KR100273717B1 - 레이저빔을 이용한 엔코더의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 레이저빔을 이용하여 엔코더의 패턴을 형성하는 방법이 제공된다.

엔코더를 제조하는 방법은 광투과성 소재에 금속박막을 형성한 후, 금속박막을 선택적으로 제거하여 다수의 슬리트를 형성함으로써 이루어진다. 먼저, 레이저 발진기와 레이저빔 조절기구와 이송가능한 가공물 설치대를 갖는 레이저 가공장치의 상기 가공물 설치대에 엔코더 소재를 위치시킨다. 다음에 레이저빔의 경로에 상기 엔코더의 상기 슬리트 중 적어도 일부와 대응하는 패턴을 갖는 마스크를 위치시키고, 상기 마스크를 통하여 상기 엔코더 소재에 레이저빔을 조사하여 슬리트를 형성한다. 마스크와 상기 엔코더 소재 사이에 집속렌즈를 위치시키면, 마스크를 통과한 레이저빔이 상기 엔코더 소재에 축소 투영된다. 마스크가 상기 하나 또는 2 이상의 슬리트와 동일한 패턴을 구비하고, 상기 엔코더 소재를 사전설정된 피치만큼 이동시킨 후 레이저빔을 조사하면, 로터리 엔코더와 같이 규칙적으로 반복되는 슬리트를 형성하는 것이 가능하다.

Description

레이저빔을 이용한 엔코더의 제조 방법 (Method for making encoder by using laser beam)

본 발명은 엔코더의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 레이저빔을 이용하여 1:1 투영 또는 축소 투영의 방법으로 엔코더를 제조하는 방법에 관한 것이다.

로터리 엔코더와 같이 금속박막을 제거하여 슬리트를 형성하는 제품은 화학적 가공법인 포토에칭(photo etching) 방법을 적용하여 제조하여 왔다. 통상의 로터리 엔코더의 제조공정은 다음과 같다. 먼저 유리 재료를 탈지시키고, 유리의 일면에 크롬을 도금한다. 그 후 다시 마스킹 공정과 노광, 현상 공정을 거친 후 화학적으로 에칭을 실시한다. 이러한 방식은 대량 생산에는 적합하나 시제품 제작 시 또는 다품종 소량 생산 시에는 적합하지 않으며, 환경문제, 직업병 등의 노동문제를 유발할 수 있다.

본 발명의 목적은 레이저빔을 이용하여 엔코더의 슬리트를 형성하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 저출력의 레이저빔으로도 엔코더의 슬리트를 형성할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 다품종 소량생산에 적합한 엔코더 제조 방법을 제공하는 것이다.

도1은 본 발명에 따라 제조한 로터리 엔코더

도2는 본 발명의 일 실시예에 따라 패턴을 형성하기 위한 가공 시스템의 개략도

도3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 패턴을 형성하기 위한 가공 시스템의 개략도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

12 : 로터리 엔코더 14 : 슬리트

23,53 : 레이저가공시스템 25 : 레이저 발진기

29 : 빔 조절기구 32,52 : 마스크

35 : 집속렌즈 39 : 가공물 설치대

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 광투과성 소재에 금속박막을 형성한 후, 금속박막을 선택적으로 제거하여 다수의 슬리트를 형성함으로써 엔코더를 제조하는 방법에 있어서, 레이저 발진기와 레이저빔 조절기구와 이송가능한 가공물 설치대를 갖는 레이저 가공장치의 상기 가공물 설치대에 엔코더 소재를 위치시키고, 레이저빔의 경로에 상기 엔코더의 상기 슬리트 중 적어도 일부와 동일한 패턴을 갖는 마스크를 위치시키고, 상기 마스크를 통하여 상기 엔코더 소재에 레이저빔을 조사함으로써, 상기 슬리트를 형성하는 것을 특징으로 하는 엔코더 제조 방법을 제공한다.

이때 사용하는 레이저는 엑사이머레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 엑사이머 레이저(Excimer Laser)는 펄스 지속시간이 짧고 피크 출력이 높고 집속성과 균일성이 우수하다. 따라서 대기 중에서도 엑사이머 레이저를 이용하여 금속 박막의 일부를 제거하는 가공이 가능하다. 발진 파장은 사용하는 가스의 종류에 따라 달라지지만, 어느 것이나 자외선 영역에서 발진하는 것이 특징이다. 이러한 자외선 영역에서 발진하는 엑사이머 레이저는 가시광선 레이저나, 적외선 레이저와는 달리, 가공면 경계 부근의 열영향부가 거의 나타나지 않는다. 따라서, 로터리 엔코더의 슬리트 가공에 활용이 가능하다. 본 발명에서는 엑사이머 레이저의 어블레이션(Ablation) 기능을 이용하여 대기 중에서 화학용액을 사용하지 않고 엔코더의 패턴을 가공하는 방법을 제공한다.

금속 박막을 어블레이션을 통하여 선택적으로 제거하기 위하여 조사하여야 할 레이저빔의 에너지 밀도는 금속 박막의 두께에 비례한다. 두께가 1000Å인 크롬박막을 증발시켜 제거하기 위해서는 250mJ/㎠ 이상의 에너지를 갖는 레이저 빔을 조사하는 것이 바람직하다. 물론, 60-70J/㎠ 정도의 레이저빔을 여러번 조사하여도 가공은 가능하지만 고밀도 에너지의 레이저 빔을 사용하여 가공한 면보다 나쁘다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 도1을 참조하면, 로터리 엔코더(12)는 광투과성이 우수한 소재(바람직하기로는 유리 소재)의 표면에 크롬 또는 알루미늄 등의 금속이 코팅되어 있다. 금속은 도금 또는 증착의 방법으로 두께가 수천 Å이 되도록 코팅된다. 슬리트(slit; 14)는 코팅된 금속층을 제거함으로써 형성된다. 슬리트는 빛이 투과할 수 있도록 원주 방향으로 수 ㎛의 폭과 수 ㎜의 길이를 가지며, 규칙적으로 배열된다.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따라 로터리 엔코더의 슬리트를 형성하는 방법(축소 투영법)에 대하여 설명한다. 도2는 이 실시예에 따라 슬리트를 형성하기 위한 가공 시스템(23)의 개략도이다. 레이저 가공 시스템(23)은 레이저 광선이 진행하는 방향으로 레이저 발진기(25)와 레이저빔을 제어하고 조절하는 빔 조절기구(29)를 갖는다. 이어서 마스크(32)가 배치된다. 마스크(32) 다음에는 집속렌즈(focusing lens; 35)가 있어 마스크(32) 형상을 축소 투영할 수 있다.

레이저 가공 시스템(23)은 재료를 설치하기 위한 가공물 설치대(39)를 갖는다. 가공물설치대(39)는 소재를 X, Y, Z방향으로 이송 가능하며, 회전이송도 가능하다. 레이저 가공 시스템(23)에는 레이저 에너지의 크기를 감시할 수 있는 감시장치(laser energy monitoring unit; 42)가 구비된다.

레이저 발진기(25)는 엑사이머 레이저 발진기이다. 엑사이머 천이를 이용하여 발진하는 매질의 조합은 많이 존재하나 통상 엑사이머 레이저라고 할 때에는 희귀원소가스(예를 들면, Ar, Kr, Xe)와 할로겐 가스(예를 들면, F, Cl)를 희석가스(Ne 또는 He) 안에 미량 혼합하여 사용한다. 엑사이머 레이저 발생시 방전 지속시간은 수십 ns 정도이고, 레이저의 발진시간도 20ns 전후로 매우 짧으나, 펄스에너지는 수백mJ로 비교적 크다.

엑사이머 레이저는 어느 것이나 사용이 가능하며, 바람직하기로는 KrF 엑사이머 레이저를 광원으로 사용한다. KrF 레이저는 파장이 짧아 미세 패턴을 가공하는 데에 요구되는 해상도를 충분히 제공할 수 있으며, 발진되는 빔의 형태가 사각형으로 출력밀도가 어느 정도 균일하므로 광학계가 간단하다.

빔 조절기구(29)는 빔 어테뉴에이터(beam attenuator; 44)와 다수의 렌즈로 이루어진 빔전달계(45)와 다이아프램(46)으로 이루어진다. 다이아프램(46)은 출력밀도가 낮은 가장자리 부분들을 제거하기 위한 것이다.

마스크(32)에는 엔코더의 슬리트(14)의 형상과 동일한 하나의 슬리트 패턴이 마련된다. 마스크(32)에 있는 슬리트의 크기는 새겨질 슬리트의 크기보다 크다. 마스크는 스테인리스 스틸로 이루어지는 것이 바람직하다. 집속렌즈(35)는 마스크(32)의 패턴을 축소 투영한다. 축소 투영하면, 미세한 패턴을 가공할 수 있고 정밀도가 높아진다.

엔코더 소재의 설치대(39)는 소재를 직선 이동시키거나, 회전(자전)이동 시킬 수 있다. 이러한 이송 가능한 설치대의 예로는 직선이송은 0.1μm, 회전이송은 0.01°의 최소 분해능(resolution)을 갖는 뉴포트 클링거(Newport Klinger)사의 제품을 들 수 있다. 빔 에너지 감시장치(42)는 마스크(32) 다음에 빔 스플리트장치(beam split; 49)를 두고 일부(예를 들면 4%)의 레이저빔을 추출하여 마스크를 통과한 레이저빔 전체의 에너지를 모니터링한다.

이러한 구성의 가공 시스템을 이용한 로터리 엔코더를 제조하는 공정은 다음과 같다. 먼저 마스크(32)의 위치와 집속렌즈(35)의 위치를 조절한다. 발진기(25)를 켜고 마스크(32)의 위치를 조절하여 마스크(35)의 슬리트를 통과하는 빔의 세기가 최대가 되도록 한다. 가공물 설치대(39)에 가공할 소재를 장착하고 소재와 집속렌즈(35)의 위치를 조절하여 소재의 금속 박막에 가장 선명한 상이 생기도록 한다.

그 후 발진기(25)에서 가공을 위해 레이저빔을 생성한다. 레이저빔(L)은 빔 조절기구를 통과하고 집속렌즈(35)로 집속되어, 가공할 소재에 축소 투영된다. 레이저의 발진 주파수와 소재의 회전속도를 제어하면, 소재의 원주 상에 원하는 수의 슬리트가 가공된다.

이때, 가공물 설치대(39)에 장착된 소재의 회전과 레이저의 발진을 동기시킨다. 즉, 소재를 슬리트(14)의 피치간격만큼 회전시킨 후, 레이저 발진기(25)에서 레이저빔(L)의 펄스를 발생시킨다. 소재 표면의 금속 박막에 도달한 레이저빔(L)은 어블레이션 작용에 의해 해당 부분의 금속 박막을 제거한다. 한편, 펄스의 반복률이 f이고 N개의 슬리트(14)를 가공한다면, 이 때 슬리트를 가공하는 데에 걸리는 시간 t는 t = N / f (sec)가 된다. 따라서, 소재의 회전수 R은 R = 60 / t = 60 * f / N (rpm)가 된다.

이 실시예에 따른 방법은 레이저빔을 마스크(35) 상에서 한 개의 슬리트 만을 조사할 수 있을 정도의 크기로 작게 할 수 있으므로 낮은 출력의 레이저 장치도 사용이 가능하다.

이 실시예와는 다르게 마스크에 2개의 슬리트와 대응하는 패턴을 형성하여 사용할 수도 있다. 이때 엔코더 소재는 슬리트 피치의 2배의 각도씩 이송된다. 동일한 방법으로 3개이상의 슬리트 패턴이 형성된 마스크를 이용할 수도 있다.

다음으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔코더의 슬리트를 형성하는 방법(마스크 접속방법, 1:1 투영방식)에 대하여 설명한다. 이 방법은 도3에 도시한 바와 같이, 가공하고자 하는 패턴과 동일한-즉, 크기가 1:1인-패턴을 가진 얇은 스테인레스 스틸의 마스크(52)를 소재 위에 고정하는 방식이다. 마스크(52)에는 엔코더(12)의 슬리트(14) 전체와 동일한 형상 및 크기의 패턴이 마련된다. 도3의 가공시스템(53)은 마스크(52)의 위치가 가공할 소재 바로 앞이라는 점과 집속렌즈가 없는 것을 제외하고는 도2의 가공시스템(23)과 동일하다.

소재를 가공물 설치대(39)에 장착한 후, 발진기(25)를 가동시켜 엑사이머 레이저를 조사한다. 그러면, 마스크에 노출되는 부분, 즉 슬리트 부분만이 제거된다. 이 방법을 적용하기 위해서는 레이저빔의 크기가 마스크 전체를 조사할 수 있는 충분한 크기가 되어야 하고, 전체적으로 균일한 에너지 밀도를 가져야 하므로 레이저장치의 출력이 커진다. 그러나, 생산 속도가 빠르고, 광학계가 간단해지는 장점이 있다. 이 실시예에 따른 엔코더 제조 방법은 로터리엔코더, 증분타입 엔코더 등 엔코더의 종류에 관계없이 적용할 수 있다.

이 실시예와는 달리 레이저 장치의 출력이 작은 경우에는 엔코더의 슬리트를 패턴을 한꺼번에 형성하기 어렵다. 이 경우에는 발진기(25)에서 나오는 레이저빔의 크기를 작게 하고, 마스크(52)와 광학계를 고정시키고 가공물 설치대(39)의 이송기능을 이용하여 엔코더 소재를 이동시키면서 레이저빔을 조사하여 슬리트를 형성할 수도 있다. 이때, 소재의 이동과 레이저빔 펄스를 동기시킨다.

이와는 달리, 레이저빔의 광선 경로에 2개의 거울을 배치하고 그 중 하나의 거울과 마스크를 이동시키면서 레이저빔을 조사하여 슬리트를 형성할 수도 있다.

본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.

축소투영방식에서는 로터리 엔코더를 예로들어 설명하였으나, 원형의 엔코더 뿐 아니라 리니어 엔코더의 슬리트 제작에도 본 발명을 적용할 수 있다. 이때, 소재의 가공물 설치대는 소재를 직선 이동시킨다.

본 발명의 엔코더 제조 방법에 따르면, 레이저빔을 이용하여 엔코더의 슬리트를 생성하므로 환경문제가 없고, 다품종 소량생산에 적합하다. 또한, 본 발명에 따른 엔코더 소재 또는 레이저빔을 이송시키면서 슬리트를 형성하면 저 출력의 레이저빔으로도 엔코더의 슬리트를 가공할 수 있다.

Claims (5)

1. 광투과성 소재에 금속박막을 형성한 후, 금속박막을 선택적으로 제거하여 다수의 슬리트를 형성하기 위하여 레이저 발진기와 레이저빔 조절기구와 이송가능한 가공물 설치대를 갖는 레이저 가공장치로 엔코더를 제조하는 방법으로서, 광투과성 소재에 금속박막이 마련된 엔코더 소재를 준비하고, 상기 가공물 설치대에 상기 엔코더 소재를 위치시키고, 레이저빔의 경로에 상기 엔코더의 상기 슬리트 중 하나 또는 2 이상의 슬리트와 동일한 패턴을 갖는 마스크를 위치시키고, 상기 마스크를 통하여 상기 엔코더 소재에 레이저빔을 조사하는 단계와, 상기 엔코더 소재와 상기 마스크가 설치된 광경로 중 어느 하나를 사전 설정된 이송거리만큼 이동하는 단계를 반복함으로써, 상기 다수의 엔코더 슬리트를 형성하는 것을 특징으로 하는 엔코더 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 마스크와 상기 엔코더 소재 사이에는 집속렌즈가 위치하여, 상기 마스크를 통과한 레이저빔이 상기 엔코더 소재에 축소 투영되는 것을 특징으로 하는 엔코더 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 엔코더 소재에 대하여 상기 광경로를 사전 설정된 피치만큼 이동시키되, 상기 광경로 상에는 2개의 거울이 배치되고 상기 2개의 거울중 하나와 마스크를 이동시키는 것을 특징으로 하는 엔코더 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 마스크는 상기 엔코더 소재에 인접하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 엔코더 제조방법.
5. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 레이저는 엑사이머 레이저인 것을 특징으로 하는 엔코더 제조방법.