KR101100514B1

KR101100514B1 - 레이저가공기

Info

Publication number: KR101100514B1
Application number: KR1020050004025A
Authority: KR
Inventors: 이시이가즈히사; 와타나베후미오
Original assignee: 히다치 비아 메카닉스 가부시키가이샤
Priority date: 2004-01-20
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2011-12-29
Also published as: KR20050076624A; CN1644296A; CN1644296B; US7473867B2; HK1077250A1; JP4184288B2; JP2005205429A; TWI331061B; TW200533453A; US20050161445A1

Abstract

본 발명은 가공위치정밀도 및 형상정밀도에 뛰어난 레이저가공기를 제공하는 것으로서,

레이저발진기로부터 출력되는 레이저광의 기본광축상에 광축위치결정장치를 배치하고, 이 광축위치결정장치에 의해 레이저발진기로부터 출력되는 레이저광을 피가공물상의 평면방향으로 위치결정하도록 한 레이저가공기로서, 레이저발진기와 광축위치결정장치의 사이에 배치되고, 레이저광의 광축이 편향 자유로운 미러와 광축위치결정장치와 미러의 사이에 배치되며, 레이저광의 광축의 위치를 검출하기 위한 광축위치검출수단(제 1 및 제 2 빔스프리터 광검출장치)을 구비하는 것이고, 광축위치검출수단의 검출결과에 의거하여 미러에 의해서 광축위치결정장치에 입사하는 레이저광의 광축을 기본광축에 일치시키는 것을 특징으로 한다.

레이저발진기, 광축위치결정장치, 피가공물, 회전축, 미러, 레이저가공기

Description

레이저가공기{LASER MACHINING APPARATUS}

도 1은 본 발명에 관련되는 레이저가공기에 있어서의 광학계를 모식적으로 나타내는 설명도.

도 2a, 2b는 미러의 동작을 나타내는 설명도이고, 도 2a는 미러를 Z방향으로 이동한 때를 나타내는 도면, 도 2b는 미러를 u’방향으로 회전운동한 때를 나타내는 도면.

도 3은 광검출장치의 동작을 나타내는 설명도.

도 4는 종래의 레이저가공기의 한 예를 나타내는 개략구성도.

도 5는 종래의 광학계를 모식적으로 나타내는 설명도.

도 6은 레이저발진기의 출사부를 모식적으로 나타내는 평면도이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 레이저발진기 2: 레이저광

6: 광축위치결정장치 9: 피가공물

14: 광축위치검출수단(제 1 빔스프리터)

15: 광축위치검출수단(제 2 빔스프리터)

20: 미러 50, 60: 레이저가공기

O: 기본광축

본 발명은 2개의 미러로 구성되는 광축위치결정장치에 의해 레이저발진기로부터 출력된 레이저광을 피가공물상의 XY방향으로 위치결정하도록 한 레이저가공기에 관한 것이다.

도 4는 종래의 레이저가공기의 한 예를 나타내는 개략구성도이고, 도 5는 종래의 광학계를 모식적으로 나타내는 설명도이다.

종래의 레이저가공기(60)는 레이저발진기(1), 전(全)반사미러(3), 외부광학계(4), 전반사미러(5), 광축위치결정장치(6), 집광렌즈(fθ렌즈)(8) 및 테이블(10)을 갖고 구성되어 있으며, 레이저발진기(1)의 개구부{출사부}(1a)의 중심으로부터 출력된 레이저광(2)은 전반사미러(3)를 통하여 렌즈 등으로 구성된 외부광학계(4)에 유도되고, 전반사미러(5), 광축위치결정장치(6) 및 집광렌즈(fθ렌즈)(8)를 통하여 테이블(10)상에 고정된 피가공물(9)에 조사된다.

또 상기 광축위치결정장치(6)는 회전축이 서로 비틀어짐위치에 배치된 전반사미러(6a, 6b)와, 전반사미러(6a, 6b)를 회전시키는 스캐너모터(6c, 6d)로 구성되어 있고, 상기 테이블(10)은 XY방향(지면의 좌우 및 지면의 수직방향)으로 이동 자유롭게 구성되어 있다. 그리고 전반사미러(6a, 6b)를 회전시킴으로써 레이저광(2)을 피가공물(9)상의 소망의 위치에 위치결정한다. 또한 광학적으로는 외부광학계(4)의 후부에 결상된 상을 집광렌즈(8)를 이용하여 가공점에서 축소결상하도록 구 성되어 있다.

그런데 전반사미러(6a)의 회전각도에 의해 레이저광(2)이 집광렌즈(8)의 편향점을 통과하지 않게 되는 경우가 있다. 그 때문에 레이저발진기(1)와 전반사미러(6a)의 사이에 전반사미러를 배치하고, 이 전반사미러를 입사광에 대한 각도를 유지시킨 상태에서 이동시킴으로써 레이저광(2)이 전반사미러(6a)에 입사하는 위치를 조절하며, 레이저광(2)이 집광렌즈(8)의 편향점을 통과하도록 한 것이 특개평5-228673호 공보에서 제안되어 있다.

도 6은 레이저발진기(1)의 개구부(1a)를 모식적으로 나타내는 평면도이다. 상기 레이저발진기(1) 내부의 발진원에서 형성된 레이저광(2)은 레이저발진기(1) 내부의 렌즈나 미러로 이루어지는 광학계에 의해 외형을 정형 및 확대됨각을 조정하고, 예를 들면 도 6에 나타내는 바와 같이 그 광축은 레이저발진기(1)의 개구부(출사부)(1a)의 중심(Q)에 일치하고, 또한 지면에 평행한 개구부(1a)에 대하여 수직으로 되도록 구성되어 있다. 그러나 레이저발진기(1)의 내부에 배치된 렌즈나 미러는 레이저광이 통과함으로써 온도상승하며, 열변형이 발생하는 경우가 있기 때문에 가공에 동반하여 광축의 개구부(1a)에 있어서의 위치가 예를 들면 중심(Q)으로부터 어긋난 점(Q1)으로 이동하거나, 개구부(1a)에 대한 각도가 수직이 아니게 되는 경우가 있다. 또 레이저발진기(1)의 발진주파수나 출력을 바꾼 경우도 개구부(1a)에 있어서의 광축의 위치가 중심(Q)으로부터 어긋나거나 수직이 아니게 되거나 한다. 그리고 이 광축의 중심(Q)으로부터의 어긋남량, 어긋남방향 및 개구부(1a)에 있어서의 출사각도는 사용조건에 따라서 변화하며, 한결같지는 않다.

상기 전반사미러에 의해 집광렌즈(8)의 편향점을 통과하도록 한 것은 (예를 들면 특허문헌 1 참조), 전반사미러에 입사하는 레이저광의 광축이 변화하지 않는 경우, 형상정밀도에 뛰어난 가공을 실시할 수 있다. 그러나 레이저광의 광축이 어긋나거나, 출사각도가 변화한 경우에는 레이저광(2)의 위치결정정밀도가 저하하고, 가공위치정밀도가 저하하는 동시에, 외부광학계(4)의 뒷쪽에 결상되는 상에 변형이나 결함이 발생하며, 가공부의 형상정밀도가 저하해 버린다.

그래서 본 발명은 레이저광의 광축을 미리 정해진 광축상에 일치시키는 것을 가능하게 하고, 더 나아가 상기 과제를 해결한 레이저가공기를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명의 제 1 형태의 레이저가공기는, 레이저 발진기로부터 출력되는 레이저광의 미리 정해진 광축 상에 광축위치결정장치를 배치하고, 상기 광축위치결정장치에 의해 상기 레이저 발진기로부터 출력되는 레이저광을 피가공물 상에 위치결정하도록 한 레이저가공기로서, 상기 레이저 발진기와 상기 광축위치결정장치 사이에 배치되고, 상기 레이저광의 광축을 편향시킬 수 있는 광축 편향수단과, 상기 광축위치결정장치와 상기 광축 편향수단 사이에 배치되고, 상기 레이저광의 광축의 위치를 검출하기 위한 광축위치 검출수단을 구비하고, 상기 광축 편향수단은 축 둘레에 회전가능한 2개의 미러로 구성되고, 각각의 축은 상기 미러에 입사 및 반사되는 미리 정해진 광축을 포함하는 평면에 대하여 수직이며 서로 비틀어진 위치로 되도록 배치되며, 상기 미러에 입사 또는 반사되는 미리 정해진 광축 방향으로 이동가능하고, 상기 광축위치 검출수단의 검출 결과에 의거하여 상기 광축 편향수단에 의해상기 광축위치결정장치에 입사하는 상기 레이저광의 광축을 미리 정해진 광축에 일치시키는 것을 특징으로 한다.

삭제

또한 가장 적절하게는 상기 광축위치검출수단은 다른 2점의 상기 레이저광의 광축이 검출 가능하게 배치된다.

본 발명의 더 나아간 목적이나 이점은 하기의 실시예의 상세한 설명에서 명확해지며, 첨부의 도면을 참조하는 것으로 이해된다.

이하 본 발명에 관련되는 실시형태를 도 1 내지 도 3을 따라서 설명한다. 도 1은 본 발명에 관련되는 레이저가공기에 있어서의 광학계를 모식적으로 나타내는 설명도, 도 2a, b는 미러(12)의 동작을 나타내는 설명도이고, 도 2a는 미러(12)를 Z방향으로 이동한 때를 나타내는 도면, 도 2b는 미러(12)를 u’방향으로 회전운동한 때를 나타내는 도면, 도 3은 광검출장치의 동작을 나타내는 설명도이다. 또한 도 4와 같은 것 또는 동일 기능의 것은 동일한 부호를 붙여서 중복하는 설명을 생략한다.

미러(광축편향수단)(12)은 레이저광을 입사하는 방향 및 반사하는 방향에 수직인, 즉 지면에 수직인 방향의 축(11)을 갖고 있고, 해당 축(11)의 주변의 화살표 u-u’방향으로 회전운동 자유로우며, 도시를 생략하는 이동장치에 의해 기본광축(O)과 직각의 화살표 Z-Z’방향, 즉 지면에 있어서의 상하방향(또는 지면에 있어서의 좌우방향)으로 이동 자유롭다. 즉 미러(12)의 축(11)은 해당 미러(12)에 입사 및 반사되는 기본광축(O)을 포함하는 평면에 대하여 수직으로 배치되고, 또한 기본광축(O)의 미러(12)에 의해 반사되는 방향(또는 입사되는 방향)으로 이동 자유롭다. 또한 기본광축(O)은 레이저발진기(1)의 개구부(1a)의 중심(Q)으로부터 수직으로 출력되는 레이저광의 중심축이다. 또 미러(12)의 기본광축(O)에 대한 기본각도는 45°이다. 또한 미러(12)의 축(11)은 후술하는 미러(20)의 축(21)과 서로 비틀어짐의 위치로 되도록 배치되어 있다.

이에 따라 레이저발진기(1)로부터의 기본광축(O)에 대한 피가공물(9) 표면상의 XY축의 한쪽에 있어서, 미러(12)를 화살표 u-u’방향으로 회전운동시키는 것 및 화살표 Z-Z’방향인 Z축방향으로 이동시키는 것이고, 레이저광(2)의 광축을 기본광축(O)에 일치시킬 수 있다.

전반사미러(13)는 미러(12)에서 편향된 기본광축(O)을 지면에 수직 또는 지면의 안측방향으로 편향시킨다.

미러(광축편향수단)(20)은 전반사미러(13)에 의해 편향된 레이저광을 입사하는 방향 및 반사하는 방향에 수직인, 즉 지면에 평행한 상하방향의 축(21)을 갖고 있고, 해당 축(21)의 주변의 화살표 v-v’방향으로 회전운동 자유로우며, 도시를 생략하는 이동장치에 의해 지면에 수직인 방향(또는 지면에 있어서의 상하방향)으로 이동 자유롭다. 즉 미러(20)의 축(21)은 해당 미러(12)에 입사 및 반사되는 기 본광축(O)을 포함하는 평면에 대하여 수직으로 배치되고, 또한 기본광축(O)의 미러(20)에 의해 반사되는 방향(또는 입사되는 방향)으로 이동 자유롭다. 또한 도면 중 A방향으로부터 본 미러(20)와 축(21)의 상호관계는 동일 도면에 있어서의 미러(12)와 축(11)의 관계와 같으며, 미러(20)의 기본광축(O)에 대한 기준각도는 45°이다. 또 미러(20)의 축(21)은 상기의 미러(12)의 축(11)과 서로 비틀어짐의 위치로 되도록 배치되어 있다.

광축위치검출수단은 제 1 및 제 2 빔스프리터(14, 15)와 광검출장치(16, 17)에 의해 구성되어 있고, 제 1 및 제 2 빔스프리터(14, 15)는 기본광축(O)에 대하여 45도 기울여서 배치되고, 입사하는 레이저광(2)의 1%를 검출빔(14S, 15S)으로서 반사시키며, 나머지를 투과시킨다. 또 빔스프리터(14, 15)의 반사측에는 광검출장치(16, 17)가 배치되어 있다. 광검출장치(16, 17)의 표면에는 검출중심이 기본광축(O)의 연장선상에 위치결정된 다수의 미소한 수광소자가(레이저광이 기본광축(O)에 있을 때의)검출빔(14S, 15S)에 대하여 수직인 평면방향으로 배치되어 있다.

또한 외부광학계(4)는 광선이 기본광축(O)과 동축으로 되도록 배치되어 있고, 또 광축위치결정장치(6)의 전반사미러(6a)는 회전의 축선이 기본광축(O)에 수직으로 되도록 배치되어 있다.

다음으로 본 발명의 레이저가공기의 동작을 설명한다.

레이저광(2)의 광축이 기본광축(O)에 일치하지 않는 경우로서, 광축이 기본광축(O)에 대하여 평행에 어긋나는 경우와, 경사가 있는 경우와, 평행한 어긋남에 경사가 더해지는 경우인 3가지가 있다. 이하 순번으로 설명한다.

(1) 레이저광(2)의 광축이 기본광축(O)에 대하여 Z축방향으로 평행하게 어긋난 경우

도 2a에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 도면 중 2점쇄선으로 나타내는 위치에 레이저광(2)이 평행하게 어긋난 경우에는 레이저광(2)은 미러(12)의 점(M1)에 입사하는데, 미러(12)를 동일 도면에 점선으로 나타내는 위치까지 화살표 Z방향으로 이동시킴으로써 레이저광(2)의 광축을 기본광축(O)에 일치시킬 수 있다.

(2) 레이저광(2)의 광축이 기본광축(O)에 대하여 각도α기울은 경우

도 2b에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 도면 중 2점쇄선으로 나타내는 위치에 레이저광(2)이 각도α기울은 경우에는 레이저광(2)은 미러(12)의 점(M2)에 입사하는데, 미러(12)를 도면 중 2점쇄선으로 나타내는 위치와 같이 각도α기울임으로써 레이저광(2’)과 같이 광축을 기본광축(O)과 평행하게 할 수 있다. 이 상태에서 상기 (1)에서 설명한 바와 같이 미러(12)를 도면의 위쪽(화살표 Z방향)으로 이동시킴으로써 레이저광(2)의 광축을 기본광축(O)에 일치시킬 수 있다.

(3) 레이저광(2)의 광축이 기본광축(O)에 대하여 평행하게 어긋나고, 또한 경사가 더해지는 경우

이 경우는 상기 (1), (2)의 복합이기 때문에 미러(12)의 각도를 바꾸는 동시에, 미러(12)의 위치를 이동시킴으로써 레이저광(2)의 광축을 기본광축(O)에 일치시킬 수 있다.

또 레이저발진기(1)로부터의 기본광축(O)에 대한 피가공물(9)표면상의 X축방 향에 대해서도 미러(20)를 화살표 v-v’방향으로 회전운동시키는 것 및 (미러(13)에 의해 반사되고 있기 때문)지면에 수직인 방향으로 이동시킴으로써 상기 미러(12)와 마찬가지로 레이저광(2)의 광축을 기본광축(O)에 일치시킬 수 있다.

또한 미러(12, 20)를 회전운동시키는 각도와 이동시키는 거리는 검출빔(14S, 15S)의 중심의 광검출장치(16, 17)의 중심에 대한 어긋남량으로부터 연산으로 구할 수 있다.

여기에서 광검출장치를 2개 설치하는 필요성에 대해서 설명한다.

일반적으로 광검출장치(16, 17)는 입사한 빛의 입사각도를 판별할 수는 없다. 이 때문에 예를 들면 도 3에 나타내는 검출빔(14S)의 광축과 같이 기본광축(O)에 대하여 기울은 레이저광으로부터 나누어진 검출빔(14S)이 광검출장치(16)의 중심에 입사할 수도 있다. 그러나 동일 도면에 나타내는 바와 같이 검출빔(15S)의 광축이 광검출장치(17)의 중심으로부터 어긋난다.

즉 검출빔(14S, 15S)의 광축이 각각 광검출장치(16, 17)의 중심에 입사하도록 미러(12, 20)의 회전운동각도와 위치를 정할 수 있을 때, 레이저광(2)의 광축은 기본광축(O)에 일치한다.

또한 레이저광(2)의 광축이 기본광축(O)에 일치하고 있는 경우, 검출빔(14S, 15S)은 광검출장치(16, 17)의 중심에 입사하므로 미러(12, 20)를 이동시킬 필요는 없다.

또 본 실시 형태에 있어서는 빔스프리터와 광검출장치를 2개씩 설치했는데, 1개씩으로 하여 기본광축(O)방향으로 이동시키는 이동장치에 의해 도 1에 있어서의 빔스프리터(14)와 빔스프리터(15)의 2점의 위치에서 레이저광의 광축을 검출하도록 해도 좋다.

또 본 실시 형태에 있어서는 미러(12)와 미러(20)를 회전축의 주변에 회전 자유롭게 했는데, 레이저광(2)의 기본광축(O)에 대한 경사가 약간인 경우에는 고정으로 할 수 있다. 그리고 이와 같은 경우에는 빔스프리터와 광검출장치를 1개씩으로 하고, 또한 고정할 수 있다.

또 본 실시형태에 있어서는 피가공물(9)을 평면가공하는 레이저가공기(50)를 한 예로 설명했는데, 이것에 한정하지 않고, 예를 들면 피가공물을 입체가공하는 것과 같은 레이저가공기에 본 발명을 적용해도 좋다.

또한 당업자에게는 상기한 본 발명의 실시예를 상세한 설명으로부터 많은 변형을 이루게 하는 것이 명확할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 이하의 특허청구항에 의해 판정되는 것으로 한다.

본 발명에 따르면 가공시간의 경과 또는 피가공물의 재질이나 구멍 지름 등에 따라서 가공조건을 바꾸는 등에 의해 레이저광의 광축에 어긋남이나 경사가 발생해도 광축위치결정장치에 입사하는 레이저광의 광축이 불변이 되기 때문에 가공품질(가공위치 및 가공부의 형상정밀도)을 균일하게 할 수 있다.

Claims

레이저 발진기로부터 출력되는 레이저광의 미리 정해진 광축 상에 광축위치결정장치를 배치하고, 상기 광축위치결정장치에 의해 상기 레이저 발진기로부터 출력되는 레이저광을 피가공물 상에 위치결정하도록 한 레이저가공기에 있어서,

상기 레이저 발진기와 상기 광축위치결정장치 사이에 배치되고, 상기 레이저광의 광축을 편향시킬 수 있는 광축 편향수단과,

상기 광축위치결정장치와 상기 광축 편향수단 사이에 배치되고, 상기 레이저광의 광축의 위치를 검출하기 위한 광축위치 검출수단을 구비하고,

상기 광축 편향수단은 축 둘레에 회전가능한 2개의 미러로 구성되고,

각각의 축은 상기 미러에 입사 및 반사되는 미리 정해진 광축을 포함하는 평면에 대하여 수직이며 서로 비틀어진 위치로 되도록 배치되며, 상기 미러에 입사 또는 반사되는 미리 정해진 광축 방향으로 이동가능하고,

상기 광축위치 검출수단의 검출 결과에 의거하여 상기 광축 편향수단에 의해상기 광축위치결정장치에 입사하는 상기 레이저광의 광축을 미리 정해진 광축에 일치시키는 것을 특징으로 하는 레이저가공기.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 광축위치 검출수단은 상기 미리 정하는 광축 상에 있어서 다른 2점의 상기 레이저광의 광축이 검출가능하게 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저가공기.
제 3 항에 있어서,

상기 광축위치검출수단은 상기 미리 정해진 광축이 통과하는 다른 2점에 배치되고, 상기 레이저광을 분광하는 제 1 및 제 2 빔스프리터와, 상기 제 1 및 제 2 빔스프리터에 의해 각각 분광된 레이저광을 수광하는 2개의 광검출장치를 갖고 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저가공기.