KR20060088278A - 레이저빔의 광폭이 제어되는 레이저와 비전의 동축가공장치 - Google Patents

Abstract

레이저빔의 광폭이 제어되는 레이저와 비전의 동축가공장치가 개시된다. 본 발명에 따른 동축가공장치는, 레이저 발진기와; 레이저빔을 레이저 헤드로 전송하는 광섬유와; 콜리메이터, 가변 빔 익스팬더, 및 집속렌즈를 구비하는 레이저 헤드와; 비전영상에 의하여 가공 상태를 인식하는 비전헤드와; 상기 비전영상과 상기 레이저빔의 광축을 일치시키는 광축일치수단; 및 비전영상에 따라 상기 가변 빔 익스팬더를 조절하여 상기 레이저빔의 광폭을 제어하는 제어수단; 을 포함하여,

대상물의 가공 정밀도가 향상되고, 레이저빔의 광폭을 실시간으로 가변시킬 수 있어 가공상태의 변화에 적응적으로 대처할 수 있으며, 장치의 운용효율이 제고되어 다품종 소량가공이 용이하다.

레이저빔, 광폭, 레이저헤드, 비전헤드, 동축가공장치

Description

레이저빔의 광폭이 제어되는 레이저와 비전의 동축가공장치{LASER and vision equal axis processing apparatus which includes controller of the LASER beam width}

도 1은 본 발명에 따른 동축가공장치에서 고정된 레이저빔의 광축에 비전의 광축을 일치시킨 제1실시예가 도시된 측단면도.

도 2는 본 발명에 따른 동축가공장치에서 고정된 비전의 광축에 레이저빔의 광축을 일치시킨 제2실시예가 도시된 측단면도.

도 3은 본 발명에 따른 동축가공장치에서 레이저빔의 광폭이 가변되며 대상물이 가공되는 상태가 도시된 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100...대상물 103...전극

105...에이징용 전극 110...이송테이블

121...지지대 122...레이저 헤드아암

130...레이저 발진기 140...레이저 헤드

141...콜리메이터 142...가변 빔 익스팬더(beam expander)

143...집속렌즈 145...오목렌즈

146...볼록렌즈 150...광섬유

170...제어수단 180...비전헤드(vision head)

500...레이저빔 510, 610...제1미러부재

520, 620...제2미러부재 530, 630...비전영상

본 발명은 레이저 가공장치에 관한 것으로서, 특히 비전장비를 구비하여 가공오차를 줄이고, 레이저빔의 광폭을 가변시킬 수 있는 레이저와 비전의 동축가공장치에 관한 것이다.

레이저 가공장치는 가공 대상물의 재질에 상관없이, 비 접촉식으로 고정밀도의 가공이 가능하다. 소정 직경의 좁은 스폿점에 집속된 레이저빔으로 가공하므로 가공 대상물의 열 안정성이 확보되며, 가공 영역의 크기에 제약을 받지 않고 초정밀 가공을 수행할 수 있다.

가공 대상물이 가공되는 상태를 실시간으로 감시하기 위하여 비전(vision)장비 등이 레이저 가공장치와 함께 설치되는데, 레이저빔의 조사(照射) 지점과 비전장비의 광초점이 일치하지 않으면, 이를 일치시키는 복잡한 캘리브레이션(calibration)과정이 요구되며, 여기에 소요되는 시간과 가공 오차를 줄이기 위하여, 레이저빔의 광축과 비전장비의 광축을 동일축 선상에 일치시킬 필요가 있다.

또한, 가공 대상물의 다양한 종류와 크기에 상관없이 가공 선폭을 변화시키며 레이저 가공을 하려면, 레이저빔의 광폭과, 초점이 맺히는 거리와, 스폿의 직경 과, 레이저빔의 광강도와, 대상물의 가공위치로의 이송 등을 실시간으로 고속 정밀하게 제어할 수 있어야 작업 능률 및 장치의 운용 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로, 가공 상태를 감시하는 비전장비가 레이저빔과 동일한 광축에서 대상물의 비전영상을 정확하게 포착하며, 가공 조건의 변화나 가공 상태에 따라 레이저빔의 광폭 등을 능동적으로 제어할 수 있는 레이저와 비전의 동축가공장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 레이저와 비전의 동축가공장치는,

레이저빔을 출사하는 레이저 발진기;

상기 레이저 발진기에서 출사된 레이저빔을 레이저 헤드로 전송하는 광섬유;

상기 광섬유에서 전송된 레이저빔을 평행광으로 만드는 콜리메이터와, 상기 콜리메이터를 통과한 레이저빔의 광폭을 변화시키는 가변 빔 익스팬더와, 상기 가변 빔 익스팬더를 통과한 레이저빔을 소정 직경의 스폿에 집속시켜 대상물에 조사하는 집속렌즈를 구비하는 레이저 헤드;

대상물을 포착한 비전영상에 의하여 가공 상태를 인식하는 비전헤드;

상기 비전영상과 상기 레이저빔의 광축을 일치시키는 광축일치수단; 을 포함한다.

상기 광축일치수단의 제1실시예는,

가시광 반사막이 코팅된 적어도 하나의 미러부재를 포함하여,

상기 가변 빔 익스팬더를 통과한 레이저빔은 상기 집속렌즈 방향으로 투과시키고, 상기 레이저빔과 동일축에서 포착된 대상물의 비전영상은 상기 비전헤드 방향으로 반사시키는 것을 특징으로 한다.

상기 광축일치수단의 제2실시예는,

레이저 반사막이 코팅된 적어도 하나의 미러부재를 포함하여,

상기 가변 빔 익스팬더를 통과한 레이저빔은 상기 집속렌즈 방향으로 반사시키고, 상기 레이저빔과 동일축에서 포착된 대상물의 비전영상은 상기 비전헤드 방향으로 투과시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 레이저와 비전의 동축가공장치는,

상기 레이저빔과 동일한 광축에서 포착된 비전영상에 따라 상기 가변 빔 익스팬더를 조절하여 상기 레이저빔의 광폭을 제어하는 제어수단; 을 더 포함하는 것이 바람직하다.

아울러, 본 발명에 따른 레이저와 비전의 동축가공장치는,

상기 대상물을 지지하며 이동가능한 이송테이블을 더 포함하고,

상기 레이저 발진기와 상기 레이저 헤드와 상기 이송테이블이 상기 제어수단에 연결되며,

상기 제어수단이, 상기 비전헤드에서 인식한 대상물의 가공상태에 따라 상기 레이저 발진기의 동작을 온/오프시키고, 상기 대상물이 가공위치로 이송되도록 상기 레이저 헤드와 상기 이송테이블을 상대운동시키는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 동축가공장치에서 고정된 레이저빔의 광축에 비전의 광축을 일치시킨 제1실시예가 도시된 측단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 동축가공장치에서 고정된 비전의 광축에 레이저빔의 광축을 일치시킨 제2실시예가 도시된 측단면도이다.

레이저 가공을 위하여는 레이저빔(500)을 출사하는 레이저 발진기(130)와, 상기 레이저빔(500)을 스폿에 집속시키고 이를 대상물(100)에 조사하는 레이저 헤드(140)와, 레이저 발진기(130) 및 레이저 헤드(140)를 연결하는 연결광학계가 필요하다. 초정밀 가공을 위하여 레이저 헤드(140)는 수 마이크로미터 범위에서 정밀하게 위치 제어되어야 한다. 레이저 헤드(140)는 콜리메이터(141), 가변 빔 익스팬더(142), 및 집속렌즈(143) 등으로 구성되며, 한정된 작업/설치공간을 고려하여 효과적으로 이들을 조합시키는 것이 필요하다. 즉, 레이저 헤드(140)는 무게와 부피가 작고 질량(회전) 관성 모멘트가 최소로 되도록 설치될 필요가 있다.

따라서, 소형 경량화된 플렉시블(flexible)한 연결 광학계로서 광섬유(150)가 개재되며 레이저 발진기(130)와 레이저 헤드(140)는 분리 설치된다. 광섬유(150)는 레이저 헤드(140)의 이송운동을 구속하지 않으면서, 레이저 발진기(130)에서 출사된 레이저빔(500)을 광 모드의 변화없이 그대로 레이저 헤드(140)에 전송한다.

콜리메이터(141)는 광섬유(150)의 단부에서 출사된 레이저빔(500)을 평행광으로 만든다. 이 평행광은 가변 빔 익스팬더(142)에 의하여 광폭의 크기가 조절되 며 초점이 맺히는 길이가 변화된다. 가변 빔 익스팬더(142)는 볼록렌즈(146)와 오목렌즈(145)의 조합으로 이루어진다. 볼록렌즈(146)와 오목렌즈(145) 상호간의 거리를 조절하여 레이저빔(500)의 광폭을 변화시키는 것이 바람직하다. 레이저빔의 광경로에 슬릿(미도시)을 개재하고, 슬릿의 폭을 조절하여 이를 통과하는 레이저빔의 광폭을 변화시키는 실시예도 가능하다.

집속렌즈(143)에서부터 대상물(100)의 가공면에 이르는 거리가 일정하다고 가정하면, 도 1 내지 도 2에 참조부호 501의 점선으로 표시된 레이저빔은, 광폭의 크기가 상대적으로 확대되며 초점이 맺히는 길이가 더 길고, 대상물(100)에 조사되는 레이저빔의 광폭이 d2로 증가되므로 대상물(100)이 가공되는 폭도 d2로 증가된다.

대상물(100)의 가공상태를 실시간으로 포착한 비전영상(530)은 집속렌즈(143)를 통과하여 레이저 헤드(140) 내부로 유입된다. 도 1의 제1실시예에서는, 상기 비전영상(530)의 광경로를 비전헤드(180) 방향으로 변경시키기 위하여 가시광 반사막이 코팅된 적어도 하나의 미러부재가 레이저 헤드(140)에 구비된다.

즉, 집속렌즈(143)를 통과한 비전영상(530)이 제1미러부재(510)에 의하여 제2미러부재(520)로 반사되고, 제2미러부재(520)는 상기 비전영상(530)을 비전헤드(180)로 반사시킨다. 비전헤드(180)에는 CCD카메라 및 비전영상(530)을 포착하는 캡처보드(capture board)와 영상처리보드 등이 구비되어 비전영상(530)을 통한 대상물(100)의 가공상태를 인식하고, 이를 제어수단(170)으로 입력한다. 제어수단(170)은 비전헤드(180)에서 입력된 비전영상(530)을 설정값과 비교하며 가변 빔 익 스팬더(142)로 레이저빔(500)의 광폭을 조절한다.

도 2의 제2실시예에서는, 가변 빔 익스팬더(142)를 통과한 레이저빔(500)의 광경로가 변경되어 비전영상(630)의 광축과 동일축이 된다. 레이저빔(500)의 광경로를 변경시키기 위하여 레이저 반사막이 코팅된 적어도 하나의 미러부재가 레이저 헤드(140)의 내부에 구비된다.

즉, 제1미러부재(610)가 가변 빔 익스팬더(142)를 통과한 레이저빔(500)을 제2미러부재(620)로 반사시키고, 이 레이저빔(500)은 제2미러부재(620)에 의하여 집속렌즈(143) 방향으로 반사된다. 대상물(100)을 포착한 비전영상(630)은 집속렌즈(143)를 통과하고 제2미러부재(620)를 그대로 투과하며 비전헤드(180)에 구비된 CCD카메라로 유입된다.

대상물(100)은 이송테이블(110)에 로딩(loading)되어 원하는 가공위치로 이송된다. 도 1 내지 도 2에 도시된 제1, 제2실시예에 따르면, 이송테이블(110)은 Y축 방향으로 이동되고, 레이저 헤드(140)는 레이저 헤드아암(122)에 결합되어 X축 및 Z축으로 이동된다. 구동원으로는 이송테이블(110)에 Y축 이동을 위한 리니어모터(미도시)가 설치되고, 레이저 헤드아암(122)에 X축 이동을 위한 리니어모터와 Z축 이동을 위한 스텝모터(미도시)가 설치된다. 이에 국한되지 않고, 이송테이블(110)이 X축과 Y축을 이동하며, 레이저 헤드(140)가 Z축 이동을 하는 등의 다양한 실시예가 가능하다.

제어수단(170)에는 레이저 발진기(130), 레이저 헤드아암(122), 가변 빔 익스팬더(142), 이송테이블(110), 및 비전헤드(180) 등이 연결된다. 제어수단(170) 은, 비전헤드(180)에서 인식된 대상물(100)의 가공상태에 따라, 레이저 발진기(130)의 동작을 온/오프(on/off)시키고, 가변 빔 익스팬더(142)를 조절하여 레이저빔(500)의 광폭을 제어하며, 레이저 헤드아암(122)과 레이저 헤드(140) 및 이송테이블(110)의 상대운동에 관한 위치 제어 동작을 수행한다.

본 발명에 따른 레이저와 비전의 동축가공장치에서는 가공할 대상물(100)의 종류와 크기에 제약이 없다. 도 3에서는 하나의 실시예로서, 대상물(100)이 평판 디스플레이 패널이고, 레이저빔(500)의 광폭이 가변되면서 평판 디스플레이 패널에 형성된 에이징용 전극(105)을 절단하는 경우가 도시된다.

다양한 용도에 따라 다양한 크기를 가지는 평판 디스플레이 패널은 반도체 공정을 이용하여 패널상에 미세 전극(103)들이 박막으로 형성된다. 이 미세 전극(103)들을 절단 가공하려면 μm 단위의 정밀도가 요구된다. 본 발명에서는 상술한 바와 같이 레이저빔(500)의 광축과 일치되게 비전헤드(180)를 설치하여 대상물(100)의 가공상태를 실시간으로 감시하며 레이저 가공의 정밀도를 향상시킨다.

한편, 평판 디스플레이 패널(100)은 모든 단위 셀들이 오랜 시간 동안 제대로 작동하는지의 여부를 검사하는 에이징(aging) 공정을 거치게 되는데, 에이징 공정은 평판 디스플레이 패널(100)의 가장자리에 다수 배치된 전극(103)들 위에 에이징용 전극(105)을 인쇄하여 전극(103)들을 모두 쇼트(short)시킨 상태에서 전압을 인가함으로써 행해진다. 에이징 공정이 완료된 후에는 쇼트되어 있는 전극(103)들을 에이징 공정 전의 상태인 각 전극(103)들이 서로 단절된 상태로 만들어 주어야 한다.

도 3에서는 제어수단(170)이, 실시간으로 포착한 비전영상과 미리 주어진 설정값을 비교하며 가공상태를 판단하고, 그에 따라 가변 빔 익스팬더(142)를 조절하여 레이저빔(500)의 광폭을 d1~d2 범위로 가변시키며 전극(103)들 각각을 미리 설정된 치수대로 제거한다. 아울러, 제어수단(170)은 이송테이블(110) 및 레이저 헤드(140)의 상대운동을 위치 제어하여 평판 디스플레이 패널을 원하는 가공위치로 이송시킨다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저빔의 광폭이 제어되는 레이저와 비전의 동축가공장치는, 레이저빔의 광축과 일치되게 비전헤드가 구비되어 대상물의 가공 정밀도가 향상되고, 레이저빔의 광폭을 실시간으로 가변시킬 수 있어 가공상태의 변화에 적응적으로 대처할 수 있으며, 장치의 운용효율이 제고되어 다품종 소량가공이 용이하다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 레이저빔을 출사하는 레이저 발진기;

   상기 레이저 발진기에서 출사된 레이저빔을 레이저 헤드로 전송하는 광섬유;

   상기 광섬유에서 전송된 레이저빔을 평행광으로 만드는 콜리메이터와, 상기 콜리메이터를 통과한 레이저빔의 광폭을 변화시키는 가변 빔 익스팬더와, 상기 가변 빔 익스팬더를 통과한 레이저빔을 소정 직경의 스폿에 집속시켜 대상물에 조사하는 집속렌즈를 구비하는 레이저 헤드;

   대상물을 포착한 비전영상에 의하여 가공 상태를 인식하는 비전헤드;

   상기 비전영상과 상기 레이저빔의 광축을 일치시키는 광축일치수단; 을 포함하는 레이저와 비전의 동축가공장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 광축일치수단은,

   가시광 반사막이 코팅된 적어도 하나의 미러부재를 포함하여,

   상기 가변 빔 익스팬더를 통과한 레이저빔은 상기 집속렌즈 방향으로 투과시키고, 상기 레이저빔과 동일축에서 포착된 대상물의 비전영상은 상기 비전헤드 방향으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 레이저와 비전의 동축가공장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 광축일치수단은,

   레이저 반사막이 코팅된 적어도 하나의 미러부재를 포함하여,

   상기 가변 빔 익스팬더를 통과한 레이저빔은 상기 집속렌즈 방향으로 반사시 키고, 상기 레이저빔과 동일축에서 포착된 대상물의 비전영상은 상기 비전헤드 방향으로 투과시키는 것을 특징으로 하는 레이저와 비전의 동축가공장치.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 레이저빔과 동일한 광축에서 포착된 비전영상에 따라 상기 가변 빔 익스팬더를 조절하여 상기 레이저빔의 광폭을 제어하는 제어수단; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저와 비전의 동축가공장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 대상물을 지지하며 이동가능한 이송테이블을 더 포함하고,

   상기 레이저 발진기와 상기 레이저 헤드와 상기 이송테이블이 상기 제어수단에 연결되며,

   상기 제어수단이, 상기 비전헤드에서 인식한 대상물의 가공상태에 따라 상기 레이저 발진기의 동작을 온/오프시키고, 상기 대상물이 가공위치로 이송되도록 상기 레이저 헤드와 상기 이송테이블을 상대운동시키는 것을 특징으로 하는 레이저와 비전의 동축가공장치.

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