KR100969865B1 - 레이저 마이크로-기계가공을 위한 위치 제어 장치 - Google Patents

Abstract

기술된 타입의 위치 제어 장치는 폐로 가스 시스템에 일체 구성된 바디부재(퍽)을 포함하며, 바디부재(퍽)은 유체 쿠션을 제공하기 위하여 상기 가스 시스템으로부터 유체의 흐름을 형성한다. 일반적으로 위치 제어 장치는 열 전달 수단이 제공되며, 상기 열 전달 수단은 시스템의 주위에서 흐르는 가스와 열전달 수단 사이에 열교환을 제공하기 위하여 폐로 내에 일체 구성된다. 퍽은 가공재의 표면을 따라 인접하게 제공되기 위하여 마스크와 렌즈에 결합되고, 이에 따라 마스크의 확대된 이미지가 안정적으로 유지되며, 마스크, 렌즈 및 퍽의 조합물은 가공재의 표면에 대해 레이저 빔의 초점을 조절하는 기능을 하는 평형추 의해 균형이 잡혀진 유닛을 형성한다.

Description

레이저 마이크로-기계가공을 위한 위치 제어 장치{A POSITIONING DEVICE FOR MICRO-MACHINING BY MEANS OF A LASER}

본 발명은 위치 제어 장치에 관한 것이다.

영국 특허 출원 제 03077237(종래 출원)호는 위치 제어 방법과 장치 및 이의 제품을 기술한다. 상기 종래 출원의 특징을 이루는 방법에 따르면, 상기 출원은 레이저에 의해 가공재(workpiece)를 마이크로-기계가공(micro-machining)하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 이송 시스템의 일부분을 형성하는 캐리어 상에 가공재를 배치하는 단계를 포함하며, 이에 따라 캐리어는 가공재(workpiece)의 X-축, 경로를 가로지르도록 배열된 Y-축 및 경로를 가로지르도록 배열된 Z-축에 대해 평행한 경로를 따라 이동할 수 있으며, 레이저로부터의 출력 빔은 가공재의 X, Y 및 Z 축에 대해 기준위치(datum position)를 설정하고, 이송 시스템에 의해 경로를 따라 가공재를 이송시키며, 이에 따라 다음의 단계를 특징으로 하는 레이저에 의해 가공재는 마이크로-기계가공 공정으로 제공되며, 상기 단계는 기준위치(datum position)의 주변에서 가공재의 표면상의 한 지점과 기준위치 사이의 거리를 유지시키는 단계를 포함하고, 가공재의 두께를 국소 변형시키는 단계를 포함하며, 이에 따라 기준위치(datum position)는 가공재의 표면에 대해 고정된 거리로 유지된다.

상기 종래 출원은 가공재(workpiece)의 표면을 따라 기준위치를 이동시킴으로써 가공재 내의 두께를 국소 변형시키는 단계를 포함한다. 또한 거리를 유지시키는 단계는 거리 감지 장치에 의해 수행되고, 상기 거리 감지 장치는 가공재의 제 1 표면상의 유체 쿠션에 배치된 바디 부재를 포함하며, 상기 유체 쿠션은 바디 부재로부터 공급된 유체의 흐름에 의해 형성되며 이에 따라 바디 부재는 제 1 표면으로부터 미리 결정된 거리로 유지되고, 가공재(workpiece)의 두께 변화로 인해 바디 부재는 바디 부재의 현 위치로부터 변위되고, 제 1 표면에 대해 수직한 바디 부재의 위치에 있어서 임의의 변화는 초점 또는 이미지 렌즈를 이동시키는데 이용되며, 이에 따라 현 기준위치가 변화되고, 작업 기준위치는 가공재의 제 1 표면에 대해 미리 정해진 거리로 복귀된다. 이러한 장치는 '기술된 타입'으로 언급된다. 바람직하게 바디 부재는 가공재의 제 1 측부에 대해 배치되고, 추가적인 바디 부재는 제 1 측부에 대해 마주보는 측부 상에서 가공재의 제 2 측부에 대해 배치되도록 제공되며, 추가적인 바디 부재는 가공재의 국소 두께가 감소될 때 바디 부재를 향하고 가공재를 밀어내는 기능을 한다.

거리 감지 장치는 추가적으로 마이크로 가공되는 가공재의 표면 위에 배치되는 바디 부재를 포함한다. 이러한 거리 감지 장치는 '퍽'으로 언급된다.

본 발명에 따라서, 기술된 타입의 위치 제어 장치(positioning device)가 제공되며, 상기 위치 제어 장치는 폐로 가스 시스템(closed circuit gas system)으로 일체 구성된 퍽을 포함하고, 상기 퍽은 유체 쿠션을 제공하기 위하여 상기 폐로 가스 시스템으로부터 유체의 흐름이 형성된다.

본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따라서, 위치 제어 장치는 열 전달 수단과 시스템 주위에서 흐르는 가스 사이에 열교환을 위하여 폐로(closed circuit) 내에 일체 구성된 열 전달 수단이 제공된다.

본 발명의 바람직한 제 1 특징 또는 본 발명의 바람직한 제 2 특징에 따라서, 퍽은 가공재의 표면에 인접한 배치를 위해 마스크와 렌즈에 결합되며, 이에 따라 마스크의 확대된 이미지가 안정적으로 유지되고, 퍽, 렌즈 및 마스크의 조합은 가공재의 표면에 대해 레이저 빔의 초점을 조절하도록 기능을 하는 평형추(counterweight)에 의해 균형을 이루는 유닛을 형성한다.

본 발명의 상기 바람직한 실시예 또는 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따라서, 퍽은 가공재의 표면 위에 렌즈 유닛을 지지하는 컬럼을 포함하며, 컬럼은 폐로 가스 시스템으로부터 가스가 공급되고, 컬럼은 컬럼의 풋(foot)에 구멍이 제공되며, 이에 따라 퍽은 가공재 위의 인접한 특정 간격으로 지지되고, 렌즈 유닛은 가공재의 표면위의 한 지점에 레이저 빔의 초점을 맞추기 위해 제공된다. 일반적으로 퍽은 가공재의 표면 위에 렌즈 유닛을 지지하기 위하여 제공되는 컬럼과 협력하는 추가 컬럼을 포함하며, 추가 컬럼은 폐로 가스 시스템으로부터 가스가 공급되고, 상기 추가 컬럼은 추가 컬럼의 풋에 구멍이 제공되고, 컬럼과 추가 컬럼은 조합하여 가공재 위의 인접한 특정 간격으로 퍽을 지지하기 위하여 제공되고, 렌즈 유닛은 가공재의 표면상의 한 지점에 레이저 빔의 초점을 맞추기 위해 제공된다.

상기 바람직한 실시예 또는 본 발명의 바람직한 제 4 실시예에 따라서, 퍽은 폐로 가스 시스템의 퍽으로부터 개별적으로 배출시키기 위하여 배출 흐름을 위한 추가 배출 파이프와 가스 흐름을 위한 추가적인 유입 파이프가 제공된다.

상기 바람직한 실시예 또는 본 발명의 바람직한 제 5 실시예에 따라, 폐로 가스 시스템의 가스 흐름은 적어도 2개의 유입부 및 배출부를 이용하여 퍽에 공급되고 퍽으로부터 외부로 배출된다.

상기 바람직한 실시예 또는 본 발명의 바람직한 제 6 실시예에 따라서, 청구항에 정의된 위치 제어 장치는 가공재의 표면에 인접하게 배치되기 위한 정전 장치(electrostatic device)와 일체 구성된 퍽을 가진다. 일반적으로 상기 퍽은 절연 재료로 제조된다.

상기 바람직한 실시예 또는 본 발명의 바람직한 제 7 실시예에 따라서, 퍽은 가공재(103)으로부터 매우 가까운 거리(마이크론 수준)에 접촉 마스크가 형성된다.

상기 바람직한 실시예 또는 본 발명의 바람직한 제 8 실시예에 따라서, 퍽은 상기 가공재의 제조오차를 보상할 수 있도록, 가공재의 만곡된 표면에 대응하여 일치되도록 형성된 바닥을 가지며, 이에 따라 퍽은 공기의 가스 흐름에 의해 가공재의 표면에 대하여 부유될 수 있다.

용어 '가스'는 기체, 증기 또는 기체와 증기의 혼합물 및 공기를 포함한다.

바디 부재의 다수의 실시예는 도 1 및 도 2 내지 도 11에 따라 기술된다.

도 1은 종래 출원의 퍽의 특징으로 도시하는 도면.

도 2 내지 도 11은 마이크로웨이브 가공에 대해 이용되는 퍽의 타입의 범위를 도시하는 도면.

대부분의 실시예는 퍽(puck)을 도시하며, 상기 퍽은 오픈워크 중앙 영역(openwork central region)을 가지고, 상기 오픈워크 중앙 영역을 통해 가공 레이저(machining laser)로부터 빔이 안내된다. 몇몇의 경우 도면을 단순화시키기 위하여 오픈워크 영역과 레이저 빔이 생략된다.

도 1

도 1은 종래 기술 분야에서 고찰된 퍽이 도시된다. 퍽(21)은 지점 X에 초점이 맞춰진 해당 레이저 빔(24)에 의해 표면(22)을 마이크로 가공하기 위하여 가공재(work piece, 24)의 평평한 표면(22) 위로 배치된다.

도 2

폐로 가스 시스템(closed circuit gas system, 41)은 고농도(high concentration)의 퍼징(purging) 또는 보조 가스가 가공재(44)의 영역(43) 위의 퍽(42)을 지나가도록 하기 위해 제공된다. 폐로 가스 시스템은 퍽(42)에 가스를 공급하고 이로부터 배출시키기 위한 튜브(45, 46)(펌프(49)로부터 연장됨)를 포함한다. 질소, 산소, 헬륨 또는 공기와 같은 가스/증기 또는 보다 화학적으로 보다 활성인 물질들이 퍽(42)을 통해 순환할 수 있다. 퍽(42)에는 중앙 구멍(47)이 형성되고 상기 구멍을 통하여 레이저 빔(48)이 가공재(44) 상의 지점(X)에 초점이 맞춰진다. 상기 시스템은 가스를 채워 소량의 손실을 극복하기 위한 수단이 제공될 수 있다. 도시된 장치는 순환을 위해 요구되는 가스의 전체량이 상대적으로 작기 때문에 위험, 환경 비친화적 또는 고비용 가스 사용에 있어서 특히 유리하다.

도 3

상기 시스템(S)은 퍽(50)을 포함하는 플로우 루프(flow loop)를 가진 도 6의 가공 영역(56)으로 유입되는 흐름에 대한 가스 처리를 제공하기 위하여 루프 내에 유닛(55)이 추가적으로 제공된다. 이에 따라 표면 가열, 냉각, 건조, 습윤 또는 이온화(ionizing) 단계가 제공될 수 있다. 제 2 루프는 시스템(S)과 함께 사용될 수 있으며, 이에 따라 가공 영역에서의 습윤 단계에 뒤이어 상기 영역의 바로 외측에서의 건조 단계와 같은 단계의 조합이 가능하다.

도 4

퍽(81)은 마스크(83)의 확대된 이미지를 안정적으로 유지시키기 위하여 가공재(85)의 표면(84)에 인접하게 제공된 마스크(83)와 렌즈(82)에 결합된다. 퍽(81), 렌즈(82) 및 마스크(83)의 조합물은 가공재(85)의 표면(84)에 대해 레이저 빔(X)의 초점을 조절하기 위하여 풀리(88) 주위를 통과하는 라인(87)에 의하여 작용하는 평형추(counterweight, 86)에 의해 용이하게 균형이 잡혀질 수 있다.

도 5

컬럼 퍽(column puck, 121)은 가공재(124)의 표면(123) 위의 렌즈 유닛(122)을 지지한다. 컬럼(125)은 유입부(126)에 의해 공기가 공급되며, 상기 공기는 컬럼(125)의 풋(foot)에서 간격에 의해 구멍(127)로부터 배출되고, 컬럼 퍽(121)은 가공재(124) 위에 인접한 특정 간격으로 지지된다. 렌즈 유닛(122)은 표면(123) 상의 지점(X)에서 레이저 빔(128)의 초점을 맞추기 위해 제공된다.

도 6

컬럼 퍽(131)은 도 11에 따라 기술된 컬럼 퍽과 동일하며, 이 경우 컬럼(135, 136)은 렌즈 유닛(132)의 마주보는 측부에 장착된다. 컬럼(135, 136)은 유입부(137, 138)를 통해 공기가 공급되며, 상기 공기는 간격에 의해 컬럼(135, 136)의 풋에서 구멍(139)을 통해 배출되고, 컬럼 퍽(131)은 가공재(133)의 상부 표면(134) 위의 특정 간격으로 지지된다. 렌즈 유닛은 표면(133) 상의 지점(X)에서 레이저 빔(141)의 초점을 맞추기 위해 제공된다.

도 7

퍽(91)은 가스 흐름을 위한 유입 파이프(92)를 가지며, 건조 단계를 수행하기 위하여 배출 흐름을 위한 배출 파이프(93)를 가진다.

도 8

퍽(111)은 가공 작업 동안 퍽(111)의 방향을 가변시키기 위하여 2 쌍의 파이프(112A, 112B, 112C)에 의해 가스가 공급되는 평면도로 도시된다. 퍽(111)은 중앙 구멍(114)을 가지며, 상기 중앙 구멍을 통해 레이저 빔이 가공되는 가공재 위로 초점이 맞춰지고 이를 향하여 안내될 수 있다. 이러한 장치는 도 6 또는 도 7에 부합되는 시스템 아웃라인(outline)과 함께 이용될 수 있다. 상기 장치는 잔해물의 흐름을 안내 또는 가변시키거나 잔해물을 배출시키기 위해 제공될 수 있다.

도 9

퍽(71)은 가공재(72)의 표면(74)에 매우 인접하게 정전 장치(electrostatic device, 73)를 배치시키기 위해 사용된다. 이를 위해 퍽(71)은 절연 재료로 제조된다. 퍽(71)은 개방된 중앙 영역(75)을 가지며, 상기 개방된 중앙 영역을 통해 레이저 빔(76)이 표면(74) 상에 초점이 맞춰진다.

도 10

퍽(101)은 가공재(103)으로부터 매우 짧은 거리(마이크론 수준 이상)로 인접하여 접촉 마스크(contact mask, 102)를 배치시키기 위해 제공된다. 퍽을 제공하기에 앞서 마스크를 표면에 인접하게 위치 제어하는 문제점이 발생된다. 퍽을 이용함에 따라 마스크(102)의 인접 지점(close location)이 제공될 뿐만 아니라 가공재(103)과는 접촉하지는 않으나 이에 매우 근접하게 마스크(102)를 고정시키는 단계를 포함하는 스텝-앤-리피트(step-and-repeat) 또는 동기 이미지 스캐닝 방법(synchronous image scanning)으로 퍽(101)이 이동된다.

도 11

퍽(11)은 회전식 원통형 가공재(12)의 외측 표면(13)에 밀접하게 일치되는 형태의 바닥(underside, 11A)을 가진다. 퍽(11)은 공기의 흐름에 의하여 가공재(12)의 표면(13)에 대해 부유(float)된다. 퍽(11)의 바닥을 통과하여 종래 기술에 기술된 형태와 유사하게 향하는 퍽(11)으로 인해 퍽(11)은 공기 쿠션(air cushion) 위에 지지된 표면(13) 위로 부유된다. 부유 시 퍽(11)은 표면(13)을 따라 이동하고, 원형의 가공재(13)보다 타원형의 가공재의 경우 다수의 오차가 상쇄되며, 이로 인해 회전 중심이 부정확하게 위치되고 지지 베어링은 결함이 발생된다. 가공재(12)은 퍽(11)보다 축방향으로 길게 형성되고(즉 종이의 평면), 퍽(11)은 축방향으로 구동될 수 있으며 이에 따라서 가공재(12)의 표면(13)은 전장을 따라 가공될 수 있다. 이에 따라 가공재의 전체 길이 표면에 대해 가공 레이저의 빔(16)의 초점(X)이 인접하게 제어된다(close control). 퍽(11)은 중앙 보어(14)를 가지는 환형의 평면 형태이며, 상기 중앙 보어를 통하여 레이저 빔(16)(일반적으로 자외선광)이 가공재(12)의 표면(13) 위로 안내되고 이에 따라 표면(13)은 가공된다.

상기 실시예에서 레이저 빔은 가공재의 표면상에서의 지점(X)에 초점이 맞춰진다. 본 발명은 표면 가공에 제한되지 않는다. 지점(X)은 가공 공정이 요구될 때 가공재 내에 배치될 수 있다.

상기 실시예는 퍽의 개념의 적용 분야를 나타낸다. 이러한 실시예와는 달리 정밀한 허용 오차가 유지시키기 위하여 최적화된 퍽 형상을 이용함으로써 특정 가공 분야에 이용될 수 있으며, 예를 들어 가공재 형상의 변화가 가능하다.

Claims (12)

1. 폐로 가스 시스템(closed circuit gas system)내에 일체 구성되는 바디 부재(11, 21, 42, 50, 71, 81, 101, 111)를 포함하고, 상기 바디 부재에는 유체 쿠션을 제공하기 위하여 상기 폐로 가스 시스템으로부터 유체의 흐름이 형성되며,

   가공재(23)의 제 1 표면(22)위로 초점 또는 이미지 렌즈에 의해 초점 맞추어지는 레이저빔을 포함하고,

   가공재(workpiece)의 표면을 따라 기준위치(datum position)를 이동시킴으로써 가공재 내의 두께를 국소 변형시키는 단계를 포함하고,

   거리를 유지시키는 단계를 수행하는 거리 감지 장치를 더 포함하고,

   상기 거리 감지 장치는 가공재의 제 1 표면상의 유체 쿠션에 배치된 바디 부재를 포함하며,

   상기 유체 쿠션은 바디 부재로부터 공급된 유체의 흐름에 의해 형성되며, 이에 따라 상기 바디 부재는 제 1 표면으로부터 미리 결정된 거리로 유지되고,

   가공재(23)(workpiece)의 두께 변화로 인해 바디 부재(11, 21, 42, 50, 71, 81, 101, 111)는 바디 부재의 현 위치로부터 변위되고,

   제 1 표면(22)에 대해 수직한 바디 부재(11, 21, 42, 50, 71, 81, 101, 111)의 위치에 있어서 임의의 변화는 초점 또는 이미지 렌즈(82, 122, 132)를 이동시키는데 이용되며, 이에 따라 현 기준위치가 변화되고, 작업 기준위치(X)는 가공재(23)의 제 1 표면(22)에 대해 미리 정해진 거리로 복귀되도록 구성되는 레이저 마이크로-기계가공을 위한 위치 제어장치(positioning device)에 있어서,

   열전달 수단과 폐로 가스 시스템(S) 주위에 흐르는 가스 사이의 열교환을 위하여 열전달 수단(55)이 폐로 가스 시스템(S)내에 일체 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 마이크로-기계가공을 위한 위치 제어장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 바디 부재(81)는 마스크(83)의 확대된 이미지를 안정적으로 유지시키기 위하여 가공재(85)의 표면(84)에 인접 장착되도록 렌즈(82)와 마스크(83)에 일렬로 연결되고, 상기 바디 부재(81), 렌즈(82) 및 마스크(83)의 조합이 가공재(85)의 표면(84)에 대해 레이저 빔의 초점을 조절하는 기능을 하는 평형추(86) 의해 균형을 이루는 유닛을 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 마이크로-기계가공을 위한 위치 제어 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 바디 부재(121)는 가공재(124)의 표면(123) 위에서 렌즈 유닛(122)을 지지하는 컬럼(125)을 포함하고, 상기 컬럼(125)은 폐로 가스 시스템으로부터 가스가 공급되고, 컬럼(125)은 바디 부재(121)를 가공재 위에서 인접한 상태의 특정 간격으로 지지하기 위하여 컬럼의 풋에 구멍(127)이 제공되고, 렌즈 유닛(122)은 가공재의 표면(123)상의 한 지점에 레이저 빔(128)의 초점(X)을 맞추기 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 레이저 마이크로-기계가공을 위한 위치 제어 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 바디 부재(131)는 추가 컬럼(136)을 포함하고, 컬럼(135)은 상기 추가 컬럼과 협력하여 가공재(133)의 표면 위로 렌즈 유닛(132)을 지지하기 위해 제공되고, 상기 추가 컬럼(136)은 폐로 가스 시스템으로부터 가스가 공급되며, 상기 추가 컬럼(136)의 풋에 구멍(140)이 형성되고, 컬럼(135)과 추가 컬럼(136)은 가공재(133) 위의 인접하게 특정된 간격으로 바디 부재(131)를 지지하기 위해 제공되며, 렌즈 유닛(132)은 가공재(133)의 표면(134)상의 일정한 지점에 레이저 빔의 초점을 맞추기 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 레이저 마이크로-기계가공을 위한 위치 제어 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 바디 부재는 가스 흐름을 위한 추가 유입 파이프(92)와 폐로 가스 시스템과는 개별적으로 바디 부재로부터 배출시키기 위한 배출 흐름을 위한 추가 배출 파이프(93)가 제공되는 것을 특징으로 하는 레이저 마이크로-기계가공을 위한 위치 제어 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 폐로 가스 시스템의 가스 흐름이 2개 이상의 유입부(112A, 113A)와 2개 이상의 배출부(112B, 113B)에 의해 바디 부재(111)로 공급되고 이로부터 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 레이저 마이크로-기계가공을 위한 위치 제어 장치.
8. 제 1 항에 있어서, 가공재(72)의 표면(74)에 인접하게 위치 제어하기 위하여 정전 장치(73, electrostatic device)와 일체 구성된 바디 부재(71)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 마이크로-기계가공을 위한 위치 제어 장치.
9. 제 8 항에 있어서, 바디 부재(71)는 절연 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 레이저 마이크로-기계가공을 위한 위치 제어 장치.
10. 제 1 항에 있어서, 접촉 마스크를 가공재(103)로부터 짧은 거리(마이크론 수준)로 인접하여 배치하고, 바디 부재(101)를 삽입하기에 앞서 마스크(102)를 가공재(103)의 표면과 접촉하지 않으나 매우 근접하게 배치하는 것을 특징으로 하는 레이저 마이크로-기계가공을 위한 위치 제어 장치.
11. 레이저 마이크로-기계가공을 위한 위치 제어 장치에 있어서,

    가공재의 제조 오차를 보상하기 위해, 공기의 가스 흐름에 의해 가공재의 표면에 대해 부유되도록, 바디 부재의 바닥이 가공재의 만곡된 표면에 대해 대응하여 일치되는 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 마이크로-기계가공을 위한 위치 제어 장치.
12. 삭제

Images