专利名称：快门单元及使用该快门单元的激光加工装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种选择性地进行激光束光程的开启和关闭的快门单元及使用该快门单元的激光加工装置。
背景技术：
作为现有技术中的这种快门单元有，在专利文献1中记载的光学快门，和在专利文献2中记载的激光加工机的快门机构。
专利文献1记载的光学快门，在激光束光程上设置有以垂直于激光束光轴的轴线为中心进行旋转的圆筒形快门部，在快门部的侧壁上，沿激光束光轴形成贯通孔。在该光学快门中，在开启激光束光程时使贯通孔位于激光束光轴上，穿过激光束；相反地，在关闭激光束时将贯通孔从激光束的光轴上移开，利用快门部的侧壁遮断激光束。
另外，专利文献2记载的快门机构，在以平行于激光束光轴的轴线为中心进行旋转的激光束遮光板上，在挟持旋转中心并相向的位置上分别设置有贯贯通孔和反射镜。在该快门机构中，在开启激光束的光程时使贯通孔位于激光束的光轴上，使激光束通过；相反，在激光束的光程关闭时使反射镜位于激光束的光轴上，将激光束向阻尼器反射。
专利文献1日本专利特开平7-193300号公报专利文献2日本专利特开平10-34368号公报然而，由于专利文献1记载的光学快门中，快门部为圆柱形，因此，由其侧壁遮断的激光束会散射，产生使该散射的激光束的一部份在某些状况下可返回激光振荡器的问题。
再者，由于专利文献2记载的快门机构中，由于贯通孔及反射镜分别位于挟持激光束遮光板上旋转中心并相对的位置上，因此快门机构不易实现小型化。
发明内容
有鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种可防止在激光束光程关闭时该激光束发生散射，并可实现小型化的快门单元和使用该快门单元的激光加工装置。
为达到上述目的，本发明的快门单元选择性地进行激光束光程的开启和关闭，其特征在于，具有以大致垂直于激光束光轴的轴线为中心进行旋转，并形成有使激光束通过的开口部和使激光束反射的反射面的旋转部件；和吸收由该反射面反射的激光束的光吸收部件。
在该快门单元中，当该激光束光程开启时，通过使旋转部件以大致垂直于该激光束光轴的轴线为中心旋转，使开口部位于激光束的光轴上，并使激光束通过。另一方面，当激光束光程关闭时，通过旋转该旋转部件，使反射面位于该激光束的光轴上，并使激光束反射。此时，由于利用光吸收部件吸收反射的激光束，因此，可在激光束光程关闭时防止被遮断的激光束发生散射。而且，由于使激光束通过的开口部和反射激光束的反射面均形成在以垂直于激光束光轴的轴线为中心进行旋转的旋转部件上，因此，可实现快门单元的小型化。
另外，优选为，旋转部件具有，以轴线为中心旋转的基部，和从基部向光轴侧延伸，并向轴线侧倾斜的倾斜板；开口部形成在基部和倾斜板之间；反射面形成在相对于轴线的倾斜板的外侧表面上。通过采用上述结构，可实现上述旋转部件的结构简化和小型化。此外，由于在将开口部置于激光束光轴的状态和将反射面置于激光束光轴的状态之间，旋转部件的旋转行程缩短，因此，可提高激光束光程的开启与关闭的切换速度。
另外，优选还具有驱动马达，该驱动马达具有设置在轴线上的旋转轴，并且旋转部件安装在旋转轴上。如上所述，通过将旋转部件直接安装在驱动马达的旋转轴上，可实现快门单元结构的简化。
另外，优选反射面将激光束向大致平行于轴线的方向反射，光吸收部件设置在由反射面反射的激光束的光轴上。由此，可使各组成部件的布局更高效，可实现激光单元的进一步小型化。
另外，优选具有第一光遮断器(photointerrupter)和第二光遮断器，在旋转部件上安装有，在开口部位于该光轴上时遮断第一光遮断器的光程，并在反射面位于光轴上时遮断第二光遮断器的光程的遮光板。通过采用如上结构，可利用第一光遮断器检测激光束光程的开启，并利用第二光遮断器检测激光束光程的关闭。
另外，本发明的激光加工装置，其特征在于，具有选择性地开启和关闭用于进行对象加工的激光束的光程的快门单元；快门单元具有，以垂直于激光束光轴的轴线为中心进行旋转，并形成有使激光束通过的开口部和使激光束反射的反射面的旋转部件；和吸收由反射面反射的激光束的光吸收部件。
由于该激光加工装置使用了本发明的上述快门单元，因此，可防止在激光束光程关闭时遮断的激光束发生散射，并实现快门单元小型化。
图1为本发明的激光加工装置的实施方式的结构图；图2为图1的激光加工装置中，在激光束光程关闭时快门单元内部结构的平面图；图3为沿图2的线III-III的剖面图；图4为沿图2的线IV-IV的剖面图；图5为图1的激光加工装置中，在激光束光程关闭时快门单元内部结构的平面图；图6为沿图5的线VI-VI的剖面图；图7为沿图5的线VII-VII的剖面图。
主要符号说明1 激光加工装置14快门单元55驱动马达56旋转轴57旋转部件58基部59倾斜板
61开口部62反射面63光吸收部64第一光遮断器65第二光遮断器66遮光板α、δ光轴γ 轴线L 激光束S 加工对象具体实施方式
下面，将参照附图对本发明的快门单元和激光加工装置的优选实施方式进行详细说明。
如图1所示，激光加工装置1，将焦点P调整至承载在基台2上的平板状加工对象S的内部，并照射激光束L，并在加工对象S内部形成因多光子吸收而生成的重整区域R。基台2可在上下和左右方向上移动并可旋转，在该基台2上方设置有，主要包括激光头单元3、光学系统本体部4和物镜单元5的激光发射装置6。
激光头单元3以可拆卸的方式安装在光学系统本体部4的上端部。该激光头单元3具有L型冷却夹套11，在该冷却夹套11的纵向壁11a内，以蛇行状态嵌设流通冷却水的冷却管12。在该纵向壁11a的前面安装有，向下方发射激光束L的激光头13，和选择性地进行从激光头13发射的激光束L光程的开启和关闭的快门单元14。由此，可防止激光头13和快门单元14过热。而且，激光头13使用例如Nd:YAG激光，作为激光束，发射脉冲宽度为1μs以下的激光束。
而且，在激光头单元3中，在冷却夹套11的底壁11b的下面，安装有用于调整该冷却夹套11倾斜等的调整部15。该调整部15用于使从激光头13发射的激光束L的光轴α在上下方向延伸与由光学系统本体部4和物镜单元5设定的轴线β一致。即，激光头单元3经由调整部15安装在光学系统本体部4上。然后，当利用调整部15调整冷却夹套11的倾斜等时，随着冷却夹套11的倾斜，也对激光头13的倾斜等进行调整。由此，激光束L将在使其光轴α与轴线β一致的状态下射向光学系统本体部4。而且，在冷却夹套11的底壁11b、调整部15和光学系统本体部4的框体21上，形成有使激光束L通过的贯通孔。
在光学系统本体部4的框体21中的轴线β上，按从上到下的顺序依次设置有使从激光头13发射的激光束L的光束尺寸扩大的扩束器22；调整激光束L输出的光学衰减器23；观察由光学衰减器23调整后的激光束L输出的输出观察光学系统24；和调整激光束L偏光的偏光调整光学系统25。而且，在光学衰减器23上设置用于吸收被消除的激光束的光束阻尼器26，该光束阻尼器26经由热管27连接至冷却夹套11。由此，可防止吸收了激光束的光束阻尼器26过热。
另外，为了观察承载在基台2上的加工理对象S，在光学系统本体部4的框体21上安装有使观察用可见光通过的光导向器28，并在框体21内设置CCD照相机29。观察用可见光经光导向器28引导至框体21内，并在依序通过视场光阑31、标线片32和分色镜33等后，由设置于轴线β上的分色镜34反射。反射后的观察用可见光沿轴线β向下方前进，并照射在加工对象S上。而且，激光束L透过分色镜34。
接着，由加工对象S表面反射的观察用可见光的反射光，沿轴线β向上方前进，并由分色镜34反射。由分色镜34反射的反射光再由分色镜33反射，并通过成像镜头35等射入CCD照相机29。在监视器(图未示)上显示由CCD照相机29进行摄像的加工对象S的图像。
另外，物镜单元5可拆卸地安装在光学系统本体部4的下端部。由于物镜单元5利用多个定位销确定相对于光学系统本体部4下端部的位置，因此，可以很容易地使设置在光学系统本体部4中的轴线β和设置在物镜单元5中的轴线β一致。在物镜单元5的框体41下端部，通过使用了压电元件的致动器43，在使光轴与轴线β一致的状态下安装加工用物镜42。而且，在光学系统本体部4的框体21和物镜单元5的框体41上形成通过激光束L的贯通孔。此外，在由加工用物镜42聚焦的激光束L的焦点P上的峰值功率密度达到1×108(W/cm2)以上。
另外，为使激光束L的焦点P位于距加工对象S表面规定的深度，在物镜单元5的框体41内设置发射测距用激光束的激光二极管44和受光部45。从激光二极管44发射测距用激光束，并依次经镜片46和半反射镜47反射后，由设置在轴线β上的分色镜48反射。被反射的测距用激光束沿轴线β向下方行进，通过加工用物镜42照射在加工对象S上。而且，激光束L透过分色镜48。
然后，由加工对象S表面反射的测距用激光束的反射光，再射入加工用物镜42，沿轴线β向上方前进，并由分色镜48反射。由该分色镜48反射的测距用激光束的反射光通过半反射镜45射入受光部45，并聚焦在将光敏二极管等分四分而形成的四个分割位置检测元件上。根据聚焦在这四个分割位置检测元件上的测距用激光束反射光的聚焦成像图案，可检测出由加工用物镜42形成的测距用激光束的焦点相对于加工对象S表面的位置。
下面，对利用如上构成的激光加工装置的激光加工方法进行说明。首先，将加工对象S承载在基台2上，移动基台2将激光束L的焦点P调整至加工对象S的内部。根据加工对象S的厚度和折射率、加工用物镜42的开口数等决定基台2的初始位置。
接着，从激光头13反射激光束，同时，从激光二极管44发射测距用激光束，移动基台2，以使由加工用物镜42聚焦的激光束L和测距用激光束沿加工对象S所需的线进行扫描。此时，由受光部45检测出测距用激光束的反射光，对致动器43进行反馈控制，以使激光束L的焦点P总是位于距加工对象S表面规定深度处，对加工用物镜42的位置在轴线β方向上进行微调。
因此，即使例如在加工对象S表面发生表面震动等，也可以在距表面规定深度的位置上形成由吸收光子而成的重整区域R。当如上所述在平板状加工对象S的内部形成线状重整区域R时，以该线状重整区域R为起点发生断裂，可沿线状重整区域R容易且高精度地将加工对象S切断。
下面，对上述快门单元14做进一步的说明。如图2和图3所示，快门单元14具有在左右方向上延伸并通过隔垫51安装在冷却夹套11的纵壁11a的前面上的立方体形框体52。在框体52的上壁52a上，沿从激光头13发射的激光束L的光轴α形成激光束L的入射孔53；在框体52的下壁52b上，沿激光束L的光轴α形成激光束L的出射孔54。
另外，在框体52的一边侧壁52c上安装驱动马达55，且该驱动马达处于55设置在框体52的外侧的状态下。该驱动马达55的旋转轴56，设置在大致垂直于激光束L的光轴α的轴线γ上，并贯通侧壁52c延伸至框体52内。如上所述，由于将驱动马达55设置在框体52外部，可对驱动马达55进行有效的散热。而且，驱动马达55是由一个脉冲信号使旋转轴56旋转30度的步进旋转螺线管型马达。
在框体52中，在旋转轴56的前端部上安装旋转部件57。该旋转部件57具有直接固定在旋转轴56上的长方体形的基部58，和从该基部58的一端在光轴α延伸且与轴线γ呈大致45度倾斜的倾斜板59。在该旋转部件57中，由基部58和倾斜板59围成的三角形空间形成，通过旋转轴56的旋转使之位于光轴α上并使激光束L通过的开口部61。另外，相对于轴线γ，将倾斜板59外侧的表面59a形成镜面，并成为通过旋转轴56的旋转使之位于光轴α上并反射激光束L的反射面62。由此，通过将旋转部件57直接安装在驱动马达55的旋转轴56上，可实现快门单元1结构的简化。
由于上述反射面62在位于光轴α上时，与光轴α之间具有约45度的角度，因此，将激光束L向与轴线γ平行的方向反射。在该反射后的激光束L的光轴δ上，安装有吸收激光束L的光吸收部63。由于该光吸收部63与框体52的冷却夹套11一侧的后壁52d相接触，因此，可防止吸收激光束L后的光吸收部63过热。而且，光吸收部63由铝、铜或陶瓷等形成，其利用喷沙处理使其表面变得粗糙，且在表面实施黑体处理。由此，可防止入射激光束L的全反射。
此外，如图2至图4所示，在框体52的后壁52d上安装第一光遮断器64，并在框体52的下壁52b上安装第二光遮断器65。然后，在旋转部件57的基部58的另一端部上安装有，在开口部61位于光轴α时遮断第一光遮断器64的光程，并在反射面62位于光轴α上时遮断第二光遮断器65的光程的遮光板66。
下面，对如上所述构成的快门单元14的动作进行说明。如图2～图4所示，在旋转部件57的反射面62位于光轴α上的状态下，当从激光头13发射激光束L时，激光束L通过形成在框体52的上壁52a上的入射孔53进入到框体52内，经反射面62反射后，由光吸收部件63所吸收。此时，安装在旋转部件57上的遮光板66将遮断第二光遮断器65的光程。从而，因激光加工装置1可检测到激光束L的光程关闭，因此，可进行例如，移动承载有加工对象S的基台2，以将加工对象S设置在相对于加工用物镜42规定位置上。
然后，当向驱动马达55传送两个脉冲信号，使旋转轴56从第一和第二光遮断器64、65一侧观察，逆时针旋转60度时，如图5～图7所示，旋转部件57的开口部61将位于光轴α上。由此，使从入射孔53进入框体52内的激光束L依序通过开口部61和形成在框体52的下壁52b上的出射孔54进入光学系统本体部4内，经加工用物镜42聚焦照射在加工对象S上。此时，安装在旋转部件57上的遮光板66将遮断第一光遮断器64的光程。从而，因激光加工装置1可检测到激光束L的光程开启，因此，可进行例如，移动承载有加工对象S的基台2，以对加工对象S进行激光束L扫描。
而且，当再次关闭激光束L的光程时，向驱动马达55传送两个脉冲信号，使旋转轴56从第一和第二遮断器64、65一侧观察，逆时针旋转60度，使旋转部件57的反射面62位于光轴α上。
如上所述，在快门单元1中，在激光束L的光程关闭时，经旋转部件57的反射面62反射的激光束L由光吸收部件63吸收。因此可防止在激光束L的光程关闭时，遮断的激光束L发生散射。
另外，在旋转部件57中，由于在基部58和倾斜板59之间形成有开口部61，并相对于轴线γ在倾斜板59外侧的表面59a上形成那个反射面62，因此，可实现旋转部件57的结构简化和小型化。而且，由于反射面62将光束L向与轴线γ大致平行的方向反射，并且光吸收部件63设置在经反射面62反射的激光束L的光轴δ上，因此，可使快门单元1中各组成部件的布局更高效。从而实现快门单元1的小型化。
另外，旋转部件57中，由于在使开口部61位于激光束L的光轴α上的状态和使反射面62位于该光轴α上的状态之间，旋转部件57的旋转行程缩短，因此，可提高激光束L光程的开启和关闭的切换速度。
本发明并不局限于上述实施方式。例如，开口部61并不局限于基部58和倾斜板59所围成的空间，也可以在旋转部件57上形成贯通孔，并将该贯通孔作为开口部61。
产业可利用性如上所述，根据本发明，可在激光束光程关闭时防止遮断的激光束发生散射，而且，可实现快门单元的小型化。
权利要求
1.一种快门单元，所述快门单元选择性地进行激光束光程的开启和关闭，其特征在于，具有以大致垂直于激光束光轴的轴线为中心进行旋转，并形成有使所述激光束通过的开口部和使所述激光束反射的反射面的旋转部件；和吸收由所述反射面反射的激光束的光吸收部件。
2.如权利要求1所述快门单元，其特征在于所述旋转部件具有，以所述轴线为中心旋转的基部，和从所述基部向所述光轴侧延伸，并向所述轴线侧倾斜的倾斜板；所述开口部，形成在所述基部和所述倾斜板之间，所述反射面形成在所述倾斜板的相对于所述轴线的外侧表面上。
3.如权利要求1所述快门单元，其特征在于具有，具有设置在所述轴线上的旋转轴的驱动马达；所述旋转部件，安装在所述旋转轴上。
4.如权利要求1所述快门单元，其特征在于所述反射面，将所述激光束向大致平行于所述轴线的方向反射；所述光吸收部件，设置在由所述反射面反射的激光束的光轴上。
5.如权利要求1所述快门单元，其特征在于具有，第一光遮断器和第二光遮断器；在所述旋转部件上安装有，在所述开口部位于所述光轴上时遮断所述第一光遮断器的光程，并在所述反射面位于所述光轴上时遮断所述第二光遮断器的光程的遮光板。
6.一种激光加工装置，其特征在于具有选择性地开启和关闭用于对加工对象进行加工的激光束的光程的快门单元；所述快门单元，具有以大致垂直于所述激光束的光轴的轴线为中心进行旋转，并形成有使所述激光束通过的开口部和使所述激光束反射的反射面的旋转部件；和吸收由所述反射面反射的激光束的光吸收部件。
全文摘要
本发明提供一种能够防止在激光束光程关闭时激光束发生散射，并可实现小型化的快门单元和使用该快门单元的激光加工装置。在快门单元(1)中，在激光束(L)的光程开启时，使旋转部件(57)以轴线(γ)为中心旋转，使开口部(61)位于光轴(α)上，并使激光束通过。另一方面，在激光束的光程关闭时，使旋转部件(57)旋转，并使反射面(62)位于光轴(α)上，反射激光束。此时，由于使反射的激光束由光吸收部(63)吸收，因此，在激光束光程关闭时，可防止激光束发生散射。而且，由于开口部(61)和反射面(62)皆形成在以大致垂直于光轴(α)的轴线γ为中心旋转的旋转部件(57)上，因此，可实现快门单元(1)的小型化。
文档编号H01S3/00GK1875310SQ20048003246
公开日2006年12月6日 申请日期2004年11月4日 优先权日2003年11月4日
发明者粟田典夫, 筬岛哲也, 楠昌好, 铃木达也, 和久田敏光 申请人:浜松光子学株式会社