Struktur mit Nuten auf, die in eine Richtung ausgerichtet sind; dementsprechend weist eine s-Polarisation, bei der die Richtung von Nuten des Beugungsgitters senkrecht zur Oszillationsrichtung von Vektoren des elektrischen Feldes ausgerichtet sind, eine erhebliche Differenz hinsichtlich der Beugungseffizienz zu jener einer p-Polarisation auf, bei der die Richtung von Nuten des Beugungsgitters parallel zu der Oszillationsrichtung von Vektoren des elektrischen Feldes verläuft. Die Beugungseffizienz in Bezug auf jede Polarisation ist durch die Laserwellenlänge und die Beabstandung zwischen den Nuten in dem diffraktiven optischen Element definiert.
Dementsprechend treten, wie in 13 veranschaulicht, durch Einstellen eines Drehwinkels an der Polarisationsplatte 24 derart, dass beispielsweise nur ein Polarisationszustand, der zu hoher Beugungseffizienz des diffraktiven optischen Transmissionselements 21 führt, übertragen wird, Anteile des Laserlichts L, die durch das diffraktive optische Transmissionselement 21 gestreut werden, in Einfallswinkeln in die Bearbeitungslinse 3 ein, die den Wellenlängen entsprechen, und das Werkstück W wird mit Strahlen bestrahlt, die sich in der Richtung der Streuung verbreiten.
Wie in 14 veranschaulicht, tritt durch Einstellen des Drehwinkels an der Polarisationsplatte 24 derart, dass nur ein Polarisationszustand, der zu null Beugungseffizienz des diffraktiven optischen Transmissionselements 21 führt, übertragen wird, das Laserlicht L ohne gestreut zu werden durch das diffraktive optische Transmissionselement 21 in die Bearbeitungslinse 3 ein, und das Werkstück W wird mit dem Laserlicht L bestrahlt, das in einen Punkt gebündelt ist.
Der Abstandseinstellmechanismus 31 verändert den Abstand von dem diffraktiven optischen Transmissionselement 21 zu der Bearbeitungslinse 3 und kann dadurch Positionen verändern, in denen die Anteile des Laserlichts L, das nach Wellenlänge gestreut wird, auf die Bearbeitungslinse 3 gerichtet sind. Der Winkeleinstellmechanismus 32 verändert die Neigung des diffraktiven optischen Transmissionselements 21 in Bezug auf das Laserlicht L und kann dadurch die Einfallswinkel der Anteile des Laserlichts L, das durch Wellenlänge gestreut wird, auf die Bearbeitungslinse 3 verändern.
Der Drehmechanismus 33 kann die Polarisationsplatte 24 und das diffraktive optische Transmissionselement 21 innerhalb von Ebenen senkrecht zu der optischen Achse drehen, wobei die Positionsbeziehung zwischen den zweien beibehalten wird, und kann dadurch die Streuungsrichtung des Laserlichts L in Bezug auf das Werkstück W verändern.
Wenn der Polarisationszustand des Laserlichts L mit der Mehrzahl von Wellenlängen, die auf die Kollimatorlinse 4 gerichtet sind, eine lineare Polarisation ist, kann eine λ/2-Platte anstelle der Polarisationsplatte 24 verwendet werden, um den Polarisationszustand durch die Drehung der λ/2-Platte zu steuern und dadurch die Streuung des Laserlichts L, die durch das diffraktive optische Transmissionselement 21 erzielt wurde, umzuschalten.
15 und 16 sind Diagramme, die Zustände veranschaulichen, die vorliegen, wenn der Drehwinkel an der Polarisationsplatte auf Winkel, in denen sowohl p-Polarisation als auch s-Polarisation vorhanden sind, in Bezug auf das diffraktive optische Transmissionselement der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform eingestellt ist. Da sowohl die p-Polarisation als auch die s-Polarisation in Bezug auf das diffraktive optische Transmissionselement 21 vorhanden sind, bewegt sich die p-Polarisation lediglich, ohne gestreut zu werden, während die s-Polarisation gestreut wird, bevor sie in die Bearbeitungslinse 3 eintritt, wie in 15 veranschaulicht, was zur Folge hat, dass p-Polarisationsanteile Strahlen an der optischen Achse erzeugen und s-Polarisationsanteile Strahlen erzeugen, die sich in der Richtung der Streuung an der Fokusposition verteilen. Wie in 16 veranschaulicht hat ein Drehwinkel des diffraktiven optischen Transmissionselements 21, der größer als der in 15 veranschaulichte ist, Bestrahlungsstrahlen zur Folge, die sich weiter verbreiten als jene aus 15. Ein Intensitätsverhältnis zwischen den p-Polarisationsanteilen und den s-Polarisationsanteilen, die auf das diffraktive optische Transmissionselement 21 einfallen, kann ferner durch Einstellen des Drehwinkels an der Polarisationsplatte 24 eingestellt werden; dadurch kann das Strahlintensitätsverhältnis an der Fokusposition eingestellt werden.
17, 18, 19 und 20 sind Diagramme, die Beispiele für das Strahlintensitätsverhältnis an der Fokusposition veranschaulichen, das vorliegt, wenn der Drehwinkel des diffraktiven optischen Transmissionselements und der Drehwinkel an der Polarisationsplatte in der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform verändert werden. In 17, 18, 19 und 20 befindet sich eine Vorderseite der Bearbeitungsrichtung links der Zeichenebene und eine Rückseite der Bearbeitungsrichtung rechts der Zeichenebene. Wenn ein Drehwinkel des diffraktiven optischen Transmissionselements 21 mit A bezeichnet wird und ein Drehwinkel an der Polarisationsplatte 24, der bewirkt, dass die Summe der p-Polarisationsanteile an jeder Wellenlänge und der s-Polarisationsanteile an jeder Wellenlänge gleiche Proportionen in einem Strahlintensitätsverhältnis an der Fokusposition aufweisen, durch a bezeichnet wird, so liegt eine Strahlintensitätsverteilung wie in 17 veranschaulicht vor. Wenn der Drehwinkel des diffraktiven optischen Transmissionselements 21 in diesem Zustand von A auf B erhöht wird, nimmt die Streuung der s-Polarisationsanteile zu; dadurch werden Strahlen erzeugt, die sich in der Streuungsrichtung wie in 18 veranschaulicht verbreiten. Wenn der Drehwinkel an der Polarisationsplatte 24 auch zu b verändert wird, sodass die p-Polarisationsanteile erhöht werden, werden Strahlen mit hoher Intensität an der Position der optischen Achse und mit geringer Intensität in gestreuten Positionen wie in 19 veranschaulicht erhalten. Mit der Intensitätsverteilung wie in 19 veranschaulicht kann Energie an der Position der optischen Achse gebündelt werden; dementsprechend nimmt die Bearbeitungsgeschwindigkeit zu, während die Bearbeitungsqualität beibehalten werden kann, da die gestreuten Strahlen verhindern können, dass die Temperaturen der Absonderungen sinken. Wenn der Drehwinkel an der Polarisationsplatte 24 ferner in dem Zustand, der in 18 veranschaulicht ist, zu c verändert wird, sodass die p-Polarisationsanteile verringert werden und die s-Polarisationsanteile zunehmen, werden Strahlen mit einer geringen Strahlintensität an der Position der optischen Achse und mit hoher Strahlintensität in der Streuungsrichtung erhalten. Wenn der Drehwinkel des diffraktiven optischen Transmissionselements 21 ferner von B auf C erhöht wird, werden Strahlen mit geringer Strahlintensität in einer ersten Hälfte in der Bearbeitungsrichtung und hoher Strahlintensität in einer letzten Hälfte erhalten, wie in 20 veranschaulicht. In diesem Fall wird ein Strahlabschnitt mit der geringen Strahlintensität verwendet, um nur eine Oberfläche des Werkstücks W zu schmelzen, und ein Strahlabschnitt mit der hohen Strahlintensität in der letzten Hälfte wird verwendet, um das Werkstück W zu schneiden. Durch Schmelzen der Oberfläche des Werkstücks W vor dem Schneiden auf diese Weise kann eine Bearbeitung mit konsistenter Qualität ungeachtet eines Zustands der Oberfläche des Werkstücks W, wie zum Beispiel Korrosion und eines Defekts, ausgeführt werden.
Der Abstandseinstellmechanismus 31 kann ein Mechanismus sein, der den Abstand von dem diffraktiven optischen Transmissionselement 21 zu der Bearbeitungslinse 3 verändern kann; beispielsweise kann ein Abstandseinstellmechanismus 31 an jedem von dem diffraktiven optischen Transmissionselement 21 und der Bearbeitungslinse 3 platziert werden, sodass der Abstand von dem diffraktiven optischen Transmissionselement 21 zu der Bearbeitungslinse 3 und der Abstand von der Bearbeitungslinse 3 zu dem Werkstück W individuell eingestellt werden.
Der Winkeleinstellmechanismus 32 kann ein Mechanismus sein, der dazu ausgelegt ist, den Einfallswinkel des Laserlichts L auf das diffraktive optische Transmissionselement 21 zu verändern; beispielsweise kann ein Reflektorspiegel zwischen dem diffraktiven optischen Transmissionselement 21 und der Kollimatorlinse 4 platziert werden, und der Winkel des Reflektorspiegels kann eingestellt werden.
Der Drehmechanismus 33 kann ein Mechanismus sein, der dazu ausgelegt ist, die Beugungsrichtung des Laserlichts L, das durch das diffraktive optische Transmissionselement 21 erzielt wird, in Bezug auf die Bearbeitungsrichtung konsistent zu halten; beispielsweise kann der Drehmechanismus 33 auf dem Bearbeitungskopf 1 platziert werden, sodass sich der gesamte Bearbeitungskopf 1 entsprechend der Bearbeitungsrichtung dreht, oder das Werkstück W selbst kann sich entsprechend der Bearbeitungsrichtung drehen. Das Laserlicht L, das durch das diffraktive optische Transmissionselement 21 verläuft, befindet sich in linearer Polarisation; die Bearbeitungsqualität weist eine Polarisationsabhängigkeit auf. Da die Streuungsrichtung des Laserlichts L willkürlich durch den Drehmechanismus 33 eingestellt werden kann, kann die Bearbeitung mit gesteigerter Effizienz gemäß dem Bearbeitungszweck beispielsweise durch Ausrichten des Laserlichts L an der Bearbeitungsrichtung umgesetzt werden, um die Bearbeitung mit erhöhter Geschwindigkeit auszuführen, und durch Verursachen, dass die Streuungsrichtung des Laserlichts L orthogonal zu der Bearbeitungsrichtung verläuft, um die Bearbeitung mit gesteigerte Qualität auszuführen.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform ermöglicht ein schnelles Umschalten zwischen einer Strahlenform, die zum Schneiden einer dünnen Platte und Einbringen eines Lochs geeignet ist, und einer Strahlenform, die zum Schneiden einer dicken Platte geeignet ist.
Fünfte Ausführungsform.
21 und 22 sind Diagramme, die schematisch den Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen. Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform zerstreut die Wellenlänge des Laserlichts L mit der Mehrzahl von Wellenlängen durch Beugen eines Teils des Laserlichts L und Übertragen eines Teils des Laserlichts L so wie es ist; dies geschieht auf Grundlage einer Beobachtung einer Polarisationsabhängigkeit der Beugungseffizienz des diffraktiven optischen Transmissionselements 21.
In 21 und 22 wird das Laserlicht L mit der Mehrzahl von Wellenlängen von der Übertragungsfaser 5 in den Bearbeitungskopf 1 emittiert, durch die Kollimatorlinse 4 kollimiert und tritt so ähnlich wie in der ersten Ausführungsform in das diffraktive optische Transmissionselement 21 ein. Der Abstandseinstellmechanismus 31 kann den Abstand von dem diffraktiven optischen Transmissionselement 21 zu der Bearbeitungslinse 3 verändern; der Winkeleinstellmechanismus 32 kann die Neigung des diffraktiven optischen Transmissionselements 21 in Bezug auf das Laserlicht L verändern; und der Drehmechanismus 33 kann das diffraktive optische Transmissionselement 21 in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse drehen.
Wenngleich sich die Beugungseffizienz eines diffraktiven optischen Elements in Abhängigkeit von einem Polarisationszustand des Laserlichts L unterschiedet, so stimmt die Beugungseffizienz nicht in Bezug auf jede Polarisation überein und variiert mit der Beugungsgitterperiode des diffraktiven optischen Elements, der Laserwellenlänge und dem Einfallswinkel des Laserlichts L auf das diffraktive optische Element. Hier treten, wenn das Laserlicht L, das auf das diffraktive optische Transmissionselement 21 einfällt, zufällige Polarisationen aufweist, die p-Polarisationsanteile des Laserlichts L senkrecht in die Bearbeitungslinse 3 ein und treten die s-Polarisationsanteile des Laserlichts L in einer Situation, in der beispielsweise die Beugungseffizienz der p-Polarisation gering und die Beugungseffizienz der s-Polarisation hoch ist, in Einfallswinkeln in die Bearbeitungslinse 3 ein, die den Wellenlängen wie in 21 entsprechen. Das Werkstück W wird dementsprechend mit Strahlen bestrahlt, einschließlich der p-Polarisationsanteile an der optischen Achse und der s-Polarisationsanteile, die sich in der Streuungsrichtung des Laserlichts L verbreiten. Durch Einstellen des Winkeleinstellmechanismus 32 derart, dass die Situation, dass die Lösung |m|≥1 nicht existiert, in Gleichung (1), die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, erfüllt wird, wird das Werkstück W mit Strahlen bestrahlt, die in einen Punkt wie in 22 veranschaulicht gebündelt sind. Dementsprechend ändert sich, wenn der Zustand aus 21 und der Zustand aus 22 durch den Winkeleinstellmechanismus 32 umgeschaltet werden, die Bestrahlungsposition der p-Polarisationsanteile nicht und dadurch kann eine Bearbeitung nach dem Umschalten schnell ausgeführt werden. Das bedeutet, dass beispielsweise ein Durchstechen in dem Zustand aus 22 während des Vorgangs des Schneidens einer dicken Platte ausgeführt werden kann und, sobald das Durchstechen abgeschlossen ist, der Zustand in den Zustand aus 21 umgeschaltet werden kann, sodass die Bearbeitung kontinuierlich ausgeführt wird; dadurch wird die Produktivität der Gesamtbearbeitung verbessert.
Wenngleich das diffraktive optische Transmissionselement 21 zum Zerstreuen des Laserlichts L durch Wellenlänge in der fünften Ausführungsform verwendet wird, kann das diffraktive optische Reflexionselement 22 verwendet werden.
Sechste Ausführungsform. 23, 24 und 25 sind Diagramme, die schematisch den Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen. In der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform wird das Laserlicht L mit der Mehrzahl von Wellenlängen durch die Kollimatorlinse 4 so ähnlich wie in der ersten Ausführungsform kollimiert und tritt in einen Mittelabschnitt eines diffraktiven optischen Transmissionselements 25 ein, der ein konzentrisches Beugungsmuster aufweist. Ein Doppelachsenwinkeleinstellmechanismus 35, der als Drehmittelachsen zwei orthogonale Achsen in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Laserlichts L aufweist, die auf das diffraktive optische Transmissionselement 25 einfällt, wird auf dem diffraktiven optischen Transmissionselement 25 platziert und kann das diffraktive optische Transmissionselement 25 auf einen beliebigen Winkel in Bezug auf die Ebene senkrecht zu der optischen Achse einstellen. Wie im Fall der ersten Ausführungsform handelt es sich bei dem diffraktiven optischen Transmissionselement 25 um einen Mechanismus, der in einer Richtung einer optischen Achse durch den Abstandseinstellmechanismus 31 beweglich ist. Die Düse 2, die Übertragungsfaser 5 und das Schutzglas G, die für die Streuung des Laserlichts L nicht relevant sind, wurden in 23, 24 und 25 ausgelassen.
Ein Zustand, in dem das Laserlicht L nicht gestreut wird, ist in 23 veranschaulicht; ein Strahl ist in einen Punkt an der Fokusposition gebündelt. Ein Zustand, in dem das diffraktive optische Transmissionselement 25 in nur eine Achsenrichtung aus dem Zustand aus 23 geneigt ist, ist in 24 veranschaulicht; das Laserlicht L wird durch Wellenlänge gemäß einer Neigungsrichtung gestreut und tritt in die Bearbeitungslinse 3 ein. Da das diffraktive optische Transmissionselement 25 das konzentrische Beugungsmuster aufweist, werden Anteile des Laserlichts L, die sich in der Neigungsrichtung des diffraktiven optischen Transmissionselements 25 befinden, am meisten gestreut. Die Strahlenform an der Fokusposition weist dementsprechend eine Form auf, die in Bezug auf die Neigungsrichtung des diffraktiven optischen Transmissionselements 25, wie in 24 veranschaulicht, gestreut ist. Ein Zustand, in dem das diffraktive optische Transmissionselement 25 in die andere eine Achsenrichtung von dem Zustand aus 24 geneigt ist, ist in 25 veranschaulicht. Anteile des Laserlichts L, die sich in der Neigungsrichtung des diffraktiven optischen Transmissionselements 25 befinden, werden ebenfalls am meisten gestreut, wie im Fall bei 24; dementsprechend hat die Strahlenform an der Fokusposition somit eine Form, die in der Neigungsrichtung des diffraktiven optischen Transmissionselements 25 in Bezug auf die Strahlenform in 24 gestreut ist.
Wie vorstehend beschrieben, kann die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform eine Ausdehnungsrichtung einer Strahlenform an der Fokusposition willkürlich durch die Drehung um die zwei unabhängigen Achsen des Doppelachsenwinkeleinstellmechanismus 35 in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse verändern, wodurch ermöglicht wird, dass die Strahlenform in einer geeigneten Richtung in Bezug auf die Bearbeitungsrichtung gestreut wird. Wenngleich die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform 90 Grad oder mehr Drehung des diffraktiven optischen Transmissionselements 21 selbst unter Verwendung des Drehmechanismus 33, der in 6 und 7 veranschaulicht ist, benötigt, um eine Form mit einem spitzen Winkel zu bearbeiten, kann die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform verursachen, dass die Streuungsrichtung eines Strahls der Bearbeitungsrichtung lediglich durch Einstellen des Neigungswinkels des diffraktiven optischen Transmissionselements 25, der das konzentrische Beugungsmuster aufweist, folgt, wenn die Bearbeitungsrichtung umgekehrt wird, wodurch eine verbesserte Folgefähigkeit in Bezug auf eine zu bearbeitende Form ermöglicht wird und dadurch eine verbesserte Produktivität ermöglicht wird.
Die Struktur des Doppelachsenwinkeleinstellmechanismus 35 gemäß der sechsten Ausführungsform ist nicht auf jene beschränkt, die in 23, 24 und 25 veranschaulicht ist; eine Struktur, die einen Abschnitt zum Halten eines optischen Elements beinhaltet und den Winkel unter Verwendung des Abschnitts durch seine Schubmenge einstellt, der einem Doppelachsenkardanspiegelhalter ähnelt, kann verwendet werden.
Wenngleich in der ersten bis sechsten Ausführungsform hauptsächlich Blechschneiden beschrieben wurde, kann die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vierten bis sechsten Ausführungsformen zum Schweißen verwendet werden. In der ersten bis sechsten Ausführungsform können die Strahlenform und die Intensitätsverteilung in Bezug auf die ebene Werkstückrichtung verwendet werden; da die Strahlenform willkürlich in Bezug auf die Bearbeitungsrichtung eingestellt werden kann, kann die Schweißbreite gemäß den beabsichtigten Zwecken verändert werde und somit kann das Schweißen effizient ausgeführt werden.
Ein Durchstechen kann ausgeführt werden, während sich der Drehmechanismus 33 der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten bis sechsten Ausführungsformen dreht. Beispielsweise kann durch Durchführen eines Durchstechens mit verbreiteten Strahlen, wie in 2 veranschaulicht, während sich der Drehmechanismus 33 dreht, ein Loch mit einem Durchmesser, der größer als normalerweise beim Durchstechen gebildet wird, eingebracht werden und dadurch kann die Geschwindigkeit des Durchstechens einer dicken Platte verbessert werden. Wenngleich die Übertragungsfaser 5 als optisches Transmissionselement von dem Laseroszillator 40 zu dem Bearbeitungskopf 1 in 1, 2, 3, 8, 9, 10, 11, 13, 14, 21 und 22 verwendet wird, kann eine Spiegelübertragung für das optische Transmissionselement verwendet werden, oder die Spiegelübertragung und die Faserübertragung können in Kombination verwendet werden.
Die Ausgestaltungen in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen stellen einige Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und sie können mit einer beliebigen anderen allgemein bekannten Technik kombiniert werden und teilweise ausgelassen oder modifiziert werden, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste
1 Bearbeitungskopf; 2 Düse; 3 Bearbeitungslinse; 4 Kollimatorlinse; 5 Übertragungsfaser; 6 Reflektorspiegel; 21, 25 diffraktives optisches Transmissionselement; 22 diffraktives optisches Reflexionselement; 23 Prisma; 24 Polarisationsplatte; 31 Abstandseinstellmechanismus; 32 Winkeleinstellmechanismus; 33 Drehmechanismus; 34 Umschaltmechanismus; 35 Doppelachsenwinkeleinstellmechanismus; 40 Laseroszillator.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005205464 [0004]
JP 2015044238 [0004]

Claims

Laserbearbeitungsvorrichtung, umfassend: einen Laseroszillator, um Laserlicht mit einer Mehrzahl von Wellenlängen zu emittieren; ein diffraktives optisches Element, um zu ermöglichen, dass das Laserlicht durch das diffraktive optische Element verläuft; eine Bearbeitungslinse, um das Laserlicht zu bündeln, das durch das diffraktive optische Element verlaufen ist; einen Abstandseinstellmechanismus, um einen Abstand zwischen dem diffraktiven optischen Element und der Bearbeitungslinse zu verändern; und einen Winkeleinstellmechanismus, um einen Winkel des diffraktiven optischen Elements zu verändern.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Winkeleinstellmechanismus zwischen Vorhandensein und Nichtvorhandensein von Streuung des Laserlichts umschaltet, das auf die Bearbeitungslinse einfällt.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend einen Drehmechanismus, um das diffraktive optische Element als Drehachse um eine optische Achse des Laserlichts zu drehen, das auf das diffraktive optische Element einfällt.
Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das diffraktive optische Element ein diffraktives optisches Transmissionselement ist, und ein Polarisationssteuermechanismus enthalten ist, um ein Intensitätsverhältnis zwischen einem p-Polarisationsanteil und einem s-Polarisationsanteil des Laserlichts einzustellen, das auf das diffraktive optische Transmissionselement einfällt.
Laserbearbeitungsvorrichtung, umfassend: einen Laseroszillator, um Laserlicht mit einer Mehrzahl von Wellenlängen zu emittieren; ein diffraktives optisches Element, das ein konzentrisches Gittermuster aufweist, um zu ermöglichen, dass das Laserlicht in einen Mittelabschnitt des konzentrischen Gittermusters eintritt; eine Bearbeitungslinse, um das Laserlicht zu bündeln, das durch das diffraktive optische Element verlaufen ist; einen Doppelachsenwinkeleinstellmechanismus, um zu ermöglichen, dass sich das diffraktive optische Element um zwei zueinander orthogonale Achsen in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene dreht, wobei die optische Achse die des Laserlichts ist, das auf das diffraktive optische Element einfällt; und einen Abstandseinstellmechanismus, um einen Abstand zwischen dem diffraktiven optischen Element und der Bearbeitungslinse zu verändern.
Laserbearbeitungsvorrichtung, umfassend: einen Laseroszillator, um Laserlicht mit einer Mehrzahl von Wellenlängen zu emittieren; ein Prisma; eine Bearbeitungslinse, um das Laserlicht zu bündeln; einen Abstandseinstellmechanismus, um einen Abstand zwischen dem Prisma und der Bearbeitungslinse zu verändern; einen Umschaltmechanismus, um das Prisma in Position zu bewegen und zwischen einer Position, die es ermöglicht, dass das Laserlicht in das Prisma eintritt, und einer Position, die es nicht ermöglicht, dass das Laserlicht in das Prisma eintritt, umzuschalten, um zwischen Vorhandensein und Nichtvorhandensein von Streuung des Laserlichts umzuschalten, das auf die Bearbeitungslinse einfällt; und einen Drehmechanismus, um das Prisma als Drehachse um eine optische Achse einfallenden Lichts auf das Prisma zu drehen.