KR102260607B1 - 액체 제트에 레이저 빔을 결합하기 위한 레이저 빔의 초점 맞춤 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체 제트에 레이저 빔을 결합하기 위한 레이저 빔의 초점 맞춤 방법에 관한 것으로,
액체 제트 레이저 공작 기계(300)의 노즐 블록(33)의 노즐(37)에 레이저 빔(100)의 초점을 맞추어 상기 노즐(37)에 의해 발생되는 액체 제트(200)에 상기 레이저 빔(100)을 결합하기 위한 방법에 있어서,
상기 레이저 빔(100)으로부터의 레이저 광이 노즐(37)의 포트 둘레 노즐 블록(33) 부분으로부터 이차원 이미지 센서(303)를 향해 반사되도록 상기 레이저 빔(100)의 초점이 노즐(37)의 포트를 중심으로 해제되며, 상기 노즐(37)의 포트 둘레 노즐 블록(33) 부분의 장면이 상기 이미지 센서(303)에 의해 촬영되고, 이 촬영 장면에서 상기 노즐(37)의 포트가 확인 가능한 제 1 단계를 포함하고, 상기 이미지 센서(303)에 의해 촬영된 장면에서 노즐(37)이 표지(338)를 사용하여 표시되며, 상기 표지는 이미지 센서(303)에 의해 촬영되는 다른 장면에 상기 노즐(37)의 위치를 설정하기 위해 상기 다른 장면으로 전달 가능한 제 2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

Description

액체 제트에 레이저 빔을 결합하기 위한 레이저 빔의 초점 맞춤 방법{A method for focusing a laser beam for coupling the laser beam into a liquid jet}

본 발명은, 레이저 빔의 초점을 맞추기 위한 적어도 하나의 광학 구성 요소를 구비하는 광학 유닛, 그리고 벽에 의해 획정되는 액체 챔버를 구비하며 액체 제트를 발생시키기 위한 노즐 개구를 구비하는 노즐이 상기 벽의 내부에 배치되어 있는 결합 유닛을 포함하는, 액체 제트(liquid jet)에 레이저 빔을 결합하기 위한 기계 가공 헤드에 관한 것이다. 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서, 광학 유닛에 의해 초점이 맞추어질 수 있는 레이저 빔이 결합 유닛의 액체 챔버를 통해 빔 방향을 따라 노즐 개구로 보내질 수 있으며, 노즐에 의해 발생 가능하고 빔 방향으로 이동하는 액체 제트에 결합될 수 있다. 여기서, 광학 유닛으로부터 액체 챔버로 액체가 공급되도록 하기 위해, 광학 유닛과 결합 유닛의 사이에 액체 인터페이스가 형성된다.

광 도파관에서와 같이 재료 기계 가공 위치로 레이저 빔이 안내되도록 하기 위해, 레이저 빔이 박형 워터 제트(water jet)에 결합되는 레이저 기계 가공 장치가 공지되어 있다. 이러한 레이저 기계 가공 장치는 워터 제트의 길이에 걸쳐 레이저 에너지가 워터 제트의 단면에 집중된다는 장점이 있다. 이에 따라, 재료 기계 가공 위치와의 간격이 변하는 경우에도 레이저 빔의 초점을 지속적으로 추적할 필요가 없다. 또한, 이러한 장치는 기계 가공되는 재료가 워터 제트에 의해 연속적으로 냉각될 수도 있다는 장점을 갖는다.

박형 워터 제트가 발생되도록 하기 위하여, 그리고 이러한 워터 제트에 레이저 빔이 결합되도록 하기 위하여, 이러한 유형의 레이저 기계 가공 장치는 기계 가공 헤드를 구비한다. 기계 가공 헤드는 다양한 구성 및 형상으로 형성될 수도 있다. 이에 따라, 말하자면, 내부에 레이저 빔이 결합되어 있는 워터 제트가 레이저 기계 가공 장치의 벽으로부터 방출되도록, 상기 기계 가공 헤드가, 예를 들어, 레이저 기계 가공 장치의 나머지 부분에 매입되는 형태로 형성될 수도 있다. 이 경우, 내부에 레이저 빔이 결합되어 있는 워터 제트가 대상물의 기계 가공 위치에 도달할 수 있도록, 기계 가공 대상물이 벽의 전방에서 기계 가공 헤드에 대해 상대 이동할 수도 있다. 그러나, 기계 가공 헤드가 레이저 기계 가공 장치의 자유 말단부를 형성할 수도 있으며, 또는 레이저 기계 가공 장치의 이동 가능한 암(arm)의 자유 말단부 상에 배치될 수도 있다. 이에 따라, 내부에 레이저 빔이 결합되어 있는 워터 제트가 기계 가공이 이루어져야 하는 위치에 도달하도록 하기 위하여, 워터 제트가 기계 가공 대상물의 위에서 이동될 수 있다.

기계 가공 헤드를 특정한 형상으로 형성하는 방식과 상관없이, 기계 가공 헤드는 보통, 광학 유닛과 결합 유닛으로 형성된다. 여기서, 광학 유닛은, 레이저 빔의 초점을 맞추기 위해, 단일 렌즈 구성 요소나 일 군의 렌즈 구성 요소와 같은 적어도 하나의 광학 구성 요소를 포함한다. 반면에, 결합 유닛은 액체 제트가 발생되도록 하기 위한 노즐 개구를 구비하는 노즐을 포함한다. 여기서, 광학 유닛이 액체 제트에 레이저 빔의 초점을 맞추어 레이저 빔이 액체 제트에 결합되도록 하는 방식으로, 광학 유닛과 결합 유닛이 기계 가공 헤드 내에 상호 배치된다.

이러한 유형의 기계 가공 헤드의 일 예가 시노바 에스.에이.(Synova S.A)에 의한 제 EP 1 833 636 B1 호에 설명되어 있다. 이 기계 가공 헤드는 액체 노즐을 사용하여 액체 제트를 발생시키기 위한 결합 유닛을 포함한다. 기계 가공 헤드는 또한, 액체 노즐의 액체 덕트에 레이저 빔의 초점을 맞추어 레이저 빔이 액체 제트에 결합되도록 하기 위한 광학 유닛을 포함한다. 결합 유닛은 장착부, 창부, 그리고 폐쇄부를 포함한다. 광학 유닛의 원추형 개구가 장착부의 상측에 배치된다. 원추형 개구의 하단에서 장착부의 견부에 창부의 상측이 위치한다. 폐쇄부는 창부의 하측에 배치되어, 창부와 폐쇄부 사이의 얇은 원반형 중간 공간의 바닥측을 마감하도록 형성된다. 이러한 중간 공간은 중간 공간과 마주하고 있는 폐쇄부 상측의 간극에 삽입되는 액체 노즐용 액체 유입 라인의 역할을 한다. 액체 노즐은 레이저 방사선이 결합되는 미세한 액체 제트를 형성하는 중앙 덕트를 구비한다.

이러한 기계 가공 헤드는 액체 제트와 수직 방향으로의 폭이 넓다는 단점이 있다. 또한, 액체 제트가 제한된 길이에 걸쳐서만 안정적이다. 이후에는 상기 액체 제트가 개별 액적(drop)으로 분해되며, 이들 액적은 경사면의 길이를 가로질러 약간 평평하면서 대략 구형의 액적으로 변형된다. 안정적인 액체 제트만이 레이저 빔의 광 전도체로서의 역할을 수행할 수 있기 때문에, 액체 노즐로부터 기계 가공 위치까지의 유효 거리는 제한되어 있다. 이에 따라, 이러한 기계 가공 헤드에 의해서는 실질적으로 평면형의 시편만이 즉각적으로 기계 가공 가능하다. 그러나, 대상물의 삼차원 기계 가공의 맥락에서, 접근이 더 어려운 위치에서 기계 가공이 이루어져야 하는 경우에는 이러한 기계 가공 헤드가 부적당하다. 이 경우, 레이저 빔이 결합된 안정적인 액체 제트가 기계 가공 위치에 충분히 도달할 수 있도록 하기 위해 대상물이 기계 가공 헤드에 가까이 유지될 경우에는, 기계 가공 헤드가 그 넓은 폭으로 인해 대상물과 충돌할 위험이 있다.

본 발명의 목적은 서두에 언급한 기술 분야와 관련되어 있으며, 또한 대상물의 삼차원 기계 가공이 가능한 기계 가공 헤드를 제공하는 것이다.

전술한 목적은 청구항 1의 특징에 의해 달성된다. 본 발명에 따르면, 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서, 빔 방향에서 봤을 때 액체 인터페이스가 빔 방향에서 봤을 때 마지막에 위치한 광학 유닛의 광학 구성 요소의 전방에 배치된다.

여기서, 용어 "액체 인터페이스(liquid interface)"는, 액체 챔버에 액체가 공급되도록 하기 위해, 광학 유닛으로부터 나온 액체가 결합 유닛으로 진행하는 위치를 의미한다. 이를 위해, 광학 유닛은 액체 챔버로 공급될 액체가 광학 유닛으로부터 방출될 수 있는 개구를 구비한다. 또한, 결합 유닛은 액체 챔버의 액체가 유입될 수 있는 개구를 구비한다. 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서, 이들 두 개의 개구는 광학 유닛의 개구에서 방출된 액체가 결합 유닛의 개구로 유동할 수 있도록 하는 방식으로 상호 배치된다. 따라서, 이들 두 개의 개구는, 선택적으로 광학 유닛과 결합 유닛 사이의 사이에 포위되어 광학 유닛의 개구에서 방출된 액체가 결합 유닛의 개구로 보내지게 되는 영역과 함께, 액체 인터페이스를 형성한다.

여기서, 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서, 이들 두 개의 개구는 서로 바로 위아래로 위치할 수도 있다. 이 경우, 서로 위아래로 위치한 두 개의 개구가 액체 인터페이스를 형성한다. 그러나, 두 개의 개구가 또한, 상호 측방향으로 다소 오프셋 되는 위치로 배치될 수도 있다. 이러한 두 개의 개구의 배치와 상관없이, 광학 유닛과 결합 유닛은 또한, 광학 유닛의 개구에서 방출되는 액체가 결합 유닛의 개구로 보내지게 되는 영역을 에워싸도록 배치될 수도 있다. 이 영역은, 예를 들어, 광학 유닛과 결합 유닛의 사이에 배치되는 하나의 또는 복수 개의 시일(seal)에 의해 획정될 수도 있다. 이 경우, 액체 인터페이스는 이러한 영역과 상기 두 개의 개구에 걸쳐 연장되도록 형성된다.

빔 방향에서 봤을 때, 광학 유닛의 마지막 광학 구성 요소는, 상기 레이저 빔이 광학 유닛을 떠나 결합 유닛에서 액체 제트에 결합되기 전에, 레이저 빔이 광학 유닛에서 마지막으로 통과하여 이동하게 되는 광학 구성 요소이다. 따라서, 이러한 마지막 광학 구성 요소는, 예를 들어, 레이저 빔의 초점이 맞추어질 수 있도록 하는 하나의 렌즈 구성 요소 또는 일군의 렌즈 구성 요소일 수도 있다. 그러나, 빔 방향에서 봤을 때 마지막 광학 구성 요소가 또한, 광학 구성 요소를 외부로부터 폐쇄하며 자체적으로 초점 맞춤 특성을 갖추고 있지는 않은 창일 수도 있다. 빔 방향에서 봤을 때 마지막 광학 구성 요소에 관한 구체적인 실시예와 상관없이, 광학 유닛을 통과하여 이동하는 레이저 빔이 광학 유닛의 마지막 광학 구성 요소를 통과하기 전에 우선 액체 인터페이스의 옆을 지나쳐 이동하여 액체 인터페이스를 우회하도록, 또는 액체 인터페이스를 통과하여 이동하도록, 본 발명에 따른 액체 인터페이스는 빔 방향에서 봤을 때 이러한 광학 구성 요소의 전방에 배치된다. 결합 유닛이 광학 유닛에 직접 연결 가능한지 여부 또는 결합 유닛이 중간 구성 요소를 사용하여 광학 유닛에 연결 가능한지 여부는 본 명세서에 기재된 본 발명에 따른 해결 방안과는 무관하다. 마찬가지로, 광학 유닛과 결합 유닛의 특정한 구성 방식 또한 본 발명에 따른 해결 방안과는 무관하다. 이에 따라, 광학 유닛이, 예를 들어, 레이저 기계 가공 장치에 별개의 유닛으로서 부착 가능할 수도 있다. 따라서, 레이저 기계 가공 장치와 연관된 레이저에 의해 발생된 레이저 빔이 광학 유닛을 통하여 이동될 수도 있다. 이 레이저 빔이 광학 유닛에 의해 초점이 맞추어질 수도 있으며, 광학 유닛에 부착되어 있는 결합 유닛에 의해 발생되는 액체 제트에 결합될 수도 있다. 그러나, 광학 유닛이 또한, 예를 들어, 레이저 기계 가공 장치와 연관된 레이저에 의해 발생된 레이저 빔이 안내되는 레이저 기계 가공 장치의 랜스(lance)의 단부 영역을 형성할 수도 있다. 이 경우, 랜스는 레이저 기계 가공 장치의 일부를 구성할 수도 있으며, 그 단부 영역이 광학 유닛과 이어진다. 여기서, 결합 유닛은, 예를 들어, 광학 유닛의 일부를 구성하는 랜스의 단부 영역의 외부에 체결될 수도 있다.

본 발명에 따른 해결 방안은 기계 가공 헤드가 더 작은 크기로 구성될 수도 있다는 장점을 갖고 있다. 또한, 레이저 빔이 결합된 액체 제트가 기계 가공 헤드에서 나오는 기계 가공 헤드의 부분이 보다 좁게 형성될 수도 있다. 따라서, 안정적인 액체 제트와 이 액체 제트에 결합된 레이저 빔이 기계 가공 헤드에 의해 접근이 어려운 위치에 보다 신속하게 도달할 수 있다. 따라서, 대상물의 삼차원 기계 가공이 또한 촉진된다.

유리하게는, 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서, 액체 인터페이스는 빔 방향과 수직 방향으로 정렬되는 평면에 대하여 각도를 이루며 정렬되는 액체 인터페이스 영역을 구비한다. 여기서, 액체 인터페이스 영역은 액체 인터페이스를 통과하여 연장되며, 따라서 광학 유닛의 개구를 둘러싸고 있는 광학 유닛 표면과 결합 유닛의 개구를 둘러싸고 있는 결합 유닛 표면 사이에서 연장된다. 따라서, 광학 유닛으로부터 결합 유닛으로 보내져 액체 챔버에 공급되는 액체가 광학 유닛의 개구로부터 결합 유닛의 개구로 바로 유동할 수 있도록 광학 유닛의 개구가 결합 유닛의 개구 바로 위에 위치하는 경우, 액체 인터페이스 영역은 두 개의 개구 둘레에 서로 위아래로 위치한 광학 유닛과 결합 유닛의 표면 부분에 의해 획정되며, 이들 개구로 인해 광학 유닛과 결합 유닛의 표면이 존재하지 않는 부분에서도 계속해서 연장 형성된다. 여기서, 두 개의 개구 둘레에 위치한 이들 표면 부분이 액체 인터페이스로 제한되는지 여부 또는 상기 부분이 액체 인터페이스 바로 외측까지 연장되는지 여부는 중요하지 않다. 반면에, 광학 유닛의 개구가 결합 유닛의 개구의 바로 위에 위치하지 않는 경우, 그리고 광학 유닛의 개구에서 방출되어 액체 챔버에 공급되는 액체가 광학 유닛과 결합 유닛의 사이에 포위되어 있는 부분을 통과하여 결합 유닛의 개구로 이동되는 경우, 액체 인터페이스 영역은 광학 유닛의 개구 둘레에 위치한 광학 유닛 표면 부분과 결합 유닛의 개구 둘레에 위치한 결합 유닛 표면 부분 사이에서 연장된다. 이들 개구 둘레의 광학 유닛 표면과 결합 유닛 표면 사이의 간극이 일정한 경우, 그리고 이 부분에서 두 개의 표면이 상호 평행하게 연장되는 경우, 액체 인터페이스 영역은 이들 두 개의 표면 사이에서 광학 유닛의 표면과 평행하게 그리고 결합 유닛 유닛의 표면과 평행하게 연장되며, 이들 개구로 인해 광학 유닛과 결합 유닛의 표면이 존재하지 않는 부분에서도 계속해서 연장 형성된다. 여기서, 두 개의 개구 둘레에 위치한 이들 표면 부분이 액체 인터페이스로 제한되는지 여부 또는 상기 부분이 액체 인터페이스 바로 외측까지 연장되는지 여부는 중요하지 않다. 반면에, 액체 인터페이스 내부의 두 개의 표면 사이에서 이들 표면과 수직 방향으로 측정한 간격이 변하도록 광학 유닛의 표면이 결합 유닛의 표면에 대하여 각도를 이루며 연장되는 경우, 액체 인터페이스 영역은 이들 두 개의 표면 사이에서 연장된다. 여기서, 액체 인터페이스 영역은 광학 유닛의 표면에 대하여 그리고 결합 유닛의 표면에 대하여 동일한 각도를 이루며, 개구로 인해 광학 유닛과 결합 유닛의 표면이 존재하지 않는 부분에서도 계속해서 연장 형성된다. 여기서, 두 개의 개구 둘레에 위치한 이들 표면 부분이 액체 인터페이스로 제한되는지 여부 또는 상기 부분이 액체 인터페이스 바로 외측까지 연장되는지 여부는 중요하지 않다.

광학 유닛의 개구 둘레에 위치한 광학 유닛 표면 부분과 결합 유닛의 개구 둘레에 위치한 결합 유닛 표면이 곡선형일 수도 있기 때문에, 액체 인터페이스 영역 또한 곡선형일 수도 있다. 이에 따라, 결합 유닛이, 예를 들어, 원통형 부분을 구비할 수도 있으며, 액체 챔버에 액체를 공급하기 위한 개구가 상기 원통형 부분의 반경 방향 외부 영역에 배치된다. 또한, 광학 유닛은, 예를 들어, 원형 단면을 갖는 개구를 구비할 수도 있으며, 결합 유닛을 광학 유닛에 연결하기 위해 결합 유닛의 원통형 부분이 이 개구 내부로 밀어 넣어질 수도 있다. 이 경우, 액체 챔버에 공급되는 액체가 광학 유닛으로부터 방출될 수도 있는 광학 유닛의 개구가 원형 단면을 갖는 개구의 내측에 배치될 수도 있다. 따라서 액체 인터페이스가 결합 유닛의 원통형 부분에 위치하기 때문에, 액체 인터페이스 영역 또한 결합 유닛의 원통형 부분의 형상을 따르게 된다. 따라서, 이 경우, 액체 인터페이스 영역도 곡선형이다.

액체 인터페이스 영역이 빔 방향으로 정렬되는 평면과 수직 방향으로 정렬된다는 것은, 액체 인터페이스 내에서, 액체 인터페이스 영역의 각각의 지점의 경우 이 지점의 법선이 빔 방향에 대하여 각도를 이루며 또한 상기 법선이 이에 따라 빔 방향과 평행하게 정렬되어 있지 않다는 것을 의미한다. 이에 따라, 광학 유닛에 연결되기 위한 결합 유닛이 광학 유닛에 대하여 빔 방향과 반대 방향으로 이동 가능하도록 구성되며 이에 따라 간단한 방식으로 광학 유닛에 연결 가능하도록 구성된다면, 액체 인터페이스가 간단한 방식으로 밀봉될 수도 있다는 장점이 있다. 여기서, 액체 인터페이스가 결합 유닛의 이동 방향에 대하여 각도를 이루며 정렬된다면, 광학 유닛으로의 결합 유닛의 연결 시에, 결합 유닛의 개구와 광학 유닛의 개구가 광학 유닛의 개구 둘레에 위치한 광학 유닛 표면 부분의 법선 방향 및 결합 유닛의 개구 둘레에 위치한 결합 유닛 표면 부분의 법선 방향으로 연장 형성되는 것이 아니라, 측방향으로 수렴된다. 따라서, 액체 인터페이스가 간단한 방식으로 밀봉될 수도 있다.

바람직한 일 변형예에 있어서, 액체 인터페이스 영역은 빔 방향과 평행한 방향으로 연장된다. 이것은, 액체 인터페이스 내에서, 액체 인터페이스 영역의 각각의 지점의 경우 이 지점의 법선이 빔 방향과 수직 방향으로 정렬되는 평면 내에 위치한다는 것을 의미한다. 이에 따라, 여기서, 액체 인터페이스 영역이 결합 유닛의 이동 방향과 평행한 방향으로 정렬되며 이에 따라 결합 유닛의 개구가 광학 유닛의 개구 전방에서 개구 둘레에 위치한 결합 유닛의 표면 부분을 따라 밀어 넣어지기 때문에, 광학 유닛에 연결되기 위한 결합 유닛이 광학 유닛에 대하여 빔 방향과 반대 방향으로 이동 가능하도록 구성되며 이에 따라 간단한 방식으로 광학 유닛에 연결 가능하도록 구성된다면, 액체 인터페이스가 간단한 방식으로 밀봉될 수도 있다는 장점이 있다. 이러한 장점을 달성하기 위해, 액체 인터페이스 내부의 액체 인터페이스 영역이 평면형으로 평평하게 형성되는지 또는 곡선형인지는 문제가 되지 않는다. 이에 따라, 결합 유닛이, 예를 들어, 원통형 부분을 구비할 수도 있으며, 액체 챔버에 액체를 공급하기 위한 개구가 상기 원통형 부분의 반경 방향 외부 영역에 배치되는 반면, 광학 유닛은 원형 단면을 갖는 개구를 구비하여, 결합 유닛을 광학 유닛에 연결하기 위해 결합 유닛의 원통형 부분이 이 개구 내부로 밀어 넣어질 수도 있다. 이 경우, 액체 챔버에 공급되는 액체가 광학 유닛으로부터 방출될 수도 있는 광학 유닛의 개구가 원형 단면을 갖는 개구의 내측에 배치될 수도 있다. 따라서, 이 경우, 액체 인터페이스 영역도 곡선형이다. 그러나, 결합 유닛이, 예를 들어, 정사각형 단면을 갖는 부분을 구비할 수도 있으며, 액체 챔버에 액체를 공급하기 위한 개구가 이 부분의 네 개의 평평한 외측면 중 하나에 배치된다. 여기서, 광학 유닛이 마찬가지로 정사각형 단면을 갖는 개구를 구비할 수도 있어, 결합 유닛을 광학 유닛에 연결하기 위해 이 개구 내부로 결합 유닛의 일부가 빔 방향의 반대 방향으로 밀어 넣어질 수도 있다. 이 경우, 액체 챔버에 공급되는 액체가 광학 유닛으로부터 방출될 수도 있는 광학 유닛의 개구는 정사각형 단면을 갖는 개구의 내측으로 네 개의 평평한 측면 중 하나에 배치될 수도 있다. 따라서, 이 경우, 액체 인터페이스 영역은 평면형으로 평평하게 형성된다.

변형예로서, 그러나, 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서, 액체 인터페이스는 적어도 일부가 빔 방향과 수직 방향으로 정렬되는 평면과 평행한 방향으로 정렬되는 액체 인터페이스 영역을 구비할 수도 있다.

유리하게는, 결합 유닛은 액체 인터페이스를 액체 챔버에 연결하는 적어도 하나의 액체 덕트를 구비한다. 이러한 구성은, 광학 유닛으로부터 전달되는 액체가 액체 챔버로 공급되는 액체가 이동될 수도 있는 결합 유닛의 개구로 보내져 이 개구로부터 액체 덕트를 통해 액체 챔버로 보내지도록 하는 간단한 방식으로 액체 챔버에 액체가 공급될 수도 있다는 장점이 있다.

변형예로서, 그러나, 액체 챔버에 액체가 다른 방식으로 공급됨으로 인해 결합 유닛이 이러한 유형의 어떠한 액체 덕트도 구비하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 액체 챔버로 공급되는 액체가 통과하여 이동될 수도 있는 결합 유닛의 개구가 액체 챔버에 직접 연결되는 경우가 이에 해당한다. 이러한 유형의 변형 구성은 기계 가공 헤드가 더 콤팩트한 구성으로 형성될 수도 있으며, 따라서, 기계 가공 헤드가 기존에 도달하기 어려웠던 위치에 용이하게 도달할 수 있게 되어 대상물의 삼차원 기계 가공이 간소화된다는 장점이 있다.

결합 유닛은 일 방향으로 점차 가늘어지는 형상으로 형성되는 것이 바람직하며, 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서, 이 방향이 빔 방향에 해당한다. 따라서, 빔 방향에 대해 횡방향으로 측정한 기계 가공 헤드의 폭은 노즐 개구에 의해 발생 가능한 액체 제트가 기계 가공 헤드에서 방출되는 기계 가공 헤드의 위치로 갈수록 감소한다. 따라서, 기계 가공 헤드가 기존에 도달하기 어려웠던 위치에 용이하게 도달할 수 있게 되어, 대상물의 삼차원 기계 가공이 간소화된다.

변형예로서, 그러나, 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서 빔 방향에 해당하는 방향으로 결합 유닛이 점차 가늘어지는 형상으로 형성되지 않을 수도 있다. 이러한 유형의 변형 구성은 기계 가공 헤드가 간단한 방식으로 형성될 수도 있으며 따라서 더 비용 효율적인 방식으로 제조될 수도 있다는 장점을 가질 수도 있다.

결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서 빔 방향에 해당하는 일 방향으로 결합 유닛이 점차 가늘어지는 형상으로 형성되는 경우, 유리하게는, 이러한 점차 가늘어지는 형상은 원추형 외장 형상이다. 이 경우, 빔 방향에서 봤을 때 점차 가늘어지는 형태가 지속적으로 균일하다는 장점이 있다. 따라서, 기계 가공 헤드가 점차 가늘어지는 원추형 외장 형상의 원추 개방 각도에 따라 기계 가공 영역에 대하여 즉각적으로 경사지게 배향될 수도 있다. 이것은 기존에 도달하기 어려웠던 위치로의 기계 가공 헤드의 접근을 촉진하여, 대상물의 삼차원 기계 가공을 간소화한다.

변형예로서, 그러나, 원추형 외장 형상이 아닌 다른 형상으로 점차 가늘어지도록 형성할 수도 있다.

결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서 빔 방향에 해당하는 일 방향으로 결합 유닛이 원추형 외장 형상으로 점차 가늘어지는 형상으로 형성되는 경우, 원추형 외장 형상의 회전 대칭 중심 축선과 원추형 외장 형상의 외부 영역 사이에서 측정한 점차 가늘어지는 원추형 외장 형상의 원추 개방 각도는 최대 60°, 최대 45°, 최대 30°, 특히, 최대 20° 이다. 이에 따라, 기계 가공 헤드가 접근이 어려운 위치에 최적의 방식으로 도달하는 것이 가능할 수도 있어, 대상물의 삼차원 기계 가공이 간소화된다는 장점이 있다.

그러나, 일 변형예로서, 원추형 외장 형상의 원추 개방 각도가 20°를 초과하거나, 30°를 초과하거나, 45°를 초과하거나, 60°를 초과할 수도 있다. 이러한 각도는 결합 유닛의 형성을 간소화한다는 장점이 있다.

결합 유닛은 액체 제트를 에워싸는 가스 제트를 형상화하기 위한 가스 방출 노즐을 구비하는 것이 바람직하다. 이것은 액체 제트가 안정적으로 유지되는 길이를 증가시키는 장점이 있다. 레이저 빔이 안정적인 액체 제트에만 결합된 채로 유지되므로, 따라서, 기계 가공 위치로부터 기계 가공 헤드까지의 유효 거리가 증가될 수도 있다. 이에 따라, 기계 가공 헤드가 기존에 접근이 어려웠던 위치에서의 기계 가공이 더 간단한 방식으로 이루어질 수도 있어, 대상물의 삼차원 기계 가공이 간소화된다.

그러나, 일 변형예로서, 결합 유닛이 액체 제트를 에워싸는 가스 제트를 형상화하기 위한 가스 방출 노즐을 구비하지 않을 수도 있다. 이러한 유형의 변형 구성은 기계 가공 헤드가 간단한 방식으로 형성될 수도 있으며 따라서 더 비용 효율적인 방식으로 제조될 수도 있다는 장점을 가질 수도 있다. 또한, 기계 가공 헤드의 수리가 간소화된다.

결합 유닛이 액체 제트를 에워싸는 가스 제트를 형상화하기 위한 가스 방출 노즐을 구비하는 경우, 결합 유닛은 또한, 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서 빔 방향에서 봤을 때 노즐 개구의 후방에 배치되는 가스 역압 챔버를 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 가스 역압 챔버는 액체 제트를 에워싸며 액체 제트가 안정적인 상태를 유지하는 길이를 확장시키는 가스 제트가 간단한 방식으로 발생될 수 있도록 하는 장점을 갖는다.

변형예로서, 그러나, 결합 유닛이 이러한 유형의 가스 역압 챔버를 구비하지 않도록 형성될 수도 있다. 이것은 결합 유닛이 간단한 방식으로 구성될 수도 있다는 장점을 갖는다.

*결합 유닛이 액체 제트를 에워싸는 가스 제트를 형상화하기 위한 가스 방출 노즐을 구비하는 경우, 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서, 가스 방출 노즐은 노즐 개구의 방향에서 봤을 때 빔 방향으로 배치되는 것이 바람직하다. 여기서, 가스 방출 노즐이 노즐 개구의 방향에서 봤을 때 빔 방향으로 노즐 개구의 바로 후방에 배치될 수도 있다. 그러나, 선택적으로 이용 가능한 가스 역압 챔버가 노즐 개구와 가스 방출 노즐의 사이에 배치될 수도 있다. 이 경우, 빔 방향으로 노즐 개구에 의해 발생 가능한 액체 제트가 가스 역압 챔버를 통하여 이동할 수도 있으며 가스 방출 노즐을 통해 결합 유닛으로부터 방출될 수도 있다. 노즐 개구로부터 봤을 때 빔 방향에 가스 방출 노즐을 배치할 경우의 장점은, 최적의 방식으로 액체 제트를 에워싸는 가스 제트가 가스 방출 노즐에 의해 발생될 수도 있도록 노즐 개구에 의해 발생 가능한 액체 제트가 결합 유닛으로부터 가스 방출 노즐을 통해 방출될 수도 있다는 점이다.

변형예로서, 그러나, 가스 방출 노즐이 또한 다른 방식으로 배치될 수도 있다.

결합 유닛이 액체 제트를 에워싸는 가스 제트를 형상화하기 위한 가스 방출 노즐을 구비하는 경우, 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서, 가스 제트용 가스를 결합 유닛에 공급하기 위해, 광학 유닛과 결합 유닛의 사이에 가스 인터페이스를 형성하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 광학 유닛은 가스 제트용 가스가 광학 유닛으로부터 방출될 수도 있는 개구를 구비한다. 또한, 결합 유닛은 가스 제트용 가스가 보내질 수도 있는 개구를 구비한다. 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서, 이들 두 개의 개구는 광학 유닛의 개구에서 방출되는 가스가 결합 유닛의 개구로 유동할 수 있는 방식으로 상호 배치된다. 따라서, 이들 두 개의 개구는, 광학 유닛과 결합 유닛 사이에 선택적으로 에워싸여 광학 유닛의 개구로부터 방출되는 가스가 결합 유닛의 개구로 이동되는 부분과 함께, 가스 인터페이스를 형성한다. 여기서, 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서, 두 개의 개구가 상호 마주하도록 서로 바로 위아래에 위치할 수도 있다. 이 경우, 서로 위아래로 위치한 두 개의 개구가 가스 인터페이스를 형성한다. 그러나, 두 개의 개구가 또한, 서로 측방향으로 다소 오프셋되도록 배치될 수도 있다. 이들 두 개의 개구의 배치와 상관없이, 또한, 광학 유닛과 결합 유닛이 광학 유닛의 개구로부터 방출되는 가스가 결합 유닛의 개구로 이동되는 부분을 에워싸도록 형성될 수도 있다. 이 부분은, 예를 들어, 광학 유닛과 결합 유닛의 사이에 배치되는 하나의 또는 복수 개의 시일에 의해 획정될 수도 있다. 이 경우, 가스 인터페이스는 이 부분과 두 개의 개구에 걸쳐 연장된다.

가스 인터페이스의 장점은, 결합 유닛이 광학 유닛과의 연결과는 별개로 가스 제트용 가스를 공급하기 위한 연결부를 구비할 필요가 없기 때문에, 기계 가공 헤드가 콤팩트한 방식으로 구성될 수도 있다는 점이다. 이러한 장점은 가스 제트용 가스가 광학 유닛으로부터 가스 인터페이스를 통해 결합 유닛으로 기체 상태로 또는 액체 상태로 이동되는지 여부와 상관없이 달성된다.

그러나, 일 변형예로서, 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서 가스 제트용 가스를 결합 유닛에 공급하기 위해 광학 유닛과 결합 유닛의 사이에 가스 인터페이스가 형성되지 않을 수도 있다. 이러한 유형의 변형 구성은 광학 유닛으로의 결합 유닛의 연결이 간소화된다는 장점을 갖는다.

결합 유닛이 광학 유닛에 연결되면, 가스 제트용 가스를 결합 유닛에 공급하기 위해, 광학 유닛과 결합 유닛의 사이에 가스 인터페이스가 형성되며, 유리하게는, 빔 방향에서 봤을 때, 가스 인터페이스는 빔 방향에서 봤을 때 마지막에 위치한 광학 유닛의 광학 구성 요소의 전방에 배치된다. 따라서, 광학 유닛을 통하여 이동하는 레이저 빔이 광학 유닛의 마지막 광학 구성 요소를 통과하기 전에 우선 가스 인터페이스의 옆을 지나쳐 이동하여 가스 인터페이스를 우회하거나, 가스 인터페이스를 통하여 이동한다. 이것은 잠재적으로 더 소형의 구성을 가능하게 한다는 장점이 있다. 또한, 이에 따라, 레이저 빔이 결합되어 있으며 가스 제트에 의해 에워싸인 액체 제트가 기계 가공 헤드로부터 방출되는 부분에서 기계 가공 헤드가 더 좁게 형성될 수도 있다. 따라서, 안정적인 액체 제트와 이에 결합된 레이저 빔이 기존에 기계 가공 헤드의 접근이 어려웠던 위치에 간단한 방식으로 도달할 수도 있다. 이에 따라, 대상물의 삼차원 기계 가공이 촉진된다.

그러나, 일 변형예로서, 빔 방향에서 봤을 때, 가스 인터페이스가 빔 방향에서 봤을 때 마지막에 위치한 광학 유닛의 광학 구성 요소와 동일한 높이에 배치되거나, 빔 방향에서 봤을 때 마지막에 위치한 광학 유닛의 광학 구성 요소의 후방에 배치될 수도 있다.

결합 유닛이 액체 제트를 에워싸는 가스 제트를 형상화하기 위한 가스 방출 노즐을 구비하는 경우, 그리고 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서 가스 제트용 가스를 결합 유닛에 공급하기 위해 가스 인터페이스가 형성되는 경우, 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서 가스 인터페이스가 빔 방향과 수직 방향으로 정렬되는 평면에 대하여 각도를 이루며 정렬되는 가스 인터페이스 영역을 구비하는 것이 바람직하다. 여기서, 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서 가스 인터페이스가 빔 방향에서 봤을 때 광학 유닛의 마지막에 위치한 광학 구성 요소의 전방에 배치되는지, 후방에 배치되는지, 또는 동일한 높이에 배치되는지는 문제가 되지 않는다.

이러한 가스 인터페이스 영역은 가스 인터페이스를 통과하여 연장되며, 따라서 가스 제트용 가스가 광학 유닛으로부터 방출될 수도 있는 광학 유닛의 개구와 가스 제트용 가스가 이동될 수도 있는 결합 유닛의 개구 사이에서 연장되며, 또한 이들 개구를 둘러싸고 있는 광학 유닛과 결합 유닛의 표면 사이에서 연장된다. 따라서, 광학 유닛으로부터 결합 유닛으로 이동되는 가스 제트에 공급되는 가스가 광학 유닛의 개구로부터 결합 유닛의 개구로 바로 유동하도록 광학 유닛의 개구가 결합 유닛의 개구 바로 위에 위치하면, 가스 인터페이스 영역이 서로 위아래로 위치한 광학 유닛과 결합 유닛의 표면의 두 개의 개구 둘레 부분에 의해 획정되며, 개구로 인해 광학 유닛과 결합 유닛의 표면이 존재하지 않는 두 개의 개구 부분에서도 계속해서 연장 형성된다. 여기서, 가스 인터페이스가 두 개의 개구 둘레에 위치한 표면 부분에 의해 획정되는지 여부 또는 상기 부분이 가스 인터페이스의 바로 외측까지 연장되는지 여부는 중요하지 않다. 반대로, 광학 유닛의 개구가 결합 유닛의 개구 바로 위에 위치하지 않으며 광학 유닛의 개구로부터 방출되는 가스 제트에 공급되는 가스가 광학 유닛과 결합 유닛 사이에 에워싸인 부분을 통해 결합 유닛의 개구로 이동되면, 가스 인터페이스 영역이 광학 유닛의 개구 둘레에 위치한 광학 유닛의 표면 부분과 결합 유닛의 개구 둘레에 위치한 결합 유닛의 표면 부분 사이에서 연장된다. 개구 둘레 부분에서 광학 유닛의 표면과 결합 유닛의 표면 사이의 간격이 일정하며, 따라서 이 부분에서 두 개의 표면이 상호 평행한 방향으로 연장되면, 가스 인터페이스 영역이 광학 유닛의 표면과 평행하게 그리고 결합 유닛의 표면과 평행하게 연장되어 두 개의 표면 사이에서 연장되며, 이들 두 개의 개구로 인해 광학 유닛과 결합 유닛의 개개의 표면이 존재하지 않는 부분에서도 계속해서 연장 형성된다. 여기서, 가스 인터페이스가 두 개의 개구 둘레에 위치한 표면 부분에 의해 획정되는지 여부 또는 상기 두 개의 개구가 가스 인터페이스의 바로 외측까지 연장되는지 여부는 중요하지 않다. 반대로, 가스 인터페이스 내부에서 이들 표면과 수직 방향으로 측정한 두 개의 표면 사이의 간격이 변경되도록 광학 유닛의 표면이 결합 유닛의 표면에 대하여 각도를 이루며 연장되면, 가스 인터페이스 영역이 이들 두 개의 표면 사이에서 연장된다. 여기서, 가스 인터페이스 영역은 광학 유닛의 표면에 대하여 그리고 결합 유닛의 표면에 대하여 동일한 각도를 가지며, 개구로 인해 광학 유닛과 결합 유닛의 개개의 표면이 존재하지 않는 부분에서도 계속해서 연장 형성된다. 여기서, 가스 인터페이스가 두 개의 개구 둘레에 위치한 이들 표면 부분에 의해 획정되는지 여부 또는 상기 두 개의 개구가 가스 인터페이스의 바로 외측까지 연장되는지 여부는 마찬가지로 중요하지 않다.

광학 유닛의 개구 둘레에 위치한 광학 유닛의 표면 부분과 결합 유닛의 개구 둘레에 위치한 결합 유닛의 표면 부분이 곡선형으로 형성될 수도 있기 때문에, 가스 인터페이스 영역이 또한 곡선형으로 형성될 수도 있다. 이에 따라, 결합 유닛이, 예를 들어, 원통형 부분을 구비할 수도 있으며, 가스 제트에 가스를 공급하기 위한 개구가 상기 원통형 부분의 반경 방향 외부 영역에 배치된다. 또한, 광학 유닛은, 예를 들어, 원형 단면을 갖는 개구를 구비할 수도 있으며, 결합 유닛을 광학 유닛에 연결하기 위해 결합 유닛의 원통형 부분이 이 개구 내부로 밀어 넣어질 수도 있다. 이 경우, 가스 제트용 가스가 광학 유닛으로부터 방출될 수도 있는 광학 유닛의 개구가 원형 단면을 갖는 개구의 내측에 배치될 수도 있다. 따라서 가스 인터페이스가 결합 유닛의 원통형 부분에 위치하기 때문에, 가스 인터페이스 영역 또한 결합 유닛의 원통형 부분의 형상을 따르게 된다. 따라서, 이 경우, 가스 인터페이스 영역도 곡선형이다.

가스 인터페이스 영역이 빔 방향과 수직 방향으로 정렬되는 평면에 대하여 각도를 이루며 정렬되어 있다는 것은 가스 인터페이스 내에서, 가스 인터페이스 영역의 각각의 지점의 경우 이 지점의 법선이 빔 방향에 대하여 각도를 이루며 또한 상기 법선이 이에 따라 빔 방향과 평행하게 정렬되어 있지 않다는 것을 의미한다. 이에 따라, 광학 유닛에 연결되기 위한 결합 유닛이 광학 유닛에 대하여 빔 방향과 반대 방향으로 이동 가능하도록 구성되며 이에 따라 간단한 방식으로 광학 유닛에 연결 가능하도록 구성된다면, 가스 인터페이스가 간단한 방식으로 밀봉될 수도 있다는 장점이 있다. 그 이유는 가스 인터페이스 영역이 결합 유닛의 이동 방향에 대하여 각도를 이루며 정렬되기 때문으로, 따라서, 광학 유닛으로의 결합 유닛의 연결 시에, 결합 유닛의 개구와 광학 유닛의 개구가 광학 유닛의 개구 둘레에 위치한 광학 유닛 표면 부분의 법선 방향 및 결합 유닛의 개구 둘레에 위치한 결합 유닛 표면 부분의 법선 방향으로 이동되는 것이 아니라, 측방향으로 수렴된다. 따라서, 가스 인터페이스가 간단한 방식으로 밀봉될 수도 있다.

결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서, 가스 인터페이스는 빔 방향과 평행한 방향으로 연장되는 것이 바람직하다. 이것은 가스 인터페이스 내에서, 가스 인터페이스 영역의 각각의 지점의 경우 이 지점의 법선이 빔 방향과 수직 방향으로 정렬된다는 것을 의미한다. 이에 따라, 여기서, 가스 인터페이스 영역이 결합 유닛의 이동 방향과 평행한 방향으로 정렬되며 이에 따라 결합 유닛의 개구가 광학 유닛의 개구 전방에서 개구 둘레에 위치한 결합 유닛의 표면 부분을 따라 밀어 넣어지기 때문에, 광학 유닛에 연결되기 위한 결합 유닛이 광학 유닛에 대하여 빔 방향과 반대 방향으로 이동 가능하도록 구성되며 이에 따라 간단한 방식으로 광학 유닛에 연결 가능하도록 구성된다면, 가스 인터페이스가 간단한 방식으로 밀봉될 수도 있다는 장점이 있다. 이러한 장점을 달성하기 위해, 가스 인터페이스 내부의 가스 인터페이스 영역이 평면형으로 평평하게 형성되는지 또는 곡선형인지는 문제가 되지 않는다. 이에 따라, 결합 유닛이, 예를 들어, 원통형 부분을 구비할 수도 있으며, 가스 제트에 가스를 공급하기 위한 개구가 상기 원통형 부분의 반경 방향 외부 영역에 배치되는 반면, 광학 유닛은 원형 단면을 갖는 개구를 구비하여, 결합 유닛을 광학 유닛에 연결하기 위해 결합 유닛의 원통형 부분이 이 개구 내부로 밀어 넣어질 수도 있다. 이 경우, 가스 제트용 가스가 광학 유닛으로부터 방출될 수도 있는 광학 유닛의 개구가 원형 단면을 갖는 개구의 내측에 배치될 수도 있다. 따라서, 이 경우, 가스 인터페이스 영역도 곡선형이다. 그러나, 결합 유닛이, 예를 들어, 정사각형 단면을 갖는 부분을 구비할 수도 있으며, 가스 제트에 가스를 공급하기 위한 개구가 이 부분의 네 개의 평평한 외측면 중 하나에 배치된다. 여기서, 광학 유닛이 마찬가지로 정사각형 단면을 갖는 개구를 구비할 수도 있어, 결합 유닛을 광학 유닛에 연결하기 위해 이 개구 내부로 결합 유닛의 부분이 빔 방향의 반대 방향으로 밀어 넣어질 수도 있다. 이 경우, 가스 제트용 가스가 광학 유닛으로부터 방출될 수도 있는 광학 유닛의 개구는 정사각형 단면을 갖는 개구의 내측으로 네 개의 평평한 측면 중 하나에 배치될 수도 있다. 따라서, 이 경우, 가스 인터페이스 영역은 평면형으로 평평하게 형성된다.

변형예로서, 그러나, 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서, 가스 인터페이스는 적어도 일부가 빔 방향과 수직 방향으로 정렬되는 평면과 평행한 방향으로 정렬되는 가스 인터페이스 영역을 구비할 수도 있다.

유리하게는, 결합 유닛은 가스 인터페이스를 가스 방출 노즐에 연결하는 적어도 하나의 가스 덕트를 구비한다. 이에 따라, 광학 유닛으로부터 전달되는 가스가 가스 제트용 가스가 이동될 수도 있는 결합 유닛의 개구로 보내져 개구에서 가스 덕트를 통해 가스 방출 노즐로 보내지도록 되어 있기 때문에 가스 방출 노즐에 가스가 간단한 방식으로 공급될 수 있다는 장점이 있다. 여기서, 가스 덕트로부터의 가스가 먼저 선택적으로 이용 가능한 가스 역압 챔버로 보내진 다음 가스 방출 노즐로 보내지는지 여부 또는 가스가 가스 방출 노즐로 바로 보내지는지 여부는 문제가 되지 않는다.

변형예로서, 그러나, 가스 방출 노즐에 가스가 다른 방식으로 공급됨으로 인해 결합 유닛이 이러한 유형의 어떠한 가스 덕트도 구비하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 가스 제트용 가스가 통과하여 이동될 수도 있는 결합 유닛의 개구가 직접 가스 방출 노즐에 연결되거나 선택적으로 이용 가능한 가스 역압 챔버에 연결되는 경우가 이에 해당한다. 이러한 유형의 변형 구성은 기계 가공 헤드가 더 콤팩트한 구성으로 형성될 수도 있으며, 따라서, 기계 가공 헤드가 도달하기 어려운 위치에도 더 용이하게 도달할 수 있게 되어 대상물의 삼차원 기계 가공이 간소화된다는 장점이 있다.

결합 유닛이 가스 방출 노즐을 구비하는 경우, 결합 유닛은 유리하게는 가스 방출 노즐이 배치되는 교체 가능한 헤드 선단 유닛을 구비한다. 이에 따라, 가스 방출 노즐이 마모 신호를 보이며 이에 따라 가스 방출 노즐에 의해 발생 가능한 가스 제트가 더 이상 최적의 방식으로 액체 제트를 에워싸지 못하면, 가스 방출 노즐을 구비하는 헤드 선단 유닛이 간단한 방식으로 교체될 수도 있다는 장점이 있다.

변형예로서, 결합 유닛이 가스 방출 노즐을 구비한 이러한 헤드 선단 유닛을 구비하지 않을 수도 있다.

결합 유닛이 가스 방출 노즐과 헤드 선단 유닛을 구비하며 가스 방출 노즐이 헤드 선단 유닛에 배치되는 경우, 헤드 선단 유닛은 원추형의 외형을 갖는 것이 바람직하다. 헤드 선단 유닛이 기계 가공 헤드의 선단에 배치되기 때문에, 이러한 구성은 액체 제트와 가스 제트가 방출되는 기계 가공 헤드의 선단이 얇게 형성된다는 장점이 있다. 따라서, 기계 가공 헤드가 접근이 어려운 위치에 더 용이하게 도달할 수도 있어, 대상물의 삼차원 기계 가공이 간소화된다.

바람직한 일 변형예로서, 헤드 선단 유닛은 액체 제트와 가스 제트가 기계 가공 헤드로부터 방출되는 위치로 갈수록 점차 가늘어지게 형성된다. 이것은 마찬가지로, 기계 가공 헤드의 이 위치의 부분이 더 얇게 형성되며, 따라서 기계 가공 헤드가 기존에 접근이 어려웠던 위치에 도달할 수도 있다는 장점이 있다. 따라서, 대상물의 삼차원 기계 가공이 간소화된다.

변형예로서, 그러나, 헤드 선단 유닛이 원추형 외형으로도 형성되지 않고, 액체 제트와 가스 제트가 기계 가공 헤드로부터 방출되는 위치로 갈수록 점차 가늘어지게 형성되지 않을 수도 있다.

결합 유닛이 가스 방출 노즐 및 선택적으로 교체 가능한 헤드 선단 유닛을 구비하는지와 상관없이, 액체 제트를 발생시키기 위한 노즐 개구를 구비하는 노즐이 교체 가능한 노즐 블록에 배치되는 것이 바람직하다. 여기서, 교체 가능한 노즐 블록은 액체 챔버를 획정하는 결합 유닛의 벽에 삽입될 수도 있으며, 또는 액체 챔버를 획정하는 결합 유닛의 벽을 형성할 수도 있다. 교체 가능한 노즐 블록은, 노즐이 마모 신호를 보이며 이에 따라 노즐 개구에 의해 발생 가능한 액체 제트가 감소된 길이에 걸쳐 안정적이거나 더 이상 전혀 안정적이지 않은 경우, 노즐을 구비한 노즐 블록이 간단한 방식으로 교체될 수 있도록 한다는 장점이 있다.

변형예로서, 그러나, 결합 유닛이 액체 제트를 발생시키기 위한 노즐 개구를 구비하는 노즐이 배치되는 교체 가능한 노즐 블록을 포함하지 않을 수도 있다.

결합 유닛은, 유리하게는, 일측이 개방되며 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서 광학 유닛이 내부로 돌출되는 공동을 구비한다. 이것은 결합 유닛이 광학 유닛에 간단한 방식으로 연결 가능하다는 장점을 제공한다. 또한, 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서 빔 방향에서 봤을 때 광학 유닛의 마지막에 위치한 광학 구성 요소가 공동에 배치될 수도 있으며, 이에 따라, 결합 유닛에 의해 외측으로 돌출될 수도 있도록 한다는 장점이 있다. 여기서, 그럼에도 불구하고, 결합 유닛이 광학 유닛으로부터 제거되면, 빔 방향에서 봤을 때 광학 유닛의 마지막에 위치한 광학 구성 요소에 반경 방향으로 접근 가능할 수도 있다.

변형예로서, 그러나, 결합 유닛이 일측이 개방된 이러한 유형의 공동을 구비하지 않을 수도 있다.

결합 유닛이 일측이 개방되며 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서 광학 유닛이 내부로 돌출되는 공동을 구비하는지 여부와 상관없이, 광학 유닛은 덮개를 형성하며 액체 인터페이스에서 결합 유닛을 에워싸는 것이 바람직하다. 따라서, 액체 인터페이스가 덮개의 내측에 배치된다. 이에 따라, 액체 챔버로 공급되는 액체가 광학 유닛으로부터 방출될 수도 있는 개구가 덮개의 내측에 위치하게 된다. 따라서, 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되지 않은 경우에, 액체 챔버로 공급되는 액체가 광학 유닛으로부터 방출될 수도 있는 개구가 더 잘 보호된다. 또한, 덮개는 광학 유닛으로의 결합 유닛의 연결이 더 잘 안내되도록 하는 장점을 갖는다.

변형예로서, 그러나, 광학 유닛이 덮개를 형성하지 않을 수도 있으며, 또는 광학 유닛이 액체 인터페이스에서 결합 유닛을 에워싸지 않을 수도 있다.

액체 챔버의 일측은, 유리하게는, 레이저 빔의 레이저 광에 투과성을 갖는 투명 구성 요소에 의해 폐쇄되어 있으며, 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서, 이러한 투명 구성 요소는 빔 방향으로 액체 챔버의 전방에 배치된다. 이에 따라, 광학 유닛에 의해 초점이 맞추어질 수 있는 레이저 빔이 투명 구성 요소를 통해 액체 챔버로 보내질 수도 있어 액체 제트로의 레이저 빔의 결합이 촉진된다는 장점이 있다.

그러나, 일 변형예로서, 액체 챔버의 일측이 레이저 빔의 레이저 광에 투과성을 갖는 투명 구성 요소에 의해 폐쇄되지 않을 수도 있다.

노즐 개구는 20㎛ 내지 150㎛ 범위의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 이 경우 노즐이 비용 효율적인 방식으로 제조될 수도 있으며, 그럼에도 불구하고 직경이 작은 노즐 개구를 구비한다는 장점이 있다. 노즐 개구는 특히, 40㎛ 내지 80㎛ 범위의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 노즐 개구에 의해 레이저 빔이 최적의 방식으로 결합될 수도 있는 직경을 갖는 액체 제트가 발생될 수도 있다는 장점이 있다. 또 다른 바람직한 변형예에 있어서, 노즐 개구의 직경이 40㎛ 미만이며, 특히, 30㎛ 미만 또는 20㎛ 미만인 것이 바람직하다. 이에 따라, 상당히 작은 직경을 갖는 액체 제트가 발생될 수도 있다는 장점이 있으며, 따라서, 대상물의 더 정제된 그리고 더 정밀한 기계 가공이 가능하다.

변형예로서, 그러나, 노즐 개구가 80㎛를 초과하는 또는 150㎛를 초과하는 직경을 가질 수도 있다.

레이저 빔은 광학 유닛에 의해 직경이 노즐 개구 직경의 최대 2/3의, 특히 바람직하게는 최대 1/2의 크기를 갖는 일 지점에 초점이 맞추어질 수 있는 것이 바람직하다. 이것은, 초점에서 레이저 빔 에너지의 적어도 95%가 바람직하게는 노즐 개구 직경의 최대 2/3의, 특히 최대 1/2의 크기의 직경을 갖는 원의 내부에서 빔 방향과 수직 방향으로 정렬된 영역을 통과함을 의미한다. 유리한 일 변형예에 있어서, 레이저 빔 에너지의 적어도 98%는 이러한 원 내부의 일 영역을 통과한다. 이에 따라, 노즐 개구에 의해 최적의 방식으로 발생 가능한 액체 제트에 레이저 빔이 결합될 수도 있다는 장점이 있다.

변형예로서, 그러나, 광학 유닛에 의해 레이저 빔이 노즐 개구 직경의 절반보다 크거나 2/3보다 큰 크기의 직경을 갖는 일 지점에 초점이 맞추어질 수도 있다.

액체 제트 레이저 공작 기계는 본 발명에 따른 기계 가공 헤드를 포함하는 것이 바람직하다. 그러나, 또한, 기계 가공 헤드가 액체 제트 레이저 공작 기계와 별개로 제작, 시판 및 보관될 수도 있다.

본 발명에 따른 기계 가공 헤드를 포함하는 액체 제트 레이저 공작 기계의 경우, 상기 액체 제트 레이저 공작 기계는 또한, 유리하게는, 적어도 하나의 광학 구성 요소를 구비하는 광학 유닛에 의해 초점이 맞추어질 수 있으며 결합 유닛이 광학 유닛에 연결되어 있는 상태에서 광학 유닛에 의해 빔 방향으로 결합 유닛의 액체 챔버를 통해 노즐 개구로 보내질 수 있으면서 노즐 개구에 의해 발생 가능하고 빔 방향으로 연장되는 액체 제트에 결합될 수 있는 레이저 빔을 발생시키기 위한 레이저를 포함한다. 그러나, 또한, 액체 제트 레이저 공작 기계가 이러한 레이저를 구비하지 않고, 별개의 레이저에 의해 발생 가능한 레이저 빔용 포트(port)만을 구비할 수도 있다. 여기서, 포트는 필요에 따라 다양하게 구성될 수도 있다. 이에 따라, 레이저 빔이 액체 제트 레이저 공작 기계로 보내지도록 하기 위해, 상기 포트가, 예를 들어, 창(window), 렌즈 구성 요소, 또는 미러(mirror)를 포함할 수도 있으며, 레이저 빔은 기계 가공 헤드로 전방으로 안내될 수도 있다. 그러나, 광 전도체에 의해 별개의 레이저로부터 액체 제트 레이저 공작 기계로 안내된 레이저 빔이 액체 제트 레이저 공작 기계 내부로 보내지도록 하기 위하여, 포트가 또한, 광 전도체를 부착하기 위한 결합 위치일 수도 있으며, 레이저 빔은 기계 가공 헤드로 전방으로 안내될 수도 있다.

액체 제트 레이저 공작 기계가 레이저를 포함하는지 여부 또는 레이저 빔이 별개의 레이저에 의해 발생되어 포트를 통해 액체 제트 레이저 공작 기계 내부로 유입되는지 여부와 상관없이, 액체 제트 레이저 공작 기계는 시준(collimation) 유닛을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 시준 유닛의 제공은, 상기 레이저 빔이 기계 가공 헤드에서 액체 제트에 결합되기 전에, 레이저 빔이 최적의 방식으로 시준 처리될 수도 있다는 장점을 제공한다.

변형예로서, 그러나, 액체 제트 레이저 공작 기계가 또한 시준 유닛을 포함하지 않을 수도 있다.

시준 유닛을 포함하는 액체 제트 레이저 공작 기계의 경우, 시준 유닛의 개별 광학 구성 요소 또는 전체 시준 유닛이 빔 방향 뿐만 아니라 빔 방향의 반대 방향으로 이동 가능한 것이 바람직하다. 여기서, 용어 "빔 방향(beam direction)"은 레이저 빔이 시준 유닛의 부분에서 정렬되는 방향을 의미한다. 레이저 빔이 시준 유닛과 기계 가공 헤드의 광학 유닛 사이에서, 예를 들어, 미러에 의해 진행 방향이 변경되는 경우, 시준 유닛의 부분에서의 빔 방향이 또한, 기계 가공 헤드 내부의 빔 방향으로부터 벗어날 수도 있다. 이와 상관없이, 시준 유닛의 개개의 구성 요소가 또는 전체 시준 유닛이 빔 방향 및 빔 방향의 반대 방향으로 이동할 수 있음에 따라, 기계 가공 헤드에서 레이저 빔이 최적의 방식으로 액체 제트에 결합될 수 있다는 장점이 있으며, 기계 가공 헤드의 광학 유닛은 어떠한 이동 가능한 광학 구성 요소를 전혀 구비하지 않거나, 최소한도로 아주 적은 개수만을 구비한다. 이에 따라, 기계 가공 헤드가 더 간단한 구조로, 더 소형으로, 그리고 더 콤팩트한 방식으로 구성될 수 있으며, 따라서, 기계 가공 헤드가 더 비용 효율적인 방식으로 제조될 수도 있다. 또한, 이러한 더 콤팩트한 구성의 기계 가공 헤드에 의해 대상물의 삼차원 기계 가공이 촉진된다.

변형예로서, 그러나, 시준 유닛의 어떠한 광학 구성 요소도 빔 방향으로 또는 빔 방향의 반대 방향으로 이동 가능하지 않을 수도 있으며, 또는 시준 유닛 자체가 빔 방향으로나 빔 방향의 반대 방향으로 이동 가능하지 않을 수도 있다.

원칙적으로, 본 발명에 따른 기계 가공 헤드를 포함하는 액체 제트 레이저 공작 기계는 임의의 방식으로 구성될 수도 있다. 그러나, 후술하는 제 2 발명에 따른 액체 제트 레이저 공작 기계가 유리하다.

제 2 발명의 목적은 액체 제트로의 레이저 빔의 결합을 간소화하는 액체 제트 레이저 공작 기계를 달성하는 것이다. 또한, 제 2 발명의 목적은 이러한 유형의 액체 제트 레이저 공작 기계의 노즐의 노즐 개구에 레이저 빔의 초점을 맞추기 위한 방법을 제공하는 것이다. 여기서, 이 방법은 마찬가지로, 액체 제트로의 레이저 빔의 결합을 촉진한다.

이러한 목적은 이하의 특징들에 의해 달성된다. 제 2 발명에 따르면, 액체 제트 레이저 공작 기계는 레이저 빔을 액체 제트에 결합하기 위한 기계 가공 헤드를 포함하며, 기계 가공 헤드는 액체 제트를 발생시키기 위한 노즐 개구를 구비한 노즐을 포함하고, 레이저 빔은 렌즈를 포함하는 광학 유닛 또는 시준 유닛과 같은 초점 맞춤 설치부에 의해 액체 제트에 결합되는 레이저 빔용 노즐 개구의 포트에 초점이 맞추어진다. 여기서, 액체 제트 레이저 공작 기계는 노즐 개구 포트 둘레 노즐 부분을 촬영하기 위한 이차원 이미지 센서를 포함한다. 또한, 레이저 빔의 초점이 노즐 개구의 포트를 중심으로 해제되어 레이저 빔으로부터의 레이저 광이 노즐 개구 포트 둘레 노즐 부분으로부터 이미지 센서를 향해 반사될 수도 있어, 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분의 장면이 이미지 센서에 의해 촬영될 수 있으며, 이러한 촬영 장면에서 노즐 개구의 포트가 확인 가능하다. 액체 제트 레이저 공작 기계는, 유리하게는, 레이저 빔을 발생시키기 위한 레이저를 포함한다. 마찬가지로 유리한 일 변형예에 있어서는, 액체 제트 레이저 공작 기계가 이러한 레이저를 포함하지 않고, 별개의 레이저에 의해 발생 가능한 레이저 빔용의 포트를 포함한다. 여기서, 포트는 필요에 따라 다양하게 구성될 수도 있다. 이에 따라, 상기 포트는, 레이저 빔이 액체 제트 레이저 공작 기계로 보내지도록 하기 위해, 예를 들어, 창, 렌즈 또는 미러를 포함할 수도 있으며, 레이저 빔은 기계 가공 헤드로 전방으로 안내될 수도 있다. 그러나, 광 전도체에 의해 별개의 레이저로부터 액체 제트 레이저 공작 기계로 안내된 레이저 빔이 액체 제트 레이저 공작 기계 내부로 보내지도록 하기 위하여, 포트가 또한, 광 전도체를 부착하기 위한 결합 위치일 수도 있으며, 레이저 빔은 기계 가공 헤드로 전방으로 안내될 수도 있다.

이러한 유형의 액체 제트 레이저 공작 기계의 노즐의 노즐 개구에 레이저 빔의 초점을 맞추어 노즐 개구에 의해 발생되는 액체 제트에 레이저 빔을 결합하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 레이저 빔으로부터의 레이저 광이 노즐 개구 포트 둘레 노즐 부분으로부터 이차원 이미지 센서를 향해 반사되도록 노즐 개구의 포트를 중심으로 레이저 빔의 초점을 해제하는 제 1 단계를 포함한다. 여기서, 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분의 장면이 이미지 센서에 의해 촬영될 수 있으며, 이러한 촬영 장면에서 노즐 개구의 포트가 확인 가능하다. 이러한 맥락에서, 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분에 의해 이루어지는, 이차원 이미지 센서로의 레이저 빔의 레이저 광의 "반사"는 넓은 의미로 이해되어야 한다. 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분은, 예를 들어, 레이저 광의 많은 부분을 반사하는 반사 미러의 의미로서의 반사 특성을 갖도록 구성될 수도 있다. 그러나, 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분은 또한, 예를 들어, 단지 매우 약하게만 반사 특성을 나타내거나 분산 산란 특성을 나타내도록 구성될 수도 있다. 레이저 빔의 레이저 광의 최소한도로 적은 부분만이 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분으로부터 이차원 이미지 센서로 반사되어도 충분하다. 따라서, 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분의 촬영 장면에서 노즐 개구의 포트가 확인 가능하기에 충분한 정도로만 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분에 초점 해제된 레이저 빔이 조사되어 이와 같이 광이 조사된 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분으로부터 레이저 빔의 레이저 광이 이미지 센서로 되돌아가도록 하면 된다. 여기서, 노즐 개구 둘레 노즐 부분의 촬영 장면에서 노즐 개구의 포트가 확인될 수 있는 한, 이와 같이 되돌아가는 또는 반사되는 레이저 광의 비율은 더 커질 또는 상당히 더 적어질 수도 있다.

이러한 방법에서 채용되고 있는 액체 제트 레이저 공작 기계에 포함된 기계 가공 헤드는 전술한 제 1 발명에 따른 기계 가공 헤드인 것이 유리하다. 따라서, 제 1 발명의 장점 및 제 2 발명의 내용에서 언급된 장점이 달성된다. 그러나, 기계 가공 헤드가 또한, 액체 제트를 발생시키기 위한 노즐 개구를 구비한 노즐을 구비하며 레이저 빔을 액체 제트에 결합할 목적으로 사용되는 한, 기계 가공 헤드가 다른 임의의 방식으로 구성될 수도 있다. 이 경우, 제 2 발명의 내용에서 언급한 장점이 달성된다.

또한, 레이저 빔이 노즐 개구의 포트에 초점이 맞추어지도록 할 수 있는 초점 맞춤 설치부가 임의의 방식으로 구성될 수도 있으며, 또한 복수 개의 구성 요소를 포함할 수도 있다. 이에 따라, 상기 초점 맞춤 설치부는, 예를 들어, 전술한 바와 같이 기계 가공 헤드에 마련되는 광학 유닛을 포함할 수도 있다. 그러나, 상기 초점 맞춤 설치부가 또한, 전혀 다른 구성의 광학 유닛을 포함할 수도 있다. 또한, 상기 초점 맞춤 설치부가, 예를 들어, 광학 유닛에 의해 노즐 개구의 포트에 초점이 맞추어질 수 있는 평행한 또는 대략 평행한 빔을 형성하도록 레이저 빔을 시준 처리하는 역할을 하는 시준 유닛을 포함할 수도 있다.

레이저 빔이 노즐 개구의 포트로부터 초점이 해제될 수 있는 방식은 제 2 발명과는 무관하다. 레이저 빔의 초점이 해제되어 초점 해제된 레이저 빔의 레이저 광이 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분으로부터 이미지 센서로 반사될 수 있다는 점이 중요한 것이다. 따라서, 액체 제트 레이저 공작 기계는 레이저 빔의 빔 경로를 향해 그리고 그 반대 방향으로 이동 가능하면서 빔 경로에 배치되어, 예를 들어, 레이저 빔을 분산 산란시켜 레이저 빔의 초점을 노즐 개구의 포트로부터 해제하는 광학 구성 요소를 포함할 수도 있다. 여기서, 광학 구성 요소는 레이저 빔을 분산 방식으로 투과시키거나, 분산 방식으로 반사시킬 수도 있다. 그러나, 액체 제트 레이저 공작 기계가 또한, 분산 산란 방식의 이러한 유형의 광학 구성 요소를 구비하지 않을 수도 있으며, 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분의 장면이 이미지 센서에 의해 촬영될 수 있도록 하여 상기 촬영 장면에서 노즐 개구의 포트가 확인될 수 있도록 하기 위해, 레이저 빔의 레이저 광의 초점이 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분으로부터 해제되어 이 부분으로부터 이미지 센서로 반사되는 방식으로, 초점 맞춤 설치부에 의해 레이저 빔의 초점이 빔 방향에서 봤을 때 노즐 개구의 포트 전방 또는 후방에 맞추어질 수도 있다.

이미지 센서에 의해 촬영될 수 있는 장면은, 예를 들어, 개개의 사진일 수도 있으며, 또는 동영상의 경우에는 연속 사진들일 수도 있다. 따라서, 이미지 센서는 다양한 형태로 구성될 수 있다. 이에 따라, 상기 이미지 센서는, 예를 들어, 개별 영상의 촬영이 가능하도록 할 수 있으며, 또는 동영상의 경우 연속 사진의 촬영이 가능하도록 할 수 있다. 이미지 센서는, 예를 들어, CCD 카메라일 수도 있으며, 또는 다른 유형의 카메라일 수도 있다. 이미지 센서의 구성 유형과 상관없이, 이미지 센서는 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분에 의해 반사되는 레이저 빔의 레이저 광에 민감한 것이 유리하다. 이에 따라, 노즐의 주위 부분과 대조적으로 노즐 개구는 레이저 빔의 레이저 광을 반사하지 않기 때문에, 촬영 장면에서의 노즐 개구의 포트 확인 능력이 증대된다. 이에 따라, 촬영 장면에서는 노즐 개구가 어둡게 나타나거나, 광이 조사되지 않는 부분으로 나타난다.

이미지 센서의 특정 구성과는 상관없이, 제 2 발명이 달성됨으로써, 전술한 방법 및 액체 제트 레이저 공작 기계는, 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분의 장면이 이미지 센서에 의해 촬영될 수 있도록 하기 위하여 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분에 광이 조사될 수도 있도록 하는 추가의 광원을 필요로 하지 않는다는 장점을 갖는다. 따라서, 이와 같이 제 2 발명이 달성됨으로써 노즐의 노즐 개구에 레이저 빔의 초점을 맞추기 위한 액체 제트 레이저 공작 기계 뿐만 아니라 방법 모두 간소화된다.

액체 제트 레이저 공작 기계는 레이저 빔의 진행 방향이 변경되도록 하기 위한 제 1 미러, 그리고 레이저 빔의 진행 방향이 변경되도록 하기 위한 제 2 미러를 포함하는 것이 바람직하며, 제 1 모터에 의해 구동되는 제 1 미러는 제 1 축선을 중심으로만 선회 가능하고 제 2 모터에 의해 구동되는 제 2 미러는 제 2 축선을 중심으로만 선회 가능하며, 제 1 축선을 중심으로 한 제 1 미러의 선회 이동에 의해 레이저 빔이 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분을 가로질러 제 1 직선을 따라 이동 가능한 반면, 제 2 축선을 중심으로 한 제 2 미러의 선회 이동에 의해 레이저 빔이 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분을 가로질러 제 2 직선을 따라 이동 가능하도록 제 1 축선과 제 2 축선이 정렬되며, 제 1 및 제 2 직선은 상호 각도를 이루며 배치되며 따라서 상호 교차한다. 여기서, 직선은 전체적으로 직선형일 수도 있으며, 또는 약간 곡률을 가질 수도 있다. 이 곡률은, 예를 들어, 레이저 빔의 초점을 맞추는 광학부의 왜곡에 의해 야기될 수도 있다. 이와 상관없이, 선회 이동 구동되는 두 개의 미러는 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분을 가로질러 그리고 노즐 개구의 포트를 가로질러 레이저 빔의 초점의 제어 하의 이동을 간소화 한다는 장점을 갖는다.

바람직한 일 변형예에 있어서, 제 1 및 제 2 직선은 실질적으로 상호 수직 방향으로 배치된다. 이러한 배치는 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분을 가로질러 그리고 노즐 개구의 포트를 가로질러 레이저 빔의 초점의 제어 하의 최적의 이동이 가능하다는 장점을 갖는다.

바람직한 일 변형예에 있어서, 액체 제트 레이저 공작 기계는 레이저 빔의 방향의 진행 방향이 변경되도록 하는 제 1 미러 및 레이저 빔의 진행 방향이 변경되도록 하는 제 2 미러를 포함하며, 제 1 미러는 제 1 모터에 의해 구동되는 제 1 축선을 중심으로만 선회 가능하고 제 2 미러는 제 2 모터에 의해 구동되는 제 2 축선을 중심으로만 선회 가능하고, 제 1 축선과 제 2 축선은 실질적으로 상호 수직 방향으로 배치된다. 따라서, 마찬가지로, 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분을 가로질러 그리고 노즐 개구의 포트를 가로질러 레이저 빔의 초점의 제어 하의 이동이 간소화되는 장점이 있다.

변형예로서, 그러나, 액체 제트 레이저 공작 기계가 이러한 유형의 제 1 및 제 2 미러를 포함하지 않을 수도 있으며, 레이저 빔의 초점이 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분을 가로질러 그리고 노즐 개구의 포트를 가로질러 다른 방식으로 이동 가능할 수도 있다. 이에 따라, 액체 제트 레이저 공작 기계는 또한, 하나 또는 두 개의 모터에 의해 구동되어 제 1 축선 및 제 2 축선을 중심으로 선회 가능한, 레이저 빔의 진행 방향이 변경되도록 하는 미러를 포함할 수도 있으며, 제 1 축선을 중심으로 한 미러의 선회 이동에 의해 레이저 빔이 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분을 가로질러 제 1 직선을 따라 이동 가능한 반면, 제 2 축선을 중심으로 한 미러의 선회 이동에 의해 레이저 빔이 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분을 가로질러 제 2 직선을 따라 이동 가능하도록 제 1 축선과 제 2 축선이 정렬되며, 제 1 및 제 2 직선은 상호 각도를 이루며 배치되며 따라서 상호 교차한다.

초점 맞춤 설치부는 레이저 빔이 시준 처리되어 평행한 또는 대략 평행한 빔을 형성하도록 하기 위한 시준 유닛, 그리고 이러한 평행한 또는 대략 평행한 빔의 초점이 맞추어 지도록 하기 위한 광학 유닛을 포함하는 것이 유리하다. 이것은 레이저 빔의 최적의 초점 맞춤이 달성되도록 하는 장점이 있다.

변형예로서, 그러나, 초점 맞춤 설치부가 레이저 빔을 시준 처리하여 평행한 또는 대략 평행한 빔을 형성하도록 하기 위한 시준 유닛을 포함하지 않을 수도 있다. 이에 따라, 초점 맞춤 설치부가, 예를 들어, 레이저 빔의 초점을 맞추기 위한 광학 유닛만을 포함할 수도 있다. 그러나, 상기 초점 맞춤 설치부가 또한, 레이저 빔의 초점 맞춤을 위한 광학 유닛, 그리고 복수 개의 그외 다른 광학 구성 요소를 포함할 수도 있다. 이러한 유형의 변형 구성은 액체 제트 레이저 공작 기계가 더 간단한 방식으로 구성될 수도 있다는 장점을 갖는다.

초점 맞춤 설치부가 레이저 빔을 시준 처리하여 평행한 또는 대략 평행한 빔을 형성하도록 하기 위한 시준 유닛, 그리고 이러한 평행한 또는 대략 평행한 빔의 초점이 맞추어 지도록 하기 위한 광학 유닛을 포함하는 경우, 레이저 빔의 시준 상태가 변경되도록 하기 위하여 그리고 이에 따라 광학 유닛과 레이저 빔의 초점 사이의 거리가 변경되도록 하기 위하여, 바람직하게는 전체 시준 유닛 또는 바람직하게는 시준 유닛의 개개의 광학 구성 요소가 이동 가능할 수도 있다.

바람직한 일 변형예에 있어서, 레이저 빔의 시준 상태가 변경되도록 하기 위하여 그리고 이에 따라 광학 유닛과 레이저 빔의 초점 사이의 거리가 변경되도록 하기 위하여, 전체 시준 유닛 또는 시준 유닛의 개개의 광학 구성 요소가 빔 방향 뿐만 아니라 빔 방향의 반대 방향으로 이동 가능하다.

또 다른 바람직한 일 변형예에 있어서, 레이저 빔의 시준 상태가 다른 방식으로 조절 가능하다. 이에 따라, 시준 유닛은, 예를 들어, 레이저 빔의 시준 상태가 변경되도록 하기 위해 그리고 이에 따라 광학 유닛과 레이저 빔의 초점 사이의 거리가 변경되도록 하기 위해 적어도 하나의 변형 가능한 렌즈를 포함할 수도 있다.

세 개의 전술한 변형예에 있어서, 시준 유형의 변경은 시준 유닛 후방의 레이저 빔의 형상이 시준 유닛에 의해 변경된다는 것을 의미한다. 이에 따라, 시준 유닛과 광학 유닛 사이의 레이저 빔이, 예를 들어, 레이저 빔의 광선이 상호 정확히 평행하게 연장되도록 완벽하게 시준 처리된다. 그러나, 시준 유닛과 광학 유닛 사이의 레이저 빔이 또한, 완벽하게 시준 처리되지 않을 수도 있어, 레이저 빔의 광선이 상호 약간 수렴되거나 상호 약간 발산되도록 연장될 수도 있다. 레이저 빔의 시준 변경의 경우, 시준 유닛과 광학 유닛 사이의 레이저 빔의 광선의 이러한 평행한 프로파일, 수렴 프로파일 또는 발산 프로파일이 변경된다. 이러한 변경에 의해, 광학 유닛과 레이저 빔의 초점 사이의 거리가 변경되며, 이동 불가능한 정지 상태의 광학 유닛의 경우에도 정밀한 조절이 가능해질 수도 있다. 여기서, 이동 불가능한 정지 상태의 광학 유닛이 사용될 수도 있다. 이러한 광학 유닛은 광학 유닛과 레이저 빔의 초점 사이의 거리를 재조절하기 위해 이동 가능한 구성 요소를 구비한 광학 유닛보다 콤팩트한 방식으로 구성될 수도 있다. 따라서, 이러한 이동 불가능한 정지 상태의 광학 유닛은 노즐 개구의 포트에 더 가까이 배치될 수도 있다. 따라서, 레이저 빔이 빔 방향의 횡방향으로 측정했을 때 직경이 더 작은 일 지점에 초점이 맞추어질 수도 있다. 따라서, 레이저 빔의 시준 변경은 더 작은 단면을 갖는 액체 제트에 레이저 빔이 결합될 수 있도록 하는 장점을 갖는다. 또한, 액체 제트의 단면이 작을수록 기계 가공 대상물의 더 정밀한 기계 가공이 가능하다.

변형예로서, 그러나, 시준 유닛에 의한 레이저 빔의 시준 상태 변경이 가능하지 않을 수도 있다.

광학 유닛과 레이저 빔의 초점 사이의 거리가 변경되도록 하기 위해 시준 유닛에 의해 레이저 빔의 시준 처리가 수정될 수 있는 경우, 레이저 빔이 액체 제트에 결합되어 노즐 개구의 포트에 초점이 맞추어지도록 하기 위해, 레이저 빔의 초점이 노즐 개구의 포트에 배치 가능한 것이 바람직하다. 또한, 레이저 빔의 레이저 광이 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분으로부터 이미지 센서로 반사되도록 레이저 빔의 초점이 노즐 개구의 포트로부터 해제되도록 하여, 노즐 개구의 포트가 확인 가능한 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분의 장면이 이미지 센서에 의해 촬영될 수 있도록 하기 위하여, 레이저 빔의 초점은 노즐 개구의 포트보다 광학 유닛으로부터 더 멀리 배치 가능한 것이 바람직하다. 이것은 레이저 빔이 간단한 방식으로 액체 제트에 결합될 수도 있으며, 또한 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분의 녹화 영상이 이미지 센서에 의해 촬영될 수 있도록 하기 위해 간단한 방식으로 초점이 해제될 수도 있다는 장점을 갖는다.

변형예로서, 그러나, 레이저 빔의 초점이 레이저 빔의 시준 변경에 의해 노즐 개구의 포트에 배치되는 것이 불가능할 수도 있으며, 또한 상기 초점이 노즐 개구의 포트보다 광학 유닛으로부터 더 멀리 배치되는 것이 가능할 수도 있다. 이에 따라, 예를 들어, 레이저 빔의 시준 상태를 변경함으로써, 레이저 빔의 초점이 노즐 개구의 포트에 배치 가능할 수도 있으며, 노즐 개구의 포트보다 광학 유닛에 더 가까이 배치 가능할 수도 있다. 또한, 레이저 빔의 초점이 노즐 개구의 포트에 배치되며 노즐 개구의 포트보다 광학 유닛으로부터 더 멀리 위치하도록 또는 노즐 개구의 포트보다 광학 유닛에 더 가까이 위치하도록 하기 위하여, 전체 광학 유닛이 또는 광학 유닛의 개개의 광학 구성 요소가 이동 가능할 수도 있다.

액체 제트 레이저 공작 기계의 노즐의 노즐 개구에 레이저 빔의 초점을 맞추기 위한 방법은, 유리하게는, 이미지 센서에 의해 촬영되는 장면에 노즐 개구가 표지(標識)를 사용하여 표시되며, 이 표지는 이미지 센서에 의해 촬영되는 다른 장면에서 노즐 개구의 위치를 설정하기 위해 이러한 다른 장면으로 전달 가능한 제 2 단계를 포함한다. 여기서, 표지는 다른 장면으로 가상으로 또는 물리적으로 전달 가능한 마스크(mask)일 수도 있다. 그러나, 표지가 이미지 센서에 의해 촬영되는 장면의 노즐 개구의 위치 좌표에 의해 정의될 수도 있으며, 이러한 표지에 의해 노즐 개구의 위치가 이미지 센서에 의해 촬영되는 다른 장면에 설정 가능하다. 이미지 센서가 CCD 카메라인 경우, 따라서, 표지는 노즐 개구가 장면에 위치하는 부분에 관한 카메라의 픽셀 정보일 수도 있다. 표지의 특정 형태와 상관없이, 이것은 노즐 개구가 확인 가능하지 않은 장면에서 표지를 사용하여 노즐 개구의 위치가 확인될 수 있도록 하는 장점을 갖는다. 따라서, 레이저 빔의 초점이 노즐 개구의 포트로부터 해제된 시점에 이미지 센서에 의해 촬영된 장면에 노즐 개구의 위치가 설정되도록 할 수 있다. 여기서, 이러한 장면이 촬영되었을 때 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분의 일 지점에 레이저 빔의 초점이 맞추어지는 경우, 또한, 장면이 촬영되었된 시점에서 레이저 빔의 초점이 노즐 개구의 포트에 대하여 배치되었던 위치가 설정될 수도 있다.

변형예로서, 그러나, 방법이 이러한 유형의 제 2 단계를 포함하지 않을 수도 있다.

방법이 이미지 센서에 의해 촬영된 다른 장면에 노즐 개구의 위치를 설정하기 위해 이러한 다른 장면으로 전달 가능한 표지를 사용하여 이미지 센서에 의해 촬영되는 장면에 노즐 개구가 표시되는 제 2 단계를 포함하는 경우, 유리하게는, 표지가 두 개의 수직 방향으로 교차하는 직선에 의해 수정되며, 이들 직선의 교차점이 노즐 개구의 중심에 배치된다. 이것은, 다른 장면으로 표지가 전달되는 경우, 다른 장면이 촬영되었을 때 레이저 빔의 초점이 노즐 개구의 포트에 대하여 배치되었던 위치가 더 즉각적으로 설정될 수도 있도록 하는 장점이 있다.

바람직한 일 변형예에 있어서, 표지는 다른 장면에서의 노즐 개구의 포트에 대한 레이저 빔의 초점의 위치 설정을 간소화하는 하나의 또는 복수 개의 그외 다른 라인에 의해 수정된다.

변형예로서, 그러나, 표지가 추가 라인에 의해 수정되지 않을 수도 있다.

방법은 바람직하게는, 레이저 빔이 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분의 일 위치에 초점이 맞추어지며 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분의 추가 장면이 이미지 센서에 의해 촬영되는 추가의 단계를 포함한다. 여기서, 레이저 빔의 출력은 레이저 빔에 의해 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분에 손상이 가지 않도록 감소되는 것이 유리하다. 반대로, 노즐 개구의 포트 둘레 노즐의 재료가 최고 출력에서 초점이 맞추어진 레이저 빔에 의해 손상되지 않는 경우에는, 레이저 빔이 또한 포트 둘레 노즐 부분의 일 위치에 최고 출력으로 초점이 맞추어질 수도 있다. 레이저 빔의 출력과 상관없이, 이 단계는 이미지 센서에 의해 하나 또는 복수 개의 추가 장면을 촬영함으로써 레이저 빔이 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분에 얼마나 잘 초점이 맞추어지는지를 확인할 수 있도록 하는 장점을 갖는다. 이 단계를 선택적으로 반복함으로써, 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분의 평면과 동일한 평면으로의 초점 설정이 가능하다. 또한, 이 단계는 레이저 빔의 초점이 노즐 개구의 포트에 대하여 배치되는 방식을 설정할 수 있도록 하는 장점을 갖는다. 또한, 초점이 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분을 가로질러 특정 거리 및 특정 방향으로 이동될 수도 있는 방식이 공지되어 있는 경우, 따라서, 포트의 레이저 빔의 초점이 레이저 빔을 액체 제트에 결합하기 위한 노즐 개구의 포트에 배치될 수도 있다.

변형예로서, 그러나, 방법이 이러한 유형의 단계를 또한 포함하지 않을 수도 있다.

방법이 이미지 센서에 의해 촬영된 다른 장면에 노즐 개구의 위치를 설정하기 위해 이러한 다른 장면으로 전달 가능한 표지를 사용하여 이미지 센서에 의해 촬영되는 장면에 노즐 개구가 표시되며, 표지가 두 개의 수직 방향으로 교차하는 직선에 의해 수정되는 경우, 이들 직선의 교차점이 노즐 개구의 중심에 배치되는 제 2 단계를 포함하며, 또한 방법이 레이저 빔이 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분의 일 위치에 초점이 맞추어지며 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분의 추가 장면이 이미지 센서에 의해 촬영되는 추가의 단계를 포함하는 경우, 이 방법은, 유리하게는, 이하의 추가의 세 개의 단계를 포함한다. 먼저, 레이저 빔의 초점이 수직 방향으로 교차하는 라인 중 제 1 라인에 배치되며, 이를 위해 사용되는 제 1 위치 설정 매개 변수가 저장된다. 이후, 레이저 빔의 초점이 수직 방향으로 교차하는 라인 중 제 2 라인에 배치되며, 이를 위해 사용되는 제 2 위치 설정 매개 변수가 저장된다. 이후, 저장된 제 1 및 제 2 위치 설정 매개 변수를 기반으로, 레이저 빔의 초점이 노즐 개구의 포트에 배치된다. 이들 세 개의 단계의 경우, 각각의 경우의 초점의 위치 설정이 이미지 센서에 의해 하나의 또는 복수 개의 추가의 장면을 촬영함으로써 확인될 수도 있다. 이들 세 개의 단계의 장점은 레이저 빔을 액체 제트에 결합하기 위해 레이저 빔의 초점이 노즐 개구의 포트에 간단한 방식으로 최적으로 배치될 수도 있다는 점이다.

변형예로서, 그러나, 방법이 또한 이러한 세 개의 단계를 포함하지 않을 수도 있다.

레이저 빔의 진행 방향을 변경하기 위한 제 1 미러 및 레이저 빔의 진행 방향을 변경하기 위한 제 2 미러를 포함하는 레이저 기계 가공 장치가 사용되는 경우, 제 1 모터에 의해 구동되는 제 1 미러가 제 1 축선을 중심으로만 선회 가능하며 제 2 구동 모터에 의해 구동되는 제 2 미러가 제 2 축선을 중심으로만 선회 가능하고, 수직 방향으로 교차하는 라인 중 제 1 라인은 제 1 미러를 제 1 축선을 중심으로 선회시킴으로써 레이저 빔의 초점이 이동 가능한 운동 경로에 대응하는 반면, 수직 방향으로 교차하는 라인 중 다른 라인은 제 2 미러를 제 2 축선을 중심으로 선회시킴으로써 레이저 빔의 초점이 이동 가능한 운동 경로에 대응한다. 이 경우, 제 1 및 제 2 위치 설정 매개 변수는 제 1 및 제 2 축선을 중심으로 한 제 1 및 제 2 미러의 선회 각도 또는 방위인 것이 바람직하다.

변형예로서, 그러나, 교차 라인이 또한 이들 운동 경로에 대응하지 않을 수도 있다.

본 발명의 추가의 유리한 실시예 및 특징의 조합이 아래의 상세한 설명 및 전체 특허청구범위로부터 유추된다.

본 발명은 대상물의 삼차원 기계 가공이 가능한 기계 가공 헤드를 제공하는 효과가 있다.

바람직한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 도면으로서:
도 1에는 기계 가공 헤드의 중심 축선을 따라 취한 본 발명에 따른 기계 가공 헤드의 관통 단면이 개략적으로 도시되어 있으며;
도 2에는 기계 가공 헤드의 관통 단면이 개략적으로 분해도로 도시되어 있고;
도 3에는 노즐 블록의 관통 단면이 개략적으로 도시되어 있으며;
도 4에는 기계 가공 헤드를 구비한, 본 발명에 따른 액체 제트 레이저 공작 기계의 관통 단면이 개략적으로 도시되어 있고;
도 5a 내지 도 5f에는 액체 제트 레이저 공작 기계의 노즐의 노즐 개구에 레이저 빔의 초점을 맞추어 노즐 개구에 의해 발생되는 액체 제트에 레이저 빔을 결합하는 본 발명에 따른 방법을 예시하기 위해 CCD 카메라에 의해 촬영된 장면이 개략적으로 도시되어 있다.
원칙적으로, 전체 도면에 걸쳐, 동일한 구성 요소는 동일한 도면 부호로 지시되어 있다.

도 1에는 기계 가공 헤드(1)의 중심 축선을 따라 취한 본 발명에 따른 기계 가공 헤드(1)의 관통 단면이 개략적으로 도시되어 있다. 도 1에서, 중심 축선은 도시된 평면의 상측에서 하측으로 연장된다.

기계 가공 헤드(1)는 액체 제트 레이저 공작 기계(상세히 도시하지 않음)와 연관성이 있다. 액체 제트 레이저 공작 기계는 레이저 빔을 발생시킬 수 있는 레이저를 포함할 수도 있으며, 또는 별개의 레이저에 의해 발생된 레이저 빔이 통과하여 액체 제트 레이저 공작 기계 내부로 안내될 수도 있는 포트(port)를 포함할 수도 있다. 어느 경우에나, 레이저 빔(100)은 액체 제트 레이저 공작 기계 내부로 안내되어 그곳에서 액체 제트(200)에 결합될 수 있다.

레이저 빔(100)이 도 1의 단면도에 파선으로 도시되어 있다. 상기 레이저 빔(100)은 기계 가공 헤드(1)의 중심 축선을 따라 기계 가공 헤드(1) 내부로 상측에서 하측으로 진행하며, 기계 가공 헤드(1)에서 액체 제트(200)에 결합되고, 액체 제트는 기계 가공 헤드(1)의 선단에서 기계 가공 헤드(1)의 중심 축선을 따라 기계 가공 헤드(1)로부터 방출된다. 따라서, 도 1에 도시된 평면에 있어서의 빔 방향 또한 상측에서 하측으로 연장된다.

기계 가공 헤드(1)는 광학 유닛(2)과 결합 유닛(3)을 포함한다. 도면에서는 광학 유닛(2)의 전방 단부가 광학 유닛(2)의 나머지 부분보다 아래에 위치하는 것으로 도시되어 있다. 전방 단부는 원통형 외장을 구비하며, 이러한 원통형 외장의 회전 대칭 축선이 기계 가공 헤드(1)의 중심 축선을 따라 연장되거나, 광학 유닛(2)의 중심 축선을 따라 연장된다. 네 개의 렌즈 구성 요소(21.1, 21.2, 21.3, 21.4)를 포함하는 렌즈로 된 광학구성요소(20)가 광학 유닛(2)의 전방 단부의 내측에 위치한다. 빔 방향에서 본 마지막 렌즈 구성 요소(21.4)가 광학 유닛(2)의 전방 단부의 종단을 형성한다. 따라서, 빔 방향에서 본 마지막 렌즈 구성 요소(21.4)가 빔 방향에서 본 광학 유닛(2)의 마지막 광학 구성 요소이다.

광학 유닛(2)의 전방 단부의 원통형 외장은 실질적으로 랜스(22)의 전방 영역에 의해 형성되며, 이 전방 영역은 액체 제트 레이저 공작 기계의 나머지 부분에서 나온 레이저 빔(100)이 기계 가공 헤드(1)의 내부로 안내되는 영역이다. 광학구성요소(20)는 이러한 랜스(22)의 전방 단부에 배치되며, 광학 유닛(2) 전방에 레이저 빔(100)의 초점을 맞추는 역할을 한다. 이 초점의 직경은 25㎛ 내지 40㎛ 의 범위이다.

결합 유닛(3)은 본체(36), 투명 구성 요소(30), 교체 가능한 노즐 블록(33), 그리고 교체 가능한 헤드 선단 유닛(35)을 포함한다. 기계 가공 헤드(1)가 끼워진 상태에서, 결합 유닛(3)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 광학 유닛(2)에 연결되어 있다. 여기서, 상기 결합 유닛(3)의 본체(36)가 광학구성요소(20)를 구비하는 광학 유닛(2)의 전방 단부를 에워싸며, 빔 방향의 반대 방향으로 광학구성요소(20)의 후방까지 연장하도록 형성되어 있다. 이를 위해, 본체(36)는 일측이 개방되어 있으며 원형 단면을 갖는 공동을 구비한다. 광학구성요소(20)의 마지막 렌즈 구성 요소(21.4)를 통해 광학 유닛(2)에서 나온 레이저 빔(100)이 빔 방향으로 결합 유닛(3)에 들어갈 수 있도록 하기 위한 투명 구성 요소(30)가 공동의 기부에 배치된다. 공동의 측방향은 원형 단면을 갖는 관상 벽(31)에 의해 폐쇄되어 있다. 실제로, 공동의 반대쪽을 향하고 있는 벽(31)의 외측면도 마찬가지로 원형 단면을 갖는다. 내측면과는 반대로, 외측 단면의 직경은 전체적으로 일정하지 않다. 외측 단면의 직경은, 기계 가공 헤드(1)가 끼워진 상태에서 광학 유닛(2)과 마주하는 벽(31)의 단부의 일 영역에서만 일정하다. 따라서, 이러한 영역에서의 벽(31)의 단부의 외측면은 원통형 외장을 갖는다. 광학 유닛(2)과 마주하는 벽(31)의 단부에서 보면, 이러한 원통형 영역에 후속하는 벽(31)의 외측 단면의 직경은 초기에는 증가하다가 이후 점차 줄어들어 뾰족한 선단을 형성한다.

광학 유닛(2)은 전방 단부의 기단부에 전방 단부를 에워싸는 환형 홈을 구비한다. 여기서, 홈의 외부 둘레가 덮개(ferrule)(23)를 형성한다. 결합 유닛(3)이 광학 유닛(2)과 연결되면, 결합 유닛(3)의 본체(36) 공동의 개방되어 있는 일측이 빔 방향의 반대 방향으로 정렬되며, 광학 유닛(2)의 전방 단부가 본체(36)의 공동에 위치하도록 본체(36)가 광학 유닛(2)의 전방 단부 위에 가압 끼워 맞춤된다. 여기서, 기계 가공 헤드(1)가 끼워진 상태에서 광학 유닛(2)과 마주하는 본체(36)의 벽(31)의 단부 영역이 홈에 배치되어 덮개(23)에 의해 둘러싸여 있다.

광학 유닛(2)의 덮개(23)의 외측면은, 빔 방향에서 봤을 때, 원추형으로 점차 가늘어지는 형태로 형성된다. 덮개(23) 전방 단부의 이 외측면이 본체(36)의 벽(31) 외측면의 원추형으로 점차 가늘어지는 형태의 영역으로 이어진다. 따라서, 덮개(23)와 본체(36)가 함께, 빔 방향으로 점차 가늘어지는 형상의 원추를 형성한다. 이렇게 형성된 원추의 회전 대칭 중심 축선과 원추의 외부 영역 사이에서 측정한, 원추의 개방 각도는 23°이다. 그러나, 원추 개방 각도가 더 크거나 더 작을 수도 있다. 이에 따라, 상기 원추 개방 각도가, 예를 들어, 20° 이하일 수도 있다. 그러나, 실시예에 따라, 상기 원추 개방 각도가 또한, 예를 들어, 30°, 45° 또는 60°이거나, 60°보다 클 수도 있다.

전술한 바와 같이, 레이저 빔(100)의 레이저 광에 대해 투과성을 갖는 투명 구성 요소(30)는 일측이 개방되어 있는 본체(36) 공동의 기부에 배치된다. 투명 구성 요소(30)는 원반형이며, 두 개의 메인 영역이 기계 가공 헤드(1)의 중심 축선 또는 결합 유닛(3)의 중심 축선과 수직 방향으로 정렬되어 있다. 투명 구성 요소(30)의 메인 영역 중 하나가 일측이 개방되어 있는 본체(36) 공동의 기부의 대부분을 형성한다. 반대로, 투명 구성 요소(30)의 다른 하나의 메인 영역은 본체(36)에 배치되어 있는 액체 챔버(32)를 공동에 대하여 폐쇄한다. 액체 챔버(32)도 마찬가지로 원반형이며, 두 개의 메인 영역이 결합 유닛(3)의 중심 축선과 수직 방향으로 정렬되어 있다. 교체 가능한 노즐 블록(33)이 액체 챔버(32)의 투명 구성 요소(30)의 반대쪽을 폐쇄한다. 이러한 교체 가능한 노즐 블록(33)이 액체 제트(200)를 발생시키기 위한 노즐을 형성한다. 상기 노즐 블록(33)은 기본 형상이 원통형이며, 회전 대칭 축선 상에 위치한 두 개의 단부에 평평한 메인 영역을 구비한다. 이들 두 개의 단부 중 하나에, 회전 대칭 축선과 수직 방향으로 측정한 직경이 기본적으로 원통형의 나머지 부분의 직경보다 큰 링이 기본 원통 형상과 동심적으로 배치되어 있다. 따라서, 노즐 블록(33)이 결합 유닛(3)의 본체(36)에 삽입되면, 상기 링이 멈춤쇠(34)를 형성하여, 노즐 블록(33)이 본체(36)의 내부에 정확하게 배치될 수 있도록 한다. 이러한 멈춤쇠(34)로 인해, 노즐 블록(33)은 실질적으로 모자 형상으로 형성된다.

노즐 블록(33)의 멈춤쇠(34) 반대쪽 메인 영역 상에는, 직경이 70㎛이고 노즐 블록(33)의 회전 대칭 축선을 따라 연장되는 노즐(37)이 마련되어 있다. 기계 가공 헤드(1)가 끼워진 상태에서, 노즐 블록(33)의 이 메인 영역이 액체 챔버(32)와 마주하며, 노즐 블록(33)의 회전 대칭 축선이 기계 가공 헤드(1)의 중심 축선을 따라, 또는 결합 유닛(3)의 중심 축선을 따라 연장된다. 따라서, 기계 가공 헤드(1)가 끼워진 상태에서 노즐(37)은 기계 가공 헤드(1)의 중심 축선을 따라 연장된다. 그러나, 여기서, 노즐(37)은 전체 노즐 블록(33)을 관통하여 형성되는 것이 아니라, 빔 방향에서 봤을 때, 원추형으로 개방되며 노즐 블록(33)을 관통하여 멈춤쇠(34)가 마련되어 있는 노즐 블록(33)의 메인 영역까지 연장되는 개구(38)로 이어진다. 따라서, 노즐 블록(33)은 액체 챔버(32)로부터의 액체에 의해 노즐(37)을 통하여 액체 제트(200)가 발생될 수 있도록 하며, 이 액체 제트는 기계 가공 헤드(1)의 중심 축선을 따라 이동되어 원추형으로 개방되어 있는 개구(38)를 통해 노즐 블록(33)으로부터 빔 방향으로 방출된다. 이 경우, 여기서 사용되고 있는 액체는 물이다. 그러나, 물이 아닌 다른 액체가 또한 사용될 수도 있다.

전술한 바와 같이, 기계 가공 헤드(1)의 작동 동안 광학 유닛(2)의 광학구성요소(20)에 의해 광학 유닛(2)의 전방에 레이저 빔(100)의 초점이 맞추어진다. 여기서, 초점은 노즐(37)의 시작 영역에 위치하도록 맞추어진다. 따라서, 노즐(37)에 의해 발생되는 액체 제트(200)에 레이저 빔(100)의 초점이 맞추어져 레이저 빔(100)이 액체 제트(200)에 결합되며, 상기 레이저 빔(100)은 액체 제트(200) 표면에서의 전반사에 의해 액체 제트에 결합된 채로 유지된다.

액체 챔버(40) 및 이에 따라 또한 액체 제트(200)에 액체가 공급되도록 하기 위하여, 광학 유닛(2)은 액체 공급원(도시하지 않음)에 연결되어 있는 액체 덕트(51)를 구비한다. 액체 덕트(51)는 광학 유닛(2)의 덮개(23) 내측면까지 연장되어 개구에서 종결되고 있다. 기계 가공 헤드(1)가 끼워진 상태에서, 광학 유닛(2)의 액체 덕트(51)의 개구가 광학 유닛(2)과 마주하는 결합 유닛(3)의 단부에 마련된 개구에 위치한다. 결합 유닛(3)의 개구는 결합 유닛(3)의 본체(36)를 관통하여 액체 챔버(32)까지 연장되는 추가의 액체 덕트(42)용 포트를 형성한다. 따라서, 서로 위아래로 위치한 광학 유닛(2)과 결합 유닛(3)의 두 개의 개구가 액체 인터페이스(50)를 형성하여, 이 액체 인터페이스에 의해 광학 유닛(2)으로부터 액체 챔버(32)로 액체가 공급될 수도 있다. 따라서, 또한 액체 인터페이스(50)에 의해 액체 제트(200)에 액체가 공급될 수도 있다.

결합 유닛(3)의 개구로 이동되는 액체는 액체 인터페이스(50)에서 광학 유닛(2)의 개구를 통해 분배된다. 여기서, 광학 유닛(2)의 개구는 원통형 외장 영역의 내측면과 동일한 형상의 덮개(23) 내측면 상에 배치되어 있다. 원통형 외장 영역의 회전 대칭 축선이 광학 유닛(2)의 중심 축선과 일치하며, 따라서 기계 가공 헤드(1)의 중심 축선과 일치한다. 따라서, 기계 가공 헤드(1)가 끼워진 상태에서 원통형 외장 영역이 빔 방향과 평행한 방향으로 정렬된다. 반대로, 결합 유닛(3)의 개구는 광학 유닛(2)과 마주하는 결합 유닛(3)의 단부 외측면 상에 배치되어 있다. 이 외측면은 원통형 외장 영역의 외측면과 동일한 형상을 가지며, 외측면의 회전 대칭 축선이 결합 유닛(3)의 중심 축선에 대응한다. 따라서, 기계 가공 헤드(1)가 끼워지면, 원통형 외형 영역이 또한, 빔 방향과 평행한 방향으로 정렬된다.

액체 인터페이스(50)의 액체 인터페이스 영역은 액체 인터페이스(50)와 연관된 광학 유닛(2)의 개구 및 액체 인터페이스(50)와 연관된 결합 유닛(3)의 개구 둘레에 위치한 원통형 외장 영역의 부분에 의해 획정된다. 여기서, 이들 개구의 둘레에 위치한 원통형 외장 영역의 부분으로부터 비롯되는 액체 인터페이스 영역은 개구 부분을 가로질러 전방으로 계속 연장된다. 따라서, 액체 인터페이스 영역은 또한, 결합 유닛(3)의 중심 축선에 대응하는 회전 대칭 축선을 갖는 원통형 외장 영역에 위치한다. 그러나, 여기서, 액체 인터페이스(50)가 이러한 부분으로 제한되기 때문에 액체 인터페이스 영역 또한 개구 부분으로 제한된다. 그럼에도 불구하고, 액체 인터페이스 영역은 빔 방향과 평행한 방향으로 정렬된다.

기계 가공 헤드(1)가 끼워진 상태에서 빔 방향에서 봤을 때 액체 인터페이스(50)가 광학 유닛(2)의 덮개(23)와 동일한 높이에 위치하기 때문에, 레이저 빔(100)은 광학 유닛(2)의 광학구성요소(20)를 통과하기 전에 액체 인터페이스(50)를 통과한다. 따라서, 빔 방향에서 봤을 때, 액체 인터페이스(50)는 빔 방향으로 광학구성요소(20)의 마지막에 위치한 렌즈 구성 요소(21.4)의 전방에 위치한다.

결합 유닛(3)의 헤드 선단 유닛(35)은 실질적으로 원추형의 외형을 갖는다. 또한, 상기 헤드 선단 유닛(35)의 내부에는 헤드 선단 유닛의 종축선을 따라 헤드 선단 유닛(35)을 관통하여 연속적으로 형성되며 마찬가지로 원추형을 갖는 개구(39)가 마련되어 있다. 기계 가공 헤드(1)가 조립되면, 헤드 선단 유닛(35)이 결합 유닛(3)의 본체(36)에 끼워진다. 여기서, 헤드 선단 유닛(35)의 종축선이 기계 가공 헤드(1)의 중심 축선을 따라 연장되며, 헤드 선단 유닛의 원추형 외형이 덮개(23)와 본체(36)에 의해 형성되는 원추의 선단을 형성한다. 내부의 원추형 개구(39)는 외형의 선단 방향으로 점차 가늘어지는 형태로 정렬되어 있다.

기계 가공 헤드(1)가 끼워진 상태에서, 결합 유닛(3)의 본체(36)와 마주하는 헤드 선단 유닛(35)의 단부가 결합 유닛(3)의 본체(36) 내부의 적소에 노즐 블록(33)을 유지한다. 여기서, 노즐 블록(33)과 마주하는 개구(39)의 일측은 헤드 선단 유닛(35) 내에 위치하며, 원추형으로 개방되어 있는 노즐 블록(33)의 개구(38)와 직접 맞닿는다. 따라서, 노즐 블록(33)의 개구(38)와 헤드 선단 유닛(35)의 개구(39)가 기계 가공 헤드(1)의 공동을 형성하며, 기계 가공 헤드(1)의 중심 축선을 따라 취한 공동 단면이 실질적으로 마름모 형상이다. 이 공동이 가스 역압 챔버(40)를 형성한다. 기계 가공 헤드(1)의 작동 동안, 노즐(37)에 의해 발생되는 액체 제트(200)가 가스 역압 챔버(40)를 통하여 이동되어, 헤드 선단 유닛(35)의 원추형 개구(39)의 점차 가늘어지는 형상의 측면을 통해 기계 가공 헤드(1)로부터 방출된다. 그러나, 여기서, 액체 제트(200)는 개구(39)의 점차 가늘어지는 형상의 측면 둘레와 접촉하는 것이 아니라, 전체 둘레에 걸쳐 작은 간극을 형성한다. 가스 역압 챔버(40)로부터의 가스가 이 간극을 통해 방출되어 액체 제트(200)를 에워싸는 가스 제트를 형성할 수도 있다. 따라서, 헤드 선단 유닛(35)의 원추형 개구(39)의 점차 가늘어지는 형상의 일측이 가스 방출 노즐(62)을 형성한다. 가스 방출 노즐(62)에 의해 발생되며 액체 제트(200)를 에워싸는 가스 제트는 액체 제트를 안정화시켜, 액체 제트가 헤드 선단 유닛(35)으로부터 비교적 긴 거리에 걸쳐서는 안정적이어서 이 이후에만 불안정해져 개개의 액적으로 분해되도록 하는 역할을 한다. 따라서, 레이저 빔(100)이 더 긴 거리에 걸쳐 액체 제트(200)에 결합된 채로 유지될 수 있다.

가스 역압 챔버(40)에 가스가 공급되도록 하기 위하여, 광학 유닛(2)은 가스 공급원(도시하지 않음)에 연결되어 있는 가스 덕트(61)를 구비한다. 가스 덕트(61)는 광학 유닛(2)의 덮개(23) 내측면까지 연장되어, 개구에서 종결된다. 기계 가공 헤드(1)가 끼워진 상태에서, 광학 유닛(2) 내부의 가스 덕트(61)의 개구가 광학 유닛(2)과 마주하는 결합 유닛(3) 단부에 마련된 개구 상에 위치한다. 결합 유닛(3)의 개구는 결합 유닛(3)의 본체(36) 및 헤드 선단 유닛(35)을 관통하여 헤드 선단 유닛(35)의 개구(39)까지 연장되는 추가 가스 덕트(41)용 포트를 형성한다. 따라서, 서로 위아래로 위치한 광학 유닛(2) 및 결합 유닛(3)의 두 개의 개구가 가스 인터페이스(60)를 형성하여, 이 가스 인터페이스에 의해 광학 유닛(2)으로부터 가스 역압 챔버(40)로 가스가 공급될 수도 있다. 따라서, 가스 인터페이스(60)에 의해 또한 가스 제트에 가스가 공급될 수도 있다.

가스 인터페이스(60)의 가스 인터페이스 영역은 가스 인터페이스(60)와 연관된 광학 유닛(2)의 개구 및 가스 인터페이스(60)와 연관된 결합 유닛(3)의 개구의 둘레에 위치한 원통형 외장 영역의 부분에 의해 획정된다. 여기서, 이들 개구 둘레에 위치한 원통형 외장 영역의 부분으로부터 비롯되는 가스 인터페이스 영역은 이 개구 부분을 가로질러 계속 전방으로 연장된다. 따라서, 가스 인터페이스 영역은 또한, 결합 유닛(3)의 중심 축선에 대응하는 회전 대칭 축선을 갖는 원통형 외장 영역 상에 위치한다. 그러나, 여기서, 가스 인터페이스(60)가 개구 부분으로 제한되기 때문에 가스 인터페이스 영역 또한 이 부분으로 제한된다. 그럼에도 불구하고, 가스 인터페이스 영역은 빔 방향과 평행한 방향으로 정렬된다.

기계 가공 헤드(1)가 끼워진 상태에서 빔 방향에서 봤을 때 가스 인터페이스(60)가 광학 유닛(2)의 덮개(23)와 동일한 높이에 위치하기 때문에, 레이저 빔(100)은 광학 유닛(2)의 광학구성요소(20)를 통과하기 전에 가스 인터페이스(60)를 통과한다. 따라서, 빔 방향에서 봤을 때, 액체 인터페이스(50)와 마찬가지로, 가스 인터페이스(60)는 빔 방향에서 봤을 때 광학구성요소(20)의 마지막에 위치한 렌즈 구성 요소(21.4)의 전방에 위치한다.

가스 인터페이스(60)와 액체 인터페이스(50)의 이러한 배치에 의해, 빔 방향에서 봤을 때, 광학 유닛(2)과 결합 유닛(3)이 뾰족한 외형을 갖도록 기계 가공 헤드(1)가 구성될 수도 있다. 이에 따라, 기계 가공 헤드(1)가 기계 가공 대상물에 대하여 경사지게 위치할 수도 있으며, 그럼에도 불구하고, 기계 가공 헤드(1)와 대상물의 충돌 위험 없이, 대상물이 액체 제트(200)의 안정적인 영역에 위치할 수도 있다. 따라서, 이러한 배치에 의하면, 대상물의 삼차원 기계 가공이 촉진된다. 또한, 빔 방향에서 봤을 때 액체 인터페이스의 후방에 광학구성요소(20)가 배치되며 광학 유닛(2)의 전방 단부에 가스 인터페이스(60)가 배치됨에 따라, 노즐(37)의 바로 앞 짧은 거리에 레이저 빔(100)이 초점이 맞춤어질 수 있다. 따라서, 렌즈의 초점 길이가 짧아질 수도 있으며, 그럼에도 불구하고, 노즐(37)의 포트 영역에 레이저 빔의 초점이 맞추어질 수도 있다. 이에 따라, 직경이 작은 일 지점에 레이저 빔(100)의 초점이 맞추어질 수도 있다. 따라서, 기계 가공 헤드(1)의 이러한 구성에 의하면, 레이저 빔(100)이 직경이 작은 액체 제트(200)에 결합될 수도 있다.

액체 인터페이스(50) 뿐만 아니라 가스 인터페이스(60)가 모두 빔 방향에서 봤을 때 광학구성요소(20)의 마지막 렌즈 구성 요소(21.4)의 전방에 위치하더라도, 빔 방향에서 봤을 때 가스 인터페이스(60)가 항상 액체 인터페이스(50)와 동일한 높이로 배치되는 것이 아니라, 빔 방향에서 봤을 때 액체 인터페이스(50)의 다소 후방에 위치한다. 따라서, 가스 인터페이스(60)와 액체 인터페이스(50)가 시일에 의해 상호 분리될 수도 있다. 이를 위해, 기계 가공 헤드(1)가 끼워진 상태에서 광학 유닛(2)과 마주하는 결합 유닛(3) 단부의 원통형 외장 영역에 동심의 원을 그리는 세 개의 환형 시일(도 1에 도시하지 않음)이 마련된다. 이들 환형 시일 중 제 1 시일은 빔 방향에서 봤을 때 액체 인터페이스(50)의 전방에 위치하며, 이들 환형 시일 중 제 2 시일은 액체 인터페이스(50)와 가스 인터페이스(60)의 사이에 위치하고, 환형 시일 중 제 3 시일은 빔 방향에서 봤을 때 가스 인터페이스(60)의 후방에 위치한다. 따라서, 액체 인터페이스(50)와 가스 인터페이스(60)는, 액체 인터페이스(50)로부터 가스 인터페이스(60)로 액체가 이동할 수 없도록 또한 가스 인터페이스(60)로부터 액체 인터페이스(50)로 가스가 이동할 수 없도록, 상호 분리되어 있다. 이에 따라 또한, 액체 인터페이스(50)와 가스 인터페이스(60)가 외부에 대하여 밀봉됨으로써, 광학 유닛(2)과 결합 유닛(3) 사이에서의 액체 및 가스 모두의 탈출이 불가능할 수도 있다.

도 1과 유사하게, 도 2에는 기계 가공 헤드(1)의 중심 축선을 따라 취한 기계 가공 헤드(1)의 관통 단면이 개략적으로 도시되어 있다. 그러나, 도 1과는 반대로, 도 2는 분해도로 도시되어 있다. 따라서, 덮개(23)와 전방 단부의 광학구성요소(20)를 구비하는 광학 유닛(2)이 기계 가공 헤드(1)의 별개의 구성 요소임을 알 수 있다. 따라서 또한, 결합 유닛(3)의 본체(36), 투명 구성 요소(30), 노즐 블록(33), 그리고 헤드 선단 유닛(35)이 또한 별개의 구성 요소들임을 알 수 있다.

도 3에는 노즐 블록(33)의 관통 단면이 개략적으로 도시되어 있다. 도 1 및 도 2와 비교하여 확대 도시된 도 3을 참조하여 노즐 블록(33)의 세부 구성을 알 수 있다. 따라서, 노즐(37)이 노즐 블록(33)의 개개의 메인 영역에 오목하게 형성되어 있는 삽입부(70)에 위치함을 알 수 있다. 삽입부(70)는 원통형이다. 노즐(37)은 원추형으로 개방되어 있는 삽입부(70)의 개구(71)까지 삽입부(70)의 회전 대칭 축선을 따라 이어지며, 상기 삽입부(70)의 두 개의 메인 영역 중 하나에 배치되어 있다. 삽입부(70)가 노즐 블록(33)의 나머지 부분에 오목하게 형성되면, 도시된 바와 같이, 삽입부(70)의 원추형 개구(71)가 노즐 블록(33)의 원추형 개구(38)로 이어진다.

제 1 발명이 도 1 내지 도 3에 도시된 예시적인 실시예로만 제한되는 것은 아니다. 이러한 예시적인 실시예의 다양한 변형이 가능하다. 따라서, 기계 가공 헤드의 외형이, 예를 들어, 원추형이 아닌 다른 형상일 수도 있다. 또한, 광학 유닛 뿐만 아니라 결합 유닛이 다른 형상으로 형성될 수도 있다. 또한, 액체 인터페이스와 가스 인터페이스가 다른 위치에 배치될 수도 있으며, 다른 형상으로 형성될 수도 있다. 이에 따라, 상기 인터페이스가, 예를 들어, 광학 유닛과 마주하는 결합 유닛 단부의 최외측단에 배치될 수도 있다. 또한, 인터페이스 영역이, 예를 들어, 빔 방향에 대하여 각도를 이루며 정렬될 수도 있으며, 또는 빔 방향과 수직 방향으로 정렬되어 있는 평면 내에 위치할 수도 있다.

또한, 광학 유닛 내부 및 결합 유닛 내부의 액체 덕트 및 가스 덕트의 프로파일이 다른 방식으로 형성될 수도 있다. 이에 따라, 예를 들어, 가스 덕트가 결합 유닛의 본체로부터 헤드 선단 유닛을 통해 연장하도록 형성되는 것이 아니라 노즐 블록을 통해 연장하도록 형성될 수도 있으며, 또는 결합 유닛의 본체로부터 바로 가스 역압 챔버로 연장하도록 형성될 수도 있다. 또한, 결합 유닛이 교체 가능한 헤드 선단 유닛을 구비하지 않을 수도 있다.

이들 변형예와 상관없이, 기계 가공 헤드가 또한, 가스 역압 챔버를 구비하지 않는 형태로 실시될 수도 있다. 이 경우, 가스 덕트가 직접, 예를 들어, 가스 방출 노즐에 연결될 수도 있다. 그러나, 기계 가공 헤드가 또한, 액체 제트를 전체적으로 에워싸는 가스 제트를 발생시키는 것이 불가능할 수도 있다. 이 경우, 가스 덕트, 가스 인터페이스, 가스 역압 챔버, 가스 방출 노즐 중 어느 것도 필요하지 않다.

또한, 노즐 블록이 다른 방식으로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 노즐 블록이 다른 형상으로 형성될 수도 있다. 상기 노즐 블록이 또한, 일체형으로 형성될 수도 있으며 이에 따라 삽입부가 없는 형태로 형성될 수도 있다. 또한, 노즐 개구의 직경이 70㎛이 아닌 다른 값일 수도 있다. 이에 따라, 노즐 개구의 직경이, 예를 들어, 20㎛ 내지 150㎛의 범위일 수도 있다. 그러나, 직경이 또한, 20㎛ 이하 또는 150㎛ 이상일 수도 있다. 마찬가지로, 레이저 빔(100)의 초점의 직경이 25㎛ 내지 40㎛ 의 범위를 벗어날 수도 있다.

도 4에는 제 2 발명에 따른 액체 제트 레이저 공작 기계(300)의 관통 단면이 개략적으로 도시되어 있다. 레이저 빔(100)의 빔 경로를 따라 연장하는 단면이 도시되어 있다. 따라서, 레이저 빔(100)의 빔 경로가 실질적으로 도시된 평면 내에 마련된다. 여기서, 액체 제트 레이저 공작 기계(300)가 도면의 상하측이 액체 제트 레이저 공작 기계(300)의 상하측에 대응하는 방식으로 정렬되는 상태로 도시되어 있다.

액체 제트 레이저 공작 기계(300)는 레이저 빔(100)의 빔 경로를 에워싸는 랜스(301)를 포함한다. 랜스(301)는 접합부에 의해 상호 연결되어 있는 세 개의 암(302.1, 302.2, 302.3)을 구비한다. 랜스(301)의 제 1 암(302.1)의 자유 단부는 제 1 발명에 따른 기계 가공 헤드(1)에 의해 형성된다. 이 경우, 기계 가공 헤드(1)에 대해서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 상세히 전술한 바와 같다. 다만, 도 4에는 기계 가공 헤드(1)가 상당히 간략하게만 도시되어 있으며, 도시된 구성 요소 간의 크기 비율은 정확하게 맞추어져 있다. 랜스(301)의 제 2 암(302.2)의 자유 단부는 레이저 빔(100)의 빔 경로의 종결부를 형성한다. 이 종결부의 내측면 상에 레이저 빔(100)의 파장을 갖는 광에 감응성을 갖는 CCD 카메라가 이미지 센서(303)로서 배치되어 있다. 랜스(301)의 제 3 암(302.2)의 자유 단부는 사실 연결부이지만, 포트(304)를 구비한다. 액체 제트 레이저 공작 기계(300)와 별개의 레이저에 의해 발생되는 액체 제트 레이저 공작 기계(300)의 레이저 빔(100)이 유리 섬유(도시하지 않음)에 의해 또는 중공형 전도체(도시하지 않음)에 의해 포트(304)를 통해 유입된다. 그러나, 본 실시예의 수정예에 따르면, 액체 제트 레이저 공작 기계(300)가 또한, 포트(304) 대신에, 레이저 빔(100)을 발생시키기 위한 전용 레이저를 포함할 수도 있다.

제 3 암(302.3)의 자유 단부는 포트(304)가 상측을 향해 개방되도록 상측을 향한다. 따라서, 레이저 빔(100)이 액체 제트 레이저 공작 기계(300)의 포트(304)를 통해 상측에서 하측으로 유입된다. 따라서, 제 3 암(302.3)의 자유 단부 내부에서의 레이저 빔(100)의 빔 방향도 상측에서 하측을 향하는 방향이다. 여기서, 레이저 빔(100)은 레이저 빔(100)을 시준 처리하는 시준 유닛(305)을 통해 이동된다. 레이저 빔(100)의 시준 변경이 가능하도록 하기 위하여, 시준 유닛(305)이 빔 방향으로 또는 빔 방향의 반대 방향으로 이동될 수도 있다. 따라서, 시준 유닛(305)의 적절한 위치 설정에 의해 시준 유닛(305) 이후의 레이저 빔(100)의 시준이 완벽하게 이루어질 수도 있어, 시준 유닛(305) 이후의 레이저 빔(100)의 광선이, 예를 들어, 정확히 서로 평행한 상태로 진행하게 된다. 그러나, 시준 유닛(305)이 또한, 시준 유닛(305) 이후의 레이저 빔(100)의 시준이 완벽하게 이루어지는 것이 아니라 레이저 빔(100)의 광선이 상호 약간 수렴되거나 상호 약간 발산되는 상태로 진행하도록 다른 방식으로 배치될 수도 있다. 따라서, 시준 유닛(305) 이후에서의 레이저 빔(100)의 광선의 평행 상태, 수렴 상태 또는 발산 상태는 필요에 따라 랜스(301) 내부에 시준 유닛(305)을 적절하게 위치 설정하는 방식으로 설정될 수도 있다.

빔 방향에서 봤을 때 시준 유닛(305) 이후에서 랜스(301)의 제 3 암(302.3)이 직각으로 구부려져, 이후 랜스(301)가 수평 방향으로 연장된다. 직각으로 구부러진 부분에 제 1 미러(306)가 배치되어 레이저 빔(100)을 반사시킴으로써, 제 1 미러(306) 이후의 레이저 빔(100)은 랜스(301)의 수평 영역을 따라 진행한다. 도시하지 않은 모터에 의해 구동되는 제 1 미러(306)는 제 1 축선(307)을 중심으로 선회 가능하다. 제 1 축선(307)은 수평 방향으로 정렬되어 있으며, 도시된 평면 밖으로 수직 방향으로 연장된다. 따라서, 제 1 축선(307)은 제 1 미러(306)의 전방 및 후방에서 레이저 빔(100)의 빔 방향과 수직 방향으로 정렬되어 있다. 따라서, 제 1 축선(307)을 중심으로 제 1 미러(306)의 방위를 설정함으로써, 제 1 미러(306) 이후의 레이저 빔(100)의 빔 방향이 정확히 수평 방향으로, 또는 약간 상측으로 경사지도록, 또는 약간 하측으로 경사지도록 정렬될 수도 있다.

제 3 암(302.3)의 구부러진 부분으로부터 시작되는 랜스(301)의 제 3 암(302.3)의 수평 방향으로 연장되는 부분이 랜스(301)의 접합부까지 연장된다. 이러한 접합부에서부터 시작하여, 랜스(301)의 제 1 암(302.1)은 수직 방향으로 하방으로 연장되며, 랜스(301)의 제 2 암(302.2)은 수직 방향으로 상방으로 연장된다. 접합부에 제 2 미러(308)가 배치되어 레이저 빔(100)을 반사함으로써, 랜스(301)의 제 1 암(302.1)의 제 2 미러(308) 이후의 레이저 빔(100)은 하방으로 진행한다. 도시하지 않은 모터에 의해 구동되는 제 2 미러(308)는 제 2 축선(309)을 중심으로 선회 가능하다. 제 2 축선(309)은 도시된 평면 내에 위치하며, 따라서, 제 1 축선(307)과 수직 방향으로 정렬되어 있다. 상기 제 2 축선(309)은 대략 랜스(301)의 제 3 암(302.3)의 자유 단부 방향에 대해 경사진 방향으로 하측에서 상측으로 45°의 각도를 이룬다. 제 2 축선(309)을 중심으로 제 2 미러(308)의 방위를 설정함으로써, 제 2 미러(308) 이후의 레이저 빔(100)의 빔 방향이 정렬될 수도 있다. 이에 따라, 필요에 따라, 제 2 미러(308) 이후의 레이저 빔(100)의 빔 방향이 정확히 도시된 평면에 유지되거나, 도시된 평면을 벗어나 관찰자를 향해 또는 관찰자의 반대 방향으로 약간 경사지도록 할 수 있다.

기계 가공 헤드(1)에서는, 광학 유닛(2)에 의해 레이저 빔(100)의 초점이 공작 기계 내에서 수직 방향으로 하방으로 연장되는 랜스(301)의 제 1 암(302.1)의 자유 단부에 맞추어진다. 따라서, 제 2 축선(309)을 중심으로 제 2 미러(308)의 방위를 설정함으로써, 레이저 빔(100)의 초점의 위치가 도시된 평면과 수직 방향으로 설정될 수도 있다. 또한, 제 1 축선(307)을 중심으로 제 1 미러(306)의 방위를 설정함으로써, 초점의 위치가 랜스(301)의 제 1 암(302.1)의 정렬 방향과 수직 방향이면서 도시된 평면과 평행하게 연장하는 방향으로 설정될 수도 있다. 따라서, 두 개의 미러(306, 308)에 의해, 제 1 암(302.1)이 정렬되어 있는 방향과 수직 방향의 평면 내에서 기계 가공 헤드(1)의 레이저 빔(100)의 위치 설정이 이루어질 수 있다.

광학 유닛이 이동 가능한 구성 요소를 포함하지 않기 때문에, 광학 유닛(2)과 레이저 빔(100)의 초점 사이의 간격은 광학 유닛(2)의 직전에서의 레이저 빔(100)의 시준에 좌우된다. 따라서, 제 3 암(302.3)에서의 시준 유닛(305)의 위치 설정은 시준 유닛(305) 이후의 레이저 빔(100)의 시준 설정을 가능하게 할 뿐만 아니라, 광학 유닛(2)과 레이저 빔(100)의 초점 사이의 간격 설정을 가능하게 한다.

빔 방향에서 봤을 때, 레이저 빔(100)의 초점이 광학 유닛(2)과 마주하는, 교체 가능한 노즐 블록(33)의 벽 또는 노즐의 벽의 상당히 전방에 또는 후방에 위치하는 경우, 레이저 빔(100)의 초점이 노즐(37)의 포트로부터 해제되어 레이저 빔(100)의 레이저 광이 노즐(37)의 포트 둘레의 노즐 부분으로부터 반사된다. 반사 광은 광학 유닛(2)에 의해 랜스(301)의 제 1 암(302.2)으로 되돌아가, 반사 광을 적어도 부분적으로 투과시키는 제 2 미러(308)에 도달한다. 따라서, 반사 광의 적어도 일부가 랜스(301)의 제 2 암(302.2)으로 보내져, 상기 랜스(301)의 자유 단부의 CCD 이미지 센서(303)에 도달하게 된다. 이를 위해, 제 2 미러(308)가, 예를 들어, 반투명일 수도 있다. 그러나, 제 2 미러(308)가 또한, 예를 들어, 일 편광 방향의 광은 반사하며 다른 편광 방향의 광은 투과시킬 수도 있다. 이 경우, 레이저 빔(100)의 레이저 광은, 예를 들어, 액체 제트 레이저 공작 기계(300)의 포트(304)를 통해 편광된 상태로 유입될 수도 있으며, 또는 랜스(301)의 제 3 암(302.1)에서 편광될 수도 있다. 여기서, 레이저 광의 편광이 적절하게 선택되면, 레이저 빔(100)이 제 2 미러(308)로부터 기계 가공 헤드(1)로 반사된다. 또한, 람다 쿼터 플레이트(lambda quarter plate)(도시하지 않음)가 랜스(301)의 제 1 암(302.1)에 설치되면, 제 2 미러(308)로부터 반사되는 레이저 빔(100)의 광이 랜스(301)의 제 1 암(302.1)을 통과한 다음 노즐(37)의 포트 둘레의 노즐 부분으로부터 제 2 미러(308)로 되돌아가, 상기 람다 쿼터 플레이트를 재차 통과한다. 따라서, 반사 광이 제 1 암(302.1)에서 재편광된다. 이에 따라, 상기 반사 광이 제 2 미러(308)를 투과하여 CCD 이미지 센서(303)에 도달할 수 있다. 따라서, 레이저의 초점이 노즐(37)의 포트로부터 해제되면, CCD 이미지 센서(303)에 의해 그 장면이 촬영되며, 이러한 촬영 장면에서 노즐(37)의 포트는 어두운 반점으로 보일 수 있다. 이 촬영 장면에 노즐(37)의 포트 윤곽선이 명백하게 나타나도록 하기 위하여, CCD 이미지 센서(303)가 또한, 이동 가능할 수도 있는 적당한 렌즈를 구비할 수도 있다.

반대로, 빔 방향에서 봤을 때, 레이저 빔(100)의 초점이 광학 유닛(2)과 마주하는 교체 가능한 노즐 블록(33)의 벽 또는 노즐의 벽에 의해 획정되는 평면에 배치되며, 이러한 평면 내에서 노즐(37)의 포트에 배치되는 경우, 레이저 빔(100)이 노즐에 의해 발생되는 액체 제트(200)에 결합된다. 본 실시예에 따른 액체 제트(200)는 워터 제트이다. 그러나, 또한, 액체 제트(200)를 발생시키기 위해 물이 아닌 다른 액체가 사용될 수도 있다.

이하, 레이저 빔(100)의 초점이 이러한 방식으로 배치될 수도 있도록 하는 본 발명에 따른 방법이 설명된다.

도 5a 내지 도 5f에는 액체 제트 레이저 공작 기계(300)의 노즐의 노즐(37)에 레이저 빔(100)의 초점을 맞추어 노즐(37)에 의해 발생되는 액체 제트(200)에 레이저 빔(100)을 결합하는 제 2 발명에 따른 방법의 일 실시예가 도시되어 있다.

이러한 방법의 제 1 단계에서는, 시준 유닛(305)이 랜스(301)의 제 3 암(302.3)에 배치되어 빔 방향에서 봤을 때 초점이 노즐의 후방에 위치하도록 함으로써 레이저 빔(100)의 초점이 노즐(37)의 포트로부터 해제된다. 초점 해제된 레이저 빔(100)이 노즐을 비추는 동안, 노즐(37)의 포트 둘레의 노즐 부분의 녹화 영상이 CCD 이미지 센서(303)에 의해 촬영된다. 도 5a에는 노즐(37)의 포트가 빛이 비추어지지 않아 어두운 반점(337)으로 보일 수 있는 이러한 녹화 영상이 개략적으로 도시되어 있다.

제 2 단계에서는, 장면에서의 반점(337)의 윤곽선이 표지(338)를 사용하여 표시되어 있다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 표지(338)는 반점(337)의 중심에서 서로 직교하도록 교차하는 두 개의 직선(339.1, 339.2)을 이용하여 수정된다. 여기서, 표지는 CCD 이미지 센서(303)의 그외 다른 촬영 장면으로 전달될 수도 있도록 중간 메모리에 저장된다.

제 3 단계에서는, 레이저의 감소 출력에서의 레이저 빔(100)이 노즐(37)의 포트 둘레 노즐 부분의 일 위치에 초점이 맞추어지며, 랜스(301)의 제 3 암(302.3)의 시준 유닛(305)은 이에 따라 배치되어 있다. 여기서, 촬영 장면에서의 레이저 빔(100)의 초점(340)이 최소 크기를 가질 때까지 CCD 이미지 센서(303)의 녹화 영상을 사용하여 각각의 경우에 레이저 빔(100)의 초점 맞춤 작동이 단계적으로 확인된다. 최적의 초점을 갖는 레이저 빔(100)을 포함하는 이러한 유형의 장면이 도 5c에 개략적으로 도시되어 있으며, 이 장면에는 방법의 처음 두 개의 단계에서 설정된 표지(338)가 전달되어 있다. 예시를 위해, 여기서, 밝은 빛의 초점(340)이 어두운 지점으로서 도시되어 있다.

제 3 단계 이후 제 4 단계에서는, 레이저 빔(100)의 초점(340)이 표지(338)의 두 개의 상호 교차하는 라인 중 제 1 라인(339.1)에 배치된다. 제 2 축선(309)을 중심으로 한 제 2 미러(308)의 선회 이동에 의해 두 개의 상호 교차하는 라인 중 제 2 라인(339.3)을 따라 초점(340)의 이동이 이루어지기 때문에, 이를 위해서는 제 2 미러(308)의 적당한 방위 설정이면 충분하다. 이 제 4 단계에서는, 각각의 경우 CCD 이미지 센서(303)에 의해 촬영된 장면을 녹화하여 이 장면에 표지(338)를 전달함으로써 레이저 빔(100)의 초점(304)이 실제로 표지(338)의 제 1 라인(339.1) 상에 위치하는지 여부를 확인하는 절차가 반복될 수도 있다. 이후, 제 2 축선(309)을 중심으로 한 제 2 미러(308)의 방위가 제 1 위치 설정 매개 변수로서 저장된다.

제 5 단계에서는, 레이저 빔(100)의 초점(340)이 표지(338)의 두 개의 상호 교차하는 라인 중 제 2 라인(339.2) 상에 배치된다. 제 1 축선(307)을 중심으로 한 제 1 미러(306)의 선회 이동에 의해 두 개의 상호 교차하는 라인 중 제 1 라인(339.1)을 따라 초점(340)의 이동이 이루어지기 때문에, 이를 위해서는 제 1 미러(306)의 적당한 방위 설정이면 충분하다. CCD 이미지 센서(303)에 의해 촬영한 장면을 녹화하여 표지(338)를 이들 장면에 전달함으로써 초점(340)이 제 2 라인(339.2)에 정확하게 위치하고 있는지 여부를 확인할 수 있도록 하기 위하여, 제 1 축선(307)을 중심으로 제 1 미러(306)가 이동하는 경우 레이저 빔(100)의 초점(340)이 항상 노즐(37)의 포트의 옆을 통과하여 이동하도록, 제 5 단계의 개시 시에, 제 2 미러(308)가 제 2 축선(309)을 중심으로 다소 선회 이동된다. 초점(340)이 표지(338)의 제 2 라인(339.2)에 배치되자마자, 도 5e에 도시된 바와 같이, 제 1 축선(307)을 중심으로 한 제 1 미러(306)의 방위가 제 2 위치 설정 매개 변수로서 저장된다.

이러한 방법의 제 6 단계에서는, 제 2 미러(308)가 제 1 위치 설정 매개 변수에 따라 제 2 축선(309)을 중심으로 배향되며, 제 1 미러(306)가 제 2 위치 설정 매개 변수에 따라 제 1 축선(307)을 중심으로 배향된다. 따라서, 레이저 빔(100)의 초점(340)이 노즐(37)의 포트에 배치되며, 레이저 빔(100)이 노즐(37)에 의해 발생되는 액체 제트(200)에 결합된다. 이러한 유형의 레이저 빔(100)의 초점(340)의 위치 설정의 경우, 레이저 빔(100)의 광이 노즐 개구의 포트 둘레 노즐 부분으로부터 CCD 이미지 센서(303)로 반사되지 않기 때문에, CCD 이미지 센서(303)에 의해 촬영된 장면에서는 초점(304)을 볼 수 없다. 따라서, 도 5f에서는 레이저 빔(100)의 초점(340)이 표지(338)의 중심에 파선으로만 도시되어 있다.

전술한 방법이 수행될 수 있도록 하기 위하여, 액체 제트 레이저 공작 기계(300)는 제 1 및 제 2 위치 설정 매개 변수를 저장하기 위한 메모리, 그리고 표지를 저장하기 위한 중간 메모리를 포함할 수도 있다. 또한, 액체 제트 레이저 공작 기계(300)는 랜스(301)의 제 3 암(302.3)에서의 시준 유닛(305)의 위치 설정을 제어하며 또한 제 1 또는 제 2 축선(307, 309)을 중심으로 한 제 1 및 제 2 미러(306, 308)의 방위를 제어하기 위한 제어 유닛을 포함할 수도 있다. 그러나, 이러한 메모리, 중간 메모리 또는 제어 유닛이 액체 제트 레이저 공작 기계(300)와 별개로 구성될 수도 있다. 이에 따라, 메모리, 중간 메모리 및 제어 유닛이, 예를 들어, 액체 제트 레이저 공작 기계가 연결되는 컴퓨터에 의해 형성될 수도 있다.

제 2 발명은 액체 제트 레이저 공작 기계(300) 및 도 5a 내지 도 5f를 참조하여 상세히 설명된 방법으로만 제한되는 것은 아니다. 이에 따라, 액체 제트 레이저 공작 기계(300)가, 예를 들어, 다른 기계 가공 헤드를 포함할 수도 있다. 또한, 랜스 및 랜스의 암이 다른 방식으로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 랜스가 접합부로부터 연장되는 어떠한 암도 구비하지 않도록 랜스에 접합부가 마련되지 않을 수도 있다. 또한, 두 개의 미러가 다른 방식으로 배치될 수도 있으며, 다른 방식으로 정렬될 수도 있고, 다른 방식으로 정렬된 축선을 중심으로 선회 가능할 수도 있다.

또한, 액체 제트 레이저 공작 기계가 CCD 카메라가 아닌 다른 유형의 이차원 이미지 센서를 구비할 수도 있다. 또한, 전체 시준 유닛이 빔 방향 또는 빔 방향의 반대 방향으로 이동 가능할 필요가 없을 수도 있다. 이에 따라, 시준 유닛이 또한, 예를 들어, 단지 개별적인 이동 가능 구성 요소를 구비할 수도 있다. 마찬가지로, 그러나, 액체 제트 레이저 공작 기계가 이러한 유형의 시준 유닛을 포함하지 않고 단지 광학 유닛만을 포함할 수도 있다. 실시예에 따라, 광학 유닛이 기계 가공 헤드에 할당될 수도 있으며, 또는 기계 가공 헤드와 별개로 매입되도록 형성될 수도 있다.

또한, 액체 제트 레이저 공작 기계의 노즐의 노즐 개구에 레이저 빔의 초점을 맞추어 레이저 빔을 노즐 개구에 의해 발생되는 액체 제트에 결합하기 위한 방법이 앞서 상세히 설명된 방법으로만 제한되는 것은 아니다. 이에 따라, 방법이, 예를 들어, 추가 단계를 포함할 수도 있다. 또한, 전술한 각각의 단계의 수정 또는 생략이 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 두 개의 상호 교차하는 라인을 갖는 표지의 수정은 생략될 수도 있다. 이 단계가 대체 단계 없이 제거될 수도 있고, 또는 그외 다른 라인이 표지에 추가되는 단계로 교체될 수도 있다.

요약하면, 대상물의 삼차원 기계 가공이 또한 가능한 액체 제트 레이저 공작 기계용 기계 가공 헤드가 달성된다. 또한, 액체 제트로의 레이저 빔의 결합을 간소화하는 액체 제트 레이저 공작 기계가 달성된다. 또한, 이러한 유형의 액체 제트 레이저 공작 기계의 노즐의 노즐 개구에 레이저 빔의 초점을 맞추기 위한 방법이 달성되며, 이러한 방법은 액체 제트로의 레이저 빔의 결합을 간소화한다.

1: 기계 가공 헤드 2: 광학 유닛
3: 결합 유닛 20: 광학 구성 요소
32: 액체 챔버 33: 노즐
37: 노즐 개구 50: 액체 인터페이스
100: 레이저 빔 200: 액체 제트

Claims (4)

1. 액체 제트 레이저 공작 기계(300)의 노즐 블록(33)의 노즐(37)에 레이저 빔(100)의 초점을 맞추어 상기 노즐(37)에 의해 발생되는 액체 제트(200)에 상기 레이저 빔(100)을 결합하기 위한 방법에 있어서,
   상기 레이저 빔(100)으로부터의 레이저 광이 노즐(37)의 포트 둘레 노즐 블록(33) 부분으로부터 이차원 이미지 센서(303)를 향해 반사되도록 상기 레이저 빔(100)의 초점이 노즐(37)의 포트를 중심으로 해제되며, 상기 노즐(37)의 포트 둘레 노즐 블록(33) 부분의 장면이 상기 이미지 센서(303)에 의해 촬영되고, 이 촬영 장면에서 상기 노즐(37)의 포트가 확인 가능한 제 1 단계를 포함하고, 상기 이미지 센서(303)에 의해 촬영된 장면에서 노즐(37)이 표지(338)를 사용하여 표시되며, 상기 표지는 이미지 센서(303)에 의해 촬영되는 다른 장면에 상기 노즐(37)의 위치를 설정하기 위해 상기 다른 장면으로 전달 가능한 제 2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 제트에 레이저 빔을 결합하기 위한 레이저 빔의 초점 맞춤 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 표지(338)는 두 개의 수직 방향으로 교차하는 직선(339.l, 339.2)에 의해 수정되며, 이들 직선의 교차점이 상기 노즐(37)의 중심에 배치되는 것을 특징으로 하는 액체 제트에 레이저 빔을 결합하기 위한 레이저 빔의 초점 맞춤 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 빔(100)이 상기 노즐(37)의 포트 둘레 노즐 블록(33) 부분의 일 위치에 초점이 맞추어지며, 상기 노즐(37)의 포트 둘레 노즐 블록(33) 부분의 추가 장면이 상기 이미지 센서(303)에 의해 촬영되는 추가 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 제트에 레이저 빔을 결합하기 위한 레이저 빔의 초점 맞춤 방법.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   a) 우선, 상기 레이저 빔(100)의 초점(340)이 상기 수직 방향으로 교차하는 라인 중 제 1 라인(339.1)에 위치하며 이를 위해 사용되는 제 1 위치 설정 매개 변수가 저장되는 단계와,
   b) 이어서, 상기 레이저 빔(100)의 초점(340)이 상기 수직 방향으로 교차하는 라인 중 제 2 라인(339.2)에 위치하며 이를 위해 사용되는 제 2 위치 설정 매개 변수가 저장되는 단계, 그리고
   c) 이어서, 저장된 제 1 및 제 2 위치 설정 매개 변수를 기반으로, 상기 레이저 빔(100)의 초점(340)이 상기 노즐(37)의 포트에 배치되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 제트에 레이저 빔을 결합하기 위한 레이저 빔의 초점 맞춤 방법.
   

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