KR102442690B1 - 평행-오프셋 유닛을 포함하는 레이저 재료 가공 장치 - Google Patents

평행-오프셋 유닛을 포함하는 레이저 재료 가공 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 빔을 편향시키는 빔 편향 유닛(16), 레이저 빔을 평행-오프셋시키기 위한 적어도 세 개의 반사 거울을 포함하는 평행-오프셋 유닛(14), 가공되는 공작물(20) 상에 레이저 빔을 집중시키는 포커싱 장치(18)를 가지는 레이저 가공 장치에 관한 것이며, 적어도 세 개의 반사 거울 중 하나의 반사 거울은 회전할 수 있다.

Description

평행-오프셋 유닛을 포함하는 레이저 재료 가공 장치{Apparatus for Laser Material Processing with a Parallel-Offsetting Unit}
본 발명은 레이저 재료 가공 장치, 더욱 상세하게는 임의의 원하는 경로를 따라 레이저 초점을 가이딩(guiding)할 수 있도록 하는 레이저 재료 가공 장치에 관한 것이다.
이러한 레이저 재료 가공 장치는, 예를 들어 산업적 레이저 재료 가공과 같은 다양한 목적에 활용될 수 있다. 이는 예컨대 마킹(marking), 식각(inscribing), 제거 또는 절단, 드릴링, (빠른 프로토타입(prototype) 방법으로서의) 소결 및 용접과 같은 구조화(structuring) 가공을 포함한다.
레이저 재료 가공의 다양한 응용에 있어서, 임의의 원하는 경로를 따라 레이저 초점의 위치를 가이드(guide)하는 것뿐만 아니라 공작물 상의 레이저 빔 축의 입사각을 동시에 제어하는 것이 바람직하다. 따라서, 예컨대 임의의 원하는 형상 구조가, 공작물 표면에 대해 원하는 경사각(inclination angle)을 가지는 모서리를 가지도록 공작물에 화체(incorporated)될 수 있다. 이상적으로, 입사각은 경로 가이딩(guiding)과는 독립적으로 조절되어야 한다. 상기 파라미터들의 독립적인 조절은 고도의 정확도와 높은 속도로 실현되어야 하고, 이를 통해 레이저 재료 가공 시 이에 상응하는 높은 가공 속도를 얻을 수 있다.
이는 예컨대 마이크로 드릴링(Φ< 500㎛ 및 Φ < 200㎛)과 같은 드릴링 가공을 정확히 수행함에 있어 중요한 관심사이다. 이러한 종류의 구멍은 대개 원형 또는 나선 경로(트레파닝(trepanning) 또는 나선 드릴링)를 따라 가이드 되는 레이저 초점에 의해 만들어진다. 레이저 빔 축의 입사각을 조절함으로써, 기정된 원뿔 형상(conicity)을 가지는 구멍이 만들어질 수 있다.
독일 공개특허 DE 10-2005-047328 B3은 회전하는 상(image) 회전기, 빔의 방향에서 봤을 때 상 회전기 앞에 배치되고 상 회전기의 회전축에 대한 상대적 각도 및 위치를 조절하는 빔 조작기, 상 회전기의 아웃풋(output) 측에 위치한 포커싱 장치를 포함하는 레이저 빔 드릴링 장치를 개시한다. 이 장치는 공작물에 대한 레이저 빔 축의 입사각을 조절하는 속도의 유연성 면에서 제한적이고, 드릴링 구멍이 원형을 가지도록 한정된다.
독일 공개특허 DE 10-2010-049460 A1은 광선을 가이딩하기 위한 장치, 특히 서로 독립적으로 회전할 수 있는 두 평행판을 가지는 트레파닝 옵틱(trepanning optic)을 개시한다. 이 장치 역시 공작물에 대한 레이저 빔 축의 입사각을 조절하는 속도의 유연성 면에서 제한적이고, 드릴링 구멍이 원형을 가지도록 매우 한정된다.
유럽 등록특허 EP 1656234 B1은 평행 빔 변위(displacement)를 생성하기 위한 요철 유닛(wobble unit)을 포함하는 레이저 드릴링 및 절단 장치의 구성품으로서의 스캔헤드(scan head)를 보여준다. 이러한 평행 병진운동의 세팅에 따라, 빔은 광축으로부터 다른 거리에서 포커싱 장치 상에 입사하고, 이에 따라 이에 대응하는 각도를 가지고 포커싱 장치로부터 빠져나온다. 따라서, 평행 병진운동을 조절함으로써, 공작물에 대한 레이저 빔 축의 입사각을 조절할 수 있게 된다. 서로 수직인 축에 대해 회전할 수 있거나 기울어질 수 있는 두 평행 광학판을 배열하여, 두 방향으로 빔 오프셋(beam offset)을 수행할 수 있다. 두 거울을 가지는 스캐닝 블록(scanning block)을 이용하여, 레이저 빔은 원하는 경로로 가이드될 수 있다.
독일 공개특허 DE 10-2005-047328 B3 (공개일 2006.12.07) 독일 공개특허 DE 10-2010-049460 A1 (공개일 2012.03.15) 유럽 등록특허 EP 1656234 B1 (공개일 2006.05.17)
평행판에서의 평행 빔 오프셋은 평행판의 두께 및 평행판의 편향각(deflection angle)에 특히 비례한다. 따라서, 큰 평행 병진운동을 만들기 위해서는 상대적으로 두껍고 둔한 판이 사용되거나, 판이 큰 각도로 회전되어야 한다. 이에 따라 레이저 빔 축을 조절함에 있어서 가능한 속도 및 이에 대응하는 가공 속도가 제한된다.
레이저 재료 가공에 있어, 높은 가공 속도를 얻기 위해 평행 빔 오프셋 및 입사각 조절이 더 높은 속도로 수행되는 것이 바람직할 것이다.
빔 편향 유닛, 적어도 세 개의 반사 거울을 가지는 평행-오프셋 유닛(또는, 예를 들면 평행-이동 유닛, 이하 평행-오프셋 유닛으로 칭한다) 및 포커싱 장치를 포함하는 청구항 1에 따른 레이저 재료 가공 장치에 의해 상기 목적을 달성할 수 있다. 이때 레이저 빔을 평행-오프셋(또는 평행 병진운동)시키기 위한 상기 적어도 세 개의 반사 거울 중 하나의 반사 거울은 회전할 수 있다.
이러한 레이저 재료 가공 장치는 평행-오프셋 유닛의 회전할 수 있는 거울을 단지 조금만 회전시켜도, 광축에 대해 레이저 빔을 크게 평행 오프셋 (또는 평행 병진운동) 시킬 수 있다. 이는 레이저 빔 축의 입사각의 유연하고 빠른 조절을 가능케 한다. 결과적으로, 레이저 재료 가공 시 가공 속도는 더 빨라지고 가공 시간은 더 짧아진다. 또한, 빔 편향 유닛에 의해 제공되는 레이저 빔 경로 가이딩과는 별도로 레이저 빔 축의 입사각이 조절될 수 있다. 이는 정확한 입사각 조절 및 레이저 빔의 정확한 경로 가이딩을 가능케 한다. 본 발명의 또다른 유용한 구성은 종속항을 통해 얻을 수 있다.
빔 편향 유닛은 레이저 빔이 서로 수직일 수 있는 두 개의 방향을 따라 편향될 수 있도록 배열된 두 반사 거울을 포함할 수 있다. 거울(들)은 회전하는 거울 또는 기울어지는(tilting) 거울로 구비될 수 있고, 또한 갈바노미터 드라이브(galvanometer drive) 또는 압전 드라이브(piezo drive)와 같은 고속 작동 수단(actuating means)과 연결될 수 있다. 여러 개의 거울을 가지는 경우에는, 거울은 서로 수직으로 배열될 수 있다. 이는 (예를 들어 이미 포커싱된 또는 포커싱될) 레이저 빔이 공작물의 표면에 상대적인 x-방향 또는 y-방향을 따라 움직일 수 있도록 한다. 이에 따라 레이저 빔을 동시에 2차원 편향시킬 수 있다. 또한, 갈바노미터 드라이브에 의해 경로 속도가 빨라질 수 있다.
또한, 선택적으로, 빔 편향 유닛은 평행-오프셋 유닛 및 포커싱 장치 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 빔 편향 유닛은 레이저 빔의 전파 방향에서 평행-오프셋 유닛 바로 후에 및 포커싱 장치 바로 전에 배치될 수 있다. 여기서 '바로 후에' 및 '바로 전에'라는 말은 두 구성요소 사이에 연결된 (광학적) 구성요소가 없음을 의미할 수 있다. 선택적으로 또는 추가적으로, 레이저 재료 가공 장치는 빔 편향 유닛 및 포커싱 장치 사이에 하나 또는 복수 개의 구성요소를 포함할 수 있다.
평행-오프셋 유닛은 적어도 세 개의 거울을 포함한다. 이때 적어도 세 개의 거울 중 하나의 반사 거울은 레이저 빔을 평행병진운동시키기 위해 회전할 수 있고, 두 개의 거울은 고정되도록 구비된다. 평행-오프셋 유닛이 컴팩트(compact)하게 구비되도록 하기 위하여, 평행-오프셋 유닛은 레이저 빔이 거울 어셈블리(assembly)에 의해 4번 반사되도록 구비될 수 있고, 이때 평행-오프셋 유닛의 진입 및 방출 반사(다른 표현으로는, 첫번째 및 마지막 반사)는 회전할 수 있는 반사 거울에서 일어난다. 평행-오프셋 유닛의 회전할 수 있는 거울은 회전 거울 또는 기울어지는(tilting) 거울로 구비될 수 있고, 갈바노미터 드라이브와 같은 고속 작동 수단과 연결될 수 있다. 이를 통해 레이저 빔의 빠른 평행 병진운동이 가능해진다.
선택적으로, 평행-오프셋 유닛의 거울은 실질적으로 삼각형으로 배치될 수 있다. 평행-오프셋 유닛의 거울 사이의 거리를 변화시킴으로써, 원하는 평행 오프셋(또는 평행 병진운동)이 회전할 수 있는 거울의 회전 각도마다 조절될 수 있다. 거울 사이의 거리가 클수록, 회전할 수 있는 거울의 회전각에 따른 달성가능한 평행-오프셋의 값이 커지게 된다.
선택적으로는, 레이저 빔의 평행 오프셋(또는 평행 병진운동)을 위한 별도의 평행-오프셋 유닛이 제공된다. 이때, 두 개의 평행-오프셋 유닛을 통과하는 레이저 빔을 서로 수직일 수 있는 두 평행-오프셋 방향(또는 평행 병진운동 방향)에 평행하게 오프셋시킬 수 있도록, 평행-오프셋 유닛들은 서로 광학적으로 연결된다. 별도의 평행-오프셋 유닛은 상술한 평행-오프셋 유닛과 같은 방식으로 구비될 수 있고, 적어도 세 개의 반사 거울을 포함할 수 있다. 이때 적어도 세 개의 거울 중 하나의 반사 거울은 레이저 빔을 평행 병진운동시키기 위해 회전할 수 있고, 두 개의 거울은 고정되도록 구비된다. 제1평행-오프셋 유닛에 의해, 제1평행-오프셋 방향(또는 평행 병진운동 방향)으로의 평행 오프셋(또는 평행 병진운동)이 이루어질 수 있고, 제2평행-오프셋 유닛에 의해, 제1평행-오프셋 방향과 수직일 수 있는 제2평행-오프셋 방향으로의 평행 오프셋이 이루어질 수 있다. 두 평행-오프셋 유닛들의 도움으로, 레이저 빔은 오프셋될 수 있다. 다른 말로는, 레이저 빔은 두 공간 방향(spatial direction)을 따라 제어된 방식으로 평행 병진운동될 수 있다. 따라서 레이저 빔 축의 입사각은 두 공간 방향을 따라 조절되어, 예를 들어 원뿔형 구멍을 만들기 위한 유연한 레이저 재료 가공이 가능해진다.
선택적으로는, 레이저 빔의 전파 방향에서 포커싱 장치 전에, 선택적으로는 바로 전에 빔 스플리터(beam splitter)가 제공된다. 빔 스플리터는 포커싱 장치를 통해 검출되는 레이저 빔 및/또는 전자기복사(예컨대 빛)를 레이저의 빔 경로로부터 분리시키도록 구비된다. 포커싱 장치를 통한 전자기복사(예컨대 빛)의 검출을 향상시키기 위해, 공작물을 위한 조명이 제공될 수 있다. 빔 스플리터는 빔 및/또는 공작물 표면에서의 공정을 모니터링하기 위해 제공될 수 있다.
선택적으로는, 빔 스플리터와 광학적으로 연결되고, 분리된 레이저 빔 및/또는 분리된 전자기복사(예컨대 빛)를 검출하도록 구비된 감지 장치가 제공된다.
레이저 재료 가공 장치는 선택적으로 평행-오프셋 유닛, 빔 편향 유닛 및/또는 포커싱 장치를 제어 또는 조절하도록 구비된 컨트롤러를 포함한다.
컨트롤러는 빔 편향 유닛, 평행-오프셋 유닛, 포커싱 장치, 및/또는 레이저원(laser source)의 동기화된 제어가 구현되도록 구비된다. 이에 따라 레이저 재료 가공 장치의 구성요소들은 동기화되도록 제어될 수 있다.
공작물의 가공 표면에 조사되는 레이저 빔의 지름을 조절하기 위해, 레이저 빔의 전파 방향에서 평행-오프셋 유닛 전, 선택적으로는 바로 전에 빔 성형 장치(예를 들어, 빔 확산 장치 또는 빔 축소 장치)(beam shaping device)가 배치된다. 평행-오프셋 유닛은 선택적으로 레이저 빔의 지름을 조절하기 위해 제공된다. 바람직하게는, 빔 성형 장치는 연속적으로(steplessly) 조절가능한 확산 요소(factor) 또는 축소 요소와 같은 성형 요소를 포함하는 가변형(variable) 빔 성형 장치로서 구비될 수 있다. 예컨대 빔 성형 장치는 망원경(telescope)을 통해 구현될 수 있다.
선택적으로는, 레이저 빔의 전파 방향에서 평행-오프셋 유닛 전에, 선택적으로는 바로 전에, 및 빔 성형 장치 후에, 선택적으로는 바로 후에 배치되는 편광 장치가 제공된다. 편광 장치는 예컨대 선편광 또는 원편광 또는 타원편광과 같은 원하는 편광 방식을 선택할 수 있는 모듈(module)을 포함한다. 선택적으로, 편광 장치는 동적으로 조절가능한 편광을 생성하도록 구비된다. 편광 장치는 빔의 움직임에 맞추어 조절되는 편광의 동적 조절을 가능케 하는 이동 수단(moving means)를 포함할 수 있다.
레이저 재료 가공 장치는 레이저 빔 초점 위치 이동 장치를 포함할 수 있다. 레이저 빔 초점 위치 이동 장치는 레이저 빔의 전파 방향에서 포커싱 장치 전에, 선택적으로는 바로 전에, 선택적으로는 빔 편향 유닛 바로 전 또는 후에 배치될 수 있다. 이는 초점 위치의 변화, 즉 z-방향을 따라 레이저 초점의 위치가 이동할 수 있도록 한다. 따라서 공작물을 3차원 가공할 수 있다. 초점 위치 이동 장치는, 광학 구성요소 또는 광학 모듈이 평행병진운동(translation)의 함수로서 초점 위치를 변화시키기 위해, 고정된 광학 요소(optic)에 대해 상대적인 레이저 빔의 전파 방향을 따라 움직일 수 있도록 구비될 수 있다. 초점 위치 이동 장치는 포커싱 장치에 통합될 수 있다. 선택적 또는 추가적으로 포커싱 장치는 작동 수단(actuating means)에 의해 이동 가능할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 재료 가공 장치는 평행-오프셋 유닛의 회전할 수 있는 거울을 단지 조금만 회전시켜도, 광축에 대해 레이저 빔을 크게 평행 오프셋 (또는 평행 병진운동)시킬 수 있다. 이는 레이저 빔 축의 입사각의 유연하고 빠른 조절을 가능케 한다. 결과적으로, 레이저 재료 가공 시 가공 속도는 더 빨라지고 가공 시간은 더 짧아진다. 또한, 빔 편향 유닛에 의해 제공되는 레이저 빔 경로 가이딩과는 별도로 레이저 빔 축의 입사각이 조절될 수 있다. 이는 정확한 입사각 조절 및 레이저 빔의 정확한 경로 가이딩을 가능케 한다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 재료 가공 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 평행-오프셋 유닛의 개략도이다.
도 3은 평행 오프셋을 설명하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 재료 가공 장치의 개략도이다.
본 발명은 아래에 첨부된 도면을 참고로 실시예에 의해 기술된다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 재료 가공 장치의 개략도이다. 레이저 재료 가공 장치는 레이저원(12)을 포함할 수 있고, 또는 레이저원(12)으로부터 나온 레이저 빔의 빔 경로 내에 배치될 수 있다. 레이저 빔은 예컨대 연속적인 레이저 빔 또는 펄스 형태의 레이저 빔(예컨대 초단-펄스(ultra-short-pulse) 레이저 빔)일 수 있다. 레이저 재료 가공 장치(10)는 예컨대 도 1에서와 같이 순차적으로 배열된 평행-오프셋 유닛(14), 빔 편향 유닛(16) 및 포커싱 장치(18)를 더 포함한다.
빔 편향 유닛(16)은 두 개의 방향으로 레이저 빔을 편향시키는 두 개의 움직일 수 있는 거울(갈바노미터 드라이브와 함께 있다)을 포함할 수 있다. 제1반사 거울은 공작물(20)의 표면에 대해 상대적인 제1방향, 예컨대 x-방향으로 레이저 빔을 제1편향시킬 수 있다. 이에 따라, 제1편향은 제1각도범위 내에서 이루어질 수 있다. 빔 편향 유닛의 제1편향은 따라서 처음에는 1차원적일 수 있다. 만약 제2반사 거울이 제공되는 경우, 상기 거울은 제1반사 거울 후에 및 제1반사 거울을 통해 편향된 레이저 빔의 빔 경로 상에 배치될 수 있다. 따라서 처음에 1차원적으로 편향된 레이저 빔은 제2반사 거울에 의해 공작물(20)의 표면에 대해 상대적인 제2방향, 예컨대 y-방향으로 편향될 수 있다. 이때 제1 및 제2방향은 서로 수직일 수 있다. 제2편향은 따라서 제2각도범위 내에서 이루어질 수 있고, 빔 편향 유닛(16) 내에서 2차원 편향을 가능케 한다. x-방향 및 y-방향으로의 두 편향이 중첩(overlap)하기 때문에, 공작물(20) 표면 상에서 임의의 원하는 경로가 구현될 수 있다.
가공되는 공작물(20)은 공작물 홀더(22)를 통해 배치되고/되거나 지지될 수 있다. 공작물(20)의 표면은 x-방향 및/또는 y-방향을 정의할 수 있다. 빔 편향 유닛(16) 내에서 빠르게 움직일 수 있는 거울들, 예컨대 갈바노미터 드라이브와 함께 배치된 거울들에 의해, 빠르고 정확한 x-방향 및 y-방향의 위치 선정이 가능해진다. 공작물(20)의 원하는 레이저에 대한 상대적인 움직임 내에서, 공작물 홀더(22)는 작동 수단에 의해 움직일 수 있도록 구비될 수 있다.
레이저 재료 가공 장치(10)는 평행-오프셋 유닛(14), 빔 편향 유닛(16) 및/또는 포커싱 장치(18)를 제어 및/또는 조절하도록 구비된 컨트롤러(24)를 포함할 수 있다. 조절을 하는 경우에는, 파라미터 및/또는 상태 정보를 검출하는 센서(미도시)가 구비되어 예컨대 레이저 빔의 위치를 검출할 수 있다. 이에 따라 가공 최적화 또는 미세조정 시 레이저 빔의 조절이 개선될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 평행-오프셋 유닛(14)의 개략도이다. 평행-오프셋 유닛은 회전할 수 있는 반사 거울(26)(예컨대 갈바노미터 드라이브와 함께 있다) 및 두 개의 고정된 반사 거울(28, 30)을 포함한다. 오프셋 될 레이저 빔이 왼쪽 아래에서 접근하는 경우가 있다. 이때 레이저 빔은 우선 회전할 수 있는 반사 거울(26)에 입사하고(impacts), 첫번째 고정된 거울(28) 쪽으로 편향된 다음, 두 번째 고정된 거울(30) 쪽으로 편향되고, 종국적으로는 다시 회전할 수 있는 반사 거울(26) 쪽으로 편향된다.
도 2의 점선에서 보듯, 거울 어셈블리 내에서 순환하는 레이저 빔은 회전할 수 있는 반사 거울에서 다시 반사되기 전까지는 광축에 대해 확산(diverge)하게 된다. 회전할 수 있는 거울의 회전각에 따른 최대 평행-오프셋(즉 평행 병진운동)은 거울들 사이의 거리의 함수로서 조절될 수 있다.
도 2에서 볼 수 있듯, 평행-오프셋 유닛(14)은 레이저 빔이 거울 어셈블리에 의해 4번 반사되도록 구비될 수 있다. 진입 반사(entry reflection) 및 방출 반사(exit reflection), 즉 평행-오프셋 유닛(14)내에서의 첫번째 및 두번째 반사는 회전할 수 있는 반사 거울(26)에서 일어날 수 있다. 따라서 상기 거울은 순환하는 레이저 빔의 각도 차이를 상쇄시키고, 평행-오프셋 유닛(14)으로부터 빠져나오는 빔이 회전할 수 있는 거울(26)의 회전각에 대한 함수로서 평행하게 오프셋되도록 한다. 평행-오프셋 유닛은 별도의 짝수 개의 고정 거울을 구비할 수도 있다.
도 2에 나타난 예시적인 실시예에서, 평행-오프셋 유닛(14) 내의 거울(26, 28, 30)은 실질적으로 삼각형 형태로 배열될 수 있다.
선택적으로, 거울(26, 28, 30)은 평행-오프셋 유닛(14)으로 진입하는 레이저 빔, 평행-오프셋 유닛(14) 내에서 순환하는 레이저 빔, 및/또는 평행-오프셋 유닛(14)으로부터 빠져나오는 레이저 빔이 실질적으로 동일 평면상에 있고/있거나 하나의 평면에 놓이도록 구비될 수 있다. 평행-오프셋 유닛(14)의 거울(26, 28, 30)은 평행-오프셋 유닛의 거울들의 반사표면의 수직선(다른 말로는, 거울들의 수직면)이 같은 평면에 놓이도록 구비될 수 있다.
평행-오프셋 유닛(14)의 반사 거울 및 빔 편향 유닛(16)의 거울은 예컨대 실질적으로 표면 곡률이 없는 평면 거울로 형성될 수 있다. 또한, 거울은 특정 레이저 파장 및/또는 레이저 파워(power)를 위한 하나 또는 하나 이상의 코팅을 포함할 수 있다. 또한, 평행-오프셋 유닛(14)의 회전할 수 있는 거울(26) 및/또는 빔 편향 유닛(16) 내의 편향 거울(들)은 낮은 관성 토크(inertia torque)를 가지도록 구비될 수 있다. 이에 따라 빔 편향 유닛(16) 내에서, 레이저 빔을 편향시키기 위한 거울의 위치 설정이 빨라지고, 평행-오프셋 유닛(14) 내에서 레이저 빔 축의 입사각을 조절하기 위한 레이저 빔의 평행 오프셋(또는 평행 병진운동)이 빨라지게 된다.
레이저 빔의 두 개의 공간 방향에 대한 평행 오프셋을 가능케 하기 위해, 두 평행-오프셋 유닛이 서로 순차적으로 배치될 수 있다. 두 평행-오프셋 유닛은 광학적으로 연결되어, 서로 수직일 수 있는 두 평행-오프셋 방향 (또는 평행 병진운동 방향)을 따라 레이저 빔이 오프셋될 수 있도록 한다. 추가적인 (제2) 평행-오프셋 유닛은 이에 따라 적어도 세 개의 반사 거울을 포함할 수 있는데, 레이저 빔을 평행하게 오프셋시키기 위한 적어도 세 개의 반사 거울 중 하나의 반사 거울은 제2평행-오프셋 유닛 내에서 회전할 수 있다. 이에 따라, 두 개의 평행-오프셋 유닛을 통과하는 레이저 빔은 두 공간 방향을 따라 평행하게 오프셋될 수 있다. 이에 따라 레이저 빔 축의 입사각은 두 개의 방향, 공작물의 표면에 대해 상대적인 예컨대 x-방향 및 y-방향으로 기울어질 수 있다. 이에 따라, 예컨대 정의된 모서리를 가지는 원뿔형의 구멍 또는 절단이 각도를 가지게 된다.
선택적으로, 제1평행-오프셋 유닛(14)으로 진입하는 레이저 빔, 제1평행-오프셋 유닛(14) 내에서 순환하는 레이저 빔, 및/또는 제1평행-오프셋 유닛(14)으로부터 빠져나오는 레이저 빔이 실질적으로 동일 평면상에 있고/있거나 하나의 평면에 놓이고, 제2평행-오프셋 유닛(14)으로 진입하는 레이저 빔, 제2평행-오프셋 유닛(14) 내에서 순환하는 레이저 빔, 및/또는 제2평행-오프셋 유닛(14)으로부터 빠져나오는 레이저 빔이 실질적으로 동일 평면상에 있도록, 두 평행-오프셋 유닛의 거울들이 배열될 수 있다. 제1 및 제2평행 오프셋 유닛(14)의 거울(26, 28, 30)은 거울 표면의 수직선이 하나의 평면에 놓이도록 배열될 수 있다.
도 3은 평행 오프셋(또는 평행 병진운동)을 조절하는 것이 어떻게 공작물에 대한 레이저 빔 축의 입사각을 조절하는지를 설명하는 개략도이다. 레이저 빔(L)은 평행-오프셋 유닛(14)에 의해 광축(oA)으로부터 평행하게 오프셋된 (이동된) 레이저빔을 나타낸다. 도 3에서 보듯, 평행하게 오프셋된 이 레이저 빔(L)은 포커싱 장치(18)(예컨대 렌즈)로 입사한다(impacts). 도 1에 예시적으로 나타난 배열의 경우, 레이저 빔의 경로를 가이딩하기 위한 빔 편향 유닛(16)은 공작물 표면상에서 평행-오프셋 유닛(14) 및 포커싱 장치(18) 사이에, 즉 평행-오프셋 유닛(14) 바로 후에 및 포커싱 장치(18) 바로 전에 배치될 수 있다.
평행-오프셋 유닛(14)의 도움을 통해 광축(oA)과 평행하게 레이저 빔(L)을 오프셋 (즉, 이동) 시켜, 포커싱 장치(18) 상의 레이저 빔(L)의 입사 방사점(radial point)과 광축(oA)과의 거리 d를 조절할 수 있다. 레이저 빔이 포커싱 장치(18)로부터 빠져나올 때의 기울어진 각도 α는 도 3에서 보듯 레이저 빔(L)의 입사 방사점(radial point)과 광축(oA)과의 거리 d에 따라 달라지게 된다. 공작물(WS)의 위치가 변하지 않는 경우, 공작물(WS)에 대한 레이저 빔 축의 입사각(β)은 레이저 빔 축이 포커싱 장치(18)로부터 빠져나올 때의 기울어진 각도 α와 함께 변하게 된다. 만약 레이저 빔(L)이 광축(oA)에 평행하게, 예컨대 빔 편향 유닛(16)으로부터 어떠한 편향도 없도록 포커싱 장치(18)로 입사하면 (여기서는 설명의 목적을 위해 예시적으로 서술함), 가공을 위한 공작물 표면 상에 위치하는 레이저 초점은 광축(oA)에 놓이게 된다. 만약 레이저 빔(L)이 광축(oA)에 대하여 기울어져 포커싱 장치(18)로 입사하는 경우, 가공을 위한 공작물 표면 상에 위치하는 레이저 초점은 광축(oA)에 놓이지 않게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 재료 가공 장치의 개략도이다. 레이저 재료 가공 장치는 빔 성형 장치(32) (예컨대 빔 확산 장치), 편광 장치(34), 초점 위치 이동 장치(36) 및 빔 스플리터(38)를 포함할 수 있다.
레이저 빔의 지름을 변화시키기 위한 빔 성형 장치(32)는 레이저 빔의 전파 방향에서 평행-오프셋 유닛(14) 전, 선택적으로는 바로 전에 배치될 수 있다. 빔 성형 장치(32) (예컨대 빔 확산 장치 또는 빔 축소 장치) 는 예컨대 망원경을 통해 구현될 수 있다. 빔 성형 장치(32)는 레이저원(12) 및 편광 장치(34) 사이에 위치하도록, 또는 선택적으로는 레이저원(12) 바로 뒤 또는 선택적으로는 편광 장치(34)의 바로 앞에 위치하도록 배치될 수 있다. 만약 빔 성형 장치(32)가 빔 확산 장치의 형태로 제공되는 경우, 이는 포커싱 장치(18)(예컨대 단일 렌즈 또는 렌즈 시스템)를 통해 작은 레이저 초점을 가능케 하는 큰 레이저 빔 직경을 만들어낼 수 있다.
편광 장치(34)는 레이저 빔의 전파 방향에서 평행-오프셋 유닛(14) 전에, 선택적으로는 바로 전에, 및 빔 성형 장치(32) 후에, 선택적으로는 바로 후에 배치될 수 있다. 편광 장치(34)는 예컨대 선편광 또는 원편광 또는 타원편광과 같은 원하는 편광 방식을 선택할 수 있는 모듈(module)을 포함한다. 선택적으로, 편광 장치는 빔의 움직임에 맞추어 조절되는 편광의 동적 조절을 가능케 하는 이동 수단(moving means)를 포함할 수 있다.
도 4에서 보듯, 레이저 재료 가공 장치(10)는 초점 위치를 광축, 예컨대 표시된 z-방향을 따라 이동시킬 수 있는 초점 위치 이동 장치(36)를 더 포함할 수 있다. 초점 위치 이동 장치(36)는 레이저 빔의 전파 방향에서 포커싱 장치(18) 전, 선택적으로는 바로 전 또는 빔 편향 유닛(16) 바로 전 또는 바로 후에 배치될 수 있다. 초점 위치 이동 장치(36)는 (예컨대 고정된) 광학 요소(optic)에 대해 레이저 빔의 전파 방향을 따라 이동가능한 광학적 구성요소 또는 광학 모듈을 포함할 수 있다. 일반적으로 포커싱 장치(18)는 작업 거리의 연속적(stepless)인 조절을 가능케 하기 위해, 작동수단에 의해 움직이도록 구비될 수 있다. 초점 위치 이동 장치(36)에 의해, 공작물(20)의 초점 위치가 조절될 수 있고, 공작물(20)의 z-방향 (즉 광축 방향) 가공이 구현될 수 있다.
도 4의 경우, 포커싱 장치(18)를 통해 검출되는 레이저 빔 및/또는 전자기복사(예컨대 빛)를 레이저의 빔 경로로부터 분리할 수 있도록, 빔 및/또는 공작물 표면에서의 공정을 모니터링하기 위한 빔 스플리터가 선택적으로 제공된다. 빔 스플리터(38)는, 예컨대 레이저 빔의 전파 방향에서 빔 편향 유닛(16) 후에 및 포커싱 장치(18) 전, 선택적으로는 바로 전에 배치될 수 있다.
도시된 빔 스플리터(38)를 통해, 포커싱 장치(18)를 통해 검출되고, 이 위치에서 분리된 레이저 빔 및/또는 분리된 전자기복사(예컨대 빛)는 선택적으로 제공되는 감지 장치(미도시)를 향할 수 있다.
감지 장치는 예컨대 카메라 렌즈를 통해 빔 스플리터(38)와 광학적으로 연결된 카메라 센서를 더 포함할 수 있다. 포커싱 장치(18)를 통해 검출된 공작물 표면의 레이저 빔 및/또는 전자기 복사(예컨대 빛)는 이후 빔 스플리터(38)를 통해 가이딩되고, 빔 스플리터(38)의 레이저 경로로부터 분리되어 종국적으로는 가공을 모니터링하기 위한 카메라 센서로 향할 수 있다. 평행-오프셋 유닛(14), 빔 편향 유닛(16), 포커싱 장치(18), 추가적으로 가능하게는 레이저원(12), 초점 위치 이동 장치(36), 빔 성형 장치(32) 및 편광 장치(34)와 같은 구성요소를 제어할 수 있도록 컨트롤러(24)가 형성, 구비될 수 있다.
레이저 빔을 집중시키는 포커싱 장치(18)는 단일 렌즈, 렌즈 시스템 또는 거울 시스템으로 구비될 수 있다. 바람직하게는, 포커싱 장치는 고정되도록 구비되고, 초점 위치의 변화는 초점 위치 이동 장치(36)를 통하여 구현될 수 있다.
선택적으로 또는 추가적으로, 초점 위치 이동 장치(36)는 평행-오프셋 유닛(14) 및 빔 편향 유닛(16) 사이에, 선택적으로는 평행-오프셋 유닛(14) 바로 후 또는 선택적으로는 빔 편향 유닛(16) 바로 전에 연결될 수 있다. 다른 구성요소들은 상술한 바대로 구비될 수 있다.
주목할 점은, 일반적으로 포커싱 장치(18)는 일반적으로 빔 편향 유닛(16) 전, 선택적으로는 바로 전에 배치될 수 있다는 것이다. 또한, 포커싱 장치(18)는 초점 위치 이동 장치(36)와 결합하여 일체로 형성될 수 있다.
일반적으로, 상술한 빔 스플리터(38)는 레이저의 빔 경로 내의 또 다른 위치에 배치될 수 있다. 예컨대, 전파 방향에서 봤을 때 레이저 빔은 포커싱 장치(18) 전, 선택적으로는 바로 전에 분리되도록 빔 스플리터(38)의 배열이 선택될 수 있다.
레이저 재료 가공 장치(10)의 유연한 조절 측면에서, 평행-오프셋 유닛(14), 빔 편향 유닛(16), 포커싱 장치(18), 추가적으로 가능하게는 레이저원(12), 빔 성형 장치(32), 편광 장치(34), 초점 위치 이동 장치(36) 및 빔 스플리터(38)와 같은 구성요소는 모듈 형태로 설계되어 서로 교환가능하도록 구비될 수 있다.
선택적으로는, 레이저 재료 가공 장치(10)는 공작물의 표면을 향하는 가스 빔을 생성하도록 구비된 가스 노즐을 포함할 수 있다. 이는 가공 품질을 개선할 수 있게 한다. 사용되는 가스는 예컨대 질소와 같은 비반응적 또는 불활성 가스일 수 있다. 가스 노즐은, 레이저 가공에 적합하도록 배치될 수 있다.
레이저 재료 가공의 정확도를 개선하기 위해, 추가적으로 빔 회전기(beam rotator)가 제공된다. 레이저 빔의 강도 프로파일(intensity profile)를 생성하도록 구비된 빔 회전기는 회전축을 중심으로 회전한다. 이 경우, 빔 회전기는 레이저 빔의 전파 방향 내에 하나 혹은 그 이상의 광학-연속 회전 구성요소를 포함할 수 있다. 빔 회전기는 특히 프리즘 또는 거울 어셈블리, 예컨대 리버싱 프리즘(reversing prism, Dove prism)에 의해 구현될 수 있다. 레이저 빔의 강도 분포의 회전은 구멍의 원형(circularity) 형성을 특히 향상시킨다.
컨트롤러(24)는 빔 편향 유닛(16), 평행-오프셋 유닛(14), 포커싱 장치(18), 초점 위치 이동 장치(36), 및/또는 레이저원(12)의 동기화된 제어가 구현되도록 구비될 수 있다. 구성요소들의 제어는 특히 디지털 방식으로 구현될 수 있다. 이때 선택적으로, 각각의 구성요소(예컨대 빔 편향 유닛, 평행-오프셋 유닛 등)를 제어하기 위한 별도의 제어 카드가 구비될 수 있다. 제어 카드는 예컨대 적합한 컴퓨터 상의 소프트웨어 또는 컴퓨터와는 독립적인 컨트롤러와 같은 중앙 제어 장치에 의해 제어될 수 있다. 컨트롤 카드는 구성요소의 페일-세이프(fail safe) 제어 및 동기화된 제어를 가능케 한다.
특히 주목할 점은, 레이저 재료 가공 장치는 선택적으로는 드릴링, 선택적 마이크로-드릴링을 수행하기 위한 레이저 재료 가공 장치일 수 있다는 것이다. 이때 구멍의 지름은 마이크로미터 범위일 수 있고, 선택적으로는 500㎛ 이하 또는 선택적으로는 200㎛ 이하일 수 있다.
일반적으로 본 발명은 레이저 재료 가공 장치와 가공되는 재료, 선택적으로는 레이저 가공되는 판 형태의 재료가 결합된 것을 지칭하는 것일 수 있다.
상술한 예시적 실시예들과 변형예들은 레이저 재료 가공을 위한 장치(10)에 각각 개별적으로 또는 결합되어 적용될 수 있다.
10: 레이저 재료 가공 장치
12: 레이저원
14: 평행-오프셋 유닛
16: 빔 편향 유닛
18: 포커싱 장치
20: 공작물
22: 공작물 홀더
24: 컨트롤러
26, 28, 30: 거울
32: 빔 성형 장치
34: 편광 장치
36: 초점 위치 이동 장치
38: 빔 스플리터

Claims (14)

  1. 가공되는 공작물(20)에 상대적인 제1방향을 따라, 레이저 빔 축을 정의하는 레이저 빔(laser beam, L)을 편향시키기 위해 회전 거울 또는 틸팅(tilting) 거울로 구성된 제1반사 거울 및 상기 공작물(20)에 상대적인 제2방향을 따라 상기 레이저 빔(L)을 편향시키기 위해 회전 거울 또는 틸팅 거울로 구성된 제2반사 거울을 가지고, 공작물 표면 상에 상기 레이저 빔(L)을 경로-가이딩하기 위한 빔 편향 유닛(beam deflection unit, 16);
    광축(optical axis, oA)에 대해 제1평행-오프셋 방향을 따라 레이저 빔을 평행-오프셋시키는 세 개의 반사 거울(26, 28, 30)을 가지는 평행-오프셋 유닛(parallel-offsetting unit, 14);
    상기 평행-오프셋 유닛(14)에 의해 평행하게 병진운동(translated)하고 상기 빔 편향 유닛(16)에 의해 편향된 레이저 빔을 상기 공작물(20) 상에 포커싱(focusing)시키는 포커싱 장치(18); 및
    상기 빔 편향 유닛(16)과 상기 평행-오프셋 유닛(14)의 동기화된 제어가 구현되도록 구성된 컨트롤러(14)를 포함하고,
    상기 레이저 빔을 평행-오프셋시키기 위한 상기 세 개의 반사 거울 중 하나의 반사 거울(26)은 회전할 수 있고,
    진입 반사(entry reflection) 및 방출 반사(exit reflection)는 상기 회전할 수 있는 반사 거울(26)에서 일어나며,
    상기 세 개의 반사 거울 중 두 반사 거울(28, 30)은 고정되고,
    상기 평행-오프셋 유닛(14)은 상기 레이저 빔이 상기 세 개의 반사 거울(26, 28, 30)에 의해 4번 반사되도록 구비되며
    상기 공작물에 대한 상기 레이저 빔 축의 입사각은 상기 평행-오프셋 유닛(14)에 의해 수행되는 평행-오프셋을 조절하여 변화될 수 있는, 레이저 재료 가공 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1방향 및 상기 제2방향은 서로 수직(orthogonal)인, 레이저 재료 가공 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 평행-오프셋 유닛(14)의 거울(26, 28, 30)은 상기 평행-오프셋 유닛(14)의 거울의 반사 표면 상의 수직선이 하나의 평면에 놓이도록 구비된, 레이저 재료 가공 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제2평행-오프셋 방향을 따라 레이저 빔을 평행 이동시키는 별도의 평행-오프셋 유닛이 제공되고,
    상기 평행-오프셋 유닛들은 서로 광학적으로 연결되어 서로 수직일 수 있는 두 개의 다른 평행-오프셋 방향을 따라 상기 레이저 빔을 평행하게 오프셋시킬 수 있는, 레이저 재료 가공 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 전파 방향에서 포커싱 장치(18) 전에, 선택적으로는 빔 편향 유닛(16) 후에 배치되는 상기 광축(oA)에 따른 상기 레이저 빔의 초점 위치를 이동시키는 장치(36)를 더 포함하는, 레이저 재료 가공 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러(24)는 상기 빔 편향 유닛(16) 및 상기 평행-오프셋 유닛(14)과 상기 포커싱 장치(18), 초점 위치 이동 장치(36) 및 레이저원(laser source, 12) 중 하나 이상의 동기화 제어가 구현되도록 구성된, 레이저 재료 가공 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 전파 방향에서 포커싱 장치(18) 전에, 선택적으로는 바로 전에 제공되고, 상기 레이저의 빔 경로에서부터 레이저 빔을 분리시키도록 구비된 빔 스플리터(38)를 포함하는, 레이저 재료 가공 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 빔 스플리터(38)와 광학적으로 연결되고, 분리된 레이저 빔을 검출하도록 구비된 감지 장치를 포함하는, 레이저 재료 가공 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 지름을 변화시키며, 상기 레이저 빔의 전파 방향에서 평행-오프셋 유닛(14) 전에 배치되는 빔 성형 장치(32)가 제공되는, 레이저 재료 가공 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 전파 방향에서 평행-오프셋 유닛(14) 전에, 선택적으로는 빔 성형 장치(32) 후에 배치되는 편광 장치(34)가 제공되는, 레이저 재료 가공 장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 빔 편향 유닛은 상기 평행-오프셋 유닛 및 상기 포커싱 장치(18) 사이에, 선택적으로는 상기 평행-오프셋 유닛 바로 이후에 또는 선택적으로는 상기 포커싱 장치(18) 바로 전에 배치되는, 레이저 재료 가공 장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 공작물(20)이 지지되는 공작물 홀더(22)를 더 포함하는, 레이저 재료 가공 장치.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    가공되는 상기 공작물(20)과 조합된, 레이저 재료 가공 장치.
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