KR102375426B1 - 레이저 가공장치 및 그것의 제어방법 - Google Patents

Abstract

포커싱 유닛의 위치 및 워터젯 유닛의 위치가 고정되어서, 레이저 빔의 초점을 워터젯 내부에 위치시키기 위한 레이저 빔의 정밀 위치 제어를 쉽게 할 수 있는 레이저 가공장치 및 그것의 제어방법이 제공된다.
이를 위해, 본 발명에 따른 레이저 가공장치는, 레이저 빔을 발생시키는 레이저 빔 발생기와, 워터젯을 생성하는 노즐이 배치된 워터젯 유닛과, 상기 레이저 빔의 진행방향으로 순차 배치되는 복수개의 렌즈로 구성되어 입사되는 상기 레이저 빔을 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 조사하는 포커싱 렌즈 유닛과, 상기 워터젯 수평단면에 대해 평행한 방향으로 입사되는 레이저 빔을 상기 포커싱 렌즈 유닛으로 반사하여 상기 포커싱 렌즈 유닛이 조사하는 상기 레이저 빔의 초점의 좌표 중 상기 워터젯 수평단면에 대해 평행하고 서로 직교되는 방향의 좌표인 x, y 좌표를 조절하여 상기 워터젯의 내부에 위치시키는 초점조절 미러 유닛과, 상기 레이저 빔 발생기로부터 발생된 상기 레이저 빔을 상기 초점조절 미러 유닛으로 조사하고, 상기 포커싱 렌즈 유닛이 조사하는 상기 레이저 빔의 초점의 좌표 중 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향의 좌표인 z 좌표를 조절하여 상기 워터젯의 내부에 위치시키는 다이나믹 포커싱 유닛을 포함한다.

Description

레이저 가공장치 및 그것의 제어방법{LASER PROCESSING APPARATUS AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 레이저 가공장치 및 그것의 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 워터젯의 내부에 레이저 빔의 초점을 형성하여 피가공물을 가공하는 레이저 가공장치 및 그것의 제어방법에 관한 것이다.

산업이 발전함에 따라 다양한 분야에 대한 정밀 가공 요구가 증가하고 있다. 특히, 발전용 엔진, 항공기 엔진, 산업장비의 터빈 엔진, 선박용 터빈 엔진 등의 주요 부품에 대한 정밀 가공이 필요한 상황이다. 에너지 및 항공 우주 산업의 핵심 부품인 터빈 블레이드의 냉각 홀뿐만 아니라, 임펠러와 같은 구조적으로 복잡한 부품에 대한 정밀 가공 요구가 증가하고 있다.

이러한 정밀 가공을 위하여 레이저 가공장치가 개발되고 있다. 종래의 레이저 가공장치의 경우에는 레이저 빔을 집속시키기 위하여 광학 렌즈를 사용하는데, 레이저 빔의 발산 성질 때문에 유효한 작업 거리가 불과 수 mm 정도밖에 되지 않는다. 따라서, 피가공물이 두꺼울 경우에는 이를 절단하기 어렵고, 작업 거리를 늘리기 위하여 레이저의 출력을 높이게 되면 열 손상 영역(heat affected zone)이 커지게 된다. 또한, 종래의 레이저 가공장치는 레이저 가공 과정에서 피가공물의 가공면에서 발생하는 찌꺼기가 가공면 주위에 남아서 가공물에 대한 오염 및 인체에 유해한 물질이 발생하게 된다. 또한, 종래의 레이저 가공장치는 피가공물의 가공 테이퍼 각도나 가공 폭(종횡비) 등을 조절하는 것이 제한되었다.

상기와 같은 종래의 레이저 가공장치의 문제점을 해결하기 위해, 피가공물의 가공면에 워터젯을 분사하는 워터젯 유닛을 구비하여, 상기 워터젯의 내부로 레이저 빔의 초점을 위치시켜, 상기 워터젯을 통하여 레이저 에너지가 전달되도록 하여 피가공물의 가공면을 가공하는 레이저 가공장치가 개발되었다.

도 1은 종래 기술에 따른 레이저 가공장치를 나타내는 개요도이다.

도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 레이저 가공장치는, 레이저 빔 발생기(1)와, 빔 익스팬더(2)와, 빔 분리기(3)와, 포커싱 렌즈(4)와, 레이저 빔 감지센서(5)와, 워터젯 유닛(6)으로 구성된다.

레이저 빔 발생기(1)는 레이저 빔을 생성한다. 레이저 빔 발생기(1)는 생성한 빔을 하면에서 아래로 조사한다. 레이저 빔 발생기(1)는 레이저 빔을 생성하여 빔 익스팬더(2)로 조사한다.

빔 익스팬더(2)는 레이저 빔 발생기(1)로부터 하측으로 이격되어 배치된다. 빔 익스팬더(2)는 레이저 빔 발생기(1)로부터 조사되는 레이저 빔이 입사된다. 빔 익스팬더(2)는 레이저 빔 발생기(1)로부터 입사되는 레이저 빔의 단면 두께를 확장시킨다. 빔 익스팬더(2)는 확장된 레이저 빔을 하면에서 아래로 조사한다. 빔 익스팬더(2)는 레이저 빔의 단면을 확장시켜서 빔 분리기(3)로 조사한다.

빔 분리기(3)는 빔 익스팬더(2)로부터 입력되는 레이저 빔을 두 개로 분리하여, 분리된 레이저 빔 중, 어느 하나는 포커싱 렌즈(4)로 조사하고, 다른 하나는 레이저 빔 감지센서(5)로 조사한다. 빔 분리기(3)는 빔 익스팬더(2)로부터 입사되는 레이저 빔을 수직방향 및 수평방향으로 분리하며, 수직방향으로 분리된 레이저 빔은 포커싱 렌즈(4)로 조사하고, 수평방향으로 분리된 레이저 빔은 레이저 빔 감지센서(5)로 조사한다.

포커싱 렌즈(4)는 빔 분리기(3)로부터 하측으로 이격되어 배치된다. 빔 분리기(3)에서 수직방향으로 이동되는 레이저 빔은 포커싱 렌즈(4)로 입력된다. 포커싱 렌즈(4)는 빔 분리기(3)로부터 입력되는 레이저 빔의 초점을 형성시킨다.

워터젯 유닛(6)은 포커싱 렌즈(4)로부터 하측으로 이격되어 배치된다. 워터젯 유닛(6)은 워터펌프(7)와 호스(7a)를 통해 연결되어, 워터펌프(7)로부터 워터젯(8a)을 생성하기 위한 물을 제공받는다. 워터젯 유닛(6)의 내부에는 워터펌프(7)로부터 제공되는 물이 유입되는 챔버가 형성되고, 상기 챔버로 유입된 물은 워터젯 유닛(6)의 하측에 배치된 노즐(8)을 통해 분사되어 워터젯(8a)을 생성시킨다.

한편, 레이저 빔 감지센서(5)는 빔 분리기(3)로부터 수평방향으로 이격되어 배치된다. 빔 분리기(3) 및 레이저 빔 감지센서(5) 사이에는 렌즈(9)가 배치될 수 있고, 빔 분리기(3)에서 수평방향으로 이동되는 레이저 빔은 렌즈(9)에서 집광되어 레이저 빔 감지센서(5)로 입사된다. 레이저 빔 감지센서(5)는 카메라센서로 형성될 수 있고, 입력되는 레이저 빔의 파워 및 위치를 감지하여, 감지된 레이저 빔의 파워 및 위치에 대한 정보를 제어부로 입력할 수 있고, 상기 제어부는 레이저 빔 감지센서(5)로부터 입력되는 레이저 빔의 파워 및 위치에 대한 정보에 따라, 레이저 빔 발생기(1), 포키싱 렌즈(4)의 위치, 워터젯 유닛(6)의 위치 및 워터펌프(7)를 제어할 수 있다.

그런데, 포커싱 렌즈(4)로부터 조사되는 레이저 빔의 초점이 워터젯(8a)의 내부에 위치될 수 있도록 하기 위해, 종래 기술에 따른 레이저 가공장치는 포커싱 렌즈(4)의 상하 높이를 조절하고, 워터젯 유닛(8)의 수평위치를 조절하여야 하였다.

따라서, 상기 종래 기술에 따른 레이저 가공장치는, 피가공물의 가공면에 조사되는 레이저 빔의 초점을 형성하는 포커싱 렌즈(4)와, 상기 피가공물의 가공면에 워터젯(8a)을 분사하는 워터젯 유닛(6)이 모두 움직이게 되므로, 레이저 빔의 초점을 워터젯(8a) 내부에 위치시키기 위한 레이저 빔의 정밀 위치 제어가 복잡한 문제점이 있었다.

본 발명이 해결하려는 과제는, 포커싱 렌즈 유닛의 위치와 워터젯을 생성하는 워터젯 유닛의 위치를 움직이지 않고, 레이저 빔의 초점을 워터젯 내부에 위치시키기 위한 레이저 빔의 정밀 위치 제어를 쉽게 할 수 있는 레이저 가공장치 및 그것의 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이저 가공장치는 레이저 빔 발생기, 워터젯 유닛, 포커싱 렌즈 유닛, 초점조절 미러 유닛 및 다이나믹 포커싱 유닛으로 구성된다. 상기 레이저 빔 발생기는 레이저 빔을 발생시킨다. 상기 워터젯 유닛에는 워터젯을 생성하는 노즐이 배치된다. 상기 포커싱 렌즈 유닛은 복수개의 렌즈로 구성된다. 상기 복수개의 렌즈는 상기 레이저 빔의 진행방향으로 순차 배치된다. 상기 포커싱 렌즈 유닛은 입사되는 상기 레이저 빔을 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 조사한다. 상기 초점조절 미러 유닛은 상기 워터젯 수평단면에 대해 평행한 방향으로 입사되는 레이저 빔을 상기 포커싱 렌즈 유닛으로 반사한다. 상기 초점조절 미러 유닛은 상기 포커싱 렌즈 유닛이 조사하는 상기 레이저 빔의 초점의 좌표 중 상기 워터젯 수평단면에 대해 평행하고 서로 직교되는 방향의 좌표인 x, y 좌표를 조절하여 상기 워터젯의 내부에 위치시킨다. 상기 다이나믹 포커싱 유닛은 상기 레이저 빔 발생기로부터 발생된 상기 레이저 빔을 상기 초점조절 미러 유닛으로 조사한다. 상기 다이나믹 포커싱 유닛은 상기 포커싱 렌즈 유닛이 조사하는 상기 레이저 빔의 초점의 좌표 중 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향의 좌표인 z 좌표를 조절하여 상기 워터젯의 내부에 위치시킨다.

상기 초점조절 미러 유닛은 제1 초점조절 미러 및 제2 초점조절 미러로 구성될 수 있다. 상기 제1 초점조절 미러는 상기 다이나믹 포커싱 유닛으로부터 상기 워터젯 수평단면에 대해 평행한 방향으로 입사되는 상기 레이저 빔을 상기 워터젯 수평단면에 대해 경사진 방향으로 조사할 수 있다. 상기 제2 초점조절 미러는 상기 제1 초점조절 미러로부터 입사되는 상기 레이저 빔을 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 조사할 수 있다.

상기 복수개의 렌즈는 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈, 제5 렌즈, 제6 렌즈 및 제7 렌즈로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 렌즈의 일면은 상기 초점조절 미러 유닛으로부터 상기 레이저 빔이 입사될 수 있다. 상기 제1 렌즈의 일면은 볼록하게 형성될 수 있다. 상기 제1 렌즈의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다. 상기 제2 렌즈의 일면은 상기 제1 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 상기 제2 렌즈의 일면은 평평하게 형성될 수 있다. 상기 제2 렌즈의 타면은 오목하게 형성될 수 있다. 상기 제3 렌즈의 일면은 상기 제2 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 상기 제3 렌즈의 일면은 오목하게 형성될 수 있다. 상기 제3 렌즈의 타면은 평평하게 형성될 수 있다. 상기 제4 렌즈의 일면은 상기 제3 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 상기 제4 렌즈의 일면은 오목하게 형성될 수 있다. 상기 제4 렌즈의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다. 상기 제5 렌즈의 일면은 상기 제4 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 상기 제5 렌즈의 일면은 오목하게 형성될 수 있다. 상기 제5 렌즈의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다. 상기 제6 렌즈의 일면은 상기 제5 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 상기 제6 렌즈의 일면은 볼록하게 형성될 수 있다. 상기 제6 렌즈의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다. 상기 제7 렌즈의 일면은 상기 제6 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 상기 제7 렌즈의 일면은 평평하게 형성될 수 있다. 상기 제7 렌즈의 타면은 평평하게 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제5 렌즈의 일면, 상기 제4 렌즈의 일면, 상기 제1 렌즈의 타면, 상기 제6 렌즈의 일면, 상기 제6 렌즈의 타면, 상기 제1 렌즈의 일면, 상기 제2 렌즈의 타면, 상기 제5 렌즈의 타면, 상기 제4 렌즈의 타면 및 상기 제3 렌즈의 일면의 순서대로, 곡률반경이 점차 작게 형성될 수 있다.

상기 복수개의 렌즈는 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈, 제4 렌즈 및 제5 렌즈로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 렌즈의 일면은 상기 초점조절 미러 유닛으로부터 상기 레이저 빔이 입사될 수 있다. 상기 제1 렌즈의 일면은 볼록하게 형성될 수 있다. 상기 제1 렌즈의 타면은 오목하게 형성될 수 있다. 상기 제2 렌즈의 일면은 상기 제1 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 상기 제2 렌즈의 일면은 오목하게 형성될 수 있다. 상기 제2 렌즈의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다. 상기 제3 렌즈의 일면은 상기 제2 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 상기 제3 렌즈의 일면은 오목하게 형성될 수 있다. 상기 제3 렌즈의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다. 상기 제4 렌즈의 일면은 상기 제3 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 상기 제4 렌즈의 일면은 볼록하게 형성될 수 있다. 상기 제4 렌즈의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다. 상기 제5 렌즈의 일면은 상기 제4 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 상기 제5 렌즈의 일면은 오목하게 형성될 수 있다. 상기 제5 렌즈의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제5 렌즈의 타면, 상기 제5 렌즈의 일면, 상기 제4 렌즈의 일면, 상기 제1 렌즈의 일면, 상기 제1 렌즈의 타면, 상기 제4 렌즈의 타면, 상기 제3 렌즈의 타면, 상기 제3 렌즈의 일면, 상기 제2 렌즈의 타면 및 상기 제2 렌즈의 일면의 순서대로, 곡률반경이 점차 작게 형성될 수 있다.

상기 복수개의 렌즈는 제1 렌즈, 제2 렌즈, 제3 렌즈 및 제4 렌즈로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 렌즈의 일면은 상기 초점조절 미러 유닛으로부터 상기 레이저 빔이 입사될 수 있다. 상기 제1 렌즈의 일면은 볼록하게 형성될 수 있다. 상기 제1 렌즈의 타면은 오목하게 형성될 수 있다. 상기 제2 렌즈의 일면은 상기 제1 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 상기 제2 렌즈의 일면은 오목하게 형성될 수 있다. 상기 제2 렌즈의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다. 상기 제3 렌즈의 일면은 상기 제2 렌즈의 타면과 접촉 배치될 수 있다. 상기 제3 렌즈의 일면은 오목하게 형성될 수 있다. 상기 제3 렌즈의 타면은 오목하게 형성될 수 있다. 상기 제4 렌즈의 일면은 상기 제3 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 상기 제4 렌즈의 일면은 오목하게 형성될 수 있다. 상기 제4 렌즈의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 렌즈의 일면, 상기 제3 렌즈의 타면, 상기 제2 렌즈의 타면, 상기 제2 렌즈의 일면, 상기 제1 렌즈의 타면 및 상기 제4 렌즈의 일면의 순서대로, 곡률반경이 점차 작게 형성될 수 있다. 또한, 상기 제3 렌즈의 일면은 상기 제2 렌즈의 타면과 곡률반경이 같게 형성될 수 있다. 또한, 상기 제4 렌즈의 타면은 상기 제4 렌즈의 일면과 곡률반경이 같게 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 레이저 가공장치에는 반사 미러 유닛이 더 구성될 수 있다. 상기 반사 미러 유닛은 상기 다이나믹 포커싱 유닛으로부터 조사되는 레이저 빔을 상기 초점조절 미러 유닛으로 조사할 수 있다.

상기 반사 미러 유닛은 제1 반사 미러 및/또는 제2 반사 미러로 구성될 수 있다. 상기 제1 반사 미러는 상기 다이나믹 포커싱 유닛으로부터 상기 워터젯 수평단면에 대해 수평방향으로 입사되는 상기 레이저 빔을 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 조사할 수 있다. 상기 제2 반사 미러는 상기 제1 반사 미러로부터 입사되는 상기 레이저 빔을 상기 초점조절 미러 유닛으로 반사할 수 있다.

본 발명에 따른 레이저 가공장치에는 빔 형상조절 유닛이 더 구성될 수 있다. 여기서, 상기 빔 형상조절 유닛은 콜리메이터, 빔익스팬더, 빔변환장치, 공간필터 중에 하나 이상을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 레이저 가공장치의 상기 빔 형상조절 유닛은 상기 레이저 빔 발생기와 다이나믹 포커싱 유닛 사이 또는 상기 다이나믹 포커싱 유닛과 초점조절 미러 유닛 사이에 형성될 수 있다.

상기 빔 형상조절 유닛은 상기 레이저 빔 발생기에서 생성한 상기 레이저 빔의 단면을 확장시켜 상기 다이나믹 포커싱 유닛으로 조사할 수 있다.

본 발명에 따른 레이저 가공장치에는 제1 센서, 제2 센서 및 제어부가 더 구성될 수 있다. 상기 제1 센서는 상기 초점조절 미러 유닛으로 입사되는 상기 레이저 빔과 동축 상에 배치될 수 있다. 상기 제1 센서는 상기 초점조절 미러 유닛으로부터 조사되는 상기 레이저 빔의 방향을 감지할 수 있다. 상기 제2 센서는 상기 다이나믹 포커싱 유닛으로부터 조사되는 상기 레이저 빔과 동축 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 센서는 상기 다이나믹 포커싱 유닛으로부터 조사되는 상기 레이저 빔의 방향을 감지할 수 있다. 상기 제어부는 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서로부터 입력되는 감지값을 이용하여 상기 레이저 빔의 초점의 좌표인 상기 x, y, z 좌표를 판단할 수 있다. 상기 제어부는 상기 레이저 빔의 초점이 상기 워터젯의 내부에 위치하도록, 상기 초점조절 미러 유닛 및 상기 다이나믹 포커싱 유닛을 제어할 수 있다.

상기 제1 센서는 상기 초점조절 미러 유닛으로부터 조사되는 상기 레이저 빔과 동축 상에 배치될 수 있다.

상기 제1 센서 및/또는 상기 제2 센서는 상기 다이나믹 포커싱 유닛으로부터 조사되는 상기 레이저 빔의 파워를 더 감지할 수 있다. 상기 제어부는 상기 제1 센서 또는 상기 제2 센서로부터 입력되는 상기 레이저 빔의 파워 감지값을 더 이용하여, 상기 레이저 빔 발생기 또는 상기 레이저 빔 발생기 외부에 별도로 설치된 레이저 어테뉴에이터를 제어하여, 상기 워터젯의 내부로 조사되는 상기 레이저 빔의 파워를 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 레이저 가공장치의 제어방법은, 레이저 빔을 발생시키는 레이저 빔 발생기와, 워터젯을 생성하는 노즐이 형성된 워터젯 유닛과, 상기 레이저 빔의 진행방향으로 순차 배치되는 복수개의 렌즈로 구성되어 입사되는 상기 레이저 빔을 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 조사하는 포커싱 렌즈 유닛과, 상기 워터젯 수평단면에 대해 평행한 방향으로 입사되는 레이저 빔을 상기 포커싱 렌즈 유닛으로 반사하여 상기 포커싱 렌즈 유닛이 조사하는 상기 레이저 빔의 초점의 좌표 중 상기 워터젯 수평단면에 대해 평행하고 서로 직교되는 방향의 좌표인 x, y 좌표를 조절하여 상기 워터젯의 내부에 위치시키는 초점조절 미러 유닛과, 상기 레이저 빔 발생기로부터 발생된 상기 레이저 빔을 상기 초점조절 미러 유닛으로 조사하고 상기 포커싱 렌즈 유닛이 조사하는 상기 레이저 빔의 초점의 좌표 중 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향의 좌표인 z 좌표를 조절하여 상기 워터젯의 내부에 위치시키는 다이나믹 포커싱 유닛을 포함하는 레이저 가공장치의 제어방법이다. 본 발명에 따른 레이저 가공장치의 제어방법은 제1 레이저 빔 감지단계, 제2 레이저 빔 감지단계 및 레이저 빔 초점 위치 조절단계로 구성된다. 상기 제1 레이저 빔 감지단계에서는 상기 초점조절 미러 유닛으로 입사되는 상기 레이저 빔과 동축 상에 배치된 제1 센서가 상기 초점조절 미러 유닛으로 조사되는 상기 레이저 빔의 방향을 감지한다. 상기 제2 레이저 빔 감지단계에서는 상기 다이나믹 포커싱 유닛으로부터 조사되는 상기 레이저 빔과 동축 상에 배치된 제2 센서가 상기 다이나믹 포커싱 유닛으로부터 조사되는 상기 레이저 빔의 방향을 감지한다. 상기 레이저 빔 초점 위치 조절단계에서는 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서로부터 입력되는 감지값을 이용하여 상기 레이저 빔의 초점의 좌표인 상기 x, y, z 좌표를 판단하고, 상기 레이저 빔의 초점이 상기 워터젯의 내부에 위치하도록, 상기 초점조절 미러 유닛 및 상기 다이나믹 포커싱 유닛을 제어한다.

상기 제1 레이저 빔 감지 단계에서 상기 제1 센서 또는 상기 제2 레이저 빔 감지단계에서 상기 제2 센서는, 상기 레이저 빔의 파워를 더 감지할 수 있다. 상기 레이저 빔 초점 위치 조절단계에서는 상기 제1 센서 또는 상기 제2 센서로부터 입력되는 상기 레이저 빔의 파워 감지값을 더 이용하여, 상기 레이저 빔 발생기 또는 상기 레이저 빔 발생기 외부에 별도로 설치된 레이저 어테뉴에이터를 제어하여, 상기 워터젯의 내부로 조사되는 상기 레이저 빔의 파워를 조절할 수 있다. 즉, 이러한 레이저 빔의 파워는, 상기 레이저 빔 발생기 내부의 레이저 파워 장치 또는 상기 레이저 빔 발생기 외부에 별도로 설치된 레이저 어테뉴에이터를 제어할 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 복수 개의 렌즈로 이루어지는 상기 포커싱 렌즈 유닛은 적어도 하나 이상 구비될 수 있고, 상기 포커싱 렌즈 유닛은, 예를 들어 텔레센트릭 렌즈(telecentric f-theta lens)일 수 있다.

기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명에 따른 레이저 가공장치 및 그것의 제어방법에 따르면, 포커싱 렌즈 유닛이 조사하는 레이저 빔의 초점 좌표 중 x, y 좌표를 초점조절 미러 유닛이 조절하여 워터젯의 내부에 위치시키고, 상기 포커싱 렌즈 유닛이 조사하는 레이저 빔의 초점 좌표 중 z 좌표를 다이나믹 포커싱 유닛이 조절하여 워터젯의 내부에 위치시키기 때문에, 상기 포커싱 렌즈 유닛의 위치와 워터젯을 생성하는 워터젯 유닛의 위치를 움직이기 않고, 레이저 빔의 초점을 워터젯 내부에 위치시키기 위한 레이저 빔의 정밀 위치 제어를 쉽게 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 레이저 가공장치를 나타내는 개요도,
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 레이저 가공장치를 나타내는 개요도,
도 3은 도 2에 도시된 포커싱 렌즈 유닛의 제1 실시예를 나타내는 도면,
도 4는 도 2에 도시된 포커싱 렌즈 유닛의 제2 실시예를 나타내는 도면,
도 5는 도 2에 도시된 포커싱 렌즈 유닛의 제3 실시예를 나타내는 도면,
도 6은 본발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공장치를 나타내는 개요도,
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 레이저 가공장치의 제어 블록도,
도 8 및 도 9는 종래의 렌즈 유닛의 구성 예시를 나타내는 도면,
도 10 내지 도 13은 본 발명에 따른 레이저 가공장치의 예시도들,
도 14는 본 발명과 종래 레이저 빔에 조사에 따른 노즐을 나타내는 비교도,
도 15 내지 도 16은 본 발명에 따른 레이저 가공장치의 예시도들이다.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 레이저 가공장치 및 그것의 제어방법을 도면들을 참고하여 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 레이저 가공장치를 나타내는 개요도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 레이저 가공장치는, 레이저 빔 발생기(10), 빔 형상조절 유닛(20), 다이나믹 포커싱 유닛(30), 반사 미러 유닛(40), 초점조절 미러 유닛(50), 포커싱 렌즈 유닛(60) 및 워터젯 유닛(70)을 포함할 수 있다.

레이저 빔 발생기(10)는 레이저 빔을 발생시킬 수 있다. 레이저 빔 발생기(10)는 발생시킨 레이저 빔을 빔 형상조절 유닛(20)으로 조사할 수 있다. 레이저 빔 발생기(10)는 발생시킨 레이저 빔을 워터젯 수평단면에 대해 평행한 방향으로 조사할 수 있다. 레이저 빔 발생기(10)는 발생시킨 레이저 빔을 도면상 수평방향으로 조사하여서 빔 형상조절 유닛(20)으로 조사할 수 있다.

도시되지는 않았으나, 상기 피가공물은 워터젯 유닛(70)에서 생성되는 워터젯(75)의 하측에 배치될 수 있고, 상기 피가공물의 상기 워터젯 수평단면은 도 2의 도면 상 워터젯(75)의 방향에 대해 직교되는 방향인 수평방향으로 배치된다. 이하, 설명에서 수평방향은 상기 워터젯 수평단면에 대해 평행한 방향을 의미할 수 있고, 수직방향은 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향을 의미할 수 있다.

또, 빔 형상조절 유닛(20)은 콜리메이터, 빔 익스팬터, 빔 변환장치 및 공간필터를 포함할 수 있고, 레이저 빔 발생기(10)와 다이나믹 포커싱 유닛(30) 사이 또는 다이나믹 포커싱 유닛(30)과 초점 위치조절 미러 유닛(50) 사이에 설치될 수 있다.

여기서, 상기 빔 변환장치는 레이저발생기, 콜리메이터, 빔 익스팬더 등으로부터 전달받은 평행 빔의 에너지 분포를 변환시키는 장치일 수 있다. 상기 빔 변환장치는 레이저 빔의 가우시안 빔(Gaussian Beam Profile) 형태를 에너지 분포가 균일한 플랫 탑 빔(Flat-top Beam) 형태로 변환시켜주는 장치일 수 있다. 상기 빔 변환장치는 간단한 조리개 마스킹(Simple aperture masking), 페이즈 슬릿에 적합한 1차원 빔 쉐이핑(1D beam shaping with adjustable phase slit), 적어도 두개의 비구면 소자와 굴절 광학계(refractive optical systems with at least two aspheric elements), 단일 이중 비구면 요소(single bi-aspheric element), 반사 광학 시스템(reflective optical systems) 및 바이너리 회절광학 (binary diffractive optics) 등의 광학 기술을 이용하여 제작할 수 있다. 상기 공간필터는 빔의 형태를 변형시켜 줄 수 있다. 슬릿이나 홀 등의 필터를 이용하여 집속 렌즈부에서 나오는 빔의 형태를 변형시켜 줄 수 있다.

빔 형상조절 유닛(20)은 레이저 빔 발생기(10)로부터 조사되어 입력되는 레이저 빔의 단면을 확장시킬 수 있다. 빔 형상조절 유닛(20)은 레이저 빔 발생기(10)에서 생성한 상기 레이저 빔의 단면을 확장시켜 다이나믹 포커싱 유닛(30)으로 조사할 수 있다. 빔 형상조절 유닛(20)은 레이저 빔 발생기(10)로부터 수평방향으로 입사되는 상기 레이저 빔의 단면을 확장시킬 수 있다. 여기서, 레이저 빔의 단면은 레이저 빔의 폭을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 레이저 빔의 원형 단면일 경우, 빔 형상조절 유닛(20)은 상기 레이저 빔의 직경을 확장시킬 수 있다.

워터젯 유닛(70)에는 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 워터젯(75)을 생성하는 노즐(71)이 배치될 수 있다. 노즐(71)은 노즐홀더를 통해 워터젯 유닛(70)에 설치될 수 있다. 노즐(71)은 워터젯 유닛(70)의 하측에 설치되어서, 워터젯(75)을 하측으로 생성시킬 수 있다.

워터젯 유닛(70)은 워터펌프(80)와 급수라인(85)을 통해 연결되어서, 워터펌프(80)로부터 워터젯(75)을 생성하기 위한 물을 공급받을 수 있다. 여기서, 급수라인(85)은 호스일 수 있으나, 반드시 호스로 한정되는 것은 아니다.

워터젯 유닛(70)의 일측에는 급수라인(85)과 연결되는 급수포트(72)가 돌출 형성될 수 있다. 급수포트(72)가 급수라인(85)을 통해 워터펌프(80)와 연결됨으로써, 워터젯 유닛(70)은 급수라인(85)을 통해 워터펌프(80)와 연결될 수 있다. 급수라인(85)의 일단은 워터펌프(80)와 연결되고, 급수라인(85)의 타단은 워터젯 유닛(70)의 일측에 형성된 급수포트(72)와 연결됨으로써, 워터젯 유닛(70)은 급수라인(85)을 통해 워터펌프(80)와 연결될 수 있다.

워터젯 유닛(70)의 내부에는 워터펌프(80)로부터 공급되는 물이 저장되는 챔버가 형성될 수 있고, 상기 챔버는 노즐(71)과 연통되어서, 상기 챔버 내로 유입된 물은 노즐(71)을 통해 상기 워터젯 수평단면으로 분사되어서, 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 워터젯(75)을 형성할 수 있다.

워터젯 유닛(70)의 상측에는 윈도우(73)가 설치될 수 있다. 윈도우(73)는 레이저 빔이 입사될 수 있게 투명하게 형성될 수 있다. 윈도우(73)는 워터젯 유닛(70)의 내부에 형성된 상기 챔버의 개방된 상측을 덮을 수 있다. 상기 레이저 빔은 윈도우(73)의 상측에서 윈도우(73)를 통과하여 상기 챔버로 입사될 수 있다. 상기 챔버로 입사된 상기 레이저 빔이 노즐(71)로 입사되어 워터젯(75) 내부에 배치되어서, 피가공물의 가공면을 가공할 수 있다.

포커싱 렌즈 유닛(60)은 복수개의 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 복수개의 렌즈는 상기 레이저 빔의 진행방향으로 순차 배치될 수 있다. 상기 복수개의 렌즈에 대해서는, 도 3 내지 도 5를 참조하여 자세하게 설명하기로 한다.

포커싱 렌즈 유닛(60)은 입사되는 상기 레이저 빔을 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 조사할 수 있다.

종래는, 도 8에 도시된 바와 같이, 레이저 빔이 포커싱 렌즈 유닛(60)의 중심으로 수직으로 입사되는 경우에 상기 레이저 빔이 전술한 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 전달되어 워터젯 내부로 레이저 빔을 집속시켜 전달되는 레이저 파워가 높아져서 레이저-워터젯 커플링 효율이 향상될 수 있다(도 11 및 도 12 참고). 그러나, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 빔이 포커싱 렌즈 유닛(60)의 중심의 외측에서 수직으로 입사되는 경우에는 상기 레이저 빔이 전술한 워터젯 수평단면에 대해 구면수차로 인하여 안쪽으로 경사진 방향으로 조사되기 때문에, 또는 상기 레이저 빔이 포커싱 렌즈 유닛(60)의 중심 또는 중심의 외측에서 경사지게 입사되는 경우에는 상기 레이저 빔이 전술한 워터젯 수평단면에 대해 구면수차로 인하여 바깥쪽으로 경사지게 조사되기 때문에, 워터젯 수평단명상에서 레이저 빔의 초점 위치를 X방향과 Y방향으로 조절하여도 X방향으로 틸트와 Y방향으로 틸트로 인하여, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이 레이저-워터젯 커플링 효율이 낮아져 워터젯 내부로 레이저 빔을 집속시켜 전달되는 레이저 파워가 낮아질 수 있고, 이에 따라 레이저 빔 모드가 변경되기 때문에 가공성(가공효율, 가공품질)이 달라질 수 있다. 또한 도 14의 좌측 도면(A)에 도시된 바와 같이 워터젯 내부의 노즐이 손상될 수 있다.

이와 비교하여, 본 발명의 포커싱 렌즈 유닛(60)은, 도 10에 도시된 바와 같이, 레이저 빔이 포커싱 렌즈 유닛으로 경사지게 조사되어도, 포커싱 렌즈 유닛의 중심으로부터 외측으로 조사되어도 전술한 워터젯 수평단면으로 직교하게 전달되어 상기 레이저 빔의 초점이 워터젯 수평단면에 형성되므로, 사용자가 레이저-워터젯 커플링 효율을 극대화되거나 조절이 필요할 때 레이저 빔의 초점 위치를 △X와 △Y만큼 정확하게 위치 조절이 가능할 수 있다(도 11 내지 도 13 참조).

따라서, 포커싱 렌즈 유닛(60)은 상기 레이저 빔이 입사되는 각도 또는 방향에 따라, 상기 레이저 빔을 전술한 워터젯 수평단면에 대해 직교 되는 방향으로 전달되어서, 본 발명의 실시예에 의한 레이저 가공장치는 레이저-워터젯 커플링 효율을 극대화하여 정밀한 가공 및 가공 생산성을 높이는 이점을 가질 수 있다.

포커싱 렌즈 유닛(60)은 워터젯 유닛(70)으로부터 상측에 배치되어서 포커싱 렌즈 유닛(60)으로 레이저 빔을 조사할 수 있고, 워터젯 유닛(70)으로 조사된 레이저 빔은 워터젯(75)의 내부에 배치될 수 있다.

초점조절 미러 유닛(50)은 상기 워터젯 수평단면에 대해 평행한 방향으로 입사되는 레이저 빔을 포커싱 렌즈 유닛(60)으로 반사할 수 있다. 초점조절 미러 유닛(50)은 포커싱 렌즈 유닛(60)의 상측에 배치될 수 있다. 초점조절 미러 유닛(50)은 상기 워터젯 수평단면에 대해 평행한 방향으로 입사되는 레이저 빔을 상기 워터젯 수평단면에 대해 수직한 방향으로 조사하여서, 포커싱 렌즈 유닛(60)으로 반사할 수 있다. 포커싱 렌즈 유닛(60)은 초점조절 미러 유닛(50)으로부터 반사되어 입사되는 상기 레이저 빔을 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 조사할 수 있다.

초점조절 미러 유닛(50)은 포커싱 렌즈 유닛(60)이 조사하는 상기 레이저 빔의 초점의 좌표 중 상기 워터젯 수평단면에 대해 평행하고 서로 직교되는 방향의 좌표인 x, y 좌표를 조절하여 워터젯(75)의 내부에 위치시킬 수 있다. 여기서, 상기 x, y 좌표는, 도 2의 도면 상 수평방향의 평면을 의미할 수 있다.

다이나믹 포커싱 유닛(30)은 레이저 빔 발생기(10)로부터 발생된 상기 레이저 빔을 초점조절 미러 유닛(50)으로 조사할 수 있다. 레이저 빔 발생기(10) 및 다이나믹 포커싱 유닛(30) 사이에 빔 형상조절 유닛(20)이 구비되는 경우, 빔 형상조절 유닛(20)은 레이저 빔 발생기(10)로부터 입사되는 레이저 빔을 다이나믹 포커싱 유닛(30)으로 조사할 수 있다. 다이나믹 포커싱 유닛(30)은 빔 형상조절 유닛(20)으로부터 입사되는 레이저 빔의 조사 방향을 조절할 수 있다.

다이나믹 포커싱 유닛(30)은 포커싱 렌즈 유닛(60)이 조사하는 상기 레이저 빔의 초점의 좌표 중 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향의 좌표인 z 좌표를 조절하여 워터젯(75)의 내부에 위치시킬 수 있다. 여기서, 상기 z 좌표는 도 2의 도면 상 수직방향의 높이를 의미할 수 있다.

상기와 같이, 포커싱 렌즈 유닛(60)으로부터 조사되는 상기 레이저 빔의 초점을 워터젯(75)의 내부에 위치시키기 위해, 초점조절 미러 유닛(50)이 상기 레이저 빔의 초점 중 상기 x, y 좌표를 조절하고, 다이나믹 포커싱 유닛(30)이 상기 레이저 빔의 초점 중 상기 z 좌표를 조절하기 때문에, 상기 레이저 빔의 초점을 형성하는 포커싱 렌즈 유닛(60)의 위치가 고정되고, 워터젯(75)을 형성하는 워터젯 유닛(70)의 위치가 고정되므로, 본 발명의 실시예에 의한 레이저 가공장치는 워터젯(75)의 내부에 상기 레이저 빔의 초점을 위치시키기 위한 정밀 제어를 쉽게 할 수 있는 이점을 가질 수 있다.

초점조절 미러 유닛(50)은 제1 초점조절 미러(51) 및 제2 초점조절 미러(52)를 포함할 수 있다.

제1 초점조절 미러(51)는 다이나믹 포커싱 유닛(30)으로부터 워터젯 수평단면에 대해 평행한 방향으로 입사되는 상기 레이저 빔을 상기 워터젯 수평단면에 대해 경사진 방향으로 조사할 수 있다.

제2 초점조절 미러(52)는 제1 초점조절 미러(51)로부터 입사되는 상기 레이저 빔을 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 조사할 수 있다.

다이나믹 포커싱 유닛(30) 및 초점조절 미러 유닛(50) 사이에는 반사 미러 유닛(40)이 배치될 수 있다. 반사 미러 유닛(40)은 다이나믹 포커싱 유닛(30)으로부터 조사되는 레이저 빔을 초점조절 미러 유닛(50)으로 조사할 수 있다.

다이나믹 포커싱 유닛(30)은 빔 형상조절 유닛(20)으로부터 입사되는 레이저 빔을 반사 미러 유닛(40)으로 조사할 수 있고, 반사 미러 유닛(40)은 다이나믹 포커싱 유닛(30)으로부터 입사되는 레이저 빔을 초점조절 미러 유닛(50)으로 조사할 수 있으며, 초점조절 미러 유닛(50)은 반사 미러 유닛(40)으로부터 입사되는 레이저 빔을 포커싱 렌즈 유닛(60)으로 조사할 수 있다.

반사 미러 유닛(40)은 제1 반사 미러(41) 및 제2 반사 미러(42)를 포함할 수 있다.

제1 반사 미러(41)는 다이나믹 포커싱 유닛(30)으로부터 상기 워터젯 수평단면에 대해 수평방향으로 입사되는 상기 레이저 빔을 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 조사할 수 있다. 제1 반사 미러(41)는 다이나믹 포커싱 유닛(30)으로부터 수평방향으로 입사되는 레이저 빔을 수직방향으로 조사할 수 있다.

제2 반사 미러(42)는 제1 반사 미러(41)로부터 입사되는 상기 레이저 빔을 초점조절 미러 유닛(50)으로 반사할 수 있다. 제2 반사 미러(42)는 제1 반사 미러(41)로부터 입사되는 상기 레이저 빔을 제1 초점조절 미러(51)로 반사할 수 있다. 제2 반사 미러(42)는 제1 반사 미러(41)로부터 수직방향으로 입사되는 레이저 빔을 수평방향으로 조사할 수 있다.

반사 미러 유닛(40)의 제1 반사 미러(41) 및 제2 반사 미러(42)는 전기&전자 제어가 가능한 모터 또는 회전 구동부가 결합된 모듈일 수 있다. 상기 전기&전자 제어가 가능한 모터는 피에조 엑추에이터, 리니어 모터, 서보 모터, 갈바노미터 모터, MEMS 디바이스 등의 하나일 수 있다. 상기 전기&전자 제어가 가능한 모터로 구성된 반사 미러 유닛(40)을 사용할 경우, 초점조절 미러 유닛(50)을 사용하지 않고 x, y 방향으로의 상기 레이저 빔의 초점 위치를 제어할 수 있다.

제1 초점조절 미러(51)는 사방향으로 회전 가능하게 배치되어, 제2 초점조절 미러(52)로 조사되는 레이저 빔의 방향을 조절함으로써, 상기 x, y 좌표를 조절할 수 있다. 제1 초점조절 미러(51)는 적어도 하나의 모터와 연결되어서, 상기 적어도 하나의 모터가 후술할 제어부(93)에 의해 제어되어 구동됨으로써, 상기 제1 초점조절 미러(51)는 사방향으로 회전될 수 있다.

제2 초점조절 미러(52)는 고정 배치될 수 있다. 제2 초점조절 미러(52)는 제1 초점조절 미러(51)로부터 입사되는 레이저 빔을 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 조사하여서 포커싱 렌즈 유닛(60)으로부터 조사할 수 있다.

다이나믹 포커싱 유닛(30)은 제1 반사 미러(41)로 조사하는 레이저 빔의 수직방향 위치를 조절함으로써, 상기 z 좌표를 조절할 수 있다.

초점조절 미러 유닛(50)으로 입사되는 상기 레이저 빔과 동축 상에는 제1 센서(91)가 배치될 수 있다. 구체적으로, 제1 센서(91)는 제2 반사 미러(42)로부터 제1 초점조절 미러(51)로 입사되는 레이저 빔과 동축 상에 배치될 수 있다. 제1 센서(91)는 초점조절 미러 유닛(50)으로부터 조사되는 상기 레이저 빔과 동축 상에 배치될 수도 있다.

제1 센서(91)과 제2 센서(92)는 레이저 빔의 방향(위치, 각도) 감지 센서, 이미지 렌즈를 포함한 카메라, 레이저 에너지(파워) 측정 센서, 레이저 빔 프로파일 측정 센서, 열분포 측정 센서 등으로 구성될 수 있고, 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.

제1 센서(91)는 초점조절 미러 유닛(50)으로부터 조사되는 레이저 빔의 방향을 감지할 수 있다. 구체적으로, 제1 센서(91)는 제1 초점조절 미러(51)가 제2 초점조절 미러(52)로 조사하는 레이저 빔의 방향을 감지할 수 있다. 제1 센서(91)는 초점조절 미러 유닛(50)으로부터 조사되는 레이저 빔의 에너지 및 프로파일을 더 감지할 수 있다.

제1 센서(91)는 상기 레이저 빔의 진행방향으로 초점조절 미러 유닛(50) 다음에 배치될 수도 있다. 즉, 제1 센서(91)는 초점조절 미러 유닛(50) 및 포커싱 렌즈 유닛(60) 사이에 배치될 수도 있다.

제1 센서(91)는 워터넷 유닛(70) 내부로 조사되는 레이저 빔의 초점 위치를 모니터링할 수 있다. 또한 노즐(71) 및 워터젯(75) 단면의 화상과 노즐(71) 및 워터젯(75) 내부로 조사되는 레이저 빔의 초점의 크기와 위치를 관찰(측정)할 수 있는 렌즈와, 상기 렌즈를 통해 들어온 화상에서 노이즈를 제거하는 필터와, 상기 화상을 이미지로 촬영하는 카메라를 포함할 수 있다.

다이나믹 포커싱 유닛(30)으로부터 조사되는 상기 레이저 빔과 동축 상에는 제2 센서(92)가 배치될 수 있다. 구체적으로, 제2 센서(92)는 다이나믹 포커싱 유닛(30)이 제1 반사 미러(41)로 조사하는 레이저 빔과 동축 상에 배치될 수 있다.

제2 센서(92)는 다이나믹 포커싱 유닛(30)으로부터 조사되는 상기 레이저 빔의 방향을 감지할 수 있다. 구체적으로, 제2 센서(92)는 다이나믹 포커싱 유닛(30)이 제1 반사 미러(41)로 조사하는 레이저 빔의 방향을 감지할 수 있다. 제2 센서(92)는 다이나믹 포커싱 유닛(30)으로부터 조사되는 상기 레이저 빔의 에너지 및 프로파일을 더 감지할 수 있다.

제1 센서(91) 및/또는 제2 센서(92)가 각각 감지한 감지값은 제어부(93)로 입력될 수 있다. 제어부(93)는 제1 센서(91)로부터 입력되는 감지값을 영상으로 표시하는 모니터를 포함할 수 있다.

여기서, 제1 센서(91)와 제2 센서(92)가 구비되는 경우에는 레이저 빔의 위치 센싱 기능이 포함되어 구성될 수 있으므로, 초점조절 미러 유닛(50)이 생략될 수도 있으며, 반사 미러 유닛(40)에 의해 워터젯(75) 내부로 조사되는 레이저 초점 위치를 조절할 수 있다. 즉, 제1 센서(91)와 제2 센서(92)로부터 신호(정보)를 피드백 받아서 제1 및 제2 반사 미러 유닛(41, 42)를 사용하여 워터젯 유닛(70)에 의해 생성된 워터젯(75) 단면상에 조사되는 레이저 빔의 X, Y 위치를 조절할 수 있다.

예를 들어, 도 15에 도시된 바와 같이, 레이저 헤드로부터 출사된 빔은 두 개의 미러를 투과한 미세한 레이저 빔을 PSD(Position Sensitive Detector)를 사용하여 빔의 상대적인 위치를 실시간으로 모니터링하여 기계적 진동과 같은 외부 요인이나 레이저 헤드 내의 열적 불안 요소에 의해 빔이 틀어지는 것을 감지를 하면 원래의 위치로 복원되도록 두 개의 Piezo Actuator를 사용하여 Mirror의 위치를 자동 보정, 유지할 수 있으며, 사용자가 원하는 초점 위치로 조절이 가능하다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 제1 센서(91) 및/또는 제2 센서(92)가 생략되고 위치센서가 초점조절 미러 유닛(50)에 포함되는 구성에 대해서는 하기에서 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

제어부(93)는 제1 센서(91) 및 제2 센서(92)로부터 입력되는 감지값을 이용하여 상기 레이저 빔의 초점의 좌표인 상기 x, y, z 좌표를 판단할 수 있다.

제어부(93)는 상기 레이저 빔의 초점이 워터젯(75)의 내부에 위치하도록, 초점조절 미러 유닛(50) 및 다이나믹 포커싱 유닛(30)을 제어할 수 있다. 즉, 제어부(93)는 초점조절 미러 유닛(50) 및 다이나믹 포커싱 유닛(30)을 제어하여, 상기 레이저 빔의 초점을 워터젯(75)의 내부에 위치시킬 수 있다.

구체적으로, 제어부(93)는 제1 센서(91)로부터 입력되는 감지값에 따라 제1 초점조절 미러(51)에 연결된 상기 적어도 하나의 모터를 제어하고, 제2 센서(92)로부터 입력되는 감지값에 따라 다이나믹 포커싱 유닛(30)을 제어하여, 상기 레이저 빔의 상기 x, y, z 좌표를 워터젯(75)의 내부에 위치시킬 수 있다.

즉, 제어부(93)는 제1 센서(91) 및 제2 센서(92)로부터 입력되는 감지값을 이용하여 판단한 정보를 기반으로, 상기 레이저 빔의 초점이 워터젯(75)의 내부에 위치하도록, 초점조절 미러 유닛(50) 및 다이나믹 포커싱 유닛(30)을 제어할 수 있고, 상기 레이저 빔의 초점 위치를 보정할 수 있다.

또한, 제어부(93)는 반사 미러 유닛(40)에 포함되는 상기 전기&전자 제어가 가능한 모터를 제어할 수 있으며, 제1 센서(91) 및 제2 센서(92)로부터 입력되는 감지값을 이용하여 레이저빔의 초점 위치 좌표 중 상기 x, y 좌표를 판단하여, 상기 레이저 빔의 초점이 워터젯 내부에 위치하도록 반사 미러 유닛(40)을 제어할 수 있다.

한편, 제1 센서(91) 또는 제2 센서(92)는 다이나믹 포커싱 유닛(30)으로부터 조사되는 상기 레이저 빔의 파워를 더 감지할 수 있다. 구체적으로, 제1 센서(91) 또는 제2 센서(92)는 다이나믹 포커싱 유닛(30)이 제1 반사 미러(41)로 조사하는 레이저 빔의 파워를 더 감지할 수 있다.

제어부(93)는 제1 센서(91) 또는 제2 센서(92)로부터 입력되는 상기 레이저 빔의 파워 감지값을 더 이용하여, 레이저 빔 발생기(10) 또는 레이저 빔 발생기(10) 외부에 설치된 레이저 어테뉴에이터로부터 조사되는 레이저 빔의 파워를 측정하거나 보정할 수 있다. 즉, 이러한 레이저 빔의 파워는, 레이저 빔 발생기(10) 내부의 레이저 파워 장치(미도시) 또는 레이저 빔 발생기(10) 외부에 별도로 설치된 레이저 어테뉴에이터를 제어할 수 있다.

제1 센서(91) 또는 제2 센서(92)는 다이나믹 포커싱 유닛(30)으로부터 전달되는 상기 레이저 빔의 프로파일 또는 워터젯 유닛(70) 내부의 노즐(71) 및 워터젯(75) 내부로 조사되는 레이저 빔의 프로파일을 더 감지할 수 있다. 제어부(93)는 제1 센서(91) 또는 제2 센서(92)로부터 입력되는 상기 레이저 빔의 프로파일 감지값을 더 이용하여, 상기 레이저 빔의 초점이 워터젯(75)의 내부에 위치하도록, 반사 미러유닛(40), 초점조절유닛(50), 다이나믹 포커싱 유닛(30)을 제어할 수 있다.

제1 센서(91) 또는 제2 센서(92)는 다이나믹 포커싱 유닛(30)으로부터 전달되는 상기 레이저 빔의 열분포 또는 워터젯 유닛의 열분포 또는 워터젯 유닛 내부의 노즐의 열분포 등을 더 감지할 수 있다. 제어부(93)는 제1 센서(91) 또는 제2 센서(92)로부터 입력되는 상기 신호의 정보를 더 이용하여, 상기 레이저 빔의 초점이 워터젯(75)의 내부에 위치하도록, 반사 미러 유닛(40), 초점조절 미러 유닛(50), 다이나믹 포커싱 유닛(30)을 제어할 수 있다. 더 나아가 워터젯 유닛(70) 내부의 노즐(71)의 상태를 모니터링할 수 있다.

한편, 포커싱 렌즈 유닛(60)은 초점조절 미러 유닛(50)으로부터 입사되는 레이저 빔을 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 조사하기 위해 상기 복수개의 렌즈로 구성될 수 있는 바, 포커싱 렌즈 유닛(60)은 상기 복수개의 렌즈로 이루어진 텔레센트릭 에프쎄타 렌즈(telecentric f-theta lens)일 수 있다. 포커싱 렌즈 유닛(60)의 상기 복수개의 렌즈에 대해 도 3 내지 도 5를 참조하여 아래에서 설명하기로 한다.

도 3은 도 2에 도시된 포커싱 렌즈 유닛의 제1 실시예를 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 포커싱 렌즈 유닛(60)에 포함된 복수개의 렌즈(61A, 62A, 63A, 64A, 65A, 66A, 67A)는, 제1 렌즈(61A), 제2 렌즈(62A), 제3 렌즈(63A), 제4 렌즈(64A), 제5 렌즈(65A), 제6 렌즈(66A) 및 제7 렌즈(67A)를 포함할 수 있다.

초점조절 미러 유닛(50)이 조사하는 레이저 빔은 제1 렌즈(61A), 제2 렌즈(62A), 제3 렌즈(63A), 제4 렌즈(64A), 제5 렌즈(65A), 제6 렌즈(66A) 및 제7 렌즈(67A)를 차례로 통과할 수 있고, 제7 렌즈(67A)를 통과한 레이저 빔은 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 조사될 수 있다.

아래 설명에서, 복수개의 렌즈(61A, 62A, 63A, 64A, 65A, 66A, 67A) 각각의 일면은 도면 상 상면을 의미할 수 있고, 복수개의 렌즈(61A, 62A, 63A, 64A, 65A, 66A, 67A) 각각의 타면은 도면 상 하면을 의미할 수 있다.

제1 렌즈(61A)의 일면은 초점조절 미러 유닛(50)으로부터 상기 레이저 빔이 입사될 수 있다. 제1 렌즈(61A)의 일면은 제2 초점조절 미러(52)로부터 상기 레이저 빔이 입사될 수 있다. 즉, 제2 초점조절 미러(52)는 제1 초점조절 미러(51)로부터 입사되는 상기 레이저 빔을 제1 렌즈(61A)의 일면으로 조사할 수 있다.

제1 렌즈(61A)의 일면은 볼록하게 형성될 수 있다. 제1 렌즈(61A)의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다.

제2 렌즈(62A)의 일면은 제1 렌즈(61A)의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 제2 렌즈(62A)의 일면은 평평하게 형성될 수 있다. 제2 렌즈(62A)의 타면은 오목하게 형성될 수 있다.

제3 렌즈(63A)의 일면은 제2 렌즈(62A)의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 제3 렌즈(63A)의 일면은 오목하게 형성될 수 있다. 제3 렌즈(63A)의 타면은 평평하게 형성될 수 있다.

제4 렌즈(64A)의 일면은 제3 렌즈(63A)의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 제4 렌즈(64A)의 일면은 오목하게 형성될 수 있다. 제4 렌즈(64A)의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다.

제5 렌즈(65A)의 일면은 제4 렌즈(64A)의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 제5 렌즈(65A)의 일면은 오목하게 형성될 수 있다. 제5 렌즈(65A)의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다.

제6 렌즈(66A)의 일면은 제5 렌즈(65A)의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 제6 렌즈(66A)의 일면은 볼록하게 형성될 수 있다. 제6 렌즈(66A)의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다.

제7 렌즈(67A)의 일면은 제6 렌즈(66A)의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 제7 렌즈(67A)의 일면은 평평하게 형성될 수 있다. 제7 렌즈(67A)의 타면은 평평하게 형성될 수 있다.

제5 렌즈(65A)의 일면, 제4 렌즈(64A)의 일면, 제1 렌즈(61A)의 타면, 제6 렌즈(66A)의 일면, 제6 렌즈(66A)의 타면, 제1 렌즈(61A)의 일면, 제2 렌즈(62A)의 타면, 제5 렌즈(65A)의 타면, 제4 렌즈(64A)의 타면 및 제3 렌즈(63A)의 일면의 순서대로, 곡률반경이 점차 작게 형성될 수 있다.

한편, 도 3에서는 포커싱 렌즈 유닛(60)이 입사되는 레이저 빔을 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 조사하기 위해, 7개의 렌즈(61A, 62A, 63A, 64A, 65A, 66A, 67A)를 포함하는 것으로 예시하였으나, 렌즈의 개수가 많을수록 포커싱 렌즈 유닛(60)의 가격이 증가하게 되므로, 포커싱 렌즈 유닛(60)이 반드시 7개의 렌즈(61A, 62A, 63A, 64A, 65A, 66A, 67A)를 포함할 필요는 없다. 이에 대해, 도 4 및 도 5를 참조하여 아래에서 설명하기로 한다.

도 4는 도 2에 도시된 포커싱 렌즈 유닛의 제2 실시예를 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 포커싱 렌즈 유닛(60)에 포함된 복수개의 렌즈(61B, 62B, 63B, 64B, 65B)는, 제1 렌즈(61B), 제2 렌즈(62B), 제3 렌즈(63B), 제4 렌즈(64B) 및 제5 렌즈(65B)를 포함할 수 있다.

초점조절 미러 유닛(50)이 조사하는 레이저 빔은 제1 렌즈(61B), 제2 렌즈(62B), 제3 렌즈(63B), 제4 렌즈(64B) 및 제5 렌즈(65B)를 차례로 통과할 수 있고, 제5 렌즈(65B)를 통과한 레이저 빔은 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 조사될 수 있다.

아래 설명에서, 복수개의 렌즈(61B, 62B, 63B, 64B, 65B) 각각의 일면은 도면 상 상면을 의미할 수 있고, 복수개의 렌즈(61B, 62B, 63B, 64B, 65B) 각각의 타면은 도면 상 하면을 의미할 수 있다.

제1 렌즈(61B)의 일면은 초점조절 미러 유닛(50)으로부터 상기 레이저 빔이 입사될 수 있다. 제1 렌즈(61B)의 일면은 제2 초점조절 미러(52)로부터 상기 레이저 빔이 입사될 수 있다. 즉, 제2 초점조절 미러(52)는 제1 초점조절 미러(51)로부터 입사되는 상기 레이저 빔을 제1 렌즈(61B)의 일면으로 조사할 수 있다.

제1 렌즈(61B)의 일면은 볼록하게 형성될 수 있다. 제1 렌즈(61B)의 타면은 오목하게 형성될 수 있다.

제2 렌즈(62B)의 일면은 제1 렌즈(61B)의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 제2 렌즈(62B)의 일면은 오목하게 형성될 수 있다. 제2 렌즈(62B)의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다.

제3 렌즈(63B)의 일면은 제2 렌즈(62B)의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 제3 렌즈(63B)의 일면은 오목하게 형성될 수 있다. 제3 렌즈(63B)의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다.

제4 렌즈(64B)의 일면은 제3 렌즈(63B)의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 제4 렌즈(64B)의 일면은 볼록하게 형성될 수 있다. 제4 렌즈(64B)의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다.

제5 렌즈(65B)의 일면은 제4 렌즈(64B)의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 제5 렌즈(65B)의 일면은 오목하게 형성될 수 있다. 제5 렌즈(65B)의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다.

제5 렌즈(65B)의 타면, 제5 렌즈(65B)의 일면, 제4 렌즈(64B)의 일면, 제1 렌즈(61B)의 일면, 제1 렌즈(61B)의 타면, 제4 렌즈(64B)의 타면, 제3 렌즈(63B)의 타면, 제3 렌즈(63B)의 일면, 제2 렌즈(62B)의 타면 및 제2 렌즈(62B)의 일면의 순서대로, 곡률반경이 점차 작게 형성될 수 있다.

도 5는 도 2에 도시된 포커싱 렌즈 유닛의 제3 실시예를 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 포커싱 렌즈 유닛(60)에 포함된 복수개의 렌즈(61C, 62C, 63C, 64C)는, 제1 렌즈(61C), 제2 렌즈(62C), 제3 렌즈(63C) 및 제4 렌즈(64C)를 포함할 수 있다.

초점조절 미러 유닛(50)이 조사하는 레이저 빔은 제1 렌즈(61C), 제2 렌즈(62C), 제3 렌즈(63C) 및 제4 렌즈(64C)를 차례로 통과할 수 있고, 제4 렌즈(64C)를 통과한 레이저 빔은 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 조사될 수 있다.

아래 설명에서, 복수개의 렌즈(61C, 62C, 63C, 64C) 각각의 일면은 도면 상 상면을 의미할 수 있고, 복수개의 렌즈(61C, 62C, 63C, 64C) 각각의 타면은 도면 상 하면을 의미할 수 있다.

제1 렌즈(61C)의 일면은 초점조절 미러 유닛(50)으로부터 상기 레이저 빔이 입사될 수 있다. 제1 렌즈(61C)의 일면은 제2 초점조절 미러(52)로부터 상기 레이저 빔이 입사될 수 있다. 즉, 제2 초점조절 미러(52)는 제1 초점조절 미러(51)로부터 입사되는 상기 레이저 빔을 제1 렌즈(61C)의 일면으로 조사할 수 있다.

제1 렌즈(61C)의 일면은 볼록하게 형성될 수 있다. 제1 렌즈(61C)의 타면은 오목하게 형성될 수 있다.

제2 렌즈(62C)의 일면은 제1 렌즈(61C)의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 제2 렌즈(62C)의 일면은 오목하게 형성될 수 있다. 제2 렌즈(62C)의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다.

제3 렌즈(63C)의 일면은 제2 렌즈(62C)의 타면과 접촉 배치될 수 있다. 제3 렌즈(63C)의 일면은 오목하게 형성될 수 있다. 제3 렌즈(63C)의 타면은 오목하게 형성될 수 있다.

제4 렌즈(64C)의 일면은 제3 렌즈(63C)의 타면과 이격되어 대향 배치될 수 있다. 제4 렌즈(64C)의 일면은 오목하게 형성될 수 있다. 제4 렌즈(64C)의 타면은 볼록하게 형성될 수 있다.

제1 렌즈(61C)의 일면, 제3 렌즈(63C)의 타면, 제2 렌즈(62C)의 타면, 제2 렌즈(62C)의 일면, 제1 렌즈(61C)의 타면 및 제4 렌즈(64C)의 일면의 순서대로, 곡률반경이 점차 작게 형성될 수 있다.

또한, 제3 렌즈(63C)의 일면은 제2 렌즈(62C)의 타면과 곡률반경이 같게 형성될 수 있다.

또한, 제4 렌즈(64C)의 타면은 제4 렌즈(64C)의 일면과 곡률반경이 같게 형성될 수 있다.

경우에 따라서, 도 15에 도시된 바와 같이, 이와 같은 복수개의 렌즈(61C, 62C, 63C, 64C)를 하나의 군(group)으로 포함하는 포커싱 렌즈 유닛(60)이 복수 개 배열되는 구조일 수도 있다.

도 6에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공장치를 나타내는 개요도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공장치는 제1 센서(91) 및/또는 제2 센서(92)에 의해 초점(x,y,z)의 위치 인지/검출 및 초점(x,y,z) 조절이 가능한 반사 미러 유닛(40)을 포함하여 레이저 빔의 정밀 위치 제어가 자동화될 수 있다.

구체적으로 설명하면, 반사 미러 유닛(40)에는 상기 위치센서가 포함될 수 있으므로, 반사 미러 유닛(40)으로부터 입사되는 레이저 빔의 크기, 레이저 빔의 위치, 초점조절 미러의 방향(각도) 중에 하나 이상이 검출될 수 있고 노즐(71)과 초점(x,y,z)의 위치 검출이 가능할 수 있다. 또한 노즐(71)와 워터젯(75) 내부에 조사되는 레이저 초점의 위치 또는 크기의 검출이 가능할 수 있다.

이 때, 노즐(71)의 중심으로부터 외측에 레이저 빔의 초점 위치(F1)가 설정되고 레이저 빔의 스폿(spot) 크기가 가장 작은 초점 위치가 설정될 수 있다.

이어서, 설정된 초점 위치(F1)에 따라서 제어부(93)을 통하여 제1 반사 미러(41)로부터 제1 초점 미러 위치가 설정 및 변경되고, 제2 반사 미러(42) 로부터 제2 초점 미러 위치가 설정 및 변경될 수 있다. 이 때, 상기 제1 초점 미러 위치 및 제2 초점 미러 위치는 동시 또는 선택적으로 상호 보완적으로 수행될 수 있다. 즉, 제1 반사 미러(41)로부터 설정된 제1 초점 미러 위치에 따라서 제2 반사 미러(42)로부터 설정된 제2 초점 미러 위치가 추가적으로 조절 또는 변경되거나 제2 반사 미러(42)로부터 설정된 제2 초점 미러 위치에 따라서 제1 반사 미러(41)로부터 설정된 제1 초점 미러 위치가 조절될 수 있다. 이에 따라, 레이저 빔의 초점(x,y,z) 위치(F2)가 설정된 위치로 추가 조절될 수 있다. 또한 레이저 빔의 초점(x,y)이 노즐(71) 및 워터젯(75)내부의 중심에 오도록 위치가 조절되면 레이빔의 초점의 위치(z)를 추가로 조절될 수 있다.

도 6을 참조하면, 전술한 실시예와 달리 제1 센서(91) 및/또는 제2 센서(92)가 생략되고 레이저 빔의 위치 검출 및 조절이 가능하도록 위치센서(미도시)를 포함하는 초점조절 미러 유닛(50)이 제공될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공장치는 별도의 제1 센서(91) 및/또는 제2 센서(92)를 제거하고 초점(x,y,z)의 위치 인지/검출 및 초점(x,y,z) 조절이 가능한 초점조절 미러 유닛(50)을 포함하여 레이저 빔의 정밀 위치 제어가 자동화될 수 있다.

이에 대해서 구체적으로 설명하면, 초점조절 미러 유닛(50)에는 상기 위치센서가 포함될 수 있으므로, 초점조절 미러 유닛(50)으로부터 입사되는 레이저 빔의 크기, 레이저 빔의 위치, 초점조절 미러의 방향(각도) 중에 하나 이상이 검출될 수 있고 노즐(71)과 초점(x,y,z)의 위치 검출이 가능할 수 있다. 이 때, 노즐(71)의 중심으로부터 외측에 레이저 빔의 초점 위치(F1)가 설정되고 레이저 빔의 스폿(spot) 크기가 가장 작은 초점 위치가 설정될 수 있다.

이어서, 설정된 초점 위치(F1)에 따라서 제어부(93)을 통하여 제1 초점조절 미러(51)로부터 제1 초점 미러 위치가 설정 및 변경되고, 제2 초점조절 미러(52)로부터 제2 초점 미러 위치가 설정 및 변경될 수 있다. 이 때, 상기 제1 초점 미러 위치 및 제2 초점 미러 위치는 동시 또는 선택적으로 상호 보완적으로 수행될 수 있다. 즉, 제1 초점조절 미러(51)로부터 설정된 제1 초점 미러 위치에 따라서 제2 초점조절 미러(52)로부터 설정된 제2 초점 미러 위치가 추가적으로 조절 또는 변경되거나 제2 초점조절 미러(52)로부터 설정된 제2 초점 미러 위치에 따라서 제1 초점조절 미러(51)로부터 설정된 제1 초점 미러 위치가 조절될 수 있다. 이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, 레이저 빔의 초점(x,y,z) 위치(F2)가 설정된 위치로 추가 조절될 수 있다. 또한 레이저 빔의 초점(x,y)이 노즐(71) 및 워터젯(75) 내부의 중심에 오도록 위치가 조절되면 레이빔의 초점의 위치(z)를 추가로 조절될 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 의한 레이저 가공장치의 제어 블록도이다. 여기서는, 제2 센서(92)가 상기 레이저 빔의 파워를 감지하는 것으로 설명하겠으나, 상기 레이저 빔의 파워는 제1 센서(91)가 감지할 수도 있다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 레이저 가공장치의 제어방법은, 제1 레이저 빔 감지단계(S1), 제2 레이저 빔 감지단계(S2) 및 레이저 빔 초점 위치 조절단계(S3)를 포함할 수 있다.

제1 레이저 빔 감지단계(S1)에서는 제1 센서(91)가 초점조절 미러 유닛(50)으로부터 조사되는 상기 레이저 빔의 방향을 감지할 수 있다. 구체적으로, 제1 레이저 빔 감지단계(S1)에서 제1 센서(91)는 제1 초점조절 미러(51)가 제2 초점조절 미러(52)로 반사하는 레이저 빔의 방향을 감지할 수 있다.

제2 레이저 빔 감지단계(S2)에서는 제2 센서(92)가 다이나믹 포커싱 유닛(30)으로부터 조사되는 상기 레이저 빔의 방향을 감지할 수 있다. 구체적으로, 제2 레이저 빔 감지단계(S2)에서 제2 센서(92)는 다이나믹 포커싱 유닛(30)이 제1 반사 미러(41)로 반사하는 레이저 빔의 방향을 감지할 수 있다.

레이저 빔 초점 위치 조절단계(S3)에서 제어부(93)는 제1 센서(91) 및 제2 센서(92)로부터 입력되는 감지값을 이용하여 상기 레이저 빔의 초점의 좌표인 상기 x, y, z 좌표를 판단할 수 있다.

레이저 빔 초점 위치 조절단계(S3)에서 제어부는, 판단된 상기 x, y, z 좌표가 워터젯(75)의 내부에 있지 않다고 판단되면, 초점조절 미러 유닛(50) 및 다이나믹 포커싱 유닛(30)을 제어하여, 상기 레이저 빔의 초점을 워터젯(75)의 내부에 위치시킬 수 있다.

한편, 제2 레이저 빔 감지단계(S2)에서 제2 센서(92)는 다이나믹 포커싱 유닛(30)이 제1 반사 미러(41)로 조사하는 상기 레이저 빔의 파워를 더 감지할 수 있다. 이 경우, 레이저 빔 초점 위치 조절단계(S3)에서 제어부(93)는 제2 센서(92)로부터 입력되는 상기 레이저 빔의 파워 감지값을 더 이용하여, 레이저 빔 발생기(10) 또는 레이저 빔 발생기(10) 외부에 별도로 설치된 레이저 어테뉴에이터를 제어하여, 워터젯(75)의 내부로 조사되는 상기 레이저 빔의 파워를 조절할 수 있다. 즉, 이러한 레이저 빔의 파워는, 레이저 빔 발생기(10) 내부의 레이저 파워 장치 또는 레이저 빔 발생기(10) 외부에 별도로 설치된 레이저 어테뉴에이터를 제어할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 레이저 가공장치 및 그것의 제어방법에 따르면, 포커싱 렌즈 유닛(60)이 조사하는 레이저 빔의 초점 좌표 중 x, y 좌표를 초점조절 미러 유닛(50)이 조절하여 워터젯(75)의 내부에 위치시키고, 포커싱 렌즈 유닛(60)이 조사하는 레이저 빔의 초점 좌표 중 z 좌표를 다이나믹 포커싱 유닛(30)이 조절하여 워터젯(75)의 내부에 위치시키기 때문에, 포커싱 렌즈 유닛(60)의 위치와 워터젯 유닛(70)의 위치가 고정되어서, 레이저 빔의 초점을 워터젯(75) 내부에 위치시키기 위한 레이저 빔의 정밀 위치 제어를 쉽게 할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 레이저 빔 발생기 20 : 빔 형상조절 유닛
30 : 다이나믹 포커싱 유닛 40 : 반사 미러 유닛
41 : 제1 반사 미러 42 : 제2 반사 미러
50 : 초점조절 미러 유닛 51 : 제1 초점조절 미러
52 : 제2 초점조절 미러 60 : 포커싱 렌즈 유닛
61A, 61B, 61C : 제1 렌즈 62A, 62B, 62C : 제2 렌즈
63A, 63B, 63C : 제3 렌즈 64A, 64B, 64C : 제4 렌즈
65A, 65B : 제5 렌즈 66A : 제6 렌즈
67A : 제7 렌즈 70 : 워터젯 유닛
71 : 노즐 75 : 워터젯
91 : 제1 센서 92 : 제2 센서
93 : 제어부

Claims (20)

1. 레이저 빔을 발생시키는 레이저 빔 발생기;
   워터젯을 생성하는 노즐이 배치된 워터젯 유닛;
   상기 레이저 빔의 진행방향으로 순차 배치되는 복수개의 렌즈로 구성되어, 입사되는 상기 레이저 빔을 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 조사하는 포커싱 렌즈 유닛;
   상기 레이저 빔 발생기로부터 전달된 레이저 빔을 상기 포커싱 렌즈 유닛으로 반사하여, 상기 포커싱 렌즈 유닛이 조사하는 상기 레이저 빔의 초점의 좌표 중 상기 워터젯 수평단면에 대해 평행하고 서로 직교되는 방향의 좌표인 x, y 좌표를 조절하여 상기 워터젯의 내부에 위치시키는 초점조절 미러 유닛;
   상기 레이저 빔 발생기로부터 발생된 상기 레이저 빔을 상기 초점조절 미러 유닛으로 조사하고, 상기 포커싱 렌즈 유닛이 조사하는 상기 레이저 빔의 초점의 좌표 중 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향의 좌표인 z 좌표를 조절하여 상기 워터젯의 내부에 위치시키는 다이나믹 포커싱 유닛;
   상기 초점조절 미러 유닛으로 입사되는 상기 레이저 빔과 동축 상 또는 상기 초점조절 미러 유닛과 포커싱 렌즈 유닛 사이에 배치되고, 상기 초점조절 미러 유닛으로 또는 상기 초점조절 미러 유닛으로부터 조사되는 상기 레이저 빔의 방향을 감지하도록 레이저 빔의 방향(위치, 각도) 감지 센서를 포함하는 제1 센서와,
   상기 다이나믹 포커싱 유닛으로부터 조사되는 상기 레이저 빔과 동축 상에 배치되고, 상기 다이나믹 포커싱 유닛으로부터 조사되는 상기 레이저 빔의 방향을 감지하도록 레이저 빔의 방향(위치, 각도) 감지 센서를 포함하는 제2 센서와,
   상기 제1 센서 및/또는 상기 제2 센서로부터 입력되는 감지값을 이용하여 상기 레이저 빔의 초점의 좌표인 상기 x, y, z 좌표를 판단하고, 상기 레이저 빔의 초점이 상기 워터젯의 내부에 위치하도록, 상기 초점조절 미러 유닛 및 상기 다이나믹 포커싱 유닛을 제어하는 제어부;을 포함하는 레이저 가공장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 초점조절 미러 유닛은,
   상기 다이나믹 포커싱 유닛으로부터 상기 워터젯 수평단면에 대해 평행한 방향으로 입사되는 상기 레이저 빔을 상기 워터젯 수평단면에 대해 경사진 방향으로 조사하는 제1 초점조절 미러와,
   상기 제1 초점조절 미러로부터 입사되는 상기 레이저 빔을 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 조사하는 제2 초점조절 미러를 포함하는 레이저 가공장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수개의 렌즈는,
   상기 초점조절 미러 유닛으로부터 상기 레이저 빔이 입사되는 일면이 볼록하게 형성되고, 타면은 볼록하게 형성된 제1 렌즈와,
   상기 제1 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치되는 일면이 평평하게 형성되고, 타면은 오목하게 형성된 제2 렌즈와,
   상기 제2 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치되는 일면이 오목하게 형성되고, 타면은 평평하게 형성된 제3 렌즈와,
   상기 제3 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치되는 일면이 오목하게 형성되고, 타면은 볼록하게 형성된 제4 렌즈와,
   상기 제4 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치되는 일면이 오목하게 형성되고, 타면은 볼록하게 형성된 제5 렌즈와,
   상기 제5 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치되는 일면이 볼록하게 형성되고, 타면은 볼록하게 형성된 제6 렌즈와,
   상기 제6 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치되는 일면이 평평하게 형성되고, 타면은 평평하게 형성된 제7 렌즈를 포함하는 레이저 가공장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제5 렌즈의 일면, 상기 제4 렌즈의 일면, 상기 제1 렌즈의 타면, 상기 제6 렌즈의 일면, 상기 제6 렌즈의 타면, 상기 제1 렌즈의 일면, 상기 제2 렌즈의 타면, 상기 제5 렌즈의 타면, 상기 제4 렌즈의 타면 및 상기 제3 렌즈의 일면의 순서대로, 곡률반경이 점차 작게 형성되는 레이저 가공장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수개의 렌즈는,
   상기 초점조절 미러 유닛으로부터 상기 레이저 빔이 입사되는 일면이 볼록하게 형성되고, 타면은 오목하게 형성된 제1 렌즈와,
   상기 제1 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치되는 일면이 오목하게 형성되고, 타면은 볼록하게 형성된 제2 렌즈와,
   상기 제2 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치되는 일면이 오목하게 형성되고, 타면은 볼록하게 형성된 제3 렌즈와,
   상기 제3 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치되는 일면이 볼록하게 형성되고, 타면은 볼록하게 형성된 제4 렌즈와,
   상기 제4 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치되는 일면이 오목하게 형성되고, 타면은 볼록하게 형성된 제5 렌즈를 포함하는 레이저 가공장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제5 렌즈의 타면, 상기 제5 렌즈의 일면, 상기 제4 렌즈의 일면, 상기 제1 렌즈의 일면, 상기 제1 렌즈의 타면, 상기 제4 렌즈의 타면, 상기 제3 렌즈의 타면, 상기 제3 렌즈의 일면, 상기 제2 렌즈의 타면 및 상기 제2 렌즈의 일면의 순서대로, 곡률반경이 점차 작게 형성되는 레이저 가공장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수개의 렌즈는,
   상기 초점조절 미러 유닛으로부터 상기 레이저 빔이 입사되는 일면이 볼록하게 형성되고, 타면은 오목하게 형성된 제1 렌즈와,
   상기 제1 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치되는 일면이 오목하게 형성되고, 타면은 볼록하게 형성된 제2 렌즈와,
   상기 제2 렌즈의 타면과 접촉 배치되는 일면이 오목하게 형성되고, 타면은 오목하게 형성된 제3 렌즈와,
   상기 제3 렌즈의 타면과 이격되어 대향 배치되는 일면이 오목하게 형성되고, 타면은 볼록하게 형성된 제4 렌즈를 포함하는 레이저 가공장치.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 제1 렌즈의 일면, 상기 제3 렌즈의 타면, 상기 제2 렌즈의 타면, 상기 제2 렌즈의 일면, 상기 제1 렌즈의 타면 및 상기 제4 렌즈의 일면의 순서대로, 곡률반경이 점차 작게 형성되고,
   상기 제3 렌즈의 일면은 상기 제2 렌즈의 타면과 곡률반경이 같게 형성되고,
   상기 제4 렌즈의 타면은 상기 제4 렌즈의 일면과 곡률반경이 같게 형성되는 레이저 가공장치.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 다이나믹 포커싱 유닛으로부터 조사되는 레이저 빔을 상기 초점조절 미러 유닛으로 반사하는 반사 미러 유닛을 더 포함하는 레이저 가공장치.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 반사 미러 유닛은,
    상기 다이나믹 포커싱 유닛으로부터 입사되는 상기 레이저 빔을 초점조절 미러 유닛으로 전달하기 위한 적어도 하나의 반사 미러를 포함하는 레이저 가공장치.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 빔 발생기에서 생성한 상기 레이저 빔의 형상을 변경시켜 상기 다이나믹 포커싱 유닛으로 조사하는 빔 형상조절 유닛을 더 포함하는 레이저 가공장치.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 빔 형상조절 유닛은 콜리메이터, 빔 익스팬터, 빔 변환장치 및 공간필터 중에 적어도 하나 이상을 포함하는 레이저 가공장치.
13. 청구항 11에 있어서,
    상기 빔 형상조절 유닛은 상기 레이저 빔 발생기와 다이나믹 포커싱 유닛 사이 또는 상기 다이나믹 포커싱 유닛과 초점조절 미러 유닛 사이에 형성되는 레이저 가공장치.
14. 삭제
15. 삭제
16. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 센서 또는 상기 제2 센서는 상기 다이나믹 포커싱 유닛으로부터 조사되는 상기 레이저 빔의 파워를 더 감지하고,
    상기 제어부는 상기 제1 센서 또는 상기 제2 센서로부터 입력되는 상기 레이저 빔의 파워 감지값을 더 이용하여, 상기 레이저 빔 발생기 또는 상기 레이저 빔 발생기 외부에 별도로 설치된 레이저 어테뉴에이터를 제어하여, 상기 워터젯의 내부로 조사되는 상기 레이저 빔의 파워를 조절하는 레이저 가공장치.
17. 레이저 빔을 발생시키는 레이저 빔 발생기와,
    워터젯을 생성하는 노즐이 형성된 워터젯 유닛과,
    상기 레이저 빔의 진행방향으로 순차 배치되는 복수개의 렌즈로 구성되어, 입사되는 상기 레이저 빔을 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향으로 조사하는 포커싱 렌즈 유닛과,
    상기 레이저 빔 발생기로부터 전달된 레이저 빔을 상기 포커싱 렌즈 유닛으로 반사하여, 상기 포커싱 렌즈 유닛이 조사하는 상기 레이저 빔의 초점의 좌표 중 상기 워터젯 수평단면에 대해 평행하고 서로 직교되는 방향의 좌표인 x, y 좌표를 조절하여 상기 워터젯의 내부에 위치시키는 초점조절 미러 유닛과,
    상기 레이저 빔 발생기로부터 발생된 상기 레이저 빔을 상기 초점조절 미러 유닛으로 조사하고, 상기 포커싱 렌즈 유닛이 조사하는 상기 레이저 빔의 초점의 좌표 중 상기 워터젯 수평단면에 대해 직교되는 방향의 좌표인 z 좌표를 조절하여 상기 워터젯의 내부에 위치시키는 다이나믹 포커싱 유닛과
    상기 초점조절 미러 유닛으로 입사되는 상기 레이저 빔과 동축 상 또는 상기 초점조절 미러 유닛과 포커싱 렌즈 유닛 사이에 배치되고, 상기 초점조절 미러 유닛으로 또는 상기 초점조절 미러 유닛으로부터 조사되는 상기 레이저 빔의 방향을 감지하도록 레이저 빔의 방향(위치, 각도) 감지 센서를 포함하는 제1 센서와,
    상기 다이나믹 포커싱 유닛으로부터 조사되는 상기 레이저 빔과 동축 상에 배치되고, 상기 다이나믹 포커싱 유닛으로부터 조사되는 상기 레이저 빔의 방향을 감지하도록 레이저 빔의 방향(위치, 각도) 감지 센서를 포함하는 제2 센서와,
    상기 제1 센서 및/또는 상기 제2 센서로부터 입력되는 감지값을 이용하여 상기 레이저 빔의 초점의 좌표인 상기 x, y, z 좌표를 판단하고, 상기 레이저 빔의 초점이 상기 워터젯의 내부에 위치하도록, 상기 초점조절 미러 유닛 및 상기 다이나믹 포커싱 유닛을 제어하는 제어부;을 포함하는 레이저 가공장치의 제어방법에 있어서,
    상기 제1 센서가, 상기 초점조절 미러 유닛으로부터 조사되는 상기 레이저 빔의 방향을 감지하는 제1 레이저 빔 감지단계;
    상기 제2 센서가, 상기 다이나믹 포커싱 유닛으로부터 조사되는 상기 레이저 빔의 방향을 감지하는 제2 레이저 빔 감지단계; 및
    상기 제1 센서 및 상기 제2 센서로부터 입력되는 감지값을 이용하여 상기 레이저 빔의 초점의 좌표인 상기 x, y, z 좌표를 판단하고, 상기 레이저 빔의 초점이 상기 워터젯의 내부에 위치하도록, 상기 초점조절 미러 유닛 및 상기 다이나믹 포커싱 유닛을 제어하는 레이저 빔 초점 위치 조절단계;를 포함하는 레이저 가공장치의 제어방법.
    
18. 청구항 17에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔 감지단계에서 상기 제1 센서 또는 상기 제2 레이저 빔 감지단계에서 상기 제2 센서는, 상기 레이저 빔의 파워를 더 감지하고,
    상기 레이저 빔 초점 위치 조절단계에서는, 상기 제1 센서 또는 상기 제2 센서로부터 입력되는 상기 레이저 빔의 파워 감지값을 더 이용하여, 상기 레이저 빔 발생기 또는 상기 레이저 빔 발생기 외부에 별도로 설치된 레이저 어테뉴에이터를 제어하여, 상기 워터젯의 내부로 조사되는 상기 레이저 빔의 파워를 조절하는 레이저 가공장치의 제어방법.
19. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 렌즈로 이루어지는 상기 포커싱 렌즈 유닛은 적어도 하나 이상 구비되는 레이저 가공장치.
20. 제 19 항에 있어서,
    상기 포커싱 렌즈 유닛은 텔레센트릭 에프쎄타 렌즈(telecentric f-theta lens)인 레이저 가공장치.

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