KR101309532B1 - 초점렌즈를 이용한 레이저 마킹 장치 및 방법 - Google Patents

초점렌즈를 이용한 레이저 마킹 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

초점렌즈를 이용한 레이저 마킹 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 초점렌즈를 이용한 레이저 마킹 장치는, 일정한 빔사이즈를 갖는 평행광 형태의 레이저빔을 생성하는 빔생성부와, 평행광 형태의 레이저빔을 일정한 초점거리를 갖는 수렴광으로 형성하는 초점렌즈와, 수렴광의 초점을 그 내부에서 형성하여 발산광을 외부로 출력하는 스캔헤드와, 발산광을 평행광으로 만들어 주는 평행광 보정 모듈과, 보정된 평행광을 수광하여 일정한 스폿 사이즈를 갖는 레이저빔을 형성하는 에프-세타 렌즈를 포함한다.

Description

초점렌즈를 이용한 레이저 마킹 장치 및 방법{LASER MARKING DEVICE AND METHOD USING FOCUS LENS}
본 발명은 초점렌즈를 이용한 레이저 마킹 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 가공영역을 확대하면서도 스폿 사이즈(spot size)를 줄일 수 있으며, 스캔헤드의 이동성을 높일 수 있는 레이저 마킹 장치 및 방법에 관한 것이다.
레이저 마킹 장치는 레이저 빔을 이용하여 시편의 표면에 문자나 그림을 형성하는 것으로, 초점(focus)이 형성된 레이저 빔을 갈바노미터(galvanometer)로 스캐닝하여 시편 표면을 순간적을 태워 레이저 빔의 경로를 따라 원하는 모양의 패턴을 형성하는 장치이다.
종래의 레이저 마킹 장치로는 대한민국 공개특허 제2003-0058233호 등이 있다. 상기 선행기술에는 레이저 발진부, 고정 빔익스팬더, 미러, 빔분할기, 보정마운트, 가변 빔익스팬더, 스캐너 블록 및 에프-세타 렌즈를 포함하는 레이저 마킹 장치가 개시되어 있다.
레이저 발진부에서 나온 레이저 빔은 고정 빔익스팬더에 의해서 고정배율로 확대된 후 미러를 거쳐서 빔분할기에 의해서 2개의 레이저빔으로 분할된다. 그리고 분할된 2개의 레이저빔은 보정마운트를 통과한 후 레이저빔을 가변적으로 확대시키는 가변 빔익스팬더를 통과한 후, 레이저빔을 스캔하는 스캐너 블록 및 에프-세타(f-θ) 렌즈를 거치면서 선형성이 유지되어 시편에 조사된다. 또한, 분할된 2개의 레이저빔의 특성을 균일하게 하는 것이 필요한데, 가변 빔익스팬더가 레이저빔의 빔사이즈 및 포커스 거리를 조정함으로써 2개의 레이저빔을 균일하게 하는 역할을 한다.
그러나 최근에는 레이저 발진부에서 나오는 레이저빔의 빔사이즈가 증가하고 있는 추세에 있다. 예를 들면 종래에는 빔사이즈 직경이 2.6mm 이나 최근에는 그 직경이 8mm인 것이 사용되고 있다. 또한, 레이저빔을 xy축에서 평면 이동하는 스캔헤드에 입사할 수 있는 레이저빔의 직경은 정해져 있는 것이 대부분이며, 이로 인해 레이저빔의 직경이 8mm로 증가하는 경우 가변식 빔익스팬더에 의해 확대된 레이저빔은 스캔헤드의 어퍼쳐(aperture)에 비해 커지게 되어 스캔헤드를 통과할 수 없는 문제점이 발생한다.
그리고 에프-세타 렌즈에 입사되는 레이저빔의 빔사이즈가 클수록 작은 스폿 사이즈(spot size)의 레이저빔이 에프-세타 렌즈에서 나오게 되는데, 알려진 바와 같이 시편에 입사되는 스폿 사이즈의 크기가 작을수록 에너지가 높기 때문에 가공이 용이한 장점이 있다. 따라서 가변 빔익스팬더에 의해 빔사이즈가 확대된 레이저빔이 제한된 크기의 어퍼쳐를 갖는 스캔헤드만 통과할 수 있다면, 에프-세타 렌즈에 입사되는 레이저빔의 빔사이즈를 확대하는 것이 필요하다.
스캔헤드의 내부에는 다수 개의 미러가 구비되어 있는데, 더욱 큰 사이즈의 레이저빔을 받기 위해서는 미러의 크기가 커야 한다. 그러나 미러의 크기가 커질수록 스캔헤드의 이동성이 저하되기 때문에, 가공 속도가 떨어지는 문제점이 발생하게 된다. 반대로, 스캔헤드 내부에 구비되어 있는 미러의 사이즈가 작은 경우 스캔헤드의 이동성은 향상되지만, 미러가 받을 수 있는 레이저빔의 사이즈가 감소되기 때문에 작은 스폿 사이즈를 얻기 어렵게 되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 작은 빔사이즈 뿐만 아니라 큰 빔사이즈의 레이저빔을 사용할 수 있는 레이저 마킹 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 가공영역을 확대하면서도 스폿 사이즈를 줄임으로써 가공성을 높일 수 있는 레이저 마킹 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 스캔헤드의 이동성을 향상할 수 있는 레이저 마킹 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 레이저 마킹 장치는, 일정한 빔사이즈를 갖는 평행광 형태의 레이저빔을 생성하는 빔생성부와, 평행광 형태의 레이저빔을 일정한 초점거리를 갖는 수렴광으로 형성하는 초점렌즈와, 수렴광의 초점을 그 내부에서 형성하여 발산광을 외부로 출력하는 스캔헤드와, 발산광을 평행광으로 만들어 주는 평행광 보정 모듈과, 보정된 평행광을 수광하여 일정한 스폿 사이즈를 갖는 레이저빔을 형성하는 에프-세타 렌즈를 포함한다.
본 발명에 따른 초점렌즈를 이용한 레이저 마킹 장치는 다음과 같은 실시예들을 하나 또는 그 이상 구비할 수 있다. 예를 들면, 에프-세타 렌즈에서 수광되는 레이저빔의 빔사이즈는 빔생성부에서 나온 빔사이즈에 비해 크게 형성될 수 있다.
그리고 스캔헤드는 미러를 구비하고, 미러는 발산광을 수광할 수 있다. 또한, 스캔헤드는 어퍼쳐를 구비하고, 수렴광의 초점은 어퍼쳐 부근에서 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 레이저 마킹 방법은, 일정한 빔사이즈를 갖는 평행광 형태의 레이저빔을 생성하는 단계와, 평행광 형태의 레이저빔을 일정한 초점거리를 갖는 수렴광으로 형성하는 단계와, 수렴광의 초점을 스캔헤드의 내부에서 형성하여 스캔헤드의 외부로 발산광이 출력되도록 하는 단계와, 스캔헤드에서 출력된 발산광을 평행광으로 보정하는 단계와, 에프-세타 렌즈를 이용하여 평행광을 수광하여 일정한 스폿 사이즈를 갖는 레이저빔을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 레이저빔의 초점이 스캔헤드의 내부에서 형성되기 때문에, 큰 빔사이즈의 레이저빔을 이용할 수 있는 레이저 마킹 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 직경이 큰 에프-세타 렌즈를 이용하여 가공영역을 확대하면서도, 빔사이즈가 확대된 레이저빔이 에프-세타 렌즈에 입사하기 때문에 스폿 사이즈를 줄일 수 있는 레이저 마킹 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 스캔헤드의 미러 크기를 줄일 수 있기 때문에, 스캔헤드의 이동성을 높일 수 있는 레이저 마킹 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 마킹 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 예시된 레이저 마킹 장치에서 스캔헤드의 내부에서 수렴광의 초점이 형성되는 것을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 마킹 방법에 대한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초점렌즈를 구비한 레이저 마킹 장치(200)를 예시하는 구성도이고, 도 2는 도 1에 예시된 레이저 마킹 장치(200)에서 스캔헤드(180)의 내부에서 수렴광의 초점이 형성되는 것을 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 초점렌즈를 구비한 레이저 마킹 장치(200)는 빔생성부(120), 미러(150, 152, 154, 156, 158), 빔스플리터(160), 초점렌즈(220), 스캔헤드(180), 평행광 보정 모듈(195) 및 에프-세타 렌즈(190)를 포함한다.
본 발명에 따른 레이저 마킹 장치(200)는 초점렌즈(220)를 이용하여 스캔헤드(180)의 내부에서 레이저빔의 초점(f)이 형성되도록 한다. 따라서 빔생성부(120)에서 빔사이즈가 큰 레이저빔이 출력되어도, 초점렌즈(220)에 의해서 수렴광 형태로 변경되어 스캔헤드(180)의 내부로 입사되기 때문에, 스캔헤드(180)의 어퍼쳐(182) 크기에 상관없이 빔사이즈가 큰 레이저빔을 이용할 수 있게 된다.
또한, 초점(f)이 형성된 후 발산되는 레이저빔은 빔생성부(120)에서 나온 레이저빔의 빔사이즈에 비해 작기 때문에, 스캔헤드(180)의 내부에 구비된 미러(184, 186)의 크기를 줄여서 스캔헤드(180)의 이동성을 높일 수 있게 된다.
그리고 레이저빔은 초점(f)이 형성된 후 발산광 형태로 스캔헤드(180)의 외부로 출력되기 때문에, 에프-세타 렌즈(180)에 빔사이즈가 큰 레이저빔이 입사되어 스폿 사이즈를 줄일 수 있으며, 더욱 큰 가공영역을 갖는 에프-세타 렌즈(190)를 이용할 수 있게 된다.
빔생성부(120)는 일정한 빔사이즈를 갖는 평행광 형태의 레이저빔을 형성한다. 최근에 생산되는 레이저 소스에서는, 레이저빔의 빔사이즈가 직경이 2.6mm에서 8mm로 확대되는 추세에 있다. 레이저빔의 빔사이즈가 증가할수록 초점을 작게 조절할 수 있는 장점이 있다. 빔생성부(120)의 내부에는 광원으로 사용되는 레이저 다이오드(Laser Diode) 및 광 증폭을 하는 Nd:YAG 로드(rod) 또는 Yb(Ytterbium) 파이버(fiber)가 장착되어 있다.
빔생성부(120)에서 나온 평행광 형태의 레이저빔은 미러(150, 152, 154)에 반사된 후 빔스플리터(160)에 의해 2개의 레이저빔으로 분할된다. 분할된 2개의 레이저빔은 미러(156, 158)에 반사되어 초점렌즈(220)에 입사하게 된다. 초점렌즈(220)는 빔생성부(120)에서 출력된 평행광 형태의 레이저빔을 수렴시켜서 스캔헤드(180)의 내부에 초점(f)이 형성되도록 한다.
스캔헤드(180)의 내부에는 어퍼쳐(182)가 형성되어 있는데, 일반적으로 사용되는 스캔헤드의 어퍼쳐 크기는 제한되어 있다. 따라서 빔생성부(120)에서 나온 지름이 10mm인 레이저빔은 스캔헤드(180)의 어퍼쳐(182)를 통과하지 못하게 되는 문제점이 발생할 수 있기 때문에, 초점렌즈(220)가 레이저빔의 초점(f)이 스캔헤드(180)의 내부에 형성되도록 함으로써, 레이저빔이 스캔헤드(180)의 어퍼쳐(182)를 용이하게 통과할 수 있을 뿐만 아니라 발산광을 에프-세타 렌즈(190)에 입사하도록 할 수 있다.
그리고 수렴광의 초점(f)에서 에프-세타 렌즈(190) 사이의 거리(c)를 조정함으로써, 에프-세타 렌즈(190)에 입사되는 레이저빔의 빔사이즈를 확대할 수 있게 된다.
스캔헤드(180)의 내부에는 갈바노미터의 미러(184, 186)가 구비되어 있는데, 미러(184, 186)에 입사되는 빔사이즈의 직경이 커질수록 에프-세타 렌즈(190)에 입사되는 레이저빔의 빔사이즈도 증가하기 때문에, 위에서 설명한 바와 같이 스폿 사이즈가 줄어들어 가공성이 향상된다. 반면, 미러(184, 186)에 입사되는 빔사이즈에 대응하기 위해서는 미러(184, 186)의 크기도 동시에 커져야 하기 때문에, 스캔헤드(180)의 중량이 증가하여 이동성이 떨어지는 문제점이 발생하게 된다.
이와는 반대로, 미러(184, 186)에 입사되는 빔사이즈의 직경이 작아질수록 에프-세타 렌즈(190)에 입사되는 레이저빔의 빔사이즈도 감소하기 때문에, 스폿 사이즈가 증가하여 가공성이 저하되는 반면, 미러(184, 186)에 입사되는 빔사이즈에 대응하는 미러(184, 186)의 크기도 동시에 작아지기 때문에, 스캔헤드(180)의 중량이 감소하여 이동성이 향상된다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 초점렌즈(220)를 스캔헤드(180)의 입구측에 배치하고 초점렌즈(220)에 의해 형성된 수렴광의 초점이 스캔헤드(180)의 내부에서 어퍼쳐(182) 부근에 형성되도록 하였다. 이로 인해, 미러(184, 186)에는 빔생성부(120)에서 나온 레이저빔에 비해 작은 빔사이즈의 레이저빔이 입사하기 때문에, 미러(184, 186)의 크기를 줄여서 스캔헤드(180)의 이동성을 높일 수 있게 된다. 또한, 초점(f)이 형성된 레이저빔은 발산광 형태로 스캔헤드(180)의 외부로 나가면서 빔사이즈가 확대되기 때문에, 에프-세타 렌즈(190)에는 빔생성부(120)에서 출력된 레이저빔에 비해 큰 빔사이즈를 갖는 레이저빔이 입사되어 스폿 사이즈를 줄일 수 있게 된다.
스캔헤드(180)에서 나온 발산광 형태의 레이저빔은 평행광 보정 모듈(195)에 의해 평행광으로 보정된다. 에프-세타 렌즈(190)에 발산광이 입사되는 경우 초점을 형성하기 어렵기 때문에, 일정한 초점을 갖는 레이저빔을 형성하기 위해서 발산광을 평행광으로 보정한다.
에프-세타 렌즈(190)는 시편의 마킹 영역에 일정한 초점을 유지하도록 하는 역할을 한다. 에프-세타 렌즈(190)는 규격이 정해져 있는데, 렌즈의 직경에 따라서 F410, F330, F254, F160 등이 있다. 또한, 각각의 에프-세타 렌즈(190)는 그 직경에 대응하는 작업 영역을 갖는데, 예를 들면, F254 렌즈는 가로 및 세로가 각각 180mm인 작업 영역을 갖는다. 따라서 에프-세타 렌즈(190)의 직경이 클수록 가공 영역이 커지게 된다.
이에 반해, 에프-세타 렌즈(190)는 동일한 빔사이즈를 갖는 레이저빔이 입사하는 경우 그 직경이 증가할수록 스폿 사이즈가 증가하게 된다.
따라서 직경이 큰 에프-세타 렌즈(190)를 사용하는 경우에는 가공 영역은 커질 수 있지만 스폿 사이즈도 증가하기 때문에 레이저빔의 에너지가 감소하여 가공성이 감소하는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 레이저 마킹 장치(200)는 기존에 비해 직경이 큰 에프-세타 렌즈(190)를 이용하여 가공 영역을 확대하면서도, 에프-세타 렌즈(190)에 입사되는 레이저빔의 빔사이즈를 발산광을 이용하여 확대함으로써 스폿 사이즈를 줄일 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 도 3를 참고하면서, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 마킹 방법에 대해서 설명하기로 한다.
도 3에 예시되어 있는 레이저 마킹 방법은, 도 1 내지 도 2에 예시된 레이저 마킹 장치(200)를 이용한 것이다. 이에 따른 레이저 마킹 방법은, 빔생성부(120)가 일정한 빔사이즈를 갖는 평행광 형태의 레이저빔을 생성하는 단계와, 초점렌즈(220)가 평행광 형태의 레이저빔을 일정한 초점거리를 갖는 수렴광으로 형성하는 단계와, 수렴광의 초점을 스캔헤드(180)의 내부에서 형성하여 스캔헤드(180)의 외부로 발산광이 출력되도록 하는 단계와, 발산광을 평행광으로 보정하는 단계와, 에프-세타 렌즈(190)를 이용하여 평행광을 수광하여 일정한 스폿 사이즈를 갖는 레이저빔을 형성하는 단계를 포함한다.
상기에서는 본 발명의 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
200: 레이저 마킹 장치 120: 빔생성부
160: 빔스플리터 180: 스캔헤드
190: 에프-세타 렌즈 220: 초점렌즈

Claims (5)

  1. 일정한 빔사이즈를 갖는 평행광 형태의 레이저빔을 생성하는 빔생성부;
    상기 평행광 형태의 레이저빔을 일정한 초점거리를 갖는 수렴광으로 형성하는 초점렌즈;
    어퍼쳐를 구비하고, 상기 수렴광의 초점이 상기 어퍼쳐 부근에서 형성되며, 발산광을 외부로 출력하는 스캔헤드;
    상기 발산광을 평행광으로 만들어 주는 평행광 보정 모듈; 및
    보정된 상기 평행광을 수광하여 일정한 스폿 사이즈를 갖는 레이저빔을 형성하는 에프-세타 렌즈를 포함하고,
    상기 초점렌즈, 상기 평행광 보정 모듈 및 상기 에프-세타 렌즈는 상기 스캔헤드의 외부에 위치하는 초점렌즈를 이용한 레이저 마킹 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에프-세타 렌즈에서 수광되는 레이저빔의 빔사이즈는 상기 빔생성부에서 나온 빔사이즈에 비해 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 초점렌즈를 이용한 레이저 마킹 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스캔헤드는 미러를 구비하고,
    상기 미러는 발산광을 수광하는 것을 특징으로 하는 초점렌즈를 이용한 레이저 마킹 장치.
  4. 삭제
  5. 일정한 빔사이즈를 갖는 평행광 형태의 레이저빔을 생성하는 단계;
    스캔헤드의 외부에서 상기 평행광 형태의 레이저빔을 일정한 초점거리를 갖는 수렴광으로 형성하는 단계;
    상기 수렴광의 초점을 상기 스캔헤드의 어퍼쳐 부근에서 형성하여 상기 스캔헤드의 외부로 발산광이 출력되도록 하는 단계;
    상기 스캔헤드에서 출력된 발산광을 평행광으로 보정하는 단계; 및
    에프-세타 렌즈를 이용하여 상기 평행광을 수광하여 일정한 스폿 사이즈를 갖는 레이저빔을 형성하는 단계를 포함하는 초점렌즈를 이용한 레이저 마킹 방법.
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