KR0119480Y1 - 레이저빔의 2차원 주사방식을 사용한 마킹장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 금속, 세라믹, 유리, 플라스틱등의 재질을 갖는 가공시료등에 마킹하고자 하는 도안을 마킹하는 레이저 마킹장치에 관한 것으로, 종래의 마스크등을 사용하여 마킹할 때에는 일일이 마스크를 제작해야 하며, 제품마다 변하는 고유의 번호등과 같은 마킹이 불가능하였으나, 본 고안에서는 레이저소스로부터의 레이저빔을 받아서, 상기 레이저빔의 직경을 확대시키기 위한 빔확대기, 상기 빔확대기로부터의 출력신호를 받아 레이저빔의 주사위치로 주사하는 레이저빔 스캐너수단, 상기 레이저빔 스캐너수단으로부터 반사된 레이저빔을 집속하는 렌즈, 상기 레이저빔 스캐너수단을 구동시키는 레이저빔 스캐너구동부, 상기 레이저빔 스캐너구동부를 제어하는 마이크로컴퓨터를 포함하여, 상기 마이크로컴퓨터는 가공시료의 마킹위치에 대응하는 위치데이타를 상기 레이저빔 스캐너구동부에 전송하고, 상기 레이저빔 스캐너구동부는 이 위치데이타를 받아 상기 레이저빔스캐너수단의 진동거울의 회전각도를 제어하여 상기 레이저빔이 가공시료의 마킹위치에 위치되도록 하는 레이저마킹장치를 제공한다. 이로써, 별도의 마스크없이 레이저마킹이 가능하며 이동하는 가공시료에 대해서도 레이저마킹을 실시할 수 있어 다양한 제품에 레이저마킹을 할 수 있다.

Description

레이저빔의 2차원 주사방식을 사용한 마킹장치

제1도는 종래의 레이저 마킹장치 예시도.

재2도는 Nd:YAG 레이저를 니용한 본 고안의 실시 예시도.

제3도는 제2도의 가시광 반도체 레이저 모듈 구성도.

제4도는 본 고안의 작동원리를 설명하기 위한 좌표.

제5도는 본 고안에서 사용하는 레이저 빔 스캐너용 구동회로의 개략도.

제6도는 본 고안에서 복잡한 도형의 마킹시에 작동원리를 설명하기 위한 좌표.

제7도는 본 고안에서 마킹영역을 확대하기 위한 또 다른 실시 예시도.

제8도는 컨베이어 벨트 상의 가공시료를 마킹하기 위한 본 고안의 또 다른 실시 예시도.

제9도는 본 고안에서 사용하는 초음파 광음향소자의 작동원리를 설명하는 예시도.

제10도는 본 고안에서 사용하는 초음파 광음향소자의 구동신호를 설명하는 예시도.

제11도는 본 고안에서 사용하는 초음파광음향소자의 냉각장치 및 설치예시도.

제12도는 본 고안에서 레이저 매질을 펌핑하기 위한 또 다른 예시도.

제13도는 이산화탄소 레이저를 이용하는 본 고안의 또 다른 실시예.

제14도는 이산화탄소 레이저를 이용하는 본 고안의 실시예를 설명하기 위한 원리도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

9 : 레이저매질10 : 할로겐램프

11 : 광변조기12 : 후면경

13 : 출력경14 : 빔확대기

15,15':16,16' : 레이저빔 스캐너수단18 : f-θ렌즈

19 : 가시광선발생부21 : 광변조기구동부

22,23 : 레이저빔 스캐너구동수단24 : 마이크로컴퓨터

본 고안은 금속, 세라믹, 유리, 플라스틱 등의 재질을 갖는 시료의 표면에 레이저 빔을 조사하여 글자, 도안, 그림등을 인각하는 레이저 마킹장치에 관한 것이다.

종래에도 레이저 빔을 이용한 마킹장치가 있었으나 이들은 주로 마킹하고자 하는 무늬가 새겨져 있는 동판 등의 재질로 된 마스크를 이용하여 레이저마킹을 하는 것으로 그 동작원리를 제1도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

제1도에서, 레이저소스(1)에서 발생한 레이저 빔(1')은 두개의 렌즈(2a,2b)로 구성된 빔확대기(2)에 의해 빔경이 확대되고 확대된 레이저 빔은 4각형의 구멍이 나 있는 빔 차단기(3)에 의해 빔의 외주면에 위치한 부위가 차단되면서 중앙의 레이저 빔만 통과하게 되어, 빔 단면의 형태가 4각형 형태로 되게 된다. 이러한 레이저 빔은 원통형 렌즈(4)를 지나 마스크(5)에 접속하게 된다. 마스크(5)에는 마킹하고자 하는 무늬(5')에 해당하는 부분만이 제거되어 레이저빔이 통과할 수 있도록 되어 있다. 따라서 마스크(5)를 통과한 레이저빔은 투사렌즈(6)를 지나 결상면에 마킹무늬(5')와 동일한 형상으로 레이저빔의 도립 영상(7')이 맺히게 된다. 이 결상면에 마킹하고자 하는 시료(7)를 위치시키면 레이저빔의 에너지에 의해 시료표면의 성질이 변화하게 되어 주위와 시각적으로 구분되는 마킹무늬를 새겨넣을 수 있게 된다.

이러한 형태의 레이저 마킹장치의 광원으로는 펄스형 이산화탄소 레이저가 많이 사용되며 시료의 마킹면에 1회 혹은 수회의 레이저 펄스를 가해 마킹무늬를 새기게 된다. 그러나 이러한 마스크를 이용하는 마킹장치는 마스크를 일일이 제작해야 하는 번거로움이 있을 분 아니라 제품의 일련번호 등과 같이 마킹 시마다 변화하는 글자등을 바로바로 가공할 수 없게 되는 단점이 있다.

본 고안은 상술한 종래의 단점을 제공하기 위하여 별도의 마스크없이 레이저마킹이 가능한 레이저마킹 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 고안의 다른 목적은 이동하는 가공시료에 대해서도 레이저마킹을 실시할 수 있는 레이저마킹 장치를 제공하는 데 있다.

본 고안의 또 다른 목적은 레이저소스로서 Nd:YAG 레이저 혹은 이산화탄소 레이저를 적용할 수 있는 레이저마킹 장치를 제공하는 데 있다.

본 고안은 상술한 목적들을 달성하기 위하여, 레이저빔을 가공시료의 표면에 조사하여 레이저마킹을 수행하는 레이저마킹장치에 있어서,

레이저빔을 생성 출력하는 레이저공진기:

상기 생성된 레이저빔을 선택적으로 출력하는 광변조기;

상기 선택적으로 출력된 레이저빔의 직경을 확대시키기 위한 빔확대기;

상기 빔확대기로부터의 출력신호를 받아 레이저빔의 주사위치로 주사하는 레이저빔 스캐너수단;

상기 레이저빔 스캐너수단으로부터 반사된 레이저빔을 집속하는 렌즈; 상기 레이저빔 스캐너수단을 구동시키는 레이저빔 스캐너구동부;

상기 레이저공진기로부터의 레이저빔을 선택적으로 스위칭하도록 상기 광변조기를 구동제어하는 광변조기구동제어부;

상기 레이저빔 스캐너구동부 및 사기 광변조기 구동제어부를 제어하는 마이크로컴퓨터를 포함하며,

상기 마이크로컴퓨터는 가공시료의 마킹위치에 대응하는 위치데이타를 상기 레이저빔 스캐너구동부에 전송하고,

상기 레이저빔 스캐너구동부는 이 위치데이타를 받아 상기 레이저빔스캐너수단의 회전각도를 제어하여

상기 레이저빔이 가공시료의 마킹위치에 위치되도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저마킹 장치를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 구성 및 동작을 보다 상세히 설명하기고 한다.

본 고안에서는 종래의 단점을 제거하기 위한 실시예로써 제2도와 같이 구성하였다. 제2도에 도시된 바와 같이 레이저 본체(8)안에는 레이저 매질(9)을 펌핑하기 위한 할로겐 렘프(10)와 Nd:YAG와 같은 레이저 매질(9)이 들어 있고 레이저 광선을 스위칭하기 위한 광변조기(11)가 들어 있다. 또한, 상기 레이저공진기를 구성하기 위하여 후면경(12)과 출력경(13)이 레이저 본체(8)의 전후면의 광로상에 설치되어 있다. 상기 출력경(13) 전면에는 레이저 빔의 직경을 증대시키기 위한 두개의 렌즈(14a,14b)로 구성되어 있는 빔확대기(14)가 설치되어 있으며 또한 빔확대기(14) 전면의 광로상에는 레이저 빔을 주사하기 위해서 회전축에 진동거울(15',16')이 설치되어 있는 레이저빔 스캐너(15,16)를 2개 설치하되 진동방향이 서로 직각을 이루도록 하고 진동거울(15',16')에서 반사된 레이저 빔의 광로상에 f-θ렌즈(18)라 불리는 특수한 렌즈가 설치되어 있다. 또한 Nd:YAG 레이저는 발진파장이 1.06㎛로 적외선에 해당되어 시각적으로 확인이 불가하므로 후면경(12)뒤에 가시광선을 출사하는 헬륨네온 레이저소스(19)나 제3도와 같이 반도체 레이저소스(20a) 전면에 집속경(20b)이 달린 반도체 레이저모듈(20)을 설치하여 이러한 레이저 빔의 광로와 레이저본체의 광로와 일치되게 함으로써 광축조정이나 가동시료의 위치설정 등에 유용하게 사용할 수 있도록 하였다. 또한 상기 광변조기(11)를 구동하기 위한 광변조기 구동회로(21) 및 x,y축 레이저 빔 스캐너(15,16)를 구동하기 위한 구동회로(22,23)가 설치되어 있으며 이러한 모든 구동회로는 마이크로컴퓨터(24)에 연결되어 제어되도록 하였다.

이렇게 구성되는 본 고안을 Nd:YAG 레이저를 사용하는 경우의 실시예를 들어 그 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저 광변조기를 오프(off)한 상태에서 레이저 전원(도시 안함)을 가동하여 할로겐 램프(100를 온(on)시키면 램프의 에너지에 의해 레이저 매질(9)이 여기되지만 발진은 이루어지지 않게 된다. 이러한 상태에서 수동 온오프스위치(미도시)에 의해 동작되는 헬륨네온 레이저(19)를 발진시키고 광변조기(11)를 온으로 하면 이 가시광 레이저 빔은 후면경(12), 레이저 매질(9), 광변조기(11), 출력경(13), 빔확대경(14), x,y레이저 빔 스캐너(15,16) 및 f-θ렌즈(18)를 지나 가공시료(10)에 도달하게 된다. 이러한 레이저빔의 위치에 가공시료(10')의 마킹 부위의 중심을 위치시킨다.

이러한 상태에서 마킹을 개시하게 되는데 제4도에 예시한 바와 같이 8㎝x8㎝의 마킹영역(25)에 가로, 세로가 각각 4㎝이면서 5×5개의 점의 구성으로 이루어지는 글자를 마킹한다고 할 때 예를 들어 'Z'라는 영문자를 마킹한다고 하자. 최초에 마이크로컴퓨터(24)는 입출력(I/O)회로를 통해 x축 레이저 빔 스캐너의 구동회로(22)에 64라는 수를 전송하고, y축 레이저 빔 스캐너의 구동회로(23)에 192라는 수를 전송하게 된다. 이렇게 전송된 데이타는 제5도와 같이 구성된 레이저 빔 스캐너 구동회로(22,23) 내의 D/A 변환기(26)에 의해 아날로그 전압으로 변환하게 되고 이러한 전압은 오프셋회로(27)와 합해지게 된다. 여기서 오프셋 회로는 D/A 변환기의 출력이 보통 0~5V의 신호를 출력하므로 이를 -2.5~2.5V의 신호로 변환시키기 위한 회로부분이다. 또한 -2.5~2.5V사이의 전압신호는 전압전류변환회로(28)에 인가되어 신호의 크기에 비례하여 -I_P~I_P사이에 있는 전류신호로 증폭되게 된다. 여기서 ±I_P는 레이저 빔을 마킹영역의 최상, 최하점 혹은 최좌측, 최우측에 위치시키기 위해 레이저 빔 스캐너(15,16)의 구동코일에 인가되는 전류의 크기이다. 레이저 빔 스캐너의 0점 위치에서 회전하는 각도는 레이저 빔 스캐너(15,16)의 구동코일에 인가되는 전류의 크기에 비례하므로 결국 마이크로컴퓨터(24)에서 전송된 데이터의 크기에 비례하여 레이저 빔 스캐너(15,16)에 설치된 진동거울(15',16')의 회전각도가 결정되게 된다. 또한 f-θ렌즈(18)는 결상높이 h가 레이저 빔의 렌즈 입사각 θ와 촛점거리 f와의 관계는 h=f·Θ의 관계가 있으므로 촛점거리가 200㎜인 f-θ렌즈를 사용할 경우 레이저 빔 스캐너의 회전범위는 ±40㎜/200 radian=±11.5°가 되게 되고 회전각과 결상위치가 정비례하므로 레이저 빔 주사면, 즉 가공시료의 가공표면 상의 x,y 좌표상에서의 위치는 마이크로컴퓨터(24)에서 전송된 데이타의 크기에 비례하게 된다.

이러한 원리에 의해 결국 레이저 빔은 마킹영역의 x,y 좌표상의 점 m1(-2,2)에 위치하게 되고 이러한 상태에서 광변조기(11)를 온오프(on-off)하여 가공시료의 재질에 따라 최적의 마킹상태를 얻기 위하여 소정의 횟수만큼 레이저 펄스를 조사하게 된다. m1위치에서의 레이저 조사가 끝나면 다음은 x축 레이저 빔 스캐너의 구동회로(15)에 96라는 수를 전송하고, y축 레이저 빔 스캐너의 구동회로(16)에 192라는 수를 전송하여 마킹용 레이저 빔을 점 m2(-1,2)에 위치시킨 후 다시 레이저 펄스를 가하게 된다. 이러한 일련의 과정을 점 m13(2,-2)의 위치까지 연속적으로 실시하여 'Z'라는 영문자의 마킹을 완료하게 된다.

상기에 예시한 영문자의 마킹은 4㎝×4㎝의 영역에 5× 5개의 점으로 구성되는 영문자를 마킹하는 경우, 즉 점간 거리가 1㎝ 나 되는 경우로 실제로 활용되는 예는 아니다.

실제로 5㎝ × 5㎝ 의 마킹영역에 8비트의 D/A 컨버터를 사용하여 마킹을 실시하는 경우 점간 거리는 약 0.2㎜(=50㎜/2⁸)로 5㎜ × 5㎜ 크기의 글자를 25 x 25개의 점으로 구성할 수 있으므로 매우 정교한 글자를 마킹할 수가 있는 것이다.

글자나 바코드처럼 마킹점의 순서를 일일이 데이터로 프로그래밍하기 어려운 일반적인 도형이나 그림 등의 경우는 제6도에서 보는 바와 같이 s1선분에서 x축을 따라 레이저빔을 주사시키고 다음은 다시 마킹점간 거리만큼 y축을 따라 하향시킨 후 다시 s2선분을 따라 x축 스캐닝을 실시하다가 s3 주사선의 s3'영역처럼 무늬가 있는 경우에 레이저 펄스를 가하는 방식을 이용함으로써 복잡한 도형(29)을 마킹할 수도 있다. 또한 s3'영역과 sp',sq'의 영역에서처럼 명암이 있는 경우는 s3'영역에서 조사 레이저 펄스를 20개, sp'영역에서는 10개, sq'영역에서는 5개등을 조사하는 방식으로 명암이 나타나는 마킹을 실시할 수도 있다. 이러한 도형에 대한 데이터는 흔히 컴퓨터 그래픽 소프트웨어를 활용하여 생성시키거나 이미지스캐너 및 구동 소프트웨어를 활용하여 종이에 그려진 도형을 읽어들여 생성시킬 수도 있다. 한편 이러한 경우의 마킹에 대하여 x축 방향의 레이저빔 주사를 주주사, y축방향의 주사를 부주사로써 용어를 정의할 수 있다.

또한 주사영역이 5㎝ × 5㎝인데 가공시료의 크기가 이보다 크거나 시료의 크기는 이보다 작지만 여러개의 시료를 나열하여 마킹하는 경우 제7도와 같이 컴퓨터로 제어되고 x,y축 이송이 가능한 컴퓨터 제어형 2축 테이블(31)상에 가공시료(30)를 올려놓아 1회의 주사영역의 마킹이 끝나면 다음 주사영역으로 테이블을 이송하여 다시 마킹을 실시하는 방식으로 고유의 마킹넓이 5㎝ × 5㎝를 극복할 수 있다.

또 하나의 실시예를 들면 제8도와 같이 컨베이어(32)상에 가공시료(33)가 일렬로 나열되어 이송되고 있는 경우의 마킹을 시행하기 위한 장치로 제2도와 같이 주주사선 방향의 레이저 빔 주사는 x축 레이저 빔 스캐너를 이용하고 부주사선 방향의 이동은 컨베이어의 이동을 그대로 활용하는 방법이 있을 수 있다. 이러한 경우는 광감지 센서나 초음파 감지센서와 같은 물체 근접감지 센서(34) 및 센서구동회로(36)를 이용하여 가공시료(33)가 레이저 조사영역으로 인입되는 것을 인지하고 컨베이어 속도와 센서의 감지시간을 고려하여 마킹시작 시간을 설정할 수 있다. 또한 레이저 빔 스캐너의 진동주파수(f) 및 레이저 집속빔의 직경(ψ)을 고려하여 컨베이어 벨트의 속도(v)를 v=f×ψ와 같이 지정할 수 있다. 예를 들어 ψ가 0.2㎜이고 f가 1KHz일 경우 v=0.2 ×1000㎜/sec=200㎜/sec=12m/min, 즉 컨베이어의 이동속도는 분당 12m로 지정되어야 한다. 한편 주주사 및 부주사 방식을 이용하는 레이저빔 2차원 주사방식을 채택할 경우 주주사 방향의 레이저 빔 스캐너의 진동주파수가 높아야만 마킹 스피드를 높일 수가 있는데, 이를 위해서 x축 스캐너는 일반 주사방식에서 사용하는 랜덤형 스캐너보다 공진형 스캐너를 사용하는 것이 좋다. 이러한 공진형 스캐너는 최근 8KHz까지의 공진주파수를 갖는 것이 상업화되고 있는 실정이다.

또한 광변조기(11)와 연관한 레이저의 작동원리를 제9도와 같이 초음파 광음향소자를 응용한 경우으 실시예를 들어 설명하면 다음과 같다.

Nd:YAG 레이저의 경우 초음파 광음향소자는 수정(quartz)과 같은 레이저 파장 1.06㎛에 대해 투명한 광학재료(35)를 사용하며 그 하부에 초음파를 발생하는 PZT(piezoelectric transducer)와 같은 초음파발생소자(36)를 부착하여 PZT에서 발생한 주파수가 ν인 초음파가 광학재료(35)에 전달되어 광학재료 내부에 주기적인 밀도변화를 일으키게 된다. 이때 그 주기를 Λ라 하면 Λ=V/ν의 관계가 있게 된다(단 V는 광학재료 내부에서의 음파속도임). 이때 레이저 매질과 후면경이 이루는 광축과 광학재료 내부의 초음파면과 이루는 각도를 θ라 하면 브라그법칙에 의해 2·n·Λ·sinθ=λ여기서 n은 광학재료의 굴절율, λ는 레이저의 파장의 관계가 성립되는 각도θ로 광로가 꺽이게 된다. 따라서 출력경(13)을 이 꺽인 광로에 수직하게 광축조정하여 설치할 경우 초음파를 발생시킨 경우에만 후면경(12), 레이저 매질(9), 초음파 광음향소자(35) 및 출력경(13)이 레이저 공진기를 형성하여 레이저가 발진하게 되고 그렇지 않은 경우는 초음파 광음향소자를 그대로 통과한 빛은 광축외부로 반사되어 공진기가 형성되지 않으므로 레이저 발진이 불가능하게 된다.

한편 레이저 발진을 펄스 형태로 만들기 위해서는 제10도에서와 같이 마이크로컴퓨터(24)의 온오프신호(10a)에 따라 광변조기의 구동회로(21)는 구동신호(10b)를 발생시켜 초음파발생소자(36)에 인가하면, 비록 연속적으로 커져 있는 램프에 레이저 매질이 연속적으로 펌핑되고 있다 하더라도 상술한 바와 같은 원리에 의해 레이저가 펄스형태로 작동하게 된다. 이러한 경우 레이저 펄스의 출력(10c)은 큐스위칭(Q-switching)이라 일컫는 작용에 의해 연속발진모드의 출력치(10d)보다 수백 내지 수천배의 높은 값을 갖게 되는 것은 주지의 사실이다.

그러나 레이저 마킹과 같이 비교적 높은 출력의 레이저 펄스를 얻기 위해서는 초음파 광음향소자의 온도의 상승을 막는 장치가 동시에 설치해야만 안정된 레이저 동작을 얻어낼 수 있는데 이를 위해 본 고안에서는 제11도에 도시된 바와 같이 속이 비어 있는 직육면체 형태의 금속경통(37)을 제작하고 그 측면에 초음파 광음향소자의 광학재료(35)를 부착하도록 하고 금속경통(37)의 상하부에 냉각수의 입출구(37a,37b)를 설치하여 안정된 온도의 냉각수를 금속경통(37) 내부에 공급, 배출하여 온도의 상승을 막도록 하고 있다. 또한 조정나사(38')를 통해 각도를 정밀하게 조절할 수 있는 고니어 메터(38)위에 초음파 광음량소자를 설치함으로써 광축조정을 용이하게 하였다. 이러한 광변조기에 사용되는 광학재료는 레이저 파장에 대하여 투명하여야 하므로 파장이 10.6㎛인 이산화탄소 레이저의 경우는 수정(quartz)을 사용할 수 없고 대신 투과율이 좋은 징크셀레나이드(ZnSe) 결정이나 게르마늄(Ge)결정을 사용하여야 한다.

한편 제9도에 보면 레이저 매질(9)과 광변조기(35)사이에는 광축상에 원형의 구멍이 나 있고 그 구멍을 통해 레이저빔의 직경을 조절할 수 있는 조리개(39)를 설치하여 레이저 발진모드를 선택할 수 있다. 레이저는 기본모드인 싱글모드에서 원형의 단면을 갖고 강도분포가 가우시안 분포가 되게 되어 있는데 이를 위해서는 조리개의 구멍의 직경을 작게 해 줄 필요가 있다. 마킹을 정교하게 하기 위해서는 싱글모드를 선택하여야만 하는데, 이 경우 레이저 출력은 다른 모드에 비해 줄어들게 된다. 비교적 정교하지 않은 마킹이 허락되는 가공시료인 경우는 조리개를 열어 멀티모드로 레이저를 발진시켜 보다 센 출력을 활용함으로써 마킹스피드를 올릴 수 있다.

한편 일반적인 레이저 마킹에 사용할 수 있는 레이저는 Nd:YAG 레이저와 이산화탄소 레이저 등이 있는데 Nd:YAG레이저의 경우 파장이 1.06㎛이고, 이산화탄소 레이저의 파장10.6㎛에 비해 짧다. 레이저 빔을 렌즈로 촛점에 모았을 경우 그 촛점에서의 빔 직경은 파장에 비례하므로 Md:YAG 레이저가 이산화탄소 레이저에 비해 정교한 마킹을 하는데 유리하다.

그러나 Nd;YAG 레이저는 펌핑용 할로겐 램프와 Nd;YAG 결정을 냉각시키기 위해 별도의 수냉식 냉각장치가 필요하게 되므로 장치가 복잡해지고 고가가 되는 단점이 있다.

이러한 단점을 극복하기 위해 제12도에서 보는 바와 같이 고출력 반도체 레이저 배열(19')을 집광렌즈(40)로 집속한 후 후면경(12)방향으로 입사시켜 고효율의 펌핑을 실시하는 방법을 사용할 수 있다. 이러한 레이저는 반도체 레이저(19') 및 레이저 매질(9)의 냉각을 위해 반도체 냉각소자인 펠티어 소자(41)를 이용하여 소형으로 제작이 가능하고 혹은 냉각수를 이용한 냉각장치를 사용한다 해도 램프 펌핑형 레이저에 비해 작은 크기로 제작이 가능하다.

한편 f-θ렌즈에 의해 집속된 레이저 빔의 스폿 크기 ψ는 ψ=λ·F(F=D/f,D는 입사레이저 빔의 직경, f는 렌즈의 촛점거리)의 관계가 있어서 파장에 비례하고 레이저 빔경에 반비례하므로 스폿크기를 줄이기 위해서는 입사레이저 빔의 직경을 확대할 필요가 있으므로 빔확대기(14)를 사용한다. 빔확대배율 M은 렌즈1(14a)의 촛점거리 f1, 렌즈2(14b)의 촛점거리를 f2라 할때 M=f2/f1의 관계가 있다. 예를 들어 레이저 빔경이 2㎜이고 이를 8㎜로 확대하고자 할때는 f1=15㎜, f2=60㎜인 렌즈를 사용하면 된다.

한편 렌즈에 의해 집속된 레이저 빔의 촛점심도 △z는 △z=4λ·F²의 관계가 있으므로 예를 들어 이산화탄소 레이저의 경우 제13도에서 보는 바와 같이 F-θ렌즈를 사용하지 않고 빔확대경(14) 전방에 일반적인 집속렌즈(42)를 설치하고 다시 20㎜ 전방에 레이저 빔 스캐너(15)를 설치하여 사용하여도 빔확대기에서 출사된 레이저 빔경이 8㎜이고 촛점거리 f는 200㎜라면 촛점심도 △z는 25㎜가 되게 되는데 이러한 경우는 190㎜의 마킹영역을 확보할 수 있으므로(제14도 참조)실용화가 가능하다.

따라서 이산화탄소 레이저의 경우는 고가의 f-θ 렌즈(18)를 사용하지 않고 소형의 집속렌즈(42) 및 집속렌즈 전방에 레이저 빔스캐너를 설치하는 방식을 사용하는 것이 오히려 실용적이라 할 수 있다.

상기와 같은 구성 및 원리로 작동되는 본 고안을 이용하면 글자나 도안 등을 정교하게 가공시료의 표면에 정교하게 마킹해 넣을 수 있을 분만 아니라 컨베이어 상에서 이동하고 있는가 동시료에 대해서도 마킹을 실시할 수 있어 생산현장에 그대로 활용할 수 있다.

한편 Nd:YAG 레이저를 사용하는 본 고안의 경우 금속, 세라믹, 플라스틱 등과 같은 재질을 갖는 가공시료의 마킹에 적합하고, 이산화탄소 레이저를 사용하는 본 고안의 경우 유리등의 재질을 갖는 가공시료의 마킹에 적합하다.

Claims (9)

1. 레이저빔을 가공시료의 표면에 조사하여 레이저마킹을 수행하는 레이저마킹장치에 있어서, 레이저빔을 발생하는 레이저공진기; 상기 발생된 레이저빔을 선택적으로 출력하는 광변조기; 상기 선택적으로 출력된 레이저빔의 직경을 확대시키기 위한 빔확대기; 상기 빔확대기로부터의 출력신호를 받아 레이저빔의 주사위치로 주사하는 레이저빔 스캐너수단; 상기 레이저빔 스캐너수단으로부터 반사된 레이저빔을 집속하는 렌즈; 상기 레이저빔 스캐너수단을 구동시키는 레이저빔 스캐너구동부; 상기 레이저공진기로부터의 레이저빔을 선택적으로 스위칭하도록 상기 광변조기를 구동제어하는 광변조기 구동제어부; 상기 레이저빔 스캐너구동부 및 상기 광변조기 구동제어부를 제어하는 마이크로컴퓨터를 포함하며, 상기 마이크로컴퓨터는 가공시료의 마킹위치에 대응하는 위치데이타를 상기 레이저빔 스캐너구동부에 전송하고, 상기 레이저빔 스캐너구동부는 이 위치데이타를 받아 상기 레이저빔스캐너수단의 회전각도를 제어하여 상기 레이저빔이 가공시료의 마킹위치에 위치되도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저마킹장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 레이저빔 스캐너구동부는 상기 렌즈의 촛점거리가 f일때, 상기 마이크로컴퓨터로부터 X축 및 Y축 위치 데이타(X,Y)를 받는 경우 상기 레이저빔 스캐너수단이 X축으로 X/f의 각도만큼, Y축으로 Y/f의 각도만큼 회전하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저마킹 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 레이저빔 스캐너수단으로부터의 레이저빔을 받아, 복수개의 가공시료중에 어느 하나의 가공시료의 X축, Y축의 가공마킹이 완료되면, 상기 마이크로컴퓨터의 제어를 받아, 다음 공시료의 주사영역으로 이동가능한 2축테이블을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저마킹 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 가공시료가 컨베이어벨트상에서 제1방향으로 이동하는 경우, 상기 레이저빔 스캐너수단은 상기 제1방향과 직각인 방향으로 레이저빔을 반사시키는 수단을 가지며, 상기 컨베이어벨트의 근처에 위치하여 상기 움직이는 가공시료는 인지하는 물체근접센서와 상기 마이크로컴퓨터의 제어하에 상기 물체근접센서를 구동하는 센서구동회로를 더 포함하는 것을 특징을 하는 레이저마킹 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 레이저공진기는 레이저빔을 발생하는 레이저소스와 레이저소스로부터 출력한 레이저빔을 스위칭하는 광변조기, 상기 광변조기로부터의 레이저빔을 출력하는 출력경 및 외부로부터의 레이저빔을 받아들이는 후면경을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저마킹 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 레이저소스는 Nd:YAG와 같은 레이저매질과 상기 레이저매질을 펌핑하기 위한 복수의 반도체레이저를 포함함을 특징으로 하는 레이저마킹장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 후면경으로 가시광선을 입력하는 가시광선발생부를 더 포함함을 특징으로 하는 레이저마킹 장치.
8. 제6항에 있어서, 상기 광변조기는 고니어메터상부에 육면체 형태의 수정의 측면에 속이 빈 금속재질의 직육면체 형태의 금속경통을 부착하고, 상기 금속경통의 상하부에 각각 구멍을 뚫어 냉각수의 입구 및 출구로 하고, 상기 수정의 하부에는 초음파발생소자를 부착하여 구성한 것을 특징으로 하는 레이저마킹 장치.
9. 제5항에 있어서, 상기 레이저소스는 이산화탄소와 같은 레이저매질과 상기 레이저매질을 펌핑하기 위한 할로겐램프를 포함함을 특징으로 하는 레이저마킹 장치.