KR100354044B1

KR100354044B1 - 레이저 장치용 옵틱 헤드

Info

Publication number: KR100354044B1
Application number: KR1020000063121A
Authority: KR
Inventors: 정대현
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2000-10-26
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2002-09-28
Also published as: KR20020032160A

Abstract

차량용 실린더 블록의 보어 내면 열처리 작업시, 열처리부의 크기에 따라 레이저 빔의 스폿 사이즈 및 동일 출력에서의 레이저 빔의 강도를 가변할 수 있도록 하는 레이저 장치용 옵틱 헤드를 제공할 목적으로,

레이저 출력장치의 회전부 하측에 반사미러를 구성하여 레이저 빔의 조사각을 전환시켜 열처리부에 레이저 빔을 조사하는 레이저 장치용 옵틱 헤드에서,

내부에 원통형의 중공부를 가지며, 상기 중공부의 하단에는 반사미러가 미러홀더를 통하여 경사지게 장착되며, 상기 반사미러에 대하여 수평한 일측에는 빔 조사홀이 형성되고, 상기 반사미러의 상부 일측에는 서로 대칭되는 2개의 경사 회전 가이드 홀이 형성되고, 상기 경사 회전 가이드 홀의 상측으로는 서로 대칭되는 2개의 회전 가이드 홀이 형성되는 옵틱 하우징과; 상기 옵틱 하우징내 상기 반사미러의 상부에서 회전하면서 상하 이동 가능하도록 상기 옵틱 하우징에 형성된 경사 회전 가이드 홀에 상하 이동 수단을 통하여 장착되는 볼록렌즈와; 상기 옵틱 하우징내 상기 볼록렌즈의 상부에서 회전 가능하도록 상기 옵틱 하우징의 회전 가이드 홀에 회전수단을 통하여 장착되는 실린더 리컬 렌즈를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 장치용 옵틱 헤드를 제공한다.

Description

레이저 장치용 옵틱 헤드{OPTIC HEAD OF LASER SYSTEM FOR HEATING TREATMENT}

본 발명은 레이저 장치용 옵틱 헤드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량용 실린더 블록의 보어 내면 열처리 작업시, 열처리부의 크기에 따라 레이저 빔의 스폿 사이즈 및 동일 출력에서의 레이저 빔의 강도를 가변할 수 있도록 하는 레이저 장치용 옵틱 헤드에 관한 것이다.

일반적으로 고출력 디젤 엔진의 실린더 블록의 보어에는 상사점에서 보어표면과 피스톤 톱 링(Piston Top Ring) 사이에 발생하는 마모를 해소하기 위하여 표면 경도가 우수한 특수 주물 라이너를 사용하거나, 상기 라이너를 대체하기 위하여 상기 보어 표면에 레이저 빔을 조사하여 보어 내면의 표면 경도를 증대시킬 수 있는 표면 열처리 기술을 개발하여 사용하고 있다.

상기 레이저 빔을 이용한 보어 내면의 열처리 방법은 원가절감 및 품질향상의 측면에서 우수한 효과를 갖는바. 최근 들어 그 적용에 대한 관심이 높아지고 있다.

이러한 레이저 빔을 이용한 표면 열처리 기술에 있어서, 요구되는 몇 가지 목표는 레이저 빔 에너지 분포의 균일화, 일정한 열처리 온도를 유지할 수 있는 레이저 출력 제어, 생산성과 품질을 충족시킬 수 있는 최적 레이저 빔 조사 속도, 에너지 흡수율의 극대화 등이 있으며, 이러한 목표가 충족되어 질 때, 제품 개발에 있어 원가절감 및 품질향상의 효과를 기대할 수 있게 되는 것이다.

특히, 종래에는 상기한 바와 같이, 일정한 열처리 온도를 유지할 수 있는 레이저 출력 제어를 위하여 상기 레이저 빔이 조사되는 면의 온도를 이론적 계산 또는 오프 라인(OFF LINE)에서 시편을 이용하여 온도를 측정하여 열처리 패턴수에 상당하는 데이터 베이스를 작성하여 상기 레이저의 출력을 제어하였다.

도 5는 일반적인 열처리용 레이저 장치의 기본 구성도로서, 그 구성은 실린더 보어(101) 내부에서 보어(101) 내면에 레이저 빔(103)을 조사하는 레이저 출력장치(105)가 구비되고, 상기 레이저 출력장치(105)는 레이저 빔(103)의 출력모드를 조절하여 공급하는 레이저 발진기(107)와 연결된다.

즉, 상기 레이저 출력장치(105)는 고정부(109)와 회전부(111)로 나누어지며, 상기 고정부(109)는 상기 레이저 발진기(107)와 광 케이블(113)로 연결되고, 내부에 광파이버(미도시)와 콜리메이터 렌즈(미도시)를 포함하여 이루어지고, 상기 회전부(111)는 고정부(109) 하부 내측에서 타이밍 벨트 풀리(미도시)를 구성하여 외부에서 서보모터(115)와 타이밍 벨트(117)로 연결된다.

또한, 상기 회전부(111)는 하측에 반사미러(119)를 구성하여 레이저 빔(103)의 조사각을 90도 전환시켜 레이저 빔(103)이 보어(101) 내면으로 조사되도록 옵틱 헤드(121)가 구성되고, 상부의 타이밍 벨트 풀리(미도시)가 타이밍 벨트(117)를 통하여 서보모터(115)로부터 회전 구동력을 전달받아 회전부(111)를 회전시키면, 상기 옵틱 헤드(121)가 보어(101) 내면을 회전하면서 레이저 빔(103)을 조사하도록 이루어진다.

그러나 종래의 레이저 빔을 이용한 표면 열처리 기술에서, 상기 레이저 장치용 옵틱 헤드 내에 설치되는 반사미러의 반사면을 열전도성이 좋은 구리 등과 같은금속을 세그멘트(多面) 형태로 정밀 가공하여 스풋 사이즈를 만들어냄으로서 동일 초점에 대하여 레이저 빔의 스폿 사이즈가 고정되어 열처리부의 사양 변경 등에 대한 스폿 사이즈의 유연성이 없으며, 이러한 레이저 빔의 스폿 사이즈를 변경하기 위해서는 면 조도, 정확한 반사각, 각 세그멘트의 크기 등을 정밀 가공하여야 하는 반사미러를 다시 제작해야 하는 등의 문제점을 내포하고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 차량용 실린더 블록의 보어 내면 열처리 작업시, 열처리부의 크기에 따라 레이저 빔의 스폿 사이즈 및 동일 출력에서의 레이저 빔의 강도를 가변할 수 있도록 하는 레이저 장치용 옵틱 헤드를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 장치용 옵틱 헤드의 부분 사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 레이저 장치용 옵틱 헤드의 부분 단면도이다.

도 3은 도 2의 A-A선에 따른 단면도이다.

도 4는 본 발명에 적용되는 렌즈의 작동 상태를 도시한 도면으로서,

(a)는 볼록렌즈와 실린더 리컬 렌즈의 간격이 먼 상태에서 실린더 리컬 렌즈의 회전각이 "0"도일 때의 레이저 빔의 스폿형상을 나타낸 도면.

(b)는 볼록렌즈와 실린더 리컬 렌즈의 간격이 먼 상태에서 실린더 리컬 렌즈의 회전각이 "90"도일 때의 레이저 빔의 스폿형상을 나타낸 도면.

(c)는 볼록렌즈와 실린더 리컬 렌즈의 간격이 가까운 상태에서 실린더 리컬 렌즈의 회전각이 "0"도일 때의 레이저 빔의 스폿형상을 나타낸 도면.

(d)는 볼록렌즈와 실린더 리컬 렌즈의 간격이 가까운 상태에서 실린더 리컬 렌즈의 회전각이 "90"도일 때의 레이저 빔의 스폿형상을 나타낸 도면.

도 5는 일반적인 열처리용 레이저 장치의 기본 구성도이다.

이를 실현하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 장치용 옵틱 헤드는 레이저 출력장치의 회전부 하측에 반사미러를 구성하여 레이저 빔의 조사각을 전환시켜 열처리부에 레이저 빔을 조사하는 레이저 장치용 옵틱 헤드에서,

내부에 원통형의 중공부를 가지며, 상기 중공부의 하단에는 반사미러가 미러홀더를 통하여 경사지게 장착되며, 상기 반사미러에 대하여 수평한 일측에는 빔 조사홀이 형성되고, 상기 반사미러의 상부 일측에는 서로 대칭되는 2개의 경사 회전 가이드 홀이 형성되고, 상기 경사 회전 가이드 홀의 상측으로는 서로 대칭되는 2개의 회전 가이드 홀이 형성되는 옵틱 하우징과; 상기 옵틱 하우징내 상기 반사미러의 상부에서 회전하면서 상하 이동 가능하도록 상기 옵틱 하우징에 형성된 경사 회전 가이드 홀에 상하 이동 수단을 통하여 장착되는 볼록렌즈와; 상기 옵틱 하우징내 상기 볼록렌즈의 상부에서 회전 가능하도록 상기 옵틱 하우징의 회전 가이드 홀에 회전수단을 통하여 장착되는 실린더 리컬 렌즈를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며,

여기서, 상기 상하 이동 수단은 상기 볼록렌즈의 외주면에서 이를 지지하여 주는 제1 렌즈 홀더와; 상기 제1 렌즈 홀더의 외주면에 일체로 연결되어 상기 각각의 경사 회전 가이드 홀에 장착된 상태로 경사 회전 가이드 홀을 따라 회전하면서 상기 볼록렌즈를 상하 이동시키는 제1 가이드 볼트와; 상기 옵틱 하우징의 외측에서 상기 제1 가이드 볼트에 체결되어 상기 볼록렌즈를 고정하는 제1 고정너트로 이루어지며,

상기 회전수단은 상기 실린더 리컬 렌즈의 외측면에서 이를 지지하여 주는 제2 렌즈 홀더와; 상기 제2렌즈 홀더의 외주면에 일체로 연결되어 상기 각각의 회전 가이드 홀에 장착된 상태로 회전 가이드 홀을 따라 회전하면서 상기 실린더 리컬 렌즈를 자전시키는 제2 가이드 볼트와; 상기 옵틱 하우징의 외측에서 상기 제2 가이드 볼트에 체결되어 상기 실린더 리컬 렌즈를 고정하는 제2 고정너트로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 구성 및 작용을 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 장치용 옵틱 헤드의 부분 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 레이저 장치용 옵틱 헤드의 부분 단면도로서, 본 발명은 레이저 출력장치(상기 도 5의 도면번호 105)의 회전부 하측에서 반사미러를 통하여 레이저빔의 조사각을 전환시켜 열처리부(3)에 레이저 빔(5)을 조사하는 레이저 장치용 옵틱 헤드(1)에 적용되는 것으로서, 본 발명에 따른 레이저 장치용 옵틱 헤드(1)의 외형을 이루는 옵틱 하우징(7)은 내부에 원통형의 중공부가 형성된다.

상기 중공부(9)의 하단에는 반사미러(11)가 미러홀더(13)를 통하여 경사지게 장착되고, 상기 반사미러(11)에 대하여 수평한 일측에는 원형의 빔 조사홀(15)이 형성된다.

또한, 상기 반사미러(11)의 상부 일측에는 상기 옵틱 하우징(7)의 외주면을 따라 서로 경사지게 2개의 경사 회전 가이드 홀(17)이 대칭하여 형성되고, 또한, 상기 2개의 경사 회전 가이드 홀(17)의 상측으로는 상기 옵틱 하우징(7)의 외주면을 따라 서로 대칭되는 2개의 회전 가이드 홀(19)이 형성된다.

이러한 옵틱 하우징(7)내에는 상기 반사미러(11)의 상부에서 회전하면서 상하 이동 가능하도록 상기 옵틱 하우징(7)에 형성된 경사 회전 가이드 홀(17)에 상하 이동 수단을 통하여 볼록렌즈(21)가 장착된다.

이때, 상기 볼록렌즈(21)를 상기 옵틱 하우징(7)에 장착하는 상하 이동 수단은 상기 볼록렌즈(21)의 외주면을 감싸며, 이를 지지하도록 원형의 제1 렌즈 홀더(23)가 그 외주면에 일체로 체결되는 2개의 제1 가이드 볼트(25)를 통하여 상기 서로 대칭되는 2개의 경사 회전 가이드 홀(17)에 각각 끼워져 장착된다.

즉, 상기한 제1 가이드 볼트(25)가 상기 경사 회전 가이드 홀(17)을 따라 회전하면서 상기 볼록렌즈(21)를 상하 이동시키도록 이루어진다.

또한, 상기 2개의 제1 가이드 볼트(25)에는 상기 옵틱 하우징(7)의 외측에서각각 제1 고정너트(27)가 이에 체결되어 상기 볼록렌즈(21)를 옵틱 하우징(7)에서 위치를 고정시킬 수 있도록 이루어진다.

그리고 상기 옵틱 하우징(7)내에서 상기 볼록렌즈(21)의 상부에는 상기 반사미러(11)에 대하여 옵틱 하우징(7) 상에서 회전 가능하도록, 도 3에서와 같이, 상기 옵틱 하우징(7)의 회전 가이드 홀(19)에 회전수단을 통하여 실린더 리컬 렌즈(31)가 장착된다.

이때, 상기 실린더 리컬 렌즈(31)의 외측면을 감싸며, 이를 지지하도록 원형의 제2 렌즈 홀더(33)가 그 외주면에 일체로 체결되는 2개의 제2 가이드 볼트(35)를 통하여 상기 서로 대칭되는 2개의 회전 가이드 홀(19)에 각각 끼워져 장착된다.

즉, 상기한 제2 가이드 볼트(35)가 상기 회전 가이드 홀(19)을 따라 회전하면서 상기 실린더 리컬 렌즈(31)를 자전시키도록 이루어진다.

또한, 상기 2개의 제2 가이드 볼트(35)에는 상기 옵틱 하우징(7)의 외측에서 각각 제2 고정너트(37)가 이에 체결되어 상기 실린더 리컬 렌즈(31)를 옵틱 하우징(7)에서 위치를 고정시킬 수 있도록 이루어진다.

이러한 구성을 갖는 레이저 장치용 옵틱 헤드(1)의 작동은 작업자가 상기 제1,2 고정너트(27,37)를 풀고, 상기 경사 회전 가이드 홀(17) 및 회전 가이드 홀(19)을 따라 상기 제1,2 가이드 볼트(25,35)를 회전시킴으로서, 상기 볼록렌즈(21)는 회전하면서 상하방향으로 이동하게 되어 상기 실린더 리컬 렌즈(31)와의 간격을 조절함으로서, 상기 열처리부(3)에 맺히는 레이저 빔의 스폿 사이즈를 가변할 수 있게 되며, 상기 실린더 리컬 렌즈(31)는 그 위치에서 자전에의해 상기 열처리부(3)에 맺히는 레이저 빔의 스폿 장,단변의 방향을 변경할 수 있게 된다.

즉, 상기한 바와 같은 레이저 장치용 옵틱 헤드(1)의 조작에 의한 레이저 빔의 스폿형상을 보다 구체적으로 살펴보면, 먼저, 도 4의 (a)에서와 같이, 작업자가 상기 볼록렌즈(21)를 반시계 방향으로 회전시켜 하방향으로 내려 상기 실린더 리컬 렌즈(31)와의 간격을 최대로 멀리한 상태에서 상기 실린더 리컬 렌즈(31)의 회전각을 "0"도로 하면, 이때 상기 열처리부(3)에 맺히는 레이저 빔의 스폿형상은 도면(도 4a)에서와 같이, 가로폭에 비하여 세로폭이 2배 이상 긴 타원형의 스폿형상(S1)을 나타내게 된다.

또한, 상기 도 4의 (a)에서와 같은 상태에서 도 4의 (b)와 같이, 상기 볼록렌즈(21)는 상기 실린더 리컬 렌즈(31)와의 간격을 최대로 멀리한 상태에서, 상기 실린더 리컬 렌즈(31)를 도 3에서 시계방향으로 "90"도 회전시키면, 이때 상기 열처리부(3)에 맺히는 레이저 빔의 스폿형상은 도면(도 4b)에서와 같이, 세로폭에 비하여 가로폭이 2배 이상 긴 타원형의 스폿형상(S2)을 나타내게 된다.

그리고 상기 도 4의 (a)에서와 같은 상태에서 상기 볼록렌즈(21)을 다시 시계방향으로 완전히 회전시켜 상방향으로 올려 상기 실린더 리컬 렌즈(31)와의 간격을 최대한 가깝게 한 상태에서 상기 실린더 리컬 렌즈(31)는 그 회전각을 "0"도를 유지한 경우에 상기 열처리부(3)에 맺히는 레이저 빔의 스폿형상은 도면(도 4c)에서와 같이, 가로폭에 비하여 세로폭이 약간 긴 원형에 가까운 타원형 스폿형상(S3)을 나타내게 된다.

또한, 상기 도 4의 (c)에서와 같은 상태에서 도 4의 (d)와 같이, 상기 볼록렌즈(21)는 상기 실린더 리컬 렌즈(31)와의 간격을 최대한 가깝게 한 상태에서, 상기 실린더 리컬 렌즈(31)를 도 3에서 시계방향으로 "90"도 회전시키면, 이때 상기 열처리부(3)에 맺히는 레이저 빔의 스폿형상은 도면(도 4d)에서와 같이, 세로폭에 비하여 가로폭이 약간 긴 원형에 가까운 타원형 스폿형상(S4)을 나타내게 된다.

이때, 동일 출력에 대한 레이저 빔의 강도는 도 4의 (c)와 (d)의 스폿형상(S3,S4) 보다 도 4의 (a)와 (b)의 스폿형상(S1,S2)에서 더 강하게 나타나며, 이에 따라 열처리의 깊이를 깊게 할 수 있으며, 열처리부(3)의 열처리 면적은 상기 도 4의 (a)와 (b)의 스폿형상(S1,S2) 보다 도 4의 (c)와 (d)의 스폿형상(S3,S4)에서 더 넓게 나타나며, 이에 따라 열처리의 속도를 천천히 할 수 있는 등, 열처리 깊이 및 면적을 가변할 수 있는 효과가 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 레이저 장치용 옵틱 헤드에 의해 차량용 실린더 블록의 보어 내면 열처리 작업시, 반사미러를 다시 제작하지 않고도 실린더 리컬 렌즈의 자전과 이 실린더 리컬 렌즈와 볼록렌즈와의 간격을 조절함으로서 열처리부의 크기에 따라 레이저 빔의 스폿 사이즈 및 형상을 가변하여 동일 출력에서의 레이저 빔의 강도 및 열처리 면적을 가변할 수 있는 효과가 있다.

Claims

레이저 출력장치의 회전부 하측에 반사미러를 구성하여 레이저 빔의 조사각을 전환시켜 열처리부에 레이저 빔을 조사하는 레이저 장치용 옵틱 헤드에 있어서,

내부에 원통형의 중공부를 가지며, 상기 중공부의 하단에는 반사미러가 미러홀더를 통하여 경사지게 장착되며, 상기 반사미러에 대하여 수평한 일측에는 빔 조사홀이 형성되고, 상기 반사미러의 상부 일측에는 서로 대칭되는 2개의 경사 회전 가이드 홀이 형성되고, 상기 경사 회전 가이드 홀의 상측으로는 서로 대칭되는 2개의 회전 가이드 홀이 형성되는 옵틱 하우징과;

상기 옵틱 하우징내 상기 반사미러의 상부에서 회전하면서 상하 이동 가능하도록 상기 옵틱 하우징에 형성된 경사 회전 가이드 홀에 상하 이동 수단을 통하여 장착되는 볼록렌즈와;

상기 옵틱 하우징내 상기 볼록렌즈의 상부에서 회전 가능하도록 상기 옵틱 하우징의 회전 가이드 홀에 회전수단을 통하여 장착되는 실린더 리컬 렌즈를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 장치용 옵틱 헤드.
청구항 1에 있어서, 상기 상하 이동 수단은

상기 볼록렌즈의 외주면에서 이를 지지하여 주는 제1 렌즈 홀더와;

상기 제1 렌즈의 외주면에 일체로 연결되어 상기 각각의 경사 회전 가이드 홀에 장착된 상태로 경사 회전 가이드 홀을 따라 회전하면서 상기 볼록렌즈를 상하이동시키는 제1 가이드 볼트와;

상기 옵틱 하우징의 외측에서 상기 제1 가이드 볼트에 체결되어 상기 볼록렌즈를 고정하는 제1 고정너트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 장치용 옵틱 헤드.
청구항 1에 있어서, 상기 회전수단은

상기 실린더 리컬 렌즈의 외측면에서 이를 지지하여 주는 제2 렌즈 홀더와;

상기 제2렌즈 홀더의 외주면에 일체로 연결되어 상기 각각의 회전 가이드 홀에 장착된 상태로 회전 가이드 홀을 따라 회전하면서 상기 실린더 리컬 렌즈를 자전시키는 제2 가이드 볼트와;

상기 옵틱 하우징의 외측에서 상기 제2 가이드 볼트에 체결되어 상기 실린더 리컬 렌즈를 고정하는 제2 고정너트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 장치용 옵틱 헤드.