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TWI352001B - Laser machining system and process for laser machi - Google Patents

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TWI352001B
TWI352001B TW094140613A TW94140613A TWI352001B TW I352001 B TWI352001 B TW I352001B TW 094140613 A TW094140613 A TW 094140613A TW 94140613 A TW94140613 A TW 94140613A TW I352001 B TWI352001 B TW I352001B
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Description

1352001
六、發明說明： • 一 * 【發明所屠之i拔術領域】 [0001]本發明涉及一種材料加工系統及加工方法，尤其係關於 一種對材料進行精確加工之雷射加工系統及加工方法。【先前技術】 L0002J 隨著3C(電腦、通訊及消費性電子）產業之不斷發展，實 現3C產品之高精度加工顯得亦愈加重要。 [0003]目前’ 3C產品之框架部件加工經常係採用衝壓方式。衝 壓，即藉由模具對板材施加壓力或拉力以形成剪切力去 除板材之多餘部分，並使板材成形，從而獲得具有—定 尺寸、形狀及性此之產品《然，分離後之板材多餘部分 ，因不能再被利用，其將成為廢料，進而造成原材料之 浪費，導致加工成本較高。
[0004]雷射加工方法亦係應用於3C產品之加工方法之一，其係 利用雷射器產生-雷射光束’經由定焦匯聚透鏡匯聚形 成一聚焦光斑，使該聚焦光斑照射於待加工件之目 工位置’並水平㈣該待加工件，《光斑照射處I待 加工件材料吸收熱量後將料局魏化，隨著工件之不 斷移動，即可達到加工目的。該方法避免了原材料之浪 費’還具有速度快、深/寬比高等優點。 '
[0005] 094140613 «节丁寻扎產品加工精度要 ’且其外形構造之設衫數較為，於水平移 工件進行雷射加工之過程中，待加工件表面不規 形構造’例如突起❹陷’將使其錢鏡距離將 化，由於匯料鏡之焦距以，其 表單編號A0101 第4頁/共15頁 τ取“、、耵主 1003289622-0 1352001 100年08月10日修正替换頁
[0008] [0009]
094140613 件上之聚焦光斑大小發生變化，從而導致加工精度不高 〇 / [0006] 有鑒於此，有必要提供一種雷射加工系统及加工方法， 其可實現高精度之雷射加工。 【發明内容】 [0007] 下面將以實施例說明一種雷射加工系統及加工方法，其 可實現高精度之1雷射加工。 一種雷射加工系統，用於加工一待加工件，其包括： 一雷射裝置，用於產生一雷射光束；一變焦透鏡裝置， 用於匯聚該雷射光束至待加工件之目標加工位置，所述 變焦透鏡包括一透鏡組件，所述透鏡組件從物側至像侧 依次包括一具有正光焦度之第一透鏡組及一具有負光焦 度之第二透鏡組，該第一透鏡組之折光係數為1^，該第 二透鏡組之折光係數為k2 ;於變焦過程甲，第一透鏡組 與第二透鏡組之間距為d12，其與該透鏡組件之折光係數 k12滿足關係：= + ;該二組元鏡頭 之有效焦距^及後焦距f/分別滿足：f/1/kp， f2=(1_di2xki)/ki2 = fi_(1_di2xki); 一控制裝置，用 於控制所述雷射裝置之製程參數；及一反饋裝置，用於 探測並處理加工過程中目標加工位置之訊息，並將處理 後之訊息反饋給所述變焦透鏡裝置及控制裝置，所述變 焦透鏡裝置根據所述反饋裝置反饋之訊息調節其焦距使 匯聚至待加工件目標加工位置之聚焦光斑始終保持為預 定大小，所述控制裝置根據所述反饋裝置反饋之訊息優 化雷射裝置之製程參數。 表單編號A0101 第5頁/共15頁 1003289622-0 100年08月10日修正替換頁 1352001 [0010} 以及一種雷射加工方法，包括步驟：
[0011] 將一待加工件裝載於一可動之底座上；提供一雷射裝置 ，以產生一雷射光束；提供一控制裝置，以設定雷射裝 置之製程參數；提供一變焦透鏡裝置以匯聚雷射光束為 一預定大小之聚焦光斑至待加工件之目標加工位置以進 行雷射加工；提供一反饋裝置，以於雷射加工過程中探 測並處理加工過程中目標加工位置之訊息，並將處理後 之訊息反饋給所述變焦透鏡裝置及控制裝置，所述變焦 透鏡裝置根據所述反饋裝置反饋之訊息調節其焦距使匯 聚至待加工件目標加工位置之聚焦光斑始終保持為預定 大小及優化雷射裝置之製程參數。 [0012] 所述雷射加工系統及加工方法，藉由變焦透鏡裝置根據 反饋裝置提供之反饋訊息來調節其焦距，以始終保持匯 聚至待加工件目標加工位置之聚焦光斑為預定大小，進 而可實現高精度之雷射加工。 【實施方式】
[0013] 下面結合附圖將對本發明實施例作進一步之詳細說明。 [0014] 參見第一圖，本發明第一實施例提供之雷射加工系統100 ，其包括：一雷射裝置10，一變焦透鏡裝置20，一控制 裝置30，及一反饋裝置40，用於產生一反饋訊息。 [0015] 所述雷射裝置10，用於產生一加工待加工件60之雷射光 束。該雷射裝置10可選用氣體雷射器、準分子雷射器或 固體雷射器，其種類之選擇，可根據待加工件之具體材 質而定：如果待加工件材質為玻璃或陶瓷，則選用氣體 094140613 表單編號A0101 第6頁/共15頁 1003289622-0 1352001 _ 1100年08月10 B接正替換頁 田射讀佳’如果待加工件材質為金屬或塑膠，則選用 固體雷崎較佳。本實施辦雷射裝置10為固體雷射器 ，其可選用工作波長為1〇64奈米之摻鈥釔鋁石榴石 (Nd YAG)田射益、工作波長為94〇奈米之鏡纪銘石梅石 (Yd-YAG)雷射器，或工作波長為ι〇47~ι〇64奈米之敛釩 酸鹽（Nd-Vanadate)雷射器等。另外由於雷射裝置 10於工作過程中會產生大量熱量為保證所述雷射裝置 10於工作過程中保持在最佳卫作溫度狀態，還可設置一 冷卻器102。
[0016] 所述變焦透鏡裝置20 ’用於匯聚雷射光束至待加工件6〇 之目標加工位置。該變焦透鏡裝置2〇可根據反饋裝置4〇 提供之反饋訊息調整其自身之焦距，以維持聚焦雷射光 束於待加工件60目標加工位置之光斑大小。該變焦透鏡 裝置20包括一透鏡組件、一驅動裝置2〇6及一聚焦控制器 208 ^該變焦透鏡裝置20可為一二組元鏡頭，其透鏡組件 從物侧至像側依次包括一第一透鏡組2〇2及一第二透鏡組 204。第一透鏡組202具有正光焦度，其折光係數為、； 第二透鏡組204具有負光焦度’其折光係數為k ^於變焦 2 過程中，第一透鏡組202與第二透鏡組2〇4之間距為(112， 其與該二組元鏡頭之折光係數k12滿足關係： d12 = (kl+k2_k12)/klXk2。該二組元鏡頭之有效焦距~及 後焦距%分別滿足：，f2 = (l-d12x kl)/k12 = fl_(1_d12Xkl)。可以理解的是，該變焦透鏡 裝置20並不限於二組元鏡頭，其還可為三組元或四組元 變焦鏡頭，只要其可實現變焦之功效均可。所述驅動裝 094140613 表單編號A0101 第7頁/共15頁 1003289622-0 1352001 100年08月10日慘正_頁 置206可用於驅動第一透鏡組2〇2及第二透鏡組2〇4以實 現後;焦，其可以選用壓電馬達、步進馬達或音圈馬達等-_ 。所述聚焦控制器208可藉由接收反饋裝置4〇提供之反饋 訊息來控制所述驅動裝置2〇6實現變焦透鏡裝置2〇之調焦 [0017] 所述控制裝置30，用於控制該雷射裝置10之製裎參數 如脈衝能量、脈衝間隔及脈衝重複頻率等製程參數。 [0018] 所述反饋裝置40，包括一光監測器402及一訊息處理終端 4 0 4。加工過程中，所述光監測裝置4 〇 2可探測待加工件 目標加工位置之實時訊息，並將探測到之訊息傳送至所 述訊息處理終端404，如電腦，進行處理；經訊息處理終
端404處理後之訊息反饋給所述變焦透鏡裝置2〇之聚焦栌 制器208及控制裝置30。該變焦透鏡裝置2〇之聚焦和制π 208可根據該反饋訊息來控制驅動裝置2〇6進行實時調焦 ，該控制裝置3 0可根據該反饋訊息對加工過程中之製矛 參數進行最優化處理。 [0019] 094140613 另外’該雷射加工系統1〇〇還可進一步包括一底座 於承載待加工件60。該底座50可於其所處空間内沿第一 圖所示X轴、y軸及ζ軸任一方向移動，其中，χ輛、' y轴> ζ轴相互垂直。優選的，所述底座50還可繞第一圖中所 轴線00,做左、右傾斜運動。優選的，所述雷射加工系 統100還可進一步設置一冷卻裝置70，用於冷卻待加工' 60之目標加工位置’該冷卻裝置70設於底座5〇上，y ，待办 工件60裝載於底座50上時，冷卻裝置7〇可與待加工件6 相接觸，以降低待加工件60之溫度，避免待加工件 表單編號A0101 第8頁/共15頁
1003289622-0 100年08月10日修正替換頁 f部過熱而導致加工面不平滑。該冷卻裝置70可為一熱 ^冷卻器。 .Γ ...- - [0020] 另一實施例中，所述雷射加工系統1〇〇還可於雷射光束從 雷射裝置10到變焦透鏡裝置20之光路間設置一光閘80， 以用於調節由雷射裝置1〇所產生繼而到達變焦透鏡裝置 20之雷射光束之大小。 [0021] 下面將具體描述一種採用該雷射加工系統1〇〇進行工件加 工之加工方法，其包括以下步驟： ^ [0022] (1)將待加工件60固定於可動之底座50上，並使待加工件 60與冷卻裝置70相接觸。 [0023] (2)啟動雷射裝置1〇，以產生一用於對待加工件6〇進行加 工之雷射光束。 [0024] • (3)藉由控制裝置30，初始設定雷射裝置1〇所產生雷射光 束之脈衝能量、脈衝間隔以及脈衝重複頻率等製程參數 。本實施例中，可將脈衝能量設為30〜300微焦耳；將脈 衝間隔設為30~3000毫秒，優選的，脈衝間隔設為 100~500毫秒；將脈衝重複頻率設為1〜1〇千赫茲（kHz) 〇 [0025] (4)藉由變焦透鏡裝置20匯聚雷射光束為—預定大小之聚 焦光斑，並投射至待加工件6〇之目標加工位置。本實施 例中，該聚焦光斑大小為卜1〇〇〇微米；優選的，聚焦光 斑大小為10~100微米。 [0026] (5)藉由底座50移動待加工件6〇以進行雷射加工；於待加 表單編號A0101 094140613 第9頁/共15頁 1003289622-0 1352001 [0027] [0028] [0029] [0030] [0031] 094140613 100年08月10日修正_頁 工件60之加工過程中，藉由反饋裝置4〇探測並處理加工 過程中目標加工位置之訊遣射嫌將處理後之訊息反饋給 變焦透鏡裝置20及控制裝置3〇。該變焦透鏡裝置2〇根據 該反饋之訊息調整其焦距，以始終保持匯聚至待加工件 60之目標加工位置之聚焦光斑為預定大小。該控制裝置 川"j根據該反饋訊息對雷射裝置i〇進行製程最優化處理 。優選的，於待加工件6〇之加工過程中，打開冷卻裝置 70對待加工件60進行冷卻，以降低待加工件⑽之溫度， 避免待加工件_局部過熱而導致加X面不平滑。 本發明實施例提供之雷射加工系統及加工方法藉由變_ 焦透鏡裝置2G根據反饋裝置4()提供之反饋訊息來調節其 焦距’以始終保持匯聚至待加工件6〇目標加工位置之聚 焦光斑為預定大小’進而可實現高精度之雷射加工。 另’本領域技術人員還可於本發明精神内做其他變化， 如適當變更M、透鏡裝置 '反饋裝置之結構，以用於本 發明等設計。 综上所述，本發明確已符合發明專利要件，爰依法提出 · 專利申請°惟’以上所述者僅為本發明之較佳實施例， 舉凡熟悉本案技藝之人士，於援依本案發明精神所作之 等效修飾或變化，皆應包含於以下之申請專利範圍内。 【圖式簡單說明】 第-圖係本發明實施例雷射加H之示意圖。 【主要元件符號說明】 雷射裝置：10 表單編號A0101 第10頁/共15頁 1003289622-0 1352001 100年08月10日核正替换頁 [0032] 冷卻器：102 [0033] 變焦透鏡裝置：20 " ' [0034] 第一透鏡組：202 [0035] 第二透鏡組：204 [0036] 驅動裝置：206 [0037] 聚焦控制器：208 [0038] 控制裝置：30 # [0039] 反饋裝置：40 [0040] 光監測器：402 [0041] 訊息處理終端：404 [0042] 底座：50 [0043] 待加工件：60 [0044] [0045] 冷卻裝置：70 光閘：80 094140613 表單編號A0101 第11頁/共15頁 1003289622-0

Claims (1)

1352001 100年OS月10日梭正替換頁 七、申請專利範圍： 1 . 一種雷射加工系統，用於加工一待加工件，其包括： 一雷射裝置，用於產生一雷射光束；
一變焦透鏡裝置，用於匯聚該雷射光束至待加工件之目標 加工位置，所述變焦透鏡包括一透鏡組件，所述透鏡組件 從物側至像侧依次包括一具有正光焦度之第一透鏡組及一 具有負光焦度之第二透鏡組，該第一透鏡組之折光係數為 ，該第二透鏡組之折光係數為k2 ;於變焦過程中，第一 透鏡組與第二透鏡組之間距為di2，其與該透鏡組件之折 光係數k12滿足關係：= + ;該二組 元鏡頭之有效焦距、及後焦距f/分別滿足：；^ = 1/、2， f2 = (l-d12xk1)/k12 = f1-(l-d12xk1); 一控制裝置，用於控制所述雷射裝置之製程參數；
一反饋裝置，用於探測並處理加工過程中目標加工位置之 訊息，並將處理後之訊息反饋給所述變焦透鏡裝置及控制 裝置，所述變焦透鏡裝置根據所述反饋裝置反饋之訊息調 節其焦距使匯聚至待加工件目標加工位置之聚焦光斑始終 保持為預定大小，所述控制裝置根據所述反饋裝置反饋之 訊息優化雷射裝置之製程參數。 2 .如申請專利範圍第1項所述之雷射加工系統，其中，所述 雷射裝置選自氣體雷射器，準分子雷射器及固體雷射器。 3.如申請專利範圍第2項所述之雷射加工系統，其中，所述 固體雷射器選自鈥釔鋁石榴石雷射器、镱釔鋁石榴石雷射 器及鈥釩酸鹽雷射器。 4 .如申請專利範圍第1至3項任意一項所述之雷射加工系統， 094140613 表單編號A0101 第12頁/共15頁 1003289622-0 1352001 100年08月10日按正替換頁 其中，所述雷射裝置還設有一冷卻器，用於冷卻該雷射裝 置。 . 5 .如申請專利範圍第1項所述之雷射加工系統，其中，所述 變焦透鏡裝置包括一驅動裝置及一聚焦控制器。 6 .如申請專利範圍第5項所述之雷射加工系統，其中，所述 驅動裝置選自壓電馬達、步進馬達及音圈馬達。 7 .如申請專利範圍第1項所述之雷射加工系統，其中，所述 反饋裝置包括：
一光監測器，用於探測加工過程中待加工件目標加工位置 之訊息；及 一訊息處理終端，用於處理由該光監測器傳達之訊息，並 將處理後之訊息反饋給所述變焦透鏡裴置及控制裝置。 8 .如申請專利範圍第1項所述之雷射加工系統，其中，所述 雷射加工系統還包括一底座，用於承載待加工件，該底座 < 可於水平及垂直方向移動。 9 .如申請專利範圍第8項所述之雷射加工系統，其中，所述
雷射加工系統還包括一冷卻裝置，其設置於底座上，用於 冷卻待加工件。 10 .如申請專利範圍第9項所述之雷射加工系統，其中，所述 冷卻裝置為一熱電冷卻器。 11 .如申請專利範圍第1項所述之雷射加工系統，其中，所述 雷射加工系統還包括一光閘，其設於雷射裝置與變焦透鏡 裝置之間，用於調節雷射光束之大小。 12 . —種雷射加工方法，包括步驟： 將一待加工件裝載於一可動之底座上； 提供一雷射裝置，以產生一雷射光束； 094140613 表單編號A0101 第13頁/共15頁 1003289622-0 1352001 100年08月10日核正替換頁 提供一控制裝置，以設定雷射裝置之製程參數； 提供一變焦透鏡裝置以匯聚雷射光束為一預定大小之聚焦 光斑至待加工件之目標加工位置以進行雷射加工，所述變 焦透鏡包括一透鏡組件，所述透鏡組件從物側至像側依次 包括一具有正光焦度之第一透鏡組及一具有負光焦度之第 一、委 r一 /ris 、备 Λ*. /.— Λ- iU Ais —、養 h-ft. Λ— —边·规？且，βϋ牙》一边规sa <外7Ό Ί尔教两κ丄，5¾牙》—边规？且
之折光係數為k2 ;於變焦過4呈_，第一透鏡組與第二透鏡 組之間距為dl2，其與該透鏡組件之折光係數kl2滿足關 係：dl2 = (kl+k2-kl2)/klxk2 ;該二組元鏡頭之有效焦 距fl及後焦距f2分別滿足：fl = l/kl2，f2 = (l-dl2x kl)/kl2=fl-(l-dl2xkl)；
提供一反饋裝置，以於雷射加工過程中探測並處理加工過 程中目標加工位置之訊息，並將處理後之訊息反饋給所述 變焦透鏡裝置及控制裝置.，所述變焦透鏡裝置根據所述反 饋裝置反饋之訊息調節其焦距使匯聚至待加工件目標加工 位置之聚焦光斑始終保持為預定大小，所述控制裝置根據 所述反饋裝置反饋之訊息優化雷射裝置之製程參數。 13 .如申請專利範圍第12項所述之雷射加工方法，其中，所述 聚焦光斑大小為1〜1 000微米。 14 .如申請專利範圍第13項所述之雷射加工方法，其中，所述 聚焦光斑大小為10〜100微米。 094140613 表單編號A0101 第14頁/共15頁 1003289622-0
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