KR20060131849A - 가상 레이저 마킹 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20060131849A
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Abstract

가상 마킹 시스템(30)이 한계 회전 모터 시스템의 성능을 시뮬레이팅하기 위해 개시된다. 상기 가상 마킹 시스템은 명령 발생 유닛(32), 한계 회전 모터 시스템 유닛(34), 및 광학적-기계적 모델링 유닛(36)을 포함한다. 명령 발생 유닛은 마크된 패턴(40)(pattern)에 대한 데이터 표현(data representative)을 수용하고, 마크된 패턴을 마킹하기 위한 일련의 명령을 제공하기 위한 것이다. 한계 회전 모터 시스템 유닛(34)은 마크된 패턴을 마킹하기 위한 일련의 명령을 수용하고 광학 소자(optical element)의 가상 위치를 나타내는 광학 소자 응답 신호(optical element response signals)를 제공하기 위한 것이다. 광학적-기계적 모델링 유닛(36)은 광학 소자 응답 신호를 수용하고 마크된 패턴의 가상 상(virtual image)을 제공하기 위한 것이다.
가상 마킹 시스템, 한계 회전 모터 시스템, 명령 발생 유닛, 광학적-기계적 모델링 유닛

Description

가상 레이저 마킹 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR VIRTUAL LASER MARKING}
본 발명은 일반적으로 한계 회전 모터 시스템(limited rotation motor systems)에 관계하고, 더 상세하게는 한계 회전 모터 시스템을 설계하기 위한 시스템에 관한 것이다.
한계 회전 모터는 단계적 모터(stepper motors) 및 등속 모터(constant velocity motors)를 포함한다. 어떤 단계적 모터는 큰 주사각(scan angles)에서 높은 속도 및 높은 의무주기 톱니 스캐닝(duty cycle sawtooth scanning)을 요구하는 응용들에 적합하다. 예를 들면, 미국 특허 제 6,275, 319는 래스터 스캐닝 응용들(raster scanning applications)을 위한 광학 스캐닝 장치(optical scanning device)를 개시한다.
그러나, 어떤 응용분야에서의 한계 회전 모터는 톱니 방식에서의 단계적 및 침강 형태로 감소하는 속도보다 정확하고 일정한 속도로 두 위치들 사이에서 이동하도록 하는 로터(rotor)를 요구한다. 이러한 응용분야는 등속에 도달하기 위해 필요한 시간이 가능한 짧아야 하고 도달된 속도에서 오차가 가능한 작아야 한다. 등속 모터는 일반적으로 높은 토크 상수(torque constant)를 제공하고 전형적으로 위치 변환기(position transducer), 예를 들면, 타코메터(tachometer) 또는 위치 센서(position sensor) 뿐만 아니라 로터 및 로터를 중축 둘레로 회전시키기 위한 구동 서키트리(driven circuitry), 및 로터를 입력 및 출력 신호에 응답하여 구동 서키트리에 의해 구동되도록 하는 변환기에 결합된 피드백 회로(feedback circuit)를 포함한다. 예를 들면, 미국 특허 제 5,424,632는 종래의 2극 한계 회전 모터(two-pole limited rotation motor)를 개시한다.
어떤 응용분야에서 원하는 한계 회전 모터는 스캐너의 각 운동 범위 내에서 각 A와 B의 두 각 모두를 포함하고, 임의의 작은 오차 내에 원하는 속도의 선형성을 유지하면서 임의로 짧은 시간 내에, 두 각 모두 임의로 정확하게 한정하면서, 거울(mirror)처럼 로드 각 위치(angular position of load)를 각 A에서 각 B로 변경시킬 수 있는 시스템을 요구한다.
이 시스템 응답의 최소 시간 및 최소 속도 오차 모두는 이 시스템의 효과적인 대역폭(bandwidth)에 의해 억제된다. 그러나 이 시스템의 효과적인 대역폭은 이 시스템의 개방 루프 이득(open loop gain)을 포함한 많은 인자에 의해 결정된다.
한계 회전 토크 모터(limited rotation torque motor)는 몇 가지 가요 모드(flexible modes) 및 저주파수 비선형 효과(low frequency non-linear effects)가 추가된 이중 적분 모델(double- integrator model) 의해 표현 및 설계된다. 검류계(galvanometer)용 전형적인 닫힌 루프 서보 시스템(closed-loop servo system)은 저주파수 불확실성에 대한 적분동작(integral actions) 및 고주파수 공명 모드를 위한 노치 필터(notch filter)를 포함한다. 시스템이 단단한 몸체에 의해 잘 만들어진 이런 영역에서 시스템 동작이 중저파수 범위에서 선택된다. 이중 적분기의 견고한 몸체 모델에 있어서, 주파수 응답 플롯(frequency response plot) 상의 개방 루프 이득과 교차 주파수 사이에는 직접적인 관련이 있다. 예를 들면, 서보라이터 헤더 위치 시스템(servowriter head positioning system)용 자동 전환 시스템(automatic tuning system)이 최소 위치 오차를 구비한 서보라이터 헤더 위치 시스템의 자동전환-Y. H. Huang, S. Weerasooriya and T. S. Low, J. Applied Physics, v. 79 pp. 5674-5676 (1996)-에 개시되어 있다.
도 1은 레이저 소스(laser source)(18)에 의해 상 렌즈(imaging lens)(20)를 관통하여 상 표면(imaging surface)(22)을 향하도록 레이저 빔(16)을 안내하기 위해 거울 13 및 15에 각각 결합하는 두 개의 한계 회전 모터 12, 14를 사용한 마킹 시스템(marking system)(10)을 도시한다. 레이저 소스(18)를 온(on) 및 오프(off)하는 것뿐 아니라 x 스캔 방향 모터(x scan direction motor)(12) 및 y 스캔 방향 모터(y scan direction motor)(14)의 통제가 컨트롤러(controller)(22)에 의해 제공된다. 콘트롤러(24)는 상 표면상에 만들어는 마크(mark)에 대한 입력 명령(26)을 수용한다. 이어서, 콘트롤러(24)는 x 스캐너(14) 및 y 스캐너(12)를 적절히 이동하도록 하고, 입력 명령 및 목표 평면(target plane)에서 상 표면의 이동에 응답하여 레이저 소스(예를 들면, 저· 고 사이 또는 마킹 한계 값(marking threshold value) 초과시 전환)의 온 및 오프를 행하도록 명령한다. 이 시스템 은 각각의 모터 12 및 14 내에 각각 컨트롤러(24)로 역송하는 위치 검출 신호(position detection signals)를 제공하는 위치 검출기(position detector)를 포함할 수 있다.
예를 들면, 이러한 한계 회전 모터는 고속 표면 도량형(high speed surface metrology)과 같은 다양한 레이저 스캐닝 응용에 사용될 수 있다. 레이저 가공 응용분야는 레이저 용접(laser welding)(예를 들면,고속 스팟 용접), 표면 처리, 커팅, 천공, 마킹, 트리밍(trimming), 레이저 수리(laser repair), 빠른 프로토타이핑(prototyping), 마이크로구조의 형성 또는 다양한 물질에서 나노구조의 밀집 배열을 형성하는 것을 포함한다.
이러한 시스템의 처리 속도는 거울 속도(mirror speed), X-Y 상 속도(X-Y stage speed), 물질 상호작용 및 물질 열 시간 상수(material thermal time constants), 처리되는 목표 물질 및 영역의 레이아웃 및 소프트웨어 성능 중 하나 이상에 의해 전형적으로 제한된다. 일반적으로, 거울 속도, 위치 정확성 및 정착시간(settling time) 중 하나 이상이 성능 제한 인자가 되는 그러한 응용분야에 있어서, 스캐닝 시스템에서 개방 루프 이득의 임의의 상당한 개선은 바로 처리량 개선으로 전환될 수 있다.
한계 회전 모터 작동기(limited rotation motor actuator)에서, 개방 루프 이득은 모터의 토크 상수, 거울 및 로터 구조의 관성(inertia of the mirror and rotor structure) 및 전력 증폭기(power amplifier)의 이득 특성에 의해 결정된다. 어떤 크기에서 다른 크기로의 헤더(head) 변화와 같이 시스템 설계에서 변화는 전 체 관성 및 그 결과로서 개방 루프 이득에서의 큰 변화를 야기할 수 있다. 그러나 이러한 시스템은 전형적으로 완전히 이들의 성능을 평가하기 위해 설계되고 만들어져야 한다.
따라서, 설계 및 한계 회전 모터 시스템을 평가하기 위한 개선된 방법에 대한 요구가 있으며, 더욱 상세하게는, 특정 응용분야에서 최대 성능을 제공하는 한계 회전 모터 시스템의 효율적이고 경제적인 생산에 대한 요구가 있다.
[요약]
본 발명은 구현예에 부합한 한계 회전 모터 시스템의 성능을 시뮬레이션하기 위한 가상 마킹 시스템(virtual marking system)을 제공한다. 가상 마킹 시스템은 명령 발생 유닛(command generation unit), 한계회전 모터 시스템 유닛(limited rotation motor system unit), 및 광학적-기계적 모델링 유닛( optical-mechanical modeling unit)을 포함한다. 명령 발생 유닛은 마크된 패턴(pattern)에 대한 데이터 표현(data representative)을 수용하고, 마크된 패턴을 마킹하기 위한 일련의 명령을 제공하기 위한 것이다. 한계 회전 모터 시스템 유닛은 마크된 패턴을 마킹하기 위한 일련의 명령을 수용하고 광학 소자(optical element)의 가상 위치를 나타내는 광학 소자 응답 신호(optical element response signals)를 제공하기 위한 것이다. 광학적-기계적 모델링 유닛은 광학 소자 응답 신호를 수용하고 마크된 패턴의 가상 상(virtual image)을 제공하기 위한 것이다.
첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 1은 종래 기술의 스캐닝 또는 마킹 시스템를 설명하는 도식도( diagrammatic view)이다.
도 2는 본 발명의 구현예에 부합한 가상 레이저 마킹 시스템에 대한 도식도이다.
도 3a는 마크된 패턴의 도식도를 나타내고, 도 3b는 도 3a에 도시된 패턴을 마크하기 위해 사용될 수 있는 실시간 흐름(real timr current)을 도시한다.
도 4는 만들어지기를 원하는 마크의 각 위치(angular position) 및 시간을 나타내는 그래프이다.
도 5는 만들어지는 실제 마크(actual mark)뿐만 아니라 만들어지기를 원하는 마크의 각 위치(angular position) 및 시간을 나타내는 그래프이다.
도 6은 마킹 작동에 대한 명령 및 위치 콘트롤 순서를 나타내는 도식도이다.
도 7A-7C는 본 발명의 구현예에 부합하는 원하는 마킹 패턴 및 가상 마킹 패턴에 대한 X 위치, Y 위치, 레이저-온(Laser-On) 및 레이저 오프(Laser-Off) 의 시간 차트(timing charts)를 나타내는 도식도이다.
도 8은 본 발명의 구현예와 부합하는 한계 회전 모터 시스템에 대한 수학 모델을 나타내는 도식도이다.
도 9는 본 발명의 구현예와 부합하는 광학적-기계적 모델링 시스템(modeling system)을 나타내는 도식도이다.
상기의 도면은 오직 본 발명의 설명을 위해 제시된다.
부합되는 구현예에서 본 발명은 가상 한계 회전 모터 콘트롤러(virtual limited rotation motor controller)에 입력 명령이 제공되고, 가상 한계 회전 모터 콘트롤러는 가상 모터, 출력 축(output shaft) 및 거울 시스템에 출력 명령을 제공하는 것을 규정한다. 위치 검출 시스템(position detection system)은 레이저가 작동 상태에 있는 시간에서 위치 검출 신호(position detection signals)를 기록하고, 이것에 의해 가상 레이저 마킹 상(virtual laser marking image)을 결정한다.
그러므로, 컴퓨터 모델은 레이저 마킹 시스템을 시뮬레이트(simulate)한다. 가상 광학 마커(virtual optical marker)는 특정 패턴을 주어진 패턴을 마킹하는 다양한 마커(marker)의 실시간 신호와 함께 마크된 패턴의 상(image)으로 표시되도록 전환한다. 도 2는 본 발명의 구현예에 부합하는 시스템의 기능적인 블록 다이아그램을 나타낸다. 시스템(30)은 주어진 다-차원 상(multi-dimensional image)을 레이저 콘트롤 명령과 함께 순차로 거울 위치 명령(mirror position commands)으로 전환하기 위해 패턴 발생(pattern generation)및 레이저 콘트롤을 제공하는 명령 발생 및 레이저 콘트롤 유닛(command generation and laser control unit)(32)을 포함한다. 명령 발생 및 레이저 콘트롤 유닛(32)은 도 2의 33에서처럼 명령 기록(command history) 및 레이저 콘트롤 신호(laser control signal)을 발생한다. 마킹 상(image of the marking)은 레이저 콘트롤 신호(laser control signal), 빔 궤적(beam trajectory), 레이저 타입(laser type) 및 마크된 물질을 결합함으로써 얻어진다.
시스템(30)은 거울 각(mirror angle)을 목표 표면상의 빔 궤적(beam trajectories)으로 전환하기 위해 사용하는 공학적-기계적 모델 또는 구성요소(optical-mechanical models or components)(36) 뿐만 아니라 모터에 의해 구동되는 빔-편향 표면(beam-deflecting surfaces)의 동적 운동을 시뮬레이트 하는 닫힌 루프 구동 시스템(closed loop actuator system)(34)을 또한 포함한다. 레이저 마킹 시스템은 변수 입력 유닛(parameter input unit)(38)를 경유한 고객 가변 스캐닝 변수(customer adjustable scanning parameters) 및 패턴 입력 (40)을 경유하여 마크된 패턴을 수용한다. 닫힌 루프 구동 시스템(closed-loop actuator system)(34)은 42에 표시된 바와 같이 모터 전류, 전원 및 각 위치 궤적(angular position trajectory)을 제공한다.
광학적-기계적 구성요소는 43에 도시된 바와 같이 레이저 빔 궤적을 거울, 렌즈 및 목표(targets) 상에 제공한다. 시스템(30)은 레이저 시스템(44)를 포함할 수 있고, 48에 도시된 바와 같이 마크된 패턴들의 상을 제공한다. 예를 들면, 도 3a는 마크된(52) 패턴의 도식도를 나타내고, 도 3b는 도 3a에 도시된 패턴을 마크하기 위해 사용될 수 있는 실시간 전류(real time current)(54)를 나타낸다.
도 4는 마크를 만들기 위해 이동 주기(move period)(60), 뒤이은 대기 주기(wait period)(62) 동안 각 위치(angular position) 대 시간을 나타낸다. 단독 레이저 콘트롤 신호(independent laser control signal)가 마킹 공정 동안 주어진 시간에서 레이저의 온 및 오프 상태를 나타내는 기록된 데이터 순서로 유도된다. 모터 시스템 모델은 위에서 발생한 입력 명령에 따라 X 및 Y 모터 시스템의 시간 응답을 시뮬레이트 한다. 모터 시스템 모델의 제 1 출력은 각 위치 데이터(angular position data)의 배열 및 이에 대응하는 시간 값들에 의해 표현되는 X 및 Y 거울의 각 배치(angular displacement)이다. 모터 시스템으로부터 추가 출력은 실시간 모터 전류(real time motor current) 및 모터 시스템의 전력 손실(power dissipation)을 포함한다. 도 5는 실제 각 위치(66) 뿐 아니라 도 4에서 도시된 마킹 명령에 응답하는 원하는 각 위치(64)를 나타낸다.
레이저 빔의 광학 경로가 주어진 직경의 레이저 빔, 한정된 특성(defined characteristics)을 구비한 광학 렌즈 및 거울, 렌즈 및 목표 표면 중에서 상대적인 위치를 포함하여 도 1에서처럼 도시될 수 있다. 거울, 렌즈 및 목표 표면상의 광도 분포(light intensity distributions)는 공지되어 있다. 레이저 빔은 가우스 세기 패턴(Gaussian intensity pattern)에 의해 모델링 되고, 빔의 경로를 따라 전파된다.
레이저 콘트롤 신호 및 거울 위치 궤적을 결합함으로써, 거울, 렌즈 및 목표 표면상의 레이저 광도 윤곽 궤적(laser light intensity profile trajectories)이 수학적으로 만들어질 수 있다. 이어서, 마크된 상(marked image)은 마킹 공정 동안 표면 물질과 레이저 세기 변화(laser intensity changes) 사이의 상호 작용 결과로서 목표 표면상에 형상 및/또는 물질 특성 변화에 의해 얻어진다.
고객 가변 스캐닝 변수는 마킹 동안 레퍼런스 빔(reference beam)의 속도인 마크 속도(mark speed)(MS), 각 마킹의 종료점(end of each marking)에서 대기 기간인 마크 지연(mark delay)(MD), 점프 동안 레퍼런스 빔의 속도인 점프 속도(jump speed)(JS),각 점프의 종료점(end of each jump)에서 대기 기간인 점프 지연(jump delay)(JD), 레퍼런스 마킹의 시작 및 레이저 빔의 작동 사이의 시간 차인 레이저-온 지연(laser-on delay)(L-ON), 및 레퍼런스 마킹의 종료점 및 레이저 빔의 작동 중단 사이의 시간 차인 레이저-오프 지연(laser-off delay)(L-OFF)을 포함한다.
작동 동안, 마크된 특정패턴은 먼저 레이저 빔의 위치(laser beam positions) 순서로 전환된다. 다음으로, 마킹 속도, 마크 지연, 점프 속도 및 점프 지연을 포함한 사용자의 특정 마킹 변수를 사용하여 원하는 레이저 빔 위치를 X 및 Y 축 거울(X and Y axis mirror)의 각 위치들로 전환시킨다. 원하는 거울 각 위치 명령(mirror angular position commands)은 위치 값(position values)의 배열과 이에 대응하는 시간(time values)과 함께 표현된다. 예를 들면, 도 6은 시작점에서 레이저가 출발하고, 이어서 x 축 상만을 따라 마크하고(2), 이어서, x축을 따라 반대방향으로 및 y축의 위로 마크하고(3), 및 이어서 시작점으로 돌아오는(4) 마킹 표면상에 만들어지는 삼각형(68)의 마크를 나타내는 도식도이다.
마크된 패턴이 원하는 거울 위치의 궤적과 함께 이에 대응하는 마크 및 점프 통제로 한정될 수 있다. 예를 들면, 아래 표 1에 도시된 패턴 데이터는 도 6에 도시된 것처럼 점프를 상기 필드의 시작점으로 나타내고 뒤이어 삼각형(68)의 마킹이 표시된다.
표 1
X 위치 Y 위치 통제(control)
0 0 점프(Jump)
2 0 마크(Mark)
1 2 마크
0 0 마크
명령 발생 및 레이저 콘트롤 유닛(command generation and laser control unit)(32)은 패턴을 사용자의 한정된 스캐닝 변수 즉, MS, MD, JS, JD, 레이저-온 및 레이저-오프를 사용하여 스캔 헤드(scan head)에 대해 위치명령으로 전환한다.
이들 명령은 X축 Y축 양쪽의 레퍼런스 거울 위치의 찍혀진 시간 순서(time-stamped sequence)에 의해 표현된다. 레이저 온/오프 콘트롤의 순서는 또한 레이저-온 및 레이저-오프 콘트롤 변수를 사용하여 발생된다. 상기 변수들 사이에 존재하는 다음의 관계를 주목하여야 한다 :
MS*MS=MSx*MSx + MSy*MSy 및 JS*JS=JSx*JSx + JSy*JSy.
명령 및 레이저 콘트롤 신호에 대한 대응하는 수학식은 아래와 같이 유도된다. 마킹 작업은 일련의 마크 및 점프 명령을 포함한다. 마킹 표면상의 점 A(xl, yl)에서 점 B(x2, y2)로의 t0에서 점프에 대해서, 작동기간은 T이고, 여기서 T=L/JS + JD 이고, 여기서 L은 A와 B사이의 거리이고 다음과 같이 정의된다.
Figure 112006060075378-PCT00001
x 축 및 y 축에 대한 명령(command)이 시간의 함수 X(t) 및 Y(t)로서 정의된다.
Figure 112006060075378-PCT00002
x 명령의 속도 JSx(the speed of x command JSx) 및 y 명령의 속도 JSy(the speed of y command JSy)가 아래 식의 해(solution)이다.
JSx2 + JSy2 = JS2
및 │x2 - x1│/JSx = │y2 - y1│/JSy
레이저 콘트롤 신호(laser control signal) LASER(t)는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112006060075378-PCT00003
여기서 LaserON 및 LaserOFF는 각각 레이저-온 및 레이저-오프의 주기이다.
유사하게, 마킹 표면상의 점 A(xl, yl)에서 점 B(x2, y2)로의 t0에서 마크(mark)에 대해서, 작동기간은 T이고, 여기서 T=L/MS + MD 이고, 여기서 L은 A와 B사이의 거리이고 다음과 같이 정의된다.
Figure 112006060075378-PCT00004
x 축 및 y 축에 대한 명령(command)이 시간의 함수 X(t) 및 Y(t)로서 정의된다.
Figure 112006060075378-PCT00005
x 명령의 속도 MSx(the speed of x command MSx) 및 y 명령의 속도 MSy(the speed of y command MSy)가 아래 식의 해(solution)이다.
MSx2 + MSy2 = MS2
및 │x2 - x1│/MSx = │y2 - y1│/MSy
레이저 콘트롤 신호(laser control signal) LASER(t)는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112006060075378-PCT00006
도 7a-7c는 도 6에 도시된 마크를 형성하기 위해 사용된 명령을 나타낸다. 도 7a는 x축을 따르고 마킹 시간 주기(marking time period)를 넘어서는 명령 70을 나타내고, 도 7b는 y축을 따르고 마킹 시간 주기를 넘어서는 명령 72를 나타내고, 도 7c는 마킹 시간 주기를 따르는 명령 74, 레이저-온(Laser-On) 및 레이저-오프(Laser-Off)를 나타낸다.
X 및 Y 거울의 위치는 모터 시스템의 닫힌 루프시스템 모델을 사용하여 생성된다. 광학 스캐너의 시간 응답을 시뮬레이팅 하기 위한 목적으로 이 시스템 모델을 표현하는 다른 방법들이 있다. 이들은 일련의 미분/차분 방정식, 전달함수(transfer functions), 상태 공간 매트릭스(state space matrices), 주파수 응답 데이터(frequency response data), 및 아래에 논의되는 모델과 같이 그래픽 시스템 모델(graphical system models)을 포함한다.
특히, 7a에 도시된 바와 같이, x축을 따르는 레이저 명령 순서(laser command sequence)는 초기에 제로로 점프(jump)하고(72에 도시된 것처럼) 이어서 점프 지연(74) 동안 대기한다. 이어서 이 시스템은 마크 속도(mark speed)로 x 방향으로 마킹을 요구한다(76에 도시된 것처럼). 이어서 마크 지연(78)이 발생하고, 뒤이어 x 축을 따라 역방향으로 마킹(80)이 일어난다. 또 다른 마크 지연(82)이 발생하고, 뒤이어 마킹 속도로 x 축으로 마킹(84)이 계속된다.
7b에 도시된 바와 같이, y축을 따르는 레이저 명령 순서(laser command sequence)는 초기에 제로로 점프하고(92에 도시된 것처럼) 이어서 점프 지연(94) 동안 대기한다. 이어서 이 시스템은 마크 속도로 y 방향으로 마킹을 요구한다(96에 도시된 것처험). 이어서 마크 지연(98)이 발생하고, 뒤이어 y 축을 따라 반대방향으로 마킹(100)이 일어난다. 또 다른 마크 지연(102)이 발생하고, 뒤이어 마킹 속도로 y 축으로 마킹(104)이 이어진다. 도 7c에서 112에 도시된 바와 같이, 레이저-온 신호가 있은 후에 짧은 지연이 발생하고, 도 7c에서 114에 도시된 바와 같이, 레이저-오프 신호가 있은 후에 짧은 지연이 발생한다.
도 7a는 70 및 90에 도시된 x축 및 y축 명령에 대해 응답하는 시뮬레이트된 특정 한계 회전 모터 시스템의 시간 응답을 나타낸다. x축에 대한 시뮬레이트된 시간 응답이 120에 도시되고 y축에 대한 시뮬레이트된 시간 응답이 122에 도시된다.
닫힌 루프 모터 시스템(34)의 수학적 모델은 물리법칙으로 유도될 수 있거나 실제 시스템 측정(real system measurements)으로 확인되거나, 또는 이들 의 결합으로도 형성될 수 있다. 이 모델의 목적은 명령 발생 및 레이저 콘트롤 시스템(32)에 의해 생성된 명령 신호로 명령을 받게 될 때 모터 시스템의 동적 응답을 시뮬레이트 하기 위한 것이다. 예를 들면, 도 8은 본 발명의 구현예에 부합하는 한계 회전 모터 시스템의 수학적 모델(120)의 도식도를 나타낸다. 모델(120)은 콘트롤러(controller)(122)의 표현(representation), 및 모터(124)의 표현을 포함한다. 컨트롤러(122)는 비례 유닛(proportional unit)(126), 적분 유닛(integral unit)(128), 미분 유닛(derivative unit)(130)을 포함한다. 콘트롤러(122)는 피드백 신호뿐만 아니라 입력 명령 신호를 수신한다. 모터(124)는 콘트롤러의 출력을 수신하고, 거울 위치를 제공한다. 도시된 것처럼,위치 변환기(position transducer)가 모터(124)에 사용되어 위치 피드백을 콘트롤러(122)의 입력부로 제공한다.
예를 들면, 한계 회전 모터는 아래의 미분 방정식으로 표현될 수 있다.
Figure 112006060075378-PCT00007
여기서, x는 거울의 각 변위(angular displacement), i는 구동 전류, k는 모터의 토크 상수이다. 이에 대응하는 전달함수는
X(s)/I(s)=k/s2
여기서 X 및 I는 각각 위치 x 및 i의 라플라스 변환이다.
광학적-기계적 구성요소(36)는 주어진 거울 위치를 마킹 표면상의 레이저 빔의 위치로 전환한다. 이것은 레이저 빔을 공간상에서 레이저 소스로부터 일련의 평행선으로 레이저 빔을 모델링 함으로써 행해진다. 이어서 거울은 공간에서 평면으로서 모델링 된다. 첫째, 촛점 렌즈로 도달하는 빔(beam)은 x 및 y거울 위치에 의해 한정된 두 평면에 의해 반사된 선(lines)으로서 계산된다. 다음에, 마킹 표면상의 빔 위치 및 형상은 사용된 렌즈를 결정하는 광학 방정식을 사용하여 계산될 수 있다. 예를 들면, 표준 렌즈이면, 입력 및 출력 빔은 코사인 룰(rule)을 따르고, F-세타 렌즈(F-theta lenses)이면, 출력 빔 각(out beam angle)은 입력 빔(in beam)의 각에 비례한다. 레이저 콘트롤은 빔 스팟(beam spot)이 마킹 표면상에 형성되는지를 결정하는 데 사용된다.
빔 위치가 어떻게 결정되는지에 대한 예로서, 아래의 두 개의 거울, M1 와 M2, 및 입력 빔 L1과 출력 빔 L3의 경우를 고려하도록 한다. 첫째, 공간상에서 거울을 평면 M1 및 M2로서 표현하고, 입력 빔 L1을 공간상에서 직선으로 표현한다. 주어진 거울 위치로 출력 빔 L3의 빔 위치를 찾는 문제는 선 L3의 직선 방정식을 유도한다. 거울 평면 M1의 식을
Figure 112006060075378-PCT00008
두고, 여기서 (x1, yl, zl), (x2, y2, z2), 및 (x3, y3, z3)는 평면 M1이 지나가는 공간상의 알려진 점이다. 입력 빔(incoming beam) LI의 식은
Figure 112006060075378-PCT00009
가 되고, 여기서 (x4,y4,z4) 및 (x5, y5, z5)는 직선 L1이 지나가는 알려진 두 점이다.
도 9의 140에 도시된 것처럼, 평면 M1 및 선 L1사이에서 아래의 방정식을 풀어서 빔 L1이 교차하는 거울 M1상의 지점인 교차점 B를 결정하게 된다.
Figure 112006060075378-PCT00010
여기서
Figure 112006060075378-PCT00011
M1 상의 A의 반사점, A'는
Figure 112006060075378-PCT00012
에 의해 계산된다. 여기서, D는 점 A와 평면M1 사이의 거리이고, n은 평면 M1의 방향 벡터(directional vector)이고, 이것은 M1의 식으로부터 직접 유도될 수 있다.
만약, 점 B 및 A'가 계산된다면, 반사 선(reflecting line) L2는 도 9의 142에서 도시된 B 및 A'의 좌표에 의해 규정된다. 유사하게, 도 9에서 도시된 것처럼, 144에서 도시된 빔 L3이 점 C 및 B'에 의해 계산될 수 있다.
이어서, 마킹 표면상의 레이저 스팟의 궤적은 마킹 상을 형성하기 위해 사용된다. 이것은 마킹의 전체 과정 동안 마킹 표면의 주어진 영역에 도달하는 모든 빔의 빔 스팟의 선형 중첩(linear superposition)에 의해 행해진다. 수학적으로, 다차원 합성변환(multidimensional convolution)으로 얻어진다. 예를 들면, 2D의 경우, 우리는 각 소자의 인덱스에 대응하는 지점에서 빔의 세기를 표현하는 소자를 가진 행렬에 의해 빔의 세기 분포를 나타낼 수 있다.
Figure 112006060075378-PCT00013
빔 중심에서 주어진 궤적에 대해,
Figure 112006060075378-PCT00014
레이저 빔 세기에 대한 궤적은
Figure 112006060075378-PCT00015
로 계산될 수 있다.
상기의 가상 마킹 시스템은 예를 들면, 레이저 마킹과 같은 특정한 응용분야에서 사용될 때, 한계 회전 모터 시스템의 계속중인 성능을 평가하기 위해 사용될 수 있다.
당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자는 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어남이 없이 수많은 변경 및 수정이 본원에서 개시된 구현예에 의해 만들어질 수 있음을 이해하여야 한다.

Claims (21)

  1. 한계 회전 모터 시스템(limited rotation motor system)의 성능을 시뮬레이팅하기 위한 가상 마킹 시스템(virtual marking system)에 있어서,
    마크된 패턴의 데이터 표현을 수용하고 마크된 패턴을 마킹하기 위한 일련의 명령을 제공하는 명령 발생 수단(command generation means) ;
    마크된 패턴을 마킹하기 위한 일련의 명령을 수용하고 광학 소자(optical element)의 가상 위치를 나타내는 광학 소자 응답 신호(optical element response signals)를 제공하는 한계 회전 모터 시스템 수단(limited rotation motor system means) ; 및
    광학 소자 응답 신호를 수용하고 마크된 패턴의 가상 상(virtual image)을 제공하는 광학적-기계적 모델링 수단(optical-mechanical modeling means)
    을 포함하는 가상 마킹 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 명령 발생 수단은 가상 마킹 시스템에 관한 일련의 가변 변수(adjustable parameters)를 수용하는 것을 특징으로 하는 가상 마킹 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 변수는 마크 속도(mark speed), 마크 지연(mark delay), 점프 속도(jump speed), 점프 지연(jump delay), 레이저-온 지연(laser-on delay), 및 레이저-오프 지연(laser-off delay)을 표현하는 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 마킹 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 한계 회전 모터 시스템은 모터 전류의 데이터 표현을 제공하는 것을 특징으로 하는 가상 마킹 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 한계 회전 모터 시스템은 모터 전원의 데이터 표현을 제공하는 것을 특징으로 하는 가상 마킹 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 한계 회전 모터 시스템은 각 위치(angular position)의 데이터 표현을 제공하는 것을 특징으로 하는 가상 마킹 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 한계 회전 모터 시스템은 궤적(trajectory)의 데이터 표현을 제공하는 것을 특징으로 하는 가상 마킹 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 광학적-기계적 모델링 수단은 마크된 패턴의 가상 상(virtual image)의 그래픽 표현(graphic representation)을 제공하는 것을 특징으로 하는 가상 마킹 시스템.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 한계 회전 모터 시스템은 X 스캐너 모터(X scanner motor) 및 Y 스캐너 모터(Y scanner motor)에 대한 수학적 모델링을 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 마킹 시스템.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 가상 마킹 시스템이 한계 회전 모터 시스템에 사용되는 것을 특징으로 하는 가상 마킹 시스템.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 한계 회전 모터 시스템이 실제 레이저 마킹(actual laser marking)용으로 사용되는 것을 특징으로 하는 가상 마킹 시스템.
  12. X-Y 한계 회전 모터 시스템(X-Y limited rotation motor system)의 성능을 시뮬레이팅하기 위한 가상 마킹 시스템에 있어서,
    2차원 상에서 마크된 패턴의 데이터 표현을 수용하고 마크된 패턴을 마킹하기 위한 일련의 명령을 제공하는 명령 발생 수단(command generation means) ;
    마크된 패턴을 마킹하기 위한 일련의 x 방향 명령(x direction commands)을 수용하고 광학 소자(optical element)의 가상 위치를 나타내는 x-방향 광학 소자 응답 신호(x-direction optical element response signals)를 제공하는 X-한계 회전 모터 시스템 수단(X-limited rotation motor system means) ;
    마크된 패턴을 마킹하기 위한 일련의 y 방향 명령(y direction commands)을 수용하고 광학 소자(optical element)의 가상 위치를 나타내는 y-방향 광학 소자 응답 신호(y-direction optical element response signals)를 제공하는 Y-한계 회 전 모터 시스템 수단(Y-limited rotation motor system means) ;
    x-방향 광학 소자 응답 신호 및 y-방향 광학 소자 응답 신호를 수용하고, 마크된 패턴의 가상 상(virtual image)을 제공하는 광학적-기계적 모델링 수단(optical-mechanical modeling means)
    을 포함하는 가상 마킹 시스팀.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 명령 발생 수단은 가상 마킹 시스템에 관한 일련의 가변 변수를 수용하는 것을 특징으로 하는 가상 마킹 시스템.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 변수는 마크 속도(mark speed), 마크 지연(mark delay), 점프 속도(jump speed), 점프 지연(jump delay), 레이저-온 지연(laser-on delay), 및 레이저-오프 지연(laser-off delay)을 표현하는 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 마킹 시스템.
  15. 제 12항에 있어서, 상기 한계 회전 모터 시스템은 모터 전류의 데이터 표현을 제공하는 것을 특징으로 하는 가상 마킹 시스템.
  16. 제 12항에 있어서, 상기 한계 회전 모터 시스템은 모터 전원의 데이터 표현을 제공하는 것을 특징으로 하는 가상 마킹 시스템.
  17. 제 12항에 있어서, 상기 한계 회전 모터 시스템은 각 위치(angular position)의 데이터 표현을 제공하는 것을 특징으로 하는 가상 마킹 시스템.
  18. 제 12항에 있어서, 상기 한계 회전 모터 시스템은 궤적(trajectory)의 데이터 표현을 제공하는 것을 특징으로 하는 가상 마킹 시스템.
  19. 제 12항에 있어서, 상기 광학적-기계적 모델링 수단은 마크된 패턴의 가상 상(virtual image)의 그래픽 표현(graphic representation)을 제공하는 것을 특징으로 하는 가상 마킹 시스템.
  20. 제 12항에 있어서, 상기 한계 회전 모터 시스템은 X 스캐너 모터(X scanner motor) 및 Y 스캐너 모터(Y scanner motor)에 대한 수학적 모델링을 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 마킹 시스템.
  21. 한계 회전 모터 시스템의 성능을 시뮬레이팅하는 방법에 있어서, 상기 방법은 다음을 포함한다.
    마크된 패턴의 데이터 표현을 수용하는 단계 ;
    마크된 패턴을 마킹하기 위한 일련의 명령을 제공하는 단계 ;
    마크된 패턴을 마킹하기 위한 일련의 명령을 수용하는 단계 ;
    광학 소자의 가상 위치를 표현하는 광학 소자 응답 신호(optical element response signals)를 제공하는 단계 ;
    광학 소자 응답 신호를 제공하는 단계 ; 및
    마크된 패턴의 가상 상(virtual image)을 제공하는 단계.
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