KR0141060B1 - Co2레이저가공장치 - Google Patents

Co2레이저가공장치

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KR0141060B1
KR0141060B1 KR1019940017208A KR19940017208A KR0141060B1 KR 0141060 B1 KR0141060 B1 KR 0141060B1 KR 1019940017208 A KR1019940017208 A KR 1019940017208A KR 19940017208 A KR19940017208 A KR 19940017208A KR 0141060 B1 KR0141060 B1 KR 0141060B1
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Abstract

본 발명은, 전자부품, 전자기기등의 정밀가공에 사용되는 CO2레이저가공장치에 관한 것으모서, 고속이고 또한 고정밀의 가공을 가공하게 하는 CO2레이저가공장치를 제공하는 것을 목적으로 한 것이며, 그 구성에 있어서, CO2레이저발진기(1)와, 회전동작하는 미러(3), (4)와, 미러(3), (4)에 의해 반사·주사되는 레이저광선을 소정의 평면상에 집속시키는 광학부품(7)을 가지고, 임의의 구멍가공에 있어서, 매초 100구멍 이상의 가공속도를 실현하는 것을 특징으로 한 것이다.

Description

CO2레이저가공장치
제1도는 본 발명의 제1실시예에 있어서의 CO2레이저가공장치의 구성을 표시한 도면
제2도는 동 fe 렌즈의 구성을 표시한 도면
제3도는 본 발명의 제2실시예에 있어서의 CO2레이저가공장치의 구성을 표시한 도면
제4도는 레이저광선주사영역과 가공영역의 관계를 표시한 모식도
제5도는 본 발명의 제3실시예에 있어서의 CO2레이저가공장치의 구성을 표시한 도면
제6도는 본 발명의 제4실시예에 있어서의 CO2레이저가공장치의 구성을 표시한 도면
제7도는 종래의 CO2레이저가공장치의 구성을 표시한 도면
*도면의 주용 부분에 대한 부호의 설명
1:CO2레이저발진기 2:레이저광선
3, 4:미러 5, 6:갈바노미러(galvano mirror)
7:fe 렌즈 8:유지기구
9:박판 10, 11:에어노즐
12:박판노즐 13:흡인장치
14:배기덕트 15:외장(外裝)커버
16:제어기기 17:X,Y2축의 가동스테이지
18:소정의 주사영역 19:미가공영역
20:빔스플릿터 21∼24:갈바노미러
25, 26:fe 렌즈 27:X·Y축 스테이지
본 발명은, 전자부품, 전자기기등의 정밀가공에 사용되는 CO2레이저가공장치에 관한 것이다.
가공에 사용되는 레이저발진기는, CO2레이저발진기, 및 Nd:YAG 레이저발진기의 2종류가 그 태반을 점유하고 있다. 그리고, CO2레이저발진기는, 구리(銅)재의 절단, 용접과 같은 용도에 사용되고, Nd:YAG 레이저발진기는 주로 정밀가공에 사용되고 있다. 이 적절한 사용은, Nd:YAG레이저발진기가 겨우 2Kw 정도의 레이저출력에 머물고 있는데 대해서, CO2레이저발진기는 10Kw 이상의 레이저출력을 얻을 수 있기 때문에 구리재의 가공등에 적합한 것, 및 CO2레이저발진기의 파장이 10.6㎛로 10배의 차이가 있으며, 레이저광선을 렌즈에 의해 집속된 때의 집광스풋직경이, Nd:YAG레이저쪽이 작게되기 때문에 정밀가공에 적합한 것에 기인하고 있다.
그러나, 가공하는 대상물의 소재가 수지나 유리등의, CO2레이저의 파장부근의 강은 잘 흡수하나, Nd:YAG레이저의파장 부근의 광은 흡수하기 어려운 것일 경우에는, 정밀 가공분야라고 할 수 있지만 CO2레이저발진기를 사용하는 선택을 하게 된다. 레이저응용가공의 분야에 있어서는, 이제까지는 CO2레이저발진기를 정밀가공에 사용하는 사례가 거의 없었기 때문에, 특별히 정밀가공은 목적으로서 CO2레이저가공장치는 만들어져 있지 않다. 따라서, 구리재의 가공용 혹은, 그 연장상의 CO2레이저가공장치가 종래예라고 하게 된다.
제7도에 종래의 CO2레이저가공장치의 구성의 일예를 표시한다. (28)은 CO2레이저발진기이고, (29)는 발진기로부터 출사한 레이저광선이고, (30)은 레이저광선을 반사하여 방향을 바꾸기위한 미러이고, (31)은 레이저광선을 집속시키기 위한 렌즈이며, (32)는 피가공물이고, (33)은 피가공물(32)을 이동해서 레이저광선을 조사하는 위치를 바꾸기 위한 가동스테이지이고, (34)는 CO2레이저발진기(28) 및 가동스테이지(33)의 제어기기이다.
피가공물(32)을 절단하는 경우에는, 레이저광선의 집속부가 절단부에 조사되도록 피가공물(32)의 위치결정을 행한 후, 제어기긱의 프로그램 수치제어에 따라서 피가공물(32)이 탑재된 가동스테이지(33)를 이동시키면서, 레이저광선을 연속해서 조사므로서, 소정의 절단형상이 일정하면, 레이저광선의 출력과 가동스테이지(33)의 이동속도의 관계에 의해 결정되나, 높은 형상정밀도가 요구되는 가공에 있어서는 가동스테이지(33)의 이동속도는 제한된다.
또, 피가공물(32)의 임의의 위치에 정밀한 구멍가공을 행하는 경우에는, 레이저광선이 조사되지 않는 상태에서 피가공물(32)이 탑재된 가동스테이지(33)를 이동시키고, 소정의 위치세어 일단정지시켜, 레이저광선을 조사해서 구멍가공을 행하고, 가공종료후는 다시 레이저광선이 조사되지 않는 상태에서 다음의 구멍가공위치까지 가공스테이지를 이동시킨다. 구멍가공의 가공속도는, 가동스테이지(33)의 이동·정지에 요하는 시간과, 레이저광선조사시간의 합계로 된다. 레이저광선조사시간이 짧은 경우에는, 가동스테이지(33)의 이동·정지시간이 지배적으로 되나, 이동거리가 비교적 짧은 경우라도, 1회의 이동·정지는 0.1초 이상을 요하는 것이 일반적이다.
종래의 CO2레이저가공장치는, 정밀한 가공을 행하는 경우의 가공속도가 가동스테이지(33)의 이동속도에 의해서 제한된다. 가동스테이지(33)의 이동속도는, 스테이지의 관성량, 모터작동자의 출력, 위치결정제어응답성을 개선하므로서 고속화되나, 현상기술에서의 고속화의 상한이 상기의 구멍가공에 있어서의 1회의 이동·정지당 0.1초 정도이고, 레이저광선의 조사시간을 무시해도, 매초 10구멍이상은 가공속도를 진척시킬 수 없다.
그래서, 본 발명은 고속 또한 고정밀도의 구멍가공을 가능하게 하는 CO2레이저가공장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 CO2레이저가공장치는, CO2레이저발진기로부터 출사한 레이저광선을 반사하고, 주사시키기 위한 1쌍의 회전동작하는 미러와, 상기 1쌍의 회전동작하는 미러에 의한 반사된 레이저광선을 소정의 평면상에 집속되는 작용을 가진 플랫피일드광학부품을 구비해서 이루어진 것이다.
이 구성에 의해, CO2레이저발진기로부터 출사한 레이저광선은 1쌍의 회전동작하는 미러에 의한 반사·주사된 후, 피가공물의 가공면상에 집속되고, 구멍뚫기, 절단등의 가공이 실행된다.
그리고, 가공속도는 상기 1쌍의 회전동작하는 미러의 동작속도에 의해 결정되나, 예를 들면 구멍가공을 행하는 경우, 1회의 회전이동, 정지에 요하는 시간은 0.01초이하가 가능하고, 상기 가동스테이지에 의해 제한되는 속도와 비교하면 10배 정도의 가공속도를 가능하게 한다.
이하 본 발명의 실시예의 CO2레이저가공장치에 대해서, 도면을참조하면서 설명한다.
제1도는 본 발명의 제1실시예에 있어서의 CO2레이저가공장치의 구성을 표시한 도면이다. 본 실시예는, 수지를 주된 소재로 하는 박판에의 구멍가공을 목적으로한 장치이다. 제1도에 있어서 (1)은 CO2레이저발진기이고, (2)는 레이저발진기(1)로부터 출사한 레이저광선이며, (3), (4)는 레이저광선을 반사시켜서 방향을 바꾸기 위한 미러이고, (5), (6)은 레이저광선을 편향·주사하기 위한 1쌍의 갈바노미터미러스캐너(이하 갈바노미러로 약칭함)이고, (7)는 갈바노미러(5), (6)에 의해 편향·주사된 레이저광선이 항상 동일평면상에 집속하도록 광학적으로 설계된 fe렌즈이고, (8)은 미러(4), 갈바노미러(5), (6), 및 fe 렌즈(7)를 입체적으로 유지하는 유지기구이고, 유지기구(8) 전체가 상하 동해서 레이저광선의 알라이멘트(alignment)를 손상시키는 일없이 fe 렌즈(7)와 피가공물과의 간격을 조정할때에 발생하는 비산물(砒酸物)로부터 fθ렌즈면을 보호하기 위한 에어커어튼을 만들어내는 에어노즐이고, (11)은 가공시에 발생하는 비산물을 불어날려버리기 위한 노즐이고, (12)는 박판위 유지기구이며, 박판의 가공물의 하부가 중공(中空)으로 되도록 가공이 실시되어 있다. (13)은 박판을 하부로부터 흡인해서 가공시에 발생하는 가스를 도망가게하는 흡인장치이고, (14)는 가공생성가스, 분진(粉塵)을 배출하는 배기덕트이고, (15)는 레이저의 차폐판도겸한 외장커버이며, (16)은 CO2레이저가공장치의 제어유닛이며, CO2레이저발진기, 갈바노미러 및 기타 가공장치에 포함되는 기기를 제어한다.
이하에 장치의 동작을 표시한다. 먼저 제어유닛(16)에 미리 입력된 가공데이터에 따라서, 레이저광선이 소정의 구멍가공위치에 조사되도록 갈바노미러(5), (6)이 회전위치 결정된다. 회전위치결정에 요하는 시간은 회전각도에 따라 달라지게되나, 본 실시예의 경우에는 평균해서 0.01초 이하이다. 위치결정 종료후, 제어유닛(16)으로부터 CO2레이저발진기(1)에 대해서 발광트리거신호가 보내지고, 소정의 레이저출력, 펄스폭으로 펄스형사의 시간파형을 가진 레이저광선이 CO2레이저발진기(1)로부터 출력된다. 레이저광선을 미러(3), (4)에 의해 반사된 후, 갈바노미러에 의해 소정의 방향으로 편향되고, fθ렌즈(7)에서 집속되어, 박판(9)에 조사되고, 구멍가공이 실시된다. 본 실시예의 레이저광조사시간은, 구멍 일개소당 0.001초 이하이다. fθ렌즈(7) CO2레이저용의 광학재료의 일종인 셀렌아연(약호:ZnSe)제의 3매 구성으로 이루어진 세트렌즈이며, 제2도에 표시한 바와 같이, 레이저광선의 집속부가 박판면에 대해서 거의 수직으로 조사되는, 소위 텔레센트릭(telecentric)광학계로서 설계되어 있다. 이에 의해 가공구멍은 박판가공면에 대해서 정밀도 좋게 수직으로 뚫려진다.
제3도에, 본 발명의 제2실시예에 있어서의 CO2레이저가공장치를 표시한다.
제1실시예인 박판을 탑재하는 X,Y2축의 가동스테이지(7)를 짜맞춘 구성으로 되어있다. 제1실시예에서는, 구멍가공 가능한 박판의 치수는 Fe 렌즈(7)의 설계에 의해 결정되는 레이저광선주사영역에 한정된다. 레이저광선주사영역보다 큰 치수의 박판을 가공할 필요가 있는 경우에는, 제4도에 모식적으로 표시한 바와 같이, 소정의 주사영역(18)을 가공한후, X·Y축 스테이지의 가동 범위까지의 치수의 박판을 가공할 수 있다. 본 실시예에 있어서의 레이저광선주사영역은 50mm*50mm의 직사각형이고, 예를 들면 100mm*100mm의 박판을 가공할 경우에는, 4개의 영역으로 나누어서 가공하게 된다. 또, 가공데이터는 미리 제어유닛내에서 4개의 영역에 대응하도록 분할되고, 가공의 진전과 동시에 순차적으로 판독된다.
제5도에 본 발명의 제3실시예에 있어서의 CO2레이저가공장치를 표시한다.
제3실시예는, 1대의 CO2레이저발진기로부터출사된 레이저광선을 빔스플릿터(20)에 의해 분기하고, 각 분기마다 갈바노미러(21), (22), (23), (24) 및 fe 렌즈(25), (26)를 구비하고, 동시에 2매의 박판의 가공이 가능한 구성으로 한 것이다. 또한, 분기수는 2분야로 한정되는 일은 없고, CO2레이저발진기의 출력에 여유가 있으면 4분기, 8분기등도 가능하다.
제6도에 본 발명의 제4실시예에 있어서의 CO2레이저가공장치를 표시한다.
본 실시예는, 제3실시예에 있어서 2매의 박판을 탑재할 수 있는 X·Y축스테이지(27)를 구비한 구성으로 되어 있다. 2축스테이지의 이동에 의해, 레이저광선의 주사영역보다 큰 박판치수를 가공하는 것을 탭재하는 것을 2분기의 각각에 구비한 구성을 취해도 상관없다.
이상, 제1∼제4실시예에 대해서 설명하였으나, 갈바노미러는 모터와 엔코더를 조합한 미러회로기구에 치환해도 되고, 요컨대 고속의 회전위치 결정을 할 수 있으면 된다. 또, fe 렌즈는 아크사인렌즈, 혹은 포물면미러를 사용해서 집속시킬 수 있는, 소위 플랫피일드의 작용을 가진 광학부품이면 된다. 이상과 같이, 본 실시예에 의하면, 주로 수지소재로 이루어진 박판에 종래예보다 약 10배의 고속으로 구멍가공을 할 수 있다. 또 X·Y축스테이지와 조합하므로서, 보다 넓은 가공영역을 얻을 수 있고, 또 레이저광선을 다분기하므로서 동시에 2매 이상의 박판의 가공이 가능하게 된다.
이상과 같이 본 발명의 CO2레이저가공장치는, CO2레이저발진기와 CO2레이저발진기로부터 출사한 레이저광선을 반사하고, 주사시키기 위한 1쌍의 회전동작하는 미러와 상기 1쌍의 회전동작하는 미러에 의해 반사된 레이저광선을 소정의 평면상에 집속시키는 작용을 가진 플랫피일드광학부품을 구비한 구성에 의해, 종래의 가동스테이지에서 피가공물의 위치결정을 행하는 CO2레이저가공장치와 비교해서, 특히 구멍가공에 있어서 약 10배이 속도로 정밀한 가공을 할 수 있다고 하는 이점을 구비한다.

Claims (2)

  1. CO2레이저발진기와 상기 CO2레이저발진기로부터 출사한 레이저광선을 반사하고, 주사시키기 위한 1쌍의 회전동작하는 미러와, 상기 1쌍의 회전동작하는 미러에 의해 반사된 레이저광선을 소정의 평면상에 집속시키는 광학부품과, 1축 이상의 가동위치결정 스테이지를 구비한 것을 특징으로 하는 CO2레이저가공장치.
  2. 1대의 CO2레이저발진기로부터 출사한 레이저광선을 복수로 분기하고, 각 분기마다 레이저광선을 반사하고, 주사시키기 위한 1쌍의 회전동작하는 미러와, 상기 1쌍의 회전동작하는 미러에 의해 반사, 주사되는 레이저광선을 소정의 평면상에 집속시키는 광학부품과, 1대의 CO2레이저발진기로부터 출사한 레이저광선을 복수로 분기하고, 각 분기마다 1축 이상의 가동위치 결정 스테이지를 구비한 것을 특징으로 하는 CO2레이저가공장치.
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