JP4132014B2 - レーザ加工装置及び加工方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工方法に関し、特に加工対象物にレーザビームを入射させて穴あけ加工を行うレーザ加工方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
特開平11−285872号公報に開示された従来のレーザ加工方法について説明する。高調波固体レーザ発振器から出射したパルスレーザビームをガルバノミラーで反射させ、XYステージ上に保持された加工対象物の表面上に入射させる。ガルバノミラーの反射面の向きを変えることで、パルスレーザビームの入射位置を移動させ、所望の位置に穴を開けることができる。ガルバノミラーによるレーザビームの走査で照射可能な単位フィールド内の加工が終了すると、加工対象物を移動させ、未加工の単位フィールド内の加工を行う。XYステージで加工対象物を移動させている期間中は、高調波固体レーザ発振器の発振を停止させておく。
【0003】
レーザ発振器の発振を開始させると、最初の複数ショットのパルスエネルギが、後続のショットのパルスエネルギに比べて低くなったり、逆に高くなったりする。最初の複数ショットが加工対象物へ入射することを禁止することにより、高い加工品質を保つことができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ発振を続けると、レーザ加工装置の光学系を構成している種々の光学媒質が熱変形を起こす。レーザ媒質のロッドが熱変形を起こすと、レーザビームの出射方向や広がり角が変動する。レーザビームの出射方向が変動すると、加工対象物へのレーザビームの入射位置が、期待される位置からずれてしまう。レーザビームの広がり角が変動すると、加工対象物に入射するパルスエネルギが変動してしまう。これにより、過度の加工が行われたり、加工不良が発生したりする。
【0005】
レーザ発振器の発振を開始させた後、加工対象物への入射が禁止されている期間の複数ショットで定常状態になる場合には、上述の従来例により安定した加工を行うことが可能になる。例えば、高調波を発生させるための非線形光学結晶等のように、比較的小さなものは短時間で熱的定常状態に達する。ところが、レーザ媒質のロッドのように、比較的大きなものは、熱的定常状態に達するまでに長時間を必要とする。レーザ媒質のロッドが熱的定常状態に達するまで加工対象物へのレーザビームの入射を禁止すると、スループットが低下してしまう。
【0006】
本発明の目的は、光学媒質の熱変形による影響を軽減し、かつスループットの低下も招かないレーザ加工装置及び加工方法を提供することである。
【0007】
本発明の一観点によると、
ショット数を記憶しており、外部から契機信号が入力されると、記憶されているショット数分のパルスを有するパルスレーザビームを出射するレーザ光源と、
保持面上に加工対象物を保持し、該加工対象物を移動させることができる可動ステージと、
前記レーザ光源から出射したパルスレーザビームを前記可動ステージに保持された加工対象物の被加工面上に入射させるとともに、入射点の位置をある範囲内で移動させることができるビーム走査機構と、
前記パルスレーザビームが前記可動ステージに保持された加工対象物に入射しないように前記ビーム走査機構が制御されている期間に、ある時間間隔で前記レーザ光源へ契機信号を送出する制御装置と
を有するレーザ加工装置が提供される。
【0008】
パルスレーザビームが加工対象物に入射していない期間中も、レーザ光源に対してある間隔で契機信号が送出されるため、レーザ光源が発振を継続させる。このため、レーザ光学系を構成する光学媒質の温度が低下しない。これにより、光学媒質の熱変形に起因するパルスレーザビームの特性の変動を防止することができる。
【0009】
本発明の他の観点によると、
被加工面上に複数の単位フィールドが画定され、単位フィールドの各々に複数の加工点が画定された加工対象物を準備する工程と、
パルスレーザビームの進行方向を振ることによって、レーザ照射可能位置内に配置された単位フィールド内の複数の加工点に、順番にパルスレーザビームを入射させて加工する第1の工程と、
前記加工対象物に入射しないように前記パルスレーザビームの進行方向を加工対象物外の方向に変えて、該加工対象物外の方向にパルスレーザビームを出射させながら、前記加工対象物を移動させて、未加工の単位フィールドをレーザ照射可能位置に配置する第2の工程と、
新たにレーザ照射可能になった単位フィールド内の複数の加工点に、順番にパルスレーザビームを入射させて加工する第3の工程と
を有し、
前記第2の工程において、前記パルスレーザビームを、あるショット数だけ前記ビームダンパに入射させる第4の工程と、ある待ち時間だけパルスレーザビームの出射を停止させる第5の工程とを繰り返すレーザ加工方法が提供される。
【0010】
加工対象物を移動させている期間中も、加工対象物外の方向にパルスレーザビームが出射する。このため、レーザ光学系を構成する光学媒質の温度が低下しない。これにより、光学媒質の熱変形に起因するパルスレーザビームの特性の変動を防止することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1(A)に、本発明の実施例によるレーザ加工装置のブロック図を示す。実施例によるレーザ加工装置は、レーザ光源1、コリメーションレンズ4、ガルバノスキャナ10、fθレンズ15、ビームダンパ16、XYステージ20、及びメインコントローラ30を含んで構成される。
【0012】
レーザ光源1は、レーザ発振器2及びレーザコントローラ3を含んで構成される。レーザ発振器2は、例えばNd:YLF(リチウムイットリウムフルオライド)レーザ発振器と非線形光学素子から構成され、Nd:YLFレーザの基本波またはその高調波を出射する。また、Nd:YAGレーザ発振器や、その他の固体レーザ発振器を用いることも可能である。非線形光学素子として、リチウムボーレイト(LBO)やバリウムボーレイト(BBO)等を用いることができる。
【0013】
メインコントローラ30が、レーザコントローラ3に対して、ショット数情報及び契機信号を送出する。レーザコントローラ3は、ショット数情報を受信すると、指示されたショット数を記憶する。また、契機信号を受信すると、レーザ発振器2に対して、記憶されているショット数分の発振起動信号を、一定の間隔(例えば0.1ms)で送出する。レーザ発振器2は、1つの発振起動信号を受信すると、パルスレーザビームを1パルスだけ出射する。
【0014】
レーザ光源1から出射したパルスレーザビームは、コリメーションレンズ4で平行光線束とされ、ガルバノスキャナ10のガルバノミラー11に入射する。ガルバノミラー11は、1対の可動ミラーで構成される。各々の可動ミラーは、反射面の向きを変えるように姿勢制御されることにより、パルスレーザビームの進行方向を変えることができる。ガルバノミラー11は1対の可動ミラーで構成されているため、パルスレーザビームの進行方向を2次元方向に振ることができる。ガルバノミラー11は、ガルバノコントローラ12により制御される。
【0015】
メインコントローラ30が、ガルバノコントローラ12にミラーの反射面の向きに関する情報を含む姿勢制御信号を送出する。ガルバノコントローラ12は、姿勢制御信号を受信すると、姿勢制御信号に含まれる位置情報に基づき、ガルバノミラー11の反射面の向きを変える。ガルバノミラー11の姿勢制御が終了すると、ガルバノコントローラ12は、メインコントローラ30に対して姿勢制御完了信号を送出する。
【0016】
ガルバノスキャナ10で進行方向を制御されたパルスレーザビームが、fθレンズ15に入射する。fθレンズ15で収束されたパルスレーザビームが、XYステージ20の可動部に保持された加工対象物40に入射する。fθレンズ15と加工対象物40との間のパルスレーザビームの経路の脇に、ビームダンパ16が配置されている。ガルバノスキャナ10は、パルスレーザビームがビームダンパ16に入射するように、パルスレーザビームの進行方向を変えることができる。
【0017】
XYステージコントローラ21がXYステージ20を制御する。メインコントローラ30が、XYステージコントローラ21に、位置情報を含む移動開始信号を送出する。XYステージコントローラ21は、受信した位置情報に基づき、XYステージ20を駆動し、加工対象物40を移動させる。加工対象物40の移動が完了すると、XYステージコントローラ21はメインコントローラ30に移動完了信号を送出する。
【0018】
図1(B)に示すように、加工対象物40の被加工面内に、複数の単位フィールド41が画定されている。1つの単位フィールド41は、例えば一辺の長さが30mmの正方形である。ガルバノスキャナ10でパルスレーザビームの進行方向を振ることにより、1つの単位フィールド41内の任意の点にパルスレーザビームを入射させ、穴を開けることができる。例えば、1つの単位フィールド41内に、5000個を穴が開けられる。XYステージ20で加工対象物40を移動させることにより、すべての単位フィールド内にパルスレーザビームを入射させることができる。
【0019】
次に、図2を参照して、本発明の実施例によるレーザ加工方法について説明する。
【0020】
図2は、実施例によるレーザ加工方法で加工する際に、図1(A)に示したレーザ光源1から出射するパルスレーザビームのタイミングチャートを示す。まず、加工前の暖機運転が行われ、次に1つの単位フィールド内のレーザ加工が行われる。1つの単位フィールド内のレーザ加工が終了すると、XYステージ20を駆動して加工対象物40を移動させ、次の単位フィールド内の加工が行われる。これを繰り返すことにより、加工対象物40の全単位フィールド内の加工が行われる。XYステージ移動期間の長さは、通常200〜300ms程度である。
【0021】
図2に示した縦線の密集した部分が、パルスレーザビームが出射している期間を表している。例えば、1つの密集部分において、周波数10kHzで50個のパルスが出射する。この50個のパルスの集まりを単位パルス群と呼ぶこととする。
【0022】
レーザ加工が行われている期間は、複数の単位パルス群が間欠的に加工対象物40に入射する。1つの単位パルス群により、1箇所の穴あけが行われる。単位パルス群が出射していない期間に、ガルバノミラー11の姿勢制御が行われる。ガルバノミラー11の姿勢制御に必要とされる時間は、レーザビームの入射点の移動距離に依存するが、通常は1ms程度である。従って、レーザ光源1は、約1msの時間間隔で、単位パルス群を間欠的に出射することになる。
【0023】
加工前の暖機運転中、及びXYステージ移動期間中も、レーザ光源1は、レーザ加工期間中と同程度の時間間隔で、単位パルス群を間欠的に出射する。このとき、レーザ光源1から出射したパルスレーザビームがビームダンパ16に入射するように、ガルバノミラー11の姿勢制御が行われる。この期間中に出射する単位パルス群内のパルス数(ショット数)は、レーザ加工中に出射する単位パルス群内のショット数と等しい。
【0024】
暖機運転中は、レーザ光源1から出射したパルスレーザビームのパルスエネルギが計測されている。パルスエネルギが安定したことを確認した後、レーザ加工工程に移行する。
【0025】
XYステージ移動期間は、ガルバノミラー11の姿勢制御に必要とされる時間に比べて著しく長い。このため、XYステージ移動期間中にレーザ発振を停止させると、光学部品の温度が低下してしまう。この状態で、次のレーザ加工工程に移行すると、パルスレーザビームの特性が変動し、加工品質が低下してしまう。
【0026】
上記実施例では、XYステージ移動期間中も、レーザ加工期間中とほぼ同様の条件で、レーザ発振器2が間欠的な発振を繰り返している。このため、熱的な定常状態が維持され、品質の低下が防止される。
【0027】
次に、図3〜図6を参照しながら、図1に示したメインコントローラ30の行う処理に着目して、実施例によるレーザ加工方法ついて説明する。
【0028】
図3は、メインフローチャートを示す。まずステップa1において、加工対象物40をXYステージ20の可動面上に保持する。ステップa2に進み、最初に加工される単位フィールドが、パルスレーザビームの照射可能位置に配置されるように、XYステージ20を駆動する。ステップa3に進み、照射可能位置に配置された単位フィールド内の加工を行う。ステップa4に進み、全単位フィールドの加工が終了したか否かを判定する。
【0029】
全単位フィールドの加工が終了していない場合には、ステップa5に進み、次に加工すべき単位フィールドがパルスレーザビームの照射可能位置に配置されるようにXYステージ20を駆動する。ステップa3に戻り、新たに照射可能領域に配置された単位フィールド内の加工を行う。
【0030】
全単位フィールドの加工が完了した場合には、ステップa6に進み、全加工対象物の加工が終了したか否かを判定する。全加工対象物の加工が終了した場合には、レーザ加工処理を終了する。まだ未加工の加工対象物がある場合には、ステップa7に進み、加工済みの加工対象物をXYステージ20から取り外し、未加工の加工対象物をXYステージ20の可動面上に載置する。最初に加工すべき単位フィールドを、パルスレーザビームの照射可能位置に配置し、ステップa3に戻る。
【0031】
図4は、図3に示したステップa5の詳細なフローチャートを示す。まずステップb1において、パルスレーザビームがビームダンパ16に入射するように、ガルバノミラー11の姿勢制御を行う。ステップb2に進み、XYステージコントローラ21に対して移動開始信号を送出する。この移動開始信号には、次に加工すべき単位フィールドをパルスレーザビームの照射可能位置に配置するための位置情報が含まれている。XYステージコントローラ21が移動開始信号を受信すると、XYステージ20の移動が開始される。
【0032】
ステップb3に進み、レーザ光源1に対して契機信号を送出する。レーザ光源1は、契機信号を受信すると、1つの単位パルス群からなるレーザビームを出射する。レーザ光源1から出射完了信号を受信すると、ステップb4に進み、XYステージコントローラ21から移動完了信号を受信したか否かを判定する。移動完了信号を受信した場合には、図3のステップa3に戻る。
【0033】
移動完了信号を受信していない場合には、ステップb5に進み、予め定められている一定の待ち時間が経過するのを待つ。待ち時間が経過すると、ステップb3に戻って、レーザ光源1に対して契機信号を送出する。この待ち時間は、レーザ加工を行っている時のガルバノミラー11の姿勢制御に必要な時間、すなわちガルバノスキャナ10に姿勢制御信号を送出してから、姿勢制御完了信号を受信するまでの時間に基づいて決められる。例えば、待ち時間は、ガルバノミラー11の姿勢制御に必要とされる時間の平均値とされる。なお、姿勢制御時間の最小値の1/2よりも長く、最大値の2倍よりも短い時間とすれば、熱的定常状態を維持する効果が得られるであろう。また、待ち時間を0とした場合でも、XYステージ移動中にレーザ発振器の発振を停止させておく場合に比べて、熱的定常状態に近い状態を維持することが可能である。
【0034】
XYステージ20を駆動して加工対象物40を移動させている期間中は、パルスレーザビームがビームダンパ16に入射しているため、ガルバノミラー11を動かす必要がない。従って、ガルバノスキャナ10に姿勢制御信号を送出すると、直ちに姿勢制御完了信号が戻ってくる。1つの単位パルス群を出射した後、次の単位パルス群を出射するまでの間に、ステップb5において強制的に待ち時間を挿入することにより、ガルバノミラー11の姿勢制御が行われているときと同様に、単位パルス群を間欠的に出射させることができる。
【0035】
図5は、図3に示したステップa3の詳細なフローチャートを示す。まずステップc1において、ガルバノスキャナ10に対して姿勢制御信号を送出する。この姿勢制御信号には、最初に穴を開けるべき点の位置に対応するガルバノミラー11の姿勢情報が含まれている。ガルバノスキャナ10から姿勢制御完了信号を受信すると、ステップc2に進み、レーザ光源1に対して契機信号を送出する。レーザ光源1が、1つの単位パルス群のパルスレーザビームを出射し、レーザ光源1から出射完了信号を受信すると、ステップc3に進み、現在加工している単位フィールド内の加工すべき点のすべてに穴を開けたか否かを判定する。
【0036】
すべての穴が開けられた場合には、図3に示したステップa4に進む。まだ加工されていない加工点が残っている場合には、ステップc1に戻り、ガルバノスキャナ10に姿勢制御信号を送出する。この姿勢制御信号には、次に加工すべき穴の位置に対応する姿勢情報が含まれている。
【0037】
図6は、図3に示したステップa7の詳細なフローチャートを示す。まずステップd1において、パルスレーザビームがビームダンパ16に入射するように、ガルバノミラー11の姿勢制御を行う。姿勢制御が完了すると、ステップd2に進み、1つの単位パルス群のレーザビームを出射する。1つの単位パルス群のレーザビームの出射が完了すると、ステップd3に進み、加工対象物の交換が完了したか否かを判定する。加工対象物の交換完了は、例えばメインコントローラ30に完了コマンドを入力することにより通知される。
【0038】
加工対象物の交換が完了していない場合には、ステップd6に進み、一定の待ち時間が経過するまで待つ。加工対象物の交換が完了している場合には、ステップd4に進み、最初に加工すべき単位フィールドがパルスレーザビームの照射可能位置に配置されるように、XYステージコントローラ21に移動開始信号を送出する。ステップd5に進み、移動完了信号を受信したか否かを判定する。移動完了信号を受信した場合には、図3に示したステップa3に戻る。移動完了信号を受信していない場合には、ステップd6に進み、一定の待ち時間が経過するまで待つ。
【0039】
ステップd6において、待ち時間が経過すると、ステップd2に戻り、1つの単位パルス群からなるレーザビームの出射を行う。
【0040】
このように、加工対象物を交換している期間中も、レーザ加工期間中と同様に、単位パルス群が間欠的に出射する。このため、熱的な定常状態を維持することができ、加工品質を高めることが可能になる。
【0041】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、パルスレーザビームが加工対象物に入射しない期間中も、レーザ光源からパルスレーザビームが出射している。このため、レーザ媒質等の温度低下を防止し、熱的な定常状態を維持することができる。これにより、熱変形等に起因するパルスレーザビームの特性の変動を抑制し、加工品質の向上を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例によるレーザ加工装置のブロック図である。
【図2】本発明の実施例によるレーザ加工方法を説明するためのパルスレーザビームのタイミングチャートである。
【図3】実施例によるレーザ加工方法のメイン処理を示すフローチャートである。
【図4】加工すべき次の単位フィールドに移動する処理を示すフローチャートである。
【図5】1つの単位フィールド内の加工処理を示すフローチャートである。
【図6】加工対象物を交換する期間中の処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 レーザ光源
2 レーザ発振器
3 レーザコントローラ
4 コリメーションレンズ
10 ガルバノスキャナ
11 ガルバノミラー
12 ガルバノコントローラ
15 fθレンズ
16 ビームダンパ
20 XYステージ
21 XYステージコントローラ
30 メインコントローラ
40 加工対象物
41 単位フィールド
Claims (9)
- ショット数を記憶しており、外部から契機信号が入力されると、記憶されているショット数分のパルスを有するパルスレーザビームを出射するレーザ光源と、
保持面上に加工対象物を保持し、該加工対象物を移動させることができる可動ステージと、
前記レーザ光源から出射したパルスレーザビームを前記可動ステージに保持された加工対象物の被加工面上に入射させるとともに、入射点の位置をある範囲内で移動させることができるビーム走査機構と、
前記パルスレーザビームが前記可動ステージに保持された加工対象物に入射しないように前記ビーム走査機構が制御されている期間に、ある時間間隔で前記レーザ光源へ契機信号を送出する制御装置と
を有するレーザ加工装置。 - 前記レーザ光源は、パルスレーザビームの出射が完了すると、前記制御装置に出射完了信号を送出し、
前記制御装置は、前記パルスレーザビームが前記加工対象物に入射しないように前記ビーム走査機構が制御されている期間に前記出射完了信号を受信すると、ある待ち時間が経過するのを待ち、該待ち時間が経過すると、前記レーザ光源に対して契機信号を送出する請求項1に記載のレーザ加工装置。 - 前記可動ステージは、前記制御装置から移動開始信号を受信すると、その保持面に保持している加工対象物の移動を開始し、移動が完了すると、前記制御装置に移動完了信号を送出し、
前記制御装置は、前記パルスレーザビームが前記加工対象物に入射しないように前記ビーム走査機構が制御されている期間に、前記可動ステージに移動開始信号を送出すると、該可動ステージから移動完了信号を受信するまで、ある時間間隔で前記レーザ光源へ契機信号を送出し続ける請求項1または2に記載のレーザ加工装置。 - 前記ビーム走査機構は、前記パルスレーザビームを反射させる可動反射鏡を有し、前記制御装置から姿勢制御信号を受信すると、該可動反射鏡の反射面の向きを変える姿勢制御を行い、姿勢制御が完了すると、姿勢制御完了信号を前記制御装置に送出し、
前記制御装置は、前記ビーム走査機構に姿勢制御信号を送出し、姿勢制御完了信号を受信すると、前記レーザ光源に契機信号を送出する請求請2に記載のレーザ加工装置。 - 前記待ち時間は、前記ビーム走査機構に姿勢制御信号を送出してから、姿勢制御完了信号を受信するまでの時間に基づいて決定されている請求項4に記載のレーザ加工装置。
- さらに、前記ビーム走査機構によってパルスレーザビームを入射させることができる位置に配置されたビームダンパを有する請求項1〜5のいずれかに記載のレーザ加工装置。
- 被加工面上に複数の単位フィールドが画定され、単位フィールドの各々に複数の加工点が画定された加工対象物を準備する工程と、
パルスレーザビームの進行方向を振ることによって、レーザ照射可能位置内に配置された単位フィールド内の複数の加工点に、順番にパルスレーザビームを入射させて加工する第1の工程と、
前記加工対象物に入射しないように前記パルスレーザビームの進行方向を加工対象物外の方向に変えて、該加工対象物外の方向にパルスレーザビームを出射させながら、前記加工対象物を移動させて、未加工の単位フィールドをレーザ照射可能位置に配置する第2の工程と、
新たにレーザ照射可能になった単位フィールド内の複数の加工点に、順番にパルスレーザビームを入射させて加工する第3の工程と
を有し、
前記第2の工程において、前記パルスレーザビームを、あるショット数だけ前記ビームダンパに入射させる第4の工程と、ある待ち時間だけパルスレーザビームの出射を停止させる第5の工程とを繰り返すレーザ加工方法。 - 前記第1の工程及び第2の工程において、1つの加工点に入射させるパルスレーザビームのショット数が、前記第4の工程において前記加工対象物外の方向に出射させるショット数と等しい請求項7に記載のレーザ加工方法。
- 前記第5の工程における待ち時間が、前記第1及び第2の工程において、1つの加工点へのパルスレーザビームの入射が完了し、次の加工点へパルスレーザビームを入射させるまでの時間の最小値の1/2よりも長く、最大値の2倍よりも短い請求項7または8に記載のレーザ加工方法。
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