KR102082824B1 - 레이저 주사 속도의 측정 방법 - Google Patents

Abstract

레이저 가공 장치(1)를 위한 레이저 주사 속도의 측정 방법이다. 상기 레이저 가공 장치(1)는 미러(7, 8)를 포함하고, 상기 미러(7, 8)의 동작에 의하여 레이저(PL)를 조사하여 워크를 가공한다. 상기 측정 방법은, 상기 레이저 가공 장치(1)에 의하여, 레이저(PL)에 의한 상기 워크의 가공음을 측정하는 것을 포함한다. 또한 상기 측정 방법은, 상기 레이저 가공 장치(1)에 의하여, 측정한 상기 가공음을 주파수 해석함으로써 상기 레이저(PL)의 주사 속도를 산출하는 것을 포함한다.

Description

레이저 주사 속도의 측정 방법 {MEASURING METHOD FOR MEASURING LASER SCANNING VELOCITY}

본 발명은 레이저 주사 속도의 측정 방법의 기술에 관한 것이다.

최근 들어, 핫 스탬프재의 적용 범위가 확대되고 있지만, 핫 스탬프재에서는 가열 성형을 함으로써 강판 표면에 산화 피막이 형성된다. 산화 피막은 도료의 밀착성을 악화시키는 요인으로 되기 때문에, 표면의 산화 피막을 제거하는 것이 필요해진다. 핫 스탬프재의 표면에 형성된 산화 피막을 제거하는 방법으로서는, 펄스 레이저를 사용한 표면 처리 기술이 알려져 있다. 펄스 레이저를 사용한 표면 처리 기술에서는, 가공 조건을 정하는 인자로서 1펄스당 레이저의 에너지량, 레이저의 발진 주파수, 레이저의 주사 속도가 있다.

레이저를 사용한 가공 기술에 사용하는 검사 장치로서는, 예를 들어 이하의 일본 특허 공개 소62-114786호에 나타내는 것이 있으며, 공지로 되어 있다. 일본 특허 공개 소62-114786호에 나타난 검사 장치에서는, 가공 중의 소리를 검출하여 가공 상태를 검사한다. 이러한 장치에서는 헤드 주사 속도와 헤드 이동 속도가 동일하기 때문에, 레이저 주사 속도는 헤드 이동 속도를 검출함으로써 용이하게 검출할 수 있다.

한편, 레이저 가공 장치로서는, 이하의 일본 특허 공개 제2012-256062호에 나타내는 바와 같은, 레이저의 조사 헤드가 변위되지 않는 구성의 것도 존재하고 있다. 일본 특허 공개 제2012-256062호에 개시된 레이저 가공 장치에서는 조사 헤드의 내부에서 미러가 동작함으로써, 조사 헤드 자체를 변위시키지 않고 레이저를 주사하는 구성으로 하고 있다.

일본 특허 공개 제2012-256062호에 개시된 타입의 레이저 가공 장치를 사용하는 경우, 조사 헤드가 변위되지 않기 때문에 레이저의 주사 속도를 측정하는 것이 곤란하다.

본 발명은, 미러의 동작에 의하여 레이저를 주사하는 구성의 레이저 가공 장치에 있어서, 레이저의 주사 속도의 측정을 가능하게 하는 측정 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 형태는, 레이저 가공 장치를 위한 레이저 주사 속도의 측정 방법이다. 상기 레이저 가공 장치는 미러를 포함하고, 상기 미러의 동작에 의하여 레이저를 조사하여 워크를 가공한다. 상기 측정 방법은, 상기 레이저 가공 장치에 의하여, 레이저에 의한 상기 워크의 가공음을 측정하는 것을 포함한다. 또한 상기 측정 방법은, 상기 레이저 가공 장치에 의하여, 측정한 상기 가공음을 주파수 해석함으로써 상기 레이저의 주사 속도를 산출하는 것을 포함한다.

상기 형태에 있어서는, 미러의 동작에 의하여 레이저를 주사하는 구성의 레이저 가공 장치를 사용하여 레이저의 주사 속도를 측정할 수 있다.

상기 형태에 있어서, 상기 레이저 가공 장치는, 상기 가공음의 도플러 효과에 의한 주파수 시프트량에 기초하여 상기 레이저의 주사 속도를 산출하도록 구성될 수 있다.

상기 형태에 있어서, 상기 레이저 가공 장치는, 주파수 해석한 상기 가공음을 평균화 처리하도록 구성될 수 있다.

또한 상기 형태에 있어서는, 미러의 동작에 의하여 레이저를 주사하는 구성의 레이저 가공 장치를 사용하여 레이저의 주사 속도를 고정밀도로 측정할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예의 특징과, 이점과, 기술적 및 산업적인 의의는, 동등한 도면 부호가 동등한 요소를 나타내는 첨부된 도면을 참조하여 이하에 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 레이저 주사 속도의 측정 방법을 실현하는 레이저 가공 장치의 전체 구성을 도시하는 모식도.
도 2a는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 레이저 주사 속도의 측정 방법에 있어서의 가공음의 측정 상황을 도시하는 모식도의 사시 모식도.
도 2b는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 레이저 주사 속도의 측정 방법에 있어서의 가공음의 측정 상황을 도시하는, 측면에서 본 모식도.
도 3은 펄스 레이저의 조사 상황(1펄스마다의 레이저의 중첩 상태)을 도시하는 도면.
도 4a는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 레이저 주사 속도의 측정 방법에 있어서의 가공음의 측정 결과를 나타내는 도면 중, 가공음의 주파수 분석 결과를 나타내는 도면.
도 4b는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 레이저 주사 속도의 측정 방법에 있어서의 가공음의 측정 결과를 나타내는 도면 중, 평균화 처리를 한 결과를 나타내는 도면.
도 5는 레이저 가공 장치(조사 헤드가 변위되는 타입)를 도시하는 모식도.

다음으로, 발명의 실시 형태를 설명한다. 먼저 처음에, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 레이저 주사 속도의 측정 방법의 적용 대상인 레이저 가공 장치의 전체 구성에 대하여 도 1 및 도 5를 사용하여 설명을 한다. 도 1에 도시한 바와 같이 레이저 가공 장치(1)는 펄스 레이저 PL을 조사하여 워크(10)에 대한 가공을 행하는 장치이며, 스캐너(2), 광 파이버(3), 수광 소자(파워 미터)(4) 및 마이크(5)를 구비하는 구성으로 하고 있다. 스캐너(2)(소위 갈바노 스캐너)는 복수의 미러(6·7·8)를 구비하고 있으며, 그 중의 미러(7·8)(소위 갈바노 미러)는 서로 동일하지 않은 축 주위로 회전 가능하게 구성되어 있다. 그리고 스캐너(2)는 미러(7·8)의 동작에 의하여 펄스 레이저 PL을 주사하는 구성으로 하고 있다. 즉, 레이저 가공 장치(1)는, 스캐너(2) 자체를 변위시키지 않고 스캐너(2)로부터 조사하는 펄스 레이저 PL을 주사하는 구성으로 하고 있다.

한편, 도 5에는, 본 발명의 적용 대상이 아닌 레이저 가공 장치의 전체 구성을 도시하고 있다. 도 5에 도시한 바와 같이 레이저 가공 장치(21)는 펄스 레이저 PL을 조사하는 장치이며, 조사 헤드(22), 광 파이버(23), 수광 소자(파워 미터)(24), 미러(25) 등을 구비하는 구성으로 하고 있다. 그리고 레이저 가공 장치(21)에서는, 조사 헤드(22) 자체를 전후 좌우로 변위시킴으로써 펄스 레이저 PL을 주사하는 구성으로 하고 있다. 이로 인하여, 이와 같은 구성의 레이저 가공 장치(21)에서는, 조사 헤드(22)의 변위를 감시함으로써 용이하게 펄스 레이저 PL의 주사 속도를 측정하는 것이 가능하다.

그리고 본 발명의 일 실시 형태에 관한 레이저 주사 속도의 측정 방법은, 조사 헤드(22)가 변위되는 타입의 레이저 가공 장치(21)를 사용하는 경우가 아니라, 미러(7·8)의 동작에 의하여 펄스 레이저 PL을 주사하는 타입의 레이저 가공 장치(1)를 사용하는 경우에 있어서, 펄스 레이저 PL의 주사 속도의 측정을 가능하게 하는 것이다.

여기서, 레이저 가공 장치(1)의 동작에 대하여 도 1 내지 도 4를 사용하여 설명을 한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 스캐너(2)를 구성하는 미러(6)는 하프 미러이며, 도시하지 않은 레이저원으로부터 발사지고 광 파이버(3)를 통하여 입사된 펄스 레이저 PL은, 미러(6)를 투과하고 미러(7·8)에서 반사되어 워크(10)에 대하여 조사된다. 워크(10)에 대한 펄스 레이저 PL의 조사 위치는 미러(7·8)의 동작에 의하여 변경되며, 펄스 레이저 PL은 도 2a, 도 2b에 도시한 바와 같이 지그재그형의 주사선을 따라 주사된다.

워크(10)에 조사된 펄스 레이저 PL의 반사광 RL은, 도 1에 도시한 바와 같이 미러(8·7·6)에 의하여 반사되어 수광 소자(4)에 입사된다.

워크(10)는, 펄스 레이저 PL이 조사됨으로써, 도 2a, 도 2b에 도시한 바와 같이 표면층(예를 들어 산화 피막)이 제거된다. 펄스 레이저 PL은, 표면층의 가공 방향 X에 대하여 직교하는 방향 Y를 향하여 진폭하는 지그재그형의 주사선을 그리듯 조사된다.

그리고 마이크(5)는, 마이크(5)의 축선 방향 M이, 펄스 레이저 PL의 주사선의 진폭 방향인 방향 Y에 대하여 평행으로 되도록 배치하고 있으며, 펄스 레이저 PL의 조사 위치(가공 위치)의 왕복에 의하여 도플러 효과의 영향을 가장 현저히 받도록 구성하고 있다.

도 3에 도시한 바와 같이 펄스 레이저 PL은, 1펄스의 조사에 있어서의 조사 범위 A에 대하여 설정한 강도로 레이저를 조사함으로써, 조사 범위 A에 대하여 소정의 에너지를 부여하여 가공을 실시하는 구성으로 하고 있다. 그리고 그 다음의 1펄스의 조사에 있어서는, 조사 위치를 어긋나게 하여 다음의 조사 범위 A에 소정의 에너지를 부여하는 구성으로 하고 있다.

다음으로, 레이저 가공 장치(1)에 의하여 가공음을 측정한 실험 결과에 대하여 도 4를 사용하여 설명을 한다. 본 실험에서는, 레이저원으로 나노초 펄스 레이저를 사용하여 실온 20℃의 상태에서, 핫 스탬프재인 워크(10)의 표면에 있어서의 산화 피막을 제거하고, 그때의 가공음을 마이크(5)에 의하여 측정하였다. 또한 나노초 펄스 레이저의 발진 주파수(가공 주파수)를 15.0㎑로 하고 펄스 레이저 PL의 주사 속도를 9㎧로 하여, 마이크(5)를 고정한 상태(속도 0)에서 측정을 하였다.

그리고 본 실험에서는, 주파수 분석 결과에 기초하여 산출하는 주사 속도가 실제의 주사 속도에 고정밀도로 일치하는 것을 확인함으로써, 가공음 측정에 기초하는 주사 속도의 산출이 유효한 것을 확인하였다.

측정한 가공음의 도플러 효과에 있어서의 주파수 시프트량 Δf는, 음속을 V, 발진 주파수를 f, 관측자의 이동 속도(즉, 마이크의 이동속도를 의미함)를 V0, 음원의 이동 속도를 V1이라고 할 때, 펄스 레이저(PL)가 주사됨에 따라 발생하는 도플러 효과에 의해 시프트된 주파수(이하, 시프트 주파수(fm)라고 칭함)와 펄스 레이저(PL)의 발진 주파수(f)의 차, 즉 Δf=fm-f로 나타낼 수 있으므로, Δf=f(V1-V0)/(V-V1)로 산출할 수 있다. 또한 본 실험에 있어서는, 음속 V를 V=331.5+0.6t(t: 실온)로 (오일러 급수) 보정하였다. 또한 음속 V의 보정식은, 측정 조건의 분위기에 맞추어 그에 적합한 보정식을 적절히 채용하는 것이 바람직하다.

상기 실험 조건에 의하면, 상기 수식에 의한 계산상의 주파수 시프트량 Δf는 0.4㎑로 되기 때문에, 측정된 가공음의 주파수 시프트 후의 시프트 주파수(fm)는 14.6㎑ 및 15.4㎑로 될 것이 예측된다.

도 4a에는, 펄스 레이저 PL에 의하여 워크(10)를 가공한 때의 가공음 S를 마이크(5)로 측정하고, 그 가공음 S를 주파수 분석한 결과를 나타내고 있다. 도 4a에 의하면, 가공음 S의 음압이 소정의 값 Z 이상으로 되는 주파수를 시프트 주파수라고 판단하면, 시프트 주파수는 14.6㎑ 및 15.4㎑라고 판독할 수 있다. 또한 이 경우, 각 시프트 주파수의 평균값은 15.0㎑로 되며, 이 값은 나노초 펄스 레이저의 발진 주파수 f와 일치하고 있다.

이와 같이, 도 4a에 나타내는 실험 결과로부터는, 실험 결과가 계산 결과 및 실험 조건에 고정밀도로 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 이 가공음 S의 측정 결과를 사용하면, 주파수 시프트량 Δf의 산출식에 기초하여 펄스 레이저 PL의 주사 속도를 고정밀도로 산출할 수 있음을 확인할 수 있었다.

또한 상기 형태에서는, 가공음 S의 음압이 소정의 값 Z를 초과한 주파수를 시프트 주파수라고 판단하는 구성으로 하고 있지만, 가공음 S의 주파수 분석 결과를 평균화하여, 음압의 피크가 나타나는 주파수를 사용하는 구성으로 해도 된다. 도 4b에는, 펄스 레이저 PL에 의하여 워크(10)를 가공한 때의 가공음 S를 마이크(5)로 측정하고, 그 가공음 S를 주파수 분석함과 함께, 주파수 분석을 평균화 처리한 결과를 나타내고 있다.

도 4b에 의하면, 가공음 S의 음압의 피크는 계산상의 시프트 주파수인 14.6㎑ 및 15.4㎑와 대략 일치하고 있다. 즉, 마이크(5)로 측정한 가공음 S를 주파수 분석함과 함께, 평균화 처리한 결과에 기초하더라도, 주파수 시프트량 Δf의 산출식으로부터 펄스 레이저 PL의 주사 속도를 고정밀도로 산출하는 것이 가능하다.

즉, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 레이저 주사 속도의 측정 방법은, 레이저를 주사하는 미러(7·8)를 가진 레이저 가공 장치(1)에서 펄스 레이저 PL을 조사하여 워크(10)를 가공하는 경우에 있어서의 레이저 주사 속도의 측정 방법이며, 펄스 레이저 PL에 의한 워크(10)의 가공음 S를 측정하고, 측정한 가공음 S를 주파수 해석함으로써, 펄스 레이저 PL의 주사 속도 V1을 산출하는 것이다.

이와 같은 구성에 의하여, 조사 헤드가 변위되지 않고 미러(7·8)의 동작에 의하여 펄스 레이저 PL을 주사하는 구성의 레이저 가공 장치(1)를 사용하는 경우에 있어서, 펄스 레이저 PL의 주사 속도 V1을 측정할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시 형태에 관한 레이저 주사 속도의 측정 방법에 있어서는, 펄스 레이저의 주사 속도 V1은, 가공음 S의 도플러 효과에 의한 주파수 시프트량 Δf에 기초하여 산출하는 것이며, 또한 펄스 레이저의 주사 속도 V1의 산출에 있어서, 주파수 해석한 가공음 S를 평균화 처리하는 것이다. 이와 같은 구성에 의하여 펄스 레이저 PL의 주사 속도 V1을 고정밀도로 측정할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시 형태에 관한 레이저 주사 속도의 측정 방법에 있어서는, 가공음 S를 측정하여 주사 속도 V1을 산출하는 구성으로 하고 있지만, 가공음 S 대신, 워크에 발생하는 진동을 검출하거나, 또는 가공 중에 발생하는 반사광을 검출하거나 함으로써, 도플러 효과의 이용에 의하여 주사 속도 V1을 산출하는 것도 가능하다. 또한 진동을 이용하는 경우에는 물질 중의 진동 전달에 관한 계산식을 사용함과 함께, 광을 이용하는 경우에는 광의 도플러 효과에 관한 계산식을 사용한다.

또한 본 실시 형태에서는, 펄스 레이저 PL의 주사 속도를 측정하는 방법에 대하여 예시했지만, 펄스 레이저가 아닌 레이저를 사용하는 경우에도, 본 발명에 따른 측정 방법에 의하여 주사 속도를 측정할 수 있다.

Claims (3)

1. 미러(7, 8) 및 마이크(5)를 포함하고, 상기 마이크(5)가 펄스 레이저(PL)의 주사선의 진폭 방향(Y)에 있어서 주사 범위 밖에 배치되며, 상기 미러(7, 8)의 동작에 의하여 펄스 레이저(PL)를 주사하여 워크를 가공하는 레이저 가공 장치(1)를 위한 레이저 주사 속도의 측정 방법이며,
   상기 마이크(5)에 의하여, 펄스 레이저(PL)에 의한 상기 워크의 가공음을 측정하는 것과,
   상기 레이저 가공 장치(1)에 의하여, 상기 펄스 레이저(PL)의 발진 주파수 및 측정한 상기 가공음의 도플러 효과에 의한 주파수 시프트량(Δf)에 기초하여, 하기 식 1에 의하여 상기 펄스 레이저(PL)의 주사 속도(V1)를 산출하는 것을
   포함하는 것을 특징으로 하는, 레이저 주사 속도의 측정 방법.
   <식 1>
   Δf=f(V1-V0)/(V-V1)
   여기서,
   Δf: 측정한 가공음의 도플러 효과에 있어서의 주파수 시프트량이며, 펄스 레이저(PL)가 주사됨에 따라 발생하는 도플러 효과에 의해 시프트된 주파수(fm)와 펄스 레이저(PL)의 발진 주파수(f)의 차, 즉 Δf=fm-f를 의미
   f: 발진 주파수
   V: 음속
   V0: 마이크의 이동 속도
2. 삭제
3. 삭제

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