KR101527482B1

KR101527482B1 - 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치

Info

Publication number: KR101527482B1
Application number: KR1020140165313A
Authority: KR
Inventors: 유수영
Original assignee: 유수영
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2015-06-10
Also published as: US10322468B2; WO2016085046A1; US20170120378A1

Abstract

본 발명은 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 의한 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치의 일 양태는, 가공 대상물의 표면에 조사되는 레이저에 의하여 홀을 형성하는 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치에 있어서: 레이저를 조사하는 레이저 조사부; 상기 레이저 조사부에서 조사된 레이저의 광축을 평행 이동시키는 광축 평행 이동부; 상기 광축 평행 이동부에 의하여 평행 이동된 레이저의 광축의 각도를 조절하는 광축 각도 조절부; 상기 광축 각도 조절부에 의하여 광축의 각도가 조절된 레이저를 반사하는 반사부; 및 상기 반사부에 의하여 반사된 레이저를 가공 대상물의 표면에 집광하는 집광 렌즈; 를 포함한다.

Description

레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치{MANUFACTURING APPARATUS FOR MICRO COMPONENT USING LASER}

본 발명은 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치에 관한 것이다.

최근 초정밀 산업이 부각되면서 미세 가공을 위한 미세 부품 가공 장치가 개발되고 있다. 특히, 환자의 부담을 최소화하기 위하여 매우 협소한 영역만 절개한 후 의사의 복잡한 손 동작을 그대로 재현할 수 있는 원격 수술 장비나, 수술 상황을 볼 수 있는 미세 카메라가 장착된 내시경을 환자의 몸 속에 삽입하여 절재 및 봉합등의 내시경 수술 장비와 같은 의료 기기의 경우에는, 부품의 크기를 고려하여 매우 정밀한 가공이 요구된다. 다른 예로는, 디젤 엔진의 효율을 극대화 시키고 그 소음을 줄이기 위해서는 그 직경이 매우 좁고 특정한 형상의 연료분사 노즐과 같은 자동차 부품의 경우에도 다양한 형태의 노즐홀에 대한 정밀한 가공을 필요로 한다.

도 1은 종래 기술에 의한 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치에 의한 홀의 형성 과정을 개념적으로 보인 단면도이다. 도 1을 참조하면, 레이저(L)가 가공 대상물(10)의 일면에 조사되어 홀(11)을 형성한다.

그러나 이와 같은 종래 기술에 의한 가공 장치의 경우에는 다음과 같은 문제점이 발생된다.

일반적으로 직진하는 레이저(L)에 의하여 홀(11)이 형성되므로, 다양한 형상으로 홀(11)을 형성하는 것이 불가능하게 된다. 즉, 원통 형상의 종단면을 가지는 홀(11)의 형성만 가능할 뿐 다양한 3차원 형상의 종단면으로 홀(11)을 형성할 수 없게 된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술에 의한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 다양한 단면 형상으로 미세 가공이 가능하도록 구성되는 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 의한 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치의 일 양태는, 가공 대상물의 표면에 조사되는 레이저에 의하여 홀을 형성하는 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치에 있어서: 레이저를 조사하는 레이저 조사부; 상기 레이저 조사부에서 조사된 레이저의 광축을 평행 이동시키는 광축 평행 이동부; 상기 광축 평행 이동부에 의하여 평행 이동된 레이저의 광축의 각도를 조절하는 광축 각도 조절부; 상기 광축 각도 조절부에 의하여 광축의 각도가 조절된 레이저를 반사하는 반사부; 및 상기 반사부에 의하여 반사된 레이저를 가공 대상물의 표면에 집광하는 집광 렌즈; 를 포함하고, 상기 광축 평행 이동부 및 광축 각도 조절부는, 각각의 초기 위치에서의 위상 및 각각의 각속도가 가변되도록 각각의 회전축을 중심으로 독립적으로 회전하고, 상기 광축 평행 이동부 및 광축 각도 조절부의 초기 위치에서의 위상차 및 각각의 각속도에 따라서 상기 가공 대상물의 표면에 조사되는 레이저에 의하여 형성되는 홀의 형상이 가변된다.

본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 광축 평행 이동부는, 상기 레이저 조사부에서 조사되는 레이저의 조사 방향과 평행한 회전축을 중심으로 회전하면서, 상기 레이저 조사부에서 조사되어 입사되는 레이저가 입사각(θ1)과 동일한 투사각(θ1)으로 투사되도록 통과하면서 레이저의 광축을 제1평행 이동 거리(D1)만큼 평행 이동시키는 제1광학 부재; 및 상기 레이저 조사부에서 조사되는 레이저의 조사 방향과 평행한 회전축을 중심으로 회전하면서, 상기 제1광학 부재에서 투사되어 입사되는 레이저가 입사각(θ2)과 동일한 투사각(θ2)으로 투사되도록 통과하면서 레이저의 광축을 제2평행 이동 거리(D2)만큼 평행 이동시키는 제2광학 부재; 를 포함하고, 상기 제1 및 제2광학 부재는, 그 입사면 및 출사면 사이의 두께(T1)(T2)가 각각 일정하게 유지되고, 상기 레이저 조사부에서의 레이저의 조사 방향에 대하여 그 입사면 및 출사면이 동일한 각도로 경사지도록 배치된다.

본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 제1 및 제2광학 부재는 각각의 초기 위치에서의 위상차 및 각각의 각속도가 가변되도록 각각의 회전축을 중심으로 독립적으로 일방향 또는 양방향으로 회전한다.

본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 제1 및 제2평행 이동 거리(D1)(D2)는 [식 1] 및 [식 2]에 의하여 계산된다.

[식 1]

T1은 상기 제1광학 부재의 두께이고, θ1은 상기 제1광학 부재로의 레이저의 입사각이며, n1은 상기 제1광학 부재의 굴절율임.

[식 2]

T2은 상기 제2광학 부재의 두께이고, θ2은 상기 제2광학 부재로의 레이저의 입사각이며, n2은 상기 제2광학 부재의 굴절율임.

본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 제1 및 제2광학 부재에서 상기 광축 각도 조절부로 레이저가 조사되는 방향에 직교되는 평면상에서 서로 직교되는 좌표축을 각각 X축 및 Y축이라하고, 상기 제1 및 제2광학 부재에 의하여 광축이 차례로 평행 이동된 후 상기 광축 각도 조절부로 입사되는 레이저의 궤적의 X좌표 및 Y좌표는 아래의 [식 3]에 의하여 계산되는 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치.

[식 3]

여기서, D1은 상기 제1광학 부재에 의한 레이저의 광축의 평행 이동 거리이고, D2는 상기 제2광학 부재에 의한 레이저의 광축의 평행 이동 거리이며, ω1은 상기 제1광학 부재의 각속도이고, ω2는 상기 제2광학 부재의 각속도이며, Φ는 상기 제1 및 제2광학 부재의 초기 위치에서의 위상차이고, t는 시간임.

본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 광축 각도 조절부는, 상기 레이저 조사부에서 조사되는 레이저의 조사 방향과 평행한 회전축을 중심으로 회전하면서, 상기 제2광학 부재에서 투사되어 입사되는 레이저를 기설정된 각도로 경사지게 투사하여 레이저의 광축의 각도를 조절하는 제1웨지 프리즘; 및 상기 레이저 조사부에서 조사되는 레이저의 조사 방향과 평행한 회전축을 중심으로 회전하면서, 상기 제1웨지 프리즘에서 투사되어 입사되는 레이저를 기설정된 각도로 경사지게 투사하여 레이저의 광축의 각도를 조절하는 제2웨지 프리즘; 을 포함하고, 상기 제1 및 제2웨지 프리즘은, 그 입사면 및 출사면 사이의 두께(T3)(T4)가 그 일단에서 타단을 향하여 점차적으로 증가되고, 상기 레이저 조사부에서의 레이저의 조사 방향에 대하여 그 입사면이 직교되도록 배치된다.

본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 제1 및 제2웨지 프리즘은, 각각의 초기 위치에서의 위상차 및 각각의 각속도가 가변되도록 각각의 회전축을 중심으로 독립적으로 회전한다.

본 발명의 실시예의 일 양태에서, 상기 제1웨지 프리즘에 입사되는 레이저의 광축에 직교되는 평면상에서 서로 직교되는 좌표축을 각각 X축, Y축이라하고, 상기 제1웨지 프리즘에 입사되는 레이저의 광축과 평행한 방향으로 X축 및 Y축에 직교되는 좌표축을 Z축으로 하는 공간 좌표계에서, 상기 제1 및 제2웨지 프리즘을 통과하면서 X-Z 평면 상에서 Z축에 대하여 레이저의 광축이 조절되는 제1조절 각도(A1)와, Y-Z 평면 상에서 Z축에 대하여 레이저의 광축의 조절되는 제2조절 각도(A2)는 [식 4]에 의하여 계산된다.

[식 4]

α는 상기 제1웨지 프리즘의 굴절각이고, β는 상기 제2웨지 프리즘의 굴절각이며, ω3은 상기 제1웨지 프리즘의 각속도이고, ω4는 상기 제2웨지 프리즘의 각속도이며, σ는 상기 제1 및 제2웨지 프리즘의 초기 위상차이고, t는 시간임.

본 발명의 실시예에 의한 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치에서는, 서로 평행한 회전축 상에서 회전하는 제1 및 제2광학 부재을 통과하면서 기설정된 궤적을 형성하도록 광축이 평행 이동된 레이저가 서로 평행한 회전축 상에서 회전하는 제1 및 제2웨지 프리즘을 통과하면서 기설정된 궤적을 형성하도록 광축의 각도가 조절된 후 집광 렌즈를 통과하면서 가공 대상물의 표면에 다양한 궤적 및 각도로 집광된다. 따라서 본 발명의 실시예에 의하면, 레이저의 광축의 평행 이동 및 각도 조절에 따라서 가공 대상물의 표면에 집광되는 레이저 궤적이 가변됨으로써, 다양한 형상의 횡단면 및 종단면을 가지는 홀을 형성할 수 있게 된다.

도 1은 종래 기술에 의한 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치에 의한 홀의 형성 과정을 개념적으로 보인 단면도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치를 보인 구성도.
도 3은 본 발명의 제1실시예에서 초점 거리 조절부에 의하여 초점 거리가 조절된 레이저가 가공 대상물에 조사되는 형태를 보인 개념도.
도 4는 본 발명의 제1실시예에서 광축 평행 이동부 및 광축 각도 조절부에 의하여 평행 이동 또는/및 각도 조절된 레이저가 가공 대상물에 조사되는 형태를 보인 개념도.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 의한 가공 대상물의 가공 형태를 예시적으로 보인 부분 절결 사시도.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 의한 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치의 요부를 개념적으로 보인 단면도.

이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치를 보인 구성도이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에서 초점 거리 조절부에 의하여 초점 거리가 조절된 레이저가 가공 대상물에 조사되는 형태를 보인 개념도이며, 도 4는 본 발명의 제1실시예에서 광축 평행 이동부 및 광축 각도 조절부에 의하여 평행 이동 또는/및 각도 조절된 레이저가 가공 대상물에 조사되는 형태를 보인 개념도이고, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 의한 가공 대상물의 가공 형태를 예시적으로 보인 부분 절결 사시도이다.

먼저 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치(1)는, 레이저 조사부(100), 초점 거리 조절부(200), 광축 평행 이동부(300), 광축 각도 조절부(400), 반사부(500), 집광 렌즈(600)를 포함한다. 상기 레이저 조사부(100)는 가공 대상물(10)에 홀(11)을 형성하기 위한 레이저(L)를 조사한다. 그리고 상기 초점 거리 조절부(200)는, 상기 레이저 조사부(100)에서 조사된 레이저(L)의 초점 거리를 조절한다. 상기 광축 평행 이동부(300) 및 광축 각도 조절부(400)는, 상기 레이저 조사부(100)에서 조사된 레이저(L)의 조사 방향을 평행 이동시키거나 및 조사 각도를 조절한다. 상기 반사부(500)는, 상기 광축 평행 이동부(300) 및 광축 각도 조절부(400)에 의하여 조사 방향 또는/및 조사 각도 조절된 레이저(L)가 상기 집광 렌즈(600)를 향하도록 반사한다. 그리고 상기 집광 렌즈(600)는, 상기 반사부(500)에 의하여 반사된 레이저(L)를 가공 대상물(10)에 집광한다.

보다 상세하게는, 상기 초점 거리 조절부(200)는, 오목 렌즈(210) 및 볼록 렌즈(220)를 포함한다. 상기 오목 렌즈(210) 및 볼록 렌즈(220)는, 각각 상기 레이저 조사부(100)에서 레이저(L)가 조사되는 방향으로 이동 가능하게 설치된다. 그리고 상기 오목 렌즈(210)와 볼록 렌즈(220) 사이의 거리에 따라서 레이저(L)가 확산되거나 포집됨으로써, 최종적인 레이저(L)의 초점 거리가 조절된다.

그리고 상기 광축 평행 이동부(300)는, 제1 및 제2광학 부재(310)(320)를 포함한다. 상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)는, 상기 초점 거리 조절부(200)에서 초점 거리가 조절된 레이저(L)의 광축을 차례로 평행 이동시켜서 상기 광축 각도 조절부(400)에 전달한다. 실질적으로 상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)는, 각각의 입사각(θ1)(θ2)과 출사각(θ1)(θ2)이 동일하도록 레이저(L)가 입사되는 입사면과 레이저(L)가 출사되는 출사면이 평행한 다면체 형상으로 형성될 수 있다. 다시 말하면, 상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)는, 각각의 입사면과 출사면 사이의 두께(T1)(T2)가 일정하게 유지된다. 이때 상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)는, 상기 레이저 조사부(100)에서의 레이저(L)의 조사 방향에 대하여 그 입사면 및 출사면이 기설정된 각도로 경사지도록 배치된다. 그리고 상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)는, 상기 제1광학 부재(310)가 상기 제2광학 부재(320)에 비하여 상대적으로 상기 초점 거리 조절부(200)에 인접하도록 상기 레이저 조사부(100)에서의 레이저(L)의 조사 방향으로 서로 이격되게 위치된다.

따라서 상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)에 입사되는 레이저(L)의 광축은, 상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)를 차례로 통과하면서 평행 이동된다. 상기 제1광학 부재(310)에 입사되는 레이저(L)와 상기 제1광학 부재(310)에서 출사되는 레이저(L)의 광축의 제1평행 이동 거리(D1)와, 상기 제1광학 부재(310)에서 출사되어 상기 제2광학 부재(320)에 입사되는 레이저(L)와 상기 제2광학 부재(320)에서 출사되는 레이저(L)의 광축의 제2평행 이동 거리(D2)는 아래의 [수학식 1] 및 [수학식 2]에 의하여 각각 계산될 수 있다.

여기서, T1은 상기 제1광학 부재(310)의 두께이고, θ1은 상기 제1광학 부재(310)로의 레이저의 입사각이며, n1은 상기 제1광학 부재(310)의 굴절율이다.

여기서, T2은 상기 제2광학 부재(320)의 두께이고, θ2은 상기 제2광학 부재(320)로의 레이저의 입사각이며, n2은 상기 제2광학 부재(320)의 굴절율이다.

또한 상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)는, 레이저(L)의 진행 방향에 평행한 각각의 회전축을 중심으로 회전 가능하게 설치된다. 이때 상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)는, 상기 광축 각도 조절부(400)로 조사되는 레이저(L)가 다양한 형상의 궤적을 형성하도록 독립적으로 일방향 또는 양방향으로 회전한다. 이때 상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)에서 상기 광축 각도 조절부(400)로 레이저(L)가 조사되는 방향에 직교되는 평면상에서 서로 직교되는 좌표축을 각각 X축, Y축이라하고, 상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)에 의하여 광축이 차례로 평행 이동된 후 상기 광축 각도 조절부(400)로 입사되는 레이저(L)의 궤적의 X좌표 및 Y좌표는 아래의 [수학식 3]에 의하여 계산될 수 있다.

여기서, D1은 상기 제1광학 부재(310)에 의한 레이저(L)의 광축의 평행 이동 거리이고, D2는 상기 제2광학 부재(320)에 의한 레이저(L)의 광축의 평행 이동 거리이며, ω1은 상기 제1광학 부재(310)의 각속도이고, ω2는 상기 제2광학 부재(320)의 각속도이며, Φ는 상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)의 초기 위치에서의 위상차이다.

따라서 상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)에 의한 레이저(L)의 광축의 평행 이동 거리(D1)(D2), 상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)의 각속도(ω1)(ω2), 및 상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)의 초기 위치에서의 위상차(Φ)가 조절됨으로써, 상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)를 통과하면서 광축이 평행 이동된 레이저(L)가 상기 광축 각도 조절부(400)에 조사되는 궤적의 형상이 다양하게 형성될 수 있다.

한편 상기 광축 각도 조절부(400)는, 제1 및 제2웨지 프리즘(410)(420)을 포함한다. 상기 제1 및 제2웨지 프리즘(410)(420)은, 상기 광축 평행 이동부(300)에 의하여 평행 이동된 레이저(L)의 광축의 각도를 조절시켜서 상기 반사부(500)에 전달한다. 상기 제1 및 제2웨지 프리즘(410)(420)은, 각각의 입사면과 출사면 사이의 두께(T3)(T4)가 그 일단에서 타단을 향하여 점차적으로 증가된다. 그리고 상기 제1 및 제2웨지 프리즘(410)(420)은, 상기 제1웨지 프리즘(410)이 상기 제2웨지 프리즘(420)에 비하여 상대적으로 상기 광축 평행 이동부(300)에 인접하도록 상기 레이저 조사부(100)에서의 레이저(L)의 조사 방향으로 서로 이격되게 위치된다. 이때 상기 제1 및 제2웨지 프리즘(410)(420)의 입사면은 레이저(L)의 조사 방향에 직교된다. 따라서 상기 제1 및 제2웨지 프리즘(410)(420)으로 입사된 레이저(L)는 상기 제1 및 제2웨지 프리즘(410)(420)의 상대적으로 두께가 두꺼운 부분을 향하여 경사지도록 그 조사 각도가 조절된다.

상기 제1웨지 프리즘(410)에 입사되는 레이저(L)의 광축에 직교되는 평면상에서 서로 직교되는 좌표축을 각각 X축, Y축이라하고, 상기 제1웨지 프리즘(410)에 입사되는 레이저(L)의 광축과 평행한 방향으로 X축 및 Y축에 직교되는 좌표축을 Z축으로 하는 공간 좌표계에서, 상기 제1 및 제2웨지 프리즘(410)(420)을 통과하면서 X-Z 평면 상에서 Z축에 대하여 레이저(L)의 광축이 조절되는 제1조절 각도(A1)와, Y-Z 평면 상에서 Z축에 대하여 레이저(L)의 광축의 조절되는 제2조절 각도(A2)는 아래의 [수학식 4]에 의하여 각각 계산될 수 있다.

여기서, α는 상기 제1웨지 프리즘(410)의 굴절각이고, β는 상기 제2웨지 프리즘(420)의 굴절각이며, ω3은 상기 제1웨지 프리즘(410)의 각속도이고, ω4는 상기 제2웨지 프리즘(420)의 각속도이며, σ는 상기 제1 및 제2웨지 프리즘(410)(420)의 초기 위상차이고, t는 시간이다.

한편 상기 반사부(500)는, 예를 들면, 상기 광축 각도 조절부(400)에서 각도가 조절된 레이저(L)를 반사하여 상기 집광 렌즈(600)로 전달한다. 예를 들면, 상기 반사부(500)로는, 상기 레이저(L)의 파장 대역만을 반사하기 위하여 유전체 박막이나 상대적으로 광대역의 파장을 반사하기 위하여 메탈이 코팅된 거울이 사용될 수 있다.

그리고 상기 집광 렌즈(600)는, 상기 반사부(500)에 의하여 반사된 레이저(L)를 상기 가공 대상물(10)의 표면에 집광한다. 실질적으로, 상기 집광 렌즈(600)는, 상기 초점 거리 조절부(200)에 의하여 초점 거리가 조절된 후 상기 광축 평행 이동부(300) 및 광축 각도 조절부(400)에 의하여 조사 방향이 수평 이동되고 조사 각도가 조절된 레이저(L)를 상기 가공 대상물(10)의 표면에 집광한다.

보다 상세하게는, 도 3을 참조하면, 도 3(a)를 기준으로, 도 3(b)에는 상기 초점 거리 조절부(200)에 의하여 상대적으로 레이저(L)의 초점 거리가 감소된 상태가 도시되어 있고, 도 3(c)에는 상기 초점 거리 조절부(200)에 의하여 상대적으로 레이저(L)의 초점 거리가 증가된 상태가 도시되어 있다. 예를 들면, 가공 대상물(10)의 표면에 홀을 가공하는 초기에는, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 상기 초점 거리 조절부(200)가 상기 가공 대상물(10)의 표면에 레이저(L)가 집광되도록 레이저(L)의 초점 거리를 감소시키고, 상기 가공 대상물(10)의 표면에 형성되는 홀의 깊이가 증가되면, 도 3(a) 및 도 3(c)에 도시된 바와 같이, 상기 초점 거리 조절부(200)가 레이저(L)의 초점 거리를 상대적으로 증가시킬 수 있다.

또한 도 4를 참조하면, 도 4(a)에는 상기 광축 평행 이동부(300)에 의하여 조사 방향이 평행 이동된 레이저(L)가 상기 집광 렌즈(600)에 의하여 상기 가공 대상물(10)의 표면에 집광되는 상태가 도시되어 있다. 그리고 도 4(b)에는 상기 광축 각도 조절부(400)에 의하여 조사 각도가 조절된 레이저(L)가 상기 집광 렌즈(600)에 의하여 상기 가공 대상물(10)의 표면에 집광되는 상태가 도시되어 있다. 또한 도 4(c)에는 상기 광축 평행 이동부(300)에 의하여 조사 방향이 평행 이동된 후 상기 광축 각도 조절부(400)에 의하여 조사 각도가 조절된 레이저(L)가 상기 집광 렌즈(600)에 의하여 상기 가공 대상물(10)의 표면에 집광되는 상태가 도시되어 있다.

즉, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 초점 거리 조절부(200), 광축 평행 이동부(300) 및 광축 각도 조절부(400)에 의한 레이저(L)의 초점 거리, 조사 방향의 평행 이동 및 조사 각도의 조절에 따라서 상기 집광 렌즈(600)에 의하여 집광되어 상기 가공 대상물(10)의 표면에 조사되는 레이저(L)의 궤적이 다양하게 형성될 수 있게 된다. 특히, 상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)의 회전에 의한 레이저(L)의 광축의 평행 이동에 따라서 X축과 Y축 상에서의 레이저(L)의 광축의 X좌표 및 Y좌표가 조절되고, 상기 제1 및 제2웨지 프리즘(410)(420)의 회전에 의한 레이저(L)의 광축의 각도의 조절에 따라서 X-Y 평면 및 Y-Z 평면 상에서의 레이저(L)의 광축의 각도가 조절됨으로써, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 가공 대상물(10)의 표면에 조사되는 레이저(L)에 의하여 3차원적으로 다양한 형상을 가공할 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명의 제2실시예에 의한 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 6은 본 발명의 제2실시예에 의한 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치의 요부를 개념적으로 보인 단면도이다. 본 실시예의 구성 요소 중 상술한 본 발명의 제1실시예의 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해서는, 도 2 내지 도 5의 도면 부호를 원용하고, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 6을 참조하면, 본 실시예에 의한 미세 부품 가공 장치(2)는, 가스 공급부(700) 및 가이드부(800)를 더 포함한다. 상기 가스 공급부(700)는, 레이저(L)에 의하여 가공 대상물(10)이 가공되는 과정에서 상기 가공 대상물(10)의 산화를 방지하기 위한 가스, 예를 들면, 불활성 가스를 공급한다. 그리고 상기 가이드부(800)는, 상기 가스 공급부(700)에서 공급된 가스가 상기 가공 대상물(10), 특히, 레이저(L)에 의하여 가공되는 상기 가공 대상물(10)의 표면을 향하도록 안내하는 역할을 한다.

이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

100: 레이저 조사부 200: 초점 거리 조절부
210: 오목 렌즈 220: 볼록 렌즈
300: 광축 평행 이동부 310: 제1광학 부재
320: 제2광학 부재 400: 광축 각도 조절부
410: 제1웨지 프리즘 420: 제2웨지 프리즘
500: 반사부 600: 초점 렌즈
700: 가스 공급부 800: 가이드부

Claims

가공 대상물(10)의 표면에 조사되는 레이저(L)에 의하여 홀(11)을 형성하는 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치에 있어서:
레이저(L)를 조사하는 레이저 조사부(100);
상기 레이저 조사부(100)에서 조사된 레이저(L)의 광축을 평행 이동시키는 광축 평행 이동부(300);
상기 광축 평행 이동부(300)에 의하여 평행 이동된 레이저(L)의 광축의 각도를 조절하는 광축 각도 조절부(400);
상기 광축 각도 조절부(400)에 의하여 광축의 각도가 조절된 레이저(L)를 반사하는 반사부(500); 및
상기 반사부(500)에 의하여 반사된 레이저(L)를 가공 대상물(10)의 표면에 집광하는 집광 렌즈(600); 를 포함하고,
상기 광축 평행 이동부(300) 및 광축 각도 조절부(400)는, 각각의 초기 위치에서의 위상 및 각각의 각속도가 가변되도록 각각의 회전축을 중심으로 독립적으로 회전하고,
상기 광축 평행 이동부(300) 및 광축 각도 조절부(400)의 초기 위치에서의 위상차 및 각각의 각속도에 따라서 상기 가공 대상물(10)의 표면에 조사되는 레이저(L)에 의하여 형성되는 홀(11)의 형상이 가변되는 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 광축 평행 이동부(300)는,
상기 레이저 조사부(100)에서 조사되는 레이저(L)의 조사 방향과 평행한 회전축을 중심으로 회전하면서, 상기 레이저 조사부(100)에서 조사되어 입사되는 레이저(L)가 입사각(θ1)과 동일한 투사각(θ1)으로 투사되도록 통과하면서 레이저(L)의 광축을 제1평행 이동 거리(D1)만큼 평행 이동시키는 제1광학 부재(310); 및
상기 레이저 조사부(100)에서 조사되는 레이저(L)의 조사 방향과 평행한 회전축을 중심으로 회전하면서, 상기 제1광학 부재(310)에서 투사되어 입사되는 레이저(L)가 입사각(θ2)과 동일한 투사각(θ2)으로 투사되도록 통과하면서 레이저(L)의 광축을 제2평행 이동 거리(D2)만큼 평행 이동시키는 제2광학 부재(320); 를 포함하고,
상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)는, 그 입사면 및 출사면 사이의 두께(T1)(T2)가 각각 일정하게 유지되고, 상기 레이저 조사부(100)에서의 레이저(L)의 조사 방향에 대하여 그 입사면 및 출사면이 동일한 각도로 경사지도록 배치되는 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)는 각각의 초기 위치에서의 위상차 및 각각의 각속도가 가변되도록 각각의 회전축을 중심으로 독립적으로 일방향 또는 양방향으로 회전하는 레이저를 사용하는 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 제1 및 제2평행 이동 거리(D1)(D2)는 [식 1] 및 [식 2]에 의하여 계산되는 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치.
[식 1]

T1은 상기 제1광학 부재(310)의 두께이고, θ1은 상기 제1광학 부재(310)로의 레이저의 입사각이며, n1은 상기 제1광학 부재(310)의 굴절율임.
[식 2]

T2은 상기 제2광학 부재(320)의 두께이고, θ2은 상기 제2광학 부재(320)로의 레이저의 입사각이며, n2은 상기 제2광학 부재(320)의 굴절율임.
제 2 항에 있어서,
상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)에서 상기 광축 각도 조절부(400)로 레이저(L)가 조사되는 방향에 직교되는 평면상에서 서로 직교되는 좌표축을 각각 X축 및 Y축이라하고, 상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)에 의하여 광축이 차례로 평행 이동된 후 상기 광축 각도 조절부(400)로 입사되는 레이저(L)의 궤적의 X좌표 및 Y좌표는 아래의 [식 3]에 의하여 계산되는 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치.
[식 3]

여기서, D1은 상기 제1광학 부재(310)에 의한 레이저(L)의 광축의 평행 이동 거리이고, D2는 상기 제2광학 부재(320)에 의한 레이저(L)의 광축의 평행 이동 거리이며, ω1은 상기 제1광학 부재(310)의 각속도이고, ω2는 상기 제2광학 부재(320)의 각속도이며, Φ는 상기 제1 및 제2광학 부재(310)(320)의 초기 위치에서의 위상차이고, t는 시간임.
제 2 항에 있어서,
상기 광축 각도 조절부(400)는,
상기 레이저 조사부(100)에서 조사되는 레이저(L)의 조사 방향과 평행한 회전축을 중심으로 회전하면서, 상기 제2광학 부재(320)에서 투사되어 입사되는 레이저(L)를 기설정된 각도로 경사지게 투사하여 레이저(L)의 광축의 각도를 조절하는 제1웨지 프리즘(410); 및
상기 레이저 조사부(100)에서 조사되는 레이저(L)의 조사 방향과 평행한 회전축을 중심으로 회전하면서, 상기 제1웨지 프리즘(410)에서 투사되어 입사되는 레이저(L)를 기설정된 각도로 경사지게 투사하여 레이저(L)의 광축의 각도를 조절하는 제2웨지 프리즘(420); 을 포함하고,
상기 제1 및 제2웨지 프리즘(410)(420)은, 그 입사면 및 출사면 사이의 두께(T3)(T4)가 그 일단에서 타단을 향하여 점차적으로 증가되고, 상기 레이저 조사부(100)에서의 레이저(L)의 조사 방향에 대하여 그 입사면이 직교되도록 배치되는 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 제1 및 제2웨지 프리즘(410)(420)은, 각각의 초기 위치에서의 위상차 및 각각의 각속도가 가변되도록 각각의 회전축을 중심으로 독립적으로 회전하는 레이저를 사용하는 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 제1웨지 프리즘(410)에 입사되는 레이저(L)의 광축에 직교되는 평면상에서 서로 직교되는 좌표축을 각각 X축, Y축이라하고, 상기 제1웨지 프리즘(410)에 입사되는 레이저(L)의 광축과 평행한 방향으로 X축 및 Y축에 직교되는 좌표축을 Z축으로 하는 공간 좌표계에서, 상기 제1 및 제2웨지 프리즘(410)(420)을 통과하면서 X-Z 평면 상에서 Z축에 대하여 레이저(L)의 광축이 조절되는 제1조절 각도(A1)와, Y-Z 평면 상에서 Z축에 대하여 레이저(L)의 광축의 조절되는 제2조절 각도(A2)는 [식 4]에 의하여 계산되는 레이저를 이용한 미세 부품 가공 장치.
[식 4]

α는 상기 제1웨지 프리즘(410)의 굴절각이고, β는 상기 제2웨지 프리즘(420)의 굴절각이며, ω3은 상기 제1웨지 프리즘(410)의 각속도이고, ω4는 상기 제2웨지 프리즘(420)의 각속도이며, σ는 상기 제1 및 제2웨지 프리즘(420)의 초기 위상차이고, t는 시간임.