KR101331989B1 - 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치 - Google Patents

레이저를 이용한 잔디 깎는 장치 Download PDF

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Abstract

레이저를 이용한 잔디 깎는 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 레이저를 이용하여 잔디를 깎는 장치에 있어서, 일정한 크기의 파장을 갖는 레이저 빔을 방출하는 레이저; 상기 레이저에 동력을 공급하기 위한 동력 공급부; 상기 잔디 깎는 장치에 이동 가능하게 결합되어 상기 잔디 깎는 장치를 이동시키기 위한 휠; 상기 레이저 및 상기 동력 공급부를 냉각하기 위한 냉각 장치; 상기 동력 공급부 및 상기 레이저의 구동을 제어하기 위한 제어기; 및 상기 잔디 깎는 장치를 이동시켜 잔디를 깎을 때 상기 잔디 깎는 장치의 이동 속도를 측정하기 위한 속도 측정부를 포함하고,
상기 제어기는, 상기 속도 측정부에 의하여 측정된 이동 속도와 상기 레이저 빔의 강도(intensity)에 따라서 상기 레이저로 잔디를 깎을 때 잔디의 상태를 조사하여 가공공정맵을 작성하는 가공공정맵 작성부; 상기 가공공정맵에서 잔디가 손상되거나 덜 깎이지 않고 최적으로 깎일 수 있는 최적 가공 영역을 설정하는 최적 가공 영역 설정부; 및 상기 잔디가 깎이는 전구간 내에서, 상기 최적 가공 영역 설정부에서 설정된 상기 최적 가공 영역 내에 들어갈 수 있도록 상기 이동 속도에 따라 상기 레이저의 출력을 제어하는 레이저 출력 제어부를 포함한다.

Description

레이저를 이용한 잔디 깎는 장치{LASER LAWN MOWING SYSTEM}
본 발명은 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 잔디 깎는 장치의 주어진 이동속도에 따라 잔디가 최적으로 깎일 수 있는 최적 가공 영역에 들어갈 수 있도록 레이저의 출력을 조절할 수 있도록 한 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치에 관한 것이다.
종래의 기계식 잔디 깎는 기계를 대신하여 레이저를 이용한 잔디 깎는 기계가 개발되고 있다.
이러한 레이저를 이용한 잔디 깎는 기계는 종래의 기계식 잔디 깎는 기계에 비하여 에너지 소모가 매우 적으며, 따라서 기계식 잔디 깎는 기계보다 작은 배터리 용량으로 구동이 가능하고, 소음의 거의 없으며, 엔진이 필요하지 않으므로 화석 연료를 사용하지 않아도 되고 환경 오염 물질도 배출하지 않으며, 기계식 잔디 깎는 기계의 경우 블레이드를 이용한 접촉 방식으로 잔디를 절단하게 되며 이로 인해 파편이 튀고 위험한데 비하여 레이저를 이용한 잔디 깎는 기계는 이러한 문제점이 없어 안전한 장점을 가지고 있다.
이와 같은 레이저를 이용한 잔디 깎는 기계는 배터리, 냉각장치, 레이저 소스, 휠(wheel), 컨트롤 유닛 등으로 구성되어, 레이저 소스로부터 레이저 빔을 방출하여 잔디를 깎는 구조로 되어 있다.
그러나, 종래의 레이저를 이용한 잔디 깎는 기계는 레이저 소스로부터 방출되는 레이저 빔만을 이용하고 있을 뿐, 잔디 깎는 장치가 이동되어도 별도로 레이저의 출력을 조절할 수 있는 수단이 마련되어 있지 않으므로, 잔디가 손상되거나 덜 깎이게 되는 문제점이 있었다.
따라서, 잔디 깎는 기계가 이동됨에 따라 잔디가 최적으로 깎일 수 있는 최적 가공 영역에 들어갈 수 있도록 레이저의 출력을 조절할 수 있도록 한 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치가 절실히 요구되고 있다.
미국 특허 7,919,723 B2호(2011년 04월 05일 등록)
본 발명은 잔디 깎는 장치의 주어진 이동속도에 따라 잔디가 최적으로 깎일 수 있는 최적 가공 영역에 들어갈 수 있도록 레이저의 출력을 조절할 수 있도록 한 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 레이저를 이용하여 잔디를 깎는 장치에 있어서,
일정한 크기의 파장을 갖는 레이저 빔을 방출하는 레이저;
상기 레이저에 동력을 공급하기 위한 동력 공급부;
상기 잔디 깎는 장치에 이동 가능하게 결합되어 상기 잔디 깎는 장치를 이동시키기 위한 휠;
상기 레이저 및 상기 동력 공급부를 냉각하기 위한 냉각 장치;
상기 동력 공급부 및 상기 레이저의 구동을 제어하기 위한 제어기; 및
상기 잔디 깎는 장치를 이동시켜 잔디를 깎을 때 상기 잔디 깎는 장치의 이동 속도를 측정하기 위한 속도 측정부
를 포함하고,
상기 제어기는, 상기 속도 측정부에 의하여 측정된 이동 속도와 상기 레이저 빔의 강도(intensity)에 따라서 상기 레이저로 잔디를 깎을 때 잔디의 상태를 조사하여 가공공정맵을 작성하는 가공공정맵 작성부;
상기 가공공정맵에서 잔디가 손상되거나 덜 깎이지 않고 최적으로 깎일 수 있는 최적 가공 영역을 설정하는 최적 가공 영역 설정부; 및
상기 잔디가 깎이는 전구간 내에서, 상기 최적 가공 영역 설정부에서 설정된 상기 최적 가공 영역 내에 들어갈 수 있도록 상기 이동 속도에 따라 상기 레이저의 출력을 제어하는 레이저 출력 제어부를 포함하는 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치가 제공될 수 있다.
이 때, 상기 속도 측정부는 상기 잔디 깎기 장치에 장착된 속도 감지 센서로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 최적 가공 영역은 상기 이동 속도와 상기 레이저 빔의 파장이나 펄스 폭을 결정 요소로 포함할 수 있다.
이 때, 상기 레이저의 출력은 레이저의 강도(intensity)를 포함하고, 상기 레이저의 강도는 가우시안(Gaussian) 빔의 경우에 레이저의 출력을 레이저 빔의 단면적으로 나눈 값의 두배인 피크 강도(peak intensity)를 의미한다.
이 때, 상기 레이저는 물에 의한 레이저 흡수율이 우수한 CO2 레이저, 어붐 야그 레이저(Er:YAG laser)로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 어붐 야그 레이저는 2.94㎛의 파장을 가지고 있고, 상기 CO2 레이저는 10.6㎛의 파장을 가질 수 있다.
이 때, 상기 레이저 빔의 경로 중간에는 적절한 길이의 가공구간을 확보하기 위하여 적어도 하나 이상의 집속 렌즈(focusing lens)를 설치할 수 있다.
이 때, 상기 레이저 빔의 경로 중간에 한개의 집속 렌즈가 설치된 경우, 상기 레이저 빔이 진행하고 잔디가 깎이는 구간의 길이가 2
Figure 112012037928624-pat00001
이라고 한다면 그 구간 내에서 레이저 빔의 최대직경(D1)과 최소직경(D2)의 값은, 레이저의 파장을 λ라고 하고, 상기 레이저 빔이 가우시안(Gaussian) 형상이고 상기 집속 렌즈의 촛점거리가
Figure 112012037928624-pat00002
일 때 다음의 식(1)을 만족할 수 있다.
Figure 112012037928624-pat00003
이 때, 상기 레이저 빔의 경로 중간에 한개의 집속 렌즈가 설치된 경우, 상기 레이저 빔의 직경을 D라 하고, 레이저 빔의 직경에서 상기 레이저 강도를 I라 하면, 상기 레이저 빔의 출력(P)은 다음의 식(2)를 만족할 수 있다.
Figure 112012037928624-pat00004
이 때, 상기 레이저 빔의 경로 중간에 한개의 집속 렌즈가 설치된 경우, 상기 레이저 빔의 최대직경에서 레이저 강도를 I1이라 하고, 상기 레이저 빔의 최소 직경에서 레이저의 강도를 I2라 하면, 집속 렌즈의 초점거리와 상기 레이저 빔의 출력은 다음의 식(3)을 만족할 수 있다.
Figure 112012037928624-pat00005
이 때, 상기 레이저 빔의 경로에는 상기 레이저로부터 방출된 상기 레이저 빔을 잔디를 깎고자 하는 구간으로 반사시켜 주기 위한 반사경이 설치될 수 있다.
이 때, 상기 레이저 빔의 경로 마지막 부분에는 상기 레이저 빔을 흡수하는 빔 덤프(beam dump)가 설치될 수 있다.
이 때, 상기 레이저 빔의 디버전스 앵글(divergence angle)이 작아서 레이저 빔이 진행하면서 넓은 거리에서 잔디를 깎는 것이 가능할 경우에는, 상기 레이저 빔의 경로 양쪽에 반사경(mirror)이 설치될 수 있다.
이 때, 상기 휠의 이동은 상기 동력 공급부의 동력을 공급받아 이루어지거나 수동으로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 냉각 장치는 상기 집속 렌즈를 냉각할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 잔디 깎는 장치의 주어진 이동속도에 따라 잔디가 최적으로 깎일 수 있는 최적 가공 영역에 들어갈 수 있도록 레이저의 출력을 조절할 수 있도록 함으로써 잔디 깎는 장치를 이동시켜 잔디를 깎아도 잔디가 손상되지 않을 뿐만 아니라 덜 깎이지 않고 깨끗하게 깎일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 레이저로 잔디를 깎을 때 잔디의 상태를 6개로 분류한 도면이다.
도 4는 CO2 레이저의 실험 결과(반복율: 5KHz, 펄스 지속시간: 120㎲, 스폿 사이즈: 180㎛)를 나타낸 도면이다.
도 5는 CO2 레이저 가공공정맵(적색: 탄화, 황색: 최적 가공 영역, 녹색: Partial-cut)을 나타낸 도면이다.
도 6은 잔디 깎는 장치의 이송 속도에 따른 최적 가공 여역(cut-well)의 개념도이다.
도 7은 355nm(윗줄), 532nm(중간줄), 1064nm(아랫줄) 파장의 레이저를 사용했을 때 얻어지는 가공영역을 나타낸 도면이다.
도 8은 엽록소(녹색) 및 물(청색)의 흡수계수의 관계를 나타낸 도면이다.
도 9는 레이저 빔의 경로 중간에 집속 렌즈가 설치된 경우, 레이저 빔이 진행하는 동안 레이저 빔의 직경의 변화를 나타낸 개략적인 구성도이다.
도 10은 기본적인 광학계의 구성을 나타낸 도면이다.
도 11은 레이저 빔의 진행 경로 중간에 집속 렌즈를 설치하여 레이저 빔의 진행 길이를 연장한 상태를 나타낸 개략적인 구성도로서, (a)는 레이저 빔의 진행 경로 중간에 하나의 집속 렌즈를 설치한 것이고, (b)는 레이저 빔의 진행 경로 중간에 3개의 집속 렌즈를 설치한 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치의 제어기의 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치의 개략적인 구성도이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치의 제어기의 구성도이다.
도 1 및 도 12를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 잔디 깍기 장치(100)는, 일정한 크기의 파장을 갖는 레이저 빔(111)을 방출하는 레이저(110);
상기 레이저(110)에 동력을 공급하기 위한 동력 공급부(120);
상기 잔디 깎는 장치(100)에 이동 가능하게 결합되어 상기 잔디 깎는 장치(100)를 이동시키기 위한 휠(130);
상기 레이저(110) 및 상기 동력 공급부(120)를 냉각하기 위한 냉각 장치(140);
상기 동력 공급부(120) 및 상기 레이저(110)의 구동을 제어하기 위한 제어기(200); 및
상기 잔디 깎는 장치를 이동시켜 잔디를 깎을 때 상기 잔디 깎는 장치의 이동 속도를 측정하기 위한 속도 측정부(150)를 포함할 수 있다.
상기 휠(130)은 휠 샤프트(131)를 통하여 상기 동력 공급부(120)와 결합될 수 있다.
상기 휠(130)의 이동은 상기 동력 공급부(120)의 동력을 공급받아 이루어질 수 있으며, 또한 또는 작업자가 상기 잔디 깎는 장치를 밀어서 수동으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제어기(200)는, 상기 속도 측정부(150)에 의하여 측정된 이동 속도와 상기 레이저 빔(111)의 강도(intensity)에 따라서 상기 레이저(110)로 잔디를 깎을 때 잔디의 상태를 조사하여 가공공정맵을 작성하는 가공공정맵 작성부(210);
상기 가공공정맵에서 잔디가 손상되거나 덜 깎이지 않고 최적으로 깎일 수 있는 최적 가공 영역을 설정하는 최적 가공 영역 설정부(220); 및
상기 잔디가 깎이는 전구간 내에서, 상기 최적 가공 영역 설정부에서 설정된 상기 최적 가공 영역 내에 들어갈 수 있도록 상기 이동 속도에 따라 상기 레이저의 출력을 제어하는 레이저 출력 제어부(230)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 레이저 빔(111)의 경로에는 상기 레이저(110)로부터 방출된 상기 레이저 빔(111)을 잔디를 깎고자 하는 구간으로 반사시켜 주기 위한 반사경(160)을 설치할 수 있다.
또한, 안전을 위하여 상기 레이저 빔(111)의 경로 마지막 부분에 상기 레이저 빔을 흡수하는 빔 덤프(beam dump)(170)를 설치할 수 있다.
상기 냉각 장치(140)는 상기 반사경(160) 및 상기 빔 덤프(170)를 냉각할 수 있다.
상기 잔디 깎는 장치는 상기 동력 공급부(120)의 전원을 온/오프 상태로 제어하기 위한 동력 공급부 온/오프 스위치(180)와, 상기 레이저(110)의 전원을 온/오프 상태로 제어하기 위한 레이저 온/오프 스위치(190)를 포함할 수 있다.
상기 동력 공급부(120)는 도 1과 같이 상기 잔디 깎는 장치의 외부로부터 전원을 공급받을 수 있으며, 도 2와 같이 상기 잔디 깎는 장치에 내장된 배터리(300)로부터 전원을 공급받을 수 있다.
상기 속도 측정부(150)는 상기 잔디 깎기 장치의 휠 샤프트(wheel shaft)(131) 등에 장착된 속도 감지 센서 또는 이와 유사한 장치일 수 있다.
상기 가공공정맵은 상기 레이저의 종류(파장, 펄스 폭 등), 잔디의 종류, 온도, 습도, 계절 등에 따라 변경될 수 있다.
따라서, 상기 최적 가공 영역은 상기 이동 속도와 상기 레이저 빔(111)의 파장이나 펄스 폭 등을 결정 요소로 포함할 수 있다.
상기 레이저(110)의 출력은 레이저의 강도(intensity)를 포함할 수 있는데, 상기 레이저(110)의 강도는 가우시안(Gaussian) 빔의 경우에 레이저(110)의 출력(power, P)을 레이저 빔의 단면적으로 나눈 값의 두배인 피크 강도(peak intensity)를 의미한다.
상기 레이저는 잔디 내의 물과 엽록소와 주로 반응한다. 물과 엽록소의 레이저 흡수율은 레이저의 파장에 따라서 급격하게 변화되는 특성을 보이고 있다. 특히, 적외선 파장 영역에서는 물에 의해서만 레이저가 흡수된다.
따라서, 상기 레이저(110)는 물에 의한 레이저 흡수율이 우수한 CO2 레이저, 어붐 야그 레이저(Er:YAG laser) 등으로 이루어질 수 있다.
상기 어붐 야그 레이저는 2.94㎛의 파장을 가지고 있어 물에 의한 최대의 레이저 흡수율을 가지고 있으며, 상기 CO2 레이저는 10.6㎛의 파장을 가지고 있어 물에 의한 매우 높은 레이저 흡수율을 가지고 있다.
상기 CO2 레이저, 어붐 야그 레이저(Er:YAG laser)를 사용한 잔디 깍기 장치는 잔디조직을 직접 가공하지 않고 잔디 내의 수분과 작용하여 잔디조직에 가하는 해가 적으므로 건강한 잔디 상태를 유지하는데 매우 바람직하다.
또한, 상기 레이저(110)의 종류에 따라서 공간에서 레이저 빔이 진행할 때 레이저 빔의 단면적이 계속 증가하는 디버전스(divergence) 특성이 모두 다르다. 레이저 빔의 단면적이 달라지면 같은 레이저 출력에서도 레이저 빔의 강도가 달라지게 되므로 잔디가 깎이는 전구간 내에서는 레이저 빔의 강도가 최적 가공 영역에 들어가야 한다.
상기 레이저의 종류에 따라 디버전스 특성이 다르므로 적절한 길이의 가공구간을 확보하기 위하여 상기 레이저 빔의 경로 중간에 적어도 하나 이상의 집속 렌즈(focusing lens)(400) 등과 같은 적절한 광학계를 설치할 수 있다.
[실시예]
(가공공정맵과 최적가공영역)
먼저, 레이저로 잔디를 깎을 수 있는 최적 가공 영역에 관해서 조사를 실시하였다. 잔디는 Kentucky Bluegrass 종을 사용하였다.
기초 실험 결과 레이저로 잔디를 깎을 때에 잔디의 상태를 도 3과 같이 총 6개로 분류하였다(No visible change, decoloration, partial-cut, through-cut, onset of carbonization, carbonization). 이 중에서 Through-cut으로 표시된 것이 잘 깎인 상태를 나타낸다.
또한, 레이저 가공의 두 가지 주요 변수인 레이저 강도(단위면적당 레이저 출력(Power))와 이동속도를 변화시키며 잔디가 어떻게 반응하는지를 살펴보았다. 도 4는 CO2 레이저의 실험결과인데 특정 조건에서 잔디가 잘 깎이는 것을 확인할 수 있다.
실험결과를 앞에서 언급된 분류를 바탕으로 정리하여 도 5에 맵의 형태로 도시하였다(가공공정맵). 가로축에 이동속도와 단위길이당 에너지(energy per unit length)의 두 가지 경우에 대하여 가공공정맵을 작성하였고, 노란색 부분이 잔디가 탄화되거나 덜 깎이지 않고 잘 깎인 최적가공영역을 나타낸다. 따라서, 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치를 제작한다면 잔디 깎이는 영역 내에서의 조건이 노란색으로 표시된 영역에 들어와야 함을 알 수 있다.
따라서, 잔디 깎는 장치의 이동속도를 설정하면, 어떤 레이저 출력을 사용해야 깨끗하게 잔디를 절단 할 수 있는지 계산할 수 있고, 이를 제어기에 적용을 할 수 있으며, 잔디 깎는 장치의 이동 속도는 휠 스피드 센서 등의 사용을 통하여 얻을 수 있다.
도 5 의 가공공정맵은 레이저의 종류 (파장, 펄스폭 등), 잔디의 종류 및 온도/습도/계절/잔디의 상태에 따라 달라질 수 있으므로, 다양한 가공공정맵의 준비가 필요하다.
도 6은 최적 가공 영역의 개념도를 나타낸다. 여기서, 경계선은 직선을 사용하여 표시하였지만 직선이 아닐 수도 있다. 또한, 가로축으로 사용된 이동 속도 대신 상호작용 시간(interaction time)이나 단위길이당 에너지 등으로의 사용도 가능한데, 서로간의 환산이 간편하다.
도 7은 355nm (윗줄), 532 nm (중간줄), 1064 nm (아랫줄) 파장의 레이저를 사용했을 때 얻어지는 가공공정맵을 작성하였으며 가공영역으로 노란색 부분이 최적가공영역을 나타낸다. 즉, 레이저의 파장에 따라서 가공공정맵이 상이한 것을 확인할 수 있다.
왼쪽 그림들에는 가로축에 상호작용 시간(interaction time)을 사용하였고, 오른쪽 그림들에는 가로축에 단위 길이당 에너지를 사용하였으나 두 경우 모두 이동 속도로 환산이 가능하다(적색: Carbonization, 노란색: Through-cut, 녹색: Partial-cut, 청색: Decoloration, 보라색: No-visible change).
(잔디 깎는 메커니즘)
도 8에서 볼 수 있듯이 레이저 에너지의 잔디로의 흡수는 크게 엽록소에 의한 흡수와 물에 의한 흡수로 나누어진다. 엽록소에 의한 빛의 흡수는 좁은 파장영역에 한정되어 있으나 물에 의한 빛의 흡수는 아주 넓은 구간에 걸쳐 있으며 특히 적외선 구간에서 강하게 나타남을 알 수 있다. 세로축이 로그스케일임을 감안할 때 적외선 영역에서 물에 의한 흡수계수가 매우 높아 효율적으로 잔디를 깎는 것이 가능함을 알 수 있다.
Figure 112012037928624-pat00006
Figure 112012037928624-pat00007
[표 2]는 레이저의 파장에 따른 물에의 흡수계수를 나타내는데 2.94㎛파장의 어붐 야그(Er:YAG) 레이저가 가장 큰 값을 갖고 있음을 알 수 있으며, 10.6㎛의 CO2 레이저도 매우 큰 값을 흡수계수를 갖고 있음을 알 수 있다.
(광학의 설계)
도 9는 레이저 빔의 경로 중간에 집속 렌즈가 설치된 경우, 레이저 빔이 진행하는 동안 레이저 빔의 직경의 변화를 나타낸 개략적인 구성도이다.
도 9를 참조하면, 레이저 빔은 평행으로 진행하지 않고 진행하면서 그 단면 직경이 계속 커지게 되며, 따라서 레이저의 출력이 일정하므로 단위면적 당 출력, 즉 강도(intensity)가 계속 감소하게 된다.
도 9에는 집속 렌즈(focusing lens)(400)에 의해 집속된 레이저 빔(111)이 촛점거리를 지나면서 다시 레이저 빔(111)의 크기가 커지는 것을 도시하고 있다. 같은 레이저 출력이라도 레이저 빔의 크기가 너무 작아지면 강도가 커져서 잔디가 탄화될 수 있고, 레이저 빔의 크기가 너무 커져 버리면 잔디가 제대로 깎이지 않을 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치는 잔디를 깎고자 하는 구간에 레이저 빔이 진행하면서 레이저 빔의 직경이 변하더라도 강도가 잔디를 깎는 것이 가능한 영역, 즉 최적 가공 영역에 들어가게 된다.
도 9에서와 같이 상기 레이저 빔(111)이 진행하고 잔디가 깎이는 구간의 길이가 2
Figure 112012037928624-pat00008
이라고 한다면 그 구간 내에서 레이저 빔(111)의 최대직경(D1)과 최소직경(D2)의 값이 적절해야 잔디를 잘 깎을 수 있는데, 이 값들은 레이저(110)의 파장(λ)에 따라서도 변하는 값인데, 상기 레이저 빔(111)이 가우시안(Gaussian) 형상이고 집속 렌즈(400)의 촛점거리가
Figure 112012037928624-pat00009
일 때 다음의 식(1)을 만족하여야 한다.
Figure 112012037928624-pat00010
또한, 상기 레이저 빔의 출력(P)는 아래와 같은 식(2)에 의하여 레이저 강도(I) 및 레이저 빔의 직경(D)과 연관되어 있다.
Figure 112012037928624-pat00011
식(1)과 식(2)를 사용하여 다음의 식(3)을 유도할 수 있다.
Figure 112012037928624-pat00012
따라서, 식(1)과 식(2), 또는 식(3)을 이용하여 상기 잔디 깎기 장치의 이동속도가 주어졌을 때, 상기 최적 가공 영역에 들어가기 위해 필요한 레이저의 출력 및 광학계의 배치 등을 계산해 낼 수 있다.
또한, 상기 냉각 장치(140)는 상기 집속 렌즈(400)를 냉각할 수 있다.
도 10은 기본적인 광학계의 구성을 나타내는 도면이다.
광학계의 구성은 레이저의 특성(파장과 출력 등)에 따라서 다양하게 구성할 수 있다. 상기 레이저 빔(111)의 디버전스 앵글(divergence angle)이 작아서 레이저 빔이 진행하면서 넓은 거리에서 잔디를 깎는 것이 가능할 경우에는 도 10의 경우와 같이 레이저 빔(111)의 경로 양쪽에 반사경(mirror)(165, 167)를 설치하여 한번 입사된 레이저 빔이 여러 번 사용될 수 있도록 구성할 수 있다. 상기 레이저 빔(111)이 진행하다가 레이저 빔의 직경이 커져서 레이저의 종류에 따른 가공 가능 영역을 벗어나게 되는 경우에 빔 덤프(beam dump)(170)를 설치하여 안전하게 빔을 흡수할 수 있다.
상기 레이저 빔(111)의 특성상 디버전스 앵글(divergence angle)이 커서 도 9에서 정의 된 2
Figure 112012037928624-pat00013
값이 잔디 깎기 장치의 폭보다 짧거나, 그렇지 않더라도 상기 레이저 빔(111)의 진행 길이를 연장할 필요가 있을 경우에는 도 11에 도시된 바와 같이 상기 레이저 빔(111)의 경로 중간 중간에 집속 렌즈(focusing lens)(410, 420, 430)를 하나 이상 설치할 수 있다. 이 경우, 상기 레이저 빔(111)의 진행 경로 전체가 가공영역 내에 들어올 수 있도록 빔의 직경이 최대직경(D1)과 최소직경(D2) 사이에서만 변하여야 한다.
또한, 상기 냉각 장치(140)는 상기 집속 렌즈(410, 420), 상기 반사경(165, 167)을 냉각할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
110: 레이저 120: 동력 공급부
130: 휠 140: 냉각 장치
150: 속도 측정부 200: 제어기
210: 가공공정맵 작성부 220: 최적 가공 영역 설정부
230: 레이저 출력 제어부

Claims (15)

  1. 레이저를 이용하여 잔디를 깎는 장치에 있어서,
    일정한 크기의 파장을 갖는 레이저 빔을 방출하는 레이저;
    상기 레이저에 동력을 공급하기 위한 동력 공급부;
    상기 잔디 깎는 장치에 이동 가능하게 결합되어 상기 잔디 깎는 장치를 이동시키기 위한 휠;
    상기 레이저 및 상기 동력 공급부를 냉각하기 위한 냉각 장치;
    상기 동력 공급부 및 상기 레이저의 구동을 제어하기 위한 제어기; 및
    상기 잔디 깎는 장치를 이동시켜 잔디를 깎을 때 상기 잔디 깎는 장치의 이동 속도를 측정하기 위한 속도 측정부
    를 포함하고,
    상기 제어기는, 상기 속도 측정부에 의하여 측정된 이동 속도와 상기 레이저 빔의 강도(intensity)에 따라서 상기 레이저로 잔디를 깎을 때 잔디의 상태를 조사하여 가공공정맵을 작성하는 가공공정맵 작성부;
    상기 가공공정맵에서 잔디가 손상되거나 덜 깎이지 않고 최적으로 깎일 수 있는 최적 가공 영역을 설정하는 최적 가공 영역 설정부; 및
    상기 잔디가 깎이는 전구간 내에서, 상기 최적 가공 영역 설정부에서 설정된 상기 최적 가공 영역 내에 들어갈 수 있도록 상기 이동 속도에 따라 상기 레이저의 출력을 제어하는 레이저 출력 제어부를 포함하는 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 속도 측정부는 상기 잔디 깎기 장치에 장착된 속도 감지 센서로 이루어지는 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 최적 가공 영역은 상기 이동 속도와 상기 레이저 빔의 파장이나 펄스 폭을 결정 요소로 포함하는 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저의 출력은 레이저의 강도(intensity)를 포함하고, 상기 레이저의 강도는 가우시안(Gaussian) 빔의 경우에 레이저의 출력을 레이저 빔의 단면적으로 나눈 값의 두배인 피크 강도(peak intensity)를 의미하는 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 레이저는 물에 의한 레이저 흡수율이 우수한 CO2 레이저, 어붐 야그 레이저(Er:YAG laser)로 이루어지는 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 어붐 야그 레이저는 2.94㎛의 파장을 가지고 있고, 상기 CO2 레이저는 10.6㎛의 파장을 가지고 있는 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 경로 중간에는 가공구간을 확보하기 위하여 적어도 하나 이상의 집속 렌즈(focusing lens)가 설치되는 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 경로 중간에 한개의 집속 렌즈가 설치된 경우, 상기 레이저 빔이 진행하고 잔디가 깎이는 구간의 길이가 2
    Figure 112012037928624-pat00014
    이라고 한다면 그 구간 내에서 레이저 빔의 최대직경(D1)과 최소직경(D2)의 값은, 레이저의 파장을 λ라고 하고, 상기 레이저 빔이 가우시안(Gaussian) 형상이고 상기 집속 렌즈의 촛점거리가
    Figure 112012037928624-pat00015
    일 때 다음의 식(1)을 만족하여야 하는 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치.
    Figure 112012037928624-pat00016
  9. 제8항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 경로 중간에 한개의 집속 렌즈가 설치된 경우, 상기 레이저 빔의 직경을 D라 하고, 레이저 빔의 직경에서 상기 레이저 강도를 I라 하면, 상기 레이저 빔의 출력(P)은 다음의 식(2)를 만족하여야 하는 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치.
    Figure 112012037928624-pat00017
  10. 제8항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 경로 중간에 한개의 집속 렌즈가 설치된 경우, 상기 레이저 빔의 최대직경에서 레이저 강도를 I1이라 하고, 상기 레이저 빔의 최소 직경에서 레이저의 강도를 I2라 하면, 집속 렌즈의 초점거리와 상기 레이저 빔의 출력은 다음의 식(3)을 만족하여야 하는 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치.
    Figure 112012037928624-pat00018
  11. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 경로에는 상기 레이저로부터 방출된 상기 레이저 빔을 잔디를 깎고자 하는 구간으로 반사시켜 주기 위한 반사경이 설치되는 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 경로 마지막 부분에는 상기 레이저 빔을 흡수하는 빔 덤프(beam dump)가 설치되는 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 디버전스 앵글(divergence angle)이 작아서 레이저 빔이 진행하면서 넓은 거리에서 잔디를 깎는 것이 가능할 경우에는, 상기 레이저 빔의 경로 양쪽에 반사경(mirror)이 설치되는 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 휠의 이동은 상기 동력 공급부의 동력을 공급받아 이루어지거나 수동으로 이루어지는 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치.
  15. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 장치는 상기 집속 렌즈를 냉각할 수 있는 레이저를 이용한 잔디 깎는 장치.
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