激光加工装置的制造方法
激光加工装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有用于偏转激光束的设备的用于加工工件的激光加工装置，具体地，涉及一种特别地用于标记工件的激光加工装置。
【背景技术】
[0002]为了标记工件，已知激光加工装置，其中根据待施加的所需标记，激光束借助于扫描光学器偏转，并且激光束被聚焦到工件。
[0003]扫描光学器包括沿两个方向偏转激光束的两个可移动镜片。入射到工件的表面上的激光束接下来标记表面。例如由所谓的“矢量标识”(vector-labeling)完成的标记通过许多由点形成的单一线条组成，或在由其中区域被筛选的“位图标识”(bitmap-labeIing)完成时通过由单一点形成的区域组成。为此，激光束以极快速度被导引跨过工件。镜片通常借助于所谓的Galvo (即检流计)移动，所述Galvo相应地包括配置在被磁性地驱动的轴线上的镜片。通过在线圈处施加电压，磁场被形成并且包括永磁体的轴线根据电流强度克服弹簧的作用旋转，由此镜片被偏转(移动磁体)。还存在以下选项，磁体被固定地附着并且线圈被移动(移动线圈)。
[0004]镜片的定向的检测，即镜片的旋转角度的检测，能够借助于检测器(例如光敏传感器)执行。
[0005]根据Galvo的原理结构，附带的是每个具有一个镜片的至少两个Galvo对于工件的平面加工而言是必要的。这与对于扩大的空间和较高的成本而言的需求相关联，因为数个元件是必要的并且Galvo的功率需求高并且需要适当控制。
[0006]另一个缺点是对于每个Galvo而言用于相应轴线的单独位置检测系统是必要的。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是消除上文中的缺点并且提供一种激光加工装置，所述激光加工装置具有用于偏转扫描具有小空间要求的区域的激光束的设备并且所述激光加工装置能够以廉价的方式制造和操作。
[0008]所述目的由根据权利要求1所述的激光加工装置实现。本发明的进一步开发为从属权利要求的主题。
[0009]通过形成根据本发明的一方面的的激光加工装置，偏转单元能够以紧凑且廉价的方式构建在安装本体中，结构构件包括反射表面和第一施力部件，以及与第一施力部件互相作用的至少一个第二施力部件，从而结构构件围绕任意空间轴线可偏转。因此，反射表面可偏转，从而使得由反射表面偏转的激光束能够扫描区域。作为结果，可以以两个维度的方式标记相对于设备静止的工件。由于被移动质量低，因此仅低电流对于操作而言是必要的。
【附图说明】
[0010]本发明借助于实施方式利用附图的协助解释。
[0011]图1示出具有用于偏转激光束的设备的第一实施方式的激光加工装置的示意图；
[0012]图2示出具有用于偏转激光束的设备的激光加工装置的另一个实施方式的示意图；
[0013]图3示出用于偏转图1或2的激光束的设备的放大剖视图；
[0014]图4示出激光加工装置的另一个实施方式的示意图，其中激光谐振器和用于偏转激光束的设备被设置在公用安装板上；
[0015]图5示出具有用于偏转激光束的设备的第二实施方式的激光加工装置的又一个实施方式的示意图；
[0016]图6示出用于偏转激光束的设备的第三实施方式的一部分的示意图；
[0017]图7A示出扫描器在不进行任何预补偿的情况下针对驱动信号的阶跃响应的结果；以及
[0018]图7B示出扫描器在进行预补偿的情况下针对驱动信号的阶跃响应的结果。
【具体实施方式】
[0019]图1示出激光加工装置I的示意图，所述激光加工装置具有激光束源22和用于偏转激光束2的设备4的第一实施方式。激光束源22在此为呈光纤激光器形式的固态激光器，然而，所述激光束源还能够替代地为例如碟形激光器或棒状激光器。在另一个替代实施方式中，激光束源22被形成为气态激光器。
[0020]图1中的激光加工装置I包括传输纤维25，所述传输纤维引导激光束2经由光学解耦器到达偏转设备4。偏转设备4和光学解耦器26 (例如光学视准器)被设置在公用安装板3上。替代地，光学解耦器26还能够被设置在单独安装板上。
[0021]在图1中示出用于激光传递的传输纤维25。替代地，也能够提供在激光束源22与偏转设备4之间的自由光束耦合。
[0022]图2示出激光加工装置I的另一个实施方式。在此，与图1中的激光加工装置I不同的是，偏转设备4不从激光束源22空间地分离，而是偏转设备4的安装板3被附着(例如被螺固或黏合)到激光束源22。由此，光学解耦器能够被整合在激光束源中。
[0023]图3示出用于偏转图1或2的激光束2的设备4的放大剖视图。设备4包括安装本体3。紧凑偏转单元11包括结构构件12、柔性元件13、以及作为携带电流元件的两个线圈对14。
[0024]安装本体3被处理，例如被部分镀金并且被结构化。此外，设备4的一部分可选地由所谓的MEMS (微机电系统)元件制成，所述MEMs元件被单独地制造。由此，所述设备为由借助于MEMS技术制造的部件以及被“传统地”制造(即借助于材料去除和非切割成型)的部件组成的混合结构。
[0025]所谓的MEMS元件具体地包括结构构件12和柔性元件13，所述结构构件包括反射表面15和结合元件16。结构构件12至少在反射表面15的部分中由石英玻璃组成并且具有介电涂层。替代地，反射表面15的部分也能够由硅、陶瓷或金属组成和/或所述反射表面能够具有金属涂层。介电/金属涂层配置在反射表面15上，然而，所述介电/金属涂层也能够替代地附加地配置在相反侧上。
[0026]通过制造过程，腔室18被形成在安装本体3中。腔室18容置载流元件14、柔性元件13和具有作为第一施力部件17的磁体的结合元件16。替代地，腔室18不必必须形成，而是仅能配置在其中能设置构件的构造空间。
[0027]反射表面15必须尽可能大，以使得尽可能大的激光斑能够被重定向以便能够接下来在工件上产生小激光斑。然而，反射表面15越大，结构构件12的惯性质量就越大，由此更大的运动力是必要的。因此，增强的驱动元件，即载流元件14和/或磁体是必要的。结构构件12的方形反射表面15的宽度和长度在此为7.5mm乘7.5mm。替代地，所述宽度和长度为至少2mm乘2mm但小于15mm乘15mm并且优选地小于1mm乘10mm。由于激光束2以并非垂直入射的角度入射，因此反射表面15上的激光斑不是圆形的而具体地是椭圆形的。为了将反射表面15设计得尽可能小并且必要地大，反射表面15因此还能够具有椭圆、圆形或其它适当的形状和其它尺寸。反射表面15的形状和尺寸于是等同于激光斑的预定形状和最大尺寸。反射表面为平面，然而，所述反射表面也能够被设计为弯曲的。
[0028]此外，结构构件12配置有结合元件16。结合元件16被设置在远离反射表面15扭转的部分中。结合元件16在与反射表面15相反的部分中、在此为在端部处包括磁体17。然而，磁体17替代地不必配置在结合元件16的端部处，而是所述磁体也能够配置在结合元件16的任意位置处或在结构构件12的另一个适当位置处。同样替代地，在任意位置处的数个磁体能够被设置。
[0029]结合元件16经由柔性元件13被结合到安装本体3。柔性元件13被设计为将结合元件16和安装本体3结合的弹簧元件。柔性元件13被设置在反射表面15的下方。此外，替代在反射表面15下方布置的是，柔性元件13还能够被设置在反射表面15侧向。因此，设备4的高度被减小。通过提供柔性元件13，结构构件12围绕任意空间轴线可枢转。
[0030]围绕任意空间轴线的枢转能够被理解为围绕一个轴线的枢转或围绕空间坐标系统的两个轴线的叠加枢转，由此没有轴线被设置成相对于反射表面15垂直。这将仅导致反射表面15的旋转而不改变激光束2的偏转。通过围绕任意空间轴线的枢转，结构构件12以及因此反射表面15围绕偏转角度的偏转被允许。这允许激光束2到表面的由反射表面15的枢转范围划定的任意点的偏转。
[0031]第一线圈对14由相对于磁体17相反地处于平面中的两个线圈组成。在电流被施加到所述两个线圈时，第一线圈对14从而产生具有轴线的合成磁场。另一个线圈对14旋 转，从而使得所述另一个线圈对14的磁场的轴线平行于第一线圈对14被设置的平面旋转约90度，以使得线圈对14被设置成相对于彼此垂直地旋转。替代地，多个线圈对14是可能的并且线圈对14不允许相对于彼此垂直地旋转，而是所述多个线圈对能够相对于彼此具有另一个适当角度。本质上，磁体17能够通过由线圈对14产生的磁场被偏转，从而使得结构构件12围绕任意空间轴线可枢转所述偏转角度。激光束2的偏转的光学角度的更改为至少±10度，并且在替代实施方式中，优选地为±20度。由此，得出±5度或优选地±10度的反射表面15的偏转角度。
[0032]线圈对14被设置在反射表面15下方，然而，所述线圈对也能够替代地被设置在反射表面15侧向以便减小用于偏转激光束2的设备4的高度。
[0033]线圈对14被控制，从而使得结构构件12并且从而反射表面15不共振，以使得预定偏转角度可调节。
[0034]在高电流被施加到线圈对14的情况下，热产生大到偏转设备4的误操作或毁坏能够发生。然而，为了在必要的情况下以较高电流操作，主动地产生线圈对14下方温度梯度的装置被可选地配置。例如，所述装置能够为被直接地附着在线圈的下方的帕尔帖(Peltier)元件。替代地，以水穿过的安装板9能够被使用。
[0035]对于第二施力部件14，作为两个线圈对14的替代，平行传导路径作为载流元件是可能的。在所述两个实施方式中，偏转被磁性地产生。在另一个替代实施方式中，借助于第一可静电充电元件(例如借助于柔性元件13而非作为第一施力部件17的磁体充电的柱体)并且借助于作为第二施力部件14(例如有区别地充电的柱体元件)的第二可静电充电元件的电偏转器而非线圈对也是可想象的。本质上，第一施力部件17和第二施力部件14中的至少一个耦连到结构构件12，并且两个施力部件14、17中的至少一个被配置成使得其可控制，从而使得两个施力部件取决于触发被朝向彼此吸引或推离。
[0036]设备4可选地配置有角度检测装置19。角度检测装置19为所谓的PSD (位置敏感检测器)。PSD检测从反射表面15被偏转或从所述反射表面的后侧被偏转到表面的单独辅助激光束的位置。利用单独辅助激光束的位置，反射表面15的偏转的实际角度能够由角度检测装置19检测。替代地，角度检测装置19还能够使用线圈对14的线圈的电感的偏移以检测偏转角度。作为另一个替代，角度的改变还能够通过磁体的位置的改变、例如由霍尔传感器检测。用于角度检测装置19的另一个替代为提供LED而非辅助激光束源并且提供光敏二极管，或提供压阻式传感器。
[0037]此外，用于偏转激光束2的装置4可选地配置有偏转角度修正控制装置20。偏转角度修正控制装置20控制线圈对14，从而使得达到结构构件12的预定偏转角度。
[0038]图4示出激光加工装置I的另一个实施方式的示意图，所述激光加工装置具有作为激发介质的棒状固态介质和用于偏转激光束2的装置4。激光加工装置I在此包括安装本体3，激光谐振器5被设置在所述安装本体上并且所述安装本体包括设备4。
[0039]激光谐振器5包括高分辨率(HR)端镜片6、固态激光介质7、Q开关8和作为构件的解親镜片9。可选地，激光束2的变频(frequency conversat1n)是可能的，以便以不同的波长工作，从而，以最优地加工不同的材料。
[0040]通过也可选地被设置在安装本体3上的泵光束源23，泵辐射被产生并且被辐射到激光谐振器5。为了将泵辐射聚焦到激光谐振器5中，激光加工装置I包括由石英玻璃制成的透镜10。透镜10也能够替代地由另一个材料制成或所述透镜也能够为GRIN透镜，即梯度折射率(Gradient index)透镜。替代地，借助于光纤耦连到激光谐振器5的泵光束源能够被配置。
[0041]固态激光介质7由Yb:YAG组成，即掺镱钇铝石榴石激光器，或替代地由掺钕钇铝石植石(Nd:YAG)或钕I凡酸(Nd:vanadate)组成。替代地，镱I凡酸(Yb:vanadate)或另一个激光激发材料的另一个固态激光介质7是可能的。
[0042]解耦镜片9为单独光学装置，其包括面对激光介质的前侧上的介电涂层。介电涂层对于激光而言部分反射。
[0043]在具有脉冲产生器的激光器上，谐振器可选地包括用于产生密集且非常短的激光脉冲的Q开关8。Q开关8在此为声光调制器。替代地，Q开关8能够为电光调制器。替代地，还有其它类型的脉冲产生器，以及从而使用其它光学元件(例如借助于能够被浸泡在谐振器中的吸收器的被动模式耦合)是可想象的。
[0044]光学部件，即透镜10、高分辨率端镜片6、固态激光介质7、Q开关8和解親镜片9经由焊接固定在安装本体3上。替代地，存在将光学部件例如借助于黏合、激光熔焊、夹持或螺固与安装本体3结合的选项。
[0045]安装本体3由掺硅玻璃(微晶玻璃)组成。替代地，玻璃陶瓷(例如ULE、即超低膨胀钛硅酸盐玻璃)或陶瓷(例如氧化铝、氮化铝或氧化硅)是可能的。所述材料具有非常低的热膨胀系数。因此，激光谐振器5的布置能够被构造成温度稳定的。同样地在所述实施方式中，用于产生温度梯度的上述装置能够被可选地配置。
[0046]在所述实施方式中，用于偏转激光束2的设备4被整合在安装本体3中，激光谐振器5被建立在所述安装本体上。因此，获得与激光谐振器5中相同的热条件，由此整个激光加工装置I能够被构造成温度稳定的，以使得激光束2的实际目标位置大体上关联预定目标位置。
[0047]通过将用于偏转激光束2的装置4整合在安装本体3中，基本上可以以与针对激光谐振器5的产生以及针对设备4的产生类似处理步骤加工安装本体3。处理装置和用于将激光谐振器5的光学部件定位的夹具基本上还能够用于MEMS和非MEMS元件的组件。
[0048]角度检测装置19和偏转角度修正控制装置20也可选地配置在所述实施方式中。
[0049]作为另一个选项，激光加工装置I配置有光束形成单元24，所述光束形成单元包括用于影响激光束的光学部件。光束形成单元24在此仅被示意性地展示并且所述光束形成单元能够包括相对于激光束被设置在反射表面15的前方和后方的部件。因此，例如，激光束在反射表面15的前方被加宽并且所述激光束在反射表面15的后方被聚焦到工件。
[0050]此外，激光谐振器的光学部件或光束形成单元的光学部件能够被配置成使得散光能够例如通过柱体透镜的结合被修正。
[0051]激光加工装置I能够包括一个或多个折叠镜片(重定向镜片)，其中入射到反射表面15上的角度处于从10度到80度的范围中。
[0052]作为实施例，激光加工装置I在图5中被示出为具有用于偏转激光束2的设备4的第二实施方式。与在图4中被示出的实施方式的不同之处在于，激光束2在激光束2入射到反射表面15上之前借助于两个重定向镜片21重定向(折叠)并且从所述反射表面被偏转。由此，设备4的元件的布置使得MEMS元件能够与在图1至4中被示出的实施方式相比被更有利地安装。重定向镜片21的数量替代地不被确定为两个重定向镜片21，而是所述数量能够为另一个适当数量。替代地，重定向镜片还能够被设置在相对于安装本体3的上侧平行的平面中。
[0053]在图6中，用于偏转激光束的设备4的第三实施方式的一部分被示意性地示出。围绕设备4，屏蔽器件27在此被附着。所述屏蔽器件27为具有高磁导率(铁，锰游金属(软磁性铁镍合金)等)的材料层。借助于屏蔽器件27，由不可磁化材料组成的安装本体3中的由磁体17和/或载流元件14产生的磁场不由外部磁场影响。
[0054]由于磁体17朝向所述层吸引，因此屏蔽器件27相对于磁体17足够距离并且被同心地配置。作用在磁体17与屏蔽器件27之间的力应当较小，以使得借助于结合元件16结合到磁体17的柔性元件13不被过度地变形。在优选实施方式中，屏蔽器件27与磁体17之间的距离小于20mm，并且在特别优选实施方式中，所述距离小于10mm，以便将尽可能紧凑地维持所述装置。
[0055]所有前述替代实施方式具体地在没有相冲突的技术和/或商业原因情况下可结入口 ο
[0056]在使用中，激光束2由激光束源22产生，或由透镜10聚焦到激光谐振器5中的所谓的泵光由泵光束源23产生，由此激 光束2被产生。在借助于激光加工装置I的控制装置(未示出)调节反射表面15的预定偏转角度并且由激光加工装置I的控制装置开启激光束2之后，激光束2由结构构件12的反射表面15偏转所述预定偏转角度并且被引导到工件上或被聚焦到工件上。激光束2的预定偏转角度通过由激光加工装置I的控制装置借助于控制通过线圈对14的电流强度调节结构构件12的偏转角度调节，所述线圈对借助于磁体17偏转结构构件12。
[0057]在加工的进一步过程中，反射表面15的借助于线圈对14的偏转接下来被控制从而使得，通过激光加工装置I的控制装置控制，由结构构件12的反射表面15偏转的激光束2遵循轨迹的预定部分。在遵循轨迹的预定部分之后，激光束2再次被关闭。所述遵循或是从点到点地被控制或是限定的轨道被遵循。从而，通过同步启动和关闭或通过激光束2的功率调制并且通过结构构件12的偏转，所需标记能够被施加。工件能够是相对于设备静止的或可移动的。
[0058]在偏转角度修正控制装置20配置时，由角度检测装置19检测的实际位置被处理，从而使得实际位置与预定位置之间的偏差或被检测的轨道与预定轨道之间的偏差被检测，并且被修正的电流被输出到线圈对14。从而，实际位置/轨道被修正到预定位置/轨道，以使得用于运动的准确性的反馈系统被配置。
[0059]为了允许扫描器对于控制信号A的较快阶跃响应，控制信号A的预补偿能够进行。控制信号A由控制电压形成。预补偿能够根据例如刊载于IEEE/LEOS光学MEMS2004，Takamatsu，Japan，2004 年八月、由 Veljko Millanovic 和 Kenneth Castelino 所著的公开文献“Sub-100 μ s Settling Time and Low Voltage Operat1n for Gimbal-1essTwo-Axis Scanners”执行。图7A示出在无预补偿的情况下阶跃响应S的结果，并且图7B示出在有预补偿的情况下阶跃响应S的结果。阶跃响应S借助于PSD信号被检测。如在此见到的，利用具有164Hz的共振频率并且以80mA操作的示例性4乘4mm镜片，扫描器镜片能够被带到所需角度，即激光信号能够在有适当预补偿的情况下在5ms中(图7B)而非在无预补偿的情况下在700ms中(图7A)被引导到加工区域内的所需位置。
[0060]在微加工中或在快速原型化中的替代用途也是可想象的。
【主权项】
1.一种用于加工工件的激光加工装置(I)，所述激光加工装置(I)具有: 激光束源(22)，以及 用于偏转激光束源(22)的激光束(2)的设备(4)，所述设备包括: 安装本体⑶， 具有反射表面(15)的结构构件(12)， 柔性元件(13)，结构构件(12)能够通过所述柔性元件直接地结合到安装本体(3)，其中结构构件(12)能够围绕任意空间轴线偏转一偏转角度， 第一施力部件(17)和至少一个第二施力部件(14)，其中施力部件(14，17)中的至少一个能够控制使得两个施力部件(14，17)取决于触发朝向彼此吸引或推离， 其中施力部件(14，17)中的一个耦连到结构构件(12)，并且两个施力部件(14，17)被设置并且配合，从而使得结构构件(12)能够围绕任意空间轴线偏转一预定偏转角度。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置(I)，其中第一施力部件(17)为至少一个磁体或至少一个第一可静电充电构件，并且其中第二施力部件(14)为具有电磁力场的至少一个载流构件或至少一个第二可静电充电构件。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工装置(I)，其中设备(4)包括: 角度检测装置(19)，其用于检测结构构件(12)所偏转的实际偏转角度，以及 偏转角度修正控制装置(20)，其用于取决于预定偏转角度和实际偏转角度控制结构构件(12)的偏转，以使得实际偏转角度等于预定偏转角度。
4.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中在结构构件(12)处的第一施力部件(17)被设置在与反射表面(15)相反的部分中。
5.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中第一施力部件(17)被设置在结构构件(12)的结合元件(16)处。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的激光加工装置(I)，其中第一施力部件(17)在结构构件(12)处被设置在反射表面侧向。
7.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中第二施力部件(14)被设置在反射表面(15)侧向。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的激光加工装置(I)，其中第二施力部件(14)被设置在反射表面的下方。
9.根据权利要求2所述的或根据权利要求2连同权利要求3至8中任一项所述的激光加工装置(I)，相对于彼此竖直地旋转的至少两个载流元件或第二可静电充电构件被配置。
10.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中柔性元件(13)被设置在反射表面(15)的下方。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的激光加工装置(I)，其中柔性元件(13)被设置在反射表面(15)侧向。
12.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中反射表面(15)的偏转角度为至少±5度，优选地为至少±10度。
13.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中所述激光加工装置还包括用于将激光束(2)聚焦到工件上的光学装置。
14.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中入射到反射表面(15)上的激光束(2)产生具有预定形状和最大预定尺寸的激光斑，并且其中反射表面(15)具有基本上等于激光斑的预定形状和最大尺寸的形状和尺寸。
15.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中所述激光加工装置包括MHMS构件。
16.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中所述激光加工装置包括控制装置，所述控制装置用于控制激光束(2)的开启和关闭并且用于控制关于预定偏转角度的偏转，以使得激光束(2)在工件上遵循着轨迹的预定部分。
17.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中所述激光加工装置包括被附着到安装本体⑶的激光谐振器(5)。
18.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中激光加工装置(I)为激光标记装置。
19.一种用于通过根据权利要求18的激光加工装置(I)将激光标记施加在工件上的方法，包括以下步骤: 通过控制第一和/或第二施力部件(14，17)调节反射表面(15)的预定偏转角度； 借助于激光加工装置(I)的控制装置启动激光束(2); 控制第一和/或第二施力部件(14，17)，从而使得激光束(2)遵循工件上的轨迹的预定部分； 借助于激光加工装置(I)的控制装置关闭激光束(2)。
【专利摘要】一种激光束加工装置(1)被公布，其具有激光束源和用于偏转激光束源的激光束(2)以加工工件的设备(4)。设备包括安装本体(3)；具有反射表面(15)的结构构件(12)；柔性元件(13)，结构构件(12)通过所述柔性元件围绕任意空间轴线可偏转一偏转角度；第一施力部件和至少一个第二施力部件，由此施力部件(14，17)中的至少一个可控制，从而使得两个施力部件(14，17)取决于触发朝向彼此吸引或推离。施力部件(14，17)中的一个耦连到结构构件(12)，并且两个施力部件(14，17)被设置并且配合，从而使得结构构件(12)围绕任意空间轴线可偏转一预定偏转角度。通过所述装置，用于偏转对表面进行扫描的激光束的设备能够被配置，所述设备具有较小空间需求并且能够以廉价方式制造并且操作。
【IPC分类】B23K26-08, G02B7-182
【公开号】CN104812520
【申请号】CN201380053350
【发明人】C·焦莱克, S·马尔策内尔
【申请人】通快激光标记系统公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2013年9月13日
【公告号】EP2708308A1, EP2895294A1, US20150185472, WO2014041134A1
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有用于偏转激光束的设备的用于加工工件的激光加工装置，具体地，涉及一种特别地用于标记工件的激光加工装置。
【背景技术】
[0002]为了标记工件，已知激光加工装置，其中根据待施加的所需标记，激光束借助于扫描光学器偏转，并且激光束被聚焦到工件。
[0003]扫描光学器包括沿两个方向偏转激光束的两个可移动镜片。入射到工件的表面上的激光束接下来标记表面。例如由所谓的“矢量标识”(vector-labeling)完成的标记通过许多由点形成的单一线条组成，或在由其中区域被筛选的“位图标识”(bitmap-labeIing)完成时通过由单一点形成的区域组成。为此，激光束以极快速度被导引跨过工件。镜片通常借助于所谓的Galvo (即检流计)移动，所述Galvo相应地包括配置在被磁性地驱动的轴线上的镜片。通过在线圈处施加电压，磁场被形成并且包括永磁体的轴线根据电流强度克服弹簧的作用旋转，由此镜片被偏转(移动磁体)。还存在以下选项，磁体被固定地附着并且线圈被移动(移动线圈)。
[0004]镜片的定向的检测，即镜片的旋转角度的检测，能够借助于检测器(例如光敏传感器)执行。
[0005]根据Galvo的原理结构，附带的是每个具有一个镜片的至少两个Galvo对于工件的平面加工而言是必要的。这与对于扩大的空间和较高的成本而言的需求相关联，因为数个元件是必要的并且Galvo的功率需求高并且需要适当控制。
[0006]另一个缺点是对于每个Galvo而言用于相应轴线的单独位置检测系统是必要的。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是消除上文中的缺点并且提供一种激光加工装置，所述激光加工装置具有用于偏转扫描具有小空间要求的区域的激光束的设备并且所述激光加工装置能够以廉价的方式制造和操作。
[0008]所述目的由根据权利要求1所述的激光加工装置实现。本发明的进一步开发为从属权利要求的主题。
[0009]通过形成根据本发明的一方面的的激光加工装置，偏转单元能够以紧凑且廉价的方式构建在安装本体中，结构构件包括反射表面和第一施力部件，以及与第一施力部件互相作用的至少一个第二施力部件，从而结构构件围绕任意空间轴线可偏转。因此，反射表面可偏转，从而使得由反射表面偏转的激光束能够扫描区域。作为结果，可以以两个维度的方式标记相对于设备静止的工件。由于被移动质量低，因此仅低电流对于操作而言是必要的。
【附图说明】
[0010]本发明借助于实施方式利用附图的协助解释。
[0011]图1示出具有用于偏转激光束的设备的第一实施方式的激光加工装置的示意图；
[0012]图2示出具有用于偏转激光束的设备的激光加工装置的另一个实施方式的示意图；
[0013]图3示出用于偏转图1或2的激光束的设备的放大剖视图；
[0014]图4示出激光加工装置的另一个实施方式的示意图，其中激光谐振器和用于偏转激光束的设备被设置在公用安装板上；
[0015]图5示出具有用于偏转激光束的设备的第二实施方式的激光加工装置的又一个实施方式的示意图；
[0016]图6示出用于偏转激光束的设备的第三实施方式的一部分的示意图；
[0017]图7A示出扫描器在不进行任何预补偿的情况下针对驱动信号的阶跃响应的结果；以及
[0018]图7B示出扫描器在进行预补偿的情况下针对驱动信号的阶跃响应的结果。
【具体实施方式】
[0019]图1示出激光加工装置I的示意图，所述激光加工装置具有激光束源22和用于偏转激光束2的设备4的第一实施方式。激光束源22在此为呈光纤激光器形式的固态激光器，然而，所述激光束源还能够替代地为例如碟形激光器或棒状激光器。在另一个替代实施方式中，激光束源22被形成为气态激光器。
[0020]图1中的激光加工装置I包括传输纤维25，所述传输纤维引导激光束2经由光学解耦器到达偏转设备4。偏转设备4和光学解耦器26 (例如光学视准器)被设置在公用安装板3上。替代地，光学解耦器26还能够被设置在单独安装板上。
[0021]在图1中示出用于激光传递的传输纤维25。替代地，也能够提供在激光束源22与偏转设备4之间的自由光束耦合。
[0022]图2示出激光加工装置I的另一个实施方式。在此，与图1中的激光加工装置I不同的是，偏转设备4不从激光束源22空间地分离，而是偏转设备4的安装板3被附着(例如被螺固或黏合)到激光束源22。由此，光学解耦器能够被整合在激光束源中。
[0023]图3示出用于偏转图1或2的激光束2的设备4的放大剖视图。设备4包括安装本体3。紧凑偏转单元11包括结构构件12、柔性元件13、以及作为携带电流元件的两个线圈对14。
[0024]安装本体3被处理，例如被部分镀金并且被结构化。此外，设备4的一部分可选地由所谓的MEMS (微机电系统)元件制成，所述MEMs元件被单独地制造。由此，所述设备为由借助于MEMS技术制造的部件以及被“传统地”制造(即借助于材料去除和非切割成型)的部件组成的混合结构。
[0025]所谓的MEMS元件具体地包括结构构件12和柔性元件13，所述结构构件包括反射表面15和结合元件16。结构构件12至少在反射表面15的部分中由石英玻璃组成并且具有介电涂层。替代地，反射表面15的部分也能够由硅、陶瓷或金属组成和/或所述反射表面能够具有金属涂层。介电/金属涂层配置在反射表面15上，然而，所述介电/金属涂层也能够替代地附加地配置在相反侧上。
[0026]通过制造过程，腔室18被形成在安装本体3中。腔室18容置载流元件14、柔性元件13和具有作为第一施力部件17的磁体的结合元件16。替代地，腔室18不必必须形成，而是仅能配置在其中能设置构件的构造空间。
[0027]反射表面15必须尽可能大，以使得尽可能大的激光斑能够被重定向以便能够接下来在工件上产生小激光斑。然而，反射表面15越大，结构构件12的惯性质量就越大，由此更大的运动力是必要的。因此，增强的驱动元件，即载流元件14和/或磁体是必要的。结构构件12的方形反射表面15的宽度和长度在此为7.5mm乘7.5mm。替代地，所述宽度和长度为至少2mm乘2mm但小于15mm乘15mm并且优选地小于1mm乘10mm。由于激光束2以并非垂直入射的角度入射，因此反射表面15上的激光斑不是圆形的而具体地是椭圆形的。为了将反射表面15设计得尽可能小并且必要地大，反射表面15因此还能够具有椭圆、圆形或其它适当的形状和其它尺寸。反射表面15的形状和尺寸于是等同于激光斑的预定形状和最大尺寸。反射表面为平面，然而，所述反射表面也能够被设计为弯曲的。
[0028]此外，结构构件12配置有结合元件16。结合元件16被设置在远离反射表面15扭转的部分中。结合元件16在与反射表面15相反的部分中、在此为在端部处包括磁体17。然而，磁体17替代地不必配置在结合元件16的端部处，而是所述磁体也能够配置在结合元件16的任意位置处或在结构构件12的另一个适当位置处。同样替代地，在任意位置处的数个磁体能够被设置。
[0029]结合元件16经由柔性元件13被结合到安装本体3。柔性元件13被设计为将结合元件16和安装本体3结合的弹簧元件。柔性元件13被设置在反射表面15的下方。此外，替代在反射表面15下方布置的是，柔性元件13还能够被设置在反射表面15侧向。因此，设备4的高度被减小。通过提供柔性元件13，结构构件12围绕任意空间轴线可枢转。
[0030]围绕任意空间轴线的枢转能够被理解为围绕一个轴线的枢转或围绕空间坐标系统的两个轴线的叠加枢转，由此没有轴线被设置成相对于反射表面15垂直。这将仅导致反射表面15的旋转而不改变激光束2的偏转。通过围绕任意空间轴线的枢转，结构构件12以及因此反射表面15围绕偏转角度的偏转被允许。这允许激光束2到表面的由反射表面15的枢转范围划定的任意点的偏转。
[0031]第一线圈对14由相对于磁体17相反地处于平面中的两个线圈组成。在电流被施加到所述两个线圈时，第一线圈对14从而产生具有轴线的合成磁场。另一个线圈对14旋 转，从而使得所述另一个线圈对14的磁场的轴线平行于第一线圈对14被设置的平面旋转约90度，以使得线圈对14被设置成相对于彼此垂直地旋转。替代地，多个线圈对14是可能的并且线圈对14不允许相对于彼此垂直地旋转，而是所述多个线圈对能够相对于彼此具有另一个适当角度。本质上，磁体17能够通过由线圈对14产生的磁场被偏转，从而使得结构构件12围绕任意空间轴线可枢转所述偏转角度。激光束2的偏转的光学角度的更改为至少±10度，并且在替代实施方式中，优选地为±20度。由此，得出±5度或优选地±10度的反射表面15的偏转角度。
[0032]线圈对14被设置在反射表面15下方，然而，所述线圈对也能够替代地被设置在反射表面15侧向以便减小用于偏转激光束2的设备4的高度。
[0033]线圈对14被控制，从而使得结构构件12并且从而反射表面15不共振，以使得预定偏转角度可调节。
[0034]在高电流被施加到线圈对14的情况下，热产生大到偏转设备4的误操作或毁坏能够发生。然而，为了在必要的情况下以较高电流操作，主动地产生线圈对14下方温度梯度的装置被可选地配置。例如，所述装置能够为被直接地附着在线圈的下方的帕尔帖(Peltier)元件。替代地，以水穿过的安装板9能够被使用。
[0035]对于第二施力部件14，作为两个线圈对14的替代，平行传导路径作为载流元件是可能的。在所述两个实施方式中，偏转被磁性地产生。在另一个替代实施方式中，借助于第一可静电充电元件(例如借助于柔性元件13而非作为第一施力部件17的磁体充电的柱体)并且借助于作为第二施力部件14(例如有区别地充电的柱体元件)的第二可静电充电元件的电偏转器而非线圈对也是可想象的。本质上，第一施力部件17和第二施力部件14中的至少一个耦连到结构构件12，并且两个施力部件14、17中的至少一个被配置成使得其可控制，从而使得两个施力部件取决于触发被朝向彼此吸引或推离。
[0036]设备4可选地配置有角度检测装置19。角度检测装置19为所谓的PSD (位置敏感检测器)。PSD检测从反射表面15被偏转或从所述反射表面的后侧被偏转到表面的单独辅助激光束的位置。利用单独辅助激光束的位置，反射表面15的偏转的实际角度能够由角度检测装置19检测。替代地，角度检测装置19还能够使用线圈对14的线圈的电感的偏移以检测偏转角度。作为另一个替代，角度的改变还能够通过磁体的位置的改变、例如由霍尔传感器检测。用于角度检测装置19的另一个替代为提供LED而非辅助激光束源并且提供光敏二极管，或提供压阻式传感器。
[0037]此外，用于偏转激光束2的装置4可选地配置有偏转角度修正控制装置20。偏转角度修正控制装置20控制线圈对14，从而使得达到结构构件12的预定偏转角度。
[0038]图4示出激光加工装置I的另一个实施方式的示意图，所述激光加工装置具有作为激发介质的棒状固态介质和用于偏转激光束2的装置4。激光加工装置I在此包括安装本体3，激光谐振器5被设置在所述安装本体上并且所述安装本体包括设备4。
[0039]激光谐振器5包括高分辨率(HR)端镜片6、固态激光介质7、Q开关8和作为构件的解親镜片9。可选地，激光束2的变频(frequency conversat1n)是可能的，以便以不同的波长工作，从而，以最优地加工不同的材料。
[0040]通过也可选地被设置在安装本体3上的泵光束源23，泵辐射被产生并且被辐射到激光谐振器5。为了将泵辐射聚焦到激光谐振器5中，激光加工装置I包括由石英玻璃制成的透镜10。透镜10也能够替代地由另一个材料制成或所述透镜也能够为GRIN透镜，即梯度折射率(Gradient index)透镜。替代地，借助于光纤耦连到激光谐振器5的泵光束源能够被配置。
[0041]固态激光介质7由Yb:YAG组成，即掺镱钇铝石榴石激光器，或替代地由掺钕钇铝石植石(Nd:YAG)或钕I凡酸(Nd:vanadate)组成。替代地，镱I凡酸(Yb:vanadate)或另一个激光激发材料的另一个固态激光介质7是可能的。
[0042]解耦镜片9为单独光学装置，其包括面对激光介质的前侧上的介电涂层。介电涂层对于激光而言部分反射。
[0043]在具有脉冲产生器的激光器上，谐振器可选地包括用于产生密集且非常短的激光脉冲的Q开关8。Q开关8在此为声光调制器。替代地，Q开关8能够为电光调制器。替代地，还有其它类型的脉冲产生器，以及从而使用其它光学元件(例如借助于能够被浸泡在谐振器中的吸收器的被动模式耦合)是可想象的。
[0044]光学部件，即透镜10、高分辨率端镜片6、固态激光介质7、Q开关8和解親镜片9经由焊接固定在安装本体3上。替代地，存在将光学部件例如借助于黏合、激光熔焊、夹持或螺固与安装本体3结合的选项。
[0045]安装本体3由掺硅玻璃(微晶玻璃)组成。替代地，玻璃陶瓷(例如ULE、即超低膨胀钛硅酸盐玻璃)或陶瓷(例如氧化铝、氮化铝或氧化硅)是可能的。所述材料具有非常低的热膨胀系数。因此，激光谐振器5的布置能够被构造成温度稳定的。同样地在所述实施方式中，用于产生温度梯度的上述装置能够被可选地配置。
[0046]在所述实施方式中，用于偏转激光束2的设备4被整合在安装本体3中，激光谐振器5被建立在所述安装本体上。因此，获得与激光谐振器5中相同的热条件，由此整个激光加工装置I能够被构造成温度稳定的，以使得激光束2的实际目标位置大体上关联预定目标位置。
[0047]通过将用于偏转激光束2的装置4整合在安装本体3中，基本上可以以与针对激光谐振器5的产生以及针对设备4的产生类似处理步骤加工安装本体3。处理装置和用于将激光谐振器5的光学部件定位的夹具基本上还能够用于MEMS和非MEMS元件的组件。
[0048]角度检测装置19和偏转角度修正控制装置20也可选地配置在所述实施方式中。
[0049]作为另一个选项，激光加工装置I配置有光束形成单元24，所述光束形成单元包括用于影响激光束的光学部件。光束形成单元24在此仅被示意性地展示并且所述光束形成单元能够包括相对于激光束被设置在反射表面15的前方和后方的部件。因此，例如，激光束在反射表面15的前方被加宽并且所述激光束在反射表面15的后方被聚焦到工件。
[0050]此外，激光谐振器的光学部件或光束形成单元的光学部件能够被配置成使得散光能够例如通过柱体透镜的结合被修正。
[0051]激光加工装置I能够包括一个或多个折叠镜片(重定向镜片)，其中入射到反射表面15上的角度处于从10度到80度的范围中。
[0052]作为实施例，激光加工装置I在图5中被示出为具有用于偏转激光束2的设备4的第二实施方式。与在图4中被示出的实施方式的不同之处在于，激光束2在激光束2入射到反射表面15上之前借助于两个重定向镜片21重定向(折叠)并且从所述反射表面被偏转。由此，设备4的元件的布置使得MEMS元件能够与在图1至4中被示出的实施方式相比被更有利地安装。重定向镜片21的数量替代地不被确定为两个重定向镜片21，而是所述数量能够为另一个适当数量。替代地，重定向镜片还能够被设置在相对于安装本体3的上侧平行的平面中。
[0053]在图6中，用于偏转激光束的设备4的第三实施方式的一部分被示意性地示出。围绕设备4，屏蔽器件27在此被附着。所述屏蔽器件27为具有高磁导率(铁，锰游金属(软磁性铁镍合金)等)的材料层。借助于屏蔽器件27，由不可磁化材料组成的安装本体3中的由磁体17和/或载流元件14产生的磁场不由外部磁场影响。
[0054]由于磁体17朝向所述层吸引，因此屏蔽器件27相对于磁体17足够距离并且被同心地配置。作用在磁体17与屏蔽器件27之间的力应当较小，以使得借助于结合元件16结合到磁体17的柔性元件13不被过度地变形。在优选实施方式中，屏蔽器件27与磁体17之间的距离小于20mm，并且在特别优选实施方式中，所述距离小于10mm，以便将尽可能紧凑地维持所述装置。
[0055]所有前述替代实施方式具体地在没有相冲突的技术和/或商业原因情况下可结入口 ο
[0056]在使用中，激光束2由激光束源22产生，或由透镜10聚焦到激光谐振器5中的所谓的泵光由泵光束源23产生，由此激 光束2被产生。在借助于激光加工装置I的控制装置(未示出)调节反射表面15的预定偏转角度并且由激光加工装置I的控制装置开启激光束2之后，激光束2由结构构件12的反射表面15偏转所述预定偏转角度并且被引导到工件上或被聚焦到工件上。激光束2的预定偏转角度通过由激光加工装置I的控制装置借助于控制通过线圈对14的电流强度调节结构构件12的偏转角度调节，所述线圈对借助于磁体17偏转结构构件12。
[0057]在加工的进一步过程中，反射表面15的借助于线圈对14的偏转接下来被控制从而使得，通过激光加工装置I的控制装置控制，由结构构件12的反射表面15偏转的激光束2遵循轨迹的预定部分。在遵循轨迹的预定部分之后，激光束2再次被关闭。所述遵循或是从点到点地被控制或是限定的轨道被遵循。从而，通过同步启动和关闭或通过激光束2的功率调制并且通过结构构件12的偏转，所需标记能够被施加。工件能够是相对于设备静止的或可移动的。
[0058]在偏转角度修正控制装置20配置时，由角度检测装置19检测的实际位置被处理，从而使得实际位置与预定位置之间的偏差或被检测的轨道与预定轨道之间的偏差被检测，并且被修正的电流被输出到线圈对14。从而，实际位置/轨道被修正到预定位置/轨道，以使得用于运动的准确性的反馈系统被配置。
[0059]为了允许扫描器对于控制信号A的较快阶跃响应，控制信号A的预补偿能够进行。控制信号A由控制电压形成。预补偿能够根据例如刊载于IEEE/LEOS光学MEMS2004，Takamatsu，Japan，2004 年八月、由 Veljko Millanovic 和 Kenneth Castelino 所著的公开文献“Sub-100 μ s Settling Time and Low Voltage Operat1n for Gimbal-1essTwo-Axis Scanners”执行。图7A示出在无预补偿的情况下阶跃响应S的结果，并且图7B示出在有预补偿的情况下阶跃响应S的结果。阶跃响应S借助于PSD信号被检测。如在此见到的，利用具有164Hz的共振频率并且以80mA操作的示例性4乘4mm镜片，扫描器镜片能够被带到所需角度，即激光信号能够在有适当预补偿的情况下在5ms中(图7B)而非在无预补偿的情况下在700ms中(图7A)被引导到加工区域内的所需位置。
[0060]在微加工中或在快速原型化中的替代用途也是可想象的。
【主权项】
1.一种用于加工工件的激光加工装置(I)，所述激光加工装置(I)具有: 激光束源(22)，以及 用于偏转激光束源(22)的激光束(2)的设备(4)，所述设备包括: 安装本体⑶， 具有反射表面(15)的结构构件(12)， 柔性元件(13)，结构构件(12)能够通过所述柔性元件直接地结合到安装本体(3)，其中结构构件(12)能够围绕任意空间轴线偏转一偏转角度， 第一施力部件(17)和至少一个第二施力部件(14)，其中施力部件(14，17)中的至少一个能够控制使得两个施力部件(14，17)取决于触发朝向彼此吸引或推离， 其中施力部件(14，17)中的一个耦连到结构构件(12)，并且两个施力部件(14，17)被设置并且配合，从而使得结构构件(12)能够围绕任意空间轴线偏转一预定偏转角度。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置(I)，其中第一施力部件(17)为至少一个磁体或至少一个第一可静电充电构件，并且其中第二施力部件(14)为具有电磁力场的至少一个载流构件或至少一个第二可静电充电构件。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工装置(I)，其中设备(4)包括: 角度检测装置(19)，其用于检测结构构件(12)所偏转的实际偏转角度，以及 偏转角度修正控制装置(20)，其用于取决于预定偏转角度和实际偏转角度控制结构构件(12)的偏转，以使得实际偏转角度等于预定偏转角度。
4.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中在结构构件(12)处的第一施力部件(17)被设置在与反射表面(15)相反的部分中。
5.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中第一施力部件(17)被设置在结构构件(12)的结合元件(16)处。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的激光加工装置(I)，其中第一施力部件(17)在结构构件(12)处被设置在反射表面侧向。
7.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中第二施力部件(14)被设置在反射表面(15)侧向。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的激光加工装置(I)，其中第二施力部件(14)被设置在反射表面的下方。
9.根据权利要求2所述的或根据权利要求2连同权利要求3至8中任一项所述的激光加工装置(I)，相对于彼此竖直地旋转的至少两个载流元件或第二可静电充电构件被配置。
10.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中柔性元件(13)被设置在反射表面(15)的下方。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的激光加工装置(I)，其中柔性元件(13)被设置在反射表面(15)侧向。
12.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中反射表面(15)的偏转角度为至少±5度，优选地为至少±10度。
13.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中所述激光加工装置还包括用于将激光束(2)聚焦到工件上的光学装置。
14.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中入射到反射表面(15)上的激光束(2)产生具有预定形状和最大预定尺寸的激光斑，并且其中反射表面(15)具有基本上等于激光斑的预定形状和最大尺寸的形状和尺寸。
15.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中所述激光加工装置包括MHMS构件。
16.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中所述激光加工装置包括控制装置，所述控制装置用于控制激光束(2)的开启和关闭并且用于控制关于预定偏转角度的偏转，以使得激光束(2)在工件上遵循着轨迹的预定部分。
17.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中所述激光加工装置包括被附着到安装本体⑶的激光谐振器(5)。
18.根据在前权利要求中任一项所述的激光加工装置(I)，其中激光加工装置(I)为激光标记装置。
19.一种用于通过根据权利要求18的激光加工装置(I)将激光标记施加在工件上的方法，包括以下步骤: 通过控制第一和/或第二施力部件(14，17)调节反射表面(15)的预定偏转角度； 借助于激光加工装置(I)的控制装置启动激光束(2); 控制第一和/或第二施力部件(14，17)，从而使得激光束(2)遵循工件上的轨迹的预定部分； 借助于激光加工装置(I)的控制装置关闭激光束(2)。
【专利摘要】一种激光束加工装置(1)被公布，其具有激光束源和用于偏转激光束源的激光束(2)以加工工件的设备(4)。设备包括安装本体(3)；具有反射表面(15)的结构构件(12)；柔性元件(13)，结构构件(12)通过所述柔性元件围绕任意空间轴线可偏转一偏转角度；第一施力部件和至少一个第二施力部件，由此施力部件(14，17)中的至少一个可控制，从而使得两个施力部件(14，17)取决于触发朝向彼此吸引或推离。施力部件(14，17)中的一个耦连到结构构件(12)，并且两个施力部件(14，17)被设置并且配合，从而使得结构构件(12)围绕任意空间轴线可偏转一预定偏转角度。通过所述装置，用于偏转对表面进行扫描的激光束的设备能够被配置，所述设备具有较小空间需求并且能够以廉价方式制造并且操作。
【IPC分类】B23K26-08, G02B7-182
【公开号】CN104812520
【申请号】CN201380053350
【发明人】C·焦莱克, S·马尔策内尔
【申请人】通快激光标记系统公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2013年9月13日
【公告号】EP2708308A1, EP2895294A1, US20150185472, WO2014041134A1
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