KR20040016542A - 광정렬 및 레이저 웰딩장치 - Google Patents

광정렬 및 레이저 웰딩장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광정렬 및 레이저 웰딩(welding)장치에 관한 것으로, 고속 광통신에 사용되는 발광소자와 광섬유 또는 광섬유와 수광소자 사이의 광축을 정렬하고 정렬된 부품들을 고정시켜 결합하는 장치이다. 본 발명은 광부품을 정렬하고 고정하기 위해 레이저 웰딩을 실시할 때 웰딩 후 변위를 최소화하기 위한 시스템으로써 패키징 효율을 극대화하고 광부품 패키징 시간을 최소화하여 생산성을 향상시킬 수 있다.

Description

광정렬 및 레이저 웰딩장치{Optical Alignment and Laser Welding System}
본 발명은 레이저 웰딩(welding) 장치에 관한 것으로, 특히 광부품을 정렬하고 고정하기 위해 레이저 웰딩을 실시할 때 웰딩 후 변위를 최소화하는 시스템구조를 제시함으로써 패키징 효율을 극대화하고 광부품 패키징 시간을 최소화하여 생산성을 향상시키는 광정렬 및 레이저 웰딩장치에 관한 것이다.
도 1은 종래의 광정렬 및 레이저 웰딩 장치의 개념을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광정렬 및 레이저 웰딩 장치는 x-축 좌우 방향으로 움직일 수 있는 x-축 스테이지, y-축 전후 방향으로 움직일 수 있는 y-축 스테이지, 축을 회전시킬 수 있는 각(angular) 스테이지, x-축 및 y-축으로 경사를 줄수 있는 경사(tilting) 스테이지 등으로 구성된 하단정렬장치부(3), 하단정렬장치 부(3) 위에 고정되어 패키징 하고자 하는 시료를 일시적으로 고정시키는 하단부품홀더(6), z-축 상하 방향으로 움직이면서 정렬이 가능한 z-축 스테이지 및 필요에 따라 다른 축 스테이지 및 경사 스테이지를 포함하는 상단정렬장치부(2), 상단정렬장치부(2)에 고정되어 시료에 부착할 광섬유 또는 부품을 잡아 일시적으로 고정시키는 상단부품홀더(5), 부착하고자 하는 시료들이 정렬되면 웰딩 부착을 위해 레이저 빛을 발사하는 고출력레이저(4), 고출력레이저(4) 빛을 쪼일 부위를 유도, 안내하는 레이저빔 위치조절장치(7), 상단정렬장치부(2)와 하단정렬장치부(3)와 고출력레이저(4) 및 레이저빔 위치조절장치(7)를 제어하는 제어부(1)로 구성된다.
광정렬 및 레이저 웰딩 장치의 다른 구성 방법으로 상단정렬장치부(2)에 x-축, y-축, z-축 제어장치와 회전축 제어장치 및 경사 제어장치를 두고 하단정렬장치부(3)에는 하단부품홀더(6)만 둘 수도 있다.
광정렬 및 레이저 웰딩 장치의 또 다른 구성 방법으로 하단정렬장치부(3)에 x-축, y-축, z-축 제어장치와 회전축 제어장치 및 경사 제어장치를 두고 상단정렬장치부(2)에는 상단부품홀더(5)만 둘 수도 있다.
도 2는 도 1의 점선으로 표시된 부분을 확대한 것으로 레이저 웰딩장치의 광부품 정렬 및 부착 개념도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 광소자 패키징 공정은 먼저 하단정렬장치부(3)에 고정된 하단부품홀더(6)를 이용하여 하단부품(9), 즉 TO-형 패키지에 부착된 레이저다이오드 또는 포토다이오드를 공기압 등을 이용하여 조여 고정시키고, 상단부품홀더(5)를 이용하여 광섬유가 고정된 광섬유페룰을 공기압 등을 이용하여 조여서 고정시킨다.
이어서, 제어부에서 제공하는 전류신호, 전압신호 또는 광신호를 이용하여 상단부품(8)과 하단부품(9)을 정렬하여 일치시키고, 레이저빔(10)을 조사하여 상단부품(8)과 하단부품(9)을 부착시킨다.
이와 같은 광소자 패키징 공정에 있어서 상단부품(8)과 하단부품(9)의 정렬은 광소자와 광섬유 등의 특성상 1 ㎛ 이내로 정밀하게 정렬되어야 하고 부착 후에도 변위가 1 ㎛ 이내로 작아야 한다.
도 3은 종래의 광부품 패키징에 따른 상단부품과 하단부품의 좌우방향, 전후 방향 및 수직방향의 정렬 이외에도 기울임 방향의 정렬상태를 나타낸 단면도로서, 도 3(a)은 기울임 방향으로 정렬이 양호한 상태를 나타내고 있고, 도 3(b)은 기울임 방향의 정렬이 잘 이루어지지 않은 상태를 나타내고 있다.
도 3(b)에 도시된 바와 같이, 기울임 방향의 정렬이 잘 되지 않은 이유로는 각 부품의 기계적 가공 오차가 그 원인일 경우가 많으며 상하단 부품 홀더의 미세한 오차에 기인할 수도 있는데 이와 같은 미세 오차로 인해 좌우방향 및 전후방향의 정렬이 아무리 완벽해도 레이저 웰딩에 의한 부착시 오른쪽으로 기울어지게 되어 정렬이 빗나가게 되는데 이러한 웰딩후 변위(post welding shift) 현상이 종래의 광정렬 및 레이저 웰딩장치에서 자주 발생하는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 광부품을 정렬하고 고정하기 위해 레이저 웰딩을 실시할 때 웰딩후 변위를 최소화하는 시스템 구조를 제시함으로써 패키징 효율을 극대화하고 광부품 패키징 시간을 최소화하여 생산성을 향상시키는 시스템을 제작하는데 그 목적을 두고 있다.
도 1은 종래의 광정렬 및 레이저 웰딩장치 구성도
도 2는 종래의 레이저 웰딩장치의 광부품 정렬 및 부착 개념도
도 3a 및 도 3b는 종래의 광부품 패키징에 따른 정렬 모습을 나타낸 단면도
도 4는 본 발명에 따른 광정렬 및 레이저 웰딩장치 구성도
도 5는 본 발명에 따른 광정렬 및 레이저 웰딩장치를 구현한 상세도
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
11 : 하단정렬장치부 12, 25 : 하단부품홀더
13, 26 : 상단정렬장치부 14, 27 : 상단부품홀더
15, 29 : 고출력레이저 16, 28 : 레이저빔 위치조절장치
17 : 제어부 18, 30 : 감시 카메라
19 : 감시 시스템 제어부 21 : x-축 스테이지
22 : y-축 스테이지 23 : 각 스테이지
24 : 경사 스테이지
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광정렬 및 레이저 웰딩장치는 x-축 및 y-축의 전후 방향과 회전방향으로 움직일 수 있고 경사각도를 조절할 수 있으며 이들 운동을 제어할 수 있는 하단정렬장치부, 상기 하단정렬장치부 위에 고정되어 패키징 하고자 하는 시료를 일시적으로 고정시키는 하단부품홀더, z-축 상하 방향으로 움직일 수 있고 z-축 운동을 제어할 수 있는 상단정렬장치부, 상기 상단정렬장치부에 고정되어 시료에 부착할 광섬유 또는 부품을 잡아 일시적으로 고정시키는 상단부품홀더, 웰딩부착을 위해 충분한 에너지의 빛을 발사하는 고출력레이저, 상기 고출력레이저 빛을 쪼일 부위를 유도, 안내하는 레이저빔 위치조절장치,상기 상단정렬장치부, 상기 하단정렬장치부, 상기 고출력레이저 및 상기 레이저빔 위치조절장치를 제어하는 제어부, 상기 상단부품홀더에 일시 고정된 광부품과 상기 하단부품홀더에 일시 고정된 광부품 사이의 기울어진 정도를 형상화하는 감시 카메라(18), 및 상기 감시 카메라로 측정된 이미지를 분해하여 기울어진 방향과 크기를 계량화하는 감시 시스템 제어부로 이루어짐을 특징으로 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 광정렬 및 레이저 웰딩장치 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광정렬 및 레이저 웰딩장치는 x-축 좌우 방향으로 움직일 수 있는 x-축 스테이지, y-축 전후 방향으로 움직일 수 있는 y-축 스테이지, 축을 회전시킬 수 있는 각(angular) 스테이지, x-축 및 y-축으로 경사를 줄 수 있는 경사(tilting) 스테이지 등으로 구성된 하단정렬장치부(11), 하단정렬장치부(11) 위에 고정되어 패키징 하고자 하는 시료를 일시적으로 고정시키는 하단부품홀더(12), z-축 상하 방향으로 움직이면서 정렬이 가능한 z-축 스테이지 및 필요에 따라 다른 축 스테이지 또는 경사 스테이지를 포함하는 상단정렬장치부(13), 상단정렬장치부(13)에 고정되어 시료에 부착할 광섬유 또는 부품을 잡아일시적으로 고정시키는 상단부품홀더(14), 부착하고자 하는 시료들이 정렬되면 웰딩부착을 위해 레이저 빛을 발사하는 고출력레이저(15), 고출력레이저(15) 빛을 쪼일 부위를 유도-안내하는 레이저빔 위치 조절장치(16), 상단정렬장치부(13)와 하단 정렬장치부(11)와 고출력레이저(15) 및 레이저빔 위치조절장치(16)를 제어하는 제어부(17), 상단부품홀더(14)에 일시 고정된 광부품과 하단부품홀더(12)에 일시 고정된 광부품 사이의 기울어진 정도를 형상화하는 감시(vision) 카메라(18), 및 감시 카메라(18)로 측정된 이미지를 분해하여 기울어진 방향과 크기를 계량화하는 감시 시스템 제어부(19)로 구성되어 있다.
여기서, 감시 카메라(18)는 2대를 설치하여 90°로 배치함으로써 기울어짐 정도를 해석할 수 있으며, 경우에 따라서 3대를 120°간격으로 배치하여 기울어짐 정도를 감지하고 해석할 수 있다.
본 발명의 구조에서 광정렬 및 레이저 웰딩 장치의 다른 구성 방법으로 상단정렬장치부(13)에 x-축, y-축, z-축 제어장치와 회전축 제어장치 및 경사 제어장치를 두고 하단정렬장치부(11)에는 하단부품홀더(12)만 둘 수도 있다.
본 발명의 광정렬 및 레이저 웰딩 장치의 또 다른 구성 방법으로 하단정렬 장치부(11)에 x-축, y-축, z-축 제어장치와 회전축 제어장치 및 경사 제어장치를 두고 상단정렬장치부(13)에는 상단부품홀더(14)만 둘 수도 있다.
본 발명의 구조에서 감시 시스템 제어부(19)는 제어부(17)에 의해 제어되고, 한 장의 보드로 하여 제어부(17) 내에 그 기능을 둘 수도 있으며 이 경우 시스템 구성을 좀 더 간단하게 구성할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 광정렬 및 레이저 웰딩장치를 구현한 상세도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 좌우 방향으로 하단정렬장치부를 움직일 수 있고 움직임을 제어할 수 있는 x-축 스테이지(21), 전후 방향으로 하단정렬장치부를 움직일 수 있고 움직임을 제어할 수 있는 y-축 스테이지(22), 하단정렬장치부를 회전방향으로 움직일 수 있고 움직임을 제어할 수 있는 각 스테이지(23), 하단정렬장치부를 좌우방향 및 전후방향으로 기울일 수 있고 기울임 정도를 제어할 수 있는 경사 스테이지(24), 하단정렬장치부에 고정된 하단부품홀더(25), 상하 방향으로 상단정렬장치부를 움직일 수 있고 움직임을 제어할 수 있는 z-축 스테이지(26), 상단정렬장치부에 부착 고정된 상단부품홀더(27), 고출력레이저 빛을 쪼일 부위를 유도-안내하는 레이저빔 위치 조절장치(28), 고출력레이저(29) 및 감시 카메라(30), 이들 각 부분을 제어하는 제어부와 감시 카메라 제어부로 구성되어 있다.
여기서, x-축 스테이지(21), y-축 스테이지(22), 각 스테이지(23), 경사 스테이지(24)는 제어부를 통해 제어할 수 있으며, 이들의 제어를 통해 하단정렬장치부에 부착고정된 하단부품홀더(25)의 위치, 각도, 기울임 등을 제어하게 된다.
상기와 같은 본 발명은 감시 시스템을 이용하여 부품간의 기울어짐에 의해 발생하는 웰딩 후 변위를 제거할 수 있어 레이저 웰딩 후에도 광결합 효율의 변화가 작기 때문에 광소자 패키징의 생산성 및 수율을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (7)

  1. x-축 및 y-축의 전후 방향과 회전방향으로 움직일 수 있고 경사각도를 조절할 수 있으며 이들 운동을 제어할 수 있는 하단정렬장치부,
    상기 하단정렬장치부 위에 고정되어 패키징 하고자 하는 시료를 일시적으로 고정시키는 하단부품홀더,
    z-축 상하 방향으로 움직일 수 있고 z-축 운동을 제어할 수 있는 상단정렬장치부,
    상기 상단정렬장치부에 고정되어 시료에 부착할 광섬유 또는 부품을 잡아 일시적으로 고정시키는 상단부품홀더,
    웰딩부착을 위해 충분한 에너지의 빛을 발사하는 고출력레이저,
    상기 고출력레이저 빛을 쪼일 부위를 유도, 안내하는 레이저빔 위치조절장치,
    상기 상단정렬장치부, 상기 하단정렬장치부, 상기 고출력레이저 및 상기 레이저빔 위치조절장치를 제어하는 제어부,
    상기 상단부품홀더에 일시 고정된 광부품과 상기 하단부품홀더에 일시 고정된 광부품 사이의 기울어진 정도를 형상화하는 감시 카메라, 및
    상기 감시 카메라로 측정된 이미지를 분해하여 기울어진 방향과 크기를 계량화하는 감시 시스템 제어부로 구성됨을 특징으로 하는 광정렬 및 레이저 웰딩장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 감시 카메라는 2대를 설치하여 90°로 배치하는 것을 특징으로 하는 광정렬 및 레이저 웰딩장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 감시 카메라는 3대를 설치하고 120°간격으로 배치하는 것을 특징으로 하는 광정렬 및 레이저 웰딩장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상단정렬장치부에 x-축, y-축, z-축 제어장치와 회전축 제어장치 및 경사 제어장치를 두고, 상기 하단정렬장치부에 하단부품홀더만 고정하는 것을 특징으로 하는 광정렬 및 레이저 웰딩장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하단정렬장치부에 x-축, y-축, z-축 제어장치와 회전축 제어장치 및 경사 제어장치를 두고, 상기 상단정렬장치부에 상단부품홀더만 고정하는 것을 특징으로 하는 광정렬 및 레이저 웰딩장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 감시 시스템 제어부는 제어부에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 광정렬 및 레이저 웰딩장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 감시 시스템 제어부는 한 장의 보드로 하여 상기 제어부 내에 그 기능을 두어 시스템을 구성하는 것을 특징으로 하는 광정렬 및 레이저 웰딩장치.
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